DE19845947A1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung (1) zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen (2) emittierenden Sender (3) und einem Empfangslichtstrahlen (4) empfangenden Empfänger (5). Dem Empfänger (5) sind zwei optische Filter vorgeordnet, deren Transmissionskoeffizienten sich zu einem optischen Bandpaß ergänzen, so daß auf den Empfänger (5) im wesentlichen nur Empfangslichtstrahlen (4) auftreffen, deren Wellenlängen innerhalb eines durch eine obere und untere Grenzwellenlänge begrenzten Wellenlängenbandes liegen. Dabei liegen die Wellenlängen der vom Sender (3) emittierten Sendelichtstrahlen (2) innerhalb dieses Wellenlängenbandes.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen können insbesondere als Lichtschranken oder Licht­ taster ausgebildet sein. Dabei ist der Sender typischerweise von einer Leuchtdi­ ode und der Empfänger von einer Photodiode gebildet. Bei gebräuchlichen Lichttastern oder Lichtschranken emittiert der Sender Sendelichtstrahlen im sichtbaren Wellenlängenbereich. Bevorzugt liegt dieser Wellenlängenbereich im Bereich von 630 nm bis 660 nm.

Die als Empfänger verwendeten Photodioden arbeiten demgegenüber in einem bedeutend größeren Wellenlängenbereich. Typischerweise empfangen derartige Photodioden Empfangslicht im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1100 nm. Dadurch entsteht der Nachteil, daß diese Photodioden in einem sehr großen Wellenlängenbereich empfindlich für Fremdlichteinstrahlungen sind, wodurch der Betrieb der Lichtschranke oder des Lichttasters erheblich beeinträchtigt werden kann.

Zur Unterdrückung der durch die Fremdlichteinstrahlung bedingten Störein­ flüsse kann prinzipiell eine geeignete Auswertung der am Ausgang des Emp­ fängers anstehenden Empfangssignale vorgesehen sein. Das Grundprinzip der­ artiger Auswerteverfahren zur Störsignalunterdrückung besteht darin, den Sen­ der der optoelektronischen Vorrichtung im Pulsbetrieb zu betreiben und die Zeitpunkte der Emission der Sendelichtimpulse so zu wählen, daß zu diesen Sendezeitpunkten möglichst kein Fremdlicht auf den Empfänger auftrifft. Für den Fall, daß die optoelektronische Vorrichtung als Lichttaster ausgebildet ist, ist ein derartiges Auswerteverfahren in der DE 43 19 451 C1 beschrieben. Für als Lichtschranken ausgebildete Vorrichtungen sind derartige Auswerteverfah­ ren beispielsweise aus der DE 196 13 940 C1 bekannt. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß derartige Auswerteverfahren einen erheblichen Entwicklungsauf­ wand erfordern, wodurch der Kostenaufwand für die Herstellung der Vorrich­ tung erhöht wird. Besonders nachteilig ist jedoch, daß derartige Auswertever­ fahren meist nur für spezielle Fremdlichteinstrahlungen geeignet sind, bei­ spielsweise für Fremdlichtquellen die gepulstes Störlicht in einem bestimmten Frequenzbereich emittieren.

Alternativ oder zusätzlich zu den elektronischen Auswerteverfahren kann die Vorrichtung ein optisches Filter aufweisen, mit welchem ein Teil der Fremd­ lichteinstrahlung ausgefiltert wird. Für Vorrichtungen mit im sichtbaren, roten Wellenlängenbereich emittierenden Sendern werden üblicherweise Farbfilter verwendet, die Fremdlicht ausfiltern, deren Wellenlänge unterhalb der Sender­ wellenlängen liegt.

