WO2008034432A2 - Method and device for identifying properties of objects - Google Patents

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WO2008034432A2 PCT/DE2007/001701 DE2007001701W WO2008034432A2 WO 2008034432 A2 WO2008034432 A2 WO 2008034432A2 DE 2007001701 W DE2007001701 W DE 2007001701W WO 2008034432 A2 WO2008034432 A2 WO 2008034432A2
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Definitions

  • the invention is based on a method and a device for identifying properties of objects, in particular moving objects, such as objects, materials, layers and the like. a.
  • the identification of objects is a precondition for the execution of a series of industrial processes involving the classification and / or sorting of, for example, input, intermediate or end products, as well as process control depending on the properties of the objects.
  • a control device for the production of pharmaceutical dosing units which detects process errors in large-scale production processes, such as the production of pharmaceutical dosing units, using continuous spectral imaging, which is also known by the term of spatially resolved spectral imaging.
  • This device consists of an image sensor that has an array with Detector elements, which are arranged generally along an axis which is perpendicular to the flow direction of the pharmaceutical dosing unit, and a spectrally selective element which is arranged in an optical path between a radiation source, the flow of the pharmaceutical dosing unit and the image sensor.
  • a spectral processor records the output data of an array sensor (WO 02/07066 A1).
  • a method for identifying, classifying and sorting objects, objects and materials in a first method step, the spectral data, such as color, chemical property, and spatial data, such as shape, size, position and / or structure in both planar dimensions with high spatial and full spectral resolution in real time are detected and recorded.
  • the objects, objects and materials move relative to the measuring unit or are moved.
  • the detection system used for carrying out the method consists of a detection unit for the simultaneous determination of spatially resolved image and spectral data in real time and an evaluation unit connected to this detection unit for evaluating the determined multispectral image data (EP 1 421 999 A2).
  • a multispectral two-dimensional imaging spectrometer in which optically determined spectrally significant wavelength ranges are filtered out.
  • a multispectral intermediate image is initially generated, which is then collimated and divided into several identical channels. Thereafter, the individual channels are optically filtered and imaged individually on a one- or two-dimensional detector array.
  • the inventive method with the features of claim 1 has the advantage that the evaluation of the spectral image of an object is very fast and therefore a high number of parts per second can be identified. This is achieved by subjecting the spatially resolved spectral images to optical masking, so that only significant spectral values are allowed for evaluation, that is to say passed on, which represent one or more desired, ie previously determined or selected properties of the objects to be examined. This significantly reduces the amount of spectral values to be evaluated. Before the spectral values are evaluated, they are also optically compressed again to a well-readable and thus also quickly readable data image, whereby a particularly fast identification of the objects is made possible. The sensor arrays used for the evaluation of the respective measurement task only need to be process significant spectral information.
  • optical masking Due to the inventive combination of the optical masking with an optical data compression significant spectral data with multiple spectral properties or combinations of them very flexible compressed to a new spatially resolved spectral image, ie assembled, and this can be mapped on a multi-or one-dimensional line.
  • the anamorphic compression takes place in such a way that a one-dimensional data image is created.
  • This makes it possible to use conventional one-dimensional diode arrays for spatially resolved spectral imaging. This leads to an even greater acceleration of the measurement processes, since one-dimensional diode arrays with a reduced number of pixels can be read much faster than the multidimensional diode arrays with a high number of pixels that would otherwise be required for spatially resolved spectral imaging.
  • the spatially resolved spectral masking and / or the Compression of the spectral image programmable has the advantage that flexible, depending on local and spectral significance for a variety of different applications, an early optical reduction of the spectral information is possible.
  • the device according to the invention with the features of claim 6 makes it possible to provide a spectral image tuned to one or more specific properties of the objects to be identified quickly and with relatively little effort.
  • the optical devices are thus arranged in the beam path of the device. But they also have the advantage that different optomechanical arrangements and principles can be used according to the applications.
  • the unit for compressing the spectral image of an anamorphic optics As already mentioned in the description of the method, anamorphic with respect to the image axes, d. H. asymmetrical compression of the spatially resolved spectral image has the great advantage that even non-square sensor arrays with few lines can be used for image acquisition and the optical resolution of the individual axes can be influenced independently.
  • the anamorphic optics is designed so that a one-dimensional data image is formed.
  • the use of line arrays provides significant cost savings.
  • the masking unit is part of the evaluation unit. As a result, a compact design of the device is achieved.
  • the evaluation unit also has a masking. This increases the number of design options for data compression of the spectral information significant in terms of the application to a compressed image.
  • the spectral masking unit and / or the anamorphic optical system can be provided with a serial or parallel interface in order to be able to carry out computer-controlled selection and / or image compression.
  • the evaluation unit can be computer-controlled.
