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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der optischen Detektionssysteme
und betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur optischen Detektion
von Unebenheiten einer Glasscheibe.
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Stand der Technik
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In öffentlichen
Verkehrsmitteln, wie Zügen zur
Personenbeförderung
im Nah- und Fernverkehr, sind die Wagen in der Regel mit Fensterscheiben
aus Glas ausgestattet. Die Glasscheiben nutzen sich durch bestimmungsgemäßen Gebrauch
ab, werden jedoch auch gelegentlich durch Vandalismus gezielt beschädigt. Wie
die Erfahrung lehrt, werden die Glasscheiben häufig mit Glasschneidern oder
sonstigen Gegenständen
mutwillig zerkratzt.
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Um
beschädigte
Glasscheiben zu erkennen und gegebenenfalls auszutauschen, ist es
bislang gängige
Praxis, dass Wartungspersonal in regelmäßigen Zeitabständen jede
einzelne Glasscheibe einer sorgfältigen
Sichtprüfung
von innen und außen
unterzieht, was relativ viel Zeit in Anspruch nimmt und mit hohen
Personalkosten verbunden ist. Im Falle von mutwillig beschädigten Glasscheiben
werden die Täter
meist nicht zur Rechenschaft gezogen, da die Beschädigungen
gewöhnlich
erst lange nach der Tat vom Wartungspersonal entdeckt werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges
und einfach zu realisierendes Verfahren, sowie eine entsprechende
Anordnung zur Detektion von Kratzern in Glasscheiben zur Verfügung zu
stellen, wodurch insbesondere bei mutwilliger Beschädigung eine
zeitnahe Detektion von Kratzern nach der Tat erfolgen kann, so dass
gegebenenfalls Überwachungspersonal
benachrichtigt und die Täter
aufgefunden werden können.
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Lösung der Aufgabe
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Diese
und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch
ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion von Unebenheiten einer
Glasscheibe mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine
Anordnung zur Detektion wenigstens einer Licht diffus reflektierenden
Unebenheit, beispielsweise ein Kratzer oder eine Verschmutzung,
einer Glasscheibe gezeigt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
umfasst eine Lichtstrahlerzeugungseinrichtung, die zum Erzeugen
und Aussenden eines Lichtstrahls auf die Glasscheibe geeignet ausgebildet
ist. Als Lichtquelle zur Lichterzeugung können beispielsweise Leuchtdioden
oder Laserdioden, insbesondere UV-Leuchtdioden und/oder IR-Leuchtdioden,
eingesetzt werden, welche kontinuierlich oder gepulst betrieben
werden können.
Die Lichtquelle kann entweder kohärentes oder nicht-kohärentes Licht
erzeugen. Mithilfe optisch abbildender Komponenten, insbesondere
Blenden und Linsen, kann das durch die Lichtquelle erzeugte Licht
zu einem Lichtstrahl gebündelt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
umfasst weiterhin eine Lichtstrahlabtasteinrichtung, welche so ausgebildet
ist, dass eine Oberfläche
der Glasscheibe mit dem von der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
erzeugten Lichtstrahl abgetastet (gescannt) werden kann, um auf
diese Weise die Oberfläche
der Glasscheibe einer optischen Prüfung auf Unebenheiten zu unterziehen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
umfasst weiterhin eine (elektrooptische) Lichtdetektionseinrichtung,
die zum Detektieren von Lichtintensität mittels einer lichtempfindlichen
Fläche
geeignet ausgebildet ist. Als Lichtdetektionseinrichtung kann beispielsweise
eine Photodiode oder ein Phototransistor, insbesondere in Form eines
räumlich
auflösenden
CCD-Detektors (CCD = Charge Coupled Device), vorgesehen sein. Eine
Detektion von Lichtintensitäten
der Oberfläche
der Glasscheibe kann insbesondere ortsaufgelöst erfolgen.
