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Die Erfindung betrifft ein Kamerasystem mit Beleuchtung und Polarisationsmitteln mit einem ersten, zweiten und dritten Polarisationsfilter, gemäß Gattung des Anspruchs 1. Das Kamerasystem ist bevorzugt als Code-Lesegerät ausgestaltet, jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere kann das Kamerasystem auch als Pixelzähler oder zur Konturenerkennung ausgebildet sein. Selbstverständlich sind weitere Anwendungen möglich.
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Code-Lesegeräte sind hinlänglich bekannt. Die
US 5 541 419 A zeigt beispielsweise einen Barcodeleser mit einem ersten Polarisationsfilter vor der Beleuchtung und einem zweiten Polarisationsfilter vor dem Empfänger. Die Polarisationsrichtung der beiden Filter sind senkrecht zueinander ausgerichtet, sodass das von der Beleuchtung emittierte und vom Target reflektierte Licht senkrecht zur Polarisationsrichtung des Empfängers auftritt und dort blockiert wird. Da die spekularen Reflexionen die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen wie die Polarisationsrichtung der emittierenden Lichtquelle, werden diese Reflexionen vom Eingangspolarisationsfilter ausgeblendet und gelangen nicht zum Empfangssensor. Ausgewertet wird im Wesentlichen nur das vom Target diffus gestreute Licht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Erkennung von Objekteigenschaften insbesondere auch Codes weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Kamerasystem gelöst.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein erfindungsgemäßes Kamerasystem insbesondere Code-Lesegerät in perspektivischer Ansicht,
- 2a das Kamerasystem in einer Aufsicht,
- 2b das Kamerasystem im Querschnitt,
- 3 exemplarisch einen zu erfassenden genadelten Code,
- 4 einen Bildsensor mit einer Polarisationsfilterstruktur mit vier Polarisationsrichtungen,
- 5 einen alternativen Aufbau einer Polarisationsfilterstruktur,
- 6 einen Bildsensor gemäß 4 mit Pixeln ohne Polarisationsfilter
- 7 ein Bildsensor mit einer alternativen Anordnung von Polarisationsfiltern,
- 8 ein Bildsensor gemäß 7 mit Pixeln ohne Polarisationsfilter
- 9 ein Kamerasystem mit Polfiltern zwischen Optik und Beleuchtung bzw. Bildsensor.
- 10 ein Kamerasystem mit gemeinsame Polfilter für eine erste Gruppe von Lichtquellen und einen zweiten gemeinsamen Polfilter für eine zweite Gruppe von Lichtquellen und dem Bildsensor
- 11 eine symmetrische Anordnung der Lichtquellen mit gemeinsamen Polfiltern,
- 12 ein Kamerasystem mit gemeinsamen Polfiltern und einer nichtsymmetrischen Anordnung der Lichtquellen,
- 13 ein Kamerasystem mit polarisierten und unpolarisierten Lichtquellen,
- 14 ein Kamerasystem mit einem zirkulären Polfilter und Lichtquellen ohne Polfilter,
- 15 exemplarisch eine Erkennung eines Objekts.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleich oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kamerasystem mit einem zentralen Bildsensor 10 und vier diesen Bildsensor 10 umgebenden Lichtquellen 20 a-d. Ein solches Kamerasystem kann insbesondere als Code-Lesegerät beispielsweise für das Erfassen und insbesondere Erkennen von Barcodes, QR-Codes oder anderer Code-Formen vorzugsweise in gedruckter und insbesondere auch genadelter Form ausgebildet sein. Selbstverständlich kann das Kamerasystem auch für eine normale 2D-Erfassung oder als Pixelzähler und/oder für eine Konturerkennung ausgebildet sein.
