DE4413594A1 - Sensoranordnung zur Farberkennung von Objektoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zur Farb­ erkennung von Objektoberflächen, mit Lichtsendern zur Emis­ sion von optischer Strahlung in unterschiedlichen Wellenlän­ genbereichen und Lichtempfängern zum Empfangen der remit­ tierten Strahlung, wobei den Sendern eine Ansteuerschaltung mit Temperaturkompensationsmitteln und den Empfängern eine Auswerteschaltung für Empfangssignale zugeordnet ist.

Auf unterschiedlichsten Gebieten der Technik werden Farbsen­ soren benötigt, mit denen die Erkennung von Gegenständen mit zumindest teilweise farbigen Oberflächen möglich ist. Vom Stand der Technik sind derartige Farbsensoren bekannt, die entweder den Gegenstand mit weißem Licht beleuchten und das remittierte Licht hinsichtlich seiner Farbanteile auswerten oder aber auch bereits die Gegenstände mit Licht definierter, unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlen.

Aus der EP-B 0 319 769 ist eine Farbsensoranordnung für die Erkennung von Gegenständen mit farbigen Oberflächen bekannt, der zumindest drei jeweils Licht eines vorgegebenen schmal­ bandigen Wellenlängenbereiches emittierende elektronische Lichtsender aufweist, welche im Zuge eines Steuerzyklus nach­ einander die farbige Oberfläche des jeweiligen Gegenstandes durch Lichtimpulse vorgegebener Intensität kurzzeitig be­ leuchten. Das auf die auftretenden Lichtimpulse hin von der farbigen Oberfläche jeweils reflektierte Licht wird von einem elektronischen Lichtempfänger aufgenommen und in ein elektri­ sches Signal umgesetzt sowie eine Auswerteeinrichtung für eine Farbbestimmung zugeführt. Dabei erhalten die Lichtsender nach Maßgabe der Umgebungstemperatur individuell festgelegte Stromimpulse und erfolgt weiterhin für die von dem Licht­ empfänger abgegebenen elektrischen Signale eine Kompensation von Störsignalanteilen, die durch die Umgebungstemperatur und gegebenenfalls durch einfallendes Umgebungslicht bedingt sind.

Weiterhin ist aus der DE-A 37 06 056 ein Verfahren zur Erzeu­ gung und Erkennung von optischen Spektren bekannt, bei dem mindestens zwei, vorzugsweise drei, Lichtsender unterschied­ licher Wellenlänge Anwendung finden. Die optische Strahlung von unterschiedlicher Wellenlänge wird dabei mit zugeordneten Modulationsfrequenzen gleichzeitig auf einen Punkt des Gegen­ standes geführt und die remittierte Strahlung von einem der ausgesandten Strahlung angepaßten Empfänger erfaßt und in einer nachgeschalteten elektronischen Auswertevorrichtung ausgewertet. Die Auswertevorrichtung arbeitet entweder mit einem Demodulatorsystem in Form von schmalbandigen Filtern oder mit einer vom Sender bestimmten Synchrondemodulation. In der Auswerteeinheit werden die demodulierten Frequenzen den bekannten ausgesandten Modulationen der Strahlungswellenlänge zugeordnet und nach A/D-Wandlung digital ausgewertet. Dabei soll zusätzlich zur Impulsfrequenz die Höhe des umgewandelten Impulswertes als Maß für die Stärke der reflektierten oder durchgelassenen Strahlung angezeigt werden bzw. einem Mikro­ prozessor zur weiteren Auswertung aufgeschaltet werden.

Die vorbekannten Farbsensoren sind durchweg vergleichsweise kompliziert aufgebaut und aufwendig. Für die Praxis werden dagegen einfache und robuste Sensoren benötigt. Dies gilt beispielsweise für eine Online-Erkennung von variablen Farb­ marken auf beliebigen Gegenständen, die auch bei schnellen Bewegungen der Gegenstände erkannt werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung zur Farberkennung von Objektoberflächen zu schaffen, die mit ein­ fachen Mitteln auskommt, aber trotzdem eine sichere Farbaus­ sage gewährleistet.

Die Aufgabe ist durch die Gesamtheit der Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung die einfache und sichere Auswertung. Nach Speichern der Summe der selektiv empfangenen Farbwerte einerseits und mindestens eines Farb­ wertanteils andererseits ist durch Vergleich der aktuellen Meßwerte eine Farbwertbestimmung möglich.

