DE3706056A1 - Verfahren zur erzeugung und erkennung von optischen spektren und schalt- und sensorsystem insbesondere fuer naeh- und textilautomation - Google Patents

Description

Mit dem weiteren Vordringen von Automaten und Robotern in der Näh- und Konfektionstechnik, der Textilindustrie, der allgemeinen Produktionstechnik und in allen gewerblichen und privaten Bereichen werden Sensoren und Schaltsysteme immer wichtiger die Farben, optische Spektren oder überhaupt Werkstoff- und Medienunterschiede im optischen Strahlungsspektralbereich vom Ultraviolett bis zum Infrarot differenziert in kürzester Zeit unterscheiden, oder die Nutzung dieser Spektralunterschiede für technische Zwecke ermöglichen können.

Die Erfindung hat deshalb zur Aufgabe ein Verfahren zu finden, das diese Problematik mit einem Minimum an Aufwand lösen kann. Es wird dabei die im Prinzip bekannte Erkenntnis ausgenutzt, daß sich entsprechend amplituden-modulierte Strahlungen mittels Demodulatoren voneinander unterscheiden lassen und daß sich modulierte Strahlungen auch verschiedener Spektralbereiche dabei gegenseitig kaum beeinflussen, wenn empfängerseitig dafür gesorgt wird, daß die Modulationen in charakteristische Signale umgesetzt werden.

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren sowie Schalt- und Sensorsystem zur Ausnutzung und zur Erkennung von vorwiegend optischen Strahlungsspektren von Oberflächen, Werkstoffen und Medien durch Absorption, Reflektion und Transmisssion. Weiterhin betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem oder mehreren optischen Strahlungssendern, einem optischen Strahlführungs- und Beeinflussungssystem, einem oder mehreren optischen Empfängern, sowie einem Netzwerk elektronischer bzw. elektrischer Bauelemente, die der Problemstellung entsprechend ausgelegt sind, sowie einer Anzahl schneller elektronischer Schalter und Filter, die direkt von einer frei programmierbaren Steuerung, einem Microprozessor oder einem Microcomputer parallel oder seriell angesteuert werden können, um die Strahlungsspektren zu modulieren, auszuwerten und Ergebnisse anzuzeigen oder weiter zu verarbeiten.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen oder mehrere Sensoren und Schaltsysteme, insbesondere für die Nähtechnik und Textiltechnologie sowie die allgemeine Automatisierung, die in der Lage sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens optische Spektren zu detektieren oder für Schaltzwecke technisch zu nutzen bei kürzester Zeit und selbsttätiger Anpassung an die gestellte Aufgabe.

Bekannte Verfahren und Geräte zur Spetralanalyse, Farbmessung oder auch sogenannte Farbtester arbeiten in fast allen Fällen mit einem kontinuierlichen Weißlicht- bzw. Strahlungsgemisch, das auf dem Umweg über Reflektionen, Transmissionen oder Filter und die zu charakterisierende Probe auf in verschiedenen Wellenlängen empfindliche Strahlungsempfänger geleitet wird. Ein solcher Farbtaster ist im H. Naumann/G. Schröder "Bauelemente der Optik" erschienen im Carl Hauser Verlag 1983 beschrieben.

Dieser Farbmarkenleser kann mit nur zwei Empfängern sechs Farben unterscheiden: Die Bahn mit farbigen Marken wird über ringförmige Sendeapertur mit Weißlicht beleuchtet. Das remittierte Licht gelangt über einen Farbteiler (Reflexion im langwelligen, Transmission im kurzwelligen Bereich) auf die beiden Empfänger mit Korrekturfiltern. Spektraler Empfindlichkeitsverlauf der Empfänger, Farbteiler und Korrekturfilter wirken so zusammen, daß sich insgesamt für die beiden Empfängerzweige ein Empfindlichkeitsverlauf ergibt bei dem sich Blau und Rot überschneiden.

Aus Summe und Differenz der beiden Empfänger-Ausgangsspannungen gewinnt man durch Verknüpfung die Unterscheidbarkeit der sechs Farben.

Nachteilig ist hierbei offensichtlich die Fremdlichtempfindlichkeit, sowie die nur geringe Differenzierbarkeit der Farben und Strahlungsbandbreite.

Neuere Technologien und Geräte vermeiden diese Schwachstellen, indem statt zwei Farbsensoren, drei eingesetzt werden mit den Empfindlichkeiten im Normspektralbereich. Fremdlichteinfluß wird entweder durch Referenzmessung oder Einsatz von Abschirmungen oder Lichtleitelementen vermieden. Nachteilig ist hier die Beschränkung auf das sichtbare Spektralgebiet, der hohe Meßaufwand sowie die große Baugröße und geringe Detektionsgeschwindigkeit der Geräte.

Eine Ausdehnung des Meßbereiches in den UV- und Infrarotbereich wird in "Automatische Messung der Licht- und Strahlungsdurchlässigkeit von Glasscheiben" veröffentlicht in Feinwerktechnik + Meßtechnik 94 (1986)5 sowie im Vortrag "Kontrolle von Abquetscheffekt und Flottenauftrag" zum 35. Deutschen Färbertag am 9. 5. 1986 in Berlin beschrieben.

Die erwähnten Verfahren arbeiten im Reflexions- oder Transmissionsbereich, verwenden ebenfalls Weißlicht bzw. ein Strahlungsspektrum, vermeiden jedoch die Fremdstrahlungseinflüsse durch mechanische Modulation der Lichtquelle und teilen die Meßstrahlung durch optische Gitter bzw. rotierende Filter in zwei oder mehrere Strahlungsbereiche auf, deren Reflektion bzw. Transmission sodann gemessen wird.

Die Mechanik hierbei ist heute unzeitgemäß, führt wieder zu hohem Aufwand, hohen Kosten, größerer Baugröße und langen Meßzeiten, ist demnach mehr für Laborzwecke als für die Automatisierungs- und Robotertechnik geeignet.

Die bisher beschriebenen Geräte arbeiteten direkt oder indirekt passiv, da die zu Meßzwecken verwandte Strahlungsquelle ein kontinuierliches Spektrum aus Eigen- oder reflektierter/remittierter Fremdstrahlung voraussetzte. Den Übergang zu aktiven Strahlungsdetektoren hat die DE-OS 32 28 789 "Antriebs- und Steuervorrichtung für Nähmaschinen, Nähautomaten und dergleichen" angedeutet. Dort wird beansprucht, daß die Erkennungseinheit einen Schattendetektor mit mindestens zwei wechselweise einschaltbaren unterschiedlichen Lichtquellen und einem Lichtempfänger zum Ermitteln der Lichtpegeldifferenz aufweist.

Nachteilig ist die Fremdlichtempfindlichkeit dieser Anordnung, sowie die reine Differenzmessung der durchgelassenen oder remittierten Strahlung.

Fortschritte erbringt deswegen die DE-PS 33 11 352 "Detektor zur Registrierung von Marken".

Dort wird vorgeschlagen ein Detektor zur Registrierung von Marken auf bewegten Erzeugnissen, z. B. ein Druckmarkensteuergerät. Er hat als Beleuchtungsvorrichtung wenigstens zwei verschiedenfarbiges Licht ausstrahlende Lichtquellen, die in kontinuierlicher Folge abwechselnd gespeist werden und deren Lichtstrom zwei nebeneinanderliegende Lichtflecke auf das Erzeugnis wirft.

