DE102021112212A1

DE102021112212A1 - Optischer Sensor und Verfahren zum Betrieb eines optische Sensors

Info

Publication number: DE102021112212A1
Application number: DE102021112212.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Eggeling
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einer Sendeeinheit mit einer Sendeoptik zum Aussenden von Sendelicht in den Überwachungsbereich, mit einer Empfangseinheit mit einer Empfangsoptik zum Detektieren von aus dem Überwachungsbereich kommendem Detektionslicht, insbesondere von einem Objekt zurückgestrahltem Sendelicht, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern der Sendeeinheit und zum Auswerten von Detektionssignalen der Empfangseinheit, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des von der Empfangseinheit detektierten Lichts ein Nachweissignal zu erzeugen. Der optische Sensor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik mindestens eine Lichtfaser aufweist, die zum Abstrahlen von Sendelicht in den Überwachungsbereich über ihre Mantelfläche eingerichtet ist, und/oder dass die Empfangsoptik mindestens eine Lichtfaser aufweist, die zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich einfallendem Detektionslicht über ihre Mantelfläche eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines optischer Sensors.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Sensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Ein gattungsgemäßer optischer Sensor zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich weist mindestens folgende Bestandteile auf: eine Sendeeinheit mit einer Sendeoptik zum Aussenden von Sendelicht in den Überwachungsbereich, eine Empfangseinheit mit einer Empfangsoptik zum Detektieren von aus dem Überwachungsbereich kommendem Detektionslicht, insbesondere von einem Objekt zurückgestrahltem Sendelicht, und eine Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern der Sendeeinheit und zum Auswerten von Detektionssignalen der Empfangseinheit, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des von der Empfangseinheit detektierten Lichts ein Nachweissignal zu erzeugen.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines optischer Sensors zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich wird Sendelicht in den Überwachungsbereich gestrahlt, aus dem Überwachungsbereich kommendes Detektionslicht, insbesondere von einem nachzuweisenden Objekt zurückgestrahltes Sendelicht, wird detektiert und das detektierte Detektionslicht wird ausgewertet und abhängig von dieser Auswertung wird ein Nachweissignal erzeugt.
Solche optische Sensoren und Verfahren sind in vielen Varianten und für viele unterschiedliche Einsatzzwecke, insbesondere im Bereich der Automatisierung, bekannt.
Zum Beispiel werden gattungsgemäße Sensoren zur Detektion von Objekten unterschiedlicher Dimensionen und Reflektivität auf Beförderungseinrichtungen, etwa Rollenförderern oder Fließbändern, verwendet.
Beispielsweise werden Einweg- oder Reflexionslichtgitter verwendet, die horizontal oder vertikal montiert werden können. Für den Nachweis von kleinen und/oder flachen Objekten ist dabei eine hohe Auflösung erforderlich. Weil für ein Lichtgitter viele Sender und Empfänger benötigt werden, sind solche Sensoren vergleichsweise teuer.
Außerdem werden einfache Einweglichtschranken oder Reflexionslichtschranken eingesetzt, die insbesondere horizontal montiert werden können. Eine detektierbare Objektgröße ist dabei abhängig von einer Montageposition, einer Größe des Lichtflecks und einem Auflösungsvermögen des verwendeten Sensors. In der Regel wird nur ein Lichtstrahl mit geringer Ausdehnung und gegebenenfalls ein Reflektor verwendet.
Schließlich kommen sogenannte energetische Taster zum Einsatz, die ebenfalls horizontal montiert werden können. Auch bei diesen Sensoren, bei denen das von einem nachzuweisenden Objekt zurückgestrahlte Licht als Messgröße dient, ist eine detektierbare Objektgröße abhängig von der Montageposition, einer Größe des Lichtflecks und einem Auflösungsvermögen des Sensors. Insbesondere bei schwach zurückstrahlenden Objekten ist die Reichweite von energetischen Taster gering.
Die genannten Sensoren werden beispielsweise bei Rollenförderern in der Regel horizontal montiert, d. h. der Lichtweg zwischen Sender und Empfänger verläuft horizontal. Grundsätzlich ist aber auch eine vertikale Montage möglich, bei denen der Lichtweg vertikal verläuft und insbesondere zwischen einzelnen Rollen eines Rollenförderers hindurchgreift. Im Einzelnen hängt es von den Dimensionen der Förderanlagen und den Platzverhältnissen ab, welche Sensoren zum Einsatz kommen können. In der Vergangenheit wurden deshalb für viele Anwendungen Spezialsensoren mit angepassten Formen gefertigt.
Als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, einen optischen Sensor und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, die besonders vielseitig an unterschiedliche Dimensionen des Überwachungsbereichs, insbesondere im Bereich der Automatisierung, angepasst werden können.
Diese Aufgabe wird durch den optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Der optische Sensor der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Sendeoptik mindestens eine Lichtfaser aufweist, die zum Abstrahlen von Sendelicht in den Überwachungsbereich über ihre Mantelfläche eingerichtet ist, und/oder dass die Empfangsoptik mindestens eine Lichtfaser aufweist, die zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich einfallendem Detektionslicht über ihre Mantelfläche eingerichtet ist.
