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Gegenstand
der Erfindung ist ein optischer Sensor, ein Verfahren zum Herstellen
eines optischen Sensors sowie ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts
mit einem optischen Sensor gemäss dem
Oberbegriff der Patentansprüche
1, 10 und 11.
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Optische
Sensoren zur Erfassung von Objekten können beispielsweise als Reflexionslichttaster
oder als Lichtschranken ausgebildet sein. Sie umfassen eine Lichtquelle
zum Aussenden von sichtbarem oder unsichtbarem Licht und einen Detektor
zum Empfangen von Licht, welches von der Lichtquelle emittiert wird.
Als Lichtquelle können
beispielsweise Leuchtdioden, Laserdioden oder IR-Dioden eingesetzt
sein. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann die Lichtquelle kontinuierlich
oder – zur
Minimierung von Fremdlichteinflüssen – gepulst
oder getaktet betrieben werden. Es ist auch bekannt, das Licht zu
polarisieren und/oder mittels Blenden und Linsen bzw. Kollimatoren
zu einem Lichtstrahl zu bündeln.
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Als
Detektoren können
beispielsweise Fototransistoren oder Fotodioden verwendet werden. Lichtquelle
und Detektor können
je nach Einsatzzweck und Funktionsweise des Sensors in einem gemeinsamen
Gehäuse
oder räumlich
getrennt voneinander in separaten Gehäusen angeordnet sein.
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Bei
herkömmlichen
Reflexionslichttastern wird das von der Lichtquelle emittierte Licht
in der Regel mittels einer Blende und einer Kollimatorlinse zu einem
Strahl bzw. einem Gauss-Strahl mit (auf die Ausbreitungsrichtung
bezogen) nahezu rotationssymmetrischer Intensitätsverteilung gebündelt. Abweichungen
von der Rotationssymmetrie können
bei LED-Lichtquellen durch deren Form und bei Laserdioden aufgrund
von Beugungseffekten an deren rechteckigen Austrittsöffnung entstehen.
Der Fokus bzw. die Taille des Lichtstahls bestimmt dabei den nutzbaren
Erfassungsbereich. Herkömmlich
wird der Strahldurchmesser – dieser
ist durch das Abklingen der Lichtintensität auf den Bruchteil 1/e radial
zur Strahlrichtung definiert – in
der Regel möglichst
gering gehalten.
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Trifft
dieser Lichtstrahl auf ein Objekt auf, wird er mindestens teilweise
an dessen Oberfläche diffus
reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts kann vom Detektor
erfasst und ausgewertet werden. Mit anderen Worten: Der durch den
Lichtstrahl auf dem Objekt erzeugte Lichtfleck wird durch eine vor
dem Detektor angeordnete Abbildungsoptik auf die lichtempfindliche
Fläche
des Detektors abgebildet.
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Einfache
Reflexionslichttaster werten lediglich die Intensität des erfassten
Lichts aus: Je kürzer der
Abstand zwischen Lichtquelle und Messobjekt, desto höher ist
die vom Detektor erfasste Lichtintensität. Durch Festlegung einer Schaltschwelle
lässt sich
so für
eine bestimmte Art von Messobjekten ein Schaltabstand festlegen.
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Reflexionslichttaster
mit Hintergrundausblendung sowie Distanzsensoren nutzen meistens das
Triangulationsprinzip. Dabei wird der vom Objekt in Richtung des
Detektors reflektierte Lichtanteil auf den Detektor abgebildet und
die sich in Abhängigkeit der
Entfernung zwischen Sensor und Objekt ändernde Position bzw. Lage
des detektierten Lichts auf dem Detektor ausgewertet. Der Detektor
ist derart ausgebildet, dass er mindestens zwei unterschiedliche
Auftreffpositionen des an einem Messobjekt reflektierten Lichts
unterscheiden kann. Als Detektoren können beispielsweise zwei oder
mehrere diskrete oder auf einem gemeinsamen Substrat integrierte Fotodioden
oder Fototransistoren verwendet werden. Alternativ können Detektoren
auch ein- oder zweidimensionales CCD-Arrays mit hoher räumlicher
Auflösung
umfassen. Durch Auswertung der Helligkeitsunterschiede auf den einzelnen
Pixeln kann die genaue Position des Kernstrahls und daraus die Position
des erfassten Objekts ermittelt werden.
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Bei
herkömmlichen
optischen Sensoren werden in der Regel voluminöse sphärische Glas- oder Kunststofflinsen
zur Beeinflussung des von einer Lichtquelle erzeugten Lichts verwendet.
Diese Linsen werden üblicherweise
zwischen der erzeugenden Lichtquelle und einem frontseitigen, für das Licht der
Lichtquelle transparenten Fenster derart angeordnet, dass ein gebündelter
Lichtstrahl mit möglichst geringem
Strahldurchmesser emittiert werden kann. Die Linsen benötigen oft
aufwändige
Justier- und/oder Haltevorrichtungen und viel Platz. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn mehrere Linsen hinter- oder nebeneinander angeordnet
werden sollen. Der hohe Platzbedarf setzt der Miniaturisierung solcher
Sensoren Grenzen.
