DE202009018177U1

DE202009018177U1 - Driftstabilisierter Farbsensor mit variabler Empfindlichkeit und Beleuchtungsintensität

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Publication number: DE202009018177U1
Application number: DE202009018177U
Authority: DE
Original assignee: ASTECH ANGEWANDTE SENSORTECHNIK GmbH
Current assignee: ASTECH ANGEWANDTE SENSORTECHNIK GmbH
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2019-11-21
Also published as: DE102009054136A1

Abstract

Anordnung zur Driftstabilisierung eines Farbsensors mit variabler Empfindlichkeit und Beleuchtungsintensität, gekennzeichnet durch,
einen Stabilisierungsfarbmesskanal zum Führen eines variablen Teils des modulierten Messobjektbeleuchtungslichtes einer integrierten Lichtquelle (8) mittels internem Lichtwellenleiter auf einen ebenfalls integrierten Referenzmehrbereichsfotoempfänger (4);
einer optomechanischen Lichtabschnürvorrichtung (7) zum variablen Einstellen der Lichtmenge des auf den Referenzmehrbereichsfotoempfänger (4) geführten modulierten Lichtes, wobei die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung (7) einen optisch abschnürbaren Freistrahllichtkanal (9) und ein mechanisch bewegliches Abschattungselement (10, 24) enthält;
einen Nutzfarbmesskanal der mit einem Nutzmehrbereichsfotoempfänger (3) ausgestattet ist, der dem Referenzmehrbereichsfotoempfänger (4) entspricht;
eine elektronische Signalverarbeitung (12 bis 18), wobei die elektronische Signalverarbeitung (12 bis 18) des Referenzmehrbereichsfotoempfängers (4) und des Nutzmehrbereichsfotoempfängers (3) gleichartig, parallel und synchron erfolgt;
wobei die Farbwerte des Referenzmehrbereichsfotoempfängers (4) zur dynamischen Berechnung von Korrekturfaktoren zur Stabilisierung eines Nutzfarbmesskanals verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Driftstabilisierung bei Farbsensoren mit variabler Lichtmengeneinstellung für den Referenzkanal.
Allgemeiner Stand der Technik
Verschiedene Stabilisierungsmaßnahmen bei Farbsensoren sind dem Stand der Technik nach bekannt.
Häufig Verwendung finden Verfahren zur Temperaturgangskompensation (z. B. US-A-7 098 443 , EP-B-0 319 769 , US-A-2006/022122 , US-A-5 266 792 oder US-A-2008/245954 ), bei denen für verschiedene Temperaturwerte entweder Tabellenwerte hinterlegt werden, oder funktionale Zusammenhänge in der verwendeten Schaltungstechnik genutzt werden. Erforderlich ist bei dieser Methode die zusätzliche Messung der Temperatur, um den passenden Tabellenwert bzw. Funktionswert zu ermitteln. Dieses Verfahren erfordert die Kenntnis der Temperaturgänge bei verschiedensten Betriebsparametern (Empfindlichkeitseinstellungen, Beleuchtungsstärken, Farbraumecke usw.), sodass die Aufnahme und Hinterlegung der Werte aufwendig sind bzw. keine beherrschbaren funktionalen Zusammenhänge gefunden werden. Weiterhin ist nachteilig, dass verfahrensbedingt keine Alterungsdrifterscheinungen kompensiert werden können, da die reale Alterung der Bauteile nur schwer analytisch und vorab bestimmt werden kann. Das Verfahren erfordert auch eine geringe Streuung der Temperaturgänge, damit die Tabellen für alle Sensoren einer Baureihe gültig sind. Praktisch ist dies wegen der starken Streuungen von Weißlicht-LEDs und Fotoempfängern schwierig.
In der DE-A-20 2007 006 342 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe eines zusätzlichen Dreibereichsfotoempfängers die Beleuchtungsquelle des Farbsensors durch eine Bohrung überwacht wird. Die Lichtein- und Lichtauskopplung im Nutzkanal erfolgt hier mittels Linsen. Aufgrund des festen Bohrdurchmessers für die Referenzlichtauskopplung ist keine variable Einstellung der Lichtmenge möglich. Deshalb wird die Empfangsempfindlichkeit des Farbsensors fest vorgegeben, um den Dynamikbereich des Dreibereichsfotoempfängers nicht zu verlassen. Weiterhin wird nicht mit zwei gleichartigen, parallelen und synchronen Signalverarbeitungspfaden gearbeitet, sondern es wird ein Multiplexer verwendet, um zyklisch den Referenzempfänger zuzuschalten, um damit Signaländerungen zur Berechnung von Korrekturfaktoren zu erfassen. Dies hat den Nachteil, dass der Messprozess für die Dauer der Korrektur unterbrochen werden muss.
