Was ist ein optischer Sensor?
Ein optischer Sensor dient der berührungslosen Erfassung von Objekten, Farben, Kontrasten, Markierungen oder Abständen mithilfe von Licht. Je nach Funktionsprinzip kommen dabei unterschiedliche Sensortypen wie Lichtschranken, Lichttaster, Farb- oder Kontrastsensoren oder Abstandssensoren zum Einsatz. Sie werden etwa in der Verpackungs-, Lebensmittel- und Elektronikindustrie genutzt, um Prozesse präzise und zuverlässig zu überwachen und zu steuern.
Optische Sensoren: das Wichtigste in Kürze
- Optische Sensoren arbeiten immer mit einer Lichtquelle (z. B. LED oder Laser) und einem Empfänger.
- Sie erkennen, ob ein Objekt vorhanden ist, welchen Abstand es hat oder wie sich Farbe und Kontrast verhalten.
- Typische Sensortypen sind Lichtschranken, Lichttaster, Reflexionslichtschranken, Farb- und Kontrastsensoren sowie Abstandssensoren.
- Sie eignen sich für die schnelle, berührungslose Erfassung in vielen Branchen – von der Fördertechnik über Verpackungslinien bis zur Robotik.
- Im Vergleich zu rein mechanischen oder induktiven Lösungen bieten optische Sensoren je nach Technologie hohe Präzision, große Reichweiten und eine flexible Anpassung an unterschiedliche Materialien.
Aufbau & Funktionsweise optischer Sensoren
Ein optischer Sensor besteht aus wenigen zentralen Komponenten:
- Sende- und Empfangselement
Ein optischer Sensor verfügt immer über ein Sendeelement und ein Empfangselement. Das Sendeelement erzeugt einen Lichtstrahl, das Empfangselement nimmt das vom Objekt zurückkommende Signal auf. Die Anordnung dieser beiden Elemente hängt von der Art des Sensors ab. - Auswerte- und Steuerungselektronik
Neben Sende- und Empfangselement befindet sich in jedem Sensor eine Auswerte- und Steuerungselektronik. Sie verarbeitet das Signal des Empfängers und ermöglicht die Kommunikation des Sensors über unterschiedliche Schnittstellen.
Wie funktioniert ein optischer Sensor?
Die Funktionsweise optischer Sensoren basiert darauf, dass ein ausgesendeter Lichtstrahl durch ein Objekt beeinflusst wird – zum Beispiel unterbrochen, reflektiert oder in seiner Intensität abgeschwächt. Der Sensor wertet diese Änderung aus, um Anwesenheit, Farbe, Kontrast oder Abstand zu bestimmen.
Die Auswertung erfolgt nach folgendem Schema: Im Inneren des Sensors wird das Signal des Empfängers mit einem vordefinierten Schwellwert verglichen. Liegt die gemessene Lichtintensität über diesem Wert, gilt ein Objekt als erkannt, liegt sie darunter, wird kein Objekt detektiert.
Der Schwellwert ist werksseitig voreingestellt, kann jedoch – außer bei Fix-Fokus-Geräten – über einen Teach-in an die Anwendung angepasst werden. Beim Teach-in „sieht“ der Sensor ein Referenzobjekt und anschließend den Zustand ohne zu detektierendes Objekt, sodass die Schaltschwelle automatisch berechnet und entsprechend eingestellt wird.
Diese physikalischen Prinzipien machen wir uns bei optischen Sensoren zunutze:
| Sensortyp / Prinzip | Funktionsweise | Besonderheiten / Hinweise |
| Einweglichtschranke |
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| Reflexionslichtschranke |
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| Lichttaster / energetische Sensoren |
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| Kontrastsensoren |
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| Farbsensoren |
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| Abstandssensoren mit Triangulation (Trigonometrisch) |
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| Abstandssensoren mit Time-of-Flight (ToF) |
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| Autokollimationssensoren |
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Technische Begriffe kurz erklärt
Der beleuchtete Bereich auf der Objektoberfläche, der vom Sensor ausgewertet wird. Seine Größe beeinflusst die Genauigkeit und Auflösung der Detektion. Zur Erkennung kleiner Objekte wird ein kleiner Lichtfleck benötigt, insbesondere bei inhomogenen Oberflächen ist jedoch ein großer Lichtfleck vorteilhaft.
