DE9104172U1

DE9104172U1 - Retroreflektor

Info

Publication number: DE9104172U1
Application number: DE9104172U
Authority: DE
Original assignee: Leuze Electronic and Co 7311 Owen De GmbH
Current assignee: Leuze Electronic and Co 7311 Owen De GmbH
Priority date: 1991-04-06
Filing date: 1991-04-06
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 2001-04-07

Description

Leuze electronic GmbH + Co.
Owen/Teck

Retroreflektor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Retroreflektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Retroreflektor ist durch das DE-GM 7300004 bekannt. Nachteilig ist dabei, daß nur ein geringer Teil der Leistung des Sendelichtbündels vom Retroreflektor auf die Detektorlinse zurückgeworfen wird. Der größte Teil des Sendelichtbündels wird auf die dem Lichtsender vorgeordnete Linse reflektiert.
Bei Retroreflektoren, die aus vielen kleinen rasterförmig nebeneinander angeordneten Tripelprismen bestehen, ist tatsächlich nur eine Aufweitung der Beleuchtungsstärke durch den Parallelversatz (wenige Millimeter) der reflektierten Strahlen gegenüber den Sendestrahlen vorhanden.

Dadurch, daß bei realen Retroreflektoren geringe Winkelabweichungen der reflektierten Strahlen gegenüber den Sendestrahlen hinzukommen, wobei die Winkelabweichungen durch Winkelfehler in den Tripelprismen und andere Baufehler der Tripelprismenreflektoren hervorgerufen werden, kann eine für bestimmte Anwendungsfälle noch ausreichende Strahlungsleistung durch die Empfangslinse auf den Lichtempfänger (Detektor) gelangen. Genauer gesagt kann nur die im Flankenabfall der Bestrahlungsstärke neben der Sendelinse enthhaltende Strahlungsleistung auf dem Lichtempfänger gesammelt werden.

Demzufolge eignen sich die sogenannten zweiäugigen Reflexionslichtschranken weder für kurze noch für große Reichweiten besonders gut. Auch bei mittleren Reichweiten gelangt nur ein geringer Bruchteil der Sendeleistung nach Reflexion am Retroreflektor zum Lichtempfänger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Reflexionslichtschranken dahingehend zu verbessern, daß der auf die Empfangslinse und damit auf den Lichtempfänger gelangende Anteil der Sendeleistung nach der Reflexion am Retrore-

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flektor vergleichsweise wesentlich größer wird und die Reflexionslichtschranke durch die damit einhergehende Wirkungsgradverbesserung sich für kurze, mittlere und große Reichweiten gleichermaßen gut eignet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen und zweckmäßige sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche zweiäugige Reflexionslichtschranke in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die Bestrahlungsstärke E(x) in der Ebene der Sendelinse einer Refle

xionslichtschranke gemäß Figur 1,

Fig. 3 eine zweiäugige Reflexionslichtschranke mit einem optischen Mittel zur Erzeugung eines Winkelversatzes ßj zwischen Sendelichtbündel und Empfangslichtbündel,

Fig. 4a

und 4b die Wirkung eines im Strahlengang vom Lichtsender zum Lichtempfänger angeordneten Beugungsgitters,
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Fig. 5 den Strahlenverlauf an einer Fresnelschen Zonenplatte in off-axis Ausführung,

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Fig.6 einen Retroreflektor mit beabsichtigten Winkelfehlern in den Prismen eines Kunststofftripelspiegels,

Fig. 7 einen als Kunststofftripelspiegel ausgebildeten Retroreflektor, der zusammen mit einem ihm räumlich vorgeordneten Beugungsgitter in einer Halterung angeordnet ist,
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Fig. 8 ein auf die Frontscheibe des Retroreflektors aufgeklebtes Beugungsgitter,

Fig. 9 einen Retroreflektor mit einer auf einer Frontscheibe aufgebrachter Beugungsgitterstruktur,

Fig. 10 einen Retroreflektor mit auf seiner Frontscheibe aufgeprägten Beugungsgitterstruktur.

