DE9013877U1

DE9013877U1 - Einrichtung zur Erfassung der Bewegung strukturierter Objekte

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Publication number: DE9013877U1
Application number: DE9013877U
Authority: DE
Original assignee: AHRENDT VOLKER O-2851 MATZLOW DE; CHRISTOFORI KLAUS O-2510 ROSTOCK DE
Current assignee: AHRENDT VOLKER O-2851 MATZLOW DE; CHRISTOFORI KLAUS O-2510 ROSTOCK DE
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1991-02-21
Anticipated expiration: 2000-10-06

Description

Beschreibung

Die vorliegende Er-findung betri-f-ft eine Einrichtung zur berührungslosen Erfassung der Bewegung strukturierter 5 Objekte unter Nutzung eines Sensorarrays in Form einer CCD-Zeile mit mindestens zwei getrennten Transportschiebe— registern, bei dem die Oberflächenstrukturen der bewegten Objekte auf das Array abgebildet werden.

üblicherweise werden zur Bewegungsdetektion Lichtschranken— systeme eingesetzt und mittels einer Triggerung bei Ein— bzw. Austretens des Meßobjektes aus der Meßstrecke aus der Zeit zwischen beiden Triggerungen bei bekanntem Abstand der Lichtschranken die Geschwindigkeit bestimmt. Bei kontinuer— liehen Objekten versagt dieses Verfahren, sodaß sich hier der Ähnlichkeitsvergleich der Signale beider Detektoren mittels Korrelation anbietet, wobei das Korrelationsmaximum den Zeitpunkt größter Übereinstimmung angibt, woraus sich die Geschwindigkeit des Objektes berechnen läßt.

Anders dagegen wird beim örtsfi 1 terverfahren mit Hilfe der örtlichen Filterwirkung gitterartiger Strukturen die Objekt— oder Teilchengeschwindigkeit in ein schmalbandiges Signal umgesetzt. Als örtsfilter werden optoelektronische Wandler, deren Oberfläche eine Gitterstruktur aufweisen oder denen ein gitterartiger Lichtmodulator vorgeschaltet ist, als Sensoren eingesetzt. Realisierungen von Ortsfilteranordnungen sind in den verschiedensten Bauformen und Aus— führungsarten bekannt. Den Gemeinsamkeiten in einer prinzipiellen Strukturierung des Gitters und Zusammenfassung der gefilterten Bildinformation über einen integrierenden Photoempfänger stehen die verschiedensten Variationen zur Realisierung des Gitters gegenüber. Es werden mechanische Spalt— gitter, Prismengitter bzw. rotierende Radialprismenraster zur Richtungserkennung ebenso beschrieben, wie die Verwendung von Lichtleitfasern und LCD — Transparenzgittern. In DE-OS 2144487 ist zur Realisierung eines Differenzqitters im Abbildungsstrahlengang ein doppelbrechendes, in der Ebene

des Gitters zwei um eine halbe Gitterkonstante gegenüber verschobene Bilder erzeugendes Wollaston-Prisma vorgesehen. Der Nachteil dieser Lösung besteht in dem hohen technologischen Aufwand für die Realisierung des Gitters.

In DE-OS 2237564 wird die Gitterabtastung durch Ausbildung eines linearen Amplitudengitters als Photoempfängerraster genutzt, wobei dieses als Differenzgitter betrieben wird, d.h. geradzahlige und ungeradzahlige Empfängerstreifen zu je einem Signalausgang zusammengefaßt sind, deren Signale nach durchlaufen eines Differenzverstärkers ein resultierendes Signal ergeben, welches die Ortsfrequenzkomponenten der Empfängerstruktur multipliziert mit den Ortsfrequenzkomponenten der Objektstruktur sowie die der Objektgeschwindigkeit entsprechenden Harmonischen der Signalfrequenz enthält.

Die Geschwindigkeit &ngr; in Richtung der Gitterachse berechnet sich aus der Gitterkonstante g und der noch zu bestimmenden Mittenfrequenz Iq des Sensorausgangssignals zu:

&ngr; = g f₀
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Bekannte Einrichtungen mit zwei getrennten Rastern und nachgeschalteten Empfängern bedingen bei geringen Objektentfernungen Parallaxenfehler. Rasterartig strukturierte fotoelektrische Empfänger sind mit vertretbarem technologischen Aufwand nicht in beliebiger Feinheit herstellbar. In bekannter Weise kann eine Erhöhung der Ausgangsleistung durch eine Steigerung der Anzahl der Gitterelemente erreicht werden, wobei eine hohe Konstanz der Gitterkonstante zu fordern ist.

