本發(fā)明涉及一種光學傳感器，包括：光傳送器，用于將傳送光束傳輸?shù)綔y量區(qū)域中；光接收器，用于接收來自所述測量區(qū)域的接收光束；評估單元，用于使用由所述光接收器接收的接收光束來確定所述測量區(qū)域的性質(zhì)；至少一個鏡單元，用于控制所述傳送光束和/或所述接收光束，所述鏡單元包括多個微鏡元件，微鏡元件具有至少局部的反射表面并包括電連接到所述微鏡元件的電極裝置；以及控制裝置，其被配置為通過控制所述電極裝置在至少兩個不同的功能狀態(tài)之間調(diào)整至少一個所述鏡單元。

背景技術：

這樣的傳感器通過多種方式，例如以灰塵測量單元、霧測量單元、氣體濃度測量單元、光譜儀等的形式，用于監(jiān)測工作和測量工作。在該過程中，取決于運用，光接收器檢測透射通過測量區(qū)域的光、從測量區(qū)域反射的光或是從測量區(qū)域散射到特定空間角度區(qū)域的光。光學傳感器的另一個應用領域是識別物體或確定位于測量區(qū)域中的物體的特定性質(zhì)。光傳感器、擋光板、光柵、顏色傳感器或掃描儀被用于這樣的工作。

基于可移動的、電接觸的微鏡元件的布置的鏡單元在本技術領域中也被稱為微鏡陣列或mems鏡陣列(mems＝微機電系統(tǒng))。與具有可移動的宏觀鏡或分束器的光束成形光學器件相比，微鏡陣列具有的優(yōu)點是，傳感器的功能狀態(tài)可以在較短的開關時間內(nèi)純粹電動地來調(diào)節(jié)。此外，微鏡陣列對空間的需求小。

微鏡元件可以被設計為可樞轉(zhuǎn)地支撐在載體部件處的平坦、平面或彎曲的片。這種微鏡元件也稱為“葉片”，并且在例如us8325409b2中被公開。

微鏡陣列通常僅在光學傳感器反射時運行。在這種情況下，鏡單元的兩個功能狀態(tài)對應于不同的反射角度，即入射光依據(jù)功能狀態(tài)被不同程度上地偏轉(zhuǎn)。與功能狀態(tài)相關聯(lián)的傳感器光路的設計可能性在這種情況下受到限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種初始命名類型的光學傳感器，其具有擴展的設計可能性。

該目的通過具有實施例的特征的光學傳感器來實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的規(guī)定，所述鏡單元包括至少基本透明的基底，微鏡元件被布置在該基底上，且控制裝置被配置為暫時將鏡單元設置為透射狀態(tài)，在透射狀態(tài)中微鏡元件處于打開位置，入射到鏡單元上的光輻射以穿過透明基底的方式經(jīng)過微鏡元件。

依據(jù)本發(fā)明可以確認，在傳感器中通過傳輸中的微鏡陣列的臨時操作來限定光路，這在以前只有接受相當多的缺點才可能實現(xiàn)。例如，可以在不使用可移動的宏觀鏡或分束器的情況下實現(xiàn)無偏轉(zhuǎn)的波束引導。因此，依照本發(fā)明的傳感器特別緊湊、便宜而且維護便捷。免除了移動的宏觀部件另外還允許節(jié)電操作。

微鏡元件可各自在打開位置和閉合位置之間旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，每個微鏡元件包括具有反射鋁涂層的氮氧化硅基底。微鏡元件的尺寸優(yōu)選為至多1mm²，特別優(yōu)選的為至多0.5mm²。為了確保在透射狀態(tài)下鏡單元的無干擾傳輸，電極裝置可以包括施加到基底并且與微鏡元件電接觸的透明層。

可以規(guī)定，當鏡單元被設置為透射狀態(tài)時，傳送光束穿過鏡單元的基底以移動而不通過測量區(qū)域到達光接收器。這允許以簡單的方式檢測未衰減的光的強度，例如用于參考或管控的目的。

控制裝置可以被特別配置為，在存在控制標準、比較標準或校正標準時將鏡單元設置為透射狀態(tài)。為了測量的可靠性，暫時提供在傳感器運作期間不受測量區(qū)域影響的參考信號的接受通常是重要的。對于光傳送器功率調(diào)節(jié)、零點漂移的校正和污染檢查，未衰減的參考信號的接受是特別重要的。

