Lichtelektrische Einrichtung
Für Überwachungs-, Kontroll- und Zählaufgaben sind seit längerer Zeit lichtelektrische Einrichtungen bekannt. Meistens arbeiten sie als sogenannte Lichtschranken, bei denen im allgemeinen ein Lichtstrahl von einem Sender ausgehend auf einen Empfänger trifft, wobei der Lichtstrahl den zu überwachenden Raum durchdringt. Wird der Lichtstrahl z. B. bei Zählaufgaben durch einen Gegenstand unterbrochen, so wird im Empfänger, in welchem sich in der Regel ein lichtempfindliches Element (Photoelement, Photowiderstand oder dergleichen) befindet, ein elektrisches Signal ausgelöst, welches zu Steuerfunktionen weiterverwendet werden kann.
Bei den konventionellen Lichtschranken, wie sie in der Industrie häufig Verwendung finden, sind Lichtsender und -empfänger einander meistens gegen über angeordnet, wobei mit Hilfe von bekannten optischen Systemen der Lichtstrahl auf bekannte Art und Weise gebündelt und gerichtet wird. Dieses System hat den Nachteil, dass Lichtsender und empfänger genau aufeinander ausgerichtet werden müssen.
Um auch bei rauhem Betrieb die nötige genaue Justierung zu gewährleisten, sind hierzu sehr stabile und daher kostspielige Konstruktionen erforderlich. Als weiterer Nachteil, insbesondere bei verhältnismässig langen Lichtschranken, kommt hinzu, dass die elektrischen Verbindungen wegen des meist sehr kleinen Signals vom Photoelement äusserst vorsichtig verlegt werden müssen, um zu verhindern, dass eingestreute Brummspannungen Fehlschaltungen verursachen.
Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Lichtschranke angeordnet sind. Hierbei wird der Lichtstrahl auf der Gegenseite mit einem oder mehreren Spiegeln derart umgelenkt, dass der reflektierte Lichtstrahl auf das lichtempfindliche Element gelangt. Diese Systeme sind aber gegenüber Justierfehlern noch anfälliger, weil schon sehr kleine Winkelfehler in der Spiegelstellung den Lichtstrahl am Empfänger vorbei gehen lassen.
Um diese Nachteile, insbesondere die Justierempfindlichkeit, zu beseitigen, wurden Einrichtungen gebaut, bei denen Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Lichtschranke angebracht wurden, auf der gegenüberliegenden Seite aber anstelle eines gewöhnlichen Spiegels ein Reflektor, welcher den Lichtstrahl nach dem Autokollimationsprinzip in sich selber zurückwirft. Übliche Reflektoren, die diese an sich bekannte Eigenschaft aufweisen, sind z. B.
Tripelspiegel, asphärische Linsen, Kugellinsen mit verspiegelter Rückfläche usw.
Werden mehrere solche Elemente zu einem System vereinigt, so erhält man die in der Technik unter dem Namen Katzenauge bekannten Reflektoren. Alle diese Reflektoren reflektieren aber einen Lichtstrahl nicht ideal in sich selbst zurück, sondern weisen je nach angewandtem Prinzip eine mehr oder weniger grosse Streuung auf. Es sind Reflektoren bekannt, deren Divergenzwinkel zwischen eintretendem und austretendem Lichtstrahl nur wenige Grade ausmachen, und solche mit Streuwinkeln bis gegen 30".
Um bei diesem System den ausgesandten vom reflektierten Lichtstrahl trennen zu können (denn sie haben ihre Hauptachse infolge des Autokollimationsprinzips gemeinsam), werden Lichtteiler angewendet, welche in der Regel aus halb- bzw. teildurchlässigen Spiegeln bestehen. Dieses in der Optik bekannte Prinzip wird dadurch realisiert, dass auf einer Glasplatte eine Metallschicht so dünn aufgedampft wird, dass sie teilweise noch lichtdurchlässig ist, den Rest des auftreffenden Lichtes aber spiegelt. Die Durchlässigkeit dieser Metallschicht ist aber vom Spektrum abhängig. Da aber auch die lichtempfindlichen
Elemente meistens sehr spektralempfindlich sind, kann der Fall eintreffen, dass am Lichtteiler ausgerechnet jene Banden verlorengehen, für welche das Photoelement am empfindlichsten ist.
