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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lichttasters,
eines Lumineszenztaster, einer Lichtschranke, einer Reflexionslichtschranke oder
eines Barcodelesers zur Objekterkennung gemäß Patentanspruch 1 und einen
Lichttaster, einen Lumineszenztaster, eine Lichtschranke, eine Reflexionslichtschranke
oder einen Barcodeleser zur Objekterkennung gemäß Patentanspruch 8.
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Optoelektronische
Sensoren werden in einer Vielzahl von Einzelapplikationen dafür eingesetzt,
um Objekte in einem gegebenen Überwachungsraum
zu detektieren. Dazu wird der Überwachungsraum,
der durch einen Bereich des Gesichtsfelds eines oder mehrerer Lichtempfänger definiert
ist, ganz oder teilweise mit einem oder mehreren Lichtsendern beleuchtet.
Befindet sich ein Objekt im Überwachungsraum, ändert sich
der Lichteintrag in mindestens einen der Lichtempfänger, was
durch eine Auswerteelektronik nachgewiesen wird, die dann das Auslösen des
Schalters initiiert.
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Gemäß dem derzeitigen
Stand der Technik basiert in solchen Systemen der Nachweis eines
Objektes also auf einer Änderung
der durch den oder die Lichtempfänger
registrierten Lichtintensität.
Die Lichtintensität
vor dem Eintreten des Objekts wird als Referenzwert bestimmt und
der Vergleich eines aktuell durch den Lichtempfänger nachgewiesenen Wertes
mit diesem Referenzwert als Basis für die Entscheidung, ob sich
ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet, herangezogen. Dementsprechend ist für den Nachweis 1) die Bewegung
des Objektes Objektes und 2) ein hinreichender Unterschied zwischen
dem durch den oder die Lichtempfänger
nachgewiesenen Signal in Anwesenheit und in Abwesenheit des Objekts
zwingend erforderlich.
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Diese
Vorgehensweise bringt mehrere Nachteile mit sich: Erstens wird ein
kontinuierlich im Überwachungsbereich
ruhendes Objekt nicht nachgewiesen, da kein Referenzwert in Abwesenheit
dieses Objektes bestimmt werden kann. Zweitens ist es notwendig,
den gesamten zu überwachenden
Raum stets gleichmäßig auszuleuchten.
Kann dies nicht gewährleistet
werden, etwa weil sich Verschmutzungen auf Lichtempfängern und/oder
Lichtsendern ablagern können
oder Schwebeteilchen in zeitlich veränderlicher Konzentration im Überwachungsbereich
auftreten können,
kann auch ohne dass sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet
eine so starke Abweichung des gerade gemessenen Wertes vom Referenzwert
auftreten, dass der Schaltvorgang ausgelöst wird. Dies ist jedoch insbesondere
für sicherheitsrelevante
Applikationen nicht akzeptabel. Zusätzlich muss die Beleuchtung
hinreichend intensiv sein, um einen nachweisbaren Unterschied zwischen dem
gemessenen Lichtsignal in Abwesenheit bzw. in Gegenwart eines Objektes
zu gewährleisten,
was insbesondere in Transmissionsgeometrie bei transparenten Objekten
und in Reflexionsgeometrie bei hochgradig reflektierenden Objekten
eine hohe Anforderung darstellt.
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Aus
der
EP 0 892 280 B1 ist
ein Lichttaster bekannt, mit dem Unterschiede zwischen zwei Kontrasten
bestimmt werden können
und anhand des Unterschiedes ein Gegenstand-Feststellungssignal abgegeben wird.
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Aus
der
DE 197 04 818
A1 ist optischer Sensor zur Ermittlung einer Meßgröße bekannt
Beim diesem Sensor wird von einer ersten Umgebung des Sensors stammende
und/oder von einer zweiten Umgebung des Sensors reflektierte optische
Strahlung auf ein einziges optoelektrisches Wandlerelement abgebildet,
das aus einer linearen oder flächenhaften Anordnung
von Fotoelementen besteht. Besonders vorteilhaft und kostengünstig ist
die Verwendung eines Charge-Coupled-Device, eines sogenannten CCD-Empfangsarrays,
als optoelektrisches Wandlerelement. Im optoelektrischen Wandlerelement
wird diese Strahlung in ein eine ein- oder zweidimensionale Werteverteilung
enthaltendes elektrisches Signalfeld umgewandelt und anschließend dieses
Signalfeld auf wenigstens zwei funktionelle Abhängigkeiten zur Ansteuerung
wenigstens zweier Aktoren ausgewertet. Das Sensorsystem eignet sich
besonders zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug zur Steuerung der
Beleuchtungsanlage.
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Aus
der
DE 198 39 281
A1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur betrags- und richtungsmäßigen Erfassung
einer Objektbewegung bekannt. Ein wesentlicher Aspekt besteht darin,
daß ein
an dem Objekt angebrachtes Markenmuster bei einer optischen Überwachung
nicht nur die Unterscheidung aufeinanderfolgender (kontrastierender)
Marken ermöglicht,
sondern daß jede
Marke eine weitere Information enthält, aus der in einem Auswerteschritt
die Bewegungsrichtung ermittelt wird. Diese weitere Information
wird durch die asymmetrische Kontrastverteilung der Marke repräsentiert.
Aufgrund dieser Asymmetrie werden abhängig von der Bewegungsrichtung unterschiedliche
zeitliche Signalverläufe
des von einem photoempfindlichen Empfänger ausgegebenen elektrischen
Signals erhalten. Im Rahmen der Signalauswertung kann zwischen diesen
unterschiedlichen Signalverläufen
unterschieden werden und somit die Bewegungsrichtung bestimmt werden.
Folglich werden aus dem elektrischen Signal des (einzigen) Empfängers sowohl
der Bewegungsbetrag als auch die Bewegungsrichtung ermittelt. Ein
zweiter Empfänger, wie
er oft zur Bestimmung der Bewegungsrichtung erforderlich ist, entfällt.
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Aus
der
DE 10 2007
006 306 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung für eine Maschine
bekannt. Diese nutzt einen Lichtsender für die Erzeugung eines Lichtstrahls,
wobei diese Lichtquelle eine überwiegend
inkohärenten
Strahlung aufweist, und wobei der Lichtempfänger eine Abbildungsoptik mit
einem Brennpunkt und einer Blende aufweist, die in dem Brennpunkt
angeordnet ist. Diese Druckschrift schlägt insbesondere vor, einen
Laser als Lichtquelle für
den Lichtsender in einer Sicherheitseinrichtung der eingangs genannten
Art zu vermeiden. Die Verwendung von kohärentem Laserlicht für die Vermessung
von Werkstück-
oder Werkzeugbereichen im Schattenriss des Lichtstrahls ist nach
dieser Druckschrift eher nachteilig, weil Interferenzerscheinungen des
Laserlichts Signalverläufe
auf dem Bildsensor hervorrufen, die sehr schwierig auszuwerten sind. Dementsprechend
aufwendig und schwierig ist die Bestimmung der Messwerte.
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Aus
der
DE 10 2005
033 926 A1 Messvorrichtung zum Messen des pH-Werts einer
Probe bekannt. Dabei wird von der Möglichkeit der Messung des an
der Grenzfläche
der Sensormembran zur Probe reflektierten Lichtsignals Gebrauch
gemacht.
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Die
DE 198 48 067 B4 bezieht
sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Verlagerung von Konstruktionsteilen
und/oder Strukturen an einem derartigem Objekt, die ein zu vermessendes Objekt
bilden, mit wenigstens einem dem Objekt zugeordneten optischen Verlagerungsmonitor.
Hier wird mit einer Lichtquelle auf einen gekrümmten Spiegel an der zu vermessenden
Stelle optische Strahlung eingestrahlt und von dort reflektiert,
wobei sich die Richtung der reflektierten Strahlung infolge der
Verlagerungen am zu vermessenden Objektes verändert, und wobei die reflektierte
Strahlung auf wenigstens einen Sensor zur Erfassung der Richtungsänderung
gegeben wird.
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Aus
der
DE 40 31 995 A1 ist
ein optischer Abstandssensor mit einer Lichtquelle bekannt, die ein
auf ein zu vermessendes Objekt gerichtetes Lichtbündel erzeugt,
einer Abbildungsoptik, die den auf dem Objekt entstehenden Lichtfleck
zentrisch auf einen Detektor abbildet, einer ersten elektronischen Anordnung,
die aus den Signalen des Detektors ein Abstandssignal gewinnt, das
von der Größe bzw.
der Form des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks abgeleitet
ist, einer zweiten elektronischen Anordnung, die ein Überwachungssignal
gewinnt, das von der Exzentrizität
der Position des Bildes des Lichtflecks auf dem Detektor abgeleitet
ist.
