DE3532197A1 - Lichtvorhang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit einem einzigen Lichtsender erzeugten Lichtvorhang, wobei das Lichtstrahlenbündel des Senders mittels einer Lichtverteilereinheit zeitlich aufeinanderfolgend in eine Anzahl im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, lückenlos angereihte und in den zu überwachenden Raum führende Strahlungswege gelenkt wird, an deren Ende ein Retroreflektor angeordnet ist, der die Lichtstrahlenbündel auf eine der Zahl der Strahlungswege entsprechende Anzahl Empfangsoptiken zurückwirft, denen Lichtleiter zugeordnet sind, mittels derer der jeweils reflektierte Anteil des betreffenden Empfangslichtstrahlenbündels zu einem fotoelektrischen Wandler gelangt, dem eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist.

Ein derart aufgebauter bzw. arbeitender Lichtvorhang ist durch die DE PS 30 39 563 bekannt. Ein solcher Lichtvorhang weist insofern eine gewisse Unzulänglichkeit auf, als ein optisches Übersprechen benachbarter Empfangslichtkanäle wegen der Lichtkanalaufweitung durch die Sendeoptik sowie durch den Retroreflektor nicht auszuschließen ist. Daher kann es vorkommen, daß nicht nur der sendeseitig aktivierte Lichtstrahlungsweg ein Empfangssignal liefert, sondern auch von Nachbarkanälen Signalanteile zum fotoelektrischen Wandler gelangen. Damit ist die Erkennungssicherheit des Lichtvorhangs beeinträchtigt und die geforderte Auflösebedingung nicht erfüllt. Außerdem ist bei dem bekannten Lichtvorhang für jeden Sendekanal eine separate Sendeoptik erforderlich. Ferner weist der bekannte Lichtvorhang den Nachteil auf, daß die von Eingriffskörpern stammenden Reflexionen unter Umständen eine solche Empfangsamplitude aufweisen, die mit Empfangssignalen ohne Unterbrechung des Strahlenweges vergleichbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtvorhang der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Auflösebedingung mit einem Geringstmaß an Aufwand sicher erfüllbar ist und gleichzeitig fehlerhafte Betriebszustände durch Reflexionen an Eingriffskörpern vermieden werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtverteilereinheit als mit einer Lochblende vereinigter Dreh- oder Schwingspiegel ausgebildet ist, wobei die Öffnung der Lochblende im Abstand r zur Drehachse des Spiegels angeordnet ist und dieser Öffnung die Enden der den Empfangsoptiken nachgeordneten Lichtleiter korrespondierend zugeordnet sind, derart, daß die Lochblende jeweils nur den Strahlungsweg des momentan vom Sendelichtstrahlenbündel aktivierten Empfangslichtstrahlenbündels zum fotoelektrischen Wandler freischaltet.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Lichtvorhang,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die wesentlichen Komponenten der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 Einzelheiten des erfindungsgemäßen Dreh- oder Schwingspiegelablenkers,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Lichtlaufzeitmessung der Laserpulse, wobei die Empfangssignale nur innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters detektiert werden.

Fig. 5 die schematische Darstellung einer Fremdreflexion und einer Umspiegelung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gelangt der von einem Lichtsender z. B. in Form einer Laserdiode 1 ausgehende Lichtstrahl auf die Linse 2, wird von ihr zum Lichtstrahl 3 gebündelt und fällt danach auf den Dreh- oder Schwingspiegel 4 mit der Drehachse 5. Durch Dreh- oder Schwingbewegung nach Bezugszeichen 17 wird das ankommende Strahlenbündel 3 in die reflektierten Bündel 6, 6′, 6″. . . 6 ν aufgefächert und fällt damit auf die fest angeordneten Umlenkspiegel 7, 7′, 7″. . . 7 ν. Von dort gelangen die Sendelichtbündel 9, 9′, 9″. . . 9 ν in den zu überwachenden Arbeitsraum 18, werden vom Retroreflektor 10 reflektiert und fallen danach auf die Empfangsoptiken 8, 8′, 8″. . . 8 ν.