Das Verfahren der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass das Sendelicht aus einer Mantelfläche von mindestens einer Lichtfaser einer Sendeoptik in den Überwachungsbereich gestrahlt wird und/oder dass das zu detektierende Detektionslicht über eine Mantelfläche von mindestens einer Lichtfaser einer Empfangsoptik aus dem Überwachungsbereich aufgenommen wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Sensors und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden, insbesondere im Zusammenhang den abhängigen Ansprüchen und den beigefügten Figuren erläutert.
Als ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, sowohl für das Senden des Sendelichts in den Überwachungsbereich als auch für das Aufnehmen von nachzuweisenden Licht aus dem Überwachungsbereich optische Fasern oder Lichtfasern zu verwenden. Erfindungsgemäß wird das Sendelicht über die Mantelfläche einer Lichtfaser in den Überwachungsbereich gestrahlt und/oder das aus dem Überwachungsbereich kommende nachzuweisende Licht wird über die Mantelfläche einer Lichtfaser aufgenommen. Erfindungsgemäß erfolgt also mindestens einer der Vorgänge Abstrahlen von Sendelicht und Aufnehmen von Detektionslicht über eine Mantelfläche einer oder gegebenenfalls von mehreren Lichtfasern. Besonders bevorzugt wird das Sendelicht sowohl über eine Mantelfläche einer Lichtfaser der Sendeoptik abgestrahlt als auch über eine Mantelfläche einer Lichtfaser der Empfangsoptik aufgenommen.
Als ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, dass mit Lichtfasern sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite sehr einfach unterschiedliche Geometrien des Überwachungsbereichs verwirklicht werden können.
Der erfindungsgemäße optische Sensor ist besonders variabel für unterschiedliche Einsatzzwecke anpassbar.
Mit dem Begriff der Sendeeinheit wird die Gesamtheit der Komponenten bezeichnet, mit denen das Aussenden des Sendelichts in den Überwachungsbereich bewerkstelligt wird. Insbesondere beinhaltet die Sendeeinheit mindestens eine Lichtquelle, insbesondere eine Leuchtdiode oder einen Laser, die das Sendelicht im gewünschten Spektralbereich mit der gewünschten Intensität bereitstellt. In der Regel wird als Sendelicht Infrarotlicht oder sichtbares Licht zum Einsatz kommen, wenngleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Sodann umfasst die Sendeeinheit auch die Sendeoptik, also Mittel zum Leiten des Sendelichts in den Überwachungsbereich. Die Sendeoptik umfasst erfindungsgemäß mindestens eine Lichtfaser.
Der Begriff der Empfangseinheit bezeichnet die Gesamtheit der Komponenten, mit denen das Empfangen und Nachweisen des Detektionslichts bewerkstelligt wird. Insbesondere beinhaltet die Empfangseinheit mindestens einen Lichtsensor. Als Lichtsensoren können grundsätzlich bekannte Komponenten verwendet werden, mit denen das nachzuweisende Licht hinreichend empfindlich detektiert werden kann. In der Regel werden Halbleiterkomponenten, z.B. Photodioden, verwendet. Sodann umfasst Empfangseinheit auch die Empfangsoptik, also Mittel zum Leiten des Detektionslichts zu dem mindestens einen Lichtsensor. Die Empfangseinheit enthält erfindungsgemäß mindestens eine Lichtfaser.
Grundsätzlich kann oder können die Sendeoptik und/oder die Empfangsoptik auch weitere Komponenten, beispielsweise Spiegel, Linsen und/oder Prismen, enthalten. Die vorliegende Erfindung erlaubt aber vorteilhafte Ausführungsbeispiele, bei denen neben den Lichtfasern keine weiteren lichtleitenden Bestandteile notwendig sind.
Als Lichtfaser werden optische Fasern oder Lichtwellenleiter bezeichnet, die geeignet sind, das verwendete Sendelicht zu transmittieren und insbesondere auch über ihre Mantelflächen abzustrahlend und aufzunehmen. Solche Lichtfasern sind länglich ausgedehnte, häufig im Wesentlichen zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Objekte. Als Mantelfläche der Lichtfasern wird die Mantelfläche der Zylinder bezeichnet. Der Durchmesser solcher Lichtfasern ist in der Regel viel kleiner als deren Länge und, korrespondierend damit, die Stirnfläche der Lichtfasern ist viel kleiner als deren Mantelfläche. Lichtfasern dieser Art sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise in Reklameeinrichtungen eingesetzt.
Als Steuer- und Auswerteeinheit können grundsätzlich bekannte, insbesondere programmierbare Komponenten, wie Mikrocontroller, verwendet werden.
