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Die Erfindung betrifft ein Lichtgitter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Lichtgitter umfassen eine Vielzahl von Lichtsendern und zugeordneten Lichtempfängern, so dass jeweils ein Paar aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger eine Lichtschranke bildet, die erkennt, ob der zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger aufgespannte Licht- oder Überwachungsstrahl von einem Objekt unterbrochen ist oder nicht. Die Lichtsender und Lichtempfänger sind jeweils in einer Sendereinheit und einer Empfangseinheit zusammengefasst, die einander gegenüber montiert werden. Es gibt auch Lichtgitter, in denen Lichtsender und Lichtempfänger in zwei einander gegenüberstehenden, gemischten Sende- und Empfangseinheiten untergebracht sind. Weiterhin sind Reflexionslichtgitter bekannt, bei denen Sende- und Empfangseinheiten auf einer Seite eines Überwachungsbereiches angebracht sind und ein Retroreflektor auf der gegenüberliegenden Seite.
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Die Vorstellung von Lichtstrahlen ist idealisiert. Tatsächlich erzeugen die Lichtsender Sendelichtkeulen, und die Lichtempfänger erfassen Licht innerhalb von Empfangslichtkeulen, wobei die Größe des Querschnitts dieser Keulen von deren Öffnungswinkeln abhängt und mit dem Abstand vom Lichtsender beziehungsweise Lichtempfänger zunimmt. Den Lichtsendern beziehungsweise Lichtempfängern bei Lichtgittern sind üblicherweise Sende- beziehungswiese Empfangsoptiken zugeordnet, die aus einer Linse und einer Blende aufgebaut sein können, wobei die Blende in der Fokalebene der Linse positioniert ist. Dadurch sind die Sende- beziehungsweise Empfangslichtkeulen und damit der Sendebereich des Lichtsenders, beziehungsweise der Empfangsbereich des Lichtempfängers durch die Geometrie, also Größe und Form der Blendenöffnung und die Brennweite der Linse definiert. Um die Justageanforderungen handhabbar zu halten, überlappen die Sende- und Empfangslichtkeulen aufgrund der Strahldivergenz regelmäßig nicht nur für die einander gegenüberliegend zugeordneten Lichtsender und Lichtempfänger, sondern auch für deren Nachbarn. Um Fehlauswertungen zu vermeiden, werden deshalb die Lichtsender und Lichtempfänger zyklisch aktiviert. Dabei werden nacheinander von jedem Lichtsender einzelne Lichtpulse oder Pakete ausgesandt, und für ein gewisses Zeitfenster wird nur der zugehörige Lichtempfänger aktiviert, um festzustellen, ob sich in dem jeweiligen Lichtstrahl ein Objekt befindet. Die Lichtstrahlen werden in diesem Zusammenhang auch als Kanäle bezeichnet.
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Die Empfangseinheit muss hierfür die Zeitfenster kennen, in denen jeweils ein Lichtsender aktiv ist, und auch wissen, welcher Lichtempfänger in diesem Zeitfenster aktiviert ist, also Licht empfangen kann. Deshalb sind Sendereinheit und Empfangseinheit aufeinander synchronisiert. Bevorzugt wird eine optische Synchronisation genutzt, um eine Leitungsverbindung zwischen Sendereinheit und Empfangseinheit zu vermeiden.
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Ein Anwendungsfeld für Lichtgitter ist die Sicherheitstechnik. Die Lichtstrahlen dienen dabei als eine Art virtuelle Wand, und bei Unterbrechung durch ein Objekt wird beispielsweise eine Gefahrenquelle abgesichert. In der Automatisierungstechnik werden Lichtgitter ebenfalls zur Anwesenheitserkennung, aber auch zur Vermessung von Objekten eingesetzt, um die Position und Ausdehnung von Objekten anhand der Position und Anzahl von unterbrochenen Überwachungsstrahlen zu messen. Beispielsweise kann auf diesem Weg die Höhe von auf einem Förderband bewegten Objekten bestimmt werden.
