DE102014002620A1

DE102014002620A1 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Aufnehmen einer Reihe von Bildern eines auf der Zylindermantelfläche eines zylindrischen Objekts aufgebrachten flächigen Codes mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien

Info

Publication number: DE102014002620A1
Application number: DE102014002620.5A
Authority: DE
Inventors: Joachim Gässler; Christian Konz; Harald Richter
Original assignee: Intelligente Optische Sensoren und Systeme GmbH IOSS
Current assignee: Intelligente Optische Sensoren und Systeme GmbH IOSS
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Aufnehmen einer Reihe von Bildern eines auf der Zylindermantelfläche eines zylindrischen Objekts aufgebrachten flächigen Codes. Die Zylindermantelfläche wird dabei mit einer einen parallel zur Zylinderachse ausgerichteten wenigstens n Detektorzeilen aufweisenden Bildsensor enthaltenden Kamera derart abgetastet, daß das mit wenigstens einer flächigen Beleuchtungsquelle beleuchtete zylindrische Objekt um die Zylinderachse gedreht wird. Die Beleuchtungsquelle ist dabei derart angeordnet, daß jeder Detektorzeile ein unterschiedliches Beleuchtungsscenario zugeordnet ist. Die unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien können Hell- oder Dunkelfeldbedingungen erfüllen oder Mischformen darstellen. Nach der vollständigen Abtastung des Codes auf der Zylindermantelfläche werden n Bilder desselben flächigen Codes mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien zur weiteren Bildverarbeitung und Decodierung bereitgestellt.

Description

Bei industriellen Bearbeitungsvorgängen kann es zur Sicherung höchster Qualitätsstandards sehr hilfreich sein, zu wissen, welches Bauteil mit welchem Werkzeug und welcher Maschine bearbeitet wurde. Somit lassen sich Werkzeugstandzeiten genau überwachen und optimieren. Aber auch bei robotergestützten chirurgischen Eingriffen besteht der Bedarf, die Werkzeuge zu identifizieren um ihre Eigenschaften aus den hinterlegten Daten einer Werkzeugdatenbank übernehmen zu können. Als Werkzeuge kommen beispielsweise Bohrer und Fräser mit zylindrischem Aufspannschaft zum Einsatz. Diese Werkzeuge werden nach Gebrauch häufig nachgeschliffen, wodurch sich beispielsweise die Länge und/oder der Durchmesser verändert. Um die Werkzeuge identifizieren zu können werden diese mit einer während der gesamten Lebensdauer des Werkzeugs gültigen Codierung versehen, die beispielsweise vor jedem Einsatz gelesen wird. Die Zuführung zu einer Lesevorrichtung kann maschinell oder manuell erfolgen. Als Codierung kommen vorzugsweise flächige Codes zum Einsatz. Flächige Codes sind dadurch charakterisiert, daß der einer Codeinformation zugeordnete Code in einer Fläche angeordnet ist. Es kann sich dabei hinsichtlich der Information um zweidimensionale Codes, wie Matrix- oder Kreiscodes oder auch um hinsichtlich der Information eindimensionale Codes, wie Barcodes handeln. Derartige Codes werden vorzugsweise durch Prägen oder Lasermarkierung auf der Mantelfläche des jeweiligen Werkzeugschafts aufgebracht. Dies geschieht dadurch, daß ein ebener Code auf der jeweiligen Zylinderfläche aufgewickelt wird; das Ergebnis der Bildgebung ist wiederum ein ebenes Bild. Die Schäfte der verwendeten Werkzeuge haben vorzugsweise eine zylindrische Form, meist eine kreiszylindrische Form, wobei der Schaftdurchmesser variabel sein kann.
Handelt es sich bei dem flächigen Code um einen Matrixcode, so weist dieser eine orthogonale Anordnung von Matrixelementen auf, wobei jedem Matrixelement eine 0/1-Information (1 bit) zugeordnet ist. Gebräuchliche Matrixcodes weisen einen sogenannten ”finder-pattern-Balken” und an diesen angrenzend eine Reihe von Matrixelementen mit einem sogenannten ”alternating pattern” auf.
Wird ein derartiger Matrixcode physisch auf eine Oberfläche eines Objekts aufgebracht, so können die Matrixelemente beispielsweise eines von nachfolgend aufgelisteten Merkmalspaaren aufweisen:

