专利名称：光电开关器件及开关方法
技术领域：
本发明涉及一种应用光电转换的开关器件，它适用于工厂自动化生产线等场合。
当工厂自动化生产线上使用各种传感器进行控制等工作时，作为具有开关功能光电传感器的光电开关有各种各样的用途，因为这样的光电开关具有非接触式目标检测的优点。
传统光电开关中的反射式光电开关，适于从发射器向检测位置发射光，并用光电接收器检测有/无从检测位置的反射光，因此在检测位置上可以识别是否有受检目标。另一方面，透射式光电开关相对地布置一个发射器和一个光电接收器并利用这样地一个事实，即如果收发之间存在受检目标，那么由于受检目标的遮挡使光不能到达光电接收器，并构成所谓的光中断器。在这两种情况的任一种情况下，根据光电接收器的光接收状态，实现一个所需开关的打开/闭合，因此具有光电开关的功能。
然而，因为这种传统的光电开关依赖于光反射系数或目标的遮挡程度，对于那种光学特性差的受检目标，特别是对于一种透明或半透明的固体(以后称为“透明物质”)其检测是困难的。即，因为从发射器来的光在这样的透明物质上很难有反射或遮挡，所以光电接收器的光电接收输出很难在传统的光电开关内随受检目标的有/无变化。进而，为了强制检测微反射或遮挡必须把用于鉴别光电接收器光电接收输出的阈值设置在零附近的情况下，当进行开关时，由于诸如噪声那样的小干扰就会引起ON/OFF的开关动作，因此这将产生误信息。
另一方面，如所公知的，任何一种物质都不能完全透过所有波长的光，而都存在着随光波长而变的光吸收。为此，提出一种技术，即让白光光源发出的光通过一滤波器提取而特定的波长；将其投射到一目标上；根据透过该目标的光的吸收，对目标进行存在与否的检测。
但是，滤波器允许透过的波段不一定与当时要被受检目标的光吸收波段相吻合。于是常常使检测灵敏度达不到实际所需要的程度。
而且，用作白光光源的白炽灯尺寸大，将其投射到目标上去的光学系统也随之增大。进而，使必须包含这些组件的发射装置的尺寸增大。
在这种情况下，将限制采用白光光源和滤波器的光吸收型光电检测器的用途，并且难以在诸如小型化的常用的光电开关这样的装置中采用它。
此外，凭这项技术难以得到仅透过标注波长光的完全滤波器，而且在实际应用中，该滤波器也明显透过非该波长的光。因此，在实际检测中，难以仅投射与目标吸收率相对应的特定波长的光，而常常混有许多波长。于是，非标注波长吸收的影响是不可避免的，某些情况下会产生目标检测错误。
因此，以非接触方式对光学特性不理想的受检目标进行的光检测有许多问题，另一方面，同时还有这样一个问题为了安装一个传感器而必须安装许多其他传感器。尤其是，在各种场合中使用光电开关，就要有许多相似的光电开关被安排/放置在现场的一个自动化生产线上。
即使对于仅仅检测容器中液体量的检测工作而言，在自动化生产线上也需要有实现容器是否到达注入位置及注入量是否适当这两类检测的光电开关。
于是，在实际自动化生产线上大量光电开关需要有大的安装空间，而且制造自动化生产线时要花大量时间安装这些光电开关。
此外，近年来工厂的自动化生产线正在向多类型小批量产品转移，致使在同一条生产线上总有各种形状、颜色等产品流动着。为了对付这种局面，尽管受检目标相同或相似，还是有必要安装大量适应于那种能应付各种不同条件产品的生产线情况的传感器。这是因为传统的光电开关已经被设计成在一种条件下仅能实现一类检测的类型，而对于各种被测目标则需要各种类型的光电开关。
如上所述，光电开关有很好的实用价值，它可以以非接触方式检测受检目标；可以说，对其用途和便利性的拓宽，在未来研究与开发中将占重要地位。
在这样的情况下，产生了本发明，且第一目的是提供一种光电开关，它以某些类透明物质，如(1)包含OH基团的物质，及(2)包含CH2基团或CH3基团的物质为目标，并对其进行极精确的检测，它由一些易于得到的元件构成，并能使结构小型化且有较强的通用性。
第二目的是提供一种能够在同一检测位置进行多种检测的光电开关。
本发明提出一种用光照射受检目标并接收来自受检目标光线从而产生检测信号的光电开关器件。
本发明包括一个能发出照射在所述受检目标上的从1.40μm至1.50μm范围内选出的一个波长光的半导体发光器件；一个半导体光电接收器，它响应于接收到的从照射受检目标的光中得到的光量，而产生一个输出值；及一个将该输出值与预定阈值比较以产生一个检测信号的比较器。
此外，本发明包括一个能发出照射在所述受检目标上的从1.60μm至1.80μm范围内选出的一个波长光的半导体发光器件；一个半导体光电接收器，它响应于接收到的从照射受检目标的光中得到的光量，而产生一个输出值；及一个将该输出值与预定阈值比较以产生一个检测信号的比较器。
根据本发明，采用一个易于得到的半导体发光器件，能发出对应于含OH基团或CH2基团和/或CH3基团物质特定吸收波段的某一波长光，从而不必使用滤光器或庞大光学系统的光电开关器件可以做到小型化和广泛的通用性。而且，半导体发光器件发射波长的带宽十分窄，因而非所需波长光的影响很小，而目标检测精度很高。于是，光电开关在工厂自动化生产线等场合的效能变得非常高。
此外，本发明包括能为受检目标产生多个不同波长光的发光装置；光电接收装置，它响应于从受检目标光多个不同波长光之每一个中得到的接收值，而产生多个输出值；及根据多个输出值产生检测信号的检测信号发生装置。
根据本发明，在工厂自动化生产线等场合可以迅速准确地进行多种类型的检测。而且，不必安装大量光电开关器件，减少安装步骤，而运行同步的延迟处理变得不必要，并简化了设备结构。
在本发明的一种模式中，多波长的光是两束不同波长的光，而且借助于在检测信号发生单元校正从两不同波长光得到的输出值，它能够准确地对付多种受检目标。
在本发明的一个优选实施例中，检测了作为一种典型的含OH基团物质的水。此外，还检测了作为典型含CH2基团或CH3基团物质的酒精或丙烯酸树脂。
在本发明另一个实施例中，受检目标的颜色被确定，然后正确地确定不同颜色受检目标是否含有水。
在本发明再一个实施例中，通过单一一个光电开关器件而不进行延迟处理，实现对受检目标存在与否及受检目标表面状态的检测。
