本發(fā)明涉及一種光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種傳感器主體及回歸反射型光電傳感器。

背景技術(shù)：

目前，在工業(yè)與消費領(lǐng)域，需要回歸反射的領(lǐng)域一般都是采用角錐陣列的方式來實現(xiàn)光束的原路返回。

普通角錐出射偏振分布不均勻，于是有人想到了采用旋光效應(yīng)薄片，但是基于旋光效應(yīng)的角錐工藝復(fù)雜，需要配合相位延遲器來使用，無法利用角錐全部入射面，且出射偏振態(tài)分布不均勻，造成體積偏大；在先技術(shù)是名稱為《旋光保偏角錐》的美國專利，該專利號為us20050264883a1。

除了上述的在先技術(shù)外，還有角錐陣列回歸反射板，其是普通角錐在二維方向的周期性的排列，出射偏振態(tài)分布均勻，可以做的很薄，但是其工藝機(jī)器復(fù)雜，從而造成成本相對很高；且角錐陣列回歸反射板反射回的偏振態(tài)為橢圓偏振態(tài)，由于消光比較低，在功率受限的情況下，無法進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的探測。

利用刻蝕光柵的方式雖然可以對角錐起偏，需要對角錐三個垂直表面刻蝕精密條紋以滿足起偏要求，對光柵刻蝕角度和密度提出很高的要求，工藝復(fù)雜，成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種傳感器主體，其能將回歸反射光起偏為線偏振光。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種回歸反射型光電傳感器，其能使用正交偏振雙通道探測，提高探測靈敏度。

本發(fā)明的目的之一采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種傳感器主體，包括發(fā)光元件、受光元件和驅(qū)動電路，所述發(fā)光元件包括光源和第一準(zhǔn)直透鏡，所述受光元件包括第二準(zhǔn)直透鏡、偏振分路器、第一光電探測器和第二光電探測器，所述第一光電探測器和第二光電探測器均與驅(qū)動電路電性連接；

所述光源與第一準(zhǔn)直透鏡依次同軸設(shè)置于發(fā)光路徑上，所述第二準(zhǔn)直透鏡和偏振分路器依次同軸設(shè)置于受光路徑上，所述偏振分路器用于將接收到的出射光分為s偏振光和p偏振光，所述第一光電探測器用于接收p偏振光并傳輸?shù)谝还怆娏餍盘栔硫?qū)動電路，所述第二光電探測器用于接收s偏振光并傳輸?shù)谝还怆娏餍盘栔硫?qū)動電路；所述驅(qū)動電路用于判斷差分光電流信號與預(yù)設(shè)值的大小，所述差分光電流信號為第一光電流信號與第二光電流信號的差值。

進(jìn)一步地，所述偏振分路器包括偏振分束棱鏡、第一直角棱鏡、第二直角棱鏡、第三直角棱鏡和相位補(bǔ)償板；所述偏振分束棱鏡用于將一入射光分為p偏振光和s偏振光，所述p偏振光依次通過第一直角棱鏡和第二直角棱鏡；所述s偏振光依次通過第三直角棱鏡和相位補(bǔ)償板；所述相位補(bǔ)償板用于對s偏振光進(jìn)行相位補(bǔ)償以使s偏振光與p偏振光經(jīng)歷相等光程。通過正交雙通道的偏振探測，消除了共模噪聲的影響，提高探測信噪比。

進(jìn)一步地，所述第一直角棱鏡、第二直角棱鏡和第三直角棱鏡均為全反射棱鏡。

進(jìn)一步地，所述光源為led光源。

進(jìn)一步地，所述光源設(shè)置于第一準(zhǔn)直透鏡的焦點處。

本發(fā)明的目的之二采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種回歸反射型光電傳感器，包括如上所描述的傳感器主體和回歸反射器，所述回歸反射器包括角錐和設(shè)置于角錐反射面上的二向色性偏振片，所述角錐用于將傳感器主體傳輸?shù)娜肷渥匀黄窆廪D(zhuǎn)換為線偏振出射光，二向色性的偏振片主軸方向與出射線偏振光的偏振方向一致。

進(jìn)一步地，所述二向色性偏振片通過光學(xué)膠水膠合于角錐反射面上。

進(jìn)一步地，所述角錐的材料為玻璃或者光學(xué)塑料。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的光電傳感器的回歸反射器工藝簡單、成本低、出射光的偏振態(tài)均勻、消光比高，并且該回歸反射器與傳感器主體的配合提高了該光電傳感器的探測距離。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的光電傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的傳感器主體的正交偏振分路器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的回歸反射器的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為角錐的坐標(biāo)系；

圖5為角錐的入射面區(qū)域劃分圖；

圖6為光的入射圖；

圖7為反射光s分量與p分量復(fù)振幅反射率隨入射角度的關(guān)系圖；

圖8為反射光s分量與p分量相位隨角度的變化圖；

圖9為橢圓方程的示意圖；

圖10為反射光s分量與p分量相位差變化示意圖。

附圖標(biāo)記：1、光源；2、第一準(zhǔn)直透鏡；3、回歸反射器；31、偏振片；32、角錐；4、第二準(zhǔn)直透鏡；5、偏振分路器；51、偏振分束棱鏡；52、第一直角棱鏡；53、第二直角棱鏡；54、第三直角棱鏡；55、相位補(bǔ)償板；6、第一光電探測器；7、第二光電探測器；8、驅(qū)動電路；9、傳感器主體；10、傳輸光路。

