Optische Sensoren: Lichtschranke und Reflexlichttaster

Ein optischer Sensor besteht im Kern aus zwei Bauteilen: einem Sender, der Licht aussendet, und einem Empfänger, der dieses Licht aufnimmt. Der Sender ist fast immer eine Leuchtdiode, meist eine Infrarot-LED, deren Licht für das menschliche Auge unsichtbar ist. Der Empfänger ist ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement – eine Fotodiode oder ein Fototransistor –, das auf das eintreffende Licht mit einem messbaren elektrischen Signal reagiert.

Das Prinzip ist denkbar einfach: Trifft Licht auf den Empfänger, liefert er ein Signal. Wird der Lichtweg gestört – durch ein Objekt, das den Strahl unterbricht, oder im Gegenteil durch ein Objekt, das den Strahl erst zurückwirft –, ändert sich dieses Signal. Eine Auswerteschaltung im Sensor macht daraus ein sauberes Schaltsignal: Objekt erkannt oder nicht erkannt.

Der große Vorteil gegenüber einem mechanischen Schalter, der das Objekt körperlich berühren muss: Es gibt keinen Verschleiß durch Kontakt, die Erkennung erfolgt extrem schnell, und sie funktioniert über Distanzen von wenigen Millimetern bis zu mehreren Dutzend Metern. Genau diese Spannbreite erklärt, warum es nicht den einen optischen Sensor gibt, sondern mehrere Bauarten für unterschiedliche Aufgaben.

Neben den optischen Sensoren gibt es weitere berührungslose Prinzipien – induktive Näherungsschalter für Metall, kapazitive für nahezu beliebige Materialien, Ultraschallsensoren für Distanzen unabhängig von der Oberflächenfarbe. Sie werden jeweils gesondert behandelt. Optische Sensoren punkten dort, wo große Reichweiten, hohe Geschwindigkeit und die Erkennung beliebiger Materialien gefragt sind.

Die Einweg-Lichtschranke ist das ursprünglichste der drei Prinzipien. Sender und Empfänger sitzen in zwei getrennten Gehäusen, die sich gegenüberstehen. Der Sender schickt seinen Lichtstrahl direkt zum Empfänger. Solange der Strahl ungehindert ankommt, meldet der Empfänger „freie Bahn“. Schiebt sich ein Objekt zwischen die beiden, wird der Strahl unterbrochen – und genau das erkennt der Sensor.

Weil das Licht nur einen einzigen Weg vom Sender zum Empfänger zurücklegt und nicht reflektiert werden muss, erreicht die Einweg-Lichtschranke die mit Abstand größte Reichweite aller drei Bauarten – je nach Gerät mehrere Dutzend Meter. Der Strahl ist außerdem kräftig und unempfindlich gegen Verschmutzung und Fremdlicht, weil die volle Sendeleistung beim Empfänger ankommt. Das macht sie zum zuverlässigsten Prinzip, was auch der Grund ist, dass dieses Verfahren bei Sicherheitsanwendungen eine zentrale Rolle spielt.

Der Preis dafür: Man braucht zwei Geräte und muss beide mit Strom versorgen und verdrahten – Sender und Empfänger liegen an entgegengesetzten Stellen der Maschine. Außerdem müssen sie sauber zueinander ausgerichtet sein, sonst trifft der Strahl daneben.

Die Reflexions-Lichtschranke vereint Sender und Empfänger in einem einzigen Gehäuse. Damit der Empfänger trotzdem Licht bekommt, wird gegenüber ein Reflektor montiert – eine spezielle Reflexfolie oder ein Tripelreflektor. Ein Tripelreflektor besteht aus vielen winzigen Zellen mit jeweils drei rechtwinklig zueinander stehenden Spiegelflächen, ähnlich der Ecke eines Würfels. Diese Geometrie wirft jeden auftreffenden Strahl exakt in die Richtung zurück, aus der er gekommen ist – unabhängig davon, wie genau der Reflektor ausgerichtet ist. Im Normalzustand läuft der Strahl also vom Sensor zum Reflektor und wieder zurück zum Empfänger. Schiebt sich ein Objekt in den Weg, bricht dieser Rückweg ab, und der Sensor schaltet.

Der Vorteil liegt in der Montage: Es gibt nur ein aktives Gerät, das verdrahtet werden muss. Auf der Gegenseite sitzt nur der passive Reflektor, der weder Strom noch Kabel braucht. Die Reichweite liegt zwischen der Einweg-Lichtschranke und dem Reflexlichttaster – typischerweise einige Meter –, weil das Licht den Weg zweimal zurücklegt und dabei Leistung verliert.

