[0001] Die Erfindung betrifft eine Lichtschranke mit einer Strahlungsquelle und einem von
deren Strahlung beaufschlagten Strahlungssensor mit wenigstens zwei Sensorelementen,
wobei Mittel zur Polarisation der Strahlung und vor den beiden Sensorelementen unterschiedlich
polarisierte Strahlungsfilter vorgesehen sind, und die beiden Sensorelemente in einer
Auswerteschaltung miteinander verbunden sind, welche bei unterschiedlicher Bestrahlung
der beiden Sensorelemente ein Signal abgibt.
[0002] Solche Lichtschranken sind beispielsweise aus DE 1 934 321 oder aus DE 2 014 107
bekannt und dienen vorzugsweise dem Intrusionsschutz. Sobald dabei die von der Strahlungsquelle
ausgehende, auf den Strahlungssensor gerichtete Strahlung, vorzugsweise im infraroten
oder sichtbaren Spektralbereich, z.B. durch den Körper eines Einbrechers oder durch
Abdeckung bei einem Sabotageversuch unterbrochen wird, löst die Auswerteschaltung
ein Alarmsignal aus.
[0003] Durch eine Polarisation der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung und die
Anordnung eines gleichartigen Polarisationsfilters vor einem der Sensorelemente, wobei
das andere Sensorelement nicht oder anders polarisierte Strahlung aufnimmt, wird erreicht,
dass die Auswerteschaltung kein Ausgangssignal abgibt, wenn der Strahlungssensor von
Fremdstrahlung, z.B. Sonnenstrahlung oder Streulicht, getroffen wird, deren Polarisation
von der Polarisationsart der Lichtschrankenstrahlung abweicht oder die unpolarisiert
ist, was in der Regel der Fall sein dürfte, da in diesem Fall beide Sensorelemente
gleich beaufschlagt werden.
[0004] Solche Lichtschranken können bei geeigneter Ausbildung auch für Aussenanwendungen
bei Tageslicht eingesetzt werden. Dabei kann die Störsicherheit noch weiter verbessert
werden, indem Wechselstrahlung bestimmter Frequenz verwendet wird und die Auswerteschaltung
auf diese Frequenz abgestimmt wird. Auch eine Synchronisation von Strahlungsquelle
und Auswerteschaltung ist bereits beschrieben worden. Dazu muss jedoch die Strahlungsquelle
mit dem Strahlungssensor oder der Schaltung verbunden sein, so dass meist eine Autokollimations-Anordnung
mit räumlich benachbarter Strahlungsquelle und Strahlungssensoren, sowie in einer
Distanz davon angeordnetem, gegen Verschmutzung und Dejustierung sehr empfindlichen
Reflektor vorgesehen ist. Die Reichweite dieser Lichtschranken, d.h. die sicher beherrschbare
Länge der Ueberwachungsstrecke, ist daher ziemlich begrenzt.
[0005] Lichtschranken für Aussenanwendungen mit längerer Reichweite im Bereich von mehr
als 10 Metern, bis über 100 Meter sind jedoch wetterabhängig, da Nebel und Regentropfen
eine Streuung der Strahlung verursachen und bei ungünstigen Wetterverhältnissen besonders
bei grosser Distanz von Strahlungsquelle und
Strahlungssensor eine merkbare Schwächung der empfangenen Strahlung bewirkt. Um dabei
kein fehlerhaftes Alarmsignal auszulösen, muss daher die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung
entsprechend reduziert werden. Hinzu kommt, dass durch eine wetterbedingte Verbreiterung
des
Ueberwachungsstrahles infolge der Strahlungsstreuung die Strahlungsschwächung durch
ein Objekt, z.B. einen Eindringling geringer wird, so dass ein Eindringling bei ungünstigen
Wetterverhältnissen gar nicht mehr erkannt werden kann, da trotzdem noch genügend
Streustrahlung auf den Sensor trifft.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähnten Nachteile des
Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere eine Lichtschranke zu schaffen,
die auch bei Aussenanwendungen und Vorhandensein von Fremdlicht sowie wetterbedingeter
Strahlungsstreuung mit grösserer Reichweite bei verbesserter Störsicherheit ein nachzuweisendes
Objekt, z.B. einen Eindringling mit grösserer Empfindlichkeit sicher zu detektieren
vermag.
