Diese Rolle spielen Reflektoren in der Sensorik
Reflektoren werden in der Sensorik für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb von Spiegelreflexschranken eingesetzt. Meist handelt es sich dabei um Retroreflektoren, die aus einer Vielzahl von Tripelspiegeln als Reflexionsfläche aufgebaut sind. Die Reflexionsfläche ist meist in ein Gehäuse integriert und wird durch eine Scheibe vor Umgebungseinflüssen geschützt. Eine Besonderheit der sogenannten Retroreflektoren ist, dass durch die dreidimensionalen Tripelspiegelstrukturen Licht nahezu vollständig in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert wird. Neben den Retroreflektoren gibt es die Reflexfolie, die einen Reflektor in Folienform darstellt und dadurch biegsam sowie häufig selbstklebend ist. Die reflektierende Fläche ist zum Schutz vor Umgebungseinflüssen unter einer transparenten Deckschicht realisiert.
Diese Arten der Reflexion gibt es
Bei der Reflexion von Licht unterscheidet man zwischen drei Arten. Diese stehen in Abhängigkeit zur Oberflächenbeschaffenheit, auf die der Lichtstrahl trifft.
Diffuse Reflexion
Die diffuse Reflexion, auch Streuung genannt, tritt bei rauen, unebenen Oberflächen auf. Die Lichtstrahlen werden unregelmäßig in alle Richtungen remittiert. Nur ein geringfügig kleiner Anteil des Lichts wird in Richtung der Quelle zurückgeworfen.
Spiegelreflexion
Die regelmäßige Reflexion tritt bei spiegelglatten und glänzenden Oberflächen auf. Dabei wird der auftreffende Lichtstrahl nach dem Reflexionsgesetz reflektiert (Einfallswinkel entspricht Ausfallswinkel).
Retroreflexion
Bei der Retroreflexion wird der Lichtstrahl in die Richtung zurückgeworfen, aus der er gekommen ist. Diese Reflexionsart wird typischerweise für Spiegelreflexschranken und in Kombination mit Lichtlaufzeitsensoren genutzt.
Die Funktionsweise eines Retroreflektors
Ein Retroreflektor ist ein Reflektor, der das einfallende Licht in Einfallsrichtung, also zurück zur Lichtquelle unabhängig vom Einfallswinkel reflektiert. Die angestrahlte Fläche (Reflektorstruktur) hat hierfür eine besondere feine Winkelstruktur bestehend aus vielen kleinen Tripelspiegeln.
Das Prinzip des Tripelreflektors
Bei einem Tripelreflektor stehen drei Spiegelflächen senkrecht zueinander und bilden die Innenecke eines Würfels, auch „Corner Cube“ genannt. Der Lichtstrahl trifft auf die erste planare Spiegelfläche und wird nach dem Reflexionsgesetz auf eine benachbarte Reflexionsfläche der Tripelstruktur reflektiert (Spiegelreflektion). Anschließend wird der Lichtstrahl nach dem gleichen Prinzip an zwei weiteren, angrenzenden Reflexionsflächen reflektiert. Mit einem leichten Strahlenversatz (relativ zum Einfallsstrahl) wird somit der Lichtstrahl parallel zurück zur Lichtquelle zurückgelenkt. Diese Reflexionsart heißt Retroreflexion.
Die Funktionsweise einer Spiegelreflexschranke mit Reflektor oder Reflexfolie
Das Funktionsprinzip der Spiegelreflexschranke mit Retroreflektor beruht auf der Polarisation und dem Polarisator.
Das ist Polarisation
Ein Lichtstrahl kann als eine elektrometrische Welle betrachtet werden. Die Lichtwellen schwingen in verschiedenen vertikalen und horizontalen Richtungen. Die Polarisation von Licht beschreibt die Schwingungsrichtung. Hat das Licht keine Vorzugsrichtung, so wird es unpolarisiertes Licht genannt.
Ein Lichtstrahl kann als eine elektrometrische Welle betrachtet werden. Die Lichtwellen schwingen in verschiedenen vertikalen und horizontalen Richtungen. Die Polarisation von Licht beschreibt die Schwingungsrichtung. Hat das Licht keine Vorzugsrichtung, so wird es unpolarisiertes Licht genannt.