本发明的其他目的和特征将在以下说明中得以明示。
图1至图6是表示各种液体透过光谱的测试结果的曲线图。
图7是表示含OH基团固体蔗糖其透过光谱的测试结果的曲线图。
图8是表示含CH2基团或CH3基团的固体丙烯酸树脂其透过光谱的测试结果的曲线图。
图9是本发明优选实施例中所用波段示意图。
图10是一个反射型光电开关的外观示意图，它是本发明采用特定波长光的一个优选实施例。
图11是表示图10中光电开关内部结构和一种使用模式样板的示意图。
图12是一个透射型光电开关的外观示意图，它是本发明采用特定波长光的一个优选实施例。
图13是表示图12中光电开关内部结构和一种使用模式样板的示意图。
图14A和图14B是表示本发明采用多束不同波长光的一个优选实施例中的检测方法。
图15是一个光电开关的外观示意图，它是本发明采用多束不同波长光的一个优选实施例。
图16是表示图15所示光电开关内部结构的示意图。
图17表示图15所示光电开关的光纤单元的示意图。
图18是表示图17所示光纤部分一个区段的示意图。
图19是表示图15所示光电开关一个应用实例的示意图。
图20是表示图15所示光电开关一个应用实例的流程图。
图21是表示一个光电开关内部结构的一部分的示意图，该光电开关是一个分开利用多束不同波长光的本发明优选实施例。
图22是表示在同一光路中引导不同波长光的方法。
本发明推广到工厂自动化线等场合下常常使用的那种光电开关器件的各种应用方式中，而其主要方式可大致归类为用特定波长检测特定物质的光电开关器件，和用多束不同波长光对受检目标进行多类型检测的光电开关器件。
在下文中，将描述每一类的优选实施例。<1.采用特定波长光的光电开关>
<1.1发明原理>
在描述本发明实施例的具体结构之前，先说明本发明中选用波段的理由，以及半导体发光器件提供的波长。
<1.1.1本发明与各类物质光吸收特性之间的关系>
根据本发明，采用特定波长光的光电开关之一，是基于利用OH基团特定吸收光谱的原理的，并对应于该吸收波段用1.4μm波段(1.40至1.50μm)作为发射波长。
此外，另一个采用特定波长光的光电开关，是基于利用CH2基团和/或CH3基团特定吸收光谱的原理。
图1至图8表示了用作这种波段选择基础的测量结果。纵坐标轴是光透过率(0％至100％)，横坐标轴是波长(单位μm)。而且，曲线上的极小值对应于吸收峰。同时，有一些部分上限稍稍大于100％，这是误差所至。在图1至图8下部带有(*)标记的物质是含有CH2基团或CH3基团的物质，而其他的是含有OH基团的物质。
首先，在图1中表示了含有OH基团的水()的测量结果。从该结果中可知，水在1.45μm附近和1.95μm附近有光吸收峰。于是可以得到一种利用在这些波段均可使用的光吸收的光电开关，然而可工业生产的半导体发光器件的波段实际上局限在某些范围内，本发明采用的是1.4μm波段(1.40至1.50μm)。参考图1，该波段用“A”表示。下文说明以这种选择为前提的半导体发光器件。
另一方面，图1中作为含有CH2基团或CH3基团的有机液体烃类和乙醇(ethanol)中，在1.72μm附近等有吸收峰。在与水的情况相似的在可工业生产的半导体发光器件的波长范围内，本发明采用1.6至1.7μm波段(1.60至1.80μm)。在图1中该波段用“B”表示。
图2至图6表示对其他各种物质进行类似测量的结果(与图的结果部分重叠)。这些曲线的含义明示于图中，不需在此详述，从这些曲线可以理解，以OH基团为主要成分的物质和含有CH2基团或CH3基团的有机液体，分别在1.4μm波段A附近和1.6至1.7μm波段B附近有吸收峰。
即1.4μm波段A是含有OH基团的各种液体公共吸收波段，而1.6至1.7μm波段B是含有CH2基团或CH3基团的各种有机液体公共吸收波段。
此外，这些图1至6是液体的实验结果，然而本发明也适用于固体。图7是作为含有OH基团固体举例的蔗糖(＝纤维素或甘蔗糖)的实验结果，它也类似地在1.4μm波段附近有一个吸收峰。另外，图8是作为含有CH2基团或CH3基团固体举例的透明塑料(具体为丙烯酸树脂)的实验结果，它在1.6至1.7μm波段B附近以一个吸收峰。
所以，得到一个光电开关器件，它利用这些波段内的光吸收，检测这些物质是液体还是固体，这些事实构成了本发明的基础。
<1.1.2每个受检目标的吸收波长和波长的选择>
现在说明在前述吸收光谱测量结果中获得的吸收峰之中，本发明特别选用1.4μm波段(1.40至1.50μm)和1.6至1.7μm波段(1.60至1.80μm)的理由。下文中出现的波长值和波段在图9中说明，而且该图9还将被涉及到。
<1.1.3按发射波段详述半导体发光器件的分类和应用>
就半导体发光器件而言，特别是半导体激光器，如所公知的，已经开发出各个波段的激光器，而且已经可针对各自的应用目的而开发其波长。一般地，分为短波波段和长波波段。
其中短波波段主要用于所谓光学信息处理，如以CDs为代表的光盘、激光打印机或包含光电开关的传感器。采用AlxGa1-xAs化合物半导体的激光器是其一个典型的例子，而且通过在该合成过程中调节合成比率可以在0.84μm和0.78μm波段的出光。
在尤其需要短波长的光盘等场合，已经开发出(AlxGa1-x)yIn1-yP系的激光器，并已经在0.67μm波段和0.63μm波段出光。而且，更短波长的已经研究/开发出来，那是采用有大的带间能级差的II-VI族化合物半导体如ZnSe或ZnS。
另一方面，主要目的为用于光纤通信系统的长波半导体激光器也已经开发出来，而且主要用In1-xGaxAsyP1-x系化合物半导体制作。光通信等领域所用的光波长通常为1.3μm波段或1.55μm波段。选择这个波段的原因是为了满足这样的要求光信号长距离传输，因光纤材料玻璃吸收小而使传输损耗小。在光纤放大器中，已经开发出这样的技术用1.48μm波段和0.98μm波段的半导体激光器作为其中掺有稀土元素铒(Er)的光纤的激励光源，可以使光信号获得至少30dB的增益，而且作为新波段的0.98μm或1.48μm波段激光器已经开发出来。
