CN202512253U - 带有直线式布置的数个单发射器的光电传感器 - Google Patents

带有直线式布置的数个单发射器的光电传感器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种带有直线式布置的数个单发射器的光电传感器，尤其是光测头的光电传感器(10)，所述传感器具有用于将发送光(16)发出到监控区域(18)中的光发送器(12)且具有用于接收在监控区域(18)中物体(20)处反射或反光的发送光(22)的光接收器(26)，其中，光发送器(12)具有多个激光单发射器(12a-d)或LED单发射器(12a-d)的直线式布置。在此，单发射器(12a-d)构造在同一个半导体晶体(44)上，且设置有共同的驱动电路(32)，利用所述驱动电路可同步激活单发射器(12a-d)。

Description

带有直线式布置的数个单发射器的光电传感器
技术领域
本实用新型涉及一种带有多个形成直线式布置的半导体发射器的光电传感器。 
背景技术
光电传感器非常频繁地用于物体在监控区域中的存在确认。光测头(Lichttaster)是光电传感器内的一族。光测头的特征在于，光束扫描地引导到监控区域中，且当有物体位于监控区域中且在其处反射回光束时，光束才在光接收器中登记。此外，例如光栅进行工作，在该处持续直接地或通过反射器指向光接收器的用于探测物体的光束相反地被中断。 
在光测头内同样存在不同的实施方案。能量充足的测头对于二进制式物体确认而言借助开关阈值来评价接收器信号的强度。在三角测量测头中，光发送器和光接收器的光学轴线彼此倾斜，且可借助于空间分辨开的 
Figure DEST_PATH_GSB00000829159300011
光接收器来测量捕捉到物体的角度。由此实现了距离确定。背景遮蔽的光测头构成一种混合体。如在能量充足的光测头中那样，仅产生二进制的物体确认信号而不测量距离值。然而同时，充分利用三角测量测头的构造，以便于利用至少空间分辨到近区域和远区域中的光接收器产生两个接收信号。这些接收信号的差值以开关阈值来评价，以便于这样将物体捕捉限制到确定的距离范围上，并且将在该距离范围之外的物体的接收信号作为背景信号遮蔽掉。背景遮蔽的光测头例如在DE 197 21 105 C2中公开，其中，此处设置有开关，以便于以可变的方式将空间分辨开的光接收器的各个元件分配给近区域或远区域。 
在光测头中出现所谓的“黑/白移”。“黑/白移”理解为由于物体的散射特性而产生的表象上的距离变化。弱反光的物体相比强烈反光的或甚至镜面反射的或者发光的物体在不同的距离中产生超过阈值或者低于阈值的接收信号。一旦待探测的物体的散射特性没有事先知道，这就影响了测量精度。在背景遮蔽的光测头中形成开关间距的差值。 
作为光发送器，在光测头中经常使用半导体元件，即激光二极管或发光二极管(LED)。为此公知不同的制造过程，例如板上芯片(COB，Chip On Board)技术或表面贴装器件(SMD，Surface Mounted Device)技术。这些光源通过成像光学器具将正方形的或呈圆形的光斑投射到待探测的物体上。因为光学发射功率关于材料的量子效率而直接成比例于注入的电流，所以由规定为材料参数的最大允许电流密度和发射面积的乘积来确定最大光学输出功率。这意味着，通过增大发射面的棱边长度或直径虽然可获得更高的总接收器功率，然而不可获得更高的在接收器上的功率密度。 
此外，如下是公知的，即，在光源的下游布置有光学元件，例如散射箔或柱面透镜，这些光学元件由首先在很大程度上呈点状的光束横截面在接收器上的投影中产生一条直线。例如在DE 10 2007 050 096 A1中选择了该方式。成直线地形成射束的光学元件被整合到传感器的前挡板或瞄准仪透镜中。然而，在此仅重新分配相同的光功率。 
WO 2009/115202 A2介绍了一种光学传感器，该传感器具有用于检测在物品或者背景面上的光斑的远程元件和近程元件。光线发射单元具有多个光源，以便于在待检测的物体上在不同的部位处产生光斑。光发送器具有彼此不同的物理特性，例如不同的波长、调制或激活的相对时间偏移。由此，应引入测量原理的变型方案，以便于更稳定地探测物体。因此不提高用于唯一的测量原理的光学输出功率。此外，通过使用多个并排布置的光源，增大了需要的结构空间和制造成本。 
