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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen und Detektieren von Objekten mittels eines Lichtvorhangs, d. h. eines im Wesentlichen zweidimensionalen Lichtbereichs.
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Lichtvorhänge dienen dazu, Objekte zu erkennen, die in einen Überwachungsbereich gelangen. Diese Objekte können Gegenstände oder auch Personen sein. Hierzu wird im Allgemeinen von einer oder mehreren Lichtquellen ein relevanter Bereich ausgeleuchtet und die auf einem oder mehreren Empfängern auftreffende Strahlung ausgewertet, wobei z. B. Intensitätsunterschiede der auf die Empfänger auftreffenden Strahlung ermittelt und hieraus auf eine Beeinflussung durch in den Lichtweg eingebrachte Objekte geschlossen wird. Gegebenenfalls können weitere optische Komponenten vorgesehen sein, z. B. Reflektoren, Objektive, Filter, Polarisatoren, sowie im Allgemeinen eine Steuerungs- oder Regelelektronik.
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Somit kann das Vorhandensein bzw. Eintreten eines Objekts in eine Lichtschranke oder einen Lichtvorhang ermittelt werden. Weitergehende qualitative Aussagen über die von einer Lichtschranke oder einem Lichtvorhang erfassten Objekte sind allerdings nur sehr schwer möglich. Zum Teil kann bei einem sich durch einen Lichtvorhang bewegenden Objekt die äußere Form erkannt werden.
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Eine im wesentlichen punktförmige Detektion mittels eines Lichtstrahls wird im Allgemeinen als Lichtschranke bezeichnet. Falls eine im wesentlichen linienförmige Lichtschranke eingesetzt wird, ergibt sich somit ein zweidimensionaler Bereich, der als Lichtvorhang bezeichnet wird, mit dem das Eindringen in einen Bereich großflächig überprüft werden kann. Lichtvorhänge werden insbesondere in der Sicherheitstechnik für Automatisierungsanwendungen eingesetzt.
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In der Spektroskopie werden wellenlängenabhängige Absorptions- oder Emissionssignale von Materialien untersucht und ausgewertet. Die Spektroskopie im nahen Infrarotbereich (NIR-Spektroskopie) ermöglicht bei Materialien aus dem Bereich der organischen Chemie anhand von Rotations- und Schwingungsbanden im Absorptionsspektrum des Materials eine sehr genaue Charakterisierung. So können z. B. Kunststoffe präzise unterschieden werden, die Inhaltstoffe von Flüssigkeiten erkannt oder auch menschliches Gewerbe eindeutig identifiziert werden. Hierzu wird im Allgemeinen das zu untersuchende Objekt in einen Messraum gestellt und durch ein Spektrometer untersucht. Die
WO 02/44673 A1 ,
WO 99/40414 A1 ,
US 6,433,338 B1 und
DE 196 01 923 C1 zeigen Verfahren zur Untersuchung von Objekten mittels Spektralanalyse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten mittels eines Lichtvorhangs zu schaffen, die eine Untersuchung erfasster Objekte ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Erfindungsgemäß ist weiterhin auch eine Maschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Lichtvorhang, d. h. einen im Wesentlichen zweidimensionalen Lichtbereich, zur spektroskopischen Untersuchung der erfassten Objekte zu nutzen. Hierzu wird Licht bzw. Strahlung im Infrarotbereich, insbesondere im nahen Infrarotbereich, z. B. VNIR-Bereich, z. B. von 750 bis 1000 nm, eingesetzt und mit einer länglichen Blende zunächst ein im Wesentlichen längliches bzw. eindimensionales Bild erzeugt, das nachfolgend in einer hierzu verschiedenen, vorzugsweise hierzu senkrechten Richtung wellenlängendispersiv aufgefächert, insbesondere gebeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird erkannt, dass durch derartige an sich nicht komplexere Maßnahmen auf überraschend einfache Weise mit relativ einfachen Mitteln ein zweidimensionales Bild erzeugt werden kann, das wellenlängenaufgelöste Informationen über die von dem Lichtvorhang erfassten Objekte liefert. Somit kann z. B. bei Einsatz von NIR-Strahlung auch eine Differenzierung von Kohlenwasserstoffen bzw. organischen Verbindungen ermöglicht werden. Indem die Strahlung von einem Bildsensor bzw. Bildwandler erfasst wird, wird eine nachfolgende Analyse ermöglicht, so dass die in dem Objekt enthaltenen Materialien, d. h. die Materialien, die das Objekt aufweist, ermittelt werden können und somit in kurzer Zeit Aussagen über die Zusammensetzung, insbesondere die materielle bzw. chemische Zusammensetzung des erfassten Objektes ermöglicht werden und gegebenenfalls in Abhängigkeit hiervon Signale ausgegeben werden können, z. B. zur Klassifikation des Objektes oder auch zur Einleitung von Maßnahmen wie einer Selektion der Objekte oder einem Stopp eines Betriebes.
