DE2532602B2

DE2532602B2 - Optische Vorrichtung mit einem Lichtvorhang

Info

Publication number: DE2532602B2
Application number: DE2532602A
Authority: DE
Inventors: Erwin 8021 Icking Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1975-07-21
Publication date: 1978-11-02
Also published as: DE2532602C3; IT1063440B; FR2319116B1; SE412954B; SE7606737L; GB1546246A; DE2532602A1; FR2319116A1; US4127771A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit einem Lichtvorhang mit einer einen Lichtstrahl aussenden Lichtquelle, einer den Lichtstrahl periodisch innerhalb eines Winkelbereiches hin- und herführenden Ablenkvorrichtung, welche im Brennpunkt einer Linse liegt, die einen parallel zu sich selbst wandernden Fahrstrahl erzeugt und einen Abtastraum festlegt, und mit einem Lichtempfänger zur Erfassung des den Lichtvorhang verlassenden Lichts.

Bei einer bekannten optischen Vorrichtung dieser Art (DE-OS 21 11 837) entspricht die Breite des Lichtvorhanges dem Linsendurchmesser, ist also durch die erreichbare öffnung der verwendeten Linsen begrenzt

Soll die Breite des Lichtvorhanges verhältnismäßig groß sein, so ist für die Erzeugung des Fahrstrahls ein streifenförmiger Hohlspiegel erforderlich (DE-PS 9 60 785). Ein solcher Hohlspiegel ist jedoch einerseits kostspielig in der Herstellung und insbesondere wegen des aufgrund seiner Krümmung eingenommenen Raumes relativ platzaufwendig.

Des weiteren ist es bereits bekannt (US-PS 37 58 197), auf eine stabförmige Anordnung versetzt hintereinander angeordneter und schräg stehender Planspiegel von der einen Stirnseite her ein zumindest dem Stabdurchmesser entsprechendes Lichtbündel auftreffen zu lassen. Durch Reflexion an den einzelnen Planspiegeln wird das Lichtbündel so auf einen relativ großen Bereich verteilt Auf der Empfangsseite kann eine gleichartige Anordnung zwecks Sammlung des aus dem Vorhangbereich kommenden Lichts auf einem Photoempfänger vorgesehen werden. Die bekannte Anordnung läßt jedoch nur die gleichzeitige Beaufschlagung sämtlicher Planspiegel zu, so daß die Signaländerung am Photoempfänger beim Einbringen eines relativ kleinen Hindernisses in den Vorhangbereich sehr klein ist. Die Empfindlichkeit der bekannten Vorhanganordnung ist also sehr begrenzt

Ein älterer Vorschlag (DE-OS 25 08 366) kennzeichnet sich dadurch, daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines in die eine Stirnseite des Stabes schräg zur Stabachse eintretenden, eine Abtastbewegung ausführenden Fahrstrahles vorgesehen ist und die Spiegelanordnung aus mindestens einer Gruppe von auf einer achsparallelen Geraden liegenden Einzelspiegeln besteht, die sich auf der vom Vorhangbereich abgewandten Mantelfläche des Stabes befinden. Hierdurch kann mittels eines relativ schmalen Abtastbereiches ein von einem Fahrstrahl überstrichener relativ breiter Lichtvorhang erzeugt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Vorrichtung mit einem Lichtvorhang der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der die Länge des Abtastbereiches des Fahrstrahls auf einfache und raumsparende Weise erheblich vergrößert werden kann. Bei einer solchen optischen Vorrichtung gelingt die Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß aufgrund der Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1.

Nach einer ersten näheren Ausführungsform der

Erfindung sind die Planspiegel mit Abstand auf mindestens einem Streifen hintereinander angeordnet, wobei der Streifen zweckmäßigerweise unter einem Winkel von kleiner als 45° zur Einfallsstrahlrichtung angeordnet ist Auf diese Weise kann nicht nur mittels eines einzigen, streifenförmigen optischen Elementes die Verbreiterung des Abtastbereiches des Fahrstrahls erzielt werden, sondern es wird darüber hinaus auch noch gewährleistet, daß ein ebener, also stufenlYeier Vorhangbereich vorliegt

Sollen sehr lange Abtastbereiche ohne zu breite Totzonen zwischen den einzelnen Planspiegeln erzielt werden, so ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß mehrere Streifen seitenversetzt und in Einfallsstrahlrichtung aneinander anschließend oder geringfügig überlappend angeordnet sind und daß die Ablenkvorrichtung den Strahl nicht nur in der Reflexionsebene, sondern auch senkrecht zu dieser versetzt, derart, daß der Strahl nacheinander auf die verschiedenen seitlich versetzten Streifen auftrifft.

