DE19937353A1 - Lichtschrankenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtschrankenanordnung mit mindestens einer Lichtquelle (10) und mindestens einem im Abstand von der Lichtquelle (10) angeordneten Detektorelement (14), wobei im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (10) und dem Detektorelement (14) ein Reflektorelement (12) angeordnet ist. Um mit einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Reflektorelement einen großen Raumwinkel mit der Lichtschrankenanordnung abdecken zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Reflektorelement (12) eine Streu- oder Beugungsstruktur aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtschrankenanordnung mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem im Abstand von der Lichtquelle angeordneten Detektorele­ ment, wobei im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Detektorelement ein Reflektorelement angeordnet ist.

Lichtschrankenanordnungen dieser Art sind weit verbrei­ tet und werden für die verschiedensten Anwendungszwecke eingesetzt, beispielsweise im Sicherheitsbereich für die Raumüberwachung als Bestandteil einer Alarmanlage oder auch zum Schutz von Bedienpersonal beim Umgang mit Maschinen, bei deren Fehlbedienung ein Körperschaden des Bedienpersonals entstehen kann. In der einfachsten Form besteht eine Lichtschrankenanordnung aus einer Lichtquelle und einem Sensor oder Detektorelement, wo­ bei der Überwachungsbereich dann durch den linienhaften Strahlengang definiert ist. Die eingangs genannte An­ ordnung stellt eine Variante dieses Prinzips dar, wobei zusätzlich ein Reflektorelement im Strahlengang zwi­ schen der Lichtquelle und dem Detektorelement angeord­ net ist. Es findet dabei also eine Strahlumlenkung statt, die durch Verwendung mehrerer entsprechend ange­ ordneter Reflektorelemente auch mehrfach ausgeführt werden kann. In jedem Fall findet jedoch auch bei einer derartigen Anordnung eine linienhafte Überwachung statt. Oft besteht jedoch das Bedürfnis, eine flächen­ hafte Überwachung zu erreichen. Dazu ist es bekannt, eine Mehrzahl von Lichtschrankenanordnungen im Abstand voneinander parallel anzuordnen. Aufgrund der gegebenen Abmessungen der verwendeten Lichtquellen und Detektor- bzw. Reflektorelemente und den daraus resultierenden Mindestabständen zwischen den einzelnen Lichtquel­ le/Detektorelement-Paaren läßt sich jedoch auch auf diese Weise keine lückenlose, wirklich flächenhafte Überwachung realisieren. Zudem ist der Einsatz von meh­ reren Lichtquellen und Detektor- und/oder Reflektorele­ menten materialaufwendig und damit kostenintensiv.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Lichtschrankenanordnung der eingangs ge­ nannten Art bereitzustellen, die mit einfachen und ko­ stengünstigen Mitteln eine flächenhafte Raumüberwachung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht vor allem von der Beobachtung aus, daß es möglich ist, den Lichtstrahl einer einzigen Lichtquelle mittels eines Reflektorelements derart in einer Ebene aufzufächern, daß ein großer Raumwinkel ab­ gedeckt wird, in dem sich ein Detektorelement an belie­ biger Stelle anordnen läßt. Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß das Reflektorelement eine Streu- oder Beugungsstruktur aufweist. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist das Reflektorelement ein Beugungsgitter auf, wobei das Detektorelement im Bereich eines Helligkeitsmaximums des Beugungsmusters angeordnet ist. Das Beugungsmuster liegt dabei in einer Ebene, wenn das Beugungsgitter als Liniengitter ausge­ bildet ist. Um eine Beugungsstruktur im Wellenlängenbe­ reich des sichtbaren Lichts erzeugen zu können, sollte die Gitterkonstante des Beugungsgitters weniger als 0,2 mm, vorzugsweise etwa 0,01 mm betragen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist das Beugungsgitter ein vorzugsweise plattenförmiges Substrat auf, in dessen eine Oberfläche die Linien­ struktur eingebracht ist. Als zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, daß jede Linie des Beugungsgitters einen Dreiecksquerschnitt aufweist. Derartige Liniengitter werden in der Regel dadurch hergestellt, daß die ein­ zelnen Linien im Abstand der Gitterkonstante durch ei­ nen Formkörper, beispielsweise einen Diamanten, in die Substratoberfläche eingeritzt werden. Hierbei hängt die räumliche Intensitätsverteilung des entstehenden Beu­ gungsmusters in hohem Maße von der Querschnittsform der eingebrachten Linien ab. Bei bekannten Beugungsgittern wird üblicherweise ein Öffnungswinkel der Dreiecksform von genau 90° gewählt. Das entstehende Beugungsmusters weist dann ein stark ausgeprägtes Hauptmaximum und zu den Seiten hin in der Intensität stark abfallende Ne­ benmaxima auf, die jeweils von dunklen Auslöschungsbe­ reichen voneinander getrennt sind. Grundsätzlich läßt sich zwar auch ein derartiges Beugungsgitter verwenden, jedoch ist die Intensitätsverteilung des Beugungsmu­ sters für eine Anwendung in einer Lichtschrankenanord­ nung dann noch nicht optimal, da wie bei herkömmlichen Lichtschrankenanordnungen nur eine Anordnung der Detek­ torelemente in diskreten Abständen und daher eine eher linienhafte Überwachung möglich ist, wobei zusätzlich bei hoher Ordnungszahl der Nebenmaxima die nutzbare Lichtintensität sehr gering wird.

