DE10124943A1 - Sensormodul und Detektoranordnung zur zeilenweisen optischen Abtastung eines bewegten Objektes - Google Patents

Abstract

Ein Sensormodul zur zeilenweisen optischen Abtastung eines relativ zu dem Sensormodul bewegten Objektes mit quer zur Bewegungsrichtung des Objektes verlaufender Zeilenrichtung weist eine Vielzahl von Farbmodulen auf, denen jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche des von dem Sensormodul empfangenen Lichtes zugeordnet sind. Jedes Farbmodul enthält eine Vielzahl von zeilenförmig angeordneten Einzelsensoren, deren Zeilenrichtungen alle parallel zueinander verlaufen. Die einzelnen Farbmodule sind dergestalt angeordnet, daß das von allen Farbmodulen empfangene Licht von demselben Längsabschnitt einer einzigen geraden Beobachtungslinie auf dem Objekt stammt, welche parallel zu den Zeilenrichtungen der Farbmodule liegt. Eine Detektoranordnung setzt sich aus einer Vielzahl von Sensormodulen der genannten Art zusammen, die so zueinander ausgerichtet sind, daß die Beobachtungslinien aller Sensormodule in einer Ebene liegen und parallel zueinander verlaufen. Vorzugsweise sind die Sensormodule abwechselnd spiegelbildlich zu einer durch die Beobachtungslinie verlaufende Ebene gegeneinander versetzt angeordnet und es sind jeweils zwei benachbarte und gegeneinander versetzte Sensormodule zu einem Doppelsensormodul als Baueinheit zusammengefaßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Detektoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Zur farbempfindlichen optischen Abtastung eines bewegten Objektes, wie z. B. eines Textilfasermaterials, das während seines Transports zur Verarbeitung auf einem Förderband einer optischen Eingangskontrolle auf Verunreinigungen unterzogen werden soll, sind eine Reihe verschiedener Typen von Kameras bekannt, die alle mit gewissen Nachteilen behaftet sind.

Die sensorseitig einfachste Lösung ist eine Kamera mit Farbsensorchip. Da auf jedem photoelektrischen Sensorelement (Pixel) jeweils nur ein einziges Filter aufgebracht werden kann, haben diese Kameras keine Farbdeckung im Pixelbereich. Dies bedeutet, daß jedem Pixel nur eine einzige Farbe, d. h. ein bestimmter Wellenlängenbereich, zugeordnet ist, auf die das Pixel anspricht. Die Pixelzahl ist durch den Sensor auf wenige Tausend begrenzt. Die Kamera muß daher einen gewissen Mindestabstand von dem zu inspizierenden Transportgut entfernt angeordnet werden, der mindestens so groß sein muß wie die Breite des Transportgutes, auch Bahnbreite genannt, damit eine farbtreue optische Abbildung erreicht werden kann. Die Kosten der hierfür benötigten Abbildungsoptik sind hoch.

Bekannt sind ferner Kameras mit mehreren Chips, Strahlteilern und Farbfiltern für die einzelnen Zweige. Diese Kameras bieten zwar eine gute Farbdeckung, sind aber teuer und mechanisch empfindlich, weil die genannten Komponenten aufgrund der Verkleinerung des Objektes durch die vorgeschaltete Abbildungsoptik auf wenige Mikrometer genau justiert sein müssen, um ihre Funktion bestimmungsgemäß zu erfüllen. Die Pixelzahl ist durch den Sensor ebenfalls auf wenige Tausend begrenzt und die Kamera muß ebenfalls mindestens eine Bahnbreite vom Transportgut entfernt sein, damit eine farbtreue optische Abbildung erreicht werden kann. Die Optikkosten sind gleichermaßen hoch.

Darüber hinaus existieren sogenannte Kontaktbildsensoren mit Farbsensoren und Weißlichtbeleuchtung. Sie gestatten hohe Pixelzahlen, da die Sensoranordnung die gesamte Breite des abzutastenden Objektes überdeckt. Bei variabler Transportgeschwindigkeit treten aber Probleme auf, weil bei diesen Bildsensoren mechanischer Versatz der Pixel durch elektrische Laufzeit kompensiert wird. Da auch bei diesen Sensoren auf einem Pixel nur ein einziges Filter aufgebracht werden kann, fehlt es auch hier an der Farbdeckung im Pixelbereich.

Schließlich kommen noch Kontaktbildsensoren mit Monochromsensoren und farbiger Beleuchtung durch LEDs als Lichtquelle zum Einsatz. Sie gestatten zwar ebenfalls hohe Pixelzahlen, haben aber durch den Farbmultiplexzyklus der Beleuchtung, d. h. durch das abwechselnde Einschalten der verschiedenfarbigen LEDs, keine Farbdeckung im Pixelbereich. Außerdem weist dieser Sensortyp bedingt durch die vorgegebenen Emissionskennlinien der LEDs häufig ein Loch in der Abdeckung des Farbspektrums auf.

