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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige optische Sensoren können insbesondere als Lichtschranken, Lichttaster oder als Distanzsensoren ausgebildet sein. Generell weisen diese einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Zudem ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, in welcher aus den Empfangssignalen am Ausgang des Empfängers ein Objektfeststellungssignal generiert wird. Diese Komponenten sind in einem Gehäuse vorgesehen, das eine mit einem für die Lichtstrahlen transparentem Fenster verschlossenen ist.
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Aufgrund von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen kommt es immer wieder vor, dass auf der Innenseite des Fensters ein „Beschlag“ durch Kondenswassertröpfchen entstehen kann. Dieser Beschlag kann dauerhaft die optische Funktion des Geräts stören, indem z. B. die Lichtstrahlen von den feinen Wassertröpfchen gestreut werden. Auch wenn keine funktionale Gefahr besteht, wird der Anwender durch den Beschlag verunsichert und vermutet, dass er ein defektes/undichtes Gerät vorliegen hat.
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Zur Vermeidung eines derartigen Beschlags ist es bekannt, das Fenster zu heizen, was aber sehr aufwändig und kostenträchtig ist. Es bedarf zusätzlicher Heizelemente, die selbst zusätzliche Energie verbrauchen.
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Es ist weiter bekannt, Fenster zu beschichten (sogenannte „Antifogbeschichtungen"), die die feinen Wassertröpfen des Beschlags in der Oberflächenspannung so verändern, dass die Tröpfchen verformt werden (gespreizt) und so die störende optische Wirkung für die Lichtstrahlen zumindest reduziert wird. Nachteilig hierbei ist, dass die Beschichtung in einem zusätzlichen Beschichtungsprozess aufgebracht werden muss, wobei der Prozess eine aufwändige Maskierung der Kontaktfläche des Fensters erfordert oder eine nachträgliche Entfernung der Beschichtung an den Kontaktflächen. Weiter haben diese Beschichtungen nur eine beschränkte „Lebensdauer“. Ihre Wirkung lässt mit der Zeit nach.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten optischen Sensor bereitzustellen, der kostengünstig herstellbar ist, und zugleich eine verbesserte Beschlagsvermeidung aufweist, die insbesondere dauerhafter ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit, in welcher die am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale zur Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet werden. Sender, Empfänger und Auswerteeinheit sind durch ein Gehäuse geschützt, das eine Öffnung aufweist, durch die Sende- und Empfangslichtstrahlen ein- bzw. austreten können. Die Öffnung ist mit einem für die Lichtstrahlen transparentem Fenster verschlossen. Erfindungsgemäß ist die ins Innere des Gehäuses gerichtete Oberfläche des Fenster zumindest in dem Bereich, in dem die Lichtstrahlen durchtreten, eine mikroskopische Strukturierung aufweist, die hydrophob oder hydrophil ausgebildet.
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Solche mikroskopische Strukturierungen liegen im Mikrometer- und/oder Nanometerbereich. Sie werden vom Fraunhofer Institut für angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) erforscht. Der wesentliche Kern der Erfindung liegt in der Nutzung solcher Strukturen für die Fenster optischer Sensoren, wodurch sich eine Reihe von Vorteilen ergeben.
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Die wesentlichen Vorteile der Strukturierung liegen in der Vermeidung der eingangs genannten Nachteile herkömmlicher Fenster für Sensoren. Weiter wird die Dauerhaftigkeit erhöht, denn die Strukturierung geht nicht verloren, so dass für die Lebensdauer des Sensors eine bestmögliche Beschlagsreduzierung gegeben ist. Weiter ist ein Fenster mit einer solchen Strukturierung in der Massenfertigung sehr kostengünstig herstellbar.
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Insbesondere kann das Fenster in einem formgebenden Verfahren für die Herstellung von Kunststoffteilen mit mikroskopischen Oberflächenstrukturen hergestellt werden. Ein solches Verfahren kann ein Spritzgussverfahren sein oder alternativ sind auch Präge- und Beschichtungsverfahren denkbar. Mit Vorteil kann die Strukturierung in einem Spritzgussverfahren gleichzeitig bei der Herstellung des Fensters ohne weiteren Aufwand mit eingebracht werden. Das verursacht bei der Herstellung keine Mehrkosten. Es muss selbstverständlich einmalig die Gussform erstellt werden.
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Wenn die mikroskopische Strukturierung kleiner als die Wellenlänge des vom Sensor verwendeten Lichts ist, wird mit Vorteil das Sende- bzw. Empfangslicht, das durch das Fenster tritt, möglichst wenig beeinflusst.
