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Die Erfindung betrifft eine Lichtschranke zur Überwachung einer ausgedehnten
Fläche, bei welcher das von einer einzigen Lichtquelle ausgehende Licht zu einem
Lichtfächer gebündelt wird, dessen Höhe der Höhe der zu überwachenden Fläche entspricht,
und bei welcher zum Empfangen des Lichts eine Reihe von optischen Systemen mit dahinter
angeordneten photoelektrischen Empfängern vorgesehen ist.
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Es sind Lichtschranken bekannt, bei denen ein Lichtbündel über ein
rotierendes Spiegelrad periodisch abgelenkt wird. Das Spiegelrad sitzt im Brennpunkt
eines streifenförmigen Hohlspiegels, so daß das Lichtbündel mit hoher Frequenz parallel
zu sich selbst periodisch über eine Fläche von der Höhe des Hohlspiegels wandert.
Auf der anderen Seite der Fläche sitzt ein Umkehrreflektor, welcher das Licht stets
in die Einfalirichtung zurückwirft, so daß es über Hohlspiegel und Spiegelrad auf
einen geneigten teildurchlässigen Spiegel fällt, welcher zwischen Lichtquelle und
Spiegelrad angeordnet ist und das zurücklaufende Licht seitlich aus dem Strahlengang
heraus auf einen photoelektrischen Empfänger leitet.
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Wenn sich irgendwo in dem von dem Lichtbündel überstrichenen Bereich
ein Hindernis befindet, dann entstehen an dem Empfänger Dunkelimpulse, die einen
geeigneten Schaltvorgang auslösen können.
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Diese bekannten »Lichtvorhänge« arbeiten zufriedenstellend. Jedoch
erfordern sie bewegliche optische Glieder, was einen gewissen Aufwand mit sich bringt
und die Geräte teuer macht, so daß sich ihr Einsatz für manche Zwecke, z. B. bei
kleinen Pressen, wirtschaftlich nicht lohnt.
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Bei einer anderen bekannten Sicherheitsvorrichtung mit einem »Lichtgitter«
wird eine Vielzahl von Lampen und Empfängern verwendet. Dieses »Lichtgitter« besteht
also praktisch aus einer großen Anzahl nebeneinander angeordneter einfacher Lichtschranken.
Diese Lösung hat den Nachteil, daß eine große Anzahl von Lampen erforderlich ist,
welche, wie die Praxis gezeigt hat, die anfälligsten Bauteile solcher Geräte darstellen.
Besonders bei hart stoßenden Pressen führen die Erschütterungen sehr leicht zu einem
Bruch einer Lampenwendel, was den Ausfall der gesamten Presse für die Dauer des
Lampenwechsels zur Folge hat. Das bedeutet Produktionsausfall und eine Störung des
Fertigungsablaufes.
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Es ist eine rein statisch arbeitende Lichtschranke vorgeschlagen
worden, bei welcher von einer Lichtquelle mittels eines streifenförmigen Hohlspiegels
ein Lichtfächer in der zu überwachenden Fläche erzeugt wird und bei welcher das
Licht durch einen Umkehrretlektor in sich zurückgeworfen und über einen Strahlenteiler
auf eine photoelektrische Empfängeranordnung geleitet wird. Bei dieser Anordnung,
die Gegenstand einer nicht veröffentlichten älteren Patentanmeldung ist, ist zwischen
dem Hohlspiegel und der Lichtquelle ein geneigter teildurchlässiger Spiegel vorgesehen,
welcher das rücklaufende, schon wieder konvergierende Licht seitlich aus dem Strahlengang
heraus auf einen photoelektrischen Empfänger leitet. Wenn in den Lichtfächer ein
Hindernis, z. B. der Arm eines Arbeiters bei einer Pressensicherung, eintritt, dann
ändert sich der auf den Empfänger fallende Lichtstrom. Allerdings ist diese Anderung
relativ zu dem Gesamtlichtstrom nur klein, so daß das Signal untergehen
würde oder
z. B. eine Anderung der Lampenhelligkeit durch Spannungsschwankungen ein Hindernis
vortäuschen könnte. Aus diesem Grunde ist ein Vergleichsempfänger vorgesehen, der
mit dem eigentlichen Empfänger in einer Brückenschaltung liegt und von dem Licht
der Lampe direkt beaufschlagt ist. Die Anordnung kann so getroffen werden, daß ohne
Hindernis die Brücke gerade abgeglichen ist.
