专利名称：用于感测目标的光电传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电传感器的领域。
背景技术：
光电传感器在没有物理接触的情况下使用光来感测目标，并且用在广泛多样的应用和环境中，比如用于顺序地检测目标在传送带上存在与否，或者用于检测目标的尺寸、形 状、反射率或颜色方面的变化。各种类型的光电传感器都是可得的，比如发射束传感器、回 射传感器和散射传感器。这些传感器中的每一种都包括诸如发光二极管(LED)或激光器之 类的光源和诸如光电二极管或光电晶体管之类的用于检测光的光电检测器，并且还可以包 括一个或多个透镜，以便聚焦或收缩光源所发射的光束，并且/或者聚焦或收缩所接收的 光，用于通过光电检测器进行有效检测。这些传感器通常还包括与光电检测器通信的电路， 该电路用于产生指示感测目标特性的电压或电流信号，比如产生高和低电压或电流状态， 用于分别指示目标在特定地点存在与否。发射束光电传感器布置成使得光源位于要被感测的目标的路径的一侧，并且光电 检测器位于路径的另一侧。使来自光源的光束指向光电检测器，并且当目标阻挡这个光束 被光电检测器接收时，作为结果的检测到的光量变化导致产生输出信号，该输出信号指示 了目标的存在。至于回射和散射类型的传感器，这些传感器类型两者都将光源和光电检测 器组合在单个壳体中。回射传感器使用位于要被感测的目标的路径相对侧的反射器，并且 在存在阻挡光束的目标的情况下，反射器将来自光源的这个光束反射回光电检测器。散射 传感器通过以下来工作使用目标自身将来自光源的光束反射回光电检测器，使得例如与 不存在目标时相比，当存在目标时有更多光被接收和检测到。散射传感器很好地适用于具 有空间需求的应用，所述空间需求限制了反射器在光电检测器对面定位。成功的感测要求目标的位置、尺寸、形状、颜色或反射率方面的变化造成光电检测 器所检测的光量的足够可测量的变化。使用裕量(margin)或过量增益的概念可以量化光 电传感器的性能。裕量是由光电检测器所检测到的来自光源的光量与切换传感器的输出信 号(比如从指示目标不存在的电平切换到指示目标存在的电平)所需的最小光能级相比较 的度量。当没有光源所发射的光可以由光电检测器检测到时，发生零裕量。当仅有足够的 光被检测到以使传感器的输出信号改变状态(例如从指示目标不存在的低电平切换到指 示目标存在的高电平)时，裕量为一。当光电检测器检测到切换传感器的输出信号所需的 最小光能级的20倍光量时，裕量为二十(通常表达为20X)。换言之，裕量越高，光电传感器 越有能力感测该距离处的目标。相对于反射表面的反射率来测量和表达裕量，例如相对于具有以90%反射来额定 的反射表面的白纸来测量和表达裕量，与18%反射的纸表面相比，所述白纸会反射更多光 并因此允许更大的裕量。裕量值对应于要被感测的目标和传感器的接收透镜前面之间的特 定距离，并且通常为光电传感器提供典型的响应曲线，该响应曲线表明典型的裕量将会取 决于感测距离。针对散射类型传感器的感测距离被定义为从传感器的接收透镜前面至指定目标的距离。光电传感器通常依据它们的最大和最小感测距离来表征。通常存在“盲区”，在“盲 区”中目标距离传感器太近而不能被感测到，因为从目标反射的光没有被光电检测器接收 至IJ。这在散射传感器的情况下发生，因为光源和光电检测器被组合在同一壳体之内，使得发 射的光和从要被检测的目标反射的并且由传感器接收的光每个沿着不同的路径行进，并且 反射的光相对于发射的光成角度地进入传感器。目标距离传感器越近，反射的光的角度越 大。在某个点处，路径之间的角度变得如此之大，以至于没有光能够被光电检测器接收到。在目标检测的情况下，为了获得光电检测器从反射(或阻挡)光源所发射的光的 目标接收到的光量的足够可测量的变化，可能有必要增加发射的光的强度，以增加光电检 测器的灵敏度，和/或增加位于光电检测器前面的接收透镜的直径。这些修改允许更多的 光被光电检测器检测到并导致增加的裕量。这些修改的缺点在于，背景(非目标)目标更有可能将光反射回光电检测器，导致 对应于要被感测的目标的不准确测量。另外，增加接收透镜的尺寸会有效增加目标最小感 测距离，从而限制光电传感器感测位于光电传感器附近的目标的能力。特别地，对于位置非 常接近于散射类型的光电传感器的目标而言，接收的反射光相对于发射的光处在如此大的 角度，以至于无法被光电检测器接收或感测到。进一步，接收透镜的尺寸受到光电传感器自 身尺寸的限制。
