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Die Erfindung betrifft eine Linien-Beleuchtungsvorrichtung für einen Sensor sowie ein Verfahren zur Erzeugung von mindestens einer Beleuchtungslinie in einem Erfassungsbereich des Sensors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 9.
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Eine Vielzahl optischer Sensoren benötigt eine Ausleuchtung ihres Erfassungsbereichs durch eine Beleuchtungslinie. Beispiele solcher Sensoren sind Zeilenkameras, welche eine Linie oder eine Ebene überwachen, deren Begrenzung linienförmig ist, oder die ein relativ zu der Zeilenkamera bewegtes Objekt zeilenweise erfassen. Solche Sensoren können über ein Lichtschnittverfahren entfernungsauflösend sein, indem aus den Verschiebungen einer auf Objekte projizierten Beleuchtungslinie mittels Triangulation auf die Kontur und damit Entfernungsdaten der Objekte geschlossen wird. Ein anderes entfernungsauflösendes Verfahren ist ein Lichtlaufzeitverfahren, wo die Beleuchtungslinie in kurzen Pulsen erzeugt oder in ihrer Intensität moduliert wird und aus der Pulslaufzeit beziehungsweise der Phasenverschiebung über die Lichtgeschwindigkeit Entfernungen zu den Objekten im Erfassungsbereich berechnet werden.
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Eine Anforderung an die Beleuchtungslinie ist, dass die Bestrahlungsstärke entlang der Linie möglichst konstant sein muss. Erstreckt sich die Beleuchtungslinie über einen Vollwinkel von etwa 40°, so ist diese Anforderung recht einfach durch kommerzielle Optiken einschließlich diffraktiver Optiken (DOE, diffraktives optisches Element) zu erfüllen. Eine Beleuchtungslinie hoher Homogenität über einen großen Vollwinkel etwa von 90° können einfache konventionelle Optiken aber nicht erzeugen.
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Kostenaufwändige Optiken können den gestellten Anforderungen gerecht werden. Refraktiv kann eine entsprechende Beleuchtungslinie unter Verwendung von dem Strahldurchmesser angepassten Powelllinsen aus hochbrechenden Gläsern erzeugt werden, die zudem aufwändig justiert werden müssen. Denn die Laserdioden, die als Lichtquelle vor der Powelllinse sitzen, zeigen eine hohe Streuung im Abstrahlverhalten mit einer resultierenden Streuung des Strahldurchmessers auch nach Kollimation. Deshalb muss die Powelllinse dem jeweiligen Strahldurchmesser angepasst und sehr genau zum Strahl justiert werden. Diese Justierung und das Linsenelement selbst machen eine solche Linienbeleuchtungsquelle sehr kostenaufwändig.
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Auch mithilfe von DOEs ist ein Vollwinkel der Beleuchtungslinie von 90° gerade noch erreichbar. Allerdings gibt es eine Wechselbeziehung zwischen der Größe der Strukturen auf dem DOE und dem gewünschten Beleuchtungswinkel. Für große Winkel muss das DOE extrem kleine Strukturen haben und wird daher in der Herstellung kompliziert und kostspielig, sowohl was die Werkzeugherstellung als auch die Replikation der strukturierten DOEs angeht. Außerdem haben DOEs eine starke Inhomogenität in der Mitte der Beleuchtungslinie bei der nullten Beugungsordnung und weiterhin eine niedrige Transmissionseffizienz, etwa von nur 60% bei binären DOEs.
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Schließlich wäre denkbar, die Linie durch eine Scanbewegung einer punktförmigen Lichtquelle zu erzeugen. Eine solche Beleuchtung ist aber wegen der beweglichen Elemente aufwändig und wartungsanfällig.
