DE202006003839U1 - Reflexionslichtschranke zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich - Google Patents
Reflexionslichtschranke zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich Download PDFInfo
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Abstract
Reflexionslichtschranke
zum Nachweis von Objekten (14) in einem Überwachungsbereich (12)
mit einer Hauptstrahlungsquelle (30) zum Aussenden von Teststrahlung,
mit einer Hauptsendeoptik (34) zum Leiten der Teststrahlung entlang einem Hauptstrahlengang (36) in dem Überwachungsbereich (12),
mit mindestens einem Reflektor (16) zum Begrenzen des Überwachungsbereichs (12) und zum Reflektieren der Teststrahlung,
mit einem Hauptdetektor (37) zum Nachweis der Teststrahlung und
mit einer Hauptdetektoroptik (38) zum Leiten der vom Reflektor (16) reflektierten Teststrahlung auf den Hauptdetektor (37),
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts (14) im Überwachungsbereich (12) eine Zusatzstrahlungsquelle (50) zum Aussenden von Zusatzstrahlung vorhanden ist,
dass eine Zusatzsendeoptik (54) zum Leiten der Zusatzstrahlung entlang einem Zusatzstrahlengang (56) vorhanden ist,
dass der Zusatzstrahlengang (56) gegenüber dem Hauptstrahlengang (36) so geneigt ist, dass die Zusatzstrahlung jedenfalls auf ein im Überwachungsbereich (12) eventuell befindliches Objekt (14) treffen kann,
dass ein Zusatzdetektor...
mit einer Hauptstrahlungsquelle (30) zum Aussenden von Teststrahlung,
mit einer Hauptsendeoptik (34) zum Leiten der Teststrahlung entlang einem Hauptstrahlengang (36) in dem Überwachungsbereich (12),
mit mindestens einem Reflektor (16) zum Begrenzen des Überwachungsbereichs (12) und zum Reflektieren der Teststrahlung,
mit einem Hauptdetektor (37) zum Nachweis der Teststrahlung und
mit einer Hauptdetektoroptik (38) zum Leiten der vom Reflektor (16) reflektierten Teststrahlung auf den Hauptdetektor (37),
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts (14) im Überwachungsbereich (12) eine Zusatzstrahlungsquelle (50) zum Aussenden von Zusatzstrahlung vorhanden ist,
dass eine Zusatzsendeoptik (54) zum Leiten der Zusatzstrahlung entlang einem Zusatzstrahlengang (56) vorhanden ist,
dass der Zusatzstrahlengang (56) gegenüber dem Hauptstrahlengang (36) so geneigt ist, dass die Zusatzstrahlung jedenfalls auf ein im Überwachungsbereich (12) eventuell befindliches Objekt (14) treffen kann,
dass ein Zusatzdetektor...
Description
- Die Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Eine gattungsgemäße Reflexionslichtschranke ist in
DE 100 29 865 A1 beschrieben und weist eine Hauptstrahlungsquelle zum Aussenden von Teststrahlung, eine Hauptsendeoptik zum Leiten der Teststrahlung entlang einem Hauptstrahlengang in dem Überwachungsbereich, mindestens einen Reflektor zum Begrenzen des Überwachungsbereichs und zum Reflektieren der Teststrahlung, einen Hauptdetektor zum Nachweis der Teststrahlung und eine Hauptdetektoroptik zum Leiten der vom Reflektor reflektierten Teststrahlung auf den Hauptdetektor auf. - Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Reflexionslichtschranke zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich wird eine Teststrahlung entlang einem Hauptstrahlengang in den Überwachungsbereich geleitet und die Teststrahlung wird, sofern sich kein Objekt im Überwachungsbereich befindet, von einem Reflektor, der den Überwachungsbereich begrenzt, reflektiert und von einem Hauptdetektor nachgewiesen.
- Solche Reflexionslichtschranken werden bei komplexen Maschinen, in der Prozessautomatisierung und allgemein in der industriellen Technik für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
- Ganz allgemein besteht hierbei ein Bedürfnis, diese Reflexionslichtschranken auch bei geringem zur Verfügung stehendem Platz flexibel einsetzen zu können.