[0007] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Strahlung aus zwei räumlich
gegeneinander versetzten Strahlungszweigen mit unterschiedlicher, voneinander unabhängigen
Polarisation besteht, und dass die Strahlung aus den beiden
Strahlungszweigen mit unterschiedlicher Polarisation auf je ein Sensorelement geleitet
wird.
[0008] Eine unterschiedliche, voneinander unabhängige Polarisation in den beiden Strahlungszweigen
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass beide Strahlungszweige mittels geeigneter
Polarisationsfilter nach der Strahlungsquelle linear polarisiert werden, und zwar
orthogonal zueinander. Mit Vorteil werden die Polarisationsebenen dabei um 45° gegen
die Horizontale oder Vertikale geneigt gewählt, um elliptisch polarisiertes Fremdlicht
mit vertikaler und horizontaler Hauptachse, z.B. Sonnenlicht unwirksam zu machen,
da dieses bei einer Neigung von 45° beide Sensorelemente gleich beaufschlagt. Auch
eine zirkulare Polarisation mit entgegengesetztem Drehsinn kann mit Vorteil verwendet
werden. Vor dem Strahlungssensor ist dann jeweils eine entsprechende Polarisationsfilter-Kombination
vorzusehen, welche, gegebenenfalls in Zusammenwirken mit geeigneten optischen Elementen
jeweils die polarisierte Strahlung aus dem einen Strahlungszweig auf das eine Sensorelement
und die Strahlung aus dem anderen Strahlungszweig auf das andere Sensorelement leitet.
Durch die Verwendung einer solchen Polarisationsfilter-Kombination vor dem Strahlungssensor
wird es möglich, Strahlung unterschiedlicher Polarisation auch dann voneinander zu
trennen, wenn die beiden
Strahlungszweige sich teilweise überdecken, was eine noch grössere Reichweite zu erreichen
erlaubt.
[0009] Die Erfindung sowie zweckmässige und vorteilhafte Weiterbildungen derselben werden
an Hand der in der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
[0010]
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Lichtschranke,
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Lichtschranke,
Figur 3 zeigt Polarisationsfilter mit linearer Polarisation,
Figur 4 zeigt Polarisationsfilter mit linearer Polarisation, wobei die Polarisationsebene
um ca. 45° gegen die Horizontale geneigt ist.
Figur 5 zeigt Polarisationsfilter mit zirkularer Polarisation,
Figur 6 zeigt eine Auswerteschaltung.
einer Strahlungsquelle 1, z.B. einer handelsüblichen lichtemittierenden Diode (LED)
Strahlung, z.B. Infrarot- oder Lichtstrahlung, vorzugsweise Infrarot mit ca. 0,9 um
Wellenlänge, ausgestrahlt und mittels einer Linse 2 in Richtung der Ueberwachungsstrecke
3 gebündelt. Nach der Linse 2 ist ein Polarisationsfilter 4 angeordnet, das durch
eine vorzugsweise vertikale Trennebene in zwei Hälften mit unterschiedlicher Polarisation
geteilt ist. Die Polarisation in den beiden Hälften ist dabei unabhängig voneinander,
d.h. Strahlung der einen Polarisationsart wird von der anderen Hälfte des Filters
ausgelöscht, und umgekehrt.
[0011] Durch dieses geteilte Polarisationsfilter wird die Strahlung in der Ueberwachungsstrecke
3 in zwei Strahlungszweige 3
1 und 3
2 mit entsprechend unterschiedlicher Polarisation geteilt. Im dargestellten Beispiel,
bei Verwendung einer einfachen Sammellinse 2 überdecken sich beide
Strahlungs- zweige teilweise, aber nicht vollständig, und sind nebeneinander, vorzugsweise
horizontal nebeneinander, angeordnet.
[0012] Die Strahlung aus den beiden Strahlungszweige
n 3
1 und 3
2 gelangt über ein weiteres in zwei Hälften geteiltes und bezüglich der Polarisationsart
genau dem ersten Filter 4 entsprechendes Polisarisationsfilter 5 und zwei Halblinsen
61 und
62, die durch eine Blende
7 getrennt sind und dieselbe Trennebene aufweisen wie das Polarisationsfilter 5, auf
j
e ein Sensorelement 8
1 bzw. 8
2 eines Dual-Strahlungssensors 8, dessen spektrale Empfindlichkeit der Strahlungsquelle
1 entspricht, fokussiert.