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Somit kann erfindungsgemäß die Funktionalität einer Lichtschanke bzw. eines Lichtvorhangs mit einer spektroskopischen Untersuchung und Analyse kombiniert werden. Die Objekte können in Reflexionsrichtung erfasst werden, wozu die Beleuchtungseinrichtung den Lichtvorhang auch über die erste Abbildungsoptik ausbilden kann und z. B. einen diffusen Hintergrund beleuchtet, oder in Transmissionsrichtung.
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Erfindungsgemäß kann der Spalt im Wesentlichen der Linienrichtung des Lichtvorhangs entsprechen. Die Beugungsrichtung bzw. Dispersivrichtung kann senkrecht zu dieser Spaltrichtung verlaufen, so dass die Zeilen und Spalten eines zweidimensionalen Pixelarrays des Bildsensors diesen Richtungen entsprechen können. Somit ergibt sich ein Bild mit eindimensionaler Ortskomponente entsprechend der z. B. vertikalen Richtung des Lichtvorhangs, und hierzu orthogonaler Beugungsrichtung (Dispersivrichtung) zur Ermittlung eines Beugungsbildes (Dispersivbildes) und der relevanten Absorptionsspektren.
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Das Linsensystem ist vorteilhafterweise mit einem telezentrischen Objektiv als erster Abbildungsoptik ausgebildet, um den Bereich des Lichtvorhangs auf die Ebene der Blende bzw. eines Spaltes der Blende abzubilden. Der Einsatz eines telezentrischen Objektivs ermöglicht eine hohe Schärfentiefe, insbesondere über den gesamten relevanten Bereich des Lichtvorhangs, d. h. z. B. den beleuchteten diffusen Hintergrund und einen davor gelegenen Bereich, in dem Objekte von dem Lichtvorhang erfasst werden. Durch die erste Abbildungsoptik kann eine Abbildung des zu überwachenden Bereichs auf den Spalt der Blende erreicht werden, so dass die Blende Bereiche außerhalb des Lichtvorhangs effektiv ausblendet. Somit ist es durch den Einsatz der Blende grundsätzlich auch möglich, mit dem Lichtvorhang einen etwas größeren Bereich auszuleuchten als den nachfolgenden spektroskopisch untersuchten Bereich, der durch die Blende begrenzt wird.
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Die wellenlängendispersive Einrichtung umfasst ein dispersives optisches Element, im Allgemeinen ein optisches Gitter, insbesondere ein holografisches Gitter, das in einer vorteilhaften Ausführung ein geblaztes Gitter ist, um eine hohe Lichtausbeute in der von der Kamera bzw. dem Bildsensor erfassten Beugungsordnung und dem Wellenlängenbereich von 750 bis 1000 nm zu ermöglichen. Grundsätzlich ist der Einsatz eines Prismas auch möglich, im Allgemeinen aber nicht so vorteilhaft wie ein Gitter.