Die sogenannte zweiäugige Reflexionslichtschranke herkömmlicher Ausführung, wie sie durch Figur 1 schematisch veranschaulicht wird, besteht aus einem Lichtsender 10 (Lichtquelle), einer diesem vorgeordneten Sendelinse 11, einem Retroreflektor 12 in Form eines Kunststofftripelspiegels, einer Empfangslinse 13 und aus einem dieser nachgeordneten Lichtempfänger 14 (Detektor). Das Sendelichtbündel ist mit 15 bezeichnet. Das Bezugszeichen 16 kennzeichnet das Empfangslichtbündel.

Bei einer derartigen Reflexionslichtschranke entsteht, wie eingangs bereits erwähnt worden ist, ein Flankenabfall der Bestrahlungstärke. Der grundsätzliche Verlauf der Bestrahlungsstärke E(x) in der Ebene der Sendelinse 11 ist in Figur 2 dargestellt. Auf dem Lichtempfänger 14 kann demgemäß über die Empfangslinse 13, wie bereits ausgeführt worden ist, nur die im Flankenabfall der

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Beleuchtungsstärke neben der Sendelinse 11 enthaltene Strahlungsleistung gesammelt werden.

Durch einen nach der Erfindung mit einem Beugungsgitter kombinierten Retroreflektor wird ein großer Teil der Sendeleistung bzw. des Sendelichtbündels 15 nach oder bei der Reflexion am Retroreflektor 12 durch das Beugungsgitter 17 auf die neben der Sendelinse 11 angeordnete Empfangslinse 13 umgelenkt.Dabei können Sende- und Empfangslinse 11,13 untereinander oder nebeneinander angeordnet sein.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem durch ein in den Strahlengang vom Lichtsender 10 zum Lichtempfänger 14 eingesetztes Beugungsgitter 17 ein Winkelversatz ßj zwischen Sendelichtbündel 15 und Empfangslichtbündel 16 erzeugt wird. Durch Anpassung des Winkelversatzes ß! an die Reichweite der Reflexionslichtschranke mit nebeneinanderliegender Sende- und Empfangslinse 11,13 kann das Empfangssignal am Lichtempfänger 14 (Detektor) optimiert werden.

Das Beugungsgitter 17, das beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 räumlich vor dem Retroreflektor 12 angeordnet ist, aber auch Bestandteil des Reflektors sein kann, kann durch verschiedene Ausführungsarten verkörpert sein. Als geeignet haben sich als Amplituden- oder Phasengitter ausgebildete Beugungsgitter erwiesen, wobei reine Phasengitter gegenüber Amplituden-Gittern den Vorteil aufweisen, daß keine Lichtleistung durch Absorption verloren geht.

Die Wirkungsweise der Beugungsgitter ist folgende (siehe hierzu Figuren 4a und 4b):

Fällt ein paralleles Lichtbündel auf ein Beugungsgitter auf, so tritt ein Teil Φ_&ogr; davon in der Auftreffrichtung unverändert durch das Gitter hindurch. Dieser Teil

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wird als nullte Beugungsordnung bezeichnet. Daneben entstehen nach dem Durchgang weitere Lichtbündel mit der Leistung O_n, die unter den Winkeln ⁿ ßi (^{n =} ± 1.» ± 2, ...) gegen die Richtung des einfallenden Lichtbündels abgelenkt worden sind (n-te Beugungsordnungen). Die Leistungen dieser Lichtbündel ergeben sich aus der Leistung des einfallenden Lichtbündels O_e aus der Bezeichnung:

O_n = a_nO_e, n = 0, + 1, +2, ... .

