光学传感器的制作方法

本发明涉及一种光学传感器，包括：光传送器，用于将传送光束传输到测量区域中；光接收器，用于接收来自所述测量区域的接收光束；评估单元，用于使用由所述光接收器接收的接收光束来确定所述测量区域的性质；至少一个镜单元，用于控制所述传送光束和/或所述接收光束，所述镜单元包括多个微镜元件，微镜元件具有至少局部的反射表面并包括电连接到所述微镜元件的电极装置；以及控制装置，其被配置为通过控制所述电极装置在至少两个不同的功能状态之间调整至少一个所述镜单元。

背景技术：

这样的传感器通过多种方式，例如以灰尘测量单元、雾测量单元、气体浓度测量单元、光谱仪等的形式，用于监测工作和测量工作。在该过程中，取决于运用，光接收器检测透射通过测量区域的光、从测量区域反射的光或是从测量区域散射到特定空间角度区域的光。光学传感器的另一个应用领域是识别物体或确定位于测量区域中的物体的特定性质。光传感器、挡光板、光栅、颜色传感器或扫描仪被用于这样的工作。

基于可移动的、电接触的微镜元件的布置的镜单元在本技术领域中也被称为微镜阵列或mems镜阵列(mems＝微机电系统)。与具有可移动的宏观镜或分束器的光束成形光学器件相比，微镜阵列具有的优点是，传感器的功能状态可以在较短的开关时间内纯粹电动地来调节。此外，微镜阵列对空间的需求小。

微镜元件可以被设计为可枢转地支撑在载体部件处的平坦、平面或弯曲的片。这种微镜元件也称为“叶片”，并且在例如us8325409b2中被公开。

微镜阵列通常仅在光学传感器反射时运行。在这种情况下，镜单元的两个功能状态对应于不同的反射角度，即入射光依据功能状态被不同程度上地偏转。与功能状态相关联的传感器光路的设计可能性在这种情况下受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种初始命名类型的光学传感器，其具有扩展的设计可能性。

该目的通过具有实施例的特征的光学传感器来实现。

根据本发明的规定，所述镜单元包括至少基本透明的基底，微镜元件被布置在该基底上，且控制装置被配置为暂时将镜单元设置为透射状态，在透射状态中微镜元件处于打开位置，入射到镜单元上的光辐射以穿过透明基底的方式经过微镜元件。

依据本发明可以确认，在传感器中通过传输中的微镜阵列的临时操作来限定光路，这在以前只有接受相当多的缺点才可能实现。例如，可以在不使用可移动的宏观镜或分束器的情况下实现无偏转的波束引导。因此，依照本发明的传感器特别紧凑、便宜而且维护便捷。免除了移动的宏观部件另外还允许节电操作。

微镜元件可各自在打开位置和闭合位置之间旋转。优选地，每个微镜元件包括具有反射铝涂层的氮氧化硅基底。微镜元件的尺寸优选为至多1mm²，特别优选的为至多0.5mm²。为了确保在透射状态下镜单元的无干扰传输，电极装置可以包括施加到基底并且与微镜元件电接触的透明层。

可以规定，当镜单元被设置为透射状态时，传送光束穿过镜单元的基底以移动而不通过测量区域到达光接收器。这允许以简单的方式检测未衰减的光的强度，例如用于参考或管控的目的。

控制装置可以被特别配置为，在存在控制标准、比较标准或校正标准时将镜单元设置为透射状态。为了测量的可靠性，暂时提供在传感器运作期间不受测量区域影响的参考信号的接受通常是重要的。对于光传送器功率调节、零点漂移的校正和污染检查，未衰减的参考信号的接受是特别重要的。

当镜单元被设置为透射状态时，微镜元件可以各自相对于基底的光入射面以倾斜角被倾斜。倾斜角优选地在40°和50°之间。例如，倾斜角可以为大约45°。

根据本发明的优选实施例，镜单元被布置成：当镜单元被设置为透射状态时，微镜元件至少与传送光束或接收光束的主入射方向基本平行地对准。因此，在本实施例中，当镜单元被设置为透射状态时，微镜元件的平面侧与入射光平行地延伸。因此，入射到镜单元上的光实际上不被打开的微镜元件阻挡，因而传输损耗小。

控制装置优选地被配置为暂时将至少一个镜单元设置为反射状态，反射状态中微镜元件至少部分地覆盖镜单元的光入射面或光出射面，优选地(覆盖)至少75％，特别优选地(覆盖)至少90％。高程度的覆盖使得光束能够特别低损耗地偏转。