Nach Fokussierung und Einkopplung der Empfangsstrahlen 29, 29′, 29″. . . 29 ν in die Lichtleiter 11, 11′, 11″. . . 11 ν gelangt das Empfangslicht durch Totalreflexion an das andere Lichtleiterende, wobei diese Enden kreisförmig, d. h. auf einem Radius r, um die Drehachse 5 des Dreh- oder Schwingspiegels 14 angeordnet sind.

Achsparallel zu diesen Enden liegt ein weiterer Lichtleitersatz 19, 19′, 19″. . . 19 ν, dessen freie Enden jeweils über eine Linse 13 den fotoelektrischen Wandler 14 mit Empfangslicht beaufschlagen. Zwischen den Lichtleitersätzen 11, 11′, 11″. . . 11 ν und 19, 19′, 19″. . . 19 ν ist eine mit dem Dreh- oder Schwingspiegel 4 fest verbundene Lochblende 12 vorhanden, die nur jeweils den Lichtleiter zum fotoelektrischen Wandler 14 freischaltet, der zu einem gerade mit Sendelicht beaufschlagten optischen Kanal 9, 9′, 9″. . . 9 ν gehört. Das Signal des fotoelektrischen Wandlers 14 wird von der elektrischen Auswerteschaltung 15 ausgewertet und als Ausgangssignal 16 einer übergeordneten Steuerung zugeführt. Die Dreh- oder Schwingspiegelposition nimmt dabei zu dem jeweils bestrahlten, fest angeordneten Umlenkspiegel eine solche Winkellage ein, daß die einzelnen Strahlenbündel parallel zueinander den Arbeitsraum 18 der Länge L lückenlos überdecken. Der auf der den Umlenkspiegeln gegenüberliegenden Seite des Arbeitsraums angebrachte Retroreflektor 10 reflektiert durch natürliche Streuung so, daß die zum Sendelichtstrahl achsparallel versetzten Empfangsoptiken bei freiem Strahlengang eine ausreichende Lichtmenge erfassen. Die Anzahl der Empfangsoptiken, deren erfaßtes Licht auf die Lichtleiter fokussiert wird, ist mit der Lichtleiteranzahl identisch. Das andere, in der Nähe der Drehachse 5 des Dreh- oder Schwingspiegels 4 kreisförmig angebrachte Ende der Lichtleiter, das jeweils mit Hilfe der Lochblende 12 auf einen weiteren kreisförmig angeordneten Lichtleitersatz freigeschaltet wird, korrespondiert also mit den freien Enden dieses zweiten Lichtleitersatzes, welche auf nur einen einzigen fotoelektrischen Wandler münden, dem eine elektronische Auswerteschaltung nachgeschaltet ist.

Die mit der Erfindung erzielte dahingehende sicherheitstechnische Verbesserung, daß über die Lichtleiter/Lochblendenanordnung jeweils nur derjenige optische Kanal empfangsseitig detektiert wird, der auch gleichzeitig mit Sendelicht beaufschlagt wird, liefert einen signifikanten Beitrag zur Sicherung gegenüber Fremdreflexen (Reflexion nicht am Retroreflektor, sondern am Eingriffskörper) und ist bisher bei keinem System realisiert, das nur mit einer Lichtquelle und einem fotoelektrischen Wandler arbeitet.

Fig. 2 verdeutlicht den Strahlengang der optischen Kanäle 9 und 29, wobei diese Ansicht eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1 zeigt. Dargestellt ist der fest angeordnete Umlenkspiegel 7, von dem das Strahlenbündel 9 in Richtung Retroreflektor 10 geworfen wird. Durch natürliche Streuung am Retroreflektor 10 fällt ein erheblicher Lichtanteil (siehe Bezugszeichen 29) in Richtung der Empfangsoptik 8, wird in den Lichtleiter 11 fokussiert und von dort durch Totalreflexion in die Nähe der bewegten Lochblende 12 geleitet.