Aus DE-OS 2526254 ist eine Auswerteschaltung zur Richtungserkennung bekannt, die zur Erkennung des Richtungssinnes in oder entgegen der Gitterachse durch Auswertung der Summensignale alternierender Gitterelemente von Differenzgittersensoren geeignet ist. Dabei wird das Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen den Summensignalen ausgewertet, in dem zwei nachgeschaltete Phasenregelkreise, die auf die Mittenfrequenz synchronisiert werden, aber auf einer geringeren Frequenz laufen. Die Phasendifferenz wird somit auf einem

meßbaren Wert < 180° untersetzt, wobei das Vorzeichen der Phasendifferenz den Richtungssinn der gemessenen Geschwindigkeiten bezüglich aufsteigender Elementenummern angibt.
Eine Mehrkomponentenmessung wurde erstmalig in DE-AS 2209667 vorgestellt. Dazu wird ein spezielles Gitter angegeben. Es besteht aus, auf einem transparenten Träger in einer Vielzahl vorhandenen gleichartigen, mit den Kanten ihrer Grundfläche parallel zueinander und nebeneinander liegenden Pyramiden. Durch die Normalen der Pyramidenflächen sind in der Ebene des Gitters zwei Richtungspaare definiert, denen vier fotoelektrische Empfänger mit vier Kondensoren zugeordnet sind. Mittels dieser Anordnung ist es möglich, in der Gitterebene nach zwei nicht parallelen Richtungen Geschwindigkeiten zu messen. Der entscheidende Nachteil liegt in der technologischen Ausführung dieses speziellen Gitters, das aufgrund der außerordentlich schwierigen Geometrie einen sehr hohen Fertigungsaufwand darstellt. Damit sind gleichermaßen der Anzahl der Gitterelemente technologische Grenzen gesetzt. Eine Verbesserung wurde in DE-AS 2210681 durch Verwendung eines mehrfarbigen Rasters, bestehend aus rechteckförmigen, sich berührenden Mustern mit vier dreieckförmigen Flächen in fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben. Dem Raster sind über chromatische Teiler vier fotoelektrische Empfänger nachgeordnet, welche bei einer relativen Bewegung des Objektbildes zum Raster jeweils paarweise zueinander im Gegentakt befindliche Signale liefern. Über chromatische Teiler wird sicher gestellt, daß die fotoelektrischen Empfänger tatsächlich nur Lichteinflüsse erhalten, die der ihnen zugeordneten Farbe entsprechen. Damit ist das vorgestellte Verfahren nachteiligerweise nur anwendbar bei der Messung von Objekten, die keine wellenlängenbegrenzten Streu- oder Emissionsspektren haben. Die Frage nach der technologischen Realisierbarkeit steht in abgeschwächter Form jedoch immer noch.

In DE-OS 2256885 werden hier unter Einbeziehung von DE-PS 2209667 und DE-PS 2237564 Aussagen zur Ausführungsform des verwendeten Sensors gemacht. Durch Beobachten von Objekten in der Geradeausfahrt bei der Existenz einer seitlichen

Relativbewegung wird die zugehörige Winkelgeschwindigkeit über das Auswandern des Bildes bestimmt. Dabei sind die Bedingungen unendliche Fokus, große Objektentfernung zwischen Sensor und Objektort nachteilig und der Einsatz auf anderen Gebieten stark eingeschränkt. Aufgrund der hohen Richtungsselektivität der gekreuzten Sensorzeilen ist eine echte zweidimensionale Geschwindigkeitsmessung nicht möglich, vielmehr handelt es sich hier um eine Zweirichtungsmessung, bei der eine exakte Ausrichtung der Sensorbestandteile Vorraussetzung ist.

