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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Bei Spektrometern kann abhängig von Beleuchtungs- und Detektionswinkel auch eine direkte Reflexion von einem ausgesandten Licht auf den Lichtsensor erfolgen, sodass hier eine Überbelichtung des Lichtsensors im Bereich des direkten Reflexionsstrahls resultiert. Sollen nun Materialien untersucht werden, die beispielsweise eingeschweißt sind, kann direkte Reflexionen das sonstig auf diffuser Reflexion basierende spektrale Messsignal verfälschen, da die Materialinformation der Folie oder der Oberfläche des zu untersuchenden Materials mit einer erhöhten Intensität zurückreflektiert wird. Dies führt dazu, dass eine Use-case-spezifische Unterscheidung nicht mehr möglich ist, wenn auf der z. B. Folie oder Oberfläche keine notwendigen Signalinformationen mehr vorliegen oder diese in der Überbelichtung durch die direkte Reflexion nicht mehr erkennbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird vorliegend ein Verfahren zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor vorgestellt, wobei der Lichtsensor zumindest zwei räumlich getrennt angeordnete und getrennt auslesbare Sensorelemente aufweist, insbesondere wobei die Sensorelemente als Spektrometer ausgeführt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Einlesen eines ersten Lichtintensitätswertes von auf ein erstes Sensorelement auftreffenden Lichts und zumindest eines zweiten Lichtintensitätswertes von auf zumindest ein zweites Sensorelement auftreffenden Lichts; und
- - Erkennen des Auftreffens des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement, wenn der erste Lichtintensitätswert größer als der zweite Lichtintensitätswert ist.
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Unter einem Lichtreflexionsstrahl kann vorliegend ein Lichtstrahl oder Lichtstrahlenbündel verstanden werden, der eine direkte Rückreflektion eines Lichtstrahls darstellt, welcher auf ein Objekt abgestrahlt wurde. Es kann sich hierbei um einen Lichtstrahl oder ein Lichtstrahlenbündel handeln, der /das spekular/glänzend reflektiert wird und somit einem dem Einfallswinkel zur Normalen gleichen Ausfallswinkel besitzt. Dabei kann es sich auch um einen diffus reflektierenden Lichtstrahl oder Lichtstrahlenbündel handeln. Unter einem Sensorelement kann vorliegend ein Teilbereich eines Lichtsensors verstanden werden, der separat ausgelesen werden kann und somit eine Lichteinstrahlung auf einem Teilbereich einer gesamten Sensorfläche des Lichtsensors erfasst. Unter einem Lichtintensitätswert kann vorliegend ein Wert verstanden werden, der eine Helligkeit oder Stärke des auf ein Sensorelement eingestrahlten Lichts repräsentiert.
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Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Auftreffen eines direkten Lichtreflexionsstrahls der Lichtintensitätswert auf einem der Sensorelemente, die den Lichtsensor bilden, eine sehr hohe eingestrahlte Lichtmenge bzw. Lichtintensität erkannt wird. Dies führt dazu, dass der von diesem Sensorelement erfasste Lichtintensitätswert deutlich größer sein wird, als der von dem zumindest einen anderen, beispielsweise dem zweiten Sensorelement. Somit kann bei einem höheren Lichtintensitätswert des von einem Sensorelement gelieferten Lichtintensitätswerts unter anderem ein Rückschluss darauf gezogen werden, dass dieses betreffende Sensorelement von einem direkten Lichtreflexionsstrahl getroffen wurde. Der hier vorgestellte Ansatz bietet dabei den Vorteil einer sehr einfachen Erkennung von einem direkten Lichtreflexionsstrahl, der möglicherweise die Auswertung der von den Sensorelementen gelieferten Werte erschwert. Wird jedoch erkannt, dass eines der Sensorelemente von einem direkten Lichtreflexionsstrahl getroffen wurde, kann der von dem entsprechend betroffenen Sensorelement gelieferte Wert korrigiert, verworfen oder kompensiert werden, um insgesamt eine verbesserte Auswertung des von dem Lichtsensor bzw. den Sensorelementen gelieferten Signals zu erreichen.