具體實施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實施方式，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述，需要說明的是，在不相沖突的前提下，以下描述的各實施例之間或各技術(shù)特征之間可以任意組合形成新的實施例。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種回歸反射型光電傳感器，該光電傳感器包括傳感器主體9和回歸反射器3，該傳感器主體9包括發(fā)光元件、受光元件和驅(qū)動電路8，所述發(fā)光元件包括光源1和第一準(zhǔn)直透鏡2，所述受光元件包括第二準(zhǔn)直透鏡4、偏振分路器5、第一光電探測器6和第二光電探測器7，所述第一光電探測器6和第二光電探測器7均與驅(qū)動電路8電性連接；回歸反射器的材料與厚度的要求為大于1mm厚度的電氣石，或者大于0.3mm厚度的碘硫酸金雞納。

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種偏振分路器5，其包括偏振分束棱鏡51、第一直角棱鏡52、第二直角棱鏡53、第三直角棱鏡54和相位補(bǔ)償板55；所述第一直角棱鏡52、第二直角棱鏡53和第三直角棱鏡54均為全反射棱鏡。所述偏振分束棱鏡51用于將一入射光分為p偏振光和s偏振光，所述p偏振光依次通過第一直角棱鏡52和第二直角棱鏡53；所述s偏振光依次通過第三直角棱鏡54和相位補(bǔ)償板55；所述相位補(bǔ)償板55用于對s偏振光進(jìn)行相位補(bǔ)償以使s偏振光與p偏振光經(jīng)歷相等光程。

由于入射光的偏振態(tài)可能為線性偏振，也可能為橢圓偏振，但是入射光經(jīng)過回歸反射器3進(jìn)行反射之后，該出射光將偏振投影到兩個垂直的方向，一個是水平方向，也即是y軸，另一個為垂直方向，也即是z軸；由偏振分束棱鏡51將入射光分為垂直的線偏振光以及水平的線偏振光；p偏振光經(jīng)過第一直角棱鏡52以及第二直角棱鏡53的全反射之后出射為p偏振光，s偏振光經(jīng)過第三直角棱鏡54進(jìn)行全反射之后，由相位補(bǔ)償板55進(jìn)行相位補(bǔ)償，使得s偏振光與p偏振光經(jīng)歷相同的光程。

所述光源1與第一準(zhǔn)直透鏡2依次同軸設(shè)置于發(fā)光路徑上，所述第二準(zhǔn)直透鏡4和偏振分路器5依次同軸設(shè)置于受光路徑上，所述偏振分路器5用于將接收到的出射光分為s偏振光和p偏振光，所述第一光電探測器6用于接收p偏振光并傳輸?shù)谝还怆娏餍盘栔硫?qū)動電路8，所述第二光電探測器7用于接收s偏振光并傳輸?shù)谝还怆娏餍盘栔硫?qū)動電路8；所述驅(qū)動電路8用于判斷差分光電流信號與預(yù)設(shè)值的大小，所述差分光電流信號為第一光電流信號與第二光電流信號的差值；所述光源1為led光源；且所述光源1設(shè)置于第一準(zhǔn)直透鏡2的焦點處。

本實施例的工作原理：led光源發(fā)射的光通過第一準(zhǔn)直透鏡2后準(zhǔn)直發(fā)射，通過傳輸光路10傳輸至回歸反射器3，該入射光線在角錐32內(nèi)進(jìn)行全反射后，出射為線偏振光，出射光的偏振方向為y軸方向，回歸反射光線經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡4會聚后，進(jìn)入偏振分路器5內(nèi)，然后通過偏振分路器5，p偏振光會被會聚在第二光電探測器7處，s偏振光會被會聚在第一光電探測器6內(nèi)，驅(qū)動電路8的閾值判斷電流為差分光電流信號；

驅(qū)動電路8可以通過記錄處理第一光電探測器6和第二光電探測器7雙通道返回的光電流的大小，來計算雙通道光電流打下偶的比值，可以設(shè)置多個比值，并根據(jù)設(shè)定的比值大小來進(jìn)行計數(shù)。

由于采用了正交偏振分路器，經(jīng)過透明體后線偏振光的偏振態(tài)會發(fā)生改變，導(dǎo)致兩個接收通道第一光電探測器6與第二光電探測器7的光強(qiáng)接收光電流不同，雙通道的光電流之比反映了線偏振光的角度偏轉(zhuǎn)，線偏振光的角度偏轉(zhuǎn)與透明體的厚度相關(guān)，因此可以通過標(biāo)定雙通道光電流強(qiáng)度之比來檢測特定厚度的透明體。

