DE19960653A1 - Verfahren und Vorrichtung für die Detektion oder Lagebestimmung von Kanten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für die Detektion oder Lagebestimmung von KantenInfo
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Abstract
Zur Detektion oder Lagebestimmung von Kanten (K) von Gegenständen (G) wird eine lichtschrankenartige Lichtquelle/Sensormittel-Anordnung verwendet, in der der durch die Lichtquelle (12) erzeugte Lichtstrahl an einer Objektebene (O) zu einer Lichtlinie (10) fokussiert wird. Ferner sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl und zu detektierenden Kanten (K) oder Gegenständen (G) vorgesehen, derart, dass zu detektierende Kanten (K) in der Objektebene (O) bewegt werden und dabei parallel zur Lichtlinie (10) ausgerichtet sind. Insbesondere zur Detektion von Kanten (K) von transparenten Gegenständen (G) sind Sensormittel (11.1-11.3) in einem Empfangsbereich (B) derart ausgerüstet, dass sie nicht nur Lichtintensitäten im Bereich der Achse (A) des Lichtstrahles, sondern auch Intensitäten von Licht messen, das durch eine in der Objektebene (O) positionierte Kante (K) quer zur Lichtlinie (10) aus dem Lichtstrahl ausgelenkt wird. Durch die optische lokale Redundanz in der Objektebene (O) und/oder im Empfangsbereich (B) wird eine höhere Präzision und eine geringere Fehleranfälligkeit bei der Detektion oder Lagebestimmung von Kanten (K) erreicht.
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiete der Sensortechnik und betrifft ein Ver
fahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der entsprechenden
unabhängigen Ansprüche. Verfahren und Vorrichtung dienen zur Detektion
oder Lagebestimmung von Kanten oder von kantenartigen, schmalen Grenz
flächen von Gegenständen, insbesondere von Kanten an sehr dünnen Gegen
ständen wie beispielsweise geschnittene Kanten an Papier oder Klarsichtfo
lien.
Es ist bekannt, Kanten von Gegenständen (und damit auch Gegenstände an
sich) mit Lichtschranken zu detektieren (z. B. Kante bewegt sich relativ zur
Lichtschranke) oder deren Position zu bestimmen (z. B. Lichtschranke bewegt
sich relativ zur Kante). Dafür werden eine Licht aussendende Lichtquelle und
ein im Strahlengang des ausgesandten Lichtes angeordnetes Lichtsensitives
Mittel (Sensormittel) verwendet. Das Sensormittel liefert ein Sensorsignal,
welches der auf das Sensormittel treffenden Lichtintensität entspricht. Wird
nun ein Gegenstand zwischen Lichtquelle und Sensormittel durch den Licht
strahl bewegt, so wird die vom Sensor gemessene Intensität reduziert, sobald
eine vorlaufende Grenzfläche oder Kante des Gegenstandes den Lichtstrahl
erreicht. Dann bleibt die gemessene Intensität auf dem reduzierten Wert, bis
eine nachlaufende Grenzfläche oder Kante des Gegenstandes den Lichtstrahl
passiert, in welchem Moment die gemessene Lichtintensität wieder auf ihren
ursprünglichen Wert steigt. Die beiden Sprünge in der gemessenen Intensität
des empfangenen Lichtes werden beispielsweise als die vorlaufende und die
nachlaufende Grenzfläche oder Kante des durch den Lichtstrahl bewegten
Gegenstandes interpretiert und zur Messung oder Positionierung des Gegen
standes weiterverwendet. Reduzierter bzw. nicht reduzierter Intensitätswert
köngen auch als Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein eines Gegenstan
des im Bereiche der Lichtschranke interpretiert und entsprechend weiterver
wendet werden.
Das oben kurz beschriebene Verfahren der bekannten Lichtschranke ist offen
sichtlich nur anwendbar für Gegenstände, die für den als Lichtschranke ver
wendeten Lichtstrahl nicht oder mindestens nur teilweise transparent sind,
wobei dies selbstverständlich nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch für
andere elektromagnetische Strahlungen mit einer für eine bestimmte Anwen
dung geeigneten Wellenlänge gilt.
Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein Verfahren zur Detektion oder
Lagebestimmung von Kanten zu schaffen, das zwar auf dem oben genannten
Prinzip der Lichtschranke beruht, mit dem sich aber gegenüber bekannten
Verfahren Genauigkeiten erhöhen und Fehleranfälligkeiten reduzieren lassen
und das insbesondere auch für transparente Gegenstände anwendbar ist. Es
ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver
fahrens zu schaffen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung, wie
sie in den Ansprüchen definiert sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des Licht
schranken-Prinzips dar. Die zu detektierenden Kanten und das Licht werden
relativ zueinander bewegt, derart, dass sich jede zu detektierende Kante in
einer Objektebene durch das Licht bewegt und eine Ausbreitungsrichtung des
Lichtes winklig schneidet. Mindestens beim Durchtreten der Kante durch das
Licht wird mindestens eine Intensität des Lichts in einem Empfangsbereich
gemessen. Das Licht wird in mindestens einer Richtung auf die Objektebene
fokussiert. In der Objektebene und/oder im Empfangsbereich wird optische
lokale Redundanz erzeugt.
