CN110166702A - 捕获图像数据的相机和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及捕获图像数据的相机和方法。提出一种相机(10)，具有：图像传感器(18)，其用于捕获来自检测区域(14)的图像数据；照明单元(20、24)，其具有至少一个光源(20)以用于照亮检测区域；以及前板(32)。在此，设置了与光源(20)相关联的横向的偏转元件(24)，该偏转元件受前板(32)保护地布置在相机(10)中，并且具有漫散射的表面或镜面反射的表面，以便在检测区域(14)中产生漫射照明(22b)或暗场照明(22b)。

Description

捕获图像数据的相机和方法
本发明涉及根据权利要求1或12的前序部分的用于捕获来自检测区域的图像数据的相机和方法。
相机以各种方式应用于工业应用，以自动检测对象属性，例如用于检查或测量对象。在这种情况下，捕获对象的图像并根据任务通过图像处理方法进行评估。相机的另一种应用是读取代码。借助图像传感器捕获具有位于其上的代码的对象，在这些图像中识别代码区域，然后进行解码。基于相机的读码器可以轻松地应对一维条形码以外的其他代码类型，这些代码类型与矩阵码一样，也被构造成二维的并提供更多信息。打印地址的自动文本捕获(OCR，光学字符识别)或手稿的自动文本捕获原则上是代码的读取。读码器的典型应用领域是超市收银台、自动包裹识别、邮件分拣、机场行李处理和其他物流应用。
常见的检测情况是将相机安装在传送带上方。当对象流在传送带上相对移动期间，相机捕获图像并根据所获得的对象特征引入其他处理步骤。这些处理步骤例如是在作用于所输送的对象机器上进行的适合具体对象的进一步处理，或者是通过在质量控制的范围内将某些对象从对象流中排除或将对象流分类成多个子对象流来改变对象流。如果相机是基于相机的读码器，则根据所安置的代码来识别对象以便进行正确的分类或类似的处理步骤。
为了独立于可变的光条件，许多的工业相机***使用自身的照明装置(Beleuchtung)。对不同的照明类型进行了区分。除了直接的照明(也被称为明场照明)外，还已知暗场照明和漫射照明。这些照明通常都直接安装在设备中，诸如作为外部照明添加。
暗场照明的典型应用领域是对金属表面的捕获。在这种情况下，光被平坦地射入。根据入射角等于出射角的原理，整个光被观察者或相机偏转开，因此场保持黑暗。诸如倾斜的边缘、划痕、压纹、凹陷和凸起的结构会干扰光的光路。在这些异常情况下，光线会朝相机反射或通常只是散射。然后，这些缺陷部位(Fehlstelle)在相机图像中显得明亮。
在暗场照明的情况下，照明光源在必要时必须与光学器件一起布置在与相机视场相距特定的位置和角度处。通常情况下，光源相对于相机的光轴以一定角度位于圆形布置上。因此，光源可以不再位于共同的电子线路板(Elektronikkarte)上。
漫射光在必须对镜面的、抛光的、有光泽的或金属的对象进行检测的应用中可能是有用的。特别困难的是，这些表面不再是平的，而是自由形成的、有褶皱的、拱形的或圆柱形的。
在EP 1 158 460 B1中，在示教过程中，控制不同组的发射元件发射光，并且相应的控制和照明应用于随后的操作，其中捕获的对象的一个或更多个表征特征是最佳的。尽管环形布置的发射元件可以从不同方向产生照明，但是不能产生漫射照明或足够用于暗场照明的平坦角度的照明。
EP 1 687 752 B2公开了在扫描装置中提供全向照明，该扫描装置利用图像传感器读取代码。光出射表面使光向内偏转的光导元件布置在围绕接收光学器件的暗场照明的可单独控制的光源前面。改变光源的光，直到可以读取包含在图像数据中的代码为止。光导需要一定的深度，这对于所述的手持设备中的应用是没有问题的，但在工业相机中是不利的。此外，每个光源分别设置一个光导，导致整个结构在具有许多光源的较强照明时变得非常复杂。
EP 1 68 8861 B1在照明读码器之前使用具有反射器或光导的附加件(Aufsatz)，并且光在该附加件的另一端以平角(flachem Winkel)落在读取区域上。然而，该附加件大大加大了读码器。
