DE102007006405A1

DE102007006405A1 - Reflektor mit einer Trapez-Reflexion und Verfahren für die Licht-Feinabtastung zur Erkennung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102007006405A1
Application number: DE102007006405A
Authority: DE
Inventors: Hans-Erich Jun. Gubela
Original assignee: IMOS Gubela GmbH
Current assignee: IMOS Gubela GmbH
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: DE102007006405B4; US20080186498A1

Abstract

Ein Reflektor mit lenticularer Lichteintrittsfläche erzeugt ein trapezförmiges Reflexsignal. Er ermöglicht damit ein Verfahren zur Feinabtastung von Gegenständen, Teilchen oder Gasen mit einem besonders geringen Durchmesser des Sendestrahles und einem veränderbaren Abstand bis nahe 0 mm vom Reflektor zum Sender/Empfänger.

Description

In der Lichtsensorik werden Reflex-Lichtschranken verwendet, bei denen Sender und Empfänger einem Reflektor gegenüber stehen. Diese Reflektoren bestehen meist aus einer Vielzahl von Reflexelementen in Form von Tripeln oder Reflexkugeln. Die Größe und Ausgestaltung der Reflexelemente bestimmt die Strahlengestalt und den Strahlenversatz, den das reflektierte Licht erfährt. Soll die Lichtschranke den Durchgang eines sehr kleinen Teiles, zum Beispiel einen Faden, messen, so muss der Lichtstrahl der Lichtschranke ebenfalls sehr klein im Durchmesser sein, damit ein wesentlicher Teil des Lichtstrahles unterbrochen wird, wenn der Faden den Strahlengang kreuzt. Denn die Lichtschranke benötigt einen deutlichen Signalunterschied zwischen einem ungestörten Lichtstrahlenverlauf und durch einen zu beobachtenden Gegenstand gestörtem Lichtstrahlenverlauf.
Für die Verwendung eines feinen Lichtstrahles der Reflexlichtschranke zeigt die DE 197 27 527 GUBELA die Probleme des Strahlenversatzes im Bezug zur Größe der Reflexelemente auf und lehrt ein zu beachtendes Verhältnis zwischen Strahlenkontur und Tripelgröße. Diese Lehre zeigt, dass die Größe der Reflexelemente deutlich kleiner sein muss als der Strahlendurchmesser des Sendestrahls der Lichtschranke. Für die Feinabtastung mit Lichtschranken ergibt sich daraus ein großes Problem, wenn die Lichtschranke einen besonders kleinen Durchmesser des Lichtstrahles zur Feinabtastung verwenden will. Denn Reflexelemente entsprechend zu mikronisieren, das ist mit hohem technischem Aufwand verbunden. Zudem nehmen mit der Verkleinerung der Reflexelemente die unerwünschten Beugungseffekte je nach Wellenlänge des Lichtes entsprechend zu.
Die vorliegende Erfindung beschreitet nun einen völlig anderen Weg zu einem Sensorik-Verfahren, das die beschriebene Problematik verblüffend einfach löst. Außerdem werden zwei neuartige Reflektoren gezeigt, die für das Verfahren besonders geeignet sind.
Der erfindungsgemäße Gedanke ist, zwischen der Strahlengestalt des ausgesendeten Lichtstrahles, dem Senderstrahl, und dem vom Reflektor reflektierten Lichtstrahl, dem Reflexstrahl, zu unterscheiden und den Senderstrahl wunschgemäß hochfein zu gestalten in seinem Durchmesser und den Reflexstrahl zu einem trapezförmigen Lichtfeld zu verformen, in dem der Empfänger angeordnet wird.