Unter dem Begriff "optische lokale Redundanz" wird hier das Vorhandensein
relevanter optischer Signale an mehreren Orten verstanden. Die Kante in der
Objektebene kann z. B. an mehreren Stellen beleuchtet werden. Dadurch wird
das Verfahren präziser und weniger anfällig auf einzelne lokale Störungen auf
dem Gegenstand, wie Verschmutzungen, Kratzer etc. Weiter können sich im
Empfangsbereich sich mehrere Lichtsensoren befinden. Es ist vorteilhaft, die
Signale der Sensoren einer gemeinsamen Analyse zu unterwerfen, was zu
einer erhöhten Genauigkeit und Zuverlässigkeit führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Lichtquelle
und Sensormittel derart angeordnet, dass von einer Lichtquelle ausgesandtes
Licht auf die Sensormittel trifft. Zwischen der Lichtquelle/Sensormittel-An
ordnung und einer zu detektierenden Kante ist eine Relativbewegung erzeug
bar, derart, dass die Kante zwischen Lichtquelle und Sensormittel an einer
Detektionsposition durch das Licht bewegbar ist und die Ausbreitungsachse
des Lichtes winklig schneidet. Das Licht wird dabei auf die Detektionsposition
fokussiert zu einer möglichst scharfen, möglichst schmalen Lichtlinie, die par
allel zu einer die Detektionsposition passierenden, zu detektierenden Kante
ausgerichtet ist.
Den Sensormitteln werden vorteilhafterweise zur Erhöhung der gemessenen
Intensitäten Fokussierungsmittel vorgeschaltet, die beschränkt divergierendes
Licht in den Sensormitteln sammeln und dadurch die gemessenen Intensitäten
erhöhen.
Für die Kantendetektion wird nun eine Kante an der Detektionsposition
durch das Licht bewegt, und zwar derart, dass sie mindestens in der Detek
tionsposition parallel zur erzeugten Lichtlinie ausgerichtet ist. Während des
Durchgangs einer zu detektierenden Kante durch die Detektionsposition wird
die Intensität eines durch die Kante nicht ausgelenkten Anteils des Lichts
gemessen und/oder die Intensität von Licht, das durch die Kante gestört, das
heisst durch Beugung und/oder Brechung an der Kante aus dem Lichtstrahl
ausgelenkt wird. Für die Messung des ungestörten Lichtanteiles wird ein Sen
sor auf die Hauptausbreitungsrichtung oder Strahlenachse des Lichts ausge
richtet, für die Messung des ausgelenkten Lichtanteils wird mindestens ein
von der Strahlenachse beabstandeter Sensor vorgesehen.
Die durch die Sensoren ermittelten Lichtintensitäten und/oder Kombinatio
nen von Intensitäten, die von verschiedenen Sensoren gemessen werden, wer
den in Abhängigkeit der Zeit oder eines Ortes registriert und analysiert, bei
spielsweise mit Schwellenwerten verglichen, wobei der Zeitpunkt und/oder
der Ort, an dem ein Schwellenwert über- oder unterschritten wird, als Kanten
durchgang oder Kantenposition interpretiert wird. Die Schwellenwerte werden
vorgangig an die Art der zu detektierenden Kante und/oder an die optischen
Eigenschaften des Gegenstandes, der durch die zu detektierende Kante be
grenzt ist, angepasst.
Die durch die Sensormittel ermittelten Intensitätsfunktionen können umge
kehrt auch zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften einer Kante
bzw. eines Gegenstandes und zur Bestimmung der oben genannten Schwellen
werte herangezogen werden. Gegebenenfalls werden die Schwellenwerte auch
simultan mit der Kantendetektion an variierende, äussere Umstände ange
passt.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist -
im Sinne einer Lichtschranke - eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht,
Sensormittel in einem Empfangsbereich zur Messung von Lichtintensitäten
und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Licht und zu
detektierenden Kanten von Gegenständen in einer Objektebene auf. Sie bein
haltet ausserdem Mittel zur Fokussierung des Lichtes in mindestens einer
Richtung in der Objektebene und Mittel zur Erzeugung einer optischen loka
len Redundanz in der Objektebene und/oder im Empfangsbereich.