Ein optischer Abtaster verarbeitet das von den Lichtflecken reflektierte Licht. Da die Beleuchtungsfolgedauer, in der der Farbzyklus der Beleuchtungsvorrichtung sich wiederholt, kurz ist gegenüber der Verweildauer jeder Farbmarke in jedem Lichtfleck, wird während einer Verweildauer wenigstens ein Einzellichtimpuls, ein Einzelsignal maximaler Amplitude erzeugen, die größer ist als bei Beleuchtung mit unangepaßter Beleuchtungsfarbe.

Bei diesem Farbtaster ist ersichtlich nur beabsichtigt durch nebeneinanderliegende Lichtflecke und den Einsatz von zwei bis drei mit zwei- bis dreiphasigem Wechselstrom gespeisten Lichtquellen, im erwähnten Falle getrennten Leuchtdioden, ein zwei bis drei Differenzsignale zwischen den zwei unterschiedlichen Meßstellen erzeugen. Bei der reinen Registrierung von bewegten Farbmarken vermag dieser Detektor sicherlich Farbunterschiede geringer Abstufung zu erkennen und vermeidet somit die Fehler die eine reine Grauwertextraktion bei grauwertgleichen Farben mit sich bringt. Der UV- und IR-Strahlenbereich, sowie eine differenzierte Farb- und Strahlungsselektion bleiben diesem Detektor jedoch verschlossen. Auch ist die Fremdlichtunemfindlichkeit sowie die Abtastzeit, sowie die Baugröße entschieden zu groß.

Der vorstehend genannte Detektor ist demnach für die in der DE-OS 3 52 135 und DE-OS 35 40 126 des Anmelders aufgeführten Aufgaben der schnellen Farb- und Spetralerkennung nicht geeignet und kann also keine weitere Fortentwicklung der genannten Verfahren bewirken.

Insbesondere die in der DE-P 33 11 352 beanspruchte Variante mit zweifarbigen LED in einem Gehäuse, also mit zwei antiparallel geschalteten LED-Chips mit Rot-Grün-Lichtemission und zyklischer Wechselstromanregung ist auf praktisch stufenlose multispektrale Detektion nicht weiter verwendbar. Denn je nach dem Zyklus welcher der beiden LED-Chips in Durchlaßrichtung gepolt ist, wird entweder nur rotes oder grünes Licht auf zwei getrennte Meßstellen abgestrahlt. Dies liegt bei den üblichen antiparallelen Zwei-Farb-LED bei folgenden Wellenlängen.

rot/grün=660/560 Nanometer oder
rot/gelb=660/585 Nanometer oder
gelb/grün=585/560 Nanometer.

Auch bei Einsatz einer dritten LED bei Drei-Phasenwechselspannung ist nur die Detektion von maximal drei Farben möglich, da sich die Wellenlängen der LED nicht bzw. nur minimal überschneiden.

Folglich ist die Erkennung von nicht zur Detektionsfarbe passenden Materialien nur durch Austausch der Sende-LED zu bewerkstelligen.

Die mit dieser Anmeldung beanspruchte Erfindung beschreitet gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik einen grundsätzlich anderen Weg. Es werden sogenannte Mehrfarb-LED einzeln oder in bestimmten Kombinationen eingesetzt, die eine stufenlose Farbmischung ermöglichen.

GaP-LED mit einstellbarer Farbe nutzen zwei Rekombinationszentren, GaP : N und GaP : Zn, O aus. Auf der Rückseite eines n-leitenden GaP-Substrates wird z. B. eine rotleuchtende Diodenstruktur aufgebaut, während im vorderseitigen pn-Übergasng grün leuchtende Stickstoffdotierung wirksam ist. Die auf diese Weise entstandenen gegeneinandergeschalteten Dioden werden mit zwei Spannungsquellen betrieben. Durch getrenntes Einstellen der Diodenströme kann das Farbspektrum von Rot über Orange und Gelb bis Grün variiert werden. Die rote Strahlung durchdringt den gesamten Kristall und tritt durch die gleiche Fläche wie die grüne Strahlung aus, wodurch eine ideale räumliche Mischung erzielt wird.

Eine andere Konstruktion kommt mit einem einzigen pn-Übergang aus. Sie macht sich die unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit der beiden Lumineszenzmechanismen zu Nutze. Eine geeignet dotierte GaP-Diode leuchtet bereits bei geringen Stromdichten rot, während bei höheren Stromdichten die grüne Strahlung überhand nimmt und die rote in eine Sättigung übergeht. Eine statische Nutzung dieses Effektes würde die Dioden thermisch überlasten. Man geht deshalb zum Pulsbetrieb über: Hohe und kurze Strompulse (500 mA, 20 us) erzeugen grünes Licht, lange und niedere (50 mA, 200 us) dagegen rotes. Dazwischen ist eine Farbvariation möglich.

Denkbar sind bei Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie zukünftig auch Erweiterungen bis in den UV- und IR-Bereich. Auch bei den antiparallelen und Wechselstrom-LED sind Farbmischungen durch geeignete Ansteuerschaltungen möglich. So zeigt Fig. 1 die einfachen Grundschaltungen die für die drei unterschiedlichen LED-Typen zur stufenlosen Farbmischung einsetzbar sind. Fig. 1a kennzeichnet

• - bipolare antiparallele LEDs die ihre Farbe durch Umpolung der Betriebsspannung ändern. Zu beachten ist, daß hierbei meist unterschiedliche Durchlaßspannungen beim Durchlaßnennstrom vorliegen. In einer Brückenschaltung wird das Brückengleichgewicht (Brückenspannung=0 V) mit dem Potentiometer P eingestellt. Die Widerstände R 1 und R 2 haben unterschiedlichen Wert. In diesem Fall bleiben die Leuchtdioden der Duo-LED dunkel. Je nach Verstellen des Potentiometers wird die Helligkeit der einen oder anderen Leuchtdiode zunehmen, bis in der Endstellung des Potentiometers die maximale Helligkeit erreicht ist. Die Widerstände R 1 und R 2 wirken dann je für sich als Vorwiderstand je nach Schleifenstellung S für die entsprechende Teil-Leuchtdiode. Durch den Schleifer S wird praktisch die Stromrichtung und damit die LED-Auswahl besorgt, so daß in den Zwischenstellungen ein Mischlicht zwischen grün und rot entsteht, das als Orange interpretierbar ist. Die Farbmischung ist allerdings nicht perfekt.

Fig. 1b zeigt

• - die Grundschaltung für die parallele LED mit zwei Rekombinationszonen, bei der sich die Farbveränderung durch die zweigunterschiedlichen Diodenströme ergibt. Es entsteht in der Grundstellung (Schleifer des Potentiometers P in Mittelstellung) Mischlicht aus den Leuchtfarben der beiden Leuchtdioden. Je nach Potentiometerstellung fließt nun mehr Strom über die eine oder andere Leuchtdiode der Duo-LED. Bei Enstellung des Potentiometerschleifers ist praktisch nur der Widerstand R und die jeweilige Leuchtdiode maßgebend. Der Widerstand R ist daher entsprechend der Betriebsspannung U und den Daten (U _F , I _F ) der Einzelleuchtdiode zu berechnen.

Fig. 1c zeigt für die Farbeinstellung

• - bei stromgesteuerten Mehrfarb-LED's mit einer PN-Zone das wesentliche Schaltprinzip. Die Schaltung zur Steuerung der Strahlungswellenlänge besteht im wesentlichen aus drei Schaltungseinheiten, einem Impulsgenerator, einem Impulsdauereinsteller und einem Impulsverstärker. Will man die Farbe stufenlos verstellen, so müssen diese Bauteile alle drei variabel in kürzester Zeit automatisch einstellbar sein.
• Um die von der Erfindungsaufgabe gegebene Problematik zu lösen wird in der DE-OS 36 19 483 des Anmelders vorgeschlagen, die in den Grundschaltungen nach Fig. 1(a+b) vorhandenen Potentiometer durch ein Netzwerk von geeigneten Widerständen zu ersetzen, die in kleinen oder größeren Stufen (bitweise oder dezimal) durch speicherprogrammierbare Steuerungen, Microprozessoren oder Computer über eine parallele oder serielle Ansteuerung verändert (programmiert) werden können um steuerbare und über Rückmeldung regelbare Bauelemente zu erreichen.

