DE102020109596B4

DE102020109596B4 - Photoelectric sensor with shutter and manufacturing method therefor

Info

Publication number: DE102020109596B4
Application number: DE102020109596.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Ostojic
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2040-04-08
Also published as: DE102020109596A1

Abstract

Optoelektronischer Sensor (10) zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (18), der einen Lichtsender (12) zum Aussenden von Sendelicht (14), eine Empfangsoptik (22), einen Lichtempfänger (26) mit einer Vielzahl von im Geigermodus betreibbaren Lichtempfangselementen (26a), eine Blende (24) sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (28) aufweist, um ein Empfangssignal des Lichtempfängers (26) zur Gewinnung von Informationen über die Objekte auszuwerten, wobei die Blende (24) als mindestens eine Blendenöffnung (42) in einer Absorptionsschicht (32) eines mehrschichtigen Substrats ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (12) zum Aussenden mehrerer voneinander separierter Lichtstrahlen (14) der Lichtempfänger (26) zum Erzeugen jeweiliger Empfangssignale aus den von einem Objekt remittierten Lichtstrahlen (20) ausgebildet ist und dass die Blende (24) eine Blendenöffnung (42) je Lichtstrahl (14, 20) aufweist.Optoelectronic sensor (10) for detecting objects in a surveillance area (18), which has a light transmitter (12) for emitting transmitted light (14), receiving optics (22), a light receiver (26) with a large number of light receiving elements ( 26a), an aperture (24) and a control and evaluation unit (28) in order to evaluate a received signal from the light receiver (26) to obtain information about the objects, the aperture (24) being at least one aperture (42) in an absorption layer (32) of a multi-layer substrate, characterized in that the light transmitter (12) is designed to emit a plurality of light beams (14) separated from one another, the light receiver (26) is designed to generate respective received signals from the light beams (20) reflected by an object and that the aperture (24) has an aperture (42) for each light beam (14, 20).

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einer Blende und ein Herstellungsverfahren dafür nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 13.The invention relates to an optoelectronic sensor with an aperture and a manufacturing method for it according to the preamble of claim 1 and 13, respectively.

Viele optoelektronische Sensoren arbeiten nach dem Tastprinzip, bei dem ein Lichtstrahl in den Überwachungsbereich ausgesandt und der von Objekten zurückgeworfene Lichtstrahl wieder empfangen wird, um dann das Empfangssignal elektronisch auszuwerten. Über die reine Objekterfassung hinaus wird in entfernungsmessenden Systemen auch eine Distanz zu dem Objekt bestimmt. Distanzsensoren nach dem Lichtlaufzeitprinzip (Lidar) messen dazu die Laufzeit eines Lichtsignals, die über die Lichtgeschwindigkeit der Entfernung entspricht. Man unterscheidet herkömmlich die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist.Many optoelectronic sensors work according to the scanning principle, in which a light beam is emitted into the monitored area and the light beam reflected by objects is received again in order to then evaluate the received signal electronically. In addition to pure object detection, a distance to the object is also determined in distance-measuring systems. Distance sensors based on the time-of-flight principle (lidar) measure the run-time of a light signal, which corresponds to the distance via the speed of light. A distinction is conventionally made between pulse-based and phase-based measurement. In a pulse propagation time method, a short light pulse is emitted and the time until reception of a remission or reflection of the light pulse is measured. Alternatively, in a phase method, the transmitted light is amplitude-modulated and a phase shift between the transmitted and received light is determined, the phase shift also being a measure of the light propagation time.

Um den Messbereich eines einstrahligen Lichttasters zu erweitern, kann einerseits der Abtaststrahl bewegt werden, wie dies in einem Laserscanner geschieht. Dort überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch den Überwachungsbereich. Zusätzlich zu der gemessenen Abstandinformation wird aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes geschlossen, und damit ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst.In order to extend the measuring range of a single-beam light scanner, the scanning beam can be moved, as is the case in a laser scanner. There, a light beam generated by a laser periodically scans the monitored area with the help of a deflection unit. In addition to the distance information measured, the angular position of the object is inferred from the angular position of the deflection unit, and the location of an object in the monitoring area is thus recorded in two-dimensional polar coordinates.

Eine andere Möglichkeit zur Messbereichserweiterung und zur Gewinnung zusätzlicher Abstandsdaten besteht darin, zugleich mehrere Messpunkte mit mehreren Abtaststrahlen zu erfassen. Das lässt sich auch mit einem Laserscanner kombinieren, der dann nicht nur eine Überwachungsebene erfasst, sondern über eine Vielzahl von Überwachungsebenen einen dreidimensionalen Raumbereich. In den meisten Laserscannern wird die Abtastbewegung durch einen Drehspiegel erreicht. Gerade bei Verwendung mehrerer Abtaststrahlen ist aber im Stand der Technik auch bekannt, stattdessen den gesamten Messkopf mit Lichtsendern und Lichtempfängern rotieren zu lassen, wie dies beispielsweise in DE 197 57 849 B4 beschrieben ist.Another possibility for extending the measuring range and for obtaining additional distance data is to acquire several measuring points with several scanning beams at the same time. This can also be combined with a laser scanner, which then not only records one monitoring level, but also a three-dimensional spatial area over a large number of monitoring levels. In most laser scanners, the scanning movement is achieved by a rotating mirror. However, especially when using multiple scanning beams, it is also known in the prior art to rotate the entire measuring head with light transmitters and light receivers, as is the case, for example, in DE 197 57 849 B4 is described.

Die Wahl des Empfangselements und der optische Aufbau eines solchen Sensors haben erheblichen Einfluss auf dessen Leistungsfähigkeit. Um auch geringe Empfangsintensitäten nachweisen zu können, werden in manchen Fällen Lawinenphotodioden eingesetzt (APD, Avalanche Photo Diode). Das einfallende Licht löst hier einen kontrollierten Lawinendurchbruch (Avalanche Effect) aus. Dadurch werden die durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger vervielfacht, und es entsteht ein Photostrom, der zu der Lichtempfangsintensität proportional, dabei aber wesentlich größer ist, als bei einer einfachen PIN-Diode.The choice of receiving element and the optical structure of such a sensor have a significant influence on its performance. In some cases, avalanche photodiodes (APD, Avalanche Photo Diode) are used to be able to detect low reception intensities. The incident light triggers a controlled avalanche (avalanche effect). As a result, the charge carriers generated by incident photons are multiplied, and a photocurrent is produced which is proportional to the light reception intensity, but is significantly larger than with a simple PIN diode.

Eine noch größere Empfindlichkeit wird mit Lawinenphotodioden erreicht, die im sogenannten Geiger-Modus betrieben werden (SPAD, Single Photon Avalanche Diode, auch SiPM, Silicon Photomultiplier). Hierbei wird die Lawinenphotodiode oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, so dass bereits ein einziger, durch ein einzelnes Photon freigesetzter Ladungsträger eine nicht mehr kontrollierte Lawine auslösen kann, die dann aufgrund der hohen Feldstärke sämtliche verfügbaren Ladungsträger rekrutiert. Die Lawinenphotodiode zählt somit wie der namensgebende Geigerzähler Einzelereignisse. Lawinenphotodioden im Geigermodus sind nicht nur hochempfindlich, sondern auch vergleichsweise kostengünstig. Zudem lassen sie sich mit wenig Aufwand auf einer Leiterkarte integrieren.Even greater sensitivity is achieved with avalanche photodiodes, which are operated in the so-called Geiger mode (SPAD, Single Photon Avalanche Diode, also SiPM, Silicon Photomultiplier). Here, the avalanche photodiode is biased above the breakdown voltage, so that even a single charge carrier released by a single photon can trigger an uncontrolled avalanche, which then recruits all available charge carriers due to the high field strength. The avalanche photodiode counts individual events like the Geiger counter that gives it its name. Avalanche photodiodes in Geiger mode are not only highly sensitive, but also comparatively inexpensive. They can also be integrated on a printed circuit board with little effort.

Die hohe Empfindlichkeit bringt jedoch auch Nachteile mit sich, denn sie beschränkt sich nicht nur auf die im Sensor genutzte Sendewellenlänge, sondern wirkt in einem breiten Wellenlängenbereich, der auch das Fremdlicht einschließt. Dabei ist wegen der vergleichsweise großen Detektorfläche von SPADs auch deren Fremdlichteintrag hoch. Die Fremdlichtmenge wiederum bestimmt hier entscheidend das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, signal-to-noise ratio). Fremdlicht kann durch Einsatz eines optischen Bandpassfilters ausgefiltert werden, das auf die Wellenlänge des Sendelichts abgestimmt ist und das besonders bei breitbandigem Fremdlicht wie Sonnenlicht für eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sorgt. Das allein führt aber oft noch nicht zu befriedigenden Ergebnissen.However, the high sensitivity also has disadvantages, because it is not limited to the transmission wavelength used in the sensor, but acts in a wide wavelength range, which also includes extraneous light. Because of the comparatively large detector area of SPADs, the extraneous light input is also high. The amount of extraneous light in turn determines the signal-to-noise ratio (SNR). Extraneous light can be filtered out by using an optical bandpass filter that is tuned to the wavelength of the transmitted light and which ensures a significant improvement in the signal-to-noise ratio, especially in the case of broadband extraneous light such as sunlight. However, this alone often does not lead to satisfactory results.

