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Die
Erfindung betrifft eine Lichtschranke mit einer Sendeeinrichtung
zur Erzeugung polarisierten Lichts in Richtung eines Reflektors,
wenigstens einem Reflektor mit den Polarisationszustand des auftreffenden
Lichtes ändernden
Eigenschaften und einer Empfangseinrichtung für reflektiertes Licht. Die Erfindung
betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Lichtschranke.
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Bei
bekannten Reflexionslichtschranken wird zum Beispiel linear polarisiertes
Licht verwendet, das durch einen Überwachungsbereich auf einen
Retroreflektor geschickt wird, der die Polarisationsrichtung verändert, zum
Beispiel dreht. Das reflektierte und entsprechend veränderte Signal
wird vor dem Auftreffen auf einen fotoelektrischen Wandler in einer Ebene
polarisiert, die gegenüber
der Polarisationsebene des Sendelichtes um 90° gedreht ist. Durch die polarisationsdrehende
Eigenschaft des verwendeten Retroreflektors tritt trotz der 90° Abweichung
der Polarisationsrichtungen des Sendelichtes und des vor dem Empfänger angeordneten
Polarisators ein messbares Signal auf. Tritt in den Überwachungsbereich
zum Beispiel ein stark reflektierendes Objekt ein, so ändert sich
in der Regel der Polarisationszustand des davon reflektierten Lichtes
nicht. An dem Detektor wird dementsprechend kein Signal gemessen
und das Vorhandensein des reflektierenden Objektes im Überwachungsbereich
wird detektiert. Der Überwachungsbereich
ist dabei durch den Lichtweg zwischen Sendeeinrichtung, Reflektor
und Empfangseinrichtung definiert. Eine solche Lichtschranke ist
aus
DE 28 24 583 A1 bekannt.
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Um
auch Objekte mit depolarisierenden Eigenschaften detektieren zu
können,
wird in
DE 42 38 116
A1 vorgeschlagen, dem Reflektor einen Linearpolarisator
vorzuschalten und das reflektierte Licht einem polarisierenden Strahlteiler
zuzuführen,
dem ein Lichtempfänger
für den
Empfang des den Strahlteiler passierenden, entsprechend polarisierten Anteils
des Reflexionslichtbündels
und ein Lichtempfänger
für den
Empfang des vom Strahlteiler reflektierten, eine um 90° gedrehte
Polarisationsrichtung aufweisenden Anteils des Reflexionslichtbündels zugeordnet
sind. Das Differenzsignal der beiden Empfangssignale kann Auskunft
darüber
geben, in welchem Maße
das reflektierte Licht polarisiert ist. Unpolarisiertes Licht wird
in Richtung des Reflektors geschickt. Durch den Linearpolarisator
vor dem Reflektor wird linear polarisiertes Licht erzeugt. Befindet sich
ein Gegenstand im Überwachungsbereich,
so trifft das unpolarisierte Sendelicht nicht auf den Reflektor
und durchtritt auch nicht den vor dem Reflektor befindlichen Linearpolarisator.
Das reflektierte Licht ist dann unpolarisiert, so dass die Signale
an den zwei Empfängern
im Wesentlichen gleich sind. Auf diese Weise wird entschieden, ob
sich vor dem Reflektor und vor dem vorgeordneten Linearpolarisator ein
Objekt befindet.
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Es
ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass sich Objekte, die in den Überwachungsbereich
gelangen, in ihrem Reflexions- und Remissionsverhalten so verhalten,
dass sie nicht als Objekte erkannt werden. So ist es zum Beispiel
möglich,
dass das Objekt selbst polarisierende Eigenschaften hat. Beispielsweise
bilden gezogene Kunststofffolien, wie sie für Verpackungen benutzt werden,
oftmals linear polarisierende Eigenschaften aus. Ein Objekt, das
in einer entsprechenden Folie verpackt ist, kann zum Beispiel bei
einer Reflexion ähnlich
wirken, wie der Reflektor mit einem vorgeschalteten Linearpolarisator.
