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Die
Erfindung betrifft einen optoelekronischen Sensor sowie ein Verfahren
zur Erfassung von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw.
7.
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Optoelektronische
Sensoren werden häufig
eingesetzt, um einen Überwachungsbereich
auf Eingriffe durch Objekte zu überwachen.
Dafür gibt
es vielfältige
Anwendungen, vom Bewegungsmelder über die Diebstahlsicherung
bis zur Absicherung von automatischen Türen. Objekterfassung spielt
auch in der Automatisierungstechnik eine wichtige Rolle.
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Eine
Reflexionsschranke als Beispiel eines objekterfassenden Sensors
besteht, ganz grob gesagt, aus einem Lichtsender wie etwa einer
LED, dessen Sendestrahl auf einen am gegenüberliegenden Ende des Überwachungsbereichs
angebrachten Retroreflektor trifft, dort in sich zurückgeworfen
wird und der so reflektierte Empfangsstrahl wiederum von einem in
der Nähe
des Lichtsenders angeordneten Lichtempfänger erkannt wird. Ist der
Lichtstrahl unterbrochen, so empfängt der Lichtempfänger nichts
und löst
die Abschaltfunktion aus.
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Dabei
wird das Licht beim Senden und Empfang durch eine strahlformende
Optik geleitet. Ist diese Optik für Sende- und Empfangsstrahl
dieselbe, so spricht man von Autokollimation. Alternativ kann gemäß dem Doppelaugeprinzip
Sender und Empfänger
jeweils eine Linse zugeordnet sein, wobei beide Linsen eng benachbart
sind.
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Ein
zu verhindernder Schaltfehler bei einer Reflexionslichtschranke,
der unter dem Begriff Spiegel- oder Weißsicherheit bekannt ist, kann
nun entstehen, wenn ein spiegelndes oder sehr helles Objekt in den Strahlengang
eintritt. Dieses Objekt remittiert möglicherweise so viel Licht,
dass die Lichtschranke fälschlich keine
Strahlenunterbrechung erkennt.
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Herkömmlich wird
dieses Problem mit polarisiertem Licht gelöst. Dazu wird der Sendestrahl
polarisiert. Der Retroreflektor erhält die Polarisation an sich
und wechselt nur deren Orientierung. Ein Polfilter vor dem Empfänger, der
zu dem Polarisator gekreuzt angeordnet ist, lässt daher den Empfangsstrahl
ungehindert passieren. Wird der Sendestrahl dagegen von einem Spiegel
oder einem hellen Objekt remittiert, so ist er in der falschen Richtung
polarisiert oder verliert seine Polarisationseigenschaften, so dass
der entstehende Empfangsstrahl von dem Polarisationsfilter nahezu
komplett ausgeblendet wird. Auch Spiegel und helle Objekte werden
dadurch als Strahlunterbrechung erkannt.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen physikalischen Strahlteiler
in Form eines metallisierten Glas- oder Kunststoffsubstrats in Reflexionslichtschranken
zur Trennung von Sende- und Empfangsstrahlengang einzusetzen. Das
sind in der Regel 50:50-Strahlteilerplatten aus Glasflächen hoher
optischer Qualität,
die mit einer dünnen
Metallschicht zur partiellen Reflexion bedampft sind.
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Mit
der Verwendung von derartigen 50:50-Strahlteilern sind aber eine
ganze Reihe von Nachteilen und Problemen verbunden. Zunächst ist
im Vergleich zu den Gesamtkosten einer Reflexionslichtschranke der Strahlteiler
als hochwertiges optisch beschichtetes Bauteil kostenaufwändig. Wegen
des 50%-Verlusts durch die Strahlteilung im Sendestrahl erscheint
der Lichtfleck auf dem zu erkennenden Objekt bzw. dem Retroreflektor
relativ schwach sichtbar, wodurch die manuelle Ausrichtbarkeit der
Lichtschranke erschwert ist. Das detektierte Signal im Empfänger ist
sogar zweimal um 50% geschwächt
und begrenzt so die maximal mögliche Reichweite
der Lichtschranke.