當鏡單元被設置為透射狀態(tài)時，微鏡元件可以各自相對于基底的光入射面以傾斜角被傾斜。傾斜角優(yōu)選地在40°和50°之間。例如，傾斜角可以為大約45°。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，鏡單元被布置成：當鏡單元被設置為透射狀態(tài)時，微鏡元件至少與傳送光束或接收光束的主入射方向基本平行地對準。因此，在本實施例中，當鏡單元被設置為透射狀態(tài)時，微鏡元件的平面?zhèn)扰c入射光平行地延伸。因此，入射到鏡單元上的光實際上不被打開的微鏡元件阻擋，因而傳輸損耗小。

控制裝置優(yōu)選地被配置為暫時將至少一個鏡單元設置為反射狀態(tài)，反射狀態(tài)中微鏡元件至少部分地覆蓋鏡單元的光入射面或光出射面，優(yōu)選地(覆蓋)至少75％，特別優(yōu)選地(覆蓋)至少90％。高程度的覆蓋使得光束能夠特別低損耗地偏轉(zhuǎn)。

控制裝置可以被配置為在傳感器運作期間在反射狀態(tài)和透射狀態(tài)之間循環(huán)地調(diào)節(jié)鏡單元。因此，可以在傳感器運作期間不斷地執(zhí)行上述控制措施、比較措施或校正措施，由此產(chǎn)生特別精確和可靠的操作并且避免了不期望的數(shù)據(jù)間隙。在使用可移動的宏觀鏡時，由于相對長的開關時間，循環(huán)執(zhí)行控制措施、補償措施或校正措施通常是不切實際的。

本發(fā)明的一個具體實施例提出，光傳送器和光接收器布置在直線光路上，并且測量區(qū)域與直線光路間隔開，當所述鏡單元被設置為反射狀態(tài)時，鏡單元將傳送光束從直線光路中去耦合并且將它們偏轉(zhuǎn)到測量區(qū)域中。當鏡單元被設置為透射狀態(tài)時，本實施例中的透射光束直接移動到光接收器而不通過測量區(qū)域。由此可以實現(xiàn)對光傳送器的輸出強度的特別可靠的、非偽造的檢測?？梢栽谥本€光路中布置諸如濁度過濾器的校準元件。這允許，例如光傳送器的輸出功率與光接收器的靈敏度的協(xié)調(diào)。

傳感器可以包括另一個鏡單元，該另一個鏡單元包括至少基本上透明的基底，基底上有布置在其上的微鏡元件，并且可以在透射狀態(tài)和反射狀態(tài)之間調(diào)節(jié)。當被設置為反射狀態(tài)時，另一個鏡單元將離開測量區(qū)域的接收光束耦合到直線光路中。由于兩個鏡單元都可以采用透射狀態(tài)，因此在本實施例中也可以提供直接的從光傳送器直到光接收器的直線光束引導。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，微鏡元件可以分別由電極裝置的相應單獨電極控制。這擴展了鏡單元的使用可能性，因為微鏡元件可以例如僅局部地打開。關于微鏡元件的單獨可控性，鏡單元可以采用多于兩個的不同功能狀態(tài)。

控制裝置可以被特別地配置為通過控制單獨電極將鏡單元暫時地設置為部分透射狀態(tài)，在部分透射狀態(tài)中只有微鏡元件中的一些處于打開位置。在部分透射狀態(tài)下，入射到鏡單元上的光一部分通過透明基底移動，一部分被反射。以這種方式，鏡單元的透射度可以經(jīng)由控制裝置設置為期望值?？刂蒲b置可以被配置用于測試目的，一方面將接收器側(cè)的鏡單元設置為反射狀態(tài)，另一方面將傳送器側(cè)的鏡單元設置為部分透射狀態(tài)。在傳送器側(cè)一部分通過鏡單元的入射光被接收器側(cè)的鏡單元阻擋，使得移動到光接收器的光量可以以這種方式分階段地減小，以便執(zhí)行例如“跨度測試”。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，控制裝置被配置為通過控制單獨電極將鏡單元至少暫時設置為成像狀態(tài)，在該狀態(tài)下，微鏡元件相對于基底的光入射面或光出射面傾斜不同的傾斜角，使得鏡單元總體上限定為凹入或凸出布置的鏡面。這意味著由于不同程度傾斜的微鏡元件大致導致的并且最終由連續(xù)的平面部分形成的鏡面的總范圍繪制出具有連續(xù)曲率的拱形宏觀鏡。因此，傳送光束或接收光束可以像這樣通過鏡單元聚焦到特定區(qū)域上。

