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Die Erfindung betrifft einen Reflexionslichtschrankensensor zur Erkennung von Objekten innerhalb eines Überwachungsbereichs, mit einer Sendereinheit, einer Empfängereinheit und einem Strahlteiler, welche derart zueinander angeordnet sind, dass Sendelicht der Sendereinheit auf einem Sendelichtpfad in Ausbreitungsrichtung über den Strahlteiler zu einem den Überwachungsbereich begrenzenden Reflektor geführt, von dem Reflektor reflektiert und als Empfangslicht auf einem zumindest im Überwachungsbereich mit dem Sendelichtpfad übereinstimmenden Empfangslichtpfad in Ausbreitungsrichtung wiederum über den Strahlteiler zu der Empfängereinheit geführt wird.
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Derartige Reflexionslichtschranken werden beispielsweise dafür verwendet, einen Überwachungsbereich auf Eingriffe durch Objekte zu überwachen. Sie werden beispielsweise als Bewegungsmelder, zur Diebstahlsicherung oder zur Absicherung von automatischen Türen eingesetzt.
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Bei einer gattungsgemäßen Reflexionslichtschranke, welche eine gemeinsame Pupille von Sende- und Empfangslichtpfad aufweist, trifft das von der Sendereinheit ausgesandte Sendelichtbündel auf einen Reflektor, wird dort in sich zurückgeworfen und trifft als Empfangslichtbündel auf eine in der Nähe der Sendereinheit angeordnete Empfangseinheit und wird von dieser erfasst. Bei einer Unterbrechung des Lichtwegs im Erfassungsbereich wird von der Empfängereinheit kein Licht empfangen und daraufhin ein entsprechendes Objekterkennungssignal erzeugt.
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Bei Reflexionslichtschranken stellt grundsätzlich die sichere Detektion von Objekten mit spiegelnden oder stark remittierenden Oberflächen, die auftreffendes Licht ohne nennenswerte Intensitätsabschwächung reflektieren, ein wichtiges Kriterium für die Betriebssicherheit dar. Bei einer angestrebten hundertprozentigen Fehlerfreiheit darf es zu keinem Ausfall aufgrund nicht registrierter Objekte oder fehlerhafter Erkennung kommen.
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Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, gekreuzte Polarisationsfilter in den Strahlengang der Reflexionslichtschranke einzubringen, wie es beispielsweise in
EP 2 256 522 A1 beschrieben ist. Die Sendelichtstrahlen werden mittels eines Sendepolarisators in eine definierte Polarisationsrichtung polarisiert. Ein empfangsseitiger, zum Sendepolarisator orthogonal ausgerichteter Empfangspolarisator wirkt als Analysator und lässt nur Strahlen in seiner Polarisationsrichtung den Weg zur Empfängereinheit passieren.
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In Kombination mit einem geeigneten Reflektor, welcher die Polarisationsrichtung bei der Reflexion um 90° dreht, beispielsweise einem Retroreflektor mit Tripelprismen, ist es möglich, das von einem spiegelnden Objekt reflektierte Licht von dem vom Reflektor reflektierten Licht zu unterscheiden. Die Polarisationsrichtung eines einfallenden linearen Polarisationszustandes ist nach der Reflexion an dem Reflektor idealerweise um 90° gedreht und stimmt mit der Durchlassrichtung des Empfangspolarisators überein. Bei der Reflexion an einem spiegelnden Objekt erfolgt jedoch keine Drehung der Polarisationsrichtung, so dass diese nun senkrecht zur Durchlassrichtung des Empfangspolarisators steht und das Empfangslicht daher den Empfangspolarisator gar nicht oder nur mit wesentlich verminderter Intensität passieren kann.
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Herkömmliche Reflexionslichtschrankensensoren weisen eine große Anzahl von Einzelkomponenten auf, die bei der Fertigung zu assemblieren sind, was hohe Material- und Fertigungskosten zur Folge hat.
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Als Polarisatoren werden in der Regel absorptive lineare Polarisationsfolien verwendet, die auf gestreckten Iodmolekülen basieren und Licht in einer Polarisationsrichtung durchlassen und in einer hierzu senkrechten Polarisationsrichtung absorbieren. Diese an sich kostengünstigen Polarisationsfolien besitzen jedoch nur eine relativ geringe Hitzebeständigkeit bis maximal etwa 70°C.
