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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Detektion von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 13.
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Kamerabasierte Schutzeinrichtungen können zur Überwachung von Bereichen oder Räumen mit Gefahrenquellen eingesetzt werden. Solche Sicherheitskameras werten sowohl zweidimensionale Bilddaten als auch entfernungsaufgelöste dreidimensionale Bilddaten aus. Die Auswertungsverfahren können auf verschiedenen Prinzipien wie Stereoskopie beziehungsweise passiver Triangulation, Lichtlaufzeitverfahren, Überwachung passiver oder aktiv projizierter zweidimensionaler Muster, Vergleiche mit Referenzbildern und weiteren Bildverarbeitungen beruhen.
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In sicherheitstechnischen Anwendungen wird dabei jeweils auf die Erkennung eines als kritisch eingestuften Zustandes abgezielt, die zu einer sicherheitsgerichteten Abschaltung führt. Dabei können jegliche Eingriffe in den Überwachungsbereich oder nur von zuvor eingelernten zulässigen Objektbewegungen abweichende Eingriffe als kritisch erkannt werden. Der eigentlichen Abschaltung bei Eingriff in ein durch die Sicherheitskamera abgesichertes Schutzfeld um eine Gefahrenquelle kann eine Warnung bei Eingriff in ein vorgelagertes Warnfeld vorgeschaltet sein, um unnötige Ausfallzeiten soweit wie möglich zu begrenzen. Typische Beispiele solcher sicherheitstechnischen Anwendungen sind Pressenabsicherungen oder die Überwachung von Robotern, die jeweils eine Gefahrenquelle bilden und abgeschaltet werden sollen, ehe der Eingriff eines Körperteils von Bedienpersonal zu Verletzungen führen kann.
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Bei kamerabasierter Überwachung, wie sie von Sicherheits- oder Machine-Vision-Kameras geleistet wird, müssen interessierende Objekte vor einem beliebigen Hintergrund diskriminiert werden. Dazu wird ein Kontrast am Objektrand relativ zum Hintergrund benötigt, um eine Objekterkennung zuverlässig automatisch durchführen zu können. Ungünstige Belichtungsverhältnisse können diese Erkennenungsaufgabe erschweren und den praktischen Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen wegen nur unvollständiger Objekterkennung verhindern. Das gilt in besonderem Maße für dreidimensionale Verfahren wie die Stereoskopie, bei der jeweils Ausschnitte der aufgenommenen Bilder der beiden Kameras des Stereoskopiesystems zuverlässig einander zugeordnet werden müssen, um überhaupt die auszuwertenden dreidimensionalen Bilddaten zu erhalten.
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Die Erkennung von Objekten wird besonders durch die Varianz des Umgebungslichts sowie die Remissionsvarianz der beobachteten Szenerie erschwert. Die Auslegung des optischen Systems und die Detektionsfähigkeit insbesondere kontrastbasierter Verfahren hängt in erheblichem Maße von den Lichtverhältnissen ab.
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Im Stand der Technik sind Stereoskopiesysteme bekannt, die allein oder zumindest primär mit dem ohnehin vorhandenen Umgebungslicht arbeiten. Überbelichtungen, also zu hohe Empfangssignale, können dadurch vermieden werden, dass die Maximalamplitude durch eine kleine optische Apertur begrenzt wird. Durch eine solche Begrenzung des Maximalwerts unter angenommenen Beleuchtungsbedingungen werden Sättigungseffekte vermieden, unter denen eine Objekterkennung nicht mehr möglich wäre, solange die Annahmen an die Beleuchtungsbedingungen nicht verletzt sind. Man benötigt weiterhin keine zusätzliche Lichtquelle, und die Reichweite des Systems wird nicht durch die Reichweite einer eigenen Beleuchtung begrenzt. Liefern Umgebungslicht und die Objekte in der Szenerie einen hinreichenden Kontrast, so kann das System mit ausreichender Messgenauigkeit und Objektauflösung arbeiten.