Ziel der Messung des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist der Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich. Hierzu wird mindestens intern in der Steuer- und Auswerteeinheit eine Nachweissignal erzeugt. Dieses kann in der einfachsten Form binär sein, also „Objekt erkannt“ oder „kein Objekt erkannt“. Es ist aber auch möglich, dass ein Nachweissignal zusätzlich eine quantitative Information enthält, beispielsweise „Objekt mit Reflektivität x erkannt“ oder „Objekt der Größe y erkannt“. In der Regel wird das Nachweissignal ausgegeben und anderen Einheiten zur Verfügung gestellt. Diese Kommunikation ist aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und das Ausgeben des Nachweissignals ist nicht zwingend notwendig.
Das nachzuweisende Detektionslicht kann insbesondere von einem Objekt zurückgestrahltes Sendelicht sein. Das ist aber nicht unbedingt notwendig. Grundsätzlich sind auch Varianten der Erfindung möglich, bei denen, etwa in der Art einer Lichtschranke oder Reflexionslichtschranke, eingestrahltes oder zurückgestrahltes Sendelicht gemessen wird und aus dem Ausbleiben von Sendelicht auf die Anwesenheit eines Objekts geschlossen wird.
Der Überwachungsbereich ist derjenige Raumbereich, innerhalb dessen Objekte nachgewiesen werden können, in den das Sendelicht gestrahlt wird und aus dem Licht nachgewiesen wird.
Mit dem Ansteuern der Sendeeinheit ist gemeint, dass, beispielsweise eine Leuchtdiode, zum Abstrahlen von Sendelicht aktiviert wird. Zur Fehlerunterdrückung kann das Sendelicht mit einer bestimmten Zeitstruktur, beispielsweise gepulst und/oder mit oszillierender Intensität, ausgesendet werden.
Das Auswerten des Detektionslichts erfolgt in Abstimmung mit dem gesendeten Licht nach grundsätzlich bekannten Verfahren, insbesondere nach zu programmierenden Algorithmen.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass auf der Sendeseite quer zur Faserrichtung austretendes Licht als Sendelicht verwendet und/oder dass auf der Empfangsseite quer zur Faserrichtung eintretendes Licht detektiert wird. Im wesentlichen die gesamte Länge der Lichtfasern kann deshalb zum Nachweis von Objekten genutzt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die vergleichsweise geringen Abmessungen der verfügbaren Lichtfasern und geeigneter Halteprofile Anpassungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors auch an sehr beengte Platzverhältnisse ermöglichen. Insbesondere ist es ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäßen optischen Sensoren so schmal zu gestalten, dass sie zwischen den Rollen eines konventionellen Rollenförderers montiert werden können. Diese Montage hat Vorteile, weil die Detektion von Objekten dann, anders als bei horizontale Montage beispielsweise einer Lichtschranke, unabhängig von deren Höhe möglich ist und Kollisionen von Objekten auf dem Rollenförderer können effektiv vermieden werden.
Von Bedeutung ist auch, dass die Länge der Lichtfasern einfach konfektioniert und damit die erfindungsgemäßen optischen Sensoren einfach angepasst werden können.
Sodann ist vorteilhaft, insbesondere im Vergleich zu Lichtgittern, dass der erfindungsgemäße optische Sensor durch das durchgängige Abstrahlen von Sendelicht und durch das durchgängige Detektieren jeweils über die Länge der verwendeten Lichtfasern im Wesentlichen keine Blindbereiche aufweist und dass Objekte im Prinzip in jeder Position der verwendeten Lichtfasern nachgewiesen werden können.
Insbesondere bei einer Ausgestaltung mit jeweils nur einer Lichtfasern auf der Sendeseite und der Empfangsseite können auch im Vergleich zu herkömmlichen Lichtgittern Kostenvorteile erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor zum Einsatz kommen. Der erfindungsgemäße optische Sensor eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Sendeeinheit weist mindestens eine an die Lichtfaser oder Lichtfasern gekoppelte Lichtquelle auf. Auf diese Ankopplung kommt es im Einzelnen nur insoweit an, als dass von der Lichtquelle ausgesendete Sendelicht dergestalt in die Lichtfasern eingekoppelt werden muss, dass es durch deren Mantelfläche in ausreichender Intensität austritt. Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist an einer Stirnseite der Lichtfaser der Sendeoptik mindestens eine Lichtquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode, angeordnet.
Die Empfangseinheit weist mindestens einen an die Lichtfaser oder Lichtfasern der Empfangsoptik gekoppelten Lichtsensor, beispielsweise eine Fotodiode, auf. Die Ankopplung muss so geartet sein, dass von der Lichtfasern oder den Lichtfasern der Empfangsoptik aufgenommene Detektionslicht durch die Lichtfaser oder die Lichtfasern hinreichend effektiv zu dem mindestens einen Lichtsensor geleitet wird. Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist an einer Stirnseite der Lichtfaser der Empfangsoptik mindestens ein Lichtsensor angeordnet.
