DE3139558A1 - V-lichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine V-Lichtschranke mit einem Lichtsender, einem daneben angeordneten Lichtempfanger und einen im Abstand vom Lichtsender und Lichtempfänger angebrachten Reflektor, insbesondere Retroreflektor mit einer deutlichen Reflexionsstreukeule.

Bei üblichen V-Lichtschranken wird der universelle Einsatz durch die starke Signalabhängigkeit vom Reflektorabstand eingeschränkt. Der Grund dafür besteht im wesentlichen darin, daß die für diesen Lichtschrankentyp verwendeten Reflektoren (Reflexfolien bzw. gespritzte Kunststoffreflektoren) die auftreffenden Strahlen nicht exakt in sich zurück reflektieren, sondern in einem mehr oder weniger großen Streuwinkel. Mit anderen Worten besitzen die für diese Zwecke im allgemeinen verwendeten Retroreflektoren keine idealen retroref lektierenden Eigenschaften, sondern sie weisen vielmehr eine ausgeprägte Reflexionsstreukeule auf, so daß unter einem bestimmten Winkel auftreffendes Licht innerhalb des Winkelbereiches dieser Reflexionsstreukeule zurückgeworfen wird. Das Vorhandensein einer derartigen ausgeprägten Reflexionsstreukeule bei den für derartige V-Lichtschranken verwendeten Retroreflektoren hat zur Folge, daß mit zunehmendem Abstand des Reflektors von der Lichtschranke ein immer kleinerer Ausschnitt des reflektierten, divergierenden Lichtbündels auf den Lichtempfänger trifft. Das Ausgangssignal des Lichtempfängers wird somit mit zunehmendem Reflektorabstand immer kleiner.

Wenn mit einer derartigen V-Lichtschranke relativ große Reflektorabstände realisiert werden sollen, muß die Systemempfindlichkeit so groß gemacht werden, daß auch der geringe Lichtstrom von Reflektoren in großem Abstand zur Funktion ausreicht. Diese hohe Systemempfindlichkeit bedeutet jedoch, daß in kurzen Abständen von der Lichtschranke bereits

wesentlich geringer reflektierende Gegenstände als der Reflektor, welche eigentlich als Hindernis erkannt werden sollten, nicht erkannt werden. Mit anderen Worten versagt die V-Lichtschranke bei hochreflektierenden Gegenständen in kurzem Abstand ihren Dienst.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine V-Lichtschranke der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der das vom Lichtempfänger bei ununterbrochenem Lichtschrankenstrahl empfangene Signal weitgehend unabhängig vom Reflektorabstand ist. Bezüglich bekannter V-Lichtschranken soll also der Abstandsbereich, innerhalb dessen der Reflektor zur Erzielung eines einigermaßen konstanten Lichtempfangssignals angeordnet werden kann, wesentlich erweitert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Lichtsender und der Lichtempfänger mehrere, insbesondere zwei, nebeneinanderliegende, vorzugsweise aneinander grenzende optische Abbildungselemente mit seitlich versetzten optischen Achsen aufweisen. Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß von ein und derselben Lichtquelle bzw. zu ein und demselben Photoempfänger mehrere seitlich versetzte Lichtschranken strahlen ausgehen bzw. gelangen, welche entlang der Achse der Lichtschranke versetzte Schnittbereiche haben. Ein entlang der Lichtschrankenachse verschobener Retroreflektor mit ausgeprägtem Streuwinkel befindet sich somit über einen wesentlich erweiterten Abstandsbereich innerhalb der Schnittbereiche zweier Lichtschrankenstrahlen, so daß innerhalb eines relativ großen Abstandsbereiches eine weitgehende Konstanz des Ausgangssignals des Lichtempfängers bei ununterbrochenem Lichtschrankenstrahl erzielt wird. Je nach dem wie viele optische Abbildungselemente nebeneinander angeordnet werden, kann der Abstands-