Ein weitere Möglichkeit zur Herstellung von teildurchlässigen Spiegeln bieten die Rasterspiegel. Bei diesen Spiegeln ist gemäss einem Rastermuster nur ein Teil der Plattenoberfläche verspiegelt und die Zwischenräume sind frei durchlässig.
Weitere in der Optik bekannte Methoden zum Trennen von zwei Lichtbündeln findet man in der Anwendung von Polarisationsspiegeln in Verbindung mit sogenannten i, 14-Plättchen sowie beides in Kombination mit teildurchlässigen Spiegeln.
Alle diese Lichtteilersysteme sind aber relativ teuer in der Herstellung und bedingen zudem eine mehr oder weniger komplizierte und vor allem präzise mechanische Halterung. Der grosse Vorteil dieses Systems gegenüber dem Ersterwähnten besteht darin, dass es gegenüber Justierfehlern praktisch unempfindlich ist. Hingegen erfordert es einen erheblichen Aufwand an optischen Mitteln und präziser mechanischer Arbeit.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichtelektrische Einrichtung mit einer Lichtquelle, einem lichtempfindlichen Element und einem Reflektor, gekennzeichnet durch Mittel zum Ausblenden eines die optische Achse umgebenden Teils des Querschnittes des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels, wobei der Reflektor mindestens zeitweise mindestens einen Teil des nicht ausgeblendeten Lichtes nach der ausgeblendeten Zone zurückwirft und wobei das lichtempfindliche Element im Strahlengang des genannten zurückgeworfenen Lichtes angeordnet ist.
Halb- bzw. teildurchlässige Spiegel, Polarisationsspiegel oder dergleichen, wie sie sonst auf bekannte Art als Lichtteiler angewendet werden, fallen somit vollständig dahin. Das ermöglicht nicht nur eine wesentliche Vereinfachung des optischen Systems, sondern auch eine bedeutende Vereinfachung im mechanischen Aufbau der Einrichtung.
Es wird also ein Teil, z. B. die Hälfte, des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels zwischen der Lichtquelle und dem zu dessen Bündelung und Richtung nötigen optischen System (Linsen oder dergleichen) derart ausgeblendet, dass nur ein anderer Teil des Lichtes, z. B. in Form eines Ringstrahlenbündels, die äussere Zone des optischen Systems passiert und dann auf den Reflektor trifft. Der Reflektor ist derart angeordnet, dass er mindestens einen Teil des auf ihn treffenden Lichtes in die ausgeblendete Zone, z. B. innere Kreiszone, des optischen Systems zurückreflektiert, wodurch das reflektierte Strahlenbündel auf die Abblendmittel, vorzugsweise eine Blende, gerichtet wird. Auf der Blende selber kann ein Spiegel derart angeordnet sein, dass er das reflektierte Licht auf ein lichtempfindliches Element (z.
B. ein lichtempfindliches Halbleiterelement, eine Photodiode, einen Photowiderstand oder dergleichen), welches sich ausserhalb der optischen Hauptachse des Systems befindet, ablenkt.
Das lichtempfindliche Element kann sich aber auch selber direkt derart auf der Blende befinden, dass der reflektierte Lichtstrahl unmittelbar darauf fällt. Wird das optische System so ausgebildet, dass z. B. die innere Kreiszone eine kürzere Brennweite hat als die äussere Ringzone, so kann der reflektierte Lichtstrahl derart fokussiert werden, dass auf dem Photoelement ein relativ kleiner Lichtfleck (Abbildung der durch den Reflektor gebildeten sekundären Lichtquelle) entsteht. Man hat es dadurch in der Hand, je nach dem verwendeten Photoelement eine relativ grosse Elementfläche homogen auszuleuchten oder eine kleine Fläche relativ hoher Leuchtdichte zu bilden.
Der Reflektor kann aus einem einzelnen gewöhnlichen Spiegel oder aus mehreren, zu einem System zusammengefassten Spiegeln, aus einer gut reflektierenden, jedoch diffus streuenden, vorzugsweise ebenen Fläche oder einem Rückstrahler bestehen.
