DE102016117170A1

DE102016117170A1 - Transmitter unit for optical sensors and optical sensor

Info

Publication number: DE102016117170A1
Application number: DE102016117170.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Klar
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt eine Sendeeinheit für optische Sensoren, insbesondere für Datenlichtschranken, mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht, mit einer Ansteuereinheit zum Ansteuern der Lichtquelle und mit einer Optik zum Leiten des ausgesendeten Lichts. Die Sendeeinheit ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Optik einen Lichtleitstab zum Leiten des Lichts durch eine Vielzahl von totalinternen Reflexionen aufweist, wobei der Lichtleitstab eine Eintrittsfläche für den Eintritt des Lichts in den Lichtleitstab und ein Austrittsende für den Austritt des Lichts aus dem Lichtleitstab aufweist, und dass Querschnittsflächen des Lichtleitstabs quer zur Richtung zwischen der Eintrittsfläche und dem Austrittsende eine Mehrzahl von Ecken aufweisen. Die Erfindung betrifft in einem zweiten Gesichtspunkt einen optischen Sensor.The present invention relates in a first aspect to a transmitting unit for optical sensors, in particular for data light barriers, with a light source for emitting light, with a drive unit for driving the light source and with optics for guiding the emitted light. According to the invention, the transmission unit is characterized in that the optics has a light-conducting rod for guiding the light through a multiplicity of total internal reflections, the light-conducting rod having an entrance surface for the light to enter the light-conducting rod and an exit end for the exit of the light from the light-conducting rod, and that cross-sectional areas of the light-conducting rod have a plurality of corners transverse to the direction between the entrance surface and the exit end. The invention relates in a second aspect to an optical sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt eine Sendeeinheit für optische Sensoren, insbesondere für Datenlichtschranken, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung einen optischen Sensor.The present invention relates in a first aspect to a transmitting unit for optical sensors, in particular for data light barriers, according to the preamble of claim 1. In a second aspect, the invention relates to an optical sensor.

Eine gattungsgemäße Sendeeinheit ist in DE 20 2010 000 607 U1 beschrieben und weist eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht, eine Ansteuereinheit zum Ansteuern der Lichtquelle und eine Optik zum Leiten des ausgesendeten Lichts auf.A generic transmission unit is in DE 20 2010 000 607 U1 described and has a light source for emitting light, a drive unit for driving the light source and an optics for guiding the emitted light.

Solche Sendereinheiten werden beispielsweise in der Freiraum-Datenübertragung eingesetzt. Typische Reichweiten können dabei bis 200 m oder 300 m betragen.Such transmitter units are used for example in the free space data transmission. Typical ranges can be up to 200 m or 300 m.

Eine allgemeine Aufgabe bei Sendern für Datenlichtschranken ist es, einen möglichst homogenen und augensicheren Lichtfleck zu erzeugen.A general task with transmitters for data light barriers is to produce as homogeneous and eye-safe light spot as possible.

Damit ein Lichtfleck für das menschliche Auge ungefährlich ist, darf eine frequenzabhängige Leistungsdichte nicht überschritten werden. Insbesondere können innerhalb eines Lichtflecks mit einer relativ geringen mittleren Leistungsdichte kleine Spots, d.h. Teilbereiche, hoher Leistungsdichte vorhanden sein, die eine Gefahr für das Auge darstellen.For a light spot to be harmless to the human eye, a frequency-dependent power density must not be exceeded. In particular, within a light spot having a relatively low average power density, small spots, i. Subareas, high power density be present, which pose a threat to the eye.

Um eine hohe Datenübertragung und eine hohe Reichweite zu erreichen, ist es ebenfalls gewünscht, dass der erzeugte Lichtfleck möglichst homogen ist. In order to achieve a high data transmission and a long range, it is also desired that the generated light spot is as homogeneous as possible.

Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Maßnahmen bekannt. Es können zum Beispiel Diffusoren, insbesondere holographische Diffusor-Folien, verwendet werden. Jedoch sind letztere sehr teuer und einfache Diffusoren, wie z. B. Mattglas, führen zu großen Leistungsverlusten. In the prior art, various measures are known for this purpose. For example, diffusers, in particular holographic diffuser films, may be used. However, the latter are very expensive and simple diffusers, such. As frosted glass, lead to large power losses.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen homogenen Lichtfleck mittels Strahlaufweitung durch unscharfes Abbilden oder durch Verwenden von Zwischenabbildungen zu erzeugen. Hierbei sind Rückabbildungen grundsätzlich möglich, so dass keine Augensicherheit gegeben ist. Furthermore, it is possible to produce a homogeneous light spot by means of beam expansion by blurred imaging or by using intermediate images. In this case, back images are possible in principle, so that no eye safety is given.

Schließlich kann auch die Kuppe des Gehäuses einer Leuchtdiode (LED) für eine Kuppenabbildung genutzt werden, wodurch ebenfalls die Homogenität des Lichtflecks erhöht wird. Diese Möglichkeit beschränkt sich jedoch auf LEDs und ist insbesondere nicht für Laserdioden anwendbar. Finally, the dome of the housing of a light emitting diode (LED) can be used for a dome image, which also increases the homogeneity of the light spot. However, this possibility is limited to LEDs and in particular is not applicable to laser diodes.

Insgesamt können die beschriebenen Methoden des Stands der Technik nicht zuverlässig einen Strahl mit homogener Leistungsverteilung ohne zufällige leistungsstarke Spots erzeugen. Dies kann insbesondere für die Augensicherheit problematisch sein. Overall, the described prior art methods can not reliably produce a beam with homogeneous power distribution without random powerful spots. This can be particularly problematic for eye safety.

Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine Sendeeinheit und einen optischen Sensor zu schaffen, bei denen ein möglichst homogener und augensicherer Lichtfleck in besonders energieeffizienter und preisgünstiger Weise erzeugt werden kann. It can be regarded as an object of the invention to provide a transmitting unit and an optical sensor in which the most homogeneous and eye-safe light spot can be produced in a particularly energy-efficient and cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch die Sendeeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.This object is achieved by the transmitting unit having the features of claim 1 and the optical sensor having the features of claim 14.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sendeeinheit und des erfindungsgemäßen optischen Sensors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, beschrieben.Advantageous embodiments of the transmitting unit according to the invention and of the optical sensor according to the invention are the subject matter of the dependent claims and are also described in the following description, in particular in conjunction with the figures.

Die Sendeeinheit der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Optik einen Lichtleitstab zum Leiten des Lichts durch eine Vielzahl von totalinternen Reflexionen aufweist, wobei der Lichtleitstab eine Eintrittsfläche für den Eintritt des Lichts in den Lichtleitstab und ein Austrittsende für den Austritt des Lichts aus dem Lichtleitstab aufweist, und dass Querschnittsflächen des Lichtleitstabs quer zur Richtung zwischen der Eintrittsfläche und dem Austrittsende eine Mehrzahl von Ecken aufweisen.The transmitting unit of the above-mentioned type according to the invention further developed in that the optics has a Lichtleitstab for guiding the light through a plurality of total internal reflections, wherein the Lichtleitstab an entrance surface for the entry of light into the Lichtleitstab and an exit end for the exit of the light has the Lichtleitstab, and that cross-sectional surfaces of the Lichtleitstabs transversely to the direction between the entrance surface and the outlet end having a plurality of corners.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem der optische Sensor nach Anspruch 14. Dieser weist eine erfindungsgemäße Sendeeinheit und eine Empfangseinheit zum Empfangen von Licht auf, wobei die Ansteuereinheit zum Ansteuern der Lichtquelle und zum Auswerten von von der Empfangseinheit empfangenem Licht eingerichtet ist.The invention also relates to the optical sensor according to claim 14. This has a transmitting unit according to the invention and a receiving unit for receiving light, wherein the drive unit for driving the light source and for evaluating received by the receiving unit light is set up.

Prinzipiell kann der Lichtleitstab an allen Stellen zwischen der Eintrittsfläche und dem Austrittsende im Wesentlichen oder genau denselben Querschnitt aufweisen. Es sind aber auch Varianten möglich, bei denen die Querschnittsfläche des Lichtleitstabs zwischen der Eintrittsfläche und dem Austrittsende variiert.In principle, the light guide rod can have substantially or exactly the same cross section at all points between the inlet surface and the outlet end. However, variants are also possible in which the cross-sectional area of the light-conducting rod varies between the inlet surface and the outlet end.

Wenn in dieser Beschreibung von Licht die Rede ist, so ist damit in erster Linie elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und infraroten Spektralbereich gemeint. Angrenzende Spektralbereiche sind grundsätzlich aber auch möglich.When we talk about light in this description, we mean primarily electromagnetic radiation in the visible and infrared spectral range. Adjacent spectral ranges are basically also possible.

Als Lichtquellen können grundsätzlich alle Strahlungsquellen in Betracht kommen, die elektromagnetische Strahlung im gewünschten Spektralbereich bereitstellen. Besonders bevorzugt kommen Laserdioden oder Leuchtdioden zum Einsatz. Prinzipiell können auch mehrfarbige Lichtquellen verwendet werden.Basically, all radiation sources can be considered as light sources, the provide electromagnetic radiation in the desired spectral range. Particular preference is given to using laser diodes or light-emitting diodes. In principle, multi-colored light sources can be used.

Als Eintrittsfläche wird diejenige Außenfläche des Lichtleitstabs bezeichnet, durch die der wesentliche Teil des Lichts in den Lichtleitstab eingekoppelt wird. Als Austrittsende wird der Teil des Lichtleitstabs bezeichnet, an dem das durch den Lichtleitstab geleitete Licht wieder aus dem Lichtleitstab austritt.The entry surface is that outer surface of the light guide rod, through which the essential part of the light is coupled into the light guide rod. The outlet end is the part of the light guide rod at which the light guided by the light guide rod exits the light guide rod again.

Als ein Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, einen Lichtleitstab zu verwenden, wobei durch die Mehrzahl von totalinternen Reflexionen, die das Licht innerhalb des Lichtleitstabs erfährt, die Rückabbildbarkeit auf eine ursprüngliche Quellfläche weitestgehend zerstört wird.As a core idea of the invention, it can be considered to use a light guide rod, wherein the re-imageability on an original source surface is largely destroyed by the plurality of total internal reflections that the light experiences within the light guide rod.

Ein weiterer Kerngedanke der Erfindung ist, einen Lichtleitstab zu verwenden, der eckig im Profil ist, beispielsweise ein sechseckiges Profil aufweist, zum effektiven Mischen des Lichts. Der Lichtleitstab kann also insbesondere in Längsrichtung mehrere Kanten aufweisen.Another core idea of the invention is to use a light guide rod that is square in profile, for example, has a hexagonal profile, for effectively mixing the light. The light guide rod can therefore have several edges, in particular in the longitudinal direction.

Die Erfindung stellt einen augensicheren Sender zur Verwendung in Datenlichtschranken bereit, die in der Freiraum-Datenübertragung eingesetzt werden können.The invention provides an eye safe transmitter for use in data light barriers that can be used in free space data transmission.

Als ein erster wesentlicher Vorteil der Erfindung kann erachtet werden, dass mit kompakten, d.h. kostengünstigen und platzsparenden, Mitteln ein homogener und augensicherer Lichtflecks erzeugt werden kann. Beispielsweise kann mit einer erfindungsgemäßen Sendeeinheit ein Öffnungswinkel von +/–5° homogen und augensicher ausgeleuchtet werden.As a first significant advantage of the invention, it can be considered that with compact, i. inexpensive and space-saving, means a homogeneous and eye-safe light spot can be generated. For example, with an inventive transmitting unit, an opening angle of +/- 5 ° can be illuminated homogeneously and with eye safety.

Im Vergleich zur Verwendung nur eines Diffusors aus Mattglas, der vergleichsweise viel Licht absorbiert und in ganz unbrauchbare Richtungen streut, wird der Vorteil einer sehr guten Energieeffizienz erzielt. Im Vergleich zu holografischen Diffusoren ist die erfindungsgemäße Lösung mit einem Lichtleitstab deutlich kostengünstiger.Compared to using only a diffuser made of frosted glass, which absorbs comparatively much light and scatters in very useless directions, the advantage of a very good energy efficiency is achieved. In comparison with holographic diffusers, the solution according to the invention with a light-conducting rod is significantly more cost-effective.

Im Vergleich zur Strahlaufweitung durch unscharfes Abbilden wird die Rückabbildbarkeit durch die erfindungsgemäße Lösung deutlich zuverlässiger verhindert und damit die Augensicherheit deutlich zuverlässiger gewährleistet.Compared to the beam widening by blurred imaging, the retouchability is significantly more reliably prevented by the inventive solution and thus ensures the eye safety much more reliable.

Im Vergleich zu Varianten, bei denen eine oder mehrere optische Fasern verwendet wird beziehungsweise werden, ist die hier beschriebene Lösung deutlich kompakter und kostengünstiger.In comparison to variants in which one or more optical fibers is or will be used, the solution described here is much more compact and less expensive.

Die Erfindung ermöglicht die gleichmäßige Ausleuchtung eines vergleichsweise großen Sendeflecks bei Datenlichtschranken. Die erfindungsgemäße Sendeeinheit ist einfach im Aufbau und kann außerdem kostengünstig hergestellt werden.The invention enables the uniform illumination of a comparatively large transmission spot in the case of data light barriers. The transmitting unit according to the invention is simple in construction and can also be produced inexpensively.

Je länger der Lichtleitstab, desto besser ist es grundsätzlich die Durchmischung der Strahlen und desto zuverlässiger wird die Rückabbildbarkeit unterdrückt. Die Erfinder haben bei den Vorarbeiten, die zur Erfindung führten, überraschend erkannt, dass bereits mit Lichtleitstäben mit einer Länge von beispielsweise zwischen 20 und 25 mm sehr gute und ausreichende Durchmischungen erzielt werden können. Das heißt dass die erfindungsgemäße Sendeeinheit sehr kompakt aufgebaut werden kann.The longer the light guide rod, the better it is fundamentally the mixing of the beams and the more reliable the reimageability is suppressed. The inventors have surprisingly recognized in the preliminary work that led to the invention that very good and sufficient mixing can already be achieved with light guide rods having a length of, for example, between 20 and 25 mm. This means that the transmitting unit according to the invention can be constructed very compact.

Der Lichtleitstab kann grundsätzlich aus jedem Material gebildet sein, das eine geeignete Lichtleitung ermöglicht und eine zur Bereitstellung der totalinternen Reflexionen geeignete Brechzahl aufweist. Besonders bevorzugt ist der Lichtleitstab aus einem Kunststoffformteil gebildet oder ist ein Kunststoffformteil. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise optische Polymere, wie Polycarbonate, Polymethylmethacrylate und/oder Cyclo-Olefin-(Co)polymere.The light guide rod can in principle be formed from any material which enables a suitable light conduction and has a refractive index suitable for providing the totally internal reflections. Particularly preferably, the light-conducting rod is formed from a plastic molding or is a plastic molding. Suitable materials for this purpose are, for example, optical polymers, such as polycarbonates, polymethyl methacrylates and / or cyclo-olefin (co) polymers.

Um zu verhindern, dass an unerwünschten Stellen des Lichtleitstabs Licht nach außen dringt, kann der Lichtleitstab an seinen Außenseiten mindestens teilweise verspiegelt sein. Hierfür können bekannte Techniken und Materialien zum Einsatz kommen, wie beispielsweise das Aufdampfen von metallischen Beschichtungen.In order to prevent light from escaping at undesired points of the light guide rod, the light guide rod can be at least partially mirrored on its outer sides. For this purpose, known techniques and materials can be used, such as the vapor deposition of metallic coatings.

Eine günstige Anordnung und eine geringere Bautiefe des Gesamtsensors bei gleicher Effektivität der Durchmischung werden möglich, wenn zwischen der Eintrittsfläche und dem Austrittsende des Lichtleitstabs mindestens eine Umlenkfläche zum Umlenken des Lichts in eine Querrichtung, insbesondere zum Umlenken des Lichts um etwa 90°, vorhanden ist. Insbesondere kann die Umlenkung der Strahlung durch totalinterne Reflexion erfolgen. Falls hierfür die geometrischen Verhältnisse und die Brechzahlen nicht geeignet sind, kann die Umlenkfläche auch verspiegelt und insbesondere mit einer spiegelnden Beschichtung versehen sein. Die Strahlungsumlenkung kann besonders bevorzugt rechtwinklig sein.A favorable arrangement and a smaller overall depth of the total sensor with the same effectiveness of mixing are possible if between the inlet surface and the outlet end of the Lichtleitstabs at least one deflection for deflecting the light in a transverse direction, in particular for deflecting the light by about 90 °, is present. In particular, the deflection of the radiation can be effected by total internal reflection. If the geometric conditions and the refractive indices are not suitable for this purpose, the deflecting surface can also be mirrored and, in particular, provided with a reflective coating. The radiation deflection can be particularly preferably rectangular.

Die Umlenkfläche kann grundsätzlich an beliebigen Positionen des Lichtleitstabs gebildet sein. Bei einer besonders bevorzugten Variante ist die mindestens eine Umlenkfläche im Bereich des Austrittsendes gebildet. Damit sind besonders kompakte Aufbauten der Sendeeinheit möglich.The deflection surface can basically be formed at arbitrary positions of the light guide rod. In a particularly preferred variant, the at least one deflection surface is formed in the region of the outlet end. Thus, particularly compact structures of the transmitting unit are possible.

