DE20207170U1

DE20207170U1 - Multifocal image acquisition

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Publication number: DE20207170U1
Application number: DE20207170U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2012-05-08

Description

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SICKAG
Sebastian-Kneipp-Straße 1, 79183 WaldkirchSICKAG
Sebastian-Kneipp-Strasse 1, 79183 Waldkirch

Multifokale BilderfassungMultifocal image acquisition

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bilderfassung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to an image acquisition system according to the preamble of claim 1.

Derartige optoelektronische Systeme zur Bilderfassung können insbesondere als intelligente Lichttaster zur Materialflusssteuerung, zur Überwachung von gefährlichen Bewegungsabläufen, zur Erkennung und Identifikation von Codeträger oder 0 dergleichen ausgebildet sein.Such optoelectronic systems for image capture can be designed in particular as intelligent light sensors for material flow control, for monitoring dangerous movement sequences, for detecting and identifying code carriers or the like.

Dabei wird ein definierter Sichtbereich mit einer optischen Strahlungsquelle ausgeleuchtet und die an einem Objekt remittierte Strahlung mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. Zu diesem Zweck projiziert das Kameraobjektiv ein Ab-5 bild von dem Objekt auf einen ortsauflösenden photoelektrischen Empfänger. Derartige Empfänger weisen eine zeilen- oder matrixförmige Anordnung von Bildpunktelementen auf, welche das optische Bild in eine elektrische Bildinformation umwandeln. Mit einer geeigneten Signalverarbeitung können dann aus dieser elektrischen Bildinformation Informationen über das erkannte Objekt gewonnen werden.A defined field of view is illuminated with an optical radiation source and the radiation reflected from an object is recorded and evaluated with a camera. To do this, the camera lens projects an image of the object onto a spatially resolving photoelectric receiver. Such receivers have a line or matrix-shaped arrangement of pixel elements which convert the optical image into electrical image information. With suitable signal processing, information about the detected object can then be obtained from this electrical image information.

Befinden sich die Objekte jedoch in unterschiedlichen Abständen zu der Bildaufnahmekamera, führt dies bei Verwendung von stationären Festbrennweitenobjektiven immer zu einer unscharfen Abbildung auf dem Empfänger, wenn sich das Objekt außerhalb der eingestellten Objektebene befindet. Dies hat zur Folge, dassHowever, if the objects are at different distances from the image recording camera, this always leads to a blurred image on the receiver when using stationary fixed focal length lenses if the object is outside the set object plane. This means that

dann die richtige Bildinformation nicht oder nur fehlerhaft gewonnen werden kann. Um dies zu vermeiden ist bekannt, derartige Bildaufnahmekameras mit Autofokussystemen auszustatten, welche durch Veränderung ihrer Bildweite (Abstand: Objektiv zum Empfänger) von unterschiedlich weit entfernten Objekten immer ein scharfes Abbild in der Bildebene erzeugen. Bei derartigen Autofokussystemen wird die Brennweite nahezu konstant gehalten und meist das gesamte Objektiv oder Linsen bzw. Linsengruppen davon in der optischen Achse verschoben. Ebenfalls sind Lösungen nach diesem Prinzip bekannt, bei denen zur Abstandsanpassung der photoelektrische Empfänger auf der optischen Achse verschoben wird.
10then the correct image information cannot be obtained or can only be obtained incorrectly. To avoid this, it is known to equip such image recording cameras with autofocus systems, which always produce a sharp image in the image plane by changing their image distance (distance: lens to receiver) of objects at different distances. In such autofocus systems, the focal length is kept almost constant and usually the entire lens or lenses or lens groups are moved along the optical axis. Solutions based on this principle are also known in which the photoelectric receiver is moved along the optical axis to adjust the distance.
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Nachteilig an den bekannten Autofokussystemen ist, dass zur Anpassung an den jeweiligen Abstand eines Objektes zur Bildaufnahmekamera dieser messtechnisch ermittelt werden muss und dann das Objektiv oder zumindest Objektivelemente mechanisch verändert werden müssen. Speziell die genaue mechanische Verschiebung des Objektives oder der entsprechenden Objektivelemente erfordert einen kostenaufwendigen Mechanismus, benötigt zur Realisierung oftmals viel Platz und nimmt darüber hinaus eine nicht unerhebliche Zeit zur Ausführung des Verstell-0 Vorganges in Anspruch. Dieser Nachteil der mechanisch bedingten Verstellzeit der Autofokusobjektive nach dem Stand der Technik macht sich insbesondere bei schnell wechselnden Objektabständen bemerkbar, d. h. er schränkt gegebenenfalls die maximal mögliche Leserate der Bilderfassungssysteme ein.The disadvantage of the known autofocus systems is that in order to adapt to the respective distance of an object from the image recording camera, this distance must be determined by measurement and then the lens or at least lens elements must be mechanically changed. In particular, the precise mechanical displacement of the lens or the corresponding lens elements requires a costly mechanism, often requires a lot of space to implement and also takes a considerable amount of time to carry out the adjustment process. This disadvantage of the mechanically determined adjustment time of the autofocus lenses according to the state of the art is particularly noticeable when the object distances change quickly, i.e. it may limit the maximum possible reading rate of the image recording systems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Bilderfassung zu schaffen, das in der Lage ist, Objekte, die sich in verschiedenen Objektabständen zur Bildaufnahmekamera befinden, gut zu erfassen, ohne dass dafür jeweils die Objek-0 tivbrennweite oder die Bildweite (Abstand vom Objektiv zum photoelektrischen Empfänger) mechanisch verändert werden muss.The invention is based on the object of creating an image capture system which is capable of capturing objects which are located at different distances from the image recording camera without the lens focal length or the image distance (distance from the lens to the photoelectric receiver) having to be mechanically changed.

