DE4408294A1 - Vorrichtung zur Veränderung des wirksamen Strahlquerschnittprofils von optoelektronischen Sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf spezielle Ausführungsformen berührungslos arbeitender optoelektronischer Sensoren.

Bei optoelektronischen Sensoren werden im allgemeinen die Veränderungen des optischen Strahlungsflusses vom Sender zum Empfänger erkannt und ausgewertet.

Das Einsatzgebiet derartiger Sensoren ist breit gefächert und reicht über Lichtschrankenstrecken von einigen zig-Metern für Kontroll-, Überwachungs- oder Steuerfunktion, z. B. von Toranlagen bis zu sehr kurzen Distanzen, wie z. B. bei der Verwendung dieser Sensoren als optischer Anschlag bei Papierdruck- oder Faltmaschinen.

Angabe zum Stand der Technik

Optoelektronische Sensoren, d. h. Lichtschranken, werden in vielen Fällen vorzugsweise als Autokollimationssysteme, d. h. als Reflexionslichtschranken verwendet.

Strahlungssender und -empfänger sind gemeinsam in einem Gehäuse auf einer Seite und ein Retroreflektor auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtschrankenstrecke angeordnet. Es wird dabei nur ein elektrischer Anschluß auf der Geräteseite benötigt, der Retroreflektor dagegen ist "passiv" und zusätzlich in weitem Rahmen justierunempfindlich.

Herkömmliche Reflexionslichtschranken verwenden typischerweise als Strahlungssender eine LED sowie eine Photodiode/Phototransistor als Strahlungsempfänger. Zur Strahlformung, d. h. zur Beeinflussung des Strahlungsraumes zwischen Sender und Empfänger werden reflektive/refraktive optische Bauelemente in fester Zuordnung zu den beiden Optobauelemente angeordnet, um das wirksame Strahlungsprofil zu fixieren. (Siehe z. B. DE 37 07 989 oder DE 8 26 112).

Mängel der bisherigen Ausführungen

Bei den bisher bekannten Ausführungsformen kann der fix vorgegebene Strahlquerschnittverlauf über der optischen Lichtschrankenstrecke nicht vor Ort an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt werden, wodurch eine optimale Anpassung der Lichtschranke an die zu lösende Aufgabe erheblich beeinträchtigt wird. Es bleibt bei Verwendung der bislang verfügbaren Lichtschranken nur übrig, sich von vorne herein auf z. B. einen konvergierenden/divergierenden oder nahezu parallelen Strahlengang festzulegen.

Andererseits ist insbesondere bei Reflexionslichtschranken mit sehr kleinem Strahlquerschnitt oft das Problem, daß der an sich vorteilhafte Retroreflektor wegen seiner inneren Strukturen/Inhomogenitäten bzw. kleinen Totzonen nicht verwendet werden kann. Fällt nämlich ein dünner Lichtstrahl in eine dieser nicht reflektierenden "Lücken", ist die Funktion der Lichtschranke gestört.

Nennung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems

Bei vielen Einsatzorten optoelektronischer Sensoren ist es wünschenswert, den wirksamen Strahlquerschnittverlauf über den Lichtschrankenabstand in abhängigkeit der jeweiligen Aufgabenstellung zu verändern. Wird z. B. eine optische Reflexionslichtschranke als optischer Anschlag beispielsweise bei Positionieraufgaben eingesetzt, soll der Strahlquerschnitt über die Strahllänge so geformt sein, daß zum Zwecke einer optimalen Positioniergenauigkeit der Strahlquerschnittverlauf in einem bestimmten Abstand möglichst scharf fixiert ist. Darüber hinaus ist es wünschenswert, den Ort der kleinsten Einengung innerhalb der Lichtschrankenstrecke frei zu wählen, um somit gegebenenfalls den konstruktionsbedingten Anbauorten des Sensors/Reflektors gerecht zu werden. Andererseits besteht aus Gründen der obengenannten Eigenschaften des Retroreflektors die Forderung, den Strahlquerschnitt an dessen Stelle groß zu wählen, daß eine ausreichende Betriebszuverlässigkeit gewährleistet ist, d. h. kleine Funktionslücken im Reflektor nicht zur Störung führen.

Ein weiterer Hintergrund für Forderung nach Veränderungsmöglichkeit des Strahlquerschnittprofils ist darin zu sehen, daß neben der Forderung eines sehr kleinen Strahlquerschnitts im eigentlichen Funktionsbereich gleichzeitig wegen einer möglicherweise hohen Verschmutzungsgefahr der optischen Grenzflächen große Strahlquerschnitte an den entsprechenden Grenzflächen (Strahlaus-/eintrittsfläche am Sensor bzw. am Reflektor) gefordert sind.

