CN1367754A

CN1367754A - 边缘检测器

Info

Publication number: CN1367754A
Application number: CN99816878A
Authority: CN
Inventors: 宇利·金劳特; 奥弗尔·金劳特
Original assignee: OTM TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: OTM TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2002-09-04
Also published as: US6737665B1; WO2001014231A1; AU5385699A

Abstract

一种检测某个运动片状物质的一个边缘通过某个位置的方法,包括监视在某个位置的运动状态;以检测到某个位置上某种运动状态的变化的时间来确定该片状物的某个边缘处于该位置的时间。

Description

边缘检测器

发明领域

本发明涉及边缘检测领域，特别涉及光学边缘检测和基于运动检测的边缘检测领域。

背景技术

在许多领域，检测某个运动表面的边缘是很有用的，譬如在印刷业，在某些位置或时间常常要测量一片运动纸张边缘的位置以便对准该纸张和一台印刷机。

现有技术的片状物边缘检测器都是基于用机械或者光学方法检测该片状物是否存在。譬如，在某些这类检测器中，由于某个片状物的出现，一个旋转杆或其它指示器可能从一个位置移动到另一个位置。在其它检测器中，一个光学传感器通过检测辐射被某个片状物阻断，或者检测某个片状物反射的辐射来确定该片状物的存在。

发明内容

本发明的某些优选的实施例的一种情况涉及根据对一个边缘运动的检测来检测该边缘。

在本发明的诸多优选的实施例中，监视一个点或一个区域处的运动来检测某个移动表面的一个边缘是否位于该点或该区域。在该边缘到达之前，检测不到运动。当该边缘通过该点或该区域时，就会检测到该边缘的运动，从而确定边缘的存在。应当注意，在本发明的某些优选的实施例中，并不直接确定该表面本身是否存在。相反，只是间接地根据该被测状态发生某种优选的突然变化来确定它的存在，即从检测不出速度到速度超过某个域限或者速度达到某个预先设定的范围之内。

在本发明的某个优选的实施例中，速度是通过光学方法测量的。在本发明的这个优选的实施例中，采用一个光学速度计或类似仪器来测量在某点、某个边缘或某个区域的速度(或确定它的存在)。从原理上讲，可以采用任何光学速度计；但是，在本发明的诸多优选的实施例中，采用特别结构的光学测量设备，它们考虑到了可能的简化，因为精确测量速度不是必须的，要测量的只是速度的存在或者相对某个参考值的变化。在本发明的某些优选的实施例中，为提高对该边缘通过的定时精度，该射束具有一定的形状。这种成形处理可能是减少存疑区域的大小，更优选的是，可能在该表面的到达边缘处提供一个辐射边界。

在本发明的诸多优选的实施例中，只要该表面不运动，就不测量它是否存在。

在本发明的某个优选的实施例中，该边缘是某个片状物的边缘，譬如纸张或塑料片。最好，该片状物沿一个台板运动。检测器检测从无运动到有运动的转变，并根据该转变的时间来确定该边缘的通过时刻。

在本发明的诸多优选的实施例中，该运动是根据辐射的一个多普勒频移来测定的，最好采用从该运动物体(片状物)表面反射的一束激光。

根据根据本发明的一个优选的实施例，这里提供检测某个运动片状材料的一个边缘通过某个位置的一种方法，它包括：

监视某个位置的运动状态；及

以检测到某个位置的某种运动状态发生变化的某个时间来确定该片状物的一个边缘位于该位置的时间。

该方法最好包括：

以首次检测到运动的时间来确定某个引导边缘的通过时间。

该方法最好包括：

以运动检测停止的时间来确定该片状物的某个跟进边缘的通过时间。

在本发明的一个优选的实施例中，监视一个运动状态包括用光学方法监视某个物体在该位置是否运动。

监视最好也包括确定照射到该位置的辐射与从该位置反射的辐射之间是否存在一个多普勒频移。

在本发明的一个优选的实施例中，如果在一个多普勒频带内被反射的照射功率高于某个域限，就确定运动存在。

确定运动开始的域限最好不同于确定运动终止的域限。

该方法最好包括提供一个测定该多普勒频移的本机振荡器。

在本发明的一个优选的实施例中，该照射辐射的一部分在检测多普勒频移中用作一个本机振荡器。该本机振荡器最好包括从某个表面反射回来的光学辐射。或者，该本机振荡器包括从一个衍射表面反向衍射的辐射。

