DE102010040051A1

DE102010040051A1 - Lichtschrankenvorrichtung

Info

Publication number: DE102010040051A1
Application number: DE102010040051A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hilsenbeck; Dr. Forkl Alexander
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01
Also published as: US8785837B2; US20120049050A1

Abstract

Es ist eine Lichtschrankenvorrichtung vorgesehen, welche eine Sendeeinrichtung für Licht, eine Reflexionseinrichtung, und eine Empfangseinrichtung für reflektiertes Licht mit mindestens einem Photodetektor umfasst, wobei der mindestens eine Photodetektor in einem spitzen Winkel zu einer optischen Achse angeordnet ist, wobei der mindestens eine Photodetektor eine Empfangsfläche für Licht aufweist und der spitze Winkel zwischen der optischen Achse und einer Normalen der Empfangsfläche liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtschrankenvorrichtung, umfassend eine Sendeeinrichtung für Licht, eine Reflexionseinrichtung und eine Empfangseinrichtung für reflektiertes Licht mit mindestens einem Photodetektor.
Solche Lichtschrankenvorrichtungen, welche beispielsweise als Reflexions-Lichtschrankenvorrichtungen ausgebildet sind, werden beispielsweise dazu eingesetzt, um das Eindringen eines Objekts in einen Sensorbereich zu detektieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtschrankenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen hohen Nutzungsgrad und/oder eine hohe Funktionsreserve und/oder eine hohe Reichweite insbesondere bei hoher Spiegelsicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Lichtschrankenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Photodetektor in einem spitzen Winkel zu einer optischen Achse angeordnet ist, wobei der mindestens eine Photodetektor eine Empfangsfläche für Licht aufweist und der spitze Winkel zwischen der optischen Achse und einer normalen der Empfangsfläche liegt.
Durch Verkippung des Photodetektors relativ zur optischen Achse für Empfangslicht lässt sich der Transmissionsgrad erhöhen. Ein erhöhter Transmissionsgrad ergibt ein erhöhtes Nutzsignal. Weiterhin lässt sich dadurch die Funktionsreserve erhöhen und die Reichweite lässt sich bei hoher Spiegelsicherheit erhöhen.
Insbesondere ist der spitze Winkel der Brewster-Winkel bezogen auf ein Medium, in welchem der mindestens eine Photodetektor angeordnet ist, und einem lichttransitiven Material des mindestens einen Photodetektors, oder der spitze Winkel hegt in der Nähe des Brewster-Winkels.
Beim Brewster-Winkel liegen ein reflektierter Strahl und ein in dem lichttransitiven Material verlaufender Strahl senkrecht zueinander. Als Konsequenz davon wird Licht mit einer Polarisation in einer Einfallsebene nicht reflektiert. Dadurch erhält man beim Brewster-Winkel einen hohen Transmissionsgrad und dadurch ein erhöhtes Nutzsignal.
Aufgrund von Abweichungen beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen im optischen Aufbau kann einen exakte Einstellung des Brewster-Winkels erschwert sein oder nicht möglich sein. Den erfindungsgemäßen Vorteil erhält man auch, wenn der spitze Winkel nicht exakt dem Brewster-Winkel entspricht, sondern von diesem gering abweicht. Vorzugsweise sollte diese Abweichung des spitzen Winkels bei höchstens 20° liegen.
Insbesondere liegt der spitze Winkel im Bereich zwischen 50° und 85°, insbesondere wenn der mindestens eine Photodetektor ein Si-Photodetektor ist, welcher in einer Luftumgebung angeordnet ist. Der Brechungsindex für Luft ist Eins. Der Brechungsindex von Silizium liegt je nach Dotierung des Siliziums zwischen circa 3 und 3,9.
Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dadurch ergibt sich eine kompakt aufgebaute Lichtschrankenvorrichtung, wobei die Reflexionseinrichtung mit Sendelicht bestrahlt wird und reflektiertes Licht von der Empfangseinrichtung empfangbar ist.
Die Reflexionseinrichtung ist dabei insbesondere außerhalb des Gehäuses angeordnet. Es kann dadurch das Eindringen eines Objekts zwischen der Reflexionseinrichtung und dem Gehäuse detektiert werden.
