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Die Erfindung betrifft Inspektionsverfahren und ein Inspektionssystem zur Erkennung von Fremdstoffen in optisch transparenten Flüssigkeiten, wobei mittels einer Zentrifugiervorrichtung eine in einem transparenten Behälter befindliche Flüssigkeit in eine Rotationsbewegung versetzt und nachfolgend die Rotationsbewegung verzögert wird, wobei mittels einer Kamera einer Kameravorrichtung eines Inspektionssystems mit einem Sensorchip eine Bildinformation der Flüssigkeit in einer durch die Flüssigkeit verlaufenden Erfassungsebene erfasst wird, wobei mittels einer Verarbeitungsvorrichtung des Inspektionssystems Objekte in der Flüssigkeit durch Bildverarbeitung der Bildinformation bestimmt werden, wobei der Sensorchip in einer Abbildungsebene Pixel repräsentierende lichtempfindliche Elemente in einer Matrixanordnung umfasst.
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Derartige Inspektionsverfahren und Inspektionssysteme sind hinreichend bekannt und dienen zur Erkennung von Feststoffen bzw. Festkörpern in Flüssigkeiten mit besonders hohen Reinheitserfordernissen. So können pharmazeutische Produkte, beispielsweise während eines Herstellungsprozesses oder bei einem Abfüllen in Behälter auch mit sehr kleinen Festkörpern verunreinigt werden. Glasflaschen, Kunststoffflaschen oder auch Beutel mit pharmazeutischen Flüssigkeiten werden daher regelmäßig auf derartige Festkörper überprüft. Eine Voraussetzung für eine Überprüfung ist, dass die Flüssigkeit und der die Flüssigkeit aufnehmende Behälter im Wesentlichen transparent sind.
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Zur Prüfung der Flüssigkeit wird diese zusammen mit dem Behälter in einer Zentrifugiervorrichtung in Rotation versetzt und vor einer Kamera positioniert. Nachfolgend wird die Rotation des Behälters abgebremst bzw. verzögert, so dass aufgrund der Massenträgheit alleine die Flüssigkeit in dem Behälter weiter rotiert. Eine Erfassungsebene der Kamera verläuft dabei durch die um eine Rotationsachse rotierende Flüssigkeit. Über einen Sensorchip der Kamera, beispielsweise einen CCD-Sensorchip kann dann eine Abfolge von Bildern der rotierenden Flüssigkeit aufgenommen werden. Die Abfolge der Bildaufnahme erfolgt in einer Abtastfrequenz, die sich je nach Bauart des Sensorchips unterscheiden kann. Die so gewonnene Abfolge von Bildinformationen bzw. das von der Rotationsbewegung der Flüssigkeit aufgenommene Video wird von einer Verarbeitungsvorrichtung mittels Bildverarbeitung weiterverarbeitet, wobei die Verarbeitungsvorrichtung in der Flüssigkeit befindliche Objekte aufgrund deren Bewegungen in der Flüssigkeit identifizieren kann. Insbesondere beim Anhalten des Behälters steigen gegebenenfalls in der Flüssigkeit befindliche Luftblasen nach oben an eine Oberfläche, während Fremdstoffe bzw. Festkörper langsam in Richtung eines Bodens des Behälters absinken. Die Verarbeitungsvorrichtung kann nun die mit der Kamera aufgenommene Abfolge von Bildern mittels Bildverarbeitung analysieren. Unbewegt in der Abfolge von Bildern erkennbare Objekte können beispielsweise als ein Objekt in einer Wandung des Behälters, beispielsweise einer Glasflasche, klassifiziert werden, wobei in der Flüssigkeit zur Oberfläche aufsteigende Objekte als Luftblasen klassifiziert werden können. Bei einem in der Flüssigkeit zum Boden sinkenden Objekt kann die Verarbeitungsvorrichtung einen Festkörper signalisieren, und das betreffende Produkt aus einem Produktfluss eines Herstellungsprozesses ausschleusen.