控制装置可以被配置为在传感器运作期间在反射状态和透射状态之间循环地调节镜单元。因此，可以在传感器运作期间不断地执行上述控制措施、比较措施或校正措施，由此产生特别精确和可靠的操作并且避免了不期望的数据间隙。在使用可移动的宏观镜时，由于相对长的开关时间，循环执行控制措施、补偿措施或校正措施通常是不切实际的。

本发明的一个具体实施例提出，光传送器和光接收器布置在直线光路上，并且测量区域与直线光路间隔开，当所述镜单元被设置为反射状态时，镜单元将传送光束从直线光路中去耦合并且将它们偏转到测量区域中。当镜单元被设置为透射状态时，本实施例中的透射光束直接移动到光接收器而不通过测量区域。由此可以实现对光传送器的输出强度的特别可靠的、非伪造的检测。可以在直线光路中布置诸如浊度过滤器的校准元件。这允许，例如光传送器的输出功率与光接收器的灵敏度的协调。

传感器可以包括另一个镜单元，该另一个镜单元包括至少基本上透明的基底，基底上有布置在其上的微镜元件，并且可以在透射状态和反射状态之间调节。当被设置为反射状态时，另一个镜单元将离开测量区域的接收光束耦合到直线光路中。由于两个镜单元都可以采用透射状态，因此在本实施例中也可以提供直接的从光传送器直到光接收器的直线光束引导。

根据本发明的另一实施例，微镜元件可以分别由电极装置的相应单独电极控制。这扩展了镜单元的使用可能性，因为微镜元件可以例如仅局部地打开。关于微镜元件的单独可控性，镜单元可以采用多于两个的不同功能状态。

控制装置可以被特别地配置为通过控制单独电极将镜单元暂时地设置为部分透射状态，在部分透射状态中只有微镜元件中的一些处于打开位置。在部分透射状态下，入射到镜单元上的光一部分通过透明基底移动，一部分被反射。以这种方式，镜单元的透射度可以经由控制装置设置为期望值。控制装置可以被配置用于测试目的，一方面将接收器侧的镜单元设置为反射状态，另一方面将传送器侧的镜单元设置为部分透射状态。在传送器侧一部分通过镜单元的入射光被接收器侧的镜单元阻挡，使得移动到光接收器的光量可以以这种方式分阶段地减小，以便执行例如“跨度测试”。

根据本发明的另一实施例，控制装置被配置为通过控制单独电极将镜单元至少暂时设置为成像状态，在该状态下，微镜元件相对于基底的光入射面或光出射面倾斜不同的倾斜角，使得镜单元总体上限定为凹入或凸出布置的镜面。这意味着由于不同程度倾斜的微镜元件大致导致的并且最终由连续的平面部分形成的镜面的总范围绘制出具有连续曲率的拱形宏观镜。因此，传送光束或接收光束可以像这样通过镜单元聚焦到特定区域上。

特别地可以规定，光传送器和镜单元被设置在包括至少一个测量窗口的封闭壳体中，当被设置为成像状态时，镜单元实现传送光束在测量窗口的表面上的聚焦。由此可以对窗户表面进行强烈的照明，这可以用于例如污染物的检查。附加光接收器的形式的污染传感器可以布置在壳体中以检测由沉积物反射和/或散射的光。这种污染传感器优选地布置在测量窗口的直接环境中。

光传送器和光接收器可以布置在包括至少一个测量窗口的封闭壳体中，其中测量区域位于壳体外部，并且传感器包括反射镜，该反射镜在光束穿过测量区域之后将光束引导回壳体中。该实施例特别适用于防爆装置。测量窗口可以在界面处稍微倾斜以使得由于的反射而导致的损耗低。

镜单元可以集成到反射镜中。当集成到反射镜中的镜单元被设置到透射状态时，没有光反射回传感器壳体中，使得光接收器专门检测来自测量区域的散射光。这可以应用于直接散射光的测量。为了避免不期望的光传送到环境中，从壳体的视角看，反射镜可以包括布置在镜单元后面的光阱。根据特定的实施例，具有透明基底的并且在相反方向上对准的另一镜单元被集成到反射镜中。

反射镜还可以具有多个镜单元，譬如如上所述的镜单元，并且把它们布置在猫眼的构造中。以这种方式，可以由紧凑型微镜阵列组装出相对大表面的反射镜。

本发明的另一实施例提供：传感器包括至少一个致动器，用于移动和/或旋转镜单元。反射光束可以通过致动器精确地对准到反射镜上。致动器优选地被配置为压电致动器。位置传感器，例如以其它光接收器的形式，可以布置在反射镜处，以便于对准过程。