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Herkömmliche
optische Sensoren eignen sich nicht oder nur ungenügend zur
Erfassung sehr dünner
oder linienartiger Objekte wie z.B. Kanten von Folien oder anderen
Objekten oder gerade Farbmarken, da an solchen Objekten nur ein
kleiner Bruchteil des von der Lichtquelle emittierten Lichts so
gestreut wird, dass es vom Detektor erfasst werden kann. Die Erfassung
von gitterartigen Objekten und von Objekten mit vielen kleinen Löchern ist
mit herkömmlichen Sensoren
ebenfalls problematisch. Bei herkömmlichen Sensoren ist die Optik
jeweils auf eine bestimmte zu lösende
Aufgabe zugeschnitten. Schon geringfügige Änderungen der Rahmenbedingungen
können umfangreiche
Anpassungen am Sensorgehäuse,
an der Haltevorrichtung für
die Linse bzw. die Linsen und an den Linsen selbst erforderlich
machen. Insbesondere ist der Aufwand für die Justierung von Lichtquelle,
Optik und Gehäuse
relativ zueinander sehr aufwändig.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach bezüglich unterschiedlicher Aufgabenstellungen
optimierbaren optischen Sensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung
zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den
Sensor so auszubilden, dass dünne,
linienartige Objekte zuverlässig
erfasst werden können.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
durch einen optischen Sensor, ein Verfahren zum Herstellen eines
optischen Sensors sowie ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts
mit einem optischen Sensor gemäss
den Merkmalen der Patentansprüche
1, 10 und 11. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Der
optische Sensor umfasst erfindungsgemäss eine Frontscheibe mit mehreren
optischen Elementen zum Beeinflussen des Lichtstrahls. Optische Elemente
können
z.B. als Relief-, Gitter- oder Indexstrukturen ausgebildet sein.
Insbesondere zählen Linsen
oder linsenartig wirkende Strukturen zu den optischen Elementen,
also beispielsweise ein zweidimensionales Array aus sphärischen
oder asphärischen
Linsen oder ein eindimensionales Array parallel aneinander gereihter
Zylinderlinsen. Selbstverständlich
können
anstelle refraktiver Linsen auch diffraktive optische Elemente (DOEs)
eingesetzt werden. Der Begriff "optische
Elemente" umfasst
nebst Zylinderlinsen oder Kugellinsen auch entsprechende Linsenabschnitte,
wie sie z.B. bei Fresnellinsen eingesetzt werden, oder Blenden-
oder Gitterstrukturen. Selbstverständlich sind auch beliebige
Kombinationen solcher Elemente auf einer Frontscheibe möglich. Die
optischen Elemente sind vorzugsweise an der der Lichtquelle zugewandten
Innenseite der Frontscheibe angeordnet. Falls die Frontscheibe den Abschluss
des Sensorgehäuses
bildet, umfasst dieser Abschluss in diesem Fall eine plane Aussenseite. Das
Verschmutzungsrisiko und die Gefahr mechanischer Beschädigungen
sind dadurch minimal. Die Frontscheibe kann alternativ auch innerhalb
des Sensorgehäuses,
in Richtung des Lichtstrahls gesehen vor einer das Sensorgehäuse abschliessenden weiteren
Frontscheibe bzw. Schutzscheibe angeordnet sein. Optische Elemente
können
alternativ auch an der Aussenseite der Frontscheibe und/oder beidseitig
an der Frontscheibe ausgebildet oder in die Frontscheibe integriert
sein. Die Frontscheibe kann in definierter Lage und Ausrichtung
fest oder wieder lösbar
form- und/oder kraftschlüssig
am Sensorgehäuse
gehalten bzw. befestigt sein. Da die Lichtquelle ebenfalls am Sensorgehäuse in definierter
Lage gehalten oder befestigt wird, ist eine Justierung der optischen
Elemente bezüglich
der Lichtquelle nicht erforderlich. Zudem ist die Frontscheibe im
Allgemeinen ein grosses Element im Vergleich zu den im Sensor verwendeten
Linsen. Aus diesem Grund wird insbesondere ein Winkelfehler bei
gleicher seitlicher Montagetoleranz massiv kleiner. Dies genügt normalerweise
um eine Justierung zu erübrigen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere unmittelbar
aneinander gereihte plan-konkave Zylinderlinsen an der Frontscheibe ausgebildet.
Diese können
z.B. mittels einer Heissprägung
an der Innenseite einer Kunststoff-Frontscheibe oder einer mit Kunststoff
beschichteten Glas-Frontscheibe angeordnet sein. Sie bewirken eine
Aufweitung des Lichtstrahls in einer Richtung orthogonal zur optischen
Achse bzw. Strahlachse und orthogonal zu den Zylinderlinsenachsen.
