Beschreibungdescription
Elektronischer Bildsensor und ein Verfahren zur AuswertungElectronic image sensor and a method for evaluation
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Bildsensor und ein Verfahren zur Auswertung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 14.The invention relates to an electronic image sensor and a method for evaluation according to the preamble of claims 1 or 14.
Gattungsgemäße Bildsensoren werden als Zeilensensoren bezeichnet und sind aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen Pixel, die entlang einer Zeile angeordnet sind, aufgebaut. Die einzelnen Pixel wandeln Lichteingangssignale in elektrische Ausgangssignale um und erlauben dadurch eine elektronische Auswertung der mit dem Bildsensor aufgenommenen Bildinformationen. Derartige Zeilensensoren werden beispielsweise bei der Inspektion von Druckerzeugnissen, insbesondere bei der Inspektion von Wertnoten, eingesetzt.Generic image sensors are referred to as line sensors and are made up of a large number of light-sensitive pixels which are arranged along a line. The individual pixels convert light input signals into electrical output signals and thereby allow electronic evaluation of the image information recorded with the image sensor. Such line sensors are used, for example, in the inspection of printed products, in particular in the inspection of value notes.
Die erforderliche Pixelanzahl des Zeilensensors hängt im Wesentlichen von der Breite des aufzunehmenden Objekts und der für die Anwendung notwendigen Auflösung bezüglich des Objektes ab. Da die Breite des aufzunehmenden Objekts je nach Anwendungsfall stark variieren kann und immer kleinere Strukturen detektierbar sein sollen, werden nach dem Stand der Technik hochauflösende Spezialsensoren eingesetzt, die jedoch hohe Beschaffungskosten verursachen.The required number of pixels of the line sensor essentially depends on the width of the object to be recorded and the resolution with respect to the object required for the application. Since the width of the object to be photographed can vary greatly depending on the application and smaller and smaller structures should be detectable, high-resolution special sensors are used according to the prior art, which, however, cause high procurement costs.
Die DE 40 24 618 A1 offenbart ein Gerät zur Erfassung von Oberflächeninformationen mit mehreren Sensoren, denen jeweils eine Linseneinrichtung zugeordnet ist. Diesen Linseneinrichtungen werden die Oberflächeninformationen mittels Strahlteileinrichtungen zugeführt.DE 40 24 618 A1 discloses a device for recording surface information with several sensors, each of which is assigned a lens device. The surface information is supplied to these lens devices by means of beam splitting devices.
Die DE 33 38 168 A1 zeigt einen Sensor mit mehreren Pixel, die wahlweise einschaltbar sind.
Die JP 63-240261 A zeigt zwei CCD-Zeilensensoren, denen jeweils eine Optik zugeordnet ist und deren Bildbereiche überlappen. Diese überlappenden Bildbereiche werden gespeichert und selektiv aus dem Speicher ausgelesen.DE 33 38 168 A1 shows a sensor with several pixels that can be switched on optionally. JP 63-240261 A shows two CCD line sensors, each of which is assigned an optical system and whose image areas overlap. These overlapping image areas are stored and read selectively from the memory.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Bildsensor und ein Verfahren zur Auswertung zu schaffen.The invention has for its object to provide an electronic image sensor and a method for evaluation.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 14 gelöst.The object is achieved by the features of claims 1 or 14.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, den kostenaufwendigen Spezialsensor mit der gewünschten Zeilenbreite durch eine Kombination von mehreren einzeln ansteuerbaren und auswertbaren Einzelsensoren zu ersetzten. Derartige Einzelsensoren sind als Standardbauteile verfügbar und somit relativ preisgünstig. Je nach gewünschter Breite des Bildsensors kann die Anzahl der Einzelsensoren variiert werden, um insgesamt die erforderliche Sensorbreite zu gewährleisten. Jeder der Einzelsensoren ist dabei mit einer eigenen Optik zur Abbildung eines Bildbereichs ausgerüstet. Um den Bildsensor als Zeilensensor einsetzen zu können, werden die Einzelsensoren in Richtung ihrer Längsachse nebeneinander angeordnet, wobei je nach Anwendungsfall zwischen den Einzelsensoren ein bestimmter Abstand vorhanden ist. Alle Einzelsensoren werden dann jedoch gemeinsam von einer Auswerteeinrichtung angesteuert und ausgewertet, so dass die in der Auswerteeinrichtung eingehenden Bildinformationen den Bildinformationen entsprechen, wie sie ein Spezialsensor mit entsprechender Breite liefern würde.The invention is based on the basic idea of replacing the costly special sensor with the desired line width by a combination of several individually controllable and evaluable individual sensors. Such individual sensors are available as standard components and are therefore relatively inexpensive. Depending on the desired width of the image sensor, the number of individual sensors can be varied in order to ensure the required sensor width overall. Each of the individual sensors is equipped with its own optics for imaging an image area. In order to be able to use the image sensor as a line sensor, the individual sensors are arranged next to one another in the direction of their longitudinal axis, a certain distance being present between the individual sensors, depending on the application. However, all individual sensors are then controlled and evaluated jointly by an evaluation device, so that the image information received in the evaluation device corresponds to the image information as would be provided by a special sensor with a corresponding width.