在本发明的一个优选的实施例中，该本机振荡器被聚焦到一个用来检测该多普勒频移的传感器。最好，该本机振荡器实际上被聚焦到一个点。

在本发明的一个优选的实施例中，该位置被包括在一个被辐射照射到的区域之中，该区域包含让某个片状物进入该区域的一个入口侧和该片状物离开该区域的一个出口侧。照射该区域的辐射最好应当至少能在该区域的入口侧或出口侧两者中的一处提供一个显著的照明边界。更优选的是，照射该区域的辐射应当能够在该区域的入口侧和出口侧都提供一个明显的照射边界。

在本发明的一个优选的实施例中，某个边缘的到达是根据该片状物的一个引导边缘在该区域的上述入口侧产生的多普勒能量测定的。在本发明的一个优选的实施例中，一个跟进边缘是根据该片状物的一个跟进边缘从该位置的上述出口侧多普勒能量的检测终止测定的。

在本发明的一个优选的实施例中，该位置在入口和上述出口侧之间有一个长度。该长度最好在大约1mm到大约5mm之间，更优选的是在大约2mm到大约4mm之间，典型的数值是大约2mm。

在本发明的一个优选的实施例中，该方法包括检测该入口和出口之间是否存在一个不动的片状物。

在本发明的一个优选的实施例中，该方法包括测量该片状物的速度。

在本发明的一个优选的实施例中，该方法包括测量该片状物平移的距离。

在本发明的一个优选的实施例中，该辐射是IR(红外)辐射。

在本发明的一个优选的实施例中，该辐射是激光照射。

在本发明的一个优选的实施例中，测定某个片状物进入该位置的时间精度优于0.5mm/v秒，更优选的是0.1mm/v秒，其中v代表该片状物的速度。

附图说明

根据对优选的实施例的下述说明，连同如下例图，可以更清晰地理解本发明。图中采用相同或类似的参考标记表示相同或类似的部件。

图1A是根据本发明的一个优选的实施例的边缘检测器的一个示意图，它检测一个运动片状物的引导边缘。

图1B表示图1A的某个部件结构的一个细节。

图2A和图2B表示用图1所示边缘检测器来检测一个运动片状物的跟进边缘和检测该片状物的长度。

图3表示根据本发明的某个优选的实施例的用图1所示检测器来检测一个静止片状物的存在。

图4是处理本发明的检测器中所产生信号的电路板的一个示意图，可用于检测边缘和检测一个静止片状物的存在。

图5是根据本发明另一个优选的实施例的某个边缘检测器的一个示意图。

图6A是图5所示边缘检测器所用的衍射光栅的一个示意视图。

图6B表示根据本发明的某个优选的实施例的与图6A中光栅一道使用的检测器的布置图。

具体实施方式

图1A是根据本发明的一个优选的实施例的边缘检测器8的一个示意图，用来检测某个运动片状物的引导边缘。

边缘检测器8包括至少一个部分相干的辐射源10(譬如一个在IR范围运行的VCSEL类型的二极管激光器)、一个前边缘及运动传感器20、一个可供选用存在的传感器22和/或一个后边缘及运动传感器24。传感器20、22和24可以例如是光电二极管或者其它技术上已有的传感器，它们对辐射源10发射的辐射敏感，但最好对与辐射源辐射波长相差很大的辐射不敏感。在本发明的某些优选的实施例中，传感器20、22和24之前放置一个滤色器以提供上述选择性灵敏度。

边缘检测器8利用由某个入射物体9(譬如一张纸)散射的辐射的多普勒频移从一个实际上静止的背景中辨别出该物体。该纸张最好沿一个例如台板11或类似装置送进，当该检测器用于一台打印机、复印机或类似设备时就是如此。台板11最好用对辐射源10产生的辐射只形成很少反射或不形成反射的材料来制造或敷镀。台板11的表面最好有一层无光毛面。或者，台板11上被照射的地方开一个孔，使得在那一点实际上没有射线反射到检测器。因为该检测器的面积很小，所以不会因为该开孔而减小对该纸张的支承。这样的反射尽管对该运动测量影响很小或没有影响，但也许会影响下面所说的存在测量。

