DE4408294A1 - Vorrichtung zur Veränderung des wirksamen Strahlquerschnittprofils von optoelektronischen Sensoren - Google Patents
Vorrichtung zur Veränderung des wirksamen Strahlquerschnittprofils von optoelektronischen SensorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf spezielle Ausführungsformen
berührungslos arbeitender optoelektronischer Sensoren.
Bei optoelektronischen Sensoren werden im allgemeinen die
Veränderungen des optischen Strahlungsflusses vom Sender
zum Empfänger erkannt und ausgewertet.
Das Einsatzgebiet derartiger Sensoren ist breit gefächert
und reicht über Lichtschrankenstrecken von einigen zig-Metern
für Kontroll-, Überwachungs- oder Steuerfunktion,
z. B. von Toranlagen bis zu sehr kurzen Distanzen, wie
z. B. bei der Verwendung dieser Sensoren als optischer
Anschlag bei Papierdruck- oder Faltmaschinen.
Optoelektronische Sensoren, d. h. Lichtschranken, werden
in vielen Fällen vorzugsweise als Autokollimationssysteme,
d. h. als Reflexionslichtschranken verwendet.
Strahlungssender und -empfänger sind gemeinsam in einem
Gehäuse auf einer Seite und ein Retroreflektor auf der
gegenüberliegenden Seite der Lichtschrankenstrecke
angeordnet. Es wird dabei nur ein elektrischer Anschluß
auf der Geräteseite benötigt, der Retroreflektor dagegen
ist "passiv" und zusätzlich in weitem Rahmen
justierunempfindlich.
Herkömmliche Reflexionslichtschranken verwenden
typischerweise als Strahlungssender eine LED sowie eine
Photodiode/Phototransistor als Strahlungsempfänger. Zur
Strahlformung, d. h. zur Beeinflussung des
Strahlungsraumes zwischen Sender und Empfänger werden
reflektive/refraktive optische Bauelemente in fester
Zuordnung zu den beiden Optobauelemente angeordnet, um das
wirksame Strahlungsprofil zu fixieren.
(Siehe z. B. DE 37 07 989 oder DE 8 26 112).
Bei den bisher bekannten Ausführungsformen kann der fix
vorgegebene Strahlquerschnittverlauf über der optischen
Lichtschrankenstrecke nicht vor Ort an die jeweilige
Aufgabenstellung angepaßt werden, wodurch eine optimale
Anpassung der Lichtschranke an die zu lösende Aufgabe
erheblich beeinträchtigt wird. Es bleibt bei Verwendung
der bislang verfügbaren Lichtschranken nur übrig, sich von
vorne herein auf z. B. einen
konvergierenden/divergierenden oder nahezu parallelen
Strahlengang festzulegen.
Andererseits ist insbesondere bei Reflexionslichtschranken
mit sehr kleinem Strahlquerschnitt oft das Problem, daß
der an sich vorteilhafte Retroreflektor wegen seiner
inneren Strukturen/Inhomogenitäten bzw. kleinen Totzonen
nicht verwendet werden kann. Fällt nämlich ein dünner
Lichtstrahl in eine dieser nicht reflektierenden "Lücken",
ist die Funktion der Lichtschranke gestört.
Bei vielen Einsatzorten optoelektronischer Sensoren ist es
wünschenswert, den wirksamen Strahlquerschnittverlauf über
den Lichtschrankenabstand in abhängigkeit der jeweiligen
Aufgabenstellung zu verändern. Wird z. B. eine optische
Reflexionslichtschranke als optischer Anschlag
beispielsweise bei Positionieraufgaben eingesetzt, soll
der Strahlquerschnitt über die Strahllänge so geformt
sein, daß zum Zwecke einer optimalen
Positioniergenauigkeit der Strahlquerschnittverlauf in
einem bestimmten Abstand möglichst scharf fixiert ist.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, den Ort der kleinsten
Einengung innerhalb der Lichtschrankenstrecke frei zu
wählen, um somit gegebenenfalls den konstruktionsbedingten
Anbauorten des Sensors/Reflektors gerecht zu werden.