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Wesentlich
hierbei ist, dass die Lichtdetektionseinrichtung so angeordnet ist,
dass sie die die Intensität
von Licht, das beim Beleuchten mit dem von der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
erzeugten Lichtstrahl von einer Unebenheit der Glasscheibe diffus
reflektiert wird, detektieren kann und die Intensität von Licht,
das beim Beleuchten mit dem von der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
erzeugten Lichtstrahl von der Glasscheibe spiegelnd reflektiert
wird, nicht detektieren kann.
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Im
Unterschied zur spiegelnden Reflexion des Lichtstrahls an der Glasscheibe,
bei welcher der Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls seinem Betrag
nach dem Ausfallswinkel des reflektierten Lichtstrahls entspricht,
wird bei der diffusen Reflexion der einfallende Lichtstrahl mit
gleichmäßiger oder
ungleichmäßiger Verteilung
der Lichtintensität
in den Raum reflektiert.
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Um
zu ermöglichen,
dass die Lichtdetektionseinrichtung lediglich diffus reflektiertes
Licht detektiert und spiegelnd reflektiertes Licht nicht detektiert,
ist die Lichtdetektionseinrichtung so anzuordnen, dass Licht des
spiegelnd reflektierten Lichtstrahls nicht auf die lichtempfindliche
Fläche
der Lichtdetektionseinrichtung trifft. Dies ist dann gegeben, wenn
sich die Lichtdetektionseinrichtung nicht im Strahlengang des spiegelnd
reflektierten Lichtstrahls befindet.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird mittels der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung ein (gebündelter)
Lichtstrahl erzeugt und mittels der Lichtstrahlabtasteinrichtung
auf eine der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen der
zu untersuchenden Glasscheibe gerichtet, um die Oberfläche mit
dem Lichtstrahl abzutasten. Hierbei wird mittels der Lichtdetektionseinrichtung
Intensität
von Licht, das von einer Unebenheit der Glasscheibe diffus reflektiert
wird, detektiert, wobei von der Glasscheibe spiegelnd reflektiertes
Licht nicht detektiert wird.
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Mithilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens kann somit erstmals eine zuverlässige Detektion von Licht diffus
reflektierenden Kratzern einer Glasscheibe erfolgen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die Lichtdetektionseinrichtung benachbart zur Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
angeordnet. Hierdurch kann in einfacher Weise realisiert werden,
dass die Lichtdetektionseinrichtung keinen spiegelnd reflektierten
Lichtstrahl erfasst, wenn die Lichtstrahlerzeugungseinrichtung so
angeordnet ist, dass der Lichtstrahl nicht senkrecht zu einer der
beiden Oberflächen
der Glasscheibe emittiert werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
sind die Lichtdetektionseinrichtung und die Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
in einer selben Einrichtung integriert, so dass die erfindungsgemäße Anordnung
in einer kompakten Bauform vorliegt und besonders einfach transportiert
und in Stellung gebracht werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
erzeugt die Lichtquelle der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung kohärentes Licht,
so dass Lichtstrahlen hoher Lichtintensität zur Detektion von Licht diffus
streuenden Unebenheiten der Glasscheibe eingesetzt werden können.
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Eine
Steuerung der Anordnung zur Detektion von Licht diffus streuenden
Unebenheiten einer Glasscheibe erfolgt durch eine zur Datenverarbeitung
geeignete, elektronische Steuereinrichtung, welche mit der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
und der Lichtdetektionseinrichtung datentechnisch verbunden ist. Insbesondere
kann die Steuereinrichtung in der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
und/oder Lichtdetektionseinrichtung integriert sein. Eine Auswertung der
von der Lichtdetektionseinrichtung erfassten Lichtintensitäten erfolgt
durch eine elektronische Auswerteeinrichtung, welche in der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
und/oder in der Lichtdetektionseinrichtung und/oder in der elektronischen
Steuereinrichtung integriert sein kann.
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Eine
Detektion von diffus reflektiertem Licht erfolgt durch die Lichtdetektionseinrichtung,
welche so eingerichtet ist, dass sie ein entsprechendes elektrisches
Signal an einem Signalausgang ausgibt bzw. bereitstellt, falls eine
detektierte Lichtintensität
durch die Auswerteeinrichtung als signifikant erkannt worden ist.