Andere Geometrien der Ankopplung sind bei der Sendeoptik und bei der Empfangsoptik möglich. Beispielsweise kann eine Lichtfaser an einem Ende, an dem eine Lichtquelle oder ein Lichtsensor angekoppelt werden soll, etwas abgeflacht sein und die Lichtquelle beziehungsweise der Lichtsensor kann seitlich mit dieser abgeflachten Stelle der Lichtfaser verbunden werden. Eine Flächennormale der Lichtquelle und/oder eine Flächennormale des Lichtsensors können dabei insbesondere quer oder senkrecht ausgerichtet sein zu einer Zylinderachse der jeweiligen Lichtfaser.
Zur Verbesserung der Kopplung kann es auch zweckmäßig sein, wenn eine Flächennormale der Lichtquelle und/oder eine Flächennormale des Lichtsensors geneigt ist, beispielsweise in einem Winkel zwischen 30 und 60 Grad ausgerichtet ist, zu einer Zylinderachse der jeweiligen Lichtfaser.
Grundsätzlich wird die Erfindung verwirklicht, wenn die Sendeoptik eine einzige Lichtfaser aufweist, aus deren Mantelfläche Sendelicht in den Überwachungsbereich gestrahlt wird, und/oder die Empfangsoptik eine einzige Lichtfaser aufweist, über deren Mantelfläche Detektionslicht aufgenommen wird. Ein größerer räumlicher Bereich des Überwachungsbereichs kann durchstrahlt und/oder überwacht werden bei Varianten des erfindungsgemäßen optischen Sensors, bei denen die Sendeoptik eine Mehrzahl von Lichtfasern mit daran über deren Enden oder Stirnseiten gekoppelten Lichtquellen aufweist und/oder die Empfangsoptik eine Mehrzahl von Lichtfasern mit daran über deren Enden oder Stirnseiten gekoppelten Lichtsensoren aufweist. Sendelicht kann dann über die Mantelfläche aller Lichtfasern der Sendeoptik in den Überwachungsbereich gestrahlt werden und/oder Detektionslicht kann über die Mantelfläche aller Lichtfasern der Empfangsoptik aufgenommen werden.
Ergänzend oder alternativ kann bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Sensors vorgesehen sein, dass bei mindestens einer Lichtfaser der Sendeoptik, insbesondere bei mehreren oder allen Lichtfasern der Sendeoptik, an beiden Enden der Lichtfaser, insbesondere an den Stirnseiten, jeweils eine Lichtquelle angeordnet ist.
Ergänzend oder alternativ kann bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Sensors vorgesehen sein, dass bei mindestens einer Lichtfaser der Empfangsoptik, insbesondere bei mehreren oder allen Lichtfasern der Empfangsoptik, an beiden Enden der Lichtfaser, insbesondere an den Stirnseiten, jeweils ein Lichtsensor angeordnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass der erfindungsgemäße Sensor leicht an unterschiedliche Geometrien des Überwachungsbereichs und an unterschiedliche Einbausituationen angepasst werden kann. Dieser Vorteil wird in besonderer Weise bei Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors erreicht, bei denen ergänzend oder alternativ mindestens eine Lichtfaser der Sendeoptik, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern der Sendeoptik, und/oder mindestens eine Lichtfaser der Empfangsoptik, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern der Empfangsoptik, manuell plastisch verformbare Lichtfasern sind.
Für die Erfindung kommt es wesentlich darauf an, dass das Sendelicht durch die Mantelfläche der Lichtfaser oder Lichtfasern der Sendeoptik in den Überwachungsbereich gestrahlt wird und/oder dass nachzuweisendes Licht von der Mantelfläche der Lichtfaser oder Lichtfasern der Empfangsoptik aufgenommen wird. Um das Leiten des Lichts durch die Lichtfasern und deren Mantelflächen zu verbessern, kann bei vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass mindestens eine Lichtfaser der Sendeoptik, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern der Sendeoptik, Strukturierungen aufweist oder aufweisen zum verbesserten Austritt von Sendelicht vom Inneren der jeweiligen Lichtfaser durch die jeweilige Mantelfläche nach außen.
Ergänzend oder alternativ kann mindestens eine Lichtfaser der Empfangsoptik oder mehrere oder alle Lichtfasern der Empfangsoptik können Strukturierungen aufweisen zum verbesserten Eintritt von Detektionslicht durch die Mantelfläche ins Innere der jeweiligen Lichtfaser und insbesondere zum verbesserten Leiten des Detektionslicht zu den Enden, insbesondere den Stirnseiten, der jeweiligen Lichtfaser.
Die Strukturierungen können jeweils im Inneren der jeweiligen Lichtfaser oder Lichtfasern und/oder auf der Mantelfläche der jeweiligen Lichtfaser oder Lichtfasern gebildet sein. Bei den Strukturierungen kann es sich um geometrische Strukturierungen handeln, beispielsweise aufgerauhte Oberflächen. Außerdem können die Strukturierungen gebildet sein durch geeignete Kombination von verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, an deren Grenzflächen das jeweils gewünschte Lichtleitverhalten erreicht wird.
