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Die Erfindung bezieht sich auf einen retroreflektierenden photoelektrischen Sensor, der mit einem Reflektor verwendet werden kann, um damit einen Zielnachweisbereich für den Nachweis eines Licht reflektierenden Zielobjekts in dem Nachweisbereich abzugrenzen.
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Ein retroreflektierender photoelektrischer Sensor wird allgemein mit einem Reflektor verwendet, um damit einen Zielnachweisbereich abzugrenzen, und stellt das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Zielobjekts beruhend auf dem Unterschied im Charakter von durch den Reflektor und durch das Nachweiszielobjekt reflektiertem Licht für vom Sensor emittiertes Licht fest. Im Falle eines retroreflektierenden photoelektrischen Sensors für ein Zielobjekt wird ein Reflektor mit einer Reflexionscharakteristik verwendet, die die Polarisation des vom Sensor abgegebenen Lichts beeinflusst, und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Nachweiszielobjekts wird beruhend darauf bestimmt, ob eine für das vom Reflektor reflektierte Licht eigentümliche Polarisationskomponente in dem aus dem Nachweiszielbereich empfangenen Licht enthalten ist oder nicht. Für diesen Zweck ist es bekannt, Reflektoren einer Art beispielsweise zu verwenden, welche viele dreieckförmige, pyramidenförmige Einsenkungen aufweisen, die auf der reflektierenden Oberfläche verteilt sind, derart, dass das einfallende Licht mehrmals an den drei Oberflächen um die Spitze der Pyramide herum reflektiert wird, um die Polarisation des einfallenden Lichts, das anfänglich linear polarisiert war, umzuwandeln und das reflektierte Licht in die Richtung zurückzureflektieren, aus der das einfallende Licht hergekommen ist.
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Die Erfinder haben bereits früher einen retroreflektierenden photoelektrischen Sensor einer sogenannten biaxialen Art vorgeschlagen. Für diesen Sensor wurden eine Lichtemissionslinse und eine Lichtempfangslinse mit kleiner Polarisationsverzerrung mit einem Verzögerungswert von weniger als 17 nm, hergestellt durch Spritzgießen eines Kunststoffmaterials, verwendet, und es wurde ein optisches System für die Lichtemission hergestellt, in dem ein Lichtemissionselement, ein erster Polarisator (beispielsweise für vertikale Polarisation) und die Lichtemissionslinse in dieser Reihenfolge angeordnet wurden, wobei ein weiteres optisches System für den Lichtempfang aufgebaut ist, indem die Lichtempfangslinse, ein zweiter Polarisator (beispielsweise für horizontale Polarisation) und ein Lichtempfangselement in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
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Ähnlich schlugen die Erfinder (in der
japanischen Patentveröffentlichung 2001-228260 ) einen anderen retroreflektierenden photoelektrischen Sensor einer sogenannten koaxialen Art vor, welcher
ein optisches Lichtemissionssystem für die Emission von Licht aus einem Lichtemissionselement durch Durchleiten des Lichts durch einen ersten Polarisator (beispielsweise für vertikale Polarisation),
ein optisches Lichtempfangssystem für den Empfang von Licht über einen zweiten Polarisator (beispielsweise für horizontale Polarisation) und ein Umwandeln des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal unter Verwendung eines Lichtempfangselements,
eine einzelne gemeinsame Linse sowohl für die Abgabe von Licht aus dem Lichtemissionselement als auch den Empfang von mit dem Lichtempfangselement zu empfangenden Licht, sowie
einen Strahlenteiler, der zwischen dem optischen Lichtemissionssystem und optischen Lichtempfangssystem und der gemeinsamen Linse für ein Richten sowohl des abgehenden Lichts aus dem Lichtemissionselement auf die gemeinsame Linse als auch des über die gemeinsame Linse ankommenden Lichts auf das optische Lichtempfangssystem angeordnet ist, aufweist.
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Ein Sensor mit diesem Aufbau ist insofern vorteilhaft, als der erste und der zweite Polarisator, die üblicherweise vor den betreffenden Linsen gemäß früherer Technologie angeordnet waren, nun hinter der Linse angeordnet sind und in den Abmessungen kleiner sein können, so dass das Sensorgehäuse und die Linse integriert ausgebildet werden können, womit deutlich zu einer Verminderung der Herstellungskosten des Sensors beigetragen wird.
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Bei einem Sensor dieses Aufbaus mit hinter der Linse angeordnetem ersten und zweiten Polarisator bestand jedoch das Problem eines Lichtdurchtritts selbst dann, wenn die beiden Polarisatoren in zueinander senkrechter Beziehung (bzw. der Beziehung gekreuzter Nicols) angeordnet werden, so dass die Empfangslichtmenge bei Vorhandensein eines Licht reflektierenden Zielobjekts nicht ausreichend kleiner als die bei seinem Nichtvorhandensein gemacht werden konnte.
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Weiterhin ist aus dem Dokument
DE 10106770 A1 eine Reflexionslichtschranke bekannt, bei der Licht von einem Lichtsender emittiert, von einem Retroreflektor reflektiert und von einem Lichtempfänger empfangen wird. Vor dem Lichtsender und dem Lichtempfänger ist jeweils ein Polarisationsfilter vorgesehen. Das von dem Lichtsender emittierte Licht wird durch den Polarisationsfilter linear polarisiert und trifft auf den Retroreflektor. An dem Retroreflektor wird das Licht unter Drehung der Polarisationsrichtung um 90° reflektiert, wobei das reflektierte Licht von dem Lichtempfänger durch den entsprechenden Polarisationsfilter hindurch empfangen wird. Wenn der Lichtweg durch ein Objekt mit spiegelnder Oberfläche unterbrochen wird, ändert sich die Polarisationsrichtung bei der an der spiegelnden Oberfläche des Objektes erfolgenden Reflexion nicht, weshalb das reflektierte Licht den vor dem Lichtempfänger angeordneten Polarisationsfilter nicht durchlaufen kann und kein Empfangssignal erhalten wird. Da das am Objekt reflektierte Licht trotz Polarisationsfilter zu einem gewissen Teil bis zum Lichtempfänger gelangen kann und eine hundertprozentige Filterung nicht möglich ist, wird bei der in diesem Dokument beschriebenen Reflexionslichtschranke eine Laufzeit des Lichtsignals zwischen Lichtsender, Retroreflektor oder Objekt und Lichtempfänger zusätzlich berücksichtigt.
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Weiterer Stand der Technik ist aus der Druckschrift
DE 100 16892 A1 bekannt. In diesem Dokument wird eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von zumindest teilweise transparenten Objekten gezeigt, wobei die Vorrichtung einen Lichtsender, einen mit einem Polarisationsfilter ausgestatteten Reflektor und einen Lichtempfänger aufweist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung einen weiteren mit einem Polarisationsfilter ausgestatteten Lichtsender. Bei freiem Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung gelangen die von den Lichtsendern emittierten Sendelichtimpulse ungehindert zum Reflektor und werden an diesem reflektiert. Eine Auswerteeinheit kann die Empfangssignale derart auswerten, dass transparente und nichttransparente Objekte erkannt werden können.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung einen retroreflektierenden photoelektrischen Sensor zu schaffen, der billig hergestellt werden kann und immer noch eine zuverlässige Nachweisfähigkeit aufweist.