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Da aber die Beleuchtungsstärke nur über die Integrationszeit des Bildaufnehmers gesteuert werden kann, werden bewegte Objekte bei kleineren Pegeln des Umgebungslichts verschmiert und nicht mehr hinreichend genau aufgelöst. Wegen längerer Belichtungszeiten wird das System vibrationsempfindlich, und die Ansprechzeit bis zu einer sicherheitsgerichteten Abschaltung ist durch die längeren Belichtungszeiten beschränkt. Bei kurzen Belichtungszeiten kann es je nach Lichtquelle des Umgebungslichts, beispielsweise Neonröhren, durch deren Flackern zu beleuchteten und unbeleuchteten Bildern kommen. Das Flackern tritt nicht nur bei älteren Beleuchtungen auf, modernere Modelle verschieben lediglich die Wellenlänge aus dem sichtbaren Bereich, so dass es je nach Arbeitsfrequenz von der Kamera sehr wohl wahrgenommen werden kann. Der Kontrast der Bilddaten im Betrieb wird damit unvorhersagbar, und die für sicherheitstechnische Anwendungen notwendige Zuverlässigkeit ist nicht gegeben. Erschwert wird diese Problematik beim Einsatz von Bildsensoren hoher Dynamik, deren logarithmisches Verhalten die Kontrastauflösung bei Signalen höherer Stärke noch weiter beeinträchtigt.
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Alternativ dazu, die Beleuchtung durch das vorhandene Umgebungslicht auszunutzen, ist im Stand der Technik auch bekannt, sich davon durch optische Bandpassfilter unabhängig zu machen und die Szenerie aktiv in einem Frequenzbereich auszuleuchten, auf den das Bandpassfilter abgestimmt ist. Hierunter fallen wiederum Varianten mit homogenem und mit strukturiertem Licht. Der Dynamikbereich ist damit weitgehend festgelegt, und erforderliche Integrationszeiten sind vorhersagbar. Die erforderlichen schmalbandigen Beleuchtungsquellen sind oft kostenintensiv oder haben keine ausreichende Leuchtstärke und Lebensdauer. Selbst bei hohen Beleuchtungsstärken ist die Reichweite des Systems durch die Leuchtkraft begrenzt.
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Bei homogener aktiver Beleuchtung wird der Kontrast der Bilddaten weiterhin von den in der Szenerie vorhandenen natürlichen Kontrasten bestimmt, und Objekte können nicht zuverlässig genug aufgelöst werden. Ein aktiv projiziertes Kontrastmuster stellt zwar einen gewissen Kontrast sicher, auch wenn der Kontrast der Bilddaten nicht allein vom Kontrastmuster, sondern auch von den natürlichen Kontrasten mitbestimmt ist. Durch die Erzeugung des Kontrastmusters geht aber Beleuchtungsenergie verloren, und die Reichweite des Systems wird noch stärker begrenzt als bei homogener Beleuchtung.
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Die
US 7 239 344 B1 offenbart eine Überwachungskamera mit umschaltbaren optischen Filtern. Abhängig von den äußeren Beleuchtungsbedingungen wird dadurch ein Farbfilter oder ein Schwarz-Weiß-Filter vorgeschaltet, so dass die Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht tagsüber gedämpft wird und nachts hoch bleibt.
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Die
US 2004/0080627 A1 beschreibt ein Kamerasystem mit einem Dämpfungsfilter, das in Abhängigkeit vom einfallenden Lichtpegel vor eine Empfangsoptik bewegt oder von dort entfernt wird.
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In einem Überwachungskamerasystem nach
DE 102 07 665 A1 kann abwechselnd ein Nahinfrarotfilter oder eine transparente planparallele Platte in den optischen Strahlengang eines Varioobjektivs eingeführt werden.
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Die
US 6 642 995 B1 beschreibt eine Überwachungskamera mit einem Filter für sichtbares Licht und infrarotes Licht, das in einem Zwischenbereich von ca. 700 nm–800 nm stark dämpfend wirkt.