[0013] Obwohl sich die beiden Strahlungszweige 3l und 3
2 im mittleren Bereich etwas überschneiden, erhält dabei das Strahlungssensor-Element
8
1 ausschliesslich Strahlung aus dem Zweig 3
1, die vom
Polarisationsfilterteil 4
1 durchgelassen wurde, da der Anteil, der von der anderen Hälfte 4
2 geliefert wurde, durch das Polarisationsfilterteil 5
1 absorbiert wird, und umgekehrt gelangt auf das Sensorelement 8
2 ausschliesslich Strahlung vom Filterteil 4
2 aus dem Strahlungszweig
32.
[0014] Auf diese Weise wird eine saubere Trennung beider Strahlungszweige erreicht, auch
wenn nur relativ einfache und kostengünstige optische Elemente verwendet werden, so
dass sich auf besonders einfache Weise eine besonders grosse nutzbare Reichweite der
Lichtschranke erreichen lässt, ohne dass die unvermeidliche Divergenz der Strahlungszweige
störend wirkte Selbstverständlich können statt einfacher Sammellinsen jedoch auch
komplizierter aufgebaute Optiken mit besserer Präzision verwendet werden, mit denen
die beiden Strahlungszweige noch besser voneinander getrennt gehalten werden können
und somit die Reichweite der Lichtschranke und ihre Verwendbarkeit unter ungünstigen
Wetterbedingungen weiter verbesserbar sind.
[0015] Die beiden Sensorelemente 8l und 8
2 sind an eine Auswerteschaltung 9 angeschlossen, die z.B. als Differenzschaltung ausgebildet
ist und ein Signal entsprechend dem Unterschied der Bestrahlung beider Elemente abgibt.
Durch eine unpolarisierte oder in anderer Weise polarisierte Fremdstrahlung, z.3.
Sonnen- oder Tageslicht, werden beide Sensorelemente in gleicher Weise von Strahlung
beaufschlagt und die Auswerteschaltung 9 gibt kein Signal ab, d.h. Fremdstrahlung
dieser Art wird automatisch eliminiert. Bei Auftreten von strahlungsstreuendem Nebel
in der Ueberwachungsstrecke 3 wird ebenfalls die Bestrahlung beider Sensorelemente
8
1,8
2 in gleicher Weise beeinflusst, so dass auch hier keine Differenz auftritt und die
Differenzschaltung 9 kein Signal weitergibt. Es kann also auch unter ungünstigen Umständen,
d.h. bei Anwesenheit von Fremdstrahlung, bei Nebel oder Regen, und bei sehr grosser
Reichweite oder Ueberwachungsstreckenlänge mit unverminderter oder sogar noch verbesserter
Empfindlichkeit gearbeitet werden, ohne dass die Lichtschranke unempfindlich wird
oder ein fehlerhaftes Signal gibt. Ein echter Eindringling wird dagegen die beiden
räumlich gegeneinander versetzten Strahlungszweige
31,
32 nacheinander durchqueren und dabei je ein Differenzsignal erzeugen, d.h. ein Eindringling
wird in jedem Fall mit grosser Sicherheit ein Alarmsignal auslösen. Die Nachweissicherheit
und die Selektivität für einen Eindringling kann dabei noch dadurch verbessert werden,
dass die Auswerteschaltung so ausgebildet wird, dass die von den beiden Sensorelemente
8
1 und 8
2 gelieferten Signale mit einer bestimmten Zeitdifferenz zueinander auftreten müssen,
z.B. innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters, und mit einer bestimmten Intensität,
oder mit anderen geeigneten Kriterien, um einen Alarm auslösen zu können. Aus den
Signalen können mit einer geeignet ausgebildeten Schaltung auch noch weitere Informationen,
z.B. über Grösse und Geschwindigkeit des detektierten Objektes, gewonnen werden.
[0016] Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem identische Elemente
mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, wie in der vorstehend beschriebenen
Lichtschranke, ist das erste, hälftig geteilte Polarisationsfilter 10 zwischen der
Strahlungsquelle 1 und der Linse 2 angeordnet, und das weitere Polarisationsfilter
11 zwischen den Halblinsen 6
1, 6
2 und dem Strahlungssensor 8.
[0017] St
attdessen können die Polarisationsfilter auch direkt auf die Oberflächen, d.h. die
Vorderseite oder die Rückseite der Linse 2, bzw. der Halblinsen 6
1 und
62 aufgebracht sein. Es ist auch möglich, die Linse 2 aus unterschiedlich polarisierten
Teilen aus polarisierendem Material auszubilden oder diese Linse Zonen mit unterschiedlicher
Polarisation zusammenzusetzen, wobei jeweils die empfängerseitigen Linsen analog ausgeführt
und aufgebaut sind.
