DE3532197A1 - Lichtvorhang - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen mit einem einzigen Lichtsender
erzeugten Lichtvorhang, wobei das Lichtstrahlenbündel des
Senders mittels einer Lichtverteilereinheit zeitlich aufeinanderfolgend
in eine Anzahl im wesentlichen parallel zueinander
verlaufende, lückenlos angereihte und in den zu überwachenden
Raum führende Strahlungswege gelenkt wird, an deren
Ende ein Retroreflektor angeordnet ist, der die Lichtstrahlenbündel
auf eine der Zahl der Strahlungswege entsprechende Anzahl
Empfangsoptiken zurückwirft, denen Lichtleiter zugeordnet
sind, mittels derer der jeweils reflektierte Anteil des
betreffenden Empfangslichtstrahlenbündels zu einem fotoelektrischen
Wandler gelangt, dem eine Auswerteschaltung nachgeschaltet
ist.
Ein derart aufgebauter bzw. arbeitender Lichtvorhang ist durch
die DE PS 30 39 563 bekannt. Ein solcher Lichtvorhang weist
insofern eine gewisse Unzulänglichkeit auf, als ein optisches
Übersprechen benachbarter Empfangslichtkanäle wegen der Lichtkanalaufweitung
durch die Sendeoptik sowie durch den Retroreflektor
nicht auszuschließen ist. Daher kann es vorkommen,
daß nicht nur der sendeseitig aktivierte Lichtstrahlungsweg
ein Empfangssignal liefert, sondern auch von Nachbarkanälen
Signalanteile zum fotoelektrischen Wandler gelangen. Damit ist
die Erkennungssicherheit des Lichtvorhangs beeinträchtigt und
die geforderte Auflösebedingung nicht erfüllt. Außerdem ist bei
dem bekannten Lichtvorhang für jeden Sendekanal eine separate
Sendeoptik erforderlich. Ferner weist der bekannte Lichtvorhang
den Nachteil auf, daß die von Eingriffskörpern stammenden
Reflexionen unter Umständen eine solche Empfangsamplitude aufweisen,
die mit Empfangssignalen ohne Unterbrechung des Strahlenweges
vergleichbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtvorhang
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Auflösebedingung
mit einem Geringstmaß an Aufwand sicher erfüllbar
ist und gleichzeitig fehlerhafte Betriebszustände durch Reflexionen
an Eingriffskörpern vermieden werden.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Lichtverteilereinheit als mit einer Lochblende vereinigter
Dreh- oder Schwingspiegel ausgebildet ist, wobei die Öffnung
der Lochblende im Abstand r zur Drehachse des Spiegels angeordnet
ist und dieser Öffnung die Enden der den Empfangsoptiken
nachgeordneten Lichtleiter korrespondierend zugeordnet sind,
derart, daß die Lochblende jeweils nur den Strahlungsweg des
momentan vom Sendelichtstrahlenbündel aktivierten Empfangslichtstrahlenbündels
zum fotoelektrischen Wandler freischaltet.
Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Nachstehenden
anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Einrichtung mit einem Lichtvorhang,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die wesentlichen
Komponenten der Einrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 Einzelheiten des erfindungsgemäßen Dreh-
oder Schwingspiegelablenkers,
Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Lichtlaufzeitmessung
der Laserpulse, wobei die Empfangssignale
nur innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters
detektiert werden.
Fig. 5 die schematische Darstellung einer Fremdreflexion
und einer Umspiegelung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gelangt der von einem Lichtsender
z. B. in Form einer Laserdiode 1 ausgehende Lichtstrahl
auf die Linse 2, wird von ihr zum Lichtstrahl 3 gebündelt
und fällt danach auf den Dreh- oder Schwingspiegel 4
mit der Drehachse 5. Durch Dreh- oder Schwingbewegung
nach Bezugszeichen 17 wird das ankommende Strahlenbündel 3
in die reflektierten Bündel 6, 6′, 6″. . . 6 ν aufgefächert
und fällt damit auf die fest angeordneten Umlenkspiegel 7, 7′, 7″. . . 7 ν.
Von dort gelangen die Sendelichtbündel 9, 9′, 9″. . . 9 ν
in den zu überwachenden Arbeitsraum 18, werden vom
Retroreflektor 10 reflektiert und fallen danach auf die
Empfangsoptiken 8, 8′, 8″. . . 8 ν.
