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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Objektdetektion nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Optische
Sensoren senden Licht aus, das an einem zu untersuchenden Objekt
reflektiert oder gestreut und vom Sensor wieder empfangen wird.
Auf diese Weise kann beispielsweise ein Objekt erkannt (Präsenzdetektion)
oder der Abstand zu einem Objekt bestimmt werden. Die von diesen
optischen Sensoren gewonnenen Informationen werden meist zum Steuern
von automatisch arbeitenden Anlagen verwendet. Ein spezielles Anwendungsgebiet
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors ist eine Reflektions-Lichtschranke. Das erfindungsgemäße Prinzip ist
jedoch nicht auf diese Reflektions-Lichtschranken beschränkt, sondern
erstreckt sich vielmehr allgemein auf alle optischen Sensoren, bei
denen das erfindungsgemäße Prinzip
vom Grundsatz her eingesetzt werden kann.
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Die
optischen Sensoren weisen grundsätzlich
einen Sender zum Aussenden von Licht auf. Der Begriff ”Licht” ist dabei
im allgemeinsten Sinne zu verstehen. Es handelt sich generell um
elektromagnetische Strahlung, welche bei optischen Sensoren eingesetzt
werden kann. Das Licht befindet sich dabei vorzugsweise im sichtbaren
Bereich. Es ist aber auch denkbar, daß die Wellenlängenbereiche
im nicht sichtbaren Bereich Einsatz finden. Weiterhin ist ein Empfänger vorgesehen,
welcher das vom Objekt zurückkommende
Licht empfängt
und detektiert. Zur optischen Abbildung des vom Sender kommenden Lichts
ist eine Autokollimationsoptik vorgesehen, welche sich im Strahlengang
befindet.
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Bei
einer bekannten Ausführungsform
der Autokollimationsoptik wird in der Regel der Sender in der Autokollimationsachse
positioniert. Der Empfangsstrahlengang ist dann über einen sogenannten Lochspiegel
oder einen Strahlteiler um einen definierten Winkel von meist 90° abgelenkt.
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Bei
den bisherigen Anordnungen ist der Platzbedarf insbesondere bei
Lasergeräten
in Richtung der Autokollimationsachse deutlich größer als senkrecht
dazu. Die bisher üblichen
Bauformen von optischen Sensoren weisen jedoch in dieser Richtung
der Autokollimationsachse den geringen Bauraum auf. Weiterhin sind
bei den bekannten Vorrichtungen eine Summe von optischen Komponenten
erforderlich, z. B. Strahlteiler, Linsen, optische Schichten etc.
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Die
DE 43 40 756 C5 zeigt
eine Laserabstandsermittlungsvorrichtung. Dabei wird Licht von einem
Impulslaser auf einen Umlenkspiegel geleitet, welcher den Lichtstrahl
um 90° ablenkt.
Zwischen dem Impulslaser und diesem Umlenkspiegel befindet sich
eine Linse. Das vom Objekt reflektierte Licht passiert seitlich
den Umlenkspiegel und wird nach Passieren einer Empfängerlinse
auf einen Fotoempfänger
gelenkt.
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Die
DE 103 08 085 B4 zeigt
noch eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Objekten
in einem Überwachungsbereich
mit einer einstückigen
Ausgestaltung der Optik unter Verwendung einer totalreflektierenden
Grenzfläche.
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Der
Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor zur
Objektdetektion zu schaffen, welcher hinsichtlich seiner Autokollimationsoptik
nur wenig Platz beansprucht und darüber hinaus kostengünstig herstellbar
ist.
