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Die Erfindung betrifft eine Kamera zur Aufnahme von Bilddaten aus einem Erfassungsbereich, mit einem Bildsensor und einer Polarisationsfiltereinrichtung vor dem Bildsensor.
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Bei der Identifikation, Inspektion und Vermessung von Objekten insbesondere im industriellen Umfeld werden 2D- und 3D-Kameras eingesetzt. Derartige Kameras weisen einen Bildsensor auf, auf den ein Bild einer Szene abgebildet wird. Die aufgenommenen Bilddaten werden zum Beispiel über Bildverarbeitungsalgorithmen weiterverarbeitet. Auf diese Weise können zum Beispiel Gegenstände auf einem Förderband identifiziert, gezählt oder unterschieden werden.
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Insbesondere zum Beispiel bei problematischen Oberflächeneigenschaften, wie zum Beispiel glänzenden oder vielfarbigen Oberflächen, kann es schwierig sein, den Gegenstand von seiner Umgebung zu diskriminieren, um zum Beispiel seine Form oder Präsenz feststellen zu können. Auch bei Gegenständen, die sich vom Hintergrund nur wenig unterscheiden, kann es Probleme geben.
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Je nach Materialeigenschaften (also zum Beispiel, ob es sich um dielektrische oder metallische Oberflächen handelt) oder den Oberflächenbeschaffenheiten (also zum Beispiel, ob die Oberfläche glänzend oder matt ist) können die Polarisationseigenschaften des Lichtes ausgenutzt werden, um eine bessere Bildqualität zu erreichen.
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Auf nichtmetallischen Oberflächen, wie Glas, Flüssigkeiten und Kunststoff kann das Licht beim Auftreffen unter einem bestimmten Winkel an der Oberfläche polarisiert werden. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt beim Einfall unter dem Brewster-Winkel. Die Schwingungsrichtung des dabei entstehenden polarisierten Lichtes ist parallel zur Oberfläche ausgerichtet. Wird mit Hilfe eines Polarisationsfilters vor der Empfangsoptik dementsprechend polarisiertes Austrittslicht gesperrt, kann der Reflex unterdrückt und unpolarisiertes Licht der Szene wieder besser sichtbar werden. Auf diese Weise können zum Beispiel Lichtreflexe auf Glasscheiben, Wasseroberflächen oder glänzenden Kunststoffoberflächen in ihrem negativen Einfluss auf die Bildqualität verringert werden.
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Auf glatten metallischen Oberflächen hingegen wird das Licht deutlich geringer polarisiert als an dielektrischen Grenzflächen. Hier können mit einem Polarisationsfilter vor einer Beleuchtungsquelle oder einer Aufnahmeoptik störende Lichtspiegelungen unterdrückt werden.
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An rauen metallischen Oberflächen kann es vorkommen, dass eine Mehrfachstreuung vorliegt, durch die eine definierte polarisierende Eigenschaft des eingestrahlten Lichtes zerstört wird. Dies kann zum Beispiel ausgenutzt werden, um zwischen glänzenden und diffusen Oberflächen bzw. Materialien zu unterscheiden.
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Um derartige Möglichkeiten ausnützen zu können, müssen der oder die Polarisationsfilter in einer bestimmten Orientierung zueinander oder zu den Objekten in der Szene ausgerichtet bzw. eingestellt sein. Dies geschieht bei bekannten Verfahren händisch durch das Drehen der Polarisationsfilter oder mit Hilfe eines Motors.
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Während die händische Einrichtung der Polarisationsfilter mit einer geringeren Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit einhergeht, bedeutet ein Motor einer höheren mechanischen Komplexität und einen größeren benötigten Bauraum.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kamera anzugeben, mit der die Polarisationseigenschaften ausgenutzt werden können und die dennoch einfach, sicher und reproduzierbar bedient werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kamera mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Kamera eine Polarisationsfiltereinrichtung auf, die derart durchstimmbar ausgestaltet ist, dass die Polarisation des von der Polarisationsfiltereinrichtung durchgelassenen Lichtes einstellbar ist. Die Polarisationsfiltereinrichtung umfasst dabei ein Flüssigkristallelement, dessen optische Eigenschaften durch eine Variation zumindest einer anliegenden Spannung eingestellt werden kann.
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Mit einer solchen durchstimmbaren Polarisationsfiltereinrichtung ist es nicht notwendig, die Polarisationsrichtung händisch einzustellen oder einen Motor vorzusehen. Eine Spannung lässt sich sehr einfach einstellen, so dass mit einem einfachen Spannungssignal zum Beispiel einer Steuereinrichtung auf die Polarisation des durchgelassenen Lichtes eingewirkt werden kann.
