WO2011153648A1 - Vorrichtung zur optoelektronischen bestimmung von merkmalen eines garns - Google Patents

Vorrichtung zur optoelektronischen bestimmung von merkmalen eines garns Download PDF

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WO2011153648A1
WO2011153648A1 PCT/CH2011/000130 CH2011000130W WO2011153648A1 WO 2011153648 A1 WO2011153648 A1 WO 2011153648A1 CH 2011000130 W CH2011000130 W CH 2011000130W WO 2011153648 A1 WO2011153648 A1 WO 2011153648A1
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WO
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yarn
optoelectronic
image sensor
sensor
light source
Prior art date
Application number
PCT/CH2011/000130
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kay-Uwe Kirstein
Peter Pirani
Original Assignee
Uster Technologies Ag
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Publication date
Application filed by Uster Technologies Ag filed Critical Uster Technologies Ag
Priority to CN201190000567.9U priority Critical patent/CN203241357U/zh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
    • G01N21/8914—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the material examined
    • G01N21/8915—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the material examined non-woven textile material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01H—SPINNING OR TWISTING
    • D01H13/00—Other common constructional features, details or accessories
    • D01H13/26—Arrangements facilitating the inspection or testing of yarns or the like in connection with spinning or twisting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/36—Textiles
    • G01N33/365—Filiform textiles, e.g. yarns

Definitions

  • the present invention is in the field of quality control in the textile laboratory. It relates to an optoelectronic device for determining features
  • a digital camera with a two-dimensional sensor chip is used to determine the hairiness of yarns.
  • an image of a piece of yarn is created, digitized and then analyzed.
  • the image information is divided into information representing the package itself and those representing the fibers projecting from the package. This ensures that when determining the hairiness, the thickness and thickness variations of the yarn have no effect.
  • the yarn is illuminated with uniformly bright, diffused backlight.
  • the camera is connected via a data line to an evaluation device.
  • the evaluation device includes a computer for processing the image data, a control device for controlling the yarn withdrawal and an output unit for the evaluated data.
  • EP 0 271 728 A2 discloses a method and an arrangement for measuring yarn properties, among others hairiness. Two-dimensional images of the running yarn are successively taken with a camera, possibly digitized and stored. A computing unit determines values of the property to be detected from the stored digital image signals. By comparing the measured values obtained from several consecutively recorded images, changes in the property can be detected.
  • the ⁇ -319,926 A2 discloses a device for non-contact measurement of properties of a moving yarn.
  • an optical line sensor is installed in the device.
  • the line sensor is integrated in an application-specific integrated circuit (ASIC), along with at least part of the electronic circuits used for the
  • WO-99/36746 AI discloses a device for optical thickness determination of a yarn.
  • the yarn is lit from one side and casts a shadow on a charge coupled device (CCD) sensor.
  • An evaluation device evaluates the CCD output signal. It can be integrated with the CCD sensor.
  • the device according to the invention for the optoelectronic determination of features of a yarn includes an optoelectronic Gamsensor worn with an optical axis.
  • the optical axis is from a
  • the distance between the optical axis and the longitudinal axis is z. B. 2-6 mm and preferably 4 mm. In a preferred
  • the optoelectronic sensor device includes a light source, an illumination optics, an imaging optics and an image sensor, which together define the optical axis, and the image is in transmission.
  • This first embodiment enables detection even of long yarn hairs with high resolution.
  • the device according to the invention for the optoelectronic determination of features of a yarn includes an optoelectronic yarn sensor device with a light source, an illumination optical system, a
  • the imaging optics is designed as polyfocal optics, which have at least two different object planes on the image sensor maps.
  • the image sensor may be a two-dimensional image sensor having a multiplicity of picture elements arranged in matrix form. Thanks to this second embodiment, a greater depth of field is achieved when imaging the yarn.
  • the device according to the invention for the optoelectronic determination of features of a yarn includes an optoelectronic yarn sensor device with a light source, an illumination optics, a
  • Imaging optics and an image sensor are nonlinear.
  • the non-linear imaging optics is preferably designed such that they have a locally non-constant, decreasing outwardly from an optical axis
  • the device according to the invention for the optoelectronic determination of features of a yarn includes an optoelectronic Gamsensor adopted with a measuring gap for receiving the yarn.
  • the cover plates may be part of a sensor cover.
  • the optoelectronic sensor device includes a light source, an illumination optics, an imaging optics and an image sensor; a first cover plate adjoins the light source and the illumination optics, and a second cover plate delimits the imaging optics and the image sensor against the measuring gap. Due to the non-parallel positioning of the cover plates are
  • the device according to the invention for the optoelectronic determination of features of a yarn includes an optoelectronic Gamsensor adopted with an optoelectronic image sensor, which includes a plurality of Comprising picture elements, and a control device for controlling the device.
  • the image sensor is integrated in the control device.
  • the controller preferably includes a processor, and the processor and the image sensor are mounted on one and the same circuit board.
  • the processor and the image sensor are mounted on one and the same circuit board.
  • Control device connected in a star shape with several other components and / or devices.