发明内容
本发明人已认识到与传统光电传感器相关联的前述缺点，并且已进一步认识到通 过使用折射块将反射的光从目标折射到光电检测器表面，改进的光电传感器可以克服这些 缺点中的一个或多个缺点。在至少一个实施例中，这样的改进光电传感器可以通过使用以 下部件来操作发射部，用于将光发射到目标；接收部，用于通过接收透镜接收反射光，该 反射光是由目标反射的发射光中的至少一些；以及折射块，其具有块第一表面和块第二表 面，其中，从接收透镜接收的反射光在穿过折射块时被块表面中的至少一个折射。传感器还 包括光电检测器，用于接收由折射块折射的反射光，并且提供检测信号，该检测信号指示由 光电检测器接收到的反射光。在至少一些实施例中，本发明涉及一种用于感测目标的方法，该方法包括从位于 发射部中的光源朝向目标发射光；以及通过接收透镜接收反射光，该反射光是由目标反射 的发射光中的至少一些。该方法进一步包括在折射块处接收来自接收透镜的反射光，所述 折射块包括块第一表面和块第二表面；以及使用块表面中的至少一个来折射反射光。该方 法另外包括在光电检测器表面处接收来自块第二表面的反射光；以及生成信号，该信号 指示在光电检测器表面处接收到的反射光。当充分阅读随后的详细说明书和权利要求书时，将会理解并意识到本发明的其它 实施例、方面、特征、目的和优点。
参考附图来公开本发明的实施例，并且本发明的实施例仅仅是为了示意性的目的。本发明在其应用方面并非限于附图中图示的部件的构造或布置的细节。本发明能够有其它实施例，或者能够以各种其它方式来实施或执行。相同的标号用于指示相同的部件。在附图中图IA是示例性光电传感器的前透视图；图IB是图IA的光电传感器的后透视图；图IC是当还包括母体(parent)电路板时图IA的光电传感器的前透视图；图ID是描绘了各种额外部件的图IA的光电传感器的分解前透视图；图IE是图ID的光电传感器的后透视图；图2是图IA的光电传感器的横截面侧视图；图3A是图2所示的折射块的前透视图；图3B是图2所示的折射块的后透视图；图4A是图IA的光电传感器的横截面侧视图，并且描绘了响应于短程目标的光；图4B是被修改以便不包括折射块的图IA的光电传感器的横截面侧视图，并且描 绘了响应于短程目标的光；图4C是图2的光电传感器的横截面侧视图，其描绘了响应于远程目标的光；图4D是被修改以便不包括折射块的图4C的传感器的横截面侧视图，并且描绘了 响应于远程目标的光；图5A是图IA的光电传感器的分解前透视图；图5B是图IA的光电传感器的分解后透视图；图6A是传感器的裕量值相对于目标感测距离的曲线图；图6B是从图6A的曲线图中得到的值的表；以及图6C是现有技术传感器的裕量值相对于目标感测距离的曲线图。
具体实施例方式以下描述处在用于感测目标存在的示例性散射型光电传感器的环境下，尽管用于 感测目标的各种其它特性的其它类型的传感器也预期处在本发明的范围之内。图IA和IB分别示出了示例性光电传感器2的前后透视图。图2示出了相对于示 例性目标20操作的图IA的传感器2的横截面图，该示例性目标20可以是任何对象或结构， 它的存在与否是所关心的。为了图示简化起见，传感器2和目标20之间的空间的一部分被 切去，并且只有在传感器2之内和在传感器2与目标20之间传送的光的部分被示出。作为一般的概述，光电传感器2配置成朝向预定位置发射光。当目标20存在于 预定位置时，指向目标的发射光被反射，并且作为发射光的至少一部分的反射光由传感器2 接收。传感器2包括折射块25以折射接收到的将要由光电检测器27测量的反射光，以便 允许传感器2以高裕量感测近处的目标和远处的目标两者。参考图1A-1C，传感器2包括壳体4，该壳体4具有前端6和后端8。壳体4可以 形成为模制塑料复合物，形成为单块或多块。进一步，图IC描绘了图IA的传感器2，其进 一步包括位于壳体4后端8的母体电路板9，用于支撑形成具有光电检测器27的电路的部 件，所述电路生成指示目标20是否存在的信号。就图ID和IE而论，尽管未在图1A-1C中示出，传感器2还包括其它部件如套管 17、端塞19、连接器21和遥控调节器23。这些部件对于描述传感器2的操作而言不是必要的，并且为了简化起见，不再进一步示出或描述。