Als Lichtquelle wird vorteilhafterweise ein Laser, als Sensormittel werden
beispielsweise Photodioden vorgesehen. Das von der Lichtquelle ausgesandte
Licht wird vorteilhafterweise direkt auf die Sensormittel gerichtet, es kann
aber zwischen Lichtquelle und Sensormittel auch reflektiert und/oder gebro
chen werden. Die Lichtquelle weist auch Fokussierungsmittel zur Fokussie
rung des Lichtes in der Objektebene auf. Die Sensormittel weisen einen auf
die Hauptausbreitungsrichtung oder Strahlenachse des Lichts ausgerichteten
Sensor und/oder mindestens einen von der Strahlenachse beabstandeten
Sensor auf. Die Vorrichtung weist ferner Mittel zum Erzeugen einer Relativ
bewegung zwischen der Lichtquelle/Sensormittel-Anordnung und einem Ge
genstand mit einer zu detektierenden Kante auf, derart, dass die Kante durch
die Detektionsposition bewegt wird.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise Auswertmittel (z. B. eine Auswertelek
tronik) auf zur Registrierung und Analyse (z. B. Vergleich mit Schwellenwer
ten) der Sensorsignale und zur Erzeugung und Weiterleitung von den Analy
senresultaten entsprechenden Signalen, die beispielsweise zu Steuerzwecken
weiterverwendet werden können. Solche Auswertmittel beinhalten vorzugs
weise einen Mikroprozessor.
Das erfindungsgemässe Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des
Verfahrens sind insbesondere anwendbar für die Detektion von vorlaufenden
und/oder nachlaufenden Kanten von transparenten oder nicht transparenten
flachen Gegenständen, beispielsweise von Klarsichtfolien oder Papierbogen.
Dabei werden die Gegenstände relativ zur Lichtquelle/Sensormittel-Anord
nung derart bewegt, dass die zu detektierenden Kanten winklig (z. B. recht
winklig) zur Bewegungsrichtung ausgerichtet sind und den Lichtstrahl an der
selben Stelle und mit derselben Ausrichtung (vorzugsweise Ausrichtung einer
Lichtlinie in der Objektebene) durchlaufen. Dabei werden die Papierbogen
oder Klarsichtfolien insbesondere getragen durch ein ebenfalls bewegtes,
durchsichtiges Trägerelement, welches eine durch Verschmutzung oder durch
Oberflächenverletzungen variierende Transparenz haben kann.
Die oben skizzierte Anwendung ist eine beispielhafte Anwendung des erfin
dungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung und soll
in keiner Weise als Limitation der Erfindung gelten.
Das erfindungsgemässe Verfahren und beispielhafte Ausführungsformen der
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden anhand der folgenden
Figuren mehr im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 verschiedene Lichtverteilungen in einer Objektebene;
Fig. 2 verschiedene Sensoranordnungen in einem Empfangs
bereich;
Fig. 3, 4 ein Schema der erfindungsgemässen Vorrichtung mit
einer zu detektierenden Kante (Fig. 3: Blickrichtung
in Lichtausbreitungsrichtung gegen die Sensormittel;
Fig. 4: Blickrichtung parallel zur Lichtlinie bzw. zu
einer zu detektierenden Kante);
Fig. 5 die optischen Verhältnisse beim Durchgang einer zu
detektierenden Kante durch die Detektionsposition in
Abhängigkeit der optischen Eigenschaften des Gegen
standes, der durch die Kante begrenzt wird;
Fig. 6 Lichtintensitäten als Funktionen der Zeit beim Durch
gang von vor- und nachlaufenden Kanten von Gegen
ständen durch die Detektionsposition;
Fig. 7 eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungs
gemässen Vorrichtung mit zwei Sensoren zur Detektie
rung der vorlaufenden oder nachlaufenden Kanten von
Klarsichtfolien und/oder Papierbogen, die auf einem
durchsichtigen Träger durch den Lichtstrahl bewegt
werden;
Fig. 8 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der erfin
dungsgemässen Vorrichtung.
In den Fig. 1a)-d) sind schematische verschiedene Lichtverteilungen in
einer Objektebene dargestellt. Nebst einer entsprechenden Lichtverteilung ist
jeweils ein Gegenstand G mit einer zu detektierenden Kaute K zu sehen. In
Fig. 1a) besteht die Lichtverteilung aus einem einzigen Lichtpunkt 10, der
entsteht, indem bspw. eine einfallende ebene Welle in beiden Richtungen der
Zeichenebene fokussiert wird. Bei dieser Lichtverteilung ist keine optische
lokale Redundanz vorhanden. Hingegen liegt optische lokale Redundanz in
Fig. 1b), wo zwei auf der Kante K liegende Lichtpunkte 10.1, 10.2 erzeugt
werden, vor. Optisch lokal redundant ist auch die Lichtverteilung von Fig. 1c),
nämlich eine zur Kante K parallele Lichtlinie 10. Eine solche Lichtlinie
10 entsteht bspw. durch Fokussierung einer einfallenden ebenen Welle in
Richtung senkrecht zur Kante K, z. B. mit einer Zylinderlinse. Fig. 1d) zeigt
eine optisch lokal redundante Lichtverteilung mit bspw. drei Lichtpunkten
10.1-103, welche auf einer nicht parallel zur. Kante K liegenden Geraden 100
angeordnet sind. Im Gegensatz zu den Lichtverteilungen der Fig. 1b) und 1c)
werden hier die Lichtpunkte 10.1-10.3 im allgemeinen zeitlich nacheinander
von der Kante K durchlaufen. Somit erhält man aus der lokalen auch eine
zeitliche Redundanz. Die Redundanz in Fig. 1d) könnte bspw. dazu benützt
werden, Informationen über die Form der Kante K zu erhalten. Eine weitere,
nicht dargestellte Lichtverteilung besteht in einer Kombination der Lichtver
teilungen der Fig. 1c) und 1d), woraus sich eine nicht parallel zur Kante K
liegende Lichtlinie ergibt. Weitere Kombinationen und Variationen sind na
türlich möglich.