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Bei den bekannten Inspektionsverfahren bzw. Inspektionssystemen werden hohe Kameraauflösungen und eine schnelle Abfolge von mit der Kamera aufgenommenen Bildinformationen bzw. Bildern benötigt um sehr kleine Festkörper schnell detektieren zu können. Dadurch ist jedoch auch eine erhöhte Rechenleistung der Verarbeitungsvorrichtung, die beispielsweise ein Computer mit einem darauf ausgeführten Softwareprogrammprodukt sein kann, erforderlich. Insgesamt steigen so die Kosten zur Durchführung des Inspektionsverfahrens bzw. des Inspektionssystems.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Inspektionsverfahren und ein Inspektionssystem vorzuschlagen, welches eine verlässliche und kostengünstige Prüfung von mit Flüssigkeit gefüllten Behältern auf Fremdstoffe ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Inspektionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Inspektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und eine Prüfanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Inspektionsverfahren zur Erkennung von Fremdstoffen in optisch transparenten Flüssigkeiten wird mittels einer Zentrifugiervorrichtung eine in einem transparenten Behälter befindliche Flüssigkeit in eine Rotationsbewegung versetzt und nachfolgend die Rotationsbewegung verzögert, wobei mittels einer Kamera einer Kameravorrichtung eines Inspektionssystems mit einem Sensorchip eine Bildinformation der Flüssigkeit in einer durch die Flüssigkeit verlaufenden Erfassungsebene erfasst wird, wobei mittels einer Verarbeitungsvorrichtung des Inspektionssystems Objekte in der Flüssigkeit durch Bildverarbeitung der Bildinformation bestimmt werden, wobei der Sensorchip in einer Abbildungsebene Pixel repräsentierende lichtempfindliche Elemente in einer Matrixanordnung umfasst, wobei durch eine Änderung einer Lichtintensität in der Abbildungsebene des Sensorchips asynchrone Signale der jeweiligen Pixel bewirkt werden, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung die asynchronen Signale verarbeitet werden und eine Bewegung von Objekten in der Flüssigkeit bestimmt wird.
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Eine Änderung einer Lichtintensität wird schon dadurch bewirkt, dass das mit der Kamera aufgenommene Bild in der Erfassungsebene der Kamera, welches in der Abbildungsebene des Sensorchips abgebildet wird, eine Veränderung erfährt. Dabei handelt es sich regelmäßig um eine Änderung der Leuchtdichte, die durch sich bewegende Objekte in der Flüssigkeit hervorgerufenen wird. Die lichtempfindlichen Elemente des Sensorchips entsprechen jeweils im Wesentlichen einem Pixel des Sensorchips, so dass die Änderung der Lichtintensität, die von den betreffenden lichtempfindlichen Elementen detektiert wird, in der Abbildungsebene des Sensorchips Pixeln zugeordnet werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass die lichtempfindlichen Elemente die Änderung der Lichtintensität detektieren und zeitlich voneinander unabhängig jeweils ein Signal initiieren können. Der Sensorchip erzeugt demnach Signale die asynchron ausgegeben werden. Im Unterschied dazu sind von beispielsweise einem CCD-Sensorchip Signale nur im Rahmen einer Abtastfrequenz erhältlich. Dabei wird ein Zustand der lichtempfindlichen Elemente synchron, in der jeweiligen Abtastfrequenz bestimmt. Dadurch, dass die Verarbeitungsvorrichtung die asynchronen Signale des Sensorchips verarbeitet, kann eine Bewegung von Objekten in der Flüssigkeit permanent erfasst werden. Bei einem mit einer Abtastfrequenz betriebenen Sensorchip erfolgt eine sukzessive Bilderfassung, so dass über einen Zeitraum einer Länge einer Amplitude kein Bild erfasst wird. Insgesamt wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich eine Bewegung von Objekten bzw. Fremdstoffen in der Flüssigkeit schneller und verlässlicher zu detektieren.