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Zur Lösung dieser Aufgabe sind alle Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die Erfindung ist also darin zu sehen, statt einem Objektiv mit konstanter Brennweite und Autofokussystem ein neuartiges Abbildungsobjektiv zu verwenden, bei welchem die effektive Brennweite eine gezielte Abhängigkeit von der aktiven WeI-lenlänge aufweist. Zu diesem Zweck ist das Objektiv in oder in der Nähe der Pupillenebene in zwei oder mehr geometrisch getrennte Zonen geteilt. Die optische Brechkraft jeder dieser Zonen ist dabei unterschiedlich dimensioniert. Dies ist z. B. über unterschiedliche Radien an den optischen Grenzflächen und / oder über die in diesen Linsenzonen verwendete Brechzahl der optischen Materialien möglich.To solve this problem, all features of claim 1 are provided.
The invention is therefore to be seen in the use of a new type of imaging lens instead of a lens with a constant focal length and autofocus system, in which the effective focal length is specifically dependent on the active wavelength. For this purpose, the lens is divided into two or more geometrically separate zones in or near the pupil plane. The optical refractive power of each of these zones is dimensioned differently. This is possible, for example, via different radii at the optical interfaces and/or via the refractive index of the optical materials used in these lens zones.

Gleichzeitig besitzen diese getrennten Zonen neben der unterschiedlichen Brechkraft auch noch unterschiedliche spektrale Transmissionseigenschaften, mit der Folge, dass bei Verwendung einer entsprechenden Wellenlänge immer nur eine Zone des neuartigen Abbildungsobjektivs zur Abbildung beiträgt. Die spektrale Einschränkung der Transmissionseigenschaften der einzelnen Zonen wird mit den bekannten optischen Filtertechniken erreicht. Besonders vorteilhaft lässt sich die Zonenlinse mit den über den Querschnitt verteilten unterschiedlichen Radien als Kunststoffspritzteil herstellen. Wird dabei noch ein Mehrfarbenspritzverfahren verwendet, so kann damit in einem Arbeitgang gleichzeitig noch die optische Filterfunktion in die Zonenlinse integriert werden.At the same time, these separate zones have different refractive powers and different spectral transmission properties, with the result that when a corresponding wavelength is used, only one zone of the new imaging lens contributes to the image. The spectral restriction of the transmission properties of the individual zones is achieved using the known optical filter techniques. It is particularly advantageous to manufacture the zone lens with the different radii distributed over the cross-section as a plastic injection-molded part. If a multi-color injection molding process is used, the optical filter function can be integrated into the zone lens in one operation.

0 Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.0 Advantageous further developments are described in the subclaims.

