DE19639403A1

DE19639403A1 - Optoelektronischer Sensor

Info

Publication number: DE19639403A1
Application number: DE1996139403
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Bauer; Friedrich Keglowich
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-03-26

Description

Beschreibung des bekannten Standes der Technik

Die Erfindung betrifft einen optaelektronischen Sensor zum Erkennen von Gegenständen innerhalb eines Überwachungs bereiches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige optische Sensoranordnungen werden im weitesten Sinne als Lichtschranken bezeichnet. Unter diesem allge meinen Begriff sind die optischen Sensoren zusammengefaßt, die als Autokollimations-Lichtschranken, Reflexions-Licht schranken, Lichttaster, Abstandstaster, usw. ausge bildet sein können.

Optische Sensoranordnungen, insbesondere Lichtschranken zur Erkennung von Gegenständen, arbeiten im allgemeinen nach folgendem Prinzip: Es wird mit Hilfe optischer Elemente, insbesondere einer Sendeoptik, ein gerichtetes optisches Sendesignal abgestrahlt, welches entweder von einem Retroreflektor am gegenüberliegenden Ende der Überwachungsstrecke oder vom zu erkennenden Gegenstand selbst reflektiert wird. Dieses reflektierte Signal wird wiederum mit einer Empfangsoptik, welche sich im gleichen Gehäuse befindet, aufgenommen und mittels optischer Elemente dem Lichtempfänger zugeführt. Der Lichtempfänger wandelt die optische Strahlung in eine elektrische Größe um, die anschließend in einer Empfangssignalverarbeitungsstufe ausgewertet wird. Zur optischen Trennung des im gleichen Sensorgehäuse angeordneten Sende- und Empfangslichtpfades haben sich im wesentlichen zwei unterschiedliche Ausführungvarianten bewährt. Es ist dies zum einen die echte Autokollimation, bei der die Sendestrahlung über einen teildurchlässigen Spiegel geführt wird, welcher die Strahlung teilweise reflektiert und teilweise ohne Richtungsveränderung hindurchläßt. Einer der beiden so erzeugten Teilstrahlen wird über ein Sendeobjektiv auf die zu überwachende Strecke ausgesendet. Die am Objekt oder am Retroreflektor reflektierte Strahlung wird vom gleichen Sendeobjektiv, welches nun in der Funktion eines Empfangsobjektives wirkt, aufgenommen und ebenfalls wieder über den Teilerspiegel in zwei Komponenten (reflektierte und transmittierte Anteile) aufgespalten. Einer dieser beiden Teilempfangsstrahlen gelangt dabei zurück zur Sendequelle, während der andere Teilstrahl einer lichtelektrischen Wandleranordnung zugeführt wird. In der zweiten Ausführungsvariante sind der Lichtsender einschließlich der Sendeoptik und die Empfangsoptik mit der dahinter angeordneten photoelektrischen Wandleranordnung räumlich nebeneinander angeordnet, weshalb bei diesem System auch oft von einem Doppellinsensystem oder einer Pupillenteilung gesprochen wird.

Nachteile des bekannten Standes der Technik

Bedingt durch die zahlreichen Applikationen für derartige Lichtschranken werden eine Vielzahl unterschiedlicher mechanisch -/optischer Bauformen für die jeweiligen Sensorgehäuse in der Praxis gefordert. Die nachteiligen Folgen dieser relativ großen Typenvielfalt (kleine Losgrößen, höhere Kosten, großer logistischer Aufwand usw.) sind offensichtlich und wirken sich deshalb auch nachteilig auf die gesamte Kette der damit betroffenen aus, d. h. von der Herstellung über die gesamte Handelskette bis zum Anwender dieser Produkte.