Nach Fokussierung und Einkopplung der Empfangsstrahlen 29,
29′, 29″. . . 29 ν in die Lichtleiter 11, 11′, 11″. . . 11 ν
gelangt das Empfangslicht durch Totalreflexion an das andere
Lichtleiterende, wobei diese Enden kreisförmig, d. h. auf
einem Radius r, um die Drehachse 5 des Dreh- oder Schwingspiegels 14
angeordnet sind.
Achsparallel zu diesen Enden liegt ein weiterer Lichtleitersatz 19, 19′, 19″. . . 19 ν,
dessen freie Enden jeweils über
eine Linse 13 den fotoelektrischen Wandler 14 mit Empfangslicht
beaufschlagen. Zwischen den Lichtleitersätzen 11, 11′, 11″. . . 11 ν
und 19, 19′, 19″. . . 19 ν ist eine mit dem
Dreh- oder Schwingspiegel 4 fest verbundene Lochblende 12
vorhanden, die nur jeweils den Lichtleiter zum fotoelektrischen
Wandler 14 freischaltet, der zu einem gerade mit Sendelicht
beaufschlagten optischen Kanal 9, 9′, 9″. . . 9 ν gehört.
Das Signal des fotoelektrischen Wandlers 14 wird von der
elektrischen Auswerteschaltung 15 ausgewertet und als Ausgangssignal 16
einer übergeordneten Steuerung zugeführt. Die
Dreh- oder Schwingspiegelposition nimmt dabei zu dem jeweils
bestrahlten, fest angeordneten Umlenkspiegel eine solche Winkellage
ein, daß die einzelnen Strahlenbündel parallel zueinander
den Arbeitsraum 18 der Länge L lückenlos überdecken.
Der auf der den Umlenkspiegeln gegenüberliegenden Seite des
Arbeitsraums angebrachte Retroreflektor 10 reflektiert durch
natürliche Streuung so, daß die zum Sendelichtstrahl achsparallel
versetzten Empfangsoptiken bei freiem Strahlengang eine
ausreichende Lichtmenge erfassen. Die Anzahl der Empfangsoptiken,
deren erfaßtes Licht auf die Lichtleiter fokussiert
wird, ist mit der Lichtleiteranzahl identisch. Das andere, in
der Nähe der Drehachse 5 des Dreh- oder Schwingspiegels 4
kreisförmig angebrachte Ende der Lichtleiter, das jeweils mit
Hilfe der Lochblende 12 auf einen weiteren kreisförmig angeordneten
Lichtleitersatz freigeschaltet wird, korrespondiert
also mit den freien Enden dieses zweiten Lichtleitersatzes,
welche auf nur einen einzigen fotoelektrischen Wandler münden,
dem eine elektronische Auswerteschaltung nachgeschaltet ist.
Die mit der Erfindung erzielte dahingehende sicherheitstechnische
Verbesserung, daß über die Lichtleiter/Lochblendenanordnung
jeweils nur derjenige optische Kanal empfangsseitig detektiert
wird, der auch gleichzeitig mit Sendelicht beaufschlagt
wird, liefert einen signifikanten Beitrag zur Sicherung gegenüber
Fremdreflexen (Reflexion nicht am Retroreflektor, sondern
am Eingriffskörper) und ist bisher bei keinem System realisiert,
das nur mit einer Lichtquelle und einem fotoelektrischen
Wandler arbeitet.
Fig. 2 verdeutlicht den Strahlengang der optischen Kanäle 9
und 29, wobei diese Ansicht eine Draufsicht auf die Anordnung
nach Fig. 1 zeigt. Dargestellt ist der fest angeordnete Umlenkspiegel 7,
von dem das Strahlenbündel 9 in Richtung Retroreflektor 10
geworfen wird. Durch natürliche Streuung am
Retroreflektor 10 fällt ein erheblicher Lichtanteil (siehe
Bezugszeichen 29) in Richtung der Empfangsoptik 8, wird in
den Lichtleiter 11 fokussiert und von dort durch Totalreflexion
in die Nähe der bewegten Lochblende 12 geleitet.
