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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensoreinrichtung insbesondere
eine Lichtschranke oder ein Lichtgitter nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Derartige
optoelektronische Sensoreinrichtungen werden verwendet, um zum Beispiel
einen Zugangsbereich an einer gefahrbringenden Werkzeugmaschine
zu überwachen.
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Dabei
ist es von der Aufgabenstellung der Überwachung des Zugangsbereiches
abhängig,
welche Objekte innerhalb einer Überwachungsstrecke als
unzulässig
erkannt werden sollen.
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Soll
nur der Durchgang einer Person erfasst werden, so kann dies mit
einer einzelnen Lichtschranke, die sich in einem bestimmten Abstand über dem
Fußboden
befindet, geschehen. Soll dagegen das Eingreifen eines Armes in
einen Gefahrenbereich erfasst werden, ist es meist erforderlich,
mehrere Lichtstrahlen relativ dicht nebeneinander anzuordnen. Man
spricht in diesen Fällen
von einem Lichtgitter.
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Die
bekannten optoelektronischen Sensoreinrichtungen arbeiten dabei
meist nach dem Einwegprinzip, d. h. in einem ersten Gehäuse auf
einer Seite der Überwachungsstrecke
bzw. Überwachungsfläche sind
ein oder mehrere Lichtsender angeordnet und auf der gegenüberliegenden
Seite der Überwachungsstrecke
bzw. Überwachungsfläche befinden
sich in einem zweiten Gehäuse
ein oder mehrere Lichtempfänger.
Der bzw. die Lichtsender kommunizieren dabei nach einem ge nauen
vorgegebenen Timing mit dem bzw. den Lichtempfängern, so dass jeweils Paare
von Lichtsendern / Lichtempfängern
aktiv sind.
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Der
Begriff „Licht" ist hierbei nicht
auf das sichtbare Licht beschränkt.
Unter dem Begriff „Licht" sind ganz allgemein
jene elektromagnetischen Strahlen, also vom UV-Licht über den
sichtbaren Bereich bis zum IR-Licht, zu verstehen, die üblicherweise
für den
Betrieb von Lichtschranken und Lichtgittern eingesetzt werden.
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Speziell
dann, wenn diese optoelektronischen Sensoreinrichtungen mit einer
hohen Sicherheitsanforderung eingesetzt werden, ist es zwingend vorgeschrieben,
dass die Überwachungsaufgabe nicht
durch unerwünschte
Nebeneffekte außer
Kraft gesetzt wird. Eine mögliche
Gefahr einer derartigen unerwünschten
Nebenwirkung besteht darin, dass ein Anteil des optisch wirksamen
Lichtstrahles zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger um ein
Objekt, das eigentlich erkannt werden soll, herum gespiegelt wird,
was dann zur Folge haben kann, dass dieses Objekt letztendlich nicht
erkannt wird. Um dies zu vermeiden, darf bei Anwendungen, die einer
hohen Sicherheitsanforderung unterliegen, der Lichtsender den ausgesandten
Lichtstrahl nur innerhalb eines relativ kleinen Sendekegelwinkels
aussenden. Gleichermaßen
darf der Lichtempfänger auch
nur einen Lichtstrahl empfangen, der innerhalb eines relativ kleinen
Empfangskegelwinkels auf den Empfänger auftritt. Durch diese,
von den Sicherheitsbedingungen vorgegebenen kleinen Sende- und Empfangskegelwinkel
ist der Justageaufwand beim Ausrichten des Lichtsenders auf den
Lichtempfänger und
umgekehrt erschwert und wird vom Anwender nur dann akzeptiert werden,
wenn die hohe Sicherheitsanforderung dies zwingend vorschreibt.
