DE3706056A1 - Verfahren zur erzeugung und erkennung von optischen spektren und schalt- und sensorsystem insbesondere fuer naeh- und textilautomation - Google Patents
Verfahren zur erzeugung und erkennung von optischen spektren und schalt- und sensorsystem insbesondere fuer naeh- und textilautomationInfo
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Description
Mit dem weiteren Vordringen von Automaten und Robotern in der
Näh- und Konfektionstechnik, der Textilindustrie, der allgemeinen
Produktionstechnik und in allen gewerblichen und privaten
Bereichen werden Sensoren und Schaltsysteme immer wichtiger die
Farben, optische Spektren oder überhaupt Werkstoff- und Medienunterschiede
im optischen Strahlungsspektralbereich vom Ultraviolett
bis zum Infrarot differenziert in kürzester Zeit unterscheiden,
oder die Nutzung dieser Spektralunterschiede für technische
Zwecke ermöglichen können.
Die Erfindung hat deshalb zur Aufgabe ein Verfahren zu finden,
das diese Problematik mit einem Minimum an Aufwand lösen kann.
Es wird dabei die im Prinzip bekannte Erkenntnis ausgenutzt,
daß sich entsprechend amplituden-modulierte Strahlungen mittels
Demodulatoren voneinander unterscheiden lassen und daß sich modulierte
Strahlungen auch verschiedener Spektralbereiche dabei
gegenseitig kaum beeinflussen, wenn empfängerseitig dafür gesorgt
wird, daß die Modulationen in charakteristische Signale
umgesetzt werden.
Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren sowie Schalt- und
Sensorsystem zur Ausnutzung und zur Erkennung von vorwiegend
optischen Strahlungsspektren von Oberflächen, Werkstoffen und
Medien durch Absorption, Reflektion und Transmisssion. Weiterhin
betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
bestehend aus einem oder mehreren optischen Strahlungssendern,
einem optischen Strahlführungs- und Beeinflussungssystem,
einem oder mehreren optischen Empfängern, sowie einem
Netzwerk elektronischer bzw. elektrischer Bauelemente, die der
Problemstellung entsprechend ausgelegt sind, sowie einer Anzahl
schneller elektronischer Schalter und Filter, die direkt von
einer frei programmierbaren Steuerung, einem Microprozessor oder
einem Microcomputer parallel oder seriell angesteuert werden
können, um die Strahlungsspektren zu modulieren, auszuwerten
und Ergebnisse anzuzeigen oder weiter zu verarbeiten.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen oder mehrere Sensoren
und Schaltsysteme, insbesondere für die Nähtechnik und Textiltechnologie
sowie die allgemeine Automatisierung, die in der
Lage sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens optische
Spektren zu detektieren oder für Schaltzwecke technisch zu nutzen
bei kürzester Zeit und selbsttätiger Anpassung an die gestellte
Aufgabe.
Bekannte Verfahren und Geräte zur Spetralanalyse, Farbmessung
oder auch sogenannte Farbtester arbeiten in fast allen Fällen
mit einem kontinuierlichen Weißlicht- bzw. Strahlungsgemisch,
das auf dem Umweg über Reflektionen, Transmissionen oder Filter
und die zu charakterisierende Probe auf in verschiedenen Wellenlängen
empfindliche Strahlungsempfänger geleitet wird.
Ein solcher Farbtaster ist im H. Naumann/G. Schröder "Bauelemente
der Optik" erschienen im Carl Hauser Verlag 1983 beschrieben.
Dieser Farbmarkenleser kann mit nur zwei Empfängern sechs Farben
unterscheiden: Die Bahn mit farbigen Marken wird über ringförmige
Sendeapertur mit Weißlicht beleuchtet. Das remittierte Licht
gelangt über einen Farbteiler (Reflexion im langwelligen, Transmission
im kurzwelligen Bereich) auf die beiden Empfänger mit
Korrekturfiltern. Spektraler Empfindlichkeitsverlauf der Empfänger,
Farbteiler und Korrekturfilter wirken so zusammen, daß sich
insgesamt für die beiden Empfängerzweige ein Empfindlichkeitsverlauf
ergibt bei dem sich Blau und Rot überschneiden.
Aus Summe und Differenz der beiden Empfänger-Ausgangsspannungen
gewinnt man durch Verknüpfung die Unterscheidbarkeit der sechs
Farben.
Nachteilig ist hierbei offensichtlich die Fremdlichtempfindlichkeit,
sowie die nur geringe Differenzierbarkeit der Farben und
Strahlungsbandbreite.
Neuere Technologien und Geräte vermeiden diese Schwachstellen,
indem statt zwei Farbsensoren, drei eingesetzt werden mit den
Empfindlichkeiten im Normspektralbereich. Fremdlichteinfluß wird
entweder durch Referenzmessung oder Einsatz von Abschirmungen
oder Lichtleitelementen vermieden. Nachteilig ist hier die Beschränkung
auf das sichtbare Spektralgebiet, der hohe Meßaufwand
sowie die große Baugröße und geringe Detektionsgeschwindigkeit
der Geräte.
Eine Ausdehnung des Meßbereiches in den UV- und Infrarotbereich
wird in "Automatische Messung der Licht- und Strahlungsdurchlässigkeit
von Glasscheiben" veröffentlicht in Feinwerktechnik
+ Meßtechnik 94 (1986)5 sowie im Vortrag "Kontrolle von Abquetscheffekt
und Flottenauftrag" zum 35. Deutschen Färbertag
am 9. 5. 1986 in Berlin beschrieben.
Die erwähnten Verfahren arbeiten im Reflexions- oder Transmissionsbereich,
verwenden ebenfalls Weißlicht bzw. ein Strahlungsspektrum,
vermeiden jedoch die Fremdstrahlungseinflüsse
durch mechanische Modulation der Lichtquelle und teilen die
Meßstrahlung durch optische Gitter bzw. rotierende Filter in
zwei oder mehrere Strahlungsbereiche auf, deren Reflektion bzw.
Transmission sodann gemessen wird.
Die Mechanik hierbei ist heute unzeitgemäß, führt wieder zu hohem
Aufwand, hohen Kosten, größerer Baugröße und langen Meßzeiten,
ist demnach mehr für Laborzwecke als für die Automatisierungs-
und Robotertechnik geeignet.
Die bisher beschriebenen Geräte arbeiteten direkt oder indirekt
passiv, da die zu Meßzwecken verwandte Strahlungsquelle ein
kontinuierliches Spektrum aus Eigen- oder reflektierter/remittierter
Fremdstrahlung voraussetzte. Den Übergang zu aktiven Strahlungsdetektoren
hat die DE-OS 32 28 789 "Antriebs- und Steuervorrichtung
für Nähmaschinen, Nähautomaten und dergleichen"
angedeutet. Dort wird beansprucht, daß die Erkennungseinheit
einen Schattendetektor mit mindestens zwei wechselweise einschaltbaren
unterschiedlichen Lichtquellen und einem Lichtempfänger
zum Ermitteln der Lichtpegeldifferenz aufweist.
Nachteilig ist die Fremdlichtempfindlichkeit dieser Anordnung,
sowie die reine Differenzmessung der durchgelassenen oder remittierten
Strahlung.
Fortschritte erbringt deswegen die DE-PS 33 11 352 "Detektor zur
Registrierung von Marken".
Dort wird vorgeschlagen ein Detektor zur Registrierung von Marken
auf bewegten Erzeugnissen, z. B. ein Druckmarkensteuergerät.
Er hat als Beleuchtungsvorrichtung wenigstens zwei verschiedenfarbiges
Licht ausstrahlende Lichtquellen, die in kontinuierlicher
Folge abwechselnd gespeist werden und deren Lichtstrom
zwei nebeneinanderliegende Lichtflecke auf das Erzeugnis wirft.
Ein optischer Abtaster verarbeitet das von den Lichtflecken reflektierte
Licht. Da die Beleuchtungsfolgedauer, in der der
Farbzyklus der Beleuchtungsvorrichtung sich wiederholt, kurz
ist gegenüber der Verweildauer jeder Farbmarke in jedem Lichtfleck,
wird während einer Verweildauer wenigstens ein Einzellichtimpuls,
ein Einzelsignal maximaler Amplitude erzeugen, die
größer ist als bei Beleuchtung mit unangepaßter Beleuchtungsfarbe.
