一种对射型光电传感器及其组装方法

技术领域

本申请属于光电传感器技术领域，具体涉及一种对射型光电传感器及其组装方法。

背景技术

传感器是工业现场经常使用的一种检测元器件，通过传感器输出电信号来控制工业现场的工作过程。在很多工业现场中，均会要求使用精度很高的传感器作为信号的采集端。对射型光电传感器是一种检测装置，其能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他形式的信息，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，在现代工业生产的自动化设备工作过程中，常用于实现一些紧凑、狭小空间处的零工件检测。

目前大部分对射型光电传感器采用LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)光源,在较大发散角的前提下为了实现远距离检测，就需要增加光电传感器的产品厚度，或者增加光源的发光功率，这样带来的后果是光电传感器功耗增大、易发热、减少产品寿命。因此如何在减小传感器体积的同时，实现更长距离的检测，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供了一种对射型光电传感器及其组装方法，用以解决如何在减小传感器体积的同时，实现更长检测距离的问题。

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种对射型光电传感器组装方法，包括以下步骤：

将发射端与接收端对应设置，在所述发射端内部设置VCSEL光源，在所述接收端内设置用于感应所述VCSEL光源的受光元件；

调整所述发射端和所述接收端之间的相对距离，获取所述接收端的最小感应光功率密度阈值，在所述发射端外壳与所述VCSEL光源相对应的位置处设置发射端透镜，使所述接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值；

调整所述VCSEL光源，使所述VCSEL光源在所述发射端透镜的一倍焦距以内。

作为本申请的进一步改进，所述调整所述发射端和所述接收端之间的相对距离，获取所述接收端的最小感应光功率密度阈值，包括：

调整所述发射端和所述接收端之间的相对距离至所述接收端受光元件感应与不感应的临界位置处，使用光功率计测量临界位置处的光功率；

获取临界位置处光功率计感应光斑的大小，若实际光斑面积大于等于光功率计感应光斑面积，则接收端的最小感应光功率密度阈值＝临界位置处的光功率/光功率计感应光斑面积；

若实际光斑面积小于光功率计感应光斑面积，则接收端的最小感应光功率密度阈值＝临界位置处的光功率/实际光斑面积。

作为本申请的进一步改进，设置发射端透镜使所述接收端的实际光功率密度大于或等于其最小感应光功率密度阈值的1.5倍。

作为本申请的进一步改进，所述发射端内部设置有控制主板，所述控制主板架设在所述发射端的内部，所述控制主板上设置有供所述VCSEL光源穿过的限位孔，以使所述VCSEL光源通过所述限位孔下沉背贴在所述控制主板上。

作为本申请的进一步改进，所述受光元件为光电二极管，所述接收端内部设置有有控制主板，所述控制主板架设在所述接收端的内部，所述控制主板上设置有供所述光电二极管穿过的限位孔，以使所述光电二极管通过所述限位孔下沉背贴在所述控制主板上。

作为本申请的进一步改进，所述接收端外壳与所述受光元件对应的位置处设置有接收端透镜，所述接收端透镜用于将所述VCSEL光源发射的光波进行聚焦，将分散的光波聚焦在所述受光元件上。

作为本申请的进一步改进，所述光电传感器的驱动电流的平均值与驱动电流的脉冲周期T成反比，与光电传感器的处理频率f成正比，驱动电流的平均值

其中，T为驱动电流的脉冲周期，i(t)为驱动电流随时间t的变化函数。

作为本申请的进一步改进，所述发射端透镜为非球面设计的平凸透镜，所述发射端外壳和所述接收端外壳均为不透光外壳。

本申请还提供了一种对射型光电传感器，该对射型光电传感器包括发射端和与所述发射端对应设置的接收端；

所述发射端内部设置有VCSEL光源，所述发射端外壳与所述VCSEL光源相对应的位置处设置有发射端透镜，所述VCSEL光源在所述发射端透镜的一倍焦距位置以内，所述发射端透镜用于使所述接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值；

