[发明专利]用于检测对象的光电传感器和方法

说明书

本申请涉及用于检测对象的光电传感器和方法。提出了一种用于检测监控区域(20)中的对象的光电传感器(10)，具有：光发射器(12)，其用于发出发射光(16)；光接收器(26)，其用于从来自监控区域(20)的接收光(22)生成接收信号；可运动的偏转单元(18)，其用于周期性地偏转发射光(16)和接收光(22)；控制和评估单元(32)，其用于基于接收信号检测关于监控区域(20)中的对象的信息；以及在接收光(22)的光束路径中的光学转向元件(18、40)。在此，转向元件(18、40)具有依赖于温度的光束整形特性。

本发明涉及根据权利要求1和15的主题的用于检测监控区域中的对象的光电传感器(特别是激光扫描仪)和方法。

光电系统，尤其是激光扫描仪，适用于需要测量系统的大水平角范围的检测和距离测量。在激光扫描仪中，由激光器产生的光束借助于偏转单元周期性地扫描监控区域。光在监控区域中的对象上被漫反射(remittiert)并且在激光扫描仪中进行评估。从偏转单元的角位置推断出对象的角位置，并且在相位方法或脉冲方法中，还利用光速从光飞行时间推断出对象与激光扫描仪的距离。利用角度信息和距离信息，监控区域中的对象的位置以二维极坐标被记录。在此，可以测定对象的位置或确定其轮廓。

除了这样的测量应用外，激光扫描仪还用于监控危险源的安全技术中，危险源例如是危险的机器。这种安全激光扫描仪从DE 43 40 756 A1中已知。在此，对在机器运行期间不允许操作人员踏入的防护区进行监控。如果激光扫描仪识别到未被允许的保护区干预(如操作人员的腿)，则激光扫描仪触发机器的紧急停机。安全技术中使用的传感器必须特别可靠地工作，因此必须满足较高的安全要求，例如关于机器安全性的标准EN13849和关于非接触式防护装置(BMS)的设备标准EN61496。

简单的光电二极管的检测灵敏度在许多应用中是不够的。在雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)中，入射光触发受控的雪崩击穿(Avalanche Effiect，雪崩效应)。因此，由入射光子产生的载流子成倍增加，并产生光电流，该光电流与光接收强度成比例，但比在简单的PIN二极管中的大得多。在所谓的盖革模式(Geiger-Modus)中，雪崩光电二极管被偏压(Bias)到击穿电压以上，使得即使由单光子释放的唯一一个载流子也可以触发雪崩，该雪崩然后由于场强高而招来所有可用的载流子。因此，雪崩光电二极管如所命名的盖革计数器一样计数单一事件。盖革模式的雪崩光电二极管也称为SPAD(Single-Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)，相应的光接收器称为多像素光子计数器(MPCC)或硅光电倍增管(SiPM)。

在APD中，电子系统更依赖于温度，因此必须跟踪高压。存在较多的固有噪声源，它们在面积与带宽的关系方面受限，而且它们通常更昂贵。所有这些都说明了基于SPAD或SiPM的光接收器。然而，在单光子探测的情况下，触发雪崩的不仅是有用的光子，而且还是由于外来光、光学串扰或暗噪声而引起的微弱干扰事件。然后，这种干扰事件以与接收到的有用光相当的相对强的信号对测量结果做出贡献，并且也无法将其与信号区分开来。然后，在盖革模式下工作的雪崩光电二极管在大约5ns到100ns的死区时间内保持不敏感，并且在此期间停止进一步测量。另一方面，对于APD二极管或PIN二极管，可以选择以电子方式导出由外来光产生的横流(Querstrom)。

出于这些原因，特别是对于单光子探测而言，需要针对有用光特别有效地抑制外来光，其中这些措施同样有利于其它技术的光接收器。一种策略在于首先不允许外来光穿透到光接收器。这是通过借助于光学带通的光谱分离、减少传感器中不期望的散射路径或反射路径以及优选地借助于光接收器前面的光阑有针对性地减小接受角来实现的。

接受角与接收光学器件的场光阑面积和焦距之商成比例。反过来，焦距通常会在传感器的特定温度范围内变化几个百分点。这种变化通常会添加到容差链中，并最终会增大场光阑直径，从而增加系统的接受角。然而，必须接受会探测到更多外来光。