Gleichermaßen
ist es möglich,
dass die Lichtdetektionseinrichtung im Falle einer Detektion einer Unebenheit
mittels eines optischen oder akustischen Signalgebers ein optisches
oder akustisches Signal abgibt.
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Eine
Prüfung
auf Signifikanz einer detektierten Lichtintensität erfolgt beispielsweise durch
Vergleich mit einem wählbaren
Intensitätsschwellwert, wobei
eine detektierte Lichtintensität
als signifikant angesehen wird, wenn die Signalamplitude oberhalb eines
wählbaren
Schwellwerts liegt. Für
eine Prüfung der
Signifikanz einer detektierten Lichtintensität ist insbesondere auch ein
Vergleich mit einem ortsaufgelösten
Referenzwert möglich,
wobei ortsaufgelöste Referenzwerte
dadurch gewonnen werden können, dass
eine Glasscheibe initial (das heißt bei erstmaliger Inbetriebnahme
der Anordnung zur Detektion von Unebenheiten einer Glasscheibe)
gescannt wird und die hierbei von der Lichtdetektionseinrichtung
ortsaufgelöst
erfassten Intensitätswerte
der Oberfläche der
Glasschei be als Intensitätsreferenzwerte
in einer Speichereinrichtung der Lichtdetektionseinrichtung gespeichert
werden. Gleichermaßen
ist eine dynamische Referenzierung auf Basis von dynamisch angepassten
Referenzwerten möglich,
die gewonnen werden, indem während
der Betriebszeit der Anordnung zur Detektion von Unebenheiten einer
Glasscheibe die Glasscheibe fortwährend, insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen, jeweils
mehrmals stichprobenartig gescannt wird und die hierbei erfassten Lichtintensitäten mittels
herkömmlicher
statistischer Verfahren analysiert werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird Lichtintensität
von Licht, das von einer selben Stelle der Glasscheibe reflektiert
wird, für
einen wählbaren
Zeitraum von beispielsweise einigen (wenigen) Sekunden von der Lichtdetektionseinrichtung
detektiert. Durch eine statistische Analyse der hierbei erfassten
Lichtintensität mittels
der Lichtintensitätsauswerteeinrichtung,
insbesondere durch einen Vergleich der Signalamplituden der erfassten
Lichtintensitäten,
können
in vorteilhafter Weise falschpositive Signale durch in der Luft schwebende
Licht streuende Teilchen, wie Staub- und Aerosolpartikel, sicher
erkannt und diskriminiert werden. Gleichermaßen ist ein Vergleich einer
ortsaufgelöst
erfassten Lichtintensität
mit einem gespeicherten Referenzwert für die Lichtintensität an diesem
Ort möglich,
wie weiter oben bereits dargelegt wurde.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird mittels der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung ein erster Lichtstrahl
erzeugt und mittels der Lichtstrahlabtasteinrichtung eine Oberfläche der
Glasscheibe mit dem ersten Lichtstrahl abgetastet. Hierbei ist/sind
die Wellenlänge(n)
des beispielsweise monochromatischen ersten Lichtstrahls so gewählt, dass
sie oberhalb einer UV-Absorptionsschwelle und unterhalb einer IR-Absorptionsschwelle
des Glases der Glasscheibe liegt(en), so dass der erste Lichtstrahl
von dem Glas der Glasscheibe nur schwach absorbiert wird.
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Hierbei
wird eine erste Intensität
von Licht, das von der Glasscheibe beim Beleuchten mit dem ersten
Lichtstrahl diffus reflektiert wird, mittels der Lichtdetektionseinrichtung
detektiert, wobei eine Intensität
von Licht, das von der Glasscheibe beim Beleuchten mit dem ersten
Lichtstrahl spiegelnd reflektiert wird, von der Lichtdetektionseinrichtung
nicht detektiert wird.