  • the other components and / or devices are selected from the set comprising the following elements: a light source for illuminating the yarn, a conveyor for the yarn, a user interface, which preferably contains an input device and / or an output device, a computer and a computer network.
  • the image sensor is preferably a two-dimensional image sensor, and the image elements are arranged in a matrix.
  • the device according to the invention has a compact construction.
  • the term "light” in this document not only the visible range (VIS) of the
  • UV ultraviolet
  • IR infrared
  • the device according to the invention can be used to determine various characteristics of a yarn. It may be suitable for determining only a single feature or a plurality of different features. A particularly advantageous use of the inventive device consists in the
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the device according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows an optoelectronic yarn sensor device in FIG.
  • FIG. 4 schematically shows one of the optoelectronic Gamsensor
  • FIG. 5 schematically shows an imaging unit of the optoelectronic
  • FIG. 6 schematically shows the optoelectronic Gamsensor overlooked in cross section.
  • FIG. 1 shows, from the outside, a device 1 according to the invention for determining characteristics of a yarn 9.
  • a substantially parallelepipedal housing 11 various Gam operations elements 12-15 for guiding the yarn 9
  • a sensor cover 16 for an optoelectronic Gamsensor worn 3
  • a Roller cover 17 for a Gam percutaneous connection 4.
  • Gamsensor worn 3 measures at least one parameter of the yarn 9, z.
  • the length of fibers (hairs) protruding from the yarn 9.
  • the device 1 according to the invention has, in functional terms, a star-shaped configuration
  • Control device 2 which is connected to a plurality of other components and / or devices 31, 4-7, controls these and evaluates signals of the optoelectronic Gamsensor worn 3.
  • the tasks of the control and signal evaluation are provided by a
  • DSP digital signal processor
  • Processor 21 is connected to the optoelectronic Gamsensor Tooth 3, which at least one feature of the yarn 9 such. B. determines his hairiness. Furthermore, the processor 21 is connected to a conveyor 4, which moves the yarn along its longitudinal direction through the optoelectronic Gamsensor Tooth, which is indicated by an arrow 99. A program stored in the processor 21 controls its switching on and off, the intensity of the lighting, the retrieval and the evaluation of the recorded images, the Gamon horrus and / or other parameters. Thereby, it controls the process of determining the characteristics of the yarn 9 in FIG Device 1.
  • the control device 2 may also be provided with a user interface 5, which may include an input device 51 and an output device 52,
  • control device 2 can be connected to a computer 6 and / or a computer network 7 and exchange data with these.
  • Data exchange can take place via known standards such as Ethernet or USB.
  • the optoelectronic yarn sensor device 3 includes a lighting unit and an imaging unit.
  • the illumination unit has at least one light source 31 and one illumination optics 32.
  • As a light emitting diode English light emitting diode, LED
  • the light source 31 transmits
  • the illumination optics 32 collimates that of the
  • the imaging unit has an imaging optics 33 and an optoelectronic image sensor 34.
  • the image sensor 34 is preferably a two-dimensional image sensor 34 having a multiplicity of picture elements (pixels) arranged in the form of a matrix.
  • Such image sensors 34 are commercially available in the form of integrated optoelectronic components in various technologies, for example, from digital cameras well known and widely used.
  • a likewise known one-dimensional line sensor with a multiplicity of pixels which are arranged on a straight line perpendicular to the yarn longitudinal direction can be used.
  • the imaging optics 33 form a yarn section on the image sensor 34, which will be discussed in more detail on the occasion of Figure 3.
  • the image sensor 34 is integrated in the control device 2. This means that the image sensor 34 and the processor 21 are mounted on one and the same circuit board 22. Thus, the evaluation of the signals of the image sensor 34 on the same circuit board 22 ("on-board") takes place as the taking of the images of the yarn 9.
  • the optoelectronic yarn sensor device 3 is shown in more detail, but still simplified Section of the yarn 9 on the illumination optics 32.
  • the Köhler illumination is used, which is well known from microscopy and on here not further will be received.
  • a suitable imaging optic 33 images the section of the yarn 9 onto the image sensor 34.
  • the illumination optics 32 and the imaging optics 33 are shown in FIG. 3 as simple lenses; Of course, however, more complex optical systems can be used which, in addition to lenses, contain further optical elements such as diaphragms or filters.
  • the image is preferably in
  • the yarn 9 is in this schematic representation as a package 91 with circular
  • Garnsensor issued 3 does not intersect, but is spaced therefrom, for example.
  • This offset a is based on the assumption that (at least when averaging over a certain yarn length is performed) the yarn 9 is rotationally symmetric and therefore the hair length values to be measured along the yarn circumference are the same. If this assumption of symmetry is correct, then only one half space 93 defined by the yarn longitudinal axis 90 need be considered, and a half space 94 complementary thereto can be disregarded. In the considered half space 93 hairiness can better, d. H. with greater resolution, to be examined.
  • FIG. 4 A corresponding image, as recorded by a two-dimensional image sensor 34, is shown schematically in FIG. 4. Owing to the axial offset a discussed above, the package 91 does not lie in the center but at the edge of the image. For this, the hairs 92 protruding into the considered half space 93 are imaged more completely and with higher resolution. The protruding into the other half space 94 hair are interested because of the mentioned
  • Symmetry assumption not. By evaluating a plurality of images by means of statistical methods, more accurate and reliable measurement results can be obtained. In this case, the measurement results obtained from the individual images can be added, averaged or linked together in another way.
