DE3139558C2 - V-Lichtschranke - Google Patents

Abstract

Eine V-Lichtschranke weist einen Lichtsender (11), einen daneben angeordneten Lichtempfänger (12) und einen in Abstand vom Lichtsender (11) und Lichtempfänger (12) angebrachten Retroreflektor (21) auf. Der Lichtsender (11) und der Lichtempfänger (12) weisen mehrere nebeneinanderliegende optische Abbildungselemente (13a, 13b, 13c; 14a, 14b, 14c) mit seitlich versetzten optischen Achsen (15a, 15b, 15c; 16a, 16b, 16c) auf, um das bei nicht unterbrochener Lichtschranke am Photoempfänger (24) auftretende Signal möglichst unabhängig von der Stellung des Retroreflektors (21) entlang der Mittelachse (20) der Lichtschranke zu machen.

Description

Die Erfindung betrifft eine V-Lichtschranke mit einem Lichisender. einem daneben angeordneten Lichtempfänger 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 ί Lichtschrankenlyp verwendeten Reflektoren (Reflexionen 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

ίο im allgemeinen verwendeten Retroreflektorpn keine idealen retroreflektierenden 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 Reilefctorabstand 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 vor, 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

to ununterbrochenem Lichtschrankenstrahl empfangene Signal weitgehend unabhängig vom Reflektorabstand ist. Bezüglich bekannter V-Lichischranken 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 jeweils mehrere, insbesondere zwei, nebeneinanderliegende

■λ 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 Lichtschrankenstrahlen 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 einem wesentlich erweiterten Abstandsbereich innerhalb der Schnittbereiche zweier Lichtschrankenstrahlen, so daß innerhalb eines relativ großen Abstandsbereiehes eine weitgehende Konstanz des Ausgangssignals des Lichtempfängers bei ununterbrochenem Lichtschrankenstrahl erzielt wird. )e nach dem

h', wie viele optische Abbildungselemente nebeneinander angeordnet werden, kann der Abstandsbereich 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.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform grenzen die optischen Abbildungselemente aneinander.

Besonders be-, orzugt 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 Schnitibereiche axial verschobenem Reflektor das Empfangssignal am Lichtempfänger im wesentlichen, konstant ist und maximal um etwa 30% des mittleren Empfaryssignais 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 Anordnung 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 korrigierte sphärische Linsen sind. Dabei soll insbesondere vorgesehen sein, daB 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 F i g. 3 entlang der Linie IV-IV in F i g. 3 und

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

Nach Fig. I sind in einem schematisch angedeuteten Lichtschrankengehäuse nebeneinander in einem Abstand Keine 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 23 wird durch ein in der Gehäusewand angeordnetes Rundobjektiv 13 zu einem parallelen Sendelichtbündel 18 zusammengepackt, welches unter einen Winkel ic/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 19 sendet Die Bündel 18,19 sind in der zeichnerischen Darstellung der F i g. 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 PKotoempfänger 24 gebildete Lichtempfänger 12 Licht empfangen kann.

Die durch die Mitten der Objektive 13, !4 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 ß 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 F i g. 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 Querschnitisabmessungen 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 α 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 λ. 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.

3oli die V-Lichtschranke im Bereich geringer und großer Reflektorabstände funktionieren, so wurden bisher die Basis B und der Winkel α 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 rila\iv wenig schwankendes Empfangssignal erzielt, welches aber einen relativ niedrigen Wert hat.

Bei der folgenden Beschreibung der crfindungsgemäßen V-Lichtschranke bezeichnen gleiche Bezugs/ahlen

entsprechende Teile wie im F ig. I.

Nach Fig. 2 sind die Objektive I 5, 14 der bekannten V-I.ichtsehranke nach F i g. I in drei unmittelbar ■ineinander angrenzende Objektive I 3.7. I ib. lic b/w. 14.7. 146. 14c.· mit seitlich versetzten optischen Achsen 15.1. 156. 15c b/w. 16;;. 16fr, 16c unterteil!. Aufgrund dieser Anordnung schneiden sich die Sende- und Empfangslichtbündel 18.). 18Z). 18c b/w. 19.7. 196. 19c· an unterschiedlichen Stellen entlang der Mittelachse 20 der V-I.ichtschranke. je niiher sich die beiden Mündel am <. Lichtschrankengehäuse 22 schneiden, um so größer ist der Winkel ν Der Winkel λι zwischen den Bündeln 18.7. 19.7 ist also größer als der Schnittwinkel <v /wischen den Lichtbündeln ISb, 196. während letzterer größer als der Winkel \j zwischen den Lichtbündcln 18c·, 19cist. ι.

Die V-I.!einschränke nach K i g. 2 weist somit eine erste schmale Basis B I, eine zweite etwas breitere Basis B 2 und eine dritte noch breitere Basis Bi auf. welche jeweils zu unterschiedlichen optimalen Reflektorabstänrji»n führen

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung gibt der Photoempfänger 24 praktisch das gleiche Ausgangssignal ab. ob nun der Retroreflektor 21 im Schnittbereich der Lichtbündel 18.7. 19.7 bzw. 186. 196 bzw. 18c 19t angeordnet ist. Bei Anordnung des Retroreflektors _>-, 21 /wischen diesen Schnittstellen nimmt das Empfangssignal geringfügig ab. Durch geeignete Wahl der Basen B und der Winkel λ kann jedoch dieser Abfall unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes gehalten werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 so sind unmittelbar zu beiden Seiten der Mittelachse 20 zwei sphärische Linsen 13a. 14a angeordnet, welche nach Fig. 4 einen quadratischen Umriß haben. Unmittelbar angrenzend nach außen liegen an den Frontobjektiven 13a. 14a halbsphärische Frontobjektive 136. )> 146 an. welche ebenfalls einen quadratischen Umriß haben. Aufgrund der halbsphärischen Ausbildung der beiden äußeren Frontobjektive 136. 146 liegen deren optische Achsen 156. 166 unmittelbar am äußeren Rand der inneren sphärischen Vollobjektive 13a. 14a. Auf -to diese Weise ist die Basis S 2 nur um ein geringeres Stück langer, als dies dem Abstand der Mitten der Frontobjektive 13.7. 136 bzw. 14.7. 146 entspricht. Die Schnittbereiche der Lichtbündel 18a. 19a bzw. 186. 196 liegen somit näher aneinander, und es wird dadurch eine bessere Konstanz des Empfangssignals des Photoempfänger.s 24 erzielt.