In all den Anwendungsfällen,
wo diese Einschränkung
hinsichtlich der Sende- und Empfangskegelwinkel von den Sicherheitsvorschriften
jedoch nicht vorhanden sind, möchte
der Anwender zwecks einfacherer Justage von Lichtsender und Lichtempfänger größere Sende-
und Empfangskegelwinkel haben. Dies bedeutet letztlich, dass nach
dem Stand der Technik für derartige
Anwendungen alle optoelektronischen Sensoreinrichtungen in wenigstens
zwei Varianten am Markt zur Verfügung
stehen müssen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Sensoreinrichtung
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass es möglich ist,
mit nur einer Fertigungsvariante verschiedene Einsatzbedingungen
abdecken zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
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Gemäß der Erfindung
wird bei einer optoelektronischen Sensoreinrichtung, insbesondere
einer Lichtschranke oder eines Lichtgitters, zur Erfassung eines
Objektes innerhalb einer Überwachungsstrecke
der Sendekegelwinkel des vom Lichtsender ausgesandten Lichtbündels und/oder
der Empfangskegelwinkel des vom Lichtempfänger aufgenommen Lichtbündels mit
einer Vorsatzoptik, die am Lichtsender und/oder am Lichtempfänger zusätzlich aufgesetzt
werden kann, verändert.
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Ein
wesentlicher Vorteil gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass nur eine Fertigungsvariante, d. h. nur eine
optoelektronische Sensoreinrichtung mit zum Beispiel einem eng begrenzten
Sende- und Empfangskegelwinkel produziert, gelagert und geliefert
werden muss und der Sende- und Empfangskegelwinkel dann mittels
einer zusätzlichen
Vorsatzoptik einfach veränderbar
ist.
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Auf
diese Art und Weise ist es möglich,
nicht nur die Variantenvielfalt im Produktionsprozess einzuschränken, sondern
auch die Lagerhaltung beim Hersteller und die Vorrathaltung beim
Anwender zu verringern.
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Da
die Vorsatzoptik erfindungsgemäß ohne Werkzeug
und ohne separate Befestigungsmittel am Lichtsender und/oder am
Lichtempfänger
angebracht werden kann, ist es auch nicht erforderlich, zusätzlich Werkzeuge
und entsprechende Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Schrauben,
bereitstellen zu müssen.
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Zur
Befestigung sind an der Vorsatzoptik und an dem Lichtsender bzw.
Lichtempfänger
Rast- und/oder Klemmelemente vorgesehen, über die die Vorsatzoptik mit
dem Lichtsender/Lichtempfänger verbindbar
ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die Vorsatzoptik mit
dem Gehäuse
durch ein einfaches Einschnappen oder Einrasten zu befestigen.
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Bei
optoelektronischen Sensoreinrichtungen, die nur ein Lichtbündel aussenden,
hat die zusätzliche
Vorsatzoptik zweckmäßigerweise
die Form einer sphärischen
Optik, so dass die Veränderung des
Sende- und Empfangskegelwinkels in allen Richtungen quer zur Strahlachse
gleichmäßig verändert wird.
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Eine
besonders bei Lichtgittern vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass die Vorsatzoptik in Richtung der benachbarten Lichtstrahlen, d.
h. in Längs richtung
des Gehäuses,
keine optische Wirkung aufweist und nur in der um 90° dazu gekreuzten
Richtung wirksam ist. Diese bevorzugte Ausführungsform, welche mittels
einer zylindrischen Vorsatzoptik möglich ist, hat bei der Erfindung
zwei entscheidende Vorteile. Zum einen wird auf diese Weise die
Winkelverfügbarkeit
nur um eine Gehäuseachse
verändert.
Dies ist bei einem stabförmigen Lichtgittergehäuse von
großem
Vorteil, weil insbesondere aufgrund des kleinen Profilquerschnittes
der Lichtgittergehäuse
die Ausrichtung um die Längsachse
in der Regel sehr viel schwieriger ist, als die Justage durch Verschwenken
des Gehäuses
quer dazu. Zum anderen kann die Zylinderoptik in Richtung der optisch
unwirksamen Ausdehnung sehr einfach auch in sehr großen Abmessungen
hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, dass eine lange Zylinderlinse,
welche beispielsweise stabförmig
ausgeführt
ist und dabei das Profil eines Kreissegmentes aufweist, gleichzeitig
für alle
Lichtstrahlen des Lichtgitters wirksam ist.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform kann
der Sendekegelwinkel des ausgesandten Lichtbündels und/oder der Empfangskegelwinkel
mit einer torischen Vorsatzoptik in den beiden rechtwinklig zueinander
stehenden Richtungen unterschiedlich veränderbar vorgesehen sein. Dadurch
ist es möglich, die
Winkelverfügbarkeit
der optoelektronischen Sensoreinrichtung mit Hilfe der Vorsatzoptik
in beiden Richtungen individuell zu verändern.
