CN102395858B - 适合在光幕上使用的光学探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在光幕上应用的固定、平面的探测器，该探测器依赖于被吸收的光生成电信号，并配备大量关于所产生的信号的分接点，其中，在各个分接点上的信号大小依赖于与部分的面的距离，光在所述部分的面上被吸收，并且其中，根据在多个分接点上的信号的大小比例可计算出各分接点与吸收了光的部分的面的距离比例。探测器(10、20、30)形成为由有机材料构成的柔韧的层结构。分接点(2、24)安装在与所述层结构的边缘有一定距离处。到达分接点(2、24)的电连接导线(3)通过所述分接点的纵向与探测器的层结构相连。

Description

适合在光幕上使用的光学探测器
光幕(Lichtvorhang)通常通过相互平行定向的光栅(Lichtschranke)彼此连接构成。光源将按具体情况而应用，其中，被发射的光线的截面具有近似直线的形状。通过平行于将光传感器彼此连接所形成的串的定向来布置所述线，已发现具有光源更少量的光传感器就足够了。
US2007176165A1展示了用于入射光点的、基于光敏有机半导体的位置探测器的构造方式。平面构造的探测器由多层组成。在由玻璃或柔韧的有机材料制成的基体上延伸有第一平面电极，该电极具有高的欧姆电阻。在该第一平面电极之上接有有机光敏材料制成的层，施主层(Donatorschicht)和受主层(Akzeptorschicht)在该层内相互紧贴。在该层之上接有又一层平面电极，而该电极具有低的欧姆电阻。在其边缘上装配有二至八个点状的或线形的彼此间距的连接电极的光敏材料。当一束具有合适波谱的光射到光敏材料制成的层的一个点上时，电流流过各个连接电极。根据各个连接电极中的电流大小能够在其光线的入射点附近关闭，并且因此能够通过三角测量法计算出光线的入射点。
EP0361374A2中建议构成光探测器，通过在外界光入射掺杂了有机发光染料的、透光的合成材料中时所形成的发光辐射，其借助同样掺杂了发光染料的光波导体被进一步传递到光敏的半导体元件。由此形成成本合算的大面积的探测器元件，就像通常使用光敏的半导体材料在如典型的硅半导体材料基座上所形成的那样。然而光波导体的应用还导致在制造和安装中复杂的工作过程以及较大的占地需求。
根据DE3441498C2，掺杂了发光材料的透光材料的带子，如玻璃或透明的合成材料的带子，其一侧与光电二极管相连并且彼此相邻安装，从而构成较大的探测器面，在该探测器面之内能够单独测量部分的面是否有光线入射。但尤其在关于照明电线分隔的单个面中的划分(Unterteilung)会导致成本高昂的生产过程。
DE102005040351B4中描述了一种探测器，其中在平面的导光的基体上，例如典型的玻璃板上，施加在可见光谱中几乎不至完全不吸收的发光材料层，该发光材料层将射入的紫外光转化成在基体中被导向到所述基体边缘区的光。在基体的边缘区装有与该边缘光学连接的射线传感器，该射线传感器将来自基体的光功率转化成电信号。探测器能够不显眼地安装在原来已有的玻璃面上，例如玻璃隔墙、玻璃门、图片玻璃，等等上。在与不显眼地安装的紫外光源的连接中，所述紫外光源以一定距离安装并且在探测器上发光，探测器能够作为在光源与探测器面之间的空间中非常不显眼的进入监控设备(Zutrittsüberwachungsanlage)。一旦有人员进入探测器和光源之间的区域，并且遮蔽探测器面的至少一部分，那么在边缘侧的射线传感器的至少一个上进入的光功率减少，并且相应地被改变的电信号被进一步传递到上一级的控制装置。
基于背景技术，本发明的任务在于，提出一种用于光传感器的光学探测器的构造方式，该构造方式相对于已知的结构方式应该具有如下的优势：
-可良好且成本合算地构成为长的带或大的平面，
-在有局部的光入射的情况下，对于哪部分面发生光入射具有可辨识性，
-鲁棒性，
-较低的安装花费，较低的安装成本，
-较低的制造成本
为了完成本发明的任务，建议如下，探测器形成由有机材料制成的柔韧的层结构，其中，进入层中的光激发了光学信号或电信号，该信号沿着层结构被损失很大地传递。在层结构的一侧以到平面边缘一定的距离安装有大量彼此间隔的、用于信号的分接点。对于光学信号，分接点是光电传感器，对于电信号，分接点是导电层上的接触点。各个分接点的连接导线安装在层结构的一侧，并且通向分接点。