Derartige Farbfilter können insbesondere von entsprechend eingefärbten Emp­ fangsoptiken gebildet sein, welche dem Empfänger vorgeordnet sind. Die Emp­ fangsoptiken sind dabei üblicherweise von Linsen gebildet. Nachteilig hierbei ist, daß derartige eingefärbte Linsen teuer sind. Zudem ist nachteilig, daß eventuell notwendige mechanische Bearbeitungen derartiger Linsen zum Ein­ bau in die Vorrichtung äußerst aufwendig sind, da diese sehr empfindlich ge­ gen mechanische Beschädigungen sind.

Alternativ können als Farbfilter Gelatinefolien eingesetzt werden, welche an der Empfangsoptik anbringbar sind. Derartige Gelatinefolien weisen jedoch eine äußerst geringe Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß diese möglichst unempfindlich gegen Fremd­ lichteinstrahlung ist.

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

Bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung sind dem Empfän­ ger zwei optische Filter vorgeordnet. Die Transmissionskoeffizienten dieser Filter ergänzen sich zu einem optischen Bandpaß, so daß auf den Empfänger im wesentlichen nur Empfangslichtstrahlen auftreffen, deren Wellenlängen inner­ halb eines durch eine obere und untere Grenzwellenlänge begrenzten Wellen­ längenbandes liegen. Dabei sind die Grenzwellenlängen so gewählt, daß die Wellenlängen der vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen innerhalb dieses Wellenlängenbandes liegen.

Durch den von den beiden optischen Filtern gebildeten optischen Bandpaß wird erreicht, daß nur Empfangslichtstrahlen auf den Empfänger auftreffen, deren Wellenlängen im wesentlichen mit den Wellenlängen der vom Sender emittier­ ten Sendelichtstrahlen übereinstimmen. Ansonsten wird auf die Vorrichtung auftreffendes Fremdlicht im gesamten Spektralbereich ausgefiltert. Dadurch trifft nur noch ein sehr kleiner Anteil des Fremdlichts, der typischerweise klei­ ner als 10% ist, auf den Empfänger, so daß die Beeinflussung durch Störlicht­ einflüsse auf ein Minimum reduziert wird. Dies führt zu erheblich geringeren Anforderungen an eine elektronische Empfangssignalauswertung zur Störsi­ gnalunterdrückung. Zudem kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne wesentliche Erhöhung der Fremdlichtempfindlichkeit eine Sende- und Emp­ fangsoptik vorgesehen sein, welche in einem großen Winkelbereich Sende­ lichtstrahlen emittiert beziehungsweise Empfangslichtstrahlen empfängt, wo­ durch die Ausrichtung derartiger Vorrichtungen erheblich vereinfacht wird.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eines der optischen Filter von einer Hochtemperaturfolie gebildet, welche aus Polycar­ bonat besteht und nur für Wellenlängen oberhalb einer vorzugsweise bei etwa 600 nm liegenden unteren Grenzwellenlänge durchlässig ist.

Derartige Hochtemperaturfolien sind nicht nur kostengünstig in die Vorrich­ tung integrierbar, sie weisen auch eine hohe Temperatur- und Feuchtigkeitsbe­ ständigkeit auf.

Bevorzugt wird zur Herstellung des optischen Bandpasses dieses optische Fil­ ter mit einem NIR-Sperrfilter kombiniert, welches im wesentlichen nur für Wellenlängen unterhalb einer etwa bei 700 nm liegenden oberen Grenzwellen­ länge durchlässig ist. Die Wellenlängen der Sendelichtstrahlen liegen in diesem Fall vorzugsweise zwischen 630 nm und 660 nm.

Da NIR-Sperrfilter sehr teuer sind, sind diese im Strahlengang so angeordnet, daß die Filterfläche möglichst klein gehalten werden kann. Dabei kann zum einen das NIR-Sperrfilter unmittelbar vor dem Empfänger angeordnet sein. Zum anderen kann das NIR-Sperrfilter auch als Schicht unmittelbar auf der Oberfläche des Empfänger aufgebracht sein.

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

Fig. 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 2:
a) Wellenlängenabhängigkeit der Transmissionskoeffizienten der optischen Filter in der Vorrichtung gemäß Fig. 1.
b) Wellenlängenabhängigkeit der Strahlungsleistungen des Senders der Vorrichtung gemäß Fig. 1 sowie einer Fremdlichtquelle.