Es ist weiterhin möglich, das Fremdlicht zu begrenzen, indem im Empfangspfad für eine Fokussierung des Empfangslichtbündels gesorgt und in der Position, wo der Querschnitt am kleinsten ist, eine Blende positioniert wird. Das ist beispielsweise das Vorgehen gemäß DE 10 2014 102 420 A1 , wobei dort zusätzlich hinter der Blende zum Lichtempfänger hin noch ein optisches Trichterelement angeordnet ist, um das Empfangslicht auf den Lichtempfänger zu führen und zusätzlich zu homogenisieren.It is also possible to limit the extraneous light by focusing the received light bundle in the receiving path and positioning an aperture in the position where the cross section is smallest. This is the procedure according to, for example DE 10 2014 102 420 A1 , where an optical funnel element is additionally arranged there behind the aperture towards the light receiver in order to guide the received light onto the light receiver and to additionally homogenize it.

Eine derartige Blende muss aber justiert und fixiert werden. Wegen Bauteiltoleranzen und begrenzter Justagequalität wird die Blendenöffnung in der Praxis größer gewählt, als dies insbesondere für ein möglichst vorteilhaftes Signal-Rausch-Verhältnis optimal wäre. Signalverluste aufgrund von Empfangslichtanteilen, welche eine zu kleine oder gegenüber dem Empfangslichtbündel verschobene Blende nicht passieren können, würden einen überproportionalen Qualitätsverlust mit sich bringen. Die Blendenöffnung neben dem Empfangslichtbündel passierendes Fremdlicht führt zu zufälligen Detektionsereignissen, deren Einfluss als Schrotrauschen gemäß einer Wurzelfunktion beiträgt.However, such an aperture must be adjusted and fixed. Due to component tolerances and limited adjustment quality, in practice the aperture is chosen to be larger than this in particular would be optimal for the best possible signal-to-noise ratio. Signal losses due to received light components that cannot pass through an aperture that is too small or shifted in relation to the received light bundle would result in a disproportionate loss of quality. Extraneous light passing through the diaphragm opening next to the received light bundle leads to random detection events, the influence of which contributes as shot noise according to a root function.

Sollen die Einbußen durch eine nicht optimale Blende begrenzt werden, so müssen toleranzarme Komponenten entwickelt und gefertigt und dann hoch präzise justiert und verzugsarm fixiert werden. Das erhöht die Herstellung durch Bauteilkosten sowie komplexe und langwierige Prozesse, die zudem wenig flexibel sind. Überdies muss im Produktionsprozess mit Gefahrengut wie Klebstoffen, Lötvorrichtungen und dergleichen umgegangen werden. In mehrstrahligen Systemen besteht zudem die Schwierigkeit, mehrere Sende-Empfangs-Pärchen aufeinander auszurichten und trotzdem die Blenden hochgenau auszulegen.If the losses caused by a non-optimal aperture are to be limited, low-tolerance components must be developed and manufactured and then adjusted with great precision and fixed with little distortion. This increases production due to component costs and complex and lengthy processes, which are also not very flexible. In addition, dangerous goods such as adhesives, soldering devices and the like must be handled in the production process. In multi-beam systems, there is also the difficulty of aligning several transmit-receive pairs with each other and still designing the apertures with high precision.

Eine herkömmliche Einlegeblende ist also aufgrund der großen mechanischen Toleranzen und damit Blendenöffnung nur von begrenztem Nutzen. Eine alternative Blende auf Chipebene des Empfangselements verkleinert den ausgeleuchteten Bereich, womit bei einem großflächigen SPAD-Empfänger mit dem Fremdlicht auch das Nutzlicht begrenzt wird.A conventional insert panel is therefore only of limited use due to the large mechanical tolerances and thus panel opening. An alternative screen at the chip level of the receiving element reduces the illuminated area, which means that in a large-area SPAD receiver, the useful light is also limited along with the extraneous light.

Die EP 3 432 023 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Sensors mit einer Blende, die individuell für jeden Sensor unter Verwendung von dessen eigener Empfangsoptik hergestellt wird. Die Blende selbst wird dabei aber nicht konkretisiert.The EP 3 432 023 B1 discloses a method of manufacturing an optoelectronic sensor with an aperture individually manufactured for each sensor using its own receiving optics. However, the aperture itself is not specified.

Die WO 2019/215192 A1 offenbart einen kompakten optischen Fingerabdrucksensor. Dessen Pixel ist ein Mikrolinsenfeld mit Blenden auf dessen Rückseite vorgeordnet. Diese Blenden können aus einem lichtempfindlichen Material mittels Laser hergestellt sein, der durch die Mikrolinsen geführt wird. Zwischen den Mikrolinsen und dem lichtempfindlichen Material befindet sich in einer Ausführungsform noch eine Schicht aus Luft, Polymer, Glas oder einem anderen isolierenden Material. Weiterhin sind OLEDs zur Beleuchtung vorgesehen.The WO 2019/215192 A1 discloses a compact optical fingerprint sensor. Its pixel is preceded by a microlens array with apertures on its back. These shutters can be made from a light-sensitive material using a laser passed through the microlenses. In one embodiment, there is another layer of air, polymer, glass or another insulating material between the microlenses and the light-sensitive material. Furthermore, OLEDs are provided for lighting.

Es ist weiterhin bekannt, verschiedene Mikrostrukturen auf ein Glassubstrat aufzubringen, wie dies beispielsweise die POG Präzisionsoptik Gera GmbH auf deren Webseiten anbietet. Das steht aber in keinem besonderen Zusammenhang zu den Blenden und deren besonderen Anforderungen in einem gattungsgemäßen Sensor. Außerdem wird metallisches Chrom verwendet, das als Blendenmaterial technisch ungünstig ist.It is also known to apply different microstructures to a glass substrate, as offered, for example, by POG Präzisionsoptik Gera GmbH on their website. However, this has no special connection to the apertures and their special requirements in a generic sensor. In addition, metallic chromium is used, which is technically unfavorable as a screen material.

Als besondere lichtabsorbierende Struktur wurden in jüngerer Zeit Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, die beispielsweise als VANTA (vertically aligned nano tube array) bezeichnet werden. Sie haben aber bislang keine weite Verbreitung als Blendenmaterial gefunden. In Einzelfällen werden sie eingesetzt, etwa in der US 7 372 880 B2 innerhalb einer Laserlichtquelle, aber nicht als empfangsseitige Blende. Außerdem ist in der US 7 372 880 B2 eine Antireflexschicht nicht so angebracht, dass sie in Öffnungen innerhalb der Schicht von Kohlenstoffnanoröhrchen erhalten bliebe, so dass an diesen Stellen doch wieder störende Reflexe erzeugt werden.Carbon nanotubes have recently been developed as a special light-absorbing structure, which are referred to, for example, as VANTA (vertically aligned nanotube array). So far, however, they have not been widely used as an aperture material. They are used in individual cases, for example in the U.S. 7,372,880 B2 inside a laser light source, but not as a receiving-side aperture. In addition, in the U.S. 7,372,880 B2 an anti-reflection layer is not applied in such a way that it would remain in openings within the layer of carbon nanotubes, so that disturbing reflections are produced again at these points.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den optomechanische Aufbau eines gattungsgemä-ßen optoelektronischen Sensors weiter zu verbessern.It is therefore the object of the invention to further improve the opto-mechanical construction of a generic optoelectronic sensor.

Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor und ein Herstellungsverfahren für eine Blende eines optoelektronischen Sensors nach Anspruch 1 beziehungsweise 13 gelöst. Der Sensor weist einen Lichtempfänger mit einer Vielzahl von im Geigermodus betreibbare Lichtempfangselementen oder SPADs auf sowie eine Empfangsoptik und eine Blende auf. Ein SPAD-Empfänger oder SiPM-Empfänger ist wie einleitend erläutert besonders empfindlich. Eine Vielzahl von Lichtempfangselementen bietet eine noch größere Detektionsfläche und ermöglicht außerdem eine statistische Auswertung. Die Blende ist bevorzugt in einer Fokalebene der Empfangsoptik angeordnet, so dass ein von der Empfangsoptik erzeugtes Empfangslichtbündel am Punkt kleinster Einschnürung durch die Blendenöffnung der Blende fällt. Je nach Ausführungsform wird die Fokalebene aufgrund von Toleranzen nicht genau getroffen, das wird immer noch als Anordnung in der Fokalebene bezeichnet. Durch die Blende kann zumindest der Fremdlichtanteil unterdrückt werden, welcher die Empfangsoptik auf dem Nahfeld oder mittleren Entfernungen erreicht. Die Blendenöffnung befindet sich vorzugsweise innerhalb der Fokalebene dort, wo das Empfangslichtbündel die Blende passiert, so dass möglichst keine Nutzsignalanteile in der Blende verloren gehen. Eine Steuer- und Auswertungseinheit wertet ein Empfangssignal des Lichtempfängers aus, um Information über die Objekte zu gewinnen.This object is achieved by an optoelectronic sensor and a manufacturing method for an aperture of an optoelectronic sensor according to claims 1 and 13, respectively. The sensor has a light receiver with a large number of light receiving elements or SPADs that can be operated in Geiger mode, as well as receiving optics and an aperture. As explained in the introduction, a SPAD receiver or SiPM receiver is particularly sensitive. A large number of light-receiving elements offers an even larger detection area and also enables statistical evaluation. The diaphragm is preferably arranged in a focal plane of the receiving optics, so that a received light bundle generated by the receiving optics falls through the diaphragm opening of the diaphragm at the point of smallest constriction. Depending on the embodiment, the focal plane is not exactly hit due to tolerances, this is still referred to as an arrangement in the focal plane. The diaphragm can be used to suppress at least the proportion of extraneous light that reaches the receiving optics in the near field or at medium distances. The diaphragm opening is preferably located within the focal plane where the bundle of received light passes through the diaphragm, so that as little as possible of the useful signal components are lost in the diaphragm. A control and evaluation unit evaluates a received signal from the light receiver in order to obtain information about the objects.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass die Blendenfunktion von einem mehrschichtigen Substrat ausgefüllt wird. Mindestens eine der Schichten ist eine Absorptionsschicht, in der eine Blendenöffnung eingebracht ist. Die Blendenöffnung kann in genau der richtigen Position und Geometrie angeordnet werden, in der ein möglichst großer Fremdlichtanteil unterdrückt und ein möglichst großer Nutzlichtanteil durchgelassen wird.The invention is based on the basic idea that the screen function is filled by a multi-layer substrate. At least one of the layers is an absorption layer in which an aperture is introduced. The aperture can be placed in just the right position and geometry to accommodate a as large a proportion of extraneous light as possible is suppressed and as large a proportion of useful light as possible is allowed to pass through.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Vorteile eines SPAD- oder SiPM-Empfängers besonders gut zum Tragen kommen, insbesondere die besonders hohe Empfindlichkeit durch intrinsische Verstärkung, die schnelle Ansprechzeit und die hohe Integrierbarkeit auch für großflächige Lichtempfänger, ohne den Nachteil einer erhöhten Fremdlichtanfälligkeit in Kauf nehmen zu müssen. Die Blendenöffnungen können schnell und einfach erzeugt werden. Aufwändige Justagearbeiten werden eingespart, auch bei mehreren Blendenöffnungen beispielsweise für ein mehrstrahliges System. Eine dadurch mögliche genaue Positionierung der Blendenöffnung bei minimaler Öffnungsgröße optimiert das Verhältnis von Nutzlicht zu Fremdlicht und damit das Signal-Rausch-Verhältnis.The invention has the advantage that the advantages of a SPAD or SiPM receiver come into play particularly well, in particular the particularly high sensitivity due to intrinsic amplification, the fast response time and the high degree of integrability even for large-area light receivers, without the disadvantage of increased susceptibility to extraneous light in having to buy. The aperture openings can be created quickly and easily. Elaborate adjustment work is saved, even with several aperture openings, for example for a multi-beam system. The precise positioning of the aperture opening that is possible as a result, with the minimum opening size, optimizes the ratio of useful light to extraneous light and thus the signal-to-noise ratio.

Die Blendenöffnung ist bevorzugt mit einem Laser, insbesondere einem Laserablationsprozess hergestellt. Dafür werden noch bevorzugter ultrakurze Laserpulse verwendet, also Pulse im Pico- oder sogar Femtosekundenbereich.The diaphragm opening is preferably produced using a laser, in particular a laser ablation process. It is even more preferred to use ultra-short laser pulses for this, i.e. pulses in the picosecond or even femtosecond range.

Die Blendenöffnung ist bevorzugt individuell unter Verwendung der Empfangsoptik hergestellt. Die Blende beziehungsweise deren Blendenöffnung wird demnach als individuelle Blende unter Verwendung der Empfangsoptik spezifisch für gerade die Empfangsoptik hergestellt, mit der gemeinsam sie in dem optoelektronischen Sensor eingesetzt ist. Die Empfangsoptik kann in der Form beteiligt sein, dass sie direkt an der Herstellung beteiligt ist oder dass ihre Eigenschaften die Herstellung der Blendenöffnung bestimmen. Die Blende passt damit optimal zu der Empfangsoptik und dem von der Empfangsoptik erzeugten Empfangslichtbündel. Die individuelle Herstellung der Blende ersetzt die Justierung oder ergänzt sie zumindest. Herkömmlich würde dagegen eine Blende als Bauteil für mindestens eine ganze Charge von Sensoren bezogen, und der Sensor muss entweder die Konsequenzen von Toleranzen in Kauf nehmen, oder dies wird durch eine aufwändige Justage ausgeglichen.The aperture is preferably made individually using the receiving optics. The diaphragm or its diaphragm opening is accordingly produced as an individual diaphragm using the receiving optics specifically for the receiving optics with which it is used together in the optoelectronic sensor. The receiving optics can be involved in the form that they are directly involved in the manufacture or that their properties determine the manufacture of the aperture. The diaphragm thus fits optimally to the receiving optics and the received light beam generated by the receiving optics. The individual production of the diaphragm replaces the adjustment or at least supplements it. Conventionally, on the other hand, an aperture would be purchased as a component for at least one entire batch of sensors, and the sensor either has to accept the consequences of tolerances or this is compensated for by a complex adjustment.

Bevorzugt wird die Blendenöffnung mit einem Laser hergestellt, dessen Strahlengang durch die Empfangsoptik geführt wird, insbesondere in einem Laserablationsprozess. Dazu wird vorzugsweise gar nicht vorab vermessen, wie die individuelle Blende aussehen sollte. Da der Laser selbst die Empfangsoptik passiert, entspricht sein Strahlengang dem Empfangslichtbündel. Dazu sollte vorzugsweise der Laser vergleichbare geometrische Strahleigenschaften haben, also beispielsweise entsprechend Licht aus dem Unendlichen kollimiert sein. Eine künstliche Defokussierung oder ein zusätzliches optisches Element für den Laser ist denkbar, um Abweichungen des Strahlengangs etwa durch abweichende Wellenlängen zwischen Materialbearbeitungslaser und späterem Nutzlicht auszugleichen.The diaphragm opening is preferably produced using a laser, the beam path of which is guided through the receiving optics, in particular in a laser ablation process. For this purpose, it is preferably not measured in advance what the individual screen should look like. Since the laser itself passes through the receiving optics, its beam path corresponds to the received light bundle. For this purpose, the laser should preferably have comparable geometric beam properties, ie light from infinity should be collimated accordingly, for example. Artificial defocusing or an additional optical element for the laser is conceivable in order to compensate for deviations in the beam path, for example due to different wavelengths between the material processing laser and the later useful light.

Alternativ wird die Blendenöffnung mit einem Laser hergestellt, dessen Strahlengang nicht durch die Empfangsoptik geführt wird, sondern auf die Blendenschicht fokussiert wird, insbesondere in einem Laserablationsprozess. Hierzu wird vorab die Position und Form der empfangsseitigen individuellen Blende vermessen. Ebenso sollten vorzugsweise Korrekturwerte der Blendenposition einbezogen werden. Dieses Verfahren ist insbesondere bei mehreren Messlagen vorteilhaft.Alternatively, the aperture is made with a laser, the beam path of which is not guided through the receiving optics but is focused on the aperture layer, in particular in a laser ablation process. For this purpose, the position and shape of the individual aperture on the receiving side are measured in advance. Likewise, correction values of the aperture position should preferably be included. This method is particularly advantageous when there are several measuring positions.

Das Empfangslichtbündel wird vorzugsweise in der Montageposition der Empfangsoptik vermessen, um eine Eigenschaft der herzustellenden individuellen Blendenöffnung zu gewinnen. Relevante Eigenschaften können beispielsweise der Strahlquerschnitt an bestimmten Z-Positionen oder dessen Lage im Raum sein. Dabei wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Richtung der optischen Achse der Empfangseinheit als Z-Richtung bezeichnet.The received light bundle is preferably measured in the mounting position of the receiving optics in order to obtain a property of the individual diaphragm opening to be produced. Relevant properties can be, for example, the beam cross section at certain Z positions or its position in space. In this case, the direction of the optical axis of the receiving unit is referred to as the Z-direction without loss of generality.

Vorzugsweise wird als Eigenschaft die laterale Position des Empfangslichtbündels vermessen, wobei die Blendenöffnung an dieser Position hergestellt wird. Die laterale Position ist die Position auf einer Ebene senkrecht zur Z-Richtung. Über diese Eigenschaft wird sichergestellt, dass das Empfangslichtbündel im späteren Betrieb möglichst genau die Blendenöffnung trifft und folglich möglichst vollständig die individuelle Blende passiert. Die sonst übliche Justierung der Blende ist dadurch ersetzt oder zumindest ergänzt, dass durch individuelle Fertigung die Blendenöffnung an der richtigen Stelle angebracht ist.The lateral position of the received light beam is preferably measured as a property, with the diaphragm opening being produced at this position. The lateral position is the position on a plane perpendicular to the Z direction. This property ensures that the received light bundle hits the aperture as precisely as possible during subsequent operation and consequently passes the individual aperture as completely as possible. The otherwise customary adjustment of the diaphragm is replaced or at least supplemented by the fact that the diaphragm opening is attached to the right place through individual production.

Vorzugsweise wird als Eigenschaft die Lage der Fokalebene vermessen, wobei die Blende als Ganzes, d.h. das mehrschichtige Substrat, dann in dieser Lage positioniert wird. Dazu wird vorzugsweise die Spotgröße bestimmt, also der Strahlquerschnitt des Empfangslichtbündels in zumindest einer Z-Position. Um die Fokalebene zu finden, kann der kleinste Strahlquerschnitt in mehreren Z-Positionen gesucht beziehungsweise interpoliert werden. Das ist aber auch in einem Schritt denkbar, indem die Spotgröße in einer Z-Position bestimmt wird, die sich deutlich vor oder hinter der erwarteten Fokuslage befindet. Aus der dort gemessenen Spotgröße und der erwarteten Spotgröße im Fokus kann dann mittels Strahlensatz der noch notwendige Z-Versatz ermittelt werden.The position of the focal plane is preferably measured as a property, with the diaphragm as a whole, i.e. the multilayer substrate, then being positioned in this position. For this purpose, the spot size is preferably determined, ie the beam cross section of the received light bundle in at least one Z position. In order to find the focal plane, the smallest beam cross section can be searched for or interpolated in several Z positions. However, this is also conceivable in one step, in which the spot size is determined in a Z position that is clearly in front of or behind the expected focus position. From the spot size measured there and the expected spot size in the focus, the Z offset that is still required can then be determined using the theorem of rays.

Eine weitere denkbare Eigenschaft ist die Geometrie des Strahlquerschnitts, denn Form und Abmessungen der Blendenöffnung könnten auf die Geometrie des Empfangslichtbündels bei der kleinsten Einschnürung in der Fokalebene abgestimmt werden. Praktisch ändert sich dies aber aufgrund von Toleranzen nur wenig, so dass Form und Abmessungen der Blendenöffnung theoretisch und für alle Sensoren gleich aus dem Optikdesign festgelegt werden können.Another conceivable property is the geometry of the beam cross-section, because the shape and dimensions of the aperture could be due to the Geometry of the received light beam are matched at the smallest constriction in the focal plane. In practice, however, this changes only slightly due to tolerances, so that the shape and dimensions of the aperture opening can theoretically be determined from the optical design for all sensors.

Das Empfangslichtbündel wird vorzugsweise mit einer Kamera vermessen. Damit können die erforderlichen Eigenschaften relativ leicht erfasst und zuverlässig bestimmt werden. Da nur eine Kamera benötigt wird, um nacheinander eine Vielzahl von Sensoren herzustellen, spielen die Kosten sogar für eine hochwertige Kamera und Bildauswertung eine nur untergeordnete Rolle.The received light bundle is preferably measured with a camera. This means that the required properties can be recorded and reliably determined relatively easily. Since only one camera is required to produce a large number of sensors in succession, the costs, even for a high-quality camera and image evaluation, only play a subordinate role.

Zum Vermessen wird bevorzugt eine Projektionsfläche, insbesondere eine Mattscheibe, an einer möglichen Position der individuellen Blende angeordnet. Dadurch wird ein Empfangslichtfleck in einer Ebene erzeugt, der dann beispielsweise mit einer Kamera erfasst wird. Die mögliche Position der individuellen Blendenöffnung kann ungefähr einer ohne Toleranzen erwarteten Fokalebene entsprechen, aber auch gezielt in Abstand dazu gewählt werden. Es geht hier nicht darum, die tatsächliche spätere Blendenposition zu treffen, sondern lediglich eine Position, in der sich die erforderlichen Eigenschaften ableiten lassen. Es ist auch denkbar, die Projektionsfläche in Z-Richtung zu bewegen, um mehr oder bessere Informationen zu gewinnen.
Die individuelle Blendenöffnung wird bevorzugt in einer Fertigungslinie des Sensors hergestellt. Damit wird die Herstellung einer individuellen Blende ein integraler Schritt innerhalb der üblichen Fertigung. Es müssen keine Teile bezogen werden, und es ist kein besonderer Prozessaufwand für die Beschaffung und Zuführung der individuellen Blenden erforderlich.For the measurement, a projection surface, in particular a ground glass screen, is preferably arranged at a possible position of the individual diaphragm. As a result, a received light spot is generated in one plane, which is then captured with a camera, for example. The possible position of the individual diaphragm opening can roughly correspond to a focal plane that is expected without tolerances, but can also be specifically selected at a distance from it. The point here is not to find the actual later aperture position, but only a position in which the required properties can be derived. It is also conceivable to move the projection surface in the Z direction in order to obtain more or better information.
The individual diaphragm opening is preferably produced in a sensor production line. This makes the production of an individual cover an integral step within the usual production. There are no parts to source and no special processing required to source and supply the individual bezels.

Der Sensor weist einen Lichtsender zum Aussenden von Sendelicht auf. Der Lichtsender kann mit dem Lichtempfänger eine koaxiale oder biaxiale Anordnung bilden. Der Lichtsender, beispielsweise ein Laser, erzeugt Sendelicht in einem bestimmten Wellenlängenbereich, und nach Remission an den Objekten wird entsprechendes remittiertes Sendelicht oder Empfangslicht in Überlagerung mit verbleibendem Fremdlicht von dem Lichtempfänger in das Empfangssignal gewandelt.The sensor has a light transmitter for emitting transmitted light. The light transmitter can form a coaxial or biaxial arrangement with the light receiver. The light transmitter, for example a laser, generates transmitted light in a specific wavelength range, and after remission at the objects, corresponding reflected transmitted light or received light is converted by the light receiver into the received signal in superimposition with remaining extraneous light.

Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, aus einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden des Sendelichts und Empfangen des Empfangslichts mit dem remittierten Sendelicht einen Abstand der Objekte zu bestimmen. Der Sensor wird dadurch entfernungsmessend. Alternativ wird lediglich die Anwesenheit eines Objekts festgestellt und beispielsweise als Schaltsignal ausgegeben.The evaluation unit is preferably designed to determine a distance between the objects from a light propagation time between the emission of the transmitted light and the reception of the received light with the emitted transmitted light. The sensor thus becomes distance-measuring. Alternatively, only the presence of an object is detected and output as a switching signal, for example.

Der Lichtsender ist zum Aussenden mehrerer voneinander separierter Lichtstrahlen und der Lichtempfänger zum Erzeugen jeweiliger Empfangssignale aus den von einem Objekt remittierten Lichtstrahlen ausgebildet. Der Sensor wird damit zu einem mehrstrahligen Sensor oder Mehrfachtaster, der mehrere Messpunkte antastet. In bevorzugter Weiterbildung als Laserscanner entsteht ein Mehrebenenscanner. Die mehreren Messstrahlen teilen sich vorzugsweise dieselbe Empfangsoptik. Die Blende weist eine Blendenöffnung je Lichtstrahl auf. Dabei können mehrere oder alle Blendenöffnungen auf einem gemeinsamen mehrschichtigen Substrat aufgebracht sein, oder es werden mehrere mehrschichtige Substrate eingesetzt. Der erfindungsgemäße Aufbau der Blende ermöglicht auch für eine Vielzahl von Blendenöffnungen eine spezifische Positionierung angepasst an die einzelnen Lichtstrahlen, ohne dass damit aufwändige Justagearbeiten je Lichtstrahl einhergehen.The light transmitter is designed to emit a plurality of light beams that are separated from one another, and the light receiver is designed to generate respective received signals from the light beams reflected by an object. The sensor thus becomes a multi-beam sensor or multiple probe that touches several measuring points. In a preferred development as a laser scanner, a multi-level scanner is created. The multiple measurement beams preferably share the same receiving optics. The aperture has one aperture per light beam. In this case, several or all diaphragm openings can be applied to a common multi-layer substrate, or several multi-layer substrates are used. The construction of the diaphragm according to the invention also enables specific positioning adapted to the individual light beams for a large number of diaphragm openings, without this entailing complex adjustment work for each light beam.

Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt eine einseitige oder beidseitige Absorptionsschicht auf. Dabei wird im Falle einer beidseitigen Absorptionsschicht vorzugsweise die Blendenöffnung vorzugsweise durch beide Schichten angebracht.The multilayer substrate preferably has an absorption layer on one or both sides. In the case of an absorption layer on both sides, the diaphragm opening is preferably made through both layers.

Die Absorptionsschicht weist bevorzugt einen metallischen Anteil, insbesondere Schwarztitan oder Schwarzchrom, einen Sprühlack und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen auf. Strukturierte Kohlenstoffnanoröhrchen sind beispielsweise als VANTA bekannt. Sie weisen eine besonders starke Absorption auf. Als eine Art Zwischenform zwischen einer aufgedampften Absorptionsschicht und Kohlenstoffnanoröhrchen sind strukturierte anorganische Schichten wie Acktar MetalVelvet denkbar.The absorption layer preferably has a metallic component, in particular black titanium or black chrome, a spray paint and/or carbon nanotubes. Structured carbon nanotubes are known, for example, as VANTA. They have a particularly strong absorption. Structured inorganic layers such as Acktar MetalVelvet are conceivable as a kind of intermediate form between a vapour-deposited absorption layer and carbon nanotubes.

Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt ein Glassubstrat auf. Glas eignet sich sehr gut als Träger der mehrschichtigen Blende.The multi-layer substrate preferably has a glass substrate. Glass is very suitable as a carrier for the multi-layer panel.

Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt einseitig oder beidseitig eine Antireflexschicht auf dem Glassubtrat auf. Damit wird Streulicht unterdrückt. Dies betrifft vor allem die freigelegten Stellen der Blendenöffnungen, da die verbleibende Absorptionsschicht ohnehin sehr reflexarm ist. Die Antireflexschicht kann mit einer Zwischenschicht auf dem Glassubstrat aufgebracht sein.The multilayer substrate preferably has an antireflection layer on one or both sides of the glass substrate. This suppresses stray light. This primarily affects the exposed areas of the aperture openings, since the remaining absorption layer is very low-reflection anyway. The antireflection layer can be applied to the glass substrate with an intermediate layer.

Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt eine dünne metallische Trägerfolie auf. Eine solche dünne Folie, beispielsweise eine Alufolie, stellt eine Alternative zu einem Glassubstrat dar. Dabei sind keine Antireflexbeschichtungen notwendig, da die absorptiv beschichtete Trägerfolie jedenfalls im Vergleich zu unbeschichtetem Glas kaum Reflexe erzeugt. An den Stellen der Blendenlöcher wird vorzugsweise durch Laserablation die Trägerfolie mitsamt der Absorptionsschicht entfernt.The multi-layer substrate preferably has a thin metallic carrier film. Such a thin foil, for example an aluminum foil, represents an alternative to a glass substrate. No anti-reflection coatings are necessary here, since the absorptively coated carrier foil produces hardly any reflections, at least in comparison to uncoated glass. At the locations of the aperture holes will be in front preferably removed by laser ablation, the carrier film together with the absorption layer.

Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt eine auf einen Wellenlängenbereich eines eigenen Lichtsenders abgestimmte optische Filterschicht auf. Die Filterschicht kann insbesondere auf ein Glassubstrat aufgedampft werden. Mit einer solchen Filterschicht, insbesondere einem Bandpassfilter, kann Fremdlicht außerhalb des Spektrums des Nutzlichts zusätzlich ausgeblendet werden. Denn die Blende sorgt zwar dafür, dass seitliches Fremdlicht unterdrückt wird. Im Kernbereich des Empfangslichtbündels, das die Blendenöffnung passiert, überlagert sich aber zwangsläufig auch Fremdlicht, das von der Blende nicht beeinflusst wird. Hier verbessert eine Selektion nach Wellenlänge das Signal-Rausch-Verhältnis weiter.The multi-layer substrate preferably has an optical filter layer that is matched to a wavelength range of its own light transmitter. The filter layer can in particular be vapour-deposited onto a glass substrate. With such a filter layer, in particular a bandpass filter, extraneous light outside the spectrum of the useful light can also be blocked out. Because the aperture ensures that extraneous light from the side is suppressed. In the core area of the received light beam, which passes through the aperture, extraneous light that is not influenced by the aperture is inevitably superimposed. Here, wavelength selection further improves the signal-to-noise ratio.

Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt in dieser Reihenfolge eine Absorptionsschicht mit der Blendenöffnung, eine Antireflexschicht, ein Glassubstrat, eine Filterschicht und eine weitere Antireflexschicht auf. Das ist ein Ausführungsbeispiel für eine besonders vorteilhafte Schichtenfolge. Die Reihenfolge ist vorzugsweise vom Lichtempfänger ausgehend betrachtet. Auf der Gegenseite bei der Empfangsoptik könnte noch eine zweite Absorptionsschicht folgen.The multilayer substrate preferably has, in this order, an absorption layer having the aperture, an antireflection layer, a glass substrate, a filter layer, and another antireflection layer. This is an exemplary embodiment of a particularly advantageous layer sequence. The sequence is preferably viewed starting from the light receiver. A second absorption layer could follow on the opposite side at the receiving optics.

Der Sensor ist bevorzugt als Laserscanner ausgebildet und weist eine bewegliche Ablenkeinheit auf, mit deren Hilfe Sendelicht eines Lichtsenders periodisch durch den Überwachungsbereich geführt wird. Der Laserscanner tastet mit der Bewegung der beweglichen Ablenkeinheit eine Ebene, bei einer Ausführungsform als mehrstrahliges System mehrere Ebenen des Überwachungsbereichs ab. Mit dem Sendelicht tastet der Laserscanner im Verlauf der Bewegung der beweglichen Ablenkeinheit den Überwachungsbereich in einer, bei mehreren Sendelichtstrahlen in mehreren Ebenen ab. Die Ablenkeinheit ist vorzugsweise in Form einer drehbaren Abtasteinheit ausgebildet, die praktisch einen beweglichen Messkopf bildet, in dem Lichtsender und/oder Lichtempfänger und vorzugsweise auch zumindest Teile der Steuer- und Auswertungseinheit untergebracht sind.The sensor is preferably designed as a laser scanner and has a movable deflection unit, with the aid of which transmitted light from a light transmitter is periodically guided through the monitored area. With the movement of the movable deflection unit, the laser scanner scans a plane, in one embodiment as a multi-beam system, scans several planes of the monitored area. During the movement of the movable deflection unit, the laser scanner uses the transmitted light to scan the monitored area in one plane, or in several planes if there are several transmitted light beams. The deflection unit is preferably designed in the form of a rotatable scanning unit, which practically forms a movable measuring head in which the light transmitter and/or light receiver and preferably also at least parts of the control and evaluation unit are accommodated.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Blende für einen optoelektronischen Sensor mit einer Empfangsoptik und einem Lichtempfänger mit einer Vielzahl von im Geigermodus betreibbaren Lichtempfangselementen, insbesondere einen Sensor gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, dadurch hergestellt, dass mindestens eine Blendenöffnung in einer Absorptionsschicht eines mehrschichtigen Substrats erzeugt wird, insbesondere durch einen Laserprozess. Die Erzeugung der Blendenöffnung erfolgt besonders bevorzugt individuell unter Verwendung der eigenen Empfangsoptik des Sensors, sei es direkt, indem die Empfangsoptik an der Erzeugung unmittelbar beteiligt ist, indem sie beispielsweise das Laserlicht im Laserprozess führt, oder indirekt durch Ausmessen ihrer optischen Eigenschaften, wobei beispielsweise Referenzmarken für die Positionierung der Blendenöffnungen auf dem mehrschichtigen Substrat aufgefunden werden.In the method according to the invention, a diaphragm for an optoelectronic sensor with receiving optics and a light receiver with a multiplicity of light receiving elements that can be operated in Geiger mode, in particular a sensor according to one of the described embodiments of the invention, is produced in that at least one diaphragm opening is made in an absorption layer of a multilayer substrate is generated, in particular by a laser process. The generation of the aperture is particularly preferably carried out individually using the sensor's own receiving optics, either directly, in that the receiving optics are directly involved in the generation, for example by guiding the laser light in the laser process, or indirectly by measuring their optical properties, for example reference marks for the positioning of the apertures on the multilayer substrate.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The method according to the invention can be developed in a similar way and shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example but not exhaustively in the dependent claims which follow the independent claims.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Sensors;
2 eine Schnittansicht eines mehrschichtigen Substrats für eine Blende des Sensors;
3 eine Schnittansicht des mehrschichtigen Substrats gemäß 2 nun mit Blendenöffnung;
4 eine Darstellung eines beispielhaften Strahlenverlaufs eines Empfangslichtbündels durch die Blende gemäß 3 auf einen Lichtempfänger;
5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines mehrschichtigen Substrats für eine Blende; und
6 eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Sensors in einer Ausführungsform als Laserscanner.

