DE3237035C1

DE3237035C1 - Reflexionslichtschranke

Info

Publication number: DE3237035C1
Application number: DE3237035A
Authority: DE
Inventors: Klaus 6520 Worms Bechtel
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1982-10-06
Filing date: 1982-10-06
Publication date: 1984-01-26
Also published as: US4546246A; EP0105528A2; EP0105528A3

Description

durch die reflektierende Einrichtung so zu wählen, daß die in den Überwachungsbereich eingebrachten Gegenstände die Spektralverteilung des von ihnen reflektierten Lichtes jedenfalls nicht verändern. Hierbei muß lediglich die unter Umständen vorhandene Farbgebung der eingebrachten Gegenstände in dem Sinne berücksichtigt werden, daß hierdurch nicht eine Veränderung der Spektralverteilung in der gleichen oder annähernd gleichen Weise wie durch die reflektierende Einrichtung erfolgt. ■ to

Der spektrale Bereich des Lichtsenders ist also so zu wählen, daß die zu erkennenden stark reflektierenden Gegenstände wenigstens den wesentlichen Teil der Spektralbereiche des auftreffenden Lichtes zum Empfänger reflektieren, während die reflektierende Einrichtung nur eine.n wohldefinierten Bruchteil dieser spektralen Bereiche zum Empfänger zurückwirft.

Es ist durchaus möglich, die unterschiedlichen Spektralbereiche erst durch geeignete Filtermaßnahmen am Empfänger zu schaffen, so daß beispielsweise als Sendelicht weißes Licht verwendet wird, aus dem dann auf der Empfängerseite zwei oder mehr oder weniger breite Spektralbereiche ausgeblendet werden.

Auf der Empfängerseite können zwei photoelektrische Wandler vorgesehen sein, von denen jeweils einer mit Licht eines der beiden Spektralbereiche beaufschlagt wird. Es ist aber auch möglich, nur einen photoelektrischen Wandler zu verwenden und diesen abwechselnd mit dem Licht des einen und des anderen Spektralbereiches zu beaufschlagen, wobei die Trennung dann in der anschließenden Auswerteschaltung erfolgt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Lichtsender periodisch abwechselnd Licht mit unterschiedlichen, sich nicht überschneidenden Spektralbereichen aussendet und die reflektierende Einrichtung nur Licht des einen Spektralbereiches reflektiert.

Auf diese Weise kann man mit einem einzigen photoelektrischen Wandler im Lichtempfänger auskommen. Ein weiterer Vorteil ist der, daß durch das Arbeiten mit gepulstem Licht in der elektronischen Auswerteschaltung auf einfache Weise durch eine kapazitive Kopplung der Einfluß von Umgebungslicht eliminiert werden kann.

Während grundsätzlich die unterschiedlichen Spektralbereiche durch ein rotierendes Filter od. dgl. geschaffen werden können, ist es doch bevorzugt, daß der Lichtsender zwei Lichtquellen mit den unterschiedlichen Spektralbereichen aufweist.

Die beiden Lichtquellen sind zweckmäßigerweise Halbleiterdioden. Zum Beispiel kann eine GaAs-Diode mit einer Sendewellenlänge von 940 nm und eine GaP-Diode mit einer Sendewellenlänge von 660 nm verwendet werden. 55 -

Die beiden Lichtquellen sind vorzugsweise so gepulst, daß zu einem Zeitpunkt immer nur eine der beiden Licht aussendet. Bevorzugt sind zwischen den Lichtaussendungen der einzelnen Lichtquellen Pausen eingeschaltet.

Eine bevorzugte elektronische Auswerteschaltung weist zwei hintereinandergeschaltete Monoflops auf, von denen das erste eine kürzere und das zweite eine längere Haltezeit als die Impulsperiode aufweist. Vorteilhafterweise sind die Impulsfolgen der beiden Lichtquellen um eine halbe Impulsperiode versetzt. Vor jedes Monoflop soll vorzugsweise ein Differenzierglied geschaltet sein, welches nur auf eine der Impulsflanken anspricht.