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Ein diese Erfindung verkörpernder retroreflektierender photoelektrischer Sensor kann vom biaxialen oder vom koaxialen Typ sein. Ein diese Erfindung verkörpernder retroreflektierender photoelektrischer Sensor des biaxialen Typs lässt sich kennzeichnen als einer, der eine lichtemittierende optische Einrichtung mit einem Lichtemissionselement, einem ersten Polarisator und einer Lichtemissionslinse, nacheinander angeordnet in dieser Reihenfolge,
eine lichtempfangende optische Einrichtung mit einer Lichtempfangslinse, einem zweiten Polarisator und einem Lichtempfangselement, angeordnet nacheinander in dieser Reihenfolge, sowie
einen Phasenschieber, der zwischen dem ersten Polarisator und der Lichtemissionslinse der lichtemittierenden optischen Einrichtung eingefügt ist, aufweist, wobei der erste Polarisator und der zweite Polarisator zueinander senkrechte Polarisatorachsen aufweisen. Von dem Lichtemissionselement herkommendes Licht durchläuft also den ersten Polarisator unter Erhöhung des Querschnittes seines Flusses für den Einfall auf die Lichtemissionslinse und wird auf den Nachweiszielbereich durchgelassen. Ähnlich durchläuft über die Lichtempfangslinse empfangenes reflektiertes Licht den zweiten Polarisator unter Verminderung des Querschnittes seines Flusses für den Einfall auf das Lichtempfangselement, das dazu dient, ein elektrisches Signal gemäß der empfangenen Lichtmenge zu erzeugen. Der erste und zweite Polarisator sind so angeordnet, dass ihre Polarisatorachsen senkrecht zueinander sind, bzw. sie können vorzugsweise in der sogenannten ”gekreuzte-Nicols”-Beziehung angeordnet sein. Ein Phasenschieber ist ferner zwischen dem ersten Polarisator und der Lichtemissionslinse des Licht aussendenden optischen Systems angeordnet. Eine 1/2-Wellenlängenplatte (bzw. ein 1/2-Phasenschieber) kann für diesen Zweck bevorzugt verwendet werden.
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Mit einem so aufgebauten Sensor werden Drehungen der Polarisationsebene des Lichts beim Durchlaufen des ersten Polarisators und der Lichtemissionslinse, die hauptsächlich bei Bündeln stattfinden, die sich unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die Polarisatorachse ausbreiten, mittels des eingesetzten Phasenschiebers weggehoben. Dadurch wird der Unterschied in der empfangenen Lichtmenge bei in dem Nachweiszielbereich vorhandenem oder nicht vorhandenem Zielobjekt größer, womit die Nachweiszuverlässigkeit verbessert werden kann. Ein solcher Sensor lässt sich beschreiben als einer, der eine lichtemittierende optische Einrichtung mit einem Lichtemissionselement, einem ersten Polarisator und einer Lichtemissionslinse, die nacheinander angeordnet sind, eine lichtempfangende optische Einrichtung mit einer Lichtempfangslinse, einem zweiten Polarisator (mit einer Polarisatorachse senkrecht zu derjenigen des ersten Polarisators) und einem lichtempfangenden Element, die nacheinander angeordnet sind, sowie Mittel aufweist, die zwischen dem ersten Polarisator und der Lichtemissionslinse zur Beseitigung der Gesamtdrehung der Polarisationsebene, d. h. der Summe von Drehungen, die durch Durchlaufen des ersten Polarisators und der Lichtemissionslinse auf den Lichtbündeln bewirkt sind, die sich um Richtungen von 1:30 h, 4:30 h, 7:30 h und 10:30 h (oder Richtungen mit Winkeln von ungefähr 45° zur Polarisatorachse), abhängig von seinem Torwinkel, ausbreiten.
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Ein weiterer Phasenschieber kann auch zwischen der Lichtempfangslinse und dem zweiten Polarisator der lichtempfangenden optischen Einrichtung vorgesehen sein. Mit einem so aufgebauten Sensor werden Drehungen der Polarisationsebene des reflektierten Lichts bei seinem Durchlaufen der Lichtempfangslinse und des zweiten Polarisators, die hauptsächlich bei den Bündeln stattfinden, die Winkel von ungefähr 45° mit der Polarisatorachse einschließen, weggehoben. Der Unterschied der Menge an empfangenem Licht bei im Nachweiszielbereich vorhandenem oder nicht vorhandenem Zielobjekt wird noch größer, weshalb die Nachweiszuverlässigkeit weiter verbessert werden kann. Wenn Lichtemissions- und Lichtempfangslinse durch Gießen eines Kunststoffmaterials integriert ausgebildet sind, lassen sich die Polarisatoren kleiner machen und die Herstellungskosten vermindern.
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Ein diese Erfindung verkörpernder retroreflektierender photoelektrischer Sensor des koaxialen Typs lässt sich kennzeichnen als einer, der eine lichtemittierende optische Einrichtung mit einem Lichtemissionselement und einem ersten Polarisator, das dazu dient, Licht aus dem Lichtemissionselement durch den ersten Polarisator zu senden,
eine lichtempfangende optische Einrichtung mit einem zweiten Polarisator mit einer Polarisatorachse senkrecht zu derjenigen des ersten Polarisators und einem Lichtempfangselement, das dazu dient, über den zweiten Polarisator empfangenes Licht mit dem Lichtempfangselement in ein elektrisches Signal umzuwandeln,
eine einzelne Linse sowohl für das Emittieren von Licht aus dem Lichtemissionselement als auch für das Empfangen von Licht, das durch sie hindurch vom Lichtempfangselement zu empfangen ist,
einen Strahlenteiler, der dazu dient, Licht, das von der lichtemittierenden optischen Einrichtung her empfangen worden ist, auf die einzelne Linse zu richten, und Licht, das von der einzelnen Linse her empfangen worden ist, auf die lichtempfangende optische Einrichtung zu richten, sowie
einen zwischen dem ersten Polarisator und dem Strahlenteiler eingesetzten Phasenschieber aufweist. Auch gemäß dieser Ausführungsform durchläuft Licht vom lichtemittierenden Element den ersten Polarisator unter Erhöhung der Querschnittsfläche seines Flusses für den Einfall auf die Lichtemissionslinse und wird in den Nachweiszielbereich ausgesendet, und durch die Lichtempfangslinse hindurch empfangenes reflektiertes Licht geht durch den zweiten Polarisator unter Verminderung des Querschnittsbereiches seines Flusses für den Einfall auf das Lichtempfangselement, das dazu dient, ein elektrisches Signal gemäß der Menge an empfangenem Licht zu erzeugen. Der erste und zweite Polarisator sind so angeordnet, dass ihre Polarisatorachsen zueinander senkrecht sind, bzw. sie können bevorzugt in der sogenannten ”gekreuzte-Nicols”-Beziehung angeordnet sein. Ferner ist ein Phasenschieber zwischen dem ersten Polarisator und der lichtemittierenden Linse der lichtemittierenden optischen Einrichtung angeordnet. Eine 1/2-Wellenlängenplatte (bzw. ein 1/2-Phasenschieber) kann bevorzugt für diesen Zweck verwendet werden. Oben beschriebene Vorzüge des Sensors des biaxialen Typs sind auch bei dem Sensor des koaxialen Typs vorhanden.
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Der vorgenannte Phasenschieber kann alternativ auch zwischen dem Strahlenteiler und der einzelnen Linse eingesetzt sein. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wo die Anzahl von Bestandteilen zu vermindern ist, und damit werden die Produktionskosten gesenkt.
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1A und 1B sind schematische Zeichnungen zur Erläuterung des Prinzips eines retroreflektierenden photoelektrischen Sensors eines biaxialen Typs, wenn ein und wenn kein Objekt in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist.
