光电传感器的制作方法

光电传感器
1.本发明涉及一种根据权利要求1的主题和根据权利要求14的主题的具有接收元件和接收透镜的光电传感器，以及根据权利要求2的主题和根据权利要求15的主题的具有发射元件和发射透镜的光电传感器。
2.为了尽可能地实现光电传感器的高探测率和抗干扰性，有利地，在接收器前放置外来光滤波器，特别是带通滤波器，该滤波器尽可能只允许发射辐射的波长通过。
3.在实践中，这就遇到了限制，使得滤波器的透射率超出了期望。一方面，这是由于公差影响，例如同一系列由于公差、温度波动或制造差异而导致发射波长不同。然而，决定性的原因还在于，由于接收侧的成像导致接收辐射并不理想，即所有的辐射并不是以相同的角度(入射角)落到滤波器上。
4.由于入射辐射的角度范围很广，因此滤波器不可避免地必须要设计成宽频带的，这会导致外来光分量很高。可替代地，由于成像光学器件前面的接收侧的光学辐射一般以相对相同的角度落到滤波器，因此也可将滤波器施加到前窗板(frontscheibe)。由此，就可以将滤波器设计成比光学成像后更窄的频带。这样的缺点在于，在接收光学器件前面的滤波器是非常大面积的，因此导致了高成本。
5.本发明的任务在于改进滤波器效果，而不必要增加滤波器的成本且不必要扩大滤波器。
6.根据权利要求1，该任务通过光电传感器实现，其具有接收元件和至少一个接收透镜以及光学滤波器元件，其中滤波器元件无间隙地布置在第一部分透镜和第二部分透镜之间，其中部分透镜形成接收透镜或接收透镜中的一个，其中光学滤波器元件具有至少一个凸的或凹的形状，并且接收的光束在每个进入点以相同的角度穿过滤波器元件。
7.根据权利要求2，该任务通过光电传感器实现，其具有发射元件和至少一个发射透镜以及光学滤波器元件，其中滤波器元件无间隙地布置在第一部分透镜和第二部分透镜之间，其中部分透镜形成发射透镜或发射透镜中的一个，其中光学滤波器元件具有至少一个凸的或凹的形状，并且发射的光束在每个进入点以相同的角度穿过滤波器元件。
8.本发明提出，滤波器的表面被设计成使得该表面与接收辐射或发射辐射的波阵面(wellenfront)相对应。也就是说，所有的接收辐射或发射辐射到滤波器层表面的入射角几乎相同。
9.根据本发明，接收透镜或发射透镜被划分成两个透镜，即第一部分透镜和第二部分透镜，并且准确地划分，使得分离层与波阵面相对应，即分离平面内的所有光束尽可能具有相同的入射角。
10.例如，部分透镜和滤波器元件被压在一起。然而，也可以这样设置，即部分透镜的表面有涂层，并且该涂层形成滤波器元件。然后，第二部分透镜与第一部分透镜的滤波器元件连接，使得又有了无间隙的连接。
11.由于部分透镜和滤波器之间的无间隙的连接，省去了与空气或其他介质的附加分界面，这些分界面可能对光学特性产生负面影响，例如光辐射的额外折射和方向变化。
12.由于将第一部分透镜、第二部分透镜和光学滤波器元件连接成单个的一体式部
件，因此光电传感器的安装也得到了简化，因为只需要安装和调整单个部件。
13.例如，部分透镜和滤波器元件可以利用透明凝胶、透明套件或类似物无间隙地连接在一起。
14.滤波器元件可以是带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器、分频器层滤波器(teilerschichtfilter)、偏振滤波器或类似物。
15.这使得可以在外来光和/或干扰光方面优化对滤波器元件的设计。根据本发明，例如，窄频带性可以减小先前考虑的入射辐射的入射角的方差，由此得到更好的信噪比和更高的探测率。
16.此外，滤波器元件还可以是反射镜元件或光阑元件。
17.此外，尺寸和成本，特别是安装成本得以降低。
18.例如，接收元件是接收二极管。接收透镜位于接收元件前方的一定距离处。例如，接收透镜被设计成会聚透镜，并将光聚集到接收元件上。在此，接收光在接收透镜后聚集地落在接收元件上。
19.例如，发射元件是发射二极管。发射透镜位于发射元件前方的一定距离处。例如，发射透镜被设计成会聚透镜，并将光聚集。在此，发射光聚集地在发射透镜后出来。
20.此外，根据权利要求14，该任务通过光电传感器实现，其具有至少一个接收元件和接收透镜以及光学滤波器元件，该光学滤波器元件布置在接收元件和接收透镜之间，其中光学滤波器元件具有至少一个弯曲的自由表面使得接收的光束在光学滤波器元件的表面上在每个进入点以垂直的角度穿过滤波器元件。
21.本发明提出，滤波器的自由表面被设计成使得该自由表面与接收辐射的波阵面相对应。也就是说，所有接收辐射到滤波器层表面的入射角几乎相同。
22.此外，根据权利要求15，该任务通过光电传感器实现，其具有发射元件和发射透镜以及光学滤波器元件，该光学滤波器元件布置在发射元件和发射透镜之间，其中光学滤波器元件具有至少一个弯曲的自由表面，使得发射的光束在光学滤波器元件的表面上在每个进入点以相同的角度穿过滤波器元件。
23.本发明提出，滤波器的自由表面被设计成使得该自由表面与发射辐射的波阵面相对应。也就是说，所有发射辐射到滤波器层表面的入射角几乎相同。
24.在本发明的改进形式中，接收的光束在每个进入点以垂直的角度穿过滤波器元件。由此，优化了滤波器的效率。
25.在本发明的改进形式中，第一部分透镜和第二部分透镜分别具有不同的折射率。
26.因此，透镜的光学特性或光学误差可以相互补偿或最小化。
27.这样的优点例如在于，对于给定的波长，透镜组合的焦距或由此产生的光斑大小是不受温度影响的，即不随温度变化而变化。例如，由于凸的第一部分透镜在温度较低的情况下会更强地聚焦光，而随后的凹的第二部分透镜相应地分散光，因此，在两种不同的温度下，焦距保持不变。由此可见，接收器上的光斑大小保持不变，或者光不变地被发射。
28.在本发明的改进形式中，光电传感器是根据光飞行时间法的传感器。在此，光发射器发射短的光脉冲或一组光脉冲。该光脉冲被对象反射或漫反射(remittieren)，并由光接收器的接收元件接收。光从发射到接收的飞行时间由下游的评估单元来评估，并由此计算出对象的距离。
29.在本发明的改进形式中，光电传感器是激光扫描仪、安全激光扫描仪、3d相机、立体相机或光飞行时间相机。
30.有空间分辨率的传感器、激光扫描仪、安全激光扫描仪、3d相机、立体相机或光飞行时间相机监测二维或三维的监测区域或测量数据轮廓，以便进行位置检测。在此，这也可以同义地涉及监测领域。
31.例如，3d相机也借助多个检测到的距离值来监测监测区域。3d相机的优点在于可以监测体积状的保护区域。
32.例如，立体相机也借助多个检测到的距离值来监测监测区域。距离值是基于立体相机的两个相机来确定的，这两个相机彼此相距基准距离进行安装。立体相机的优点也在于可以监测体积状的保护区域。
33.借助光飞行时间相机，基于测量到的光飞行时间来确定距离值，该距离值由图像传感器来确定。光飞行时间相机的优点也在于可以监测体积状或空间的保护区域。
34.在改进形式中，第一部分透镜的第一表面和第二部分透镜的第二表面分别具有平的、凸的或凹的表面。
35.因此，通过部分透镜的各自相应构型，可以形成不同的透镜形状，特别是会聚透镜。通过选择第一和第二部分透镜的表面来确定接收透镜的光束成形特性。滤波器元件的表面形状由第一和第二部分透镜之间的分离面形成。
36.在本发明的改进形式中，第一部分透镜和/或第二部分透镜具有球形表面。
37.球形表面是球面的一部分。在此，滤波器元件是旋转对称的主体，根据本实施方式，该主体与旋转对称的接收透镜相关联。根据该实施方式，光能可以聚集在尽可能小的光斑上。这会改善传感器的灵敏度，并且在三角测量传感器时允许更高的距离精度。例如，接收元件是接收面积小的接收二极管。因此，例如接收面积小于1mm2。