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Da
das von einem spiegelnden oder hellen Objekt remittierte Licht auch
eine für
den Polfilter richtig ausgerichtete Komponente enthält, können sehr
helle oder sehr stark reflektierende Objekte doch wieder ein Empfangssignal
liefern. Damit ist die Reflexionslichtschranke nicht völlig weiß- und spiegelsicher.
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Ferner
wird mit 50% ein erheblicher Anteil des Sendelichts intern in eine
Tubuskavität
oder dergleichen des Lichtschrankengehäuses gelenkt und dort diffus
gestreut. Dieses Licht ist Störlicht
(„optisches Übersprechen") und muss aufwändig etwa
durch einen Trennungssteg unterdrückt werden. Aufgrund derselben
hohen Reflexivität
im Empfangsstrahl gelangt ein erheblicher Anteil von Umgebungslicht
auf den Empfänger, („Fremdlichtempfindlichkeit"). Die beiden zuletzt
genannten Probleme können
allerdings schon durch den Polfilter reduziert werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit und Reichweite eines
gattungsgemäßen Sensors in
kostengünstiger
Weise zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
7 gelöst.
Die Lösung
hat den Vorteil, dass ein kostenintensiver Strahlteiler vermieden
werden kann, wobei zugleich Reichweite und Weiß- bzw. Spiegelsicherheit erhöht werden.
Zugleich kann das optische Übersprechen
und die Fremdlichtsicherheit deutlich verbessert werden. Durch die
erhöhte
Lichtintensität
ist darüber
hinaus der Lichtfleck auf dem Reflektor besser zu sehen, so dass
eine manuelle Justierung erleichtert wird.
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Die
Lösung
geht von dem Grundgedanken aus, den Strahl im Strahlteiler in Sende- und Empfangspfad nicht
einfach hälftig
aufzuteilen. Dafür
wird die Eigenschaft des Dielektrikums genutzt, Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtungen
unterschiedlich stark zu reflektieren bzw. zu transmittieren. Erst
durch die Polarisationsdrehung eines Retroreflektors lassen sich
diese asymmetrischen Reflexions- und Transmissionscharakteristika
sowohl beim Senden wie auch beim Empfang zum Vorteil nutzen.
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Bevorzugt
ist der Strahlteiler eine unbeschichtete Glasplatte. Das ist besonders
kostengünstig,
und Glas ist ein in der Optik oft verwendetes Material, so dass
Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren sehr gut bekannt sind.
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Vorteilhafterweise
ist der Sensor eine Lichtschranke oder ein Lichtgitter und die Steuerung
dafür ausgebildet,
auf eine Erfassung eines Objektes hin ein Warn- oder ein Abschaltsignal
zu erzeugen. Die besonders hohe Weiß- und Umspiegelungssicherheit
ist in der Sicherheitstechnik von besonderer Relevanz.
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Vorteilhafterweise
ist die Lichtquelle eine sichtbare, Ultraviolett- oder Infrarotlichtquelle,
insbesondere eine Laserdiode. Sichtbares Licht hat den Vorteil,
dass eine Justage von Hand ermöglicht
ist. Ultraviolettes oder Infrarotlicht macht die Lichtstrahlen unsichtbar
und schützt
damit vor Vandalismus, weil der Sensor nicht durch einen Lichtfleck
auf sich aufmerksam macht, oder erhöht den Nutzkomfort, weil kein
Licht an das Vorhandensein des Sensors erinnert.
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Bevorzugt
stehen die optischen Achsen von Lichtquelle und Lichtempfänger senkrecht
zueinander und der Strahlteiler ist im Winkel von 45° gegenüber beiden
optischen Achsen im Schnittpunkt beider optischen Achsen angeordnet.
Wie noch auszuführen
sein wird, werden bei diesem Winkel die erfindungsgemäßen Vorteile
hinsichtlich Spiegel- und Weißsicherheit,
Reichweitenerhöhung
sowie Übersprech-
und Fremdlichtanfälligkeit
besonders gut erreicht.
