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In
der Lichtsensorik werden Reflex-Lichtschranken verwendet, bei denen
Sender und Empfänger einem Reflektor gegenüber
stehen. Diese Reflektoren bestehen meist aus einer Vielzahl von
Reflexelementen in Form von Tripeln oder Reflexkugeln. Die Größe
und Ausgestaltung der Reflexelemente bestimmt die Strahlengestalt
und den Strahlenversatz, den das reflektierte Licht erfährt.
Soll die Lichtschranke den Durchgang eines sehr kleinen Teiles,
zum Beispiel einen Faden, messen, so muss der Lichtstrahl der Lichtschranke
ebenfalls sehr klein im Durchmesser sein, damit ein wesentlicher
Teil des Lichtstrahles unterbrochen wird, wenn der Faden den Strahlengang
kreuzt. Denn die Lichtschranke benötigt einen deutlichen
Signalunterschied zwischen einem ungestörten Lichtstrahlenverlauf
und durch einen zu beobachtenden Gegenstand gestörtem Lichtstrahlenverlauf.
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Für
die Verwendung eines feinen Lichtstrahles der Reflexlichtschranke
zeigt die
DE 197 27 527 GUBELA
die Probleme des Strahlenversatzes im Bezug zur Größe
der Reflexelemente auf und lehrt ein zu beachtendes Verhältnis
zwischen Strahlenkontur und Tripelgröße. Diese
Lehre zeigt, dass die Größe der Reflexelemente
deutlich kleiner sein muss als der Strahlendurchmesser des Sendestrahls
der Lichtschranke. Für die Feinabtastung mit Lichtschranken ergibt
sich daraus ein großes Problem, wenn die Lichtschranke
einen besonders kleinen Durchmesser des Lichtstrahles zur Feinabtastung
verwenden will. Denn Reflexelemente entsprechend zu mikronisieren,
das ist mit hohem technischem Aufwand verbunden. Zudem nehmen mit
der Verkleinerung der Reflexelemente die unerwünschten
Beugungseffekte je nach Wellenlänge des Lichtes entsprechend
zu.
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Die
vorliegende Erfindung beschreitet nun einen völlig anderen
Weg zu einem Sensorik-Verfahren, das die beschriebene Problematik
verblüffend einfach löst. Außerdem werden
zwei neuartige Reflektoren gezeigt, die für das Verfahren
besonders geeignet sind.
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Der
erfindungsgemäße Gedanke ist, zwischen der Strahlengestalt
des ausgesendeten Lichtstrahles, dem Senderstrahl, und dem vom Reflektor reflektierten
Lichtstrahl, dem Reflexstrahl, zu unterscheiden und den Senderstrahl
wunschgemäß hochfein zu gestalten in seinem Durchmesser
und den Reflexstrahl zu einem trapezförmigen Lichtfeld
zu verformen, in dem der Empfänger angeordnet wird.
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Für
die Feinabtastung genügt es, dass nur einer der beiden
Strahlen deutlich durch den zu beobachtenden Gegenstand oder das
zu beobachtende Gas gestört oder unterbrochen wird. Dazu
werden Sender und Empfänger so zum Reflektor gestellt, dass
der Senderstrahl und der Reflexstrahl keinen gemeinsamen Weg im
Raum besitzen. Der Sendestrahl kann beliebig klein in seinem Durchmesser und
seiner Kontur sein. Der Reflexstrahl wird vom Reflektor in seiner
Kontur deutlich verändert zu einer aus vielen Punkten geformten
Linie, so dass nur ein Teil des Reflexstrahles den Empfänger
trifft. Dazu müssen Sender und Empfänger in einer
Linie zueinander stehen, die der Lage der vom Reflektor quer zu seiner
Oberfläche erzeugten Linie entspricht.
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Wird
der Sendestrahl um zum Beispiel 70% gestört, so reduziert
sich auch die Leistung des linienhaften Reflexstrahles entsprechend.
Damit erhält auch der Empfänger ein um 70% reduziertes
Signal gegenüber dem ungestörten Signal. Die deutliche, prozentuale
Wertveränderung des empfangenen Signals genügt
dem Empfänger zur Signalinterpretation.