  • the masking unit consists of a slit mask. These can be produced simply and inexpensively by various mechanical and lithographic processes, sometimes with very high precision.
  • the optical unit has a telecentric input lens. This causes the imaging characteristics of the overall optical configuration to be significantly improved in terms of spectral and spatial resolution.
  • the evaluation unit has a photosensitive pixel array. This has the advantage that the image, which is reduced and compressed with regard to the application to significant spectral information, can be evaluated and further processed in a pixel-related manner. As a result, in particular when using one-dimensional diode arrays, the previously assembled and compressed optical information can be decoded with pixel precision.
  • the photosensitive pixel array is multidimensional, as a result of which compacted images can also be processed with regard to the application to significant spectral information which still has more than one dimension after the optical data reduction.
  • At least the pixel array has the masking unit, the masking on the pixel array being effected by bonding selected pixels that can be assigned to the significant spatially resolved spectral values.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and described in more detail below.
  • the drawing shows a preferred optical arrangement, as it can be used in the material detection of small objects, such as nuts, tablets or plastic flakes.
  • objects 2 to 4 of different sizes, which are illuminated by a lighting unit 5.
  • an input objective 6 In the beam path of the radiation reflected by the objects 2 to 4 there is an input objective 6 with a spectroscopic unit 7, which is arranged downstream of a slit mask 9 within an intermediate image plane 8.
  • an anamorphic optics 10 and a one-dimensional sensor, in the present example a single-row diode array 11, are arranged in succession, which is connected to a computing unit 12.
  • the spectrum of the light source of the illumination unit 5 contains the spectral ranges necessary for the analysis of the radiation reflected by the objects 2 to 4, eg. B. in the infrared range.
  • the radiation reflected simultaneously by the objects 2 to 4 at different locations is imaged by the input objective 6 onto the spectroscopic unit 7.
  • the spectroscopic unit 7 generates in the intermediate image plane 8 a two-dimensional spatially resolved spectral image 13, which contains redundant and significant spectral information about the objects 2 to 4 and spaces in the object plane 1 with regard to the measurement task.
  • one dimension of the two-dimensional spatially resolved spectral image 13 in the intermediate image plane 8 corresponds to the spatial resolution and the second dimension corresponds to the spectral resolution, eg in the infrared region.
  • the two-dimensional spatially resolved spectral image 13 is first masked in the intermediate image plane 8 with the slit mask 9 and then compressed with the anamorphotic optics 10 so that a one-dimensional image is formed in an image plane 14 of the single-line diode array 11, which only largely spectral for the measurement task Contains information.
  • the single-line diode array 11 positioned in the image plane 14 can now record all essential spatially resolved spectral information and transmit it to the arithmetic unit 12 for further processing.
  • the single-line diode array 11 positioned in the image plane 14 can now record all essential spatially resolved spectral information and transmit it to the arithmetic unit 12 for further processing.
  • only largely significant spatially resolved spectral information is analyzed on the arithmetic unit 12 and certain quantitative or qualitative parameters and properties of the objects 2 to 4 are calculated, e.g. for material characterization in plastics.

Abstract

The invention is based on a method and a device for identifying properties of moving objects such as articles, materials, layers, inter alia. The data representing the properties of the objects are determined and evaluated by means of a spectral spatially resolved quantitative and/or qualitative analysis in real time. According to the invention, a spatially resolved spectral image of the object region to be measured is generated. Said image, prior to its evaluation, is subjected optically to a spatially resolved spectral masking which permits only selected significant spatially resolved spectral values and/or spectral ranges to pass. Afterwards, said significant spatially resolved spectral values and/or spectral ranges are optically compressed to form a readable data image. By virtue of the combination of the optical masking with an optical data compression, significant spectral data having a plurality of spectral properties can be compressed flexibly to form a new spatially resolved spectral image and the latter can be imaged on a multi- or one-dimensional line. The evaluation of the spectral image of an object takes place very rapidly, such that a high number of parts per second can be identified.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Identifizieren von Eigenschaften von Objekten Method and device for identifying properties of objects
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Identifizieren von Eigenschaften von Objekten, insbesondere sich bewegenden Objekten, wie Gegenständen, Materialien, Schichten u. a.The invention is based on a method and a device for identifying properties of objects, in particular moving objects, such as objects, materials, layers and the like. a.
