DE2924605A1

DE2924605A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen unterscheidung von pruefobjekten

Info

Publication number: DE2924605A1
Application number: DE19792924605
Authority: DE
Inventors: Karl Jauch
Original assignee: Societe des Compteurs de Geneve SODECO
Current assignee: Mars Inc
Priority date: 1978-10-10
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DK427679A; SE7908324L; DK150551C; DE2924605C2; DK150551B; SE454023B; CH634411A5

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Unterscheidung von Prüf-
objekten Verfahren und Vorrichtung zur optischen Unterscheidung von Prüfobjekten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Unterscheidung von Prüfobjekten sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 4.
Es ist bereits bekannt, die Reflexion oder Transmission schmalbandiger Spektralbereiche von Licht, das auf ein Prüfobjekt und gleichzeitig auf ein Referenzobjekt geworfen wird, durch einen einzigen Licht fühler zu erfassen und dann durch eine Quotientenbildung aus Messwerten von verschiedenen Stellen des Prüfobjektes und des Referenzobjektes eine Gut/Schlecht-Entscheidung zu treffen. Als Lichtquellen dienen entweder mehrere Quellen, die in verschiedenen Spektralbereichen strahlen, (CH-PS 573 634), oder eine einzige Lichtquelle mit breitem Spektrum und vorgeschalteten Lichtfiltern (CH-PS 541 840). Nachteilig ist dabei, dass die den Prüfverfahren einmal zugrunde gelegten Arbeitswellenlängen des Lichtes nicht verändert werden können, so dass diese bekannten Einrichtungen für Prüfobjekte, die nur in einem oder mehreren bestimmten Spektralbereichen sicher unterschieden werden können, keine eindeutigen Gut/Schlecht-Entscheidungen liefern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, zur Bestimmung der für eine Selektion günstigsten Arbeitswellenlängen und zur Bereitstellung einer Entscheidungsgrundlage in Form eines einzigen Signales, dessen Streuung innerhalb der Gesamtheit aller im Gutbereich liegenden Prüflinge möglichst klein, dessen Abstand zum Signal eines abzulehnenden Prüfobjektes oder einer Objektgruppe möglichst gross ist.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.
Diese zeigt eine Seitenansicht einer Prüfeinrichtung für Banknoten. Mit 1 ist eine Lichtquelle mit breitem Spektrum bezeichnet, z.B. eine Xenonlampe mit einem Wellenlängenbereich von mindestens 300 - 1000 nm. Sie strahlt direkt auf ein Referenzobjekt 2 in Form einer weissen Fläche. Ueber dem Referenzobjekt kann als Prüfobjekt 3 z.B. eine Banknote eingeschoben werden. Drei Lichtleiter 4, 5, 6 erfassen die vom Referenzobjekt 2 bzw. vom Prüfobjekt 3 reflektierte Strahlung und leiten diese über je ein leicht auswechselbares optisches Filter 7, 8, 9 zu je einem Lichtfühler 10, 11, 12. Jedes der Filter 7, 8, 9 lässt nur ein schmales Spektralband mit einer bestimmten mittleren Wellenlänge X passieren und jeder der Lichtfühler 10, 11, 12 empfängt daher nur Licht der seinem Filter 7, 8, 9 entsprechenden Wellenlänge X 2 3 Statt - wie gezeichnet - drei verschiedene Wellenlangen zu erfassen, kann es vorteilhaft sein, eine grössere oder kleinere Anzahl von Wellenlängen - doch mindestens 2 - zu benutzen.