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Nun
könnte man fragen, warum wird der Reflexstrahl zu einer
Linie geformt und nicht gleichmäßig in alle Richtungen
gestreut. In alle Richtungen streuen würde bedeuten, die
Energie ungezielt zu verstreuen. Es ist aber wichtig, dass der Empfänger möglichst
viel Energie erhält, um Pegelschwankungen des Energieflusses
deutlich unterscheiden zu können. Um einen großen
Energieerhalt zu bewirken, muss das Licht möglichst gering
verteilt werden. Das bedeutet, das reflektierte Licht muss zum Energieerhalt
auf einen Punkt oder wenige Punkte gerichtet sein. Das erfindungsgemäße
Verfahren wählt eine Vielzahl von Punkten, die eine Linie
bilden. Die Linie könnte auch verformt werden zum Beispiel
zu einem Bogen.
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Den
größten Energieerhalt erzielt man durch eine punktförmige
Lichtumlenkung, wie sie zum Beispiel in der
DE 101 19 671 A1 , Gubela
senior, beschrieben ist, in der ein Umlenk-Tripelreflektor das einfallende
Licht umlenkt. Ebenso wäre die Verwendung einer Tripelstruktur
denkbar, die nur zwei Lichtstrahlen aussendet, wie in der
WO2006/136381 A2 , Gubela
und andere,
3, gezeigt. Diese Reflektoren-Systeme
haben den Nachteil, dass der Empfänger im entsprechenden
Winkel zum Reflektor angeordnet sein muss, um den Sendestrahl empfangen
zu können. Bei einer Veränderung des Abstandes
des Empfängers zum Reflektor muss auch der Abstand zwischen
Sender und Empfänger geändert werden. Denn Sender,
Empfänger und Reflektor bilden bei punktförmiger
Reflexion immer ein Dreieck. Die Position von Sender und Empfänger
zueinander wird durch den Winkel zwischen dem auf den Reflektor auftreffenden
Senderstrahl und dem reflektierten Reflexstrahl bestimmt.
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Jetzt
wird das nächste Problem der Feinabtastung deutlich. Der
Abstand des Empfängers soll veränderbar sein,
ohne dass der Abstand zwischen Sender und Empfänger geändert
werden muss.
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Je
nach zu beobachtendem Gegenstand soll der Abstand zwischen Reflektor
und Empfänger veränderbar sein. Letztlich soll
der Empfänger nahezu auf den Reflektor fast aufsetzen können
oder sich vom Reflektor entfernen können. Weil der Reflektor mit
einer Linie parallel zur Reflektoroberfläche als Reflexstrahl
auf den Senderstrahl antwortet, erzeugt er ein etwa zweidimensionales
Lichtfeld. Sind Sender und Empfänger so angeordnet, dass
sie auf der Ebene dieses Lichtfeldes sich bewegen zum Reflektor hin
oder von ihm weg, so können Sender und Empfänger über
dieses Lichtfeld immer miteinander korrespondieren.
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Das
vom weiter unten detaillierter beschriebenen, erfindungsgemäßen
neuartigen Reflektor erzeugte Lichtfeld entspricht einem gedachten
Trapez. Die kleinste Seite des Trapezes wird gebildet aus der auf
der Reflektoroberfläche zur Linie geformten Vielzahl von
Punkten, die der erfindungsgemäße Reflektor als
Reflexstrahl aussendet. Mit zunehmender Entfernung vom Reflektor
erweitert sich das Trapez. Sofern Sender und Empfänger
sich in der Ebene des Trapezes bewegen, ist die Funktion der Lichtschranke
gesichert.
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Weil
der Reflektor mit einem Trapez antwortet, ist die Struktur seiner
Reflexelemente in Form und Größe bedeutungslos.
Es können Tripel von 6 mm Größe sein,
die einen Strahlenversatz von bis zu 6 mm bewirken, oder Mikrotripel
von 170 Mikrometer Breite sein, die einen ebenso kleinen Strahlenversatz bewirken.