Für die Feinabtastung genügt es, dass nur einer der beiden Strahlen deutlich durch den zu beobachtenden Gegenstand oder das zu beobachtende Gas gestört oder unterbrochen wird. Dazu werden Sender und Empfänger so zum Reflektor gestellt, dass der Senderstrahl und der Reflexstrahl keinen gemeinsamen Weg im Raum besitzen. Der Sendestrahl kann beliebig klein in seinem Durchmesser und seiner Kontur sein. Der Reflexstrahl wird vom Reflektor in seiner Kontur deutlich verändert zu einer aus vielen Punkten geformten Linie, so dass nur ein Teil des Reflexstrahles den Empfänger trifft. Dazu müssen Sender und Empfänger in einer Linie zueinander stehen, die der Lage der vom Reflektor quer zu seiner Oberfläche erzeugten Linie entspricht.
Wird der Sendestrahl um zum Beispiel 70% gestört, so reduziert sich auch die Leistung des linienhaften Reflexstrahles entsprechend. Damit erhält auch der Empfänger ein um 70% reduziertes Signal gegenüber dem ungestörten Signal. Die deutliche, prozentuale Wertveränderung des empfangenen Signals genügt dem Empfänger zur Signalinterpretation.
Nun könnte man fragen, warum wird der Reflexstrahl zu einer Linie geformt und nicht gleichmäßig in alle Richtungen gestreut. In alle Richtungen streuen würde bedeuten, die Energie ungezielt zu verstreuen. Es ist aber wichtig, dass der Empfänger möglichst viel Energie erhält, um Pegelschwankungen des Energieflusses deutlich unterscheiden zu können. Um einen großen Energieerhalt zu bewirken, muss das Licht möglichst gering verteilt werden. Das bedeutet, das reflektierte Licht muss zum Energieerhalt auf einen Punkt oder wenige Punkte gerichtet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren wählt eine Vielzahl von Punkten, die eine Linie bilden. Die Linie könnte auch verformt werden zum Beispiel zu einem Bogen.
Den größten Energieerhalt erzielt man durch eine punktförmige Lichtumlenkung, wie sie zum Beispiel in der DE 101 19 671 A1 , Gubela senior, beschrieben ist, in der ein Umlenk-Tripelreflektor das einfallende Licht umlenkt. Ebenso wäre die Verwendung einer Tripelstruktur denkbar, die nur zwei Lichtstrahlen aussendet, wie in der WO2006/136381 A2 , Gubela und andere, 3, gezeigt. Diese Reflektoren-Systeme haben den Nachteil, dass der Empfänger im entsprechenden Winkel zum Reflektor angeordnet sein muss, um den Sendestrahl empfangen zu können. Bei einer Veränderung des Abstandes des Empfängers zum Reflektor muss auch der Abstand zwischen Sender und Empfänger geändert werden. Denn Sender, Empfänger und Reflektor bilden bei punktförmiger Reflexion immer ein Dreieck. Die Position von Sender und Empfänger zueinander wird durch den Winkel zwischen dem auf den Reflektor auftreffenden Senderstrahl und dem reflektierten Reflexstrahl bestimmt.
Jetzt wird das nächste Problem der Feinabtastung deutlich. Der Abstand des Empfängers soll veränderbar sein, ohne dass der Abstand zwischen Sender und Empfänger geändert werden muss.
Je nach zu beobachtendem Gegenstand soll der Abstand zwischen Reflektor und Empfänger veränderbar sein. Letztlich soll der Empfänger nahezu auf den Reflektor fast aufsetzen können oder sich vom Reflektor entfernen können. Weil der Reflektor mit einer Linie parallel zur Reflektoroberfläche als Reflexstrahl auf den Senderstrahl antwortet, erzeugt er ein etwa zweidimensionales Lichtfeld. Sind Sender und Empfänger so angeordnet, dass sie auf der Ebene dieses Lichtfeldes sich bewegen zum Reflektor hin oder von ihm weg, so können Sender und Empfänger über dieses Lichtfeld immer miteinander korrespondieren.