所述接收端内部设置有用于感应所述VCSEL光源的受光元件。

作为本申请的进一步改进，所述受光元件为光电二极管，所述接收端外壳与所述受光元件对应的位置处设置有接收端透镜；

所述发射端透镜和所述接收端透镜均为非球面设计的平凸透镜，所述发射端外壳和所述接收端外壳均为不透光外壳。

与现有技术相比，本申请提供的一种对射型光电传感器及其组装方法，具有以下有益效果：

本申请针对VCSEL光源的光斑呈圆环状、且中间能量较弱的特性设计出与之匹配的发射端透镜，通过设置发射端透镜使接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值，并优化发射端内部结构使VCSEL光源在发射端透镜的一倍焦距以内使其成像为实心光斑，有效利用了发射端和接收端的内部空间结构，减小了传感器整体体积，同时发挥了VCSEL光源发散角度小、能量集中的特点，使发射端与接收端之间的检测距离得到了很大提升，有效提高了光能量的利用率和光电传感器的处理频率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得的其他的附图，都属于本申请保护的范围。

图1是本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中发射端的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中接收端的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中检测是否有检测物的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中VCSEL光源成像的光斑结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中VCSEL光源经发射端透镜成像的光斑结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本申请的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本申请具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个，其它量词与之类似应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请，并且在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1-图6，本申请提供了一种对射型光电传感器及其组装方法，用于解决如何在减小传感器体积的同时，实现更长检测距离的问题。如图1所示，为本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法的流程图，该组装方法包括以下步骤：

步骤S1：将发射端与接收端对应设置，在所述发射端内部设置VCSEL光源，在所述接收端内设置用于感应所述VCSEL光源的受光元件；

需要进行说明的是，之所以选用VCSEL(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，垂直腔面发射激光器)光源，是由于本申请所提供的对射型光电传感器其内部空间为毫米量级，而VCSEL光源具有有源层体积极小、腔长量级与波长相近、封装简易等特性，可以为光电传感器的内部结构空间争取到更大的空间，且VCSEL光源具备发散角小、能量集中、可视的特点，相较其它光源能够实现高速率、低功耗、宽工作温度范围，具有节能，使用寿命长等优点，为本申请所要实现的长距离检测提拱了优厚的前提条件，因此本申请优选使用VCSEL光源作为对射型光电传感器的光源。

作为一种可选的实施方式，所述发射端内部设置有控制主板，所述控制主板架设在所述发射端的内部，所述控制主板上设置有供所述VCSEL光源穿过的通孔，以使所述VCSEL光源通过所述通孔下沉背贴在所述控制主板上。

在本申请提供的一个具体实施例中，请参照图2，为本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中发射端的结构示意图，本申请将控制主板优选设置为PCB(printed circuitboard，印刷电路板)板的形式，PCB板起到电子元器件的支撑体和连接载体的作用，PCB板的形状大致与发射端内部空间结构相适配，可以通过支撑件或连接件(图中未示出)的方式架设在发射端的内部，该PCB板上开设有与VCSEL光源相适配的限位孔，使得VCSEL光源通过限位孔下沉背贴在该PCB板上，也就是图中VCSEL光源的顶部相较于PCB板的顶部的位置略微下沉的结构，VCSEL光源的底部则对应贴设在该PCB板的背部，这样将VCSEL光源下沉背贴在PCB板上的设置方式，不仅起到了对VCSEL光源进一步的固定作用，也有效利用了发射端的内部空间结构。

需要进行说明的是，上述限位孔的开设位置原则上不应影响原有PCB板上的电路连接结构，PCB板同时也可以起到对VCSEL光源供电或者控制VCSEL光源发光时间、发光功率的作用，至于如何通过PCB板实现对VCSEL光源的供电控制、以及PCB板上各电子元器件的连接关系则为本领域所广泛应用的现有技术，本申对此不做过多赘述。

作为一种可选的实施方式，所述受光元件为光电二极管，所述接收端内部设置有有控制主板，所述控制主板架设在所述接收端的内部，所述控制主板上设置有供所述光电二极管穿过的限位孔，以使所述光电二极管通过所述限位孔下沉背贴在所述控制主板上。