Mit der Erfindung ist ein Farbsensor geschaffen, der insbe­ sondere als Farbmarkentaster eingesetzt werden kann. Er arbeitet lichtwellenleiterlos und erkennt durch seine fokus­ sierende Optik auch kleinste Farbmarken an Gegenständen bei höchsten Transportgeschwindigkeiten. Aufgrund des im Ver­ gleich zum Stand der Technik einfachen Aufbaus ist eine robu­ ste Bauweise geschaffen, wobei variable Montagemöglichkeiten des Farbsensors gegeben sind. Gleichzeitig ergibt sich eine einfache Bedienbarkeit, da eine Referenzfarbe durch soge­ nannte "Teach-in"-Methoden speicherbar ist. Somit sind sowohl Farbe als auch Intensität lernbar, wobei zusätzlich für den praktischen Gebrauch Toleranzeinstellungen vorgebbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen. Es zeigen

Fig. 1 eine Sensoreinheit als Komplettmodul für unter­ schiedliche Montagemöglichkeiten,

Fig. 2 das optische Visier der Sensoranordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die Anordnung der LED-Sensoren zwecks geeigneter Fokussierung und

Fig. 4 eine geeignete Betriebs- und Auswerteschaltung für eine Sensoreinheit gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Betriebsgehäuse eines Farbsensors bezeichnet, das im wesentlichen drei Teilbereiche aufweist: Der vordere Bereich I ist rundzylindrisch und beinhaltet Lichtsender einerseits mit zugehörigen Mitteln zur optischen Fokussierung und Lichtempfänger andererseits, die ein opti­ sches Visier bilden. Im mittleren Bereich 11 des Betriebs­ gehäuses 1, der einen Flachquader mit abgerundeten Ecken bil­ det, sind die zugehörigen Betriebs- und Auswerteschaltungen untergebracht. Der hintere Bereich 111 beinhaltet eine Kop­ pelstelle zur Ankopplung des Betriebsgehäuses 1 an Manipula­ toren od. dgl. und weiterhin eine Sensorschnittstelle.

Das Betriebsgehäuse 1 zeichnet sich durch eine robuste Bau­ weise aus, so daß es für einen rauhen Praxisbetrieb einsetz­ bar ist. Im mittleren Bereich 11 können dabei mehrere Bau­ teil-Platinen 5 bzw. 6 mit den zugehörigen Schaltungsanord­ nungen übereinander angeordnet und gegebenenfalls vergossen werden. Vorteilhaft kann eine Platine auf der unteren Ebene durchgehend angeordnet sein und gleichermaßen bereits auch die Lichtempfänger tragen.

In Fig. 1 ist die Lichtsendeanordnung mit 10 bezeichnet. Ihr vorgeschaltet ist eine Kollimatorlinse 11 und ein Hohlspiegel 15 in asymmetrischer Anordnung, der vor der Linse 11 eine zentrale Öffnung 16 aufweist. Damit ist gewährleistet, daß die emittierte Strahlung ohne Beeinflussung auf eine Objekt­ oberfläche gelangen kann. Die remittierte Strahlung wird vom Hohlspiegel 15 auf einen Empfänger 20 fokussiert. Weiterhin ist ein Referenzempfänger 21 vorhanden.

Durch Modifikation in der Optik lassen sich je nach aktuellen Bedürfnissen unterschiedliche Arbeitsbereiche und Licht­ fleckengeometrien realisieren. Beispielsweise ist in Fig. 2 gezeigt, daß einer Sendeanordnung 10 mit vorgeschalteter Kol­ limatorlinse 11 speziell ein solcher Spiegel 25 mit zentraler Öffnung 26 vorgeschaltet ist, der zwei gegenüberliegende Parabolflächen 27 und 28 hat. An das so gebildete optische Visier können weitere optische Einheiten angekoppelt werden.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Lichtsenderanordnung 10 aus einer ersten zentrisch angeordneten LED 101, beispiels­ weise für Strahlung im roten Bereich, und acht darum symme­ trisch angeordneten LED′s 102 bis 109 für Strahlung bei­ spielsweise im grünen Bereich bestehen. Es ist so ein kom­ pletter Chip 100 gebildet, auf dem elektrische Anschlüsse 111 ff vorhanden sind.

In Fig. 4 sind mit 101 das LED für den roten Lichtwellenlän­ genbereich und mit 102 eines der LED′s 102 bis 108 für den grünen Lichtwellenlängenbereich, und mit 20 der erste Empfän­ ger und mit 21 der zweite Empfänger bezeichnet. Soweit sind die optischen Elemente bereits aus den vorhergehenden Figuren entnehmbar. Gemäß Fig. 4 besteht eine Ansteuerschaltung 40 für das LED 101 aus den Elementen 41 bis 44 und eine An­ steuerschaltung 50 für das Element 102 aus den Elementen 51 bis 54. Sie beinhalten jeweils einen Oszillator 41 bzw. 51 zur Ansteuerung eines Taktgebers 42 bzw. 52 mit jeweils unterschiedlicher Modulationsfrequenz sowie nachfolgende Spannungsstromwandler 43 bzw. 53, denen jeweils Signalgeber 44 bzw. 54 parallelgeschaltet sind.