Ein bekanntes Problem entsteht bei glänzenden oder spiegelnden Objekten: Eine blanke Dose oder eine Folie kann das Licht selbst zum Empfänger zurückwerfen und so vortäuschen, der Reflektor sei noch sichtbar – obwohl das Objekt eigentlich erkannt werden müsste. Gegen diesen Effekt arbeiten polarisierende Ausführungen. Der Sender schickt dabei Licht mit einer bestimmten Schwingungsebene aus, und vor dem Empfänger sitzt ein Polarisationsfilter, der nur um 90° gedrehtes Licht durchlässt. Genau diese 90°-Drehung leistet der Tripelreflektor durch seine dreifache Spiegelung: Das vom Reflektor zurückgeworfene Licht ist gedreht und passiert den Filter. Eine glänzende Oberfläche dagegen dreht die Schwingungsebene nicht – ihr Rückwurf bleibt ungedreht und wird vom Filter blockiert. So unterscheidet der Sensor den echten Reflektor von einem spiegelnden Objekt und erkennt das Objekt korrekt als Unterbrechung.

Beim Reflexlichttaster – oft auch nur „Taster“ genannt – sitzen Sender und Empfänger wie bei der Reflexions-Lichtschranke in einem Gehäuse. Der entscheidende Unterschied: Es gibt keinen Reflektor. Das Licht wird vom zu erkennenden Objekt selbst zurückgeworfen. Im Grundzustand ist der Strahlweg frei und es kommt kein oder nur wenig Licht zurück; sobald ein Objekt in den Tastbereich gelangt, reflektiert dessen Oberfläche einen Teil des Lichts zum Empfänger, und der Sensor schaltet.

Das kehrt die Logik der Lichtschranken um: Dort meldet das Objekt sich durch Unterbrechung, hier durch Rückwurf. Der praktische Gewinn ist groß – man braucht nur eine Seite zur Montage, weder ein zweites Gerät noch einen Reflektor gegenüber. Das ist oft der einzige Weg, wenn auf der Gegenseite schlicht kein Platz ist.

Der Preis dieser Bequemlichkeit ist die Abhängigkeit vom Objekt. Wie viel Licht zurückkommt, hängt von Farbe, Oberfläche und Ausrichtung des Objekts ab. Eine weiße, matte Fläche reflektiert kräftig, eine schwarze, glänzende oder schräg stehende Fläche kaum. Entsprechend ist die Reichweite die geringste der drei Bauarten und für jedes Objekt unterschiedlich. Heikel wird es, wenn der Hintergrund heller reflektiert als das Objekt – dann „sieht“ der Taster den Hintergrund und schaltet, ohne dass ein Objekt da ist.

Gegen dieses Problem arbeitet die Hintergrundausblendung. Solche Taster werten nicht nur die Lichtmenge aus, sondern auch den Winkel, unter dem das Licht zurückkommt. Über die Geometrie des Empfangswegs lässt sich eine feste Tastweite einstellen: Alles, was näher als diese Grenze liegt, wird erkannt; alles dahinter – der Hintergrund – wird ignoriert, egal wie hell es reflektiert. Damit wird der Reflexlichttaster auch dort brauchbar, wo dunkle Objekte vor hellem Hintergrund erkannt werden müssen.

In der Projektpraxis läuft die Wahl des optischen Sensors fast immer auf drei Fragen hinaus: Wie weit muss er sehen, wie viel Platz ist für die Montage, und wie konstant sind die Objekte? Die folgende Tabelle stellt die drei Bauarten gegenüber.

Als Faustregel: Wo es auf Reichweite und Sicherheit ankommt und Platz für zwei Geräte ist, führt kein Weg an der Einweg-Lichtschranke vorbei. Wo nur eine Seite verdrahtet werden soll, aber ein Reflektor gegenüber montierbar ist, ist die Reflexions-Lichtschranke der gute Kompromiss. Wenn gegenüber gar kein Platz ist, bleibt der Reflexlichttaster – dann aber mit wachem Blick auf die Objektoberflächen und, wo nötig, mit Hintergrundausblendung.

Hell- und Dunkelschaltung: Jede dieser Bauarten lässt sich in der Regel so einstellen, dass das Schaltsignal entweder bei freiem Lichtweg oder bei unterbrochenem Lichtweg ansteht. Bei Hellschaltung schaltet der Ausgang, wenn der Empfänger Licht bekommt; bei Dunkelschaltung schaltet er, wenn kein Licht ankommt. Welche Variante richtig ist, hängt von der Steuerungslogik ab – etwa ob „Objekt vorhanden“ oder „Bahn frei“ das aktive Signal sein soll.

Wie das Schaltsignal elektrisch ankommt – als schaltender PNP- oder NPN-Ausgang, in 3-Leiter-Technik, und ob das Signal binär oder analog ausgewertet wird –, ist nicht spezifisch für optische Sensoren und wird bei den Anschlussarten und Signalarten gesondert behandelt.

Was die drei Bauarten gemeinsam haben, sind ihre Störquellen. Fremdlicht – Sonne, Hallenbeleuchtung, ein benachbarter Sensor – kann den Empfänger irritieren; moderne Geräte arbeiten deshalb mit moduliertem Licht, das sie von Gleichlicht unterscheiden. Verschmutzung der Optik schwächt den Strahl; eine ausreichende Funktionsreserve bei der Auslegung sorgt dafür, dass der Sensor auch mit leicht verschmutzter Linse noch sicher schaltet. Und glänzende oder spiegelnde Objekte bleiben bei den Reflexionsbauarten ein Thema, dem man mit Polarisation oder Hintergrundausblendung begegnet.