Alle Einzelsensoren werden auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet, um eine ausreichend exakte Ausrichtung der Einzelsensoren zueinander mit einfachen Mitteln zu gewährleisten. Dieses Trägerelement kann insbesondere als Elektronikplatine ausgebildet sein, auf der die Einzelsensoren bestückt sind. Außerdem kann auf der Elektronikplatine auch ein Teil der Ansteuer- und Auswerteelektronik der Auswerteeinrichtung vorgesehen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einzelsensoren als teilauslesbare Sensoren ausgebildet sind. Bei diesen teilauslesbaren Sensoren ist es möglich, einzelne Pixel jedes Einzelsensors in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen geometrischen Anordnung im Einzelsensor auszublenden. Ist beispielsweise bekannt, dass in einem bestimmten Bildausschnitt keine relevanten Bildinformationen zu erwarten sind, kann durch entsprechende Ansteuerung der teilauslesbaren Sensoren dieser Bildbereich ausgeblendet werden, so dass die in der Auswerteeinrichtung auszuwertenden Bilddaten entsprechend reduziert werden.All of the individual sensors are arranged on a common carrier element in order to ensure that the individual sensors are sufficiently precisely aligned with one another using simple means. This carrier element can in particular be designed as an electronic circuit board on which the individual sensors are fitted. In addition, part of the control and evaluation electronics of the evaluation device can also be provided on the electronics board. It is particularly advantageous if the individual sensors are designed as partially readable sensors. With these partially readable sensors, it is possible to hide individual pixels of each individual sensor as a function of their respective geometric arrangement in the individual sensor. If, for example, it is known that no relevant image information is to be expected in a certain image section, this image area can be masked out by correspondingly controlling the partially readable sensors, so that the image data to be evaluated in the evaluation device are reduced accordingly.
Insbesondere ist es auch möglich, Flächensensoren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bildsensors zu verwenden, wobei dann zumindest eine Zeile des Flächensensors als Bildsensor angesteuert wird, wohingegen die anderen Zeilen des Flächensensors nicht ausgelesen werden.In particular, it is also possible to use surface sensors to produce an image sensor according to the invention, in which case at least one line of the surface sensor is activated as an image sensor, whereas the other lines of the surface sensor are not read out.
Sind die Einzelsensoren als teilauslesbare Farbflächensensoren ausgebildet, so können durch entsprechende Ansteuerung eines Zeilenpaars des Farbflächensensors auch Farbinformationen aufgenommen und in die Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden.If the individual sensors are designed as partially readable color surface sensors, then by appropriately controlling a pair of lines of the color surface sensor, color information can also be recorded and passed on to the evaluation device.
Besonders geeignet zur Bildung erfindungsgemäßer Bildsensoren sind CMOS-Sensoren (Complementary-Metal-Oxid-Semi conductor), da diese in einem sehr günstigen Preis- /Leistungsverhältnis verfügbar sind.CMOS sensors (Complementary Metal Oxide Semiconductors) are particularly suitable for forming image sensors according to the invention, since they are available at a very favorable price / performance ratio.
