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Die
Erfindung betrifft eine Linien-Beleuchtungsvorrichtung für
einen Sensor sowie ein Verfahren zur Erzeugung von mindestens einer
Beleuchtungslinie in einem Erfassungsbereich des Sensors nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 11.
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Eine
Vielzahl optischer Sensoren benötigt eine Ausleuchtung
ihres Erfassungsbereichs durch eine Beleuchtungslinie. Beispiele
solcher Sensoren sind Zeilenkameras, welche eine Linie oder eine
Ebene überwachen, deren Begrenzung linienförmig
ist, oder die ein relativ zu der Zeilenkamera bewegtes Objekt zeilenweise
erfassen. Solche Sensoren können über ein Lichtschnittverfahren
entfernungsauflösend sein, indem aus den Verschiebungen
einer auf Objekte projizierten Beleuchtungslinie mittels Triangulation
auf die Kontur und damit Entfernungsdaten der Objekte geschlossen
wird. Ein anderes entfernungsauflösendes Verfahren ist
ein Lichtlaufzeitverfahren, wo die Beleuchtungslinie in kurzen Pulsen
erzeugt oder in ihrer Intensität moduliert wird und aus der
Pulslaufzeit beziehungsweise der Phasenverschiebung über
die Lichtgeschwindigkeit Entfernungen zu den Objekten im Erfassungsbereich
berechnet werden.
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Eine
Anforderung an die Beleuchtungslinie ist, dass die Bestrahlungsstärke
entlang der Linie möglichst konstant sein muss. Erstreckt
sich die Beleuchtungslinie über einen Vollwinkel von etwa
40°, so ist diese Anforderung recht einfach durch kommerzielle
Optiken einschließlich diffraktiver Optiken (DOE, diffraktives
optisches Element) zu erfüllen. Eine Beleuchtungslinie
hoher Homogenität über einen großen Vollwinkel
etwa von 90° können einfache konventionelle Optiken
aber nicht erzeugen.
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Kostenaufwändige
Optiken können den gestellten Anforderungen gerecht werden.
Refraktiv kann eine entsprechende Beleuchtungslinie unter Verwendung
von dem Strahldurchmesser angepassten Powelllinsen aus hochbrechenden
Gläsern erzeugt werden, die zudem aufwändig justiert
werden müssen. Denn die Laserdioden, die als Lichtquelle vor
der Powelllinse sitzen, zeigen eine hohe Streuung im Abstrahlverhalten mit
einer resultierenden Streuung des Strahldurchmessers auch nach Kollimation.
Deshalb muss die Powelllinse dem jeweiligen Strahldurchmesser angepasst
und sehr genau zum Strahl justiert werden. Diese Justierung und
das Linsenelement selbst machen eine solche Linienbeleuchtungsquelle
sehr kostenaufwändig.
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Auch
mithilfe von DOEs ist ein Vollwinkel der Beleuchtungslinie von 90° gerade
noch erreichbar. Allerdings gibt es eine Wechselbeziehung zwischen der
Größe der Strukturen auf dem DOE und dem gewünschten
Beleuchtungswinkel. Für große Winkel muss das
DOE extrem kleine Strukturen haben und wird daher in der Herstellung
kompliziert und kostspielig, sowohl was die Werkzeugherstellung
als auch die Replikation der strukturierten DOEs angeht. Außerdem
haben DOEs eine starke Inhomogenität in der Mitte der Beleuchtungslinie
bei der nullten Beugungsordnung und weiterhin eine niedrige Transmissionseffizienz,
etwa von nur 60% bei binären DOEs.
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Schließlich
wäre denkbar, die Linie durch eine Scanbewegung einer punktförmigen
Lichtquelle zu erzeugen. Eine solche Beleuchtung ist aber wegen
der beweglichen Elemente aufwändig und wartungsanfällig.
