专利名称：光电传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及分别根据权利要求1和13的前序部分所述的光电传感器和用于确定物体的高度和/或厚度的方法。
背景技术：
光栅，有时也被称为光幕，包括多个发射元件和对应的接收元件，使得每一对发射元件和相应接收元件形成挡光板，所述挡光板检测形成于发射元件和接收元件之间的光束是否被中断。发射元件和接收元件分别结合在发射单元和接收单元中，所述发射单元和接收单元被彼此相对地安装。还存在发射元件和接收元件同时被容纳在两个相对的混合发射单元和接收单元的光栅。各个发射元件的光束的概念被理想化为单一光射线。事实上，取决于光束整形光学设备的光圈角度产生具有有限的横截面的光束。为了在管理电平上保持调整的需求，接收元件在发射单元和接收单元之间通常的距离下不仅接收来自于对应发射元件的发射光， 而且由于发射光束的发散而还要接收来自于其相邻发射元件的发射光。因此，为了避免评价误差，发射元件被循环地激活。各个光脉冲或光包(Iightpacket)通过每个发射元件被依次发射，并且在一定的时间窗口期间只有对应的接收元件被激活以确定在对应的光束中是否有物体。在本文下，光束也被称为通道(channel)。为此，接收单元需要知道各个发射元件在哪个时间窗口期间是激活的，并且也需要知道在该时间窗口期间哪个发射元件是激活的。因此发射单元和接收单元相互同步。优选地，使用光同步以避免发射单元和接收单元之间的电缆连接。光栅应用的一个重要的领域是安全技术。在安全技术中，平行的光束被作为一种虚拟墙被使用，并且例如在被物体中断的情况下，免受危险源的威胁。在自动化技术中，光栅被用于物体测量，以根据被中断的光束的位置和数量来测量物体的位置和尺寸。例如，利用这种方法能够确定在传送带上被移动的物体的高度。在这种测量任务中，相比较于其它光电传感器，例如扫描仪或光条纹传感器，光栅的一个优势是所有的光束是平行的，因此没有阴影和所引起的物体的几何形状畸变。缺点是有限的分辨率，这是因为对于小物体而言光栅的检测性能受到相邻两个光束的相互距离限制。同样，确定较大物体的物体边缘的位置的精确性受到限制。对这样的物体进行检测，但是是在不高于光束间距的分辨率的情况下来测量。一旦物体位于两个光束之间的间隙中，该物体不能被检测到。待检测的物体越�。馐渚啾匦朐叫�。因此，为了分别提高光栅的分辨率以及其用于小物体的检测性能，明显的可能性是光束间距的减�。约跣∠嗔诠馐涞募湎�。因此，对于相同的测量�。钔獾姆⑸湓徒邮赵潜匾�。这增加成本并且由于被延长的评价周期而增加反应时间，在该评价周期中光束被相继地激活以避免不明确的接收信号。另一种方式被称为交叉光束技术(cross-beam technology) 0这里，接收元件不仅评价对应的相对的发射元件的光束，还评价相邻的发射光束。因此结果使用额外的斜
4光束以检测在原来直线的对准的光束之间的物体。然而，对整个监测区域而言分辨率的增加是不可能的，并且分辨率的增加也是不规则的，这是因为分辨率依赖于从物体分别到发射元件和接收元件的距离。出于相同的原因，通过交叉光束的物体检测不允许物体到监测高度的几何映射。因此，二进制形式的物体存在检测结果(binary object presence detection)在原来直线的对准的光束之间的间隙中是可能的，但是没有测量值。此外，反应时间被增加，这是因为评价周期被交叉光束的激活时间窗口延长。如果光束的直径足够大以致于在给定的光栅图案中两个光束毗连，则基于能量的评价是能够适用的。然后，与通常的用阈值比较对于光束中断的二进制形式评价结果相比， 各个光束的物体覆盖的定量程度被确定。因此，比光束直径更小的物体也能够被检测到。 与使用交叉光束技术一样，没有物体到监测高度的几何映射是可能的。光栅检测小的物体并且还能够根据覆盖的程度而得到厚度信息，但是没有物体位于光束直径中的位置任何信息。因此，位置分辨率没有被提高。另外，光栅不能够分辨信号的减少是一方面由于被物体或部分透明的物体部分地覆盖还是另一方面由于环境条件，例如光束整形光学设备的污
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发明内容
