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Die
Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit Lichtdurchlässigkeitstest
für eine Schutzscheibe
nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 2 beziehungsweise ein
Verfahren zum Testen der Lichtdurchlässigkeit einer Schutzscheibe eines
optoelektronischen Sensors nach den Oberbegriffen von Anspruch 13.
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Optoelektronische
Sensoren werden häufig zur Überwachung
eines Überwachungsbereichs
beispielsweise in der Diebstahlsicherung, der Fabrikautomation oder
der Sicherheitstechnik verwendet. Der Lichtempfänger mit seiner Abbildungsoptik
wird dabei gewöhnlich
durch ein Gehäuse
geschützt,
in das Licht durch eine Frontscheibe eintritt.
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Wenn
diese Frontscheibe beschädigt
oder beschmutzt ist, kann der Sensor seine Aufgabe nicht mehr vollständig erfüllen. In
der Diebstahlsicherung und der Fabrikautomation führt das
zu ärgerlichen Fehlentscheidungen
und möglicherweise
Ausfallzeiten zur Behebung dieser Fehler. In der Sicherheitstechnik
hängen
Gesundheit und möglicherweise
Leben des Bedienpersonals von der korrekten Funktion des Sensors
ab, wenn dieser einen Gefahrenbereich absichert oder eine geschützte Maschine
abschaltet, sobald das Bedienpersonal zu nahe kommt.
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Deshalb
ist es wünschenswert
oder sogar erforderlich, die Durchsichtigkeit der Frontscheibe im Betrieb
sicherzustellen. Die Frontscheibe muss also ununterbrochen auf Schmutz,
Beschädigungen
oder Niederschläge
geprüft
werden.
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Eine
herkömmliche
Lösung
ist das Durchleuchten der Frontscheibe, um über eine unerwartete Abnahme
der Lichtintensität
Rückschlüsse auf
die Durchlässigkeit
der Scheibe und deren Beeinträchtigung
durch Beschädigungen
oder Verschmutzungen zu ziehen. Dabei kann aber die Frontscheibe
nur punktuell, nämlich
an den Durchleuchtungspunkten, geprüft und somit keine flächendeckende Überwachung
der gesamten Frontscheibe gewährleistet
werden. Zudem entsteht an den Durchtrittspunkten des Prüflichts
Streulicht, welches das Detektionsvermögen des Sensors beeinträchtigen
können.
Der Test auf Lichtdurchlässigkeit
kann daher nur eingeschränkt
während
des gewöhnlichen
Sensorbetriebs durchgeführt
werden. Außerdem
ist für
den Prüfstrahl und
dessen Auswertung ein separates Messsystem mit einem eigenen Empfänger erforderlich.
Schließlich
liefert das Transmissionssignal des Lichtstrahls nur einen groben
Anhaltspunkt für
die tatsächliche Beeinträchtigung
des Detektionsvermögens
des Sensors, der trotz beschädigter
oder verschmutzter Frontscheibe möglicherweise vollkommen fehlerfrei funktioniert.
Aus Sicherheitsgründen
muss dennoch aus Vorsicht das System abgeschaltet werden. Die unzureichende
Information über
den Zustand der Frontscheibe führt
somit zu unnötigen
Ausfallzeiten.
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Es
ist aus anderen Gebieten der Technik bekannt, die Totalreflexion
an optischen Grenzflächen auszunutzen,
um Aufschluss über
den Oberflächenzustand
zu erhalten. Die
DE
32 35 590 C2 zeigt eine solche Vorrichtung zum optischen
Erfassen von Fremdkörpern
auf der Oberfläche
einer durchsichtigen Scheibe. Dabei ist ein Lichtsender seitlich
an der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs so angeordnet, dass sein
Licht im Inneren der Scheibe durch mehrfache Totalreflexion zur
gegenüberliegenden
Kante gelangt. Fällt
nun Regen auf die Windschutzscheibe, so ändert sich der optische Grenzübergang,
so dass das Licht an dem Übergang
Glas-Regentropfen
nicht mehr totalreflektiert wird und aus dem Inneren der Windschutzscheibe
entkommt. Ein Lichtempfänger an
der gegenüberliegenden
Kante kennt die erwartete Lichtintensität bei trockener Scheibe und
kann anhand des Lichtverlustes feststellen, ob Regen auf die Windschutzscheibe
gefallen ist oder, in ganz analoger Weise, ob die Windschutzscheibe
verschmutzt ist.
