CH689336A5 - Lichtschranke. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtschranke und auf einen Reflektorteil für dieselbe, gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Durchlichtschranken dienen hauptsächlich dem Zweck, kleine Objekte innerhalb eines langen Sendestrahles (grosser Abstand zwischen Sender und Empfänger) zu detektieren. Sollen sowohl kleine wie auch grosse unregelmässige Objekte erkannt werden, müssen zwei parallele Durchlichtschranken montiert werden, die eine, dort wo die kleinen Objekte passieren, die andere, dort wo grosse Objekte ihren vordersten Punkt haben. Dies ergibt bei Doppeldurchlichtschranken einen grossen Installationsaufwand, denn es müssen zwei Durchlichtschranken, die aus 4 Teilen und 4 Kabeln bestehen, montiert, bzw. angeschlossen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ersatz von zwei parallel arbeitenden Durchlichtschranken durch ein billigeres System mit weniger Montageaufwand aber gleichwertiger Detektionssicherheit zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Lichtschranke und den Reflektorteil für dieselbe, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind.

Die erfindungsgemässe Lichtschranke besteht aus einem Sender/Empfängerteil und einem Reflektorteil. Der Sender und der Empfänger sind, in eine Ebene weisend, voneinander beabstandet. Der Reflektorteil weist eine Anordnung von reflektierenden Elementen auf, derart, dass ein vom Sender ausgesendeter Lichtstrahl als Sendestrahl so gespiegelt wird, dass ein Rückstrahl entsteht, der parallel zum Sendestrahl verläuft und auf den Empfänger trifft.

Die erfindungsgemässe Lichtschranke vermeidet einerseits den oben erwähnten Nachteil durch ihre Bauweise und ergibt andererseits durch die gewählte Lichtführung eine erhöhte Störsicherheit im Vergleich zu gewöhnlichen Polfilter-Reflexlichtschranken auf und zwar: - gegen abzutastende, reflektierende Objekte, die das Licht reflektieren und gleichzeitig noch depolarisieren (beispielsweise ein Spiegel mit einer Kunststoffschicht darüber oder eingepackt in einen transparenten Kunststoffbeutel), und - gegen Fremdreflexe wie beispielsweise einer metallisch glänzenden Förderbahn, über der die Doppellichtschranke montiert ist.

Ferner hat die erfindungsgemässe Lichtschranke keinen Blindbereich, trotz weit auseinanderliegenden Sender und Empfänger und hat ausserdem eine akzeptable Montagetoleranz derart, dass die Ausrichtung von Sender, Empfänger und Reflektor nicht hoch-genau sein müssen.

Die erfindungsgemässe Lichtschranke funktioniert wie zwei identische, parallele Lichtschranken, sie besteht jedoch nur aus einer Polfilterreflexlichtschranke mit weit auseinanderliegendem Sender und Empfänger und einem speziellen Reflektor. Sie gibt ein Schaltsignal aus, wenn der eine oder/und der andere Schrankenstrahl unterbrochen wird.

Der Reflektorteil für eine erfindungsgemässe Lichtschranke weist eine Anordnung von reflektierenden Elementen auf. Diese überbrücken die Distanz zwischen dem Sender und dem Empfänger und bilden einen Tripelspiegel. Sie reflektieren den empfangenen Sendestrahl im entsprechenden Abstand als parallel zum Sendestrahl verlaufenden Rückstrahl.

Anhand der unten aufgeführten Figuren wird die Erfindung nun im Detail diskutiert.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemässen Doppellichtschranke mit einem Sende/Empfängerteil und einem Reflektorteil; Fig. 2 zeigt eine Frontansicht des Reflektorteils mit den Spiegeln und dem polarisationsaktiven Element.

