DE20301559U1

DE20301559U1 - Verschmutzungsresistenter optischer Sensor

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Publication number: DE20301559U1
Application number: DE20301559U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2003-02-01
Filing date: 2003-02-01
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2013-02-02

Description

SICK AG
Sebastian-Kneipp-Straße 1, 79183 Waldkirch

Verschmutzungsresistenter optischer Sensor

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Optoelektronische Sensoren werden in vielfältiger Weise verwendet, um vorgegebene Bereiche dadurch zu überwachen, dass die durch äußere Einflüsse verursachte Veränderung der Ausbreitung des Lichtes im Überwachungsbereich erkannt wird.

Der Begriff "Licht" ist dabei nicht auf das sichtbare Licht beschränkt. Unter "Licht" sind allgemein elektromagnetische Strahlen, also UV-Licht, IR-Licht sowie sichtbares Licht zu verstehen, welche üblicherweise für den Betrieb optoelektronischer Sensoren eingesetzt werden können.

Je nach Aufgabenstellung an den optoelektronischen Sensor ist es notwendig, den Überwachungsbereich hinsichtlich Größe, Art oder Beschaffenheit zu dimensionieren. Dabei haben sich im Wesentlichen zwei Grundsysteme optoelektronischer Sensoren entwickelt, die Einwegsysteme und die Reflexionssysteme.

Das Einwegsystem besteht aus einem räumlich getrennt angeordneten Sender auf der einen Seite und einem Empfänger auf der entgegengesetzten Seite der Überwachungsstrecke. Bei dem Reflexionssystem sind Sender und Empfänger zu einer gemeinsamen Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst. Am

gegenüberliegenden Ende des Überwachungsbereiches ist ein sogenannter Retroreflektor eingesetzt, der die auf ihn gerichtete Strahlung wieder in seine Ausgangsrichtung zurück, d.h. in den Sensor reflektiert.

Befindet sich nun ein zu erkennendes Objekt innerhalb des Überwachungsbereiches, so wird der optische Lichtstrahl vom Sender zum Empfänger gedämpft oder gar vollkommen unterbrochen.

Bei beiden optoelektronischen Sensoren ist eine Lichtquelle, ein Lichtempfänger, optische Elemente zur Gestaltung und Formung des Lichtverlaufes sowie eine Auswerteeinheit inklusive eventueller Bedienanschluss- oder Verstellelemente vorhanden.

Neben diesen eindimensionalen optoelektronischen Sensoren gibt es die Gruppe der zweidimensionalen Systeme, wie z.B. das Lichtgitter oder der Reflexionslichtvorhang. Bei diesen Systemen wird ein zweidimensionaler Überwachungsbereich dadurch erzeugt, dass im Falle des Lichtgitters mehrere Sender/Empfänger getrennt am Ort nebeneinander angeordnet sind und über eine entsprechende Ansteuerung zeitversetzt aktiviert werden oder im Falle des Reflexionslichtvorhanges ein Lichtstrahl mittels einer Ablenkeinheit periodisch über den Überwachungsbereich abgelenkt wird.

Nachteilig am bekannten Stand der Technik ist, dass diese optischen Sensoren beim Einsatz in einer mit Schmutz oder Feuchtigkeit belastenden Atmosphäre hinsichtlich ihrer Funktions-, und / oder Betriebssicherheit schnell an ihre Einsatzgrenzen stoßen. Der wesentliche Grund dafür ist, dass der Lichtstrahl durch eine oder mehrere optischen Grenzflächen hindurch tritt, welche mit Ablagerungen von Fremdpartikel wie z.B. Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, Flüssigkeitstropfen, Kondensate und dergleichen behaftet sind. Unter optischen Grenzflächen sind dabei also jene Flächen zu verstehen, die durch den Übergang von zwei unmittelbar aneinander grenzende Medien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften wie z. B. Luft und Glas gebildet werden. Auch sind darunter beispielsweise Spiegeloberflächen von Strahlumlenkeinheiten, auf denen die Fremdpartikel die gleichen negativen Wirkungen hervorrufen, zu verstehen. Die Fremdpartikel beeinflussen die optische Lichtstrahlführung des Sensors im Überwachungsbereich negativ. Die Beeinflussung findet dabei im wesentlichen durch drei Arten statt. Zum einen wird durch die-

se Fremdpartikel auf den optischen Grenzflächen der Lichtstrahl gedämpft, so dass in relativ kurzen Zeitinterwallen eine ggf. zeit- und kostenaufwendige Reinigung erforderlich ist um die Betriebssicherheit des Sensors aufrecht zu erhalten. Zum anderen wird durch Lichtstreueffekte und Beugungen an den Fremdpartikel der wirksame Lichtstrahlquerschnitt vergrößert mit der Folge, dass die Detektierbarkeit von kleinen Objekten deutlich erschwert oder gänzlich ausgeschlossen ist. Desweiteren wird der Lichtstrahl abgelenkt und verliert seinen optischen Bezug zu benachbarten Strahlen. Alle Effekte, die Lichtdämpfung, Lichtstreuung und Lichtablenkung, wirken sich besonders negativ aus, wenn innerhalb des Überwachungsbereiches ein Umlenkspiegel bzw. eine Umlenkeinheit eingesetzt wird, wie dies dann der Fall ist, wenn aufgrund der Aufgabenstellung des Sensors der Überwachungsbereich in Richtung der Lichtstrahlausdehnung abgewinkelt werden muss und diese Umlenkeinheit verschmutzt ist.

