DE102005059363B4

DE102005059363B4 - Optical sensor

Info

Publication number: DE102005059363B4
Application number: DE200510059363
Authority: DE
Inventors: Norbert Aldiek
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: DE102005059363A1

Abstract

Optischer Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einer dem Sender nachgeordneten Sendeoptik zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und einer Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers, wobei mittels der Sendeoptik (8) Inhomogenitäten der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen (3) reduziert sind, indem die Sendeoptik (8) in Form einer Linse ausgebildet ist, die an ihrer Lichteintrittsfläche oder Lichtaustrittsfläche eine Facettenstruktur bestehend aus von gegenüberliegenden Randsegmenten der Linse in Neigungswinkeln zum Zentrum der Linse zulaufenden Facetten (8a, 8b, 8c, 8d) aufweist.optical Sensor for detecting objects in a surveillance area, with a Emissive light emitting emitter, downstream of the transmitter Transmitting optics for beam shaping of the transmitted light beams, a received light beams receiving recipient and an evaluation unit for generating an object detection signal dependent on the received signals at the output of the receiver, wherein by means of the transmitting optics (8) inhomogeneities the irradiance of the light spot of the transmitted light beams (3) are reduced by the transmitting optics (8) is designed in the form of a lens, which at its Light entry surface or light exit surface one Facet structure consisting of opposite edge segments of the lens at angles of inclination to the center of the lens tapering facets (8a, 8b, 8c, 8d).

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an optical sensor according to the preamble of the claim 1.

Derartige optische Sensoren können generell als Lichttaster, Lichtschranken, Reflexionslichtschranken oder Distanzsensoren ausgebildet sein. Mit derartigen optischen Sensoren erfolgt eine Detektion von Objekten in einem Überwachungsbereich. Hierzu weist der optische Sensor einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit auf, in welcher in Abhängigkeit der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale ein Objektfeststellungssignal generiert wird.such optical sensors can generally as light sensors, photoelectric sensors, retro-reflective sensors or distance sensors may be formed. With such optical Sensors detect objects in a surveillance area. For this purpose, the optical sensor emits a transmitted light beam Transmitter, a receive light beam receiving receiver and an evaluation unit, in which depending on the output of the receiver pending received signals an object detection signal is generated.

Um eine hohe Nachweisempfindlichkeit des optischen Sensors zu erreichen, ist es notwendig, dass ein möglichst großer Anteil der Empfangslichtstrahlen auf den Empfänger trifft. Die Erfüllung dieser Anforderung ist insbesondere dann problematisch, wenn kleine Objekte, insbesondere Reflektoren detektiert werden müssen, von welchen nur ein Teil der Sendelichtstrahlen zurück zum Empfänger reflektiert wird und zudem der Sender keine homogene lichtemittierende Fläche aufweist.Around to achieve a high detection sensitivity of the optical sensor, it is necessary that one possible greater Proportion of the received light beams hits the receiver. The fulfillment of this requirement is particularly problematic when small objects, in particular Reflectors must be detected from which only part of the transmitted light rays are reflected back to the receiver and in addition the transmitter does not have a homogeneous light-emitting surface.

Beispiele hierfür sind als Sendedioden ausgebildete Sender, die im Zentrum ihrer lichtemittierenden Fläche ein Bondpad zum Anschluss eines Bonddrahts aufweisen. Aufgrund dessen ist für den Lichtfleck der Sendelichtstrahlen im Abbildungsort keine homogene Bestrahlungsstärke gegeben. Vielmehr weist der Lichtfleck der Sendelichtstrahlen im Zentrum eine erheblich reduzierte Bestrahlungsstärke auf.Examples therefor are transmitters designed as transmitting diodes, which are in the center of their light-emitting area have a bonding pad for connecting a bonding wire. Because of that is for the light spot of the transmitted light rays in the imaging not homogeneous irradiance given. Rather, the light spot of the transmitted light rays in the center a significantly reduced irradiance.

Diese Strahlcharakteristik erschwert in unerwünschter Weise eine möglichst vollständige Führung der Sendelichtstrahlen zum Empfänger.These Beam characteristics difficult as possible in an undesirable manner full guide the transmitted light rays to the receiver.

Ein typisches Beispiel hierfür sind als Reflexionslichtschranken ausgebildete optische Sensoren. Bei derartigen Reflexionslichtschranken ist am Rand des Überwachungsbereichs ein Reflektor angeordnet. Über diesen Reflektor werden bei freiem Überwachungsbereich vom Sender emittierte Sendelichtstrahlen als Empfangslichtstrahlen zum Empfänger zurückreflektiert. Je nach Applikation können die Größe des Reflektors und/oder dessen Abstand zum optischen Sensor so gewählt sein, dass die Sendelichtstrahlen bei freiem Strahlengang nicht vollständig auf den Reflektor treffen. In diesen Fällen führt das Minimum der Bestrahlungsstärke im Zentrum des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen aufgrund des Bondpads im Zentrum des als Sendediode ausgebildeten Senders zu einer signifikant reduzierten Lichtmenge am Empfänger und damit zu einer Beeinträchtigung der Nachweisempfindlichkeit des optischen Sensors.One typical example of this are designed as reflection light barriers optical sensors. In such reflection light barriers is at the edge of the surveillance area a reflector arranged. about this reflector will be in the free surveillance area of the transmitter emitted transmitted light rays reflected as received light rays back to the receiver. Depending on the application can the size of the reflector and / or its distance to the optical sensor be chosen so that the transmitted light rays at free beam path is not completely on hit the reflector. In these cases, the minimum of irradiance at the center of the Light spot of the transmitted light rays due to the bonding pad in the center of the transmitter diode designed as a significantly reduced Amount of light at the receiver and thus to an impairment the detection sensitivity of the optical sensor.

