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Die Erfindung betrifft allgemein optische Sensoren. Im Speziellen betrifft die Erfindung optische Sensoren, die in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.
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Die dem bisherigen Stand der Technik entsprechenden Systeme werfen bei Einsatz in der Lebensmittel verarbeitenden Industrie verschiedene Probleme wie eine geringe Sensitivität des Sensors durch Umlicht, die Veränderung der Lebensmittel durch die verwendete Lichtquelle sowie eine Unverträglichkeit der Komponenten des Sensors mit den zu verarbeiteten Lebensmitteln auf.
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Die
DE 10 2007 003 023 B4 beschreibt einen optoelektronischen Sensor, welcher durch Totalreflexion die Lichtdurchlässigkeit der Schutzscheibe ermittelt. Damit kann der Lichtdurchlässigkeitstest während des Betriebs des Sensors durchgeführt werden.
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In der
DE 24 57 572 A1 werden optische Filterelemente beschrieben, die sowohl die vorteilhaften optischen Eigenschaften von Glas als auch die leichte Verarbeitbarkeit polymerer Materialien aufweist. Dies wird durch eine Verteilung von Glaspartikeln in einer Polymermatrix verwirklicht.
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Das Dokument
DE 10 2006 023 142 A1 beschreibt einen optoelektronischen Sensor zur berührungslosen Erfassung von Objekten. Das Aufnahmesystem weist dabei ein Empfangsobjektiv und eine Lichtempfangseinheit auf. Gleichzeitig ist das Aufnahmesystem mit einer Auflichtbeleuchtung verbunden. Die Erfindung wird als Kamera-Beleuchtungseinheit verwendet.
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In der
DE 202 15 464 U1 wird ein Lichttaster beschrieben, der einen Zirkularpolarisator aufweist. Dieser ist dem Sender nachgeordnet und zirkularpolarisiert die Sendelichtstrahlen in einer gegebenen Drehrichtung. Dem Empfänger ist ein entsprechender Zirkularisationspolarisator vorgeordnet, der die Empfangslichtstrahlen in der selben Drehrichtung zirkularpolarisiert. Dies ermöglicht ein Ausfiltern von spiegelnd reflektierten Anteilen der Empfangslichtstrahlen. Dadurch werden Fehldetektionen und Fehlschaltungen des Lichttasters ausgeschlossen.
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Die Patentschrift
DE 697 38 228 T2 offenbart transparente Laminate und optische Filter, die insbesondere in Anzeigevorrichtungen eingesetzt werden. Die Laminate bestehen aus transparenten Filmschichten mit hohen Brechungsindizes sowie Metallfilmschichten, die Silber enthalten. Die Laminate weisen eine elektrisch leitende Oberfläche auf und können so die von Plasmadisplays ausgehenden elektromagnetischen Wellen blockieren.
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In der
DE 201 22 010 U1 beschreibt eine Vorrichtung bestehend aus einer Lichtquelle und einer lichtstreuenden Abdeckung, wobei LEDs als Lichtquelle eingesetzt werden Transmission und Remission der lichtstreuenden Abdeckung werden dabei so an die LED angepasst, dass im Auflicht und Durchlicht derselbe Farbeindruck erhalten werden kann. Die Vorrichtung findet beispielsweise Verwendung bei beleuchtbaren Vorrichtungen wie Werbetafeln Verwendung.
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In der
DE 102 40 475 A1 wird ein optischer Sensor beschrieben, dessen Sendelichtstrahlen und/oder Empfangslichtstrahlen durch ein Fenster im jeweiligen Gehäuse geführt werden. Das Fenster besteht aus wenigstens zwei übereinander liegenden transparenten Scheiben, zwischen denen ein transparentes, elastisches Medium eingebracht ist. In das elastisches Medium kann beispielsweise ein Lichtgitter integriert werden. Der Sensor soll im Bereich des Explosionsschutzes eingesetzt werden.
