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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einer Blende nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Viele optoelektronische Sensoren arbeiten nach dem Tastprinzip, bei dem ein Lichtstrahl in den Überwachungsbereich ausgesandt und der von Objekten zurückgeworfene Lichtstrahl wieder empfangen wird, um dann das Empfangssignal elektronisch auszuwerten. Über die reine Objekterfassung hinaus wird in entfernungsmessenden Systemen auch eine Distanz zu dem Objekt bestimmt. Distanzsensoren nach dem Lichtlaufzeitprinzip (Lidar) messen dazu die Laufzeit eines Lichtsignals, die über die Lichtgeschwindigkeit der Entfernung entspricht. Man unterscheidet herkömmlich die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist.
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Um den Messbereich eines einstrahligen Lichttasters zu erweitern, kann einerseits der Abtaststrahl bewegt werden, wie dies in einem Laserscanner geschieht. Dort überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch den Überwachungsbereich. Zusätzlich zu der gemessenen Abstandinformation wird aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes geschlossen, und damit ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst.
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Eine andere Möglichkeit zur Messbereichserweiterung und zur Gewinnung zusätzlicher Abstandsdaten besteht darin, zugleich mehrere Messpunkte mit mehreren Abtaststrahlen zu erfassen. Das lässt sich auch mit einem Laserscanner kombinieren, der dann nicht nur eine Überwachungsebene erfasst, sondern über eine Vielzahl von Überwachungsebenen einen dreidimensionalen Raumbereich. In den meisten Laserscannern wird die Abtastbewegung durch einen Drehspiegel erreicht. Gerade bei Verwendung mehrerer Abtaststrahlen ist aber im Stand der Technik auch bekannt, stattdessen den gesamten Messkopf mit Lichtsendern und Lichtempfängern rotieren zu lassen, wie dies beispielsweise in
DE 197 57 849 B4 beschrieben ist.
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Die Wahl des Empfangselements und der optische Aufbau eines solchen Sensors haben erheblichen Einfluss auf dessen Leistungsfähigkeit. Um auch geringe Empfangsintensitäten nachweisen zu können, werden in manchen Fällen Lawinenphotodioden eingesetzt (APD, Avalanche Photo Diode). Das einfallende Licht löst hier einen kontrollierten Lawinendurchbruch (Avalanche Effect) aus. Dadurch werden die durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger vervielfacht, und es entsteht ein Photostrom, der zu der Lichtempfangsintensität proportional, dabei aber wesentlich größer ist, als bei einer einfachen PIN-Diode.
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Eine noch größere Empfindlichkeit wird mit Lawinenphotodioden erreicht, die im sogenannten Geiger-Modus betrieben werden (SPAD, Single Photon Avalanche Diode, auch SiPM, Silicon Photomultiplier). Hierbei wird die Lawinenphotodiode oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, so dass bereits ein einziger, durch ein einzelnes Photon freigesetzter Ladungsträger eine nicht mehr kontrollierte Lawine auslösen kann, die dann aufgrund der hohen Feldstärke sämtliche verfügbaren Ladungsträger rekrutiert. Die Lawinenphotodiode zählt somit wie der namensgebende Geigerzähler Einzelereignisse. Lawinenphotodioden im Geigermodus sind nicht nur hochempfindlich, sondern auch vergleichsweise kostengünstig. Zudem lassen sie sich mit wenig Aufwand auf einer Leiterkarte integrieren.
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Die hohe Empfindlichkeit bringt jedoch auch Nachteile mit sich, denn sie beschränkt sich nicht nur auf die im Sensor genutzte Sendewellenlänge, sondern wirkt in einem breiten Wellenlängenbereich, der auch das Fremdlicht einschließt. Dabei ist wegen der vergleichsweise großen Detektorfläche von SPADs auch deren Fremdlichteintrag hoch. Die Fremdlichtmenge wiederum bestimmt hier entscheidend das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, signal-to-noise ratio). Fremdlicht kann durch Einsatz eines optischen Bandpassfilters ausgefiltert werden, das auf die Wellenlänge des Sendelichts abgestimmt ist und das besonders bei breitbandigem Fremdlicht wie Sonnenlicht für eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sorgt. Das allein führt aber oft noch nicht zu befriedigenden Ergebnissen.
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Es ist weiterhin möglich, das Fremdlicht zu begrenzen, indem im Empfangspfad für eine Fokussierung des Empfangslichtbündels gesorgt und in der Position, wo der Querschnitt am kleinsten ist, eine Blende positioniert wird. Das ist beispielsweise das Vorgehen gemäß
DE 10 2014 102 420 A1 , wobei dort zusätzlich hinter der Blende zum Lichtempfänger hin noch ein optisches Trichterelement angeordnet ist, um das Empfangslicht auf den Lichtempfänger zu führen und zusätzlich zu homogenisieren.
