WO2007137931A2 - Lichtschranke - Google Patents

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H03K17/9627—Optical touch switches
    • H03K17/9631—Optical touch switches using a light source as part of the switch
    • H03K2017/9634—Optical touch switches using a light source as part of the switch using organic light emitting devices, e.g. light emitting polymer [OEP] or OLED

Definitions

  • the present invention relates to a light barrier for detecting a more than point-shaped area.
  • the simplest, one-dimensional light barriers consist of an emitter / detector pair, for example an LED and a photodiode or a laser and a photodiode.
  • the wavelengths of light used are usually either in the infrared or visible range.
  • a two-dimensional fanning of a laser beam takes place. This creates a light curtain.
  • the mitigation of this Laser beam on the opposite side is detected with a CCD array or a CMOS array.
  • the present invention is based on the object to propose a light barrier, which is improved in terms of their evaluation options and their uses.
  • Claim 1 characterized in that the photosensitive sensor element of the light barrier consists of one or more organic photodiodes.
  • the sensor element linear or flat. This makes it possible to realize in a simple manner with a known technology, a planar light barrier or a three-dimensional photocell, with a volume of space can be controlled.
  • the photodiode has a pair of electrodes.
  • the photodiode has a plurality of pairs of electrodes.
  • the pairs of electrodes may be formed by having a plurality of counter electrodes to a common electrode forming an equipotential surface.
  • this embodiment it is possible with this embodiment, to divide the sensor element into individual areas. This subdivision can for example take place in small areas and thus be pixel-shaped. By dividing the sensor element into area, it is advantageously possible to detect where an obstacle is located in the detection area to be examined.
  • the present invention provides a flat light barrier (a so-called. Light Curtain) or a three-dimensional photocell available whose photosensitive
  • Sensor element consists of one or more organic photodiodes.
  • Sensor element is provided, which is inexpensive to manufacture compared to conventional light sensors, especially on large areas. This is made possible above all by the favorable production process of the organic layers (spray coating, etc.).
  • Plants will need dimensions in the range of up to several meters, while for the quality assurance or positioning of components in manufacturing processes light curtains with dimensions between a few centimeters and a meter should be typical.
  • Fig. 2 Representation of a flat light barrier sensor with an organic photodiode as linearly pixelated detector
  • FIG. 3 shows an example of the construction of an organic photodiode
  • 4 shows a first example of a schematic structure of a pixelated one-dimensional organic photodiode array in cross section
  • FIG. 3 shows an example of the construction of an organic photodiode
  • 4 shows a first example of a schematic structure of a pixelated one-dimensional organic photodiode array in cross section
  • FIG. 5 shows a second example of a schematic structure of a pixelated one-dimensional organic photodiode array in cross section.
  • Figure 1 shows a sensor 1 of a single elongate organic photodiode 2, which is applied to a flat substrate 3 and which provides a light intensity-dependent current signal 4 to the transmitter.
  • the magnitude of the signal 4 is proportional to the integral of the intensity over the entire illuminated distance.
  • the radiation source used is, for example, a laser 5 with expansion optics, which directs an expanded laser beam 6 onto the organic detector.
  • Such a detector is suitable, for example, for applications in safety technology, where the entry of even smaller objects in the beam path is to be detected as an event, ie where the weakening of the measured signal, for example, to trigger an alarm or shutdown of a machine.
  • FIG. 2 shows a planar light barrier with a structure as known from FIG. 1, the organic photodetector or the organic photodiode 2 being structured into individual pixels 7. Each pixel thus provides its own intensity signal for the respective subarea in the form of a current signal per pixel.
  • the resulting one-dimensional "image" of an object in the beam path can thus be used for more demanding applications in size measurement, in quality assurance as well as for position determination, for example in assembly line production.
  • Such light curtains with pixelated detector arrays can also be used for applications in safety technology.
  • FIG. 3 shows by way of example the construction of an organic photodiode.
  • the diode consists of one or more active organic layers, which are applied to a substrate 10 between two electrodes 8, 9.
  • the substrate 10 is typically made of glass, but it may also be constructed of a metal foil, plastic film or other carrier material.
  • the lower electrode 8 is realized as an anode and the upper electrode 9 as a cathode, but the polarity of the electrodes can also be constructed inversely.
  • FIG. 3 shows a layer structure with two active organic layers: a hole transporter 11 and the actual photoconductive layer 12.
  • the photoconductive organic layer 12 may be a so-called "Buik heterojunction", for example realized as a blend of a hole-transporting polythiophene and an electron-transporting fullerene derivative.