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In der
DE 101 55 622 A1 wird ein phototropes Absorptionselement genutzt, um die Intensität des auf den Bildsensor auftreffenden Lichts zu steuern.
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Die
US 2007/0263903 A1 befasst sich mit einer aktiven Stereokamera, deren Beleuchtungseinheit mittels eines diffraktiven optischen Elements ein Kontrastmuster erzeugt.
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Aus der
DE 103 10 768 A1 ist eine 3D-Kamera bekannt, die Abstände mittels ihrer aktiven Kontrastmusterbeleuchtung ermittelt. Dabei wird das Kontrastmuster durch ein Mikrolinsenfeld oder ein computergeneriertes Hologramm erzeugt.
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Daher ist Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitskamera mit verbesserten Beleuchtungsbedingungen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zur Detektion von Objekten gelöst. Mit „im Wesentlichen” transparent ist ein besonders hoher Transmissionsgrad nahe vollständiger Durchlässigkeit gemeint, soweit das in der Praxis erreichbar ist, also beispielsweise je nach Filterelement und Spektralbereich eine Transmission von 95%, 90%, 80% oder 75%.
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Die Erfindung geht dabei von dem Lösungsgedanken aus, die Vorteile einer auf dem Umgebungslicht basierenden Beleuchtung einerseits und einer aktiv eingestrahlten Beleuchtung andererseits miteinander zu kombinieren und damit die Nachteile der herkömmlichen Systeme zu vermeiden. Dazu wird das Umgebungslicht, welches auf den Bildsensor fällt, soweit reduziert, dass störende Sättigungseffekte vermieden sind.
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Daraus ergibt sich der Vorteil einer erhöhten Reichweite und einer durch besser angepasste Beleuchtungsbedingungen genaueren Objektauflösung. Für manche Bildaufnahmeverfahren, etwa die Stereoskopie, wird damit überhaupt erst die Voraussetzung geschaffen, sie sicherheitstechnisch einzusetzen. Liegt in der Szene zu viel Umgebungslicht vor, kann dieses also gedämpft werden, um in den besten Arbeitsbereich von Integrationszeit und Dynamik zu gelangen. Es können dann auch der gesamte natürliche Kontrast und alle Bildinformationen herangezogen werden. Damit wird bei gutem Szenenkontrast eine hohe Reichweite erzielt, da die Beleuchtungsstärke des Umgebungslichts bereits vorliegt und nicht mit dem Abstand zum System geringer wird, wie dies bei einer aktiven Beleuchtungsquelle immer der Fall ist. Liegt andererseits nicht genügend Kontrast innerhalb der Reichweite einer aktiven Beleuchtungsquelle vor, so kann dieser als Zusatzinformation projiziert und damit der Szenerie aufgeprägt werden.
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Das variable Filterelement ermöglicht solche Anpassungen mit relativ geringen Kosten, welche weiter durch die Möglichkeit relativiert werden, mit dem Umgebungslicht und damit ohne zusätzliche Beleuchtungsquelle auszukommen, während durch den weitgehend transparenten zweiten Wellenlängenbereich die Möglichkeit geschaffen ist, bei Bedarf mit einer aktiven Beleuchtungsquelle die Lichtstärke und/oder den Kontrast in dem Überwachungsbereich auf ein benötigtes oder optimales Maß zu erhöhen. Die variablen Filtereigenschaften können nicht nur dafür eingesetzt werden, das System bei Installation oder Wartung auf als stationär angenommene Beleuchtungsbedingungen einzustellen, sondern sie können auch im Betrieb automatisch nachjustiert werden, um dynamischen Änderungen des Umgebungslichts gerecht zu werden.
