DE102014013326A1

DE102014013326A1 - Optisches Sensorsystem

Info

Publication number: DE102014013326A1
Application number: DE102014013326.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Erich Gubela; Simon Weingärtner
Original assignee: IMOS Gubela GmbH
Current assignee: IMOS Gubela GmbH
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem mit einem Lichtsender zur Aussendung eines Lichtstrahls (10) und einem Lichtempfänger zum Empfangen des Lichtstrahls (10). Erfindungsgemäß ist im Strahlengang zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein optisches Element (12) angeordnet, das einen zumindest teiltransparenten Bereich (14) aufweist, der mindestens zwei Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) aufweist, die jeweils mindestens eine Eigenschaft des sie durchdringenden Lichts auf unterschiedliche Weise verändern, die jeweils zumindest teilweise vom Lichtstrahl (10) ausgeleuchtet werden und die den Lichtstrahl (10) in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlen (16a, 16b, 16c, 16d) unterschiedlicher Eigenschaften umwandeln. Im Strahlengang ist vor dem Lichtempfänger ein Filter (18) angeordnet, der eine der Anzahl der Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) entsprechende Anzahl von Filterbereichen (18a, 18b, 18c, 18d) aufweist, wobei jeder Filterbereich (18a, 18b, 18c, 18d) für das Licht eines der Teilstrahlen (16a, 16b, 16c, 16d) durchlässig ist. Die Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) und die Filterbereiche (18a, 18b, 18c, 18d) sind so zueinander angeordnet, dass jeder Teilstrahl (16a, 16b, 16c, 16d) zumindest teilweise auf einen ihm zugeordneten und für ihn durchlässigen Filterbereich (18a, 18b, 18c, 18d) trifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem mit einem Lichtsender zur Aussendung eines Lichtstrahls und einem Lichtempfänger zum Empfangen des Lichtstrahls sowie ein optisches Element zur Verwendung in einem solchen optischen Sensorsystem.
Zur Erhöhung der Sicherheit eines optischen Sensorsystems, beispielsweise einer Lichtschranke, soll sichergestellt werden, dass das Licht, das vom Empfänger empfangen wird, auch das Licht ist, das vom Sender ausgesandt wurde. Fremdlicht, das von einer anderen Lichtquelle kommt und zufällig zum Empfänger gelangt, kann das Messergebnis verfälschen, so dass beispielsweise aufgrund des empfangenen Fremdlichts ein Signal „Strahlengang frei” anstelle des richtigen Signals „Hindernis im Strahlengang” erzeugt wird. Zu diesem Zweck ist es bekannt, im Strahlengang Polfilter anzuordnen, die nur Licht einer bestimmten Polarisation durchlassen, und den Empfänger so einzustellen, dass er erkennt, ob das Licht die vorgegebene Polarisation aufweist. Diese Methode soll mit der vorliegenden Erfindung noch weiter verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist im Strahlengang des Sensorsystems ein optisches Element angeordnet, das einen zumindest teiltransparenten Bereich aufweist. Der Bereich weist mindestens zwei Teilbereiche auf, die jeweils mindestens eine Eigenschaft des sie durchdringenden Lichts auf unterschiedliche Weise verändern, wobei der Lichtstrahl so an die Größe des zumindest teiltransparenten Bereichs angepasst wird, dass jeder der Teilbereiche zumindest teilweise ausgeleuchtet wird. So kann beispielsweise mindestens einer der Teilbereiche einen Farbfilter, einen Polarisationsfilter oder eine Verzögerungsplatte, insbesondere ein λ/4-Plättchen, aufweisen. Auf diese Weise wird der Lichtstrahl in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlen unterschiedlicher Eigenschaften umgewandelt. So kann beispielsweise bei drei Teilbereichen, von denen einer als Farbfilter