DE10057246A1 - Infrarot-Nachweisvorrichtung für eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer bewegten Papierbahn mit Polychromator und IR-Detektormatrix - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Infrarot-Nachweisvorrichtung für eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer bewegten Papierbahn (20), insbesondere für eine Vorrichtung zur Produktionskontrolle bei der Papierherstellung, wobei die Nachweisvorrichtung einerseits einen Polychromator (22) aufweist, in den eintrittsseitig von der Papierbahn (20) kommendes Licht eintritt und andererseits einen IR-Detektor (36) mit einer Matrix an IR-empfindlichen Fotoleitern aufweist, dem eine Auswerteelektronik (38) nachgeschaltet ist, die für jeden einzelnen Fotoleiter der Matrix einen zugeordneten Speicher (40) hat. Es ist eine zusätzliche Lichtquelle (42) vorgesehen, die gesteuert ein- und ausschaltbar ist zwischen einer ersten Lichtstärke und einer zweiten, gegenüber der ersten Lichtstärke größeren Lichtstärke, die den IR-Detektor (36) gleichmäßig ausleuchtet und die zumindest im ausgeschalteten Zustand den Strahlengang des eintrittsseitigen Lichts durch den Polychromator (22) und auf den IR-Detektor (36) nicht behindert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Infrarot-Nachweisvorrichtung für eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer bewegten Papierbahn, insbesondere für eine Vorrichtung Produktionskontrolle bei der Papierher­ stellung, wobei die Nachweisvorrichtung einerseits einen Polychromator auf­ weist, in den eintrittsseitig von der Papierbahn kommendes Licht eintritt und andererseits einen IR-Detektor mit einer Matrix an IR-empfindlichen Fotoleitern aufweist, dem eine Auswerteelektronik nachgeschaltet ist, die für jeden einzelnen Fotoleiter der Matrix einen zugeordneten Speicher hat, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Infrarot-Nachweisvor­ richtung.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der PCT/DE 99/02530 bekannt. Matrix­ detektoren dieser Art werden zumeist für die Bilderfassung eingesetzt, sie sind z. B. für Nachtsichtgeräte bekannt. Sie bestehen aus einer Matrix ein­ zelner Pixel, jedes Pixel ist ein Fotoleiter. Unter Fotoleiter wird hierbei jedes fotoempfindliche elektrische Element verstanden, das eine elektrische Strom- oder Spannungsänderung bei Beleuchtung bewirkt. Insbesondere kommen als Fotoleiter infrarotempfindliche Halbleiter wie beispielsweise PbS, sowie CCD- und CMOS-Anordnungen in Frage.

Die Problematik von IR-Detektoren der eingangs genannten Art besteht darin, dass die einzelnen Pixel bzw. Fotoleiter sich in ihren Eigenschaften von­ einander unterscheiden. Insbesondere unterscheiden sie sich im Offset und in ihrer Empfindlichkeit.

Bei der Infrarot-Nachweisvorrichtung der eingangs genannten Art ist es für das Messergebnis wichtig, dass jedes einzelne Pixel der Detektormatrix sich möglichst wie die anderen Pixel verhält. Für die Erfassung von Fehlern oder Abweichungen der Papierbahn wird diese bereichsweise abgetastet. Die Ab­ tastung erfolgt in sogenannten Messflecken. Üblicherweise ist eine hohe An­ zahl derartiger Messflecken über die Breite der transportierten Papierbahn angeordnet. Jedem einzelnen Messfleck ist mindestens ein Pixel, vorzugswei­ se sogar eine komplette Zeile bzw. Reihe Pixel zugeordnet. Deren Eigen­ schaften sind für das Ergebnis, ob eine Papierbahn innerhalb der geforder­ ten Normen liegt oder nicht, entscheidend.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Infrarot- Nachweisvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass die vorrichtungsmässigen Voraussetzung geschaffen wer­ den und ein Verfahren angegeben wird mit dem Ziel, dass sich die Pixel im Messergebnis gleich verhalten und überprüfbare Eigenschaften haben. Ins­ besondere soll es möglich sein, unter der Norm liegende Pixel, die für den praktischen Gebrauch aus irgendeinem Grund nicht einsetzbar sind, insbe­ sondere zu unempfindlich sind, auszuschliessen, so dass durch sie kein Messergebnis geliefert wird.