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Alternativ
zu der Ausbildung der Vorsatzoptik mit sphärischen, zylindrischen oder
torischen optischen Linsen können
auch beliebige andere optische Elemente zur Erzielung dieser optischen
Wirkung verwendet werden. Insbesondere ist es dabei möglich, die
gewünschte
optische Wirkung durch ein diffraktives optisches Element, durch
eine Fresnellinse, durch eine Gitterscheibe oder durch ein holografisches
Element zu erzeugen.
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Eine
unter Kostengesichtspunkten optimierte Variante sieht vor, dass
die Vorsatzoptik inklusive der zur Befestigung notwendigen Rastrippen
als extrudiertes Kunststoff- oder Spritzgussteil hergestellt ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die Vorsatzoptik als strukturierte Folie angefertigt die mit
einer selbstklebenden Fläche
auf einer im Gehäuse
für den
Lichtdurchlass vorgesehenen Abschlussscheibe befestigbar ist. Eine
derartige Folie ist nicht nur sehr preiswert herstellbar, sondern
hat neben der optischen Streuwir kung gleichzeitig eine mechanische
Schutzwirkung für
die Abschlussscheibe. D. h. bei mechanischer Beschädigung oder
Verschmutzung kann die insbesondere als selbstklebende Folie ausgeführte Vorsatzoptik
einfach ausgewechselt werden.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
bei der Formgebung der Vorsatzoptik ist es vorgesehen, dass die
Brechkraft der Optik nur in einer optischen Grenzfläche konzentriert
ist, während
die zweite optische Grenzfläche
eine ebene Oberflächenform
aufweist. Erfindungsgemäß wird dabei
die optisch ebene Fläche
auf der dem Lichtsender/Lichtempfänger abgewandten Seite angeordnet.
Dadurch ergeben sich, speziell unter dem Gesichtspunkt der Sauberhaltung
dieser Fläche,
sehr große
Vorteile.
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In
einer weiteren erfindungemäßen Ausführungsform
ist es vorgesehen, dass die nach außen gewandte optische Grenzfläche der
Vorsatzoptik durch eine oder mehrere überstehende Stoßkanten vor
mechanischer Beschädigung
geschützt
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer optoelektronischen Sensoreinrichtung
ohne Vorsatzoptik.
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen optoelektronischen
Sensoreinrichtung mit Vorsatzoptik.
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3 eine
Vorsatzoptik mit konvexer zylindrischer Optik für ein Lichtgitter in perspektivischer Darstellung.
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4 eine
Vorsatzoptik mit konkaver zylindrischer Optik für ein Lichtgitter in perspektivischer Darstellung.
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5 eine
Vorsatzoptik für
ein Lichtgitter mit konvexer zylindrischer Fresnellinse in perspektivischer
Darstellung.
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6 eine
Vorsatzoptik für
ein Lichtgitter mit konkaver zylindrischer Fresnellinse in perspektivischer
Darstellung.
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7 eine
Vorsatzoptik für
ein Lichtgitter mit innenliegender konkaver zylindrischer Fresnellinse
in perspektivischer Darstellung.
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8 eine
Vorsatzoptik für
ein Lichtgitter mit innenliegender rippenförmiger Streuscheibe in perspektivischer
Darstellung.
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Die 1 zeigt
eine optoelektronische Sensoreinrichtung mit einem Lichtsender 1 auf
einer Seite einer Überwachungsstrecke 3 und
einem Lichtempfänger 2 auf
der anderen Seite der Überwachungsstrecke 3.
Im Lichtsender 1 ist entlang einer optischen Sendeachse 4 eine
Lichtquelle 5, eine Sendelinse 6 und eine Abschlussscheibe 7 angeordnet.
Das aus der Lichtquelle 5 ausgesandte Licht wird durch
die Sendelinse 6 derart beeinflusst, dass es als ein divergentes
Lichtbündel 8 mit
einem Sendekegelwinkel α0 durch die Abschlussscheibe 7 aus
dem Lichtsender 1 austritt. Der Lichtempfänger 2 auf
der gegenüberliegenden
Seite der Überwachungsstrecke 3 hat
ebenfalls entlang einer optischen Empfangsachse 12 eine
Abschlussscheibe 9 und eine Empfangslinse 10.