Hell Dunkel

Erste Farbe Zweite Farbe

Spiegelnd Matt

Ohne Prägung Prägung

Ohne Bearbeitung Lasermarkierung

... ...
Die Oberfläche, auf die der Matrixcode aufgebracht wird, kann beispielsweise spiegelnd poliert oder gebürstet oder – beispielsweise bei gehärteten oder beschichteten Werkzeugschäften – nahezu matt schwarz oder farbig sein. Bei Werkzeugen mit keramischen oder CVD-Beschichtungen können die spiegelnden Oberflächen unterschiedliche Farben im sichtbaren Spektrum oder unterschiedliche Infrarot-Reflexionseigenschaften aufweisen. Die Reflexionseigenschaften der zylindrischen Oberfläche können sich beispielsweise durch Be- und Abnutzung verändern, beispielsweise können im Laufe des Gebrauchs Kratzer auf der Oberfläche auftreten oder die Oberfläche kann durch Schmiermittel oder durch Anhaftungen des bearbeiteten Materials kontaminiert sein.
Untersucht man einen Code auf einer Oberfläche mit optischen Meßmethoden, so können sich bei entsprechenden Kombinationen von Matrixelementeigenschaften, Oberflächeneigenschaften und Meßverfahren die Bildpunkte der Codeelemente in ihrem Kontrast erheblich unterscheiden.
Bedingt durch die a priori nicht bekannten Reflexionseigenschaften der Zylindermantelfläche ist es nicht möglich, eine Beleuchtungsanordnung bereitzustellen, die stets einen für eine spätere Decodierung hinreichenden Kontrast zwischen Codeelementen und dem Hintergrund auf der Zylindermantelfläche gewährleistet.
Zur Lösung des Problems wurde vorgeschlagen, mehrere Bilder des Codes unter unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien aufzunehmen.
Bedingt durch die Schaftabmessungen der Werkzeuge haben die auf die Zylindermantelfläche aufgebrachten Codes in orthoradialer Richtung oft nur eine Ausdehnung von wenigen Millimetern und die Aufnahme eines auswertbaren Bildes erfordert eine Kamera mit einem Bildsensor großer Pixelzahl, der neben hohen Kosten auch den Nachteil einer geringen Auslesegeschwindigkeit aufweist.
Es besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme eines decodierbaren Bildes eines flächigen Codes auf Zylindermantelflächen unterschiedlichen Durchmessers und unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften. Die nicht vorbestimmten Reflexionseigenschaften der Zylindermantelfläche und die je nach Aufbringungsverfahren unterschiedlichen optischen Oberflächeneigenschaften der Codemarkierungen erfordern angepaßte Beleuchtungsscenarien während der Aufnahme eines Bildes des flächigen Codes, um einen für eine nachfolgende Decodierung hinreichenden Bildkontrast zu erhalten.
Bekannte Beleuchtungsscenarien sind beispielsweise Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung. Bei der Hellfeldbeleuchtung wird das von der Lichtquelle kommende Licht an einer spiegelnden Oberfläche mit gleichen Einfalls- und Ausfallwinkel zur Flächennormalen auf den Kamerasensor reflektiert. Bei einer Dunkelfeldbeleuchtung trifft das reflektierte Licht nicht in die Kamera; jedoch wird Licht an nichtspiegelnden Oberflächenbereichen in die Kamera mit einer von den Oberflächeneigenschaften abhängigen Winkelverteilung gestreut. Die Begriffe „Hellfeldbedingung/-beleuchtung” und „Dunkelfeldbedingung/-beleuchtung” werden nachfolgend auch bei Reflexionsscenarien verwendet, bei denen keine spiegelnden Oberflächen beteiligt sind und zwar in dem Sinn, daß die Beleuchtungs- und Kamerastrahlengänge denen bei spiegelnden Oberflächen entsprechen.
Aus der Patentliteratur sind Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Erfassung und zur Auswertung von erfaßten flächigen Codes auf Zylindermantelflächen bekannt.
Aus dem Dokument DE 19942789 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung eines auf einem bewegten Objekt angeordneten zweidimensionalen Matrixcodes bekannt, wobei die Vorrichtung zur Erfassung des Matrixcodes einen einzelnen Zeilensensor aufweist. Das Objekt mit dem darauf befindlichen Matrixcode wird durch das Sichtfeld des Zeilensensors derart bewegt, daß ein Finder-Pattern-Balken des Matrixcodes parallel zum Zeilensensor liegt. Das senkrecht dazu stehende Alternating pattern dient dabei mit den abwechselnden Hell-Dunkel-Informationen als Taktsignal für die Auslesevorgänge. Eine geschwindigkeitsbedingte Codeverzerrung in Bewegungsrichtung wird dadurch kompensiert.
Aus dem Dokument WO 08153452 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inspektion von Werkstücken mit einer zylindrischen Oberfläche mit dem Ziel der Erkennung von Fehlern bekannt. Es ist vorgesehen, zur Erhöhung der Verläßlichkeit der Fehlererkennung die Hellfeld- und Dunkelfeldbilder eines Oberflächenbereichs miteinander zu vergleichen. Ebenso ist vorgesehen, die Welligkeit oder/und die Exzentrizität des Werkstücks zu korrigieren.
Aus dem Dokument DE 10 2005 031 957 B4 ist die Verwendung einer Farbzeilenkamera bei Variation der Intensität der Beleuchtung bekannt.
Aus dem Dokument US 6850636 B1 ist ein Oberflächen-Inspektionssystem für relativ zu einer Zeilenkamera bewegte Werkstücke mit einem Geschwindigkeits-Meßsystem zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit bekannt.
Aus dem Dokument WO 09064759 A1 ist ein Verfahren bekannt, um Teilbilder einer Zylindermantelfläche zu einem Gesamtbild zusammenzusetzen.
Aus dem Dokument EP 129084 B1 ist eine Vorrichtung zum Abtasten von Strichcodes auf einer Zylindermantelfläche unter Verwendung von zwei Scannern bekannt, die einen Umfangsbereich von mehr als 180 Grad abtasten.
Aus dem Dokument WO 05048171 A1 ist die Aufnahme eines Bildes eines bewegten ebenen Objekts mit einer spiegelnden Oberfläche mittels einer Zeilenkamera bekannt, wobei das Objekt aus wenigstens zwei Richtungen nacheinander und synchronisiert mit der Aufnahmerate beleuchtet wird.
Aus dem Dokument CN 102156849 A ist eine abschnittsweise Aufnahme einer Zylindermantelfläche mit einer Kamera bekannt, wobei die einzelnen Teilbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden.
Aus dem Dokument US 5343031 A ist ein Verfahren zur Maßstabskorrektur eines mit einem Zeilensensor aufgenommenen DataMatrix-Codes auf einer ebenen Fläche bekannt.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum optischen Aufnehmen einer Reihe von Bildern eines auf der Zylindermantelfläche eines zylindrischen Objekts mit unbestimmten Reflexionseigenschaften aufgebrachten flächigen Codes, wobei wenigstens eines der Bilder einen für eine spätere Decodierung hinreichenden Bildkontrast aufweisen soll, weisen den Nachteil auf, daß die Aufnahmegeometrie für die Gewinnung kontrastreicher Bilder unterschiedliche Beleuchtungsscenarien erfordern, die individuell an die Geometrie und die Oberflächenbeschaffenheit und somit an die Reflexionseigenschaften der Zylindermantelfläche angepaßt werden müssen. Dabei werden nacheinander Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien aufgenommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Aufnehmen einer Reihe von Bildern eines auf der Zylindermantelfläche eines zylindrischen Objekts aufgebrachten flächigen Codes mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien für Objekte mit in einem weiten Durchmesserbereich liegenden unterschiedlichen Durchmessern mit einer hohen Taktfrequenz bereitzustellen, wobei die Beleuchtungsscenarien wenigstens eine Hellfeld- und eine Dunkelfeldbeleuchtungsbedingung erfüllen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Die Zylindermantelfläche wird dabei mit einer Kamera abgetastet, die einen Bildsensor mit wenigstens n Detektorzeilen aufweist, wobei die n Detektorzeilen parallel zur Zylinderachse ausgerichtet sind und wobei die Abtastung derart erfolgt, daß das mit wenigstens einer flächigen Beleuchtungsquelle beleuchtete zylindrische Objekt um die Zylinderachse gedreht wird und mit einer vorgegebenen Taktfrequenz gleichzeitig zeilenförmige Bilder der n Detektorzeilen aufgenommen und in einem Bildspeicher abgespeichert werden, wobei nachfolgend aufgenommene Zeilenbilder folgerichtig zu n zweidimensionalen Bildern des Codes zusammengesetzt werden. Die wenigstens eine flächige Beleuchtungsquelle ist dabei derart angeordnet, daß jeder der n Detektorzeilen ein unterschiedliches Beleuchtungsscenario zugeordnet ist, wobei eine Hellfeld- und eine Dunkelfeldbeleuchtung enthalten sind. Nach der vollständigen Abtastung des Codes auf der Zylindermantelfläche stehen gleichzeitig n Bilder des Codes mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien zur Bildverarbeitung und Decodierung zur Verfügung.
Das gleichzeitige Auslesen der Inhalte der Detektorzeilen Zi ist bei Verwendung eines lichtempfindlichen Sensors in CCD- oder CMOS-Technologie durch die optische Integration gewährleistet. Die Übertragung der Inhalte der Detektorzeilen Zi erfolgt seriell Detektorzeile für Detektorzeile, wobei die Übertragungszeit für jede Detektorzeile typischerweise 25 μs beträgt. Bildsensoren in CMOS- oder CCD-Technologie bieten die Möglichkeit, jeweils nur einen interessierenden Teilbereich von Detektorzeilen auszulesen. Bei CMOS-Bildsensoren ist ein Auslesen einer Auswahl von einzelnen Detektorzeilen oder von mehreren Gruppen von Detektorzeilen möglich. Bei der Übertragung in den Bildspeicher werden nur die Inhalte der ausgewählten Detektorzeilen Zi sukzessive übertragen, wodurch die Gesamtübertragungszeit für das Abspeichern im Bildspeicher gegenüber der für das Auslesen und Abspeichern sämtlicher Detektorzeilen notwendigen Zeit erheblich verringert ist.
In einer Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, zur Beschleunigung des Bildaufnahmevorgangs und zur Einsparung von Speicherplatz nicht alle aufgenommenen Zeilen der gesamten Zylindermantelfläche zu speichern sondern die Zeilenbilder aller n Detektorzeilen in einem überschreibbaren Ringspeicher zwischenzuspeichern und die Zeilenbilder der Detektorzeilen darauf hin zu untersuchen, ob sie eine charakteristische „Finder-”, „Alternating-” oder sonstig auswertbare -Struktur des Codes enthalten. Wurde in einem abgespeicherten Zeilenbild einer Detektorzeile eine solche Struktur erkannt, so werden aus der Detektorzeile die bereits aufgenommenen und die nachfolgend aufgenommenen Zeilenbilder folgerichtig zu einem zweidimensionalen Bild zusammengesetzt, welches dann ein Bild des Codes enthält. Weitere solche Bilder mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien entstehen aus den restlichen Detektorzeilen.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Kamera weist ein entsprechend abgeblendetes Objektiv mit einem Tiefenschärfebereich auf, der wenigstens so groß ist, daß für einen vorbestimmten Bereich des Objektabstands die Kamera Zeilenbilder hinreichender Schärfe für alle n Detektorzeilen erzeugt. Ein in orthoradialer Richtung schmaler Untersuchungsbereich der Zylindermantelfläche wird auf einen Bildsensor mit einer Anzahl von Detektorzeilen abgebildet. Die Kamera mit dem Bildsensor ist dabei derart ausgerichtet, daß die Pixel der Detektorzeilen parallel zu einer Zylindermantellinie des Objekts und damit parallel zur Zylinderachse ausgerichtet sind. Wenigstens eine erste flächige Beleuchtungsquelle ist ausgerüstet, den Untersuchungsbereich auf der Zylindermantelfläche derart auszuleuchten, daß für wenigstens eine der abgetasteten Zylindermantellinien eine Hellfeldbedingung mit gleichem Einfalls- und Reflexionswinkel gegenüber der Flächennormalen und für wenigstens eine der abgetasteten Zylindermantellinien eine Dunkelfeldbedingung erfüllt ist. Es können weitere flächige Beleuchtungsquellen vorgesehen sein, die Hellfeld- oder Dunkelfeldbedingungen für weitere Detektorzeilen erfüllen. Diese weiteren flächigen Beleuchtungsquellen können sich in der Intensität, im abgestrahlten Wellenlängenbereich, in der Polarisation des abgestrahlten Lichts oder in einer Kombination der Eigenschaften von der ersten flächigen Beleuchtungsquelle unterscheiden. Sind mehrere flächige Beleuchtungsquellen zur gleichzeitigen Beleuchtung der Zylindermantelfläche vorgesehen, so überlagern sich deren Beleuchtungsscenarien zu Mischformen zwischen Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtungen der einzelnen flächigen Beleuchtungsquellen.