Ausgehend von der Infrarot-Nachweisvorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe vorrichtungsmässig dadurch gelöst, dass eine zusätz­ liche Lichtquelle vorgesehen ist, die gesteuert ein- und ausschaltbar ist zwi­ schen einer ersten Lichtstärke und einer zweiten, gegenüber der ersten Lichtstärke grösseren Lichtstärke, die den IR-Detektor gleichmässig aus­ leuchtet und die zumindest im ausgeschalteten Zustand den Strahlengang des eintrittsseitigen Lichts durch den Polychromator und auf den IR- Detektor nicht behindert.

Verfahrensmässig wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Infrarot-Nachweisvorrichtung, wie sie im vorausgegangenen Absatz spezifiziert ist, bei dem die zusätzliche Lichtquelle in der ersten Leuchtstärke betrieben und die dabei erhaltenen elektrischen Signale jedes einzelnen Fotoleiters erfasst werden, bei dem die zusätzliche Lichtquelle in der zweiten Leuchtstärke betrieben wird und wiederum die dabei erhaltenen elektrischen Signale jedes einzelnen Fotoleiters erfasst werden, bei dem un­ ter Vergleich mit einem Referenzpixel einerseits aus dem Quotienten der e­ lektrischen Signale ein erster Korrekturwert m für jeden einzelnen Fotoleiter und andererseits aus mindestens einem elektrischen Signal ein zweiter Kor­ rekturwert für die Empfindlichkeit jedes einzelnen Fotoleiters erhalten wird und bei dem beide Korrekturwerte für jeden einzelnen Fotoleiter abgespei­ chert werden und während einer späteren Messung berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäss wird also mittels einer zusätzlichen Lichtquelle die De­ tektormatrix homogen ausgeleuchtet. Dies erfolgt ausserhalb einer Mess­ phase in einer sogenannten Prüfphase. Während der Prüfphase darf kein sonstiges Licht, insbesondere kein eintrittsseitiges Licht auf die Detektor­ matrix fallen. Derartiges Licht wird notfalls abgeschottet. Wenn hierfür nicht schon geeignete Mittel, beispielsweise ein Chopper, vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, eine entsprechende Vorrichtung, z. B. einen Shutter oder einen Verschluss, vorzusehen.

Erfindungsgemäss hat jedes Pixel einen eigenen, ihm zugeordneten Speicher. Innerhalb eines grösseren Speichers ist beispielsweise eine gewisse Adresse nur diesem Pixel zugeordnet. In diesem Speicher werden die im Rahmen ei­ ner Prüfphase erhaltenen Korrekturwerte abgespeichert, mit denen die spä­ ter in der Messphase erhaltenen Signale der einzelnen Pixel korrigiert werden zu einem Messwert, der dann jeweils ausgegeben wird.

Verfahrensmässig erfolgt die Prüfphase im Hellen und im Dunklen. Im Hel­ len wird mit zwei unterschiedlichen Leuchtstärken gearbeitet, nämlich einer ersten Leuchtstärke und einer zweiten, gegenüber der ersten höheren Leuchtstärke. Vorzugsweise liegen die beiden Leuchtstärken im Bereich der Leuchtstärken, die auch das eintrittsseitige Licht auf die jeweiligen Pixel be­ wirkt. Insbesondere liegt also vorzugsweise die erste Leuchtstärke im unte­ ren Intensitätsbereich des eintrittsseitigen Lichtes und die zweite Leucht­ stärke im oberen Intensitätsbereich dieses zu messenden Lichtes. Entspre­ chend wird die zusätzliche Lichtquelle betrieben.

Die Korrektur für jeden einzelnen Pixel erfolgt nach einer linearen Gleichung, also einer Geradengleichung mit einem Steigungswert als erstem Korrektur­ wert und einem Offset bzw. Y-Achsenabschnitt als zweitem Korrekturwert. Die Korrektur erfolgt sowohl für die im Dunkeln als auch für die im Hellen erhaltenen elektrischen Signale von jedem einzelnen Pixel.

Vorzugsweise wird als zusätzliche Lichtquelle eine IR-Leuchtdiode, eine so­ genannte IR-LED, benutzt. Vorzugsweise ist ihr eine Temperiereinrichtung zugeordnet, die ihre Temperatur konstant hält. Vorzugsweise liegt die Tem­ peratur unterhalb der Raumtemperatur, die LED wird also gekühlt. Dies er­ folgt in einer bevorzugten Ausführung mit einem Peltierelement, dem ein Temperatursensor und eine Steuerschaltung zugeordnet sind.