In DE-PS 2450439 wird erstmalig der Gedanke dargelegt, Gitter und Wandler zu einem einzigen flächigen opto - elektronischen Wandler zu vereinen, der abwechselnd lichtempfindliche und lichtunempfindliche Streifen aufweist. Durch die Möglichkeit auf die einzelnen lichtempfindlichen Streifen zuzugreifen, können getrennt die Summen der geradzahligen bzw. ungeradzahligen Ausgangssignale zur Realisierung eins Differenzgitters gebildet werden. Der optoelektronische Wandler weist weiterhin eine zweidimensionale Struktur auf. Nachteiligerweise erfordert diese Lösung der Anfertigung eines speziellen Sensors, der einen Direktzugriff auf jedes Zeilen - und Spaltenelement besitzen muß, welches derzeit erhebliche technisch-technologische Probleme mit sich bringt. Ein Gitter , dessen Rasterstrukturen den Fluchtlinien einer Zentralperpektive folgen, wird in der Patentschrift DE-PS 2601642 vorgeschlagen. Es soll damit eine einfache Unterscheidung von Relativbewegungen im Bild in längsperspektivisch und querperspektivisch vorgenommen werden. Hierbei ist allerdings eine Signalanalyse notwendig, die bei wechselnden optischen Eigenschaften der Meßobjekte schnell einen unzumutbaren Auswerteaufwand erreicht bzw. ganz versagt. Eine andere Version der Realisierung der Differnzgitterfunktion auf optischen Wege wird im Patent DE- PS 3002547 vorgestellt. Das optische System besteht aus einem durchsichtigem Körper mit integriertem optischen Linsensystem. Dieser Körper weist eine Vielzahl optischer Facetten auf, die paarweise im Bogen am Ort des Brennpunktes

-&dgr;&igr; der Lichtstrahlen angeordnet sind. Die beiden Facetten jedes Facettenpaares, die durch die verspiegelte und entsprechend strukturierte Oberfläche des durchsichtigen Körpers gebildet werden, reflektieren dabei das Licht jeweils auf einen zugehörigen Wandler, wobei die Wandler innerhalb des optischen Körpers symmetrisch zur optischen Achse des Linsensystems angeordnet sind. Der Vorteil dieser Erfindung besteht in der relativ kompakten Bauweise und der relativen mechanischen Unempfindlichkeit gegenüber Stoßen und Erschütterungen, zumal keine Justierung der Einzelelemente notwendig wird. Nachteilig ist aber wiederum der hohe Fertigungsaufwand einer solchen Anordnug, deren Einsatz nur in vorher genau definierten Spezialgeräten mit konstanten Einsatzparametern möglich ist .

Der Aufbau eines faseroptischen Ortsfrequenzfilters wird in der DE-OS 3826113 beschrieben. Hierbei wird das Meßvolumen durch eine Beleuchtungslichtleitfaser ausgeleuchtet. Auf der entgegengesetzten Seite des Meßvolumens befinden sich in Obereinstimmung mit der optischen Achse der Beleuchtungslichtleitfaser die gitterartig angeordneten Empfängerlichtleitfasern, die alternierend zu Bündeln zusammengefaßt wurden. Dabei ist für jede Bewegungskoordinate ein separates faseroptisches Gitter vorgesehen. Der Vorteil dieser Lösung liegt in der komponentenweise Trennung der Ausgangssignale, deren bisherige elektronische Trennung durch Mehrdeutigkeiten fehlerhaft war. Allerdings ist die technologische Beherrschung der Realisierung derartiger Fasersensoren mit einer hohen Konstanz der Gitterabstände nachteilig in Frage gestellt.

^J0 Eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Bewegungsgrößen eines bewegten Objektes ist nach CH 665910 bekannt. Es handelt sich hierbei um ein zweidimensional arbeitendes System. Als Wandler sind Photodioden eingesetzt worden, die in einer quadratischen Matrix angeordnet sind. Durch den direkten Zugriff auf jedes einzelne Element ist eine parallele Auswertung der detektierten Bewegung in vertikaler und horizontaler Richtung analog DE-PS 2450439 gegeben. Eine Differenzgitterfunktion wird schaltungstechnisch realisiert.

Die Bestimmung der Bewegungsrichtung erfolgt über eine Analyse der Phasenlage des empfangenen Signals. Dazu werden die Photoempfänger jeweils zu Gruppen von vier Elementen zusammengefaßt. Nachteilig bei dieser Lösung ist der große technologische Aufwand bei der Herstellung der Photodiodenmatrix, da geringe Abweichungen bei der Realisierung der Gitterkonstanten schon eine erhebliche Verfälschung des Meßergebnisses nach sich ziehen. Weiterhin steigt der schaltungstechnische Aufwand annähernd quadratisch mit der Dimension der Diodenmatrix.