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Weiterhin
wird ein zweiter Lichtstrahl mittels der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung
erzeugt und mittels der Lichtstrahlabtasteinrichtung die gleiche Oberfläche der
Glasscheibe mit dem zweiten Lichtstrahl abgetastet. Hierbei ist/sind
die Wellenlänge(n) des
beispielsweise monochromatischen zweiten Lichtstrahls so gewählt, dass
sie unterhalb einer UV-Absorptionsschwelle
und oberhalb einer IR-Absorptionsschwelle des Glases der Glasscheibe liegt(en),
so dass der zweite Lichtstrahl von dem Glas der Glasscheibe stark
bzw. (wesentlich) stärker
als der erste Lichtstrahl absorbiert wird.
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Hierbei
wird eine zweite Intensität
von Licht, das von der Glasscheibe beim Beleuchten mit dem zweiten
Lichtstrahl diffus reflektiert wird, mittels der Lichtdetektionseinrichtung
detektiert, wobei eine Intensität
von Licht, das von der Glasscheibe beim Beleuchten mit dem zweiten
Lichtstrahl spiegelnd reflektiert wird, von der Lichtdetektionseinrichtung
nicht detektiert wird.
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Die
Begriffe "UV-Absorptionsschwelle" und "IR-Absorptionsschwelle" beziehen sich hier
auf eine Materialeigenschaft des Glases der Glasscheibe, welche
durch Auftragen der Lichttransmission (beispielsweise in relativen
Einheiten) gegen die Wellenlänge
des auf die Glasscheibe gerichteten Lichtstrahls in einer Transmissionskurve
erkennbar wird. Beispielsweise absorbiert herkömmlicher Weise als Fensterglas
eingesetztes Kalk-Natron-Glas Licht im UV-Bereich (280 nm–380 nm),
was durch eine so genannte UV-Absorptionskante (bzw. UV-Absorptionsschwelle)
in der Transmissionskurve erkennbar ist, wobei die Transmissionskurve
zu kürzeren
Wellenlängen
hin steil abfällt
und die Transmission praktisch zu Null wird. Gleichermaßen absorbiert
Kalk-Natron-Glas typischer Weise Licht im IR-Bereich (oberhalb 780
nm), was durch eine IR-Absorptionskante (bzw. IR-Absorptionsschwelle)
in der Transmissionskurve erkennbar ist, wobei die Transmissionskurve zu
längeren
Wellenlängen
hin steil abfällt
und die Transmission praktisch zu Null wird. Im Wellenlängenbereich
zwischen der UV-Absorptionskante und der IR-Absorptionskante (sichtbares
Licht) ist Kalk-Natron-Glas lichtdurchlässig.
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In
obiger Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt ein Vergleich der ersten Intensität und der zweiten Intensität der beiden
diffus reflektierten Lichtstrahlen und auf Basis eines Ergebnisses
dieses Vergleichs wird die Lage einer Licht diffus reflektierenden
Unebenheit in Bezug auf eine der beiden gegenüberliegenden Oberflächen der
Glasscheiben bestimmt.
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In
diesem Fall können
drei verschiedene Fälle
möglicher
Signalamplituden der Lichtintensitäten betrachtet, nämlich: ein
erster Fall, bei dem lediglich eine erste Intensität des ersten
(durchgelassenen) Lichtstrahls erfasst wird und eine zweite Intensität des zweiten
(absorbierten) Lichtstrahls nicht detektiert wird, was darauf hinweist,
dass sich eine Licht diffus reflektierende Unebenheit auf jener
Oberfläche befindet,
welche der Oberfläche
auf die der Lichtstrahl gerichtet wird, gegenüberliegt; ein zweiter Fall, bei
dem eine erste Intensität
des ersten (durchgelassenen) Lichtstrahls erfasst und eine zweite
Intensität des
zweiten (absorbierten) Lichtstrahls mit annähernd gleicher Signalamplitude
(Intensitätswert)
detektiert werden, was darauf hinweist, dass sich eine Licht diffus
reflektierende Unebenheit auf jener Oberfläche befindet, auf die der Lichtstrahl
gerichtet wird; und ein dritter Fall, bei dem eine erste Intensität des ersten
(durchgelassenen) Lichtstrahls erfasst und eine zweite Intensität des zweiten
(absorbierten) Lichtstrahls signifikant sind und mit deutlich verschiedener
Signalamplitude (Intensi tätswert)
detektiert werden, was darauf hinweist, dass sich eine Licht diffus
reflektierendes Unebenheit auf jener Oberfläche befindet, welche der Oberfläche auf
die der Lichtstrahl gerichtet wird, gegenüberliegt und dass sich zudem
eine weitere Licht diffus reflektierende Unebenheit auf jener Oberfläche befindet,
auf die der Lichtstrahl gerichtet wird.