- Die Wirkungsweise einer konventionellen Reflexionslichtschranke mit Autokollimation kann mit Bezug auf die
1 und2 erläutert werden, welche darüber hinaus aber ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhalten. - Bei konventionellen Reflexionslichtschranken wird die von einer Hauptstrahlungsquelle
30 abgestrahlte und einem Detektor67 nachgewiesene Lichtleistung ausgewertet. Der Mittelpunkt der Hauptstrahlungsquelle30 befindet sich dabei zweckmäßigerweise in der optischen Achse60 einer Sendeoptik64 , wobei es sich im gezeigten Beispiel um eine einfache Linse handelt. Das Licht gelangt von der Hauptstrahlungsquelle30 durch einen halbdurchlässigen Spiegel20 und die Sendeoptik64 zu einem Reflektor16 . Von diesem Reflektor16 wird das Licht anschließend zur Sendeoptik64 zurück und anschließend vom halbdurchlässigen Spiegel20 in Richtung des Detektor67 reflektiert. Bei Überschreiten eines Entscheidungsschwellwerts der auf den Detektor67 auftreffenden Lichtleistung schaltet die Lichtschranke, da, wie in1 dargestellt, der Lichtweg zwischen der Hauptstrahlungsquelle30 und dem Reflektor16 frei ist. Wenn sich aber, wie in2 dargestellt, ein diffus reflektierendes Objekt14 im Überwachungsbereich12 zwischen Detektor67 und Reflektor16 befindet, trifft der Lichtstrahl nicht mehr den Reflektor16 . Während der Reflektor16 das Licht gerichtet zurückreflektiert, streut ein diffus reflektierendes Objekt14 das Licht breit und nur ein geringer Anteil des Lichts wird in Richtung des Detektors67 reflektiert. Daraus folgt, dass die vom Detektor67 nachgewiesene Lichtleistung, die in2 durch die Ellipse39 symbolisiert wird, kleiner ist als die durch die Ellipse35 repräsentierte Lichtleistung, welche bei der in1 gezeigten Situation gemessen wird, wenn das Licht vom Reflektor16 reflektiert wird. Entsprechend wird der Entscheidungsschwellwert unterschritten und der Sensor, d.h. die Reflexionslichtschranke schaltet. - Von dem diffus reflektierenden Objekt
14 wird das Licht auch auf den Hauptstrahlengang36 reflektiert. Der Detektor67 ist dann mehr oder weniger homogen ausgeleuchtet. Allerdings wird ein mit der Entfernung des Objekts14 wachsender Anteil der auf das Objekt14 auftreffenden Strahlung auch in andere, nicht den Detektor treffende Richtungen reflektiert. Deshalb ist die in2 nachgewiesene Intensität der direkt reflektierten Strahlung geringer, als wenn ein Reflektor, wie in1 , praktisch die gesamte Strahlung direkt auf dem Hauptstrahlengang36 zum Detektor67 reflektiert. - Eine solche konventionelle Reflexionslichtschranke mit Autokollimation hat den Nachteil, dass von einem stark reflektierenden oder streuenden, beispielsweise weißen Objekt
14 , das sich sehr dicht vor der Sendeoptik64 befindet, verhältnismäßig viel Lichtleistung zum Detektor67 reflektiert wird. Der Entscheidungsschwellwert muss dann höher gewählt werden, damit unabhängig von der Position eines nachzuweisenden Objekts14 im Überwachungsbereich12 der Entscheidungsschwellwert sicher unterschritten wird. Außerdem ist aber zu berücksichtigen, dass die vom Reflektor16 zurückgestrahlte Lichtleistung mit der Entfernung zwischen der Hauptstrahlungsquelle30 und dem Reflektor16 abnimmt. Dies ist einerseits auf ein nicht ideales, beispielsweise streuendes Rückstrahlungsverhalten des Reflektors16 zurückzuführen. Andererseits wird bei Einsatz eines kleinen Reflektors16 im Fernfeld nur ein mit der Entfernung abnehmender Teil des ausgesendeten Lichts reflektiert, da der Reflektor16 , der auch als Retroreflektor bezeichnet werden kann, überstrahlt wird. - Die maximal zulässige Entfernung, das heißt die Größe des Überwachungsbereichs
12 insgesamt, ist deshalb dadurch eingeschränkt, dass die Lichtleistung den Entscheidungsschwellwert überschreiten muss. Dieser muss so hoch liegen, dass durch reflektierte Strahlung von einem Objekt an einer beliebigen Position im Überwachungsbereich12 die Einschaltschwelle sicher nicht überschritten wird. Andererseits muss das von dem Reflektor16 zurückreflektierte Licht so intensiv sein, dass der Entscheidungsschwellwert zuverlässig überschritten wird. - Aus diesen Zwangsbedingungen ergibt sich also eine prinzipielle Beschränkung für die Größe des Überwachungsbereichs
12 . - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reflexionslichtschranke zu schaffen, bei der der Überwachungsbereich flexibler gestaltet und insbesondere erheblich vergrößert werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Reflexionslichtschranke mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Die Reflexionslichtschranke der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts im Überwachungsbereich eine Zusatzstrahlungsquelle zum Aussenden von Zusatzstrahlung vorhanden ist, dass eine Zusatzsendeoptik zum Leiten der Zusatzstrahlung entlang einem Zusatzstrahlengang vorhanden ist, dass der Zusatzstrahlengang gegenüber dem Hauptstrahlengang so geneigt ist, dass die Zusatzstrahlung jedenfalls auf ein im Überwachungsbereich eventuell befindliches Objekt treffen kann, dass ein Zusatzdetektor zum Nachweis von von einem Objekt reflektierter und/oder gestreuter Zusatzstrahlung vorhanden ist, dass zum Leiten der von einem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Zusatzstrahlung auf den Zusatzdetektor eine Zusatzdetektoroptik vorhanden ist und dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts im Überwachungsbereich Messinformationen des Hauptdetektors und des Zusatzdetektors auswertbar sind.
- Die erfindungsgemäße Reflexionsschranke kann besonders vorteilhaft zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten Art eingesetzt werden, welches dadurch weitergebildet ist, dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts eine Zusatzstrahlung entlang einem Zusatzstrahlengang in den Überwachungsbereich so geleitet wird, dass die Zusatzstrahlung jedenfalls auf ein im Überwachungsbereich eventuell befindliches nachzuweisendes Objekt treffen kann, dass Zusatzstrahlung, die von einem Objekt reflektiert oder gestreut wird, von einem Zusatzdetektor nachgewiesen wird und dass Messinformationen des Hauptdetektors und des Zusatzdetektors zum Nachweis, ob sich ein nachzuweisendes Objekt im Überwachungsbereich befindet, ausgewertet werden.
- Als erster Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, zusätzlich zu der von dem nachzuweisenden Objekt gestreuten und/oder reflektierten Strahlung beziehungsweise der vom Reflektor reflektierten Strahlung eine weitere Messinformation bereitzustellen, die einen Unterschied zwischen einem sehr dicht vor der Hauptstrahlungsquelle befindlichen Objekt und einem Reflektor im Fernfeld erkennen lässt.
- Gemäß einem zweiten Kerngedanken der Erfindung wird diese zusätzliche Messinformation bereitgestellt durch eine Zusatzstrahlung, welche von einer Zusatzstrahlungsquelle entlang einem gegenüber dem Hauptstrahlengang geneigten Zusatzstrahlen gang ausgesendet wird. Die Neigung des Zusatzstrahlengangs gegenüber dem Hauptstrahlengang ist dabei so gewählt, dass die Zusatzstrahlung jedenfalls auf ein eventuell im Überwachungsbereich befindliches Objekt treffen kann.
- Als erster wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke kann angesehen werden, dass durch Bereitstellen der zusätzlichen Messinformation in Form der nachgewiesenen Zusatzstrahlung, äußerst zuverlässig auch stark streuende Objekte, die sich dicht vor der Hauptstrahlungsquelle befinden, von dem Strahlungsmuster, welches von auch sehr weit entfernten Reflektoren generiert wird, unterschieden werden kann. In Praxis konnten hierdurch Vergrößerungen des Überwachungsbereichs bis zu einem Faktor 3 realisiert werden. Beispielsweise sind Reflexionslichtschranken mit einem Überwachungsbereich bis zu 10 m möglich.
- Für die weitere Beschreibung der Funktion der Erfindung wird im Folgenden zunächst von der Annahme ausgegangen, dass sich der Reflektor in einer so hohen Entfernung zum Hauptdetektor befindet, dass die im Hauptdetektor gemessene Intensität aufgrund von Strahlung, die vom Reflektor reflektiert wurde, geringer ist, als die von einem im Überwachungsbereich vorhandenen Objekt gestreute oder reflektierte Strahlungsintensität. In diesem Fall würde die konventionelle Reflexionslichtschranke das Objekt nicht erkennen. Wenn nun von der erfindungsgemäß vorhandenen Zusatzstrahlungsquelle Zusatzstrahlung ausgesendet wird und sich kein Objekt im Überwachungsbereich befindet, würde der Zusatzdetektor keinerlei Zusatzstrahlung messen, wenn der Zusatzstrahlengang außerdem so gewählt ist, dass die Zusatzstrahlung nicht auf den Reflektor treffen kann. Befindet sich bei einer solchen Konfiguration jedoch ein Objekt vergleichsweise nahe bei der Hauptstrahlungsquelle, der Zusatz strahlungsquelle sowie dem Haupt- und Zusatzdetektor, wird vom Zusatzdetektor eine Intensität der Zusatzstrahlung gemessen.
- Durch folgende logische Verknüpfung kann dann erkannt werden, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet. Nur wenn die von der Hauptstrahlungsquelle im Hauptdetektor hervorgerufene Strahlungsintensität einen bestimmten Grenzwert überschreitet und die von der Zusatzstrahlungsquelle auf dem Zusatzdetektor hervorgerufene Intensität den Grenzwert unterschreitet, befindet sich kein Objekt im Überwachungsbereich. In jedem anderen Fall nimmt die Reflexionslichtschranke den Zustand "Objekt erkannt" ein.
- Grundsätzlich muss der Verlauf der Strahlengänge für die Teststrahlung und die Zusatzstrahlung in Abhängigkeit von der Größe der typischerweise nachzuweisenden Objekte gewählt und angepasst werden.
- Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke ist also der Zusatzstrahlengang gegenüber dem Hauptstrahlengang so geneigt, dass die Zusatzstrahlung nicht auf den Reflektor treffen kann. Bei einer solchen Anordnung kann folglich keinerlei Zusatzstrahlung vom Reflektor auf den Zusatzdetektor gelangen. Die Auswertung gestaltet sich deshalb bei einer solchen Variante insgesamt einfach, da prinzipiell davon ausgegangen werden kann, dass sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet, wenn Zusatzstrahlung vom Zusatzdetektor nachgewiesen wird. Voraussetzung zur Realisierung dieser Variante ist, dass der Reflektor in einer geeigneten Lage positioniert ist.
- Bei einer einfachen Anordnung der optischen Komponenten kann die erforderliche Neigung des Zusatzstrahlengangs dadurch erreicht werden, dass die Zusatzstrahlungsquelle bezüglich der Hauptstrahlungsquelle und dem Hauptstrahlengang seitlich versetzt angeordnet ist.
- Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind zusätzlich zur Zusatzstrahlungsquelle weitere Zusatzstrahlungsquellen zum Aussenden von weiterer Zusatzstrahlung vorhanden, wobei die von einem Objekt gestreute weitere Zusatzstrahlung detektierbar und zum Nachweis von stark streuenden Objekten auswertbar ist. Die Zuverlässigkeit des Nachweises von stark streuenden Objekten kann dann noch weiter erhöht werden.
- Diese weiteren Zusatzstrahlungsquellen können beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite der Zusatzstrahlungsquelle, allgemein im Umkreis oder der unmittelbaren Umgebung der Hauptstrahlungsquelle angeordnet werden, damit der Sensor, also die Reflexionslichtschranke, nicht den Zustand "Objekt erkannt" einnimmt, wenn sich im Fernfeld kein Reflektor, aber im Nahfeld ein diffus reflektierendes Objekt in einer beliebigen Position befindet.