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Eine derartige Blende muss aber justiert und fixiert werden. Wegen Bauteiltoleranzen und begrenzter Justagequalität wird die Blendenöffnung in der Praxis größer gewählt, als dies insbesondere für ein möglichst vorteilhaftes Signal-Rausch-Verhältnis optimal wäre. Signalverluste aufgrund von Empfangslichtanteilen, welche eine zu kleine oder gegenüber dem Empfangslichtbündel verschobene Blende nicht passieren können, würden einen überproportionalen Qualitätsverlust mit sich bringen. Die Blendenöffnung neben dem Empfangslichtbündel passierendes Fremdlicht führt zu zufälligen Detektionsereignissen, deren Einfluss als Schrotrauschen gemäß einer Wurzelfunktion beiträgt.
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Sollen die Einbußen durch eine nicht optimale Blende begrenzt werden, so müssen toleranzarme Komponenten entwickelt und gefertigt und dann hoch präzise justiert und verzugsarm fixiert werden. Das erhöht die Herstellung durch Bauteilkosten sowie komplexe und langwierige Prozesse, die zudem wenig flexibel sind. Überdies muss im Produktionsprozess mit Gefahrengut wie Klebstoffen, Lötvorrichtungen und dergleichen umgegangen werden. In mehrstrahligen Systemen besteht zudem die Schwierigkeit, mehrere Sende-Empfangs-Pärchen aufeinander auszurichten und trotzdem die Blenden hochgenau auszulegen.
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Eine herkömmliche Einlegeblende ist also aufgrund der großen mechanischen Toleranzen und damit Blendenöffnung nur von begrenztem Nutzen. Eine alternative Blende auf Chipebene des Empfangselements verkleinert den ausgeleuchteten Bereich, womit bei einem großflächigen SPAD-Empfänger mit dem Fremdlicht auch das Nutzlicht begrenzt wird.
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Die
EP 3 432 023 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Sensors mit einer Blende, die individuell für jeden Sensor unter Verwendung von dessen eigener Empfangsoptik hergestellt wird. Die Blende selbst wird dabei aber nicht konkretisiert.
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Es ist weiterhin bekannt, verschiedene Mikrostrukturen auf ein Glassubstrat aufzubringen, wie dies beispielsweise die POG Präzisionsoptik Gera GmbH auf deren Webseiten anbietet. Das steht aber in keinem besonderen Zusammenhang zu den Blenden und deren besonderen Anforderungen in einem gattungsgemäßen Sensor. Außerdem wird metallisches Chrom verwendet, das als Blendenmaterial technisch ungünstig ist.
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Als besondere lichtabsorbierende Struktur wurden in jüngerer Zeit Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, die beispielsweise als VANTA (vertically aligned nano tube array) bezeichnet werden. Sie haben aber bislang keine weite Verbreitung als Blendenmaterial gefunden. In Einzelfällen werden sie eingesetzt, etwa in der
US 7 372 880 B2 innerhalb einer Laserlichtquelle, aber nicht als empfangsseitige Blende. Außerdem ist in der
US 7 372 880 B2 eine Antireflexschicht nicht so angebracht, dass sie in Öffnungen innerhalb der Schicht von Kohlenstoffnanoröhrchen erhalten bliebe, so dass an diesen Stellen doch wieder störende Reflexe erzeugt werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den optomechanische Aufbau eines gattungsgemä-ßen optoelektronischen Sensors weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor für eine Blende eines optoelektronischen Sensors nach Anspruch 1 gelöst. Der Sensor weist einen Lichtempfänger mit einer Vielzahl von im Geigermodus betreibbare Lichtempfangselementen oder SPADs auf sowie eine Empfangsoptik und eine Blende auf. Ein SPAD-Empfänger oder SiPM-Empfänger ist wie einleitend erläutert besonders empfindlich. Eine Vielzahl von Lichtempfangselementen bietet eine noch größere Detektionsfläche und ermöglicht außerdem eine statistische Auswertung. Die Blende ist bevorzugt in einer Fokalebene der Empfangsoptik angeordnet, so dass ein von der Empfangsoptik erzeugtes Empfangslichtbündel am Punkt kleinster Einschnürung durch die Blendenöffnung der Blende fällt. Je nach Ausführungsform wird die Fokalebene aufgrund von Toleranzen nicht genau getroffen, das wird immer noch als Anordnung in der Fokalebene bezeichnet. Durch die Blende kann zumindest der Fremdlichtanteil unterdrückt werden, welcher die Empfangsoptik auf dem Nahfeld oder mittleren Entfernungen erreicht. Die Blendenöffnung befindet sich vorzugsweise innerhalb der Fokalebene dort, wo das Empfangslichtbündel die Blende passiert, so dass möglichst keine Nutzsignalanteile in der Blende verloren gehen. Eine Steuer- und Auswertungseinheit wertet ein Empfangssignal des Lichtempfängers aus, um Information über die Objekte zu gewinnen.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass die Blendenfunktion von einem mehrschichtigen Substrat ausgefüllt wird. Mindestens eine der Schichten ist eine Absorptionsschicht, in der eine Blendenöffnung eingebracht ist. Die Blendenöffnung kann in genau der richtigen Position und Geometrie angeordnet werden, in der ein möglichst großer Fremdlichtanteil unterdrückt und ein möglichst großer Nutzlichtanteil durchgelassen wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Vorteile eines SPAD- oder SiPM-Empfängers besonders gut zum Tragen kommen, insbesondere die besonders hohe Empfindlichkeit durch intrinsische Verstärkung, die schnelle Ansprechzeit und die hohe Integrierbarkeit auch für großflächige Lichtempfänger, ohne den Nachteil einer erhöhten Fremdlichtanfälligkeit in Kauf nehmen zu müssen. Die Blendenöffnungen können schnell und einfach erzeugt werden. Aufwändige Justagearbeiten werden eingespart, auch bei mehreren Blendenöffnungen beispielsweise für ein mehrstrahliges System. Eine dadurch mögliche genaue Positionierung der Blendenöffnung bei minimaler Öffnungsgröße optimiert das Verhältnis von Nutzlicht zu Fremdlicht und damit das Signal-Rausch-Verhältnis.