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Mittels
obiger Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann somit die Lage einer Licht diffus reflektierenden Unebenheit
in Bezug auf die beiden gegenüberliegenden
Oberflächen
der Glasscheibe bestimmt werden, so dass in vorteilhafter Weise
Kratzer beispielsweise auf der Innenseite einer Glasscheibe von
(Licht ebenso diffus reflektierenden) Verschmutzungen beispielsweise
auf der Außenseite
einer Glasscheibe unterschieden werden können.
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In
obiger Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann eine selbe Stelle der Glasscheibe mit dem ersten Lichtstrahl
und dem zweiten Lichtstrahl zeitlich nacheinander beleuchtet werden,
was den Vorteil hat, dass in der Lichtdetektionseinrichtung keine
chromatische Diskriminierung von diffus reflektiertem Licht notwendig
ist.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren wird der von
der Lichtstrahlerzeugungseinrichtung erzeugte Lichtstrahl in vorgebbaren
zeitlichen Abständen
auf eine selbe Stelle mit definierter bzw. definierbarer diffuser
Reflexionsintensität
gerichtet und die Intensität
des diffus reflektierten Lichts detektiert. Hierdurch kann ein automatischer
Selbsttest der erfindungsgemäßen Anordnung
zum Prüfen
einer ungestörten
Lichtausbreitung durchgeführt
werden.
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Die
Erfindung erstreckt sich weiterhin auf die Verwendung eines wie
oben beschriebenen Verfahrens zur Detektion von Kratzern einer Glasscheibe.
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Des
Weiteren erstreckt sich die Erfindung auf die Verwendung eines wie
oben beschriebenen Verfahrens zur Detektion einer Lage von Kratzern
in Bezug auf die beiden gegenüberliegenden
Oberflächen einer
Glasscheibe.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
Bezug auf die beigefügte
Figur genommen wird.
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Kurze Beschreibung der Figur
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Die
einzige Figur veranschaulicht in einer schematischen Darstellung
ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Anordnung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Detektion von Licht diffus streuenden Unebenheiten einer Glasscheibe.
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Ausführliche Beschreibung der Figur
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In 1 ist
in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Detektion von Licht diffus streuenden Unebenheiten einer Glasscheibe
veranschaulicht.
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Demnach
umfasst die insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnete
Anordnung zur Detektion von Licht diffus streuenden Unebenheiten
einer Glasscheibe eine integrierte Lichtstrahlerzeugungs- und Lichtstrahlabtasteinrichtung 2,
durch welche mittels Laserdioden Laserstrahlen 3 erzeugt
und zur Abtastung der Oberflächen
von hier beispielsweise drei nebeneinander befindlichen Glasfenstern 4–6 eines Zugwagens
zur Personenbeförderung
verschwenkt werden können,
wie durch den Doppelpfeil angegeben ist.
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In
der integrierten Lichtstrahlerzeugungs- und Lichtstrahlabtasteinrichtung 2 sind
zwei wahlweise betreibbare Laserdioden eingebaut, nämlich eine erste
Laserdiode zur Erzeugung eines sichtbaren Laserstrahls mit einer
Wellenlänge
im sichtbaren Bereich (ca. 380–780
nm), hier beispielsweise 700 nm, und ei ne zweite Laserdiode zur
Erzeugung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge im UV-Bereich (ca. 280–380 nm),
hier beispielsweise 310 nm, was in der Figur nicht näher dargestellt
ist. Alternativ können
anstelle von Laserdioden wesentlich kostengünstigere Leuchtdioden eingesetzt
werden.