bereich praktisch beliebig erweitert werden, innerhalb dessen der Retroreflektor angeordnet werden kann, ohne daß es zu einer wesentlichen Änderung des Empfangssignals bei ununterbrochener Lichtschranke kommt. Bevorzugt ist es allerdings, wenn für Sender und Empfänger nur jeweils zwei nebeneinander angeordnete optische Abbildungselemente vorgesehen sind, weil hierdurch für zahlreiche praktisch vorkommende Fälle eine voll ausreichende Konstanz des Ausgangssignals unabhängig vom Ort des Retroreflektors erzielt wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die optischen Achsen derart seitlich versetzt sind, daß die Schnittbereiche der einzelnen Lichtschrankenbündel in Richtung der Lichtschrankenachse zumindest aneinandergrenzen und vorzugsweise einander überlappen. Aufgrund dieser Ausbildung werden die Signalschwankungen bei Axialverschiebungen des Retroreflektors von einem Schnittbereich in den nächsten minimal gehalten.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schnittbereiche derart einander überlappen, daß bei ununterbrochenen Lichtschrankenstrahlen und innerhalb der Schnittbereiche axial verschobenenen Reflektor das Empfangssignal am Lichtempfänger im wesentlichen konstant ist und maximal um etwa 30 % des mittleren Empfangssignals schwankt.

Die optischen Abbildungselemente sind zweckmäßigerweise Linsen, insbesondere Objektive. Eine vorteilhafte praktische Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß benachbart der Lichtschrankenachse zwei normale runde, ovale oder insbesondere rechteckige' Vollinsen mit zentrisch angeordneter optischer Achse und seitlich daran angrenzend Teillinsen vorgesehen sind, deren optische Achsen exzentrisch, und zwar zur Lichtschrankenachse hin angeordnet sind. Dabei soll die Anord-

nung insbesondere so sein, daß die optischen Achsen der Teillinsen mit dem Rand der innen angrenzenden Vollinse im wesentlichen zusammenfallen, d.h., daß die Teillinsen Halblinsen sind.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die optischen Achsen der benachbarten Voll- bzw. Teillinsen näher aneinanderliegen als die Mitten der beiden Linsen, was für die Erzielung eines weitgehend konstanten Empfangssignals von besonderer Bedeutung ist.

Eine vorteilhafte bauliche Verwirklichung der erfindungsgemäßen V-Lichtschranke ist so ausgebildet, daß sowohl die Vollinsen als auch die Teillinsen gegebenenfalls korrigierte sphärische Linsen sind. Dabei soll insbesondere vorgesehen sein, daß die Linsen in Draufsicht einen rechteckigen Umriß haben und streifenförmig aneinandergesetzt sind.

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

Fig. 1 schematisch eine V-Lichtschranke nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße V-Lichtschranke mit je drei Linsen für den Lichtsender und den Lichtempfänger,

Fig. 3 eine besonders bevorzugte weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen V-Lichtschranke,

Fig. 4 eine Stirnansicht der Lichtschranke nach Fig. 3 entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 ein Diagramm des relativen Empfangssignals der V-Lichtschranke nach den Fig. 3, 4 in Abhängigkeit vom Reflektorabstand.

Nach Fig. 1 sind in einem schematisch angedeuteten Lichtschrankengehäuse nebeneinander in einem Abstand R eine Lichtquelle 23 und ein Photoempfänger 24 angeordnet. Bei der Lichtquelle 23 kann es sich um eine Glühlampe oder eine sonstige optische Strahlungsquelle handeln.

Das Licht der Lichtquelle 2 3 wird durch ein in der Gehäusewand angeordnetes Rundobjektiv 13 zu einem parallelen Sendelichtbündel 18 zusammengepackt, welches unter einen Winkel oC /2 zur Mittelachse 20 der V-Lichtschranke verläuft. Die Mittelachse 20 der V-Lichtschranke wird durch die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie der Lichtquelle 23 und des Photoempfängers 24 gebildet.