Fig. 2a)-e) zeigen schematisch verschiedene Anordnungen von Lichtsenso
ren in einem Empfangsbereich. Nebst einer entsprechenden Sensoranordnung
ist jeweils ein Bild eines Gegenstandes G' mit einer zu detektierenden Kante
K' gestrichelt dargestellt. Die Anordnung von Fig. 2a) enthält einen einzigen
"punktförmigen" Lichtsensor 11, bspw. eine Photodiode mit einer Fläche von
typischerweise 2 × 2 mm2. Bei dieser Anordnung liegt keine optische Lokale
Redundanz vor. Optisch lokal redundant ist hingegen die Anordnung von
Fig. 2b) mit drei Sensoren 11.1-11.3, welche auf einer senkrecht zum Bild K'
der Kante liegenden Geraden 110 angeordnet sind. Die Anordnung von Fig. 2c)
verallgemeinert diejenigen von Fig. 2b), indem eine ganze Zeile, bspw.
eine CCD-Zeile, von aneinanderliegenden Sensoren 11.1, 11.2, . . . verwendet
wird. Fig. 2d) zeigt eine weitere optisch lokal redundante Anordnung von
Sensoren 11.1-11.6. In Fig. 2e) sind die Sensoren 11.1, 11.2, . . . in einer Ma
trix, bspw. einer CCD-Matrix, angeordnet.
Erfindungsgemäss können nun Lichtverteilungen wie in Fig. 1a)-d) mit Sensor
anordnungen wie in Fig. 2a)-e) kombiniert werden. Eine Ausnahme bildet die
Kombination von Fig. 1a) mit Fig. 2a), weil dabei keine optische lokale Re
dundanz vorläge. Eine bevorzugte Kombination ist diejenige der Lichtvertei
lung von Fig. 1c) mit der Sensoranordnung von Fig. 2b). Auf diese wird im
folgenden detaillierter eingegangen.
Fig. 3 zeigt ein Schema einer erfindungsgemässen Vorrichtung von der
Lichtquelle aus gegen die Sensormittel betrachtet. Vereinfachend wird hier
angenommen, das Licht falle in Form eines fokussierten Lichtstrahles mit
einer Strahlenachse A auf die Objektebene ein. Die Figur zeigt die an der
Detektionsposition durch Fokussierung des Lichtstrahles mit der Strahlen
achse A erzeugte Lichtlinie 10 und drei Sensoren 11.1, 11.2 und 11.3, die auf
einer Senkechten durch die Lichtlinie 10 angeordnet und mit kleinen Kreu
zen dargestellt sind. Der Sensor 11.2 ist auf der Strahlenachse A angeordnet
und dient zur Messung von durch die Kante ungestörtem Licht. Die Sensoren
11.1 und 11.3 sind von der Strahlenachse A beabstandet und dienen zur Mes
sung von durch eine zu detektierende Kante aus dem Lichtstrahl ausgelenk
tem Licht. Die Sensoren 11.1 bis 11.3 sind zur Erhöhung der gemessenen
Intensitäten mit Fokussiermitteln 13.1 bis 13.3 (z. B. Sammellinsen) ausgerü
stet.
Ferner zeigt die Fig. 3 eine zu detektierende Kante K eines Gegenstandes G
(z. B. Blatt Papier oder Klarsichtfolie), welche Kante K in der Detektionsposi
tion positioniert ist. Der Gegenstand G wird beispielsweise in der Bewegungs
richtung F durch den Lichtstrahl bewegt, derart, dass die Kante K die vor
laufende Kante ist.
Fig. 4 zeigt dieselbe schematische Vorrichtung wie Fig. 3, aber in Richtung
der zu detektierenden Kante K gesehen. Die Lichtquelle 12 ist dargestellt, die
Strahlenachse A des von der Lichtquelle 12 erzeugten Lichtstrahles, die Sen
soren 11.1 bis 11.3 im Abbildungsbereich B der Fokussiermittel 13.1 bis 13.3,
die beispielsweise Sammellinsen sind und für eine Gegenstandsweite l und
eine Bildweite l' ausgelegt sind. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht
kann von einer Sammellinse 14, bspw. einer Zylinderlinse, auf die Kante K
fokussiert werden. Ebenfalls dargestellt ist in einer Objektebene O der Ge
genstand G mit der Kante K in Detektionsposition. Der Gegenstand G wird
beispielsweise auf einem transparenten Träger T durch den Lichtstrahl be
wegt, wobei der Träger sich mit dem Gegenstand bewegt.
