DE10018949A1

DE10018949A1 - Bildverarbeitungssystem

Info

Publication number: DE10018949A1
Application number: DE10018949A
Authority: DE
Inventors: Ralf Loser; Alexander Buhl
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2001-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungssystem (1) mit wenigstens einer Lichtstrahlen (2) emittierenden Beleuchtungsquelle (3), einer Kamera (5) mit vorgeordnetem Objektiv (6) und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang der Kamera (5) anstehenden Bildsignale. In den Strahlengang der Lichtstrahlen (2) ist ein Diffusorkörper (7) einbringbar, welcher wenigstens eine partiell lichtdurchlässige Wand (8) aufweist, die im Abstand zu einem zu erfassenden Objekt (4) so angeordnet ist, dass die Wand (8) durchsetzende und dafür diffus aufgestreute und an der Wand (8) diffus reflektierte Lichtstrahlen (2) die Oberfläche des Objektes (4) zumindest partiell ausleuchten. Von der Oberfläche des Objektes (4) sind reflektierte Lichtstrahlen (2) über das Objektiv (6) zur Kamera (5) geführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Bildverarbeitungssysteme weisen wenigstens eine Lichtstrahlen emittierende Beleuchtungsquelle auf, mit welcher ein zu erfassendes Objekt beleuchtet wird. Die Beleuchtung erfolgt typischerweise nach dem Auflichtver fahren, bei welchem das Objekt mit den Lichtstrahlen beleuchtet wird und an der Oberfläche des Objektes reflektierte Lichtstrahlen über ein Objektiv auf eine Kamera geführt werden. Die Bildsignale der Kamera werden in einer der Kamera nachgeordneten Auswerteeinheit ausgewertet. Die Kamera ist bei spielsweise von einer CCD-Kamera gebildet, die Auswerteeinheit besteht aus einem Prozessrechner oder dergleichen. Die Bildverarbeitung erfolgt mittels bekannter Verfahren der digitalen Bildverarbeitung.

Ein wesentliches Problem bei derartigen Bildverarbeitungssystemen stellt die Beleuchtung des jeweiligen Objektes dar. Um eine hinreichend hohe Bildauflö sung zu erhalten, ist eine möglichst homogene Ausleuchtung der Objektober fläche erforderlich. Diese Forderung ist oftmals nur unzureichend erfüllbar. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Objekte zumindest an einigen Stel len der Oberfläche, die Lichtstrahlen sehr stark und gerichtet reflektieren.

Derartig starke Lichtreflexe treten insbesondere dann auf, wenn die Objekt oberflächen zumindest teilweise aus Reflektorfolien bestehen oder wenn bei spielsweise die Objekte aus in Folien verpackten Kartons bestehen.

Die Lichtstrahlen werden an stark reflektierenden Oberflächenstellen erheblich stärker reflektiert als an schwach reflektierenden Stellen der Oberflächen. In der Kamera überstrahlen die starken Reflexe die Lichtsignale, die von den schwach reflektierenden Stellen des Objekts zur Kamera geführt sind. Sind in den letzteren Bereichen gerade wichtige zu lesende Informationen enthalten, wie zum Beispiel Aufschriften oder Barcodes, so können diese von der Kamera nicht mehr erfasst werden, da die Kamera durch die starken Reflexe übersteuert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Bildverarbeitungssystem der eingangs genannten Art eine möglichst homogene und gleichmäßige Aus leuchtung eines zu erfassenden Objekts zu gewährleisten, so dass die Objekt oberfläche insbesondere auch dann sicher erfassbar ist, wenn diese partiell stark reflektierend ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird in den Strahlengang der Lichtstrahlen ein Diffusorkör per eingebracht, welcher wenigstens eine partiell lichtdurchlässige Wand auf weist. Der Abstand des Diffusorkörpers zu einem erfassenden Objekt ist so gewählt, dass die Wand durchsetzende und dabei diffus aufgestreute und an der Wand diffus reflektierte Lichtstrahlen die Oberfläche des Objekts zumindest partiell ausleuchten. An der Oberfläche des Objekts reflektierte Lichtstrahlen werden schließlich über das Objektiv zur Kamera geführt.

Die Lichtstrahlen, die die Wand des Diffusorkörpers durchsetzen oder die an dieser Wand reflektiert werden, sind über einen großen Raumwinkelbereich gleichmäßig aufgestreut, so dass diese ungerichtet auf die Objektoberfläche auftreffen und diese zumindest partiell homogen ausleuchten. Dadurch werden bei der Reflexion der Lichtstrahlen am Objekt starke Lichtreflexe auch dann vermieden, wenn die Objektoberfläche die Lichtstrahlen gerichtet reflektiert.

