CN101825764B - 光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测在一个监控区域中的目标(2)的光学传感器(1)，具有：一发射发送光束(4)的发送器(5)；一接收接收光束(7)的接收器(8)；一分析处理单元(10)，在该分析处理单元中根据接收器(8)输出端上的接收信号生成一目标确定信号；一设置在所述发送器(5)下游的发送光学系统(6)，该发送光学系统用于所述发送光束(4)的射束成形。发送光学系统(6)直接连接至所述发送器(5)并且具有一聚焦器(15)，该聚焦器构成用于发送光束(4)的光导元件。为此在聚焦器(15)的壳面(17)上进行发送光束(4)的全反射。在此，聚焦器的配置给发送器(5)的端侧被构造为用于发送光束(4)的输入耦合面(16)。在聚焦器(15)的背离发送器(5)的端侧上设置一出射面(18)，该出射面构成用于发送光束(4)的射束成形装置。在按照DE 10 2008 014 349的光学传感器(1)的进一步方案中，所述输入耦合面(16)限定一漏斗状的空心空间(23)，该空心空间在所述聚焦器(15)的端侧上终止。

Description

光学传感器

技术领域

本发明涉及一种光学传感器。

背景技术

这种光学传感器用于检测在一个监控区域中的目标。这种光学传感器一般可构成为光探测器、距离传感器、反射光势垒、光势垒及类似装置，其一般具有一个发射发送光束的发送器、一个接收接收光束的接收器以及一个分析处理单元，在该分析处理单元中由接收器的接收信号生成目标确定信号。接收器可以具有一个单个的、接收接收光束的接收元件或者也可以具有此类接收元件的多重设置。

典型的是在这种光学传感器的发送器上游设置一发送光学系统，该发送光学系统用于发送光束的射束成形。在最简单的情况下，此类发送光学系统由一个单个的透镜组成，该透镜与发送器以预给定的间距设置。视该透镜的焦距并且视该透镜与发送器的间距而定，通过该透镜引导的发送光束聚焦于一个确定的点上或者产生准直的光束。

被这样构成的发送光学系统的第一问题在于，由于例如可由发光二极管构成的发送器的发散的辐射特性，始终有一定部分的发送光没有被引导至与发送器有间距地设置的发送光学系统上，因此所述发送光的该部分没有被用来检测目标。为了克服该问题，已经尝试使用具有两个先后相继设置的透镜的发送光学系统，其中，第一透镜与发送器间距小地设置并且用于捕获来自发送器的、尽可能多的发送光，以便将该发送光供应给位于其后的第二透镜，该第二透镜然后进行发送光束的实际的射束成形。在此，缺点是，第一透镜也必须相对于发送器以显著的间距设置，从而在这种情况下由发送光学系统也仅仅捕获发送光的小的、不期望的部分并且将其用于目标检测，由此，降低了该光学传感器的指示灵敏度。此外，缺点是，为了构造发送光学系统必须使用两个单独的透镜，它们必须向着发送器并且彼此相对定向并且然后被固定位置。

如果应当用此类发送光学系统产生特殊的射束横截面、特别是正方形或矩形的射束横截面，则会出现另一问题。因为用该发送光学系统的透镜始终产生圆形或椭圆形的射束横截面，所以必须设置遮光板作为该发送光学系统的附加元件。但是此类遮光板的使用进一步降低了可供用于检测目标的光量，这进一步降低了该光学传感器的指示灵敏度。

DE102008014349涉及一种用于检测在一个监控区域中的目标的光学传感器，其具有一个发射发送光束的发送器、一个接收接收光束的接收器、一个分析处理单元（在该分析处理单元中根据接收器输出端上的接收信号生成目标确定信号）和一个设置在该发送器下游的发送光学系统，该发送光学系统用于所述发送光束的射束成形。发送光学系统直接连接至发送器并且具有一个聚焦器，该聚焦器构成用于发送光束的光导元件。为此，在聚焦器的壳面上进行发送光束的全反射。在此，聚焦器的配置给发送器的端侧构造成用于发送光束的输入耦合面。在聚焦器的背离发送器的端侧上设置一个出射面，该出射面构成用于发送光束的射束成形机构。