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Alternativ
stehen die optischen Achsen von Lichtquelle und Lichtempfänger im
Winkel von 180° minus dem
zweifachen Brewsterwinkel des Dielektrikums zueinander und der Strahlteiler
ist in dem Brewsterwinkel gegenüber
der optischen Achse der Lichtquelle im Schnittpunkt beider optischen
Achsen angeordnet, so dass der Strahlteiler zugleich der Polarisator
und der Polfilter ist. In dieser Anordnung kann nämlich auf
zusätzliche Elemente
zur Polarisation des Sendestrahls und zur Polfilterung des Empfangsstrahls
verzichtet werden. Diese Ausführungsform
ist also noch kostengünstiger.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auf ähnliche
Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige
vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in
den sich anschließenden
Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug
auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung mit Anordnung des Strahlteilers unter 45° unter Einsatz
von Polarisatoren;
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2 eine
Grafik, die das Reflexionsverhalten unterschiedlich polarisierten
Lichts an einer Luft-Glas-Grenzfläche als Beispiel eines Dielektrikums
illustriert;
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3 eine
Grafik, die das Transmissionsverhalten durch eine gekippte Strahlteilerplatte
aus Glas als Beispiel eines Dielektrikums illustriert;
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4 den
Strahlengang durch eine Strahlteilerplatte zur Erläuterung
der Grafik gemäß 3;
und
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5 eine
schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit Anordnung des Strahlteilers im Brewsterwinkel
unter Verzicht auf zusätzliche
Polarisatoren.
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Anhand
der 1 wird zunächst
der Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 1 erläutert. Der
Sensor 1 ist bevorzugt eine Reflexionslichtschranke, die
allein oder als Teil eines Lichtgitters eingesetzt wird.
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In
einem Gehäuse 2 ist
eine Lichtquelle 3 vorgesehen, die eine LED oder ein Laser
beliebiger Wellenlänge
unter anderem im Infrarot-, sichtbaren oder Ultraviolettbereich
sein kann. Die Lichtquelle sendet Licht durch einen Polarisator
zu einem Strahlteiler 5. Der Strahlteiler 5 steht
in einem Winkel von 45° zu
dem Sender 3 und besteht aus einem Dielektrikum, vorzugsweise
aus einer unbeschichteten Glasplatte.
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An
dem Strahlteiler 5 wird ein Teil des Lichtes reflektiert
und muss dann zur Vermeidung von optischem Übersprechen im Gehäuse 2 oder
auf eine andere nicht dargestellte Weise absorbiert werden. Der übrige Teil des
Lichtes wird transmittiert und gelangt über eine strahlformende Optik 6 und
ein Sichtfenster 7 des Gehäuses 2 in den eigentlichen
Sendepfad 8. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften
des Strahlteilers 5 und die jeweilige Polarisationsrichtung
des Lichts bilden einen Kern der Erfindung und werden weiter unten eingehend
erläutert.
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Das
Sendelicht trifft auf den Retroreflektor 9 und wird dort
mit dreimaliger Totalreflexion in sich zurückgeworfen. Es kehrt also als
Empfangsstrahl mit nur geringfügigen
Abweichungen auf einem mit dem Sendepfad 8 im wesentlichen übereinstimmenden – also abgesehen
von minimaler Versetzung in der Größenordnung der Mikroreflektoren
des Retroreflektors 9 und unvermeidbaren optischen Abbildungsfehlern – Empfangspfad 8' zurück, tritt
erneut durch das Sichtfenster 7 in das Ge häuse 2 ein
und trifft nach Strahlformung in der strahlformenden Optik 6 auf
den Strahlteiler 5.
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Die
strahlformende Optik 6 kann eine einfache Sammellinse oder
jegliches sonst aus der Optik bekannte Element sein. Statt einer
Linse 6 für
Autokollimation kann auch eine Doppellinse gemäß dem Doppelaugenprinzip mit
je einer Linse für
den Sendepfad 8 und den Empfangspfad 8' vorgesehen
sein. Die strahlformende Optik 6 kann im Sichtfenster 7 sitzen
oder das Sichtfenster 7 bilden.