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Aus
der
DE 10 2007
012 624 B3 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme
eines dreidimensionalen Abstandsbildes bekannt. Hier wird eine Lichtquelle
als aktive Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die zum Senden einer
Lichtwelle in den Erfassungsraum ausgestaltet ist. Es wird ein bildpunktauflösender optoelektronischer
Sensor verwendet, der die an Objektpunkten im Erfassungsraum reflektierten
Lichtwellen detektiert. Für
die Bildpunktelemente des Sensors ist eine Integrationszeit über eine
Steuereinheit einstellbar, während
der die Lichtwelle erfaßt
wird. Ein Amplitudenmodulator moduliert die ausgesendete Lichtwelle
für zumindest
zwei aufeinanderfolgende Integrationszyklen mit unterschiedlichen
Frequenzen in der Amplitude. Der Amplitudenmodulator ist sowohl
mit der Lichtquelle als auch mit einer Auswerteeinheit verbunden,
die aus einem Vergleich der Phasenlage der in einem Bildpunkt erfaßten Lichtwelle
zu der Phase der ausgesendeten Lichtwelle eine entfernungsabhängige Phasenverschiebung
erfaßt
und daraus einen Abstandswert für jede
erfaßte
Lichtwelle bei beiden Integrationszyklen ermittelt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines
optoelektronischen Schalters und einen optoelektronischen Schalter
bereitzustellen, mit dem eine robustere, gegen veränderliche
Umgebungsverhältnisse
weitgehend unabhängige
Schaltfunktion, die auch für
ruhende Objekte einsetzbar ist, erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Betrieb eines Lichttasters, eines Lumineszenztasters,
einer Lichtschranke, einer Reflexionslichtschranke oder eines Barcodelesers
zur Objekterkennung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und
eines Lichttasters, eines Lumineszenztasters, einer Lichtschranke,
einer Reflexionslichtschranke oder eines Barcodelesers zur Objekterkennung
mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen
Unteransprüchen
angegeben.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Objekt nicht
nur durch eine zeitliche Variation der Signalintensität in einem
gegebenen Lichtempfänger
nachgewiesen werden kann, sondern auch durch eine Änderung
des Signals in Abhängigkeit
vom Ort, an dem Lichtempfänger
angeordnet sind. Eine sprunghafte Änderung des Lichtsignals, das
von zwei benachbart zueinander angeordneten Lichtempfängern detektiert
wird, weist klar auf das Vorliegen eines Gegenstandes im Überwachungsbereich
hin.
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Daher
gelingt in einem System mit mindestens einem Lichtsender und einem
mindestens eindimensionalen Feld von Lichtempfängern, deren Gesichtsfeld einen Überwachungsbereich überdeckt, durch
die Bestimmung der Größe und/oder
der Richtung und/oder der Projektionen auf eine bestimmte Richtung
der Ableitung der Lichtintensität,
die von den einzelnen Lichtempfängern
des Feldes von Lichtempfängern
detektiert wird, ein zuverlässiger, von
einer lokalen Variation des vom Lichtsender ausgestrahlten Lichtes
weitgehend unabhängiger
Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich, auch
wenn die Objekte sich nicht bewegen. Unter der ersten Ableitung
ist im folgenden dabei die erste Ableitung in Richtung der räumlichen
Dimension oder der räumlichen
Dimensionen des mindestens eindimensionalen Felds von Lichtempfängern zu
verstehen, die insbesondere durch Differenzbildung zwischen den
Signalen benachbarter Lichtempfänger und
Normierung auf den Abstand der Lichtempfänger berechenbar ist.
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Im
Fall eines bewegten Objekts kann die Bewegungsrichtung des Objekts
automatisch aus der Richtung, in der die erste Ableitung der Lichtintensität maximal
wird oder aus der Richtung, in der die erste Ableitung der Lichtintensität maximal
wird oder aus der Projektion der Richtung der ersten Ableitung auf eine
bestimmte Richtung, gefolgert werden, auch ohne dass Kenntnisse über die
zeitliche Entwicklung der Position des Objektes vorliegen.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen
darin, dass die benötigte
Energie der Lichtquelle geringer wird, da die Auswertung nicht direkt
von der Lichtintensität
abhängig
ist, so dass die Erfindung prinzipiell sogar bei einer Beleuchtung
mit Tageslicht möglich
ist, wenn in Reflexionsgeometrie ein Material mit hohem Streuquerschnitt,
wie z. B. ein weißes
Blatt, verwendet wird und das nachzuweisende Objekt einen Kontrast
zu diesem Hintergrund aufweist.
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Für das Folgenden
sei abkürzend
für die
erste Ableitung der Lichtintensität auch der Begriff „Kontrast” genannt,
entsprechendes gilt auch für
die „Kontrastrichtung”. Die Größe des Kontrasts
und die Kontrastrichtung können
direkt von der Lichtempfängermatrix
bestimmt werden, wie zum Beispiel in
US 7,170,043 beschrieben.
Der lokale Kontrast eines Pixels P_c wird bestimmt durch Aufintegrieren
der Werte für
die Lichtintensität
der benachbarten Pixel, wenn die integrierte Lichtintensität des Pixels
gleich einem vorbestimmten Referenzwert ist. Dies funktioniert dann
wie ein lokaler Verschluss, denn die Integration des zentralen Pixels
wird gestoppt, wenn der Referenzwert erreicht ist. Die Integrationszeit
muss dabei wesentlich kürzer
sein als die Zeit, die ein Objekt für die Durchquerung des Überwachungsbereichs
benötigt.
