CN103225984A - 光电传感器以及用于探测目标物信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电传感器以及用于探测目标物信息的方法，提出了一种光电传感器（10），其具有用于将从探测区域（12）接收的光转换为电信号的光接收器（16），具有通过所述电信号获取关于探测区域（12）内的目标物的信息的评估单元（18），并且具有包括至少一个光源（24）和图案生成元件（28）的瞄准设备（22），以通过光图案（36）使探测区域（12）可见。其中，图案生成元件（28）包括多个柱面透镜（30、32、34），以使得所产生的光图案（36）具有多条线（38），由所述多条线可推测出探测区域（12）的位置。

Description

光电传感器以及用于探测目标物信息的方法

本发明涉及根据权利要求1或10的概念的具有瞄准设备（Zieleinrichtung）的光电传感器和用于从探测范围探测目标物信息和用于探测范围的可视化的方法。

光电传感器必须具有实现其功能的探测范围。如果传感器不具有可视化显示器，则不能充分识别出其探测范围。因此，一些传感器可以配备瞄准装置，其通过十字线或类似的可定位的光标记使探测范围变得可见。

特别的一类光电传感器构成了读码器，在其探测区域中具有读取范围。读取范围内的代码被探测到并且其代码信息被读出。显而易见的是，为此必须对读码器进行定向，由此寻找存在于读取范围内的代码。

最为普及的读码器为条形码扫描仪，其通过与代码成横向的激光读取光束来扫描条码（Barcode）或条形码（Strichcode）。其经常被使用在超市收银机，以自动识别包裹、分拣邮件或在机场被使用来寄运行李以及被使用在其它的物流领域的应用中。其他应用包括在生产过程中的质量控制或部件控制。当使用在可见光谱中的激光束时，条形码扫描仪自动标记其读取范围。

随着数码摄像机技术的进步，条码扫描仪越来越多地被基于摄像机的读码器取代。基于摄像机的读码器借助于CCD芯片取得目标物和在其上存在的代码的图像以代替扫描代码区域。基于摄像机的读码器还能够毫无问题地处理明文和其它的作为一维条形码的代码类型，所述代码类型例如被构建为矩阵码或二维码并提供更多的信息。将瞄准设备提供到基于摄像机的读码器，以便为标记读取范围或目标物范围进行非常有用的支持。

用于光电读取设备的瞄准设备，例如在US 6060722中有所介绍。其基于光源，通过干涉图案元件（例如，以衍射光学元件（DOE）的形式）在探测区域中生成不同的目标图案。DOE的效率是有限的，对于上述应用，DOE仅适用于非常小的波长范围内。此外，以喷射塑模技术进行的生产的要求非常高并且生产控制极其昂贵。

来自完全不同的技术领域的瞄准设备也是已知的。在US 20020012898A1或US 6997716B2中制造出激光十字线，以便在计算机仿真的情况下，自动地探测位置，以定向武器。此外，激光在其入射的位置处被检测。一般来说，不使用在任何情况下都不可见的红外光（IR-Licht），可视化无论如何仅仅是一种边际作用，因为激光十字线实际的目的为自动探测虚拟的弹孔点。

因此，本发明的目的是，以优化的方式来标记光电传感器的探测区域。

这个目的是通过根据权利要求1所述的具有瞄准设备的光电传感器和通过根据权利要求10所述的从探测区域探测目标物信息以及可视化探测区域的方法来实现的。其中，该解决方案的基本思路的出发点在于，产生折射的光模式。此外，使用多个柱面透镜，其将瞄准设备的光源的光聚焦到多条线上。从这多条线可推测出探测区域的位置，例如，通过将线在探测区域的中心交叉的办法、通过将线包围探测区域的中心或包围探测区域本身的方法、或通过用线标记中心区域或整个探测区域的角的方法。

还可应用多个光源来代替仅一个光源，以便获得更高的光输出功率，或以便使图案生成元件（Mustererzeugungselement）在多个位置上被照亮成为期望的、特别是均匀的或在边缘区域处过亮的照亮轮廓。

本发明具有的优点为，瞄准设备非常廉价并且可根据应用的要求在相同的时间内实现产生多个光图案。此外瞄准设备本身也无需调节，只要光源的光轴充分地对准光接收器的光轴，其就可工作。相比于DOE，因为通过单纯的再分配实现了很好的折射，以致没有光输出功率的损失，以及在实践中不限制必须的光波长的范围，所以对光源的要求显著降低。