Im Fall der Hellfeldbedingung wird das Licht eines Bereichs der flächigen Beleuchtungsquelle vom Untersuchungsbereich der Zylindermantelfläche in die Kamera reflektiert, während im Fall einer Dunkelfeldbeleuchtung das Licht an der Kamera vorbei reflektiert wird. Um zu verhindern, daß ein Anteil dieses Lichts durch Streuung oder Reflexion an Teilen der Vorrichtung in die Kamera gelangen und die Dunkelfeldbedingung verschlechtern, kann eine Absorptionsfläche als Strahlfänger für das reflektierte Licht der Dunkelfeldbeleuchtung in der Vorrichtung vorgesehen sein. Die Absorptionsflächen können auch aus Teilen der Vorrichtung oder aus Teilen des Gehäuses der Vorrichtung gebildet werden, beispielsweise durch Bereitstellen einer reflexionsvermindernden oder absorbierenden Beschichtung.
Die Aufgabe der Erfindung wird anhand der Abbildungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines zylindrischen Objekts (1) mit einem auf der Zylindermantelfläche (2) aufgebrachten flächigen Code (16), der in diesem Fall beispielhaft durch einen orthogonalen Matrixcode repräsentiert wird. Der Code (16) ist innerhalb eines Codebereichs (3) auf der Zylindermantelfläche 2 angeordnet und kann sich in orthoradialer Richtung über eine maximale Länge von der Größe des Zylinderumfangs erstrecken. Der Codebereich (3) wird mit einer Kamera (10) abgetastet, die einen Untersuchungsbereich (5) abbildet, der die Codezeilen in der Länge vollständig überdeckt. Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auf einem zylindrischen Objekt mit einem Radius von 1,5 mm ein Matrixcode mit 8×32 Codemodulen derart auf der Zylindermantelfläche (2) aufgebracht, daß die lange Seite des Matrixcodes an einer Zylindermantellinie (15) ausgerichtet ist. Der von der Zylindermantelfläche (2) abgewickelte Matrixcode hat eine Ausdehnung von 1,125 mm × 4,5 mm. Der Untersuchungsbereich (5) weist in Richtung einer Zylindermantellinie (15) eine Ausdehnung von 15,5 mm auf und ist damit etwa dreimal größer als die Ausdehnung des Matrixcodes in dieser Richtung. Durch die großzügige Dimensionierung des Untersuchungsbereichs (5) in Richtung einer Zylindermantellinie (15) ist sichergestellt, daß kein Teil des Matrixcodes bei der Abbildung durch die Kamera (10) abgeschnitten wird, wenn der Aufbringungsbereich des Matrixcodes auf der Zylindermantelfläche (2) von Objekt zu Objekt variiert. Im Beispiel weist der Matrixcode auf der Zylindermantelfläche (2) Codemodule der Größe 0,14 mm × 0,14 mm auf. Die Länge eines Codemoduls in Richtung einer Zylindermantellinie (15) wird durch die Kamera (10) auf eine ausreichende Anzahl von Bildpunkten eines Zeilendetektors abgebildet.
Entlang der Zylindermantellinie (15) ist die Auflösung der Kamera somit fest.
Die Auflösung in einer zur Zylindermantellinie (15) senkrechten Richtung hängt ab von der Drehgeschwindigkeit, mit der das zylindrische Objekt um seine Zylinderachse gedreht wird und von der Auslesezeit, mit der eine Detektorzeile ausgelesen wird.
Das zylindrische Objekt (1) ist um seine Zylinderachse drehbar gehalten. Die Positionierung des zylindrischen Objekts (1) im Raum und die Drehung um die Zylinderachse (4) können mittels einer gesteuerten motorischen Positioniervorrichtung erfolgen. Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, die Zylinderachse durch mechanische Anschlagsflächen festzulegen und die Drehung um die Zylinderachse manuell vorzunehmen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie beispielsweise vorgesehen ist, wenn das zylindrische Objekt (1) manuell gehalten und gedreht werden soll. Um die Parallelität zwischen einer Zylindermantellinie (15) und den Detektorzeilen Zi des Bildsensors (12) sicher zu stellen, ist vorgesehen, das zylindrische Objekt (1) mit seiner Zylindermantelfläche (2) während der manuellen Drehung um die Zylinderachse (4) an einem Anschlagsprisma (13) zu führen. Das Anschlagsprisma (13) weist dabei eine Öffnung auf, durch die der Untersuchungsbereich (5) auf der Zylindermantelfläche (2) mittels der Kamera (10) untersucht wird. Die Kamera (10) weist ein Objektiv (11) auf, das den Untersuchungsbereich (5) auf einen Bildsensor (12) abbildet, der aus einer Anzahl von n Detektorzeilen Zi besteht. Die optische Achse (20) der Kamera (10) schneidet im Beispiel der 2 die Zylinderachse (4) und steht auf dieser senkrecht und die Detektorzeilen (Zi) sind parallel zu der Zylinderachse (4) ausgerichtet. Im Beispiel der 2 sind sieben Detektorzeilen (Z1, ...Z7) des Bildsensors (12) in einer gespreizten Darstellung dargestellt. Die optische Achse (20) der Kamera (10) kann im Rahmen der Erfindung auch so angeordnet sein, daß sie die Zylinderachse (4) nicht schneidet und senkrecht auf einer Zylindermantellinie steht. Die Kamera (10) weist einen Bildsensor (12) auf, der vorzugsweise ein Array von lichtempfindlichen Zellen aufweist, die in zueinander parallelen Detektorzeilen (40) angeordnet sind. Die Detektorzeilen sind vorzugsweise selektiv auslesbar, wie dies beispielsweise bei einem Bildsensor (12) in CMOS-Technik möglich ist. Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die auszulesenden Detektorzeilen Z1 bis Zn aus den Detektorzeilen des Bildsensors (12) so auszuwählen, daß diese benachbart zueinander angeordnet sind. Es ist auch vorgesehen, die auszulesenden Detektorzeilen Zi derart zu wählen, daß zwischen einzelnen Detektorzeilen Zi oder zwischen Gruppen von wenigstens zwei benachbarten Detektorzeilen Zi Detektorzeilen (40) liegen, die nicht ausgelesen werden. Eine solche Anordnung und das damit verbundene Ausleseverfahren haben den Vorteil, daß beispielsweise eine Detektorzeile (40) mit einer Hellfeldbeleuchtung bei einem ausgewählten Beleuchtungsscenario nicht durch Justage der Kamera (10) festgelegt wird, sondern durch Auswertung des Gesamtbildes des Bildsensors (12) im Rahmen eines Kalibriervorganges bestimmt und festgelegt wird.
Die Auswahl einzelner auszulesender Detektorzeilen Zi aus einer großen Zahl von Detektorzeilen (40) des Bildsensors (12) stellt eine kurze Auslesetaktzeit des Bildsensors (12) und eine erhebliche Verringerung des notwendigen Speicherplatzes für die Zeilenbilder sicher.
Der Untersuchungsbereich (5) wird während der Untersuchung von einer Beleuchtungsanordnung ausgeleuchtet. Im Beispiel der 2 ist eine erste flächige Beleuchtungsquelle (6) und eine zweite flächige Beleuchtungsquelle (7) vorgesehen. Es sind sieben Strahlengänge eingezeichnet, die alle der Reflexionsbedingung Einfallswinkel=Ausfallwinkel bezüglich der Flächennormalen genügen.
Der auf der optischen Achse (20) liegende Strahl bildet einen zentralen Bereich des Untersuchungsbereichs (5) auf die Detektorzeile Z4 des Bildsensors ab. Licht von der ersten flächigen Beleuchtungsquelle (6) und/oder der zweiten flächigen Beleuchtungsquelle (7) gelangt nur dann auf die Detektorzeile Z4, wenn auf dem Gegenstandsbereich auf der Zylindermantelfläche (2) innerhalb des Untersuchungsbereichs (5) eine streuende Struktur befindet. Für die Detektorzeile Z4 ist eine Dunkelfeldbedingung erfüllt. Die beiden von der ersten flächigen Beleuchtungsquelle (6) ausgehenden Strahlen erfüllen Hellfeldbedingungen für die Detektorzeilen Z6 und Z7. Für den von der zweiten flächigen Beleuchtungsquelle (7) ausgehenden Strahl ist eine Hellfeldbedingung für die Detektorzeile Z5 erfüllt. Auf die Detektorzeilen Z1, Z2 und Z3 fällt kein Licht, das von den Beleuchtungsquellen (6, 7) emittiert und an der Zylindermantelfläche (2) reflektiert wurde. Für die Detektorzeilen Z1, Z2, Z3 ist daher eine Dunkelfeldbedingung erfüllt. In 2 ist eine Absorberfläche (8) dargestellt, die als Strahlfänger fungiert und eine Rückreflexion oder Rückstreuung in die Detektorzeilen Z1, Z2 und Z3 verhindert. Eine Absorberfläche (8) ist nicht zwingend erforderlich; eine Dunkelfeldbedingung für eine Detektorzeile Zi wird auch dann realisiert, wenn kein direkt von der Zylinderoberfläche reflektiertes Licht auf die Detektorzeile Zi gelangt. Die Absorberfläche kann aber den resultierenden Kontrast zwischen Pixeln erhöhen, die einerseits einem Bereich mit einer Codemarkierung und andererseits einem Bereich der Zylindermantelfläche ohne eine Codemarkierung zugeordnet sind.
In 2 ist zusätzlich zu den flächigen Beleuchtungsquellen (6, 7) eine Dunkelfeld-Beleuchtungsquelle (9) vorgesehen, die für alle Detektorzeilen Z1 bis Z7 eine Dunkelfeldbedingung erfüllt.
Die Hellfeld- und Dunkelfeld-Beleuchtungsscenarien der einzelnen Detektorzeilen Z1 bis Z7 unterscheiden sich im jeweiligen Einfallswinkel des Lichts von den Beleuchtungsquellen (6, 7, 9).
Es ist bekannt, bei der Untersuchung von spiegelnden Oberflächen neben dem Einfallswinkel auch Eigenschaften der Beleuchtungsquellen hinsichtlich Wellenlängenbereich, Intensität und Polarisation zu ändern.
Es ist vorgesehen, die Intensität der ersten flächigen Beleuchtungsquelle (6) mit einem nicht dargestellten Graukeil zu modulieren, so daß beispielsweise die Hellfeldbedingung für die Detektorzeile Z7 mit einer geringeren Intensität erzeugt wird als die Hellfeldbedingung für die Detektorzeile Z6.
Es ist ferner vorgesehen, den Wellenlängenbereich der ersten flächigen Beleuchtungsquelle (6) mit einem nicht dargestellten Farbfilter zu modulieren, so daß beispielsweise die Hellfeldbedingung für die Detektorzeile Z7 mit Licht eines anderen Wellenlängenbereichs erzeugt wird als die Hellfeldbedingung für die Detektorzeile Z6.
Es ist vorgesehen, die Wellenlängenbereiche der Beleuchtungsquellen (6, 7, 9) unterschiedlich zu wählen.
Es ist ferner vorgesehen, die Lichtquellen (6, 7) mit Polarisationsfiltern auszustatten, je nach Wahl der Orientierung der Polarisationsebene bezüglich der Zylindermantelfläche (2) können mit den Lichtquellen (6, 7) Hellfeld- und Dunkelfeldbedingungen für die Detektorzeilen Z5, Z6, Z7 realisiert werden.
Es ist ferner vorgesehen, den Bildsensor (12) so auszurüsten, daß einzelne Detektorzeilen Zi unterschiedliche Empfindlichkeiten für Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs oder einer bestimmten Linearpolarisationsebene aufweisen.
Es ist ferner vorgesehen, als Bildsensor (12) einen Farbbildsensor zu verwenden und für jede ausgelesene Detektorzeile Zi die Farbkanäle des Zeilenbildes in separaten Farbzeilenbildern abzuspeichern.
Bei einem in Bezug auf die Einfallswinkel, die Intensität, die Wellenlängenbereiche oder/und der Polarisation der Beleuchtungsquellen (6, 7, 9) charakterisierten Beleuchtungsscenario ist die Beleuchtung des Untersuchungsbereichs (5) bei einem um die Zylinderachse (4) rotierenden zylindrischen Objekt (1) konstant. Enthält die Zylinderoberfläche keine Störungen, wie ihn beispielsweise ein Matrixcode darstellt, so wird für jedes Pixel einer Detektorzeile der gleiche Wert gemessen und für die einzelnen Detektorzeilen jeweils unterschiedliche Werte für alle Pixel einer Detektorzeile, wobei diese Werte von der Oberflächenbeschaffenheit der Zylindermantelfläche abhängen.