从US 8 768 159 B2中已知组合的暗场照明和明场照明。设置了内部光源以及外部光源，该内部光源直接入射到检测区域中，因此呈现出明场照明以及具有光导的外部光源，该外部光源具有用于暗场照明的出射表面倾斜的光导。因此，在暗场照明方面涉及具有光导的其他解决方案，该解决方案在复杂性和尺寸方面带来了已经多次提到的缺点。
US 9 569 653 B1描述了用于读码器的在倾斜平面中的暗场照明。分别设置了用于漫射照明的单独的光源和借助反射器的暗场照明，为了漫射照明光传输通过漫射器。读码器的前部倾斜15°-30°，并且根据规定应与待读取的代码的表面齐平。然而，这会导致变形的、并从视角方向看仍大型的结构。
因此，本发明的任务在于，以简单和灵活的方式产生合适的照明。
该任务通过根据权利要求1或12的用于捕获来自检测区域的图像数据的相机和方法得以实现。相机利用图像传感器从检测区域采集图像数据。具有至少一个光源的照明单元为此照亮检测区域。前板在前侧，即在相机的视角方向上，封闭相机或其壳体，从而特别地保护照明单元。
本发明基于这样的基本思想，即光源不直接入射到检测区域中，而是其光线事先入射到与光源相关联的横向的偏转元件上。在此，横向是指在垂直于视角方向的平面中的偏移，该平面转而例如由图像传感器或在图像传感器前方布置的接收光学器件的光轴确定。由光源产生的光在偏转元件上被未定向地漫反射以用于漫射照明，或被定向地反射以用于暗场照明。因此，偏转元件根据待产生的照明具有漫反射的或镜面反射(spiegelnd)的表面。偏转元件和光源位于前板下方，即在相机内并受前板保护。在这种情况下，偏转元件的至少一部分也可以与前板一起构成，该前板继而整合保护和偏转功能。
本发明的优点在于，模块化的暗场照明或漫射照明被集成到相机中。由此，使相机更容易适应实际需要的照明情况。相机的结构能实现紧凑和特别扁平的尺寸。
优选地，光源的辐射方向与横向于相机的视角方向对准。为此，优选可以使用横向辐射的LED。如已经提到的，相机的视角方向可以通过图像传感器或接收光学器件的光轴来限定。横向的偏转元件布置在辐射方向上，以便光源的发射的光照出现在那里。横向于视角方向的辐射方向是指至少70°、至少80°并且优选约90°的角度。也可以设想稍大的角度，然后偏转元件将最初发射的具有轻微后向分量的光引导到检测区域中。横向于视角方向的辐射方向是指在理想情况下照明不需要比偏转元件本身更多的结构深度，因为偏转实际上发生在一个平面中。因此，照明单元的极其扁平的结构形式是可能的。
优选地，光源的辐射方向向外布置。在这种情况下，辐射方向具有至少一个相对于视角方向径向向外的分量。向外并非意味着直接在光源和接收光学器件的光学中心之间的连接的延长线上，例如，当多个光源被布置为形成矩形，并相对于它们的边缘向外定向时。通过随后发生的偏转的向外的辐射方向产生大的面积，该面积特别大于由多个光源本身构成的、光从中被有效地辐射的面积。这又实现了在更大距离上的平坦的照明角度，因此通过光源向外的定向更好地利用了现有尺寸。
优选地，偏转元件在前板的边缘下方布置在外部。因此，偏转首先发生在最外边缘处，因此与接收光学器件的间距最大。这甚至会最佳地利用现有面积，因为实际上相机前部的边缘成为有效的照明源。
优选地，偏转元件被构造成框架。优选地，该框架包围多个光源，这些光源分别向框架对准。这种框架可以非常容易地集成到扁平的设备结构中，并构成相机内的光偏转平面。
优选地，前板和框架是矩形的。框架直接与前板的形状相匹配。这易于制造并且还获得简单的整体结构。
优选地，偏转元件随后可替换，特别是被构造成可更换框架，以便在漫射照明和暗场照明之间变换和/或通过其他形式的偏转元件改变照明参数。根据相应相机中或甚至应用中的要求，使用合适的偏转元件。在这种情况下，在钝的、漫反射的表面和镜面反射的表面之间变换，以便获得漫射照明或暗场照明。此外，还可以使用具有不同镜面形状的偏转元件，以便设定其他的照明角度、读取距离或其他可通过光束整形和方向调整的照明参数。优选地，偏转元件是可更换框架，更优选地是矩形形状。这特别容易制造和替换。