实用新型内容
因此，本实用新型的任务是，改进此类光电传感器的识别可靠性和作用范围。 
该任务通过如下所述的光电传感器来解决。根据实用新型的光电传感器具有用于将发送光发出到监控区域中的光发送器且具有用于接收在所述监控区域中物体处反射或反光的发送光的光接收器，其中，所述光发送器具有多个激光式单发射器或LED式单发射器的直线式布置，所述单发射器构造在同一半导体晶体上，以及设置有共同的驱动电路，利用所述驱动电路能同步激活所述单发射器。该解决方案基于如下基本思想，即，在根据扫描的探测原理工作的传感器中使用多个单个光源的直线式布置。然而不同于现有技术，这些单个光源不具有不同的物理特性。作为替代，通过彼此相同的发送元件的同时的同步的激活不仅提高输出功率，而且提高在接收器上的光学的功率密度。因为n个光斑的直线链虽然类似于直线，但总能量能相比单个的光斑更高，直至n倍。同时，应以最小的结构空间在单一的、低成本的过程中形成单个光源，方法是：在共同的半导体晶体上构造这些单个光源。 
本实用新型具有如下优点，即，传感器的作用范围提高。黑/白移的干扰影响降低。物体识别的稳定性得到改进，因为在侧向上相反于优选方向地向传感器移入的物体或镜面反射的或者强烈发光的物体很少导致错误开关。此外，可投影出呈线形的光斑，而不需要成本动因的布置在下游的光学元件，如散射箔或柱面透镜。因为相对单个元件在相同的电流密度的情形中产生更高的可使用的输出功率，所以构件热负荷下降。 
单发射器优选彼此具有相同的功率密度和相同的频谱。最后，在此单发射器有效地形成更高功率密度的共同的光斑。在此，所提及的 两个参量是特别重要的。 
驱动电路优选构造为用于如下，即，关断这些单发射器中的单个或多个。这使得光斑适配地匹配于探测情况成为可能。通过关断最大为n-1个的单发射器可改变发射的总功率，例如用于动态匹配。同样地，可匹配光斑的造型或者说几何形状上的伸长，尤其为了所选择的探测间距。这样，形成精确的光斑，该光斑在需要的情况中也具有更小的功率。 
单发射器优选彼此相同地结构化，且尤其地以相等的晶体尺寸(即面积相等)、以相同的几何形状和/或以相同的发送开口构造成。这同样使得如下成为可能，即，产生带有可预测的均匀的特性的、共同的光斑。在此，光斑的特性仅关于纵向伸长最小地变化。如果单发射器可单独关断，则能以不同的方式将完全相同的发射器彼此分开，即有选择地将其激活，且在此不考虑个别的差别，而是仅考虑应对最大可能的直线的哪些部分进行照明。 
作为备选地，单发射器彼此不同地结构化，且尤其具有不同的晶面和/或几何形状。这在单发射器有选择地关断的情形中实现了对于光斑造型而言的多种匹配可能性。在此，可变地确定所发射的发射功率进而所发射的功率密度或者在待捕捉的物体上所产生的光斑的形状。例如可考虑的是，通过单发射器的相应的接上和关断来进行呈圆形的光斑与呈线形的光斑之间的变换。 
单发射器优选具有矩形的、尤其是正方形的放射面。由此，最理想地使用晶面，且这样每个晶片面获得最大的光学输出功率。然而作为备选地，呈圆形的发射面(“点源”)同样是可行的。 
单发射器优选不具有在发送开口中的触点。于是不涉及侧向接触芯片。由此，阻止了在成像中的干扰的键合接触和遮光的键合线。 
传感器优选构造为背景遮蔽的光测头，其中，光接收器具有至少一个近区域元件和一个远区域元件，该近区域元件和该远区域元件在它们之间带有分隔接片，且其中，所述直线式布置平行于分隔接片地取向。背景遮蔽的光测头的工作原理在开头简短地说明。哪些信号作为背景被遮蔽依赖于分隔接片的位置。因此，对于带有物体的距离改变的精确探测而言，应通过分隔接片移动尽可能大的光量成分。这通过该布置来确保。 
有利的是，所述直线式布置的长度通过单发射器的间距和数量以如下方式匹配，即，照射线在预先给定的探测间距下在光接收器的整个宽度上延伸，而不超过光接收器，其中，探测间距尤其与远区域或分隔接片相对应。通过将照射线的长度(即单发射器的n倍点距的值)匹配于光接收器的宽度来最理想地使用可支配的输出功率。光接收器完全得到充分利用且同时恰好还未被超过。通常，这由于发送光的发散而不可确保，但所提及的条件至少应就一定的、对精确的测量是特别重要的距离范围而言得到满足，例如就远区域或分隔接片而言得到满足。此外，当最理想的条件不可达到时，相比于略长而言照射线应优选宁可略短地构造成。于是，虽然未充分利用整个接收面，然而为此不失去发送光。 