Da der Lichtstrahl mehrere Linsen oder Mikrolinsen überlappt
bzw. durch mehrere nebeneinander angeordnete Linsen hindurchtritt,
sind derartige Vorrichtungen unempfindlich gegenüber Verschiebung der Frontscheibe
in Richtung der aneinander gereihten Zylinderlinsen. Analoges gilt
für Verschiebungen
von Frontschieben mit einer Matrix aus sphärischen oder asphärischen
Linsen in der durch die Frontscheibe definierten Ebene.
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Frontscheiben
mit heissgeprägten
Linsenarrays können
kostengünstig
hergestellt werden, indem z.B. eine selbstklebende Folie mit einer
Vielzahl solcher Linsenarrays z.B. mittels eines Rotationsverfahrens
geprägt
und auf eine transparente Trägerplatte
aus Glas oder Kunststoff aufgeklebt wird. Anschliessend wird dann
die Trägerplatte
in einzelne Frontscheiben zerlegt. Das Heissprägeverfahren hat zudem den Vorteil,
dass die zu prägenden
Folien oder Platten mit einer sehr dünnen und harten Schutzschicht
gegen mechanische Beschädigungen geschützt sein
können.
Diese Schutzschicht bleibt auch nach der Heissprägung der Linsen erhalten. Im Vergleich
zu einer nachträglichen
Beschichtung der Frontscheiben ist dieses Verfahren wesentlich kostengünstiger.
Zudem werden die durch die Heissprägung bewirkten optischen Eigenschaften
nicht mehr verändert.
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Zusätzlich zu
den optischen Elementen, welche z.B. eine Aufweitung des Lichtstrahls
in einer oder zwei Richtungen orthogonal zur optischen Achse bewirken,
können
weitere optische Elemente an der Frontscheibe ausgebildet werden.
Insbesondere können
auf der dem Linsenarray gegenüberliegenden
Seite der Frontscheibe Strukturen einer Fresnellinse zum Fokussieren
des Lichtstrahls ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können seitlich
des Linsenarrays weitere optische Elemente ausgebildet sein. Diese
können
zum Abbilden des an einem Objekt gestreuten Lichts der Lichtquelle
auf einen im Sensorgehäuse
angeordneten Detektor genutzt werden.
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Die
Frontscheibe mit den optischen Elementen kann relativ dünn sein.
Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Halbleiterlaser mit einer
Blende und einer Kollimatorlinse verwendet. Diese Anordnung liefert
einen kohärenten
Lichtstrahl mit geringem Strahldurchmesser. Trifft dieser Lichtstrahl
auf das Zylinderlinsenarray, wird er von diesem in einer Dimension
aufgeweitet, sodass ein linienförmiger
Sendespot entsteht. Trifft dieser linienförmige Sendespot auf ein entsprechend
ausgerichtetes längliches
Objekt, wird er von diesem reflektiert und kann von einem Detektor
mit vorgesetzter Erfassungsoptik erfasst und ausgewertet werden.
Das auswertbare Nutzsignal ist deutlich höher als bei einem punktförmigen Sendespot.
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Dadurch,
dass die optischen Elemente direkt an der Frontscheibe ausgebildet
sind, kann die Art und Wirkung des Sensors allein durch die Verwendung
unterschiedlicher Frontscheiben ohne oder mit optischen Elementen
an unterschiedliche Aufgabenstellungen angepasst werden. Mit dem
erfindungsgemässen
Verfahren kann die Teilevielfalt zur Herstellung unterschiedlicher
Sensoren stark verringert werden. Alternativ zum Heissprägen können Frontscheiben
mit optischen Elementen auch mittels anderer Verfahren hergestellt
werden, z.B. als Spritzgussteile oder durch Giessen von aushärtenden
Giessharzen in entsprechende Formen oder durch Aufkleben strukturierter
Folien.
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Durch
Homogenisierung des Sendestrahls kann die Tiefenschärfe bzw.
der nutzbare Erfassungsbereich in Richtung des Sendestrahls vergrössert werden.
Dies kann erreicht werden, indem der Lichtstrahl durch ein oder
mehrere optische Elemente mit mindestens zwei unterschiedlichen
Fokaldistanzen beeinflusst wird. Dies kann beispielsweise mittels
einer an der Frontscheibe ausgebildeten Fresnellinse erreicht werden,
wobei die Krümmungsradien
der einzelnen Ringe dieser Fresnellinse alternierend den Krümmungsradien
zweier sphärischer oder
asphärischer
Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten entsprechen. Sinngemäss gilt
dies auch für
Zylinder-Fresnellinsen.