Bei Verwendung einer abbildenden Optik vor dem optoelektronischen Wandler ist bekanntlich dann der Meßeffekt am besten, wenn die Gitterperiode sehr gut mit den Strukturabmessungen der Meßobjekte korreliert. Dabei führt in Abhängigkeit der MTF der Optik eine Defokussierung zu einer Tiefpaßfilterung der Ortsfrequenzen der Objektstruktur.
Bei den bekannten eindimensional messenden Vorrichtungen ist es erforderlich, die Gitterachse der Ortsfrequenzfilterzeile mit der Hauptbewegungsrichtung der in ihrer Geschwindigkeit zu messenden Teilchen in Übereinstimmung zu bringen. Abweichungen führen zu einer Verringerung der Selektivität. Die Längen- und Breitenausdehnung des Gitters bestimmt die Richtcharakteristik des Ortsfiltersensors. Ausgeprägte Ortsfilterzeilen hoher Gitterperiodenanzahl weisen eine hohe Richtungsabhängigkeit auf, sodaß schon bei Winkelabweichungen von einigen Grad der Meßeffekt nicht zu standekommt. Nachteilig wirkt sich diese Eigenschaft bei gekreuzter Anordnung der Gitterzeilen aus, die es der Nachfolgeelektronik unmöglich macht, die geforderte Auflösung der Vektorkomponenten in der aufgespannten Ebene zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es bei berührungslos arbeitenden Systemen die Detektion der Bewegung strukturierter Objekte zu verbessern, um in technologisch einfacherer Weise und damit wirtschaftlicher Detektoren mit interner Signalverarbeitung zu erhalten, die auch für Bewegungungen mit a priori nicht bekannter Richtung geeignet sind und die Justage der DeLekLuxyn erleichtert^

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Erweiterungen der Einrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, -für die Einrichtung gitterartig strukturierte Spezi aldetektoren einzusetzen, wird als Array ein CCD-Sensor eingesetzt, der auf einem Chip getrennte Detektorflächen besitzt, deren durch Photonen generierte Ladungsträger proportional der Bildinformation als elektrisches Signal zur Verfügung stehen.

Eine Integration über die gesamte Sensorfläche wie sie bei Anordnungen mit VoIIflachen—Photodioden erfolgt, kann hier vorteilhaft durch eine Ladungsakkumulation durchgeführt werden. Für die Ladungsträgerakkumulation wird das Analogschieberegister des CCD—Sensors genutzt. Für die erforderlichen zwei SignalVerarbeitungskanäle ist das Vorhandensein eines zweiten Analogschieberegisters Bedingung. Die übertragung der Information erfolgt dann durch wechselseitige Ansteuerung von Transfergates und Schieberegistergates.

Die Ladungsakkumulation in den Potentialwannen des Analogschieberegisters erfolgt durch Bereitstellung eines 2-Pasen-Taktes, wobei die Höhe und die zeitliche Folge die Potentialbarrieren und die Größe der Potentialwannen beeinflussen. Eine Stufung des Taktes in Spannungsniveaus ermöglicht einen gezielten Abbau der Potentialbarrieren zwischen benachbarten Potentialwannen und schafft somit die Voraussetzung für das Zusammenfließen beider Ladungspakete. Das Zusammenspiel beider Takte bestimmt die Richtung des Ladungstransportes und bewirkt das Zusammenfließen der Ladungspakete.

Somit sind vorteilhaft die wirksamen Elementeflächen über mehrere Elemente des Arrays ausdehnbar, so daß sich dadurch die resultierenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Einrichtung gezielt verändern lassen.

Bekannterweise sind Elementeanzahl, Längen- und Breitenausdehnung für die Richtcharakteristik und die Signal— leistung des Detektors verantwortlich. Lassen sich diese

verändern, so vergrößert sich damit die Einsatzbreite des der beschriebenen Einrichtung, wobei sich im einzelnen z.B. der Geräteaufwand bei der Implementation verringert.
In der Zeichnung sind Aus-f ührungsbei spiele der erfindungs— gemäßen Einrichtung schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 den Gesamtaufbau des Detektors sowie die sich daran anschließende Signalverarbei tung.
Fig. 2 den Aufbau eines Signal verarbei tungskanales.

In Fig. 1 wird die Struktur eines bewegten Objektes 2 mittels einer Optik 3 auf ein Sensor-Array 4 abgebildet. Bei dem Sensor—Array handelt es sich um eine CCD—Zeile, die entsprechend der Bewegungsrichtung des Objektes justiert wurde oder dessen Richtung nachgeführt wird. Die Takt— zentrale 5 realisiert die beschriebene Betaktung, wobei die Transfergates und Schieberegistergates jeweils im Wechsel angesteuert wurden. Eine Verstärkerstufe &ohacgr; sorgt für die Ausnutzung des Dynamikbereiches der Nachfolgeelektronik. Das verstärkt Sensorsignal gelangt dann parallel in zwei Signal-Verarbeitungskanäle 7,8 dessen Ausgänge zur Unterdrückung des Gl eichsignalantei 1 s auf einen Differenzverstärker 9 geführt werden.