Das vom weiter unten detaillierter beschriebenen, erfindungsgemäßen neuartigen Reflektor erzeugte Lichtfeld entspricht einem gedachten Trapez. Die kleinste Seite des Trapezes wird gebildet aus der auf der Reflektoroberfläche zur Linie geformten Vielzahl von Punkten, die der erfindungsgemäße Reflektor als Reflexstrahl aussendet. Mit zunehmender Entfernung vom Reflektor erweitert sich das Trapez. Sofern Sender und Empfänger sich in der Ebene des Trapezes bewegen, ist die Funktion der Lichtschranke gesichert.
Weil der Reflektor mit einem Trapez antwortet, ist die Struktur seiner Reflexelemente in Form und Größe bedeutungslos. Es können Tripel von 6 mm Größe sein, die einen Strahlenversatz von bis zu 6 mm bewirken, oder Mikrotripel von 170 Mikrometer Breite sein, die einen ebenso kleinen Strahlenversatz bewirken. Auch die Tripelform in seiner Ausbildung ist unerheblich. Es können pyramidale Tripel sein, deren Einzelspiegel Dreiecke sind, es können auch kubische Tripel sein, deren Einzelspiegel Quadrate sind oder Tripel in anderen Sonderformen, wie sie in der DE 102 28 013 B4 , Gubela senior, 4 bis 15 gezeigt sind. Auch können die Reflexelemente des Reflektors Reflexkugeln sein.
Die vorliegende Erfindung befreit den Entwickler vom Zwang immer noch kleiner strukturierte Reflexelemente zu bauen, um eine Abtastung mit einem hochfeinen Lichtstrahl zu ermöglichen. Denn die Erfindung benötigt nicht die mikronisierten Reflexelemente für die Feinabtastung. Die Erfindung löst das Problem der Größe und der Form des Reflexelementes und der Problematik des durch das Reflexelement bewirkten Strahlenversatzes.
Nachdem nun das erfindungsgemäße Verfahren für die Verwendung eines trapezförmigen Reflexionsfeldes beschrieben worden ist, wird nun ein neuartiger Reflektor vorgestellt, der in der Lage ist, ein solches trapezförmiges Reflexionsfeld als Reflexstrahl zu erzeugen.
Herstellung des Reflektors
Zur Darstellung des erfindungsgemäßen Reflektors wird ein herkömmlicher Reflektor als Spritzgussteil oder Reflexfolie gewählt, der aus einer Vielzahl von Reflexelementen besteht in Form von Tripeln oder Reflexkugeln beliebiger Größe. Über die Lichteintrittsfläche des Reflektors wird eine Lenticularstruktur gelegt, die aus linienförmigen konvexen oder konkaven Linsen besteht. Konvexe lenticulare Folien haben sich am wirksamsten gezeigt, wie sie für so genannte Wackelbilder in der Drucktechnik verwendet werden, um räumliche Bilddarstellungen zu ermöglichen.
Die Zahl der Lenticularen pro Quadratzoll, die bei Bilddarstellungen wichtig ist, ist hier nicht entscheidend für die Wirkung. Jedoch für den Erhalt der eventuell zusätzlich auf den Sendestrahl aufgesetzten Information ist es vorteilhaft, die Breite der Lenticularlinse größer zu wählen, als die Breite der einzelnen Reflexionselemente des Reflektorarrays.
Das Senderlicht der Lichtschranke trifft auf die Lenticularlinsen und wird in den Reflektor geführt, dort von den Reflexionselementen, zum Beispiel Tripel oder Kugel, reflektiert und beim Austritt aus der Lenticularen Oberfläche des Reflektors nun zu einer Linie geformt, die um 90° versetzt zur Laufrichtung der Lenticularlinsen austritt und ein trapezförmiges Lichtfeld als Reflexstrahl erzeugt. Befindet sich der Empfänger irgendwo in dem trapezförmigen Lichtfeld, kann er das Signal auswerten.