The invention is explained in more detail below, also with regard to further features and advantages, by way of example on the basis of embodiments and with reference to the attached drawing. The illustrations of the drawing show in:

1 a schematic sectional view of an optoelectronic sensor;
2 a sectional view of a multi-layer substrate for an aperture of the sensor;
3 a sectional view of the multilayer substrate according to FIG 2 now with aperture;
4 a representation of an exemplary beam path of a received light beam through the diaphragm according to FIG 3 to a light receiver;
5 a sectional view of another embodiment of a multi-layer substrate for an aperture; and
6 a schematic sectional view of an optoelectronic sensor in an embodiment as a laser scanner.

1 zeigt eine Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors 10, der hier beispielhaft als Lichttaster ausgebildet ist. Der Sensor 10 weist einen Lichtsender 12 auf, beispielsweise eine Laserdiode, deren Sendelicht 14 in einer Sendeoptik 16 kollimiert und dann in einen Überwachungsbereich 18 ausgesandt wird. Das an Objekten in dem Überwachungsbereich 18 remittierte Licht wird als Empfangslicht 20 mit einer Empfangsoptik 22 durch eine Blende 24 auf einen Lichtempfänger 26 geleitet. Der Lichtempfänger 26 weist eine Vielzahl von Lichtempfangselementen oder Pixeln in Form von Lawinenphotodioden auf, die zur hochempfindlichen Erfassung von Empfangslicht 20 im Geiger-Modus betrieben werden. 1 shows a block diagram of an optoelectronic sensor 10, which is designed here by way of example as a light sensor. The sensor 10 has a light transmitter 12 , for example a laser diode, whose transmitted light 14 is collimated in a transmission optics 16 and then emitted into a monitoring area 18 . The light reflected from objects in the monitored area 18 is guided as received light 20 with a receiving optics 22 through a diaphragm 24 onto a light receiver 26 . The light receiver 26 has a multiplicity of light receiving elements or pixels in the form of avalanche photodiodes which are operated in the Geiger mode for highly sensitive detection of received light 20 .

Weiterhin ist eine Steuer- und Auswertungseinheit 28 vorgesehen, die mit dem Lichtsender 12 und dem Lichtempfänger 26 verbunden ist. Die Steuer- und Auswertungseinheit 28 erfasst anhand des Empfangssignals des Lichtempfängers 26 Objekte in dem Überwachungsbereich 18. Dabei wird in einer Ausführungsform des Sensors 10 als entfernungsmessender Lichttaster durch Aussenden von Lichtpulsen und Bestimmen der Lichtlaufzeit bis zu deren Empfang auch der Abstand der erfassten Objekte gemessen. Über eine Schnittstelle 30 kann die Steuer- und Auswertungseinheit 28 verarbeitete oder rohe Sensormessdaten ausgeben beziehungsweise umgekehrt Steuer- und Parametrieranweisungen entgegennehmen.Furthermore, a control and evaluation unit 28 is provided, which is connected to the light transmitter 12 and the light receiver 26 . The control and evaluation unit 28 uses the received signal from the light receiver 26 to detect objects in the monitoring area 18. In one embodiment of the sensor 10 as a distance-measuring light sensor, the distance between the detected objects is also measured by emitting light pulses and determining the time it takes for the light to travel until they are received. The control and evaluation unit 28 can output processed or raw sensor measurement data or, conversely, receive control and parameterization instructions via an interface 30 .

Die anhand der 1 beschriebene Ausführungsform des Sensors 10 ist nur beispielhaft zu verstehen. Es kann eine große Familie von optoelektronischen Sensoren erfindungsgemäß hergestellt werden, beispielsweise Lichtschranken oder Lichtgitter, Entfernungstaster oder Laserscanner. Diese Sensoren 10 können in ihrem Aufbau erheblich von 1 abweichen, beispielsweise Sende- und Empfangskanal über einen gemeinsamen Teilerspiegel führen oder passiv arbeiten und damit gänzlich auf einen Sendekanal verzichten. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform als mehrstrahliger Laserscanner wird abschließend unter Bezugnahme auf die 6 vorgestellt.The based on 1 described embodiment of the sensor 10 is to be understood only as an example. A large family of optoelectronic sensors can be produced according to the invention, for example light barriers or light grids, distance sensors or laser scanners. These sensors 10 can vary significantly in their structure 1 deviate, for example lead the transmission and reception channel via a common splitter mirror or work passively and thus completely dispense with a transmission channel. A particularly advantageous embodiment as a multi-beam laser scanner is finally described with reference to FIG 6 presented.

2 zeigt einen Rohling der Blende 24 in Form eines Schichtsystems oder mehrschichtigen Substrats. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind in dieser Reihenfolge, aus Sicht des Lichtempfängers 26, eine Absorber- oder Absorptionsschicht 32, eine erste Antireflexschicht 34, ein Glassubstrat 36, eine Filterschicht 38 und eine zweite Antireflexschicht 40 vorgesehen. In anderen Ausführungsformen kann die Abfolge variieren, und einige der Schichten können weggelassen werden, oder umgekehrt werden Schichten hinzugefügt, etwa eine zweite Absorptionsschicht auf der dem Lichtempfänger 26 abgewandten Seite. 2 12 shows a blank of the panel 24 in the form of a layer system or multi-layer substrate. In the preferred embodiment shown, an absorber or absorption layer 32, a first antireflection layer 34, a glass substrate 36, a filter layer 38 and a second antireflection layer 40 are provided in this order, from the perspective of the light receiver 26. In other embodiments, the sequence may vary and some of the layers may be omitted or, conversely, layers may be added, such as a second absorption layer on the side remote from the photoreceptor 26 .

Die Absorptionsschicht 32, die das eigentliche Blendenmaterial aufweist, besitzt einen hohen Absorptionsgrad über einen breiten Wellenlängenbereich, und der hemisphärische Reflexionsgrad ist minimal. Das Absorbermaterial der Absorptionsschicht 32 kann über ein Schichtsystem mit metallischem Anteil aufgebracht sein, beispielsweise Schwarztitan oder Schwarzchrom. Möglich sind auch Sprühlacke. Bei besonders hohen Güteansprüchen kann ein strukturiertes Material auf Kohlenstoffbasis verwendet werden, beispielsweise strukturierte Kohlenstoffnanoröhren, die einen sehr hohen Absorptionsgrad besitzen und nicht glänzen. Alternativ können strukturierte anorganische Beschichtungen eingesetzt werden, die sich technisch zwischen den beiden zuvor genannten Materialien einordnen lassen, etwa Acktar MetalVelvet. Das Absorbermaterial wird vorzugsweise möglichst dünn und homogen aufgetragen, so dass es durch Abrasion oder Ablation möglichst homogen und restfrei abgetragen werden kann.The absorbing layer 32, which comprises the actual baffle material, has a high absorptance over a wide range of wavelengths and the hemispheric reflectance is minimal. The absorber material of the absorption layer 32 can be applied via a layer system with a metallic component, for example black titanium or black chromium. Spray paints are also possible. In the case of particularly high quality requirements, a structured material based on carbon can be used, for example structured carbon nanotubes, which have a very high degree of absorption and are not shiny. Alternatively, structured inorganic coatings can be used, which can technically be classified between the two materials mentioned above, such as Acktar MetalVelvet. The absorber material is preferably applied as thinly and homogeneously as possible, so that it can be removed as homogeneously and residue-free as possible by abrasion or ablation.

Das Glassubstrat 36 weist eine beidseitige Antireflex-Beschichtung auf, um im Bereich der späteren Blendenöffnungen möglichst viel Licht in der Wellenlänge des Nutzlichts zu transmittieren, und zwar vorzugsweise über einen breiten Einfallswinkelbereich. Alternativ zu zwei Antireflexschichten 34, 40 wäre auch nur eine einseitige Antireflex-Beschichtung denkbar, wodurch sich aber die Eigenschaften zumindest ein wenig verschlechtern. Die optionale Filterschicht 38 ist vorzugsweise als Bandpassfilter ausgestaltet, der beispielsweise über mehrere Beschichtungen aufgebracht wird. Damit wird Fremdlicht außerhalb des Nutzwellenlängenbereichs unterdrückt.The glass substrate 36 has an anti-reflection coating on both sides in order to transmit as much light as possible in the wavelength of the useful light in the area of the subsequent aperture openings, preferably over a wide range of angles of incidence. As an alternative to two anti-reflection layers 34, 40, only one-sided anti-reflection coating would also be conceivable, but this would impair the properties at least a little. The optional filter layer 38 is preferably in the form of a bandpass filter which is applied over a number of coatings, for example. Extraneous light outside the useful wavelength range is thus suppressed.