  • a one-dimensional image sensor 34 in a first variant, first of all several consecutive image lines can be combined to form a two-dimensional image, as shown in FIG. Thereafter, an evaluation of the two-dimensional image.
  • each one-dimensional image is treated as described above for the two-dimensional images.
  • Imaging optics 33 to use a bifocal optics.
  • a possible embodiment is shown in FIG.
  • a plane-parallel plate 35 is inserted into the imaging beam path so that it only affects a part 37 of the light reaching the image sensor 34, while another part 36 passes by it. Because of the plane-parallel plate 35 caused parallel displacement of the beam 37 is the
  • the plane-parallel plate 35 may be circular, annular or other shape. Alternatively, it can be replaced by an optical element that is not plane-parallel and allows for bifocal or polyfocal imaging. In another embodiment, not shown, the imaging optics 33 may be non-linear.
  • a "tailor-made" nonlinear optical system can achieve a greater depth of field, which makes auxiliary solutions such as the plane-parallel plate 35 of Figure 5 superfluous, while on the other hand the nonlinear optical system can be designed such that it has a locally non-constant, outwardly decreasing imaging scale
  • very long hairs 92 with a length of, for example, up to 16 mm
  • short hairs 92 with a consistently high resolution can be detected such nonlinear optics is known and can be computationally compensated in the evaluation of hairiness length.
  • FIG. 6 schematically shows the light path in the region of a measuring gap 81 through which the yarn 9 is moved in its longitudinal direction.
  • a transmitter-side wall and a receiver-side wall of the measuring gap 81 each include a translucent wall element 82, 83 as part of the sensor cover 16.
  • the wall element 82, 83 transmits the measuring light, but shields the light source 31 or the image sensor 34 from the measuring gap 81.
  • the wall elements 82, 83 are formed as flat cover plates which are not positioned parallel to each other, to unwanted multiple reflections and related
  • the cover plates 82, 83 are preferably tilted relative to one another such that the measuring gap 81, viewed in the yarn longitudinal direction, has a cross-section which tapers outwards from the housing 11.

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Abstract

Die Vorrichtung (1) zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns (9) beinhaltet eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung (3) mit einer optischen Achse (30). Die optische Achse (30) ist von einer Längsachse (90) des Garns (9) beabstandet. Der Abstand (a) zwischen der optischen Achse und der Längsachse beträgt z. B. 2-6 mm. Die Vorrichtung (1) ermöglicht eine Erfassung auch von langen Garnhaaren (92) mit hoher Auflösung.

Description

VORRICHTUNG ZUR OPTOELEKTRONISCHEN BESTIMMUNG VON
MERKMALEN EINES GARNS
FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Qualitätskontrolle im Textillabor. Sie betrifft eine optoelektronischen Vorrichtung zur Bestimmung von Merkmalen,
insbesondere der Haarigkeit, eines Garns, gemäss dem Oberbegriff des ersten
Patentanspruchs. Derartige Vorrichtungen kommen typischerweise in einem Textillabor zum Einsatz.
STAND DER TECHNIK
Bei Stapelgarnen, die aus vielen Fasern gesponnen sind, sind einzelne Fasern nicht vollständig in den eigentlichen Garnkörper eingebunden. Sie ragen teilweise aus dem Garnkörper heraus, was man als Haarigkeit des Garns bezeichnet. Die Haarigkeit ist eine wichtige Garneigenschaft, weshalb die Textilindustrie ein grosses Interesse an ihrer zuverlässigen und reproduzierbaren Messung und Klassierung hat.
Viele bekannte Vorrichtungen zur Bestimmung der Haarigkeit von Garnen verwenden eine eindimensionale Sensorzeile, die quer zur Längsrichtung des Garns angeordnet ist. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist das Gerät USTER® ZWEIGLE HAIRINESS TESTER 5 der Anmelderin, das z. B. in„USTER® ZWEIGLE HAIRINESS TESTER 5
Application Handbook", V1.0, September 2009, beschrieben ist. Das Garn wird mit einem Laserstrahl beleuchtet, der gegen die Sensorzeile gerichtet ist. Die aus dem Garn ragenden Fasern schatten das Licht teilweise ab, so dass die betreffenden Sensorelemente der Sensorzeile entsprechend weniger Licht detektieren. Die Projektionen der Faserschatten auf der Sensorzeile werden in neun Längenintervalle klassiert, wobei die Oberfläche des Garnkörpers den Nullpunkt definiert. Weitere Anordnungen mit linearen Sensorzeilen sind in den Veröffentlichungen US-4,948,260 A, US-5,875,419 A und EP- 1 '621*872 A2 beschrieben, wobei abbildende oder nicht-abbildende Verfahren zum Einsatz kommen können.
