Lichtelektrische Einrichtung
Für Überwachungs-, Kontroll- und Zählaufgaben sind seit längerer Zeit lichtelektrische Einrichtungen bekannt. Meistens arbeiten sie als sogenannte Lichtschranken, bei denen im allgemeinen ein Lichtstrahl von einem Sender ausgehend auf einen Empfänger trifft, wobei der Lichtstrahl den zu überwachenden Raum durchdringt. Wird der Lichtstrahl z. B. bei Zählaufgaben durch einen Gegenstand unterbrochen, so wird im Empfänger, in welchem sich in der Regel ein lichtempfindliches Element (Photoelement, Photowiderstand oder dergleichen) befindet, ein elektrisches Signal ausgelöst, welches zu Steuerfunktionen weiterverwendet werden kann.
Bei den konventionellen Lichtschranken, wie sie in der Industrie häufig Verwendung finden, sind Lichtsender und -empfänger einander meistens gegen über angeordnet, wobei mit Hilfe von bekannten optischen Systemen der Lichtstrahl auf bekannte Art und Weise gebündelt und gerichtet wird. Dieses System hat den Nachteil, dass Lichtsender und empfänger genau aufeinander ausgerichtet werden müssen.
Um auch bei rauhem Betrieb die nötige genaue Justierung zu gewährleisten, sind hierzu sehr stabile und daher kostspielige Konstruktionen erforderlich. Als weiterer Nachteil, insbesondere bei verhältnismässig langen Lichtschranken, kommt hinzu, dass die elektrischen Verbindungen wegen des meist sehr kleinen Signals vom Photoelement äusserst vorsichtig verlegt werden müssen, um zu verhindern, dass eingestreute Brummspannungen Fehlschaltungen verursachen.
Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Lichtschranke angeordnet sind. Hierbei wird der Lichtstrahl auf der Gegenseite mit einem oder mehreren Spiegeln derart umgelenkt, dass der reflektierte Lichtstrahl auf das lichtempfindliche Element gelangt. Diese Systeme sind aber gegenüber Justierfehlern noch anfälliger, weil schon sehr kleine Winkelfehler in der Spiegelstellung den Lichtstrahl am Empfänger vorbei gehen lassen.
Um diese Nachteile, insbesondere die Justierempfindlichkeit, zu beseitigen, wurden Einrichtungen gebaut, bei denen Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Lichtschranke angebracht wurden, auf der gegenüberliegenden Seite aber anstelle eines gewöhnlichen Spiegels ein Reflektor, welcher den Lichtstrahl nach dem Autokollimationsprinzip in sich selber zurückwirft. Übliche Reflektoren, die diese an sich bekannte Eigenschaft aufweisen, sind z. B.
Tripelspiegel, asphärische Linsen, Kugellinsen mit verspiegelter Rückfläche usw.
Werden mehrere solche Elemente zu einem System vereinigt, so erhält man die in der Technik unter dem Namen Katzenauge bekannten Reflektoren. Alle diese Reflektoren reflektieren aber einen Lichtstrahl nicht ideal in sich selbst zurück, sondern weisen je nach angewandtem Prinzip eine mehr oder weniger grosse Streuung auf. Es sind Reflektoren bekannt, deren Divergenzwinkel zwischen eintretendem und austretendem Lichtstrahl nur wenige Grade ausmachen, und solche mit Streuwinkeln bis gegen 30".
Um bei diesem System den ausgesandten vom reflektierten Lichtstrahl trennen zu können (denn sie haben ihre Hauptachse infolge des Autokollimationsprinzips gemeinsam), werden Lichtteiler angewendet, welche in der Regel aus halb- bzw. teildurchlässigen Spiegeln bestehen. Dieses in der Optik bekannte Prinzip wird dadurch realisiert, dass auf einer Glasplatte eine Metallschicht so dünn aufgedampft wird, dass sie teilweise noch lichtdurchlässig ist, den Rest des auftreffenden Lichtes aber spiegelt. Die Durchlässigkeit dieser Metallschicht ist aber vom Spektrum abhängig. Da aber auch die lichtempfindlichen
Elemente meistens sehr spektralempfindlich sind, kann der Fall eintreffen, dass am Lichtteiler ausgerechnet jene Banden verlorengehen, für welche das Photoelement am empfindlichsten ist.