- Die weiteren Zusatzstrahlungsquellen können ebenfalls seitlich neben der Hauptstrahlungsquelle angeordnet sein, wodurch jeweils wiederum ein gegenüber dem Hauptstrahlengang geneigter Strahlungsverlauf erreicht werden kann. Zweckmäßig kann auch hier der Strahlungsverlauf jeweils so gewählt werden, dass der Reflektor nicht mit der weiteren Zusatzstrahlung beaufschlagt werden kann.
- In verfahrensmäßiger Hinsicht wird dabei weitere Zusatzstrahlung entlang von weiteren gegenüber dem Hauptstrahlengang geneigten Zusatzstrahlengängen in den Überwachungsbereich geleitet, von einem Objekt gestreute und/oder reflektierte weitere Zusatzstrahlung wird nachgewiesen und die weitere Zusatzstrah lung wird zum Nachweis, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet, ausgewertet.
- Die erhaltenen Informationen, also die nachgewiesene Teststrahlung, die nachgewiesene Zusatzstrahlung und/oder die nachgewiesene weitere Zusatzstrahlung kann außerdem in besonders vorteilhafter Weise zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung des Objekts ausgewertet werden. Hierdurch ergeben sich für die erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke im Vergleich zum Stand der Technik völlig neue Anwendungsmöglichkeiten.
- Der Aufbau der Reflexionslichtschranke kann kompakter gestaltet werden, wenn die Hauptsendeoptik und die Zusatzsendeoptik ein und dieselbe Sendeoptik ist. Außerdem kann der Hauptdetektor und der Zusatzdetektor ein und derselbe Detektor sein und die Hauptdetektoroptik und die Zusatzdetektoroptik kann ein und dieselbe Detektoroptik sein. Je nach zur Verfügung stehendem Platz für den Einbau der Reflexionslichtschranke kann die eine oder andere Variante erwünscht und zweckmäßig sein.
- Auch in verfahrensmäßiger Hinsicht ergeben sich Vorteile, wenn als Hauptdetektor und als Zusatzdetektor ein und derselbe Detektor verwendet wird. Der sehr geringe Aufwand, mit dem sich das Verfahren dann realisieren lässt, ist eine wesentliche Stärke der Erfindung.
- Grundsätzlich gestattet eine Konfiguration mit einer separaten Sende- und Detektoroptik eine sehr flexible Anordnung der Reflexionslichtschranke. Sendeoptik und Empfangsoptik können zweckmäßig aus Kunststofflinsen, mithin aus kostengünstigen Komponenten, aufgebaut sein.
- Für bestimmte Anwendungen kann aber auch eine Weiterbildung der Erfindung bevorzugt sein, bei der die Sendeoptik und die Detektoroptik ein und dieselbe Autokollimationsoptik ist und bei der zum Leiten der Teststrahlung und der Zusatzstrahlung auf den Detektor ein Strahlteiler vorhanden ist. Bei dieser Variante ist die Reflexionslichtschranke insgesamt aus sehr wenigen Komponenten aufgebaut. Hierbei wird außerdem der Vorteil erreicht, dass praktisch beliebig dicht vor der Autokollimationsoptik befindliche Objekte nachgewiesen werden können.
- Als Haupt- und/oder Zusatzstrahlungsquellen kommen grundsätzlich die verschiedensten Strahlungsquellen in Betracht. Beispielsweise können Laser ebenso eingesetzt werden, wie Glühlampen mit entsprechender Optik. Bei besonders bevorzugten Varianten sind aber als Hauptstrahlungsquelle und/oder als Zusatzstrahlungsquelle LED's eingesetzt. Diese Komponenten sind energieeffektiv und außerdem kostengünstig.
- Im Hinblick auf die Variante mit mehreren Zusatzstrahlungsquellen ist in diesem Zusammenhang außerdem besonders bevorzugt, wenn die Hauptstrahlungsquelle und die Zusatzstrahlungsquelle und/oder die weiteren Zusatzstrahlungsquellen gemeinsam als LED-Senderarray mit n=2, n=3, n=4 oder n=5 LED's ausgebildet sind. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass nur ein einziges Bauelement eingesetzt werden muss. Die jeweiligen Senderabschnitte des Arrays können grundsätzlich jeweils dieselbe Größe aufweisen. Auch unterschiedliche Größen sind möglich und für bestimmte Anwendungen sinnvoll.
- Hierzu können als Hauptstrahlungsquelle und als Zusatzstrahlungsquelle zwei LED-Chips in ein bedrahtetes Bauelement oder ein SMD-Bauelement eingebaut sein, oder zwei LED-Chips können on board bestückt sein.
- Die Fehler- und/oder Störanfälligkeit der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke kann weiter reduziert und die Nach weissicherheit auch für stark streuende Objekte damit erhöht werden, wenn als Hauptstrahlungsquelle und/oder als Zusatzstrahlungsquelle LED's, insbesondere sogenannte "point-source"-LED's, eingesetzt sind, bei denen sich an der optisch emittierenden Fläche keine Elektrode befindet. Ebenso können Leuchtdioden eingesetzt werden, bei denen der leuchtende Bereich durch die Elektrode umschlossen wird. Die Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung weist bei solchen LED's nicht die bei konventionellen LED's vorhandenen "dips" auf, die von den frontseitig gebondeten Anschlussdrähten herrühren.
