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Die Verwendung von Farbfiltern hat jedoch den Nachteil, daß ein bestimmtes
Filter nur bei bestimmten Farbkombinationen eine optimale Wirkung hat und deshalb
je nach der Kombination der Hintergrundfarbe
und der Farbe der zu
erkennenden Marke ein geeignetes Filter ausgesucht werden muß. Dies macht es nicht
nur notwendig, eine Anzahl von Filtern vorrätig und einsatzbereit zu halten, sondern
ist auch mühsam und erfordert darüber hinaus einiges Geschick der Bedienungsperson.
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Problematisch bleiben trotz der Verwendung von Farbfiltern die Fälle,
wenn, wie es in der Praxis unvermeidlich ist, der Kontrakt zwischen der Erzeugnisoberfläche
und den Marken nicht konstant bleibt, sondern Schwankungen der Chrominanz (Farbart)
auftreten, z. B. wegen ungleichmäßiger Farbmischungen beim Drucken oder durch verschlissene,
verblichene oder zerkratzte Farbaufträge.
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Ähnliches gilt für einen bekannten Detektor zur Registrierung von
Marken, bei dem die Beleuchtung wahlweise durch rotes oder grünes Licht erfolgt
(Zeitschrift »Elektronik« 1983, S. 112). Hier muß die abgestrahlte Farbe durch Umschaltung
von Hand gewählt werden, was somit lediglich die Wirkung des Einsetzens eines bestimmten
Filters hat Es bleibt bei der Notwendigkeit, für jede Farbkombination der zu registrierenden
Marken mit ihrem Hintergrund eine Entscheidung über die Beleuchtungsfarbe zu treffen,
wobei diese Entscheidung dann wieder nur für die jeweilige Kombination gilt und
außerdem noch falsch sein kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Detektors zur Registrierung
von Marken, der ohne Notwendigkeit von Einstellungen oder Anpassungen bei beliebigen
Farbkombinationen aus helligkeitsmäßig wenig unterschiedlichen Farben ein kräftiges
Ausgangssignal erzeugt, welches sich zu einer zuverlässigen Weiterverarbeitung bzw.
Auswertung eignet.
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Ausgehend von der oberbegrifflich vorausgesetzten Ausbildung gelingt
die Lösung dieser Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 genannten Merkmale. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wird jede Farbmarke während
ihres Vorbeilaufs vor dem optischen Abtaster von mindestens einem Einzellichtimpuls
jeder der verschiedenen Beleuchtungsfarben voll getroffen, so daß wenigstens ein
Reflexlichtimpuls einen ausgeprägten Helligkeitsunterschied zwischen seinen beiden
Strahlengängen aufweisen wird und somit ein kräftiges Ausgangssignal erzeugen wird.
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Wenn ohne zusätzliche optische Hilfsmittel ausgekommen werden soll,
müssen die verschiedenen Lichtquellen mit so geringem Abstand nebeneinander angeordnet
werden, daß ihre Strahlengänge praktisch nicht voneinander abweichen. Dies ist zB.
bei Verwendung von sogenannten Zweifarben-Leuchtdioden möglich, bei denen zwei Leuchtdiodensysteme
verschiedener spektraler Emission in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind
und durch Polarität wechsel der Speisespannung getrennt angesteuert werden können.
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Wenn eine gemeinsame oder dicht beieinanderliegende Anordnung nicht
möglich ist, ist die Ausbildung gemäß Anspruch 2 zweckmäßig. Der teildurchlässige
Spiegel erlaubt eine größere Freiheit in der räumlichen Anordnung der Lichtquellen
und gewährleistet ein evaktes Zusammenfallen der Strahlengänge.
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Wenn gemäß Anspruch 3 drei verschiedenfarbige Lichtquellen verwendet
werden, z. B. die drei Grundfarben abstrahlende Lichtquellen, so ist die erreichbare
Farbdifferenzierung noch besser und es wird möglich, in einer geeigneten Auswerteschaltung
ein Chrominanz-
signal zu erhalten, d. h. die jeweils registrierte Farbart festzustellen.
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Wenn drei verschiedenfarbige Lichtquellen nebeneinander in einer
Reihe angeordnet sind, so kann die Einleitung ihrer Strahlengänge gemäß Ansprüchen
4 und 5 zweckmäßigerweise unter Zuhilfenahme von zwei teildurchlässigen und einem
totalreflektierenden Spiegel erfolgen.