Dieses Prinzip wird an einer Mehrfarb-LED nach Fig. 1b erläutert, wobei selbstverständlich ist, daß sich das Verfahren und die Schaltungsanordnung auch wie bei Fig. 1a einsetzen läßt. So zeigt Fig. 2 die erfindungsgemäße Möglichkeit zur programmierbaren Farbmischung bei mehrfarbigen Zwei-Zonen-LED's. Solche Lumineszensdioden 1 haben drei Anschlüsse, eine Kathode und zwei Anoden A₁ und A₂.

Im Kathodenzweig oder Anodenzweig liegt ein Vorwiderstand R _v zur Begrenzung des Diodenstromes. Zwischen den Anoden liegt in der Regel ein Spannungsteilerpotentiometer von 250-500 Ω, an dessen Mittelanschluß V _cc =12 V, oder eine andere Spannung, angelegt wird. Je nach Einstellung des Potis wird eine Farbmischung von rot zu gelb oder grün erreicht, was sich hier als Sender für die erfindungsgemäßen Sensoren für Farbmessungen ausnutzen läßt. Wird nun das Poti von Fig. 1 gegen das R-Netzwerk 2 ausgetauscht, in dessen linkem und rechten Zweig jeweils mindestens zwei bis vier Widerstände oder mehr liegen, so daß jeder Zweig maximal 250-500 Ω erreichen kann, dann muß man lediglich durch die erfindungsgemäße Schaltung 3 dafür sorgen, daß im rechten Zweig das Bitmuster jeweils invertiert wird durch Inverter 4, so daß die Σ R der Widerstände jeweils 250-500 Ω ergibt. Es ergeben sich auf jeder Seite, wie ersichtlich, 16 R-Kombinationen, so daß in Stufen von wenigen Nanometern je nach LED eine Wellenlängenvariation und somit Farbänderung möglich wird.

Die Verstellgeschwindigkeit dieser Anordnung liegt im Nanosekundenbereich und die Verstellung kann von Programmsteuerungen und Microcomputern vorgenommen werden durch die Kanäle des Datenbusses 5.

Zum Baustein 2 und 3 kann auch noch eine Anzeige parallel gelegt werden, so daß die Bitmuster als Ziffer oder Zahl oder Farbwellenlänge abgebildet werden können. Ebenfalls ist jedem Fachmann geläufig, hier eine Tastatur anzuschließen.

Den Sendedioden 1 liegt nun eine bekannte Empfängerschaltung 6 gegenüber, die beispielsweise aus einer Fotodiode oder einem Fotoempfänger besteht der durch Dotierung oder vorgeschaltetem Filter im Grünbereich der Augenempfindlichkeit entspricht. Wird nun durch die erfindungsgemäße Anordnung 1 und 2 und 3 die Farbe variiert, bei Unterdrückung jedes Fremdlichtseinflusses und ohne ein zwischengeschaltetes Medium bei konstanter Spannung und Temperatur, so wird am Empfänger eine Spannung oder ein Strom entstehen, der verstärkt und wieder über A/D-Wandlung digitalisiert werden kann. Da die Bitmuster auf der Sendeseite einer bestimmten Strahlungswellenlänge sowie Intensität entsprechen, braucht nur durch entsprechende Versuche und Ermittlung und Eichung der bei A/D-Wandlung auf der Empfängerseite entstehenden Bitmuster eine Zuordnung stattfinden um entweder eine Farbinformation oder Intensitätsinformation auf der Empfängerseite abzuleiten. Wie ersichtlich kann dies softwaremäßig oder hardwaremäßig auf vielerlei Art und Weise geschehen, insbesondere auch nach den Verfahren und Anordnungen der DE-OS 36 19 483 des Anmelders.

Aus vorstehendem lassen sich einige Anwendungen ableiten, die erfindungswesentlich sind. Fig. 3a zeigt eine Optokoppleranordnung bei der mit dem beschriebenen Verfahren nach Fig. 2 eine gleichzeitige Optokopplung und Digitalanalogwandlung vorgenommen werden kann. Die Stufung der D/A-Wandlung hängt dabei von der Farb-Bandbreite der LED ab, sowie der Zahl der Widerstände die zugeschaltet werden. Insbesondere wenn in jedem Kanal des Digitalpotentiometers 2 und 3 jeweils der Widerstand R _o =0 gewählt wird, lassen sich die beiden Anzeigefarben z. B. grün/rot auch wie über einen Schalter direkt anwählen und können dann zur Kalibrierung von Arbeitspunkten verwendet werden.

Ein solcher Optokoppler besteht demnach aus der Schaltung nach Fig. 2, einer Mehrfarb-LED 10, einem Fotoempfänger 11, sowie der Abschirmung 12. Der Vorteil eines solchen Optokoppler liegt darin, daß sendeseitig eine leichte und preiswerte Ankopplung an Micorcomputerbussysteme erfolgen kann, sowie empfangsseitig alle bekannten Schaltungen wie bei Optokopplern üblich erfolgen können und insbesondere hohe analoge Spannungen oder Ströme durch niedrige Digitalströme/Spannungen erzeugt werden können.

In Fig. 3b ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit zu erkennen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren über Glasfasern digital/analog Daten übertragen werden können, wobei natürlich die Eigenschaften bei Farbübertragung berücksichtigt werden müssen. So stellt 12 die erfindungsgemäße farbveränderliche LED dar, 13 ein Glasfasermedium und 14 ein auf 12 abgestimmter Empfänger. Es gilt ansonsten die technische Analogie zum Optokoppler nach Fig. 3a.

Desweiteren kann die vorstehende Erfindung für schnelle Durchlicht- bzw. Transmissionsmessungen an festen oder gasförmigen Medien eingesetzt werden. Fig. 3b zeigt die vorgeschlagene Anordnung. Es ist wieder die erfindungsgemäße Farb-LED, 16 der Empfänger mit Auswerteelektronik und 17 das zu durchstrahlende Medium. Bei Unterdrückung von Umlichteinflüssen kann, da die Abstrahlcharakteristik bekannt ist, sowie das erzeugende Sendebitmuster, am Empfänger die Abschwächung der jeweiligen Spektralbereiche festgestellt werden, was sich in mannigfaltige Auswertungen umsetzen läßt. Insbesondere in einem einfachen Farbsensor mit spektraler Verteilungsanzeige. Die Meßzeit für beispielsweise 16 Farbwerte kann je nach Ansteuerung der Bausteine 4 und 3 unter einer Millisekunde liegen. Die Beispiele in Fig. 3 zeigen alle Anwendungen nach dem Transmissionsprinzip.