参考图2，传感器2包括彼此相邻布置的发射部10和接收部12。发射部10包括 诸如发光二极管(LED)或激光器之类的用于发射光的光源14。光源14位于壳体4的后端 8附近。发射部10还可以包括位于壳体前端6附近的发射透镜16。发射透镜16折射从光源14发射的光，导致发射的光18指向目标20。目标20将发射的光18的至少一部分反射 回到传感器2作为反射光22，该反射光22被传感器2的接收部12接收。进一步如示出的那样，接收部12包括接收透镜24和折射块25，它们使反射光22 指向光电检测器27的表面26。另外，壳体孔径29形成在壳体中，并且位于折射块25和光电 检测器表面26之间。壳体孔径29为指向光电检测器表面26的反射光22提供受控进入点。 壳体孔径29可以改变尺寸以适应具体的应用。光电检测器27另外安装到子体(daughter) 印刷电路板28，并且子体印刷电路板28安装到母体电路板9，如图IC所示，以形成光电检 测器电路31。光电检测器电路31配置成提供指示目标20的感测特性的信号。例如，如果 多于预定量的光被光电检测器27接收到，则目标20的存在与否可以通过高或低电流或电 压来指示。仍然参考图2，接收透镜24具有前表面30和后表面32。前后表面30、32在反射 光22进入并穿过接收透镜24时对其进行折射和聚焦。在至少一些实施例中，前表面30是 平面的，因此当反射光22以非垂直的角度接触前表面30时，前表面30折射反射光22。尽 管在其它实施例中，前表面30可以是非平面的，比如为凸面。反射光22从前表面30指向 后表面32。在至少一些实施例中，后表面32是凸面的，从而在反射光22朝向光电检测器表 面26穿过后表面32时对其进行聚焦。折射块25位于接收部12中，处在接收透镜24和光电检测器表面26之间，如图2 所示。折射块25包括块第一表面34和块第二表面36 (还可参见图3A和3B)，其中每个表 面34、36可以折射反射光22。块第一表面34被定位成接收从接收透镜24的后表面32发 出的反射光22。在至少一个实施例中，块第一表面34和前表面30两者都基本上是平面的 并且平行于光电检测器表面26。块第二表面36相对于块第一表面34以角度β定位。折 射块25可以由诸如光学丙烯酸材料或聚碳酸酯材料之类的用于透射和折射光的折射材料 形成。仍然参考图2，反射光22以入射角α进入接收透镜24的前表面30。因为发射部 10和接收部12非同轴，并且假定如示出的那样，在目标20上入射的发射光18从发射部10 垂直地发射，所以反射光22会具有大于零的角度α。在没有折射块25的情况下，接收透镜 24单独确定传感器的使反射光22指向光电检测器表面26的能力。因为接收透镜24仅具 有一个表面用于折射和一个表面用于聚焦反射光22，所以传感器2会具有非常有限的能力 来感测以较大的角度α接收的反射光22，这在目标20处于传感器2附近时发生。在这种 情况下，从附近的目标20反射离开的反射光22不会指向光电检测器表面26，因此不会被检 测到。进一步，如果角度α大，使得只有最小量的反射光22 (或者没有反射光)能够到达 光电检测器表面26，则传感器2的裕量值在该特定目标距离处会不希望有地低。如果传感 器的灵敏度固定，则传感器的裕量曲线值很大程度取决于接收到的光的强度，光电检测器 表面处较少的光转化为较低的裕量值。转向图4Α，更加具体地示出了折射块24在传感器之内引导反射光22时的操作。具体地，在目标20处在大约30毫米(mm)的近目标距离的情况下(这导致大的角度α)，反 射光22在接收透镜24的前表面30处被折射，并且在后表面32处被接收。反射光22然后 由后表面32聚焦，并且前进到块第一表面34。块第一表面34基本上朝向块第二表面36对 光22进行折射，光22进一步由块第二表面36折射并指向光电检测器表面26。这样一来， 在接收透镜24处接收到的光22就由折射块25重新指向光电检测器表面26。与没有折射块的情况相比，折射块25的存在显著改变了传感器2的性能。图4Β 具体地描绘了在没有折射块25的情况下的传感器2，同样是目标20处在与传感器2相距 30mm的距离处。如上面讨论的那样，当目标20离传感器2太近时，角度α变大，并且更少 的反射光22到达光电检测器表面26。这样一来，折射块25的存在就允许传感器2在目标 20否则可能无法检测时来检测目标20。