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Ein kleinerer Sende- und Empfangsbereich kann aus mehreren Gründen vorteilhaft sein. Zum einen können Umspiegelungen vermieden werden, also Fälle, in denen ein Objekt im Überwachungsbereich nicht erkannt wird, da von der Sendereinheit ausgestrahltes Sendelicht über remittierende, insbesondere spiegelnde Flächen außerhalb des Überwachungsbereichs zur Empfängereinheit reflektiert wird. Weiterhin können Fremdlichteinflüsse durch natürliche oder künstliche Lichtquellen, beispielswiese von anderen Sensoren, die störend in die Empfängereinheit leuchten, verringert werden.
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Ein weiterer Vorteil kleiner Sende- und Empfangsbereiche ergibt sich bei einem so genannten Simultanscan, bei dem mehrere Kanäle des Lichtgitters gleichzeitig aktiviert werden. Da das Übersprechen zwischen verschiedenen Kanälen bei kleinen Sende- und Empfangsbereichen geringer ist, können bei einem Simultanscan entsprechend mehr Kanäle aktiviert werden als bei einem Lichtgitter mit größeren Sende- und Empfangsbereichen.
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Kleine Sende- und Empfangsbereiche haben jedoch den Nachteil, dass die Ausrichtung des Lichtgitters bei der Inbetriebnahme erschwert wird. Zudem ist ein Lichtgitter mit kleinen Sende- und/oder Empfangsbereichen weniger robust gegenüber Dejustagen der Sende- beziehungsweise Empfangseinheiten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Lichtgitter bereit zu stellen, welches die oben genannten Vorteile bietet, insbesondere leicht auszurichten und robust gegen Dejustagen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lichtgitter gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Lichtgitter weist zunächst eine Vielzahl von Lichtsendern und Lichtempfängern auf, die zwischen sich eine Überwachungsebene aus insbesondere zueinander parallelen Überwachungsstrahlen aufspannen. Den Lichtsendern sind strahlformende Sendeoptiken zur Erzeugung von Sendelichtkeulen und den Lichtempfängern Empfangsoptiken zur Erzeugung von Empfangslichtkeulen zugeordnet
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Erfindungsgemäß sind die Sendeoptiken und/oder die Empfangsoptiken derart ausgebildet, dass sich Geometrien der Sendelichtkeulen zumindest teilweise voneinander unterscheiden und/oder Geometrien der Empfangslichtkeulen zumindest teilweise voneinander unterscheiden. Unter Geometrie der Sendelichtkeulen und/oder Empfangslichtkeulen sind dabei insbesondere deren Größe, Form oder Öffnungswinkel zu verstehen.
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Das erfindungsgemäße Lichtgitter zeichnet sich also dadurch aus, dass sich die Sendebereiche der Lichtsender und/oder die Empfangsbereiche der Lichtempfänger in verschiedenen Abschnitten des Lichtgitters voneinander unterscheiden. Beispielsweise können die Empfangsbereiche der Lichtempfänger in Abschnitten des Lichtgitters, in denen eine erhöhte Umspiegelungsgefahr besteht, kleiner sein als in Abschnitten, in denen keine oder nur eine geringe Umspiegelungsgefahr besteht.
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Grundsätzlich kann der gewünschte Effekt bereits dann erzielt werden, wenn das Lichtgitter unterschiedliche Sendelichtkeulen oder unterschiedliche Empfangslichtkeulen aufweist. Es müssen also nicht zwangsläufig unterschiedliche Sende- und Empfangslichtkeulen verwendet werden
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Die unterschiedlichen Geometrien der Sendelichtkeulen beziehungswiese der Empfangslichtkeulen können bevorzugt dadurch erzeugt werden, dass die Sendeoptiken jeweils wenigstens eine Sendeblende mit einer Öffnung umfassen, wobei sich die Öffnungen der Sendeblenden zumindest teilweise voneinander unterscheiden, beziehungsweise die Empfangsoptiken jeweils wenigstens eine Empfangsblende mit einer Öffnung umfassen, wobei sich die Öffnungen der Empfangsblenden zumindest teilweise voneinander unterscheiden.