Die Wirkung dieser Kombination von Reflexion und Lenticularen ist so verblüffend, dass man mit feinstem Senderstrahl arbeiten kann. Wenn Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse, dem Lichtschrankenkopf, untergebracht sind, wie bei den meisten Reflexlichtschranken üblich, so kann man mit dem Lichtschrankenkopf beliebig nahe an den neuartigen Reflektor heranfahren.
Die Reichweite eines solchen Reflektors bezogen auf eine Reflexlichtschranke ist von der Energieverteilung, also dem Format des abgestrahlten Trapezes abhängig. Die Energieverteilung lässt sich durch die Formgebung der lenticularen Linse beeinflussen und mittels der heute verfügbaren Simulationstechniken für die Linsengestaltung berechnen.
Es zeigt die Zeichnung:
1 einen pyramidalen Tripel mit den Spiegelflächen 1.1, 1.2 und 1.3 und dem Tripelzentrum 1.4.
2 ein Reflektorarray aus pyramidalen Tripeln der 1 lotrecht betrachtet. Die Tripel sind als Reflexionselemente zu einem Reflektorkörper zusammengefügt.
3 das Prinzip des erfindungsgemäßen Reflektors zur Erzeugung eines Lichttrapezes als Reflexstrahl. Der Reflektor ist im Schnitt gezeigt. Die Rückseite des Reflektors ist aus pyramidalen Tripeln 3.1 gebildet, wie in 2 gezeigt. Über der Lichteintrittsseite sind konvexe Lenticulare 3.2 angeordnet. Die Lenticularen 3.2 in diesem Beispiel sind deutlich breiter als die Tripel 3.1 dargestellt.
4 einen kubischen Tripel, einen so genannten Fullcube, bestehend aus den Spiegelflächen 4.1, 4.2, 4.3 und dem Tripelzentrum 4.4.
5 ein Reflektorarray aus kubischen Tripeln der 4 lotrecht betrachtet.
6 das Prinzip des erfindungsgemäßen Reflektors im Schnitt gezeigt. Die Rückseite des Reflektors ist aus kubischen Tripeln 6.1 gebildet. Die Lichteintrittsseite des Reflektors ist mit konvexen Lenticularen 6.2 bedeckt.
7 eine Reflexkugel aus transparentem Werkstoff, zum Beispiel Glas oder Kunststoff.
8 ein Array von Reflexkugeln. Solche Reflexkugeln können besonders klein gewählt werden, so dass die Punktdichte des Arrays erhöht wird.
9 das Prinzip des erfindungsgemäßen Reflektors, wobei diesmal der Reflektor aus einem Reflexkugelarray 9.1 wie in 8 gebildet wird und über der Lichteintrittsfläche Lenticulare 9.2 angeordnet sind.
10 den Aufbau eines beispielhaften Reflektors wie in 3. Zusätzlich wurde die Rückseite des Reflektors, die aus pyramidalen Tripeln 10.1 besteht, mit einer metallischen Schutzschicht 10.2 aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold belegt. Auf der Lichteintrittsseite des Tripelarrays ist eine Klebeschicht 10.3 angebracht, darauf eine Verzögerungsfolie 10.4. Darüber ist mit einer weiteren Klebeschicht 10.5 eine Lenticularfolie kaschiert mit den Lenticularen 10.6. Die Verzögerungsfolie ist nur beispielhaft aufgeführt. Es kann auch auf die Verzögerungsfolie verzichtet werden. Das gilt auch für die folgenden Beispiele. Ebenso kann auch auf die Metallisierung der Rückseite des Tripelarrays verzichtet werden und stattdessen ein Kasten auf der Rückseite aufgebracht werden, um die Tripel vor Staub und Wasser zu schützen. Das gilt auch für die weiteren Beispiele.