An die Drehachse 5 des Dreh- oder Schwingspiegels ist ferner ein Winkelkodierer angekoppelt, der in Abhängigkeit der durch die jeweilige Gerätekonstruktion vorgegebenen Winkelposition des Dreh- oder Schwingspiegels den Lichtsender bzw. die Lichtquelle 1 aktiviert.

Das Funktionsprinzip der Einheit Lochblende 12, der Lichtleitersätze 11, 11′, 11″. . . 11 ν und 19, 19′, 19″. . . 19 ν, des Dreh- oder Schwingspiegels 4 sowie des Winkelkodierer 21verdeutlicht Fig. 3. Nach Fig. 3 a) sind die jeweils freizuschaltenden Enden der Lichtleiter 11 und 19 gegenüber der und achsparallel zur Lochblende 12 angeordnet, wobei die Lochblende 12 mit der Drehachse 5 gekoppelt ist und damit je nach Winkelposition des Dreh- und Schwingspiegels 4 die jeweiligen Lichtleiterenden freischaltet. Befindet sich der Dreh- oder Schwingspiegel 4 z. B. in einer solchen Winkelposition, daß der optische Kanal 9 ausgeleuchtet wird, so ist über die Lochblende 12 sichergestellt, daß nur das Signal im Lichtleiter 11 bzw. 19 detektiert wird. Wird dann nach einer Dreh- oder Schwingbewegung um das Winkelelement Δω der optische Kanal 9′ ausgeleuchtet, so wird wiederum durch die Lochblende 12 nur der Lichtleiter 11′ auf den Lichtleiter 19′ freigeschaltet.

Des weiteren zeigt Fig. 3 a) den Antrieb 20 des Dreh- oder Schwingspiegels 4 sowie einen an die Drehachse 5 des Spiegels 4 angekoppelten Winkelkodierer 21. Dieser Winkelkodierer hat einmal die Aufgabe sicherzustellen, daß jeder optische Kanal 9, 9′, 9″. . . 9 ν innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts mindestens einmal ausgeleuchtet wird, zum anderen übernimmt er die Steuerung des Lichtsenders 1. Damit ist das Ausleuchten jedes einzelnen optischen Kanals in einem bestimmten Zeitabschnitt sichergestellt, so daß die Konstanz der Winkelgeschwindigkeit des Dreh- oder Schwingspiegels nur eine untergeordnete Rolle spielt.

Fig. 3 b) zeigt eine Draufsicht auf den Dreh- oder Schwingspiegel 4, die Drehachse 5, den Antrieb 20, die Lochblende 12 mit der Öffnung 12′, sowie auf die zur Linse 13 führenden Lichtleiter 19, 19′, 19″. . . 19 ν.

Auf Fremdreflexionen und Umspiegelungen zurückzuführende Erkennungsunsicherheiten lassen sich mit Hilfe einer Lichtlaufzeitmessung vermeiden. Dies geschieht nach einem weiteren Gedanken der Erfindung mit Hilfe einer solchen Lichtlaufzeitmessung, bei der z. B. ein Impuls des Lichtsenders 1 (Laserimpuls) zum Zeitpunkt t = 0 auf der Sendeseite abgestrahlt und zu einem bestimmten Zeitpunkt t ₁, der durch die Lichtlaufzeit auf geradlinigem Weg zwischen Sendeseite, Retroreflektor und Empfangsseite sowie einer internen optischen Verzögerungszeit vorgegeben ist, detektiert wird.

Wie dem Zeitdiagramm zur Lichtlaufzeitmessung der Impulse des Lichtsenders 1 (Laserdiode) gemäß den Fig. 4 a) bis 4 e) zu entnehmen ist, gibt der Winkelkodierer 21 impulsförmige Ausgangssignale U _a mit z. B. einem zeitlichen Abstand T ab, der so gewählt ist, daß die reflektierten Strahlenbündel 6, 6′, 6″. . . 6 ν örtlich gerade in den zugehörigen optischen Kanal 9, 9′, 9″. . . 9 ν fallen. Die negative Flanke dieser Impulse triggert den Lichtsender 1, der damit die optischen Impulse U _b extrem kurzer Dauer (z. B. 1 ns) emittiert und die Auswerteschaltung 15 nur einen solchen Empfangsimpuls des fotoelektrischen Wandlers 14 akzeptiert, der zum Zeitpunkt t ₁ = 2 t _L + t _V eintrifft. Dabei ist t _L die Lichtlaufzeit auf einfachem und geradlinigem Weg zwischen Sende- und Empfangseinheit 22 und dem Retroreflektor 10, während t _V die interne optische Verzögerungszeit darstellt.