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Die
US 5 235 358 A beschreibt einen Farbfilter, bei dem der Farbstoff in einem polymeren Material eingebettet ist. Der Filter zeigt eine nur sehr geringe Transmission bei Wellenlängen bis 450 nm und einen steilen Anstieg der Transmission bei bathochrom verschobenen Bereichen. Die entsprechenden Filter sollen als künstliche Linsen in das menschliche Auge eingebracht werden, beispielsweise bei einer Operation des grauen Stars.
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Die
US 6 252 189 B1 offenbart ein automatisiertes optisches Inspektions- und Sortiersystem zur Entfernung schadhafter Kartoffelstücke. Hierbei wird ein Verfahren zum automatisierten optischen Untersuchen und Sortieren der Unterschiede im Reflexionsvermögen von nahem Infrarotlicht genutzt, um zwischen schadhaften Kartoffelstücken und akzeptablen Stücken von Kartoffeln mit Schale zu unterscheiden. Einer Lichtquelle für nahes Infrarotlicht beleuchtet dabei eine zufällige Mischung aus Kartoffelstücken mit Schale, identifiziert die defekten Stücke und verwendet die Identifikation, um die defekten Stücke aus der Mischung zu sortieren.
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Das Dokument
US 2010 / 0 110 242 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Kamera, wobei das Verfahren das Herstellen eines Farbfilters und das Anbringen des Farbfilters in der Nähe eines Sensorarrays umfasst, wobei das Farbfilter einen Rotfilterbereich umfasst
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Die Druckschrift
DE 38 88 334 T2 befasst sich mit optischen Filtersubstanzen zum Absorbieren im nahen Infrarot und insbesondere auf hochreine grüne halogenierte Anthrachinone.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor bereitzustellen, welcher eine gute Umlichtunterdrückung aufweist, andererseits lichtempfindliche Lebensmittel wenig beeinflusst, im Kontakt mit Lebensmitteln unkritisch in Bezug auf die Abgabe schädlicher Stoffe ist und zudem einen einfachen Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß sieht die Erfindung einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich der Lebensmittelverarbeitung in der Nahrungsmittelproduktion vor, welcher einen Lichtsensor umfasst, der mit einer Vorsatzscheibe zum Überwachungsbereich hin verkapselt ist, deren Oberfläche an den Überwachungsbereich angrenzt, wobei die Vorsatzscheibe eine transparente Kunststoffscheibe ist, welche mit einem Anthrachinon-Farbmittel gefärbt ist, wobei das Anthrachinon-Farbmittel einen Transmissionsbereich bei Wellenlängen größer als 550 Nanometer aufweist, so dass rotes Licht transmittiert und Licht mit Wellenlängen kleiner 550 Nanometern in der Vorsatzscheibe absorbiert wird. Als Farbmittel werden im Sinne der Erfindung sowohl Farbstoffe, als auch Pigmente verstanden.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor kann im einfachsten Fall als Lichtschranke aufgebaut sein. Ebenso möglich ist ein als Entfernungsmesser ausgebildeter optischer Sensor. Die Entfernungsmessung kann insbesondere auf einer Triangulationsmessung beruhen. Ein entsprechendes, mit einem solchen Sensor durchführbares Verfahren zur Abstandsmessung beruht demgemäß auf dem Triangulationsprinzip, bei welchem die Änderung des Abbildungsorts eines Objekts auf dem Sensor in Abhängigkeit von dessen Abstand zur Lichtquelle gemessen, und somit der Abstand des erfassten Objekts ermittelt wird. Auch kann eine Triangulationsmessung dazu dienen, Signale von einem zu detektierenden Objekt von Hintergrundsignalen durch Reflexion an anderen Objekten zu diskriminieren.
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In Hinblick auf die Verwendung eines Sensors im Bereich der Lebensmittelproduktion ist es zur Sicherung der Produktqualität von Vorteil, wenn keine irreversible Wechselwirkung des Lichtstrahls mit dem zu detektierenden Objekt stattfindet. Praktisch wird dies durch die Verwendung eines möglichst energiearmen, roten Lichtes von geringer Intensität realisiert. Die daraus resultierenden Nachteile bezüglich der Intensität werden erfindungsgemäß durch Verwendung einer Vorsatzscheibe, bestehend aus einem geeigneten Farbmittel in einer transparenten Polymermatrix, minimiert. Um eine mögliche Kontamination der Lebensmittel auszuschließen und so die Verwendung im gewünschten Einsatzbereich zu ermöglichen, benötigten derartige Sensoren bisher eine zusätzliche Schutzschicht.