In einer bevorzugten Ausführung befindet sich die zusätzliche Lichtquelle innerhalb eines Polychromators. Sie ist dabei so angeordnet, dass sie direkt durch das Austrittsfenster des Polychromators die Detektormatrix beleuch­ tet. Sie befindet sich den Abstand von einigen Zentimetern von der Detek­ tormatrix und im Strahlengang hinter dem das Licht zerlegenden Element des Polychromators, also einem Gitter oder Prisma.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben werden. In dieser Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht einer Infrarot-Nachweisvorrichtung in schemati­ scher Darstellung,

Fig. 2: eine Seitenansicht einer Vorrichtung entsprechend Fig. 1, jedoch nun mit einer einklappbaren und wegklappbaren zusätzlichen Lichtquelle,

Fig. 3: ein Diagramm des Verlaufs der Leuchtstärke L der zusätzlichen Lichtquelle aufgetragen über die Zeit t,

Fig. 4: der Verlauf der Spannung an einem ersten Pixel über der Zeit t und im selben Zeitverlauf während der Beleuchtung durch die zu­ sätzliche Lichtquelle gemäss Fig. 3,

Fig. 5: einen Verlauf entsprechend Fig. 4, jedoch für ein anderes Pixel und

Fig. 6: einen Verlauf entsprechend Fig. 3, jedoch für ein schlechtes Pi­ xel.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, hat die Infrarot-Nachweisvorrichtung einer Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer bewegten Papierbahn 20 einen Polychromator 22, in den eintrittseitig von der Papierbahn 20 über ei­ ne Vielzahl von Lichtleiterfasern 24 Licht eintritt. Die einzelnen Lichtleiterfa­ sern 24 sind eingangsseitig auf Messflecke auf der Papierbahn 20 gerichtet. Diese Messflecke werden durch eine Beleuchtungsanordnung 26 mit einer IR-Lichtquelle und einer Lichtleiterfaser beleuchtet. Der Transport der Pa­ pierbahn 20 erfolgt entlang des Pfeils. In Fig. 1 ist von den vielen Lichtlei­ terfasern 24 nur eine Faser durchgezeichnet, die anderen verlaufen parallel hierzu und sind zu einem Spalt 28 gebündelt, der den Eintrittsspalt des Polychromators 22 bildet. In unmittelbarer Nähe dieses Spaltes 28 befindet sich auch ein Chopper 30 mit einer Chopperscheibe bekannter Bauart. Da­ durch wird das Licht entlang des Pfeils 32, das das Eintrittslicht des Polych­ romators 22 darstellt, periodisch unterbrochen.

Nach Durchgang durch den Polychromator 22 fällt das nun in Querrichtung zum Verlauf des Spaltes 28 in ein Spektrum zerlegte Licht jeder einzelnen Lichtfaser auf einen IR-Detektor 36. Dieser ist elektrisch mit einer Auswerte­ schaltung 38 und einem Speicher 40 verbunden.

Der IR-Detektor 36 hat eine Matrix in Form eines Schachbrettes einzelner IR-empfindlicher Pixel. Derartige IR-Detektoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, verwiesen wird beispielsweise auf PCT/DE 99/02530.

Um während einer Prüfphase die einzelnen Pixel des IR-Detektors 36 testen und einjustieren zu können und die dabei erhaltenen Korrekturwerte bei späteren Messungen berücksichtigen zu können, sind zusätzliche Mass­ nahmen vorgesehen, auf die nun eingegangen wird:

Im Polychromator ist ausserhalb des Nusstrahlengangs, wie er durch die Pfeile 32, 34 im wesentlichen dargestellt wird, eine zusätzliche Lichtquelle 42 in Form einer IR-Leuchtdiode angeordnet. Sie strahlt durch ein Austritts­ fenster des Polychromators 22 schräg auf den IR-Detektor 36, den sie voll­ ständig und gleichmässig ausleuchtet. Durch die gewählte Entfernung wird die vollständige und gleichmässige Ausleuchtung verbessert. Die Lichtquelle befindet sich in einer Entfernung von etwa 5-40 cm vom IR-Detektor.

Die Lichtquelle in Form einer IR-Leuchtdiode ist gekühlt, ihr ist ein Peltiere­ lement 44 zugeordnet, das über eine Steuerschaltung 46 gesteuert mit Strom versorgt wird. Dem Peltierelement 44 ist ein Temperatursensor zuge­ ordnet, der ebenfalls elektrisch mit der Steuerschaltung 46 verbunden ist.