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Aus der
EP 1 101 533 A2 ist ein Codeleser mit zwei Beleuchtungseinheiten bekannt, die jeweils eine Linie abbilden, wobei die beiden Beleuchtungslinien sich derart überlappen, dass eine möglichst lange und homogene Linie erhalten wird. Der Nachteil liegt hier nicht nur darin, zwei Beleuchtungsquellen mit dem entsprechenden Raumbedarf einsetzen zu müssen. Die optischen Elemente zur Erzeugung einer Linie sind nach diesem Stand der Technik einfache Zylinderlinsen, welche die Anforderungen an Homogenität, Beleuchtungswinkel und Linienbreite nicht erfüllen können.
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Die
EP 1 503 226 A2 zeigt einen optischen Sensor, der eine lichtstreuende Folie aufweist, welche so ausgebildet ist, dass aus einem im Querschnitt runden oder punktförmigen Sendestrahl eine Linie geformt wird. Es gibt aber keine lichtstreuenden Folien, die einen Strahl zu einer homogenen und schmalen Linie in einem größeren Vollwinkel von beispielsweise 90° formen könnten.
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Aus der
DE 43 20 177 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Linie bekannt. Dazu wird Laserlicht auf den Dachkantenbereich eines Prismas gestrahlt, der eine auf die Lasermode abgestimmte Oberflächenkontur einer asphärischen Zylinderlinse aufweist und dadurch eine Beleuchtungslinie mit in Längsrichtung gleichmäßiger Linienleistungsdichte erzeugt. Dem derart ausgestalteten Prisma kann eine Zylinderlinse nachgeordnet sein, um den von dem Prisma vorgegebenen Öffnungswinkel zu modifizieren.
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Aus der
US 6,688,758 B2 ist eine linienerzeugende optische Vorrichtung bekannt, welche zunächst eine Beleuchtungslinie mit gaussischer Strahlungsintensitätverteilung mittels einer Zylinderlinse erzeugt, die dann mit Hilfe eines nachgeschalteten diffraktiven optischen Elements homogenisiert wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Linienbeleuchtung für einen Sensor anzugeben, die auf einfache Weise eine schmale Linie in einem großen Winkelbereich erzeugen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Linien-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Erzeugung einer Beleuchtungslinie nach Anspruch 9 gelöst. Die Erfindung beruht auf der Grundidee, ein und denselben preiswert verfügbaren Liniendiffusor mehrfach aus unterschiedlichen Winkeln anzustrahlen und durch Überlagerung der somit entstehenden Beleuchtungslinien über jeweils einen vergleichsweise kleinen Beleuchtungswinkel zu einer homogenen Linie mit einem großen Beleuchtungswinkel zusammenzusetzen. Dafür wird auch ein und dieselbe Lichtquelle verwendet, deren Strahl durch einen Strahlteiler platzsparend und mit der geringst möglichen Anzahl an Komponenten mehrfach verwendet wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, mit einer einfachen Optik eine Laserlinie über 90° und mehr mit einer Homogenität von besser als ±30° und einer sehr geringen Liniendicke erzeugen zu können. Dies wird durch preisgünstige Elemente ohne Justieraufwand erreicht. Die übliche Streuung der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle, insbesondere einer Laserdiode, wird von dem Liniendiffusor ohne die Notwendigkeit einer Justierung toleriert. Schließlich hat der Liniendiffusor auch keine die Homogenität störende nullte Beugungsordnung, wie dies bei einem DOE der Fall wäre. Damit entsteht eine extrem preisgünstige, leicht herstellbare und dennoch hochwertige Linienbeleuchtung.