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2 ist eine Aufbaudarstellung des optischen Systems eines diese Erfindung verkörpernden retroreflektierenden photoelektrischen Sensors eines biaxialen Typs.
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3A und 3B sind schematische Zeichnungen zur Erläuterung des Prinzips eines retroreflektierenden photoelektrischen Sensors eines koaxialen Typs, wenn ein und wenn kein Objekt in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist.
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4 ist eine Aufbaudarstellung des optischen Systems eines diese Erfindung verkörpernden retroreflektierenden photoelektrischen Sensors eines koaxialen Typs.
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5, bestehend aus den 5A, 5B und 5C, enthält Zeichnungen zur Erläuterung der Änderung der Polarisationsrichtung von Licht durch einen Polarisator.
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6, bestehend aus den 6A, 6B und 6C, enthält Zeichnungen zur Erläuterung der Änderung der Polarisationsrichtung von Licht durch eine Linse.
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7, bestehend aus den 7A, 7B und 7C, enthält Zeichnungen zur Erläuterung der Änderung der Polarisationsrichtung von Licht durch einen 1/2-Phasenschieber.
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8, bestehend aus 8A, 8B, 8C, und 9, bestehend aus den 9A und 9B, sind Zeichnungen zur Erläuterung der Änderung der Polarisationsrichtung von Licht durch einen 1/2-Phasenschieber, die durch Beseitigung der Wirkungen der Linse erzielt ist.
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10, bestehend aus den 10A, 10B, 10C, und 11, bestehend aus den 11A und 11B, sind Zeichnungen zur Erläuterung der Gesamtänderung der Polarisationsrichtung von Licht durch einen Polarisator, einen 1/2-Phasenschieber und eine Linse.
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12A und 12B, gemeinsam bezeichnet als 12, sind Schnittansichten des Falles eines diese Erfindung verkörpernden retroreflektierenden photoelektrischen Sensors des biaxialen Typs.
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13 ist eine Schnittansicht eines Falles eines diese Erfindung verkörpernden retroreflektierenden photoelektrischen Sensors des koaxialen Typs.
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14 ist eine Aufbaudarstellung des optischen Systems eines weiteren diese Erfindung verkörpernden retroreflektierenden photoelektrischen Sensors eines koaxialen Typs.
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Die Erfindung wird als nächstes anhand eines Beispiels unter Bezug auf Zeichnungen beschrieben, dieses Beispiel ist jedoch nur eines von vielen, die die Erfindung verkörpern, weshalb es nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen sein soll.
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1A und 1B sind schematische Zeichnungen zur Erläuterung des Prinzips eines retroreflektierenden photoelektrischen Sensors 100 eines biaxialen Typs, wenn ein und wenn kein Objekt in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist. In 1A und 1B bezeichnet 200 einen Reflektor mit einer reflektierenden Oberfläche 200a, 300 ein lichtreflektierendes Nachweiszielobjekt mit einer reflektierenden Oberfläche 300a, L1 von dem Sensor 100 emittiertes Licht, L2 von dem Reflektor 200 reflektiertes Licht und L3 von dem Zielobjekt 300 reflektiertes Licht.
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Wie aus den 1A und 1B deutlich ersichtlich ist, ist der retroreflektierende Sensor 100 dem Reflektor 200 gegenüberliegend angeordnet, so dass ein Nachweiszielbereich, wo erwartet wird, dass das Zielobjekt 300 durch läuft, dazwischen liegt. Wie oben erläutert, ist die reflektierende Oberfläche 200a des Reflektors 200 so ausgebildet, dass sie das von dem Sensor 100 emittierte Licht L1 nicht nur reflektiert, sondern bei der Reflexion auch seine Polarisation ändert. Wenn das vom Sensor 100 emittierte Licht L1 beispielsweise in horizontaler Richtung linear polarisiert ist, kann das reflektierte Licht L2, eine vertikale Komponente enthaltend, elliptisch polarisiert sein.
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Wenn, wie in 1A gezeigt, kein Objekt im Nachweiszielbereich vorhanden ist, wird das vom Sensor 100 emittierte Licht L1 durch die reflektierende Oberfläche 200a des Reflektors 200 reflektiert und somit eine ausreichend große Menge an reflektiertem Licht L2 durch den Sensor 100 empfangen. Wenn das vom Sensor 100 emittierte Licht L1 beispielsweise in vertikaler Richtung linear polarisiert ist, ist das reflektierte Licht L2, eine horizontale Komponente enthaltend, elliptisch polarisiert. Der Sensor 100 kann also das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Objekts im Nachweiszielbereich auf der Grundlage der Bestimmung feststellen, ob eine bestimmte Menge an horizontaler Komponente in dem vom Nachweiszielbereich empfangenen Licht enthalten ist oder nicht.
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Wenn, wie in 1B gezeigt, ein lichtreflektierendes Zielobjekt 30 in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist, wird das vom Sensor 100 emittierte Licht L1 durch dessen reflektierende Oberfläche 300a reflektiert, weshalb eine ziemlich große Menge an reflektiertem Licht L3 durch den Sensor 100 empfangen wird. Da die reflektierende Oberfläche 300a des Zielobjekts 300 nicht speziell dahingehend strukturiert ist, den Polarisationsmodus des vom Sensor 100 darauf einfallenden Lichts L1 zu ändern, ist, wenn das vom Sensor 100 emittierte Licht L1 beispielsweise in vertikaler Richtung linear polarisiert ist, das vom Zielobjekt 300 reflektierte Licht L3 ebenfalls in vertikaler Richtung linear polarisiert, ohne eine horizontale Komponente aufzuweisen. Das Vorhandensein eines Objekts im Nachweiszielbereich kann also auf der Grundlage des Fehlens einer horizontalen Komponente in dem aus dem Nachweiszielbereich empfangenen Licht festgestellt werden.
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Wie in 2 schematisch gezeigt, umfasst der retroreflektierende photoelektrische Sensor 100' eines biaxialen Typs, der diese Erfindung verkörpert, ein optisches System für die Emission von Licht (die lichtemittierende optische Einrichtung 1) und ein weiteres optisches System für den Empfang von Licht (die lichtempfangende optische Einrichtung 2). Die lichtemittierende optische Einrichtung 1 weist ein lichtemittierendes Element 11, einen ersten Polarisator 12 und eine lichtemittierende Linse 14, angeordnet in dieser Reihenfolge, auf, und die lichtempfangende optische Einrichtung 2 weist eine Lichtempfangslinse 21, einen zweiten Polarisator 23 und ein lichtempfangendes Element 24, in dieser Reihenfolge, auf. Der erste und zweite Polarisator 12 und 23 weisen unterschiedlich orientierte Polarisatorachsen auf. In der vorliegenden Erfindung ist die Polarisationsachse des ersten Polarisators 12 vertikal und diejenige des zweiten Polarisators 23 horizontal. Anders ausgedrückt, befinden sich in diesem Beispiel der erste und zweite Polarisator 12 und 23 in der sogenannten ”gekreuzte Nicols”-Beziehung.
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Außerdem ist ein Halbwellen-Phasenschieber (nachfolgend als „1/2-Phasenschieber” bezeichnet) 13 zwischen dem ersten Polarisator 12 und der lichtemittierenden Linse 14 der lichtemittierenden optischen Einrichtung 1 angeordnet, und ein weiterer 1/2-Phasen-schieber 22 ist zwischen der Lichtempfangslinse 21 und dem zweiten Polarisator 23 der lichtempfangenden optischen Einrichtung 2 angeordnet. 2 zeigt zwar den ersten und zweiten Polarisator 12 und 23 in direkter Berührung mit dem zugeordneten der 1/2-Phasenschieber 13 und 22, dies soll jedoch nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen sein. Sie können auch so angeordnet sein, dass sie voneinander getrennt, mit geeigneten Abständen dazwischen, angeordnet sind. Es ist vorzuziehen, für die Lichtemissions- und Lichtempfangslinsen 14 und 21 ein Material mit kleinem Brechungsindex zu verwenden. Kunststofflinsen mit kleiner Doppelbrechung und Glaslinsen können verwendet werden.