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Die Rotationsbewegung des Behälters kann angehalten werden, wobei die Flüssigkeit die Rotationsbewegung fortsetzen kann. Prinzipiell ist es möglich die Rotationsbewegung des Behälters zu verzögern bzw. durch negative Beschleunigung abzubremsen, so dass die Flüssigkeit aufgrund der Massenträgheit schneller rotiert als der Behälter. Bereits vor einem Stillstand des Behälters kann dann schon der Effekt erzielt werden, dass Fremdstoffe in der Flüssigkeit in die gewünschte Bewegung versetzt werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, den Behälter vollständig anzuhalten. Dadurch werden dann auch in einer Behälterwandung oder außen am Behälter befindliche Verunreinigungen während der Bildaufnahme nicht bewegt.
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Weiter kann eine räumliche und zeitliche Änderung der Lichtintensität kontinuierlich von dem Sensorchip detektiert werden. Unter einer kontinuierlichen Detektion wird hier die dauerhafte Abgabe eines Signals bzw. ein Signal mit einer Wiederholrate von > 5.000 Signale pro Sekunde, vorzugsweise > 10.000 Signale pro Sekunde verstanden. So kann eine Weiterverarbeitung des Signals durch die Verarbeitungsvorrichtung von einer Taktfrequenz der Verarbeitungsvorrichtung abhängig sein. Eine Bildverarbeitung mit einer vergleichsweise hohen Taktfrequenz ist jedoch mittels der Verarbeitungsvorrichtung einfach und kostengünstig möglich.
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Auch kann ausschließlich eine Übertragung von Signalen der Pixel, die eine Änderung der Lichtintensität detektieren, von dem Sensorchip an die Verarbeitungsvorrichtung erfolgen. Folglich unterbleibt dann eine Übertragung von Signalen der Pixel, die keine Änderung der Lichtintensität detektieren können. Für diese Pixel wird kein Signal erzeugt. Hierdurch kann eine Bildinformation alleine auf die bewegten Bildteile beschränkt werden. Eine Menge an Bilddaten, die mittels der Verarbeitungsvorrichtung verarbeitet wird, kann so wesentlich reduziert werden. Dadurch wird es auch möglich die Bildinformationen des Sensorchips durch Bildverarbeitung schneller zu verarbeiten. Beispielsweise liefern dann Einschlüsse in einer Behälterwandung keine Bildinformationen, wenn der Behälter unbewegt ist. Insgesamt kann ein Ergebnis einer Prüfung von der Verarbeitungsvorrichtung schneller berechnet werden, wodurch ein Durchsatz an zu prüfenden Behältern mit Flüssigkeit erhöht werden kann.
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Insbesondere können bei einem Überschreiten eines Grenzwertes der Änderung der Lichtintensität in der Abbildungsebene des Sensorchips die Signale der jeweiligen Pixel zeitgleich unabhängig voneinander bewirkt werden. Der Grenzwert, bei dem eine Änderung der Lichtintensität detektiert wird, kann über die Verarbeitungsvorrichtung parametriert werden. Der Sensorchip kann demnach auch eine vergleichsweise hohe Dynamik bzw. einen hohen Kontrastumfang aufweisen. Dadurch können mögliche Reflektionen, die sich durch die Oberfläche eines Behälters ergeben können, eine Erkennung von Objekten nicht fehlerhaft beeinflussen. Auch ist es gegebenenfalls nicht erforderlich eine Beleuchtung des Behälters, sofern vorhanden, an verschiedene Arten von Behältern oder eine Umgebungssituation anzupassen, wenn der Sensorchip aufgrund seines hohen Dynamikumfangs sich verändernde Lichtverhältnisse ausgleichen kann.
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Die Verarbeitungsvorrichtung kann ein Modell eines Objektes aus einer Menge an Pixel erstellen, die eine Änderung der Lichtintensität detektieren, wobei die Verarbeitungsvorrichtung das Modell fortlaufend aktualisieren kann. Ein sich in der Flüssigkeit bewegendes Objekt kann beispielsweise eine Luftblase sein, bei der in der Erfassungsebene durch die Signale der Pixel, die eine Änderung der Lichtintensität detektieren, eine Kontur des Objektes erfassbar wird. Die Verarbeitungsvorrichtung kann im Wesentlichen benachbarte Pixel, die eine Änderung der Lichtintensität detektieren, zu dem Modell des Objektes zusammenfassen.
