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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige optische Sensoren umfassen zur Bildaufnahme von zu erfassenden Gegenständen Kameras, insbesondere Flächenkameras mit einer matrixförmigen Anordnung von Pixeln sowie typischerweise eine Beleuchtungseinheit. Die von der Beleuchtungseinheit emittierten Lichtstrahlen werden von einem zu detektierenden Objekt reflektiert und mittels eines Objektivs auf die Flächenkamera abgebildet. In einer Auswerteeinheit werden zur Objekterfassung die Ausgangssignale der Pixel der Flächenkamera ausgewertet.
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Bei vielen Applikationen ist es erforderlich, mit dem optischen Sensor Objekte in unterschiedlichen Distanzen zu erfassen. Um Objekte in einem großen Distanzbereich zu erfassen, ist es bekannt, das Objektiv eines optischen Sensors mit einem Fokusverstellelement, beispielweise einer Flüssigkeitslinse auszustatten. Die mit dem Fokusverstellelement durchgeführte Fokusverstellung ermöglicht eine Objekterfassung in einem großen Distanzbereich. Die Fokusverstellung erfolgt dabei mittels einer Regeleinheit, das heißt die Fokuslage des Objektivs wird in einem Regelvorgang eingestellt. Bei einem solchen Regelvorgang können Fehler der Fokusverstellung in Folge Temperatureffekten oder Alterungen von Bauteilen kompensiert werden, so dass Fehleinstellungen infolge derartiger Drifterscheinungen vermieden werden können.
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Erhebliche Probleme treten jedoch dann auf, wenn Objekte in unterschiedlichen Distanzen in rascher Folge in den von optischen Sensoren erfassten Erfassungsbereich eindringen. In diesem Fall sind Regelvorgänge für eine Fokusverstellung zu langsam. Die Fokusverstellung muss daher ungeregelt erfolgen, wobei die Fokuslage typisch in Abhängigkeit von externen Steuerbefehlen eingestellt wird.
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Eine derartige ungeregelte Fokusverstellung des Objektivs ist jedoch nicht reproduzierbar und fehlerbehaftet, da diese Fokusverstellung von Störeinflüssen wie Temperaturänderungen oder Driften von Bauteilen beeinflusst ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen mittels dessen Objekte in unterschiedlichen Distanzen schnell und gleichzeitig sicher und reproduzierbar erfasst werden können.
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Zur Losung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung betrifft einen optischer Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich und umfasst eine eine Mehrfachanordnung von Pixeln aufweisende Kamera mit einem der Kamera vorgeordneten Objektiv, mittels dessen von einem Objekt kommende Lichtstrahlen auf die Kamera abgebildet werden. In einer Auswerteeinheit werden zur Erfassung von Objekten Ausgangssignale der Pixel der Kamera ausgewertet. Das Objektiv weist ein Fokusverstellelement auf. Die Fokuslage des Objektivs wird durch ein dem Fokusverstellelement zugeführtes Steuersignal eingestellt. Im optischen Sensor ist ein Referenzmuster vorgesehen, wobei anhand der Abbildung des Referenzmusters auf die Kamera in der Auswerteeinheit ein Korrekturwert für die Verstellung der Fokuslage des Objekts ermittelt wird.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors besteht darin, dass durch die ungeregelte, nur gesteuerte Fokusverstellung eine sehr schnelle Adaption an unterschiedliche Objektabstände gewährleistet ist. Damit können auch sehr schnell hintereinander in unterschiedlichen Distanzen in den Erfassungsbereich des optischen Sensors eindringende Objekte reproduzierbar und zuverlässig erkannt werden.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass trotz der ungeregelten, nur gesteuerten Fokusverstellung die Einstellungen der einzelnen Fokuslagen exakt und reproduzierbar erfolgen.
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Dies wird durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Referenzmusters und dessen Abbildung auf die Kamera bewirkt. Anhand der Abbildung des Referenzmusters auf der Kamera kann anhand der Ermittlung der Schärfegrade dieser Abbildungen der Driftzustand des Objektivs ermittelt werden. Damit können in der Auswerteeinheit des optischen Sensors derartige Drifteffekte kompensiert werden, indem Korrekturwerte für die einzeln durchzuführende Fokuseinstellungen ermittelt werden, das heißt die Steuersignale und damit die Stellgrößen für die Fokusverstellung sind mit den Korrekturwerten korrigiert. Damit können die Fokuseinstellungen beeinflussende Störeffekte, beispielsweise aufgrund von Temperatureinflüssen oder Alterungen von Bauelementen, systematisch eliminiert werden.