Die nach dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zu Vermeidung dieser Effekte sind die optischen Grenzflächen mit Staubschutztuben, mit Überdruckluftsystemen oder mit Spülluftvorsätzen zu schützen. Diese Systeme sind in der Regel jedoch aus Kosten- oder Platzgründen oft sehr nachteilig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, verschmutzungsresistente optische Sensoren zu schaffen, die auch in umweltbelasteter Atmosphäre eine hohe Funktions- und Betriebssicherheit aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die der Umweltbelastung ausgesetzten optischen Grenzflächen mit einer Oberflächenveredelung versehen werden, welche das Anhaften von Fremdpartikel verhindern bzw. herabsetzen. Zu diesem Zweck werden die optischen Grenzflächen derart geglättet, dass aufgrund der geringeren Rautiefe der optischen Grenzfläche der Umfang einer möglichen Verschmutzungsablagerung deutlich verringert wird.

Der Vorteil dieser optoelektronischen Sensoren ist darin zu sehen, dass durch die Oberflächenveredelung der optischen Grenzflächen die Fremdpartikel, welche den optischen Strahlverlauf negativ beeinflussen, weniger stark daran haften.

Diese vorteilhafte Oberflächenveredelung der optischen Grenzflächen hat insbesondere dann entscheidende Vorteile, wenn im Sensorsystem gleichzeitig mehrere

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Grenzflächen wirksam sind, wie dies immer dann der Fall ist, wenn der Überwachungsbereich mittels Umlenkeinheiten abgewinkelt werden muss.

Bei den optoelektronischen Sensoren aus der Gruppe der Reflexionssysteme die mit einem Retroreflektoren zusammen wirken wirkt sich die Maßnahme der Oberflächenveredelung an der Grenzfläche des Retroreflektors deshalb vorteilhaft aus, weil diese Fläche gleich zweimal vom Lichtstrahl durchsetzt wird.

Ein weiterer Vorteil dieser optoelektronischen Sensoren mit oberflächenveredelten Grenzflächen ist darin zu sehen, dass es aufgrund der geringeren Streueffekten und den ggf. dadurch verursachten Funktionsstörungen möglich ist, die erfindungsgemäßen Sensoren mit einer deutliche höheren Betriebsreserve z. B. zur Kompensation von Langzeit-, bzw. Alterungseffekten betreiben zu können.

Ein weiterer Vorteil beim Betrieb dieser Sensoren ist auch darin begründet, dass der Abstand zwischen den Wartungs-, bzw. Reinigungsinterwallen deutlich vergrößert werden kann, was sich letztendlich positiv auf die Betriebskosten auswirkt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figur 1 beschrieben.

Die schematische Ansicht zeigt einen Sensor mit einem räumlich getrennt angeordnetem Sender 1 und einem Empfänger 2. Zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 2 wird ein optischer Überwachungsbereich erzeugt. In diesem Überwachungsbereich ist eine Umlenkeinheit 3 angeordnet.

Durch eine Öffnung 4 im Sender 1 tritt ein Lichtstrahl 5 unter einem Sende-Raumwinkel &agr; aus. Die Öffnung 4 im Sender 1 ist beispielsweise mit einer für den Lichtstrahl 5 transparenten Glasscheibe oder einer optischen Linse abgeschlossen. Die Außenseite dieser Glasscheibe bzw. dieser Linse stellt dabei eine optische Grenzfläche zwischen den Medien Glas und Luft dar.

Wenn sich kein Objekt im Überwachungsbereich befindet trifft der Lichtstrahl 5 auf die Umlenkeinheit 3. Diese Umlenkeinheit 3 ist, wie in Figur 1 symbolisch dargestellt, beispielsweise in Form eines Rückflächenspiegel ausgeführt. Beim Rückflä-

chenspiegel tritt der Lichtstrahl durch eine erste Eintrittsgrenzfläche 6 z. B. in eine Glasscheibe ein und wird an dessen zweiter Fläche 7 d. h. der Rückfläche, welche mit einer nicht dargestellten Spiegelschicht belegt ist, nach dem Reflektionsgesetzt reflektiert. Der Lichtstrahl durchläuft sodann ein zweites mal die Glasscheibe und tritt wiederum durch die Eintrittsgrenzfläche 6 aus. Die Umlenkeinheit ist dabei räumlich so ausgerichtet, dass der austretende Lichtstrahl 5' auf eine Öffnung 8 des Empfängers 2 tritt. Die Öffnung 8 im Empfänger 2 ist ebenfalls mit einer für den Lichtstrahl 5' transparenten Glasscheibe oder einer optischen Linse versehen. A-nalog der Situation beim Sender 1 ist somit auch beim Empfänger 2 eine optische Grenzfläche vorhanden.

