DE102015116568A1

DE102015116568A1 - Verfahren zur Analyse eines Objektes mit einer Bildaufnahmeeinheit in einer Fabrik- oder Prozessautomation sowie eine Bildaufnahmeeinrichtung zur Analyse eines Objektes in der Fabrik- oder Prozessautomation

Info

Publication number: DE102015116568A1
Application number: DE102015116568.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Schneider; Dirk STROHMEIER
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines Objektes mit einer Bildaufnahmeeinheit in einer Fabrik- oder Prozessautomation, bei welcher die Bildaufnahmeeinheit (1) mit einem durchstimmbaren Bandpassfilter (7) kombiniert wird. Bei einem Verfahren, bei welchem die Anwendungsbereiche der Bildaufnahmeeinheit schnellstmöglich angepasst werden können, werden als durchstimmbares Bandpassfilter ein Flüssigkristallbandpassfilter (7) und als Bildaufnahmeeinheit ein monochromes Kamerasystem (1) verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines Objektes mit einer Bildaufnahmeeinheit in einer Fabrik- oder Prozessautomation, bei welcher die Bildaufnahmeeinheit mit einem durchstimmbaren Bandpassfilter kombiniert wird sowie eine Bildaufnahmeeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der DE 10 2007 063 453 B3 wird ein durchstimmbares Farbfilter zur Realisierung der Funktion eines Lichtventils genutzt. Durch das Hin- und Herschalten des durchstimmbaren Farbfilters kann zwischen jeweils einer Abbildung eines der beiden Kanäle auf dem Bildsensor ausgewählt werden. Für diesen Aufbau ist immer ein Strahlteiler notwendig, welcher insbesondere für den Einsatz in einer Prozess- bzw. Fabrikautomation sehr aufwändig ist.
Die DE 102 12 554 A1 zeigt ein durchstimmbares Bandpassfilter für den Einsatz in der Fluoreszenzmikroskopie. Auch hier ist immer ein Strahlteiler notwendig, um das durchstimmbare Filter zum Schalten der unterschiedlichsten fluoreszierenden Farbstoffe zu verwenden.
Für die Inspektion oder Vermessung von Objekten werden häufig Bildaufnahmesysteme in Form von Kamerasystemen eingesetzt, welche auch zum Lesen von strukturierten Codes weite Verbreitung gefunden haben. Dabei werden Bilder des Objektes erfasst und durch Bildverarbeitungsverfahren ausgewertet. Insbesondere zur Erfassung und Überwachung bestimmter Arbeitsabläufe in der Fabrik- und Prozessautomation werden diese Kameras vielfältig verwendet. Je nach ihrem Einsatzgebiet muss dem Bildaufnahmegerät ein optisches Bandpassfilter vorgeschaltet werden, um die Bildqualität zu verbessern. Ein einmal für eine bestimmte Applikation eingebautes Bandpassfilter lässt sich nur mit Aufwand auswechseln, wenn die Applikation geändert wird, d.h. das optisch zu analysierende Objekt mit einer geänderten Wellenlänge analysiert werden muss. Solche Bandpassfilter bestehen aus Filterrädern, welche eine Vielzahl von optischen Filtern aufweisen und welche daher im industriellen Umfeld selten eingesetzt werden, da sie aufgrund der Baugröße nur sehr aufwändig zwischen den Applikationen zu wechseln sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Analyse eines Objektes mit einer Bildaufnahmeeinheit in einer Fabrik- oder Prozessautomation anzugeben, bei welchem eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Applikationen im industriellen Einsatz möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass als durchstimmbares Bandpassfilter ein Flüssigkristallbandpassfilter und als Bildaufnahmeeinheit ein monochromes Kamerasystem verwendet werden. Durch die Verwendung des Flüssigkristallbandpassfilters ist ein schnelles Umschalten des Wellenlängenbereiches des Bandpassfilters beim Wechsel von Anwendungsgebieten der Bildaufnahmeeinheit möglich. Die Kombination aus Flüssigkristallbandpassfilter und monochromem Kamerasystem ermöglicht im Gegensatz zur Verwendung von Farbbildsensoren ein besonders kostengünstiges Verfahren. Darüber hinaus entfällt bei dem Flüssigkristallbandpassfilter ein manuelles Umstellen des Bandpassfilters, da dieses nicht gegen ein Bandpassfilter mit einem anderen Wellenlängenbereich ausgetauscht werden muss. Bei einem solchen Flüssigkristallbandpassfilter wird der durchlässige Wellenlängenbereich durch Anlegen einer Spannung an das Flüssigkristallbandpassfilter einfach geändert.