特別地可以規(guī)定，光傳送器和鏡單元被設置在包括至少一個測量窗口的封閉殼體中，當被設置為成像狀態(tài)時，鏡單元實現(xiàn)傳送光束在測量窗口的表面上的聚焦。由此可以對窗戶表面進行強烈的照明，這可以用于例如污染物的檢查。附加光接收器的形式的污染傳感器可以布置在殼體中以檢測由沉積物反射和/或散射的光。這種污染傳感器優(yōu)選地布置在測量窗口的直接環(huán)境中。

光傳送器和光接收器可以布置在包括至少一個測量窗口的封閉殼體中，其中測量區(qū)域位于殼體外部，并且傳感器包括反射鏡，該反射鏡在光束穿過測量區(qū)域之后將光束引導回殼體中。該實施例特別適用于防爆裝置。測量窗口可以在界面處稍微傾斜以使得由于的反射而導致的損耗低。

鏡單元可以集成到反射鏡中。當集成到反射鏡中的鏡單元被設置到透射狀態(tài)時，沒有光反射回傳感器殼體中，使得光接收器專門檢測來自測量區(qū)域的散射光。這可以應用于直接散射光的測量。為了避免不期望的光傳送到環(huán)境中，從殼體的視角看，反射鏡可以包括布置在鏡單元后面的光阱。根據(jù)特定的實施例，具有透明基底的并且在相反方向上對準的另一鏡單元被集成到反射鏡中。

反射鏡還可以具有多個鏡單元，譬如如上所述的鏡單元，并且把它們布置在貓眼的構造中。以這種方式，可以由緊湊型微鏡陣列組裝出相對大表面的反射鏡。

本發(fā)明的另一實施例提供：傳感器包括至少一個致動器，用于移動和/或旋轉(zhuǎn)鏡單元。反射光束可以通過致動器精確地對準到反射鏡上。致動器優(yōu)選地被配置為壓電致動器。位置傳感器，例如以其它光接收器的形式，可以布置在反射鏡處，以便于對準過程。

本發(fā)明還涉及依照實施例的一種光學傳感器，包括：光傳送器，用于將傳送光束傳輸?shù)綔y量區(qū)域中；光接收器，用于接收來自測量區(qū)域的接收光束；評估單元，用于使用由光接收器接收的接收光束確定所述測量區(qū)域的性質(zhì)；至少一個鏡單元，用于控制傳送光束和/或接收光束，鏡單元包括多個微鏡元件，微鏡元件具有至少局部的反射表面并包括電連接到所述微鏡元件的電極裝置；以及控制裝置，其被配置為通過控制所述電極裝置在至少兩個不同的功能狀態(tài)之間調(diào)整所述至少一個鏡單元。

在依據(jù)本發(fā)明的實施例中提出，電極裝置包括多個單獨電極，通過所述多個單獨電極可以單獨地控制微鏡元件，并且控制裝置被配置為通過控制單獨的電極將鏡單元暫時設置為成像狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，微鏡元件相對于鏡單元的光入射面或光出射面以不同的傾斜角傾斜，使得鏡單元總體上限定為凹入或凸起拱形的鏡面。

如上所述，這意味著鏡面的總范圍達到了近似于具有連續(xù)曲率的拱形宏觀鏡的程度。傳送光束或接收光束可以特別地通過單獨電極的直接控制被聚焦到特定區(qū)域上，例如聚焦到測量窗口的表面上，例如通過檢測由窗口表面反射和/或散射回的光來確定測量窗口的污染程度。在過度污染時，控制裝置可以提供警告信號或維護信號的輸出。

根據(jù)本發(fā)明的原理通?？梢杂糜谒谐Ｒ?guī)類型的光學傳感器，例如光傳感器、光柵、光柵、掃描儀等。然而，本發(fā)明的優(yōu)點特別適用于透射計和散射光測量裝置。