An die Drehachse 5 des Dreh- oder Schwingspiegels ist ferner
ein Winkelkodierer angekoppelt, der in Abhängigkeit der durch
die jeweilige Gerätekonstruktion vorgegebenen Winkelposition
des Dreh- oder Schwingspiegels den Lichtsender bzw. die Lichtquelle 1
aktiviert.
Das Funktionsprinzip der Einheit Lochblende 12, der Lichtleitersätze 11,
11′, 11″. . . 11 ν und 19, 19′, 19″. . . 19 ν, des
Dreh- oder Schwingspiegels 4 sowie des Winkelkodierer 21verdeutlicht
Fig. 3. Nach Fig. 3 a) sind die jeweils freizuschaltenden
Enden der Lichtleiter 11 und 19 gegenüber der und achsparallel
zur Lochblende 12 angeordnet, wobei die Lochblende 12
mit der Drehachse 5 gekoppelt ist und damit je nach Winkelposition
des Dreh- und Schwingspiegels 4 die jeweiligen Lichtleiterenden
freischaltet. Befindet sich der Dreh- oder Schwingspiegel 4
z. B. in einer solchen Winkelposition, daß der optische
Kanal 9 ausgeleuchtet wird, so ist über die Lochblende 12
sichergestellt, daß nur das Signal im Lichtleiter 11 bzw. 19
detektiert wird. Wird dann nach einer Dreh- oder Schwingbewegung
um das Winkelelement Δω der optische Kanal 9′ ausgeleuchtet,
so wird wiederum durch die Lochblende 12 nur der Lichtleiter 11′
auf den Lichtleiter 19′ freigeschaltet.
Des weiteren zeigt Fig. 3 a) den Antrieb 20 des Dreh- oder Schwingspiegels 4
sowie einen an die Drehachse 5 des Spiegels 4 angekoppelten
Winkelkodierer 21. Dieser Winkelkodierer hat einmal
die Aufgabe sicherzustellen, daß jeder optische Kanal 9, 9′,
9″. . . 9 ν innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts mindestens
einmal ausgeleuchtet wird, zum anderen übernimmt er die Steuerung
des Lichtsenders 1. Damit ist das Ausleuchten jedes einzelnen
optischen Kanals in einem bestimmten Zeitabschnitt sichergestellt,
so daß die Konstanz der Winkelgeschwindigkeit des
Dreh- oder Schwingspiegels nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Fig. 3 b) zeigt eine Draufsicht auf den Dreh- oder Schwingspiegel 4,
die Drehachse 5, den Antrieb 20, die Lochblende 12 mit der Öffnung 12′,
sowie auf die zur Linse 13 führenden Lichtleiter 19, 19′, 19″. . .
19 ν.
Auf Fremdreflexionen und Umspiegelungen zurückzuführende Erkennungsunsicherheiten
lassen sich mit Hilfe einer Lichtlaufzeitmessung
vermeiden. Dies geschieht nach einem weiteren Gedanken der Erfindung
mit Hilfe einer solchen Lichtlaufzeitmessung, bei der z. B.
ein Impuls des Lichtsenders 1 (Laserimpuls) zum Zeitpunkt t = 0
auf der Sendeseite abgestrahlt und zu einem bestimmten Zeitpunkt
t 1, der durch die Lichtlaufzeit auf geradlinigem Weg zwischen
Sendeseite, Retroreflektor und Empfangsseite sowie einer internen
optischen Verzögerungszeit vorgegeben ist, detektiert wird.
Wie dem Zeitdiagramm zur Lichtlaufzeitmessung der Impulse des
Lichtsenders 1 (Laserdiode) gemäß den Fig. 4 a) bis 4 e) zu
entnehmen ist, gibt der Winkelkodierer 21 impulsförmige Ausgangssignale U a
mit z. B. einem zeitlichen Abstand T ab, der so gewählt
ist, daß die reflektierten Strahlenbündel 6, 6′, 6″. . . 6 ν
örtlich gerade in den zugehörigen optischen Kanal 9, 9′, 9″. . . 9 ν
fallen. Die negative Flanke dieser Impulse triggert den Lichtsender 1,
der damit die optischen Impulse U b extrem kurzer Dauer
(z. B. 1 ns) emittiert und die Auswerteschaltung 15 nur einen
solchen Empfangsimpuls des fotoelektrischen Wandlers 14 akzeptiert,
der zum Zeitpunkt t 1 = 2 t L + t V eintrifft. Dabei ist t L die Lichtlaufzeit
auf einfachem und geradlinigem Weg zwischen Sende- und
Empfangseinheit 22 und dem Retroreflektor 10, während t V die interne
optische Verzögerungszeit darstellt.
