DE4304343A1 - Aus einem Lichtsender mit Sendeoptik und einem Lichtempfänger mit Empfangsoptik bestehende lichtelektrische Einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Sende- und Empfangsoptiken bekannter derartiger Einrichtungen (Einweg- Lichtschranken, Reflexionslichtschranken, Lichttaster, Entfernungsmeßeinrich­ tungen etc.) sind als refraktive Optiken ausgebildet.

Abgesehen vom Volumen und Gewicht solcher Optiken lassen deren Abbil­ dungseigenschaften unter der Voraussetzung eines vertretbaren Realisierungsauf­ wands häufig zu wünschen übrig.

Im Aufsatz "Binäre Optik" von W.B. Veldkamp und Thomas J. Mc Hugh, Spec­ trum der Wissenschaft, Juli 1992, Seiten 44-50, sind optische Elemente mit völlig neuen Abbildungseigenschaften beschrieben, die, nicht wie Linsen und Spiegel, Licht brechen oder reflektieren, sondern beugen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Baugröße von lichtelektrischen Einrichtungen der gattungsgemäßen Art durch die Verwen­ dung kleinvolumiger Fokussierungselemente mit optimalen Fokussiereigenschaf­ ten zu reduzieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert, die als Ausführungsbeispiel einen Reflexions-Lichttaster schematisch veranschaulicht.

Es zeigt

Fig. 1 die Frontansicht eines mit einer binären bzw. diffraktiven Optik (Beugungslinse) ausgerüsteten Lichttasters,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Lichttasters gemäß Fig. 1, teilweise im Schnitt,

Fig. 3 eine Teil-Seitenansicht eines mit einer kombinierten re­ fraktiven und diffraktiven Optik ausgestatteten Licht­ tasters,

Fig. 4 eine Ansicht gemäß Fig. 2, wobei die Empfangsoptik durch einen als diffraktive Optik (Beugungslinse) ausge­ bildeten Umlenk- und Fokussierungsspiegel verkörpert ist,

Fig. 5 eine Ansicht des mit jeweils einer Beugungslinse kom­ binierten Lichtsenders und Lichtempfängers eines Licht­ tasters.

In den Fig. 1 bis 3 ist mit 10 das Gehäuse eines Reflexions-Lichttasters be­ zeichnet, in dem ein kohärentes Licht abstrahlenden Lichtsender 11, eine dif­ fraktive Sendeoptik (Beugungslinse) 12, eine diffraktive Empfangsoptik 13 und ein Lichtempfänger 14 mit einer diesem nachgeschalteten, nicht dargestellten Auswerteschaltungsanordnung untergebracht sind. Im Bedarfsfall kann auch nur dem Lichtsender 11 oder dem Lichtempfänger 14 eine diffraktive Optik zuge­ ordnet sein. Erforderlichenfalls können die binären Sendeoptiken 12, 13 durch ein dünnes, auswechselbares Schutzfenster 15, 16 aus geeignetem Material ab­ gedeckt sein.

Die geometrische Beugungsstruktur 17 der diffraktiven bzw. binären Optiken 12 und 13 wird jeweils entsprechend dem speziellen Anwendungsfall berechnet und auf ein geeignetes dünnes optisches Trägermaterial 18, z. B. auf ein Glasplätt­ chen, aufgebracht. Dies kann durch Ätzen, Bedampfen durch holographische Methoden oder durch Warmprägen von Reliefstrukturen geschehen.

Falls es zur Kompensation von durch Sendelicht verschiedener Wellenlänge verursachten Aberrationen erforderlich ist, kann, wie an sich bekannt, die Sen­ de- und/oder Empfangsoptik 12 bzw. 13 auch mit einer refraktiven Linse 19 bzw. 20 kombiniert werden (siehe hierzu Fig. 3).

Als Lichtquelle bzw. Lichtsender können Laserdioden oder herkömmliche Laser verwendet werden, beispielsweise CO₂- und He-Ne-Laser.

Durch Stabilisierung der Wellenlänge, Leistung und Temperatur der Laser- Lichtquelle lassen sich konstante spektrale Eigenschaften erzielen. Die dadurch bedingte Schmalbandigkeit ermöglicht wiederum einen störungsfreien Parallel­ einsatz mehrerer mit verschiedener Laserstrahl-Wellenlänge arbeitender und mit entsprechend angepaßten diffraktiven Optiken (Beugungslinsen) ausgestatteter Geräte.