Selbstverständlich
kann anstelle einer Fresnellinse auch eine Doppelfokallinse vorgesehen
sein, bei der die Oberfläche
ringartige Strukturen mit alternierenden Krümmungsradien zweier Linsen
mit unterschiedlicher Brennweite umfasst.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
auf beiden Seiten der Frontscheibe Fresnellinsen mit unterschiedlichen
Brennweiten ausgebildet sein. Es ist auch möglich, anstelle einer einzigen
Frontscheibe mehrere Frontscheiben mit unterschiedlichen optischen
Elementen in Bezug auf den Sendestrahl hintereinander im oder am
Sensorgehäuse
anzuordnen. Ebenso ist es möglich,
Strukturen einer Fresnellinse auf einer der Oberflächen der
Kollimatorlinse auszubilden.
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Zusätzlich oder
alternativ zur Ausbreitungsrichtung kann der Sendestrahl auch quer
zur Ausbreitungsrichtung homogenisiert werden, insbesondere bei
einer Aufweitung des Sendestrahles in einer Richtung ist es von
Vorteil in dieser Richtung eine möglichst homogene Energieverteilung über den
gesamten Strahlquerschnitt zu erzeugen. Die Energieverteilung bzw.
die Bestrahlungsstärke
hat somit ein möglichst
rechteckiges Profil. Dies kann geometrisch optisch mit normalen
Zylinderlinsen, bzw. bei hoher Apertur mit asphärischen Zylinderlinsen, also
mit Linsen mit nicht kreisförmigem
Querschnitt, erreicht werden. Allerdings folgt die Energieverteilung
dann in Realität
doch nicht einem Rechteckprofil wegen der Beugung an den Endkanten
des Profils. Es entstehen Minima und Maxima mit einem sehr ausgeprägten, überhöhten Maximum
an beiden Enden des Profils. Dies kann bei einem Zylinderlinsenarray
deutlich reduziert und damit homogenisiert werden z.B. durch Linsen
mit unterschiedlichen Brennweiten und/oder mit unterschiedlichen
Breiten der Zylinderlinsen oder durch speziell angepassten Asphärenkonstanten.
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Anhand
einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
Dabei zeigen
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1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines Reflexionslichttasters
und des Strahlengangs beim Erfassen eines Objekts,
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2 die
Wirkung einer ebenen Frontscheibe auf den Sendestrahl,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer strukturierten Frontscheibe,
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4 einen
Querschnitt durch einen Teil einer Frontscheibe mit einem heissgeprägten Zylinderlinsenarray,
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5 die
Wirkung einer Frontscheibe mit einem eingeprägten, in einer ersten Richtung
ausgerichteten Zylinderlinsenarray auf den Sendestrahl,
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6 die
Wirkung einer Frontscheibe mit einem eingeprägten, in einer zweiten Richtung
ausgerichteten Zylinderlinsenarray auf den Sendestrahl,
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7 eine
Frontscheibe mit integriertem Zylinderlinsenarray und mit einer
Fresnel-Erfassungsoptik,
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8a eine
Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Linse bzw. Kollimatorlinse
zum Erzeugen eines Lichtstrahls bei einem Sensor gemäss Stand der
Technik,
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8b die
Aufweitung eines Lichtstrahls mittels eines an der Eintrittsseite
des Lichtstrahls auf einer Frontscheibe ausgebildeten Zylinderlinsenarrays,
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8c die
Aufweitung eines Lichtstrahls bei einer Anordnung gemäss 8b,
jedoch mit auf der Austrittsseite angeordnetem Zylinderlinsenarray,
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8d eine
Anordnung gemäss 8b,
jedoch mit einer zusätzlichen
Fresneloptik oder mit diffraktiven optischen Elementen an der Austrittsseite der
Frontscheibe zum Erhöhen
des Tiefenschärfebereichs,
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8e die
Anordnung aus 8d mit einer zusätzlichen
Front- oder Schutzscheibe,
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8f die
Ausbildung einer Fresneloptik zum Erweitern des Tiefenschärfebereichs
an der Kollimatorlinse,
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8g die
Verwendung einer Doppelfokuslinse zum Erweitern des Tiefenschärfebereichs.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Reflexionslichttasters mit einer prinzipiellen
Anordnung der optischen Elemente und dem Strahlengang bei der Erfassung
eines Objekts 1. Als Lichtquelle 3 dient eine
Halbleiter-Laserdiode. Das Licht der Laserdiode wird mittels einer
Kollimatorblende 5 und einer sphärischen oder vorzugsweise asphärischen Linse
bzw. Kollimatorlinse 7 zu einem schmalen Lichtstrahl bzw.
Sendestrahl 9 gebündelt
(in 1 als Pfeil dargestellt). Der Lichtstrahl tritt
anschliessend durch eine Frontscheibe 11 in Richtung des
zu erfassenden Objekts 1 aus dem Sensorgehäuse 12 aus.
