DE7824752U1

DE7824752U1 - Lichttaster und/oder einstrahl- lichtschranke

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Publication number: DE7824752U1
Application number: DE19787824752
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-19
Filing date: 1978-08-19
Publication date: 1979-02-08

Description

Das von dieser Glühlampe oder LED erzeugte Licht durchtritt einen teildurchlässigen Spiegel und die Austrittslinse in Richtung Reflexionsebene, wo es in der Tastebene abgebildet wird. Von dieser kehrt das reflektierte Licht auf dem gleichen optischen Wege, also durch die Austrittsoptik hindurch zurück, wird jetzt aber am teildurchlässigen Spiegel abgelenkt und zum lichtempfindlichen Bauelement geführt.

Der Vorteil dieser Tasterart ist, dass der Taster nur im Abstand zum Objekt - der Tastweite - nach dem Focus zu justieren ist und deshalb sehr unempfindlich gegen Neigungen der Reflexionsebene ist, während die erstere Lichttasterart - der zweiäugige Lichttaster - stark auf Neigungen der Tastebenen reagiert.

Aus diesem Grunde hat der Autokollimations- oder Einweg-Taster trotz seiner, durch den teildurchlässigen Spiegel verursachten internen optischen Verluste, die breitere Anwendung gefunden.

Die optischen Spiegelverluste dieser Licht-Tasterart sind sehr erheblich, deshalb hat es nicht an Versuchen gefehlt diesen Mangel zu beseitigen. Verwendet man z.B. einen halbdurchlässigen (50 : 50) Spiegel, so werden beim ersten Lichtdurchtritt des Lampenlichtes durch den Spiegel, bereits 50 % des Lichtes zurückgehalten. Bei der Rückspiegelung des Lichtes werden erneut 50 % nunmehr des reflektierten Lichtes am halbdurchlässigen Spiegel verloren, sodaß zum lichtempfindlichen Bauelement oft wesentlich weniger als 15 % des ursprünglichen Glühlampen- oder LED-Lichtes gelangen.

In neuerer Zeit hat man anstelle der teildurchlässigen Spiegel Lichtleiter-Faserbündel verwendet, wobei 50 % der Fasern das Licht zur Tastebene führen und die anderen 50 % der Fasern das reflektierte Licht auffangen und zum lichtempfindlichen Bauelement leiten.

Nun ist es leider so, dass sich das Licht der Glühlampe oder des LED vorwiegend nach der Mitte der Faserbündel - aber auch bei optischen Linsen - konzentriert, was entweder auf die Lampenwendelform oder die scharfe Bündelungswirkung durch die gegebene Substratform des LED zurückzuführen ist. Über die Randzonen der Lichtfaserbündel oder der optischen Linsen wird deshalb nur verhältnismäßig wenig Licht zur Tastebene geführt oder beim Rückweg wiedereingefangen, da die Lichtreflexion an der Tastebene eine diffuse Lichtkeule bildet. Das Licht dieser

Lichtkeule kann durch die Keulenausbildung nur sehr schwer winkelgerecht in die Lichtfaserenden einfallen, weshalb auch bei Lichtfaseroptiken recht erhebliche Verluste eintreten.

Bei den Autokollimationstastern mit optischen Lichtaustrittslinsen verwendet man deshalb auch plankonvexe Linsen, die mit ihrer Planseite möglichst dicht an die Tastebene, fast berührend, vorangebracht werden, damit sie mit dem so gegebenen großen Öffnungswinkel viel Licht der Lichtkeule einfangen. Eine solche Maßnahme verbessert zwar den Lichtempfangsweg, kann aber nicht die Verluste am teildurchlässigen Spiegel oder am Faserbündel aufheben.

Durch die, in der nachfolgend beschriebenen Erfindung verwendete bislang noch unbekannte, optische Anordnung können solche Verluste jedoch weitgehend vermindert werden.

Die Neuerung der Erfindung besteht darin, dass die Optik des Lichttasters aus planparallelen Platten zusammengesetzt wird, die entsprechend den optischen Bedingungen Umriß-vorgeformt sind und zu einem Paket aufeinander gestapelt werden.

Die einzelnen Platten sind so vorgeformt, dass sie einmal als planparallele Lichtleiterplatte wie ein Umlenkprisma wirken und/oder auch eine plankonische Wirkung haben und so das Licht konzentrieren.

Auf der zur Tastebene und zur Glühlampe oder LED gerichteten Seite werden die Plattenpakete wie eine Rund- oder Zylinderlinse mit den erforderlichen Linsenkrümmungen geschliffen.

Für den Lichtsendeweg und für den Lichtempfangsweg werden zwei verschiedene Platten-Grundformen verwendet.

Die Lichtsendeplatten sind in Figur 1 dargestellt. Sie bestehen aus planparallelen Glasplatten, die an ihren Enden eine Rundkrümmung besitzen, an denen später, nachdem sie zu einem Paket zusammengefügt worden sind, der Linsenschliff in der erforderlichen Brennweite ausgeführt wird.