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In 2a ist die Draufsicht auf dieses Kamerasystem 1 gezeigt. Die Lichtquellen 20a, b einer ersten Lichtquellengruppe weisen einen ersten Polarisationsfilter 31 mit einer ersten Polarisationsrichtung P1 auf, die Lichtquellen 20 c, d eine zweiten Lichtquellengruppe weisen einen zweiten Polarisationsfilter 32 mit einer zweiten Polarisationsrichtung P2 auf und der Empfänger bzw. Bildsensor 10 weist einen dritten Polarisationsfilter 33 mit einer dritten Polarisationsrichtung P3 auf. Die erste Polarisationsrichtung P1 ist hierbei orthogonal zur dritten Polarisationsrichtung P3 ausgerichtet.
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2b zeigt diese Anordnung im seitlichen Querschnitt. Frontseitig ist das Kamerasystem mit einer Frontscheibe 40 abgedeckt, dem nachfolgend sind die ersten, zweiten und dritten Polarisationsfilter 31, 32, 33 angeordnet. Statt unterhalb der Frontscheibe 40 können die Polarisationsfilter 31, 32, 33 auch oberhalb der Frontscheibe angeordnet sein. Zur Strahlformung bzw. optischen Abbildung weisen sowohl die Lichtquellen 20 als auch der Bildsensor 10 optische Elemente 25 auf. Trennwänden verhindern beispielsweise ein optisches Übersprechen der Lichtquellen 20 auf den Bildsensor 10. Darüber hinaus weist das Kamerasystem 1 eine Auswerte- und Steuereinheit 50 auf, die zum einen die Beleuchtungen bzw. Lichtquellen 20 ansteuert und die vom Bildsensor 10 erfassten Daten aufbereitet.
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3 zeigt exemplarisch einen, beispielsweise in eine metallische Oberfläche, genadelten Code. Ein genadelter Code kann beispielsweise auch als QR- oder Barcode oder ggf. auch in einer anderen Kodierung ausgeführt sein. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere vertiefte oder erhabene Codes, abhängig von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts, unterschiedliche Kontraste zeigen. Insofern ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Target zunächst mit einer ersten Polarisationsrichtung und dann mit einer zweiten Polarisationsrichtung der Lichtquelle zu erfassen.
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Sind die erste Polarisationsrichtung P1 des Senders bzw. der Lichtquellen 20 und die dritte Polarisationsrichtung P3 vom Empfänger 10 senkrecht zueinander ausgerichtet, so werden durch den dritten Polarisationsfilter 33 die spekularen Reflexionen unterdrückt, sodass am Bildsensor 10 im Wesentlichen nur die Anteile des diffus gestreuten Lichts auftreffen. Zur Auswertung des Codes wird ein erstes Bild mit dieser Konfiguration aufgenommen.
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Um auf unterschiedliche Targets reagieren zu können, ist es vorgesehen, ein zweites Bild mit der zweiten Lichtquellengruppe 20c, d aufzunehmen, deren Polarisationsfilter 32 eine von der ersten Polarisationsrichtung P1 abweichende Polarisationsrichtung P2 aufweisen. Die zweite Polarisationsrichtung P2 kann beispielsweise um 45° gegenüber der dritten Polarisationsrichtung P3 gedreht oder vorzugsweise sogar parallel zu dieser ausgerichtet sein. In dieser Ausrichtung der Polfilter werden zwar auch ein Teil der spekularen Reflexionen vom Bildsensor 10 miterfasst, es sind jedoch Situationen möglich, in denen sich die Lesbarkeit des Codes verbessert.
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Die Auswerte- und Steuereinheit 50 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass für die Aufnahme der Bilder die Lichtquellen 20 bzw. die entsprechenden Lichtquellengruppen 20a, b; 20c, d zunächst mit der ersten und dann mit der zweiten Polarisationsrichtung P1, P2 betrieben werden, wobei die dritte Polarisationsrichtung P3 am Empfänger bzw. Bildsensor 10 unverändert bleibt.
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Die erfolgreichste bzw. die Lichtquellen und Polfilterkombination mit dem besten Leseerfolg aufweist, kann beispielsweise in einem Speicher abgelegt werden. Die Auswahl der erfolgreichsten Kombination kann vorzugweise automatisch durchgeführt werden.
