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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
optische Sensoren können
insbesondere als Reflexionslichtschranken ausgebildet sein. Derartige
optische Sensoren weisen einen Sendelichtstrahlen emittierenden
Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine
Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals
auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Zudem
ist ein den Überwachungsbereich
begrenzender Reflektor vorgesehen. Bei freiem Überwachungsbereich werden die
Sendelichtstrahlen auf den Reflektor geführt und von dort aus als Empfangslichtstrahlen
zum Empfänger
zurückreflektiert.
Bei Eintritt eines Objekts in den Überwachungsbereich werden die
Sendelichtstrahlen vom Objekt zum Empfänger zurückreflektiert. In der Auswerteeinheit
werden die Empfangssignale am Ausgang des Empfängers mit einem Schwellwert bewertet,
wodurch ein binäres
Objektfeststellungssignal generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob
sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht.
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Zur
Erhöhung
der Nachweisempfindlichkeit werden die Sendelichtstrahlen mit einem
Polarisationsfilter in einer zugegebenen Polarisationsrichtung polarisiert.
Empfangsseitig ist ein weiterer Polarisationsfilter als Analysator
vorgesehen, mittels dessen nur Empfangslichtstrahlen in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung
auf den Empfänger
geführt werden.
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Bei
bekannten optischen Sensoren dieser Art sind zwei unterschiedliche
Optikbauformen gebräuchlich,
sogenannte zweilinsige Geräte
und einlinsige Geräte.
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Bei
zweilinsigen optischen Sensoren sind dem Sender und dem Empfänger jeweils
eine separate Sendeoptik und Empfangsoptik zugeordnet. Die Sendeoptik
und Empfangsoptik liegen innerhalb des Gehäuses in Abstand nebeneinander.
Vorteilhaft bei diesem Aufbau ist, dass der Sender und der Empfänger auf
einer gemeinsamen Leiterplatte platziert werden können.
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Zur
Polarisation der Sendelichtstrahlen ist der Sendeoptik ein erster
Polarisationsfilter nachgeordnet. Weiterhin ist im Strahlengang
der Empfangslichtstrahlen der Empfangsoptik als Analysator ein zweiter
Polarisationsfilter unmittelbar vorgeordnet. Da der Sendeoptik die
Mittel zur Polarisation der Sendelichtstrahlen nachgeordnet sind,
kann diese von einer kostengünstigen
Kunststoff Linse gebildet sein. Ebenso kann die dem zweiten Polarisationsfilter nachgeordnete
Empfangsoptik aus einer kostengünstigen
Kunststoff Linse bestehen, da deren depolarisierende Eigenschaften
das Detektionsverhalten des optischen Sensors nicht negativ beeinflusst.
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Nachteilig
bei derartigen zweilinsigen optischen Sensoren ist jedoch, dass
durch den Abstand der Sendeoptik zur Empfangsoptik und den dadurch bedingten
Versatz deren optischen Achsen eine Detektionseinheit im Nahbereich
reduziert ist, da die Sendelichtstrahlen von einem Reflektor unmittelbar vor
dem Gehäuse
des optischen Sensors nicht zum Empfänger zurückreflektiert werden, so dass
ein von einem Reflektor gebildetes Objekt nicht mehr erfasst werden
kann.
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Optische
Sensoren der eingangs genannten Art, insbesondere Reflexionslichtschranken
mit verbessertem Detektionsverhalten im Nahbereich sind typischerweise
als einlinsige Geräte
ausgebildet. In diesem Fall ist im Gehäuse des optischen Sensors nur
eine Linse als kombinierte Sende- und Empfangsoptik vorgesehen, über welche
die koaxial im Überwachungsbereich
verlaufenden Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen geführt sind. Durch
den koaxialen Strahlverlauf der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen
können
auch Objekte im unmittelbaren Nahbereich sicher erfasst werden.
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Zur
Erzielung des koaxialen Strahlverlaufs der Sendelichtstrahlen und
Empfangslichtstrahlen ist im Gehäuse
ein Strahlteiler vorgesehen. Der Sender ist vor dem Strahlteiler
angeordnet, so dass die von diesem emittierten Sendelichtstrahlen
am Strahlteiler reflektiert und von dort zur Sende- und Empfangsoptik
reflektiert und über
diese in den Überwachungsbereich
geführt
werden. Der Empfänger
ist hinter dem Strahlteiler angeordnet, so dass die aus dem Überwachungsbereich
zurückreflektierten
und über
die Sende- und Empfangsoptik geführten
Empfangslichtstrahlen den Strahlteiler durchsetzen und auf den Empfänger geführt werden.