Auch die Tripelform in seiner Ausbildung ist unerheblich. Es können
pyramidale Tripel sein, deren Einzelspiegel Dreiecke sind, es können
auch kubische Tripel sein, deren Einzelspiegel Quadrate sind oder
Tripel in anderen Sonderformen, wie sie in der
DE 102 28 013 B4 , Gubela
senior,
4 bis
15 gezeigt
sind. Auch können die Reflexelemente des Reflektors Reflexkugeln
sein.
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Die
vorliegende Erfindung befreit den Entwickler vom Zwang immer noch
kleiner strukturierte Reflexelemente zu bauen, um eine Abtastung
mit einem hochfeinen Lichtstrahl zu ermöglichen. Denn die Erfindung
benötigt nicht die mikronisierten Reflexelemente für
die Feinabtastung. Die Erfindung löst das Problem der Größe
und der Form des Reflexelementes und der Problematik des durch das
Reflexelement bewirkten Strahlenversatzes.
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Nachdem
nun das erfindungsgemäße Verfahren für
die Verwendung eines trapezförmigen Reflexionsfeldes beschrieben
worden ist, wird nun ein neuartiger Reflektor vorgestellt, der in
der Lage ist, ein solches trapezförmiges Reflexionsfeld
als Reflexstrahl zu erzeugen.
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Herstellung des Reflektors
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Zur
Darstellung des erfindungsgemäßen Reflektors wird
ein herkömmlicher Reflektor als Spritzgussteil oder Reflexfolie
gewählt, der aus einer Vielzahl von Reflexelementen besteht
in Form von Tripeln oder Reflexkugeln beliebiger Größe. Über
die Lichteintrittsfläche des Reflektors wird eine Lenticularstruktur
gelegt, die aus linienförmigen konvexen oder konkaven Linsen
besteht. Konvexe lenticulare Folien haben sich am wirksamsten gezeigt,
wie sie für so genannte Wackelbilder in der Drucktechnik verwendet
werden, um räumliche Bilddarstellungen zu ermöglichen.
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Die
Zahl der Lenticularen pro Quadratzoll, die bei Bilddarstellungen
wichtig ist, ist hier nicht entscheidend für die Wirkung.
Jedoch für den Erhalt der eventuell zusätzlich
auf den Sendestrahl aufgesetzten Information ist es vorteilhaft,
die Breite der Lenticularlinse größer zu wählen,
als die Breite der einzelnen Reflexionselemente des Reflektorarrays.
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Das
Senderlicht der Lichtschranke trifft auf die Lenticularlinsen und
wird in den Reflektor geführt, dort von den Reflexionselementen,
zum Beispiel Tripel oder Kugel, reflektiert und beim Austritt aus
der Lenticularen Oberfläche des Reflektors nun zu einer Linie
geformt, die um 90° versetzt zur Laufrichtung der Lenticularlinsen
austritt und ein trapezförmiges Lichtfeld als Reflexstrahl
erzeugt. Befindet sich der Empfänger irgendwo in dem trapezförmigen
Lichtfeld, kann er das Signal auswerten.
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Die
Wirkung dieser Kombination von Reflexion und Lenticularen ist so
verblüffend, dass man mit feinstem Senderstrahl arbeiten
kann. Wenn Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse, dem
Lichtschrankenkopf, untergebracht sind, wie bei den meisten Reflexlichtschranken üblich,
so kann man mit dem Lichtschrankenkopf beliebig nahe an den neuartigen
Reflektor heranfahren.
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Die
Reichweite eines solchen Reflektors bezogen auf eine Reflexlichtschranke
ist von der Energieverteilung, also dem Format des abgestrahlten Trapezes
abhängig. Die Energieverteilung lässt sich durch
die Formgebung der lenticularen Linse beeinflussen und mittels der
heute verfügbaren Simulationstechniken für die
Linsengestaltung berechnen.
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Es
zeigt die Zeichnung:
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1 einen
pyramidalen Tripel mit den Spiegelflächen 1.1, 1.2 und 1.3 und
dem Tripelzentrum 1.4.