在制造中，光发送器的LED单发射器在共同的批量过程中构成。随后，将共同的半导体晶体以所期望的匹配的方式锯开，以便于获得LED单发射器的所需的直线式布置。由此，可在简单的且低成本的制造过程中实现特别紧凑的光发送器布置，在该制造过程中LED单发射器的相对彼此的间距(点距)是最小的。单发射器的几何构型和相对彼此的取向承受高精度的掩模工艺。此外确保的是，光发射器的LED单发射器作为在同一晶片上的相邻元件在其电的、机械的、热的和光学的特征方面彼此间几乎相等。那么，例如将光发送器使用在根据上面所描述的构造之一所述的传感器中。 
附图说明
下面，鉴于另外的特征和优点示例性地借助实施方式且参照附入的附图对本实用新型作进一步阐释。附图的图解中： 
图1示出了现有技术中根据三角测量原理的常规光测头的示意性剖面图； 
图2a示出了现有技术中带有唯一的单发射器的用于根据图1的传感器的常规光发送器； 
图2b示出了现有技术中在根据图1的传感器的光接收器上的光斑在借助下游的光学器而伸长的情形中的图示； 
图3示出了在背景遮蔽的三角测量测头中在近程接收元件与远程接收元件之间的差值信号的图示，以阐释开关精度对光学功率密度的依赖性； 
图4a-b示出了在经伸长的光斑的情形中和在狭长的光斑的情形中依赖于在光接收器上的位置的能量分布的图示； 
图5a-d示出了在根据本实用新型的传感器中的带有光发送器的单发射器的发射器面的半导体晶体的结构化的不同的实施方式； 
图6示出了在使用根据图5a的根据本实用新型的光发送器的情形中的类似图2b的图示。 
具体实施方式
图1显示了在实施为带有背景遮蔽的常规三角测量光测头10的实施方案中的传感器10的示意性的剖面图。下面进一步阐释的本实用新型涉及对这样的传感器10的以及其它已公知的光电传感器类型(如能量充足的或距离测量的三角测量测头)、光栅或其它物的改进方案。 
光发送器12通过形成射束的发送光学器具14将光束16发出到监控区域18中。如果光束16落到物体20上，则发送光的一部分作为反光的或反射的发送光束22返回到达传感器10。接收光学器具24接收这些反光的发送光束22且将其导引到光接收器26上，在该处入，射 的光线被变换成电的接收信号。评估单元28与光接收器26连接，以便于由电的接收信号按照物体20的存在来确定在开关输出端30处发出的物体确认信号。此外，评估单元28与发送控制器32相连接，该发送控制器控制发送光束16从光发送器12的发出。 
示出的传感器配备有背景遮蔽。光接收器26划分成近区域元件26a和远区域元件26b。由于在带有发送光学器具14的光发送器12相对带有接收光学器具24的光接收器26之间的偏移，且由于两个接收元件26a-b的沿着在光发送器12与光接收器26之间的横向连接的布置，以虚线示出的较近的物体20的反光光束22落到近区域元件26a上，而以实线示出的较远的物体20的反光光束22落到远区域元件26b上。评估单元28为了背景遮蔽而形成近区域元件26a的信号与远区域元件26b的信号之间的差值，并且以阈值评估该差值。 
在图2a中显示了传感器10的常规的光发送器12。该光发送器12由在半导体衬底上的单个LED发射器构成。图2b显示了常规的光接收器26。如可辨认出的那样，作为仅两元件式的光接收器26的替代可使用接收器列。接收器列的像素优选具有不同的宽度，以便于至少部分地补偿在光接收器26上的光斑的移动对物体20的间距的非线性的依赖性。对于背景遮蔽而言，经由出厂设置、参数化或教导来限定至少一个分隔接片34，该分隔接片将像素划分成至少两组，进而将光接收器26划分成近区域元件和远区域元件26a-b。分隔接片34的位置可以是可变的。 