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Die Blendenöffnung ist bevorzugt mit einem Laser, insbesondere einem Laserablationsprozess hergestellt. Dafür werden noch bevorzugter ultrakurze Laserpulse verwendet, also Pulse im Pico- oder sogar Femtosekundenbereich.
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Die Blendenöffnung ist bevorzugt individuell unter Verwendung der Empfangsoptik hergestellt. Die Blende beziehungsweise deren Blendenöffnung wird demnach als individuelle Blende unter Verwendung der Empfangsoptik spezifisch für gerade die Empfangsoptik hergestellt, mit der gemeinsam sie in dem optoelektronischen Sensor eingesetzt ist. Die Empfangsoptik kann in der Form beteiligt sein, dass sie direkt an der Herstellung beteiligt ist oder dass ihre Eigenschaften die Herstellung der Blendenöffnung bestimmen. Die Blende passt damit optimal zu der Empfangsoptik und dem von der Empfangsoptik erzeugten Empfangslichtbündel. Die individuelle Herstellung der Blende ersetzt die Justierung oder ergänzt sie zumindest. Herkömmlich würde dagegen eine Blende als Bauteil für mindestens eine ganze Charge von Sensoren bezogen, und der Sensor muss entweder die Konsequenzen von Toleranzen in Kauf nehmen, oder dies wird durch eine aufwändige Justage ausgeglichen.
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Bevorzugt wird die Blendenöffnung mit einem Laser hergestellt, dessen Strahlengang durch die Empfangsoptik geführt wird, insbesondere in einem Laserablationsprozess. Dazu wird vorzugsweise gar nicht vorab vermessen, wie die individuelle Blende aussehen sollte. Da der Laser selbst die Empfangsoptik passiert, entspricht sein Strahlengang dem Empfangslichtbündel. Dazu sollte vorzugsweise der Laser vergleichbare geometrische Strahleigenschaften haben, also beispielsweise entsprechend Licht aus dem Unendlichen kollimiert sein. Eine künstliche Defokussierung oder ein zusätzliches optisches Element für den Laser ist denkbar, um Abweichungen des Strahlengangs etwa durch abweichende Wellenlängen zwischen Materialbearbeitungslaser und späterem Nutzlicht auszugleichen.
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Alternativ wird die Blendenöffnung mit einem Laser hergestellt, dessen Strahlengang nicht durch die Empfangsoptik geführt wird, sondern auf die Blendenschicht fokussiert wird, insbesondere in einem Laserablationsprozess. Hierzu wird vorab die Position und Form der empfangsseitigen individuellen Blende vermessen. Ebenso sollten vorzugsweise Korrekturwerte der Blendenposition einbezogen werden. Dieses Verfahren ist insbesondere bei mehreren Messlagen vorteilhaft.
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Das Empfangslichtbündel wird vorzugsweise in der Montageposition der Empfangsoptik vermessen, um eine Eigenschaft der herzustellenden individuellen Blendenöffnung zu gewinnen. Relevante Eigenschaften können beispielsweise der Strahlquerschnitt an bestimmten Z-Positionen oder dessen Lage im Raum sein. Dabei wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Richtung der optischen Achse der Empfangseinheit als Z-Richtung bezeichnet.
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Vorzugsweise wird als Eigenschaft die laterale Position des Empfangslichtbündels vermessen, wobei die Blendenöffnung an dieser Position hergestellt wird. Die laterale Position ist die Position auf einer Ebene senkrecht zur Z-Richtung. Über diese Eigenschaft wird sichergestellt, dass das Empfangslichtbündel im späteren Betrieb möglichst genau die Blendenöffnung trifft und folglich möglichst vollständig die individuelle Blende passiert. Die sonst übliche Justierung der Blende ist dadurch ersetzt oder zumindest ergänzt, dass durch individuelle Fertigung die Blendenöffnung an der richtigen Stelle angebracht ist.