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2 ein
Reflektorarray aus pyramidalen Tripeln der 1 lotrecht
betrachtet. Die Tripel sind als Reflexionselemente zu einem Reflektorkörper
zusammengefügt.
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3 das
Prinzip des erfindungsgemäßen Reflektors zur Erzeugung
eines Lichttrapezes als Reflexstrahl. Der Reflektor ist im Schnitt
gezeigt. Die Rückseite des Reflektors ist aus pyramidalen
Tripeln 3.1 gebildet, wie in 2 gezeigt. Über
der Lichteintrittsseite sind konvexe Lenticulare 3.2 angeordnet. Die
Lenticularen 3.2 in diesem Beispiel sind deutlich breiter
als die Tripel 3.1 dargestellt.
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4 einen
kubischen Tripel, einen so genannten Fullcube, bestehend aus den
Spiegelflächen 4.1, 4.2, 4.3 und
dem Tripelzentrum 4.4.
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5 ein
Reflektorarray aus kubischen Tripeln der 4 lotrecht
betrachtet.
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6 das
Prinzip des erfindungsgemäßen Reflektors im Schnitt
gezeigt. Die Rückseite des Reflektors ist aus kubischen
Tripeln 6.1 gebildet. Die Lichteintrittsseite des Reflektors
ist mit konvexen Lenticularen 6.2 bedeckt.
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7 eine
Reflexkugel aus transparentem Werkstoff, zum Beispiel Glas oder
Kunststoff.
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8 ein
Array von Reflexkugeln. Solche Reflexkugeln können besonders
klein gewählt werden, so dass die Punktdichte des Arrays
erhöht wird.
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9 das
Prinzip des erfindungsgemäßen Reflektors, wobei
diesmal der Reflektor aus einem Reflexkugelarray 9.1 wie
in 8 gebildet wird und über der Lichteintrittsfläche
Lenticulare 9.2 angeordnet sind.
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10 den
Aufbau eines beispielhaften Reflektors wie in 3.
Zusätzlich wurde die Rückseite des Reflektors,
die aus pyramidalen Tripeln 10.1 besteht, mit einer metallischen
Schutzschicht 10.2 aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold
belegt. Auf der Lichteintrittsseite des Tripelarrays ist eine Klebeschicht 10.3 angebracht,
darauf eine Verzögerungsfolie 10.4. Darüber
ist mit einer weiteren Klebeschicht 10.5 eine Lenticularfolie
kaschiert mit den Lenticularen 10.6. Die Verzögerungsfolie
ist nur beispielhaft aufgeführt. Es kann auch auf die Verzögerungsfolie verzichtet
werden. Das gilt auch für die folgenden Beispiele. Ebenso
kann auch auf die Metallisierung der Rückseite des Tripelarrays
verzichtet werden und stattdessen ein Kasten auf der Rückseite
aufgebracht werden, um die Tripel vor Staub und Wasser zu schützen.
Das gilt auch für die weiteren Beispiele.
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11 den
Aufbau eines beispielhaften Reflektors mit kubischen Tripeln 11.1,
mit einer Metallisierung 11.2 der Tripelrückseiten,
einer Klebeschicht 11.3, einer Verzögerungsfolie 11.4 und
einer weiteren Klebeschicht 11.5, auf der eine Lenticularfolie
mit den Lenticularen 11.6 die Lichteintrittsseite bildet.
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12 den
Aufbau eines beispielhaften Reflektors mit Reflexkugeln 12.1.
Die Reflexkugeln besitzen auf der von der Lichteintrittsseite abgewandten Seite
eine Metallisierung 12.2. Auf den Reflexkugeln befindet
sich eine Klebeschicht 12.3, mit der eine Verzögerungsfolie 12.4 aufkaschiert
ist. Darüber befindet sich eine weitere Klebeschicht 12.5,
die eine Lenticularfolie mit Lenticularen 12.6 fixiert.
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13 den
Aufbau eines beispielhaften Reflektors wie in 12,
bei dem jedoch die Lentikularen 13.1 nicht konvex, sondern
konkav ausgebildet sind.