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Eine
Lichtschranke mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches
1 ist aus
DE 28 24 583
A1 bekannt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtschranke und
ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, die eine sicherere Erkennung
eines Gegenstandes im Überwachungsbereich
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit einer Lichtschranke mit den Merkmalen des
Anspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7
gelöst.
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Insbesondere
weist eine erfindungsgemäße Lichtschranke
einen Reflektor auf, der derart ausgestaltet ist, dass seine polarisationsverändernden
Eigenschaften eine räumliche
Abhängigkeit
aufweisen. Es wird also mit der erfindungsgemäßen Lichtschranke eine räumliche
Polarisationsinformation generiert.
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Die
Empfangseinrichtung weist wenigstens zwei Bereiche auf, wobei sich
die einzelnen Bereiche dahingehend unterscheiden, dass sie Licht
mit unterschiedlichen Polarisationszuständen unterschiedlich bevorzugt
detektieren. Die räumlich
abhängigen
polarisationsverändernden
Eigenschaften des Reflektors prägen
dem reflektierten Licht ein Muster auf, das an der Empfangseinrichtung
mit den wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen zu einer charakteristischen
Signalverteilung zwischen den einzelnen Bereichen führt. Diese
Information kann genutzt werden, um den im Sichtbereich befindlichen
Reflektor eindeutig zu identifizieren und so ein fehlerhaftes Nicht-Erkennen
von Objekten mit ähnlichen
optischen Eigenschaften wie dem Reflektor zu unterdrücken. Weicht
ein empfangenes Signal zum Beispiel von dem zu erwartenden Signal
ab, wird dies als Vorhandensein eines Objektes im Überwachungsbereich
gewertet.
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Grundsätzlich funktioniert
eine erfindungsgemäße Lichtschranke
mit zwei Bereichen der Empfangseinrichtung, die unterschiedliche
Polarisationsrichtungen unterschiedlich bevorzugt detektieren. Eine
höhere
Anzahl von unterschiedlichen Bereichen der Empfangseinrichtung erhöht die Sicherheit
der Lichtschranke, da ein zu erwartendes charakteristisches Reflexionslichtmuster
sicherer wiedererkannt werden kann, bzw. dessen Nichtvorliegen detektiert werden
kann.
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Prinzipiell
kann die Empfangseinrichtung je nach Ausgestaltung des Reflektors
an einem anderen Ort als die Sendeeinrichtung angeordnet sein. Besonders
einfach aufgebaut ist jedoch eine Anordnung, die eine Autokollimationslichtschranke
realisiert, bei der also insbesondere die Empfangseinrichtung und
die Sendeeinrichtung in einer Einheit zusammengefasst sind.
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Besonders
geeignet ist für
den Reflektor die Verwendung eines Retroreflektors, der derart ausgestaltet
ist, dass er das eingestrahlte Licht in die Einstrahlrichtung zurück reflektiert.
Besonders geeignet sind Retroreflektoren, die aus einer Anzahl von
Tripelspiegeln aufgebaut sind. Durch die mehrfache Reflexion an
den unterschiedlich ausgerichteten Tripelspiegelelementen wird der
Polarisationszustand des einfallenden Lichtes bereits je nach Einfallsort
unterschiedlich verändert,
so dass sich bereits durch diesen Effekt eine räumliche Abhängigkeit der den Polarisationszustand ändernden
Reflexionseigenschaften ergeben kann. Insbesondere, wenn der Reflektor aus
Kunststoff gefertigt ist, ergeben zusätzlich räumlich unterschiedliche polarisationsverändernde
Eigenschaften aus den nicht homogenen Materialeigenschaften, die
für den
Retroreflektor individuell charakteristisch sind.
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Eine
räumliche
Abhängigkeit
der polarisationsverändernden
Eigenschaften kann aber auch erzeugt werden, in dem vor dem Retroreflektor
Elemente mit unterschiedlichen Polarisationseigenschaften angeordnet
werden, so dass sich beim reflektierten Licht ein charakteristisches
Polarisationsmuster einstellt.