Je nach Anwendung und damit je nach der Länge L des Arbeitsraumes 18
muß aufgrund der Lichtlaufzeit zwischen Lichtsender
und fotoelektrischem Wandler 14 das Zeitfenster im Eingangskreis
der Auswerteschaltung nach Fig. 4 c) eingestellt werden.
Dabei heißt, die Auswerteschaltung 15 ist mit einem so schmalen
Zeitfenster, z. B. 0,3 ns, auszustatten, daß der Zeitabschnitt
t 1 = 2t L+t V mittels einer elektrischen Verzögerungsleitung, beispielsweise
in Form einer Koax- oder Mikrostreifenleitung, realisiert
wird.
Die Lichtlaufzeit wird in Fig. 4 c) durch den Zeitabschnitt 2 t L +t V
symbolisiert. Ein Empfangssignal wird in der Auswerteschaltung 15
nur dann als fehlerfreies Signal bewertet (kein
Eingriff in den Arbeitsraum 18), wenn das optische Signal zwischen
Sende-/Empfangseinheit 22 und Retroreflektor 10 sich auf
geradlinigem Weg fortpflanzt und der Retroreflektor 10 an der
Reflexion beteiligt ist. In einem solchen Fall liegt das Empfangssignal
nach Fig. 4 d) im Überschneidungsbereich des fest eingestellten
Zeitfensters (siehe Bezugszeichen 26).
Die interne optische Verzögerungszeit t V für sämtliche Lichtstrahlenbündel 9,
9′, 9″. . . 9 ν wird durch Anpassung der
Längen der Lichtleiter 11, 11′, 11″. . . 11 ν und/oder 19, 19′,
19″. . . 19 ν konstant gehalten.
Liegt z. B. eine durch einen Fremdspiegel 23 verursachte Fremdreflexion
vor, wie sie im Prinzip in Fig. 5 a) veranschaulicht
ist, so wird das von der Sende-/Empfangseinheit 22 kommende
Strahlenbündel 9 nicht vom Retroreflektor 10, sondern vom Fremdspiegel 23
zurückgeworfen. Damit steht am fotoelektrischen Wandler 14
ein Signal an, das in seiner Amplitude mit einem vom
Retroreflektor 10
stammenden Signal vergleichbar ist. Ein Erkennen
des Eingriffskörpers 25 wäre daher nicht möglich.
In einem solchen Fall detektiert der fotoelektrische Wandler 14
das Ausgangssignal U d mit Bezugszeichen 27 in Fig. 4 c). Da dieses
Empfangssignal aber nicht mehr im Überschneidungsbereich des
Zeitfensters liegt, erscheint am Ausgang 16 der Auswerteschaltung 15
ein Signalwechsel U e von z. B. "high" nach "low" (siehe
Fig. 4 e), welcher einen Eingriff in den Arbeitsraum 18 anzeigt.
Wird, wie Fig. 5 b) veranschaulicht, das Sendelichtstrahlenbündel 9
durch einen Fremdspiegel 24 so in seiner Richtung
geändert, daß der Eingriffskörper 25 umspiegelt wird, so wird
das in Fig. 4 d) mit 28 bezeichnete Empfangssignal U d detektiert,
so daß auch hier eine Eingriffsmeldung am Ausgang 16
der Auswerteschaltung 15 vorliegt. Ein solcher Fall ist nur
dann gegeben, wenn das Strahlenbündel nach wie vor am Retroreflektor 10
reflektiert wird und auch der Grenzwinkel α G 15°
des Reflektors nicht überschritten wird.