- In bestimmten Anwendungssituationen können auch VCSELs und/oder RCLEDs als Strahlungsquelle vorteilhaft eingesetzt werden.
- Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen würde ein sich vergleichsweise dicht vor dem Detektor befindender Reflektor, der Teststrahlung und Zusatzstrahlung reflektiert, ebenfalls als Objekt erkannt. Um dies auszuschließen, kann eine Variante zweckmäßig sein, bei der im Zusatzstrahlengang, insbesondere vor dem Zusatzdetektor, eine Blende vorgesehen ist, so dass zwar von einem nachzuweisenden Objekt im Überwachungsbereich diffus reflektierte oder gestreute Strahlung, nicht aber direkt von diesem nachzuweisenden Objekt im Überwachungsbereich reflektierte Zusatzstrahlung im Zusatzdetektor nachweisbar ist. Dies lässt sich insbesondere vorteilhaft realisieren, wenn als Hauptdetektor und Zusatzdetektor ein und derselbe Detektor verwendet wird.
- Grundsätzlich kann die Teststrahlung und die Zusatzstrahlung dieselbe Wellenlänge aufweisen. Im Hinblick auf die Bedienfreundlichkeit der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke kann es aber von Vorteil sein, wenn die Teststrahlung und die Zusatzstrahlung im Hinblick auf Intensität, Frequenz und/oder Zeitabhängigkeit unterschiedlich sind.
- Da für den Infrarot-Bereich hochwertige optische Komponentert, insbesondere Detektoren, kostengünstig erhältlich sind, kann zweckmäßigerweise die Teststrahlung sichtbares Licht und die Zusatzstrahlung Infrarotlicht sein.
- Um zu vermeiden, dass in irgendeiner Weise vom Reflektor gestreute und/oder reflektierte Zusatzstrahlung nachgewiesen wird, kann vor dem Reflektor im Hauptstrahlengang ein Filter für die Zusatzstrahlung angeordnet sein.
- Bei einer solchen Variante mit einem wellenlängen-selektiven Filter vor dem Reflektor muss eine im Vergleich zur Teststrahlung spektral unterschiedliche Zusatzstrahlung verwendet werden.
- Die Effektivität der Auswertung kann erhöht werden und der Aufbau der Reflexionslichtschranke gestaltet sich einfacher, wenn die Teststrahlung und die Zusatzstrahlung zeitlich versetzt zueinander ausgesandt und nachgewiesen werden. Der Nachweis von Teststrahlung und Zusatzstrahlung kann dann grundsätzlich mit nur einem Detektor erfolgen. Als zeitlich versetzt kann in diesem Zusammenhang jede unterschiedliche zeitliche Struktur der Teststrahlung und der Zusatzstrahlung angesehen werden.
- Eine andere Möglichkeit zur sicheren Erkennung von Reflektoren in der Nähe des Detektors kann durch eine erweiterte Logik realisiert werden, bei der eine Auswertung der Messinformationen des Hauptdetektors und des Zusatzdetektors durch Vergleich der gemessenen Intensitätswerte nicht nur mit einem, sondern mit zwei Schwellwerten erfolgt. Diese Verfahrensvariante beinhaltet somit eine dreiwertige Logik.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben.
- Hierin zeigt:
-
1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke; -
2 das in1 gezeigte Ausführungsbeispiel mit einem Objekt im Überwachungsbereich; -
3 in einer schematischen Teilansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke; -
4 in einer schematischen Ansicht ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke; -
5 und6 in schematischen Ansichten Senderarrays für eine erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke; und -
7 eine Logiktabelle für eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. - Ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke
10 wird im Zusammenhang mit den1 und2 erläutert. Äquivalente Komponenten sind dort jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. - Die erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke
10 weist als erste wesentliche Komponenten eine Hauptstrahlungsquelle30 , eine Zusatzstrahlungsquelle50 und einen Reflektor16 auf, der einen Überwachungsbereich12 begrenzt. Die Hauptstrahlungsquelle30 sendet Teststrahlung und die Zusatzstrahlungsquelle50 sendet Zusatzstrahlung aus. Beispielsweise kann die Teststrahlung sichtbares Licht und die Zusatzstrahlung Infrarotlicht sein. Beim gezeigten Beispiel handelt es sich um eine Variante, bei der eine Hauptsendeoptik34 , eine Hauptdetektoroptik38 , eine Zusatzsendeoptik54 und eine Zusatzdetektoroptik58 von ein und derselben Sendeoptik64 und Detektoroptik68 gebildet wird. Diese Anordnung wird auch als Autokollimationsoptik bezeichnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Sendeoptik64 und die Detektoroptik68 durch eine einfache Linse gebildet. Zum Nachweis von Teststrahlung und Zusatzstrahlung ist ein Detektor67 vorhanden, der gleichzeitig die Funktionalität eines Hauptdetektors37 und eines Zusatzdetektors57 bereitstellt. Zum Leiten der Teststrahlung und der Zusatzstrahlung auf den Detektor67 ist weiterhin ein Strahlteiler20 vorhanden. Die Zusatzstrahlungsquelle50 ist seitlich versetzt zu der Hauptstrahlungsquelle30 und einer optischen Achse60 des Systems angeordnet. - Die Hauptstrahlungsquelle
