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DE3018393C2 - Lichtgitter - Google Patents

Lichtgitter

Info

Publication number
DE3018393C2
DE3018393C2 DE19803018393 DE3018393A DE3018393C2 DE 3018393 C2 DE3018393 C2 DE 3018393C2 DE 19803018393 DE19803018393 DE 19803018393 DE 3018393 A DE3018393 A DE 3018393A DE 3018393 C2 DE3018393 C2 DE 3018393C2
Authority
DE
Germany
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light
optical
analyzer
kerr
grid according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE19803018393
Other languages
English (en)
Other versions
DE3018393A1 (de
Inventor
Hans-Hermann Dipl.-Ing. 4330 Mülheim Spratte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Spratte Hans-Hermann Dipl-Ing 7312 Kirchheim
Original Assignee
Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krohne Messtechnik GmbH and Co KG filed Critical Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority to DE19803018393 priority Critical patent/DE3018393C2/de
Publication of DE3018393A1 publication Critical patent/DE3018393A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE3018393C2 publication Critical patent/DE3018393C2/de
Expired legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/20Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers
    • G01V8/22Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers using reflectors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtgitter, welches aus optischen Einrichtungen zur Bildung mehrerer optischer Kanäle aus einer Lichtquelle, Lichtempfangseinrichtungen, einer im Strahlenpfad der Lichtquelle angeordneten, von einer elektronischen Steuereinrichtung beaufschlagten optischen Schalteinrichtung, welche die einzelnen optischen Kanäle zeitlich nacheinander aktiviert, und einer elektronischen Auswertungseinrichtung besteht.
Lichtgitter dienen dem Zweck, bei einem unerwünschten Eingriff in den Arbeitsraum einer Maschine, beispielsweise einer Presse, ein Signal auszulösen, mit dessen Hilfe die Maschine zeitweilig oder ganz stillgesetzt wird. Sie bestehen aus einer Vielzahl den zu kontrollierenden Arbeitsraum erfassenden optischen Kanälen, die jeweils durch einen Lichtsender und einen Lichtempfänger gebildet werden. Bei einer Unterbrechung des Lichtganges löst eine Auswertungselektronik das Signal aus. Für Lichtgitter dieser Art sind im wesentlichen zwei Systeme bekannt. Bei dem einen System hat jeder optische Kanal eine eigene Lichtquelle, z. B. in Form einer Leuchtdiode, wobei entweder die Lichtquellen gleichzeitig zyklisch angesteuert und die Signale der Lichtempfänger in einem UND-Glied verknüpft werden (DE-OS 16 16 016), oder die Lichtquellen werden nacheinander zyklisch angesteuert, wobei die Auswertung der Ausgangssignale im gleichen Rhythmus gesteuert wird (DE-PS 22 47 053). Bei dem anderen System werden die optischen Kanäle von einer gemeinsamen Lichtquelle ausgeleuchtet, wobei die Lichtverteilung auf die Kanäle durch ein Linsensystem
to oder mit Hilfe eines Drehspiegels und eines Parabolspiegels erfolgt (DE-OS 14 41 426). Mit Ausnahme der Drehspiegelausführung ist bei allen Systemen jedem Kanal eine Lichtempfangsdiode zugeordnet. Die Einrichtungen für den Lichtempfang können entweder auf der den Lichtquellen gegenüberliegenden Seite des zu kontrollierenden Arbeitsraumes oder auf der gleichen Seite wie die Lichtquellen liegen, wobei im letzteren Fall an der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor angebracht ist und die reflektierten Strahlen mittels haJbdurcblässiger Spiegel auf die zugehörigen Lichtempfänger gelenkt werden.
Aus der DE-OS 28 24 583 ist eine Sicherheitslichtschranke bekannt, bei der linear polarisiertes Sendelicht verwendet wird, dessen Polarisationszustand an einem Reflektor verändert wird, wobei das Empfangslicht vor dem Auftreffen auf einen photoelektrischen Wandler in einer um 90° gedrehten Ebene polarisiert wird. In der DE-OS 20 17 400 ist eine Feinmeßanordnung beschrieben, bei der ein elektrooptischer Lichtablenker den Meßstrahl periodisch auf zwei oder mehrere benachbarte diskrete Punkte des Meßobjekts richtet. Weiterhin ist in der älteren Patentanmeldung P 29 41 739.8-52 ein Lichtgitter vorgeschlagen worden, bei dem eine Lichtverteilereinheit eine mit der Anzahl der optischen Kanäle identische Anzahl optischer Richtkoppler enthält, die jeweiligen sekundären Wellenleiter der optischen Richtkoppler jeweils am Lichtleiter eines optischen Kanals liegt, die optischen Richtkoppler über einen weiteren Lichtleiter mit der Lichtquelle und untereinander in Serie gelegt und die Elektroden der optischen Richtkoppler mit einer aus der Steuei einrichtung und der elektronischen Auswerteschaltung bestehenden elektronischen Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden sind. Die optischen Richtkoppler bilden elektronisch steuerbare Lichtweichen, mit deren Hilfe die in einer Lichtquelle erzeugten und durch einen Lichtleiter geführten Lichtimpulse nacheinander und zyklisch in die optischen Kanäle gesteuert werden.