Bei einer Ausführungsform ist eine Polarisatoreinrichtung vorgesehen. Grundsätzlich ergibt sich das Problem, wenn ein spiegelndes Objekt in den Strahlengang gebracht wird, dass an dem spiegelnden Objekt eine Reflexion stattfindet und aufgrund dieser Reflexion das Eindringen dieses Objekts unter Umständen nicht erkannt wird. Durch das Vorsehen einer Polarisatoreinrichtung kann dieser Gefahr begegnet werden. Wenn polarisiertes Licht abgestrahlt wird und Insbesondere auch für Empfangslicht ein Polarisationsfilter vorgesehen ist, dann kann erkannt werden, ob Licht an einer Reflexionseinrichtung reflektiert wird, wenn diese polarisationsdrehend ausgebildet ist, oder an einem nichtpolarisationsdrehenden spiegelnden Licht reflektiert wurde. Es lässt sich dadurch eine Spiegelsicherheit realisieren, das heißt, die Lichtschrankenvorrichtung kann erkennen, ob die Reflexion an der Reflexionseinrichtung stattgefunden hat oder an einem spiegelnden Objekt, welches in den Strahlengang gelangt ist.
Insbesondere umfasst die Polarisatoreinrichtung ein erstes Polarisationsfilter, welches der Sendeeinrichtung zugeordnet ist. Dadurch lässt sich polarisiertes Licht und insbesondere linear polarisiertes Licht senden.
Es ist ferner günstig, wenn die Polarisatoreinrichtung ein zweites Polarisationsfilter umfasst, welches der Empfangseinrichtung zugeordnet ist. Durch das zweite Polarisationsfilter lässt sich die Polarisation des Lichts vorgeben, welches auf den Photodetektor gelangt.
Insbesondere geben das erste Polarisationsfilter und das zweite Polarisationsfilter unterschiedliche lineare Polarisationsrichtungen vor, wobei diese unterschiedlichen Polarisationsrichtungen insbesondere senkrecht aufeinander stehen. Dadurch lässt sich auf einfache Weise erkennen, ob ein spiegelndes Objekt ohne Polarisationsdrehung in den Strahlengang gebracht wurde, oder ob eine Reflexion an einer polarisationsdrehenden Reflexionseinrichtung stattgefunden hat.
Es ist dabei günstig, wenn das erste Polarisationsfilter Sendelicht bereitstellt, welches senkrecht zu einer Einfallsebene polarisiert ist. Bei einer polarisationsdrehenden Reflexionseinrichtung wird dann die Empfangseinrichtung mit Licht beaufschlagt, welches insbesondere parallel zur Einfallebene polarisiert ist. Wenn der Photodetektor im Brewster-Winkel angeordnet ist, dann erfolgt keine Reflexion dieses derart polarisierten Lichts und man erhält im Idealfall einen 100%-igen Transmissionsgrad. Dies wiederum resultiert in einem hohen Nutzsignal mit den oben erwähnten Vorteilen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass keine Polarisatoreinrichtung verwendet wird, insbesondere im Zusammenhang wenn die Sendeeinrichtung eine Laserlichtquelle umfasst. Dadurch lässt sich die Lichtschrankenvorrichtung auf einfache Weise ausbilden. Durch die Anordnung des Photodetektors im Brewster-Winkel oder in der Nähe des Brewster-Winkels erfolgt eine Art von Polarisationsfilterung. Nur senkrecht zur Einfallsebene polarisiertes Licht wird reflektiert, während parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht nicht reflektiert wird. Man erhält dann auch ohne Vorsehen von Polarisationsfiltern einen hohen Transmissionsgrad.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Reflexionseinrichtung polarisationsdrehend ausgebildet ist. Dadurch lässt sich eine hohe Spiegelsicherheit realisieren, das heißt es lässt sich erkennen, ob ein spiegelndes Objekt in den Strahlengang zwischen Sendeeinrichtung, Reflexionseinrichtung und Empfangseinrichtung gebracht worden ist, oder ob eine Reflexion an der Reflexionseinrichtung stattgefunden hat.
