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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einem Empfangselement und einer Empfangslinse und einem optischen Filterelement, welches zwischen dem Empfangselement und der Empfangslinse angeordnet ist.
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In optoelektronischen Sensoren kommen Interferenzfilter zum Einsatz. Die Aufgabe des Filters ist es, Licht bestimmter Frequenzen gezielt zu filtern. Typischerweise werden damit Wellenlängen aus dem nahen Infrarot (NIR) geblockt oder durch Bandfilter nur die durch einen Sender ausgesendeten Wellenlängen zum Empfangselement durchgelassen, mit dem Ziel das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern und die Empfindlichkeit gegenüber Störlichtquellen zu reduzieren. Interferenzfilter sind üblicherweise auf ein Glassubstrat aufgebrachte dieelektrische Schichten, woraus sich für die Anwendung in optoelektronischen Sensoren maßgeblich mindestens zwei Aufgaben ableiten.
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Erstens ist der Montageprozess von Interferenzfilter auf Grund der dünnen und gegen Krafteinwirkung empfindlichen Glasplättchen häufig aufwändig und muss auch für nachgelagerte Montageprozesse berücksichtigt werden.
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Zweitens ist die Filterwirkung von der optischen Weglänge, die der Strahl durch das Filter nimmt, abhängig. Hieraus ergibt sich eine Abhängigkeit der Mittenwellenlänge, Güte und Halbwertsbreite des Filters vom Winkel der einfallenden Strahlen. Insbesondere Bandfilter sollten für eine optimale Wirkungsweise nur von Strahlbündeln mit möglichst kleinem Winkelspektrum durchstrahlt werden. Deshalb ist der ideale Montageort nach dem Stand der Technik vor der Empfangslinse, was jedoch der Miniaturisierung im optomechanischen Aufbau entgegenwirkt und durch die notwendig große Fläche des Filters mit Mehrkosten verbunden ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein optisches Filterelement bereitzustellen, welches eine verbesserte Filterwirkung aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein preiswerteres Filterelement bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen kompakteren optoelektronischen Sensor bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch einen optoelektronischen Sensor mit einem Empfangselement und einer Empfangslinse und einem optischen Filterelement, welches zwischen dem Empfangselement und der Empfangslinse angeordnet ist, wobei das optische Filterelement mindestens eine konvexe oder konkave Oberfläche aufweist, so dass die empfangenen Lichtstrahlen das Filterelement an der Oberfläche an jeder Eintrittsstelle im senkrechten Winkel durchlaufen.
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Das Empfangselement ist beispielsweise eine Empfangsdiode. Vor dem Empfangselement befindet sich in einem Abstand die Empfangslinse. Die Empfangslinse ist als Sammellinse ausgeführt und bündelt das Licht auf das Empfangselement. Das Empfangslicht tritt dabei nach der Empfangslinse gebündelt auf das Empfangselement.
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Zwischen dem Empfangselement und der Empfangslinse ist erfindungsgemäß das optische Filterelement angeordnet. Das Filterelement weist mindestens eine konvexe oder konkave Oberfläche auf. Auf der konvexen oder konkaven Oberfläche ist das Filter durch eine Filterschicht wirksam. Dabei ist die konvexe oder konkave Oberfläche derart angeordnet, dass die empfangenen Lichtstrahlen nach der Empfangslinse das Filterelement bzw. die Filterschicht des Filterelements senkrecht bzw. im rechten Winkel durchlaufen bzw. durchdringen.
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Dadurch ist das Filterelement für alle Lichtstrahlen gleich wirksam. Jeder Lichtstrahl wird durch das Filter identisch gefiltert.
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Da das Filterelement zwischen Empfangslinse und Empfangselement angeordnet ist, kann das Filterelement flächig kleiner ausgeführt werden als ein Filterelement, das direkt vor der Empfangslinse angeordnet ist, da das Filterelement lediglich etwas größer ausgebildet werden muss wie das Empfangselement, je nach dem an welcher Position das Filterelement zwischen Empfangselement und Empfangslinse angeordnet ist. Dadurch kann das Filterelement preiswerter und einfacher hergestellt werden. Da das Filterelement kompakter ist, kann eine bessere Güte über die gesamte Fläche des Filterelements bereitgestellt werden.