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Die
drei Glasfenster 4–6 bestehen
aus Kalk-Natron-Glas. Somit wird der Laserstrahl mit einer Wellenlänge von
700 nm von den drei Glasfenstern 4–6 durchgelassen bzw.
nur schwach absorbiert, wohingegen der UV-Laserstrahl von den Glasfenstern 4–6 stark
absorbiert wird (bzw. stärker
absorbiert wird, als Laserstrahl mit einer Wellenlänge von
700 nm).
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Mittels
der integrierten Lichtstrahlerzeugungs- und Lichtstrahlabtasteinrichtung 2 wird
der Laserstrahl 3 (wahlweise mit einer Wellenlänge im Bereich
des sichtbaren Lichts oder UV-Licht) zeilenweise entlang vertikal
versetzter Zeilen 5 über
die jeweiligen Oberflächen
der drei Glasfenster 4–6 geführt. Hier
handelt es sich beispielsweise um die dem Wageninnenraum zugewandten
inneren Oberflächen der
Glasfenster 4–6.
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Wie
in 1 schematisch dargestellt ist, befindet sich die
integrierte Lichtstrahlerzeugungs- und Lichtstrahlabtasteinrichtung 2 oberhalb
der Glasfenster 4–6,
so dass der Laserstrahl 3 zum Abtasten der Glasfenster 4–6 stets
eine nach unten gerichtete Ausbreitungskomponente hat. Der Laserstrahl 3 wird von
den Oberflächen
der Glasfenster 4 (teilweise) spiegelnd reflektiert.
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Auf
der Innenseite des ersten Glasfensters 4 befindet sich
ein linienförmiger
Kratzer 7, welcher beim Beleuchten mit dem Laserstrahl 3 den
Laserstrahl 3 diffus reflektiert. Auf den Oberflächen des zweiten
Glasfensters 5 und des dritten Glasfensters 6 befinden
sich keine Kratzer.
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Weiterhin
umfasst die Anordnung 1 einen Detektor 9 zur Detektion
von Lichtintensitäten
des reflektierten Laserstrahls 3.
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Der
Detektor 9 ist in 1, lediglich
zum Zwecke einer übersichtlicheren
Darstellung unterhalb der Glasfenster 4 dargestellt. Tatsächlich befindet
sich der Detektor 9 in unmittelbarer Nachbarschaft zur
integrierten Lichtstrahlerzeugungs- und Lichtstrahlabtasteinrichtung 2 und
somit oberhalb der Glasfenster 4. Die gewählte Position
des Detektors 9 stellt sicher, dass der Detektor 9 lediglich
Licht detektieren kann, das von den Glasscheiben 4–6 diffus
reflektiert wird, da spiegelnd reflektiertes Licht stets mit einer
nach unten hin gerichteten Ausbreitungskomponente reflektiert wird.
In 1 ist dieser Sachverhalt durch beispielsweise
drei verschiedene Laserstrahlen 3 dargestellt, welche nach
diffuser Reflexion (hier durch den Kratzer 7) jeweils in
den Detektor 9 eintreten.
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Wird
nun der Laserstrahl 3 zeilenweise über die Oberflächen der
Glasfenster 4–6 geführt, so
wird der Laserstrahl 3 von den Oberflächen der Glasfenster 4–6 (teilweise)
spiegelnd reflektiert, so dass der Detektor 9 keine Lichtintensität detektiert.
Trifft der Laserstrahl 3 jedoch auf den Kratzer 7 des
ersten Glasfensters 4, so wird der Lichtstrahl 3 diffus
reflektiert, so dass der Detektor 9 reflektiertes Licht
ortsaufgelöst
detektiert. Zufällige
Intensitätsschwankungen und
Rauschsignale werden durch Vergleich der detektierten Lichtintensität mit einem
Referenzwert diskriminiert. Referenzwerte für die Lichtintensität werden
hier beispielsweise durch initiales Scannen der Glasscheibe und
ortsaufgelöstes
Detektieren von diffus reflektierten Lichtintensitäten bei
erstmaliger Inbetriebnahme der Anordnung 1 gewonnen.