Bedingung ist, dass mindestens ein Teil des auf den Reflektor auftreffenden Lichtes in die ausgeblendete Zone zurückreflektiert wird. Unter einem Rückstrah ler ist ein einzelner Tripelspiegel, eine einzelne asphärische Linse oder Kugellinse mit verspiegelter Rückseite oder dergleichen zu verstehen. Sind mehrere solche Elemente zu einem System zusammengefügt, so bilden sie zusammen einen Rückstrahler, welcher in der Technik unter dem Namen Katzenauge bekannt ist. Alle diese Rückstrahler haben die bekannte Eigenschaft, dass sie einen Lichtstrahl weitgehend unabhängig von seinem Auftreffwinkel mit relativ geringer Streuung in sich selbst zurückreflektieren, nach dem Prinzip der sogenannten Autokollimation.
Vorzugsweise werden als Reflektoren Rückstrahler angewendet, da infolge des kleinen Streuwinkels zwischen eintreffendem und reflektiertem Strahl ein Maximum von Licht in die ausgeblendete Zone und damit auf das Photoelement gelangt. Es reicht für die hier vorzunehmenden Betrachtungen aus, den Reflektor bezüglich des reflektierten Lichtbündels als neue Lichtquelle zu betrachten, er kann auch vor oder hinter der eigentlichen Bildebene des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlenbündels angeordnet sein.
Ist der Reflektor fest angeordnet, so hat das reflektierte Strahlenbündel gleich dem von der Lichtquelle ausgehenden kontinuierliche Intensität. Ein Steuersignal kann z. B. dadurch erzeugt werden, dass eine ganze oder teilweise Unterbrechung des Lichtstrahles am Photoelement z. B. einen negativen Stromimpuls erzeugt, welcher in geeigneten elektronischen Apparaten auf bekannte Art und Weise zu Schaltoder Steuerfunktionen benutzt werden kann.
Der Reflektor kann auch beweglich angeordnet sein. Im Ruhezustand sei er z. B. ausserhalb des von der Lichtquelle kommenden Strahlenbündels, d. h. es werde kein Licht reflektiert. Passiert er im Laufe seiner Bewegung den Lichtstrahl, so wird mindestens kurzzeitig mindestens ein Teil des Lichtstrahles in die ausgeblendete Zone reflektiert, was z. B. auf dem Photoelement einen positiven Stromimpuls zur Folge haben kann, welcher, wie bereits erwähnt, weiter verwendet werden kann.
Lichtelektrische Einrichtungen dieser Art können zu Überwachungs-, Kontroll-, Zähl-, Steuer- und Schaltfunktionen verwendet werden.
In den Figuren ist der Strahlengang für einige, nachfolgend als Ausführungsbeispiele der Erfindung zu beschreibende lichtelektrische Einrichtungen schematisch dargestellt. Gleiche Teile sind in allen Figuren gleich bezeichnet.
In Fig. 1 wird das von der Lichtquelle 1 ausgehende Strahlenbündel 6 von einer Blende 2 in zwei Zonen mit den Grenzstrahlen 6' und 6" aufgeteilt.
Das Lichtbündel innerhalb der Grenzstrahlen 6" wird teils absorbiert, teils reflektiert und geht für die Nutzung verloren. Der Rest, bei einem Flächenverhältnis der Zone von 1:1 die Hälfte, passiert das optische System 3 (z. B. Sammellinsen oder derglei chen) und gelangt auf den Reflektor 4. Um das ganze System gegen Justierfehler unempfindlich zu machen und ein Optimum an Nutzeffekt zu erreichen, wird der Reflektor 4 vorzugsweise als Rückstrahler ausgebildet.
Dabei kann der Reflektor, wie dargestellt, in der Bildebene des Strahlenbündels 6 oder aber auch weiter vorn oder weiter hinten angeordnet sein. Für das reflektierte Strahlenbündel 7 kann die Abbildung auf dem Reflektor 4 als neue Lichtquelle betrachtet werden. Zufolge der eingangs erwähnten Streuungen am Reflektor 4 gelangt ein Teil (z. B. die Hälfte) des reflektierten Strahlenbündels in die genannte ausgeblendete Zone 5 des optischen Systems 3 und damit auf den an der Blende 2 angebrachten schrägen Spiegel 8. Der Spiegel 8 lenkt das reflektierte Strahlenbündel 7 innerhalb der ausblendeten Zone 5 derart ab, dass es auf das ausserhalb der optischen Hauptachse angeordnete lichtempfindliche Element 9 fällt.
