DE202006014925U1

DE202006014925U1 - Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten

Info

Publication number: DE202006014925U1
Application number: DE202006014925U
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2016-09-29

Abstract

Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten mit einer Strahlungsquelle (10) zum Aussenden von Licht (12),
mit einer Sendeoptik (14) zum Leiten des Lichts (12) auf ein nachzuweisendes Objekt (20),
mit mindestens einem Detektor (30) zum Nachweis von von dem Objekt (20) reflektiertem oder gestreutem Licht (22),
mit einer Detektoroptik (34) zum Leiten des reflektierten oder gestreuten Lichts (22) auf den Detektor (30), und
mit einer zum Schutz vor der Sendeoptik (14) und der Detektoroptik (34) angebrachten Frontscheibe (40), die für das Licht (12) der Strahlungsquelle (10) und das vom nachzuweisenden Objekt (20) reflektierte oder gestreute Licht (22) wenigstens teilweise durchlässig ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Licht (12) der Strahlungsquelle (10) und/oder Zusatzlicht (82) einer Zusatzquelle (80) zum Überprüfen eines Verschmutzungsgrads der Frontscheibe (40) in die Frontscheibe (40) einkoppelbar ist und
dass das in die Frontscheibe (40) eingekoppelte Licht (12) und/oder Zusatzlicht (82) auf...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein optischer Sensor der genannten Art und ein solches Testverfahren sind in DE 196 31 059 A1 offenbart.
Ein gattungsgemäßer optischer Sensor zum Nachweis von Objekten weist auf: Eine Strahlungsquelle zum Aussenden von Licht, eine Sendeoptik zum Leiten des Lichts auf ein nachzuweisendes Objekt, mindestens einen Detektor zum Nachweis von von dem Objekt reflektiertem oder gestreutem Licht, eine Detektoroptik zum Leiten des reflektierten oder gestreuten Lichts auf den Detektor und eine zum Schutz vor der Sendeoptik und der Detektoroptik angebrachte Frontscheibe, die für das Licht der Strahlungsquelle und das vom nachzuweisenden Objekt reflektierte oder gestreute Licht wenigstens teilweise durchlässig ist.
Bei einem Testverfahren für den Verschmutzungsgrad eines optischen Detektors wird Licht auf ein nachzuweisendes Objekt geleitet, von dem nachzuweisenden Objekt reflektiertes oder gestreutes Licht wird nachgewiesen und es wird Zusatzlicht verwendet, um den Verschmutzungsgrad einer zum Schutz vor einer Sensoroptik des Sensors angebrachten Frontscheibe zu überprüfen.
Die Verschmutzung einer optischen Frontscheibe eines Sensors wurde bisher nur als integraler Bestandteil der Gesamtabschwächung der Strahlung ermittelt. Hierzu gehören die Dämpfungen der optischen Strahlung durch Dejustage im Übertragungsweg sowie aufgrund des Reflexionsgrads eines die optische Strahlung reflektierenden Objekts, beispielsweise eines verschmutzten Reflektors bei Reflexionslichtschranken oder eines dunklen, nur wenig Strahlung reflektierenden Objekts bei Reflexionslichttastern.
Bei Lichttastern mit Hintergrundausblendung wird beispielsweise die Signaldämpfung durch geometrische Kompensation der Signale mehrerer Empfängerelemente stark unterdrückt, so dass bei zunehmender Verschmutzung der Frontscheibe nach langem, scheinbar ungestörtem Betrieb ein plötzlicher Ausfall bei zu starker Verschmutzung erfolgen kann. Aufgrund der lange kompensierten Verschmutzung ist eine geregelte Wartung entsprechend dem tatsächlichen Verschmutzungsgrad hier kaum möglich.
DIN 44030 (Lichtschranken- und Lichttaster Begriffe und Messverfahren) gibt die Funktionsreserve als die überschüssige Leistung an, welche auf die Lichteintrittsfläche fällt und vom Empfänger bewertet wird. Die dort beschriebene Messung der Funktionsreserve mittels Neutraldichtefiltern erfasst, wie oben beschrieben, nur die Summe der verschiedenen Einflussfaktoren auf die empfangene Lichtleistung und bietet keinen Ansatz zur separaten Erfassung der Verschmutzung der optischen Frontscheibe.
