REFLECTION LIGHT BARRIER WITH AN EXTENDED DETECTION RANGE

Abstract: 1. Reflexion light barrier comprising a light source assembly (13) and optical elements (15, 33, 35) to generate two light beams directed along separate optical axes (29, 30), and a photodetector to receive light reflected by a reflecting object, the axis of one light beam extending substantially parallel to the direction of reception (27) of the photodetector, characterized in that the optical elements (15, 33, 35) are designed and located in such way that the axis (30) of the other light beam is at an acute angle to the axis of the first light beam (29).

Description: Verfahren zur Erweiterung des Funktionsbereichs einer Reflexlichtschranke und Reflexlichtschranke zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erweiterung des Funktionsbereiches einer Reflexlichtschranke in Bezug auf die Distanz zu einem retroreflektierenden Gegenstand. Nachfolgend wird der retroreflektierende Gegenstand kurz "Reflektor" genannt. Bei einer bekannten Reflexlichtschranke sind in einem Gehäuse Lichtsender und Lichtempfänger in einem Abstand von etwa 8 mm angeordnet. Der Lichtsender besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle, z.B. einer Licht emittierenden Diode, und einer Linse zur Bündelung des Lichts zu einem Lichtstrahl. In analoger Weise besteht der Lichtempfänger aus einem lichtempfindlichen Element, z.B. einer Fotodiode, und einer Linse, welche das auf den Lichtempfänger auffallende Licht fokussiert. Die Achsen von Lichtsender und Lichtempfänger sind parallel zueinander angeordnet. Da das vom Lichtsender ausgehende Licht etwas divergiert und auch das vom festzustellenden retroreflektierenden Gegenstand (Reflektor) zurückgeworfene Licht etwas gestreut wird, kann die Lichtschranke auf Reflektoren ansprechen, obwohl ein Abstand zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle und des Lichtempfängers besteht. Zum sicheren Ansprechen ist allerdings erforderlich, dass sich der festzustellende Reflektor nicht zu weit (Grenze des Fernbereiches) und nicht zu nahe (Grenze des Nahbereiches) bei der Lichtschranke befindet und eine Mindestmenge an Licht reflektiert. Bekannte Reflexlichtschranken werden vielfach mit zwei verschiedenen Linsensystemen gefertigt, wobei das eine Linsensystem zur Feststellung relativ entfernter Reflektoren dient und das andere Linsensystem zur Feststellung relativ naher Reflektoren. Zur Feststellung relativ ferner Reflektoren liefert der Lichtsender einen Strahl, der relativ wenig divergiert und somit auf einem entfernten Reflektor einen relativ kleinen Lichtfleck von grosser Lichtintensität erzeugt. Demgegenüber wird zur Feststellung eines relativ nahen Reflektors beim Lichtsender eine Linse verwendet, die relativ stark streut. Auf einem fernen Reflektor würde daher ein relativ grosser Lichtfleck von geringer Lichtintensität erzeugt, so dass die Reflexlichtschranke auf diesen Lichtfleck nicht mehr ansprechen würde. Auf einem relativ nahen Reflektor besitzt der Lichtfleck eine genügende Intensität,-ist aber auch gross genug, um vom Lichtempfänger erfasst zur werden. Die bekannte Lichtschranke hat also den Nachteil, dass sie zwei verschiedene Linsensysteme braucht, je nachdem, ob sie zur Feststellung von relativ entfernt gelegenen oder relativ nahe gelegenen Reflektoren verwendet wird. Dabei ist weiter nachteilig, dass sie nicht gleichzeitig zur Feststellung entfernt gelegener und nahe gelegener Reflektoren verwendbar ist. Ist beides notwendig, so müssen zwei Reflexlichtschranken verwendet werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Feststellen von Reflektoren in verschiedenen Abstandsbereichen mit einer Reflexlichtschranke zu schaffen. Es soll also die Grenze des Nahbereiches näher bei der Lichtschranke sein, ohne dass dadurch die Grenze des Fernbereiches merklich verändert, also näher zur Lichtschranke verlegt wird. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass vom Lichtsender Licht entlang mindestens zweier divergierender optischer Achsen ausgestrahlt wird, wobei die eine Achse praktisch parallel zur optischen Achse des Lichtempfängers und die andere Achse in einem spitzen Winkel zur optischen Achse des Lichtempfängers verläuft. Dies hat den Vorteil, dass mit der gleichen Reflexlichtschranke relativ fern gelegene und relativ nahe gelegene Reflektoren festgestellt werden können. Das in einem spitzen Winkel zur optischen Achse des Lichtempfängers verlaufende Licht erzeugt nämlich auch auf einem relativ nahe gelegenen Reflektor Reflexionen, die vom Lichtempfänger noch festgestellt werden können. Zweckmässigerweise wird entlang der genannten anderen Achse weniger Licht als entlang der genannten einen Achse augestrahlt. Bei nahe gelegenen Reflektoren ist auch unter diesen Umständen der erzeugte Lichtfleck noch stark genug, um vom Lichtempfänger sicher festgestellt werden zu können. Die Erfindung betrifft auch eine Lichtschranke zur Durchführung des Verfahrens mit einer Linse für den Lichtsender. Diese Linse ist so ausgebildet, dass sie einen Teil des Lichtes der Lichtquelle entlang der genannten einen Achse und einen Teil des Lichtes entlang der genannten anderen Achse lenkt. Zu diesem Zweck kann die Linse des Lichtsenders als Bifokallinse ausgebildet sein. Die Ausbildung dieser Linse ergibt sich aus dem Zweck, nämlich einerseits relativ entfernte Reflektoren festzustellen und andererseits relativ nahe Reflektoren festzustellen. Im ersten Fall ist wesentlich, dass der auf dem weit entfernten Reflektor erzeugte Lichtfleck eine genügende Lichtstärke aufweist, um vom Lichtempfänger festgestellt zu werden. Im zweiten Falle ist vor allem wesentlich, dass der Lichtfleck in einem Bereich erzeugt wird, wo er vom Lichtempfänger auch festgestellt werden kann. Da sich in diesem Falle der Gegenstand nahe beim Lichtsender und beim Lichtempfänger befindet, genügt ein kleiner Teil der von der Lichtquelle erzeugten Lichtenergie, um einen Lichtfleck von genügender Intensität zu erzeugen. Es kann somit der grösste Teil der Bifokallinse zur Erzeugung des Lichtflecks auf dem entfernten Gegenstand dienen. Eine zweckmässige Ausführungsform der Lichtschranke ist dadurch gekennzeichnet, dass die Linse mindestens eine sphärische Fläche und eine benachbarte Prismenfläche aufweist. Die sphärische Fläche dient dabei in bekannter Weise zur Erzeugung eines Lichtbündels entlang der optischen Achse des Lichtsenders, die man hier als Hauptachse bezeichnen könnte. Demgegenüber dient die Prismenfläche dazu, etwas Licht in einem spitzen Winkel zur optischen Achse des Lichtempfängers abzulenken. Wenn es auch möglich wäre, anstelle einer Prismenfläche eine weitere sphärische Fläche zu verwenden, erweist sich jedoch die Prismenfläche einfacher in der Herstellung und dem Zwecke durchaus entsprechend, denn es geht lediglich darum, auf einem nahen Reflektor einen Lichtfleck zu erzeugen, der vom Lichtempfänger sicher wahrnehmbar ist. Sobald sich dieser Gegenstand etwas weiter von der Reflexlichtschranke entfernt befindet, kann der Lichtempfänger den von dem sich entlang der Hauptachse verlaufenden Lichtbündel erzeugtenLichtfleck erfassen, so dass es belanglos ist, dass das vom Prisma abgelenkte Licht stark divergiert und nicht mehr ausreicht, um einen genügend starken Lichtfleck auf dem entfernten Reflektor zu erzeugen. Zweckmässigerweise ist die Prismenfläche auf der der sphärischen Fläche entgegengesetzten Seite der Linse angeordnet. Dies erleichtert die Fertigung der Linse. Die Linse des Lichtsenders und die Linse des Lichtempfängers