DE19535969A1

DE19535969A1 - Mehrfach abbildendes Linsensystem

Info

Publication number: DE19535969A1
Application number: DE19535969A
Authority: DE
Inventors: Paul L Ruben
Original assignee: Republic Lens Co Inc
Current assignee: Republic Lens Co Inc
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1996-04-04
Also published as: GB2294113B; JPH08211323A; GB9519612D0; FR2725335B1; GB2294113A; FR2725335A1; US5581409A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft 2-dimensionale Kameras mit CCD-Elementen (CCD = "charge-coupled devices") oder elektronischen Bildsensoren, die zum Betrachten bzw. Über wachen einer im Sichtbereich der Kamera liegenden Szene benutzt werden können.

Mit zunehmender Größe der zu überwachenden Szene wird das Bild auf dem Kamerasensor immer kleiner, begleitet von einem Verlust an Detailkontrast. Dadurch kann der Wert der Überwachung stark sinken. Reicht das Detail - für eine Sicht- oder elektronische Auswertung - nicht aus, kann man mehrere Kameras einsetzen, die jeweils auf eine definierte Subszene der Szene gerichtet sind. Damit steigen die Kosten der Überwachung, was unerwünscht ist.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Lin sensystem anzugeben, das mit einer einzigen Kamera der De tailkontrast solcher Subszenen gegenüber dem bei einer Ge samtbetrachtung der Szene durch die Kamera derzeit erreich baren zu verbessern gestattet.

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung erge ben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betreffen.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung des erfin dungsgemäßen, mehrfach abbildenden Linsensystems;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf zwei Kreise, die die Ränder eines Behälters oder dergl. mit einem Durchmesser von 50,8 mm (2 inch) und 76,2 mm (3 inch) darstellen, sowie auf vier rechteckige Felder, die vom mehrlinsigen System abgebildet werden;

Fig. 3 ist eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, bei der einzelne Spiegel auf die betrachteten Szenen gerichtet sind;

Fig. 4 zeigt anhand einer schaubildlichen Draufsicht darstellung der Linsenplatte in Fig. 1 die rela tiven Positionen der einzelnen Linsensysteme, die das mehrfach bildgebende Linsensystem aus machen; und

Fig. 5 ist eine schaubildliche Darstellung eines der Linsensysteme.

Die Wirksamkeit des dichten Abschlusses einer Flasche mit Verschlußkapsel hängt größtenteils von der Qualität der obersten bzw. Abschlußfläche des Flaschenrandes ab. Enthält diese Fläche bspw. einen querverlaufenden Kratzer, kann der Abschluß leiden. Herkömmlicherweise wird die Verschlußflä che auf dem Rand einer stehenden Flasche mit einer 2-dimen sionalen Kamera betrachtet, um anhand einer elektronischen Analyse Oberflächenfehler zu ermitteln. Der elektronische Bildsensor 10 einer solchen Kamera sowie die Verschlußflä che des Randes 12 einer zu prüfenden Flasche sind schau bildlich in Fig. 1 gezeigt. Das Feld des elektronischen Bildsensors 10 ist im wesentlichen rechteckig; das Bild einer gewählten Szene 14, die die Abschlußfläche des Randes enthält, ist quadratisch.

Um den Detailkontrast zu verbessern, wird die Verschlußflä che willkürlich zu einer Vielzahl von Ringsegmenten (hier: insgesamt 4-12A, 12B, 12C, 12D) unterteilt. Die vier Seg mente lassen sich innerhalb des Feldes des Bildsensors mit maximaler Vergrößerung darstellen, indem man die vier Seg mente wie in Fig. 1 gezeigt präsentiert, wobei die Breite jedes Feldes ein Viertel der Feldabmessung in der Richtung A-A′ und die Länge jedes Subfeldes gleich der Abmessung des Bildfeldes in der Querrichtung sind. Das Verhältnis Breite/ Länge eines dieser Subfelder läßt sich als Subfeld-Seiten verhältnis bezeichnen. Die Fig. 2 zeigt, wie eine Subszene oder ein Feld 14 mit diesem Seitenverhältnis eins der vier Randsegmente 12A, 12B, 12C, 12D einschließen kann, wo der Rand einen Durchmesser von etwas über 50,8 mm (2 inch) bis 76,2 mm (3 inch) hat. In die Felder ist jeweils der Bild mittelpunkt eingezeichnet.

