DE19804684C1

DE19804684C1 - Optoelektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE19804684C1
Application number: DE19804684A
Authority: DE
Inventors: Gerlad Dipl Phys Dr Quapil; Kurt Bueckle
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2018-02-07

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittie renden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, welche in einem Gehäuse oder in separaten Gehäusen angeordnet sind.

Derartige Vorrichtungen können insbesondere als Lichtschranken oder Licht taster ausgebildet sein. Bei einer Lichtschranke sind Sender und Empfänger in separaten Gehäusen an gegenüberliegenden Ende des Überwachungsbereichs angeordnet. Bei Lichttastern sind Sender und Empfänger in einem gemeinsa men Gehäuse integriert.

Bei den im industriellen Einsatz befindlichen Lichtschranken und Lichttastern weist der Sender eine Sendediode mit einem lichtemittierenden Halbleiterele ment auf. Dieses Halbleiterelement weist typischerweise einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter auf und ist äußerst empfindlich gegen äußere Störeinflüsse. Insbesondere kann das Halbleiterelement bereits bei leichten Berührungen beschädigt werden. Um die Sendediode robuster gegen äußere Störeinflüsse zu gestalten, ist das Halbleiterelement mit einer Epoxidharz- Masse umgossen. Die Epoxidharzschicht schützt das Halbleiterelement gegen Staub, Schmutz und insbesondere gegen mechanische Beschädigungen.

Bis zu einem gewissen Grad schützt die Epoxidharzschicht auch gegen even tuell vorhandene Umgebungsfeuchte. Bei starken Belastungen kann jedoch die Funktionsfähigkeit des Halbleiterelements erheblich beeinträchtigt werden, obwohl es von der Epoxidharzschicht umgeben ist.

Nachteilig bei den bekannten Sendedioden ist weiterhin, daß die das Halbleiter element um gebende Epoxidharz-Masse zwar lichtdurchlässig ist, wobei jedoch ein Teil der emittierten Sendelichtstrahlen am Rand der Epoxidharz-Masse reflektiert wird. Auf diese Weise wird ein Teil der Sendelichtstrahlen mehrfach reflektiert, was zu einer Aufweitung des Sendelichtstrahldurchmessers führt.

Diese Aufweitung der Sendelichtstrahlen kann auch durch eine oberhalb der Epoxidharz-Masse angebrachte Blende nicht beseitigt werden. Durch die Mehr fachreflexion an der Epoxidharz-Masse treffen die Sendelichtstrahlen in sehr kleinem Winkel zur Blendenebene auf die Blende.

Aus der DE 24 38 221 A1 ist ein photoelektrischer Detektor bekannt, bei wel chem wenigstens ein lichtaussendendes Element und ein lichtempfangendes Element jeweils in einer Bohrung in einem Gehäuse vorgesehen ist. Die Front flächen des lichtaussendenden Elements und des lichtempfangenden Elements weisen von der Lichteintrifftsfrontoberfläche des Gehäuses einen vorbestimm ten Abstand auf. Jede der Bohrungen bildet einen Durchgang für die Lichtstrah len zwischen der Lichteintrittsoberfläche des Gehäuses und jeder der Vorder flächen von lichtaussendendem und lichtempfangendem Element. Der Abstand zwischen der Frontoberfläche des Gehäuses und jeder Frontoberfläche der Elemente ist so gewählt, daß der Hauptstrahlwinkel des Detektors optimiert ist und die von irregulären Reflexionen herrührenden Lichtstrahlen gegenüber dem lichtempfangenden Element ausgeschaltet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sender einer optoelektroni schen Vorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Abstrahlcha rakteristik und Störanfälligkeit zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist das Halbleiterelement der Sendediode in einer hermetisch dichten Hülse untergebracht, so daß die Sendediode nahezu vollständig gegen äußere Störeinflüsse abgesichert ist. Insbesondere ist gewährleistet, daß das Halbleiterelement nicht der Feuchtigkeit ausgesetzt ist, welche zu einer Beein trächtigung der Funktionsfähigkeit führen könnte.

Gleichzeitig ist die Hülse so dimensioniert, daß die Sendediode nur eine gerin ge Menge an Streulicht abstrahlt. Die vom Halbleiterelement emittierten und das Sichtfenster der Hülse durchdringenden Sendelichtstrahlen weisen eine sehr schmale Abstrahlcharakteristik auf. Zu der starken Bündelung der Sende lichtstrahlen trägt insbesondere der geringe Abstand des Halbleiterelements zum Sichtfenster bei. Dadurch wird als zusätzlicher Vorteil eine geringe Bau größe der Sendediode erhalten, was auch zur Miniaturisierung der optoelek tronischen Vorrichtung selbst beiträgt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Sen dediode ein Halbleiterelement auf, welches nicht mit Epoxidharz ummantelt ist. Das Halbleiterelement ragt frei in eine hermetisch dichte Hülse, so daß es mit deren Innenwänden in Luftkontakt ist.