Aus technischen Gründen kann es erwünscht sein, dass der Lichtweg zwischen dem optischen System 3 und der Photozelle 9 verkürzt wird. Die Abbildungsverhältnisse im reflektierten Strahlengang können dabei derart verändert werden, dass auf dem lichtempfindlichen Element ein relativ grosses Bild erzeugt wird, wodurch eine homogene Ausleuchtung der ganzen lichtempfindlichen Fläche erreicht wird, oder es kann eine ganz kleine Abbildung relativ hoher Leuchtdichte erzeugt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwischen Spiegel 8 und Photozelle bzw. Photoelement 9 ein zusätzliches optisches System 11 eingefügt ist (Fig. 2).
Fig. 3 zeigt eine Anordnung, wie sie mit den neuzeitlichen, sehr klein dimensionierten lichtempfindlichen Elementen möglich ist. Das Photoelement 9 ist dabei ohne Zwischenschaltung eines Spiegels direkt in der ausgeblendeten Zone 5, d. h. im Strahlengang der reflektierten Strahlen 7, angeordnet. Die Blende 2 ist dabei als Träger für das Photoelement 9 ausgebildet, wodurch sich ein separater Träger für dieses erübrigt.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung analog zu Fig. 3.
Zwecks schärferer Fokussierung bzw. zur Erreichung einer kleineren Abbildung auf der Photozelle 9 ist das optische System 3 derart in zwei den Lichtbündeln entsprechende Zonen aufgeteilt, dass z. B. die innere, dem reflektierten Strahlenbündel 7 zugeordnete Kreiszone 5 eine kürzere Brennweite aufweist als die äussere Zone. Das kann z. B. mit Sammellinsen dadurch erreicht werden, dass eine weitere Linse 10 mit entsprechendem Durchmesser und entsprechender Brennweite derart angeordnet ist, dass sie zusammen mit der Linse 3 ein optisches Systems mit den gewünschten Brennweiten ergibt. Optische Systeme solcher Art können nach den bekannten Formeln berechnet und konstruiert werden.
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen weitere Möglichkeiten der konstruktiven Gestaltung des optischen Systems 3, 10, welches dasjenige nach Fig. 4 ersetzen könnte. Bei der Variante nach Fig. 5 ist in eine zentrale Bohrung 3a der Linse 3 eine kleinere, im Durchmesser der ausgeblendeten Zone 5 entsprechende Linse 10 von kürzerer Brennweite koaxial eingesetzt, währenddem gemäss Fig. 6 eine solche Linse 10 der Linse bzw. dem System 3 einfach vorangestellt ist. Die Wirkungsweise dieser Linsensysteme entspricht derjenigen in Fig. 4.
Photoelectric device
Photoelectric devices have been known for a long time for monitoring, checking and counting tasks. They mostly work as so-called light barriers, in which a light beam from a transmitter generally hits a receiver, the light beam penetrating the room to be monitored. If the light beam z. B. interrupted by an object during counting tasks, an electrical signal is triggered in the receiver, in which there is usually a light-sensitive element (photo element, photoresistor or the like), which can be used for control functions.
In the conventional light barriers, as they are often used in industry, light transmitters and receivers are usually arranged opposite one another, the light beam being bundled and directed in a known manner with the aid of known optical systems. This system has the disadvantage that the light transmitter and receiver must be precisely aligned with one another.
In order to guarantee the necessary precise adjustment even in rough operation, very stable and therefore expensive constructions are required. Another disadvantage, especially in the case of relatively long light barriers, is that the electrical connections must be laid extremely carefully because of the usually very small signal from the photo element in order to prevent scattered ripple voltages from causing incorrect switching.
Arrangements are also known in which the transmitter and receiver are arranged on the same side of the light barrier. Here, the light beam is deflected on the opposite side with one or more mirrors in such a way that the reflected light beam reaches the light-sensitive element. However, these systems are even more susceptible to adjustment errors because even very small angular errors in the mirror position allow the light beam to pass the receiver.