Eine Linsenplatte 20 einer an der 2-dimensionalen Kamera befestigten Linse trägt vier Linsensysteme 22, die die vier Subszenen in den vier Subfeldern abbilden. Die Nummern (Kanäle) 1, 2, 3, 4 dienen in den Zeichnungen zur Korrela tion der Subszenen, Subfelder und Linsensysteme. Jedes Lin sensystem 22 (Fig. 4) enthält ein Dove-Prisma 24 zur Ein stellung der Bildorientierung innerhalb 360° sowie eine Linsenanordnung, die in der bevorzugten Ausführungsform ein Zweilinser ist. Während ein Zweilinser 26 bevorzugt ist, kann es sich auch um einen Einlinser 26A oder um einen Dreilinser 26B handeln. Optional kann für jedes Linsensy stem eine Blendplatte 28 mit einem Loch 30 der gleichen Gestalt die die des zugehörigen Feldes zwischen dem Dove- Prisma und der Objektebene angeordnet werden, um das Sicht feld zu begrenzen und zu definieren. Falls erforderlich, kann zum Richten jedem Linsensystem einzeln oder gemeinsam ein erster Flächenspiegel 29 oder eine andere planreflek tierende Oberfläche zugeordnet sein.

Die Anzahl der mit einem Sensor gegebener Größe zusammen eingesetzten Linsensysteme wird durch zwei Gesichtspunkte begrenzt: Die Anzahl der auf einem einzigen Sensor ge wünschten Bilder sowie den Durchmesser der Linse, der be stimmt wird durch die Brennweite, den Blendenwert sowie die erforderliche Feldabdeckung bzw. den Feldwinkel, der u. U. nicht so groß ist, daß die Linsen den gleichen Raum einneh men (vergl. die Fig. 3 hinsichtlich der Relativpositionen der Linsensysteme). Die optischen Achsen der Zweilinser lie gen parallel, aber aus der im rechten Winkel zur Bildebene des Bildempfängers (Sensors) und durch dessen Mittelpunkt verlaufenden Achse versetzt. Jedes Dove-Prisma ist um die effektive Blendenposition seines optischen Systems entlang des Hauptstrahls gekippt, der den Mittelpunkt des jeweili gen Segments des das Objektfeld aufnehmenden Bildempfängers (Bildfeld) mit dem Mittelpunkt des Objektfeldes verbindet. Dies ist so, damit der Mittelpunkt des Objekt- bzw. Bild feldes des einzelnen optischen Systems ohne Versatz durch Drehen des Dove-Prismas verdreht werden kann. Die Drehge schwindigkeit des Bildfeldes ist gleich der doppelten Dreh geschwindigkeit des Prismas. Spiegel können verwendet wer den, um die Sichtlinie jedes Kanals um 90° ± 45° abzulen ken. Von den Spiegeln erzeugte gedrehte Bilder lassen sich durch Drehen der Dove-Prismen wiederherstellen. Mehrlinsen systeme sind seit Jahren in der Schul- bzw. Schülerbildher stellung gebräuchlich. Bei diese Anwendung werden Portrait photographien aus einem einzigen Negativ in unterschiedli chen Größen auf einen einzigen Bogen von photographischem Kopierpapier abgezogen. Dies erfolgt mit zwei oder mehr Linsen (gleicher oder unterschiedlicher Brennweite), die aus einer zum Mittelpunkt des Negativs rechtwinkligen Achse versetzt sind, um das Portrait von Negativ auf das Papier zu werfen. Das System erzeugt auf dem Papier mehrere Bil der. Es werden keine Prismen oder Spiegel verwendet.

In der bevorzugten Ausführungsform werden vier optische Sy steme verwendet, um vier Quadranten eines zusammenhängen Objektfeldes (Rand einer Glasflasche) abzubilden. Jedes Sy stem besteht aus einem verklebten Glas-Zweilinser mit f/12,5, 50 mm Brennweite und einem Dove-Prisma mit den Ab messungen 15,73 mm × 3,72 mm × 3,72 mm. Wo die Felder unter variierenden Abständen zum Sensor liegen, können in den Ka nälen Linsen unterschiedlicher Brennweite verwendet werden, um unterschiedliche Objektvergrößerungen zu schaffen. Die vier Zweilinser sind in einer Ebene 53,44 mm vor dem Bild empfänger angeordnet, so daß dieser sich in ihrer Ebene des besten gemeinsamen Bildfokus befindet. Die optischen Achsen der 4 Zweilinser liegen aus einer zur Bildebene des Bildem pfängers (Sensors) rechtwinkligen und durch dessen Mittel punkt verlaufenden Achse seitlich versetzt. Jede Linse ist so angeordnet, daß der "Feldmittelpunkt" auf den ge wünschten Sensorbereich abgebildet wird. Um die Geometrie diese Positionierung zu rekonstruieren, sei zunächst ange merkt, daß das Seitenverhältnis des Sensors 3 : 4 beträgt. Der Sensor ist zu vier Bildfeldern jeweils mit dem Seiten verhältnis 3 : 1 unterteilt; das Objektfeld hat ebenfalls das Seitenverhältnis 3 : 1. Das Verhältnis der Objektentfernung zur Bildentfernung - bzw. die Systemvergrößerung - beträgt 9,5 : 1; dieses Verhältnis bestimmt das Verhältnis zwischen dem Versatz der optischen Achse jeder Linse bezüglich der Feldmitte und der Feldsegmentmitte. Der Hauptstrahl muß eine Gerade vom Mittelpunkt des Objektfeldes durch die Kno tenpunkte der Linse zum Mittelpunkt des geteilten Bildfel des beschreiben. Er muß ohne Ablenkung durch das Dove-Pris ma zu laufen scheinen; daher ist das Prisma um die effekti ve Blendenposition gekippt. Um zu gewährleisten, daß der Hauptstrahl das Dove-Prisma ohne Ablenkung durchläuft, ist jedes Prisma um die effektive Blendenposition des Systems gekippt, die sich daraus bestimmt, wo der Hauptstrahl des Bündels die optische Achse der Line nahe, aber nicht not wendigerweise auf der Vorderfläche des Prismas und nicht notwendigerweise am Scheitel der Linse schneidet. Die Lin senformel ist wie folgt:

Das auf den Bildsensor fallende Bild läßt sich visuell oder (wie in der bevorzugten Ausführungsform, bei der es um die Flaschenprüfung geht) automatisch mit einem Rechner auswer ten. Ein solcher Rechner kann eine Auswerfmechanik ansteu ern, die eine Flasche, die die Prüfung nicht besteht, aus wirft (bspw. mit einem Luftstrahl von dem Förderer abbläst, der sie aus der Produktionsmaschine abführt).

Durch Einfügen eines ersten Flächenspiegels vor jedem Dove-Prisma kann das Sichtfeld umgelenkt werden. Das System bildet nun nicht mehr vier Quadranten einer zusammenhängen den Objektebene ab, sondern vier verschiedene Szenen im Raum. Jeder Spiegel kann ±22.5° bezüglich des Hauptstrahls des Systems geschwenkt werden, das eine Zielvariation von ±45° ergibt. Desgl. kann jeder Spiegel 360° um den Haupt strahl gedreht werden, um vielseitiger zielen zu können. Die Orientierung des Objekts läßt sich dann durch Drehen des Dove-Prismas einstellen. Jede Linse wird bei sich än derndem Objektabstand nachfokussiert.