优选实施方式相应的是在探测器的层中增加发光颗粒。入射到该层中的光将通过发光转化为波长更长的光，并且由于在层的临界面处的反射在“经典”结构方式的光电二极管处的层内被传导。在该光电二极管处激发出可测量的电信号。因为到达光电二极管的光的强度随着到各点的距离的增加而减弱，光冲量在所述点处从外界进入层中并触发发光，能够根据对多个彼此间隔的发光二极管处的信号幅值的比较反算出从外界入射的光入射点(或入射区域)。
在探测器其他可能的结构中，层由有机光敏材料构成，其中，该层安装在两个平面的、电连接的电极之间，其中，至少一个电极在其电路内具有相对较高的欧姆电阻。当光入射到光敏层的一个位置上时，那么在该点上，安装在光敏层两面的、平面的电极彼此连接。通过导电性差的电极的电流将在多个彼此间隔的连接点处测量。根据在不同连接点处所测量的不同电流彼此间的相对大小反算出光入射地点的位置。
相应地，有利的实施方式是将电信号的各个分接点的连接导线压印在层结构中的一层上。该方法可很好地自动化。系统中的电流强度很小，以至于因此可容易地制造，更确切的说是毫无问题地实现小的导线截面。通常，根据本发明的探测器具有一个前侧和一个后侧，其中，前侧是从属于光幕的光源发出的光线正常入射的前侧。由于光学原因，并且为了不会非必要地遮挡对于测量很重要的探测器的层，连接导线在通常情况下安装在对于测量很重要的探测器的层的后面。
在一个不可很好自动化，但可灵活构造的构造方式中，连接导线被粘在层结构上。对此，连接导线本身能够是多部分胶带的一个部分。
在探测器非常有利的实施方式中，该探测器具有长形的带子的形状，其中，两个彼此以一定距离间隔的分接点的串沿着带子的纵向延伸。当物体通过光幕运动时，该光幕使用按这种方式装配的探测器工作，由此上一级控制可知，该物体在哪一侧运动通过光幕，因为由于物体移动导致的光比例的改变所引起的信号改变，其在物体进入光幕一侧更早地强于在物体朝着其运动的一侧上所发生的信号改变。
在非常有利的使用情况中，在通道上待监测的面的两个对立的边缘处分别安装探测器带(Detektorstreifen)以及一个或多个光源。根据两个探测器带的探测结果能够利用数学方法确定通过面运动的物体的高度。对于光幕和/或探测器面非垂直定向的情况，代替“物体的高度”更好地归纳为“物体到探测器面的平面和到待监测平面的垂直尺寸”。
在有利的使用情况中，此类双重光幕水平地安装在空间中的多个壁上，典型的是安装在靠近地面处。这样能够监测在整个空间内地面上的物体运动。在应用合适的评价逻辑的情况下，并且只要从一开始就包围可能处于空间内的物体，那么由此能够自动获知运动的物体属于哪一类别。此种类别例如能够是：人、家具、运输工具、行李件、不同的宠物和/或家畜类。
因为使用根据本发明的构造方式，探测器不仅可以实现为长的带子，而且还可以实现为大的面，所以在有利的使用情况中，房间的地面、走廊的地面或者仓库中的货架区域能够整体形成为探测器面，并且被从远处上方照射。这样当然能够很好地监测在一个面上的物体运动，也能够很好地监测货架区域中的储藏物，而且对于被占用的平面区域的认知(Wissen)能够被很好地应用于操纵自动运输系统，使得自动运输系统不与物体相撞，而在必要情况下能够很快找到物体并且例如锁定目标。
本发明将结合示例性的、体现主要基本结构的、未按照原尺寸的附图得以阐释：
图1：以朝着电连接导线的平面的视角展示了示例性的、构成为带子的、根据本发明的探测器。
图2：以截面图展示了图1中所示带子的可能实施方式。(出于可视性原因，在图2中以及在图3中，层厚被过度放大地显示，并且截面并不如通常那样由阴影线标出。)
图3：以截面视图展示了图1中所示带子的另一可能实施方式。
图4：展示了根据本发明的、被构成为带子的探测器在光幕上的应用状态。视角垂直于通过光幕监测的面。
图5：展示了图4中有物体时的情况，该物体投下阴影。
图6：以水平的视角展示了根据本发明的探测器对于地面的占用状态的监测的应用状态。
根据图1至3，在带状探测器10、20上安装有两串分接点2、24，电信号与这些分接点接触，电信号的大小通过光在探测器面上的入射来确定。
