DE3536892A1

DE3536892A1 - Optical contrast scanning method and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE3536892A1
Application number: DE19853536892
Authority: DE
Inventors: Karl F Zimmer
Original assignee: KARL F ZIMMER oHG
Current assignee: KARL F. ZIMMER KG, 6101 ROSSDORF, DE
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1985-10-16
Publication date: 1987-04-16

Abstract

In order to prevent the picture from being "blurred" in an optical contrast scanning method, particularly when CCD photodiodes are used, when the object being scanned is moved in the direction of the measuring axis during two immediately successive scanning processes, the exposure time and the scanning time are synchronised with one another in such a manner that the photocells are alternatingly subjected to the exposure at predetermined exposure intervals for scanning. This is advantageously done by using a stroboscopic lamp as the light source or by arranging an inertialess shutter in the beam path.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtkontrast-Abtastverfahren, bei welchem ein Objekt mit einer Lichtquelle belichtet und dabei ein Bild des Objektes auf einen optoelektronischen Wandler projiziert wird, dessen Wandlerelemente zur Erzeugung eines Videosignals abgetastet werden.The invention relates to a light contrast scanning method, at which exposes an object with a light source while doing so an image of the object on an optoelectronic converter is projected, the transducer elements for generating a Video signal can be sampled.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention further relates to a device for performing of the procedure.

Derartige Verfahren werden zum berührungsfreien Lesen oder dimensionellen Messen von Abtastobjekten, beispielsweise von Bauteilen, von Schriftzeichen oder Strichcodes verwendet. Ihr Einsatz ist daher im Handel, in der Industrie und im Bankwesen weit verbreitet.Such methods are used for non-contact reading or dimensional measurement of scanning objects, for example of Components used by characters or barcodes. your Use is therefore in trade, in industry and in banking widespread.

Zur Durchführung des Lichtkontrast-Abtastverfahrens ist es er forderlich, daß das Abtastobjekt von einer Lichtquelle bestrahlt wird, und daß die Umrisse des Objekts unmittelbar oder über eine optische Einrichtung auf einen optoelektronischen Wandler proji ziert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Ausgangssignale von belichteten und unbelichteten Fotoelementen sind beim Abtasten des Wandlers elektronisch weiterverarbeitbare Signale abgreif bar, die ein genaues Abbild des Lichtkontrastes des Abtast objektes darstellen. Dabei ist sowohl ein Durchlicht- wie auch ein Auflichtbetrieb möglich.It is he who carries out the light contrast scanning method required that the scanning object be irradiated by a light source and that the outline of the object directly or over a optical device proji on an optoelectronic converter be decorated. Due to the different output signals from exposed and unexposed photo elements are scanning taps the converter electronically processable signals bar, which is an accurate replica of the light contrast of the scan represent object. There is both a transmitted light as well incident light operation possible.

Bei einer schnellen Relativbewegung zwischen dem Wandler und dem Abtastobjekt während eines Abtastvorganges besteht die Gefahr, daß eine Belichtung oder Abschattung von Fotoelementen vorgetäuscht wird, die zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen. Diese unerwünschte Fehlerquelle ist beispielsweise dann gegeben, wenn als optoelektronischer Wandler eine CCD-Fotodioden zeile verwendet wird, und eine Verschiebung in Richtung der Dioden zeile erfolgt. Verlagert sich dabei das Abtastobjekt zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Abtastvorgängen, so werden nunmehr Fotodioden belichtet, die vor der Verlagerung unbelichtet waren. Alle zuvor belichteten Fotodioden werden dabei zwar abgedunkelt, sie behalten jedoch ihre Ladung. Auf diese Weise wird ein zu kleiner Meßwert vorgetäuscht.With a fast relative movement between the converter and the object to be scanned during a scanning process Risk of exposure or shading of photo elements is faked, which leads to a falsification of the measurement result to lead. This undesirable source of error is then, for example given when a CCD photodiode as an optoelectronic converter line is used, and a shift towards the diodes line is done. The scanning object moves between two immediately consecutive scans, so now Exposed photodiodes that were unexposed before the relocation. All previously exposed photodiodes are darkened, however, they keep their cargo. This way one becomes too small Fake reading.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Licht kontrast-Meßverfahren der eingangs genannten Art und eine Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei welchem eine Relativbewegung zwischen Abtastobjekt und Wandler möglich ist, ohne daß eine Verfälschung des Meßwertes erfolgt.The invention is therefore based on the object of a light contrast measurement method of the type mentioned and a pre to indicate the direction for carrying out the method at which a relative movement between the object to be scanned and the transducer is possible without falsifying the measured value.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Fotoelemente alternierend zur Abtastung in vorgegebenen Belichtungs intervallen der Belichtung ausgesetzt werden.This object is achieved in that the photo elements alternating with scanning in predetermined exposure exposure intervals.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß vor dem Ab tastvorgang eine weitere Belichtung des Wandlers unterbunden werden muß. Die Erfindung hat den Vorteil, daß unabhängig von einer möglichen Relativbewegung ein "Verwischen" des Bildes verhindert wird.The invention is based on the idea that before Ab further exposure of the transducer is prevented must become. The invention has the advantage that regardless of a possible relative movement a "blurring" of the picture is prevented.