Ein weitere Möglichkeit zur Herstellung von teildurchlässigen Spiegeln bieten die Rasterspiegel. Bei diesen Spiegeln ist gemäss einem Rastermuster nur ein Teil der Plattenoberfläche verspiegelt und die Zwischenräume sind frei durchlässig.
Weitere in der Optik bekannte Methoden zum Trennen von zwei Lichtbündeln findet man in der Anwendung von Polarisationsspiegeln in Verbindung mit sogenannten i, 14-Plättchen sowie beides in Kombination mit teildurchlässigen Spiegeln.
Alle diese Lichtteilersysteme sind aber relativ teuer in der Herstellung und bedingen zudem eine mehr oder weniger komplizierte und vor allem präzise mechanische Halterung. Der grosse Vorteil dieses Systems gegenüber dem Ersterwähnten besteht darin, dass es gegenüber Justierfehlern praktisch unempfindlich ist. Hingegen erfordert es einen erheblichen Aufwand an optischen Mitteln und präziser mechanischer Arbeit.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtelektrische Einrichtung mit einer Lichtquelle, einem lichtempfindlichen Element und einem Reflektor, gekennzeichnet durch Mittel zum Ausblenden eines die optische Achse umgebenden Teils des Querschnittes des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels, wobei der Reflektor mindestens zeitweise mindestens einen Teil des nicht ausgeblendeten Lichtes nach der ausgeblendeten Zone zurückwirft und wobei das lichtempfindliche Element im Strahlengang des genannten zurückgeworfenen Lichtes angeordnet ist.
Halb- bzw. teildurchlässige Spiegel, Polarisationsspiegel oder dergleichen, wie sie sonst auf bekannte Art als Lichtteiler angewendet werden, fallen somit vollständig dahin. Das ermöglicht nicht nur eine wesentliche Vereinfachung des optischen Systems, sondern auch eine bedeutende Vereinfachung im mechanischen Aufbau der Einrichtung.
Es wird also ein Teil, z. B. die Hälfte, des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels zwischen der Lichtquelle und dem zu dessen Bündelung und Richtung nötigen optischen System (Linsen oder dergleichen) derart ausgeblendet, dass nur ein anderer Teil des Lichtes, z. B. in Form eines Ringstrahlenbündels, die äussere Zone des optischen Systems passiert und dann auf den Reflektor trifft. Der Reflektor ist derart angeordnet, dass er mindestens einen Teil des auf ihn treffenden Lichtes in die ausgeblendete Zone, z. B. innere Kreiszone, des optischen Systems zurückreflektiert, wodurch das reflektierte Strahlenbündel auf die Abblendmittel, vorzugsweise eine Blende, gerichtet wird. Auf der Blende selber kann ein Spiegel derart angeordnet sein, dass er das reflektierte Licht auf ein lichtempfindliches Element (z.
B. ein lichtempfindliches Halbleiterelement, eine Photodiode, einen Photowiderstand oder dergleichen), welches sich ausserhalb der optischen Hauptachse des Systems befindet, ablenkt.
Das lichtempfindliche Element kann sich aber auch selber direkt derart auf der Blende befinden, dass der reflektierte Lichtstrahl unmittelbar darauf fällt. Wird das optische System so ausgebildet, dass z. B. die innere Kreiszone eine kürzere Brennweite hat als die äussere Ringzone, so kann der reflektierte Lichtstrahl derart fokussiert werden, dass auf dem Photoelement ein relativ kleiner Lichtfleck (Abbildung der durch den Reflektor gebildeten sekundären Lichtquelle) entsteht. Man hat es dadurch in der Hand, je nach dem verwendeten Photoelement eine relativ grosse Elementfläche homogen auszuleuchten oder eine kleine Fläche relativ hoher Leuchtdichte zu bilden.