Von der so ausgeleuchteten Objektoberfläche werden somit in der Kamera Bil der mit hoher Auflösung erzeugt und zwar unabhängig davon, ob diese Ober fläche die Lichtstrahlen gerichtet reflektiert oder nicht.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt das Objekt auf einer Auflagefläche auf. Der Diffusorkörper wird dann über das Objekt gestülpt und liegt ebenfalls auf der Auflagefläche auf. Das Objekt befindet sich in einem Hohlraum im Innern des Hohlkörpers. Wenigstens eine Beleuchtungsquelle strahlt auf die äußere Mantelfläche des Diffusorkörpers Lichtstrahlen, die die Wand des Diffusorkörpers durchsetzen, wobei dabei die Lichtstrahlen stark aufgestreut werden. Im Innern des Diffusorkörpers werden die Lichtstrahlen mehrfach reflektiert und dabei nochmals aufgestreut. Der Innenraum des Diffu sorkörpers bildet somit einen Lichtkäfig, in dem die Lichtstrahlen in sämtlichen Raumrichtungen verlaufen und das Objekt homogen ausleuchten.

Der Diffusorkörper weist vorzugsweise an seiner Oberseite eine Austrittsöff nung auf, durch welche die Lichtstrahlen zur Kamera geführt sind, die oberhalb der Austrittsöffnung stationär angeordnet ist.

Zweckmäßigerweise können außerhalb des Diffusorkörpers auch mehrere Be leuchtungsquellen vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfin dungsgemäßen Bildverarbeitungssystems mit einem Diffusorkör per.

Fig. 2: Längsschnitt durch das Bildverarbeitungssystem gemäß Fig. 1.

Fig. 3a-c: Verschiedene Ausführungsformen des Diffusorkörpers.

Fig. 4a-d: Verschiedene Anordnungen von Beleuchtungsquellen an einem Diffusorkörper.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bildverarbeitungssystems 1. Dieses umfasst eine Lichtstrahlen 2 emittierende Beleuchtungsquelle 3, die zur Ausleuchtung der Oberfläche eines zu erfassen den Objekts 4 dient. Zudem ist eine Kamera 5 mit vorgeordnetem Objektiv 6 vorgesehen, auf welche zum Objekt 4 zurück reflektierte Lichtstrahlen 2 ge führt werden.

Im Gehäuse der Kamera 5 oder in einer separaten Einheit befindet sich eine nicht dargestellte Auswerteeinheit, in welcher die von der Kamera 5 erfassten Bildsignale ausgewertet werden.

Als Kamera 5 wird vorzugsweise eine CCD-Kamera eingesetzt. Die Auswerte einheit besteht aus einem Prozessrechner oder dergleichen. In dieser Auswerte einheit erfolgt die Auswertung der Bildsignale der Kamera 5 nach bekannten Verfahren der digitalen Bildverarbeitung.

Als Beleuchtungsquelle 3 werden Lichtquellen verwendet, die mit hinreichend hochfrequenter Wechselspannung betrieben werden, so dass ein flackerfreier Betrieb der CCD-Kamera gewährleistet ist. Die von der Beleuchtungsquelle 3 emittierten Lichtstrahlen 2 werden vorzugsweise gerichtet auf die Oberfläche des Objekts 4 ausgesendet, wobei Lichtstrahlen 2 sowohl im sichtbaren als auch im Infrarotbereich verwendet werden können. Als Beleuchtungsquellen 3 eignen sich insbesondere hochfrequente Leuchtstoffröhrenlampen. Alternativ können insbesondere auch Halogenstrahlen, LED-Felder oder Glühbirnen ver wendet werden.

Bei der Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 liegt das zu erfassende Objekt 4 auf einer Auflagefläche. Die Beleuchtungsquelle 3 ist seitlich zum Objekt 4 angeordnet. Die Kamera 5 mit dem Objektiv 6 befindet sich oberhalb des Ob jekts 4. Das Objekt 4 kann eine beliebige Oberflächenbeschaffenheit aufwei sen. Insbesondere kann die Oberfläche erste Gebiete aufweisen, an welchen die Lichtstrahlen 2 gerichtet reflektiert werden und zweite Gebiete aufweisen, an denen die Lichtstrahlen 2 diffus reflektiert werden.

Direkt auf die ersten Gebiete gerichtete Lichtstrahlen generieren starke Lichtre flexe in der Kamera 5.

Die von diffus reflektierenden Gebieten der Objektoberfläche zurück reflek tierten Lichtstrahlen 2 generieren im Vergleich hierzu erheblich kleinere Sig nalamplituden und können dann nicht mehr bei der Bildauswertung ausgewer tet werden, da die Kamera 5 von den starken Lichtreflexen übersteuert ist.

