DE202006005978U1 - Optoelektronischer Sensor - Google Patents

Abstract

Optoelektronischer Sensor zum Bestimmen der Anwesenheit, Beschaffenheit und/oder des Orts von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit einer Lichtquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung,
mit einer Abbildungsoptik zum Bündeln der elektromagnetischen Strahlung zu einem Nachweisstrahl und zum Leiten des Nachweisstrahls in den Überwachungsbereich,
mit einem Empfänger mit zugeordneter Empfangsoptik und Auswerteelektronik zum Nachweis von gestreuter, reflektierter oder direkt eingestrahlter Strahlung,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder ein RCLED (Resonant Cavity Light Emitting Device) ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zum Bestimmen der Anwesenheit, Beschaffenheit und/oder des Orts von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein gattungsgemäßer optoelektronischer Sensor ist beispielsweise in DE 101 20 937 C2 beschrieben und weist folgende Komponenten auf: Eine Lichtquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, eine Abbildungsoptik zum Bündeln der elektromagnetischen Strahlung zu einem Nachweisstrahl und zum Leiten des Nachweisstrahls in den Überwachungsbereich und einen Empfänger mit zugeordneter Empfangsoptik und Auswerteelektronik zum Nachweis von gestreuter, reflektierter oder direkt eingestrahlter Strahlung.
• Solche optoelektronischen Sensoren werden beispielsweise in der industriellen Prozesstechnik für eine Vielzahl von Überwachungs- und Kontrollaufgaben eingesetzt.
• Bekannt sind bisher Sensoren, bei welchen herkömmliche Leuchtdioden als Lichtquelle verwendet werden. Hierbei handelt es sich um kostengünstige Komponenten, welche nichtkohärente Strahlung emittieren und nicht zu verwechseln sind mit Halbleiterlasern. Solche Lichtquellen werden beispielsweise in dem in DE 101 20 937 C2 beschriebenen optoelektronischen Sensor verwendet, wobei dort eine besondere Leuchtdiode eingesetzt wird, welche an der Frontseite einen zusammenhängenden, etwa kreisscheibenförmigen Lichtaustrittsfleck aufweist, der von einer Elektrode umschlossen ist.
• DE 101 22 134 A1 beschreibt ebenfalls einen LED-Chip, der einen zentralen Leuchtbereich und ein diesen Leuchtbereich umgebendes Kontaktfeld aufweist.
• Sensoren, bei denen konventionelle Leuchtdioden verwendet werden, sind unter den folgenden Gesichtspunkten verbesserungsfähig.
• Zunächst weisen Leuchtdioden aufgrund einer vergleichsweise geringen Quanteneffizienz einen geringen Wirkungsgrad auf. Hieraus ergeben sich ein relativ hoher Stromverbrauch sowie eine damit verbundene Wärmeentwicklung im Sensorgehäuse.
• Weiterhin ist die Lichtaustrittsfläche bei Leuchtdioden im Vergleich zur emittierten Strahlungsleistung vergleichsweise groß, das heißt es wird nur eine geringe Strahldichte erzeugt. Hieraus folgen Beschränkungen im Hinblick auf das Erkennen von sehr kleinen Objekten, da aufgrund der großen Lichtaustrittsfläche kein ausreichend kleiner Lichtspot aus der emittierten Strahlung generiert werden kann.
• Darüber hinaus weisen konventionelle Leuchtdioden einen großen chipbezogenen Lichtaustrittswinkel auf, der durch das in DE 101 22 134 A1 vorgeschlagene Kontaktfeld, welches den Leuchtbereich umgibt, nur begrenzt reduziert werden kann. Die Strahlung wird deshalb auch auf optisch irrelevante Teile des Sensors geleitet, wodurch unerwünschte Reflexionen verursacht werden können. Diese Reflexionen können insbesondere zu einem unpräzisen und nicht scharf begrenzten Spot führen.
• Auch in DE 101 20 937 C2 ist der chipbezogene Lichtaustrittswinkel relativ groß, so dass eine zusätzliche Abbildungsoptik erforderlich ist.
• Im Hinblick auf die Schaltfrequenzen der Sensoren ist außerdem zu beachten, dass die von Leuchtdioden emittierte Strahlung sich nur mit relativ geringen Frequenzen modulieren lässt. Die Schaltfrequenzen dieser Sensoren sind deshalb begrenzt.
• Schließlich sind die Spektren der von konventionellen Leuchtdioden emittierten elektromagnetischen Strahlung relativ breit, so dass eine Filterung mit optischen Hoch-, Tief- oder Bandpässen nur eingeschränkt möglich ist. Beispielsweise beträgt die FWHM typisch etwa 60 nm.
• Bekannt ist weiterhin die Verwendung von konventionellen Laserdioden als Lichtquellen von optoelektronischen Sensoren. Laser haben unter sämtlichen vorgenannten Aspekten Vorteile gegenüber konventionellen Leuchtdioden. Zu beachten ist bei deren Einsatz jedoch, dass die elektromagnetische Strahlung aus der Laserdiode nicht an der Oberfläche, sondern an einer oder mehreren Kanten austritt, was den Einbau in einen Sensor erschwert.
