DE102012104579A1 - Optical sensor for detecting objects at different distances in detection area, comprises reference pattern and lens with focus adjustment element, where focal position of lens is adjusted by control signal fed to focus adjustment element - Google Patents

Optical sensor for detecting objects at different distances in detection area, comprises reference pattern and lens with focus adjustment element, where focal position of lens is adjusted by control signal fed to focus adjustment element Download PDF

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Abstract

The optical sensor (1) comprises a camera with an array of pixels, and a lens (8) arranged upstream of the camera, by which the light beams (4) coming from an object are imaged on the camera. The lens comprises a focus adjustment element, where the focal position of the lens is adjusted by a control signal fed to the focus adjustment element. A reference pattern is provided in the optical sensor, where a correction value for adjusting the focal position of the object is determined based on the image of the reference pattern on the camera in an evaluation unit (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical sensor according to the preamble of claim 1.

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.Such optical sensors comprise cameras for recording images of objects to be detected, in particular area cameras with a matrix-like arrangement of pixels, and typically a lighting unit. The light beams emitted by the illumination unit are reflected by an object to be detected and imaged by means of a lens on the area camera. In an evaluation unit, the output signals of the pixels of the area camera are evaluated for object detection.

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.In many applications, it is necessary to capture objects at different distances with the optical sensor. In order to detect objects in a large distance range, it is known to equip the lens of an optical sensor with a Fokusverstellelement, for example, a liquid lens. The focus adjustment performed with the Fokusverstellelement allows object detection in a large distance range. The focus adjustment is carried out by means of a control unit, that is, the focus position of the lens is set in a control process. In such a control process errors of the focus adjustment can be compensated as a result of temperature effects or aging of components, so that incorrect settings can be avoided as a result of such Drifterscheinungen.

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.Significant problems, however, occur when objects at different distances penetrate in rapid succession in the detection area covered by optical sensors. In this case, adjustments to focus adjustment are too slow. The focus adjustment must therefore be unregulated, the focus position is typically set in dependence on external control commands.

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.However, such an unregulated focus adjustment of the lens is not reproducible and error-prone, since this focus adjustment is influenced by disturbing influences such as temperature changes or drifts of components.

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.The invention has for its object to provide an optical sensor of the type mentioned by means of which objects in different distances can be detected quickly and simultaneously safe and reproducible.

Zur Losung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.To solve this problem, the features of claim 1 are provided. Advantageous embodiments and expedient developments of the invention are described in the subclaims.

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.The invention relates to an optical sensor for detecting objects in a detection area and comprises a camera having a multiple arrangement of pixels with a lens arranged in front of the camera, by means of which light beams coming from an object are imaged onto the camera. In an evaluation unit output signals of the pixels of the camera are evaluated for the detection of objects. The lens has a Fokusverstellelement. The focus position of the lens is adjusted by a control signal supplied to the focus adjustment element. A reference pattern is provided in the optical sensor, wherein a correction value for the adjustment of the focus position of the object is determined on the basis of the image of the reference pattern on the camera in the evaluation unit.

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.A significant advantage of the optical sensor according to the invention is that a very fast adaptation to different object distances is ensured by the unregulated, only controlled focus adjustment. In this way, objects penetrating into the detection area of the optical sensor very quickly one behind the other at different distances can be recognized reproducibly and reliably.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass trotz der ungeregelten, nur gesteuerten Fokusverstellung die Einstellungen der einzelnen Fokuslagen exakt und reproduzierbar erfolgen.Another essential advantage of the invention is that, despite the unregulated, only controlled focus adjustment, the settings of the individual focus positions are accurate and reproducible.

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.This is achieved by the use of the reference pattern according to the invention and its imaging on the camera. Based on the image of the reference pattern on the camera, the drift condition of the lens can be determined by determining the severity of these images. Thus, in the evaluation unit of the optical sensor, such drift effects can be compensated by determining correction values for the focus adjustments to be performed individually, ie the control signals and thus the manipulated variables for the focus adjustment are corrected with the correction values. Thus, the focus settings influencing interference effects, for example due to temperature influences or aging of components, can be systematically eliminated.

Besonders vorteilhaft wird der Korrekturwert anhand mehrerer Aufnahmen des Referenzmusters bei unterschiedlichen Fokuslagen des Objekts ermittelt.Particularly advantageously, the correction value is determined on the basis of a plurality of images of the reference pattern at different focal positions of the object.

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.In this way, misadjustments of the focus position of the objective can be detected particularly reliably and reliably, because not only the degree but also the direction of defocusing can be detected with several measurements.