在本申请实施例中，请参照图3，为本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中接收端的结构示意图，可以观察到本申请所选用的受光元件为PD(Photo-Diode，光电二极管)，接收端的内部与发射端内部结构一样同样设置有控制主板，该控制主板设置为PCB板，PCB板起到电子元器件的支撑体和连接载体的作用，PCB板的形状大致与接收端内部空间结构相适配，可以通过支撑件或连接件(图中未示出)的方式架设在接收端的内部，该PCB板上开设有与受光元件相适配的限位孔，使得受光元件通过限位孔下沉背贴在该PCB板上，也就是图中受光元件的顶部相较于PCB板的顶部的位置略微下沉的结构，受光元件的底部则对应贴设在该PCB板的背部，这样设置对受光元件起到了进一步的固定作用，也有效利用了接收端的内部空间结构。

需要进行说明的是，上述发射端内部设置的控制主板和控制主板上设置的限位孔，以及接收端内部设置的控制主板和控制主板上设置的限位孔由于其结构以及起到的作用大体上是相同的，因此本申请实施例在解释说明中并没有对其进行命名上的区分，并不影响对本申请技术方案的理解，本领域技术人员应当知悉。

步骤S2：调整所述发射端和所述接收端之间的相对距离，获取所述接收端的最小感应光功率密度阈值，在所述发射端外壳与所述VCSEL光源相对应的位置处设置发射端透镜，使所述接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值；

作为一种可选的实施方式，上述调整所述发射端和所述接收端之间的相对距离，获取所述接收端的最小感应光功率密度阈值，包括：

调整所述发射端和所述接收端之间的相对距离至所述接收端受光元件感应与不感应的临界位置处，使用光功率计测量临界位置处的光功率；

获取临界位置处光功率计感应光斑的大小，若实际光斑面积大于等于光功率计感应光斑面积，则接收端的最小感应光功率密度阈值＝临界位置处的光功率/光功率计感应光斑面积；

若实际光斑面积小于光功率计感应光斑面积，则接收端的最小感应光功率密度阈值＝临界位置处的光功率/实际光斑面积。

在本申请实施例中，需要获取接收端的最小感应光功率密度阈值，首先利用已经装设有VCSEL光源的发射端与装设有受光元件的接收端进行测试，调整发射端和接收端之间的相对距离至接收端受光元件感应与不感应的临界位置处，使用本领域常用的光功率计测量该临界位置处的光功率。

进一步地，再获取临界位置处光功率计感应光斑的大小，光功率计上设置有感应区，若该临界位置处实际光斑面积大于等于光功率计感应光斑面积时，则以光功率计感应光斑面积为准计算接收端的最小感应光功率密度阈值，此时接收端的最小感应光功率密度阈值＝临界位置处的光功率/光功率计感应光斑面积。

若该临界位置处实际光斑面积小于光功率计感应光斑面积时，则以实际光斑面积为准计算接收端的最小感应光功率密度阈值，此时接收端的最小感应光功率密度阈值＝临界位置处的光功率/实际光斑面积。

通过上述方法即可获得接收端受光元件的最小感应光功率密度阈值，请继续参照图5，为本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中VCSEL光源成像的光斑结构示意图，可以观察到VCSEL光源的光斑是一个圆环状结构，该光斑中间能量较少，经长距离传输后，可能会出现其能量密度不足以达到接收端的最小感应光功率密度阈值的情况发生，而对射型光电传感器的工作原理是只需要达到接收端的最小感应光功率密度阈值，无需光斑清晰成像即可实现感应检测，因此本申请实施例在调整好发射端和接收端之间的相对距离后，在发射端外壳与VCSEL光源相对应的位置处设置适配的发射端透镜，就可以使得接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值。

作为一种可选的实施方式，本申请所应用的发射端透镜优选设置为圆形状的平面凸镜，其凸面采用非球面设计，透镜的材质可以选取为常见的树胶材质，设置发射端透镜后，VCSEL光源发射的光波经非球面型的透镜聚焦后光束后以小角度发散角传输，到达接收端受光元件时光的能量比较集中，从而使实际达到接收端的光功率密度大于接收端的最小感应光功率密度阈值。

需要进行说明的是，原则上实际达到接收端的光功率密度等于接收端的最小感应光功率密度阈值时，接收端即可实现检测，然而考虑到实际操作与理论计算之间存在的误差，本申请通过设置接收端透镜，使接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值，优选大于或等于其最小感应光功率密度阈值的1.5倍，从而使光电传感器实现更高的感应精准度与更长的检测距离。