[0018] Auch weitere Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Statt einer Anordnung
der Strahlungszweige horizontal nebeneinder können diese z.B. auch in anderer Weise
vorgesehen sein. So können diese etwa als zentraler Teil und als diesen konzentrisch
umgebenden Ring ausgeführt sein, und der Strahlungssensor entsprechend mit einer strahlungsempfindlichen
Zone im Zentrum und einer diese ringförmig umgebenden zweiten strahlungsempfindlichen
Zone. Damit muss bei der Montage nicht mehr auf die Orientierung geachtet werden.
[0019] Figur 3 zeigt ein Polarisationsfilter 4 oder 5, bzw. 10 oder 11, das durch eine vertikale
Trennlinie 12 in zwei Hälften 13 und 14 mit unterschiedlicher Polarisation unterteilt
wird. Die Polarisation ist in beiden Hälften linear, und zwar in einer Hälfte 13 in
vertikaler und in der anderen Hälfte orthogonal dazu in horizontaler Richtung. Beide
Polarisationsarten sind also voneinander unabhängig, d.h. derart polarisierte Strahlungen
löschen sich gegenseitig aus.
[0020] Bei dem in Figur 4 dargestellten Polarisationsfilter ist ebenfalls eine lineare Polarisation
vorgesehen, jedoch sind die beiden Polarisationsrichtungen in den Hälften 13 und 14
etwa 45° gegen die Horizontale oder Vertikale geneigt.
Da natürliche Fremdstrahlungen, z.B. Sonnenstrahlung oder Himmelslicht, wenn überhaupt
nennenswert, dann fast imner bevorzugt entweder vertikal oder horizontal polarisiert
sind, so ist deren Einfluss auf die beiden nur für 45°-polarisierte Strahlung sensibilisierten
Sensorelemente gleich und wird durch die Auswerteschaltung eliminiert.
[0021] Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform eines Polarisationsfilters sind die
beiden Hälften 13 und 14 nicht linear, sondern zirkular polarisierend ausgebildet.
Die beiden Hälften haben dabei einen entgegengesetzten Drehsinn, d.h. der Teil 13
ist linksdrehend, und der Teil 14 rechtsdrehend zirkular polarisierend ausgebildet.
Auch hierdurch können Fremdstrahlungen weitgehend eliminiert oder unwirksam gemacht
werden.
[0022] Wie bereits erwähnt, muss die Trennungslinie 12 der beiden Hälften 13 und 14 der
Polarisationsfilter 4 und 5 nicht unbedingt vertikal verlaufen. Durch die Aufteilung
muss jedoch gewährleistet sein, dass Stahlungszweige gebildet werden, die von einem
Eindringling nacheinander mit einer gewissen messbaren Zeitdifferenz durchquert werden.
[0023] Figur 6 zeigt ein Beispiel einer geeigneten Auswerteschaltung, bei dem die beiden
Sensorelemente 8
1 und 8
2 als Phototransistoren Ph ausgebildet sind, die mit zugehörigen Widerständen in
Emitterfolgerschaltung liegen und ihr Ausgangssignal über je einen Vorverstärker 15,
bzw. 16 je einer Sample & Hold-Schaltung zuleiten. Da die Strahlungsquelle aus Gründen
der Störsicherheit vorzugsweise als Impulsstrahler mit einer bestimmten Impulsfrequenz
betrieben wird, und die Vorverstärker entsprechend frequenzselektiv ausgebildet sind,
speichern die beiden Sample & Hold-Schaltungen 17 und 18 die Maxima der Impulse für
eine kurze Zeit und geben sie an eine
Differenzschal- tuna 19 weiter, und liefern andererseits an eine Ueberwachungsschaltung
20 ein Signal, falls die Eingangsimpulse ausbleiben oder deren Intensität unter eine
gegebene Schwelle sinkt, und zeigen eine Störung oder Sabotageversuch an.
[0024] Da der positive Eingang der Differenzschaltung 19 von dem einen Sensorelement 6 und
der negative Eingang vom anderen Sensorelement 8 2 angesteuert wird, erscheint am
Ausgang der Differenzschaltung 19 ein positives Signal, bzw. ein negatives Signal,
je nachdem, welches Sensorelement eine Bestrahlungsänderung erfahren hat. Werden die
beiden Strahlungszweige nacheinander von einem Objekt durchquert, so erscheint also
nacheinander in kurzem Zeitabstand ein positiver und ein negativer Impuls. Die Ausgangssignale
der Differenzschaltung 19 werden je einem positiven und negativen Schwellenwertdetektor
21, 22 zugeführt, die die Signale an zwei kreuzweise geschaltete ODER-Tore 23, 24
weiterleiten, sofern deren Intensität die vorgegebenen Schwellenwerte übersteigen.