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Die Lichtquellen können vorteilhafterweise gemäß Anspruch 6 Leuchtdioden
sein. Die Lichtstärke der auf dem Markt verfügbaren Leuchtdioden ist in jüngerer
Zeit erheblich verbessert worden, und sie sind auch in allen Farben des sichtbaren
Spektrums erhältlich.
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Insbesondere im gepulsten Betrieb, um den es vorliegend geht, sind
trägheitsfrei hohe Lichtstärken verwirklichbar, so daß die durch das Tageslicht
bedingte Gleichlichtkomponente vernachlässigbar wird. Ebenfalls günstig bei der
Verwendung von Leuchtdioden ist, daß diese annähernd monochromatisches Licht abstrahlen.
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Die Leuchtdioden werden gespeist mit periodischen Stromimpulsen geeigneter
Form und Frequenz. Die notwendige Frequenz ergibt sich aus der Bedingung, daß jeder
der verschiedenfarbigen Einzellichtimpulse mit jedem seiner Lichtflecke mindestens
einmal voll auf die am optischen Abtaster vorbeilaufende Farbmarke fallen muß.
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Im einfachsten Falle dient zur Speisung eine Wechselspannung, wobei
für den Fall der Verwendung von zwei Leuchtdioden in Anspruch 7 eine zweckmäßige
Speiseschaltung angegeben ist. auch eine Speisung durch Rechteckimpulse kann wegen
der hierbei möglichen höheren Lichtausbeute zweckmäßig sein. Bei Verwendung von
drei Leuchtdioden ist eine Speisung gemäß Anspruch 8 zweckmäßig.
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Die Auswertung bzw. Weiterverarbeitung der am Ausgang des Differenzverstärkers
erhaltenen Signale ist in verschiedener Weise möglich, wobei in den Ansprüchen 9
und 10 zweckmäßige Möglichkeiten angegeben sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt A b b. 1 das Schema
eines Detektors mit zwei Leuchtdioden als Beleuchtungsvorrichtung, Abt.2 das am
Ausgang des Differenzverstärkers erhaltene Signal; Ab b .3 das am Ausgang der Gesamtanordnung
gemäß Fig. 1 erhaltene Signal; A b b .4 das Schema eines Detektors mit drei Leuchtdioden
als Beleuchtungsvorrichtung; Abt.5 das bei dieser Ausbildung am Ausgang des Differenzverstärkers
erhaltene Signal.
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Anhand der F i g. 1 soll zunächst der gegenüber dem Stand der Technik
unveränderte Teil des Detektors beschrieben werden. Hierzu werden zunächst die Besonderheiten
der Beleuchtungseinrichtung 1 nicht betrachtet Der Lichtstrom der Beleuchtungseinrichtung
1 gelangt in eine Optik 2, in welcher er von einer Sammellinse 3 auf ein Prisma
4 fällt, welches ihn in zwei Strahlengänge aufspaltet. Diese fallen beide auf einen
teildurchlässigen Spiegel 5 und von hier über eine weitere fokussierende Sammellinse
6 auf ein bewegtes Erzeugnis 7, auf welches in bestimmten Abständen Farbmarken 8
aufgedruckt sind, die sich farblich und/oder helligkeitsmäßig vom Hintergrund 9,
d. h. der Farbe der Erzeugnisoberfläche abheben. In F i g. 2 sind
zwei
Farbmarken ersichtlich, nämlich eine vordere Farbmarke 8vund eine hintere Farbmarke
8h.
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Die Auftreffpunkte der beiden Lichtstrahlen ergeben auf der Erzeugnisoberfläche
zwei Lichtflecke 10v und loh. Diese liegen in der durch einen Pfeil angedeuteten
Laufrichtung des Erzeugnisses 7 nebeneinander, so daß jede Farbmarke 8 zunächst
den in dieser Richtung gesehen vorderen Lichtfleck 10v und danach den hinteren Lichtfleck
lOh überquert.
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Das von den Lichtflecken 10v und 10h reflektierte Licht gelangt über
die Sammellinse 6 und den teildurchlässigen Spiegel 5 hindurch zu einer Sammellinse
11, welche jeden der beiden Strahlengänge auf je eine Photozelle 12 wirft. Die bisher
beschriebene Anordnung wird als optischer Abtaster 13 bezeichnet.
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Die Photozellen 12 sind mit Widerständen 13 zu einer Brückenschaltung
14 verbunden, deren eine diagonale Eckpunkte an eine mit + und - angedeutete Gleichspannungsquelle
gelegt sind und deren andere diagonale Eckpunkte an einen Differenzverstärker 15
angeschlossen sind.
