DE102014116852A1 - Optoelectronic sensor with a receiving element - Google Patents
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Abstract
Optoelektronischer Sensor 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.Optoelectronic sensor having a receiving element (2) and a receiving lens (4), and an optical filter element (6) which is arranged between the receiving element (2) and the receiving lens (4), wherein the optical filter element (6) at least one convex or concave surface (8) such that the received light rays pass through the filter element (6) at the surface (8) at each entry point at a right angle.
Description
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. The present invention relates to an optoelectronic sensor having a receiving element and a receiving lens and an optical filter element, which is arranged between the receiving element and the receiving lens.
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. In optoelectronic sensors interference filters are used. The task of the filter is to specifically filter light of certain frequencies. Typically, this blocks wavelengths from the near-infrared (NIR) or passes only the wavelengths emitted by a transmitter through the bandpass filter to the receiving element, with the aim of improving the signal-to-noise ratio and reducing sensitivity to stray light sources. Interference filters are usually applied to a glass substrate deposited dielectric layers, which are derived for the application in optoelectronic sensors significantly at least two tasks.
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. First, the process of mounting interference filters is often cumbersome due to the thin and force sensitive glass plates and must also be considered for downstream assembly processes.
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. Second, the filtering effect depends on the optical path length the beam takes through the filter. This results in a dependence of the center wavelength, quality and half width of the filter on the angle of the incident rays. In particular, band filters should only be irradiated by beam bundles with the smallest possible angular spectrum for optimum operation. Therefore, the ideal mounting location according to the prior art in front of the receiving lens, which, however, counteracts the miniaturization in the opto-mechanical design and is connected by the necessary large surface of the filter with additional costs.
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. It is therefore an object of the invention to provide an optical filter element which has an improved filtering effect. Another object is to provide a cheaper filter element. Another object is to provide a more compact optoelectronic sensor.
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. The object is achieved according to
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. The receiving element is for example a receiving diode. In front of the receiving element is at a distance the receiving lens. The receiving lens is designed as a converging lens and focuses the light onto the receiving element. The received light occurs bundled after the receiving lens on the receiving element.
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. Between the receiving element and the receiving lens according to the invention, the optical filter element is arranged. The filter element has at least one convex or concave surface. On the convex or concave surface, the filter is effective through a filter layer. In this case, the convex or concave surface is arranged such that the received light rays after the receiving lens pass through or penetrate the filter element or the filter layer of the filter element at right angles or at right angles.
Dadurch ist das Filterelement für alle Lichtstrahlen gleich wirksam. Jeder Lichtstrahl wird durch das Filter identisch gefiltert. As a result, the filter element is equally effective for all light beams. Each light beam is filtered identically by the filter.
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. Since the filter element is arranged between the receiving lens and the receiving element, the filter element can be made smaller in area than a filter element which is arranged directly in front of the receiving lens, since the filter element only has to be made slightly larger than the receiving element, depending on which position the filter element is arranged between the receiving element and the receiving lens. As a result, the filter element can be made cheaper and easier. Since the filter element is more compact, better quality can be provided over the entire area of the filter element.
Bei dem Filterelement kann es sich beispielsweise um ein Bandfilter, ein Infrarotfilter, ein Filter im nahen Infrarotbereich usw. handeln. The filter element may be, for example, a bandpass filter, an infrared filter, a near infrared filter, etc.
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. In a further development of the invention, the sensor is a light barrier or a light sensor. A light barrier can be designed as a through-beam sensor. In this case, the light transmitter and the light receiver are arranged opposite one another and an interruption of the light beam leads in the evaluation unit of the light receiver to an object detection signal. In the case of a reflection light barrier, the light emitter and the light receiver are located on the same side of a surveillance area, usually in a single housing. Opposite a retroreflector is arranged, which reflects the light emitted by the light emitter back through 180 ° in the light receiver.
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. In a light scanner light transmitter and light receiver are arranged in a common housing. The light rays emitted by the light emitter are reflected or remitted on an object. The received light can be evaluated energetically. If a certain threshold is exceeded, an object detection signal is output.
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. However, the light sensor can also be designed as Triangulationstaster. In a Triangulationstaster the receiving element is spatially resolved and arranged the light emitter spaced from the receiving element. A light spot emitted by the light emitter is returned by an object, imaged via the reception lens onto the spatially resolving reception element. Depending on the distance of the object, the light spot is imaged at different positions, it being possible to infer the distance of the object from the position of the light spot on the receiving element.
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. In a further development of the invention, the sensor is a sensor according to the time of flight method. In this case, a short light pulse or a group of light pulses is emitted by the light transmitter. The one or more light pulses are reflected or remitted by an object and received by the receiving element of the light receiver. From a downstream evaluation unit, the duration of the light from sending to receiving evaluated and calculated from the distance of the object.