F i g. ) /eigt in gleichem Längenmaßstab wie Fig. i die Abhängigkeit des relativen Empfaiigssignals / des Photoempfängers 24 vom Abstand \ des Retroreflektors 21 von der Frontseite desClehäuses 22.

(jeinäß Fig. 3 steigt mit zunehmendem Kcflcktoralv stand das Minpfangssignal lies Photoempfängers 24 zunächst bis zu einem Maximum hei \i an. Diese Stelle entspricht dem Schnittpunkt der Lichtbündel I8.7. 19.7. Bei weiterem Verschieben des Retrorefleklors 21 entlang der Mittelachse 20 vom Gehäuse 22 weg fällt das Signal zunächst geringfügig bis zu einem Minimum bei Vi ab. Diese Stelle entspricht etwa der Mitte zwischen den Schnittpunkten der l.ichtbüiidel 18.1 19,7 bzw. 186. 196. Anschließend steigt dann das relative F.mpfangssignal F wieder bis zu der Stelle \· an. an der sich die Lichtbündel 186. 196 schneiden. Danach erfolgt dann ein stetiger Abfall des Emplangssignals.

Die llalbwertsbreite //des relativen Empfangssigiuils E erstreckt sich uUo über einen sehr "rijüer¹. Längenbereich, welcher bereits weit unter \i beginnt und erheblich oberhalb \_: endet. Durch Einstellen der Schwelle der Lichtschranke auf ein relatives Empl'angssignal (0.5) entsprechend der llalbwertsbreite // kann somit ein konstantes Ansprechverhallen der Vl.ichtschranke über den Abstandsbereich entsprechend der Halbwertsbreile H erzielt werden. Unter Konstanz ist also vorliegend eine deutlich geringere Signal-Abnahme, als «ie zur Erreichung der Sehwelle der Lichtschranke erforderlich ist. zu verstehen.

Von besonderer Bedeutung ist bei der Erfindung auch noch, daß die von den Frontobjekriven 13a. 14a und 136. 146 eingenommenen Flächenbereiche Fi bzw. F;. variiert werden können. Durch geeignete Wahl des Flächenverhältnisses F|/Fi ist es möglich, die Signalamplituden in den Schnittab-länden .Vi. v> so festzulegen, daß diese bei einem vorgegebenen Reflektor- und Lichtschrankentyp ungefähr gleich groß sind. Zum Beispiel kann der Flächenbereich Fj größer als der Flächenbereich F\ gemacht werden, falls auf der Meßstrecke mit erheblichen Absorptionen zu rechnen ist. Der Hauptgrund, warum Fi und Fj unterschiedlich sein können, aber nicht sein müssen, liegt darin, daß die vom Reflektor reflektierte Strahlung aufgrund der gegebenen Streukeule bei großen Abständen geringer ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   1 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) jeweils mehrere, insbesondere zwei, nebeneinanderliegende optische Abbildungselemente (13a, 136,13c; 14a, 146, \Ac) mit seitlich versetzten optischen Achsen (15a, 156,15c; 16a, 166,16c) aufweisen.
2. 2. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Abbildungselemente (13a, 136,13c; 14a, 146,14cjaneinandergrenzen.
3. 3. Lichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen (15a, 156, 15c; 16a, 166, 16c) derart seitlich versetzt sind, daß die Schnittbereiche (17) der einzelnen Lichtschrankenbündel M8,19) in Richtung der Lichtschrankenachse (20) zumindest aneinandergrenzen und vorzugsweise einander überlappen.
4. 4. Lichtschranke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittbereiche (17) derart einander überlappen, daß bei ununterbrochenen Lichtschrankenstrahlen und innerhalb der Schnittbereiche axial verschobenem Reflektor (21) das Empfangssignal am Lichtempfänger (12) im wesentlichen konstant ist und maximal um etwa 30% des mittleren Empfangssignals schwankt.
5. 5. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen AbbildungseleMente -linsen, insbesondere Objektive (13a, 136,13c; \4a, 146,14c)sind.
6. 6. Lichtschranke nach Anspr· fch 5, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der Lichtschrankenachse (20) zwei normale runde, ovale oder insbesondere rechteckige Vollinsen (13a, \4a) mit zentrisch angeordneter optischer Achse (15a, \5b) und seitlich daran angrenzend Teillinsan (136, 146; vorgesehen sind, deren optische Achsen (156, 166; exzentrisch, und zwar zur Lichtschrankenachse (20) hin angeordnet sind.
7. 7. Lichtschranke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen (156, 166,) der Teillinsen mit dem Rand der innen angrenzenden Vollinse (13a, 14a; im wesentlichen zusammenfallen, d. h., daß die Teillinsen Halblinsen (136, 146; sind.
8. 8. Lichtschranke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Vollinse (13a, 14a; als auch die Teillinsen (136, 146; korrigierte sphärische Linsen sind.
9. 9. Lichtschranke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen in Draufsicht einen rechteckigen Umriß haben und streifenförmig aneinandergesetzt sind (Fig. 5).