Auch eine umgekehrte Anordnung dieser Komponenten relativ zum Strahlteiler
ist möglich.
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Nachteilig
hierbei ist, dass bedingt durch den Strahlteiler der Sender und
Empfänger
in verschiedenen Ebenen liegen und damit nicht mehr auf einer gemeinsamen
Leiterplatte angeordnet werden können.
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Ein
weiterer wesentlicher Nachteil besteht bei mit polarisierendem Licht
arbeitenden optischen Sensoren, insbesondere Reflexionslichtschranken, darin,
dass durch die gemeinsame Führung
von Sendelichtstrahlen über
den Strahlteiler und die Sende- und Empfangsoptik die Mittel zur
Polarisation der Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen unmittelbar
vor dem Sender und Empfänger
angeordnet sein müssen,
da nur auf diese Weise eine separate und unabhängige Polarisation der Sendelichtstrahlen einerseits
und Empfangslichtstrahlen andererseits durchführbar ist.
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Da
die Sendelichtstrahlen durch einen dem Sender unmittelbar nachgeordneten
Polarisationsfilter polarisiert werden und die dadurch erzielte
Polarisationsrichtung der Sendelichtstrahlen bei Passieren des Überwachungsbereichs
erhalten bleiben muss, dürfen
die nachgeordneten Optikkomponenten, insbesondere die Sende- und
Empfangsoptik, nicht zu einer Depolarisation der Sendelichtstrahlen
führen. Daher
kann in diesem Fall die Sende- und Empfangsoptik nicht von einer
kostengünstigen
Kunststoff Linse gebildet sein. Vielmehr muss als Sende- und Empfangsoptik
eine spannungsarme Glaslinse eingesetzt werden, die zu einer unerwünschten
Erhöhung
der Herstellkosten des optischen Sensors führt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der
eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher bei möglichst
geringen Herstellkosten gute optische Eigenschaften aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
und umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, welchem
eine Sendeoptik zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen nachgeordnet ist.
Weiterhin umfasst der optische Sensor einen Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger, welchem
eine Empfangsoptik zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen vorgeordnet
ist sowie eine Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals
in Abhängigkeit
der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers. Der Sendeoptik sind
Umlenkmittel nachgeordnet, mittels derer wenigstens ein vorgegebener
Teil der Sendelichtstralen umgelenkt wird, so dass dieser Teil im
Sichtfeld der Empfangsoptik verlaufend in den Überwachungsbereich geführt ist.
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Durch
die Einkopplung eines Teils der Sendelichtstrahlen in den Bereich
vor die Empfangsoptik wird trotz des zweilinsigen Aufbaus des optischen Sensors
eine hohe Detektionssicherheit im Nahbereich erzielt. Die hierfür vorgesehenen
Umlenkmittel können
mit einem geringen konstruktiven Aufwand platzsparend im Gehäuse des
optischen Sensors integriert werden.
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Damit
werden bei geringen Herstellkosten die optischen Eigenschaften des
optischen Sensors gegenüber
herkömmlichen
optischen Sensoren erheblich verbessert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die dem Sender
zugeordnete Sendeoptik und die dem Empfänger zugeordnete Empfangsoptik
mit vorzugsweise parallel verlaufenden optischen Achsen nebeneinander
liegend angeordnet, so dass der Sender und Empfänger auf einer Leiterplatte
angeordnet werden können.
Dies führt
zu einer Reduzierung der elektronischen Komponenten des optischen
Sensors und damit zu einer weiteren Senkung der Herstellkosten.
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Besonders
vorteilhaft ist der optische Sensor von einer Reflexionslichtschranke
gebildet, bei welcher zur Erhöhung
der Detektionssicherheit mit polarisiertem Licht gearbeitet wird.
Aufgrund des zweilinsigen Aufbaus kann hierzu im Strahlengang der
Sendelichtstrahlen der Sendeoptik ein erster Polarisationsfilter
nachgeordnet und der Empfangsoptik im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen
ein zweiter Polarisationsfilter als Analysator unmittelbar vorgeordnet
sein. Aufgrund dieses Aufbaus können
die Sendeoptik und die Empfangsoptik jeweils von einer kostengünstigen
Kunststoff Linse gebildet sein, da deren depolarisierende Eigenschaften
das Detektionsvermögen
des optischen Sensors nicht negativ beeinflussen. Dies führt zu einer
weiteren Reduzierung der Herstellkosten des optischen Sensors.