Um diesem Effekt zu kompensieren, kann der Sender außerhalb des Brennpunkts der dem Sender nachgeordneten Sendeoptik angeordnet werden. Durch eine derartige Defokussierung wird eine unschärfere Abbildung der Sendelichtstrahlen erhalten, was dazu führt, dass das Minimum der Bestrahlungsfläche des Lichtflecks weniger ausgeprägt ist, das heißt, es wird eine homogene Verteilung der Bestrahlungsfläche über den Querschnitt der Sendelichtstrahlen erhalten.Around To compensate for this effect, the transmitter may be outside the focal point of the transmit optical downstream of the transmitter are arranged. Such a defocusing becomes a blurred image of the transmitted light rays, resulting in that the minimum of the irradiation area of the Light spot is less pronounced, this means, it is a homogeneous distribution of the irradiation surface over the Cross section of transmitted light beams obtained.

Nachteilig bei einer derartigen Defokussierung ist jedoch, dass diese auch eine Aufweitung des Strahlkegels der Sendelichtstrahlen, das heißt eine Vergrößerung des Lichtflecks und eine Reduzierung der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks verursacht, was zu einer geringeren Nachweisempfindlichkeit des optischen Sensors führt.adversely with such a defocus, however, is that too an expansion of the beam cone of the transmitted light beams, that is an enlargement of the Light spots and a reduction in the irradiance of the Light spots caused, resulting in a lower detection sensitivity of the optical sensor leads.

Die DE 298 10 418 U1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einer diesem zugeordneten Sendeoptik sowie einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und einer diesem zugeordneten Empfangsoptik, wobei der Sender und der Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind, an dessen Frontseite wenigstens ein Austrittsfenster angebracht ist, durch welches die Sende- und Empfangslichtstrahlen geführt sind, und an dessen Außenseite ein Bedienelement zur Einstellung von Betriebsparametern vorgesehen ist.The DE 298 10 418 U1 relates to an optoelectronic device for detecting objects in a surveillance area with a transmitting light beam emitting transmitter and a transmitting optical system associated therewith and a receiving light beam receiving receiver and a receiving optical system associated therewith, the transmitter and the receiver are integrated in a common housing, at its front side at least one Exit window is attached, through which the transmitting and receiving light beams are guided, and on the outside of which an operating element for setting operating parameters is provided.

Die DE 297 24 497 U1 (D2) betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Überwachung eines Raumbereichs, insbesondere einen Reflexionslichttaster, mit einem Sender zum Aussenden eines Sendelichtstrahls entlang einer Sendeachse, mit einer Empfangsoptik und mit einem Empfangselement. Die Empfangsoptik weist zur Vergrößerung des Überwachungsbereichs eine Multifokuslinse mit mehreren Zonen unterschiedlicher Brennpunkte auf, wobei diejenige Zone, die für die Abbildung eines Überwachungs-Nahbereichs auf das Empfangselement wirksam ist, einen geringeren Abstand zu der Sendeachse aufweist als diejenige Zone, die für die Abbildung eines Überwachungs-Fernbereichs auf das Empfangselement wirksam ist, und wobei die Multifokuslinse asymmetrisch ist.The DE 297 24 497 U1 (D2) relates to an optoelectronic sensor for monitoring a spatial region, in particular a reflection light scanner, with a transmitter for emitting a transmitted light beam along a transmission axis, with a receiving optical system and with a receiving element. The receiving optical system has a multi-focal lens with multiple zones of different focal points to increase the surveillance area, wherein the zone which is effective for mapping a monitoring area close to the receiving element, has a smaller distance to the transmission axis than the zone which is used for imaging a Remote area is effective on the receiving element, and wherein the multifocal lens is asymmetrical.

In der DE 698 26 886 T2 ist eine optoelektronische Kamera beschrieben, welche eine Anordnung von lichtempfindlichen Elementen aufweist. Diesen sind Arrays von Linsen vorgeordnet.In the DE 698 26 886 T2 An optoelectronic camera is described which has an arrangement of photosensitive elements. These are preceded by arrays of lenses.