Alle aufgeführten Sensoren sind üblicherweise nur für sichtbare Farben erhältlich, z. B. für Rot/Grün/Blau oder Grün/Gelb/Cyan/Magenta, obgleich vielfach auch die Erfassung von Spektralanteilen außerhalb des sichtbaren Bereichs von Interesse wäre.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Sensor- und Kamerakonzept zu schaffen, das die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere auch bei variabler Transportgeschwindigkeit des abzutastenden Objektes eine hohe Auflösung und Farbdeckung bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sensormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Detektoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11, die sich aus Sensormodulen der in Anspruch 1 definierten Art zusammensetzt, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 und 12 bis 21 angegeben.

Das erfindungsgemäße Konzept weist gegenüber dem zuvor dargelegten Stand der Technik folgende wesentliche Vorteile auf:

• - Gute Farbdeckung bei unkritscher Justage wegen des Abbildungsmaßstabes 1 : 1
• - Keine kostspielige Abbildungsoptik erforderlich
• - Hohe Lichtausbeute
• - Keine Lebensdauerprobleme auch bei hoher Transportgeschwindigkeit, da LED- Beleuchtung nicht nötig
• - Anpassung des Farbschemas an das Inspektionsgut möglich
• - Kombination mit nicht sichtbaren Spektralanteilen möglich
• - Kompakte, mechanisch unaufwendige und robuste Bauweise
• - Einfache Nachrüstbarkeit an existierenden Maschinen
• - Keine Beschränkung der Pixelzahl quer zur Breite der optisch abzutastenden Zone
• - Große Breite der optisch abtastbaren Zone durch Aneinanderreihung von Sensormodulen
• - Hohe Verarbeitungsbandbreite bei paralleler Vorverarbeitung im Sensormodul

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Sensormodul mit zugehöriger Lichtquelle an einem Transportband in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Sensormodul aus Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht des internen Aufbaus einer ersten Ausführungsform des Sensormoduls aus Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Farbmoduls des Sensormoduls aus Fig. 3,

Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht des internen Aufbaus einer zweiten Ausführungsform des Sensormoduls aus Fig. 1,

Fig. 6 eine vergrößerte Seitenansicht des internen Aufbaus einer dritten Ausführungsform des Sensormoduls aus Fig. 1,

Fig. 7 eine erste Ausführungsform einer aus mehreren Sensormodulen bestehenden erfindungsgemäßen Detektoranordnung,

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform einer aus mehreren Sensormodulen bestehenden erfindungsgemäßen Detektoranordnung,

Fig. 9 ein elektronisches Blockschaltbild eines zwei Sensormodule umfassenden Doppelsensormoduls und

Fig. 10 ein elektronisches Blockschaltbild einer mehrere Doppelsensormodule umfassenden erfindungsgemäßen Detektoranordnung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Transportband 1 mit zwei Walzen 2a und 2b, deren Drehrichtung jeweils durch einen Pfeil angedeutet ist. Auf dem Transportband 1, das einen Teilabschnitt eines größeren Transportsystems bildet, wird ein flaches Objekt 3 beliebiger Art transportiert. Dabei kann es sich beispielsweise um Textilfasern handeln, die in teilweise verunreinigtem Zustand als Rohmaterial angeliefert werden. Eine typische Art von Verunreinigung sind in diesem Fall Fetzen von Kunststoffolien, insbesondere aus Polypropylen. Um bei der Textilproduktion die Entstehung von Ausschuß im Endprodukt infolge einer Verarbeitung solcher Verunreinigungen zu vermeiden, müssen letztere frühzeitig erkannt werden, um sie aus dem Materialstrom ausschleusen zu können. Es kann sich aber bei dem transportierten Objekt 3 ebensogut um eine Banknote oder auch um eine endlose Stoff oder Papierbahn handeln, die vor der Weiterverarbeitung auf Fehler kontrolliert werden soll.

Hierzu durchläuft das Objekt 3 eine Kontrollstation, bestehend aus einer Lichtquelle 4 und einem optischen Sensormodul 5, die oberhalb des Transportbandes 1 angeordnet sind. Wie die Draufsicht in Fig. 2 zeigt, erstrecken sich sowohl die Lichtquelle 4, als auch das Sensormodul 5 linear quer zur Transportrichtung des Transportbandes 1. Derjenige Teil 7 des von der Lichtquelle 4 ausgehenden Lichtes, der das Objekt 3 entlang einer Linie 8 trifft, wird unter einem solchen Winkel reflektiert, daß er als Empfangslicht 9 zu dem Sensormodul 5 gelangt. Dabei wird das Empfangslicht 9 gegenüber dem einfallenden Licht 7 durch die Reflexion in seiner Intensität wellenlängenabhängig vermindert oder infolge Lumineszenz oder Floureszenz verändert, so daß die spektrale Zusammensetzung des Empfangslichtes 9 einen Rückschluß auf die Zusammensetzung des reflektierenden Objektes 3 zuläßt.