Insbesondere ist der mindestens eine Photodetektor mit Licht beaufschlagt, welches in einer Einfallebene polarisiert ist, zumindest wenn der mindestens eine Photodetektor durch an der Reflexionseinrichtung reflektiertes Licht beaufschlagt ist und die Reflexionseinrichtung polarisationsdrehend ausgebildet ist. Im Idealfall, wenn der mindestens eine Photodetektor im Brewster-Winkel geneigt ist, ist dann an dem Photodetektor der Reflexionsgrad Null und es erfolgt eine 100%-ige Transmission. Man erhält dadurch einen hohen Nutzgrad.
Die entsprechende Beaufschlagung des Photodetektors mit in der Einfallsebene linear polarisiertem Licht lässt sich dadurch erreichen, dass senkrecht zur Einfallsebene polarisiertes Licht erzeugt wird und die Reflexionseinrichtung damit beaufschlagt wird, wobei die Reflexionseinrichtung um 90° polarisationsdrehend ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein entsprechendes Polarisationsfilter dem Photodetektor zugeordnet sein, welches als Vorzugsrichtung eine Polarisation in der Einfallsebene hat.
Bei einer Ausführungsform ist eine Einstelleinrichtung vorgesehen, durch welche eine Winkelstellung des mindestens eine Photodetektors mindestens bei der Herstellung der Lichtschrankenvorrichtung feststellbar einstellbar ist. Dadurch lässt sich eine optimierte Ausbildung erreichen, um den Brewster-Winkel oder einen spitzen Winkel in der Nähe des Brewster-Winkels einstellen zu können. Eine entsprechende Einstelleinrichtung ist als Gelenkeinrichtung in der DE 20 2007 005 710 U1 beschrieben.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 Eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lichtschrankenvorrichtung;
2 eine perspektivische Teildarstellung der Lichtschrankenvorrichtung gemäß 1 zur Erläuterung ihrer Funktionsweise;
3 eine Darstellung ähnlich wie in 2, wenn ein absorbierendes Objekt in den Strahlgang gebracht ist;
4 die gleiche Darstellung wie in 2, wenn ein spiegelndes Objekt in den Strahlgang gebracht ist;
5 eine schematische Teildarstellung der Lichtschrankenvorrichtung gemäß 1 mit dem Strahlengang, wenn Licht an einer Reflexionseinrichtung reflektiert wird;
6 die gleiche Ansicht wie in 5, wenn Licht an einem spiegelnden Objekt im Strahlgang reflektiert wird;
7 den Verlauf der Transmission T für verschiedene Einfallwinkel Θ für ein Material mit dem Brechungsindex n₂ = 3,9 bei einem Strahl, welcher von Luft auf dieses Material trifft für unterschiedliche Polarisationen; und
8 eine Kennlinie eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lichtschrankenvorrichtung, wobei die Abhängigkeit der Energie auf einen Photodetektor in relativen Einheiten in Abhängigkeit vom Abstand einer Reflexionseinrichtung zu dem Photodetektor in relativen Einheiten gezeigt ist und eine Vergleichskennlinie.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtschrankenvorrichtung ist eine Reflexions-Lichtschrankenvorrichtung, welche in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist.
Die Lichtschrankenvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 weist eine Stirnseite 14 auf, welche eine Sensorseite ist.
In dem Gehäuse 12 ist eine als Ganzes mit 16 bezeichnete Sendeeinrichtung für Licht angeordnet. Die Sendeeinrichtung 16 umfasst eine primäre Lichtquelle 18. Bei einem Ausführungsbeispiel ist diese primäre Lichtquelle 18 eine (oder mehrere) Leuchtdiode(n). Bei einem unten noch näher erläuterten Ausführungsbeispiel ist die primäre Lichtquelle 18 eine Laserlichtquelle.
In dem Gehäuse 12 ist eine Steuerungseinheit 20 angeordnet, welche einen Treiber 22 ansteuert. Der Treiber 22 wiederum ist der primären Lichtquelle 18 zugeordnet.
Weiter ist in dem Gehäuse 12 eine Empfangseinrichtung 24 für Licht angeordnet. Die Empfangseinrichtung 24 umfasst (mindestens) einen Photodetektor 26. Der Photodetektor 26 ist insbesondere als Photodiode ausgebildet.
