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Die Erfindung betrifft einen Aufweitungsreflektor zur Umlenkung und Aufweitung eines auftreffenden Lichtbündels für eine optoelektronische Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Schutzbereichs. Weiterhin betrifft die Erfindung optoelektronische Sensoreinrichtungen, wie Lichtschranken und -gitter mit einem solchen Aufweitungsreflektor.
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In
EP 0 967 583 B1 ist eine optoelektronische Sensoreinrichtung zur Überwachung eines Schutzbereichs beschrieben, welche einen derartigen Aufweitungsreflektor aufweist. Bei der beschriebenen optoelektronischen Sensoreinrichtung wird von einem Sendeelement entlang des Schutzbereichs ein Sendelichtbündel ausgesendet, welches mittels eines ersten Reflexionselements als ein Umlenklichtbündel auf ein zweites Reflexionselement und mittels eines zweiten Reflexionselements als ein Empfangslichtbündel entlang des Schutzbereichs zu einem Empfangselement umgelenkt wird. Das Lichtbündel wird von den beiden Reflexionselementen jeweils um 90°, also insgesamt um 180° umgelenkt.
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Bei einer derartigen Anordnung stellen sich hohe Anforderungen an die Justage der Reflexionselemente, damit das Empfangslichtbündel möglichst vollständig auf das Empfangselement auftrifft. Um die Justierung der Sensoreinrichtung zu vereinfachen, schlägt die
EP 0 967 583 B1 vor, wenigstens eines der Reflexionselemente durch einen als gewölbten Aufweitungsspiegel ausgebildeten Aufweitungsreflektor zu ersetzen. Mit einem solchen Aufweitungsreflektor wird das zunächst parallele Sendelichtbündel geringfügig zu einem divergenten Empfangslichtbündel aufgeweitet, so dass es auf dem Empfangselement einen Lichtfleck mit einem größeren Durchmesser erzeugt als ein nicht aufgeweitetes Lichtbündel. Dadurch ist bei der Justierung der Sensoreinrichtung nur eine geringere Genauigkeit erforderlich und die Montage einer aus den Reflexionselementen gebildeten Reflexionseinheit vereinfacht sich. Zudem weist die Sensoreinrichtung dadurch eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturausdehnungseffekten oder Vibrationen großer Werkmaschinen auf, an welchen oder benachbart zu welchen die Reflexionseinheit angebracht ist.
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Aufgrund der Wölbung des Aufweitungsspiegels trifft das Lichtbündel je nach Auftreffort unter unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche des gewölbten Aufweitungsspiegels und wird dementsprechend auch unter unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die Einfallsrichtung reflektiert. Bei der Verwendung eines gewölbten Aufweitungsspiegels als Aufweitungsreflektor hängt also die Hauptausbreitungsrichtung des von dem Aufweitungsspiegel reflektierten, divergenten Lichtbündels von dem Auftreffort auf den Aufweitungsspiegel ab. Deshalb ist noch immer eine aufwändige Justage der Sensoreinrichtung notwendig. Vibrationen und/oder Temperaturausdehnungseffekte haben auch hier noch signifikanten Einfluss.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Aufweitungsreflektor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher ein auftreffendes Lichtbündel aufweitet, ohne dass die Richtung, in die das Licht reflektiert wird, vom Auftreffort des Lichtbündels auf dem Aufweitungsreflektor abhängt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass der Aufweitungsreflektor eine Prismenplatte umfasst, deren eine Oberfläche eine Vielzahl von Prismen aufweist, deren jeweilige Prismenflächen unterschiedliche Spitzenwinkel einschließen.
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Als ”Spitzenwinkel” eines Prismas wird dabei ein Winkel bezeichnet, den zwei freie Oberflächen des jeweiligen Prismas zwischen sich einschließen.