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. In a development of the invention, a second surface, which is spaced apart from the first surface, is a plane, convex or concave surface. The first surface is opposite the receiving lens and the second surface is facing the receiving element.
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. For example, if the first surface is a convex surface and the second surface is a concave surface, the convex and concave surfaces having a common radius origin, the filter element has a curvature, the thickness of the filter element being constant.
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. However, it can also be provided that the first surface is a convex surface and the second surface is a concave surface, wherein the convex and concave surfaces have a different radius origin, so that the filter element has a curvature, wherein the thickness of the filter element is different.
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. However, it may also be provided that the first surface is a convex surface and the second surface is a planar surface. This creates a filter element which itself has a lens effect. The filter layer is formed by the first surface.
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. Furthermore, it can be provided that the first surface is a planar surface and the second surface is a concave surface. In this case, a filter element is also formed, which itself has a lens effect. The filter layer is formed by the second concave surface.
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. According to a preferred embodiment, the first or the second surface of the filter element has a spherical surface. A spherical surface is part of a spherical surface. The filter element is a rotationally symmetrical body, which is associated according to this embodiment of a rotationally symmetrical receiving lens. According to this embodiment, the light energy can be concentrated to the smallest possible light spot. This improves the sensor sensitivity and allows a higher distance accuracy with triangulation probes. The receiving element is for example a receiving diode with a small receiving surface. For example, the receiving area is less than 1 mm 2 .
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. In a preferred embodiment, the filter element is arranged within the focal length of the receiving lens. According to this embodiment, the light energy can be concentrated to the smallest possible light spot. This improves the sensor sensitivity and allows a higher distance accuracy with triangulation probes. As a result, the receiving element can be made very small, for example in the case of a light barrier.
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. In a further development of the invention, the filter element is arranged outside the focal length of the receiving lens. As a result, the receiving element can be formed flat with a larger extent. This is useful, for example, if a planar image sensor is to be used as the receiving element, for example a CCD or CMOS image sensor. Furthermore, according to this embodiment, a planar position-sensitive receiving element can also be used.
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. For example, if the first surface is a concave surface and the second surface is a convex surface, the convex and concave surfaces having a common radius origin the filter element has a curvature, wherein the thickness of the filter element is constant.
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. However, it can also be provided that the first surface is a concave surface and the second surface is a convex surface, wherein the convex and concave surface have a different radius origin, so the filter element has a curvature, wherein the thickness of the filter element is different.
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. Furthermore, it can be provided that the second surface is a planar surface and the first surface is a concave surface. In this case, a filter element is also formed, which itself has a lens effect. The filter layer is formed by the first concave surface.
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. However, it may also be provided that the second surface is a convex surface and the first surface is a planar surface. This creates a filter element which itself has a lens effect. The filter layer is formed by the second convex surface.
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. In a further development, the filter element is made of glass and a cover glass of the receiving element. As a result, the filter element is mechanically coupled directly to the receiving element. As a result, the spatial assignment of the filter element is set to the receiving element, whereby the components no longer need to be aligned with each other. The receiving element is already produced with the coverslip and then fixed in a sensor.
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. In a particular embodiment, the receiving lens is a cylindrical lens and the filter element is a cylindrical body. The receiving element is formed by a plurality of receiving elements arranged in series. However, it can also be arranged a line-shaped or a strip-shaped receiving element. Such an arrangement is advantageous, for example, in the case of a barcode scanner or a light grid.
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: The invention will be explained below with regard to further advantages and features with reference to the accompanying drawings with reference to embodiments. The figures of the drawing show in:
In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen. In the following figures, identical parts are provided with identical reference numerals.
Das Empfangselement
Zwischen dem Empfangselement
Gemäß
Ist beispielsweise gemäß
Jedoch kann es auch gemäß
Weiter kann es vorgesehen sein, wie in
Jedoch kann es auch vorgesehen sein, wie in
Gemäß den
Gemäß den
Gemäß den
Gemäß
Gemäß
Gemäß
Gemäß der Darstellung in
Weiter ist das Filterelement
Gemäß der Darstellung gemäß
Gemäß
Bei einem Lichttaster
Gemäß
Gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- optoelektronischer Sensor optoelectronic sensor
- 22
- Empfangselement receiving element
- 44
- Empfangslinse receiving lens
- 66
- optisches Filterelement optical filter element
- 88th
- erste Oberfläche first surface
- 1010
- zweite Oberfläche second surface
- 1212
- Lichtschranke photocell
- 1414
- Lichttaster light sensor
- 2828
- Zylinderlinse cylindrical lens
- 3030
- Leiterkarte PCB
- 3232
- optisches Filter optical filter
- 3434
- Lichtsender light source
- 3636
- Lichtempfänger light receiver
Claims (9)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |