(57)【要約】  本発明による光学センサー（１）は、送信される光ビーム（２１）の製造のための少なくとも１つの光学的送信ユニット（１１）、そこを通じて送信された光ビームが通過し且つ、特に対象物（８２）からの反射光ビーム（２３）を再び受信する半透明特性を備えた感光性平坦検出器（１２）、及び少なくとも対象物（８２）の検出のための感光性平坦検出器（１２）の光電子電流（１２ｂ）のための評価ユニット（１３）を有する。感光性平坦検出器（１２）は有利に、感光性基板として、有機ポリマー層を有する。「有機感光性ダイオード」（ＯＰＤ）は、特に、半透明特性を備えた感光性平坦検出器（１２）として有利に使用される。
2013505657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学センサー（１）、特に近接スイッチ、であって、少なくとも、
ａ）送信光ビーム（２１）を生成するための光学的送信ユニット（１１）、
ｂ）半透明特性を有し、前記送信光ビーム（２１）により放射され、及び反射光ビーム（２３）を再び、特に対象物（８２）から、受信する、感光性領域検出器（１２）、及び
ｃ）少なくとも対象物（８２）を検出するための感光性領域検出器（１２）の光電子電流（１２ｂ）のための評価ユニット（１３）
を有する光学センサー（１）。
【請求項２】
前記感光性領域検出器（１２）及び送信ユニット（１１）が、反射ビーム（２３）が前記送信光ビーム（２１）に関してできるだけ軸的に領域検出器（１２）に当たるように、方向づけられていることを特徴とする請求項１に記載の光学センサー（１）。
【請求項３】
前記感光性領域検出器（１２）が前記送信光ビーム（２１）のための通路領域（２２）に非感光性不活性領域（１２ａ）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学センサー（１）。
【請求項４】
前記感光性領域検出器（１２）が感光性基板として有機ポリマー層を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学センサー（１）。
【請求項５】
半透明特性を備えた感光性検出器（１２）として「有機感光性ダイオード」（ＯＰＤ）を有することを特徴とする請求項４に記載の光学センサー（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような光学センサーが、近接スイッチ、光バリアとして又は光グリッド、光カーテン、レーザスキャナ中で等、使用されることができる。
【０００３】
正確性に関して高い要求がそのようなセンサーには課せられている。このような要求に見合うために、光学センサー内部の送信光は、測定光ビームと参照光ビームとに光学素子を使用して、すなわちプリズム又は半透明ミラーを使用して分割するのが通常の実施である。測定光ビームは、検出領域に放出されており、そして、もし測定対象物があれば、測定対象物で反射光ビームの形態で反射される一方、例えば同期及び較正の目的で、参照光ビームはセンサーの内部で評価される。この目的のため、参照光ビームは、さらなる光学エレメント、例えば、偏向ミラー及び光学導波管の助けで検出器に供給され、そして下流コンポーネントを使用してそれに応じて評価される。加えて、通常の光学センサーは、大抵、互いに分離した、送信及び受信光学素子を有している。
【０００４】
これは、測定を同期させることを可能にする。なぜなら、例えば、参照光ビームが評価された後、送信光ビームの放射の始まり及び終わりと、したがってまた反射光ビームの受信が予想されることができる時間が修正されるからである。もし反射光放射が、これらの時間の外側で受信されたなら、これは、望まない外部からの光放射のみであるかもしれない。これは、また、外部からの光への無感度に関してセンサーを較正することをも可能にする。さらに、これは、光学センサーからの送信光ビームが、近接するセンサーからのクロストークを避けるためパルスされ又はコード化される場合に、特に重要である。別の実施形態において、測定対象物への距離は、参照光ビームと到着する参照光ビームとを比較することにより、例えば干渉測定方法を使用して、測定されることもできる。
【０００５】
安全工学において使用される光学センサーの場合には、送信光ビームから分かれた参照光ビームは、センサーの機能をモニターするのに使用されることもできる。この場合、送信光ビームを生成するための装置、例えば、ＬＥＤ又はレーザー送信ユニットの機能、しかも検出器及び下流の電子機器の機能も、チェックされることができる。さらに、産業環境で使用さる光学センサーの光学素子の汚染が、特に、内部参照光ビームの助けで、モニターされることができる。
【０００６】
これらの既知の実施形態は、大量の不利な点を有する。送信光ビームを測定光ビーム及び参照光ビームに再分割するのに必要な光学素子、並びに、参照光ビームを評価するのに必要な電気的素子は、特別な出費を生じさせる。さらに、送信光ビームは、ビームの再分割により、減衰され、送信光ビームを生成することを意図した装置は、十分に強い測定光ビームを放出するためにおそらく大きな寸法を有しなければならないという結果になる。
【０００７】
別の不利な点は、互いに分離した送信及び受信光学素子を含む、送信光ビームを生成するための素子並びに参照及び反射光放射を評価するための素子のための分離した駆動手段に見られる。十分な程度の測定精度を達成するためには、個々の光信号を較正するため及び信号伝播時間を同期させるための多量の測定がそのような場合には提供されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光学センサーが決して上述した不利な点を有さないような方法で、光学センサーを開発することの目的を基礎とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１に記載された光学センサーにより達成される。本発明の有利な実施形態は、下位請求項で特定されている。
【００１０】
本発明の特有の利益は、半透明特性を有し、光学的送信ユニットから送信光ビームにより両方照射され、対象により反射される反射光放射のための受信機として使用される感光性領域検出器の使用がなされることである。したがって、実質的には１つのビームのコースのみがあり、その光の強度は、両方、送信光ビームの形態の放出として、そして反射光放射の形態で反射として、単一の感光性領域検出器により、検出され、下流の電子装置に評価される。
【００１１】
この実施形態は、多くの利点を提供する。適切な方法で分配される光学素子を使用する本発明による光学センサーにおいては、ビームの再分割が実行されないので、送信光ビームは、顕著に高い送信出力を有し、ビームを生成するための光学的送信ユニットは小さな寸法を有することができるという結果となる。感光性領域検出器は、センサーからの光放射のため及びセンサー中の光入射のための両方の、共通の検出領域を提供するので、共通の光学は十分である。
【００１２】
この配列の特有の利点は、同じ感光性領域検出器を使用して、両方の光レベルが測定されるという事実のため、これらの光レベルは、評価操作の前の補正率なしに互いに直接的に相互関連されることができることである。さらに、送信ユニット及びその領域検出器の出力の評価ユニットのための駆動手段の間で同期をとる必要がない。なぜなら時間的送信情報が前後に進む単一の送信及び反射光ビーム中に含まれているからである。したがって、単一の評価ユニットのみが、感光性領域検出器からのアナログ測定信号のために必要とされている。最終的に、ビームを生成するため光学的送信ユニットのために別のモニターユニットの必要もない。というよりも、送信ユニットの機能は、同様に、感光性領域検出器及び下流の評価ユニット経由でモニターされることができる
【００１３】
本発明の有利な実施形態によれば、感光性領域検出器は、感光性基板として有機ポリマー層を有している。この場合、感光性領域検出器は、「有機感光性ダイオード」（ＯＰＤ）の形態で、特に有利であることができる。そのような素子は、光学的偏向ユニットなしに、送信信号及び受信信号を、同時に検出する利点を提供する。これは、透明有機感光性検出器は、入射送信信号ビームの一部のみを電気的信号に変える一方、光放射の大部分は、測定光ビームの方法で検出器を貫通するからである。それぞれの場合の検出器の所望の透明性は、サブマイクロメータの範囲で、すなわち数１００ｎｍで、アノード、カソード、ポリマー等の層厚みを備えた、有機感光性検出器のための製造方法において設定されることができる。
【００１４】
本発明及び本発明の特に有利な実施形態は、図１から４を使用してさらに詳細に以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による光学センサーの例示的な、概略的な構造のブロックダイアグラムを示す図である。
【図２】送信光ビームのための通路領域中の非感光性不活性領域を有する感光性検出器の特に有利な実施形態の詳細な抜粋を示す図である。
【図３】送信ユニットのパルス状の送信光ビームを生成するための３つの例示的な駆動パルスを示す図である。
【図４】図３からの駆動パルスに属し、そして３つの例示的な異なる応用中の領域検出器の測定信号ライン中で引き起こされる、アナログ測定信号電流の信号レベルを示す図である。
【図５】光学カーテンの形態の本発明による光学センサーの平行な配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明による例示的な光学センサー１の概略的な構造のブロックダイアグラムを示す。センサーは、おおよそ点状のモニター領域を備えた個々のセンサー１の形態である。この場合、センサー１は、感光性領域検出器１２を含み、その感光性領域検出器１２は、半透明特性を有し、実質的には後ろから、光学的送信ユニット１１により送信光ビーム２１で照射される。
【００１７】
この送信光ビーム２１は、図１中の実施例の箱２の、測定光ビームの方式で、検出されるべき対象物に、向けられて、感光性領域検出器１２の表面上に送信光スポット２２を生じさせる。この光スポットは、領域検出器１２により検出されて、領域検出器１２の光電子電流の実際の値として、アナログ測定された値出力１２ｂを経由してさらに処理するためのコントローラ１３に渡される。コントローラは、この測定された値を使用して、例えば、送信光ビームの存在及びその強度を検出し、例えば、この方法で、機能モニターを実行することができる。
【００１８】
もし光学的送信ユニット１１により放射される送信光ビーム２１が対象物２に衝突したとき、前記光ビームは対象物で反射され、光学センサー１７に反射光放射２３の形態で反射されて、反射光スポット２４の形態で感光性領域検出器１２の表面に再び衝突する。この反射光スポットは、また、領域検出器１２によって検出され、それにより領域検出器１２で引き起こされた光電子電流の実際の値として、アナログ測定された値出力１２ｂを経由してさらなる処理をするためのコントローラ１３に渡される。コントローラは、この測定された値を使用することができ、例えば、対象物の存在又はその強度を検出し、例えば、このように近接スイッチの方法で、対象物検出及び距離の決定を実行することができる。これは、以下の図面中の実施例を使用して、さらにより詳細に説明される。
【００１９】
図１は、また、例として、例示的なコントローラ１３の基礎要素を図示する。この場合において、感光性領域検出器１２は、アナログ測定された値出力１２ｂを経由して、評価ユニット１３ａに接続される。評価ユニットは、領域検出器１２の光電子電流の実際の値を評価し、その実際の値は、送信光ビームによるか、又は送信光ビーム及び反射放射の組み合わせによるか、又は散乱環境空電光のみにより引き起こされる。そのような評価の例示的な種類が、図３及び４を使用して以下にさらにより詳細に説明される。評価ユニット１３ａは、これらの測定された値、及びおそらくは追加の評価結果を、好ましくは、デジタルデータインターフェース１２ｃを経由して、例えば、データバスに接続するためのコミュニケーションインターフェース１３ｄを有するコントロールユニット１３ｃに供給する。
【００２０】
コントロールユニット１３ｃは、センサー１及び環境の間の相互作用、送信ユニット１１と検出器１２の間の相互作用、並びに、入力と出力１２ｃ、１１ｃ及び１３ｄ、すなわち好ましくはデジタルデータインターフェースを経由したセンサー１の内部モニター機能を通常連携させる。コントロールユニット１３ｃは、このように、例えば、送信ユニット１１のための駆動手段１３ｂをパラメーター化することで、送信ユニットは駆動ライン１１ａを経由してビーム生成のクロックされたスイッチオン及びスイッチオフのパルスパターンを放出するようにする。送信光ビーム２１のパルス化は、例えば、センサー１と対象２の間の距離を決定する目的のため伝播時間を測定することを可能にする。さらに、それは、このように、光学センサー１の外部の光感度を減少させ、そして、例えば、送信ユニット１１として、ＬＥＤ、レーザーダイオード又はＯＬＥＤの場合には、規定の放出クラスを遵守させることを可能にする。センサー１の光学的インターフェースで、確実なビーム生成のため、光学素子が、送信及び反射光放射２１、２３の結合されたビーム経路の前に配置されることができる。そのような光学素子は、よりよい概観の理由のため、図面には例示されない。
