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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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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 einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 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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Erfindungsgemäß werden Mehrsegmentfotodioden verwendet, 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 erfindungsgemäß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die Signale nach einer vorherigen Bearbeitung mit entsprechend bearbeiteten Vergleichssignalen vergleicht. Dies 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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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, 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 werden auch im Sinne einer Optimierung vor der Bearbeitung unterschiedlich stark gewichtet. So kann zum Beispiel bei der Installation der Lichtschranke 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 Auswerten der räumlichen Abhängigkeit des Polarisationszustandes des empfangenen Lichtes umfasst erfindungsgemäß ein Vergleichen der Signale der einzelnen Bereiche der Empfangseinrichtung nach vorheriger Bearbeitung mit entsprechend bearbeiteten Vergleichssignalen. Ferner werden die Signale der einzelnen Bereiche der Empfangseinrichtung im Sinne einer Optimierung vor der Bearbeitung unterschiedlich stark gewichtet.
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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
- 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Lichtschranke,
- 2 den Blick auf eine Empfangseinrichtung einer erfindungsgemäßen Lichtschranke in Blickrichtung des reflektierten Lichtes, und
- 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 Sensoreinheit 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 25 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 der Mehrsegmentfotodiode 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 Mehrsegmentfotodiode 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 können 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 Überwachungsbereich 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 zu dem Retroreflektor mit der charakteristischen räumlichen Abhängigkeit seiner polarisationsverändernden Eigenschaften gelangen. Das von dem Objekt reflektierte Licht hat ein anderes Polarisationsmuster, so dass an der Mehrsegmentfotodiode 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, können 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 bieten 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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Bezugszeichenliste
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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