Eine Information über den Verschmutzungsgrad einer optischen Frontscheibe eines optoelektronischen Sensors, wie zum Beispiel einer Lichtschranke oder eines Lichttasters, ist jedoch wesentlich für den sicheren Betrieb und die optimale Wartung oder Reinigung der Sensoren. Dies ist insbesondere der Fall bei Anwendungen mit hoher Staubbelastung, wie zum Beispiel in Druckereimaschinen oder in der Zementindustrie.
Neben einer Verschmutzung durch staubartige Materialien können auch Benetzungen der optischen Frontscheibe mit Flüssigkeiten den zur Objektdetektion genutzten Strahlengang des optischen Sensors beeinflussen und somit seine Betriebssicherheit beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Sensor bereitzustellen, bei dem der Verschmutzungszustand der optischen Frontscheibe besonders zuverlässig ermittelt werden kann.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch den Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der optische Sensor der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass Licht der Strahlungsquelle und/oder Zusatzlicht einer Zusatzquelle zum Überprüfen eines Verschmutzungsgrads der Frontscheibe in die Frontscheibe einkoppelbar ist und dass das in die Frontscheibe eingekoppelte Licht und/oder Zusatzlicht auf einer Vielzahl von optischen Wegen durch die Frontscheibe transmittierbar und im Anschluss aus der Frontscheibe auskoppelbar und in dem Detektor oder einem separaten Zusatzdetektor quantitativ nachweisbar ist.
Das Testverfahren der oben beschriebenen Art ist dadurch weitergebildet, dass das Zusatzlicht so in die Frontscheibe eingeleitet wird, dass das Zusatzlicht mehrmals an einer Vorder seite der Frontscheibe intern reflektiert wird und dass das Zusatzlicht anschließend aus der Frontscheibe ausgekoppelt wird und auf einen Detektor geleitet und von diesem quantitativ nachgewiesen wird.
Als Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, das Zusatzlicht so in die Frontscheibe einzukoppeln, dass es die Frontscheibe auf einer Vielzahl von Wegen, insbesondere nach einer Vielzahl von Reflexionen an der Vorderseite der Frontscheibe, durchläuft, bevor es wieder aus der Frontscheibe ausgekoppelt wird. Auf diese Weise kann zum einen ein größerer Bereich der Frontscheibe erfasst werden und außerdem können bei nur geringer, jedoch im Wesentlichen homogener Verschmutzung wegen der Mehrfachreflexionen auch diese geringen Verschmutzungen nachgewiesen werden.
Das insgesamt durch die Frontscheibe transmittierte Zusatzlicht kann durch eine Verschmutzung sowohl verstärkt als auch gedämpft werden. Beispielsweise tritt eine Verstärkung auf, wenn normalerweise aus der Frontscheibe austretende Strahlenbündel durch reflektierende Beläge, wie zum Beispiel weißen Papierstaub, in die Frontscheibe zurückreflektiert werden und somit auf den Detektor zum Nachweis des Zusatzlichts gelangen. Außerdem kann eventuell aufgrund von Streuung an einer nicht ideal glatten Oberfläche der Frontscheibe auftretende elektromagnetische Strahlung durch Schmutz wenigstens teilweise reflektiert und somit zusätzlich zu dem intern reflektierten Licht empfangen werden.
Eine Abschwächung des Signals kann auftreten, wenn normalerweise an der Frontscheibe intern reflektiertes Licht durch hinreichend transparente, optisch mit der Frontscheibe verbundene Beläge mit geeignetem Brechungsindex zum Auskoppeln gebracht werden. Beispielsweise kann dies durch Flüssigkeitstropfen auf der Frontscheibe erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist mindestens eine separate Zusatzquelle vorhanden zum Aussenden von Zusatzlicht zum Überprüfen des Verschmutzungsgrads der Frontscheibe. Diese Zusatzquelle kann dann ganz gezielt so positioniert werden, dass eine eventuelle Verschmutzung besonders gut detektiert werden kann. Bei bestimmten Konstellationen kann es auch zweckmäßig sein, eine Mehrzahl von solchen Zusatzquellen vorzusehen.
In diesem Zusammenhang ist insbesondere bevorzugt, wenn die Zusatzquelle und/oder die Strahlungsquelle bezüglich der Frontscheibe so angeordnet ist, dass das Licht und/oder das Zusatzlicht in die Frontscheibe einkoppelbar ist und nach mehreren internen Reflexionen an einer Vorderseite der Frontscheibe aus der Frontscheibe auskoppelbar und in dem Detektor oder einem separaten Zusatzdetektor quantitativ nachweisbar ist.
Der Sender und der Empfänger für die Strahlung, mit welcher die Verschmutzung der Frontscheibe nachgewiesen wird, können im Grundsatz beliebige Winkel zueinander einnehmen. Auch sehr große Öffnungswinkel sind, wenn beispielsweise an Schmutzpartikeln auf der Frontscheibe gestreute Strahlung ausgewertet werden soll, prinzipiell denkbar und können in bestimmten Situationen vorteilhaft sein.
Als Licht für die Objektdetektion und als Zusatzlicht wird bei bevorzugten Varianten Infrarotlicht verwendet. Dies hat den Vorteil, dass keine störenden sichtbaren Lichtpulse oder Reflexe auftreten. Es kann aber grundsätzlich auch sichtbares oder eventuell für Sonderanwendungen, UV-Licht verwendet werden.
Solche Sensoren, beispielsweise Lichtschranken oder Lichttaster, können kostengünstig realisiert werden, wenn als Strahlungsquelle und als Zusatzquelle Leuchtdioden verwendet werden.
Der erfindungsgemäße optische Sensor kann aber auch ein Kamerasensor oder ein Vision-Sensor sein. Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Sensor allgemein zum Nachweis von optisch erfassbaren Strukturen, beispielsweise auch zum Nachweis von Schrift, dienen.
Grundsätzlich kann für das Zusatzlicht eine völlig separate Sender-Empfänger-Anordnung gewählt werden. Bei einer kostengünstigen Variante können dabei der Detektor und/oder der Zusatzdetektor Fotodioden sein.
Der Detektor kann grundsätzlich auch ein Mehrelementedetektor, beispielsweise ein CCD-Array, sein. Hiermit sind auch ortsaufgelöste Messungen, beispielsweise Triangulationsmessungen, möglich. Der Detektor kann auch aus mehreren einzelnen, insbesondere voneinander getrennten Elementen bestehen.
Der Nachweis des Zusatzlichts und damit von Verschmutzungen auf der Frontscheibe ist besonders zuverlässig möglich, wenn es möglichst keine Wechselwirkung zwischen dem zur Objektdetektion verwendeten Licht und dem Zusatzlicht gibt.
Zweckmäßigerweise wird demnach die zusätzliche Sender-Empfänger-Anordnung für das Zusatzlicht gerade so angeordnet und ausgerichtet, dass sie zur Objektdetektion nicht geeignet ist, das heißt dass sie das Objekt, den Retroreflektor oder den Sender, beispielsweise bei Einweg-Lichtschranken, gerade nicht erfasst. Einflüsse einer Dejustage und des Reflexionsgrads des Objekts können auf diese Weise eliminiert und die Verschmutzung der Frontscheibe kann erfasst werden. Zweckmäßig können demnach die Zusatzquelle und/oder der Zusatzdetektor zum Vermeiden von Wechselwirkungen von der Strahlungsquelle und/oder dem Detektor durch Gehäuseteile getrennt angeordnet, insbesondere in separaten Gehäuseröhren, in einem Sensorgehäuse untergebracht sein.
Besonders bevorzugt sind der Zusatzsender und/oder der Zusatzdetektor in einem von der Strahlungsquelle und/oder dem Detektor zur Objektdetektion getrennten Tubus untergebracht. Um die eigentliche Objektdetektion nicht zu beeinflussen, werden dabei die Strahlengänge der zusätzlichen Sender-Empfänger-Anordnung durch separate Tuben von den zur Objektdetektion genutzten Sendern beziehungsweise Empfängern getrennt. Dies wird dadurch begünstigt, dass das Zusatzlicht im Allgemeinen unter sehr flachem Eintritts- beziehungsweise Austrittswinkel in die Frontscheibe ein- beziehungsweise ausgeleitet wird. Solche flachen Eintritts- und Austrittswinkel sind bei den Strahlengängen der zur Objektdetektion genutzten Sender und Empfänger üblicherweise nicht gegeben.
Die Verschmutzungsdetektion und die Objektdetektion können durch unterschiedliche Frequenzen beziehungsweise Phasenlagen der Signale oder unterschiedliche Abtastzeitpunkte für beide Aufgaben noch besser voneinander getrennt werden. Beispielsweise kann die Intensität des Lichts und/oder des Zusatzlichts moduliert werden.
Eine Separierung von Objektnachweis und Verschmutzungsdetektion ist besonders einfach bei einer Variante des erfindungsgemäßen Sensors möglich, bei dem die Strahlungsquelle und die Zusatzquelle mit unterschiedlicher Phasenlage und/oder unterschiedlicher Frequenz modulierbar sind. In apparativer Hinsicht ist dann zweckmäßig, dass zum individuellen Modulieren der Intensität des Lichts und/oder des Zusatzlichts eine Ansteuereinrichtung für die Strahlungsquelle und/oder die Zusatzquelle vorhanden ist.
Schließlich kann der Zusatzsender total asynchron zum Sender für die Objektdetektion, also zur Strahlungsquelle, moduliert werden.
Es ist dann möglich, beispielsweise für die Verschmutzungsdetektion nur einen zusätzlichen Sender, also die Zusatzquelle, einzusetzen und zum Nachweis des Zusatzlichts den auch für den Objektnachweis herangezogenen Detektor zu nutzen.
Bei einer solchen Verfahrensvariante wird also das von einem nachzuweisenden Objekt reflektierte oder gestreute Licht und das durch die Frontscheibe transmittierte Zusatzlicht mit demselben Detektor nachgewiesen, so dass der Aufbau des Sensors insgesamt einfacher gehalten werden kann.
Ein besonders kompakter optischer Aufbau des Sensors wird erreicht, wenn die Frontscheibe mindestens ein die optische Abbildung formendes optisches Element, beispielsweise eine Linse oder ein Beugungselement, etwa ein Gitter, enthält. Beispielsweise kann das zu bewertende Zusatzlicht, dessen Intensität durch einen möglichen Verschmutzungsbelag auf der Frontscheibe verändert wird, durch ein geeignet gekrümmtes reflektierendes Element gesammelt und auf den Detektor oder den Zusatzdetektor geleitet werden.
Insbesondere für den Fall, dass nur ein einziger Detektor verwendet wird, ist zweckmäßig, das Zusatzlicht mit Hilfe eines Spiegels auf diesen Detektor zu leiten.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches eine hohe Variabilität des Aufbaus gestattet, ist zum Leiten des Zusatzlichts auf die Frontscheibe und/oder zum Leiten von aus der Frontscheibe austretendem Zusatzlicht auf den Detektor oder den Zusatzdetektor mindestens ein Lichtleiter vorhanden. Bei kompakten und betriebssicher arbeitenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors ist der Lichtleiter zum Sammeln und Leiten des durch einen möglichen Verschmutzungsbelag auf der Frontscheibe intensitätsmäßig veränderten Zusatzlichts auf den Detektor oder den Zusatzdetektor integraler Bestandteil der Frontscheibe, des Detektors oder des Zusatzdetektors.
Vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf den Verschmutzungsnachweis können außerdem erreicht werden, wenn die Frontscheibe zum gezielten Einkoppeln oder Auskoppeln des Zusatzlichts mit mindestens einer lokalen Strukturierung, wobei es sich beispielsweise um eine Beschichtung oder eine Aufrauung handeln kann, versehen ist. Durch solch eine geeignete Strukturierung von Zonen, insbesondere auf der Innenseite der Frontscheibe, wird ein Auskoppeln und ein Auswerten von Strahlungsbündeln des Zusatzlichts ermöglicht, die ohne die genannte Strukturierung aufgrund des Einfallswinkels nicht ausgekoppelt würden, die Frontscheibe mithin nicht verlassen würden.