优选地，偏转元件与前板连接并因此被构造成与前板一起是可替换的。这进一步使照明的变换变得容易。对于照明调节仅须将前板连同偏转元件取下，并用具有不同偏转元件的另一前板进行替换。
优选地，偏转元件具有光学有效的轮廓，特别是凹形轮廓或自由曲面。通过这种方式，与平面反射镜的纯偏转相比，照明甚至更好地有针对性地适应所需的照明条件。
优选地，照明单元的多个光源，特别是所有光源布置在共同的电路板(Leiterkarte)上。因为偏转元件负责合适的照射角度，因此这是可能的。光源本身可以平坦地并排布置，它们本身不必与检测区域成直角。共同的电路板降低了照明单元本身及其安装的复杂性，从而降低了制造成本。
优选地，照明单元具有多组可单独控制的光源。优选大小相同的多组中的每个组包括至少一个光源。通过对多组进行有针对性的激活或强度调节产生不同的照明场景，该照明场景可以通过参数预先确定，但是也可以通过对图像数据的评估的反馈来设置或示教。优选地，被构造成矩形框架的偏转元件的每个边缘设置了四组。通过这种方式，可以通过对多组进行单独控制从所有四个方向改变照明。
优选地，照明单元具有不同颜色的光源。一些结构，特别是某些背景上某些颜色的编码可以在合适的照明光谱中更好地读取。这可以通过调整光源的颜色，也可以通过混合颜色来实现。根据实施方式，可以设置不同颜色的光源或颜色可切换的光源，诸如多色LED。
优选地，相机具有控制和评估单元，该控制和评估单元被构造用于在图像数据中识别代码区域并读出代码区域的代码内容。因此，相机变成根据各种标准的用于条形码和/或2D代码(必要时也用于文本识别(OCR，光学字符读取))的基于相机的读码器。此外，优选地，在没有代码读取功能的另一方面中设置控制和评估单元，该另一方面控制和执行相机中的各种任务，诸如图像采集、照明、实际的和所需的焦点位置的测量及其显示。
根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这些有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行了描述。
附图说明
下面将示例性地根据实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：
图1示出了具有照明装置的相机的示意性剖视图；
图2示出了相机的前视图；
图3示出了照明装置的偏转装置的详细视图；
图4示出了由于偏转而产生的照明和相机的视场的示意性图示；以及
图5示出了相机安装到传送带上方的示例性应用的三维视图。
图1示出了相机10的示意性剖视图。来自检测区域14的接收光12入射到接收光学器件16上，该接收光学器件16将接收光12引导到图像传感器18上。优选地，接收光学器件16的光学元件被设计成由多个透镜和其他光学元件(诸如，光阑、棱镜等)组成的物镜，但是这里为了简单起见仅由透镜表示。
为了在相机10的拍摄期间照亮检测区域14，相机10包括照明单元，该照明单元在图1中以两个光源(例如，LED或激光二极管)20的形式示出。光源20可以与未示出的发射光学器件相关联。
光源20不直接辐射到检测区域14中。相反，它们的发射光22a首先与横向的偏转元件24对准。根据相机10的应用，偏转元件24具有镜面反射的表面或漫射的表面，该表面从发射光22a产生以平入射角进入检测区域14中的暗场照明22b或漫射照明22b。然后，参考图2至图4更详细地阐述偏转元件24和发射光22a-22b的光路。
控制和评估单元26与照明单元和图像传感器相连，并且负责相机10中的控制、评估和其他协调任务。因此，该控制和评估单元读取图像传感器18的图像数据，以便对这些图像数据进行处理并在接口28处输出。还可以设想对图像数据进行单独的评估，特别是对图像数据中的代码区域进行解码，由此，相机10成为基于相机的读码器。