Aus Energieerhaltungsgründen gilt:

&Sgr;,.-1-&Agr;.

wobei A den Absorptionskoeffizienten für die Leistung des einfallenden Lichtbündels bezeichnet. Für das ideale Phasengitter ist A = O.
Die Zahl der auftretenden Beugungsordnungen und die Leistung in den einzelnen Beugungsordnungen ist von der Struktur der Einzelperiode des Beugungsgitters abhängig. Da das Beugungsgitter 17 von den Lichtbündeln nach der Reflexion am Retroreflektor 12 nochmals durchlaufen wird, ist die Wirkungsweise des Beugungsgitters auch für diese Transmissionsrichtung dargestellt (Fig. 4b). Die Winkellage der einzelnen Beugungsordnungen ist bei der Rückwärtsrichtung an der nullten Beugungsordnung gespiegelt.

Bei kleinen Einfallswinkeln und grober Gitterstruktur gilt für die Winkel der einzelnen Beugungsordnungen bezüglich der optischen Achse:

±nß_lf &eegr; = 0,+ 1,±2, ...

Bei feiner Gitterstruktur und großen Einfallswinkeln muß die Gittergleichung herangezogen werden.

Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit sei die Aufteilung der Strahlungsleistung für ein reines Phasengitter 17 mit den Beugungsordnungen &eegr; = O, + 1 erläutert.

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Das Phasengitter 17 wird unmittelbar vor dem Retroreflektor angebracht. Das Sendelichtbündel 15 wird nach dem Durchgang durch das Phasengitter 17 in die Lichtbündel der nullten und ersten Beugungsordnung aufgespalten. Nach der Reflexion am Retroreflektor 12 wird das Lichtbündel der nullten Beugungsordnung nochmals in je ein Lichtbündel der nullten und ersten Beugungsordnung aufgespalten. Das Lichtbündel der nullten Beugungsordnung läuft in die Sendelinse 11 zurück, genau wie in dem Fall der zweiäugigen Lichtschranke ohne Beugungsgitter vor dem Retroreflektor 12. Das Lichtbündel der ersten Beugungsordnung bildet den Winkel ß_t mit der optischen Achse 18 und stellt ein Empfangslichtbündel dar, welches auf die Empfangslinse 13 durch geeignete Wahl des Winkels ßj ausgerichtet werden kann.

Das nach dem ersten Durchgang durch das Phasengitter 17 erzeugte Lichtbündel der ersten Beugungsordnung wird nach der Reflexion am Retroreflektor 12 beim zweiten Durchgang durch das Phasengitter 17 ebenso in zwei Lichtbündel aufgespalten. Eines läuft ebenfalls in die Sendelinse 11 zurück. Das andere bildet den Winkel (-P₁) mit der optischen Achse 18. Es stellt ein weiteres Empfangslichtbündel dar, das auf der anderen Seite der optischen Achse 18 verläuft und von einer zweiten Empfängerlinse gesammelt werden könnte.
Die Leistung Φ_&Egr; in jedem der beiden Empfangslichtbündel beträgt:

<D_E = ao E₁ Φ,

wobei Φ, die Leistung im Sendelichtbündel 15 beträgt. Die Leistung der Empfangslichtbündel wird maximal für a_o = a_t = Vi . Jedes Empfangslichtbündel enthält dann ¹A der Leistung des Sendelichtbündels, die andere Hälfte der Leistung des Sendelichtbündels wird in die Sendelinse zurückreflektiert.

Bei einem zweidimensionalen Kreuzgitter entstehen Lichtbündel der verschiedenen Beugungsordnungen, die räumlich um das einfallende Lichtbündel angeordnet sind. Auf diese Art und Weise können Empfangslichtbündel erzeugt werden,

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die räumlich rund um die Sendelinse 11 angeordnet sind und von entsprechend aufgestellten Empfangslinsen 13 gesammelt werden können.

Statt eines einfachen Beugungsgitters bzw. Kreuzgitters kann auch eine rotationssymetrische Gitterstruktur verwendet werden, wie sie beispielsweise bei der Interferenz einer ebenen Welle und einer Kugelwelle auf einer Hologrammplatte erzeugt werden kann. Diese Struktur ist als Fresnelsche Zonenplatte bekannt.