借助这样构成的发送光学系统以简单的方式实现光学传感器的指示灵敏度的显著提高，因为直接坐置于发送器上的聚焦器几乎接收发送器的全部发送光并且将其用于射束成形，也就是说，与传统的、单个透镜形式的发送光学系统相比显著降低了光学损失。

在此关键是，纵轴线有利地与发送器的光学轴线重合的聚焦器通过发送光束在其壳面上的全反射将全部的发送光引导至其内空间中，其中，通过壳面的适当造型已经以期望的方式预给定或至少影响射束成形。

特别有利的是，壳面具有抛物线的形状。此外，所述壳面也可以以自由形态面或柱面构成。

一般来说，聚焦器的壳面被这样构成，使得在该壳面上进行发送光束的全反射，由此保证的是，仅仅少部分的发送光束经由该壳面射出。

通过壳面的镜面化甚至可完全防止发送光经由该壳面的射出。

由此实现的是，发送器的几乎全部发送光在聚焦器中被引导并且经由聚焦器的出射面射出，从而其可供用于检测目标。

另一重要的优点在于，通过出射面的预给定能够以有利的方式预给定射束横截面。这特别是意味着，不再需要作为独立构件的、用于射束成形的遮光板，所述遮光板导致可供用于检测目标的发送光的不期望的减少。

由此，与在单个透镜旁边使用遮光板的发送光学系统相比，一方面改善了可利用的发送光的效益并且同时显著降低了发送光学系统的部件数量并且由此显著降低了用于制造该发送光学系统的装配耗费。

在此，发送光学系统的聚焦器特别有利地由合成材料注射成形件构成，所述合成材料注射成形件可成本有利且经济地制造。

通过出射面的适当构造可灵活地预给定发送光束的射束轮廓。特别有利的是，聚焦器为了生成具有矩形或正方形射束横截面的发送光束而具有托力克出射面。

有利的是，输入耦合面本身构成光学元件并且为此被构造为凸面、特别是被构造为球面，其直接连接至发送器。由此，发送光束由发送器特别完全地耦合输入到聚焦器中。

特别是对于本发明的发送光学系统的聚焦器不具有镜面化的面的情况需注意的是，聚焦器这样地支承在光学传感器的内部，使得其壳面不大面积地与其他物体接触，因为否则发送光将经由接触位置从聚焦器射出。

为此，为了发送光学系统的位置固定而设置一个保持装置，该保持装置具有点状或线状的接触元件，所述接触元件靠触在聚焦器的壳面上。优选该保持装置构成该聚焦器的三点支承装置。

由此，因为该保持装置仅仅点状地靠触在所述壳面上，所以保证的是，发送光的仅仅很少的份额经由接触位置射出，保持装置的接触元件在所述接触位置上靠触在聚焦器的壳面上。

发明内容

本发明的目的在于，在功能性方面进一步改善DE102008014349的光学传感器。

为了实现所述目的，本发明提出了一种光学传感器，用于检测监控区域中的目标并且包括一个发射发送光束的发送器、一个接收接收光束的接收器、一个分析处理单元（在该分析处理单元中根据接收器输出端上的接收信号生成目标确定信号）和一个设置在发送器下游的发送光学系统，该发送光学系统用于发送光束的射束成形。发送光学系统直接连接至发送器并且具有一个聚焦器，该聚焦器构成用于发送光束的光导元件。为此，在聚焦器的壳面上进行发送光束的全反射。聚焦器的配置给发送器的端侧构造成用于发送光束的输入耦合面。在聚焦器的背离发送器的端侧上设置一个出射面，该出射面构成用于发送光束的射束成形机构。输入耦合面限定一个漏斗状的空心空间，该空心空间在聚焦器的端侧上终止（ausmünden）。

通过输入耦合面的按照本发明的构造（即其限定一个漏斗状的空心空间），由发送器发射出的寄生发送光束可被屏蔽，所述寄生发送光束导致发送光点的模糊，也就是说导致发送光点的不清晰的边缘区域。

由此，利用本发明的光学传感器在目标检测之处产生清晰限定的发送光点，由此实现该光学传感器的高指示灵敏度。

在此，通过聚焦器几何结构的适当的尺寸确定可以可变地预给定发送光点的几何结构（即发送光束的射束横截面）并且使其与光学传感器的当时应用相匹配。特别是可以产生发送光束的正方形的发送光点。