Der Empfänger 2 besitzt die Eigenschaft, sämtliches durch die Öffnung 8 einfallendes Licht innerhalb eines Empfangs- Raumwinkels &bgr; zu erfassen. Wenn die Eintrittsgrenzfläche 6 an der Umlenkeinheit 3 frei von streuenden oder beugenden Fremdpartikel, wie z.B. Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, Flüssigkeitstropfen, Kondensate oder dergleichen, ist, so wird sich im Überwachungsbereich ein wirksamer Lichtstrahlquerschnitt 10 bilden, der nur von dem Durchmesser der Öffnung 4 und Öffnung 8 vorgegeben ist. Der Grund, warum der Sende-Raumwinkel <x und der Empfangs- Raumwinkel &bgr; immer größer sein müssen als der wirksamer Lichtstrahlquerschnitt 10 liegt daran, dass für die Justage der Systemkomponenten d. h. Sender 1, Empfänger 2 und Umlenkeinheit 3 zueinander, immer Toleranzen auftreten werden. Ebenso ist davon auszugehen, dass im Betrieb des Sensors durch Schockoder Vibrationseinflüsse geringfügige Justageveränderungen auftreten. Diese notwendige Vergrößerung des Sende-Raumwinkels « und des Empfangs- Raumwinkel &bgr; hat jedoch zur Folge, dass - wie in Fig. 1 gezeigt - der Lichtstrahl 5 durch die Fremdpartikel 9 auf der Eintrittsgrenzfläche 6 aufgestreut wird und sich somit in den Streu-Raumwinkel &ohgr; erstreckt. Wenn nun über diesen aufgestreuten Lichtpfad genügend viel Lichtenergie vom Sender 1 zum Empfänger 2 gelangt, kann trotz vollständiger Unterbrechung des ursprünglichen Lichtstrahlquerschnitt 10 durch ein kleines Objekt dieses nicht mehr sicher erkannt werden. In dieser Erkenntnis liegt der Kern der Erfindung, denn durch die Erfindung wird dafür Sorge getragen, dass ein derartiges Anhaften von Fremdpartikeln vermindert wird und damit die Detektionssicherheit erhöht wird, was im Bereich der Sicherheitstechnik von großer Bedeutung ist, so dass bereits kleinste Verbesserungen der Detektionssicherheit von grossem Nutzen sind.

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Damit die Fremdpartikel 9 schlechter an der optischen Grenzfläche, in dem Ausführungsbeispiel an der Eintrittsgrenzfläche 6 der Umlenkeinheit 3, haften, ist erfindungsgemäß auf der Eintrittsgrenzfläche 6 eine Oberflächenveredelung vorgesehen, die bewirkt, dass die Fremdpartikel entweder erst gar nicht haften bleiben oder sich sehr leicht von der Oberfläche wieder lösen, so dass insgesamt im Betrieb des Sensors weniger Fremdpartikel 9 vorliegen.

Selbstverständlich kann die Oberflächeveredelung nicht nur auf der Umlenkeinheit 3 sondern auch auf anderen Oberflächen von optischen Elementen, wie Fenstern oder strahlformenden Linsen, vorgesehen sein.

Bei Refelxionssystemen kann die Oberflächenveredelung vorteilhafterweise auf den optischen Grenzflächen der Retroreflektoren vorgesehen sein.

Zur Oberflächenveredelung können die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, Methoden und Techniken, wie sie aus anderen Fachgebieten, z.B. zur Veredelung bzw. Beschichtung von Fassaden, Duschabtrennungen, Glasmöbeln, Solarpanels, etc. bekannt sind, eingesetzt werden. Insbesondere ist eine Oberflächenveredelung bevorzugt, bei der die Rautiefe der optischen Grenzfläche veringert wird, was die Adhäsionskraft der Fremdpartikel an der Oberfläche verringert.

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Claims

1. Optoelektronischer Sensor mit wenigstens einem Lichtsender zum Aussenden einer optischen Strahlung am Beginn eines zu überwachenden Überwachungsbereiches, in welchem ggf. wenigstens eine Umlenkeinheit zur Strahlrichtungsänderung vorhanden ist und mindestens einem Lichtempfänger zum Empfang der optischen Strahlung am Ende des Bereiches, wobei ein von dem Lichtempfänger in Abhängigkeit von der Intensität des empfangenen Lichtes erzeugtes elektrisches Signal einer Auswerteschaltung zuführbar ist, mit wenigstens einer optischen Grenzfläche die einer Verschmutzung durch Fremdpartikel ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Grenzfläche mit einer derartigen Oberflächenveredelung versehen sind, dass Fremdpartikel weniger daran haften.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenveredelung auf der optischen Grenzfläche der Umlenkeinheit vorgesehen ist.

3. Optoelektronische Sensoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Reflexionssystemen notwendigen optischen Grenzflächen von Retroreflektoren mit der Oberflächenveredelung versehen sind.

4. Optoelektronische Sensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Oberflächenveredelung der optischen Grenzfläche eine geringere Rautiefe vorhanden ist.