Die Identifizierung von Objekten ist Voraussetzung für den Ablauf einer Reihe von industriellen Prozessen, bei denen es um die Klassifizierung und/ oder Sortierung beispielsweise von Eingangs-, Zwischen- oder Endprodukten sowie um eine Prozesskontrolle bzw. -führung in Abhängigkeit der Eigenschaften der Objekte geht. Hierzu ist eine Kontrollvorrichtung für die Herstellung pharmazeutischer Dosiereinheiten bekannt, die Prozessfehler in großtechnischen Herstellungsverfahren, wie der Herstellung pharmazeutischer Dosiereinheiten, unter Verwendung des continuous spectral imaging, das auch unter dem Begriff der ortsaufgelösten Spektralbildtechnik bekannt ist, ermittelt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Bildsensor, der ein Array mit Detektorelementen, die im allgemeinen entlang einer Achse angeordnet sind, die senkrecht zu der Fließrichtung der pharmazeutischen Dosiereinheit verläuft, sowie ein spektralselektives Element aufweist, das in einem optischen Pfad zwischen einer Strahlungsquelle, dem Fluss der pharmazeutischen Dosiereinheit und dem Bildsensor angeordnet ist. Ein Spektralprozessor nimmt die Ausgangsdaten eines Array-Sensors auf (WO 02/07066 Al).The identification of objects is a precondition for the execution of a series of industrial processes involving the classification and / or sorting of, for example, input, intermediate or end products, as well as process control depending on the properties of the objects. For this purpose, a control device for the production of pharmaceutical dosing units is known which detects process errors in large-scale production processes, such as the production of pharmaceutical dosing units, using continuous spectral imaging, which is also known by the term of spatially resolved spectral imaging. This device consists of an image sensor that has an array with Detector elements, which are arranged generally along an axis which is perpendicular to the flow direction of the pharmaceutical dosing unit, and a spectrally selective element which is arranged in an optical path between a radiation source, the flow of the pharmaceutical dosing unit and the image sensor. A spectral processor records the output data of an array sensor (WO 02/07066 A1).
Bekannt ist ferner ein Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, sowie ein Erkennungssystem zur Durchführung des Verfahrens. In einem ersten Verfahrensschritt werden die spektralen Daten, wie Farbe, chemische Eigenschaft, und räumlichen Daten, wie Form, Größe, Lage und/ oder Struktur in beiden ebenen Dimensionen mit hoher räumlicher und voller spektraler Auflösung in Echtzeit ermittelt und erfasst. Die Gegenstände, Objekte und Materialien bewegen sich dabei relativ zur Messeinheit bzw. werden bewegt. Anhand der ermittelten Daten werden die Gegenstände, Objekte und Materialien in Echtzeit klassifiziert und anschließend sortiert. Das zur Durchführung des Verfahrens verwendete Erkennungssystem besteht aus einer Detektionseinheit zur simultanen Ermittlung von räumlich aufgelösten Bild- und Spektraldaten in Echtzeit und einer mit dieser Detektionseinheit verbundenen Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten multispektralen Bilddaten (EP 1 421 999 A2).Also known is a method for identifying, classifying and sorting objects, objects and materials, as well as a recognition system for carrying out the method. In a first method step, the spectral data, such as color, chemical property, and spatial data, such as shape, size, position and / or structure in both planar dimensions with high spatial and full spectral resolution in real time are detected and recorded. The objects, objects and materials move relative to the measuring unit or are moved. On the basis of the determined data, the objects, objects and materials are classified in real time and then sorted. The detection system used for carrying out the method consists of a detection unit for the simultaneous determination of spatially resolved image and spectral data in real time and an evaluation unit connected to this detection unit for evaluating the determined multispectral image data (EP 1 421 999 A2).
Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass die Auswertung der multispektralen Bilddaten noch verhältnismäßig lange dauert und eine Echtzeitauswertung lediglich für sich verhältnismäßig langsam bewegende Objekte möglich ist. Bekannt ist außerdem ein multispektrales zweidimensionales bildgebendes Spektrometer, bei dem optisch bestimmte spektral signifikante Wellenlängenbereiche herausgefiltert werden. Hierzu wird eingangs ein multispektrales Zwischenbild erzeugt, das anschließend kollimiert und auf mehrere identische Kanäle aufgeteilt wird. Danach werden die einzelnen Kanäle optisch gefiltert und auf einem ein- oder zweidimensionalen Detektorarray einzeln abgebildet. (WO 99/02950). Bei einer derartigen Verfahrensweise ist die Flexibiltät und Auflösung der spektralen Filterung durch die Filtermaterialien und durch zusätzliche räumliche Begrenzungen aufgrund der erforderlichen Umlenkungen deutlich eingeschränkt.The disadvantage of these solutions is that the evaluation of the multispectral image data still takes a relatively long time and a real-time evaluation is possible only for relatively slow-moving objects. Also known is a multispectral two-dimensional imaging spectrometer in which optically determined spectrally significant wavelength ranges are filtered out. For this purpose, a multispectral intermediate image is initially generated, which is then collimated and divided into several identical channels. Thereafter, the individual channels are optically filtered and imaged individually on a one- or two-dimensional detector array. (WO 99/02950). In such a procedure, the flexibility and resolution of the spectral filtering by the filter materials and by additional spatial limitations due to the required deflections is significantly limited.