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Die entsprechenden Komponenten der Erfindung führen dagegen auch im direkten Kontakt zu keiner Kontamination der Lebensmittel, so dass der beschriebene optische Sensor ohne weitere Vorkehrungen im Bereich der Lebensmittelüberwachung eingesetzt werden kann. Dies wird insbesondere durch Verwendung eines geeigneten Farbmittels aus der Gruppe der Anthrachinone in einer Kunststoff-Vorsatzscheibe erreicht. Anthrachinonfarbmittel zeichnen sich durch breite Absorptionsbanden, was für die Verwendung in optischen Filtern vorteilhaft ist, durch leichte Derivatisierbarkeit, die maßgeschneiderte spektrale Eigenschaften ermöglicht, sowie durch einfache Reproduzierbarkeit und preiswerte Darstellung aus.
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Besonders bevorzugt wird eine Polymethylmethacrylat (PMMA)-Scheibe als Vorsatzscheibe verwendet. Ebenso geeignet ist auch Polycarbonat. Beide Kunststoffe sind nicht nur aufgrund ihrer Transparenz geeignet. Vielmehr können die erfindungsgemäß verwendeten Anthrachinon-Farbmittel in diesen Kunststoffen sehr gut inkorporiert werden, so dass sie sich nur schwer durch den Kontakt mit Lebensmitteln aus der Kunststoff-Matrix migrieren. Zudem sind die Kunststoffe selber unkritisch in Bezug auf den Kontakt mit Lebensmitteln.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Verwendung eines Anthrachinonfarbmittels mit unterschiedlicher Substitution oder der Einsatz entsprechender Farbmittelmischungen möglich, um Transmissionsbereich und Transmissionsgrad individuellen Anforderungen anpassen zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 den schematischen Aufbau eines optischen Sensors,
- 2 die schematische Darstellung des Transmissionsspektrums des Farbmittels 1,4-Diamino(isopropyl)-anthrachinons,
- 3 eine Variante der in 1 gezeigten Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch einen optischen Sensor 1 gemäß der Erfindung. Der optische Sensor 1 umfasst einen Lichtsensor 3, welcher in einem Gehäuse 4 verkapselt ist. Das Gehäuse 4 zur Verkapselung des Lichtsensors umfasst eine lichtdurchlässige Vorsatzscheibe 10. Das von einer Lichtquelle 2 emittierte Licht wird von einem zu untersuchenden Objekt 6 beeinflusst, beispielsweise reflektiert oder unterbrochen und tritt durch die Vorsatzscheibe 10 aus einer transparenten Polymer-Matrix mit inkorporiertem, vorzugsweise gelöstem Anthrachinonfarbmittel in das Gehäuse 4 und wird von dem darin angeordneten Lichtsensor 3 detektiert.
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Die Lichtquelle 2 wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass diese Licht im Spektralbereich innerhalb des Transmissionsbereichs des Farbmittels mit Wellenlängen größer als 550 Nanometer emittiert. Geeignet sind beispielsweise rot leuchtende Leuchtdioden und rot leuchtende Laserdioden.
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Das eingesetzte Farbmittel führt zu einer selektiven Transmission von Licht mit einer Wellenlänge größer als 550 Nanometer und damit zur Reduktion des Umlicht-Anteils im Signal des Lichtsensors. Das verbleibende Licht trifft auf den Lichtsensor 3. Zwischen Lichtsensor 3 und Vorsatzscheibe 10 können noch optische Komponenten, wie beispielsweise eine Linse 7 im Gehäuse angeordnet sein. Der Sensor 1 wird durch die Vorsatzscheibe 1 und das Gehäuse 4 verschlossen. Die Lichtquelle 2 kann Bestandteil des optischen Sensors 1 und in ihren Charakteristika den Anforderungen entsprechend variabel sein. Geeignet sind insbesondere Leuchtdioden und Laserdioden.
