DE4226891A1 - Vorrichtung zur Bilderfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bilderfassung mit einem in einer Objektivebene liegenden Objektiv und zumindest einem im Bereich der Bildebene angeordneten, eine lichtempfindliche Aufnahmefläche aufweisenden optischen Sensor.

Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise als Überwa­ chungskameras zur Überwachung von Objekten eingesetzt. Han­ delt es sich dabei um langgestreckte Objekte, wie z. B. Gänge, Zäune, Mauern oder dergleichen, so muß die Kamera zur Überwachung der Objekte in Längsrichtung eine hohe Schärfen­ tiefe, auch Tiefenschärfe genannt, aufweisen, um über die ganze Länge des zu überwachenden Objekts eine ausreichende Schärfe der Abbildung gewährleisten zu können.

Wirklich scharf ist die Abbildung eines Objektes, das in einer sogenannten Objektebene liegt, jedoch nur in der zuge­ ordneten Bildebene, in der deshalb auch üblicherweise der op­ tische Sensor angeordnet ist. Der Eindruck einer scharfen Ab­ bildung auf die Bildebene und damit auf den optischen Sensor auch für Objekte außerhalb der Objektebene entsteht nur durch die Grenzen der Auflösefähigkeit des menschlichen Auges, das Flecke unterhalb von etwa 0,1 mm als punktförmig auffaßt.

Die Schärfentiefe ist von der Größe der Blendenöffnung abhän­ gig und nimmt mit zunehmender Blendenöffnung ab. Gerade bei Überwachungsaufgaben steht jedoch häufig eine geringe Licht­ intensität zur Verfügung, beispielsweise bei einer Überwa­ chung am Abend oder nachts oder bei einer Überwachung von Gängen, so daß häufig mit einer großen Blendenöffnung gear­ beitet werden muß. Ein langgestrecktes, überwachtes Objekt kann dann nur in seinem Mittelbereich mit ausreichender Schärfe abgebildet werden, während der kameranahe und der ka­ meraferne Bereich des zu überwachenden Objektes nur unscharf abgebildet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bilderfas­ sung anzugeben, mit der auch bei niedriger Lichtintensität eine ausreichende Abbildungsschärfe über eine große Strecke gewährleistet werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die lichtempfindliche Aufnahme­ fläche des optischen Sensors gegenüber der Bildebene gekippt angeordnet ist.

Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Objektivebene gegenüber der lichtempfindlichen Aufnahmefläche des optischen Sensors gekippt angeordnet ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die lichtempfindliche Aufnahmefläche im wesentlichen senkrecht zu der von der Längsachse des zu überwachenden Objekts und der optischen Achse der Vorrichtung zur Bilderfassung aufge­ spannten Fläche angeordnet. Damit wird eine optimale Abbil­ dungsschärfe des Objekts über dessen gesamte Länge erreicht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist die lichtempfindliche Aufnahmefläche des optischen Sensors gegenüber der Bildebene so gekippt, daß die optische Achse die lichtempfindliche Aufnahmefläche und die Bildebene in genau einem Punkt schneidet. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, daß die lichtempfindliche Aufnahmefläche des optischen Sensors gegenüber der Bildebene so gekippt ist, daß die optische Achse die lichtempfindliche Aufnahmefläche und die Bildebene in zwei verschiedenen Punkten schneidet. Damit kann eine gegenüber der Bildebene unsymmetrisch Verbes­ serung der Abbildungsschärfe erreicht werden.

Weiterhin ist vorteilhaft der den zwischen der Objektebene und dem Objektiv gelegenen, scharf abzubildenden Punkten zu­ geordnete Bereich der lichtempfindlichen Aufnahmefläche hin­ ter der Bildebene angeordnet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kippvorrichtung vorgesehen, mit der der Kippwinkel der licht­ empfindlichen Aufnahmefläche des optischen Sensors gegenüber der Bildebene variabel einstellbar ist. Dadurch kann bei­ spielsweise im Betrieb vom Bildschirm aus ein bestimmter Teilbereich des zu überwachenden Objekts gezielt schärfer eingestellt werden, ohne daß am Objektiv nachgeregelt werden muß.