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Auch
softwaremäßig können die
Größe des Kontrastes
und die Kontrastrichtung aus einer normalen CMOS Matrix, mit der
die Integrationszeit nur global variiert werden kann, abgeleitet
werden. Dies kann durch geeignete Filter erreicht werden, beispielsweise
durch eine Kirsch-Operation
der Lichtintensitätswerte
der benachbarten Pixel (3×3)
in einer normalen CMOS Matrix mit einem globalen Verschluss. Dabei
ist die Integrationszeit eine globaler Wert. Um Störungen durch
Streulicht zu reduzieren ist die Integrationszeit verkürzt, so
dass die Lichtintensität
nicht bis in den Sättigungswert
getrieben wird. Dasselbe gilt, wenn Zeilenverschlüsse verwendet
werden, wenn also die Daten zeilenweise ausgelesen werden. Da eine
Geschwindigkeit des zu detektierenden Objektes bei zu langer Integrationszeit Auswirkungen
auf die Lichtintensität
pro Pixel hat, sollte die Integrationszeit nicht zu groß gewählt werden
und gegebenenfalls einen Korrekturfaktor erhalten, mit dem die Objektgeschwindigkeit
berücksichtigt
wer keit berücksichtigt
werden kann. Der Projektionsvektor des Kontrastwertes eines Pixels
kann auch von der Winkellage des Kontrastmaximums zum zentralen
Pixel in Bezug auf einen Referenzwert abgeleitet werden. Dies kann
erreicht werden durchfolgende Berechnung: Größe des Kontrasts
= (Cx2 + Cy2)1/2 Kontrastrichtung
= arctan–1(Cy/Cx)wobei
Cx und Cy die Komponenten des Kontrastes in x und y-Richtung sind.
Insgesamt kann so die Kontrastrichtung und die Größe des Kontrastes
des zentralen Pixels aus der ersten Ableitung der Lichtintensität berechnet
werden.
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Zusätzlich kann
der Einfluss von Streulicht und Effekte wie das „Blooming” bei der erfindungsgemäßen Methode
leicht reduziert werden. Dies kann entweder in geeigneter Hardware
geschehen oder softwaremäßig durch
Reduktion der Integrationszeiten erreicht werden. Die Reduktion
der Integrationszeiten hat dabei nur geringen Einfluss auf die Auflösung des
Nachweises, weil die Ableitung der Signale der Lichtempfänger des
Felds von Lichtempfängern und
nicht deren absolute Werte verwendet werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der geringen Zahl von benötigten Lichtempfängern des Felds
von Lichtempfängern.
Beispielsweise reicht bei zweidimensionaler Detektion bereits eine
2-D CMOS-Lichtempfängermatrix
mit 5×5
Lichtempfängerpixeln
aus, da die Berechnung der Größe und/oder
der Richtung der Ableitung der Lumineszenz oder der Ableitung der
Lichtintensität,
die von den einzelnen Lichtempfängern
des Feldes von Lichtempfängern
detektiert wird, in zwei Dimensionen zumindest 3×3 Lichtempfängerpixel
benötigt.
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Dementsprechend
sieht das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors mindestens die Schritte
des Beleuchtens eines Überwachungsbereiches
mit einem Lichtsender und des Nachweisens der durch die Beleuchtung
mit dem mindestens einen Lichtsender hervorgerufenen Lichtintensität mit einem
mindestens eindimensionalen Feld von Lichtempfängern mit einer Auslese- und
Nachweiselektronik auf, wobei die Größe der ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder die
Richtung der ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder eine Projektion
der Richtung der ersten Ableitung auf eine bestimmte Richtung zum
Nachweis eines in die interessierende Region eintretenden Objektes
verwendet wird. Dementsprechend ist eine hohe Beleuchtungsintensität nicht
mehr wesentlich, vielmehr ist die Änderung der Lichtintensität in benachbarten
Elementen des mindestens eindimensionalen Felds von Lichtempfängern, die
in Gegenwart eines Objektes sprunghaft erfolgt, die relevante Größe. Dabei
kann bei Verwendung der Richtung der ersten Ableitung einer Größe insbesondere
die Richtung, in der diese Ableitung maximal wird, herangezogen
werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren
zusätzlich
die Schritte der Speicherung der bestimmten Werte für die bestimmte
erste Ableitung oder Richtung der maximalen ersten Ableitung und
die Auswertung ihrer zeitlichen Entwicklung der Lichtintensität auf. Dadurch
ist es möglich,
zusätzliche
Informationen hinsichtlich der Bewegungsrichtung und insbesondere
auch der Geschwindigkeit des Objektes zu gewinnen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zusätzlich
die zeitliche Änderung
der ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder die Richtung der
ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder die Projektion der
Richtung der ersten Ableitung auf eine bestimmte Richtung registriert
und analysiert. Dies erlaubt es, die zeitliche Entwicklung des Objektes
im Überwachungsbereich im
Detail nachzuvollziehen.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, auch die zeitliche Abfolge der
Richtungen der ersten Ableitung der Lichtintensität beim Durchgang
eines Objekts durch den Überwachungsbereich
zu registrieren. Die Analyse dieser Daten verhindert mögliche Fehlinterpretationen
der Bewegungsrichtung eines Objekts.
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Besonders
geeignet ist ein Verfahren, bei dem ein mindestens zweidimensionales
Feld von Lichtempfängern
verwendet wird. Dies erlaubt es, eine Kante oder Kontur des in den Überwachungsbereich
eintretenden Objekts zu bestimmen. Dadurch kann die Sicherheit des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber
Fehldetektionen insbesondere dann weiter erhöht werden, wenn die Kontur
eines Objekts, bei dem ein Eindringen in den Überwachungsbereich verhindert
werden soll oder ausnahmsweise erlaubt ist, im Voraus bekannt ist.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zeitdifferenz zwischen
dem Nachweis einer ersten Kante oder Kontur des Objekts an einem
ersten Ort des Überwachungsbereichs
und einem Nachweis der ersten Kante oder Kontur des Objekts an einem zweiten
Ort des Überwachungsbereichs
gemessen wird, da sich dadurch die Geschwindigkeit des Objekts bestimmen
lässt.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird weiter auch
die Zeitdifferenz zwischen dem Nachweis einer ersten Kante oder
Kontur des Objekts an einem ersten Ort des Überwachungsbereichs und einem
Nachweis einer zweiten Kante oder Kontur des Objekts an dem ersten
Ort des Überwachungsbereichs
gemessen. In Verbindung mit Informationen zur Geschwindigkeit des
Objektes lässt
sich aus diesen Daten die räumliche
Ausdehnung des Objekts in seiner Propagationsrichtung rekonstruieren.
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Die
hohe Sicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sogar noch
weiter dadurch gesteigert werden, dass zusätzlich die in den Lichtempfängern des
mindestens eindimensionalen Felds von Lichtempfängern gemessenen Werte der
Lichtintensität
mit einem Referenzwert für
den jeweiligen Lichtempfänger
verglichen werden.
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Der
erfindungsgemäße optoelektronische Sensor
weist mindestens einen Lichtsender und ein mindestens eindimensionales
Feld von Lichtempfängern
zum Nachweis der durch Beleuchtung mit dem Lichtsender hervorgerufenen
Lichtintensität
auf, die mit einer Auslese- und Nachweiselektronik in Signalkommunikation
stehen, wobei die Auslese- und Nachweiselektronik zusätzlich Mittel
zur Bestimmung der Größe der ersten
Ableitung der Lichtintensität und/oder
zur Bestimmung der Richtung der ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder
der Projektion der Richtung der ersten Ableitung auf eine bestimmte Richtung
aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des optoelektronischen Sensors,
die eine besonders detaillierte Analyse der Bewegung eines Objekts
im Überwachungsbereich
des optoelektronischen Sensors erlaubt, sind zusätzlich Mittel zur Bestimmung
und Analyse der zeitlichen Änderung
der ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder der zeitlichen Änderung der
Richtung der ersten Ableitung der Lichtintensität und/oder der Projektion der
Richtung der ersten Ableitung auf eine bestimmte Richtung vorgesehen.
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Durch
das Vorsehen zusätzlicher
Mittel zur Registrierung der zeitlichen Abfolge der Richtungen, in
der die erste Ableitung der Lichtintensität beim Durchgang eines Objekts
durch den Überwachungsbereich
maximal wird, kann weiter erreicht werden, dass eine in Ausnahmesituationen
denkbare Fehlinterpretation der Richtungsinformation, die durch
die Richtung der ersten räumlichen
Ableitung übermittelt wird,
völlig
ausgeschlossen ist.
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Vorteilhafterweise
weist der optoelektronische Sensor ein mindestens zweidimensionales
Feld Feld von Lichtempfängern
auf. Bei dieser Ausführungsform
ist es möglich,
durch Vorsehen zusätzlicher
Mittel zum Nachweis einer Kante oder Kontur des in den Überwachungsbereich
eintretenden Objekts beispielsweise bestimmte Objekte im Überwachungsbereich
zuzulassen oder lediglich das Auftreten bestimmter Objekte im Überwachungsbereich auszuschließen, was
noch dadurch verbessert wird, dass die Objekterkennung in einem
durch die geometrischen Abmessungen des Lichtempfängerfeldes vorgegebenen
Gesichtsfeld außerhalb
einer „region of
interest” (ROI)
erfolgt. Damit kann nämlich
eine gewisse Objektverfolgung erfolgen und möglicherweise Störlicht von
dem Licht, das von Objekten reflektiert wird, unterschieden werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der optoelektronische
Sensor mit Mitteln zur Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen dem
Nachweis einer ersten Kante oder Kontur des Objekts an einem ersten
Ort des Überwachungsbereichs
und einem Nachweis der ersten Kante oder Kontur des Objekts an einem
zweiten Ort des Überwachungsbereichs ausgestattet
und damit geeignet, die Geschwindigkeit des Objekts im Überwachungsbereich
zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann durch Mittel zur Bestimmung
der Zeitdifferenz zwischen dem Nachweis einer ersten Kante oder
Kontur des Objekts an einem ersten Ort des Überwachungsbereichs und einem
Nachweis zweiten ersten Kante oder Kontur des Objekts an dem ersten
Ort des Überwachungsbereichs
erreicht werden, dass auch die räumliche
Ausdehnung der Objekte im Überwachungsbereich
ermittelt werden kann.