Vorteilhafterweise wird der Wellenlängenbereich des Flüssigkristallbandpassfilters an das zu analysierende Objekt durch eine Verschiebung des Wellenlängenbereiches im sichtbaren Wellenlängenspektrum angepasst. Damit werden die Lichtverhältnisse für die das Objekt aufnehmende Bildaufnahmeeinheit verbessert, so dass durch die Bildaufnahme die auszuwertenden Strukturen deutlich erkennbar sind.
In einer Ausgestaltung wird das als codierte Struktur ausgebildete Objekt von einem mit dem durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter gekoppelten Kameradecoder analysiert. Durch diese Kopplung kann die Bildaufnahmeeinheit automatisch an die vorgesehene Applikation angepasst werden, so dass gewisse Strukturen, wie beispielsweise Barcodes oder Matrixcodes, schnell und trotzdem mit hoher Deutlichkeit ausgewertet werden können.
In einer Variante werden mittels des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters Farbwerte in einem Objektraum bestimmt. Dabei kann einfach die Farbmessung vorzugsweise mit einem monochromen Bildsensor erfolgen, was eine besonders kostengünstige Lösung darstellt.
In einer Ausgestaltung werden zur Ermittlung der Farbwerte in dem Objektraum mehrere Bilder einer gleichen Szene aufgenommen, wobei bei jedem Bild derselben Szene der Wellenlängenbereich des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters im sichtbaren Wellenlängenspektrum geändert wird. Die Verwendung des Flüssigkristallbandpassfilters erlaubt eine schnelle Anpassung der Wellenlänge des Bandpassfilters und somit eine sehr kurzfristige Änderung der Aufnahmesituation der Bildaufnahmeeinheit zur Bestimmung der Farbwerte des Objektraumes.
In einer Ausführungsform wird ein Farbspektrum des Objektraumes in vorgegebenen Wellenlängenschritten mit dem durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter abgefahren und bei jedem Wellenlängenschritt die mehreren Bilder erzeugt. Je schmaler der Wellenlängenbereich des Bandpassfilters ist, in welchem Licht durchgelassen wird, desto besser ist die Auflösung des unbekannten Spektrums.
Vorteilhafterweise weist der Wellenlängenbereich des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters eine spektrale Breite von weniger als 30 nm auf.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Bildaufnahmeeinrichtung zur Analyse eines Objektes in der Fabrik- oder Prozessautomation, bei welchem eine Bildaufnahmeeinheit mit einem durchstimmbaren Bandpassfilter kombiniert ist. Um innerhalb eines industriellen Umfeldes Applikationen schnellstmöglich umstellen zu können, ist das durchstimmbare Bandpassfilter als Flüssigkristallbandpassfilter ausgebildet.
Vorteilhafterweise weist die Bildaufnahmeeinheit eine Beleuchtungseinheit, ein Empfangsobjektiv und einen monochromatischen Bildsensor auf, wobei das Flüssigkristallbandpassfilter vor dem Empfangsobjektiv oder zwischen Empfangsobjektiv und Bildsensor angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird die Qualität des von der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bildes verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Bildaufnahmeeinheit als Kameradecoder zum Lesen von codierten Strukturen ausgebildet. Somit kann die Bildaufnahmeeinheit nicht nur für Auswertungen vorgegebener Bilder im Produktionsumfeld genutzt werden, sondern gleichzeitig auch zur Verbesserung der Aufnahmefähigkeit von codierten Strukturen, wie Barcode oder Matrixcode.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bildaufnahmeeinheit,
2 eine Abbildung einer modulierten Bandpassfiltercharakteristik eines Flüssigkristallbandpassfilters,
3 Darstellungen eines originalen und eines erfindungsgemäß analysierten Farbspektrums,
4 verschiedene Beispiele zum Einsatz des Flüssigkristallbandpassfilters bei der Analyse eines Objektes in der Fabrik- oder Prozessautomation.