DE2851444A1

DE2851444A1 - Lichtgitter

Info

Publication number: DE2851444A1
Application number: DE19782851444
Authority: DE
Inventors: Guenter Fetzer; Erwin Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1978-11-28
Filing date: 1978-11-28
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2851444C2; EP0011744B1; JPH0332033B2; EP0011744A1; JPS5582074A; US4310756A

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtgitter mit einer Reihenanordnung von periodisch und zyklisch nacheinander eingeschalteten Leuchtdioden, einem Überwachungsbereich und einer Abbildungsoptik, welche das von den Leuchtdioden durch den Überwachungsbereich geschickte Licht empfängt und auf einen Photoempfänger konzentriert.

Bei derartigen Lichtgittern kommt es darauf an, daß in einem möglichst großen Überwachungsbereich zwischen der Reihenanordnung von Leuchtdioden und der Abbildungsoptik eine möglichst hohe Auflösung, d.h. die Erkennung eines möglichst kleinen Hindernisses erreicht wird. Dies kann bei bekannten Lichtgittern, die im wesentlichen aus einer Aneinanderreihung einzelner Lichtschranken mit getrennten Sendern und Empfängern bestehen, im allgemeinen nur dadurch gewährleistet werden, daß mindestens an jeder Lichtquelle oder jedem Empfänger eine Optik angeordnet wird, welche den ausgesandten Lichtstrahl bzw. den empfangenen Lichtstrahl parallelisiert. Diese, für jeden Sender bzw. Empfänger getrennte, parallelisierende Optik muß nun zu den benachbarten Lichtstrahlen sehr genau ausgerichtet werden, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Lichtgitter der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem auf möglichst einfache Weise diese parallelisierende Optik einschließlich ihrer Ausrichtung verwirklicht ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß sich im Brennpunkt der Abbildungsoptik eine Spaltblende befindet, deren Spalt sich senkrecht zu der Reihenanordnung der Leuchtdioden erstreckt und deren Spaltbreite so gewählt ist, daß das von den Leuchtdioden ausgehende Licht in Richtung der Reihenanordnung beschnitten wird und somit nur ein Teil des von der Abbildungsoptik erfaßten Lichtbündels zum Photoempfänger gelangen

_ 4 - 285UU

kann, der hinter der Spaltblendo, und zwar vorzugsweise unmittelbar hinter ihr angeordnet ist und das gesamte durch den Spalt hindurchtretende Licht empfängt.

Die relativ einfache Abbildungsoptik in Verbindung mit der Spaltblende gewährleisten, daß nur nahezu paralleles Licht zur optischen Achse der Abbildungsoptik auf den Empfänger gelangen kann. Entscheidend für die Wirksamkeit dieses Systems ist nun, daß die Brennweite der Abbildungsoptik, bezogen auf den Abstand der Leuchtdioden zur Abbildungsoptik, so gewählt wird, daß die Bildebene der von der Abbildungsoptik erzeugten Leuchtdioden deutlich hinter der Brennweite, d.h. der Spaltblende liegt. Die Spaltbreite sollte dabei, bezogen auf die Brennweite der Abbildungsoptik, so gewählt werden, daß sich nur die Nutzlichtbündel benachbarter Leuchtdioden überlappen. Insbesondere überlappen sich die Nutζ-Lichtbündel benachbarter Leuchtdioden zwischen 1/3 und 2/3 und Vorzugsweise zur Hälfte. Das Verhältnis der Spaltbreite zur Brennweite der

— 3 —3

Abbildungsoptik soll dabei zwischen 0,2 χ 10 bis 2 χ 10 betragen. Der Ort des Photoempfängers hinter der Spaltblende ist an sich beliebig. Es muß lediglich dafür gesorgt werden, daß alles Licht, das durch die Spaltblende gelangt, den Photoempfänger erreicht. Am sinnvollsten ist dies dann zu verwirklichen, wenn der Empfänger sich direkt hinter der Spaltblende befindet.

Wesentlich für die Erfindung ist also, daß die insbesondere als GaAs-Dioden ausgebildeten Leuchtdioden sich bezüglich der Abbildungsoptik nicht im unendlichen, sondern im Endlichen befinden. Somit liegt die Schärfenebene der Leuchtdioden auf der Empfangsseite nicht im Brennpunkt der Hohlspiegels, sondern um einen deutlichen Betrag dahinter. Auf diese Weise kann im Brennpunkt selbst die Spaltblende angeordnet werden, welche das zum Photoempfänger gelangende Lichtbündel je nach ihrer Breite so zusammenzieht, daß unmittelbar an der Abbildungsoptik jede gewünschte Nutz-Bün-