Der Reflektor kann aus einem einzelnen gewöhnlichen Spiegel oder aus mehreren, zu einem System zusammengefassten Spiegeln, aus einer gut reflektierenden, jedoch diffus streuenden, vorzugsweise ebenen Fläche oder einem Rückstrahler bestehen.
Bedingung ist, dass mindestens ein Teil des auf den Reflektor auftreffenden Lichtes in die ausgeblendete Zone zurückreflektiert wird. Unter einem Rückstrah ler ist ein einzelner Tripelspiegel, eine einzelne asphärische Linse oder Kugellinse mit verspiegelter Rückseite oder dergleichen zu verstehen. Sind mehrere solche Elemente zu einem System zusammengefügt, so bilden sie zusammen einen Rückstrahler, welcher in der Technik unter dem Namen Katzenauge bekannt ist. Alle diese Rückstrahler haben die bekannte Eigenschaft, dass sie einen Lichtstrahl weitgehend unabhängig von seinem Auftreffwinkel mit relativ geringer Streuung in sich selbst zurückreflektieren, nach dem Prinzip der sogenannten Autokollimation.
Vorzugsweise werden als Reflektoren Rückstrahler angewendet, da infolge des kleinen Streuwinkels zwischen eintreffendem und reflektiertem Strahl ein Maximum von Licht in die ausgeblendete Zone und damit auf das Photoelement gelangt. Es reicht für die hier vorzunehmenden Betrachtungen aus, den Reflektor bezüglich des reflektierten Lichtbündels als neue Lichtquelle zu betrachten, er kann auch vor oder hinter der eigentlichen Bildebene des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlenbündels angeordnet sein.
Ist der Reflektor fest angeordnet, so hat das reflektierte Strahlenbündel gleich dem von der Lichtquelle ausgehenden kontinuierliche Intensität. Ein Steuersignal kann z. B. dadurch erzeugt werden, dass eine ganze oder teilweise Unterbrechung des Lichtstrahles am Photoelement z. B. einen negativen Stromimpuls erzeugt, welcher in geeigneten elektronischen Apparaten auf bekannte Art und Weise zu Schaltoder Steuerfunktionen benutzt werden kann.
Der Reflektor kann auch beweglich angeordnet sein. Im Ruhezustand sei er z. B. ausserhalb des von der Lichtquelle kommenden Strahlenbündels, d. h. es werde kein Licht reflektiert. Passiert er im Laufe seiner Bewegung den Lichtstrahl, so wird mindestens kurzzeitig mindestens ein Teil des Lichtstrahles in die ausgeblendete Zone reflektiert, was z. B. auf dem Photoelement einen positiven Stromimpuls zur Folge haben kann, welcher, wie bereits erwähnt, weiter verwendet werden kann.
Lichtelektrische Einrichtungen dieser Art können zu Überwachungs-, Kontroll-, Zähl-, Steuer- und Schaltfunktionen verwendet werden.
In den Figuren ist der Strahlengang für einige, nachfolgend als Ausführungsbeispiele der Erfindung zu beschreibende lichtelektrische Einrichtungen schematisch dargestellt. Gleiche Teile sind in allen Figuren gleich bezeichnet.
In Fig. 1 wird das von der Lichtquelle 1 ausgehende Strahlenbündel 6 von einer Blende 2 in zwei Zonen mit den Grenzstrahlen 6' und 6" aufgeteilt.
