DE102015210170A1

DE102015210170A1 - Reflektor

Info

Publication number: DE102015210170A1
Application number: DE102015210170.3A
Authority: DE
Inventors: Sven Büttner
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-06-03
Also published as: DE102015210170B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf einen Reflektor (10) zur Reflexion von Strahlung zumindest einer Wellenlänge oder zumindest eines Wellenlängenbereichs. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Reflektor (10) für die zu reflektierende Strahlung eine transparente Reflektorplatte (20) aufweist, auf deren Vorderseite (21) oder vor deren Vorderseite (21) eine Verzögerungsplatte (30) mit lokal ortsabhängiger Doppelbrechung und lokal ortsabhängiger Phasenverzögerung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reflektor zur Reflexion einfallender Strahlung sowie auf eine Reflexionslichtschranke mit einem solchen Reflektor.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 198 01 632 A1 beschreibt einen Reflektor mit einem Polarisator. Insbesondere kann der Polarisator eine linearpolarisierende Folie sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflektor anzugeben, der für einen Einsatz in Reflexionslichtschranken besonders gut geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Reflektor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Reflektors sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Reflektor für die zu reflektierende Strahlung eine transparente Reflektorplatte aufweist, auf deren Vorderseite oder vor deren Vorderseite eine Verzögerungsplatte mit lokal ortsabhängiger Doppelbrechung und lokal ortsabhängiger Phasenverzögerung angeordnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Reflektors ist darin zu sehen, dass eine Polarisationsänderung innerhalb der Reflektorplatte, beispielsweise aufgrund einer Totalreflexion an der Rückseite der Reflektorplatte, mittels der Verzögerungsplatte kompensiert werden kann. Beispielsweise kann für eine einfallende Strahlung bekannter oder vorgegebener Polarisation mittels der Verzögerungsplatte eine beliebige Ausgangspolarisation eingestellt werden.
Mit Blick auf optimale Reflexionseigenschaften wird es als vorteilhaft angesehen, wenn auf der Rückseite der Reflektorplatte eine Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist, die eine Vielzahl an Tripeln umfasst, wobei die Tripel jeweils durch drei rechtwinklig aufeinander stehende und jeweils quadratische Tripelflächen gebildet sind.
Die Brechzahl der Reflektorplatte ist vorzugsweise so groß, dass auf der Rückseite der Reflektorplatte aufgrund des Brechzahlunterschieds eine Totalreflexion der auftreffenden Strahlung stattfindet. Vorzugsweise ist die Rückseite der Reflektorplatte unbeschichtet, so dass die Totalreflexion auf dem Brechzahlunterschied zwischen der Brechzahl der Reflektorplatte und der Brechzahl der umgebenden Luft (n = 1) beruht.
Die lokal ortsabhängige Doppelbrechung und die lokal ortsabhängige Phasenverzögerung sind bezüglich der auf der Rückseite der Reflektorplatte befindlichen Tripel bevorzugt tripelbezogen, und zwar derart, dass die Verzögerungsplatte pro Tripel jeweils dieselbe lokal ortsabhängige Doppelbrechung und die lokal ortsabhängige Phasenverzögerung aufweist.
Vorzugsweise ist die Verzögerungsplatte pro Tripel mit mindestens sechs Tripelsegmenten versehen, von denen drei innerhalb ihres jeweiligen Tripelsegments einen ortsunabhängigen Doppelbrechungswert (ungleich Null) und einen ortsunabhängigen Phasenverzögerungswert (ungleich Null) aufweisen, wobei sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte dieser drei Tripelsegmente voneinander unterscheiden. Die anderen drei Tripelsegmente pro Tripel weisen vorzugsweise keine Doppelbrechung, zumindest keine signifikante Doppelbrechung, sowie keine Phasenverzögerung, zumindest keine signifikante Phasenverzögerung, auf. Beispielsweise können die letztgenannten drei Tripelsegmente durch Löcher in der Verzögerungsplatte gebildet sein, die mit Luft gefüllt sind.
Alternativ wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Verzögerungsplatte pro Tripel mit mindestens vier Tripelsegmenten, vorzugsweise mit sechs Tripelsegmenten, versehen ist, die innerhalb ihres jeweiligen Tripelsegments einen ortsunabhängigen Doppelbrechungswert und einen ortsunabhängigen Phasenverzögerungswert aufweisen, wobei sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der mindestens vier Tripelsegmente, vorzugsweise aller sechs Tripelsegmenten, voneinander unterscheiden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verzögerungsplatte pro Tripel in sechs Tripelsegmente unterteilt ist, von denen jeweils zwei ein Tripelsegmentpaar bilden, wobei ein jedes der drei Tripelsegmentpaare jeweils einer der quadratischen Tripelflächen des jeweiligen Tripels zugeordnet ist.
Bei jedem der drei Tripelsegmentpaare ist bevorzugt jeweils ein Tripelsegment einer Tripelflächenhälfte der jeweiligen Tripelfläche und das andere Tripelsegment der anderen Tripelflächenhälfte der jeweiligen Tripelfläche zugeordnet.
