Ob autonom agierender Roboter oder Papierhandtuchspender: Sensoren, die das menschliche Sehen nachempfinden, machen Geräte und Maschinen intelligenter. Lesen Sie in diesem Artikel, warum Infrarot-Abstandssensoren dafür die beste Wahl sind, und wieso Lichtschranken und Reflex-Lichttaster von der Genauigkeit nicht ausreichen.

Stereoskopisches Sehen (auch als höchste Form des Binokularsehens bezeichnet) ist eine wichtige Fähigkeit des menschlichen Körpers zur Tiefenwahrnehmung mit beiden Augen. Letztendlich funktioniert stereoskopisches Sehen nach dem gleichen Prinzip, das anspruchsvolle Abstandssensoren verwenden, um präzise Ergebnisse zu erzielen. Diese als Triangulation bekannte Funktion erlaubt die Berechnung der Position eines unbekannten Punktes in einem Dreieck auf der Grundlage der Entfernung zwischen zwei bekannten Punkten und der Kenntnis des jeweiligen Winkels.

Wo Lichtschranken an ihre Grenzen stoßen
Viele der heute gebräuchlichen Lichtschranken basieren auf einer einfacheren Konstruktion ohne Triangulation. Sie verwenden stattdessen eine Lichtquelle (meist Infrarot) in Kombination mit einem photoelektrischen Empfänger, der in der Lage ist, das reflektierende Licht des Emitters zu messen. Die Lichtquelle und der Lichtsensor können entweder zusammen in einem einzigen Bauteil montiert werden oder als zwei getrennte Einheiten, die eine sogenannte Einweglichtschranke bilden. Reflex-Lichtschranken senden einen Lichtstrahl auf einen Reflektor, der das Licht zurück in die Einheit schickt. In beiden Fällen erkennt der Empfänger, wenn der Strahl durch ein Objekt unterbrochen wird. Reflex-Lichttaster sind auf die Reflexion von Objekten in ihrer Nähe angewiesen. Wenn kein Objekt vorhanden ist, kann das Licht der Lichtquelle nicht zurückgeworfen werden. Tritt ein Objekt in den Sensorbereich ein, wird ein Teil des ausgesendeten Lichts in den integrierten Photodetektor reflektiert und signalisiert somit das Vorhandenseins eines Objekts.
Von den drei hier beschriebenen Lichtschranken ist nur der Reflex-Lichttaster für kleine oder tragbare Geräte geeignet. Die anderen beiden können eine zweiteilige, retroreflektierende Anordnung nicht aufnehmen. Automaten, wie berührungsfreie Wasserhähne in Toiletten, können keine getrennten Sender-Empfänger-Komponenten vereinen.
Doch das Abstandmessen basierend auf der Menge des reflektierten Lichts kann problematisch sein. Reflex-Lichttaster besitzen eine Achillesferse: den Absortionsfaktor der Farbe. Die Farbe und Struktur der Oberfläche eines Gegenstandes hat großen Einfluss darauf, wie viel Licht von der ausgehenden Lichtquelle reflektiert wird. Und solange einfache Sensoren nicht in der Lage sind, dies zu erkennen, ist die Genauigkeit der Reflex-Lichttaster beschränkt.

Auf den Blickwinkel kommt es an
Sobald sich ein beleuchtetes Objekt nähert, ändert sich nicht nur die Intensität des Lichts, sondern auch der Einfallswinkel. Voraussetzung dafür ist, dass man den Winkel von einer anderen Stelle misst, als dort, wo sich die Lichtquelle befindet. Um den Abstand zwischen Lichtquelle und Empfänger mit Hilfe des Einfallswinkels des Lichts zu messen, könnte man die Trigonometrie heranziehen, die auf der Theorie der Triangulationsmessung basiert. Doch obwohl die Grundprinzipien die gleichen sind, ist Trigonometrie zur Abstandsmessung nicht so präzise, wie die Infrarot-Abstandssensoren von Sharp. Sharp verwendet zwei optische Linsen, eine für den Sender und eine für den Empfänger. Hinter der Empfangslinse befindet sich ein Position Sensitive Detector (PSD) – auch Optischer Positionssensor (OPS) genannt –, der die Intensität der reflektierenden, ankommenden Infrarotstrahlung mit einem linear angeordneten Feld von Photodioden misst.
Für die analogen Abstandssensoren von Sharp variiert der Signalausgang des PSD im Verhältnis zu dem Einfallswinkel des ankommenden Lichtes und erzeugt eine Ausgangsspannung, die verwendet werden kann, um den Abstand des Objekts unter Verwendung einer mathematischen Formel zu berechnen.

Den richtigen Sensor wählen
Je nach Einsatzbereich variieren die Anforderungen an einen Sensor. Dafür ist es wichtig, den richtigen Sensor nach unterschiedlichen Parametern auszuwählen. Diese umfassen den digitalen oder analogen Ausgang, den Mindesterfassungsabstand, die maximale Reichweite und nicht zuletzt die Kosten und Größe. Darum verlassen sich viele Ingenieure und Produktentwickler auf Abstandssensoren von Sharp. Mit über einem Dutzend verschiedener Modelle von 1,5 cm bis 550 cm lassen sich die Infrarot-Abstandssensoren in den verschiedensten Branchen und Applikationen einsetzen. Mögliche Anwendungen reichen von der Dokumentenverarbeitung, Sanitäranlagen und Robotik bis zu Unterhaltungselektronik, Spielekonsolen und vielem mehr. So ist der Infrarot-Abstandssensor dazu bestimmt, eine menschlichere Note in eine ständig steigende Zahl von Mensch-Maschine-Interaktionen zu bringen.