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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umlenken und zur Verbreiterung des Sichtbereichs nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 11.
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In industriellen Anwendungen werden Kameras in vielfältiger Weise eingesetzt, um Objekteigenschaften automatisch zu erfassen, beispielsweise zur Inspektion oder Vermessung von Objekten. Dabei werden Bilder des Objekts aufgenommen und entsprechend der Aufgabe durch Bildverarbeitungsverfahren ausgewertet. Eine weitere Anwendung von Kameras ist das Lesen von Codes. Derartige kamerabasierte Codeleser lösen die noch weit verbreiteten Barcodescanner zunehmend ab. Mit Hilfe eines Bildsensors werden Objekte mit den darauf befindlichen Codes aufgenommen, in den Bildern die Codebereiche identifiziert und dann dekodiert. Kamerabasierte Codeleser kommen problemlos auch mit anderen Codearten als eindimensionalen Strichcodes zurecht, die wie ein Matrixcode auch zweidimensional aufgebaut sind und mehr Informationen zur Verfügung stellen.
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Eine häufige Erfassungssituation ist die Montage der Kamera über einem Förderband, wo in Abhängigkeit der gewonnenen Objekteigenschaften weitere Bearbeitungsschritte eingeleitet werden. Solche Bearbeitungsschritte bestehen beispielsweise in der an das konkrete Objekt angepassten Weiterverarbeitung an einer Maschine, die auf geförderte Objekte einwirkt, oder in einer Veränderung des Objektstroms, indem bestimmte Objekte im Rahmen einer Qualitätskontrolle aus dem Objektstrom ausgeschleust werden oder der Objektstrom in mehrere Teilobjektströme sortiert wird.
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Der Erfassungsbereich einer herkömmlichen Kamera reicht oft nicht aus, um die volle gewünschte Breite insbesondere eines Förderbandes abzudecken. Als ein bekannter Ausweg werden mehrere Kameras nebeneinander montiert. Das löst zwar das Problem, erfordert aber einen erheblichem Mehraufwand für die mehreren Kameras sowie deren Montage und Koordinierung.
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Die
EP 2 624 042 A2 offenbart ein System zur Sichtfelderweiterung einer Kamera. Dazu wird ein Modul mit vier Spiegeln auf die Kamera aufgesetzt. Zwei äußere Spiegel fangen das Licht aus einem verbreiterten Sichtbereich ein und lenken es über innere Spiegel auf den Bildsensor um. Jedes Paar aus äußerem und innerem Spiegel nimmt einen Streifen des Sichtbereichs auf. Dabei sind die Spiegel so verkippt, dass die beiden Streifen im Objektbereich nebeneinander liegen, um eine größere Breite abzudecken, auf dem Bildsensor jedoch übereinander abgebildet werden. Das Modul ist in erster Linie für die Erfassung eines Sichtbereichs ausgelegt, der sich in Richtung der optischen Achse der Kamera befindet. Es wird aber auch eine in ganz ähnlicher Weise auf vier Spiegeln beruhende Variante vorgestellt, bei welcher der Sichtbereich in einem 90°-Versatz erfasst wird. Nachteilig an dieser Lösung ist die aufwändige Spiegelkonstruktion.
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Es ist außerdem bekannt, einem Codeleser eine einfache Umlenkhaube mit einem um 45° verkippten Spiegel vorzuordnen, um eine Erfassung in einem 90°-Winkel zu ermöglichen. Damit wird aber auch ausschließlich die Umlenkung erreicht, eine Sichtfelderweiterung ist dabei nicht vorgesehen.
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Daher ist Aufgabe der Erfindung, den Sichtbereich einer Kamera zu verbreitern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Umlenken und zur Verbreiterung des Sichtbereichs nach Anspruch 1 und 11 gelöst. Die Vorrichtung geht von einer Bildumlenkung aus, umfasst also einen Spiegel, um einen nicht gerade nach Vorn längs der optischen Achse der Kamera, sondern dagegen seitlich um einen Winkel versetzten Sichtbereich zu erfassen. Dazu ist der Spiegel in einer Längsrichtung verkippt.