Dem Photodetektor 26 ist ein Verstärker 28 nachgeordnet. Dem Verstärker 28 ist eine Abgleicheinrichtung 30 nachgeordnet. Verstärkte und abgeglichene Signale des Photodetektors 26 werden der Steuerungs-/Auswertungseinheit 20 bereitgestellt. Die Lichtschrankenvorrichtung 10 umfasst dadurch einen Sendepfad 32 mit der primären Lichtquelle 18 und einen Empfangspfad 34 mit dem Photodetektor 26.
Die Lichtschrankenvorrichtung 10 weist Spannungseingänge 36a, 36b auf. Über diese ist die Lichtschrankenvorrichtung 10 mit elektrischer Energie versorgbar. Dem Spannungseingang 36b ist eine EMV-Schutzeinrichtung 38 zugeordnet. Zwischen der EMV-Schutzeinrichtung 38 und der Steuerungs-/Auswertungseinheit 20 kann eine Spannungsreglungseinrichtung 40 angeordnet sein.
Die Lichtschrankenvorrichtung 10 umfasst mindestens einen (Signal-)Ausgang 42, an dem entsprechende Sensorsignale abgreifbar sind. Diesem Signalausgang 42 ist ein entsprechender Ausgangstreiber 44 zugeordnet, welcher an die Steuerungs-/Auswertungseinheit 20 gekoppelt ist.
Die Lichtschrankenvorrichtung 10 kann ferner eine Anzeigeeinrichtung 46 umfassen, welche an die Steuerungs-/Auswertungseinheit 20 gekoppelt ist. An der Anzeigeeinrichtung 46 können beispielsweise Betriebszustände der Lichtschrankenvorrichtung 10 und/oder Störzustände angezeigt werden.
Der Sendeeinrichtung 16 ist eine optische Abbildungseinrichtung 48 zugeordnet, welche insbesondere eine oder mehrere optische Linsen umfasst.
Entsprechend ist der Empfangseinrichtung 24 eine optische Abbildungseinrichtung 50 zugeordnet, welche ein oder mehrere optische Linsen umfasst.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtschrankenvorrichtung 10 ferner eine Polarisatoreinrichtung 52 mit einem ersten Polarisationsfilter 54 und einem zweiten Polarisationsfilter 56. Das erste Polarisationsfilter 54 und das zweite Polarisationsfilter 56 sind beispielsweise als Polarisatorfolien ausgebildet.
Das erste Polarisationsfilter 54 ist der optischen Abbildungseinrichtung 48 vorgeschaltet und damit der Sendeeinrichtung 16 zugeordnet. Über das erste Polarisationsfilter 54 wird linear polarisiertes Sendelicht erzeugt, so dass die Lichtschrankenvorrichtung 10 linear polarisiertes Licht als ”Messlicht” bereitstellt.
Das erste Polarisationsfilter 54 ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass das Sendelicht senkrecht zu einer Lichteinfallsebene polarisiert ist.
Das zweite Polarisationsfilter 56 ist vor der Empfangseinrichtung 24 angeordnet. Das zweite Polarisationsfilter 56 erzeugt eine Polarisation senkrecht zur Polarisation des ersten Polarisationsfilters 54. Die Polarisation des zweiten Polarisationsfilters 56 ist parallel zu der Einfallsebene des Lichts.
Die Lichtschrankenvorrichtung 10 umfasst ferner eine Reflexionseinrichtung 58, welche außerhalb des Gehäuses 12 vor der Stirnseite 14 angeordnet ist. Die Reflexionseinrichtung 58 wird mit Licht der Sendeeinrichtung 16 beaufschlagt. Es wird das Licht in die Empfangseinrichtung 24 reflektiert und von dem Photodetektor 26 erfasst.
Die Reflexionseinrichtung 58 ist insbesondere polarisationsdrehend ausgebildet. Sie umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von Prismenflächen, an denen Totalreflexion auftreten kann, welches eine Drehung der Polarisationsebene um 90° bewirkt.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Lichtschrankenvorrichtung 10 ist in 2 gezeigt. Licht der Sendeeinrichtung 16 wird durch das erste Polarisationsfilter 54 senkrecht zur Einfallsebene polarisiert und trifft auf die Reflexionseinrichtung 58. Dort erfolgt eine Drehung der Polarisationsebene und das reflektierte Licht ist parallel zur Einfallsebene polarisiert. Das zweite Polarisationsfilter 56 lässt im Idealfall nur parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht durch. In der Empfangseinrichtung 24 wird dieses Licht über den Photodetektor 26 registriert.