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Es
können
Sendeeinrichtungen verwendet werden, die zum Beispiel zirkular polarisiertes
Licht, elliptisch polarisiertes Licht oder Licht in einem anderen
definierten Polarisationszustand erzeugen. Besonders einfache und
gut auszuwertende Ergebnisse lassen sich erreichen, wenn das Sendelicht
linear polarisiert ist. Die Polarisationsebene des linear polarisierten
Lichtes wird zum Beispiel von dem Retroreflektor in unterschiedlichen
Bereichen unterschiedlich stark gedreht, was in an sich bekannter
Weise leicht nachweisbar ist. Auch wenn der Retroreflektor zum Beispiel
aus linear polarisiertem Licht elliptisch polarisiertes Licht erzeugt,
wobei der Grad der elliptischen Polarisation bzw. die Ausrichtung
des elliptisch polarisierten Lichtes räumlich variiert, lässt sich
dies ebenfalls sehr gut auswerten.
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Die
unterschiedlichen Bereiche der Empfangseinrichtung zur bevorzugten
Detektion unterschiedlicher Polarisationsrichtungen können zum Beispiel
durch Vorschaltung von Polarisatoren unterschiedlicher Vorzugsrichtungen
vor die einzelnen Bereiche erreicht werden, wobei für die Zwecke
der vorliegenden Anmeldung entsprechende vorgeschaltete Polarisatoren
als zu der Empfangseinrichtung gehörig bezeichnet werden.
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Besonders
bevorzugt ist die Verwendung von Mehrsegmentfotodioden, wobei jeder
Diode eine bestimmte bevorzugte Polarisationsrichtung zugeordnet
ist. Die einzelnen Segmente der Fotodiode können zum Beispiel in Form einer
Matrix angeordnet sein. Andere Ausführungsformen sehen die Anordnung
der einzelnen Segmente in Form von "Tortenstücken" vor, wobei den einzelnen Segmenten
Polarisatoren mit azimutal variierenden Polarisationsrichtungen
vorgeschaltet sind.
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Zur
Auswertung der Signale der einzelnen Bereiche der Empfangseinrichtung
ist vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die Signale
entweder direkt oder nach einer vorherigen Bearbeitung mit Vergleichssignalen
bzw. entsprechend bearbeiteten Vergleichssignalen vergleicht. Eine
solche Ausgestaltung ermöglicht
einen Einlernprozess. Zunächst
wird zum Beispiel bei der Installation der Lichtschranke das Signal.
des Retroreflektors, das an den einzelnen Bereichen der Empfangseinheit empfangen
wird, aufgezeichnet. Dieses Signal ist charakteristisch für den speziellen
Retroreflektor, dessen polarisationsverändernden Eigenschaften individuell
sind. Ein Messsignal während
des späteren Betriebes
der Lichtschranke wird mit diesen Signalen verglichen und eine Abweichung
als Eintritt eines Objektes in den Überwachungsbereich gewertet.
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Ebenso
ist es möglich,
dass die Signale der einzelnen Bereiche der Empfangseinrichtung
vorher bearbeitet werden, zum Beispiel indem Differenz- oder Summensignale
gebildet werden. Solche bearbeiteten Signale werden mit entsprechenden
bearbeiteten Referenzsignalen verglichen, die zum Beispiel bei der
Installation der Lichtschranke ohne ein Objekt im Überwachungsbereich
gemessen wurden.
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Solche
Summen- oder Differenzsignalbildungen eignen sich insbesondere um
Hintergrundsignale auszublenden.
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Die
einzelnen Signale der Bereiche der Empfangseinrichtung können auch
im Sinne einer Optimierung vor der Bearbeitung unterschiedlich stark gewichtet
werden. So kann zum Beispiel bei der Installation der Licht schranke
durch Auswahl einer entsprechenden Wichtung ein möglichst
charakteristisches und gut wiederzuerkennendes Signal als Vergleichswert
abgelegt werden, so dass eine Abweichung eines entsprechend bearbeiteten
Messsignals auf Grund eines im Überwachungsbereich
befindlichen Objekts leicht festgestellt werden kann.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Lichtschranke umfasst die
folgenden Schritte. Polarisiertes Licht, vorzugsweise linear polarisiertes
Licht, wird in Richtung eines Reflektors mit räumlich variierenden polarisationsverändernden
Eigenschaften gesendet. Licht, das entweder von dem Reflektor oder
einem im Lichtweg befindlichen Objekt reflektiert wird, wird empfangen.