• Außerdem tritt die elektromagnetische Strahlung aus der Laserdiode in Form einer Ellipse mit sehr großem Divergenzwinkel aus, so dass im Allgemeinen eine anamorphotische Abbildungsoptik, insbesondere wenn zylindersymmetrische Strahlprofile erforderlich sind, benötigt wird.
• Weiterhin erfordert der im Allgemeinen nur schmale Bereich zwischen dem Strom der Laserschwelle und einer Zerstörschwelle des Bauelements eine präzise Regelschaltung mit zusätzlichem Bauteileaufwand. Der hohe Strom der Laserschwelle generiert darüber hinaus eine entsprechende Verlustleistung, was insbesondere bei Miniatursensoren zu unerwünschten thermischen Problemen und Verwendungs- und Designbeschränkungen führt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen optoelektronischen Sensor der oben bezeichneten Art mit verbesserten optischen Eigenschaften bereitzustellen, der besonders vielseitig einsetzbar und verwendbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch den optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Der optoelektronische Sensor der oben beschriebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Lichtquelle ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder ein RCLED (Resonant Cavity Light Emitting Device) ist.
• Als Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, nicht mehr wie bisher konventionelle Lichtquellen, insbesondere nicht mehr konventionelle Leuchtdioden, zu verwenden, sondern statt dessen spezielle Laserdioden einzusetzen, deren Resonanzraum vertikal angeordnet ist. Diese Laserdioden werden als Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL, bezeichnet. Hiermit lassen sich sämtliche der vorstehend aufgeführten Nachteile vermeiden. Die elektromagnetische Strahlung tritt bei diesen Bauelementen wie bei konventionellen Leuchtdioden an der Oberfläche aus, wogegen bei konventionellen Lasern die Strahlung an einer oder mehreren Kanten emittiert wird.
• Im Gegensatz zu den in DE 101 20 937 C2 beschriebenen konventionellen Leuchtdioden ist hierbei die emittierte elektromagnetische Strahlung kohärent.
• Gemäß einem weiteren, alternativen Kerngedanken der Erfindung können die vorstehend beschriebenen Nachteile auch durch Einsatz von Bauelementen überwunden werden, die wie die VCSELs über einen vertikal angeordneten Resonanzraum verfügen. Die Verspiegelung, welche die Resonanz ermöglicht und verursacht, kann jedoch schwächer ausgeprägt sein als bei VCSELs und bei konventionellen Lasern. Diese Bauelemente sind unter dem Namen Resonant Cavity Light Emitting Device, RCLED, bekannt.
• Ein erster wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist in der im Gegensatz zu konventionellen Leuchtdioden hohen Quantenausbeute und damit dem hohen Wirkungsgrad der erfindungsgemäß eingesetzten Lichtquellen zu sehen.
• Ein weiterer erheblicher Vorteil im Vergleich zu konventionellen Leuchtdioden ist die deutlich höhere Strahldichte bei VCSELs und RCLEDs.
• Zusammen mit dem im Gegensatz zu konventionellen Leuchtdioden und Laserdioden kleinen Lichtaustrittswinkel, der beispielsweise 12° im Halbwinkel betragen kann, und dem dadurch erreichten hohen optischen Wirkungsgrad, kann die Empfindlichkeit auch für sehr kleine nachzuweisende Objekte mit dem erfindungsgemäßen Sensor deutlich erhöht werden.
• Positiv ist in diesem Zusammenhang auch der im Vergleich zu konventionellen Leuchtdioden schmalere spektrale Bereich der emittierten Strahlung, so dass die Unterdrückung von Störlicht durch schmalbandige Filter in unaufwändiger Weise möglich ist.
• Vorteilhaft ist außerdem, dass es sich bei den VCSELs und RCLEDs um Oberflächenstrahler handelt, so dass ein einfacher Einbau dieser Lichtquellen, ähnlich wie bei konventionellen Leuchtdioden, möglich ist. Gegenüber Halbleiterlasern, die Kantenstrahler sind, werden diesbezüglich deutliche Verbesserungen erzielt.
• Schließlich führt die vergleichsweise geringe Laserschwelle, beispielsweise kleiner als 5 mA, im Gegensatz zu konventionellen Laserdioden, bei denen die Laserschwelle etwa 20 mA beträgt, zu einer geringeren Stromaufnahme und deshalb auch zu einer geringeren Verlustleistung des Sensors.
• Im Unterschied zu konventionellen Leuchtdioden müssen VCSELs oder RCLEDs nicht zwingend als Chips auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Außerdem muss das Kontaktfeld dieser Lichtquellen nicht mit Hilfe eines Bonddrahtes mit einer Leiterbahn oder einer Leiterplatte verbunden sein, sondern kann prinzipiell auch in der so genannten Flip-Chip-Montage aufgebracht sein.
• Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung weist der Nachweisstrahl einen Öffnungswinkel von kleiner als 5° auf. Mit einem solchen Nachweisstrahl wird auch für sehr kleine Objekte eine hervorragende Nachweisempfindlichkeit erreicht.