Welche Arten von optischen Sensoren gibt es?
Optische Sensoren lassen sich in verschiedene Gruppen mit unterschiedlichen Messprinzipien und Bauformen unterteilen. Je nachdem, wie der Lichtstrahl geführt und ausgewertet wird, eignen sich die Sensoren für unterschiedliche Aufgaben – von der einfachen Anwesenheitserkennung bis zur präzisen Abstandsmessung. Im Folgenden finden Sie einen Überblick über verschiedene optische Sensoren:
Lichtschranken
Lichtschranken überwachen einen geschlossenen Lichtweg.
- Bei Einweglichtschranken steht ein Sender einem Empfänger direkt gegenüber. Solange kein Objekt im Strahlengang ist, trifft das Licht ungehindert auf den Empfänger. Sobald ein Objekt den Strahl unterbricht, sinkt das Signal und der Sensor schaltet.
- Reflexionslichtschranken arbeiten zusätzlich mit einem Reflektor: Der Sensor sendet das Licht zum Reflektor und wertet das zurückkehrende Signal aus. Unterbricht ein Objekt den Weg zwischen Sensor und Reflektor, erkennt der Sensor die Anwesenheit des Objekts. Diese Funktionsweise eignet sich besonders für sichere Anwesenheits- und Zählaufgaben über mittlere bis große Distanzen.
- Gabellichtschranken bestehen aus einem fest ausgerichteten Sender und Empfänger, die in einem U-förmigen Gehäuse gegenüberliegen und einen permanent geschlossenen Lichtweg bilden. Wird ein Objekt in die Gabel eingeführt, unterbricht es den Strahl und der Sensor schaltet. Gabellichtschranken sind besonders für die Kleinteilerkennung geeignet.
Lichttaster und Reflexlichttaster
Lichttaster nutzen die diffuse Reflexion am Objekt. Der Sensor sendet einen Lichtstrahl aus und misst, wie viel Licht von der Objektoberfläche zurückkehrt. Wird ein Objekt in den Erfassungsbereich bewegt, steigt das empfangene Signal über eine Schaltschwelle und der Sensor reagiert.
Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung werten ebenfalls das zurückerhaltene Licht aus. Darüber hinaus wird jedoch die Position des empfangenen Lichts auf dem Empfängerelement im Sensor bewertet. Mit diesem Prinzip werden Objekte anhand ihres Abstands vom Sensor erkannt – ideal für flexible Anwesenheits- und Positionserkennung.
Kontrastsensoren
Kontrastsensoren sind eine Spezialform der Lichttaster. Sie analysieren präzise und in wenigen µ-Sekunden die reflektierte Lichtmenge in Form der Intensität. In der Praxis erkennen diese Sensoren z. B. Druckmarken oder Etiketten und steuern damit Schneid-, Druck- und Etikettierprozesse.
Farbsensoren
Farbsensoren analysieren die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts und können so zuverlässig Druckmarken auch auf farbigen Folien oder Verpackungen erkennen. Darüber hinaus eignen sich Farbsensoren insbesondere für die Objekterkennung.
Bei schwankenden Abständen oder sehr dünnen Objekten kommen bspw. Lichttaster mit Hintergrundausblendung an ihre Grenzen. Farbsensoren können hier ihre Vorteile durch das Detektionsprinzip zur Geltung bringen.
Abstandssensoren
Abstandssensoren ermitteln den Abstand zum Objekt und arbeiten je nach Typ mit Triangulation oder Time-of-Flight.
- Bei trigonometrischen Sensoren projiziert der Sender einen Lichtfleck auf das Objekt. Das reflektierte Licht trifft abhängig vom Abstand an unterschiedlicher Position auf einen positionsempfindlichen Detektor. Der Sensor berechnet aus dieser Position den Abstand – weitgehend unabhängig davon, wie stark das Objekt reflektiert.