Ist auf der Zylindermantelfläche (2) ein an einer Zylindermantellinie (15) ausgerichteter Matrixcode angebracht, so unterscheiden sich die Meßwerte einzelner Pixel der Detektorzeilen Zi von den bei ungestörter Zylindermantelfläche gewonnenen Meßwerten, solange sich ein Teil des Codebereichs (3) im Untersuchungsbereich (5) befindet.
In 3 ist die Steuerungsarchitektur einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum optischen Aufnehmen eines decodierbaren Bildes eines auf der Zylindermantelfläche (2) eines zylindrischen Objekts (1) aufgebrachten Matrixcodes schematisch dargestellt. Bei einer motorischen Rotation des zylindrischen Objekts um die während des Meßvorgangs ortsfeste Zylinderachse (4) ist eine Bewegungssteuerung (21) vorgesehen, die die Rotation mit einer vorgegebenen Drehzahl und mit einer vorgegebenen Drehrichtung steuert. Die Drehrichtung ist frei wählbar und eine gewählte Drehrichtung muß zur Gewährleistung einer verwertbaren Abtastung während des gesamten Abtastvorganges unverändert bleiben. Die Bewegungssteuerung (21) ist auch dafür vorgesehen, das zylindrische Objekt (1) bezüglich der Orientierung der Kamera (10) so zu positionieren, daß die Zylinderachse (4) parallel zu den Detektorzeilen Zi ausgerichtet ist. Eine Bedingung für die Lage der Zylinderachse (4) im Raum kann sein, daß die Zylindermantelfläche (2) beide Anschlagsflächen eines virtuellen Anschlagsprismas berührt, dessen Lage dem des Auflageprismas (13) aus 1 entspricht. Für die Positionierung des zylindrischen Objekts (1) kann beispielsweise ein Roboterarm, eine Werkzeugaufnahme einer raumfesten Werkzeugmaschine, eine Werkzeugwechselvorrichtung oder eine steuerbare Handhabungsvorrichtung verwendet werden. Es ist vorgesehen, mit der Bewegungssteuerung (21) die Drehzahl des rotierenden zylindrischen Objekts (1) zu steuern und/oder die aktuelle Drehzahl beispielsweise über einen mit dem rotierenden Objekt (1) wirkverbundenen Encoder zu messen. Die Drehzahl kann dabei in einem weiten Drehzahlbereich gewählt werden. Die für das Verfahren maximal zulässige Drehzahl ist vom Radius des zylindrischen Objekts (1) und von der Auslesezeit der Kamera (10) abhängig. Es ist vorgesehen, die Drehzahl so zu wählen, daß eine Codezeile (17) auf der Zylindermantelfläche des Objekts (1) wenigstens einmal mit einer Detektorzeile Zi abgetastet wird. Bei einer höheren Drehzahl kann während der Auslesezeit bereits die nächste Codezeile (17) auf die Detektorzeile Zi abgebildet werden, was zum Verlust ganzer Codezeilen im zu rekonstruierenden Bild des Matrixcodes führt.
Es ist vorgesehen, bei einer manuellen Positionierung und Drehung des zylindrischen Objekts (1) ohne Drehrichtungsumkehr während des Abtastvorgangs die aktuelle Drehzahl mit einem Encoder zu messen und an einen Taktgeber (25) zu übermitteln. Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, das Auslesen der Detektorzeilen zu steuern. Der Taktgeber kann beispielsweise eine Weckfunktion für das Auslesen der Detektorzeilen oder für das Einschalten der Beleuchtungsmittel übernehmen.
Alle Vorgänge und Funktionen der Kamera (10) werden von einer Kamerasteuerung (32) gesteuert. Insbesondere steuert die Kamerasteuerung (32) die Detektorauslesevorrichtung (22), die in einem vorgegebenen Takt die Detektorzeilen Zi mit i = 1 bis n zu einem bestimmten Zeitpunkt ausliest und die die Pixelwerte P(Zi, tk) der zum Zeitpunkt tk ausgelesenen Detektorzeile Zi in einem überschreibbaren Ringspeicher einer Triggerschaltung (23) zwischenspeichert. Die Triggerschaltung (23) untersucht das Zeilenbild jeder ausgelesenen Detektorzeile Zi auf das Auftreten eines charakteristischen Musters. Auf welche oder auf welches Muster die Triggerschaltung (23) eingestellt ist, hängt vom zu lesenden Code ab. Bei Matrixcodes kann dieses Muster der Zeile eines Finder-Patterns, einer Zeile mit einem Alternating-Grid oder einer Zeile mit einem für den jeweiligen Matrixcode charakteristischen Muster entsprechen. Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, mit dem Verfahren auch Barcodes zu lesen, deren Leserichtung in Richtung einer Zylindermantellinie (15) des Objekts (1) verläuft. Das charakteristische Muster würde in diesem Fall beispielsweise die Start-/Stopp-Zeichen des Barcodes enthalten. Würde es sich bei dem Code um einen eindimensionalen Barcode handeln, wäre das Bild, das das charakteristische Muster enthält, gleichzeitig ein auswertbares Bild, aus dem der Codewert extrahiert werden kann. In einem Ausführungsbeispiel weist der überschreibbare Ringspeicher der Triggerschaltung (23) eine Speicherkapazität von 320 Zeilen für jede der n Detektorzeilen Zi auf. Wird in der Triggerschaltung (23) ein charakteristisches Muster erkannt, so werden die Werte von 160 bereits aufgenommenen Zeilenbildern einer Detektorzeile Zi in einen Bildspeicher (24) geschoben und weitere Zeilen nach Erkennung des charakteristischen Musters in der zeitlichen Reihenfolge der Aufnahmen an die ersten 160 Zeilen angehängt. Dies erfolgt parallel für alle n Detektorzeilen Zi. Wenn der Codebereich (3) auf der Zylindermantelfläche (2) des Objekts (1) von allen n Detektorzeilen Zi gescannt worden ist, z. B. dann, wenn der Codebereich (3) aus dem Untersuchungsbereich (4) heraus gewandert ist, befinden sich im Bildspeicher (24) n vollständige 2D-Bilder des Matrixcodes (16), die jeweils mit unterschiedlichen Beleuchtungsscenarien aufgenommen wurden.
Für den Fall, daß das zylindrische Objekt (1) manuell gedreht worden ist und die Drehgeschwindigkeit während der Bildaufnahme nicht konstant war und auch kein Synchronisierungssignal des Taktgebers (25) vorliegt, sind die im Bildspeicher (24) abgespeicherten n Bilder des Codes (16) in gleichem Maße entsprechend verzerrt, wobei die Verzerrung in der Richtung des Bildes vorliegt, der der Bewegungsrichtung des Codes (16) auf der Zylindermantelfläche (2) entspricht.
Die Entzerrung der im Bildspeicher (24) abgelegten n Bilder des Codes (16) erfolgt in einem Bildverarbeitungsrechner (26). Ein Diskriminator ermittelt den Wechsel von einer Codezeile zu einer neuen Codezeile dadurch, daß die Pixelwerte jeder zu einem Zeitpunkt tk mit der Detektorzeile Zi aufgenommenen Bildzeile mit den Pixelwerten der unmittelbar vorher zum Zeitpunkt tk – 1 aufgenommenen Bildzeile der Detektorzeile Zi verglichen werden. Der Vergleich erfolgt beispielsweise dadurch, daß für alle Pixelwerte einer Bildzeile die Summe der Quadrate der Differenz zu den Pixelwerten der unmittelbar vorher aufgenommenen Bildzeile ermittelt wird. Die Summe der Pixelwertdifferenzquadrate dividiert durch die Anzahl der Pixel in einer Bildzeile gibt ein Maß für die Übereinstimmung der miteinander verglichenen Bildzeilen an. Wird beim Vergleich ein deutlich von Null verschiedener Wert ermittelt, wird die aktuell untersuchte Bildzeile einer neuen Codezeile des Codes (16) zugeordnet. Der Diskriminator enthält vorzugsweise einen Codezeilenzähler, der bei Erkennung einer neuen Codezeile im Bild des Codes (16) um einen Zähler erhöht wird. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Bildauswerteverfahren, bei denen ein in einem Matrixcode in Bewegungsrichtung vorhandenes ”alternating grid” identifiziert und zur Festlegung der gescannten Codezeilen verwendet wird, was bei einem fehlerhaften alternating grid, beispielsweise bei Vorliegen eines fehlenden oder beschädigten Codemoduls, zu einer falschen Zuordnung der gemessenen Pixelwerte zu den Codezellen der Codezeilen des Matrixcodes führen würde, wird bei dem oben beschriebenen Beispiel des Verfahrens das parallel zur Bewegungsrichtung vorhandene ”alternating grid” oder eine andere charakteristische Struktur im Bild eines Matrixcodes in der Triggerschaltung (23) lediglich dazu benutzt, den Anfang beziehungsweise das Ende des Matrixcodes zu identifizieren. Unabhängig davon, ob das zylindrische Objekt motorisch mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit oder manuell mit sich verändernder Drehgeschwindigkeit rotiert, wird der Wechsel der Codezeilen sicher durch der Vergleich von Pixeln einer Bildzeile mit den Pixeln der unmittelbar vorher aufgenommenen Bildzeile derselben Detektorzeile Zi erkannt.
Es ist vorgesehen, daß der Bildverarbeitungsrechner (26) eine Prüfroutine zur Ermittlung eines Maßes für die Decodierbarkeit des dem Bild zugrunde liegenden Codes (16) enthält und es ist ferner vorgesehen, daß nötigenfalls weitere Bearbeitungsroutinen, wie zum Beispiel digitale Bildfilter zur Korrektur eines Bildes angewandt werden, um die Decodierwahrscheinlichkeit zu erhöhen.
Wenigstens ein Teil der den Detektorzeilen Zi zugeordneten, entzerrten und/oder anderweitig korrigierten Bilder des Codes (16) wird an eine Decodierungsvorrichtung (27) übermittelt und dort einer Decodierungsprozedur unterzogen. Die Decodierung des Codes (16) ist gleichbedeutend mit der Erkennung des Codes (16); die Begriffe werden im Rahmen der Offenbarung gleichbedeutend verwendet. Wurde der Codewert mit einer hinreichenden Sicherheit erkannt, wird er über geeignete Mittel zur Codeausgabe (28), beispielsweise über eine Datenschnittstelle ausgegeben.
Im Rahmen der Erfindung ist eine Beleuchtungssteuerung (31) zur Steuerung der Beleuchtungsmittel (33) vorgesehen. Die Beleuchtungsmittel (33) umfassen dabei beispielsweise die Beleuchtungsquellen (6, 7, 9) aus 2. Welche Beleuchtungsquellen mit welcher Intensität während des Scanvorgangs angeschaltet sind, wird vorzugsweise in einer Lernprozedur ermittelt. Verschiedene Konfigurationen von Beleuchtungsquellen werden als Beleuchtungsprofile vorzugsweise in einem Speicher der Beleuchtungssteuerung zur Verwendung bei späteren Codeleseaufgaben abgespeichert.
Mit jedem dieser Beleuchtungsprofile wird mit jeder der n Detektorzeilen jeweils ein Bild rekonstruiert, das mit einem jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsscenario beleuchtet wurde.
Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß mit einer Mastersteuerung (29) alle Vorgänge der Vorrichtung gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum optischen Aufnehmen einer Reihe von Bildern eines flächigen Codes (16), der innerhalb eines Codebereichs (3) auf der Zylindermantelfläche (2) eines um seine Zylinderachse (4) drehbar gelagerten zylindrischen Objekts (1) aufgebracht ist, wobei der flächige Code (16) mit einer Auswahl von n Detektorzeilen Zi eines eine Vielzahl von Detektorzeilen (40) aufweisenden Bildsensors (12) einer Kamera (10) innerhalb eines von wenigstens einer flächigen Beleuchtungsquelle (6, 7) beleuchteten Untersuchungsbereichs (5) abgetastet wird und die Bildinhalte der Detektorzeilen Zi in einer Detektorauslesevorrichtung (22) ausgelesen und in einem Bildspeicher (24) abgespeichert werden, wobei die wenigstens eine flächige Beleuchtungsquelle (6, 7) bezüglich der Zylindermantelfläche (2) und der Kamera (10) derart angeordnet ist, daß jeder der n Detektorzeilen Zi ein unterschiedliches Beleuchtungsscenario zugeordnet ist und daß wenigstens jeweils eines der n Beleuchtungsscenarien eine Hellfeld- und eine Dunkelfeldbedingung erfüllt, weist die nacheinander erfolgenden Schritte auf:

a) Das zylindrische Objekt (1) wird bezüglich der wenigstens einen flächigen Lichtquelle (6, 7) und der Kamera (10) derart positioniert, daß der Untersuchungsbereich (5) den Codebereich (4) in Richtung einer Zylindermantellinie (15) vollständig überdeckt und die Zylinderachse (4) parallel zu den Detektorzeilen (40) ausgerichtet ist.
b) Das zylindrische Objekt (1) wird bei festgehaltener Zylinderachse (4) manuell oder motorisch gesteuert um die Zylinderachse (4) in einer Richtung ohne Änderung der Drehrichtung gedreht.
c) Mit einer vorgegebenen Taktfrequenz werden die Inhalte der ausgewählten n Detektorzeilen Zi des Bildsensors (12) in einer Detektorauslesevorrichtung (22) gleichzeitig ausgelesen und die jeweiligen Bildzeilen zeilenweise in n verschiedenen, den jeweiligen Detektorzeilen Zi zugeordneten Bereichen des Bildspeichers (24) abgespeichert.
d) Die Verfahrensschritte b) und c) werden wiederholt und die Bildzeilen werden folgerichtig in den jeweiligen Bereichen des Bildspeichers (24) zu den bereits abgespeicherten Bildzeilen als neue Bildzeilen hinzugefügt, bis der gesamte Codebereich (3) abgetastet ist.
e) Die im Bildspeicher (24) vorliegenden n Bilder des Codes (16) werden für eine nachfolgende Bildverarbeitung und Decodierung bereitgestellt.

Es ist vorgesehen, die Drehzahl der manuell oder motorisch gesteuerten Rotation des zylindrischen Objekts (1) mit einem mit diesem wirkverbundenen Encoder zu ermitteln wird und aus der Drehzahl ein Taktsignal zu generieren, das den Auslesetakt der n Detektorzeilen Zi steuert. Es ist vorgesehen, das Taktsignal zu überwachen und bei längerem Ausbleiben des Taktsignals die Vorrichtung in einen Schlafzustand zu versetzen und bei Wiedereinsetzen des Taktsignals eine Weckroutine für die Vorrichtung zu starten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß der

Es ist vorgesehen, einen Bildsensor (12) in CMOS- oder CCD-Technologie zu verwenden. Der Bildsensor (12) kann ein Farbbildsensor sein; in diesem Fall werden die Farbkanäle des Bildsensors (12) im Bildspeicher (24) separat für jede der n Detektorzeilen Zi in unterschiedlichen Bereichen gespeichert.
Die Auswahl der n für die Auslesung vorgesehenen Detektorzeilen Zi kann in einer Kalibrierabtastung erfolgen, bei der alle Detektorzeilen (40) des Bildsensors (12) gleichzeitig aufgenommen und sukzessive im Bildspeicher (24) abgespeichert werden und bei der aus den Bildern diejenigen mit dem größten Bildkontrast oder/und der höchsten Decodierwahrscheinlichkeit ermittelt werden und die diesen Bildern zugeordneten Detektorzeilen Zi für zukünftige Detektorzeilen-Auslesungen verwendet werden.
Es ist vorgesehen, daß die in der Detektorauslesevorrichtung (22) ausgelesen Detektorzeilen Zi als Bildzeilen in einer nachgeschalteten Triggerschaltung (23) mit einem überschreibbaren Ringspeicher daraufhin untersucht werden, ob sie ein charakteristisches Muster, wie ein Finder-Pattern oder ein Alternating Pattern enthalten, wobei bei Identifizierung eines charakteristischen Musters die bereits zu zurückliegenden Zeitpunkten aufgenommenen Bildzeilen für jede der n Detektorzeilen Zi in dem Bildspeicher (24) abgespeichert und die nachfolgend aufgenommenen Bildzeilen sukzessive im Bildspeicher (24) abgespeichert werden.
Es ist vorgesehen, daß der flächige Code (16) ein Matrixcode ist und das charakteristische Muster ein Finder-Pattern oder ein Alternating-Pattern ist. Handelt es sich bei dem flächigen Code (16) um einen Barcode, weist das charakteristische Muster die Start- und Stopp-Zeichenfolge des Barcodes auf.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet,