Die Frontscheibe 11 kann alternativ auch im Gehäuseinneren
ausgebildet sein. In diesem Fall ist zusätzlich zur Frontscheibe 11 eine
weitere Frontscheibe 11 bzw. eine Abschluss- oder Schutzscheibe
vorgesehen, welche das Sensorgehäuse 12 frontseitig abschliesst
(nicht dargestellt). Mindestens ein Teil des auf die Oberfläche des
Objekts 1 auftreffenden Lichts wird an diesem diffus gestreut,
sodass es mittels einer Erfassungslinse 13 auf einen Detektor 15 abgebildet
werden kann. In 1 ist dies durch einen Erfassungsstrahl 17 in
Gestalt eines Pfeils dargestellt. Bei Sensoren, die nach dem Triangulationsprinzip
arbeiten, wird die Lage des abgebildeten Lichtflecks auf dem Detektor 15 von
einer Erfassungs- oder Auswerteelektronik 16 ausgewertet
und ein dem jeweiligen Objektabstand s entsprechendes Ausgangssignal
generiert. Die Erfassungselektronik 16 mit dem Detektor 15 und
die Lichtquelle 3 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen
Leiterplatte 23 mit definierter relativer Lage zueinander
angeordnet. 2 zeigt, dass der Sendestrahl 9 bei
einem Sensor mit einer herkömmlichen
ebenen Frontscheibe 11 durch die Kollimatorlinse 7 zu
einem nahezu punktförmigen
Spot 8 fokussiert wird. Die Frontscheibe 11 hat
praktisch keinen Einfluss auf den Sendestrahl 9.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausgestaltung einer rechteckigen Frontscheibe 11 mit
einem quadratischen Array aus 8 Zylinderlinsen 18, welche
von einem unstrukturierten Rahmen 19 ummantelt sind.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer Frontscheibe 11, bei welcher zumindest
im Bereich der Durchtrittsstelle des Sendestrahls 9 an
der der Lichtquelle 3 zugewandten Innenseite Strukturen
von optischen Elementen ausgebildet sind. Im dargestellten Beispiel
umfassen die optischen Elemente ein Zylinderlinsenarray mit mehreren
parallel zueinander ausgerichteten und unmittelbar aneinander angrenzenden,
plan-konkaven Zylinderlinsen 18. Die Tiefe d1 der
Prägung
liegt im Bereich von etwa 0.001mm bis etwa 0.3mm, beispielsweise
bei etwa 0.02mm. Der Krümmungsradius
der Linsen kann z.B. im Bereich von etwa 0.1mm bis etwa 100mm liegen
und z.B. etwa 6mm betragen. Die Breite b der einzelnen Zylinderlinsen 18 kann
z.B. im Bereich von etwa 0.05mm bis etwa 2mm liegen. Die Breite
b der Strukturen bzw. optischen Elemente, welche den Lichtstrahl
beeinflussen, ist kleiner als der Durchmesser des Lichtstrahls,
der z.B. etwa 2mm bis etwa 4mm betragen kann. Die Dicke d2 der Frontscheibe 11 aus beispielsweise
rot eingefärbtem
Acrylglas kann z.B. kleiner als etwa 2mm sein und z.B. etwa 0.5mm
betragen. Vorzugsweise werden Frontscheiben 11 aus PMMA
mit einer Stärke
bzw. Dicke von etwa 0.5mm oder etwa 1mm verwendet. Die optischen
Elemente können z.B.
direkt durch Heissprägen
dieser Platten oder durch Aufkleben einer Folie mit heissgeprägten optischen
Elementen auf diese Platten hergestellt werden. Vorzugsweise umfasst
das zu prägende
Material eine harte Schutzschicht, welche auch nach der Prägung einen
Schutz gegen mechanische Beschädigung
der geprägten
Strukturen bietet. Aus diesem Grund kann sie kostengünstig auf
grossflächig
hergestellten Platten aufgebracht werden, die dann auf das gewünschte Format
geschnitten oder gestanzt werden. Solche Schutzschichten werden
z.B. zur Vergütung
von Brillengläsern
verwendet. Selbstverständlich
sind für
die zuvor angegebenen Parameter auch abweichende bzw. grössere oder
kleinere Werte möglich.
Bei Frontscheiben 11 mit mehreren Linsen bzw. Linsenarrays
können
die einzelnen Linsen identisch oder mit unterschiedlichen charakteristischen
Parametern wie z.B. Linsenbreiten, Brennweiten, Asphärenkonstanten
und dergleichen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu
Zylinderlinsen 18 können
z.B. auch sphärische
Linsen oder Strukturen von Fresnellinsen – insbesondere von Zylinder-Fresnellinsen – oder Prismen
einzeln oder in Gruppen als ein- oder zweidimensionale Arrays an der
Frontscheibe 11 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zur
der Lichtquelle 3 zugewandten Innenseite der Frontscheibe 11 kann
auch deren Aussenseite strukturiert werden. Die Frontscheibe 11 kann mehrere
Schichten umfassen, wobei jeweils mindestens eine der peripheren
Schichten vorzugsweise mittels einer Heissprägung bzw. unter Einwirkung von
Wärme und
Druck strukturiert wird.