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Das von dem Lichtemissionselement 11 emittierte Licht durchläuft den ersten Polarisator 12 und den 1/2-Phasenschieber 13, wobei die Querschnittsfläche seines Flusses in einem festen Maß erweitert, und wird auf die Lichtemissionslinse 14 zum Einfall gebracht wird, wobei es sich danach als das emittierte Licht L1 auf den Nachweiszielbereich ausbreitet. Reflektiertes Licht L2 oder L3 aus dem Nachweiszielbereich wird durch die Lichtempfangslinse 21 und danach durch den 1/2-Phasenschieber 22 und den zweiten Polarisator 23 unter Verminderung des Querschnittsbereichs seines Flusses in einem festen Maß geleitet, wobei es vom Lichtempfangselement 24 empfangen und damit in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Da sich der erste und zweite Polarisator 12 und 23 in der ”gekreuzte Nicols”-Beziehung befinden, kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Objekts in dem Nachweiszielbereich, wie oben unter Bezug auf 1 erläutert, festgestellt werden.
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Da die 1/2-Phasenschieber 13 und 22 gemäß dieser Erfindung zwischen dem ersten Polarisator 12 und der Lichtemissionslinse 14 und zwischen der Lichtempfangslinse 21 und dem zweiten Polarisator 23 eingesetzt sind, kann ein Lichtdurchtritt minimiert werden, wenn sich ein lichtreflektierendes Zielobjekt in dem Nachweiszielbereich befindet, so dass eine ausreichend große Differenz in der Menge an empfangenem Licht, wenn ein und wenn kein Zielobjekt in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist, vorhanden ist. Dies wird in größeren Einzelheiten unter Bezug auf die 5–11 erläutert werden.
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Die vorliegende Erfindung schließt retroreflektierende photoelektrische Sensoren des sogenannten koaxialen Typs ein. 3A und 3B sind schematische Zeichnungen zur Erläuterung des Prinzips eines retroreflektierenden photoelektrischen Sensors 400 des koaxialen Typs, wenn ein und wenn kein Objekt in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist. In den 3A und 3B gibt, wie in den oben erläuterten 1A und 1B, 200 einen Reflektor mit einer reflektierenden Oberfläche 200a, 300 ein Zielobjekt mit einer reflektierenden Oberfläche 300a, L1 von dem Sensor 400 emittiertes Licht, L2 von dem Reflektor 200 reflektiertes Licht und L3 von dem Zielobjekt 300 reflektiertes Licht an.
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Die Arbeitsprinzipien sind im Wesentlichen die gleichen wie für einen Sensor des biaxialen Typs. Wenn, wie in 3A gezeigt, kein Objekt im Nachweiszielbereich vorhanden ist, empfängt der Sensor 400 vom Reflektor 200 reflektiertes Licht L2, wenn aber, wie in 3B gezeigt, ein Zielobjekt 300 im Nachweiszielbereich vorhanden ist, empfängt der Sensor 400 vom Zielobjekt 300 reflektiertes Licht L3. Der Unterschied ist der, dass das reflektierte Licht L2 und L3 und das emittierte Licht L1 die gleiche optische Achse haben.
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Wie schematisch in 4 gezeigt, umfasst der diese Erfindung verkörpernde retroreflektierende photoelektrische Sensor 400 des koaxialen Typs ein optisches System zum Emittieren von Licht (die lichtemittierende optische Einrichtung 3) und ein weiteres optisches System für den Empfang von Licht (die lichtempfangende optische Einrichtung 4). Die lichtemittierende optische Einrichtung 3 dient dazu, das Licht aus einem lichtemittierenden Element 31 über einen ersten Polarisator 32 auszugeben, und die lichtempfangende optische Einrichtung 4 dient dazu, vom zweiten Polarisator 42 polarisiertes empfangenes Licht mit einem Lichtempfangselement 43 in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Der Sensor 400 umfasst ferner eine einzelne Linse (die „gemeinsame Linse 5”), die dazu verwendet wird, sowohl emittiertes als auch empfangenes Licht weiterzuleiten, und einen Strahlenteiler 6, der zwischen der gemeinsamen Linse 5 und der lichtemittierenden und lichtempfangenden optischen Einrichtung 3 und 4 dazu angeordnet ist, das von der lichtemittierenden optischen Einrichtung 3 abgehende emittierte Licht auf die gemeinsame Linse 5 zu richten und das über die gemeinsame Linse 5 empfangene ankommende Licht auf die lichtempfangende optische Einrichtung 4 zu richten.
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Die Polarisationsrichtungen (bzw. die Richtungen der Polarisatorachsen) des ersten und zweiten Polarisators 32 und 42 der lichtemittierenden bzw. lichtempfangenden optischen Einrichtung 3 und 4 sind verschieden. In dem vorliegenden Beispiel, das gerade beschrieben wird, ist die Polarisatorachse des ersten Polarisators 32 senkrecht zu der durch das lichtemittierende Element und die gemeinsame Linse 5 definierten Ebene, und die Polarisatorachse des zweiten Polarisators ist horizontal.
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Zusätzlich zu Obigem ist ein 1/2-Phasenschieber 33 zwischen dem ersten Polarisator 32 der lichtemittierenden optischen Einrichtung 3 und dem Strahlenteiler 6 sowie ein weiterer 1/2-Phasenschieber 41 zwischen dem zweiten Polarisator 42 der lichtempfangenden Einrichtung 4 und dem Strahlenteiler 6 angeordnet. Es ist günstig, ein Material mit kleinem Brechungsindex auch für die gemeinsame Linse 5 zu verwenden. Eine Kunststofflinse mit wenig Doppelbrechung oder eine Glaslinse können verwendet werden.
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Das vom Lichtemissionselement 31 abgegebene Licht durchläuft den ersten Polarisator 32 und den 1/2-Phasenschieber 33 unter Vergrößerung der Querschnittsfläche seines Flusses in einem festen Maß und wird auf die gemeinsame Linse 5 zum Einfall gebracht, wonach es als emittiertes Licht L1 weiter sich zum Nachweiszielbereich ausbreitet. Reflektiertes Licht L2 oder L3 aus dem Nachweiszielbereich wird durch die gemeinsame Linse 5 und danach aufeinanderfolgend durch den 1/2-Phasenschieber 41 und den zweiten Polarisator 42 unter Verminderung der Querschnittsfläche seines Flusses in einem festen Maß geleitet, wobei es vom Lichtempfangselement 43 empfangen und damit in ein elektrisches Signal gemäß der Menge an empfangenem Licht umgewandelt wird. Da der erste und zweite Polarisator 32 und 42 in ”gekreuzte-Nicols”-Beziehung sind, kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Objekts im Nachweiszielbereich, wie oben unter Bezug auf 3 erläutert, festgestellt werden.
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Da die 1/2-Phasenschieber 33 und 41 gemäß dieser Erfindung zwischen dem ersten Polarisator 32 und dem Strahlenteiler 6 bzw. zwischen dem Strahlenteiler 6 und dem zweiten Polarisator 42 eingesetzt sind, kann der Unterschied in der Menge an empfangenem Licht zwischen dem Fall, wo ein, und dem, wo kein lichtreflektierendes Zielobjekt in dem Nachweiszielbereich vorhanden ist, deutlich groß gemacht werden. Auch dies wird unten unter Bezug auf die 5–11 in größeren Einzelheiten erläutert werden.