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Der Liniendiffusor weist Kunststoff auf, ist insbesondere eine Kunststofffolie, und hat eine zufällige, nichtperiodische Oberflächenstruktur, die effektiv wie eine Vielzahl randomisierter Mikrolinsen wirkt. Solche speziellen Liniendiffusoren sind kommerziell erhältlich, kostengünstig, zeigen eine hohe Transmissionseffizienz von bis zu 92% und erfüllen die Anforderungen an eine besonders geringe Linienstärke. Durch die spezielle Oberflächenstruktur wird also das Licht in dem Liniendiffusor in der gewünschten Weise auf eine Linie abgebildet. Lichtquelle, Strahlteiler und Liniendiffusor sind derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass die Beleuchtungslinie über einen Öffnungswinkel von etwa 90° erzeugt werden kann. Damit hat ein Sensor, in dem die Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird, ein großes Gesichtsfeld und kann insbesondere in rechtwinkligen Strukturen angebracht werden und diese vollständig erfassen.
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Die Lichtquelle ist vorteilhafterweise eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, und/oder zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler ist eine kollimierende Optik zur Erzeugung eines scharfen Lichtquellen-Lichtstrahls angeordnet. Damit können erzeugende Strahlen der notwendigen Leistung und Schärfe auf den Liniendiffusor gerichtet werden, um eine entsprechend helle und schmale Beleuchtungslinie zu erreichen.
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Der Liniendiffusor ist vorteilhafterweise dafür ausgebildet, die Strahlteiler-Lichtstrahlen in der ersten Ebene so wenig aufzubündeln, dass die Liniendicke in 1 m Abstand höchstens 6 mm beträgt. Dies ist insbesondere durch Kunststofffolien mit entsprechenden mikrolinsenartigen Oberflächenstrukturen erreichbar und führt zu einer entsprechend hellen und kontraststarken, schmalen Beleuchtungslinie, wie sie für die verbesserte Auswertung eines Sensors benötigt wird.
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Der Strahlteiler weist bevorzugt ein optisches Gitter, ein Prisma, insbesondere ein mit der Firstseite in dem Lichtquellen-Lichtstrahl angeordnetes beleuchtetes Dachkantprisma, einen Strahlteilerwürfel, einen teilverspiegelten Spiegel oder eine Mikrooptik auf. Dies sind einfache, leicht erhältliche optische Elemente mit gut bekannten und geeigneten optischen Eigenschaften.
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Ein Sensor mit der erfindungsgemäßen Linien-Beleuchtungsvorrichtung weist bevorzugt ein Lichtempfangselement sowie eine Auswertungseinheit auf, die dafür ausgebildet ist, Objekteingriffe in den Erfassungsbereich des Sensors anhand von Signalen des Lichtempfangselements zu erkennen. Hier werden also die verbesserten Eigenschaften der Beleuchtungslinie ausgenutzt, um Überwachungsaufgaben des Sensors zu erleichtern, und es wird die einfache und kostengünstig herzustellende Beleuchtungsvorrichtung vorteilhaft in einen Sensor eingesetzt.
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Der Sensor kann als Mehrebenensensor mit einer Vielzahl der erfindungsgemäßen Linien-Beleuchtungsvorrichtungen ausgebildet sein, wobei die Beleuchtungslinien ein paralleles Linienmuster bilden. Auf diese Weise kann auch ein dreidimensionaler Raumbereich durch Ebenen eines gewünschten Abstands überwacht werden, ohne dass vollständige dreidimensionale Daten erzeugt und ausgewertet werden müssen.
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Dabei ist jeweils das Lichtempfangselement bevorzugt ein pixelaufgelöster zeilen- oder matrixförmiger Bildsensor, insbesondere ein Bildsensor zur Bestimmung von Entfernungen nach dem Prinzip der Lichtlaufzeit oder einem Lichtschnittverfahren. Damit kann eine Ebene vollständig erfasst werden, die von der Linie beleuchtet wird, und dem Objekteingriff können vollständige zweidimensionale Koordinaten innerhalb der Ebene zugeordnet werden.
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Bevorzugt ist eine Warn- oder Abschaltvorrichtung vorgesehen, die dafür ausgebildet ist, auf ein Erkennen der Auswertungseinheit eines unzulässigen Objekteingriffs hin eine Warnung zu erzeugen oder eine Gefahrenquelle abzusichern. Dies ist ein wichtiger Anwendungsfall für einen optischen Sensor, der besonders in der Sicherheitstechnik eine wichtige Rolle spielt.