Weiterhin kann eine solche Strukturierung, insbesondere auf der Innenseite der Frontscheibe, auch dazu dienen, zusätzliche diffuse Strahlungsanteile zu generieren, deren Reflexion an eventuell an der Außenseite der Frontseite befindlichen Ver schmutzungen mit Hilfe des Detektors oder des Zusatzdetektors empfangen und ausgewertet werden können.
Die Empfindlichkeit der optischen Anordnung auf Benetzungen der Frontscheibe mit Flüssigkeitstropfen kann darüber hinaus erhöht werden, wenn die internen Reflexionen des Zusatzlichts in der Frontscheibe annähernd oder vollständig Totalreflexionen sind. Das Zusatzlicht muss dann in einem entsprechend flachen Winkel relativ zur Oberfläche der Frontscheibe in die Frontscheibe eingekoppelt werden.
Die beschriebene Verschmutzungsdetektion muss nicht notwendig kontinuierlich erfolgen, sondern kann beispielsweise auch nur auf externe Anforderung hin, etwa durch eine Bedienperson oder eine Maschinensteuerung, durchgeführt werden. Nur auf Anforderung wird dann die Zusatzquelle eingeschaltet und die nachgewiesene Intensität des Zusatzlichts ausgewertet.
Eine Information über Art und Grad der Verschmutzung kann erhalten werden, wenn mit Hilfe eines Fensterkomparators eine Abweichung der Intensität des Zusatzlichts von einem bei sauberer optischer Frontfläche ermittelten Sollwert festgestellt wird. Ab einem bestimmten Maß wird eine solche Abweichung dann als Verschmutzung bewertet.
Zweckmäßigerweise kann weiterhin nicht nur eine einfache Unterscheidung zwischen sauberer und verschmutzter optischer Frontscheibe getroffen werden, sondern anhand des Maßes der Signaländerung kann eine Unterscheidung in unterschiedliche Verschmutzungskategorien, wie beispielsweise leichte, wesentliche und kritische Verschmutzung, getroffen werden.
Bei einer Verfahrensvariante, bei der die Intensität des durch die Frontscheibe transmittierten Zusatzlicht bewertet und im Hinblick auf unterschiedliche Verschmutzungskategorien ausgewertet wird, ist eine gezielte Wartung und Reinigung möglich.
Mit einem Fensterkomparator, der dem Detektor oder dem Zusatzdetektor nachgeschaltet ist, kann insbesondere sowohl eine Signalerhöhung als auch eine Signalabschwächung im Strahlengang des Zusatzlichts nachgewiesen werden. Auch hieraus kann eine Information über die Art der Verschmutzung, etwa Benetzung durch eine Flüssigkeit oder anhaftende Staubteilchen, gewonnen werden.
In vorrichtungsmäßiger Hinsicht ist dann zum Auswerten des nachgewiesenen Zusatzlichts eine Auswerteeinrichtung mit einem Fensterkomparator vorhanden.
Insbesondere kann aus einer Veränderung der Intensität des transmittierten Zusatzlichts auch eine Information gewonnen werden, über die Benetzung der Frontscheibe, beispielsweise mit Kondens- oder Regenwasser, oder eine mögliche Vereisung der Frontscheibe. Beispielsweise kann ein Betauungs- oder Vereisungszustand von optoelektronischen Sensoren in Kühllagern ermittelt werden. Hierbei können Wassertropfen oder Reif die ordnungsgemäße Funktion des Sensors beeinträchtigen, so dass eine interne oder eine externe Heizung des Sensors oder jedenfalls der optischen Frontscheibe notwendig ist. Die Intensität des durch die Frontscheibe transmittierten Zusatzlichts kann also als Indikator für eine Benetzung oder Vereisung der Frontscheibe und insbesondere auch zur Regelung einer Frontscheibenheizung verwendet werden.
Besonders vorteilhaft können die erfindungsgemäßen Sensoren außerdem in Druckmaschinen eingesetzt werden.