各条连接导线3与分接点2、24相连，并且导线从这些分接点出发沿探测器的纵向到达连接位置23，所述导线被引导远离探测器。借助由印刷电路板生产已知的印刷技术与连接技术，在图1所示的电路结构能够被很好地制造。最后，形成轻便的、易于安装的带子，从该带子可引出多条在端部范围中的电线或电缆。带子的背面能够装配有粘接层，直至安装的时刻该粘接层能够用可移除的保护膜(Schutzfolie)来覆盖。
图1中所示的导线结构并无交叉。正如由印刷电路板生产已知的，当然也能够在应用中间层和局部引线的情况下形成导线交叉。这样能够在有相同数量的分接点的情况下大大减小带子的宽度，并且能够从每个分接点2、24向带状探测器的两端引出连接导线3，并且在连接位置23结束。如此形成的探测器带能够简单地通过切分，分成两个较短的但在其他方面完整的探测器带。
图2以截面图展示了在应用发光波导的情况下的探测器带10的示例性层结构。在两个由PET构成的层6之间，将由合成材料聚乙烯醇与激光染料罗丹明6G均匀混合物构成的薄层7压成薄膜。PET层6与其间放置的层7一起形成光波导体。层7是发光的。以光栅间距彼此间安装“通常”的小面积的硅光电二极管2。这些硅光电二极管2具有例如2×2mm2的截面积。它们构成实际的光电传感器。光电二极管2安装在PET层6的背离入射方向的面上的PET层处，使得来自PET层的光耦出，并且在其pn结耦入。光电二极管2的信号通过连接导线3被引导至带有引向控制器的其他导线的连接位置23(图1)。
当具有合适的光谱的光线4入射到层7上时，那么该光线会在集成的颗粒中激发发光。由此产生的、长波长的光5的大部分耦入到通过层6和7形成的波导中。在波导模式中的光线5通过波导中的分散和衰减而变弱。这样，在光电检测器2上会测量到在波导模式中不同的光强度，每个光强度都取决于由发光生成的光线4的入射点与光电检测器距离有多远。根据在不同分接点上的信号的大小比例可计算出入射点的位置。各个信号的绝对大小在这里是没有意义的，重要的仅是它们彼此间的大小比例。探测器带的各个层6、7、8、9不间断地延伸到大量的光电检测器。因而并不要求将这些层分割成仅为一个光电检测器2分配的单个部分的面。
代替只使用一串光电检测器，通过使用两串光电检测器可识别出，物体在哪个方向上穿过使用了探测器10的工作中的光幕。
层8是连接导线3与波导6之间的中间层。层8应该具有比层6小得多的折射率，这样就没有在波导中的光线通过层8耦出。
层9是连接导线3和光电检测器2之上的外保护层。无论如何，在层结构的对立面处安装在波导6以上的、对于重要的波段呈透明的保护层是很有意义的。
图3以截面图展示了探测器带20的另一个示例性的层结构。在电绝缘的、透光的、典型为合成材料膜的保护层16上安装有透明的或半透明的平面电极12，该电极“导电性差”，即虽然其由导电材料构成，但在系统内显示出显著的欧姆电阻。该“导电性差的电极”能够是非常薄的金属层、透明导电氧化物(TCO)、导电聚合物或它能够是碳纳米管网络。该电极的层厚被确定为，使得其面电阻在有电流经过时在各个电路中引起明显的电压降。在间距栅格中彼此间形成一些分接点24，即局部连接电极，导电性差的电极12与外部电路的连接。
接到“导电性差的电极”12上的、与该电极导电相连的层是光敏有机半导体层11。该层能够是光敏导体(Photoleiter)或者光电活性元件。这就是说，在吸收光线时其电阻能够击穿(zusammenbrechen)，或者在层的两个临界面之间生成电压。在第一种情况下，当连接外部电压时能够有电流流动，在第二种情况下，通过将电路与外部回路上连通能够有电流流动。
在光敏有机半导体层11的第二侧面上接有与之导电相连的平面电极13，该电极与电路其他的结构元件相比理想地具有非常小的欧姆电阻。该电极能够通过金属层、导电聚合物、导电氧化物或还能通过碳纳米管网络形成。当电极13由和电极12由相同的材料构成时，它应该具有比电极12具有大得多的厚度。电极13的导电性能够通过与其连接的、由具有良好导电性的金属制成的与电极13导电相连的金属线或金属薄片来支持。在所示例子中，电极13可通过两条导线17与外部电流相连，其中所述导线在探测器20的长度上延伸，并且以其侧面与电极13接触。
当具有适合的波谱的光线4入射到光敏有机半导体层11上时，电流通过导电性差的电极12流向分接点24。因为电极12的欧姆电阻，各个分接点24中的电流大小严重依赖于各个分接点24与光线4入射点的接近程度。由此能够通过测量各个电流根据其相互间的大小比例反算出光线4的入射点。在该结构中，各个信号的绝对大小在此也是无意义的，重要的只是其相互间的大小比例。