Die Rückabbildbarkeit kann noch besser unterdrückt werden, wenn das Licht nach Durchtritt durch den Lichtleitstab ein Mikrolinsenarray durchläuft. Besonders bevorzugt kann ein solches ein Mikrolinsenarray an dem Austrittsende des Lichtleitstabs angeformt sein. Ergänzend oder alternativ kann strahlabwärts von dem Austrittsende des Lichtleitstabs ein Mikrolinsenarray angeordnet sein. Dieses kann beispielsweise mit dem Lichtleitstab verklebt sein, es kann aber auch einen Abstand zum Lichtleitstab aufweisen. Die Linsen des Mikrolinsenarrays können beispielsweise Brennweiten von etwa 40 bis 50 mm aufweisen.The reimageability can be better suppressed when the light passes through passes through a microlens array through the light guide rod. Particularly preferably, such a microlens array can be formed at the outlet end of the light-conducting rod. Additionally or alternatively, a microlens array can be arranged downstream of the outlet end of the light-conducting rod. This may for example be glued to the light guide rod, but it may also have a distance from the light guide rod. The lenses of the microlens array may, for example, have focal lengths of about 40 to 50 mm.

Ein weitere Unterdrückung der Rückabbildbarkeit kann erzielt werden, wenn ergänzend oder alternativ an dem Austrittsende des Lichtleitstabs ein Diffusor gebildet ist. Beispielsweise kann ein solcher Diffusor direkt an einer Oberfläche des Lichtleitstabs gebildet sein. Dadurch wird als Vorteil gegenüber einem diskretem Aufbau erreicht, dass weniger Bauteile notwendig und weniger optische Grenzflächen nötig sind. Lichtverluste können so reduziert werden. Ergänzend oder alternativ kann ein Diffusor auch als grundsätzlich separates Bauteil strahlabwärts von dem Austrittsende des Lichtleitstabs angeordnet sein.A further suppression of the reimageability can be achieved if, additionally or alternatively, a diffuser is formed at the exit end of the light guide rod. For example, such a diffuser may be formed directly on a surface of the light guide rod. This is achieved as an advantage over a discrete structure that fewer components necessary and fewer optical interfaces are needed. Loss of light can be reduced. Additionally or alternatively, a diffuser can also be arranged as a basically separate component downstream of the outlet end of the light guide rod.

Die Eintrittsfläche des Lichtleitstabs kann prinzipiell flach sein. Die Durchmischung des Lichts kann aber verbessert werden, wenn die Eintrittsfläche des Lichtleitstabs gewölbt ist. Prinzipiell kann auch eine Austrittsfläche am Austrittsende eine Wölbung aufweisen.The entrance surface of the light guide rod can be flat in principle. However, the mixing of the light can be improved if the entrance surface of the Lichtleitstabs is curved. In principle, an exit surface at the exit end may also have a curvature.

Bei besonders bevorzugten Varianten weisen die Querschnittsflächen des Lichtleiters eine, insbesondere unregelmäßige, Vieleckform auf.In particularly preferred variants, the cross-sectional areas of the light guide have an, in particular irregular, polygonal shape.

Die Zuverlässigkeit des Einbaus, beispielsweise auf eine Platine, kann verbessert werden, wenn an dem Lichtleitstab mindestens eine, insbesondere mehrere, Positionierhilfen angeformt ist beziehungsweise sind. Die Positionierhilfen können beispielsweise Positionierstifte, die in eine Platine oder einen ähnlichen Träger hineinragen, oder Anschlagsflügel sein, die an einem Träger wie einer Platine zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit anliegen.The reliability of the installation, for example on a circuit board, can be improved if at least one, in particular a plurality, positioning aids is or are formed on the light guide rod. The positioning aids may be, for example, positioning pins which protrude into a circuit board or a similar carrier, or stop wings, which abut against a carrier such as a board for improving the positioning accuracy.

Positionierhilfen können sich bevorzugt im Bereich der Eintrittsfläche und/oder des Austrittsendes befinden.Positioning aids may preferably be located in the region of the entrance surface and / or the exit end.

Die erfindungsgemäße Sendeeinheit kann grundsätzlich bei allen optischen Sensoren zum Einsatz kommen, bei denen die Augensicherheit der nach außen tretenden Strahlung gewährleistet sein muss. Bei einer besonders vorteilhaften Anwendung ist der erfindungsgemäße optische Sensor mindestens Teil einer Datenlichtschranke oder ist eine Datenlichtschranke. Die Ansteuereinheit ist dann zum Ansteuern der Lichtquelle gemäß zu übertragenden Daten eingerichtet.The transmission unit according to the invention can in principle be used in all optical sensors in which the eye safety of the outgoing radiation must be ensured. In a particularly advantageous application, the optical sensor according to the invention is at least part of a data light barrier or is a data light barrier. The drive unit is then set up to drive the light source in accordance with data to be transmitted.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren im Einzelnen beschrieben. Hierin zeigen:Further advantages and features of the invention will be described below in detail with reference to the figures. Herein show:

1: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors; 1 a schematic view of an optical sensor according to the invention;

2: eine schematische Ansicht einer Querschnittsfläche eines Lichtleitstabs einer erfindungsgemäßen Sendeeinheit; 2 a schematic view of a cross-sectional area of a light guide rod of a transmission unit according to the invention;

3: eine schematische Ansicht eines Lichtleitstabs für eine erfindungsgemäße Sendeeinheit; 3 a schematic view of a light guide rod for a transmission unit according to the invention;

4: eine Seitenansicht des Lichtleitstabs aus 4; 4 : a side view of the light guide rod 4 ;

5: eine Unteransicht des Lichtleitstabs aus 4; 5 : a bottom view of the light guide rod 4 ;

6: eine Draufsicht des Lichtleitstabs aus 4; 6 : a plan view of the light guide rod 4 ;

7: eine Ansicht auf die Eingangsfläche des Lichtleitstabs aus 4 und 7 : a view of the input surface of the light guide rod 4 and

8: eine Ansicht auf das Ausgangsende des Lichtleitstabs aus 4; 8th : a view of the output end of the light guide rod 4 ;

Gleiche und gleichwirkende Bestandteile sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.Identical and equivalent components are generally identified in the figures with the same reference numerals.