• Dies kann noch gesteigert werden, wenn der von dem Nachweisstrahl auf einem Objekt erzeugte Spot einen Mittelpunkt aufweist, von dem aus die Intensität in alle Richtungen abnimmt. Insbesondere dieses Merkmal kann mit Hilfe von VCSELs und RCLEDs, nicht aber mit konventionellen Leuchtdioden erzielt werden, welche in ihrer Abstrahlcharakteristik in Vorwärtsrichtung jeweils einen charakteristischen "dip" aufweisen.
• Der erfindungsgemäße Einsatz von VCSELs oder RCLEDs ermöglicht wegen der oben beschriebenen Eigenschaften eine besonders Platz sparende Ausgestaltung des Sensors. Insbesondere kann die Lichtquelle zusammen mit der Abbildungsoptik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
• Besonders kompakt und deshalb besonders variabel einsetzbar sind Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors, bei dem neben der Lichtquelle und der Abbildungsoptik außerdem der Empfänger mit Empfangsoptik und Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Das Gehäuse kann ein Kunststoffgehäuse oder auch ein Metallgehäuse sein. Beispielsweise kann es sich um ein Transistorgehäuse TO18 handeln.
• Grundsätzlich besteht aber bei der Konfiguration der einzelnen Komponenten große Freiheit, beispielsweise kann der Chip des VCSELs oder RCLEDs auch direkt auf eine Leiterplatte gebonded sein.
• Noch Platz sparendere Anordnungen und eine Reduzierung der Zahl der notwendigen optischen Komponenten werden erzielt, wenn die Abbildungsoptik und die Empfangsoptik ein und dieselbe Autokollimationsoptik ist. Aufgrund der beim erfindungsgemäßen Sensor möglichen sehr kompakten Anordnungen ergeben sich eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten auch für Nachweisaufgaben, bei denen Sensoren aus dem Stand der Technik bisher nicht eingesetzt werden konnten.
• Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor kann besonders vorteilhaft als Lichtschranke, insbesondere als Reflexionslichtschranke, ausgebildet sein und entsprechend eingesetzt werden. Da sich der Sensor auch in sehr kleinen Gehäusen unterbringen lässt, ist der Einsatz dieser Sensoren insgesamt deutlich flexibler und mit weniger Zwangsbedingungen verbunden als bei bisher bekannten Sensoren.
• Das nachzuweisende Objekt kann grundsätzlich beliebiger Natur sein. Insbesondere kann es sich um einen Reflektor handeln, der prinzipiell auch beweglich sein kann.
• Je nach Art und Beschaffenheit des Objekts wird vom Empfänger, der beispielsweise eine einfache Photodiode sein kann, vom Objekt gestreute und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, nachgewiesen.
• Weiterhin kann bei einer Lichtschranke von dem Empfänger auch direkt von der Lichtquelle angestrahltes Licht nachgewiesen werden.
• Erfindungsgemäß wird also ein optoelektronischer Sensor bereitgestellt mit einer Lichtquelle, die einen besonderen Halbleiterchip zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung enthält. Mit einer Treiberelektronik kann dieser Halbleiterchip insbesondere pulsweise mit einem geeigneten Strom beaufschlagt werden, wodurch der Halbleiterchip zur Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung veranlasst wird. Mit Hilfe einer zugeordneten Abbildungsoptik wird ein detektierender Strahl oder Nachweisstrahl mit einem Öffnungswinkel von bevorzugt kleiner als 5° erzeugt. Der damit auf einem Objekt in einem grundsätzlich beliebigen Abstand zum Sensor erzeugte Lichtfleck weist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung einen Mittelpunkt auf, von dem aus die Strahlungsintensität in alle Richtungen monoton abnimmt. Weiterhin enthält der Sensor ein strahlungsempfindliches Empfangselement mit zugeordneter Empfangsoptik und einer Auswerteelektronik.

Claims (8)

1. Optoelektronischer Sensor zum Bestimmen der Anwesenheit, Beschaffenheit und/oder des Orts von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einer Lichtquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, mit einer Abbildungsoptik zum Bündeln der elektromagnetischen Strahlung zu einem Nachweisstrahl und zum Leiten des Nachweisstrahls in den Überwachungsbereich, mit einem Empfänger mit zugeordneter Empfangsoptik und Auswerteelektronik zum Nachweis von gestreuter, reflektierter oder direkt eingestrahlter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder ein RCLED (Resonant Cavity Light Emitting Device) ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachweisstrahl einen Öffnungswinkel von kleiner als 5° aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Nachweisstrahl auf einem Objekt erzeugte Spot einen Mittelpunkt aufweist, von dem aus die Intensität in alle Richtungen abnimmt.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle zusammen mit der Abbildungsoptik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher als Lichtschranke, insbesondere als Reflexionslichtschranke, ausgebildet ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle, die Abbildungsoptik und der Empfänger mit der Empfangsoptik in einem gemeinsamen Gehäuse unterbracht sind.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik und die Empfangsoptik ein und dieselbe Autokollimationsoptik ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der VCSEL- oder RCLED-Chip auf eine Leiterplatte gebondet ist.