Andererseits besteht aus Gründen der obengenannten
Eigenschaften des Retroreflektors die Forderung, den
Strahlquerschnitt an dessen Stelle groß zu wählen, daß
eine ausreichende Betriebszuverlässigkeit gewährleistet
ist, d. h. kleine Funktionslücken im Reflektor nicht zur
Störung führen.
Ein weiterer Hintergrund für Forderung nach
Veränderungsmöglichkeit des Strahlquerschnittprofils ist
darin zu sehen, daß neben der Forderung eines sehr kleinen
Strahlquerschnitts im eigentlichen Funktionsbereich
gleichzeitig wegen einer möglicherweise hohen
Verschmutzungsgefahr der optischen Grenzflächen große
Strahlquerschnitte an den entsprechenden Grenzflächen
(Strahlaus-/eintrittsfläche am Sensor bzw. am Reflektor)
gefordert sind.
Muß hingegen eine Reflexionslichtschranke an einem
richtungsveränderlichen Anbauort montiert werden (z. B.
einer schwingenden/vibrierenden Werkzeugmaschine oder eine
instabile frei schwebende Freilufthalterung), so ist es
notwendig, das Strahlprofil so zu gestalten, daß selbst
bei maximaler Auslenkung der Montagebasis der
gegenüberliegende Reflektor immer noch ausreichend mit
Licht beaufschlagt wird. Ähnliches tritt dann ein, wenn
aufgrund von Brechzahländerungen in der
Lichtschrankenstrecke Ablenkungen auftreten. Es ist also
erforderlich, den Strahldivergenzwinkel an den Winkel der
maximalen Aus-/Ablenkung anzupassen.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein
einfaches und in der praktischen Anwendung problemfreies
Modifizieren des wirksamen Strahlquerschnittsverlaufes vor
Ort bei Reflexionslichtschranken zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß die
wesentlichen Parameter, welche einen Einfluß auf die
Veränderung des Strahlquerschnittprofils haben, leicht
modifiziert bzw. vor Ort eingestellt werden können.
Es sind dies im besonderen die objektivseitige Schnittweite
(Optischer Weg vom Sender zur abbildenden Optik), die
Apertur der Sendeoptik sowie die effektive Brechkraft der
entsprechenden Optikkomponenten.
Zur Veränderung der objektivseitigen Schnittweite sieht die
Erfindung vor, durch einen von außen zugänglichen
mechanischen Antrieb die Sendediode längs ihrer optischen
Achse zu verschieben, um damit den Abstand zur Sendeoptik
zu verändern. In einer weiteren erfindungsgemäßen
Ausführung wird die Sende-/Empfangsoptik innerhalb ihrer
mechanischen Halterung so geändert, daß sich ebenfalls die
effektive Schnittweise zum Sender verändert. In beiden
Fällen ist die erfindungsgemäße Ausführung so gestaltet,
daß unter Beibehaltung der jeweiligen Schutz-/Isolationsklasse,
also ohne das Gerät zu öffnen, die
Einstellungen von der Außenseite des Gerätes betätigt
werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben; in
dieser zeigt:
Fig. 1a, 1b eine erläuternde Darstellung der Erfindung,
in welcher die veränderliche Schnittweite
durch Verschiebung der Sendediode in die Nähe
der beiden Grenzlagen dargestellt ist.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften
Ausführungsform zur Verschiebung des Senders in
Richtung der optischen Achse.
Fig. 3a bis e typische Strahlquerschnittprofile über
der Lichtschrankenstrecke in Abhängigkeit
von der objektivseitigen Schnittweitenveränderung
im Sensor.