Allen bekannten Glüh- und Leuchtstofflampen haftet der Nachteil an, daß diese Lichtquellen im Aufbau aufwendig und außerdem störanfällig sind (niedrige Lebensdauer). Ein zur Störlichtunterdrückung zweckmäßiger Impulsbetrieb verringert bei den obigen Lichtquellen die Lebensdauer erheblich. Die bekannten Linsensysteme erlauben nur den gleichzeitigen Betrieb aller Kanäle und bei der Strahlenverteilung mittels eines Drehspiegels läßt sich weder die Dauer der Lichtimpulse noch deren Folge steuern. Auch die als Lichtempfänger dienenden Fotodioden stellen eine Störquelle dar.
Sie können durch Überstrahlung benachbarter optischer Kanäle oder fremde Lichtquellen Fehlsignale auslösen, die durch eine aufwendige, selbstüberwachende logische Prüfschaltung (Koinzidenzstufe) eliminiert werden müssen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lichtgitter der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß die den einzelnen optischen Kanälen zyklisch zugeführten und einer Lichtquelle
entstammenden Lichtimpulse in ihrer Dauer und Folge steuerbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen zur Erzeugung von 'inear polarisiertem Licht vorgesehen und in jedem optischen Kanal 5 eine keramische Kerr-Zelle, dere% Elektroden an die elektronische Steuer- und Auswertungseinrichtung angeschlossen sind, sowie ein Analysator angeordnet sind.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Lichtgitter bilden die Kerr-Zellen elektronisch steuerbare optische Schalteinrichtungen, mit deren Hilfe die von einer Lichtquelle erzeugten Lichtimpulse nacheinander und zyklisch in die optischen Kanäle gesteuert werden. Während bei einer Lichtverteilung mittels eines '5 Drehspiegels die Dauer und Folge der in die optischen Kanäle gelenkten Lichtimpulse im wesentlichen vom optischen Aufbau und der Drehgeschwindigkeit abhängt, läßt sich erfindungsgemäß die Dauer und die Folge der Lichtimpulse variieren und unterschiedlichen Verhältnissen anpassen. Dabei sind keine störanfälligen mechanischen Bauteile erforderlich.
Neben den bekannten Kerr-Zellen, bei denen optisch isotrope Flüssigkeiten oder Gase der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt werden und hierdurch durch Ausrichtung der Moleküle im elektrischen Feld eine optische Anisotrope erzeugt wird, die zur Doppelbrechung führt, sind auch Kerr-Zellen aus einem Transparenten, polykristallinen, ferroelektrischen Keramikameterial unter der Bezeichnung PLZT-Keramik bekanntgeworden, die aus Blei-, Lanthan-, Zirkon- und Titan-Verbindungen bestehen. Wird dieses Keramikmaterial von linear polarisiertem Licht durchstrahlt und gleichzeitig mit einer elektrischen Spannung, deren Feldrichtung einen Winkel von 45° mit der Polarisationsebene einschließt, beaufschlagt, so durchlaufen die ordentliche und außerordentliche Lichtwelle die Keramik mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit. Bei
einer Phasendifferenz von (J = tj- am Ausgang der
Keramik kommt es am nachgeschalteten Analysator, dessen Durchlaßebene um 90° gegenüber der Schwingungsebene des eingestrahlten Lichtes gedreht ist, durch Interferenz der ordentlichen und außerordentlichen Lichtwelle zum Durchstrahlen des Analysators. Umgekehrt kommt es bei einer angelegten elektrischen Spannung gleich Null zu einer Phasenverschiebung ό = 0° und damit zur Auslösung des Lichtes. Die Kerr-Zelle ist insbesondere zum Betrieb mit monochromatischem Licht im Wellenlängenbereich λ = 0,5 ... 6 μηι geeignet (vgl. »Neue passive elektrooptische Werkstoffe und Anwendungen«, H. Schichl, Forschungsbericht K 3004,1979).