传感器优选为读码器，其评估单元被构建为，从电信号中提取有关在探测区域内的代码区域的信息并从代码区域中读出代码信息。在这种情况下，探测区域包含在其中对要读取的代码进行识别和解码的读取范围。对于手动模式下的读码器和对于固定安装的读码器，例如在传送带上或在读取通道中，重要的是要知道读取范围的位置。读码器仍优选为基于摄像机的读码器，其光接收器为矩阵形式或行形式的图像传感器。因此，通过图像处理不仅可解码一维码，还可解码二维码。

柱面透镜优选为彼此定向在不同的方向，以使得在所产生的光图案中的线彼此有角度。柱面透镜因此在与光源的光轴垂直的平面内相互转动，以使它们的聚焦线在探测区域中交叉并因此光图案的线在探测区域中交叉。特别是，柱面透镜相互垂直的定向，使得在探测区域形成垂直交叉的线。通过这样的线，可在探测区域内准确标记确定的点。

优选的是，图案产生元件包括微透镜阵列（Mikrolinsenfeld）。由此提供了多个微柱面透镜，通过这些微柱面透镜可产生不同配置的单一的线或多条的线所形成的期望的光图案。还可以想到的是，设置多个微透镜阵列。然后，其直接相互临近以构建较大的微透镜阵列，或构建多个单独的微透镜阵列构成的排布方式。在后一种情况下，每个微透镜阵列包括独有的光源。但同样对于单一的或较大的组合到一起的微透镜阵列，有利的是使用多个光源以便获得更强的照明或期望的照亮轮廓。

柱面透镜或（在微透镜阵列的情况下的）微柱面透镜优选具有按组划分相同的定向，但各组相互之间不同的定向，以使每个组在探测区域内产生具有不同定向的线。如果例如设有水平的和垂直的组，产生十字线或一般化（verallgemeineren）为形成直角。水平的和垂直的定向发生偏离，因此所产生的图案旋转。通过仅一组偏离，将改变所围绕的角度。这些组可构建为微透镜阵列上的有规律的图案，其例如具有交替的水平的和垂直的定向。由此，使得微透镜阵列结构清楚。借助这些组的无规律的排布，也可以实现相对于光图案的相同的效果。通过更大数量的组还将增加光图案中的线的数量。

微透镜阵列也优选的具有非柱面的透镜。例如，柱面透镜具有非球面

部分，或其被设为用于产生光点的凸透镜。由此将开辟光图案的设计的额外的自由度。

优选的是，微透镜彼此具有不同焦距或尺寸。因此，可以影响和改变光图案另外的特性。

优选的是，微透镜阵列的至少一个透镜优选为相对于所述微透镜阵列的平面具有倾斜角或楔形地构成。从而有效地将此透镜的光轴相对于光接收器倾斜，以扩大探测区域内的光图案可达到的二维区域。

优选的是，微透镜阵列被集成在光源的光学系统中、用于照亮探测区域的光发射器的光学系统中或传感器的前挡玻璃（Frontscheibe）中。因此，不需要额外的组件，并且还避免了单独的调整。图案生成元件可以直接被安装到光学系统或前挡玻璃上。

根据发明的方法可以按类似的方式被改进，并显示出了类似的优点。这种有利的特征是示例性的，而不是对于独立的权利要求所导致的子权利要求的限定性的描述。

下面将通过实施方案并参考附图来进一步示例性地说明本发明的其它特征和优点。附图的说明示出为：

图1是具有瞄准设备的光电传感器的示意性的剖视图；

图2是整体的交叉的柱面透镜的三维视图；和

图3a-c是被不同定向的微柱面透镜的不同的组配置和因此各自所产生的光图案；以及

图4a-b是用于产生如图3a-c的光图案的另外的组配置。

图1示出了光电传感器10的示意性截面图。传感器例如是基于摄像机的读码器，但也可以是另外的光电传感器10，其探测区域应被定向并因此通过瞄准设备得以可视化。

传感器10接收来自探测范围12的光。在使用读码器的情况下，例如，可在此处找到具有要被读取的代码的目标物。将由接收透镜和接收光学系统接收来自接收范围12的光，所述接收光学系统简单地以透镜14示出。光接收器16将接收的光转换成电信号。光接收器为例如光电二极管，或例如对基于摄像机的读码器而言为具有多个被排布为行或矩阵的像素元件的CCD或CMOS芯片。