Die Tripelflächenhälften einer jeden quadratischen Tripelfläche sind vorzugsweise jeweils dreieckförmig und stoßen an einer durch die jeweilige quadratische Tripelfläche hindurch laufenden Diagonalen aneinander.
Bei sechs Tripelsegmenten pro Tripel kann vorgesehen sein, dass sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte aller sechs Tripelsegmente voneinander unterscheiden. Alternativ kann – wie bereits erwähnt – vorgesehen sein, dass sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte von drei Tripelsegmenten voneinander unterscheiden und die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der übrigen drei Tripelsegmente identisch und jeweils minimal bzw. vorzugsweise gleich Null sind. Bei der letztgenannten Ausgestaltung besteht jedes der o. g. Tripelsegmentpaare jeweils aus einem der "unterschiedlichen" Tripelsegmente und einem der identischen Tripelsegmente. Die identischen drei Tripelsegmente können zum Beispiel durch Löcher in der Verzögerungsplatte gebildet sein, die beispielsweise mit Luft gefüllt sind.
Im Falle einer Ausgestaltung mit sechs Tripelsegmenten pro Tripel wird es außerdem als vorteilhaft angesehen, wenn ein erstes und ein viertes Tripelsegment derart relativ zum jeweiligen Tripel angeordnet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte durch das erste Tripelsegment in Richtung Reflektorplatte passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte durch das vierte Tripelsegment erneut passiert, – und umgekehrt. Ein zweites und fünftes Tripelsegment sind vorzugsweise derart relativ zum jeweiligen Tripel angeordnet, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte durch das zweite Tripelsegment in Richtung Reflektorplatte passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte durch das fünfte Tripelsegment erneut passiert, – und umgekehrt. Ein drittes und sechstes Tripelsegment sind vorzugsweise derart relativ zum jeweiligen Tripel angeordnet, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte durch das dritte Tripelsegment in Richtung Reflektorplatte passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte durch das sechste Tripelsegment erneut passiert, – und umgekehrt.
Mit Blick auf eine definierte Ausgangspolarisation der reflektierten Strahlung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das erste und vierte Tripelsegment ein erstes Verzögerungspaar, das zweite und fünfte Tripelsegment ein zweites Verzögerungspaar und das dritte und sechste Tripelsegment ein drittes Verzögerungspaar bilden und die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der Tripelsegmente eines jeden Verzögerungspaars derart gewählt sind, dass ein einfallender Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Einfallpolarisation unabhängig von dem Verzögerungspaar, das ihn beim zweimaligen Passieren der Verzögerungsplatte beeinflusst, stets dieselbe vorgegebene Ausgangspolarisation aufweist.
Durch die Anordnung der Tripelflächen auf der Rückseite der Reflektorplatte werden pro Tripel vorzugsweise sechs Reflektorzonen gebildet, die sich dadurch auszeichnen, dass ein auf einer der Reflektorzonen eines Tripels einfallender Strahlaufgrund interner Totalreflexion an den Tripelflächen – von der jeweils gegenüberliegenden Reflektorzone den Reflektor verlässt.
Pro Tripel sind auf der Verzögerungsplatte vorzugsweise sechs Tripelsegmente vorgesehen, wobei jedes der sechs Tripelsegmente jeweils über einer individuell zugeordneten Reflektorzone liegt.
Die optischen Eigenschaften der Reflektorplatte sind bei allen Tripelflächen aller Tripel bevorzugt identisch.
Bezüglich der Anordnung der Verzögerungsplatte wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Vorderseite der Reflektorplatte und die Verzögerungsplatte jeweils plan sind und die Verzögerungsplatte unmittelbar auf der Reflektorplatte aufliegt.
Die quadratischen Tripelflächen stehen vorzugsweise in einem Winkel zwischen 40° und 50°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 45°, zur Ebene der Vorderseite der Reflektorplatte sowie zur Ebene der Verzögerungsplatte.
Die quadratischen Tripelflächen sind bezüglich der Solleinfallachse der zu reflektierenden Strahlung vorzugsweise drehsymmetrisch angeordnet. Die Solleinfallachse der Strahlung steht vorzugsweise senkrecht zur Ebene der Verzögerungsplatte sowie senkrecht zur Ebene der Reflektorplatte.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Reflektors ist vorgesehen, dass die Verzögerungsplatte durch eine Beschichtung gebildet ist, die unmittelbar auf der Vorderseite der Reflektorplatte aufgebracht ist.
Bei einer alternativen, aber ebenfalls als bevorzugt angesehenen Ausgestaltung des Reflektors ist vorgesehen, dass die Verzögerungsplatte durch eine Folie gebildet ist, die unmittelbar auf der Vorderseite der Reflektorplatte aufgebracht, insbesondere aufgeklebt, ist.
Die Reflektorplatte und die Verzögerungsplatte bestehen vorzugsweise aus Kunststoff bzw. Polymerwerkstoff, besonders bevorzugt aus einem spannungsarmen Polymerwerkstoff wie zum Beispiel Vertreter aus der Gruppe der Cycloolefin-Copolymere aus linearen Polyoelfinen(COC), amorphe COC Copolymerisate (COP) oder Polymethacrylate, insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA). Gebräuchliche Handelsnamen sind zum Beispeil APEL, TOPAS, ZEONOR, ZEONEX, Altuglas, Lucite, Oroglas, Plexiglas.