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Gemäß den Anforderungen
der Anwendung in einem Kraftfahrzeug wird somit zwar eine Verschmutzung
oder Regen erkannt, so dass die Scheibenwischeranlage automatisch
bedient werden kann, genauere Informationen über den Zustand der Windschutzscheibe
liefert das Verfahren aber nicht.
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In
der
DE 102 03 300
C1 wird eine Fasersuspension aus Altpapier auf Reste von
Klebstoffen untersucht. Dabei ist eine Kamera oberhalb der Suspension
angeordnet, die auf einem transparenten Träger gefördert wird. In den Träger wird
seitlich Licht eingestrahlt, das unter Totalreflexion nur den Innenraum
des transparenten Trägers
beleuchtet. Lagert sich Klebstoff an der Oberseite des Trägers ab,
so ändern
sich die optischen Eigenschaften an dieser Stelle, und die Totalreflexion
findet nicht mehr statt. An diesen Stellen tritt also Licht aus
dem Träger
aus, das von der Kamera erkannt werden kann. Obwohl mit diesem Prinzip
grundsätzlich
auch eine Verschmutzung oder Beschädigung des Trägers erkannt werden
könnte,
ist das Ziel des herkömmlichen
Verfahrens die Untersuchung der Suspension. Auf die Beeinträchtigung
der Lichtdurchlässigkeit
des Trägers
kommt es überhaupt
nicht an. Die Kamera dient nicht der Überwachung eines Überwachungsbereichs
jenseits des Trägers,
sondern allein der Überwachung
der Suspension, die diesseits des Trägers gefördert wird.
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Aus
der
US 6,226,080 B1 ist
ein Verfahren zur Erkennung von Defekten eines durchsichtigen Körpers bekannt,
bei dem Licht durch eine Kante in den Innenraum einer Acrylplatte
eingekoppelt wird, welches bei perfekter Ausführung dieser Acrylplatte durch
mehrfache Totalreflexion die gegenüberliegende Kante trifft, wo
es zurückgeworfen
wird. Licht kann also nur an Defektstellen austreten. Dabei werden zwei
Arten von Defekten unterschieden und durch zwei Photodetektoren überprüft: ein
Photodetektor ist in der Nähe
der gegenüberliegenden
Kante angeordnet und empfängt
dann Licht, wenn die Acrylplatte gewellt oder gekrümmt ist
und daher die Totalreflexionsbedingung im Innenraum gebrochen ist.
Ein zweiter Photodetektor ist oberhalb der Fläche der Acrylplatte angeordnet
und erkennt in analoger Weise Blasen, Fremdmaterial oder ähnliches.
Beide Photodetektoren sind beweglich, beispielsweise über eine Roboterhand,
um mögliche
Defekte durch Orte des Lichtaustritts zu lokalisieren.
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Die
DE 10 2004 032 047
A1 beschreibt ein Verfahren zum Prüfen von Glas zur Überprüfung der Belastbarkeit
gegen Eigengewicht, Wind und Schnee, um Versagen vom Glas erfüllter Aufgaben
in Dächern,
Fassaden oder Absturzsicherung sowie herabfallende Glasteile bei
Bruch zu vermeiden und eine derartige Gefahr anhand von Rissen oder
Beschädigungen
rechtzeitig zu erkennen. Für
eine Verbesserung der Sichtprüfung
wird Licht in eine Kante des Glases eingekoppelt. Risse verhindern
die innere Totalreflexion und werden dadurch für einen Prüfer sichtbar. Alternativ ist
vorgesehen, den Abfall der Strahlungsintensität an einer gegenüberliegenden Kante
mit einem Empfänger
zu messen und dann über
Funk eine Meldung an eine Zentrale zu geben, welche dann beurteilt,
ob und wann die Scheibe ausgewechselt werden soll.
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In
der
EP 1 477 793 A2 ist
ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in transparentem Material
offenbart. Eine Strahlungsquelle einer ersten Wellenlänge koppelt
Licht in eine Kante einer zu prüfenden Glasplatte
ein, welches nach mehrfacher Totalreflexion auf der gegenüberliegenden
Kante wieder austritt. Eine zweite Strahlungsquelle einer anderen
Wellenlänge
durchstrahlt die Glasplatte in einem Teilvolumen senkrecht zur Plattenebene.
Auf der gegenüberliegenden
Plattenseite registriert ein Empfänger sowohl transmittiertes
Licht der zweiten Wellenlänge mittels
Hellfeldanalyse als auch Streulicht der ersten Wellenlänge und
erkennt somit Fehler in einem Teilvolumen der Glasplatte. In einer
Ausführungsform
ist eine Kamera als Empfänger
vorgesehen, welche jeweils auf das Teilvolumen fokussiert ist. Durch
Vorschub des Glases in der Richtung senkrecht zu beiden Strahlungsrichtungen
wird die Glasplatte nach und nach vollständig überprüft.