Das Objekt 3 kann beispielsweise auf einem nicht transparenten Transportband 1 abgetastet werden, das in diesem Fall als Hintergrund wirkt. Ebenso ist es möglich, daß die Abtastung an einer sogenannten Freiflugstrecke, d. h. an einer Stelle, an der sich das Objekt über eine Lücke zwischen zwei Transportvorrichtungen hinwegbewegt, stattfindet. Dabei muß sich das Objekt 3 auch keineswegs in waagrechter Lage bewegen, sondern kann ebensogut senkrecht stehen. Selbstverständlich kann das einfallende Licht 7 der Lichtquelle 4, bei der es sich beispielsweise um eine Leuchtstoffröhre, um eine kettenförmige Aneinanderreihung einer Vielzahl von Glühlampen, oder auch um eine Leuchtdiodenzeile handeln kann, auch mittels einer zur Vereinfachung in den Figuren nicht dargestellten Abbildungsoptik auf die Linie 8 fokussiert werden.

Wie in Fig. 2 angedeutet ist, erstreckt sich das Sensormodul 5 linear quer zur Bewegungsrichtung des Transportbandes 1. Es enthält eine Vielzahl von linear nebeneinander angeordneten einzelnen Sensoren, die jeweils auf eine einzelne Stelle der Linie 8 ausgerichtet sind. Somit handelt es sich bei dem Sensormodul 5 um einen Zeilensensor, der an seinem Ausgang 10 ein durch ein elektronisches Signal dargestelltes Abbild der Linie 8 in Form einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Bildpunkten (Pixeln) liefert. Ferner sind jedem einzelnen Pixel seinerseits mehrere photoelektrische Sensorelemente zugeordnet, die jeweils auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche ansprechen. Das Sensormodul 5 stellt demnach einen Farbzeilensensor dar, der für jeden Bildpunkt mehrere Ausgangssignale liefert, von denen jedes die Intensität jeweils einer Farbe, d. h. eines bestimmten Wellenlängenbereiches, an diesem Bildpunkt angibt. Durch wiederholtes Auslesen von Zeilenbildern in einem festen Zeittakt und Aneinanderfügung derselben ergibt sich ein zweidimensionales Bild des abgetasteten Objektes 3, wobei auch ein beliebig langes, quasi endloses Objekt 3 erfaßt werden kann.

Wie aus der vergrößerten Seitenansicht in Fig. 3 ersichtlich ist, besteht ein Sensormodul 5 in einer ersten Ausführungsform aus mehreren Farbmodulen 12 bis 15, die auf jeweils unterschiedliche Spektralbereiche ansprechen. Der Aufbau dieser Farbmodule ist in Fig. 3 anhand des Farbmoduls 12 dargestellt. Dieses besteht aus einer Zylinderlinsenmatrix 16, einem Farbfilter 17, sowie einem Monochromsensor 18 in linearer Abfolge. Die anderen Farbmodule 13 bis 15 weisen den gleichen internen Aufbau auf und unterscheiden sich von dem Farbmodul 12 sowie untereinander nur durch die Transmissionscharakteristik des jeweiligen Farbfilters. Der Monochromsensor 18 kann als Chip oder diskret aus Einzelelementen aufgebaut sein und erstreckt sich ebenso wie das Filter 17 und die Zylinderlinsenmatrix 16 zeilenförmig senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 3, womit das Farbmodul 12 ebenso wie jeweils auch die anderen Farbmodule 13 bis 15 einen farbselektiven Zeilensensor bildet.

Zur Verdeutlichung zeigt Fig. 4 eine Seitenansicht des Farbmoduls 12 in Richtung des Pfeiles 11 in Fig. 3 gesehen. Der Monochromsensor 18 umfaßt eine Vielzahl einzelner photoelektrischer Sensorelemente 19, ebenso wie auch die Zylinderlinsenmatrix 16 aus einer Vielzahl einzelner Linsen 20 besteht. Das Farbfilter 17 kann demgegenüber auch einteilig ausgebildet sein.

Die Farbmodule 12 bis 15 sind fächerartig so angeordnet, daß die Zeilenrichtungen aller Farbmodule 12 bis 15 parallel zueinander verlaufen. Dies bedeutet, daß die Richtung der Linie 18a, entlang derer sich der Monochromsensor 18 erstreckt, und die Richtungen der Linien, entlang derer sich die Monochromsensoren aller anderen Farbmodule 13 bis 15 erstrecken, übereinstimmen. Dabei handelt es sich um die Normalenrichtung der Zeichenebene von Fig. 3. Daraus folgt logischerweise, daß sich auch die Filter 17 und die Zylinderlinsenmatrizen 16 aller Farbmodule 12 bis 15 in ebendieser Richtung erstrecken.

