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Lichtgitt er
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Die Erfindung betrifft ein Lichtgitter mit einer einzigen Lichtquelle,
deren Lichtbündel nacheinander mittels einer von einer Steuereinrichtung beaufschlagten
Lichtverteilereinheit auS mehrere, sendeseitig je einen Lichtleiter enthaltende
optische Kanäle lenkbar ist, sowie mit einer mit diesen Kanälen gekoppelten Lichtempfangseinrichtung,
der eine elektronische Auswerteschaltung nachgeschaltet ist.
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bichtgitter dienen dem Zweck, bei einem unerwünschten Eingriff in
den Arbeitsraum einer Maschine, beiepielsweise einer Presse, ein Signal auszulösen,
mit dessen Hilfe die Maschine zeitweilig oder ganz stillgesetzt wird. Sie bestehen
aus einer Vielzahl den zu kontrollierenden Arbeitsraum erfassenden optischen Kanälen,
die jeweils durch einen Lichtsender und einen Lichtempfänger gebildet werden. Bei
einer Unterbrechung des Lichtganges löst eine Auswertungselektronik das Signal aus.
Für Lichtgitter dieser Art sind mehrere Systeme bekannt. Bei einem System hat jeder
optische Kanal eine eigene Lichtquelle, z. B. in Form einer
Leuchtdiode,
wobei entweder die Lichtquellen gleichzeitig zyklisch angesteuert und die Signale
der Lichtempänger in einem UND-Glied verknüpft werden (DE-OS 16 16 016), bzw die
Lichtquellen werden nacheinander zyklisch angesteuert, wobei die Auswertung der
Ausgangssignale im gleichen Rhythmus gesteuert wird (DE-PS 22 47 053), oder wobei
die Lichtsignale über einen gemeinsamen Lichtleiter nur einem photoelektrischen
Wandler zugeführt werden (DE-AS 19 41 905). Bei einem anderen System werden die
optischen Kanäle von einer gemeinsamen Lichtquelle ausgeleuchtet, wobei die Lichtverteilung
auf die Kanäle durch ein Linsenavatem oder mit Hilfe eines Drehspiegels und eines
Parabolspiegels erfolgt (DE-OS 14 41 426).
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Bei einer nach diesem System arbeitenden Ausführung (DE-OS 21 58 182)
betätigt eine Steuereinrichtung in Form eines Motors eine Lichtverteilereinheit,
die durch eine bewegte Blende gebildet wird, welche ihrerseits mit einer einzigen
Lichtquelle zusammenwirkt. Die schwingende oder rotierende BLende beaufschlagt über
Lichtleiter im Folgebetrieb mehrere optische Sendekanäle mit dem von der Lichtquelle
ausgehenden Strahlenbündel, und den photoelektrischen Wandlern ist eine elektronische
Auswertschaltung nachgeordnet. Die Einrichtungen für den Lichtempfang können entweder
au£ der den Lichtquellen gegenüberliegenden Seite des zu kontrollierenden Arbeitsraumes
oder auf der gleichen Seite wie die Lichtquellen liegen, wobei im letzteren Fall
an der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor angebracht ist und die reflektierten
Strahlen mittels halbdurchlässiger Spiegel auf die zugehörigen michtempfänger gelenkt
werden.
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Um bei einer zyklischen Ansteuerung der optischen Kanäle auf eine
Vielzahl ein- und auszuschaltender Lichtquellea bzw. eine bewegte Blende zu verzichten,
sind bereits zwei Ausführungen vorgeschlagen worden, bei denen eine einzige
Lichtquelle
mittels elektrooptischer Schalter in die optischen Kanäle geschaltet wird. In der
älteren Anmeldung P 29 41 739.8-52 ist vorgeschlagen worden, der Lichtverteilereinheit
eine mit der Anzahl der optischen Kanäle identische Anzahl optischer Richtkoppler
zuzuordnen, deren sekundäre Wellenleiter jeweils am Lichtleiter eines optischen
Kanals liegen und welche über einen weiteren Lichtleiter mit der Lichtquelle und
untereinander in Serie liegen. Die Elektroden der optischen Richtkoppler sind dabei
mit einer elektronischen Steuer- und Auswerteinrichtung verbunden. Nach dem Vorschlag
einer weiteren älteren Anmeldung P 30 18 393.8-52 sind Einrichtungen zur Erzeugung
von linear polarisiertem Licht und in jedem optischen Kanal ist eine keramische
Kerr-Zelle vorgesehen, deren Elektroden an die elektronische Steuer- und huswerteinrichtung
angeschlossen sind; außerdem ist jeweils ein Analysator vorhanden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit elektrooptischen
Lichtschaltern versehenes Lichtgitter im Aufbau zu vereinfachen und in seiner Punktion
zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtverteilereinheit
mit einem elektrooptischen Modulator aus ?LZT-Keramik ausgerüstet ist, wobei die
PLZT-Keramik eine mit der Anzahl der optischen Kanäle identische Anzahl transparenter
Steuerelektroden besitzt, am Ausgang eines jeden optischen Kanals eine das Lichtbündel
in den zugehörigen Lichtleiter fokussierende Sammellinse angeordnet ist und die
Steuerelektroden mit einer aus der Steuereinrichtung und der Auswertschaltung bestenenden
Steuer- und Auswerteinrichtung verbunden sind.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Lichtverteilere1nheit bildet
die PLZT-Keramik elektrooptisch steuerbare Lichtschalter, mit deren Hilfe die in
einer Lichtquelle
erzeugten Lichtimpulse nacheinander und zyklisch
in die optischen Kanäle gesteuert werden. Während bei einer Lichtverteilung mittels
eines Drehspiegels die Dauer und die Folge der in die optischen Kanäle gelenkten
Lichtimpulse im wesentlichen vom optischen Aufbau und der Drehgeschwindigkeit abhängt,
läßt sich erfindungsgemäß die Dauer und die Folge der Lichtimpulse variieren und
unterschiedlichen Verhältnissen anpassen. Dabei sind keine störanfälligen mechanischen
Bauteile erforderlich.