Die Empfangslinse 10 ist dabei so dimensioniert, dass sie
alles Licht, das innerhalb eines Empfangskegelwinkels β0 auftrifft,
auf dem Lichtempfangselement 11 konzentriert. Die optische
Sendeachse 4 und die optische Empfangsachse 12 sind in 1 exakt
zueinander ausgerichtet, so dass das divergente Lichtbündel 8 die
Abschlussscheibe 9 bzw. die Empfangslinse 10 symmetrisch überleuchtet und
die Abschlussscheibe 7 bzw. die Sendelinse 6 zentriert
innerhalb des Empfangskegelwinkels β0 liegen.
Würden
jedoch die Sendeachse 4 und die Empfangsachse 12 einen
Winkel von mehr als γ0 Grad zueinander bilden, so wäre dies
mit einer Reduktion oder gar Unterbrechung der Lichtübertragung
von der Lichtquelle 5 zum Lichtempfangselement 11 verbunden.
Die Funktion der optoelektronischen Sensoreinrichtung ist dann nicht
mehr sichergestellt.
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In
der 2 ist vor der Abschlussscheibe des Lichtsenders 1 der
optoelektronischen Sensoreinrichtung erfindungsgemäß eine Vorsatzoptik 13 aufgesteckt.
Die in 2 dargestellte Vorsatzoptik 13 zeigt
in der Schnittdarstellung eine konkave Linse 14. In Abhängigkeit
von der Brechkraft der konkaven Linse 14 wird der Sendekegelwinkel α1 gegenüber dem
Sendekegelwinkel α0 von 1 vergrößert. Gleichzeitig
ist in 2 auch vor der Abschlussscheibe des Lichtempfängers 2 eine
Vorsatzoptik 15 aufgesteckt, welche ebenfalls eine konkave
Linse 16 beinhaltet und somit den Empfangskegelwinkel β1 gegenüber dem
Empfangskegelwinkel β0 von 1 vergrößert.
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Der
zulässige
Freiheitsgrad in der Winkelabweichung γ1 zwischen
der Sendeachse 4 und der Empfangsachse 12 ist
somit deutlich vergrößert.
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Analog
dieser Darstellungen in 1 und 2 ist es
erfindungsgemäß auch möglich, dass der
Sendekegelwinkel α0 und der Empfangskegelwinkel β0 ohne
Vorsatzoptik jeweils den größeren Wert
hat, der dann durch die Vorsatzoptiken, die in diesem Fall dann
mit konvexen Linsen ausgestattet sind, verringert wird.
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Die
perspektivische Darstellung in 3 zeigt
eine Vorsatzoptik 20 mit konvexer zylindrischer Optik 21 für ein aus
mehreren Lichtstrahlen bestehendes Lichtgitter.
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Bei
einem Lichtgitter sind in einem ersten Gehäuse mehrere Lichtsender auf
einer Seite einer Überwachungsfläche und
in einem zweiten Gehäuse mehrere
Lichtempfänger
auf der anderen Seite der Überwachungsfläche angeordnet.
Dabei kommuniziert, in kurzer zeitlicher Folge abwechselnd, immer ein
Lichtsender/Lichtempfängerpaar
miteinander, so dass letztlich nicht nur eine einzelne Linie, sondern eine
Fläche
streifenförmig überwacht
wird. Die einzelnen Lichtsender bzw. Lichtempfänger sind dabei um den Abstand
A versetzt entlang einer Linie 23 in dem jeweiligen Gehäuse angeordnet.
Dadurch sind auch die angedeuteten Lichtdurchtritte 22' bis 22n der einzelnen Lichtstrahlen in der
Vorsatzoptik zueinander versetzt. Die Zylinderachse der konvexen
Optik 21 verläuft
ebenfalls entlang der Linie 23. Parallel zu den beiden
Längsseiten
der Vorsatzoptik 20 sind zwei um ca. 90° abgewickelte Laschen 24 und 25 angebracht,
welche nach dem Aufbringen der Vorsatzoptik auf die optoelektronische
Sensoreinrichtung den hier nicht dargestellten Lichtsender bzw.
den Lichtempfänger übergreifen
und somit eine Klemmverbindung herstellen.
