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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
optische Sensoren können
insbesondere als Lichtschranken, Lichttaster, Reflexionslichtschranken
und Distanzsensoren ausgebildet sein. Generell weisen diese optische
Sensoren zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich wenigstens
einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und wenigstens einen
Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf, welche je nach Ausbildung
des optischen Sensors in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen integriert
sind. In einer Auswerteeinheit erfolgt die Auswertung der am Ausgang
des Empfängers
anstehenden Empfangssignale.
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Zur
Strahlführung
der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen weisen die
optischen Sensoren typischerweise unterschiedliche Optikelemente
auf. Die Optikelemente können
insbesondere von Austrittsfenstern in Wänden des oder der Gehäuse gebildet
sein, durch die die Sendelichtstrahlen und/oder die Empfangslichtstrahlen
geführt
sind. Weiterhin können
die Optikelemente als Mittel zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen
und/oder der Empfangslichtstrahlen ausgebildet sein. Insbesondere
können
dabei die Optikelemente in Form von Linsen ausgebildet sein.
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Derartige
Optikelemente können
insbesondere aus Glas bestehen. Vorteilhaft bei derartigen Optikelementen
ist, dass diese die Polarisationseigenschaften der Sendelichtstrahlen
und/oder Empfangslichtstrahlen nicht ändern. Damit können diese vorteilhaft
bei mit polarisierendem Licht arbeitenden optischen Sensoren eingesetzt
werden, da diese Optikelemente die Nachweisempfindlichkeit dieser
optischen Sensoren nicht beeinträchtigen.
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Nachteilig
hierbei ist jedoch, dass aus Glas bestehende Optikelemente teuer
sind und die Herstellkosten der optischen Sensoren in unerwünschter Weise
erhöhen.
Weiterhin weisen aus Glas bestehende Optikelemente auch technologische
Nachteile auf. Beispielsweise können
aus Glas bestehende Optikelemente nicht mittels rationeller Ultraschallschweißverfahren
in Aufnahmen fixiert und/oder abgedichtet werden.
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Aus
diesen Gründen
werden in optischen Sensoren verstärkt aus Kunststoffen bestehende
Optikelemente eingesetzt, wobei diese Optikelemente in Spritzgussverfahren
hergestellt werden. Die so hergestellten Optikelemente zeigen jedoch
nach deren Abkühlung
unerwünscht
starke Spannungsdoppelbrechungen auf. Dies ist insbesondere bei
mit polarisierendem Licht arbeitenden optischen Sensor nachteilig,
da definierte Polarisationseigenschaften der Sendelichtstrahlen
und/oder Empfangslichtstrahlen, die zur Objektdetektion notwendig
sind, bei Durchgang durch die Optikelemente in undefinierter Weise verändert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der
eingangs genannten An bereitzustellen, welcher bei möglichst
geringen Herstellkosten gute und definierte optische Eigenschaften
aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
und weist wenigstens einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender,
wenigstens einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger sowie
eine Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststel lungssignals
in Abhängigkeit
der am Ausgang des Empfängers
anstehenden Empfangssignale auf. Zur Strahlführung der Sendelichtstrahlen und/oder
der Empfangslichtstrahlen sind aus Kunststoff bestehende und in
einem Kaltgießverfahren durch
Polyreaktion hergestellte Optikelemente vorgesehen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Optikelemente
nicht nur kostengünstig
herstellbar sind sondern zugleich auch definierte und reproduzierbare optische
Eigenschaften aufweisen. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass
die aus Kunststoff bestehenden, in einem Kaltgießverfahren hergestellten Optikelemente äußerst spannungsarm
sind. Dadurch weisen die erfindungsgemäßen Optikelemente eine hohe
optische Qualität
auf, wobei diese insbesondere die Polarisationseigenschaften der
diese durchsetzenden Sendelichtstrahlen und/oder Empfangslichtstrahlen
nicht nennenswert beeinträchtigen.
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Die
zur Herstellung der Optikelemente nach dem Kaltgießverfahren
eingesetzten Kunststoffe können
von Polymerisaten, Polyaddukten oder Polykondensaten gebildet sein,
so dass eine große
Materialvielfalt zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Optikelemente
zur Verfügung
steht.