30 emittiert die Teststrahlung entlang einem Hauptstrahlengang36 der zunächst kollinear zu der optischen Achse60 verläuft. Die Teststrahlung tritt also durch den Strahlteiler20 und die Sendeoptik64 hindurch und durchmisst im Anschluss den Überwachungsbereich12 . Sodann trifft die Teststrahlung, wenn – wie in der in1 gezeigten Situation – sich im Überwachungsbereich12 kein nachzuweisendes Objekt befindet, auf den Reflektor16 , der die Teststrahlung entlang der optischen Achse60 zurückreflektiert. Die reflektierte Teststrahlung durchläuft wiederum die Sendeoptik64 , die nun aber als Detektoroptik68 fungiert. Danach wird die Teststrahlung vom Strahlteiler20 in Richtung des Detektors67 abgelenkt, der eine durch eine Ellipse35 repräsentierte Intensität der Teststrahlung nachweist. - Die Zusatzstrahlungsquelle
50 ist erfindungsgemäß so angeordnet, dass die Zusatzstrahlung entlang einem Zusatzstrahlengang56 emittiert wird, der gegenüber dem Hauptstrahlengang36 geneigt ist. Nach Durchtritt durch den Strahlteiler20 durchläuft auch die Zusatzstrahlung die Sendeoptik64 und pflanzt sich im Folgenden entlang dem gegenüber dem Hauptstrahlengang36 geneigten Zusatzstrahlengang56 fort. Aus den1 und2 ist unmittelbar ersichtlich, dass die optische Anordnung so gewählt ist, dass die Zusatzstrahlung zwar auf ein im Überwachungsbereich12 befindliches nachzuweisendes Objekt14 , nicht aber auf den Reflektor16 treffen kann. - Die Situation mit einem nachzuweisenden Objekt
14 im Überwachungsbereich12 ist in2 dargestellt. Zunächst ist dort ersichtlich, dass die Teststrahlung nicht mehr auf den Reflektor16 trifft, sondern vielmehr von dem Objekt14 abgefangen wird. Die auf dem Objekt14 auftreffende Teststrahlung wird in2 durch eine Ellipse33 repräsentiert. - Außerdem trifft gemäß der erfindungsgemäßen Anordnung auch Zusatzstrahlung auf das Objekt
14 , was durch eine Ellipse53 veranschaulicht ist. Die vom Objekt14 zurückreflektierte und/oder zurückgestreute Teststrahlung und Zusatzstrahlung gelangt auf den bereits beschriebenen Strahlengängen durch die Detektoroptik68 und durch Reflexion am Strahlteiler20 auf den gleichzeitig als Hauptdetektor37 und Zusatzdetektor57 wirkenden Detektor67 . Die dort jeweils auftretenden und gemessenen Strahlungsintensitäten sind in der2 durch Ellipsen39 ,55 veranschaulicht. - Ob sich ein Objekt
14 im Überwachungsbereich12 befindet, kann durch die folgende logische Verknüpfung erkannt werden. Nur wenn die von der Hauptstrahlungsquelle30 im Detektor67 hervorgerufene Lichtleistung einen zu wählenden Grenzwert überschreitet und das von der Zusatzstrahlungsquelle50 im Detektor67 generierte Signal den Grenzwert unterschreitet, befindet sich kein Objekt im Strahlengang. In jedem anderen Fall nimmt der Sensor, also die Reflexionslichtschranke10 , den Zustand "Objekt erkannt" ein. - Bei dieser Variante, bei der nur ein Detektor
67 verwendet wird, muss der Teststrahlung und der Zusatzstrahlung in irgendeiner Weise eine jeweils unterschiedliche zeitliche Struktur aufgeprägt werden, die vom Detektor67 aufgelöst werden kann. Im einfachsten Fall werden Teststrahlung und Zusatzstrahlung zeitlich nacheinander von der Hauptstrahlungsquelle30 beziehungsweise der Zusatzstrahlungsquelle50 ausgesandt. Beispielsweise wird die Zusatzstrahlungsquelle50 zeitlich versetzt zur Hauptstrahlungsquelle30 gepulst. Die Hauptstrahlungsquelle30 ist jeweils ausgeschaltet, wenn die Zusatzstrahlungsquelle50 eingeschaltet ist und umgekehrt. Grundsätzlich können aber auch ein Hauptdetektor und ein separater Zusatzdetektor verwendet werden, da die entsprechenden Strahlengänge für die Teststrahlung und die Zusatzstrahlung räumlich gut getrennt sind. - Da nun aufgrund der nachgewiesenen Zusatzstrahlung zuverlässig festgestellt werden kann, ob sich ein Objekt
14 im Überwachungsbereich12 befindet, kann ein Entscheidungsschwellwert für die Teststrahlung erheblich niedriger gewählt werden, als bei konventionellen Reflexionslichtschranken nach dem Stand der Technik ohne Zusatzstrahlung. Dies ermöglicht einen deutlich vergrößerten Abstand zwischen Hauptstrahlungsquelle30 und Reflektor16 und somit einen erheblich vergrößerten Über wachungsbereich12 . Hieraus ergeben sich in der Praxis eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten. - Prinzipiell können statt nur einer Zusatzstrahlungsquelle
50 noch weitere Zusatzstrahlungsquellen90 ,91 ,92 vorhanden sein. Wie die Hauptstrahlungsquelle30 , die Zusatzstrahlungsquelle50 und die weiteren Zusatzstrahlungsquellen90 ,91 ,92 angeordnet sein können, ist beispielhaft und schematisch in den5 und6 dargestellt. - Beispielsweise können LED's in der in den
