DE102009018464A1 - Optical sensor for use in automation engineering for quality control in production process, has evaluation unit to evaluate output signals of flat camera, where information of surface and form detection are brought together in unit - Google Patents

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Abstract

The sensor (1) has an evaluation unit (5) to evaluate output signals of a flat camera (2). The sensor is operated in two operation modes in an alternating manner, where surface detection of an object (11) in one of the modes. Color or intensity values are determined for individual image points of the flat camera in the former operation mode. Form of the object is determined in another one of the operation modes in which distance values of the object are determined for each image point of the flat camera. Information of surface and form detection are brought together in the evaluation unit.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an optical sensor according to the preamble of the claim 1.

Derartige optische Sensoren werden typischerweise im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt. Dabei werden die optischen Sensoren bevorzugt zur Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen eingesetzt um zu prüfen, ob Objekte hinsichtlich ihrer Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit bestimmte Anforderungen erfüllen.such Optical sensors are typically used in the field of automation technology. The optical sensors are preferred for quality control Used in production processes to check for objects their shape and / or surface texture Meet requirements.

Bekannte optische Sensoren der in Rede stehenden Art stellen bildverarbeitende Systeme dar, welche eine Flächenkamera und eine dieser zugeordnete Beleuchtungseinheit aufweisen. Mit der Beleuchtungseinheit erfolgt die Beleuchtung einer Szene, in welcher zu detektierende Objekte vorhanden sind. Die Flächenkamera ist typischerweise als Schwarz/Weiß- oder Farbkamera ausgebildet und weist eine matrixförmige Anordnung von Bildpunkten auf.Known optical sensors of the type in question provide image processing Systems representing a surface camera and have a lighting unit associated therewith. With the Lighting unit is the lighting of a scene in which to be detected objects are present. The area camera is typical as black and white or color camera and has a matrix-shaped arrangement of pixels.

Zur Erkennung von Objekten hat sich als wirksame Methode die sogenannte BLOB(binarized large object)-Analyse etabliert. Bei der BLOB Analyse werden Objekte innerhalb eines Bildes von einem Hintergrund separiert, so dass danach die Objekte einzeln ausgewertet werden können.to Detection of objects has proved to be an effective method BLOB (binarized large object) analysis established. In the BLOB analysis objects within an image are separated from a background, so that afterwards the objects can be evaluated individually.

Die Separation der Objekte vom Hintergrund erfolgt dabei anhand eines binarisierten Bildes. Ist die Flächenkamera beispielsweise von einer Schwarz/Weiß-Kamera gebildet, so liegen die Bildinformationen eines Bildes zunächst in Form analoger Grauwerte für die einzelnen Bildpunkte vor. Durch eine Schwellwertbewertung wird ein binäres Bild generiert, bei welchem den ein zelnen Bildpunkten ein Hell- oder Dunkelwert als binärer Wert zugeordnet ist. Ein Objekt kann dann von einem zusammenhängenden Bereich von dunklen Bildpunkten gebildet sein, während die hellen Bildpunkte den Hintergrund bilden.The Separation of the objects from the background is based on a binarized image. Is the area camera for example, formed by a black and white camera, so are the picture information an image first in the form of analog gray values for the individual pixels before. By a threshold evaluation is a binary one Image in which the individual pixels are given a light or dark value as binary Value is assigned. An object can then be of a contiguous Range of dark pixels can be formed while the bright pixels form the background.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass dieses nur dann funktioniert, wenn sich die Objekte vom Hintergrund hinsichtlich ihres Farb- oder Hell/Dunkel-Kontrastes deutlich vom Hintergrund abheben. Bei kontrastarmen Bildern ist jedoch die BLOB-Analyse mit hohen Unsicherheiten behaftet oder überhaupt nicht mehr durchführbar.adversely with this procedure is that this works only if the objects from the background are clear in terms of their color or light / dark contrast stand out from the background. For low-contrast images, however, is the BLOB analysis fraught with high uncertainties or at all no longer feasible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit diesem auch bei kontrastarmen Bildern eine sichere Objekterfassung möglich ist.Of the Invention is based on the object, an optical sensor of the type mentioned above in such a way that with this also at low-contrast images, a secure object detection is possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to solution This object, the features of claim 1 are provided. advantageous embodiments and appropriate training The invention are described in the subclaims.

Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst eine Flächenkamera, eine Beleuchtungseinheit, sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der wenigstens einen Beleuchtungseinheit und/oder Flächenkamera und eine Auswerteeinheit, in welcher Ausgangssignale der Flächenkamera auswertbar sind. Der optische Sensor ist alternierend in zwei Betriebsarten betrieben, wobei in einer ersten Betriebsart eine Oberflächenerfassung eines Objekts erfolgt, indem für die einzelnen Bildpunkte der Flächenkamera Farb- oder Intensitätswerte bestimmt werden. In einer zweiten Betriebsart wird die Form des Objekts bestimmt, indem für jeden Bildpunkt der Flächenkamera Distanzwerte des Objekts ermittelt werden. In der Auswerteeinheit werden die Informationen der Oberflächen- und Formerfassung zusammengeführt.Of the according to the invention optical Sensor includes a surface camera, a lighting unit, and a control unit for control the at least one lighting unit and / or area camera and an evaluation unit, in which output signals of the area camera are evaluable. The optical sensor is alternating in two modes operated, wherein in a first mode, a surface detection an object takes place by for the individual pixels of the area camera color or intensity values be determined. In a second mode of operation, the shape of the Object determined by for every pixel of the area camera Distance values of the object can be determined. In the evaluation unit The information of surface and shape detection is merged.

Der erfindungsgemäße optische Sensor stellt ein bildverarbeitendes System dar, das vorteilhaft in der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen, eingesetzt wird.Of the according to the invention optical Sensor is an image processing system that is beneficial in automation technology, in particular for quality control in production processes.

Die hierfür erforderliche zuverlässige und genaue Erkennung von Objekten und deren Strukturen wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, dass mit dem optischen Sensor nicht nur eine Oberflächenerfassung eines Objekts durchgeführt wird indem für die einzelnen Bildpunkte einer Flächenkamera Farb- oder Intensitätswerte bestimmt werden. Vielmehr werden als zusätzliche Bildinformationen für die Bildpunkte der oder einer weiteren Flächenkamera Distanzwerte ermittelt, anhand derer die Form des Objekts bestimmt werden kann. Die Oberflächen- und Distanzinformationen werden dann in der Auswerteeinheit zusammengeführt, so dass beide simultan für die Objekterkennung zur Verfügung stehen. Damit ist eine besonders genaue und zuverlässige Objekterkennung möglich. Dies gilt insbesondere auch für äußerst kontrastarme Bilder, da auch bei diesen durch die zusätzlich zur Verfügung stehenden Distanzinformationen Objekte und deren Strukturen genau erfasst werden können.The therefor required reliable and accurate recognition of objects and their structures according to the invention thereby guaranteed that with the optical sensor not just a surface detection an object is going by for the individual pixels of a surface camera color or intensity values be determined. Rather, as additional image information for the pixels the or another area camera Distance values are determined on the basis of which determines the shape of the object can be. The surface and Distance information is then merged in the evaluation unit, so that both simultaneously for the object recognition available stand. This is a particularly accurate and reliable object detection possible. This is especially true for extremely low-contrast Images, as well as these by the additionally available distance information Objects and their structures can be detected exactly.

Besonders vorteilhaft werden Objekte innerhalb eines Bildes von einem Hintergrund durch eine erweiterte BLOB-Analyse separiert. Im Unterschied zu einer herkömmlichen BLOB-Analyse werden nicht nur Farb- oder Intensitätswerte, sondern auch Distanzwerte herangezogen, um Objekte von dem Hintergrund zu trennen. Die so erweiterte BLOB-Analyse ermöglicht eine zuverlässigere und genauere Separation der Objekte.Especially Advantageously, objects within an image become of a background separated by an advanced BLOB analysis. In contrast to a conventional one BLOB analysis does not just become color or intensity values, but also distance values used to get objects from the background to separate. The advanced BLOB analysis allows for more reliable and more accurate separation of the objects.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Form- und Oberflächeninformationen zur Objekterkennung in Echtzeit generiert werden, so dass nicht nur eine genaue, sondern auch eine schnelle Objekterkennung gewährleistet ist.An essential advantage of the invention is that the shape and surface information be generated for object recognition in real time, so that not only an accurate, but also a fast object recognition is guaranteed.

Hierzu wird der optische Sensor alternierend in zwei Betriebsarten betrieben. Zweckmäßigerweise wird in einer ersten Betriebsart ein Bild mit Distanzwerten und dann in einer zweiten Betriebsart ein Bild mit Farb- oder Intensitätswerten ermittelt. In der Auswerteeinheit werden dann die Distanzinformationen einerseits und die Farb- oder Intensitätswerte andererseits zur Objekterkennung zusammen geführt. Dieser Vorgang wird dann periodisch wiederholt. Prinzipiell können während jeder Betriebsart auch mehrere gleichartige Bilder ermittelt werden, um beispielsweise eine Mittelung mehrerer Bilder durchzuführen.For this the optical sensor is operated alternately in two modes. Appropriately, will in a first mode, an image with distance values and then in a second mode, a picture with color or intensity values determined. In the evaluation then the distance information on the one hand and the color or intensity values on the other hand led together for object recognition. This process will then repeated periodically. In principle, several can also be used during each operating mode similar images are determined, for example, an averaging to take several pictures.