Die DE 26 04 926 A1 betrifft einen nach dem optoelektronischen Korrelationsprinzip arbeitenden Sensor. Dieser weist einen Foto-Empfänger-Raster auf, welchem ein perspektivisch ähnlicher optischer Raster aus Linsen vorgeordnet ist.The DE 26 04 926 A1 relates to a working according to the optoelectronic correlation principle Sensor. This has a photo-receiver grid, which is preceded by a perspective similar optical grid of lenses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass dessen Sendelichtstrahlen auch bei räumlich inhomogener Abstrahlcharakteristik des Senders einen Lichtfleck mit möglichst gleichförmiger und hoher Bestrahlungsstärke aufweisen.Of the Invention is based on the object, an optical sensor of the type mentioned above in such a way that its transmitted light beams even at spatial Inhomogener radiation characteristic of the transmitter a light spot with as possible more uniform and high irradiance exhibit.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to solution This object, the features of claim 1 are provided. advantageous embodiments and appropriate training The invention are described in the subclaims.

Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich und weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, eine dem Sender nachgeordnete Sendeoptik zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers auf. Mittels der Sendeoptik werden Inhomogenitäten der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen reduziert, indem die Sendeoptik in Form einer Linse ausgebildet ist, die an ihrer Lichteintrittsfläche oder Lichtaustrittsfläche eine Facettenstruktur bestehend aus von gegenüberliegenden Randsegmenten der Linse in Neigungswinkeln zum Zentrum der Linse zulaufenden Facetten aufweist.Of the according to the invention optical Sensor is used to detect objects in a surveillance area and has a transmitter emitting light emitting emitter, one of Transmitter downstream transmission optics for beam shaping of the transmitted light beams, a receiving light beam receiving receiver and an evaluation unit for generating an object detection signal in dependence the received signals at the output of the receiver. By means of the transmission optics become inhomogeneities the irradiance the light spot of the transmitted light beams reduced by the transmission optics in Form of a lens is formed at its light entrance surface or Light-emitting surface a facet structure consisting of opposite edge segments of the lens at angles of inclination to the center of the lens tapering facets having.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mit den Facettenstrukturen in der die Sendeoptik bildenden Linse gezielt eine Verschiebung der räumlichen Verteilung der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks bewirkt wird, ohne dass hierbei der Lichtfleck der Sendelichtstrahlen nennenswert aufgeweitet wird, was zu einer unerwünschten Reduzierung der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks führen würde. Mittels der Facettenstruktur können somit Inhomogenitäten der Bestrahlungsstärke im Lichtfleck der vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen systematisch reduziert werden, das heißt nach Durchgang der Sendelichtstrahlen durch die erfindungsgemäße Sendeoptik ist die Bestrahlungsstärke des Lichtflecks erheblich homogener, wodurch die Nachweisempfindlichkeit des optischen Sensors erhöht wird.Of the The basic idea of the invention is that with the facet structures in the lens forming the transmission optics targeted a shift the spatial Distribution of irradiance the light spot is effected without causing the light spot of the Transmission light rays is significantly widened, resulting in an undesirable Reduction of the irradiance lead the light spot would. By means of the facet structure can thus inhomogeneities the irradiance in the light spot of emitted by the transmitter transmitted light rays systematically be reduced, that is after passage of the transmitted light beams through the transmission optics according to the invention is the irradiance of the Light spots significantly more homogeneous, reducing the detection sensitivity of the optical sensor increases becomes.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Facettenstruktur der die Sendeoptik bildenden Linse so ausgebildet, dass mit dieser ein Minimum der Bestrahlungsstärke im Zentrum des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen, welches durch ein Bondpad auf der lichtemittierenden Fläche einer den Sender des optischen Sensors bildenden Sendediode bedingt ist, eliminiert wird.In a particularly advantageous embodiment of the invention the facet structure of the lens forming the transmitting optics is formed that with this a minimum of the irradiance in the center of the light spot of transmitted light rays transmitted through a bonding pad on the light emitting surface of a the transmitter of the optical sensor forming transmitter diode is conditional, is eliminated.

Die Facettenstruktur, die generell an der Lichteintrittsseite oder Lichtaustrittsseite der Linse angeordnet sein kann, weist hierzu im einfachsten Fall zwei eine keilförmige Anordnung bildende Facetten auf, wobei die Facetten von gegenüberliegenden Randsegmenten der Linse zum Zentrum der Linse aufeinander zu laufen. In Bezug auf eine Linse ohne diese Facettenstruktur wird für die Sendelichtstrahlen, die eine dieser Facetten durchsetzen, eine Verschiebung der Abbildung dieser Sendelichtstrahlen in eine durch die Neigung der Facette definierte Richtung erhalten. Dementsprechend wird für die Sendelichtstrahlen, die die zweite, in entgegengesetzter Richtung geneigte Facette durchsetzen, eine Verschiebung der Abbildung in die entgegengesetzte Richtung erhalten. Durch die Überlagerung der beiden verschobenen Abbildungen wird das durch das Bondpad im Zentrum verursachte Minimum der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks weitgehend eliminiert.The Facet structure, generally at the light entrance side or light exit side the lens can be arranged has this in the simplest case two a wedge-shaped Arrangement forming facets, wherein the facets of opposite edge segments the lens to the center of the lens converge. In relation on a lens without this facet structure is for the transmitted light beams, which enforce one of these facets, a shift of the figure this transmitted light rays into one by the inclination of the facet received defined direction. Accordingly, for the transmitted light beams, which enforce the second facet inclined in the opposite direction, a shift of the image in the opposite direction receive. By the overlay of the two displaced pictures, this is due to the bondpad in the Center caused minimum of the irradiance of the light spot largely eliminated.

Dieser Effekt kann vorteilhaft dadurch verstärkt werden, dass die Facettenstruktur anstelle zweier zueinander geneigter Facetten mehrere, vorzugsweise drehsymmetrisch an der Linse angeordnete geneigte Facetten aufweist, die zum Zentrum der Linse aufeinander zulaufen. Durch diese Facetten wird die Abbildung der Sendelichtstrahlen in mehreren, unterschiedlichen Richtungen verschoben, so dass die Überlagerung dieser Abbildungen zu einer sehr effizienten Eliminierung des Minimums der Bestrahlungsstärke im Zentrum des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen führt.This Effect can be advantageously enhanced by the fact that the facet structure instead of two mutually inclined facets several, preferably has inclined facets arranged rotationally symmetrically on the lens, which converge toward the center of the lens. Through these facets the image of the transmitted light rays in several, different Moved directions, so the overlay of these pictures to a very efficient elimination of the minimum of the irradiance in the center the light spot of the transmitted light rays leads.

Die Facetten zur Ausbildung der Facettenstruktur können generell konvexe oder konkave Anordnungen bilden. Dabei können die Oberflächen der Facetten ebene oder auch gekrümmte Flächen bilden. Die so ausgebildeten Facettenstrukturen können für Linsen unterschiedlicher Ausprägung verwendet werden.The Facets for the formation of the facet structure can be generally convex or form concave arrangements. The surfaces of the facets can be level or curved surfaces form. The facet structures formed in this way can be used for lenses different expression be used.

Die erfindungsgemäße Sendeoptik kann in optischen Sensoren unterschiedlicher Art, insbesondere in Lichttastern, Lichtschranken, Reflexionslichtschranken und Distanzsensoren eingesetzt werden.The inventive transmission optics can be used in optical sensors of different types, in particular in Light sensors, light barriers, reflection light barriers and distance sensors be used.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. It demonstrate:

1: Schematische Darstellung eines als Reflexionslichtschranke ausgebildeten optischen Sensors. 1 : Schematic representation of an optical sensor designed as a reflection light barrier.

2: Sender in Form einer Sendediode für den optischen Sensor gemäß 1. 2 : Transmitter in the form of a transmitting diode for the optical sensor according to 1 ,

3: Erstes Ausführungsbeispiel einer Sendeoptik mit prismatischer Struktur für den optischen Sensor gemäß 1

a) Querschnitt durch die Sendeoptik
b) Draufsicht auf die Lichteintrittsfläche der Sendeoptik.

3 : First exemplary embodiment of a transmission optics with prismatic structure for the optical sensor according to FIG 1

a) Cross section through the transmission optics
b) top view of the light entry surface of the transmission optics.

4: Abbildung der vom Sender gemäß 2 emittierten Sendelichtstrahlen

a) bei Durchgang durch eine Sendeoptik ohne Facettenstruktur
b) bei Durchgang durch die Facetten der Facettenstruktur der Sendeoptik gemäß 3 (Einzeldarstellungen)
c) bei Durchgang durch die Facettenstruktur der Sendeoptik gemäß 3 (Gesamtdarstellung).

4 : Illustration of the transmitter according to 2 emitted transmitted light rays

a) when passing through a transmission optics without facet structure
b) in passing through the facets of the facet structure of the transmission optics according to 3 (Individual treatments)
c) when passing through the facet structure of the transmission optics according to 3 (Overall view).

5: Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sendeoptik für den optischen Sensor gemäß 1. 5 : Cross section through a second exemplary embodiment of a transmission optical system for the optical sensor according to FIG 1 ,

6: Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sendeoptik für den optischen Sensor gemäß 1. 6 : Cross section through a third exemplary embodiment of a transmission optical system for the optical sensor according to FIG 1 ,

7: Viertes Ausführungsbeispiel einer Sendeoptik für den optischen Sensor gemäß 1

a) Draufsicht auf die Lichteintrittsfläche (x-y Ebene)
b) Schnittdarstellung (x-z-Ebene)
c) Schnittdarstellung (y-z-Ebene).

7 4 shows a fourth embodiment of a transmission optics for the optical sensor according to FIG 1

a) top view of the light entry surface (xy plane)
b) sectional view (xz-plane)
c) sectional view (yz plane).

1 zeigt schematisch einen optischen Sensor 1 zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Der optische Sensor 1 ist im vorliegenden Fall als Reflexionslichtschranke ausgebildet. Der optische Sensor 1 ist in einem Gehäuse 2 integriert und weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 sowie einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sender 4 und der Empfänger 6 sind an eine gemeinsame Auswerteeinheit 7 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 7, die von einem Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist, dient einerseits zur Ansteuerung des Senders 4. Weiterhin dient die Auswerteeinheit 7 zur Auswertung der Empfangssignale des Empfängers 6, der im vorliegenden Fall von einer Photodiode gebildet ist. 1 schematically shows an optical sensor 1 to capture objects in a surveillance area. The optical sensor 1 is formed in the present case as a reflection light barrier. The optical sensor 1 is in a housing 2 integrated and has a transmitted light beams 3 emissive transmitter 4 and a receiving light beams 5 receiving recipient 6 on. The transmitter 4 and the receiver 6 are to a common evaluation unit 7 connected. The evaluation unit 7 , which is formed by a microprocessor or the like, serves on the one hand to control the transmitter 4 , Furthermore, the evaluation unit is used 7 for evaluating the received signals of the receiver 6 , which is formed in the present case of a photodiode.

Dem Sender 4 ist zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 eine Sendeoptik 8 nachgeordnet. Dem Empfänger 6 ist eine Empfangsoptik 9 vorgeordnet. Mittels dieser erfolgt eine Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 5 auf den Empfänger 6. In der dem Überwachungsbereich zugewandten Frontseite des Gehäuses 2 befindet sich ein Austrittsfenster 10, durch welches die Sendelichtstrahlen 3 in den Überwachungsbereich geführt sind. Bei freiem Überwachungsbereich treffen die Sendelichtstrahlen 3 auf einen den Überwachungsbereich begrenzenden Reflektor 11 und werden von dort als Empfangslichtstrahlen 5 zum Empfänger 6 zurückreflektiert. Bei einem Objekteingriff im Überwachungsbereich werden die Sendelichtstrahlen 3 am Objekt reflektiert und zurück zum Empfänger 6 geführt, das heißt, die Sendelichtstrahlen 3 werden nicht mehr über den Reflektor 11 geführt. Die durch den Objekteingriff bedingte Änderung der Empfangssignale wird in der Auswerteeinheit 7 zur Generierung einer Objektmeldung ausgewertet. Im vorliegenden Fall wird in der Auswerteeinheit 7 ein binäres Objektfeststellungssignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht.The transmitter 4 is for beam shaping of the transmitted light beams 3 a transmission optics 8th downstream. The receiver 6 is a receiving optics 9 upstream. By means of this there is a focusing of the received light beams 5 on the receiver 6 , In the monitoring area facing the front of the housing 2 there is an exit window 10 through which the transmitted light rays 3 are led into the surveillance area. With free monitoring range, the transmitted light rays hit 3 on a reflector limiting the monitoring area 11 and from there as receiving beams 5 to the recipient 6 reflected back. An object intervention in the surveillance area becomes the transmitted light beams 3 reflected on the object and back to the receiver 6 guided, that is, the transmitted light beams 3 will not be over the reflector anymore 11 guided. The conditional by the object intervention change of the received signals is in the evaluation 7 evaluated to generate an object message. In the present case, the evaluation unit 7 generates a binary object detection signal whose switching states indicate whether an object is in the surveillance area or not.

2 zeigt eine detailliertere Darstellung des Senders 4 für den optischen Sensor 1 gemäß 1. Der Sender 4 ist als Sendediode ausgebildet, die im Wesentlichen aus einem Chip besteht, dessen Frontseite eine lichtemittierende Fläche 4a bildet. Zur elektrischen Kontaktierung der Sendediode befindet sich im Zentrum ein Bondpad 4b zum Anschluss eines Bonddrahts 12. Durch die Anbringung des Bondpads 4b auf dem Chip ist die lichtemittierende Fläche 4a im Zentrum ausgespart. Dementsprechend emittiert die Sendediode nur in dem an das Bondpad 4b anschließenden Bereich der lichtemittierenden Fläche 4a Sendelichtstrahlen 3. 2 shows a more detailed representation of the transmitter 4 for the optical sensor 1 according to 1 , The transmitter 4 is formed as a transmitting diode, which consists essentially of a chip, the front side of a light-emitting surface 4a forms. For electrical contacting of the transmitter diode is located in the center of a bond pad 4b for connecting a bonding wire 12 , By attaching the bondpad 4b on the chip is the light-emitting surface 4a left out in the center. Accordingly, the transmitting diode emits only in the bonding pad 4b subsequent area of the light-emitting surface 4a Transmitted light beams 3 ,

Zur Kompensation der durch das Bondpad 4b bedingten inhomogenen Nahfeld des Senders 4 weist der optische Sensor 1 gemäß 1 eine Sendeoptik 8 in Form einer Linse mit prismatischer Struktur auf.To compensate for the bondpad 4b conditional inhomogeneous near field of the transmitter 4 points the optical sensor 1 according to 1 a transmission optics 8th in the form of a lens with a prismatic structure.

Ein Beispiel für eine derartige Sendeoptik 8 ist in den 2a, b dargestellt. 2a zeigt eine Schnittdarstellung der Sendeoptik 8 in der x-z-Ebene, wobei die Sendelichtstrahlen 3 des Senders 4 in z-Richtung verlaufen. 2b zeigt die in der x-y-Ebene liegende Lichteintrittsfläche. Die Sendeoptik 8 gemäß den 2a, b ist von einer Plankonvexlinse gebildet, wobei in deren ursprünglich in einer Ebene verlaufende Lichteintrittsfläche die Facettenstruktur einge arbeitet ist. Die Lichtaustrittsfläche ist von einer konvexen Fläche gebildet, die bezüglich ihrer Symmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist.An example of such a transmission optics 8th is in the 2a , b shown. 2a shows a sectional view of the transmitting optics 8th in the xz plane, the transmitted light rays 3 the transmitter 4 in the z-direction. 2 B shows the light entry surface lying in the xy plane. The transmission optics 8th according to the 2a , b is formed by a plano-convex lens, wherein in their originally in a plane extending light entrance surface, the facet structure is working. The light exit surface is formed by a convex surface which is rotationally symmetrical with respect to its axis of symmetry.

Die Facettenstruktur ist von zwei Facetten 8a, b gebildet, deren Grenzflächen sich zur Lichteintrittsfläche ergänzen. Die Facetten 8a, b verlaufen von gegenüberliegenden Rändern der Sendeoptik 8 auf eine durch das Zentrum der Sendeoptik 8 verlaufende Kante 8c zu. Die Facetten 8a, b sind spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelebene der Sendeoptik 8 ausgebildet und bilden eine konkave Struktur. Die identisch ausgebildeten Facetten 8a, b weisen jeweils in einer Ebene verlaufende Grenzflächen auf.The facet structure is of two facets 8a , B, whose interfaces are complementary to the light entry surface. The facets 8a , b run from opposite edges of the transmitting optics 8th on one through the center of the transmitting optics 8th running edge 8c to. The facets 8a , b are mirror-symmetrical to a mirror plane of the transmission optics 8th formed and form a concave structure. The identically designed facets 8a , b each have in a plane extending interfaces.

4a zeigt den Verlauf der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen 3 in x-Richtung, wenn bei dem optischen Sensor 1 gemäß 1 anstelle der Sendeoptik 8 gemäß 3 eine plankonvexe Linse eingesetzt wird. Da die Sendediode gemäß 2 im Zentrum ihrer lichtemittierenden Fläche das Bondpad 4b aufweist, so dass dort keine Sendelichtstrahlen 3 abgestrahlt werden, weist der Lichtfleck der Sendelichtstrahlen 3 am Abbildungsort auch nach Durchgang durch die plankonvexe Linse eine Abdunklung auf. Dies ist in 4a in Form des räumlichen Verlaufs der Bestrahlungsstärke des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen 3 nach Durchgang durch die Plankonvexlinse dargestellt. Entsprechend der Größe des Bondpads 4b auf der Sendediode weist die Verteilung gemäß 4a im Zentrum des Lichtflecks ein ausgeprägtes Minimum auf. 4a shows the course of the irradiance of the light spot of the transmitted light beams 3 in the x-direction when in the optical sensor 1 according to 1 instead of the transmission optics 8th according to 3 a plano-convex lens is used. Since the Sen according to 2 in the center of its light-emitting surface the bondpad 4b has, so that there is no transmitted light rays 3 are radiated, the light spot of the transmitted light rays 3 at the place of imaging even after passing through the plano-convex lens darkening on. This is in 4a in the form of the spatial variation of the irradiance of the light spot of the transmitted light beams 3 after passing through the plano-convex lens. According to the size of the bondpad 4b on the transmitter diode has the distribution according to 4a in the center of the light spot a pronounced minimum.

4b zeigt die Abbildungen des Lichtflecks der Sendelichtstrahlen 3 des optischen Sensors 1 nach Durchgang durch die Sendeoptik 8 gemäß 2. Dabei sind die Abbildungen des Lichtflecks, die bei Durchgang der Sendelichtstrahlen 3 durch die erste und zweite Facette 8a, b der Facettenstruktur erhalten werden, in 4b separat dargestellt. Entsprechend den gegenläufigen Neigungen der Facetten 8a, b werden die Abbildungen der Lichtflecke bei Durchgang durch diese Facetten 8a, b gegenüber der Abbildung gemäß 4a in entgegengesetzter Richtung verschoben. 4b shows the pictures of the light spot of the transmitted light rays 3 of the optical sensor 1 after passing through the transmission optics 8th according to 2 , Here are the images of the light spot, the passage of the transmitted light beams 3 through the first and second facets 8a , b of the facet structure are obtained in 4b shown separately. According to the opposing inclinations of the facets 8a , b become the images of the light spots as they pass through these facets 8a , b opposite to the picture according to 4a shifted in the opposite direction.

Bei Durchgang der Sendelichtstrahlen 3 durch die Sendeoptik 8 gemäß 2 überlagern sich die Einzelabbildungen gemäß 4b zu der resultierenden Verteilung der Bestrahlungsstärke gemäß 4c. Wie aus dieser Figur ersichtlich, wird durch die Überlagerung der über die unterschiedlich geneigten Facetten 8a, b geführten Sendelichtstrahlen 3 eine resultierende Verteilung der Bestrahlungsstärke erhalten, die im Vergleich zu der Verteilung gemäß 4a erheblich homogener ist und insbesondere in ihrem Zentrum kein Minimum aufweist. Dies bedeutet, dass mit der Sendeoptik 8 gemäß 2 der Abdunklungseffekt durch das Bondpad beider Sendedioden gemäß 2 nahezu vollständig eliminiert wurde. Wesentlich bei der Abbildung der Sendelichtstrahlen 3 durch die Sendeoptik 8 gemäß 2 ist weiterhin, dass durch die Facettenstruktur nur eine äußerst geringe Vergrößerung des Lichtflecks erhalten wird, wie der Vergleich der Breiten der Verteilungen in den 4a, c zeigt.When passing the transmitted light rays 3 through the transmission optics 8th according to 2 overlay the individual pictures according to 4b to the resulting distribution of irradiance according to 4c , As can be seen from this figure, the superposition of the over the differently inclined facets 8a , b led transmission beams 3 obtained a resulting distribution of the irradiance, compared to the distribution according to 4a is significantly more homogeneous and has no minimum, especially at its center. This means that with the transmitting optics 8th according to 2 the darkening effect by the bonding pad of both transmitting diodes according to 2 was almost completely eliminated. Essential when imaging the transmitted light rays 3 through the transmission optics 8th according to 2 is further that is obtained by the facet structure only an extremely small increase in the light spot, as the comparison of the widths of the distributions in the 4a , c shows.

Das Maß der Verschiebung der Abbildungen gemäß 4b kann durch die Ausbildung der Facetten 8a, b, insbesondere durch deren Neigungen, vorgegeben werden. Vorzugsweise sind die Neigungen an die Dimension des Bondpads angepasst, um dessen Einfluss auf die Strahlcharakteristik möglichst vollständig zu eliminieren.The degree of displacement of the pictures according to 4b can through the formation of facets 8a , b, in particular by their inclinations, are given. Preferably, the inclinations are adapted to the dimension of the bonding pad in order to eliminate as completely as possible its influence on the beam characteristic.

Für den Fall, dass die Sendediode gemäß 2 im Brennpunkt der Sendeoptik gemäß 3 liegt, ergibt sich als optimaler Wert für die Flächensteigung s einer Facette 8a, b s = d·n/(2f),wobei d der Durchmesser des Bondpads, n der Brechungsindex der Sendeoptik 8 und f die Brennwerte der Sendeoptik 8 ist.In the event that the transmitting diode according to 2 in the focal point of the transmission optics according to 3 is the optimum value for the surface slope s of a facet 8a , b s = dn / (2f), where d is the diameter of the bond pad, n is the refractive index of the transmitting optics 8th and f the calorific values of the transmission optics 8th is.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sendeoptik 8 mit einer Facettenstruktur. Analog zur Ausführungsform gemäß den 3a, b weist die die Sendeoptik 8 bildende Linse an ihrer Lichteintrittsseite als Facettenstruktur zwei auf eine Kante 8c verlaufende Facetten 8a, b auf. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß den 3a, b bilden die Facetten 8a, b der Linse gemäß 5 eine konvexe Struktur. 5 shows a further embodiment of a transmission optical system 8th with a faceted structure. Analogous to the embodiment according to the 3a , b has the the transmitting optics 8th forming lens at its light entrance side as a facet structure two on one edge 8c running facets 8a , b on. In contrast to the embodiment according to the 3a , b form the facets 8a , b of the lens according to 5 a convex structure.

6 zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß 5. Auch in diesem Fall sind zur Ausbildung der Facettenstruktur zwei Facetten 8a, b vorgesehen, die in unterschiedlichen Neigungswinkeln in gegenüberliegenden Randsegmenten der die Sendeoptik 8 bildenden Linse auf deren Zentrum zulaufen. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 5 laufen die Facetten 8a, b nicht auf eine gemeinsame Kante 8c, sondern auf einen in der x-y-Ebene zentralen Steg 8d zu. 6 shows a variant of the embodiment according to 5 , Also in this case, two facets are used to form the facet structure 8a , b provided at different angles of inclination in opposite edge segments of the transmitting optics 8th forming lens run on the center. In contrast to the embodiment according to 5 the facets run 8a , b not on a common edge 8c but on a in the xy-level central jetty 8d to.

Mit den Linsen gemäß den 5, 6 wird entsprechend zur Sendeoptik 8 eine Korrektur der Bestrahlungsfläche des Lichtflecks in einer Raumrichtung, wie in 4 dargestellt, erhalten.With the lenses according to the 5 . 6 becomes corresponding to the transmission optics 8th a correction of the irradiation area of the light spot in a spatial direction, as in FIG 4 shown, received.

Die 7a–c zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Sendeoptik 8, mittels derer eine Lichtfleckkorrektur in zwei Raumrichtungen erhalten wird.The 7a C show an embodiment of a transmission optical system 8th , by means of which a light spot correction is obtained in two spatial directions.

Analog zur Ausführungsform gemäß 5 ist die Sendeoptik 8 auch in diesem Fall von einer Linse gebildet, deren Form im Wesentlichen einer Plankonvexlinse entspricht. Die in 7a in einer Draufsicht dargestellte, in der x-y-Ebene liegende Lichteintrittsfläche ist wiederum aus einer Facettenstruktur anstelle einer ebenen Fläche einer Plankonvexlinse gebildet.Analogous to the embodiment according to FIG 5 is the transmission optics 8th also formed in this case by a lens whose shape substantially corresponds to a plano-convex lens. In the 7a shown in a plan view, lying in the xy plane light entrance surface is in turn formed of a facet structure instead of a flat surface of a plano-convex lens.

In Erweiterung der Ausführungsform gemäß 5 weist die Facettenstruktur zwei Paare von Facetten 8a, b, 8e, f auf. Die Facetten 8a, b des ersten Paares laufen von gegenüberliegenden Rändern der Linse in x-Richtung zum Zentrum der Sendeoptik 8 aufeinander zu. Die Facetten 8e, f des zweiten Paares laufen von gegenüberliegenden Rändern der Linse in y-Richtung zum Zentrum der Sendeoptik 8 aufeinander zu. Die Facetten 8a, b, 8e, f laufen auf ein in der x-y- Ebene liegendes ebenes Plateau 8g zu, welches das Zentrum der Facettenstruktur bildet. Die Facetten 8a, b, 8e, f sind identisch ausgebildet und bilden eine drehsymmetrische konvexe Struktur. Mit der so ausgebildeten Facettenstruktur wird eine zweidimensionale Lichtfleckkorrektur erhalten. Dies bedeutet, dass mit der Sendeoptik 8 gemäß 7 neben der in 4 dargestellten Lichtfleckkorrektur in x-Richtung dieselbe Korrektur auch in y-Richtung erhalten wird.In extension of the embodiment according to 5 The facet structure has two pairs of facets 8a , b, 8e , f on. The facets 8a , b of the first pair run from opposite edges of the lens in the x direction to the center of the transmitting optics 8th towards each other. The facets 8e , f of the second pair pass from opposite edges of the lens in y-direction to the center of the transmitting optics 8th towards each other. The facets 8a , b, 8e , f run onto a flat plateau lying in the xy plane 8g to which forms the center of the facet structure. The facets 8a , b, 8e , f are identical and form a rotationally symmetric convex structure. With the thus-formed facet structure, a two-dimensional light spot correction is obtained. This means that with the transmitting optics 8th according to 7 next to the in 4 shown spot correction in the x direction is the same correction in the y direction.

Generell kann die Ausführungsform gemäß 7 durch Variation der Anzahl und Form der Facetten 8a, b, 8e, f modifiziert werden. Insbesondere können die Facetten 8a, b, 8e, f je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgebildet und auch asymmetrisch in der Sendeoptik 8 angeordnet sein. Weiterhin können generell die Facetten 8a, b, 8e, f anstelle ebener Grenzflächen auch gekrümmte Grenzflächen aufweisen.In general, the embodiment according to 7 by varying the number and shape of the facets 8a , b, 8e , f be modified. In particular, the facets can 8a , b, 8e , f different depending on the application and also asymmetric in the transmission optics 8th be arranged. Furthermore, in general, the facets 8a , b, 8e , f also have curved interfaces instead of flat boundary surfaces.

11: Optischer Sensoroptical sensor
22: Gehäusecasing
33: SendelichtstrahlenTransmitted light beams
44: Sendertransmitter
4a4a: lichtemittierende Flächelight area
4b4b: Bondpadbonding pad
55: EmpfangslichtstrahlenReceiving light rays
66: Empfängerreceiver
77: Auswerteeinheitevaluation
88th: Sendeoptiktransmission optics
8a8a: Facettefacet
8b8b: Facettefacet
8c8c: Kanteedge
8d8d: Stegweb
8e8e: Facettefacet
8f8f: Facettefacet
8g8g: Plateauplateau
99: Empfangsoptikreceiving optics
1010: Austrittsfensterexit window
1111: Reflektorreflector
1212: Bonddrahtbonding wire

Claims

An optical sensor for detecting objects in a surveillance area, comprising a transmitting light beam emitting transmitter, the transmitter downstream transmission optics for beam shaping of the transmitted light beams, a receiving light beam receiving receiver and an evaluation unit for generating an object detection signal in response to the received signals at the output of the receiver, wherein by means of the transmitting optics ( 8th ) Inhomogeneities of the irradiance of the light spot of the transmitted light beams ( 3 ) are reduced by the transmission optics ( 8th ) is formed in the form of a lens which, at its light entry surface or light exit surface, has a facet structure consisting of facets tapering from opposite edge segments of the lens at angles of inclination to the center of the lens (US Pat. 8a . 8b . 8c . 8d ) having.

Optical sensor according to claim 1, characterized in that the lens is designed as a plano-convex lens, the facet structure in the plane light entrance surface the lens is incorporated.

Optical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the facets ( 8a , b) form a mirror-symmetrical arrangement with respect to a mirror plane of the lens.

Optical sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the facets ( 8a , b) form a convex or concave structure.

Optical sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the facets ( 8a , b) are formed by flat surface segments of the lens.

Optical sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the facet structure comprises a plurality of facets (each forming a wedge-shaped arrangement). 8a , b, 8e , f).

Optical sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the transmitter ( 4 ) is formed by a transmitting diode which has a light-emitting surface ( 4a ), in the center of which a bond pad ( 4b ) for connecting a bonding wire ( 12 ) is arranged.

Optical sensor according to claim 7, characterized in that the inclinations of the facets ( 8a , b) the facet structure are adapted to the surface of the bond pad of the transmitting diode.