Diese CMOS-Sensoren weisen teilweise einen einem Speicherbaustein entsprechenden Bildaufbau auf, so dass einzelne Pixel wie Speicherzellen abfragbar sind. Es müssen also nur Bildelemente ausgelesen werden, die tatsächlich auch ausgewertet werden sollen.Some of these CMOS sensors have an image structure corresponding to a memory chip, so that individual pixels such as memory cells can be queried. It is therefore only necessary to read out picture elements that are actually to be evaluated.
Zwischen den Einzelsensoren des Bildsensors ist ein bestimmter Abstand vorhanden. Aufgrund der vor den Einzelsensoren angeordneten Optiken kann jedoch ein breiterer
Bildausschnitt auf die Einzelsensoren abgebildet werden. Damit alle Bereiche des aufzunehmenden Objekts auswertbar sind, kann der Bildsensor relativ zum aufzunehmenden Objekt in einem Abstand angeordnet werden, so dass die von den Einzelsensoren erfassbaren Bildbereiche des aufzunehmenden Objekts zumindest geringfügig überlappen. Die Überlappungsbereiche, die dann von jeweils benachbarten Einzelsensoren jeweils doppelt aufgenommen werden, können dann in der Auswerteeinrichtung durch entsprechende Auswertealgorithmen wieder herausgefiltert werden.There is a certain distance between the individual sensors of the image sensor. However, due to the optics arranged in front of the individual sensors, a wider one can be used Image detail can be mapped to the individual sensors. So that all areas of the object to be recorded can be evaluated, the image sensor can be arranged at a distance relative to the object to be recorded, so that the image areas of the object to be recorded that can be detected by the individual sensors overlap at least slightly. The overlapping areas, which are then recorded twice by adjacent individual sensors, can then be filtered out again in the evaluation device using appropriate evaluation algorithms.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Bildsensors in einem ersten Betriebszustand;1 shows the schematic structure of an image sensor in a first operating state;
Fig. 2 den Bildsensor gemäß Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand.FIG. 2 shows the image sensor according to FIG. 1 in a second operating state.
Der in Fig. 1 dargestellte Bildsensor 01 weist vier nebeneinander beabstandet angeordnete Einzelsensoren 02; 03; 04 und 06 auf, die auf einer gemeinsamen Elektronikplatine 07 bestückt sind. Jedem der Einzelsensoren 02; 03; 04 und 06 ist eine Optik 08 zugeordnet, durch die ein aufzunehmendes Objekt 09 entlang einer Linie auf die Einzelsensoren 02 bis 06 abgebildet werden kann. Die Einzelsensoren, 02; 03; 04 und 06, die Optiken 08 und das aufzunehmende Objekt 09 sind gemäß Fig. 1 jeweils auf einer Geraden angeordnet. Jeder Optik 08 liegen die zu erfassenden Bildbereiche des aufzunehmenden Objektes 09 direkt gegenüber.The image sensor 01 shown in FIG. 1 has four individual sensors 02; 03; 04 and 06, which are equipped on a common electronics board 07. Each of the individual sensors 02; 03; An optical system 08 is assigned to 04 and 06, through which an object 09 to be recorded can be imaged along a line on the individual sensors 02 to 06. The individual sensors, 02; 03; 04 and 06, the optics 08 and the object 09 to be recorded are each arranged on a straight line according to FIG. 1. The image areas of the object 09 to be recorded are located directly opposite each optics 08.
Die Eigenschaften der Optiken 08 und der Abstand zwischen den Bildsensoren 01 und dem aufzunehmenden Objekt 09 sind dabei so gewählt, dass zum einen grundsätzlich die
gesamte Breite des aufzunehmenden Objekts 09 auf die Einzelsensoren 02 bis 06 abgebildet werden kann und zum anderen die von den Einzelsensoren 02 bis 06 jeweils erfassbaren Bildbereiche zumindest eine geringfügige Überlappung aufweisen.The properties of the optics 08 and the distance between the image sensors 01 and the object 09 to be recorded are selected such that, on the one hand, the The entire width of the object 09 to be recorded can be imaged on the individual sensors 02 to 06 and, on the other hand, the image areas that can be detected by the individual sensors 02 to 06 each have at least a slight overlap.