Die von den einzelnen Lichtfühlern 10, 11, 12 zufolge der zuerst vom Referenzobjekt 2 und anschliessend vom Prüfobjekt 3 reflektierten Strahlung erzeugten Signale werden einer in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt, welche die Signale miteinander in Beziehung setzt, ihre Unterschiede überhöht, sie normiert und sie über eine Diskriminator- bzw. Schwellwertschaltung mit wählbarer Entscheidungsgrenze digitalisiert, so dass am Ausgang der Auswerteeinheit eine Ja/Nein (Gut/Schlecht) Entscheidung erscheint. Die gleiche Auswerteeinheit dient sowohl der Bestimmung der für eine bestimmte Objektgruppe nötigen Wellenlängen der optischen Filter sowie deren Anzahl, als auch nach erfolgter Festlegung dieser Daten in der praktischen Anwendung zur Entscheidung, ob ein bestimmtes Prüfobjekt dieser Objektgruppe angehört oder nicht. Im vorliegenden Beispiel ist die Objektgruppe ein bestimmter Bcnknotenwert und die Prüfobjekte sind die einzelnen Banknoten.
Vorerst wird die Auswerteeinheit zur Erarbeitung der Prüfbedingungen so eingesetzt, dass sich möglichst signifikante Werte zur Gut/Schlecht-Unterscheidung ungleicher Prüfobjekte ergeben. Zu diesem Zweck bildet sie für jede Arbeitswellenlänge 1 bis X n nach dem Einschieben der entsprechenden Filter 7, 8, 9 und für jedes Prüfobjekt das Reflexionsverhältnis R = das heisst den Quotienten zwischen dem Messwert am Referenzobjekt und jenem am Prüfobjekt. Diese Messungen werden an möglichst vielen Prüfobjekten der Objektgruppe, aber auch soweit möglich an Objekten, die von dieser Objektgruppe zu unterscheiden sind, durchgeführt. Die so erhaltenen Werte von R genügen noch nicht, um charakteristische Differenzen der Prüfobjekte unter sich klar hervorzuheben. Sie werden daher zweckmässigerweise in wenigstens einer mathematischen Transformation so umgeformt, dass der Mittelwert aller Messwerte einer Objektgruppe dem Wert 1 zustrebt.
In einer ersten Transformation bildet die Auswerteeinheit nach der Beziehung für jeden Wert von R der gewählten Wellenlängen Ä1 bis Ä eine n vom Unterschied zwischen dem Wert R des einzelnen Prüfobjekts und dem arithmetischen Mittel aller Werte von R einer Objektgruppe abhängige Variable r. Dabei bedeutet N die Anzahl der betrachteten Prüfobjekte, von denen der Wert R für eine bestimmte Wellenlänge k bestimmt wurde.
Um bei einem Banknotenprüfer der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Farbton einer Banknote mehr oder weniger nachgedunkelt ist, verwendet man mit Vorteil eine zweite Transformation zur Normierung der Werte gemdss der Beziehung In dieser Gleichung bedeutet n die Zahl der verwendeten Arbeitswellenlängen, im Beispiel also 3. Entsprechend den n Arbeitswellenlängen ergeben sich für jedes Prüfobjekt n Werte, welche für eine Gut/Schlecht-Entscheidung nunmehr durch die Auswerteeinheit zur Bildung des mathematischen Abstandes, im vorliegenden Beispiel nach Euklid, weiterverarbeitet werden und zwar nach der Beziehung: Jedes Prüfob3ekt ist solchermassen durch seinen Unterschied des Abstandes d von dem an der Objektgruppe nach dem gleichen Rechenverfahren ermittelten arithmetischen Mittelwert von d gekennzeichnet.
Die Berechnung der Distanz d ist unter Veränderung der Arbeitswellenlängen i. der optischen Filter und allenfalls von deren Anzahl n so lange zu wiederholen, bis sich ein möglichst aussagefähiges Resultat ergibt, d.h,, dass die Distanz d für Cbjekte einer Objektegruppe, also z.B. einer Banknotensorte, kleine Werte annimmt, während Objekte ausserhalb der Objektgruppe, also andere Banknoten oc3er Fälschungen, möglichst grosse Werte für d ergeben sollen.