In den Fig. 1a und 1b sind die hier angesprochenen
Komponenten der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke
dargestellt. Die optische Strahlung, welche aus dem Sender
1 austritt, durchstrahlt die Blende 2 und wird über einen
teildurchlässigen Spiegel 3 zur Linse 4 umgelenkt. Der
teildurchlässige Spiegel hat die Eigenschaft, ca. 50% der
Strahlung zu reflektieren und den restlichen Anteil
(reduziert um geringe Absorptionsverluste) durchzulassen.
In der in Fig. 1a dargestellten Anordnung befindet sich
die emittierende Strahlungsfläche der LED/Laserdiode sehr
nahe dem Brennpunkt der Linse 4, so daß die aus der Linse
austretende Strahlung nahezu parallel in die
Lichtschrankenstrecke eintritt. Nach einmaligem
Durchlaufen der Lichtschrankenstrecke und der
Retroreflexion an einem, wie in den Fig. 3a bis 3e
dargestellten Reflektor, vorzugsweise Retroreflektor,
tritt ein Teil der ausgesandten Strahlung nach erneutem
Durchlaufen der Strecke wieder in die Linse 4 ein. Auch
von dieser Strahlung wird ein Teil durch den
Teilerspiegel 3 durchgelassen und gelangt nach Durchtritt
der Empfangsblende 5 zum Empfänger 6.
In der Fig. 1b dagegen ist der Sender 1′ in Richtung X
verschoben, so daß dadurch eine deutlich konvergente
Strahlung in die Lichtschrankenstrecke eintritt. Ebenfalls
ist in Fig. 1b zu erkennen, daß bei nicht verändertem
Blendenort die wirksame Apertur, d. h. die von der
Strahlung durchsetzte Linsenfläche kleiner ist, als in
Fig. 1a. Wird hingegen die Blende 2 mit dem Sender 1,1′
in gleicher Richtung verschoben, so wird die vergrößerte
effektive Apertur bewirkt.
In Fig. 2 ist ein vorteilhafter Verstellmechanismus
schematisch dargestellt, wodurch es möglich ist, die in
Fig. 1a, 1b gezeigte Verschiebung des Senders zu
bewerkstelligen. Der Sender 1,1′ ist rückseitig mit einer
Abdeckkappe 10 versehen. Gleichzeitig ist der Sender 1,1′
in einer verdrehgesicherten Linearführung eingebaut,
welche eine Bewegung in Richtung X-Y ermöglicht. Mittels
eines elstischen Druckelementes, z. B. einer
Spiralfeder 11, wird der Sender innerhalb der Führung
gegen die Druckschraube 12 angepreßt. Die Druckschraube 12
hingegen stützt sich gegen das Sensoraußengehäuse 13 ab
und ist darüber hinaus mit nicht im Detail dargestellten
Dichtelementen versehen. Je nach Ausführung der
Gewindesteigung der Druckschraube 12 läßt sich somit eine
sehr feinfühlige spielfreie Verschiebung des Senders
erreichen.
Die Auswirkungen der nach den in Fig. 1 und Fig. 2
beschriebenen Veränderung der objektseitigen Schnittweite
auf das Strahlquerschnittprofil sind in Fig. 3
dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in den
Fig. 3a bis 3e jeweils nur schematisch die Beziehungen
von Sender zur Abbildungsoptik dargestellt.
Fig. 3a zeigt eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung,
wenn ein minimaler Spotdurchmesser zum Erfassen kleinster
Objekte erforderlich ist, gleichzeitig aber einen, bezogen
auf die Retroreflektorstruktur, großen Strahlquerschnitt
am Reflektor, wodurch partielle Inhomogenitäten oder
kleine Fehlstellen im Reflektor integriert werden.
In Fig. 3b ist eine optimale Einstellung der Vorrichtung
nach der Erfindung für die Lösung der Aufgabe dargestellt,
daß über einen möglichst großen Tiefenbereich ein
schlankes Strahlprofil erwünscht wird. Dies geschieht
durch geeignete Veränderung der Aperturöffnung mittels der
Blende 2.