Es zeigt sich nun, dass für die dargestellte Position der Kante K, wenn diese
die Kante eines transparenten Gegenstandes G ist, ein Teil des Lichtstrahles
an der Kante K gebeugt und/oder gebrochen wird und mit dem Sensor 11.1
detektierbar ist, welcher Sensor 11.1 auf eine in der Detektionsposition um
einen Winkel -α aus der Strahlenachse A ausgelenkte, weitere Strahlenachse
A' ausgerichtet ist. Eine gleich positionierte Kante eines transparenten, sich
nach rechts erstreckenden Gegenstandes (nicht dargestellt) wird einen Teil
des Lichtstrahles gegen den Sensor 11.3, der symmetrisch zum Sensor 11.1 auf
einen Auslenkwinkel +α ausgerichtet ist, auslenken.
Die Fig. 5 und 6 gehen näher auf die optischen Verhältnisse bei der Kan
tendetektion, wie sie in den Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt ist, ein.
Fig. 5 zeigt wie Fig. 4 eine Anordnung von Lichtquelle 12 und Sensormit
teln 11 und einen in Richtung F bewegten Gegenstand G, dessen vorlaufende
Kante K in drei Positionen K.1, K.2 und K.3 dargestellt ist. Ebenfalls schema
tisch dargestellt ist ein Auswertmittel 16, das mit Signalleitungen 17 mit den
Sensormitteln 11 verbunden ist, und von dem weitere Signalleitungen 18 für
erzeugte Signale wegführen. Ein solches Auswertmittel 16 kann bspw. einen
Mikroprozessor beinhalten. Es kann (nicht dargestellte) Mittel zum Eingeben
und Speichern von Schwellenwerten, Mittel zum Vergleich von Messwerten
mit Schwellenwerten und Mittel zur Variierung von Schwellenwerten anhand
von Messwerten aufweisen.
In der Position K.1 hat die Kante K den Lichtstrahl noch nicht erreicht, so
dass dieser noch völlig ungestört auf die Sensormittel 11 trifft; in der Position
K.2 befindet sich die Kante K des Gegenstandes im Bereiche des Lichtstrahls
(Detektionsposition, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt); in der Position
K.3 hat die Kante K den Lichtstrahl passiert und der Lichtstrahl trifft auf den
Gegenstand G.
Unterhalb der oben beschriebenen schematischen Darstellung der Licht
schrankenanordnung und des Gegenstandes G sind nun die durch die Sensor
mittel 11 detektierbaren Lichtintensitäten in Abhängigkeit eines Auslenkungs
winkels -α und +α von der Strahlenachse A (α = 0) dargestellt. Die Intensitä
ten sind je für die Positionen K.1, K.2 und K.3 der zu detektierenden Kante
dargestellt und entsprechend mit 1, 2 und 3 bezeichnet.
Die vier untereinander dargestellten Fälle a bis d beziehen sich auf die Ver
hältnisse für einen transparenten Gegenstand (a), für einen teilweise trans
parenten, teilweise absorbierenden Gegenstand (b), für einen streuenden
Gegenstand (c) und für einen völlig nichttransparenten Gegenstand (d), wobei
sich die Begriffe "transparent", "absorbierend", "streuend" und "nichttranspa
rent" auf das verwendete Licht bzw. seine spektrale Zusammensetzung bezie
hen.
Die Intensität in Abhängigkeit von α ist für die Position K.1 in allen Fällen a
bis d gleich und stellt den ungestörten Lichtstrahl dar, der eine von der Fo
kussierung abhängige, kleine Breite und eine maximale Intensität Imax auf
weist.
Für die Position K.2 ist die Intensität bei (teil-)transparenten Gegenständen
(a, b, c) gegenüber dem Zustand 1 über einen weiteren Bereich des Auslenk
winkels α verteilt, und zwar mit asymmetrisch höheren Intensitäten auf der
gegen den Gegenstand gerichteten Seite der Kante (negative α-Werte). Dieses
Phänomen ist durch Beugung und/oder Brechung des Lichtstrahles an der
Kante zu erklären. Absorption oder Streuung im Gegenstand bewirkt in den
Fällen b und c eine kleinere Intensität des ausgelenkten Lichtes gegenüber
dem Falle a. Für einen nicht transparenten Gegenstand (d) mit einer Kante in
der Position K.2 ist die Intensität des Strahls reduziert, und es wird nur wenig
Licht aus dem Lichtstrahl ausgelenkt (minimale Intensität Imin) gleich wie für
die Kantenposition K.1.
Für die Position K.3 unterscheiden sich die Lichtverhältnisse für einen völlig
transparenten Gegenstand (a) im wesentlichen nicht von der Position K.1, ist
die Intensität des ungestörten Lichtes für einen absorbierenden (b) und einen
streuenden (c) Gegenstand gegenüber der Position K.1 reduziert und für
einen undurchsichtigen Gegenstand im wesentlichen gleich Null (minimale
Intensität Imin). Für den streuenden Gegenstand (c) ist auf beiden Seiten der
Strahlenachse A gegenüber der Position K.1 vermehrt Streulicht zu erwarten.