Die den Spektrailzustand: des Sendeltefiis; beeinflussende reflektierende Einrie&tung kann vorteilfiafterweise aus einem Reflektor mit davor geschaltetem Filter bestehen. Das Filter ist zweckmäßig schräg zur optischen. Achse angeordnet, damit an deF Filteroberfläche etwa reflektiertes Licht nicht in dem Empfänger gelangen kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. t eine schematisehe Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke mit angeschlossener elektronischer Auswertescnaltung,

F i g. 2 ein schematisches Blockschaltbild der mit dem Empfänger verbundenen elektronischen Auswerteschaltung und

F i g. 3 Impulsdiagramme der einzelnen in den F ig. 1 und 2 gezeigten elektronischen Bauelemente.

Nach F i g. 1 sind in einem Gehäuse 25 ein Lichtsender 13 und ein Lichtempfänger 12 nebeneinander angeordnet. Die Darstellung ist rein schematisch zu verstehen, d.h., daß übliche optische Zwischenabbildungselemente wie Kondensatoren u.dgl. der Übersichtlichkeit halber fortgelassen sind.

Der Lichtsender 13 besteht erfindungsgemäß aus zwei Halbleiterdioden, und zwar einer GaAs-Diode 14 und einer GaP-Diode 15, welche bezüglich ihrer optischen Achsen unter einem rechten Winkel angeordnet sind. Die GaAs-Diode sendet Licht mit einer Wellenlänge von 940 nm, die GaP-Diode 15 Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm aus.

Das von den beiden Dioden 14, 15 kommende Licht wird durch einen Strahlenteiler 26 vereinigt und gelangt zu einem Sende-Frontobjektiv 27, welches ein im wesentlichen paralleles Sendelichtbündel 28 zu einer reflektierenden Einrichtung 11 durch eine Überwachungsstrecke 31 hindurchschickt.

Die reflektierende Einrichtung 11 besteht aus einem Retroreflektor 20 und einem davor angeordnten Filter 21. Der Retroreflektor 20 reflektiert das Sendelichtbündel innerhalb einer engen Streukeule in sich zurück. Aufgrund dieser Streukeule gelangt auch ein im wesentlichen paralleles reflektiertes Bündel 29 zu einem unmittelbar neben dem Sende-Frontobjektiv 27 angeordneten Empfangs-Frontobjektiv30. Dieses konzentriert das Empfangslicht ggfs. wieder über nicht dargestellte Zwischenabbildungen auf dem durch einen photoelektrischen Wandler gebildeten Lichtempfänger 12.

Der Winkel zwischen dem Sendelichtbündel 28 und dem reflektierten Lichtbündel 29 ist in F i g. 1 stark übertrieben dargestellt; tatsächlich ist dieser Winkel aufgrund der im allgemeinen großen Länge der Überwachungsstrecke 31 vernachlässigbar klein, so daß von einer Quasi-Auto-Kollimationslichtschranke gesprochen werden kann. Gegebenenfalls könnte der Empfang auch durch das Sende-Frontobjektiv hindurch erfolgen, wobei dann ein weiterer Strahlenteiler zur Ausblendung des Empfangslichtes im Sendelichtstrahl anzuordnen wäre.

Wie auch aus F i g. 2 hervorgeht, ist der Lichtempfänger 12 an eine elektronische Auswerteschaltung 22 angeschlossen, die in Hintereinanderschaltung ein erstes Differenzierglied 18, ein erstes Monoflop 16, ein zweites Differenzglied 19 und ein zweites Monoflop 17 enthält, dessen Ausgang den Ausgang 24 der elektronischen Auswerteschaltung 22 bildet. Die Differenzierglieder 18, 19 sprechen nur auf eine Flanke, vorzugsweise die

positive Flanke der ihnen zugeführten Rechteckimpulse an.

Nach F i g. 1 ist außerdem in Versorgungsgerät 23 vorgesehen, welches die Halbleiterdioden 14, 15 in der im folgenden beschriebenen Weise mit einer Impulsspannung beaufschlagt.

In F i g. 3 sind die Impulsdiagramme der verschiedenen elektronischen Bauelemente in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei der Zeitmaßstab in allen fünf Diagrammen der gleiche ist, so daß vertikal ausgerichtete Impulszustände zur gleichen Zeit auftreten. Vor dem jeweiligen Diagramm ist die mit einer Unterstreichung versehene Bezugszahl desjenigen elektrischen Bauelementes angegeben, dessen Impulsdiagramm dargestellt ist

Nach F i g. 3 wird eine Halbleiterdioden 14,15 durch das Versorgungsgerät 23 eine Rechteck-Impulsspannung mit einer Periode t zugeführt. Die Phase der beiden Impulse der GaP-Diode 15 jeweils in eine Lücke zwischen zwei Rechteckimpulsen der GaAs-Diode 14 fallen.