本发明还涉及依照实施例的一种光学传感器，包括：光传送器，用于将传送光束传输到测量区域中；光接收器，用于接收来自测量区域的接收光束；评估单元，用于使用由光接收器接收的接收光束确定所述测量区域的性质；至少一个镜单元，用于控制传送光束和/或接收光束，镜单元包括多个微镜元件，微镜元件具有至少局部的反射表面并包括电连接到所述微镜元件的电极装置；以及控制装置，其被配置为通过控制所述电极装置在至少两个不同的功能状态之间调整所述至少一个镜单元。

在依据本发明的实施例中提出，电极装置包括多个单独电极，通过所述多个单独电极可以单独地控制微镜元件，并且控制装置被配置为通过控制单独的电极将镜单元暂时设置为成像状态，在这种状态下，微镜元件相对于镜单元的光入射面或光出射面以不同的倾斜角倾斜，使得镜单元总体上限定为凹入或凸起拱形的镜面。

如上所述，这意味着镜面的总范围达到了近似于具有连续曲率的拱形宏观镜的程度。传送光束或接收光束可以特别地通过单独电极的直接控制被聚焦到特定区域上，例如聚焦到测量窗口的表面上，例如通过检测由窗口表面反射和/或散射回的光来确定测量窗口的污染程度。在过度污染时，控制装置可以提供警告信号或维护信号的输出。

根据本发明的原理通常可以用于所有常规类型的光学传感器，例如光传感器、光栅、光栅、扫描仪等。然而，本发明的优点特别适用于透射计和散射光测量装置。

附图说明

本发明的进一步发展在具体实施方式、说明书和附图中给出。

下面将参照附图通过示例来解释本发明。

图1为根据本发明的处于标准模式下的光学传感器的实施例的结构示意图；

图2为在根据本发明的光学传感器中使用的镜单元的部分放大展示，其中镜单元的微镜元件处于闭合位置；

图3示出了图2所示的镜单元，其中微镜元件处于打开位置；

图4示出了在控制模式中的图1所示的传感器的一部分；

图5示出了在测试模式中的图1所示的传感器的一部分；

图6示出了在散射光检测模式中的图1所示的传感器的一部分；

图7示出了在污染测试模式中图1所示的传感器的一部分；

图8示出了处于调整模式的根据本发明的光学传感器的替代实施例。

11光学传感器；12测量区域；13光传送器；15传送光束；17光接收器；19接收光束；20光轴；23基座壳体；25反射镜；27第一镜单元；29第一测量窗口；31第二测量窗口；35第二镜单元；37基底；39微镜元件；45光入射面；47浊度过滤器；49反射镜镜单元；50灰尘颗粒；55散射光束；57颗粒；59污染检测器；60压电致动器；65位置传感器；67膜片；α倾斜角

具体实施方式

光学传感器11仅在图1中示意性地示出。如图1所示，这里在用于确定存在于测量区域12中的灰尘颗粒50的浓度的灰尘测量装置的实施例中，灰尘测量装置包括用于发送传送光束15的光传送器13和用于接收接收光束19的光接收器17。光传送器13可以被配置为发光二极管或激光二极管。光接收器17可以是简单的光电二极管或空间分辨检测器，例如二极管阵列或ccd阵列。相应的光束成形光学器件可以与光传送器13和光接收器17相关联，然而，它在图1中未被示出。如图所示，光传送器13和光接收器17彼此面对并具有共同的光轴20，即光传送器13和光接收器17都布置在直线光路上。

在所示的实施例中，光学传感器11被设计成两部分，其中第一部分由封闭的基座壳体23形成，而另一部分由反射镜25形成。光传送器13和光接收器17容纳在封闭的、优选为防爆的基座壳体23，而测量区域12位于基座壳体23的外部。

为了检测测量区域12中的灰尘浓度，传送光束15通过第一镜单元27偏转大约90°，使得它们通过第一测量窗口29离开基座壳体23，穿过测量区域12并入射到反射镜25上。反射镜25实现入射光的直接再反射，使得其再次穿过测量区域12，作为接收光束19通过第二测量窗口31再次进入基座壳体23，通过第二镜单元35在光接收器17的方向上偏转。

电子评估单元(未示出)连接到光接收器17，并且能够使用从光接收器17接收到的接收光束19确定测量区域12中的灰尘浓度，并输出相应的灰尘浓度信号。

在图2和图3中单独示出的两个镜单元27、35各自具有板状基底37，该板状基底37至少对于光传送器13传送的光的波长范围是透明的。呈平面反射叶片形式的多个微镜元件39可枢转地布置在透明基底37处。每个微镜元件39可包括具有反射铝涂层的氧氮化硅基底，并且可具有约0.5mm²的尺寸。为了简单起见，在图1中每个基底37仅示出了四个微镜元件39。在实践中，被配置为微镜阵列的镜单元在每个基底具有充分更多的微镜元件。