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Aus
der
EP 1 101 533 ist
ein Codeleser mit zwei Beleuchtungseinheiten bekannt, die jeweils
eine Linie abbilden, wobei die beiden Beleuchtungslinien sich derart überlappen,
dass eine möglichst lange und homogene Linie erhalten wird.
Der Nachteil liegt hier nicht nur darin, zwei Beleuchtungsquellen
mit dem entsprechenden Raumbedarf einsetzen zu müssen.
Die optischen Elemente zur Erzeugung einer Linie sind nach diesem
Stand der Technik einfache Zylinderlinsen, welche die Anforderungen
an Homogenität, Beleuchtungswinkel und Linienbreite nicht
erfüllen können.
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Die
EP 1 503 226 zeigt einen
optischen Sensor, der eine lichtstreuende Folie aufweist, welche
so ausgebildet ist, dass aus einem im Querschnitt runden oder punktförmigen
Sendestrahl eine Linie geformt wird. Es gibt aber keine lichtstreuenden
Folien, die einen Strahl zu einer homogenen und schmalen Linie in
einem größeren Vollwinkel von beispielsweise 90° formen
könnten.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Linienbeleuchtung für
einen Sensor anzugeben, die auf einfache Weise eine schmale Linie
in einem großen Winkelbereich erzeugen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Linien-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch
1 und ein Verfahren zur Erzeugung einer Beleuchtungslinie nach Anspruch
11 gelöst. Die Erfindung beruht auf der Grundidee, ein
und denselben preiswert verfügbaren Linien diffusor mehrfach
aus unterschiedlichen Winkeln anzustrahlen und durch Überlagerung
der somit entstehenden Beleuchtungslinien über jeweils
einen vergleichsweise kleinen Beleuchtungswinkel zu einer homogenen
Linie mit einem großen Beleuchtungswinkel zusammenzusetzen.
Dafür wird auch ein und dieselbe Lichtquelle verwendet,
deren Strahl durch einen Strahlteiler platzsparend und mit der geringst möglichen
Anzahl an Komponenten mehrfach verwendet wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil,
mit einer einfachen Optik eine Laserlinie über 90° und
mehr mit einer Homogenität von besser als ±30° und
einer sehr geringen Liniendicke erzeugen zu können. Dies
wird durch preisgünstige Elemente ohne Justieraufwand erreicht.
Die übliche Streuung der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle,
insbesondere einer Laserdiode, wird von dem Liniendiffusor ohne
die Notwendigkeit einer Justierung toleriert. Schließlich
hat der Liniendiffusor auch keine die Homogenität störende
nullte Beugungsordnung, wie dies bei einem DOE der Fall wäre.
Damit entsteht eine extrem preisgünstige, leicht herstellbare
und dennoch hochwertige Linienbeleuchtung.
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Der
Liniendiffusor weist bevorzugt Kunststoff auf, ist insbesondere
eine Kunststofffolie, und hat eine zufällige, nichtperiodische
Oberflächenstruktur, die effektiv wie eine Vielzahl randomisierter
Mikrolinsen wirkt. Solche speziellen Liniendiffusoren sind kommerziell
erhältlich, kostengünstig, zeigen eine hohe Transmissionseffizienz
von bis zu 92% und erfüllen die Anforderungen an eine besonders
geringe Linienstärke. Durch die spezielle Oberflächenstruktur wird
also das Licht in dem Liniendiffusor in der gewünschten
Weise auf eine Linie abgebildet.
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Die
Lichtquelle ist vorteilhafterweise eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere
eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, und/oder zwischen der Lichtquelle
und dem Strahlteiler ist eine kollimierende Optik zur Erzeugung
eines scharfen Lichtquellen-Lichtstrahls angeordnet. Damit können
erzeugende Strahlen der notwendigen Leistung und Schärfe
auf den Liniendiffusor gerichtet werden, um eine entsprechend helle
und schmale Beleuchtungslinie zu erreichen.