  • the anode 8 is constructed, for example, of indium tin oxide (ITO), gold, palladium, silver or platinum and is produced by a sputtering or vapor deposition method.
  • ITO indium tin oxide
  • the subsequent active organic layers are also deposited over a large area, for example by means of spin coating, spray coating, doctor blading, dip coating, screen printing, flexographic printing, slit coating, etc. These methods allow cost-effective coating of large areas, above all there is no structuring of the
  • Semiconductor is required within the active sensor surface.
  • the cathode 9 may be constructed of, for example, Ca, Al, Ag, ITO, LiF, Mg, or various combinations of these materials, and is typically deposited by thermal evaporation or electron beam evaporation.
  • a pixelated sensor is produced as in FIG. 2, then either the anode or the cathode must be structured at the pixel level, which is most easily achieved by using a shadow mask in the deposition process.
  • a structuring of the organic layer at the pixel level is not necessary in most cases, since a very good optical resolution between adjacent pixels was achieved in laboratory experiments even without such structuring.
  • the layer structure shown in Figure 3 must still be protected by an additional encapsulation from environmental influences.
  • This encapsulation may consist either of an additional substrate (for example foil or glass cap) or of a thinner barrier film (for example a layer system composed of organic lacquer or epoxide layers and inorganic barriers such as A1203).
  • the light to be detected can now be irradiated either through the substrate side or through the encapsulation side.
  • both the substrate and the lower one must Electrode be carried out at least semi-transparent
  • encapsulation layer (s) and upper electrode must be performed at least semitransparent.
  • the light barrier according to the invention can also consist of a two-dimensionally fanned-out parallel light beam impinging on a two-dimensionally extended organic photosensor.
  • This can in turn consist of a single planar diode or of a two-dimensional pixel array.
  • Such a three-dimensional light barrier can make extended and new applications in safety technology as well as in size measurement and position measurement possible. This allows, for example, geometric dimensions to be measured and controlled in a two-dimensional projection.
  • the readout of the two-dimensional pixelated array can alternatively take place via an active matrix or a passive matrix control.
  • FIG. 4 shows a schematic structure of a pixelated one-dimensional organic photodiode array in cross section.
  • a structured lower electrode 13 with an unstructured organic layer 14 above it and an upper electrode 15 are shown.
  • FIG. 5 shows a schematic structure of a pixelated one-dimensional organic photodiode array in cross section.
  • an unstructured lower electrode 13 with an organic layer 14 located above it and a structured upper electrode 15 located above it are shown.
  • the pixel-dependent detector signal is obtained as a current between the respective structured electrode and the common counterelectrode.
  • the light barrier according to the present invention has a more than punctiform sensor element, with the help of which not only one line can be detected, but an entire surface.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine flächige Lichtschranke mit organischer Photodiode als Sensorelement. Die Lichtschranke weist ein mehr als punktförmiges Sensorelement auf, mit dessen Hilfe nicht nur eine Linie detektiert werden kann, sondern eine ganze Fläche.

Description

Beschreibung
Lichtschranke
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtschranke zur Detektion eines mehr als punktförmigen Bereiches.
Lichtschranken finden heutzutage zahlreiche Anwendungen, zum Beispiel für die Kontrolle von automatisierten Prozessen wie bei Fliessbandfertigungen, bei der Positionskontrolle, zur Stückzählung, aber auch in der Sicherheitstechnik für Zugangskontrollen und automatisierter Abschaltung von Maschinen in Gefahrenbereichen oder in der Qualitätssicherung. Die einfachsten, eindimensionalen Lichtschranken bestehen aus einem Emitter/Detektorpaar, also zum Beispiel einer LED und einer Photodiode oder einem Laser und einer Photodiode. Die benutzten Lichtwellenlängen liegen meist entweder im infraroten oder sichtbaren Bereich.
Für viele Anwendungen, zum Beispiel aus der
Qualitätssicherung und der Positions- oder Größenkontrolle ist es vorteilhaft, nicht nur einen 1-dimensionalen Lichtstrahl, sondern einen zweidimensionalen Lichtvorhang zu vermessen. Um nur eine Unterbrechung dieses Lichtweges zu detektieren, kann es genügen, den Strahl mit Spiegeln mehrfach umzulenken. Damit lässt sich fest stellen, ob eine Unterbrechung des Lichtstrahls vorliegt oder nicht. Für aufwändigere Anwendungen werden jedoch oft auch "Light Curtains" aus mehreren Paaren von Emittern und Detektoren eingesetzt, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Abhängig davon, von welchen Detektoren das Auftreffen von Licht erkannt wird und von welchen Detektoren nicht, kann daraus abgeleitet, in welcher Position eine Unterbrechung des Lichtweges statt findet.