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Im Ruhezustand, wenn keiner der beiden Lichtflecke auf eine Marke
8 auftrifft, werden die beiden Photozellen 12 von gleichstarken Lichtströmen beaufschlagt,
so daß am Eingang des Differenzverstärkers 15 kein Signal anliegt. Auf diese Weise
ist der Gleichspannungsanteil bzw. der Grundpegel des Ausgangssignals U,5 des Differenzverstärkers
15 unterdrückt.
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Die bisher beschriebene Anordnung ist bekannt mit einer Beleuchtungseinrichtung
1 in Form einer einen konstanten Lichtstrom erzeugenden Lichtquelle. Würde eine
solche verwendet, so ergäbe sich bei Anpassung der von ihr abgestrahlten Farbe an
die Farbkombination von Marken 8 und Hintergrund 9 ein Signal am Ausgang des Differenzverstärkers
15, wie es in A b b. 2 gestrichelt angedeutet und mit dem Bezugszeichen 20 versehen
ist; Wie weiter unten verständlich werden wird, wird dieser Signalverlauf als Einhüllende
bezeichnet.
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Bis zum Zeitpunkt t 1 treffen beide Lichtflecke 10v und 10h auf den
Hintergrund 9, so daß wegen der Grundpegelunterdrückung am Ausgang des Differenzverstärkers
15 kein Signal U,5 erscheint.
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Im Zeitpunkt t 1 tritt die vordere Farbmarke 8vin den vorderen Lichtfleck
10v ein. Wenn dadurch von der vorderen Farbmarke weniger Licht reflektiert wird
als vorher, so kommt es zu einer Verstimmung der Brückenschaltung 14, und am Ausgang
des Differenzverstärkers 15 erscheint ein ansteigendes Signal.
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Im Zeitpunkt t3 liegt der Lichtfleck 10v voll innerhalb der Farbmarke
8v und dieser Zustand bleibt bis zum Zeitpunkt t6 erhalten. Das Ausgangssignal U5
wäre bei konstanter Beleuchtung während dieser Zeitspanne, die als Verweildauer
tv bezeichnet ist, gemäß der Einhüllendenkurve 20 konstant.
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Im Zeitpunkt t6 beginnt die Farbmarke 8v, aus dem Lichtfleck 10v
herauszutreten und hat ihn im Zeitpunkt t 8 vollständig verlassen.
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Im Zeitpunkt t 9 beginnt die Marke 8v, in den hinteren Lichtfleck
10h einzutreten, was ein entsprechendes Signal Uss entgegengesetzter Polarität hervorruft,
welches im Zeitpunkt t 11 wieder verschwindet, der dem völligen Heraustreten der
Marke 8v aus dem Lichtfleck 10h entspricht.
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Im Zeitpunkt t 12 beginnt die Marke 8h, in den Lichtfleck 10v einzutreten,
so daß wieder ein positives Ausgangssignal zu erscheinen beginnt.
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Die Besonderheiten der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus folgendem:
Die Beleuchtungseinrichtung 1 besteht gemäß A b b. 1 aus zwei Leuchtdioden, nämlich
einer z. B. rot leuchtenden Leuchtdiode 25r und einer grünen leuchtenden Leuchtdiode
25g. Im Strahlengang derselber.
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liegt ein teildurchlässiger Spiegel 26, der den Lichtstrom der Leuchtdiode
25r in der Achse der Optik 2 durchläßt und den Lichtstrom der Leuchtdiode 25g in
dieser Achse umlenkt.
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Die Leuchtdioden 25 sind gegensinnig hintereinandergeschaltet, und
diese Reihenschaltung ist an eine Wechselspannungsquelle 27 angeschlossen. Jede
Leuchtdiode ist durch eine antiparallele Rückstromdiode 28bzw. 28g überbrückt.
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Ersichtlicherweise wird eine Halbwelle der Wechselspannung der Quelle
27 die eine Leuchtdiode, z. B. die Leuchtdiode 25r durchfließen und diese zum Leuchten
bringen, wobei die andere Leuchtdiode 25g dunkel bleibt und der Strom über die Rückstromdiode
28g fließt, und während der folgenden Halbwelle entgegengesetzter Polarität wird
entsprechenderweise die Leuchtdiode 25g leuchten, während die erste dunkel bleibt.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 erzeugt mithin kontinuierlich aufeinanderfolgende
rote und grüne Einzellichtimpulse, deren Lichtstromstärke bei Speisung der Leuchtdioden
mittels Wechselstrom zumindest annähernd die Form von Sinushalbwellen hat.