Der Reflektor bildet vorzugsweise einen Retroreflektor.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Reflexionslichtschranke. Bezüglich einer solchen Reflexionslichtschranke ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese mit einem Reflektor, wie er oben beschrieben worden ist, ausgestattet ist.
Bezüglich der Ausgestaltung der Reflexionslichtschranke wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Reflexionslichtschranke einen Sender zum Erzeugen von linear polarisierter Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs aufweist, beabstandet zu dem Sender der Reflektor angeordnet ist, und zwar derart, dass die Strahlung des Senders in einem Einfallswinkel zwischen –10° und 10°, vorzugsweise senkrecht, auf die Verzögerungsplatte auftrifft, und die Reflexionslichtschranke einen Empfänger aufweist, der geeignet ist, die von dem Reflektor reflektierte und durch die Verzögerungsplatte gegenüber der linearen Polarisation der Strahlung des Senders um 90° polarisationsgedrehte Strahlung zu empfangen.
Vorzugsweise umfasst der Empfänger einen Linearpolarisator, der zum Empfang der um 90° polarisationsgedrehten Strahlung ausgerichtet ist und diese passieren lässt und Strahlung mit dazu senkrechter Polarisation blockiert.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Reflexionslichtschranke ist vorgesehen, dass die Reflexionslichtschranke einen Sender zum Erzeugen von zirkular polarisierter Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs aufweist, beabstandet zu dem Sender der Reflektor angeordnet ist, und zwar derart, dass die Strahlung des Senders in einem Einfallswinkel zwischen –10° und 10°, vorzugsweise senkrecht, auf die Verzögerungsplatte auftrifft, und die Reflexionslichtschranke einen Empfänger aufweist, der geeignet ist, die von dem Reflektor reflektierte und durch die Verzögerungsplatte erhaltene zirkular polarisierte Strahlung gleichen Drehsinns wie beim Sender zu empfangen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Reflektor in einer zweidimensionalen Prinzipdarstellung,
2 die Oberflächenstrukturierung der Rückseite des Reflektors gemäß 1 näher im Detail in einer Draufsicht,
3 die polarisationsverändernde Wirkung der Reflektorplatte bei dem Reflektor gemäß 1 im Falle einer einfallenden Strahlung mit linkszirkularer Polarisation,
4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke, die mit einem Reflektor mit lokal ortsabhängiger Doppelbrechung und lokal ortsabhängiger Phasenverzögerung ausgestattet ist,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke, die mit einem Reflektor gemäß den 1 bis 3 ausgestattet ist, und
6 die polarisationsverändernde Wirkung der Reflektorplatte bei dem Reflektor gemäß 1 im Falle einer einfallenden Strahlung mit vertikaler Polarisation.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt im Querschnitt einen Reflektor 10, der eine Reflektorplatte 20 umfasst. Auf der Vorderseite 21 der Reflektorplatte 20 ist eine Verzögerungsplatte 30 angeordnet. Die Reflektorplatte 20 und die Verzögerungsplatte 30 bestehen beispielsweise aus einem Polymerwerkstoff.
Die Verzögerungsplatte 30 liegt vorzugsweise unmittelbar auf der Vorderseite 21 der Reflektorplatte 20 auf. Die Verzögerungsplatte 30 kann durch eine Beschichtung gebildet sein, die auf der Vorderseite 21 der Reflektorplatte 20 aufgebracht ist; alternativ kann die Verzögerungsplatte 30 durch eine Folie gebildet sein, die auf der Vorderseite 21 aufgeklebt ist. Wie weiter unten noch im Detail erläutert wird, weist die Verzögerungsplatte 30 eine lokal ortsabhängige Doppelbrechung und eine lokal ortsabhängige Phasenverzögerung auf.
Die Rückseite 22 der Reflektorplatte 20 ist strukturiert und weist eine rückseitige Oberflächenstrukturierung 23 auf, die eine Vielzahl an Tripeln 100 umfasst. Die optischen Eigenschaften der Reflektorplatte 20 sind bei allen Tripelflächen aller Tripel 100 identisch oder zumindest möglichst identisch.
Die 2 zeigt die Reflektorplatte 20 mit deren Oberflächenstrukturierung 23 näher im Detail in einer Draufsicht. Es lässt sich erkennen, dass die Tripel 100 jeweils durch drei rechtwinklig aufeinanderstehende und jeweils quadratische Tripelflächen 101, 102 und 103 gebildet sind. Die drei Tripelflächen 101, 102 und 103 eines jeden Tripels 100 können als hintere Würfelflächen eines Würfels aufgefasst werden, von dem die drei vorderen Würfelflächen fehlen. Die drei rechtwinklig aufeinanderstehenden Tripelflächen 101, 102 und 103 sind jeweils quadratisch, was sich aufgrund der winkligen Anordnung der Tripelflächen zueinander in der 2 nicht erkennen lässt.