Fig. 1 zeigt eine Lichtschranke mit Sende/Empfängerteil (SE), speziellem Reflektor (R) und den zwei parallelen Lichtstrahlen (L1, L2), die auf Unterbrechung zu kontrollieren sind. Der Sende/Empfängerteil besteht aus dem Sender (S) mit Linse und Polarisationsfilter, dem Empfänger (E) mit Linse und Polarisationsfilter und der Elektronik (EL). Der spezielle Reflektor besteht aus dem Polarisations-verändernden Element (PE) und dem reflektierenden Element. Dieses letztere ist hier realisiert mit Ausschnitten aus einem grossen Tripelspiegel mit den drei Einzelspiegeln s1, s2 und s3. Die feine Pfeillinie im Reflektor zeigt einen Reflexionspfad des Lichtes. Die Abstandsanga ben zwischen den beiden Lichtstrahlen und zwischen Sende-/Empfängerteil und Reflektor sind beispielsweise Werte.

Fig. 2 zeigt ein Frontansicht des Reflektorteils R. Dieser enthält den Tripelspiegel mit den Spiegeln s1, s2, s3 und dem polarisationsaktiven Element PE. Man erkennt den Strahlengang, der vom Sender S zum Spiegel s1 und von dort zum Spiegel s3 verläuft, von wo er über den Spiegel s2 durch den Polarisator PE zum Empfänger gespiegelt wird.

Solch eine Lichtschranke besteht im wesentlichen aus zwei Komponenten bzw. Montageteilen, aus einem Sende-/Empfängerteil SE in einem Gehäuse, der über ein einziges Kabel versorgt wird und das Ausgangssignal liefert und aus einem speziellen Reflektorteil R in einem zweiten Gehäuse, das allenfalls die gleiche Grösse wie das Gehäuse für den Sende-/Empfängerteil aufweist, aber natürlich ohne Kabel auskommt. Der Sendeteil besteht beispielsweise aus einer Leuchtdiode oder Laserdiode, die mit einer Linse gut fokussiert wird, sodass ein paralleler oder mehr oder weniger schwach divergierender Lichtstrahl austritt, der mit einem Linear- oder Zirkular-Polfilter vor dem Austritt polarisiert wird. Bei Laserdioden kann auch die Eigenschaft verwendet werden, dass bereits polarisiertes Licht erzeugt wird. Ein Polfilter kann dann unter Umständen weggelassen werden. Der Empfängerteil besteht beispielsweise aus einer Photodiode mit davorgeschalteter Linse und Polfilter. Die Linse ist so gestaltet und positioniert, dass der Empfangsbereich ("Empfangsstrahl") parallel zum Sendestrahl ausgerichtet ist und möglichst eng (parallel) oder gezielt leicht divergierend ist. Das Polfilter, Linear- oder Zirkularpolfilter, je nachdem was beim Sender gewählt wurde, ist so ausgerichtet, dass das Licht, das von einem normalen Spiegel in den Empfänger reflektiert wird, ausgelöscht wird. Beispielsweise werden bei linearen Polfiltern die beiden Polfilter vor dem Sender/Empfängerteil gegeneinander um 90 DEG verdreht. Die Polfilter bei Sender und Empfänger können vor oder nach der Linse montiert sein.

Im Reflektorteil R befinden sich ein oder mehrere Elemente zur Drehung der Polarisationsebene oder zur Depolarisation des Lichtes und ein spezielles, reflektierendes Element.

Das die Polarisation verändernde Element besteht im Idealfall aus einer Lambda-Halbe-Verzögerungsplatte angepasst an die Wellenlänge des Sendelichtes und ist so ausgerichtet, dass erstens bei linearem Polarisationszustand des Lichtes dieser Zustand um 90 DEG gedreht wird, das bedeutet, dass die optischen Achsen der Verzögerungsplatte 45 DEG zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes geneigt ist und dass zweitens bei zirkularem Polarisationszustand des Lichtes der Polarisationszustand umgekehrt wird. Die abdeckende Frontscheibe, die zur vereinfachten Reinigung verwendet wird, besteht beispielsweise aus Acryl- oder normalem Glas und soll in diesem Fall polarisationserhaltend, also möglichst wenig depolarisierend oder polarisationsverändernd sein, mit andern Worten, sie soll die Polarisation möglichst nicht verändern. Das die Polarisation verändernde Element kann im einfallenden oder ausfallenden Strahl montiert sein, allenfalls in beiden.