Generell ist das Referenzmuster mit einem Optikelement so abgebildet, dass dessen virtuelles Bild in einem Arbeitsabstand zur Kamera liegt. In general, the reference pattern is imaged with an optical element such that its virtual image is at a working distance from the camera.

Vorteilhaft ist hierzu ein selbstleuchtendes Referenzmuster vorgesehen.Advantageously, a self-luminous reference pattern is provided for this purpose.

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.The determination of correction values thus takes place for a virtual distance within the detection range of the optical sensor. However, since the distance dependence of such correction values is known in principle, these correction values for different object distances determined with the detection of the reference pattern can be converted, for example in the form of characteristic curves stored in the evaluation unit, so that for each of the focus settings for object detection to be performed Distance determined correction values are available.

Gemäß einer ersten Variante der Erfindung erfolgen die Bildaufnahmen zur Objekterfassung zeitlich getrennt von den Bildaufnahmen des Referenzmusters.According to a first variant of the invention, the image recordings for object detection take place separately in time from the image recordings of the reference pattern.

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.Then the camera is used one after the other for imaging the reference pattern and then for capturing objects in the detection area. In this case, the image of the reference pattern is advantageously superimposed on the camera and imaged such that this image does not or not significantly affect the image recordings of the camera for object detection. By way of example, for imaging the reference pattern on the camera, a beam splitter mirror arranged in front of the object can be provided. The split ratio of the beam splitter mirror is then chosen so that only a very small percentage of the light passes from the reference pattern to the camera via the beam splitter mirror, thereby ensuring that in the subsequent object captures, this image of the reference pattern on the camera does not significantly affect the image captures of objects.

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.According to a second variant, the image recordings for object detection and for the detection of the reference pattern take place parallel in time, wherein images of objects and images of the reference pattern are projected onto separate areas of the camera or onto separate cameras.

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.Since the evaluation unit is preferably formed by one or more powerful microprocessors, the image evaluations of the reference pattern and the image evaluations for object detection can take place in parallel in the evaluation unit. Thus, a particularly fast image evaluation is achieved and, accordingly, a rapid determination of correction values for the focus adjustments. Thus, objects can be detected at different distances with the optical sensor very quickly in succession.

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.According to a first advantageous refinement, a point-shaped or line-shaped reference pattern is provided for determining the correction values for the focus adjustment. These can be realized in a structurally simple manner. For example, as a dot-shaped reference pattern, an LED can be used whose inner structure is imaged on the camera. A two-dimensional reference pattern may be formed by an illuminated bar pattern.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung ist ein dreidimensionales Referenzmuster vorgesehen, welches mittels eines Hologramms oder einem diffraktiven Objekt erzeugt wird.According to a second advantageous embodiment, a three-dimensional reference pattern is provided, which is generated by means of a hologram or a diffractive object.

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.By imaging such a three-dimensional reference pattern on the camera, in contrast to using one- or two-dimensional reference patterns, with only one image acquisition, the degree of severity of an image and also the direction of an existing defocusing can be determined.

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.According to an advantageous embodiment of the invention, a liquid lens is provided as Fokusverstellelement. In principle, as the focus adjustment element, it is also possible to provide an adjustment driven by a piezoelement, also a plunger coil or a membrane which can be deflected differently by electric fields.

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.The optical sensor according to the invention can be used for the detection of objects of all kinds. In particular, codes can be detected with the optical sensor, such as barcodes.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to the drawings. Show it:

1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors. 1 : Schematic representation of a first embodiment of the optical sensor according to the invention.

2: Schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors. 2 : Schematic representation of a second embodiment of the optical sensor according to the invention.

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. 1 schematically shows the structure of a first embodiment of the optical sensor according to the invention 1 , The components of the optical sensor 1 are in a housing 2 integrated. The optical sensor 1 is designed in the present case as a stationary code reader, that is, the housing 2 of the optical sensor 1 is stored stationary on a recording in order to capture codes in this position. The optical sensor 1 includes a lighting unit 3 , The lighting unit 3 consists of an array of light sources 3a with upstream optics 3b , The light sources are preferred 3a formed by a light emitting diode array. The of the lighting unit 3 emitted light rays 4 be through a cover glass 5 in the front wall of the housing 2 guided and serve to illuminate a detection area in which codes can be detected. The codes may generally be formed as one-dimensional or two-dimensional codes.

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.Light rays striking a code 4 are reflected back from this and pass through the cover glass 5 of the housing 2 to a receiver unit of the optical sensor 1 , The receiver unit comprises a camera in the form of an area camera 7 with a matrix-like arrangement of pixels, that is, light-sensitive receiving elements. The area camera is preferred 7 formed in the form of a CMOS array or CCD array.