Gemäss der DE-198'18'069 AI wird eine Digitalkamera mit einem zweidimensionalen Sensorchip zum Bestimmen der Haarigkeit von Garnen verwendet. Mit der Kamera wird ein Bild eines Garnstückes erstellt, digitalisiert und anschliessend analysiert. Dabei werden die Bildinformationen aufgeteilt in Informationen, die den Garnkörper selbst repräsentieren und solche, die die vom Garnkörper abstehenden Fasern repräsentieren. Dadurch wird erreicht, dass bei der Bestimmung der Haarigkeit die Dicke und Dickenschwankungen des Garns keinen Einfluss haben. Das Garn wird mit gleichmässig hellem, diffusem Gegenlicht beleuchtet. Die Kamera steht über eine Datenleitung mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung. Die Auswerteeinrichtung beinhaltet einen Computer zur Verarbeitung der Bilddaten, eine Steuervorrichtung zum Steuern des Garnabzugs und eine Ausgabeeinheit für die ausgewerteten Daten.
Die EP-0'271 '728 A2 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Garneigenschaften, nebst anderen der Haarigkeit. Mit einer Kamera werden nacheinander zweidimensionale Bilder des laufenden Garns aufgenommen, gegebenenfalls digitalisiert und gespeichert. Eine Recheneinheit ermittelt Werte der zu erfassenden Eigenschaft aus den gespeicherten digitalen Bildsignalen. Durch Vergleich der aus mehreren nacheinander aufgenommenen Bildern erhaltenen Messwerte können Änderungen der Eigenschaft festgestellt werden.
Auch weitere Veröffentlichungen schlagen die Verwendung einer Kamera für die
Bestimmung der Haarigkeit von Garnen vor, z. B. die DE-199'18'780 AI, die
DE-199'24'840 AI, die US-5,654,554 A und die EP-0754'943 A2, wobei gemäss der letzteren das Muster einer optischen Fouriertransformation aufgenommen wird.
Die ΕΡ- 319'926 A2 offenbart eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Eigenschaften eines bewegten Garns. Zu diesem Zweck ist in der Vorrichtung ein optischer Zeilensensor eingebaut. Der Zeilensensor ist in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC) integriert, zusammen mit zumindest einem Teil der elektronischen Schaltkreise, die für die
Verarbeitung und/oder Auswertung des Zeilensensorsignals benötigt werden.
Auch die WO-99/36746 AI offenbart eine Vorrichtung zur optischen Dickenbestimmung eines Garns. Das Garn wird von einer Seite beleuchtet und wirft einen Schatten auf einen Charge-coupled-device-Sensor (CCD). Eine Auswertevorrichtung wertet das CCD- Ausgangssignal aus. Sie kann zusammen mit dem CCD-Sensor integriert sein.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannten Vorrichtungen zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns weiter zu verbessern. Diese und andere Aufgaben werden durch die erfindungsgemässe Vorrichtung, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert ist, gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In einer ersten Ausführungsform beinhaltet die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns eine optoelektronische Gamsensoreinrichtung mit einer optischen Achse. Die optische Achse ist von einer
Längsachse des Garns beabstandet. Der Abstand zwischen der optischen Achse und der Längsachse beträgt z. B. 2-6 mm und vorzugsweise 4 mm. In einer bevorzugten
Ausführung beinhaltet die optoelektronische Sensoreinrichtung eine Lichtquelle, eine Beleuchtungsoptik, eine Abbildungsoptik und einen Bildsensor, welche gemeinsam die optische Achse definieren, und die Abbildung erfolgt in Transmission. Diese erste Ausführungsform ermöglicht eine Erfassung auch von langen Garnhaaren mit hoher Auflösung.
In einer zweiten Ausführungsform beinhaltet die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einer
Abbildungsoptik und einem Bildsensor. Die Abbildungsoptik ist als Polyfokaloptik ausgebildet, welche mindestens zwei verschiedene Objektebenen auf den Bildsensor abbildet. Der Bildsensor kann ein zweidimensionaler Bildsensor mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen sein. Dank dieser zweiten Ausführungsform wird bei der Abbildung des Garns eine grössere Tiefenschärfe erreicht. In einer dritten Ausführungsform beinhaltet die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einer
Abbildungsoptik und einem Bildsensor. Die Abbildungsoptik ist nichtlinear. Die nichtlineare Abbildungsoptik ist vorzugsweise so gestaltet, dass sie einen örtlich nicht konstanten, sich von einer optischen Achse nach aussen verkleinernden
Abbildungsmassstab aufweist. Die durch die nichtlineare Abbildungsoptik eingeführte Verzerrung kann bei der Bildverarbeitung rechnerisch kompensiert werden. So können auch sehr lange Garnhaare erfasst werden, ohne die Auflösung für die kürzeren Garnhaare übermässig zu vermindern.