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Die
technische Lösung
ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch
ist ein optischer Sensor zur Objektdetektion mit einer Autokollimationsoptik
geschaffen, welcher eine Vielzahl von Vorteilen aufweist. Insbesondere
ist die optische Anordnung zur Autokollimation im Vergleich zu den
bisherigen Autokollimationsoptiken entscheidend verbessert. Ein
wesentliches Element besteht darin, daß der Lichtstrahl nicht mehr wie
bisher in Richtung der Autokollimationsachse in das optische System
eingestrahlt wird, sondern senkrecht hierzu. Insbesondere bei der
Verwendung von Lasern als Sender bringt dies hinsichtlich des Platzbedarfs
deutliche Vorteile. Denn die bisher üblichen Bauformen von optischen
Sensoren weisen in der Autokollimationsachse die geringste Bautiefe
auf. Da aber nunmehr der Sender senkrecht zur Autokollimationsachse
im Gehäuse
angeordnet ist, hat dies auf die Bautiefe in der vorerwähnten Autokollimationsachse
keinen Einfluß.
In dieser Querrichtung hingegen ist genügend Platz vorhanden. Durch
diese senkrechte Anordnung des Senders ist darüber hinaus eine größere Brennweite
der Sendeoptik möglich.
Daraus resultieren größere Justagetoleranzen. Indem
weiterhin erfindungsgemäß der Empfänger auf
der Autokollimationsachse liegt, bedeutet dies im Vergleich zu den
bisherigen Anordnungen einen Positionstausch zwischen Sender und
Empfänger. Durch
diese Anordnung des Empfängers
ist eine größere Empfangsapertur
möglich
und damit eine größere Reichweite
des optischen Sensors als solchem. Die Strahlumlenkung des vom Sender
ausgesandten Lichtstrahls erfolgt dabei erfindungsgemäß durch
Totalreflektion. Dies hat den Vorteil des Wegfalls von optischen
Schichten und damit geringere optische Verluste im Vergleich zur
Strahlteilerlösung,
bei welcher in technisch aufwendiger Weise reflektierende Beschichtungen
aufgebracht werden müssen,
welche zudem – wie
ausgeführt – optische
Verluste verursachen. Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Autokollimationsoptik
besteht somit darin, daß der
Lichtstrahl senkrecht zur Autokollimationsachse auf die totalreflektierende
Fläche
geführt
wird, welche den Lichtstrahl dann in Richtung der Autokollimationsachse
abstrahlt. Das zurückgeworfene
Licht kommt im Bereich der totalreflektierenden Fläche wieder
an. Durch die der totalreflektierenden Fläche benachbarte Linse wird
dann das Licht auf den dahinter befindlichen Empfänger fokussiert
(wobei der Bereich mit der totalreflektierenden Fläche ausgespart bleibt).
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Die
Autokollimationsoptik ist durch einen einstückigen Kunststoffkörper gebildet,
in welchem alle optisch wirksamen Komponenten in einem einzigen Bauteil
integriert sind. Die totalreflektierende Fläche ist dabei im Innern des
Kunststoffkörpers
ausgebildet. Dies bedeutet, daß diese
schräg
gestellte totalreflektierende Fläche
das Zentrum des Kunststoffkörpers
definiert. Die Oberflächen
des Kunststoffkörpers sind
dabei als Linsen ausgebildet. Die einstückige Ausbildung des Kunststoffkörpers mit
sämtlichen
optischen Komponenten bringt eine Vielzahl von entscheidenden Vorteilen.
So kann es sich bei dem einstückigen
Kunststoffkörper
um ein Teil handeln, welches kostengünstig beispielsweise durch
Spritzguß oder
Spritzprägen
herstellbar ist. Die Herstellkosten sind dabei auf ein Minimum verringert,
da alle optischen Komponenten in einem Teil integriert sind. Dadurch
resultieren auch geringere Material- und Montagekosten. Weiterhin
fallen alle Fügetoleranzen
zwischen Linsen, Strahlteilern etc. weg. Da durch diesen einstückigen Kunststoffkörper darüber hinaus
weniger Brechungsindexübergänge vorhanden
sind, resultieren daraus geringere optische Verluste durch Verringerung
der Anzahl der optischen Flächen.