Aus der DE-A-44 13 594 ist eine Methode zur Signalkorrektur bekannt, bei der das Licht von in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittierenden LED-Lichtquellen auf einen zweiten als Referenz geschalteten Fotoempfänger gekoppelt wird. Bei dieser Methode wird keine breitbandige Weißlicht-LED als Lichtquelle verwendet. Das Verfahren beruht auf einer sequentiellen Ansteuerung der schmalbandigen LED-Lichtquellen mit entsprechender sequentieller Erfassung der Fotoströme. In der Anordnung werden keine Lichtleiter und auch keine beweglichen Abschattungselemente zur Anpassung an eine verstellbare Empfindlichkeit bzw. Beleuchtungsstärke eingesetzt.
Aus der DE-A-197 36 844 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Licht der Beleuchtungslichtquellen mit Hilfe eines Referenzempfängers überwacht wird. Hier werden durchstimmbare Lichtquellen oder Fotoempfänger eingesetzt, um das sichtbare Spektrum abzudecken. Das auf den Referenzempfänger gelangende Licht kann hier nicht variabel eingestellt werden, sodass keine Empfindlichkeitsanpassungen möglich sind. Die Durchstimmung der Lichtquelle oder des Empfängers ist ein sequentieller Vorgang und benötigt daher entsprechende Verarbeitungszeit. Dies wirkt sich nachteilig bei der Korrektur schneller Vorgänge aus.
Die DE-A-32 44 286 offenbart ein Verfahren zur Driftstabilisierung bei Farbsensoren, bei dem das Beleuchtungslicht mittels Lichtleiter auf separate Fotodetektoren zum Zwecke der Überwachung der Lichtquelle geführt wird. Auch hier ist allerdings keine Einstellmöglichkeit für die Lichtmenge des auf die Fotodetektoren gelangenden Lichtes vorgesehen. Daher ist der Signalbereich der Anordnung festgelegt. Die verwendete Xenon-Lampe zur Beleuchtung eignet sich nicht zur schnellen Modulation, um effektiv Wechselstörlicht zu unterdrücken. Die Lichtkopplung in die Beleuchtungslichtleiter erfolgt hier mittels Strahlteiler. Dieser bringt prinzipbedingt einen Lichtleistungsverlust mit sich. Der Aufbau ist wegen der verwendeten separaten Farbfilter und Fotodetektoren sowie der Strahlteiler kostenintensiv.
Aus der DE-A-37 41 940 ist ebenfalls ein Verfahren zur Farberkennung bekannt, bei der Referenzfarbwerte zur Korrekturberechnung aus der Messung mit einem von zwei symmetrisch aufgebauten Messkanälen und einem weißen Reflexionstarget gewonnen werden. Bei diesen Sensoren sind die Empfindlichkeiten der Empfangseinheiten und die Beleuchtungsstärke der Lichtquelle nicht veränderbar. Es existiert keine Einstellmöglichkeit für eine variable Lichtmenge für den als Referenzkanal genutzten zweiten Messkanal. Das Verfahren arbeitet mit Gleichlicht zur Objektbeleuchtung. Eine Modulation des Beleuchtungslichtes zur Wechselstörlichtunterdrückung ist nicht vorgesehen. Nachteilig sind der nicht kompakte Aufbau, der Aufwand für die zusätzlich benötigte farbstabile körperliche Weißreferenz sowie die eingeschränkte Verstelldynamik, da der Lichtmengenvariationsbereich wesentlich durch den gewählten Lichtleiterquerschnitt festgelegt wird.
Andere Verfahren, die speziell in der Druckindustrie Verwendung finden, gehen von der Vermessung von Referenzdruckmarken zur Korrektur aus (z. B. US-A-2003/063338 , US-A-2003/020972 , US-A-2007/177231 oder US-A-6 222 648 ). Diese Verfahren sind im Allgemeinen nicht kompakt im Sensor integrierbar. Es handelt sich weiterhin auch nicht um online-fähige Stabilisierungsverfahren. Hauptnachteil dieser Verfahren ist daher, dass der Messvorgang für die Dauer der Korrektur unterbrochen werden muss, und dass in den Messprozess ein externes Farbreferenztarget eingeführt werden muss. Ferner hängt die Stabilität von der physischen Beschaffenheit der Referenzdruckmarken ab.