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Eine
noch weiter gehende Verbesserung der Stabilität des optoelektronischen Sensors
gegen Fehldetektionen kann man erreichen, wenn man zusätzlich Mittel
zum Vergleich der Messung der in den Lichtempfängern des mindestens eindimensionalen Felds
von Lichtempfängern
gemessenen Werte der Lichtintensität mit einem gespeicherten Referenzwert der
entsprechenden Größe für den jeweiligen
Lichtempfänger
vorsieht.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann als Referenzwert auch ein Abbild
der Umgebung oder das auf den Empfänger abgebildete Muster der
Umgebung und/oder einen Teil der Umgebung und/oder eine bestimmte
Objektform und/oder ein bestimmtes Muster auf dem Objekt abgespeichert
werden, um diese Referenz zur Objektbestimmung mit dem aktuell aufgenommene
Bild zu vergleichen. Dadurch wird nicht nur die Detektionssicherheit
erhöht,
sondern auch zusätzliche
Einsatzgebiete erschlossen, beispielsweise die Barcodelesung.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung des Verfahrens und/oder des optoelektronischen Sensors
gemäß dieser
Erfindung zum Betrieb eines Lichttasters, Lumineszenztasters, einer
Lichtschranke und/oder einer Reflexionslichtschranke.
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Im
Folgenden werden spezielle Ausführungsformen
der Erfindung anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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Es
zeigt
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1:
eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Nachweises
eines Objekts
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2a,
b: eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Nachweises
eines Objekts, das sich von rechts nach links (2a)
bzw. von links nach rechts (2b) bewegt.
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3a–d: eine
Bildfolge, die eine durch Kantendetektion verfolgte Bewegung eines
Objekts durch einen Überwachungsbereich
darstellt.
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Gleiche
Objekte werden in allen Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet,
sofern nichts anderes erwähnt
ist.
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Anhand
der 1 wird ein erster erfindungsgemäßer Nachweis
eines Objekts 12 schematisch dargestellt, wobei ein Reflexionslichtschalter
als Beispiel betrachtet wird. Gezeigt sind ein Gesichtsfeld 14 einer
2D CMOS-Lichtempfängermatrix
mit 7×4 Lichtempfängern und
Gesichtsfelder 11 einzelner Lichtempfänger dieser Matrix. Das Objekt 12,
das in diesem Beispiel nichtreflektierend, und rechteckförmig sein
soll, bewegt sich in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung von
rechts nach links durch das Gesichtsfeld 14. Außerdem ist
ein Überwachungsraum 13,
der oft auch als „Region
of Interest” oder „ROI” bezeichnet
wird, dargestellt. Dieser Überwachungsraum
kann beispielsweise durch ein Reflektorfeld definiert sein, dessen
Helligkeit sich stark von der des ebenfalls im Gesichtsfeld 14 liegenden
Hintergrundes unterscheidet. Möglich,
aber nicht zwingend erforderlich ist die Verwendung eines Retroreflektors,
der die Polarisation des Lichtes um 90° rotiert und zusätzliche
Sicherheit für
den Nachweis des Objekts 12 bietet. Der Retroreflektor
kann dabei im oder außerhalb
des Fokus einer Empfängeroptik
liegen, wobei jeder Tripelspiegel des Retroreflektors in dem Empfänger abgebildet
wird.
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Empfänger abgebildet
wird. Beispielsweise für
die Erkennung von transparenten Objekten ist eine Reflektorlage
außerhalb
des Fokus vorteilhaft, da dann eine Erhöhung der Differenz der Größe und/oder
der Richtung und/oder der Projektionen auf eine bestimmte Richtung
der Ableitung der Lichtintensität
erzielt werden kann. Der Überwachungsraum kann
aber auch auf andere Art festgelegt werden.
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Bevorzugt
erfolgt die Objekterkennung in einem durch die geometrischen Abmessungen
des Lichtempfängerfeldes
vorgegebenen Gesichtsfeld, wobei in dem Gesichtsfeld eine „region
of interest” (ROI)
definiert ist. Damit kann nämlich
eine gewisse Objektverfolgung erfolgen und möglicherweise Störlicht von
dem Licht, das von Objekten reflektiert wird, unterschieden werden.
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Für den Nachweis
eines Objekts 12 gemäß der aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren wäre es notwendig, zumindest
für die
Lichtempfänger
der 7×4
CMOS-Lichtempfängermatrix,
die dem Überwachungsbereich
zuzuordnen sind, in Abwesenheit des Objekts 12 die durch
Reflexion am Reflektorfeld in die betreffenden Lichtempfänger eingetragene
Lichtintensität
zu bestimmen und als Referenzwert zu speichern. Der Vergleich der
aktuellen Messwerte der betreffenden Lichtempfänger mit diesen Referenzwerten,
hier konkret die Reduktion der durch Reflexion erzeugten Lichtintensität, würde dann
zur Objektdetektion genutzt.