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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 an die unabhängigen Ansprüche 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 Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linien-Beleuchtungsvorrichtung in einem optoelektronischen Sensor mit dessen Überwachungsbereich und der darin erzeugten Beleuchtungslinie einschließlich ihres Intensitätsprofils; und
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2 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäß eingesetzten Liniendiffusor im Strahlengang einer Laserdiode zur Erläuterung der Abbildungseigenschaften des Liniendiffusors in beiden Ebenen senkrecht zur Strahlrichtung.
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1 zeigt in schematischer Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 10 mit einer erfindungsgemäßen Linienbeleuchtung 12 zur Erzeugung einer Beleuchtungslinie 14 in einem Erfassungsbereich 16 des Sensors 10. Die Linienbeleuchtung 12 weist eine Lichtquelle 18 auf, deren Licht von einer Linse 20 als kollimierter Lichtstrahl 22 auf einen Strahlteiler 24 gelenkt wird. In dem Strahlteiler 24 wird der Lichtstrahl 22 in zwei etwa gleich helle Teilstrahlen 22a, 22b aufgespalten. Beide Teilstrahlen 22a, 22b treffen auf einen Liniendiffusor 26, der jeden Teilstrahl 22a, 22b jeweils zu einer Linie auseinanderzieht, wobei die entstehenden Lichtbündel 22a, 22b sich in dem Erfassungsbereich 16 zu der Beleuchtungslinie 14 überlagern.
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Als Lichtquelle 18 ist gewöhnlich eine Halbleiterlichtquelle vorgesehen, etwa eine Leuchtdiode oder bevorzugt eine Laserdiode. Die Lichtquelle 18 muss in der Lage sein, nach Kollimieren durch die Linse 20 einen hinreichend feinen Lichtstrahl mit einer Leistung zu erzeugen, die für die Beleuchtungslinie 14 ausreichend ist. Statt der kollimierenden Linse 20 kann ein anderes kollimierendes optisches Element eingesetzt werden, das auch bereits in die Lichtquelle 18 integriert sein kann. Als Strahlteiler 24 kommt abweichend von der Darstellung der 1 mit dem von der Firstseite her auf ein Dachkantprisma 24 fallenden Lichtstrahl 22 jeder andere bekannte Strahlteiler in Betracht, etwa ein optisches Gitter, ein anderes Prisma, ein Strahlteilerwürfel, ein teilverspiegelter Spiegel oder eine Mikrooptik. Es ist vorteilhaft und beim Dachkantprisma 24 realisierbar, wenn sich die beiden Teilstrahlen 22a, 22b möglichst nah am Liniendiffusor 26 schneiden. Denn dann kann ein kostengünstiger Liniendiffusor 26 mit kleinstmöglicher Fläche verwendet werden. Vorteilhaft wird dabei der Strahl 22 senkrecht zur fast axis (große Halbachse des elliptischen Querschnitts des Lasers) durch den Strahlteiler 24 geteilt.
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Das optische Verhalten des Liniendiffusors 26 ist in 2 dargestellt. Trifft ein Lichtstrahl 22 aus der Lichtquelle 18, der hier zur Vereinfachung der Illustration nicht strahlgeteilt wird, auf den Liniendiffusor 26, so wird der Lichtstrahl 22 in einer Dimension X auseinandergezogen, wie dies in der oberen Hälfte der 2 beispielhaft anhand eines gaussischen Intensitätsverlaufs 28 dargestellt ist. In der dazu senkrechten Dimension Y wird der Lichtstrahl 22 nur leicht oder gar nicht aufgestreut, wie dies in der unteren Hälfte der 2 beispielhaft anhand eines deutlich schmaleren gaussischen Intensitätsverlaufs 30 dargestellt ist.