Die Steuerschaltung ist auch elektrisch mit der Lichtquelle 42 verbunden und versorgt diese mit Strom. Gesteuert durch eine allgemeine, hier nicht dargestellte Steuerung der gesamten Vorrichtung, beispielsweise durch ei­ nen PC, gibt die Steuerschaltung 46 eine elektrische Spannung an die Licht­ quelle 42, deren Verlauf im wesentlichen dem Verlauf des von der Licht­ quelle dadurch abgegebenen Lichtstroms L entspricht, wie er in Fig. 3 darge­ stellt ist. Danach hat die Lichtquelle 42 einerseits einen ersten Zustand I mit einer ersten Lichtstärke, dargestellt durch ein kleineres Rechtecksignal in Fig. 3, und anschliessend einen zweiten Zustand II mit grösserer Lichtstär­ ke, dargestellt durch ein höheres Rechteck in Fig. 3. Wie Fig. 3 zeigt, gibt die zusätzliche Lichtquelle 42 ausserhalb dieser beide Zustände kein Licht ab, der Lichtstrom beträgt 0. Die Lichtquelle stört also nicht bei der normalen Messung. Es genügt, sie auszuschalten. Spezielle Abdunklungsmassnah­ men, wie beispielsweise ein Shutter, sind nicht erforderlich.

Fig. 4 zeigt die Antwort eines leistungsfähigen Pixels auf die Belichtung im Sinne der Fig. 3. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, steigt das elektrische Signal zunehmend schwächer werdend an und erreicht den maximalen Wert im Abschaltzeitpunkt. Danach geht es wieder in Richtung der Nullinie zurück, ohne diese aber ganz zu erreichen. Die Abweichung wird als drift d bezeich­ net. Gleiches wiederholt sich im zweiten Zustand der Lichtquelle 42. Auch hier steigt das Signal stark an und erreicht sein Maximum im Ausschaltzeit­ punkt, um danach wieder zurückzufallen.

Fig. 5 zeigt ein entsprechendes Verhalten eines nicht so leistungsfähigen, a­ ber durchaus intakten Pixels. Hier laufen im wesentlichen die entsprechen­ den Signalverläufe ab, nur werden nicht zu hohe Amplituden erreicht.

Fig. 6 schliesslich zeigt das Ergebnis eines schlechten Pixels, dessen Signal ist nicht auszuwerten, das dennoch erhaltene, kleine Signal könnte zu Störungen führen. Ein derartiges Pixel muss ausgeschaltet werden, sein Signal darf für eine Auswertung nicht berücksichtigt werden. Gleiches gilt für ein Pixel, das überhaupt keine Antwort gibt.

Um schlechte Pixel wie dasjenige gemäss Fig. 6 ausschliessen zu können, werden Schwellenwerte S1 für den Zustand der ersten Lichtstärke und S2 für den Zustand der zweiten Lichtstärke gesetzt. Sie sind in den Fig. 4 bis 6 für alle drei dargestellten Pixel eingezeichnet. Wie man sieht, überstei­ gen beide Signale der Pixel gemäss den Fig. 4 und 5 jeweils beide Schwellenwerte S1 und S2. Nicht jedoch das Pixel gemäss Fig. 6, es bleibt unterhalb beider Schwellenwerte in beiden Zuständen I und II. Auch wenn ein Signal auch nur in einem Zustand unterhalb des zugehörigen Schwel­ lenwertes bleibt, wird für die Messung das Signal des entsprechenden Pixels ausgeschlossen.

Die Korrektur wird nur für die gut befundenen Pixel durchgeführt. Für jedes gute Pixel wird ein Offsetkorrekturfaktor und ein Steigungskorrekturfaktor berechnet. Hierzu wird in einem Koordinatensystem für jedes Pixel eine Ge­ rade gezeichnet, anders ausgedrückt wird eine lineare Gleichung aufgestellt. Es wird ein Referenzpixel ausgewählt, das die gewünschten Eigenschaften hat. Seine Amplituden in beiden Belichtungsfällen I und II werden mit X1 und X2 auf der X-Achse aufgetragen. Die individuellen Signale der jeweiligen Pixel, wie sie aus den Fig. 4 und 5 ablesbar sind, werden als Y1 und Y2 aufgetragen. Das Wertepaar X1/Y1 bildet einen ersten Punkt, das Wertepaar X2/Y2 bildet einen zweiten Punkt. Durch diese beiden Punkte ist eine Gera­ de festgelegt. Es wird nun die Umkehrfunktion gebildet und hieraus der Steigungskorrekturfaktor und der Offsetkorrekturfaktor abgelesen. Bei einer späteren Messung wird das Signal jedes guten Pixels korrigiert, indem das jeweils gemessene elektrische Signal mit dem Steigungskorrekturfaktor mul­ tipliziert und anschliessend der Offsetkorrekturfaktor addiert wird. Das Er­ gebnis ist der Messwert, der bei der Signalverarbeitung berücksichtigt wird.