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Am
Strahlteiler 5 wird ein Teil des Empfangslichts transmittiert
und fällt
auf die Lichtquelle 3, geht also für eine Auswertung verloren.
Der übrige
Teil des Empfangslichts wird durch einen Polfilter 10 mit
einer zu dem Polarisator 4 senkrechten Polarisationsrichtung
auf einen Lichtempfänger 11 reflektiert
und dort beispielsweise mittels einer Photodiode oder eines CCD-
bzw. CMOS-Chips in ein elektrisches Signal umgesetzt.
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Eine
Steuerung 12 empfängt
dieses elektrische Signal. Die Steuerung 12 erkennt somit,
ob das Licht der Lichtquelle 3 ungehindert empfangen wird.
Wird kein elektrisches Signal entsprechend einem empfangenen Empfangsstrahl
ausgegeben, so erkennt die Steuerung 12 eine Unterbrechung
und damit ein Objekt im Strahlengang. Darauf reagiert die Steuerung 12,
indem sie ein Signal für
die Anwesenheit eines Objekts ausgibt. Das kann für einen
nachgelagerten Verarbeitungsprozess in der Automatisierungstechnik
verwendet werden oder alternativ ein Warnsignal oder ein Abschaltsignal
für eine
zugeordnete Maschine sein. Die Steuerung 12 kann auch mit
der Lichtquelle 3 verbunden sein, etwa um diese ein- und
auszuschalten.
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Die 2, 3 und 4 veranschaulichen
das unterschiedliche Transmissions- und Reflexionsverhalten an einem
Dielektrikum. Beispielhaft zeigen die Darstellungen die Eigenschaften
für Glas.
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In 2 ist
die Intensität
des reflektierten Lichtanteils gegen den Einfallswinkel für s-polarisiertes, p-polarisiertes
und unpolarisiertes Licht bei einem einfachen Übergang an einer Luft-Glas-Grenzfläche aufgetragen.
In einem großen
Winkelbereich um 45° herum
sind diese Reflexionskurven deutlich gespreizt, insbesondere wird
p-polarisiertes
Licht deutlich schlechter reflektiert als s-polarisiertes Licht.
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3 zeigt
die Intensität
des s-polarisierten, p-polarisierten und unpolarisierten Lichts
gegen den Tangens des Einfallswinkels bei Transmission durch einen
Strahlteiler 5. Auch hier lässt sich eine deutliche Spreizung
in einem großen
Winkelbereich um 45° erkennen,
bei dem p-polarisiertes Licht deutlich besser transmittert wird
als s-polarisiertes Licht.
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Die
Daten der 2 und 3 sind aus
Simulationen entnommen. Dabei wurde jeweils Glas der Brechungsklasse 7 angenommen,
im Falle der 3 eine Dicke der Glasscheibe
von 1 mm. 4 veranschaulicht den Strahlengang
bei der Simulation für
die Darstellung der 3.
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Nachfolgend
soll mit Zahlenbeispielen die verbesserte Charakteristik eines Dielektrikums
als Strahlteiler 5 gegenüber dem herkömmlichen
beschichteten 50:50-Strahlteiler
erläutert
werden. Dazu wird ähnlich
wie in 2 ein doppelter Grenzübergang Luft-Glas zugrunde
gelegt und Werte bei einem Einfallswinkel von 45° zugrunde gelegt, der auch in
der oben beschriebenen Ausführungsform
Verwendung findet.