Besonders vorteilhaft können einzelne oder mehrere Sensorkomponenten in Form von Beleuchtungseinheiten oder Flächenkameras für die Form- und Oberflächenerfassung der Objekte gemeinsam genutzt werden, wodurch ein besonders einfacher, kompakter und kostengünstiger Aufbau des optischen Sensors erhalten wird.Especially can be advantageous single or multiple sensor components in the form of lighting units or area cameras for the Form and surface detection the objects are shared, making it a particularly simple, compact and cheaper Structure of the optical sensor is obtained.

Gemäß einer ersten Variante der Erfindung erfolgt die Distanzmessung mit dem optischen Sensor nach dem Triangulationsprinzip. In diesem Fall kann eine als Schwarz/Weiß- oder Farbkamera ausgebildete Flächenkamera nicht nur zur Oberflächenbestimmung, sondern auch zur Durchführung der Distanzmessungen verwendet werden.According to one first variant of the invention, the distance measurement with the optical sensor according to the triangulation principle. In this case can one as black and white or color camera trained area camera not only for surface determination, but also to carry out the distance measurements are used.

Während bei der Oberflächenbestimmung eine Beleuchtungseinheit zur homogenen Beleuchtung der zu detektierenden Objektoberfläche eingesetzt wird, wird zur Durchführung der Distanzmessungen eine Beleuchtungseinheit verwendet, mittels derer auf der Objektoberfläche ein definiertes Streifenmuster generiert wird. Durch das Höhenprofil der Objektoberfläche erfolgt dann eine Verbesserung des Streifenmusters, die in der Flächenkamera registriert und in der Auswerteeinheit zur Bestimmung von dreidimensionalen Abstandsdaten und damit zur Form des Objekts ausgewertet wird.While at the surface determination one Lighting unit for homogeneous illumination of the detected object surface is used is to carry out the distance measurements used a lighting unit by means of which on the object surface a defined stripe pattern is generated. By the height profile the object surface Then there is an improvement of the stripe pattern in the area camera registered and in the evaluation unit for the determination of three-dimensional Distance data and thus to the shape of the object is evaluated.

Bestehen die einzelnen Streifenmuster aus identischen Streifen, so kann es zu Mehrdeutigkeiten in der Auswertung der einzelnen Streifen kommen, wenn beispielsweise durch stärkere Verzerrungen und Versetzungen einzelner Strei fen auf der Objektoberfläche eine eindeutige Zuordnung einzelner Streifensegmente nicht mehr möglich ist.Consist the individual stripe patterns of identical stripes, so it can to come to ambiguity in the evaluation of each strip, though for example, by stronger ones Distortions and dislocations of individual strips on the object surface unambiguous assignment of individual strip segments is no longer possible.

Um diese die Abstandsmessungen verfälschende Mehrdeutigkeiten zu eliminieren, können Streifenmuster aus unterschiedlich ausgebildeten Streifen bestehen. So können die einzelnen Streifen unterschiedliche Kodierungen in Form unterschiedlicher Muster, Farben und/oder Breiten aufweisen. Auch die Abstände zwischen den Streifen können unterschiedlich sein.Around this falsifying the distance measurements To eliminate ambiguity, stripe patterns can be different consist of trained strips. So the individual stripes can be different Coding in the form of different patterns, colors and / or widths exhibit. Also the distances between the strips can be different.

Als Beleuchtungseinheit zur Generierung derartiger Streifenmuster eignen sich insbesondere Videoprojektoren und Videogeneratoren, die in neuester Zeit als Bildprojektoren in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Die Videoprojektoren oder die Videogeneratoren bilden hochintegrierte, elektrooptische Einheiten, die in besonders kleinen Bauformen herstellbar sind. Zudem weisen die Videoprojektoren oder Videogeneratoren bei kleinem Bauvolumen hohe Leistungsdichten auf, so dass auch bei größeren Objektdistanzen und Objektoberflächen die Streifenmuster exakt vorgegeben werden können, wodurch eine genaue Abstandsmessung ermöglicht wird.When Lighting unit for generating such stripe pattern are suitable In particular, video projectors and video generators used in Recently used as image projectors in mobile phones. The video projectors or video generators are highly integrated, Electro-optical units that can be produced in particularly small designs are. In addition, the video projectors or video generators Small construction volume high power densities, so that even with larger object distances and object surfaces the stripe patterns can be specified exactly, resulting in an accurate distance measurement is possible.

