DE102008056071A1 - Optischer Sensor - Google Patents

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Abstract

Ein optischer Sensor mit einem Sender 4 und einem Empfänger 10 sowie mit einer Autokollimationsoptik 7 weist einen Kunststoffkörper 8 auf, in welchem eine totalreflektierende Fläche 10 für die Strahlumlenkung sowie sämtliche optisch wirksame Komponenecht zur Autokollimationsachse 5 und der Empfänger 6 auf der Autokollimationsachse 5 angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Optische Sensoren senden Licht aus, das an einem zu untersuchenden Objekt reflektiert oder gestreut und vom Sensor wieder empfangen wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Objekt erkannt (Präsenzdetektion) oder der Abstand zu einem Objekt bestimmt werden. Die von diesen optischen Sensoren gewonnenen Informationen werden meist zum Steuern von automatisch arbeitenden Anlagen verwendet. Ein spezielles Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist eine Reflektions-Lichtschranke. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch nicht auf diese Reflektions-Lichtschranken beschränkt, sondern erstreckt sich vielmehr allgemein auf alle optischen Sensoren, bei denen das erfindungsgemäße Prinzip vom Grundsatz her eingesetzt werden kann.
  • Die optischen Sensoren weisen grundsätzlich einen Sender zum Aussenden von Licht auf. Der Begriff ”Licht” ist dabei im allgemeinsten Sinne zu verstehen. Es handelt sich generell um elektromagnetische Strahlung, welche bei optischen Sensoren eingesetzt werden kann. Das Licht befindet sich dabei vorzugsweise im sichtbaren Bereich. Es ist aber auch denkbar, daß die Wellenlängenbereiche im nicht sichtbaren Bereich Einsatz finden. Weiterhin ist ein Empfänger vorgesehen, welcher das vom Objekt zurückkommende Licht empfängt und detektiert. Zur optischen Abbildung des vom Sender kommenden Lichts ist eine Autokollimationsoptik vorgesehen, welche sich im Strahlengang befindet.
  • Bei einer bekannten Ausführungsform der Autokollimationsoptik wird in der Regel der Sender in der Autokollimationsachse positioniert. Der Empfangsstrahlengang ist dann über ei nen sogenannten Lochspiegel oder einen Strahlteiler um einen definierten Winkel von meist 90° abgelenkt.
  • Bei den bisherigen Anordnungen ist der Platzbedarf insbesondere bei Lasergeräten in Richtung der Autokollimationsachse deutlich größer als senkrecht dazu. Die bisher üblichen Bauformen von optischen Sensoren weisen jedoch in dieser Richtung der Autokollimationsachse den geringen Bauraum auf. Weiterhin sind bei den bekannten Vorrichtungen eine Summe von optischen Komponenten erforderlich, z. B. Strahlteiler, Linsen, optische Schichten etc.
  • Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs angegebenen Art zu schaffen, welcher hinsichtlich seiner Autokollimationsoptik nur wenig Platz beansprucht und darüber hinaus kostengünstig herstellbar ist.
  • Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.
  • Dadurch ist ein optischer Sensor mit einer Autokollimationsoptik geschaffen, welcher eine Vielzahl von Vorteilen aufweist. Insbesondere ist die optische Anordnung zur Autokollimation im Vergleich zu den bisherigen Autokollimationsoptiken entscheidend verbessert. Ein wesentliches Element besteht darin, daß der Lichtstrahl nicht mehr wie bisher in Richtung der Autokollimationsachse in das optische System eingestrahlt wird, sondern quer hierzu. Insbesondere bei der Verwendung von Lasern als Sender bringt dies hinsichtlich des Platzbedarfs deutliche Vorteile. Denn die bisher üblichen Bauformen von optischen Sensoren weisen in der Autokollimationsachse die geringste Bautiefe auf. Da aber nunmehr der Sender quer zur Autokollimationsachse im Gehäuse angeordnet ist, hat dies auf die Bautiefe in der vorerwähnten Autokollimationsachse keinen Einfluß. In dieser Querrichtung hingegen ist genügend Platz vorhanden. Unter ”quer” zur Autokollimationsachse ist zu verstehen, daß die optische Achse des Sender mit der Autokollimationsachse einen Winkel einschließt, insbesondere einen senkrechten Winkel. Vom senkrechten Winkel abweichende Winkel sind jedoch gleichermaßen denkbar. Durch diese Queranordnung des Senders ist darüber hinaus eine größere Brennweite der Sendeoptik möglich. Daraus resultieren größere Justagetoleranzen. Indem weiterhin erfindungsgemäß der Empfänger im Wesentlichen auf der Autokollimationsachse liegt, bedeutet dies im Vergleich zu den bisherigen Anordnungen einen Positionstausch zwischen Sender und Empfänger. Durch diese Anordnung des Empfängers ist eine größere Empfangsapertur möglich und damit eine größere Reichweite des optischen Sensors als solchem. Die Strahlumlenkung des vom Sender ausgesandten Lichtstrahls erfolgt dabei erfindungsgemäß durch Totalreflektion. Dies hat den Vorteil des Wegfalls von opti schen Schichten und damit geringere optische Verluste im Vergleich zur Strahlteilerlösung, bei welcher in technisch aufwendiger Weise reflektierende Beschichtungen aufgebracht werden müssen, welche zudem – wie ausgeführt – optische Verluste verursachen. Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Autokollimationsoptik besteht somit darin, daß der Lichtstrahl quer zur Autokollimationsachse auf die totalreflektierende Fläche geführt wird, welche den Lichtstrahl dann in Richtung der Autokollimationsachse abstrahlt. Das zurückgeworfene Licht kommt im Bereich der totalreflektierenden Fläche wieder an. Durch die der totalreflektierenden Fläche benachbarte Linse wird dann das Licht auf den dahinter befindlichen Empfänger fokussiert (wobei der Bereich mit der totalreflektierenden Fläche ausgespart bleibt).