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Auf der Abszisse in A b b. 2 ist die zeitliche Aufeinanderfolgederverschiedenfarbigen
Einzellichtimpulse dadurch deutlich gemacht, daß im Intervall des Leuchtens der
einen, z. B. der roten Leuchtdiode 25rdie Abszisse als dicker Strich gezeichnet
ist, während sie im Intervall des Leuchtens der grünen Leuchtdiode 25g als Doppelstrich
aus zwei dünnen Strichen gezeichnet ist.
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Die rote Leuchtdiode leuchtet also von t 0 bis t 2, von t4 bis t5
usw.; wobei die grüne Leuchtdiode während der zwischenliegenden Intervalle von t2
bis t4, von t5 bis t 7 usw. leuchtet Da im vorliegend betrachteten Fall nur zwei
Beleuchtungsfarben miteinander abwechseln, ist eine mit tb-bezeichnete Beleuchtungsfolgedauer
gleich dem doppelten Zeitintervall eines Einzellichtimpulses, also z. B.von t2bis
t5.
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Wenn nun bei der gegebenen Kombination der Farben von Marken 8 und
Hintergrund 9 die rote Beleuchtungsfarbe einen größeren Unterschied zwischen den
von den beiden Lichtflecken 10v und 10h reflektierten Lichtströme zur Folge hat
als die grüne Beleuchtungsfarbe, so wird der Signalverlauf U15 am Ausgang des Differenzverstärkers
15 aussehen wie in A b b. 2 gezeichnet. Das von einem roten Einzellichtimpuls erzeugte
Einzelsignal 30r wird, wenn es innerhalb einer Verweildauer tv liegt, eine größere
Amplitude haben als das von einem grünen Einzellichtimpuls erzeugte Einzelsignal
30g.
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Im einzelnen ist bei Betrachtung von A b b. 2 der Verlauf so, daß
das Eintreten der Farbmarke 8v in den Lichtfleck 10v im Zeitpunkt t 1 während eines
roten Einzellichtimpulses geschieht, der im Zeitpunkt t2 zu Ende geht, in dem der
zugehörige Einzellichtimpuls 30r seine maximale Amplitude noch nicht erreichen konnte.
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Das Maximum des anschließenden grünen Einzellichtimpulses liegt bereits
später als t3, also innerhalb der Verweildauer tv, so daß das zugehörige Einzelsignal
30g sein Amplitudenmaximum erreicht, welches allerdings das niedrigere von beiden
ist.
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Der anschließende bei t4 beginnende Einzellichtimpuls erzeugt jetzt
ein Einzelsignal 30r maximaler
Amplitude. Der weitere Verlauf der
Signalfolge ergibt sich ohne weileres aus den gegebenen Erläuterungen.
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Die Wirkung der beschriebenen Besonderheit der Beleuchtungsvorrichtung
1 ist also, daß wenigstens eines der Einzelsignale 30 eine maximale Amplitude aufweisen
wird, die höher ist, als bei unangepaßter Beleuchtungsfarbe zu erwarten wäre.
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In jedem Falle darf die Beleuchtungsfolgedauer tb nicht größer sein
als die Verweildauer tv, um sicherzustellen, daß die Maxima sämtlicher aufeinanderfolgender
verschiedenfarbiger Einzellichtimpulse innerhalb einer Verweildauer tvliegen.
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Sinnvollerweise wird man die Frequenz der Wechselspannungsquelle
27 so hoch wählen, daß die Beleuchtungsfolgedauer tb mehrfach kleiner ist als die
Verweildauer tv, weil diese ja von der Breite der Farbmarken 8, der Geschwindigkeit
des Erzeugnisses 7 gegenüber dem optischen Abtaster 13 und auch dem Durchmesser
der Lichtflecke 10 abhängt und diese Faktoren schwanken können.
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Das am Ausgang des Differenzverstärkers 15 erhaltene Signal U,5 kann
gegebenenfalls also in einem dem Durchgang einer Farbmarke 8 durch einen Lichtfleck
10 entsprechenden Impulspaket (t 1 bis t8) mehrere Einzelsignale maximaler Amplitude
enthalten.
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Um nicht durch jeden derselben eine von dem Signal UtS beaufschlagte
Schaltung bzw. Stellglied ansprechen zu lassen, kann es in verschiedner Weise aufbereitet
werden.
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Eine einfache Möglichkeit stellt die in A b b. 1 am Ausgang des Differenzverstärkers
15 gezeigte Gleichrichtungsdiode 33 dar, deren Ausgang über einen Kondesator 34
und einen Entladewiderstand 35 an Masse bzw. Minus liegt und den Detektorausgang
40 darstellt.