因此本发明的目的是提高光栅的分辨率。该目的通过根据权利要求1的光电传感器以及根据权利要求13的用于确定物体的高度和/或厚度的方法来实现。本发明从充分利用在相邻光束的间隙内的信号信息的基本思想出发。为了产生充分的信号信息，光束实质上是交织的以实现差异信号评价，用于增加分辨率。这由专门的光束整形光学设备实现，所述光学设备用于光发射器和光接收器，其中光学设备沿斜向于监测场的方向相互重叠。在本文下，重叠不是指透镜在物理上一个位于另一个上面，而是当从刚刚定义的方向看时产生重叠。该重叠产生相关的光束的相应重叠。优选地，重叠被提供不是仅仅斜向于监测�。腔旧嫌爰嗖獬〈怪�。在此段以及之后的段落中，术语优选地描述优选的、但是对本发明来说不是必需需要的可选的特征。 不需要完全对齐垂直的重叠。例如，沿光束方向，光学设备的相互偏移是可以想到的。只有效果是重要的，即对比传统的光栅，物体在一个并且相同的高度下影响多个光束的接收电平，从而实现差异评价。本发明具有不需要增加光束的数量的优势，且因此分辨率的提高增加实际上未引起成本。分辨率实际的提高被实现，其允许在监测区域内的几何映射。尽管提高分辨率，但是待被评价的各个光束的数量以及因此反应时间保持不变。在小物体定位情况下的亚像素 (sub pixel)分辨率被实现。只要保证待检测的物体正好地在光接收器的前方，则设计光学设备仅仅在接收侧有重叠是足够的。然而，通常，根据本发明的光学设备被同时分配至光发射器和光接收器。优选地，光学设备包括以下几何形状和布置由于所述重叠，任何垂直于所述场、 与未被布置在所述场的边缘的监测光束相交的假想线与至少一个另外的监测光束相交。该假想线具有一定宽度的范围，这是因为待检测的物体是物理上的而非数学上的。因此，物体未充分地重叠以满足上述条件的狭窄区域是无关的。因此，重叠足够大，使得在每个监测高度上的物体影响至少两个接收元件的接收电平，使得差异的信号总是可获得。从该条件中唯一的例外是在监测场的边缘处的两个光束。还可以想到，仅仅提供监测区域的至少一个部分区域，如定义的监测光束的重叠在该部分区域中发生。该传感器仅仅在该部分区域中具有提高的分辨率，而不是在整个监测高度上具有提高的分辨率。优选地，光学设备包括椭圆形、三角形或四边形的几何形状。利用这些几何形状， 光束能够被整形以达到需要的相互交织。从光学的角度，圆的光束横截面被更容易并且更均勻地实现，然而有角的光束横截面允许没有间隙的重叠。优选地，每个光学设备具有相同的面积。这样无需考虑由于光束横截面而造成的电平的差异。另一方面，计算或教导这些由于区域不同而造成的这些电平差异也是可以想到的。在优选的实施例中，每个光学设备甚至具有相同的几何形状。这样将简化的制造和处理添加到简化的评价中。优选地，在场的两个相对的边缘上，光学设备被规则地布置成排。因此达到在整个监测高度上的均勻分辨率。优选地，设有评价单元，所述评价单元被配置为基于彼此相邻的光接收器的接收电平(reception level)，以比两个相邻监测光束之间的距离更高的分辨率，来确定在所述场中的物体的高度和/或厚度。物体的高度是沿高度方向上物体或物体的边缘的位置。在另一方面，厚度指沿高度方向上物体本身的尺寸。因此，如果传感器和物体在底部对齐，则物体的高度和厚度是一样的。然而，例如当考虑位于监测场中的小物体时，高度和厚度是两个不同的测量值。由于重叠的光学设备，亚像素评价对两种测量值都是可能的，即比光束间距更精确的测量值。优选地，评价单元被配置为基于相邻光接收器的接收电平的商和/或差而确定高度和/或厚度。根据接收电平的差异评价，在两个传统通道之间的间隙中产生用于厚度或高度具有亚像素分辨率的测量值。为了测量较大的物体，这种从物体的两个边缘的亚像素测量值被加到对应于被完全地覆盖的光束的数量的测量值中，如在常规测量中那样。此外或可替代地，评价单元被优选地配置为基于光接收器的接收电平与光接收器的最大接收电平比较来确定高度和/或厚度。该基于能量的评价给出关于物体的厚度或高度的额外的测量信息。为此，相关的接收电平被确定，其中参考值是最大值，即对于自由的光路的接收电平。光接收器的接收电平与高度和/或厚度的预计的相关性优选地被提前教导于或储存在评价单元中。