对于能量充足的光测头而言，光接收器26上的光学功率(其对于作用范围而言是决定意义的)通过增大根据图2a的单发射器的发射面的直径或棱边长度来改进。因为在现有技术中仅使用单发射器作为光发送器12的光源，所以然而始终形成在光接收器26上的连通的光斑36。虽然通过发送光学器具14可改变光斑36的形状，以便于将该光斑拉开成椭圆或呈雪茄状地拉开。由此，例如简便化了对不均匀地反 光的物体20的探测，且同时光斑36保持了其宽度延伸，该宽度延伸对于空间分辨率的精度，进而对于三角测量而言是决定性的。在此，仅重新分配可使用的光学功率。在光斑36中的功率密度因此甚至还下降。 
然而，对于背景遮蔽的光测头而言，光接收器26上的功率密度起决定性的作用。在光斑36中的功率密度通过接收光学器具的反向成像确定了这样的能量份额，其在扫描范围改变 
Figure DEST_PATH_GSB00000829159300081
的情形中，即在物体20的距离改变的情形中，通过传感器10的三角测量通过分隔接片34来移动。传感器10的开关点精度和作用范围又取决于此。 
这应借助图3作进一步阐释。在该处示出了在近区域元件26a和远区域元件26b中测得的能量的差值信号Enah-Efern，也就是说针对较高的功率密度的差值信号38a和针对较低的功率密度的差值信号38b。在临界区域中的示例性的不同的斜率通过虚线40a-b来说明。两个点线42a-b表示在开关输出端30处的针对传感器10的接通和断开的两个开关阈值Sein、Saus。通常使用两个产生开关滞后的开关阈值，以便于避免由于在开关点处的测量波动而引起的快速来回开关。该开关滞后反映在扫描范围间隔dTW1、dTW2中，所述扫描范围间隔引起了用于传感器10的开关间距的公差范围。如在图3中可良好地辨认出的那样，对于较大的斜率，该扫描范围间隔、进而开关滞后变得更小。那么背景遮蔽的光学探头的开关点以更大的功率密度来更精确地限定。 
图4a和图4b图解示出了在常规背景遮蔽光学探头中的“相反于优选方向的移入”的另一不期望的效果。该效果引起如下，即，这种传感器10在物体20横向于传感器10且沿着光发送器12到光接收器26的连接轴线移入的情形中倾向于错误开关，因为移入的物体20首先仅部分遇到或者说剪切光斑36。光斑36的首先被接收的部分将接收信号的重心错误地过于强烈地移动到近区域或者远区域中。为了最小化 该效果，如下光斑36b是有利的，即，该光斑在有相同的或更高的总能量或功率密度的情形中呈线形地或者说成矩形地或呈雪茄形地、短轴线在三角测量方向上地设计。于是，在光斑36的部分剪切的情形中，重心在三角测量方向上仅尽可能少地移动。 
图4a显示了经伸长的光斑36a依赖于在光接收器26上的位置的能量分布，图4b显示了狭长的光斑36b的相应的图示。划阴影线的部分与在剪切掉例如50％的情形中所接收的能量相符。移置量dSp1、dSp2对于狭长的光斑36b而言相比对于宽的光斑36a而言明显更小。由此，在相反于优选方向移入的情形中，在其处背景遮蔽的光测头接通和断开的开关点的改变对于带有狭长的光斑36b的传感器10而言相比带有宽的光斑36a的传感器而言更小。 
因此，根据本实用新型作如下设置，即，作为光发送器12使用多个单发射器12a-d的直线式布置。这些单发射器12a-d在相同的半导体衬底44或晶片上且优选在同一批量过程中制造出。由此，这些单发射器在其所有基本特性中彼此几乎相同。鉴于用以匹配所产生的光斑的结构化，有意的偏差是可以考虑的。 
根据图5a的光发送器12具有四个布置在一列中的带有呈圆形的放射面的单发射器12a-d。相应地，如在图6中图解示出的那样，在光接收器26上产生四个呈圆形的光斑46a-d，这些光斑形成直线。该直线优选通过光发送器12的相应的布置而平行于分隔接片34地定向。在光接收器26上的横向的位置依赖于扫描范围，从而使得仅当物体20恰处在近区域与远区域之间的临界间距中时，该直线才如在图6中那样与分隔接片34重叠。同时，直线的长度恰以如下方式来选择，即，其填满光接收器26，而不超出该光接收器。 
通过多个单发射器12a-d获得在光接收器26上的明显更高的能量密度，从而可实现联系图3和图4a-b阐释的优点。不言而喻地，单发 射器12a-d的数量、单发射器的放射面和彼此的间距可变化。图5b-d显示了大量可考虑的变型方案中的一些。在此，如下可能是有利的，即，选择矩形的放射面，以便于最理想地充分利用光发送器12的半导体晶体和在光接收器26上的面。此外，所有根据图5a的单发射器12a-d的相同的造型具有简单性的优点。然而，通过不同的结构化(例如在图5b-c中所显示的那样)可更进一步地匹配所产生的光斑46a-d的形状。 