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Der erste Wellenlängenbereich liegt bevorzugt im sichtbaren und der zweite Wellenlängenbereich im infraroten, insbesondere nahen infraroten Bereich. Die variablen Filtereigenschaften sind zur Anpassung an das Umgebungslicht vorgesehen, welches im sichtbaren Bereich die größte Leistung hat. Damit ergibt sich eine möglichst große Anpassungsfähigkeit. Gleichzeitig ist der natürliche Kontrast im sichtbaren Bereich besser als im infraroten Bereich, während infrarote Signale und besonders nahe infrarote Signale eine besonders hohe Remission haben und sich daher für eine aufgeprägte Kontrastbeleuchtung besonders eignen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt eine Beleuchtungseinheit zur Ausleuchtung des Überwachungsbereichs vorgesehen, welche dafür ausgebildet ist, ein Kontrastmuster zu erzeugen, insbesondere mittels eines der Beleuchtungseinheit nachgeordneten diffraktiven optischen Elements, einer Maske oder eines Dias. Die Dämpfung durch das variable Filterelement kann notwendige Energie, welche den Bildsensor trifft, nur verringern. Ist eine größere Helligkeit oder ein größerer Kontrast notwendig, als ihn die natürliche Szenerie mit dem Umgebungslicht liefert, so kann dies durch die Beleuchtungseinheit erreicht werden. Insbesondere ist beispielsweise auch möglich, bei einer hellen, kontrastarmen Szenerie das Umgebungslicht durch starke Dämpfung im ersten Wellenlängenbereich weitgehend auszublenden und quasi stattdessen die Kontrastmusterbeleuchtung einzustrahlen, welche selektiv im zweiten Wellenlängenbereich den Bildsensor erreichen kann. Durch geeignete Wahl von Beleuchtungsstärke im zweiten Wellenlängenbereich und Dämpfung im ersten Wellenlängenbereich kann somit unter nahezu allen praktischen Bedingungen eine gewünschte Intensität und ein gewünschter Kontrast erreicht werden.
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Speziell kann das Beleuchtungsmuster eines der Folgenden sein: eine Vielzahl von insbesondere matrixförmig angeordneten Punkten oder Kreisen, eine Vielzahl von Linien, ein Gittermuster, ein Schachbrett, ein Zufallsmuster oder ein selbstunähnliches Muster. Die regelmäßigen Muster sind verhältnismäßig leicht zu erzeugen und ermöglichen Entfernungsauflösung beispielsweise nach einem Lichtschnittverfahren beziehungsweise durch Triangulation. Ein selbstunähnliches, also in keiner Richtung periodisches Muster, hat den Vorteil einer eindeutigen Zuordnungsmöglichkeit zwischen jedem Bereich der Beleuchtung und der Szenerie. Dies kann einigen Auswertungsverfahren helfen, insbesondere der Zuordnung von gleichen Bildbereichen zweier perspektivisch verschobener Aufnahmen in der Stereoskopie.
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Die Beleuchtungseinheit kann vorteilhafterweise schmalbandiges Licht in dem zweiten Wellenlängenbereich erzeugen und weist insbesondere mindestens eine Halbleiterlichtquelle, eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode auf. Damit ist die aktive Beleuchtung optimal auf den zweiten Wellenlängenbereich des Filterelements abgestimmt, und die Halbleiterelemente ermöglichen baukleine und verhältnismäßig lichtstarke Ausleuchtung.
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Das Filterelement ist bevorzugt selbstdunkelnd und weist insbesondere phototropen Kunststoff oder phototropes Glas auf. Damit kann sich der Sensor in gewissen Grenzen von selbst an veränderte Umgebungslichtbedingungen anpassen.
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Alternativ ist das Filterelement elektronisch oder manuell abstimmbar, ist insbesondere ein Filterrad, ein drehbares Polfilterpaar, ein LCD-Filter oder ein Gel, welches durch elektrische Anregung seine optischen Eigenschaften ändert. Manuelle Abstimmung eignet sich eher dafür, den Sensor einmalig bei der Installation richtig einzustellen. Elektrisch abstimmbare Filter, von denen einige Ausführungsformen beispielhaft genannt sind, eignen sich für eine besonders schnelle und flexible Anpassung sowohl bei Installation als auch noch während des Betriebs.
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Dem Bildsensor ist vorteilhafterweise eine Empfangsoptik und/oder ein Doppelbandpassfilter vorgeordnet, welcher nur für den ersten und zweiten Wellenlängenbereich transparent ist. Das Doppelbandpassfilter kann in die Empfangsoptik integriert sein. Auf Umgebungslicht außerhalb der ersten und zweiten Wellenlängenbereiche ist der Sensor nicht adaptierbar, so dass dies meist als Störlicht aufzufassen ist und mit dieser Ausführungsform wirksam ausgeblendet wird.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen optimalen oder einen Mindestkontrast der Bilddaten einzustellen sowie Sättigungen und Unterbelichtungen von Teilbereichen zu verhindern, indem die Auswertungseinheit Eigenschaften des Filterelements und/oder der Beleuchtungseinheit steuert oder regelt. Dies wird durch die elektronische Abstimmbarkeit des Filterelements ermöglicht. Der Sensor ist also in der Lage, dynamisch auf geänderte Bedingungen des Umgebungslichts oder auf veränderte Anforderungen der Anwendung zu reagieren.
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Dabei legt die Auswertungseinheit vorteilhafterweise der Regelung oder Steuerung das Signal des Bildsensors oder eines zusätzlichen Lichtempfängers zu Grunde, insbesondere lokale Sättigungseffekte des Bildsensors. Das Signal des Bildsensors und dessen Bilddaten enthalten alle notwendige Information, um die erforderlichen Filtereigenschaften abzuleiten. Sofern allein der erforderliche Dämpfungsfaktor bestimmt werden soll, genügt eine einfache zusätzliche Photodiode, welche einfacher auszuwerten ist als die Bilddaten und die auch außerhalb des Sensors angeordnet sein kann, beispielsweise unter einer bekannten externen Lichtquelle oder in der Nähe eines kritischen Bereichs innerhalb des Überwachungsbereichs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verändert die Auswertungseinheit die Filtereigenschaften für einen Selbsttest des Sensors und/oder des Bildsensors. Derartige Selbsttests sind in der Sicherheitstechnik erforderlich, um stets die Schutzfähigkeit zu gewährleisten, von der Leben und Gesundheit des Bedienpersonals abhängt. Durch Veränderungen der Filtereigenschaften kann einer ansonsten möglicherweise unveränderten Szenerie eine Veränderung aufgeprägt werden, welche der Bildsensor und die Auswertung der Bilddaten in vorhersagbarer Weise nachvollziehen muss, wenn diese einsatzbereit sind. Beispiele möglicher Fehler sind eine verschmutzte Frontscheibe, defekte Pixel auf dem Bildsensor oder Defekte in der Auswertungseinheit, welche zu Fehlauswertungen führen. Selbsttests können zyklisch oder bei Inbetriebnahme erfolgen, und die Filtereigenschaften werden bevorzugt bei Abschluss des Selbsttests wieder auf die ursprünglichen zurückgeführt.
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Vorteilhafterweise ist eine Warn- oder Absicherungseinrichtung vorgesehen, welche dafür ausgebildet ist, bei Erkennung eines unzulässigen Objekteingriffs in dem Überwachungsbereich durch die Auswertungseinheit eine Warnung auszugeben oder eine Gefahrenquelle abzusichern. Dieselbe Reaktion erfolgt gewöhnlich auch bei Scheitern des Selbsttests. Damit kann der Sensor seine Absicherungsaufgaben an einer gefährlichen Maschine wahrnehmen.
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Der Sensor ist vorteilhafterweise eine zweidimensionale oder dreidimensionale Sicherheitskamera, insbesondere nach dem Prinzip der Stereoskopie, der Lichtlaufzeit oder der aktiven Triangulation. Alle diese Systeme profitieren von der verbesserten Beleuchtung und der höheren Reichweite, welche eine Anwendung in der Sicherheitstechnik teilweise überhaupt erst ermöglichen, etwa im Falle der Stereoskopie, wo bereits die Gewinnung dreidimensionaler Bilddaten unsicher ist, wenn keine passende Helligkeit oder kein ausreichender Kontrast in dem Überwachungsbereich gewährleistet 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 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 Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors und seines Überwachungsbereichs in der Draufsicht;
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2 eine beispielhafte Transmissionsrate in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei einem erfindungsgemäß einsetzbaren Filterelement; und
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors als dreidimensionale Stereoskopie-Sicherheitskamera.