转向图4C，在检测相对遥远的目标时，折射块25的存在阻碍了传感器2的性能。 图4C示出了当目标20与传感器2相距130mm时来自目标20的反射光22由接收透镜24 所接收。接收透镜24和目标20之间的距离越大，角度α变得越小。一般而言，随着角度 α变得更小，更少的反射光22被接收透镜24和折射块25指向光电检测器表面26。尽管折射块25对于大范围的角度α值而言使反射光22指向光电检测器表面26， 但是当角度α变得太小时，会达到这样的点，在该点处，光22没有穿过壳体孔径29并因此 被阻止到达光电检测器表面26。在这点上，壳体孔径29可以充当用于期望目标距离的预定 义截止。通过在特定的距离处防止光22到达光电检测器表面26，可以增加光电检测器灵敏 度以获得更高的裕量值。与此形成对照，在图4D中，当折射块25未被包括时，只有一小部分的反射光22在 光电检测器表面26处被接收。因为反射光22的部分小，所以裕量值也小。如果接收到的光 的部分变得太小，则光电检测器26可能无法接收到足够的光来检测目标，从而产生盲点。 进一步，不能增加传感器2的灵敏度以消除盲点，因为这会增加最大目标感测范围，而这是 不希望有的。尽管已在图4Α和4C中讨论并描绘了 30mm至130mm的目标感测范围，但是也可以 适应其它感测距离的范围。取决于特定应用以及目标距离和相对于传感器的位置，折射块 25可以配置成补偿进入接收透镜24的反射光22的各种角度。进一步，折射块25可以沿着 接收部12的长度位于不同的点处(例如位于接收透镜24和光电检测器表面26之间的不 同点处)，以进一步适应特定目标距离。另外，可以取决于目标位置、光源强度以及光电检测 器电路31的灵敏度设置来改变角度β (参见图2)。例如，在一个实施例中，为了感测与接 收透镜24相距不大于大约135mm的目标，角度β为大约30度至大约35度。在另一个实 施例中，角度β可以在大约5度至大约85度之间。参考图5Α和5Β，描绘了传感器2的分解透视图。折射块25被示出为离散的块，其 可插入到壳体4中。离散的折射块25可以被成形以适应各种现有的传感器壳体，并因此可 以提供相关的好处而不需要重新装备现有的壳体。在其它一些实施例中，折射块25可以至 少部分地与壳体4形成整体。进一步参考图5Α和5Β，在至少 一些实施例中提供了电磁干扰(EMI)屏蔽40。因 为光电检测器27易受EMI影响，所以提供EMI屏蔽40以至少部分地阻挡EMI干扰光电检 测器27。屏蔽40可以包括金属如铜，或者它可以是至少部分地不让EMI透过的别的材料。屏蔽40基本上位于光电检测器27和壳体4之间。屏蔽40包括屏蔽孔径42，该屏蔽孔径 42基本上与壳体孔径29对准，以允许光22穿过壳体孔径29到达光电检测器表面26。
如图6A和6B所示，折射块25的使用允许在各种感测距离处增加裕量值。图6A描 绘了针对具有90%反射率的白纸目标以及针对具有18%反射率的纸目标、当目标距离在1 和134mm之间时由传感器2实现的裕量的曲线图。图6B描绘了从图6A的曲线图中获得的 值的图表。如从图6A和6B可以看到的那样，当目标为90%反射并且目标距离处在与接收 透镜24相距大约23mm至大约33mm的范围内时，过量增益至少为500。进一步，当目标20 为90%反射并且目标距离处在与传感器2相距大约Imm至大约70mm的范围内时，过量增益 至少为25，表明传感器2没有显著的盲点。最后，随着目标距离到达大约130mm，裕量值下降 至大约为零。这表明光22不再在光电检测器表面26处被接收，从而建立了感测截止。进 一步，如从图6A和6B中可以看到的那样，折射块25对于传感器2允许极高的裕量值。增 加的裕量值为传感器2提供了感测非常小的目标例如具有小至0. Imm直径的目标的能力。尽管描述了上述例子，本发明旨在包括除了上述例子之外或者代替上述例子的众 多其它实施例和/或应用，并且/或者满足多种其它性能水平或标准。特别地，本发明不打 算仅限于在此包含的实施例和例示，而是包括那些实施例的修改形式，其包括实施例的部 分以及不同实施例的要素的组合，如进入所附权利要求的保护范围之内的情况那样。
权利要求