Es ist vorgesehen, daß in einem dem Bildspeicher (24) nachgeschalteten Bildverarbeitungsrechner (26) die für jede der n Detektorzeilen Zi abgespeicherten Bilder des flächigen Codes (16) entzerrt werden, vorzugsweise dadurch, daß durch Pixelvergleich von aufeinander folgenden Bildzeilen die Zeilenwechsel des flächigen Codes (16) erkannt werden und die Codezeilen des flächigen Codes (16) einzelnen Bildzeilen im Bildspeicher (24) zugeordnet werden.
Es ist vorgesehen, daß in einer dem Bildverarbeitungsrechner (26) nachgeschalteten Decodierungsvorrichtung (27) die entzerrten n Bilder des flächigen Codes (16) in einer Codeerkennungsroutine auf ihre Decodierbarkeit untersucht werden, bis in einem der n entzerrten Bildern des flächigen Codes (16) ein Code erkannt und ein Codewert ermittelt und ausgegeben wurde.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist folgende Mittel auf:

a) Mittel zum Positionieren und zum Führen des zylindrischen Objekts (1) während der Rotation um seine Zylinderachse (4),
b) Mittel zum Drehen des zylindrischen Objekts (1) um sein Zylinderachse (4)
c) Beleuchtungsmittel (33), die wenigstens eine erste flächige Beleuchtungsquelle (6) oder/und eine zweite flächige Beleuchtungsquelle (7) aufweisen,
d) Eine Kamera (10) mit einem Objektiv (11) großer Tiefenschärfe und einem Bildsensor (12), der eine Vielzahl von Detektorzeilen (40) aufweist, wobei die Kamera (10) derart ausgerichtet ist, daß der Untersuchungsbereich (5) auf die Detektorzeilen (40) abgebildet wird und die Detektorzeilen (40) parallel zu der Zylinderachse (4) angeordnet sind,
e) Eine Kamerasteuerung (32) zum Steuern der Kamera (10),
f) Eine Detektorauslesevorrichtung (22) zum Auslesen von ausgewählten Detektorzeilen Zi,
g) Eine Triggerschaltung (23) mit einem überschreibbaren Ringspeicher für die ausgelesenen Bildzeilen der einzelnen Detektorzeilen Zi,
h) Eine Decodierungsvorrichtung (27) und Mittel zur Codeausgabe (28)

Als Beleuchtungsmittel (33) ist wenigstens eine flächige Beleuchtungsquelle (6, 7) vorgesehen. Diese flächige erste Beleuchtungsquelle (6) beleuchtet den Untersuchungsbereich (5) in wenigstens einem Bereich mit einer Hellfeldbeleuchtungsbedingung und in wenigstens einem Bereich mit einer Dunkelfeldbeleuchtungsbedingung.
Es ist vorgesehen, die flächige Beleuchtungsquelle (6, 7) derart auszugestalten, daß sie Licht eines ausgewählten Wellenlängenbereichs im sichtbaren, Infrarot- oder UV-Bereich oder/und einer ausgewählten Polarisation emittiert. Ebenso ist eine monochromatische Beleuchtungsquelle vorgesehen.
Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, für die Positionierung des zylindrischen Objekts (1) während einer manuellen Drehung ein Auflageprisma (13) zu verwenden, an dessen Auflageflächen die Zylindermantelfläche (2) gleitend geführt wird. Es kann ein Anschlag zur Festlegung der Orientierung des Codebereichs (3) in Richtung der Zylinderachse vorgesehen sein. Bei einer Positionierung des zylindrischen Objekts (1) während einer motorischen Drehung die Zylinderachse (4) ist vorgesehen, die Position der Drehachse aus dem Zylinderdurchmesser und der Lage eines virtuellen Auflageprismas im Raum zu ermitteln, das einer Verkörperung dem Auflageprisma (13) entspricht.
Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Kamera (10) derart gegenüber dem Objekt (1) auszurichten, daß die optische Achse (20) der Kamera (10) die Zylinderachse (4) des Objekts (1) schneidet. Bei Verwendung eines Objektivs (11) mit großer Tiefenschärfe ist es auch möglich, für zylindrischen Objekte (1) unterschiedlichen Zylinderdurchmessers die Drehachse und damit die Zylinderachse (4) in einer raumfesten Orientierung festzulegen.
Verzeichnis der Abbildungen
1: Zylindrisches Objekts mit einem aufgebrachten Code
2: Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
3: Schematische Darstellung der Steuerungsarchitektur
Bezugszeichenliste

1: Objekt
2: Zylindermantelfläche
3: Codebereich
4: Zylinderachse
5: Untersuchungsbereich
6: Erste flächige Beleuchtungsquelle
7: Zweite flächige Beleuchtungsquelle
8: Absorptionsfläche
9: Dunkelfeld-Beleuchtungsquelle
10: Kamera
11: Objektiv
12: Bildsensor
13: Auflageprisma
15: Zylindermantellinie
16: Code
17: Codezeile
20: Optische Achse
21: Bewegungssteuerung
22: Detektorauslesevorrichtung
23: Triggerschaltung
24: Bildspeicher
25: Taktgeber
26: Bildverarbeitungsrechner
27: Decodierungsvorrichtung
28: Mittel zur Codeausgabe
29: Mastersteuerung
31: Beleuchtungssteuerung
32: Kamerasteuerung
33: Beleuchtungsmittel
40, Zi: Detektorzeile
50: Diffusor
51: LED-Beleuchtungsquelle
52: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19942789 A1 [0012]
WO 08153452 A1 [0013]
DE 102005031957 B4 [0014]
US 6850636 B1 [0015]
WO 09064759 A1 [0016]
EP 129084 B1 [0017]
WO 05048171 A1 [0018]
CN 102156849 A [0019]
US 5343031 A [0020]