Aufgabe der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, durch eine leicht modifizierbare, flexible und deshalb vielfältig einsetzbare Sensorausführung die notwendige Typenvielfalt zu reduzieren, ohne daß dadurch andere Nachteile, wie zum Beispiel höhere Packungsdichte/Herstellkosten Handlingsprobleme in der Anbau- bzw. Betriebsphase oder reduzierte Funktions-/Betriebssicherheit, hervorgerufen werden.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung können somit beide durch die Strahlteilung bei der Autokollimations-Lichtschranke entstehenden Teilsendebündel/Empfangslichtbündel wahlweise genutzt werden. Zu diesem Zweck können im entsprechenden Sensorgehäuse an zwei benachbarten Gehäuseflächen Lichtaustritts-/Lichteintrittsöffnungen vorgesehen sein, die entweder im Produktionsprozeß, z. B. ganz am Ende desselben, oder gegebenenfalls erst am Anbauort des Sensors mit wenigen Handgriffen wahlweise aktiviert werden können. Ferner ist es möglich, sowohl zur Entkoppelung des aktiven und passiven optischen Pfades, als auch zur sicheren Erkennung stark reflektierender Gegenstände lineare und/oder zirkulare Polarisationsfilter im optischen Strahlengang zu verwenden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat den Vorteil, daß in der Produktion eine Halbierung der Variantenvielfalt erreicht wird. Ferner wird bei einer Modifikation des Sensors am Anbauort für den Anwender durch die flexible Einsatzmöglichkeit der Kundennutzen deutlich erhöht.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von zwei Zeichnungen beschrieben.

Diese zeigen:

Fig. 1 Zwei Seitenansichten (a) und (b) des Autokollimations-Sensors mit physikalischem Teilerspiegel in schematischer Darstellung.

Fig. 2 Zwei Seitenansichten (c) und (d)des Autokollimations-Sensors mit geometrisch geteiltem Spiegel in schematischer Darstellung.

Gemeinsam bei allen bevorzugten Ausführungsarten besteht der Sensor aus dem Gehäuse (1), das die um vorzugsweise 90° versetzen Lichtaustritts-/Lichteintrittsöffnungen aufweist. Ferner sind in diesem Gehäuse die Lichtquelle (2), welche insbesondere als Halbleiterstrahlungsquelle ausgebildet ist, der photoelektrische Wandler (3) sowie die optischen und die nicht im einzelnen dargestellten elektrischen Komponenten integriert.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors mit physikalischem Teilerspiegel wird nachfolgend in Fig. 1 beschrieben. Entsprechend Fig. 1a bzw. 1b fällt die Strahlung der Lichtquelle (2) auf den physikalischen Teilerspiegel (4) und wird dabei in zwei nahezu gleichwertige Teilstrahlen (5′) und (5′′) aufgespalten. In Fig. 1a wird der am Teilerspiegel reflektierte Teilstrahl (5′) an der Innenfläche des Gehäuses (1) absorbiert, während der Teilstrahl (5′′), der vom physikalischen Teilerspiegel durchgelassen wird, mittels der Optik (6) gebündelt wird und so zum auf der gegenüberliegenden Seite der Überwachungsstrecke angeordneten Retroreflektor (7) gelangt. Dazu äquivalent wird in der Variante-nach Fig. 1b der Teilstrahl (5′′) intern absorbiert und der Teilstrahl (5′) zum Retroreflektor (7) geschickt.

In beiden Fällen wird die am Retroreflektor nach dem Autokollimationsprinzip in sich zurückreflektierte Strahlung über die nun als Empfangslinse wirkende Optik (6) wieder zum physikalischen Teilerspiegel geführt und erfährt dabei in gleicher Weise wiederum eine Aufspaltung in zwei Empfangsteilstrahlen. In Fig. 1a gelangt der am Teilerspiegel reflektierte Teilstrahl zum photoelektrischen Wandler (3), während der durchgelassene Anteil in die Lichtquelle (2) zurückfällt. Am photoelektrischen Wandler (3) wird die auftreffende optische Strahlung in ein elektrisches Signal umgewandelt und einer hier nicht dargestellten Signalverarbeitungsstufe zugeführt, welche nach den allgemein bekannten Verfahren einen entsprechenden Ausgang über den Zustand der Überwachungsstrecke abgibt. Analog dazu ist der Verlauf entsprechend Fig. 1b umgekehrt. Es ist somit erklärlich, daß selbst bei verlust- und streulichtfreiem Retroreflektor max. 25 -% der Strahlung von der Lichtquelle nach Durchlaufen der Überwachungsstrecke und Retroreflexion zum Empfänger gelangen können.

Erfindungsgemäß wird diese vom System vorgegebene scheinbar nachteilige Energiebilanz verwendet, um die Vielfalt an möglichen Bauformen einzuschränken. Dies ist nach der Erfindung möglich, weil das Gehäuse (1) so ausgeführt ist, daß die Optik (6) sowohl an der Schmalseite entsprechend Fig. 1a als auch an der Breitseite entsprechend Fig. 1b wahlweise eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck wird das Gehäuse entsprechend den in den Ansprüchen näher beschriebenen Bauformen ausgeführt sein.