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Die
Umlenkmittel zur Einkoppelung wenigstens eines Teils der Sendelichtstrahlen
in das Sichtfeld der Empfangsoptik bestehen im Wesentlichen aus
einem Strahlteiler, der kostengünstig
herstellbar und platzsparend im Innenraum des Gehäuses des optischen
Sensors angeordnet werden kann.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Erstes Ausführungsbeispiel
eines optischen Sensors.
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2:
Zweites Ausführungsbeispiel
eines optischen Sensors.
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3:
Drittes Ausführungsbeispiel
eines optischen Sensors.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
als Reflexionslichtschranke ausgebildeten optischen Sensors 1.
Die optischen und elektronischen Bauelemente sind in einem Gehäuse 2 integriert, welches
an einem Rand des Überwachungsbereichs angeordnet
ist. Am gegenüberliegenden
Rand des Überwachungsbereichs
befindet sich ein Reflektor 3, der Bestandteil der Reflexionslichtschranke
ist.
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Der
optische Sensor 1 weist einen Sendelichtstrahlen 4 emittierenden
Sender 5 und einen Empfangslichtstrahlen 6 empfangenden
Empfänger 7 auf.
Der Sender 5 besteht aus einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode.
Der Empfänger 7 besteht
aus einer Photodiode oder dergleichen. Zur Kollimierung der Sendelichtstrahlen 4 ist
dem Sender 5 eine Sendeoptik 8 in Form einer ersten
Linse nachgeordnet. Zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 6 auf den
Empfänger 7 ist
diesem eine Empfangsoptik 9 zugeordnet, die von einer zweiten
Linse gebildet ist.
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Zur
Polarisierung der Sendelichtstrahlen 4 ist der Sendeoptik 8 ein
erster Polarisationsfilter 10 im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 4 unmittelbar vorgeordnet.
Im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen 6 ist den Empfangslichtstrahlen 6 ein
zweiter Polarisationsfilter 11 unmittelbar vorgeordnet.
Da der erste Polarisationsfilter 11 der Sendeoptik 8 im
Strahlengang der Sendelichtstrahlen 4 nachgeordnet ist, kann
die Sendeoptik 8 von einer kostengünstigen Kunststoff Linse gebildet
sein. Die depolarisierende Wirkung der so ausgebildeten Sendeoptik 8 beeinflusst
das Detektionsvermögen
des optischen Sensors 1 nicht nachteilig, da die Sendelichtstrahlen 4 erst
nach Durchgang durch die Sendeoptik 8 mittels des Polarisationsfilters 10 polarisiert
werden. Ebenso kann die Empfangsoptik 9 von einer kostengünstigen Kunststoff-Linse
gebildet sein, da durch den vorgeordneten Polarisationsfilter 10 die
Empfangslichtstrahlen 6 bereits in der gewünschten
Polarisationsrichtung polarisiert werden, bevor diese auf die Empfangsoptik 9 treffen,
welche dann die Empfangslichtstrahlen 6 auf den Empfänger 7 führt. Die
dabei bewirkte teilweise Depolarisierung der Empfangslichtstrahlen 6 beeinflusst
die Objektdetektion nicht mehr.
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Die
sende- und empfangsseitigen Optikbauelemente sind durch einen lichtundurchlässigen Steg 12 optisch
getrennt. Alternativ können
die sende- und empfangsseitigen Optikbauelemente in separaten Tuben
integriert sein.
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Die
Sendelichtstrahlen 4 und Empfangslichtstrahlen 6 sind
durch ein Austrittsfenster 13 in der dem Überwachungsbereich
zugewandten Frontseite des Gehäuses 2 geführt. Bei
freiem Überwachungsbereich
treffen die Sendelichtstrahlen 4 auf den Reflektor 3 und
werden von dort als Empfangslichtstrahlen 6 zum Empfänger 7 zurückreflektiert.
Befindet sich ein Objekt im Überwachungsbereich,
werden die Sendelichtstrahlen 4 von diesem zum Empfänger 7 zurückreflektiert.
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In
Abhängigkeit
der hierbei am Ausgang des Empfängers 7 registrierten
Empfangssignale wird in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit
ein binäres Objektfeststellungssignal
generiert, dessen Schaltzustände
angeben, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht. Die Auswerteeinheit ist von einem Mikrocontroller
oder dergleichen gebildet und auf einer ebenfalls nicht dargestellten Leiterplatte
angeordnet. Da der Sender 5 und Empfänger 7 bei der Ausführungsform
des optischen Sensor 1 gemäß 1 nebeneinanderliegend
angeordnet sind, können
diese auf einer gemeinsamen Leiterplatte, auf welcher bevorzugt
die Auswerteeinheit angeordnet ist, platziert werden.