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Als Strahlteiler kommen häufig plane Glasscheiben zum Einsatz, die in einem Winkel von 45° in dem Strahlengang eingebracht werden. Sie weisen jedoch eine hohe Bruchempfindlichkeit auf, was insbesondere im mobilen Einsatz von Nachteil ist.
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Eine weitere Form eines Strahlteilers besteht aus zwei Prismen, die an ihrer Basis zusammengefügt sind. Hierbei besteht jedoch eine unerwünschte Abhängigkeit des Teilungsverhältnisses von der Wellenlänge und vom Lichteinfallswinkel auf den Strahlteiler.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reflexionslichtschrankensensor zu schaffen, der kostengünstig herzustellen ist und insbesondere die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bei einem erfindungsgemäßen Reflexionslichtschrankensensor umfasst der Strahlteiler eine Drahtgitterpolarisatoranordnung mit einem Drahtgitterpolarisator, wobei der Drahtgitterpolarisator für Licht, das in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert ist, im Wesentlichen durchlässig ist und Licht reflektiert, das in einer zweiten, zur ersten Polarisationsrichtung senkrechten Polarisationsrichtung polarisiert ist.
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Ein derartiger Drahtgitterpolarisator, der auch als Hertzsches Gitter bezeichnet wird, ist ein Polarisator für elektromagnetische Wellen, der aus einer gitterartigen Anordnung paralleler, elektrisch leitender Metalldrähte gebildet ist. Er ist für Wellen durchlässig, deren elektrisches Feld senkrecht zu den Drähten schwingt. Wellen, deren elektrisches Feld parallel zu den Drähten schwingt, werden von dem Drahtgitterpolarisator wie von einer elektrisch leitenden Fläche reflektiert. Energie wird nicht absorbiert.
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Der Drahtgitterpolarisator lässt von dem zunächst unpolarisierten Sendelicht nur den Anteil in Richtung des Überwachungsbereichs durch, der in der ersten Polarisationsrichtung polarisiert ist. Der restliche Anteil des Lichts, der in der zweiten Polarisationsrichtung polarisiert ist, wird von dem Drahtgitterpolarisator reflektiert und kann in geeigneter Weise eliminiert werden.
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Die Polarisationsrichtung des Sendelichts wird bei der Reflexion an einem geeigneten Reflektor, beispielsweise an einem Retroreflektor, um 90° gedreht, so dass das Empfangslicht nunmehr in der zweiten Polarisationsrichtung polarisiert ist. Dieses wird daher beim Auftreffen auf den Drahtgitterpolarisator in Richtung auf die Empfängereinheit reflektiert.
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Wird das Sendelicht durch ein spiegelndes Objekt statt durch den Retroreflektor reflektiert, erfolgt keine Änderung der Polarisationsrichtung, so dass das Empfangslicht ebenso wie das Sendelicht in der ersten Polarisationsrichtung polarisiert ist und daher vom Drahtgitterpolarisator transmittiert wird. Da somit kein Licht auf die Empfängereinheit trifft, wird ein Objekterfassungssignal erzeugt. Somit ist auch eine zuverlässige Erkennung von spiegelnden oder stark remittierenden Objekten möglich.
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Der erfindungsgemäße Reflexionslichtschrankensensor zeichnet sich dadurch aus, dass der Drahtgitterpolarisator neben seiner Funktion als Strahlteiler zugleich die Funktion eines Sendepolarisators und eines Empfangspolarisators oder Analysators übernimmt. Dadurch reduziert sich die Anzahl der zu assemblierenden Komponenten, was die Fertigungskosten verringert.
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Zudem weisen die Transmissions- und Reflexionseigenschaften eines Drahtgitterpolarisators nur eine geringe Winkelabhängigkeit auf, so dass der Reflexionslichtschrankensensor mit einer großen Sende- und/oder Empfangslichtapertur, bei welcher der Einfallwinkel auf den Strahlteiler bzw. den Drahtgitterpolarisator über den Querschnitt des Lichtbündels stark variieren kann, versehen werden kann. Dadurch kann der Durchmesser des Überwachungsbereichs bzw. die Lichtempfindlichkeit vergrößert werden.