und zwei als unterschiedliche Polarisationsfilter ausgebildet sind, der Lichtstrahl nach Passieren des optischen Elements in einen Lichtstrahl bestehend aus drei Teilstrahlen umgewandelt werden, wobei einer der Teilstrahlen monochromatisch ist, der zweite zirkular polarisiertes Licht aufweist und der dritte linear polarisiertes Licht. Ein solcher aus Teilstrahlen mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammengesetzter Lichtstrahl tritt als Fremdlicht praktisch nicht auf, so dass dann, wenn dieser Lichtstrahl detektiert und als solcher erkannt wird, mit Sicherheit davon auszugehen ist, dass es sich um den vom Lichtsender ausgesandten und durch das optische Element transmittierten Lichtstrahl handelt. Zu diesem Zweck ist im Strahlengang vor dem Lichtempfänger ein Filter angeordnet, der eine der Anzahl der Teilbereiche entsprechende Anzahl von Filterbereichen aufweist. Jeder Filterbereich ist dabei für das Licht eines der Teilstrahlen durchlässig, wobei die Teilbereiche und die Filterbereiche so zueinander angeordnet sind, dass jeder Teilstrahl zumindest teilweise auf einen ihm zugeordneten und für ihn durchlässigen Filterbereich trifft. Im oben genannten Beispiel trifft der farbige Teilstrahl auf einen Filterbereich, der Licht dieser Farbe durchlässt, während der zirkular polarisierte Teilstrahl auf einen Polarisationsfilter für zirkular polarisiertes Licht trifft.
Vorzugsweise vermindert jeder Filterbereiche die Intensität von Licht, das sich hinsichtlich mindestens einer der vom zugehörigen Teilbereich veränderten Eigenschaft(en) des betreffenden Teilstrahls von diesem unterscheidet, um mehr als 30%, vorzugsweise um mehr als 50% und insbesondere um mehr als 70%, oder ist für solches Licht undurchlässig. Desweiteren wird bevorzugt, dass der Lichtempfänger für jeden der Filterbereiche eine Einrichtung zur Messung der Intensität des vom betreffenden Filterbereich durchgelassenen Lichts aufweist. Durch diese Maßnahmen wird die Sicherheit des optischen Sensorsystems noch weiter erhöht.
Das optische Sensorsystem kann eine Lichtschranke sein. Dabei ist es möglich, den Lichtempfänger im Abstand zum Lichtsender anzuordnen. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Lichtsender und der Lichtempfänger in einer Sende- und Empfangseinheit zusammengefasst sind und dass im Strahlengang ein Retroreflektor angeordnet ist. Dabei kann das optische Element auf einer Lichteintrittsfläche des Retroreflektors angeordnet sein, so dass das Sensorsystem nur mit einem solchen Retroreflektor zufriedenstellend betrieben werden kann. Es ist jedoch auch möglich, das optische Element als separates Bauteil im Abstand zum Lichtsender, zum Lichtempfänger und gegebenenfalls zum Retroreflektor anzuordnen.
Der zumindest teiltransparente Bereich kann ein lichtdurchlässiges Substrat aufweisen, das zur Bildung der Teilbereiche mit Lack beschichtet ist. Dabei sind die unterschiedlichen Teilbereiche entweder mit unterschiedlichen Lacken versehen oder vor dem Aushärten durch Anlegen unterschiedlicher elektrischer Felder oder Beaufschlagung durch polarisiertes UV-Licht zu Teilbereichen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften ausgebildet. Als Substrat kommen Glas, transparente Kunststoffe und transparentes Folienmaterial in Frage. Das Substrat kann eine plane oder gekrümmte Oberfläche aufweisen. Alternativ hierzu kann der Lack, insbesondere vor dem Aushärten, mit einem Druckmuster versehen werden, das den Teilbereichen ihre gewünschten optischen Eigenschaften verleiht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung des Strahlengangs eines optischen Sensorsystems beim Durchtritt durch ein optisches Element.
