DE102012024359A1 - Sensoranordnung zur zeilenweisen optischen Abtastung - Google Patents

Sensoranordnung zur zeilenweisen optischen Abtastung Download PDF

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Abstract

Die Sensoranordnung (1) zum zeilenweisen optischen Abtasten einer Abtastzeile einer Materialbahn (3) hat mindestens zwei Sensorzeilen (6, 7) von Sensorelementen (8, 9), die in Vorschubrichtung (x) einen ersten Abstand (D) zueinander haben. Die einzelnen Sensorelemente (8, 9) jeder Sensorzeile (6, 7) haben quer zur Vorschubrichtung (x) jeweils einen zweiten Abstand (a) zueinander und die Sensorelemente (8, 9) der beiden Sensorzeilen (6, 7) überdecken sich teilweise um ein Maß (ü). Eine Messeinrichtung (4) misst die Geschwindigkeit (v) der Relativbewegung in Vorschubrichtung (x) der Materialbahn (3) und übermittelt ein entsprechendes Geschwindigkeitssignal (v) an eine Auswerteeinrichtung (5). Diese erzeugt in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitssignal (v) Triggersignale zum Auslesen, Speichern und/oder Auswerten der Ausgangssignale der Sensorelemente (8, 9), die dadurch zu einem Bild einer Abtastzeile zusammengesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zur zeilenweisen optischen Abtastung einer Materialbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Eine solche Sensoranordnung ist aus der US 7,807,951 B1 bekannt. Dort sind insbesondere zwei Sensorzeilen von Sensorelementen vorhanden, die in einer Vorschubrichtung zueinander versetzt sind. Weiter haben diese Sensorelemente jeder Sensorzeile einen Abstand zueinander, wobei Sensorelemente einer Sensorzeile die Sensorelemente der anderen Sensorzeile teilweise überlappen. Jedes Sensorelement soll dabei einen in etwa kreisförmigen Fleck abtasten.
  • Die gesamte Sensoranordnung wird dort relativ zu einer abzutastenden Materialbahn bewegt.
  • Die optische Abtastung von Materialbahnen wird in verschiedenen Industriezweigen angewandt, wo ablaufende Materialbahnen wie Papier, Textilbahnen, Bleche usw. auf optisch erkennbare Abweichungen wie Flecken, Falten, Löcher, Risse, Fremdkörpereinschlüsse und ähnliches untersucht werden ( AT 22 38 28 B ).
  • Dabei kommen Sensoren zum Einsatz, die die Materialbahn zeilenweise optisch abtasten, wobei die Zeilenrichtung quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn verläuft ( DE 101 24 943 A1 , DE 201 05 840 U1 ).
  • Eine linienförmige Zeilenabtastung wird auch bei Kopiergeräten, Faxgeräten, Scannern und ähnlichem angewandt, wo die Sensoranordnung bewegt wird und die Materialbahn, wie z. B. ein Blatt Papier, still steht. Bei den meisten herkömmlichen Sensoranordnungen dieser Art sind mehrere optische CMOS-Sensoren in einer geradlinigen Sensorzeile angeordnet. Aufgrund von Randzonen des jeweiligen Chips, Sägefugen und Fertigungstoleranzen ergibt sich eine Leselinie mit Unterbrechungen im Sensorraster, die nicht hinnehmbar ist. Auch können die einzelnen Sensorchips nicht exakt längs einer Linie ausgerichtet sein und beispielsweise etwas schräg zur Linie stehen, so dass Linearitätsfehler auftreten können.
  • Die DE 106 09 045 C1 schlägt vor, mehrere Zeilensensoren zu verwenden, die so eingestellt sind, dass sie dieselbe Prüfstelle des Prüflings erfassen und sich die jeweiligen Bildpunkte aller Zeilensensoren überlagern. Die verschiedenen Zeilensensoren sind unterschiedlichen Wellenlängenbereichen einer Lichtquelle zugeordnet. Eine genaue Ausrichtung mehrerer Zeilensensoren mit ausreichender Genauigkeit zum Abtasten einer geraden Linie ist sehr aufwendig und fertigungstechnisch kaum zu realisieren.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Sensoranordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine hochgenaue Abtastlinie abgebildet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Grundidee der Erfindung ist es, zwei in Vorschubrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Sensorzeilen von Sensorelementen vorzusehen, wobei die einzelnen Sensorelemente der beiden Sensorzeilen jeweils einen Abstand zueinander innerhalb ihrer Sensorzeile haben und die Sensorelemente der beiden Sensorzeilen sich in Vorschubrichtung überlappen.