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Weiterhin besitzen Drahtgitterpolarisatoren ein hohes Kontrastverhältnis zwischen transmittierter und reflektierter Strahlung, so dass ein unerwünschtes, die Empfindlichkeit der Lichtschranke beeinträchtigendes Übersprechen zwischen jeweiligen Teilstrahlengängen vermieden wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht in einer höheren Unempfindlichkeit von Drahtgitterpolarisatoren gegenüber hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit im Vergleich zu den eingangs erwähnten Polarisationsfolien. So können Drahtgitterpolarisatoren durchaus bei Temperaturen von mehr als 100°C betrieben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Sendereinheit und der Empfängereinheit eine jeweilige optische Achse zugeordnet, wobei die beiden optischen Achsen zumindest im Bereich ihres Auftreffpunktes auf den Strahlteiler senkrecht zueinander stehen, und wobei der Strahlteiler im Winkel von 45° gegenüber beiden optischen Achsen im Schnitt beider optischen Achsen angeordnet ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine hohe Empfindlichkeit bei der Objekterkennung, insbesondere auch bei spiegelnden oder stark remittierenden Objekten.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, die Sendereinheit und die Empfängereinheit so anzuordnen, dass deren optische Achsen beim Austritt aus der jeweiligen Einheit zunächst parallel zueinander stehen und dass zwischen dem Strahlteiler und einer Einheit ein Umlenkspiegel derart angeordnet ist, dass die optische Achse dieser Einheit um einen Winkel von 90° auf den Strahlteiler umgelenkt wird. Die optische Achse der anderen Einheit verläuft bevorzugt ohne Umlenkung direkt durch den Strahlteiler. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass Sende- und Empfängereinheit auf einer gemeinsamen Platine angeordnet werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Reflexionslichtschrankensensor wenigstens ein Abbildungselement auf, welches zur Fokussierung des Sendelichts und Empfangslichts gemäß dem Autokollimationsprinzip in einem Bereich des Strahlengangs angeordnet ist, in dem der Sendelichtpfad und der Empfangslichtpfad übereinstimmen. Das Abbildungselement übernimmt somit gleichzeitig die Funktion eines Kollimators für das Sendelicht und einer fokussierenden Empfangsoptik für das Empfangslicht.
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Alternativ kann der Sendereinheit und der Empfängereinheit jeweils ein separates Abbildungselement zugeordnet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Sendereinheit bereits ausreichend kollimiertes Licht aussendet.
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Vorteilhafterweise umfasst der Reflexionslichtschrankensensor außer dem Strahlteiler keine weiteren Polarisatoren. Wie bereits erwähnt, lassen sich dadurch die Herstellungskosten im Vergleich zu einem Reflexionslichtschrankensensor mit separatem Polarisator und Analysator reduzieren. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass ein Reflektor, welcher die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichts dreht, hier nicht als Polarisator angesehen wird. Auch weitere Elemente des Reflexionslichtschrankensensors, wie etwa die nachfolgend erwähnte Trägerfolie oder das Substrat, welche unter Umständen an sich unerwünschte polarisierende Eigenschaften aufweisen können, werden hier ebenfalls nicht als Polarisatoren angesehen, da deren polarisierende Eigenschaften für die eigentliche optische Funktion des Reflexionslichtschrankensensors keine Bedeutung haben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Drahtgitterpolarisatoranordnung ein transparentes Substrat, insbesondere eine Trägerfolie, ein Glaselement und/oder ein Kunststoffelement, auf welchem der Drahtgitterpolarisator angeordnet, insbesondere laminiert, ist. Derartige auf einem transparenten Substrat angeordnete Drahtgitterpolarisatoren lassen sich kostengünstig herstellen und sind im Vergleich zu herkömmlichen Strahlteilern, die aus einer planen Glasplatte oder aus Prismen bestehen, mechanisch unempfindlich und auf einfache Weise mit den gewünschten Abmessungen zu konfektionieren. Der Drahtgitterpolarisator kann direkt oder indirekt auf einem prinzipiell beliebig geformten, planen oder nicht planen Substrat aufgebracht sein. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein gespritztes Kunststoffelement mit angeformten Schnapphaken und/oder mit Prismen- und/oder Linsenfunktion handeln. Eine indirekte Anordnung des Drahtgitterpolarisators kann beispielsweise derart erfolgen, das der Drahtgitterpolarisator auf eine Trägerfolie laminiert ist, welche dann auf ein starres weiteres Substrat wie zum Beispiel das genannte Glas- oder Kunststoffelement aufgebracht ist, so dass durch das starre Substrat die Welligkeit der Trägerfolie reduziert wird. Alternativ kann die Trägerfolie auf einen Rahmen aufgespannt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Drahtgitterpolarisator in Ausbreitungsrichtung des Sendelichts hinter dem Substrat angeordnet ist. Da die eigentliche Polarisation des Sendelichts erst hinter dem Substrat erfolgt und auch das Empfangslicht das Substrat nicht passiert, wird vermieden, dass eine etwaige Spannungsdoppelbrechung des Substrats, wie sie insbesondere bei Kunststoffelement vorkommt, die Funktion des Reflexionslichtschrankensensors beeinträchtigt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Drahtgitterpolarisatoranordnung eine nicht-rechteckige Kontur auf. Beispielsweise können runde oder elliptische Konturen der Drahtgitterpolarisatoranordnung vorgesehen werden, was zu einer Reduzierung des erforderlichen Bauraums und somit zu einer vorteilhaften Miniaturisierung des Reflexionslichtschrankensensors führt. Bei herkömmlichen glasbasierten Strahlteilern ist dies nur mit einem erheblichen fertigungstechnischen Mehraufwand möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reflexionslichtschrankensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Ein Reflexionslichtschrankensensor 10 umfasst eine Sendereinheit 12, beispielsweise eine Laserdiode, eine Leuchtdiode oder eine Infrarotdiode, zur Aussendung von divergenten Sendelichtstrahlen 24, welche sich um eine optische Achse O1 der Sendereinheit 12 verteilt ausbreiten.
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Im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 24 ist nachfolgend eine Drahtgitterpolarisatoranordnung mit einem Drahtgitterpolarisator 14 angeordnet, welche gegenüber der optischen Achse O1 um 45° geneigt ist.
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Der Drahtgitterpolarisator 14 ist auf einer transparenten Trägerfolie (nicht dargestellt) aufgebracht und umfasst eine Vielzahl von sehr dünnen, parallel verlaufenden metallischen Drähten, z.B. sogenannten Nanodrähten, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Die Trägerfolie mit dem Drahtgitterpolarisator 14 ist auf einem planen, transparenten Substrat 16, beispielsweise einer Acrylplatte, laminiert.
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Die von der Sendereinheit 12 emittierten, ursprünglich unpolarisierten Sendelichtstrahlen 24 werden durch den Drahtgitterpolarisator 14 in eine erste Komponente, die in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert ist, und in eine zweite Komponente, die in einer zweiten, zur ersten Polarisationsrichtung senkrechten Polarisationsrichtung polarisiert ist, getrennt. Während die erste Komponente der Sendelichtstrahlen 24, deren Polarisationsrichtung S sich in der Zeichenebene erstreckt, vom Drahtgitterpolarisator 14 transmittiert wird, wird die zweite Komponente (nicht dargestellt), vom Drahtgitterpolarisator 14 reflektiert.
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Die polarisierten, divergenten Sendelichtstrahlen 24 treffen auf ein Abbildungselement 18, beispielsweise eine Sammellinse, welches die Sendelichtstrahlen 24 zu einem parallelen Strahlenbündel kollimiert. Die derart polarisierten und kollimierten Sendelichtstrahlen 24 treffen auf einen in einem bestimmten Abstand vom Abbildungselement 18 angeordneten Retroreflektor 20 mit polarisationsrichtungsdrehenden Eigenschaften und werden in sich selbst reflektiert, wobei die reflektierten Lichtstrahlen als Empfangslichtstrahlen 26 bezeichnet werden. Beispiele für Retroreflektoren mit polarisationsrichtungsdrehenden Eigenschaften sind Tripelprismen oder Anordnungen von mehreren aneinandergereihten Tripelprismen. Die Polarisationsrichtung E der Empfangslichtstrahlen 26 unterscheidet sich somit von der Polarisationsrichtung S der Sendelichtstrahlen 24 um 90°.
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Der Bereich zwischen dem Abbildungselement 18 und dem Retroreflektor 20 stellt den Überwachungsbereich der Reflexionslichtschranke dar, der in der schematischen 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist und z.B. in Richtung der optischen Achse O1 eine deutlich größere Ausdehnung haben kann.