聚焦器在此优选关于其纵轴线旋转对称地构成。

有利的是，输入耦合面具有一个端面和一个关于聚焦器的纵轴线旋转对称的壳面段，该端面的法向矢量与聚焦器的纵轴线重合。

由此，从发送器射出的发送光束经由该壳面段从聚焦器中输出耦合并且由此被屏蔽，所述发送光束的射束轴线相对于聚焦器的纵轴线以一个大于一选择角度的角度延伸。

由此，借助简单的手段生成发送光束的清晰限定的、不模糊的发送光点。

如果发送器具有一个漏斗状反射器，在该漏斗状反射器的底部上设置至少一个发射发送光束的发射元件的话，则聚焦器的该构造被证明特别是有利的。

在这种布置中，虽然由发送元件发射出的发送光束的大部分直接到达聚焦器并且在该聚焦器中沿着该聚焦器的纵轴线被引导，从而被这样引导的发送光束在从聚焦器中射出之后形成用于目标检测的发送光集束，但是也出现寄生发送光束，所述寄生发送光束由发送元件发射并且只有当在漏斗状反射器的壁上反射之后才耦合输入到聚焦器中。该寄生发送光束的射束轴线相对于聚焦器的纵轴线以一个大于所述选择角度的角度延伸并且通过输入耦合面的几何结构被完全屏蔽，从而使得从聚焦器中导出的发送光束具有清晰限定的发送光点。

在最简单的情况下，发送器具有仅仅一个单个的、在漏斗状反射器中的发送元件。

作为替代方案，发送器具有多个并排布置的发送元件，其中，这些发送元件发射不同颜色的发送光束。

这样构成的光学传感器于是有利地构成一个对比度探测器，借助其可以在目标上进行对比度区分。

附图说明

以下将借助附图来描述本发明。附图为：

图1：是一个光学传感器示意图；

图2：是按照DE102008014349的图1中的光学传感器的发送器和发送光学系统的实施方式的示图；

图3：是用于图2中的发送光学系统的保持装置的横截面图；

图4：是本发明的发送光学系统的第一实施例的视图，其具有配属的、用于图1中的光学传感器的发送器；

图5：是本发明的发送光学系统的第二实施例的视图，其具有配属的、用于图2中的光学传感器的发送器。

具体实施方式

图1示意性示出一个用于检测在监控区域中的目标2的光学传感器1的结构。在本例中，该光学传感器1构造成光探测器、特别是对比度探测器。原则上，该光学传感器也可构造成距离传感器、光垒、反射光垒或类似装置。

图1中的光学传感器具有一个传感器壳体3，在该壳体中设有一个发射发送光束4的发送器5和一个接收接收光束7的接收器8，该发送器具有配属的发送光学系统6并且该接收器具有配属的接收光学系统9。在本例中，发送器5由发光二极管构成。原则上该发送器5也可以由激光二极管构成。接收器8可以由一个单个的接收元件例如光敏二极管构成。作为替代方案，接收器8可以具有多个接收元件。发送光学系统6用于所述发送光束4的射束成形。接收光学系统9用于使所述接收光束7聚焦到接收器8上。

由发送器5发射出的发送光束4被引导至所述监控区域中并且碰到待检测的目标2上。所述发送光束4被作为接收光束7从该目标反射回接收器8。在此生成的接收信号在一个分析处理单元10中被分析处理，该分析处理单元也集成在该传感器壳体3中。该分析处理单元10由微处理器或类似装置构成。在该分析处理单元10中例如通过阈值评价生成目标确定信号。该目标确定信号通过光学传感器1的未示出的输出端被输出。

图2示出用于图1中的按照DE102008014349的光学传感器1的发送器5和配属的发送光学系统6的实施方式。由发光二极管构成的发送器5集成在壳体11中，在该壳体的前壁中设有一个窗12，该窗也可以构造成透明的浇注块的形式。发送光束4由芯片13形式的发送元件13发射，该芯片被一个漏斗状反射器14包围。由发送元件13发射出的发送光直接地或在漏斗状反射器14上反射之后从该发送器5中导出。发送器5的由此生成的发送光束4一般具有发散的射束特性。