Bei diesem Farbtaster ist ersichtlich nur beabsichtigt durch
nebeneinanderliegende Lichtflecke und den Einsatz von zwei bis
drei mit zwei- bis dreiphasigem Wechselstrom gespeisten Lichtquellen,
im erwähnten Falle getrennten Leuchtdioden, ein zwei
bis drei Differenzsignale zwischen den zwei unterschiedlichen
Meßstellen erzeugen. Bei der reinen Registrierung von bewegten Farbmarken
vermag dieser Detektor sicherlich Farbunterschiede geringer Abstufung
zu erkennen und vermeidet somit die Fehler die eine reine
Grauwertextraktion bei grauwertgleichen Farben mit sich
bringt. Der UV- und IR-Strahlenbereich, sowie eine differenzierte
Farb- und Strahlungsselektion bleiben diesem Detektor jedoch
verschlossen. Auch ist die Fremdlichtunemfindlichkeit sowie
die Abtastzeit, sowie die Baugröße entschieden zu groß.
Der vorstehend genannte Detektor ist demnach für die in der
DE-OS 3 52 135 und DE-OS 35 40 126 des Anmelders aufgeführten Aufgaben
der schnellen Farb- und Spetralerkennung nicht geeignet
und kann also keine weitere Fortentwicklung der genannten Verfahren
bewirken.
Insbesondere die in der DE-P 33 11 352 beanspruchte Variante mit
zweifarbigen LED in einem Gehäuse, also mit zwei antiparallel
geschalteten LED-Chips mit Rot-Grün-Lichtemission und zyklischer
Wechselstromanregung ist auf praktisch stufenlose multispektrale
Detektion nicht weiter verwendbar. Denn je nach dem
Zyklus welcher der beiden LED-Chips in Durchlaßrichtung gepolt
ist, wird entweder nur rotes oder grünes Licht auf zwei getrennte
Meßstellen abgestrahlt. Dies liegt bei den üblichen antiparallelen
Zwei-Farb-LED bei folgenden Wellenlängen.
rot/grün=660/560 Nanometer
oder
rot/gelb=660/585 Nanometer oder
gelb/grün=585/560 Nanometer.
rot/gelb=660/585 Nanometer oder
gelb/grün=585/560 Nanometer.
Auch bei Einsatz einer dritten LED bei Drei-Phasenwechselspannung
ist nur die Detektion von maximal drei Farben möglich,
da sich die Wellenlängen der LED nicht bzw. nur minimal überschneiden.
Folglich ist die Erkennung von nicht zur Detektionsfarbe passenden
Materialien nur durch Austausch der Sende-LED zu bewerkstelligen.
Die mit dieser Anmeldung beanspruchte Erfindung beschreitet gegenüber
dem aufgezeigten Stand der Technik einen grundsätzlich
anderen Weg. Es werden sogenannte Mehrfarb-LED einzeln oder in
bestimmten Kombinationen eingesetzt, die eine stufenlose Farbmischung
ermöglichen.
GaP-LED mit einstellbarer Farbe nutzen zwei Rekombinationszentren,
GaP : N und GaP : Zn, O aus. Auf der Rückseite eines n-leitenden
GaP-Substrates wird z. B. eine rotleuchtende Diodenstruktur
aufgebaut, während im vorderseitigen pn-Übergasng grün leuchtende
Stickstoffdotierung wirksam ist. Die auf diese Weise entstandenen
gegeneinandergeschalteten Dioden werden mit zwei Spannungsquellen
betrieben. Durch getrenntes Einstellen der Diodenströme
kann das Farbspektrum von Rot über Orange und Gelb bis Grün
variiert werden. Die rote Strahlung durchdringt den gesamten
Kristall und tritt durch die gleiche Fläche wie die grüne Strahlung
aus, wodurch eine ideale räumliche Mischung erzielt wird.
Eine andere Konstruktion kommt mit einem einzigen pn-Übergang
aus. Sie macht sich die unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit
der beiden Lumineszenzmechanismen zu Nutze. Eine geeignet
dotierte GaP-Diode leuchtet bereits bei geringen Stromdichten
rot, während bei höheren Stromdichten die grüne Strahlung überhand
nimmt und die rote in eine Sättigung übergeht. Eine statische
Nutzung dieses Effektes würde die Dioden thermisch überlasten.
Man geht deshalb zum Pulsbetrieb über: Hohe und kurze
Strompulse (500 mA, 20 us) erzeugen grünes Licht, lange und
niedere (50 mA, 200 us) dagegen rotes. Dazwischen ist eine
Farbvariation möglich.
Denkbar sind bei Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie
zukünftig auch Erweiterungen bis in den UV- und IR-Bereich.
Auch bei den antiparallelen und Wechselstrom-LED sind Farbmischungen
durch geeignete Ansteuerschaltungen möglich. So zeigt
Fig. 1 die einfachen Grundschaltungen die für die drei unterschiedlichen
LED-Typen zur stufenlosen Farbmischung einsetzbar
sind. Fig. 1a kennzeichnet
- - bipolare antiparallele LEDs die ihre Farbe durch Umpolung der Betriebsspannung ändern. Zu beachten ist, daß hierbei meist unterschiedliche Durchlaßspannungen beim Durchlaßnennstrom vorliegen. In einer Brückenschaltung wird das Brückengleichgewicht (Brückenspannung=0 V) mit dem Potentiometer P eingestellt. Die Widerstände R 1 und R 2 haben unterschiedlichen Wert. In diesem Fall bleiben die Leuchtdioden der Duo-LED dunkel. Je nach Verstellen des Potentiometers wird die Helligkeit der einen oder anderen Leuchtdiode zunehmen, bis in der Endstellung des Potentiometers die maximale Helligkeit erreicht ist. Die Widerstände R 1 und R 2 wirken dann je für sich als Vorwiderstand je nach Schleifenstellung S für die entsprechende Teil-Leuchtdiode. Durch den Schleifer S wird praktisch die Stromrichtung und damit die LED-Auswahl besorgt, so daß in den Zwischenstellungen ein Mischlicht zwischen grün und rot entsteht, das als Orange interpretierbar ist. Die Farbmischung ist allerdings nicht perfekt.
Fig. 1b zeigt
- - die Grundschaltung für die parallele LED mit zwei Rekombinationszonen, bei der sich die Farbveränderung durch die zweigunterschiedlichen Diodenströme ergibt. Es entsteht in der Grundstellung (Schleifer des Potentiometers P in Mittelstellung) Mischlicht aus den Leuchtfarben der beiden Leuchtdioden. Je nach Potentiometerstellung fließt nun mehr Strom über die eine oder andere Leuchtdiode der Duo-LED. Bei Enstellung des Potentiometerschleifers ist praktisch nur der Widerstand R und die jeweilige Leuchtdiode maßgebend. Der Widerstand R ist daher entsprechend der Betriebsspannung U und den Daten (U F , I F ) der Einzelleuchtdiode zu berechnen.
Fig. 1c zeigt für die Farbeinstellung
- - bei stromgesteuerten Mehrfarb-LED's mit einer PN-Zone das wesentliche Schaltprinzip. Die Schaltung zur Steuerung der Strahlungswellenlänge besteht im wesentlichen aus drei Schaltungseinheiten, einem Impulsgenerator, einem Impulsdauereinsteller und einem Impulsverstärker. Will man die Farbe stufenlos verstellen, so müssen diese Bauteile alle drei variabel in kürzester Zeit automatisch einstellbar sein.
- Um die von der Erfindungsaufgabe gegebene Problematik zu lösen wird in der DE-OS 36 19 483 des Anmelders vorgeschlagen, die in den Grundschaltungen nach Fig. 1(a+b) vorhandenen Potentiometer durch ein Netzwerk von geeigneten Widerständen zu ersetzen, die in kleinen oder größeren Stufen (bitweise oder dezimal) durch speicherprogrammierbare Steuerungen, Microprozessoren oder Computer über eine parallele oder serielle Ansteuerung verändert (programmiert) werden können um steuerbare und über Rückmeldung regelbare Bauelemente zu erreichen.