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4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform, bei der der Bildsensor 10 selbst eine Struktur mit Polarisationsfiltern aufweist, die jedem Pixel 11 eine unterschiedliche Polarisationsrichtung P1, 2, 3, 4 zuweist. Im dargestellten Beispiel sind vier um jeweils 45° verschobene Polarisationsrichtungen vorgesehen, d.h die Winkel 0°, 45°, 90° und 135° und bevorzugt in einer 2x2-Matrix-Struktur realisiert.
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Die Polarisationsfilter P1-4 sind unmittelbar oberhalb des lichtempfangenden Pixelbereichs 11 angeordnet, denen dann ein Mikrolinsenarray 12 folgt. Aufgrund der 2x2-Struktur sind im dargestellten Schnitt nur die Polarisationsfilter P1 und P2 zu erkennen.
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Alternativ können aber auch, wie in 5 gezeigt, zunächst die Mikrolinsen 12 auf den Pixelbereichen 11 angeordnet und oberhalb der Mikrolinsen eine Polarisationsstruktur P1-P4 aufgebaut sein. Grundsätzlich sind beide Strukturen verwendbar, wobei die erste Struktur ggf. streulichtunempfindlicher ist.
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Mittels eines solchen Aufbaus ist es dann für das erfindungsgemäße Vorgehen nicht mehr zwingend notwendig die Lichtquellen 20 zwischen zwei verschiedenen Polarisationsrichtungen umzuschalten, sondern die Lichtquellen können beispielsweise allesamt mit einer einheitlichen Polarisationsrichtung ausgestattet sein. Zur Auswertung unterschiedlicher Polarisationseigenschaften des Targets müssen dann lediglich nur die Pixel mit den jeweils unterschiedlichen Polarisationsrichtungen P1-4 ausgewertet werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Aufbau eines entsprechenden Kamerasystems deutlich vereinfacht werden kann, außerdem kann vorteilhaft die Lichtmenge aller Lichtquellen ausgenutzt werden.
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6 zeigt einen weiteren möglichen Aufbau eines Bildsensors gemäß 4, bei der in einer 4x4-Gruppe von Pixeln jeweils eine 2x2-Gruppe ohne Polarisationsfilter ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die Anzahl der Pixel ohne Polarisationsfilter auch variieren, so dass ggf. auch deutlich mehr Pixel ohne Polarisationsfilter verwendet werden können.
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Ebenso kann die Anzahl der zur Verfügung gestellten Polarisationsrichtungen variieren. Beispielsweise könnte eine Polarisationsstruktur nur mit zwei Polarisationsrichtungen vorgesehen sein.
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7 zeigt eine weitere Variante, bei der die Polarisationsfilter in einer 1x4-Pixelgruppen zeilenweise verschoben angeordnet sind.
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8 zweit eine Variante, beider der eine 1x5-Pixelgruppe vorgesehen ist, bei der das fünfte Pixel keinen Polarisationsfilter aufweist. Diese Pixelgruppen sind dann wiederum zeilenweise versetzt angeordnet. Selbstverständlich können die Beispiele gemäß der 4 bis 8 in geeigneter Weise abgeändert und insbesondere die Anordnung, Anzahl und/oder Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter variiert werden.
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Des Weiteren ist es für einen Bildsensor 10 mit Polfilterstruktur gemäß der 4 bis 8 denkbar, die Lichtquellen 20 gleichzeitig mit verschiedenen Polarisationsrichtungen zu betreiben. Aufgrund der Polfilterstruktur am Bildsensor 10 können dann parallel Bilder beispielsweise mit einer für die Auswertung geeigneten Kontrasten ausgelesen werden.
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Ebenso ist es denkbar, auch Lichtquellen ohne Polfilter vorzusehen. So können Bilder mit und ohne polarisiertem Beleuchtungslicht aufgenommen werden.