Aufgabe der Erfindung
Im industriellen Einsatz werden an Farbsensoren hohe Anforderungen gestellt. Farbwerte, die zum Zeitpunkt der Sensoreinrichtung erfasst wurden, sollen auch nach langer Betriebszeit und bei veränderten Umgebungsbedingungen sowie bei vorhanden sein von Wechselstörlicht (Kunstlicht in Werkshallen) Ihre Gültigkeit behalten. Da Temperaturschwankungen und Alterungserscheinungen der Elektronik und Leuchtmittel die Farbwerte verändern lassen, müssen die Sensoren gegen Drifterscheinungen stabilisiert werden. Um eine flexible Anpassung an die jeweilige Farbsensorapplikation zu ermöglichen, müssen die Sensoren aber über einen weiten Dynamikbereich verfügen. Dies wird durch einstellbare Empfangsempfindlichkeiten und Beleuchtungsstärken realisiert. Die Variabilität der Sensorempfindlichkeit und Beleuchtungsintensität erschwert aber prinzipbedingt eine Stabilisierung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, Farbsignale von Farbsensoren bei kompakter Bauweise und guter Bedienbarkeit hochwirksam gegen Drifterscheinungen und Wechselstörlicht zu stabilisieren, aber dabei gleichzeitig eine variable Empfindlichkeits- bzw. Beleuchtungsintensitätseinstellung zuzulassen. Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Schutzansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von der im Sensor zur Messobjektbeleuchtung integrierten Weißlicht-LED ein variabler Teil des Messlichtes mittels Lichtwellenleiter ausgekoppelt wird und auf einen dem Nutzmehrbereichsfotoempfänger identischen Referenzmehrbereichsfotoempfänger geführt wird. Dabei erfolgt eine Modulation des Beleuchtungslichtes, um typisches Wechselstörlicht, welches bei Kunstlichtbeleuchtung im industriellen Umfeld häufig auftritt, zu eliminieren. Im Empfangsteil des Farbsensors erfolgt dann eine entsprechende Demodulation.
Für die Wirksamkeit der Stabilisierung sind die Symmetrie der Signale und deren gleichartige, parallele und synchrone Verarbeitung entscheidend. Mit jeder applikationsbedingten Änderung der Empfangsempfindlichkeit am Sensor muss daher zur Erhaltung der Signalsymmetrie auch die Empfangsempfindlichkeit des Referenzkanals gleichgeschaltet werden. Weiterhin ändert sich applikationsbedingt die Beleuchtungsintensität. Durch Änderung der Empfindlichkeit oder Beleuchtungsintensität ändert sich aber das Signal im Referenzpfad derart, dass der zulässige Signalbereich verlassen wird. Nutz- und Referenzmesskanalsignale müssen aber zur ordnungsgemäßen Funktion in einem gültigen Bereich liegen, damit eine korrekte A/D Wandlung durchgeführt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher auch darin, die unvermeidbare Empfindlichkeits- und Beleuchtungsvariation durch eine Einstellbarkeit der auf den Referenzmehrbereichsfotoempfänger gekoppelten Lichtmenge auszugleichen.
Erfindungsgemäß wird die auf den Referenzmehrbereichsfotoempfänger gekoppelte variable Lichtmengeeinstellung, durch eine Lichtabschnürvorrichtung eines optischen Freistrahlkanals bewirkt. Die optische Abschnürung des Freistrahlkanals wird mechanisch vorgenommen, indem eine Abschattung durch ein mechanisch bewegliches Element vorgenommen wird. Zur Wirksamkeit der Sensorstabilisierungsfunktion ist es erforderlich, dass die Einstellung des mechanisch beweglichen Elementes der Lichtabschnürvorrichtung stabil ist, damit keine Signaländerungen hervorgerufen werden.