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Dazu kann das Flüssigkristallelement zum Beispiel ein optisches Verzögerungselement umfassen, mit dessen Hilfe eine polarisationsdrehende Einrichtung realisiert werden kann. Eine solche polarisationsdrehende Einrichtung unter Einsatz eines mit Hilfe einer Spannung variierbaren optischen Verzögerungsgliedes und einer λ/4-Platte ist zum Beispiel unter der folgenden Internet-Adresse beschrieben:
http://www.meadowlark.com/store/catalog/2009_2010_LiquidCrystals%283 %29.pdf
(insbesondere dort die Seite 53).
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Mit Hilfe eines Flüssigkristallelementes in entsprechender Ausgestaltung kann z.B. die Polarisationsrichtung des gesamten auf den Bildsensor fallenden Lichtes aus dem Erfassungsbereich beeinflusst werden. Besonders vielseitig ist andererseits eine Ausgestaltung, bei der das Flüssigkristallelement in Form einer Flüssigkristallmatrix vorliegt, so dass die optischen Eigenschaften und insbesondere die Polarisationseigenschaften lokal unterschiedlich eingestellt werden können. Mit einer solchen Anordnung können lokale Glanzpunkte oder Lichtreflexe reduziert werden, um den wirksamen Dynamikbereich der Kamera zu erhöhen. Außerdem können durch entsprechende Kombination mit einem linearen Polarisationsfilter bestimmte Bildbereiche vollständig abgeschattet werden.
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Grundsätzlich sind durchstimmbare Polarisationsfilter einsetzbar, die verschiedene Polarisationseigenschaften des durchgelassenen Lichtes beeinflussen oder generieren (insbesondere lineare, zirkulare oder elliptische Polarisation). Besonders einfach ist es jedoch, wenn das Polarisationsfilter einen Linearpolarisator oder eine Matrix aus Linearpolarisatoren umfasst, dessen Richtung /deren Richtungen der Polarisation des durchgelassenen Lichtes durch Ändern der anliegenden Spannung geändert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Kamera kann eine Auswerteeinheit umfassen, die mit dem Bildsensor verbunden ist um die Bilddaten auszuwerten. Andererseits kann eine mit der Polarisationsfiltereinrichtung verbundene Steuereinheit vorgesehen sein und zur Einstellung der Polarisationsfiltereinrichtung, also insbesondere deren Ansteuerspannung, eingesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft sind die Auswerteeinheit und die Steuereinheit zur einer Auswerte- und Steuereinheit kombiniert, mit der es dann gegebenenfalls möglich ist, die Bilddatenauswertung der Einstellung der Polarisationsfiltereinrichtung zugrunde zu legen.
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Außerdem ist es mit einer Steuereinheit möglich, zwischen unterschiedliche Applikationen umzuschalten.
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Mit einer entsprechend ausgestalteten Auswerte- und Steuereinheit ist es möglich, die Kamera im dynamischen Mehrfachbildbetrieb zu betreiben. So können zum Beispiel von der gleichen Szene Bilder mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen aufgenommen werden und im Nachhinein zu einem kontrastreicheren Bild zusammengesetzt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, auf diese Weise den Glanzgrad einer Oberfläche zu messen.
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Die erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Polarisationsfiltereinrichtung kann zum Beispiel im Strahlengang direkt vor dem Bildsensor angeordnet sein. Je nach Anforderungen und Größe der einzelnen Elemente kann sich die erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Polarisationsfiltereinrichtung aber auch vor einer Eingangsoptik, insbesondere einer Eingangslinse befinden, die das empfangene Licht auf den Bildsensor abbildet.
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Grundsätzlich ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Kamera ohne gesonderte Beleuchtung des Erfassungsbereiches bereits Zusatzinformationen aus der Polarisationsrichtung zu erhalten. Definiertere Bedingungen lassen sich jedoch mit einer zusätzlichen Beleuchtungslichtquelle erreichen, die zumindest einen Teil des Erfassungsbereiches beleuchtet. Eine solche Beleuchtungslichtquelle kann innerhalb der Kamera vorgesehen sein oder extern angeordnet sein.
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Besonders vielseitig ist eine solche Anordnung mit einer zusätzlichen Beleuchtungslichtquelle, wenn sich ein Sendelichtpolarisator zwischen Beleuchtungslichtquelle und Erfassungsbereich befindet. Mit einem solchen Sendelichtpolarisator lassen sich definierte Polarisationsbedingungen des Sendelichtes erreichen.
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Insbesondere kann der Sendelichtpolarisator auch die erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Polarisationsfiltereinrichtung darstellen und entsprechend wie beschrieben ausgestaltet sein.
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Besonders vielseitig ist jedoch eine Anordnung, bei der sowohl im Strahlengang des den Erfassungsbereich beleuchtenden Sendelichtes als auch im Strahlengang des aus dem Erfassungsbereich empfangenen Lichtes eine entsprechend durchstimmbare Polarisationsfiltereinrichtung durchgesehen ist, dessen vorteilhafte Ausgestaltungen oben angegeben sind.