- Time-of-Flight-Sensoren senden Laserimpulse aus und bestimmen den Abstand auf Basis der Laufzeit des Pulses.
- Laser-Distanzsensoren arbeiten mit einem gebündelten Laserstrahl. Sie messen Entfernungen auch über große Distanzen mit hoher Genauigkeit. Je nach Bauart nutzen sie dabei Time-of-Flight-Triangulation. Durch den fokussierten Laserstrahl lassen sich auch weit entfernte oder sehr kleine Ziele präzise erfassen.
Beide Funktionsweisen ermöglichen eine präzise Distanzmessung und werden je nach Gerät als tastende Sensoren (mit Schaltpunkt, Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung) oder als messende Sensoren (mit kontinuierlichem Ausgangssignal) eingesetzt.
Spezielle Funktionsprinzipien wie Autokollimation und BlueLight
Für besonders anspruchsvolle Aufgaben stehen spezielle Funktionsweisen zur Verfügung.
- Autokollimationssensoren (z. B. unser FR 25-RGO2 oder FR 25-RLO) nutzen einen gemeinsamen Strahlengang für Sender und Empfänger. Dadurch verläuft der Lichtweg entlang einer optischen Achse, was die sichere Erkennung sehr kleiner oder transparenter Objekte ermöglicht.
- BlueLight-Sensoren arbeiten mit kurzwelligem blauem Licht. Diese Funktionsweise verbessert die Erkennung dunkler, stark absorbierender oder glänzender Oberflächen, weil das Licht anders in das Material eindringt und reflektiert wird als bei herkömmlichem Rotlicht.
Einsatzgebiete optischer Sensoren
Optische Sensoren von SensoPart kommen überall dort zum Einsatz, wo Objekte berührungslos erkannt, positioniert oder geprüft werden. Typische Einsatzgebiete finden Sie unter anderem in folgenden Branchen:
Vor- und Nachteile der Funktionsweise
optischer Sensoren
Die Eigenschaften optischer Sensoren hängen stark vom jeweiligen Funktionsprinzip und den Bedingungen der Anwendung ab. Die folgende Übersicht zeigt, in welchen Bereichen optische Sensoren ihre Stärken ausspielen – und wo alternative Sensortechnologien wie Ultraschallsensoren, induktive Sensoren oder Vision-Sensoren Vorteile bieten können.
| Aspekt | Vorteile optischer Sensoren | Typische Grenzen der Funktionsweise | Mögliche Alternative |
| Objektoberfläche und Material | Optische Sensoren erfassen viele unterschiedliche Materialien, von Metall über Kunststoff bis Glas, und erkennen auch sehr kleine Objekte und feine Markierungen. | Sehr unebene, inhomogene oder stark strukturierte Oberflächen können zu schwankenden Reflexionen führen und die Erkennung erschweren. | Ultraschallsensoren detektieren Objekte weitgehend unabhängig von Farbe und Oberflächenstruktur und eignen sich für kritische sowie stark wechselnde Oberflächen. |
| Transparente und spiegelnde Medien | Spezielle optische Funktionsweisen wie Autokollimation oder BlueLight-Sensoren ermöglichen die Erkennung transparenter und hochglänzender Objekte wie Folien, PET-Flaschen und Glas. | Bei hochtransparenten Medien oder bewegten, spiegelnden Flüssigkeitsoberflächen stößt die optische Detektion an physikalische Grenzen. | Ultraschallsensoren sind für Füllstandskontrollen und die Detektion hochtransparenter Medien geeignet und arbeiten unabhängig von optischen Eigenschaften. |
| Umgebungsbedingungen (Staub, Nebel, Schmutz) | Optische Sensoren arbeiten berührungslos und mit hoher Schaltfrequenz und lassen sich in vielen industriellen Umgebungen mit geeigneten Schutzarten sicher betreiben. | Starke Verschmutzung der Optik, Staub, Nebel und Dampf können den Lichtweg dämpfen oder stören und so die Erkennungssicherheit verringern. | Ultraschallsensoren reagieren weniger empfindlich auf Staub und Nebel. |