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Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Erkennens das Auftreffen des direkten Lichtreflexionsstrahl auf das erste Sensorelement erkannt wird, wenn der erste Lichtintensitätswert um zumindest einen von dem zweiten Lichtintensitätswert abhängigen Wert größer als der zweite Lichtintensitätswert ist. Beispielsweise kann bei einem geringen Reflexionsgrad (von beispielsweise unter fünfzig Prozent) von Licht an einem Objekt der direkte Lichtreflexionsstrahl erkannt werden, wenn die erste Lichtintensität größer als das doppelte des zweiten Lichtintensitätswertes ist, wenn jedoch ein hoher Reflexionsgrad (beispielsweise mindestens fünfzig Prozent) von Licht an einem Objekt auftritt, kann bereits ein um zehn oder zwanzig Prozent erhöhter erster Lichtintensitätswert gegenüber dem zweiten Lichtintensitätswert in der Erkennung eines auf das erste Sensorelement auftreffenden direkten Lichtreflexionsstrahls resultieren. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, besonders flexibel in unterschiedlichen Umweltszenarien Signale eines Lichtsensors auswerten zu können, wobei eine präzise Erkennung von einem direkten Lichtreflexionsstrahl möglich wird.
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Von Vorteil ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem ein Schritt des Auswertens vorgesehen ist, in dem ein Signal des ersten Sensorelementes verworfen und/oder korrigiert und zumindest ein Signal des zweiten Sensorelementes weiterverarbeitet wird, wenn im Schritt des Erkennens das Auftreffen des direkten Lichtintensitätsstrahls auf das erste Sensorelement erkannt wurde. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass ein Signal eines Sensorelementes verworfen oder schwächer gewichtet bzw. korrigiert bei der Auswertung von Signalen des Lichtsensors berücksichtigt wird, bei dem das Auftreffen eines direkten Lichtreflexionsstrahls erkannt wurde und dessen Signal dann möglicherweise fehlerhaft oder zumindest nicht zuverlässig das tatsächlich auf das Sensorelement einfallende Licht repräsentiert, welches Informationen aus der Tiefe des Materials trägt, an dem es gestreut wurde. Auf diese Weise lässt sich somit ein präziseres Ergebnis der Auswertung der von den Sensorelementen gelieferten Signalen erreichen.
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Besonders präzise kann eine Erkennung eines direkten Lichtreflexionsstrahls dann erfolgen, wenn in einer Ausführungsform im Schritt des Einlesens ferner zumindest ein dritter Lichtintensitätswert von einem auf zumindest ein drittes Sensorelement des Lichtsensors auftreffenden Lichts eingelesen wird. Hierbei ist das dritte Sensorelement räumlich getrennt vom ersten und zweiten Sensorelement angeordnet und getrennt von diesen beiden Sensorelementen auslesbar, wobei im Schritt des Erkennens das Auftreffen des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement erkannt wird, wenn der erste Lichtintensitätswert größer als der zweite und dritte Lichtintensitätswert ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die Verwendung von zumindest drei Sensorelementen bzw. deren Signalen das Auftreffen des direkten Lichtreflexionssignals deutlich sicherer erkennen zu können.
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Weitere räumlich getrennte Sensorelemente (>3) werden ebenfalls zu einer Verfeinerung der Erkennung führen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann ein Schritt des Beleuchtens vorgesehen sein, wobei das Objekt mit Abstrahllicht einer vordefinierten räumlichen Abstrahllichtintensität beleuchtet wird, wobei im Schritt des Erkennens das Auftreffen des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement unter Verwendung der Abstrahllichtintensität erkannt wird. Beispielsweise kann im Schritt des Erkennens ein Verhältnis zwischen der Abstrahllichtintensität und der vom ersten bzw. zweiten Sensorelement erfassten Helligkeit gebildet werden, welche dann die entsprechenden Lichtintensitätswerte darstellt. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer sehr zuverlässigen Ermittlung der jeweiligen Lichtintensitätswerte aufgrund der Information, mit welcher Intensität das Objekt angestrahlt wurde, sodass auf bei unterschiedlichen externen Beleuchtungssituationen des Objektes noch eine präzise Erkennung des direkten Lichtreflexionsstrahls möglich ist.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Beleuchtens das Abstrahllicht in eine Richtung abgestrahlt wird, die im Wesentlichen einer Ausrichtung des Lichtsensors zur Detektion von Licht entspricht, und/oder wobei eine Abstrahlachse des Abstrahllichts mit einer Flächennormale eines Zentrums des Lichtsensors im Wesentlichen übereinstimmt. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass durch die vorgegebene Lichtaussendungsrichtung bzw. die Abstrahlrichtung Fremdlicht bei der Auswertung der Lichtintensitätswerte mit großer Zuverlässigkeit für die Ermittlung der Lichtintensitätswerte erkannt und für die weitere Verarbeitung unberücksichtigt bzw. kompensiert werden kann und somit eine nochmals verbesserte Möglichkeit zur Auswertung des von den Sensorelementen empfangenen Lichts möglich wird.