Dieses Prinzip wird an einer Mehrfarb-LED nach Fig. 1b erläutert,
wobei selbstverständlich ist, daß sich das Verfahren und
die Schaltungsanordnung auch wie bei Fig. 1a einsetzen läßt.
So zeigt Fig. 2 die erfindungsgemäße Möglichkeit zur programmierbaren
Farbmischung bei mehrfarbigen Zwei-Zonen-LED's.
Solche Lumineszensdioden 1 haben drei Anschlüsse, eine Kathode
und zwei Anoden A₁ und A₂.
Im Kathodenzweig oder Anodenzweig liegt ein Vorwiderstand R v
zur Begrenzung des Diodenstromes. Zwischen den Anoden liegt in
der Regel ein Spannungsteilerpotentiometer von 250-500 Ω, an
dessen Mittelanschluß V cc =12 V, oder eine andere Spannung, angelegt
wird. Je nach Einstellung des Potis wird eine Farbmischung
von rot zu gelb oder grün erreicht, was sich hier als
Sender für die erfindungsgemäßen Sensoren für Farbmessungen ausnutzen
läßt. Wird nun das Poti von Fig. 1 gegen das R-Netzwerk
2 ausgetauscht, in dessen linkem und rechten Zweig jeweils mindestens
zwei bis vier Widerstände oder mehr liegen, so daß jeder
Zweig maximal 250-500 Ω erreichen kann, dann muß man lediglich
durch die erfindungsgemäße Schaltung 3 dafür sorgen,
daß im rechten Zweig das Bitmuster jeweils invertiert wird
durch Inverter 4, so daß die Σ R der Widerstände jeweils 250-500 Ω
ergibt. Es ergeben sich auf jeder Seite, wie ersichtlich,
16 R-Kombinationen, so daß in Stufen von wenigen Nanometern je
nach LED eine Wellenlängenvariation und somit Farbänderung
möglich wird.
Die Verstellgeschwindigkeit dieser Anordnung liegt im Nanosekundenbereich
und die Verstellung kann von Programmsteuerungen und
Microcomputern vorgenommen werden durch die Kanäle des Datenbusses
5.
Zum Baustein 2 und 3 kann auch noch eine Anzeige parallel gelegt
werden, so daß die Bitmuster als Ziffer oder Zahl oder Farbwellenlänge
abgebildet werden können. Ebenfalls ist jedem Fachmann
geläufig, hier eine Tastatur anzuschließen.
Den Sendedioden 1 liegt nun eine bekannte Empfängerschaltung 6
gegenüber, die beispielsweise aus einer Fotodiode oder einem
Fotoempfänger besteht der durch Dotierung oder vorgeschaltetem
Filter im Grünbereich der Augenempfindlichkeit entspricht. Wird
nun durch die erfindungsgemäße Anordnung 1 und 2 und 3 die Farbe
variiert, bei Unterdrückung jedes Fremdlichtseinflusses und
ohne ein zwischengeschaltetes Medium bei konstanter Spannung
und Temperatur, so wird am Empfänger eine Spannung oder ein
Strom entstehen, der verstärkt und wieder über A/D-Wandlung
digitalisiert werden kann. Da die Bitmuster auf der Sendeseite
einer bestimmten Strahlungswellenlänge sowie Intensität entsprechen,
braucht nur durch entsprechende Versuche und Ermittlung
und Eichung der bei A/D-Wandlung auf der Empfängerseite
entstehenden Bitmuster eine Zuordnung stattfinden um entweder
eine Farbinformation oder Intensitätsinformation auf der Empfängerseite
abzuleiten. Wie ersichtlich kann dies softwaremäßig
oder hardwaremäßig auf vielerlei Art und Weise geschehen, insbesondere
auch nach den Verfahren und Anordnungen der DE-OS 36 19 483 des Anmelders.
Aus vorstehendem lassen sich einige Anwendungen ableiten, die
erfindungswesentlich sind. Fig. 3a zeigt eine Optokoppleranordnung
bei der mit dem beschriebenen Verfahren nach Fig. 2
eine gleichzeitige Optokopplung und Digitalanalogwandlung vorgenommen
werden kann. Die Stufung der D/A-Wandlung hängt dabei
von der Farb-Bandbreite der LED ab, sowie der Zahl der Widerstände
die zugeschaltet werden. Insbesondere wenn in jedem
Kanal des Digitalpotentiometers 2 und 3 jeweils der Widerstand
R o =0 gewählt wird, lassen sich die beiden Anzeigefarben z. B.
grün/rot auch wie über einen Schalter direkt anwählen und können
dann zur Kalibrierung von Arbeitspunkten verwendet werden.
Ein solcher Optokoppler besteht demnach aus der Schaltung nach
Fig. 2, einer Mehrfarb-LED 10, einem Fotoempfänger 11, sowie
der Abschirmung 12. Der Vorteil eines solchen Optokoppler liegt
darin, daß sendeseitig eine leichte und preiswerte Ankopplung
an Micorcomputerbussysteme erfolgen kann, sowie empfangsseitig
alle bekannten Schaltungen wie bei Optokopplern üblich erfolgen
können und insbesondere hohe analoge Spannungen oder Ströme
durch niedrige Digitalströme/Spannungen erzeugt werden können.
In Fig. 3b ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung die Möglichkeit zu erkennen, daß mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren über Glasfasern digital/analog Daten
übertragen werden können, wobei natürlich die Eigenschaften bei
Farbübertragung berücksichtigt werden müssen. So stellt 12 die
erfindungsgemäße farbveränderliche LED dar, 13 ein Glasfasermedium
und 14 ein auf 12 abgestimmter Empfänger. Es gilt ansonsten
die technische Analogie zum Optokoppler nach Fig. 3a.
Desweiteren kann die vorstehende Erfindung für schnelle Durchlicht-
bzw. Transmissionsmessungen an festen oder gasförmigen
Medien eingesetzt werden. Fig. 3b zeigt die vorgeschlagene Anordnung.
Es ist wieder die erfindungsgemäße Farb-LED, 16 der
Empfänger mit Auswerteelektronik und 17 das zu durchstrahlende
Medium. Bei Unterdrückung von Umlichteinflüssen kann, da die
Abstrahlcharakteristik bekannt ist, sowie das erzeugende Sendebitmuster,
am Empfänger die Abschwächung der jeweiligen Spektralbereiche
festgestellt werden, was sich in mannigfaltige
Auswertungen umsetzen läßt. Insbesondere in einem einfachen
Farbsensor mit spektraler Verteilungsanzeige. Die Meßzeit für
beispielsweise 16 Farbwerte kann je nach Ansteuerung der Bausteine
4 und 3 unter einer Millisekunde liegen. Die Beispiele
in Fig. 3 zeigen alle Anwendungen nach dem Transmissionsprinzip.
Erfindungsgemäß sind auch die Anwendungen nach dem Reflexionsprinzip
nach Fig. 4 und Autokollimationsprinzip nach Fig. 5 möglich.
In Fig. 4a stellt 18 den erfindungsgemäßen Strahlungssender
18, sowie 19 den Empfänger dar, 20 ist das Meßobjekt. Es entsteht
wiederum ein einfacher Farbsensor, wenn Umgebungseinflüsse
unterdrückt werden können. In Fig. 4b wird eine Glasfaserübertragungsstrecke
23 zwischengeschaltet, was in vielen
Varianten sinnvoll und möglich ist. Demgegenüber arbeitet die
Anordnung in Bild 5 nach dem Autokollimationsprinzip. Hierbei
wird vom Sender 25 kommend die Strahlung über den teildurchlässigen
Spiegel 27, das Objekt 29, den Strahlengang 30 über
die Spiegelschicht 28 zum Empfänger 26 umgeleitet. Diese Anordnung
ist ebenfalls als Farbsensor brauchbar.