In einer vierten Ausführungsform beinhaltet die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns eine optoelektronische Gamsensoreinrichtung mit einem Messspalt zur Aufnahme des Garns. Die
optoelektronische Gamsensoreinrichtung ist mittels zweier planer Abdeckplatten, die Messlicht von der Gamsensoreinrichtung zum Messspalt bzw. vom Messspalt zur
Gamsensoreinrichtung durchlassen und nicht parallel zueinander positioniert sind, gegen den Messspalt hin abgegrenzt. Die Abdeckplatten können Teil einer Sensorabdeckung sein. In einer bevorzugten Ausführung beinhaltet die optoelektronische Sensoreinrichtung eine Lichtquelle, eine Beleuchtungsoptik, eine Abbildungsoptik und einen Bildsensor; eine erste Abdeckplatte grenzt die Lichtquelle sowie die Beleuchtungsoptik und eine zweite Abdeckplatte grenzt die Abbildungsoptik sowie den Bildsensor gegen den Messspalt hin ab. Durch die nicht parallele Positionierung der Abdeckplatten werden
Mehrfachreflexionen und dadurch verursachte Geisterbilder sowie Interferenzen
verhindert.
In einer fünften Ausfuhrungsform beinhaltet die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns eine optoelektronische Gamsensoreinrichtung mit einem optoelektronischen Bildsensor, der eine Vielzahl von Bildelementen aufweist, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Vorrichtung. Der Bildsensor ist in der Steuereinrichtung integriert. Die Steuereinrichtung beinhaltet vorzugsweise einen Prozessor, und der Prozessor sowie der Bildsensor sind auf ein und derselben Leiterplatte aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführung ist die
Steuereinrichtung sternförmig mit mehreren anderen Bauteilen und/oder Geräten verbunden. Dabei sind die anderen Bauteile und/oder Geräte aus der Menge ausgewählt, welche die folgenden Elemente umfasst: eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Garns, eine Fördereinrichtung für das Garn, eine Benutzerschnittstelle, die vorzugsweise eine Eingabeeinrichtung und/oder eine Ausgabeeinrichtung enthält, einen Rechner und ein Computernetzwerk. Der Bildsensor ist vorzugsweise ein zweidimensionaler Bildsensor, und die Bildelemente sind matrixförmig angeordnet. In dieser fünften, hoch integrierten Ausführungsform ist die erfindungsgemässe Vorrichtung kompakt aufgebaut. Mit dem Begriff„Licht" ist in dieser Schrift nicht nur der sichtbare Bereich (VIS) des
elektromagnetischen Spektrums gemeint, sondern auch die daran angrenzenden Bereiche Ultraviolett (UV) und Infrarot (IR).
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung können beliebig miteinander kombiniert werden. Dadurch ergeben sich weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsformen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann zur Bestimmung von verschiedenen Merkmalen eines Garns verwendet werden. Sie kann zur Bestimmung nur eines einzigen Merkmals oder von mehreren unterschiedlichen Merkmalen geeignet sein. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht in der
optoelektronischen Messung der Haarigkeit des Garns.
AUFZÄHLUNG DER ZEICHNUNGEN Nachfolgend werden verschiedene Aspekte der Erfindung anhand der Zeichnungen detailliert erläutert.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemässen Vorrichtung. Figur 3 zeigt schematisch eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung im
Querschnitt.
Figur 4 zeigt schematisch ein von der optoelektronischen Gamsensoreinrichtung
aufgenommenes Bild.
Figur 5 zeigt schematisch eine Abbildungseinheit der optoelektronischen
Garnsensoreinrichtung im Querschnitt.
Figur 6 zeigt schematisch die optoelektronische Gamsensoreinrichtung im Querschnitt.
AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Figur 1 zeigt von aussen eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 zur Bestimmung von Merkmalen eines Garns 9. Man erkennt in dieser Darstellung ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 11, verschiedene Gamführungselemente 12-15 zur Führung des Garns 9, eine Sensorabdeckung 16 für eine optoelektronische Gamsensoreinrichtung 3 und eine Rollenabdeckung 17 für eine Gamfördereinrichtung 4. Die optoelektronische
Gamsensoreinrichtung 3 misst mindestens einen Parameter des Garns 9, z. B. die Länge von Fasern („Haaren"), die vom Garn 9 abstehen. Wie das Blockdiagramm von Figur 2 zeigt, hat die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 funktional betrachtet einen sternförmigen Aufbau. Dir Herzstück ist eine zentrale
Steuereinrichtung 2, die mit mehreren anderen Bauteilen und/oder Geräten 31 , 4-7 verbunden ist, diese steuert und Signale der optoelektronischen Gamsensoreinrichtung 3 auswertet. Die Aufgaben der Steuerung und Signalauswertung werden von einem
Prozessor 21, vorzugsweise einem digitalen Signalprozessor (DSP), ausgeführt. Der
Prozessor 21 ist mit der optoelektronischen Gamsensoreinrichtung 3 verbunden, welche mindestens ein Merkmal des Garns 9 wie z. B. seine Haarigkeit bestimmt. Femer ist der Prozessor 21 mit einer Fördereinrichtung 4 verbunden, welche das Garn entlang seiner Längsrichtung durch die optoelektronische Gamsensoreinrichtung bewegt, was mit einem Pfeil 99 angedeutet ist. Ein im Prozessor 21 gespeichertes Programm steuert ihr Ein- und Ausschalten, die Intensität der Beleuchtung, das Abrufen und die Auswertung der aufgenommenen Bilder, die Gamfördergeschwindigkeit und/oder weitere Parameter. Dadurch steuert es den Ablauf der Bestimmung der Merkmale des Garns 9 in der Vorrichtung 1. Die Steuereinrichtung 2 kann auch mit einer Benutzerschnittstelle 5, die eine Eingabeeinrichtung 51 und eine Ausgabeeinrichtung 52 enthalten kann,
kommunizieren. Ferner kann die Steuereinrichtung 2 mit einem Rechner 6 und/oder einem Computernetzwerk 7 verbunden sein und mit diesen Daten austauschen. Der
Datenaustausch kann über bekannte Standards wie Ethernet oder USB erfolgen.