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Denkbar ist ebenfalls eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der im Schritt des Beleuchtens das Abstrahllicht im Wesentlichen in eine andere Richtung abgestrahlt wird, als einer Ausrichtung des Lichtsensors zur Detektion von Licht, und/oder wobei eine Abstrahlachse des Abstrahllichts zu einer Flächennormale eines Zentrums des Lichtsensors im Wesentlichen versetzt angeordnet ist. Auch durch eine solche Ausführungsform kann eine zuverlässige Erkennung des Lichtreflexionsstrahls bzw. eine nachfolgende Auswertung der Signale der Sensorelemente erfolgen.
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Von Vorteil ist ferner auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem ein Schritt des Ausgebens einer Veränderungsinformation vorgesehen ist, wenn ein Auftreffen des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement erkannt wird, um eine Anforderung einer Veränderung der Lage des Lichtsensors zu signalisieren. Auf diese Weise kann beispielsweise erreicht werden, dass ansprechend auf die ausgegebene Veränderungsinformation die Position des Lichtsensors bzw. der einzelnen Sensorelemente in Bezug auf das Objekt verändert wird, sodass eine direkte Reflexion von Licht auf einer Oberfläche des Objektes hin zum Lichtsensor vermieden werden kann. Hierdurch lässt sich auf einfache und schnelle Art eine Verbesserung der Auswertungsmöglichkeit für die Signale der Sensorelemente des Lichtsensors erreichen, da dann eventuell das Auftreffen eines direkten Lichtreflexionsstrahls nach der Veränderung der Position des Lichtsensors bzw. der Sensorelemente in Bezug zum Objekt ganz vermieden werden kann.
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Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes mit einem Schritt des Umlenkens von Licht auf den Lichtsensor, wobei im Schritt des Umlenkens Licht von zumindest zwei unterschiedlichen Einstrahlrichtungen auf das erste und/oder zweite Sensorelement umgelenkt wird. Ein solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer homogenen Ausleuchtung der Sensorelementen (auch aus unterschiedlichen Richtungen), sodass das Auftreffen eines direkten Lichtreflexionsstrahls schnell und eindeutig erkannt werden kann.
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Bei Verwendung von beispielsweise zwei gegenüberliegenden Lichtquellen, die sequentiell angesteuert werden, kann ebenfalls herausgefunden werden, bei welcher Beleuchtungsrichtung eine z.B. größeren Lichtintensitätsdifferenz zwischen den Sensorelementen erzeugt wird. Durch die Auswertung der Lichtintensitäten lässt sich der Winkellage des Targets ermitteln, so dass eine verbesserte Auswertung ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes wird ein Verfahren zur Auswertung einer Information in einem auf einen Lichtsensor einfallenden Lichts vorgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Verfahrens zum Erkennen gemäß einer hier vorgestellten Variante und einen Schritt des Analysierens, insbesondere Spektral-Analysierens des von dem zweiten Sensorelement eingelesenen Lichts auf zumindest ein vordefiniertes Merkmal. Unter einem vordefinierten Merkmal kann vorliegend beispielsweise ein bestimmtes Muster oder eine bestimmte spektrale Farbkombination verstanden werden, die einen Hinweis auf einen bestimmten Code gibt, der hier zu erfassen ist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer schnellen und präzisen Auswertungsmöglichkeit von Informationen, die in einem vom Lichtsensor gelieferten Signal enthalten sind.