Vorteilhafterweise ist die Belichtungszeit um mehrere Zehner potenzen kürzer als ein Abtastintervall. The exposure time is advantageously several tens powers shorter than a sampling interval.

Die Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe besteht darin, daß als Belichtungsquelle eine Stroboskoplampe verwendet ist. Diese Realisierung hat den Vorteil, daß die Belichtungs-Blitzzeit, d.h. die Belichtungszeit des Abtastobjektes, um mehrere Zehner potenzen unter der Zeit zwischen zwei Abtastvorgängen liegen kann. Dies trifft insbesonders bei der Verwendung von CCD-Fotoelementen zu.The device for solving the problem is that as Exposure source a strobe lamp is used. These Realization has the advantage that the exposure flash time, i.e. the exposure time of the scanning object by several tens potencies may be less than the time between two scans. This is particularly true when using CCD photo elements to.

Bei einer derartigen Konfiguration wird vor Beginn eines Ab tastvorganges der Wandlerelemente die Stroboskoplampe einmal gezündet. Während der kurzen Beleuchtungszeit bleiben die vom Objekt beschatteten Elemente unbelichtet, während die übrigen Fotoelemente belichtet werden. Belichtete Fotodioden halten ihre Ladung nach erfolgtem Blitz, bis ein Abtastvorgang eingeleitet wird, bei welchem sie entladen werden. Aus der Anzahl der be lichteten bzw. unbelichteten Fotodioden wird anschließend das Meßergebnis ermittelt. Da die Stroboskoplampe und der Abtast vorgang synchronisiert durchgeführt werden, erfolgt nach dieser Abtastung bzw. Entladung der Fotodioden ein neuer Blitz, bevor ein weiterer Abtastvorgang eingeleitet wird.With such a configuration, before starting an Ab the strobe lamp once ignited. During the short lighting period, the stay Object shaded elements unexposed, while the rest Photo elements are exposed. Exposed photodiodes hold theirs Charge after flash is complete until a scan is initiated at which they are unloaded. From the number of be then lighted or unexposed photodiodes Measurement result determined. Because the strobe lamp and the scanner operation is carried out synchronized, takes place after this Scan or discharge the photodiodes a new flash before another scan is initiated.

Alternativ zu dieser Lösung liegt in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Fotoelement ein trägheitslos steuer barer Verschluß. Der Verschluß und der Abtastvorgang sind auf die oben beschriebene Weise miteinander synchronisiert.As an alternative to this solution, the beam path lies between an inertia control of the light source and the photo element cash lock. The shutter and the scanning process are open synchronized with each other in the manner described above.

Wenn der Verschluß als Kerr-Zelle ausgebildet ist, die praktisch trägheitslos arbeitet, so kann er auf einfache Weise durch eine Spannungssteuerung ausgelöst werden.If the closure is designed as a Kerr cell, the practical works inertia, so he can easily can be triggered by a voltage control.

Statt dessen kann es auch vorteilhaft sein, den Verschluß als Restlichtverstärker auszubilden, der unmittelbar vor den Foto elementen angeordnet ist. Auf diese Weise können äußerst kurze Belichtungszeiten realisiert werden.Instead, it can also be advantageous to use the closure as Train residual light amplifier, the immediately before the photo elements is arranged. This way, extremely short Exposure times can be realized.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spieles weiter beschrieben.In the following, the invention is illustrated by means of an embodiment game further described.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Lichtkontrast-Meßvorrichtung; Fig. 1 shows schematically a light contrast measuring device;

Fig. 2 zeigt schematisch die Belichtungsverhältnisse an einer Fotodiodenzeile. Fig. 2 shows schematically the exposure conditions on a photodiode line.