Auf der Mittelachse 20 der V-Lichtschranke ist ein gestrichelt angedeuteter Retroreflektor angeordnet, welcher jedoch eine so ausgeprägte Streucharakteristik hat, daß er. zu einem weiteren in der Vorderwand des Gehäuses 22 vorgesehenen Frontobjektiv 14 ein Reflexionslichtbündel sendet. Die Bündel 18, 19 sind in der zeichnerischen Darstellung der Fig. 1 auch hinter dem Retroreflektor 21 fortgesetzt gezeigt, um deutlich zu machen, in welchem Bereich der durch das Frontobjektiv 13 und die Lichtquelle 23 gebildete Lichtsender 11 sendet und aus welchem Bereich der durch das Frontobjektiv 14 und den Photoempfänger 24 gebildete Lichtempfänger 12 Licht empfangen kann.

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Die durch die Mitten der Objektive 13, 14 verlaufenden optischen Achsen 15, 16 verlaufen parallel zur Mittelachse 20 der V-Lichtschranke und weisen gleichen Abstand von der Achse 20 auf. Der Abstand ist mit B bezeichnet und bildet die Basis der V-Lichtschranke.

Das Sendelichtbündel 18 und das Empfangslichtbündel 19 überlappen sich in einem Schnittbereich 17. Ist der Retroreflektor 21 - wie das in Fig. 1 dargestellt ist - in der Mitte dieses Schnittbereiches 17 angeordnet, so erhält der Photoempfänger 24 den maximalen Lichtstrom und gibt somit das größte Ausgangssignal ab. Hierzu ist es wichtig, daß der Retroreflektor 21 im wesentlichen die Querschnittsabmessungen des Sendelichtbündels 18 aufweist. Wird nun der Retroreflektor 21 in Richtung des Doppelpfeiles F, d.h. in Richtung der Mittelachse 20 hin- und herverschoben, so vermindert sich bei ununterbrochener Lichtschranke das Ausgangssignal des Photoempfängers 24,

Durch Veränderung der Länge der Basis B und der Größe des Winkels c( zwischen den Lichtbündeln 18, 19 können der Ort und die Länge des Schnittbereiches 17 verändert werden.

Die bekannten V-Lichtschranken besitzen allgemein einen festen Abstand B der optischen Achsen 15, 16 sowie einen fest eingestellten Winkel ·>>' . Es sind allerdings auch schon V-Lichtschranken vorgeschlagen worden, bei denen diese Parameter einstellbar sind. Hierfür ist jedoch ein beträchtlicher mechanischer Aufwand erforderlich, ganz abgesehen davon, daß hierdurch die Genauigkeit der V-Lichtschranke beeinträchtigt werden kann.

Soll die V-Lichtschranke im Bereich geringer und großer Reflektorabstände funktionieren, so wurden bisher die Basis B und der Winkel o< extrem klein gemacht. Dies führt jedoch zu einem unerwünschten Maximum des relativen Empfangssignals bei Anordnung des Retroreflektors 21 in unmittelbarer Nähe des Lichtschrankengehäuses 22. Bei Anordnung des Retroreflektors 21 in relativ großem Abstand von der Lichtschranke wird zwar ein nur relativ wenig schwankendes Empfangssignal erzielt, welches aber einen relativ niedrigen Wert hat.

Bei der folgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen V-Lichtschranke bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie in Fig. 1.

