Ortsfiltertechnik auf Basis von Array-Sensoren

Die optische Ortsfiltermesstechnik zeichnet sich gegenüber anderen nicht-invasiven Messsystemen (wie Laser-Doppler-Anemometrie oder Partikel-Image-Velocimetrie) durch seinen einfachen Aufbau und der relativ preisgünstigen Systemkomponenten aus. Zur Messung der Geschwindigkeit, Länge und Position von Objekten wird das durch Inhomogenitäten der Oberfläche zurück gestreute Licht mit einem optischen Gitter überlagert [1]. Das Spektrum des Ausgangssignals enthält Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung. Durch die Filterwirkung des Gitters und die dadurch ereichte Vorverarbeitung wird ein hoher Dynamikbereich erreicht. Weiterhin ist diese Technik für die Messung der Geschwindigkeit und der Größe sphärischer Partikel geeignet.

Am Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Universität Rostock wird das optische Ortsfilterprinzip seit Jahren eingesetzt und unter Nutzung von optischen CCD- und CMOS-Array-Sensoren weiterentwickelt [2], [3]. Mittels Wichtung einzelner Pixel bzw. Pixelreihen wird ein sehr genaues virtuelles Gitter erzeugt (vgl. Abbildung 1). Durch die Untersuchung der spektralen Verteilung von Ortsfiltersignalen und statistischen Berechnung von Strukturgrößenverteilungen ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten z.B. in der Strömungsmesstechnik und bei Oberflächenanalysen von Objekten.

Abb. 1 - Ortsfilterprinzip unter der Verwendung eines flächenhaften, strukturierten Empfängers (Differenzgitterbildung)

[1] Y. Aizu and T. Asakura, "Principles and development of spatial filtering velocimetry," Applied Physics B: Lasers and Optics, vol. V43, pp. 209-224, 1987.
[2] K. C. Michel, O. F. Fiedler, A. Richter, K. Christofori, and S. Bergeler, "A novel spatial filtering velocimeter based on a photodetector array," Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, vol. 47, pp. 299-303, 1998.
[3] S. Bergeler and H. Krambeer, "Novel optical spatial filtering methods based on two-dimensional photodetector arrays," Measurement Science and Technology, vol. 15, pp. 1309-1315, 2004.

Low-cost-Senoren zur optischen Geschwindigkeits- und Positionsbestimmung

Bei der optischen Bestimmung der Geschwindigkeit von Oberflächen, partikelbehaftete Strömungen und Stückgütern in der Produktion werden die Laser Doppler Technik, die Ortsfiltermesstechnik sowie die Korrelation (in Verbindung mit Einzelempfängern oder Array-Sensoren) angewendet. Zukünftig geht der Trend weiter zu kostengünstigen und miniaturisierten Lösungen zur berührungslosen optischen Bestimmung von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Besonders in der Entwicklung von PC-Maussensoren wird die Entwicklung stark vorangetrieben, wobei hier die Positionsbestimmung im Vordergrund steht. Untersucht wird, in wieweit sich diese Sensoren zur Onlinebestimmung der Geschwindigkeit von Objekten eignen. Abbildung 2 zeigt zwei kommerziell verwendete Maussensoren. Der ADNS-5050 (AvagoTechnologies 2008) bestimmt den Versatz zwischen den aufgenommenen Bildern des 19x19 großen Pixel-Arrays und gibt die Änderung der Position in Form von Inkrementen aus. Ein weiterer Sensor ist der Laser-Doppler-Sensor PLN2020 (Philips 2006) mit dem es sogar möglich ist auf feinsten Oberflächenstrukturen Messungen vorzunehmen.

Abb. 2 - Verwendung von handelsüblichen optischen Maussensoren zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Position von Oberflächen (links oben: ADNS5050-Maussensor, rechts unten: PLN2020-twineye-Sensor, jeweils auf einer Testplatine)

[1] AvagoTechnologies (2008) "ADNS-5050 Optical Mouse Sensor Data Sheet."Volume, DOI:
[2] Philips (2006) "Twin-Eye Laser Sensor PLN2020." Volume, 14 DOI: