DE60018065T2

DE60018065T2 - Kontinuierlich verlängerte optische quellen und empfänger und optische barriere mit solchen quellen und empfänger

Info

Publication number: DE60018065T2
Application number: DE60018065T
Authority: DE
Inventors: Leonardo Masotti; Paolo Pacini
Original assignee: Actis Active Sensors Srl
Current assignee: Actis Active Sensors Srl Calenzano It
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: EP1185822B1; ITFI990142A1; DE60018065D1; AU5565000A; IT1308286B1; EP1185822A1; WO2000077447A1; ATE289039T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verlängerten Quellen elektromagnetischer Strahlung insbesondere im sichtbaren und infraroten Bereich und entsprechenden optischen Empfängern insbesondere zur Herstellung von optischen Eindringschutz-Barrieren zur Überwachung von Kontrollbereichen und dergleichen.
Stand der Technik
Das italienische Patent Nr. 1.291.835 beschreibt eine zweidimensionale optische Barriere vom Lichtleitertyp, welche besonders nützlich ist für die Überwachung von kleinen Kontrollbereichen wie beispielsweise den Zugangsbereich zum Arbeitsraum eines Maschinenwerkzeugs, zum Zweck des Anhaltens oder des Sperrens des Betriebs des Maschinenwerkzeugs, wenn ein Fremdkörper wie beispielsweise ein Körperteil der Bedienungsperson in den Arbeitsraum gerät. Diese optische Barriere benutzt als Lichtquelle eine rohrförmige Lampe. Obgleich dies mehr Vorteile aufweist als Barrieren, die mit Einzelpaaren aus emittierenden Quellen und Empfängern vom Einzelpunkttyp hergestellt sind, weist dies doch manche Einschränkungen hinsichtlich der Größe und der Gestalt der Lichtquelle und folglich der Barriere und daher auch des kontrollierbaren Bereichs auf.
Ferner ist die Wellenlänge, die benutzt werden kann, durch die Art der verfügbaren Lampen festgelegt, welche eine für den spezifischen Anwendungsfall geeignete Röhrenform haben.
Die WO-A-9820279 offenbart mit Licht arbeitende Leuchtstäbe, welche an einem Ende eine Lichtquelle und auf dem äußeren Umfang des Stabs eine Licht reflektierende Folie aufweisen.
Aufgabe der Erfindung
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer kontinuierlich verlängerten optischen Quelle, welche es ermöglicht, auf effiziente Weise einen optischen Strahl zu erzeugen, welcher eine verlängerte Geometrie aufweist, beispielsweise zur Herstellung von Kontroll- und Eindringschutz-Barrieren, welche eine große linienförmige Erstreckung und eine Gestalt aufweisen, die nicht notwendigerweise geradlinig sind, oder zur Herstellung von Beleuchtungsvorrichtungen, welche spezielle optische Effekte erzeugen.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines optischen Empfängers, um in Verbindung mit einer ähnlichen optischen Quelle eine Eindringschutz-Barriere herzustellen, welche eine große linienförmige Erstreckung und beliebige Gestalt aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer kontinuierlichen zweidimensionalen optischen Barriere vom Lichtleitertyp, die eine optische Quelle und einen optischen Empfänger aufweist, die im Wesentlichen linienförmig sind und die sich über beträchtliche Längen erstrecken können und eine Konfiguration aufweisen können, die nicht notwendigerweise geradlinig ist. Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung von Barrieren diesen Typs, welche nicht nur als Eindringschutz-Barrieren, sondern auch als Systeme zur Messung der Gestalt und/oder der Größe von Gegenständen eingesetzt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist auch die Bereitstellung von optischen Quellen und optischen Empfängern, die erforderlichenfalls Strahlen aussenden und aufnehmen können, die Geometrien aufweisen, die sich in mehreren Richtungen verlängern, um mit einer begrenzten Anzahl von Quellen und Empfängern einen überwachten Umkreis zu erhalten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer optischen Barriere, welche von Infrarotstrahlung an Stelle von sichtbarer Strahlung Gebrauch machen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung, die für den Fachmann aus dem Nachfolgenden offensichtlich werden, lassen sich im Wesentlichen mit einem verlängerten optischen Empfänger gemäß Anspruch 1 und mit einer verlängerten optischen Eindringschutz-Barriere gemäß Anspruch 13 erzielen. Eine solche Barriere enthält eine verlängerte optische Quelle, welche umfasst: einen länglichen Stab mit einer Seitenfläche und zwei Endflächen, mindestens einen optischen Emitter, der vor mindestens einer dieser Endflächen derart angeordnet ist, dass er einen optischen Strahl in Richtung auf die Endfläche aussendet, und mindestens einen streuenden Streifen längs der Längserstreckung des Stabes auf dessen Seitenfläche. Der Stab ist aus einem Material gefertigt, welches für die Emissionswellenlänge des optischen Emitters optisch durchlässig ist. Dieser kann eine Licht emittierende Diode (LED) sein, welche bei einer sichtbaren Wellenlänge oder bei einer unsichtbaren Wellenlänge wie beispielsweise im nahen Infrarot emittiert. Mit einer LED oder einer Reihe von LEDs, die an einem oder an beiden Endflächen des Stabes angeordnet ist/sind, ist es möglich, Lichtstrahlen zu erhalten, die eine beliebige Ausdehnung entsprechend der Erstreckung des längs der Seitenfläche des Stabes ausgebildeten streuenden Streifens haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein verlängerter optischer Empfänger bereitgestellt, welcher umfasst: einen länglichen Stab mit einer Seitenfläche und zwei Endflächen, mindestens einen optischen Sensor, welcher vor mindestens einer der Endflächen derart angeordnet ist, dass er einen optischen Strahl empfängt, der längs des Stabes in Richtung auf die Endfläche geführt wird, und mindestens einen streuenden Streifen längs der Längserstreckung des Stabes auf dessen Seitenfläche. Auch in diesem Fall ist der Stab aus einem Material gefertigt, welches für die Wellenlänge des optischen Sensors, die der Empfangswellenlänge der Quelle entspricht, optisch durchlässig ist.