Die Tripelflächen 101, 102 und 103 stehen vorzugsweise in einem Winkel zwischen 40° und 60°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 54,74° (±1°), zur Ebene der planen Vorderseite 21 der Reflektorplatte 20 bzw. zur Ebene der planen Verzögerungsplatte 30.
Ein auf ein Tripel 100 einfallender Strahl Pin (vgl. 1) trifft – aufgrund interner Reflexion – auf alle drei Tripelflächen 101, 102 und 103 des jeweiligen Tripels 100, bevor er parallel zur Einfallsrichtung wieder aus dem Reflektor 10 als Ausgangsstrahl Paus (vgl. 1) herausläuft. Dabei entstehen sechs mögliche Pfade, die sich durch die Reihenfolge der drei getroffenen Tripelflächen unterscheiden.
Durch die Anordnung der Tripelflächen 101, 102 und 103 werden pro Tripel 100 sechs Reflektorzonen Z1 bis Z6 gebildet, die sich dadurch auszeichnen, dass ein auf eine der Reflektorzonen eines Tripels 100 einfallender Strahl – aufgrund interner Totalreflexion an den Tripelflächen 101, 102 und 103 – von der jeweils gegenüberliegende Reflektorzone den Reflektor 10 verlässt: Trifft der Strahl also auf die Reflektorzone Z1 auf, so verlässt er den Reflektor von der Reflektorzone Z4 aus, und umgekehrt; trifft der Strahl auf die Reflektorzone Z2, so verlässt er den Reflektor von der Reflektorzone Z5 aus, und umgekehrt; und trifft der Strahl auf die Reflektorzone Z3, so verlässt er den Reflektor von der Reflektorzone Z6 aus, und umgekehrt.
Durch die interne Totalreflexion an den drei Tripelflächen 101, 102 und 103 ergibt sich für jede der sechs Reflektorzonen eine individuelle Änderung der Polarisation. In der 3 ist beispielhaft die Ausgangspolarisation der reflektierten Strahlung für den Fall einer einfallenden Eingangsstrahlung mit links zirkularer Polarisation sowie ohne den Einfluss der Verzögerungsplatte 30 dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass für jede der Reflektorzonen eine zonenindividuelle Polarisationsänderung auftritt, die somit zonenindividuell kompensierbar ist
Um die Polarisationsänderung durch die interne Totalreflexion zu kompensieren, weist die Verzögerungsplatte 30 eine lokal ortsabhängige Doppelbrechung und eine lokal ortsabhängige Phasenverzögerung auf, die bezüglich der auf der Rückseite der Reflektorplatte 20 befindlichen Tripel 100 tripelbezogen ist und pro Tripel jeweils dieselbe lokal ortsabhängige Doppelbrechung und die lokal ortsabhängige Phasenverzögerung hervorruft.
Die 2 zeigt beispielhaft, wie die Verzögerungsplatte pro Tripel 100 in sechs Plattensegmente, nachfolgend wegen des Tripelbezugs Tripelsegmente TS1 bis TS6 genannt, unterteilt ist, von denen jeweils zwei, nämlich die Tripelsegmente TS1 und TS2, die Tripelsegmente TS3 und TS4 und die Tripelsegmente TS5 und TS6, ein Tripelsegmentpaar bilden. Jedes der drei Tripelsegmentpaare ist jeweils einer der quadratischen Tripelflächen 101, 102 und 103 des jeweiligen Tripels 100 zugeordnet.
Bei jedem der drei Tripelsegmentpaare ist jeweils ein Tripelsegment einer Tripelflächenhälfte einer Tripelfläche und das andere Tripelsegment der anderen Tripelflächenhälfte zugeordnet. Die Tripelflächenhälften sind jeweils dreieckförmig und stoßen an der durch die Tripelfläche hindurch laufenden Flächendiagonalen aneinander.
Die sechs Tripelsegmente TS1 bis TS6 der Verzögerungsplatte sind jeweils einer der sechs Reflektorzonen Z1 bis Z6 der Tripel 100 zugeordnet, und zwar derart, dass das Tripelsegment TS1 über der Reflektorzone Z1 liegt, das Tripelsegment TS2 über der Reflektorzone Z2 liegt, das Tripelsegment TS3 über der Reflektorzone Z3 liegt usw.
Durch diese Anordnung der sechs Tripelsegmente TS1 bis TS6 oberhalb der Reflektorzonen Z1 bis Z6 wird erreicht, dass das erste und vierte Tripelsegment TS1 und TS4 derart relativ zum jeweiligen Tripel 100 angeordnet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte 30 durch das erste Tripelsegment TS1 in Richtung Reflektorplatte 20 passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte 30 durch das vierte Tripelsegment TS4 erneut passiert, – und umgekehrt (vgl. 1) –. Entsprechend sind das zweite und fünfte Tripelsegment derart relativ zum jeweiligen Tripel 100 angeordnet, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte 30 durch das zweite Tripelsegment TS2 in Richtung Reflektorplatte 20 passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte 30 durch das fünfte Tripelsegment TS5 erneut passiert, – und umgekehrt. Das dritte und sechste Tripelsegment TS3 und TS6 sind derart relativ zum jeweiligen Tripel angeordnet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte durch das dritte Tripelsegment in Richtung Reflektorplatte passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte durch das sechste Tripelsegment erneut passiert, – und umgekehrt –.
