DE4035039C2 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung der Bewegung strukturierter Objekte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur berührungs­ losen Erfassung der Bewegung strukturierter Objekte unter Nutzung eines Sensorarrays in Form einer CCD-Zeile mit mindestens zwei getrennten Transportschieberegistern, bei dem die Oberflächenstrukturen der bewegten Objekte zeilenweise auf das Array abgebildet werden, und eine Einrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Üblicherweise werden zur Bewegungsdetektion Lichtschranken­ systeme eingesetzt und mittels einer Triggerung bei Ein- bzw. Austretens des Meßobjektes aus der Meßstrecke aus der Zeit zwischen beiden Triggerungen bei bekanntem Abstand der Lichtschranken die Geschwindigkeit bestimmt. Bei kontinuier­ lichen Objekten versagt dieses Verfahren, so daß sich hier der Ähnlichkeitsvergleich der Signale beider Detektoren mittels Korrelation anbietet, wobei das Korrelationsmaximum den Zeitpunkt größter Übereinstimmung angibt, woraus sich die Geschwindigkeit des Objektes berechnen läßt.

Anders dagegen wird beim Ortsfilterverfahren mit Hilfe der örtlichen Filterwirkung gitterartiger Strukturen die Objekt- oder Teilchengeschwindigkeit in ein schmalbandiges Signal umgesetzt. Als Ortsfilter werden optoelektronische Wandler, deren Oberfläche eine Gitterstruktur aufweisen oder denen ein gitterartiger Lichtmodulator vorgeschaltet ist, als Sensoren eingesetzt. Realisierungen von Ortsfilteran­ ordnungen sind in den verschiedensten Bauformen und Aus­ führungsarten bekannt. Den Gemeinsamkeiten in einer prinzi­ piellen Strukturierung des Gitters und Zusammenfassung der gefilterten Bildinformation über einen integrierenden Photo­ empfänger stehen die verschiedensten Variationen zur Reali­ sierung des Gitters gegenüber. Es werden mechanische Spalt­ gitter, Prismengitter bzw. rotierende Radialprismenraster zur Richtungserkennung ebenso beschrieben wie die Verwen­ dung von Lichtleitfasern und LCD-Transparenzgittern. In DE-OS 21 44 487 ist zur Realisierung eines Differenzgitters im Abbildungsstrahlengang ein doppelbrechendes, in der Ebene des Gitters zwei um eine halbe Gitterkonstante gegenüber verschobene Bilder erzeugendes Wollaston-Prisma vorgesehen. Der Nachteil dieser Lösung besteht in dem hohen technolo­ gischen Aufwand für die Realisierung des Gitters.

In DE-OS 22 37 564 wird die Gitterabtastung durch Ausbildung eines linearen Amplitudengitters als Photoempfängerraster genutzt, wobei dieses als Differenzgitter betrieben wird, d. h. geradzahlige und ungeradzahlige Empfängerstreifen zu je einem Signalausgang zusammengefaßt sind, deren Signale nach Durchlaufen eines Differenzverstärkers ein resultierendes Signal ergeben, welches die Ortsfrequenzkomponenten der Empfängerstruktur multipliziert mit den Ortsfrequenzkompo­ nenten der Objektstruktur sowie die der Objektgeschwindig­ keit entsprechenden Harmonischen der Signalfrequenz enthält. Die Geschwindigkeit v in Richtung der Gitterachse berechnet sich aus der Gitterkonstante g und der noch zu bestimmenden Mittenfrequenz f₀ des Sensorausgangssignals zu:

v = g f₀.

Bekannte Einrichtungen mit zwei getrennten Rastern und nach­ geschalteten Empfängern bedingen bei geringen Objektent­ fernungen Parallaxenfehler. Rasterartig strukturierte foto­ elektrische Empfänger sind mit vertretbarem technologischen Aufwand nicht in beliebiger Feinheit herstellbar. In bekannter Weise kann eine Erhöhung der Ausgangsleistung durch eine Steigerung der Anzahl der Gitterelemente erreicht werden, wobei eine hohe Konstanz der Gitterkonstante zu fordern ist.

Aus DE-OS 25 26 254 ist eine Auswerteschaltung zur Richtungs­ erkennung bekannt, die zur Erkennung des Richtungssinnes in oder entgegen der Gitterachse durch Auswertung der Summen­ signale alternierender Gitterelemente von Differenzgitter­ sensoren geeignet ist. Dabei wird das Vorzeichen der Phasen­ differenz zwischen den Summensignalen ausgewertet, in dem zwei nachgeschaltete Phasenregelkreise, die auf die Mitten­ frequenz synchronisiert werden, aber auf einer geringeren Frequenz laufen. Die Phasendifferenz wird somit auf einem meßbaren Wert < 180° untersetzt, wobei das Vorzeichen der Phasendifferenz den Richtungssinn der gemessenen Geschwin­ digkeiten bezüglich aufsteigender Elementenummern angibt.