Muß hingegen eine Reflexionslichtschranke an einem richtungsveränderlichen Anbauort montiert werden (z. B. einer schwingenden/vibrierenden Werkzeugmaschine oder eine instabile frei schwebende Freilufthalterung), so ist es notwendig, das Strahlprofil so zu gestalten, daß selbst bei maximaler Auslenkung der Montagebasis der gegenüberliegende Reflektor immer noch ausreichend mit Licht beaufschlagt wird. Ähnliches tritt dann ein, wenn aufgrund von Brechzahländerungen in der Lichtschrankenstrecke Ablenkungen auftreten. Es ist also erforderlich, den Strahldivergenzwinkel an den Winkel der maximalen Aus-/Ablenkung anzupassen.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und in der praktischen Anwendung problemfreies Modifizieren des wirksamen Strahlquerschnittsverlaufes vor Ort bei Reflexionslichtschranken zu schaffen.

Gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung und detaillierte Darlegung mehrerer Wege zur Ausführung der beanspruchten Erfindung

Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß die wesentlichen Parameter, welche einen Einfluß auf die Veränderung des Strahlquerschnittprofils haben, leicht modifiziert bzw. vor Ort eingestellt werden können. Es sind dies im besonderen die objektivseitige Schnittweite (Optischer Weg vom Sender zur abbildenden Optik), die Apertur der Sendeoptik sowie die effektive Brechkraft der entsprechenden Optikkomponenten.

Zur Veränderung der objektivseitigen Schnittweite sieht die Erfindung vor, durch einen von außen zugänglichen mechanischen Antrieb die Sendediode längs ihrer optischen Achse zu verschieben, um damit den Abstand zur Sendeoptik zu verändern. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird die Sende-/Empfangsoptik innerhalb ihrer mechanischen Halterung so geändert, daß sich ebenfalls die effektive Schnittweise zum Sender verändert. In beiden Fällen ist die erfindungsgemäße Ausführung so gestaltet, daß unter Beibehaltung der jeweiligen Schutz-/Isolationsklasse, also ohne das Gerät zu öffnen, die Einstellungen von der Außenseite des Gerätes betätigt werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1a, 1b eine erläuternde Darstellung der Erfindung, in welcher die veränderliche Schnittweite durch Verschiebung der Sendediode in die Nähe der beiden Grenzlagen dargestellt ist.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform zur Verschiebung des Senders in Richtung der optischen Achse.

Fig. 3a bis e typische Strahlquerschnittprofile über der Lichtschrankenstrecke in Abhängigkeit von der objektivseitigen Schnittweitenveränderung im Sensor.

In den Fig. 1a und 1b sind die hier angesprochenen Komponenten der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke dargestellt. Die optische Strahlung, welche aus dem Sender 1 austritt, durchstrahlt die Blende 2 und wird über einen teildurchlässigen Spiegel 3 zur Linse 4 umgelenkt. Der teildurchlässige Spiegel hat die Eigenschaft, ca. 50% der Strahlung zu reflektieren und den restlichen Anteil (reduziert um geringe Absorptionsverluste) durchzulassen. In der in Fig. 1a dargestellten Anordnung befindet sich die emittierende Strahlungsfläche der LED/Laserdiode sehr nahe dem Brennpunkt der Linse 4, so daß die aus der Linse austretende Strahlung nahezu parallel in die Lichtschrankenstrecke eintritt. Nach einmaligem Durchlaufen der Lichtschrankenstrecke und der Retroreflexion an einem, wie in den Fig. 3a bis 3e dargestellten Reflektor, vorzugsweise Retroreflektor, tritt ein Teil der ausgesandten Strahlung nach erneutem Durchlaufen der Strecke wieder in die Linse 4 ein. Auch von dieser Strahlung wird ein Teil durch den Teilerspiegel 3 durchgelassen und gelangt nach Durchtritt der Empfangsblende 5 zum Empfänger 6.

In der Fig. 1b dagegen ist der Sender 1′ in Richtung X verschoben, so daß dadurch eine deutlich konvergente Strahlung in die Lichtschrankenstrecke eintritt. Ebenfalls ist in Fig. 1b zu erkennen, daß bei nicht verändertem Blendenort die wirksame Apertur, d. h. die von der Strahlung durchsetzte Linsenfläche kleiner ist, als in Fig. 1a. Wird hingegen die Blende 2 mit dem Sender 1,1′ in gleicher Richtung verschoben, so wird die vergrößerte effektive Apertur bewirkt.