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Die 5A, 5B und 5C erläutern die lokale Drehung der Polarisationsebene (bzw. der Polarisationsrichtung) durch einen Polarisator. Die Erfinder ordneten ein lichtemittierendes Element LT und eine stationäre Kamera SC einander gegenüber und einen ersten Polarisator P11 und einen zweiten Polarisator P12 in einer ”gekreuzte-Nicols”-Beziehung in dem optischen Weg zwischen dem lichtemittierenden Element LT und der stationären Kamera SC an, wie dies in 5A gezeigt ist. Das so mit der Kamera SC aufgenommene Bild zeigt deutlich das Vorhandensein eines Lichtdurchtritts an vier Orten, die den vier Ecken eines Quadrats entsprechen. Man glaubt, dass dies daran liegt, dass das Licht von dem lichtemittierenden Element LT sich unter Zunahme seiner Querschnittsfläche ausbreitet und deshalb nicht senkrecht durch die Polarisatoren P11 und P12 geht, wenn sein „Torwinkel” θ1 (definiert, wie in 5A gezeigt, als der Winkel zwischen der optischen Achse des Bündels und dem betrachteten Bündel außerhalb der optischen Achse) groß ist.
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Es sei angenommen, dass die Polarisationsrichtung (bzw. die Polarisatorachse) des ersten Polarisators P1 vertikal und diejenige des zweiten Polarisators P2 horizontal ist. 5B zeigt die Polarisationsrichtungen verschiedener Abschnitte des vom Lichtemissionselement LT abgegebenen Lichts, wobei die Mitte des Kreises das Lichtbündel angibt, das senkrecht zum ersten Polarisator P11 verläuft. Die nach oben, nach rechts, nach unten und nach links gehenden Bündel sind an Positionen 12:00 h, 3:00 h, 6:00 h bzw. 9:00 h dargestellt. Wie in 5B gezeigt, ändert sich die vertikale Polarisationsrichtung des vom Lichtemissionselement LT abgegebenen Bündels nicht für Bündel, die sich gerade ausbreiten sowie für diejenigen, die sich in den Richtungen ausbreiten, die 12:00 h, 3:00 h, 6:00 h und 9:00 h entsprechen. Für Bündel in Richtungen dazwischen (jeweils einen Winkel von 45° mit der Polarisatorachse einschließend), entsprechend 1:30 h, 4:30 h, 7:30 h und 10:30 h, jedoch ist eine Änderung der Polarisationsrichtung vorhanden. Diese Änderung nimmt, wie in 5C gezeigt, mit zunehmenden Torwinkel zu, was den Lichtverlust, wie oben erläutert, bewirkt.
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Der Graph der 5C zeigt die Beziehung zwischen dem Torwinkel und dem Polarisationswinkel an der Position 1:30 h (Position A, angegeben in 5B). Dieser Graph zeigt, dass sich die Polarisationsrichtung kaum ändert, wenn der Torwinkel kleiner als 10° ist, sich aber rasch ändert, wenn der Torwinkel 10° überschreitet, und dass die Änderung der Polarisationsrichtung ungefähr 2° ist, wenn der Torwinkel 30° ist.
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Wenn also zwei Polarisatoren P11 und P12 vor dem lichtemittierenden Element LT angeordnet werden und bewirkt wird, das Licht aus diesem durch diese Polarisatoren P11 und P12 verläuft, verlaufen von der optischen Achse des emittierten Lichts getrennte Bündel schräg durch die Polarisatoren, und die Polarisationsrichtung ändert sich für solche Bündel deutlich. Das ist die Art und Weise, wie sich ein Lichtaustritt ergibt.
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Die 6A, 6B und 6C erläutern die lokale Drehung der Polarisationsebene durch eine Linse. Betrachten wir eine Situation, wo ein linear polarisiertes Lichtbündel durch eine plankonvexe Linse LS (mit einer ebenen Oberfläche S1 und einer konvexen Oberfläche S2) von der Seite ihrer konvexen Oberfläche S2 her, wie in 6A gezeigt, hindurchgeführt wird. Wenn die Richtung eines einfallenden Lichtbündels durch 51 und die Normale im Einfallspunkt durch 52 angegeben ist, so ist der Einfallswinkel θ2 für dieses Bündel der Winkel zwischen diesen beiden Richtungen 51 und 52. Dies zeigt deutlich, dass der Einfallswinkel θ2 mit Annäherung des Einfallspunkts des Bündels an den Rand der Linse LS zunimmt.
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In 6A gibt B ein linear polarisiertes Bündel an, das schräg unter einem Winkel von 45° einfällt. Der Graph der 6C gibt an, dass sich die Polarisationsrichtung eines solchen Bündels ändert, wie in größeren Einzelheiten beispielsweise in „Applied Physical Engineering”, Tsuruta Verlag Baiyo-kann (5. Auflage (1998) in Seiten 237–240) beschrieben ist. Es wird insbesondere erläutert, dass „wenn linear polarisiertes Licht in der Richtung von 45° gegenüber der Einfallsebene schwingt, keine Phasenverzögerung zwischen der spezifischen Durchlässigkeit tp und ts der p-Polarisation und s-Polarisation vorhanden ist, und, da tp > ts ist, auch das durchgelassene Bündel linear polarisiert ist und sich seine Schwingungsebene leicht der Einfallsebene (0 < 45°) annähert.”
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Die 7A, 7B und 7C erläutern die Wirkung der Änderung in der Polarisationsrichtung durch einen 1/2-Phasenschieber. Betrachten wir eine Situation, wo ein 1/2-Phasenschieber P2 auf der Ausgangsseite des ersten Polarisators P11, wie in 7A gezeigt, zur Ausbildung einer Kombination aufgesetzt ist und Licht aus dem lichtemittierenden Element LT von der Seite des ersten Polarisators her zum 1/2-Phasenschieber P2 hindurchgeführt wird. Dann hat, wie oben unter Bezug auf 5B erläutert, vom Polarisator P11 ausgegebenes Licht eine geänderte Richtung seiner Linearpolarisation an Positionen in Richtungen von 1:30 h, 4:30 h, 7:30 h und 10:30 h. Auf der Ausgangsseite des 1/2-Phasenschiebers P2 sind jedoch Änderungen in der entgegengesetzten Richtung vorhanden. In dieser Situation stehen die Änderung der Polarisationsrichtung durch den Schrägdurchgang durch den Polarisator P11 und diejenige durch den Durchgang durch den 1/2-Phasenschieber P2 so zueinander in Beziehung, dass die Polarität, wie in 7C gezeigt, umgekehrt wird. Wenn beispielsweise die Änderung der Polarisationsrichtung durch Durchlaufen des Polarisators P11 + Δθ ist, ist die Änderung nach Durchlaufen des 1/2-Phasenschiebers P2 – Δθ. Diese Änderung ist in 7B für andere Bündel dargestellt.