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Hinsichtlich der Lichtquellen 20 kann es des Weiteren vorgesehen sein, die Lichtquellen 20 nicht mit einem Polarisationsfilter auszustatten, sondern die Lichtquellen 20 selbst polarisierend auszugestalten. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlungsleistungen der Lichtquellen 20 voll genutzt werden und nicht durch nachgeschaltete Polarisationsfilter reduziert wird.
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Des Weiteren ist es denkbar, Lichtquellen 20 mit einer umschaltbaren Polarisationsrichtung zu verwenden. Auch durch dieses Vorgehen kann die Gesamtheit aller Lichtquellen für die Beleuchtung der Szenerie benutzt werden. Zur Umsetzung verschiedener Messaufgaben können dann alle Lichtquellen gemeinsam auf eine neue Polarisationsrichtung umgeschaltet werden.
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Derartige Lichtquellen sind beispielsweise aus Appl. Phys. Lett. 69 (1), 1 July 1996 Steven et al.: „Controlling polarization of vertical-cavity surface-emitting lasers using amorphous silicon subwavelength transmission gratings" als Oberflächenemitter bekannt, die sich mithilfe einer elektrisch ansteuerbaren Gitterstruktur in der Polarisationsrichtung umschalten lassen. Die Umschaltung zwischen den Polarisationsrichtungen erfolgt beispielsweise durch Verändern der transversen und longitudinalen Moden des Oberflächenemitters.
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Bei der Verwendung von Polarisationsfiltern ist es weiterhin nicht zwingend notwendig die Polarisationsfilter direkt unter oder auf der Frontscheibe anzuordnen, es ist grundsätzlich möglich die Polarisationsfilter an anderen Orten im Strahlengang des jeweiligen Lichtwegs anzuordnen. Insbesondere ist es denkbar, die Polarisationsfilter direkt vor der Beleuchtung oder ober- und unterhalb der strahlformenden Optik 25 anzuordnen. Insbesondere ist es auch denkbar, dass die strahlformenden Optik 25 selbst polarisierenden Eigenschaften aufweisen. 9 zeigt eine Variante, bei der die Polarisationsfilter zwischen Optik 25 und der Lichtquelle 20 bzw. dem Bildsensor 10 angeordnet sind.
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10 zeigt eine Ausgestaltung mit zwei einstückigen Polfiltern. Der Bildsensor 10 und die zweite Gruppe der Lichtquellen 20c, d weisen hierbei einen einzelnen, einstückigen, gemeinsamen Polfilter auf. Aufgrund der gemeinsamen Nutzung eines einzelnen Polarisationsfilters weist der Bildsensor 10 die gleiche Polarisationsrichtung P2 auf wie die zweite Gruppe der Lichtquellen 20c, d.
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Die erste Gruppe der Lichtquellen 20a, b weist ebenso einen einstückigen Polarisationsfilter 21 mit einer ersten Polarisationsrichtung P1 der gemeinsam genutzt wird auf. Die erste Polarisationsrichtung P1 ist orthogonal zur zweiten Polarisationsrichtung P2.
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11 zeigt eine Anordnung, bei der die Lichtquellen 20 in Relation zum Bildsensor 10 derart angeordnet sind, dass für den Bildsensors 10 bzw. die Lichtquellen 20 Polarisationsfilter mit einfachen Formen, insbesondere rechteckigen Formen verwendet werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung können die Lichtquellen 20 asymmetrisch um den Bildsensor 10 angeordnet sein. 12 zeigt ein Beispiel, bei dem alle Lichtquellen 20 auf einer Seite angeordnet sind.
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13 zeigt eine Variante, bei dem ein Teil der Lichtquellen 20d, 20c keinen Polarisationsfilter aufweisen. Wie zuvor weist die erste Gruppe der Lichtquellen 20a, b einen Polarisationsfilter 31 mit einer ersten Polarisationsrichtung P1 auf, die orthogonal zur zweiten Polarisationsrichtung P2 des zweiten, hier nur am Bildsensor 10 angeordneten Polarisationsfilters 33 ist. Durch dieses Vorgehen ist es möglich zwischen einer polarisierten und un-polarisierten Beleuchtung umzuschalten und jeweils zu diesen Beleuchtungssituationen ein Bild aufzunehmen.