Ein solches die Polarisation veränderndes Element könnte auch aus einem oder zwei Lambda-Viertel-Verzögerungsplatten bestehen oder ggf. lediglich aus einer ordentlich depolarisierenden Frontscheibe. Eine solche Frontscheibe könnte beispielsweise aus Acrylglas bestehen, das so hergestellt wird, dass starke, örtlich unterschiedliche Doppelbrechung vorhanden ist.

Besteht das die Polarisation verändernde Element aus einer Lambda-Halbe-Verzögerungsplatte ( lambda /2) so können auch durchsichtige Objekte, die polarisationswirksam sind, also depolarisierend oder polarisationsverändernd wirken, besser erkannt werden.

Das spezielle reflektierende Element besteht im Idealfall aus einem grossflächigen, 1-zelligen Tripelspiegel (modifizierter corner-reflector) oder aus geeignet gewählten Ausschnitten davon. Der einfallende Lichtstrahl soll in einem gewissen Abstand und parallel dazu in Rückwärtsrichtung wieder ausgesandt werden, wobei der Abstand dem Abstand zwischen Sender und Empfänger entsprechen soll. Dies wird am einfachsten mit einem grossflächigen, 1-zelligen Tripelspiegel erreicht, der aus drei Spiegelflächen besteht, die alle zueinander 90 DEG geneigt sind (wie die Flächen eines Würfels). Der Tripelspiegel kann symmetrisch eingebaut werden, was bedeutet, dass alle Spiegelflächen gleich stark geneigt (ca. 55 DEG ) sind zum einfallenden Strahl. In diesem Fall sollte das Zentrum des Tripelspiegels mehr oder weniger genau in der Mitte zwischen Sende- und Empfangsstrahl liegen. Aus Platzgründen kann es auch geeignet erscheinen, den Tripelreflektor leicht zu neigen, da sich sonst das Doppelspiegelpaar (Spiegel 2 und 3, bei Verwendung von Ausschnitten aus einem Tripelspiegel) weiter hinten befindet, als Spiegel 1. Der Tripelspiegel kann mit drei einzelnen Planspiegeln oder als Kunststoffspritzteil mit verspiegelten Oberflächen realisiert sein.

Wegen der Verwendung eines Tripelspiegels muss der Reflektor nicht sehr genau im Winkel ausgerichtet werden, was bei der Montage grosse Vorteile bringt. Die Position des Reflektors muss so gewählt werden, dass der eine Spiegelteil (Spiegel 1 oder Spiegel 2/3) gut ausgeleuchtet ist und der zweite Spiegelteil (Spiegel 2/3 oder Spiegel 1) etwa in der Achse des Empfangsstrahles liegt. Die Grösse der Spiegelausschnitte bestimmt die Lichtmenge, die zurück auf den Empfänger geworfen werden. Idealerweise ist die Projektion dieser Spiegelausschnitte auf eine Ebene senkrecht zum Sendestrahl (zumeist identisch mit der Frontscheibe des speziellen Reflektors) gleich gross wie die Austrittsfläche des Senders und die Eintrittsfläche des Empfängers (die ebenfalls gleich gross gewählt werden), da so die gleichen Eigenschaften wie für zwei parallele Lichtschranken mit ihrem typischen, klar begrenzten aktiven Lichtstrahl erreicht werden. Diese Begrenzung des aktiven Lichtstrahles kann bei der Lichtschranke durch Begrenzung der Spiegel oder durch Abdunkelung auf der Frontscheibe erzielt werden.