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Vorzugsweise wird als Eigenschaft die Lage der Fokalebene vermessen, wobei die Blende als Ganzes, d.h. das mehrschichtige Substrat, dann in dieser Lage positioniert wird. Dazu wird vorzugsweise die Spotgröße bestimmt, also der Strahlquerschnitt des Empfangslichtbündels in zumindest einer Z-Position. Um die Fokalebene zu finden, kann der kleinste Strahlquerschnitt in mehreren Z-Positionen gesucht beziehungsweise interpoliert werden. Das ist aber auch in einem Schritt denkbar, indem die Spotgröße in einer Z-Position bestimmt wird, die sich deutlich vor oder hinter der erwarteten Fokuslage befindet. Aus der dort gemessenen Spotgröße und der erwarteten Spotgröße im Fokus kann dann mittels Strahlensatz der noch notwendige Z-Versatz ermittelt werden.
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Eine weitere denkbare Eigenschaft ist die Geometrie des Strahlquerschnitts, denn Form und Abmessungen der Blendenöffnung könnten auf die Geometrie des Empfangslichtbündels bei der kleinsten Einschnürung in der Fokalebene abgestimmt werden. Praktisch ändert sich dies aber aufgrund von Toleranzen nur wenig, so dass Form und Abmessungen der Blendenöffnung theoretisch und für alle Sensoren gleich aus dem Optikdesign festgelegt werden können.
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Das Empfangslichtbündel wird vorzugsweise mit einer Kamera vermessen. Damit können die erforderlichen Eigenschaften relativ leicht erfasst und zuverlässig bestimmt werden. Da nur eine Kamera benötigt wird, um nacheinander eine Vielzahl von Sensoren herzustellen, spielen die Kosten sogar für eine hochwertige Kamera und Bildauswertung eine nur untergeordnete Rolle.
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Zum Vermessen wird bevorzugt eine Projektionsfläche, insbesondere eine Mattscheibe, an einer möglichen Position der individuellen Blende angeordnet. Dadurch wird ein Empfangslichtfleck in einer Ebene erzeugt, der dann beispielsweise mit einer Kamera erfasst wird. Die mögliche Position der individuellen Blendenöffnung kann ungefähr einer ohne Toleranzen erwarteten Fokalebene entsprechen, aber auch gezielt in Abstand dazu gewählt werden. Es geht hier nicht darum, die tatsächliche spätere Blendenposition zu treffen, sondern lediglich eine Position, in der sich die erforderlichen Eigenschaften ableiten lassen. Es ist auch denkbar, die Projektionsfläche in Z-Richtung zu bewegen, um mehr oder bessere Informationen zu gewinnen.
Die individuelle Blendenöffnung wird bevorzugt in einer Fertigungslinie des Sensors hergestellt. Damit wird die Herstellung einer individuellen Blende ein integraler Schritt innerhalb der üblichen Fertigung. Es müssen keine Teile bezogen werden, und es ist kein besonderer Prozessaufwand für die Beschaffung und Zuführung der individuellen Blenden erforderlich.
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Der Sensor weist bevorzugt einen Lichtsender zum Aussenden von Sendelicht auf. Der Lichtsender kann mit dem Lichtempfänger eine koaxiale oder biaxiale Anordnung bilden. Der Lichtsender, beispielsweise ein Laser, erzeugt Sendelicht in einem bestimmten Wellenlängenbereich, und nach Remission an den Objekten wird entsprechendes remittiertes Sendelicht oder Empfangslicht in Überlagerung mit verbleibendem Fremdlicht von dem Lichtempfänger in das Empfangssignal gewandelt.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, aus einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden des Sendelichts und Empfangen des Empfangslichts mit dem remittierten Sendelicht einen Abstand der Objekte zu bestimmen. Der Sensor wird dadurch entfernungsmessend. Alternativ wird lediglich die Anwesenheit eines Objekts festgestellt und beispielsweise als Schaltsignal ausgegeben.
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Der Sensor weist bevorzugt einen Lichtsender zum Aussenden mehrerer voneinander separierter Lichtstrahlen auf, wobei der Lichtempfänger zum Erzeugen jeweiliger Empfangssignale aus den von einem Objekt remittierten Lichtstrahlen ausgebildet ist. Der Sensor wird damit zu einem mehrstrahligen Sensor oder Mehrfachtaster, der mehrere Messpunkte antastet. In bevorzugter Weiterbildung als Laserscanner entsteht ein Mehrebenenscanner. Die mehreren Messstrahlen teilen sich vorzugsweise dieselbe Empfangsoptik. Bevorzugt weist die Blende eine Blendenöffnung je Lichtstrahl auf. Dabei können mehrere oder alle Blendenöffnungen auf einem gemeinsamen mehrschichtigen Substrat aufgebracht sein, oder es werden mehrere mehrschichtige Substrate eingesetzt. Der erfindungsgemäße Aufbau der Blende ermöglicht auch für eine Vielzahl von Blendenöffnungen eine spezifische Positionierung angepasst an die einzelnen Lichtstrahlen, ohne dass damit aufwändige Justagearbeiten je Lichtstrahl einhergehen.