Der in 1 schematisch gezeigte erfindungsgemäße optische Sensor 200 weist als wesentliche Bestandteile zunächst eine erfindungsgemäße Sendeeinheit 100 und eine Empfangseinheit 50 auf. Teil der erfindungsgemäßen Sendeeinheit 100 sind unter anderem eine Lichtquelle 10 und eine Ansteuereinheit 40, die zum Ansteuern der Lichtquelle 10 und zum Auswerten von von der Empfangseinheit 50 empfangenem Licht 17 eingerichtet ist.The in 1 schematically shown inventive optical sensor 200 has as essential components, first, a transmitting unit according to the invention 100 and a receiving unit 50 on. Part of the transmitting unit according to the invention 100 Among other things, they are a source of light 10 and a drive unit 40 used to drive the light source 10 and for evaluating from the receiving unit 50 received light 17 is set up.

Die Sendeeinheit 100 weist außerdem eine Optik auf zum Leiten des von der Lichtquelle 10 ausgesandten Lichts 14. Als Teil dieser Optik ist in 1 schematisch eine Linse 12 gezeigt. Die Optik kann weitere strahlablenkende oder strahlformende Bestandteile, wie Linsen oder Spiegel, aufweisen. Prinzipiell kann die Optik aber auch gar keine Linse aufweisen. Insbesondere kann das Licht einer Laserdiode direkt in den Lichtleitstab eingestrahlt werden.The transmitting unit 100 also has optics for guiding the light source 10 emitted light 14 , As part of this look is in 1 schematically a lens 12 shown. The optics can have further beam-deflecting or beam-forming components, such as lenses or mirrors. In principle, the optics but also have no lens. In particular, the light of a laser diode can be irradiated directly into the light guide rod.

Als weiterer wesentlicher Bestandteil der Optik ist erfindungsgemäß ein Lichtleitstab 20 zum Leiten des Lichts 14 durch ein Vielzahl von totalinternen Reflexionen vorhanden. Der Lichtleitstab 20 weist dabei eine Eintrittsfläche 21 für den Eintritt des Lichts 14 in den Lichtleitstab 20 und ein Austrittsende 23 für den Austritt des Lichts aus dem Lichtleitstab 20 auf. Für die Erfindung ist außerdem wesentlich, dass Querschnittsflächen 27 des Lichtleitstabs 20 quer zur Richtung zwischen der Eintrittsfläche 21 und dem Austrittsende 23 eine Mehrzahl von Ecken 29 aufweisen. Die Richtung zwischen der Eintrittsfläche 21 und dem Austrittsende 23 ist in 1 durch den Pfeil 15 dargestellt. Eine beispielhafte Querschnittsfläche 27, die die Form eines unregelmäßigen Achtecks mit Ecken 29 aufweist, ist in 2 schematisch gezeigt. Die Ecken der Querschnittsflächen entsprechen Kanten 22 des Lichtleitstabs 20, die in 1 ebenfalls schematisch gezeigt sind und sich generell in die Richtung des Pfeils 15 erstrecken. Prinzipiell können die Konturen der Querschnittsflächen 27 zwischen den Ecken 29 aber auch in grundsätzlich beliebiger Weise gekrümmt sein. Für die Erfindung ist wesentlich, dass der Lichtleitstab 20 eine Mehrzahl von Kanten 22 aufweist und die Querschnittsflächen 27 eine Mehrzahl von Ecken 29 aufweisen.Another essential component of optics according to the invention is a light guide rod 20 to guide the light 14 through a variety of total internal Reflections available. The light guide rod 20 has an entrance surface 21 for the entrance of the light 14 in the light guide rod 20 and an exit end 23 for the exit of the light from the light guide rod 20 on. It is also essential for the invention that cross-sectional areas 27 of the light guide rod 20 transverse to the direction between the entrance surface 21 and the exit end 23 a plurality of corners 29 exhibit. The direction between the entrance area 21 and the exit end 23 is in 1 through the arrow 15 shown. An exemplary cross-sectional area 27 that take the form of an irregular octagon with corners 29 is in 2 shown schematically. The corners of the cross-sectional areas correspond to edges 22 of the light guide rod 20 , in the 1 are also shown schematically and generally in the direction of the arrow 15 extend. In principle, the contours of the cross-sectional areas 27 between the corners 29 but also be curved in basically any way. For the invention is essential that the Lichtleitstab 20 a plurality of edges 22 and the cross-sectional areas 27 a plurality of corners 29 exhibit.

Das aus dem Lichtleitstab 20 austretende Licht 16 tritt in Richtung eines Zielbereichs aus. Die in 1 dargestellten Komponenten können auf einem Träger 18 angeordnet sein, der beispielsweise eine Platine sein kann.That from the light guide rod 20 leaking light 16 exits towards a destination area. In the 1 Components shown on a support 18 be arranged, which may be a board, for example.

Der optische Sensor 200 in 1 kann insbesondere Teil einer Datenlichtschranke sein. Die Ansteuereinheit ist dann insbesondere auch zum Ansteuern der Lichtquelle dergestalt eingerichtet, dass die zu übertragenden Daten in geeigneter Weise auf dem physikalischen Kanal der optischen Lichtschranke kodiert werden.The optical sensor 200 in 1 may in particular be part of a data light barrier. The drive unit is then set up in particular for driving the light source in such a way that the data to be transmitted are suitably coded on the physical channel of the optical light barrier.