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.The area camera 7 is a lens 8th with a liquid lens 9 upstream, which forms a Fokusverstellelement. The focal length of the liquid lens 9 can be changed by electrical signals generated in an actuator.

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.The lighting unit 3 and the area camera 7 are to an evaluation unit 10 connected, which is formed by a microprocessor or the like. This serves the evaluation unit 10 on the one hand for controlling the lighting unit 3 , On the other hand, the evaluation unit is used 10 for evaluating the output signals of the individual pixels 7a the area camera 7 , that is to evaluate the with the area camera 7 captured image information of a code. Finally, via the evaluation unit 10 a focus adjustment of the liquid lens 9 be made by the actuator is controlled in a suitable manner.

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.In the evaluation unit 10 In the form of software modules, a decoding unit is implemented by means of which with the area camera 7 captured image information, the code is decoded, that is, the information contained in the contrast pattern of the code can be detected.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor 1 können insbesondere in rascher Folge und in unterschiedlichen Distanzen in den Erfassungsbereich eindringende Codes erfasst werden.With the optical sensor according to the invention 1 In particular, codes entering the detection area can be detected in rapid succession and at different distances.

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.A typical application example is the detection of code-carrying packages that are transported on a conveyor belt. To get the codes in the different distances (in the in 1 For the detection of each code from an external control unit in the control signal is read into the optical sensor. Based on this control signal, the focus position of the liquid lens 9 changed and so the lens 8th adjusted to the distance of the code to the optical sensor. This focus adjustment is unregulated, solely on the basis of the control signal such that the focus adjustment is completed when the code enters the detection area.

Derartige gesteuerte, ungeregelte Fokuseinstellungen sind üblicherweise infolge von Drifterscheinungen, aufgrund von Temperaturschwankungen oder Alterungen von Bauelementen fehlerbehaftet.Such controlled, unregulated focus adjustments are usually subject to errors due to drift phenomena, temperature variations, or device aging.

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.In the optical sensor according to the invention 1 These sources of error are systematically eliminated or reduced by referencing a reference pattern. The reference pattern in the present case consists of one in the optical sensor 1 arranged light emitting diode 11 that is, the reference pattern is self-luminous. With a lens 12 becomes a virtual image B of the reference pattern at a certain working distance within the detection range of the optical sensor 1 lies, generated. By means of a lens 8th upstream beam splitter mirror 13 becomes an image of the reference pattern on the area camera 7 generated.

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.In the evaluation unit 10 a determination is made of the sharpness of the image of the reference pattern. Preferably, for different focus settings, multiple images of the reference pattern on the area camera 7 generated, so that not only the degree of defocusing of the image but also the direction of defocusing is determined.

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.From the information thus obtained about the sharpness of the image of the reference pattern are in the evaluation unit 10 Correction values for the focus settings obtained as a function of the control signals during code acquisition. Since the reference measurements are made only for a distance of the reference pattern, but the codes must be recorded at different distances, is in the evaluation unit 10 a characteristic field is stored, by means of which the appropriate correction value is calculated from the results of the reference measurement for a distance in which a code has to be detected. Is then from the external control unit, the control signal as a manipulated variable for the focal length adjustment of the liquid lens 9 is read, this control signal in the evaluation unit 10 corrected with the correction value, whereby errors due to Drifterscheinungen the liquid lens 9 can be eliminated with high security.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgen die Codeerfassungen und die Referenzmessungen in getrennten Zeitintervallen einzeln nacheinander.In the present exemplary embodiment, the code acquisitions and the reference measurements take place one after the other in separate time intervals.

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.So that the image of the reference pattern, the code acquisition, that is the on the area camera 7 does not disturb the displayed code is the divider ratio of the beam splitter mirror 13 extremely, for example 96: 4 chosen, leaving only a very small part of the reference pattern on the area camera 7 is shown.

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. 2 shows a second embodiment of the optical sensor according to the invention 1 , The structure and operation of the optical sensor 1 according to 2 largely correspond to the embodiment according to 1 ,

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.The only constructive difference is the image of the light emitting diode 11 formed reference pattern on the area camera 7 , Through one from the side to the lens 8th placed beam splitter mirror 14 the reference pattern is now on a subregion T 1 at the edge of the area camera 7 displayed. By contrast, codes detected during the code acquisition are mapped to a central subarea T 2 that does not overlap with the subarea T 1 .