进一步地，请继续参照图3，本申请在接收端外壳与受光元件对应的位置处设置有接收端透镜，考虑到光电传感器的制作成本与设计耗时，优选使用与发射端透镜同型号同参数的透镜进行制作，该接收端透镜的作用是为了将VCSEL光源发射的光波进行聚焦，将分散的光波聚焦在受光元件上，提高接收端的感应精度，增加发射端与接收端之间的检测距离。

步骤S3：调整所述VCSEL光源，使所述VCSEL光源在所述发射端透镜的一倍焦距以内。

请继续参照图6，为本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中VCSEL光源经发射端透镜成像的光斑结构示意图，由于VCSEL光斑为“圆环”状，其中间能量分布极低，若让其经透镜后成像，则光斑中心能量低的部分面积大小随距离的增加而增大，这会导致光电传感器的检测距离缩短且能量浪费，透镜对光具有聚光作用，而设置VCSEL光源在发射端透镜的一倍焦距以内时，其产生的光斑不成像，对应图6中可以观察到其“圆环”状光斑变为实心光斑，能量分布居中，从而使光电传感器的检测距离更远。

在本申请实施例中，可以通过Zemax软件实现发射端透镜参数的设计，在实际设计时，首先对发射端的厚度进行定型，在此定型下去除发射端外壳后即为发射端内部可应用的剩余空间大小，根据该剩余空间大小以及几何光学知识即可初步的确定发射端透镜的各项初始参数，结合Zemax软件输入上述初始参数，即可对上述各项初始参数进行优化，获得所需的发射端透镜参数，如物距、像距、曲率半径、透镜直径、透镜厚度等参数，根据该参数选取适配的发射端透镜。

进一步地，当选取好了合适的发射端透镜后，再通过TracePro软件进行场景理论模拟，通过TracePro软件移动VCSEL光源位置与发射端透镜位置，使VCSEL光源在发射端透镜的一倍焦距以内，理论模拟出最佳位置后，再根据该模拟后的最佳位置发射端进行画板打样，将VCSEL光源和发射端透镜根据模拟出的最佳位置进行组装，即可实现接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值，且VCSEL光源在发射端透镜的一倍焦距以内的空间位置关系。

作为一种可选的实施方式，接收端外壳上还设置有指示灯和蜂鸣器；

当所述受光元件感应到所述VCSEL光源发射的光波时，所述发射端和所述接收端之间无检测物；

当所述受光元件未感应到所述VCSEL光源发射的光波时，所述发射端和所述接收端之间存在检测物，所述接收端将所述VCSEL光源光强度的变化转换为电信号，以使所述指示灯进行灯光提示和/或所述蜂鸣器进行声音提示。

请参照图4，为本申请实施例提供的一种对射型光电传感器组装方法中检测是否有检测物的结构示意图，为了更直观的知悉发射端和接收端之间有无检测物，本申请还在接收端外壳上设置有指示灯和蜂鸣器(图中未示出)，发射端的VCSEL光源根据指令不间断的发射，当受光元件感应到VCSEL光源发射的光波时，判断此时发射端和接收端之间无检测物，由于VCSEL光源持续输出，此时接收端感应到的VCSEL光源光强度并未发生变化，指示灯和蜂鸣器不做提示。

当受光元件未感应到VCSEL光源发射的光波时，判断此时发射端和接收端之间存在检测物，VCSEL光源持续输出，由于有检测物的存在对该VCSEL光源进行了一定的阻挡，接收端感应到VCSEL光源光强度的变化，此时将该VCSEL光源光强度的变化转换为电信号，使得指示灯进行灯光提示和/或蜂鸣器进行声音提示；至于需要灯光提示、需要声音提示还是需要灯光声音同时进行提示，则是本领域技术人员根据光电传感器的实际应用环境所能进行调整，本申请对此不做进一步限制。

需要进行说明的是，为了不影响VCSEL光源的发射与接收，本申请所提供的发射端外壳和接收端外壳均优选设置为黑色不透光的塑胶材质，通过发射端透镜和接收端透镜实现VCSEL光源的发射与接收。