探测器的各层11、12、13、14、15、16不间断地延伸至大量的分接点24。在此也并不要求将这些层分割成仅为一个分接点24分配的单个部分的面。
正如前述的例子一样，在此也代替仅使用一串分接点，通过使用两串分接点24可识别出，物体在哪个方向上穿过使用了探测器20的工作中的光幕。
层14是连接导线3和电极13之间的电绝缘的中间层。
层15是在连接导线3和分接点24之上的外保护层。
图4阐明了根据本发明的探测器的有利的使用情况。在通道上待监测的面19的对立的、互相平行的边缘处分别安装带状的探测器10、20。在这些边缘处分别安装多个光源18，该光源从出口狭缝(Austrittspalt)发出具有线形截面的光线，其中，这些线位于待监测的面19中并且随着到光源18距离的增加而延长。在图4中，通过虚线显示出各光源18照射范围的边界。当不透明的物体处于面19中时，那么该物体相对各自安装在对立的面边缘上的探测器遮住光源18的光。当由各光源发射出的辐射彼此间可区分时，根据在各探测器处阴影的大小比例和位置能够很好地自动反算出物体在面19中的位置及其尺寸。这能够例如简单地通过以下方式达到，即各个光源的辐射强度随着各个光源指定的频率发生波动。由此，到达分接点的电信号根据作为选择依据的频率被分解成各个部分信号，并且各个部分信号能够明确地分配到独立的光源18。同样可能对不同光源使用不同光谱范围。一种简单的可能性在于，在所有光源共同的时间的时间脉冲间隔之中给各个光源分配不同的部分间隔，在这些部分间隔中仅允许单个光源进行辐射。
图4对于任意空间地点的待监测面19都是适用的。这些面典型地垂直定向，例如，所述面可以是门廊。但也有可能的是面19是水平的面，例如一个略高于房间地面的面。这样能够以此设计来探测物体在房间中的位置或运动。
图5用于展示确定遮蔽物体的大小、形状和地点的算法的基础。另外，图5展示了在图4中补充遮蔽物体26的排布，所述物体位于面19中。在探测器10、20上用阴影线所强调的纵向范围25分别是由至少一个光源18被物体26遮蔽所导致。在被遮蔽的纵向范围25与相应光源18之间分别划定了三角形的面，该三角形的面围拢遮蔽物体26。根据对光源地点和相应的区域25的认知仅能断言，遮蔽物体必定完全位于有关的三角形的面之内，并且必定接触从光源发出的三角形的两条侧边。当有多个光源18时，将形成多个此类三角形。遮蔽物体26必定位于从各个光源18发出的所有三角形的面的共有截面之内。当有多个遮蔽物时，通常会产生比光源18的数量更多的遮蔽范围25。通过确定在纵向范围上缺少在其他情况下明显存在的信号或者仅仅微弱存在该信号，将探测到被遮蔽的纵向范围。
对根据本发明的探测器感兴趣的并有价值的使用情况是，以实际上平行于显示面的方式将光幕布置到在所述显示面的前面处，所述前面即是从其观看显示区的面。通过在已实施的方式中使用多个彼此间以一定距离安装的并且其探测结果可相互区分的光源，能够由此识别在显示面上的物体被引导至显示面的哪个面部分当将其应用在电脑屏幕上时，并且在数据处理设备中给被探测到的、物体在屏幕上运动经过的地点分配一定含义，这样就实现了触摸屏。由于此类光幕简单的、成本合算的并且牢固的可实现性，其不仅适合于安装在屏幕上，而且还适合于安装在其他(被动)显示面上，如橱窗、海报区、记分牌，等等。例如，由此能够探测特别经常展示哪个物体，这可能例如对于营销目的是很有价值的信息。通过将两个此类光幕正好彼此并排平行地安装，还能识别出，一个通过两个光幕延伸的长形的物体(例如，指示棒、手臂或手指)的指示方向。
在图6中展示了一种使用情况，在该使用情况下，根据本发明的探测器30不形成为带子，而是在二维上较大的面。该探测器30在房间、走廊或库房中存储区的地面21上展开，并且通过覆盖层22保护其免受机械损坏，所述覆盖层能够通过陶瓷、玻璃、透明合成材料或仅通过网格形成。在覆盖层22之上的一段距离处安装有光源18。在覆盖层22上运动的或放在该覆盖层22上的物体将由此可以被很好地自动监测。监测结果能够不仅用于区域安全或掌握库存的目的，而且还应用于操纵自动运输系统，由此一方面能够使得自动运输系统不与物体发生无意的相撞，而另一方面则能够很快找到所需的物体并锁定目标。