Nach Fig. 2 sind die Objektive 13, 14 der bekannten V-Lichtschranke nach Fig. 1 in drei unmittelbar aneinander angrenzende Objektive 13a, 13b, 13c bzw. 14a, 14b, 14c mit seitlich versetzten optischen Achsen 15a, :15b, 15c bzw. 16a, 16b, 16c unterteilt. Aufgrund dieser Anordnung schneiden sich die Sende- und Empfangslichtbündel 18a, 18b, 18c bzw. 19a, 19b, 19c an unterschiedlichen Stellen entlang der Mittelachse der V-Lichtschranke. Je näher sich die beiden Bündel am Lichtschrankengehäuse 22 schneiden, umso größer ist der Winkel oc . Der Winkel CX₁ zwischen den Bündeln 18a, 19a ist also größer als der Schnittwinkel o^ zwischen den Lichtbündeln 18b, 19b, während letzterer größer als der Winkel 'X₃ zwischen den Lichtbündeln 18c, 19c ist.

Die V-Lichtschranke nach Fig. 2 weist somit eine erste schmale Basis B1, eine zweite etwas breitere Basis B2 und eine dritte noch breitere Basis B3 auf, welche jeweils zu unterschiedlichen optimalen Reflektorabständen führen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung gibt, der Photoempfänger 24 praktisch das gleiche Ausgangssignal ab, ob nun der Retroreflektor 21 im Schnittbereich der Lichtbündel 18a, 19a bzw. 18b, 19b bzw. 18c, 19c angeordnet ist. Bei Anordnung des Retroreflektors 21 zwischen diesen Schnittstellen nimmt das Empfangssignal geringfügig ab. Durch geeignete Wahl der Basen B und der Winkel <>;' kann jedoch dieser Abfall unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes gehalten werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig» 3 und 4 sind unmittelbar zu beiden Seiten der Mittelachse 20 zwei sphärische Linsen 13a, 14a angeordnet, welche nach Fig» einen quadratischen Umriß haben. Unmittelbar angrenzend nach außen liegen an den Frontobjektiven 13a, 14a halbsphärische Frontobjektive 13b, 14b an, welche ebenfalls einen quadratischen Umriß haben. Aufgrund der halbsphärischen Ausbildung der beiden äußeren Frontobjektive 13b, 14b liegen deren optische Achsen 15b, 16b unmittelbar am äußeren Rand der inneren sphärischen Vollobjektive 13a, 14a. Auf diese Weise ist die Basis B2 nur um/geringeres Stück länger, als dies dem Abstand der Mitten der Frontobjektive 13a, 13b bzw. 14a, 14b entspricht. Die Schnittbereiche der Lichtbündel 18a, 19a bzw. 18b, 19b liegen somit näher aneinander, und es wird dadurch eine bessere Konstanz des Empfangssignals des Photoempfängers 24 erzielt.

Fig. 5 zeigt in gleichem Längenmaßstab wie Fig. 3 die Abhängigkeit des relativen Empfangssignals E des Photoempfängers 24 vom Abstand χ des Retroreflektors 21 von der Frontseite des Gehäuses 22.

Gemäß Fig. 5 steigt mit zunehmendem Reflektorabstand das Empfangssignal des Ehotoempfängers 24 zunächst bis zu

einem Maximum bei X₁ an. Diese Stelle entspricht dem Schnittpunkt der Lichtbündel· 18a, 19a. Bei weiterem Verschieben des Retroreflektors 21 entlang der Mittelachse 20 vom Gehäuse 22 weg fällt das Signal zunächst geringfügig bis zu einem Minimum bei X₃ ab. Diese Stelle entspricht etwa der Mitte zwischen den Schnittpunkten der Lichtbündel· 18a, 19a bzw. 18b, 19b. Anschießend steigt dann das relative Empfangssignal E wieder bis zu der Ste^e x- an, an der sich die Lichtbündel· 18b, 19b schneiden. Danach erfolgt dann ein stetiger Abfail des Empfangssignals.

Die Haibwertsbreite H des relativen Empfangssignals E erstreckt sich aiso über einen sehr großen Längenbereich, welcher bereits weit unter x- beginnt und erheblich oberhalb x₂ endet. Durch Einstehen der Schwere der Lichtschranke auf ein relatives Empfangs signal· (0,5) entsprechend der Ha^wertsbreite H kann somit ein konstantes Ansprechverhalten der V-Lichtschranke über den Abstandsbereich entsprechend der Halbwertsbreite H

erzieit werden. Unter Konstanz ist aiso vorlegend eine deutiich geringe Signai-Abnalms, ^s sie zur Erreichung der Schweile der Lichtschranke erforderlich ist, zu verstehen.