Bei einer anderen bekannten Lösung erfolgt eine zweidimensionale Auffächerung eines Laserstrahls. Damit wird ein Lichtvorhang erzeugt. Die Abschwächung dieses Laserstrahls auf der gegenüberliegenden Seite wird mit einem CCD-Array bzw. einem CMOS-Array detektiert. Mit solchen Anordnungen können komplexere Messungen wie die Vermessung von Bauteilgrößen, Positionierungen oder die Form von Bauteilen (zum Beispiel Löcher in einem Werkstück, etc) bestimmt werden. Besonders bei großen Ausdehnungen der Lichtvorhänge ist jedoch die Ausführung mit einem CCD- oder CMOS-Array sehr teuer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lichtschranke vorzuschlagen, die hinsichtlich ihrer Auswertungsmöglichkeiten und ihrer Verwendungsmöglichkeiten verbessert ist.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung gemäß
Anspruch 1 gelöst, indem das lichtempfindliche Sensorelement der Lichtschranke aus einer oder mehreren organischen Photodioden besteht.
Vorteilhaft wird es damit möglich, dass Sensorelement linienförmig oder auch flächig auszugestalten. Damit wird es möglich, in einfacher Weise mit einer bekannten Technologie eine flächige Lichtschranke oder auch eine dreidimensionale Lichtschranke zu realisieren, mit der ein Raumvolumen kontrolliert werden kann.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 weist die Photodiode ein Elektrodenpaar auf.
Damit wird es möglich, integral die Gesamtintensität auf dem Sensorelement auszuwerten. Es kann damit in einfacher Weise erkannt werden, ob überhaupt ein Hindernis im Detektionsbereich vorhanden ist.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 weist die Photodiode mehrere Elektrodenpaare auf. Wie nachfolgend noch im einzelnen beschrieben, können die Elektrodenpaare gebildet werden, indem zu einer gemeinsamen Elektrode, die eine Äquipotenzialflache bildet, mehrere Gegenelektroden vorhanden sind. Ebenso ist es auch möglich, die Elektrodenpaare so auszugestalten, dass die Elektroden paarweise zusammen gehörend jeweils für sich unterteilt sind. In diesem Fall müssen die Elektroden präzise zueinander positioniert werden.
Vorteilhaft wird es mit dieser Ausgestaltung möglich, das Sensorelement in einzelne Bereiche zu unterteilen. Diese Unterteilung kann beispielsweise in kleine Bereiche erfolgen und damit pixelförmig sein. Durch eine Aufteilung des Sensorelementes in Bereich wird es vorteilhaft möglich, zu erkennen, wo sich in dem zu untersuchenden Detektionsbereich ein Hindernis befindet.
Die vorliegende Erfindung stellt eine flächige Lichtschranke (einen sog. Light Curtain) oder auch eine dreidimensionale Lichtschranke zur Verfügung, dessen lichtempfindliches
Sensorelement aus einer oder mehreren organischen Photodioden besteht .
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Lichtschranken-Systems liegt darin, dass durch die organischen Photodioden ein
Sensorelement zur Verfügung gestellt wird, das im Vergleich zu herkömmlichen Lichtsensoren besonders auf großen Flächen kostengünstig herzustellen ist. Dies wird vor allem durch die günstigen Herstellungsverfahren der organischen Schichten (Spray-Coating etc.) ermöglicht.
Für die Verwendung in Lichtschranken-Systemen bedeutet dies, das sowohl mit unstrukturierten wie auch mit pixelierten Sensoren neue Anwendungen ermöglicht werden. Im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik wie beispielsweise herkömmlichen anorganischen Photodioden (mit geringer räumlicher Ausdehnung) oder mit CCD- oder CMOS-Arrays erweist sich die kostengünstige Herstellung als besonderer Vorteil. Durch die flächigen organischen Sensoren können zweidimensionale und dreidimensionale Lichtschranken in verschiedenen Skalierungen realisiert werden. Zum Beispiel für den Zugangsschutz von Gebäuden oder von gefährlichen
Anlagen werden Abmessungen im Bereich bis zu mehreren Metern gebraucht werden, wahrend für die Qualitätssicherung oder Positionierung von Bauteilen in Herstellungsprozessen Lichtvorhänge mit Abmessungen zwischen einigen Zentimetern und einem Meter typisch sein dürften.
Dieser Größenbereich ist mit herkömmlichen Technologien nur zu vergleichsweise hohen Kosten zu realisieren, da meist viele Bauteile aneinandergereiht werden müssen.