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Als Nächstes wird auf die 8A, 8B, 8C, 9A, 9B Bezug genommen, um das Experiment zu erläutern, das von den Erfindern betreffend die Änderung der Polarisationsrichtung durch einen 1/2-Phasenschieber ausgeführt wurde, gewonnen durch Elimination der Wirkungen der Linse. In diesem Experiment wurden das Lichtemissionselement LT und die stationäre Kamera SC einander gegenüberliegend angeordnet und der erste Polarisator P11 und der zweite Polarisator P12 in einer ”gekreuzte-Nicols”-Beziehung in dem optischen Weg zwischen dem Lichtemissionselement LT und der stationären Kamera SC, wie in 5A gezeigt, angeordnet. Ferner wurde der 1/2-Phasenschieber P2 auf der Ausgangsseite des ersten Polarisators P11, wie in 7A gezeigt, und insgesamt wie in 8A gezeigt, angeordnet. Die auf der Ausgangsseite des Polarisators P11 und der Ausgangsseite des 1/2-Phasenschiebers P2 beobachteten Polarisationsrichtungen sind in 8B gezeigt.
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8B zeigt, dass Änderungen der Polarisationsrichtung in Positionen der Richtungen 1:30 h, 4:30 h, 7:30 h und 10:30 h entsprechend dem Torwinkel beobachtet werden. Wie in 8C gezeigt, ist, wenn die Änderung der Polarisationsrichtung durch den Polarisator P11 + Δθ ist, die Änderung nach Durchgang durch den 1/2-Phasenschieber P2 – Δθ. Infolgedessen enthält das mit der Kamera SC mit dem Licht nach Durchgang durch den zweiten Polarisator P12 aufgenommene Bild vier Bereiche A11, Al2, A13 und A14 mit Lichtaustritt, wie dies in 9A gezeigt ist. A2 gibt einen abgeschirmten Bereich an.
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9B ist ein Graph mit dem dargestellt werden soll, dass die Änderung der Polarisationsrichtung als Folge eines schrägen Einfalls auf den Polarisator in der Polarität durch den 1/2-Phasenschieber umgekehrt wird. Zusammenfassend kann, wie in den 7A und 8A gezeigt, der Effekt des Polarisators P11 auf die Polarisationsrichtung durch den auf der Ausgangsseite des Polarisators P11 angeordneten 1/2-Phasenschieber P2 umgekehrt werden.
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Als Nächstes wird auf die 10A, 10B, 10C, 11A und 11B Bezug genommen, um die kombinierten Wirkungen von Polarisatoren, 1/2-Phasenschiebern und einer Linse zu erläutern. Wie in 10A gezeigt, wurden das Lichtemissionselement LT, der erste Polarisator P11, der 1/2-Phasenschieber P2, die Linse LS, der zweite Polarisator P12 und die stationäre Kamera SC in dieser Reihenfolge angeordnet und von dem Lichtemissionselement LT abgegebenes Licht sequenziell durch den ersten Polarisator P11, den 1/2-Phasenschieber P2 und die Linse LS für den Einfall auf den zweiten Polarisator P12 geleitet und das Ausgangslicht des zweiten Polarisators P12 mit der Kamera SC beobachtet. Als Ergebnis ändert sich, wie in den 10B und 10C gezeigt, die Polarisationsrichtung mit dem Durchgang des Lichts durch den Polarisator P11 an den Positionen in den Richtungen 1:30 h, 4:30 h, 7:30 h und 10:30 h gemäß dem Torwinkel. Nach dem Durchgang des Lichts durch den 1/2-Phasenschieber P2 findet eine Polarisationsumkehr der Änderung der Polarisationsrichtung statt, die durch den Schrägeinfall auf den Polarisator P11 herbeigeführt worden ist. Mit dem weiteren Durchgang des Lichts durch die Linse LS ändert sich die Polarisationsrichtung weiter, abhängig vom Einfallswinkel. Da die Änderung der Polarisationsrichtung durch die Linse LS die durch den Schrägeinfall auf den 1/2-Phasenschieber P2 herbeigeführte Änderung der Polarisationsrichtung, wie in 10C gezeigt, weghebt, kann das mit der Kamera SC aufgenommene Bild des zweiten Polarisators P12 gänzlich in dem abgeschirmten Bereich A2 erfolgen, so dass der Lichtaustritt vollständig verhindert werden kann.
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Dies bedeutet, dass, wie in 11B gezeigt, die Änderung der Polarisationsrichtung ungefähr konstant gemacht werden kann, unabhängig von der Zunahme des Torwinkels. Anders ausgedrückt, kann die in 5C gezeigte, durch den Schrägeinfall auf den Polarisator herbeigeführte Änderung der Polarisationsrichtung, wie in 10B gezeigt, mittels des 1/2-Phasenschiebers umgekehrt und ferner mit der Änderung abhängig vom Einfallswinkel auf die Linse, wie in 10C gezeigt, weggehoben werden, so dass sich schließlich eine nahezu flache Änderungscharakteristik, wie in 11B gezeigt, erzielen lässt. Auf diese Weise kann die ”gekreuzte-Nicols”-Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Polarisator nahezu über den gesamten Bereich aufrechterhalten werden.
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In den 5–11 wurde auf eine Situation Bezug genommen, wo Licht durch einen Polarisator, einen 1/2-Phasenschieber und eine Linse, in dieser Reihenfolge, hindurchgeht, ein ähnliches Ergebnis erhält man jedoch auch, wo Licht durch eine Linse, einen 1/2-Phasenschieber und einen Polarisator, in dieser Reihenfolge, hindurchgeht. Lichtaustritt kann also in einer ähnlichen Weise auch in der lichtempfangenden optischen Einrichtung vermindert werden.
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Zusammenfassend nimmt ein retroreflektierender photoelektrischer Sensor dieser Erfindung einen optischen Aufbau an, wie er durch 2 oder 4 charakterisiert ist, so dass der Lichtaustritt, wie durch 11 gezeigt, vermindert werden kann und somit dass das Vorhandensein und Nichtvorhandensein eines Nachweiszielobjekts klar unterschieden werden kann.
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Wie oben unter Bezug auf die 5–11 erläutert, besteht das Grundprinzip der Erfindung darin, die Änderung der Polarisationsrichtung durch den Durchgang von Licht durch einen Polarisator, die Inversion der Polarisationsrichtung durch den Durchgang durch einen Phasenschieber und die Änderung der Polarisationsrichtung durch den Durchgang durch eine Linse geeignet so auszubalancieren, dass sie sich wegheben. Die durch den Phasenschieber zu bewirkende Phasenverschiebung kann also als eine Sache der Gestaltung betrachtet werden. Gemäß den von den Erfindern vorgenommenen Untersuchungen ist es günstig, wenn die durch den Phasenschieber zu bewirkende Phasenverschiebung im Bereich 3/8–5/8 (in Bezug auf die Wellenlänge, d. h., in Einheiten von 2π) liegt, und stärker bevorzugt, dass sie näher bei 1/2 liegt. Es wird angenommen, dass die optimale Phasenverschiebung aus der Beziehung zwischen den Einfallswinkeln auf den Polarisator und die Linse erzielbar ist. Gemäß den Untersuchungen durch die Erfinder sollte der Winkel zwischen der Polarisationsachse des Polarisators und der optischen Achse des Phasenschiebers vorzugsweise kleiner als ungefähr 5° sein.
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Es wird erneut auf 2 Bezug genommen, um die Erfindung in größeren Einzelheiten zu erläutern.