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Alternativ
kann eine Struktur an der Frontscheibe 11 auch in anderer
Weise gebildet werden, beispielsweise indem die Frontscheibe 11 als
Spritzgussteil hergestellt oder aus einem aushärtenden, für das Licht der Lichtquelle 3 transparenten
Giessharz in einer Form gegossen wird, oder indem eine strukturierte
Folie auf die plane Oberfläche
der Frontscheibe 11 aufgeklebt wird. Als optische Elemente
können auch
diffraktive optische Elemente (DOE) oder Blenden- und/oder Gitterstrukturen
an der Frontscheibe 11 ausgebildet werden.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das Sensorgehäuse 12 nach
aussen hin nicht direkt durch die strukturierte Frontscheibe 11,
sondern durch eine der Frontscheibe 11 vorgelagerte weitere
Frontscheibe 11 bzw. Schutz- oder Abschlussscheibe abgeschlossen
(keine Darstellung). Die Frontscheibe 11 befindet sich
also innerhalb des Sensorgehäuses 12,
welches durch die Abschlussscheibe zur Aussenwelt hin begrenzt wird.
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Die
Frontscheibe 11 umfasst aussen an den optischen Elementen
einen zum Ausrichten und Halten bzw. Befestigen der Frontscheibe 11 am
Sensorgehäuse 12 oder
an anderen Teilen des Sensors ausgebildeten Rahmen 19 oder
alternative Befestigungsmittel. Die Frontscheibe 11 kann
z.B. im Bereich des Rahmens 19 mit einem korrespondierenden
Absatz am Sensorgehäuse 12 verklebt oder
mittels Laser- oder Ultraschallenergie verschweisst werden. Sie
kann zum Ausrichten und/oder zum Verschweissen im Bereich des Rahmens 19 in
geeigneter Weise strukturiert sein und z.B. eine oder mehrere umlaufende
Rippen, Noppen, Brauen oder Nuten umfassen (nicht dargestellt).
Alternativ können
z.B. am Rahmen 19 Bohrungen (nicht dargestellt) zum Festschrauben
der Frontscheibe 11 am Sensorgehäuse 12 ausgebildet
sein. Bei einer weiteren Variante (nicht dargestellt) wird die Frontscheibe 11 mittels eines
Klemmrahmens vorzugsweise dichtend am Sensorgehäuse befestigt. Die Aufnahme
am Sensorgehäuse 12 und
die Frontscheibe 11 sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt,
dass die Frontscheibe 11 formschlüssig oder in einer definierten Lage
am Sensorgehäuse 12 befestigt
werden kann. Zum definierten Ausrichten können auch miteinander korrespondierende
vorstehende bzw. vertiefte Strukturen am Sensorgehäuse 12 und
an der Frontscheibe 11 verwendet werden (nicht dargestellt).
Falls keine Abschlussscheibe vorgesehen ist, bildet die Frontscheibe 11 den
frontseitigen Abschluss einer Durchtrittsöffnung im Sensorgehäuse 12.
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Die
optischen Elemente an der Frontscheibe 11 sind dazu ausgebildet,
die Geometrie bzw. die Querschnittsform des Sendestrahls 9 zu
verändern. Mit
dem in den 3 bis 6 dargestellten
Zylinderlinsenarray kann der Sendestrahl 9 in einer Richtung
quer zu den Achsen der Zylinderlinsen 18 aufgeweitet werden,
sodass auf der Oberfläche
eines Objekts 1 im Fokalbereich anstelle eines punktförmigen Spots 8 eine
Linie 10 entsteht. Wie aus den 5 und 6 ersichtlich,
erfolgt die Aufweitung des Sendestrahls 9 jeweils orthogonal
zur Richtung der Achsen der Zylinderlinsen 18. Die Linie 10 wird
durch die Erfassungslinse 13 auf den Detektor 15 abgebildet. Die
Erfassungslinse 13 kann z.B. als sphärische, asphärische oder
zylindrische Sammellinse ausgebildet sein, welche zwischen der Frontscheibe 11 und
dem Detektor 15 am Sensorgehäuse 12 gehalten ist.
