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Diese Erfindung bezieht sich auf eine
Detektionseinrichtung zum Erfassen eines einen Zwischenraum passierenden
Gegenstandes, enthaltend einen ein erstes Reflexionsmittel
aufweisenden ersten Optik- Körper, einen dem ersten Optik-Körper
gegenüberliegend angeordneten zweiten Optik-Körper, der ein
zweites Reflexionsmittel aufweist und mit dem ersten Optik-Körper
den zwischen ihnen liegenden Zwischenraum bildet, ein in den
Zwischenraum Licht emittierendes Element, ein
Lichtempfangsmittel, das das von dem ersten und zweiten Reflexionsmittel
reflektierte Licht empfängt und dieses einfallende Licht in
Signale umwandelt, und schließlich einen Steuerkreis zum
Verarbeiten dieser Signale.
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Die US-A-4 384 280 offenbart eine Detektionseinrichtung
der vorerwähnten Art. Diese Einrichtung wird zum Absichern von
Oberflächen, beispielsweise bei Fenstern und Freiflächen,
verwendet und besitzt vergleichsweise große Abmessungen. Sie ist
daher schwer zu handhaben und kann zum Erfassen vergleichsweise
kleiner Objekte, wie z. B. Tabletten, Elektronikteile oder
ähnliche den Zwischenraum passierende Kleingegenstände nicht
einfach verwendet werden.
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Eine weitere herkömmliche Detektionseinrichtung ist in
Fig. 5 dargestellt, in der die Einrichtung 1 einen Rahmen 1a
aufweist, der eine Vielzahl von Licht emittierenden Elementen 4
aufweist, die eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten
Infrarotlicht ausstrahlenden Dioden 4a bilden, weiterhin eine
Vielzahl von Lichtsammellinsen 41a enthaltenden
Lichtsammelmitteln 41 enthält, wobei jede der Sammellinsen 41a den Licht
ausstrahlenden Dioden 4a zugeordnet ist, und weiterhin auch noch
einen Antriebs-Steuerstromkreis 45 enthält. Ein Zwischenraum 1b
ist in der Mitte des Rahmens 1a vorgesehen und ein diesen
Zwischenraum passierender Gegenstand 7, der von der
Detektionseinrichtung erfaßt wird. Mit 42 ist eine Schlitzplatte bezeichnet,
die quer zum Zwischenraum 1b und gegenüber den
Lichtsammellinsen 41 angeordnet ist. Die Schlitzplatte 42 soll die Breite des
von den Lichtsammellinsen 41 kommenden Lichtstromes begrenzen,
um die Detektions-Sensibilität zu erhöhen.
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Mit 44 ist eine Lichtempfängerplatte bezeichnet, die den
von den Lichtsammellinsen 41 kommenden und die Schlitzplatte 42
passierenden Lichtstrom empfängt und ihn in Fotoelektrizität
umwandelt. Die Lichtempfangsplatte 44 ist abgeplattet und aus
Silikon, Fotodioden oder ähnlichem bestehend. Mit 43 ist ein
sichtbares Licht abschirmendes Filter bezeichnet, das zwischen
der Schlitzplatte 42 und der Lichtempfangsplatte 44 angeordnet
ist.
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Ein Antriebs-Steuerstromkreis 45 ist hinter dem Rahmen 1a
angeordnet und enthält eine Stromquellen-Schaltung 45a, eine
Schaltung 45b zur Versorgung der lichtemittierenden Mittel 4
und einen Signalverstärkungskreis 45c zum Verstärken der von
der Lichtempfangsplatte 44 kommenden Signale. Das die
Verstärkerschaltung 45c verlassende Signal wird einem nicht
dargestellten Computer zur Verarbeitung zugeführt.
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Wenn der Stromkreis eingeschaltet wird, werden alle
lichtemittierenden Dioden 4a der Lichtemissionseinrichtung 4 erregt,
wodurch sie in dem Zwischenraum eine Lichtwand erzeugen.