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Das Lichtbündel aus dem Lichtemissionselement 11 durchläuft den ersten Polarisator 12 und den 1/2-Phasenschieber 13 und breitet sich dann weiter unter Zunahme seiner Querschnittsfläche so aus, dass sie ungefähr die gleiche wie der effektive Oberflächenbereich der Lichtemissionslinse 14 wird. Der Mittelabschnitt des Bündels (längs seiner optischen Achse) fällt sowohl auf den ersten Polarisator 12, den 1/2-Phasenschieber 13 als auch die Lichtemissionslinse 14 ein, weshalb sich die Richtung seiner (linearen) Polarisation nicht ändert. Da die optische Achse des 1/2-Phasenschiebers parallel (oder senkrecht) zur Polarisationsrichtung (Polarisatorachse) des ersten Polarisators 12 eingestellt wird, befindet sich das Mittelbündel in der gleichen Bedingung, als ob der 1/2-Phasenschieber nicht vorhanden wäre, und das Bündel breitet sich zur Lichtemissionslinse 14 mit ungeänderter Polarisationsrichtung aus. Da dieses Mittelbündel auf die Lichtemissionslinse 14 auch senkrecht einfällt, durchlauft das Bündel die Mitte der Lichtemissionslinse 14 ohne Änderung der Richtung seiner Polarisation.
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Als Nächstes werden Randabschnitte des vom Lichtemissionselement 11 abgegebenen Lichtbündels (welche Randpunkte des effektiven Bereichs der Lichtemissionslinse 14 durchlaufen) betrachtet. Diese Lichtabschnitte fallen nicht senkrecht auf den ersten Polarisator 12 ein und die Polarisationsrichtung ändert sich abhängig von der Winkellage des Bündels, wie oben unter Bezug auf 5B erläutert. Es sei beispielsweise der Abschnitt, der sich in Richtung 1:30 h ausbreitet, unter Bezug auf 5B betrachtet. Die Polarisationsrichtung dieses Bündels ändert sich nicht, solange sein Torwinkel ausreichend klein (beispielsweise kleiner als 10°) ist, beginnt sich jedoch mit zunehmendem Torwinkel zu ändern. Wenn der Torwinkel 30° ist, ändert sich die Polarisationsrichtung um +1,8°.
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Wäre der 1/2-Phasenschieber 13 nicht vorhanden und würde der vorgenannte Randabschnitt des Bündels direkt durch die Lichtemissionslinse 14 geführt, würde sich seine Polarisationsrichtung weiter in positiver Richtung, wie oben unter Bezug auf 6 erläutert, ändern. Wenn die Lichtemissionslinse 14 aus Acrylharzmaterial besteht, beträgt die Änderung der Polarisationsrichtung immerhin 4°, wenn der Einfallswinkel 68° (entsprechend dem Torwinkel von 30°) ist. Die Gesamtänderung einschließlich der Änderung durch den ersten Polarisator würde 1,8° + 4,0° = 5,8° sein.
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Wenn der 1/2-Phasenschieber 13 zwischen dem ersten Polarisator 12 und der Lichtemissionslinse 14 gemäß der Erfindung eingesetzt ist, wirkt er dahingehend, die Polarisationsrichtung um den gleichen Winkel, um den die Polarisationsrichtung geändert wurde, als das Bündel den ersten Polarisator 12 durchlaufen hat, in der entgegengesetzten Richtung geändert wird, wie dies oben unter Bezug auf die 7 und 8 erläutert wurde. Wenn der Torwinkel 30° ist, sollte sich die Polarisationsrichtung von +1,8° auf –1,8° ändern. Experimentell waren es jedoch nicht –1,8°, sondern –3,2°. Dies lag möglicherweise daran, dass der 1/2-Phasenschieber auf den ersten Polarisator 12 geklebt war und dass ein Fehler in der Anordnung seiner optischen Achse vorlag.
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Danach wird das Bündel durch die Lichtemissionslinse 14 geführt, und die Polarisationsrichtung ändert sich erneut in der positiven Richtung und die vorher in der negativen Richtung gewonnene Änderung wird weggehoben. Wenn der Einfallswinkel auf die Lichtemissionslinse 14 68° ist, ändert sich die Polarisationsrichtung um +4,0°, und die Gesamtänderung wird –3,3° + 4,0° = +0,8°. Dies ist viel kleiner als die Gesamtänderung der Polarisationsrichtung von +5,8°, wenn der 1/2-Phasenschieber 13 nicht eingesetzt wäre. Selbst wenn die Polarisationsrichtung nach Durchlaufen des 1/2-Phasenschiebers 13 1,8° wäre, wird die Gesamtänderung, nachdem das Licht die Lichttransmissionslinse 114 durchlaufen hat, –1,8° + 4,0° = +2,2° und damit immer noch viel kleiner, als wenn der 1/2-Phasenschieber 13 nicht eingesetzt wäre.
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Als Nächstes wird erneut auf 4 Bezug genommen, um in größeren Einzelheiten die Beziehung zwischen den Richtungen der Polarisatorachsen des ersten und zweiten Polarisators 32, und 42 zu erläutern.
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Es sei zuerst angenommen, dass die Richtung der Polarisatorachse des ersten Polarisators 32 senkrecht (in „senkrechter Richtung”) zu der Ebene angeordnet ist, die durch das Lichtemissionselement 31, das Lichtempfangselement 43 und die gemeinsame Linse 5 definiert ist, und dass der zweite Polarisator 32 horizontal ist. In diesem Fall ist das vom Lichtemissionselement 31 emittierte und durch den ersten Polarisator 32 geführte Licht in der senkrechten Richtung linear polarisiert, ausgenommen, dass sich die Polarisationsrichtung für Bündel ändert, die sich in den Richtungen 1:30 h, 4:30 h, 7:30 h und 10:30 h (bzw. Richtungen, die einen Winkel von 45° zur Polarisatorachse einschließen) ausbreiten, wenn, wie oben erläutert, der Torwinkel ausreichend groß wird. Nachdem dieses linear polarisierte Licht den 1/2-Phasenschieber 33 durchlaufen hat, fällt es auf den Strahlenteiler 6 als s-polarisiertes Bündel (d. h. mit seiner Polarisationsebene parallel zur Oberfläche des Strahlenteilers 6) ein. Ein Teil dieses einfallenden Bündels wird durch den Strahlenteiler 6 nach dem Brewsterschen Gesetz reflektiert und nur der Teil des Lichts, der in senkrechter Richtung schwingt (bzw. das p-polarisierte Bündel) breitet sich zum Nachweiszielbereich (als emittiertes Licht L1 der 3) aus.
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Wenn dieses Licht durch den Reflektor 200 (wie in 3A gezeigt) reflektiert wird, ist das reflektierte Licht L2 elliptisch polarisiert und enthält sowohl Licht, das in der senkrechten Richtungen schwingt, als auch Licht, das in der horizontalen Richtung schwingt. Das meiste des in der horizontalen Richtung schwingenden Lichts geht durch den Strahlenteiler 6 und wird vom Lichtempfangselement 43 nach Durchlaufen des 1/2-Phasenschiebers 41 und des zweiten Polarisators 42 mit horizontaler Polarisatorachse empfangen. Anders ausgedrückt wird ein Teil des reflektierten Lichts L2 durch das Lichtempfangselement 43 empfangen.
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Wenn das emittierte Licht L1 durch ein Zielobjekt 300, wie in 3B gezeigt, reflektiert wird, enthält das reflektierte Licht L3 nur Komponenten, die in der senkrechten Richtung schwingen, weil nur Licht, das senkrecht zum Zielobjekt schwingt, auf das Zielobjekt zum Einfall gebracht wird. Ein Teil dieses reflektierten Lichts wird durch den Strahlenteiler 6 gemäß dem Brewsterschen Gesetz erneut reflektiert, der verbleibende Teil durchläuft jedoch den Strahlenteiler 6. Der Teil, der durch den Strahlenteiler 6 geht, geht auch durch den 1/2-Phasenschieber 41, kann aber nicht den zweiten Polarisator 42 durchlaufen und wird somit nicht durch das Lichtempfangselement 43 empfangen. Anders ausgedrückt, wird das vom Zielobjekt 300 reflektierte Licht L3 durch das Lichtempfangselement 43 nicht empfangen. Der Sensor kann also zwischen Licht, das vom Reflektor reflektiert wurde, und Licht, das von einem Zielobjekt reflektiert wurde, unterscheiden. Der Strahlenteiler 6 kann ein Halbspiegel ohne Polarisationscharakteristik oder ein polarisierender Strahlenteiler mit einer Polarisationscharakteristik sein.