können aus einem Stück bestehen. Dies erlaubt eine besonders billige Fertigung aus Kunststoff, z.B. durch Spritzen. Von besonderem Vorteil ist auch, wenn beide Linsen, nämlich die des Lichtsenders und des Lichtempfängers, gleich ausgebildet sind. Es spielt dann keine Rolle, wie bei der Montage der Lichtschranke das Teil in das Gehäuse eingelegt wird. Es ist zweckmässig, wenn jede Linse eine Kugelfläche aufweist, und das Prisma zwischen den Kugelflächen ausgebildet ist. Werkzeuge zur Herstellung von Kunststoff linsen mit Kugelflächen sind relativ einfach herstellbar und die Anordnung des Prismas zwischen den Kugelflächen ergibt eine symmetrische Ausbildung. Die Herstellung des Werkzeuges wird noch weiter vereinfacht, wenn das Prisma auf der den Kugelflächen entgegengesetzten Seite angeformt ist. Ein Ausführungsbeispiel wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 die Wirkungsweise einer bekannten Lichtschranke, Fig. 2 eine Seitenansicht der Lichtschranke von Fig. 1, wobei der Querschnitt des zurückgeworfenen Licht bündels bei entferntem und nahem Reflektor er sichtlich ist, Fig. 3 eine Lichtschranke gemäss einem Ausführungsbei spiel der Erfindung, wobei aber der Strahlengang entlang der Hauptachse des Lichtsenders nicht eingezeichnet ist, weil er jenem in Fig. 1 ent spricht, und Fig. 4 eine Seitenansicht der Reflexlichtschranke von Fig. 3. Die bekannte Reflexlichtschranke gemäss den Figuren 1 und 2 besteht im wesentlichen aus dem Gehäuse 11, in welchem der Lichtsender und Lichtempfänger untergebracht sind. Der Lichtsender besteht aus einer Lichtquelle 13 und einer Linse 15, welche das von der Lichtquelle 13, z.B. einer lichtemittierenden Diode, ausgestrahlte Licht bündelt, wie dies durch die Strahlen 17 und 19 angedeutet ist. Es wird daher auf einem festzustellenden Reflektor 21 ein Lichtfleck erzeugt, der durch den Lichtempfänger festgestellt werden kann. Der Lichtempfänger besteht aus der Linse 23 und dem Fotoelement 25. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass die optische Achse 27 des Lichtempfängers praktisch parallel zur optischen Achse 29 des Lichtsenders angeordnet ist. Dies bringt insofern Probleme, als die Lichtschranke den Reflektor 21' im Abstand d2, also im Nahbereich nicht mehr feststellen kann, weil kein oder zu wenig reflektiertes Licht auf die Linse 23 fällt, wie dies durch die gestrichelten Linien 17' und 19' bzw. in Fig. 2 durch die Kreisfläche 20' angedeutet ist. Demgegenüber kann die Lichtschranke einen Reflektor im Abstand dl, also im Fernbereich ohne weiteres erkennen, weil das reflektierte Licht auf die Linse 23 fällt, wie dies durch die Kreisfläche 20 angedeutet ist. Aus diesem Grunde werden bekannte Lichtschranken mit verschiedenen Linsen 15 ausgerüstet, je nachdem ob sie der Feststellung von Gegenständen im Fernbereich oder Nahbereich dienen sollen. Zur Feststellung von Reflektoren im Nahbereich muss die Linse 15 mehr streuen, d.h. die Strahlen 17 und 19 müssen mehr divergieren. Die erfindungsgemässe Reflexlichtschranke gemäss den Figuren 3 und 4 eignet sich zur Feststellung von Reflektoren sowohl im Fernbereich als auch im Nahbereich. Im Fernbereich wirkt die Lichtschranke grundsätzlich gleich wie in Figur 1 gezeigt. Es genügt daher, wenn in den Figuren 3 und 4 die Wirkungsweise im Nahbereich dargestellt wird. Dies wird nun näher erläutert. Die Linsen 15 und 23 für den Lichtsender und den Lichtempfänger sind vorteilhaft aus einem Stück durchsichtigem Kunststoff gefertigt. Das so gebildete Teil ist aber derart ausgebildet, dass vom Lichtsender 13 Licht entlang mindestens zweier divergierender optischer Achsen 29, 30 ausgestrahlt wird, wobei die eine Achse 29 praktisch parallel zur optischen Achse 27 des Lichtempfängers und die andere Achse 20 in einem