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Die Blendenöffnungen können sich insbesondere in ihrer Geometrie, also in ihrer Form und/oder Größe unterscheiden. Die Anpassung der Sende- beziehungsweise Empfangslichtkeulen über die Blendengeometrie hat den Vorteil, dass der Rest der Sendebeziehungsweise Empfangsoptik, beispielsweise einer Linse, für alle Lichtsender beziehungsweise Lichtempfänger des Lichtgitters gleich sein kann. Die Einstellung der Sende- beziehungsweise Empfangslichtkeulen erfolgt dann lediglich über die Wahl der entsprechenden Sende- beziehungsweise Empfangsblenden, womit die Zahl unterschiedlicher Bauteile im Lichtgitter reduziert werden kann.
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Die Form der Blendenöffnungen der Sende- beziehungsweise Empfangsblenden kann beispielsweise rund, elliptisch, rechteckig, oder halbmondförmig sein.
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Bei einer Verwendung von elliptischen oder rechteckigen Blenden können diese insbesondere derart ausgerichtet sein, dass eine lange Achse der Ellipse beziehungsweise des Rechtecks senkrecht zur Überwachungsebene und damit senkrecht zu einer Längsachse der Sende- beziehungsweise Empfangseinheit des Lichtgitters, entlang derer die Lichtsender beziehungsweise die Lichtempfänger des Lichtgitters angeordnet sind, ausgerichtet ist. Dadurch kann das Lichtgitter sehr nahe an einer umspiegelnden Fläche montiert werden, ohne von dieser gestört zu werden.
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Das Längenverhältnis von kurzer zu langer Achse der elliptischen oder rechteckigen Blenden kann bevorzugt 1 zu 3 bis 1 zu 6 betragen. Der Öffnungswinkel der Sende- und oder Empfangslichtkeulen entlang der kurzen Achse der elliptischen oder rechteckigen Blenden kann bevorzugt im Bereich von 0,1° bis 1° liegen. Die kurze Achse der elliptischen oder rechteckigen Blenden kann beispielsweise eine Länge von bevorzugt 40 µm bis 350 µm aufweisen, während die lange Achse eine Länge von ca. 150 µm bis 2 mm aufweist.
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Die Blendenöffnungen können halbmondförmig beziehungsweise als Kreissegmente ausgebildet sein. Bei dieser Blendenform wird der Empfangsbereich im Vergleich zu einer runden Blendenöffnung auf ein Kreissegment begrenzt. Durch die Verwendung halbmond- beziehungsweise kreissegmentförmiger Blenden an einem oder beiden Enden des Lichtgitters kann die Umspiegelungsgefahr verringert werden und gleichzeitig der Einsatz einer so genannten Kreuzstrahltechnik erfolgen, bei der ein Lichtempfänger Licht von mehreren Lichtsendern empfangen kann. Die Kreissehnen der Kreissegmente können vorzugsweise in Richtung der Enden der Sende- und/oder Empfangsmodule zeigen und vorzugsweise senkrecht zur Überwachungsebene und damit senkrecht zur Längsachse der Sende- beziehungsweise Empfangseinheit des Lichtgitters ausgerichtet sein
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Die Lichtsender und/oder Lichtempfänger können zumindest teilweise in Sendemodulen und/oder Empfangsmodulen zusammengefasst sein, wobei die Sendeoptiken und/oder die Empfangsoptiken jeweils eines Sendemoduls und/oder jeweils eines Empfangsmoduls derart ausgebildet sind, dass die Sendelichtkeulen des jeweils einen Sendemoduls gleiche Geometrien aufweisen und/oder die Empfangslichtkeulen des jeweils einen Empfangsmoduls gleiche Geometrien aufweisen. Die Sende- beziehungsweise Empfangseinheit des Lichtgitters kann dann aus mehreren verschiedenen oder gleichartigen Sende- beziehungsweise Empfangsmodulen zusammengesetzt sein. Damit lassen sich Lichtgitter flexibel auf verschiedene Erfassungs- oder Vermessungsaufgaben und Umgebungsbedingungen anpassen.