Die räumliche
Abhängigkeit
des Polarisationszustandes des empfangenen Lichtes wird zur Feststellung
verwendet, ob sich im Lichtweg ein Objekt befindet oder nicht.
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Das
Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde oben bereits
mit Bezug zur erfindungsgemäßen Lichtschranke
erläutert.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
ebenfalls aus der obigen Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Lichtschranke.
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Eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Lichtschranke
und eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Anschluss
mit Bezug zu den beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Dabei
zeigen in schematischer Darstellung
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1 den
Aufbau einer erfindungsgemäßen Lichtschranke,
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2 den
Blick auf eine Empfangseinrichtung einer erfindungsgemäßen Lichtschranke
in Blickrichtung des reflektierten Lichtes, und
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3 die
Draufsicht auf die Polarisatoranordnung einer Empfangseinrichtung
in Blickrichtung des reflektierten Lichtes.
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1 zeigt
eine schematische seitliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Lichtschranke.
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In
einer Sensoreinheit 28 ist eine Sendeeinrichtung 10 mit
einer Strahlungsquelle 11, z.B. einer LED, vorgesehen.
Sie ist derart ausgerichtet, dass sie Licht durch einen Linearpolarisator 12 schickt, wodurch
linear polarisiertes Sendelicht 14 entsteht. Das Sendelicht 14 trifft
auf einen Retroreflektor 16, der aus einer Anzahl von schematisch
dargestellten Tripelspiegeln besteht. Das von dem Retroreflektor 16 reflektierte
Licht 18 trifft in der Sensoranordnung 28 auf
die Empfangseinrichtung 25. Diese umfasst eine vorgeschaltete
Polarisatoranordnung 20, die mit Bezug zu 2 näher erläutert werden
wird. Mit 26 ist der mit dieser Lichtschranke definierte Überwachungsbereich
bezeichnet. Die Lichtwege 14 und 18 sind nur schematisch
dargestellt.
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Die
Empfangseinrichtung 25 umfasst eine Mehrsegmentfotodiode 24,
im gezeigten Beispiel mit acht Segmenten 24a, 24b, 24c,
.... Außerdem
umfasst die Empfangseinrichtung einen vorgeschalteten Polarisator 20.
Dieser ist ebenfalls in acht tortenstückartig angeordnete Segmente
unterteilt, die azimutal variierende Polarisationsrichtungen haben.
Ein Beispiel für
eine solche Anordnung ist in 3 gezeigt,
wobei durch die Pfeile diejenigen Polarisationsrichtungen von einfallendem
Licht angedeutet sind, die von dem jeweiligen Segment bevorzugt
durchgelassen werden.
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30 bezeichnet
eine Auswerteeinrichtung mit einer Speichereinrichtung, die mit
der Mehrsegmentfotodiode 24 in geeigneter Weise verbunden
ist, um die Signale der einzelnen Segmente des Empfängers 24 aufzunehmen
und auszuwerten.
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Bei
der Installation einer solchen Lichtschranke wird ohne Objekt im Überwachungsbereich 26 durch
die Sendeeinrichtung 10 Licht in Richtung des Reflektors 16 geschickt.
Durch den Linearpolarisator 12 wird das Licht 14 linear
polarisiert. Der Retroreflektor 16 weist lokal unterschiedliche
polarisationsverändernde
Eigenschaften auf. Insofern wird dem reflektierten Licht 18 eine
räumliche
Polarisationsinformation mitgegeben, die charakteristisch für den individuell
verwendeten Retroreflektor ist.
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Das
reflektierte Licht wird durch den segmentierten Polarisator 20 geschickt.
Durch die unterschiedlich bevorzugten Polarisationsrichtungen, die von
den einzelnen Segmenten des Polarisators durchgelassen werden, entsteht
an den Segmenten der Segmenfotodiode 24 jeweils ein unterschiedliches
Signal. Diese Signale werden an die Auswerteeinrichtung 30 gegeben
und dort zum Beispiel durch Summen- oder Differenzbildung bearbeitet.