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Diese hier vorgestellten Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät oder einer Vorrichtung implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft somit auch eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Aufsichtdarstellung auf einen Lichtsensor;
- 2 eine schematische Darstellung eines Lichtsensors, der ebenfalls vier Sensorelemente aufweist;
- 3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls 120 von einem Objekt auf einen Lichtsensor einfallenden Lichts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Aufsichtdarstellung auf den Lichtsensor gemäß dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor, Und
- Fig.. 6 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Bei bestimmten Applikationen kann die Position des zu messenden Objektes zum optischen Spektrum Messgerät nicht genau eingestellt werden. Die nicht genau definierte Winkelposition des Targets kann dazu führen, dass direkte Reflektion mitgemessen wird.
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Ein Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass durch ein überhöhtes Signal aus einem Winkel des Targets eine direkte Reflexion von Licht von einem Objekt auf den Lichtsensor erkannt und die Messeinflüsse durch die Signalverarbeitung minimiert bzw. ausgeschlossen werden kann. Es erfolgt dann eine Sammlung der Photonen eines beleuchtenden Körpers mit einem bestimmten Einfallswinkel und Reflexion, Absorption oder destruktive Interferenz der nicht benötigten Photonen, sodass keine Fehlsignale erzeugt werden. Beispielsweise kann dies in einem FPI (=Fabry-Perot Interferometer) oder einer Detektorkombination erfolgen. Um solche Fehlsignale zu vermeiden, kann gemäß dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden.
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1 zeigt eine Aufsichtdarstellung auf einen Lichtsensor 100. Der Lichtsensor 100 umfasst vorliegend das erste Sensorelement 110a, das zweite Sensorelement 110b, das dritte Sensorelement 110c und das vierte Sensorelement 110d, die in zwei Zeilen und zwei Spalten im Lichtsensor 100 angeordnet sind. Die Sensorelemente 110a-d können als Bildsensoren eine Pixelmatrix aufweisen und somit jeweils Licht in mehreren Bildpunkten abbilden bzw. erfassen. Somit erfassen die Sensorelemente 110 nicht nur punktförmig auf einen Teilbereich des Lichtsensors 100 einfallendes Licht, sondern die Sensorelemente 110 bilden einen flächigen Bereich des lichtempfindlichen Sensorbereichs des Lichtsensors 100 ab. Die Sensorelemente 110a-d sind ferner je ausgebildet, Licht beispielsweise in Farbe und/oder Intensität zu erfassen und einen entsprechenden Farb- oder Lichtintensitätswert auszugeben. Die Sensorelemente 110a-d sind auch unabhängig voneinander auslesbar, sodass beispielsweise der Lichtintensitätswert und/oder Farbwert jedes Sensorelements nicht durch auf ein anderes Sensorelement einfallendes Licht beeinflusst wird.
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Fällt nun ein direkter Lichtreflexionsstrahl 120, der ein Licht darstellt, das von einem in der 1 nicht dargestellten Objekt (Target) auf das erste Sensorelement 110a direkt zurückreflektiert wird, wie es in der 1 durch den Lichtreflexionsstrahl 120 dargestellt ist, wird durch die direkte Reflexion 110a eine starke Inhomogenitätsverteilung auf dem Detektor, d. h. dem Lichtsensor 100 erzeugt. Diese Inhomogenität zeichnet sich dadurch aus, dass auf das erste Sensorelement 110a eine deutlich größere Lichtmenge bzw. Lichtintensität eingestrahlt wird, als auf die anderen drei Sensorelemente 110b-d. Der erste Lichtintensitätswert, der von dem ersten Sensorelement 110a bereitgestellt wird und der die auf das erste Sensorelement 110a einfallende Lichtintensität repräsentiert, kann nun mit einem zweiten Lichtintensitätswert verglichen werden, der von dem zweiten Sensorelement 110a (oder auch dem dritten oder vierten Sensorelement 110c oder 110d als dritter bzw. vierter Lichtintensitätswert) bereitgestellt wird und der die auf das zweite Sensorelement 110b (bzw. dritte Sensorelement 110c oder vierte Sensorelement 110d) einfallende Lichtintensität repräsentiert. Wird nun erkannt, dass der erste Lichtintensitätswert größer als der zweite Lichtintensitätswert (und/oder der dritte und/oder vierte Lichtintensitätswert) ist, kann in einer ganz allgemeinen Form davon ausgegangenen werden, dass nun der direkte Lichtreflexionsstrahl 120 auf das erste Sensorelement 110a gefallen ist.