教导指在定义的条件下操作传感器并且因此确定或改善关于相关性的知识。在另一方面，在工厂或在稍后的时间，被储存的相关性从数据载体被参数化或传输出来。对于固定已知的厚度和变化的高度，接收电平的函数相关性能够被具体地教导或储存。 更优选地，使用小厚度的物体，例如光束间距的1/3、1/10甚至更小。在这种方式下，得到对每个光接收器的一维曲线，从该一维曲线上评价单元能够直接地读取出当前信号电平的必要的关系以及待测量的变量，即高度。通过积分，至少在同质光束的假设下，转换到其它固定的厚度是可能的，从而能够实现对每个厚度的高度测量值。厚度本身能够例如通过基于能量的测量而被确定。如果相关性被教导，而不是根据光学参数和几何来被计算，则光束的不同性得到了抵消。评价单元优选地被配置为如果接收器的接收电平下降但是相邻接收器的接收电
6平没有下降，则诊断光学设备被污染。由于光学设备的重叠，物体仅仅影响一个光接收器的接收电平是不可能的。因此，传感器能够在这种情况下推断污染。然后，对污染是否严重进行评价，并且可能输出维护请求。在另一方面，在连续运作中通过以下方式增加受影响的光发射器的发射功率，提高接收灵敏度，或以计算的方式考虑污染的影响，传感器也能够抵消污染。能够以类似的方式进一步实现根据本发明的方法，所述方法具有额外的特征并且显示类似的优势。该优势的特征在独立权利要求之后的从属权利要求中以示例的方式而非排他的方式描述。
在下文中将参考示例实施例和附图来描述本发明的进一步的优势和特征，附图示出图1光栅的示意横截面视图；图加重叠的光学设备的示例实施例的前视图，其带有几条辅助线以解释在所产生的监测光束上的影响；图2b根据图加的前视图，其中移动的测试物体中断光束；图3各个光接收器依赖图2b中的测试物体的位置的相对接收电平的表示图；以及图如-b根据本发明的重叠的光学设备的其它实施例的前视图。
具体实施例方式图1示出光栅10的示意横截面视图。发射单元12包括多个布置成排的光发射器 14，例如以红外线或其它光谱形式的LED或激光器。光发射器14的光在相应的发射光学设备16中被校准并且作为光束18通过监测区域20而被发射到接收单元22。光束18经由接收光学设备M而射在对应每个光发射器14的光接收器沈上。光接收器沈通常被制成为光电二极管，但是也能够是对位置灵敏的CXD或CMOS图像传感器。不同于所表示的内容，发射光学设备16和接收光学设备对可以包括其它元件，如额外的透镜、光圈(aperture)等，并且被设计为使得光束18具有期望的光束轮廓。评价单元观连接到光接收器沈并且接收电接收信号，所述电接收信号对应于各个光接收器26的接收电平。为了此目的，光发射器14和光接收器沈以分时复用(time divisionmultiplexing)方式周期性地并且按顺序地被激活。评价单元28根据接收电平确定在监测区域中是否有物体。如果有物体，评价单元观确定物体的高度和/或厚度。根据具体方式、应用和参数表示，传感器在输出设备30处分别提供评价结果，分别为物体的二进制形式的物体存在信号(binary object presence signal)、高度和厚度。现在参考图2和图3更详细地解释光束整形光学设备的设计以及在光栅10中由光学设备通过差异评价(differential evaluation)而实现的亚像素分辨率(sub pixel resolution)。图加示出接收单元22的光束整形光学设备对。应当注意到的是这不是透视图，而是前视图。因此各个透镜Ma-Md的横截面是平行四边形。在发射侧的光束整形光学设备16被相同地设计。因此，所发射的光束18也具有所示的横截面。实践中，一方面，由于光发射器14的发散，物理光束本身可能偏离此形状，另一方面，由于接收侧较大的光圈角度，接收区域本身可能偏离此形状。然而，每个光束18的检测区由直接瞄准线形成， 且因此仍然对应于如图所示的横截面，所述检测区针对物体侵入监测。本发明不依赖如图所示的各个透镜16、24的具体的形状。基本特征是在监测高度上的重叠，在图1的例子中所述高度是垂直轴线。因此各个光束18被相互地交织。这还能够通过想象线或辅助线32a-3&来解释，所述想象的或辅助的线32a-3&斜向于与由平行的光束18形成的监测区域20，即是斜形或倾斜的，优选地甚至与监测区域20垂直。