Bei Verwendung dieses erfinderischen Abbildungsobjektivs, welches gleichzeitig mehrere wellenlängenabhängige Brennweiten aufweist, kann somit über die Wahl der wirksamen Beleuchtungswellenlänge die effektive Brennweite, zur Abbildung der Objekte auf dem photoelektrischen Empfänger, bestimmt werden. Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist also darin zu sehen, dass zur Brennweitenveränderung keine optischen Abbildungskomponenten mechanisch verschoben werden müssen, 0 sondern nur die entsprechende Wellenlänge zur Objektbeleuchtung zu aktivieren ist. Da dieser Vorgang zur Umschaltung der Beleuchtungswellenlänge nur durch Aktivierung einer anderen Strahlungsquelle möglich ist, wird hierfür nur sehr wenig Zeit benötigt, d. h. die Umschaltung ist in hoher Frequenz möglich.When using this inventive imaging lens, which simultaneously has several wavelength-dependent focal lengths, the effective focal length for imaging the objects on the photoelectric receiver can be determined by selecting the effective illumination wavelength. The main advantage of the invention is therefore that no optical imaging components have to be mechanically moved to change the focal length, but only the corresponding wavelength for object illumination has to be activated. Since this process of switching the illumination wavelength is only possible by activating a different radiation source, very little time is required for this, i.e. switching is possible at high frequency.

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Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert:
5In the following, the invention is explained in detail using an embodiment with reference to the drawing:
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Figur 1 Optikschema eines Systems zur Bilderfassung mit einem multifokalen Objektiv.Figure 1 Optical scheme of an image acquisition system with a multifocal lens.

Fig. 1 zeigt schematisch ein System zur Bilderfassung mit einem multifokalen Objektiv 1. Das multifokale Objektiv 1 ist in der hier dargestellten Form aus drei Baugruppen zusammengesetzt. Es handelt sich dabei um die Linse bzw. Linsengruppe 2, welche über den gesamten wirksamen Strahlquerschnitt eine nahezu gleichmäßige Brechkraft aufweist. Zusätzlich ist in diesem multifokalen Objektiv 1 eine Linse bzw. Linsengruppe 3 angeordnet, welche über den Querschnitt verteilt unterschiedliehe Brechkräfte aufweisen. In der hier schematisch dargestellten Ansicht ist die obere Halblinse 3.1 eine bikonvexe Linse, während die untere Halblinse 3.2 als plankonvexe Linse ausgebildet ist. Unter der hier vorliegenden Voraussetzung, dass das verwendete optische Material bei beiden Halblinsen gleich ist, besitzt demnach die obere Halblinse 3.1 eine kürzere Brennweite. Dementsprechend ist auch die 0 Gesamtbrennweite der oberen Objektivhälfte, bestehend aus der Halblinse 3.1 und der Linse 2, von kürzerer Brennweite, als die untere Objektivhälfte. Befindet sich nun ein hier nicht dargestelltes Objekt in der Objektebene 4.1 wird dieses mittels der oberen Objektivhälfte auf dem photoelektrischen Empfänger 5 scharf abgebildet. Ebenso wird ein Objekt in der weiter entfernt liegenden Objektebene 4.2 mittels 5 der unteren Objektivhälfte ebenfalls auf dem photoelektrischen Empfänger 5 scharf abgebildet. Die dritte Baugruppe des multifokalen Objektives 1 stellen die optischen Transmissionsfilter 6.1 und 6.2 dar. Diese Transmissionsfilter haben die Eigenschaft, nur die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines bestimmten Wellenlängenbereichtes durchtreten zu lassen. Wird nun ein Objekt in der Objekt-0 ebene 4.1 von der Strahlungsquelle 7.1, beispielsweise einer rot emittierenden LED beleuchtet, so wird die am Objekt remittierte rote Strahlung teilweise auf beide Halblinsen 3.1 und 3.2 auftreffen. Das optische Transmissionsfilter 6.1 hat dabei die Eigenschaft, die Wellenlänge, die von der Strahlungsquelle 7.1 emittiert wird, durchzulassen. Das Transmissionsfilter 6.2 dagegen ist für die rote WellenlängeFig. 1 shows a schematic of a system for image capture with a multifocal lens 1. The multifocal lens 1 is made up of three components in the form shown here. This is the lens or lens group 2, which has an almost uniform refractive power over the entire effective beam cross-section. In addition, a lens or lens group 3 is arranged in this multifocal lens 1, which have different refractive powers distributed over the cross-section. In the view shown schematically here, the upper half-lens 3.1 is a biconvex lens, while the lower half-lens 3.2 is designed as a plano-convex lens. Under the assumption here that the optical material used is the same for both half-lenses, the upper half-lens 3.1 has a shorter focal length. Accordingly, the total focal length of the upper half of the lens, consisting of the half-lens 3.1 and the lens 2, is also shorter than the lower half of the lens. If an object not shown here is located in the object plane 4.1, it is sharply imaged on the photoelectric receiver 5 by means of the upper half of the lens. Likewise, an object in the more distant object plane 4.2 is also sharply imaged on the photoelectric receiver 5 by means of the lower half of the lens. The third component of the multifocal lens 1 is the optical transmission filters 6.1 and 6.2. These transmission filters have the property of only allowing radiation of a certain wavelength or a certain wavelength range to pass through. If an object in the object plane 4.1 is now illuminated by the radiation source 7.1, for example a red-emitting LED, the red radiation reflected by the object will partially impinge on both half lenses 3.1 and 3.2. The optical transmission filter 6.1 has the property of allowing the wavelength emitted by the radiation source 7.1 to pass through. The transmission filter 6.2, on the other hand, is for the red wavelength.