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Für die elektrooptische Lichtschaltung benutzt die Erfindung die an
sich bekannten Bauelemente aus PLZT-Keramik, ein polvkristallines Blei-Zirkonat-Titanat
mit Lanthanzusatz, das als keramisches, durchscheinendes Material ausgezeichnete
ferroelektrische und optische Eigenschaften besitzt und in der Optoelektronik u.
a. als Datenspeicher verwendet wird (vgl. Römpps Chemie-Lexikon, Frank'sche Verlagshandlung,
Stuttgart; 7. Auflage, Bd. 5, S. 2738).
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Bei diesen Bauelementen ist ein PLZT-Keramikblock an zwei einander
gegenüberliegenden Durchstrahlungsflächen mit transparenten Elektroden, s. B. einem
Gemisch aus Indiumoxid und Zinnoxid beschichtet, an die ein zur Ausbreitungsrichtung
longitudinales elektrisches Steuerfeld angelegt wird, welches eine Lichtstreuung
in der PLZD-Eeramik hervorruft. Der daraus resultierende Streukegel erlaubt je nach
der räumlichen Anordnung eines Lichtleiters eine Lichtmodulation.
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Diese bekannte elektrooptische Lichtschaltung nutzt die Erfindung
dadurch aus, daß die den optischen Kanälen zugeordneten Steuerelektroden in einer
zyklischen Folge angesteuert werden, wobei in den optischen Kanal, dessen Steuer
elektrode nicht angesteuert ist, ein ungestreutes Lichtbündel gelangt, während die
anderen Eanäle, deren Steuerelektroden angesteuert sind, nur gestreute Lichtanteile
erhalten. Bei dieser Ausbildung durchläuft also das Strahlen-
bündel
nur den optischen Kanal, dessen Steuerelektrode nicht angesteuert ist. Durch eine
geeignete Schaltung kann zyklisch aufeinanderfolgend jeder optische Kanal einen
steuerspannungafreien Zustand erhalten, d. h. durchlässig für ein ungestreutes Lichtbündel
gemacht werden.
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Die Wirkung des elektrooptischen Lichtschalters beruht auf dem Licht-Leiatungs-Verhältnis
zwischen dem Licht eingang des parallelen Lichtbündels in die PLZ-Keramik und den
hinter der PLZ2-Keramik in den Lichtleiter gelangenden Lichtanteil des ungestreuten
bzw. gestreuten Lichtbündels.
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Durch ein geeignetes Steuerprogramm wird die Folge der anzusteuernden
PLZ2-Eeramiken und deren zyklische Wiederholung festgelegt. Ebenso kann aber auch
die Dauer der Ablenkung jeder PLZT-Keramik durch die Dauer der angelegten Steuerspannung
bestimmt werden. Das neuartige Lichtverteilungssystem ist insbesondere zum Betrieb
mit sichtbarer und monochromatischer Strahlung geeignet. Ebenso können aber auch
Strahlen im Wellenlängenbereich von # = 0,5...... 1 µm zur Anwendung kommen.
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Wenngleich für jeden optischen Kanal je ein PLZ2-Keramikbauteil vorgesehen
werden kann, läßt sich eine bauliche Zusammenfassung dadurch erreichen, daß die
PLZT-Keramik des Modulators aus einem einheitlichen Block besteht, der auf einer
Durchatrahlungafläche mit mehreren nebeneinander angeordneten positiven Steuerelektroden
und auf der gegenüberliegenden Durchstrahlungsfläche mit einer negativen Elektrode
ausgerüstet ist.