Wenn die Quelle und der Empfänger ausgelegt sind, so zusammenzuwirken, dass sie eine optische Barriere bilden, dann haben die beiden Stäbe, die den Empfänger und die Quelle bilden, im Wesentlichen dieselbe Erstreckung.
Die Stäbe können im Allgemeinen jede beliebige Gestalt haben, die nicht unbedingt geradlinig sein muss. Typischerweise wird ihr Querschnitt konstant sein, damit sie längs der gesamten Längserstreckung dasselbe optische Verhalten zeigen. In einer möglichen Ausführungsform sind sie zylindrisch und haben möglicherweise, aber nicht notwendigerweise, einen kreisförmigen Querschnitt. Es ist jedoch auch möglich, Stäbe herzustellen, welche einen gekrümmte, eine gewellte oder eine andere Gestalt aufweisen je nach der Art des Volumens, welches überwacht werden soll.
In einer möglichen Ausführungsform kann der streuende Streifen auf der Seitenfläche des Stabes der Quelle und/oder des Empfängers aus einem angeschliffenen Bereich der Seitenfläche bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht jedoch der streuende Streifen aus einem Streifen aus streuendem und reflektierendem Material, das für die Strahlung des optischen Emitters undurchlässig ist und das auf die Außenseite der Seitenfläche des Stabes der Quelle und/oder des Empfängers aufgebracht ist. Der Streifen kann beispielsweise aus undurchlässiger weißer Farbe bestehen.
Die optische Quelle, die erfindungsgemäß hergestellt wird, kann von einem Emitter oder einem Satz von Emittern Gebrauch machen, der/die auf nur einem der Enden des Stabes angebracht wird/werden, während eine reflektierende Fläche auf das andere Ende aufgebracht wird. Umgekehrt ist es möglich, Emitter auf beiden Seiten des Stabes anzubringen. Auf wechselseitige Weise ist es möglich, einen oder mehrere optische Sensoren an einem der Enden des Stabes im Empfänger anzuordnen, während das andere Ende mit einer reflektierenden Fläche ausgestattet wird. Bevorzugterweise sind die Sensoren an beiden Enden des Stabes anzuordnen, da dies ermöglicht, ein stärkeres Signal im Fall eines Eindringens zu erhalten.
Das Eindringen eines Fremdkörpers in die aus der optischen Quelle und dem Empfänger gebildete Barriere wird wie beim Stand der Technik durch eine Verringerung des vom optischen Sensor erfassten Signals nachgewiesen. Weitere Einzelheiten zum Verfahren des Nachweises des Durchtritts eines Fremdkörpers durch die optische Barriere können dem oben genannten italienischen Patent entnommen werden.
Um zwei oder mehrere optische Strahlen zu erzeugen, welche eine verlängerte Geometrie aufweisen, ist es möglich, den Stab der optischen Quelle und/oder den Stab des optischen Empfängers so auszubilden, dass er mit zwei oder mehr als zwei streuenden Streifen ausgestattet wird, welche unter Winkeln voneinander beabstandet sind.
Weitere vorteilhafte Merkmale der optischen Quelle, des optischen Empfängers und der optischen Barriere, die aus ihnen gefertigt werden kann, sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen angegeben und werden weiter unten unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird mit der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung verdeutlicht, in welcher eine praktische und den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht einschränkende Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
In der Zeichnung zeigt im Einzelnen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Stab aus transparentem Material, welches einen Lichtleiter bildet, mit Angabe des Lichtwegs der vom optischen Emitter emittierten Strahlen;
2 für den Lichtleiter von 1 eine schematische Darstellung der Wege der Strahlen in einem Bereich der Oberfläche, welcher streuend gemacht worden ist;
3 eine schematische Vergrößerung des streuenden Bereichs;
4 eine schematische Perspektivansicht der Wege der Lichtstrahlen in einem Lichtleiter, der mit einem streuenden Bereich längs eines Längsstreifens seiner Oberfläche versehen ist;
4A einen Querschnitt des Stabes von 4;
5 einen schematischen Querschnitt eines Lichtleiters, welcher mit einem streuenden und reflektierenden undurchlässigen, längs verlaufenden Seitenstreifen versehen ist;
6 einen Längsschnitt einer besonderen Ausführungsform des Quellenstabes;
7 einen Querschnitt eines Lichtleiters, welcher zwei streuende und reflektierende, längs verlaufende Seitenstreifen aufweist, die zueinander unter 90° angeordnet sind;
8 ein Schaubild der Anordnung von vier Lichtleitern, von denen zwei als optische Quellen und zwei als optische Empfänger wirken; und
9 eine schematische Vorderansicht einer Barriere, die mit zwei erfindungsgemäß gebildeten Lichtleitern hergestellt worden ist, ausgestattet mit optischen Emittern und optischen Empfängern an beiden Enden.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4A soll an erster Stelle das Funktionsprinzip, auf dem die vorliegende Erfindung beruht, veranschaulicht werden. 1 zeigt in einer die Achse enthaltenden Ebene einen Längsschnitt eines Stabes aus einem Material, welches optisch transparent ist für die Wellenlänge des optischen Emitters, der dazu benutzt wird, um den optischen Strahl zu erzeugen, der eine verlängerte Geometrie aufweist.