Ferner liegen alle Farbmodule 12 bis 15 entweder bündig nebeneinander, was bedeutet, daß die Zeilenlängen der Monochromsensoren aller Farbmodule 12 bis 15 übereinstimmen und kein örtlicher Versatz der Farbmodule 12 bis 15 gegeneinander in Zeilenrichtung vorliegt, oder die Abtastbreiten der Farbmodule 12 bis 15 werden bei der Signalverarbeitung elektronisch zueinander ausgerichtet, indem an den beiden Enden jeweils diejenigen Pixel eines Farbmoduls 12 bis 15, welche nicht von Pixeln anderer Farbmodule 12 bis 15 überdeckt werden, verworfen werden.

Schließlich treffen sich die Blickrichtungen der Farbmodule 12 bis 15, d. h. die jeweiligen Richtungen maximaler Empfindlichkeit, entlang einer einzigen gemeinsamen Beobachtungsline 8, die parallel zu den Zeilenrichtungen der Monochromsensoren und dementsprechend ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 3 verläuft. Die auf die Farbmodule 12 bis 15 einfallenden Lichtstrahlen 9a bis 9d kommen also alle genau von dieser Beobachtungslinie 8. Das Sensormodul 5 ist in Bezug auf das abzutastende Objekt 3 so angeordnet, daß diese Beobachtungslinie 8 auf der Oberfläche des Objektes 3 verläuft, wie es in Fig. 1 eingezeichnet ist, so liefert das Sensormodul 5 eine vollkommene Farbdeckung für jeden Bildpunkt (Pixel), da alle einem bestimmten Bildpunkt zugeordneten, von den verschiedenen Farbmodulen 12 bis 15 aufgenommenen und farbselektiv in elektrische Signale gewandelten Lichtstrahlen 9a bis 9d tatsächlich von demselben Reflexionspunkt auf der Linie 8 stammen.

Es leuchtet ein, daß in diesem Fall die Relativgeschwindigkeit der Bewegung zwischen dem Objekt 3 und dem Sensormodul 5 keinerlei Einfluß auf die Farbdeckung hat, das Sensormodul 5 also zur Abtastung von Objekten bei schwankender Transportgeschwindigkeit hervorragend geeignet ist. Voraussetzung für die Einhaltung der Farbdeckung ist allerdings eine möglichst exakte Ausrichtung des Sensormoduls 3 hinsichtlich seines Abstandes und seines Winkels gegenüber der Oberflächenebene des Objektes 3.

Bei einer zweiten, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung enthält das Sensormodul 5 zwei Strahlteiler 16a und 16b in Form von teildurchlässigen Spiegeln, die einen einzigen, an der Beobachtungslinie 8 reflektierten Lichtstrahl 9 in drei Teilstrahlen 9e, 9f und 9g aufteilen, wobei jeder dieser Teilstrahlen auf ein Farbmodul 12a, 13a bzw. 14a gerichtet wird. Jedes dieser Farbmodule 12a, 13a und 14a enthält vorzugsweise nur noch ein Farbfilter 17a und einen Monochromsensor 18a, während eine einzige Zylinderlinsenmatrix 16 bereits vor den Strahlteilern 16a und 16b im Strahlengang angeordnet ist. Es könnte aber auch wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 jeweils eine Zylinderlinsenmatrix 16 für jedes Farbmodul 12a, 13a und 14a nach dem jeweiligen Strahlteiler 16a bzw. 16b vorgesehen sein.

Bei einer dritten, in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung enthält das Sensormodul 5 ein spektral dispergierendes Element 16c, z. B. in Form eines Prismas oder eines Gitters, das einen einzigen, an der Beobachtungslinie 8 reflektierten Lichtstrahl 9 in drei Teilstrahlen 9h, 9i und 9j mit unterschiedlichem Spektralgehalt aufteilt, wobei wiederum jeder dieser Teilstrahlen auf ein Farbmodul 12b, 13b bzw. 14b gerichtet wird. Jedes dieser Farbmodule 12b, 13b und 14b besteht vorzugsweise nur noch aus einem Monochromsensor 18b, während eine einzige Zylinderlinsenmatrix 16 bereits vor dem Element 16c im Strahlengang angeordnet ist und sich die Farbselektivität der Farbmodule 12b, 13b und 14b bereits aus der spektralen Zerlegung des einfallenden Lichtes 9 durch das Element 16c ergibt. Es könnte aber auch wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 jeweils noch ein zusätzliches Farbfilter 17a in jedem Farbmodul 12b, 13b und 14b zur Verbesserung der Selektivität und/oder wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eine Zylinderlinsemnatrix 16 für jedes Farbmodul 12b, 13b und 14b nach dem Element 16c vorgesehen sein.