Die beiden Signalverarbeitungskanäle sind identisch aufgebaut (Fig. 2), wobei die Erzeugung der Steuergröße prinzi— piell nur einmal vorhanden sein muß. Um jedoch den Einfluß von Störungnen zu eliminieren, ist diese gezielte Redundanz von Vortei1.

Eingangssei tig wird das Sensorsignal durch einen Abtast-Halte-Verstärker Ii abgetastet und durch einen nachfolgenden Tiefpaß 12 geglättet. Es handelt sich hierbei um einen Tiefpaß höherer Ordnung, um den Abstand zwischen Abtast— und Signalfrequenz zu reduziern. Ein sich daran anschließender Schwellwertschalter 13 erzeugt erforderlichenfalls ein Steuersignal für die Veränderung der Verstärkung des Sensorsignals über den Regel verstärker 10.

Gleichermaßen kann durch dieses Steuersignal auch die Helligkeit der Beleuchtung geregelt werden, so daß sich damit vorteilhaft eine hohe Anpassungsfähigkeit des Heß—

. systems an die verschiedensten Prozeßbedinqungen ergibt. Werden beide Schwellwertschalter in die Steuersignalbi1dung mit einbezogen, so ist gewährleistet, daß Einkopplungen oder andere Störungen nicht zu einem Fehlverhalten der Regelung -führen.

Um sicherzustellen, daß nur globale Änderungen der Meßbedingungen nicht etwa aber einzelne Partikel den Regel— mechanismus auslösen, ist eine entsprechend einstellbare Zeitkonstante vorgesehen.

Austeilung der verwendeten Bezugszeichen

I Sensorelektronik
2 Objekt

3 Optik

4 Sensor-Array

5 Taktzentrale

6 Verstärkerstu-f e

2Q 7,S Signal verarbei tungskanäle

9 Differenzverstärker

10 Regelverstärker

II Abtast-Halte-Verstärker
12 Tie-fpaß

13 Schwellwertschalter

&ngr; Geschwindigkeit
g Gitterkonstante
-f_o Maximums-frequenz

Claims

Einrichtung zur Erfassung der Bewegung strukturierter Objekte Sprüche

1. Einrichtung zur berührungslosen Erfassung der Bewegung strukturierter Objekte unter Nutzung eines Sensorarrays in Form einer CCD-Zeile mit mindestens zwei getrennten Transportschieberegistern, durch Projektion der Oberflächenstrukturen des bewegten Objektes <2) auf die in der Bildebene einer Optik (3> angeordneten CCD—Zeile <4) dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Zeile senkrecht zur Bewegungsrichtung derart angeordnet ist, daß die Sensorachse in Bewegungsrichtung orientiert ist, der CCD—Zeile ein Verstärker (6) und zwei identisch aufgebaute SignalVerarbeitungskanäle (7,S) nachgeschaltet sind, wobei die Kanalausgänge der Signalverarbeitung auf die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers (9) geführt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Transfergates und die Schieberegistergates der CCD-Zeile an eine Taktzentrale (5) angeschlossen sind, die für die Transportschieberegister eine zweiphasige Taktansteuerung mit mehreren aber mindestens zwei Spannungsniveaus darstellt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 für die Ansteuerung einer Phase dadurch gekennzeichnet, daß die Taktzentrale mehrere aber mindestens drei Spannungsniveaus besitzt, deren Reihenfolge der Wertigkeiten zu Null hin absteigend und dieser Folge beliebig wiederholbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß jeder SignalVerarbeitungskanal einen Abtast-Halte—Verstärker (11) enthält, dem ein Tiefpaß (12) höherer Ordnung nachgeschaltet ist, wobei der Eingang des Abtast—Hai te—Verstärkers im Rhytmus des sich ändernden, periodischen Taktniveaus einmal au-f den Ausgang des Sensorelementes geschaltet wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 zur Ansteuerung und Abtastung der CCD-Zeile dadurch gekennzeichnet, daß die Taktzentrale mit einer Taktspannung von einer jeweils komplementären Phase an beide Schieberegister geschaltet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer Steuergröße dadurch gekennzeichnet, daß jeder Signalverarbei— tungskanal einen Schwellwertschalter (13) enthält, der dem Tie-fpaß (12) nachgeschaltet ist, wobei die System— zeitkonstante -für die Bestimmung der Steuergröße ein— stellbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 zur automatischen Helligkeitsregelung dadurch gekennzeichnet, daß durch Rückführung einer Steuergröße die Systemeinheiten RegelVerstärker (10), Abtast-Halte-Verstärker (11), Tiefpaß (12) und Schwellwertschalter (13) als Regelkreis geschaltet sind.