In den Diagrammen der F i g. 3 werden nun drei Fälle unterschieden. Der Bereich I gibt die Spannungen am Empfänger 12 sowie an den Monoflop 16, 17 für eine freie Überwachungsstrecke 31 wieder. Der Bereich II zeigt, wie der Empfänger und die Monoflops 16, 17 reagieren, wenn pin nicht oder wenig reflektierendes Objekt sich in der Überwachungsstrecke 31 befindet Der Bereich III schließlich gibt die Verhältnisse wieder, wenn ein stark reflektierendes Objekt in der Überwachungsstrecke 31 angeordnet ist

Es ist noch wesentlich darauf hinzuweisen, daß die Monoflops 16, 17 unterschiedliche Haltezeiten aufweisen. Das Monoflop 16 weist eine Haltezeit von 0,751, das Monoflop 17 eine Haltezeit von 1,25 t auf. Es ist auch noch zu bemerken, daß es sich um retriggerbare Monoflops handelt, welche als rückstellbare Zeitglieder bezeichnet werden können. Bei jedem neuen Setzimpuls beginnen diese Monoflops von neuem zu laufen, bis die eingestellte Haltezeit von, wie erwähnt, 0,751 bzw. 1,251 abgelaufen ist.

Das Filter 21 ist nun so abgestimmt, daß es lediglich die 940 nm-Strahlung der GaAs-Diode 14 durchläßt, nicht hingegen das von der GaP-Diode 15 mit einer Wellenlänge von 660 nm ausgesandte Licht.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Reflexionslichtschranke ist wie folgt:

Zunächst sei angenommen, daß sich in der Überwachungsstrecke 31 kein Gegenstand befindet, so daß der Betriebsbereich I nach Fig.3 vorliegt. Die beiden Halbleiterdioden 14, 15 senden die in den beiden Diagrammen 14,15 dargestellten Lichtimpulsfolgen aus. Der Lichtempfänger 12 empfängt jedoch im Betriebsbereich I lediglich die von der GaAs-Diode 14 herrührenden reflektierten Impulse, weil die Liehtimpulse der GaP-Diode 15 vom Filter 21 nicht durchgelassen werden.

Von den Empfangssignalen gemäß Diagramm 12 bewirkt die positive Flanke über das Differenzierglied 18 das Setzen des Monoflops 16, was in dem Impulsdiagramm 16 in Fig.3 dargestellt ist. Das Monoflop 16 fällt dann nach der Haltezeit von 0,751 wieder ab, bis es durch den nächsten Empfangsimpuls wieder gesetzt wird usw. Auf diese Weise entsteht am Ausgang des Monoflops 16 die im Diagramm 16 in F i g. 3 dargestellte Impulsfolge.

Über das zweite Differenzierglied 19, welches nur auf die positiven Flanken der Impulsfolge 16 anspricht, wird das zweite Monoflop 17 angesteuert, welches die Haltezeit von 1,25 t aufweist Das Monoflop 17 ist zu irgendeinem Zeitpunkt vor dem Beginn der Darstellung nach Fig.3 gesetzt worden. Da jeweils nach einer Periode t einer neuer Setzimpuls auftritt, die Haltezeit des Monoflops 17 aber 1,251 beträgt, bleibt es im Betriebsbereich I ständig gesetzt Dieser Zustand kann am Ausgang 24 als Maß für eine freie Überwachungsstrecke 31 verwendet werden.

Wird nun im Betriebsbereich II ein Objekt in die Überwachungsstrecke 31 hineingebracht, welches kein oder nur ein geringes Reflexionsvermögen hat, so entfallen die Empfangssignale im Diagramm 12 vollständig. Die Folge ist, daß das Monoflop 16 nach dem Ablaufen der letzten Haltezeit nicht erneut gesetzt wird, was im Bereich II in Fig.3 durch eine durchgehende Linie veranschaulicht ist.