Ein konkretes Beispiel eines Lichtleitstabs 20 für eine erfindungsgemäße Sendeeinheit 100 und einen erfindungsgemäßen optischen Sensor 200, beispielsweise eine Datenlichtschranke, wird im Folgenden mit Bezug auf die 1 bis 8 im Einzelnen erläutert.A concrete example of a light guide rod 20 for a transmission unit according to the invention 100 and an optical sensor according to the invention 200 For example, a data light barrier will be described below with reference to FIGS 1 to 8th explained in detail.

3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lichtleitstabs 20, der insbesondere aus einem oder als Kunststoffformteil gebildet sein kann. Der Lichtleitstab 20 weist eine Eintrittsfläche 21, durch welche zu leitendes Licht in den Lichtleitstab 20 eintritt, und ein Austrittsende 23 auf, an dem das von dem Lichtleitstab 20 geleitete Licht aus dem Lichtleitstab 20 austritt. 3 shows a perspective view of the Lichtleitstabs 20 , which may be formed in particular from one or as a plastic molding. The light guide rod 20 has an entrance surface 21 , through which light to be guided into the light guide rod 20 enters, and an exit end 23 on, on which the of the Lichtleitstab 20 directed light from the light guide rod 20 exit.

Die Eintrittsfläche 21 kann konkav, konvex oder in beliebiger Weise gewölbt sein. Dadurch können vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf das Verhindern einer Rückabbildbarkeit des aus dem Lichtleitstab 20 austretenden Lichts erzielt werden. Prinzipiell kann alternativ oder ergänzend auch eine Austrittsfläche am Austrittsende 23 des Lichtleitstabs 20 konkav, konvex oder in beliebiger Weise gewölbt sein.The entrance area 21 can be concave, convex or curved in any way. As a result, advantageous properties with regard to preventing a Wiederabbildbarkeit of from the Lichtleitstab 20 emerging light can be achieved. In principle, alternatively or additionally, an exit surface at the outlet end 23 of the light guide rod 20 be concave, convex or curved in any way.

Bei dem in den 3 bis 8 gezeigten Beispiel liegt ein Sonderfall einer beliebig gewölbten Austrittsfläche vor. Die Austrittsfläche ist als Mikrolinsenarray 30, also als eine Anordnung einer Mehrzahl von Linsen, gebildet. Dieses Mikrolinsenarray 30 kann Teil des Kunststoffformteils selbst sein, d.h. dass die Linsen, die das Mikrolinsenarray 30 bilden, an dem Austrittsende 23 des Lichtleitstabs 20 angeformt sind. Alternativ kann es sich bei dem Mikrolinsenarray aber auch um eine separate Komponente handeln, die strahlabwärts von dem Lichtleitstab 20 angeordnet ist. Beispielsweise kann ein separates Mikrolinsenarray mit dem Lichtleitstab 20 verklebt sein. Als Wirkung des Mikrolinsenarray kann angesehen werden, dass prinzipiell eine der Zahl der Einzellinsen entsprechende Zahl von Strahlengängen generiert wird, wodurch wiederrum die Rückabbildbarkeit weiter unterdrückt und damit die Augensicherheit erhöht wird.In the in the 3 to 8th shown example, there is a special case of an arbitrarily curved exit surface. The exit surface is as a microlens array 30 , that is, as an arrangement of a plurality of lenses. This microlens array 30 may be part of the plastic molding itself, ie the lenses that make up the microlens array 30 form, at the exit end 23 of the light guide rod 20 are formed. Alternatively, however, the microlens array can also be a separate component downstream of the light guide rod 20 is arranged. For example, a separate microlens array with the Lichtleitstab 20 be glued. As an effect of the microlens array can be considered that in principle one of the number of individual lenses corresponding number of beam paths is generated, which in turn further suppresses the Rückabbildbarkeit and thus the eye safety is increased.

Als weitere Maßnahme zum Unterdrücken der Rückabbildbarkeit und damit zum Steigern der Augensicherheit kann vorgesehen sein, dass ergänzend zum Multilinsenarray oder alternativ dazu an dem Austrittsende 23 des Lichtleitstabs 20 ein Diffusor gebildet ist oder dass ein Diffusor strahlabwärts von dem Austrittsende 23 des Lichtleitstabs 20 angeordnet ist. Beispielsweise kann ein Diffusor durch eine aufgerauhte Fläche des Kunststoffformteils gebildet sein.As a further measure for suppressing the reproductibility and thus for increasing the eye safety, provision can be made for complementing the multiline array or, alternatively, at the outlet end 23 of the light guide rod 20 a diffuser is formed or that a diffuser downstream of the exit end 23 of the light guide rod 20 is arranged. For example, a diffuser may be formed by a roughened surface of the plastic molding.

Eine weitere Besonderheit des in den 3 bis 8 gezeigten Beispiels eines Lichtleitstabs 20 ist, dass zwischen der Eintrittsfläche 21 und dem Austrittsende 23 des Lichtleitstabs 20 eine Umlenkfläche 26 zum Umlenken des Lichts in eine Querrichtung, nämlich zum Umlenken des Lichts um etwa 90°, vorhanden ist. In dem gezeigten Beispiel ist die Umlenkfläche 26, wie aus den 4, 6 und 8 ersichtlich, im Bereich des Austrittsendes 23 gebildet. Die Umlenkfläche ist dabei so gebildet, dass im Wesentlichen das gesamte aus der Richtung der Eintrittsfläche 21 kommendes Licht durch totalinterne Reflexion an der Umlenkfläche 26 umgeleitet wird. Um zu verhindern, dass Licht an der Umlenkfläche 26 aus dem Lichtleitstab 20 austritt, kann der Lichtleitstab 20 mindestens im Bereich der Umlenkfläche 26 mit einer spiegelnden Beschichtung versehen sein.Another peculiarity of the in the 3 to 8th shown example of a light guide rod 20 is that between the entrance surface 21 and the exit end 23 of the light guide rod 20 a deflection surface 26 for deflecting the light in a transverse direction, namely for deflecting the light by about 90 °, is present. In the example shown, the deflection surface 26 , like from the 4 . 6 and 8th visible, in the region of the outlet end 23 educated. The deflection surface is formed so that substantially the entire from the direction of the entrance surface 21 coming light by total internal reflection at the deflection 26 is redirected. To prevent light from turning 26 from the light guide rod 20 exits, the Lichtleitstab 20 at least in the area of the deflection surface 26 be provided with a reflective coating.