Um derartige Fehldetektionen zu vermeiden, ist erfindungsgemäß in den Strahlengang der Lichtstrahlen 2 ein Diffusorkörper 7 eingebracht. Der Diffu sorkörper 7 weist wenigstens eine partiell lichtdurchlässige Wand 8 auf, an welcher die Lichtstrahlen 2 diffus reflektiert und dabei aufgestreut werden. Auch die die Wand 8 durchsetzenden Lichtstrahlen 2 werden bei Austritt aus der Wand 8 in einem großen Winkelbereich stark aufgestreut. Die Wand 8 des Diffusorkörpers 7 besteht dabei besonders bevorzugt aus Milchglas.

Erfindungsgemäß ist der Diffusorkörper 7 so angeordnet, dass die Lichtstrahlen 2 die Wand 8 des Diffusorkörpers 7 durchsetzen und/oder an dieser, vorzugs weise mehrfach, reflektiert werden, bevor sie über die Objektoberfläche zur Kamera 5 geführt sind. Durch die Aufstreuung der Lichtstrahlen 2 am Diffu sorkörper 7 wird eine äußerst homogene Beleuchtung der Objektoberfläche erreicht, wodurch insbesondere starke Reflexe an spiegelnden Gebieten der Objektoberfläche vermieden werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 ist der Diffusorkör per 7 in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Dieser wird über das Objekt 4 gestülpt, so dass die Außenseite der Wand 8 des Diffusorkörpers 7 mit den Lichtstrahlen 2 der Beleuchtungsquelle 3 bestrahlt wird. Die Kamera 5 befindet sich oberhalb der kreisförmigen Austrittsöffnung 9 an der Oberseite des Diffu sorkörpers 7.

Das Objekt 4 und die oberhalb des Objekts 4 angeordnete Kamera 5 befinden sich vorzugsweise in der Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Diffu sorkörpers 7. Der Diffusorkörper 7 weist einen Hohlraum im Innern auf, der erheblich größer als das Volumen des Objekts 4 ist, so dass ein großer Abstand des Objekts 4 zur Wand 8 des Diffusorkörpers 7 erhalten wird. Die Dicke der aus Milchglas bestehenden Wand 8 des Diffusorkörpers 7 ist so gewählt, dass ein hinreichend großer Teil der Lichtstrahlen 2 die Wand 8 durchsetzt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden die die Wand 8 des Diffusorkörpers 7 durchsetzenden Lichtstrahlen 2 stark aufgestreut, so dass diese in einem großen Raumwinkelbereich in den Hohlraum des Diffusorkörpers 7 abgestrahlt wer den. Da das Objekt 4 erheblich kleiner als der Hohlraum ist, werden die Licht strahlen 2 zudem mehrfach an den Innenseiten der Wand 8 des Diffusorkörpers 7 diffus reflektiert.

Dadurch wird erreicht, dass die Lichtstrahlen 2 im Hohlraum des Diffusorkör pers 7 vollkommen ungerichtet verlaufen und somit die Oberfläche des Objekts 4 homogen ausleuchten. Die vom Objekt 4 reflektierten Lichtstrahlen 2 werden schließlich über die Austrittsöffnung 9 an der Oberseite des Diffusorkörpers 7 zur Kamera 5 geführt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 umschließt die zy lindrische Wand 8 des Diffusorkörpers 7 das Objekt 4 seitlich vollständig, wo durch eine besonders homogene Ausleuchtung der Oberfläche erzielt wird.

Weitere derartige Diffusorkörper 7, die beispielsweise kegelstumpfförmig oder kugelschalenförmig ausgebildet sind, sind in den Fig. 3a-c dargestellt. Prinzipiell kann der Diffusorkörper 7 auch aus einer Anordnung von separaten Wandelementen bestehen.

In den Fig. 4a-d sind unterschiedliche Anordnungen von Beleuchtungs quellen 3 und einem Diffusorkörper 7 dargestellt, welcher in diesem Fall die Form eines Kugelschalensegments aufweist.

Auch dieser Diffusorkörper 7 wird über ein in den Fig. 4a-d nicht darge stelltes Objekt 4 gestülpt. Der Durchmesser des Diffusorkörpers 7 verjüngt sich zu seiner Oberseite, an welcher sich die Austrittsöffnung 9 befindet. Oberhalb der Austrittsöffnung 9 ist die nicht dargestellte Kamera 5 mit dem Objektiv 6 angeordnet.