从辐射源10发出的辐射最好经一个透镜组30作平行校正。通过透镜组30后，部分辐射由一个光栅32反向衍射，并由透镜组30聚焦到传感器20。这个辐射在此被称为一个“本机振荡器”(LO)振荡视场。(在本发明的其它优选的实施例中，该LO视场可用其它方式产生)。尽管在本发明的某些优选的实施例中，可以采用其它合适的光栅类型，但光栅32最好是一个相位光栅(为清楚起见，图中光栅的刻槽被夸大画出)。光栅32最好建造在透镜组30的下表面上或下表面之中。

图1B表示光栅32的详细结构。在本发明的一个优选实施例中，光栅32形成在透镜组表面中，该光栅最好敷镀一层金属的或介电的涂层33，并充填与透镜组30衍射指数基本相同的介电物质35(譬如某种光学胶)，使得通过该光栅的辐射实际上只形成一个单注光束(“照射束”)被传送到该表面。在这种结构中，涂层33的作用只是产生该照射线的指向各传感器的反向衍射。涂层33的特性决定了反向衍射照射的百分比。在本发明的其它优选的实施例中，也可以采用其它提供单注光束(和必要的一注或多注反射光束)的方法。光栅32(和涂层33)最好再敷镀或覆盖一层保护层34。在本发明的诸多优选的实施例中，保护层34起一个滤色器的作用，即只让辐射源波长和邻近波长通过，各传感器一般可以省略这类滤色器。

照射到物体9、并从物体9(根据它反射的程度，也包括从静止背景11)反射的部分辐射被透镜组30聚焦到传感器20，并与该LO视场产生干涉。响应该LO与被物体9反射的辐射之间的干涉，传感器20产生一个多普勒信号。最好测量该多普勒频率，用以指示物体的平移和速度。如果有的话，从静止背景11的反射，不产生多普勒信号。

该照射束最好能在某个照射前沿38形成一个突变的照射边界，以便在响应一个进入纸张边缘的照度的信号中产生陡峭的上升。该照射束最好也在某个照射出口边缘40形成一个直边照射。在本发明的某些优选的实施例中，采用楔形的射束边缘来减少射束的傍瓣。边缘本身的这种楔形处理和成形最好由该透镜组的相位轮廓线或采用各种振幅透射函数来产生，就像激光束成形技术中所已知的那样。

物体9和光栅32最好妥善地安置在辐射源10的相干长度之内，以便使LO和各反射束能在传感器20处相干。使物体9和光栅32的距离大于相干长度，就会降低该确定结果的信噪水平。

物体9(即该纸张或其它运动物体的表面)最好具有漫射特性，这样物体9上的照射就会以一个较广的空间角被反射。实际上，只有那些与光栅32衍射的LO方向平行的反射才会与聚焦到传感器20的LO产生干涉。和某个LO视场干涉的、来自物体9的反射最好至少有一部分和该LO束重叠。

所以，优选该物体和该光栅的距离满足H＞D/tan(α)，其中H是该光栅和该物体间的光径，D是沿该运动测量方向的束宽，α是照射束和该LO束方向之间的夹角。

一个实际装置中采用的典型尺寸数据为：辐射源波长850纳米，束宽2mm，片状物上方的高度为0～5mm，光栅格距Λ＝10微米，从该移动物体起算的整个检测器高度为5～10mm。当纸张速度V＝500mm/sec时，多普勒频率为F＝V/A＝50kHz。当然，该项技术的实施人员也可能遇到其它的波长、间距、束宽等等，它们适合于本发明的其它优选的实施例。利用这样的尺寸，测定该片状物引导边缘的到达时间和该片状物跟进边缘的离开时间的精度可以达到0.5/v秒之内，更优选的是达到0.1/v秒之内，其中v是该片状物的速度。