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Bevorzugt
sind Lichtquelle, Strahlteiler und Liniendiffusor derart ausgebildet
und zueinander angeordnet, dass die Beleuchtungslinie über
einen Öffnungswinkel von etwa 90° erzeugt werden
kann. Damit hat ein Sensor, in dem die Beleuchtungsvorrichtung verwendet
wird, ein großes Gesichtsfeld und kann insbesondere in
rechtwinkligen Strukturen angebracht werden und diese vollständig
erfassen.
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Der
Liniendiffusor ist vorteilhafterweise dafür ausgebildet,
die Strahlteiler-Lichtstrahlen in der ersten Ebene so wenig aufzubündeln,
dass die Liniendicke in 1 m Abstand höchstens 6 mm beträgt.
Dies ist insbesondere durch Kunststofffolien mit entsprechenden
mikrolinsenartigen Oberflächenstrukturen erreichbar und
führt zu einer entsprechend hellen und kontraststarken,
schmalen Beleuchtungslinie, wie sie für die verbesserte
Auswertung eines Sensors benötigt wird.
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Der
Strahlteiler weist bevorzugt ein optisches Gitter, ein Prisma, insbesondere
ein mit der Firstseite in dem Lichtquellen-Lichtstrahl angeordnetes
beleuchtetes Dachkantprisma, einen Strahlteilerwürfel,
einen teilverspiegelten Spiegel oder eine Mikrooptik auf. Dies sind
einfache, leicht erhältliche optische Elemente mit gut
bekannten und geeigneten optischen Eigenschaften.
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Ein
Sensor mit der erfindungsgemäßen Linien-Beleuchtungsvorrichtung
weist bevorzugt ein Lichtempfangselement sowie eine Auswertungseinheit
auf, die dafür ausgebildet ist, Objekteingriffe in den
Erfassungsbereich des Sensors anhand von Signalen des Lichtempfangselements
zu erkennen. Hier werden also die verbesserten Eigenschaften der Beleuchtungslinie
ausgenutzt, um Überwachungsaufgaben des Sensors zu erleichtern,
und es wird die einfache und kostengünstig herzustellende
Beleuchtungsvorrichtung vorteilhaft in einen Sensor eingesetzt.
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Der
Sensor kann als Mehrebenensensor mit einer Vielzahl der erfindungsgemäßen
Linien-Beleuchtungsvorrichtungen ausgebildet sein, wobei die Beleuchtungslinien
ein paralleles Linienmuster bilden. Auf diese Weise kann auch ein
dreidimensionaler Raumbereich durch Ebenen eines gewünschten Abstands überwacht
werden, ohne dass vollständige dreidimensionale Daten erzeugt
und ausgewertet werden müssen.
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Dabei
ist jeweils das Lichtempfangselement bevorzugt ein pixelaufgelöster
zeilen- oder matrixförmiger Bildsensor, insbesondere ein
Bildsensor zur Bestimmung von Entfernungen nach dem Prinzip der Lichtlaufzeit
oder einem Lichtschnittverfahren. Damit kann eine Ebene vollständig
erfasst werden, die von der Linie beleuchtet wird, und dem Objekteingriff
können vollständige zweidimensionale Koordinaten
innerhalb der Ebene zugeordnet werden.
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Bevorzugt
ist eine Warn- oder Abschaltvorrichtung vorgesehen, die dafür
ausgebildet ist, auf ein Erkennen der Auswertungseinheit eines unzulässigen
Objekteingriffs hin eine Warnung zu erzeugen oder eine Gefahrenquelle
abzusichern. Dies ist ein wichtiger Anwendungsfall für
einen optischen Sensor, der besonders in der Sicherheitstechnik
eine wichtige Rolle spielt.