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Den in besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung im optischen Sensor eingesetzten Anthrachinonfarbmitteln gemein ist die Grundstruktur A:
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Hier kann es sich bei X um primäre oder sekundäre aliphatische oder aromatische Amine, aliphatische oder aromatische Reste oder Protonen handeln, wobei an mindestens zwei der entsprechenden Positionen eine Substitution durch Amine stattfindet. Die Reste R1, R2, R3 und R4 können sowohl identisch als auch verschieden sein und aliphatische oder aromatische Reste oder Protonen repräsentieren.
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Diese Anthrachinone weisen typischerweise eine für die Zwecke der Erfindung günstige hohe Transmission bei langen Wellenlängen und eine hohe Absorption bei kürzeren Wellenlängen, insbesondere im blauen und grünen Spektralbereich auf.
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2 zeigt schematisch die Transmissionsänderung in Abhängigkeit zur Wellenlänge λ der beschriebenen Anthrachinonfarbmittel am Beispiel des 1,4-Diamino(isopropyl)-anthrachinons (Strukturformel B), welches beispielsweise unter dem Handelsnamen „violet blue 36“ erhältlich ist und alle oben beschriebenen Bedingungen zum Einsatz im optischen Sensor erfüllt, damit auch für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet ist.
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Während die Transmission T bei Wellenlängen kleiner als 560 Nanometer sehr gering und bei einer Wellenlänge von 580 Nanometern kleiner als 50% ist, erfolgt bei größeren Wellenlängen ein steiler Anstieg der Transmission. Der maximale Transmissionswert von 90% wird bei einer Wellenlänge von 600 Nanometern erreicht und bleibt auch bei größeren Wellenlängen bis in den NIR-Bereich (Near-Infrared) weitgehend unverändert. Die sprunghafte Transmissionsänderung ist vorteilhaft zur Erlangung eines scharfen Filterbereichs der Vorsatzscheibe.
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Im VIS-Bereich (visible), d.h. im für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich, bei 470 Nanometern liegt ein zweites, schwächer ausgeprägtes Transmissionsmaximum, dessen Transmission unter 10% liegt. Durch Verwendung zusätzlicher Farbmittel in der PMMA-Matrix, die ein Absorptionsmaximum in diesem Wellenlängenbereich aufweisen, kann die Transmissionsselektivität weiter erhöht und somit die Umlicht-Empfindlichkeit des optischen Sensors 1 verringert werden. Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung kann dies auch mit einem oder mehreren weiteren Anthrachinonfarbmitteln in der Vorsatzscheibe erreicht werden. Geeignet sind beispielsweise gelbe Farbmittel, wie gelbe Anthrachinone.
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3 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Ausführungsform eines optischen Sensors 1. Bei der in 3 gezeigten Variante sind sowohl der Lichtsensor 3, als auch die Lichtquelle 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 4 angeordnet. Dies schafft einen besonders kompakten Aufbau.
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Zwischen Lichtquelle 2 und Lichtsensor 3 kann eine lichtundurchlässige Trennwand 40 angeordnet sein, um zu vermeiden, dass Licht von der Lichtquelle 2 direkt auf den Lichtsensor 3 gelangt.
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Aufgrund der Anordnung der Lichtquelle 2 im Gehäuse 4 hinter der Vorsatzscheibe 10 wird nun auch das austretende Licht der Lichtquelle 2 entsprechend den Absorptionseigenschaften des Anthrachinon-Farbmittels gefiltert, so dass die spektrale Verteilung des ausgesendeten Lichts optimal an die Filtereigenschaften der Vorsatzscheibe 10 angepasst ist. Die in 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist also allgemein dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor 1 eine Lichtquelle 2 mit einem ebenfalls das Anthrachinon-Farbmittel enthaltenden Farbfilter aufweist. Spezieller wird dabei der Farbfilter wiederum durch die Vorsatzscheibe 10 gebildet.