Im Allgemeinen werden vorzugsweise für diese Anwendung Emitter im sichtbaren oder infraroten Bereich benutzt; jedoch bleiben die folgenden Betrachtungen und das Prinzip, auf welchem die Erfindung beruht, auch für andere Wellenlängen der genutzten elektromagnetischen Strahlung gültig. Daher ist der Ausdruck "Licht" oder "Lichtstrahlung" von allgemeiner Bedeutung und umfasst jede beliebige Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die in Lichtleiterstäben, die als optische Quellen oder als optische Empfänger benutzt werden, geführt werden kann.
Im dargestellten Beispiel hat der Stab 1 einen kreisförmigen Querschnitt und eine geradlinige Erstreckung, auch wenn dies nicht zwangsweise so sein muss, da es ausreichend ist, dass der Stab eine Längserstreckung aufweist, einen Querschnitt hat, der nicht notwendigerweise kreisförmig sein muss, und erforderlichenfalls eine gekrümmte Achse hat.
1A bezeichnet eines der zwei Enden des Stabes 1. Ein optischer Emitter 5, beispielsweise eine Licht emittierende Diode mit einem weiten Emissionswinkel, ist dem Ende 1A gegenüber angeordnet. Wenn R der rechte Winkel zur ebenen Fläche 1A des Endes des Stabes 1 ist, dann sind φ_i und φ_r die Einfalls- und Brechungswinkel für den äußersten Strahl des vom Emitter 5 ausgesandten Strahlenbündels. Wenn n_a und n_p die Brechungsindices für Luft bzw. das Material (zum Beispiel Plexiglas), aus welchem der Stab 1 gefertigt ist, sind und wenn n_a = 1 und n_p > 1, dann ist der Winkel φ_r kleiner als der Winkel φ_i.
Jeder vom Emitter 5 emittierte Strahl, welcher infolge Brechung durch die Fläche 1A in den Stab 1 dringt, trifft auf die Seitenfläche 1B des Stabes unter einem Einfallswinkel bezüglich der rechtwinkligen Geraden R₁, der mit θ_i bezeichnet ist. In Abhängigkeit vom Wert des Auftreffwinkels und der Brechungsindices des Materials, aus dem der Stab gefertigt ist, und der Luft, kann der auftreffende Strahl rein theoretisch nach außen gebrochen oder nach innen unter einem Winkel θ_r in Bezug auf die Normale zur Seitenfläche 1B reflektiert werden. Die Anwendung des Brechungsgesetzes von Snellius besagt, dass alle Strahlen, die vom Emitter 5 emittiert werden, in den Stab 1 durch die Endfläche 1A eindringen und alle durch die seitliche Fläche 1B in Richtung auf das Innere des Stabes reflektiert werden, so dass sie die der Fläche 1A gegenüber liegende Endfläche erreichen.
Dies liegt daran, dass man unter Anwendung des Brechungsgesetzes von Snellius erhält:
wobei n_a = 1 und n_p die Brechungsindices von Luft und dem Material des Stabes sind, wie bereits weiter oben angegeben wurde. Der Grenzwert θ_iL des Winkels θ_i, unter welchem die Reflexion nach innen erfolgt, erhält man, indem man θ_r = 90° setzt, und folglich gilt
Für diejenigen Strahlen, welche auf die Endfläche 1A treffen, wird das Snelliussche Brechungsgesetz daher wie folgt geschrieben:
Mit
und folglich
erhält man
und folglich mit
erhält man
und folglich
Folglich breiten sich alle Strahlen, welche auf die seitliche Eintrittswand 1A treffen, längs der Längserstreckung des Stabes 1 durch Reflexion von der Seitenfläche 1B aus, da sie auf diese Fläche unter Winkeln auftreffen, die immer größer als der Grenzwert sind, und folglich nie aus dem Stab austreten können.