Das erste und vierte Tripelsegment TS1 und TS4 bilden damit ein erstes Verzögerungspaar, das zweite und fünfte Tripelsegment TS2 und TS5 ein zweites Verzögerungspaar und das dritte und sechste Tripelsegment TS3 und TS6 ein drittes Verzögerungspaar.
Durch Wahl der Doppelbrechungswerte und der Phasenverzögerungswerte für die Tripelsegmente TS1 bis TS6 eines jeden Verzögerungspaars lässt sich somit einstellen, dass ein einfallender Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Einfallpolarisation unabhängig von dem Verzögerungspaar, das ihn beim zweimaligen Passieren der Verzögerungsplatte beeinflusst, stets dieselbe vorgegebene Ausgangspolarisation aufweist. Die Ermittlung der optimalen Doppelbrechungswerte und der optimalen Phasenverzögerungswerte für die Tripelsegmente TS1 bis TS6 kann für die jeweils gewünschte Ausgangspolarisation beispielsweise mittels numerischer Berechnungsmethoden erfolgen.
Soll beispielsweise für eine Eingangsstrahlung mit links zirkularer Polarisation eine Ausgangsstrahlung mit ebenfalls links zirkularer Polarisation erreicht werden, so sind folgende Doppelbrechungswerte und Phasenverzögerungswerte geeignet:

Tripelsegmente θ ϕ

TS1 –13.671914 76.487445

TS2 –16.322904 –76.485936

TS3 16.322904 –76.485936
Die Parameter θ und ϕ beziehen sich auf die Jones-Matrix für einen linearen Verzögerer mit der schnellen Achse im Winkel θ (Doppelbrechungswert) zur x-Achse und der Phasenverzögerung ϕ, gemäß
Die Tripelsegmente TS4 bis TS6 sind bei den für die Tripelsegmente TS1 bis TS3 genannten Parametern θ und ϕ vorzugsweise spannungsarm und doppelbrechungsfrei, bzw. zumindest doppelbrechnungsarm.
Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Reflexionslichtschranke 200, die einen Sender 210, einen Reflektor 10 sowie einen Empfänger 220 umfasst. Der Reflektor 10 ist durch die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der Tripelsegmente TS1 bis TS6 der Verzögerungsplatte 30 derart ausgestaltet, dass ein einfallender vertikal linear polarisierter Strahl linear polarisiert, jedoch um 90 Grad gedreht, den Reflektor 10 verlässt. Die 6 zeigt analog zur 3 den Einfluss der Reflektorzonen Z1 bis Z6 der Reflektorplatte 20 auf die Polarisationsänderung der einfallenden linear polarisierten Strahlung; diese Polarisationsänderung wird durch die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der Tripelsegmente TS1 bis TS6 der Verzögerungsplatte 30 kompensiert.
Der Sender 210 weist zur Erzeugung linear polarisierter Strahlung Pin eine Leuchtdiode 211 sowie einen der Leuchtdiode 211 nachgeordneten Linearpolarisator 212 auf. Die Funktion des Linearpolarisators 212 besteht darin, die ausgangsseitig von der Leuchtdiode 211 erzeugte Strahlung zu polarisieren bzw. lediglich den Strahlungsanteil passieren zu lassen, der die gewünschte lineare Polarisation aufweist.
Wird anstelle der Leuchtdiode 211 ein Laser eingesetzt, der von Hause aus bzw. technisch bedingt linear polarisiertes Licht erzeugt, so kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Linearpolarisators 212 verzichtet werden.
Der Empfänger 220 weist eine Empfangsdiode 221 sowie einen vorgeordneten Linearpolarisator 222 auf. Die Ausrichtung des Linearpolarisators 222 des Empfängers 220 ist derart gewählt, dass dieser in Richtung der Empfangsdiode 221 lediglich Strahlung passieren lässt, deren Polarisation senkrecht zur Polarisation der von dem Sender 210 erzeugten Strahlung Pin ausgerichtet ist.
Die Reflexionslichtschranke 200 weist außerdem eine Steuereinrichtung 230 auf, die den Sender 210 ansteuert, die von dem Empfänger 220 empfangene Strahlungsleistung SL auswertet sowie durch Auswertung der empfangenen Strahlungsleistung SL eine Objekterkennung im Strahlengang zwischen dem Sender 210 und dem Empfänger 220 durchführt.
Die Reflexionslichtschranke 200 wird vorzugsweise wie folgt betrieben:
Mit der Leuchtdiode 211 wird Strahlung einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs erzeugt und durch den Linearpolarisator 212 in Richtung des Reflektors 10 gelenkt. Der Linearpolarisator 212 lässt von der von der Leuchtdiode 211 erzeugten Strahlung lediglich einen linear polarisierten Strahlungsanteil durch, der in der 4 mit dem Bezugszeichen Pin gekennzeichnet ist.
Die Strahlung Pin des Senders 210 trifft vorzugsweise senkrecht oder möglichst senkrecht auf den Reflektor 10 bzw. auf die Verzögerungsplatte 30 des Reflektors 10 auf. Der Einfallswinkel α liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen maximal –10° und +10°.