Das Lichtbündel innerhalb der Grenzstrahlen 6" wird teils absorbiert, teils reflektiert und geht für die Nutzung verloren. Der Rest, bei einem Flächenverhältnis der Zone von 1:1 die Hälfte, passiert das optische System 3 (z. B. Sammellinsen oder derglei chen) und gelangt auf den Reflektor 4. Um das ganze System gegen Justierfehler unempfindlich zu machen und ein Optimum an Nutzeffekt zu erreichen, wird der Reflektor 4 vorzugsweise als Rückstrahler ausgebildet.
Dabei kann der Reflektor, wie dargestellt, in der Bildebene des Strahlenbündels 6 oder aber auch weiter vorn oder weiter hinten angeordnet sein. Für das reflektierte Strahlenbündel 7 kann die Abbildung auf dem Reflektor 4 als neue Lichtquelle betrachtet werden. Zufolge der eingangs erwähnten Streuungen am Reflektor 4 gelangt ein Teil (z. B. die Hälfte) des reflektierten Strahlenbündels in die genannte ausgeblendete Zone 5 des optischen Systems 3 und damit auf den an der Blende 2 angebrachten schrägen Spiegel 8. Der Spiegel 8 lenkt das reflektierte Strahlenbündel 7 innerhalb der ausblendeten Zone 5 derart ab, dass es auf das ausserhalb der optischen Hauptachse angeordnete lichtempfindliche Element 9 fällt.
Aus technischen Gründen kann es erwünscht sein, dass der Lichtweg zwischen dem optischen System 3 und der Photozelle 9 verkürzt wird. Die Abbildungsverhältnisse im reflektierten Strahlengang können dabei derart verändert werden, dass auf dem lichtempfindlichen Element ein relativ grosses Bild erzeugt wird, wodurch eine homogene Ausleuchtung der ganzen lichtempfindlichen Fläche erreicht wird, oder es kann eine ganz kleine Abbildung relativ hoher Leuchtdichte erzeugt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwischen Spiegel 8 und Photozelle bzw. Photoelement 9 ein zusätzliches optisches System 11 eingefügt ist (Fig. 2).
Fig. 3 zeigt eine Anordnung, wie sie mit den neuzeitlichen, sehr klein dimensionierten lichtempfindlichen Elementen möglich ist. Das Photoelement 9 ist dabei ohne Zwischenschaltung eines Spiegels direkt in der ausgeblendeten Zone 5, d. h. im Strahlengang der reflektierten Strahlen 7, angeordnet. Die Blende 2 ist dabei als Träger für das Photoelement 9 ausgebildet, wodurch sich ein separater Träger für dieses erübrigt.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung analog zu Fig. 3.
Zwecks schärferer Fokussierung bzw. zur Erreichung einer kleineren Abbildung auf der Photozelle 9 ist das optische System 3 derart in zwei den Lichtbündeln entsprechende Zonen aufgeteilt, dass z. B. die innere, dem reflektierten Strahlenbündel 7 zugeordnete Kreiszone 5 eine kürzere Brennweite aufweist als die äussere Zone. Das kann z. B. mit Sammellinsen dadurch erreicht werden, dass eine weitere Linse 10 mit entsprechendem Durchmesser und entsprechender Brennweite derart angeordnet ist, dass sie zusammen mit der Linse 3 ein optisches Systems mit den gewünschten Brennweiten ergibt. Optische Systeme solcher Art können nach den bekannten Formeln berechnet und konstruiert werden.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen weitere Möglichkeiten der konstruktiven Gestaltung des optischen Systems 3, 10, welches dasjenige nach Fig. 4 ersetzen könnte. Bei der Variante nach Fig. 5 ist in eine zentrale Bohrung 3a der Linse 3 eine kleinere, im Durchmesser der ausgeblendeten Zone 5 entsprechende Linse 10 von kürzerer Brennweite koaxial eingesetzt, währenddem gemäss Fig. 6 eine solche Linse 10 der Linse bzw. dem System 3 einfach vorangestellt ist. Die Wirkungsweise dieser Linsensysteme entspricht derjenigen in Fig. 4.