Wenn umgekehrt ein Teil der Seitenfläche 1B so ausgeführt ist, dass er streut, dann wird ein Austritt der Strahlen aus diesem Bereich erreicht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass man das Äußere der Seitenfläche 1B des Stabes 1 anschleift. Dies bewirkt die Bildung von Mikro-Rauigkeiten auf der Fläche, welche das Material des Stabes 1 von der Luft trennt. Je nach der (zufallsverteilten) Orientierung der Fläche der Rauigkeiten und des Auftreffwinkels des einzelnen Strahls auf diese Fläche kann der Strahl in Richtung auf das Innere des Stabes 1 reflektiert, in Richtung auf das Innere des Stabes 1 gestreut oder in Richtung nach außen gebrochen werden. 2 zeigt schematisch das Verhalten der Strahlen, die auf einen Teil S der Seitenfläche 1B des Stabes 1 treffen: einige werden in Richtung auf das Innere des Stabes reflektiert oder gestreut unter Winkeln, die je nach der Orientierung der angeschliffenen Fläche variieren, und andere treten aus dem Stab aus. 3 zeigt schematisch mit einem hohen Verstärkungsgrad die Wirkung, die durch das Anschleifen der Fläche 1B erzielt wird, was dieses Verhalten des Materials verdeutlicht: ein Kratzer 9, auf der Fläche 1B erzeugt, verändert in der Praxis die Richtung der Grenzfläche zwischen dem Material, welches den Stab 1 bildet, und der Umgebungsluft, so dass der im 3 beispielhaft angeführte Lichtstrahl L orthogonal zur Fläche des Kratzers 9 wird und durch die Fläche des Kratzers ohne Ablenkung tritt. Da die Orientierung der Flächen der Rauigkeiten, die durch Anschleifen erzeugt werden, völlig zufallsverteilt und veränderlich ist, können die Strahlen, welche auf die angeschliffene Fläche treffen, gestreut, reflektiert oder nach außen gebrochen werden. Daher wird es ein Austreten von Lichtstrahlen aus dem Leiter l in dem Bereich geben, welcher streuend gemacht worden ist.
Die Erfindung beruht auf der Vorstellung, einen Strahl zu erzeugen, welcher eine verlängerte Geometrie aufweist, praktisch also eine Lichtfläche, indem man einen schmalen Längsstreifen des Stabes 1 streuend macht, wie das in den 4 und 4A gezeigt wird. Hier ist der streuende Streifen mit 11 bezeichnet. Er hat eine Breite, die in Bezug auf die Erstreckung der Seitenfläche 1B des Stabes 1 sehr schmal ist. Beispielsweise bei einem Stab 1, der einen Durchmesser von 2 – 2,5 cm aufweist, kann der sich längs erstreckende streuende Streifen eine Breite von 2 – 6 mm haben.
Auf diese Weise wird das folgende Ergebnis erhalten: die Lichtstrahlen, die vom Emitter 5 ausgesendet werden und in den Stab 1 durch die Endfläche 1A eindringen, von denen zwei in der 4 mit L1 und L2 bezeichnet sind, werden in drei Kategorien aufgeteilt:

– diejenigen (beispielsweise der Strahl L2), die vom Emitter 5 ausgesendet werden und von der nicht streuenden Seitenfläche 1B reflektiert werden, erfahren Totalreflexion (ungeachtet ihres Auftreffwinkels aus dem oben erklärten Grund) und erreichen das wieder mit 1A bezeichnete gegenüber liegende Ende des Stabes 1 durch aufeinanderfolgende Reflexionen mit einer von der Durchlässigkeit des Materials abhängigen Schwächung;
– diejenigen, die vom Emitter 5 ausgesendet werden und die auf den streuenden Streifen 11 auftreffen und zurück emittiert werden unter einem Reflexionswinkel, der größer als der Grenzwert (Strahl L3) ist, und daher ihren Weg innerhalb des Stabes 1 fortsetzen;
– diejenigen, die auf den streuenden Streifen 11 auftreffen und von diesem zurück emittiert werden unter einem Winkel, der kleiner ist als der Grenzwert, und die daher in einigen Fällen eine Brechung erleiden, wobei sie aus der Seitenfläche 1B an der Stelle des Streifens 11 (gebrochener Strahl L4) austreten, und in anderen Fällen unter einem Winkel derart gestreut werden, dass sie nacheinander auf die nicht streuende Fläche 1B unter einem Winkel auftreffen, der kleiner ist als der Grenzwert, und aus dieser Fläche austreten (Strahl L5).

Daher treten von all den Strahlen, welche durch die Endfläche 1A in den Stab 1 eindringen, nur wenige aus dem Stab aus, vorwiegend längs des streuenden Streifens 11, während die meisten von ihnen ihren Weg bis zum gegenüberliegenden Ende 1A fortsetzen. Längs des streuenden Streifens wird ein Lichtstrahl erzeugt, welcher im Wesentlichen eben ist oder in jedem Fall eine Gestalt aufweist, welche der Erstreckung der Achse des Stabes 1 entspricht, die wie erwähnt auch gekrümmt sein kann, wobei der Strahl eine einheitliche Stärke längs der axialen Erstreckung des Stabes 1 aufweist. Dieser Stab bildet daher eine linienförmige Lichtquelle. Das Licht, welches von der Seite gegenüber dem streuenden Streifen 11 austritt (Strahlen L5), wird im Wesentlichen nicht genutzt, oder es kann einen zweiten Strahl bilden, der eine verlängerte Geometrie aufweist und parallel zu dem Strahl verläuft, der aus dem streuenden Bereich 11 austritt.