Auch bei Verwendung von organischen Photodioden können mehrere Bauteile zu einem Array angeordnet werden, doch es werden sicherlich meist weniger Bauteile benötigt und der Preis pro Element wird deutlich niedriger ausfallen. Um einen langen, eindimensional ausgedehnten Sensorstreifen (pixeliert oder unpixeliert) aufzubauen, kann weiterhin ein Photodetektor verwendet werden, der auf einem Foliensubstrat in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess hergestellt wird. So können auch Sensoren mit vielen Metern Ausdehnung an einem Stück gefertigt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Darstellung eines flächigen Lichtschrankensensors mit einer organischen Photodiode als unstrukturiertem Detektor,
Fig. 2: Darstellung eines flächigen Lichtschrankensensors mit einer organischen Photodiode als linear pixelierter Detektor
Fig. 3: ein Beispiel für den Aufbau einer organischen Photodiode, Fig. 4: erstes Beispiel eines schematischen Aufbau eines pixelierten eindimensionalen organischen Photodiodenarrays im Querschnitt und
Fig. 5: zweites Beispiel eines schematischen Aufbaus eines pixelierten eindimensionalen organischen Photodiodenarrays im Querschnitt .
Figur 1 zeigt einen Sensor 1 aus einer einzigen länglichen organischen Photodiode 2, die auf einem flachen Substrat 3 aufgebracht ist und die ein lichtintensitätsabhängiges Stromsignal 4 an die Auswerteelektronik liefert. Die Höhe des Signals 4 ist proportional zum Integral der Intensität über die ganze beleuchtete Strecke. Als Strahlungsquelle dient beispielsweise ein Laser 5 mit Aufweitungsoptik, der einen aufgeweiteten Laserstrahl 6 auf den organischen Detektor richtet .
Ein solcher Detektor eignet sich zum Beispiel für Anwendungen in der Sicherheitstechnik, wo das Eintreten auch kleinerer Objekte in den Strahlengang als Ereignis detektiert werden soll, wo also die Schwächung des gemessenen Signals zum Beispiel einen Alarm oder das Abschalten einer Maschine auslösen soll.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine deutlich bessere Überwachung der gesamten beleuchteten Fläche gewährleistet mit bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik.
Weiterhin eignet sich ein solcher Detektor für einfachere Messungen in der Qualitätssicherung, zum Beispiel bei der Bestimmung von Größenabweichungen. Die Schwächung der Intensität des Signals ist hier proportional zu der Länge eines Objektes in dieser Richtung. Somit kann auch schon mit einem unstrukturierten, ausgedehnten Sensor die Dimension in der einen Raumrichtung gemessen werden. Figur 2 zeigt eine flächige Lichtschranke mit einem Aufbau wie er aus Figur 1 bekannt ist, wobei der organische Photodetektor oder die organische Photodiode 2 in einzelne Pixel 7 strukturiert ist. Jedes Pixel liefert somit ein eigenes Intensitätssignal für den jeweiligen Teilbereich in Form eines Stromsignals pro Pixel.
Die sich ergebende eindimensionale "Abbildung" eines Objektes im Strahlengang kann damit für anspruchsvollere Anwendungen in der Größenvermessung, in der Qualitätssicherung sowie auch für Positionsbestimmungen, zum Beispiel in der Fließbandfertigung verwendet werden. Auch für Anwendungen in der Sicherheitstechnik können solche Lichtvorhänge mit pixelierten Detektorarrays eingesetzt werden.
Figur 3 zeigt beispielhaft den Aufbau einer organischen Photodiode. Die Diode besteht aus einer oder mehreren aktiven organischen Schichten, die zwischen zwei Elektroden 8, 9 auf ein Substrat 10 aufgebracht werden. Das Substrat 10 besteht typischerweise aus Glas, es kann aber auch aus einer Metallfolie-, Kunststofffolie oder einem sonstigen Trägermaterial aufgebaut sein. Im gezeigten Beispiel ist die untere Elektrode 8 als Anode und die obere Elektrode 9 als Kathode realisiert, die Polarität der Elektroden kann aber auch invers aufgebaut sein.
Figur 3 zeigt einen Schichtaufbau mit zwei aktiven organischen Schichten: einem Lochtransporter 11 und der eigentlichen photoleitfähigen Schicht 12. Zusätzlich zu den hier gezeigten Schichten ist noch der Schutz des Bauteils mittels einer Verkapselung nötig. Die photoleitfähige organische Schicht 12 kann eine so genannte "BuIk Heterojunction" sein, zum Beispiel realisiert als Blend aus einem lochtransportierenden Polythiophen und einem elektronentransportierenden Fulleren-Derivat . Die Anode 8 ist beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), Gold, Palladium, Silber oder Platin aufgebaut und wird durch ein Sputter- oder Aufdampfverfahren hergestellt.