Die linear polarisierte Strahlung Pin passiert die Verzögerungsplatte 30 (vgl. 1 bis 3) des Reflektors 10, wodurch es zu einer Drehung der linearen Polarisation der Strahlung Pin kommt. Die austretende, um 90 Grad gedrehte linear polarisierte Strahlung ist in der 4 mit dem Bezugszeichen Pout gekennzeichnet.
Wie in der 4 angedeutet ist, ist die Polarisationsrichtung der austretenden linear polarisierten Strahlung Pout senkrecht zur Polarisationsrichtung der vom Sender 210 erzeugten linear polarisierten Strahlung Pin. Die Drehung der Polarisation beruht technisch auf dem Einfluss der Verzögerungsplatte 30, deren Arbeitsweise oben im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläutert wurde.
Die von dem Reflektor 10 reflektierte und gegenüber der linearen Polarisation der Strahlung Pin des Senders 210 um 90° polarisationsgedrehte Strahlung Pout gelangt zu dem Linearpolarisator 222, der eben diese Polarisation der einfallenden Strahlung passieren lässt und in Richtung der Empfangsdiode 221 weiterleitet. Die Empfangsdiode 221 kann somit die vom Reflektor 10 reflektierte Strahlung – von üblichen optischen Verlusten abgesehen – ungedämpft bzw. nahezu ungedämpft empfangen. In einem solchen Fall wird die Steuereinrichtung 230 der Reflexionslichtschranke 200 anhand der Strahlungsleistung SL darauf schließen, dass sich kein Objekt im Strahlengang zwischen dem Sender 210 und dem Empfänger 220 befindet und ausgangsseitig ein entsprechendes Steuersignal ST1 erzeugen.
Befindet sich in dem Strahlengang zwischen dem Sender 210 und dem Empfänger 220 bzw. in dem Strahlengang zwischen dem Sender 210 und dem Reflektor 10 oder in dem Strahlengang zwischen dem Empfänger 220 und dem Reflektor 10 ein Objekt, das Strahlung absorbiert, die Polarisation der Strahlung ändert oder aus dem Strahlengang ab- bzw. weglenkt, so wird dies die Steuereinrichtung 230 anhand des Abfalls der Strahlungsleistung SL erkennen und ausgangsseitig ein ein Objekt im Strahlengang anzeigendes Steuersignal ST2 erzeugen.
Befindet sich in dem Strahlengang zwischen dem Sender 210 und dem Empfänger 220 ein Objekt, das Strahlung reflektiert oder teilweise reflektiert, so wird dieses Objekt in der Regel keine Polarisationsdrehung bewirken, sondern das Licht lediglich polarisationserhaltend reflektieren. Eine solche, durch ein Objekt reflektierte Strahlung kann den Linearpolarisator 222 des Empfängers 220 nicht passieren, so dass eine solche Strahlung von der Empfangsdiode 221 nicht empfangen werden kann. Dies wird die Steuereinrichtung 230 anhand des Abfalls der Strahlungsleistung SL erkennen und ausgangsseitig ein ein Objekt im Strahlengang anzeigendes Steuersignal ST2 erzeugen.
Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung 230 der Reflexionslichtschranke 200 nicht nur Objekte detektieren, die Strahlung vollständig absorbieren oder ablenken, sondern auch solche Objekte, die sich im Strahlengang befinden und die einfallende Strahlung Pin selbst ganz oder teilweise in Richtung des Empfängers 220 reflektieren. Die rückgestrahlte Intensität eines solchen Objektes ist immer geringer als die des Reflektors 10, da entweder die Polarisationsdrehung durch das Objekt geringer ist oder die Verluste bei der Spiegelung größer sind (bedingt durch einen Remissionsfaktor < 1 oder einen geringeren geometrischen Wirkungsgrad aufgrund der fehlenden Spiegelstruktur oder einer suboptimalen Ausrichtung). Mit anderen Worten wird durch den Reflektor 10 stets die maximale Intensität am Empfänger erreicht.
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Reflexionslichtschranke 300, die einen Sender 310, einen Reflektor 10, einen Empfänger 320 und eine Steuereinrichtung 330 umfasst. Der Reflektor 10 ist vorzugsweise mit dem Reflektor 10 gemäß den 1 bis 3 baugleich.
Der Sender 310 weist eine Leuchtdiode 311 sowie einen Zirkularpolarisator 312 auf. Die Funktion des Zirkularpolarisators 312 besteht darin, die von der Leuchtdiode 311 erzeugte Strahlung linkszirkular zu polarisieren bzw. ausgangsseitig nur linkszirkular polarisierte Strahlung Pin passieren zu lassen. Die linkszirkular polarisierte Strahlung Pin gelangt zum Reflektor 10 und passiert dessen Verzögerungsplatte 30 zweimal (vgl. 1 bis 3).
Die Reflexion an den Tripeln sowie der zweimalige Durchlauf durch die Verzögerungsplatte 30 führt zu keiner Veränderung der linkszirkularen Polarisationseigenschaft der Strahlung. So lässt sich in der 5 erkennen, dass die vom Reflektor 10 reflektierte Strahlung Pout ebenfalls linkszirkular polarisiert ist und den gleichen Polarisationsdrehsinn aufweist wie die von dem Sender 310 erzeugte linkszirkular polarisierte Strahlung Pin.