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Dabei
entsteht die folgende Tabelle 1:
| | Unpolarisiert | p-polarisiert | s-polarisiert |
| Glasplatte | | | |
| Relative
Transmission(%) | 90 | 98 | 82 |
| Relative
Reflexion(%) | 10 | 2 | 18 |
| 50:50-Strahlteiler | | | |
| Relative
Transmission(%) | 50 | 50 | 50 |
| Relative
Reflexion(%) | 50 | 50 | 50 |
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Wie
sich leicht erkennen lässt,
unterscheidet ein physikalischer Strahlteiler mit 50:50-Charakteristik überhaupt
nicht zwischen den Polarisationsrichtungen. Dagegen bevorzugt die
Glasplatte als Beispiel eines Dielektrikums bei der Transmission
die p-Polarisation gegenüber
der s-Polarisation und bei der Reflexion umgekehrt die s-Polarisation
gegenüber
der p-Polarisation. Diese Asymmetrie macht sich die Erfindung sowohl im
Sende- wie auch im Empfangspfad gleich zweimal zu Nutze, weil der
Retroreflektor 9 durch seine dreimalige interne Totalreflexion
dreimal die Polarisationsrichtung umkehrt, netto also einmal die
Polarisation dreht.
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Es
soll betont werden, dass es auf die genauen Zahlenwerte nicht ankommt.
Wichtig ist eine ausreichende Spreizung zwischen p-Polarisation
und s-Polarisation, die gemäß den 2 und 3 nicht
nur bei 45°,
sondern in einem weiten Winkelbereich darum auftritt. Deshalb ist
auch die Materialwahl für
den Strahlteiler 5 aus einer großen Klasse möglich, solange
nur von der Polarisationsrichtung abhängige Reflexions- und Transmissionseigenschaften
vorhanden sind.
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Erläuternd soll
nun der Lichtpfad und die Polarisation im Betrieb verfolgt werden.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform
muss der Polarisator 4 p-polarisierend, der Polfilter 10 gekreuzt
und damit s-polarisierend sein. Selbstverständlich ist denkbar, Lichtquelle 3 und
Lichtempfänger 11 zu
vertauschen. Die Polarisatoren bzw. Polfilter 4 würden in
diesem Fall nicht mitgetauscht, da dann zuerst für die Reflexion an dem Strahlteiler 5 s-polarisiertes
Sendelicht und später
p-polarisiertes
Empfangslicht für
die Transmission an dem Strahlteiler 5 benötigt wird.
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Um
zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
zurückzukehren,
wird dort aus der Lichtquelle 3 mittels des Polarisators 4 p-polarisiertes
Licht auf den Strahlteiler 5 gestrahlt. Der Strahlteiler 5 transmittiert von
dieser mit 100% bezeichneten Lichtmenge gemäß Tabelle 1 einen Anteil von
98%. Das p-polarisierte Licht wird mit einer Effizienz c1 an dem
Retroreflektor 9 in s-polarisiertes Licht gedreht. Dieses
s-polarisierte Empfangslicht
wird wiederum gemäß Tabelle
1 am Strahlteiler 5 mit einer Effizienz von 18% zum Empfänger 11 reflektiert.
Der Polfilter 11 lässt
dieses s-polarisierte Licht ungehindert passieren. Es ergibt sich
ein Gesamtsignal der Stärke
98%·c1·18% oder
c1·17,6%.
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Bei
dem 50:50-Strahlteiler ist der Vergleichswert 50%·c1·50% =
25%·c1,
da der 50:50-Strahlteiler p-polarisiertes und s-polarisiertes Licht
gleich behandelt.