【００２１】
感光領域検出器１２に関して送信ユニット１１を好ましい向きにすると、送信光ビーム２１は、およそ直交する方法で感光領域検出器１２の表面に衝突する。もし、センサー１がこの場合に対象物２に関して真っ直ぐな線に向いていたら、反射光放射２１は、感光領域検出器１２の表面上に、反射光スポット２４を形成して衝突し、反射光放射２１は、およそ同心的方法で中心の送信光スポット２２を囲む。感光領域検出器１２及び送信ユニット１１は、反射光ビーム２３が領域検出器１２に送信光ビーム２１に関してできるだけ軸方向に領域検出器にぶつかるような方法で、向けられるのが特に有利である。
【００２２】
図２は、感光領域検出器１２の斜視側面図の例を使用してそのような配置を示す。本発明の有利なさらなる実施形態によれば、領域検出器１２は、その場所で、不活性領域１２ａを有し、そこで送信ビーム２１が外側に通過する。この領域１２ａは、送信光スポット２２により覆われる領域よりも小さいので、送信ビーム２１の一部のみがセンサー１により検出される一方、殆どが検出されずに特に、減衰がなく外側に通過することができる。これは、センサーのダイナミックレンジを、例えば、機能モニターのような、それ自体により制限される、追加の機能なしに顕著に改善することを可能にする。「有機感光性ダイオード」（ＯＰＤ）を感光性領域検出器として使用する際、不活性領域１２ａは、例えば透明検出器を製造する際に、アノード、カソード及び高分子半導体に適したマスクにより、又はキャリア材料のホールにより、実現されることができる。
【００２３】
図３は、例として、３つの駆動パルスＳ１、Ｓ２、Ｓ３を示し、それらは、パルス状の送信光ビーム２１を生成する目的で、信号ライン経由で、送信ユニット１１に供給される。異なる応用における領域検出器１２の測定信号ライン１２ｂ中でそれらにより引き起こされる、アナログ測定信号電流の信号レベルが、その下の図４に図示されている。
【００２４】
図４は、したがって、左手領域に、その状況の光電流の信号レベルＳＰｓを示し、ここで、送信光ビームは駆動パルスＳ１により引き起こされるが、そのビームは、ビーム経路中に対象がないことにより、反射されない。この場合において、このように送信光ビームのレベルＳＰｓのみが測定される。
【００２５】
本発明の有利なさらなる実施形態によれば、例えば、測定信号のよりよい評価のため、評価ユニット１３ａにより、しきい値が提供されることができる。図３及び４の実施例において、より低いモニター光しきい値Ｓｕ、より高いしきい値Ｓｏ及び最も高い検出光しきい値Ｓｄが、例えば、この目的のために、提供される。
【００２６】
図４のかなり左にある光電流の測定可能な信号レベルは、より低いモニター光しきい値Ｓｕに対してアンダーシュートしている。図３の駆動パルスの不存在のおかげでこの領域には送信光ビームが明らかに生成されていないので、この信号レベルは、散乱空電光のみにより引き起こされることができる。それにもかかわらず、この測定された値は、例えば、コントロールユニット１３ｃ又は評価ユニット１３ａにより、光学的センサー１を較正するために使用されることができる。比較すると、信号レベルＳＰｓは、駆動パルスＳ１の持続により、より高いしきい値Ｓｏを超えている。この大きさの測定された値は、コントロールユニット１３ｃ又は評価ユニット１３ａにより、光学センサー１の適切な機能性を判断するために使用されることができる。
【００２７】
中央領域において、図４は、また、その状況の光電流の信号レベルＳＰｅを示し、ここで、送信光ビームは、駆動パルスＳ２により引き起こされ、そしてビーム経路中の対象物のために反射される。この場合において、反射光ビームのレベルは、送信光ビームのレベルに追加され、より高いモニター光しきい値Ｓｏが超えられるという結果となる。しかしながら、最終信号レベルＳＰｅは、遅延時間Ｔの後でのみ達成される。遅延時間Ｔは、センサーを離れて対象で反射された後再び感光性領域検出器上に衝突するために送信光ビーム２１の伝播時間に対応する。図４における実施例において、この遅延時間Ｔは、例えば、評価ユニット１３ａにより、駆動パルスＳ２の前縁及びより高いモニター光しきい値Ｓｏを超える測定されたレベルの時間から、決定されることができる。センサー１及び対象２の間の距離は、評価ユニット１３aにより、例えば、光の速度と遅延時間Tの測定された値の助けで、決定されることができる。