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Derselbe
Effekt wie durch das Einbringen des Objekts 12 würde aber
beispielsweise durch eine reduzierte Intensität des eingestrahlten Lichtes
der nicht dargestellten Lichtsendeeinheit erreicht, so dass ein
Objekt 12 fehldetektiert werden könnte, ohne dass in der Tat
ein Objekt 12 im Überwachungsbereich 13 befindlich
ist. Umgekehrt könnte
eine höhere
eingestrahlte Lichtintensität
bewirken, dass trotz der Anwesenheit eines Objekts 12 kein
Objekt 12 nachgewiesen wird.
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Gemäß eines
ersten erfindungsgemäßen Kriteriums
wird stattdessen in Reflexionsgeometrie die Größe der (räumlichen) Ableitung dL/dx der
durch die Lichtempfänger
nachgewiesenen Lichtintensität untersucht,
die proportional zur Differenz der von jeweils benachbarten Lichtempfängern nachgewiesenen
Signale ist. Insbesondere wird in den Lichtempfängern, in deren Gesichtsfeldern 11 sich
das nichtreflektierenden Objekt 12 gerade befindet, ein
verschwindend geringes Lichtintensitätssignal nachgewiesen, während die
links angrenzenden Gesichtsfelder 11 der Lichtempfänger wegen
der starken Reflexion am Reflektorfeld einen Bereich, in dem Bereich,
in dem ein starkes Lichtintensitätssignal
zu registrieren ist, überdecken.
Dementsprechend liegt innerhalb des Überwachungsbereiches 13 ein
Bereich, in dem ein sehr hoher Wert der Ableitung der Lichtintensität auftritt,
der ein sicheres Anzeichen dafür
ist, dass sich ein Objekt 12 im Überwachungsbereich 13 befindet.
Selbst wenn die Ausleuchtung des Überwachungsbereiches 13 nicht
homogen ist oder wenn sie, etwa wegen einer Verschmutzung des nicht
dargestellten Lichtsenders, schwächer
als gemäß der Spezifikation
vorgesehen erfolgt, wird die räumliche Änderung
des Lichtintensitätssignals
durch die Abschattung durch das Objekt 12 bei weitem dominiert. Insbesondere
wird durch die Lichtempfänger,
zwischen denen hohe Werte der räumlichen
Ableitung der Lichtintensitätssignale
auftreten, eine gerade Linie, entsprechend einem Kantenabschnitt
des Rechteckes oder im allgemeinen Fall eine Konturlinie, entsprechend
der Kontur des Objekts 12 gebildet. Dementsprechend kann
in Fällen,
in denen die Form der möglicherweise
in den Überwachungsbereich 13 eindringenden
Objekte 12 bekannt ist, als zusätzliches Kriterium für das Vorliegen
eines Eindringens verwendet werden, dass die räumliche Anordnung der Lichtempfänger, in
denen hoher Werte der räumlichen
Ableitung vorliegen, die Form der Kante oder Kontur des entsprechenden
Objekts 12 widerspiegelt, wenn ein zweidimensionales Feld
von Lichtempfängern
verwendet wird.
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Das
vorstehend anhand der 1 für den Fall einer Reflexion
für Lichtintensitätssignale
diskutierte Beispiel lässt
sich in analoger Weise auch auf andere Nachweisgeometrien und die
Messung von Lichtintensitäten übertragen.
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2a und 2b zeigen
jeweils auch ein Gesichtsfeld 14 einer 2D CMOS-Lichtempfängermatrix,
in dem sich ein Objekt 12 bewegt, und zwar in 2a von
rechts nach links und in 2b von
links nach rechts. Dabei wird jeweils ein Überwachungsraum 13 verletzt.
Während
bei der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Vorgehensweise zur Bewertung des Vorliegens des Objekts 12 im Überwachungsbereich
nur die Größe der räumlichen
ersten Ableitung berücksichtigt
wurde, ist es ebenfalls möglich,
die Richtung, in der die räumliche
erste Ableitung maximal wird, zu berücksichtigen.
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Sowohl
in 2a als auch in 2b wird das
Objekt 12 durch das Vorliegen eines sehr hohen Wertes der
räumlichen
Ableitung der durch die Lichtempfänger der 2D CMOS-Lichtempfängermatrix,
der wie in der Beschreibung zu 1 beschrieben
entsteht, identifiziert. Der Unterschied zwischen dem sich von rechts
nach links bewegenden Objekt in 2a und
dem von links nach rechts bewegenden Objekt in 2b ist
aber, dass im ersten Fall die Fall die Richtung der Ableitung, d.
h. des Anstiegs des von den einzelnen Lichtempfängern der 2D CMOS-Lichtempfängermatrix
nachgewiesenen Signals, von rechts nach links ansteigt, entsprechend
einem Projektionsvektor von 0°,
im zweiten Fall jedoch von links nach rechts, entsprechend einem
Projektionsvektor von 180°.