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Die von dem Bildsensor aufgenommenen Beugungsbilder können von einer Auswerteeinrichtung nachfolgend direkt ausgewertet werden, z. B. auch durch einen Vergleich mit relevanten Referenzspektren. Hierbei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zuvor kalibriert werden, indem relevante Objekte in den Erfassungsbereich bzw. den Lichtvorhang eingeführt werden, um entsprechende Referenzspektren unterschiedlicher Materialien aufzunehmen. Grundsätzlich ist erfindungsgemäß jedoch auch ein Vergleich mit theoretischen Referenzspektren möglich und hinreichend.
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In der Auswerteeinrichtung können Abweichungen der Spektralzusammensetzung von z. B. dem diffusen weißen Hintergrund ermittelt werden, wobei z. B. eine multivariate statistische Analyse durchgeführt werden kann, um die spektralen charakteristischen Reflexions- oder Absorptionsanteile aus dem erfassten Spektrum zu bestimmen. Hierbei können unterschiedliche multivariate statische Analyseverfahren eingesetzt werden, z. B. Korrelation, Regression, Variantenanalyse, Diskriminanzanalyse, sowie Hauptkomponenten- und Faktoranalyse.
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Insbesondere können in dem Bereich von 750 nm bis 1000 nm charakteristische Eigenschaften organischer Materialien, insbesondere Oberton- und Kombinationsschwingungs-Absorptionsbanden ermittelt werden, wobei in diesem Wellenlängenbereich auch sehr ausgereifte und günstige optische Sensoren mit guten Signal-Rausch-Verhältnissen verfügbar sind. Es können insbesondere Bildsensoren der CCD oder CMOS-Technologie eingesetzt werden, wobei insbesondere CMOS-Sensoren die Möglichkeit bieten, eine Einstellung auf einen benötigten Bildbereich vorzunehmen und weiterhin in der CMOS-Technologie die elektronische Schaltung für die Analogsignalverstärkung und Digitalisierung der analogen Bildsignale integriert sein können.
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Somit kann erfindungsgemäß der Bildsensor zusammen mit der Auswerteeinrichtung und gegebenenfalls einer Steuereinrichtung sowie gegebenenfalls einer Speichereinrichtung für Referenzdaten bereits in einem Halbleiterbauelement monolithisch integriert werden, so dass eine kompakte und kostengünstige Ausbildung möglich ist und aufwendige zusätzliche Verdrahtungen entfallen oder gering gehalten werden können.
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Erfindungsgemäß werden als Blende auch sämtliche optischen Mittel verstanden, die einen lang gestreckten, streifenförmigen Bereich des über die erste Abbildungsoptik (Objektiv) abgebildeten Bereichs des Lichtvorhangs ausblenden. Hierbei ist der streifenförmige Bereich nicht notwendigerweise durchgängig, sondern kann z. B. auch aus einer Folge von einzelnen Bildelementen zusammengesetzt sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z. B. drei Abbildungsoptiken bzw. Objektive aufweisen. Hiervon erzeugt die erste Abbildungsoptik eine zweidimensionale, insbesondere telezentrische Abbildung des ausgeleuchteten Bereichs auf die in vorzugsweise der Bildebene dieser ersten Abbildungsoptik angeordnete, längliche bzw. spaltenförmige Blende. Die zweite Abbildungsoptik bildet die spaltförmige Blende dann z. B. ins Unendliche ab, z. B. wiederum als bildseitig, telezentrische Anordnung, so dass sie der Kollimation des durch den Spalt hindurch tretenden Lichtstreifens dient. Hinter dieser zweiten Abbildungsoptik ist die wellenlängendispersive Einrichtung angeordnet, die die wellenlängendispersive Aufspaltung des Lichts in der zweiten Richtung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß kann somit der Bildsensor in dem optimierten Wellenlängenbereich positioniert werden und kann dort z. B. lediglich einen relativ kleinen Raumwinkelbereich abdecken. Die maximale Beugungseffizienz kann so gewählt werden, dass sie in den Wellenlängenbereich fällt, in dem der eingesetzte Sensor die niedrigste Sensitivität besitzt. Das Blaze-Gitter kann z. B. ein Reflexionsgitter mit asymmetrisch sägezahnförmigem Gitterprofil sein, wobei die Sägezahnflanken jeweils als einzelne Spiegel derartig ausgebildet sind, dass sie das Licht in Richtung der gewünschten Beugungsordnung reflektieren. Weiterhin können auch holografische Gitter eingesetzt werden. So können z. B. VPH-Gitter (Volume Phase holographic gratings) als spezifische Blaze- bzw. holografische Gitter eingesetzt werden. Diese VPH-Gitter sind Transmissionsgitter, bei denen ein transparentes, photoempfindliches Material zwischen zwei Glas- oder Kunststoffscheiben eingeschlossen ist, in welchem ein gewünschtes Muster eines variierenden Brechungsindex erzeugt wurde, z. B. durch holografische Belichtung und dadurch erfolgende Strukturänderung des Materials. Erfindungsgemäß können durch Einsatz derartiger Blazegitter hohe Effizienzen von über 60% der Beugungsintensität in einem kleinen vorgegebenen Wellenlängenbereich erzielt werden.
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Die spektrale Zusammensetzung des von den Beleuchtungseinrichtungen emittierten Lichts bzw. der emittierten Strahlung ist vorzugsweise spektral homogen über den zu messenden Wellenlängenbereich verteilt. Hierbei sendet die Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise kollimiertes Licht aus, um unabhängig vom Objektabstand zu sein. Als Beleuchtungseinrichtung können z. B. Halogenlampen, d. h. thermische Strahler, oder auch bei einer unterschiedliche breitbandige LEDs eingesetzt werden, wobei auch eine Lichtquelle mit LEDs anderer Wellenlängen und einem zusätzlichen Fluoreszenzfarbstoff eingesetzt werden können, der in dem Spektralbereich von 750 bis 1000 nm eine breitbandige Emission erzeugt.
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Die Beleuchtungseinrichtung bzw. Lichtquelle kann kontinuierlich oder auch zeitlich gepulst betrieben werden. Ein gepulster Betrieb hat hierbei den Vorteil, dass der Lichtvorhang zum einen unabhängiger von wechselnden Fremdlichteinflüssen ist, und zum anderen nur sehr kurze Zeitmomente aufgenommen werden, so dass der Bewegungseinfluss der Objekte minimiert wird. Weiterhin können in einem gepulsten Betrieb höhere Ströme verwendet werden.
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Erfindungsgemäß können die Spektren bei der Analyse insbesondere in Form ihrer zweiten Ableitungen ausgewertet werden, wodurch das Verfahren unabhängiger von geräteabhängigen Einflüssen wie Beleuchtungsschwankungen oder auch breitbandigen parasitären Absorptionen durchgeführt werden kann, die durch unterschiedliche Oberflächen oder Farbpigmente etc. den charakteristischen Rotationsschwingungsspektren überlagert sein können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere als Lichtvorhang zum Schutz von Sicherheitsbereichen, insbesondere Gefahrenbereichen von Systemen bzw. Maschinen einsetzbar. Hierbei kann zusätzlich zu der reinen Detektion eines Objektes erfindungsgemäß ergänzend eine chemische Analyse bzw. Bestimmung der Materialzusammensetzung erfolgen, um z. B. menschliche Haut bzw. einen menschlichen Körper von Kunststoffen zu unterscheiden. Somit kann z. B. detektiert werden, wenn die Hand eines Benutzers oder ein anderer Körperteil ohne Schutzbedeckung in einen Gefahrenbereich hineingreift.