Versuche haben nun gezeigt, daß sich eine quasi-kon­ tinuierliche Verteilung der Helligkeitsmaxima des Beugungsmusters erreichen läßt, wenn der Öffnungswinkel einer jeden Linie ungleich 90° ist. Dieser Effekt wurde bei Beugungsgittern beobachtet, bei denen der Öffnungs­ winkel nur geringfügig von 90° abwich, beispielsweise 89° betrug, oder auch bei Beugungsgittern, bei denen der Öffnungswinkel etwa 45° betrug. Bei der Verwendung derartiger Beugungsgitter ist zwar immer noch eine va­ riierende Intensitätsverteilung im Beugungsmuster er­ kennbar, jedoch ist für die Zwecke einer Verwendung in einer Lichtschrankenanordnung an jedem Ort in der Beu­ gungsebene eine hinreichende Helligkeitsintensität ver­ fügbar. Es hat sich sogar gezeigt, daß das Beugungsmu­ ster bezüglich der Ebene des Beugungsgitters im wesent­ lichen einen Raumwinkel von 180° abdeckt, d. h. bei senkrechter Anordnung des Substrats (die einzelnen Li­ nien verlaufen dann in Querrichtung) ist gebeugte In­ tensität sowohl senkrecht oberhalb als auch unterhalb des Gitters zu beobachten. Wird beispielsweise das Beu­ gungsgitter an der Wand eines Raumes angeordnet, so läßt sich gleichsam ein "Lichtvorhang" erzeugen, der eine gesamte Ebene des Raumes mit einer quasi-kon­ tinuierlichen Helligkeitsverteilung abgedeckt. Ein eventueller Schattenwurf durch die Lichtquelle selbst ist hierbei für praktische Zwecke vernachlässigbar.

Das Substrat für das Beugungsgitter kann aus einem vor­ zugsweise transparenten Material, insbesondere aus Glas oder einem Kunststoff bestehen oder eine polierte Me­ talloberfläche aufweisen. Alternativ kann das Substrat auch eine Kunststoffolie sein. Das Beugungsgitter läßt sich besonders kostengünstig herstellen, wenn es als Spritzguß- oder Prägeteil ausgebildet ist, da dann die vergleichsweise aufwendige Herstellung der Linienstruk­ tur nur einmal für ein Werkzeug erforderlich ist, das dann zur Herstellung einer großen Stückzahl von Gittern verwendet werden kann. Soweit das Substrat aus einem transparenten Material besteht, kann sowohl die Linien­ struktur selbst als auch die gegenüberliegende Rücksei­ te des Substrats der Lichtquelle zugewandt sein. Zur Erhöhung der Lichtausbeute ist es dabei zweckmäßig, wenn die Linienstruktur mit einer metallischen Reflek­ tionsschicht beschichtet ist.

Um die erforderlichen Beugungsbedingungen zu erfüllen, sollte die Lichtquelle kollimiertes und kohärentes Licht erzeugen. Als besonders zweckmäßig hat sich daher die Verwendung eines Lasers als Lichtquelle erwiesen, wobei ein Laser zusätzlich eine Lichtquelle hoher In­ tensität darstellt.

Bei vielerlei Anwendungen ist es erforderlich, etwaige auf das Detektorelement auftreffende Streulichtreflexe vom tatsächlich verwendeten Meßlicht zu unterscheiden. Beispielsweise wird im industriellen Bereich oftmals Sicherheitskleidung mit Reflexstreifen oder -flächen verwendet. Soll nun die erfindungsgemäße Lichtschran­ kenanordnung zur Sicherheitsüberwachung einer Maschine verwendet werden, beispielsweise um eine Stanz- oder Prägemaschine auszuschalten, wenn die Lichtschranke un­ terbrochen wird, so könnte in einem derartigen Fall von den Reflektoren an der Kleidung zum Detektorelement re­ flektiertes Licht trotz einer tatsächlichen Unterbre­ chung der Meßstrecke zu einer gefährlichen Fehlmessung führen. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß eine Lichtquelle verwendet wird, die polarisiertes Licht erzeugt, wobei das Detektorelement dann einen Analysator für polarisiertes Licht aufweisen sollte. Ein Laser an sich erzeugt zwar auch polarisiertes Licht, jedoch kann dieses linear, elliptisch oder zir­ kular polarisiert sein und die Polarisationsebene ist nicht von vornherein festgelegt. Bevorzugt wird daher eine Lichtquelle mit linear polarisiertem Licht und ei­ ner definierten Polarisationsebene verwendet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Lichtschrankenanordnung;

Fig. 2 eine geschnittene Detailansicht eines Reflek­ torelements und

Fig. 3 eine qualitative Darstellung der gebeugten Lichtintensität als Funktion des Raumwinkels.