In order to eliminate these disadvantages, especially the adjustment sensitivity, devices were built in which the transmitter and receiver were mounted on the same side of the light barrier, but instead of a normal mirror, a reflector was installed on the opposite side, which the light beam according to the autocollimation principle in itself throws back. Usual reflectors that have this property known per se are, for. B.
Triple mirrors, aspherical lenses, spherical lenses with a mirrored rear surface, etc.
If several such elements are combined into a system, the reflectors known in technology under the name cat's eye are obtained. However, all these reflectors do not ideally reflect a beam of light back into themselves, but have a more or less large scatter depending on the principle used. There are reflectors known whose divergence angle between the entering and exiting light beam is only a few degrees, and those with scattering angles of up to about 30 ".
In order to be able to separate the emitted from the reflected light beam in this system (because they have their main axis in common due to the autocollimation principle), light splitters are used which usually consist of semi-transparent or partially transparent mirrors. This principle, known in optics, is implemented in that a metal layer is vaporized so thinly on a glass plate that it is partially still translucent, but reflects the rest of the incident light. The permeability of this metal layer depends on the spectrum. But there are also the photosensitive ones
Elements are usually very spectrally sensitive, the case may arise that precisely those bands are lost at the light splitter to which the photo element is most sensitive.
Another option for producing partially transparent mirrors is the grid mirror. In these mirrors, according to a grid pattern, only part of the plate surface is mirrored and the gaps are freely permeable.
Other methods known in optics for separating two light bundles can be found in the use of polarization mirrors in connection with so-called 1.14 platelets and both in combination with partially transparent mirrors.
However, all of these light splitter systems are relatively expensive to manufacture and also require a more or less complicated and, above all, precise mechanical mounting. The great advantage of this system over the first mentioned is that it is practically insensitive to adjustment errors. On the other hand, it requires a considerable amount of optical means and precise mechanical work.
The present invention relates to a photoelectric device with a light source, a light-sensitive element and a reflector, characterized by means for masking a part of the cross-section of the beam emanating from the light source surrounding the optical axis, the reflector at least temporarily at least part of the non-masked light reflects back after the blanked-out zone and wherein the light-sensitive element is arranged in the beam path of said reflected light.
Semi-transparent or partially transparent mirrors, polarization mirrors or the like, as they are otherwise used in a known manner as light splitters, are thus completely eliminated. This enables not only a significant simplification of the optical system, but also a significant simplification in the mechanical structure of the device.
So there will be a part, e.g. B. half of the beam emanating from the light source between the light source and the optical system (lenses or the like) necessary for its bundling and direction is hidden in such a way that only another part of the light, e.g. B. in the form of a ring beam, the outer zone of the optical system passes and then hits the reflector. The reflector is arranged in such a way that at least part of the light hitting it into the masked zone, e.g. B. inner circular zone, reflected back of the optical system, whereby the reflected beam is directed to the shielding means, preferably a diaphragm. A mirror can be arranged on the screen itself in such a way that it directs the reflected light onto a light-sensitive element (e.g.
B. a photosensitive semiconductor element, a photodiode, a photoresistor or the like), which is located outside the main optical axis of the system, deflects.
The light-sensitive element can, however, also be located directly on the screen in such a way that the reflected light beam falls directly on it. If the optical system is designed so that, for. B. the inner circular zone has a shorter focal length than the outer ring zone, the reflected light beam can be focused in such a way that a relatively small light spot (image of the secondary light source formed by the reflector) is created on the photo element. It is thus possible, depending on the photo element used, to illuminate a relatively large element area homogeneously or to form a small area of relatively high luminance.
The reflector can consist of a single ordinary mirror or of several mirrors combined to form a system, of a highly reflective, but diffusely scattering, preferably flat surface or a reflector.
The condition is that at least part of the light hitting the reflector is reflected back into the blanked out zone. A rear reflector is to be understood as a single cube-corner mirror, a single aspherical lens or spherical lens with a mirrored back or the like. If several such elements are combined to form a system, they together form a reflector, which is known in technology as the cat's eye. All these reflectors have the well-known property that they reflect a light beam back into themselves largely independently of its angle of incidence with relatively little scatter, according to the principle of so-called autocollimation.