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Es kann durch die Auswertung der Lichtintensitäten bei einer sehr hohen und/oder inhomogenen Lichtintensität auf dem Detektor bzw. dem ersten Sensorelement 110a des Lichtsensors 100 die jeweiligen Detektorflächen ausweisen, bei dem eine direkte Reflexion eines Lichtstrahls am Ort des Targets vorliegt. Eine nachgelagerte Signalverarbeitung kann dann beispielsweise ein Signal von diesem ersten Sensorelement 110a bzw. von dieser Detektorfläche ausblenden, sodass das FPI-Messergebnis bei einer Analyse des von dem Lichtsensor 100 gelieferten Signals nicht durch die direkte Reflexion zerstört oder zumindest verschlechtert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der auf das erste Sensorelement 110a auftreffende direkte Lichtreflexionsstrahl dann erkannt wird, wenn der erste Lichtintensitätswert um zumindest einen von dem zweiten Lichtintensitätswert abhängigen Wert größer als der zweite und/oder dritte und/oder vierte Lichtintensitätswert ist. Beispielsweise kann hier ein Abstrahllichtintensitätswert mit berücksichtigt werden, der eine Intensität von auf das Objekt abgestrahlten Abstrahllichts repräsentiert. Wird nun beispielsweise erkannt, dass der zweite Lichtintensitätswert einem Wert von 20 Prozent von dem Abstrahllichtintensitätswert aufweist, kann ab einem erkannten ersten Lichtintensitätswert von 40 Prozent davon ausgegangen werden, dass das erste Sensorelement 110a von dem direkten Lichtreflexionsstrahl getroffen wird. Wird dagegen beispielsweise erkannt, dass der zweite Lichtintensitätswert einen Wert von 60 Prozent von dem Abstrahllichtintensitätswert aufweist, kann ab einem erkannten ersten Lichtintensitätswert von 80 Prozent davon ausgegangen werden, dass das erste Sensorelement 110a von dem direkten Lichtreflexionsstrahl getroffen wird. Auf diese Weise wird im Bereich der geringen (relativen) Lichtintensitätswerte eine Fehlerwahrscheinlichkeit der fälschlichen Erkennung des Auftreffens des direkten Lichtreflexionsstrahls 120 auf das erste Sensorelement 110a minimiert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtsensors 100, der ebenfalls 4 Sensorelemente 110a-d aufweist. Dieser Lichtsensor 100 bildet dann eine Detektorstruktur zur Detektion von direkten Reflexionen. Wird über alle vier Sensorelemente ein innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise 20 Prozent gleicher homogener Fotostrom gemessen, kann davon ausgegangen werden, dass keine direkte Reflexion auf das Ziel, also den Lichtsensor 100 trifft. Wird in einem der Sensorelemente, beispielsweise dem ersten Sensorelement 110a ein erhöhter Fotostrom gemessen, verglichen mit einem oder mehreren der drei anderen Sensorelemente, kann eine direkte Reflexion von Licht auf dasjenige Sensorelement 110a erkannt werden, an welchem die höhere Lichtintensität gemessen wurde. In einer nachfolgenden Verarbeitung der Signale der Sensorelemente 110a-d des Lichtsensors 100 kann dann das Signal desjenigen Sensorelementes 110a ausgeschaltet bzw. unberücksichtigt werden, welches durch die direkte Lichtreflexion betroffen ist.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 300 zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls 120 von einem Objekt auf einen Lichtsensor 100 einfallenden Lichts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 300 eine Beleuchtungseinheit 305, die eine Lichtquelle 310 aufweist, welche auf einer gemeinsamen Achse 315 mit einer Flächennormalen 320 durch ein Zentrum des Lichtsensors 100 liegt. Weiterhin umfasst die Beleuchtungseinheit 305 einen gekrümmten Reflexionsschirm 325, um den von der Beleuchtungseinheit 305 abgestrahltes Abstrahllicht 330 in einem Lichtkegel auf ein Objekt 335 abzustrahlen, welches sich in einem Abstand 340 von der Vorrichtung 300 entfernt befindet.