Wie die Fig. 1 in schematischer Vereinfachung zeigt, besteht die Anordnung zum berührungsfreien dimensionellen Messen oder Aufneh men eines Abtastobjektes 2 aus einer Lichtquelle 1 in einer als Collimator ausgebildeten Beleuchtungseinheit, deren Strahlen gang 9 über eine Optik 4 und einen Verschluß 13 auf einen opto elektronischen Wandler gerichtet wird. Dieser ist in dem hier wiedergegebenen Beispiel als CCD-Fotodiodenzeile 5 ausgebildet, so daß ein linearer Sensor zur Aufnahme einer Bildzeile gebildet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen linearen Sensor beschränkt. Sie ist ohne weiteres auch auf Flächensensoren an wendbar.As shown in Fig. 1 in a schematic simplification, the arrangement for non-contact dimensional measurement or recording of a scanning object 2 consists of a light source 1 in a lighting unit designed as a collimator, the beam path 9 via an optics 4 and a shutter 13 to an opto-electronic Converter is directed. In the example shown here, this is designed as a CCD photodiode line 5 , so that a linear sensor for recording an image line is formed. However, the invention is not limited to a linear sensor. It can also be used on surface sensors without any problems.

Über einen Videoausgang 10 ist die CCD-Fotodiodenzeile 5 mit einer elektronischen Auswerteeinheit 6 verbunden, an deren Ausgang 7 ein elektronisch weiterverarbeitbares analoges oder digitales Meßsignal abgreifbar ist.Via a video output 10 , the CCD photodiode array 5 is connected to an electronic evaluation unit 6 , at the output 7 of which an electronically processable analog or digital measurement signal can be tapped.

Wenn das Abtastobjekt 2 im Strahlengang 9 der Lichtquelle 1 liegt, so wird ein entsprechender Teil der CCD-Fotodiodenzeile 5 abgeschattet, während der übrige Teil voll belichtet ist. Durch eine Auswertung der Ladungen der Fotodiodenzeile 5 in der Aus werteeinheit 6 kann somit der Durchmesser des Abtastobjektes 2 ermittelt werden. Die Optik 4 dient lediglich dazu, den Abbil dungsmaßstab festzulegen.If the scanning object 2 lies in the beam path 9 of the light source 1 , a corresponding part of the CCD photodiode line 5 is shadowed, while the rest of the part is fully exposed. The diameter of the scanning object 2 can thus be determined by evaluating the charges of the photodiode line 5 in the evaluation unit 6 . The optics 4 only serves to set the scale of the image.

In der Fig. 2 sind die einzelnen CCD-Zellen der Fotodiodenzeile 5 schematisch wiedergegeben. Von der Gesamtzahl der einzelnen Fotodioden sind die dunkel wiedergegebenen CCD-Zellen 11 vom Abtastgut 3 beschattet. Mit 12 sind alle übrigen, belichteten CCD-Zellen gekennzeichnet. Von der Gesamtzahl dieser CCD-Foto diodenzellen können im hier wiedergegebenen Beispiel die unbe lichteten CCD-Zellen 11 ausgewertet werden, um ein dem Durch messer des Meßgutes proportionales Meßsignal zu erhalten.The individual CCD cells of the photodiode array 5 are shown schematically in FIG. 2. Of the total number of individual photodiodes, the darkly reproduced CCD cells 11 are shaded by the sample 3 . All other exposed CCD cells are identified by 12 . From the total number of these CCD photo diode cells, the unexposed CCD cells 11 can be evaluated in the example shown here in order to obtain a measurement signal proportional to the diameter of the measured material.

Bekanntlich werden während der Belichtungsphase durch auf treffende Photonen Ladungsträger in den belichteten CCD- Zellen 12 gesammelt und in einer Transfer-Phase zum Video ausgang 10 getaktet. Das auf diese Weise entstehende Ladungs muster an den belichteten und unbelichteten Zellenausgängen wird als digitales Signal von der Auswerteeinheit 6 abgetastet. Die zum Auslesen der Fotodiodenzeile 5 erforderlichen Takt- und Steuereinrichtungen sind aus Gründen der übersichtlichen Wiedergabe nicht dargestellt.As is known, charge carriers are collected in the exposed CCD cells 12 during the exposure phase by striking photons and clocked to the video output 10 in a transfer phase. The resulting charge pattern at the exposed and unexposed cell outputs is sampled as a digital signal by the evaluation unit 6 . The clock and control devices required for reading out the photodiode line 5 are not shown for reasons of clear reproduction.

Im folgenden wird ein erstes Beispiel für die Funktion der An ordnung nach Fig. 1 und 2 wiedergegeben.The following is a first example of the function of the order shown in FIGS. 1 and 2.