Die Erfindung erbringt die folgenden Vorteile. (1) Sie ist verhältnismäßig einfach aufgebaut und daher kostengünstig. (2) Die Objektfelder können Segmente eines größeren Feldes oder eine Anordnung unterschiedlicher Felder sein. Bspw. kann das Feld aus mehreren Teilen eines kreisförmigen Ob jekts (bevorzugte Ausführungsform) oder aus verschiedenen Bereichen eines Raumes (bspw. Kassenschalter in einer Bank, Spieltische in einem Kasino, Vitrinen und Warenauslagen in einem Warenhaus) bestehen. (3) Bei Verwendung des vorge schlagenen 4-Linsen-Systems lassen sich spezielle Teile eines Objekts (Flaschenrand) in vier Quadranten einer Ebene ineinanderlegen und so auf einem einzigen FS-Monitor bei um 1/3 größerem Vergrößerungsfaktor betrachten als bisher mit einem 1-Linsensystem möglich war. Damit wird die Prüffähig keit verbessert. (4) Bei Verwendung von Spiegeln lassen sich zwei oder mehr Bereiche mit einer Kamera und einem FS- Bildschirm überwachen, so daß man die Kosten weiterer Sen soren, Kameras und Bildschirme einspart. (5) In den einzel nen Kanälen lassen sich unterschiedliche Brennweiten ver wenden, so daß man für einen einzigen Kameraort Flexibili tät in den Vergrößerungsfaktoren erhält.

Claims

1. Mehrbild-Überwachungssystem, gekennzeichnet durch
eine 2-dimensionale Kamera mit einem ein Sensorfeld definieren den elektronischen Sensor und
eine Einrichtung zum Abbilden einer gewählten Anzahl unter schiedlicher Szenen auf eine entsprechende Anzahl unterschiedlicher Teile des Sensorfeldes, die eine entsprechende Vielzahl von Linsen systemen aufweist, wobei die Linsensysteme jeweils
ein Dove-Prisma zum Betrachten einer der Szenen sowie
eine Linsenanordnung enthalten, um das aus dem Dove-Prisma empfangene Licht auf einen der Teile des Sensorfeldes abzubilden.

2. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Achse mindestens eines der Dove-Prismen bezüglich der optischen Achse der aus dem gekippten Dove-Prisma Licht empfangenden Linsenanordnung gekippt ist.

3. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Achse aller Dove-Prismen bezüglich der optischen Achse der aus dem Dove-Prisma Licht empfangenden Linsenanordnung gekippt ist.

4. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß die Achsen der Linsenanordnungen zueinander parallel und rechtwinklig zu dem Sensorfeld liegen.

5. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die Linsen anordnungen jeweils einen Zweilinser aufweisen.

6. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die Linsen anordnungen jeweils einen Einlinser aufweisen.

7. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die Linsen anordnungen jeweils einen Dreilinser aufweisen.

8. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß es sich bei den unterschiedlichen Szenen um verschiedene Segmente der Verschluß-Ringfläche eines Flaschenrandes handelt.

9. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß die ver schiedenen Teile des Sensorfelds das Sensorfeld ausfüllen.

10. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß vier iden tisch geformte Teile des Sensorfelds vorliegen.

11. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die vier identisch geformten Teile des Sensorfelds parallel liegen.

12. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Zweilin ser allesamt die gleiche Brennweite haben.

13. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die Dove- Prismen und die Zweilinser jeweils mit folgenden Parametern aufgebaut sind:

14. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß eine Feld- Blendplatte zwischen den Zweilinsern und den Szenen vorge sehen ist, die für jeden Zweilinser eine Öffnung enthält, die dessen Sichtfeld begrenzt und definiert.

15. Mehrbild-Überwachungssystem nach Anspruch 1, ge kennzeichnet durch einen zwischen mindestens einem der Dove-Prismen und der von diesem beobachteten Sze ne angeordneten Richtspiegel, der die Szene auf das Dove- Prisma umlenkt.