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Bei dem Filterelement kann es sich beispielsweise um ein Bandfilter, ein Infrarotfilter, ein Filter im nahen Infrarotbereich usw. handeln.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor eine Lichtschranke oder ein Lichttaster. Eine Lichtschranke kann dabei als Einweglichtschranke ausgebildet sein. Dabei sind Lichtsender und Lichtempfänger gegenüberliegend angeordnet und eine Unterbrechung des Lichtstrahls führt in der Auswerteeinheit des Lichtempfängers zu einem Objektfeststellungssignal. Bei einer Reflexionslichtschranke sind Lichtsender und Lichtempfänger auf der gleichen Seite eines Überwachungsbereiches, meist in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Gegenüberliegend ist ein Retroreflekor angeordnet, der das vom Lichtsender ausgesandte Licht um 180° zurückreflektiert in den Lichtempfänger.
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Bei einem Lichttaster sind Lichtsender und Lichtempfänger in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die vom Lichtsender ausgesandten Lichtstrahlen werden an einem Objekt reflektiert oder remittiert. Dabei kann das empfangene Licht energetisch ausgewertet werden. Falls ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben.
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Jedoch kann der Lichttaster auch als Triangulationstaster ausgebildet sein. Bei einem Triangulationstaster ist das Empfangselement ortsauflösend ausgebildet und der Lichtsender beabstandet zum Empfangselement angeordnet. Ein vom Lichtsender ausgesendeter Lichtspot wird von einem Objekt zurück, über die Empfangslinse auf das ortsauflösende Empfangselement abgebildet. Je nach Entfernung des Objektes wird der Lichtspot an unterschiedlichen Positionen abgebildet, wobei von der Position des Lichtspots auf dem Empfangselement auf die Entfernung des Objektes geschlossen werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor ein Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren. Dabei wird vom Lichtsender ein kurzer Lichtimpuls bzw. eine Gruppe von Lichtimpulsen ausgesendet. Der oder die Lichtimpulse werden von einem Objekt reflektiert bzw. remittiert und vom Empfangselement des Lichtempfängers empfangen. Von einer nachgeordneten Auswerteeinheit wird die Laufzeit des Lichtes vom Aussenden bis zum Empfangen ausgewertet und daraus die Entfernung des Objektes berechnet.
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In Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Oberfläche, welche zu der ersten Oberfläche beabstandet ist, eine plane, konvexe oder konkave Oberfläche. Die erste Oberfläche steht dabei der Empfangslinse gegenüber und die zweite Oberfläche steht dabei dem Empfangselement gegenüber.
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Ist beispielsweise die erste Oberfläche eine konvexe Oberfläche und die zweite Oberfläche eine konkave Oberfläche, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen gemeinsamen Radienursprung aufweisen, so weist das Filterelement eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes konstant ist.
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Jedoch kann es auch vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche eine konvexe Oberfläche und die zweite Oberfläche eine konkave Oberfläche ist, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen unterschiedlichen Radienursprung aufweisen, so dass das Filterelement eine Krümmung aufweist, wobei die Dicke des Filterelementes unterschiedlich ist.
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Jedoch kann es auch vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche eine konvexe Oberfläche ist und die zweite Oberfläche eine plane Oberfläche ist. Dabei entsteht ein Filterelement, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die erste Oberfläche gebildet.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche eine plane Oberfläche ist und die zweite Oberfläche eine konkave Oberfläche ist. Dabei ist ebenso ein Filterelement gebildet, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die zweite konkave Oberfläche gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste oder die zweite Oberfläche des Filterelements eine sphärische Oberfläche auf. Eine sphärische Oberfläche ist ein Teil einer Kugelfläche. Das Filterelement ist dabei ein rotationssymmetrischer Körper, der gemäß dieser Ausführung einer rotationssymmetrischen Empfangslinse zugeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Lichtenergie auf einen möglichst kleinen Lichtfleck gebündelt werden. Dies verbessert die Sensorempfindlichkeit und lässt bei Triangulationstaster eine höhere Abstandsgenauigkeit zu. Das Empfangselement ist beispielsweise eine Empfangsdiode mit einer kleinen Empfangsfläche. So ist die Empfangsfläche beispielsweise kleiner als 1 mm2.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Filterelement innerhalb der Brennweite der Empfangslinse angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Lichtenergie auf einen möglichst kleinen Lichtfleck gebündelt werden. Dies verbessert die Sensorempfindlichkeit und lässt bei Triangulationstaster eine höhere Abstandsgenauigkeit zu. Dadurch kann das Empfangselement, beispielsweise bei einer Lichtschranke sehr klein ausgeführt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Filterelement außerhalb der Brennweite der Empfangslinse angeordnet. Dadurch kann das Empfangselement flächig mit einer größeren Ausdehnung ausgebildet werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn ein flächiger Bildsensor als Empfangselement, beispielsweise ein CCD oder CMOS Bildsensor eingesetzt werden soll. Weiter kann gemäß dieser Ausführungsform auch ein flächiges positionsempfindliches Empfangselement eingesetzt werden.