图2A表示根据本发明的某个优选的实施例的用检测器8检测物体9的后边缘。在本发明的某些优选的实施例中，只需要检测跟进边缘，可以省略传感器20，通过光栅32的射束应当只向传感器24提供照射，以便在该物体离开该射束时检测它的跟进边缘。

图2A所示的跟进边缘检测方法和前边缘检测类似，但是，可以采用传感器20测量中收集到的速度信息来通过降低噪声带宽改善检测结果。

如图2B所示，当该物体前边缘在该LO束方向的反射开始与光栅32反射的LO束重叠时，传感器24的信号急剧上升。这样，传感器20信号上升与传感器24信号上升之间的延时和光栅32与物体40间距离的关系根据TH＝H tan(α)/V，其中TH是信号间的延时，H是光栅32和物体40之间的距离，V是物体40的速度，α是对传感器24的衍射角。根据信号间的延时以及速度信息，这种关系能够用来估计该物体与该光栅间的距离。此处以及整个详细说明中，对本发明的说明是针对该片状物的法向入射照射而言的。这仅仅是为了便于解释。这样的入射，或者与片状物垂直的反射(衍射)光线的测量，可以使该测量的结果与高度无关。然而，在本发明的某些次优选的实施例中，也使用非入射的入射和反射光线。

传感器20检测前边缘与传感器24检测后边缘之间的延时由TL＝(L+W)/V计算，其中L是该物体的长度(譬如纸张的长度)，W是沿该运动测量方向的束宽，V是该物体的速度。这一关系可以用来计算该物体的长度，而不管它离光栅有多远(即与H无关)。

应当明白，既然光学精度是靠采用分别检测引导边缘和跟进边缘的传感器获得的，那么用单个检测器既检测引导边缘，又检测跟进边缘，精度就比较低。加以适当的滤色，这样的单个检测器也可以用来检测存在。

图3表示选择地使用传感器22检测物体9上被该射束照射的那个部分是否存在的，它不管该物体是否运动(譬如一台复印机中被夹塞的纸张)。照射到传感器22上的射线显示了该传感器的接受角，它由该传感器尺寸和该透镜组焦距决定。物体存在的测定是依据传感器22的输出，传感器22于响应接受角内从该物体反射的能量产生该输出。与传感器20和24不同，传感器22对反射能量敏感，对该LO或运动不敏感。直线100和102表示传感器22接受到的、来自纸张9任何部分的射束的最大角偏移。

应当明白，传感器20和24只检测它们的表面上也存在该LO的那一部分的多普勒频移。传感器22不受这种限制，所以，该传感器的整个面积对测量纸张9表面反射的功率都是有用的。

图4表示图1～3所示检测器所用的一个检测线路50的一个示意图。前边缘检测的基本通道包括一个将传感器20的光电二极管电流转换为电压的互阻抗放大器52、一个对与期望多普勒频移相应的期望频率范围进行放大的带通滤波放大器54。它也包括一个检测该多普勒频带中能量的能量检测器56。当一片移动纸张的边缘进入该射束时，该输出被比较器58设置成“高”逻辑电平。比较器58的比较电平用一个电压V_T表示。V_T最好选得比噪声电平高一些以避免误触发。另外，最好采用一个有滞环的比较器(施密特触发器)来避免功率电平变化的影响。只要纸张在移动，纸张的反射与照射到传感器20的本机振荡器射束之间产生干涉，那么输出电平就维持在高的状态。能量检测器56的输出信号在被比较器58比较之前也可以先进行微分。

在需要确定该物体的平移和速度时，最好用一个施密特触发器60(或其它比较器)和一个频率计或检测器62来分别测定这个平移和速度。该比较器的滞环或域限最好设置在一个很低的、根据噪声确定的电压上。

(基于传感器24的)后边缘检测与前边缘检测类似，不同的是，该边缘是根据某个功率检测器64的输出失去功率来识别的。为降低噪声，也可以由一条控制线68根据测量到的前边缘检测器多普勒频率来控制一个后边缘检测器带通滤波器(BPF)66。为限制噪声，滤波器54和56的带宽限制应和期望的多普勒频率范围相匹配。