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Besonders vorteilhaft wird der Korrekturwert anhand mehrerer Aufnahmen des Referenzmusters bei unterschiedlichen Fokuslagen des Objekts ermittelt.
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Damit können Fehleinstellungen der Fokuslage des Objektivs besonders sicher und zuverlässig erkannt werden, da mit mehreren Messungen nicht nur der Grad sondern auch die Richtung einer Defokussierung erfasst werden kann.
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Generell ist das Referenzmuster mit einem Optikelement so abgebildet, dass dessen virtuelles Bild in einem Arbeitsabstand zur Kamera liegt.
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Vorteilhaft ist hierzu ein selbstleuchtendes Referenzmuster vorgesehen.
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Die Ermittlung von Korrekturwerten erfolgt damit für einen virtuellen Abstand innerhalb des Erfassungsbereichs des optischen Sensors. Da jedoch die Abstandsabhängigkeit von derartigen Korrekturwerten prinzipiell bekannt ist, können diese mit der Detektion des Referenzmusters in einem Abstand ermittelten Korrekturwerte für unterschiedliche Objektdistanzen umgerechnet werden, beispielsweise in Form von in der Auswerteeinheit abgespeicherten Kennlinien, so dass für durchzuführende Fokuseinstellungen zur Objektdetektion jeweils die an diese Distanz ermittelten Korrekturwerte vorliegen.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung erfolgen die Bildaufnahmen zur Objekterfassung zeitlich getrennt von den Bildaufnahmen des Referenzmusters.
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Dann wird die Kamera zeitlich nacheinander für die Abbildung des Referenzmusters und dann für die Erfassung von Objekten im Erfassungsbereich genutzt. In diesem Fall wird das Bild des Referenzmusters vorteilhaft so auf die Kamera eingeblendet und abgebildet, dass diese Abbildung die Bildaufnahmen der Kamera zur Objekterfassung nicht oder nicht nennenswert beeinflusst. Beispielsweise kann zur Abbildung des Referenzmusters auf die Kamera ein dem Objekt vorgeordneter Strahlteilerspiegel vorgesehen sein. Das Teilungsverhältnis des Strahlteilerspiegels ist dann so gewählt, dass nur ein sehr geringer Prozentsatz des Lichts vom Referenzmuster über den Strahlteilerspiegel zur Kamera gelangt, wodurch gewährleistet ist, dass bei den darauffolgenden Objekterfassungen diese Abbildung des Referenzmusters auf der Kamera die Bildaufnahmen von Objekten nicht nennenswert beeinflusst.
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Gemäß einer zweiten Variante erfolgen die Bildaufnahmen zur Objekterfassung und zur Erfassung des Referenzmusters zeitlich parallel, wobei Bilder von Objekten und Bilder des Referenzmusters auf separate Bereiche der Kamera oder auf separate Kameras projiziert werden.
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Da die Auswerteeinheit bevorzugt von einem oder mehreren leistungsfähigen Mikroprozessoren gebildet ist, können in der Auswerteeinheit die Bildauswertungen des Referenzmusters und die Bildauswertungen zur Objekterfassung parallel erfolgen. Damit wird eine besonders schnelle Bildauswertung erreicht und dementsprechend eine schnelle Ermittlung von Korrekturwerten für die Fokusverstellungen. Somit können Objekte in unterschiedlichen Distanzen mit dem optischen Sensor besonders schnell hintereinander detektiert werden.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Ermittlung der Korrekturwerte für die Fokusverstellung ein punktförmiges oder linenförmiges Referenzmuster vorgesehen. Diese können auf konstruktiv einfache Weise realisiert werden. Beispielsweise kann als punktförmiges Referenzmuster eine LED verwendet werden, deren innere Struktur auf die Kamera abgebildet wird. Ein zweidimensionales Referenzmuster kann von einem beleuchteten Strichmuster gebildet sein.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung ist ein dreidimensionales Referenzmuster vorgesehen, welches mittels eines Hologramms oder einem diffraktiven Objekt erzeugt wird.