5 und6 gezeigten Weise als Array angeordnet sein. Mit einer solchen Konfiguration kann prinzipiell auch eine Auswertung im Hinblick auf eine Bewegungsrichtung eines nachzuweisenden Objekts14 im Überwachungsbereich12 vorgenommen werden. Hierdurch ergeben sich weitere neue Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Reflexionslichtschranke10 . - Unter den im Zusammenhang mit den
1 und2 beschriebenen Bedingungen würde sich ein sehr nahe vor der Sendeoptik64 befindender Reflektor, beispielsweise an der Stelle des Objekts14 in2 , ebenfalls als Objekt erkannt. Damit ein solcher Reflektor im Überwachungsbereich12 von einem Objekt unterschieden werden kann, kann es zweckmäßig sein, eine geeignete Blende vor dem Detektor67 anzuordnen. - Diese Variante ist in
3 dargestellt. Die entsprechenden Komponenten sind dort wiederum mit denselben Bezugszeichen wie in den1 und2 versehen. Im Unterschied zu den1 und2 ist in3 nur der Verlauf der Zusatzstrahlung dargestellt. Um zu vermeiden, dass direkt von einem äußerst stark streuenden oder reflektierenden Objekt14 zurückgestrahlte Zusatzstrahlung auf den Detektor67 gelangt, ist dort vor dem Detektor67 eine Blende18 mit einer Durchtrittsöffnung15 an geordnet. Die Blende18 mit der Öffnung15 ist dabei so positioniert, dass durch die Öffnung15 nur indirekt entlang einem Strahlengang51 gestreutes Licht auf den Detektor67 gelangen und nachgewiesen werden kann. Im Gegensatz dazu wird direkt zurückreflektiertes Licht von der Blende18 zurückgehalten, was dort durch eine Ellipse55 veranschaulicht ist. - Wenn die Öffnung
15 in der Blende18 also klein ist, wird nur ein diffuser Anteil des von der Zusatzstrahlungsquelle50 ausgesandten und von dem nicht direkt reflektierenden Objekt14 reflektierten Lichtstrahls auf den Detektor67 geleitet. Die Blende18 absorbiert also insbesondere auch die durch einen sehr dicht vor der Sendeoptik64 befindlichen Retroreflektor direkt reflektierte Strahlung. Von der Zusatzstrahlungsquelle50 wird der auf dem Objekt14 mit einer Ellipse53 veranschaulichte Lichtfleck erzeugt. Der mit dem Bezugszeichen56 gekennzeichnete Strahlengang zeigt die direkte Reflexion, die nicht auf den Detektor67 trifft. Nur ein diffuser Anteil, der in3 mit der Bezugsziffer51 versehen ist, durchquert eine Öffnung15 der Blende18 . Wenn ein Retroreflektor ausschließlich direkt reflektiert, entfällt dementsprechend der Strahlengang51 und es wird kein Empfangssignal im Detektor67 hervorgerufen. - Eine weitere Möglichkeit zur sicheren Erkennung von Retroreflektoren, die sich sehr dicht vor der Sendeoptik
64 , also im Nahfeld, befinden, ist durch eine erweiterte Logik realisierbar. Wenn sich der Retroreflektor im Nahfeld befindet, ist die Intensität der reflektierten Teststrahlung sehr hoch. Bei sehr hohen Signalen wird aber die Intensität der Zusatzstrahlung definitionsgemäß nicht bewertet, sondern es wird sofort der Zustand "Objekt nicht erkannt" und "Retroreflektor erkannt" angenommen. Nur bei einer kleinen aufgrund Teststrahlung im Detektor67 hervorgerufenen Intensität wird auch die Intensität der Zusatzstrahlung ausgewertet. Das durch die Hauptstrahlungsquelle30 im Detektor67 generierte Empfangssignal hat dann also nicht zwei, sondern vielmehr drei Zustände, nämlich 0="nichts gesehen", wenig="mehr als nichts, aber weniger als Weißwert", 1="mehr als Weißwert". Der Begriff des Weißwerts bezeichnet hier das höchstmögliche von einem diffus reflektierenden Objekt ausgelöste Signal bei Bestrahlung mit einer Hauptstrahlungsquelle30 . Es können dann die in der in7 gezeigten Tabelle dargestellten logischen Zustände ausgewertet und unterschieden werden. - Die Fälle 1 und 4 beschreiben dort die Funktion einer klassischen Reflexionslichtschranke. Die vorliegende Erfindung ermöglicht zusätzlich die Unterscheidung der Fälle 2 und 3, wenn also das von der Hauptstrahlungsquelle
30 im Detektor67 generierte Signal kleiner oder gleich dem "Weißwert" ist. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist schließlich in
4 dargestellt. Wiederum sind äquivalente Komponenten mit denselben Bezugszeichen wie in den bisherigen Figuren versehen. Es handelt sich hierbei um eine Variante mit separater Sendeoptik64 und Detektoroptik68 . Die optische Achse60 der Sendeoptik64 fällt somit nicht mit einer optischen Achse80 der Detektoroptik68 zusammen. Bei dieser Variante kann dementsprechend auf einen Strahlteiler20 , mithin auf eine vergleichsweise teure Komponente, verzichtet werden. Außerdem ermöglicht die Trennung von Sendeoptik64 und Detektoroptik68 eine sehr flexible Anordnung der einzelnen Komponenten und damit somit sehr variable Anwendungsmöglichkeiten.
