Optosensoren für berührungslose Lösungen
Für eine sichere, berührungslose Post-Corona-Welt
Von Gabriele Fulco
Kontaklose Sensorik bewährte sich einmal mehr, als im Zuge der Coronaviruskrise verstärkt der Bedarf ins Zentrum der Aufmerksamkeit rückte, die Anzahl von Menschen in Räumen zu zählen und sogar die Körpertemperatur einzelner Personen innerhalb des Blickwinkels zu messen. Berührungslose Sensoren bilden die solide Grundlage von Lösungen für die Zutrittskontrolle und Körpertemperaturmessung – beides dient als Gegenmaßnahme zur Bedrohung durch Covid-19. Neueste Entwicklungen machen diese wichtigen Geräte sicherer und zuverlässiger. Solcherart Sensoren können auch ‘touch-basierte’ Schalter zur Bedienung von Leuchten und anderen Diensten ersetzen und dadurch einen weiteren potentiellen Infektionsträger verdrängen.
Automatisierte Zutrittskontrollen vereinfachen das für eine effektive Infektionsvermeidung geforderte Abstandhalten innerhalb von Gebäuden und Räumen und sogar die Regelung von Menschenmengen auf Freiflächen. Temperaturmessgeräte erkennen die An- oder Abwesenheit von Leuten oder bestätigen, dass ein System betriebsbereit ist. Für all diese Situationen gelten thermische Sensoren als fest etablierte Option, wenn es bloß um die Präsenzerkennung geht. Eine viel sachdienlichere weil genauere Kontrolle der menschlichen Körpertemperatur hingegen macht Gebäudebetreiber auf Fieber und damit eine potentielle Covid-19-Infektion durch Zutrittsuchende aufmerksam.
Ein Matrixtyp-Sensor wie der Omron D6T 4x4 unterscheidet die Temperaturen von Mensch und Hintergrund.
Solche Sensoren benötigen ein breites Sichtfeld, um die Anwesenheit und den Standort von Personen sowie andere Aspekte in einem Raum genau und zuverlässig zu erkennen. Omrons D6T-Thermosensoren beispielsweise basieren auf einem IR-Sensor, der die Oberflächentemperatur eines Zielobjekts kontaktlos mittels einer Thermosäule misst, die dessen abgestrahlte Energie aufnimmt.
Die MEMS-Thermosäule auf modernstem Stand der Technik integriert einen maßgeschneiderten Sensor-ASIC, der einen Signalverarbeitungsmikroprozessor und -Algorithmus in einem winzigen Gehäuse bündelt. Daher bietet der Sensor den branchenweit wahrscheinlich höchsten Rauschabstand (SNR). Das System kann eindeutige und verlässliche Messwerte leicht interpretieren.
Menschen vom Hintergrund unterscheiden
Mit einem Matrixtyp-Sensor lassen sich die Temperaturen von Mensch und Hintergrund sehr einfach voneinander trennen. Praxisanwendungen hängen daher von der Anzahl der Sensorelemente ab und in welcher Nähe zum Menschen sie sich befinden. Der Einsatz von Infrarotdetektoren bedeutet es gibt keine Signalabsenkung durch die Atmosphäre. Die Auflösung beruht also ausschließlich auf dem Sichtfeld des Sensors.
Viele dieser Anwendungen können mit etablierten Produkten, vom Einzelsensor bis zu Arrays aus 1024 Elementen, bedient werden. Zum Zwecke der Zutrittskontrolle misst der Sensor D6T 4x4 die Gesichtswärme aus bis zu einem Meter Entfernung; der D6T Single-Eye-Sensor hingegen eignet sich eher für am Handgelenk oder an der Stirn zu tragende Geräte. Bei entsprechender Kalibrierung erreicht der D6T 4x4 eine Temperaturgenauigkeit von ±0,2 °C – das reicht für einen zuverlässigen Fiebernachweis.
Bei größeren Entfernungen bietet eine Weitwinkelversion des D6T mit 32x32 Elementen einen Betrachtungswinkel von 90.0° mal 90.0°. Dies entspricht einem quadratischen Blickfeld von 2x2 Metern, so dass sich alle Personen in einem Raum dieser Größe von einem einzigen Punkt aus erfassen lassen. Fiebererkennung wird in diesem Fall jedoch aufgrund der geminderten Präzision bei größeren Entfernungen etwas unzuverlässiger. Bei einer Objektentfernung vom 1 Meter hingegen ist sie genau. Zuverlässige Temperaturmessungen sind sogar dann möglich, wenn das Gesicht teilweise bedeckt ist, zum Beispiel durch Brillengläser oder eine Schutzbrille oder eine PPE-Gesichtsmaske.
Das weite Sichtfeld des Omron D6T 32x32 ermöglicht die Erkennung von Menschen im gesamten Raum von nur einem Punkt aus.
COVID19-Infektionen mithilfe intelligenter Sensoren verringen
Mit den Folgen einer Pandemie fertig zu werden erfordert mehr als nur Daten. Intelligenz in Form einer ‘Human Vision Technology’ erweitert das Spektrum Optosensor-basierter Gegenmaßnahmen gegen das Coronavirus zusätzlich. Smarte Optosensoren wie Omrons HVC-2 Bildsensoren erkennen Gesichter, Gesichtszüge und menschliche Körper – sogar mit der Einschätzung von Alter und Geschlecht der Menschen auf den Bildaufnahmen. Jeder Embedded-Entwickler kann einem System Gesichtserkennungsfunktionalität hinzufügen, ohne die Algorithmen oder das Optikdesign verstehen zu müssen. Dies wiederum macht es möglich, ein solches System zum Beispiel mit Datenbanken für die Nachverfolgung von Corona-Opfern und ihrer Kontakte zu verlinken.