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine als 3D-Kamera ausgebildete Bildaufnahmeeinheit 1. Die Kamera 1 kann beispielsweise zur Vermessung oder Inspektion von Objekten sowie zum Erfassen von linearen oder mehrdimensionalen Codes und Auslesen von deren Inhalten eingesetzt werden. Die Kamera 1 ist mit einer Beleuchtungseinrichtung 2 zum Ausleuchten eines Aufnahmebereiches 3 der Kamera 1 ausgerüstet, in welchem das zu analysierende Objekt angeordnet ist. Die Kamera 1 erfasst Licht aus einem Aufnahmebereich 3 durch ein Empfangsobjektiv 4, in dem nur eine dargestellte Linse 5 die Aufnahmeoptik repräsentiert. Vor dem Aufnahmeobjektiv 4 ist ein Flüssigkristallbandpassfilter 7 angeordnet, welches in seiner Lichtdurchlässigkeit über eine anliegende Spannung gesteuert wird. Ein Bildsensor 6, welcher monochromatisch ausgebildet ist, erzeugt Bilddaten des Aufnahmebereiches 3 und der dort gegebenenfalls vorhandenen Objekte und Codebereiche und gibt diese an eine Auswerteeinheit 8 weiter. Die Auswerteeinheit 8 ist auf einem oder mehreren digitalen Bausteinen implementiert, beispielsweise Mikroprozessoren, ASICs, FPGAs oder dergleichen, die auch ganz oder teilweise außerhalb der Kamera 1 vorgesehen sein können und steuert zugleich die Beleuchtungseinrichtung 2. Die Bilddaten werden in der Auswerteeinheit 8 verarbeitet, beispielsweise vorbereitend gefiltert, geglättet, helligkeitsnormiert, auf bestimmte Bereiche zugeschnitten und binarisiert. Dann werden interessierende Strukturen erkannt und segmentiert, beispielsweise einzelne Objekte, Linien oder Codebereiche. Diese Strukturen werden vermessen oder auf bestimmte Eigenschaften hin überprüft. Sofern Codes gelesen werden sollen, werden diese identifiziert und codiert.
Am Ausgang 9 der Kamera 1 können Daten ausgegeben werden, und zwar sowohl Auswertungsergebnisse, wie gelesene Codeinformation oder ermittelte Abmessungen und Inspektionsergebnisse, als auch Daten in verschiedenen Verarbeitungsstufen, wie Rohbilddaten, vorverarbeitete Bilddaten, identifizierte Objekte oder noch nicht decodierte Codebilddaten.
Durch das Anlegen der elektrischen Spannung an das Flüssigkristallbandpassfilter 7 wird der lichtdurchlässige Wellenlängenbereich des Flüssigkristallbandpassfilters 7 im sichtbaren Wellenlängenspektrum verschoben. Dieses durchstimmbare Flüssigkristallbandpassfilter 7 vereinfacht das Einrichten einer Applikation im industriellen Umfeld derart, dass gewisse Strukturen, z.B. Barcodes oder Matrixcodes, mittels einer Kopplung der Kamera 1 mit dem durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter 7 automatisch an die Applikation angepasst werden können.
Mit dieser gezeigten Bildaufnahmeeinrichtung 1 ist auch eine Farbmessung möglich. In einer nahezu statischen Szene werden durch die Bildaufnahmeeinheit 1 mehrere Bilder dieser gleichen Szene bei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Flüssigkristallbandpassfilters 7 aufgenommen. In 2 ist ein mit einer Gauß-Funktion moduliertes Flüssigkristallbandpassfilter 7 mit einer spektralen Breite von 25 nm gezeigt. Das Flüssigkristallbandpassfilter 7 weist hierbei drei Wellenlängenbereiche auf, in welchen es entsprechend der angelegten Spannung lichtdurchlässig ist. Diese drei Wellenlängenbereiche werden nacheinander durch die Spannungsänderung am Flüssigkristallbandpassfilter eingestellt und liegen im blauen Bereich (450 nm), im grünen Bereich (550 nm) und im roten Bereich (650 nm) des sichtbaren Wellenlängenspektrums. Mit der nachgeschalteten Auswertung der Bilder kann auf die Farbwerte des Spektrums in der Umgebung des aufzunehmenden Objektes geschlossen werden.
Das so modulierte Flüssigkristallbandpassfilter 7 wird verwendet, um zwei unbekannte Spektren im Aufnahmebereich der Kamera 1 zu analysieren. Zu diesem Zweck wird das zu analysierende Spektrum in einem etwa 1 nm-Schritt mit dem durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter 7 abgefahren. In jedem 1 nm-Schritt werden dabei mehrere Bilder der gleichen Szene des auszuwertenden Objektes aufgenommen, wobei für jede Szene am durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter 7 nacheinander die drei bezeichneten Wellenlängenbereiche eingestellt werden. 3 zeigt ein mit dem Flüssigkristallbandpassfilter analysiertes Spektrum. Dabei ist die Kurve B das originale Spektrum, während die gestrichelte Kurve A das mittels des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters 7 aufgenommene und analysierte Spektrum wiedergibt. Ein zweites Spektrum im Originalzustand ist durch die Kurve C gekennzeichnet, während das analysierte Spektrum die gestrichelte Kurve D darstellt. Dabei ist zu beachten, dass je schmaler der Wellenlängenbereich des Flüssigkristallbandpassfilters 7 ist, umso eine bessere Auflösung des unbekannten Spektrums wird erreicht. Ein sehr schmales Filterband kann auch durch das Kaskadieren von mehreren Filtern realisiert werden.