Insbesondere ein Videoprojektor kann auch derart betrieben werden, dass mit diesem eine homogene Beleuchtung einer Objektoberfläche durchführ ist. Durch eine Betriebsartumschaltung kann daher ein solcher Videoprojektor sowohl als Streifenmuster generierende Beleuchtungseinheit für die Distanzmessungen als auch als homogene Beleuchtungsquelle für die Oberflächenerfassung eingesetzt werden.Especially a video projector can also be operated in such a way that with this a homogeneous illumination of an object surface is performing. By a mode switchover Therefore, such a video projector can generate both as a striped pattern Lighting unit for the distance measurements as well as a homogeneous illumination source for surface detection be used.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung werden die Distanzmessungen mittels einer Lichtlaufzeitmessung durchgeführt. Die Flächenkamera ist zur Durchführung der nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessung von einer TOF(time of flight)- oder von einer PMD(Photonic Mixer Device)-Kamera gebildet. In diesem Fall wird zur Oberflächenerfassung eine separate Flächenkamera in Form einer Schwarz/Weiß- oder Farbkamera einge setzt. Allerdings kann zur nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessung und zur Oberflächenerfassung dieselbe Beleuchtungseinheit verwendet werden, da in beiden Fällen eine Beleuchtungseinheit verwendet wird, mittels derer die Objektoberfläche homogen ausgeleuchtet wird.According to one second variant of the invention, the distance measurements using performed a light transit time measurement. The area camera is to carry out the after a time of flight measurement taking distance measurement of one TOF (time of flight) - or from a PMD (Photonic Mixer Device) camera educated. In this case, the surface detection becomes a separate one Areascan in the form of a black and white or color camera is set. However, after a time of flight measurement taking distance measurement and for surface detection the same lighting unit used be, because in both cases a lighting unit is used, by means of which the object surface is homogeneous is illuminated.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. It demonstrate:

1: Erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors. 1 : First embodiment of an optical sensor.

2: Darstellung eines in einer ersten Betriebsart des optischen Sensors generierten Bildes. 2 : Representation of an image generated in a first operating mode of the optical sensor.

3: Darstellung eines in einer zweiten Betriebsart des optischen Sensors generierten Bildes. 3 : Representation of an image generated in a second operating mode of the optical sensor.

4: Zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors. 4 : Second embodiment of an optical sensor.

5: Drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors. 5 Third Embodiment of an Optical Sensor

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 stellt ein bildverarbeitendes System dar und weist als Sensorkomponente eine Flächenkamera 2 mit vorgeordneter Optik 3 sowie eine in Abstand zur Flächenkamera 2 angeordnete Beleuchtungseinheit in Form eines Videoprojektors 4 auf. Die Sensorkomponenten sind mit einer Auswerteeinheit 5 in einem Sensorgehäuse 6 integriert. Die Auswerteeinheit 5 bildet zugleich eine Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs der Flächenkamera 2 des Videoprojektors 4 und ist von einer Rechnereinheit wie einem Mikroprozessor gebildet. In der Auswerteeinheit 5 erfolgt weiterhin die Auswertung der Ausgangssignale der Flächenkamera 2. 1 shows a first embodiment of an optical sensor 1 , The optical sensor 1 represents an image processing system and has a surface camera as a sensor component 2 with upstream optics 3 as well as at a distance from the area camera 2 arranged lighting unit in the form of a video projector 4 on. The sensor components are equipped with an evaluation unit 5 in a sensor housing 6 integrated. The evaluation unit 5 at the same time forms a control unit for controlling the operation of the area camera 2 of the video projector 4 and is formed by a computer unit such as a microprocessor. In the evaluation unit 5 the evaluation of the output signals of the area camera continues 2 ,

Die Flächenkamera 2 des optischen Sensors 1 gemäß 1 besteht aus einem CCD- oder einem CMOS-Array. Prinzipiell kann die Kamera als Farbkamera ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall ist die Flächenkamera 2 als Schwarz/Weiß-Kamera ausgebildet, das heißt die Ausgangssignale der Bildpunkte der Flächenkamera 2 bilden analoge Grauwerte, die in der Auswerteeinheit ausgewertet werden.The area camera 2 of the optical sensor 1 according to 1 consists of a CCD or a CMOS array. In principle, the camera can be designed as a color camera. In the present case, the area camera 2 designed as a black and white camera, that is, the output signals of the pixels of the area camera 2 form analog gray values, which are evaluated in the evaluation unit.

Der Videoprojektor 4 des optischen Sensors 1 gemäß 1 weist eine Anordnung von Lichtstrahlen 7 emittierenden Lichtquellen 8 auf. Im vorliegenden Fall sind die Lichtquellen 8 von Hochleistungs-Leuchtdioden gebildet. Der Anordnung von Lichtquellen 8 ist ein transmissives LCD (Liquid Crystal Display)-Array 9 nachgeordnet. Zudem weist der Videoprojektor 4 eine Optik 10 zur Strahlformung der Lichtstrahlen 7 auf.The video projector 4 of the optical sensor 1 according to 1 has an arrangement of light rays 7 emitting light sources 8th on. In the present case, the light sources 8th formed by high-power LEDs. The arrangement of light sources 8th is a transmissive LCD (Liquid Crystal Display) array 9 downstream. In addition, the video projector points 4 an optic 10 for beam shaping of the light beams 7 on.