Durch diese Fresnelsche Zonenplatte wird bei der Beugung eines parallelen Lichtbündels, neben der nullten Beugungsordnung, ein konvergentes Lichtbündel (erste Beugungsordnung) und ein divergentes Lichtbündel (minus erste Beugungsordnung) erzeugt. Besonders vorteilhaft für die Anwendung bei der zweiäugigen Reflexionslichtschranke ist eine off-axis Fresnelsche Zonenplatte, bei der das oben genannte konvergente und divergente Lichtbündel unter dem Winkel ßj bzw. (-ß,) zur optischen Achse austritt. Die Funktionsweise dieser Zonenplatte in der zweiäugigen Reflexionslichtschranke ist analog wie bei dem oben ausgeführten Beispiel des Phasengitters. Es kann jedoch zusätzlich die Lichtsammeiwirkung für die + 1. Beugungsordnung ausgenutzt werden.

In Figur 5 ist der Strahlverlauf an der Fresnelschen Zonenplatte 17 schematisch dargestellt. Die Brennweite f der Fresnelschen Zonenplatte für die + 1. Beugungsordnung wird vorteilhaft an die Reichweite der zweiäugigen Reflexionslichtschranke angepaßt.

Die Auffächerung des am Kunststofftripelprismenreflektor 12 reflektierten Lichtbündels 15 durchBaufehler einzelner Kunststofftripelprismen wurde eingangs erwähnt. Dieser Effekt kann durch Beugung an einer vor dem Kunststofftripelprismenreflektor 12 angebrachten Streuscheibe gezielt verstärkt werden.

Die Streuscheibe besitzt eine statistische Phasenstruktur. Deshalb entstehen keine räumlich getrennten Lichtbündel verschiedener Beugungsordnungen, sondern eine keulenförmige Richtcharakteristik für das transmittierte Lichtbündel.

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Durch geeignete Wahl des Phasenhubes und des mittleren Durchmessers der Streuzentren kann die Form der Richtcharakteristik an die Reichweite der zweiäugigen Reflexionslichtschranke angepaßt werden.

Die Beugung ist ein Interferenzphänomen. Deshalb muß das erfindungsgemäße Beugungsgitter bzw. die erfindungsgemäße Streuscheibe 17 mit interferenzfähigem Licht (räumlich und zeitlich mindestens teilweise kohärent) beleuchtet werden. Falls als Lichtquelle für die Lichtschranke eine Lumineszenzdiode verwendet wird, welche in der vorderen Brennebene der Sendelinse angeordnet ist, ist das so erzeugte Sendelichtbündel ausreichend räumlich kohärent. Der ungünstige Fall bezüglich der räumlichen Kohärenz des Sendelichtbündels liegt vor, wenn die leuchtende Fläche der Lumineszenzdiode durch die Sendelinse auf das Beugungsgitter bzw. die Streuscheibe abgebildet wird. Die zeitliche Kohärenz des Sendelichtbündels ist durch die Monochromasie der Lumineszenzdiode gegeben.

Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, können Retroreflektor 12 und Beugungsgitter 17 in einer gemeinsamen Halterung 9 angeordnet sein, wobei das Beugungsgitter dem Retroreflektor räumlich vorgeordnet ist.

Ein für den jeweiligen Zweck geeignetes Beugungsgitter kann auch integrierender Bestandteil des Retroreflektors sein. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 ist das Beugungsgitter 17 mittels eines transparenten Klebers 7 auf die Frontscheibe 8 des Retroreflektors aufgesetzt.

Desweiteren besteht die Möglichkeit, die Struktur eines Beugungsgitters 17 schichttechnologisch auf die Frontscheibe 8 des Retroreflektors 12 aufzubringen, wie dies Figur 9 schematisch veranschaulicht.

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Die Struktur eines Beugungsgitters 17 kann, wie dies in Figur 10 im Prinzip dargestellt ist, auf die Frontscheibe 8 des Retroreflektors 12 auch aufgeprägt sein.