Eine weitere, entsprechend der Erfindung vorteilhafte, Ausführungsvariante wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Hier wird ein geometrisch geteilter Teilerspiegel (8) eingesetzt. Dieser Teilerspiegel besteht zumindest aus einem Spiegel segment mit möglichst hohem Reflexionsgrad, wobei zusätzlich ein Segment mit möglichst geringem Reflexionsgrad vorgesehen sein kann. Über die Zuordnung/Justage dieses geometrisch geteilten Teilerspiegels (8) innerhalb des optischen Systems ist sichergestellt, daß der halbe Sendestrahlquerschnitt auf das Spiegelsegment fällt, die andere Hälfte sich dagegen am Spiegel vorbei ausbreitet bzw. der reflexionsfreien oder reflexionsarmen Teilfläche zugeordnet ist.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein verkürzter Teilerspiegel (8) dargestellt, der nur aus einem Segment mit hohem Reflexionsgrad besteht.

In einer alternativen Ausführung kann dieser Teilerspiegel durch ein Segment mit geringerem Reflexionsgrad verlängert sein, welches beispielsweise aus durchsichtigem Glas be steht, das zur Verringerung seines restlichen Reflexions vermögens noch in geeigneter Weise vergütet sein kann. Hierdurch werden Probleme vermieden, die aufgrund der im Ausbreitungsweg des Lichtstrahls liegenden Kante des ver kürzten Teilerspiegels auftreten können.

Auf diesem Wege wird erreicht, daß zwei Halbstrahlen (9′) und (9′′) entstehen, deren Strahlrichtung einen Winkel, in Abhängigkeit von der Winkellage des Teilerspiegels, zueinander bilden. Vorzugsweise steht der Teilerspiegel unter 45° zur Sendestrahlrichtung, so daß die beiden Halbstrahlen (9′),(9′′) einen Winkel von 90° zueinander einschließen. Nach Fig. 2c wird der Teilstrahl (9′) am Teilerspiegel (8) reflektiert und danach von der Innenwand des Gehäuses (1) absorbiert, während der Teilstrahl (9′′) vom Teilerspiegel (8) unbeeinflußt, die obere Hälfte der Optik (6) ausleuchtet. Der Teilstrahl (9′′) durchstrahlt nun ebenfalls die Überwachungsstrecke und trifft an dessen Ende auf den Retroreflektor (7). Hierzu äquivalent wird in der Variante nach Fig. 2d der Teilstrahl (9′′) intern absorbiert und der Teilstrahl (9′) zum Retroreflektor (7) geschickt. Bei dieser Art der Strahlteilung mit einem geometrischen Teilerspiegel werden die bei einem üblichen Retroreflektor vorhandenen Streuwinkel (der nach erfolgter Autokollimation reflektierte Lichtstrahl hat eine kleine Winkelabweichung zum einfallenden Lichtstrahl) sowie der Tripelversatz ausgenutzt. Da typischerweise die Länge der Überwachungsstrecke dem 100-fachen des Durchmessers der Optik (6) entspricht, wird bereits bei sehr kleinen Streuwinkeln die nun als Empfangslinse wirkende Optik (6), voll ausgeleuchtet. Dabei gelangt die Strahlung, welche in das sendeseitig nicht benutzte Flächenelement der Optik (6) fällt, auf den photoelektrischen Wandler (3) und wird dort, wie oben beschrieben, weiter ausgewertet.

Während die Energiebilanz der Ausführungsvariante nach Fig. 2 (geometrischer Teilerspiegel) sehr ähnlich der Variante nach Fig. 1 (physikalischer Teilerspiegel) ist, unterscheiden sich beide Systeme, wenn zur Unterdrückung von Störreflexionen im Überwachungsbereich Polarisationsfilter verwendet werden sollen.