Es ist möglich, die nutzbare Spiegelfläche kleiner oder grösser zu gestalten. Bei kleinerer Fläche nimmt die Lichtausbeute natürlich ab, bei grösserer Fläche nimmt sie aber nicht mehr zu, wenn man von ideal gestalteten Spiegelflächen ausgeht, die exakt je 90 DEG zueinander geneigt sind. Ansonsten kann die Lichtausbeute mit grösserer Spiegelfläche noch etwas zunehmen. Die Lichtausbeute hängt bei zunehmenden Abständen zwischen Sende/Empfangsteil und speziellem Reflektor von der Winkelgenauigkeit der 90 DEG -Neigungen der Spiegel zueinander ab. Eine Ungenauigkeit der Neigungen der Spiegel zueinander bewirkt ein "Schielen" des zurückreflektierten Strahles. Eine Winkelgenauigkeit der Spiegelflächen zueinander von beispielsweise 1 mrad ist empfehlenswert.

Beim Einsatz der Lichtschranke bei kleineren Distanzen kann allenfalls als reflektierendes Element ein Doppelspiegel verwendet werden. Auch hier sind die Spiegelflächen 90 DEG zueinander geneigt. Der Nachteil einer solchen Lösung besteht darin, dass hier der Positionswinkel des Reflektors in der Achse parallel zur Lichtablenkung hochgenau justiert werden muss, dies mit zunehmender Distanz immer noch genauer, was zu einem nicht zu vernachlässigenden Montageaufwand führt.

Als Ersatz für den Tripel- oder Doppelspiegel kann eine Rückreflexion mit seitlicher Auslenkung auf die genau gleiche Weise erreicht werden und zwar mit einem grossflächigen, 1-zelligen Retroreflektor-Prisma. Idealerweise besteht ein solches Prisma aus drei reflektierenden Flächen, die auch alle 90 DEG zueinander geneigt sind, allenfalls genügt auch ein Prisma mit zwei reflektierenden Flächen, die ebenso 90 DEG zueinander geneigt sind.

Claims (8)

1. Lichtschranke, bestehend aus einem Sender/Empfängerteil (SE) und einem Reflektorteil (R), dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (S) und der Empfänger (E) in eine Ebene weisend voneinander beabstandet sind und der Reflektorteil (R) eine Anordnung von reflektierenden Elementen (s1, s2, s3) derart aufweist, dass ein vom Sender (S) ausgesendeter Lichtstrahl (L1) als Sendestrahl so gespiegelt wird, dass ein Rückstrahl (L2) entsteht, der parallel zum Sendestrahl (L1) verläuft und auf den Empfänger (E) trifft.

2. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der reflektierenden Elemente (s1, s2, s3) einen die Distanz zwischen dem Sender (S) und dem Empfänger (E) überbrückenden Tripelspiegel bildet und den empfangenen Sendestrahl (L1) im entsprechenden Abstand als parallel zum Sendestrahl (L1) verlaufenden Rückstrahl (L2) reflektiert.

3. Lichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gesamtlichtstrahl (L1, L2) mindestens ein polarisationsaktives Element (PE) angeordnet ist.

4. Lichtschranke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gesamtlichtstrahl (L1, L2) nach dem Sender, im Reflektor und vor dem Empfänger polarisationsaktive Elemente (PE) angeordnet sind.

5. Lichtschranke nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsaktive Element (PE) im Gesamtlichtstrahl (L1, L2) eine lambda /2-Verzögerungsplatte ist.

6. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anordnung und Ausgestaltung der Schranke der Sender möglichst paralleles Licht aussendet und der Empfänger möglichst nur paralleles Licht aus dem Sender empfängt und zwar aus einer Richtung parallel zum Sendestrahl.

7. Reflektorteil für eine Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anordnung von reflektierenden Elementen (s1, s2, s3) aufweist, die die Distanz zwischen dem Sender (S) und dem Empfänger (E) überbrücken und einen Tripelspiegel bilden und den empfangenen Sendestrahl (L1) im entsprechenden Abstand als parallel zum Sendestrahl (L1) verlaufenden Rückstrahl (L2) reflektieren.

8. Reflektorteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Elemente (s1, s2, s3) reflektierende Flächen eines Prismas sind.