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.Since now the reference pattern on the one hand and the codes on the other hand on different subregions T 1 , T 2 of the area camera 7 The reference measurements against the reference pattern and the object detections can be performed in parallel, whereby also the respective results in the evaluation unit 10 be evaluated in parallel.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Optischer SensorOptical sensor
22
Gehäusecasing
33
Beleuchtungseinheitlighting unit
3a3a
Lichtquellelight source
3b3b
Optikenoptics
44
Lichtstrahlenlight rays
55
Abdeckglascover glass
66
Barcodebarcode
77
FlächenkameraAreascan
88th
Objektivlens
99
Flüssigkeitslinseliquid lens
1010
Auswerteeinheitevaluation
1111
Leuchtdiodeled
1212
Linselens
1313
StrahlteilerspiegelBeamsplitter mirror
1414
StrahlteilerspiegelBeamsplitter mirror
BB
Bildimage
T1 T 1
Teilbereichsubregion
T2 T 2
Teilbereichsubregion

Claims (11)

Optischer Sensor (1) zur Erfassung von Objekten in einem Erfassungsbereich, mit einer eine Mehrfachanordnung von Pixeln aufweisenden Kamera, mit einem der Kamera vorgeordneten Objektiv (8), mittels dessen von einem Objekt kommende Lichtstrahlen (4) auf die Kamera abgebildet werden, und mit einer Auswerteeinheit (10), in welcher zur Erfassung von Objekten Ausgangssignale der Pixel der Kamera ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (8) ein Fokusverstellelement aufweist, dass die Fokuslage des Objektivs (8) durch ein dem Fokusverstellelement zugeführtes Steuersignal eingestellt wird, und dass im optischen Sensor ein Referenzmuster vorgesehen ist, wobei anhand der Abbildung des Referenzmusters auf die Kamera in der Auswerteeinheit (10) ein Korrekturwert für die Verstellung der Fokuslage des Objekts ermittelt wird.Optical sensor ( 1 ) for detecting objects in a detection area, with a camera having a multiple arrangement of pixels, with a lens arranged upstream of the camera ( 8th ), by means of which of an object coming light beams ( 4 ) are mapped to the camera, and with an evaluation unit ( 10 ), in which output signals of the pixels of the camera are evaluated for detecting objects, characterized in that the objective ( 8th ) has a Fokusverstellelement that the focus position of the lens ( 8th ) is adjusted by a control signal supplied to the focus adjustment element, and in that a reference pattern is provided in the optical sensor, wherein on the basis of the image of the reference pattern on the camera in the evaluation unit ( 10 ) a correction value for the adjustment of the focal position of the object is determined. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (10) die Schärfe der Abbildung des Referenzmusters auf die Kamera ermittelt wird.Optical sensor according to claim 1, characterized in that in the evaluation unit ( 10 ) the sharpness of the image of the reference pattern is determined on the camera. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert anhand mehrerer Aufnahmen des Referenzmusters bei unterschiedlichen Fokuslagen des Objekts ermittelt wird.Optical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the correction value is determined based on a plurality of images of the reference pattern at different focal positions of the object. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine eine matrixförmige Anordnung von Pixeln aufweisende Flächenkamera (7) ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the camera has a surface area camera having a matrix-like arrangement of pixels ( 7 ). Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokusverstellelement eine Flüssigkeitslinse (9) ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Fokusverstellelement a liquid lens ( 9 ). Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmuster mit einem Optikelement so abgebildet ist, dass dessen virtuelles Bild in einem Arbeitsabstand zur Kamera liegt.Optical sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reference pattern is imaged with an optical element so that its virtual image is at a working distance from the camera. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmen zur Objekterfassung zeitlich getrennt von den Bildaufnahmen des Referenzmusters erfolgen.Optical sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the image recordings for object detection take place temporally separated from the image recordings of the reference pattern. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmen zur Objekterfassung und zur Erfassung des Referenzmusters zeitlich parallel erfolgen, wobei Bilder von Objekten und Bilder des Referenzmusters auf separate Bereiche der Kamera oder auf separate Kameras projiziert werden.Optical sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the image recordings for object detection and for detecting the Reference pattern parallel in time, with images of objects and images of the reference pattern are projected onto separate areas of the camera or on separate cameras. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmuster selbstleuchtend ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the reference pattern is self-luminous. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein punktförmiges oder linienförmiges Referenzmuster vorgesehen ist.Optical sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that a point-shaped or line-shaped reference pattern is provided. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein dreidimensionales Referenzmuster vorgesehen ist, welches mittels eines Hologramms oder einem diffraktiven Objekt erzeugt wird.Optical sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that a three-dimensional reference pattern is provided, which is generated by means of a hologram or a diffractive object.
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