Die vom Reflektor 10 reflektierte Strahlung Pout gelangt zu dem Empfänger 320 bzw. zu dem eingangsseitig angeordneten Zirkularpolarisator 322, der mit dem Zirkularpolarisator 312 des Senders 310 identisch sein kann. Der Zirkularpolarisator 322 wird lediglich Strahlung passieren lassen, die den Polarisationszustand der von dem Sender 310 erzeugten zirkular polarisierten Strahlung Pin aufweist. Strahlung mit der entsprechenden Polarisation wird zu der Empfangsdiode 321 weitergeleitet und von dieser empfangen. Die Steuereinrichtung 330 wertet die Empfangsstrahlungsleistung SL aus und erzeugt in Abhängigkeit von der Empfangsstrahlungsleistung SL ein Steuersignal ST1 bzw. ST2, mit dem ein im Strahlengang befindliches Objekt angezeigt oder ein freier Strahlengang signalisiert wird.
Befindet sich kein störendes Objekt in dem Strahlengang zwischen dem Sender 310, dem Reflektor 10 und dem Empfänger 320 so wird die von dem Sender 310 erzeugte, zirkular polarisierte Strahlung Pin – von üblichen optischen Verlusten abgesehen – vollständig, zumindest annähernd vollständig, zu dem Empfänger 320 gelangen und vollständig, zumindest näherungsweise vollständig, von der Empfangsdiode 321 empfangen werden. In diesem Fall erzeugt die Steuereinrichtung 330 ein Steuersignal ST1, mit dem ein freier Strahlengang signalisiert wird.
Befindet sich in dem Strahlengang ein Objekt, das die Strahlung absorbiert oder – wie z. B. im Falle planer metallischer Objekte – unter Invertierung des Drehsinns der Polarisation reflektiert, so wird die von der Empfangsdiode 321 empfangende Strahlung reduziert sein, was durch die Steuereinrichtung 330 entsprechend erkannt wird.
Lediglich Objekte, die einfallende zirkular polarisierte Strahlung unter Beibehaltung des zirkularen Polarisationszustands reflektieren können (wie der Reflektor 10), können von der Reflexionsschranke 300 nicht erkannt werden, wohingegen alle anderen Objekte, also solche, die Strahlung absorbieren, ablenken oder unter Veränderung des Drehsinns der zirkularen Polarisation reflektieren (wie beispielsweise plane reflektierende Flächen), detektiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Reflektor
20: Reflektorplatte
21: Vorderseite
22: Rückseite
23: Oberflächenstrukturierung
30: Verzögerungsplatte
100: Tripel
101: Tripelfläche
102: Tripelfläche
103: Tripelfläche
200: Reflexionslichtschranke
210: Sender
211: Leuchtdiode
212: Linearpolarisator
220: Empfänger
221: Empfangsdiode
222: Linearpolarisator
230: Steuereinrichtung
300: Reflexionslichtschranke
310: Sender
311: Leuchtdiode
312: Zirkularpolarisator
320: Empfänger
321: Empfangsdiode
322: Zirkularpolarisator
330: Steuereinrichtung
Paus: Strahlung
Pin: Strahlung
Pout: Strahlung
SL: Strahlungsleistung
ST1: Steuersignal
ST2: Steuersignal
TS1–TS6: Tripelsegmente
Z1–Z6: Reflektorzonen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19801632 A1 [0002]

Claims

Reflektor (10) zur Reflexion von Strahlung zumindest einer Wellenlänge oder zumindest eines Wellenlängenbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (10) für die zu reflektierende Strahlung eine transparente Reflektorplatte (20) aufweist, auf deren Vorderseite (21) oder vor deren Vorderseite (21) eine Verzögerungsplatte (30) mit lokal ortsabhängiger Doppelbrechung und lokal ortsabhängiger Phasenverzögerung angeordnet ist.
Reflektor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite (22) der Reflektorplatte (20) eine Oberflächenstrukturierung (23) ausgebildet ist, die eine Vielzahl an Tripeln (100) umfasst, wobei die Tripel (100) jeweils durch drei rechtwinklig aufeinander stehende und jeweils quadratische Tripelflächen (101, 102, 103) gebildet sind.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl der Reflektorplatte (20) derart gewählt ist, dass auf der Rückseite (22) der Reflektorplatte (20) eine Totalreflexion der auftreffenden Strahlung stattfindet.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die lokal ortsabhängige Doppelbrechung und die lokal ortsabhängige Phasenverzögerung bezüglich der auf der Rückseite (22) der Reflektorplatte (20) befindlichen Tripel (100) tripelbezogen ist und – die Verzögerungsplatte (30) pro Tripel (100) jeweils dieselbe lokal ortsabhängige Doppelbrechung und die lokal ortsabhängige Phasenverzögerung aufweist.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsplatte (30) pro Tripel (100) sechs Tripelsegmente (TS1–TS6) aufweist, – von denen drei (TS1–TS3) innerhalb ihres jeweiligen Tripelsegments einen ortsunabhängigen Doppelbrechungswert und einen ortsunabhängigen Phasenverzögerungswert aufweisen, wobei sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der drei Tripelsegmente (TS1–TS3) voneinander unterscheiden, und – von denen die übrigen drei Tripelsegmente (TS4–TS6) keine Doppelbrechung, zumindest keine signifikante Doppelbrechung, aufweisen.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verzögerungsplatte (30) pro Tripel (100) in sechs Tripelsegmente (TS1–TS6) unterteilt ist, von denen jeweils zwei ein Tripelsegmentpaar (TS1/TS2, TS3/TS4, TS5/TS6) bilden, – wobei ein jedes der drei Tripelsegmentpaare (TS1/TS2, TS3/TS4, TS5/TS6) jeweils einer der quadratischen Tripelflächen (101, 102, 103) des jeweiligen Tripels (100) zugeordnet ist.