Alternativ oder zusätzlich
können
optische Elemente zum Abbilden des durch den Sendestrahl 9 auf
der Oberfläche
des Objekts 1 gebildeten punkt- oder linienartigen Lichtflecks
auf den Detektor 15 auch an der Frontscheibe 11 ausgebildet
sein. Derartige optische Elemente werden vom Begriff "Erfassungslinse 13" mit umfasst. 7 zeigt
eine Frontscheibe 11 mit einem integrierten Zylinderlinsenarray
und mit einer daneben angeordneten Fresnel-Erfassungslinse 13. Durch
die Integration der Erfassungslinse 13 in die Frontscheibe
kann der Aufbau des Sensors weiter vereinfacht und die Baugrösse des
Sensors weiter verkleinert werden. Die Erfassungslinse 13 ist
vorzugsweise so ausgebildet und im Sensorgehäuse 12 angeordnet,
dass der Lichtfleck in Abhängigkeit
des Objektabstandes s (1) in unterschiedlicher Weise
auf das oder die lichtempfindlichen Detektorelemente abgebildet
wird. Je nach Ausgestaltung der Erfassungslinse 13 wird
der Lichtfleck massstäblich oder
verzerrt auf den Detektor 15 abgebildet. Insbesondere bei
Sensoren mit sehr kleinen Bauformen kann mittels der Erfassungslinse 13 in
der Frontscheibe 11 der Linsendurchmesser bei gleicher
Apertur erhöht
werden. Dadurch hat der Sensor eine grössere Empfangsfläche und
wird empfindlicher. Eine gute Lösung
in dieser Hinsicht ist auch eine Kombination einer Erfassungslinse 13 mit
mittlerer Brennweite und eine weitere konventionelle Linse (nicht
gezeichnet) hinter dieser Linse 13 zur Verkleinerung der effektiven
Brennweite. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, die Fokussierung
längs und
quer zur Frontscheibe 11 aufzuteilen, also zum Beispiel
die Fokussierung quer zur Scheibe mit einer Fresnel-Zylinderlinse
und die Fokussierung längs
zur Scheibe von einer zweiten Linse dahinter zu übernehmen. Diese zweite Linse
könnte
eine konventionelle Zylinderlinse 18, eine Fresnellinse,
ein DOS oder sogar eine normale sphärische oder asphärische Linse
sein. Die Aufweitung des Sendestrahls 9 in einer oder zwei
Dimensionen wirkt sich in unterschiedlichen Situationen vorteilhaft
aus:
Bei Kanten oder schmalen Objekten 1, die mit
einem in Richtung dieser Kanten aufgeweiteten Sendestrahl 9 angeleuchtet
werden, kann der Signalhub am Detektor 15 wesentlich erhöht werden,
sodass auch sehr dünne
Objekte noch zuverlässig
erfasst werden können.
Weiter wird die Kantenerkennung bei leichten Kantenrauhigkeiten
massiv verbessert, da die Aufweitung des Sendestrahls 9 entlang
der Kante zu einer Mittelung der Kantenrauhigkeiten führt. Bei Kanten
oder schmalen Objekten, die quer zur Aufweitungsrichtung des Sendestrahls 9 orientiert
sind, ist eine zuverlässige
Objekterfassung nicht nur an einer Stelle sondern im gesamten Bereich
des aufgeweiteten Sendestrahls 9 möglich.
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Analog
dazu können
bei einer flächigen
bzw. zweidimensionalen Strahlaufweitung auch sehr kleine Objekte
noch zuverlässig
erfasst werden. 8a zeigt schematisch die dem
Stand der Technik entsprechende Beeinflussung des von der Lichtquelle 3 emittierten
Lichts durch die Kollimatorlinse 7. Bei 8b ist
ein Array aus plan-konkaven Zylinderlinsen 18 mit orthogonal
zur Zeichenebene ausgerichteten Zylinderachsen in den Sendestrahl
eingefügt, wodurch
der Sendestrahl 9 in der Zeichenebene orthogonal zur optischen
Achse aufgeweitet wird. Das Zylinderlinsenarray ist an der Eintrittsseite
des Lichts der Lichtquelle 3 ausgebildet. Im Beispiel von 8c ist
das Zylinderlinsenarray auf der Austrittsseite des Lichts ausgebildet.
Die 8d bis 8g zeigen mögliche Anordnungen,
bei denen Mittel zum Erhöhen
des Tiefenschärfebereichs
des Sensors bzw. Mittel zum Homogenisieren des Sendestrahls vorgesehen
sind. Im Beispiel von 8d ist an der Innenseite der
Frontscheibe 11 ein Zylinderlinsenarray oder eine Zylinder-Fresnellinse
oder DOE ausgebildet. An der gegenüberliegenden Aussenseite ist
eine Fresnellinse 21 in die Frontscheibe 11 integriert.
Diese Fresnellinse 21 ist eine Kombination aus zwei Fresnellinsen 21 mit
unterschiedlichen Brennweiten, wobei die aneinandergefügten Ringelemente
alternierend die jeweiligen Krümmungsradien
der einen und der anderen Fresnellinse 21 aufweisen. Auf
der Oberfläche
eines Objekts 1, welches sich in einem der Fokalbereiche
der beiden kombinierten Fresnellinsen 21 befindet, ist
somit eine scharfe Linie 10 bzw. Linie 10' als Spotabbild
sichtbar. Der Laserstrahl hat in diesem Bereich eine verlängerte Strahltaille.
Es können
auch Elemente von mehr als zwei Fresnellinsen 21 oder mehrere
nebeneinander angeordnete Mikrolinsen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen verwendet
werden, um die Tiefenschärfe
zu erhöhen.
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Bei 8e ist
zusätzlich
eine weitere Frontscheibe 11 bzw. Schutzscheibe vorgesehen.