Erfindungsgemäß sind auch die Anwendungen nach dem Reflexionsprinzip nach Fig. 4 und Autokollimationsprinzip nach Fig. 5 möglich. In Fig. 4a stellt 18 den erfindungsgemäßen Strahlungssender 18, sowie 19 den Empfänger dar, 20 ist das Meßobjekt. Es entsteht wiederum ein einfacher Farbsensor, wenn Umgebungseinflüsse unterdrückt werden können. In Fig. 4b wird eine Glasfaserübertragungsstrecke 23 zwischengeschaltet, was in vielen Varianten sinnvoll und möglich ist. Demgegenüber arbeitet die Anordnung in Bild 5 nach dem Autokollimationsprinzip. Hierbei wird vom Sender 25 kommend die Strahlung über den teildurchlässigen Spiegel 27, das Objekt 29, den Strahlengang 30 über die Spiegelschicht 28 zum Empfänger 26 umgeleitet. Diese Anordnung ist ebenfalls als Farbsensor brauchbar.

Es lassen sich darüberhinaus weitere optische Prinzipien einsetzen, die den Einsatzbereich des Sensors nach Fig. 2 vorteilhaft ermöglichen. Die bisherigen Anwendungen lagen alle in dem relativ schmalbandigen Wellenlängenbereich von grün/orange und rot, den heutige Mehrfarbleuchtdioden abdecken können. Die Erfindung ist aber auch denkbar, bei neueren LED's die größere Spektralbereiche erfassen. Um einen größeren Spektralbereich jetzt schon zu erzielen wird eine Lösung nach Fig. 6a vorgeschlagen, am Beispiel des erfindungsgemäßen Optokoppler nach Fig. 6b, sowie des Transmissionsfarbsensors nach Fig. 6a.

Es werden über einen teildurchlässigen Spiegel zwei oder mehrere Strahlungssender S₁=32 oder S₂=33 zugeschaltet. Dies müssen nicht notwendigerweise LED's mit veränderbarer Farbe sein, sondern können beispielsweise

S₁=Blau S₂=Infrarot

oder

S₁=veränderliche LED von grün bis orange S₂=Infrarot S=Strahlungssender E=Strahlungsempfänger

oder

S₁=Blau S₂=veränderliche LED von gelb bis hellrot

sein.

Dies erweitert den Einsatzbereich des Verfahrens und der Anordnung erheblich auf echte multispektrale Anwendungsfälle.

Speziell lassen sich bei Unterbringung von zwei oder mehreren LED-Strahlern unterschiedlicher Strahlungscharakteristiken - die doch in sehr kleinen Baugrößen erhältlich sind - in einem Gehäuse mit Optik Strahlungssender als multispektrale LED vom Blau - bis in den IR-Bereich erhalten (von 400 nm bis 1000 nm). Dies wäre natürlich auch durch geeignete Dotierung zu erreichen auf einem Zwei- oder Mehrzonensubstrat.

Fig. 7 zeigt beispielsweise eine solche sich ergebende multispektrale LED. Wobei 34 beispielsweise eine Rot/Grün strahlende Quelle ist und 35 eine IRED aus dem nahen Infrarotbereich. Bei 36 handelt es sich um die zweckdienliche Optik, 37 stellt den gemischten Lichtstrahl dar und 38 ist ein umschließendes Gehäuse.

In Fig. 7b ist die Prinzipschaltung dargestellt nach der sich über Schalter S₁/S₂/S₃ eine Lichtmischung erreichen läßt. Als Schalter werden sinnvollerweise schnelle elektronische Schalter z. B. die SN 4016/4066 eingesetzt. Auch läßt sich im oberen Parallelzweig die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 einsetzen, so daß praktisch eine diskrete Lichtmischung in einer Vielzahl von Stufen möglich wird.

Kombiniert man diese Anordnung mit zwei verschiedenen Sendern S₁ und S₂ auch mit zwei verschiedenen Empfängern nach Fig. 8 die sich bei den heute bekannten LED's und IRED's für die Multispektralanalyse ergeben können, wobei damit zu rechnen ist, daß die vorhandenen Lücken im LED-Spektrum bald noch geschlossen werden, ergeben sich schon sehr gebrauchstüchtige Farb- und Spektralsensoren, die z. B. in 255 Stufen den Wellenlängenbereich von 400 bis 1000 Nanometern überdecken können.

Fig. 8 stellt einen solchen Multispektralsensor dar, der aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert. Es ist beispielsweise 40 (S₂) eine blaue LED mit 480 nm Wellenlänge, diese strahlt einerseits durch den teildurchlässigen Spiegel 42 auf einen Referenzempfänger 47 und gleichzeitig über den teildurchlässigen Spiegel 43 zum Meßobjekt, von dort über die Remission 46 und die Spiegelfläche von 43 zum Hauptempfänger 48. Hier wird ein Fotoeffekt ausgelöst.

Der Empfänger 48 ist je nach Aufgabe mit Grünfilter versehen beispielsweise der bekannte BPW 21, oder erfaßt einen größeren Wellenlängenbereich von UV bis IR wie der Empfänger BPX 28. Die beiden Empfänger 47 und 48 arbeiten entweder in einer Brückenschaltung durch Differenzvergleich zusammen oder jedes Empfängersignal wird über A/D-Wandlung separat ausgewertet oder im angeschlossenen Rechner verglichen. 41 ist beispielsweise eine Mehrfarb-LED, deren Strahlung teilweise auch auf den Referenzempfänger fällt in einer vergleichbaren Größenordnung wie von 40. Über 42 und 43 sowie den Strahlengang 45/46 wird wieder der Hauptempfänger 48 bestrahlt. Der Referenzempfänger kann auch entfallen, so ergibt sich die Anordnung nach Fig. 5. Auch ist die Anordnung nach Fig. 6a und 6b wie ersichtlich möglich. Ein Einbau in ein gemeinsames Gehäuse 44 ist wegen Fremdstrahlung möglich.

Als Optiksystem wird zweckmäßig ein lagefehler-tolerantes System eingesetzt um Abstandsänderungen zu eliminieren. Eventuell kann die Abstandsänderung auch durch mechanisches Nachführen des Sensorkopfes oder durch Regelung der Empfindlichkeit bis zum Maximum mit dem digital stellbaren Widerstand des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen.

Fig. 9 stellt ein gegenüber Fig. 2 erweitertes Schaltbild dar, wobei dies das elektronische Prinzip zur Fig. 6 ergibt. Es soll vorausgesetzt werden, daß die Schaltung der komplexen Aufgabe wegen an einen Microcomputer oder ein Mikroprozessorsystem 49 angeschlossen ist.

Die Anordnung ist geeicht, die Bitmuster der möglichen Farben durch Zuschaltung bestimmt sind im Speicher abgelegt und können mit dem Bitmuster des A/D-Wandlers verglichen werden. Bei der Transmissionsmessung wird folgendermaßen vorgegangen: ohne Objekt im Strahlengang werden über 50 und 51 die drei LED 60 und 59 programmgesteuert gleichzeitig eingeschaltet auf maximale Helligkeit. Der Empfänger 58 liefert sein Signal über den Verstärker 57, der durch Ri-Netzwerk 61 und elektronischem Schalter 55 und Flip-Flop 54 ebenfalls programmgesteuert einstellbar ist zum A/D-Wandler 56. Der Verstärker wird solange ausgeregelt bis am Bus 49 das höchstwertige Bitmuster erscheint. Das D-Flip-Flop hält den Verstärker in dieser maximalen Stellung an. Wird nun die zu detektierende Probe in den Meßgang eingebracht, werden vom Microcomputer über den Datenbus 61 die LED spektral gestuft nacheinander zugeschaltet z. B. Blau, Grün, Gelbgrün, Orange, Hellrot, Dunkelrot, Infrarot 1, Infrarot 2 oder umgekehrt oder ausschnittweise je nach Bestückung der Sender 60 und 59.