  • Wie zuvor erwähnt, ist vom Grundsatz her jede bezüglich der Autokollimationsachse quer liegende Einstrahlrichtung des Senderlichts möglich. Die bevorzugte Weiterbildung schlägt jedoch gemäß Anspruch 2 vor, daß die optische Achse des Senders senkrecht auf der Autokollimationsachse liegt.
  • Gleichermaßen liegt gemäß der Weiterbildung in Anspruch 3 die optische Achse des Empfängers exakt auf der Autokollimationsachse.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung schlägt Anspruch 4 vor. Die Grundidee besteht darin, daß die Autokollimationsoptik durch einen einstückigen Kunststoffkörper gebildet ist, in welchem alle optisch wirksamen Komponenten in einem einzigen Bauteil integriert sind. Es ist zwar vom Grundsatz her möglich, die optischen Komponenten separat von der totalreflektierenden Fläche auszubilden, doch die einstückige Ausbildung des Kunststoffkörpers mit sämtlichen optischen Komponenten bringt eine Vielzahl von entscheidenden Vorteilen. So kann es sich bei dem einstückigen Kunststoffkörper um ein Teil handeln, welches kostengünstig beispielsweise durch Spritzguß oder Spritzprägen herstellbar ist. Die Herstellkosten sind dabei auf ein Minimum verringert, da alle optischen Komponenten in einem Teil integriert sind. Dadurch resultieren auch geringere Material- und Montagekosten. Weiterhin fallen alle Fügetoleranzen zwischen Linsen, Strahlteilern etc. weg. Da durch diesen einstückigen Kunststoffkörper darüber hinaus weniger Brechungsindexübergänge vorhanden sind, resultieren daraus geringere optische Verluste durch Verringerung der Anzahl der optischen Flächen.
  • Die Weiterbildung hiervon schlägt gemäß Anspruch 5 vor, daß die totalreflektierende Fläche im Innern des Kunststoffkörpers ausgebildet ist. Dies bedeutet, daß diese schräg gestellte totalreflektierende Fläche das Zentrum des Kunststoffkörpers definiert. Die Oberflächen des Kunststoffkörpers sind dabei als Linsen ausgebildet.
  • Schließlich schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 vor, daß an dem Kunststoffkörper der Autokollimationsoptik Haltevorrichtungen angeformt sind. Dies hat den Vorteil, daß die Autokollimationsoptik auf einfache und reproduzierbare Weise ohne große Toleranzen an entsprechenden Halteeinrichtungen des Gehäuses oder anderen Bauteilen angeordnet werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors mit der Autokollimationsoptik wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung den optischen Sensor in Form einer Autokollimationslichtschranke.
  • Der optische Sensor weist ein äußeres Gehäuse 1 auf, welches von einer durchsichtigen Frontscheibe 2 abgedeckt ist. Im Innern des Gehäuses 1 sind Leiterplatten 3 angeordnet, welche die Sensoreinrichtungen tragen.
  • So ist ein Sender 4 vorgesehen, bei dem es sich um einen Laser oder um eine LED handeln kann. Die optische Achse dieses Senders 4 steht dabei senkrecht auf der Autokollimationsachse 5. Weiterhin ist ein Empfänger 6 vorgesehen, welcher in der vorerwähnten Autokollimationsachse 5 liegt.