在上述短波波段和长波波段中，对本发明而言更重要的是长波波段(参见图9)。
<1.1.4与发射波段相对应的组合物和制作>
作为前述半导体激光器材料的化合物半导体，由多种原子的混合晶体构成。其中，“异构激光器”H.C.Casey，Jr.& M.B.Panish，《AcademicPress》1978，是本领域公开文献之一。根据该文，直接跃迁型化合物半导体的价带与满带之间的能级差Eg(单位eV)和发射波长λ(单位μm)由下式提供Eg(eV)＝1.2398/λ(μm)尤其在In1-xGaxAsyP1-y的混合晶体半导体中，通过在0≤x≤1和0≤y≤1范围内改变组分比率x和y，可将由其能级差得出的范围控制在0.73≤Eg≤1.25(eV)的范围内。而且，In1-xGaxAsyP1-y可发射的光波长λ的范围是0.99≤λ≤1.70(μm)。
<1.1.5本发明中半导体光发射器件举例>
于是，半导体发光器件中目前可工业生产的波段受到限制，但是本发明的一种光电开关所用的1.4μm波段A(参见图9)，通常可通过前文所述In1-xGaxAsyP1-y半导体混合晶体构成的半导体发光器件而实现。
对本发明另一种光电开关所用的1.6至1.7μm波段B中1.60至1.70μm的一个波长而言，通常可以用In1-xGaxAsyP1-y实现。1.60至1.80μm的一个波长，可以由AlGaInSb系或InPAsSb系的半导体混合晶体构成的半导体器件实现。
另一方面，也可以利用半导体混合晶体中的超晶格效应，实施本发明所用的半导体发光器件。晶体生长方法是半导体混合晶体的制备过程中的重要因素，除了传统的液相生长(液相外延)方法之外，可以使用能形成更薄薄膜的汽相生长方法，如MOVCD(金属有机物化学汽相沉积)法、或分子束外延法即MBE(分子束外延)等等。当采用这类技术时，可以扩大和控制一般体积半导体可发光能级差的范围，也能扩大波长控制能力的自由度。
<1.2使用特定波长光的光电开关实施例>
现在说明根据前述原理构成的本发明实施例。
<1.2.1第一实施例>
图10是本发明第一实施例的反射型光电开关1的外观图，图11是表示其内部结构的框图。根据本文中半导体发光器件(下文将说明)的发射波长，该光电开关1被用作(1)含OH基团物质(具体为主要由水构成的液体)的检测开关，或(2)含CH2基团或CH3基团物质(具体为含有这些基团的有机液体)。
如图10所示，光电开关1把图11的元件组10包容在矩形壳体2中。这个元件组10大致分为投射射系统，光电接收系统和开关系统，而且在发光控制电路11中产生的激励能量，被加到其中投射系统中的半导体发光器件12上。对这样的半导体发光器件12(半导体光源)而言，可采用发射选自(1)针对含OH基团物质检测光电开关的1.4μm波段(1.40至1.50μm)，或(2)针对含CH2基团或CH3基团物质检测光电开关的1.6至1.7μm波段(1.60至1.80μm)中一个波长光的半导体发光器件，诸如可采用InGaAsP系、AlGaInSb系或InPAsSb系的半导体激光器。这些范围的优选波长实例分别为1.45μm和1.66至1.73μm。
图11的半导体发光器件12发出的光La经过镜头13从图10的透明窗3a输出射投向预定检测位置P(图11)。设有该检测位置P的表面R由基本不吸收半导体发光器件12所发光的光反射材料构成。于是，光La照射到表面R，并且当检测位置P没有受检目标Q(主要为水的液体或有机液体)时基本全部被该表面R反射，进而成为反射光Lb并返回到光电开关1。另一方面，当检测位置P有受检目标Q时，大部分光La被受检目标Q所吸收，且反射光Lb基本变为零或较暗的光。
光电开关1的光电接收系统包括一个半导体光电接收器15和一个光电接收电路16。从图10透明窗3b入射经过图11镜头14的光Lb由该半导体光电接收器15。该光电接收器15可由一个光电二极管构成，并能对接收的光进行光电转换。而且，其光电转换输出在光电接收控制电路16中被转换成一个预定的电压或电流。具体地，该光电接收控制电路16用一个预定阈值鉴别一个响应于反射光Lb量从半导体光电接收器15输出的信号，并将其转换成表示“光电接收状态”和“非光电接收状态”的二进制信号。此外，该光电接收控制电路16带有一个增益控制旋钮16a，而且可以通过控制与该增益控制旋钮16a的转动相对应的前述预定阈值，来调节检测敏感度。
另一方面，光电开关1的开关系统包括一个开关电路17，且有一个检测指示灯18b连接在该开关电路17中。该开关电路17适于响应于光检测结果将一个ON/OFF开关输出Sout输送的光电开关1内部的一个装置(如一个用于控制的控制器)中。此外，开关电路17带有一个开关方向转换旋钮17a，而且通过转动该开关方向转换旋钮17a，可以在光电接收或非光电接收中实现检测指示灯18b亮起和开关输出Sout处于“ON”的开与关。如图10所示，各控制旋钮16a和17a安置在壳体2的上表面上，而检测指示灯18b与电源指示灯18a并排装在一个透明的指示灯防护罩18内。
对于检测指示灯18b和电源指示灯18a来说，其发光的颜色彼此不同，因此可以迅速识别哪一个亮起。该光电开关1的电源线和和开关输出Sout的获取线通过图10的缆线4连接到外部装置上。
在这种结构的光电开关中，光吸收量随是否存在受检目标Q(含OH基团物质、或者含CH2基团或CH3基团物质)而变。所以，与到达半导体光电接收器15光量相对应的信号电平用一个阈值来辨别，从而自动地对半导体发光器件12所发光的开关输出Sout作开与关的切换，同时检测指示灯18b亮起/熄灭。由于半导体发光器件的发射波长带很窄，所以附近波长光的混入很少，且检测精度很高。此外，不需要采用白光光源时的滤光器等等，镜头13和14可以很小，因此使其整体小型化，也提高了其通用性。
<1.2.2第二实施例>
图12是本发明第二实施例的透射型光电开关100的外观图，而图13是表示其内部结构的框图。其中，图13展示了光电开关100用于对以水或有机液体为主要成分的液体作液面检测的一种模式。