  • Die Geschwindigkeit der Bewegung in Vorschubrichtung wird erfasst und in einer Auswerteeinrichtung dazu verwendet, die Ausgangssignale der Sensorelemente der beiden Sensorzeilen so zu synchronisieren, dass die erfassten Bilder beider Sensorzeilen zu einem Zeilenbild zusammengefasst werden.
  • Dadurch, dass sich die Sensorelemente der beiden Sensorzeilen überlappen, ist sichergestellt, dass keine optisch nicht abgetasteten Bereiche verbleiben.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, aus versetzten, verschobenen oder verdrehten Sensorelementen durch Interpolation geometrisch korrekte Ausgangsdaten in Echtzeit zu berechnen.
  • Mit der Erfindung lässt sich somit ein lückenloses Abtasten (Scannen) einer Abtastzeile bei geometrisch korrekter Lage der Pixel bei hohem Kontrast und umschaltbarer Auflösung erreichen. Überflüssige Pixel im Überlappungsbereich von Sensorelementen der beiden Sensorzeilen lassen sich rechnerisch eliminieren.
  • Auch lässt sich das Auflösungsvermögen der Sensoranordnung einfach umstellen, indem einzelne Pixel der Sensorelemente eliminiert oder für besseren Füllfaktor und geringere Abtastinterferenzen aufsummiert werden, was bereits beim Auslesen der Sensorelemente erfolgen kann.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Geschwindigkeitssensor in die Auswerteeinrichtung integriert und das Geschwindigkeitssignal wird dadurch erzeugt, dass Ausgangssignale von sich überlappenden Pixeln in den beiden Sensorzeilen korreliert werden.
  • Dabei wird bei fest vorgegebenem Abstand (D) der beiden Sensorzeilen die Zeitdauer (t1 – t2) gemessen, innerhalb der ein von der einen Sensorzeile erfasstes Pixel von der anderen Sensorzeile erfasst wird, woraus sich das Geschwindigkeitssignal zu v = D/(t1 – t2) ergibt.
  • Die Erfindung ist auch auf mehrere in Vorschubrichtung hintereinander angeordnete Sensoranordnungen anwendbar und zwar sowohl auf Monochromsensoren als auch auf Farbsensoren mit Farbfiltern an den einzelnen Sensorelementen, auf Farbsensoren mit Zeitmultiplex einer Lichtquelle, auf Sensoren, die mindestens zwei durch Zeitmultiplex der Lichtquelle erzeugte unterschiedliche Bilder ergeben. Auch ist sie auf CCD-basierte und/oder CMOS-basierte Sensorchips anwendbar sowie auf aus diskreten Elementen aufgebaute Sensorzeile n, auf CIS- oder LDIS-Sensoren mit GRIN Linsenarrays, CIS- oder LDIS-Sensoren mit herkömmlichen Linsenarrays oder CIS- oder LDIS-Sensoren ohne abbildende Optik, die mit parallelem Licht und Schattenwurf arbeiten.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
  • 1 Eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung nach der Erfindung,
  • 2 Ein Zeitdiagramm von Triggersignalen für das Auslesen, Speichern und/oder die Auswertung der Ausgangssignale der Sensorelemente der einzelnen Zeilen,
  • 3 Ein Blockschaltbild der Auswerteeinrichtung 5 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
  • 4 Ein Blockschaltbild der Auswerteeinrichtung 5 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung 1, die eine Oberfläche 2 einer Materialbahn 3 optisch zeilenweise abtastet. Im konkreten Ausführungsbeispiel wird die Materialbahn 3 in einer Vorschubrichtung x relativ zur Sensoranordnung 1 bewegt, wobei die Geschwindigkeit der Vorschubbewegung von einem Geschwindigkeitssensor 4 gemessen und an eine Auswerteeinrichtung 5 als elektrisches Signal v übermittelt wird. Bei vielen Anwendungsfällen wie Textilmaschinen, Papiermaschinen, Druckereimaschinen, Blechwalzen usw. wird die Vorschubgeschwindigkeit überwacht und geregelt, so dass der Geschwindigkeitssensor 4 in der entsprechenden Anlage ohnehin vorhanden ist. Der Geschwindigkeitssensor 4 kann auch in die Auswerteeinrichtung 5 integriert sein, was weiter unten beschrieben wird und das Geschwindigkeitssignal v dadurch erzeugen, dass Ausgangssignale von sich überlappenden Pixeln in den beiden Sensorzeilen korreliert werden.