Zur Erzielung einer vergleichsweise besseren Winkelauflösung und größerer Brennweiten wird in Weiterbildung der Erfindung die Empfangsoptik als das Empfangsstrahlenbündel auf den Lichtempfänger umlenkender und fokussieren­ der diffraktiver Spiegel ausgebildet. In Fig. 4 ist ein solcher Spiegel mit 21 und der zugehörige Lichtempfänger mit 14′ bezeichnet.

Eine besonders kompakte Bauweise lichtelektrischer Einrichtungen der gattungs­ gemäßen Art läßt sich erzielen, wenn die Laser-Sendediode unmittelbar mit einer diffraktiven Optik kombiniert wird, desgleichen der Lichtempfänger.

Fig. 5 zeigt eine derartige Ausgestaltung eines Lichttasters. Der Lichtsender 11 und der Lichtempfänger 14 sind hierbei jeweils mit einer Beugungslinse 22, 23 kombiniert. Gegebenenfalls kann auch nur die Optik des Lichtsenders oder die­ jenige des Lichtempfängers durch eine Beugungslinse verkörpert sein.

Die Funktionsweise der Einrichtung nach den Fig. 1 bis 3 ist folgende: Der im Ausführungsbeispiel als Laserdiode ausgebildete Lichtsender 11 strahlt kohärentes Licht ab. Das Sendelichtstrahlenbündel 24 wird von der diffraktiven Optik 12 (binäre Optik, lichtbeugende Linse) auf einen im Abstand a vom Reflexlichttaster befindlichen Gegenstand 25 fokussiert. Ein Anteil 24′ des Sen­ delichtstrahlenbündels wird auf die diffraktive Optik 13 zurückreflektiert und gelangt von dieser fokussiert auf den Lichtempfänger 14. In einer dem Licht- Empfänger 14 nachgeschalteten nicht dargestellten Auswerteeinheit wird das Empfangssignal bewertet.

Es ist ersichtlich, daß durch den Verzicht auf refraktive Optiken eine bedeutend raumsparendere Bauweise von Lichtschranken und dergleichen lichtelektrischen Abtasteinrichtungen ermöglicht wird.

Werden in bestimmten Anwendungsfällen kombinierte Anordnungen aus refrak­ tiven und diffraktiven Linsen erforderlich (siehe Fig. 3), so ergibt sich im Ver­ gleich mit für derartige Anwendungsfälle sonst notwendigen Kombinationen aus refraktiven Linsen ein beträchtlich geringerer Raumbedarf und Kostenaufwand.

Kohärentes Licht kann gegebenenfalls auch mittels Interferenzfilter oder durch geeignete Spiegelanordnungen bei Verwendung nicht kohärentes Licht aussen­ dender Lichtquellen erzeugt werden.

Teilkohärentes Licht kann beispielsweise mit einer spektral begrenzten Leucht­ diode (z. B. GAS-Diode) erzeugt werden.

Die durch die Erfindung erzielbare Baugrößenreduzierung lichtelektrischer Ein­ richtungen bezogen auf den bisher für den sende- und empfangsseitigen Ge­ samtfokussierungsaufwand erforderlichen Platzbedarf liegt in der Größenord­ nung von 100 bis 200%.

Claims (9)

1. Aus einem Lichtsender mit Sendeoptik und einem Lichtempfänger mit Emp­ fangsoptik und diesem nachgeschalteter Auswerteanordnung bestehende Ein­ richtung zum Erfassen von in den Lichtstrahlengang gelangenden Objekten und Konfigurationen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (11) ko­ härentes oder teilkohärentes Licht abstrahlt und die Sende- und/oder Emp­ fangsoptik mindestens teilweise durch eine diffraktive Optik (12, 13) verkör­ pert sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und/oder Empfangsoptik aus der Kombination einer diffraktiven Optik (12, 13) mit einer refraktiven Optik (19, 20) gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beu­ gungsstruktur der Elemente der diffraktiven Optik (12, 13) für den jeweili­ gen Anwendungsfall berechnet und die Oberfläche eines optischen Träger­ materials (18) mit der berechneten Struktur versehen wird.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die jeweilige Beugungsstruktur in die Oberfläche des Träger­ materials (18) durch Ätzen, Bedampfen oder durch Holografie eingebracht ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Lichtsender eine Laserlichtquelle verwendet wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Laserdiode als Lichtsender.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laser-Lichtquelle hinsichtlich ihrer Leistung, Temperatur und Wellenlänge stabilisiert ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtsender (11) und/oder der Lichtempfänger (14) mit einer diffraktiven Optik (21, 22) versehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsop­ tik durch einen das Empfangsstrahlenbündel auf den Lichtempfänger (14) umlenkenden und fokussierenden diffraktiven Spiegel (21) gebildet ist.