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Die Verarbeitungsvorrichtung kann in der Erfassungsebene eine Richtung bestimmen, in der sich die Änderung der Lichtintensität fortsetzt, wobei die Verarbeitungsvorrichtung ein Objekt in Abhängigkeit der Richtung klassifizieren kann. Wenn sich über benachbarte Pixel die Änderung der Lichtintensität fortsetzt, kann die Verarbeitungsvorrichtung die relativ auf die Erfassungsebene bezogene Richtung der Änderung der Lichtintensität bestimmen. Sofern die Verarbeitungsvorrichtung ein Modell eines Objekts erstellt hat, kann dem Objekt von der Verarbeitungsvorrichtung die Richtung der Bewegung des Objekts zugewiesen werden bzw. in einem Koordinatensystem der Erfassungsebene kann ein Vektor für eine Bewegung des Objekts bestimmt werden. Die Verarbeitungsvorrichtung kann dann in Abhängigkeit der Richtung das Objekt klassifizieren bzw. ein Ergebnis der Prüfung bzw. Inspektion der Flüssigkeit ausgeben. Die sich in Richtung hin zu einer Oberfläche der Flüssigkeit bewegenden Objekte können beispielsweise Luftblasen in der Flüssigkeit sein. Sich hin zu einem Boden des Behälters bewegende Objekte können beispielsweise Festkörper sein. Sich quer zu einer Rotationsachse der Flüssigkeit bewegende Objekte können Einschlüsse in einer Wandung des Behälters sein, sofern dieser nicht vollständig zum Stillstand gekommen ist. Ist der Behälter zum Stillstand gekommen, werden Einschlüsse nicht detektiert, da diese sich nicht bewegen und eine Änderung der Lichtintensität bewirken.
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Demnach kann die Verarbeitungsvorrichtung sich durch Gravitation nach unten bewegende Objekte als Feststoffe klassifizieren. Die Verarbeitungsvorrichtung kann dann das Ergebnis der Prüfung bzw. Inspektion signalisieren bzw. an eine Steuerung einer Prüfanlage als beispielsweise einen Steuerbefehl oder ein Signal ausgeben. Der Behälter mit der Flüssigkeit kann nachfolgend aus einem Produktfluss ausgesondert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Rotationsachse der Flüssigkeit in der Erfassungsebene angeordnet wird. So ist es möglich den gesamten Flüssigkeitsinhalt des Behälters mit dem Inspektionsverfahren zu überprüfen. Prinzipiell kann die Erfassungsebene relativ zur Rotationsachse auch quer oder parallel zu dieser angeordnet sein. Wesentlich ist hier die Schärfentiefe eines Objektivs der Kamera bzw. inwieweit die Kamera den Flüssigkeitsinhalt des Behälters scharf in der Abbildungsebene darstellen kann. Die Anordnung des Behälters mit der Flüssigkeit in der Erfassungsebene kann durch die Zentrifugiervorrichtung einer Prüfanlage erfolgen.
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Auch kann mittels einer weiteren Kamera der Kameravorrichtung mit einem weiteren Sensorchip eine weitere Bildinformation der Flüssigkeit in einer durch die Flüssigkeit verlaufenden weiteren Erfassungsebene erfasst werden, wobei die Verarbeitungsvorrichtung die Bildinformation und die weitere Bildinformation verarbeiten kann. Die weitere Kamera kann baugleich mit der Kamera sein, so dass aufgrund der dann vorhandenen weiteren Erfassungsebene eine noch genauere Inspektion der Flüssigkeit erfolgen kann. Die weitere Kamera kann aber auch eine Kamera mit beispielsweise einem CCD-Sensorchip sein, so dass zusätzliche Informationen zu gegebenenfalls in der Flüssigkeit detektierten Objekten bzw. Fremdstoffen erhalten werden können. Wenn die Erfassungsebenen beispielsweise relativ zueinander orthogonal angeordnet sind, kann die Verarbeitungsvorrichtung mittels Triangulation eine räumliche Lage eines Fremdstoffs in der Flüssigkeit bzw. dessen Bewegungsrichtung im Raum genau bestimmen. Fremdstoffe können so mit großer Sicherheit erkannt werden.