Die obigen Betrachtungen über den Stab 1, der als eine linienförmige Lichtquelle benutzt wird, sind dahingehend umgekehrt, als ein zweiter Stab, der dem Stab 1 ähnlich ist, mit einem streuenden Streifen, der in Richtung auf den streuenden Streifen des Stabes 1 gerichtet ist, das Licht des vom streuenden Streifen 11 erzeugten Strahls aufnimmt und das aufgenommene Licht durch aufeinanderfolgende Reflexionen in Richtung auf die zwei Enden des Stabes nach identischen optischen Gesetzen leitet. Somit bildet der Stab einen optischen Empfänger, an dessen Enden zwei Sensoren angeordnet werden können, beispielsweise zwei Fotodioden, welche die Intensität des aufgenommenen Lichtsignals bestimmen.
Indem man zwei Stäbe dieses Typs einander gegenüber anordnet, von denen der eine an mindestens einem Ende mit mindestens einem Lichtemitter und der andere an mindestens einem Ende mit einem Lichtsensor ausgestattet ist, wird ein Lichtstrahl erzeugt, der eine verlängerte Geometrie aufweist und eine Überwachungsbarriere für ein zu überwachendes Volumen bilden. Der Durchtritt eines undurchlässigen Gegenstandes durch diesen Strahl mit der verlängerten Geometrie verursacht eine Verringerung des optischen Signals, das von dem Sensor oder den Sensoren empfangen wird, der/die an den Enden des empfangenden Stabes angeordnet sind, und kann beispielsweise für die Aussendung eines Alarmsignals benutzt werden.
In einer verbesserten Ausführungsform der Erfindung wird, um die Lichtstreuung auf der Seite gegenüber dem Bereich zu verhindern, von welchem der Strahl mit der verlängerten Geometrie austreten soll, der angeschliffene Streifen 11 durch einen Streifen aus undurchlässiger weißer Farbe oder einer anderen Auftragung von undurchlässigem Material mit streuender und reflektierender Wirkung ersetzt. Auf diese Weise erfolgt das Austreten der Lichtstrahlen nur auf der Seite gegenüber der Position des streuenden und reflektierenden Streifens. Diese Situation ist in 5 dargestellt, welche einen Querschnitt des Stabes 1 darstellt, der wieder kreisrunden Querschnitt hat. Der streuende Streifen ist wieder mit 11 bezeichnet. Er streut die auftreffenden Strahlen unter Winkel derart, dass sie auf den gegenüberliegenden Teil der Seitenfläche 1B des Stabes 1 unter einem Winkel auftreffen, der kleiner als der Grenzwert ist, und aus dem Stab austreten, wie das mit L6 angegeben ist.
In der Praxis wird ein Strahl, welcher eine verlängerte Geometrie aufweist und eine Länge gleich der Achsenlänge des Stabes 1 und eine Stärke gleich dem Durchmesser des Stabes hat, auf diese Weise erzeugt. Der besondere runde Querschnitt bringt einen weiteren grundsätzlichen Vorteil in diesem Fall: die Strahlen L6, die aus der Seitenfläche 1B des Stabes 1 austreten, erfahren eine Brechung beim Durchgang durch die Trennfläche 1B zwischen dem Stab und der Luft. Die Brechung bewirkt eine Fokussierung mit der Tendenz zur Parallelität der Strahlen, welche sich in Luft ausbreiten. Auf diese Weise wird ein Strahl erhalten, der eine verlängerte Geometrie aufweist und der eine annähernd konstante Stärke längs des Weges zwischen dem Quellenstab und dem Empfängerstab hat. Indem man das Profil der Mantellinie des Zylinders (oder einer anderen Fläche, die eine gekrümmte Achse aufweisen kann), welcher den Stab bildet, eine geeignete Gestalt gibt, ist es möglich, dem aus dem Stab 1 austretenden Strahl eine beliebige Gestalt zu geben, einschließlich einer Gestalt mit einer Stärke, die kleiner als der Durchmesser des Stabes 1 ist.
Auf umgekehrte Weise erzeugt die Brechung, welche diejenigen Strahlen erfahren, die in den gegenüber liegenden Stab eintreten, der als empfangender Stab wirkt, einen Effekt der Konzentration in der Nähe des streuenden Streifens. Dieser Streifen erzeugt seinerseits Strahlen, die sich in Richtung auf die Endabschnitte durch aufeinanderfolgende Totalreflexionen ausbreiten. Hier werden sie durch einen oder mehrere optische Sensoren, die an einer oder beiden Endflächen angeordnet sind, aufgenommen.
Falls ein einzelner Emitter 5 am Quellenstab angeordnet ist oder eine Gruppe von Emittern 5 nur an einer Endfläche 1A angeordnet ist und falls eine reflektierende Fläche auf der gegenüberliegenden Endfläche angeordnet ist, dann werden die Strahlen, welche die dem Emitter gegenüberliegende Endfläche erreichen, reflektiert, was den Effekt des seitlichen Austretens verdoppelt, und es wird einige Strahlen geben, welche auch von der Endfläche, wo die emittierende Quelle angeordnet ist, reflektiert werden, und für diese wird es eine weitere Reflexion geben und so weiter.