进一步地，本申请所提供的光电传感器的驱动电流的平均值

光电传感器的处理频率f为：

其中，T为驱动电流的脉冲周期，i(t)为驱动电流随时间t的变化函数。本申请所提供的光电传感器由于使用了VCSEL光源，而VCSEL光源相较传统的LED光源所需要的驱动电流更低，因此实现了更小的脉冲周期，提高了光电传感器的处理频率，进一步降低了功耗。在实际的应用中可以发现，在同样的驱动电流下，VCSEL光源较LED光源能够实现更远的检测距离；在同等目标检测距离内时，VCSEL光源较LED光源所需的驱动电流更低。

根据上述对射型光电传感器组装方法，本申请提供了一种应用上述组装方法组装成的对射型光电传感器，该光电传感器包括发射端和与该发射端对应设置的接收端；

所述发射端内部设置有VCSEL光源，所述发射端外壳与所述VCSEL光源相对应的位置处设置有发射端透镜，所述VCSEL光源在所述发射端透镜的一倍焦距位置以内，所述发射端透镜用于使所述接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值；

所述接收端内部设置有用于感应所述VCSEL光源的受光元件。

需要进行说明的是，上述发射端和接收端对应设置可以理解为发射端透镜和接收端透镜对应设置的位置关系。

作为本申请的进一步改进，所述受光元件为光电二极管，所述接收端外壳与所述受光元件对应的位置处设置有接收端透镜；

所述发射端透镜和所述接收端透镜均为非球面设计的平凸透镜，所述发射端外壳和所述接收端外壳均为不透光外壳。

作为一种可选的实施方式，为了更直观的知悉发射端和接收端之间有无检测物，本申请还在接收端外壳上设置有指示灯和蜂鸣器，当受光元件感应到VCSEL光源发射的光波时，判断此时发射端和接收端之间无检测物，VCSEL光源持续输出，接收端感应到的VCSEL光源光强度并未发生变化，指示灯和蜂鸣器不做提示。

当受光元件未感应到VCSEL光源发射的光波时，判断此时发射端和接收端之间存在检测物，VCSEL光源持续输出，但由于有检测物的存在对该VCSEL光源进行了一定的阻挡，接收端感应到VCSEL光源光强度的变化，将该VCSEL光源光强度的变化转换为电信号，使得指示灯进行灯光提示和/或蜂鸣器进行声音提示；至于需要灯光提示、需要声音提示还是需要灯光声音同时进行提示，则是本领域技术人员根据光电传感器的实际应用环境所能进行调整，本申请对此不做进一步限制。

本申请所提供的对射型光电传感器，针对VCSEL光源的光斑呈圆环状、且中间能量较弱的特性设计出与之匹配的发射端透镜，并优化发射端内部结构使VCSEL光源在发射端透镜的一倍焦距以内使其光斑成实心光斑，避免了VCSEL光源的劣处，发挥了VCSEL光源发散角度小、能量集中的特点，使发射端与接收端之间的检测距离得到了很大提升，对比同类型同紧凑程度的产品，能够实现更长的检测距离，相比传统的LED光源提高了光能量的利用率，将光能量的利用率从1.1％提高到36％。

同时，在同等目标检测距离内，VCSEL光源相较传统的LED光源所需要的驱动电流更低，实现了更小的脉冲周期，提高了光电传感器的处理频率，进一步降低了功耗；可以广泛应用于检测薄圆环、PCB架、IC盘等测类薄扁型零件的有无，或者是应用于一些紧凑的、狭小的空间处安装传感器来检测零工件有无的生产场景。

关于上述对射型光电传感器中发射端和接收端实现上述技术方案的其他细节，可参见上述申请实施例中提供的对射型光电传感器组装方法中的具体描述，此处不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本申请提供的一种对射型光电传感器及其组装方法，针对VCSEL光源的光斑呈圆环状、且中间能量较弱的特性设计出与之匹配的发射端透镜，通过设置发射端透镜使接收端的实际光功率密度大于其最小感应光功率密度阈值，并优化发射端内部结构使VCSEL光源在发射端透镜的一倍焦距以内使其成像为实心光斑，有效利用了发射端和接收端的内部空间结构，减小了传感器整体体积，同时发挥了VCSEL光源发散角度小、能量集中的特点，使发射端与接收端之间的检测距离得到了很大提升，有效提高了光能量的利用率和光电传感器的处理频率。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。