一个“存在”放大器70中的功率被放大，并(在比较器或施密特触发器76中)与背景一抑制域限V_B进行比较来识别一个被该射束照射的物体是否存在，而不管它是否移动。

电路50也包括决策逻辑电路74，它利用部件62、58、78和放大器70的输出分别确定该纸张的速度、前边缘进入时间、后边缘离开时间和它是否存在。可供选择的是，决策逻辑74也可以像上面所说的那样测定纸张的间隔和长度。

令人感兴趣的一点是，现有的边缘检测系统一般不需要对不同类型的纸张或其它衬底进行校准。特别是，因为域限V_T是依据系统噪声确定的，所以只反射很少光线的衬底(譬如“黑色”表面)或者只在它们的引导边缘散射光线的衬底(譬如透明胶片)的引导边缘可以采用对普通白纸使用的同样系统来测量。

图5所示是一个检测器80的另一个优选的实施例(为方便起见，只显示了前边缘检测)，其中本机振荡器信号是从平行聚焦透镜组30的外表面82反射产生的，该透镜组倾斜放置以供收集该表面的多普勒频移反射。该透镜组最好具有一个平坦的外表面82，以提供基本一致的、平行的透射和反射。反射的强弱最好可以用该外表面上的介电或金属涂层(未画出)来控制(如图1A的实施例)，该外表面最好能防擦划。最好采用滤色方法来消除环境光源的干扰。譬如，该透镜组可以是与染色滤色镜组合到铸模之中的注塑塑料透镜组。

该透镜组的这个倾斜平坦表面为某个前边缘检测(如图5)或后边缘检测(图5的镜像，但物体除外)提供了一个单个LO。倾斜角和对该物体反射的检测以及多普勒频移频率的关系根据

，其中F_D为多普勒频率，λ是辐射源波长，V是物体速度，β是反射表面的法线与离开表面的照射束之间的夹角。

为了提供一个LO，表面82大多是平坦的，那么该透镜组的各个边缘最好具备射束成形光学器件84(图5中以夸大的尺寸显示)，以便在38位置上提供优选的照射边缘。

为同时提供前边缘和后边缘检测，表面82最好由两部分构成，每部分与纸张有不同的角度。每个部分的角度使得从这两部分表面反射的光线指向各自的传感器20或24。可以在运动方向或者在垂直于运动的方向上与它们的相邻边缘形成这些射束部分。

图6A表示在根据本发明的一个优选的实施例的图5中，表面82所用反射器86的一个优选的实施例，其中，82上的反射表面86是一个光栅。一组传感器88、90、92和94根据光栅级来布置(图6B显示了具有4个这类传感器的传感器平面图，但是，也可以采用其它数量的传感器)。这里，衍射级最好与运动测量方向垂直。这样，这组传感器测得的多普勒频移基本上是一样的。但是每个传感器采用不同的反射方向来测量运动，所以这些信号的相位和幅值基本是互相独立的。

在本发明的一个优选的实施例中，利用多重独立信号来获得更好的检测概率。譬如，根据各传感器信号中上升在先的信号可以宣布该边缘的存在。最好提高每个通道的域限来维持较低的误报警率，但由于多个信号对一个信号的下降概率相当低，所以多重传感器改善了检测概率和边缘测定精度。

根据本发明的一个优选的实施例，每两个传感器信号相减构成一个差分信号。因为这两个信号基本不相关，所以平均来讲，该差分信号的功率是原来每个信号的两倍。然而，共模噪声源(譬如环境照明)和相干信号被减小或被消除了。其中，减法运算减小或消除了由该物体的平均反射系数造成的一个DC(直流)信号偏置(譬如由传感器22测量的情形)。

在图1～3所示的实施例中，将传感器20和24的信号相减也可以降低或消除共源噪声。这个相减后的信号将不含有(或只含有大为降低的)共模信号。当检测器22检测到该片状物的前边缘时，这一信号将上升，当检测器24停止检测该边缘时，它将下降。该域限最好足够低，以便使两个信号都能产生正指示值。