如图12所示，该光电开关100由投射部分200和光电接收部分300组成，它们彼此相对设置并如图13所示使用。在其间的空隙中，受检目标可装在一个由对半导体发光器件212发射波长吸收很小的材料，如玻璃，构成的容器中。
在图12的矩形壳体202内，投射部分200包括图13中的一个发光控制电路211和半导体发光器件212。该半导体发光器件212的具体结构实例和其发射特性与第一实施例相似，并且半导体发光器件发射的光波长选自(1)在采用含OH基团物质的检测光电开关情况下1.4μm波段(1.40至1.50μm)，或(2)在采用含CH2基团或CH3基团物质的检测光电开关情况下1.6至1.7μm波段(1.60至1.80μm)。
半导体发光器件212发出的光La经过镜头213从图12的透明窗203输出射向容器50的设定高度HO。当受检目标Q的水平面位于一个低于该设定高度HO的高度时，光La基本全部到达光电接收部分300成为透射光Lc。另一方面，当受检目标Q的水平面位于一个高于该设定高度HO的高度时，光La基本全部或大部分被受检目标Q所吸收，且透射光Lc基本变为零或较暗的光。
光电接收部分300包括容纳在图12壳体302内的一个半导体光电接收器315和一个光电接收电路316，且其中半导体光电接收器315可由光电二极管构成。从图12透明窗303入射经过图13镜头314的光Lc由该半导体光电接收器315，且其光电接收的输出在光电接收控制电路316中被转换成一个预定电压或电流。其原理与第一实施例中的光电接收控制电路16相似。此外，与第一实施例相似，该光电接收控制电路316带有一个增益控制旋钮316a，因此可以调节检测敏感度。
光电接收部分300进一步包括一个开关电路317，和一个检测指示灯318b，与第一实施例相似该开关电路317带有一个开关方向转换旋钮317a。
在投射部分200和光电接收部分300中的电源指示灯218a和318a之中，光电接收部分300中的电源指示灯318a与检测指示灯318b并排放置在图12的透明指示灯防护罩内，这也与第一实施例相同。投射部分200和光电接收部分300分别通过图12的缆线204和304连接到外部装置上。
第二实施例中的基本检测原理与第一实施例相似，因此这里省略去重复的描述，但是图13中容器50与受检目标Q之间的关系是存储在透明瓶子中的饮用水或有机液体，而且在使用该光电开关100控制其自动充填时，通过正确地检测液面是否到达设定高度HO可以实现诸如停止充填的控制。
此外，受检目标Q有一定的颜色，用传统透过型光电开关，即一种利用受检目标Q遮挡的光电开关，可以完成一部分检测。但是，把液体自动充填到瓶中时液体表面上会产生许多泡沫，而且常常发生泡沫溢流出瓶外的现象。于是，由于泡沫表面遮挡或反射检测光，将得出错误的检测结果。
然而，本实施例根据的是光吸收原理，而且光吸收量随着光通过液体的路程长度而增加。在有泡沫的情况下，由于其内部是空气，所以即使存在大量泡沫光吸收也是小的，而且泡沫不会被错误地检测为液面。于是，利用光吸收的检测仅仅反映原始液面水平面，且检测精度高。
<1.2.3利用特定波长光的光电开关其改型的实例>
在用本发明光电开关进行液面检测时，可以比较第二实施例的透过型光电开关100，在采用多套组的情况与在不同高度采用同一个光电开关的情况。于是，液体表面的液面可以在不同的高度处受到监示。当光电开关100放置在液体装瓶的充填误差允许的最高液面和最低液面上时，则仅仅可以识别出具有介于最高与最低液面之间的液体表面为合格产品。
此外，测量光不能直接目视观看，因为半导体发光器件的发射波长是1.4至1.5μm或1.6至1.8μm，也可以通过单独提供一个发出可见光的照明光源而看到伪测量光，并使来自于照明光源的可见光光点形成在与测量光会聚位置相同的位置处。
<2.利用多个不同波长光的光电开关>
<2.1工作原理>
在说明本发明利用多个不同波长光的光电开关的具体结构和工作之前，先用具体实例说明其工作原理。在下文中，利用多个不同波长光的光电开关被称为“多波长光电开关”。
<2.1.1具体操作实例>
下文描述的多波长光电开关可适用于检测两类表面状态(颜色、光泽等等)不同的受检目标，即使光反射平面随不同表面状态而变，受检目标是否包含某种特定物质也可测得。
首先讨论图14A和14B。对于受检目标Wx和Wy(下文统称受检目标W)，其表面状态彼此不同。
·那些不包含某种物质Z的假设为受检目标Wx-和Wy-，并且·包含物质Z的假设为受检目标Wx+和Wy+。
例如Wx…白色受检目标，Wy…黑色受检目标，Z…水，Wx-…白色受检目标不含水的状态，Wy-…黑色受检目标不含水的状态，Wx+…白色受检目标含水的状态，及Wy+…黑色受检目标含水的状态。
此外，假设存在·其光反射量受受检目标W的表面状态影响，且被物质Z吸收的第一波长光λ1，和·其光反射量受受检目标W的表面状态影响，但不被该物质所吸收的第二波长光λ2。
这时·假设用第一波长光λ1照射受检目标Wx-，Wx+，Wy-和Wy+时的反射光光电接收值I是I1x-，I1x+，I1y-和I1y+，和·用与第一波长光λ1相同光量的第二波长光λ2照射受检目标Wx-，Wx+，Wy-和Wy+时的反射光光电接收值I是I2x-，I2x+，I2y-和I2y+，如图14A和14B所示，这些光电接收值变为I1x-＞I1x+，I1y-＞I1y+，I2x-＞I2x+，和I2y-＞I2y+。但是，由于受检目标表面状态的缘故会出现该光量变为I2x-＞I2y-的情况，即对于波长λ2而言，受检目标Wx-的光反射比受检目标Wy-的更大。
这里，当光量变为I1x-＞I1x+＞I1y-＞I1y+时，如图14A所示，仅用第一波长光λ1不能检测到受检目标W是否含有物质Z。即不能设定光电接收值I的阈值，来检测光电接收值I1x-与I1x+之间的差别和检测光电接收值I1y-与I1y+之间的差别。