Jeder der Einzelsensoren 02 bis 06 ist aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Pixel aufgebaut, die in Abhängigkeit von ihrer geometrischen Anordnung einzeln angesteuert werden können. Dies erlaubt das selektive Ausblenden einzelner Bildbereiche, um dadurch die zu verarbeitende Menge der Bilddaten zu reduzieren.Each of the individual sensors 02 to 06 is constructed from a large number of pixels arranged side by side, which can be controlled individually depending on their geometric arrangement. This allows selective masking of individual image areas in order to reduce the amount of image data to be processed.
Um festzulegen, welche Bildbereiche zwecks Reduzierung der zu verarbeitenden Menge an Bilddaten ausgeblendet werden können, müssen zunächst alle Pixel zur Feststellung der Lage eines Merkmales ausgelesen werden. Aufgrund der erfassten Merkmale wird nun festgelegt, welche Pixel nicht ausgelesen werden. Anschließend werden nur die verbleibenden Pixel ausgelesen, wobei jeder Pixel ein eigenes Signal an die Auswerteeinheit liefert.To determine which image areas can be hidden to reduce the amount of image data to be processed, all pixels must first be read out to determine the position of a feature. Based on the recorded characteristics, it is now determined which pixels are not read out. Then only the remaining pixels are read out, each pixel delivering its own signal to the evaluation unit.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Betriebszustand trägt das aufzunehmende Objekt 09 zwei wichtige Merkmale 11 und 12, deren Vorhandensein und geometrische Lage von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden soll. Die anderen Bereiche des aufzunehmenden Objekts 09 sind für die Auswertung ohne Relevanz. Um diese Auswerteaufgabe in einfacher Weise durchführen zu können, werden die Pixel der Einzelsensoren 02 bis 06 selektiv ausgelesen. Da sich in dem vom Einzelsensor 06 abgebildeten Bildbereich des aufzunehmenden Objekts 09 keine wichtigen Merkmale befinden, werden die Pixel des Einzelsensors 06 überhaupt nicht ausgelesen, so dass der entsprechende Bildbereich vollständig ausgeblendet ist. Die notwendigen Parameter für die Bildfeldeinschränkung können dem Bildsensor von der Auswerteeinrichtung vorgegeben werden.In the operating state shown in FIG. 1, the object 09 to be recorded has two important features 11 and 12, the presence and geometric position of which is to be evaluated by the evaluation device. The other areas of the object 09 to be recorded are irrelevant for the evaluation. In order to be able to carry out this evaluation task in a simple manner, the pixels of the individual sensors 02 to 06 are selectively read out. Since there are no important features in the image area of the object 09 to be recorded by the individual sensor 06, the pixels of the individual sensor 06 are not read out at all, so that the corresponding image area is completely hidden. The necessary parameters for the image field restriction can be specified to the image sensor by the evaluation device.
Beim Einzelsensor 04 wird das wichtige Merkmal 12 des aufzunehmenden Objekts 09 von
den mittleren Pixel des Einzelsensors 04 aufgenommen. Dementsprechend werden nur die mittleren Pixel des Einzelsensors 04 ausgelesen, wohingegen die am linken und rechten Rand des Einzelsensors 04 angeordneten Pixel ausgeblendet werden.In the case of the individual sensor 04, the important feature 12 of the object 09 to be recorded is from recorded the middle pixel of the individual sensor 04. Accordingly, only the middle pixels of the individual sensor 04 are read out, whereas the pixels arranged on the left and right edges of the individual sensor 04 are hidden.