Über den Verstärker 57, den A/D-Wandler 56 liegt der Bitwert am Microcomputer an und kann nun mit dem geeichten Bitmuster (Dezimalzahl) verglichen werden. Damit lassen sich nun Remission, Transmission sofort spektral in Prozent oder als Histogramm darstellen, sowie auch eine Aussage über die Farbe und Spektrum geben die den Bitmustern zugeordnet sind.

Der gesamte Meßablauf kann auch vereinfacht werden, wenn es nur darauf ankommt, voreinstellbare Farbwerte zu diskriminieren oder Werte miteinander zu vergleichen, in dem die Auswertung über bekannte Techniken hardwareseitig erfolgt z. B. Schnellwertschalter und Fensterdiskriminatoren. Wird die optische Anordnung nach Fig. 8 benötigt, so wird der A/D-Wandler bekannterweise in eine Brücke zwischen die Empfänger 40 und 41 geschaltet, während die übrige Meßanordnung gleich bleibt. Es ist also sofort eine Differenzmessung möglich.

Das Verfahren kann auch auf die Grundschaltung nach Fig. 1a angewandt werden, wobei sich im Prinzip dasselbe Ergebnis ergibt. Darüber hinaus kann die Farbvariation der beiden Grundschaltungen nach Fig. 1a und 1b auch durch einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) erfolgen, die an Stelle der Spannungsteilerpotis mit einem eingeprägten Strom die LED's betreiben.

Die D/A-Wandlertechnik ist allerdings aufwendiger als die Variation der Widerstände bzw. Zu- und Abschaltung über Microcomputer hat weiter den Nachteil, daß Überschwingen bei Impulsbeaufschlagung der LED's entsteht.

Die bisher beschriebenen Beispiele sind alle fremdlichtempfindlich bzw. reagieren auf Fremdstrahlung mit einem verfälschten Anzeigewert. Dies läßt sich bekanntlich beseitigen durch die Modulation von LED's mit einer Impulskomponente oder Wechselstrom. Das Grundschaltbild in Fig. 1c setzt diese Modulation der LED-Ströme geradezu voraus um eine Farbveränderung zu erzielen. Die Modulation muß in aller Regel bei einer weit höheren Frequenz als 100 Hz erfolgen, beispielsweise bei 1000 Hz bis 4000 Hz.

Die einfachste Lösung der gestellten Aufgabe liegt darin, die LED's nicht mit Gleichstrom sondern z. B. mit einem positiven Impulszug mit dem Tastverhältnis 1 : 1 und einer konstanten Frequenz von maximal einhalb der Maximalfrequenz der A/D-Wandler zu beaufschlagen, der an Punkt 61 der Schaltung Fig. 9 eingespeist wird. Die Ankoppelung der Fotoempfänger 58 an den einstellbaren Verstärker 57 erfolgt jedoch nunmehr nicht direkt sondern über einen Kondensator 72 der die Gleichspannung sperrt und die Wechselspannungskomponente durchläßt (nicht eingezeichnet). Dieses Signal wird nun noch vor dem Verstärker 73 gleichgerichtet, anschließend verstärkt in 57 und sodann dem A/D-Wandler 56 zugeführt. Die weitere Auswertung sowie Signalbehandlung erfolgt im Microcomputer wie vorstehend beschrieben.

Da übliche A/D-Wandler Grenzfrequenzen von 1 kHz bis 100 kHz aufweisen, kann die Strahlung mit 500 Hz bis 50 kHz moduliert werden, wobei bei höheren Frequenzen die Störunempfindlichkeit zunimmt, sowie die Wandlungszeit abnimmt, also auch die Meßzeit. Um eine sichere A/D-Wandlung zu ermöglichen wird zweckmäßig ein Impulszug z. B. mit 2 bis 10 Impulsen ausgewertet, was sich mit sogenannten Zähldekodern erreichen läßt. Wird im übrigen jeweils nur eine Farbe abgestrahlt, erhält man einen gepulsten Grauwertdetektor.

Mit der einfachen konstanten Modulation läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung verbessern, da jedoch alle LED gleichzeitig moduliert werden, und bei gleichzeitiger Zuschaltung von z. B. zwei LED eine Farbüberlagerung eintritt, muß der jeweilige Meßfleck nacheinander durch die Farbwechsel bestrahlt werden und auch die Auswertung nacheinander erfolgen. Bei schnellbewegten Meßstellen oder schnellen Vorgängen ist dies hinderlich.

Die Erfindung bezweckt demnach weiter jede im Sendeteil eingesetzte LED mit einer eigenen Taktfrequenz gleichzeitig zu modulieren, oder bei miteingesetzten Mehrfarb-LED jede über Widerstandswerte eingestellte Strahlung mit einer eigenen Frequenz zu modulieren.

Bestrahlt man beispielsweise einen Meßfleck gleichzeitig mit den drei Spektren

- Blau 4000 kHz-Takt - Rot16000 kHz-Takt - Infrarot32000 kHz-Takt,

so beeinflussen sich infolge der für unser Auge relativ hohen Frequenz visuell diese zu einer Mischstrahlung. An einem Fotoempfänger wie 58 nach Fig. 9 spielt diese visuelle Überlagerung keine Rolle. Man kann durch eine oder mehrere dem Fotoempfänger nachfolgende frequenzselektive Auswertestufen für jede Schwingungsfrequenz die doch einer definierten zugeordneten Farbe oder Strahlung entspricht ein Analogsignal gewinnen, verstärken und digitalisieren. Es ergeben sich zwei Vorteile einer solchen Ausführung

• - die Schwingungsfrequenz entspricht einer bestimmten Strahlungswellenlänge
• - der digitalisierte Wert einer bestimmten (muß geeicht werden) Strahlungsstärke.

Um dies noch zu verbessern, kann das aus der Fernsteuertechnik bekannte Verfahren der Synchrondemodulation angewandt werden. Hierbei wird die ausgesandte Modulationsfrequenz dem Selektivempfänger aufgeschaltet, so daß sich sehr schmalbandige Durchlaßfenster am Empfänger ergeben und somit Fremdstrahlungseinfluß auf ein Minimum reduziert wird.

Es stehen also am synchrondemodulierten Fotoempfänger die durchgelassenen Frequenzen praktisch gleichzeitg an, so daß in kürzester Zeit auch bei schnellbewegten Objekten die Strahlungsinformationen ermittelt werden können und die Messung nicht mehr nacheinander sondern gleichzeitig erfolgen kann. Man nähert sich dabei einem fast perfekten aktiven Farbereknnungssystem, das umgekehrt wie ein Auge funktioniert.

Auch können hier alle LED nach Fig. 1a bis 1c eingesetzt werden, da in der Funktionsweise praktisch kein Unterschied mehr besteht.

In Fig. 10 ist noch ein weiteres Optiksystem gezeigt, das erfindungswesentlich ist. Hiermit kann man drei Strahlungssender über ein Optik-System auf einen Strahlungsempfänger wirken lassen.

Sender 1 ist langwellig (63) im Infrarotbereich, Sender 3 (65) kurzwellig beispielsweise Blau, Sender 2 (64) kann eine Mehrfarb-LED sein oder auch eine Grün LED. Zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren der gleichzeitigen frequenzselektiven Modulation und Demodulation ergibt sich eine multispektrale Sensoreinheit.