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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 an die unabhängigen Ansprüche 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 beigefügte Zeichnung näher
erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Linien-Beleuchtungsvorrichtung in einem optoelektronischen Sensor
mit dessen Überwachungsbereich und der darin erzeugten
Beleuchtungslinie einschließlich ihres Intensitätsprofils;
und
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2 eine
Draufsicht auf den erfindungsgemäß eingesetzten
Liniendiffusor im Strahlengang einer Laserdiode zur Erläuterung
der Abbildungseigenschaften des Liniendiffusors in beiden Ebenen
senkrecht zur Strahlrichtung.
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1 zeigt
in schematischer Draufsicht eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Sensors 10 mit einer
erfindungsgemäßen Linienbeleuchtung 12 zur
Erzeugung einer Beleuchtungslinie 14 in einem Erfassungsbereich 16 des
Sensors 10. Die Linienbeleuchtung 12 weist eine
Lichtquelle 18 auf, deren Licht von einer Linse 20 als
kollimierter Lichtstrahl 22 auf einen Strahlteiler 24 gelenkt
wird. In dem Strahlteiler 24 wird der Lichtstrahl 22 in
zwei etwa gleich helle Teilstrahlen 22a, 22b aufgespalten.
Beide Teilstrahlen 22a, 22b treffen auf einen
Liniendiffusor 26, der jeden Teilstrahl 22a, 22b jeweils
zu einer Linie auseinanderzieht, wobei die entstehenden Lichtbündel 22a, 22b sich
in dem Erfassungsbereich 16 zu der Beleuchtungslinie 14 überlagern.
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Als
Lichtquelle 18 ist gewöhnlich eine Halbleiterlichtquelle
vorgesehen, etwa eine Leuchtdiode oder bevorzugt eine Laserdiode.
Die Lichtquelle 18 muss in der Lage sein, nach Kollimieren
durch die Linse 20 einen hinreichend feinen Lichtstrahl
mit einer Leistung zu erzeugen, die für die Beleuchtungslinie 14 ausreichend
ist. Statt der kollimierenden Linse 20 kann ein anderes
kollimierendes optisches Element eingesetzt werden, das auch bereits
in die Lichtquelle 18 integriert sein kann. Als Strahlteiler 24 kommt
abweichend von der Darstellung der 1 mit dem
von der Firstseite her auf ein Dachkantprisma 24 fallenden
Lichtstrahl 22 jeder andere bekannte Strahlteiler in Betracht,
etwa ein optisches Gitter, ein anderes Prisma, ein Strahlteilerwürfel,
ein teilverspiegelter Spiegel oder eine Mikrooptik. Es ist vorteilhaft
und beim Dachkantprisma 24 realisierbar, wenn sich die
beiden Teilstrahlen 22a, 22b möglichst
nah am Linien diffusor 26 schneiden. Denn dann kann ein kostengünstiger
Liniendiffusor 26 mit kleinstmöglicher Fläche
verwendet werden. Vorteilhaft wird dabei der Strahl 22 senkrecht
zur fast axis (große Halbachse des elliptischen Querschnitts
des Lasers) durch den Strahlteiler 24 geteilt.
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Das
optische Verhalten des Liniendiffusors 26 ist in 2 dargestellt.
Trifft ein Lichtstrahl 22 aus der Lichtquelle 18,
der hier zur Vereinfachung der Illustration nicht strahlgeteilt
wird, auf den Liniendiffusor 26, so wird der Lichtstrahl 22 in
einer Dimension X auseinandergezogen, wie dies in der oberen Hälfte der 2 beispielhaft
anhand eines gaussischen Intensitätsverlaufs 28 dargestellt
ist. In der dazu senkrechten Dimension Y wird der Lichtstrahl 22 nur
leicht oder gar nicht aufgestreut, wie dies in der unteren Hälfte
der 2 beispielhaft anhand eines deutlich schmaleren
gaussischen Intensitätsverlaufs 30 dargestellt
ist.