于是，原则上首先用第二波长光λ2反射光的光电接收值I进行受检目标W表面状态的检测，并根据该检测结果对受检目标是否含有物质Z进行检测。下文将更详细地说明用第一和第二波长λ1和λ2光的反射的光接收值I检测物质Z的有/无。
如图14B所示，用第二波长光λ2反射光的光电检测光量I是I2x-＝I2x+和I2y-＝I2y+，和，I2x-＞I2y-，且当识别出光电接收值是第二波长光λ2的时，可以检测出受检目标W是受检目标Wx或是受检目标Wy。即当满足下式的阈值Th2I2x-＞Th2＞I2y-，和，I2x+＞Th2＞I2y+，被设定时，可以作出这样的检测如果光电接收值I高于阈值Th2目标就是受检目标Wx；如果低于阈值Th2就是受检目标Wy。
当检测到的是受检目标Wy时，通过用放大参数M(常数)放大反射光的光电接收值I1y-和I1y+，可以将设定的阈值Th1变为I1x-＞Th1＞I1x+，和，M·I1y-＞Th1＞M·I1y+。即当反射光的光电接收值I高于阈值Th1时，可以检测出受检目标不含物质Z，而当低于阈值Th1时该目标含有物质Z。
于是，恰当地检测受检目标W的表面状态和含/不含特定物质Z成为可能，这在通常是不可能检测到的。
<2.1.2一般工作原理和它的应用方式>
虽然已经描述了用两个不同波长光检测不同表面状态的受检目标Wx和Wy是否含有物质Z的具体工作原理，但这里要说的是，用多个不同波长光照射受检目标，和根据从受检目标接收到的一个波长光量来校正从受检目标接收到的另一波长光量，从而实现概述该原理时提到的对受检目标的多种类型检测的工作原理。
作为应用这种原理的一个具体实例，可以给出一个方法在检测颜色时用可见光，同时利用波长在1.4至1.5μm范围内的光来检测在颜色检测中的受检目标含有/不含水，而且是用前述工作原理实例中所述的含OH基团的物质是水判断含有/不含水。
另一方面，在检测受检目标的颜色和含CH2基团和/或CH3基团物质合成树脂材料时可以给出一个方法利用可见光检测颜色，并利用利波长在1.60至1.80μm范围内的光来检测含CH2基团或CH3基团的材料。
<2.2利用多个不同波长光的光电开关的实施例>
<2.2.1第三实施例>
图15是本发明一个实施例的反射型多波长光电开关401的外观图，而图16是表示该多波长光电开关401内部结构的框图。多波长光电开关401适用于检测受检目标W是否包含有作为含有OH基团物质的一个典型例子水，而对于表面状态(颜色，光泽等等)不同的两类受检目标Wx和Wy则不受其表面状态的影响。
多波长光电开关401有矩形壳体402，装在壳体402内的电路组410，作为把光投射到受检目标W上同时将受检目标W的反射光送回之光路装置的光纤单元403，及一个把受检目标检测结果信号传输到预定控制装置中的缆线404。
如图16所示，电路组410大致分为发射光的投射系统E，进行光电接收的光电接收系统H，作开和关动作的处理系统S，及实现工作显示的显示系统D。投射系统E由一个发射1.40至1.50μm波段的不可见红外光L1的发光器件411a，一个发射可见红光L2的发光器件411b，及根据处理系统S输出的信号驱动发光器件411a和411b的投射电路412a和投射电路412b构成。光电接收系统H由接收受检目标反射光的光电接收器411c，和驱动光电接收器411c同时处理光电接收信号并将光电接收信号传输到处理系统S的光电接收电路412c构成。处理系统S由为投射电路提供投射时间信号同时从光电接收电路412接收光电接收信号的信号处理电路413，和把灵敏度校正信号发送到投射电路412b及信号处理电路413的灵敏度校正电路414构成，而且该灵敏度校正电路414向显示系统D发送信号，同时信号处理电路413产生一个输出信号s1作为开关信号。显示系统D由第一检测指示灯415和第二检测指示灯416构成，并显示信号处理电路413和灵敏度校正电路414的工作状态。
信号处理电路413具有一个作整体控制的第一控制电路413a。光电接收信号的光电接收值I，通过由灵敏度校正电路414发出的信号sa转换的开关413c而送至比较器CM1。设定在一个存储媒体VR1中的阈值Th1也被送至该比较器CM1，由此将光电接收值I与阈值Th1作比较，且将比较结果送至第一控制电路413a。
此外，光电接收信号的光电接收值I也提供给校正放大器电路413b。存储媒体VRM连接到该校正放大器电路413b上，从而通过调节存储媒体VRM可以其放大参数M。当开关413c转换到校正放大器413b一侧时，在比较器CM1中将放大校正后的光电接收值M·I与阈值Th1比较。
另一方面，灵敏度校正电路414具有一个作整体控制的第二控制电路414a。而且有一个调节另一阈值Th2的存储媒体VR2，光电接收信号I在比较器CM2中与阈值Th2比较，由此输出其比较结果作为sa。
一个调节灵敏度校正量时所用的灵敏度校正电路转换开关SW被设置在信号sa的传输线路上。存储媒体VRM，VR1和VR2及灵敏度校正电路转换开关SW安置在图15所示的壳体402上，以便可以在外部调节它们。
如图17所示，光纤单元403由一个传输光的光纤部分431，一个连接到壳体402上的连接器432，一个将光纤发出的光导引到同一光路上的重叠部分433，和一个伸出的端部434构成。光纤部分431由三根连接到连接器432和重叠部分433的光纤431a，431b和431c，和一根连接到重叠部分433和伸出端部434的光纤431d构成，且如图18所示，该光纤431d有一个其截面分为内区Ra和外区Rb的同心双层结构。连接器432有连接部分432a，432b和432c，它们在连接器432内部分别与光纤431a，431b和431c连接。当连接器432连到壳体402上时，发光器件411a和411b发出的光入射到连接部分432a和432b，且该光在重叠部分433中被重合，通过光纤431d的内区Ra传输，经安置在伸出端部434上的镜头沿同一光路输出。相对地，受检目标的反射光从伸出端部434入射，并经光纤431d的外区Rb传输，通过连接部分432c经光纤431而被引导到光电接收器411c。
作为解释图15所示的多波长光电开关401工作的实例，现在说明用白纸片Wx和黑纸片Wy作为有不同表面状态的受检目标W，并通过检测这些纸片处理过程中含OH基团物质Z的容量，而检测这些纸片是否含水，即这些纸片是湿的还是干的。与已经描述的工作原理的说明部分所用符号一致，·干燥白纸片表示为Wx-，·湿的白纸片表示为Wx+，·干燥黑纸片表示为Wy-，·湿的黑纸片表示为Wy+，而且在利用具有对应于红外光L1波长的第一波长λ1和对应于红光L2波长的第二波长λ2的光照射它们时所得到的反射光光电接收值I，分别用I1x-，I1x+，I1y-和I1y+，和I2x-，I2x+，I2y-和I2y+表示。
图19是表示该实施例中多波长光电开关401该应用实例的示意图。在该图中，传送带CV沿箭头方向同时运载着白纸片Wx和黑纸片Wy。首先，参考检测方法说明设定所述多波长光电开关401所用的阈值Th1，阈值Th2和放大参数M的方法作为前言。
(1)在灵敏度校正电路转换开关SW处于OFF状态下，调节存储媒体VR1使干燥白纸片Wx-时第一检测指示灯415亮起，且湿白纸片Wx+时反之。由于这种工作方式，对于多波长光开关401发出的第一波长λ1红外光L1，阈值Th1被调节为，相对光电接收值I1x-和光电接收值I1x+满足I1x-＞Th1＞I1x+
(2)在灵敏度校正电路转换开关SW处于ON状态下，调节存储媒体VR2使白纸片Wx(可为干或湿)时第二检测指示灯416亮起，且黑纸片Wy(可为干或湿)时反之。由于这种工作方式，对于多波长光开关401发出的第二波长λ2红光L2，阈值Th2被调节为，相对光电接收值I2x-(或I2x+)和光电接收值I2y-(或I2y+)满足I2x-＞Th2＞I2y-，(这里I2x-＝I2x+且I2y-＝I2y+)。
(3)保持灵敏度校正电路转换开关在ON状态，调节存储媒体VRM使干燥白纸片Wx-和干燥黑纸片Wy-时第一检测指示灯415亮起，且湿白纸片Wx+和湿黑纸片Wy+时反之。由于这种工作方式，放大参数M满足M·I1y-＞Th1＞M·I1y+根据上述调节，参考检测原理的说明部分(图14A和14B)，图15所示的多波长光电开关401被调节到满足所述条件的程度。即，通过将第二波长λ2光L2的光电接收值与第二阈值Th2比较，可以检测出纸片是“黑的”或“白的”；并通过将第一波长λ1光L1的光电接收值本身或用放大参数M放大/校正过的结果与第一阈值Th1比较，可检测出纸片是否湿的。
图20是该应用实例的一个时间流程图。第一波长λ1的红外光L1和第二波长λ2的红光L2由信号处理电路413的控制信号控制而交替投射出去，并且当预得到任何一个透射光的光电解释信号I时，就驱动光电接收电路412c。
在比较器CM2中该光电接收信号I与阈值Th2比较，根据比较结果得到“黑”或“白”的判断信号sa。该信号sa送至开关413c，且在该信号为“黑”时开关413c转向校正放大电路413b。所以，光电接收值I在用放大参数M放大/校正而成为校正过的光接收值M·I之后，被输入到比较器CM1中。于是，判断“湿或干”，并将判断的结果传输到第一控制电路413a。
另一方面，如果比较器CM2中的比较结果是“白的”，开关413c由信号sa转向第一控制电路413a，且光电接收信号I直接输入到比较器CM1与阈值Th1比较。于是，判断“湿或干”，并将判断的结果传输到第一控制电路413a。
第一控制电路413a得到“湿或干”的判断结果而不考虑其是“白”是“黑”，并将该结果作为开关输出信号s1输出到外部。
当要使还包括纸片颜色的信息作为开关输出信号s1时，信号sa还可以输出到第一控制电路413a，该第一控制电路413a用四个两位的数字信号识别和输出两种信息组合出的四种状态，即“黑或白”和“湿或干”。
于是如图20所示，作为四类受检目标Wx-至Wy+的“湿或干”判断结果的开关信号，无论其颜色如何都可以正确地得到。
尽管图20未示出，为了保持检测结果的稳定，实际上，光电接收器411c是在接收几次光之后，才输出输出信号s1。
在本实施例的多波长光电开关401中，可以用两个不同波长λ1和λ2的光并通过校正放大器电路413b的校正等等，检测出表面状态为黑和白的两类受检目标Wx和Wy是否是湿的。
此外，两个不同波长λ1和λ2的光通过光纤单元403被引导到同一个光路中，因此与已有技术不同，不需要设置两个光电开关，设备机构简化，且能够进行正确的检测。
将光电开关应用于图19所示的用法中，是一种可接受的技术(这里称“对比技术”)，它提供了在受检目标流的上游仅仅检测受检目标存在/不存在的第一光电开关，并在下游设置一个仅当上述第一光电开关检测受检目标时判断该受检目标状态的第二光电开关。但是，这种情况下不仅需要多个光电开关，而且第一光电开关的光路和第二光电开关的光路彼此是分开的，所以必须从第一光开关检测受检目标存在/不存在的时间点延迟一个预定时间进行第二光电开关中的检测工作。
所以，不仅需要这种延迟控制，而且有可能出现检测不正确的情况。当受检目标从第一光电开关位置移动到第二光电开关位置的时间因运载速度的瞬时波动而有波动时，在作了前述常规的时间延迟之后，在第二光电开关工作过程中不可避免地要出现检测误差。
反之，在本发明的前述实施例中两种检测在同一光路中进行，因此不需要时间延迟处理，没有随时间延迟而来的检测误差。
而且，1.40至1.50μm波长的光被用作第一波长光λ1，所以可以检测出是否存在含有水这种有OH基团的物质。
此外，投射的光之一是可见的红光，因此即使另一种光不可见也可以迅速地识别投射位置。
<2.2.2第四实施例>
尽管第三实施例用第二波长光λ2进行校正，但是理所当然地，第一波长光λ1和第二波长光λ2可以完全独立地使用。在此情况下，光电开关的安装也简化了，且不必作操作时间延迟处理。
图21是表示一个光电开关实例的示意图，它用一个波长光检测受检目标的表面状态，而用另一波长光检测受检目标存在/不存在。该光电开关有一个与第三实施例光电开关基本相似的结构，但有一点不同于第三实施例光电开关401，就是有两个光电接收器411c和411d，及与这些光电接收器411c和411d相连接的表面状态检测机构412e，存在/不存在检测机构412d，和门机构G。