Es lassen sich darüberhinaus weitere optische Prinzipien einsetzen,
die den Einsatzbereich des Sensors nach Fig. 2 vorteilhaft
ermöglichen. Die bisherigen Anwendungen lagen alle
in dem relativ schmalbandigen Wellenlängenbereich von grün/orange
und rot, den heutige Mehrfarbleuchtdioden abdecken können.
Die Erfindung ist aber auch denkbar, bei neueren LED's die
größere Spektralbereiche erfassen. Um einen größeren Spektralbereich
jetzt schon zu erzielen wird eine Lösung nach Fig. 6a
vorgeschlagen, am Beispiel des erfindungsgemäßen Optokoppler
nach Fig. 6b, sowie des Transmissionsfarbsensors nach Fig. 6a.
Es werden über einen teildurchlässigen Spiegel zwei oder mehrere
Strahlungssender S₁=32 oder S₂=33 zugeschaltet. Dies müssen
nicht notwendigerweise LED's mit veränderbarer Farbe sein,
sondern können beispielsweise
S₁=Blau
S₂=Infrarot
oder
S₁=veränderliche LED von grün bis orange
S₂=Infrarot
S=Strahlungssender
E=Strahlungsempfänger
oder
S₁=Blau
S₂=veränderliche LED von gelb bis hellrot
sein.
Dies erweitert den Einsatzbereich des Verfahrens und der Anordnung
erheblich auf echte multispektrale Anwendungsfälle.
Speziell lassen sich bei Unterbringung von zwei oder mehreren
LED-Strahlern unterschiedlicher Strahlungscharakteristiken -
die doch in sehr kleinen Baugrößen erhältlich sind - in einem
Gehäuse mit Optik Strahlungssender als multispektrale LED vom
Blau - bis in den IR-Bereich erhalten (von 400 nm bis 1000 nm).
Dies wäre natürlich auch durch geeignete Dotierung zu erreichen
auf einem Zwei- oder Mehrzonensubstrat.
Fig. 7 zeigt beispielsweise eine solche sich ergebende multispektrale
LED. Wobei 34 beispielsweise eine Rot/Grün strahlende
Quelle ist und 35 eine IRED aus dem nahen Infrarotbereich.
Bei 36 handelt es sich um die zweckdienliche Optik, 37 stellt
den gemischten Lichtstrahl dar und 38 ist ein umschließendes
Gehäuse.
In Fig. 7b ist die Prinzipschaltung dargestellt nach der sich
über Schalter S₁/S₂/S₃ eine Lichtmischung erreichen läßt. Als
Schalter werden sinnvollerweise schnelle elektronische Schalter
z. B. die SN 4016/4066 eingesetzt. Auch läßt sich im oberen
Parallelzweig die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 einsetzen,
so daß praktisch eine diskrete Lichtmischung in einer
Vielzahl von Stufen möglich wird.
Kombiniert man diese Anordnung mit zwei verschiedenen Sendern
S₁ und S₂ auch mit zwei verschiedenen Empfängern nach Fig. 8
die sich bei den heute bekannten LED's und IRED's für die Multispektralanalyse
ergeben können, wobei damit zu rechnen ist,
daß die vorhandenen Lücken im LED-Spektrum bald noch geschlossen
werden, ergeben sich schon sehr gebrauchstüchtige Farb- und
Spektralsensoren, die z. B. in 255 Stufen den Wellenlängenbereich
von 400 bis 1000 Nanometern überdecken können.
Fig. 8 stellt einen solchen Multispektralsensor dar, der aus
dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert. Es ist beispielsweise
40 (S₂) eine blaue LED mit 480 nm Wellenlänge, diese
strahlt einerseits durch den teildurchlässigen Spiegel 42 auf
einen Referenzempfänger 47 und gleichzeitig über den teildurchlässigen
Spiegel 43 zum Meßobjekt, von dort über die Remission
46 und die Spiegelfläche von 43 zum Hauptempfänger 48. Hier
wird ein Fotoeffekt ausgelöst.
Der Empfänger 48 ist je nach Aufgabe mit Grünfilter versehen
beispielsweise der bekannte BPW 21, oder erfaßt einen größeren
Wellenlängenbereich von UV bis IR wie der Empfänger BPX 28.
Die beiden Empfänger 47 und 48 arbeiten entweder in einer Brückenschaltung
durch Differenzvergleich zusammen oder jedes
Empfängersignal wird über A/D-Wandlung separat ausgewertet oder
im angeschlossenen Rechner verglichen. 41 ist beispielsweise
eine Mehrfarb-LED, deren Strahlung teilweise auch auf den Referenzempfänger
fällt in einer vergleichbaren Größenordnung wie
von 40. Über 42 und 43 sowie den Strahlengang 45/46 wird wieder
der Hauptempfänger 48 bestrahlt. Der Referenzempfänger kann
auch entfallen, so ergibt sich die Anordnung nach Fig. 5.
Auch ist die Anordnung nach Fig. 6a und 6b wie ersichtlich
möglich. Ein Einbau in ein gemeinsames Gehäuse 44 ist wegen
Fremdstrahlung möglich.
Als Optiksystem wird zweckmäßig ein lagefehler-tolerantes System
eingesetzt um Abstandsänderungen zu eliminieren. Eventuell kann
die Abstandsänderung auch durch mechanisches Nachführen des
Sensorkopfes oder durch Regelung der Empfindlichkeit bis zum
Maximum mit dem digital stellbaren Widerstand des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgen.
Fig. 9 stellt ein gegenüber Fig. 2 erweitertes Schaltbild dar,
wobei dies das elektronische Prinzip zur Fig. 6 ergibt. Es soll
vorausgesetzt werden, daß die Schaltung der komplexen Aufgabe
wegen an einen Microcomputer oder ein Mikroprozessorsystem 49
angeschlossen ist.
Die Anordnung ist geeicht, die Bitmuster der möglichen Farben
durch Zuschaltung bestimmt sind im Speicher abgelegt und können
mit dem Bitmuster des A/D-Wandlers verglichen werden. Bei der
Transmissionsmessung wird folgendermaßen vorgegangen: ohne Objekt
im Strahlengang werden über 50 und 51 die drei LED 60 und
59 programmgesteuert gleichzeitig eingeschaltet auf maximale
Helligkeit. Der Empfänger 58 liefert sein Signal über den Verstärker
57, der durch Ri-Netzwerk 61 und elektronischem Schalter
55 und Flip-Flop 54 ebenfalls programmgesteuert einstellbar
ist zum A/D-Wandler 56. Der Verstärker wird solange ausgeregelt
bis am Bus 49 das höchstwertige Bitmuster erscheint.
Das D-Flip-Flop hält den Verstärker in dieser maximalen Stellung
an. Wird nun die zu detektierende Probe in den Meßgang eingebracht,
werden vom Microcomputer über den Datenbus 61 die LED
spektral gestuft nacheinander zugeschaltet z. B. Blau, Grün,
Gelbgrün, Orange, Hellrot, Dunkelrot, Infrarot 1, Infrarot 2
oder umgekehrt oder ausschnittweise je nach Bestückung der
Sender 60 und 59.
Über den Verstärker 57, den A/D-Wandler 56 liegt der Bitwert
am Microcomputer an und kann nun mit dem geeichten Bitmuster
(Dezimalzahl) verglichen werden. Damit lassen sich nun Remission,
Transmission sofort spektral in Prozent oder als Histogramm
darstellen, sowie auch eine Aussage über die Farbe und Spektrum
geben die den Bitmustern zugeordnet sind.
Der gesamte Meßablauf kann auch vereinfacht werden, wenn es nur
darauf ankommt, voreinstellbare Farbwerte zu diskriminieren oder
Werte miteinander zu vergleichen, in dem die Auswertung über
bekannte Techniken hardwareseitig erfolgt z. B. Schnellwertschalter
und Fensterdiskriminatoren. Wird die optische Anordnung
nach Fig. 8 benötigt, so wird der A/D-Wandler bekannterweise
in eine Brücke zwischen die Empfänger 40 und 41 geschaltet,
während die übrige Meßanordnung gleich bleibt. Es ist
also sofort eine Differenzmessung möglich.