Die Anzahl verschiedener Farbmodule hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die in den Fig. 3, 5 und 6 gezeigte Anzahl von vier bzw. drei Farbmodulen hat rein beispielhaften Charakter.

Um eine Transportstrecke gegebener Breite abzutasten, könnte man im Grundsatz ein Sensormodul 5 der zuvor beschriebenen Art mit entsprechend angepaßter Breite einsetzen. In der Praxis wäre dies unzweckmäßig, da die heute üblichen Förderbreiten von Transportstrecken, die typischerweise im Bereich von 1 bis 2 Meter liegen, unhandliche, kostspielige und anfällige mechanische Konstruktionen für die Sensormodule 5 erfordern würden. Darüber hinaus müßten zur Abdeckung des gesamten in Frage kommenden Breitenbereiches eine Reihe verschiedener Typen von Sensormodulen 5 bereitgestellt werden. Vorteilhafter kann die Anpassung an die Breite der abzutastenden Transportstrecke erreicht werden, indem man, wie in Fig. 7 gezeigt, mehrere kurze Sensormodule 5a und 5b im Sinne eines Baukastensystems zu einer Detektoranordnung gewünschter Breite kombiniert. Die Breite eines Sensormoduls 5a, 5b liegt hierbei typisch in der Größenordnung von 20 cm. Zur Vereinfachung sind in Fig. 7 nur das Objekt 3, das sich in Richtung des Pfeiles 21 bewegt, die Sensormodule 5a und 5b, sowie die Beobachtungslinie 8, auf welche alle Sensormodule 5a und 5b gemeinsam ausgerichtet sind, dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß auch hier eine oder vorzugsweise mehrere Lichtquellen, die eine für alle Sensormodule 5a und 5b gleichmäßige Ausleuchtung der Beobachtungslinie 8 gewährleisten, sowie eine mechanische Halterung für die Sensormodule 5a und 5b benötigt werden. Auf die Darstellung dieser Komponenten wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet.

Wie Fig. 7 erkennen läßt, sind die Sensormodule 5a und 5b abwechselnd in der Bewegungsrichtung 21 des Objektes 3 gegeneinander versetzt angeordnet und blicken bezüglich dieser Richtung 21 schräg nach vorne oder zurück auf die gemeinsame Beobachtungslinie 8. Diese versetzte Anordnung ist deshalb erforderlich, weil die Sensormodule 5 typischerweise breiter sind als die von ihnen optisch überwachte Zone. Dies liegt an dem in den Sensormodulen 5a und 5b realisierten Abbildungsmaßstab 1 : 1, d. h. am Verzicht auf eine Verkleinerung der beobachteten Zone in ihrer Gesamtheit bei der Abbildung auf die lichtsensitiven Sensorelemente.

Die Sensormodule 5a und 5b sind in Querrichtung so gestaffelt, daß die von den Sensormodulen 5a beobachteten Abschnitte der Linie 8 und die von den Sensormodulen 5b beobachteten Abschnitte der Linie 8 zumindest lückenlos aneinanderstoßen und sich vorzugsweise leicht überlappen. Eine solche Überlappung kann bei der Zusammensetzung des Gesamtzeilenbildes aus den Teilzeilenbildern der einzelnen Sensormodule 5a und 5b durch die gemeinsame Signalverarbeitungselektronik, in welcher die Ausgangssignale der einzelnen Sensorelemente 5a und 5b zusammenlaufen, entsprechend berücksichtigt und korrigiert werden.

Bei einer einfacheren, in Fig. 8 dargestellten Ausführung der Detektoranordnung werden die Sensormodule 5c und 5d wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sowohl in der Bewegungsrichtung 21 des Objektes 3, als auch in Querrichtung gestaffelt montiert, doch blicken in diesem Fall die Sensormodule 5c und 5d nicht auf dieselbe Beobachtungslinie, sondern auf zwei verschiedene Beobachtungslinien 8a und 8b. Von jeder dieser beiden Beobachtungslinien 8a und 8b erfassen die jeweils zugeordneten Sensormodule 5c oder 5d nur unzusammenhängende Abschnitte. Entscheidend ist aber, daß sich bei einer Projektion der von den Sensormodulen 5c beobachteten Abschnitte der Linie 8a auf die Linie 8b zusammen mit den von den Sensormodulen 5d beobachteten Abschnitten der Linie 8b eine lückenlose Abdeckung der Linie 8b über die gesamte Breite des Objektes 3 ergibt, d. h. daß kein Längsstreifen des Objektes 3 unbeobachtet bleibt.