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14 einen
Reflektor wie in 3 gezeigt, dem ein Sender 14.1 der
Lichtschranke nahe gegenüber steht. Der Senderstrahl 14.2 trifft
auf eine Lenticulare des Reflektors, wird innerhalb des Reflektors reflektiert
und verlässt als Reflexstrahl 14.4 den Reflektor
und erreicht den Empfänger 14.5 der Lichtschranke.
Denn der Empfänger steht auf einer gedachten Linie mit
dem Sender, wobei diese gedachte Linie um 90° gedreht quer
zum Linienverlauf der Lentikularen 14.3 verläuft.
So kann der Empfänger das vom Reflektor erzeugte Lichttrapez
empfangen. In anderen Worten spannt der Strahlengang des vom Sender 14.1 ausgesandten
und vom Empfänger 14.5 empfangenen Lichts eine
Ebene auf, die senkrecht zum Linienverlauf der Lentikularen 14.3 verläuft.
Der Auswertung der Lichtsignale dient, wie auch beim Ausführungsbeispiel
gemäß 17, eine
nicht dargestellte, an den Empfänger 14.5 angeschlossene Auswerteeinheit.
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15 den
Linienverlauf der Lenticularen 15.1 des erfindungsgemäßen
Reflektors. In diesem Beispiel verlaufen die Lenticularen in einer
Vorzugsrichtung von West nach Ost.
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16 die
schmalste Seite 16.1 des von den Lenticularen erzeugten
Lichttrapezes. Die Ausrichtung des Trapezes erfolgt quer zu dem
Verlauf der Lenticularen in 15. Weil
die Lenticularen in diesem Beispiel von West nach Ost verlaufen,
verläuft die schmalste Seite des vom Reflexstrahl erzeugten Trapezes
von Nord nach Süd.
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17 den
erfindungsgemäßen Reflektor 17.1 mit
der lenticularen Oberflächenstruktur 17.2, dem
Sender 17.3, dem Senderstrahl 17.4 der als trapezförmiger
Reflexstrahl 17.5 reflektiert wird und vom Empfänger 17.6,
der in der Ebene des Lichttrapezes 17.5 positioniert ist,
empfangen wird. Das Trapez des Reflexstrahles breitet sich in die
Richtungen 17.7 und 17.8 aus.
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Die
vorliegende Erfindung eröffnet neue Möglichkeiten
für die Licht-Sensorik zur Feinabtastung von kleinen Gegenständen
oder Gasen auch auf sehr kurzen Entfernungen zum Reflektor. Es wird kein
aufwändig mikronisiertes Tripelarray benötigt, der
Taststrahl als Sendestrahl kann beliebig klein im Durchmesser sein.
Um einen kleinen Lichtstrahl zu erzeugen, genügt eine Lochmaske
vor dem Sender angeordnet. Um einen erfindungsgemäßen
Reflektor zu erzeugen genügt irgendein retroflektierender
Reflektor, zum Beispiel eine Reflexfolie, auf deren Lichteintrittsfläche
eine Lenticularfolie aufgelegt wird. Die Erfindung zeigt in verblüffender
Einfachheit eine Lösung für ein Sensorikproblem,
an dem seit Jahrzehnten aufwändig konstruiert wurde. Unter
Verwendung dieser Erfindung können auch besonders kleine,
mikronisierte Sensorsysteme gebaut werden, um dünne Fäden,
kleine Partikel, Gase oder Rauch zu detektieren. Damit sind auch
mikronisierte Rauchmelder oder Partikelzähler nach dem
Reflexlichtschrankenprinzip möglich.
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Zusammenfassend
ist folgendes festzuhalten:
Ein Reflektor mit lenticularer
Lichteintrittsfläche erzeugt ein trapezförmiges
Reflexsignal. Er ermöglicht damit ein Verfahren zur Feinabtastung
von Gegenständen, Teilchen oder Gasen mit einem besonders geringen
Durch messer des Sendestrahles und einem veränderbaren Abstand
bis nahe 0 mm vom Reflektor zum Sender/Empfänger.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19727527 [0002]
- - DE 10119671 A1 [0008]
- - WO 2006/136381 A2 [0008]
- - DE 10228013 B4 [0012]