Das ist ein linearer Polarisator
Ein linearer Polarisator ist ein Filter, der das Licht in einer definierten Schwingungsrichtung (zum Bespiel vertikal polarisiert) transmittiert, während Licht in der Schwingungsrichtung orthogonal dazu nicht transmittiert wird. Das transmittierte Licht ist also entsprechend der Orientierung des Polarisators linear polarisiert.
Ein linearer Polarisator ist ein Filter, der das Licht in einer definierten Schwingungsrichtung (zum Bespiel vertikal polarisiert) transmittiert, während Licht in der Schwingungsrichtung orthogonal dazu nicht transmittiert wird. Das transmittierte Licht ist also entsprechend der Orientierung des Polarisators linear polarisiert.
Funktionsweise einer Spiegelreflexschranke mit Reflektor
Das Funktionsprinzip einer Spiegelreflexschranke nutzt die Eigenschaften des Polarisators in Kombination mit den optischen Eigenschaften des Retroreflektors.
- Ein Sensor mit integriertem Polarisator emittiert Licht in vertikaler Schwingungsrichtung.
- Das Licht trifft auf einen Retroreflektor mit Tripelspiegelstruktur. Der Lichtstrahl wird auf den drei Spiegelseiten reflektiert, wobei die Polarisation des Lichts zu einem gewissen Anteil von der vertikalen in die horizontale Richtung rotiert wird.
- Auf Empfängerseite im Sensor ist ein horizontaler Polarisationsfilter eingebaut. Durch den Polarisationsfilter wird Licht mit horizontaler Polarisation (vom Reflektor kommend) zum Empfangselement im Sensor transmittiert.
- Wird nun ein Objekt zwischen Sensor und Reflektor in den Strahlengang eingebracht, wird das Signal auf Empfängerseite gedämpft und das Objekt dadurch erkannt. Durch die Nutzung der Polarisation des Lichts funktioniert eine Spiegelreflexschranke auch bei glänzenden Objekten. Bei diesen wird im Gegensatz zum Retroreflektor die Richtung der Polarisation nicht gedreht.
Das muss bei der Wahl des Reflektors beachtet werden
Bei der Auswahl des Reflektors gibt es verschiedene Faktoren, die zu beachten sind. Es ist ein Zusammenspiel der Reflektorstruktur, der Lichtart sowie der Reichweite und der Sensoroptik (Einlinsenoptik und Zweilinsenoptik). Auch die Reflektorgröße sollte bei der Entscheidung berücksichtigt werden. Zudem spielen die Umgebungsbedingungen, denen ein Reflektor ausgesetzt ist, eine große Rolle bei der Wahl des geeigneten Reflektors und Reflexfolie.
Die Struktur beschreibt bei Reflektoren und Reflexfolien die Form der Elemente (Tripel, Würfelecken) auf der Reflexionsfläche. Diese können unterschiedliche Tripelstrukturgrößen haben. Von sehr kleinen durchgängigen Strukturen, Tripelstrukturen im Mikrometerbereich (Mikrostruktur) bis hin zu makroskopischen Tripel- (Makrostruktur) beziehungsweise Wabenstrukturen.
Für viele Applikationen ist es von Bedeutung, dass das Licht vom Sender auf möglichst viele Tripelstrukturen des Reflektors trifft, damit möglichst viel Licht retroreflektiert werden kann und das empfangene Signal stabil ist. Trifft etwa ein Lichtstrahl mit kleinem Strahldurchmesser (zum Beispiel Laserlicht) auf wenige Tripel, so kann es unter dem Einfluss von Vibrationen in der Applikation vorkommen, dass das empfangene Signal nicht stabil ist. Das wiederum kann zu Störungen führen.
Für viele Applikationen ist es von Bedeutung, dass das Licht vom Sender auf möglichst viele Tripelstrukturen des Reflektors trifft, damit möglichst viel Licht retroreflektiert werden kann und das empfangene Signal stabil ist. Trifft etwa ein Lichtstrahl mit kleinem Strahldurchmesser (zum Beispiel Laserlicht) auf wenige Tripel, so kann es unter dem Einfluss von Vibrationen in der Applikation vorkommen, dass das empfangene Signal nicht stabil ist. Das wiederum kann zu Störungen führen.