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Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt eine einseitige oder beidseitige Absorptionsschicht auf. Dabei wird im Falle einer beidseitigen Absorptionsschicht vorzugsweise die Blendenöffnung vorzugsweise durch beide Schichten angebracht.
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Die Absorptionsschicht weist bevorzugt einen metallischen Anteil, insbesondere Schwarztitan oder Schwarzchrom, einen Sprühlack und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen auf. Strukturierte Kohlenstoffnanoröhrchen sind beispielsweise als VANTA bekannt. Sie weisen eine besonders starke Absorption auf. Als eine Art Zwischenform zwischen einer aufgedampften Absorptionsschicht und Kohlenstoffnanoröhrchen sind strukturierte anorganische Schichten wie Acktar MetalVelvet denkbar.
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Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt ein Glassubstrat auf. Glas eignet sich sehr gut als Träger der mehrschichtigen Blende.
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Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt einseitig oder beidseitig eine Antireflexschicht auf dem Glassubtrat auf. Damit wird Streulicht unterdrückt. Dies betrifft vor allem die freigelegten Stellen der Blendenöffnungen, da die verbleibende Absorptionsschicht ohnehin sehr reflexarm ist. Die Antireflexschicht kann mit einer Zwischenschicht auf dem Glassubstrat aufgebracht sein.
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Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt eine dünne metallische Trägerfolie auf. Eine solche dünne Folie, beispielsweise eine Alufolie, stellt eine Alternative zu einem Glassubstrat dar. Dabei sind keine Antireflexbeschichtungen notwendig, da die absorptiv beschichtete Trägerfolie jedenfalls im Vergleich zu unbeschichtetem Glas kaum Reflexe erzeugt. An den Stellen der Blendenlöcher wird vorzugsweise durch Laserablation die Trägerfolie mitsamt der Absorptionsschicht entfernt.
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Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt eine auf einen Wellenlängenbereich eines eigenen Lichtsenders abgestimmte optische Filterschicht auf. Die Filterschicht kann insbesondere auf ein Glassubstrat aufgedampft werden. Mit einer solchen Filterschicht, insbesondere einem Bandpassfilter, kann Fremdlicht außerhalb des Spektrums des Nutzlichts zusätzlich ausgeblendet werden. Denn die Blende sorgt zwar dafür, dass seitliches Fremdlicht unterdrückt wird. Im Kernbereich des Empfangslichtbündels, das die Blendenöffnung passiert, überlagert sich aber zwangsläufig auch Fremdlicht, das von der Blende nicht beeinflusst wird. Hier verbessert eine Selektion nach Wellenlänge das Signal-Rausch-Verhältnis weiter.
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Das mehrschichtige Substrat weist bevorzugt in dieser Reihenfolge eine Absorptionsschicht mit der Blendenöffnung, eine Antireflexschicht, ein Glassubstrat, eine Filterschicht und eine weitere Antireflexschicht auf. Das ist ein Ausführungsbeispiel für eine besonders vorteilhafte Schichtenfolge. Die Reihenfolge ist vorzugsweise vom Lichtempfänger ausgehend betrachtet. Auf der Gegenseite bei der Empfangsoptik könnte noch eine zweite Absorptionsschicht folgen.
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Der Sensor ist bevorzugt als Laserscanner ausgebildet und weist eine bewegliche Ablenkeinheit auf, mit deren Hilfe Sendelicht eines Lichtsenders periodisch durch den Überwachungsbereich geführt wird. Der Laserscanner tastet mit der Bewegung der beweglichen Ablenkeinheit eine Ebene, bei einer Ausführungsform als mehrstrahliges System mehrere Ebenen des Überwachungsbereichs ab. Mit dem Sendelicht tastet der Laserscanner im Verlauf der Bewegung der beweglichen Ablenkeinheit den Überwachungsbereich in einer, bei mehreren Sendelichtstrahlen in mehreren Ebenen ab. Die Ablenkeinheit ist vorzugsweise in Form einer drehbaren Abtasteinheit ausgebildet, die praktisch einen beweglichen Messkopf bildet, in dem Lichtsender und/oder Lichtempfänger und vorzugsweise auch zumindest Teile der Steuer- und Auswertungseinheit untergebracht sind.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Sensors;
- 2 eine Schnittansicht eines mehrschichtigen Substrats für eine Blende des Sensors;
- 3 eine Schnittansicht des mehrschichtigen Substrats gemäß 2 nun mit Blendenöffnung;
- 4 eine Darstellung eines beispielhaften Strahlenverlaufs eines Empfangslichtbündels durch die Blende gemäß 3 auf einen Lichtempfänger;
- 5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines mehrschichtigen Substrats für eine Blende; und
- 6 eine schematische Schnittdarstellung eines optoelektronischen Sensors in einer Ausführungsform als Laserscanner.