Eine praktisch ohne Totzonen arbeitende Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß mindestens zwei streifenförmige Planspiegel seitenversetzt und in Einfallsstrahlrichtung aneinander anschließend oder geringfügig überlappend angeordnet sind und daß die Ablenkvorrichtung den Strahl nicht nur in der Reflexionsebene, sondern auch senkrecht zu dieser versetzt, derart, daß der Strahl nacheinander auf die einzelnen seitlich versetzten Planspiegel auftrifft. Der Winkel der Planspiegel relativ zur Einfallstrahlrichtung beträgt vorzugsweise 45°.

Sofern die optische Vorrichtung mit einem Retroreflektor am anderen Ende des Lichtvorhanges arbeitet, ist nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung parallel zu der Mehrzahl hintereinander angeordneter Planspiegel eine gleichartige Empfangs-Planspiegelanordnung vorgesehen, deren Ausgangsstrahl zum Lichtempfänger geführt ist Auf diese Weise werden die Planspiegel auch für den Empfang von Licht aus dem Vorhangbereich ausgenutzt. Die Empfangs-Planspiegelanordnung ist dabei vorzugsweise breiter als die Planspiegel ausgebildet, um eine ausreichende Lichtmenge aus dem Vorhangbereich aufzunehmen.

Baulich besonders vorteilhaft ist es, wenn die Empfangs-Planspiegelanordnung und die Planspiegel auf einem einzigen Streifen angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Ansprüche 5,6 und 12 gekennzeichnet.

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

F i g. 1 die schematische Seitenansicht einer optischen Vorrichtung mit einem Lichtvorhang,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht der wesentlichen Elemente der Vorrichtung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der optischen Vorrichtung mit einem breiteren Lichtvorhang,

F i g. 4 eine schematische Draufsicht der wesentlichen Elemente der Vorrichtung nach F i g. 3,

F i g. 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren optischen Vorrichtung mit einem besonders für Meßzwecke geeigneten Lichtvorhang, und

F i g. 6 eine Draufsicht auf die wesentlichen Elemente der Vorrichtung nach F i g. 5.

Nach Fig. 1 gelangt der von einem Laser 12 ausgehende Lichtstrahl 11 über eine Linse 28 unter einem Winkel von im wesentlichen 45° auf einen um eine senkrecht auf der Zeichenebene stehende Achse 29 hin- und herschwingenden Scnwingspiegel 18. Der Schwingspiegel 18 ist im Brennpunkt einer Linse 13 angeordnet, welche zusammen mit der Linse 28 ein umgekehrtes Fernrohrsystem bildet, das eine Verbreiterung und damit eine entsprechende Verkleinerung des Bildwinkels des Laserstrahls bewirkt. So wird hinter der Linse 13 ein sehr schmaler und parallel zu sich selbst wandernder Fahrstrahl 30 gebildet.