Nach dem Einbringen des Objektes in die Überwachungsstrecke 31 bleibt das Monoflop 17 zunächst noch während seiner Haltezeit von 1,251 gesetzt, bis es ebenfalls abfällt und im ungesetzten Zustand verbleibt, solange sich das Objekt in der Überwachungsstrecke 31 befindet Der nicht gesetzte Zustand des Monoflops 17 bildet also am Ausgang 24 ein Maß für das Vorhandensein eines nicht oder nur wenig reflektierenden Gegenstandes in der ÜberwachungsstreckeSl.

Im Betriebsbereich III ist angenommen, daß ein stark reflektierendes Objekt in der Überwaphungsstrecke 31 sich befindet In diesem Fall werden sowohl die Lichtimpulse von der GaAs-Diode 14 als auch von der GaP-Diode 15 zum Empfänger 12 reflektiert, so daß von diesem einem Impulsfolge mit doppelter Frequenz abgegeben wird, was im rechten Teil des Diagrammes 12 in Fig.3 dargestellt ist. Nunmehr liegen für das Monoflop 16 Setzimpulse jeweils nach dem Ablauf einer Zeit von 0,51 vor, d. h., daß dieses Monoflop nunmehr stets erneut gesetzt wird, bevor seine Haltezeit abgelaufen ist. Mit anderen Worten bleibt das Monoflop 16 in diesem Betriebsbereich ständig gesetzt, was im rechten Teil des Diagramms 16 durch eine durchgehende untere Linie wiedergegeben ist.

Da in diesem Zustand am Ausgang des Monoflops 16 keine Impulse mehr vorliegen, erhält das Monoflop keine Setzimpulse mehr, so daß es im ungesetzten Zustand verbleibt Dies bedeutet, daß auch beim Eindringen eines stark reflektierenden Gegenstandes in die Überwachungsstrecke 31 am Ausgang 24 das gleiche (Nichtsetz-)Signal vorliegt wie beim Einbringen eines schwach oder gar nicht reflektierenden Objektes.

Die Erfindung geht auch von der Erkenntnis aus, daß bei glänzenden oder spiegelnden Gegenständen im Überwachungsbereich die Gefährt einer spektralen Veränderung des Sendelichtes nicht sehr relevant ist und daß auf jeden Fall Spektralbereiche gefunden werden können, die in jedem Fall von glänzenden oder spiegelnden Gegenständen zurückgeworfen werden. Lediglich diffus reflektierende Gegenstände werden häufiger die Spektralverteilung des reflektierten Lichtes verändern. Wegen des hierbei auftretenden Intensitätsverlustes wird aber ohnehin keine Fehlfunktion der Lichtschranke in diesen Fällen auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reflexionslichtschranke zum Erkennen auch stark reflektierender Gegenstände innerhalb einer von einem Lichtbündel durchsetzten Öberwachungsstrecke, bei der ein das Lichtbündel .aussendender Lichtsender und sin einen photoelektnschen • Wandler umfassender Empfänger an einem -Ort und eine vom Strahlenbündel feeaufscMagte, den Zustand des Sendelichts verändernde, das Liehtbündel direkt zum Empfänger reflektierende Einrichtung an einem anderen ©rt angeordnet sind, wobei an den Empfänger eine elektronische Aiiswertesehaltuiig angeschlossen ist, die bei Unterbrechung der Überwachungsstrecke und 'beim Änftreffen wn an einem in der Qberwaehungsstrecke befindlichen Gegenstand reflektierten Licht auf den Empfänger ein Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung (11) optische iFülereigenschäften besitzt, derart, daß das so reflektierte licht hmsiehtleh seiner Spekiralverteilung -verändert ist, und daß die Äuswerteseaallung das Signal beim Auftreffen von reflektiertem licht auf den Empfänger (12) nur dann abgibt, wenn die spektrale Verteilung nicht der spektralen Verteilung des von der reflektierenden Einrichtung (11) reflektierten Lichtes entspricht.

2. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (13) periodisch abwechselnd Licht mit unterschiedlichen, .sich nicht überschneidenden Spektralbereichen aussendet und die reflektierende Einrichtung (11) zur licht des einen Spektralbereiches reflektiert

3. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (13) zwei lichtquellen (14, 15) mit den unterschiedlichen Spektralbereichen aufweist

4. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 3, dadurch'gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen (14,15) Halbleiterdioden sind.

5. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen (14,15) gepulst sind, so daß zu einem Zeitpunkt immer nur eine der beiden Lichtquellen aussendet

6. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Auswerteschaltung ( F i g. 2) zwei hintereinandergeschaltete Monoflops (16,17) aufweist, von denen das erste (16) eine kürzere und das zweite (17) eine längere Haltezeit als die Impulsperiode (t)der Lichtquellen (14,15) aufweist

7. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgen der beiden Lichtquellen (14, 15) um eine halbe Impulsperiode (t) versetzt sind.

8. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedes Monoflop (16, 17) ein Differenzierglied (18,19) geschaltet ist, welches nur auf eine der Impulsflanken anspricht

9. Reflexionslichtschranke nach einem der vorher- so gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung aus einem Reflektor (20), insbesondere einem Retroreflektor mit davor geschaltetem Filter (21) besteht

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10. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß das Filter (21) schräg zur optischen Achse angeordnet ist Die Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke zum Erkennen .auch stark reflektierender Gegenstände innerhalb einer von einem liehtbündel durchsetzten Überwachungssfcredke, bei der ein das liehtbündel aussendender Lichtsender und ein einen photoelektrischen Wandler umfassender Empfänger an einem Ort und eine vom Strahlenbündel beaufschlagte, den Zustand des Sendeicfets verändernde, das Liehtbündel direkt zum Empfänger reflektierende Einrichtung an einem anderen Ort angeordnet sind, wobei an den Empfänger eine elektronische Auswerteschaltung angeschlossen ist, die bei Unterbrechung der Überwachungsstrecke and beim Auftreffen von an einem in der Oberwaehungsstrecke befindlichen Gegenstand reflektierten Licht auf den Empfänger ein Signal abgibt

Eäne Reflexronslichtsehranke dieser Art ist bereits bekannt (DE-AS 2824583). Bei dieser bekannten ReflexionsEchtsehranke ist am Lichtsender ein Polarisator und am LMatempfänger ein um 90° gedrehter Analysator angeordnet Die reflektierende Einrichtung ist so ausgebildet, daß sie den Polarisationszustand des reflektierten Sendelichts verändert Auf diese Weise kann zwischen Reflexionen am Reflektor und an einem in den Überwachungsbereich gebrachten Gegenstand mit glänzender Oberfläche unterschieden werden. Die sichere Funktion der bekannten Reflexionslichtschranke ist jedoch auf Autokollimationslichtschranken beschränkt Auch ist es erforderlich, daß die Oberflächen der reflektierenden Gegenstände keinen Einfluß auf die Polarisation des reflektierten Lichtes ausüben.

Weiter ist bereits eine Einrichtung bei Eisenbahnanlagen mit schienengleichen Bahnübergängen bekannt (DE-OS 22 38 049), bei der der dem Empfänger direkt beaufschlagende Reflektor mit einer polarisationsebenendrehenden Verzögerungsschicht versehen ist um auf diese Weise das von im Überwachungsbereich angeordneten Gegenstände und von diesem Reflektor reflektierten Licht unterscheiden zu können. Diese bekannte Lichtschranke hat den Nachteil, daß unter Umständen auch in den Überwachungsbereich eingebrachte spiegelnd reflektierende Gegenstände die Polarisationsebene so drehen können, daß der Empfänger ausreichend Licht für die Abgabe eines Freigabesignals empfangen kann, so daß ein freier Überwachungsbereich signalisiert wird, obwohl sich ein Gegenstand darin befindet

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Reflexionslichtschranke der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der stark reflektierende Gegenstände unabhängig vom Polarisationszustand des verwendeten Lichtes und den Polarisationszustand beeinflussenden Eigenschaften der reflektierenden Einrichtung ist Außerdem sollen auch den Polarisationszustand beeinflussende Eigenschaften der in den Strahlengang eingebrachten Gegenstände keinen Einfluß auf die Erkennung oder Nichterkennung haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die reflektierende Einrichtung optische Filtereigenschaften besitzt derart daß das reflektierte Licht hinsichtlich seiner Spektralverteilung verändert ist, und daß die Auswerteschaltung das Signal beim Auftreffen von reflektiertem Licht auf den Empfänger nur dann abgibt, wenn die spektrale Verteilung nicht der · spektralen Verteilung des von der reflektierenden Einrichtung reflektierten Lichtes entspricht

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es stets möglich ist, die Spektralverteilung des Sendelichtes und die Veränderung dieser Spektralverteilung