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Wenn ein Gegenstand 7, wie z. B. Tabletten, Elektronikteile
oder ähnliche, diese Lichtwand passiert, wird ein Teil des
Lichtstromes abgeschattet, so daß die auf die Empfangsplatte 44
einfallende Lichtmenge dadurch variiert wird. Die dadurch
hervorgerufene geringe elektrische Variation wird durch den
Verstärkungsschaltkreis 45c verstärkt, wodurch entsprechende
elektrische
Signale letzteren verlassen. Diese werden von dem
Computer verarbeitet, um z. B. die Menge der passierenden
Gegenstände zu ermitteln.
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Eine solche Detektionseinrichtung hat die folgenden Mängel
und Nachteile:
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(A) Da die lichtemittierenden Mittel eine Vielzahl von
Infrarotlicht ausstrahlenden Dioden erfordern, sind ihr
anteilsmäßiger Wert und ihre Herstellungskosten
beträchtlich. Zusätzlich bedingen sie einen vermehrten
elektrischen Strombedarf, so daß die Betriebskosten entsprechend
sind. Weiterhin ist es unvermeidlich, eine solche Vielzahl
von Dioden daran zu hindern, daß sie sich stark erhitzen.
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(B) Da die Fläche der Lichtempfangsplatte vergleichsweise groß
ist, wird sie auch von äußerem Störlicht beaufschlagt und
auch durch Einfangen von störenden elektromagnetischen
Wellen, so daß Störfunktionen dieser Einrichtung recht
häufig auftreten.
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(C) Durch das Abschirmen des auf die Lichtempfangsplatte
einfallenden Lichtstroms durch die Schlitzplatte wird der
größere Teil des von den lichtemittierenden Dioden
abgestrahlten Lichtflusses unwirksam. Demzufolge steht nur ein
kleiner Teil des Lichtstroms zur Verfügung, so daß die
Detektions-Sensibilität der Lichtempfangsplatte entsprechend
herabgesetzt ist.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine
Detektionseinrichtung der vorbeschriebenen Gattung zu schaffen,
die jedoch von kleineren Abmessungen und speziell zum Erfassen
vergleichsweise kleiner Gegenstände, wie z. B. Tabletten,
Elektronikteile oder ähnlichen geeignet ist, die in den
Zwischenraum der Detektionseinrichtung gelangen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Detektionseinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
- das erste Reflexionsmittel aus einem eine mit einem Vakuum-
Niederschlag beschichtete sphärische oder zylindrische
Oberfläche aufweisenden konvexen Spiegel besteht, der zwischen einer
lichtemittierenden Linsen-Anordnung und einer lichtempfangenden
Linsen-Anordnung, alle auf dem ersten Optik- Körper vorhanden,
angeordnet ist, wobei die lichtemittierende Linsen-Anordnung
aus einer asphärischen, das emittierte Licht empfangenden
konvexen Linse und einer es an das zweite reflektierende Mittel
weiterleitenden, asphärischen zylindrischen Linse besteht, und
wobei weiterhin die lichtempfangende Linsen-Anordnung eine das
von dem zweiten Reflexionsmittel abgestrahlte Licht empfangende
asphärische zylindrische Linse und eine daß Licht zum
Empfangselement weiterleitende, asphärische konvexe Linse aufweist;
- das erste Reflexionsmittel, die lichtemittierende
Linsen-Anordnung und die lichtempfangende Linsen-Anordnung auf dem
ersten Optik-Körper integriert angeordnet sind, der aus
transparentem kunstharzartigem Werkstoff besteht;
- das zweite Reflexionsmittel aus einem konkaven
Reflexionsspiegel besteht, der durch einen Vakuum-Niederschlag
beschichtet und auf dem zweiten Optik-Körper integriert ausgeformt ist,
der aus transparentem kunstharzartigem Werkstoff besteht; und
- das Licht emittierende Element und das Lichtempfangsmittel
auf einem den Antriebs-Steuerkreis tragenden Boden angeordnet
sind, der zusammen mit dem ersten und zweiten Optik-Körper in
einem Rahmen montiert ist.