Fig. 6 zeigt für die gleichen Fälle a bis d wie Fig. 5 die von Sensoren 11.1
(-α), 11.2 (α = 0) und 11.3 (+α) gemessenen Intensitätsfunktionen in Abhän
gigkeit der Zeit t, die gemessen werden, wenn ein Gegenstand G mit einer
vorlaufenden Kante KV und einer nachlaufenden Kante KN durch den Licht
strahl bewegt wird.
Für den Fall a eines transparenten Gegenstandes G kann die vorlaufende
Kante mit den Sensoren 11.1 (momentaner Intensitätszuwachs) und 11.2 (mo
mentane Intensitätsreduktion) detektiert werden (siehe auch Fig. 4), die
nachlaufende Kante N mit den Sensoren 11.2 und 11.3. Zur Erhöhung der
Empfindlichkeit ist es vorteilhaft, die Veränderungen der Signale von zwei
Sensoren (11.1/11.2 bzw. 11.2/11.3) für eine Weiterverarbeitung zu kombinie
ren (z. B. Addition von Zuwachs und Reduktion) und als Kombination zu
analysieren. Vom Gegenstand G sind im Falle a nur die Kanten detektierbar;
die reine Präsenz des Gegenstandes G an sich ist von keinem der Sensoren
detektierbar.
Der Fall b (teilweise transparenter und/oder farbig-transparenter Gegen
stand) unterscheidet sich vom Falle a durch kleinere ausgelenkte Intensitäten
und dadurch, dass der Gegenstand G mit dem Sensor 11.2 wegen der Absorp
tion von Licht im Gegenstand detektierbar ist. Für die Kantendetektion im
Falle c (milchiger Gegenstand) gilt dasselbe wie für den Fall b. Bedingt durch
die Lichtstreuung ist der milchige Gegenstand gegebenenfalls von allen De
tektoren 11.1 bis 11.3 durch eine Reduktion bzw. Erhöhung der gemessenen
Intensität detektierbar.
Für den Fall d (nicht transparenter Gegenstand) detektieren die Sensoren
11.1 und 11.2 im wesentlichen kein Licht, wie auch der Sensor 11.2, solange
der Gegenstand den Lichtstrahl unterbricht. Die vorlaufende Kante wird
durch eine steile Reduktion, die nachlaufende Kante durch einen steilen Zu
wachs der Intensität detektiert.
Aus der Fig. 6 ist ersichtlich, dass es je nach Anwendung (optische Eigen
schaften des Gegenstandes, Detektion von vor- oder nachlaufenden Kanten)
notwendig oder mindestens vorteilhaft ist, mindestens einen Sensor 11.1, 11,2
oder 11.3, ein Paar von Sensoren 11.1/11.2 oder 11.2/11.3 oder drei Sensoren
11.1/11.2/11.3 anzuordnen und die gemessenen Sensorsignale einzeln oder im
Kombination zu analysieren. Die Analyse erfolgt vorzugsweise mit einem
(nicht dargestellten) Mikroprozessor.
Zusätzlich zu den effektiven Kantendetektionsfunktionen, wie sie aus der
Fig. 6 ableitbar sind, können Sensoren 11.1, 112 und/oder 11.3 der erfin
dungsgemässen Anordnungen noch weitere Funktionen übernehmen. Einige
Beispiele werden in den folgenden Abschnitten aufgeführt.
Die Lichtintensität, die vom Sensor 11.2 dann gemessen wird, wenn der Licht
strahl durch keine Kante und keinen Gegenstand gestört ist, wird (gegebenen
falls als momentaner Durchschnittswert) zur Anpassung von Schwellenwerten
für Sensoren 11.2 oder auch 11.1/11.3 an momentane Lichtverhältnisse (z. B.
örtliche Verschmutzungen des Trägers T) verwendet. Es zeigt sich, dass ins
besondere für die Detektion von vorlaufenden Kanten nicht transparenter
Gegenstände derart angepasste Schwellenwerte, die vorzugsweise auf 40-50%
einer mittleren Intensität angesetzt sind, sehr gute Resultate ergeben.
Die Signale der Sensoren 11.1 und/oder 11.3 werden dann, wenn keine Kante
zu detektieren ist, zur Bestimmung einer mittleren Fremdlichtintensität ausge
nützt, welche mittlere Fremdlichtintensität ebenfalls zur Anpassung von
Schwellenwerten benützt werden kann.
Für die Kantendetektionen der Fälle b, c und insbesondere d ist es vorteil
haft, während eines Kontrollintervalls tK nach (für vorlaufende Kante) oder
vor (für nachlaufende Kante) einer Kantendetektion das Signal des Sensors
11.2 auf eine bleibende vorgegebene Intensitätsreduktion zu überprüfen.