11 den Aufbau eines beispielhaften Reflektors mit kubischen Tripeln 11.1, mit einer Metallisierung 11.2 der Tripelrückseiten, einer Klebeschicht 11.3, einer Verzögerungsfolie 11.4 und einer weiteren Klebeschicht 11.5, auf der eine Lenticularfolie mit den Lenticularen 11.6 die Lichteintrittsseite bildet.
12 den Aufbau eines beispielhaften Reflektors mit Reflexkugeln 12.1. Die Reflexkugeln besitzen auf der von der Lichteintrittsseite abgewandten Seite eine Metallisierung 12.2. Auf den Reflexkugeln befindet sich eine Klebeschicht 12.3, mit der eine Verzögerungsfolie 12.4 aufkaschiert ist. Darüber befindet sich eine weitere Klebeschicht 12.5, die eine Lenticularfolie mit Lenticularen 12.6 fixiert.
13 den Aufbau eines beispielhaften Reflektors wie in 12, bei dem jedoch die Lentikularen 13.1 nicht konvex, sondern konkav ausgebildet sind.
14 einen Reflektor wie in 3 gezeigt, dem ein Sender 14.1 der Lichtschranke nahe gegenüber steht. Der Senderstrahl 14.2 trifft auf eine Lenticulare des Reflektors, wird innerhalb des Reflektors reflektiert und verlässt als Reflexstrahl 14.4 den Reflektor und erreicht den Empfänger 14.5 der Lichtschranke. Denn der Empfänger steht auf einer gedachten Linie mit dem Sender, wobei diese gedachte Linie um 90° gedreht quer zum Linienverlauf der Lentikularen 14.3 verläuft. So kann der Empfänger das vom Reflektor erzeugte Lichttrapez empfangen. In anderen Worten spannt der Strahlengang des vom Sender 14.1 ausgesandten und vom Empfänger 14.5 empfangenen Lichts eine Ebene auf, die senkrecht zum Linienverlauf der Lentikularen 14.3 verläuft. Der Auswertung der Lichtsignale dient, wie auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 17, eine nicht dargestellte, an den Empfänger 14.5 angeschlossene Auswerteeinheit.
15 den Linienverlauf der Lenticularen 15.1 des erfindungsgemäßen Reflektors. In diesem Beispiel verlaufen die Lenticularen in einer Vorzugsrichtung von West nach Ost.
16 die schmalste Seite 16.1 des von den Lenticularen erzeugten Lichttrapezes. Die Ausrichtung des Trapezes erfolgt quer zu dem Verlauf der Lenticularen in 15. Weil die Lenticularen in diesem Beispiel von West nach Ost verlaufen, verläuft die schmalste Seite des vom Reflexstrahl erzeugten Trapezes von Nord nach Süd.
17 den erfindungsgemäßen Reflektor 17.1 mit der lenticularen Oberflächenstruktur 17.2, dem Sender 17.3, dem Senderstrahl 17.4 der als trapezförmiger Reflexstrahl 17.5 reflektiert wird und vom Empfänger 17.6, der in der Ebene des Lichttrapezes 17.5 positioniert ist, empfangen wird. Das Trapez des Reflexstrahles breitet sich in die Richtungen 17.7 und 17.8 aus.