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Zur
Durchführung
des Kaltgießverfahrens werden
geeignete Formen als sogenannte Master eingesetzt, die im Wesentlichen
aus beabstandeten Glasplatten bestehen, die im Bodenbereich durch Dichtungen
verbunden sind. In die so gebildeten Formen werden die Monomere
der jeweiligen Kunststoffe eingeführt, wobei diese in den Formen
durch Polyreaktion aushärten.
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Durch
eine geeignete Wahl der Formen, insbesondere der hierfür eingesetzten
Glasplatten kann die Form der Optikelemente einfach vorgegeben werden.
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Insbesondere
können
durch eine geeignete Bearbeitung der Glasplatten die Optikelemente
mit geeigneten optischen Strukturen, insbesondere refraktiven oder
diffraktiven Strukturen, versehen werden. Somit können durch
eine geeignete Wahl der Formen die Optikelemente einfach an die
jeweilige Applikation angepasst werden.
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Die
Optikelemente können
dabei generell als Mittel zur Strahlführung oder Strahlformung von Lichtstrahlen
wie Linsen, Strahlteiler oder als strahlumlenkende Mittel wie Prismen
ausgebildet sein.
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Die
Herstellung der Optikelemente ist dabei rationell und kostengünstig durchführbar. Dies
ist insbesondere dann der Fall wenn die Formen zur Herstellung der
Optikelemente Mehrfachstrukturen bilden, bei welchen in einem Kaltgießprozess
eine Vielzahl von Optikelementen hergestellt werden kann. Die mit
einem solchen Prozess hergestellten Optikelemente können dabei
nach erfolgtem Kaltgießprozess,
das heißt
nach Aushärtung
der Mehrfachanordnung zum Optikelement durch Sägeverfahren vereinzelt werden.
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Ein
wesentlicher technologischer Vorteil der erfindungsgemäßen Optikelemente
besteht darin, dass diese zur Fixierung und Abdichtung in Aufnahmen
mit Ultraschallschweißprozessen
bearbeitbar sind.
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Durch
deren variable Ausgestaltungsmöglichkeiten
können
die Optikelemente in unterschiedlichen Ausbildungen in verschiedenartigen
optischen Sensoren wie zum Beispiel Lichtschranken, Lichttaster,
Reflexionslichtschranken oder Distanzsensoren eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines als Reflexionslichtschranke ausgebildeten
optischen Sensors.
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2:
Schematische Darstellung einer Form zur Herstellung eines Optikelements
für den
optischen Sensor gemäß 1.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines als Reflexionslichtschranke ausgebildeten optischen Sensor 1.
Generell kann der optische Sensor 1 auch als Lichtschranke,
Lichttaster, Distanzsensor oder dergleichen ausgebildet sein. Die
optischen und elektronischen Bauelemente sind in einem Gehäuse 2 integriert,
welches an einem Rand des Überwachungsbereichs
angeordnet ist. Am gegenüberliegenden
Rand des Überwachungsbereichs
befindet sich ein Reflektor 3, der Bestandteil der Reflexionslichtschranke
ist.
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Der
optische Sensor 1 weist einen Sendelichtstrahlen 4 emittierenden
Sender 5 und einen Empfangslichtstrahlen 6 empfangenden
Empfänger 7 auf.
Der Sender 5 besteht aus einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode.
Der Empfänger 7 besteht
aus einer Photodiode oder dergleichen.
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Zur
koaxialen Strahlführung
der Sendelichtstrahlen 4 und der Empfangslichtstrahlen 6 weist
der optische Sensor 1 einen im Gehäuse 2 integrierten Strahlteilerspiegel 8 auf.
An dem Strahlteilerspiegel 8 werden die Sendelichtstrahlen 4 reflektiert
und dabei in einem Winkel um 90° in
Richtung des Überwachungsbereichs
umgelenkt. Die Empfangslichtstrahlen 6 durchsetzen den
Strahlteilerspiegel 8 teilweise und werden von dort zum
Empfänger 7 geführt.
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Dem
Strahlteilerspiegel 8 ist eine Linse als kombinierte Sende-
und Empfangsoptik 9 nachgeordnet, die zur Strahlformung
der Sendelichtstrahlen 4 und der Empfangslichtstrahlen 6 dient.