Retroreflektoren z. B. in Form von Kunststofftripelprismen können ferner gezielt mit Winkelfehlern in den Tripelprismen und / oder mit sonstigen Baufehlern gefertigt werden.

In Figur 6 ist ein solcher Retroreflektor 12 schematisch veranschaulicht. Die Winkelfehler sind hierbei mit 17' bezeichnet.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind grundsätzlich bei allen Arten von Retroreflektoren, beispielsweise auch bei Glastripelprismen-Reflektoren oder bei Reflexfolien, anwendbar.

Die Vorrichtungen zur Erzeugung des Winkelversatzes zwischen Sende- und Empfangslichtbündel 15, 16 können beispielsweise als holografisch-optische Elemente hergestellt werden. Auch synthetische Hologramme wie z. B. die DAMMAN-Gitter sind denkbar. Die billige Massenherstellung aus Kunststoff ist mit den Methoden möglich, die zur Herstellung von Prägehologrammen benutzt werden.

Claims

Leuze electronic GmbH + Co. Owen/Teck Ansprüche

1. Retroreflektor für eine Reflexionslichtschranke, die einen Lichtsender mit nachgeordneter Sendelinse und einer auf derselben Seite angeordneten Lichtempfänger mit vorgeordneter Empfangslinse enthält, wobei die sendeseitige Linse und die empfangsseitige Linse nebeneinanderliegen und der Retroreflektor vom Sendelichtbündel beaufschlagt wird und ein Strahlenbündel auf die Empfangslinse reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (12) zur Erzielung eines optischen Winkelversatzes (ß_t) zwischen Sendelichtbündel (15) und Empfangslichtbündel (16) mit einem Beugungsgitter (17) kombiniert ist.

2. Retroflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (12) zusammen mit einem diesem räumlich vorgeordneten Beugungsgitter (17) in einer Halterung (9) angeordnet ist.

3. Retroreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (17) auf die Frontscheibe (8) des Retroflektors (12) mit Hilfe eines optisch transparenten Klebers aufgeklebt ist.

4. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (17) eine Platte dient, auf die ein eindimensionales Gitter aufgebracht ist.

5. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (17) eine mit einem Kreuzgitter versehene Platte vorgesehen ist.

6. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (17) eine mit einer Fresnelschen Zonenstruktur, insbesondere in off-axis Ausführung, versehene Platte vorgesehen ist.

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7. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (17) eine Streuscheibe mit einem solchen Phasenhub und mittleren Streuzentrendurchmesser gewählt ist, daß die sich ergebende Richtcharakteristik des Empfangslichtbündels (16) die Empfangslinse (13) voll ausleuchtet.

8. Retroreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (17) aus einer transparenten Kunststoffplatte mit eingeprägter Phasenstruktur besteht.

9. Retroreflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das Beugungsgitter (17) enthaltende Platte durch die Frontscheibe (8) des Retroreflektors (12) verkörpert ist.

10. Retroreflektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Beugungsgitters (17) schichttechnologisch auf die Frontscheibe des Retroreflektors (12) aufgebracht ist.

11. Retroreflektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Beugungsgitters (17) auf die Frontscheibe (8) des Retroreflektors (12) aufgeprägt ist.

12. Retroreflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch ein Beugungsgitter (17) um das Sendelichtbündel (15) herum erzeugten Empfangslichtbündel (16) als Indikator für die Eingriffsrichtung eines Gegenstandes in die Überwachungsstrecke der Lichtschranke dienen.

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13. Retroreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kunststofftripelprismenreflektor ausgebildet ist.

14. Retroreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Glas tripelprismenreflektor ausgebildet ist.

15. Retroreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Reflexfolie ausgebildet ist.

16. Retroreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (12) durch einen mit Winkel- und Baufehlern in den Prismen versehenen Tripelprismenreflektor verkörpert ist.

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