Die vorliegende Erfindung eröffnet neue Möglichkeiten für die Licht-Sensorik zur Feinabtastung von kleinen Gegenständen oder Gasen auch auf sehr kurzen Entfernungen zum Reflektor. Es wird kein aufwändig mikronisiertes Tripelarray benötigt, der Taststrahl als Sendestrahl kann beliebig klein im Durchmesser sein. Um einen kleinen Lichtstrahl zu erzeugen, genügt eine Lochmaske vor dem Sender angeordnet. Um einen erfindungsgemäßen Reflektor zu erzeugen genügt irgendein retroflektierender Reflektor, zum Beispiel eine Reflexfolie, auf deren Lichteintrittsfläche eine Lenticularfolie aufgelegt wird. Die Erfindung zeigt in verblüffender Einfachheit eine Lösung für ein Sensorikproblem, an dem seit Jahrzehnten aufwändig konstruiert wurde. Unter Verwendung dieser Erfindung können auch besonders kleine, mikronisierte Sensorsysteme gebaut werden, um dünne Fäden, kleine Partikel, Gase oder Rauch zu detektieren. Damit sind auch mikronisierte Rauchmelder oder Partikelzähler nach dem Reflexlichtschrankenprinzip möglich.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten:
Ein Reflektor mit lenticularer Lichteintrittsfläche erzeugt ein trapezförmiges Reflexsignal. Er ermöglicht damit ein Verfahren zur Feinabtastung von Gegenständen, Teilchen oder Gasen mit einem besonders geringen Durch messer des Sendestrahles und einem veränderbaren Abstand bis nahe 0 mm vom Reflektor zum Sender/Empfänger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19727527 [0002]
- DE 10119671 A1 [0008]
- WO 2006/136381 A2 [0008]
- DE 10228013 B4 [0012]

Claims

Reflektor mit einem Reflektorkörper, der eine Lichteintrittsseite und eine reflektierende Struktur an einer der Lichteintrittsseite abgewandten Rückseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am Reflektorkörper eine die Lichteintrittsseite bedeckende Lentikularstruktur mit sich in einer Vorzugsrichtung erstreckenden langgestreckten Linsen (3.2, 6.2, 9.2, 10.6, 11.6, 12.6, 13.1, 15.1) angeordnet ist.
Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Struktur aneinandergefügte, vorzugsweise identische Reflexionselemente (10.1, 11.1, 12.1) aufweist und dass die quer zur Vorzugsrichtung gemessene Breite der Linsen (3.2, 6.2, 9.2, 10.6, 11.6, 12.6, 13.1, 15.1) größer ist als die Breite der Reflexionselemente (10.1, 11.1, 12.1).
Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Reflektorkörper und der Lentrikularstruktur eine Verzögerungsschicht (10.4, 11.4, 12.4), vorzugsweise eine λ/4-Verzögerungsschicht, angeordnet ist.
Reflektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lentikularstruktur eine die Linsen (3.2, 6.2, 9.2, 10.6, 11.6, 12.6, 13.1, 15.1) aufweisende Folie ist.
Reflektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie auf den Reflektorkörper oder die Verzögerungsschicht (10.4, 11.4, 12.4) aufgeklebt ist.
Reflektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Linsen (3.2, 6.2, 9.2, 10.6, 11.6, 12.6, 13.1, 15.1) konvex ist.
Reflektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Linsen (3.2, 6.2, 9.2, 10.6, 11.6, 12.6, 13.1, 15.1) konkav ist.
Lichtschranke mit einem Reflektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Lichtsender (14.1, 17.3) zum Aussenden von Licht in einer Lichtsenderichtung (14.2, 17.4) auf den Reflektor (17.1), mit einem Lichtempfänger (14.5, 17.6), der in einer Lichtempfangsrichtung (14.4) auf den Reflektor (17.1) gerichtet ist, und mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung von durch den Lichtempfänger (14.5, 17.6) empfangenen Lichtsignalen, wobei eine durch die Lichtsenderichtung (14.2, 17.4) und die Lichtempfangsrichtung (14.4) aufgespannte Ebene senkrecht auf der Vorzugsrichtung steht.
Verfahren zur Detektion von Gegenständen in einer Lichtschranke, wobei mittels eines Lichtsenders (17.3) ein Lichtstrahl auf einen Reflektor (17.1) gesandt wird, wobei der Lichtstrahl (17.4) im Reflektor (17.1) reflektiert und in ein trapezförmiges Lichtfeld (17.5) aufgeweiet wird und wobei reflektiertes Licht durch einen im trapezförmigen Lichtfeld (17.5) angeordneten Lichtempfänger (17.6) empfangen und mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet wird.