Mit dem Strahlprofilverlauf nach Fig. 3c ist
berücksichtigt, daß bei der notwendigen Justage vom Sensor
auf den Reflektor keine extreme Genauigkeit erforderlich
ist, denn der relativ große Strahlquerschnitt erleichtert
die Aufgabe der Justage deutlich. Eine ähnliche
Strahlquerschnittsform ist auch zur Lösung der Anwendungen
vorteilhaft, wo z. B. große Strecken überwunden werden
sollen und dabei durch wechselnde atmosphärische Einflüsse
unkontrollierte Strahlablenkungen auftreten, die bei einem
begrenzten Lichtfleck ein Auswandern auf dem Reflektor
verursachen, das zur Strahlunterbrechung führen würde.
Die Fig. 3d und 3e zeigen ebenfalls typische
Strahlprofile, die mit der Vorrichtung nach der Erfindung
leicht eingestellt werden können.
Analog der hier beschriebenen objektseitigen
Schnittweitenveränderung durch Verstellung des Senders in
Richtung der optischen Achse kann dies auch durch
Verschiebung der Linse oder eines Spiegels oder einer
Kombination davon erfolgen. Gleichfalls kann die effektive
optische Schnittweite auch durch Einfügen oder
Herausnehmen von z. B. planparallelen Platten mit höherer
optischer Dichte verändert werden.
Claims (8)
1. Reflexionslichtschranke zum Erkennen von Objekten
innerhalb einer von einem Strahlenbündel durchsetzten
Strecke, an deren einem Ende ein Sensor mit einem
Strahlungssender (1) und einem Strahlungsempfänger (6)
untergebracht ist, während sich am anderen Ende der
Strecke ein von der Strahlung beaufschlagter
Retroreflektor (14) befindet, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verlauf des
Strahlquerschnittprofils über der Lichtschrankenstrecke
durch eine von der Außenseite des Sensorgehäuses (13)
zugängliche Einstellanordnung (10, 11, 12) veränderbar ist.
2. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Veränderung des
Strahlquerschnittprofils über der Strecke die
objektseitige Schnittweite innerhalb des Sensors in der
Richtung der optischen Achse veränderbar ist.
3. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß zur
Veränderung der objektseitigen Schnittweite die Lage des
Senders (1) in der Richtung der optischen Achse
veränderbar ist.
4. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Verstellung im
Sensorgehäuse (13) eine Schraubenwelle (12) abgedichtet
drehbar gelagert ist und einen von außen zugänglichen
Betätigungskopf aufweist.
5. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schraubenwelle (12)
mit einem Feingewinde versehen ist.
6. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schraubenwelle (12)
auf eine durch ein Federelement (11) vorgespannte
Druckplatte (10) wirkt und diese Druckplatte (10),
verbunden mit dem Sender (1), in einer verdrehgesicherten
Linearführung verschiebbar gelagert ist.
7. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur objektseitigen
Schnittweitenveränderung die Sensoroptik in Bezug zur
Sendediode verschiebbar ausgeführt ist.
8.Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Veränderung des
Strahlquerschnittprofils über der Lichtschrankenstrecke
durch Verstellung der dem Sender vorgelagerten Blende (2),
die wirksame Aperturöffnung verändert wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944408294 DE4408294A1 (de) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | Vorrichtung zur Veränderung des wirksamen Strahlquerschnittprofils von optoelektronischen Sensoren |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4408294A1 true DE4408294A1 (de) | 1995-09-21 |
Family
ID=6512544
Family Applications (1)
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DE19944408294 Withdrawn DE4408294A1 (de) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | Vorrichtung zur Veränderung des wirksamen Strahlquerschnittprofils von optoelektronischen Sensoren |
Country Status (1)
Country | Link |
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