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Wenn
der Detektor 9 den Kratzer 7 detektiert, stellt
der Detektor 9 ein entsprechendes elektrisches Detektionssignal
an einem nicht näher
dargestellten Signalausgang bereit, welches dann weiter verarbeitet,
beispielsweise an einen Überwachungsmonitor übertragen
werden kann. Alternativ oder zusätzlich
kann ein optisches oder akustisches Signal mittels eines optischen
oder akustischen Signalgebers abgegeben werden.
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Die
Anordnung 1 wird von einer in 1 nicht
näher dargestellten
elektronischen Steuereinrichtung gesteuert, die mit dem Detektor 9 und
der integrierten Lichtstrahlerzeugungs- und Lichtstrahlabtasteinrichtung 2 datentechnisch
verbunden ist. Zudem erfolgt in der elektronischen Steuereinrichtung eine
Auswertung der vom Detektor 9 erfassten Lichtintensitäten.
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Wahlweise
kann der Laserstrahl 3 jeweils auch so über die Oberflächen der
Glasfenster 4–6 geführt werden,
dass er jeweils für
einige Sekunden auf einer selben Stelle verbleibt, um so eine Mehrzahl Detektionsmesswerte
zu erfassen. Hierdurch können falsch-positive
Signale durch in der Luft schwebende Licht streuende Teilchen, wie
Staub- und Aerosolpartikel, aufgrund der in diesem Fall zeitlich
stark schwankenden Amplitude der Intensitätssignale sicher erkannt und
diskriminiert werden.
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Weiterhin
können
die Oberflächen
der Glasfenster 4–6 wahlweise
(nacheinander) mit dem sichtbaren Laserstrahl und dem UV-Laserstrahl abgetastet
werden, wobei die diffus gestreute Lichtintensitäten jeweils vom Detektor 9 detektiert
werden. Über
einen Vergleich der hierbei detektierten Lichtintensitäten kann
die Lage eines Kratzers in Bezug auf die beiden gegenüberliegenden
Oberflächen
der Glasscheiben 4–6 erfasst
werden.
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Im
vorliegenden Beispiel befindet sich der Kratzer 7 auf der
Innenseite der ersten Glasscheibe 4. Zudem befindet sich
in gegenüberliegender
Position zum Kratzer 7 eine Verschmutzung auf der Außenseite
der ersten Glassscheibe 4, was nicht näher dargestellt ist. Demzufolge
wird lediglich der (nicht absorbierte) sichtbare Lichtstrahl 3 von
der Verschmutzung diffus gestreut, so dass die Amplituden der detektierten
Lichtintensitäten
des sichtbaren Laserstrahls und des UV-Laserstrahls, welcher nur
vom Kratzer 7 diffus gestreut wird, signifikant sind und sich
deutlich voneinander unterscheiden.
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Mittels
der elektronischen Steuereinrichtung kann der Laserstrahl 3 wahlweise
auf eine (von Passagieren nur schwierig erreichbare) diffus reflektierende
Stelle mit gespeichertem Referenzwert für die Lichtintensität gerichtet
werden, so dass mithilfe von in beispielsweise periodischen Zeitabständen durchgeführten Lichtintensitätsmessungen
ein automatischer Selbsttest für
die Anordnung 1 durchführbar
ist. Eine Referenzwertbildung für
die Lichtintensität
dieser diffus reflektierenden Stelle kann beispielsweise durch Mittelung
mehrmaliger Intensitätsmessungen erfolgen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung:
In
der vorliegenden Erfindung wird der Unterschied zwischen einer intakten
und einer verkratzten Scheibe durch die Änderung der diffusen Reflexion
der Scheibe detektiert. Die Reflexion einer Scheibe mit glatter
Oberfläche
ist stark gerichtet und wird durch das Reflexionsgesetz beschrieben.