Bei dieser einfacheren Ausführungsform nach Fig. 8 ist es ebenfalls möglich, ein zusammenhängendes Bild des Objektes 3 aus den Ausgangsdaten der einzelnen Sensormodule 5c und 5d zusammenzusetzen. Allerdings setzt dies eine bekannte, konstante Geschwindigkeit des Objektes 3 voraus, damit die Laufzeit zwischen den beiden Beobachtungslinien 8a und 8b durch die elektronische Signalverarbeitung bei der Zusammenfügung des Bildes berücksichtigt werden kann.

Im Grundsatz reicht es für eine vollständige Überwachung eines Objektes 3 aus, wenn die Beobachtungsabschnitte der einzelnen Sensormodule 5c und 5d die Breite des Objektes 3 lückenlos überdecken. Die Sensormodule 5c müßten also nicht alle auf dieselbe Beobachtungslinie 8a und die Sensormodule 5d nicht alle auf dieselbe Beobachtungslinie 8b blicken, sondern es könnte in der Bewegungsrichtung 21 des Objektes 3 auch eine Staffelung in mehr als zwei Gruppen vorgesehen werden.

Um den mechanischen Aufbau und die elektrische Verkabelung der Sensormodule 5a und 5b bzw. 5c und 5d für den Anwender zu vereinfachen, ist es von Vorteil, wenn jeweils zwei benachbarte, d. h. aneinandergrenzende Streifen des Objektes 3 beobachtende Sensormodule 5a und 5b bzw. 5c und 5d zu einem Doppelsensormodul 22 als Baueinheit zusammengefaßt und mit einer gemeinsamen Signalverarbeitungs- und Schnittstellenelektronik ausgerüstet werden. Damit muß bei der Anordnung und Verkabelung nicht mehr zwischen den in verschiedene Richtungen bzw. auf verschiedene Beobachtungslinien 8a und 8b blickenden Modulen 5a und 5b bzw. 5c und 5d unterschieden werden, sondern es werden nur noch so viele identische Doppelsensormodule 22 linear aneinandergereiht, bis die nötige Beobachtungsbreite erreicht ist. Damit steht dem Anwender ein besonders einfach anpaßbares und installierbares Baukastensystem zur Verfügung. Selbstverständlich ist es auch möglich eine größere geradzahlige Anzahl von Sensormodulen 5a und 5b, z. B. 4 oder 6 Module, zu einer Baueinheit zusammenzufassen.

Ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungs- und Schnittstellenelektronik eines solchen Doppelsensormoduls 22 zeigt Fig. 9. Dieses Doppelsensormodul besteht aus zwei Sensormodulen 5a und 5b oder 5c und 5d der anhand Fig. 3 bzw. Fig. 4 beschriebenen Art mit jeweils vier Farbmodulen 12 bis 15, von denen drei für die sichtbaren Farben Rot, Grün und Blau vorgesehen sind und eines auf einen im Infraroten liegenden Spektralbereich anspricht. Der letztgenannte Bereich ist insbesondere zur Detektion von Verunreinigungen in Form von Folienstücken aus Polypropylen von Interesse. Die beiden Sensormodule 5 sind in Fig. 9 durch die Buchstaben A und B unterschieden.

Die Ausgangssignale der einzelnen Zeilensensoren 23 bis 26 des Sensormoduls A werden jeweils durch einen dedizierten Analog-Digital-Wandler 31 bis 34 digitalisiert. In gleicher Weise werden die Ausgangssignale der einzelnen Zeilensensoren 27 bis 30 des Sensormoduls B jeweils durch einen dedizierten Analog-Digital-Wandler 35 bis 38 digitalisiert. Die Ausgänge aller A/D-Wandler 31 bis 38 laufen in einer gemeinsamen digitalen Signalverarbeitungs- und Schnittstellenelektronik 39 zusammen, die unter anderem einen Addierer 40, einen Multiplexer 41 und einen FIFO-Speicher 42 beinhaltet.

Der Multiplexer 41 dient dem abwechselnd zeitversetzten Einlesen der Daten von den verschiedenen A/D-Wandlern 31 bis 38. Im Addierer 40 können je nach Auflösung des Systems mehrere Rohpixel der Sensoren 23 bis 30 zu größeren Nutzpixeln zusammenaddiert werden. Ferner kann dort aus den Helligkeitsdaten der verschiedenen Spektralkomponenten für jedes Pixel eine Gesamthelligkeit aufaddiert werden. Welche arithmetischen Operationen hierbei in jedem Doppelsensormodul 22 vor Ort vorgenommen werden und welche Verarbeitungsfunktionen einem zentralen Steuer- und Verarbeitungsrechner vorbehalten bleiben, ist eine Frage des Dezentralisierungsgrades der Systemarchitektur. Der FIFO- Speicher 42 wird zur zeitlichen Entkopplung der Datentransfers von den Sensoren 23 bis 30 zu der Elektronik 39 einerseits und von letzterer über eine unidirektionalen Ringleitung 43 zu einem Zentralrechner andererseits benötigt. In diesem FIFO-Speicher werden die aus den Sensoren 23 bis 30 über die A/D-Wandler 31 bis 38 und den Multiplexer 41 ausgelesenen und in der Elektronik 39 unter Einsatz des Addierers 40 vorverarbeiteten Daten zur Übermittlung über die Ringleitung 43 bereitgestellt. Dadurch erübrigt sich eine direkte zeitliche Synchronisation des Datenverkehrs auf der Ringleitung 43 mit dem Auslesen der Sensoren 23 bis 30.