Human Vision Components sind modulare Lösungen. Jede bietet zehn entscheidende Bilderfassungsfunktionen: Ortung von Gesicht, Hand und Körper eines Menschen, Gesichtserkennung, Geschlechtsbestimmung, Altersschätzung, die Einschätzung der augenblicklichen Gemütsverfassung, Kopfhaltung, Blickrichtung und Blinzelhäufigkeit. Für jeden dieser Fälle gibt das Modul einen Wert aus, gemeinsam mit einer Wertung der Sicherheitswahrscheinlichkeit. Dies erlaubt es dem Programmierer, die Antwort für jede einzelne Anwendung passen zu konfigurieren. Persönliche oder private Daten werden nicht gespeichert, so dass diese Geräte die Privatsphäre nicht verletzen.
Die Technologie ist äußerst kompakt gestaltet und lässt sich gut in bestehende Systeme integrieren oder in Neudesigns implementieren.
Grundlegende Bilderkennungsfunktionen helfen beim Abstandhalten am Arbeitsplatz oder in der Öffentlichkeit durch das Zählen der Menschen in einem Raum oder das Erkennen, ob Menschen zu dicht beieinander sind. Bei anspruchsvolleren Lösungen – z.B. Digital Signage, Verkaufsautomaten und Bezahlstationen – kann auf den physikalischen Kontakt zwischen Mensch und Maschine verzichtet werden. Bei Digital Signage-Anwendungen können automatische Gesichtserkennung, Alters- und Geschlechtsabschätzung den Umfang der erforderlichen physischen Interaktion von Kunden vor einer Installation reduzieren. Solch ein Ansatz ließe sich nutzen, um Angehörige einer Risikogruppe zu identifizieren und diese gezielt anzusprechen.
Intelligente optische Sensoren wie Omrons HVC-2 Bildsensoren können sogar das Alter und Geschlecht eines Menschen auf den Bildaufnahmen schätzen.
Mit diesen Sensoren lassen sich diverse infektionsbegrenzende Vorkehrungen in einem Visionsmodulsatz integrieren. Die gesammelten Daten könnten automatisch beantwortet, gespeichert oder zentral gesammelt und, falls nötig, an einen Operator weitergeleitet werden. Am Arbeitsplatz könnten Personenströme in den Räumlichkeiten oder auf dem Betriebsgelände nachverfolgt werden, mit Ankunfts- und Abschiedserkennung, und der physische Kontakt bei der individuellen Einstellung von Heizung, Belüftung und Beleuchtung verringert werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten gehen aber über öffentliche Räume und den Arbeitsplatz hinaus. Auch in medizinischen und Betreuungseinrichtungen unterstützen Bildsensoren den Kampf gegen Covid-19. Durch Zutrittskontrolle auf Basis von Körpertemperatur oder Gesichtserkennung helfen sie dabei, Abstand zu halten und Überfüllungen entgegenzuwirken, außerdem noch, Infizierte von Gesunden zu trennen.
Kontaktloses Schalten
Vor Corona langten wir alle nach dem Lichtschalter, ohne lang zu überlegen. Heute sind wir vorsichtiger. Türen, Getränkeautomaten, Seifenspender, Toilettenspülungen – jeden Tag betätigen wir, am Arbeitsplatz und anderen öffentlichen Umgebungen, zahllose Schalter, die auch zahlreiche andere völlig fremde Personen angefasst haben. Dies ist für viele nicht länger hinnehmbar und wird tatsächlich auch zum Gegenstand regulatorischer Beschränkungen. Zum Glück gibt es kontaktlose Sensoren als ideale Lösung, die sich auf einfache Weise in Umgebungen einsetzen lässt, in denen die Ausbreitung schädlicher Bakterien und Viren eingedämmt werden muss. Die neuesten Geräteversionen sind außerordentlich leistungsfähig und verfügen über einen größeren Detektionsbereich und einen konvergenten Lichtstrahl, der bei einem Objekt innerhalb eines genau festgelegten Zielbereichs akkurat auslöst und dabei alle Objekte im Hintergrund oder Vordergrund ausblendet. Omrons B5W-LB LCR Sensoren zeichnen sich durch die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit ihrer Erkennungsleistung aus, selbst bei verschiedenfarbigen Zielobjekten mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit einschließlich spiegelnder Flächen. Digitale Ausgänge simpel und leicht für eine integrierte elektronische Steuerung, die zuverlässig die erwartete Performance liefert.
Ein Blick in die Zukunft
Wer weiß, wie das ‘neue Normal’ tatsächlich aussehen wird? Zweifellos sind Änderungen in der Arbeitswelt und zuhause angesichts der jüngsten Erfahrungen echt notwendig. Optosensor-Technologie spielt eine bedeutsame Rolle. Vielleicht werden berührungslose Schalter die Norm, auch wenn COVID-19 eines Tages nur noch eine ferne Erinnerung sein wird.