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Diese Anordnung arbeitet rein statisch, erfordert aber einen genauen
Abgleich, der bei manchen Anwendungen Probleme mit sich bringt.
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Es ist weiterhin eine Anordnung bekannt, bei welcher auf der einen
Seite der zu überwachenden Fläche eine Reihe von dicht nebeneinander angeordneten
Lampen vorgesehen ist. Auf der anderen Seite der zu überwachenden Fläche sitzt eine
Reihe von optischen Systemen mit dahinter angeordneten photo elektrischen Empfängern.
Die photoelektrischen Empfänger sind in zwei Gruppen parallel geschaltet, und zwar
derart, daß jeweils ein Empfänger zu der einen Gruppe und der benachbarte Empfänger
zu der anderen Gruppe gehört. Jede der Gruppen betätigt eine Steuervorrichtung.
Statt einer Reihe von getrennten Lampen kann bei dieser bekannten Anordnung auch
eine einzige entsprechend langgestreckte Lampe vorgesehen werden. Bei dieser bekannten
Anordnung erzeugt jede einzelne Lampe der Reihe bzw. jeder Punkt der langgestreckten
Lampe einen Lichtfächer. Auf der Empfängerseite erhält jeder Empfänger Licht von
jeder der Lampen.
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An den Empfängern tritt daher jeweils nur eine Halbschattenwirkung
ein. Die Empfänger müssen daher nicht nur zwischen hell und dunkel unterscheiden,
sondern quantitativ zwischen mehr oder weniger Licht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtvorhang zu schaffen,
welcher ohne bewegliche Teile arbeitet, eine ausgedehnte Fläche lückenlos überwacht
und beim Eintreten eines Hindernisses ein sauberes Signal an wenigstens einem der
Empfänger unter Vermeidung von Halbschattenwirkungen erzeugt.
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Die Erfindung besteht bei der eingangs beschriebenen Lichtschranke
darin, daß die optischen Systeme mit den photoelektrischen Empfängern lückenlos
je ein Teilbündel des aus parallelen Lichtstrahlen bestehenden Lichtfächers erfassen.
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Jeder der photoelektrischen Empfänger erhält daher ein Teilbündel
aus dem Lichtfächer. Wenn dieses Teilbündel abgeschattet wird, dann erfolgt durch
die Parallelität der Lichtstrahlen des Lichtfächers eine vollständige Abschaltung
des Empfängers, ohne daß eine Halbschattenwirkung eintreten kann. Am Empfänger wird
ein scharfes Signal entsprechend Helligkeit oder Dunkelheit erhalten.
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Zur Erzielung einer justierunempfindlichen Lichtschranke, bei welcher
alle aktiven Teile (Lichtquelle, Empfänger) auf einer Seite angeordnet sind, kann
die Anordnung so getroffen werden, daß zur Erzeugung des Lichtfächers ein lichtquellenseitiges
optisches System mit langer schmaler Pupille vorgesehen ist und der Lichtfächer
auf einen Umkehrreflektor trifft, welcher das Licht über einen Strahlenteiler auf
die empfängerseitigen optischen Systeme lenkt, die auf der gleichen Seite der zu
überwachenden Fläche liegen wie die Lichtquelle.
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Die Erfindung kann in verschiedener Weise verwirklicht werden. Eine
besonders vorteilhafte Lösung
ergibt sich jedoch, wenn die Anordnung
so getroffen ist, daß der Strahlenteiler zwischen Lichtquelle und lichtquellenseitigem
optischem System angeordnet ist, wodurch im rücklaufenden Strahlengang ein Bild
der Lichtquelle erzeugt wird, und daß am Ort dieses Bildes ein drittes optisches
System vorgesehen ist, durch welches die Eintrittspupille des lichtquellenseitigen
Systems auf die empfängerseitigen optischen Systeme abgebildet wird.
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Das lichtquellenseitige optische System sammelt alle rücklaufenden
Strahlen über die strahlenteilenden Mittel auf einem einzigen Punkt, der spiegelbildlich
zu der Lichtquelle oder zu dem von einem Kondensator erzeugten Lichtquellenbild
liegt.
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Das dritte optische System in diesem Punkt bildet die Eintrittspupille
des ersten optischen Systems auf die empfängerseitigen optischen Systeme ab. Die
empfängerseitigen optischen Systeme teilen somit rücklaufende Strahlenbündel in
Teilstrahlenbündel auf, so als ob sie selbst unmittelbar in dieser Pupille säßen.
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Es wird durch eine solche Anordnung zweierlei erreicht. Die empfängerseitigen
optischen Systeme können kleiner ausgebildet werden, als wenn man die Empfängersysteme
unmittelbar längs der Eintrittspupille für das rücklaufende Strahlenbündel, d. h.
über die gesamte Höhe der zu überwachenden Fläche, anordnen würde. Sie können auch
konstruktiv günstiger untergebracht werden, so daß sich ein konstruktiv besonders
günstiger und übersichtlicher Aufbau ergibt. Durch das dritte optische System werden
nur diejenigen Lichtstrahlen auf die empfängerseitigen optischen Systeme geleitet,
welche durch einen zur Lichtquelle optisch konjugierten Punkt gehen. Nur diese Strahlen
treffen nämlich überhaupt auf das dritte optische System.
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Das dritte optische System kann von einem kleinen Hohlspiegel gebildet
werden. Es könnte bei einem gewissen Verzicht auf Sauberkeit der optischen Abbildung
statt dessen auch z. B. ein einfacher Planspiegel vorgesehen werden, der optisch
wie eine Blende wirkt. Die »Abbildung« würde dann nach Art einer Lochkamera erfolgen.
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Vorteilhaft ist es, wenn in der Eintrittspupille des lichtquellenseitigen
optischen Systems eine Reihe von aneinandergrenzenden Linsen angeordnet sind und
jede der Linsen durch das dritte optische System auf eines der empfängerseitigen
optischen Systeme abgebildet wird. Durch die besagten Linsen können die Teilstrahlenbündel
jeweils z. B. auf dem Umkehrreflektor fokussiert werden. Diese Lichtquellenbilder
werden im rücklaufenden Strahlengang wieder auf einen Punkt gesammelt, in welchem
das besagte dritte optische System angeordnet ist. Nun »sieht« aber jede der Linsen
nicht nur das von ihr selbst erzeugte Lichtquellenbild, sondern auch die benachbarten.
Durch eine gewisse Steuerung der Umkehrreflektoren gelangt auch Licht von benachbarten
Lichtquellenbildern in die Linse. Diese Strahlen gehen aber nicht durch das dritte
optische System und werden daher ausgeblendet.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt
und im folgenden beschrieben.
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F i g. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Lichtschranke
bei abgenommenem Gehäuse; F i g. 2 zeigt eine zugehörige Oberansicht;
F i g. 3 und
4 sind entsprechende Darstellungen einer abgewandelten Ausführungsform.
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Eine Lichtquelle 1 ist in der Brennebene eines streifenförmigen Hohlspiegels
2 angeordnet und erzeugt einen Lichtfächer in Gestalt eines flachen parallelen Strahlenbündels
3. Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, wird das Strahlenbündel 3 durch einen geneigten
teildurchlässigen Spiegel 4, der sich über die gesamte Breite des Strahlenbündels
erstreckt, rechtwinklig umgelenkt und fällt auf einen streifenförmigen Umkehrreflektor
5, der sich auf der anderen Seite der zu überwachenden Fläche befindet. Der Umkehrreflektor
5, der aus einer Vielzahl kleiner nebeneinander angeordneter Tripel bestehen kann,
wirft das auftreffende Licht in die Einfalls richtung zurück. Ein Teil des rücklaufenden
Lichts tritt dann durch den teildurchlässigen Spiegel hindurch und fällt auf eine
Reihe von aneinander angrenzenden Sammellinsen 6, welche je ein Teilbündel auf einen
photoelektrischen Empfänger 7 leiten. Lichtquelle 1 Hohlspiegel 2, teildurchlässiger
Spiegel 4, Linsen 6 und Empfänger 7 sind in einem gemeinsamen flach länglichen Gehäuse
8 angeordnet, dessen Höhe etwa der Höhe der zu überwachenden Fläche entspricht.
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In der einen Hälfte des Gehäuses sitzt die Lichtquelle 1 mit dem Spiegel
2, in der anderen Hälfte der teildurchlässige Spiegel 4 mit der Empfängeranordnung
6, 7. Das Lichtbündel 3 tritt aus einer länglichen senkrechten Austrittsöffnung9
an einem Ende einer Breitseite des Gehäuses 8 aus.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 geht das Licht von einer
Lampe 10 aus. Ein vorlaufendes Strahlenbündel 11 fällt über einen Spiegelstreifen
12 auf einen länglichen schmalen Hohlspiegel 13, so daß ein im Querschnitt langes
und schmales paralleles Strahlenbündel entsteht, das durch einen Spiegelstreifen
14 um 900 umgelenkt wird und durch eine längliche Öffnung 15 eines Gehäuses 16 ähnlich
wie bei F i g. 1 und 2 austritt. In der Öffnung 15 sitzt eine Reihe von Linsen 17,
von denen jede ein Lichtquellenbild etwa auf einem Umkehrreflektorl8 erzeugt. Es
entsteht so ein Lichtgitter mit einer Mehrzahl von einzelnen Strahlenbündeln. Diese
Strahlenbündel werden von dem Umkehrreflektor in die Einfallsrichtung zurückgeworfen
und fallen durch die Linsen 17 über den Spiegel 14 auf den Spiegel 13, der normalerweise
alle Strahlen über den Spiegell2 wieder auf der LichtquellelO sammeln würde. Durch
einen teildurchlässigen Spiegel 19 wird jedoch ein Teil des Lichts aus dem Strahlengang
herausgelenkt, so daß ein Lichtquellenbild im Punkt 20 erzeugt wird. Alle von den
Linsen 17 erzeugten Lichtquellenbilder werden somit über die entsprechenden Linsen
wieder auf den Punkt 20 abgebildet. Am Ort des Lichtquellenbildes20 ist ein kleiner
Hohlspiegel 21 mit geringer Öffnung vorgesehen, welcher die Öffnung 15, die ja die
Eintrittspupille des Systems für das rücklaufende Strahlenbündel darstellt, auf
einer Reihe von Hohlspiegeln 22 abbildet. Diese Hohlspiegel 22 bilden die zweiten
optischen Systeme im Sinne der Erfindung, während das obenerwähnte dritte optische
System der Hohlspiegel 21 ist. Es wird jeweils eine Linse 17 auf einen Spiegel 22
abgebildet, so daß jeder Spiegel 22 eines der erwähnten Teilstrahlenbündel erfaßt.
Die Spiegel 22 bilden den Punkt 20 auf je einem photoelektrischen Empfänger 23 ab.
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Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß
die
Empfänger 23 und die zugeordneten optischen Glieder 19, 20, 22 durch die verkleinerte
Abbildung der Eintrittspupille raumsparend und kompakt angeordnet werden können.
Es wird außerdem der Einfluß von Nebenlicht ausgeschaltet. Beispielsweise »sieht«
jede Linse 17 nicht nur das von ihr erzeugte Lichtquellenbild, sondern auch das
Lichtquellenbild, welches von der benachbarten Linse 17 erzeugt wird.
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Durch Streuung des Umkehrreflektors 18 ist das auch nicht nur eine
geometrische Konstruktion, sondern es fällt tatsächlich von jedem dieser Lichtquellenbilder
auch Licht auf die benachbarten Linsen 17.
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Über diese und den Hohlspiegel 13 erfolgt aber die Abbildung dann
nicht im Punkt 20, sondern daneben, so daß diese Stellen nicht von dem Hohlspiegel
21 erfaßt werden und somit auch nicht auf die Empfänger 23 gelangen können.
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Die Linsen 17 können unter Umständen auch in Fortfall kommen. Es
wird dann durch den Hohlspiegel 21 jeweils der entsprechende Teil der Eintrittspupillel5
auf einen der Hohlspiegel 22 abgebildet. Der Spiegel 21 könnte auch ein kleiner
Planspiegel - entsprechend einer Lochblende - sein, wobei die Abbildung nach Art
einer Lochkamera erfolgt. Zur Erzielung einer größeren Höhe der Lichtschranke können
mehrere der beschriebenen Einheiten übereinander angeordnet werden. Jede dieser
Einheiten entspricht einem Lichtgitter mit mehreren (in F i g. 3 fünf) einzelnen
Lichtbündeln. Sie enthält aber jeweils nur eine einzige gemeinsame Lampe.
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Damit wird die Störanfälligkeit vermindert. Die Anordnungen nach der
Erfindung lassen sich mit vergleichsweise sehr geringen Abmessungen des Gehäuser8,16
herstellen. Sie arbeiten mit Umkehrreflektoren, so daß sie wie die vorbekannten
Geräte justierunempfindlich sind und beispielsweise zur Auf nahme von Erschütterungen
schwingungsdämpfend gehaltert werden können.