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Ein weiterer Einsatz liegt in der Detektion und Sortierung von Materialien, insbesondere auch Wertstoffen oder Abfällen. So kann z. B. zu untersuchendes Gut, z. B. bei einer Mülltrennung oder auch einer Rücknahmevorrichtung für Wertstoffgüter, durch eine erfindungsgemäße Lichtschranke oder einen erfindungsgemäßen Lichtvorhang transportiert werden und beim Durchqueren der Lichtschranke bzw. des Lichtvorhangs auf die jeweilige Materialzusammensetzung untersucht werden, um gegebenenfalls nachfolgend die Materialien zu selektieren oder auch das Eindringen unzulässiger Stoffe zu vermeiden. In Abhängigkeit der Analyse können somit nachfolgend unterschiedliche Ausgangssignale gesetzt werden, die direkt zu nachfolgenden Eingriffen oder dem Stopp einer Vorrichtung verwendet werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in a) Aufsicht und b) Vorderansicht;
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2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 Spektren unterschiedlicher organischer Materialien bzw. Kunststoffe;
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4 eine zu 1b) alternative Ausbildung; und
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5 ein von dem Bildsensor aufgenommenes Beugungsbild.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist eine oder mehrere Beleuchtungseinrichtungen 2a, 2b, 2c auf. In 1a), b) sind Beleuchtungseinrichtungen 2a, 2b zur Beleuchtung in Reflexion vorgesehen. In 4 ist eine Beleuchtungseinrichtung 2c zur Beleuchtung in Transmission vorgesehen; grundsätzlich sind auch Kombinationen dieser Ausführungsformen möglich. Die Belichtungseinrichtungen 2a, 2b oder 2c dienen hierbei dazu, einen Lichtvorhang 3 als im Wesentlichen zweidimensionalen Bereich bzw. Bereich mit relativ schmaler Erstreckung in y-Richtung auszubilden. Dementsprechend ist der Lichtvorhang 3 in der Draufsicht der 1a) im Wesentlichen als gepunktete Linie ersichtlich, und in der Vorderansicht der 1b) und 4 entsprechend in seiner zweidimensionalen Erstreckung.
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In 1a) und b) können die Beleuchtungseinrichtungen 2a, 2b zur Ausbildung des Lichtvorhangs 3 Licht 4 über eine Optikeinrichtung 5, z. B. eine große Bikonvexlinse, ausgeben und einen diffusen Hintergrund 9 beleuchten, der wiederum Licht reflektiert, wobei in 1a) die Beleuchtungseinrichtungen 2a, 2b zur besseren Veranschaulichung etwas außerhalb der optischen Achse A angeordnet sind. Somit wird der Lichtvorhang 3 in 1a) und b) zwischen der Optikeinrichtung 5 und dem Hintergrund 9 ausgebildet. Die in 4 gezeigte Beleuchtungseinrichtung 2c zur Beleuchtung in Transmission kann z. B. eine lineare örtlich und spektral homogene Lichtquelle sein, die somit den Lichtvorhang 3 direkt ausbildet.
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Ein vom Lichtvorhang 3 erfasstes Objekt 6 wird somit in den verschiedenen Ausführungsformen jeweils durch den Lichtvorhang 3 beleuchtet und gibt Objektlicht 8 entsprechend seinem Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten in Richtung der optischen Achse, d. h. x-Richtung, ab.
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Das Licht 4 bzw. der Lichtvorhang 3 ist hierbei breitbandig im nahen Infrarotbereich (NIR) z. B. im Wellenlängenbereich zwischen 750 und 1000 nm, insbesondere mit spektral homogener Verteilung in diesem Wellenlängenbereich, der entsprechend auch in 3 dargestellt ist. Das vom Objekt 6 ausgestrahlte Objektlicht 8 weist eine Spektralverteilung entsprechend seiner Materialzusammensetzung auf, wie mit Bezug zu 3 weiter unten erläutert wird. Somit enthält das Objektlicht 8 Spektren im relevanten Wellenlängenbereich zur Identifizierung seiner Materialzusammensetzung.