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Eine solche Anordnung ist besonders flexibel und gestattet die definierte Auswahl der Betriebseinstellungen der erfindungsgemäßen Kamera.
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Für die Zwecke des vorliegenden Textes wird ein Kamerasystem bestehend aus einer Kamera und einer externen Beleuchtungsquelle der Einfachheit halber insgesamt auch als Kamera bezeichnet.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figur im Detail erläutert.
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1 zeigt dazu in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kamera.
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In 1 ist die Kamera 24 gezeigt. Innerhalb des Gehäuses 26 befindet sich ein Bildsensor 28, zum Beispiel eine CCD-Matrix. Zur Auswertung der damit aufgenommenen Bilddaten ist eine Steuer- und Auswerteeinheit 30 vorgesehen. Außerdem ist in dem Gehäuse 26 ein durchstimmbares Polarisationsfilter 20 vorgesehen. Licht, das durch die Polarisationsfiltereinrichtung aus dem Erfassungsbereich 16 durch das Eintrittsfenster 18 einfällt, wird bei dieser Ausführungsform mit Hilfe einer Linse 22 in Richtung des Bildsensors 28 abgebildet.
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Das Polarisationsfilter 20 ist ein Flüssigkristallelement, das mit Hilfe einer von außen angelegten Spannung in seinen optischen Eigenschaften derart verändert werden kann, dass seine Polarisationsrichtung eingestellt werden kann. Zum Beispiel kann das Polarisationsfilter ein Linearpolarisator sein, der derart ausgestaltet ist, dass durch Anlegen einer entsprechenden Spannung die Polarisationsrichtung des durchgelassenen Lichtes eingestellt werden kann.
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Außerdem umfasst das hier gezeigte System eine Beleuchtungslichtquelle 10 mit einem davor geschalteten Linearpolarisator 12.
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Eine solche Ausführungsform kommt wie folgt zum Einsatz. Das unpolarisierte Licht der Beleuchtungslichtquelle 10 wird durch den Linearpolarisator 12 linear polarisiert und fällt in den Erfassungsbereich 16 und insbesondere auf das dort befindliche Objekt 14. Das von dem Objekt 14 reflektierte oder remittierte Licht tritt in das Gehäuse 26 durch das Eintrittsfenster 18 ein.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform wird der Erfassungsbereich 16 mit einer bereits polarisierten Lichtquelle beleuchtet, also zum Beispiel mit einer Laserdiode.
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Je nach Oberflächen- bzw. Materialeigenschaften des Objektes 14 werden die Polarisationseigenschaften des Beleuchtungslichtes in oben beschriebener Weise geändert.
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Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an den durchstimmbaren Polarisationsfilter 20 kann eine optimale Abbildung ausgewählt werden. Dies kann entweder durch Einstellen der entsprechenden, am Polarisationsfilter anliegenden Spannung an der Auswerteeinheit geschehen oder zum Beispiel durch Auswertung der auf den Bildsensor einfallenden Intensität, um durch die Auswerte- und Steuereinheit ein entsprechendes Maximum oder eine möglichst gleichförmige Ausleuchtung zugrunde zu legen und die dementsprechend ausgewählte Spannung an das Polarisationsfilter anzulegen.
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Mit Hilfe des durchstimmbaren Polarisationsfilters 20 können unterschiedliche Polarisationsrichtungen des empfangenen Lichtes ausgewählt werden und dann in der Auswerteeinheit 30 zu einem kontrastreicheren Bild zusammengesetzt werden. Der negative Einfluss von Lichtreflexen kann auf diese Weise zum Beispiel reduziert werden.
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Der Polarisationsfilter 20 kann so ausgestaltet sein, dass seine gesamte Fläche das Licht nach einer Polarisation durchlässt.
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Andererseits kann der Polarisationsfilter 20 auch so ausgestaltet sein, dass er die Form einer Matrix hat, deren Matrixelemente einzeln angesteuert werden können. Auf diese Weise können lokal unterschiedliche Polarisationseigenschaften des Polarisationsfilters realisiert werden. Dies kann zum Beispiel eingesetzt werden, um besonders reflektierende Bereiche des Objektes 14 ausblenden zu können, die den Dynamikbereich der Kamera negativ beeinflussen würden.
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In 1 ist die Beleuchtungslichtquelle und der davor befindliche Sendelichtpolarisator gesondert dargestellt. Diese Elemente können sich aber ebenfalls innerhalb des Gehäuses 26 befinden, wodurch sich ein kompakter Aufbau realisieren lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beleuchtungslichtquelle
- 12
- Linearpolarisator
- 14
- Objekt
- 16
- Erfassungsbereich
- 18
- Eintrittsfenster
- 20
- Polarisationsfilter
- 22
- Linse
- 24
- Kamera
- 26
- Gehäuse
- 28
- Bildsensor, CCD-Matrix
- 30
- Steuer- und Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.meadowlark.com/store/catalog/2009_2010_LiquidCrystals%283 %29.pdf [0013]