Das Verfahren kann auch auf die Grundschaltung nach Fig. 1a
angewandt werden, wobei sich im Prinzip dasselbe Ergebnis ergibt.
Darüber hinaus kann die Farbvariation der beiden Grundschaltungen
nach Fig. 1a und 1b auch durch einen oder mehrere
Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) erfolgen, die an Stelle
der Spannungsteilerpotis mit einem eingeprägten Strom die
LED's betreiben.
Die D/A-Wandlertechnik ist allerdings aufwendiger als die Variation
der Widerstände bzw. Zu- und Abschaltung über Microcomputer
hat weiter den Nachteil, daß Überschwingen bei
Impulsbeaufschlagung der LED's entsteht.
Die bisher beschriebenen Beispiele sind alle fremdlichtempfindlich
bzw. reagieren auf Fremdstrahlung mit einem verfälschten
Anzeigewert. Dies läßt sich bekanntlich beseitigen durch die
Modulation von LED's mit einer Impulskomponente oder Wechselstrom.
Das Grundschaltbild in Fig. 1c setzt diese Modulation
der LED-Ströme geradezu voraus um eine Farbveränderung zu erzielen.
Die Modulation muß in aller Regel bei einer weit höheren
Frequenz als 100 Hz erfolgen, beispielsweise bei 1000 Hz
bis 4000 Hz.
Die einfachste Lösung der gestellten Aufgabe liegt darin, die
LED's nicht mit Gleichstrom sondern z. B. mit einem positiven
Impulszug mit dem Tastverhältnis 1 : 1 und einer konstanten Frequenz
von maximal einhalb der Maximalfrequenz der A/D-Wandler
zu beaufschlagen, der an Punkt 61 der Schaltung Fig. 9 eingespeist
wird. Die Ankoppelung der Fotoempfänger 58 an den
einstellbaren Verstärker 57 erfolgt jedoch nunmehr nicht direkt
sondern über einen Kondensator 72 der die Gleichspannung sperrt
und die Wechselspannungskomponente durchläßt (nicht eingezeichnet). Dieses Signal
wird nun noch vor dem Verstärker 73 gleichgerichtet, anschließend
verstärkt in 57 und sodann dem A/D-Wandler 56 zugeführt. Die
weitere Auswertung sowie Signalbehandlung erfolgt im Microcomputer
wie vorstehend beschrieben.
Da übliche A/D-Wandler Grenzfrequenzen von 1 kHz bis 100 kHz
aufweisen, kann die Strahlung mit 500 Hz bis 50 kHz moduliert
werden, wobei bei höheren Frequenzen die Störunempfindlichkeit
zunimmt,
sowie die Wandlungszeit abnimmt, also auch die Meßzeit.
Um eine sichere A/D-Wandlung zu ermöglichen wird zweckmäßig
ein Impulszug z. B. mit 2 bis 10 Impulsen ausgewertet,
was sich mit sogenannten Zähldekodern erreichen läßt. Wird im
übrigen jeweils nur eine Farbe abgestrahlt, erhält man einen
gepulsten Grauwertdetektor.
Mit der einfachen konstanten Modulation läßt sich die erfindungsgemäße
Anordnung verbessern, da jedoch alle LED gleichzeitig
moduliert werden, und bei gleichzeitiger Zuschaltung
von z. B. zwei LED eine Farbüberlagerung eintritt, muß der jeweilige
Meßfleck nacheinander durch die Farbwechsel bestrahlt
werden und auch die Auswertung nacheinander erfolgen. Bei
schnellbewegten Meßstellen oder schnellen Vorgängen ist dies
hinderlich.
Die Erfindung bezweckt demnach weiter jede im Sendeteil eingesetzte
LED mit einer eigenen Taktfrequenz gleichzeitig zu modulieren,
oder bei miteingesetzten Mehrfarb-LED jede über Widerstandswerte
eingestellte Strahlung mit einer eigenen Frequenz
zu modulieren.
Bestrahlt man beispielsweise einen Meßfleck gleichzeitig mit den
drei Spektren
- Blau 4000 kHz-Takt
- Rot16000 kHz-Takt
- Infrarot32000 kHz-Takt,
so beeinflussen sich infolge der für unser Auge relativ hohen
Frequenz visuell diese zu einer Mischstrahlung. An einem Fotoempfänger
wie 58 nach Fig. 9 spielt diese visuelle Überlagerung
keine Rolle. Man kann durch eine oder mehrere dem Fotoempfänger
nachfolgende frequenzselektive Auswertestufen für jede Schwingungsfrequenz
die doch einer definierten zugeordneten Farbe
oder Strahlung entspricht ein Analogsignal gewinnen, verstärken
und digitalisieren. Es ergeben sich zwei Vorteile einer solchen
Ausführung
- - die Schwingungsfrequenz entspricht einer bestimmten Strahlungswellenlänge
- - der digitalisierte Wert einer bestimmten (muß geeicht werden) Strahlungsstärke.
Um dies noch zu verbessern, kann das aus der Fernsteuertechnik
bekannte Verfahren der Synchrondemodulation angewandt werden.
Hierbei wird die ausgesandte Modulationsfrequenz dem Selektivempfänger
aufgeschaltet, so daß sich sehr schmalbandige Durchlaßfenster
am Empfänger ergeben und somit Fremdstrahlungseinfluß
auf ein Minimum reduziert wird.
Es stehen also am synchrondemodulierten Fotoempfänger die durchgelassenen
Frequenzen praktisch gleichzeitg an, so daß in kürzester
Zeit auch bei schnellbewegten Objekten die Strahlungsinformationen
ermittelt werden können und die Messung nicht mehr
nacheinander sondern gleichzeitig erfolgen kann. Man nähert sich
dabei einem fast perfekten aktiven Farbereknnungssystem, das
umgekehrt wie ein Auge funktioniert.
Auch können hier alle LED nach Fig. 1a bis 1c eingesetzt
werden,
da in der Funktionsweise praktisch kein Unterschied mehr
besteht.
In Fig. 10 ist noch ein weiteres Optiksystem gezeigt, das erfindungswesentlich
ist. Hiermit kann man drei Strahlungssender
über ein Optik-System auf einen Strahlungsempfänger wirken
lassen.
Sender 1 ist langwellig (63) im Infrarotbereich, Sender 3 (65)
kurzwellig beispielsweise Blau, Sender 2 (64) kann eine Mehrfarb-LED
sein oder auch eine Grün LED. Zusammen mit dem vorstehend
beschriebenen Verfahren der gleichzeitigen frequenzselektiven
Modulation und Demodulation ergibt sich eine multispektrale
Sensoreinheit.
Fig. 11 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausbildung, bei der
die beschriebenen modulierten Strahlungssender entweder zeilenförmig
67 auf ein Empfängersystem 68 einwirken, oder matrixförmig
69 evtl. auf Kamerasysteme. Es lassen sich damit breitbandige
modulierte Strahlungssender erzeugen zur Ausleuchtung
von Flächen und Szenen für Farberkennung und Spektralanalyse.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Verfahrens zur Erzeugung
und Erkennung von optischen Spektren sowie des daraus
resultierenden Schalt- und Sensorsystems ist eine zuverlässige,
schnelle sowie stationäre oder mobile Farb- und optische
Spektralanalyse möglich, insbesondere in der Näh- und Textilautomation
im Netz- als auch Batteriebetrieb an bewegten
oder stillstehenden Medien.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen als
auch in den Zeichnungen geoffenbarten Merkmale der Erfindung
sind sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen
und Ausführungen erfindungswesentlich.
Die Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch,
daß von verschiedenen Strahlquellen mit unterschiedlichen
Strahlungswellenlängen eine pulsierende Strahlung mit verschiedenen
Modulationen in der Intensität gleichzeitig auf
einen Punkt abgestrahlt wird, und sodann mit einem elektrisch
frequenzselektiven Auswertesystem die Strahlungswellenlängen
den Intensitätsmodulationen zugeordnet werden.