这些线 32a-32e分别地斜向或垂直于图1的平面并且在图2的前视图中是水平的。至少在监测场 20的部分区域中并且优选地在整个监测场20中，线32a-3&分别与至少两个光学设备16、 24或光束18相交。对于在监测场20的边缘处的线32a、3&来说，该条件自然不能够被满足。重叠使得处于监测场20中的物体同时至少部分地中断至少两个光束18。在图2b中，测试物体34以变化的高度移动通过监测场20，该测试物体的厚度小于两个光束18之间的距离。如上文所解释的，由于光学设备16、24的重叠且因此光束18的重叠，测试物体34在每个高度上影响至少两个光束18。由于循环的评价，评价单元观能够确定每个光接收器26接收的光量，因此确定在每个通道用各个透镜Ma-Md检测到的光量。随着测试物体34的均勻运动，对于每个通道能够确定依赖高度的相对接收电平的函数。这里，作为例子，五个通道的接收电平36a_36e由不同的线型示出。能够被清楚地看到的是，在测试物体34的每个高度上，在至少两个通道中存在相对的接收电平，该至少两个通道不同于非中断通道且因此对应于物体的检测。对于传统的光栅，各个接收电平 36a_36e会完全地独立于高度轴线，这意味着对于一个相同的高度只有一个通道的相应的接收电平36-36e会响应测试物体34。现在，评价单元观具有根据接收电平36a_36e明确推断测试物体34的高度的能力。为此，只要在初始教导的工厂里的设置，评价单元观事先知道接收电平36a_36e与高度的期望相关性。在操作中，基于已知的接收电平36a_36e与高度的相关性，考虑和评价相邻接收电平36a_36e的比或商或者它们之间的差。根据在固定厚度的测试物体34下的依赖高度的接收电平36a_36e，能够通过积分得出对于较大厚度的相应的校准曲线。因此，一旦评价单元观已知对于待检测的最薄的检测对象34的校准曲线，则据此通过计算能够确定其他厚度。作为替代，对于不同厚度的校准曲线被测量出来和教导。这具有优势，即实际使用时的光发射器16和光学设备16、24 的不同性能够被考虑进去。对于厚度超过光束间距的物体来说，所描述的差异评价仅仅和边缘有关。另外，光束间距的倍数对应于所中断的光束的数量来加入。在能量减少的帮助下，物体的厚度也能够被确定。这不是通过以差异方式考虑相邻光束的比较值或比率来做到的，而是通过在通道中的接收电平36a_36e的减少来做到的。有时在几个通道中的能量减少必须被评价以获得可靠的测量值。图4示出光学设备16、24的可替代实施例，因此具有可替代的光束横截面和光束布置。该选择作为例子被理解，本发明包括更多其它的布置和横截面几何形状，例如梯形、 六边形形状等。在图4中，透镜Ma_24f是三角形的，具体地是具有等腰三角形的形状。如参考图加所描述的，优选地发射透镜16和因此得到的光束18的横截面具有相同的形状。对于所有有角的形状，边角部可以呈圆形。有角的横截面能够覆盖整个区域的监测场20的横截面。如在图4b中所示椭圆形的透镜Ma-Mf，在边缘区域留有间隙，这将导致测量值上的不精确。然而，这能够应用在例如由于沿横向方向物体的最小延伸范围而使得间隙是无关的场合，或者能够应用在偏向于更易控制的光学设备16、M而使得不精确被接受的场合。
权利要求
1.一种光电传感器(10)，具体地是光栅，具有多个光发射器(14)和光接收器( )，所述多个光发射器(14)和所述光接收器06)在彼此之间形成由相互平行的监测光束(18) 构成的场(20)，其中光束整形光学设备(16、24)被分配给所述光发射器(14)和所述光接收器(26)，其特征在于所述光学设备(16、24)包括使得所述光学设备(16、24)在斜向于所述场Q0)的方向、 特别地是在垂直于所述场00)的方向上相互重叠的几何形状和布置。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中所述光学设备(16、24)包括以下几何形状和布置由于所述重叠，任何垂直于所述场(20)、与未被布置在所述场00)的边缘的监测光束(18)相交的假想线(3 与至少一个另外的监测光束(18)相交。
3.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中所述光学设备(16、24)包括椭圆形、三角形或四边形的几何形状。