Die optoelektronische Garnsensoreinrichtung 3 beinhaltet eine Beleuchtungseinheit und eine Abbildungseinheit. Die Beleuchtungseinheit weist mindestens eine Lichtquelle 31 und eine Beleuchtungsoptik 32 auf. Als Lichtquelle 31 kann z. B. eine Leuchtdiode (englisch light emitting diode, LED) verwendet werden. Die Lichtquelle 31 sendet
elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, infraroten und/oder ultravioletten
Spektralbereich aus, welche in dieser Schrift der Einfachheit halber unter dem Begriff „Licht" zusammengefasst wird. Die Beleuchtungsoptik 32 kollimiert das von der
Lichtquelle 31 ausgesandte Licht auf das Garn 9. Die Abbildungseinheit weist eine Abbildungsoptik 33 und einen optoelektronischen Bildsensor 34 auf. Der Bildsensor 34 ist vorzugsweise ein zweidimensionaler Bildsensor 34 mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen (Pixeln). Derartige Bildsensoren 34 sind in Form von integrierten optoelektronischen Bauelementen in verschiedenen Technologien kommerziell erhältlich, bspw. aus Digitalkameras bestens bekannt und weit verbreitet. Alternativ kann als Bildsensor 34 ein ebenfalls bekannter eindimensionaler Zeilensensor mit einer Vielzahl von Pixeln, die auf einer senkrecht zur Garnlängsrichtung stehenden Geraden angeordnet sind, eingesetzt werden. Die Abbildungsoptik 33 bildet einen Garnabschnitt auf den Bildsensor 34 ab, worauf anlässlich der Figur 3 näher eingegangen wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der Bildsensor 34 in der Steuereinrichtung 2 integriert. Dies bedeutet, dass der Bildsensor 34 und der Prozessor 21 auf ein und derselben Leiterplatte 22 aufgebracht sind. Somit erfolgt die Auswertung der Signale des Bildsensors 34 auf derselben Leiterplatte 22 („on-board") wie die Aumahme der Bilder des Garns 9. In Figur 3 ist die optoelektronische Garnsensoreinrichtung 3 detaillierter, aber immer noch vereinfacht dargestellt. Die Lichtquelle 31 beleuchtet einen Abschnitt des Garns 9 über die Beleuchtungsoptik 32. Vorzugsweise kommt dabei die Köhlersche Beleuchtung zum Einsatz, die aus der Mikroskopie wohl bekannt ist und auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Eine geeignete Abbildungsoptik 33 bildet den Abschnitt des Garns 9 auf den Bildsensor 34 ab. Der Einfachheit halber sind die Beleuchtungsoptik 32 und die Abbildungsoptik 33 in Figur 3 als einfache Linsen dargestellt; selbstverständlich können aber komplexere optische Systeme eingesetzt werden, die nebst Linsen weitere optische Elemente wie Blenden oder Filter beinhalten. Die Abbildung erfolgt vorzugsweise in
Transmission, d. h. ohne eingelegtes Garn 9 leuchtet die Lichtquelle 31 auf den Bildsensor 34, und wenn Garn 9 eingelegt ist, schattet es zumindest einen Teil des Lichtes ab. Das Garn 9 ist in dieser schematischen Darstellung als Garnkörper 91 mit kreisrundem
Querschnitt gezeichnet, aus dem einzelne Fasern („Haare") 92 im Wesentlichen radial nach aussen ragen.
Für die Anwendung der Haarigkeitslängenmessung ist es vorteilhaft, wenn eine
Längsachse 90 des Garns 9 eine optische Achse 30 der optoelektronischen
Garnsensoreinrichtung 3 nicht schneidet, sondern von dieser beabstandet ist, bspw. um einen Abstand von a = 2-6 mm und vorzugsweise um ca. a = 4 mm. Diese Achsversetzung a basiert auf der Annahme, dass (zumindest wenn eine Mittelung über eine gewisse Garnlänge durchgeführt wird) das Garn 9 rotationssymmetrisch ist und daher die zu messenden Haarigkeitslängenwerte entlang des Garnumfangs gleich sind. Trifft diese Symmetrieannahme zu, so braucht nur ein durch die Garnlängsachse 90 definierter Halbraum 93 betrachtet zu werden, und ein dazu komplementärer Halbraum 94 kann ausser Acht bleiben. Im betrachteten Halbraum 93 kann dafür die Haarigkeit besser, d. h. mit grösserer Auflösung, untersucht werden.