Je nach Anwendung und damit je nach der Länge L des Arbeitsraumes 18 muß aufgrund der Lichtlaufzeit zwischen Lichtsender und fotoelektrischem Wandler 14 das Zeitfenster im Eingangskreis der Auswerteschaltung nach Fig. 4 c) eingestellt werden. Dabei heißt, die Auswerteschaltung 15 ist mit einem so schmalen Zeitfenster, z. B. 0,3 ns, auszustatten, daß der Zeitabschnitt t ₁ = 2t _L+t _V mittels einer elektrischen Verzögerungsleitung, beispielsweise in Form einer Koax- oder Mikrostreifenleitung, realisiert wird.

Die Lichtlaufzeit wird in Fig. 4 c) durch den Zeitabschnitt 2 t _L +t _V symbolisiert. Ein Empfangssignal wird in der Auswerteschaltung 15 nur dann als fehlerfreies Signal bewertet (kein Eingriff in den Arbeitsraum 18), wenn das optische Signal zwischen Sende-/Empfangseinheit 22 und Retroreflektor 10 sich auf geradlinigem Weg fortpflanzt und der Retroreflektor 10 an der Reflexion beteiligt ist. In einem solchen Fall liegt das Empfangssignal nach Fig. 4 d) im Überschneidungsbereich des fest eingestellten Zeitfensters (siehe Bezugszeichen 26).

Die interne optische Verzögerungszeit t _V für sämtliche Lichtstrahlenbündel 9, 9′, 9″. . . 9 ν wird durch Anpassung der Längen der Lichtleiter 11, 11′, 11″. . . 11 ν und/oder 19, 19′, 19″. . . 19 ν konstant gehalten.

Liegt z. B. eine durch einen Fremdspiegel 23 verursachte Fremdreflexion vor, wie sie im Prinzip in Fig. 5 a) veranschaulicht ist, so wird das von der Sende-/Empfangseinheit 22 kommende Strahlenbündel 9 nicht vom Retroreflektor 10, sondern vom Fremdspiegel 23 zurückgeworfen. Damit steht am fotoelektrischen Wandler 14 ein Signal an, das in seiner Amplitude mit einem vom Retroreflektor 10 stammenden Signal vergleichbar ist. Ein Erkennen des Eingriffskörpers 25 wäre daher nicht möglich.

In einem solchen Fall detektiert der fotoelektrische Wandler 14 das Ausgangssignal U _d mit Bezugszeichen 27 in Fig. 4 c). Da dieses Empfangssignal aber nicht mehr im Überschneidungsbereich des Zeitfensters liegt, erscheint am Ausgang 16 der Auswerteschaltung 15 ein Signalwechsel U _e von z. B. "high" nach "low" (siehe Fig. 4 e), welcher einen Eingriff in den Arbeitsraum 18 anzeigt.

Wird, wie Fig. 5 b) veranschaulicht, das Sendelichtstrahlenbündel 9 durch einen Fremdspiegel 24 so in seiner Richtung geändert, daß der Eingriffskörper 25 umspiegelt wird, so wird das in Fig. 4 d) mit 28 bezeichnete Empfangssignal U _d detektiert, so daß auch hier eine Eingriffsmeldung am Ausgang 16 der Auswerteschaltung 15 vorliegt. Ein solcher Fall ist nur dann gegeben, wenn das Strahlenbündel nach wie vor am Retroreflektor 10 reflektiert wird und auch der Grenzwinkel α _G 15° des Reflektors nicht überschritten wird.