Die Lichtempfangsplatten sind wesentlich anders ausgebildet. Ihre Form ist in Figur 2 dargestellt. Auch bei diesen bildet das Planplatten-Material die Ausgangsbasis. Die Platten werden eingangsseitig - ebenfalls später im Paket - mit einer Linsenkrümmung versehen, durch die das Licht vorgebündelt eintritt. Das Reflexionslicht wird dann am 45 Grad geneigten Planparallelspiegelrand umgelenkt und in einen plankonischen Plattenteil geführt.

Die konischen Plattenflächen und die breiten Planflächen der Platten sind planparallel geschliffen, sodaß das an ihnen reflektierte und weitergespiegelte Licht an den immer enger werdenden konischen und den Breitplanflächen wie in einem konischen Lichtleiter weitergeführt wird. An der engsten Stelle der konischen Seiten ist wiederum eine Linsenkrümmung angeordnet, die das bis hierhin geführte Reflexionslicht nun auf das lichtempfindliche Bauelement konzentriert.

Natürlich wird man die Planplatten nicht einzeln, sondern paketweise mit den Linsenschliffen versehen. Man schichtet wechselseitig Sende- und Empfangsplatten zu einem Paket aufeinander und verkittet es gleichzeitig. Nach der Kitterhärtung werden die Linsenschliffe am kompletten Paket ausgeführt.

Ein Vorteil in der Verwendung des Planparallelplatten-Materials liegt darin, dass es zunächst als Formstabmaterial als langer Glasstab aus der Schmelze mit ausreichender Genauigkeit gezogen werden kann. Sodann werden vom Stabmaterial nur Scheiben entsprechender Dicke abgesägt und mit einem einfachen Überschliff versehen. Möglicherweise kann bei einem genauen Sägeschnitt mit der Diamantsäge der Überschliff gespart werden.

Die Platten haben an ihren Seitenflächen durch ein genaues Glasstabziehen bereits ihre Umriß- (Seiten-) Form. Nach der Plattenverkittung sind dann nur noch die Linsenschliffe auszuführen.

Druckmarken werden oft in den Abmessungen 1 oder 2 x 10 mm ausgeführt. Diese Größe entspricht auch der Form des Lampenwendels, denn bei Farbabtastungen wird stets Glühlampenlicht benötigt. Für solche Druckmarken-Anwendungsfälle kann man auf den Linsenschliff völlig verzichten. Die vorgerundeten Flächen des Glasstabmaterials, aus dem die planparallelen Platten gesägt werden, haben bereits die Form einer Zylinderstab-Linse, die durch das Plattenpaket zwangsläufig entsteht.

Ein besonderer Vorteil dieser Planparallel-Platten-Bauweise ist die sehr preisgünstige Serien-Herstellbarkeit. Nach Verkittung und eventuellem Schliff erhält man ein kompaktes Optiksystem. Bei den bislang bekannten Lichttaster-Bauweisen wurden Linsen und Spiegel noch einzeln eingebaut und optisch zueinander justiert, was einen erheblichen Fertigungszeit-Aufwand beansprucht.

Die vorbeschriebene Paketoptik-Bauweise ist besonders vorteilhaft bei Kleinstausführungen von Lichttastern, etwa wenn sie Baugrößen unterhalb den Abmessungen einer Streichholzschachtel aufweisen sollen. Bei solchen Kleinstausführungen bringt die optische Justierung große Probleme mit sich, die hier sehr einfach werden.

Außerdem bringen, durch die Seitenformgebung des Glasstabmaterials gegeben, die konischen Plattenkanten der Empfangsplatten eine zusätzliche Lichtkonzentration, die die Austrittslinsenwirkung noch ergänzt. Es ist mit einer verbesserten Rückführung des Reflexionslichtes zu rechnen, denn entgegen den Autokollimations-Lichttastern mit ihren teildurchlässigen Spiegeln ist hier eine zeilenartige, durch die Plattenform bedingte Sende- und Empfangslicht-Aufteilung in Lichtstreifen 50 : 50 gegeben.

Es liegen hier also ganz ähnliche Lichtverhältnisse vor, wie bei einer 50 : 50-Lichtfaser-Optik-Aufteilung, nur dass bei Lichtfaser-Optiken das Reflexionslicht in einem ganz bestimmten Winkel in die Faserenden einfallen muß, während hier alles frontal einfallende Reflexionslicht durch die Streifenwirkung der planparallelen Empfangsplatten über die volle Optikbreite besser erfasst und weitergespiegelt wird. Die beschriebene Planparallel-Paket-Plattenoptik ist also einer 50 : 50-Lichtfaseroptik zumindest gleichwertig, wenn nicht sogar wesentlich überlegen. Lichtfaseroptiken sind gegenwärtig noch sehr teuer, während die hier beschriebene Paket-Plattenoptik den Vorteil billiger Herstellbarkeit hat und zu sehr preiswerten Gerätekonstruktionen führt. In Figur 3 ist das Schnittbild eines Lichttasters gezeigt, der mit einer vorstehend beschriebenen Paket-Plattenoptik ausgerüstet ist. Ein gleichartiger Aufbau ergibt sich auch für die nach dem gleichen optischen Prinzip arbeitende "Einstrahl-Lichtschranke"