Claims

Verfahren zum optischen Aufnehmen einer Reihe von Bildern eines flächigen Codes (16), der innerhalb eines Codebereichs (3) auf der Zylindermantelfläche (2) eines um seine Zylinderachse (4) drehbar gelagerten zylindrischen Objekts (1) aufgebracht ist, wobei der flächige Code (16) mit einer Auswahl von n Detektorzeilen Zi eines eine Vielzahl von Detektorzeilen (40) aufweisenden Bildsensors (12) einer Kamera (10) innerhalb eines von wenigstens einer flächigen Beleuchtungsquelle (6, 7) beleuchteten Untersuchungsbereichs (5) abgetastet wird und die Bildinhalte der Detektorzeilen Zi in einer Detektorauslesevorrichtung (22) ausgelesen und in einem Bildspeicher (24) abgespeichert werden, wobei die wenigstens eine flächige Beleuchtungsquelle (6, 7) bezüglich der Zylindermantelfläche (2) und der Kamera (10) derart angeordnet ist, daß jeder der n Detektorzeilen Zi ein unterschiedliches Beleuchtungsscenario zugeordnet ist und daß wenigstens jeweils eines der n Beleuchtungsscenarien eine Hellfeld- und eine Dunkelfeldbedingung erfüllt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Das zylindrische Objekt (1) wird bezüglich der wenigstens einen flächigen Lichtquelle (6, 7) und der Kamera (10) derart positioniert, daß der Untersuchungsbereich (5) den Codebereich (4) in Richtung einer Zylindermantellinie (15) vollständig überdeckt und die Zylinderachse (4) parallel zu den Detektorzeilen (40) ausgerichtet ist. b) Das zylindrische Objekt (1) wird bei festgehaltener Zylinderachse (4) manuell oder motorisch gesteuert um die Zylinderachse (4) in einer Richtung ohne Änderung der Drehrichtung gedreht. c) Mit einer vorgegebenen Taktfrequenz werden die Inhalte der ausgewählten n Detektorzeilen Zi des Bildsensors (12) in einer Detektorauslesevorrichtung (22) gleichzeitig ausgelesen und die jeweiligen Bildzeilen zeilenweise in n verschiedenen, den jeweiligen Detektorzeilen Zi zugeordneten Bereichen des Bildspeichers (24) abgespeichert. d) Die Verfahrensschritte b) und c) werden wiederholt und die Bildzeilen werden folgerichtig in den jeweiligen Bereichen des Bildspeichers (24) zu den bereits abgespeicherten Bildzeilen als neue Bildzeilen hinzugefügt, bis der gesamte Codebereich (3) abgetastet ist. e) Die im Bildspeicher (24) vorliegenden n Bilder des Codes (16) werden für eine nachfolgende Bildverarbeitung und Decodierung bereitgestellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des zylindrischen Objekts (1) um seine Zylinderachse (4) manuell oder motorisch gesteuert erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der manuell oder motorisch gesteuerten Rotation des zylindrischen Objekts (1) mit einem mit diesem wirkverbundenen Encoder ermittelt wird und aus der Drehzahl ein Taktsignal generiert wird, das den Auslesetakt der n Detektorzeilen Zi steuert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim längeren Ausbleiben des Taktsignals die Vorrichtung in einen Schlafzustand versetzt wird und bei Wiedereinsetzen des Taktsignals eine Weckroutine für die Vorrichtung gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (12) ein Farbbildsensor ist und die Farbkanäle im Bildspeicher (24) separat für jede der n Detektorzeilen Zi abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß Die Auswahl der n für die Auslesung vorgesehenen Detektorzeilen Zi in einer Kalibrierabtastung erfolgt, bei der alle Detektorzeilen (40) des Bildsensors (12) gleichzeitig im Bildspeicher (24) abgespeichert werden und aus den Bildern diejenigen mit dem größten Bildkontrast oder/und der höchsten Decodierwahrscheinlichkeit ermittelt werden und die diesen Bildern zugeordneten Detektorzeilen Zi für zukünftige Detektorzeilen-Auslesungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Detektorauslesevorrichtung (22) ausgelesen Detektorzeilen Zi als Bildzeilen in einer nachgeschalteten Triggerschaltung (23) mit einem überschreibbaren Ringspeicher daraufhin untersucht werden, ob sie ein charakteristisches Muster, wie ein Finder-Pattern oder ein Alternating Pattern enthalten, wobei bei Identifizierung eines charakteristischen Musters die bereits zu zurückliegenden Zeitpunkten aufgenommenen Bildzeilen für jede der n Detektorzeilen Zi in dem Bildspeicher (24) abgespeichert und die nachfolgend aufgenommenen Bildzeilen sukzessive im Bildspeicher (24) abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Code (16) ein Matrixcode ist und das charakteristische Muster ein Finder-Pattern ist
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Code (16) ein Matrixcode ist und das charakteristische Muster ein Alternating-Pattern ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Code (16) ein Barcode ist und das charakteristische Muster die Start- und Stopp-Zeichenfolge des Barcodes aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Bildspeicher (24) nachgeschalteten Bildverarbeitungsrechner (26) die für jede der n Detektorzeilen Zi abgespeicherten Bilder des flächigen Codes (16) entzerrt werden, dadurch daß durch Pixelvergleich von aufeinander folgenden Bildzeilen die Zeilenwechsel des flächigen Codes (16) erkannt werden und die Codezeilen des flächigen Codes (16) einzelnen Bildzeilen im Bildspeicher (24) zugeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dem Bildverarbeitungsrechner (26) nachgeschalteten Decodierungsvorrichtung (27) die entzerrten n Bilder des flächigen Codes (16) in einer Codeerkennungsroutine auf ihre Decodierbarkeit untersucht werden, bis in einem der n entzerrten Bildern des flächigen Codes (16) ein Code erkannt und ein Codewert ermittelt und ausgegeben wurde.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–12, welche aufweist: a) Mittel zum Positionieren und zum Führen des zylindrischen Objekts (1) während der Rotation um seine Zylinderachse (4), b) Mittel zum Drehen des zylindrischen Objekts (1) um sein Zylinderachse (4) c) Beleuchtungsmittel (33), die wenigstens eine erste flächige Beleuchtungsquelle (6) oder/und eine zweite flächige Beleuchtungsquelle (7) aufweisen, d) Eine Kamera (10) mit einem Objektiv (11) großer Tiefenschärfe und einem Bildsensor (12), der eine Vielzahl von Detektorzeilen (40) aufweist, wobei die Kamera (10) derart ausgerichtet ist, daß der Untersuchungsbereich (5) auf die Detektorzeilen (40) abgebildet wird und die Detektorzeilen (40) parallel zu der Zylinderachse (4) angeordnet sind, e) Eine Kamerasteuerung (32) zum Steuern der Kamera (10), f) Eine Detektorauslesevorrichtung (22) zum Auslesen von ausgewählten Detektorzeilen Zi, g) Eine Triggerschaltung (23) mit einem überschreibbaren Ringspeicher für die ausgelesenen Bildzeilen der einzelnen Detektorzeilen Zi, h) Eine Decodierungsvorrichtung (27) und Mittel zur Codeausgabe (28)
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel (33) eine flächige erste Beleuchtungsquelle (6) aufweist, die den Untersuchungsbereich (5) in wenigstens einem Bereich mit einer Hellfeldbeleuchtungsbedingung und in wenigstens einem Bereich mit einer Dunkelfeldbeleuchtungsbedingung beleuchtet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine flächige Beleuchtungsquelle (6, 7) Licht eines ausgewählten Wellenlängenbereichs im sichtbaren, Infrarot- oder UV-Bereich oder/und einer ausgewählten Polarisation emittiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, daß für die Positionierung des zylindrischen Objekts (1) während einer manuellen Drehung ein Auflageprisma (13) vorgesehen ist, an dem die Zylindermantelfläche (2) gleitend geführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, daß für die Positionierung des zylindrischen Objekts (1) während einer motorischen Drehung die Zylinderachse (4) dadurch festgelegt ist, daß die Zylindermantelfläche (2) ein virtuelles Auflageprisma tangiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (12) ein CMOS-Bildsensor mit Einzelzeilen- oder/und Zeilengruppen-Auslesung ist, wobei die auszulesenden Detektorzeilen (40) wenigstens die für den Aufbau der Bilder im Bildspeicher (24) verwendeten Detektorzeilen Zi enthalten
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (12) ein CCD-Bildsensor mit der Möglichkeit der Auslesung von Zeilenbereichen ist, wobei die auszulesenden Zeilenbereiche wenigstens die für den Aufbau der Bilder im Bildspeicher (24) verwendeten Detektorzeilen Zi enthalten