| Zielobjekt ausschließlich metallisch | Optische Sensoren erfassen metallische Objekte ebenso wie nichtmetallische und erlauben eine flexible Nutzung bei wechselnden Materialien. | Wenn ausschließlich metallische Teile in sehr rauer Umgebung oder im direkten Kontakt mit Spänen, Öl oder Kühlmitteln überwacht werden sollen, ist die optische Lösung nicht immer optimal. | Induktive Sensoren eignen sich besonders für die robuste und verschleißarme Erkennung metallischer Objekte, zum Beispiel bei Endlagen- oder Verriegelungsabfragen. |
| Komplexe Prüfaufgaben (Form, Lage, Vollständigkeit) | Optische Sensoren ermöglichen in Kombination mit Vision-Sensoren eine detailreiche Auswertung von Form, Lage, Farbe und Vollständigkeit und unterstützen so anspruchsvolle Qualitäts- und Identifikationsaufgaben. | Klassische Lichtschranken und Lichttaster stoßen an Grenzen, wenn mehrere Merkmale gleichzeitig geprüft oder komplexe Bauteilgeometrien bewertet werden sollen. | Vision-Sensoren wie unsere VISOR®-Familie übernehmen komplexe Inspektions-, Identifikations- und Positionieraufgaben und ergänzen die klassischen optischen Sensoren sinnvoll. |
Häufige Fragen zur Funktionsweise von
optischen Sensoren
Ja, transparente, glänzende sowie sehr dunkle Objekte lassen sich mit geeigneten optischen Sensoren zuverlässig erkennen. Entscheidend sind dabei das passende Funktionsprinzip (z. B. Autokollimation FR 25-RGO), eine geeignete Lichtquelle (z. B. BlueLight für dunkle oder stark reflektierende Oberflächen) sowie eine sorgfältige Ausrichtung und Parametrierung des Sensors.
Viele Sensoren lassen sich per Teach-in einlernen, indem Sie den Hintergrund einmal ohne zu detektierendes Objekt einlernen und dann ein Referenzobjekt in den Erfassungsbereich bringen. Der Sensor berechnet automatisch eine geeignete Schaltschwelle.
Erweiterte Parametrierungen sind je nach Gerät zusätzlich über Tasten, Displays oder digitale Schnittstellen möglich.
Insbesondere unsere F10- und F25-Baureihe bieten eine einheitliche Parametrierung an, sodass Sie als Anwender stets das gleiche Teach-Prozedere verwenden können.
Industrietaugliche optische Sensoren sind für raue Einsatzbedingungen vorgesehen. Sie verfügen über schock-, wasser-, staub- und schmutzbeständige Gehäuse mit geeigneten Schutzarten. Standardbaureihen decken Betriebstemperaturen bis ca. 50 °C bzw. 60 °C ab. Mit Lichtleitern oder zylindrischen Bauformen kann die Optik geschützt werden.
Optische Sensoren detektieren Objekte unter anderem anhand ihrer optischen Eigenschaften (Reflexion, Farbe, Kontrast) oder anhand des Abstands zum Objekt. Andere Sensorprinzipien eignen sich für spezielle Aufgaben:
- Induktive Sensoren für metallische Objekte in rauen Umgebungen
- Ultraschallsensoren für nahezu materialunabhängige Detektion von Flüssigkeiten, bei Staub, Nebel oder schwierigen Oberflächen
In vielen Anwendungen ergänzen sich optische und andere Sensortypen sinnvoll.
Die Auswahl hängt von den folgenden Kernfragen ab:
- Soll ein Abstand gemessen oder die Anwesenheit von Objekten (anhand Farbe, Kontrast, Position) erfasst werden?
- Wie sehen Material, Oberfläche und Größe des Objekts aus?
- Welcher Arbeitsabstand und welche Einbausituation sind gegeben?
- Was ist das kleinste Objekt das erkannt werden soll?
- Welche Umgebungsbedingungen (Schmutz, Temperatur, Fremdlicht) liegen vor?
Auf Basis dieser Fragen kann ein passend ausgelegter optischer Sensor ausgewählt werden. Bei Bedarf unterstützen wir Sie gerne mit einer persönlichen Beratung und Applikationstests.