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Unter der Beleuchtungseinheit 305 ist der Lichtsensor 100 mit den einzelnen Sensorelementen 110 angeordnet, der durch eine seitliche Beleuchtung mit einem vom Objekt reflektierten Abstrahllicht beleuchtet werden kann. Hierbei wird diese Beleuchtung unter Verwendung einer Spiegeleinheit 332 durchgeführt, die unterschiedliche Bereiche auf einer Oberfläche des Objekts 335 auf je einen Sensor abbilden kann. Beispielsweise kann die Spiegeleinheit 332 das in einem ersten Bereich 345 von der Oberfläche des Objekts 335 zurückreflektierte Licht in einem ersten Blickwinkel 350 und ein von einem zweiten Bereich 352 von der Oberfläche des Objektes 335 zurückreflektierte Licht in einem zweiten Blickwinkel 355 über die linke Öffnung 357 der Spiegeleinheit 332 auf eines der Sensorelemente 110 des Lichtsensors 100 abbilden. Analog kann beispielsweise die Spiegeleinheit 332 das in dem ersten Bereich 345 von der Oberfläche des Objekts 335 zurückreflektierte Licht in einem dritten Blickwinkel 360 und ein von dem zweiten Bereich 352 von der Oberfläche des Objektes 335 zurückreflektierte Licht in einem vierten Blickwinkel 365 über die rechte Öffnung 367 der Spiegeleinheit 332 auf eine anderes der Sensorelemente 110 des Lichtsensors 100 abbilden.
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Auf diese Weise kann auf ein Sensorelement 110 des Lichtsensors 100 von der Oberfläche des Objektes 335 zurückreflektiertes Licht aus unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche des Objektes 335 abgebildet werden. Hierdurch kann eine möglichst homogene und gleichmäßige Beleuchtung der Sensorelemente 110 erreicht werden. Wird nun auf einem der Sensorelemente 110 einer der vorstehend genannten höheren Lichtintensitätswerte gemessen, kann davon ausgegangen werden, dass das Objekt 335 in einem solchen Winkel zu der Vorrichtung ausgerichtet ist, dass das Licht der Lichtquelle 310 direkt an der Oberfläche des Objekts 335 reflektiert wird und als direkter Lichtreflexionsstrahl 120 auf das entsprechende Sensorelement 110 abgebildet wird. Dies würde dazu führen, dass durch die hohe Lichtintensität auf dem betreffenden Sensorelement 110 eine Übersteuerung des Sensorelementes erfolgen würde, sodass es bei der Berücksichtigung des Signals dieses Sensorelementes 110, auf das der direkte Lichtreflexionsstrahl 120 trifft, eine gesamte Verschlechterung des Ergebnisses der Signale der (anderen) Sensorelemente 110 des Lichtsensors 100 resultieren würde. Diese Auswertung der Signale der Sensorelemente 110 kann dann beispielsweise nach einem Einlesen in einer durch eine entsprechende Einleseeinheit 369 in einer Analyseeinheit 370 erfolgen, in der beispielsweise das Signal desjenigen Sensorelementes 110a verworfen oder korrigiert wird, während ein Signal eines anderen der Sensorelemente 110b bis 110d, welches nicht durch den direkten Lichtreflexionsstrahl betroffen ist, nicht verworfen oder entsprechend kompensiert wird. In dieser Analyseeinheit kann auch ein Analysieren zumindest des von dem zweiten Sensorelement eingelesenen Signals erfolgen, beispielsweise auf zumindest ein vordefiniertes Muster. Ein solches Muster kann beispielsweise die spektralen Materialeigenschaften des Objektes 335 darstellen, die eine Information enthält, welche durch die Analyseeinheit ausgewertet werden soll. Denkbar ist ferner auch noch, dass durch die Einleseeinheit 369 oder eine Ausgabeeinheit (beispielsweise als Teil der Einleseeinheit 369 oder der Analyseeinheit 370) ein Ausgeben einer Veränderungsinformation erfolgt. Diese Veränderungsinformation kann dann beispielsweise ein Verschwenken der Vorrichtung 300 anfordern, wenn ein Auftreffen des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement erkannt wird, sodass beispielsweise ein Nutzer der Vorrichtung 300, wenn diese beispielsweise in einem Mobiltelefon verbaut ist, einen anderen Blickwinkel auf das Objekt 335 bzw. dessen Oberfläche einnimmt. Dies kann dann dazu führen, dass kein direkter Lichtreflexionsstrahl mehr auf das erste Sensorelement 110a fällt, sodass die Auswertung der Signale der Sensorelemente erleichtert wird.
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4 zeigt eine Aufsichtdarstellung der Ausführung gemäß 3. Die Beleuchtungseinheit 305 mit der Lichtquelle 310 ist ebenfalls konzentrisch um einen zentralen Punkt angeordnet, wenn die Lichtquelle auf einer Achse mit der Flächennormalen 320 des Lichtsensors 100 liegt. Das Gehäuse 400 hat eine ringförmige konzentrische Apertur Anordnung zur Minimierung einer Variation des Einfallswinkels. Deren einfallenden Lichtstrahlen werden zu dem Sensorelement 100 (nicht sichtbar) geleitet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird somit ein Bauelement vorgestellt, das ein Miniaturspektrometer aufweist, welches eine Lichtquelle 310 und ein spektrales Element mit einem Abbildungssystem bzw. einer Lichtführung aufweist, beispielsweise in der Form der Spiegeleinheit 332 und dem Reflexionsschirm 325. Ferner umfasst ein solches Miniaturspektrometer als Vorrichtung 300 einen geteilten Fotodetektor bzw. Lichtsensor 100 (beispielsweise in der Form einer zweiteiligen Fotodiode, bei der jeder Teil der Fotodiode als Sensorelement 110 arbeitet, Quadranten-Fotodioden-Detektor-Array, 2D-Detektor-Array (z. B. CMOS oder CCD Kamera Chip). In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Miniaturspektrometer ausgebildet, um das Differenzsignal der Fotodiode (Lichtsensors 100) bzw. der Sensorelemente 110 zur Bestimmung direkter Reflexion genutzt wird. Auch kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Miniaturspektrometer verwendet werden, bei dem das spektrale Element ein mikromechanisches Fabry-Perot Interferometer-Bauelement (FPI-Bauelement) ist, wobei dieses Interferometer mindestens ein Substrat und zwei durch einen Spalt voneinander beabstandete, übereinander angeordneten Spiegelelemente aufweist. Die Kenntnis des Haupteinfallswinkels von Licht auf die Sensorelemente 110 kann dann auch zur Korrektur einer Wellenlängenverschiebung in den Spektren verwendet werden, die sich ergibt, wenn Licht unter einem anderen Winkel als dem Senkrechten auf ein FPI fällt. Die hier vorgestellten Ausführungsbeispiele können auch mit exzentrischer oder mit konzentrischer Beleuchtungsanordnung verwendet werden, um konzentrische oder exzentrische Beleuchtungen aus unterschiedlichen Raumwinkeln zu erzeugen und die unterschiedlichen Raumwinkel-Beleuchtungsabschnitte durch den FPI auf separate Detektorflächen leiten. Auch kann in einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel die Messung der Photonenintensitätsverteilung auf den Detektorflächen zur Bestimmung der Raumwinkel mit direkter Reflexion verwendet werden. Hierzu kann ausgenutzt werden, dass Detektorflächen mit sehr hoher Photonenintensität in Vergleich zu den anderen Pixeln bzw. Sensorelementen auf die direkte Reflexion hindeuten.
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Eine Auswertung des Detektorarrays kann in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel durch eine Elektronik/Signalverarbeitung und gegebenenfalls einem Ausblenden oder Nicht-Berücksichtigen der nicht nutzbaren Detektorflächen im Array (Abhängig vom Use-Case) erfolgen.