Alternativ kann das LCD-Array 9 durch ein Miniatur-Spiegelarray, bestehend aus einer Vielzahl von beweglichen Spiegeln sehr kleiner Abmessungen, ersetzt sein. Die Lichtquellen 8 können dann wieder aus einer Anordnung von Hochleisstungs-Leuchtdioden bestehen. Alternativ können die Lichtquellen 8 aus einer Anordnung von Hochleistungs-Laserdioden bestehen.Alternatively, the LCD array 9 be replaced by a miniature mirror array consisting of a large number of movable mirrors very small dimensions. The light sources 8th can then again consist of an array of high-light-emitting diodes. Alternatively, the light sources 8th consist of an array of high-power laser diodes.

Anstelle des Videoprojektors 4 kann auch ein Videogenerator eingesetzt werden. Der Videogenerator bildet ein scannendes Projektionssystem, bei welchem mehrere Laserdioden vorgesehen sind, die bevorzugt Laserlicht in unterschiedlichen Farben emittieren. Die Laserstrahlen 4 werden mittels eines Scanspiegels vorzugsweise in zwei Raumrichtungen abgelenkt.Instead of the video projector 4 You can also use a video generator. The video generator forms a scanning projection system in which a plurality of laser diodes are provided, which preferably emit laser light in different colors. The laser beams 4 are deflected by means of a scanning mirror, preferably in two spatial directions.

Mit dem optischen Sensor 1 wird, insbesondere zu Zwecken der Qualitätssicherung in einem Produktionsprozess, ein Objekt 11 erkannt, das auf einer ebenen Unterlage 12 aufliegt. Im vorliegenden Fall weist das Objekt 11 die Form einer Halbkugel auf.With the optical sensor 1 becomes, in particular for quality assurance purposes in a production process, an object 11 recognized, on a flat surface 12 rests. In the present case, the object indicates 11 the shape of a hemisphere.

Durch die Ansteuerung mit der Steuereinheit werden die Sensorkomponenten des optischen Sensors 1 alternierend nacheinander in zwei unterschiedlichen Betriebsarten betrieben. In der ersten Betriebsart wird die Oberflächenbeschaf fenheit des Objekts 11 ermittelt, indem ein Kontrastbild des auf der Unterlage liegenden Objekts 11 ermittelt wird. Ein solches Kontrastbild zeigt 2. Der Videoprojektor 4 wird in diesem Fall so betrieben, dass er eine homogene Beleuchtungseinheit bildet. Durch eine Binarisierung der Grauwerte der einzelnen Bildpunkte wird, wie aus 2 ersichtlich, im Kontrastbild das Objekt 11 als dunkler zusammenhängender Bereich vor einem hellen, von der Unterlage gebildeten Hintergrund erhalten.By driving with the control unit, the sensor components of the optical sensor 1 alternately operated in succession in two different modes. In the first mode, the surface condition of the object becomes 11 determined by taking a contrast image of the underlying object 11 is determined. Such a contrast image shows 2 , The video projector 4 is operated in this case so that it forms a homogeneous illumination unit. By a binarization of the gray values of the individual pixels, as is 2 visible, in the contrast image the object 11 obtained as a dark contiguous area in front of a light background formed by the substrate.

In der zweiten Betriebsart wird der optische Sensor 1 als ein nach dem Triangulationsprinzip arbeitender Distanzsensor betrieben. In dieser Betriebsart wird der Videoprojektor 4 derart betrieben, dass mit diesem ein Streifenmuster generiert wird, das auf die Unterlage und die Objektoberfläche projiziert wird. Das vom Videoprojektor 4 generierte Streifenmuster besteht, wie aus dem Bild gemäß 3 ersichtlich, aus einer Folge parallel laufender Streifen 13. Um die einzelnen Streifen 13 voneinander unterscheiden zu können, können diese unterschiedliche Breiten oder Abstände zueinander aufweisen.In the second mode, the optical sensor 1 operated as a working according to the triangulation principle distance sensor. In this mode, the video projector 4 operated such that with this a stripe pattern is generated, which is projected onto the base and the object surface. The video projector 4 generated stripe pattern exists as shown in the picture 3 seen from a series of parallel stripes 13 , To the individual stripes 13 to be able to distinguish from each other, they may have different widths or distances from each other.