Durch die Verwendung der Polarisationsfilter 54 und 56 erhält man eine hohe Spiegelsicherheit, wie unten stehend noch näher erläutert wird.
Wenn ein absorbierendes Objekt 60, wie in 3 angedeutet, in den Strahlengang vor der Stirnseite 14 der Lichtschrankenvorrichtung 10 gelangt, dann empfängt die Empfangseinrichtung 24 kein Licht mehr, weil entweder der Strahlengang von der Sendeeinrichtung 16 zu der Reflexionseinrichtung 58 unterbrochen ist, und/oder der Strahlengang von der Reflexionseinrichtung 58 zu der Empfangseinrichtung 24 unterbrochen ist.
Die Steuerungs-/Auswertungseinheit 20 kann dann ein entsprechendes Signal für die Unterbrechung des Strahlengangs abgeben, das heißt, das Eindringen des Objekts 60 zwischen Stirnseite 14 und Reflexionseinrichtung 58 wird detektiert und ein entsprechendes Detektionssignal abgegeben.
Wenn ein spiegelndes Objekt 62 (4), wie ein metallisches Objekt oder Glasobjekt in den Strahlengang gelangt, dann erfolgt an dem Objekt 62 eine Reflexion von Sendelicht der Sendeeinrichtung 16 in die Empfangseinrichtung 24. Dies kann die Gefahr einschließen, dass das Objekt 62 nicht als solches erkannt wird, sondern dass von einer Reflexion an der Reflexionseinrichtung 58 ausgegangen wird.
An einem spiegelnden Objekt 62 und insbesondere metallischen Objekt erfolgt jedoch in der Regel keine Polarisationsdrehung oder zumindest keine Polarisationsdrehung um 90°. Wenn das spiegelnde Objekt 62 also mit senkrecht zur Einfallsebene polarisiertem Licht beaufschlagt wird, dann ist das reflektierte Licht ebenfalls senkrecht zur Einfallsebene polarisiert. Im Idealfall lässt das zweite Polarisationsfilter 56 dieses Licht ”falscher Polarisierung” nicht durch oder zumindest ist die durchgelassene Intensität stark reduziert. Dadurch kann die Steuerungs-/Auswertungseinheit 20 erkennen, ob in den Strahlengang ein spiegelndes Objekt 62 gelangt ist. Dies wird auch als Spiegelsicherheit bezeichnet.
Der Photodetektor 26 weist eine Empfangsfläche 64 auf (5, 6). Der Empfangsfläche 64 ist eine Normale 66 zugeordnet. Die Lichtschrankenvorrichtung 10 weist eine optische Achse 68 auf, welche durch die Hauptstrahlrichtung des reflektierten Lichts zwischen der Reflexionseinrichtung 58 und der Empfangseinrichtung 24 definiert ist. (Die Lichtschrankenvorrichtung 10 weist eine weitere optische Achse 70 auf, welche durch die Hauptstrahlrichtung von emittiertem Licht von der Sendeeinrichtung 16 zu der Reflexionseinrichtung 58 definiert ist. Die Einfallsebene ist durch die optische Achse 68 und die optische Achse 70 aufgespannt. Bei den 5 und 6 liegt die Einfallsebene zumindest näherungsweise parallel zur Zeichenebene.)
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Photodetektor 26 bezogen auf seine Normale 66 um eine spitzen Winkel Θ zu der optischen Achse 68 geneigt ist. Der spitze Winkel Θ ist dabei mindestens näherungsweise der Brewster-Winkel Θ_B:
Das lichttransitive und lichtsensitive Material des Photodetektors 26 weist einen Brechungsindex n₂ auf. Der Photodetektor 26 ist in einem Medium (optisch dünneres Medium) mit Brechungsindex n₁ angeordnet. Der Brewster-Winkel ist definiert als Θ_B = arctan n₂ / n₁ (Brewstersches Gesetz).