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Neben einer Reflexion an einer den Prismen gegenüberliegenden Seite der Prismenplatte erfolgt zusätzlich eine Brechung der Lichtstrahlen an den Prismenflächen beim Eintritt bzw. Austritt des Lichtbündels in den bzw. aus dem Aufweitungsreflektor. Ein Lichtstrahl eines parallelen Lichtbündels kann eine Prismenfläche unter einem Austrittswinkel verlassen, der sich von dem Eintrittswinkel in eine andere Prismenfläche unterscheidet, wenn die Prismen, denen die jeweilige Eintritts- bzw. Austrittsprismenfläche dieses Lichtstrahls zugeordnet sind, unterschiedliche Spitzenwinkel einschließen. Aufgrund dieser ”asymmetrischen Brechung” wird der Strahl letztendlich in eine geringfügig andere Richtung reflektiert, als es bei einer Reflexion an einem Spiegel der Fall wäre.
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Über das gesamte Lichtbündel betrachtet führt dies dazu, dass ein auf den erfindungsgemäßen Aufweitungsreflektor auftreffendes paralleles Lichtbündel zu einem divergenten Lichtbündel aufgeweitet wird. Dies geschieht unabhängig vom Auftreffort auf den Aufweitungsreflektor. Dadurch wird das parallele Lichtbündel in eine Hauptausbreitungsrichtung reflektiert, die nicht vom Auftreffort auf den Aufweitungsreflektor abhängt. Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Aufweitungsreflektor bei Verwendung in einer Reflexionseinheit einer optoelektronischen Sensoreinrichtung eine vereinfachte Montage und Justage der Reflexionseinheit und verringert die Anfälligkeit der Sensoreinrichtung gegenüber Temperaturausdehnungseffekten und Vibrationen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Prismen mit gleichen Spitzenwinkeln statistisch über die Prismenplatte verteilt.
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Dadurch wird die Unabhängigkeit des Reflexionswinkels vom Auftreffort des Lichtbündels weiter verbessert.
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Unter ”gleichen” Spitzenwinkeln werden auch solche Spitzenwinkel verstanden, die geringfügig voneinander abweichen, wobei diese Abweichung klein gegenüber dem Winkelbereich ist, welcher alle auf der Prismenplatte auftretenden Spitzenwinkel umfasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die auf der Prismenplatte vorhandenen Spitzenwinkel einen Winkelbereich, welcher einen Winkel von 90° einschließt. Nachdem die Prismenfläche also auch solche Prismen aufweist, deren Prismenflächen einen Winkel von 90° einschließen, ist gewährleistet, dass ein Teil des parallelen Lichtbündels nicht aufgeweitet wird, sondern in eine als Hauptausbreitungsrichtung bezeichnete Richtung reflektiert wird, die einer Reflexion an einem planen Spiegel entspricht.
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Wenn der Winkelbereich sowohl Winkel, die größer als 90° sind, als auch Winkel, die kleiner als 90° sind, umfasst, wird eine gleichmäßige, insbesondere symmetrische Verteilung der divergenten Strahlen in Bezug auf die Hauptausbreitungsrichtung erreicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch einen Aufweitungsreflektor mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst und insbesondere dadurch, dass der Aufweitungsreflektor eine Prismenplatte umfasst, deren eine Oberfläche eine Vielzahl von Prismen aufweist, deren Prismenfläche diffraktive optische Elemente aufweisen oder gewölbt sind.
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Durch eine bestimmte Prismenfläche hindurch tretende, zuvor parallele Strahlen werden durch das jeweilige diffraktive optische Element bzw. durch die Wölbung der Prismenfläche aufgeweitet. Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Lösung, bei der das Lichtbündel letztlich einen Durchmesser aufweisen muss, der ein Vielfaches der Prismengröße beträgt, um durch Mittelungseffekte über viele Prismen eine gleichmäßige Aufweitung zu erreichen, erfolgt hier eine Aufweitung bereits bei einem sehr kleinen Lichtbündel, dessen Durchmesser theoretisch der Größenordnung einer einzelnen Prismenfläche entspricht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die von den jeweiligen Prismenflächen der Prismen eingeschlossenen Spitzenwinkel gleich. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung des Aufweitungsreflektors.