Wie aus 3 weiter ersichtlich, wurden die Streifen 13 im Bereich des Objekts 11 verzerrt, wobei die Verzerrungen das Höhenprofil des Objekts 11 kennzeichnen. Mit der Flächenkamera 2 werden diese Streifen 13 und deren Verzerrungen detektiert. In der Auswerteeinheit 5 wird durch Auswertung der Verzerrungen der Streifen 13 Distanzwerte des Objekts 11 und der Unterlage und damit das Höhenprofil und die Form des Objekts 11 bestimmt.How out 3 further evident were the strips 13 in the area of the object 11 distorted, with the distortions the height profile of the object 11 mark. With the area camera 2 become these stripes 13 and their distortions detected. In the evaluation unit 5 is by evaluating the distortions of the stripes 13 Distance values of the object 11 and the base and thus the height profile and the shape of the object 11 certainly.

In jedem Zyklus werden die beiden für die zwei Betriebsarten ermittelten Bilder (gemäß 2 und 3) in der Auswerteeinheit 5 zusammen ausgewertet, so dass die in der ersten Betriebsphase bei der Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit ermittelten Intensitätswerte für die einzelnen Bildpunkte einerseits und die in der zweiten Betriebsphase für die einzelnen Bildpunkte ermittelten Distanzwerte zusammengeführt sind.In each cycle, the two images determined for the two operating modes (in accordance with 2 and 3 ) in the evaluation unit 5 evaluated together so that the determined in the first phase of operation in determining the surface condition intensity values for the individual pixels on the one hand and the distance values determined in the second phase of operation for the individual pixels are merged.

Diese Bildinformationen können in einer erweiterten BLOB-(binarized large object)Analyse dazu verwendet werden, das zu detektierende Objekt 11 von dem von der Unterlage gebildeten Hintergrund zu separieren. Das so separierte Objekt 11 kann dann hinsichtlich seiner Form und Oberflächenbeschaffenheit analysiert werden.This image information can be used in an extended BLOB (binarized large object) analysis to identify the object to be detected 11 to separate from the background formed by the pad. The thus separated object 11 can then be analyzed in terms of its shape and surface finish.

4 zeigt die Sensorkomponente eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors 1. Das Sensorgehäuse 6 und die Auswerteeinheit 5, die analog zur Ausführungsform gemäß 1 vorhanden sind, sind in 4 nicht gesondert dargestellt. Die Anordnung gemäß 4 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dahingehend erweitert, dass außer dem Videoprojektor 4 als weitere Beleuchtungseinheit eine Leuchtdiodenanordnung 14 vorgesehen ist. Der Videoprojektor 4 und die Beleuchtungseinheit sind beidseits der Flächenkamera 2 angeordnet, die wiederum als Schwarz/Weiß-Kamera ausgebildet ist. 4 shows the sensor component of a second embodiment of an optical sensor 1 , The sensor housing 6 and the evaluation unit 5 , analogous to the embodiment according to 1 are present in 4 not shown separately. The arrangement according to 4 is compared to the embodiment according to 1 extended to that except the video projector 4 as a further lighting unit, a light-emitting diode array 14 is provided. The video projector 4 and the lighting unit are on both sides of the area camera 2 arranged, which in turn is designed as a black and white camera.

In der ersten Betriebsphase, in welcher zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit mit der Flächenkamera 2 wieder Kontrastbilder von zu detektierenden Objekten 11 generiert werden, wird über die in der Auswerteeinheit 5 integrierte Steuereinheit die Leuchtdiodenanordnung zur homogenen Ausleuchtung einer Szene aktiviert, während der Videoprojektor 4 deaktiviert ist.In the first operating phase, in which to determine the surface condition with the surface camera 2 again contrast images of objects to be detected 11 are generated via the in the evaluation unit 5 integrated control unit activates the light emitting diode array for homogeneous illumination of a scene while the video projector 4 is disabled.

In der zweiten Betriebsphase erfolgen wieder Distanzmessungen nach dem Triangulationsprinzip. In diesem Fall ist die Leuchtdiodenanordnung deaktiviert, während der Videoprojektor 4 zur Generierung des Streifenmusters aktiviert ist.In the second operating phase, distance measurements are again carried out according to the triangulation principle. In this case, the light emitting diode array is disabled while the video projector 4 is activated to generate the stripe pattern.

Die Signalauswertung zur Objekterfassung erfolgt analog zur Ausführungsform gemäß 1.The signal evaluation for object detection takes place analogously to the embodiment according to FIG 1 ,

5 zeigt die Sensorkomponente eines dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors 1. Das Sensorgehäuse 6 und die Auswerteeinheit 5, die ana log zur Ausführungsform gemäß 1 vorhanden sind, sind in 5 nicht gesondert dargestellt. 5 shows the sensor component of a third embodiment of an optical sensor 1 , The sensor housing 6 and the evaluation unit 5 , which is analogous to the embodiment according to 1 are present in 5 not shown separately.