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Die
DE 698 37 379 T2 offenbart
ein Verfahren zur Prüfung
des Zustands eines Schutzglases bei der Laserbearbeitung. Dabei
setzen sich durch die Bearbeitung entstehende Partikel auf der Schutzscheibe
ab, welche einen Anteil des Lichts zur Kante der Schutzscheibe streuen,
so dass es dort von einem Photodetektor erkannt wird. Dadurch kann
das System eine Meldung ausgeben, wenn das Schutzglas so schmutzig
ist, dass es ersetzt werden sollte.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige Durchlässigkeitsprüfung der
Frontscheibe eines gattungsgemäßen Sensors
unter weitgehender Vermeidung von Ausfallzeiten zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor gemäß Anspruch
1 bzw. 2 und ein Verfahren zum Testen der Lichtdurchlässigkeit
einer Schutzscheibe gemäß Anspruch
13 gelöst.
Diese Lösung
hat den Vorteil, dass die Schutzscheibe ununterbrochen und vollständig auf
Verschmutzungen oder Beschädigungen überwacht
werden kann. Fehlentscheidungen aufgrund von Beeinträchtigungen der
Schutzscheibe treten damit nicht mehr auf, die Überwachung ist vollständig und
sicher. Zusätzlich wird
die mit herkömmlichen
Durchleuchtsystemen einhergehende Erzeugung von störendem Streulicht vermieden.
Die somit geringere Beeinträchtigung
des Lichtpfades von Überwachungsbereich
zu Lichtempfänger
führt zu
einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis.
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Die
Lösung
geht von dem Prinzip aus, die Schutzscheibe nicht wie üblich senkrecht,
sondern streifend zu beleuchten. Dieser Ansatz allein, beispielsweise
mit einer Flächenbeleuchtung
unter streifendem Winkel mithilfe eines Linienlasers, ist aber aufwändig und
hinsichtlich des notwendig verursachten Streulichts problematisch.
Dann ist Kerngedanke, das Testlicht zur Vermeidung von Beeinträchtigungen des
Sensors gar nicht erst in den Überwachungsbereich
gelangen zu lassen. Hierzu wird das Testlicht unter Ausnutzung der
Totalreflexion nur in den Innenraum der Schutzscheibe gestrahlt.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Lichtempfänger ein
Bildsensor oder eine Kamera und weist insbesondere eine CCD- oder
CMOS-Matrix auf. Gerade bei diesen Bildsensoren kommt es nicht nur
darauf an, dass pauschal genügend
Licht durch die Schutzscheibe tritt, sondern auf deren Durchlässigkeit
an allen Stellen. Andernfalls zeigen einzelne Pixel des Bildsensors
fälschlich
kein Abbild des Überwachungsbereichs,
sondern der Beeinträchtigung der
Schutzscheibe.
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Besonders
bevorzugt ist die Auswertungseinheit für eine Bewertung der Testlicht-Austrittsstellen
als Beschädigungs-
oder Verschmutzungsgrad und weiter dafür ausgebildet, den Lichtdurchlässigkeitstest
als gescheitert zu erkennen, wenn der Beschädigungs- oder Verschmutzungsgrad
zu hoch ist. Diese Bewertung kann im einfachsten Fall eine Schwelloperation
sein, damit nicht schon bei jeglicher, sondern erst einer merklichen
Beeinträchtigung der
Schutzscheibe reagiert wird. Besonders wenn der Bildsensor im Falle
einer Kamera eine Ortsauflösung
hat, kann durch Bildauswertung überprüft werden,
welcher Teil der Scheibe betroffen ist, wie groß die Störstellen sind, wie hell und
damit wie gefährlich sie
sind und dergleichen. Diese Bildauswertung kann anhand eines vorgegebenen
Schemas in einem Bewertungsgrad umgerechnet werden, der dafür sorgt, dass
der Betrieb wirklich nur dann abgebrochen wird, wenn die Beeinträchtigung
die Funktionsfähigkeit des
Sensors und damit die Sicherheit einschränkt. Dies führt im Ergebnis zu einer genaueren
Bewertung der Funktionsfähigkeit
der Schutzscheibe und damit insgesamt zu einer besseren Verfügbarkeit
des Sensors. Besonders Kamerasysteme mit großem Sichtwinkel eignen sich
für eine
ausreichend scharfe Abbildung der Oberfläche der Schutzscheibe und geben
damit die Möglichkeit
der genauen Bewertung der Verschmutzungspartikel und Beschädigungen auf
ihre Relevanz für
die Funktionsfähigkeit
des Gesamtsystems.
