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Die
Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke gemäß Anspruch
1.
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Derartige
Reflexionslichtschranken 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 Reflexionslichtschranken dieser Art sind zwei unterschiedliche
Optikbauformen gebräuchlich,
sogenannte zweilinsige Geräte
und einlinsige Geräte.
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Bei
zweilinsigen Reflexionslichtschranken 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 Reflexionslichtschranken 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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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 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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Die
DE 10 2004 038 940
A1 stellt einen nachveröffentlichten
Stand der Technik dar und betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung
von Objekten in einem Überwachungsbereich,
mit wenigstens einem Sendelicht emittierenden Sender, wenigstens
zwei Empfangslicht empfangenden Empfängern, einem Reflektor, auf
welchen das Sendelicht bei freiem Strahlengang geführt ist,
und einer Auswerteeinheit, in welcher aus den Empfangssignalen an
den Ausgängen
der Empfänger
ein binäres Schaltsignal
generiert wird. Ein erster Empfänger empfängt vorwiegend
Empfangslicht aus einem ersten Empfangskanal aus einer sendernahen
Zone, der zweite Empfänger
empfängt
Empfangslicht aus einem zweiten Empfangskanal aus einer senderfernen Zone.
Bei freiem Strahlengang gelangt das vom Reflektor zurückreflektierte
Empfangslicht vorwiegend zum ersten Empfänger. Bei einem Objekteingriff
im Überwachungsbereich
gelangt das von diesem zurückreflektierte
Empfangslicht vorwiegend auf den zweiten Empfänger. Zur Generierung des Schaltsignals
wird in der Auswerteeinheit das Verhältnis der Empfangssignale der
Empfänger
bewertet. Dem Sender und den Empfängern kann eine gemeinsame Optik
derart zugeordnet sein, dass das Sendelicht über das Zentrum der Optik und
das Empfangslicht über
den Randbereich der Optik geführt
ist.
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Die
DE 103 26 848 A1 betrifft
einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, mit einem Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger,
mit einer diesem zugeordneten Empfangsoptik mit einem vorgegebenen von
den Empfangslichtstrahlen beaufschlagten Sichtfeld, mit einer Ablenkeinheit
zur periodischen Ablenkung der Sendelichtstrahlen innerhalb eines vorgegebenen,
den Überwachungsbereich
definierenden Winkelbereichs und mit einer Auswerteeinheit, in welcher
in Abhängigkeit
der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers ein Objektfeststellungssignal
generierbar ist. Im Sichtfeld der Empfangsoptik ist eine Nahbereichsoptik
angeordnet. Weiter sind die Sendelichtstrahlen durch Umlenkspiegel
vollständig
im Sichtfeld der Empfangsoptik geführt.
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Die
EP 1 512 992 A1 betrifft
einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden
Empfänger
und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale am
Ausgang des Empfängers.
Der Empfänger
besteht aus einer Mehrfachanordnung von Empfangselementen. Dem Sender
kann ein Umlenkprisma nachgeordnet sein, mittels dessen die Sendelichtstrahlen
in zwei Teilstrahlen geteilt werden, die beidseits in Abstand zum
Empfänger
und einer dieser vorgeordneten Empfangsoptik verlaufen.
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Die
DE 101 53 094 A1 betrifft
eine Vorrichtung zum Erfassen von aufliegenden Lenkflugkörpern mit
einem optischen Suchkopf und einer Einheit zur Erzeugung eines auf
den Lenkflugkörper
gerichteten Laserstrahls.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reflexionslichtschranke
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
Umlenk mittel nachgeordnet, mittels derer ein vorgegebener Teil der über die
Sendeoptik geführten Sendelichtstrahlen
umgelenkt wird, so dass nur 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 der Reflexionslichtschranke
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 der
Reflexionslichtschranke gegenüber
herkömmlichen
Reflexionslichtschranken erheblich verbessert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind der Sender
und Empfänger
auf einer Leiterplatte angeordnet. Dies führt zu einer Reduzierung der
elektronischen Komponenten der Reflexionslichtschranke und damit
zu einer weiteren Senkung der Herstellkosten.
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Besonders
vorteilhaft wird bei der Reflexionslichtschranke 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, ohne dass deren depolarisierende
Eigenschaften das Detektionsvermögen
des optischen Sensors negativ beeinflussen.
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Die
Umlenkmittel zur Einkoppelung wenigstens eines Teils der Sendelichtstrahlen
in das Sichtfeld der Empfangsoptik bestehen im Wesentlichen aus
ci nem 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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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.
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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 Empfangslicht strahlen 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 Objekten 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 geführten 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.