发送控制器32控制单发射器12a-d的发送性能。经常地，将所有单发射器12a-d同步激活，以便于获得最高可能的功率和功率密度。然而如下同样是可以考虑的，即，有针对性地禁用单发射器中的一些，以便于将光斑46a-d匹配于光接收器、探测任务或开关间距。 

Claims (14)

1.光电传感器(10)，所述传感器具有用于将发送光(16)发出到监控区域(18)中的光发送器(12)且具有用于接收在所述监控区域(18)中物体(20)处反射或反光的发送光(22)的光接收器(26)，其中，所述光发送器(12)具有多个激光式单发射器(12a-d)或LED式单发射器(12a-d)的直线式布置，
其特征在于，
所述单发射器(12a-d)构造在同一半导体晶体(44)上，以及设置有共同的驱动电路(32)，利用所述驱动电路能同步激活所述单发射器(12a-d)。
2.根据权利要求1所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)彼此具有相同的功率密度和相同的频谱。
3.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述驱动电路(32)构造为用于关断所述单发射器(12a-d)中的单个或多个。
4.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)彼此相同地结构化。
5.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)彼此不同地结构化。
6.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)具有矩形的放射面。
7.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)在发送开口中不具有触点。 
8.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，所述传感器构造为背景遮蔽的光测头，其中，所述光接收器(26)具有至少一个近区域元件(26a)和一个远区域元件(26b)，在所述近区域元件和所述远区域元件间带有分隔接片(34)，且其中，所述直线式布置平行于所述分隔接片(34)地取向。
9.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述直线式布置的长度通过所述单发射器(12a-d)的间距和数量以如下方式来匹配，即，照射线(46a-d)在预先给定的探测间距下在所述光接收器(26)的整个宽度上延伸，而不超出所述光接收器(26)。
10.根据权利要求1或2所述的光电传感器(10)，其中，所述光电传感器是光测头。
11.根据权利要求4所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)面积相等地、带有相同几何形状地和/或带有相同发送开口地构造。
12.根据权利要求5所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)具有不同的晶面和/或几何形状。
13.根据权利要求6所述的光电传感器(10)，其中，所述单发射器(12a-d)具有正方形的放射面。
14.根据权利要求8所述的光电传感器(10)，其中，所述直线式布置的长度通过所述单发射器(12a-d)的间距和数量以如下方式来匹配，即，照射线(46a-d)在预先给定的探测间距下在所述光接收器(26)的整个宽度上延伸，而不超出所述光接收器(26)，其中，所述探测间距与远区域或所述分隔接片(34)相对应。 
CN 201120399085 2010-10-14 2011-10-14 带有直线式布置的数个单发射器的光电传感器 Expired - Lifetime CN202512253U (zh)

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