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1 zeigt eine Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors 10, der hier beispielhaft als Lichttaster ausgebildet ist. Der Sensor 10 weist einen Lichtsender 12 auf, beispielsweise eine Laserdiode, deren Sendelicht 14 in einer Sendeoptik 16 kollimiert und dann in einen Überwachungsbereich 18 ausgesandt wird. Das an Objekten in dem Überwachungsbereich 18 remittierte Licht wird als Empfangslicht 20 mit einer Empfangsoptik 22 durch eine Blende 24 auf einen Lichtempfänger 26 geleitet. Der Lichtempfänger 26 weist eine Vielzahl von Lichtempfangselementen oder Pixeln in Form von Lawinenphotodioden auf, die zur hochempfindlichen Erfassung von Empfangslicht 20 im Geiger-Modus betrieben werden.
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Weiterhin ist eine Steuer- und Auswertungseinheit 28 vorgesehen, die mit dem Lichtsender 12 und dem Lichtempfänger 26 verbunden ist. Die Steuer- und Auswertungseinheit 28 erfasst anhand des Empfangssignals des Lichtempfängers 26 Objekte in dem Überwachungsbereich 18. Dabei wird in einer Ausführungsform des Sensors 10 als entfernungsmessender Lichttaster durch Aussenden von Lichtpulsen und Bestimmen der Lichtlaufzeit bis zu deren Empfang auch der Abstand der erfassten Objekte gemessen. Über eine Schnittstelle 30 kann die Steuer- und Auswertungseinheit 28 verarbeitete oder rohe Sensormessdaten ausgeben beziehungsweise umgekehrt Steuer- und Parametrieranweisungen entgegennehmen.
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Die anhand der 1 beschriebene Ausführungsform des Sensors 10 ist nur beispielhaft zu verstehen. Es kann eine große Familie von optoelektronischen Sensoren erfindungsgemäß hergestellt werden, beispielsweise Lichtschranken oder Lichtgitter, Entfernungstaster oder Laserscanner. Diese Sensoren 10 können in ihrem Aufbau erheblich von 1 abweichen, beispielsweise Sende- und Empfangskanal über einen gemeinsamen Teilerspiegel führen oder passiv arbeiten und damit gänzlich auf einen Sendekanal verzichten. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform als mehrstrahliger Laserscanner wird abschließend unter Bezugnahme auf die 6 vorgestellt.
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2 zeigt einen Rohling der Blende 24 in Form eines Schichtsystems oder mehrschichtigen Substrats. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind in dieser Reihenfolge, aus Sicht des Lichtempfängers 26, eine Absorber- oder Absorptionsschicht 32, eine erste Antireflexschicht 34, ein Glassubstrat 36, eine Filterschicht 38 und eine zweite Antireflexschicht 40 vorgesehen. In anderen Ausführungsformen kann die Abfolge variieren, und einige der Schichten können weggelassen werden, oder umgekehrt werden Schichten hinzugefügt, etwa eine zweite Absorptionsschicht auf der dem Lichtempfänger 26 abgewandten Seite.
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Die Absorptionsschicht 32, die das eigentliche Blendenmaterial aufweist, besitzt einen hohen Absorptionsgrad über einen breiten Wellenlängenbereich, und der hemisphärische Reflexionsgrad ist minimal. Das Absorbermaterial der Absorptionsschicht 32 kann über ein Schichtsystem mit metallischem Anteil aufgebracht sein, beispielsweise Schwarztitan oder Schwarzchrom. Möglich sind auch Sprühlacke. Bei besonders hohen Güteansprüchen kann ein strukturiertes Material auf Kohlenstoffbasis verwendet werden, beispielsweise strukturierte Kohlenstoffnanoröhren, die einen sehr hohen Absorptionsgrad besitzen und nicht glänzen. Alternativ können strukturierte anorganische Beschichtungen eingesetzt werden, die sich technisch zwischen den beiden zuvor genannten Materialien einordnen lassen, etwa Acktar MetalVelvet. Das Absorbermaterial wird vorzugsweise möglichst dünn und homogen aufgetragen, so dass es durch Abrasion oder Ablation möglichst homogen und restfrei abgetragen werden kann.