Wenn Licht im Brewster-Winkel Θ_B auf den Photodetektor 26 trifft, dann liegen reflektiertes Licht und transmittiertes Licht senkrecht zueinander. Dies bedeutet, dass beim Brewster-Winkel Θ_B Licht mit einer Polarisation parallel zur Einfallsebene nicht reflektiert wird. Licht mit einer Polarisation parallel zur Einfallsebene dringt vollständig durch die Oberfläche des Photodetektors 26.
Grundsätzlich gilt für Reflexion, Transmission und Absorption am Photodetektor 26 Energieerhaltung: 1 = T + σ + α
T ist dabei der Transmissionsgrad, σ der Reflexionsgrad und α der Absorptionsgrad. Bei optisch-klaren Schichten für übliche Materialien für Photodetektoren 26 geht α gegen Null.
Beim Brewster-Winkel Θ ist σ für Licht mit Polarisation parallel zur Einfallsebene Null.
In 7 ist schematisch der Transmissionsgrad T über dem Einfallswinkel Θ gezeigt für den Übergang von Luft (mit Brechungsindex n₁ = 1) in Silizium (mit Brechungsindex n₂ = 3,9). Die Kurve 72 zeigt dabei die Lichtkomponente mit linearer Polarisation parallel zur Einfallsebene. Die Kurve 74 zeigt die Komponente und linearer Polarisation senkrecht zur Einfallsebene. Die Kurve 76 zeigt den Transmissionsgrad für unpolarisiertes Licht.
Der Brewster-Winkel Θ_B liegt bei diesen Verhältnissen bei circa 75°. Dort ist der Transmissionsgrad für in der Einfallsebene polarisiertes Licht (im Idealfall) Eins.
Wenn der Photodetektor 26 im Brewster-Winkel angeordnet ist, dann ist im Idealfall der Transmissionsgrad für in der Einfallsebene polarisiertes Licht (vgl. 5) Eins (100%-ige Transmission). Außerhalb des Brewster-Winkels ist der Transmissionsgrad erheblich kleiner (vgl. 7). Es lässt sich durch die entsprechende Kippung des Photodetektors 26 in einem spitzen Winkel bezogen auf die Normale 66 der Empfangsfläche 64 also das Nutzsignal verstärken, wobei eine Verstärkung der Größenordnung von beispielsweise 25 bis 35% erreichbar ist. Gleichzeitig lässt sich dadurch auch die Spiegelsicherheit erhöhen, da im Idealfall keine Transmission von senkrecht zur Einfallsebene polarisiertem Licht erfolgt.
Es lässt sich dadurch auch eine hohe Reichweite und Funktionsreserve erzielen. Insbesondere lassen sich Fertigungstoleranzen von Polarisationsfiltern 54, 56 erweitern beziehungsweise es lassen sich sehr spiegelsichre Lichtschranken (mit Spiegelsicherheit von 100%) einfacher realisieren.
Die erwähnten Vorteile erreicht man auch, wenn der spitze Winkel Θ nicht exakt beim Brewster-Winkel Θ_B liegt, sondern von diesem insbesondere höchstens in der Größenordnung von 20° abweicht. Insbesondere liegt der Winkel zwischen circa 50° und 80°, insbesondere wenn das Material des Photodetektors 26 Silizium ist.
In 8 ist mit der Kurve 78 eine schematische Kennlinie einer erfindungsgemäßen Lichtschrankenvorrichtung 10 mit im Brewster-Winkel oder einem näherungsweise im Brewster-Winkel geneigten Photodetektor 26 gezeigt. Es ist dabei die auf die Empfangsfläche 64 des Photodetektors 26 auftreffende detektierbare Energie in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von einem Abstand d des Photodetektors 26 zu der Reflexionseinrichtung 58 gezeigt.
Die Kurve 78 hat einen Peak 80. Wenn der Photodetektor 26 (und dadurch die primäre Lichtquelle 18) zu nahe an der Reflexionseinrichtung 58 liegt, dann ist die Lichtenergie, welche auf die Empfangsfläche 64 trifft, geringer. Wenn der Abstand d sehr groß ist, dann ist die Energie auch geringer.