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Ist beispielsweise die erste Oberfläche eine konkave Oberfläche und die zweite Oberfläche eine konvexe Oberfläche, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen gemeinsamen Radienursprung aufweisen, so weist das Filterelement eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes konstant ist.
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Jedoch kann es auch vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche eine konkave Oberfläche und die zweite Oberfläche eine konvexe Oberfläche ist, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen unterschiedlichen Radienursprung aufweisen, so weist das Filterelement eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes unterschiedlich ist.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die zweite Oberfläche eine plane Oberfläche ist und die erste Oberfläche eine konkave Oberfläche ist. Dabei ist ebenso ein Filterelement gebildet, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die erste konkave Oberfläche gebildet.
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Jedoch kann es auch vorgesehen sein, dass die zweite Oberfläche eine konvexe Oberfläche ist und die erste Oberfläche eine plane Oberfläche ist. Dabei entsteht ein Filterelement, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die zweite konvexe Oberfläche gebildet.
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In Weiterbildung ist das Filterelement aus Glas und ein Deckglas des Empfangselements. Dadurch ist das Filterelement direkt mit dem Empfangselement mechanisch gekoppelt. Dadurch ist die räumliche Zuordnung des Filterelements zu dem Empfangselement festgelegt, wodurch die Komponenten nicht mehr zueinander ausgerichtet werden müssen. Das Empfangselement wird bereits mit dem Deckglas hergestellt und anschließend in einem Sensor fixiert.
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In einer besonderen Ausführungsform ist die Empfangslinse eine Zylinderlinse und das Filterelement ein zylinderförmiger Körper. Das Empfangselement ist dabei durch mehrere in Reihe angeordnete Empfangselemente gebildet. Es kann jedoch auch ein zeilenförmiges oder ein streifenförmiges Empfangselement angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist beispielsweise bei einem Barcodescanner oder einem Lichtgitter von Vorteil.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 einen optoelektronischen Sensor nach dem Stand der Technik;
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2 bis 9 jeweils Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors;
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10 eine Zylinderlinse und ein Filterelement als zylindrischen Körper;
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11 einen Sensor als Lichtschranke;
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12 einen Sensor als Reflexionslichtschranke;
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13 einen Sensor als Lichttaster;
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14 einen Sensor als Triangulationslichttaster;
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15 einen Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren.
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In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Teil eines optoelektronischen Sensors 1 nach dem Stand der Technik. Gemäß 1 ist auf einer Leiterkarte 30 bzw. einer Platine ein Empfangselement 2 angeordnet. Beabstandet zu dem Empfangselement 2 ist eine Empfangslinse 4 angeordnet. Das Empfangselement 2 ist dabei innerhalb der Brennweite 24 im Brennpunkt der Empfangslinse 4 angeordnet. Vor der Empfangslinse 4 ist ein optisches Filter 32 angeordnet. Einfallendes Licht durchdringt daher zunächst das Filter 32, wobei unerwünschte Lichtanteile herausgefiltert werden. Ungefiltertes Licht ist dabei als durchgängige Linie dargestellt. Gefiltertes Licht ist dabei mit einer Punkt-Punkt-Strich-Linie dargestellt. Anschließend wird das einfallende Licht von der Empfangslinse 4 auf das Empfangselement 2 fokussiert.
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2 zeigt einen optoelektronischen Sensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Empfangselement 2 und einer Empfangslinse 4 und einem optischen Filterelement 6, welches zwischen dem Empfangselement 2 und der Empfangslinse 4 angeordnet ist, wobei das optische Filterelement 6 mindestens eine konvexe oder konkave Oberfläche 8 aufweist, so dass die empfangenen Lichtstrahlen das Filterelement 6 an der Oberfläche 8 an jeder Eintrittsstelle im senkrechten Winkel durchlaufen.