Von besonderer Bedeutung ist bei der Erfindung auch noch, daß die von den Frontobjektiven 13a, 14a und.13b, 14b eingenommenen Flächenbereiche F- bzw. F_? variiert werden können. Durch geeignete Wahl des Flächenverhältnisses F../F- ist es möglich, die Signaiamp^tuden in den Schnittabständen X₁ , x. so festzuiegen, daß diese bei einem vorgegebenen Refiektor- und Lichtschrankentyp ungefähr gieich groß sind. Z.B. kann der Fiächenbereich F₂ größer al·s der Fl·ächenbereich F₁ gemacht werden, fa^s auf der Meßstrecke mit erheblichen Absorptionen zu rechnen ist. Der Hauptgrund, warum F und F₉ unterschiedlich sein können aber nicht sein müssen, liegt darin, daß die vom Reflektor reflektierte Strahlung aufgrund der gegebenen Streukeule bt'.i großen Abständen geringer ist.

, Λ3.

Leerseite

Claims (8)

1. Patentansprüche

   V-Lichtschranke mit einem Lichtsender, einem daneben angeordneten Lichtempfänger und einen im Abstand vom Lichtsender und Lichtempfänger angebrachten Reflektor, insbesondere Retroreflektor mit einer deutlichen Reflexionsstreukeule, dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtsender (11) und der Lichtempfänger (12) mehrere, insbesondere zwei, nebeneinanderliegende, vorzugsweise aneinander grenzende optische Abbildungselemente (13a, 13b, 13c; 14a, 14b, 14c) mit seitlich versetzten optischen Achsen (15a, 15b, 15c; 16a, 16b, 16c) aufweisen.
2. 2. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Achsen (15a, 15b, 15c, 16a, 16b, 16c) derart seitlich versetzt sind, daß die Schnittbereiche (17) der einzelnen Lichtschrankenbündel

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   (18, 19) in Richtung der Lichtschrankenachse (20) zumindest aneinandergrenzen und vorzugsweise einander überlappen.
3. 3. Lichtschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schnittbereiche (17) derart einander überlappen, daß bei ununterbrochenen Lichtschrankenstrahlen und innerhalb der Schnittbereiche axial verschobenenon Reflektor (21) das Empfangssignal am Lichtempfänger (12) im wesentlichen konstant ist und maximal um etwa 30 % des mittleren Empfangssignals schwankt.
4. 4. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Abbildungselemente Linsen, insbesondere Objektive (13a, 13b, 13c; 14a, 14b, 14c) sind.
5. 5. Lichtschranke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net , daß benachbart der Lichtschrankenachse (20) zwei normale runde, ovale oder insbesondere rechteckige Vollinsen (13a, 14a) mit zentrisch angeordneter optischer Achse (15a, 15b) und seitlich daran angrenzend Teillinsen (13b, 14b) vorgesehen sind, deren optische Achsen (15b, 16b) exzentrisch, und zwar zur Lichtschrankenachse (20) hin angeordnet sind.
6. 6. Lichtschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die optischen Achsen (15b, 16b) der Teillinsen mit dem Rand der innen angrenzenden Vollinse (13a, 14a) im wesentlichen zusammenfallen, d.h., daß die Teillinsen HaIblinsen (13b, 14b) sind.
7. 7. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl die Vollinsen (13a, 14a) als auch die Teillinsen (13b, 14b) gegebenenfalls korrigierte sphärische Linsen sind.
8. 8. Lichtschranke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Linsen in Draufsicht einen rechteckigen Umriß haben und streifenförmig aneinandergesetzt sind (Fig. 5).