Dabei ist das Halbleiterelement so in der Hülse angeordnet, daß die lichtemit tierende Fläche des Halbleiterelements auf das an der Oberseite der Hülse an geordnete Sichtfenster gerichtet ist.

Dies hat den Vorteil, daß die von dem Halbleiterelement emittierten Sende lichtstrahlen im Nahfeld und im Fernfeld nicht durch eine Epoxidharz-Schicht aufgeweitet werden. Auf diese Weise kann die Abstrahlcharakteristik noch schmäler gestaltet werden. Dieser Effekt kann dadurch noch verstärkt werden, in dem auf das Sichtfenster eine Blende aufgesetzt wird, welche den Randbe reich des Sichtfensters abdeckt.

Eine schmale Abstrahlcharakteristik der Sendelichtstrahlen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die optoelektronische Vorrichtung als Lichttaster aus gebildet ist, dessen Empfänger zwei nebeneinander liegende lichtempfindliche Elemente aufweist. Eines der lichtempfindlichen Elemente bildet ein Nahele ment, das andere das Fernelement. Je größer die Distanz des Objekts zur Vor richtung, desto größer ist die auf das Fernelement auftreffende Lichtmenge und desto kleiner wird im Verhältnis die auf das Nahelement auftreffende Licht menge. Durch das In-Verhältnis-Setzen der am Ausgang des Nah- und Fern elements anstehenden Signale wird eine Information über die Objektdistanz gewonnen.

Diese Distanzinformation kann insbesondere dadurch verfälscht werden, wenn das Objekt das auftreffende Sendelicht relativ schlecht reflektiert und hinter dem Objekt ein stark reflektierender Gegenstand, beispielsweise ein Retrore flektor angeordnet ist.

Ist die Abstrahlcharakteristik des Senders nicht schmal genug, so treffen die Sendelichtstrahlen nicht nur auf das zu detektierende Objekt sondern auch auf den dahinter liegenden Retroreflektor. Da die Sendelichtstrahlen vom Retrore flektor stärker als vom Objekt auf den Empfänger zurückreflektiert werden, sind die vom Retroreflektor und vom Objekt stammenden Lichtmengen am Empfänger vergleichbar.

Die Verteilung der Lichtmengen auf das Nah- und Fernelement wird damit durch das Vorhandensein des Retroreflektors signifikant beeinflußt. Dies be deutet, daß im Vergleich zu einer Vermessung eines Objekts ohne dahinter angeordnetem Retroreflektor ein anderer Distanzwert erhalten wird.

Eine derartige Meßwertverfälschung wird durch die erfindungsgemäße Ausbil dung des Senders weitgehend vermieden.

Der Sender weist eine so schmale Abstrahlcharakteristik auf, daß auch bei Ob jekten mit geringerem Durchmesser die Sendelichtstrahlen vollständig oder nahezu vollständig auf das Objekt treffen. Die auf von einem hinter dem Ob jekt zum Empfänger zurückreflektierte Lichtmenge ist dann so gering, daß sie den Distanzmeßwert nicht oder nur geringfügig verfälscht.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung einer optoelektronischen Vorrichtung;

Fig. 2 Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Sender der optoelektro nischen Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 1 zum Erfassen von Objekten 2 in einem Überwachungsbereich. Die dargestellte Vorrichtung 1 ist als Licht taster ausgebildet. Sie weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 und einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sen der 4 und der Empfänger 6 sind in einem Gehäuse 7 integriert und an eine Auswerteeinheit 8 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 8 ist von einem Micro controller gebildet.

Dem Sender 4 ist eine Sendeoptik 9 nachgeordnet, dem Empfänger 6 ist eine Empfangsoptik 10 vorgeordnet. Die Sende- 9 und Empfangsoptik 10 sind je weils von einer Linse gebildet.

Der Empfänger 6 besteht aus zwei lichtempfindlichen Elementen, einem Nah element 6a und einem Fernelement 6b. Die lichtempfindlichen Elemente sind jeweils über eine Zuleitung an die Auswerteeinheit 8 angeschlossen.

Je größer die Distanz des Objekts 2 zur Vorrichtung 1 ist, desto größer ist der Anteil der auf das Fernelement 6b auftreffenden Lichtmenge und desto kleiner ist der Anteil der auf das Nahelement 6a auftreffenden Lichtmenge. Durch das In-Verhältnis-Setzen der an den Ausgängen des Nah- 6a und Fernelements 6b anstehenden Signale wird in der Auswerteeinheit 8 ein Maß für die Distanz des Objekts 2 zur Vorrichtung 1 abgeleitet.