Für die günstigste Wahl der optischen Filter kann ein vom Rechenwerk gesteuerter Koordinatenschreiber, der die Kurven für r = ftkE r' = f(X) aufzeichnet von Nutzen sein.
Sobald die besten Werte für die Filter und deren Anzahl gefunden sind, ist für die Objektgruppe durch Messung möglichst vieler Objekte ein Häufigkeitsdiagramm aufzunehmen und dessen Streuung zu bestimmen. Aufgrund der Resultate kann die Gut/Schl-echt-Grenze d <= x = Gut, d > x = Schlecht festgelegt und an einer Diskriminator- bzw. Schwellwertschaltung mit wählbarer Entscheidungsgrenze der Auswerteeinheit zur Gut/Schlecht-Entscheidung eingestellt werden.
Das Prüfverfahren beschränkt sich nicht nur auf die Prüfung von Banknoten oder ähnlichen Papierblättern. Es kann für die Unterscheidung beliebiger Gegenstände angewandt werden, die sichtbare oder unsichtbare Farbunterschiede aufweisen. Zu denken ist hier beispielsweise an das Sortieren landwirtschaftlicher Produkte, wie Kaffeebohnen, Erbsen usw. in Gut und Ausschuss oder an die Feststellung eines genügenden oder ungenügenden Röstungsgrad solcher Produkte, wobei im letztgenannten Fall die Entscheidung nicht zwischen einem Einzelobjekt und einer Objektgruppe, sondern zwischen zwei Objektgruppen zu fällen ist, bei denen die Unterschiede ihrer Mittelwerte von d für den Gut/Schlecht-Entscheid massgebend sind.
Bei gewissen Objektgruppen ist es sinnvoll, an Stelle des Reflexionsgrades den Transmissionsgrad zu beurteilen. Man lässt die Lichtstrahlung dabei die Objekte durchdringen und beurteilt die Absorption. Die Lichtquelle 1 befindet sich dann auf der einen Seite und die Licht leiter 4, 5, 6 erfassen das Licht auf der gegenüberliegenden Seite des Prüfobjekts. Als Referenzgrösse kann hier die direkte Strahlung ohne Prüfobjekt erfasst werden, oder es dient dazu ein Referenzobjekt.
Die beschriebene Unterscheidung von Prüfobjekten im Sinne der Erfindung gelingt auch unter Anwendung anderer Rechenverfahren, wie sie der Stand der Technik dem Fachmann anbietet, wobei auch nichtlineare Umformungen infrage kommen.
Durch die mögliche Kombination frei wählbarer Arbeitswellenlängen lässt sich die beschriebene Vorrichtung für eine Vielzahl von Objekten verwenden und liefert dabei eindeutige Unterscheidungsmerkmale. Für die Prüfung von Banknoten sind insbesondere die Aufdeckung spektraler Unterschiede ausserhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereiches interessant. Die Vorrichtung kann auch durch die Wahl entsprechender Arbeitswellenlängen für die Feststellung metamerer Farben Verwendung finden.
Z U S A M M E N F A S S U N G (Hierzu die einzige Figur) Das remittierte Licht oder die nach Absorption verringerte Lichtmenge eines Prüfobjektes (3) und eines Referenzobjektes (2), die einer einzigen Lichtquelle (1) ausgesetzt sind, wird unter Verwendung von Lichtleitern (4, 5, 6) je einem Lichtfühler (10, 11, 12) zugeführt. Im Strahlengang zu den Licht fühlern sind auswechselbare optische Filter (7, 8, 9) schmaler Durchlass-Bandbreite angeordnet. Eine Auswerteeinheit formt die Signale des Referenzobjektes (2) und des Prüfobjektes (3) für verschiedene Arbeits-Wellenlängen durch mathematische Transformation um, normiert diese und verwandelt sie in eine einzige, zur Gut/Schlecht-Entscheidung hoher Aussagekraft verwendbare Grösse. Die Auswerteeinheit mit seinem Prüfprogramm dient sowohl der Bestimmung der günstigsten Filter (7, 8, 9) als auch nach deren Festlegung zur Unterscheidung von Prüfobjekten.
Leerseite