Grundsätzlich reicht es bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor aus, wenn Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils mindestens eine Lichtfaser aufweisen. Ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Sendeoptik zum Führen von Sendelicht in den Überwachungsbereich mindestens einen Reflektor aufweist und/oder dass die Empfangsoptik zum Sammeln von Detektionslicht aus dem Überwachungsbereich mindestens einen Reflektor aufweist. Insbesondere bei Ausgestaltungen, bei denen der optische Sensor als energetischer Lichttaster gebildet ist, kann so dessen Reichweite gesteigert werden.
Die Erfindung wird grundsätzlich verwirklicht, wenn die Lichtfasern der Sendeoptik und/oder die Lichtfasern der Empfangsoptik zum Abstrahlen beziehungsweise Aufnehmen von Licht über ihre Mantelfläche eingerichtet sind.
Es ist aber auch möglich, dass das Sendelicht mindestens teilweise aus einer Stirnfläche einer Lichtfaser der Sendeoptik in den Überwachungsbereich gestrahlt wird oder dass das zu detektierende Detektionslicht mindestens teilweise über eine Stirnfläche einer Lichtfaser der Empfangsoptik aufgenommen wird.
Dieser Verfahrensvariante entsprechend kann der erfindungsgemäße optische Sensor bevorzugt so ausgestaltet sein, dass mindestens eine Lichtfaser, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern, der Sendeoptik zum Abstrahlen von Sendelicht in den Überwachungsbereich mindestens auch über eine ihrer Stirnflächen eingerichtet ist oder sind oder dass mindestens eine Lichtfaser, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern, der Empfangsoptik zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich einfallendem Detektionslicht mindestens auch über eine ihrer Stirnflächen eingerichtet ist oder sind.
Bei spezielleren Varianten kann auch vorgesehen sein, dass mindestens eine Lichtfaser, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern, der Sendeoptik zum Abstrahlen von Sendelicht in den Überwachungsbereich nur über eine ihrer Stirnflächen, d.h. nicht über die jeweilige Mantelfläche, eingerichtet ist oder sind.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Lichtfaser, insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern, der Empfangsoptik zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich einfallendem Detektionslicht nur über eine ihrer Stirnflächen, d.h. nicht über die jeweilige Mantelfläche, eingerichtet ist oder sind.
Das Eingerichtetsein der Lichtfasern bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere zunächst, dass die jeweils fragliche Stirnfläche oder Stirnflächen für das Abstrahlen von Licht in den Überwachungsbereich beziehungsweise das Aufnehmen von Licht aus dem Überwachungsbereich geeignet geometrisch positioniert ist oder sind. Außerdem müssen die jeweilige Oberflächen der Stirnseiten zur Transmission von Strahlung vom Inneren der Lichtfasern nach außen oder umgekehrt geeignet und ausgebildet sein.
Bei der Relativpositionierung der Lichtfaser oder Lichtfasern der Sendeoptik und der Lichtfaser oder Lichtfasern der Empfangsoptik besteht grundsätzlich Gestaltungsfreiheit. Im Hinblick auf die nachzuweisenden Intensitäten des Detektionslichts, insbesondere beim Einsatz des optischen Sensors als energetischer Taster, ist es aber vorteilhaft, wenn die Lichtfaser oder die Lichtfasern der Empfangsoptik und die Lichtfaser oder die Lichtfasern der Sendeoptik nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, verlaufen.
Insbesondere können die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in ein- und demselben Gehäuse angeordnet sein. Bei einer praktikablen Ausgestaltung sind die Lichtfasern der Sendeeinheit und der Empfangseinheit jeweils manuell plastisch verformbar und gemeinsam in einer verformbarem Hülle aufgenommen, die mindestens an den jeweiligen Bereichen, aus denen Sendelicht abgestrahlt beziehungsweise Detektionslicht aufgenommen werden soll, optisch transparent ist.
Der erfindungsgemäße optische Sensor kann als energetischer Taster, als Lichtvorhang oder als Lichtschranke, insbesondere als Einweg- oder Reflexionslichtschranke mit einem oder mehreren Reflektoren, ausgebildet sein.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass in der Sendeoptik mehrere Lichtfasern mit daran über deren Stirnseiten gekoppelten Lichtquellen verwendet werden und/oder dass in der Empfangsoptik mehrere Lichtfasern mit daran über deren Stirnseiten gekoppelten Lichtsensoren verwendet werden. Die Lichtfasern der Sendeoptik und/oder die Lichtfasern der Empfangsoptik können dann in variierbaren Kombinationen verwendet werden bestehend jeweils aus mindestens einer Lichtfaser der Sendeoptik und mindestens einer Lichtfaser der Empfangsoptik. Durch, insbesondere zeitabhängige, Auswertung des Detektionslichts kann eine Ortsposition eines nachzuweisenden Objekts im Überwachungsbereich bestimmt werden.
