Title:
Laser-Lichtschrankensystem zur sensorischen Vermessung von Pflanzen
Kind Code:
U1
Abstract:

Laser-Lichtschrankensystem zur hochauflösenden Vermessung von Objekten in Anlehnung an 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Lichtsendeeinheit (1) und einer Lichtempfängereinheit (2) ein Lichtvorhang (3) aus einem mittels Optik (7) umgelenkten Lichtstrahl einer Laserdiode (4) realisiert wird, der durch die Ausrichtung der Lichtsendeeinheit (1) zur Lichtempfängereinheit (2) durch die Öffnung (10) der Lichtempfängereinheit (1) auf eine CCD-Zeile (12) trifft und dabei in Abhängigkeit vom empfangenen Licht analoge Daten über einen Wandler (14) an die Steuereinheit (15) sendet und durch eine Messrate von bis zu 4 kHz ein Schattenbild des vermessenen Objekts darstellt.



Application Number:
DE202014009494U
Publication Date:
03/05/2015
Filing Date:
11/25/2014
Assignee:
iotec GmbH, 49076 (DE)
International Classes:
Claims:
1. Laser-Lichtschrankensystem zur hochauflösenden Vermessung von Objekten in Anlehnung an 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Lichtsendeeinheit (1) und einer Lichtempfängereinheit (2) ein Lichtvorhang (3) aus einem mittels Optik (7) umgelenkten Lichtstrahl einer Laserdiode (4) realisiert wird, der durch die Ausrichtung der Lichtsendeeinheit (1) zur Lichtempfängereinheit (2) durch die Öffnung (10) der Lichtempfängereinheit (1) auf eine CCD-Zeile (12) trifft und dabei in Abhängigkeit vom empfangenen Licht analoge Daten über einen Wandler (14) an die Steuereinheit (15) sendet und durch eine Messrate von bis zu 4 kHz ein Schattenbild des vermessenen Objekts darstellt.

2. Laser-Lichtschrankensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfängereinheit (2) mit einem oder mehreren optischen Filtern (11) ausgestattet ist, die vor der CCD-Zeile (12) angebracht sind.

3. Laser-Lichtschrankensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallele Ausrichtung der Lichtsende (1) – und der Lichtempfängereinheit (2) den direkten Einfall des parallelisierten Lichts durch die Öffnung (10) des Empfangsmoduls (2) und über einen oder mehrere optische Filter (11) auf die CCD-Zeile (12) ermöglicht.

4. Laser-Lichtschrankensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsendereinheit (1) aus einem Offset-Parabolspiegel (7) besteht, welcher den Lichtstrahl (6) der Punktquelle umlenkt und zu einem parallelen Lichtvorhang (3) aufweitet.

5. Laser-Lichtschrankensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsendeeinheit (1) neben einem weiteren Spiegel noch aus einem Umlenkspiegel besteht, der das Licht als Lichtvorhang (3) in den Raum zwischen Lichtsende (1) – und Lichtempfängereinheit (2) richtet.

6. Laser-Lichtschrankensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitung der analogen Daten auf der Auswerteelektronik (13) durch einen Wandler (14) und vorzugsweise eine Steuereinheit (15) stattfindet.

7. Laser-Lichtschrankensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (4) innerhalb der Lichtsendeeinheit (1) mittels Laserelektronik (5) in ihrer Intensität gesteuert werden kann und diese einstellbare Intensität von der Steuereinheit (15) übermittelt wird.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Laser-Lichtschrankensystem zur sensorischen Vermessung von Pflanzen oder anderen Objekten. Hierzu weist das Laser-Lichtschrankensystem eine Lichtsendeeinheit auf, die mittels verschiedener Optiken einen parallelen Lichtstrahl erzeugt. Dieser Lichtstrahl durchläuft einen freien Zwischenraum in dem sich die zu vermessenden Objekte befinden. Anschließend wird das Licht durch einen oder mehrere optische Filter gelenkt und trifft danach auf eine CCD-Zeile. Mittels der CCD-Zeile können dann die erfassten, optischen Werte in digitale Daten umgewandelt werden. Des weiteren ist es möglich die digitalen Daten mittels eines speziellen Programms in zusammenhängende Daten für die Bildverarbeitung umzuwandeln. Dies wird durch die hohe Auflösung von mehreren Mikrometern und der sehr hohen Messrate von bis zu 4 kHz ermöglicht.

Ein Lichtschrankensystem ist unter anderem von dem Unternehmen SICK AG bekannt. Das Lichtschrankensystem mit der Bezeichnung MLG-2 wird hauptsächlich in der Industrie zur Erfassung von Objekten im Rahmen von teil- oder vollautomatisierten Fertigungsstraßen verwendet. Dabei besteht die Lichtschranke aus einer Sender- sowie einer Empfängereinheit deren Zwischenraum von den Objekten durchlaufen wird.1

1
Quelle: https://www.mysick.com/saqqara/im0040660.pdf

Das Lichtschrankensystem arbeitet jedoch mit einer maximalen Messrate von 30 Hz sowie einer Auflösung von wenigen Millimetern. Somit ist mit diesem System nicht das Erstellen eines hochauflösenden Schattenbildes sondern nur das einfache Vermessen von Objekten möglich.