  • Die Sensoranordnung 1 weist hier zwei Sensorzeilen 6 und 7 von Sensorelementen 8 und 9 auf, wobei vorzugsweise alle Sensorelemente 8 und 9 eine Länge l und einen Abstand a zum benachbarten Sensorelement derselben Sensorzeile aufweisen, wobei l größer als a ist. Die Maße l und a könne in den beiden Sensorzeilen aber auch unterschiedlich gewählt sein. Die Sensorelemente 8 und 9 der beiden Sensorzeilen 6 und 7 haben in Vorschubrichtung x einen Abstand D zueinander. Weiter sind die Sensorelemente 9 der zweiten Sensorzeile 7 quer zur Vorschubrichtung x gegenüber den Sensorelementen 8 der ersten Sensorzeile 6 so versetzt angeordnet, so dass sie den Abstand a in Vorschubrichtung x gesehen überdecken und, ebenfalls in Vorschubrichtung x gesehen, die Sensorelemente 8 der ersten Sensorzeile 6 um das Maß ü überlappen. Die Maße a, ü und D können vorteilhaft so gewählt werden, dass für alle per Umschaltung wählbaren Auflösungen die Sensorversätze einer ganzen Zahl von Pixeln entsprechen, sodass in aller Regel eine Interpolation entweder ganz entfällt oder nur geringfügiger Korrekturbedarf besteht. Damit bleiben die mit einer Interpolation einhergehende Kontrastminderungen unerheblich. Jedes Sensorelement tastet mehrere, vorzugsweise quadratische Pixel der Materialbahn ab. Die genannte Überlappung ü entspricht dabei in der Praxis etwa 12 bis 16 Pixel.
  • Alle Sensorelemente 8 und 9 sind elektrisch über Leitungen 10 und 11 mit der Auswerteeinrichtung 5 verbunden. Als Lichtquelle kommen alle möglichen Beleuchtungsmittel in Betracht, wobei beispielweise LED's zum Einsatz kommen können.
  • 2 zeigt ein Diagramm von Triggersignalen Ts in Abhängigkeit von der Zeit t. Es sei angenommen, dass zu einem Zeitpunkt t1 die Sensorelemente 9 der zweiten Sensorzeile 7 teilweise eine Abtastzeile der Materialbahn 3 abtasten. Bis diese Abtastzeile der Materialbahn 3 unter die Sensorelemente 8 der ersten Sensorzeile 6 gelangt, muss sie den Abstand D durchlaufen, wofür sie eine Zeit delta t = D/v benötigt und zu einem Zeitpunkt t2 dort ankommt. Die Auswerteeinrichtung 5 ermittelt aus dem Geschwindigkeitssignal v und dem bekannten Wert von D periodische Triggersignale für das ”Zusammensetzen” der Ausgangssignale der Sensorelemente 8 und 9 der beiden Sensorzeilen 6 und 7, die damit so synchronisiert werden, dass sie genau eine Abtastzeile der Oberfläche 2 der Materialbahn 3 darstellen.
  • Wie erwähnt, kann der Geschwindigkeitssensor 4 auch in die Auswerteeinrichtung 5 integriert sein. Der Geschwindigkeitssensor 4 kann dabei das Geschwindigkeitssignal v dadurch erzeugen, dass Ausgangssignale von sich überlappenden Pixeln in den beiden Sensorzeilen 6 und 7 korreliert werden. Bei fest vorgegebenem und damit bekanntem Abstand D der beiden Sensorzeilen 6 und 7 wird die Zeitdauer t1 – t2 usw. gemessen, innerhalb der ein von der zweiten Sensorzeile 7 erfasstes Pixel an der ersten Sensorzeile 6 angekommen ist. Die Geschwindigkeit v ist dann D/(t1 – t2).