如图21所示，发光器件411a根据开关机构S发出的信号，发射出用于检测受检目标表面状态的第一波长光λ1，受检目标反射的光由光电接收器411c接收。而且，发光器件411b发射出用于判断受检目标存/不存在的第二波长光λ2，它的反射光由光电接收器411d接收。从光电接收器411c输出的信号与表面状态检测机构412e中的一个预定阈值相比较并成为表面状态信号sc，而从光电接收器411d输出的信号与存在/不存在判断机构412d中的一个预定阈值比较并成为存在/不存在判断信号sd，从而一起传输到门机构G。表面状态信号sc由受存在/不存在判断信号支配而工作的门机构G选通，并成为输出信号s1。所以，受检目标表面状态的判断结果，仅仅在受检目标存在的时候才可得到。
因此，不需要另外提供判断受检目标存在/不存在的光电开关，且也不必要进行操作时间延迟设定。
<2.2.3多波长光电开关的改型>
尽管已经说明了本发明多波长光电开关的实施例，但是本发明不局限于前述实施例，也可以作如下改变。
·尽管上述实施例采用了1.40至1.50μm波长光作为第一波长光，但是也可以用1.60至1.80μm波长的光。在这种情况下，可以检测出具有CH2基团和/或CH3基团物质的存在/不存在。
·尽管上述实施例采用了液体(水)作为一种特定受检物质，如参考图7和图8的说明部分，可以用于固体。针对用透明树脂等材料对受检目标进行表面处理的情况，在检测是否经过了表面处理时可以使用它。
·尽管前述实施例是反射型的多波长光电开关，用另一光纤将透射过受检目标的光引导到光电接收器的透射型多波长光电开关同样可以采用。
·尽管前述实施例采用了两个不同波长光作为多个不同波长的光，但是至少三个不同波长光理所当然也可以采用。
·尽管前述实施例采用一个光电接收器作为光电接收器，但是来自受检目标的光可以通过棱镜或滤光器由多个光电接收器接收。而且至少两个不同波长的光可以依次投射出去，以便与投射电路同步地从至少一个光电接收器中选择一个光电接收信号，并分开该光电接收信号。此外，也可以根据至少两个不同波长的投射脉冲光的再现频率(脉冲宽度)，用一个诸如付里叶变换等电子滤波器分开来自于一个光电接收器的光电接收信号。
·尽管阈值Th1和Th2用图16所示电路中的存储媒体调节，但是，光电接收值与阈值之间的大小关系是相对的。所以，阈值Th1和Th2可以固定在一个非法值上，光电接收值I在进入比较器CM1和CM2之前，可以被预先调节好的放大参数放大，以预先等效地调节与阈值Th1和Th2的关系。类似地，响应于“黑”和“白”的判断结果而传输到比较器CM1的阈值，可以在阈值“Th1”和一个阈值“Th1/M”之间转换，而不需设置光电接收值I的校正放大电路413b。
·尽管前述实施例用光纤单元在同一条光路上引导两个不同波长的光，但是如图22A所示，也可以采用大孔径的透镜471和小孔径的透镜472，以使光从小孔径透镜后面的大孔径透镜471出射、并被引导到与小孔径透镜472出射光相同的光路上。或者如图22B所示，两个不同波长光可以通过一个半反射镜473而被引导到同一光路上。或者也可以使两个发光器件411a和411b靠近布置，以通过把两个发光器件发出的光会聚，而将其引导到基本一致的光路上。
此外，通过使两个不同波长光引入通过多角反射镜等等作屏面扫描的同一光路上，可以在宽范围上进行检测。
尽管已经描述了本发明的各个实施例，但是本发明的范围不局限于前述的实施例，而是由权利要求书加以限定。
权利要求
1.一种用于从受检目标(Q)接收光(Lb)、并产生一个二进制检测信号(Sout)的光电开关器件，所述的光电开关器件包括一个用于产生选自1.40μm至1.50μm范围波长光(La)的半导体发光器件(12)，所述的光被照射到所述受检目标(Q)上；一个半导体光电接收器(15)，它响应于包含在来自于所述受检目标光中并源于所述波长光的接收光量，而产生一个输出值；以及用于比较所述输出值和预定阈值并产生所述检测信号(Sout)的比较器(16，17)。
2.根据权利要求1的光电开关器件，进一步包括用于从所述半导体发光器件(12)向所述受检目标(Q)引导光(La)的装置(13)，和用于从所述受检目标(Q)向所述半导体光电接收器(15)引导光(Lb)的装置(14)。
3.根据权利要求1的光电开关器件，进一步包括用于改变所述预定阈值的装置(16a)。
4.一种用于从受检目标(Q)接收光(Lb)并产生一个二进制检测信号(Sout)的光电开关器件，所述的光电开关器件包括一个用于产生选自1.60μm至1.80μm范围波长光(La)的半导体发光器件(1 2)，所述的光被照射到所述受检目标(Q)上；一个半导体光电接收器(15)，它响应于包含在来自于所述受检目标(Q)光中并源于所述波长光的接收光量，而产生一个输出值；以及用于比较所述输出值和预定阈值并产生所述检测信号(Sout)的比较器(16，17)。
5.根据权利要求4的光电开关器件，进一步包括用于从所述半导体发光器件(12)向所述受检目标(Q)引导光(La)的装置(13)，和用于从所述受检目标(Q)向所述半导体光电接收器(15)引导光(Lb)的装置(14)。
6.根据权利要求4的光电开关器件，进一步包括用于改变所述预定阈值的装置(16a)。
7.一种用于从受检目标接收光并产生一个检测信号(s1)的光电开关器件，所述的光电开关器件包括用于产生投向所述受检目标的多个不同波长光的发光装置(E)；光电接收装置(H)，它响应于包含在来自于所述受检目标光中并源于所述多个不同波长光的接收光量，而产生多个输出值；以及用于根据所述多个输出值产生所述检测信号(s1)的检测信号发生装置(S)。
8.根据权利要求7的光电开关器件，其中所述的发光装置(E)具有两个用于发射两种不同波长光(L1，L2)的发光器件(411a，411b)，且所述的光电接收装置(H)响应于源于所述不同波长的所述两光束(L1，L2)的接收光量，产生第一和第二输出值。