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Der am Ausgang 40 auftretende Verlauf der Detektorausgangsspannung
U40 ist in A b b. 3 qualitativ gezeigt. Die Gleichrichtungsdiode 33 schneidet das
negative Impulspaket t9 bis t 11 vollständig weg.
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Bezüglich der positiven Impulspakete ist zu sehen, daß das Signal
U40 etwa übereinstimmend mit dem Signal Ut5 bis jeweils zu einem relativen Maximum
ansteigt und von hier mit einer Geschwindigkeit abfällt, die, wie ohne weiteres
verständlich, von der Kapazität des Kondensators 34 und der Größe des Entladewiderstandes
35 abhängt. Im Zeitpunkt t 10 ist das aus dem ersten Impulspaket gewonnene Signal
U40 wieder auf Null abgefallen.
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Es ist zu sehen, daß die Signalzüge U40 zwar ziemlich verschieden
aussehen können, aber jeder an mindestens einer Stelle eine bestimmte maximale Amplitude
erreicht. Dieser große Signalhub ist auch bei hoch eingestellten Ansprechschwellen
zuverlässig zum Steuern, Zählen, Auslösen u. dgl. zu gebrauchen.
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Es versteht sich, daß durch die Wahl der Frequenz der Wechselspannungsquelle
27 und die Größen von Kondensator 34 und Entladewiderstand 35 der Verlauf des Detektorausgangssignals
wie gewünscht erhalten werden kann. Bei Bedarf kann das Ausgangssignal selbstverständlich
auch durch Bausteine der elektronischen Digitaltechnik weiterverarbeitet werden,
um bestimmte Steuersignalverläufe zu erzielen.
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A b b. 4 zeigt eine Ausbildung, bei der drei Leuchtdioden 45r, und
45b verwendet werden, die z. B. rotes, grünes bzw. blaues Licht abstrahlen. Der
Lichtstrom der roten Leuchtdiode 45r wird durch einen totalreflektierenden Spiegel
48 in Richtung der Achse der Optik 2 umgelenkt, während die Lichtströme der beiden
anderen Leuchtdioden 45g und 45b auf je einen teildurchlässigen Spiegel 46 bzw.
47 fallen und durch diesen umgelenkt werden In A b b. 4 sind der Einfachheit halber
nur die Strahlenrichtungen angedeutet und sonstige optische Hilfsmittel wie Linsen
usw.
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weggelassen. Aus der Technik z. B. der Fernsehkameras ist bekannt,
wie Lichtstrahlen vereinigt werden können.
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Die drei Leuchtdioden 45 sind an eine Dreiphasenstromquelle 50 angeschlossen,
so daß sie mit einer Phasenverschiebung von 1200 aufeinanderfolgend leuchten. Dabei
können sich die Ränder der Einzellichtimpulse je nach der Schwellwertspannung der
Leuchtdioden überlappen, jedoch liegt das Maximum jedes Einzellichtimpulses in einem
zeitlichen Bereich, in dem die beiden anderen Leuchtdioden dunkel sind.
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Der sich ergebende Signalverlauf U5 ist in Ab b. 5 angedeutet, wobei
angenommen ist, daß die rote Beleuchtungsfarbe das schwächste, die grüne Beleuchtungsfarbe
das stärkste und die blaue Beleuchtungsfarbe ein zwischen diesen liegendes Ausgangssignal
erzeugt.
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Die Einzelsignale sind mit 30r, 30g und 30b bezeichnet.
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Wenn gemäß A b b. 4 drei verschiedene Beleuchtungsfarben verwendet
werden, die z. B. auch Grundfarben sein können, so wird die Wahrscheinlichkeit der
Erzielung maximaler Signalamplituden noch größer.
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Wenn einer der Lichtflecke 10v oder 10h auf eine bekannte Referenzfarbfläche
trifft, die insbesondere auch schwarz oder weiß sein kann, so ist darüber hinaus
eine Farbanalyse möglich, da die Verteilung der drei Farbkomponenten im vom anderen
Lichtfleck reflektierten Lichtstrom Aufschluß über die spektrale Zusammensetzung
der von diesem getroffenen Farbe gibt.
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Ein Farbenvergleich wird auf einfache und sichere Weise möglich.
Wenn ein Ausgangssignal U,5 ausbleibt, so treffen die beiden Lichtflecke 10 auf
gleiche Farben, während das Vorhandensein eines Ausgangssignals Urs mit verschieden
hohen Maxima der Einzelsignale 30 anzeigt, daß die getroffenen Flächen sich farblich
unterscheiden.