Diese Situation ist in 6 schematisch dargestellt, wo die Bezugszahl 13 einen reflektierenden Streifen bezeichnet, der an der Fläche 1A des Stabes 1 gegenüber der Fläche 1A angeordnet ist, vor welcher der Emitter 5 angeordnet ist. Auf umgekehrte Weise kann eine ähnliche Konfiguration auch im empfangenden Stab hergestellt werden mit einem Lichtsensor, der mit einer der Endflächen gekoppelt ist, und einem reflektierenden Streifen an der gegenüberliegenden Endfläche.
Falls der streuende Streifen 11 aus einer Anzahl von Teilen gefertigt ist, welche längs der Mantellinie der gekrümmten Fläche auf Abstand verteilt sind, welche die Seitenfläche 1B des Stabes 1 bildet, beispielsweise in zwei Positionen, die sich in einem Abstand von 90° befinden, wie das im Querschnitt in 7 gezeigt und dort mit 11A und 11B sowohl für den Quellenstab als auch den Empfängerstab bezeichnet ist, ist es möglich, eine Anzahl von Strahlen mit verlängerten Geometrien zu erzeugen, welche aus dem Quellenstab unter zwei Winkeln austreten, die voneinander auf eine Weise getrennt sind, die dem Winkelabstand des streuenden und des reflektierenden Streifens, 11A und 11B, entsprechen. Wenn man zwei Paare von Stäben dieses Typs benutzt, wobei jedes Paar einen Quellenstab und einen Empfängerstab aufweist, ist es möglich, überwachte Volumina mit rechteckigem Querschnitt festzulegen, wie das in 8 dargestellt ist. Hier werden zwei Stäbe 1x und 1x' als Lichtquellen benutzt, von denen jeder zwei Strahlen mit ebener Geometrie Fp aussendet, die von zwei Empfängerstäben 1y und 1y' empfangen werden. Auf diese Weise ist es möglich, ein Alarmsignal zu erzeugen oder zumindest den Durchtritt eines Gegenstandes aus dem Innern ins Äußere des überwachten Bereichs und umgekehrt anzuzeigen.
Die beschriebenen optischen Stabelemente können auch benutzt werden, um unterschiedliche Konfigurationen zu bilden. Dies ist möglich dank der Tatsache, dass die Stäbe nicht notwendigerweise die Form eines Zylinders (beliebigen Querschnitts) haben müssen, sondern auch aus geschlossenen Flächen bestehen können, welche sich längs einer gekrümmten Achse erstrecken. Beispielsweise kann ein zylindrisches Volumen mit Hilfe von zwei sendenden und empfangenden Stäben, die eine offene ringförmige Erstreckung aufweisen (derart, dass mindestens die zwei Endflächen 1A gebildet werden können), überwacht werden.
9 zeigt eine abweichende Konfiguration, in welcher eine Barriere, welche eine vertikale planare Erstreckung aufweist, mittels eines oberen Quellenstabes 1x und eines unteren Empfängerstabes 1y, die parallel zueinander sind, erzeugt wird. Fp bezeichnet den planaren Strahl, der vom oberen Stab erzeugt und vom unteren Stab aufgenommen wird. Dieses Schema zeigt auch zwei Emitter oder einen Satz von Emittern 5, welche mit den zwei Enden des Quellenstabes 1x gekoppelt sind, und zwei Lichtsensoren 17, welche mit den Enden des unteren Empfängerstabes 1y gekoppelt sind, der an eine elektronische Überwachungsschaltung 19 angeschlossen ist, welche derjenigen ähnlich sein kann, die früher schon im italienischen Patent Nr. 1,291,835 beschrieben worden ist.
Mit einer Konfiguration von diesem Typ, aber mit vertikalen Stäben, wurde eine lineare Barriere mit einem Quellenstab von 1 m Länge und einem Empfängerstab von derselben Länge in einem Abstand von 6 m gebildet. Der Senderstab wurde mit einem Plexiglas^®-Zylinder mit kreisrundem Querschnitt gefertigt, der einen Durchmesser von 25 mm aufweist. Sieben Infrarotemitter mit einem weiten Emissionswinkel (SFH485P, hergestellt von Siemens, Deutschland) wurden an jedem der zwei Enden angeordnet, und ein Rechteckstrom mit einer Amplitude von 180 mA und einer Frequenz von 1 kHz würde durch sie geleitet. Die Breite des streuenden und reflektierenden Streifens 11, der aus undurchlässiger weißer synthetischer Farbe gebildet wurde, betrug 5 mm.
Der Empfängerstab war aus einem Plexiglas^®-Zylinder mit einem Durchmesser von 20 mm und mit einem streuenden Streifen von 4 mm Breite gefertigt, der mittels derselben undurchlässigen weißen Farbe ausgebildet war. Ein Sensor, bestehend aus einer Fotodiode mit integriertem Verstärker, Typ TSL260, hergestellt von Texas Instruments, USA, war an jedem der beiden Enden angeordnet.