相机10由壳体30保护，该壳体在接收光12所落入的且发射光22b出来的前部区域中由前板32封闭。
图2以前视图示出了相机10的实施方式。相机10的前面及其前板32是矩形的，其中倒圆的角表示该形状不应以狭义的数学意义来理解。照明单元的多个光源20分别布置在矩形的边缘上，但根据实施方式，或多或少会向内偏移。优选地，光源20安置在共同的电路板34上。
偏转元件24被构造成同样基本上为矩形的、包围光源20的反射框架，该反射框架优选构成相机10的前面的外边缘，以便尽可能完全利用现有表面。光源20将它们的发射光22a向外朝偏转元件24或反射框架的方向发射。在那里，根据偏转元件24的实施方式，发射光22a漫射地或直射地被偏转到检测区域14中。在图2的前视图中，相应的漫射照明22b或暗场照明22b以平入射角从纸平面中出来进入检测区域14中。在漫射照明22b的情况下，与直射的暗场照明22b相比，方向当然可以仅针对中心部分指定。
优选地，光源20可单独控制，从而实现可变的照明区域。为了降低电路复杂性，仅共同控制光源20组可能就足够了。对此的变型是将布置在矩形的相应边缘处的光源20分别组合成组。然后，可以有针对性地生成来自某些方向的照明22b，特别是在控制和评估单元26中结合图像传感器18的图像数据的图像处理来生成，以便以这种方式针对相应的应用找到最有可能的照明设置。
在另一个优选的实施方式中，使用多色的光源20。这几种颜色已经可以在相应的光源20中生成，如在多色的LED中，或彼此相邻使用不同颜色的光源20，这些光源被选择性地激活用于某些颜色。通过照明22b的颜色变换，可以更好地识别一些结构，诸如根据打印颜色和背景更好地读取红色光或蓝色光的代码。在这种情况下，镜面反射的偏转元件24不产生色差。
图3以横截面示出了发射光22a和照明22b在偏转元件24上的光路的详细结构。在此，光源20是具有横向光输出的LED，因此垂直于相机10的视角方向。优选地，辐射方向至少横向于视角方向，即也可以设想与正交取向略有偏差的角度范围，例如70°-110°。例如，这可以通过光源20处的光偏转而不是通过横向辐射的LED来实现。
在图3中被构造成具有镜面反射的表面的偏转元件24使发射光22a在检测区域14的方向上偏转。在这种情况下，检测区域14中的入射角可能由于偏转元件24的相应的设计而比所示的更平坦或更陡峭，这取决于需要暗场照明22b处于何种间距和形式。
偏转元件24的轮廓被构造成使得尽可能多的发射光22a被偏转到检测区域14中。在所示的示例中，选择凹形轮廓，即聚集的轮廓。通过轮廓的曲率和有效的倾斜角可以设置暗场照明22b的参数，诸如工作间距、入射角、检测区域14的尺寸和几何形状或强度分布。为此，轮廓也可以构造为自由形状。
这种光学效应可以借助光源20和偏转元件24之间附加但未示出的光学组件代替偏转元件24的特定轮廓或者与其共同作用来实现，这些光学组件例如可以使发射光22a在图3的竖直方向上聚焦并从而聚集地入射到偏转元件24上。此外，前板32可以设置有光学功能结构，诸如压纹透镜、棱镜或衍射结构，该结构确保了检测区域14中的入射角的额外变化或进一步聚集。
可选地，可以通过具有漫散射的表面的这种偏转元件来替代具有镜面反射的表面的偏转元件24。然后，出现的不是暗场照明22b，而是漫射照明22b。
相机10支持暗场照明22b和漫射照明22b之间的变换和/或通过非常简单的重建调整照明参数，其中偏转元件24被适合新要求的偏转元件24替换。为此，偏转元件24仅可拆卸地固定在相机10中。在偏转元件24被构造成框架的情况下，如图2所示，该偏转元件是置于前板32和剩余壳体30之间的可更换框架。在特别优选的实施方式中，偏转元件24或可更换框架固定在前板32上并因此构成共同的部件。然后，简单地通过替换前板32来实现偏转元件24的更换并从而实现在暗场照明22b和漫射照明22b之间的变换或对照明参数的调整。