Eine Mehrkomponentenmessung wurde erstmalig in DE-AS 22 09 667 vorgestellt. Dazu wird ein spezielles Gitter angegeben. Es besteht aus, auf einem transparenten Träger in einer Viel­ zahl vorhandenen gleichartigen, mit den Kanten ihrer Grund­ fläche parallel zueinander und nebeneinander liegenden Pyramiden. Durch die Normalen der Pyramidenflächen sind in der Ebene des Gitters zwei Richtungspaare definiert, denen vier fotoelektrische Empfänger mit vier Kondensoren zugeord­ net sind. Mittels dieser Anordnung ist es möglich, in der Gitterebene nach zwei nicht parallelen Richtungen Geschwin­ digkeiten zu messen. Der entscheidende Nachteil liegt in der technologischen Ausführung dieses speziellen Gitters, das aufgrund der außerordentlich schwierigen Geometrie einen sehr hohen Fertigungsaufwand darstellt. Damit sind gleicher­ maßen der Anzahl der Gitterelemente technologische Grenzen gesetzt. Eine Verbesserung wurde in DE-AS 22 10 681 durch Ver­ wendung eines mehrfarbigen Rasters, bestehend aus rechteck­ förmigen, sich berührenden Mustern mit vier dreieckförmigen Flächen in fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben, erreicht. Dem Raster sind über chromatische Teiler vier foto­ elektrische Empfänger nachgeordnet, welche bei einer relativen Bewegung des Objektbildes zum Raster jeweils paar­ weise zueinander im Gegentakt befindliche Signale liefern. Über chromatische Teiler wird sichergestellt, daß die foto­ elektrischen Empfänger tatsächlich nur Lichteinflüsse erhal­ ten, die der ihnen zugeordneten Farbe entsprechen. Damit ist das vorgestellte Verfahren nachteiligerweise nur anwendbar bei der Messung von Objekten, die keine wellenlängenbegrenz­ ten Streu- oder Emissionsspektren haben. Die Frage nach der technologischen Realisierbarkeit steht in abgeschwächter Form jedoch immer noch.

In DE-OS 22 56 885 werden hier unter Einbeziehung von DE-PS 22 09 667 und DE-PS 22 37 564 Aussagen zur Ausführungsform des verwendeten Sensors gemacht. Durch Beobachten von Objekten in der Geradeausfahrt bei der Existenz einer seitlichen Relativbewegung wird die zugehörige Winkelgeschwindigkeit über das Auswandern des Bildes bestimmt. Dabei sind die Be­ dingungen unendliche Fokus, große Objektentfernung zwischen Sensor und Objektort nachteilig und der Einsatz auf anderen Gebieten stark eingeschränkt. Aufgrund der hohen Richtungs­ selektivität der gekreuzten Sensorzeilen ist eine echte zweidimensionale Geschwindigkeitsmessung nicht möglich, vielmehr handelt es sich hier um eine Zweirichtungsmessung, bei der eine exakte Ausrichtung der Sensorbestandteile Vorraussetzung ist.