Diese Lichtart eignet sich bei Mikrostrukturen
Ein Laserstrahl besitzt typischerweise eine sehr geringe Strahldivergenz und einen geringen Strahldurchmesser (bis zu unter einem Millimeter). Aus diesem Grund sind in der Regel kleine Tripelstrukturen mit Mikro- oder durchgängiger Struktur die empfohlene Reflektorvariante. Trifft das Laserlicht hingegen auf wenige Tripel, so kann es unter dem Einfluss von Vibrationen in der Applikation vorkommen, dass das empfangene Signal nicht stabil ist und Störungen auftreten.
Bei Spiegelreflexschranken für transparente Materialien wird ebenfalls ein Reflektor mit Mikrostruktur empfohlen, da geringe Lichtintensitätsänderungen detektiert werden müssen.
Bei Spiegelreflexschranken für transparente Materialien wird ebenfalls ein Reflektor mit Mikrostruktur empfohlen, da geringe Lichtintensitätsänderungen detektiert werden müssen.
Diese Lichtart eignet sich bei Makrostrukturen
Für viele Applikationen ist es von Bedeutung, dass das Licht vom Sender auf möglichst viele Tripelstrukturen des Reflektors trifft, damit möglichst viel Licht retroreflektiert werden kann und das empfangenen Signal stabil ist. Eine Spiegelreflexschranke mit Rotlicht hat typischerweise einen größeren Strahldurchmesser (mehrere cm) und ist daher mit einem Reflektor mit größeren Tripelstrukturen, wie Makro – oder Wabenstruktur, kombinierbar. Der Vorteil einer großen Trippelstruktur ist der Reflexionsgrad, denn je größer die Tripel, umso mehr auftreffendes Licht wird von der Fläche reflektiert und umso höher ist die erzielbare Reichweite.
Die Wahl des Reflektors wird maßgeblich von der Form des Lichtstrahls beeinflusst. Der Strahlverlauf und der Abstand zwischen Sensor und Reflektor sind dabei wichtige Einflussgrößen. Der Reflektor wird so passend zum Strahldurchmesser gewählt. Auf große Entfernungen werden Lasersensor und Reflektoren mit Makrostruktur kombiniert, sofern der Reflektor weit hinter dem Fokuspunkt angebracht wird (und der Strahldurchmesser entsprechend größer ist).
Divergenter Lichtstrahl
Der Strahldurchmesser eines divergenten Lichtstrahls wird in Ausbreitungsrichtung größer (zum Beispiel emittiertes Licht von einer Leuchtdiode)
Fokussierter Lichtstrahl
Der Lichtstrahl hat einen Fokuspunkt, an dem der Strahl sehr dünn ist. Daher werden Spiegelreflexschranken mit fokussiertem Licht zur Erkennung kleiner Teile eingesetzt. Nach dem Fokuspunkt verläuft der Lichtstrahl divergent auseinander.
Kollimierter Lichtstrahl
Der Lichtstrahl ist wenige Millimeter breit und hat eine sehr geringe Divergenz (zum Beispiel Laser).
Eine wichtige Eigenschaft eines Retroreflektors ist, dass möglichst viel Licht in Richtung Lichtquelle zurückgeworfen wird - unabhängig von der Tripelgröße. Je nach Sensortyp gibt es Effekte, die bei der Positionierung beachtet werden sollten.
So funktioniert eine Einlinsenoptik
Sensoren mit Einlinsenoptik verfügen über nur eine Linse, die sowohl für den Sender als auch für den Empfänger verwendet wird. Sie zeichnen sich durch einen sehr kleinen Mindestabstand zwischen Sensor und Reflektor aus. Das ist möglich, da das Licht direkt dort zur Lichtquelle zurückgeworfen wird, wo die Empfängerlinse das reflektierte Licht aufnimmt.
So funktioniert eine Zweilinsenoptik
Bei einer Zweilinsenoptik sind die Sender- und Empfängerlinse separat in einem Gehäuse untergebracht. Um zu verhindern, dass reflektiertes Licht auf den Sender und nicht auf den Empfänger trifft, müssen Sensor und Reflektor einen ausreichend großen Abstand zueinander haben. Dies gilt insbesondere für Anwendungen im Nahbereich. Lichtstrahlen werden bei Tripelstrukturen mit Öffnungswinkel ≠ 90° in einen größeren Raumwinkel zurückreflektiert, sodass Licht auf den Empfänger trifft. Zu beachten ist, dass bei Montage eines Reflektors die Vorgaben im Datenblatt beachtet werden müssen, da die Reichweite des Sensors (Bezugsreflektor) mit anderen Reflektoren kleiner oder größer sein kann. Der Mindestabstand des Reflektors (untere Grenze der Reichweite) ist dabei nicht zu verwechseln mit einem sogenannten Blindbereich, welcher sich auf das zu erkennende Objekt bezieht.