Claims (9)

1. Mit einem einzigen Lichtsender erzeugter Lichtvorhang, wobei das Lichtstrahlenbündel des Senders mittels einer Lichtverteilereinheit zeitlich aufeinanderfolgend in eine Anzahl im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, lückenlos angereihte und in den zu überwachenden Raum führende Strahlungswege gelenkt wird, an deren Ende ein Retroreflektor angeordnet ist, der die Lichtstrahlenbündel auf eine der Zahl der Strahlungswege entsprechende Anzahl Empfangsoptiken zurückwirft, denen Lichtleiter zugeordnet sind, mittels derer der jeweils reflektierte Anteil des betreffenden Lichtstrahlenbündels (Empfangslichtstrahlenbündel) zu einem fotoelektrischen Wandler gelangt, dem eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtverteilereinheit als mit einer Lochblende (12) vereinigter Dreh- oder Schwingspiegel (4) ausgebildet ist, wobei die Öffnung (12′) der Lochblende im Abstand r zur Drehachse (5) des Spiegels (4) angeordnet ist und dieser Öffnung die Enden der den Empfangsoptiken (8, 8′, 8″. . . 8 ν) nachgeordneten Lichtleiter (11, 11′, 11″. . . 11 ν) korrespondierend zugeordnet sind, derart, daß die Lochblende jeweils nur den Strahlungsweg des momentan vom Sendelichtstrahlenbündel (9, 9′, 9″. . . 9 ν) aktivierten Empfangslichtstrahlenbündels (29, 29′, 29″. . . 29 ν) zum fotoelektrischen Wandler (14) freischaltet.

2. Lichtvorhang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dreh- oder Schwingspiegel (14) Umlenkspiegel (7, 7′, 7″ . . . 7 ν) zugeordnet sind, welche das jeweilige, vom Spiegel (4) reflektierte Lichtstrahlenbündel (6, 6′, 6″. . . 6 ν) in den zu überwachenden Raum (18) reflektieren.

3. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß achsparallel zu den Enden der den Empfangsoptiken (8, 8′, 8″. . . 8 ν) nachgeordneten Lichtleiter (11, 11′, 11″. . . 11 ν) ein weiterer, durch die Lochblende (12) von diesen Enden getrennter Lichtleitersatz (19, 19′, 19″. . . 19 ν) angeordnet ist, dessen freie Enden über eine Linse (13) den fotoelektrischen Wandler (14) mit Empfangslicht beaufschlagen.

4. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoptiken (8, 8′, 8″. . . 8 ν) achsparallel zu den Sendelichtstrahlenbündeln (9, 9′, 9″. . . 9 ν) versetzt angeordnet sind.

5. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (1) durch eine Laserdiode verkörpert ist.

6. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Drehachse (5) des Dreh- oder Schwingspiegels (4) ein Winkelkodierer (21) angekoppelt ist, der den Lichtsender (1) abhängig von der Winkelposition des Spiegels (4) aktiviert.

7. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (1) (Laserdiode) zum Zeitpunkt t = 0 einen Lichtimpuls extrem kurzer Dauer (1 ns) abstrahlt und die Auswerteschaltung (15) nur einen solchen Empfangsimpuls des fotoelektrischen Wandlers (14) akzeptiert, der zum Zeitpunkt t ₁ = 2t _L +t _V eintrifft, wobei t _L die Lichtlaufzeit auf einfachem und geradlinigem Weg zwischen Sende-/Empfangseinheit (22) und Retroreflektor (10) und t _V die interne optische Verzögerungszeit darstellt.

8. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die interne optische Verzögerungszeit t _V für sämtliche Sendelichtbündel (9, 9′, 9″. . . 9 ν) durch Anpassung der Lichtleiterlängen (11, 11′, 11″. . . 11 ν) und/oder (19, 19′, 19″. . . 19 ν) konstant gehalten wird.

9. Lichtvorhang nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (15) mit einem schmalen elektronischen Zeitfenster (z. B. 0,3 ns) derart ausgestattet ist, daß der Zeitabschnitt t ₁ = 2t _L +t _V mittels elektrischer Verzögerungsleitung (z. B. Koax-, Mikrostreifenleitung usw.) realisiert wird.