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Nach einer ersten Alternative gemäß Anspruch 1 geht die Erfindung dann von dem Grundgedanken aus, zwei nebeneinander angeordnete, aber unterschiedlich verkippte Spiegelelemente zu verwenden. Der unterschiedliche Kippwinkel in Längsrichtung führt zu der gewünschten Sichtfeldverbreiterung, denn die beiden von den Spiegelelementen erfassten Teilbereiche ergänzen einander, um die geforderte Sichtfeldbreite zu erfassen. Das gelingt bis maximal zur doppelten Breite eines Teilbereichs, also der eigentlichen Sichtfeldbreite der Kamera, muss aber nicht optimal ausgenutzt werden, um einen Überlappungsbereich zu behalten. Durch zusätzliches Verkippen der Spiegelelemente in Querrichtung kann erreicht werden, dass die beiden Teilbereiche im Objektbereich direkt, d. h. ohne lateralen Versatz ineinander übergehen. Somit werden zwei im Objektbereich hintereinander liegende Teilbereiche in der Kamera übereinander erfasst.
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Nach einer zweiten Alternative gemäß Anspruch 11 ist nur ein Spiegelelement vorgesehen, das mit Hilfe einer Kippvorrichtung zwischen zwei Positionen wechselt. In diesen beiden Positionen erfüllt es genau die gleiche Funktion wie jeweils eines der beiden nebeneinander angeordneten Spiegelelemente nach der ersten Alternative. Es werden also zeitlich versetzt jeweils beispielsweise alternierend der linke Teil und der rechte Teil des Sichtbereichs erfasst. Prinzipiell genügt dafür ein Verkippen nur in Längsrichtung. Indem zusätzlich in der Querrichtung verkippt wird, gibt es aber bei geeigneter Wahl dieses Verkippens keinen lateralen Versatz zwischen linkem Teil und rechtem Teil.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Sichtfeld einer Kamera wesentlich verbreitert wird. Anschaulich gesprochen sorgt die erfindungsgemäße Vorrichtung dafür, dass aus einer Kamera mit einem üblichem Matrixsensor etwa im Format 4/3 oder 16/9 effektiv eine Kamera mit einem extremen Breitbildformat wird, beispielsweise um breitere Förderbänder über deren gesamte Breite abzudecken. Dabei ist die Vorrichtung mit ihren lediglich zwei Spiegeln sehr einfach aufgebaut und dadurch kostengünstig, wartungsarm und leicht zu justieren.
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Das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement sind bevorzugt in Längsrichtung um 20°–70°, insbesondere 40°–50° oder im Wesentlichen 45° gegenüber der optischen Achse der Kamera verkippt. Die Kamera wird dementsprechend um den doppelten Winkel gegenüber dem zu erfassenden Sichtbereich verkippt, und diese Ausrichtung hängt von der Anwendung ab. Häufig möchte man die Kamera gerade um 90° verkippen, d. h. sie wird beispielsweise mit ihrer optischen Achse parallel zu einem Förderband ausgerichtet, und die Vorrichtung sorgt für eine 90°-Umlenkung. Dabei sind Abweichungen von einigen Grad möglich. Beide Spiegelelemente können ohnehin wegen der gegenseitigen Verkippung in Längsrichtung nicht um genau 45°, sondern nur um ungefähr 45° gegenüber der Kamera verkippt sein. Der Verkippungswinkel kann weiterhin von geometrischen Gegebenheiten der Aufnahmesituation, wie der Objektentfernung und der gewünschten Sichtfeldbreite, sowie von dem geforderten Überlappungsgrad der beiden von den Spiegelelementen aufgenommenen Teilbereiche abhängen.
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Das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement sind vorzugsweise in Querrichtung um den gleichen Betrag, jedoch in unterschiedlicher Richtung verkippt. Dadurch sind die beiden Spiegelelemente in Querrichtung einander keilförmig zugewandt und nehmen lateral mittig gelegene Teilbereiche auf. Die Verkippung in Querrichtung muss diese Bedingungen nicht zwangsläufig erfüllen, aber das führt zu einer Art Schielen auf einen in Querrichtung versetzt gelegenen Sichtbereich.