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Zur
Erhöhung
der Nachweisempfindlichkeit bei der Detektion von Objekten im Nahbereich,
insbesondere für
die Detektion von Reflektoren in geringem Abstand zum Gehäuse 2 des
optischen Sensors 1, sind Umlenkmittel vorgesehen, mittels
derer ein Teil der Sendelichtstrahlen 4 so umgelenkt wird,
dass dieser im Sichtfeld der Empfangsoptik 9 verläuft.
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Im
vorliegenden Fall bestehen die Umlenkmittel aus einem Strahlteiler 14 und
einem Umlenkspiegel 15. Der Strahlteiler 14 kann
eine dielektrische, metallische Beschichtung oder dergleichen aufweisen,
die über
der Strahlteilerfläche
homogen oder inhomogen ausgebildet sein kann.
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Die
so gebildeten Umlenkmittel sind zwischen den Polarisationsfiltern 10, 11 und
dem Austrittsfenster 13 vorgesehen.
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Der
Strahlteiler 14 befindet sich vor der Empfangsoptik 9 und
dem zugeordneten Polarisationsfilter 11 im Bereich des
unteren Randes der Empfangsoptik 9. Der Umlenkspiegel 15 befindet
sich vor der Sendeoptik 8 mit dem zugeordneten Polarisationsfilter 10 im
Beriech des unteren Randes der Empfangsoptik 9. Der Strahlteiler 14 und
der Umlenkspiegel 15 sind jeweils um 45° bezüglich der in horizontaler Richtung
verlaufenden optischen Achse der Sendeoptik 8 und Empfangsoptik 9 geneigt.
Die Flächen
der Umlenkspiegel 15 sind erheblich kleiner als die Flächen der
Sendeoptik 8 beziehungsweise der Empfangsoptik 9.
Dabei sind die Flächen
des Strahlteilers 14 und des Umlenkspiegels 15 an
den Strahlquerschnitt der Sendelichtstrahlen 4 angepasst.
Durch Verwendung einer Laserdiode als Sender 5 kann die Baugröße der Umlenkmittel
besonders klein gehalten werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich, verläuft der über den Umlenkspiegel 15 und
dann über
den Strahlteiler 14 umgelenkte Teil der Sendelichtstrahlen 4 parallel zur
optischen Achse der Empfangsoptik 9 in deren Sichtfeld.
Da der Strahlteiler 14 teiltransparent ist, durchsetzt
ein Teil der auf den Strahlteilerspiegel auftreffenden Empfangslichtstrahlen 6 den
Strahlteiler 14, so dass auch Empfangslichtstrahlen 6 aus
diesem Bereich zum Empfänger 7 geführt werden
und zur Objektdetektion herangezogen werden können.
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Mit
dem über
die Umlenkmittel geführten
Anteil der Sendelichtstrahlen 4 können Objekte, insbesondere
Reflektoren, im Nahbereich sicher erkannt werden. Da die Empfangssignalpegel,
die durch Empfangslichtstrahlen 6, die von Objek ten im
Nahbereich vom Empfänger 7 generiert
werden, sehr hoch sind, reicht bereits eine kleine Lichtmenge der über die
Umlenkmittel geführten
Sendelichtstrahlen 4 für eine
sichere Objektdetektion im Nahbereich aus.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
als Reflexionslichtschranke ausgebildeten optischen Sensors 1,
welches der Ausführungsform
gemäß 1 weitgehend
entspricht.
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Der
Sender 5 und der Empfänger 7 sind
wiederum in Abstand nebeneinanderliegend angeordnet. Auch die Sendeoptik 8 und
die Empfangsoptik 9 liegen wiederum mit parallel verlaufenden
optischen Achsen in Abstand zueinander, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Sendeoptik 8 mit dem Polarisationsfilter 10 gegenüber der
Empfangsoptik 9 mit dem Polarisationsfilter 11 zurückgesetzt
ist, wodurch zusätzlicher
Platz für
die Umlenkmittel geschaffen wird. Analog zur Ausführungsform
gemäß 1 bestehen
die Umlenkmittel aus einem Strahlteiler 14 und einem Umlenkspiegel 15,
welche in einem Winkel von 45° geneigt
zu den optischen Achsen der Sendeoptik 8 und der Empfangsoptik 9 verlaufen.
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Die
Umlenkmittel sind größer als
beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 dimensioniert.
Der vor der Sendeoptik 8 und dem Polarisationsfilter 10 angeordnete
Umlenkspiegel 15 erstreckt sich über das gesamte Sichtfeld der
Sendeoptik 8, so dass im vorliegenden Fall die gesamten
Sendelichtstrahlen 4 am Umlenkspiegel 15 in Richtung
des Strahlteilers 14 abgelenkt werden.