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Definiert
man zum Vergleich mit einem weißen
oder polarisationszerstörenden
hellen Objekt im Strahlengang die Effizienz der Reflexion am Spiegel
mit c2 und die Effizienz der Polarisationszerstörung an dem hellen Objekt („Weißtarget") mit c3, so ergibt
sich analog der soeben durchgeführten
Rechnung die folgende Tabelle 2. Zu beachten ist dazu, dass das
Sendelicht wegen des Polarisators
4 p-polarisiert ist und
die Reflexion am Retroreflektor die Polarisation dreht, am Spiegel
die Polarisation erhält
und am hellen Objekt die Polarisation zerstört, so dass jeweils der Wert
für die
richtige Polarisation aus Tabelle 1 heranzuziehen ist:
| | Retroreflektor | Spiegel | Helles
Objekt |
| Glasplatte | | | |
| Relative
Transmission des Sendestrahls am Strahlteiler(%) | 98 | 98 | 98 |
| Reflexion
am Target(%) | 18·c1 | 2·c2 | 10·c3 |
| Gesamtsignal
nach Reflexion des Empfangsstrahls am Strahteiler(%) | 17,6·c1 | 1,96·c2 | 9,8·c3 |
| 50:50-Strahlteiler | | | |
| Relative
Transmission des Sendestrahls am Strahlteiler(%) | 50 | 50 | 50 |
| Reflexion
am Target(%) | 50·c1 | 50·c2 | 50·c3 |
| Gesamtsignal
nach Reflexion des Empfangsstrahls am Strahteiler(%) | 25·c1 | 25·c2 | 25·c3 |
mit
- c1: Effizienz der Polarisationsdrehung
am Retroreflektor
- c2: Effizienz der polarisationserhaltenden Reflexion am Spiegel
- c3: Effizienz der Polarisationszerstörung des hellen Objekts
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Wie
man der Tabelle leicht entnehmen kann, ist das absolute Gesamtsignal
bei einem 50:50-Strahlteiler stärker.
Der Verlust von 26/17,6 ist aber klein genug, um ihn leicht durch
eine entsprechend stärkere
Lichtquelle 3 ausgleichen zu können. Denn es kommt zumeist
nicht auf die Absolutwerte an, sondern auf die Signalverhältnisse.
Das soll nun anhand von charakteristischen Werten erklärt werden,
die die in der Einleitung aufgeführten
Nachteile des metallbeschichteten 50:50-Strahlteilers erläutern.
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Zunächst ist
die Sichtbarkeit des Sendestrahls gerade der von dem Strahlteiler 5 transmittierte
Anteil. Laut Tabelle 2 beträgt
er 98% bei dem erfindungsgemäßen Strahlteiler 5 und
50% bei einem herkömmlichen 50:50-Strahlteiler,
ist also um einen Faktor 2 erhöht.
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Die
Spiegelsicherheit bei einem herkömmlichen
50:50-Strahlteiler ist der Quotient aus Gesamtsignal bei Reflexion
am Retroreflektor 9 zu Gesamtsignal bei Reflexion an einem
Spiegel im Strahlengang, gemäß Tabelle
2 ist das 25%·c1/25%·c2 oder
c1/c2. Für
den Vergleichswert der Erfindung gilt 17,6%·c1/1,96%·c2 oder ca. 8,8·c1/c2.
Setzt man dies zueinander ins Verhältnis, so kürzen sich die Konstanten c1,
c2 gerade heraus und man erkennt eine um einen Faktor 8,8 erhöhte Spiegelsicherheit.
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Ganz
analog berechnet sich ein Verbesserungsfaktor von 17,6/9,8 oder
1,8 für
eine erhöhte
Weißsicherheit
bei Reflexion an einem polarisationszerstörenden hellen Objekt.
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Die
Reichweite des Sensors 1 berechnet sich wegen der quadratischen
Abnahme der Intensität
mit der Entfernung zu sqrt(1,76) oder 130%, wenn man sich auf die
Weißsicherheit
bezieht (für
die Spiegelsicherheit allein wäre
der Wert noch deutlich höher).
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Der
interne Übersprechpegel
ist dasjenige Licht der Lichtquelle 3, das an dem Strahlteiler 5 reflektiert wird
(in 1 nach oben). Demnach ist erfindungsgemäß der Anteil
des Lichts, das optisches Übersprechen verursachen
kann, nur 2%, während
es bei einem herkömmlichen
50:50-Strahlteiler 50% sind. Erfindungsgemäß wird der Übersprechpegel also um einen
Faktor 25 reduziert.
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Das
unpolarisierte Fremdlicht, das den Lichtempfänger 11 trifft, entspricht
dem an dem Strahlteiler 5 reflektierten Licht und beträgt daher
erfindungsgemäß 10%, dagegen
50% bei einem 50:50-Strahlteiler. Das Fremdlichtsignal ist also
um einen Faktor 5 reduziert.