发送光学系统6具有聚焦器15，该聚焦器以透明的合成材料注射成形件的形式构成。如从图2中可看出的那样，聚焦器15被直接这样地安放在发送器5上，使得该聚焦器15的纵轴线A与该发送器5的光学轴线重合。

在聚焦器15的向着发送器5的端侧上设有一个输入耦合面16，由发送器5发射出的发送光束4经由该输入耦合面输入耦合到聚焦器15中。在本例中，输入耦合面16凹面地构成并且由此形成一光学元件，发送光束4借助该光学元件导入到聚焦器15中。输入耦合面16在此构造成球面。作为替代方案，输入耦合面16也可以构造为非球面或者构造为自由形态面。一般来说重要的是，聚焦器15以该输入耦合面16直接连接至发送器5并且在此优选覆盖所述窗12的整个面，从而所有发送光束4或至少几乎所有发送光束4经由该输入耦合面16被输入耦合到聚焦器15中。

发送光束4于是在该聚焦器15内部在其纵轴线A的方向上被引导。聚焦器15的壳面17被这样成形，使得在该壳面上进行发送光束4的全反射，由此保证的是，几乎没有发送光经由该壳面17射出。特别有利的是，该壳面17被镜面化，从而不再有发送光束4经由该壳面射出。

聚焦器15的壳面17被这样构成，使得得到发送光束4在聚焦器15中的完全引导。此外，壳面17的造型也对于发送光束4的射束成形做出贡献。在本例中，壳面17具有抛物线的形状。原则上，壳面17可以具有至少区段地圆柱形的形状。此外，壳面17可以被构造为自由形态面。

在聚焦器15的背离发送器5的端侧上设有一个出射面18，发送光束4经由该出射面被从聚焦器15中导出。通过出射面18的特殊造型，发送光束4的射束轮廓可以被精确设置。在本实施例中，出射面18具有复曲面的形状。利用这样构成的出射面18可以在不使用附加的光学元件如遮光板及类似装置的情况下产生射束横截面为正方形或矩形的发送光束4。一般来说，出射面18也可以由其他的凸面如球面、非球面或自由形态面构成。

在图2中示出壳面17上的总共三个线中的两个，这些线构成用于支撑保持装置20的元件的支撑线19，该保持装置在图3中以横截面图示出。

构成发送光学系统6的聚焦器15借助该保持装置20位置固定地支承在所述光学传感器1的传感器壳体3中，从而该聚焦器在规定的额定位置中相对于同样位置固定地支承在传感器壳体3中的发送器5定位。

图3中的保持装置20构成用于聚焦器15的三点支承装置。该保持装置20具有环形的接收部21，三个相同构造的接触元件22从该接收部的内侧突出。这些接触元件22在该接收部21的圆周方向上分别彼此错位120°设置。这些接触元件22线形地构成，其中，其彼此平行延伸的纵轴线A垂直于图3中的图纸平面取向。这些接触元件22分别具有两个侧面，所述侧面向着一个前棱边延伸。保持装置20的接触元件22以所述前棱边沿着所述支撑线19靠触在聚焦器15的壳面17上。由此，因为这些接触元件22仅仅是线形的，在聚焦器15的壳面17上不会形成大面积的支撑面，所以保证的是，在那里仅仅很少份额的发送光束4射出。

图4和5示出本发明聚焦器15的两个实施方式，其作为所述光学传感器1的发送光学系统6的组成部分并且具有分别配属的发送器5。

图4和5的聚焦器15类似于图2的实施方式具有一个壳面17和一个凸面的出射面18。聚焦器15本身关于其纵轴线A旋转对称地构成并且优选由合成材料注射成形件构成。在壳面17上进行发送光束4的全反射，其中，为此壳面17可以被镜面化或者粗糙化。通过出射面18的该特殊构造可以获得发送光束4的特殊的射束横截面，即发送光点的特殊形状。特别是可以产生正方形的发送光点。图4或5中的聚焦器15的外轮廓优选相应于图2中的实施方式。