Weiterhin beruht die Wirkung der Stabilisierungsfunktion auf einer Verarbeitung der elektrischen Signale der jeweiligen Mehrbereichsfotoempfänger in folgender Weise. Die Fotoströme werden mittels Strom/Spannungswandlung und Signalverstärkung zur A/D Wandlung konditioniert. Entscheidend sind die Symmetrie der Signalverarbeitung und die synchrone Signalerfassung. Die Steuerung der Messabläufe und die Nutzfarbsignalkorrektur erfolgen im angeschlossenen Mikrokontroller. Aus abgespeicherten Farbwerten des Referenzfarbmesskanals werden Korrekturfaktoren ermittelt, die auf den Nutzfarbmesskanal zur Stabilisierung der Werte angewendet werden. Entscheidend für die korrekte Funktion der Stabilisierung ist, dass bei jeder applikationsbedingten Änderung der Signalverhältnisse im Referenzfarbmesskanal eine neue Abspeicherung der Farbwerte erfolgt.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform; und
2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im Folgenden an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
In 1 ist im Farbsensor 19 die Anordnung der optischen, mechanischen und elektronischen Elemente in folgender Weise vorgenommen. Der Beleuchtungsblock 22 fasst die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung 7, die aus einer Weißlicht-LED bestehende Beleuchtungslichtquelle 8 sowie den Referenzlichtwellenleiter 5 und den Nutzlichtwellenleiter 6. Die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung 7 enthält den optisch abschnürbaren Freistrahllichtkanal 9 sowie das als Gewindestift ausgeführte mechanisch bewegliche Abschattungselement 10. Das Licht der Beleuchtungsquelle 8 wird im Freistahllichtkanal 9 der optomechanischen Lichtabschnürvorrichtung 7 mittels des Gewindestiftes 10 durch entsprechendes Herein- bzw. Herausschrauben abgeschattet. Auf diese Weise kann die in den Referenzlichtwellenleiter 5 eingekoppelte Lichtmenge eingestellt werden, die auf den Referenzmehrbereichsfotoempfänger 4 geführt wird.
Das Frontend 1 fasst die Trägerplatine 2 mit rechtseitig angebrachtem Referenzmehrbereichsfotoempfänger 4 sowie linksseitig angebrachtem Nutzmehrbereichsfotoempfänger 3. Weiterhin erfolgen mit dem Optikfrontend 1 die Sendelichtauskopplung 20 sowie die Empfangslichteinkopplung 21. Die Weißlicht-LED Beleuchtungslichtquelle 8 wird über die LED-Beleuchtungsansteuerung 11 moduliert angesteuert. Die Signalaufbereitung der Fotoströme des Referenzmehrbereichsfotoempfängers 4 erfolgt über den Strom/Spannungswandler 12 den Signalverstärker 14 und den A/D Wandler 16. Die Signalaufbereitung der Fotoströme des Nutzmehrbereichsfotoempfängers 3 erfolgt in gleicher Weise über den Strom/Spannungswandler 13 den Signalverstärker 15 und den A/D Wandler 17. Im Mikrokontroller 18 werden die Signale demoduliert und die Messvorgänge zentral gesteuert sowie die Stabilisierungsfunktion durch Korrekturrechnungen durchgeführt.
Ausführungsbeispiel 2
In 2 ist im Farbsensor 19 die Anordnung der optischen, mechanischen und elektronischen Elemente in folgender Weise vorgenommen. Der Beleuchtungsblock 23 fasst die aus einer Weißlich-LED bestehende Beleuchtungslichtquelle 8 sowie den Referenzlichtwellenleiter 5 und den Nutzlichtwellenleiter 6. Die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung 7 wird durch den optisch abschnürbaren Freistrahllichtkanal 9, das als Exzenterabschnürscheibe ausgeführte mechanisch bewegliche Abschattungselement 24, der Drehachse 25 sowie Teilen der Referenzlichtleiterhalterung 27 und Drehachsenhalterung 26 gebildet. Das Licht der Beleuchtungsquelle 8 wird im Freistahllichtkanal 9 der optomechanischen Lichtabschnürvorrichtung 7 mittels der Exzenterabschnürscheibe 24 durch entsprechendes rotieren der Drehachse 25 abgeschattet. Auf diese Weise kann die aus dem Referenzlichtwellenleiter 5 ausgekoppelte Lichtmenge eingestellt werden, die auf den Referenzmehrbereichsfotoempfänger 4 geführt wird.