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4 zeigt
eine Vorsatzoptik 30, die im Gegensatz zu der in 3 dargestellten
Variante mit einer konkaven zylindrischen Optik 31 ausgestattet
ist. Auch hier sind an den beiden Längsseiten der Vorsatzoptik 30 zwei
abgewickelte Laschen 32 und 33 angebracht, um
die Vorsatzoptik auf die optoelektronische Sensoreinrichtung aufstecken
zu können.
Zusätzlich
sind in der hier dargestellten Ausführungsform auf der Innenseite
der Laschen 32 und 33 jeweils eine Nocke 34 bzw. 35 angebracht,
die sich in Längsrichtung
L der Vorsatzoptik erstrecken. Wenn die gesamte Vorsatzoptik beispielsweise
aus optisch transparentem Kunststoff im Strangpressverfahren hergestellt
wurde, kann aufgrund der vorhandenen Flexibilität des Kunststoffmateriales
der freie Abstand zwischen den Laschen 32 und 33 auseinander
gedehnt werden, so dass die Nocken 34 bzw. 35 in
entsprechende Längsnuten,
die vertieft im Lichtsender bzw. im Lichtempfänger angebracht sind, eingreifen können. Auf
diese Weise wird die kraftschlüssige Verbindung
zwischen Vorsatzoptik und der Sensoreinrichtung deutlich verbessert.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Vorsatzoptik, die vergleichbar mit der in 3 dargestellten
Variante ist. Als Abweichung ist in 5 jedoch
die konvexe zylindrische Linsenform in Form einer Fresnellinse 40 ausgeführt. Derartige
Fresnellinsen, auch Stufenlinsen genannt, sind insbesondere bei
Linsen mit einem großen Öffnungsverhältnis von Vorteil.
Speziell beim Herstellprozess der Vorsatzoptik, zum Beispiel im
Spritzverfahren, ist diese Linsenform von Vorteil, weil sich bei
der Fresnellinse der Dickenunterschied von Linsenmitte zum Linsenrand nicht
wesentlich verändert
und damit die Bedingungen für
den Spritzprozess günstiger
sind.
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Analog
zu 5 ist in 6 eine Vorsatzoptik
mit einer konkaven zylindrischen Fresnellinse 50 gezeigt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Vorsatzoptik ist in 7 dargestellt. Die optische
Wirkung wird von einer plan-konkaven Zylinderlinse 60,
die als Fresnellinse ausgeführt
ist, erzeugt. In Abweichung zu den Darstellungen in den 3 bis 6 ist
hier jedoch die optisch stärker brechende
Fläche
auf der dem Lichtsender bzw. Lichtempfänger zugewandten Seite angebracht.
Damit ist die mit Stufen bzw. Strukturen versehene profilierte optische
Grenzfläche 61 vor
den umweltbedingten Verunreinigungen geschützt. Lediglich die plane, optische
Grenzfläche 62,
die sich im Falle einer Ablagerung von Vermutzungen leicht reinigen lässt, ist
der Gefahr einer Verschmutzung ausgesetzt. Um die optische Grenzfläche auch
gegen mechanische Beschädigungen
zu schützen,
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
an der Vorsatzoptik, seitlich außerhalb der optisch genutzten
Zone, eine oder mehrere Stoßkanten 63, 63' anzubringen.
Dadurch wird zum Beispiel vermieden, dass Gegenstände, die sehr
nahe an der Vorsatzoptik vorbeibewegt werden, die plane optische
Grenzfläche 62 nicht
verkratzen.
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In 8 wird
die Veränderung
des Sendekegelwinkels bzw. des Empfangskegelwinkels in der Vorsatzoptik
im Wesentlichen durch eine in die optische Grenzfläche eingelassene
Rasterstruktur 70 hervorgerufen. Dabei handelt ist sich
um prismen- oder
wellenförmige
Vertiefungen innerhalb der optischen Grenzfläche, welche einen darauf auftreffenden
Lichtstrahl fächerförmig aufstreuen.