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Das Licht 4 des Lichtvorhangs 3 mitsamt dem vom Objekt 6 ausgegebenen Objektlicht 8 gelangt über die Abbildungsoptik 11, die aus der Optikeinrichtung 5 und einer weiteren Optikeinrichtung 10 gebildet wird auf eine Blende 14. Die Abbildungsoptik 11 dient somit als Objektiv, insbesondere telezentrisches Objektiv, zur Abbildung des Hintergrunds 9 oder der Beleuchtungseinrichtung 2c auf die Blende 14. Hierbei kann die Schärfentiefe bei einem derartigen telezentrischen Objektiv derartig groß gestaltet werden, dass auch der Bereich des Lichtvorhangs 3 und somit erfasste Objekte 6 in der Schärfentiefe liegen und somit scharf abgebildet werden. Die Abbildungsoptik 5 ist hierbei entsprechend groß zu dimensionieren, so dass sie Licht im Wesentlichen parallel zur optischen Achse bzw. in x-Richtung aufnimmt.
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Die Blende 14 ist länglich, vorzugsweise als Spalt oder Schlitz, z. B. mit einer Breite von 30 μm ausgebildet, und erstreckt sich in vertikaler Richtung bzw. Z-Richtung, d. h. in der Ebene des Lichtvorhangs 3. Falls in den Strahlengang optische Elemente wie z. B. Spiegel eingesetzt sind, die die Y- und Z-Richtung ändern, ist dies entsprechend zu berücksichtigen; erfindungsgemäß ist lediglich relevant, dass der Lichtvorhang 3 so auf den Spalt abgebildet wird, dass seine Erstreckung in Z-Richtung der Spaltrichtung entspricht. Erfindungsgemäß ist grundsätzlich auch die Verwendung eines breiteren Lichtvorhangs 3 möglich, da die Blende 14 ohnehin die Breite des verwendeten Bildes begrenzt.
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Der von der Blende 14 ausgeblendete Streifen des Bildes des Lichtvorhangs 3 bzw. des Hintergrundes 9 mitsamt ggf. erfasstem Objekt 6 wird als Licht 15 über eine zweite Abbildungsoptik 16 auf ein Gitter 17 geworfen. Das Gitter 17 ist derartig aufgebaut und angeordnet, dass die wellenlängendispersive Auffächerung des gebeugten Lichts 19 senkrecht zur Spaltrichtung, d. h. wiederum in Querrichtung bzw. Y-Richtung erfolgt; hier sind entsprechend auch abgewandelte Ausführungsformen möglich. Über eine dritte Abbildungsoptik 18 wird das gebeugte Licht 19 als Beugungsbild 30 auf eine Sensorfläche 20a eines Bildsensors (Bildwandlers) 20 abgebildet. Auf der Sensorfläche 20a wird somit ein Beugungsbild 30 der Blende 14 bzw. deren Spalt 14a abgebildet, mit der Längserstreckung des Spalts 14a (der Z-Richtung) in einer Richtung bzw. einer Achse und der wellenlängendispersiven Auffächerung des Beugungsbildes in der anderen Achse.
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Der Bildsensor 20 ist vorzugsweise ein zweidimensionaler CMOS-Digitalkamera-Sensor; wie in dem Blockdiagramm der 2 angedeutet weist er ein Pixelarray 21 aus einzelnen, im NIR-Spektralbereich sensitiven Pixeln 22 auf, die in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Das Pixelarray 21 kann z. B. derartig angeordnet sein, dass die Z-Richtung, d. h. die Längserstreckung der Blende 14, der Abszisse bzw. horizontalen Achse des Pixelarrays 21, und die Y-Richtung bzw. die Beugungsrichtung der Ordinate bzw. Spaltenrichtung, d. h. den Spalten des Pixelarrays entspricht.