9.根据权利要求8的光电开关器件，其中所述的检测信号发生装置(S)具有用于响应于所述第二输出值校正所述第一输出值的校正装置，和用于将所述校正装置校正后的所述第一输出值与一个检测阈值(Th1)相比较并产生所述检测信号(s1)的装置(CM1，CM2)。
10.根据权利要求9的光电开关器件，其中所述的检测信号发生装置(S)还具有用于改变所述检测阈值(Th1)的装置(VR1)。
11.根据权利要求9的光电开关器件，其中所述的校正装置具有用于将所述第二输出值与一个有条件的阈值(Th2)比较并得到比较结果(sa)的装置(414)，和用于根据所述比较结果(sa)校正所述第一输出值的装置(413b，413c)。
12.根据权利要求11的光电开关器件，其中所述的校正装置还具有改变所述有条件阈值(Th2)的装置(VR2)。
13.根据权利要求8的光电开关器件，进一步包括用于产生一个独立接通或断开所述两个发光器件(411a，411b)的控制的光控制装置。
14.根据权利要求8的光电开关器件，进一步包括用于在同一光路上引导两个所述不同波长光(L1，L2)的装置。
15.根据权利要求8的光电开关器件，其中所述不同波长的所述两束光分别是可见光和不可见光。
16.根据权利要求15的光电开关器件，其中所述不可见光的波长(λ1)是从1.40至1.50μm的范围中选出的。
17.根据权利要求15的光电开关器件，其中所述不可见光的波长(λ1)是从1.60至1.80μm的范围中选出的。
18.根据权利要求15的光电开关器件，其中所述发光器件之一(411a)是发射所述不可见光的半导体发光器件。
19.根据权利要求15的光电开关器件，其中所述检测信号发生装置(S)具有用于将一个响应于所述可见光的输出值与一个门限阈值比较并产生一个门信号的装置(412d)，用于将一个响应于所述不可见光的输出值与一个检测阈值比较并产生一个检测初始信号的装置(412e)，和用于借助所述门信号而选通所述检测初始信号，并产生检测信号(s1)的装置(G)。
20.一种从受检目标(Q)接收光(Lb)并产生一个二进制检测信号(Sout)的开关方法，所述的方法具有一个将从半导体发光器件(12)发出的选自1.40μm至1.50μm范围波长光(La)照射到所述受检目标(Q)上的步骤；一个响应于包含在来自于所述受检目标(Q)光(Lb)中的所述波长的光量，产生一个输出值的步骤；以及一个比较所述输出值和一个预定阈值并产生所述检测信号(Sout)的步骤。
21.一种从受检目标(Q)接收光(Lb)并产生一个二进制检测信号(Sout)的开关方法，所述的方法具有一个将从半导体发光器件(12)发出的选自1.60μm至1.80μm范围波长光(La)照射到所述受检目标(Q)上的步骤；一个响应于包含在来自于所述受检目标(Q)光(Lb)中的所述波长的光量，产生一个输出值的步骤；以及一个比较所述输出值和一个预定阈值并产生所述检测信号(Sout)的步骤。
22.一种从受检目标接收光并产生一个检测信号(s1)的开关方法，所述的方法具有一个将两个不同波长(λ1，λ2)的第一和第二光束(L1，L2)投射到所述受检目标上的投射步骤；一个根据源于所述第一和第二光束(L1，L2)的光量，产生第一和第二输出值的步骤；一个响应所述第二输出值校正所述第一输出值的校正步骤；和一个根据所述校正后的第一输出值，产生所述检测信号(s1)的检测信号发生步骤。
23.根据权利要求22的开关方法，其中所述的检测信号发生步骤具有一个将所述校正步骤中校正后的所述第一输出值与一个检测阈值(Th1)相比较并产生所述检测信号(s1)的步骤。
24.根据权利要求23的开关方法，其中所述的校正步骤具有一个将所述第二输出值与一个有条件的检测阈值(Th2)相比较并得到一个比较结果(sa)的步骤；及一个根据所述比较结果(sa)校正所述第一输出值的步骤。
25.根据权利要求24的开关方法，进一步包括一个将所述第一和第二光束(L1，L2)预先加在一个调节目标上的步骤，并根据所述施加步骤之前来自于所述调节目标的光调节所述检测阈值(Th1)和所述有条件阈值(Th2)。
26.根据权利要求22的开关方法，其中所述的施加步骤具有一个将从半导体发光器件(411a)发出的选自1.40μm至1.50μm范围波长的第一光束(L1)施加到所述受检目标上的步骤。
27.根据权利要求22的开关方法，其中所述的施加步骤具有一个将从半导体发光器件(411a)发出的选自1.60μm至1.80μm范围波长的第一光束(L1)施加到所述受检目标(Q)上的步骤。
28.根据权利要求22的开关方法，其中所述的校正步骤具有一个把根据所述第二输出值被放大一个预定值的所述第一输出值(s1)作为所述检测信号处理的步骤。
29.根据权利要求22的开关方法，其中所述的校正步骤具有一个响应所述第二输出值确定是否将所述第一输出值作为检测信号(s1)输出的步骤。
30.根据权利要求29的开关方法，其中所述的第二输出值是一个表示所述受检目标存在/不存在的值。
全文摘要
包括一个向受检目标发射被含OH基团物质吸收的波长的第一光束(L1)的半导体发光器件(411a),一个向受检目标发射可见的第二光束(L2)的半导体发光器件(411b),一个接收来自于受检目标光束并得到与第一和第二各个光束从得来的第一和第二接收光量的光电接收器(411c),和一个根据第二光电接收光量来校正第一光电接收光量的处理系统(S)。该处理系统(S)用第二光电接收光量确定受检目标的颜色,并根据该确定的结果校正第一光电接收光量。而且,它将校正后的第一光电接收光量与一个预定阈值比较,检测在受检目标中是含否有水这类含OH基团的物质,并将其作为输出信号(s1)输出。
文档编号G01N21/35GK1180445SQ97190097
公开日1998年4月29日 申请日期1997年2月19日 优先权日1996年2月21日
发明者藤田俊弘, 西原一宽, 鹰尾键, 藤井祥二, 道古隆明, 田门立身, 栗田公康, 庄司克博 申请人:和泉电气株式会社