Die Erfindung und ihre VorteileThe invention and its advantages
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Auswertung des Spektralbildes eines Objektes sehr schnell erfolgt und daher eine hohe Anzahl von Teilen pro Sekunde identifiziert werden können. Das wird dadurch erreicht, dass die ortsaufgelösten Spektralbilder einer optischen Maskierung unterzogen werden, so dass lediglich noch signifikante Spektralwerte zur Auswertung zugelassen, also weitergegeben werden, die eine oder mehrere gewünschte, d. h. zuvor bestimmte bzw. ausgewählte Eigenschaften der zu untersuchenden Objekte repräsentieren. Dadurch reduziert sich die Menge der auszuwertenden Spektralwerte wesentlich. Bevor die Spektralwerte ausgewertet werden, werden sie ebenfalls optisch zu einem gut und damit auch schnell lesbaren Datenbild wieder verdichtet, wodurch eine besonders schnelle Identifizierung der Objekte ermöglicht wird. Die für die Auswertung der jeweiligen Messaufgabe genutzten Sensorarrays müssen lediglich noch signifikante spektrale Informationen verarbeiten. Durch die erfindungsgemäße Kombination der optischen Maskierung mit einer optischen Datenverdichtung können signifikante Spektraldaten mit mehreren spektralen Eigenschaften bzw. Kombinationen von ihnen sehr flexibel zu einem neuen ortsaufgelösten Spektralbild komprimiert, d. h. zusammengesetzt, und dieses auf einer mehr- bzw. eindimensionalen Zeile abgebildet werden.The inventive method with the features of claim 1 has the advantage that the evaluation of the spectral image of an object is very fast and therefore a high number of parts per second can be identified. This is achieved by subjecting the spatially resolved spectral images to optical masking, so that only significant spectral values are allowed for evaluation, that is to say passed on, which represent one or more desired, ie previously determined or selected properties of the objects to be examined. This significantly reduces the amount of spectral values to be evaluated. Before the spectral values are evaluated, they are also optically compressed again to a well-readable and thus also quickly readable data image, whereby a particularly fast identification of the objects is made possible. The sensor arrays used for the evaluation of the respective measurement task only need to be process significant spectral information. Due to the inventive combination of the optical masking with an optical data compression significant spectral data with multiple spectral properties or combinations of them very flexible compressed to a new spatially resolved spectral image, ie assembled, and this can be mapped on a multi-or one-dimensional line.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die signifikanten ortsaufgelösten Spektralwerte und/ oderAccording to an advantageous embodiment of the invention, the significant spatially resolved spectral values and / or
Spektralbereiche anamorphotisch verdichtet. Eine bezüglich der Bildachsen anamorphotische, d. h. unsymmetrische Verdichtung des ortsaufgelösten Spektralbildes hat den großen Vorteil, dass auch nicht quadratische Sensorarrays mit wenigen Zeilen für die Bildaufnahme genutzt werden können und dabei das optische Auflösungsvermögen der einzelnen Achsen unabhängig beeinflusst werden kann.Spectral regions anamorphotically compressed. Anamorphic with respect to the image axes, d. H. Unbalanced compression of the spatially resolved spectral image has the great advantage that even non-square sensor arrays with few lines can be used for image acquisition and thereby the optical resolution of the individual axes can be influenced independently.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die anamorphotische Verdichtung so, dass ein eindimensionales Datenbild entsteht. Dadurch ist es möglich, herkömmliche eindimensionale Diodenarrays für die ortsaufgelöste Spektralbildtechnik einzusetzen. Dieses führt zu einer noch größeren Beschleunigung der Messvorgänge, da eindimensionale Diodenarrays mit reduzierter Pixelanzahl erheblich schneller ausgelesen werden können als die sonst für die ortsaufgelöste Spektralbildtechnik notwendigen mehrdimensionalen Diodenarrays mit hoher Pixelanzahl.After an advantageous embodiment of the invention in this regard, the anamorphic compression takes place in such a way that a one-dimensional data image is created. This makes it possible to use conventional one-dimensional diode arrays for spatially resolved spectral imaging. This leads to an even greater acceleration of the measurement processes, since one-dimensional diode arrays with a reduced number of pixels can be read much faster than the multidimensional diode arrays with a high number of pixels that would otherwise be required for spatially resolved spectral imaging.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die ortsaufgelöste spektrale Maskierung und/ oder die Verdichtung des Spektralbildes programmierbar. Das hat den Vorteil, dass flexibel in Abhängigkeit von örtlichen und spektralen Signifikanzen für eine Vielzahl unterschiedlicher Applikationen eine frühzeitige optische Reduktion der spektralen Informationen möglich wird.According to an additional advantageous embodiment of the invention, the spatially resolved spectral masking and / or the Compression of the spectral image programmable. This has the advantage that flexible, depending on local and spectral significance for a variety of different applications, an early optical reduction of the spectral information is possible.