In 4 sind mehrere Gegenüberstellungen von durch die Bildaufnahmeeinheit 1 aufgenommenen Bildern dargestellt, bei welchen jeweils ein anderer Wellenlängenbereich des Flüssigkristallbandpassfilters 7 eingestellt wird. Die Spalte I der Figuren zeigt die Darstellung ohne Flüssigkristallbandpassfilter 7, während die Spalte II der Figuren die Aufnahme mit Flüssigkristallbandpassfilter 7 wiedergibt. In 4a wird ein blaues oder Cyan-Bandpassfilter in Fluoreszenzanwendungen mit UV-LEDs genutzt. Ein grünes Bandpassfilter zur Verbesserung des Kontrastes von Leiterplatten bei weißer Beleuchtung wird in 4b verwendet. Ein orangefarbenes Bandpassfilter, wie es in 4c genutzt wird, dient zur besseren Lesbarkeit von fluoreszierenden Postcodes unter UV-Beleuchtung. Das in 4d verwendete rote Bandpassfilter dient zur Unterdrückung des Umgebungslichts bei roten LEDs, wodurch ein Matrixcode besser sichtbar wird. Ein dunkelrotes Bandpassfilter zur Erhöhung des Kontrastes durch Unterdrückung des Umgebungslichtes wird in 4e verwendet.
Die Verwendung eines durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters 7 und gleichzeitigen Einsatzes eines monochromen Bildsensors 6 erlaubt eine schnelle applikationsspezifische Anpassung in der Fabrik- und Prozessautomation. Außerdem ist eine vorteilhafte Farbmessung mittels des monochromen Bildsensors möglich.
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 102007063453 B3 [0002]
DE 10212554 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Analyse eines Objektes mit einer Bildaufnahmeeinheit in einer Fabrik- oder Prozessautomation, bei welcher die Bildaufnahmeeinheit (1) mit einem durchstimmbaren Bandpassfilter (7) kombiniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als durchstimmbares Bandpassfilter ein Flüssigkristallbandpassfilter (7) und als Bildaufnahmeeinheit ein monochromes Kamerasystem (1) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich des Flüssigkristallbandpassfilters (7) an das zu analysierende Objekt durch eine Verschiebung des Wellenlängenbereiches im sichtbaren Wellenlängenspektrum angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als codierte Struktur ausgebildete Objekt von einem, mit dem durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter (1) gekoppelten Kameradecoder (1) analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters (7) Farbwerte in einem Objektraum bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Farbwerte in dem Objektraum mehrere Bilder einer gleichen Szene aufgenommen werden, wobei bei jedem Bild derselben Szene der Wellenlängenbereich des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters (7) im sichtbaren Wellenlängenspektrum geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Farbspektrum des Objektraumes in vorgegebenen Wellenlängenschritten mit dem durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilter (7) abgefahren wird und bei jedem Wellenlängenschritt die mehreren Bilder durch die Bildaufnahmeeinheit (1) erzeugt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenbereiche des durchstimmbaren Flüssigkristallbandpassfilters (7) eine Spektralbreite von weniger als 30 nm aufweisen.
Bildaufnahmeeinrichtung zur Analyse eines Objektes in der Fabrik- oder Prozessautomation, bei welchem eine Bildaufnahmeeinheit (1) mit einem durchstimmbaren Bandpassfilter (7) kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das durchstimmbare Bandpassfilter als Flüssigkristallbandpassfilter (7) ausgebildet ist.
Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit (1) eine Beleuchtungseinheit (2), ein Empfangsobjektiv (4, 5) und einen monochromatischen Bildsensor (6) aufweist, wobei das Flüssigkristallbandpassfilter (7) vor dem Empfangsobjektiv (4, 5) oder zwischen dem Empfangsobjektiv (4, 5) und dem Bildsensor (6) angeordnet ist.
Bildaufnahmeeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinheit (1) als Kameradecoder zum Lesen von codierten Strukturen ausgebildet ist.