Im Vergleich mit der Kurve 78 ist eine Kurve 82 gezeigt, welche für eine ”konventionelle” Lösung gilt, wenn der Photodetektor 26 nicht im Brewster-Winkel geneigt ist. Man erkennt das höhere Nutzsignal für die erfindungsgemäße Lösung mit der Kurve 78, da die transmittierte Lichtenergie am Photodetektor 26 größer ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Funktionsreserve erhöht; diese gibt die überschüssige Strahlungsleistung an dem Photodetektor 26 an. Sie beschreibt den zulässigen Grad der Verschmutzung, bei der gerade noch eine Schaltung erfolgt. Die erhöhte Funktionsreserve ist über den Abstand der Kurven 76 und 82 ersichtlich.
Aufgrund des erhöhten Nutzsignals ergibt sich eine höhere Sensorreichweite.
In 6 ist schematisch der Fall gezeigt, wenn ein spiegelndes Objekt 62 sich im Strahlengang befindet. Die Sendeeinrichtung 16 sendet Licht mit Polarisation senkrecht zur Einfallebene. Licht, welches den Photodetektor 26 trifft, ist dann ebenfalls senkrecht zur Einfallebene polarisiert. Das zweite Polarisationsfilter 56 lässt das entsprechende Licht nur in geringem Umfang durch. Weiterhin ist, wie aus der Kurve 74 in 7 ersichtlich ist, der Transmissionsgrad von senkrecht polarisiertem Licht am Photodetektor 26 verringert, wenn dieser im Brewster-Winkel Θ_B angeordnet ist oder in einem Winkel in der Nähe zum Brewster-Winkel verkippt ist. Dies bedeutet, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung mit verkipptem Photodetektor 26 die transmittierte Lichtenergie verringert ist, wenn ein spiegelndes Objekt 62 in Strahlengang gerät, im Vergleich zum Fall ohne Verkippung.
Dies ist in 8 dargestellt. Die Kurve 84 ist eine Kennlinie, wenn ein spiegelndes Objekt 62 im Strahlengang liegt und der Photodetektor 26 nicht verkippt ist. Die Kurve 86 zeigt im Vergleich dazu die Kennlinie bei der erfindungsgemäßen Lösung mit Verkippung insbesondere im Brewster-Winkel.
Durch die erfindungsgemäße Lösung (Kennlinie 86) ist die minimale Schaltschwelle, welche durch einen Peak 88 der Kurve 86 gegeben ist, geringer als bei der konventionellen Lösung ohne Verkippung (Kurve 84). Die minimale Schaltschwelle, welche durch den Peak 88 bestimmt ist, ist also bei der erfindungsgemäßen Lösung niedriger. Das parasitäre Signal, welches durch Spiegelreflexion an dem spiegelnden Objekt 62 hervorgerufen wird, wird also durch die Verkippung im oder in der Nähe des Brewster-Winkels geschwächt (beispielsweise um circa 30%). Da die minimale Schaltschwelle abgesenkt wird, ergibt sich auch eine Vergrößerung der spiegelsicheren Reichweite. Nur oberhalb des Peaks 88 ist eine Spiegelsicherheit gewährbar. Bei der konventionellen Lösung ohne Verkippung ist dies beim Abstand d beim Bezugszeichen 90 erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dies bei einem größeren Abstand 92 erreicht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird also eine Vergrößerung der spiegelsicheren Reichweite erreicht, wobei sich ein erhöhtes Nutzsignal ergibt und die Funktionsreserve erhöht wird. Wie oben erwähnt, können dabei höhere Fertigungstoleranzen für die Polarisationsfilter 54, 56 vorgesehen sein.
Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, insbesondere wenn die primäre Lichtquelle 18 eine Laserlichtquelle ist, auf eine Polarisatoreinrichtung 52 zu verzichten, das heißt es werden keine Polarisationsfilter vorgesehen.
Als primäre Lichtquelle 18 wird insbesondere eine Laserdiode verwendet, welche polarisiertes Licht abstrahlt.