一种光电传感器，包括发射部，用于朝向目标发射光；接收部，其包括接收透镜，用于通过所述接收透镜接收反射光，该反射光是由所述目标和反射器中之一反射的发射光中的至少一些；折射块，其具有块第一表面和块第二表面，其中，通过所述接收透镜接收的反射光在穿过所述折射块时被所述表面中的至少一个折射；以及光电检测器，用于接收由所述折射块折射的反射光，并且提供检测信号，该检测信号指示由所述光电检测器接收到的反射光。
2.如权利要求1所述的光电传感器，其中所述发射部包括发光二极管(LED)光源，其中 所述发射部包括发射透镜，该发射透镜在从光源发射的光被所述目标接收之前对所述光进 行折射，并且其中所述发射部和所述接收部位于单个壳体内。
3.如权利要求1所述的光电传感器，其中，所述接收透镜具有接收前表面和接收后表 面，并且所述光电检测器具有检测表面，并且所述检测表面基本上平行于所述接收前表面。
4.如权利要求1所述的光电传感器，其中所述块第一表面基本上平行于所述光电检测 器的检测表面，其中所述块第二表面相对于所述块第一表面以大约5度和大约85度之间的 角度定位，其中所述反射光由所述块第一表面和所述块第二表面两者折射，并且其中所述 折射块包括光学丙烯酸材料、聚苯乙烯和聚碳酸酯材料中的至少一种。
5.如权利要求1所述的光电传感器，其中所述光电检测器安装到印刷电路板，并且其 中电磁干扰(EMI)屏蔽位于所述印刷电路板前面，以至少部分地防止EMI到达所述光电检 测器。
6.如权利要求1所述的光电传感器，进一步包括壳体，所述壳体具有位于所述折射块 和所述光电检测器之间的壳体孔径，所述壳体孔径能够限制和/或防止所述反射光的至少 一部分被传送到所述光电检测器。
7.如权利要求1所述的光电传感器，其中所述传感器能够感测来自具有小至大约0.1 毫米直径的目标的反射光，其中所述光电传感器为散射反射类型，其能够感测处在大约1mm 至大约130mm的范围内的距离处的目标，并且其中当所述目标为90%反射并且位于与所述 接收透镜相距大约23mm至大约33mm的范围内的距离时，裕量值至少为500。
8.一种散射类型的光电传感器，包括发射部，用于朝向目标发射光，所述发射部包括发光二极管(LED)光源和发射透镜；接收部，其包括接收透镜，用于通过所述接收透镜接收反射光，该反射光是由所述目标 反射的发射光中的至少一些；折射块，其位于所述接收部中，具有块第一表面和块第二表面，其中，通过所述接收透 镜接收的反射光在穿过所述折射块时被所述块第一表面和所述块第二表面中的至少一个 折射；壳体，用于至少部分地包围所述发射部、所述接收部和所述折射块；光电检测器，用于接收由所述折射块折射的反射光，并且提供检测信号，该检测信号指 示接收到的反射光；壳体孔径，其形成为所述壳体的部分，并且位于所述折射块和所述光电检测器之间；以及电磁干扰(EMI)屏蔽，其基本上位于所述光电检测器和所述壳体之间。
9.如权利要求8所述的光电传感器，其中，所述光电检测器具有检测表面，所述块第 一表面基本上平行于所述检测表面，并且所述块第二表面相对于所述块第一表面成夹角定 位，并且其中，所述反射光在由所述光电检测器接收之前被所述块第一表面和所述块第二表面 两者折射。
10.一种用于感测目标的方法，包括 从位于发射部中的光源朝向目标发射光；通过接收透镜接收反射光，该反射光是由所述目标反射的发射光中的至少一些； 在折射块处接收来自所述接收透镜的反射光，所述折射块包括块第一表面和块第二表使用所述块第一表面和所述块第二表面中的至少一个来折射反射光； 在光电检测器表面处接收来自所述块第二表面的反射光；以及 生成信号，该信号指示在所述光电检测器表面处接收到的反射光。
全文摘要
本发明公开了一种示例性光电传感器，该传感器包括发射部，用于朝向目标发射光；以及接收部，用于通过接收透镜接收反射光，该反射光是由目标反射的发射光中的至少一些。该传感器还包括折射块，其具有块第一表面和块第二表面，其中，从接收透镜接收的反射光在穿过折射块时被块第一表面和块第二表面中的至少一个折射。该传感器还包括光电检测器，用于接收由折射块折射的反射光，并且提供检测信号，该检测信号指示接收到的反射光。
文档编号G01J3/46GK101840004SQ20101013928
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者廖建勇, 汪健华 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司