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Der den nicht angesteuerten optischen Kanal durchlaufende Lichtimpuls
wird mittels einer Sammellinse in einen zugehörigen Lichtleiter fokussiert. Die
erfindungsgemäß vorgesehenen und zur tbertragung von Lichtsignalen bekannten Glas-
oder Kunststofflichtleiter bestehen aus Kernen mit
hohem Brechungsindex,
die mit einem Mantel aus einem Material mit etwas geringerem Brechungsindex umgeben
sind.
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Als Sammellinsen hierfür sind verschiedene Ausführungen geeignet.
Es besteht die Möglichkeit, daß die jedem optischen Kanal zugeordnete Sammellinse
als Pliegenaugenlinse ausgebildet ist. Die Fliegenaugenlinsen bestehen dabei aus
einer Vielzahl in eine Kunststoffmasse o. dgl. eingebetteter Mikrolinsen. Alternativ
kann die jedem optischen Kanal zugeordnete Sammellinse als Gradientenlinse ausgebildet
sein. Das hinter der PLZT-Kerzmik austretende Licht wird über eine Fliegenaugenoptik
oder mehrere Gradientenlinsen in justierte Lichtleiter gekoppelt, die jeweils mit
den PLZT-Keramikplättchen auf einer optischen Achse liegen. Die mit transparenten
Elektroden (z. B. Gemisch aus Indiumoxid (In203) und Zinnoxid (Sn02)) beschichteten
PLZT-Keramikplättchen, an die ein zur Ausbreitungsrichtung longitudinales elektrisches
Steuerfeld gelegt wird, bilden zusammen mit dem jeweiligen Lichtleiter einen optischen
Kanal.
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Zum Anstrahlen der PLZT-eramik kann die Lichtverteilereinheit mit
einer Plankonvexlinse versehen sein, weiche die von der Lichtguelle kommenden Lichtimpulse
als parall elisiertes Lichtbündel auf die Durchstrahlungsfläche der PLZT-Keramik
lenken. Es besteht aber auch die Möglichkeit, hierfür Gradientenlinsen vorzusehen.
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Empfangsseitig kann das Lichtgitter verschiedene Einrichtungen erhalten.
Bei einer einfachen Ausführung besteht jeder optische Kanal empfangsseitig aus einem
Lichtleiter, und jeder dieser Lichtleiter ist an ein und dieselbe Lichtempfangsdiode
über einen zusätzlichen Lichtleiter anschließbar. Wahlweise können die empfangaseitigen
Lichtleiter auch mittels eines Sternteilers mit dem zur Lichtempfangsdiode führenden
zusätzlichen Lichtleiter verbunden sein. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit,
die Empfangsseite des Licht-
gitters mit einem elektrooptischen
Lichtschalter auszurüsten, so daß die Empfangsdiode nur jeweils einen Lichtimpuls
von dem jeweils eingeschalteten optischen Kanal erhält, hingegen die anderen optischen
Kanäle versperrt sind. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die empfangsseitigen
Lichtleiter mit der Lichtempfangsdiode durch eine Lichtaammeleinheit verbunden sind,
die aus einem Modulator mit einem Block aus PLZ-Keramik, zugeordneten Steuerelektroden
und an den Lichtleitern angebrachten Sammellinsen besteht, wobei die Steuerelektroden
von der Steuer- und Auswerteinrichtung synchron zu den Steuerelektroden des sendeseitigen
Modulators steuerbar sind. Es handelt sich hierbei um eine Lichtsammeleinheit, die
dem Aufbau und der Schaltung der Lichtverteilereinheit entspricht, wobei lediglich
die Lichtdurchgangsrichtung vertauscht ist. Diese Arbeitsweise kann auch mit dem
Lichtgittertwp, welcher mit einem Reflektor arbeitet, kombiniert werden, indem die
Lichtverteilereinheit mit einem Strahlungsteiler versehen ist, der die reflektierten
Lichtbündel auf die Lichtempfangadiode lenkt. Bei dieser Ausführung ist auch nur
der mit der Lichtguelle verbundene optische Kanal empfangsbereit.
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Der Gegenstand der Erfindung ist anhand zweier Ausführungsbeispiele
näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 ein Lichtgitter mit einem Reflektor in einem Blockschaltbild,
Fig. 2 einen PLZ-Streifen aus einem Keramikmaterial mit schematischer Darstellung
der Streuwirkung, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines elektrooptischen Modulators
mit Pliegenaugenoptik, Fig. 4 eine Detaildarstellung der Fig. 3 mit zwei optischen
Kanälen und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines elektrooptischen
Modulators mit Gradientenlinsen.