Der Schwenkbereich des Schwingspiegels ist so groß,

ίο daß der Lichtstrahl nach Reflexion im wesentlichen über die gesamte Fläche der Linse 13 hin- und herführbar ist; dieser Bereich ist in F i g. 1 durch gestrichelte Begrenzungslinien veranschaulicht.
In der aus den F i g. 1 und 2 ersichtlichen Weise ist hinter der Linse 13 ein Streifen 16 unter einem Winkel α gegenüber der optischen Achse angeordnet Der Streifen 16 trägt eine Mehrzahl von unter 45° zur optischen Achse angeordneten Planspiegeln 15 und dazwischen befindlichen Zwischenstücken 17. Obwohl die Zwischenstücke 17 nicht reflektierend sein müssen, können sie genauso wie die Planspiegel 15 reflektierend sein, wenn sich dies aus Herstellungsgründen als zweckmäßig erweisen sollte. Während die Planspiegel 15 unter 45° zur optischen Achse angeordnet sind, verlaufen die Zwischenstücke 17 in wesentlichen parallel zur optischen Achse, so daß die Fahrstrahlen oder Einfallslichtstrahlen 30 streifend auf sie auffallen. Sollte ein derartiger streifender Auffall nicht gewünscht sein, könnten die Zwischenstücke in Einfallsstrahlrichtung auch etwas abfallend ausgebildet sein, so daß der Einfallslichtstrahl die Zwischenstücke nicht erreichen kann. Die Breiten der Planspiegel 15 einerseits und der Zwischenstücke 17 andererseits sind gleich.

Gegenüber der Planspiegelanordnung 14 ist parallel zur optischen Achse ein Retroreflektor 21 angeordnet, zwischen dem und dem Streifen 16 sich der Lichtvorhang 27 erstreckt.

Beim Bewegen des Schwingspiegels 18 durchläuft der Fahrstrahl 30 die gesamte Höhenerstreckung der Linse

13. Dabei trifft der Fahrstrahl 30 stufenweise nacheinander auf die verschiedenen hintereinander angeordneten Planspiegel 15, von denen er um 90° zum Retroreflektor 21 hin umgelenkt wird. Auf diese Weise entsteht ein den Lichtvorhang 27 in Sprüngen durchquerender Fahrstrahl 30'. Innerhalb des Bereiches der Planspiegel 15 ist die Abtastbewegung stetig. Nach Erreichen des Endes eines Planspiegels 15 springt der Fahrstrahl über das Zwischenstück 17 zum darauffolgenden Planspiegel 15. Der Lichtvorhang weist also entlang der Zwischenstükke 17 Totzonen auf, die jedoch je nach den Anforderungen an die Dichtheit des Lichtvorhanges ausreichend schmal bemessen sein können. Je mehr sich der Winkel « 45° nähert, umso schmaler werden die Totzonen und umso geringer wird allerdings auch die Auseinanderziehung des am Ausgang der Linse 13 vorhandenen schmalen Lichtvorhanges.

Insbesondere aus F i g. 2 ist eine auf dem gleichen Prinzip beruhende Empfangsanordnung für die vom Retroreflektor 21 reflektierten Strahlen ersichtlich.

Neben dem Streifen 16 befindet sich eine völlig identische, jedoch doppelt so breite Empfangs-Planspiegelanordnung 22, welche sogar mit der Mehrzahl von Planspiegeln 15 für das Sendelicht aus einem Stück bestehen kann. Zwischen den Sendespiegeln und der

b) Empfangs Planspiegelanordnung 22 befindet sich eine in der Reflexionsebene liegende Trennwand 25, welche dafür sorgt, daß nicht Licht vom Sendeteil unter Umgehung des Lichtvorhanges 27 direkt in den

Empfangsteil gelangt und dort zu Störungen führt.

Aufgrund der beschriebenen Anordnung erzeugt die Empfangs-Planspiegelanordnung 22 einen Ausgangslichtstrahl 23, der die Linse 13 in der Ansicht nach F i g. 1 genau wie der Fahrstrahl 30 in Höhenrichtung abtastet Da auch der Ausgangslichtstrahl 23 parallel zur optischen Achse ist, würde er somit ohne besondere Maßnahmen zum Brennpunkt der Linse 13, d. h. zum Schwingspiegel 18 hingelenkt werden, was in Fig. 2 durch eine teilweise gestrichelte Linie angedeutet ist. Um die in diesem Fall erforderliche Trennung durch einen Teilerspiegel zu vermeiden, ist unmittelbar hinter der Linse ein optischer Keil 26 angeordnet, welcher den Ausgangslichtstrahl 23 zu einem neben dem Schwingspiegel 18 angeordneten Lichtempfänger 24 lenkt. Es i) handelt sich also um einen Autokollimationsstrahlengang mit Pupillenteilung.