Fig. 1 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 1 zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die optoelektronische Vorrichtung 1 als Lichttaster ausgebildet. Der Lichttaster weist einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 sowie einen Emp­ fangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf, welche an eine gemein­ same Auswerteeinheit 6 angeschlossen sind. Die Auswerteeinheit 6 kann bei­ spielsweise von einem Microcontroller gebildet sein.

Der Sender 3 ist von einer Leuchtdiode gebildet, welche Sendelichtstrahlen 2 im Wellenlängenbereich von 630 nm bis 660 nm emittiert. Der Empfänger 5 besteht aus einer Photodiode, welche Empfangslichtstrahlen 4 im Wellenlän­ genbereich von 200 nm bis 1100 nm empfängt und in elektrische Empfangs­ signale umwandelt, die in der Auswerteeinheit 6 zur Erfassung von Öbjekten ausgewertet werden.

Dem Sender 3 ist eine von einer ersten Linse gebildete Sendeoptik 7 nachge­ ordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine ein paral­ leles Sendelichtstrahlenbündel erzeugende Kollimatorlinse. Alternativ kann die Linse auch so ausgebildet und relativ zum Sender 3 angeordnet sein, daß ein divergentes Sendelichtstrahlenbündel erzeugt wird.

Dem Empfänger 5 ist eine Empfangsoptik 8 vorgeordnet, welche von einer zweiten Linse gebildet ist. Die Empfangsoptik 8 fokussiert die auftreffenden Empfangslichtstrahlen 4 auf den Empfänger 5.

Die Sende- 7 und Empfangsoptik 8 sind nebeneinanderliegend hinter einem Austrittsfenster 9 in der Frontwand eines Gehäuses 10 angeordnet, wobei das Austrittsfenster 9 von den Sende- 2 und Empfangslichtstrahlen 4 durchsetzt wird.

Für den Fall, daß die optoelektronische Vorrichtung 1 als Lichtschranke aus­ gebildet ist, befinden sich der Sender 3 und der Empfänger 5 in separaten, in Abstand gegenüberliegend angeordneten Gehäusen 10, wobei jedes Gehäuse 10 ein Austrittsfenster 9 aufweist, welches von den Sendelichtstrahlen 2 bezie­ hungsweise den Empfangslichtstrahlen 4 durchsetzt wird.

Da von dem Empfänger 5 Empfangslichtstrahlen 4 in einem sehr großen Wel­ lenlängenbereich empfangen werden, ist dieser äußerst empfindlich gegen Fremdlichteinstrahlung, welche zu erheblichen Fehlfunktionen des Lichttasters führen kann.

Zur Reduzierung dieser Fremdlichtempfindlichkeit weist der Lichttaster zwei optische Filter auf. Das erste optische Filter ist als MR-Sperrfilter 11 ausgebil- det. Um aufgrund der relativ hohen Kosten für derartige Filter dessen Fläche möglichst gering zu halten, ist das NIR-Sperrfilter 11 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 unmittelbar vor dem Empfänger 5 angeordnet. Dabei ist das NIR-Sperrfilter 11 symmetrisch zur optischen Achse der Empfangslichtstrahlen 4 angeordnet.

Das NIR-Sperrfilter 11 ist scheibenförmig ausgebildet, wobei die Scheibenflä­ che senkrecht zur optischen Achse der Empfangslichtstrahlen 4 angeordnet ist. Die Größe der Scheibe ist so bemessen, daß sie den Empfänger 5 vollständig abdeckt, und daß die durch die Empfangsoptik 8 fokussierten Empfangslicht­ strahlen 4 noch vollständig auf das NIR-Sperrfilter 11 treffen. Dabei entspricht der Durchmesser der Scheibe im wesentlichen dem Strahldurchmesser der Empfangslichtstrahlen 4 am Einbauort des NIR-Sperrfilters 11.