Bei einer besonders kompakten Variante des erfindungsgemäßen Sensors weisen die Sende- und die Detektoroptik gemeinsame optische Elemente auf und es ist ein Strahlteiler zum Separieren von Sende- und Detektorstrahlengang vorhanden. Beispielsweise können die gemeinsamen optischen Elemente Teil einer Autokollimationsoptik sein. Der Strahlteiler, der zum Trennen von von der Strahlungsquelle gesendetem und vom Detektor nachzuweisendem Licht dient, kann ein teil- oder halbdurchlässiger Spiegel sein. Neben räumlichen Vorteilen und dem Aufbau mit weniger Komponenten zeichnen sich solche Varianten insbesondere dadurch aus, dass im wesentlichen kein Blindbereich vorhanden ist und Sensoren mit Reichweite von praktisch Null realisiert werden können.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Sensors werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.
Hierin zeigen:
1 in schematischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;
2 in schematischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;
3 eine weitere Ansicht des Sensors aus 1 mit Flüssigkeitstropfen auf der Frontscheibe;
4 eine weitere Ansicht des Sensors aus 1 mit Verschmutzungspartikeln auf der Frontscheibe;
5 eine schematische und geschnittene Detailansicht der Frontscheibe; und
6 eine weitere schematische und geschnittene Detailansicht der Frontscheibe mit einem Verschmutzungsteilchen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors und das erfindungsgemäße Testverfahren werden mit Bezug auf die 1 sowie 3 und 4 erläutert. Äquivalente Komponenten sind in den Figuren insgesamt jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der in den 1, 3 und 4 gezeigte Sensor 100 weist als wesentliche Bestandteile eine Strahlungsquelle 10, eine Sendeoptik 14, einen Detektor 30 mit einer Detektoroptik 34 und eine Frontscheibe 40 auf, die zum Schutz der Sendeoptik 14 und der Detektoroptik 34 vor diesen Komponenten angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind außerdem eine Zusatzquelle 80 und ein Zusatzdetektor 60 vorhanden.
Der erfindungsgemäße Sensor arbeitet wie folgt: Die Strahlungsquelle 10 sendet Licht 12 aus, das von der als stilisierte Linse angedeuteten Sendeoptik 14 entlang einer optischen Achse 16 zunächst durch die für das Licht 12 transparente Frontscheibe 40 und im Anschluss auf ein nachzuweisendes Ob jekt 20 geleitet wird. von dem nachzuweisenden Objekt 20 zurückgeworfenes, also reflektiertes oder gestreutes Licht 22, gelangt nach erneutem Durchtritt durch die Frontscheibe 40 auf die ebenfalls durch eine stilisierte Linse dargestellte Detektoroptik 34 mit einer optischen Achse 36. Die Detektoroptik 34 leitet das von dem nachzuweisenden Objekt reflektierte oder gestreute Licht 22 auf den Detektor 30, wo es nachgewiesen wird.
Die Zusatzquelle 80 sendet durch Pfeile veranschaulichtes Zusatzlicht 82 aus, welches unter flachem Winkel in die Frontscheibe 40 eingekoppelt wird. Nach einer Mehrzahl von internen Reflexionen an einer Vorderseite 42 und einer Rückseite 44 der Frontscheibe 40 tritt das Zusatzlicht 82 wieder aus der Frontscheibe 40 aus, trifft auf einen Zusatzdetektor 60 auf und wird von diesem quantitativ nachgewiesen. Ein geringer Teil des Zusatzlichts 82 tritt bei jedem Reflexionsvorgang aus der Frontscheibe aus. Der interne Einfallswinkel des Zusatzlichts 82 auf die durch die Vorderseite 42 der Frontscheibe 40 gebildete Grenzfläche ist deshalb zwar nahe bei dem Einfallswinkel für Totalreflexion, erreicht diesen aber nicht ganz. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass die, wenn auch geringen, durch Pfeile 83 veranschaulichten Strahlungsanteile, die aus der Frontscheibe 40 bei jedem Reflexionsvorgang austreten, auf eventuelle Verschmutzungen, die sich auf der Frontscheibe 40 befinden können, reagieren können. Eine solche Konstellation ist in 4 dargestellt, wo sich zwei schematisch veranschaulichte Verschmutzungspartikel 72, 74 direkt an beziehungsweise etwas beabstandet vor der Frontscheibe 40 befinden.