spitzen Winkel zur optischen Achse 27 des Lichtempfängers verläuft. Dabei genügt es, wenn entlang der Achse 30 weniger Licht als entlang der Achse 29 ausgestrahlt wird, denn viel Licht ist lediglich für den Fernbereich, also zur Feststellung des in Figur 3 gestrichelt dargestellten Gegenstandes 21 notwendig. Die Linse 15 besitzt eine sphärische Fläche 33. Des weiteren ist ein Prisma 35 auf der entgegengesetzten Seite der sphärischen Fläche angeordnet und zwar benachbart zur sphärischen Fläche 33. Dadurch wird bewirkt, dass auch Licht, wie mit dem Strahl 37 angedeutet, auf den Reflektor 21' geworfen wird. Dadurch wird auf diesem Reflektor 21' ein Lichtfleck erzeugt, der vom Lichtempfänger auch dann empfangen wird, wenn sich der Reflektor 21' nahe bei der Reflexlichtschranke befindet. Die Wirkung dieser Ausgestaltung der Linse 33 entspricht grob gesehen jener einer Bifokallinse. Es wäre auch möglich, statt des Prismas 35 eine weitere sphärische Fläche zu verwenden. Die Herstellung des Prismas 35 ist jedoch einfacher zu realisieren. Es können dann auch beide Linsen 15 und 23 gleich ausgebildet sein. So kann jede Linse eine Kugelfläche 33 aufweisen und das Prisma 35 kann zwischen den Kugelflächen ausgebildet sein, um so ein Teil zu bilden, das symmetrisch ist. Es ist dann gleichgültig, wie das Teil 32 in das Gehäuse 34 der Lichtschranke 11 eingesetzt wird. In Figur 4 ist schraffiert eine Fläche 20" angedeutet, welche den Querschnitt des vom Prisma erzeugten und vom Reflektor 21' reflektierten Lichtbündels anzeigt.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Erweiterung des Funktionsbereiches einer Reflexlichtschranke in Bezug auf die Distanz zu einem retroreflektierenden Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass vom Lichtsender Licht entlang mindestens zweier divergierender optischer Achsen (29, 30) ausgestrahlt wird, wobei die eine Achse (29) praktisch parallel zur optischen Achse (27) des Lichtempfängers und die andere Achse (30) in einem spitzen Winkel zur optischen Achse (27) des Lichtempfängers verläuft. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der genannten anderen Achse (30) weniger Licht als entlang der genannten einen Achse (29) ausgestrahlt wird. 3. Reflexlichtschranke zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Linse (15) für den Lichtsender, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (15) so ausgebildet ist, dass sie einen Teil des Lichts der Lichtquelle (13) entlang der genannten einen Achse (29) und einen Teil des Lichtes entlang der genannten anderen Achse (30) lenkt. 4. Reflexlichtschranke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (15) des Lichtsenders eine Bifokallinse ist. 5. Reflexlichtschranke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (15) mindestens eine sphärische Fläche und eine benachbarte Prismenfläche (35) aufweist. 6. Reflexlichtschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenfläche (35) auf der der sphärischen Fläche entgegengesetzten Seite der Linse (15) angeordnet ist. 7. Reflexlichtschranke nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (15) des Lichtsenders und die Linse (23) des Lichtempfängers aus einem Stück bestehen. 8. Reflexlichtschranke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Linsen (15, 23) gleich ausgebildet sind. 9. Reflexlichtschranke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Linse (15, 23) eine Kugelfläche aufweist und dass das Prisma (35) zwischen den Kugelflächen ausgebildet ist. 10. Reflexlichtschranke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (35) auf der den Kugelflächen entgegengesetzten Seite angeformt ist.

Inventors: REINER, EUGEN
Applicants: ELESTA AG ELEKTRONIK
Application year: 1982
Main classification: G01V9
IPC codes: G01V8, G02B3, G08B13