Die Rahmenlichtschranke kann verwendet werden, um Objekte zu registrieren, die sich durch die Öffnung im Rahmen bewegen. Im Prinzip ist sie also wie eine normale Lichtschranke, nur dass eben keine Lichtstrahl unterbrochen wird, sondern ein Lichtfeld.
Verwendung findet die Rahmenlichtschranke bei mir sowohl in dem Chrony-Projekt (mit 7x5cm Lichtfeld) als auch in dem Schießautomaten Ballerbox (mit 5x4cm Lichtfeld). In beiden Verwendungen registriert der Lichtrahmen Objekte mit 4.5mm Durchmesser und Geschwindigkeiten bis zu 130m/s.

Der Lichtrahmen selber wurde aus 3 Schichten von 3mm starken matt-schwarzen Plastikplatten gebaut, wie man sie im Bastelladen bekommt. Die beiden äußeren Schichten (siehe Bild 1) sind gleich und maskieren das Lichtfeld des Sensors, also den Bereich, in dem durchfallende Objekte registriert werden sollen. Sie dunkeln den inneren Bereich gegen äußere Lichteinflüsse ab.
Die innere Schicht (dunkelgraue Flächen in Bild 2) begrenzt den Lichtraum im Sensor zu den Seiten hin. Die Seiten und der Bodenbereich sind matt, lediglich der Kreisbogen (mit Kreismittelpunkt "K") an der Oberseite ist verspiegelt. Er reflektiert das von der LED kommende Licht zum Lichtsensor (LED und Sensor jeweils rot markiert), wodurch sich ein Lichtgang wie in Bild 3 ergibt, der das Lichtfeld vollständig abdeckt. Der Block in der Mitte an der Bodenseite ist dazu da, direkten Lichtfluss von der LED zum Sensor zu verhindern, so dass der Sensor also wirklich nur Licht abbekommt, dass über den Spiegel und damit durch das Lichtfeld gegangen ist.
Den Kreisspiegel an der Oberseite kann man recht einfach herstellen, indem man die Kreisinnenfläche mit Alufolie beklebt. Nimmt man die klar spiegelnde Seite der Alufolie als Spiegelfläche, sollte man den Sensor sehr präzise herstellen (LED und Sensor müssen in genau gleichem Abstand zum Kreismittelpunkt liegen, der Kreisspiegel muss präzise sein und auch die aufgeklebte Alufolie darf keine Falten oder ähnliches aufweisen). Belohnt wird man aber dann mit einem sehr empfindlichen Sensor, der ein sehr deutliches Signal abliefert und auch gegen äußere Einflüsse sehr robust ist. Einfacher ist es die matte Seite der Alufolie als Spiegelfläche in den Kreisboden zu kleben. Dann kommt es weniger auf Präzision an, weil der Spiegel an sich schon das Licht breiter streut. Dafür ist aber das erhaltene Signal weniger prägnant und muss daher in der Elektronik besser aufgearbeitet werden.
Die von mir verwendeten Lichtrahmen basieren alle auf matten Spiegeln.

Im Lichtrahmen selbst sind als LED und Lichtsensor die beiden Komponenten einer aufgeschnittenen RPI574 Lichtschranke verbaut. Der RPI574 hat eine Reaktionszeit von 10us, was schnell genug ist, um Objekte mit 4,5mm Durchmesser und 130m/s Geschwindigkeit erkennen zu können.
Die LED wird konstant über die Vorwiderstände R11 und R12 betrieben. Der Phototransistor erzeugt Messströme, die im nA Bereich schwanken, wenn ein kleines Objekt Teile des Lichtfelds abdeckt. Diese kleinen Ströme werden über den Transimpedanzverstärker IC3A in eine Spannung gewandelt und verstärkt. Über C2 gelangen nur schnelle Spannungsänderungen, wie sie z.B. beim Durchflug eines Objekts entstehen zur nachfolgenden Verstärkerstufe IC3B. Langsame Änderungen, wie beispielsweise eine Änderung der äußere Lichtverhältnisse, werden unterdrückt. IC4 ist ein Komparator der high schaltet, wenn die Messspannung bei Durchflug eines Objekts unter eine voreingestellte Stufe sinkt. IC1 und IC2 bilden dann zusammen ein RS-FlipFlop, das von der vorgehenden Schaltung gesetzt und von außen resetet werden kann.
Der Transimpedanzverstärker IC3A aber auch der nachfolgende Verstärker IC3B sind extrem anfällig gegen Schwankungen der Versorgungsspannung. Es hat sich herausgestellt, dass schon wenige mV Schwankung in den 5V (die schon dadurch entstehen, dass je nach angezeigter Zeit mehr oder weniger LED-Segmente der 7-Segment-Anzeigen betrieben werden) die Messbarkeit der Messstromänderung des Phototransistors verhindern. Die sauberste Lösung wäre sicher ein eigener Spannungsregler für die Sensoren gewesen. Was aber auch reicht, ist die Versorgung der Verstärker durch ein RC-Glied (R14, C1, C9) von der Systemspannung zu entkoppeln.
Das FlipFlop wird über einen 10k Widerstand (R13) versorgt, weil die von außen kommenden Reset-Flanken recht flach sind und dadurch die Ausgänge der Gatter schon mal für einen relativ langen Zeitraum kurzschließen. Das ist zugegeben nicht sonderlich elegant, aber es funktioniert und ich wollte nicht noch einen zusätzlichen Schmitt-Trigger spendieren, um die Flanken steiler zu bekommen.

Schaltplan der Rahmenlichtschranke