Die Kippvorrichtung ist dabei bevorzugt zur Verkippung des optischen Sensors gegenüber der Objektebene und der Vorrich­ tung zur Bilderfassung ausgebildet. Der gleiche technische Effekt kann auch durch Verkippen des Objektivs anstelle des Sensors gegenüber der Objektebene und der Vorrichtung zur Bilderfassung erreicht werden. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform die Kippvorrichtung zur Verkippung des Objektivs ausgebildet.

Der Kippwinkel beträgt vorteilhaft zwischen 0° und 7°, insbesondere zwischen 0,5° und 5°, bevorzugt zwischen 1° und 3°.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der opti­ sche Sensor als vakuumloser Halbleiter-Bildaufnehmer ausge­ bildet, der auftreffende optische Signale in äquivalente elektrische Signale umwandelt. Mit den elektrischen Signalen kann dann beispielsweise ein Bildschirm angesteuert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein das Objektiv und den optischen Sensor aufnehmendes Gehäuse an einer Schwenk- und/oder Verschiebeeinrichtung angeordnet. Dadurch kann beispielsweise eine erfindungsgemäß ausgebilde­ te Beobachtungskamera in einer Fertigungsstraße vorteilhaft eingesetzt werden. Wird die Kamera senkrecht über einer ersten Beobachtungsstelle positioniert, so kann diese Beob­ achtungsstelle aufgrund der parallel verlaufenden Objekt-, Objektiv- und Bildebenen auch im Makrobereich scharf abgebildet werden. Anschließend kann die Kamera geschwenkt werden, um eine neben der ersten Beobachtungsstelle liegende zweite Beobachtungsstelle zu überprüfen. Die durch das Schwenken entstehenden Unschärfen aufgrund ungenügender Tiefenschärfe, die auch durch Nachregeln am Objektiv nicht ausreichend verbessert werden können, können dann durch das erfindungsgemäße Verkippen des optischen Sensors oder des Objektivs aufgehoben werden.

Um ohne eine erfindungsgemäße Kamera beide Beobachtungsstel­ len ausreichend scharf abbilden zu können, müßte entweder die Kamera nach der Überprüfung der ersten Beobachtungs­ stelle senkrecht über die zweite Beobachtungsstelle positio­ niert werden, was durch die Verschiebung der Kamera zu relativ langen Überprüfungszeiten führt, oder es müßten zwei Kameras zur Verfügung gestellt werden, die beide senkrecht über der jeweiligen Beobachtungsstelle positioniert werden. Dies ist jedoch zum einen relativ kostspielig und benötigt zum anderen den doppelten Platz, der gerade an automatischen Prüffeldern oft nur in geringem Maße vorhanden ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch bei niedri­ ger Lichtintensität und damit verbundener großer Blendenöff­ nung eine ausreichend scharfe Abbildung langgestreckter Ob­ jekte über deren ganze Länge erreicht wird. Dieser Effekt kann auch bei üblichen Kameras durch einfaches Kippen des Sensors erzielt werden, so daß ein aufwendiges Umrüsten oder Neukonstruieren einer speziellen Kamera vermieden werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; die ein­ zige Figur der Zeichnung zeigt den prinzipiellen, schemati­ schen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bilder­ fassung sowie zu überwachende Objekte und die für die Abbil­ dung dieser Objekte konstruierten Strahlenverläufe.

Die Abbildung zeigt ein Objektiv 1 und eine lichtempfindli­ che Aufnahmefläche 3 eines nicht näher dargestellten opti­ schen Sensors, die gestrichelt dargestellt ist. Durch die Mitte des Objektivs 1 verläuft, ebenfalls gestrichelt ge­ zeichnet, die optische Achse 5 der Vorrichtung zur Bilderfas­ sung.

Senkrecht zur optischen Achse 5 sind die Objektebene 7 und die dazugehörige Bildebene 9 strichpunktiert angedeutet. Ob­ jekte, die in der Objektebene 7 liegen, werden in der Bild­ ebene 9 scharf abgebildet, d. h. die von diesen Objekten aus­ gehenden Abbildungsstrahlen schneiden sich in der Bildebene 9.