Reflektor (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – bei jedem der drei Tripelsegmentpaare (TS1/TS2, TS3/TS4, TS5/TS6) jeweils ein Tripelsegment (TS1–TS6) einer Tripelflächenhälfte der jeweiligen Tripelfläche (101, 102, 103) und das andere Tripelsegment (TS1–TS6) der anderen Tripelflächenhälfte der jeweiligen Tripelfläche (101, 102, 103) zugeordnet ist, und – die Tripelflächenhälften einer jeden quadratischen Tripelfläche (101, 102, 103) jeweils dreieckförmig sind an einer durch die jeweilige quadratische Tripelfläche (101, 102, 103) hindurch laufenden Diagonalen aneinander stoßen.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verzögerungsplatte (30) pro Tripel (100) sechs Tripelsegmente (TS1–TS6) aufweist, die innerhalb ihres jeweiligen Tripelsegments einen ortsunabhängigen Doppelbrechungswert und einen ortsunabhängigen Phasenverzögerungswert aufweisen, – wobei sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte aller sechs Tripelsegmente (TS1–TS6) voneinander unterscheiden oder sich die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte von drei Tripelsegmenten (TS1–TS3) voneinander unterscheiden und die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der übrigen drei Tripelsegmente (TS4–TS6) identisch sind.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verzögerungsplatte (30) pro Tripel (100) sechs Tripelsegmente (TS1–TS6) aufweist, nämlich ein erstes, ein zweites, ein drittes, ein viertes, ein fünftes und ein sechstes, – wobei das erste und vierte Tripelsegment (TS1, TS4) derart relativ zum jeweiligen Tripel (100) angeordnet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte (30) durch das erste Tripelsegment (TS1) in Richtung Reflektorplatte (20) passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte (30) durch das vierte Tripelsegment (TS4) erneut passiert, – und umgekehrt –, – wobei das zweite und fünfte Tripelsegment (TS2, TS5) derart relativ zum jeweiligen Tripel (100) angeordnet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte (30) durch das zweite Tripelsegment (TS2) in Richtung Reflektorplatte (20) passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte (30) durch das fünfte Tripelsegment (TS5) erneut passiert, – und umgekehrt –, – wobei das dritte und sechste Tripelsegment (TS3, TS6) derart relativ zum jeweiligen Tripel (100) angeordnet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl, der die Verzögerungsplatte (30) durch das dritte Tripelsegment (TS3) in Richtung Reflektorplatte (20) passiert, nach der Reflexion die Verzögerungsplatte (30) durch das sechste Tripelsegment (TS6) erneut passiert, – und umgekehrt –.
Reflektor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste und vierte Tripelsegment (TS1, TS4) ein erstes Verzögerungspaar, das zweite und fünfte Tripelsegment (TS2, TS5) ein zweites Verzögerungspaar und das dritte und sechste Tripelsegment (TS3, TS6) ein drittes Verzögerungspaar bilden und – die Doppelbrechungswerte und die Phasenverzögerungswerte der Tripelsegmente (TS1–TS6) eines jeden Verzögerungspaars (TS1/TS4, TS2/TS5, TS3/TS6) derart gewählt sind, dass ein einfallender Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Einfallpolarisation unabhängig von dem Verzögerungspaar (TS1/TS4, TS2/TS5, TS3/TS6), das ihn beim zweimaligen Passieren der Verzögerungsplatte (30) beeinflusst, stets dieselbe vorgegebene Ausgangspolarisation aufweist.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften der Reflektorplatte (20) bei allen Tripelflächen (101, 102, 103) aller Tripel (100) identisch sind.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite (21) der Reflektorplatte (20) und die Verzögerungsplatte (30) jeweils plan sind und die Verzögerungsplatte (30) unmittelbar auf der Reflektorplatte (20) aufliegt.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsplatte (30) durch eine Beschichtung gebildet ist, die unmittelbar auf der Vorderseite (21) der Reflektorplatte (20) aufgebracht ist.
Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsplatte (30) durch eine Folie gebildet ist, die unmittelbar auf der Vorderseite (21) der Reflektorplatte (20) aufgebracht ist.
Reflexionslichtschranke (200, 300), dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einem Reflektor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestattet ist.