  • Generell werden die Ausgangssignale der Sensorelemente 9 der zweiten Sensorzeile 7 zum Zeitpunkt t1 in einen Speicher der Auswerteeinrichtung 5 eingelesen und die der Sensorelemente 8 der ersten Sensorzeile 6 zum Zeitpunkt t2 in einen zweiten Speicherbereich, wobei dann die Inhalte der beiden Speicherbereiche zu einem ”Bild” einer Abtastzeile zusammengesetzt werden. Die Abtastrate der Sensorelemente kann auch höher sein, so dass im Zeitintervall zwischen t1 und t2 die Sensorelemente 9 der zweiten Sensorzeile 7 bereits weitere Daten eingelesen haben, beispielsweise zu einem Zeitpunkt t3, der zwischen t1 und t2 liegt. In diesem Fall würden die Sensorelemente 8 der ersten Sensorzeile 6 die Auslesung zu einem Zeitpunkt t4 durchführen. Damit bilden die zu den Zeitpunkten t1 und t2 ausgelesenen Daten ein Paar und die zu den Zeitpunkten t5 und t4 ausgelesenen Daten ein zweites Paar.
  • 3 zeigt die Auswerteeinrichtung 5 mit den Sensorelementen 8 und 9 der beiden Sensorzeilen 6 und 7. Jedes Sensorelement 8, 9 ist an einen Analog-/Digitalwandler 13 angeschlossen, der analoge Ausgangsignale der Sensorelemente 8, 9 digitalisiert. An die A/D-Wandler 13 sind clipping-Elemente 14 angeschlossen, die überlappende Pixel der Sensorelemente 8, 9 der beiden Sensorzeilen 6 und 7 wegschneiden bzw. eliminieren. Die so gewonnenen digitalisierten Datenströme der Sensorelemente 8 und 9 werden in Speichern 15 zwischengespeichert. Es handelt sich dabei um sogenannte FIFO-Speicher (First In First Out). Alle Speicher 15 sind an einen Videomultiplexer 16 angeschlossen, der die einzelnen Speicher 15 ausliest und so an seinem Ausgang einen Datenstrom der abgetasteten Zeilen liefert. Alle Vorgänge werden von einer Steuerlogik 17 gesteuert und zwar unter Anwendung von Parametern, die von einem Parameterspeicher 18 zur Verfügung gestellt werden. Das Auslesen der Speicher 15 durch den Multiplexer 16 erfolgt für die der ersten Sensorzeile 6 zugeordneten Sensorelemente 8 und für die der zweiten Sensorzeile 7 zugeordneten Sensorelemente 9 zeitversetzt, nämlich um die Zeitdauer delta t, so dass im Ergebnis genau das gewünschte Abbild einer Sensorzeile erzeugt wird.
  • Anstelle der FIFO-Speicher 15 kann auch ein adressierbarer Speicher verwendet werden.
  • Die Geometriedaten der Sensorelemente 8, 9 wie z. B. die Überlappung ü, der Zeilenabstand D, die Anzahl der von jedem Sensorelement 8, 9 erfassten Pixel sind als Parameter in dem Parameterspeicher 18 hinterlegt, ebenso, wie beispielsweise durch Montagetoleranzen der Sensorelemente 8, 9 bedingte unterschiedliche Anzahl von nutzbaren Pixeln. Das Auslesen der FIFO-Speicher 15 durch den Multiplexer 16 erfolgt so schnell, dass die zwischenzeitlich erfolgte Relativbewegung zwischen der Sensoranordnung 1 und der abzutastenden Materialbahn 3 unerheblich ist und die abgetastete Abtastzeile um weniger als 1 mm schräg gestellt ist.