另外，传感器20和传感器24的频率计数之和实际上对该片状物的高度变化不敏感，并且实际上对边缘检测器的小的倾斜也不敏感。

尽管现在的发明只针对各个优选的实施例进行了说明，但可以理解，在本发明的实践中也可以采用技术上已有的其它运动或速度检测器。譬如可以使用其它类型的光学运动检测器，也可以使用非光学检测器(譬如超声波检测器)。还有，既然某些特征能体现在不同的实施例中，那么本发明的某些优选的实施例也可以具有所示特征的不同组合，或者只具有这些特征的一部分。正如这里所用的那样，术语“具有”、“包含”和“包括”以及它们的同根词汇表示“包括，但并不一定限于”。

Claims

1、一种检测某个运动片状材料的一个边缘通过某个位置的方法，包括：

监视某个位置处的运动状态；

以在某个位置上检测到某个运动状态的变化的时间来确定该片状材料的一个边缘通过该位置的时间。

2、根据权利要求1的方法，其中确定步骤包括：

以第一次检测到运动的时间来确定某个引导边缘的通过时间。

3、根据权利要求1或2的方法，其中确定步骤包括：

以运动检测停止的时间来确定该片状材料的跟进边缘的通过时间。

4、根据权利要求1至3中任一项的方法，其中，监视一个运动状态包括光学监视某个物体在该位置有无运动。

5、根据权利要求1至4中任一项的方法，其中监视步骤包括确定照射到该位置的辐射与从该位置反射的辐射之间是否存在一个多普勒频移。

6、根据权利要求5的方法，其中，若某个多普勒频带内反射的照射功率高于某个域限，则认定该运动存在。

7、根据权利要求6的方法，其中确定运动开始的域限与确定运动终止的域限不同。

8、根据权利要求5至7中任一项的方法，还包括提供一个本机振荡器来测定该多普勒频移。

9、根据权利要求5至8中任一项的方法，其中该照射辐射的一部分被用作检测多普勒频移的一个本机振荡器。

10、根据权利要求9的方法，其中该本机振荡器包括从一个表面反射的光学辐射。

11、根据权利要求9的方法，其中该本机振荡器包括从某个衍射表面向后衍射的辐射。

12、根据权利要求8的方法，其中该本机振荡器被聚焦于一个用来检测该多普勒频移的传感器。

13、根据权利要求12的方法，其中该本机振荡器实际上被聚焦于一个点。

14、根据权利要求5至13中任一项的方法，其中该位置被包括在被辐射照射的一个区域之内，该区域包含某个片状物进入该区域的一个入口侧和该片状物离开该区域的一个出口侧。

15、根据权利要求14的方法，其中照射到该区域的辐射至少应当在该区域的入口和出口之一侧提供一个显著的照射边界。

16、根据权利要求15的方法，其中照射到该区域的辐射应当在该区域的入口侧和出口侧都提供一个显著的照射边界。

17、根据权利要求14至16中任一项的方法，其中上述片状物的一个引导边缘在上述区域的入口侧产生的多普勒能量可以确定一个边缘的到达。

18、根据权利要求14至17中任一项的方法，其中，根据上述片状物的一个跟进边缘在上述区域的上述出口侧产生的多普勒能量的某个检测终止可以测定一个跟进边缘。

19、根据权利要求14至18中任一项的方法，其中该位置在入口侧和上述出口侧之间有一个长度。

20、根据权利要求19的方法，其中该长度在大约1mm到大约5mm之间。

21、根据权利要求20的方法，其中该长度在大约2mm到大约4mm之间。

22、根据权利要求21的方法，其中该长度大约为2mm左右。

23、根据权利要求14至22中任一项的方法，还包括检测入口和出口之间某个非运动片状物的存在。

24、根据权利要求14至22中任一项的方法，还包括测量该片状物的速度。

25、根据权利要求14至22中任一项的方法，还包括测量该片状物平移的距离。

26、根据权利要求5至25中任一项的方法，其中的辐射是IR辐射。

27、根据权利要求5至26中任一项的方法，其中的辐射是激光照射。

28、根据前述权利要求中任一项的方法，其中测定一个片状物进入该位置的时间精度优于大约0.5mm/v秒，其中v是该片状物的速度。

29、根据权利要求28的方法，其中该精度优于0.1mm/v秒。