Die in Fig. 1 dargestellte Lichtschrankenanordnung be­ steht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 10, einem Reflektorelement 12 sowie einem Detektorelement 14. Ein von der Lichtquelle 10 ausgesandter Lichtstrahl 16 trifft senkrecht auf das als Beugungsgitter ausgebilde­ te Reflektorelement 12 und wird dort derart gebeugt, daß in der Zeichnungsebene über einen Raumwinkel von im wesentlichen 180° verteilt eine quasi-kontinuierliche Lichtverteilung erzeugt wird. Das Detektorelement 14 muß daher nicht an fest vorgegebenen Orten angeordnet werden, sondern kann an jeder beliebigen Stelle in der Ebene des Beugungsmusters angeordnet werden. Soll nun ein bestimmter Ort in der Ebene von der Lichtschranke überwacht werden, so ist das Detektorelement an ent­ sprechender Stelle anzuordnen. Sobald ein Körper an der vorgegebenen Stelle in die Ebene des Beugungsmusters eintritt, wird das Detektorelement abgeschattet und durch eine mit dem Detektorelement verbundene, nicht näher dargestellte Steuereinrichtung in bekannter Weise ein entsprechendes Signal erzeugt.

Eine quasi-kontinuierliche Lichtverteilung wird dann erreicht, wenn wie in Fig. 2 dargestellt der Öffnungs­ winkel α einer jeden Linie des Reflektorelements un­ gleich 90° ist. Für den beobachteten Effekt reicht be­ reits eine geringe Abweichung von etwa 1° aus, aber auch ein Öffnungswinkel von beispielsweise etwa 45° liefert vergleichbare Ergebnisse. Zu vermeiden sind Öffnungswinkel, die ein Beugungsmuster mit einem stark ausgeprägten Hauptmaximum und in der Intensität rasch abfallenden Nebenmaxima erzeugen. Fig. 3 zeigt quali­ tativ die Intensität I des gebeugten Lichtstrahls als Funktion des Raumwinkels ω. Die dargestellte Kurve zeigt nicht eine tatsächlich gemessene Intensitätsver­ teilung, sondern stellt vielmehr anschaulich die empi­ rischen Beobachtungen dar. Zwar ist die Lichtintensität nicht konstant verteilt, jedoch ist unter jedem Winkel eine für die Lichtschrankenfunktion hinreichende Inten­ sität vorhanden.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfin­ dung betrifft eine Lichtschrankenanordnung mit minde­ stens einer Lichtquelle 10 und mindestens einem im Ab­ stand von der Lichtquelle 10 angeordneten Detektorele­ ment 14, wobei im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 10 und dem Detektorelement 14 ein Reflektorelement 12 angeordnet ist. Um mit einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Reflektorelement einen großen Raumwinkel mit der Lichtschrankenanordnung abdecken zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Reflek­ torelement 12 eine Streu- oder Beugungsstruktur auf­ weist.

Claims (17)

1. Lichtschrankenanordnung mit mindestens einer Licht­ quelle (10) und mindestens einem im Abstand von der Lichtquelle (10) angeordneten Detektorelement (14), wobei im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (10) und dem Detektorelement (14) ein Reflektorelement (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektorelement (12) eine Streu- oder Beu­ gungsstruktur aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektorelement (12) ein Beugungsgitter aufweist, wobei das Detektorelement (14) im Bereich eines Helligkeitsmaximums des Beugungsmusters ange­ ordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (12) als Liniengitter ausge­ bildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des Beugungsgitters (12) weniger als 0,2 mm, vorzugsweise etwa 0,01 mm be­ trägt.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beugungsgitter (12) ein vorzugs­ weise plattenförmiges Substrat aufweist, in dessen eine Oberfläche die Linienstruktur eingebracht ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linie des Beugungsgitters (12) einen Drei­ ecksquerschnitt aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (α) einer jeden Linie un­ gleich 90° ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsmuster eine quasi-kon­ tinuierliche Verteilung der Helligkeitsmaxima aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsmuster bezüglich der Ebene des Beu­ gungsgitters (12) im wesentlichen einen Raumwinkel von 180° abdeckt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem vorzugs­ weise transparenten Material, insbesondere aus Glas oder einem Kunststoff besteht oder eine polierte Metalloberfläche aufweist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Kunst­ stoffolie ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (12) als Spritzguß- oder Prägeteil ausgebildet ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Linienstruktur mit einer metallischen Reflexionsschicht beschichtet ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) kol­ limiertes, vorzugsweise kohärentes Licht erzeugt.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) ein Laser ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) vor­ zugsweise linear polarisiertes Licht erzeugt.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (14) einen Analysator für polarisiertes Licht aufweist.