In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform ist das NIR-Sperrfilter 11 unmittelbar auf die photoempfindliche Oberfläche des Emp­ fängers 5 aufgebracht. Beispielsweise kann das Filtermaterial auf die Oberflä­ che des Empfängers 5 aufgedampft werden. Eine derartige Ausbildung des NIR-Sperrfilters 11 läßt sich mit minimalem Materialaufwand realisieren.

Zwischen dem NIR-Sperrfilter 11 und dem Austrittsfenster 9 ist im Strahlen­ gang der Empfangslichtstrahlen 4 ein zweites Filter angeordnet. Dieses Filter ist von einer Hochtemperaturfolie 12 gebildet, welche vorzugsweise aus Poly­ carbonat besteht. Die Hochtemperaturfolie 12 ist zweckmäßigerweise in einer nicht dargestellten Halterung gelagert.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hochtemperatur­ folie 12 im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen 4 unmittelbar vor der Emp­ fangsoptik 8 angeordnet. Die Abmessungen der Hochtemperaturfolie 12 ent­ sprechen etwa der Fläche der Empfangsoptik 8, so daß sämtliche Empfangs­ lichtstrahlen 4 auf die Hochtemperaturfolie 12 treffen, bevor sie zur Empfangs­ optik 8 gelangen.

Alternativ kann die Hochtemperaturfolie 12 der Empfangsoptik 8 auch nachge­ ordnet sein.

Die Wirkungsweise der optischen Filter ist insbesondere aus Fig. 2 ersicht­ lich. Das NIR-Sperrfilter 11 ist im wesentlichen nur für Empfangslichtstrahlen 4 durchlässig, deren Wellenlängen unterhalb einer oberen Grenzwellenlänge liegen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegt die obere Grenzwellenlänge bei 700 nm. Entsprechend ist der Transmissionskoeffizient T_NIR der NIR-Sperrfilters 11 für Wellenlängen oberhalb von 700 nm nahezu null. Dagegen ist der NIR- Sperrfilter 11 für Wellenlängen kleiner als 700 nm durchlässig, so daß in die­ sem Wellenlängenbereich der Transmissionskoeffizient T_NIR nahezu den Wert eins annimmt.

Das von der Hochtemperaturfolie 12 gebildete zweite optische Filter ist im wesentlichen nur für Empfangslichtstrahlen 4 durchlässig, deren Wellenlängen oberhalb einer unteren Grenzwellenlänge liegen, die wie in Fig. 2 dargestellt bei etwa 600 nm liegt. Dementsprechend nimmt der Transmissionskoeffizient THT der Hochtemperaturfolie 12 für Wellenlängen unterhalb von 600 nm einen Wert von nahezu null an und oberhalb dieser unteren Grenzwellenlänge einen Wert von nahezu eins an.

Durch die Hintereinanderanordnung der beiden optischen Filter entsteht ein optischer Bandpaß. Die Wirkungen der Filter ergänzen sich derart, daß nur Empfangslichtstrahlen 4 zum Empfänger 5 gelangen, deren Wellenlängen in­ nerhalb des durch die untere und obere Grenzwellenlänge begrenzten Wellen­ längenbandes liegen.

Auf diese Weise können Störeinflüsse aufgrund von Fremdlichteinstrahlungen weitgehend vermieden werden. Dies wird insbesondere aus dem Vergleich der Fig. 2a und 2b ersichtlich.

In Fig. 2b ist schematisch die Wellenlängenabhängigkeit der Strahlungslei­ stung einer Fremdlichtquelle I_F dargestellt. Die Fremdlichtquelle strahlt in ei­ nem breiten Wellenlängenbereich innerhalb der Grenzwellenlängen λ_U und λ_O ab. Derartige Fremdlichtquellen können insbesondere von Neonröhren gebildet sein. Die Grenzwellenlängen betragen in diesem Fall λ_U = 300 nm und λ_O = 800 nm. In einem schmalen Ausschnitt innerhalb dieses Wellenlängenbereich liegen die Wellenlängen bei welchen die Sendelichtstrahlen 2 emittiert werden. Die Strahlungsleistung der Sendelichtstrahlen 2 ist in Fig. 2b mit I_S bezeich­ net.