Durch Einbezug eines derartigen Kontrollintervalls tK in die Signalanalyse
können Kanten von Gegenständen, für die während dem Kontrollintervall die
Reduktion erhalten bleibt, von Kratzern oder punktuellen Verschmutzungen
auf dem Träger oder von transparenten Gegenständen, für welche die Reduk
tion sehr rasch wieder verschwindet, unterschieden werden.
Risse, Schnitte oder scharfe Kratzer in transparentem Träger oder transparen
ten Gegenstand können dadurch von Kanten unterschieden werden, dass sie
einen Intensitätszuwachs in den Sensoren 11.1 und 11.3 erzeugen, während
Kanten von transparenten Gegenständen nur auf einem der beiden Sensoren
einen Intensitätszuwachs erzeugen. Für eine derartige Unterscheidung sind
also auch bei der Detektion von beispielsweise nur vorlaufenden Kanten die
Signale beider Sensoren 11.1 und 11.3 in die Analyse miteinzubeziehen.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung für die Detektion Kanten K von dünnen Gegen
ständen G, wie Papierbogen oder Klarsichtfolien, die sequentiell derart ge
führt auf einem transparenten, sich mit den Papierbogen oder Klarsichtfolien
bewegenden Träger T bewegt werden, dass die zu detektierenden Kanten die
Detektionsposition in einer immer gleichen Ausrichtung durchlaufen. Die
Vorrichtung ist zur Detektion von vorlaufenden Kanten von transparenten
Gegenständen ausgelegt, wenn die Bewegungsrichtung wie dargestellt F ist.
Nachlaufende Kanten werden detektiert, wenn die Bewegungsrichtung ent
gegengesetzt ist. Die dargestellte Vorrichtung eignet sich zum Einsatz vor
einer Druckstation, in der die Bogen oder Folien bedruckt werden, wobei die
erzeugten Detektionssignale zur Steuerung des Druckvorganges herangezogen
werden, derart, dass die Bogen oder Folien an einer exakt vorgegebenen
Stelle bedruckt werden.
Die Vorrichtung ist etwa in einem Massstab 2.5 : 1 dargestellt und weist im
wesentlichen dieselben Teile auf, die schon im Zusammenhang mit den Fig. 1
und 2 beschrieben worden sind. Die Vorrichtung weist einen auf die
Strahlenachse A ausgerichteten Sensor 11.2 und einen von der Strahlenachse
um 20° ausgelenkten Sensor 11.1 auf. Die Sensoren sind Photodioden, die
nicht dargestellte Lichtquelle ist eine Laserdiode mit Strahlformung.
Es zeigt sich, dass es mit der dargestellten Vorrichtung und mit einem Laser
strahl, der auf der Trägeroberfläche zu einer Laserlinie mit einer Breite vom
höchstens 40 µm und einer Länge von ca. 2 mm möglich ist, sauber geschnit
tene Kanten von Papierbogen mit einer Reproduzierbarkeit von weniger als
10 µm zu positionieren. Für sauber geschnittene Kanten von Klarsichtfolien
ist die Reproduzierbarkeit besser als 20 µm.
Es zeigt sich auch, dass Kratzer oder Risse im Träger und in den Folien, die
nicht parallel zur Laserlinie, also auch nicht parallel zu den zu detektierenden
Kanten ausgerichtet sind die Messung überhaupt nicht stören. Zur Behebung
von Störungen durch zur Laserlinie parallele Kratzer oder Risse siehe oben.
Für andere Anwendungen als die oben genannte sind geeignete Lichtquellen,
geeignete Fokussierungen des Lichtstrahles und geeignete Sensoranordnungen
experimentell zu bestimmen. Für alle Anwendungen sind Schwellenwerte für
die Kantendetektion experimentell zu bestimmen, beispielsweise durch stati
sche Messungen der optischen Intensitäten an einer in Detektionsposition
positionierten Kante.
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrich
tung schematisch dargestellt. Sie ist derjenigen von Fig. 4 ähnlich, weshalb
dieselben Bezugszeichen verwendet und hier nicht weiter erklärt werden. Der
Unterschied besteht darin, dass in der Ausführungsform von Fig. 8 ein Reflek
tor R unter dem Gegenstand G angeordnet ist. Der Reflektor ist bspw. ein
Spiegel oder eine reflektierende Folie. In einer anderen Ausführungsform
kann der Reflektor R gleichzeitig auch als Träger T für den Gegenstand G
dienen. Das Licht wird am Reflektor R reflektiert, bspw. von einem
Strahlteiler 15 abgelenkt und fällt auf Sensoren 11.1-11.3 ein. Auf den Strahl
teiler 15 kann auch verzichtet werden; die Sensoren sind dann in Richtung der
Lichtquelle 12 angeordnet. Während in Fig. 8 der Träger T direkt auf dem
Reflektor R aufliegt, könnten in einer anderen, nicht dargestellten Ausfüh
rungsform könnten Träger T und Reflektor R voneinander beabstandet sein.