图4再次示出了相机10的前部区域的剖视图，以图示检测区域14和在这里利用暗场照明22b照亮的区域。尽管在平面中装备了光源20，但是实现了横向的入射角。电路板34的所示部分之间的间隙是由于剖视图导致的，但可以是具有用于接收光12的中心开口的相同的电路板34，如图2的前视图中可见到的。
图5示出了相机10安装在传送带36上方的可能的应用，如箭头40所示，该传送带将对象38输送通过相机10的检测区域14。对象38可以在其外表面上携带代码区域42。相机10的任务在于，捕获对象38的特性，并且在优选的用途中作为读码器识别出代码区域42，读取安置在那里的代码并进行解码，以及将该代码分配给各个相关联的对象38。为了也识别在侧面安置的代码区域44，优选从不同的角度使用附加的未示出的相机10。

Claims (13)

1.一种相机(10)，具有：图像传感器(18)，其用于捕获来自检测区域(14)的图像数据；照明单元(20、24)，其具有至少一个光源(20)以用于照亮所述检测区域(14)；以及前板(32)，
其特征在于，
具有与所述光源(20)相关联的横向的偏转元件(24)，所述偏转元件受所述前板(32)保护地布置在所述相机(10)中，并且具有漫散射的表面或镜面反射的表面，以便在所述检测区域(14)中产生漫射照明(22b)或暗场照明(22b)。
2.根据权利要求1所述的相机(10)，其中，所述光源(20)的辐射方向与横向于特别是垂直于相机(10)的视角方向对准。
3.根据权利要求1或2所述的相机(10)，其中，所述光源(20)的辐射方向向外布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述偏转元件(24)在所述前板(32)的边缘下方布置在外部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述偏转元件(24)被构造成框架。
6.根据权利要求5所述的相机(10)，其中，所述前板(32)和所述框架是矩形的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述偏转元件(24)随后是可替换的，特别是被构造成可更换框架，以便在漫射照明(22b)和暗场照明(22b)之间变换和/或通过其他形式的偏转元件(24)改变照明参数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述偏转元件(24)与前板(32)连接，并且因此被构造成与所述前板(32)一起是可替换的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述偏转元件(24)具有光学有效的轮廓，特别是凹形轮廓或自由曲面。
10.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述照明单元(20、24)的多个光源(20)布置在共同的电路板(34)上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，其中，所述照明单元(20、24)具有多组可单独控制的光源(20)和/或不同颜色的光源(20)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的相机(10)，所述相机具有控制和评估单元(28)，所述控制和评估单元被构造用于在所述图像数据中识别代码区域并读出所述代码区域的代码内容。
13.一种用于捕获来自检测区域(14)的图像数据的方法，其中，所述检测区域(14)由具有至少一个光源(20)的照明单元(20、24)通过前板(32)照亮，
其特征在于，
所述检测区域(14)借助受所述前板(32)保护的、与所述光源(20)相关联的横向的偏转元件(24)通过漫射照明(22b)或暗场照明(22b)照亮，所述偏转元件具有漫散射的表面或镜面反射的表面。
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