Dabei wird die Sende- und Empfangsoptik 9 von den koaxial
verlaufenden Sendelichtstrahlen 4 und Empfangslichtstrahlen 6 durchsetzt.
Die Sende- und Empfangsoptik 9 befindet sich hinter einem
Austrittsfenster 10, welches in einer Ausnehmung in der
Frontwand des Gehäuses 2 fixiert
ist. Die über
den Strahlteilerspiegel 8 und die Sende- und Empfangsoptik 9 geführten Sendelichtstrahlen 4 durchsetzen
das Austrittsfenster 10 und gelangen so in den Überwachungsbereich. Die
Empfangslichtstrahlen 6, die bei freiem Strahlengang am
Reflektor 3 und bei einem Objekteingriff an einem nicht
dargestellten Objekt zum optischen Sensor 1 zurückreflektiert
werden, durchsetzen das Austrittsfenster 10 und werden
dann über
die Sende- und Empfangsoptik 9 und dem Strahlteilerspiegel 8 zum Empfänger 7 geführt.
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Zur
Erhöhung
der Nachweissicherheit arbeitet die in 1 dargestellte
Reflexionslichtschranke mit polarisiertem Licht.
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Zur
Polarisierung der Sendelichtstrahlen 4 ist dem Sender 5 ein
erster Polarisationsfilter 11 im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 4 unmittelbar vorgeordnet.
Im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen 6 ist dem Empfänger 7 ein
zweiter Polarisationsfilter 12 unmittelbar vorgeordnet.
Bei freiem Überwachungsbereich
treffen die Sendelichtstrahlen 4 auf den Reflektor 3 und
werden von dort als Empfangslichtstrahlen 6 zum Empfänger 7 zurückreflektiert.
Befindet sich ein Objekt im Überwachungsbereich,
werden die Sendelichtstrahlen 4 von diesem zum Empfänger 7 zurückreflektiert.
In Abhängigkeit der
hierbei am Ausgang des Empfängers 7 registrierten
Empfangssignale wird in einer Auswerteeinheit 13 ein binäres Objektfeststellungssignal
generiert, dessen Schaltzustände
angeben, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht. Die Auswerteeinheit 13 ist von einem
Mikrocontroller oder dergleichen gebildet.
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Im
Strahlengang der Sendelichtstrahlen 4 sind der Strahlteilerspiegel 8,
die Sende- und Empfangsoptik 9 und das Austrittsfenster 10 als
Optikelemente nachgeordnet. Um eine entsprechend hohe Nachweissicherheit
der Reflexionslichtschranke zu erhalten, ist es erforderlich, dass
die mit dem Polarisationsfilter 11 erzeugte Polarisation
bei Durchgang durch diese Optikelemente erhalten bleibt.
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Hierzu
bestehen die Optikelemente aus Kunststoff-Elementen, die in einem
Kaltgießverfahren
hergestellt werden. Die so ausgebildeten Optikelemente sind äußerst spannungsarm,
das heißt
in den Optikelementen treten keine unerwünschten, die Polarisation der
Sendelichtstrahlen 4 und/oder Empfangslichtstrahlen 6 beeinflussenden
Spannungsdoppelberechnungen auf.
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2 zeigt
schematisch eine Form 14 zur derartigen Herstellung eines
Optikelements. Die Form 14 besteht im Wesentlichen aus
zwei gegenüberliegend
in Abstand zueinander angeordneten Glasplatten 15, die
bevorzugt aus Acrylglas bestehen. Im Bodenbereich sind die Glasplatten 15 über eine
Dichtung 16 verbunden. Der obere Rand der Form 14 ist
offen, so dass über
diesen eine flüssige Kunststoffmasse
zur Ausbildung der jeweiligen Optikelemente eingefüllt werden
kann.
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Generell
werden monomere Kunststoffmassen in die Form 14 eingefüllt. Durch
eine geeignete Wahl einer Prozesstemperatur erfolgt durch eine Polymerreaktion
und mit dieser ein Aushärten
des Kunststoffs in einem Vakuum. Durch den oberen offenen Rand der
Form 14 erfolgt dabei eine Entgasung des Kunststoffs, so
dass sich keine störenden Luftbläschen in
dem herzustellenden Optikelement bilden.