  • Das Ausführungsbeispiel der 4 verwendet ebenfalls die A/D-Wandler 13 und in Pufferspeichern 19 abgespeicherte digitale Werte. Im Überlappungsbereich ü der Sensorelemente 8 und 9 aufgenommene Pixel werden dort noch nicht eliminiert. Dies erfolgt erst in nachgeschalteten Interpolatoren 20. Aus in dem Parameterspeicher 18 hinterlegten Parametern werden Interpolationskoeffizienten ermittelt, was in einem an die Steuerlogik 17 angeschlossenen Interpolationskoeffizientenrechner 21 erfolgt, der ganzzahlige Anteile von Koeffizienten ermittelt, innerhalb welcher 2×2 Pixelgruppe ein zu berechnendes Pixel liegt. Bruchteile der Koeffizienten beschreiben die Lage des gesuchten Pixels in der 2×2 Pixelgruppe. Die Pixelkoeffizienten können vollständig hinterlegt sein oder zur Laufzeit aus einem Pixelindex aus Start- und Endwert linear berechnet werden. Die Interpolationskoeffizienten berücksichtigen auch die versetzt angeordneten Sensorelemente 8, 9 sowie die Vorschubrichtung.
  • Mit den Interpolationskoeffizienten lesen die Interpolatoren 20 jeweils passende 4 Pixel aus dem Speicher 19 aus und interpoliert das gesuchte Pixel. Querverbindungen zwischen den Interpoltoren 20 stellen auch eine Interpolation über Sensorgrenzen hinaus sicher.
  • Die so gewonnenen geometrisch korrigierten Datenströme werden in dem Multiplexer 16 zu einem Gesamtdatenstrom zusammengefügt. Auch hier werden alle Elemente von der Steuerlogik 17 auf Basis der Parameter des Parameterspeichers 18 gesteuert.
  • Bei beiden Ausführungsbeispielen der 3 und 4 kann auch das Geschwindigkeitssignal V wie oben beschrieben ermittelt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7807951 B1 [0002]
    • AT 223828 B [0004]
    • DE 10124943 A1 [0005]
    • DE 20105840 U1 [0005]
    • DE 10609045 C1 [0007]

Claims (3)

  1. Sensoranordnung (1) zum zeilenweisen optischen Abtasten einer Abtastzeile einer Materialbahn (3), wobei die Materialbahn (3) und die Sensoranordnung (1) relativ zueinander in einer Vorschubrichtung (x) bewegbar sind, mit mindestens zwei Sensorzeilen (6, 7) von Sensorelementen (8, 9), wobei die zwei Sensorzeilen (6, 7) von Sensorelementen (8, 9) in Vorschubrichtung (x) einen ersten Abstand (D) zueinander haben, wobei die einzelnen Sensorelemente (8, 9) jeder Sensorzeile (6, 7) quer zur Vorschubrichtung (x) innerhalb einer Sensorzeile (6, 7) jeweils in einem zweiten Abstand (a) zueinander angeordnet sind und die Sensorelemente (8) der ersten Sensorzeile (6) den zweiten Abstand (a) der Sensorelemente (9) der zweiten Sensorzeile (7) überdecken und teilweise auch deren Sensorelemente (8) und wobei Ausgangssignale aller Sensorelemente (8, 9) einer Auswerteeinrichtung (5) zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (4) vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit (v) der Relativbewegung in Vorschubrichtung (x) der Materialbahn (3) und der Sensoranordnung (1) misst und ein entsprechendes Geschwindigkeitsmesssignal (v) an die Auswerteeinrichtung (5) übermittelt, dass die Auswerteeinrichtung (5) in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsmesssignal (v) Triggersignale zum Auslesen, Speichern und/oder Auswerten von Ausgangssignalen der Sensorelemente (8, 9) erzeugt und dass die zu verschiedenen Zeitpunkten (t1, t2) ausgelesenen und/oder gespeicherten Ausgangsignale der Sensorelemente (8, 9) der beiden Sensorzeilen (6, 7) zu einem Bild der Abtastzeile zusammengesetzt werden.
  2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitssensor (4) in die Auswerteeinrichtung (5) integriert ist und das Geschwindigkeitssignal (v) dadurch erzeugt, dass Ausgangssignale von sich überlappenden Pixeln in den beiden Sensorzeilen (6 und 7) korreliert werden.
  3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei fest vorgegebenem Abstand (D) der beiden Sensorzeilen (6 und 7) die Zeitdauer (t1 – t2) gemessen wird, innerhalb der ein von der zweiten Sensorzeile (7) erfasstes Pixel von der ersten Sensorzeile (6) erfasst wird, woraus sich das Geschwindigkeitssignal (v) zu v = D/(t1 – t2) ergibt.
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