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Das Empfangselement 2 ist beispielsweise eine Empfangsdiode, welche auf einer Leiterplatte 30 oder Platine angeordnet ist. Vor dem Empfangselement 2 befindet sich in einem Abstand die Empfangslinse 4. Die Empfangslinse 4 ist als Sammellinse ausgeführt und bündelt das Licht auf das Empfangselement 2. Das Empfangslicht tritt dabei nach der Empfangslinse 4 fächerförmig auf das Empfangselement 2.
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Zwischen dem Empfangselement 2 und der Empfangslinse 4 ist erfindungsgemäß das optische Filterelement 6 angeordnet. Das Filterelement 6 weist mindestens eine konvexe oder konkave Oberfläche 8 auf. Auf der konvexen oder konkaven Oberfläche 8 ist das Filter durch eine Filterschicht wirksam. Dabei ist die konvexe oder konkave Oberfläche 8 derart angeordnet, dass die empfangenen Lichtstrahlen nach der Empfangslinse 4 das Filterelement 6 bzw. die Filterschicht des Filterelements 6 senkrecht bzw. im rechten Winkel durchlaufen bzw. durchdringen.
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Gemäß 2 und den folgenden Figuren ist eine zweite Oberfläche 10, welche zu der ersten Oberfläche 8 beabstandet ist, eine plane, konvexe oder konkave Oberfläche. Die erste Oberfläche 8 steht dabei der Empfangslinse 4 gegenüber, bzw. ist der Empfangslinse 4 zugewandt und die zweite Oberfläche 10 steht dabei dem Empfangselement 2 gegenüber bzw. ist dem Empfangselement 2 zugewandt.
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Ist beispielsweise gemäß 2 die erste Oberfläche 8 eine konvexe Oberfläche und die zweite Oberfläche 10 eine konkave Oberfläche, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen gemeinsamen Radienursprung aufweisen, so weist das Filterelement 6 eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes 6 konstant ist.
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Jedoch kann es auch gemäß 3 vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche 8 eine konvexe Oberfläche ist und die zweite Oberfläche 10 eine plane Oberfläche ist. Dabei entsteht ein Filterelement 6, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die erste Oberfläche 8 gebildet.
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Weiter kann es vorgesehen sein, wie in 4 dargestellt, dass die erste Oberfläche 8 eine plane Oberfläche ist und die zweite Oberfläche 10 eine konkave Oberfläche ist. Dabei ist ebenso ein Filterelement 6 gebildet, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die zweite konkave Oberfläche 10 gebildet.
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Jedoch kann es auch vorgesehen sein, wie in 5 dargestellt, dass die erste Oberfläche 8 eine konvexe Oberfläche und die zweite Oberfläche 10 eine konkave Oberfläche ist, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen unterschiedlichen Radienursprung aufweisen. So weist das Filterelement 6 eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes 6 unterschiedlich ist.
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Gemäß den 2 bis 9 weist die erste Oberfläche 8 oder die zweite Oberfläche 10 des Filterelements 6 eine sphärische Oberfläche auf. Eine sphärische Oberfläche ist ein Teil einer Kugelfläche. Das Filterelement 6 ist dabei ein rotationssymmetrischer Körper, der gemäß dieser Ausführung einer rotationssymmetrischen Empfangslinse 4 zugeordnet ist.
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Gemäß den 2 bis 5 ist das Filterelement 6 innerhalb der Brennweite 24 der Empfangslinse 4 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Lichtenergie auf einen möglichst kleinen Lichtfleck gebündelt werden.
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Gemäß den 6 bis 9 ist das Filterelement 6 außerhalb der Brennweite der Empfangslinse 4 angeordnet. Dadurch kann das Empfangselement 2 flächig mit einer größeren Ausdehnung ausgebildet werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn ein flächiger Bildsensor als Empfangselement 2, beispielsweise ein CCD oder CMOS Bildsensor eingesetzt werden soll. Weiter kann gemäß dieser Ausführungsform auch ein flächiges positionsempfindliches Empfangselement 2 eingesetzt werden.
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Gemäß 6 ist beispielsweise die erste Oberfläche 8 eine konkave Oberfläche und die zweite Oberfläche 10 eine konvexe Oberfläche, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen gemeinsamen Radienursprung aufweisen. Gemäß 6 weist das Filterelement 6 eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes 6 konstant ist.
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Gemäß 7 ist es vorgesehen, dass die erste Oberfläche 8 eine konkave Oberfläche und die zweite Oberfläche 10 eine konvexe Oberfläche ist, wobei die konvexe und konkave Oberfläche einen unterschiedlichen Radienursprung aufweisen, so weist das Filterelement 6 eine Krümmung auf, wobei die Dicke des Filterelementes 6 unterschiedlich ist.