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Das Glassubstrat 36 weist eine beidseitige Antireflex-Beschichtung auf, um im Bereich der späteren Blendenöffnungen möglichst viel Licht in der Wellenlänge des Nutzlichts zu transmittieren, und zwar vorzugsweise über einen breiten Einfallswinkelbereich. Alternativ zu zwei Antireflexschichten 34, 40 wäre auch nur eine einseitige Antireflex-Beschichtung denkbar, wodurch sich aber die Eigenschaften zumindest ein wenig verschlechtern. Die optionale Filterschicht 38 ist vorzugsweise als Bandpassfilter ausgestaltet, der beispielsweise über mehrere Beschichtungen aufgebracht wird. Damit wird Fremdlicht außerhalb des Nutzwellenlängenbereichs unterdrückt.
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3 zeigt die Blende 24 gemäß 2, nachdem nun eine Blendenöffnung 42 durch gezielten lokalen Abtrag des Materials der Absorptionsschicht 32 vorgenommen wurde. Dafür wird vorzugsweise ein Laser verwendet, noch bevorzugter durch Einstrukturieren in einem Ablationsprozess insbesondere mit einem Ultrakurzpulslaser, also einem Pico- oder Femtosekundenlaser. Damit können Blendenöffnungen 42 präzise an beliebigen Positionen erzeugt werden. Der Prozess kann zweistufig sein, indem zuerst Referenzlöcher zur optischen Justage eingebracht und dann nach der optischen Justage die Blendenöffnungen 42 abladiert werden. Die Referenzlöcher können unter Umständen schon bei Lieferung des Rohlings gemäß 2 vorgesehen sein.
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Das mehrschichtige Substrat der Blende 24 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass nach der Bearbeitung, also dem Einbringen von Blendenöffnungen 42, das Glassubstrat 36 auch im Bereich der Blendenöffnungen 42 noch die Antireflexschicht 34 aufweist. Das wäre beispielsweise dann nicht möglich, wenn die Antireflexschicht 34 außen vorgesehen wäre, da sie dann mit abgetragen würde.
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4 ist eine Schnittdarstellung des Strahlengangs des Empfangslichts 20 im Bereich der Blende 24 und des Lichtempfängers 26, um die Funktion im Gesamtsystem zu veranschaulichen. Die Blende 24 beziehungsweise deren Blendenöffnung 42 ist in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik 22 so beabstandet, dass das Empfangslicht 20 gerade im Fokus oder dem Punkt kleinster Einschnürung durch die Blendenöffnung 42 tritt. Die Blendenöffnung 42 liegt also in der Fokalebene der Empfangsoptik 22, wobei eine Strahlablenkung durch die vorgelagerten Schichten der Blende 24 berücksichtigt sein kann. Die Fokusbedingung gilt vorzugsweise für Empfangslicht 20 aus dem Unendlichen. Fremdlicht seitlich des von dem Empfangslicht 20 gebildeten Strahlenbündels wird durch die Blende 24 von dem Lichtempfänger 26 abgeschirmt.
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Für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis sollte die Blendenöffnung 42 nur gerade so groß sein wie der Querschnitt des Empfangslichts 20 am Punkt kleinster Einschnürung, zugleich aber exakt lateral und nach Möglichkeit auch längs der optischen Achse positioniert, damit kein Nutzlicht verloren geht. Das ist durch sehr gezieltes Einbringen der Blendenöffnung 42 erreichbar. Vorzugsweise werden dabei die Eigenschaften der Empfangsoptik 22 berücksichtigt, und zwar nochmals bevorzugt genau derjenigen Empfangsoptik 20, die in diesem individuellen Sensor 10 verbaut ist beziehungsweise wird. Dafür wird beispielsweise das Strahlenbündel des Empfangslichts 20 vermessen, oder es wird sogar die Empfangsoptik 22 selbst in bereits verbautem Zustand verwendet, um die Blendenöffnung 42 mittels Laser zu erzeugen.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mehrschichtigen Substrats für eine Blende 24. Hier ist statt des Glassubstrats 36 eine sehr dünne Folie 44, beispielsweise eine Aluminiumfolie oder ein ähnlich dünner Trägermaterial von beispielsweise 10 µm Dicke verwendet. Diese ist beidseitig mit einer Absorptionsschicht 32, 46 versehen, wobei auch eine nur einseitige Beschichtung denkbar ist. Die beidseitige Beschichtung hat aber den Vorteil, dass keine Vorkehrungen für die Unterdrückung von Rückreflexen getroffen werden müssen, die Antireflexschichten 34, 40 also verzichtbar werden, da kein Glas als Trägermaterial fungiert. Allerdings kann auch keine Filterschicht 38 aufgedampft werden. Die für die Absorptionsschichten 32, 46 möglichen Materialien entsprechen denjenigen, die zu der Ausführungsform gemäß 2 vorgestellt wurden. Die Blendenöffnung 42 wird nun vorzugsweise in beiden Absorptionsschichten 32, 46 erzeugt, auf eine entsprechende Darstellung wurde aber verzichtet.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen optoelektronischen Sensor 10 in einer zu 1 alternativen Ausführungsform als Laserscanner. Der Sensor 10 umfasst in dieser Ausführungsform in grober Aufteilung eine bewegliche Abtasteinheit 48 und eine Sockeleinheit 50. Die Abtasteinheit 48 ist der optische Messkopf, während in der Sockeleinheit 50 weitere Elemente wie eine Versorgung, Auswertungselektronik, Anschlüsse und dergleichen untergebracht sind. Im Betrieb wird mit Hilfe eines Antriebs 52 der Sockeleinheit 50 die Abtasteinheit 48 in eine Drehbewegung um eine Drehachse 54 versetzt, um so einen Überwachungsbereich 18 periodisch abzutasten.