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Die Empfangslichtstrahlen 26 werden von dem Abbildungselement 18 fokussiert und treffen anschließend auf den Drahtgitterpolarisator 14. Da sich die Polarisationsrichtung E der Empfangslichtstrahlen 26 gegenüber der Polarisationsrichtung S der Sendelichtstrahlen 24 um 90° geändert hat, wirkt der Drahtgitterpolarisator 14 als Reflektor, welcher die Empfangslichtstrahlen 26 um einen Winkel von 90° zur optischen Achse O1 in Richtung einer zweiten optischen Achse O2, welche einer im Fokus des Abbildungselements 18 angeordneten Empfängereinheit 22 zugeordnet ist, reflektiert.
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Bei einer Unterbrechung des Strahlengangs durch ein sich im Überwachungsbereich befindendes Objekt kann mittels einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit ein Signalabfall an der Empfängereinheit 22 detektiert werden. Falls ein Objekt mit einer spiegelnden oder stark remittierenden Oberfläche in den Überwachungsbereich gelangt, besteht die Möglichkeit, dass dieses Objekt die Sendelichtstrahlen 24 anstelle des Retroreflektors 20 auf den Drahtgitterpolarisator 14 reflektiert. Da jedoch durch diese Reflexion an der spiegelnden Oberfläche des Objekts keine Änderung der Polarisationsrichtung erfolgt, entspricht die Polarisationsrichtung der von dem Objekt reflektierten Lichtstrahlen der Polarisationsrichtung S der Sendelichtstrahlen 24, so dass diese Lichtstrahlen vom Drahtgitterpolarisator 14 nicht reflektiert, sondern transmittiert werden. Folglich kommt es zu einem Signalabfall an der Empfängereinheit 22.
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Der hier beschriebene Reflexionslichtschrankensensor 10 generiert also einen Signalabfall auch für ein spiegelndes Objekt und verhindert eine unter Umständen sicherheitskritische Nichterkennung dieses Objekts.
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Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass das Substrat 16 je nach verwendetem Material eine polarisierende Wirkung aufgrund von Spannungsdoppelbrechung aufweisen kann, wobei dies jedoch unschädlich ist, da sich das Substrat 16 auf derjenigen Seite des Drahtgitterpolarisators 14 befindet, auf welcher keine Polarisation erfolgt.
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Gemäß einer nicht dargestellten Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels können auch die Sendereinheit 12 und die Empfängereinheit 22 miteinander vertauscht werden.
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Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Abwandlung können die Sendereinheit 12 und die Empfängereinheit 22 so angeordnet werden, dass deren optische Achsen O1 bzw. O2 parallel zueinander stehen, wobei dann zwischen dem Drahtgitterpolarisator 14 und der Empfängereinheit 22 ein Umlenkspiegel (nicht dargestellt) derart angeordnet ist, dass die optische Achse O2 der Empfängereinheit 22 um einen Winkel von 90° auf den Drahtgitterpolarisator 14 umgelenkt wird. Es besteht dadurch der Vorteil, dass die Sendereinheit 12 und die Empfängereinheit 22 auf einer gemeinsamen Platine angeordnet werden können. Auch hier ist es möglich, die Sendereinheit 12 und die Empfängereinheit 22 miteinander zu vertauschen.
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Im Vergleich zu dem in
EP 2 256 522 A1 beschriebenen Reflexionslichtschrankensensor weist der erfindungsgemäße Reflexionslichtschrankensensor
10 den Vorteil auf, dass der Drahtgitterpolarisator
14 die Funktionen eines Sendepolarisators, eines Strahlteilers und eines Analysators in sich vereint. Dadurch verringert sich die Anzahl der benötigten und zu assemblierenden Einzelteile. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Reflexionslichtschrankensensor
10 aufgrund der weitgehenden Winkelunabhängigkeit der Transmissions- und Reflexionseigenschaften des Drahtgitterpolarisators
14 mit einer großen Apertur versehen sein kann, ohne dass etwa auf die vorteilhafte, auf dem Autokollimationsprinzip basierende Bauweise mit einem gemeinsamen Abbildungselement
18 als Kollimator und Empfangsoptik verzichtet werden müsste.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reflexionslichtschrankensensor
- 12
- Sendereinheit
- 14
- Drahtgitterpolarisator
- 16
- Substrat
- 18
- Abbildungselement
- 20
- Retroreflektor
- 22
- Empfängereinheit
- 24
- Sendelichtstrahl
- 26
- Empfangslichtstrahl
- S
- Polarisationsrichtung der Sendelichtstrahlen
- E
- Polarisationsrichtung der Empfangslichtstrahlen
- O1, O2
- Optische Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2256522 A1 [0005, 0044]