Auf der Empfängerseite mit Auswerteschaltungen 60 und 70 sind den Empfängern 20 bzw. 21 jeweils Verstärker 61 bzw. 71 sowie - abgestimmt auf die Modulationseinrichtungen der Ansteuer­ schaltungen 40 bzw. 50 - jeweils entsprechende Demodula­ tionseinrichtungen nachgeschaltet. Im einzelnen sind jeweils ein Hochpaß 65 bzw. 75 auf parallelgeschaltete Bandpässe 66 und 67 bzw. 76 und 77 mit jeweils nachfolgenden Multiplexern 68 bzw. 78 und weiteren Tiefpaßfiltern 69, 69′ bzw. 79, 79′ vorhanden.

In der Fig. 4 dient der erste Kanal mit dem Empfänger 20 der Auswertung der Signale, während der zweite Kanal mit dem Empfänger 21 als Referenzkanal arbeitet. Dessen Signale wer­ den zur Kompensation von betriebsbedingten Eigenschaften auf die Ansteuerschaltungen 40 bzw. 50 der LED′s 101 bzw. 102 bis 108 zurückgekoppelt. Dafür sind jeweils Schalteinheiten vor­ handen, beispielsweise Subtrahierer 63 bzw. 73 zur Intensi­ tätsregelung mit Sollwertvorgabe und nachgeschaltete Regel­ verstärker 64 bzw. 74.

Aus dem Auswertekanal gelangt das Signal für den Farbwert GRÜN auf einen ersten Speicher 81 und das Summensignal für den Farbwert (ROT+GRÜN) über einen Summierer 90 auf einen zweiten Speicher 91. Den als digitale Potentiometer ausgebil­ deten Speichern 81 und 91 sind jeweils Addierer und/oder Sub­ trahierer 82 und 92 nachgeschaltet, von denen die Signale auf Fensterkomparatoren 83 und 93 gelangen. Weiterhin sind Poten­ tiometer 95 und 96 für die Toleranzwertvorgabe hinsichtlich Farbart einerseits und Intensität andererseits sowie ein Kom­ parator 98 für die Vorgabe der Mindestintensität vorhanden, der seinerseits an einen Spannungsteiler 97 angeschaltet ist.

Mit der anhand Fig. 4 beschriebenen Auswerteschaltung ist eine besonders einfache Auswertung im Zweibereichsverfahren, bei dem zunächst im sogenannten "Teach-in"-Verfahren Farb­ werte gespeichert sind, möglich: Bei Auslösung des Teach-Vor­ gangs werden die Analogwerte des in diesem Moment anstehenden Farbwertanteils GRÜN und der Summe der Farbwerte GRÜN+ROT ge­ speichert. Der Farbwertanteil GRÜN wird gebildet, indem die Potentiometereinstellung des digitalen Potentiometers 81 bzw. 91 so eingestellt wird, daß die Abgriffsspannung dem Wert des anliegenden Farbwertes GRÜN entspricht. Als Referenzspannung wird dabei an das digitale Potentiometer zur Bildung des Farbwertanteiles die Stimme von Farbwert ROT und Farbwert GRÜN angelegt.

Während des Meßvorganges können anschließend die aktuellen Analogwerte in den Fensterkomparatoren 83 bzw. 93 mit ver­ änderbarer Toleranz mit den gespeicherten Werten verglichen werden. Die Farbart wird erkannt, wenn der aktuelle Farbwert­ anteil GRÜN im Fenster des entsprechenden Komparators liegt. Die Normierung auf die Farbart wird durch die der Summe von Farbwert GRÜN und Farbwert ROT proportionalen Fensterbreiten des Fensterkomparators 93 realisiert. Die Empfindlichkeit der Farberkennung wird durch die Einstellung eines Proportionali­ tätsfaktors dieser Fensterbreiten verändert.

Die Intensität der Farbe wird bei dieser Auswertung dann erkannt, wenn die aktuelle Summe von Farbwert GRÜN und Farb­ wert ROT im Fenster des entsprechenden Komparators liegt. Die Empfindlichkeit der Intensitätserkennung kann durch Einstel­ lung konstanter Fensterbreiten im Fensterkomparator 93 ver­ ändert werden. Durch diese Anordnung kann der eigentliche Farbwert dann erkannt werden, wenn Farbart und Intensität er­ faßt sind. Die Mindestintensität wird erreicht, wenn die Toleranz der Farbart, die proportional zur Summe vom Farbwert Grün und Farbwert Rot ist, über der konstanten Hysterese des Fensterkomparators 98 liegt.