Ein entsprechendes Bild, wie es ein zweidimensionaler Bildsensor 34 aufnimmt, zeigt schematisch Figur 4. Wegen der oben diskutierten Achsversetzung a liegt der Garnkörper 91 nicht in der Mitte, sondern am Rand des Bildes. Dafür werden die in den betrachteten Halbraum 93 ragenden Haare 92 vollständiger und mit höherer Auflösung abgebildet. Die in den anderen Halbraum 94 ragenden Haare interessieren wegen der erwähnten
Symmetrieannahme nicht. Durch eine Auswertung einer Mehrzahl von Bildern mittels statistischer Methoden können genauere und zuverlässigere Messresultate erhalten werden. Dabei können die aus den einzelnen Bildern erhaltenen Messresultate addiert, gemittelt oder auf eine andere Weise miteinander verknüpft werden. Im Fall eines eindimensionalen Bildsensors 34 können in einer ersten Variante zunächst mehrere aufeinander folgende Bildzeilen zu einem zweidimensionalen Bild, wie es in Figur 4 eingezeichnet ist, zusammengesetzt werden. Danach erfolgt eine Auswertung des zweidimensionalen Bildes. In einer zweiten Variante wird jedes eindimensionale Bild so behandelt, wie es oben für die zweidimensionalen Bilder beschrieben ist. Durch
Verknüpfung der aus den einzelnen Bildern erhaltenen Messresultate erhält man ein Endresultat.
Ein Problem bei der Haarigkeitslängenmessung ist die begrenzte Tiefenschärfe der Abbildungsoptik 33. Sie führt dazu, dass die Enden von langen, in Richtung der optischen Achse 30 aus dem Garnkörper 91 ragenden Haaren 92 unscharf abgebildet werden und die Messung verfälschen. Um dieses Problem zu mildern, wird vorgeschlagen, als
Abbildungsoptik 33 eine Bifokaloptik einzusetzen. Eine mögliche Ausführungsform ist in Figur 5 dargestellt. Hier ist eine planparallele Platte 35 so in den Abbildungsstrahlengang eingesetzt, dass sie nur einen Teil 37 des auf den Bildsensor 34 gelangenden Lichtes beeinflusst, während ein anderer Teil 36 an ihr vorbei geht. Wegen der durch die planparallele Platte 35 verursachten Parallelverschiebung der Strahlen 37 ist die
Objektebene 39 für das durch die planparallele Platte beeinflusste Licht 37 weiter vom Bildsensor 34 entfernt als die Objektebene 38 für das nicht beeinflusste Licht 36. Der Bildsensor 34 sieht also in zwei Ebenen 38, 39 scharf. Die planparallele Platte 35 kann kreisförmig, ringförmig oder von anderer Form sein. Alternativ kann sie durch ein optisches Element ersetzt werden, das nicht planparallel ist und eine bifokale oder polyfokale Abbildung ermöglicht. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Abbildungsoptik 33 nichtlinear ausgeführt sein. Mit einer„massgeschneiderten" nichtlinearen Optik kann einerseits eine grössere Tiefenschärfe erreicht werden, was Hilfslösungen wie die planparallele Platte 35 von Figur 5 überflüssig macht. Andererseits kann die nichtlineare Optik so gestaltet sein, dass sie einen örtlich nicht konstanten, sich nach aussen verkleinernden Abbildungsmassstab aufweist. Somit können gleichzeitig sehr lange Haare 92 (mit einer Länge von bspw. bis zu 16 mm) mit einer geringeren Auflösung und kurze Haare 92 mit einer gleichbleibend hohen Auflösung erfasst werden. Die Verzerrung einer solchen nichtlinearen Optik ist bekannt und kann bei der Auswertung der Haarigkeitslänge rechnerisch kompensiert werden.
Wie schon aus Figur 1 ersichtlich, wird die optoelektronische Garnsensoreinrichtung 3 von einer am Gehäuse 11 befestigten Sensorabdeckung 16 vor mechanischen Einwirkungen, Verschmutzung und Fremdlicht geschützt. Figur 6 zeigt schematisch den Lichtweg im Bereich eines Messspaltes 81, durch welchen das Garn 9 in seiner Längsrichtung bewegt wird. Eine senderseitige Wand und eine empfängerseitige Wand des Messspaltes 81 beinhalten je ein lichtdurchlässiges Wandelement 82, 83 als Teil der Sensorabdeckung 16. Das Wandelement 82, 83 lässt das Messlicht durch, schottet aber die Lichtquelle 31 bzw. den Bildsensor 34 vom Messspalt 81 ab. Gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Wandelemente 82, 83 als plane Abdeckplatten ausgebildet, die nicht parallel zueinander positioniert sind, um unerwünschte Mehrfachreflexionen und damit verbundene
Geisterbilder und Interferenzeffekte zu verhindern. Die Abdeckplatten 82, 83 sind vorzugsweise so gegeneinander verkippt, dass der Messspalt 81 , in Garnlängsrichtung betrachtet, einen sich vom Gehäuse 11 nach aussen verjüngenden Querschnitt hat.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben diskutierten
Ausführungsformen beschränkt. Bei Kenntnis der Erfindung wird der Fachmann weitere Varianten herleiten können, die auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehören, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Vorrichtung
11 Gehäuse
12-15 Führungselemente für das Garn
16 Sensorabdeckung
17 Rollenabdeckung
2 Steuereinrichtung
21 Prozessor
22 Leiterplatte
3 optoelektronische Garnsensoreinrichtung
30 optische Achse der Garnsensoreinrichtung
31 Lichtquelle
32 Beleuchtungsoptik
33 Abbildungsoptik
34 Bildsensor
35 planparallele Platte
36, 37 Lichtanteile
38, 39 Objektebenen
4 Fördereinrichtung
5 Benutzerschnittstelle
51 Eingabeeinrichtung
52 Ausgabeeinrichtung
6 Rechner
7 Computernetzwerk
81 Messspalt
82, 83 Abdeckplatten
9 Garn
90 Garnlängsachse
91 Garnkörper
92 Garnhaare
93, 94 Halbräume a Achsversetzung zwischen optischer Achse und Garnlängsachse

Claims

Vorrichtung (1) zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns (9), beinhaltend
eine optoelektronische Gamsensoreinrichtung (3) mit einer optischen Achse (30), dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Achse (30) von einer Längsachse (90) des Garns (9) beabstandet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Abstand (a) zwischen der optischen Achse (30) und der Längsachse (90) 2-6 mm und vorzugsweise 4 mm beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
optoelektronische Sensoreinrichtung (3) eine Lichtquelle (31), eine
Beleuchtungsoptik (32), eine Abbildungsoptik (33) und einen Bildsensor (34) beinhaltet, welche gemeinsam die optische Achse (30) definieren, und die Abbildung in Transmission erfolgt.