030027/001S

_₅_ 285U44

delbreite verwirklicht werden kann. Erfindungsgemäß geschieht also die Begrenzung des wirksamen Empfangsstrahlenbündels einzig und allein über den Winkel, den die vom Sender kommende Lichtstrahlung zur optischen Achse bildet. Es kann bei jeder Auftreffhöhe auf die Abbildungsoptik nur aus einem begrenzten Winkelbereich kommende Strahlung durch die Blende gehen und somit auf den Photoempfänger gelangen. Die Bündelbegrenzung wird erfindungsgemäß also durch eine sehr einfache bauliche Maßnahme in' beliebiger Genauigkeit gewährleistet. Grenzen sind lediglich durch die Intensität des Lichtes gegeben, welches durch die Blende hindurchtreten muß, um den dahinter angeordneten Photoempfänger zum Ansprechen zu bringen.

An den Photoempfänger ist eine übliche Auswerteelektronik angeschlossen.

Das Auflösungsvermögen des erfindungsgemäßen Lichtgitters wird auf der Sendeseite, d.h. unmittelbar vor den Leuchtdioden durch den Mittenabstand der Leuchtdioden und deren Durchmesser bestimmt. Das kleinste Hindernis, das vor dem Sender sicher erkannt werden kann, hat die Größe des Mittenabstandes zweier benachbarter Leuchtdioden zuzüglich dem Durchmesser der Leuchtdiode.

Das Auflösungsvermögen des Lichtgitters an demjenigen Ende des Überwachungsbereiches, welches unmittelbar vor der Abbildungsoptik liegt, wird durch die Größe der Blende, den Scheitelabstand der Blende, den Abstand Sender-Empfänger, die Brennweite der Abbildungsoptik und die Höhe des Überwachungsbereiches bestimmt.

Durch geeignete Wahl dieser Parameter kann das Auflösungsvermögen über die gesamte Länge des Überwachungsbereiches im wesentlichen konstant gehalten werden.

Aus funktioneilen Gründen ist es bevorzugt, wenn die Brenn-

Ö3DG27/G01S

-6- 285 U A4

weite der Abbildungsoptik im Verhältnis zum Gegenstandsabstand so groß gewählt ist, daß zwischen der Blende und der Abbildungsebene ein Abstand in der Größenordnung von wenigstens einigen mm vorliegt. Weiter soll der Gegenstandsabstand maximal 10-50, vorzugsweise 20-40 und insbesondere 25-35 mal so groß wie die Brennweite der Abbildungsoptik sein.

Eine besonders vorteilhafte bauliche Ausgestaltung der Erfindung ist so ausgebildet, daß die Abbildungsotpik streifenförmig ausgebildet ist und sich parallel zu der Reihenanordnung von Leuchtdioden erstreckt.

Die Abbildungsoptik ist zweckmäßigerweise ein Hohlspiegel, weil dieser in der den gesamten Überwachungsbereich erfassenden Länge einfacher herzustellen ist als eine längliche Linse und hierbei nur eine optische Fläche zu bearbeiten ist.

Um bei Verwendung eines Hohlspiegels Störungen des Überwachungsbereiches durch die Empfangsmittel zu vermeiden, ist der Hohlspiegel um seine Längsachse zweckmäßigerweise derart gekippt, daß der Photoempfänger und die Blende außerhalb des Überwachungsbereiches liegen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spaltbreite so gewählt ist, daß nur Strahlung, welche einen sehr eng begrenzten Winkel zur optischen Achse aufweist, durch diese Spaltblende hindurchtreten kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lichtgitters und einer vorteilhaften Auswerteelektronik dafür,

030027/001 S

2851U4

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung des Lichtgitters nach Fig. 1, wobei einige der nacheinander von den Leuchtdioden ausgesandten Lichtbündel eingezeichnet sind,

Fig. 2a die bevorzugte Anordnung des Photoempfängers hinter der Spaltblende und

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Draufsicht des Gegenstandes der Fig. 2.

Nach Fig. 1 sind auf einer Linie nebeneinander 10 Strahlungsquellen in Form von GaAs-Dioden 0 bis 9 angeordnet, welche ihr Licht durch den zu überwachenden Raum 23 hindurch zu einem Hohlspiegel 24 richten, in dessen Brennpunkt eine Spaltblende 25 angeordnet ist, hinter der sich ein einziger Photoempfänger 1-8 befindet, was im einzelnen anhand der folgenden Figuren näher erläutert wird.

030027/0015

Durch einen Ringzähler mit Taktgenerator 11 werden die GaAsbioden 0 bis 9 zyklisch zur Abgabe von Lichtblitzen erregt. Am Ausgang des photoelektrischen Wandlers 18 entsteht somit ein elektrisches Impulsrechtecksignal vorbestimmter Frequenz.