Am Ausgang des Photoempfängers 24 entsteht somit ein periodisches elektrisches Signal, welches beim Eindringen von Hindernissen in den Lichtvorhang 27 an zn den betreffenden Stellen unterbrochen ist. Durch eine an den Lichtempfänger 24 angeschlossene Auswerteelektronik kann so der Ort, an dem das Hindernis sich im Lichtvorhang befindet, bestimmt werden. In einfacheren Fällen, z. B. beim Unfallschutz an Pressen genügt es auch, überhaupt das Eindringen eines Hindernisses in den Lichtvorhang 27 festzustellen und dadurch beispielsweise eine Abschaltung der Presse zu veranlassen. Sofern die den Zwischenstücken 17 entsprechenden Totzonen nicht zu groß werden dürfen, muß die w Planspiegelanordnung 14 nach Fig. 1 unter einem näher bei 45° liegenden steileren Winkel angeordnet werden. Die hierdurch bedingte Verringerung der Auseinanderziehung des Lichtvorhanges kann gemäß den F i g. 3 und 4 dadurch verhindert werden, daß zwei r> oder aber auch mehrere Streifen 16 seitenversetzt in der dargestellten Weise hintereinander bzw. geringfügig einander überlappend angeordnet werden. Damit nun jeder der beiden Streifen 16 einen Abtastlichtstrahl erhält, muß der Fahrstrahl 30 nicht nur gemäß F i g. 3 in w Höhenrichtung, sondern auch gemäß dem Pfeil /' in F i g. 4 in Seitenrichtung versetzt werden, und zwar stets dann, wenn einer der Streifen 16 von Anfang bis Ende abgetastet worden ist.

Dies kann nach den F i g. 3 und 4 z.B. durch ■*'> Anordnung der reflektierenden Fläche eines Spiegelrades 19 im Brennpunkt der Linse 13 geschehen, wobei die einzelnen Spiegelebenen des Spiegelrades 19 relativ zu dessen Drehachse 29 mehr oder weniger gekippt sind. Auf diese V/eise reflektiert beispielsweise die in Fig.4 ">< gezeigte Spiegelradfläche den Fahrstrahl 30 zum ersten Streifen 16, während die anschließende Spiegelfläche den Fahrstrahl 30 zum zweiten Streifen 16 reflektiert, was in Fig. 4 durch den gestrichelten Strahlengang angedeutet ist. Die nächste Spiegelfläche lenkt den ". Fahrstrahl 30 dann wieder auf den ersten Streifen 16, und so fort.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 3 und 4 laß' sich auch die Empfangsvorrichtung nach F i g. 2 anwenden, wobei jedoch die seitliche Versetzung dei Streifen 16 so groß sein muß, daß der zweite Streifen If auch noch seitlich neben der ersten Empfangs-Planspie gelanordnung 22 liegt. Es ist jedoch trotz der größerer Breite ohne weiteres möglich, zwei Sende-Empfangs-Spiegelanordnungen hintereinander seitenversetzt vorzusehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig.3 und 4 mil Empfangsanordnung können zwei Keile 26 vorgesehen sein, welche jeweils an den Stellen anzuordnen sind, wc das von der betreffenden Empfangs-Planspiegelanordnung 22 zurückreflektierte Licht in die Linse 13 ein- bzw aus ihr austritt.

Durch die Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 können die Totzonen im Lichtvorhang 27 vollständig zum Verschwinden gebracht werden. Die Planspiegel 15 sind hier als kontinuierliche Streifen ausgebildet, die unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse angeordnet sind, so daß die Fahrstrahlen nicht nur unter einem Winkel von 90° zum Retroreflektor 21 hin reflektiert werden, sondern auch eine Unterbrechung der Abtaststrahlen 30' im Lichtvorhang 27 während des Abtastvorganges nicht vorliegt, da die bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen vorhandenen Stufen bzw. Zwischenstücke 17 entfallen. Um bei dieser Ausführungsform eine Verbreiterung des Lichtvorhanges hinter der Linse 13 zu erzielen, müssen zwei oder mehrere Planspiegel 15 seitenversetzt und hintereinander angeordnet werden, wie das in den F i g. 5 und 6 anhand eines Beispieles mit drei Planspiegeln 15 veranschaulicht ist. Die aus der Linse 13 austretender Fahrstrahlen 30 müssen beispielsweise wieder durch mehr oder weniger gekippte Spiegelradflächen einmal zum ersten, dann zum zweiten und schließlich zum dritten Planspiegelstreifen gelenkt werden. Dies ist in F i g. 6 durch gestrichelte Strahlengänge angedeutet.