Desweiteren auch dadurch, daß die Strahlungsquellen sogenannte
Mehrfarb-LEDs (multispektrale LED/IRED) sind, deren
Strahlungswellenlänge kontinuierlich oder diskret verändert
wird, wiederum bei einer zugeordneten Intensitätsfrequenz, bei
Vereinigung der Strahlung auf einen Punkt oder eine homogene
Fläche, wobei beim Einsatz von Mehrfarb-LEDs die Impulszüge
seriell, also nacheinander, ausgesandt werden.
Die Erfindung schließt aufgrund ihrer Gestaltung automatisch
die Funktion von üblichen Grauwertsensoren mit ein, wenn
alle Strahlungssender bis auf einen abgeschaltet sind, sowie
auch bei der Intensitätsfrequenz Null und zwei oder drei
abstrahlenden Strahlern einen Sensor, der mit Gleichlicht arbeitet.
Es handelt sich praktisch um die beiden Grenzlagen
in der Funktion des Systems.
Im übrigen kehrt die Erfindung die Funktion von menschlichen
Augen oder biologischen Sehsystemen um bei denen bekannterweise
zwei bis drei auf unterschiedliche Farben reagierende
Lichtempfänger mit einem Strahlungsgemisch bestrahlt werden,
und daraus ein spezifischer Farbreiz entsteht. Hierbei handelt
es sich um ein passives System, da ausschließlich Fremdbestrahlung
analysiert wird.
Demgegenüber arbeitet die Erfindung nach einem Umkehrprinzip,
als aktives System, da zwei bis drei unterschiedlich modulierte
Strahlungsquellen eine eigene Strahlung gleichzeitig
oder seriell aussenden, die an vorzugsweise einem Empfänger
durch Auswertung der mit unterschiedlicher Stärke ankommenden
Strahlungsintensitäten den Strahlungs- oder Farbreiz
in einem elektrisch frequenzselektiven System auslösen, und
damit von Fremdstrahlung und Umgebungsbeleuchtung unabhängig
eine Farb- oder Spetralanalyse möglich ist, was besonders
für die Technik sowie Automatisierung wesentliche Vorteile
erbringt.
Claims (33)
1. Verfahren zu Erzeugung und Erkennung von Farben und optischen
Spektren an bewegten und ruhenden Medien,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungseinrichtung, bestehend
aus mindestens zwei vorzugsweise drei Halbleiterstrahlern,
vorzugsweise LED oder IRED oder Lasern, eine optische
Strahlung von unterschiedlicher optischer Wellenlänge,
von UV über VIS bis IR mit einer hinreichend unterschiedlichen
der Strahlung zugeordneten Modulationsfrequenz, gleichzeitig
auf eine gemeinsame Fläche oder einen einzigen Meßpunkt eines
Mediums aufstrahlt, wobei die Strahlung durch optische Mittel
auf einen einzigen Punkt geführt und vereinigt werden kann,
sowie die reflektierte oder durchgelassene Strahlung von einem
der ausgesandten Strahlung angepaßten Empfänger erfaßt
wird, mit einer nachgeschalteten elektronischen Auswertevorrichtung,
die entweder mit einem einfachen Demodulatorensystem
in Form von schmalbandigen Filtern, die nur die der
jeweiligen Strahlungswellenlänge zugeordneten, am Empfänger
anstehenden elektrischen Impulse durchläßt, oder mit einer
vom Sender bestimmten Synchrondemodulation die gleichzeitig
anstehenden unterschiedlichen Impulsfrequenzen einer Auswerteeinheit
zuleitet, und diese die Frequenzen wieder den
bekannten ausgesandten Modulationen der Strahlungswellenlänge
zuordnet, sowie einer Auswerteeinheit in Form einer
Gleichrichterschaltung mit Glättung und nachgeschaltetem
A/D-Wandler, um zusätzlich zur Impulsfrequenz die Höhe des
umgewandelten Impulswertes als Maß für die Stärke der reflektierten
oder durchgelassenen Strahlung entweder anzuzeigen
oder einem Mikroprozessor- oder Mikrocomputersystem aufzuschalten.
2. Verfahren und Sensorsystem zur Erkennung von Farben nach dem
vorgehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungssender LED oder
Laser der Farben Blau, Rot und Grün sind, sowie diese gleichzeitig
auf eine Stelle eines Mediums gerichtete Strahlung
in einem definierten Verhältnis zur Farbwellenlänge elektrisch
getaktet wird, der oder die Fotoempfänger nur im Bereich der
Augenempfindlichkeit empfindlich ist, eventuell durch Vorschalten
eines Grünfilters, sowie in dem dem Empfänger nachgeordneten
Auswertesystem Meßwerte für die Farbwellenlänge
der Strahlung, sowie Intensität der Farbstrahlung ermittelt,
und mit definierten Werten in einem Speicher verglichen und
angezeigt werden kann ohne weitere Zuhilfenahme mechanischer
und manueller Mittel.
3. Verfahren und Sensorsystem zur Erkennung von optischen
Spektren nach den vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strahlungssender
eine sogenannte Mehrfarb-LED alleine oder kombiniert mit
Einfarb-LED oder ein anderer schneller multispektraler
Sender ist, dessen Strahlungswellenlänge kontinuierlich
oder stufig verändert werden kann durch entsprechende Bauteilezuschaltung
oder D/A-Wandler, und dessen veränderter
Strahlungswellenlänge wiederum eine definierte Intensitätsmodulation
automatisch zugeordnet wird, die für die ausgesandte
Strahlung eine Identifikation zuläßt durch eine Auswerteeinheit.
4. Verfahren und Sensorsystem nach den vorherigen Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere optische
Strahlungssender, ein optisches Strahlführungs- und Beeinflussungssystem,
ein oder mehrere optische Empfänger, sowie
ein Netzwerk elektronischer bzw. elektrischer Bauelemente,
die der Problemstellung entsprechend ausgelegt sind, sowie
eine Anzahl schneller elektronischer Schalter und Filter,
die direkt von einer frei programmierbaren Steuerung, einem
Mikroprozessor oder einem Mikrocomputer parallel oder seriell
angesteuert werden können, um die Strahlungsspektren zu modulieren,
auszuwerten und Ergebnisse anzuzeigen oder weiter
zu verarbeiten, erfindungswesentlich ist.
5. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Sensoren und
Schaltsysteme, insbesondere für die Nähtechnik und Textiltechnologie
sowie die allgemeine Automatisierung, die in
der Lage sind, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
optische Spektren zu detektieren oder für Schaltzwecke technisch
zu nutzen bei kürzester Zeit und selbsttätiger Anpassung
an die gestellte Aufgabe, eingesetzt werden.
6. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen
dadurch gekennzeichnet, daß alle bekannten Mehrfarb-LED
einzeln oder in bestimmten Kombinationen eingesetzt werden,
die eine stufenlose Farbmischung ermöglichen, und bei Weiterentwicklung
der Halbleitertechnologie zukünftig auch Erweiterungen
bis in den UV- und IR-Bereich erfindungswesentlich
sind.
7. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß bei stromgesteuerten Mehrfarb-LEDs
mit einer PN-Zone die Schaltung zur Steuerung der
Strahlungswellenlänge im wesentlichen aus drei Schaltungseinheiten,
einem Impulsgenerator, einem Impulsdauereinsteller
und einem Impulsverstärker besteht, bei dem man die Farbe
stufenlos verstellen kann, wobei diese Bauteile alle drei
variabel in kürzester Zeit automatisch einstellbar sind.
8. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die in den Grundschaltungen
Fig. 1(a+b) vorhandenen Potentiometer durch ein Netzwerk
von geeigneten Widerständen ersetzt werden, die in kleinen
oder größeren Stufen (bitweise oder dezimal) durch
speicherprogrammierbare Steuerungen, Mikroprozessoren oder
Computer über eine parallele oder serielle Ansteuerung verändert
(programmiert) werden können, um steuerbare und über
Rückmeldung regelbare Bauelemente zu erreichen.
9. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Baustein 2 und 3 auch eine
Anzeige parallel gelegt wird, so daß die Bitmuster als Ziffer
oder Zahl oder Farbwellenlänge abgebildet werden können.
Ebenfalls ist jedem Fachmann geläufig, hier eine Tastatur
anzuschließen.
10. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß den Sendedioden 1 nun die bekannte
Empfängerschaltung 6 gegenüberliegt, die beispielsweise
aus einer Fotodiode oder einem Fotoempfänger besteht,
der durch Dotierung oder vorgeschalteten Filter im Grünbereich
der Augenempfindlichkeit entspricht.
Wird nun durch die erfindungsgemäße Anordnung 1 und 2 und 3
die Farbe variiert, bei Unterdrückung jedes Fremdlichteinflusses
und ohne ein zwischengeschaltetes Medium bei konstanter
Spannung und Temperatur, so wird am Empfänger eine Spannung
oder ein Strom entstehen, der verstärkt und wieder über A/D-Wandlung
digitalisiert werden kann. Da die Bitmuster auf der
Sendeseite einer bestimmten Strahlungswellenlänge sowie
Intensität entsprechen, braucht nur durch entsprechende Versuche
und Ermittlung und Eichung der bei A/D-Wandlung auf der
Empfängerseite entstehenden Bitmuster eine Zuordnung stattfinden,
um eine Strahlungs-/Farbinformation auf der Empfängerseite
abzuleiten.
11. Schaltsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichzeitige Optokopplung
und Digitalanalogwandlung vorgenommen wird, bei der die
Sendestrahlung moduliert oder unmoduliert sein kann, bestehend
aus der Schaltung nach Fig. 2, einer Mehrfarb-LED 10,
einem Fotoempfänger 11 sowie der Abschirmung 12.
12. Schalt- und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 3b in einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren über Glasfaser digital/analog Daten
übertragen werden können, wobei die Eigenschaften bei Farbübertragung
berücksichtigt werden müssen. So stellt 12 die
erfindungsgemäße farbveränderliche LED dar, 13 ein Glasfasermedium
und 14 einen auf 12 abgestimmten Empfänger.
13. Sensorsystem nach den vorgenannten Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehende Erfindung für
schnelle Durchlicht- bzw. Transmissionsmessungen an festen
oder gasförmigen Medien eingesetzt wird. Fig. 3b zeigt die
vorgeschlagene Anordnung. Es ist wieder die erfindungsgemäße
Farb-LED, 16 der Empfänger mit Auswerteelektronik und 17 das
zu durchstrahlende Medium. Bei Unterdrückung von Umlichteinflüssen
kann, da die Abstrahlcharakteristik bekannt ist, sowie
das erzeugende Sendebitmuster, am Empfänger die Abschwächung
der jeweiligen Spektralbereiche festgestellt werden,
was sich in mannigfaltige photometrische Auswertungen
umsetzen läßt.
14. Sensorsystem nach den vorgenannten Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß Fig. 4a den erfindungsgemäßen
Strahlungssender 18 sowie den Empfänger 19 darstellt;
20 ist das Meßobjekt. Es entsteht wiederum ein einfacher
Farbsensor, wenn Umgebungseinflüsse unterdrückt werden können.
In Fig. 4b wird eine Glasfaserübertragungsstrecke 23
zwischengeschaltet, was in vielen Varianten sinnvoll und
möglich ist.
15. Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß hierbei vom Sender 25 kommend
die Strahlung über den teildurchlässigen Spiegel 27, das Objekt
29, den Strahlengang 30 über die Spiegelschicht 28 zum
Empfänger 26 umgeleitet wird.
16. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 6a und 6b über einen
teildurchlässigen Spiegel zwei oder mehrere Strahlungssender
S₁=32 oder S₂=33 zugeschaltet werden. Dies müssen nicht
notwendigerweise LEDs mit veränderbarer Farbe sein, sondern
können beispielsweise
S₁=Blau
S₂=Infrarot
oderS₁=veränderliche LED von grün bis orange
S₂=InfrarotoderS₁=Blau
S₂=veränderliche LED von gelb bis hellrotsein, sowie beliebige weitere Kombinationen.
17. Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß durch Unterbringung von zwei
oder mehreren LED-Strahlern unterschiedlicher Strahlungscharakteristik
in einem gemeinsamen Gehäuse oder einem gemeinsamen
Halbleitersubstrat nach Fig. 7a eine multispektrale
Strahlungsquelle ausgebildet wird, wobei 34 beispielsweise
eine Rot/Grün strahlende Quelle ist, und 35 eine
IRED aus dem nahen Infrarotbereich; bei 36 handelt es sich um
die zweckdienliche Optik, 37 stellt den gemischten Lichtstrahl
dar, und 38 ist ein umschließendes Gehäuse.
18. Schaltsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Prinzipschaltung nach
Fig. 7b eingesetzt wird, bei der eine Gruppe von Sendern
von einer gemeinsamen Stromquelle oder getrennten Stromquellen
über Schalter S₁/S₂/S₃ eine Lichtmischung zuläßt.
Als Schalter werden sinnvollerweise schnelle elektronische
Schalter, z. B. die SN 4016/4066 eingesetzt. Auch läßt sich
im oberen Parallelzweig die erfindungsgemäße Anordnung nach
Fig. 2 einsetzen, so daß praktisch eine feinstufige Lichtmischung
in einer Vielzahl von Stufen möglich wird.
19. Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung mit mindestens
zwei verschiedenen Sendern S₁ und S₂ mit zwei verschiedenen
Empfänger nach Fig. 8 kombiniert wird, so daß beispielsweise
40 (S₂) eine blaue LED mit 480 nm Wellenlänge ist,
diese strahlt einerseits durch den teildurchlässigen Spiegel
42 auf einen Referenzempfänger 47 und gleichzeitig über den
teildurchlässigen Spiegel 43 zum Meßobjekt, von dort über
die Remission 46 und die Spiegelfläche von 43 zum Hauptempfänger
48. Hier wird ein Fotoeffekt ausgelöst.
Der Empfänger 48 ist je nach Aufgabe mit Grünfilter versehen, beispielsweise der bekannte BPW 21, oder erfaßt einen größeren Wellenlängenbereich von UV bis IR wie der Empfänger BP X 28. Die Beiden Empfänger 47 und 48 arbeiten entweder in einer Brückenschaltung durch Differenzvergleich zusammen, oder jedes Empfängersignal wird über A/D-Wandler separat ausgewertet oder im angeschlossenen Rechner verglichen. 41 ist beispielsweise eine Mehrfarb-LED, deren Strahlung teilweise auch auf den Referenzempfänger fällt in einer vergleichbaren Größenordnung wie von 40.
Über 42 und 43 sowie den Strahlengang 45/46 wird wieder der Hauptempfänger 48 bestrahlt. Der Referenzempfänger kann auch entfallen, so ergibt sich die Anordnung nach Fig. 5. Auch ist die Anordnung nach Fig. 6a und 6b wie ersichtlich möglich. Ein Einbau in ein gemeinsames Gehäuse 44 ist wegen Fremdstrahlung erfindungswesentlich.
Der Empfänger 48 ist je nach Aufgabe mit Grünfilter versehen, beispielsweise der bekannte BPW 21, oder erfaßt einen größeren Wellenlängenbereich von UV bis IR wie der Empfänger BP X 28. Die Beiden Empfänger 47 und 48 arbeiten entweder in einer Brückenschaltung durch Differenzvergleich zusammen, oder jedes Empfängersignal wird über A/D-Wandler separat ausgewertet oder im angeschlossenen Rechner verglichen. 41 ist beispielsweise eine Mehrfarb-LED, deren Strahlung teilweise auch auf den Referenzempfänger fällt in einer vergleichbaren Größenordnung wie von 40.
Über 42 und 43 sowie den Strahlengang 45/46 wird wieder der Hauptempfänger 48 bestrahlt. Der Referenzempfänger kann auch entfallen, so ergibt sich die Anordnung nach Fig. 5. Auch ist die Anordnung nach Fig. 6a und 6b wie ersichtlich möglich. Ein Einbau in ein gemeinsames Gehäuse 44 ist wegen Fremdstrahlung erfindungswesentlich.
20. Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß als Optiksystem zweckmäßig ein
lagefehlertolerantes System eingesetzt wird, um Abstandsänderungen
zu eliminieren, oder die Abstandsänderung auch
durch mechanisches Nachführen des Sensorkopfes oder durch
Regelung der Empfindlichkeit bis zum Maximum mit dem digital
stellbaren Widerstand des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt.