Fig. 2 zeigt eine detaillierte Darstellung des Senders 4. Er ist als Sendediode mit einer hermetisch dichten Hülse 12 ausgebildet. Vom Boden der Hülse 12 ragen die Anode 13 und Kathode 14 der Sendediode hervor.

Die Hülse 12 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist an der Oberseite ein Sichtfenster 15 auf, durch welches die Sendelichtstrahlen 3 ge führt sind. Das Sichtfenster 15 ist als kreisförmige Glasscheibe ausgebildet und verläuft parallel zum Boden der Hülse 12. Die Hülse 12 besteht aus Stahl und ist mit dem Sichtfenster 15 verschweißt.

Das die Sendelichtstrahlen 3 emittierende Halbleiterelement 16 ist im Innern der Hülse 12 in Abstand zum Sichtfenster 15 angeordnet. Dabei ist das Halblei terelement 16 in der Symmetrieachse des Sichtfensters 15 angeordnet. Das Halbleiterelement 16 ist in vorgegebenem Abstand oberhalb des Bodens ange ordnet. Es ist über nicht dargestellte Anschlüsse mit dem Boden der Hülse 12 verbunden.

Der Abstand des Halbleiterelements 16 zum Sichtfenster 15 und der Durch messer des Sichtfensters 15 sind so dimensioniert, daß die aus der Hülse 12 anstehenden Sendelichtstrahlen 3 einen möglichst geringen Streulichtanteil enthalten und somit eine schmale Abstrahlcharakteristik aufweisen.

Hierzu ist das Halbleiterelement 16 in einem Abstand von weniger als 1,5 mm zum Sichtfenster 15 angeordnet. Der Abstand beträgt vorzugsweise 1,3 mm. Der Durchmesser des Sichtfensters 15 liegt im Bereich 2,2-2,8 mm und be trägt vorzugsweise 2,54 mm. Das Halbleiterelement 16 weist einen rechtecki gen Querschnitt mit einer Kantenlänge von 0,2 bis 0,3 mm auf.

Die Abstrahlcharakteristik kann noch weiter verbessert werden, in dem auf das Sichtfenster 15 eine nicht dargestellte Blende aufgesetzt wird. Die Blende weist eine kreisförmige Öffnung auf, die so dimensioniert ist, daß der Randbereich des Sichtfensters 15 von der Blende bedeckt ist.

Das Halbleiterelement 16 ist nicht mit einer Epoxidharz-Masse übergossen sondern steht in Luftkontakt zu den Innenwänden der Hülse 12.

Claims

1. Optoelektronische Vorrichtung (1) zum Erfassen von Objekten (2) in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender (4) und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger (6), die in einem Gehäuse (7) oder in getrennten Gehäusen angeordnet sind, wobei der Sender (4) aus einer Sendediode besteht, die eine herme tisch dichte Hülse (12), in der ihr Halbleiterelement (16) angeordnet ist und an deren dem Lichtaustritt zugeordneter Oberseite ein lichtdurchläs siges Sichtfenster (15) vorgesehen ist, aufweist, wobei der Abstand des Halbleiterelements (16) zum Sichtfenster (15) kleiner als 1,5 mm ist und der Durchmesser des Sichtfensters (15) im Bereich von 2,2-2,8 mm liegt.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Halbleiterelement (16) mit den Innenwänden der Hülse (12) in Luftkontakt steht.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand des Halbleiterelements (16) zum Sichtfenster (15) 1,3 mm beträgt.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Durchmesser des Sichtfensters (15) 2,54 mm beträgt.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kantenlänge des Halbleiterelements (16) im Bereich von 0,2 bis 0,3 mm liegt.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zur Begrenzung des Austritts von Streulicht auf dem Sichtfenster (15) eine Blende aufsitzt, welche den Randbereich des Sichtfensters (15) abdeckt.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Hülse (12) aus Stahl bestehen und das aus Glas bestehende Sichtfenster (15) mit der Hülsenwand ver schweißt ist.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (12) einen kreisförmigen Querschnitt auf weist.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Hülse (12), in der das Sichtfenster (15) integriert ist, eine ebene, parallel zum Boden der Hülse (12) verlau fende Fläche ist.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendediode und der Empfänger (6) an eine ge meinsame Auswerteelektronik (8) angeschlossen und in einem gemein samen Gehäuse (7) integriert sind.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß der Empfänger (6) zwei nebeneinanderliegend angeordnete licht empfindliche Elemente (6a, 6b) aufweist.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die am Ausgang der lichtempfindlichen Elemente (6a, 6b) anste henden Signale in der Auswerteeinheit (8) in Verhältnis gesetzt werden, wodurch ein Maß für den Abstand des detektierten Objekts (2) zur Vor richtung (1) gewonnen wird.