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Eine Art zur Durchführung der Erfindung wird im Detail
nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, die
nur eine spezielle Ausführungsform wiedergeben. Darin zeigen
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Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer äußeren
Darstellung einer Detektionseinrichtung gemäß der
Erfindung,
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Fig. 2 einen Querschnitt der Detektionseinrichtung der Fig.
1,
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Fig. 3A eine schaubildliche Ansicht eines ersten
Optik-Körpers in der erwähnten Detektionseinrichtung,
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Fig. 3B
eine Draufsicht auf den ersten Optik-Körper der
Fig. 3A,
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Fig. 3C einen Querschnitt längs der Linie c-c der Fig. 3B,
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Fig. 3D einen Querschnitt längs der Linie d-d der Fig. 3B,
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Fig. 4A eine schaubildliche Ansicht eines zweiten
Optik-Körpers in der erwähnten Detektionseinrichtung,
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Fig. 4B eine Schnittdarstellung des zweiten Optik-Körpers
längs der Linie b-b in Fig. 4A und
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Fig. 5 eine Draufsicht auf eine herkömmliche
Detektionseinrichtung.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
nachstehend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt die schaubildliche Ansicht des Äußeren der
erfindungsgemäß beschaffenen Detektionseinrichtung 1, während
Fig. 2 diese im Querschnitt wiedergibt.
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Die Detektionseinrichtung 1 besitzt einen Zwischenraum 1b
in einem Rahmen 1a, in welchem verschiedene Bestandteile
angeordnet sind. So ist darin mit 2 ein erster Optik-Körper
bezeichnet, der eine Linsen-Anordnung 21 für das emittierte Licht
aufweist, sowie weiterhin einen eine sphärische oder
zylindrische Oberfläche besitzenden konvexen Spiegel 22 als ein erstes
Reflexionsmittel und weiterhin eine lichtempfangende
Linsen-Anordnung 23 enthält, die alle einheitlich aus transparentem
Kunstharzmaterial hergestellt sind.
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Mit 3 ist ein zweiter Optik-Körper bezeichnet, der dem
ersten Optik-Körper 2 gegenüber so angeordnet ist, daß er mit ihm
den Zwischenraum 1b bildet.
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Der zweite Optik-Körper 3 enthält einen konkaven
reflektierenden Spiegel 3a als ein zweites Reflexionsmittel, das aus
transparentem Kunstharzmaterial besteht. Mit 4 ist eine
Infrarotlicht emittierende Diode als lichtausstrahlendes Element
bezeichnet, während mit 5 ein Fototransistor als Empfangselement
bezeichnet ist, wobei beide vorerwähnten Teile an den beiden
Enden eines den Antriebs-Steuerkreis tragenden Bodens 6
angeordnet
sind. Während die Licht emittierende Diode 4 der
lichtemittierenden Linsen-Anordnung 21 gegenüberliegt, ist der
Fototransistor 5 der lichtempfangenden Linsen-Anordnung 23
gegenüberliegend angeordnet.
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Mit 7 ist ein Gegenstand bezeichnet, der erfaßt werden
soll und der den Zwischenraum 1b zwischen dem ersten
Optik-Körper 2 und dem zweiten Optik-Körper 3 passiert.
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Die Bezugszeichen 7a und 7b weisen auf die Reflexions-Wege
zweier Schatten-Partien hin, die dann entstehen, wenn der
Gegenstand 7 die im Zwischenraum 1b erzeugte ,Licht-Wand passiert.
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Die Fig. 3A,3B,3C und 3D zeigen im Einzelnen den ersten
Optik-Körper 2, der als U-förmiges Teil ausgebildet ist. Auf der
Frontfläche dieses ersten optischen Körpers 2 sind die
Linsenanordnung 21 für das emittierte Licht, die Linsenanordnung 23
für das zu empfangende Licht und der konvexe Spiegel 22 als
dazwischen liegender erster Reflexionsspiegel angeordnet.