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14 zeigt eine Variante mit einem Zikular-Polarisationsfilter 31 der vor den Lichtquellen 20a, b der ersten Lichtquellengruppe und vom dem Bildsensor 10 einstückig angeordnet ist. Die zweite Gruppe der Lichtquellen 20c, d weist keine Polarisationsfilter auf. Zirkulare Polarisationsfilter können beispielsweise in Form eines linearen Polarisationsfilters in Kombination mit einer λ/4-Schicht aufgebaut sein. Beim Durchgang des Lichts durch den linearen Polarisationsfilter und der nachfolgenden λ/4-Schicht wird das Licht zirkulär polarisiert.
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Besonders vorteilhaft ist der Zirkular-Polarisationsfilter jedoch als chiraler Polarisationsfilter aufgebaut. Ist das emittierte Licht beispielsweise durch den Polarisationsfilter linksdrehend polarisiert erreicht das vom Target reflektierte Licht den Polarisationsfilter 31 oberhalb des Bildsensors 10 als rechtsdrehend polarisiertes Licht und wird dort ausgeblendet, sodass auch in dieser Ausgestaltung im Wesentlichen nur diffus reflektiertes Licht den Bildsensor 10 erreicht. Ähnlich dem vorgenannten Beispiel kann alternativ auch auf eine Beleuchtung bzw. Gruppe von Lichtquellen 20c, d ohne Polarisationsfilter umgeschaltet werden.
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Die Auswahl der geeigneten Polfilter, Lichtquellen und/oder Pixel kann vorzugweise automatisch erfolgen und vom Ergebnis des Leseerfolgs der zu lesenden Barcodes oder anderer zu erkennenden Objekteigenschaften abhängig gemacht werden.
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Die ausgewählte Kombination ist vorzugsweise in einem Speicher zu hinterlegen, so dass in einer nächsten Erfassungssequenz zunächst mit der im Speicher abgelegten Konfiguration begonnen wird.
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Führt diese Konfiguration zu einem späteren Zeitpunkt nicht zu einem ausreichenden Erkennungserfolg, führt dies vorzugweise zu einem automatischen Beginn die Polfilter, Lichtquellen und/oder Pixel erneut für einen optimalen Leseerfolg zu kombinieren.
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Wie eingangs beschrieben kann das erfindungsgemäße Kamerasystem beispielsweise zur Konturenerkennung ausgebildet sein, bei der vorzugsweise die signifikanten Kanten eines Objektes 80 erfasst und erkannt werden, wie dies beispielhaft in 15 gezeigt ist.
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Auch ist es möglich das System als Pixelzähler auszubilden, hierbei werden bevorzugt alle Pixel einer gleichen Helligkeit gezählt und beispielsweise in Form eines Histogramms ausgewertet. Hierbei können vorzugsweise Grenzwerte für bestimmte Häufigkeiten und/oder Helligkeitswerte festgelegt werden. Beispielsweise könnten an dem in 15 gezeigten Beispiels anhand der Pixelhelligkeiten die Flächen des Objekts 80 bestimmt werden. Andere Anwendungen sind selbstverständlich auch denkbar.
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Durch Verändern der Polarisation, Lichtquellen und/oder Auswahl der Pixel am Bildsensor kann die Erkennbarkeit der Konturen oder der zu zählenden Pixel günstig beeinflusst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kamerasystem
- 10
- Bildsensor
- 20
- Beleuchtung
- 25
- Optik
- 31
- erster Polarisationsfilter
- 32
- zweiter Polarisationsfilter
- 33
- dritter Polarisationsfilter
- 40
- Frontscheibe
- 50
- Auswerte- und Steuereinheit
- 80
- Objekt, Code-Elemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Appl. Phys. Lett. 69 (1), 1 July 1996 Steven et al.: „Controlling polarization of vertical-cavity surface-emitting lasers using amorphous silicon subwavelength transmission gratings“ [0028]