类似于图2中的实施方式地，在图4或图5中的聚焦器15的情况下设有支撑线19，按照图3的保持装置可安放在所述支撑线上。

与图2中的实施方式的不同之处在于，在图4或图5中的聚焦器15的情况下输入耦合面16限定一个漏斗状的空心空间23，该空心空间在聚焦器15的向着发送器5的端侧终止。

输入耦合面16在此被划分为一个端面16a以及一个壳面段16b，所述端面限定空心空间23的底部并且其法向矢量与聚焦器15的纵轴线A重合，所述壳面段侧向地限定所述空心空间23。

在本例中，空心空间23具有锥形的、向着端面16a缩细的形状，其中，该空心空间23的横截面为梯形。原则上，该空心空间23的壳面段16b也可以具有曲率。

通过输入耦合面16的该构造，由发送器5发射出的、远轴线（即相对于聚焦器15的纵轴线A以大角度延伸）的发送光束4被有目的地屏蔽，从而仅仅是近轴线的发送光束4对于清晰限定的发送光点的形成做出贡献。

借助于图4中的实施例示出这一点。在该实施方式的情况下设置一发送器5，该发送器集成在一壳体11中。在该壳体11中设有一个漏斗状反射器14，一个呈发光二极管或激光二极管形式的发送元件13坐置于该漏斗状反射器的底部上。

由发送器5发射的发送光束4经由该漏斗状反射器14的开放的上侧到达聚焦器15。在图4中示出两个近轴线的部分射束4a、4b。部分射束4a直接碰到端面16a上并且由此进入到聚焦器15中。部分射束4b以一个角度α₁碰到壳面段16b上，该角度小于通过壳面段16b的几何结构确定的选择角度，从而所述部分射束4b经由壳面段16b被这样地引导至聚焦器15的壳面17上，使得该部分射束4b在那里被全反射并且于是同样如部分射束4a那样经由出射面18从聚焦器15中射出。由此，这些部分射束4a、4b对于发送光束4的形成做出贡献，所述发送光束用于检测监控区域中的目标。

此外，在图4中示出两个脱离轴线的部分射束4c、4d。部分射束4c由发送元件13在漏斗状反射器14上无反射地进入到空心空间23中并且以一个大于所述选择角度的角度α₂碰到壳面段16上。由此，该部分射束4c以一个大于全反射临界角度的角度碰到聚焦器15的壳面17上。由此，该部分射束4c经由壳面17从聚焦器15中导出并且对于发送光束4的发送光点的形成不做出贡献，所述发送光点被用来进行目标检测。由发送元件13发射的部分射束4d首先在漏斗状反射器14的侧壁上反射并且于是以一个也大于所述选择角度的角度α₃碰到壳面段16b上。由此，部分射束4d也以一个大于全反射角度的角度碰到聚焦器15的壳面17上。由此，该部分射束4d也经由壳面17从聚焦器15中导出并且从而被屏蔽。

一般来说，通过空心空间几何结构并且从而输入耦合面16几何结构的预给定，远轴线的发送光束份额被屏蔽，从而使得仅仅近轴线的发送光束份额经由聚焦器15的出射面18进入到监控区域中。由此生成发送光束4的被清晰限定的、关于纵轴线对称的发送光点。

图5中的实施例与图4中的实施例的不同之处在于，发送器5具有多个彼此并排的、设置在漏斗状反射器15的底部上的发送元件13a、13b、13c，这些发送元件可以共同地或者单个相继地被激活并且它们发射不同颜色的发送光束4。

在本例中，设置三个发送元件13a、b、c。中央的发送元件13a发射绿色的发送光束4，由此生成关于纵轴线对称的光点24a。中间的发送元件旁边的发送元件13b、13c发射红色的或蓝色的发送光束4，由此，轴线错位地在绿色的光点24a旁边生成红色的光点24b和蓝色的光点24c。远轴线的部分发送光束的屏蔽类似于图4中的实施方式地通过适当地选择输入耦合面16、特别是壳面段16b的几何结构进行。