Fig. 2 zeigt in der Seitenansicht wie zehn einzelne Lichtleiterfasern 24 zu ei­ nem Eintrittsspalt 28, der quer zur Papierebene verläuft, zusammengefasst werden. Die zusätzliche Lichtquelle in Form einer IR-LED befindet sich in ei­ nem Gehäuse zwischen Polychromator 22 und IR-Detektor 36 oberhalb der optischen Achse (Pfeil 34). Das Gehäuse kann in Richtung des Pfeils 48 nach unten geschwenkt werden und nimmt dann die strichpunktierte Position ein, in der es sich im optischen Strahlengang befindet.

Alle Ausführungen gelten auch für einen IR-Detektor 36 mit einer linienhaf­ ten Anordnung von Pixeln.

Claims (9)

1. Infrarot-Nachweisvorrichtung für eine Vorrichtung zum Erfassen von Ei­ genschaften einer bewegten Papierbahn (20), insbesondere für eine Vor­ richtung Produktionskontrolle bei der Papierherstellung, wobei die Nachweisvorrichtung einerseits einen Polychromator (22) aufweist, in den eintrittsseitig von der Papierbahn (20) kommendes Licht eintritt und an­ dererseits einen IR-Detektor (36) mit einer Matrix an IR-empfindlichen Fotoleitern aufweist, dem eine Auswerteelektronik (38) nachgeschaltet ist, die für jeden einzelnen Fotoleiter der Matrix einen zugeordneten Speicher (40) hat, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Lichtquelle (42) vorgese­ hen ist, die gesteuert ein- und ausschaltbar ist zwischen einer ersten Lichtstärke und einer zweiten, gegenüber der ersten Lichtstärke grösse­ ren Lichtstärke, die den IR-Detektor (36) gleichmässig ausleuchtet und die zumindest im ausgeschalteten Zustand den Strahlengang des ein­ trittsseitigen Lichts durch den Polychromator (22) und auf den IR- Detektor (36) nicht behindert.

2. Infrarot-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die zusätzliche Lichtquelle (42) ausserhalb des Nutzstrahlen­ gangs des eintrittsseitigen Lichts zum IR-Detektor (36) angeordnet ist, vorzugsweise dass sie im Polychromator (22) angeordnet ist und ihr Licht durch das Austrittsfenster des Polychromators (22) tritt.

3. Infrarot-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die zusätzliche Lichtquelle (42) in den Nutzstrahlengang eingklappbar und aus diesem ausklappbar ist.

4. Infrarot-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die zusätzliche Lichtquelle (42) eine lichtemittierende Diode, insbesondere eine infrarotlichtemittierende LED ist.

5. Infrarot-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Leuchtdiode mit einer Einrichtung zur Temperaturstabili­ sierung, insbesondere einem Peltierelement (44), verbunden ist.

6. Infrarot-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Leuchtdiode gekühlt ist.

7. Verfahren zum Betreiben einer Infrarot-Nachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Lichtquelle (42) in der ersten Leuchtstärke L betrieben und die dabei er­ haltenen elektrischen Signale jedes einzelnen Fotoleiters erfasst werden, dass die zusätzliche Lichtquelle (42) in der zweiten Leuchtstärke L be­ trieben wird und wiederum die dabei erhaltenen elektrischen Signale je­ des einzelnen Fotoleiters erfasst werden, dass aus den elektrischen Sig­ nalen ein erster Korrekturwert und ein zweiter Korrekturwert für jeden einzelnen Fotoleiter erhalten wird und dass beide Korrekturwerte für jeden einzelnen Fotoleiter abgespeichert und während einer Messung be­ rücksichtigt werden.

8. Verfahren zum Betreiben einer Infrarot-Nachweisvorrichtung nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bestimmens der Korrekturwerte eintrittsseitiges Licht ausgeschlossen wird.

9. Verfahren zum Betreiben einer Infrarot-Nachweisvorrichtung nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrischen Signale bei beiden Leuchtstärken L Schwellenwerte (S1, S2) gesetzt werden und nur solche Fotoleiter berücksichtigt werden, deren Signale bei beiden Leucht­ stärken L oberhalb der jeweiligen Schwellenwerte (S1, S2) liegen.