Reflektorposition bei Zweilinsenoptiken
Der richtige Abstand zwischen Sensor und Reflektor ist entscheidend dafür, wie viel Licht zur Lichtquelle zurückreflektiert wird. Befindet sich der Reflektor zu nah am Sensor (gelber Bereich), trifft das reflektierte Licht nicht auf den Empfänger und es wird kein Signal erzeugt. Ist der Reflektor zu weit vom Sensor entfernt (roter Bereich), ist das reflektierte Licht zu schwach, um ein Signal auszulösen. Wird der Reflektor in einem ausreichend großen Abstand zum Sensor positioniert (grüner Bereich), kann ein Objekt, welches sich im grauen Bereich befindet, erkannt werden, da das Signal auf der Empfängerseite geschwächt wird.
Die Größe des Reflektors sollte dem Lichtfleck des auftreffenden Lichtstrahls angepasst sein.
• Je größer der Reflektor oder die Reflexfolie, desto einfacher kann der Sensor in großen Distanzen ausgerichtet werden.
• Kleine Reflektoren können im Nahbereich und bei geringen Platzverhältnissen gut verwendet werden.
• Je größer der Reflektor oder die Reflexfolie, desto einfacher kann der Sensor in großen Distanzen ausgerichtet werden.
• Kleine Reflektoren können im Nahbereich und bei geringen Platzverhältnissen gut verwendet werden.
Ist der Lichtstrahl exakt gleich groß wie der Reflektor und liegt eine große Distanz zwischen Sensor und Reflektor vor, so reichen kleine Erschütterungen aus, um einen Teil des Strahls vom Reflektor wegzubewegen. Dies ruft eine Signalstärkeänderung hervor, die auch bei Temperaturschwankungen auftreten (etwa im Bereich der Montage des Sensors oder Reflektors). Daher ist es sinnvoll, einen etwas größeren Reflektor im Vergleich zum Strahldurchmesser zu wählen.
Befestigungsmöglichkeiten von Reflektoren und Reflexfolien
Je nach Anwendung und Einsatzzweck der Reflektoren kann zwischen verschiedenen Befestigungsmöglichkeiten gewählt werden.
Befestigungslöcher
Im Gehäuse des Reflektors sind Lang- oder Rundlöcher diagonal, gegenüber oder nebeneinander integriert.
Schraube
Runde Reflektoren lassen sich mit eingespritzter metrischen Schraube im Gehäuse direkt in Bohrlöcher einschrauben.
Befestigungsstopfen
Runde Reflektoren mit Clipbefestigung mit Hilfe eines integrierten Stopfens ermöglichen eine einfache Montage in Bohrungen.
Selbstklebend
Reflektoren und vor allem Reflexfolien haben eine selbstklebende Rückseite, welche auf Wände, Blechwangen oder anderen Oberflächen aufgeklebt werden können.
Einflussfaktoren auf Reflektoren und Reflexfolien
Raue Hochdruckreinigungen, hohen Temperaturen, intensiven Reinigungsvorgängen und mechanische Stöße und Vibrationen von außen – im industriellen Umfeld sind Sensoren und Reflektoren oft außergewöhnlichen Anforderungen ausgesetzt. Für diese Fälle bietet wenglor reinigungsmittelbeständige und robuste Reflektoren an.
- Reinigungsmittelbeständige Reflektoren sind für den Einsatz im Washdown-Bereich geeignet und können für einen Temperaturbereich von bis zu 150 °C verwendet werden.
- ECOLAB-zertifizierte Reflektoren eignen sich ebenfalls im Washdown-Bereich. Die Reflektoren zeichnen sich durch ihre blaue Farbe aus, wodurch Gehäusesplitter im Falle einer Beschädigung einfacher erkennbar sind.
- Eine Antifog-Beschichtung verhindert einen Beschlag auf den Reflektoren.
- Reflektoren mit einem robusten Gehäuse-Design sind aus Edelstahl V4A und haben eine Glasabdeckung über der Reflexionsfläche.