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Es sei als Nächstes die Situation betrachtet, wo die Richtung der Polarisatorachse des ersten Polarisators 32 horizontal und diejenige des zweiten Polarisators 42 in der senkrechten Richtung ist. In diesem Fall ist das vom Lichtemissionselement 31 abgegebene und durch den Polarisator 32 geführte Licht linear polarisiert, schwingend in der horizontalen Richtung. Nachdem dieses linear polarisierte Licht den 1/2-Phasenschieber 33 durchlaufen hat, fällt es auf den Strahlenteiler 6 als p-polarisiertes Bündel ein, d. h., bei ihm ist die Polarisationsebene senkrecht zur Ebene des Strahlenteilers 6. Das einfallende Bündel durchläuft also den Strahlenteiler 6 nach dem Bewsterschen Gesetz und es breitet sich kaum Licht in den Nachweiszielbereich aus. Dies bedeutet, dass der in 4 gezeigte Aufbau in dem Fall eines retroreflektierenden photoelektrischen Sensors des koaxialen Typs vorzuziehen ist. Dies sollte auch dort bedacht werden, wo die Positionen von Lichtemissions- und Lichtempfangselement 31 und 43 vertauscht sind.
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4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die 1/2-Phasenschieber 33 und 41 in enger Berührung mit dem ersten bzw. zweiten Polarisator 32 und 42 sind, es kann aber auch ein einzelner 1/2-Phasenschieber diese ersetzend verwendet werden, der zwischen dem Strahlenteiler 6 und der gemeinsamen Linse 5 angeordnet ist. 14 zeigt einen retroreflektierenden photoelektrischen Sensor 400, der gemäß einer solchen alternativen Ausführungsform der Erfindung so aufgebaut ist und einen einzelnen 1/2-Phasenschieber 50 angeordnet zwischen dem Strahlenteiler 6 und der gemeinsamen Linse 5 aufweist. Seine lichtemittierenden und lichtempfangenden optischen Einrichtungen 3' und 4' unterscheiden sich von denjenigen des in 4 gezeigten Sensors 400 dadurch, dass die Phasenschieber 33 und 41 weggelassen sind. Diese Ausführungsform ist also insofern vorteilhaft, als die Anzahl der Komponenten vermindert ist und ihre Herstellungskosten dementsprechend niedriger sind.
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Wie in 12A und 12B gezeigt, kann der diese Erfindung verkörpernde retroreflektierende photoelektrische Sensor 100 des biaxialen Typs ein Gehäuse 101, eine Linseneinheit 105, die die Lichtemissionslinse 14 und die Lichtempfangslinse 21 bildet, in integrierter Form zusammen mit einer transparenten Abdeckung 102, eine Linearpolarisatorplatte (als ersten Polarisator 12) auf der Lichtemissionsseite und eine weitere Linearpolarisatorplatte (als zweiter Polarisator 23) auf der Lichempfangsseite aufweisen. 13 und 22 geben jeweils eine 1/2-Wellenplatte (dienend als 1/2-Wellenschieber) an.
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Die Linseneinheit 105 ist ein Formgussprodukt aus einem Acrylharzmaterial mit einem Verzögerungswert von weniger als 17 nm/mm, hergestellt nach einem Spritzgussverfahren. Die Lichtemissionslinse 14 und die Lichtempfangslinse 21 sind auf der Rückseite der planaren transparenten Abdeckung 102 angeordnet, wo Vorsprünge 114 und 115 für einen Eingriff ausgebildet sind.
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Das Gehäuse 101 ist mit konisch geformten Vertiefungen 110 und 111 ausgebildet, um einen Raum für die Aufnahme der Lichtemissionslinse 14 und der Lichtempfangslinse 21 der Linseneinheit 105 zu schaffen.
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Das als Lichtquelle dienende Lichtemissionselement 11, der Linearpolarisator 12 und der 1/2-Phasenschieber 13 sind innerhalb der Vertiefung 110 und das Lichtempfangselement 24, der Linearpolarisator 23 und der 1/2-Phasenschieber 22 innerhalb der Vertiefung 111 angebracht.
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Die Linseneinheit 105 ist an einem Anbringungsteil vor dem Gehäuse 101 durch Eingreifen der Vorsprünge 114 und 115 in Vertiefungen 116 und 117 angebracht, so dass die Lichtemissionslinse 14 und die Lichtempfangslinse 21 innerhalb der Vertiefungen 110 bzw. 111 angeordnet sind. Das Lichtemissionselement 11 wird durch eine (nicht gezeigte) Lichtemissionsschaltung betrieben, und Ausgangssignale der Lichtempfangseinheit 24 werden einer (nicht gezeigten) Lichtempfangsschaltung eingegeben, so dass das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Objekts abhängig von der empfangenen Lichtmenge festgestellt wird.
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Das Löschverhältnis der Linsen 14 und 21 ist ungefähr 1/1000 und ihr Verzögerungswert kleiner als 17 nm/mm.
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Sie sind durch Spritzgießen hergestellte Kunststofflinsen und bewirken nur kleine Verformungen der linearen Polarisation des durchgelassenen Lichts. Die Polarisatoren 12 und 23 sind auf der Lichtempfangsseite der Lichtemissionslinse 14 und der Lichtemissionsseite der Lichtempfangslinse 21 angeordnet, so dass das von dem Lichtemissionselement 11 abgegebene Licht durch den Polarisator 12 geführt werden kann, um es linear zu polarisieren und auf die Lichtemissionslinse 14 einfallen zu lassen, und das von einem Reflektor oder einem Zielobjekt reflektierte Licht kann auf die Lichtempfangslinse 21 zum Einfall gebracht werden und durch den Polarisator 23 geschickt werden, um es linear zu polarisieren.
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Da die Linsen 14 und 21 aus Acrylharz bestehen und im Spritzguss hergestellt sind, können sie integriert mit dem Gehäuse 101 ausgebildet werden, womit ein wasserbeständiger und staubbeständiger Aufbau einfach ausgebildet und die Anzahl herzustellender einzelner Komponenten vermindert werden kann. Dies dient auch dazu, einen kompakten photoelektrischen Sensor zu schaffen.
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13 ist eine Schnittansicht des photoelektrischen Sensors 400 des koaxialen Typs. 401, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 6 und 5 bezeichnen ein Gehäuse, das Lichtemissionselement, den ersten Polarisator, den ersten 1/2-Phasenschieber, den zweiten 1/2-Phasenschieber, das Lichtempfangselement, den Strahlenteiler und die gemeinsame Linse.
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Auch bei diesem Sensor 400 ist die Linse 5 aus einem Acrylmaterial und integriert mit dem Gehäuse 401 ausgebildet und das optische System ist von einem koaxialen Typ. Für den Fachmann ergibt sich ohne Weiteres das Arbeiten dieses Sensors ohne weitere Erläuterungen.
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Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung retroreflektierende photoelektrische Sensoren, die kostengünstig hergestellt werden können und in der Lage sind, zuverlässig ein lichtreflektierendes Zielobjekt nachzuweisen.