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Das in Fig. 1 dargestellte Lichtgitter besitzt eine Lichtquelle 1,
beispielsweise in Form einer Laserdiode. Die Lichtimpulse der Lichtquelle 1 gelangen
über eine Lichtverteilereinheit 3, deren Aufbau weiter unten beschrieben wird, in
die optischen Kanäle 7a bis 7n mit den Lichtleitern 5a bis 5n. Die Lichtleiter 5a
bis 5n enden in der Wähe des Brennpunktes einer Sende-/Empfangsoptik 6a bis 6n.
Die vom Reflektor 8 zurückgeworfenen Lichtimpulse gelangen jeweils über die zugehörige
Sende-/Empfangsoptik 6a bis 6n, den entsprechenden Lichtleiter 5a bis 5n, die Lichtverteilereinheit
3, die im Ausführungabeispiel auch als Lichtsammeleinheit wirksam wird, zu einer
Empfangsdiode 2. Die von der Lichtempfangadiode 2 aufgenommenen und umgewandelten
Signale werden einer elektronischen Steuer- und Auswertungseinrichtung 4 zugeführt,
deren Steuerteil derart ausgebildet ist, daß er einerseits die Lichtquelle 1 und
andererseits die Lichtverteilereinheit 3 steuert.
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Die Lichtverteilereinheit 3 besteht im wesentlichen aus einem elektrooptischen
Modulator 12 aus einer blockförmigen PbZT-Eeramik 13, wobei der Block auf einer
Fläche mit mehreren nebeneinander angeordneten transparenten positiven Steuerelektroden
14a bis 14n und auf der gegenüberliegenden Fläche mit einer transparenten negativen
Elektrede 15 versehen ist (vgl. Fig. 29. Die positiven Steuerelektroden 14a bis
14n sind über Steierleitungen 10a bis IOn mit der elektronischen Steuer- und Auswertungseinrichtung
4 verbundes Der in Big. 7 schematisch dargestellte elektrooptische Modulator 12
ist mit Sammlerlinsen in Form von Fliegenaugenlinsen 17a bis 17c versehen. Die Lichtimpulse
der Lichtquelle 1 gelangen durch einen Strahlungsteiler 18
auf
eine Plankonvexlinse 16 und treffen von dort in einem weitgehend parallelisierten
Strahlenbündel auf die PLZT-Keramik 13. Die transparenten Elektroden 14a bis 14c
der PLZ-Keramik 13 werden nacheinander über die Steuerleitungen 10a bis 10c angesteuert,
wobei jeweils aufeinanderfolgend das Strahlenbündel 21a bis 21c, das die zugehörige
Elektrode 14a bis 14c, an welcher jeweils keine Steuerspannung ansteht, durchläuft,
in den zugehörigen optischen Kanal 7a bis 7c die Lichtimpulse freigibt. Die Fliegenaugenlinsen
17a bis 17c fokussieren das jeweilige Strahlenbündel 21a bis 21c in den zugehörigen
Lichtleiter 5a bis 5c.
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Schematisch ist in Fig. 4 die Streuwirkung für das mit der Steuerspannung
beaufschlagte Strahlenbündel 21a gezeigt.
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Für die Bestrahlungsatärken E1 und E2 sind bei a = 50 mm folgende
Zahlenwerte typisch: E1 = 3,6 mW/mm2; E2 = 0,13mW/mm2.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des elektrooptischen Modulators 12
ergibt sich durch optische Reihenschaltung und elektrische Parallelscbaltung mehrerer
PLZ2-Keramiken 13, die alle mit der gleichen wie oben beschriebenen Elektrodenstruktur
versehen sind. In vorteilhafter Weise wird dann das Verhältnis der Bestrahlungastärken
E1/E2 auf typisch 1000 verbessert.- In Abwandlung der Ausführung nach Fig. 3 für
die Lichtverteilereinheit 3 besteht auch die Möglichkeit, anstelle der Plankonvexlinse
16 und der Fliegenaugenlinaen 17a bis 17c Gradientenlinsen 20a bis 20n gemäß Fig.
5 vorzusehen.
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Weiter besteht die Möglichkeit, die vom Reflektor 8 zurückgeworfenen
Licht impulse in der Sende-/Empfangsoptik 6a bis 6n über einen Lichtleitfaserabzweig
bzw. Sternteiler (ntz Bd. 31, 1978, 423-425) direkt für alle optischen Kanäle 7a
bis 7n einer Lichtempfangsdiode 2 zuzuführen. In allen Fällen ist eine übliche Ausgangasignalleitung
11 vorgesehen, welche ein Störsignal beispielsweise an die Antriebseinheit der überwachten
Maschine weiterleitet.
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L e e r s e i t e