Die aus der Frontscheibe 40 austretenden Strahlungsanteile, veranschaulicht durch Pfeile 83, werden von diesen Partikeln 72, 74 zurückgeworfen und gelangen somit, beispielhaft dargestellt als Pfeil 86, ebenfalls auf den Detektor 60.
Die Verschmutzungspartikel führen somit zu einer Erhöhung der im Detektor 60 nachgewiesenen Intensität.
Kommt es dagegen zu einer Benetzung der Vorderseite 42 der Frontscheibe 40 mit Flüssigkeitstropfen 70, wie schematisch in 3 gezeigt, tritt aufgrund der veränderten Brechungsindizes an der optischen Grenzfläche mehr Zusatzlicht aus der Frontscheibe 40 aus. Diese Lichtanteile sind in 3 durch Pfeile 84 dargestellt. Nach Austritt aus den Flüssigkeitstropfen 70 unter erneuter Brechung verlässt dieses Licht, dargestellt durch Pfeile 85, den Sensor 100 und kann somit nicht mehr von Detektor 60 nachgewiesen werden. Eine Verminderung der vom Detektor 60 nachgewiesenen Intensität deutet somit auf eine Benetzung der Vorderseite 42 der Frontscheibe 40 hin.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird das Zusatzlicht 82 durch einen Spiegel 90 auf den Detektor 30, der auch zum Objektnachweis verwendet wird, gelenkt. Das auf den Detektor 30 gespiegelte Zusatzlicht ist durch einen Pfeil 92 dargestellt. Bei dieser Variante sind somit im optischen Aufbau weniger Komponenten nötig. Allerdings müssen die im Detektor 30 nachgewiesenen Signale, beispielsweise durch geeignete Modulation des Lichts 12 und des Zusatzlichts 82, getrennt werden. Im Übrigen entspricht die Funktion der in 2 dargestellten Variante derjenigen des in den 1 sowie 3 und 4 gezeigten Beispiels.
Details der Reflexion des Zusatzlichts 82 innerhalb der Frontscheibe 40 werden anhand der schematischen 5 und 6 erläutert.
In 5 ist dargestellt, wie das in die Frontscheibe 40 eintretende Zusatzlicht 82 in den Bereichen 43 an der Vorderseite 42 sowie im Bereich 45 an der Rückseite 44 der Frontscheibe 40 reflektiert wird. Die Frontscheibe 40 ist an der Rückseite 44 im Bereich 46 außerdem mit einer Strukturierung 50, beispielsweise einer Beschichtung oder einer Aufrauung, versehen, die ein definiertes Auskoppeln des Zusatzlichts 82 aus der Frontscheibe 40 ermöglicht.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit einer solchen Strukturierung 50 ist in 6 dargestellt. Dort entstehen durch die Strukturierung 50 zusätzliche, durch Pfeile 87 dargestellte Lichtanteile, die aus der Frontscheibe 40 aufgrund des veränderten Einfallswinkels auf die Grenzfläche austreten und auf ein eventuell vorhandenes Verschmutzungspartikel 72 reagieren können. Von dem Verschmutzungspartikel 72 zurückreflektiertes oder gestreutes Licht 88 kann dann als Signalerhöhung im Detektor 30 nachgewiesen werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger optoelektronischer Sensor zur Detektion von Objekten bereitgestellt, welcher beispielsweise als Lichtschranke oder als Lichttaster arbeiten kann. Der Sensor 30 weist wenigstens ein Senderelement und/oder wenigstens ein Empfängerelement auf, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Zum Durchtritt der Strahlung nach außen und zum Objekt sowie zum Eintritt der vom Objekt reflektierten oder gestreuten Strahlung in den Sensor und auf das Empfängerelement ist das Gehäuse mit einer optischen Frontscheibe versehen.
Der Sensor weist weiterhin mindestens ein weiteres Senderelement und gegebenenfalls auch ein weiteres Empfängerelement auf. Innerhalb der Frontscheibe reflektierte Strahlung wird erfasst und eine eventuelle Verstärkung oder Abschwächung infolge zusätzlicher Reflexion an Verschmutzungsteilchen oder Auskopplung aufgrund reflektierender oder benetzender Beläge können als Maß für die Menge und die Art einer Verschmutzung der Frontscheibe durch eben diese unerwünschten Beläge ausgewertet werden.