Objekte, die nicht in der Objektebene 7 liegen, werden auf der Bildebene 9 unscharf abgebildet, wobei sich die Abbil­ dungsstrahlen von Objekten, die sich zwischen der Objektebe­ ne 7 und dem Objektiv 1 befinden hinter der Bildebene 9 und die Abbildungsstrahlen von Objekten, die sich im Bild links von der Objektebene 7 befinden, vor der Bildebene 9 schnei­ den.

Die Figur umfaßt weiterhin Objekte 11 bis 16, die beispiels­ weise einen langgestreckten Zaun mit einer Längsachse 10 dar­ stellen, der von der Vorrichtung zur Bilderfassung über sei­ ne gesamte Länge entlang der Längsachse 10 überwacht werden soll. Die Vorrichtung ist dabei senkrecht oberhalb der Längs­ achse 10 angeordnet.

Betrachtet man die Abbildung des Objektes 12 auf die Bildebe­ ne 9, so sind hierfür die Abbildungsstrahlen 17, 18, 19 und 20 maßgeblich. Die Abbildungsstrahlen 17 und 18 bzw. 19 und 20 schneiden sich in Punkten 25 bzw. 27, woraus das Abbild 12′ des Objekts 12 konstruiert werden kann.

Das Abbild 12′ liegt deutlich vor der Bildebene 9 und ist daher auf dieser nur unscharf abgebildet. Beispielsweise wer­ den die Spitze bzw. der Fußpunkt des Objektes 12 auf der Bildebene 9 als Abbildungsflecke 29 bzw. 31 projiziert.

Analog kann mit Abbildungsstrahlen 21 und 22 bzw. 23 und 24 ein Abbild 15′ des Objekts 15 konstruiert werden. Das Abbild 15′ liegt im Gegensatz zum Abbild 12′ hinter der Bildebene 9. Auch hier werden die Spitze und der Fußpunkt des Objektes 15 nur als Abbildungsflecke 33 bzw. 35 auf die Bildebene 9 projiziert.

Durch Kippen der lichtempfindlichen Aufnahmefläche 3 aus der Bildebene 9 in die gezeigte Position verschiebt sich die un­ tere Hälfte der lichtempfindliche Aufnahmefläche 3 nach links in Richtung der Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen 17 und 18 bzw. 19 und 20 und die obere Hälfte nach rechts in Richtung der Schnittpunkte der Abbildungsstrahlen 21 und 22 bzw. 23 und 24. Durch diese Verschiebung entstehen auf der lichtempfindlichen Aufnahmefläche 3 Abbildungsflecke 29′, 31′, 33′ und 35′, die deutlich kleiner sind als die auf die Bildebene 9 projizierten Abbildungsflecke. Das bedeutet, daß die Objekte 12 und 15 auf der gekippten lichtempfindlichen Aufnahmefläche 3 schärfer abgebildet werden, als auf der Bildebene 9.

Betrachtet man die optische Achse 5 als horizontale Achse und die Objektebene 7 bzw. die Bildebene 9 als vertikale Ach­ sen eines Objektkoordinatensystems bzw. eines Bildkoordina­ tensystems, so werden alle Punkte, die in dem rechten unte­ ren Quadranten 37 des Objektkoordinatensystems (Nahobjekt- Schärfebereich) liegen, in den rechten oberen Quadranten 39 des Bildkoordinatensystems abgebildet. Das bedeutet, alle Abbildungsstrahlen von Objekten des Nahobjekt-Schärfebe­ reichs 37 schneiden sich hinter der Bildebene 9 im Quadran­ ten 39. Durch Kippen der lichtempfindlichen Aufnahmefläche 3 in die gezeigte Position wird diese mit ihrem oberen Teil in den Quadranten 39 verschoben, so daß eine schärfere Abbil­ dung der Objekte aus dem Nahobjekt-Schärfebereich 37 er­ reicht wird.

Entsprechend werden Objekte aus dem linken oberen Quadranten 41 des Objektkoordinatensystems (Fernobjekt-Schärfebereich) in den linken unteren Quadranten 43 des Bildkoordinatensy­ stems abgebildet. Auch hier wird durch das Kippen der licht­ empfindlichen Aufnahmefläche 3 in die gezeigte Position eine schärfere Abbildung aller Objekte aus dem Fernobjekt-Schärfe­ bereichs 41 erreicht.