每个微镜元件39电连接到相关联的透明电极(未示出)。通过向电极施加适当的电压，微镜元件39可以选择性地闭合(如图2所示)或者打开(如图3所示)。

当微镜元件39处于闭合位置时，如图2所示，它们横向地设置在基底37的光入射面45，因此如箭头所示地反射入射光。相应的镜单元27、35这时处于反射状态。当镜单元27、35处于反射状态时，微镜元件39优选地覆盖光入射表面的至少90％。

当微镜元件39处于打开位置时，如图3所示，它们相对于光入射面45倾斜大约45°的倾斜角α。镜单元27、35中的每一个还被布置成使得它们的微镜元件39在处于打开位置时至少基本上与传送光束或接收光束的主入射方向平行地对准。各个镜单元27、35这时处于透射状态，其中入射到镜单元27、35上的光辐射穿过透明基底37的方式移动经过微镜元件39。

反射镜25包括完全按照第一镜单元27和第二镜单元35来配置和布置的反射镜镜单元49的布置。图1中示出了彼此相邻布置的两个反射镜镜单元49，相对于彼此成一定角度。反射镜25还可以包括彼此相邻布置并且交替倾斜的多于两个的反射镜镜单元49，即具有猫眼的构造。这种配置能够在提供相对较大的反射镜表面的同时具有较小的反射镜深度。

传感器11的控制装置(未示出)被配置为根据传感器11的运作状态在传送状态、反射状态和可选的其它功能状态之间调节镜单元27、35，这将在下面更精确地示出。

如图1所示，如果第一镜单元27和第二镜单元35都被设置为反射状态，则传送光束15被从直线光路去耦合，并且作为穿过测量区域12两次后的接收光线19被再次耦合回到直线光路中。这对应于传感器11的标准模式。

相反，如图4所示，如果第一镜单元27和第二镜单元35都被设置为透射状态，则传送光束15穿过第一镜单元27和第二镜单元35的基底37而不通过测量区域12移动到达光接收器17。标准浊度过滤器47布置在两个镜单元27、35之间。图4对应于确定和/或调整光传送器13的输出功率的控制模式。

图5示出了根据本发明的传感器11的另一运作状态，其中第二镜单元35设置为反射状态，而第一镜单元27设置为部分透射状态。部分透射状态是这样实现的，即一些微镜元件39设置在打开位置，而另一些微镜元件39设置在闭合位置。因此，可以在光传送器13的输出功率不变的情况下分阶段地减少返回到光接收器17的光量，以便例如在测试模式中执行“跨度测试”。

在图6所示的操作状态下，第一镜单元27和第二镜单元35被设置为反射状态，而每个反射镜镜单元49均被设置为透射状态。反射镜25此时被用作光阱，并且不允许任何反射光回到基座壳体23中。只有在灰尘颗粒50处散射的光束55到达光接收器17。因此在该操作状态下可以进行纯散射光测量。通过组合透射测量和散射光测量，可以确定灰尘颗粒50的尺寸分布。

图7示出了根据本发明的光学传感器11的另一操作状态，其用于检查第一测量窗口29的污染。在这方面，第一镜单元27被设定为成像状态，其中微镜元件39相对于光入射面45以不同的倾斜角倾斜，使得第一镜单元27总体作为凹面镜将传送光束15聚焦在第一测量窗口29上。因此在第一测量窗口29处产生相对高的照射强度。位于第一测量窗口29处的颗粒57将光散射回来，其被污染检测器59以另一光接收器的形式识别。在第一测量窗口29有过强的污染时，控制装置输出适当的警告信号或维护信号。

图8所示的根据本发明的光学传感器11原则上如上面参照图1-7所述的那样设计。然而，借助于相应的压电致动器60，第一镜单元27和第二镜单元35可绕两个彼此成直角延伸的枢转轴线转动。传送光束15相对于反射镜25的精确对准可以以这种方式发生。为了促进对准过程，在反射镜25中有以其它光接收器形式布置的位置传感器65。在所示示例中，光阑67与位置传感器65相关联。为了对准，如图所示，将反射镜镜单元49设置为透射状态，使得位于反射镜镜单元49后面的位置传感器65检测传送光束15。当由相应的位置传感器65输出的强度信号具有最大值，则传送光束15被理想地定向。

通过对第一镜单元27、第二镜单元35和/或反射镜镜单元49在透射而不是反射过程中的暂时操作，根据本发明的光学传感器11可以以不同于标准模式的各种方式被使用。特别有利的是，基于微镜阵列的镜单元具有短的开关时间，使得不同运作状态之间(例如在从1hz到60hz的频率之间)的快速循环改变也是可能的。因此，在测量期间也可以对未衰减的输出强度进行准连续检查，避免了不期望的数据间隙。