Claims (9)
1. Mit einem einzigen Lichtsender erzeugter Lichtvorhang,
wobei das Lichtstrahlenbündel des Senders mittels einer
Lichtverteilereinheit zeitlich aufeinanderfolgend in
eine Anzahl im wesentlichen parallel zueinander verlaufende,
lückenlos angereihte und in den zu überwachenden
Raum führende Strahlungswege gelenkt wird, an deren Ende
ein Retroreflektor angeordnet ist, der die Lichtstrahlenbündel
auf eine der Zahl der Strahlungswege entsprechende
Anzahl Empfangsoptiken zurückwirft, denen Lichtleiter
zugeordnet sind, mittels derer der jeweils reflektierte
Anteil des betreffenden Lichtstrahlenbündels (Empfangslichtstrahlenbündel)
zu einem fotoelektrischen Wandler
gelangt, dem eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtverteilereinheit als
mit einer Lochblende (12) vereinigter Dreh- oder Schwingspiegel (4)
ausgebildet ist, wobei die Öffnung (12′) der
Lochblende im Abstand r zur Drehachse (5) des Spiegels (4)
angeordnet ist und dieser Öffnung die Enden der den Empfangsoptiken (8, 8′, 8″. . . 8 ν) nachgeordneten Lichtleiter
(11, 11′, 11″. . . 11 ν)
korrespondierend zugeordnet sind,
derart, daß die Lochblende jeweils nur den Strahlungsweg
des momentan vom Sendelichtstrahlenbündel (9, 9′, 9″. . . 9 ν)
aktivierten Empfangslichtstrahlenbündels (29, 29′, 29″. . . 29 ν)
zum fotoelektrischen Wandler (14) freischaltet.
2. Lichtvorhang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Dreh- oder Schwingspiegel (14) Umlenkspiegel (7, 7′, 7″ . . . 7 ν)
zugeordnet sind, welche das jeweilige, vom Spiegel (4)
reflektierte Lichtstrahlenbündel (6, 6′, 6″. . . 6 ν) in
den zu überwachenden Raum (18) reflektieren.
3. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß achsparallel zu den Enden der den Empfangsoptiken (8, 8′, 8″. . . 8 ν)
nachgeordneten Lichtleiter (11, 11′, 11″. . . 11 ν)
ein weiterer, durch die Lochblende (12)
von diesen Enden getrennter Lichtleitersatz (19, 19′, 19″. . . 19 ν)
angeordnet ist, dessen freie Enden über eine
Linse (13) den fotoelektrischen Wandler (14) mit Empfangslicht
beaufschlagen.
4. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangsoptiken (8, 8′, 8″. . . 8 ν) achsparallel
zu den Sendelichtstrahlenbündeln (9, 9′, 9″. . . 9 ν)
versetzt angeordnet sind.
5. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtsender (1) durch eine Laserdiode
verkörpert ist.
6. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß an die Drehachse (5) des Dreh- oder Schwingspiegels (4)
ein Winkelkodierer (21) angekoppelt ist, der
den Lichtsender (1) abhängig von der Winkelposition des
Spiegels (4) aktiviert.
7. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtsender (1) (Laserdiode) zum Zeitpunkt
t = 0 einen Lichtimpuls extrem kurzer Dauer (1 ns)
abstrahlt und die Auswerteschaltung (15) nur einen solchen
Empfangsimpuls des fotoelektrischen Wandlers (14) akzeptiert,
der zum Zeitpunkt t 1 = 2t L +t V eintrifft, wobei t L
die Lichtlaufzeit auf einfachem und geradlinigem Weg
zwischen Sende-/Empfangseinheit (22) und Retroreflektor (10)
und t V die interne optische Verzögerungszeit darstellt.
8. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die interne optische Verzögerungszeit t V
für sämtliche Sendelichtbündel (9, 9′, 9″. . . 9 ν) durch
Anpassung der Lichtleiterlängen (11, 11′, 11″. . . 11 ν)
und/oder (19, 19′, 19″. . . 19 ν) konstant gehalten wird.
9. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung (15) mit einem schmalen
elektronischen Zeitfenster (z. B. 0,3 ns) derart
ausgestattet ist, daß der Zeitabschnitt t 1 = 2t L +t V mittels
elektrischer Verzögerungsleitung (z. B. Koax-, Mikrostreifenleitung
usw.) realisiert wird.
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DE19853532197 DE3532197A1 (de) | 1985-09-10 | 1985-09-10 | Lichtvorhang |
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DE3532197C2 DE3532197C2 (de) | 1993-07-15 |
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