Dies liegt im wesentlichen daran, daß der physikalische Teilerspiegel selbst Polarisationseigenschaften aufweist, die berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, bei der Verwendung von Polarisationsfilter in der erfinderrischen Vorrichtung nach Fig. 1, ein zirkulares Polfilter (10) auf der Innenseite des Objektives (6) zu verwenden. Bei der Ausführung der Variante nach Fig. 2 dagegen könnte entweder ein zirkulares Polfilter an der Innenseite des Objektives oder zwei lineare Polarisationsfilter (11) und (12), welche in ihrer Polarisationsrichtung um 90° gekreuzt vor dem Sender bzw. dem Wandler angeordnet sind, zum Einsatz kommen.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Lichtquelle
3 Photoelektrischer Wandler
4 Physikalischer Teilerspiegel
5′ Teilstrahl
5′′ Teilstrahl
6 Optik
7 Retroreflektor
8 Geometrisch geteilter Teilerspiegel
9′ Halbstrahl
9′′ Halbstrahl
10 Zirkulares Polarisationsfilter
11 Lineares Polarisationsfilter
12 Lineares Polarisationsfilter

Claims

1. Optoelektronischer Sensor zum Erkennen von Gegenständen innerhalb eines Überwachungsbereiches mit einem eine Lichtquelle (2) und einen photoelektrischen Wandler (3) umfassenden Gehäuse (1), das wenigstens eine Gehäuseöff nung für von der Lichtquelle (2) ausgesendete, aus dem Gehäuse (1) austretende Lichtstrahlen und für von einem Gegenstand im Überwachungsbereich und/oder von einem der Lichtquelle (2) zugeordneten Reflektor (7) am Ende des Überwachungsbereiches reflektierte, in das Gehäuse (1) eintretende Lichtstrahlen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) ein Strahlteiler (4; S) vorgesehen ist, der die von der Lichtquelle (2) ausgesendeten Licht strahlen in wenigstens zwei sich in unterschiedlichen Richtungen ausbreitende Teillichtstrahlen (5′, 5′′; 9′, 9′′) teilt, und daß die Gehäuseöffnung wahlweise im Bereich einer der Teillichtstrahl-Auftreffstellen herstellbar bzw. herge stellt ist.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkoppelung des aus dem Gehäuse (1) austreten den Teillichtstrahls und des im Gehäuse (1) verbleiben den Teillichtstrahls und/oder zur Unterdrückung von unerwünschten Reflexionen im Überwachungsbereich lineare oder zirkulare Polarisationsfilter (10; 11, 12) vorge sehen sind.

3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler ein halbdurchlässiger Spiegel (4) vorgesehen ist, der vorzugsweise zwei einen Winkel von etwa 90° einschließende Teillichtstrahlen (5′, 5′′) er zeugt.

4. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zwischen dem Spiegel (4) und der Gehäuse öffnung ein zirkulares Polarisationsfilter (10) angeord net ist.

5. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler ein geometrisch geteilter Spiegel (8) vorgesehen ist, der einen Bereich mit hohem Reflexi onsgrad aufweist und derart angeordnet ist, daß von der Lichtquelle (2) stammendes Licht teilweise auf den Bereich mit hohem Reflexionsgrad des Teilerspiegels (8) auftrifft und sich in zwei vorzugsweise einen Winkel von etwa 900 einschließende Teillichtstrahlen (9′, 9′′) teilt.

6. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler ein geometrisch geteilter Spiegel vorgesehen ist, der einen Bereich mit hohem Reflexions grad und einen Bereich mit niedrigem Reflexionsgrad auf weist und derart angeordnet ist, daß von der Lichtquelle (2) stammendes Licht auf die unterschiedlichen Reflexionsbereiche des Spiegels auftrifft und sich in zwei vorzugsweise einen Winkel von etwa 90° einschlie ßende Teillichtstrahlen (9′, 9′′) teilt.

7. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zwischen der Lichtquelle (2) und dem Spiegel (8) sowie zwischen dem photoelektrischen Wandler (3) und dem Spiegel (8) jeweils ein lineares Polarisa tionsfilter (11) angeordnet ist.

8. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zur wahlweisen Herstellung der Gehäu seöffnung mit herausbrechbaren Wandbereichen versehen ist.

9. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gehäuseöffnung eine Optik (6), insbesondere durch eine Snap-In-Technik einsetzbar ist.

10. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jeder Teillichtstrahl-Auftreffstelle eine Gehäuseöffnung vorgesehen ist, wobei eine Gehäuseöffnung mittels einer Optik (6) und die anderen Gehäuseöffnungen mittels Blindverschlüssen verschließbar sind.

11. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (1) und der Optik (6) und/oder zwischen dem Gehäuse (1) und jedem Blindverschluß eine Schraub-, Snap-In-, Klebe- und/oder Preßverbindung be steht.

12. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseöffnung zwei separate Einzelöffnungen umfaßt, von denen eine als Lichtaustrittsöffnung und die andere als Lichteintrittsöffnung dient.