Ergänzend oder alternativ kann bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der optische Sensor als Lichtwaage betrieben wird. Dabei werden mindestens zwei Lichtsensoren verwendet, die von den beiden Lichtsensoren gemessenen Intensitäten werden miteinander verglichen und aus dem Vergleichsergebnis wird auf eine Ortsposition eines nachzuweisenden Objekts geschlossen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Darin zeigen:

1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
2 eine weitere Ansicht des in 1 gezeigten optischen Sensors;
3: eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
4: eine Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
5: eine Teilansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Sensors und
6 eine Teilansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 200 wird mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Gleiche und äquivalente Komponenten sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße optische Sensor 200 zum Nachweisen von Objekten 100 in einem Überwachungsbereich 70 weist als wesentliche Komponenten zunächst eine Sendeeinheit 10 mit einer Sendeoptik 14 zum Aussenden von Sendelicht 12 in den Überwachungsbereich 70 und einer Empfangseinheit 40 mit einer Empfangsoptik 44 zum Detektieren von aus dem Überwachungsbereich 70 kommendem Detektionslicht 42 auf. In dem in den 1 und 2 dargestellten Beispiel ist der optische Sensor 200 als energetischer Taster gebildet. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei Sendelicht 12 in den Überwachungsbereich 70 gestrahlt und aus dem Überwachungsbereich 70 kommendes Detektionslicht 42, nämlich von einem nachzuweisenden Objekt 100 zurückgestrahltes Sendelicht 42, wird nachgewiesen.
Zum Ansteuern der Sendeeinheit 10 und zum Auswerten von Detektionssignalen der Empfangseinheit 40 ist eine Steuer- und Auswerteeinheit 80 vorhanden, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des von der Empfangseinheit 40 detektierten Lichts 42 ein Nachweissignal 90 zu erzeugen. Im gezeigten Beispiel wird das Nachweissignal 90 an einem Ausgang der Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt.
Erfindungsgemäß weist die Sendeoptik 14 mindestens eine Lichtfaser 20 auf, die zum Abstrahlen von Sendelicht 12 in den Überwachungsbereich 70 über ihre Mantelfläche eingerichtet ist. In dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel besteht die Sendeoptik 14 aus der Lichtfaser 20. Weiterhin weist die Empfangsoptik 44 mindestens eine Lichtfaser 50 auf, die zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich 70 einfallendem Detektionslicht 42 über ihre Mantelfläche eingerichtet ist. Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel besteht die Empfangsoptik 44 aus der Lichtfaser 50.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Sendelicht 12 aus der Mantelfläche der Lichtfaser 20 in den Überwachungsbereich 70 gestrahlt und das zu detektierende Detektionslicht 42, nämlich das von dem nachzuweisenden Objekt 100 zurückgestrahlte Licht 42, wird über die Mantelfläche der Lichtfaser 50 aus dem Überwachungsbereich 70 aufgenommen.
Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel ist an einer Stirnseite 24 der Lichtfaser 20 der Sendeoptik 14 eine Lichtquelle 30 angeordnet und an einer Stirnseite 54 der Lichtfaser 50 der Empfangsoptik 44 ist ein Lichtsensor 60 angeordnet.
Die Lichtfaser 20 der Sendeoptik 14 und die Lichtfaser 50 der Empfangsoptik 44 erstrecken sich im Beispiel der 1 und 2 im wesentlichen parallel zueinander und sind in einem gemeinsamen Gehäuse 92 aufgenommen, welches in Richtung des Überwachungsbereichs 70 mit einer in den Figuren nicht dargestellten transparenten Abdeckung versehen sein kann. Zwischen der Lichtfaser 20 der Sendeoptik 14 und der Lichtfaser 50 der Empfangsoptik 44 ist bei dem Gehäuse 92 ein für das Licht undurchlässiger Bereich vorgesehen, durch den ein direktes Übersprechen des Sendelichts 12 auf der Empfangsseite vermieden wird.
Varianten der Sendeeinheit 10 und der Empfangseinheit 40 des erfindungsgemäßen optischen Sensors 200 sind in den 3 bis 6 dargestellt. Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Lichtfasern der Sendeeinheit 10 und der Empfangseinheit 40 jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse 92 untergebracht und sind jeweils im wesentlichen nebeneinander verlaufend angeordnet. Die Varianten unterscheiden sich in der Anzahl und Anordnung der Lichtfasern und in der Anzahl und Positionierung der Lichtquellen und Lichtsensoren. Im Einzelnen:

Der wesentliche Unterschied der Anordnung in 3 im Vergleich zu 1 ist, dass die Lichtfasern 20 und 50 nicht mehr geradlinig angeordnet sind, sondern jeweils im wesentlichen zu einer Quadratform geformt sind, wobei die Lichtfaser 50 der Empfangsoptik 44 innerhalb des Quadrats der Lichtfaser 20 der Sendeoptik 14 angeordnet ist. Auch die umgekehrte Konfiguration ist aber bei im wesentlichen gleicher technische Wirkung möglich.