通過標(biāo)定，確定特定厚度透明物體接收到的p偏振光通道與s偏振光通道的光電流強(qiáng)度之差，當(dāng)達(dá)到此閾值的時候，則厚度透明體的計數(shù)器加一，可以通過設(shè)定多個標(biāo)定值，實現(xiàn)在同一條產(chǎn)線針對不同厚度透明體進(jìn)行計數(shù)的功能。

如圖3所示，本發(fā)明提供了一種回歸反射器3，其應(yīng)用于回歸反射型光電傳感器，包括角錐32和設(shè)置于角錐32反射面上的二向色性偏振片31，所述角錐32用于將傳感器主體9傳輸?shù)娜肷涔廪D(zhuǎn)換為出射光。所述二向色性偏振片31通過光學(xué)膠水膠合于角錐32反射面上。所述角錐32的材料為玻璃或者光學(xué)塑料。該二向色性偏振片31的光軸方向沿y軸，從而保證回歸反射光偏振態(tài)為水平方向，也即是沿著y軸。

根據(jù)光線追跡理論，獲得角錐最優(yōu)面積設(shè)計，通過在角錐的入射面鍍一層二向色性材料薄膜，實現(xiàn)對出射角錐偏振態(tài)的控制，從而使得出射光偏振態(tài)均勻，線偏振光出射消光比高，有效面積大，制造工藝簡單，成本低。

如圖4所示的角錐的坐標(biāo)系，該角錐的四個平面以及平面的單位法向量為：

光線與每個平面交點的坐標(biāo)范圍約束為：

在abc面光線垂直入射，光線的入射點為(x0，y0，z0)，方向向量為直線方程為：

光線入射到oac平面反射，入射光線方程(6)，oac平面方程(2)，聯(lián)立方程得到入射點坐標(biāo)：

根據(jù)矢量形式的光線反射公式，入射光線矢量出射光線矢量入射平面單位法向量的方向定義如下：

光線在oac表面發(fā)生全內(nèi)反射，反射后的光線方程為：

經(jīng)過全內(nèi)反射后的光線，入射到obc表面，發(fā)生全內(nèi)反射，平面obc的方程為(1)，直線與平面的交點為：

根據(jù)矢量形式的反射定律，得到經(jīng)過obc反射后的光線方程為：

上面經(jīng)過反射的光線入射oab平面，oab的平面方程為(3)，oab平面入射光線與該平面的交點為：

oab平面的反射光線，根據(jù)交點坐標(biāo)、法線方程、矢量形式的反射定律可以得到出射光線的直線方程為：

出射光線經(jīng)過abc平面最終出射角錐，根據(jù)上面反射光線與abc平面方程(4)，最終可以得到出射角錐的坐標(biāo)為：

根據(jù)上述理論推導(dǎo)，可以追跡每一條入射角錐的光線，從而獲得入射角錐與出射角錐的坐標(biāo)位置關(guān)系。

如圖5所示，并根據(jù)對稱性，考慮所有入射角錐的位置可能性，得到所有出射角錐的位置可能性。關(guān)于角錐入社出射面區(qū)域劃分，其中r1-r3為無效區(qū)域，此區(qū)域的光入射無法反射出角錐，有效區(qū)域為圖5中的六角形區(qū)域，其中r4區(qū)域入射，將從r4’出射，r5區(qū)域入射，將從r5’出射，從r6區(qū)域入射，將從r6’出射，由r4r5r6r4’r5’r6’組成等六邊形，從而實現(xiàn)角錐的最優(yōu)面積設(shè)計。

如圖6所示，反射光的振幅反射率有

其中，1為入射介質(zhì)，2為折射介質(zhì)，如圖7是反射光s分量與p分量復(fù)振幅反射率隨入射角度的關(guān)系，圖8是反射光s分量與p分量相位隨角度的變化，從而可以得到正入射角錐時，三次全反射后的附加相位。

正入射時，全反射導(dǎo)致附加相位，正入射角錐棱鏡時，三個反射面的入射角固定，角度為54.74度正入射時，每反射一次，p光與s光相位差增加0.768rad(44度)。進(jìn)行三次全反射后，最終附加相位2.304rad，若入射線偏振光，出射為橢圓偏振光。

如圖9，一般形式的橢圓偏振光的橢圓方程示意圖，其表達(dá)式為

δ＝δx-δy

如圖10，為s分量與p分量相位差改變時，偏振態(tài)的改變過程，除特殊的0，pi相位外，均為橢圓偏振形式。當(dāng)相位角度為的范圍時，為橢圓偏振光，探測靈敏度取決于橢圓偏振光的長軸與短軸比例。

在角錐32的入射面緊貼放置偏振片31，或者將角錐材料鍍到角錐表面，入射光到偏振片31起偏為線偏振光，進(jìn)入角錐反射，由于全反射附加相位，出射角錐為橢圓偏振光，通過偏振片31后又變?yōu)榫€偏振光，探測靈敏度從0-100％。偏振片31的材料為二向色性染料偏振材料，通過鍍膜的工藝鍍在角錐32入射面表面，或者作為可調(diào)節(jié)方向的偏振片31緊貼角錐32設(shè)置。

上述實施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，不能以此來限定本發(fā)明保護(hù)的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所做的任何非實質(zhì)性的變化及替換均屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。