Ist wie beschrieben die Vorrichtung zur Bilderfassung sen­ krecht über dem zu überwachenden Objekt angeordnet, so muß die lichtempfindliche Aufnahmefläche 3 wie im Bild darge­ stellt, um eine horizontale Drehachse gegenüber der Bildebe­ ne 9 gekippt werden. Ist die Vorrichtung zur Bilderfassung dagegen horizontal neben dem zu überwachenden Objekt ange­ ordnet, so muß die lichtempfindliche Aufnahmefläche 3 um eine vertikale Drehachse gegenüber der Bildebene 9 gekippt werden. Beispielsweise kann man die in der Zeichnung darge­ stellte Anordnung auch als Draufsicht interpretieren, wobei das Objektiv 1 horizontal neben den Objekten 11 bis 16 angeordnet und die lichtempfindliche Aufnahmefläche 3 um eine vertikale Achse gekippt ist.

Ist die Vorrichtung zur Bilderfassung schräg oberhalb eines zu untersuchenden Objektes angeordnet, so muß die lichtemp­ findliche Aufnahmefläche 3 sowohl um eine vertikale als auch um eine horizontale Achse gegenüber der Bildebene 9 gekippt werden. Allgemein gilt, daß die lichtempfindliche Aufnahme­ fläche 3 im wesentlichen senkrecht zu der von der Längsachse 10 eines zu überwachenden Objekts und der optischen Achse 5 der Vorrichtung aufgespannten Fläche angeordnet sein muß.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bilderfassung mit einem in einer Objektiv­ ebene liegenden Objektiv (1) und zumindest einem im Bereich der Bildebene (9) angeordneten, eine lichtempfind­ liche Aufnahmefläche (3) aufweisenden optischen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Aufnahmefläche (3) des optischen Sensors gegenüber der Bildebene (9) gekippt angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Bilderfassung mit einem in einer Objektiv­ ebene liegenden Objektiv (1) und zumindest einem im Bereich der Bildebene (9) angeordneten, eine lichtempfind­ liche Aufnahmefläche (3) aufweisenden optischen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivebene gegenüber der lichtempfindlichen Aufnahmefläche (3) des optischen Sensors gekippt angeord­ net ist.

3. Vorrichtung zur Bilderfassung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Aufnahmefläche (3) im wesentlichen senkrecht zu der von der Längsachse (10) eines zu überwachenden Objekts (11, 12, 13, 14, 15, 16) und der optischen Achse (5) der Vorrichtung aufgespannten Fläche angeordnet ist.

4. Vorrichtung zur Bilderfassung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Aufnahmefläche (3) des optischen Sensors gegenüber der Bildebene (9) so gekippt ist, daß die optische Achse (5) der Vorrichtung die lichtempfindliche Aufnahmefläche (3) und die Bildebene (9) in genau einem Punkt schneidet.

5. Vorrichtung zur Bilderfassung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den zwischen der Objektebene (7) und dem Objektiv (1) gelegenen, scharf abzubildenden Punkten zugeordnete Bereich der lichtempfindlichen Aufnahmefläche hinter der Bildebene (9) angeordnet ist.

6. Vorrichtung zur Bilderfassung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kippvorrichtung vorgesehen ist, mit der der Kippwinkel der lichtempfindlichen Aufnahmefläche (3) des optischen Sensors gegenüber der Bildebene (9) variabel einstellbar ist.

7. Vorrichtung zur Bilderfassung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippwinkel zwischen 0° und 7°, insbesondere zwischen 0,5° und 5°, bevorzugt zwischen 1° und 3° beträgt.

8. Vorrichtung zur Bilderfassung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor als vakuumloser Halbleiter-Bild­ aufnehmer, der auftreffende optische Signale in äquiva­ lente elektrische Signale umwandelt, ausgebildet ist.

9. Vorrichtung zur Bilderfassung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Objektiv (1) und den optischen Sensor aufneh­ mendes Gehäuse an einer Schwenk- und/oder Verschiebeein­ richtung angeordnet ist.