Das wichtige Merkmal 11 ist auf dem Objekt 09 derart gelegen, dass es jeweils teilweise von den Einzelsensoren 02 und 03 aufgenommen wird. Da nur die Lage des Merkmals 11 von Interesse ist, werden die Einzelsensoren 02 und 03 derart angesteuert, dass beim Einzelsensor 02 nur die Pixel am linken Rand und beim Einzelsensor 03 nur die Pixel am rechten Rand ausgelesen werden. Alle anderen Pixel der Einzelsensoren 02 und 03 werden nicht ausgelesen, so dass die entsprechenden Bildbereiche des Objekts 09 ausgeblendet sind. Bei der Auswertung der von den Einzelsensoren 02 und 03 gelieferten Bilddaten in Bildsensor wird der Überlappungsbereich herausgerechnet und außerdem die Bilddaten derart umgerechnet, dass die auszuwertenden Daten der geometrischen Form des Merkmals 11 entsprechen.The important feature 11 is located on the object 09 in such a way that it is partially picked up by the individual sensors 02 and 03. Since only the position of the feature 11 is of interest, the individual sensors 02 and 03 are controlled in such a way that only the pixels on the left edge are read in the individual sensor 02 and only the pixels on the right edge in the individual sensor 03. All other pixels of the individual sensors 02 and 03 are not read out, so that the corresponding image areas of the object 09 are hidden. When evaluating the image data supplied by the individual sensors 02 and 03 in the image sensor, the overlap area is calculated out and the image data is also converted in such a way that the data to be evaluated correspond to the geometric shape of the feature 11.
In Fig. 2 ist der Bildsensor 01 in einem zweiten Betriebszustand dargestellt. In diesem Betriebszustand werden alle Pixel der Einzelsensoren 02 bis 06 ausgelesen, so dass eine Linie über die gesamte Breite des aufzunehmenden Objekts 09 aufgenommen und ausgewertet wird. Die Aufnahmebereiche der Einzelsensoren 02 bis 06 überlappen dabei geringfügig, um Lücken im Aufnahmebereich des Bildsensors 01 insgesamt auszuschließen. Der Bildsensor reicht jedoch mit dem Datenstrom jeden Bildpunkt auf der gesamten Abtastlinie nur einmal an die nachfolgende Auswerteeinrichtung weiter.2 shows the image sensor 01 in a second operating state. In this operating state, all pixels of the individual sensors 02 to 06 are read out, so that a line is recorded and evaluated over the entire width of the object 09 to be recorded. The recording areas of the individual sensors 02 to 06 overlap slightly in order to exclude gaps in the recording area of the image sensor 01 as a whole. However, with the data stream, the image sensor passes each pixel on the entire scanning line only once to the subsequent evaluation device.
In einem dritten Betriebszustand des Bildsensors kann auch in Teilbereichen der gesamten Abtastlinie durch das Auslesen von Subpixel (es werden zwischen den ausgelesenen Pixel Lücken gelassen) die Auflösung reduziert werden. Zusätzlich zu einer möglichen Einschränkung der ausgelesenen Bildbereiche über die gesamte Bildsensorlänge können hier unterschiedlich wichtige Bereiche mit voller oder reduzierter Auflösung ausgelesen werden.
Der Bildsensor kann insbesondere zur Inspektion von Druckerzeugnissen verwendet werden.
In a third operating state of the image sensor, the resolution can also be reduced in partial areas of the entire scanning line by reading out subpixels (gaps are left between the read pixels). In addition to a possible restriction of the image areas read out over the entire image sensor length, areas of different importance can be read out here with full or reduced resolution. The image sensor can be used in particular for the inspection of printed products.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
01 Bildsensor01 image sensor
02 Einzelsensor02 single sensor
03 Einzelsensor03 single sensor
04 Einzelsensor04 single sensor
05 -05 -
06 Einzelsensor06 Single sensor
07 Elektronikplatine07 electronics board
08 Optik08 optics
09 aufzunehmendes Objekt09 object to be recorded
10 -10 -
11 wichtiges Merkmal (aufzunehmendes Objekt)11 important feature (object to be recorded)
12 wichtiges Merkmal (aufzunehmendes Objekt)
12 important characteristic (object to be recorded)