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Wesentlich
hierbei ist, dass die Prozesstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur
des nach der Aushärtung
durch die Polymerreaktion erhaltenen Kunststoffs liegt, wodurch
Spannungsdoppelberechnungen im Optikelement vermieden werden.
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Typischerweise
liegt die Prozesstemperatur bei Werten kleiner als 60°C.
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Der
Kunststoff zur Ausbildung des mit der Form 14 gemäß 2 hergestellten
Optikelements kann von einem Polymerisat gebildet sein. Das Polymerisat
kann insbesondere von Polymethylmethacrylat (PMMA) gebildet sein.
Zur Herstellung eines derartigen Optikelements wird in die Form 14 flüssiges Methylmetacrylat
eingefüllt.
Bei einer unterhalb des Schmelzprodukts vom PMMA liegenden Prozesstemperatur
erfolgt im Vakuum die Polymerisation des Methylmetacrylats und dabei
die Aushärtung
des herzustellenden Optikelements.
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Alternativ
kann das Optikelement aus einem Polyaddukt wie zum Beispiel einem
Epoxidharz bestehen. Weiterhin kann das Optikelement auch aus einem
Polykondensat wie zum Beispiel einem Polyester, gebildet sein.
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Die
Form 14 gemäß 2 kann
dahingehend erweitert sein, dass mit dieser mehrere Optikelemente
in einem Kaltgießprozess
hergestellt werden können.
Die nach dem Kaltgießprozess
in einer so ausgebildeten Form 14 hergestellten Optikelemente können anschließend mit
einem Sägeverfahren
vereinzelt werden. Alternativ kann die Form 14 so ausgebildet
sein, dass zwischen einem einzelnen Optikelement Bruchkanten oder
sonstige Sollbruchlinien gebildet werden, entlang derer ein Aufbrechen
der Mehrfachstrukturen ermöglicht
wird.
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Durch
eine geeignete Formgebung der Glasplatten 15 der Form 14 gemäß 2 können auf
diese Weise verschiedenartige Optikelemente hergestellt werden.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die Form 14 zwei
identisch ausgebildet, planparallele Glasplatten 15 auf.
Mit der so ausgebildeten Form 14 werden Optikelemente hergestellt,
die selbst die Form 14 einer planparallelen Platte aufweisen.
Eine derartige Platte kann insbesondere als Austrittsfenster 10 für den optischen
Sensor 1 gemäß 1 verwendet
werden. Weiterhin können
derartige Platten zur Herstellung von Strahlteilerspiegeln 8 eingesetzt
werden, wie sie bei dem optischen Sensor 1 gemäß 1 eingesetzt
werden. Zur Ausbildung der Platte als Strahlteilerspiegel 8 wird
diese zusätzlich mit
einer lichtreflektierenden Schicht beschichtet.
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Weiterhin
können
durch geeignete Formgebung der Glasplatten 15 der Form 14 gemäß 1 Optikelemente
in Form von strahlformenden Mitteln hergestellt werden. Insbesondere
können
auf diese Weise Linsen hergestellt werden, die beispielsweise als
Sende- und Empfangsoptik 9 im optischen Sensor 1 gemäß 1 verwendet
werden.
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Insbesondere
derartige Linsen können
refraktive oder diffraktive Strukturen aufweisen. Diese können durch
geeignete Strukturierung der Oberflächen der Glasplatten 15 der
Form 14 gemäß 2 bei
dem Kaltgießverfahren
ohne einen zusätzlichen Arbeitsprozess
hergestellt werden.
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Weiterhin
können
die mit der Form 14 gemäß 2 hergestellten
Optikelemente durch geeignete Formgebung der Glasplatten 15 auch
als Strahlumlenkmittel wie Prismen und dergleichen ausgebildet sein.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Reflektor
- 4
- Sendelichtstrahl
- 5
- Sender
- 6
- Empfangslichtstrahl
- 7
- Empfänger
- 8
- Strahlteilerspiegel
- 9
- Sende-
und Empfangsoptik
- 10
- Austrittsfenster
- 11
- Polarisationsfilter
- 12
- Polarisationsfilter
- 13
- Auswerteeinheit
- 14
- Form
- 15
- Glasplatte
- 16
- Dichtung