Bei der Ausgestaltung der 4 sind im Unterschied zum Beispiel der 1 und 2 zwei Lichtfasern 50 für den Empfang des Detektionslichts 42 vorhanden. Die Lichtfaser 20, die zum Aussenden des Sendelichts 12 verwendet wird, ist zwischen den beiden Lichtfasern 50 Empfangsoptik 44 positioniert. Mit der Anordnung der 4 kann der optische Sensor 200 als Lichtwaage betrieben werden. Das bedeutet, dass die über die obere Lichtfaser 50 in 4 eingehende Lichtintensität verglichen werden kann mit der Lichtintensität, welche über die untere Lichtfaser in 4 gemessen wird. Aus diesem Vergleich kann eine Information darüber gewonnen werden, in welcher Position sich das nachzuweisende Objekt relativ zum optischen Sensor 200 befindet.
Mithilfe einer Kombination von mehreren Lichtquellen und/oder Lichtsensoren, wie beispielsweise in den 4 und 5 dargestellt, kann, nach dem Prinzip einer Lichtwaage, die Ortsposition eines Objekts erkannt werden. Dieses ist insbesondere auch zeitabhängig möglich, d. h. eine Bewegungsrichtung eines Objekts kann festgestellt werden.
Die in 5 gezeigten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Lichtfaser 20 der Sendeoptik 14 an beiden Enden eine Lichtquelle 30 vorhanden ist und dass bei der Lichtfaser 50 der Empfangsoptik 44 an beiden Enden ein Lichtsensor 60 vorgesehen ist. Auch bei dieser Variante ist ein Betrieb möglich, bei dem unterschiedliche Ortspositionen eines nachzuweisenden Objekts relativ zu dem optischen Sensor 200, insbesondere zeitabhängig, festgestellt werden können. Einerseits können Lichtquellen 30 am linken beziehungsweise rechten Ende der optischen Faser 20 jeweils einzeln betrieben werden. Sodann können die Lichtsensoren 60 am linken beziehungsweise rechten Ende der Lichtfaser 50 jeweils einzeln betrieben werden. Auch ein gemeinsamer Betrieb der beiden Lichtsensoren 60 ist möglich, wobei aus dem Vergleich der jeweils gemessenen Intensitäten eine Information über den Ort des nachzuweisenden Objekts erhalten werden kann.
Das Ausführungsbeispiel der 6 veranschaulicht, wie durch die Verwendung von schematisch gezeigten Reflektoren 72 das Sendelicht 12 in Richtung eines nachzuweisenden Objekts 100 im Überwachungsbereich 70 konzentriert werden kann. Bei solchen Anordnungen wird das von der Lichtfaser 20 ausgesandte Licht besser verwertet. Ähnliche Reflektoren können auch vor der Lichtfaser 50 der Empfangsoptik angeordnet sein.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger optischer Sensor und ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitgestellt, der besonders Varianten reich auf unterschiedliche Geometrien des Überwachungsbereichs und an unterschiedliche Montagesituationen angepasst werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Sendeeinheit
12: Sendelicht
14: Sendeoptik
20: Lichtfaser
24: Stirnseite von Lichtfaser 20
30: Lichtquelle
40: Empfangseinheit
42: Detektionslicht, von Objekt 100 zurückgestrahltes Sendelicht
44: Empfangsoptik
50: Lichtfaser
54: Stirnseite von Lichtfaser 50
60: Lichtsensor
70: Überwachungsbereich
72: Reflektor/Spiegel
80: Steuer- und Auswerteeinheit
90: Nachweissignal
92: Gehäuse
100: nachzuweisenden Objekts im Überwachungsbereich
200: optischer Sensor, energetischer Taster

Claims

Optischer Sensor zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einer Sendeeinheit (10) mit einer Sendeoptik (14) zum Aussenden von Sendelicht (12) in den Überwachungsbereich (70), mit einer Empfangseinheit (40) mit einer Empfangsoptik (44) zum Detektieren von aus dem Überwachungsbereich (70) kommendem Detektionslicht (42), insbesondere von einem Objekt (100) zurückgestrahltem Sendelicht, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (80) zum Ansteuern der Sendeeinheit (10) und zum Auswerten von Detektionssignalen der Empfangseinheit (40), wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (80) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des von der Empfangseinheit (40) detektierten Lichts (42) ein Nachweissignal (90) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik (14) mindestens eine Lichtfaser (20) aufweist, die zum Abstrahlen von Sendelicht (12) in den Überwachungsbereich (70) über ihre Mantelfläche eingerichtet ist, und/oder dass die Empfangsoptik (44) mindestens eine Lichtfaser (50) aufweist, die zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich (70) einfallendem Detektionslicht (42) über ihre Mantelfläche eingerichtet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnseite (24) der Lichtfaser (20) der Sendeoptik (14) mindestens eine Lichtquelle (30) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnseite (54) der Lichtfaser (50) der Empfangsoptik (44) mindestens ein Lichtsensor (60) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik (14) eine Mehrzahl von Lichtfasern (20) mit daran über deren Stirnseiten gekoppelten Lichtquellen (30) aufweist und/oder dass die Empfangsoptik (44) eine Mehrzahl von Lichtfasern (50) mit daran über deren Stirnseiten gekoppelten Lichtsensoren (60) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer Lichtfaser (20) der Sendeoptik (14), insbesondere bei