如已知的光幕，在使用根据本发明的探测器的情况下具有如下可能性，即光源和探测器安装在待监测的面的相同边缘范围或者待监测的房间的相同边缘区域，并且在待监测的面的对立边缘范围或者待监测的房间的对立面上仅仅为对于测量有意义的光线安装反射器。由此能够简化安装，并且通常使得鲁棒性提高。然而引起遮蔽的物体的大小的可辨识性可能由此变得差。在根据直线安装的光源和沿相同直线延伸的探测器来监测平面的情况中，与光源和探测器对立的反射器相对于垂直待监测的面的定向组件形成为反向反射器(Retroreflektor)，作为反向反射器，其将光线中的大部分近似精确地沿来的方向反射回去。
如已知的光栅和光幕，考虑到不应因为环境光线而使结果出现错误这一问题，将通过如下方法解决：
-探测器10、20、30接收的，并且光源18在其中工作的光谱范围不同于从环境中进入的光的光谱范围，或者
-光源18的辐射强度是频率编码的，并且该频率以信息技术手段从由分接点2、24提供的信号中滤出，或者
-光源18的光在非常窄的光谱范围内比在其他情况下具有明显较高的光谱功率密度，并且探测器10、20、30首先尽可能准确地选择该频率范围，并且在被探测到的信号范围内仅允许那些为光源标明的、其强度高于某一临界水平的信号。

Claims (11)

1.在光幕上应用的固定的、平面的探测器，所述探测器依赖于被吸收的光生成电信号，并配备大量关于所产生的信号的分接点，其中，在各个分接点上的信号大小依赖于与部分的面的距离，光在所述部分的面上被吸收，并根据在多个分接点上的信号的大小比例能计算出各分接点与吸收了光的部分的面的距离比例，其特征在于，
-所述探测器（10、30）形成为由有机材料构成的柔韧的层结构，该层结构构造成平面的光波导体，光电传感器被安装在所述平面的光波导体上以形成分接点（2），并且，所述平面的光波导体中的至少一个层（7）具有发光特性，
-所述分接点（2）安装在与所述层结构的边缘有一定距离处，
-并且，到达所述分接点（2）的电连接导线（3）通过所述分接点的纵向与探测器的所述层结构相连。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述连接导线（3）印刷在所述层结构中的一层上。
3.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述连接导线（3）粘贴在所述层结构中的一层上。
4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述连接导线（3）安装在具有发光特性的所述层（7）的背离光线入射的面上，待监测光线在具有发光特性的所述层（7）中被吸收。
5.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器具有长形的带子的形状，所述长形的带子具有沿着所述带子的纵向延伸的两串分接点（2），所述串彼此以一定距离间隔布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，所述探测器在形成光幕的设计中使用，该设计由至少两个安装在待监测的面（19）的不同边界区域的探测器（10）和多个光源（18）构成，其中所述光源（18）发射对于测量有意义的光线，其中，多于一个的光源（18）照射在至少一个探测器（10）上，并且其中，将由不同光源（18）到达探测器的辐射设置成一般能够区别，使得根据辐射的探测结果能够识别出所述辐射是从哪个光源发出的。
7.根据权利要求6所述的探测器，其特征在于，所述探测器安装在房间的墙上，并且待监测的面是水平定向的。
8.根据权利要求6所述的探测器，其特征在于，所述探测器安装在显示面的前方，并起到以下识别作用：即指向所述显示面之中或背后的哪个面区域，或者物体向着所述显示面之中或背后的哪个面区域运动。
9.根据权利要求8所述的探测器，其特征在于，通过该探测器实现触摸屏的感应功能部分。
10.根据权利要求6所述的探测器，其特征在于，所述探测器安装在橱窗、记分牌或海报区的前方。
11.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器在地面（21）上延伸，并且从上方使用对于探测有意义的光线进行照射。
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