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Durch die Abbildung eines derartigen dreidimensionalen Referenzmusters auf die Kamera können, im Gegensatz bei einer Verwendung von ein- oder zweidimensionalen Referenzmustern, mit nur einer Bildaufnahme der Schärfegrad einer Abbildung und auch die Richtung einer vorhandenen Defokussierung ermittelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist als Fokusverstellelement eine Flüssigkeitslinse vorgesehen. Prinzipiell kann als Fokusverstellelement auch eine durch ein Piezoelement angetriebene Verstellung, auch eine Tauchspule oder eine durch elektrische Felder unterschiedlich durchbiegbare Membran vorgesehen sein.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor kann zur Detektion von Objekten aller Art eingesetzt werden. Insbesondere können mit dem optischen Sensor Codes erfasst werden, wie zum Beispiel Barcodes.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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2: Schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Die Komponenten des optischen Sensors 1 sind in einem Gehäuse 2 integriert. Der optische Sensor 1 ist im vorliegenden Fall als stationäres Codelesegerät ausgebildet, das heißt das Gehäuse 2 des optischen Sensors 1 wird an einer Aufnahme ortsfest gelagert um in dieser Position Codes erfassen zu können. Der optische Sensor 1 umfasst eine Beleuchtungseinheit 3. Die Beleuchtungseinheit 3 besteht aus einer Anordnung von Lichtquellen 3a mit vorgeordneten Optiken 3b. Bevorzugt sind die Lichtquellen 3a von einer Leuchtdiodenanordnung gebildet. Die von der Beleuchtungseinheit 3 emittierten Lichtstrahlen 4 werden durch ein Abdeckglas 5 in der Frontwand des Gehäuses 2 geführt und dienen zur Ausleuchtung eines Erfassungsbereiches, in welchem Codes erfasst werden können. Die Codes können allgemein als eindimensionale oder zweidimensionale Codes ausgebildet sein.
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Auf einen Code auftreffende Lichtstrahlen 4 werden von diesem zurückreflektiert und gelangen durch das Abdeckglas 5 des Gehäuses 2 auf eine Empfängereinheit des optischen Sensors 1. Die Empfängereinheit umfasst eine Kamera in Form einer Flächenkamera 7 mit einer matrixförmigen Anordnung von Pixeln, das heißt lichtempfindlichen Empfangselementen. Bevorzugt ist die Flächenkamera 7 in Form eines CMOS-Arrays oder CCD-Arrays gebildet.
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Der Flächenkamera 7 ist ein Objektiv 8 mit einer Flüssigkeitslinse 9 vorgeordnet, die ein Fokusverstellelement bildet. Die Brennweite der Flüssigkeitslinse 9 kann durch elektrische Signale, die in einem Stellelement generiert werden, verändert werden.
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Die Beleuchtungseinheit 3 und die Flächenkamera 7 sind an eine Auswerteeinheit 10 angeschlossen, die von einem Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist. Damit dient die Auswerteeinheit 10 einerseits zur Steuerung der Beleuchtungseinheit 3. Andererseits dient die Auswerteeinheit 10 zur Auswertung der Ausgangssignale der einzelnen Pixel 7a der Flächenkamera 7, das heißt zur Auswertung der mit der Flächenkamera 7 erfassten Bildinformation eines Codes. Schließlich kann über die Auswerteeinheit 10 eine Fokusverstellung der Flüssigkeitslinse 9 vorgenommen werden, indem das Stellelement in geeigneter Weise angesteuert wird.
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In der Auswerteeinheit 10 ist in Form von Softwaremodulen eine Dekodiereinheit implementiert, mittels derer anhand der mit der Flächenkamera 7 erfassten Bildinformationen der Code dekodiert wird, das heißt die im Kontrastmuster des Codes enthaltenen Informationen erfasst werden können.
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Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 können insbesondere in rascher Folge und in unterschiedlichen Distanzen in den Erfassungsbereich eindringende Codes erfasst werden.
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Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Detektion von Codes tragenden Paketen, die auf einem Förderband transportiert werden. Um die Codes in den unterschiedlichen Distanzen (in der in 1 dargestellten Gegenstandsebene A) erfassen zu können, wird für die Erfassung jedes Codes von einer externen Steuereinheit im Steuersignal in den optischen Sensor eingelesen. Anhand dieses Steuersignals wird die Fokuslage der Flüssigkeitslinse 9 geändert und so das Objektiv 8 auf die Distanz des Codes zum optischen Sensor eingestellt. Diese Fokuseinstellung erfolgt ungeregelt, allein anhand des Steuersignals derart, dass die Fokuseinstellung bereits bei Eindringen des Codes in den Erfassungsbereich abgeschlossen ist.