Beim Eingriff in den Überwachungsraum 23 fallen ein oder mehrere Impulse am Ausgang des photoelektrischen Wandlers 18 aus. Der Impulszug wird über einen Verstärker 16 mit einer ersten niedrigen Schaltschwelle an einen Ausgang 26 gegeben, an den eine bekannte Überwachungselektronik angeschlossen werden kann, die beim Ausfall eines oder mehrerer Impulse ein Warnsignal abgibt.

Zum Zwecke der Justierung des Empfängers 18, 24, 25 auf dem Sender 0-9 ist das Ausgangssignal des Verstärkers 16 außerdem an die einen Eingänge von zwei UND-Gattern 14 bzw. 15 angelegt, deren anderen Eingängen vom Ringzähler 11 her von dem Empfängern 0-9 abgeleitete Eingangssignale zugeführt werden. Statt von den Sendern 0 und 9 könnten auch von anderen der zehn Sender Signale den betreffenden Eingängen der Gatter 14, 15 zugeführt werden.

Bevorzugt werden jedoch die Signale der beiden äußersten Empfänger 0 und 9 angelegt.

Die Ausgänge der UND-Gatter 14, 15 sind über normalerweise geschlossene, gesteuerte Schalter 21, 22 an Justierlampen 19, 20 angelegt.

Zusammen mit dem Aufleuchten der Strahlungsquellen 0 und 9 werden an den jeweiligen Eingängen der UND-Gatter 14 bzw. 15 Eingangssignale vorliegen. Sind die Strahlungsquellen 0 und 9 nicht richtig zum Photowandler 18 ausgerichtet, so erhalten die beiden anderen Eingänge der Gatter 14,· 15 kein Signal und die Justierlampen 19, 20 leuchten nicht auf. Entsteht jedoch am Photowandler 18 beim Aufleuchten eines oder beider Sender 0 und 9 ein Signal, so erscheinen an beiden Eingängen der Gatter 14, 15

03002 77001$

285H4A

Eingangssignale, und das dadurch gebildete Ausgangssignal der Gatter bringt die betreffende Justierlampe 19 oder 20 zum Aufleuchten. Weitere Einzelheiten der Justierhilfe sind in der DE-OS 28 24 311 beschrieben.

Nach Fig. 2 ist die Spaltblende 25 im Abstand der Brennweite f vom Scheitel des Hohlspiegels 24 derart angeordnet, daß sich ihr Spalt senkrecht zu dem streifenförmigen Hohlspiegel 24 und der Reihenanordnung der Leuchtdioden 0-9 erstreckt. Der Spalt verläuft also senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 2.

Der Photoempfänger 18 ist nach Fig. 2 so angeordnet, daß sich seine Oberfläche in derjenigen Ebene befindet, in der die Leuchtdioden 0-9 durch den Hohlspiegel 24 scharf abgebildet werden. Der Gegenstandsabstand ist mit a und der Abstand der Abbildungsebene von der Spaltblende 25 mit b bezeichnet. Diese Darstellung ist jedoch nur zwecks übersichtlicher Veranschaulichung der Strahlengänge so gewählt worden. Die Anordnung des Photoempfängers 11 in der Abbildungsebene ist zwar möglich, sofern alles durch den Spalt gelangende Licht den Photoempfänger erreicht. Bevorzugt ist jedoch die Anbringung des Photoempfängers 11 unmittelbar hinter der Spaltblende 25 gemäß Fig.2a.

Durch die Spaltblende 25 hindurch wirft der Hohlspiegel 24 im wesentlichen nur parallel zur optischen Achse des Hohlspiegels auffallendes Licht auf die Oberfläche des Photoempfängers 18.

Durch die Pfeile A in Fig. 2 ist die Auflösung des Lichtgitters am Sender veranschaulicht. Das kleinste Hindernis, das am Sender erkannt werden kann, hat die Größe des Abstandes der beiden Pfeile A, d.h. die Größe des Mittenabstandes zweier benachbarter Leuchtdioden plus der Größe bzw. des Durchmessers einer einzigen Leuchtdiode.

285.1.U4

Auf der Empfangsseite unmittelbar vor dem Hohlspiegel 24, am Ende des Überwachungsbereiches 23, ist die Auflösung des -Lichtgitters durch den Abstand der beiden Pfeile B gegeben. Die Divergenz der einzelnen, von den Leuchtdioden ausgehenden Nutz-Lichtbündel wird durch das Verhältnis der Spaltbreite 25 zur Brennweite des Hohlspiegels 24 bestimmt. Nach Fig. 2 ist die Breite so gewählt, daß sich am Hohlspiegel 24 die Nutz-Lichtbündel benachbarter Leuchtdioden etwa zur Hälfte überlappen. Hierdurch wird einerseits noch eine gute Lichtstärke am Photoempfänger 18 gewährleistet und andererseits auch am Ende des Überwachungsbereiches 23 eine Auflösung erzielt, die nicht wesentlich schlechter als die Auflösung auf der Senderseite ist.