Lichtfunktionsweg:

Das Licht der Glühlampe oder LED (1) wird von der Sammellinse
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erfasst und über die Sendeplatten (3) mit den Linsenkrümmungen
<NichtLesbar>
aus dem Gehäuse hinaus zum Reflexionsspiegel oder der Tastebene (5) geführt. Von dort gelangt es auf dem gleichen optischen Wege (6) zur Empfangsplatte (7) zurück, wo es über die Linsenkrümmung (8) in die Empfangsplatte eintritt und in dieser zur 45-Grad-Spiegelkante (9) geleitet wird. Von hier (9) wird es an den konischen (trichterförmigen) Seitenkanten (10) der Empfangsplatten bis zur Austrittslinsenkrümmung (11) weitergespiegelt und wird von dieser (11) auf das lichtempfindliche Bauelement (12) gelenkt.

Die Paketoptik wird in ein aus zwei Schalenhälften bestehendes Gehäuse (14 a und 14 b) eingelegt. Ebenfalls in die Gehäuseschalen wird die gedruckte Schaltung (15) eingelegt, auf der im Lötmaschinen-Verfahren die Lampe (1) und das lichtempfindliche Bauelement (12) gleich mit eingelötet sind.

Bei der vorgegebenen Bauweise sind demzufolge nur zwei Bauteile, erstens die Paketoptik und zweitens die gedruckte Schaltung mit allen Bauteilen in die beiden Taster-Gehäuse-Schalenhälften einzulegen. Der Zusammenbau des Lichttasters bzw. der Einweg-Lichtschranke wird dadurch zu einem sehr einfachen Arbeitsgang.

Hinsichtlich der optischen Funktion des Tasters bzw. Einstrahl-Lichtschranke ist noch zu bemerken, dass durch die Plattenform im Sende- wie auch Empfangsweg streifenförmige Lichtwege entstehen. Diese Lichtstreifenwege liegen jedoch sehr dicht nebeneinander, besonders wenn man eine Plattendicke von 1 bis 2 mm wählt. Durch die zwangsläufig einhergehende Verkleinerung im Lichtempfangsweg, werden die Lichtstreifen so dicht nebeneinander gelegt, dass praktisch, optisch eine Verschmelzung, eine Homogenisierung des Empfangslichtes eintritt.

Es wurde schon erwähnt, dass die Lampenwendel meist eine streifenförmige Ausbildung haben. Ebenso hat auch die lichtempfindliche Zone im lichtempfindlichen Bauelement meist eine streifenförmige Ausbildung. Die Streifenform der Lampe und des lichtempfindlichen Bauelements treffen sich hier in günstiger Weise mit der Plattenoptik-Bauform, die ebenfalls über streifenförmige Lichtkanäle verfügt.

Claims

Anspruch 1:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke dadurch gekennzeichnet, dass für den Lichtsende- und den Lichtempfangsweg des Tasters oder der Einstrahl-Lichtschranke eine Optik verwendet wird, die sich aus konturen-vorgeformten planparallelen Glasplatten nach Figur 1 und 2 zusammensetzt.

Anspruch 2:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten konturen-vorgeformten planparallelen Platten an ihren Endseiten Formgebungen haben, die Rund- oder Zylinderlinsen-Krümmungen entsprechen.

Anspruch 3:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten für den Lichtempfangsweg an einer Seite eine 45-Grad-schräge Fläche haben, die eine 90-Grad-Lichtumlenkung herbeiführt.

Anspruch 4:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach der 45-Grad-Spiegelumlenkung gemäß Anspruch 3 eine konisch verjüngende Plattenform anschließt, die eine lichtkonzentrierende Lichtleiterwirkung hat.

Anspruch 5:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den konturengeformten planparallelen Platten nach Figur 1 und 2 verkittete, geklebte oder gefasste Paket-Optiken hergestellt werden, welche die kompletten Lichtwege von Autokollimations-Lichttastern oder nach dem gleichen Prinzip arbeitende Einstrahl-Lichtschranken enthalten.

Anspruch 6:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Paketoptik gemäß Anspruch 5, zusammen mit einer gedruckten Photostrom-Signalformer-Schaltung in zwei vorgeformte Gehäuseschalen eingelegt werden, sodaß aus nur zwei Grundbauteilen, nämlich der Paketoptik und der Signalformer-Schaltung + die beiden Gehäuseschalen ein komplettes, kompaktes Lichttaster- oder Einstrahl-Lichtschranken-Gerät entsteht.

Anspruch 7:

Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Paketoptik gemäß Anspruch 5 statt aus konturen-vorgeformten planparallelen Glasplatten, aus gleichwertigen lichtführenden Kunststoffen, Kristallplatten und ähnlichem Material hergestellt ist.