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Zurück zu der 1 führt dieses optische Verhalten des Liniendiffusors 26 dazu, dass die beiden Teilstrahlen 22a, 22b jeweils in der dargestellten X-Richtung der Linienausdehnung zu einem gaussischen Intensitätsverlauf 28a, 28b auseinandergezogen werden, wobei die Schwerpunkte der beiden Intensitätsverteilungen 28a, 28b dem Auftreffpunkt der von den Strahlteiler 24 gebildeten Teilstrahlen 22a, 22b entsprechen, wenn der Liniendiffusor 26 nicht vorhanden wäre.
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Die Intensitätsverteilungen 28a, 28b (gestrichelte Linien) überlagern sich zu einer weitgehend homogenen Summen-Intensitätsverteilung 32 (durchgezogene Linie) über einen gegenüber einem einzelnen Lichtstrahl in etwa verdoppeltem Winkelbereich. In der in 1 nicht dargestellten senkrechten Dimension Y ist die Linie 14, 32 extrem schmal, wie diejenige in der unteren Hälfte der 2. Somit erzeugt die Beleuchtungsvorrichtung 12 eine schmale, homogene Beleuchtungslinie 14 über einen großen Winkelbereich in dem Erfassungsbereich 16.
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Erreicht beispielsweise der Liniendiffusor 26 aus einem kollimierten Lichtstrahl 22, insbesondere einem Laserstrahl, ein in X-Richtung divergentes Strahlenbündel mit einem FWHM-Divergenzwinkel (Full Width at Half Maxmimum) von 40° bei 0,2° in Y-Richtung mit einem jeweils in etwa gaussförmig winkelabhängigen Intensitätsverlauf, so kann eine homogene Linie 14 über das etwa 2,4-fache des FWHM-Winkels, also etwa 90° erzeugt werden, die in 1 m Reichweite eine Liniendicke von nur etwa 6 mm hat. Dabei ist der Strahlteiler 24 so ausgebildet, dass die Teilstrahlen 22a, 22b in einen Winkel etwa gleich dem FWHM-Winkel in X-Richtung des Liniendiffusors 26 verlaufen.
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Der Liniendiffusor 26 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Kunststofffolie, die eine besondere Oberflächenstruktur aufweist, einem sogenannten lichtformenden Diffusor. Dabei werden Relief-Hologramme von einem holographischen Master auf die Oberfläche übertragen. Diese Strukturen sind vollständig zufällig angeordnet und nichtperiodisch und haben die optische Wirkung einer Vielzahl randomisierter Mikrolinsen. Der Liniendiffusor 26 divergiert auf diese Weise das Licht. Er ist nicht wellenlängenabhängig und erreicht eine Transmissionseffizienz von bis zu 92% ohne Moiré-Effekte oder Farbverfälschungen. Die Mikrostrukturen auf der Oberfläche lenken also das Licht der Teilstrahlen 22a, 22b gezielt in X-Richtung ab und lassen es in Y-Richtung unverändert. Eine nullte Beugungsordnung gibt es hier nicht.
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Neben der Linienbeleuchtung 12 ist in einem Gehäuse 34 des Sensors 10 ein Bildsensor 36 vorgesehen, der über eine Abbildungsoptik 38 und eine transparente Frontscheibe 40 den Erfassungsbereich 16 überwacht. Dieser Bildsensor 36 ist beispielsweise ein zeilen- oder matrixförmiger Aufnahmechip, der ein zeilenförmiges oder rechteckiges Pixelbild aufnimmt, etwa ein CCD- oder ein CMOS-Sensor oder eine Photodiode, insbesondere eine ortsauflösende Photodiode.