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 ermöglicht es, ein auf eine oder mehrere bestimmte Eigenschaften der zu identifizierenden Objekte abgestimmtes Spektralbild schnell und mit verhältnismäßig geringem Aufwand bereitzustellen. Die optischen Einrichtungen sind also im Strahlengang der Vorrichtung angeordnet. Sie haben aber darüber hinaus noch den Vorteil, dass entsprechend den Anwendungen unterschiedliche optomechanische Anordnungen und Prinzipien eingesetzt werden können.The device according to the invention with the features of claim 6 makes it possible to provide a spectral image tuned to one or more specific properties of the objects to be identified quickly and with relatively little effort. The optical devices are thus arranged in the beam path of the device. But they also have the advantage that different optomechanical arrangements and principles can be used according to the applications.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Einheit zur Verdichtung des Spektralbildes aus einer anamorphotischen Optik. Wie hierzu bereits bei der Beschreibung des Verfahrens erwähnt, hat eine bezüglich der Bildachsen anamorphotische, d. h. unsymmetrische Verdichtung des ortsaufgelösten Spektralbildes den großen Vorteil, dass auch nicht quadratische Sensorarrays mit wenigen Zeilen für die Bildaufnahme genutzt werden können und dabei das optische Auflösungsvermögen der einzelnen Achsen unabhängig beeinflusst werden kann.According to an advantageous embodiment of the invention, the unit for compressing the spectral image of an anamorphic optics. As already mentioned in the description of the method, anamorphic with respect to the image axes, d. H. asymmetrical compression of the spatially resolved spectral image has the great advantage that even non-square sensor arrays with few lines can be used for image acquisition and the optical resolution of the individual axes can be influenced independently.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die anamorphotische Optik so ausgebildet, dass ein eindimensionales Datenbild entsteht. Die Verwendung von Zeilenarrays erbringt erhebliche Kosteneinsparungen. Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Maskierungseinheit Bestandteil der Auswerteeinheit. Dadurch wird eine kompakte Bauweise der Vorrichtung erreicht.After an advantageous embodiment of the invention in this regard, the anamorphic optics is designed so that a one-dimensional data image is formed. The use of line arrays provides significant cost savings. According to an additional advantageous embodiment of the invention, the masking unit is part of the evaluation unit. As a result, a compact design of the device is achieved.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist auch die Auswerteeinheit eine Maskierung auf. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Designmöglichkeiten für die Datenverdichtung der in Bezug auf die Applikation signifikanten spektralen Informationen zu einem verdichteten Bild.According to another advantageous embodiment of the invention, the evaluation unit also has a masking. This increases the number of design options for data compression of the spectral information significant in terms of the application to a compressed image.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die spektrale Maskierungseinheit und/ oder die anamorphotische Optik mit einer seriellen oder parallelen Schnittstelle versehen sein, um Auswahl und/ oder Bildverdichtung rechnergesteuert vornehmen zu können. Ebenso kann die Auswerteeinheit rechnergesteuert sein.According to an additional advantageous embodiment of the invention, the spectral masking unit and / or the anamorphic optical system can be provided with a serial or parallel interface in order to be able to carry out computer-controlled selection and / or image compression. Likewise, the evaluation unit can be computer-controlled.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Maskierungseinheit aus einer Schlitzmaske. Diese können einfach und kostengünstig durch verschiedene mechanische und lithografische Verfahren mit zum Teil sehr hoher Präzision hergestellt werden.According to another advantageous embodiment of the invention, the masking unit consists of a slit mask. These can be produced simply and inexpensively by various mechanical and lithographic processes, sometimes with very high precision.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die optische Einheit ein telezentrisches Eingangsobjektiv auf. Dieses bewirkt, dass die Abbildungseigenschaften der gesamten optischen Konfiguration hinsichtlich der spektralen und örtlichen Auflösung deutlich verbessert werden.According to another advantageous embodiment of the invention, the optical unit has a telecentric input lens. This causes the imaging characteristics of the overall optical configuration to be significantly improved in terms of spectral and spatial resolution.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswerteeinheit ein lichtempfindliches Pixelarray auf. Dieses hat den Vorteil, dass das hinsichtlich der Applikation auf signifikanten spektralen Informationen reduzierte und verdichtete Bild pixelbezogen rechentechnisch ausgewertet und weiterverarbeitet werden kann. Dadurch können insbesondere beim Einsatz eindimensionaler Diodenarrays die vorher zusammengesetzten und verdichteten optischen Informationen pixelgenau dekodiert werden.According to an additional advantageous embodiment of the invention, the evaluation unit has a photosensitive pixel array. This has the advantage that the image, which is reduced and compressed with regard to the application to significant spectral information, can be evaluated and further processed in a pixel-related manner. As a result, in particular when using one-dimensional diode arrays, the previously assembled and compressed optical information can be decoded with pixel precision.