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Die Linsenanordnung 21 für das emittierte Licht besteht
aus einer ersten lichtemittierenden Linse 21a und einer zweiten
lichtemittierenden Linse 21b, die auf der gegenüberliegenden
Seite der ersten Linse 21a angeordnet ist. Die Linse 21a
springt gemäß Fig. 3A nach vorne vor, während sie in Fig. 3B nach
unten weist. Wie Fig. 3C zeigt, handelt es sich dabei um eine
asphärische konvexe Linse, während die zweite lichtemittierende
Linse 21b eine asphärische zylindrische Linse ist.
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Der konvexe Spiegel 22 als erstes Reflexionsmittel ist in
Fig. 3A nach vorwärtsweisend angeordnet und sein kreisförmiger
konkaver Teil ragt in Fig. 3B nach unten vor. Er ist von einem
Vakuum-Niederschlag überschichtet, um die Funktion eines
konvexen Spiegels ausüben zu können.
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Wie in Fig. 3D deutlich dargestellt, umfaßt die
lichtempfangende Linsen-Anordnung 23 eine erste lichtempfangende Linse
23a, die als asphärische konvexe Linse ausgebildet ist, und
eine zweite zylindrische lichtempfangende Linse 23b, die als
asphärische zylindrische Linse ausgebildet ist und der
vorerwähnten gegenüberliegt.
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Gemäß den Fig. 4A und 4B enthält der zweite Optik-Körper 3
in seiner U-förmigen Gestalt einen in ihm integrierten konkaven
Reflexionsspiegel 3a als zweite Spiegelanordnung, der auf
seiner Vorderfläche so angeordnet ist, daß er der zweiten
lichtemittierenden Linse 21b, den ersten Reflexionsmitteln 22
(konvexer Spiegel) und der zweiten lichtempfangenden Linse 23b des
ersten Optik- Körpers 2 gegenüberliegt. Der konkave
Reflexionsspiegel 3a besteht aus transparentem Kunstharzmaterial und ist
auf der Frontfläche des zweiten Optik-Körpers 3 durch einen
Vakuum-Niederschlag beschichtet bzw. plattiert.
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Entsprechend dieser Ausführung besitzt der konkave
reflektierende Spiegel 3a zwei unterteilte Abschnitte, nämlichen
einen ersten konkaven reflektierenden Spiegel 3a1 und einen
zweiten konkaven reflektierenden Spiegel 3a2, von denen jeder das
gleiche sphärische Profil und die gleiche Krümmung besitzen. Es
ist aber auch möglich, dafür eine gemeinsame Fläche eines
konkaven reflektierenden Spiegels 3a, also ohne entsprechende
Trennung zu verwenden.
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Im Gehäuserahmen 1a sind der erste Optik-Körper 2, der die
Antriebssteuereinrichtung tragende Boden 6 mit dem Licht
emittierenden Element 4 und dem Licht empfangenden Element 5 sowie
weiterhin der zweite Optik-Körper 3 so angeordnet, daß
letzterer dem ersten Optik-Körper 2 zur Bildung des dazwischen
liegenden Detektionsraumes 1b gegenüberliegt.
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Die Wirkungsweise der Detektionseinrichtung wird nunmehr
beschrieben.
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Wenn eine nicht dargestellte Stromquelle für die
Detektionseinrichtung 1 eingeschaltet und das Licht emittierende
Element 4, durch einen nicht dargestellten, auf dem den
Antriebs-Steuerkreis tragenden Boden 6 vorhandenen
Licht-Schaltkreis aktiviert, Infrarotstrahlen emittiert, werden diese
Strahlen durch die Linsenanordnung 21 gesammelt, die
unmittelbar vor dem Licht emittierenden Element 4 angeordnet ist.