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Das erfindungsgemäße Inspektionssystem zur Erkennung von Fremdstoffen in optisch transparenten Flüssigkeiten umfasst eine Kameravorrichtung und eine Verarbeitungsvorrichtung, wobei mittels einer Zentrifugiervorrichtung einer Prüfanlage eine in einem transparenten Behälter befindliche Flüssigkeit in eine Rotationsbewegung ersetzbar und nachfolgend die Rotationsbewegung verzögerbar ist, wobei die Kameravorrichtung eine Kamera mit einem Sensorchip und einer durch die Flüssigkeit verlaufenden Erfassungsebene aufweist, wobei mittels der Kamera eine Bildinformation der Flüssigkeit in der Erfassungsebene erfassbar ist, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung Objekte in der Flüssigkeit durch Bildverarbeitung in der Bildinformation bestimmbar sind, wobei der Sensorchip in einer Abbildungsebene Pixel repräsentierende lichtempfindliche Elemente in einer Matrixanordnung umfasst, wobei der Sensorchip derart ausgebildet ist, dass eine Änderung einer Lichtintensität in der Abbildungsebene des Sensorchips asynchrone Signale der jeweiligen Pixel bewirkt, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung die asynchronen Signale verarbeitbar sind und eine Bewegung von Objekten in der Flüssigkeit bestimmbar ist. Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Inspektionssystems wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
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Der Sensorchip kann ein Sensorchip mit ereignisbasierender Signalübertragung sein. So kann sichergestellt werden, dass lediglich Bildinformationen bzw. Signale übertragen werden, die alleine durch eine Änderung einer Lichtintensität ausgelöst werden. Eine von der Verarbeitungsvorrichtung zu verarbeitende Datenmenge kann so wesentlich reduziert werden.
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Der Sensorchip kann einen Kontrastumfang von zumindest 80 dB, bevorzugt zumindest 100 dB, besonders bevorzugt zumindest 120 dB aufweisen. Durch diese hohe Dynamik des Sensorchips können mögliche Reflektionen und aufgrund von Umgebungsbedingungen sich ändernde Helligkeiten an dem Behälter vernachlässigt werden.
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Vorteilhaft kann das Inspektionssystem eine Projektionsvorrichtung aufweisen, wobei die Projektionsvorrichtung eine Projektionseinrichtung zur Durchlichtprojektion und/oder eine Projektionseinrichtung zur Auflichtprojektion umfassen kann. Die Projektionseinrichtung zur Durchlichtprojektion kann eine parallel zur Rotationsache der Flüssigkeit angeordnete Leuchte sein, deren Licht durch die Flüssigkeit hindurch scheint. Der Behälter kann dann zwischen der Leuchte und der Kamera angeordnet sein. Alternativ kann die Projektionseinrichtung zur Durchlichtprojektion auch aus einer oder mehreren Leuchten ausgebildet sein, die schräg seitlich versetzt relativ zu dem Behälter so angeordnet ist bzw. sind, dass das Licht der Leuchte nicht direkt in ein Objektiv der Kamera fällt. Weiter kann die Projektionseinrichtung zur Auflichtprojektion aus einer oder mehreren Leuchten bestehen, die oberhalb der unterhalb des Behälters angeordnet ist bzw. sind.
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Die Verarbeitungsvorrichtung kann in einem Gehäuse der Kamera integriert sein. Da der Sensorchip eine vergleichsweise geringe Datenmenge an die Verarbeitungsvorrichtung übermittelt, kann die Verarbeitungsvorrichtung mit entsprechend reduzierter Rechenleistung ausgebildet sein. Dadurch wird es möglich eine Verarbeitungsvorrichtung bzw. Mittel zur Datenverarbeitung zu verwenden, die einen vergleichsweise kleineren Bauraum aufweisen. Eine örtlich getrennte Anordnung von Verarbeitungsvorrichtung und Kamera ist dann nicht mehr erforderlich.