Nach einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das lichtempfindliche Pixelarray mehrdimensional, wodurch auch hinsichtlich der Applikation auf signifikante spektrale Informationen verdichtete Bilder verarbeitet werden können, die nach der optischen Datenreduktion noch mehr als eine Dimension besitzen.According to an embodiment of the invention which is advantageous in this respect, the photosensitive pixel array is multidimensional, as a result of which compacted images can also be processed with regard to the application to significant spectral information which still has more than one dimension after the optical data reduction.
Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest das Pixelarray die Maskierungseinheit auf, wobei die Maskierung am Pixelarray dadurch erfolgt, dass ausgewählte, den signifikanten ortsaufgelösten Spektralwerten zuordenbare Pixel gebondet sind.According to another advantageous embodiment of the invention, at least the pixel array has the masking unit, the masking on the pixel array being effected by bonding selected pixels that can be assigned to the significant spatially resolved spectral values.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beispielbeschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. ZeichnungFurther advantages and advantageous embodiments of the invention are the following example description, the drawings and claims removed. drawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte optische Anordnung, wie sie bei der Materialerkennung von kleinen Objekten, beispielsweise von Nüssen, Tabletten oder Kunststoff-Flakes zur Anwendung kommen kann. In einer Objektebene 1 befinden sich Objekte 2 bis 4 unterschiedlicher Größe, die von einer Beleuchtungseinheit 5 angestrahlt werden. Im Strahlengang der von den Objekten 2 bis 4 reflektierten Strahlung befindet sich ein Eingangsobjektiv 6 mit einer spektroskopischen Einheit 7, der innerhalb einer Zwischenbildebene 8 eine Schlitzmaske 9 nachgeordnet, ist. Im die Schlitzmaske 9 verlassenden Strahlengang sind nacheinander eine anamorphotische Optik 10 und ein eindimensionaler Sensor, im vorliegenden Beispiel ein einzeiliges Diodenarray 11, angeordnet, das mit einer Recheneinheit 12 verbunden ist.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and described in more detail below. The drawing shows a preferred optical arrangement, as it can be used in the material detection of small objects, such as nuts, tablets or plastic flakes. In an object plane 1 are objects 2 to 4 of different sizes, which are illuminated by a lighting unit 5. In the beam path of the radiation reflected by the objects 2 to 4 there is an input objective 6 with a spectroscopic unit 7, which is arranged downstream of a slit mask 9 within an intermediate image plane 8. In the beam mask leaving the slot mask 9, an anamorphic optics 10 and a one-dimensional sensor, in the present example a single-row diode array 11, are arranged in succession, which is connected to a computing unit 12.
Nachfolgend soll die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden.The operation of the device according to the invention will be described below.
Das Spektrum des Leuchtmittels der Beleuchtungseinheit 5 enthält die für die Analyse der von den Objekten 2 bis 4 reflektierten Strahlung notwendigen Spektralbereiche, z. B. im Infrarotbereich. Die von den Objekten 2 bis 4 an verschiedenen Orten gleichzeitig reflektierte Strahlung wird von dem Eingangsobjektiv 6 auf die spektroskopischen Einheit 7 abgebildet. Die spektroskopische Einheit 7 erzeugt in der Zwischenbildebene 8 ein zweidimensionales ortsaufgelöstes Spektralbild 13, das hinsichtlich der Messaufgabe redundante und signifikante spektrale Informationen über die Objekte 2 bis 4 und Zwischenräume in der Objektebene 1 enthält. Üblicherweise entspricht die eine Dimension des zweidimensionalen ortsaufgelösten Spektralbildes 13 in der Zwischenbildebene 8 der Ortsauflösung und die zweite Dimension der spektralen Auflösung, z.B. im Infrarotbereich.The spectrum of the light source of the illumination unit 5 contains the spectral ranges necessary for the analysis of the radiation reflected by the objects 2 to 4, eg. B. in the infrared range. The radiation reflected simultaneously by the objects 2 to 4 at different locations is imaged by the input objective 6 onto the spectroscopic unit 7. The spectroscopic unit 7 generates in the intermediate image plane 8 a two-dimensional spatially resolved spectral image 13, which contains redundant and significant spectral information about the objects 2 to 4 and spaces in the object plane 1 with regard to the measurement task. Usually, one dimension of the two-dimensional spatially resolved spectral image 13 in the intermediate image plane 8 corresponds to the spatial resolution and the second dimension corresponds to the spectral resolution, eg in the infrared region.