电信号被传送到评估单元18，其从该电信号中获取探测区域12的目标物信息。在读码器的例子中，电信号包括来自探测区域12中的读取范围的图像数据。在这些图像数据中寻找代码区域并对代码区域内的代码信息进行解码。评估的结果被提供到输出端20。在可选的、未示出的实施形式中，原始数据被提供给不同的处理阶段，并将全部的评估结果或部分的评估结果向外转移。

传感器10另外包括瞄准设备22，其具有：光源24，如LED的半导体光源、激光二极管或可见光谱中的VCSEL；用于瞄准的可选的光学系统26；以及，图案生成元件28。由此，在探测区域12中将产生光图案，以使探测区域12的位置可见，并因此可将传感器10对准所期望的探测区域12。

此外，传感器10可具有另外的、图中未示出有源照明物。例如，将因此照亮代码，以提高可读性。

图2示出了在图案生成元件28的第一实施方案的三维轮廓。光源24借助于光学系统26聚焦到目标距离。图案生成元件具有两个柱面透镜30、32，其聚焦线相互垂直定向。其构成整块的图案生成元件28，而不是两个分离的柱面透镜30、32，通过该图案生成元件的形状在其中集成了两个交叉的柱面透镜30、32。两个柱面透镜30、32中的每一个各自在探测区域12中生成线。通过交叉排布两个柱面透镜30、32，在探测区域12中的线形成十字线。

图案生成元件28中的柱面透镜30、32可以是常规的透镜或菲涅耳透镜（Fresnellinse），其为凹面或凸面的。在特定的目标距离内，额外的光圈或相对于光接收器16的光轴的定向的倾斜是可设想的。

图3a-c示出图案生成元件28的其他的实施方式。这些实施方式中相同的是，图案生成元件28包括具有多个微柱面透镜34的微透镜阵列。微柱面透镜的光栅或尺寸和相互间距（间距）在约一丝米（Zehntelmillimeter）到几毫米的范围内，例如在从0.5mm至3mm的范围内。此外，图案生成实现了在单独的微柱面透镜34上折射。光源24的照明的光束直径大于光栅，以使多个或全部的微柱面透镜34位于光路径中。示出的偏差可使得元件除了正方形之外，还具有其他形状，如四边形、六角形、或类似形状。

微柱面透镜34被按组划分成至少两个组来进行定向。在这些组内，微柱面透镜34被相同地定向，而这些组之间具有彼此不同的定向。因此在各种图案中形成多条线，其在图3a-c中示例性地示出了一些。

图3a在左侧示出了具有两组微柱面透镜34a-b的示例，其交替地棋盘状地呈90°彼此偏转。这里，图示中的光源24的光轴垂直于纸面。两组微柱面透镜34a-b产生在图3a的右侧示出的每条线38a-b的相应的光图案36，其整体构成十字。在光图案36的中心，存在能量过高，因为在这里的光是由两组微柱面透镜34a-b叠加的光。

图3b完全相符的示出了具有三组微柱面透镜34a-c例子，其导致了由三条交叉的线38a-c形成的图案36。微透镜阵列中的微柱面透镜34a-c的排布可以如所示出的，尽可能规律地实现。至少只要微柱面透镜34a-c的尺寸比光束的宽度小，其排布方式几乎可以不被考虑，并且几乎可以被任意改变。

图3c示出了另外的示例，其中在微透镜阵列的光栅内的两组微柱面透镜34a-b不居中或为楔形。因此在光图案36中形成了相应的线38a-b的交叉

然而该交叉同样不居中。在这种情况下，是从居中的交叉点非常极端地偏离，线38a-b的交点位于一个角，并且光图案36因此形成了角度。

图4a和4b示出了一组微柱面透镜34a-b的可选的例子。与图3a-c的例子不同的是，此处的微柱面透镜本身设计为在两个轴中折射，类似于图2中所示的图案生成元件28，其中通过该图案生成元件28的形状集成了两个柱面透镜30、32。各自所得到的光图案36同样也被示出。依据图4a的微柱面透镜34a-b的均匀排布，形成了简单的十字，在依据图4b的微柱面透镜34a-b的交替排布的情况下，形成了扭曲的双十字，其中图3b的线加入了额外的中心线38d。