Im gezeigten Beispiel weisen die Querschnittsflächen 27 des Lichtleiters 20 eine unregelmäßige Vieleckform auf.In the example shown, the cross-sectional areas 27 of the light guide 20 an irregular polygon shape.

An dem in den 3 bis 8 gezeigten Lichtleitstab 20 sind mehrere Positionierhilfen 24, 28 vorhanden, die im gezeigten Beispiel an das Kunststoffformteil angeformt sind. Im Einzelnen handelt es sich dabei um Positionierstifte 24, die in entsprechend beispielsweise einer Platine gebildete Bohrungen eingreifen können, und Anschlagsflügel 28, die sich im montierten Zustand ebenfalls an einem Träger, zum Beispiel der Platine, abstützen können. Durch die Positionierhilfen 24, 28 kann eine exakte Positionierung des Lichtleitstabs 20 auf einem Träger 18 und damit relativ zu weiteren optischen Komponenten erzielt werden.At the in the 3 to 8th shown light guide rod 20 are several positioning aids 24 . 28 present, in the example shown to the Plastic molded part are formed. In detail, these are positioning pins 24 , which can engage in correspondingly formed, for example, a board holes, and stop wings 28 , which can also be supported on a support, for example the circuit board, in the mounted state. Through the positioning aids 24 . 28 can be an exact positioning of the light guide rod 20 on a carrier 18 and thus be achieved relative to other optical components.

Im Betrieb der Sendeeinheit 100 tritt Licht 14 durch die gewölbte Eintrittsfläche 21 in den Lichtleitstab 20 ein. Das Licht 14 wird, mit anderen Worten, in den Lichtleitstab 20 eingekoppelt. In den 4 bis 6 gelangt das Licht also von links kommend in den Lichtleitstab 20. Das in den Lichtleitstab 20 einzukoppelnde Licht 14 kann kollimiert sein, muss es aber nicht sein. Durch die gekrümmte Eintrittsfläche wird das Licht im Inneren des Lichtleitstabs 20 in verschiedene Richtungen abgelenkt und erfährt im Anschluss viele totalinterne Reflexionen an den Innenseiten des Lichtleitstabs 20. An der Umlenkfläche 26, die zur Längsachse 15 des Lichtleitstabs 20 um etwa 45° geneigt ist, wird das Licht sodann in eine zur Längsachse 15 des Lichtleitstabs 20 quer orientierte Richtung abgelenkt. In der in 4 gezeigten Situation wird das von links kommende Licht durch die Umlenkfläche 26 im Bereich des Austrittsendes 23 nach unten abgelenkt und tritt nach Durchlaufen des Multilinsenarrays 30 aus dem Lichtleitstab 20 aus.During operation of the transmitting unit 100 enters light 14 through the arched entrance area 21 in the light guide rod 20 one. The light 14 is, in other words, in the light guide rod 20 coupled. In the 4 to 6 The light thus arrives from the left into the light guide rod 20 , The in the light guide rod 20 light to be coupled in 14 can be collimated, but it does not have to be. Due to the curved entrance surface, the light inside the Lichtleitstabs 20 deflected in different directions and undergoes many total internal reflections on the insides of the Lichtleitstabs 20 , At the deflection 26 leading to the longitudinal axis 15 of the light guide rod 20 tilted by about 45 °, the light is then in one to the longitudinal axis 15 of the light guide rod 20 distracted across-oriented direction. In the in 4 the situation shown by the light coming from the left through the deflection 26 in the area of the outlet end 23 deflected downward and occurs after passing through the multi-lens array 30 from the light guide rod 20 out.

Die Vielzahl der totalinternen Reflexionen im Lichtleitstab 20 und die weitere Fragmentierung der Strahlengänge durch das Multilinsenarray 30 bewirkt im Ergebnis, dass die Rückabbildbarkeit des aus dem Lichtleitstab 20 austretenden Lichts sehr weitgehend unterdrückt wird. Dadurch aber wird die gewünschte Augensicherheit bereitgestellt.The variety of total internal reflections in the Lichtleitstab 20 and the further fragmentation of the beam paths through the multi-lens array 30 causes in the result that the Rückabbildbarkeit of the from the Lichtleitstab 20 Exiting light is very largely suppressed. But this provides the desired eye safety.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Lichtquelle light source
1212: Linse lens
1414: Licht light
1515: Pfeil arrow
1616: Licht light
1717: auf Empfangseinheit eintreffendes Licht incoming light on the receiving unit
1818: Platine circuit board
2020: Lichtleitstab Lichtleitstab
2121: Eintrittsfläche entry surface
2222: Kanten edge
2323: Austrittsfläche exit area
2424: Positionierstift positioning
2626: Umlenkfläche deflection
2727: Querschnittsflächen Cross-sectional areas
2828: Anschlagsflügel stop wings
2929: Ecken der Querschnittsflächen Corners of cross-sectional areas
3030: Mikrolinsenarray Microlens array
4040: Ansteuereinheit control unit
5050: Empfänger receiver
100100: Sendeeinheit transmission unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202010000607 U1 [0002] DE 202010000607 U1 [0002]