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Bevorzugt ist die Prismenplatte eben. Dadurch wird die Unabhängigkeit des Reflexionswinkels vom Auftreffort des Lichtbündels weiter verbessert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
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Besonders vorteilhaft ist der Einsatz erfindungsgemäßer Aufweitungsreflektoren bei optoelektronischen Sensoreinrichtungen wie Lichtgittern oder Lichtschranken. Insbesondere bei optoelektronischen Sicherheitseinrichtungen wie Sicherheitslichtgittern und Sicherheitslichtschranken, wie sie zum Beispiel für den Personenschutz bei der Absicherung von Maschinen eingesetzt werden, erfordern die hohen Sicherheitsanforderungen eine besonders genaue Montage, Justage und Funktion. Bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Aufweitungsreflektors kann der dafür notwendige Aufwand in Grenzen gehalten werden, ohne dass Einbußen bei der Sicherheit in Kauf genommen werden müssten.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Lichtschranke oder ein Lichtgitter mit einem erfindungsgemäßen Aufweitungsreflektor.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Aufweitungsreflektors,
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2 eine Detailansicht des Aufweitungsreflektors von 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine Detailansicht des Aufweitungsreflektors von 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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4 eine Detailansicht des Aufweitungsreflektors von 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst ein erfindungsgemäßer Aufweitungsreflektor eine ebene Prismenplatte 10, deren eine Oberfläche eine Vielzahl von Prismen 20 aufweist. Die Ausgestaltung der Prismen 20 wird im Einzelnen nachfolgend anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
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Ein Sendelichtbündel 12 trifft beispielsweise unter einem Winkel von 45° auf die Prismenplatte 10. Die Lichtstrahlen des Sendelichtbündels 12 treten durch die Prismen 20 in die Prismenplatte 10 ein, werden an einer den Prismen 20 gegenüberliegenden Reflexionsfläche 16 reflektiert und verlassen die Prismenplatte 10 wiederum durch die Prismen 20 als aufgeweitetes Umlenklichtbündel 14, wobei die Hauptausbreitungsrichtung des Umlenklichtbündels 14 einen Winkel von 45° zur Prismenplatte 10 aufweist. Aufgrund der Dicke der Prismenplatte 10 ist dasjenige Prisma, durch welches ein bestimmter Strahl in die Prismenplatte 10 eintritt, in der Regel verschieden von demjenigen Prisma, durch welches dieser Strahl aus der Prismenplatte 10 wieder austritt.
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2 zeigt eine Prismenplatte 110 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl von Prismen, von denen hier nur die Prismen 120a bis 120c beispielhaft dargestellt sind. Die jeweiligen Prismenflächen 122a bis 122c der Prismen 120a bis 120c schließen unterschiedliche Spitzenwinkel α, β, γ ein, wobei die Unterschiede in 2 zum besseren Verständnis wesentlich übertrieben dargestellt sind. Konkret wird der maximale Unterschied zwischen den verschiedenen Spitzenwinkeln einige Zehntel Grad bis maximal einige Grad betragen, wobei die Prismenplatte 110 solche Spitzenwinkel umfasst, die sowohl größer als auch kleiner als 90° sind.