Da sich der Querschnitt des Diffusorkörpers 7 zu seinem oberen Ende hin ver jüngt, werden die Lichtstrahlen 2 an der Innenseite der Wand 8 nicht nur seit lich, sondern auch von oben in Richtung des Objekts 4 reflektiert, wodurch eine besonders homogene Beleuchtung der Objektoberfläche erreicht wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a ist analog zu dem Ausführungs beispiel gemäß den Fig. 1 und 2 eine Beleuchtungsquelle 3 vorgesehen, deren Lichtstrahlen 2 punktförmig auf die äußere Mantelfläche des Diffusor körpers 7 gerichtet sind.

Zur Erhöhung der Beleuchtungsfläche können auch mehrere, vorzugsweise identische Beleuchtungsquellen 3 vorgesehen sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4b sind zwei Beleuchtungsquellen 3 vorgesehen, die beidseits des Diffusorkörpers 7 gegenüber liegend angeord net sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4c sind vier Beleuchtungsquellen 3 vorgesehen, die jeweils seitlich zu dem Diffusorkörper 7 und um jeweils 90° versetzt zueinander angeordnet sind.

Fig. 4d zeigt eine ringförmige Anordnung von Beleuchtungsquellen 3, wel che der Diffusorkörper 7 umschließt.

Prinzipiell ist auch eine flächenförmige Beleuchtung denkbar, wobei im Grenz fall die gesamte Mantelfläche des Diffusorkörpers 7 ausgeleuchtet werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Bildverarbeitungssystem

2

Lichtstrahlen

3

Beleuchtungsquelle

4

Objekt

5

Kamera

6

Objektiv

7

Diffusorkörper

8

Wand

9

Austrittsöffnung

Claims

1. Bildverarbeitungssystem mit wenigstens einer Lichtstrahlen emittieren den Beleuchtungsquelle, einer Kamera mit vorgeordnetem Objektiv und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang der Kamera an stehenden Bildsignale, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang der Lichtstrahlen (2) ein Diffusorkörper (7) einbringbar ist, welcher we nigstens eine partiell lichtdurchlässige Wand (8) aufweist, die in Abstand zu einem zu erfassenden Objekt (4) so angeordnet ist, dass die Wand (8) durchsetzende und dabei diffus aufgestreute und an der Wand (8) diffus reflektierte Lichtstrahlen (2) die Oberfläche des Objektes (4) zumindest partiell ausleuchten, und dass von der Oberfläche des Objektes (4) re flektierte Lichtstrahlen (2) über das Objektiv (6) zur Kamera (5) geführt sind.

2. Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das auf einer Auflagefläche aufliegende Objekt (4) der Diffusorkörper (7) aufstülpbar ist, so dass das Objekt (4) im Innern eines von der Wand (8) des Diffusorkörpers (7) umschlossenen Hohlraumes liegt, wobei die Wand (8) wenigstens eine Austrittsöffnung (9) aufweist, über welche am Objekt (4) reflektierte Lichtstrahlen (2) zur Kamera (5) geführt sind.

3. Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (5) oberhalb des Objekts (4) angeordnet ist, und dass sich die Austrittsöffnung (9) an der Oberseite des Diffusorkörpers (7) befindet.

4. Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusorkörper (7) einen rotationssymmetrischen Querschnitt auf weist.

5. Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (5) und das Objekt (4) in der Symmetrieachse des Diffusor körpers (7) angeordnet sind.

6. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Hohlraum des Diffusorkörpers (7) erheblich grö ßer als das Volumen des Objektes (4) ist.

7. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Diffusorkörper (7) die Form eines Hohlzylinders aufweist.

8. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Diffusorkörper (7) die Form eines Kegelstumpfes aufweist.

9. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Diffusorkörper (7) die Form eines Kugelschalen segments aufweist.

10. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wand (8) des Diffusorkörpers (7) aus Milchglas besteht.

11. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch ge kennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (2) der Beleuchtungsquelle (3) auf die äußere Mantelfläche des Diffusorkörpers (7) gerichtet sind.

12. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch ge kennzeichnet, dass mehrere Beleuchtungsquellen (3) rotationssymmet risch bezüglich der Symmetrieachse des Diffusorkörpers (7) in Abstand zur äußeren Mantelfläche des Diffusorkörpers (7) angeordnet sind und jeweils Lichtstrahlen (2) in Richtung dieser Mantelfläche emittieren.

13. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch ge kennzeichnet, dass die oder jede Beleuchtungsquelle (3) von einer hochfrequenten Leuchtstoffröhrenlampe, einem LED-Feld, einem Halo genstrahler oder einer Glühbirne gebildet ist.

14. Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquellen (3) Lichtstrahlen (2) im sichtbaren oder Infrarotbereich emittieren.

15. Bildverarbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kamera (5) von einer CCD-Kamera gebildet ist.