附圖說明

本發(fā)明的進一步發(fā)展在具體實施方式、說明書和附圖中給出。

下面將參照附圖通過示例來解釋本發(fā)明。

圖1為根據(jù)本發(fā)明的處于標準模式下的光學傳感器的實施例的結(jié)構示意圖；

圖2為在根據(jù)本發(fā)明的光學傳感器中使用的鏡單元的部分放大展示，其中鏡單元的微鏡元件處于閉合位置；

圖3示出了圖2所示的鏡單元，其中微鏡元件處于打開位置；

圖4示出了在控制模式中的圖1所示的傳感器的一部分；

圖5示出了在測試模式中的圖1所示的傳感器的一部分；

圖6示出了在散射光檢測模式中的圖1所示的傳感器的一部分；

圖7示出了在污染測試模式中圖1所示的傳感器的一部分；

圖8示出了處于調(diào)整模式的根據(jù)本發(fā)明的光學傳感器的替代實施例。

11光學傳感器；12測量區(qū)域；13光傳送器；15傳送光束；17光接收器；19接收光束；20光軸；23基座殼體；25反射鏡；27第一鏡單元；29第一測量窗口；31第二測量窗口；35第二鏡單元；37基底；39微鏡元件；45光入射面；47濁度過濾器；49反射鏡鏡單元；50灰塵顆粒；55散射光束；57顆粒；59污染檢測器；60壓電致動器；65位置傳感器；67膜片；α傾斜角

具體實施方式

光學傳感器11僅在圖1中示意性地示出。如圖1所示，這里在用于確定存在于測量區(qū)域12中的灰塵顆粒50的濃度的灰塵測量裝置的實施例中，灰塵測量裝置包括用于發(fā)送傳送光束15的光傳送器13和用于接收接收光束19的光接收器17。光傳送器13可以被配置為發(fā)光二極管或激光二極管。光接收器17可以是簡單的光電二極管或空間分辨檢測器，例如二極管陣列或ccd陣列。相應的光束成形光學器件可以與光傳送器13和光接收器17相關聯(lián)，然而，它在圖1中未被示出。如圖所示，光傳送器13和光接收器17彼此面對并具有共同的光軸20，即光傳送器13和光接收器17都布置在直線光路上。

在所示的實施例中，光學傳感器11被設計成兩部分，其中第一部分由封閉的基座殼體23形成，而另一部分由反射鏡25形成。光傳送器13和光接收器17容納在封閉的、優(yōu)選為防爆的基座殼體23，而測量區(qū)域12位于基座殼體23的外部。

為了檢測測量區(qū)域12中的灰塵濃度，傳送光束15通過第一鏡單元27偏轉(zhuǎn)大約90°，使得它們通過第一測量窗口29離開基座殼體23，穿過測量區(qū)域12并入射到反射鏡25上。反射鏡25實現(xiàn)入射光的直接再反射，使得其再次穿過測量區(qū)域12，作為接收光束19通過第二測量窗口31再次進入基座殼體23，通過第二鏡單元35在光接收器17的方向上偏轉(zhuǎn)。

電子評估單元(未示出)連接到光接收器17，并且能夠使用從光接收器17接收到的接收光束19確定測量區(qū)域12中的灰塵濃度，并輸出相應的灰塵濃度信號。

在圖2和圖3中單獨示出的兩個鏡單元27、35各自具有板狀基底37，該板狀基底37至少對于光傳送器13傳送的光的波長范圍是透明的。呈平面反射葉片形式的多個微鏡元件39可樞轉(zhuǎn)地布置在透明基底37處。每個微鏡元件39可包括具有反射鋁涂層的氧氮化硅基底，并且可具有約0.5mm²的尺寸。為了簡單起見，在圖1中每個基底37僅示出了四個微鏡元件39。在實踐中，被配置為微鏡陣列的鏡單元在每個基底具有充分更多的微鏡元件。

每個微鏡元件39電連接到相關聯(lián)的透明電極(未示出)。通過向電極施加適當?shù)碾妷?，微鏡元件39可以選擇性地閉合(如圖2所示)或者打開(如圖3所示)。

當微鏡元件39處于閉合位置時，如圖2所示，它們橫向地設置在基底37的光入射面45，因此如箭頭所示地反射入射光。相應的鏡單元27、35這時處于反射狀態(tài)。當鏡單元27、35處于反射狀態(tài)時，微鏡元件39優(yōu)選地覆蓋光入射表面的至少90％。

當微鏡元件39處于打開位置時，如圖3所示，它們相對于光入射面45傾斜大約45°的傾斜角α。鏡單元27、35中的每一個還被布置成使得它們的微鏡元件39在處于打開位置時至少基本上與傳送光束或接收光束的主入射方向平行地對準。各個鏡單元27、35這時處于透射狀態(tài)，其中入射到鏡單元27、35上的光輻射穿過透明基底37的方式移動經(jīng)過微鏡元件39。