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Andererseits kann das Licht durch die Strukturierung selbst bewusst und gezielt beeinflusst werden, wenn die Strukturierung im Mikrometerbereich liegt.
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Durch eine mikroskopische Strukturierung auch auf der Außenseite des Fensters kann die Außenseite beispielsweise hydrophob ausgebildet sein, so dass Nässe und Verschmutzungen „abperlen“ und so einerseits das Fenster des Sensors weniger verschmutzt und besser gereinigt werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das transparente Fenster mit den Oberflächenstrukturen gleichzeitig als optisches Element, z. B. als Linse, ausgebildet.
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Um eine Information über den Abstand eines Objektes zum optischen Sensor zu erhalten, kann der Empfänger von einem ortsauflösenden Empfänger gebildet sein. Insbesondere kann dabei der Empfänger eine Zeilenanordnung von Empfangselementen aufweisen. Der Auftreffpunkt des Empfangslichtflecks auf den ortsauflösenden Empfänger liefert dann ein Maß für die Objektdistanz.
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Generell kann der erfindungsgemäße optische Sensor von einer Lichtschranke, einem Lichttaster oder einem Distanzsensor gebildet sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines als Lichttaster ausgebildeten optischen Sensors;
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2 eine schematische Ansicht eines strukturierten Fensters des optischen Sensors gemäß 1.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines optischen Sensors 10 zur Detektion von Objekten 12 in einem Überwachungsbereich. Im vorliegenden Fall ist der optische Sensor 10 als Lichttaster ausgebildet. Prinzipiell kann der optische Sensor 10 auch als Lichtschranke, Distanzsensor und dergleichen ausgebildet sein.
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Der optische Sensor 10 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem ein Sendelichtstrahlen 16 emittierender Sender 18 und ein Empfangslichtstrahlen 20 empfangender Empfänger 22 angeordnet sind. Der Sender 18 und der Empfänger 22 sind an eine Auswerteeinheit 24 angeschlossen, die von einem Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist. Mittels der Auswerteeinheit 24 wird der Sender 18 angesteuert. Zudem erfolgt in der Auswerteeinheit 24 die Auswertung der am Ausgang des Empfängers 22 anstehenden Empfangssignale. Das daraus generierte Objektfeststellungssignal wird über einen Schaltausgang 26 ausgegeben.
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Der optische Sensor 10 ist im vorliegenden Fall als Lichttaster ausgebildet. Im Falle eines energetischen Lichttasters ist der Empfänger 22 mit nur einem photoempfindlichen Empfangselement ausgebildet und das Empfangssignal des Empfängers 22 wird zur Generierung eines binären Schaltsignals mittels eines Schwellwerts bewertet.
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Ein Schaltzustand "Objekt erkannt" wird für das Schaltsignal erhalten, falls die Sendelichtstrahlen 16 auf die Objektoberfläche auftreffen und von dort zum Empfänger 22 als Empfangslichtstrahlen 20 zurückreflektiert werden. Falls das Objekt 12 nicht vorhanden ist erfolgt keine Reflektion und damit auch keine Erzeugung eines Objektfeststellungssignals.
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Damit die Sende- 16 und Empfangslichtstrahlen 20 durch das Gehäuse 14 hindurchtreten können, weist das Gehäuse 14 eine Öffnung 28 auf, die mit einem Fenster 30 verschlossen ist. Das Fenster 30 ist für die Wellenlänge des Sende- und Empfangslichts transparent.
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Das Fenster 30 ist in 2 separat schematisch aus Sicht der Lichtstrahlen dargestellt. Es weist auf seiner in das Innere des Gehäuses gerichteten Oberfläche zumindest in dem Bereich 32, in dem die Lichtstrahlen durchtreten, eine mikroskopische Strukturierung auf, die in der 2 gepunktelt dargestellt ist.
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Die Strukturierung ist hydrophob oder hydrophil ausgebildet. Die Größenordnung der Strukturen ist für einen Sensor 10 einheitlich. Es können aber Sensoren mit untereinander anderen Strukturgrößen vorgesehen sein.
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So kann die mikroskopische Strukturierung kleiner als die Wellenlänge des vom Sensor verwendeten Lichts sein. Das ist dann bevorzugt, wenn das Licht möglichst nicht durch die Strukturierung gestört werden soll.
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Alternativ kann die Strukturierung im Mikrometerbereich liegen. Dann kann nämlich die Struktur zusätzlich genutzt werden, das Licht gezielt zu beeinflussen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist auch die Außenseite des Fensters 30 mit der erfindungsgemäßen, mikroskopischen Strukturierung versehen.