In DE-PS 24 50 439 wird erstmalig der Gedanke dargelegt, Git­ ter und Wandler zu einem einzigen flächigen opto-elektro­ nischen Wandler zu vereinen, der abwechselnd licht­ empfindliche und lichtunempfindliche Streifen aufweist. Durch die Möglichkeit, auf die einzelnen lichtempfindlichen Streifen zuzugreifen, können getrennt die Summen der gerad­ zahligen bzw. ungeradzahligen Ausgangssignale zur Reali­ sierung eins Differenzgitters gebildet werden. Der opto­ elektronische Wandler weist weiterhin eine zweidimensionale Struktur auf. Nachteiligerweise erfordert diese Lösung der Anfertigung eines speziellen Sensors, der einen Direktzu­ griff auf jedes Zeilen- und Spaltenelement besitzen muß, welches derzeit erhebliche technisch-technologische Probleme mit sich bringt. Ein Gitter, dessen Rasterstrukturen den Fluchtlinien einer Zentralperpektive folgen, wird in der Patentschrift DE-PS 26 01 602 vorgeschlagen. Es soll damit eine einfache Unterscheidung von Relativbewegungen im Bild in längsperspektivisch und querperspektivisch vorgenommen werden. Hierbei ist allerdings eine Signalanalyse notwendig, die bei wechselnden optischen Eigenschaften der Meßobjekte schnell einen unzumutbaren Auswerteaufwand erreicht bzw. ganz versagt. Eine andere Version der Realisierung der Differenzgitterfunktion auf optischem Wege wird im Patent DE-PS 30 02 547 vorgestellt. Das optische System besteht aus einem durchsichtigen Körper mit integriertem optischen Linsensystem. Dieser Körper weist eine Vielzahl optischer Facetten auf, die paarweise im Bogen am Ort des Brennpunktes der Lichtstrahlen angeordnet sind. Die beiden Facetten jedes Facettenpaares, die durch die verspiegelte und entsprechend strukturierte Oberfläche des durchsichtigen Körpers gebildet werden, reflektieren dabei das Licht jeweils auf einen zuge­ hörigen Wandler, wobei die Wandler innerhalb des optischen Körpers symmetrisch zur optischen Achse des Linsensystems angeordnet sind. Der Vorteil dieser Erfindung besteht in der relativ kompakten Bauweise und der relativen mechanischen Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Erschütterungen, zumal keine Justierung der Einzelelemente notwendig wird. Nachteilig ist aber wiederum der hohe Fertigungsaufwand einer solchen Anordnug, deren Einsatz nur in vorher genau definierten Spezialgeräten mit konstanten Einsatzparametern möglich ist.

Der Aufbau eines faseroptischen Ortsfrequenzfilters wird in der DE-OS 38 26 113 beschrieben. Hierbei wird das Meßvolumen durch eine Beleuchtungslichtleitfaser ausgeleuchtet. Auf der entgegengesetzten Seite des Meßvolumens befinden sich in Übereinstimmung mit der optischen Achse der Beleuchtungs­ lichtleitfaser die gitterartig angeordneten Empfängerlicht­ leitfasern, die alternierend zu Bündeln zusammengefaßt wurden. Dabei ist für jede Bewegungskoordinate ein sepa­ rates faseroptisches Gitter vorgesehen. Der Vorteil dieser Lösung liegt in der komponentenweisen Trennung der Ausgangs­ signale, deren bisherige elektronische Trennung durch Mehr­ deutigkeiten fehlerhaft war. Allerdings ist die technolo­ gische Beherrschung der Realisierung derartiger Fasersen­ soren mit einer hohen Konstanz der Gitterabstände nachteilig in Frage gestellt.

Eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Bewegungs­ größen eines bewegten Objektes ist nach CH 6 65 910 bekannt. Es handelt sich hierbei um ein zweidimensional arbeitendes System. Als Wandler sind Photodioden eingesetzt worden, die in einer quadratischen Matrix angeordnet sind. Durch den direkten Zugriff auf jedes einzelne Element ist eine parallele Auswertung der detektierten Bewegung in vertikaler und horizontaler Richtung analog DE-PS 24 50439 gegeben. Eine Differenzgitterfunktion wird schaltungstechnisch realisiert.

Die Bestimmung der Bewegungsrichtung erfolgt über eine Ana­ lyse der Phasenlage des empfangenen Signals. Dazu werden die Photoempfänger jeweils zu Gruppen von vier Elementen zusammengefaßt. Nachteilig bei dieser Lösung ist der große technologische Aufwand bei der Herstellung der Photodioden­ matrix, da geringe Abweichungen bei der Realisierung der Gitterkonstanten schon eine erhebliche Verfälschung des Meßergebnisses nach sich ziehen. Weiterhin steigt der schaltungstechnische Aufwand annähernd quadratisch mit der Dimension der Diodenmatrix.

Bei Verwendung einer abbildenden Optik vor dem optoelek­ tronischen Wandler ist bekanntlich dann der Meßeffekt am besten, wenn die Gitterperiode sehr gut mit den Strukturab­ messungen der Meßobjekte korreliert. Dabei führt in Ab­ hängigkeit der MTF der Optik eine Defokussierung zu einer Tiefpaßfilterung der Ortsfrequenzen der Objektstruktur.