mehreren oder allen Lichtfasern (20) der Sendeoptik (14), an den Stirnseiten (24) von beiden Enden der Lichtfaser (20) jeweils eine Lichtquelle (30) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer Lichtfaser (50) der Empfangsoptik (44), insbesondere bei mehreren oder allen Lichtfasern (50) der Empfangsoptik (44), an den Stirnseiten (54) von beiden Enden der Lichtfaser (50) jeweils ein Lichtsensor (60) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtfaser (20) der Sendeoptik (14), insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern (20) der Sendeoptik (14), und/oder mindestens eine Lichtfaser (50) der Empfangsoptik (44), insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern (50) der Empfangsoptik (44), manuell plastisch verformbare Lichtfasern sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtfaser (20) der Sendeoptik (14), insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern (20) der Sendeoptik (14), Strukturierungen aufweist oder aufweisen zum verbesserten Austritt von Sendelicht (12) vom Inneren der jeweiligen Lichtfaser durch die jeweilige Mantelfläche nach außen.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtfaser (50) der Empfangsoptik (44), insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern (50) der Empfangsoptik (14), Strukturierungen aufweist oder aufweisen zum verbesserten Eintritt von Detektionslicht (42) durch die Mantelfläche ins Innere der jeweiligen Lichtfaser und insbesondere zum verbesserten Leiten des Detektionslicht (42) zu den Enden, insbesondere den Stirnseiten, der jeweiligen Lichtfaser (50).
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierungen im Inneren der jeweiligen Lichtfaser (20, 50) oder Lichtfasern gebildet sind und/oder dass die Strukturierungen auf der Mantelfläche der jeweiligen Lichtfaser (20, 50) oder Lichtfasern gebildet sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik (14) zum Führen von Sendelicht (12) in den Überwachungsbereich (70) mindestens einen Reflektor (72) aufweist und/oder dass die Empfangsoptik (44) zum Sammeln von Detektionslicht (42) aus dem Überwachungsbereich (70) mindestens einen Reflektor aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtfaser (20), insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern, der Sendeoptik (14) zum Abstrahlen von Sendelicht (12) in den Überwachungsbereich (70) mindestens auch über eine ihrer Stirnflächen eingerichtet ist oder sind oder dass mindestens eine Lichtfaser (50), insbesondere mehrere oder alle Lichtfasern, der Empfangsoptik (44) zum Aufnehmen von aus dem Überwachungsbereich (70) einfallendem Detektionslicht (42) mindestens auch über eine ihrer Stirnflächen eingerichtet ist oder sind.
Optischer Sensor nach nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfasern der Empfangsoptik (44) und die Lichtfasern der Sendeoptik (44) nebeneinander, insbesondere parallel, zueinander verlaufen.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der als energetischer Taster, als Lichtvorhang oder als Lichtschranke ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb eines optischer Sensors zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem Sendelicht (12) in den Überwachungsbereich (70) gestrahlt wird, bei dem aus dem Überwachungsbereich (70) kommendes Detektionslicht (42), insbesondere von einem nachzuweisenden Objekt (100) zurückgestrahltes Sendelicht (42), detektiert wird und bei dem das detektierte Detektionslicht (42) ausgewertet und abhängig von dieser Auswertung ein Nachweissignal (90) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendelicht (12) aus einer Mantelfläche von mindestens einer Lichtfaser (20) einer Sendeoptik (14) in den Überwachungsbereich (70) gestrahlt wird und/oder dass das zu detektierende Detektionslicht (42) über eine Mantelfläche von mindestens einer Lichtfaser (50) einer Empfangsoptik (44) aus dem Überwachungsbereich (70) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sendeoptik (14) mehrere Lichtfasern (20) mit daran über deren Stirnseiten gekoppelten Lichtquellen (30) verwendet werden und/oder dass in der Empfangsoptik (44) mehrere Lichtfasern (50) mit daran über deren Stirnseiten gekoppelten Lichtsensoren (60) verwendet werden und dass die Lichtfasern (20) der Sendeoptik (14) und/oder die Lichtfasern (50) der Empfangsoptik (44) in variierbaren Kombinationen verwendet werden bestehend jeweils aus mindestens einer Lichtfaser (20) der Sendeoptik (14) und mindestens einer Lichtfaser (50) der Empfangsoptik (44) und dass durch, insbesondere zeitabhängige, Auswertung des Detektionslichts (42) eine Ortsposition eines nachzuweisenden Objekts (100) im Überwachungsbereich (70) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendelicht (12) mindestens teilweise aus einer Stirnfläche einer Lichtfaser (20) der Sendeoptik (14) in den Überwachungsbereich (70) gestrahlt wird oder dass das zu detektierende Detektionslicht (42) mindestens teilweise über eine Stirnfläche einer Lichtfaser (50) der Empfangsoptik (44) aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (200) als Lichtwaage betrieben wird.