Sodann gelangen die Infrarotstrahlen auf den zweiten konkaven
Reflexionsspiegel 3a2 des zweiten Optik-Körpers 3 durch den
Zwischenraum 1b hindurch.
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Genauer betrachtet ist es so, daß das von dem
emittierenden Element 4 ausgehende und die Linsenanordnung 21 passierende
Licht, sobald es die erste Linse 21a und die zweite Linse 21b
passiert hat, aufgefächert wird und in dieser Form auf den
zweiten konkaven Reflexionsspiegel 3a2 trifft, wo es ein dünnes
verlängertes Licht-Bild entwirft.
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Dann geschieht eine erste Reflexion. Das erwähnte Licht-
Bild wird auf den konvexen Spiegel 22 als das erste
Reflexionsmittel geworfen.
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Sodann entsteht eine zweite Reflexion an dem konvexen
Spiegel 22. Der Lichtfluß wird ein wenig zerstreut und auf den
ersten konkaven Spiegel 3a1 des zweiten Optik-Körpers 3
geworfen. Das hier entworfene Licht-Bild hat eine wenig verlängerte
Form ähnlich dem auf dem zweiten konkaven Spiegel 3a2
entworfenen. Sodann erfolgt eine dritte Reflexion an dem ersten
konkaven Reflexionsspiegel 3a1, woraufhin der Lichtfluß durch die
Lichtsammellinsen-Anordnung 23 geht und schließlich vom
Lichtempfangselement 5 empfangen wird.
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Der Lichtstrom, der sich zwischen dem ersten konkaven
Reflexionsspiegel 3a1 und der Lichtempfangs-Linsenanordnung 23
entwickelt hat, zeigt eine aufgefächerte Form ähnlich wie die
zwischen dem zweiten konkaven Spiegel 3a2 und der
lichtemittierenden Linsenanordnung 21. Sodann läuft das Licht auf einem
Sammelpunkt auf dem Lichtempfangselement 5 zusammen, nachdem es
die zweite Lichtempfangslinse 23b und die erste
Lichtempfangslinse 23a passiert hat.
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Wie oben beschrieben, wird das vom Licht emittierenden
Element 4 ausgestrahlte Licht wiederholt zwischen dem ersten
Optik-Körper 2 und dem zweiten Optik-Körper 3 reflektiert,
wodurch im Zwischenraum 1b eine Lichtwand gebildet wird, die die
Detektion ermöglicht.
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Wenn der zu erfassende Gegenstand 7 den Raum 1b - wie in
Fig. 2 gezeigt - passiert, wird ein Teil der Lichtwand
abgeschattet, so daß die auf das Lichtempfangselement 5 einfallende
Lichtmenge verringert und das vom Lichtempfangselement 5
abgegebene elektrische Signal entsprechend leicht geändert wird.
Diese elektrische Änderung wird verstärkt und abgegeben durch
den Verstärkungsschaltkreis im auf dem Boden 6 angeordneten
Antriebs-Steuerkreis.
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Wenn der Gegenstand durch die im Zwischenraum 1b
vorhandene Lichtwand hindurchwandert, kommt es zu zwei Schattenpartien-
Bildungen, nämlich zu einem ersten Schattenteil 7a, der von dem
Lichtstrom herrührt, der von dem zweiten konkaven Spiegel 3a2
zum konvexen Spiegel 22 fließt, und zu einem zweiten
Schattenteil 7b, der durch den vom konvexen Spiegel 22 zum ersten
konkaven Spiegel 3a1 gerichteten Lichtfluß entworfen wird.
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Diese Schattenteile 7a,7b werden nach den wiederholten
Reflexionen auch von dem Lichtempfangselement 5 empfangen. Im
Ergebnis wird daher, wenn der Gegenstand die in Fig. 2
wiedergegebene Größe besitzt und die Licht-Wand passiert, etwa 2/3 der
auf das Lichtempfangselement 5 einfallenden Lichtmenge
abgeschattet, wodurch das Variationsverhältnis der Lichtmenge etwa
66% erreicht, was etwa zweimal so viel als bei einer
herkömmlichen Einrichtung ist. Daher wird die Detektions-Sensibilität
der vorliegenden Einrichtung bemerkenswert gesteigert.