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Das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement bilden bevorzugt Spiegelflächen gleicher Geometrie. Die Spiegel sind damit optisch gleichwirkend, noch bevorzugter auch konstruktiv gleichartige Spiegel, die sich nur in der Verkippung unterscheiden. Dadurch werden auch gleichartige Teilbereiche aufgenommen, was die Weiterverarbeitung der Bilddaten des Sichtbereichs erleichtert.
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Die Vorrichtung weist bevorzugt ein drittes Spiegelelement auf, das gegenüber dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement in Längsrichtung und in Querrichtung verkippt ist. Die Breite des Sichtfeldes wird dadurch nicht in zwei, sondern drei Abschnitte unterteilt, die im Objektbereich hintereinander und in der Kamera übereinander liegen. Das kann wahlweise genutzt werden, um ein noch breiteres Sichtfeld zu erfassen oder einen größeren Überlappungsbereich zu schaffen. Nach demselben Grundgedanken können auch noch mehr Spiegelelemente vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung weist bevorzugt ein Gehäuse mit einem Verbindungselement auf, um lösbar als Haube mit einer Kamera verbunden zu werden. Dadurch kann eine Kamera nachträglich für ein breiteres Sichtfeld umgerüstet werden. Alternativ zu einer lösbaren Verbindung kann die Vorrichtung auch schon ab Werk fest mit der Kamera verbunden werden, oder das Gehäuse der Vorrichtung ist sogar Teil eines Kameragehäuses.
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In bevorzugter Weiterbildung ist eine Kamera vorgesehen, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sichtfeldverbreiterung ausgestattet ist.
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Eine solche Kamera weist bevorzugt eine Beleuchtungseinrichtung auf, deren Licht über die Spiegelelemente in den Sichtbereich umgelenkt wird, um den Sichtbereich auszuleuchten. Die Beleuchtung nutzt also die gleichen Spiegelelemente wie das Empfangslicht. Dadurch wird auch für eine aktiv beleuchtete Kamera der Sichtbereich verbreitert, ohne dass an der Beleuchtung etwas verändert werden müsste. Die Vorrichtung sorgt mit der Sichtbereichsverbreiterung automatisch auch für dessen Ausleuchtung.
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Die Kamera weist bevorzugt eine Auswertungseinheit auf, um einen über das erste Spiegelelement aufgenommenen Teilbereich des Sichtbereichs und einen über das zweite Spiegelelement aufgenommenen Teilbereich des Sichtbereichs zu einem gemeinsamen Bild des verbreiterten Sichtfeldes zu verbinden. Die auf dem Bildsensor der Kamera übereinander angeordneten Teilbilder werden dadurch zu einem gemeinsamen Bild verbunden. Die Kamera wird dadurch zu einer Kamera mit einem breiteren Bildformat, und der Anwender muss sich nach geeigneter Anfangsjustierung der Spiegelelemente um die Teilbereiche gar nicht weiter kümmern.
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Die Kamera ist bevorzugt als kamerabasierter Codeleser mit einer Decodiereinheit zum Identifizieren von Codebereichen und zum Auslesen von Codeinhalten ausgebildet. Aufgrund der Sichtbereichsverbreiterung deckt dieser Codeleser ein breiteres Lesefeld ab, insbesondere ein breiteres Förderband
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine dreidimensionale Ansicht einer Vorrichtung zum Umlenken und zur Verbreiterung des Sichtbereichs einer Kamera;
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2 eine dreidimensionale Ansicht ähnlich 1, jedoch mit Beleuchtung;
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer Kamera mit einer Vorrichtung gemäß 2;
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4 ein beispielhafter verbreiterter Sichtbereich einer Kamera und dessen Abbildung in der Kamera; und
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5 eine schematische Schnittdarstellung einer Kamera mit einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umlenken und zur Verbreiterung des Sichtbereichs.
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Bildumlenkhaube beziehungsweise Vorrichtung 10 zum Umlenken und zur Verbreiterung des Sichtbereichs einer Kamera.