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Wenigstens in einem Teilbereich des Lichtgitters oder im gesamten Lichtgitter können die Sendeoptiken beziehungsweise die Empfangsoptiken bevorzugt derart ausgebildet sein, dass sich die Sendelichtkeulen beziehungsweise die Empfangslichtkeulen benachbarter Überwachungsstrahlen in der Überwachungsebene nicht überschneiden. Damit wird in diesem Teilbereich oder im gesamten Lichtgitter eine besonders hohe Umspiegelungssicherheit erreicht.
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Das Lichtgitter kann bevorzugt eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von den Lichtempfängern gemessenen Intensitäten des Lichteinfalls auf die Lichtempfänger aufweisen. Die Auswerteeinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, aus den gemessenen Intensitäten der einzelnen Kanäle des Lichtgitters eine Objektanwesenheit und/oder eine Objektgröße zu ermitteln.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtgitters;
- 2 eine schematische Frontalansicht einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters;
- 3 eine schematische Darstellung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters mit runden Empfangsblendenöffnungen;
- 4 eine schematische Darstellung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters mit halbmond- beziehungsweise kreissegmentförmigen Empfangsblendenöffnungen;
- 5 eine schematische Darstellung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters mit rechteckigen Empfangsblendenöffnungen;
- 6 eine schematische Darstellung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters mit rechteckigen Empfangsblendenöffnungen;
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Lichtgitters 10. Eine Sendereinheit 12 umfasst eine Vielzahl in einer Reihe angeordneter Lichtsender 14, beispielsweise LEDs oder Laser im infraroten oder einem anderen Spektrum. Das Licht der Lichtsender 14 wird jeweils mit einer nachgeordneten Sendeoptik 16 zu einer Empfangseinheit 22 gesandt und über eine Empfangsoptik 24 auf einen jedem Lichtsender 14 zugeordneten Lichtempfänger 26 in der Empfangseinheit 22 gelenkt. Dadurch werden Überwachungsstrahlen 18 gebildet, die eine Überwachungsebene 20 zwischen der Sendereinheit 12 und der Empfangseinheit 22 aufspannen. Die Lichtempfänger 26 können als Fotodioden ausgebildet sein.
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Die Sendeoptiken 16 sowie die Empfangsoptiken 24 umfassen neben einer oder mehrerer Sendelinsen 30 beziehungsweise Empfangslinsen 32 Sendeblenden 34.1, 34.2 beziehungsweise Empfangsblenden 36.1, 36.2 und erzeugen Sendelichtkeulen 38.1, 38.2 beziehungsweise Empfangslichtkeulen 40.1, 40.2, die dafür sorgen, dass die Überwachungsstrahlen 18 ein gewünschtes Strahlprofil aufweisen. Die Sendeoptiken 16 sowie die Empfangsoptiken 24 sind derart ausgebildet, dass sich die Sendelichtkeulen 38.1 beziehungsweise Empfangslichtkeulen 40.1 am ersten Ende 42 des Lichtgitters 10 von den Sendelichtkeulen 38.2 beziehungsweise Empfangslichtkeulen 40.2 am gegenüberliegenden zweiten Ende 44 des Lichtgitters 10 unterscheiden.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen der Sendeblenden 34.1 und Empfangsblenden 36.1 am ersten Ende 42 des Lichtgitters 10 größer als die Öffnungen der Sendeblenden 34.2 und Empfangsblenden 36.2 am zweiten Ende 44 des Lichtgitters 10, so dass auch die Sendelichtkeulen 38.1 beziehungsweise Empfangslichtkeulen 40.1 am ersten Ende 42 des Lichtgitters 10 größer als die Sendelichtkeulen 38.2 beziehungsweise die Empfangslichtkeulen 40.2 am zweiten Ende 44 des Lichtgitters 10 sind.
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Eine Auswertungseinheit 46 ist mit den Lichtempfängern 26 verbunden und erhält so elektrische Empfangssignale, die den Empfangspegeln der einzelnen Lichtempfänger 26 entsprechen. Dazu werden die Lichtsender 14 und die Lichtempfänger 26 zyklisch in einem Zeitmultiplexverfahren nacheinander aktiviert. Aus den Empfangspegeln ermittelt die Auswertungseinheit 46, ob sich ein Objekt in der Überwachungsebene 20 befindet. Ist das der Fall, kann die Auswertungseinheit 46 dessen Höhenlage und/oder Dicke bestimmen. Je nach Ausführungsform, Anwendung und Parametrierung stellt der Sensor das Ergebnis der Auswertung als binäres Objektfeststellungssignal, Höhe beziehungsweise Dicke eines Objekts an einem Ausgang 48 zur Verfügung.