Die ODER-Tore 23 und 24 geben bei Auftreten eines ersten positiven oder negativen
Impulses einen Startimpuls an den
Starteingang eines Zählers und Zeitfensterkomparators 25 und den zweiten positiven
oder negativen Impuls an den
Stopeingang dieses Zählers 25. Dieser ist nun so ausgebildet, dass er ein Signal an
einen Alarmsignalgeber 26 abgibt, wenn der Zweite oder Stopimpuls innerhalb eines
vorgegebenen
Zeitfensters liegt, d.h. wenn der zweite Impuls frühestens nach einer bestimmten Minimalzeit,
aber spätestens nach einer vorgegebenen Maximalzeit eintrifft. Die Minimalzeit kann
auch Null gewählt werden, wenngleich eine endliche Minimalzeit eine grössere Sicherheit
bietet. Nach Ablauf der vorgegebenen Maximalzeit wird der Stopeingang blockiert und
der Zähler automatisch zurückgestellt, so dass die Schaltung wiederum betriebsbereit
ist.
[0025] Es versteht sich, dass statt der beschriebenen Schaltung auch andere Schaltungen
mit analoger und äquivalenter Funktion verwendet werden können.
l. Lichtschranke mit einer Strahlungsquelle (1) und einem von deren Strahlung beaufschlagten
Strahlungssensor (8) mit wenigstens zwei Sensorelementen (81, 82), wobei Mittel (4) zur Polarisierung der Strahlung und vor den beiden Sensorelementen
unterschiedlich polarisierte Strahlungsfilter (6) vorgesehen sind, und die beiden
Sensorelemente in einer Auswerteschaltung (9) miteinander verbunden sind, welche bei
unterschiedlicher Be- strahlung der beiden Senseorelemente (8 , 82) ein Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung aus zwei räumlich
gegeneinander versetzten Strahlungszweigen (31, 32) mit unterschiedlicher, voneinander unabhängiger Polarisation besteht, und dass die
Strahlung aus den beiden Strahlungszweigen (31, 32) mit unterschiedlicher Polarisation auf je ein Sensorelement (81, B2) geleitet wird.
2. Lichschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass strahlungsquellen- und
strahlungssensorseitig je ein .Polarisator (4, 5) vorgesehen ist, der zwei Teilflächen
(13, 14) aufweist, die die Strahlung linear polarisieren, wobei die Polarisationsebenen
der beiden Teilflächen (13, 14) orthogonal zueinander sind.
3. Lichtschranke nach Anspruch 2, dädurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsebenen
der beiden Teilflächen (13, 14) um 45° gegen die Horizontalebene geneigt sind.
4. Lichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass strahlungsquellen-
und strahlungssensorseitig je ein Polarisator (4, 5) vorgesehen ist, der zwei Teilflächen
(13, 14) mit entgegengesetzter zirkularer Polarisation aufweist.
5. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1- 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei
räumlich gegeneinander versetz- ten Strahlungszweige (3 , 3 ) sich in gewissem Masse,
jedoch nicht vollständig überdecken.
6. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
zwei Strahlungszweige (3 , 32) horizontal nebeneinander angeordnet sind.
7. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
zwei Strahlungszweige konzentrisch zueinander angeordnet sind.
8. Lichtschranke nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswerteschaltung (9) eine Differenzschaltung (19) aufweist, die ein Signal in Abhängigkeit
von der Differenz der Signale der Sensorelemente (81, 82) bildet.
9. Lichtschranke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung
(9) Schwellenwertschaltungen (21, 22) aufweist, die ein Signal weiterleiten, wenn
das Ausgangssignal der Differerenzschaltung (19) vorbestimmte Schwellenwerte über-
oder unterschreitet.
10. Lichtschranke nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung
(19) einen Zeitfensterkomparator (25) aufweist, der ein Alarmsignal auslöst, wenn
nach Eintreffen des Signales eines Sensorelementes innerhalb einer durch einen Minimal-
und einen Maximalwert vorgegebenen Zeitspanne ein Signal von dem anderen Sensorelement
eintrifft.