Unter Verwendung der auf diese Weise ausgebildeten Barriere war es möglich, auf zuverlässige Weise das Durchtreten eines runden Stabs von 8 mm Durchmesser durch die beiden parallelen Stäbe an jeder Stelle des umschlossenen Bereichs irgendwo innerhalb des Abstands von 6 m zwischen ihnen nachzuweisen.
Wenn der Abstand zwischen dem Quellen- und dem Empfängerstab erhöht wird, nimmt die Empfindlichkeit ab. Bei der weiter oben beschriebenen Konfiguration, aber mit einem Abstand von 12 m zwischen den Stäben, war es möglich, das Eindringen eines runden Stabes mit einem Durchmesser von 25 mm an jeder Stelle des zwischen den Stäben eingeschlossenen Bereichs zuverlässig nachzuweisen.
Durch Erhöhen oder Verringern der Leistung der Infrarot-Emitter ist es möglich, eine höhere oder niedrigere Empfindlichkeit zu erhalten, und der Mindestdurchmesser des nachweisbaren Gegenstandes wird ebenfalls verändert.
Die Stärke des Strahls beträgt annähernd 3,5 cm, gemessen in der Mitte der Barriere, wenn die Stäbe einen Abstand von 6 m haben.
Die Ausrichtung der zwei Stäbe und ihre Parallelität sind keine kritischen Parameter, und daher ist die Installation besonders einfach. Außerdem wird die Vorrichtung wirtschaftlicher durch die Verwendung von Emitter- und Empfängerbauteilen nur an den Enden der Stäbe (geringere Anzahl von Bauteilen) und in ihrem Zusammenbau und ihrer Installation einfacher als herkömmliche Systeme.
Besonderes Augenmerk wurde in der obigen Beschreibung auf den Einsatz der optischen Quellen und Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Eindringschutz-Barrieren gelegt. Tatsächlich ist dies nur eine von möglichen Anwendungen der optischen Quellen und/oder Empfänger, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip gebaut werden.
Dies ist deswegen so, weil beispielsweise die optische Quelle auch unabhängig vom optischen Empfänger benutzt werden kann. In einem solchen Fall kann sie als Beleuchtungselement benutzt werden, um spezifische Beleuchtungsanforderungen zu erfüllen, oder eben einfach aus Einrichtungs- und Designbedingungen.
Die optische Barriere unter Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Quelle und eines optischen Empfängers (oder erforderlichenfalls, aber weniger vorteilhafterweise eines Empfängers von einem anderen Typ, der eine lineare Erestreckung aufweist, wie beispielsweise einer, der gemäß IT-B-1,291,835 gefertigt worden ist) kann nicht nur als eine Eindringschutz-Barriere benutzt werden, sondern auch als eine Wandlervorrichtung zur Messung von Größen und/oder Formen von dreidimensionalen Gegenständen.
Dies ist deswegen so, weil aus der vorausgehenden Beschreibung offensichtlich ist, dass das optische Signal, das von dem Sensor oder den Sensoren aufgenommen worden ist, der/die mit dem optischen Empfänger verbunden ist/sind, dem Schatten proportional ist, der von dem Gegenstand projiziert wird, der in den Strahl gebracht wird, der die verlängerte Geometrie aufweist und von der Quelle erzeugt und von dem Empfänger aufgenommen wird. Dieser Schatten hängt von der Gestalt und der Größe des Gegenstands ab. Diese Eigenschaft kann benutzt werden, um Messungen der Größe und der Gestalt durchzuführen. Im einfachsten Fall können eine optische Quelle und ein optischer Empfänger, die mit ihren Achsen vertikal angeordnet werden, dazu benutzt werden, die Höhe eines lichtundurchlässigen Gegenstandes, welcher zwischen ihnen durchtritt, zu messen. Die Verringerung des vom Empfänger aufgenommenen optischen Signals ist der Höhe des Gegenstandes direkt proportional. Wenn sich der Gegenstand zwischen der Quelle und dem Empfänger annähernd rechtwinklig zur Ebene des verlängerten Strahls bewegt, die Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenstandes bekannt ist und die Zeit, die zwischen dem Beginn und dem Ende des Signals über das Eindringen des Gegenstandes in den optischen Strahl verstreicht, gemessen wird, dann ist es außerdem möglich, die Dimension in der Richtung orthogonal zur Erstreckungsachse der Quelle und des Empfängers zu bestimmen. Mit einem zweiten Quelle-Empfänger-Paar, welches mit horizontalen Achsen angeordnet ist, kann die dritte Dimension des Gegenstandes gemessen werden. Wenn der Letztere ein Gegenstand in der Gestalt eines Quaders, welcher zur Vorschubrichtung genau ausgerichtet ist, dann kann eine vollständige Messung all seiner Abmessungen auf diese Weise durchgeführt werden.