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Vorteilhafterweise
ist der Sensor eine Sicherheitskamera, die beim Erkennen eines Gefahrereignisses
ein Warnsignal erzeugen oder einen Abschaltbefehl an eine geschützte Maschine
abgegeben kann, wobei das Gefahrereignis, insbesondere der Eintritt
eines Objekts in den Überwachungsbereich, eine
unerlaubte Bewegung des Objektes innerhalb des Überwachungsbereichs oder ein
Scheitern des Lichtdurchlässigkeitstests
ist. Eine Sicherheitskamera ist ganz besonders darauf angewiesen,
dass die Schutzscheibe hinreichend transparent bleibt. Sie ist gleichzeitig
auch in der Lage, die Testlicht-Austrittsstellen selbst zu bewerten
und ihre Schutzfunktion dann zu erfüllen, wenn sie die Durchlässigkeit
der Schutzscheibe als nicht mehr gewährleistet ansieht, indem sie
diese Gefährdung
erkennt und sich selbst sowie auch etwaige geschützte Maschinen abschaltet,
bis Wartung erfolgt. Somit kann ein besonders hoher Sicherheitsgrad
erreicht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist an einer Kante der Schutzscheibe ein Testlichtempfänger vorgesehen,
und die Auswertungseinheit kann dessen Empfangspegel bei dem Lichtdurchlässigkeitstest
zusätzlich
berücksichtigen. Der
Testlichtempfänger
liefert bei intakter und sauberer Schutzscheibe einen bekannten
Lichtpegel, dessen Absinken die Auswertungseinheit als zusätzliches
Indiz für
eine noch sicherere Erkennung einer Beeinträchtigung der Schutzscheibe
ausnutzen kann.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Kanten der Schutzscheibe
außer
an den Stellen lichtundurchlässig
oder reflektierend, wo der Testlichtsender und/oder der Testlichtempfänger angeordnet
ist. Da die Bedingung der Totalreflexion nur an den Flächen der
Schutzscheibe gilt, könnte
Testlicht ansonsten an den Kanten der Schutzscheibe austreten. Da
diese Richtung wegen der Anordnung der Schutzscheibe zum Lichtempfänger senkrecht zum
Sensor steht, kann das Testlicht gewöhnlich zwar auf direktem Wege
weder den Überwachungsbereich
noch den Lichtempfänger
als störendes Streulicht
erreichen. Indem die Kanten lichtundurchlässig sind, wird die Erzeugung
von zusätzlichem Störlicht durch
das Testlicht aber ganz sicher und auch nach immerhin denkbarer
Mehrfachreflexion ausgeschlossen. Wenn die Kanten darüber hinaus oder
alternativ reflektierend sind, wird das Licht in den Innenraum der
Scheibe zurückgeworfen
und kann so weiter als Testlicht verwendet werden. Auf diese Weise
wird die Lichtquelle effizienter ausgenutzt.
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Bevorzugt
ist mindestens ein Lichtsender zur Ausleuchtung des Überwachungsbereichs
vorgesehen. Damit ist eine sichere Überwachung des Überwachungsbereichs
gewährleistet,
auch wenn das Umgebungslicht schwach und zu kontrastschwach ist.
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Vorteilhafterweise
ist die Auswertungseinheit dafür
ausgebildet, den Lichtdurchlässigkeitstest
periodisch durchzuführen
und den Testlichtsender jeweils nur während des Lichtdurchlässigkeitstests
einzuschalten und/oder während
des Lichtdurchlässigkeitstests
den Lichtsender auszuschalten. Durch den periodischen Lichtdurchläs sigkeitstest
werden die erforderlichen Rechenkapazitäten und die Leistung des Testlichtsenders
zur Ressourcenschonung nur in regelmäßigen Intervallen abgerufen.
Ein Ausschalten des Lichtsenders während des Lichtdurchlässigkeitstests
führt dazu,
dass genau getestet werden kann, weil kein oder weniger anderes
Licht außer
dem Testlicht auf den Lichtempfänger
fallen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswertungseinheit
dafür ausgebildet, den
Lichtdurchlässigkeitstest
während
des eigentlichen Sensorbetriebs durchzuführen, wobei der Testlichtsender
permanent eingeschaltet ist. Somit geht durch den Test der Schutzscheibe
keine Betriebszeit des Sensors verloren, und es ist jederzeit gewährleistet,
dass die Schutzscheibe hinreichend lichtdurchlässig ist.