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Zurück
zu der 1 führt dieses optische Verhalten des
Liniendiffusors 26 dazu, dass die beiden Teilstrahlen 22a, 22b jeweils
in der dargestellten X-Richtung der Linienausdehnung zu einem gaussischen
Intensitätsverlauf 28a, 28b auseinandergezogen
werden, wobei die Schwerpunkte der beiden Intensitätsverteilungen 28a, 28b dem
Auftreffpunkt der von den Strahlteiler 24 gebildeten Teilstrahlen 22a, 22b entsprechen,
wenn der Liniendiffusor 26 nicht vorhanden wäre.
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Die
Intensitätsverteilungen 28a, 28b (gestrichelte
Linien) überlagern sich zu einer weitgehend homogenen Summen-Intensitätsverteilung 32 (durchgezogene
Linie) über einen gegenüber einem einzelnen Lichtstrahl
in etwa verdoppeltem Winkelbereich. In der in 1 nicht
dargestellten senkrechten Dimension Y ist die Linie 14, 32 extrem
schmal, wie diejenige in der unteren Hälfte der 2.
Somit erzeugt die Beleuchtungsvorrichtung 12 eine schmale,
homogene Beleuchtungslinie 14 über einen großen
Winkelbereich in dem Erfassungsbereich 16.
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Erreicht
beispielsweise der Liniendiffusor 26 aus einem kollimierten
Lichtstrahl 22, insbesondere einem Laserstrahl, ein in
X-Richtung divergentes Strahlenbündel mit einem FWHM-Divergenzwinkel (Full
Width at Half Maxmimum) von 40° bei 0,2° in Y-Richtung
mit einem jeweils in etwa gaussförmig winkelabhängigen
Intensitätsverlauf, so kann eine homogene Linie 14 über
das etwa 2,4-fache des FWHM-Winkels, also etwa 90° erzeugt
werden, die in 1 m Reichweite eine Liniendicke von nur etwa 6 mm hat.
Dabei ist der Strahlteiler 24 so ausgebildet, dass die
Teilstrahlen 22a, 22b in einen Winkel etwa gleich dem
FWHM-Winkel in X-Richtung des Liniendiffusors 26 verlaufen.
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Der
Liniendiffusor 26 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform
aus einer Kunststofffolie, die eine besondere Oberflächenstruktur
aufweist, einem sogenannten lichtformenden Diffusor. Dabei werden
Relief-Hologramme von einem holographischen Master auf die Oberfläche übertragen.
Diese Strukturen sind vollständig zufällig angeordnet
und nichtperiodisch und haben die optische Wirkung einer Vielzahl
randomisierter Mikrolinsen. Der Liniendiffusor 26 divergiert
auf diese Weise das Licht. Er ist nicht wellenlängenabhängig
und erreicht eine Transmissionseffizienz von bis zu 92% ohne Moiré-Effekte oder
Farbverfälschungen. Die Mikrostrukturen auf der Oberfläche
lenken also das Licht der Teilstrahlen 22a, 22b gezielt
in X-Richtung ab und lassen es in Y-Richtung unverändert.
Eine nullte Beugungsordnung gibt es hier nicht.
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Neben
der Linienbeleuchtung 12 ist in einem Gehäuse 34 des
Sensors 10 ein Bildsensor 36 vorgesehen, der über
eine Abbildungsoptik 38 und eine transparente Frontscheibe 40 den
Erfassungsbereich 16 überwacht. Dieser Bildsensor 36 ist
beispielsweise ein zeilen- oder matrixförmiger Aufnahmechip,
der ein zeilenförmiges oder rechteckiges Pixelbild aufnimmt,
etwa ein CCD- oder ein CMOS-Sensor oder eine Photodiode, insbesondere eine
ortsauflösende Photodiode.
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Eine
Steuerung 42 des Sensors 10 ist mit dem Bildsensor 36 und
der Linienbeleuchtung 12 verbunden. Weiterhin ist an die
Steuerung 42 eine Warn- oder Abschalteinrichtung 44 angeschlossen.