  • Weiterer wesentlicher Bestandteil des optischen Sensors ist eine Autokollimationsoptik 7. Dabei handelt es sich um einen einstückigen Kunststoffkörper 8. Dieser weist angeformte Halteeinrichtungen 9 zum Befestigen der Autokollimationsoptik 7 am Sender 4 auf. Andere Befestigungsmethoden sind denkbar.
  • Der Kunststoffkörper 8 der Autokollimationsoptik 7 weist in der zentralen Mitte eine bezüglich der Autokollimationsachse 5 schräg gestellte, totalreflektierende Fläche 10 auf. Weiterhin sind drei Linsen ausgebildet, nämlich eine Linse 11 zwischen dem Sender 4 und der totalreflektierenden Fläche 10, eine Linse 12 zwischen der totalreflektierenden Fläche 10 und einem Reflektor 13 und schließlich einer Linse 14, welche bezüglich der Autokollimationsachse 5 in senkrechter Richtung beidseits der totalreflektierenden Fläche 10 ausgebildet sind.
  • Die Funktionsweise ist wie folgt:
    Der Sender 4 sendet das Licht senkrecht zur Autokollimationsachse 5 in Richtung totalreflektierende Fläche 10. Dabei wird es von der Linse 11 auf diese totalreflektierende Fläche 10 gebündelt.
  • An der totalreflektierenden Fläche 10 wird das Licht – in der Zeichnung nach links – reflektiert, um nach Passieren der Linse 12 sowie der Frontscheibe 2 auf den Reflektor 13 zu gelangen, und zwar auf der Autokollimationsachse 5.
  • Das vom Reflektor 13 reflektierte Licht (wieder auf der Autokollimationsachse 5) gelangt auf den Kunststoffkörper 8 der Autokollimationsoptik 7, und zwar auf den Bereich der Linsen 14, wie sie beidseits der totalreflektierenden Fläche 10 ausgebildet sind. Das Licht wird durch diese Linsen 14 auf den Empfänger 6 fokussiert.
  • Bei den vorbeschriebenen Linsen handelt es sich um sphärische, d. h. bezüglich der Strahlachse runde, rotationssymmetrische Linsen.
  • 1
    Gehäuse
    2
    Frontscheibe
    3
    Leiterplatte
    4
    Sender
    5
    Autokollimationsachse
    6
    Empfänger
    7
    Autokollimationsoptik
    8
    Kunststoffkörper
    9
    Halteeinrichtung
    10
    totalreflektierende Fläche
    11
    Linse
    12
    Linse
    13
    Reflektor
    14
    Linse

Claims (6)

  1. Optischer Sensor mit einem Sender (4) zum Aussenden von Licht, mit einem Empfänger (6) zum Empfangen des Lichts sowie mit einer Autokollimationsoptik (7), welche sich im Strahlengang des Lichts zwischen dem Sender (4) und dem Empfänger (6) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Senders (4) bezüglich der Autokollimationsachse (5) der Autokollimationsoptik (7) quer verläuft, daß die optische Achse des Empfängers (6) im Wesentlichen auf der Autokollimationsachse (5) der Autokollimationsoptik (7) liegt, daß die Autokollimationsoptik (7) zum Umlenken des vom Sender (4) kommenden Lichtstrahls eine in der Autokollimationsachse (5) der Autokollimationsoptik (7) liegende totalreflektierende Fläche (10) aufweist und daß benachbart zu der totalreflektierenden Fläche wenigstens eine Linse (14) zum Fokussieren des zurückgeworfenen Lichts auf den Empfänger (6) vorgesehen ist.
  2. Optischer Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Senders (4) bezüglich der Autokollimationsachse (5) der Autokollimationsoptik (7) senkrecht angeordnet ist.
  3. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des Empfängers (6) auf der Autokollimationsachse (5) der Autokollimationsoptik (7) liegt.
  4. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Autokollimationsoptik (7) durch einen einstückigen Kunststoffkörper (8) gebildet ist, in welchem die totalreflektierende Fläche (10) sowie ein Teil oder sämtliche der optisch wirksamen Komponenten ausgebildet sind, insbesondere eine Linse (11) zwischen dem Sender (4) und der totalreflektierenden Fläche (10) und/oder eine Linse (12) zwischen der totalreflektierenden Fläche (10) und dem Objekt und/oder eine Linse zwischen dem Objekt und dem Empfänger (6).
  5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die totalreflektierende Fläche (10) im Innern des Kunststoffkörpers (8) ausgebildet ist.
  6. Optischer Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kunststoffkörper (8) der Autokollimationsoptik (7) Halteeinrichtungen (9) angeformt sind.
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