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Die Vorrichtung 10 weist nebeneinanderliegend ein erstes Spiegelelement 12 und ein zweites Spiegelelement 14 auf. Die beiden Spiegelelemente 12, 14 sind an einer Welle 16 montiert, die wiederum in einem Gehäuse 18 gehaltert ist. Das Gehäuse 18 dient zugleich der mechanischen Stabilität und als optische Abschirmung. Im unteren Teil des Gehäuses 18 ist ein Verbindungselement 20 vorgesehen, um die Vorrichtung 10 mit einer Kamera zu verbinden, so dass deren Objektiv mit seiner optischen Achse auf die Spiegelelemente 12, 14 ausgerichtet ist. Die optische Achse verläuft in der Perspektive der 1 von unten nach oben, wobei die Spiegelelemente 12, 14 für eine Bildumlenkung von etwa 90° sorgen, so dass der effektive Sichtbereich der Kamera oberhalb der Papierebene liegt.
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Die Spiegelelemente 12, 14 können unabhängig voneinander in zwei Achsen verkippt werden. Deutlich in 1 zu erkennen ist eine Verkippung in einer Längsrichtung. Der Kippwinkel beträgt in etwa 45°, um die gewünschte 90°-Bildumlenkung zu erreichen. Der Kippwinkel weicht jedoch von genau 45° ab, denn beide Spiegelelemente 12, 14 sind auch gegeneinander in Längsrichtung verkippt. Dadurch sind die Spiegelelemente 12, 14 auf Teilbereiche im Objektbereich ausgerichtet, die in der Perspektive der 1 in unterschiedlichen Höhen liegen. In einer tatsächlichen Anwendung würde man die Vorrichtung 10 üblicherweise so ausrichten, dass die Höhenrichtung der 1 einer zu erfassenden Breite beispielsweise eines Förderbandes entspricht. Die beiden Teilbereiche ergänzen einander und decken somit eine größere Breite ab. Der unterschiedliche Kippwinkel in Längsrichtung der beiden Spiegelelemente 12, 14 wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Objektabstand auf die gewünschte zu erfassende Breite justiert. Ein gewisser Überlapp der Teilbereiche ist möglich und beispielsweise für das Zusammenfügen eines gemeinsamen Bildes (Stitching) sogar erwünscht.
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Allerdings hätten die beiden Teilbereiche dann noch einen lateralen gegenseitigen Versatz. Deshalb sind die Spiegelelemente 12, 14 auch in einer Querrichtung senkrecht zu der Längsrichtung verkippt. Die beiden Spiegelelemente 12, 14 sind dazu zueinander geneigt und bilden einen Keil. Allerdings ist der Keilwinkel sehr klein und deshalb in 1 kaum zu erkennen. Durch das Verkippen in Querrichtung werden die Teilbereiche so justiert, dass sie auf einer gemeinsamen Achse liegen, die entsprechenden Teilbilder also über die Breite des Sichtbereichs gerade ineinander übergehen. Damit wird ein kontinuierlicher Bereich quer zur Förderrichtung abgebildet.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 10. Wie in der gesamten Beschreibung bezeichnen dabei gleiche Bezugszeichen die gleichen Merkmale. Abgesehen von der etwas anderen Perspektive unterscheidet sich diese Darstellung von 1 dadurch, dass zusätzlich eine Beleuchtungseinrichtung 22 vorgesehen ist, hier beispielhaft in Form von ringförmig um eine Öffnung für das Objektiv einer Kamera vorgesehenen LEDs. Das Licht dieser Beleuchtungseinrichtung 22 wird von der Vorrichtung 10 in genau der gleichen Weise zu dem Sichtbereich geleitet, wie auf dem umgekehrten Lichtweg der Sichtbereich der Kamera umgelenkt und verbreitert wird.
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3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Kamera 24 mit einer Vorrichtung 10 zur Sichtfeldverbreiterung. Die Kamera 24 weist die Beleuchtungseinrichtung 22, ein Objektiv beziehungsweise eine Empfangsoptik 26, einen Bildsensor 28 mit matrixartig angeordneten lichtempfindlichen Empfangselementen und eine Steuer- und Auswertungseinheit 30 auf. Die Kamera 24 ist insbesondere ein kamerabasierter Codeleser, deren Auswertungseinheit 30 in aufgenommenen Bilddaten Codebereiche identifizieren und die Codeinhalte auslesen kann. Die Auswertungseinheit 30 ist zudem vorzugsweise in der Lage, mehrere aufgenommene Teilbereiche oder Bildstreifen zu einem gemeinsamen Bild zusammenzufügen.