Bei der Ausführungsform gemäß 5 sind zur Oberflächenerfassung von Objekten 11 während der ersten Betriebsphase und zur Distanzmessung während der zweiten Betriebsphase unterschiedliche Flächenkameras 2, 2' vorgesehen. Als Flächenkamera 2 zur Durchführung der Oberflächenerfassung ist wiederum eine Schwarz/Weiß-Kamera vorgesehen. Die Distanzmessung während der zweiten Betriebsphase erfolgt im vorliegenden Fall durch eine Lichtlaufzeitmessung. Je nachdem ob die Distanzmessung nach einem Pulslaufzeitverfahren oder nach einem Phasenmessverfahren erfolgt, ist die hierzu verwendete Flächenkamera 2' als TOF-(time of flight)-Kamera oder als PMD(Photonic Mixer Device)-Kamera ausgebildet.In the embodiment according to 5 are for surface detection of objects 11 during the first phase of operation and distance measurement during the second phase of operation different area cameras 2 . 2 ' intended. As an area camera 2 to perform the surface detection is again provided a black and white camera. The distance measurement during the second operating phase takes place in the present case by a light transit time measurement. Depending on whether the distance measurement takes place according to a pulse transit time method or according to a phase measurement method, the area camera used for this purpose is 2 ' trained as a TOF (time of flight) camera or PMD (Photonic Mixer Device) camera.

Als Beleuchtungseinheit ist bei der Ausführungsform gemäß 5 ein Videoprojektor 4 vorgesehen. Die mit dem Videoprojektor 4 generierten Lichtstrahlen 7 werden auf das Objekt 11 projiziert. Die von dort reflektierten Lichtstrahlen 7 werden über einen Strahlteiler 15 beiden Flächenkameras 2, 2' zugeführt. In der ersten Betriebsphase zur Oberflächenerfassung des Objekts 11 emittiert der Videoprojektor 4 vorzugsweise homogenes Licht in Form von Gleichlicht. Dabei ist nur die erste Flächenkamera 2 aktiviert. In der zweiten Betriebsphase zur Durchführung der Distanzmessungen emittiert der Videoprojektor 4 pulsförmiges Licht oder mit einer Modulationsfrequenz moduliertes Gleichlicht, je nachdem, ob die Distanzmessung nach einem Pulslaufzeitverfahren oder nach einem Phasenmessverfahren erfolgt. Das vom Videoprojektor 4 emittierte Licht ist dabei insofern homogen, dass dieses keine Streifenmuster enthält. Dabei ist in der zweiten Betriebsphase nur die zweite Flächenkamera 2' aktiviert.As a lighting unit is in the embodiment according to 5 a video projector 4 intended. The with the video projector 4 generated light rays 7 be on the object 11 projected. The light rays reflected from there 7 be through a beam splitter 15 two area cameras 2 . 2 ' fed. In the first operating phase for surface detection of the object 11 the video projector emits 4 preferably homogeneous light in the form of constant light. It is only the first surface camera 2 activated. In the second operating phase for carrying out the distance measurements, the video projector emits 4 pulsed light or modulated with a modulation frequency constant light, depending on whether the distance measurement takes place according to a pulse transit time method or a phase measurement method. The video projector 4 emitted light is homogeneous in that it does not contain any stripe pattern. In the second operating phase, only the second surface camera is involved 2 ' activated.

Die Signalauswertung erfolgt wieder analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1.The signal evaluation is again analogous to the exemplary embodiment according to FIG 1 ,

11
Optischer Sensoroptical sensor
22
FlächenkameraAreascan
2'2 '
FlächenkameraAreascan
33
Optikoptics
44
Videoprojektorvideo projector
55
Auswerteeinheitevaluation
66
Sensorgehäusesensor housing
77
Lichtstrahlbeam of light
88th
Lichtquellelight source
99
LCD-ArrayLCD array
1010
Optikoptics
1111
Objektobject
1212
Unterlagedocument
1313
Streifenstrip
1414
LeuchtdiodenanordnungLED array
1515
Strahlteilerbeamsplitter

Claims (16)