Zur Einstellung des Winkels der Verkippung des Photodetektors 26 kann eine Einstellvorrichtung 94 vorgesehen sein, durch welche der Winkel mindestens während der Herstellung der Lichtschrankenvorrichtung feststellbar einstellbar ist. Es kann dabei beispielsweise eine Gelenkeinrichtung verwendet werden, wie sie in der DE 20 2007 005 710 U1 beschrieben ist.
Bezugszeichenliste

10: Lichtschrankenvorrichtung
12: Gehäuse
14: Stirnseite
16: Sendeeinrichtung
18: Lichtquelle
20: Steuerungs-/Auswertungseinheit
22: Treiber
24: Empfangseinrichtung
26: Photodetektor
28: Verstärker
30: Abgleicheinrichtung
32: Sendepfad
34: Empfangspfad
36a: Spannungseingang
36b: Spannungseingang
38: EMV-Schutzeinrichtung
40: Spannungsregelungseinrichtung
42: Ausgang
44: Ausgangstreiber
46: Anzeigeeinrichtung
48: Optische Abbildungseinrichtung
50: Optische Abbildungseinrichtung
52: Polarisatoreinrichtung
54: Erstes Polarisationsfilter
56: Zweites Polarisationsfilter
58: Reflexionseinrichtung
60: Objekt
62: Spiegelndes Objekt
64: Empfangsfläche
66: Normale
68: Optische Achse
70: Optische Achse
72: Kurve
74: Kurve
76: Kurve
78: Kurve
80: Peak
82: Kurve
84: Kurve
86: Kurve
88: Peak
90: Abstand
92: Abstand
94: Einstelleinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007005710 U1 [0021, 0076]

Claims

Lichtschrankenvorrichtung, umfassend eine Sendeeinrichtung (16) für Licht, eine Reflexionseinrichtung (58), und eine Empfangseinrichtung (24) für reflektiertes Licht mit mindestens einem Photodetektor (26), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Photodetektor (26) in einem spitzen Winkel (Θ) zu einer optischen Achse (68) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Photodetektor (26) eine Empfangsfläche (64) für Licht aufweist und der spitze Winkel (Θ) zwischen der optischen Achse (68) und einer Normalen (66) der Empfangsfläche (64) liegt.
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel (Θ) der Brewster-Winkel (Θ_B) ist bezogen auf ein Medium, in welchem der mindestens eine Photodetektor (26) angeordnet ist, und einem lichttransitiven Material des mindestens einen Photodetektors (26), oder der spitze Winkel (Θ) in der Nähe des Brewster-Winkels (Θ₈) liegt.
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung des spitzen Winkels (Θ) vom Brewster-Winkel (Θ_B) höchstens bei 20° liegt.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel (Θ) im Bereich zwischen 50° und 85° liegt, insbesondere wenn der mindestens eine Photodetektor (26) ein Si-Photodetektor ist, welcher in einer Luftumgebung angeordnet ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (16) und die Empfangseinrichtung (24) in einem gemeinsamen Gehäuse (12) angeordnet sind.
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (58) außerhalb des Gehäuses (12) angeordnet ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Polarisatoreinrichtung (52).
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisatoreinrichtung (52) ein erstes Polarisationsfilter (54) umfasst, welches der Sendeeinrichtung zugeordnet ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisatoreinrichtung (52) ein zweites Polarisationsfilter (56) umfasst, welches der Empfangseinrichtung (24) zugeordnet ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Polarisationsfilter (54) und das zweite Polarisationsfilter (56) unterschiedliche lineare Polarisationsrichtungen vorgeben.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Polarisationsfilter (54) Sendelicht bereitstellt, welches senkrecht zu einer Einfallebene polarisiert ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass keine Polarisatoreinrichtung vorgesehen ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (16) eine Laserlichtquelle umfasst.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung (58) polarisationsdrehend ausgebildet ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Photodetektor (26) mit Licht beaufschlagt ist, welches in einer Einfallebene linear polarisiert ist, zumindest wenn der mindestens eine Photodetektor durch an der Reflexionseinrichtung (58) reflektiertes Licht beaufschlagt ist und die Reflexionseinrichtung (58) polarisationsdrehend ausgebildet ist.
Lichtschrankenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelstellung des mindestens einen Photodetektors (26) mindestens bei der Herstellung der Lichtschrankenvorrichtung feststellbar einstellbar ist.