21. Verfahren und Sensor- und Schaltsystem nach den vorstehenden
Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 9 die Schaltung der
komplexen Aufgabe wegen an einen Mikrocomputer oder ein
Mikroprozessorsystem 49 angeschlossen ist, die Anordnung geeicht
ist, die Bitmuster der möglichen Farben durch Zuschaltung
bestimmt sind, im Speicher abgelegt sind, und mit
dem Bitmuster des A/D-Wandlers verglichen werden. Bei der
Transmissionsmessung wird folgendermaßen vorgegangen: ohne
Objekt im Strahlengang werden über 50 und 51 die drei LEDs
60 und 59 programmgesteuert gleichzeitig eingeschaltet auf
maximale Helligkeit. Der Empfänger 58 liefert sein Signal
über den Verstärker 57, der durch Ri-Netzwerk 61 und elektronischen
Schalter 55 und Flip-Flop 54 ebenfalls programmgesteuert
einstellbar ist zum A/D-Wandler 56. Der Verstärker
wird solange ausgeregelt, bis am Bus 49 das höchstwertige
Bitmuster erscheint. Das D-Flip-Flop hält den Verstärker in
dieser maximalen Stellung an. Wird nun die zu detektierende
Probe in den Meßgang eingebracht, werden vom Mikrocomputer
über den Datenbus 61 die LEDs spektral gestuft nacheinander
zugeschaltet, z. B. Blau, Grün, Gelbgrün, Orange, Hellrot,
Dunkelrot, Infrarot 1, Infrarot 2 oder umgekehrt oder ausschnittweise
je nach Bestückung der Sender 60 und 59.
Über den Verstärker 57, den A/D-Wandler 56 liegt der Bitwert am Mikrocomputer an, und kann mit dem geeichten Bitmuster (Dezimalzahl) verglichen werden. Damit lassen sich nun Remission, Transmission sofort spektral in Prozent oder als Histogramm darstellen, sowie auch eine Aussage über die Farbe und das Spektrum geben.
Über den Verstärker 57, den A/D-Wandler 56 liegt der Bitwert am Mikrocomputer an, und kann mit dem geeichten Bitmuster (Dezimalzahl) verglichen werden. Damit lassen sich nun Remission, Transmission sofort spektral in Prozent oder als Histogramm darstellen, sowie auch eine Aussage über die Farbe und das Spektrum geben.
22. Sensor nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Meßlauf vereinfacht
wird, wenn es nur darauf ankommt, voreinstellbare
Farbwerte zu diskriminieren oder Werte miteinander zu vergleichen,
indem die Auswertung über bekannte Techniken hardwareseitig
erfolgt, z. B. Schwellwertschalter und Fensterdiskriminatoren.
23. Sensor nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein A/D-Wandler in eine
Brücke zwischen die Empfänger 40 und 41 geschaltet wird,
während die übrige Meßanordnung gleichbleibt, damit also
sofort eine Differenzmessung möglich ist.
24. Sensor nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Farbvariation der beiden
Grundschaltungen nach Fig. 1a und 1b auch durch einen
oder mehrere Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) erfolgt,
der an Stelle der Spannungsteilerpotis mit einem eingeprägten
Strom die LEDs betreibt, entweder konstant oder impulsförmig.
25. Verfahren sowie Schalt- und Sensorsystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Strahler nicht mit
Gleichstrom, sondern z. B. mit einem positiven Impulszug
mit dem Tastverhältnis 1 : 1 und einer konstanten Frequenz
von maximal einhalb der Maximalfrequenz der A/D-Wandler beaufschlagt
werden, der an Punkt 61 der Schaltung eingespeist
wird; die Ankopplung der Fotoempfänger 58 an den einstellbaren
Verstärker 57 erfolgt nunmehr nicht direkt, sondern
über einen Kondensator, der die Gleichspannung sperrt
und die Wechselspannungskomponente durchläßt. Dieses Signal
wird nun noch vor dem Verstärker gleichgerichtet, anschließend
verstärkt in 57 und sodann dem A/D-Wandler 56 zugeführt;
die weitere Auswertung sowie Signalbehandlung erfolgt im
Mikrocomputer.
26. Verfahren sowie Schalt- und Sensorsystem nach einem der vorstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß um eine sichere A/D-Wandlung
zu ermöglichen, zweckmäßig ein Impulszug, z. B. mit 2 bis
10 Impulsen und mehr, ausgewertet wird, was sich mit sogenannten
Zähldecodern erreichen läßt.
27. Verfahren sowie Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur eine Farbe oder
Wellenlänge abgestrahlt wird, und manso einen gepulsten
Grauwertdetektor erhält.
28. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß jede im Sendeteil eingesetzte
LED mit einer eigenen Taktfrequenz gleichzeitig moduliert
wird oder bei miteingesetzten Mehrfarb-LEDs jede über Widerstandswerte
eingestellte Strahlung mit einer eigenen Frequenz
moduliert ist; wird beispielsweise ein Meßfleck gleichzeitig
mit den drei Spektren
- Blau 4000 kHz/Takt
- Rot16000 kHz/Takt
- Infrarot32000 kHz/Taktbestrahlt, so beeinflussen sich infolge der für das Auge
relativ hohen Frequenz visuell diese zu einer Mischstrahlung,
wobei durch eine oder mehrere dem Fotoempfänger nachfolgende
frequenzselektive Auswertestufen für jede Schwingungsfrequenz,
die einer definiert zugeordneten Farbe oder Strahlung
entspricht, ein Analogsignal gewonnen, verstärkt und digitalisiert
werden kann.
29. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Synchrondemodulation angewandt
wird, wobei die ausgesandte Modulationsfrequenz dem
Selektivempfänger aufgeschaltet wird, so daß sich sehr
schmalbandige Durchlaßfenster am Empfänger ergeben, und somit
Fremdstrahlungseinfluß auf ein Minimum reduziert wird.
30. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß wie nach Fig. 9 drei Strahlungssender
über ein Optiksystem auf einen Strahlungsempfänger
wirken, wobei Sender 1 langwellig (63) ist im Infrarotbereich,
Sender 3 (65) kurzwellig, beispielsweise Blau,
Sender 2 (64) kann eine Mehrfarb-LED sein, oder auch eine
Grün-LED. Zusammen mit dem Verfahren der gleichzeitigen
Frequenzselektiven Modulation und Demodulation ergibt sich
eine multispektrale Sensoreinheit.
31. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 10 die beschriebenen
modulierten Strahlungssender entweder zeilenförmig 67
auf ein Empfängersystem 68 einwirken, oder matrixförmig 69
eventuell auf Kamerasysteme, damit sich breitbandige modulierte
Strahlungssender ergeben zur Ausleuchtung von Flächen
und Szenen für Farberkennung und Spektralanalyse.
32. Verfahren und Sensorsystem nach den vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß in einer einzigen Einheit als
Grenzlagen der Erfindung übliche Grauwertsensoren mit
konstanter bzw. intermittierender Strahlung sowie mit
Gleichlicht und zwei bis drei unterschiedlichen Sendern, die
gleichförmig strahlen, bei zeitlich unterschiedlicher
serieller Beschaltung sowie Wirkung auf einen einzigen Punkt
oder eine sich überschneidende Fläche und Wirkung auf einen
oder mehrere Strahlungsempfänger nur durch unterschiedliche
Programmierung eine Vielzahl auch einfacher Sensoraufgaben
gelöst werden kann.
33. Verfahren und Sensorsystem nach den vorgehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erfindung einer Funktionsumkehr
des menschlichen Auges oder biologischen Sehsystemen
entspricht, und ein aktives System darstellt, dessen unterschiedliche
Modulation über Optiksysteme auf einen Empfänger
konzentriert elektrisch frequenzselektive Signale auslöst,
die einer Farb- bzw. Strahlungsinformation entsprechen,
ohne daß diese Fremdlicht benötigt oder durch Fremdlicht
verfälscht werden kann.
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