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Vorteilhafterweise
ist die Schutzscheibe im Wesentlichen planparallel und/oder aus
Glas oder Kunststoff. Bei der Geometrie der Schutzscheibe ist zumindest
darauf zu achten, dass die Bedingung der mehrfachen Totalreflexion
erfüllt
werden kann. Dies ist mit einer planparallelen Scheibe leicht erfüllbar. Glas
oder Kunststoff sind robuste, leicht zu bearbeitende Werkstoffe
mit den notwendigen optischen Eigenschaften.
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Bevorzugt
weist der Testlichtsender einen großen Abstrahlwinkel auf, um
den gesamten Innenraum der Schutzscheibe auszuleuchten und/oder
er sendet ein schmalbandiges Testlicht insbesondere außerhalb
des sichtbaren Bereichs aus. Der große Abstrahlwinkel dient dazu,
die gesamte Fläche
der Schutzscheibe überprüfen zu können. Wenn
ein schmalbandiges Testlicht verwendet wird, so kann die Auswertungseinheit
die Testlicht-Austrittsstellen anhand des schmalen Bandes leichter
erkennen. Liegt der Wellenlängenbereich
des Testlichts außerhalb
des sichtbaren Bereiches, so kann selbst im Falle von Störstellen
das von dem Sensor aufgenommene Testlicht den üblichen Betrieb nicht stören, sofern dieser
auf sichtbares Licht ausgelegt ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auf ähnliche
Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige
vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in
den sich anschließenden
Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Die Abbildungen der Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors
mit intakter Schutzscheibe;
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2 eine
Darstellung gemäß 1 mit
beschädigter
und verschmutzter Schutzscheibe;
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3a den
Querschnitt einer Schutzscheibe in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung mit einem zusätzlichen
Testlichtempfänger;
und
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3b den
Querschnitt einer Schutzscheibe in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung mit lichtundurchlässigen
oder reflektierenden Kanten.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors 10 in
einer schematischen Querschnittsdarstellung. Der Sensor 10 empfängt Licht 12 aus
einem Überwachungsbereich 14. Dieses
Licht 12 wird von einer Empfangsoptik 16, im einfachsten
Fall einer Linse, auf einen Bildsensor 18 gelenkt. Als
Bildsensor 18 ist besonders ein CCD- oder CMOS Chip geeignet,
der eine Matrix von einzelnen Pixelelementen aufweist. Alternativ
ist aber auch eine Zeile von Pixelelementen, eine PSD (Position
Sensing Device) oder eine einfache Photodiode denkbar. Auf den Bildsensor 18 einfallendes
Licht 12 wird dort in ein elektrisches Signal umgewandelt
und als Bilddaten an eine Auswertungseinheit 20 weitergegeben.
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Die
genau Auswertung der Bilddaten in der Auswertungseinheit 20 hängt von
der Anwendung ab. Denkbar ist eine Objektdetektion in dem Überwachungsbereich 14,
eine Entfernungsbestimmung oder eine Lage- und Bewegungsüberwachung
für ein Objekt
in dem Überwachungsbereich 14.
Ist der Sensor 10 insbesondere eine Sicherheitskamera,
so löst die
Auswertungseinheit 20 bei einem Gefahrereignis in dem Überwachungsbereich 14 ein
Warnsignal oder einen Abschaltbefehl an eine geschützte gefährliche
Maschine aus. Dabei hängt
es von einer Klassifikation in der Auswertungseinheit 20 ab,
welches Ereignis als gefährlich
einzustufen ist. So kann der bloße Objekteingriff, aber auch
die zu große räumliche
Nähe zwischen
dem Objekt und Bedienpersonal oder eine zu hohe Geschwindigkeit
je nach Anwendung gefährlich
oder erlaubt sein. Möglich sind
auch eingelernte oder erkannte erlaubte Objekte, wie bestimmte Pakete,
Paletten oder Roboter, die sich in dem Überwachungsbereich 14 bewegen
dürfen,
während
unbekannte Objekte als Gefährdung
erkannt werden.
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Mit
der Auswertungseinheit 20 ist eine externe Beleuchtung 22a, 22b für den Überwachungsbereich 14 verbunden.
Die externe Beleuchtung 22a, 22b weist jeweils eine
Lichtquelle 24a, 24b, die eine Halbleiterlichtquelle
wie eine Diode oder ein Laser sein kann, und eine strahlformende
Optik 26a, 26b auf. Die Auswertungseinheit 20 ist
damit in der Lage, den Überwachungsbereich 14 mit
Beleuchtungslicht 28 einer einstellbaren Intensität auszuleuchten.