Steuerung 42 sowie Warn- oder Abschalteinrichtung 44 können
wie in 1 dargestellt in den Sensor 10 innerhalb
des Gehäuses 34 integriert werden, sie können
aber auch Teile einer externen Steuerung oder eines externen Rechnersystems
sein.
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Die
Steuerung 42 schaltet die Linienbeleuchtung 12 je
nach Bedarf ein und aus und regelt deren Leistung. Sie empfängt
außerdem Bilddaten des Bildsensors 36 (oder Lichtsignale,
wenn eine Photodiode vorgesehen ist) aus dem Erfassungsbereich 16.
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Erkennt
die Steuerung 42 durch Auswertung der Bilddaten des Erfassungsbereichs 16 einen
unzulässigen Objekteingriff, so wird über die
Warn- oder Abschalteinrichtung 44 eine Warnung ausgegeben oder
eine Gefahrenquelle abgesichert. Dazu werden häufig in
dem Erfassungsbereich 16 Schutzfelder angelegt, in die
kein Eingriff erfolgen darf, beispielsweise um gefährliche
Maschinenteile herum. Um Ausfallzeiten durch unnötige Fehlalarme
so gering wie möglich zu halten, wird häufig um
das eigentliche Schutzfeld herum ein Warnbereich angelegt, wo ein unzulässiger
Objekteingriff zunächst nur eine Warnung auslöst
und erst bei fortgesetztem Eingriff auch in das Schutzfeld die Gefahrenquelle
abgesichert wird, also beispielsweise die Maschine des gefährlichen
Maschinenteils abgeschaltet oder in eine sichere Position gebracht
wird. Es ist auch denkbar, vorab in dem Erfassungsbereich 16 vorhandene
Objekte sowie bestimmte erlaubte Bewegungsmuster festgelegter Objekte
einzulernen und diese im Betrieb von unzulässigen Objekteingriffen
zu unterscheiden, also bei deren Eingriff nicht zu reagieren.
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Für
Anwendungen in der Sicherheitstechnik ist der Sensor 10 fehlersicher
ausgelegt. Dies bedeutet unter anderem, dass der Sensor 10 sich
selber in Zyklen unterhalb der geforderten Ansprechzeit testen kann
und dass der Ausgang zur sowie die Warn- oder Abschalteinrichtung 44 selbst
sicher, beispielsweise zweikanalig ausgelegt ist. Ebenso ist auch
die Steuerung 42 selbstsicher, wertet also zweikanalig
aus oder verwendet Algorithmen, die sich selbst prüfen können.
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Der
Sensor 10 kann als Zeilenkamera oder zur Linienüberwachung
ausgebildet sein. Er kann als Ebenensensor aus Abschattungen den
bloßen Objekteingriff erfassen, aber auch mittels eines
Lichtschnittverfahrens oder eines Lichtlaufzeitverfahrens die Lage
des Objekteingriffs innerhalb der Ebene in zweidimensionalen entfernungsaufgelösten
Koordinaten erfassen.
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Schließlich
ist denkbar, mehrere Linienbeleuchtungen 10 vorzusehen,
welche übereinander liegende zueinander parallele Linien 14 erzeugen und
somit die Überwachung mehrerer zueinander beabstandeter
Ebenen erlauben. Dazu kann möglicherweise je nach Bauweise
sogar dieselbe Folie als Liniendiffusor 26 und/oder dasselbe
Prisma oder sonstige Strahlteilerelement als Strahlteiler 24 für
alle Ebenen dienen, oder sogar durch weitere Strahlteilereigenschaften
dieselbe Lichtquelle für alle Ebenen verwendet werden.
Ebenso kann entweder auch eine entsprechende Vielzahl von Lichtempfangselementen 36 vorgesehen
sein, oder es werden verschiedene Pixelzeilen eines matrixförmigen
Bildsensor 36 für die Abbildung verschiedener Überwachungsebenen verwendet,
um Bauteile einzusparen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1101533 [0007]
- - EP 1503226 [0008]