在图3和4中的态势仅为多种定向和排布的几个示例，通过微柱面透镜34，可由多条线38产生光图案36。但也有其他的可能的变化。因此，微柱面透镜34可以被构建为传统的或构建为菲涅耳透镜。微透镜阵列可以作为整体倾斜，或只有个别的微透镜34倾斜或配有楔形元件。这种倾斜或楔形效应可用于偏转光束，由此可实现在两维的大面积的图案中的分布，而且还无需单独的线38的交叉。

光图案36的复杂的结构可以通过另外的自由度产生。除了微柱面透镜34之外，非柱面元件也可以被考虑，如产生单光点的瞄准器。单独的微透镜不仅可以有不同的定向，而且还有不同的焦距、尺寸、倾斜或轮廓（具有例如非球面的元件）。可以设有额外的光源以充分照亮微透镜阵列。还可以设想的是，多个微透镜阵列或微透镜阵列的部分区域，每个都具有用于发光的其独有的光源，以形成探测区域12的不同范围中的多个光图案36。因此例如，所选定的中间区域或探测区域12的多个角被其自身标记。

在另外的优选实施方式中，图案生成元件28不是单独的元件，而是直接被安装到瞄准器透镜26上的微透镜阵列、传感器10的额外的光发射器的发射光学系统或传感器10的前挡玻璃。

通过照射多个微透镜，图案生成元件对于位置非常不敏感。因此，不需要特别的措施来做调整。由于单独的微透镜的数量很大，激光保护允许瞄准设备22的发送功率更高，并导致了光图案36得到改进的可见性。

Claims (10)

1.一种光电传感器（10），其具有用于将从探测区域（12）接收的光转换为电信号的光接收器（16）、用来通过所述电信号获取关于所述探测区域（12）内的目标物的信息的评估单元（18）、并具有包括至少一个光源（24）和图案生成元件（28）的瞄准设备（22），以通过光图案（36）使所述探测区域（12）可见，

其特征在于，

所述图案生成元件（28）包括多个柱面透镜（30、32、34），以使所产生的光图案（36）具有多条线（38），由所述多条线可推测出所述探测区域（12）的位置。

2.如权利要求1所述的传感器（10），所述传感器（10）为读码器，其评估单元（18）被构建为用于从所述电信号中获得关于所述探测区域（12）内的代码区域的信息并从所述代码区域读取代码信息，其中所述读码器特别是基于摄像机的读码器，其光接收器（16）为矩阵形式或行形式的图像传感器。

3.如前述权利要求中任一项所述的传感器（10），其中所述柱面透镜（30、32、34）以不同的方向相互定向，以使所述线（38）在产生的光图案（36）中相互具有角度。

4.如前述权利要求中任一项所述的传感器（10），其中所述图案生成元件（28）具有至少一个微透镜阵列。

5.如前述权利要求中任一项所述的传感器（10），其中所述柱面透镜（30、32、34）具有按组划分的相同的定向，但这些组之间相互不同的定向，以使每个组在所述探测区域（12）内产生具有不同定向的线（38）。

6.如权利要求4或5所述的传感器（10），其中所述微透镜阵列还具有非柱面透镜。

7.如权利要求4到6中任一项所述的传感器（10），其中所述微透镜（34）具有相互不同的焦距或尺寸。

8.如权利要求4到7中任一项所述的传感器（10），其中所述微透镜阵列（28）的至少一个透镜（34）相对于所述微透镜阵列（28）的平面定向为具有倾斜角或楔形地构成。

9.如权利要求4到8中任一项所述的传感器（10），其中所述微透镜阵列（28）被集成在光源的光学系统（26）中，在用来照亮所述探测区域（12）的光发射器的光学系统中或在所述传感器（10）的前挡玻璃中。

10.一种用来从探测范围（12）探测目标物信息以及用于可视化所述探测范围（12）的方法，通过所述方法，光接收器（16）将从所述探测区域（12）接收的光转化为电信号，为获取所述目标物的信息对所述电信号进行评估，并且其中在所述探测区域（12）内产生光图案（36），以使所述探测区域（12）可见，

其特征在于，

形成所述光图案（36），借助多个柱面透镜（30、32、34）在所述光图案（36）中产生多条线（38），由所述多条线可推测出所述探测区域（12）的位置。

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