【００２８】
図４は、また、センサーのダイナミックレンジDを示し、すなわち、送信光ビームの信号レベルＳＰｓと、送信光ビーム中の対象物の場合における最大信号レベルＳＰｅとの間の差異も示す。ダイナミックレンジＤを増大させるためには、感光領域検出器は、図２からの説明を使用して既に説明されているように、非感度不活性領域で提供されることができる。
【００２９】
最後に、右手領域において、図４は、その状況での光電流の信号レベルＳＰｕを示し、そこでは、駆動パルスＳ３にもかかわらず、例えば、センサー１中の欠陥のために、送信光ビームが引き起こされない。モニター光しきい値Ｓｕ以下であって環境空電光により高々引き起こされている信号レベルＳＰｕが検出されることができるので、この場合、コントロールユニット１３ｃは、例えば、送信ユニットの全故障、又は、経年劣化により引き起こされる送信出力の許容されない落ち込みを知らせる、診断メッセージを生成する。
【００３０】
図５は、最終的に、光学的カーテンの形態の本発明による光学センサーの有利な平行な配置を示す。本発明のそのような例示的な直列的な実施形態の場合において、個々のセンサーの多数は、互いにセンサー５のそばに配置され、個々のセンサーにより生成された送信光ビームは、一種の光カーテンＳａを形成する結果となる。
【００３１】
図５の実施例は、このように、状態を示し、そこでは、例えば、対象物２は、それらの送信光ビームの反射のおかげにより、４つの個々のセンサーにより、実質的に「カーテン内で」検出される一方、他の個々のセンサーからの送信光ビームは、対象物を越える。例えば、光学的送信ユニット１１ｘ、光学的送信ユニット１１ｘにより放射される感光性領域検出器１２ｘ及び本発明による共通のサブコントローラ１３ｘを有する、上側の個別センサー、からの送信光ビーム２１ｘは、対象物２を通過する。その一方、同様に、光学的送信ユニット１１ｘ、光学的送信ユニット１１ｘにより放射される感光性領域検出器１２ｙ及び本発明による共通のサブコントローラ１３ｙを有する、下方のセンサーからの送信光ビーム２１ｙは、対象物２上で衝突する。その過程で作られた反射光放射２３ｙは、同様に、領域検出器１２ｙにより検出され、上述の方法で処理される。
【００３２】
図５における実施例において、個々のセンサーからの測定された値は、最終的に、コミュニケーションリンク６を経由してさらに処理するための中央コントローラ７に送信される。このコントローラは、次いで、コミュニケーションインターフェース１３ｄ及びデータバスを経由して上位の観測及びコントロールユニットと、通信してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  センサー
２  対象物
１１  光学的送信ユニット
１１ｘ  光学的送信ユニット
１１ｙ  光学的送信ユニット
１２  領域検出器
１２ａ  不活性領域
１２ｂ  アナログ測定された値出力
１２ｃ  デジタルデータインターフェース
１２ｘ  領域検出器
１２ｙ  領域検出器
１３  コントローラ
１３ａ  評価ユニット
１３ｂ  送信ユニットのための駆動手段
１３ｃ  コントロールユニット
１３ｄ  コミュニケーションインターフェース
１３ｘ  サブコントローラ
１３ｙ  サブコントローラ
２１  送信光ビーム
２１ｘ  送信光ビーム
２１ｙ  送信光ビーム
２２  送信光スポット
２３  反射光ビーム
２３ｙ  反射光放射
２４  反射光スポット
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  駆動パルス
【図１】
2013505657.tif 000003
【図２】
2013505657.tif 000004
【図３】
2013505657.tif 000005
【図４】
2013505657.tif 000006
【図５】
2013505657.tif 000007
【国際調査報告】
2013505657.tif 000008
2013505657.tif 000009
2013505657.tif 000010
2013505657.tif 000011