反射鏡25包括完全按照第一鏡單元27和第二鏡單元35來配置和布置的反射鏡鏡單元49的布置。圖1中示出了彼此相鄰布置的兩個反射鏡鏡單元49，相對于彼此成一定角度。反射鏡25還可以包括彼此相鄰布置并且交替傾斜的多于兩個的反射鏡鏡單元49，即具有貓眼的構造。這種配置能夠在提供相對較大的反射鏡表面的同時具有較小的反射鏡深度。

傳感器11的控制裝置(未示出)被配置為根據(jù)傳感器11的運作狀態(tài)在傳送狀態(tài)、反射狀態(tài)和可選的其它功能狀態(tài)之間調(diào)節(jié)鏡單元27、35，這將在下面更精確地示出。

如圖1所示，如果第一鏡單元27和第二鏡單元35都被設置為反射狀態(tài)，則傳送光束15被從直線光路去耦合，并且作為穿過測量區(qū)域12兩次后的接收光線19被再次耦合回到直線光路中。這對應于傳感器11的標準模式。

相反，如圖4所示，如果第一鏡單元27和第二鏡單元35都被設置為透射狀態(tài)，則傳送光束15穿過第一鏡單元27和第二鏡單元35的基底37而不通過測量區(qū)域12移動到達光接收器17。標準濁度過濾器47布置在兩個鏡單元27、35之間。圖4對應于確定和/或調(diào)整光傳送器13的輸出功率的控制模式。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器11的另一運作狀態(tài)，其中第二鏡單元35設置為反射狀態(tài)，而第一鏡單元27設置為部分透射狀態(tài)。部分透射狀態(tài)是這樣實現(xiàn)的，即一些微鏡元件39設置在打開位置，而另一些微鏡元件39設置在閉合位置。因此，可以在光傳送器13的輸出功率不變的情況下分階段地減少返回到光接收器17的光量，以便例如在測試模式中執(zhí)行“跨度測試”。

在圖6所示的操作狀態(tài)下，第一鏡單元27和第二鏡單元35被設置為反射狀態(tài)，而每個反射鏡鏡單元49均被設置為透射狀態(tài)。反射鏡25此時被用作光阱，并且不允許任何反射光回到基座殼體23中。只有在灰塵顆粒50處散射的光束55到達光接收器17。因此在該操作狀態(tài)下可以進行純散射光測量。通過組合透射測量和散射光測量，可以確定灰塵顆粒50的尺寸分布。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光學傳感器11的另一操作狀態(tài)，其用于檢查第一測量窗口29的污染。在這方面，第一鏡單元27被設定為成像狀態(tài)，其中微鏡元件39相對于光入射面45以不同的傾斜角傾斜，使得第一鏡單元27總體作為凹面鏡將傳送光束15聚焦在第一測量窗口29上。因此在第一測量窗口29處產(chǎn)生相對高的照射強度。位于第一測量窗口29處的顆粒57將光散射回來，其被污染檢測器59以另一光接收器的形式識別。在第一測量窗口29有過強的污染時，控制裝置輸出適當?shù)木嫘盘柣蚓S護信號。

圖8所示的根據(jù)本發(fā)明的光學傳感器11原則上如上面參照圖1-7所述的那樣設計。然而，借助于相應的壓電致動器60，第一鏡單元27和第二鏡單元35可繞兩個彼此成直角延伸的樞轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動。傳送光束15相對于反射鏡25的精確對準可以以這種方式發(fā)生。為了促進對準過程，在反射鏡25中有以其它光接收器形式布置的位置傳感器65。在所示示例中，光闌67與位置傳感器65相關聯(lián)。為了對準，如圖所示，將反射鏡鏡單元49設置為透射狀態(tài)，使得位于反射鏡鏡單元49后面的位置傳感器65檢測傳送光束15。當由相應的位置傳感器65輸出的強度信號具有最大值，則傳送光束15被理想地定向。

通過對第一鏡單元27、第二鏡單元35和/或反射鏡鏡單元49在透射而不是反射過程中的暫時操作，根據(jù)本發(fā)明的光學傳感器11可以以不同于標準模式的各種方式被使用。特別有利的是，基于微鏡陣列的鏡單元具有短的開關時間，使得不同運作狀態(tài)之間(例如在從1hz到60hz的頻率之間)的快速循環(huán)改變也是可能的。因此，在測量期間也可以對未衰減的輸出強度進行準連續(xù)檢查，避免了不期望的數(shù)據(jù)間隙。