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Gemäß 8 ist es vorgesehen, dass die zweite Oberfläche 10 eine plane Oberfläche ist und die erste Oberfläche 8 eine konkave Oberfläche ist. Dabei ist ebenso ein Filterelement 6 gebildet, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die erste konkave Oberfläche 8 gebildet.
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Gemäß der Darstellung in 9 ist vorgesehen, dass die zweite Oberfläche 10 eine konvexe Oberfläche ist und die erste Oberfläche 8 eine plane Oberfläche ist. Dabei entsteht ein Filterelement 6, das selbst eine Linsenwirkung aufweist. Die Filterschicht ist dabei durch die zweite konvexe Oberfläche 10 gebildet.
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Weiter ist das Filterelement 6 beispielsweise aus Glas und ein Deckglas des Empfangselements 2. Dadurch ist das Filterelement 6 direkt mit dem Empfangselement 2 mechanisch gekoppelt.
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Gemäß der Darstellung gemäß 10 ist die Empfangslinse 4 eine Zylinderlinse und das Filterelement 6 ein zylinderförmiger Körper. Auch die Ausführungen gemäß 2 bis 9 können als zylinderförmiger Körper ausgebildet sein, wobei die 2 bis 9 einer Querschnittsdarstellung entsprechen. Das Empfangselement 2 ist dabei beispielsweise durch mehrere in Reihe angeordnete Empfangselemente 2 gebildet. Es kann jedoch auch ein zeilenförmiges oder ein streifenförmiges Empfangselement 2 angeordnet sein.
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Gemäß 11 ist der Sensor 1 eine Lichtschranke 12. Eine Lichtschranke 12 kann dabei als Einweglichtschranke ausgebildet sein. Dabei sind Lichtsender 34 und Lichtempfänger 36 gegenüberliegend angeordnet und eine Unterbrechung des Lichtstrahls führt in der Auswerteeinheit des Lichtempfängers 36 zu einem Objektfeststellungssignal. Bei einer Reflexionslichtschranke gemäß 12 sind Lichtsender 34 und Lichtempfänger 36 auf der gleichen Seite eines Überwachungsbereiches, meist in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Gegenüberliegend ist ein Retroreflekor angeordnet, der das vom Lichtsender 34 ausgesandte Licht um ca. 180° zurückreflektiert in den Lichtempfänger 36.
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Bei einem Lichttaster 14 gemäß 13 sind Lichtsender 34 und Lichtempfänger 36 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die vom Lichtsender 34 ausgesandten Lichtstrahlen werden an einem Objekt reflektiert oder remittiert. Dabei kann das empfangene Licht des Lichtempfängers 36 energetisch ausgewertet werden. Falls ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben.
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Gemäß 14 ist der Lichttaster als Triangulationstaster ausgebildet. Bei einem Triangulationstaster ist das Empfangselement 2 ortsauflösend ausgebildet und der Lichtsender 34 beabstandet zum Empfangselement 2 angeordnet. Ein vom Lichtsender 34 ausgesendeter Lichtspot wird von einem Objekt zurück, über die Empfangslinse auf das ortsauflösende Empfangselement 2 abgebildet. Je nach Entfernung des Objektes wird der Lichtspot an unterschiedlichen Positionen abgebildet, wobei von der Position des Lichtspots auf dem Empfangselement 2 auf die Entfernung des Objektes geschlossen werden kann.
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Gemäß 15 ist der Sensor 1 ein Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren. Dabei wird vom Lichtsender 34 ein kurzer Lichtimpuls bzw. eine Gruppe von Lichtimpulsen ausgesendet. Der oder die Lichtimpulse werden von einem Objekt reflektiert bzw. remittiert und vom Empfangselement 2 des Lichtempfängers 36 empfangen. Von einer nachgeordneten Auswerteeinheit wird die Laufzeit des Lichtes vom Aussenden bis zum Empfangen ausgewertet und daraus die Entfernung des Objektes berechnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optoelektronischer Sensor
- 2
- Empfangselement
- 4
- Empfangslinse
- 6
- optisches Filterelement
- 8
- erste Oberfläche
- 10
- zweite Oberfläche
- 12
- Lichtschranke
- 14
- Lichttaster
- 28
- Zylinderlinse
- 30
- Leiterkarte
- 32
- optisches Filter
- 34
- Lichtsender
- 36
- Lichtempfänger