3 zeigt die Blende 24 gemäß 2, nachdem nun eine Blendenöffnung 42 durch gezielten lokalen Abtrag des Materials der Absorptionsschicht 32 vorgenommen wurde. Dafür wird vorzugsweise ein Laser verwendet, noch bevorzugter durch Einstrukturieren in einem Ablationsprozess insbesondere mit einem Ultrakurzpulslaser, also einem Pico- oder Femtosekundenlaser. Damit können Blendenöffnungen 42 präzise an beliebigen Positionen erzeugt werden. Der Prozess kann zweistufig sein, indem zuerst Referenzlöcher zur optischen Justage eingebracht und dann nach der optischen Justage die Blendenöffnungen 42 abladiert werden. Die Referenzlöcher können unter Umständen schon bei Lieferung des Rohlings gemäß 2 vorgesehen sein. 3 shows the screen 24 according to FIG 2 , after an aperture 42 has now been made by targeted local removal of the material of the absorption layer 32. A laser is preferably used for this, even more preferably by structuring in an ablation process, in particular with an ultra-short pulse laser, ie a picosecond or femtosecond laser. In this way, aperture openings 42 can be produced precisely at any position. The process can be two-stage, by first introducing reference holes for optical adjustment and then ablating the aperture openings 42 after the optical adjustment. The reference holes may already be available when the blank is delivered 2 be provided.

Das mehrschichtige Substrat der Blende 24 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass nach der Bearbeitung, also dem Einbringen von Blendenöffnungen 42, das Glassubstrat 36 auch im Bereich der Blendenöffnungen 42 noch die Antireflexschicht 34 aufweist. Das wäre beispielsweise dann nicht möglich, wenn die Antireflexschicht 34 außen vorgesehen wäre, da sie dann mit abgetragen würde.The multi-layer substrate of the diaphragm 24 is preferably constructed in such a way that after processing, ie the introduction of diaphragm openings 42, the glass substrate 36 still has the anti-reflection layer 34 in the area of the diaphragm openings 42 as well. That would not be possible, for example, if the antireflection layer 34 were provided on the outside, since it would then also be removed.

4 ist eine Schnittdarstellung des Strahlengangs des Empfangslichts 20 im Bereich der Blende 24 und des Lichtempfängers 26, um die Funktion im Gesamtsystem zu veranschaulichen. Die Blende 24 beziehungsweise deren Blendenöffnung 42 ist in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik 22 so beabstandet, dass das Empfangslicht 20 gerade im Fokus oder dem Punkt kleinster Einschnürung durch die Blendenöffnung 42 tritt. Die Blendenöffnung 42 liegt also in der Fokalebene der Empfangsoptik 22, wobei eine Strahlablenkung durch die vorgelagerten Schichten der Blende 24 berücksichtigt sein kann. Die Fokusbedingung gilt vorzugsweise für Empfangslicht 20 aus dem Unendlichen. Fremdlicht seitlich des von dem Empfangslicht 20 gebildeten Strahlenbündels wird durch die Blende 24 von dem Lichtempfänger 26 abgeschirmt. 4 is a sectional view of the beam path of the received light 20 in the area of the aperture 24 and the light receiver 26 to illustrate the function in the overall system. The diaphragm 24 or its diaphragm opening 42 is spaced apart in the direction of the optical axis of the receiving optics 22 in such a way that the received light 20 passes through the diaphragm opening 42 precisely at the focus or the point of smallest constriction. The diaphragm opening 42 is therefore in the focal plane of the receiving optics 22, with a beam deflection by the upstream layers of the diaphragm 24 being able to be taken into account. The focus condition applies preferably for received light 20 from infinity. Extraneous light to the side of the bundle of rays formed by the received light 20 is shielded from the light receiver 26 by the diaphragm 24 .

Für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis sollte die Blendenöffnung 42 nur gerade so groß sein wie der Querschnitt des Empfangslichts 20 am Punkt kleinster Einschnürung, zugleich aber exakt lateral und nach Möglichkeit auch längs der optischen Achse positioniert, damit kein Nutzlicht verloren geht. Das ist durch sehr gezieltes Einbringen der Blendenöffnung 42 erreichbar. Vorzugsweise werden dabei die Eigenschaften der Empfangsoptik 22 berücksichtigt, und zwar nochmals bevorzugt genau derjenigen Empfangsoptik 20, die in diesem individuellen Sensor 10 verbaut ist beziehungsweise wird. Dafür wird beispielsweise das Strahlenbündel des Empfangslichts 20 vermessen, oder es wird sogar die Empfangsoptik 22 selbst in bereits verbautem Zustand verwendet, um die Blendenöffnung 42 mittels Laser zu erzeugen.For an optimal signal-to-noise ratio, the aperture 42 should only be as large as the cross section of the received light 20 at the point of smallest constriction, but at the same time positioned exactly laterally and, if possible, also along the optical axis, so that no useful light is lost. This can be achieved by introducing the diaphragm opening 42 in a very targeted manner. The properties of the receiving optics 22 are preferably taken into account here, specifically again preferably precisely those receiving optics 20 that are or will be installed in this individual sensor 10 . For this purpose, for example, the bundle of rays of the received light 20 is measured, or even the receiving optics 22 itself are used in the already installed state in order to produce the diaphragm opening 42 by means of a laser.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mehrschichtigen Substrats für eine Blende 24. Hier ist statt des Glassubstrats 36 eine sehr dünne Folie 44, beispielsweise eine Aluminiumfolie oder ein ähnlich dünner Trägermaterial von beispielsweise 10 µm Dicke verwendet. Diese ist beidseitig mit einer Absorptionsschicht 32, 46 versehen, wobei auch eine nur einseitige Beschichtung denkbar ist. Die beidseitige Beschichtung hat aber den Vorteil, dass keine Vorkehrungen für die Unterdrückung von Rückreflexen getroffen werden müssen, die Antireflexschichten 34, 40 also verzichtbar werden, da kein Glas als Trägermaterial fungiert. Allerdings kann auch keine Filterschicht 38 aufgedampft werden. Die für die Absorptionsschichten 32, 46 möglichen Materialien entsprechen denjenigen, die zu der Ausführungsform gemäß 2 vorgestellt wurden. Die Blendenöffnung 42 wird nun vorzugsweise in beiden Absorptionsschichten 32, 46 erzeugt, auf eine entsprechende Darstellung wurde aber verzichtet. 5 12 shows a further embodiment of a multi-layer substrate for a screen 24. Here, instead of the glass substrate 36, a very thin foil 44, for example an aluminum foil or a similarly thin carrier material with a thickness of 10 μm, for example, is used. This is provided with an absorption layer 32, 46 on both sides, although a coating on only one side is also conceivable. However, the double-sided coating has the advantage that no precautions have to be taken to suppress back reflections, so the anti-reflection layers 34, 40 can be dispensed with, since no glass acts as a carrier material. However, no filter layer 38 can be vapour-deposited either. The possible materials for the absorption layers 32, 46 correspond to those according to the embodiment 2 were presented. The diaphragm opening 42 is now preferably produced in both absorption layers 32, 46, but a corresponding representation has been omitted.

6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen optoelektronischen Sensor 10 in einer zu 1 alternativen Ausführungsform als Laserscanner. Der Sensor 10 umfasst in dieser Ausführungsform in grober Aufteilung eine bewegliche Abtasteinheit 48 und eine Sockeleinheit 50. Die Abtasteinheit 48 ist der optische Messkopf, während in der Sockeleinheit 50 weitere Elemente wie eine Versorgung, Auswertungselektronik, Anschlüsse und dergleichen untergebracht sind. Im Betrieb wird mit Hilfe eines Antriebs 52 der Sockeleinheit 50 die Abtasteinheit 48 in eine Drehbewegung um eine Drehachse 54 versetzt, um so einen Überwachungsbereich 18 periodisch abzutasten. 6 shows a schematic sectional view through an optoelectronic sensor 10 in a 1 alternative embodiment as a laser scanner. In this embodiment, the sensor 10 roughly comprises a movable scanning unit 48 and a base unit 50. The scanning unit 48 is the optical measuring head, while the base unit 50 accommodates further elements such as a supply, evaluation electronics, connections and the like. During operation, a drive 52 of the base unit 50 is used to set the scanning unit 48 in a rotational movement about a rotational axis 54 in order to periodically scan a monitoring area 18 in this way.