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Der Behälter kann zylindrisch ausgebildet sein. Der Behälter kann beispielsweise eine Flasche oder Ampulle aus Glas oder Kunststoff sein.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines Inspektionssystems ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Prüfanlage umfasst ein erfindungsgemäßes Inspektionssystem sowie eine Zentrifugiervorrichtung und einen transparenten Behälter mit einer darin befindlichen transparenten Flüssigkeit.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Prüfanlage ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 bzw. den Vorrichtungsanspruch 11 rückbezogenen Unteransprüche.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Behälter mit einer Flüssigkeit;
- 2 eine Darstellung einer Bildinformation.
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Die 1 zeigt einen Behälter 10 mit rotationssymmetrischer, zylindrischer Gestallt und einer darin befindlichen Flüssigkeit 11 der Behälter 10 und die Flüssigkeit 11 sind im Wesentlichen transparent. Der Behälter 10 wurde zusammen mit der Flüssigkeit 11 in eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse 12 versetzt, wobei nachfolgend eine Rotation des Behälters 10 verzögert bzw. gestoppt wurde. Aufgrund der Massenträgheit der Flüssigkeit 11 rotiert diese weiter um die Rotationsachse 12. Während die Rotation der Flüssigkeit 11 ausklingt steigen in der Flüssigkeit 11 befindliche Luftblasen 13 nun an eine Oberfläche 14 der Flüssigkeit 11 und in der Flüssigkeit 11 befindliche Festkörper 15 sinken in Richtung eines Bodens 16 des Behälters 10 hinab. Die Bewegung der Luftblasen 13 und der Festkörper 15 ist mit einem hier nicht näher dargestellten Inspektionssystem erfassbar. Dieses Inspektionssystem weist eine Verarbeitungsvorrichtung und eine Kameravorrichtung mit einer Kamera mit einem Sensorchip auf. Die Kamera wird relativ zu dem Behälter 10 so angeordnet, dass eine Erfassungsebene der Kamera durch die Flüssigkeit 11 so verläuft, dass die Flüssigkeit im Wesentlichen mittels der Kamera erfassbar ist. Mittels der Verarbeitungsvorrichtung können Luftblasen 13 und Festkörper 15 in der Flüssigkeit 11 durch Bildverarbeitung einer Bildinformation der Kamera bestimmt werden. Der Sensorchip der Kamera umfasst in einer Abbildungsebene Pixel repräsentierende lichtempfindliche Elemente in einer Matrixanordnung, wobei der Sensorchip derart ausgebildet ist, dass eine Änderung einer Lichtintensität in der Abbildungsebene des Sensorchips asynchrone Signale der jeweiligen Pixel bewirkt, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung die asynchronen Signale verarbeitbar sind und eine Bewegung von Luftblasen 13 und Festkörper 15 in der Flüssigkeit 11 bestimmbar ist.
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Die 2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt einer Bildinformation die mit dem vorstehend beschriebenen Inspektionssystem gewonnen werden kann. Der Sensorchip übermittelt ausschließlich Signale von Pixeln, die eine Änderung einer Lichtintensität detektieren an die Verarbeitungsvorrichtung. Die Verarbeitungsvorrichtung erkennt anhand einer Bewegung bzw. Bewegungsrichtung der Änderung der Lichtintensität Luftblasen 17 und Festkörper 18. In der beispielhaften Darstellung bestimmt die Verarbeitungsvorrichtung über einen hier mit einer Pfeillinie 19 dargestellten Bewegungsverlauf der Luftblase 17 und der Festkörper 18 eine Richtung in die sich die Luftblase 17 und die Festkörper 18 bewegen. Aufgrund des Absinkens der Festkörper 18 in Richtung eines Bodens eines Behälters und des Aufsteigens der Luftblase 17 in Richtung einer Oberfläche einer Flüssigkeit klassifiziert die Verarbeitungsvorrichtung diese als Festkörper 18 bzw. Luftblase 17.
