DE19804684C1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents
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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 (12)
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.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1069440A1 (de) * | 1999-07-16 | 2001-01-17 | Seiko Precision Inc. | Reflex-Lichtschranke mit reflektierenden Wänden |
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DE2438221A1 (de) * | 1973-08-08 | 1975-02-27 | Omron Tateisi Electronics Co | Photoelektrischer detektor |
DE4305924A1 (de) * | 1993-02-26 | 1994-09-01 | Hahn Schickard Ges | Vorrichtung zur Detektion der Überfüllung eines Überlaufkanals für Flüssigkeiten |
DE19543361A1 (de) * | 1995-10-20 | 1997-04-24 | Wasser & Waerme Mestechnik Wer | Wassermengenzähler |
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1998
- 1998-02-06 DE DE19804684A patent/DE19804684C1/de not_active Expired - Fee Related
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