Die externe Lichtquelle 22a, 22b kann auch intern
angeordnet sein, insbesondere als bewegliche oder durch einen beweglichen
Spiegel oder dergleichen ablenkbare Laserlichtquelle, die zusammen
mit einer Photodiode als Lichtempfänger 18 einen Laserscanner
bildet.
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Die
Empfangsoptik 16 und der Bildsensor 18 sind geschützt in einem
Gehäuse 30 angeordnet.
Abweichend von der Darstellung in 1 und der
bisherigen Beschreibung ist auch denkbar, weitere oder sämtliche
Elemente des Sensors 10 wie die Auswertungseinheit 20 und
die Beleuchtung 22a, 22b ebenfalls innerhalb des
Gehäuses 30 anzuordnen.
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Zu
dem Überwachungsbereich 14 hin
weist das Gehäuse 30 eine
transparente Schutzscheibe 32 auf. Die Schutzscheibe 32 besteht
aus einem Material wie Glas oder Kunststoff, das optisch dichter
als Luft ist. Die Schutzscheibe 32 ist bevorzugt planparallel,
kann aber auch eine andere Geometrie aufweisen, sofern diese die
nun folgenden optischen Anforderungen erfüllt. Abweichend von der Darstellung
in 1 kann die Schutzscheibe 32 auch nur
einen Teil der in Richtung des Überwachungsbereichs 14 liegenden
Gehäusewand
des Gehäuses 30 bilden.
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An
einer seitlichen Kante der Schutzscheibe 32 ist ein Testlichtsender 34 angeordnet,
der ebenfalls mit der Auswertungseinheit 20 verbunden ist,
um von dieser angesteuert, beispielsweise ein- und ausgeschaltet
zu werden. Auch der Testlichtsender 34 kann abweichend
von der Darstellung innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet
sein. Der Testlichtsender 34 kann wie die externe Beleuchtung 22a, 22b eine beliebige
Lichtquelle sein. Bevorzugt ist eine Leuchtdiode oder ein divergenter
Laser, der Testlicht 36 in einem schmalen Wellenlängenbereich
im infraroten oder ultravioletten Bereich aussendet. Damit ist das Testlicht 36 in
der Auswertungseinheit 20 leicht von Licht 12 aus
dem Überwachungsbereich 14 zu
unterscheiden. Auch in dem Fall, dass die externe Beleuchtung 22a, 22b außerhalb
des sichtbaren Bereichs arbeitet, kann zumindest das schmale Band des
Testlichts 36 noch erkannt werden. Die Erfindung funktioniert
aber auch bei jeweils beliebigen Wellenlängenbereichen für Testlichtsender 38 und
Lichtsender 22a, 22b.
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Der
Testlichtsender 34 ist so angeordnet, dass sein Testlicht 36 ausschließlich in
den Innenraum der Schutzscheibe 32 gestrahlt wird. Dazu
kann eine strahlformende Optik vor dem Testlichtsender 34 verwendet
werden, oder der Testlichtsender 34 ist zusätzlich oder
alternativ von Gehäusewänden umgeben,
welche dasjenige Licht absorbieren, das nicht in den Innenraum der
Schutzscheibe 32 strahlen würde.
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Der
Einstrahlwinkel des Testlichts 36 in den Innenraum der
Schutzscheibe 32 ist so gewählt, dass es mindestens unter
dem Totalreflexionswinkel auf die Innenflächen der Schutzscheibe 32 auftrifft. Durch
einmalige oder mehrfache Totalreflexion leuchtet das Testlicht 36 somit
den Innenraum der Schutzscheibe 32 aus, kann aber durch
die Flächen der
Schutzscheibe 32 nicht austreten, weil es totalreflektiert
wird. Erst an der gegenüberliegenden
Kante der Schutzscheibe 32 ist der Auftreffwinkel spitz
genug, um eine Transmission und damit ein Austreten aus der Schutzscheibe 32 zu
ermöglichen.
Das Testlicht 36 kann nicht auf den Bildsensor 18 auftreffen und
ist somit keine Quelle für
Störlicht.
Der Abstrahlwinkel des Testlichtsenders 34 ist groß genug
gewählt,
um den gesamten Innenraum der Schutzscheibe 32 auszufüllen. Es
können
auch mehrere Testlichtsender 34 eingesetzt werden.
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Anhand
der 2 soll nunmehr erläutert werden, wie sich die
Situation bei beschädigter
oder verschmutzter Schutzscheibe 32 ändert und derartige Beeinträchtigungen
der Schutzscheibe 32 somit von der Auswertungseinheit 20 erkannt
werden können.
Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen hier wie im Folgenden gleiche
Merkmale.
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Lagert
sich nämlich
Niederschlag oder eine Verschmutzung 38 an der Schutzscheibe 32 ab
oder weist die Schutzscheibe 32 eine Beeinträchtigungsstelle 40 auf,
so sind die Bedingungen der Totalreflexion an dieser Stelle verletzt.
Die Verschmutzung 38 verändert den Übergang an der optischen Grenzfläche hin
zu einem Medium mit einem von Luft abweichenden Brechungsindex.
Ist das Licht erst einmal in den Bereich der Verschmutzung 38 eingedrungen,
so verändert
sich zusätzlich
wegen der unregelmäßigen Oberflächenform
der Verschmutzung 38 auch der Auftreffwinkel. Bei einer
Beschädigung 40 ändert sich je
nach Ausprägung
der Brechungsindex, zumindest aber der Auftreffwinkel. In allen
diesen Fällen
sind die Bedingungen für
eine Totalreflexion nicht mehr gewahrt. Deshalb kann das Testlicht
an diesen Stellen 38, 40 aus der Schutzscheibe 32 austreten
und als Störlichts 42 in
alle Richtungen strahlen. Insbesondere wird ein Teil dieses Störlicht 42 auch
in dem Bildsensor 18 empfangen und kann somit von der Auswertungseinheit 20 erfasst
werden.
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Der
Bildsensor 18 kann wegen seiner Ortsauflösung nicht
nur erkennen, dass überhaupt
eine Verschmutzung 38 oder eine Beschädigung 40 vorliegt.
Je nach Ausmaß der
Störstelle 38, 40 kann mehr
oder weniger Testlicht 36 aus der Schutzscheibe 32 austreten.
Der Bildsensor 18, beziehungsweise die nachgeordnete Auswertungseinheit 20,
kann damit nicht nur die genaue Lage, sondern auch die Größe der Störstelle 38, 40 erkennen
und bewerten. In der Auswertungseinheit 20 werden Anzahl,
Lage, Größe und weitere
erfassbare Eigenschaften der Störstellen 38, 40 zu
einem Beschädigungsgrad,
einem Verschmutzungsgrad oder allgemein einem Beeinträchtigungsgrad
verrechnet. Die Auswertungseinheit 20 vergleicht diesen
Beeinträchtigungsgrad mit
einem vorgegebenen oder eingelernten Höchstgrad. Das Ergebnis ist
eine Information darüber,
ob die Lichtdurchlässigkeit
der Schutzscheibe 32 noch gut genug ist.
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In
manchen Anwendungen mag es sinnvoll sein, gar keine Beeinträchtigung
zu tolerieren und schon beim Erkennen irgendwelchen Testlichts 36 in dem
Bildsensor 18 den Lichtdurchlässigkeitstest als gescheitert
anzusehen. Eine etwas besser anpassbare, aber immer noch relativ
groben Methode, ist eine Schwellbewertung erfassten Testlichts 36,
um einen geringen Testlichtpegel noch zu tolerieren. Ist der Bildsensor 18 nicht
ortsauflösend,
beispielsweise eine einfache Photodiode, die eine Beeinträchtigung nur
anhand der Intensität
empfangenen Testlichts erkennen kann, so ist ein genauerer Lichtdurchlässigkeitstest,
wie der oben für
ortsauflösenden
Bildsensoren 18 beschriebene, nicht möglich.
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Anhand
der beschriebenen Auswertung wird eine mangelnde Lichtdurchlässigkeit
der Schutzscheibe 32 sicher und flächendeckend über die
gesamte Schutzscheibe 32 erkannt. Wegen der Bewertung über einen
Beeinträchtigungsgrad
muss der Sensor 10 wirklich nur dann in einen Fehlfunktionsmodus
gehen, wenn die Schutzscheibe 32 einen sicheren Betrieb
nicht mehr zulässt.
Bei einer Sicherheitskamera bedeutet der Fehlfunktionsmodus das Erkennen
einer Gefährdung
und somit zumindest ein Warnsignal, meist aber die Abschaltung einer
geschützten
Maschine. Eine geringfügige
Beeinträchtigung
der Schutzscheibe 32, die noch keine Wartung erfordert,
wird aber erfindungsgemäß als unwesentlich
erkannt und vermeidet damit unnötige
Ausfallzeiten.