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Der
Strahlteiler 14 weist eine dem Umlenkspiegel 15 entsprechende
Fläche
auf. Durch Umlenkung am Strahlteiler 14 verlaufen die Sendelichtstrahlen 4 parallel
zur optischen Achse der Empfangsoptik 9. Da ein Teil des
Strahlteilers 14 in den Bereich vor die Empfangsoptik 9 ragt,
verlaufen die dort reflektierten Sendelichtstrahlen 4 im
Sichtfeld der Empfangsoptik 9. Mit diesem Anteil der Sendelichtstrahlen 4 erfolgt
wiederum die Objektdetektion im Nahbereich. Die Empfangslichtstrahlen 6,
die zu dem im Sichtfeld der Empfangsoptik 9 geführ ten Teil der
Sendelichtstrahlen 4 koaxial verlaufen, durchsetzen wiederum
teilweise den Strahlteiler 14 und werden über die
Empfangsoptik 9 zum Empfänger 7 geführt.
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Zweckmäßigerweise
ist der außerhalb
des Sichtfelds der Empfangsoptik 9 liegende Teil des Strahlteilers 14 verspiegelt,
so dass in diesem Bereich des Strahlteilers 1 eine nahezu
vollständige
Reflexion der Sendelichtstrahlen 4 erfolgt. Dadurch wird die
Lichtmenge der in den Überwachungsbereich
geführten
Sendelichtstrahlen 4 erhöht, wodurch die Reichweite
des optischen Sensors 1 zur Objektdetektion erhöht wird.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines
als Reflexionslichtschranke ausgebildeten optischen Sensors 1.
Auch dieser optische Sensor 1 weist einen Sender 5 mit
vorgeordneter Sendeoptik 8 und einem Polarisationsfilter 10 auf.
Im Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 1 verläuft in diesem
Fall die optische Achse der Sendeoptik 8, an welcher der
Sender 5 liegt, senkrecht zur optischen Achse der Empfangsoptik 9,
in welcher der Empfänger 7 angeordnet
ist. Der Empfangsoptik 9 ist wiederum ein Polarisationsfilter 11 vorgeordnet.
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Im
Bereich zwischen der Sendeoptik 8 mit dem Polarisationsfilter 10 und
der Empfangsoptik 9 mit dem Polarisationsfilter 11 sind
die Umlenkmittel angeordnet, die im vorliegenden Fall allein von
einem Strahlteiler 14 gebildet sind. Der Strahlteiler 14 ist
jeweils um 45° zur
optischen Achse der Sendeoptik 8 und zur optischen Achse
der Empfangsoptik 9 geneigt.
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Die
Sendeoptik 8 und die Empfangsoptik 4 sind versetzt
zueinander angeordnet, wobei der Strahlteiler 14 im Zwischenraum
zwischen Sendeoptik 8 und Empfangsoptik 9 liegt.
Dabei ragt der obere Teil des Strahlteilers 14 in das Sichtfeld
der Empfangsoptik 9. Durch diese Anordnung wird eine geringe
Baugröße des optischen
Sensors 1 erhalten. Zweckmäßigerweise ist der außerhalb
des Sichtfelds liegende Teil des Strahlteilers 14 verspiegelt,
so dass in diesem Bereich die Sendelichtstrahlen 4 vollständig am
Strahlteiler 14 reflektiert und in den Überwachungsbereich geführt werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich, verlaufen die am Strahlteiler 14 umgelenkten
Sendelichtstrahlen 4 parallel zur optischen Achse innerhalb
des Überwachungsbereichs.
Mit den Sendelichtstrahlen 4, die an dem in das Sichtfeld
der Empfangsoptik 9 ragenden Teil des Strahlteilers 14 reflektiert
werden, erfolgt die Detektion von Objekten im Nahbereich. Die in
diesem Bereich verlaufenden Empfangslichtstrahlen 6 durchsetzen
den Strahlteiler 14 und werden über die Empfangsoptik 9 zum
Empfänger 7 geführt.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Reflektor
- 4
- Sendelichtstrahlen
- 5
- Sender
- 6
- Empfangslichtstrahlen
- 7
- Empfänger
- 8
- Sendeoptik
- 9
- Empfangsoptik
- 10
- Polarisationsfilter
- 11
- Polarisationsfilter
- 12
- Steg
- 13
- Austrittsfenster
- 14
- Strahlteiler
- 15
- Umlenkspiegel