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Das Sendelichtbündel 12, welches hier schematisch mit nur zwei Strahlen dargestellt ist, trifft unter einem Winkel von 45° auf die Prismenplatte 110 auf. Das Prisma 120a weist einen Spitzenwinkel von 90° auf und ist symmetrisch in Bezug auf die Prismenplatte 110 angeordnet, d. h., beide Prismenflächen 122a sind um einen Winkel von 45° zur der Reflexionsfläche 16 geneigt. Das Sendelichtbündel 12 tritt daher ungebrochen durch die Prismenfläche 122a hindurch und wird an der Reflexionsfläche 16 reflektiert. Aufgrund der unterschiedlichen Auftrefforte auf der Reflexionsfläche 16 verlässt der eine Strahl die Prismenplatte 110 durch die Prsmenfläche 122b des Prismas 120b, während der andere Strahl die Prismenplatte 110 durch die Prismenfläche 122c des Prismas 120c verlässt. Da das Prisma 120b einen spitzen Spitzenwinkel und das Prisma 120c einen stumpfen Spitzenwinkel aufweist, treffen die beiden Strahlen unter unterschiedlichen Winkeln auf die Prismenflächen 122b bzw. 122c und verlassen daher die Prismenplatte 110 aufgrund der Brechung in verschiedene, von der gestrichelt dargestellten Hauptausbreitungsrichtung abweichende Richtungen, so dass das Umlenklichtbündel 14 aufgeweitet ist.
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3 zeigt eine Prismenplatte 210 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, welche eine Vielzahl von Prismen 220 aufweist, deren Prismenflächen 222 einheitlich einen Spitzenwinkel von 90° einschließen. Auf den Prismenflächen 222 sind Fresnel-Elemente 224 als diffraktive optische Elemente vorgesehen, welche die Strahlen eines hier nicht dargestellten Lichtbündels beim Durchtritt durch die Prismenflächen 222 aufgrund von Beugung in verschiedene Raumrichtungen ablenken und dadurch die gewünschte Aufweitung des Lichtbündels bewirken.
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4 zeigt eine Prismenplatte 310 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, welche eine Vielzahl von Prismen 320 aufweist, die bevorzugt identisch zueinander ausgebildet sind. Die Prismenflächen 322 der Prismen 320 weisen im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine konvexe Wölbung auf, wobei es alternativ möglich ist, konkave Wölbungen oder auch eine Kombination aus konvexen und konkaven Wölbungen vorzusehen. Wenn hier nicht dargestellte Strahlen eines Lichtbündels auf eine bestimmte Prismenfläche 322 auftreffen, werden diese aufgrund des wölbungsbedingt unterschiedlichen Auftreffwinkels in unterschiedliche Richtungen gebrochen, wodurch die erwünschte Aufweitung des Lichtbündels erreicht wird.
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Die hier dargestellten Ausführungsformen der Erfindung weisen für jedes Prisma 20, 120a–120c, 220, 320 zwei freie Flächen 122a–122c, 222, 322 auf, so dass sich die Prismen jeweils in einer Richtung längs erstrecken, die senkrecht zu den jeweiligen Figurenebenen ist. Eine Aufweitung des Lichtstrahles wird dadurch in der Figurenebene erreicht.
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Besonders vorteilhaft lässt sich ein erfindungsgemäßer Aufweitungsreflektor in einer Sicherheitslichtschranke oder einem Sicherheitslichtgitter einsetzen. Eine solche Lichtschranke oder so ein Lichtgitter werden zum Beispiel für den Personenschutz bei der Absicherung von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Eine solche Lichtschranke bzw. ein solches Lichtgitter weist in an sich bekannter Weise wenigstens ein Lichtsendeelement und ein Lichtempfangselement auf. Erfindungsgemäße Ausführungsformen solcher Lichtschranken oder Lichtgitter verfügen über eine Reflexionseinheit mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Aufweitungsreflektor. Dies gewährleistet eine einfache Montage und Justage der Reflexionseinheit und verringert die Anfälligkeit der Sensoreinrichtung gegenüber Temperaturausdehnungseffekten oder Vibrationen.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110, 210, 310
- Prismenplatte
- 12
- Sendelichtbündel
- 14
- Umlenklichtbündel
- 16
- Reflexionsfläche
- 20, 120a–120c, 220, 320
- Prisma
- 122a–122c, 222, 322
- Prismenfläche
- 224
- Fresnel-Element
- α, β, γ
- Spitzenwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0967583 B1 [0002, 0003]