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Schließlich schlägt die Weiterbildung
gemäß Anspruch
2 vor, daß an
dem Kunststoffkörper
der Autokollimationsoptik Haltevorrichtungen angeformt sind. Dies
hat den Vorteil, daß die
Autokollimationsoptik auf einfache und reproduzierbare Weise ohne große Toleranzen
an entsprechenden Halteeinrichtungen des Gehäuses oder anderen Bauteilen
angeordnet werden kann.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen optischen
Sensors zur Objektdetektion mit der Autokollimationsoptik wird nachfolgend
anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt in einer schematischen
Längsschnittdarstellung
den optischen Sensor in Form einer Autokollimationslichtschranke.
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Der
optische Sensor weist ein äußeres Gehäuse 1 auf,
welches von einer durchsichtigen Frontscheibe 2 abgedeckt
ist. Im Innern des Gehäuses 1 sind
Leiterplatten 3 angeordnet, welche die Sensoreinrichtungen
tragen.
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So
ist ein Sender 4 vorgesehen, bei dem es sich um einen Laser
oder um eine LED handeln kann. Die optische Achse dieses Senders 4 steht
dabei senkrecht auf der Autokollimationsachse 5. Weiterhin ist
ein Empfänger 6 vorgesehen,
welcher in der vorerwähnten
Autokollimationsachse 5 liegt.
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Weiterer
wesentlicher Bestandteil des optischen Sensors ist eine Autokollimationsoptik 7.
Dabei handelt es sich um einen einstückigen Kunststoffkörper 8.
Dieser weist angeformte Halteeinrichtungen 9 zum Befestigen
der Autokollimationsoptik 7 am Sender 4 auf. Andere
Befestigungsmethoden sind denkbar.
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Der
Kunststoffkörper 8 der
Autokollimationsoptik 7 weist in der zentralen Mitte eine
bezüglich
der Autokollimationsachse 5 schräg gestellte, totalreflektierende
Fläche 10 auf.
Weiterhin sind drei Linsen ausgebildet, nämlich eine Linse 11 zwischen
dem Sender 4 und der totalreflektierenden Fläche 10,
eine Linse 12 zwischen der totalreflektierenden Fläche 10 und
einem Reflektor 13 und schließlich einer Linse 14,
welche bezüglich
der Autokollimationsachse 5 in senkrechter Richtung beidseits
der totalreflektierenden Fläche 10 ausgebildet
sind.
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Die
Funktionsweise ist wie folgt:
Der Sender 4 sendet
das Licht senkrecht zur Autokollimationsachse 5 in Richtung
totalreflektierende Fläche 10.
Dabei wird es von der Linse 11 auf diese totalreflektierende
Fläche 10 gebündelt.
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An
der totalreflektierenden Fläche 10 wird das
Licht – in
der Zeichnung nach links – reflektiert, um
nach Passieren der Linse 12 sowie der Frontscheibe 2 auf
den Reflektor 13 zu gelangen, und zwar auf der Autokollimationsachse 5.
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Das
vom Reflektor 13 reflektierte Licht (wieder auf der Autokollimationsachse 5)
gelangt auf den Kunststoffkörper 8 der
Autokollimationsoptik 7, und zwar auf den Bereich der Linsen 14,
wie sie beidseits der totalreflektierenden Fläche 10 ausgebildet
sind. Das Licht wird durch diese Linsen 14 auf den Empfänger 6 fokussiert.
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Bei
den vorbeschriebenen Linsen handelt es sich um sphärische,
d. h. bezüglich
der Strahlachse runde, rotationssymmetrische Linsen.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Frontscheibe
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Sender
- 5
- Autokollimationsachse
- 6
- Empfänger
- 7
- Autokollimationsoptik
- 8
- Kunststoffkörper
- 9
- Halteeinrichtung
- 10
- totalreflektierende
Fläche
- 11
- Linse
- 12
- Linse
- 13
- Reflektor
- 14
- Linse