In Fig. 2 ist ein vorteilhafter Verstellmechanismus schematisch dargestellt, wodurch es möglich ist, die in Fig. 1a, 1b gezeigte Verschiebung des Senders zu bewerkstelligen. Der Sender 1,1′ ist rückseitig mit einer Abdeckkappe 10 versehen. Gleichzeitig ist der Sender 1,1′ in einer verdrehgesicherten Linearführung eingebaut, welche eine Bewegung in Richtung X-Y ermöglicht. Mittels eines elstischen Druckelementes, z. B. einer Spiralfeder 11, wird der Sender innerhalb der Führung gegen die Druckschraube 12 angepreßt. Die Druckschraube 12 hingegen stützt sich gegen das Sensoraußengehäuse 13 ab und ist darüber hinaus mit nicht im Detail dargestellten Dichtelementen versehen. Je nach Ausführung der Gewindesteigung der Druckschraube 12 läßt sich somit eine sehr feinfühlige spielfreie Verschiebung des Senders erreichen.

Die Auswirkungen der nach den in Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Veränderung der objektseitigen Schnittweite auf das Strahlquerschnittprofil sind in Fig. 3 dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in den Fig. 3a bis 3e jeweils nur schematisch die Beziehungen von Sender zur Abbildungsoptik dargestellt.

Fig. 3a zeigt eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung, wenn ein minimaler Spotdurchmesser zum Erfassen kleinster Objekte erforderlich ist, gleichzeitig aber einen, bezogen auf die Retroreflektorstruktur, großen Strahlquerschnitt am Reflektor, wodurch partielle Inhomogenitäten oder kleine Fehlstellen im Reflektor integriert werden. In Fig. 3b ist eine optimale Einstellung der Vorrichtung nach der Erfindung für die Lösung der Aufgabe dargestellt, daß über einen möglichst großen Tiefenbereich ein schlankes Strahlprofil erwünscht wird. Dies geschieht durch geeignete Veränderung der Aperturöffnung mittels der Blende 2.

Mit dem Strahlprofilverlauf nach Fig. 3c ist berücksichtigt, daß bei der notwendigen Justage vom Sensor auf den Reflektor keine extreme Genauigkeit erforderlich ist, denn der relativ große Strahlquerschnitt erleichtert die Aufgabe der Justage deutlich. Eine ähnliche Strahlquerschnittsform ist auch zur Lösung der Anwendungen vorteilhaft, wo z. B. große Strecken überwunden werden sollen und dabei durch wechselnde atmosphärische Einflüsse unkontrollierte Strahlablenkungen auftreten, die bei einem begrenzten Lichtfleck ein Auswandern auf dem Reflektor verursachen, das zur Strahlunterbrechung führen würde.

Die Fig. 3d und 3e zeigen ebenfalls typische Strahlprofile, die mit der Vorrichtung nach der Erfindung leicht eingestellt werden können.

Analog der hier beschriebenen objektseitigen Schnittweitenveränderung durch Verstellung des Senders in Richtung der optischen Achse kann dies auch durch Verschiebung der Linse oder eines Spiegels oder einer Kombination davon erfolgen. Gleichfalls kann die effektive optische Schnittweite auch durch Einfügen oder Herausnehmen von z. B. planparallelen Platten mit höherer optischer Dichte verändert werden.

Claims (8)

1. Reflexionslichtschranke zum Erkennen von Objekten innerhalb einer von einem Strahlenbündel durchsetzten Strecke, an deren einem Ende ein Sensor mit einem Strahlungssender (1) und einem Strahlungsempfänger (6) untergebracht ist, während sich am anderen Ende der Strecke ein von der Strahlung beaufschlagter Retroreflektor (14) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Strahlquerschnittprofils über der Lichtschrankenstrecke durch eine von der Außenseite des Sensorgehäuses (13) zugängliche Einstellanordnung (10, 11, 12) veränderbar ist.

2. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Strahlquerschnittprofils über der Strecke die objektseitige Schnittweite innerhalb des Sensors in der Richtung der optischen Achse veränderbar ist.

3. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der objektseitigen Schnittweite die Lage des Senders (1) in der Richtung der optischen Achse veränderbar ist.

4. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung im Sensorgehäuse (13) eine Schraubenwelle (12) abgedichtet drehbar gelagert ist und einen von außen zugänglichen Betätigungskopf aufweist.

5. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenwelle (12) mit einem Feingewinde versehen ist.

6. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenwelle (12) auf eine durch ein Federelement (11) vorgespannte Druckplatte (10) wirkt und diese Druckplatte (10), verbunden mit dem Sender (1), in einer verdrehgesicherten Linearführung verschiebbar gelagert ist.

7. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur objektseitigen Schnittweitenveränderung die Sensoroptik in Bezug zur Sendediode verschiebbar ausgeführt ist.

8.Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Strahlquerschnittprofils über der Lichtschrankenstrecke durch Verstellung der dem Sender vorgelagerten Blende (2), die wirksame Aperturöffnung verändert wird.