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nicht durchlässig. Analog dazu ist der zweite Kanal, d. h. die Strahlungsquelle 7.2 sowie das Transmissionsfilter 6.2 auf z. B. eine grüne Wellenlänge abgestimmt. Es steht somit ein multifokales Objektiv 1 zur Verfügung, das bei Verwendung der roten Wellenlänge eine kürzere Brennweite aufweist, als bei Verwendung der grünen Wellenlänge. Wenn nun vor der Objekterkennung bereits bekannt ist in welchem Objektabstand sich das nächste Objekt befindet, so kann im Bilderfassungssystem schon die entsprechende Beleuchtung aktiviert werden. Wenn sich jedoch die Objekte in einem zufälligen Wechsel innerhalb der verschiedenen Objektebenen befinden, können die beiden Strahlungsquellen im kontinuierlichen Wechsel betrieben werden. In der an den photoelektrischen Empfänger 5 angeschlossenen Auswerteelektronik 8 werden die beiden Bilder hinsichtlich ihrer Abbildungsgüte beurteilt, so dass die weitere Bildauswertung nur mit dem besseren Bild durchgeführt werden muss. Mit der an den photoelektrischen Empfänger 5 angeschlossenen Auswerteelektronik 8 steht eine Systemsteuereinheit 9 im Dialog. Mit dieser Systemsteuereinheit 9 ist es möglich, die Beleuchtungsfolge so zu steuern, dass nach Ermittlung der optimalen Beleuchtungseinheit diese über den gesamten Erfassungsvorgang kontinuierlich erhalten bleibt.not permeable. Similarly, the second channel, i.e. the radiation source 7.2 and the transmission filter 6.2, are tuned to a green wavelength, for example. This means that a multifocal lens 1 is available which has a shorter focal length when using the red wavelength than when using the green wavelength. If the distance to the next object is already known before object detection, the appropriate lighting can be activated in the image capture system. However, if the objects are randomly alternating within the different object planes, the two radiation sources can be operated in continuous alternation. In the evaluation electronics 8 connected to the photoelectric receiver 5, the two images are assessed with regard to their image quality, so that further image evaluation only needs to be carried out with the better image. A system control unit 9 is in dialogue with the evaluation electronics 8 connected to the photoelectric receiver 5. With this system control unit 9 it is possible to control the lighting sequence in such a way that after the optimal lighting unit has been determined, it is maintained continuously throughout the entire detection process.

Claims

1. Optical system for image capture with a lighting arrangement for illuminating objects, an imaging lens and a spatially resolving photoelectric receiver as well as a control and signal evaluation unit, characterized in that the objects to be captured are illuminated with different spectral illumination and the imaging lens is designed as a multifocal optical system which, depending on the type of illumination, images objects from different object distances in a constant image plane.

2. Optical system for image capture of objects according to claim 1, characterized in that the multifocal optical system is divided in the region of the pupil plane into several segments with different refractive power and different spectral transmittance.

3. Optical system for image capture of objects according to claim 2, characterized in that the segments with different refractive power and different spectral transmittance have equal surface areas.

4. Optical system for image capture of objects according to claim 1, characterized in that the variable spectral illumination of the objects is switched by a control unit.

5. Optical system for image capture of objects according to one of the preceding claims, characterized in that the multifocal optical system additionally has a mechanical adjustment for sheep adjustment for slow object distance changes.