In 1 ist gezeigt, wie ein von einem nicht dargestellten Lichtsender kommender Lichtstrahl 10 auf ein optisches Element 12 trifft, welches einen aus vier Teilbereichen 14a, 14b, 14c, 14d bestehenden teiltransparenten Bereich 14 aufweist, der vom Lichtstrahl 10 voll ausgeleuchtet wird. Jeder der Teilbereiche 14a, 14b, 14c, 14d weist unterschiedliche optische Eigenschaften auf und verändert jeweils eine Eigenschaft des ihn durchdringenden Lichts, so dass aus dem Lichtstrahl 10 ein aus vier Teilstrahlen 16a, 16b, 16c, 16d zusammengesetzter Ausgangslichtstrahl 16 entsteht. Dabei ist der Teilstrahl 16a, der den Teilbereich 14a durchdrungen hat, von diesem in einer ersten Richtung linear polarisiert, während der Teilstrahl 16b, der den Teilbereich 14b durchdrungen hat, in einer zweiten Richtung linear polarisiert ist. Der Teilstrahl 16c, der den Teilbereich 14c durchdrungen hat, ist zirkular polarisiert, während der Teilstrahl 16d, der den Teilbereich 14d durchdrungen hat, elliptisch polarisiert ist. Der Ausgangslichtstrahl 16 ist somit derart individualisiert, dass er sich leicht von Fremdlicht unterscheiden lässt. Um diese Unterscheidung und die Identifizierung des Ausgangslichtstrahls 16 als den „richtigen”, vom Lichtsender kommenden Lichtstrahl durchzuführen, ist im Strahlengang ein Filter 18 angeordnet, der vier Filterbereiche 18a, 18b, 18c, 18d aufweist. Der Filter 18 ist so angeordnet, dass der vom Teilbereich 14a kommende Teilstrhal 16a auf den Filterbereich 18a trifft, der für in der ersten Richtung linear polarisiertes Licht durchlässig ist. Entsprechend trifft der zweite Teilstrahl 16b auf den Filterbereich 18b, der für in der zweiten Richtung linear polarisiertes Licht durchlässig ist, der Teilstrahl 16c trifft auf den Filterbereich 18c, der für zirkular polarisiertes Licht durchlässig ist, und der Teilstrahl 16d trifft auf den Filterbereich 18d, der für elliptisch polarisiertes Licht durchlässig ist. Licht anderer Polarisationsrichtungen werden von den jeweiligen Filterbereichen 18a, 18b, 18c, 18d entweder gar nicht oder nur mit stark verminderter Intensität durchgelassen.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem mit einem Lichtsender zur Aussendung eines Lichtstrahls 10 und einem Lichtempfänger zum Empfangen des Lichtstrahls 10. Erfindungsgemäß ist im Strahlengang zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein optisches Element 12 angeordnet, das einen zumindest teiltransparenten Bereich 14 aufweist, der mindestens zwei Teilbereiche 14a, 14b, 14c, 14d aufweist, die jeweils mindestens eine Eigenschaft des sie durchdringenden Lichts auf unterschiedliche Weise verändern, die jeweils zumindest teilweise vom Lichtstrahl 10 ausgeleuchtet werden und die den Lichtstrahl 10 in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlen 16a, 16b, 16c, 16d unterschiedlicher Eigenschaften umwandeln. Im Strahlengang ist vor dem Lichtempfänger ein Filter 18 angeordnet, der eine der Anzahl der Teilbereiche 14a, 14b, 14c, 14d entsprechende Anzahl von Filterbereichen 18a, 18b, 18c, 18d aufweist, wobei jeder Filterbereich 18a, 18b, 18c, 18d für das Licht eines der Teilstrahlen 16a, 16b, 16c, 16d durchlässig ist. Die Teilbereiche 14a, 14b, 14c, 14d und die Filterbereiche 18a, 18b, 18c, 18d sind so zueinander angeordnet, dass jeder Teilstrahl 16a, 16b, 16c, 16d zumindest teilweise auf einen ihm zugeordneten und für ihn durchlässigen Filterbereich 18a, 18b, 18c, 18d trifft.