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Die Kamera 24 nimmt über die Spiegelelemente 12, 14 ein Objekt 32 in zwei Teilbereichen auf, wobei die jeweiligen Lichtwege über die beiden Spiegelelemente 12, 14 durch unterschiedliche Strichbreiten angedeutet sind. Der Versatz der entstehenden Teilbereiche auf dem Objekt 32 kann kleiner oder größer sein als dargestellt, dies hängt vom gegenseitigen Kippwinkel der Spiegelelemente 12, 14 und dem Abstand zu dem Objekt 32 ab. Die zusätzliche Verkippung der Spiegelelemente 12,14 ist in 3 aufgrund der Schnittansicht nicht erkennbar. Sie führt dazu, dass die beiden Teilbereiche auf dem Objekt 32 in lateraler Richtung übereinstimmen, also in 3 längs einer Senkrechten zur Papierebene.
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Der Effekt der Vorrichtung 10 auf das Bild der Kamera 24 ist in 4 beispielhaft illustriert. Links ist der Objektbereich dargestellt, wo die beiden Teilbereiche 34a–b aufgrund der Verkippung der Spiegelelemente 12, 14 in Längsrichtung zueinander versetzt nebeneinander liegen und somit eine größere Breite abdecken. In lateraler Richtung dagegen stimmen die Teilbereiche 34a–b aufgrund geeigneter Verkippung der Spiegelelemente 34a–b in Querrichtung überein, gehen also direkt ineinander über. In Summe decken die beiden Teilbereiche 34a–b ein verbreitertes Sichtfeld ab.
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Im Bildbereich beziehungsweise auf dem Bildsensor 28 dagegen werden die Teilbereiche 34a–b übereinander abgebildet, wie rechts in 4 dargestellt. Damit kann ein herkömmlicher Bildsensor 28 beziehungsweise eine Empfangsoptik 26 mit eher quadratischem und üblichen Bildverhältnis (aspect ratio) von beispielsweise 4/3 oder 16/9 eingesetzt werden und dennoch ein sehr breites Bildformat erzielt werden. Durch nachgelagerte Bildbearbeitung in der Auswertungseinheit 30 oder extern ist ohne weiteres möglich, die beiden Teilbereiche 34a–b nebeneinander zusammenzufügen. Andererseits ist auch denkbar, die in beiden Teilbereichen 34a–b abgebildeten Überlappungsbereiche so groß zu lassen, dass ein aufgenommener Code bekannter Größe stets vollständig in zumindest einem Teilbereich 34a–b erfasst ist. Dann ist ein Zusammenfügen zu einem homogenen Bild zur Decodierung gar nicht erforderlich.
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5 zeigt eine Schnittansicht einer Kamera 24 mit einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Umlenken und zur Verbreiterung des Sichtbereichs der Kamera 24. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist hier nur ein Spiegelelement 102 vorgesehen, das allerdings mit Hilfe einer Kippeinheit 104 verkippt werden kann. Das ist durch jeweils eine Darstellung des Spiegelelements 102 mit durchgezogener und mit gestrichelter Linie angedeutet. Das Spiegelelement 102 wird folglich alternierend oder zyklisch zwischen zwei Endpositionen verkippt, wobei das Spiegelelement 102 im Wesentlichen in der einen Position so steht wie das erste Spiegelelement 12 und in der anderen Position wie das zweite Spiegelelement 14 der Ausführungsformen gemäß 1 bis 3. Die beiden Teilbereiche 34a–b werden dann nicht gleichzeitig, sondern abwechselnd und zeitlich versetzt aufgenommen. Die Verkippung in Querrichtung kann etwas von derjenigen gemäß 1 bis 3 abweichen, um einen Fördervorschub zwischen zwei Aufnahmen auszugleichen. Es ist prinzipiell auch denkbar, das Spiegelelement 102 nur in Längsrichtung und nicht in Querrichtung zu verkippen. Dadurch wird das Sichtfeld ebenfalls verbreitert, jedoch verbleibt ein Versatz der Teilbereiche 34a–b in lateraler Richtung, also in Förderrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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