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Ein derartiger CMOS-Bildsensor 20 ermöglicht z. B. mit einer einzigen Bildaufnahme gleichzeitig bis zu tausend oder mehr Spektren, d. h. ein Spektrum pro Spalte aufzunehmen, mit einer Datentiefe von z. B. 12 Bit. Jedes der Spektren entspricht somit dem Spektrum eines Bildelementes der Blende, d. h. es entspricht einer Unterteilung der schlitzförmigen Blende 14 in der Pixelanzahl der Dimension des Sensors entsprechenden Bildelemente, die in Z-Richtung aneinander gereiht sind. Das Licht jedes dieser Bildelemente wird dann durch das Gitter 17 auf eine Spalte des Bildsensors 20 abgebildet.
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5 zeigt ein derartiges, vom Bildsensor 20 aufgenommenes Beugungsbild 30, wobei auf der Abszisse die Ortsrichtung Z und auf der Ordinate die Beugungsrichtung, hier bereits umgerechnet in die dem jeweiligen Beugungswinkel entsprechende Wellenlänge λ, aufgetragen ist. Zwischen Z1 und Z2 wird in einem Bildbereich 30-2 ein Objekt 6 erfasst, in diesem Beispiel ein auf seiner Oberseite mit z. B. einem Ruß enthaltenden Material bedruckter Polyethylen-Becher. In den Bereichen 30-1 und 30-3 links und rechts hiervon, d. h. Z < Z1 und Z > Z2, liegt in dem Spalt der Blende 14 kein Objekt vor, so dass hier im wesentlichen das weiße, d. h. homogen über die Wellenlänge λ gleichmäßig verteilte Licht 4 des Lichtvorhangs 3 direkt aufgenommen wird und durch den Weißabgleich des Beugungsbildes 30 somit weiß erscheint. In dem Bildbereich 30-2 liegt in einem unteren Teil 30-2-1 und einem oberen Teil 30-2-3 zunächst eine teilweise Absorption vor, die sich als Grauwert darstellt, der hier durch Schraffur wiedergegeben ist. In dem Teil 30-2-2 um die Wellenlänge λPE herum liegt starke Absorption vor, so dass dieser Bereich hier schwarz erscheint, wobei je nach Dicke des Objektes an der jeweiligen Z-Position eine stärkere oder schwächere Absorption auftreten kann, die sich entsprechend darin äußert, dass die λ.-Absorptionsbande bei größerer Absorption breiter ist, d. h. sich in einem größeren λ.-Bereich zeigt. Die mit Ruß-haltigem oder anderem breitbandig absorbierenden Material versehene Oberseite des Objektes liegt bei etwa Z2 vor; sie absorbiert über den gesamten Wellenlängenbereich und bildet somit den Bereich 30-2-4 aus.
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Der Bildsensor 20 kann die Bildaufnahme z. B. mit einer Bildwiederholungsrate von z. B. 50 pro Sekunde wiederholen. Da erfindungsgemäß z. B. nur ein kleiner Spektralbereich im nahen Infrarot von 750–1000 nm relevant ist, kann die bei derartigen Bildsensoren 20 mögliche Teilbildaufnahme eingesetzt werden, so dass Teilbilder als sog. „region of interest” (ROI) eingestellt werden, die es ermöglichen, nur den eingestellten interessierenden Bildbereich des Bildsensors 20 bei gleichzeitiger Beibehaltung der Grunddatenrate auszulesen, was die Anzahl der übertragenen frames, d. h. Bilder oder Teilbilder pro Sekunde erhöht.
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Gemäß dem Blockdiagramm der 2 steuert somit eine z. B. auf dem Chip des Bildsensors 20 angeordnete Steuereinrichtung 24 die Beleuchtungseinrichtungen 2a, 2b (oder entsprechend 2c) mit Steuersignalen S1 an, um den Lichtvorhang 3 auszubilden. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung 24 direkt oder zunächst über eine hier nicht gezeigte Sensor- Steuereinrichtung den Bildsensor 20 mittels Steuersignalen S2 an, wobei der Bildsensor 20 Bildsignale S3 zur Auswertung an eine Auswerteeinrichtung 28 ausgibt, die Auswertesignale S4 an die Steuereinrichtung 24 ausgibt oder auch als Teil der Steuereinrichtung 24 ausgebildet sein kann. Die Elemente 20, 24, 28 können auch monolithisch integriert bzw. auf einem Halbleiter-Bauelement ausgebildet werden.