Vorrichtung (1), vorzugsweise nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns (9), beinhaltend eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung (3) mit einer Lichtquelle (31), einer Beleuchtungsoptik (32), einer Abbildungsoptik (33) und einem Bildsensor (34), dadurch gekennzeichnet,
dass die Abbildungsoptik (33) als Polyfokaloptik ausgebildet ist, welche mindestens zwei verschiedene Objektebenen (38, 39) auf den Bildsensor (34) abbildet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der Bildsensor (34) ein zweidimensionaler Bildsensor mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildelementen ist. Vorrichtung (1), vorzugsweise nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns (9), beinhaltend eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung (3) mit einer Lichtquelle (31), einer Beleuchtungsoptik (32), einer Abbildungsoptik (33) und einem Bildsensor (34), dadurch gekennzeichnet,
dass die Abbildungsoptik (33) nichtlinear ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die nichtlineare Abbildungsoptik (33) so gestaltet ist, dass sie einen örtlich nicht konstanten, sich von einer optischen Achse (30) nach aussen verkleinernden Abbildungsmassstab aufweist.
Vorrichtung (1), vorzugsweise nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns (9), beinhaltend eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung (3) mit einem Messspalt (81) zur Aufnahme des Garns (9),
dadurch gekennzeichnet,
dass die optoelektronische Garnsensoreinrichtung (3) mittels zweier planer Abdeckplatten (82, 83), die Messlicht von der Garnsensoreinrichtung (3) zum Messspalt (81) bzw. vom Messspalt (81) zur Garnsensoreinrichtung (3) durchlassen und nicht parallel zueinander positioniert sind, gegen den Messspalt (81) hin abgegrenzt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei die Abdeckplatten (82, 83) Teil einer Sensorabdeckung (16) sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die optoelektronische
Sensoreinrichtung (3) eine Lichtquelle (31), eine Beleuchtungsoptik (32), eine Abbildungsoptik (33) und einen Bildsensor (34) beinhaltet, eine erste Abdeckplatte (82) die Lichtquelle (31) sowie die Beleuchtungsoptik (32) und eine zweite Abdeckplatte (83) die Abbildungsoptik (33) sowie den Bildsensor (34) gegen den Messspalt (81) hin abgrenzen. Vorrichtung (1), vorzugsweise nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur optoelektronischen Bestimmung von Merkmalen eines Garns (9), beinhaltend eine optoelektronische Garnsensoreinrichtung (3) mit einem optoelektronischen Bildsensor (34), der eine Vielzahl von Bildelementen aufweist, und
eine Steuereinrichtung (2) zur Steuerung der Vorrichtung (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bildsensor (34) in der Steuereinrichtung (2) integriert ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung (2) einen Prozessor (21) beinhaltet und der Prozessor (21) sowie der Bildsensor (34) auf ein und derselben Leiterplatte (22) aufgebracht sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuereinrichtung (2) sternförmig mit mehreren anderen Bauteilen und/oder Geräten (31, 4-7) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die anderen Bauteile und/oder Geräte (31, 4-7) aus der Menge ausgewählt sind, welche die folgenden Elemente umfasst: eine Lichtquelle (31) zur Beleuchtung des Garns (9), eine Fördereinrichtung (4) für das Garn (9), eine Benutzerschnittstelle (5), die vorzugsweise eine Eingabeeinrichtung (51) und/oder eine Ausgabeeinrichtung (52) enthält, einen Rechner (6) und ein Computernetzwerk (7).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11-14, wobei der Bildsensor (34) ein zweidimensionaler Bildsensor ist und die Bildelemente matrixförmig angeordnet sind.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche Bestimmung der Haarigkeit des Garns (9).
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