Ein Lichtschrankensystem ist außerdem von dem Unternehmen Baumer AG bekannt. Das Lichtschrankensystem mit der Bezeichnung SpiderScan wird ebenfalls hauptsächlich in der Industrie zur Erfassung von Objekten im Rahmen von teil- oder vollautomatisierten Fertigungsstraßen verwendet. Der grundsätzliche Aufbau des Systems ist dabei mit dem vorangegangenen vergleichbar.2

2
Quelle: http://img.directindustry.com/pdf/repository_di/9211/fcdm-082-spiderscan-2-5-mm-143250_1b.jpg

Bei diesem Lichtschrankensystem beläuft sich die maximale Messrate auf bis zu 1 kHz und eine Auflösung von wenigen Millimetern. Durch die geringe Auflösung ist jedoch auch bei diesem System das Erzeugen eines hochauflösenden Schattenbildes nicht möglich.

Neben den vorgestellten Lichtschrankensystem existieren auch viele weitere Varianten von Lichtschrankensystemen zur Erfassung oder Vermessung von unterschiedlichen Objekten.

Diese weisen zwar unterschiedliche Einrichtungen zur Erzeugung der eigentlichen Lichtschranke auf, sind jedoch aufgrund der maximal möglichen Taktfrequenz sowie des fehlenden digitalen Ausgabeformates nicht in der Lage ein Objekt hochauflösend, bildgebend zu vermessen, sondern können die Objekte lediglich, im Rahmen der durch die Frequenz beschränkten Genauigkeit, vermessen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber ein Laser-Lichtschrankensystem bereitzustellen, das durch eine Lichtsendeeinheit, die mittels verschiedener Optiken einen parallelen Lichtstrahl erzeugt, welcher durch die Empfängereinheit mit einer hohen Taktfrequenz aufgenommen werden kann, gekennzeichnet ist. Somit ist nicht nur das Vermessen sondern auch das optisch hochauflösende Abbilden von Objekten möglich.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser-Lichtschrankensystem zur Vermessung von Objekten nach Anspruch 1 gelöst. Das System besteht hierzu mindestens aus einer Lichtsendeeinheit bestehend aus einer Laserdiode und einer Optik, einer Lichtempfängereinheit, welche vorzugsweise zur Lichtsendeeinheit ausgerichtet wird, einer CCD-Zeile, einem Signalwandler und einer Steuereinheit.

Die Optik der Lichtsendeeinheit besteht dabei vorzugsweise aus einem oder mehreren Spiegeln, die den Lichtstrahl aufweiten und umlenken.

Die Lichtempfängereinheit empfängt den Strahl des Lichtvorhangs durch ihre Öffnung auf eine CCD-Zeile, die in Abhängigkeit vom empfangenen Licht die analogen Daten als Bilddaten über einen Wandler an die Steuereinheit sendet. Hierbei wird unter Verwendung von bis zu 4 kHz eine erhöhte Messrate erreicht, sodass die binären Daten über eine Schnittstelle zur Bildverarbeitung weitergeleitet werden. Hierbei wird eine hohe Auflösung bei der Vermessung von Objekten erzielt, durch eine CCD-Zeile mit kleinem Pixelabstand. In dem hier beschriebenen Einwegprinzip für Lichtschranken befindet sich der Lichtsender als eigene abgeschlossene Einheit dem Lichtempfänger, wiederum als eigene Einheit, gegenübergestellt. Eine gegenüberliegende Ausrichtung der Einheiten zueinander ist notwendig, damit das parallelisierte Licht der Lichtsendeeinheit auf die Öffnung der Lichtempfängereinheit trifft. Die Einheiten, welche sich vorzugsweise in Gehäusen befinden, müssen hierzu unter Einbeziehung der Umgebungsverhältnisse gedreht, gekippt oder verschoben werden.

Der zwischen den Einheiten erzeugte Lichtvorhang bildet durch einen Schattenwurf die ihn durchquerenden Objekte, beispielsweise Pflanzen, ab. Dazu wird das System durch eine oder mehrere Objektreihen bewegt. Alternativ kann das System auch ortsgebunden befestigt werden und die Objekte werden durch den Lichtvorhang geführt.

Der verwendete Begriff des Lichtes im Bezug auf Laser-Lichtschrankensysteme stellt hierbei keine Beschränkung auf das sichtbare Licht dar, sondern umfasst alle elektromagnetischen Strahlen (UV-Licht, IR-Licht, sichtbares Licht), welche üblicherweise in Lichtschranken und -gittern verwendet werden.