Claims

PATENTANSPRUECHE 1.) Verfahren zur optischen Unterscheidung von Prüfobjekten mittels Licht durch Vergleich des sich für Licht verschiedener Wellenlängen X ergebenden Verhältnisses R = f (X) der Reflexion bzw.

Absorption an einem Prüf- und einem Referenzobjekt, die beide der gleichen Strahlung ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis R(X) sowohl für die Bestimmung der zur Unterscheidung der Prüfobjekte bestgeeigneten Wellenlängen als auch zur Durchführung der optischen Unterscheidung durch mathematische Umformung überhöht und normiert wird und dass aus den so erhaltenen Signalen bei der optischen Unterscheidung über eine veränderbare Schwelle eine digitale Gut/Schlecht Entscheidung erzeugt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass n Arbeitswellenlängen 1 bis Ä ausgesucht werden, wobei n minden stens 2 beträgt, deren Verhältnisse R = f(X) in wenigstens einer mathematischen Transformation umgeformt und so normiert werden, dass der Mittelwert aller Messwerte einer Objektgruppe dem Wert 1 zustrebt, dass ferner die mit n Arbeitswellenlängen ermittelten Werte einer mathematischen Abstandsbildung so unterzogen werden, dass sich für jedes der N Objekte nur ein zur Gut/Schlecht-Entscheidung verwendbarer, für nicht gleiche Objekte oder Objektgruppen möglichst weit auseinander liegender Wert d ergibt, wobei durch Wahl von Werten für die Anzahl n und die Grösse der Arbeitswellenlängen X das Verfahren bis zur Ermittlung der grössten Unterschiede zwischen fremden Objekten und einer Objektgruppe mehrmals durchgeführt wird, und dass die so ermittelte Anzahl und die Grösse der Arbeitswellenlängen X1 bis X mit den gleichen mathematischen n Umformungen in der praktischen Anwendung zur Entscheidung verwendet werden, ob ein bestimmtes Objekt einer Objektgruppe angehört oder nicht.
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste mathematische Transformation nach der Beziehung gebildet wird, in der N die Anzahl der betrachteten Objekte ist, von denen man die Werte von R für eine gewisse Anzahl von Wellenlängen X bestimmt hat, und dass ferner zur Normierung der Werte eine zweite mathematische Transformation nach der Beziehung gebildet wird, in welcher n gleich der Anzahl der verwendeten Arbeitswellenlängen X ist und dass ausserdem als mathematische Abstandsbildung diejenige nach Euklid gemäss der Beziehung verwendet wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 bis 3 mit einer einen grossen Spektralbereich umfassenden Lichtquelle, einem Referenz- und einem Prüfobjekt sowie mehreren, die Reflexion oder die Transmission über Lichtleiter erfassenden Lichtfühlern mit im Strahlengang angeordneten optischen Filtern, dadurch gekennzeichnet, dass die nur ein schmales Spektralband durchlassenden Filter (7, 8, 9) für jeden einzelnen Lichtfühler (1G, 11, 12) leicht auswechselbar angeordnet sind und dass eine von den Lichtfühlern beeinflussbare Auswerteeinheit sowohl zur Bestimmung der nötigen optischen Filter (7, 8, 9) als auch zur Unterscheidung von Prüfobjekten vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfobjekte (3) irgendwelche Gegenstände sind, die sich durch sichtbare oder unsichtbare Farbdifferenzen unterscheiden.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfobjekte (3) Banknoten sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzobjekt (2) eine zur Hauptsache weisse Fläche dient.
8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit eine Diskriminator- bzw.

Schwellwertschaltung mit wählbarer Entscheidungsgrenze zur Ausführung der Gut/Schlecht-Entscheidung zugeordnet ist.