Sofern der Photoempfänger 18 und die Blende 25 baulich sehr klein ausgebildet sind, können sie innerhalb des Überwachungsbereiches 23 liegen, da diese beiden Elemente in diesem Fall den Überwachungsbereich 23 nur unwesentlich unterbrechen.

Ein vollkommen störungsfreier Verlauf des Überwachungsbereiches 23 kann aber nach Fig. 3 auch dadurch verwirklicht werden, daß der Hohlspiegel 24 um seine Längsachse in der dargestellten Weise relativ zu den Einfallslichtbündeln etwas gekippt ist, so daß die Blende 25 und der Photoempfänger 18 seitlich neben dem Überwachungsbereich 23 liegen.

Sofern der Empfänger des Lichtgitters in ein Gehäuse 28 eingebaut werden soll, wird der theoretisch an sich mögliche Überwachungsbereich 23 etwas verkürzt, wie das bei 23' in Fig. 3 veranschaulicht ist. Auf diese Weise können Sender und Empfänger als kompakte Kästen verwirklicht werden. Nachdem der Gegenstandsabstand a mindestens 10 mal so groß wie die Brennweite des Hohlspiegels 24 ist, geht durch den Einbau des Empfängers in ein quaderförmiges Gehäuse 28 von der Länge des Überwachungsbereiches nicht viel verloren.

030027/001S

- 11 - 285HAA

Der in dieser Beschreibung verwendete Begriff Nutz-Lichtbündel umfaßt denjenigen Teil des von jeder Diode ausgehenden Gesaratlichtbündels, der durch die Spaltblende 25 hindurch den Photoempfänger erreicht.

030027/0015

Claims

Patentansprüche:

1.J Lichtgitter mit einer Reihenanordnung von periodisch und "—^ zyklisch nacheinander eingeschalteten Leuchtdioden, einem Überwachungsbereich und einer Abbildungsoptik, welche das von den Leuchtdioden durch den Überwachungsbereich geschickte Licht empfängt und auf einen Photoempfänger konzentriert, dadurch gekennzeichnet , daß sich im Brennpunkt der Abbildungsoptik (24) eine Spaltblende (25) befindet, deren Spalt sich senkrecht zu der Reihenanordnung der Leuchtdioden (0-9) erstreckt und deren Spaltbreite so gewählt ist, daß das von den Leuchtdioden (0-9) ausgehende Licht in Richtung der Reihenanordnung beschnitten wird und somit nur ein Teil des von der Abbildungsoptik (24) erfaßten Lichtbündels zum Photoempfänger (18) gelangen kann, der hinter der Spaltblende (25), ^-und zwar vorzugsweise unmittelbar hinter ihr angeordnet ist und~das gesamte durch den Spalt hindurchtretende Licht empfängt.

ORIGINAL INSPECTED

MANlTZ ■ FINSTERWALD · HEYN MORGAN ■ 8000 MÜNCHEN 22 - ROBERT-KOCH-STRASSE 1 -TEL. (089) 2242 11 TELEX 05-29672 PATMF

DIPL-ING. W GRÄMKOW 7000 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) · SEELBERGSTR. 23/25 · TEL. (07 11) 56 72 61 ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN · MÜNCHEN ■ KONTO-NUMMER 7270 · POSTSCHECK; MÜNCHEN 77062-805

285U44

2. Lichtgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite so gewählt ist, daß das von jeder Leuchtdiode (0-9) ausgehende Lichtbündel in Richtung der Reihenanordnung beschnitten wird.

3. Lichtgitter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite so gewählt ist, daß an der Abbildungsoptik (24) sich nur die Nutz-Lichtbündel benachbarter Leuchtdioden überlappen.

4. Lichtgitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutz-Lichtbündel benachbarter Leuchtdioden sich zwischen 1/3 und 2/3 und vorzugsweise etwa zur Hälfte überlappen.

5. Lichtgitter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Spaltbreite zur Brennweite der Abbildungsoptik vorzugsweise 0,2 χ 10~ bis 2 χ 10~ beträgt.

6. Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstandsabstand (a) max. 50 mal so groß wie die Brennweite (f) der Abbildungsoptik (24) ist.

7. Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abbildungsoptik (24) streifenförmig ausgebildet ist und sich parallel zu der Reihenanordnung von Leuchtdioden erstreckt.

8. Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abbildungsoptik (24) ein Hohlspiegel (24) ist.

9. Lichtgitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (24) um seine Längsachse derart gekippt ist, daß der Photoempfänger (18) und die Blende (25) außerhalb des Überwachungsbereiches (23) liegen.

030027/0016