4.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中每个所述光学设备(16、24)具有相同的面积。
5.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中每个所述光学设备(16、24)具有相同的几何形状。
6.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中所述光学设备(16、24)在所述场00)的两个相对的边缘上被规则地布置成排。
7.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中设有评价单元( )，所述评价单元08)被配置为基于彼此相邻的光接收器06) 的接收电平(36)，以比两个相邻监测光束(18)之间的距离更高的分辨率，来确定在所述场 (20)中的物体的高度和/或厚度。
8.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中所述评价单元08)被配置为基于相邻的光接收器06)的接收电平(36)的商来确定所述高度和/或所述厚度。
9.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中所述评价单元08)被配置为基于相邻的光接收器06)的接收电平(36)的差来确定所述高度和/或所述厚度。
10.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中所述评价单元08)被配置为基于光接收器06)的接收电平(36)与所述光接收器06)的最大接收电平的比较来确定所述高度和/或所述厚度。
11.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中所述光接收器06)的接收电平(36)与所述高度和/或厚度的期望的相关性被事先教导于或储存在所述评价单元0 中。
12.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中所述评价单元08)被配置为如果所述接收器06)的接收电平(36)下降而相邻的接收器06)的接收电平(36)没有下降，则诊断所述光学设备(16、24)受到污染。
13.一种用于使用光电传感器(10)、具体地是光栅来确定物体的高度和/或厚度的方法，其中多个光发射器(14)和光接收器06)在彼此之间形成由相互平行监测光束(18)构成的场(20)， 其特征在于通过光束整形光学设备(16、24)在斜向于所述场OO)的方向上相互重叠，产生具有以下横截面形状的监测光束(18):垂直于所述场(20)、与未被布置在所述场OO)的边缘的监测光束(18)相交的每条假想线(3 与至少一个另外的监测光束(18)相交。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，基于相互相邻的光接收器06)的接收电平(36)，以比两个监测光束(18)之间的距离更高的分辨率，来确定所述高度和/或厚度。
全文摘要
本发明提供一种光电传感器(10)，设有多个光发射器(14)和光接收器(26)，所述多个光发射器(14)和光接收器(26)在彼此之间形成由相互平行的监测光束(18)构成的场(20)，其中光束整形光学设备(16、24)被分配给所述光发射器(14)和所述光接收器(26)。所述光学设备(16、24)包括使得所述光学设备(16、24)在斜向于所述场(20)的方向、特别地是在垂直于所述场(20)的方向上相互重叠的几何形状和布置。
文档编号G01V8/20GK102445713SQ20111030885
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者丹尼尔·基耶茨, 于尔根·伯格, 甘特·希尔特, 阿克塞尔·豪普特曼 申请人:西克股份公司
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