Bei 8f ist eine bifokale Fresnellinse 21 auf
einer der Oberflächen
der Kollimatorlinse 7 ausgebildet. 8g zeigt
eine Anordnung mit einer Doppelfokuslinse 22. Es können auch
Abschnitte mehrerer Linsen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen
miteinander zu einer Multifokuslinse, kombiniert werden.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung können Fresnellinsen 21 und/oder
Mikrolinsen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen auf beiden Seiten
einer Frontscheibe 11 ausgebildet sein. Alternativ zu Linsen
oder Linsenabschnitten können
auch entsprechende diffraktive optische Elemente (DOE) an der oder
den Frontscheiben 11 ausgebildet sein.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zusätzlich oder
alternativ eine Homogenisierung des Lichtstrahlprofils. An der Frontscheibe 11 können beispielsweise
zwölf aneinander
gereihte Zylinderlinsen 18 mit einer Breite b von je 0.5mm,
einer Länge
von je etwa 6mm und einem Krümmungsradius
von beispielsweise –2.2mm
ausgebildet sein. Mit diesem Array kann in der Fokaldistanz von
etwa 100mm eine Laserlinie 10 mit einer Länge von
etwa 10mm erzeugt werden. Aufgrund von Beugungseffekten sind an
den Endpunkten der Linie 10 überhöhte Maxima sichtbar.
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Diese
Stellen mit überhöhter Bestrahlungsstärke können z.B.
durch unterschiedliche Ausbildung der aneinander gereihten Zylinderlinsen 18 reduziert
oder verhindert werden. Dabei werden abwechslungsweise Zylinderlinsen 18 mit
zwei verschiedenen Brennweiten und/oder verschiedenen Breiten b
(4) verwendet. Die erste dieser Brennweiten beträgt beispielsweise
ca. 1 mm. Die zweite Brennweite ist etwa 14% bis etwa 25% grösser oder kleiner
als die erste Brennweite. Der Unterscheidungsfaktor kann also beispielsweise
1.17 betragen. Im vorliegenden Beispiel können Maxima der Bestrahlungsstärke durch
alternierende Krümmungsradien
mit Werten von etwa –2.2mm
und –1.88mm weitgehend
reduziert werden, sodass der Laserstrahl eine gleichmässigere
Energieverteilung aufweist. In analoger Weise können auch alternierend Linsen
mit Breiten b von etwa 0.5mm und etwa um 14% bis etwa 25% vergrösserter
oder verkleinerter Breite b verwendet werden.
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Zum
Homogenisieren des Lichtstrahls können alternativ auch zwölf Einzellinsen
mit einem asphärischen
Profil verwendet werden. Der Radius und die Asphärenkonstanten sind dabei so
zu wählen, dass
der Lichtstrahl entlang der Aufweitung geometrisch optisch nicht
mehr gleich gut homogenisiert ist, sondern die Energieverteilung
gegen die äusseren beiden
Ränder
hin abnimmt. Die Krümmungsradien sind
dann zum Beispiel etwa –2.4mm
und die Asphärenkonstanten
betragen für
y^4: –0.5;
y^6: 5; y^8: –20;
y^10: –50.
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Die
erfindungsgemässen
Merkmale betreffend die Homogenisierung des Lichtstrahls sowie die Ausbildung
optischer Elemente an einer Frontscheibe 11 können unabhängig voneinander
oder in Verbindung miteinander zur Optimierung eines optischen Sensors
verwendet werden. Zylinderlinsen 18 können auch in Richtung der Zylinderachsen
eine minimale Krümmung
bzw. Wölbung
aufweisen. Sie haben dann quer zur Aufweitungsrichtung ebenfalls eine
leichte Linsenwirkung mit einer Brennweite von z.B. 100mm.
-
Die
Wirkung eines Sensors kann bei dessen Herstellung allein durch die
Wahl unterschiedlicher Frontscheiben 11 festgelegt werden,
wobei diese mit oder ohne optische Elemente ausgebildet sein können. Insbesondere
ist es möglich,
z.B. für
Testzwecke oder Kleinserien allein durch Anpassung der Frontscheibe 11 mit
den optischen Elementen unterschiedliche Sensoreigenschaften zu
definieren. Bei der Auswertung flächiger Lichtbereiche beim Detektor 15 können verschiedene
Verfahren wie z.B. Ermittlung des Schwerpunktes der Lichtverteilung,
zeitliche und/oder räumliche
Integration des Lichts an einem oder mehreren Sensorelementen, Differenzbildung
der Lichtintensität
zwischen verschiedenen Detektorelementen und dergleichen verwendet
werden.
-
- 1
- Objekt
- 3
- Lichtquelle
- 5
- Kollimatorblende
- 7
- Kollimatorlinse
- 8
- Spot
- 9
- Sendestrahl
- 10
- Linie
- 12
- Sensorgehäuse
- 11
- Frontscheibe
- 13
- Erfassungslinse
- 15
- Detektor
- 17
- Erfassungsstrahl
- 18
- Zylinderlinsen
- 19
- Rahmen
- 21
- Fresnellinse
- 22
- Doppelfokuslinse
- 23
- Leiterplatte