Claims (14)
- Reflexionslichtschranke zum Nachweis von Objekten (
14 ) in einem Überwachungsbereich (12 ) mit einer Hauptstrahlungsquelle (30 ) zum Aussenden von Teststrahlung, mit einer Hauptsendeoptik (34 ) zum Leiten der Teststrahlung entlang einem Hauptstrahlengang (36 ) in dem Überwachungsbereich (12 ), mit mindestens einem Reflektor (16 ) zum Begrenzen des Überwachungsbereichs (12 ) und zum Reflektieren der Teststrahlung, mit einem Hauptdetektor (37 ) zum Nachweis der Teststrahlung und mit einer Hauptdetektoroptik (38 ) zum Leiten der vom Reflektor (16 ) reflektierten Teststrahlung auf den Hauptdetektor (37 ), dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts (14 ) im Überwachungsbereich (12 ) eine Zusatzstrahlungsquelle (50 ) zum Aussenden von Zusatzstrahlung vorhanden ist, dass eine Zusatzsendeoptik (54 ) zum Leiten der Zusatzstrahlung entlang einem Zusatzstrahlengang (56 ) vorhanden ist, dass der Zusatzstrahlengang (56 ) gegenüber dem Hauptstrahlengang (36 ) so geneigt ist, dass die Zusatzstrahlung jedenfalls auf ein im Überwachungsbereich (12 ) eventuell befindliches Objekt (14 ) treffen kann, dass ein Zusatzdetektor (57 ) zum Nachweis von von dem Objekt (14 ) reflektierter und/oder gestreuter Zusatzstrahlung vorhanden ist, dass zum Leiten der von einem Objekt (14 ) reflektierten und/oder gestreuten Zusatzstrahlung auf den Zusatzdetektor (57 ) eine Zusatzdetektoroptik (58 ) vorhanden ist und dass zum Erkennen eines stark streuenden Objekts (14 ) im Überwachungsbereich (12 ) Messinformationen des Hauptdetektors (37 ) und des Zusatzdetektors (57 ) auswertbar sind. - Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstrahlengang (
56 ) gegenüber dem Hauptstrahlengang (36 ) so geneigt ist, dass bei geeigneter Lage des Reflektors die Zusatzstrahlung nicht auf den Reflektor (16 ) treffen kann. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstrahlungsquelle (
50 ) bezüglich der Hauptstrahlungsquelle (30 ) und dem Hauptstrahlengang (36 ) seitlich versetzt angeordnet ist. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusatzstrahlengang (
56 ), insbesondere vor dem Zusatzdetektor (57 ), eine Blende (18 ) vorgesehen ist, so dass zwar von einem nachzuweisenden Objekt (14 ) im Überwachungsbereich (12 ) diffus reflektierte oder gestreute Strahlung, nicht aber direkt von diesem nachzuweisenden Objekt (14 ) im Überwachungsbereich (12 ) reflektierte Zusatzstrahlung im Zusatzdetektor (57 ) nachweisbar ist. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Zusatzstrahlungsquelle (
50 ) weitere Zusatzstrahlungsquellen (90 ,91 ,92 ) zum Aussenden von weiterer Zusatzstrahlung vorhanden sind, wobei die von einem Objekt (14 ) gestreute weitere Zusatzstrahlung detektierbar und zum Nachweis von stark streuenden Objekten (14 ) auswertbar ist. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptstrahlungsquelle (
30 ) und/oder als Zusatzstrahlungsquelle (50 ) LED's eingesetzt sind. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstrahlungsquelle (
30 ) und die Zusatzstrahlungsquelle (50 ) und/oder die weiteren Zusatzstrahlungsquellen (90 ,91 ,92 ) gemeinsam als LED-Senderarray mit n=2, n=3, n=4 oder n=5 LED's ausgebildet sind. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptstrahlungsquelle (
30 ) und als Zusatzstrahlungsquelle (50 ) zwei LED-Chips in ein bedrahtetes Bauelement oder ein SMD-Bauelement eingebaut sind oder zwei LED-Chips on board bestückt sind. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptstrahlungsquelle (
30 ) und/oder als Zusatzstrahlungsquelle (50 ) LED's eingesetzt sind, bei denen sich an der optisch emittierenden Fläche keine Elektrode befindet. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teststrahlung und die Zusatzstrahlung im Hinblick auf Intensität, Frequenz und/oder Zeitabhängigkeit unterschiedlich sind, insbesondere dass die Teststrahlung sichtbares Licht und die Zusatzstrahlung Infrarotlicht ist.
- Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Reflektor (
16 ) im Hauptstrahlengang (36 ) ein Filter für die Zusatzstrahlung angeordnet ist. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsendeoptik (
34 ) und die Zusatzsendeoptik (54 ) ein und dieselbe Sendeoptik (64 ) ist. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptdetektor (
37 ) und der Zusatzdetektor (57 ) ein und derselbe Detektor (67 ) ist und dass die Hauptdetektoroptik (38 ) und die Zusatzdetektoroptik (58 ) ein und dieselbe Detektoroptik (68 ) ist. - Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik (
64 ) und die Detektoroptik (68 ) ein und dieselbe Autokollimationsoptik ist und dass zum Leiten der Teststrahlung und der Zusatzstrahlung auf den Detektor (67 ) ein Strahlteiler (20 ) vorhanden ist.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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