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In 3 sind relevante Spektren von Materialien gezeigt, als zweite Ableitung unter Minimum-Maximum-Normierung, d. h. im Wesentlichen gleicher Größe der jeweiligen Spektren auf der Ordinate, wobei auf der Ordinate der 4 beliebige Einheiten aufgetragen sind und auf der Abszisse die Wellenlänge λ von 750–1000 nm. Als relevant bewertet wird hierbei erfindungsgemäß somit insbesondere das Material, nicht die quantitative Zusammensetzung. Hierbei sind Spektren gezeigt von Polyethylenterephtalat PET, weiterhin Polyethylen high density PEHD, Polystyrol PS, Papier Pa und als Beispiel für organisches Material menschliche Haut O, die der Hand eines Benutzers entspricht.
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Somit können sowohl unterschiedliche Kunststoffe erkannt werden, z. B. bei einer Sortierung von Pfand-Rücknahmegütern, wie Flaschen und Behältern oder auch bei einer Mülltrennung, bei der unterschiedliche Materialien detektiert werden können, um in Abhängigkeit davon Ausgabesignale S5 auszugeben, um die Materialien ggf. später verschieden zuzuordnen, oder auch als Ausgabesignal S5 ein Fehlersignal auszugeben. Weiterhin können entsprechend der durchgezogenen Linie O auch Teile eines menschlichen Körpers, z. B. die Hand als organisches Material erkannt werden. Erfindungsgemäß kann somit die Vorrichtung 1 Teil einer Maschine 35 oder anderen Vorrichtung sein, um den Lichtvorhang 3 als Schutz eines Bereichs 36 der Maschine 35 einzusetzen, z. B. um Verletzungen eines Benutzers an dem Bereich 36 zu vermeiden.
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Zur Auswertung wird ggf. ein multivariates statistisches Analyseverfahren verwendet. Vorteilhafterweise werden Einzelspektren aller relevanten und zu erkennenden Materialien vorab gemessen und z. B. in einem in 2 angedeuteten Speicher 29 gespeichert. Soweit gemäß 3 die zweiten Ableitungen der Spektren betrachtet werden, sind nur solche Substanzen zu berücksichtigen, deren zweite Ableitungen in dem fraglichen Wellenlängenbereich von Null verschieden sind.
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Somit kann in Abhängigkeit der Detektion z. B. bei Erkennen einer Hand als Material O, ein Ausgabesignal S5 ausgegeben werden, z. B. an eine Steuereinrichtung 38 zur Steuerung einer Funktion der Maschine 35, insbesondere eines Werkzeugs, z. B. Säge, Fräser oder anderes. Dieses Ausgangssignal S5 kann z. B. als Not-Aus-Signal ausgegeben werden, um dieses Werkzeug bzw. die überwachte Maschine zu stoppen. Bei Erfassen einer Metall- oder Kunststoffkiste hingegen wird kein derartiges Ausgabesignal S5 ausgegeben. Ggf. kann bei Erfassen eines nicht identifizierten Stoffs ein separates Signal als Ausgabesignal S5 ausgegeben werden, z. B. bei einer Hand mit Handschuh, wobei hier ggf. auch ein Ausgabesignal S5 als Not-Aus-Signals ausgegeben werden kann.
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Die Schnittstellen der Vorrichtung 1 nach außen sind zunächst die Spannungsversorgung und die Signalausgänge, wobei z. B. auch nur der Signalausgang für S5 vorgesehen sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 02/44673 A1 [0005]
- WO 99/40414 A1 [0005]
- US 6433338 B1 [0005]
- DE 19601923 C1 [0005]