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Derartige gesteuerte, ungeregelte Fokuseinstellungen sind üblicherweise infolge von Drifterscheinungen, aufgrund von Temperaturschwankungen oder Alterungen von Bauelementen fehlerbehaftet.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 werden diese Fehlerquellen systematisch durch Referenzierungen gegen ein Referenzmuster eliminiert beziehungsweise reduziert. Das Referenzmuster besteht im vorliegenden Fall aus einer im optischen Sensor 1 angeordneten Leuchtdiode 11, das heißt das Referenzmuster ist selbstleuchtend. Mit einer Linse 12 wird ein virtuelles Bild B des Referenzmusters in einem bestimmten Arbeitsabstand, der innerhalb des Erfassungsbereichs des optischen Sensors 1 liegt, generiert. Mittels eines dem Objektiv 8 vorgeordneten Strahlteilerspiegels 13 wird eine Abbildung des Referenzmusters auf der Flächenkamera 7 generiert.
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In der Auswerteeinheit 10 erfolgt eine Ermittlung der Schärfe der Abbildung des Referenzmusters. Vorzugsweise werden für unterschiedliche Fokuseinstellungen mehrere Abbildungen des Referenzmusters auf der Flächenkamera 7 generiert, so dass nicht nur der Grad der Defokussierung der Abbildung sondern auch die Richtung der Defokussierung ermittelt wird.
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Aus den so gewonnenen Informationen über die Schärfe der Abbildung des Referenzmusters werden in der Auswerteeinheit 10 Korrekturwerte für die Fokuseinstellungen in Abhängigkeit der Steuersignale bei der Codeerfassung gewonnen. Da die Referenzmessungen nur für einen Abstand des Referenzmusters erfolgen, die Codes jedoch in unterschiedlichen Distanzen erfasst werden müssen, ist in der Auswerteeinheit 10 ein Kennlinienfeld hinterlegt, mittels dessen aus den Ergebnissen der Referenzmessung für eine Distanz, in der ein Code erfasst werden muss, der passende Korrekturwert errechnet wird. Wird dann von der externen Steuereinheit das Steuersignal als Stellgröße zur Brennweitenverstellung der Flüssigkeitslinse 9 eingelesen, wird dieses Steuersignal in der Auswerteeinheit 10 mit dem Korrekturwert korrigiert, wodurch Fehler aufgrund von Drifterscheinungen der Flüssigkeitslinse 9 mit hoher Sicherheit eliminiert werden können.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgen die Codeerfassungen und die Referenzmessungen in getrennten Zeitintervallen einzeln nacheinander.
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Damit die Abbildung des Referenzmusters die Codeerfassung, das heißt die auf die Flächenkamera 7 abgebildeten Codes nicht stört, ist das Teilerverhältnis des Strahlteilerspiegels 13 extrem, beispielsweise 96:4 gewählt, so dass nur ein sehr kleiner Teil des Referenzmusters auf die Flächenkamera 7 abgebildet wird.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der Aufbau und die Funktionsweise des optischen Sensors 1 gemäß 2 entsprechen weitgehend der Ausführungsform gemäß 1.
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Der einzige konstruktive Unterschied besteht in der Abbildung des von der Leuchtdiode 11 gebildeten Referenzmusters auf die Flächenkamera 7. Durch einen von seitlich zum Objektiv 8 platzierten Strahlteilerspiegel 14 wird das Referenzmuster nun auf einen Teilbereich T1 am Rand der Flächenkamera 7 abgebildet. Während der Codeerfassung erfasste Codes werden dagegen auf einen zentralen Teilbereich T2 abgebildet, der mit dem Teilbereich T1 nicht überlappt.
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Da nun das Referenzmuster einerseits und die Codes andererseits auf unterschiedliche Teilbereiche T1, T2 der Flächenkamera 7 abgebildet werden, können die Referenzmessungen gegen das Referenzmuster und die Objektdetektionen parallel durchgeführt werden, wobei auch die jeweiligen Ergebnisse in der Auswerteeinheit 10 parallel ausgewertet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optischer Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Beleuchtungseinheit
- 3a
- Lichtquelle
- 3b
- Optiken
- 4
- Lichtstrahlen
- 5
- Abdeckglas
- 6
- Barcode
- 7
- Flächenkamera
- 8
- Objektiv
- 9
- Flüssigkeitslinse
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Leuchtdiode
- 12
- Linse
- 13
- Strahlteilerspiegel
- 14
- Strahlteilerspiegel
- B
- Bild
- T1
- Teilbereich
- T2
- Teilbereich