Claims

Sendeeinheit für optische Sensoren, insbesondere für Datenlichtschranken, mit einer Lichtquelle (10) zum Aussenden von Licht (14), mit einer Ansteuereinheit (40) zum Ansteuern der Lichtquelle (10) und mit einer Optik (12) zum Leiten des ausgesendeten Lichts (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Optik einen Lichtleitstab (20) zum Leiten des Lichts (14) durch eine Vielzahl von totalinternen Reflexionen aufweist, wobei der Lichtleitstab (20) eine Eintrittsfläche (21) für den Eintritt des Lichts (14) in den Lichtleitstab (20) und ein Austrittsende (23) für den Austritt des Lichts aus dem Lichtleitstab (20) aufweist, und dass Querschnittsflächen (27) des Lichtleitstabs (20) quer zur Richtung zwischen der Eintrittsfläche (21) und dem Austrittsende (23) eine Mehrzahl von Ecken (29) aufweisen.Transmitting unit for optical sensors, in particular for data light barriers, with a light source ( 10 ) for emitting light ( 14 ), with a drive unit ( 40 ) for driving the light source ( 10 ) and with an optic ( 12 ) for guiding the emitted light ( 14 ), Characterized in that the optical system (a light guide rod 20 ) for guiding the light ( 14 ) by a plurality of total internal reflections, wherein the light guide rod ( 20 ) an entrance surface ( 21 ) for the entry of light ( 14 ) in the light guide rod ( 20 ) and an exit end ( 23 ) for the exit of the light from the light guide rod ( 20 ), and that cross-sectional areas ( 27 ) of the light guide rod ( 20 ) transverse to the direction between the entrance surface ( 21 ) and the exit end ( 23 ) a plurality of corners ( 29 ) exhibit.

Sendeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitstab (20) aus einem Kunststoffformteil gebildet ist.The transmitter unit according to claim 1, characterized in that the light guide ( 20 ) is formed from a plastic molding.

Sendeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitstab (20) an seinen Außenseiten mindestens teilweise verspiegelt ist. Transmitter unit according to Claim 1 or 2, characterized in that the light-conducting rod ( 20 ) is at least partially mirrored on its outer sides.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Eintrittsfläche (21) und dem Austrittsende (23) des Lichtleitstabs (20) mindestens eine, insbesondere verspiegelte, Umlenkfläche (26) zum Umlenken des Lichts in eine Querrichtung, insbesondere zum Umlenken des Lichts um etwa 90°, vorhanden ist.Transmitting unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the entrance surface ( 21 ) and the exit end ( 23 ) of the light guide rod ( 20 ) at least one, in particular mirrored, deflection surface ( 26 ) for deflecting the light in a transverse direction, in particular for deflecting the light by about 90 °, is present.

Sendeeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (26) im Bereich des Austrittsendes (23) gebildet ist.Transmitter unit according to claim 4, characterized in that the deflection surface ( 26 ) in the region of the outlet end ( 23 ) is formed.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Austrittsende (23) des Lichtleitstabs (20) ein Mikrolinsenarray (30) angeformt ist.Transmitting unit according to one of claims 1 to 5, characterized in that at the outlet end ( 23 ) of the light guide rod ( 20 ) a microlens array ( 30 ) is formed.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Austrittsende (23) des Lichtleitstabs (20) ein Diffusor gebildet ist.Transmitting unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that at the outlet end ( 23 ) of the light guide rod ( 20 ) a diffuser is formed.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass strahlabwärts von dem Austrittsende (23) des Lichtleitstabs (20) ein Mikrolinsenarray (30) angeordnet ist.Transmitting unit according to one of claims 1 to 7, characterized in that downstream of the outlet end ( 23 ) of the light guide rod ( 20 ) a microlens array ( 30 ) is arranged.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass strahlabwärts von dem Austrittsende (23) des Lichtleitstabs (20) ein Diffusor angeordnet ist.Transmitting unit according to one of claims 1 to 8, characterized in that downstream of the outlet end ( 23 ) of the light guide rod ( 20 ) A diffuser is arranged.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (21) und/oder eine Austrittsfläche am Austrittsende (23) des Lichtleitstabs (20) gewölbt ist. Transmitter unit according to one of claims 1 to 9, characterized in that the entrance surface ( 21 ) and / or an exit surface at the exit end ( 23 ) of the light guide rod ( 20 ) is arched.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen (27) des Lichtleiters (20) eine, insbesondere unregelmäßige, Vieleckform aufweisen.Transmitter unit according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the cross-sectional areas ( 27 ) of the light guide ( 20 ) have a, in particular irregular, polygonal shape.

Sendeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Lichtleitstab (20) mindestens eine, insbesondere mehrere, Positionierhilfen (24, 28) angeformt ist beziehungsweise sind.Transmitter unit according to one of claims 1 to 11, characterized in that on the light-conducting rod ( 20 ) at least one, in particular a plurality, positioning aids ( 24 . 28 ) is or is formed.

Sendeeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfen als Positionierstifte (24) und/oder Anschlagsflügel (28) gebildet sind.Transmitter unit according to claim 12, characterized in that the positioning aids as positioning pins ( 24 ) and / or stop wings ( 28 ) are formed.

Optischer Sensor mit einer Sendeeinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer Empfangseinheit (50) zum Empfangen von Licht (17), wobei die Ansteuereinheit (40) zum Ansteuern der Lichtquelle (10) und zum Auswerten von von der Empfangseinheit (50) empfangenem Licht eingerichtet ist.Optical sensor with a transmitting unit ( 100 ) according to one of claims 1 to 13 and a receiving unit ( 50 ) for receiving light ( 17 ), wherein the drive unit ( 40 ) for driving the light source ( 10 ) and for evaluating from the receiving unit ( 50 ) received light is established.

Optischer Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens Teil einer Datenlichtschranke ist und dass die Ansteuereinheit (40) zum Ansteuern der Lichtquelle (10) gemäß zu übertragenden Daten eingerichtet ist.Optical sensor according to claim 14, characterized in that it is at least part of a data light barrier and that the drive unit ( 40 ) for driving the light source ( 10 ) is set up according to data to be transmitted.