Außerdem
wird nur ein Teil des Lichts reflektiert (typischer Weise weniger
als 10%). In der vorliegenden Erfindung wird deshalb die Änderung
der Reflexion in eine im Normalfall nicht durch direkte Reflexe
abgedeckte Richtung gemessen und bei einer deutlichen Erhöhung dieser
Reflexion ein möglicher
Schadensfall indiziert. Eine Möglichkeit
der Realisierung ist die Anbringung einer gebündelten Lichtquelle an der
Decke eines Raums, z. B. in einem Waggon, an einer Stelle, von wo
aus gesehen keine der zu untersuchenden Glassscheiben in einem rechten
Winkel zum ausgesendeten Lichtstrahl steht. Der vorzugsweise gebündelte Lichtstrahl
wird dann über
die Fenster gefahren. Liegt ein Kratzer vor, resultiert dieser in
einer Lichtstreuung zurück
zur Lichtquelle. Mit einem Detektor in der Nähe der Lichtquelle kann diese
Streuung dann detektiert und quantifiziert werden. Ein dabei auftretendes
Problem ist Streuung an Staub- und Aerosolpartikeln. Durch die Bewegung
dieser ändert
sich jedoch deren Position relativ zum Strahl und über einen
gewissen Zeitraum treten sie in den Strahl ein und aus. Wird deshalb
eine zeitveränderliche,
mehr oder weni ger chaotische Rückstreuamplitude
festgestellt, so kann über
diese auf eine Rückstreuung
von frei schwebenden Partikeln geschlossen werden. Ein weiteres
Problem ist die Rückstreuung
von Licht auf der Rückseite
der Scheibe. In dem obigen Szenario kann z. B. nicht eindeutig zwischen
Streuung auf der Vorder- oder der Rückseite der Scheibe unterschieden
werden. Letztere Streuung kann auch durch Schmutz verursacht werden.
Abhilfe kann hier durch die Benutzung von Lichtwellenlängen geschaffen werden,
welche vom Glas stark absorbiert werden, z. B. UV-Licht oder IR-Licht
oberhalb ca. 2–3 μm Wellenlänge. Licht
dieser Wellenlänge
wird von den Scheiben reflektiert aber nicht durchgelassen. Mit Hilfe
von zwei relativ nahe beieinander liegenden Wellenlängen, wovon
eine im Glas absorbiert wird, kann mit Hilfe dieses Ansatzes sogar
die Quelle der Rückstreuung
eindeutig lokalisiert werden. Tritt sie nur bei der durchgelassenen
Wellenlänge
auf, liegt sie auf der abgewandten Seite, tritt sie mit ungefähr gleicher
signifikanter Amplitude bei beiden Wellenlängen auf, liegt auf der zugewandten
Seite ein Kratzer oder eine Verunreinigung vor; sind die beiden Streuamplituden
signifikant und deutlich unterschiedlich, liegt auf der abgewandten
Seite eine Verunreinigung oder ein Kratzer vor und gleichzeitig
auch ein Kratzer auf der zugewandten Seite. Das vorgeschlagene System
kann durch Fehler der Lichtquelle funktionsunfähig werden. Eine weitere Ausfallquelle
ist eine permanente Blockierung der Lichtausbreitung beispielsweise
durch Besprühen
der Sendeoptik mit Farbe. Um diesen Fall detektieren zu können, wird vorgeschlagen,
den Strahl regelmäßig auf
eine schwer erreichbare Fläche
mit definierter Rückreflexion,
z. B. eine angeraute Glasscheibe zu senden und die Rückreflexion
zu messen. Sinkt diese stark ab, oder bleibt diese gänzlich aus,
kann ein Störsignal
vom Sensor geloggt und ausgesendet werden.
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Das
vom Kratzerdetektor ausgesandte Signal kann unter anderem dazu verwendet
werden, um Überwachungskameras
gezielt auf das suspekte Fenster zu richten und/oder eventuell im
Zug vorhandenes Wachpersonal über
beispielsweise Funk zu informieren.