Ein Mikrocontroller 44 steuert die Signalverarbeitungs- und Schnittstellenelektronik 39. Er ist mit den entsprechenden Mikrocontrollern der anderen Doppelsensormodule 22 über eine separaten bidirektionale Ringleitung 45 verbunden.

In Fig. 10 ist die Zusammenschaltung der einzelnen Doppelsensormodule 22 einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung und deren Verbindung mit dem Zentralrechner 46, der einen digitalen Signalprozessor 47 enthält, dargestellt. Über die unidirektionale Ringleitung 43 werden die Daten in der durch die Pfeile angegebenen Richtung von jedem Doppelsensormodul 22 zunächst zum nächsten Doppelsensormodul 22 übertragen, welches dem empfangenen Datentelegramm sein eigenes Datenpaket anfügt und das verlängerte Telegramm weitersendet, bis schließlich ein vollständiges Telegramm mit den Datenpaketen aller Doppelsensormodule 22 der Detektoranordnung bei dem Zentralrechner 46 angelangt. Dort werden die Daten von dem Signalprozessor 47 weiterverarbeitet.

Der Zentralrechner 46 ermöglicht über eine Anzeigeeinheit 48 und eine Tastatur 49 die Interaktion des Anwenders mit dem System und steuert bei Bedarf Aktoren 50 an, die bei Erkennung von Verunreinigungen an dem Objekt 3 eine Ausschleusung der betroffenen Teile des Objektes 3 bewirken. Allerdings muß die letztgenannte Funktion nicht unbedingt von dem Zentralrechner 46 ausgeführt werden. So ist es auch denkbar, daß bei einer mehr dezentralen Lösung die Signalverarbeitungselektronik 39 jedes einzelnen Doppelsensormoduls 22 einen dedizierten Aktor steuert, welcher dem von dem jeweiligen Doppelsensormodul 22 überwachten Streifen der Transportstrecke zugeordnet ist.

Die zweite Ringleitung 45 dient der Steuerung der Doppelsensormodule 22 von dem Zentralrechner 46 aus und ist aus Zuverlässigkeitsgründen bidirektional ausgelegt, damit bei einer Störung an einem einzigen Doppelsensormodul 22 noch alle übrigen erreichbar bleiben. Eine wichtige Funktion dieser Ringleitung 45 ist beispielsweise die automatische Adreßvergabe bei der Initialisierung der Doppelsensormodule 22 im Zuge der Inbetriebnahme des Systems. Hierzu wird einem der beiden direkt mit dem Zentralrechner verbundenen Doppelsensormodule 22 über die Leitung 45 eine Startadresse mitgeteilt, woraufhin dieses die Adresse als eigene Adresse abspeichert, dann inkrementiert und dem nächsten Doppelsensormodul 22 mitteilt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Doppelsensormodule 22 eine eindeutige Adresse besitzen. Es ist offensichtlich, daß auf diese Weise bei variabler Anzahl der Module eine Adreßvergabe ohne die Notwendigkeit eines Benutzereingriffs ermöglicht wird.

Die Einzelheiten der Auslegung der Kommunikation der Doppelsensormodule 22 mit dem Zentralrechner 46 liegen im Ermessen des Fachmannes. Wie vorstehend aufgezeigt, muß hierbei der modulare Aufbau der Detektoranordnung, der ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, angemessen unterstützt werden.

Claims (21)

1. Sensormodul zur zeilenweisen optischen Abtastung eines relativ zu dem Sensormodul bewegten Objektes, wobei die Zeilenrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Objektes verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl von Farbmodulen (12-15; 12a-14a; 12b-14b) aufweist, denen jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche des von dem Sensormodul (5) empfangenen Lichtes (9a-9d; 9) zugeordnet sind, daß jedes Farbmodul (12-15; 12a-14a; 12b-14b) eine Vielzahl von zeilenförmig angeordneten Einzelsensoren (19) enthält, daß die Zeilenrichtungen (18a) aller Farbmodule (12-15; 12a-14a; 12b-14b) parallel zueinander verlaufen, daß die einzelnen Farbmodule (12-15; 12a-14a; 12b-14b) dergestalt angeordnet sind, daß das von allen Farbmodulen (12-15; 12a-14a; 12b-14b) empfangene Licht (9a-9d; 9e-9g; 9h-9j) von demselben Längsabschnitt einer einzigen geraden Beobachtungslinie (8) auf dem Objekt (3) stammt, welche parallel zu den Zeilenrichtungen (18a) der Farbmodule (12-15; 12a-14a; 12b-14b) liegt.

2. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbmodule (12 bis 15) solchermaßen fächerartig angeordnet sind, daß sich ihre Richtungen maximaler Empfindlichkeit unmittelbar in der Beobachtungslinie (8) schneiden.

3. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Strahlteiler (16a, 16b) enthält, welcher das einfallende Licht (9) in mehrere Teilstrahlen (9e-9g) aufteilt, die jeweils auf eines der Farbmodule (12a, 13a, 14a) gerichtet sind.

4. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein spektral dispergierendes Element (16c) enthält, welches das einfallende Licht (9) in mehrere Teilstrahlen (9h-9j) von unterschiedlichem Spektralgehalt aufteilt, die jeweils auf eines der Farbmodule (12b-14b) gerichtet sind.

5. Sensormodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es eine gemeinsame Abbildungsoptik (16) für alle Farbmodule (12a-14a; 12b-14b) enthält, die vor dem Strahlteiler (16a, 16b) oder dem spektral dispergierenden Element (16c) angeordnet ist.

6. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Farbmodul (12-15; 12a-14a; 12b-14b) eine eigene Abbildungsoptik (16) enthält, die das einfallende Licht auf die Zeile (18) der Sensoren (19) fokussiert.

7. Sensormodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Abbildungsoptik (16) um eine Zylinderlinsenmatrix handelt.

8. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Farbmodule (12-15; 12a-14a; 12b-14b) auf eine im sichtbaren Spektralbereich liegende Wellenlänge anspricht.

9. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Farbmodule (12-15; 12a-14a; 12b-14b) auf eine im infraroten Bereich oder im ultravioletten Bereich liegende Wellenlänge anspricht.

10. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Farbmodule (12-15; 12a-14a; 12b-14b) zumindest teilweise in der Anzahl der Einzelsensoren (19) unterscheiden.

11. Detektoranordnung zur zeilenweisen optischen Abtastung eines relativ zu der Detektoranordnung bewegten Objektes, wobei die Zeilenrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Objektes verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich aus einer Vielzahl von Sensormodulen (5a, 5b; 5c, 5d) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zusammensetzt, die so zueinander ausgerichtet sind, daß die Beobachtungslinien (8; 8a, 8b) aller Sensormodule (5a, 5b; 5c, 5d) in einer Ebene liegen und parallel zueinander verlaufen.

12. Detektoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormodule (5a, 5b) so zueinander ausgerichtet sind, daß die Beobachtungslinien (8) aller Sensormodule (5a, 5b) zu einer einzigen Beobachtungslinie (8) zusammenfallen.

13. Detektoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abschnitten der Beobachtungslinie (8), auf welche die Sensormodule (5a, 5b) zielen, keine Lücke besteht.

14. Detektoranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormodule (5a, 5b) abwechselnd spiegelbildlich zu einer durch die Beobachtungslinie (8) verlaufenden Ebene gegeneinander versetzt angeordnet sind.

15. Detektoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormodule (5c, 5d) so zueinander ausgerichtet sind, daß mindestens zwei gegeneinander versetzte Beobachtungslinien (8a, 8b) existieren.

16. Detektoranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine parallel zu den Beobachtungslinien (8a, 8b) verlaufende Gerade von den Projektionen aller Abschnitte der Beobachtungslinien (8a, 8b), auf welche die Sensormodule (5c, 5d) zielen, lückenlos abgedeckt wird.

17. Detektoranordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormodule (5c, 5d) parallel zu der Ebene, in welcher die Beobachtungslinien (8a, 8b) liegen, abwechselnd quer zur Richtung der Beobachtungslinien (8a, 8b) gegeneinander versetzt angeordnet sind.

18. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte und gegeneinander versetzte Sensormodule (5a, 5b; 5c, 5d) zu einem Doppelsensormodul (22) als Baueinheit zusammengefaßt sind.

19. Detektoranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Doppelsensormodul (22) mit einer gemeinsamen Signalverarbeitungs- und Schnittstellenelektronik (39) für beide enthaltenen Sensormodule (5a, 5b; 5c, 5d) ausgerüstet ist.

20. Detektoranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelsensormodule (22) über ringförmige Kommunikationsleitungen (43, 45) untereinander und mit einem Zentralrechner (46) verbindbar sind.

21. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Breite allein durch Kaskadierung einer geeigneten Anzahl identischer Doppelsensormodule (22) einstellbar ist.