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Es
soll noch einmal darauf hingewiesen werden, dass sich bei den Vergleichen
die Konstanten c1, c2 und c3 bei der Quotientenbildung herauskürzen und
sie somit keine Rolle spielen.
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Die
erfindungsgemäß verbesserten
Lichtausbeuten werden in der nachstehenden Tabelle 3 noch einmal
zusammengefasst:
| | Verbesserungsfaktor
durch erfindungsgemäßes Dielektrikum | Interpretation |
| Sichtbarkeit
des Sendestrahls auf dem Testgut | 98/50
= 2 | Doppelte
Helligkeit des Sendestrahls, damit verbesserte Sichtbarkeit des
Sendestrahls |
| Sicherheit
gegen polarisationserhaltende Reflexion (Spiegel) | 17,6/1,96
= 8,8 | Mehr
als 8-fach höhere
Sicherheit gegenüber
Fehlschalten gegen Spiegel |
| Sicherheit
gegen diffuse polarisationszerstörende
Reflexion (Weißtarget) | 17,6/9,8
= 1,8 | 1,8-fach
höhere
Sicherheit gegenüber
Fehlschalten gegen weißes
Objekt |
| Reichweite
des Systems | Sqrt(1,76)
= 132% | 30%
größere Reichweite
(bei Normierung auf Weißsicherheit) |
| Internes Übersprechen
im Strahlteilerbereich | 2/50
= 1/25 | Interner Übersprechpegel
um auf 1/25 reduziert |
| Empfangspegel
des unpolarisierten Umgebungslichts | 10/50
= 1/5 | Fremdlichtsignal
auf 1/5 reduziert |
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Diese
Vorteile werden zudem durch ein kostengünstigeres Bauteil als Strahlteiler 5,
nämlich
beispielsweise einer einfachen Glasplatte statt eines metallbeschichteten
50:50-Strahlteilers erreicht.
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Anhand
der 5 wird noch eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Der Aufbau ist im Grundsatz derjenige der anhand 1 beschriebenen
ersten Ausführungsform,
und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente. Auch das
Grundprinzip und die sich daraus ergebenden Vorteile bleiben erhalten.
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Im
Unterschied zu der ersten Ausführungsform
ist die optische Achse der Lichtquelle 3 gemäß der zweiten
Ausführungsform
in dem Brewsterwinkel, bei Glas also 56°, gegenüber dem Strahlteiler 5 ausgerichtet.
Auf diese Weise dient der Strahlteiler zugleich als Polarisator 4,
denn unter dem Brewsterwinkel wird nur s-polarisiertes Licht in den Sendepfad 8 reflektiert.
Nach der drehenden Reflexion an dem Retroreflektor 9 wird, ebenfalls
unter dem Brewsterwinkel, das nunmehr p-polarisierte Empfangslicht vollständig und
nur p-polarisiert von dem Strahlteiler 5 transmittiert.
Damit kann auch auf den Polfilter 10 verzichtet werden
bzw. der Strahlteiler 5 ist zugleich Polarisator 4,
Strahlteiler 5 und Polfilter 10.
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Abweichend
von der ersten Ausführungsform
stehen die optischen Achsen von Lichtquelle 3 und Lichtempfänger 11 nicht
senkrecht zueinander, sondern sind so angeordnet, dass eben das
Licht im Sendepfad 8 und im Empfangspfad 8' unter dem Brewsterwinkel
auftrifft. Der Winkel, unter dem die optischen Achsen von Lichtquelle 3 und
Lichtempfänger 11 dafür stehen
müssen,
berechnet sich mittels elementarer Geometrie zu 180°-2·Brewsterwinkel.
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Die
zweite Ausführungsform
bietet also den zusätzlichen
Vorteil, dass auf eigene Polarisatoren bzw. Polfilter verzichtet
werden kann, was den Aufbau noch kostengünstiger macht.