Zur Erzeugung des erforderlichen polarisierten Lichtes kann entweder eine Lichtquelle Verwendung finden, welche unmittelbar polarisiertes Licht erzeugt, oder es besteht die Möglichkeit, unpolarisiertes Licht zu verwenden und vor jeder Kett-Zelle einen Polarisator anzuordnen. In beiden Fällen werden die den optischen Kanäle zugeordneten Kerr-Zellen mit einem Linear *>o polarisierten Licht bestrahlt. Das hinter den Kerr-Zellen austretende Licht durchläuft einen Analysator und koppelt danach in justierte Lichtleiter ein, die jeweils mit den Kerr-Zellen auf einer optischen Achse liegen.
Mit Hilfe der elektronischen Steuer- und Auswer- ^ tungseinrichtung werden sowohl die Lichtquelle als auch die einzelnen Kerr-Zellen derart angesteuert, daß sie die einzelnen optischen Kanäle zeitlich nacheinander einschalten.
In vorteilhafter Weise können die einzelnen Kerr-Zellen auch zu einer Baueinheit zusammengefaßt werden, indem eine mit einer Vielzahl von Elektroden versehene Kerr-Zelle mit einem Polarisator und einem Analysator beschichtet ist. Die Elektroden sind so angeordnet, daß sie ein zur Lichtausbreitungsrichtung transversales elektrisches Feld aufbauen und damit in dem betreffenden Bereich der Kerr-Zelle eine Doppelbrechung hervorrufen. Die daraus resultierende Phasenverschiebung zwischen der ordentlichen und außerordentlichen Welle des eingestrahlten Lichtes ermöglicht je nach Anordnung des Analysators durch Interferenz eine Lichtauslöschung.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 ein Lichtgitter mit einem Reflektor in einem Blockschaltbild,
F i g. 2 eine Kerr-Zelle aus einem Keramikmaterial in einer perspektivischen Darstellung und
F i g. 3 eine schematische Darstellung der Doppelbrechungswirkung einer Kerr-Zelle.
Das in F i g. 1 dargestellte Lichtgitter besitzt eine Lichtquelle 1, beispielsweise in Form einer Laserdiode. Die Lichtimpulse der Lichtquelle 1 erzeugen mittels einer Zylinderlinse 2 ein Lichtband auf dem Polarisator 4. Hinter dem Polarisator 4 befinden sich Kerr-Zellen 5a bis 5n, deren Aufbau weiter unten beschrieben wird. Daran schließt sich ein Analysator 6 an, der ebenso, wie der Polarisator 4 aus mehreren Bauteilen bestehen kann. Daran anschließend sind jedem optischen Kanal 3a bis 3n Lichtleiter 18 zugeordnet, welche in die Nähe des Brennpunktes der Abbildungsoptiken 7 führen. Die Lichtimpulse werden von einem Reflektor 8 zurückgeworfen und gelangen jeweils über die zugehörige Abbildungsoptik 7, den entsprechenden Lichtleiter 18, den Analysator 6, die betreffende Kerr-Zelle 5a bis 5n und den Polarisator 4 zu einem Strahlungsteiler 9, der sie zu einer Sammellinse 10 reflektiert, welche den betreffenden Lichtimpuls einer Lichtempfangsdiode 11 zuführt.
Der Strahlungsteiler 9 ist in bekannter Weise so ausgeführt, daß er die von der Zylinderlinse 2 kommenden Lichtimpulse teilweise durchläßt und die vom Polarisator 4 kommenden Lichtimpulse teilweise reflektiert. Zur Erhöhung der auf die Sammellinse 10 reflektierten Lichtleistung ist es zweckmäßig, die Durchlaßebene des Analysators 6 parallel zur Einfallsebene des Strahlungsteilers 9 zu legen.
Die von der Lichtempfangsdiode 11 aufgenommenen und umgewandelten Signale werden einer elektronischen Steuer- und Auswertungseinrichtung zugeführt. Deren Steuerteil ist derart ausgebildet, daß er einerseits die Lichtquelle 1 und andererseits die einzelnen Kerr-Zellen 5a bis 5n steuert.
Wie Fig. 2 zeigt, besteht die Kerr-Zelle 5 im wesentlichen aus einem einheitlichen Block, der auf der einen Seite mit mehreren nebeneinander angeordneten positiven Elektroden 15a bis 15J und auf der anderen Seite mit einer negativen Elektrode 16 ausgerüstet ist. Die positiven Elektroden 15a bis 15c/ sind über die Leitung 14a bis 14n mit der elektronischen Steuer- und Auswertungseinrichtung 12 verbunden. Weiterhin sind die Durchstrahlungsflächen der Kerr-Zellen auf der einen Seite mit dem Polarisator 4 und auf der anderen Seite mit dem Analysator 6 beschichtet.