38.在改进形式中，滤波器元件由玻璃或塑料制成。塑料可以低成本地进行加工，特别是塑料注塑件很容易制造。玻璃特别适合用于制造高精度的滤波器元件。
39.第一部分透镜和/或第二部分透镜也可以由玻璃和/或塑料制成。塑料也可以低成本地进行加工，特别是透镜塑料注塑件很容易制造。玻璃特别适合用于制造高精度的接收透镜。
40.在本发明的改进形式中，滤波器元件本身是光学透镜。因此，滤波器本身可以具有折射的光学特性，并致使光束成形。
41.在本发明的改进形式中，接收透镜是圆柱形透镜，并且滤波器元件是圆柱形的主体。
42.在此，接收元件由多个串联布置的接收元件形成。然而，也可以布置线状的或条状的接收元件。例如，这种布置在条形码扫描仪或光栅时是有用的。
43.在本发明的改进形式中，发射透镜是圆柱形透镜，并且滤波器元件是圆柱形的主体。
44.在此，发射元件由多个串联布置的发射元件形成。然而，也可以布置线状的或条状的发射元件。例如，这种布置在条形码扫描仪或光栅时是有用的。
附图说明
45.下面将参考附图并基于实施例对本发明的其他优点和特征进行阐述。在附图中：
46.图1示出了根据现有技术的光电传感器；
47.图2至图7分别示出了根据本发明的传感器的实施例；
48.图8示出了圆柱形透镜和作为圆柱形主体的滤波器元件；
49.图9示出了具有滤波器元件的光电传感器，该滤波器元件具有至少一个弯曲的自由表面；
50.图10示出了具有发射元件和发射透镜的光电传感器。
51.在下面的附图中，相同的部件设有相同的参考标记。
52.图1示出了根据现有技术的光电传感器1的一部分。根据图1，接收元件2布置在电路板11或印刷电路板上。接收透镜3与接收元件2间隔开地布置。在此，接收元件2布置在接收透镜4的焦点的焦距内。光学滤波器10布置在接收透镜4的前方。因此，入射的光首先穿过滤波器10，其中不需要的光分量被过滤出来。随后，入射的光被接收透镜3聚焦到接收元件2上。
53.图2示出了根据本发明的光电传感器，其具有接收元件2和至少一个接收透镜3以及光学滤波器元件4，其中滤波器元件4无间隙地布置在第一部分透镜5和第二部分透镜6之间，其中部分透镜5、6形成上述接收透镜3或上述接收透镜3中的一个，其中光学滤波器元件4具有至少一个凸的或凹的形状，并且接收的光束在每个进入点以相同的角度穿过滤波器元件4。
54.根据图2和下面的附图，也可以设置发射元件13来代替接收元件2，其中设置发射透镜14代替接收透镜3。
55.例如，图10示出了光电传感器1，其具有发射元件13和至少一个发射透镜14以及光学滤波器元件4，其中滤波器元件4无间隙地布置在第一部分透镜5和第二部分透镜6之间，其中部分透镜5、6形成上述发射透镜14或上述发射透镜14中的一个，其中光学滤波器元件4具有至少一个凸的或凹的形状，并且发射的光束在每个进入点以相同角度穿过滤波器元件4。
56.根据图2，光学滤波器元件4的表面被设计成使得该表面与接收辐射的波阵面相对应。也就是说，所有接收辐射到滤波器层表面的入射角几乎相同。
57.根据图2，接收透镜3被划分成两个透镜，即第一部分透镜5和第二部分透镜6，并且准确地划分，使得分离层与波阵面相对应，即分离平面内的所有辐射尽可能具有相同的入射角。
58.例如，部分透镜5和6以及滤波器元件4被压在一起。然而，也可以这样设置，即部分透镜5或6的表面有涂层，并且该涂层形成滤波器元件4。然后，第二部分透镜6与第一部分透镜5的滤波器元件4连接，使得又有了无间隙的连接。
59.由于部分透镜5和6与滤波器4之间的无间隙的连接，省去了与空气或其他介质的附加分界面，这些分界面可能对光学特性产生负面影响，例如光辐射的额外折射和方向变化。
60.例如，部分透镜5和6以及滤波器元件4可以利用透明凝胶、透明套件或类似物无间隙地连接在一起。滤波器元件4可以是带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器、分频层滤波