Claims

Optisches Sensorsystem mit einem Lichtsender zur Aussendung eines Lichtstrahls (10) und einem Lichtempfänger zum Empfangen des Lichtstrahls (10), dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ein optisches Element (12) angeordnet ist, das einen zumindest teiltransparenten Bereich (14) aufweist, der mindestens zwei Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) aufweist, die jeweils mindestens eine Eigenschaft des sie durchdringenden Lichts auf unterschiedliche Weise verändern, die jeweils zumindest teilweise vom Lichtstrahl (10) ausgeleuchtet werden und die den Lichtstrahl (10) in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlen (16a, 16b, 16c, 16d) unterschiedlicher Eigenschaften umwandeln, dass im Strahlengang vor dem Lichtempfänger ein Filter (18) mit einer der Anzahl der Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) entsprechenden Anzahl von Filterbereichen (18a, 18b, 18c, 18d) angeordnet ist, wobei jeder Filterbereich (18a, 18b, 18c, 18d) für das Licht eines der Teilstrahlen (16a, 16b, 16c, 16d) durchlässig ist, und dass die Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) und die Filterbereiche (18a, 18b, 18c, 18d) so zueinander angeordnet sind, dass jeder Teilstrahl (16a, 16b, 16c, 16d) zumindest teilweise auf einen ihm zugeordneten und für ihn durchlässigen Filterbereich (18a, 18b, 18c, 18d) trifft.
Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Filterbereiche (18a, 18b, 18c, 18d) für Licht, das sich in mindestens einer der vom zugehörigen Teilbereich (14a, 14b, 14c, 14d) veränderten Eigenschaft(en) des betreffenden Teilstrahls (16a, 16b, 16c, 16d) von diesem unterscheidet, undurchlässig ist oder dessen Intensität um mehr als 30%, vorzugsweise um mehr als 50% und insbesondere um mehr als 70%, vermindert.
Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger für jeden der Filterbereiche (18a, 18b, 18c, 18d) eine Einrichtung zur Messung der Intensität des vom betreffenden Filterbereichs (18a, 18b, 18c, 18d) durchgelassenen Lichts aufweist.
Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) einen Farbfilter aufweist.
Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) einen Polarisationsfilter aufweist.
Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) eine Verzögerungsplatte aufweist.
Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender und der Lichtempfänger in einer Sende- und Empfangseinheit zusammengefasst sind und dass im Strahlengang ein Retroreflektor angeordnet ist.
Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (12) auf einer Lichteintrittsfläche des Retroreflektors angeordnet ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (12) als separates Bauteil im Abstand zum Lichtsender, zum Lichtempfänger und gegebenenfalls zum Retroreflektor angeordnet ist.
Optisches Element zur Verwendung in einem optischen Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem zumindest teiltransparenten Bereich (14), der mindestens zwei Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) aufweist, die jeweils mindestens eine Eigenschaft von sie durchdringendem Licht auf unterschiedliche Weise verändern und die einen Lichtstrahl (10), der den teiltransparenten Bereich (14) so ausleuchtet, dass jeder der Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) zumindest teilweise ausgeleuchtet wird, in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlen (16a, 16b, 16c, 16d) mit unterschiedlichen Eigenschaften umwandeln.
Optisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest teiltransparente Bereich (14) ein lichtdurchlässiges Substrat aufweist, das zur Bildung der Teilbereiche mit Lack beschichtet ist, wobei die unterschiedlichen Teilbereiche (14a, 14b, 14c, 14d) entweder mit unterschiedlichen Lacken versehen sind oder vor dem Aushärten durch Anlegen unterschiedlicher elektrischer Felder oder Beaufschlagung mit polarisiertem UV-Licht gebildet sind oder durch Aufbringen unterschiedlicher Druckmuster auf dem Lack ausgebildet werden.