附图标记表

1   光学传感器        4   发送光束

2   目标              4a  部分射束

3   传感器壳体        4b  部分射束

4c  部分射束      15  聚焦器

4d  部分射束      16  输入耦合面

5   发送器        16a 端面

6   发送光学系统  16b 壳面段

7   接收光束      17  壳面

8   接收器        18  出射面

9   接收光学系统  19  支撑线

10  分析处理单元  20  保持装置

11  壳体          21  接收部

12  窗            22  接触元件

13  发送元件      23  空心空间

13a 发送元件      24a 光点

13b 发送元件      24b 光点

13c 发送元件      24c 光点

14  漏斗状反射器  A   纵轴线

Claims (16)

1.一种光学传感器（1），用于检测在一个监控区域中的目标（2），具有：一发射发送光束（4）的发送器（5）；一接收接收光束（7）的接收器（8）；一分析处理单元（10），在该分析处理单元中根据接收器（8）输出端上的接收信号生成一目标确定信号；和一设置在所述发送器（5）下游的发送光学系统（6），该发送光学系统用于所述发送光束（4）的射束成形，其中，发送光学系统（6）直接连接至所述发送器（5）并且具有一聚焦器（15），该聚焦器构成用于发送光束（4）的光导元件，其中，为此在聚焦器（15）的壳面（17）上进行发送光束（4）的全反射，其中，聚焦器（15）的配置给发送器（5）的端侧被构造为用于发送光束（4）的输入耦合面（16），其中，在聚焦器（15）的背离发送器（5）的端侧上设置一出射面（18），该出射面构成用于发送光束（4）的射束成形装置，其特征在于，所述输入耦合面（16）限定一漏斗状的空心空间（23），该空心空间在所述聚焦器（15）的端侧上终止。

2.根据权利要求1的光学传感器，其特征在于，所述聚焦器（15）关于其纵轴线旋转对称地构成。

3.根据权利要求1的光学传感器，其特征在于，所述输入耦合面具有一端面（16a）和一关于聚焦器（15）的纵轴线旋转对称的壳面段（16b），所述端面的法向矢量与聚焦器（15）的纵轴线重合。

4.根据权利要求3的光学传感器，其特征在于，从发送器（5）射出的、射束轴线相对于聚焦器（15）纵轴线以大于一选择角度的角度延伸的发送光束（4）经由壳面段（16b）从聚焦器（15）中输出耦合并且由此被屏蔽。

5.根据权利要求3或4的光学传感器，其特征在于，所述壳面段（16b）具有曲率。

6.根据权利要求1至4之一的光学传感器，其特征在于，所述空心空间（23）的直径从聚焦器（15）的向着发送器（5）的端侧朝着输入耦合面（16）的端面缩细。

7.根据权利要求1至4之一的光学传感器，其特征在于，发送器（5）具有一漏斗状反射器（14），在该漏斗状反射器的底部上设有至少一个发射发送光束（4）的发送元件（13，13a，b，c）。

8.根据权利要求7的光学传感器，其特征在于，发送器（5）具有多个并排设置的发送元件（13a，b，c），这些发送元件发射不同颜色的发送光束（4）。

9.根据权利要求1至4之一的光学传感器，其特征在于，发送光束（4）在聚焦器（15）中沿着该聚焦器的纵轴线被引导。

10.根据权利要求1至4之一的光学传感器，其特征在于，聚焦器（15）具有一抛物线形的壳面（17），或者该聚焦器（15）的壳面（17）具有圆柱形的形状或形成自由形态面。

11.根据权利要求1至4之一的光学传感器，其特征在于，出射面（18）是凸面。

12.根据权利要求11的光学传感器，其特征在于，聚焦器（15）的出射面（18）被构造为复曲面、被构造为球面或非球面或者被构造为自由形态面。

13.根据权利要求10的光学传感器，其特征在于，聚焦器（15）由合成材料制成，并且该聚焦器（15）的壳面（17）被镜面化或粗糙化。

14.根据权利要求10的光学传感器，其特征在于，为了发送光学系统（6）的位置固定，设置一保持装置（20），该保持装置具有一些点状或线状的接触元件（22），这些接触元件靠触在所述聚焦器（15）的壳面（17）上，并且该保持装置（20）构成该聚焦器（15）的三点支承装置。

15.根据权利要求1至4之一的光学传感器，其特征在于，发送器（5）由激光二极管或发光二极管构成。

16.根据权利要求3或4的光学传感器，其特征在于，所述壳面段（16b）呈锥形的形状。