Beim Drehen des Spiegelrades 19 werden demnach nacheinander die einzelnen Planspiegel 15 abgetastet, wobei sich ein den Lichtvorhang 27 von einem zum anderen Ende abtastender Fahrstrahl 30' ergibt.

Auch bei der Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 kann eine Empfangsanordnung analog F i g. 2 vorgesehen werden, wobei die Empfangs-Planspiegelanordnung ebenfalls aus kontinuierlichen Planspiegelstreifen besteht, die mit den Planspiegeln 15 für das Sendelicht bis auf die Breite, die doppelt so groß ist, identisch sind, ι Außerdem kann ein Taktmaßstab 31 aus retroreflektierendem Material hinter der Linse 13 angeordnet sein.

Die Erfindung schafft somit eine Möglichkeit, einen mit wenig aufwendigen Mitteln herzustellenden, relativ schmalen optischen Lichtvorhang ohne weiteres um das . 10- bis 20-fache oder sogar noch mehr auseinanderzuziehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung mit einem Lichtvorhang mit einer einen Lichtstrahl aussenden Lichtquelle, einer den Lichtstrahl periodisch innerhalb eines Winkelbereiches hin- und herführenden Ablenkvorrichtung, welche im Brennpunkt einer Linse liegt, die einen parallel zu sich selbst wandernden Fahrstrahl erzeugt und einen Abtastraum festlegt, una mit einem Lichtempfänger zur Erfassung des den Lichtvorhang verlassenden Lichts, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Linse (13) tretende, parallel zu sich selbst wandernde Fahrstrahl auf eine Mehrzahl hintereinander angeordneter, mit ihm einen Winkel («) einschließender Planspiegel (15) gerichtet ist, deren Gesamtausdehnung in Fahrtstrahlrichtung größer als senkrecht zur Fahrstrahlrichtung ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (<x) 45° beträgt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planspiegel (15) mit Abstand auf mindestens einem Streifen (16) hintereinander angeordnet sind

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (16) unter einem Winkel (λ) von kleiner als 45° zur Einfallsstrahlrichtung angeordnet ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tangens des Winkels (λ) zwischen V3 und Ve liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tangens des Winkels («) '/5 beträgt

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Streifen (16) seitenversetzt und in Einfallsstrahlrichtung aneinander anschließend oder geringfügig überlappend angeordnet sind und daß die Ablenkvorrichtung (18, 19) den Strahl nicht nur in der Reflexionsebene, sondern auch senkrecht zu dieser versetzt, derart, daß der Strahl nacheinander auf die verschiedenen seitlich versetzten Streifen (16) auftrifft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei streifenförmige Planspiegel (15) seitenversetzt und in Einfallsstrahlrichtung aneinander anschließend oder geringfügig überlappend angeordnet sind und daß die Ablenkvorrichtung (18, 19) den Strahl nicht nur in der Reflexionsebene, sondern auch senkrecht zu dieser versetzt, derart, daß der Strahl nacheinander auf die verschiedenen seitlich versetzten Planspiegel (15) auftrifft.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Retroreflektor am anderen Ende des Lichtvorhanges, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Mehrzahl hintereinander angeordneter Planspiegel (15) eine gleichartige Empfangs-Planspiegelanordnung (22) vorgesehen ist, deren Ausgangsstrahl (23) zum Lichtempfänger t>o (24) geführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs-Planspiegelanordnung (22) breiter als die Planspiegel (15) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs-Planspiegelanordnung (22) und die Planspiegel (15) auf einem einzigen Streifen (16) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Empfangs-Planspiegelanordnung (22) und den Planspiegeln (15) eine parallel zur Reflexionsebene verlaufende optische Trennwand (25) angeordnet ist