Während das Objekt den Lichtvorhang durchquert werden Signale erzeugt, die vom Signalwandler umgewandelt und von der Steuereinheit aufgezeichnet werden. Die sich daraus ergebenden Messdaten können als binäre Daten – schwarz/weiß in Form von Bit-Werten oder Grau-Werten – aufgezeichnet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Lichtempfängereinheit einen oder mehrere optische Filter, die der CCD-Zeile vorgeschaltet sind und so zusätzliche Störsignale aus der empfangenen Signalmenge herausfiltern und somit die Signale des Lichtvorhangs separieren.

Hierbei trifft der von der Lichtsendeeinheit ausgehende parallel verlaufende Lichtvorhang durch die Öffnung des Empfangsmoduls der Lichtempfängereinheit über den, oder die optischen Filter auf die auf die Öffnung ausgerichtete CCD-Zeile.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bedingt das Lichtschrankensystem durch die parallele Ausrichtung der Lichtsende- und der Lichtempfängereinheit den direkten Einfall des parallelisierten Lichts durch die Öffnung des Empfangsmoduls und über einen oder mehrere optische Filter auf die CCD-Zeile.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Lichtsendeeinheit dabei vorzugsweise aus einem Offset-Parabolspiegel. Die Laserdiode richtet ihren Strahl als Punktquelle auf den Offset-Parabolspiegel, welcher den Lichtstrahl der Laserdiode aufgrund seiner Lichtbrechungseigenschaften zu einem Lichtvorhang auffächert und zu einem linearen Lichtvorhang parallelisiert.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Lichtsendeeinheit neben dem Offset-Parabolspiegel noch einen Umlenkspiegel, der das Licht als Lichtvorhang in den Raum zwischen Lichtsende- und Lichtempfängereinheit richtet und somit eine der Anforderung angepasste Gehäuseform ermöglicht, sodass das System durch einzelne Objektreihen wie zum Beispiel Pflanzen bewegt werden kann.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet die Vorverarbeitung der analogen Daten auf der Auswerteelektronik durch einen Wandler und vorzugsweise eine Steuereinheit statt.

Eine besonders effiziente Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Laserdiode innerhalb der Lichtsendeeinheit mittels Laserelektronik in ihrer Intensität gesteuert werden kann und diese einstellbare Intensität von der Steuereinheit übermittelt wird. Hierdurch ist im Gegensatz zu den bereits bestehenden Lösungen eine Anpassung an die Umgebungsverhältnisse möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die folgende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1 in Seitenansicht ein Messsystem mit Sendereinheit, Empfängereinheit und Lichtvorhang

2 in Draufsicht die Sendereinheit mit allen relevanten Komponenten

3 in Draufsicht die Empfängereinheit mit allen relevanten Komponenten

Das in 1 aus der Seitenansicht dargestellte Laser-Lichtschrankensystem besteht im linken Bereich aus der Sendeeinheit (1), welche einen parallelisierten Lichtstrahl (2) erzeugt und diesen auf die Empfängereinheit (3), die sich auf der rechten Seite befindet, leitet.

Die in 2 aus der Draufsicht abgebildete Sendeeinheit (1) besteht im Wesentlichen aus der Laserdiode (4) und deren nicht parallelisiertem Lichtstrahl (6) der wiederum auf den Offset-Parabolspiegel (7) trifft. Durch den Offset-Parabolspiegel (7) wird der nicht parallelisierte Lichtstrahl (6) in einen linearen Lichtvorhang (3) umgewandelt und mittels eines weiteren Umlenkspiegel (8) um 45° umgelenkt. Die Lichtintensität kann, abhängig von den äußeren Gegebenheiten, durch die Laserelektronik (5) eingestellt werden. Die in 3 ebenfalls aus der Draufsicht dargestellte Empfängereinheit (2) besteht grundsätzlich aus dem Empfangsmodul (9) sowie der Auswerteelektronik (13). Das Empfangsmodul (9) setzt sich hierbei im Detail aus einer Öffnung (10) für den Laserstrahl sowie einem oder mehreren optischen Filtern (11) und der nachgelagerten CCD-Zeile (12) zusammen. Die Daten der CCD-Zeile werden im Folgenden zur Auswerteelektronik (13) weitergeleitet und dort von einem Signalwandler (14) für die weitere Verarbeitung vorbereitet. Danach werden die aufbereiteten Daten an die Steuereinheit (15) der Laser-Lichtschranke weitergeleitet und nach erneuter Aufbereitung über die Schnittstelle (16) externen Komponenten zur Verfügung gestellt.

Bezugszeichenliste

1
Lichtsendeeinheit
2
Lichtempfängereinheit
3
Lichtvorhang (parallelisierter, linearer Strahl)
4
Laserdiode
5
Laserelektronik
6
Lichtstrahl (Punktquelle)
7
Offset-Parabolspiegel
8
Umlenkspiegel
9
Empfangsmodul
10
Öffnung
11
Optische Filter
12
CCD-Zeile
13
Auswerteelektronik
14
Wandler
15
Steuereinheit
16
Schnittstelle