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Eine Steuerung 42 des Sensors 10 ist mit dem Bildsensor 36 und der Linienbeleuchtung 12 verbunden. Weiterhin ist an die Steuerung 42 eine Warn- oder Abschalteinrichtung 44 angeschlossen. Steuerung 42 sowie Warn- oder Abschalteinrichtung 44 können wie in 1 dargestellt in den Sensor 10 innerhalb des Gehäuses 34 integriert werden, sie können aber auch Teile einer externen Steuerung oder eines externen Rechnersystems sein.
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Die Steuerung 42 schaltet die Linienbeleuchtung 12 je nach Bedarf ein und aus und regelt deren Leistung. Sie empfängt außerdem Bilddaten des Bildsensors 36 (oder Lichtsignale, wenn eine Photodiode vorgesehen ist) aus dem Erfassungsbereich 16.
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Erkennt die Steuerung 42 durch Auswertung der Bilddaten des Erfassungsbereichs 16 einen unzulässigen Objekteingriff, so wird über die Warn- oder Abschalteinrichtung 44 eine Warnung ausgegeben oder eine Gefahrenquelle abgesichert. Dazu werden häufig in dem Erfassungsbereich 16 Schutzfelder angelegt, in die kein Eingriff erfolgen darf, beispielsweise um gefährliche Maschinenteile herum. Um Ausfallzeiten durch unnötige Fehlalarme so gering wie möglich zu halten, wird häufig um das eigentliche Schutzfeld herum ein Warnbereich angelegt, wo ein unzulässiger Objekteingriff zunächst nur eine Warnung auslöst und erst bei fortgesetztem Eingriff auch in das Schutzfeld die Gefahrenquelle abgesichert wird, also beispielsweise die Maschine des gefährlichen Maschinenteils abgeschaltet oder in eine sichere Position gebracht wird. Es ist auch denkbar, vorab in dem Erfassungsbereich 16 vorhandene Objekte sowie bestimmte erlaubte Bewegungsmuster festgelegter Objekte einzulernen und diese im Betrieb von unzulässigen Objekteingriffen zu unterscheiden, also bei deren Eingriff nicht zu reagieren.
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Für Anwendungen in der Sicherheitstechnik ist der Sensor 10 fehlersicher ausgelegt. Dies bedeutet unter anderem, dass der Sensor 10 sich selber in Zyklen unterhalb der geforderten Ansprechzeit testen kann und dass der Ausgang zur sowie die Warn- oder Abschalteinrichtung 44 selbst sicher, beispielsweise zweikanalig ausgelegt ist. Ebenso ist auch die Steuerung 42 selbstsicher, wertet also zweikanalig aus oder verwendet Algorithmen, die sich selbst prüfen können.
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Der Sensor 10 kann als Zeilenkamera oder zur Linienüberwachung ausgebildet sein. Er kann als Ebenensensor aus Abschattungen den bloßen Objekteingriff erfassen, aber auch mittels eines Lichtschnittverfahrens oder eines Lichtlaufzeitverfahrens die Lage des Objekteingriffs innerhalb der Ebene in zweidimensionalen entfernungsaufgelösten Koordinaten erfassen.
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Schließlich ist denkbar, mehrere Linienbeleuchtungen 10 vorzusehen, welche übereinander liegende zueinander parallele Linien 14 erzeugen und somit die Überwachung mehrerer zueinander beabstandeter Ebenen erlauben. Dazu kann möglicherweise je nach Bauweise sogar dieselbe Folie als Liniendiffusor 26 und/oder dasselbe Prisma oder sonstige Strahlteilerelement als Strahlteiler 24 für alle Ebenen dienen, oder sogar durch weitere Strahlteilereigenschaften dieselbe Lichtquelle für alle Ebenen verwendet werden. Ebenso kann entweder auch eine entsprechende Vielzahl von Lichtempfangselementen 36 vorgesehen sein, oder es werden verschiedene Pixelzeilen eines matrixförmigen Bildsensor 36 für die Abbildung verschiedener Überwachungsebenen verwendet, um Bauteile einzusparen.