Während des
Installationsprozesses kann durch eine Bedienperson zum Beispiel
an der Auswerteeinrichtung die Signale einzelner Segmente 24a, 24b, 24c,
... unterschiedlich gewichtet werden, bevor zum Beispiel eine Differenzbildung
vorgenommen wird. Die Bedienperson kann auf die Weise ein besonders
charakteristisches Signal als Vergleichssignal einstellen und abspeichern.
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Während des
Betriebes der Lichtschranke wird ein Signal gemessen, das dem abgespeicherten Signal
bzw. dem entsprechend bearbeiteten abgespeicherten Signal entspricht,
solange sich kein Objekt im Überwa chungsbereich 26 befindet.
Die Signale der einzelnen Segmente 24a, 24b, 24c,
... werden dabei genauso gewichtet und verarbeitet wie bei der Installation
der Lichtschranke. Tritt ein Objekt in den Überwachungsbereich 26 ein,
so kann das Licht nicht mehr den Retroreflektor mit der charakteristischen räumlichen
Abhängigkeit
seiner polarisationsverändernden
Eigenschaften gelangen. Das von dem Objekt reflektierte Licht hat
ein anderes Polarisationsmuster, so dass an dem Empfänger 24 eine
andere Signalverteilung gemessen wird. Die Auswerteeinrichtung 30 erkennt
durch Vergleich mit dem zuvor eingelernten charakteristischen Polarisationsmustersignal
die Abweichung und kann das Vorhandensein eines Objektes im Überwachungsbereich 26 anzeigen
oder eine für
diesen Fall vorgesehene Aktion auslösen.
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Die
Verarbeitung der im gezeigten Beispiel acht azimutalen Kanäle der Mehrsegmentfotodiode 24 kann
zum Beispiel durch zeitlich versetzte Ansteuerung bzw. Verstärkung derart
passieren, dass der Polarisationsvektor virtuell rotiert. Ebenso
können zum
Beispiel immer die Differenzen zweier gegenüberliegender Segmente ausgewertet
werden. Andere Ausgestaltungen sehen die Verwendung einer Mehrsegmentfotodiode
in Matrixform vor.
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Insbesondere,
wenn z.B. die Periodizität
der Polarisation des von einem Retroreflektor zurückgestrahlten
Lichtes erkannt werden soll, kann durch Verwendung eines abbildenden
Systems einzelne Bereiche des Retroreflektors einzeln abgebildet
und ausgewertet werden, um ein besonders sensitives System zur Erkennung
von Objekten im Überwachungsbereich
zur Verfügung
zu stellen. Die Detektion unterschiedlicher Polarisationseigenschaften
einer Oberfläche
und deren räumliche
Zuordnung kann in Abweichung von der oben beschriebenen Anordnung
mit einem Verfahren durchgeführt
werden, das in
DE
103 37 040 A1 zur Untersuchung von Oberflächen beschrieben
ist.
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Die
erfindungsgemäße Lichtschranke
und das erfindungsgemäße Verfahren
verringern die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Überwachungsbereich befindliches
Objekt aufgrund seiner optischen Eigenschaften übersehen werden kann. Insbesondere
bietet die erfindungsgemäße Lichtschranke
und das erfindungsgemäße Verfahren
eine erhöhte
Sicherheit bei spiegelnden, transparenten oder metallischen Objekten,
insbesondere zum Beispiel bei Folien, hochglänzenden Verpackungen, Kunststoffflaschen,
etc.
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- 10
- Sendeeinrichtung
- 11
- Strahlungsquelle
- 12
- Linearpolarisator
- 14
- Sendelicht
- 16
- Retroreflektor
- 18
- reflektiertes
Licht
- 20
- Polarisatoranordnung
- 24
- Mehrsegmentfotodiode
- 24a,
24b, 24c, ...
- Segmente
der Mehrsegmentfotodiode
- 25
- Empfangseinrichtung
- 26
- Überwachungsbereich,
Lichtweg
- 28
- Sensoreinheit
- 30
- Auswerteeinrichtung