Erfindungsgemäß wird das zweidimensionale ortsaufgelöste Spektralbild 13 in der Zwischenbildebene 8 mit der Schlitzmaske 9 zunächst maskiert und danach mit der anamorphotischen Optik 10 so komprimiert, dass in einer Bildebene 14 des einzeiligen Diodenarrays 11 ein eindimensionales Bild entsteht, welches nur noch für die Messaufgabe weitgehend signifikante spektrale Informationen enthält.According to the invention, the two-dimensional spatially resolved spectral image 13 is first masked in the intermediate image plane 8 with the slit mask 9 and then compressed with the anamorphotic optics 10 so that a one-dimensional image is formed in an image plane 14 of the single-line diode array 11, which only largely spectral for the measurement task Contains information.
Das in der Bildebene 14 positionierte einzeilige Diodenarray 11 kann nun alle wesentlichen ortsaufgelösten spektralen Informationen erfassen und an die Recheneinheit 12 zur Weiterverarbeitung übermitteln. Auf der Recheneinheit 12 werden mit Hilfe von speziellen Parameter- und Eigenschaftsmodellen nun nur noch weitgehend signifikante ortsaufgelöste spektrale Informationen analysiert und bestimmte quantitative oder qualitative Parameter und Eigenschaften der Objekte 2 bis 4 berechnet, z.B. zur Materialcharakterisierung in Kunststoffen.The single-line diode array 11 positioned in the image plane 14 can now record all essential spatially resolved spectral information and transmit it to the arithmetic unit 12 for further processing. With the help of special parameter and property models, only largely significant spatially resolved spectral information is analyzed on the arithmetic unit 12 and certain quantitative or qualitative parameters and properties of the objects 2 to 4 are calculated, e.g. for material characterization in plastics.
Die frühzeitige optische Reduktion des zweidimensionalen ortsaufgelösten Spektralbildes 13 hinsichtlich signifikanter Informationen, hier zwischen Zwischenbildebene 8 und Bildebene 14 ermöglicht eine deutliche Beschleunigung der Messvorgänge, da die später digital zu verarbeitenden Datenmengen zwischen Sensor und Recheneinheit 12 bzw. in der Recheneinheit 12 vorher drastisch reduziert werden. Das für die ortsaufgelöste Spektroskopie typische und die Messdynamik limitierende Auslesen von mehrdimensionalen Diodenarrays mit hoher Pixelanzahl ist nicht mehr nötig. Die auf der Recheneinheit 12 abzuarbeitenden Auswertealgorithmen sind aufgrund geringerer Datenmengen deutlich beschleunigt. Dadurch werdenThe early optical reduction of the two-dimensional spatially resolved spectral image 13 with respect to significant information, here between intermediate image plane 8 and image plane 14 allows a significant acceleration of the measurement processes, since the later digitally processed data volumes between sensor and arithmetic unit 12 and in the arithmetic unit 12 are previously drastically reduced. The typical for the spatially resolved spectroscopy and the measurement dynamics limiting reading of Multi-dimensional diode arrays with a high number of pixels is no longer necessary. The processing algorithms to be processed on the arithmetic unit 12 are significantly accelerated due to smaller amounts of data. This will be
Hochgeschwindigkeitsanwendungen, z.B. für die Erkennung und Sortierung von schnell bewegten Kleinteilen, mit hoher Auflösung möglich, die bisher nicht realisiert werden konnten.High-speed applications, e.g. For the detection and sorting of fast moving small parts, with high resolution possible, which could not be realized so far.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All in the description, the following claims and the drawings illustrated features may be essential to the invention both individually and in any combination.
BezugszahlenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Objektebene1 object level
2 Objekt 12 object 1
3 Objekt 23 object 2
4 Objekt 34 object 3
5 Beleuchtungseinheit5 lighting unit
6 Eingangsobjektiv6 input lens
7 Spektroskopische Einheit7 Spectroscopic unit
8 Zwischenbildebene8 intermediate image plane
9 Schlitzmaske9 slot mask
10 Anamorphotische Optik10 Anamorphic optics
11 Einzeiliges Diodenarray11 Single-row diode array
12 Recheneinheit12 arithmetic unit
13 zweidimensionales ortsaufgelöstes Spektralbild13 two-dimensional spatially resolved spectral image
14 Bildebene 14 image plane

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Identifizieren von Eigenschaften von Objekten, insbesondere sich bewegenden Objekten, innerhalb eines Objektbereichs, wobei die die Eigenschaften der Objekte repräsentierenden Daten durch eine spektrale ortsaufgelöste quantitative und /oder qualitative Analyse in Echtzeit ermittelt und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet,1. A method for identifying properties of objects, in particular moving objects, within an object area, wherein the data representing the properties of the objects are determined and evaluated in real time by a spectral spatially resolved quantitative and / or qualitative analysis, characterized
- dass zunächst von dem zu messenden Objektbereich ein ortsaufgelöstes Spektralbild erzeugt wird,- that initially a spatially resolved spectral image is generated by the object area to be measured,
- dieses vor seiner Auswertung optisch einer ortsaufgelösten spektralen Maskierung unterzogen, wird, die lediglich ausgewählte signifikante ortsaufgelöste Spektralwerte und /oder Spektralbereiche passieren lässt und- This is optically subjected to a spatially resolved spectral masking before its evaluation, which allows only selected significant spatially resolved spectral values and / or spectral ranges pass and
- dass diese signifikanten ortsaufgelösten Spektralwerte und/ oder Spektralbereiche optisch zu einem lesbaren Datenbild verdichtet werden.- That these significant spatially resolved spectral values and / or spectral ranges are optically compressed into a readable data image.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die signifikanten ortsaufgelösten Spektralwerte und/ oder Spektralbereiche anamorphotisch verdichtet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the significant spatially resolved spectral values and / or spectral ranges are anamorphotically compressed.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die anamorphotische Verdichtung so erfolgt, dass ein eindimensionales Datenbild entsteht. 3. The method according to claim 2, characterized in that the anamorphic compression takes place so that a one-dimensional data image is formed.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsauflösende spektrale Maskierung und/ oder die Verdichtung des Spektralbildes programmierbar ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the spatially resolving spectral masking and / or the compression of the spectral image is programmable.