器、偏振滤波器或类似物。此外，滤波器元件4还可以是反射镜元件或光阑元件。
61.例如，接收元件2是接收二极管。接收透镜4位于接收元件2前方的一定距离处。例如，接收透镜3被设计成会聚透镜，并将光聚集到接收元件2上。在此，接收光在接收透镜3后聚集地落在接收元件2上。
62.根据实施例，光电传感器1是根据光飞行时间法的传感器。在此，光发射器发射短的光脉冲或一组光脉冲。该光脉冲被对象反射或漫反射，并由光接收器的接收元件2接收。光从发射到接收的飞行时间由下游的评估单元来评估，并由此计算出对象的距离。
63.根据实施例，光电传感器1是激光扫描仪、安全激光扫描仪、3d相机、立体相机或光飞行时间相机。
64.根据图2至图7，第一部分透镜5的第一表面7和第二部分透镜6的第二表面8分别具有平的、凸的或凹的表面。
65.因此，通过部分透镜5和6的相应构型，可以形成不同的透镜形状，特别是会聚透镜。通过选择第一部分透镜5和第二部分透镜6的表面来确定接收透镜3的光束成形特性。滤波器元件4的表面形状由第一部分透镜5和第二部分透镜6之间的分离面形成。
66.根据图2，第一部分透镜5和第二部分透镜6具有球形表面。第一表面7被设计成凸形的，并且第二表面8也被设计成凸形的。
67.球形表面是球面的一部分。在此，滤波器元件4是旋转对称的主体，根据本实施方式，该主体与旋转对称的接收透镜3相关联。根据该实施方式，光能可以聚集在尽可能小的光斑上。这会改善传感器的灵敏度，并且在三角测量传感器时允许更高的距离精度。例如，接收元件2是接收面积小的接收二极管。因此，例如接收面积小于1mm2。
68.根据附图，滤波器元件2例如由玻璃或塑料制成。第一部分透镜5和/或第二部分透镜6也可以由玻璃和/或塑料制成。
69.图3示出了具有多个接收透镜3的实施例。一个接收透镜3是传统的接收透镜，并且另一个接收透镜3具有集成的光学滤波器元件4。图4至图8分别示出了具有多个接收透镜3，特别是两个接收透镜3的实施例。根据图3，第一表面7被设计成凸的，而第二表面8被设计成平的或平面的。
70.根据图4，第一表面7被设计成凸的，而第二表面8被设计成凹的。
71.根据图5，第一表面7被设计成凸的，而第二表面8被设计成凹的，其中部分透镜5、6的边缘被修整。
72.根据图6，第一表面7被设计成凹的，而第二表面8被设计成凸的。光学滤波器元件4在接收光束方向上布置在接收透镜3的焦点后面。接收元件2由图像传感器形成。
73.根据图7，第一表面7被设计成平的或平面的，而第二表面8被设计成凸的，其中部分透镜5、6的边缘被修整。
74.根据图8，接收透镜是圆柱形透镜12，并且滤波器元件4是圆柱形的主体。
75.在此，接收元件2由多个串联(in reihe)布置的接收元件2形成。然而，也可以布置线状的或条状的接收元件2。例如，这种布置在条形码扫描仪或光栅时是有用的。
76.图9示出了光电传感器1，其具有至少一个接收元件2和接收透镜3以及光学滤波器元件4，该光学滤波器元件布置在接收元件2和接收透镜3之间，其中光学滤波器元件4具有至少一个弯曲的自由表面，使得接收的光束在光学滤波器元件4的表面上在每个进入点以
垂直的角度穿过滤波器元件4。
77.图9提出，滤波器4的自由表面被设计成使得该自由表面与接收辐射的波阵面相对应。也就是说，所有接收辐射到滤波器层表面的入射角几乎相同。
78.参考标记
[0079]1ꢀꢀ
光电传感器
[0080]2ꢀꢀ
接收元件
[0081]3ꢀꢀ
接收透镜
[0082]4ꢀꢀ
光学滤波器元件
[0083]5ꢀꢀ
第一部分透镜
[0084]6ꢀꢀ
第二部分透镜
[0085]7ꢀꢀ
第一表面
[0086]8ꢀꢀ
第二表面
[0087]9ꢀꢀ
表面
[0088]
10 光学滤波器
[0089]
11 电路板
[0090]
12 圆柱形透镜
[0091]
13 发射元件
[0092]
14 发射透镜。