Daraus wird deutlich, dass bei Berücksichtigung der Richtung,
in der die erste Ableitung maximal wird, zugleich auch ohne detaillierte Kenntnis
der zeitlichen Entwicklung der Position des Objekts 12 eine
Aussage über
die Bewegungsrichtung des Objekts 12 zumindest dann möglich ist, wenn
bekannt ist, ob die betrachtete Kante die vordere odere hintere
Kante eines gegebenen Objekts 12 ist. Daher ist es in einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, die Abfolge der Richtungen der räumlichen
Ableitungen, wenn ein Objekt 12 den Überwachungsbereich 13 durchläuft, zu überwachen.
Bestimmt man zusätzlich
den Zeitunterschied zwischen dem Nachweis der vorderen und der hinteren
Kontur eines Objekts 12, kann auch eine Aussage über die
Größe des Objekts 12 gewonnen werden.
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Die 3a–d sind
eine Bildfolge, die eine durch Kantendetektion verfolgte Bewegung
eines Objekts 12 durch einen Überwachungsbereich 13, der
im Gesichtsfeld 14 einer 2D CMOS-Lichtempfängermatrix enthalten ist, darstellt.
Das Objekt 12 soll dabei, wie in den 1 und 2 rechteckig sein und bewegt sich von rechts
nach links. In 3a ist die erste, vordere Kante
des Objekts 12 in den Überwachungsbereich 13 eingetreten
und führt
zu einem hohen Wert der Ableitung des Lichtintensitätssignals
in mehreren Paaren von Lichtempfängern
einer 2D CMOS-Lichtempfängermatrix,
die untereinander angeordnet sind, wobei die Richtung der Ableitung
einem Signalanstieg von rechts nach links und somit einer Bewegung
von rechts nach links entspricht.
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In 3b hat
sich die erste Kante des Objekts 12 innerhalb des Überwachungsbereichs 13 weiter
nach links bewegt. Darüber
hinaus hat auch die zweite, hintere Kante des Objekts 12 den Überwachungsbereich 13 erreicht.
Sie ist ebenfalls durch das Auftreten eines hohen Wertes der Ableitung
der Lichtintensität
gekennzeichnet, die Richtung der Ableitung ist aber entgegengesetzt,
was das Ende des Objekts 12 signalisiert. Durch Bestimmen
der Zeit, die für
die Propagation der ersten Kante des Objekts 12 von einer
ersten Position im Überwachungsbereich 13 zu
einer zweiten Position im Überwachungsbereich 13 benötigt wird,
kann eine Aussage über
die Geschwindigkeit des Objekts 12 gewonnen werden.
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In 3c ist
die erste Kante des Objekts 12 im Überwachungsbereich 13 weiter
nach links gewandert und die zweite Kante des Objekts 12 hat
die Stelle des Überwachungsbereichs 13 erreicht,
an der sich in 3a die erste Kante des Objekts 12 befand. In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird auch die Zeit,
die zwischen dem Auftreten der ersten Kante des Objekts 12 an
einem gegebenen Punkt im Überwachungsbereich 13 und
dem Auftreten der zweiten Kante des Objekts 12 an diesem Punkt
des Überwachungsbereichs 13 liegt,
gemessen. Aus dieser Information kann dann in Verbindung mit der
Geschwindigkeit des Objekts 12 eine Aussage über die
Ausdehnung des Objekts 12 abgeleitet werden.
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In 3d hat
die erste Kante des Objekts 12 den Überwachungsbereich 13 verlassen
und nur noch die zweite Kante wird nachgewiesen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist insbesondere zum Nachweis von hochgradig transparenten Objekten, von
Objekten, welche Eigenschaften eines Reflektors aufweisen, wie beispielsweise
dünne Plastikfolien,
oder von Objekten, die wie insbesondere wie Reflektoren die Polarisation
des Lichts ändern,
geeignet. Weiterhin können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch
Objekte aus Glas, die lediglich geringe Lichtintensitätsunterschiede
hervorrufen, oder hochgradig reflektierende Objekte wie Kaffeeverpackungen nachgewiesen
werden. Schließlich
sind das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch geeignet, Objekte nachzuweisen, bei welchen das Triangulationsprizip
aufgrund der nur ungenügenden
Möglichkeit,
die Objekte mit Hintergrundunterdrückung von den Lichtauftreffpunkten auf
der Matrix von Lichtempfängern
zu unterscheiden, nur schlecht anzuwenden ist, wie beispielsweise hoch
reflektierende gekippte oder geneigte Objekte.
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- 11
- Gesichtsfeld
einzelner Lichtempfänger
- 12
- Objekt
- 13
- Überwachungsraum
(Region of Interest)
- 14
- Gesichtsfeld
einer 2D CMOS-Lichtempfängermatrix