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1 zeigt in schematischer Draufsicht einen Sensor 10 zur Überwachung eines Überwachungs- oder Raumbereichs 12 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In einem Gehäuse 14 mit einer Frontscheibe 16 ist ein Bildsensor 18 angeordnet, der durch ein Objektiv 20 und die Frontscheibe 16 Bilddaten des Raumbereichs 12 erzeugen kann. Dieser Bildsensor 18 besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von Photodioden oder ist ein zeilen- oder matrixförmiger Aufnahmechip, der ein zeilenförmiges oder rechteckiges Pixelbild aufnimmt und etwa ein CCD- oder ein CMOS-Sensor ist.
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Eine Steuerung 22 des Sensors 10 ist mit dem Bildsensor 18 verbunden und empfängt dessen Bilddaten aus dem Raumbereich 12. Weiterhin ist an die Steuerung 22 eine Warn- oder Abschalt- beziehungsweise Absicherungseinrichtung 24 angeschlossen. Die Abschalteinrichtung 24 weist einen Abschaltausgang (OSSD, Output Switching Signal Device) auf. Steuerung 22 sowie Warn- oder Abschalteinrichtung 24 können, wie in 1 dargestellt, Teile einer externen Steuerung oder eines externen Rechnersystems sein, sie können aber auch in den Sensor 10 innerhalb des Gehäuses 14 integriert werden.
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Erkennt die Steuerung 22 durch Auswertung der Bilddaten des Raumbereichs 12 einen unzulässigen Objekteingriff, etwa durch ein Objekt 26, so wird über die Warn- oder Abschalteinrichtung 24 eine Warnung ausgegeben oder eine Gefahrenquelle abgesichert. Dazu werden häufig in dem Raumbereich 12 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 Raumbereich 12 vorhandene Objekte 26 sowie bestimmte erlaubte Bewegungsmuster festgelegter Objekte 26 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 24 und dessen OSSD sicher, beispielsweise zweikanalig ausgelegt sind. Ebenso ist auch die Steuerung 22 selbstsicher, wertet also zweikanalig aus oder verwendet Algorithmen, die sich selbst prüfen können.
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Entsprechende Sicherheitsanforderungen sind in der Norm EN 954-1 bzw. ISO 13849 (performance level) festgelegt. Die damit mögliche Sicherheitsstufe und die weiteren Sicherheitsanforderungen an eine Anwendung sind in der Norm EN 61508 bzw. EN 62061 definiert. Eine entsprechende Norm für Sicherheitskameras ist in Vorbereitung.
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In dem Gehäuse 14 ist weiterhin eine Beleuchtung 28 vorgesehen, die in einer alternativen Ausführungsform auch außerhalb des Gehäuses 14 angeordnet sein kann. Die Beleuchtung 28 weist eine Lichtquelle 30 auf, und die Steuerung 22 ist mit der Beleuchtung 28 derart verbunden, dass sie die Beleuchtung 28 und die Lichtquelle 30 je nach Bedarf ein- und ausschaltet oder deren Leistung regelt. Als Lichtquelle 30 dient ein Halbleiterelement, wie eine Laser- oder Leuchtdiode, bevorzugt mit schmalbandigem Licht im nahen Infrarotbereich.