Claims

Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten mit einer Strahlungsquelle (10) zum Aussenden von Licht (12), mit einer Sendeoptik (14) zum Leiten des Lichts (12) auf ein nachzuweisendes Objekt (20), mit mindestens einem Detektor (30) zum Nachweis von von dem Objekt (20) reflektiertem oder gestreutem Licht (22), mit einer Detektoroptik (34) zum Leiten des reflektierten oder gestreuten Lichts (22) auf den Detektor (30), und mit einer zum Schutz vor der Sendeoptik (14) und der Detektoroptik (34) angebrachten Frontscheibe (40), die für das Licht (12) der Strahlungsquelle (10) und das vom nachzuweisenden Objekt (20) reflektierte oder gestreute Licht (22) wenigstens teilweise durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (12) der Strahlungsquelle (10) und/oder Zusatzlicht (82) einer Zusatzquelle (80) zum Überprüfen eines Verschmutzungsgrads der Frontscheibe (40) in die Frontscheibe (40) einkoppelbar ist und dass das in die Frontscheibe (40) eingekoppelte Licht (12) und/oder Zusatzlicht (82) auf einer Vielzahl von optischen Wegen durch die Frontscheibe (40) transmittierbar und im Anschluss aus der Frontscheibe (40) auskoppelbar und in dem Detektor (30) oder einem separaten Zusatzdetektor (60) quantitativ nachweisbar ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Zusatzquelle (80) vorhanden ist zum Aussenden von Zusatzlicht (82) zum Überprüfen des Verschmutzungsgrads der Frontscheibe (40).
Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzquelle (80) und/oder die Strahlungsquelle (10) bezüglich der Frontscheibe (40) so angeordnet ist, dass das Licht (12) und/oder das Zusatzlicht (82) in die Frontscheibe (40) einkoppelbar ist und nach mehreren internen Reflexionen an einer Vorderseite (42) der Frontscheibe (40) auskoppelbar und in dem Detektor (30) oder einem separaten Zusatzdetektor (60) quantitativ nachweisbar ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzquelle (80) und/oder der Zusatzdetektor (60) zum Vermeiden von Wechselwirkungen von der Strahlungsquelle (10) und/oder dem Detektor (30) durch Gehäuseteile getrennt angeordnet, insbesondere in separaten Gehäuseröhren, in einem Sensorgehäuse untergebracht sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (12) und das Zusatzlicht (82) Infrarotlicht ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum individuellen Modulieren einer Intensität des Lichts (12) und/oder des Zusatzlichts (82) eine Ansteuer einrichtung für die Strahlungsquelle (10) und/oder die Zusatzquelle (80) vorhanden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontscheibe (40) zum gezielten Einkoppeln oder Auskoppeln des Zusatzlichts (82) mit mindestens einer lokalen Strukturierung (50) versehen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (50) eine Beschichtung oder eine Aufrauung ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Leiten des Zusatzlichts (82) auf den Detektor (30) oder den Zusatzdetektor (60) ein optisches Element, insbesondere ein Spiegel (90), vorhanden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Leiten des Zusatzlichts (82) auf die Frontscheibe (40) und/oder zum Leiten von aus der Frontscheibe (40) austretendem Zusatzlicht (82) auf den Detektor (30) oder den Zusatzdetektor (60) mindestens ein Lichtleiter vorhanden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auswerten des nachgewiesenen Zusatzlichts (82) eine Auswerteeinrichtung mit einem Fensterkomparator vorhanden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die internen Reflexionen des Zusatzlichts (82) in der Frontscheibe (40) annähernd oder vollständig Totalreflexionen sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (10) und die Zusatzquelle (80) Leuchtdioden sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (30) und/oder der Zusatzdetektor (60) Fotodioden sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik (14) und die Detektoroptik (34) gemeinsame optische Elemente aufweisen und dass ein Strahlteiler zum Separieren von Sende- und Detektorstrahlengang vorhanden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Separieren von Objektnachweis und Verschmutzungsdetektion die Strahlungsquelle (10) und die Zusatzquelle (80) mit unterschiedlicher Phasenlage und/oder unterschiedlicher Frequenz modulierbar sind.