Optischer Sensor mit wenigstens einer Flächenkamera, wenigstens einer Beleuchtungseinheit mit einer Steuereinheit zur Steuerung der wenigstens einen Beleuchtungseinheit und/oder Flächenkamera und mit einer Auswerteeinheit, in welcher Ausgangssignale der Flächenkamera auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (1) alternierend in zwei Betriebsarten betrieben ist, wobei in einer ersten Betriebsart eine Oberflächenerfassung eines Objekts (11) erfolgt, indem für die einzelnen Bildpunkte der Flächenkamera (2) Farb- oder Intensitätswerte bestimmt werden, und wobei in einer zweiten Betriebsart die Form des Objekts (11) bestimmt wird, indem für jeden Bildpunkt der Flächenkamera (2) Distanzwerte des Objekts (11) ermittelt werden, und dass in der Auswerteeinheit (5) die Informationen der Oberflächen- und Formerfassung zusammengeführt werden.Optical sensor having at least one surface camera, at least one illumination unit with a control unit for controlling the at least one illumination unit and / or area camera and with an evaluation unit in which output signals of the area camera can be evaluated, characterized in that the optical sensor ( 1 ) is operated alternately in two operating modes, wherein in a first operating mode a surface detection of an object ( 11 ) is performed by using for the individual pixels of the area camera ( 2 ) Color values or intensity values are determined, and in a second operating mode the shape of the object ( 11 ) is determined by for each pixel of the area camera ( 2 ) Distance values of the object ( 11 ) and that in the evaluation unit ( 5 ) the information of the surface and shape detection are merged. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternierend jeweils ein Bild mit Distanzwerten und ein Bild mit Farb- oder Intensitätswerten ermittelt wird.Optical sensor according to claim 1, characterized in that an image with distance values and an image with color or intensity values are determined alternately in each case. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzmessungen nach dem Triangulationsprinzip durchgeführt werden.Optical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the distance measurements according to the triangulation principle carried out become. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit zur Durchführung der nach dem Triangulationsprinzip erfolgenden Distanzmessungen als Videoprojektor (4) oder als Vi deogenerator ausgebildet ist, mittels dessen auf der Objektoberfläche ein Streifenmuster generiert wird.Optical sensor according to Claim 3, characterized in that the illumination unit is used as a video projector for carrying out the distance measurements carried out according to the triangulation principle ( 4 ) or as Vi deogenerator is formed, by means of which a stripe pattern is generated on the object surface. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (13) des Streifenmusters unterschiedlich ausgebildet sind.Optical sensor according to claim 4, characterized in that the strips ( 13 ) of the stripe pattern are formed differently. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenkamera (2) zur Durchführung der nach dem Triangulationsprinzip erfolgenden Distanzmessungen von einer Schwarz/Weiß- oder Farbkamera gebildet ist, wobei diese auch zur Oberflächenerfassung des Objekts (11) eingesetzt wird.Optical sensor according to one of claims 3 to 5, characterized in that the area camera ( 2 ) is carried out for performing the triangulation principle distance measurements from a black / white or color camera, which is also used for surface detection of the object ( 11 ) is used. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzmessungen mittels einer Lichtlaufzeitmessung durchgeführt werden.Optical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the distance measurements by means of a Light time measurement performed become. Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenkamera (2) zur Durchführung der nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessungen von einer TOF(time of flight)- oder von einer PMD(Photonic Mixer Device)-Kamera gebildet ist.Optical sensor according to claim 7, characterized in that the area camera ( 2 ) for performing the distance measurements taken after a light transit time measurement from a TOF (time of flight) or from a PMD (Photonic Mixer Device) camera. Optischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenerfassung eine separate Flächenkamera (2') in Form einer Schwarz/Weiß- oder Farbkamera eingesetzt wird.Optical sensor according to claim 8, characterized in that for surface detection a separate area camera ( 2 ' ) is used in the form of a black and white or color camera. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessung eine Beleuchtungseinheit eingesetzt wird, mittels derer die Objektoberfläche homogen beleuchtet ist.Optical sensor according to one of claims 8 or 9, characterized in that for performing the after a light transit time measurement taking a distance measurement a lighting unit is used, by means of which the object surface is homogeneous is lit. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenerfassung eine Beleuchtungseinheit eingesetzt wird, mittels derer die Objektoberfläche homogen beleuchtet ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that for surface detection, a lighting unit is used, by means of which the object surface is homogeneously illuminated. Optischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der nach einer Lichtlaufzeitmessung erfolgenden Distanzmessung und zur Oberflächenerfassung dieselbe Beleuchtungseinheit verwendet wird.Optical sensor according to claim 11, characterized in that that to carry the distance measurement taking place after a time of flight measurement and for surface detection the same lighting unit is used. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Beleuchtungseinheit zur homogenen Oberflächenbeleuchtung von einem Videoprojektor (4) oder einer Leuchtdiodenanordnung gebildet ist.Optical sensor according to one of claims 10 to 12, characterized in that the or each illumination unit for homogeneous surface illumination of a video projector ( 4 ) or a light emitting diode array is formed. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Flächenkamera (2, 2') von einem CCD- oder CMOS-Array gebildet ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that the or each surface camera ( 2 . 2 ' ) is formed by a CCD or CMOS array. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Bestandteil der Auswerteeinheit (5) ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the control unit is part of the evaluation unit ( 5 ). Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer erweiterten BLOB-(binarized large object)-Analyse unter Heranziehung ermittelter Distanzwerte sowie Farb- und Intensitätswerte Objekte (11) von einem Hintergrund separierbar sind.Optical sensor according to one of claims 1 to 15, characterized in that by means of an extended BLOB (binarized large object) analysis using determined distance values as well as color and intensity values, objects ( 11 ) are separable from a background.
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