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Die Beleuchtung 28 beleuchtet im Betrieb, wenn sie aktiviert ist, den zu überwachenden Teil des Raumbereichs 12. Das Licht kann homogen sein, oder es wird ein Kontrastmuster erzeugt, das einen höheren Kontrast im Raumbereich 12 und damit auch in den aufgenommenen Bilddaten sichert. Als Muster kommen ein Punktmuster, ein Linienmuster, ein Gitternetz oder andere regelmäßige Muster in Betracht, aber auch unregelmäßige und sogar selbstunähnliche Muster, die unter einfachen geometrischen Operationen wie Verschiebungen, Drehungen und Spiegelungen in keinem Teilbereich ineinander übergeführt werden können. Solche selbstunähnlichen Muster ermöglichen eine eindeutige Zuordnung von Charakteristika des Musterbereichs zu relativer Lage innerhalb des Musters. Das Kontrastmuster kann durch eine Maske, ein Dia oder durch ein diffraktives optisches Element erzeugt werden, welches Mikrostrukturen aufweist, die Licht in vorgegebener Weise ablenken, um das gewünschte Kontrastmuster zu erhalten.
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Im Lichtempfangspfad des Bildsensors 18 ist ein Filter 32 angeordnet. Abweichend von der Darstellung kann das Filter 32 auch zwischen Frontscheibe 16 und Objektiv 20 angeordnet sein, oder es kann in das Objektiv 20 oder in die Frontscheibe 16 integriert sein. Das Filter 32 ist in einem Wellenlängenbereich, bevorzugt im nahen Infrarotbereich, nahezu vollständig durchlässig, während die Filtereigenschaften in einem anderen Wellenlängenbereich, bevorzugt im sichtbaren Bereich oder für ein Teilspektrum des sichtbaren Bereichs, in seinen Transmissionseigenschaften variabel ist.
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In einer Ausführungsform weist das Filter 32 dafür ein phototropes Material auf, etwa Kunststoff oder Glas. 2 zeigt beispielhaft eine Transmissionskurve, also den Grad an durchgelassenem Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die gestrichelte Linie 34 veranschaulicht das Transmissionsverhalten des unbelichteten Filters 32, der also nicht nachgedunkelt ist und in diesem Zustand für jegliches sichtbare Licht nahezu vollständig transparent ist. Die durchgezogene Linie 36 stellt das Transmissionsverhalten nach 15 Minuten Belichtung dar. In einem breiten Teil des sichtbaren Spektrums von 400 bis 600 nm ist das Filter 32 nahezu undurchsichtig geworden, während es für langwelligeres Licht oberhalb 600 nm wieder besser tranmittiert, bis hin zu gegenüber dem unbelichteten Zustand unveränderter nahezu vollständiger Transmission nahe dem und im Infrarotbereich.
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Alle diese Zahlen sind nur beispielhaft und hängen vom Filtermaterial ab. Wichtig ist die deutliche Dämpfung in einem bekannten Wellenlängenbereich, um bei Bedarf zu starkes Umgebungslicht zu reduzieren. Da das Abdunkeln ein exponentieller Prozess ist, werden 90% des dargestellten Effekts bereits schon nach etwa 2 Minuten erreicht, was für das Einlernen oder Installieren des Sensors 10 zur Anpassung der Empfindlichkeit an die Lichtverhältnisse eine akzeptable Dauer ist. Durch die selbstverdunkelnden Eigenschaften regelt das Filter 32 sich in gewissen Grenzen automatisch nach.
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Phototroges Material hat den Vorteil, dass es relativ unaufwändig integriert werden kann und den erforderlichen Verdunklungsgrad selbständig einstellt, wenn der Sensor 10 richtig installiert ist. Flexibler und anpassbarer, dafür etwas aufwändiger sind andere Filtertypen, die von der Auswertungseinheit 22 oder durch manuelle Einstellungen in ihren Filtereigenschaften einmalig oder ständig verändert werden können.
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In einer solchen Ausführungsform ist das Filter 32 ein elektrisch dimmbares Polarisationsfilter, oder ein Polarisationsfilterpaar, welches durch Rotation des Paares gegeneinander unterschiedliche Lichtanteile passieren lässt. Weitere denkbare Filter sind LCD-Filter, die elektrisch durch verschiedene Muster oder Farben angepasst werden, ein Filterrad mit mehreren in den Empfangspfad bewegbaren Filtern oder Filterbereichen unterschiedlicher Eigenschaften, oder Gele, deren Transmissionsverhalten von einer angelegten Spannung abhängt.