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Weiterhin wird als Ergebnis der wiederholten Reflexionen
die optische Weglänge für das vom Element 4 emittierte Licht
zum Licht empfangenden Element 5 entsprechend verlängert. Das
bedeutet, daß der Lichtstrom über einen solchen verlängerten
optischen Weg emittiert und schließlich vom Empfangselement 5
gesammelt wird. Das bedingt sozusagen eine Erweiterung der
Brennweite der lichtemittierenden Linsenanordnung 21. Daher ist
auch der Einfluß von äußerem Störlicht hierauf sehr gering.
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Mit der Detektionseinrichtung gemäß der Erfindung werden
die folgenden wesentlichen Wirkungen erzielt:
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1) Da das Licht emittierende Element und das Licht
empfangende Element auf dem den Antriebs-Steuerkreis tragenden
Boden angeordnet sind, ergibt sich eine kürzest mögliche
Verdrahtung. Demgemäß kann die Detektionseinrichtung
kompakt produziert und zu reduzierten Kosten hergestellt
werden.
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2) Da nur ein Licht emittierendes Element notwendig ist, wird
die Einrichtung noch kompakter. Demgemäß sind auch der
Stromverbrauch und Wärmeverlust entsprechend geringer.
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3) Das Lichtempfangselement kann als Chip von 1mm·1mm Größe
gestaltet sein. Es wird dadurch zu 1/50 bis 1/100 kleiner
als die herkömmliche Fotodiode. Demgemäß wird auch der
Einfluß elektromagnetischer Störwellen auf einem so
kleinen Chip bemerkenswert verringert. Zusätzlich zur
Verbesserung der Detektions-Genauigkeit können die
Herstellungskosten reduziert werden.
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4) Da der optische Weg zwischen dem Licht emittierenden
Element und dem Licht empfangenden Element verlängert wird,
ist es möglich, den Einfluß von störendem äußerem Licht zu
verhindern, so daß es nicht notwendig ist, irgendein
Filter zum Abschirmen sichtbaren Lichts zu verwenden.
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5) Die im Detektions-Zwischenraum abschnittweise gebildete
Stärke des Lichtflusses kann durch das vorbeschriebene
optische System verringert werden, so daß die Lichtmenge der
vorliegenden Detektionseinrichtung im Vergleich mit einer
konventionellen Einrichtung nicht durch eine besondere
Schlitzplatte geschwächt wird. Hier wird also zusätzlich
zur Verbesserung der Detektions-Sensibilität keine
Schlitzplatte benötigt, so daß die Detektionseinrichtung
auch insoweit einfacher und zu niedrigeren Kosten
produziert werden kann.
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6) Wenn der zu erfassende Gegenstand die Lichtwand im
Detektions-Zwischenraum passiert, kommt es dabei zu zweifacher
Schattenbildung. Demgemäß ist das Variations-Verhältnis
des auf das Lichtempfangselement gelangenden Lichtes etwa
zweimal so groß wie bei den herkömmlichen Einrichtungen,
wodurch die Detektions-Sensibilität gesteigert wird.
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7) Der erste Optik-Körper umfaßt die lichtemittierende
Linsenanordnung, die ersten reflektierenden Mittel und die
lichtempfangende Linsenanordnung, und zwar alle in
integrierter Form. Der zweite Optik-Körper umfaßt die zweiten
reflektierenden Mittel auch in integrierender Form.
Demgemäß wird eine hohe optische Genauigkeit gewährleistet und
auch die Montage vereinfacht. Insgesamt besitzt die
Detektionseinrichtung gemäß dieser Erfindung eine erheblich
gesteigerte Leistungsfähigkeit.