5. Vorrichtung zum Identifizieren von Eigenschaften von Objekten, insbesondere sich bewegenden Objekten (1, 2, 3), bestehend aus einer auf die Objekte (1, 2, 3) gerichteten Beleuchtungseinheit (5), einer optischen Einheit (7) für die ortsaufgelöste spektrale Zerlegung des von den Objekten (1, 2, 3) reflektierten Lichts sowie einer Auswerteeinheit des erzeugten Spektralbildes, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Auswerteeinheit mindestens eine optische Maskierungseinheit zur ortsaufgelösten spektralen Maskierung des Spektralbildes angeordnet ist, die lediglich für ausgewählte signifikante ortsaufgelöste Spektralwerte und/ oder Bereiche durchgängig ist, und sich an die Maskierungseinheit eine optische Einheit zur Verdichtung des Spektralbildes anschließt.5. An apparatus for identifying properties of objects, in particular moving objects (1, 2, 3), consisting of a on the objects (1, 2, 3) directed illumination unit (5), an optical unit (7) for the spatially resolved spectral decomposition of the light reflected from the objects (1, 2, 3) and an evaluation unit of the generated spectral image, characterized in that at least one optical masking unit for spatially resolved spectral masking of the spectral image is arranged in front of the evaluation unit, which only for selected spatially resolved spectral values and / or areas is continuous, and the masking unit is followed by an optical unit for compressing the spectral image.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Verdichtung des Spektralbildes aus einer anamorphotischen Optik (10) besteht.6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the unit for compressing the spectral image consists of an anamorphic optics (10).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anamorphotische Optik (10) so ausgebildet ist, dass ein eindimensionales Datenbild entsteht. 7. The device according to claim 6, characterized in that the anamorphic optical system (10) is formed so that a one-dimensional data image is formed.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungseinheit Teil der Auswerteeinheit ist.8. The device according to claim 5, characterized in that the masking unit is part of the evaluation unit.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Maskierungseinheit auch die Auswerteeinheit eine Maskierung aufweist.9. Apparatus according to claim 5 or 8, characterized in that in addition to the masking unit and the evaluation unit has a masking.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungseinheit bzw. -einheiten und/ oder die anamorpho tische Optik (10) jeweils mit einer seriellen oder parallelen Schnittstelle versehen ist.10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the masking unit or units and / or the anamorpho tical optics (10) is provided in each case with a serial or parallel interface.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungseinheit bzw. -einheiten aus einer Schlitzmaske (9) bestehen.11. Device according to one of claims 5 or 8 to 10, characterized in that the masking unit or units consist of a slit mask (9).
12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit ein telezentrisches Eingangsobjektiv (6) aufweist.12. The device according to claim 5, characterized in that the optical unit has a telecentric input lens (6).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit ein lichtempfindliches Pixelarray aufweist. 13. Device according to one of claims 5 to 12, characterized in that the evaluation unit comprises a photosensitive pixel array.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Pixelarray mehrdimensional ist.14. The device according to claim 13, characterized in that the photosensitive pixel array is multi-dimensional.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit rechnergesteuert ist.15. Device according to one of claims 5 to 14, characterized in that the evaluation unit is computer controlled.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Pixelarray die Maskierungseinheit aufweist, wobei die Maskierung am Pixelarray dadurch erfolgt, dass ausgewählte, den signifikanten ortsaufgelösten Spektralwerten zuordenbare Pixel gebondet sind. 16. Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that at least the pixel array comprises the masking unit, wherein the masking at the pixel array is effected in that selected, the significant spatially resolved spectral values are assigned to be bonded pixels.
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