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Der Dämpfungsgrad dieser elektrisch abstimmbaren Filter 32 kann durch die Auswertungseinheit 22 gesteuert oder geregelt werden. Dazu wird der aktuelle Kontrast der Bilddaten, deren Helligkeit, lokale Sättigungseffekte oder Unterbelichtungen bewertet, oder es ist eine zusätzliche Photodiode vorgesehen, welche die Intensität des Umgebungslichts bei dem Sensor 10 oder irgendwo im Überwachungsbereich 12 bestimmt, etwa in der Nähe des Arbeitsplatzes einer Bedienperson oder einer bekannten zu überwachenden Gefahrenquelle.
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Das Filter 32 ist nicht auf eine Anpassung im sichtbaren Bereich beschränkt, auch wenn ein Filtern des sichtbaren Lichts mit einer Beleuchtungseinheit 28 im nahen Infrarotbereich eine besonders günstige Kombination darstellt. Statt die Transmission selbst zu variieren kann auch die Durchlassbreite geändert werden, was im Ergebnis ebenfalls zu einer Veränderung der transmittierten Lichtanteile führt.
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Im Empfangspfad des Bildsensors 18 kann zusätzlich ein Doppelbandpassfilter vorgesehen sein, möglicherweise integriert auch in Frontscheibe 16, Objektiv 20 oder Filter 32. Damit werden alle störenden Lichtanteile ausgeblendet, die weder im Spektrum der Beleuchtungseinheit 28 noch in dem variablen Filterspektrum des Filters 32 liegen.
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Die variablen Filtereigenschaften können für einen Selbsttest des Sensors 10 verwendet werden. Dabei variiert die Auswertungseinheit 22 zyklisch oder prüft bei Inbetriebnahme die Dämpfung, ob ein entsprechend helleres oder dunkleres Bild entsteht. Ist das nicht der Fall, so könnte eine Verschmutzung der Frontscheibe, ein Defekt des Bildsensors 18 oder dergleichen vorliegen, was zu einem Abschaltungssignal der Warn- und Abschalteinrichtung 24 führt. Der Selbsttest sollte mehrfach durchgeführt werden, um nicht fälschlich zufällige gleichzeitige Änderungen des Umgebungslichts als Fehler zu erkennen.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der gleiche Bezugszeichen die gleichen Merkmale bezeichnen. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist hier eine 3D-Kamera vorgesehen, welche mittels zweier Bildsensoren 18a, 18b jeweils mit einer Abbildungsoptik 20a, 20b den Raumbereich 12 aus zwei unterschiedlichen Perspektiven aufnimmt und daraus mittels stereoskopischer Algorithmen Entfernungen schätzt und somit dreidimensionale Bilddaten erzeugt. Beiden Bildsensoren 18a, 18b ist jeweils ein variabler Filter 32a, 32b einer der zu 1 beschriebenen Art vorgeordnet. Selbstverständlich können beide Filter 32a, 32b auch als gemeinsames Filter ausgebildet und beiden Bildsensoren 18a, 18b zugeordnet sein, etwa durch Integration in die Frontscheibe 16. Die übrigen beschriebenen Merkmale und Varianten lassen sich auf diese Ausführungsform übertragen. Besonders bei 3D-Algorithmen sind gute geeignete Beleuchtungsverhältnisse erforderlich, um zuverlässig Entfernungen abschätzen zu können, so dass die erfindungsgemäß verwirklichten Vorteile besonders gut zum Tragen kommen.
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Auch in weiteren, nicht dargestellten Sensoren kann die Erfindung eingesetzt werden, etwa in Lichtlaufzeitkameras, Sicherheitskameras, welche Entfernungen mittels aktiver Triangulation ermitteln, und sonstigen Sensoren, die einen ortsauflösenden Lichtempfänger aufweisen und wo kontrollierte Lichtverhältnisse von Vorteil sind.