Bei den bekannten eindimensional messenden Vorrichtungen ist es erforderlich, die Gitterachse der Ortsfrequenzfilterzeile mit der Hauptbewegungsrichtung der in ihrer Geschwindigkeit zu messenden Teilchen in Übereinstimmung zu bringen. Ab­ weichungen führen zu einer Verringerung der Selektivität. Die Längen- und Breitenausdehnung des Gitters bestimmt die Richtcharakteristik des Ortsfiltersensors. Ausgeprägte Orts­ filterzeilen hoher Gitterperiodenanzahl weisen eine hohe Richtungsabhängigkeit auf, so daß schon bei Winkelabweichun­ gen von einigen Grad der Meßeffekt nicht zustande kommt. Nachteilig wirkt sich diese Eigenschaft bei gekreuzter Anordnung der Gitterzeilen aus, die es der Nachfolgeelektro­ nik unmöglich macht, die geforderte Auflösung der Vektor­ komponenten in der aufgespannten Ebene zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es bei berührungslos arbeitenden Systemen die Detektion der Bewegung struktu­ rierter Objekte zu verbessern, um in technologisch ein­ facherer Weise und damit wirtschaftlicher Detektoren mit interner Signalverarbeitung zu erhalten, die auch für Bewe­ gungungen mit a priori nicht bekannter Richtung geeignet sind und die Justage erleichtern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Teile und löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die im gekennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Einrichtung sind in den Ansprüchen 9 und 10 angegeben.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, für das Verfahren git­ terartig strukturierte Spezialdetektoren einzusetzen, wird als Array ein CCD-Sensor eingesetzt, der auf einem Chip getrennte Detektorflächen besitzt, deren durch Photonen generierte Ladungsträger proportional der Bildinformation als elektrisches Signal zur Verfügung stehen. Bewegte Objekte erzeugen ein durch Beleuchtung und Oberflächenstruktur vorgegebenes bewegtes Ladungsmuster.

Eine Integration über die gesamte Sensorfläche, wie sie bei Anordnungen mit Vollflächen-Photodioden erfolgt, kann hier vorteilhaft durch eine Ladungsakkumulation durchgeführt werden. Für die Ladungsträgerakkumulation wird das Analog­ schieberegister des CCD-Sensors genutzt. Für die erforder­ lichen zwei Signalverarbeitungskanäle ist das Vorhandensein eines zweiten Analogschieberegisters Bedingung. Die Über­ tragung der Information erfolgt dann durch wechselseitige Ansteuerung von Transfergates und Schieberegistergates.

Die Ladungsakkumulation in den Potentialwannen des Analog­ schieberegisters erfolgt durch Anlegen eines 2-Phasen-Taktes, wobei die Höhe und die zeitliche Folge die Potential­ barrieren und die Größe der Potentialwannen beeinflussen. Eine Stufung des Taktes in Spannungsniveaus ermöglicht einen gezielten Abbau der Potentialbarrieren zwischen benachbarten Potentialwannen und schafft somit die Voraussetzung für das Zusammenfließen beider Ladungspakete.

Das Zusammenspiel beider Takte bestimmt die Richtung des Ladungstransportes und bewirkt das Zusammenfließen der Ladungspakete.

Somit sind vorteilhaft die für das Verfahren wirksamen Elementeflächen über mehrere Elemente des Arrays ausdehnbar, so daß sich dadurch die verfahrensspezifischen Parameter für den Detektor gezielt verändern lassen.

Bekannterweise sind Elementeanzahl, Längen- und Breitenausdehnung für die Richtcharakteristik und die Signalleistung des Detektors verantwortlich. Lassen sich diese verändern, so vergrößert sich damit die Einsatzbreite des Verfahrens, wobei sich im einzelnen z. B. der Geräteaufwand bei der Implementation verringert.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungs­ gemäßen Einrichtung schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 den Gesamtaufbau des Detektors sowie die sich daran anschließende Signalverarbeitung.

Fig. 2 den Aufbau eines Signalverarbeitungskanales.

In Fig. 1 wird die Struktur eines bewegten Objektes 2 mittels einer Optik 3 auf ein Sensor-Array 4 abgebildet. Bei dem Sensor-Array handelt es sich um eine CCD-Zeile, die entsprechend der Bewegungsrichtung des Objektes justiert wurde oder dessen Richtung nachgeführt wird. Die Taktzentrale 5 realisiert die beschriebene Betaktung, wobei die Transfergates und Schieberegistergates jeweils im Wechsel angesteuert wurden. Eine Verstärkerstufe 6 sorgt für die Ausnutzung des Dynamikbereiches der Nachfolgeelektronik. Das verstärkte Sensorsignal gelangt dann parallel in zwei Signal­ verarbeitungskanäle 7, 8, dessen Ausgänge zur Unterdrückung des Gleichsignalanteils auf einen Differenzverstärker 9 geführt werden.