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2 zeigt eine Frontalansicht einer Empfangseinheit 50 eines erfindungsgemäßen Lichtgitters in Lichtstrahlrichtung. Die Empfangseinheit 50 weist mehrere Empfangsmodule 52.1, 52.2, 52.3 auf, die jeweils Empfangslinsen 54.1, 54.2, 54.3 und Empfangsblenden 56.1, 56.2, 56.3 mit Blendenöffnungen 58.1, 58.2, 58.3 umfassen. Die Empfangsmodule 52.1, 52.2, 52.3 unterschieden sich hinsichtlich der Größe der Blendenöffnungen 58.1, 58.2, 58.3, wobei die Blendenöffnungen 58.1 am ersten Ende 60 der Empfangseinheit 50 einen größeren Durchmesser aufweisen als die Blendeöffnungen 58.3 am gegenüberliegenden zweiten Ende 62 der Empfangseinheit 50. Dadurch weisen die Empfangslichtkeulen (nicht gezeigt) am zweiten Ende 62 der Empfangseinheit 50 kleinere Öffnungswinkel auf, so dass in diesem Bereich des Lichtgitters die Umspiegelungsgefahr reduziert ist. Eine Sendeeinheit des Lichtgitters kann mit entsprechend variierenden Blendenöffnungen der Sendeblenden aufgebaut sein.
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3 zeigt schematisch die Querschnitte 64.1, 64.n in Lichtstrahlrichtung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters, die durch runde Blendenöffnungen erzeugt werden, wobei die Ausdehnung der Empfangsbereiche vom ersten Ende 42 des Lichtgitters zum gegenüberliegenden zweiten Ende 44 des Lichtgitters abnimmt. Damit ist am zweiten Ende 44 des Lichtgitters das Risiko von Umspiegelungen reduziert.
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4 zeigt schematisch die Querschnitte 66.1, 66.n in Lichtstrahlrichtung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters, die durch halbmond- beziehungsweise kreissegmentförmige Blendenöffnungen erzeugt werden, deren Kreissehnen zu den Enden einer Empfangs- beziehungsweise Sendeeinheit des Lichtgitters (nicht gezeigt) und senkrecht zur Überwachungsebene 20 ausgerichtet sind. Die kreissegmentförmigen Empfangsbereiche überlappen, so dass eine Verwendung der Kreuzstrahltechnik erfolgen kann, bei der ein Lichtempfänger Licht von mehreren Lichtsendern empfangen kann.
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5 zeigt schematisch die Querschnitte 68.1, 68.n in Lichtstrahlrichtung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters, die durch rechteckige Blendenöffnungen erzeugt werden, deren lange Achsen senkrecht zur Überwachungsebene 20 ausgerichtet sind, wobei die Ausdehnung der Empfangsbereiche vom ersten Ende 42 des Lichtgitters zum gegenüberliegenden zweiten Ende 44 des Lichtgitters abnimmt. Damit ist das Lichtgitter am ersten Ende 42 robust gegen eine Verdrehung der Sende- beziehungsweise Empfangseinheit, während am zweiten Ende 44 des Lichtgitters das Risiko von Umspiegelungen reduziert ist.
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6 zeigt schematisch die Querschnitte 70.1, 70.n in Lichtstrahlrichtung von Empfangsbereichen einer Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen Lichtgitters, die durch rechteckige Blendenöffnungen erzeugt werden, wobei die Ausdehnung senkrecht zur Empfangsebene 20 von Querschnitten 70.2 im mittleren Bereich der Empfangsebene 20 geringer ist als von Querschnitten 70.1, 70.n. an den Enden 42, 44 des Lichtgitters. Eine derartige Auslegung von Empfangsbereichen ist beispielsweise vorteilhaft, wenn in das Lichtgitter einfahrende Objekte zu Umspiegelungen führen können.