Im ersten Beispiel wird als Lichtquelle 1 eine Stroboskoplampe verwendet, welche Blitze mit sehr kurzer Zeitdauer auszusenden vermag. Vor Beginn eines Abtastvorganges in der CCD-Fotodioden zeile 5 wird die Stroboskoplampe einmal gezündet. Während des kurzen Belichtungsintervalls wird die entsprechende Anzahl von Fotodioden 12 belichtet. Die dem Durchmesser des Abtastgutes 2 proportionale Anzahl der CCD-Zellen 11 bleibt unbelichtet.In the first example, a strobe lamp is used as the light source 1 , which is capable of emitting flashes with a very short period of time. Before the start of a scanning process in the CCD photodiode line 5 , the strobe lamp is ignited once. The corresponding number of photodiodes 12 is exposed during the short exposure interval. The number of CCD cells 11 , which is proportional to the diameter of the sample 2, remains unexposed.

Die belichteten CCD-Zellen 12 speichern ihre Ladung. Nach erfolg tem Blitz wird ein Abtastvorgang eingeleitet. Hierbei werden die belichteten CCD-Zellen 12 entladen und aus der Anzahl der unbe lichteten CCD-Zellen 11 wird ein Durchmessersignal abgeleitet.The exposed CCD cells 12 store their charge. After the flash is successful, a scanning process is initiated. Here, the exposed CCD cells 12 are discharged and a diameter signal is derived from the number of unexposed CCD cells 11 .

Die Frequenz der Stroboskoplampe und der Abtastvorgang der CCD-Fotodiodenzeile sind aufeinander synchronisiert. Erst nach erfolgter Abtastung bzw. nach der Entladung der belichteten CCD-Zellen erfolgt ein neuer Blitz. Dann wird ein weiterer Abtastvorgang eingeleitet. Die Blitzzeit liegt mehrere Zehner potenzen unter der Zeit zwischen zwei Abtastvorgängen.The frequency of the strobe lamp and the scanning process of the CCD photo diode lines are synchronized with each other. Only after done scanning or after discharge of the exposed A new flash occurs in CCD cells. Then another one Scanning process initiated. The flash time is several tens potencies below the time between two scans.

Der in der Fig. 1 schematisch dargestellte Verschluß 13 hat in dieser Betriebsweise - im Unterschied zu dem im folgenden dargestellten Verfahren - keine Funktion.The closure 13 shown schematically in FIG. 1 has no function in this mode of operation - in contrast to the method shown below.

In dem folgenden zweiten Beispiel, welches als Verschlußver fahren bezeichnet werden kann, ist vor die CCD-Fotodioden zeile 5 der Verschluß 13 in den Strahlengang 9 gebracht. Es handelt sich dabei um einen trägheitslos steuerbaren Verschluß, der als Kerr-Zelle oder als Restlichtverstärker realisierbar ist.In the following second example, which can be referred to as a closure method, the closure 13 is brought into the beam path 9 in front of the CCD photodiode line 5 . It is an inertia-controlled closure that can be implemented as a Kerr cell or as a residual light amplifier.

Wie in dem ersten Beispiel im Zusammenhang mit der Stroboskop lampe bereits beschrieben, sind die Frequenz des Verschlusses 13 und das Abtastintervall der CCD-Fotodiodenzeile 5 so miteinan der synchronisiert, daß innerhalb eines Abtastintervalls ledig lich eine kurzzeitige Belichtung des optoelektronischen Wandlers erfolgt.As already described in the first example in connection with the stroboscopic lamp, the frequency of the shutter 13 and the sampling interval of the CCD photodiode array 5 are synchronized with one another so that only a brief exposure of the optoelectronic converter takes place within a sampling interval.

Claims

1. Light contrast scanning method, in which a scanning object is exposed with an illumination unit and an image of the scanning object is projected onto an optoelectronic transducer, the transducer elements of which are scanned to generate a video signal, characterized in that the photo elements alternate with the scanning at predetermined exposure intervals Exposure to exposure.

2. light contrast measuring method according to claim 1, characterized, that the exposure time is shorter by several powers of ten is as a sampling interval.

3. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that a stroboscopic lamp is used as the light source ( 1 ).

4. A device for performing the method according to claim 1, characterized in that in the beam path ( 9 ) between the light source and the optoelectronic transducer is an inertia controllable closure ( 13 ).

5. The device according to claim 4, characterized in that the closure ( 13 ) is designed as a Kerr cell.

6. The device according to claim 4, characterized in that the closure ( 13 ) is designed as a residual light amplifier which is arranged immediately before the optoelectronic converter.