Das Optikfrontend 28 fasst den Nutzmehrbereichsfotoempfänger 3. Weiterhin erfolgt mit dem Optikfrontend 28 die Sendelichtauskopplung 20 sowie die Empfangslichteinkopplung 21. Die Weißlicht-LED Beleuchtungslichtquelle 8 wird über die LED-Beleuchtungsansteuerung 11 moduliert angesteuert. Die Signalaufbereitung der Fotoströme des Referenzmehrbereichsfotoempfängers 4 erfolgt über den Strom/Spannungswandler 12 den Signalverstärker 14 und den A/D Wandler 16. Die Signalaufbereitung der Fotoströme des Nutzmehrbereichsfotoempfängers 3 erfolgt in gleicher Weise über den Strom/Spannungswandler 13 den Signalverstärker 15 und den A/D Wandler 17. Im Mikrokontroller 18 werden die Signale demoduliert und die Messvorgänge zentral gesteuert sowie die Stabilisierungsfunktion durch Korrekturrechnungen durchgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Frontend
2: Trägerplatine
3: Nutzmehrbereichsfotoempfänger
4: Referenzmehrbereichsfotoempfänger
5: Referenzlichtwellenleiter
6: Nutzlichtwellenleiter
7: Lichtabschnürvorrichtung
8: Lichtquelle Weißlicht-LED
9: Freistrahllichtkanal
10: Gewindestift
11: LED-Beleuchtungsansteuerung
12: Strom/Spannungswandler Referenzkanal
13: Strom/Spannungswandler Nutzkanal
14: Signalverstärker Referenzkanal
15: Signalverstärker Nutzkanal
16: A/D Wandler Referenzkanal
17: A/D Wandler Nutzkanal
18: Mikrokontroller Nutzkanal
19: Farbsensor
20: Sendelichtauskopplung
21: Empfangslichteinkopplung
22: Beleuchtungs- und Abschnürblock
23: Beleuchtungsblock
24: Exzenterscheibe
25: Drehachse
26: Drehachsenhalter
27: Referenzlichtleiterhalterung
28: Optikfrontend

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7098443 A [0003]
EP 0319769 B [0003]
US 2006/022122 A [0003]
US 5266792 A [0003]
US 2008/245954 A [0003]
DE 202007006342 A [0004]
DE 4413594 A [0005]
DE 19736844 A [0006]
DE 3244286 A [0007]
DE 3741940 A [0008]
US 2003/063338 A [0009]
US 2003/020972 A [0009]
US 2007/177231 A [0009]
US 6222648 A [0009]

Claims

Anordnung zur Driftstabilisierung eines Farbsensors mit variabler Empfindlichkeit und Beleuchtungsintensität, gekennzeichnet durch, einen Stabilisierungsfarbmesskanal zum Führen eines variablen Teils des modulierten Messobjektbeleuchtungslichtes einer integrierten Lichtquelle (8) mittels internem Lichtwellenleiter auf einen ebenfalls integrierten Referenzmehrbereichsfotoempfänger (4); einer optomechanischen Lichtabschnürvorrichtung (7) zum variablen Einstellen der Lichtmenge des auf den Referenzmehrbereichsfotoempfänger (4) geführten modulierten Lichtes, wobei die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung (7) einen optisch abschnürbaren Freistrahllichtkanal (9) und ein mechanisch bewegliches Abschattungselement (10, 24) enthält; einen Nutzfarbmesskanal der mit einem Nutzmehrbereichsfotoempfänger (3) ausgestattet ist, der dem Referenzmehrbereichsfotoempfänger (4) entspricht; eine elektronische Signalverarbeitung (12 bis 18), wobei die elektronische Signalverarbeitung (12 bis 18) des Referenzmehrbereichsfotoempfängers (4) und des Nutzmehrbereichsfotoempfängers (3) gleichartig, parallel und synchron erfolgt; wobei die Farbwerte des Referenzmehrbereichsfotoempfängers (4) zur dynamischen Berechnung von Korrekturfaktoren zur Stabilisierung eines Nutzfarbmesskanals verwendet werden.
Anordnung zur Driftstabilisierung eines Farbsensors mit variabler Empfindlichkeit und Beleuchtungsintensität nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, – dass die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung (7) eine Exzenterscheibe (24) als mechanisch bewegliches Abschattungselement enthält, – oder dass die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung (7) einen Gewindestift (10) als mechanisch bewegliches Abschattungselement enthält, – oder dass die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung (7) eine Iris als mechanisch bewegliches Abschattungselement enthält, – oder dass die optomechanische Lichtabschnürvorrichtung (7) eine Platte als mechanisch bewegliches Abschattungselement enthält.
Anordnung zur Driftstabilisierung eines Farbsensors mit variabler Empfindlichkeit und Beleuchtungsintensität nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, – dass das mechanisch bewegliche Abschattungselement der optomechanischen Lichtabschnürvorrichtung (7) manuell betätigt wird, – oder dass das mechanisch bewegliche Abschattungselement der optomechanischen Lichtabschnürvorrichtung (7) elektromotorisch betätigt wird.
Anordnung zur Driftstabilisierung eines Farbsensors mit variabler Empfindlichkeit und Beleuchtungsintensität nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, – dass die optische Abschnürung des Freistrahllichtkanals (9) an der Beleuchtungsquelle erfolgt, – oder dass die optische Abschnürung des Freistrahllichtkanals (9) am Referenzmehrbereichsfotoempfänger erfolgt.