Retro-reflectors are preferably used as reflectors, since as a result of the small scatter angle between the incident and reflected beam, a maximum of light reaches the masked-out zone and thus the photo element. For the considerations to be made here, it is sufficient to consider the reflector as a new light source with regard to the reflected light beam; it can also be arranged in front of or behind the actual image plane of the light beam emanating from the light source.
If the reflector is fixed, the reflected beam has the same intensity as the continuous intensity emanating from the light source. A control signal can e.g. B. be generated in that a full or partial interruption of the light beam on the photo element z. B. generates a negative current pulse, which can be used in suitable electronic apparatus in a known manner for switching or control functions.
The reflector can also be arranged to be movable. In the idle state he is z. B. outside the beam coming from the light source, d. H. no light is reflected. If he passes the light beam in the course of his movement, at least part of the light beam is reflected into the masked zone at least for a short time. B. can result in a positive current pulse on the photo element, which, as already mentioned, can be used further.
Photoelectric devices of this type can be used for monitoring, control, counting, control and switching functions.
In the figures, the beam path for some photoelectric devices to be described below as exemplary embodiments of the invention is shown schematically. Identical parts are identified identically in all figures.
In FIG. 1, the beam 6 emanating from the light source 1 is divided by a diaphragm 2 into two zones with the boundary beams 6 'and 6 ".
The light bundle within the boundary rays 6 ″ is partly absorbed, partly reflected and is lost for use. The rest, half with an area ratio of the zone of 1: 1, passes through the optical system 3 (e.g. converging lenses or the like) and arrives at the reflector 4. In order to make the entire system insensitive to adjustment errors and to achieve an optimum of efficiency, the reflector 4 is preferably designed as a reflector.
In this case, the reflector can, as shown, be arranged in the image plane of the beam 6 or else further forward or further back. For the reflected beam 7, the image on the reflector 4 can be viewed as a new light source. As a result of the above-mentioned scattering on the reflector 4, a part (e.g. half) of the reflected beam arrives in the mentioned masked zone 5 of the optical system 3 and thus on the oblique mirror 8 attached to the diaphragm 2. The mirror 8 deflects this reflected beam 7 within the blanked zone 5 in such a way that it falls on the light-sensitive element 9 arranged outside the main optical axis.
For technical reasons it may be desirable that the light path between the optical system 3 and the photocell 9 is shortened. The imaging conditions in the reflected beam path can be changed in such a way that a relatively large image is generated on the light-sensitive element, whereby homogeneous illumination of the entire light-sensitive area is achieved, or a very small image of relatively high luminance can be generated. This can be achieved in that an additional optical system 11 is inserted between the mirror 8 and the photocell or photo element 9 (FIG. 2).
Fig. 3 shows an arrangement as it is possible with the modern, very small dimensioned light-sensitive elements. The photo element 9 is directly in the masked zone 5, i.e. without the interposition of a mirror. H. in the beam path of the reflected rays 7, arranged. The diaphragm 2 is designed as a carrier for the photo element 9, so that a separate carrier for this is unnecessary.
FIG. 4 shows an arrangement analogous to FIG. 3.
For the purpose of sharper focusing or to achieve a smaller image on the photocell 9, the optical system 3 is divided into two zones corresponding to the light beams that, for. B. the inner circular zone 5 associated with the reflected beam 7 has a shorter focal length than the outer zone. This can e.g. B. can be achieved with converging lenses in that a further lens 10 with a corresponding diameter and corresponding focal length is arranged such that, together with the lens 3, it results in an optical system with the desired focal lengths. Optical systems of this type can be calculated and constructed according to the known formulas.
FIG. 5 and FIG. 6 show further possibilities for the structural design of the optical system 3, 10, which could replace that according to FIG. 4. In the variant according to FIG. 5, a smaller lens 10 with a shorter focal length corresponding in diameter to the masked zone 5 is inserted coaxially into a central bore 3a of the lens 3, while according to FIG. 6 such a lens 10 of the lens or the system 3 is simply prefixed. The mode of action of these lens systems corresponds to that in FIG. 4.