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Da
das Testlicht 36 innerhalb der Schutzscheibe 32 totalreflektiert
wird und somit nicht in den Bildsensor 18 gelangen kann,
beeinträchtigt
das Testlicht 36 den Betrieb des Sensors 10 nicht.
Die Auswertungseinheit 20 kann den Lichtdurchlässigkeitstest
parallel zum üblichen
Betrieb permanent ausführen.
Zur Schonung von Rechnerressourcen in der Auswertungseinheit 20 und
um den Testlichtsender 34 nicht dauerhaft betreiben zu
müssen,
ist aber auch ein nur periodischer Lichtdurchlässigkeitstest denkbar. Die
Periode der Testintervalle ist dabei je nach Anforderung an die
Zuverlässigkeit
des Sensors zu wählen.
Um eine besonders genaue Informationen der Störstellen 38, 40 der
Schutzscheibe 32 zu erhalten, ist es auch denkbar, während des
Lichtdurchlässigkeitstests
die externe Beleuchtung 22a, 22b abzuschalten.
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Die 3a und 3b zeigen
weitere Ausführungsformen
der Erfindung, wobei hier nur noch die Schutzscheibe 32 als
Ausschnitt dargestellt ist. Gemäß der in 3a dargestellten
Ausführungsform ist
dem Testlichtsender 34 gegenüberliegend ein Testlichtempfänger 44 angeordnet.
Dieser Testlichtempfänger 44 ist
vorzugsweise als Photodiode ausgebildet, da es genügt, den
Testlichtpegel zu bestimmen und eine Ortsauflösung nicht erforderlich ist.
Der Testlichtempfänger 44,
der ebenfalls mit der Auswertungseinheit 20 verbunden ist,
empfängt
bei intakter und sauberer Scheibe einen bekannten oder eingelernten
Testlichtpegel. Jegliche Verringerung von diesem Testlichtpegel
rührt,
wie beschrieben, von Verschmutzungen 38 oder Beschädigungen 40 der Schutzscheibe 32 her.
Somit kann auch diese Information als ein Maß für die Beeinträchtigung
der Schutzscheibe 32 herangezogen werden. Der abgesunkene
Testlichtpegel kann auch für
eine Plausibilitätsbetrachtung
des in dem Bildsensor 18 empfangenen Testlichts 36 verwendet
werden. Wegen der bekannten Geometrie des Sensors 10 lässt sich
abschätzen,
welcher Anteil von verloren gegangenem Testlicht 36, das über den
abgesunkenen Testlichtpegel in dem Testlichtempfänger 44 bekannt ist,
sich bei dem Bildsensor 18 wiederfinden müsste. Vorstellbar ist
aber auch, dass der Bildsensor 18 das Testlicht 36 nicht
auswertet, sondern allein der Lichtpegel im Testlichtempfänger 44 ausgewertet
wird.
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Gemäß der in 3b dargestellten
Ausführungsform
sind die Kanten 46 der Schutzscheibe 32 lichtundurchlässig. Dies
gilt selbstverständlich
nicht an der Stelle, an welcher der Testlichtsender 34 Testlicht 36 in
die Schutzscheibe 32 einstrahlt. Wenn ein Testlichtempfänger 44 vorgesehen
ist, so ist auch an der Austrittsstelle für Testlicht 36 in
den Testlichtempfänger 44 die
Kante lichtdurchlässig.
Obwohl das Testlicht 36 auch bei transparenten Kanten in
einer Richtung senkrecht zum Bild sensor 18 abgestrahlt wird,
wäre es
nach mehrfacher Reflexion denkbar, dass es dennoch zum Bildsensor 18 gelangt.
Dies würde
nicht nur unnötiges
Störlicht
verursachen, dessen Intensität
nach der Mehrfachreflexion im Überwachungsbereich 14 allerdings
gering wäre,
sondern könnte
auch zu einer Fehleinschätzung
des Beeinträchtigungsgrads
der Schutzscheibe 32 führen.
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Alternativ
oder zusätzlich
sind die Kanten 46 reflektierend. Alternativ heißt dabei,
dass keine völlige
Lichtundurchlässigkeit
gegeben sein muss. Das an den Kanten 46 reflektierte Licht
kann dann gar nicht oder nur zu einem geringen Anteil nach Außen gelangen.
Zugleich kann das reflektierte Licht, weil es in den Innenraum der
Schutzscheibe 32 zurückgeworfen
wird, weiterhin als Testlicht 36 genutzt werden. Somit
werden gleich zwei Vorteile erreicht: Reduzierung oder Eliminierung
des nach Außen
dringenden potentiellen Störlichts
und Erhöhung
der Effizienz des Testlichtsenders 34.