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Denkbar ist ferner ein Ausführungsbeispiel bei dem ein Anzeigen auf z.B. einem Handydisplay erfolgt, in welche Richtung das Handy bewegt werden muss, um eine direkte Reflexion zu vermeiden.
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Die Anwendung der hier vorgestellten Ausführungsbeispiele bietet beispielsweise den Vorteil einer Erkennung der winkelabhängigen direkten Reflexion (Verkippung der Targetoberfläche zur optischen Achse des Spektrometers), sofern im Spektrum der direkten Reflexion keine oder fehlerhafte Materialinformationen vorhanden sind. Eine nachfolgende Kompensation oder Ausblendung führt zu einer Erhöhung der Robustheit bei manuellen Messsituationen z. B. im Handy oder bei Handheld Spektrometer Systemen.
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Zusammenfassend ist weiterhin anzumerken, dass in der 3 ein möglicher Aufbau einer Vorrichtung zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor in einer Schnittdarstellung gezeigt ist, bei dem eine vorteilhafte konzentrische Beleuchtung vorliegt (Beleuchtungsachse = FPI /Detektorachse). Eine leicht exzentrische Beleuchtung könnte ebenfalls genutzt werden, jedoch ist der Kalibrierungs-, Kompensationsbedarf höher, weil der Spot nicht konzentrisch (FPI/Detektorachse) in unterschiedlichen Target Abständen ausgeleuchtet ist. Mindestens 2 unterschiedliche Targetflächen (beleuchtet aus unterschiedlichen Richtungen) werden dazu genutzt, um das Licht separat auf die jeweiligen Detektorflächen bzw. Sensorelemente 110 zu leiten. Vier unterschiedliche Flächen am Detektor sind vorteilhaft, um die direkte Reflexion auf beiden lateralen Targetachsen erkennen zu können. In 2 ist eine Variante mit 4 Detektorflächen dargestellt, die hier als Sensorelemente 110 bezeichnet werden und die ebenfalls in dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet werden können.
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Um die Lichteffizienz und damit „Signal to Noise Ratio“ (SNR) im Vergleich zu einer einfachen Lichtstrahlführung zu verbessern, können die Lichtstrahlen auf unterschiedlichen Wegen über ein FPI zum Detektorsegment bzw. Sensorelement geführt werden. Es treffen somit mehr Lichtstrahlen auf die jeweilige Detektorfläche bzw. auf die Sensorelemente 110. Die Lichtstrahlen sollten vorteilhaft mit gleichem Einfallswinkel (zur FPI Flächennormalen) auf das FPI treffen, sodass die Bandbreite des FPI Spektrometers nicht verschlechtert wird.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor, wobei der Lichtsensor zumindest zwei räumlich getrennt angeordnete und getrennt auslesbare Sensorelemente aufweist. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 510 des Einlesens eines ersten Lichtintensitätswertes von auf ein erstes Sensorelement auftreffenden Lichts und zumindest eines zweiten Lichtintensitätswertes von auf das zumindest zweite Sensorelement auftreffenden Lichts. Ferner umfasst das Verfahren 500 einen Schritt 520 des Erkennens des Auftreffens des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement, wenn der erste Lichtintensitätswert größer als der zweite Lichtintensitätswert ist.
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6 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 600 zum Erkennen eines direkten Lichtreflexionsstrahls von einem Objekt auf einen Lichtsensor, wobei der Lichtsensor zumindest zwei räumlich getrennt angeordnete und getrennt auslesbare Sensorelemente aufweist. Die Vorrichtung 600 umfasst eine Einheit 610 zum Einlesen eines ersten Lichtintensitätswertes von auf ein erstes Sensorelement auftreffenden Lichts und zumindest eines zweiten Lichtintensitätswertes von auf das zumindest zweite Sensorelement auftreffenden Lichts. Auch umfasst die Vorrichtung 600 eine Einheit 620 zum Erkennen des Auftreffens des direkten Lichtreflexionsstrahls auf das erste Sensorelement, wenn der erste Lichtintensitätswert größer als der zweite Lichtintensitätswert ist.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