Die Wirkung des vorstehend beschriebenen Lichteit-
ters ist folgende:
Die von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtimpulse werden mittels der Zylinderlinse 2 zu einem Lichtband geformt. Das Licht gelangt durch den Strahlungsteiler 9 hindurch zu dem Polarisator 4 und von dort zu den Kerr-Zellen 5a bis 5n. Die Kerr-Zellen 5a bis 5n werden nacheinander über die Steuerleilungen 14a bis \4n angesteuert, wobei jeweils aufeinanderfolgend eine Kerr-Zelle, an welcher jeweils die Steuerspannung ansteht, den zugehörigen optischen Kanal 3a bis 3n für die Lichtimpulse freigibt.
Die Lichtimpulse gelangen weiter zum Reflektor 8, werden von diesem zurückgeworfen und gelangen über die vorgenannten Bauteile zum Strahlungsteiler 9 zurück, von welchem sie über die Sammellinse 10 zur Lichtempfangsdiode 11 gelenkt werden. Durch diese Wirkung und die aufeinanderfolgende Ansteuerung der Kerr-Zellen 5a bis 5n werden die einzelnen optischen Kanäle 3a bis 3n aufeinanderfolgend zyklisch angesteuert. Die Kerr-Zellen wirken hierbei als optische Lichtschalter.
In Abwandlung der Ausführung nach Fig. 1 besteht auch die Möglichkeit, anstelle des Reflektorsystems am Ende eines jeden optischen Kanals 3a bis 3n eine einzelne Lichtempfangsdiode 11 vorzusehen, welche an die elektronische Steuer- und Auswertungseinrichtung angeschlossen sind.
ίο Weiter besteht die Möglichkeit, die vom Reflektor 8 zurückgeworfenen Lichtimpulse in der Abbildungsoptik über einen Lichtleitfaserabzweig bzw. Sternteiler (ntz Bd. 31, 1978, 423-425) direkt für alle optischen Kanäle 3a bis 3n einer Lichtempfangsdiode 11 zuzuführen. In allen Fällen ist eine übliche Ausgangssignalleitung 17 vorgesehen, weiche ein Störsignai beispielsweise an die Antriebseinheit der überwachten Maschine weiterleitet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Lichtgitter, bestehend aus optischen Einrichtungen zur Bildung mehrerer optischer Kanäle aus einer Lichtquelle, Lichtempfangseinrichtungen, einer im Strahlenpfad der Lichtquelle angeordneten, von einer elektronischen Steuereinrichtung beaufschlagten optischen Schalteinrichtung, welche die einzelnen optischen Kanäle zeitlich nacheinander aktiviert, und einer elektronischen Auswertungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung von linear polarisiertem Licht vorgesehen und in jedem optischen Kanal (3a bis 3n) eine kramische Kerr-Zelle (5a bis 5n), deren Elektroden (15a bis 15n, 16) an die elektronische Steuer- und Auswertungseinrichtimg (12) angeschlossen sind, sowie ein Analysator (6) angeordnet sind.
2. Lichtgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerr-ZeJlen (5a bis Sn) aus einem transparenten, polykristallinen, ferroelektrischen Keramikmaterial bestehen.
3. Lichtgitler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder Kerr-Zelle (5a bis 5n) ein Polarisator (4) angeordnet ist.
4. Lichtgitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einer Vielzahl von Elektroden (15a bis \5n) versehene Kerr-Zelle (5) mit einem Polarisator (4) und einem Analysator (6) beschichtet ist.
5. Lichtgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Analysator (6) eine Lichtleiterhalterung angeordnet ist, deren Längsachse der Bohrung zur Aufnahme des Lichtleiters (18) durch die Lichtausbreitungsrichtung in dem optischen Kanal (3a bis 3n) und die seitliche Lage durch die Mitte der positiven Elektrodenbreite (15a bis 15n) bestimmt wird.
6. Lichtgitter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Lichtleiter (18) in der Nähe des Brennpunktes der Abbildungsoptik (7) justiert wird.
DE19803018393 1980-05-14 1980-05-14 Lichtgitter Expired DE3018393C2 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5944431A (en) * 1997-02-26 1999-08-31 Heidelberger Druckmaschinen Ag Sheet sensor device with light curtain

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2824583C3 (de) * 1978-06-05 1985-10-03 Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik, 7808 Waldkirch Reflexionslichtschranke zum Erkennen auch stark reflektierender Gegenstände innerhalb einer von einem Strahlenbündel durchsetzten Überwachungsstrecke

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