Die darauf folgenden aktiven organischen Schichten werden ebenfalls großflächig abgeschieden, zum Beispiel mittels Spin-Coating, Spray Coating, Rakeln (doctor blading) , Dip Coating, Siebdruck, Flexodruck, Slit Coating etc. Diese Verfahren erlauben eine kostengünstige Beschichtung von großen Flächen, vor allem da keine Strukturierung des
Halbleiters innerhalb der aktiven Sensorflache erforderlich ist .
Die Kathode 9 kann beispielsweise aus Ca, Al, Ag, ITO, LiF, Mg oder verschiedenen Kombinationen dieser Materialien aufgebaut sein und wird typischerweise durch thermisches Verdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen aufgebracht.
Wird ein pixelierter Sensor wie in Figur 2 hergestellt, dann muss entweder die Anode oder die Kathode auf Pixelebene strukturiert sein, was am einfachsten durch Verwendung einer Schattenmaske beim Abscheideprozess erreicht wird.
Eine Strukturierung der organischen Schicht auf Pixelebene ist in den meisten Fällen nicht nötig, da in Laborversuchen auch ohne solche Strukturierung eine sehr gute optische Auflösung zwischen benachbarten Pixeln erzielt wurde.
Der in Figur 3 gezeigte Schichtaufbau muss noch durch eine zusätzliche Verkapselung vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Diese Verkapselung kann entweder aus einem zusätzlichen Substrat (zum Beispiel Folie oder Glaskappe) oder aber aus einem dünneren Barrierefilm (zum Beispiel ein Schichtsystem aus organischen Lack- oder Epoxidschichten und anorganischen Barrieren wie A1203) bestehen. Das zu detektierende Licht kann nun entweder durch die Substratseite oder durch die Verkapselungsseite eingestrahlt werden. Im ersten Fall muss sowohl das Substrat als auch die untere Elektrode zumindest semitransparent ausgeführt werden, im zweiten Fall müssen Verkapselungsschicht (en) und obere Elektrode zumindest semitransparent ausgeführt werden.
In logischer Fortsetzung der vorherigen Beispiele kann die erfindungsgemäße Lichtschranke auch aus einem zweidimensional aufgefächerten parallelen Lichtstrahl bestehen, der auf einen zweidimensional ausgedehnten organischen Photosensor auftrifft. Dieser kann nun wiederum aus einer einzigen flächigen Diode oder aus einem zweidimensionalen Pixelarray bestehen. Eine solche dreidimensionale Lichtschranke kann erweiterte und neue Anwendungen in der Sicherheitstechnik sowie in der Größenvermessung und Positionsvermessung möglich machen. Damit können zum Beispiel geometrische Abmessungen in einer zweidimensionalen Projektion vermessen und kontrolliert werden. Die Auslesung des zweidimensionalen pixelierten Arrays kann alternativ über eine Aktiv-Matrix- oder eine Passiv-Matrix-Ansteuerung erfolgen .
Figur 4 zeigt einen schematischen Aufbau eines pixelierten eindimensionalen organischen Photodiodenarrays im Querschnitt. In dem gezeigten Beispiel ist eine strukturierte untere Elektrode 13 mit einer darüber befindlichen unstrukturierten organischen Schicht 14 sowie eine obere Elektrode 15 dargestellt.
Figur 5 zeigt einen schematischen Aufbau eines pixelierten eindimensionalen organischen Photodiodenarrays im Querschnitt. In dem gezeigten Beispiel ist eine unstrukturierte untere Elektrode 13 mit einer darüber befindlichen organischen Schicht 14 sowie einer darüber befindlichen strukturierten oberen Elektrode 15 dargestellt.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 wird das pixelabhängige Detektorsignal als Strom zwischen der jeweils strukturierten Elektrode und der gemeinsamen Gegenelektrode erhalten. Die Lichtschranke gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein mehr als punktförmiges Sensorelement auf, mit dessen Hilfe nicht nur eine Linie detektiert werden kann, sondern eine ganze Fläche.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtschranke mit einem mehr als punktförmigen Sensorelement, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Sensorelement der Lichtschranke aus einer oder mehreren organischen Photodioden besteht.
2. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode ein Elektrodenpaar aufweist.
3. Lichtschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode mehrere Elektrodenpaare aufweist.
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