Claims (18)
1. Verfahren zur Detektion oder Lagebestimmung von Kanten (K) von
Gegenständen (G) mit Hilfe von Licht, wobei die zu detektierenden
Kanten (K) und das Licht relativ zueinander bewegt werden, derart,
dass sich jede zu detektierende Kante (K) in einer Objektebene (O)
durch das Licht bewegt und eine Ausbreitungsrichtung (A) des Lich
tes winklig schneidet, und wobei mindestens beim Durchtreten der
Kante (K) durch das Licht mindestens eine Intensität des Lichts in
einem Empfangsbereich (B) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass das Licht in mindestens einer Richtung auf die Objektebene (O)
fokussiert und dass in der Objektebene (O) und/oder im Empfangs
bereich (B) optische lokale Redundanz erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Emp
fangsbereich (B) die Lichtintensität an mehreren Orten (11.1, 11.2, . . .)
gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in
der Objektebene (O) mehrere Lichtpunkte (10.1, 10.2, . . .) erzeugt
werden oder mindestens eine Lichtlinie (10) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht
in der Objektebene (O) zu einer Lichtlinie (10) fokussiert wird und
dass die zu detektierenden Kanten (K) derart durch das Licht bewegt
werden, dass sie in der Objektebene (O) parallel zur Lichtlinie (10)
verlaufen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,
dass die gemessenen Lichtintensitäten analysiert und den Analysere
sultaten entsprechende Detektionssignale erzeugt und weitergeleitet
werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Intensität von Licht, welches nicht aus seiner Einfallsrich
tung (A) abgelenkt wird, und/oder Intensitäten von Licht, welches
durch Beugung und/oder Brechung an einer zu detektierenden Kante
(K) aus der Einfallsrichtung (A) ausgelenkt wird, gemessen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ge
messenen Lichtintensitäten analysiert und den Analyseresultaten
entsprechende Detektionssignale erzeugt und weitergeleitet werden,
wobei die Analyse ein Kombinieren von zwei oder mehreren gleich
zeitig gemessenen Intensitäten beinhaltet.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Analyse der gemessenen Lichtintensitäten darin besteht,
diese einzeln oder als Kombinationen mit Schwellenwerten, die kon
stant sind oder an die optischen Eigenschaften von Gegenständen
(G) mit zu detektierenden Kanten (K) angepasst werden, zu verglei
chen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schwellenwerte anhand von Messungen der Lichtintensität ohne
Gegenstand (G) oder Kante (K) in der Objektebene (O) variiert
werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet,
dass gemessene Lichtintensitäten während einem Kontrollintervall
(tK) vor und/oder nach der Detektion einer Kante in die Analyse der
gemessenen Intensitäten miteinbezogen werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gegenstände (G) auf einem transparenten, sich mit den
Gegenständen bewegenden Träger (T) durch das Licht bewegt wer
den.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
welche Vorrichtung eine Lichtquelle (12), insbesondere einen Laser,
zur Erzeugung von Licht, Sensormittel (11.1-11.3), insbesondere min
destens eine Photodiode, in einem Empfangsbereich (B) zur Messung
von Lichtintensitäten und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewe
gung zwischen dem Licht und zu detektierenden Kanten (K) von
Gegenständen (G) in einer Objektebene (O) aufweist, gekennzeich
net durch Mittel (14) zur Fokussierung des Lichtes in mindestens
einer Richtung in der Objektebene (O) und durch Mittel (14, 11.1,
11.2, . . .) zur Erzeugung einer optischen lokalen Redundanz in der
Objektebene (O) und/oder im Empfangsbereich (B).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtquelle (12) mit Mitteln (14) zur Fokussierung des Lichts zu
einer Lichtlinie (10) in der Objektebene (O) ausgerüstet ist und dass
die Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung derart ausgestaltet
sind, dass zu detektierende Kanten (K) in der Objektebene (O) par
allel zur Lichtlinie (10) ausgerichtet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensormittel (11) mindestens einen Sensor (11.2) zur Messung
der Lichtintensität im Bereich der Lichteinfallsrichtung (A) und/oder
mindestens einen Sensor (11.1, 11.3) zur Messung von Intensitäten
von aus der Lichteinfallsrichtung (A) ausgelenktem Licht aufweisen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
mindestens eine Sensor (11.1, 11.3) für die Messung der Intensität
von ausgelenktem Licht auf einer Achse (A') mit einem Auslenkwin
kel (α) von der Einfallsrichtung (A) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeich
net, dass den Sensormitteln (11.1-11.3) Fokussierungsmittel (13.1-13.3)
vorgeschaltet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-16, gekennzeichnet durch
Auswertmittel (16) zur Analyse der gemessenen Lichtintensitäten und
zur Generierung und Weiterleitung von Detektionssignalen.
18. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-11 oder
einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-17 zur Generierung
von Steuersignalen für eine Druckvorrichtung, der Papierbogen und/oder
Klarsichtfolien seriell zugeführt werden.
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