In der Abtasteinheit 48 ist gleichsam ein mitdrehender optoelektronischer Taster ähnlich demjenigen der 1 untergebracht. Allerdings ist dieser Taster nun beispielhaft mehrstrahlig ausgeführt. Alternativ wäre ein Laserscanner mit nur einem Strahl oder umgekehrt ein stationärer mehrstrahliger Taster denkbar. Der Lichtsender 12 erzeugt also mit mehreren Lichtquellen 12a, hier rein beispielhaft vier Lichtquellen 12a, als Sendelicht 14 mehrere Lichtstrahlen. Dementsprechend kehren als Empfangslicht 20 mehrere remittierte Lichtstrahlen zu dem Sensor 10 zurück. Die SPADs 26a des Lichtempfängers 26 erzeugen einzeln oder gruppenweise jeweils ein Empfangssignal für jeden remittierten Lichtstrahl. Dementsprechend ist eine Blende 24 mit mehreren Blendenöffnungen 42 für die verschiedenen Lichtstrahlen vorgesehen. Die Blendenöffnungen 24 können erfindungsgemäß sehr einfach und präzise platziert werden.In the scanning unit 48 is as it were a co-rotating optoelectronic button similar to that of 1 accommodated. However, this button is now designed with multiple beams as an example. Alternatively, a laser scanner with only one beam or, conversely, a stationary multi-beam probe would be conceivable. The light emitter 12 thus generates a plurality of light beams as transmitted light 14 with a plurality of light sources 12a, here purely by way of example four light sources 12a. Accordingly, a plurality of remitted light beams return to the sensor 10 as the received light 20 . The SPADs 26a of the light receiver 26 generate, individually or in groups, a received signal for each reflected light beam. Accordingly, a diaphragm 24 is provided with a plurality of diaphragm openings 42 for the different light beams. According to the invention, the diaphragm openings 24 can be placed very easily and precisely.

Lichtsender 12 und Lichtempfänger 26 sind in der in 6 gezeigten Ausführungsform gemeinsam auf einer Leiterkarte 56 angeordnet, die auf der Drehachse 54 liegt und mit der Welle 58 des Antriebs 52 verbunden ist. Dies ist nur beispielhaft zu verstehen, es sind praktisch beliebige Anzahlen und Anordnungen von Leiterkarten denkbar. Eine berührungslose Versorgungs- und Datenschnittstelle 60 verbindet die bewegliche Abtasteinheit 48 mit der ruhenden Sockeleinheit 50. Dort befindet sich die Steuer- und Auswertungseinheit 28, die zumindest teilweise auch auf der Leiterkarte 56 oder an anderem Ort in der Abtasteinheit 48 untergebracht sein kann. Zusätzlich zu den bereits zu 1 erläuterten Funktionen wird davon auch der Antrieb 52 gesteuert und ein Signal einer nicht gezeigten, von Laserscannern allgemein bekannten Winkelmesseinheit ausgewertet, welche die jeweilige Winkelstellung der Abtasteinheit 48 bestimmt. Aus den mittels Lichtlaufzeitverfahren gemessenen Distanzen zu einem angetasteten Objekt und der zugehörigen Winkelstellung stehen nach jeder Scanperiode zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in einer Abtastebene zur Verfügung. Die jeweilige Abtastebene ist über die Identität des jeweiligen Lichtstrahls, so dass insgesamt ein dreidimensionaler Raumbereich durch mehrere Ebenen abgetastet wird. Genaugenommen wird nur für einen zentralen Lichtstrahl mit Elevationswinkel 0° eine Ebene abgetastet, ansonsten sind es Kegelmantelflächen, die aber vereinfacht auch als Abtastebenen aufgefasst werden können.Light transmitter 12 and light receiver 26 are in 6 shown embodiment arranged together on a printed circuit board 56, which lies on the axis of rotation 54 and is connected to the shaft 58 of the drive 52. This is only to be understood as an example; practically any number and arrangement of printed circuit boards is conceivable. A non-contact supply and data interface 60 connects the movable scanning unit 48 to the stationary base unit 50. The control and evaluation unit 28 is located there, which can also be accommodated at least partially on the printed circuit board 56 or at another location in the scanning unit 48. In addition to the already too 1 For the functions explained, the drive 52 is also controlled by it and a signal from an angle measuring unit, not shown, which is generally known from laser scanners and which determines the respective angular position of the scanning unit 48, is evaluated. Two-dimensional polar coordinates of all object points in a scanning plane are available after each scanning period from the distances to a scanned object measured using the time-of-flight method and the associated angular position. The respective scanning plane is based on the identity of the respective light beam, so that overall a three-dimensional spatial area is scanned through a number of planes. Strictly speaking, a plane is only scanned for a central light beam with an elevation angle of 0°, otherwise there are cone surfaces, which, however, can also be understood as scanning planes in simplified terms.

Der dargestellte Sensor 10 ist ein Laserscanner mit rotierendem Messkopf, nämlich der Abtasteinheit 48. Dabei kann nicht nur ein einzelnes Sende-Empfangsmodul mitrotieren wie hier dargestellt, es sind weitere derartige Module mit Höhenversatz oder einem Winkelversatz bezüglich der Drehachse 54 vorstellbar. Alternativ ist auch eine periodische Ablenkung mittels Drehspiegel oder einem Facettenspiegelrad denkbar. Bei mehreren Lichtstrahlen ist dabei zu beachten, dass es von der jeweiligen Drehstellung abhängt, wie die mehreren Lichtstrahlen in den Überwachungsbereich 18 fallen, denn deren Anordnung rotiert durch den Drehspiegel, wie bekannte geometrische Überlegungen ergeben. Eine weitere alternative Ausführungsform schwenkt die Abtasteinheit 48 hin und her, entweder anstelle der Drehbewegung oder zusätzlich um eine zweite Achse senkrecht zur Drehbewegung, um auch in Elevation eine Abtastbewegung zu erzeugen.The sensor 10 shown is a laser scanner with a rotating measuring head, namely the scanning unit 48. Not only can a single transceiver module also rotate as shown here, other such modules with a height offset or an angular offset with respect to the axis of rotation 54 are conceivable. Alternatively there is one periodic deflection by means of a rotating mirror or a faceted mirror wheel is conceivable. In the case of several light beams, it should be noted that how the several light beams fall into the monitoring area 18 depends on the respective rotational position, because their arrangement rotates through the rotating mirror, as known geometric considerations result. A further alternative embodiment pivots the scanning unit 48 back and forth, either instead of the rotational movement or additionally about a second axis perpendicular to the rotational movement, in order to also produce a scanning movement in elevation.

Claims

Optoelectronic sensor (10) for detecting objects in a surveillance area (18), which has a light transmitter (12) for emitting transmitted light (14), receiving optics (22), a light receiver (26) with a large number of light receiving elements ( 26a), an aperture (24) and a control and evaluation unit (28) in order to evaluate a received signal from the light receiver (26) to obtain information about the objects, the aperture (24) being at least one aperture (42) in an absorption layer (32) of a multi-layer substrate, characterized in that the light transmitter (12) is designed to emit a plurality of light beams (14) separated from one another, the light receiver (26) is designed to generate respective received signals from the light beams (20) reflected by an object and that the aperture (24) has an aperture (42) for each light beam (14, 20).

Sensor (10) after claim 1 , wherein the diaphragm opening (42) is produced with a laser, in particular a laser ablation process.

Sensor (10) after claim 1 or 2 wherein the aperture (42) is individually manufactured using the receiving optics (22).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (28) is designed to determine a distance of the object from a light propagation time between emission of the transmitted light (14) and reception of the received light (20) from an object.

Sensor (10) according to one of the preceding claims, in which the multilayer substrate has an absorption layer (32, 46) on one or both sides.

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the absorption layer (32) has a metallic component, in particular black titanium or black chrome, a spray paint and/or carbon nanotubes.

A sensor (10) according to any one of the preceding claims, wherein the multi-layer substrate comprises a glass substrate (36).

Sensor (10) after claim 7 , wherein the multilayer substrate has an antireflection layer (34, 40) on one side or both sides of the glass substrate (36).

Sensor (10) according to any one of the preceding claims, wherein the multi-layer substrate comprises a thin metallic carrier film (44).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the multi-layer substrate has an optical filter layer (38) matched to a wavelength range of its own light transmitter (12).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the multi-layer substrate in this order an absorption layer (32) with the aperture (42), an anti-reflective layer (34), a glass substrate (36), a filter layer (38) and another anti-reflective layer (40).

Sensor (10) according to one of the preceding claims, which is designed as a laser scanner and has a movable deflection unit (48), with the aid of which transmitted light (14) from a light transmitter (12) is periodically guided through the monitoring area (18), the deflection unit in particular (48) is designed in the form of a rotatable scanning unit in which the light transmitter (12) and/or the light receiver (26) is housed.

Method for producing a diaphragm (24) of an optoelectronic sensor (10) with a light transmitter (12), a receiving optics (22) and a light receiver (26) with a large number of light receiving elements (26a) that can be operated in Geiger mode, in particular a sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein at least one diaphragm opening (42) is produced in an absorption layer (32) of a multi-layer substrate, in particular by a laser process, characterized in that the light transmitter (12) for emitting a plurality of light beams (14) that are separated from one another is the light receiver (26) is designed to generate respective reception signals from the light beams (20) reflected by an object, and in that an aperture (42) for each light beam (14, 20) is generated in the aperture (24).

procedure after Claim 13 wherein the aperture (42) is individually fabricated using the receiving optics (22).