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In der Abtasteinheit 48 ist gleichsam ein mitdrehender optoelektronischer Taster ähnlich demjenigen der 1 untergebracht. Allerdings ist dieser Taster nun beispielhaft mehrstrahlig ausgeführt. Alternativ wäre ein Laserscanner mit nur einem Strahl oder umgekehrt ein stationärer mehrstrahliger Taster denkbar. Der Lichtsender 12 erzeugt also mit mehreren Lichtquellen 12a, hier rein beispielhaft vier Lichtquellen 12a, als Sendelicht 14 mehrere Lichtstrahlen. Dementsprechend kehren als Empfangslicht 20 mehrere remittierte Lichtstrahlen zu dem Sensor 10 zurück. Die SPADs 26a des Lichtempfängers 26 erzeugen einzeln oder gruppenweise jeweils ein Empfangssignal für jeden remittierten Lichtstrahl. Dementsprechend ist eine Blende 24 mit mehreren Blendenöffnungen 42 für die verschiedenen Lichtstrahlen vorgesehen. Die Blendenöffnungen 24 können erfindungsgemäß sehr einfach und präzise platziert werden.
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Lichtsender 12 und Lichtempfänger 26 sind in der in 6 gezeigten Ausführungsform gemeinsam auf einer Leiterkarte 56 angeordnet, die auf der Drehachse 54 liegt und mit der Welle 58 des Antriebs 52 verbunden ist. Dies ist nur beispielhaft zu verstehen, es sind praktisch beliebige Anzahlen und Anordnungen von Leiterkarten denkbar. Eine berührungslose Versorgungs- und Datenschnittstelle 60 verbindet die bewegliche Abtasteinheit 48 mit der ruhenden Sockeleinheit 50. Dort befindet sich die Steuer- und Auswertungseinheit 28, die zumindest teilweise auch auf der Leiterkarte 56 oder an anderem Ort in der Abtasteinheit 48 untergebracht sein kann. Zusätzlich zu den bereits zu 1 erläuterten Funktionen wird davon auch der Antrieb 52 gesteuert und ein Signal einer nicht gezeigten, von Laserscannern allgemein bekannten Winkelmesseinheit ausgewertet, welche die jeweilige Winkelstellung der Abtasteinheit 48 bestimmt. Aus den mittels Lichtlaufzeitverfahren gemessenen Distanzen zu einem angetasteten Objekt und der zugehörigen Winkelstellung stehen nach jeder Scanperiode zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in einer Abtastebene zur Verfügung. Die jeweilige Abtastebene ist über die Identität des jeweiligen Lichtstrahls, so dass insgesamt ein dreidimensionaler Raumbereich durch mehrere Ebenen abgetastet wird. Genaugenommen wird nur für einen zentralen Lichtstrahl mit Elevationswinkel 0° eine Ebene abgetastet, ansonsten sind es Kegelmantelflächen, die aber vereinfacht auch als Abtastebenen aufgefasst werden können.
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Der dargestellte Sensor 10 ist ein Laserscanner mit rotierendem Messkopf, nämlich der Abtasteinheit 48. Dabei kann nicht nur ein einzelnes Sende-Empfangsmodul mitrotieren wie hier dargestellt, es sind weitere derartige Module mit Höhenversatz oder einem Winkelversatz bezüglich der Drehachse 54 vorstellbar. Alternativ ist auch eine periodische Ablenkung mittels Drehspiegel oder einem Facettenspiegelrad denkbar. Bei mehreren Lichtstrahlen ist dabei zu beachten, dass es von der jeweiligen Drehstellung abhängt, wie die mehreren Lichtstrahlen in den Überwachungsbereich 18 fallen, denn deren Anordnung rotiert durch den Drehspiegel, wie bekannte geometrische Überlegungen ergeben. Eine weitere alternative Ausführungsform schwenkt die Abtasteinheit 48 hin und her, entweder anstelle der Drehbewegung oder zusätzlich um eine zweite Achse senkrecht zur Drehbewegung, um auch in Elevation eine Abtastbewegung zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19757849 B4 [0004]
- DE 102014102420 A1 [0008]
- EP 3432023 B1 [0012]
- US 7372880 B2 [0014]