Fig. 11 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die beschriebenen modulierten Strahlungssender entweder zeilenförmig 67 auf ein Empfängersystem 68 einwirken, oder matrixförmig 69 evtl. auf Kamerasysteme. Es lassen sich damit breitbandige modulierte Strahlungssender erzeugen zur Ausleuchtung von Flächen und Szenen für Farberkennung und Spektralanalyse.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Verfahrens zur Erzeugung und Erkennung von optischen Spektren sowie des daraus resultierenden Schalt- und Sensorsystems ist eine zuverlässige, schnelle sowie stationäre oder mobile Farb- und optische Spektralanalyse möglich, insbesondere in der Näh- und Textilautomation im Netz- als auch Batteriebetrieb an bewegten oder stillstehenden Medien.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen als auch in den Zeichnungen geoffenbarten Merkmale der Erfindung sind sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen und Ausführungen erfindungswesentlich.

Die Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, daß von verschiedenen Strahlquellen mit unterschiedlichen Strahlungswellenlängen eine pulsierende Strahlung mit verschiedenen Modulationen in der Intensität gleichzeitig auf einen Punkt abgestrahlt wird, und sodann mit einem elektrisch frequenzselektiven Auswertesystem die Strahlungswellenlängen den Intensitätsmodulationen zugeordnet werden.

Desweiteren auch dadurch, daß die Strahlungsquellen sogenannte Mehrfarb-LEDs (multispektrale LED/IRED) sind, deren Strahlungswellenlänge kontinuierlich oder diskret verändert wird, wiederum bei einer zugeordneten Intensitätsfrequenz, bei Vereinigung der Strahlung auf einen Punkt oder eine homogene Fläche, wobei beim Einsatz von Mehrfarb-LEDs die Impulszüge seriell, also nacheinander, ausgesandt werden.

Die Erfindung schließt aufgrund ihrer Gestaltung automatisch die Funktion von üblichen Grauwertsensoren mit ein, wenn alle Strahlungssender bis auf einen abgeschaltet sind, sowie auch bei der Intensitätsfrequenz Null und zwei oder drei abstrahlenden Strahlern einen Sensor, der mit Gleichlicht arbeitet. Es handelt sich praktisch um die beiden Grenzlagen in der Funktion des Systems.

Im übrigen kehrt die Erfindung die Funktion von menschlichen Augen oder biologischen Sehsystemen um bei denen bekannterweise zwei bis drei auf unterschiedliche Farben reagierende Lichtempfänger mit einem Strahlungsgemisch bestrahlt werden, und daraus ein spezifischer Farbreiz entsteht. Hierbei handelt es sich um ein passives System, da ausschließlich Fremdbestrahlung analysiert wird.

Demgegenüber arbeitet die Erfindung nach einem Umkehrprinzip, als aktives System, da zwei bis drei unterschiedlich modulierte Strahlungsquellen eine eigene Strahlung gleichzeitig oder seriell aussenden, die an vorzugsweise einem Empfänger durch Auswertung der mit unterschiedlicher Stärke ankommenden Strahlungsintensitäten den Strahlungs- oder Farbreiz in einem elektrisch frequenzselektiven System auslösen, und damit von Fremdstrahlung und Umgebungsbeleuchtung unabhängig eine Farb- oder Spetralanalyse möglich ist, was besonders für die Technik sowie Automatisierung wesentliche Vorteile erbringt.

Claims (33)

1. Verfahren zu Erzeugung und Erkennung von Farben und optischen Spektren an bewegten und ruhenden Medien, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungseinrichtung, bestehend aus mindestens zwei vorzugsweise drei Halbleiterstrahlern, vorzugsweise LED oder IRED oder Lasern, eine optische Strahlung von unterschiedlicher optischer Wellenlänge, von UV über VIS bis IR mit einer hinreichend unterschiedlichen der Strahlung zugeordneten Modulationsfrequenz, gleichzeitig auf eine gemeinsame Fläche oder einen einzigen Meßpunkt eines Mediums aufstrahlt, wobei die Strahlung durch optische Mittel auf einen einzigen Punkt geführt und vereinigt werden kann, sowie die reflektierte oder durchgelassene Strahlung von einem der ausgesandten Strahlung angepaßten Empfänger erfaßt wird, mit einer nachgeschalteten elektronischen Auswertevorrichtung, die entweder mit einem einfachen Demodulatorensystem in Form von schmalbandigen Filtern, die nur die der jeweiligen Strahlungswellenlänge zugeordneten, am Empfänger anstehenden elektrischen Impulse durchläßt, oder mit einer vom Sender bestimmten Synchrondemodulation die gleichzeitig anstehenden unterschiedlichen Impulsfrequenzen einer Auswerteeinheit zuleitet, und diese die Frequenzen wieder den bekannten ausgesandten Modulationen der Strahlungswellenlänge zuordnet, sowie einer Auswerteeinheit in Form einer Gleichrichterschaltung mit Glättung und nachgeschaltetem A/D-Wandler, um zusätzlich zur Impulsfrequenz die Höhe des umgewandelten Impulswertes als Maß für die Stärke der reflektierten oder durchgelassenen Strahlung entweder anzuzeigen oder einem Mikroprozessor- oder Mikrocomputersystem aufzuschalten.

2. Verfahren und Sensorsystem zur Erkennung von Farben nach dem vorgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungssender LED oder Laser der Farben Blau, Rot und Grün sind, sowie diese gleichzeitig auf eine Stelle eines Mediums gerichtete Strahlung in einem definierten Verhältnis zur Farbwellenlänge elektrisch getaktet wird, der oder die Fotoempfänger nur im Bereich der Augenempfindlichkeit empfindlich ist, eventuell durch Vorschalten eines Grünfilters, sowie in dem dem Empfänger nachgeordneten Auswertesystem Meßwerte für die Farbwellenlänge der Strahlung, sowie Intensität der Farbstrahlung ermittelt, und mit definierten Werten in einem Speicher verglichen und angezeigt werden kann ohne weitere Zuhilfenahme mechanischer und manueller Mittel.

3. Verfahren und Sensorsystem zur Erkennung von optischen Spektren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strahlungssender eine sogenannte Mehrfarb-LED alleine oder kombiniert mit Einfarb-LED oder ein anderer schneller multispektraler Sender ist, dessen Strahlungswellenlänge kontinuierlich oder stufig verändert werden kann durch entsprechende Bauteilezuschaltung oder D/A-Wandler, und dessen veränderter Strahlungswellenlänge wiederum eine definierte Intensitätsmodulation automatisch zugeordnet wird, die für die ausgesandte Strahlung eine Identifikation zuläßt durch eine Auswerteeinheit.

4. Verfahren und Sensorsystem nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere optische Strahlungssender, ein optisches Strahlführungs- und Beeinflussungssystem, ein oder mehrere optische Empfänger, sowie ein Netzwerk elektronischer bzw. elektrischer Bauelemente, die der Problemstellung entsprechend ausgelegt sind, sowie eine Anzahl schneller elektronischer Schalter und Filter, die direkt von einer frei programmierbaren Steuerung, einem Mikroprozessor oder einem Mikrocomputer parallel oder seriell angesteuert werden können, um die Strahlungsspektren zu modulieren, auszuwerten und Ergebnisse anzuzeigen oder weiter zu verarbeiten, erfindungswesentlich ist.

5. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Sensoren und Schaltsysteme, insbesondere für die Nähtechnik und Textiltechnologie sowie die allgemeine Automatisierung, die in der Lage sind, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens optische Spektren zu detektieren oder für Schaltzwecke technisch zu nutzen bei kürzester Zeit und selbsttätiger Anpassung an die gestellte Aufgabe, eingesetzt werden.

6. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß alle bekannten Mehrfarb-LED einzeln oder in bestimmten Kombinationen eingesetzt werden, die eine stufenlose Farbmischung ermöglichen, und bei Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie zukünftig auch Erweiterungen bis in den UV- und IR-Bereich erfindungswesentlich sind.

7. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei stromgesteuerten Mehrfarb-LEDs mit einer PN-Zone die Schaltung zur Steuerung der Strahlungswellenlänge im wesentlichen aus drei Schaltungseinheiten, einem Impulsgenerator, einem Impulsdauereinsteller und einem Impulsverstärker besteht, bei dem man die Farbe stufenlos verstellen kann, wobei diese Bauteile alle drei variabel in kürzester Zeit automatisch einstellbar sind.

8. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Grundschaltungen Fig. 1(a+b) vorhandenen Potentiometer durch ein Netzwerk von geeigneten Widerständen ersetzt werden, die in kleinen oder größeren Stufen (bitweise oder dezimal) durch speicherprogrammierbare Steuerungen, Mikroprozessoren oder Computer über eine parallele oder serielle Ansteuerung verändert (programmiert) werden können, um steuerbare und über Rückmeldung regelbare Bauelemente zu erreichen.

9. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Baustein 2 und 3 auch eine Anzeige parallel gelegt wird, so daß die Bitmuster als Ziffer oder Zahl oder Farbwellenlänge abgebildet werden können. Ebenfalls ist jedem Fachmann geläufig, hier eine Tastatur anzuschließen.

10. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß den Sendedioden 1 nun die bekannte Empfängerschaltung 6 gegenüberliegt, die beispielsweise aus einer Fotodiode oder einem Fotoempfänger besteht, der durch Dotierung oder vorgeschalteten Filter im Grünbereich der Augenempfindlichkeit entspricht. Wird nun durch die erfindungsgemäße Anordnung 1 und 2 und 3 die Farbe variiert, bei Unterdrückung jedes Fremdlichteinflusses und ohne ein zwischengeschaltetes Medium bei konstanter Spannung und Temperatur, so wird am Empfänger eine Spannung oder ein Strom entstehen, der verstärkt und wieder über A/D-Wandlung digitalisiert werden kann. Da die Bitmuster auf der Sendeseite einer bestimmten Strahlungswellenlänge sowie Intensität entsprechen, braucht nur durch entsprechende Versuche und Ermittlung und Eichung der bei A/D-Wandlung auf der Empfängerseite entstehenden Bitmuster eine Zuordnung stattfinden, um eine Strahlungs-/Farbinformation auf der Empfängerseite abzuleiten.

11. Schaltsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichzeitige Optokopplung und Digitalanalogwandlung vorgenommen wird, bei der die Sendestrahlung moduliert oder unmoduliert sein kann, bestehend aus der Schaltung nach Fig. 2, einer Mehrfarb-LED 10, einem Fotoempfänger 11 sowie der Abschirmung 12.

12. Schalt- und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 3b in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren über Glasfaser digital/analog Daten übertragen werden können, wobei die Eigenschaften bei Farbübertragung berücksichtigt werden müssen. So stellt 12 die erfindungsgemäße farbveränderliche LED dar, 13 ein Glasfasermedium und 14 einen auf 12 abgestimmten Empfänger.

13. Sensorsystem nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehende Erfindung für schnelle Durchlicht- bzw. Transmissionsmessungen an festen oder gasförmigen Medien eingesetzt wird. Fig. 3b zeigt die vorgeschlagene Anordnung. Es ist wieder die erfindungsgemäße Farb-LED, 16 der Empfänger mit Auswerteelektronik und 17 das zu durchstrahlende Medium. Bei Unterdrückung von Umlichteinflüssen kann, da die Abstrahlcharakteristik bekannt ist, sowie das erzeugende Sendebitmuster, am Empfänger die Abschwächung der jeweiligen Spektralbereiche festgestellt werden, was sich in mannigfaltige photometrische Auswertungen umsetzen läßt.

14. Sensorsystem nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Fig. 4a den erfindungsgemäßen Strahlungssender 18 sowie den Empfänger 19 darstellt; 20 ist das Meßobjekt. Es entsteht wiederum ein einfacher Farbsensor, wenn Umgebungseinflüsse unterdrückt werden können. In Fig. 4b wird eine Glasfaserübertragungsstrecke 23 zwischengeschaltet, was in vielen Varianten sinnvoll und möglich ist.

15. Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß hierbei vom Sender 25 kommend die Strahlung über den teildurchlässigen Spiegel 27, das Objekt 29, den Strahlengang 30 über die Spiegelschicht 28 zum Empfänger 26 umgeleitet wird.

16. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 6a und 6b über einen teildurchlässigen Spiegel zwei oder mehrere Strahlungssender S₁=32 oder S₂=33 zugeschaltet werden. Dies müssen nicht notwendigerweise LEDs mit veränderbarer Farbe sein, sondern können beispielsweise S₁=Blau S₂=Infrarot oderS₁=veränderliche LED von grün bis orange S₂=InfrarotoderS₁=Blau S₂=veränderliche LED von gelb bis hellrotsein, sowie beliebige weitere Kombinationen.

17. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Unterbringung von zwei oder mehreren LED-Strahlern unterschiedlicher Strahlungscharakteristik in einem gemeinsamen Gehäuse oder einem gemeinsamen Halbleitersubstrat nach Fig. 7a eine multispektrale Strahlungsquelle ausgebildet wird, wobei 34 beispielsweise eine Rot/Grün strahlende Quelle ist, und 35 eine IRED aus dem nahen Infrarotbereich; bei 36 handelt es sich um die zweckdienliche Optik, 37 stellt den gemischten Lichtstrahl dar, und 38 ist ein umschließendes Gehäuse.

18. Schaltsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prinzipschaltung nach Fig. 7b eingesetzt wird, bei der eine Gruppe von Sendern von einer gemeinsamen Stromquelle oder getrennten Stromquellen über Schalter S₁/S₂/S₃ eine Lichtmischung zuläßt. Als Schalter werden sinnvollerweise schnelle elektronische Schalter, z. B. die SN 4016/4066 eingesetzt. Auch läßt sich im oberen Parallelzweig die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 einsetzen, so daß praktisch eine feinstufige Lichtmischung in einer Vielzahl von Stufen möglich wird.

19. Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung mit mindestens zwei verschiedenen Sendern S₁ und S₂ mit zwei verschiedenen Empfänger nach Fig. 8 kombiniert wird, so daß beispielsweise 40 (S₂) eine blaue LED mit 480 nm Wellenlänge ist, diese strahlt einerseits durch den teildurchlässigen Spiegel 42 auf einen Referenzempfänger 47 und gleichzeitig über den teildurchlässigen Spiegel 43 zum Meßobjekt, von dort über die Remission 46 und die Spiegelfläche von 43 zum Hauptempfänger 48. Hier wird ein Fotoeffekt ausgelöst.
Der Empfänger 48 ist je nach Aufgabe mit Grünfilter versehen, beispielsweise der bekannte BPW 21, oder erfaßt einen größeren Wellenlängenbereich von UV bis IR wie der Empfänger BP X 28. Die Beiden Empfänger 47 und 48 arbeiten entweder in einer Brückenschaltung durch Differenzvergleich zusammen, oder jedes Empfängersignal wird über A/D-Wandler separat ausgewertet oder im angeschlossenen Rechner verglichen. 41 ist beispielsweise eine Mehrfarb-LED, deren Strahlung teilweise auch auf den Referenzempfänger fällt in einer vergleichbaren Größenordnung wie von 40.
Über 42 und 43 sowie den Strahlengang 45/46 wird wieder der Hauptempfänger 48 bestrahlt. Der Referenzempfänger kann auch entfallen, so ergibt sich die Anordnung nach Fig. 5. Auch ist die Anordnung nach Fig. 6a und 6b wie ersichtlich möglich. Ein Einbau in ein gemeinsames Gehäuse 44 ist wegen Fremdstrahlung erfindungswesentlich.

20. Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Optiksystem zweckmäßig ein lagefehlertolerantes System eingesetzt wird, um Abstandsänderungen zu eliminieren, oder die Abstandsänderung auch durch mechanisches Nachführen des Sensorkopfes oder durch Regelung der Empfindlichkeit bis zum Maximum mit dem digital stellbaren Widerstand des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt.

21. Verfahren und Sensor- und Schaltsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 9 die Schaltung der komplexen Aufgabe wegen an einen Mikrocomputer oder ein Mikroprozessorsystem 49 angeschlossen ist, die Anordnung geeicht ist, die Bitmuster der möglichen Farben durch Zuschaltung bestimmt sind, im Speicher abgelegt sind, und mit dem Bitmuster des A/D-Wandlers verglichen werden. Bei der Transmissionsmessung wird folgendermaßen vorgegangen: ohne Objekt im Strahlengang werden über 50 und 51 die drei LEDs 60 und 59 programmgesteuert gleichzeitig eingeschaltet auf maximale Helligkeit. Der Empfänger 58 liefert sein Signal über den Verstärker 57, der durch Ri-Netzwerk 61 und elektronischen Schalter 55 und Flip-Flop 54 ebenfalls programmgesteuert einstellbar ist zum A/D-Wandler 56. Der Verstärker wird solange ausgeregelt, bis am Bus 49 das höchstwertige Bitmuster erscheint. Das D-Flip-Flop hält den Verstärker in dieser maximalen Stellung an. Wird nun die zu detektierende Probe in den Meßgang eingebracht, werden vom Mikrocomputer über den Datenbus 61 die LEDs spektral gestuft nacheinander zugeschaltet, z. B. Blau, Grün, Gelbgrün, Orange, Hellrot, Dunkelrot, Infrarot 1, Infrarot 2 oder umgekehrt oder ausschnittweise je nach Bestückung der Sender 60 und 59.
Über den Verstärker 57, den A/D-Wandler 56 liegt der Bitwert am Mikrocomputer an, und kann mit dem geeichten Bitmuster (Dezimalzahl) verglichen werden. Damit lassen sich nun Remission, Transmission sofort spektral in Prozent oder als Histogramm darstellen, sowie auch eine Aussage über die Farbe und das Spektrum geben.

22. Sensor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Meßlauf vereinfacht wird, wenn es nur darauf ankommt, voreinstellbare Farbwerte zu diskriminieren oder Werte miteinander zu vergleichen, indem die Auswertung über bekannte Techniken hardwareseitig erfolgt, z. B. Schwellwertschalter und Fensterdiskriminatoren.

23. Sensor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein A/D-Wandler in eine Brücke zwischen die Empfänger 40 und 41 geschaltet wird, während die übrige Meßanordnung gleichbleibt, damit also sofort eine Differenzmessung möglich ist.

24. Sensor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbvariation der beiden Grundschaltungen nach Fig. 1a und 1b auch durch einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) erfolgt, der an Stelle der Spannungsteilerpotis mit einem eingeprägten Strom die LEDs betreibt, entweder konstant oder impulsförmig.

25. Verfahren sowie Schalt- und Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Strahler nicht mit Gleichstrom, sondern z. B. mit einem positiven Impulszug mit dem Tastverhältnis 1 : 1 und einer konstanten Frequenz von maximal einhalb der Maximalfrequenz der A/D-Wandler beaufschlagt werden, der an Punkt 61 der Schaltung eingespeist wird; die Ankopplung der Fotoempfänger 58 an den einstellbaren Verstärker 57 erfolgt nunmehr nicht direkt, sondern über einen Kondensator, der die Gleichspannung sperrt und die Wechselspannungskomponente durchläßt. Dieses Signal wird nun noch vor dem Verstärker gleichgerichtet, anschließend verstärkt in 57 und sodann dem A/D-Wandler 56 zugeführt; die weitere Auswertung sowie Signalbehandlung erfolgt im Mikrocomputer.

26. Verfahren sowie Schalt- und Sensorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um eine sichere A/D-Wandlung zu ermöglichen, zweckmäßig ein Impulszug, z. B. mit 2 bis 10 Impulsen und mehr, ausgewertet wird, was sich mit sogenannten Zähldecodern erreichen läßt.

27. Verfahren sowie Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur eine Farbe oder Wellenlänge abgestrahlt wird, und manso einen gepulsten Grauwertdetektor erhält.

28. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß jede im Sendeteil eingesetzte LED mit einer eigenen Taktfrequenz gleichzeitig moduliert wird oder bei miteingesetzten Mehrfarb-LEDs jede über Widerstandswerte eingestellte Strahlung mit einer eigenen Frequenz moduliert ist; wird beispielsweise ein Meßfleck gleichzeitig mit den drei Spektren - Blau 4000 kHz/Takt - Rot16000 kHz/Takt - Infrarot32000 kHz/Taktbestrahlt, so beeinflussen sich infolge der für das Auge relativ hohen Frequenz visuell diese zu einer Mischstrahlung, wobei durch eine oder mehrere dem Fotoempfänger nachfolgende frequenzselektive Auswertestufen für jede Schwingungsfrequenz, die einer definiert zugeordneten Farbe oder Strahlung entspricht, ein Analogsignal gewonnen, verstärkt und digitalisiert werden kann.

29. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchrondemodulation angewandt wird, wobei die ausgesandte Modulationsfrequenz dem Selektivempfänger aufgeschaltet wird, so daß sich sehr schmalbandige Durchlaßfenster am Empfänger ergeben, und somit Fremdstrahlungseinfluß auf ein Minimum reduziert wird.

30. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß wie nach Fig. 9 drei Strahlungssender über ein Optiksystem auf einen Strahlungsempfänger wirken, wobei Sender 1 langwellig (63) ist im Infrarotbereich, Sender 3 (65) kurzwellig, beispielsweise Blau, Sender 2 (64) kann eine Mehrfarb-LED sein, oder auch eine Grün-LED. Zusammen mit dem Verfahren der gleichzeitigen Frequenzselektiven Modulation und Demodulation ergibt sich eine multispektrale Sensoreinheit.

31. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 10 die beschriebenen modulierten Strahlungssender entweder zeilenförmig 67 auf ein Empfängersystem 68 einwirken, oder matrixförmig 69 eventuell auf Kamerasysteme, damit sich breitbandige modulierte Strahlungssender ergeben zur Ausleuchtung von Flächen und Szenen für Farberkennung und Spektralanalyse.

32. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer einzigen Einheit als Grenzlagen der Erfindung übliche Grauwertsensoren mit konstanter bzw. intermittierender Strahlung sowie mit Gleichlicht und zwei bis drei unterschiedlichen Sendern, die gleichförmig strahlen, bei zeitlich unterschiedlicher serieller Beschaltung sowie Wirkung auf einen einzigen Punkt oder eine sich überschneidende Fläche und Wirkung auf einen oder mehrere Strahlungsempfänger nur durch unterschiedliche Programmierung eine Vielzahl auch einfacher Sensoraufgaben gelöst werden kann.

33. Verfahren und Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfindung einer Funktionsumkehr des menschlichen Auges oder biologischen Sehsystemen entspricht, und ein aktives System darstellt, dessen unterschiedliche Modulation über Optiksysteme auf einen Empfänger konzentriert elektrisch frequenzselektive Signale auslöst, die einer Farb- bzw. Strahlungsinformation entsprechen, ohne daß diese Fremdlicht benötigt oder durch Fremdlicht verfälscht werden kann.