Die beiden Signalverarbeitungskanäle sind identisch aufge­ baut (Fig. 2), wobei die Erzeugung der Steuergröße prinzi­ piell nur einmal vorhanden sein muß. Um jedoch den Einfluß von Störungen zu eliminieren, ist diese gezielte Redundanz von Vorteil. Eingangsseitig wird das Sensorsignal durch einen Abtast-Halte-Verstärker 11 abgetastet und durch einen nachfolgenden Tiefpaß 12 geglättet. Es handelt sich hierbei um einen Tiefpaß höherer Ordnung, um den Abstand zwischen Abtast- und Signalfrequenz zu reduzieren. Ein sich daran anschließender Schwellwertschalter 13 erzeugt erforderlichenfalls ein Steuersignal für die Veränderung der Verstärkung des Sensorsignals über den Regelverstärker 10. Gleichermaßen kann durch das Steuersignal auch die Helligkeit der Beleuchtung geregelt werden, so daß sich damit vorteilhaft eine hohe Anpassungsfähigkeit des Meßsystems an die verschiedensten Prozeßbedingungen ergibt. Werden beide Schwellwertschalter in die Steuersignalbildung mit einbezogen, so ist gewährleistet, daß Einkopplungen oder andere Störungen nicht zu einem Fehlverhalten der Regelung führen. Um sicherzustellen, daß nur globale Änderungen der Meßbe­ dingungen nicht etwa aber einzelne Partikel den Regel­ mechanismus auslösen, ist eine entsprechend einstellbare Zeitkonstante vorgesehen.

Aus dem so gewonnenen Signal läßt sich im Anschluß an den Differenzverstärker 9 bekanntermaßen die Bewegung des Objektes ableiten. Dies kann z. B. durch Kurzzeitfrequenzmessung oder durch Auswertung der Signalwechsel geschehen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Sensorelektronik
 2 Objekt
 3 Optik
 4 Sensor-Array
 5 Taktzentrale
 6 Verstärkerstufe
 7, 8 Signalverarbeitungskanäle
 9 Differenzverstärker
10 Regelverstärker
11 Abtast-Halte-Verstärker
12 Tiefpaß
13 Schwellwertschalter
v Geschwindigkeit
g Gitterkonstante
f₀ Maximumsfrequenz

Claims (10)

1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Bewegung strukturierter Objekte unter Nutzung eines Sensorarrays in Form einer CCD-Zeile mit mindestens zwei getrennten Transportschieberegistern, bei dem die Oberflächen­ strukturen der bewegten Objekte auf das Array abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD- Zeile die bewegten Objekte senkrecht zu deren Bewegungsrichtung detektiert, wobei die Zeilenachse in Bewegungsrichtung orientiert ist oder dieser nachgeführt wird, indem eine Signalverarbeitung zweikanalig bezogen auf die Transportschieberegister erfolgt und deren Ergebnisse zu einem Summensignal zusammengefaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß für die Signalverarbeitung innerhalb der CCD-Zeile die Transfergates und die Schieberegistergates jeweils im Wechsel angesteuert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Transportschieberegister durch einen zweiphasigen Takt mit mehreren aber mindestens zwei Spannungsniveaus ange­ steuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 für die eine Phase dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren aber mindestens drei Spannungsniveaus die Reihenfolge der Wertigkeiten zu Null hin absteigend ist und sich diese Folge beliebig wiederholt.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf eine Folge des sich ändernden, periodischen Taktniveaus der Ausgang des Sensorelementes einmal abge­ tastet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 zur Ansteuerung und Abtastung der CCD-Zeile dadurch gekennzeichnet, daß das Taktregime für beide Schieberegister angewendet wird und die Takt­ spannung der einen Phase komplementär zur anderen Phase erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 zur automatischen Helligkeits­ regelung dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal der CCD-Zeile durch einen Schwellwertschalter überwacht wird, welcher ein Steuersignal für die Verstärkung bzw. Beleuchtung generiert.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 durch Projektion der Oberflächenstrukturen des bewegten Objektes auf die sich in der Bildebene einer Optik angeordneten CCD-Zeile dadurch gekennzeichnet, daß der CCD-Zeile zwei identisch aufgebaute Signalverarbeitungskanäle (7, 8) nachgeordnet sind, wobei die Kanalausgänge auf die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers (9) geführt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Signalverarbeitungskanal einen Abtast-Halte-Ver­ stärker (11) enthält, dem ein Tiefpaß (12) höherer Ordnung nachgeschaltet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 zur Erzeugung einer Steuer­ größe dadurch gekennzeichnet, daß jeder Signalverarbei­ tungskanal einen Schwellwertschalter (13) enthält, der dem Tiefpaß (12) nachgeschaltet ist, wobei die System­ zeitkonstante für die Bestimmung der Steuergröße ein­ stellbar ist.