Mit komplexeren Anordnungen und erforderlichenfalls unter Verwendung einer Anzahl von Quelle-Empfänger-Paaren, die mit geeigneten Bewegungsvorrichtungen relativ zum zu messenden Gegenstand ausgestattet sind, ist es möglich, komplexere Messungen durchzuführen, die auf der Veränderung des vom Empfänger aufgenommenen Lichtsignals beruhen, auf deren Grundlage die Abmessungen des Gegenstandes in verschiedenen Richtungen und/oder seine Gestalt bestimmt werden können, wenn die Messungen beispielsweise durch "scheibenweises Abtasten" des Gegenstandes in verschiedenen Höhen mittels desselben verlängerten Strahls erfolgt, der sich relativ zum Gegenstand bewegt. Eine einzelne optische Barriere kann mit einer Anzahl von Relativbewegungen bezogen auf den zu messenden Gegenstand verwirklicht werden, beispielsweise eine Drehbewegung um eine Achse orthogonal zur Ebene des von der Quelle erzeugten Strahls und eine Verschiebebewegung parallel zur Drehachse.
Folglich kann die erfindungsgemäße optische Barriere in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise zur Kontrolle der einwandfreien Ausführung von Produktionszyklen, zur Bereitstellung von Freigabesignalen für besondere Arbeitsgänge als Funktion eines Signals, welches von einer oder mehreren optischen Barrieren geliefert wird, zur Einstellung der Parameter eines Produktionszyklus oder eines Arbeitsganges als Funktion der von der optischen Quelle ausgeführten Messungen, zur Einsortierung von Gegenständen in Abhängigkeit von ihren Abmessungen, die mit Hilfe von optischen Barrieren überwacht werden, und so weiter.
In der Zeichnung sind lediglich praktische Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, welche in ihren Formen und Anordnungen variiert werden können, ohne dass vom erfindungswesentlichen Prinzip abgewichen wird. Sämtliche Bezugszahlen in den beigefügten Ansprüchen haben den Zweck, das Lesen der Ansprüche in Bezug auf den vorangehenden Text und die beigefügten Zeichnungen zu erleichtern, und stellen keinerlei Einschränkung des Schutzumfangs dar.

Claims

Verlängerter optischer Empfänger, welcher umfasst: einen länglichen Stab (1) mit einer Seitenfläche (1B) und zwei Endflächen (1A); mindestens einen optischen Sensor (17), welcher vor mindestens einer der Endflächen (1A) derart angeordnet ist, dass er einen optischen Strahl, welcher längs des Stabs (1) in Richtung auf die Endfläche geführt wird, empfängt, wobei der Stab aus einem Material gefertigt ist, welches bei der Empfangswellenlänge des optischen Sensors (17) optisch durchlässig ist; und mindestens einen streuenden Streifen (11) längs der Längserstreckung des Stabs auf dessen Seitenfläche (1B).
Optischer Empfänger gemäß Anspruch 1, bei welchem der Stab einen konstanten Querschnitt aufweist.
Optischer Empfänger gemäß Anspruch 2, bei welchem der Stab zylindrisch ist.
Optischer Empfänger gemäß Anspruch 2 oder 3, bei welchem der Stab einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Optischer Empfänger gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der streuende Streifen aus einem geschliffenen Bereich der Seitenfläche (1B) des Stabs besteht.
Optischer Empfänger gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der streuende Streifen aus einem Streifen eines streuenden und reflektierenden Materials (11) besteht, welches für die vom optischen Sensor erfasste Strahlung undurchlässig ist.
Optischer Empfänger gemäß Anspruch 6, bei welchem das streuende und reflektierende Material eine undurchlässige weiße Farbe ist.
Optischer Empfänger gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, welcher mindestens einen optischen Sensor (17) vor jeder der Endflächen (1A) umfasst.
Optischer Empfänger gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der mindestens eine optische Sensor (17) vor einer der Endflächen angeordnet ist und eine reflektierende Fläche vor der gegenüber liegenden Endfläche angebracht ist.
Optischer Empfänger gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, welcher mindestens zwei streuende Streifen (11) umfasst, welche derart angeordnet sind, dass sie längs der Seitenfläche (1B) des Stabs winklig voneinander beabstandet sind.
Verlängerte optische Eindringschutz-Barriere, welche in Kombination umfasst: eine verlängerte optische Quelle (1x) und einen verlängerten optischen Empfänger (1y), mit dem mindestens ein optischer Sensor (17) verbunden ist, der sich an einem Ende des optischen Empfängers (14) befindet, und einen Steuerkreis (19), welcher mit dem mindestens einen optischen Sensor verbunden ist, um eine Verminderung des optischen Signals festzustellen, das von dem mindestens einen Sensor aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die verlängerte optische Quelle (1x) umfasst: einen länglichen Stab (1) mit einer Seitenfläche (1B) und zwei Endflächen (1A); mindestens einen optischen Emitter (5), welcher vor mindestens einer der Endflächen (1A) derart angebracht ist, dass er einen optischen Strahl in Richtung auf die Endfläche aussendet, wobei der Stab aus einem Material gefertigt ist, welches bei der Emissionswellenlänge des optischen Emitters (5) optisch durchlässig ist; und mindestens einen streuenden Streifen (11) längs der Längserstreckung des Stabs auf dessen Seitenfläche (1B); und – der optische Empfänger (1y) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 gefertigt ist.