Aus Fig. 4 ergibt sich also eine praxisgerechte Auswertung, womit eine Anwendung des Farbsensors erreicht ist, die auch vom Laien als Benutzer durchgeführt werden kann. Nach glei­ chem Prinzip kann bei entsprechendem Aufbau der Auswerte­ schaltung ein Farbsensor mit drei Wellenlängenbereichen betrieben werden.

Claims (14)

1. Sensoranordnung zur Farberkennung von Objektoberflächen mit Lichtsendern zur Emission von optischer Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und Lichtempfängern zum Empfangen der remittierten Strahlung, wobei den Sendern eine Ansteuerschaltung mit Temperaturkompensationsmitteln und den Empfängern eine Auswerteschaltung für Empfangssignale zu­ geordnet ist, mit folgenden Merkmalen:

• - Als Lichtquellen sind wenigstens zwei LED′s (10, 101, 102-110) vorgesehen, die Licht in unterschiedlichen Wellen­ längenbereichen emittieren,
• - es sind zwei Empfänger (21, 22) für optische Strahlung, die beide identisch aufgebaut sind, vorhanden, wobei
• - der erste Empfänger (20) zur Signalerfassung für die Auswerteschaltung (41-99) dient und der zweite Empfänger (21) zwecks Kompensation von betriebsbedingten Eigen­ schaften auf die Ansteuerschaltung (41-59) der LED′s (101, 102-109) zurückgekoppelt ist,
• - es sind Mittel (81-99) zum Speichern der von der Objekt­ oberfläche remittierten Gesamtintensität aller Wellen­ längenbereiche einerseits und der Einzelintensität wenig­ stens eines einzelnen Wellenlängenbereiches andererseits sowie Vergleich von aktuellen Meßwerten mit den gespeicher­ ten Intensitäten vorhanden.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß weiterhin Einstellmittel (96, 97) zur Toleranzvorgabe hinsichtlich Farbintensität einer­ seits und Farbart andererseits vorhanden sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einstellmittel (96, 97) zur Toleranzvorgabe zur Normierung auf die Summe der Farb­ werte ausgelegt sind.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (41, 59) für die Lichtsender (10, 101, 102-110) Mittel (41-43, 51-53) zur Modulation der Sendesignale enthält.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (60) Mittel (74-79) zur Demodulation der Empfangssignale ent­ hält.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (60) für den ersten und zweiten Empfänger (20, 21) aus je einem Hochpaß (73, 83) zur Fremdlichtunterdrückung, wenigstens zwei Bandpässen (74, 75) und Einheiten (76, 77) zur Synchrondemo­ dulation mit nachgeschalteten Tiefpässen (78, 79) für die unterschiedlichen optischen Bereiche besteht.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (60) Mittel (81-99) zur Eichung bzw. Kalibrierung der Empfangs­ signale mit vorgegebenen Farben von Objektoberflächen ent­ hält.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zur Eichung bzw. Kalibrierung der Empfangssignale elektronische Potentiometer (81, 91) und elektronische Komparatoren (83, 93) umfassen.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch ein Betriebsgehäuse (1), dessen vorderer Teil (I) ein optisches Visier mit den optischen Sendern (10, 101, 102-110) in zentralsymmetrischer Position und den optischen Empfängern (20, 21) in asymmetrischer Position bildet, dessen mittlerer Teil (II) die Ansteuerschaltung (40, 50) und die Auswerteschaltung (60) mit Analog- und Digitaleinheiten um­ faßt und dessen hinterer Teil (III) einen Anschluß für externe Betriebsgeräte hat.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquellen (10, 101, 102-110) zentrisch zur Mittelachse des optischen Visiers (5) liegen und daß die remittierten Signale mittels eines Hohl­ spiegels (15, 25) auf die Empfänger (20, 21) in asymmetri­ scher Position fokussiert werden.

11. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß acht LED′s (102-109) für Strahlung im grünen Bereich um zentrisch ein LED (101) für Strahlung im roten Bereich angeordnet sind.

12. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlspiegel (15) als Parabolspiegel ausgebildet ist und eine zentrale Öffnung (16) zum Durchlaß der von den Sendern (10) emittierten Strahlung hat.

13. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlspiegel (25) mit zwei gegenüberliegenden Parabolflächen (27, 28) aus­ gebildet ist und im Zentrum eine Öffnung (20) als Durchlaß der von den Sendern (10) emittierten Strahlung hat.

14. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Empfänger (21) für optische Strahlung unmittelbar hinter dem Spiegel (15, 25) dem ersten Empfänger (20) zugeordnet ist.