Durch die erfindungsgemäße Filteranordnung werden sämtliche Fremdlicht­ strahlen ausgefiltert, die außerhalb des Wellenlängenbandes zwischen 600 nm und 700 nm liegen.

Der Wellenlängenbereich zwischen 630 nm und 660 nm, innerhalb dessen die Sendelichtstrahlen 2 emittiert werden, liegt innerhalb dieses Wellenlängenban­ des und ist nur unwesentlich kleiner als die Breite des Wellenlängenbandes. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß nahezu die gesamte Fremdlichteinstrah­ lung mit den optischen Filtern ausgefiltert wird. Typischerweise werden bis zu 90% der Strahlungsleistung der Fremdlichtquelle ausgefiltert.

Claims (14)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sen­ der und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfänger (5) zwei optische Filter vorgeordnet sind, deren Transmissionskoeffizienten sich zu einem optischen Bandpaß ergänzen, so daß auf den Empfänger (5) im wesentlichen nur Empfangs­ lichtstrahlen (4) auftreffen, deren Wellenlängen innerhalb eines durch ei­ ne obere und untere Grenzwellenlänge begrenzten Wellenlängenbandes liegen, und daß die Wellenlängen der vom Sender (3) emittierten Sende­ lichtstrahlen (2) innerhalb dieses Wellenlängenbandes liegen.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eines der Filter von einem NIR-Sperrfilter (11) gebildet ist, wel­ ches im wesentlichen nur für Wellenlängen unterhalb der oberen Grenzwellenlänge durchlässig ist.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die obere Grenzwellenlänge etwa bei 700 nm liegt.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Filter von einer aus Polycarbonat beste­ henden Hochtemperaturfolie (12) gebildet ist, welche im wesentlichen nur für Wellenlängen oberhalb der unteren Grenzwellenlänge durchlässig ist.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die untere Grenzwellenlänge etwa bei 600 nm liegt.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (3) Sendelichtstrahlen (2) im Wellenlän­ genbereich von 630 nm bis 660 nm emittiert.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß das NIR-Sperrfilter (11) dem Empfänger (5) im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen (4) unmittelbar vorgeordnet ist.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abmessungen des NIR-Sperrfilters (11) quer zur optischen Achse der Empfangslichtstrahlen (4) an die Größe des Empfängers (5) und an den Strahldurchmesser der Empfangslichtstrahlen (4) am Einbau­ ort des NIR-Sperrfilters (11) angepaßt sind.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß das NIR-Sperrfilter (11) auf die Oberfläche des Empfängers (5) aufgebracht ist.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß dem NIR-Sperrfilter (11) im Strahlengang der Emp­ fangslichtstrahlen (4) die Hochtemperaturfolie (12) vor oder hinter einer Empfangsoptik (8) vorgeordnet ist.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hochtemperaturfolie (12) und die Empfangsoptik (8) im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen (4) hinter einem Austrittsfenster (9) angeordnet sind.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß diese ein Gehäuse (10) aufweist, in dessen Frontwand das Aus­ trittsfenster (9) angeordnet ist, durch welches die Empfangslichtstrahlen (4) geführt sind.

13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sender (3) im Gehäuse (10) angeordnet ist, wobei die Sen­ delichtstrahlen (2) durch das Austrittsfenster (9) geführt sind.

14. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß diese zwei getrennte Gehäuse (10) mit jeweils einem Austritts­ fenster (9) aufweist, wobei im zweiten Gehäuse (10) der Sender (3) ange­ ordnet ist dessen Sendelichtstrahlen (2) durch das Austrittsfenster des zweiten Gehäuses (10) geführt sind.