CN103376619A

CN103376619A - 用于产生照明区域的照明装置和方法

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Publication number: CN103376619A
Application number: CN2013101273478A
Authority: CN
Inventors: 拉尔夫·乌尔里克·尼布林
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: JP2013231966A; US20130284808A1; CN103376619B; US9022290B2; EP2657881B1; EP2657881A1; JP5634556B2

Abstract

本发明涉及一种用于产生照明区域的照明装置和方法。提出了一种用于为基于相机的读码器(100)产生照明区域的照明装置(10)，其具有至少一个光发射器(12)、发射光学器件(14)、用于发射光学器件(14)的光学器件保持器(24)和调整设备(28)，借助调整设备(28)，光学器件保持器(24)可移动，并因此照明区域可聚焦在工作距离上和/或其尺寸可调节。其中，光学器件保持器(24)被固定在至少一个固定点(26)处，使得在操纵调整设备(28)时光学器件保持器(24)被强制性地相对于光发射器(12)移动，但在固定点(26)处其保持相对于光发射器(12)的相对位置。

Description

用于产生照明区域的照明装置和方法

本发明涉及如权利要求1或15的概念所述的、用于为基于相机的读码器产生照明区域的照明装置和方法。

为了读取光学编码，如条形码或矩阵码，使用了越来越多的基于相机的读码器。因此，拍摄编码的图片并最终通过数字图像处理装置读取编码信息。在工业应用中，读码器通常被固定地安装在传送带上，其中带有编码的物体在该传送带上被运送通过读码器。已知的是，另一方面还使用手持设备，该手持设备被引导经过待读取的编码上方。

因此，为在读取范围内具有充足的光线，许多相机具有其自身的照明。该照明可被集成到紧凑的相机系统中，并被形成作为围绕接收光学器件的环形光。在有大的距离范围的情况下，固定的照明所导致的结果是，照明多数情况仅在其中通常需要均匀的能量分布的距离下是理想的。在所有其它范围内，至少关于视场大小和均匀性在调节方面是有缺陷的，或者照明甚至完全不可用。

一种常规的解决方案包括，沿着光轴可移动地形成单个的组件(例如照明长度的发送光学器件的透镜)。而该设置机制往往是昂贵的、易损坏的、并且不能自动化或太慢。

由EP 2136248 A1可知具有由多个光源构成的可调节的照明的图像拍摄装置。因此在设置接收光学器件的聚焦的同时导致调节照明。然而，必须移动相当大的质量，以便将发射光学器件在光轴上移动。照明的调节将因此昂贵并相对缓慢。

在未公布的申请号为EP 11162584.4的欧洲专利申请中公开了一种用于读码器的环形照明，其中多个类似的透镜围绕外壳盖(

)的圆周分布设置。通过以螺纹旋转外壳盖来改变到达照明的光源的距离。因此改变分配到各自的光源的透镜，因此为每个光源有效地设置具有新的距离的、其它的但相同类型的透镜，使得照明被相应地聚焦。此外，必须移动整个外壳盖，并因此移动大的质量。

因此，本发明的目的是，为通用的照明实现照明场的简单的跟踪。

该目的是通过根据权利要求1或15所述的用于为基于相机的读码器产生照明区域的照明装置和方法来实现的。其中，该解决方法的基本思想是，借助于调整设备改变发射光学器件的光学器件保持器和光发射器之间的相对位置，以便改变照明的调节。然而为了实现小的移动质量和小的设置改变，光学器件保持器固定在至少一个固定点处。该固定点例如是光学器件保持器与外壳部分的连接部，在所述外壳部分中具有光发射器。因此形成光学器件保持器的强制性的定位，所述光学器件保持器将其位置保持在固定点上而与调整设备的操纵无关。

本发明具有的优点在于，即使在大的距离范围内也确保希望的(例如均匀的)光线分布。因此，照明可以跟踪要被拍摄的对象或相机的接收单元。由于在较小的质量的情况下的简单移动使得设置非常快，甚至在毫秒范围内，则在较小的力量作用下实现了在可相应地被简单实施的调整设备。因此，照明装置保持低成本并可易于大量再生产。而调整不是必要的。任意的照明场景是可能的，其中能够使用照明覆盖大的视野深度区域

由于仅移动光学器件保持器，因此具有光发射器的电子卡可保持固定，使得可实现电子卡的优良的热连接并避免移动电缆。

调整设备优选地被构建成将光学器件保持器沿着光发射器的光轴移动，其中发射光学器件在该移动中通过被固定在固定点处而可同时横向于光轴移动和/或倾斜。虽然调整设备仅产生简单的一维移动，但由于固定点导致了发射光学器件在两个坐标上可设置。对于位置变化，还可以出现通过光学器件保持器和其固定被明确定义的倾斜，并因此调节照明或甚至决定性地影响照明。还可设想的是，调整装置以横向于光轴的分量作用或者甚至垂直于光轴作用。还提供了固定点，其用于使发射光学器件不仅沿着光轴移动而且横向地移动。

发射光学器件优选地与光学器件保持器整体地形成。因此，不需要另外的安装或调整步骤。特别简单的优选的制造方法包括，将构建发射光学器件的透镜或其它光学元件注入到光学器件保持器中。

光学器件保持器优选地被构建为塑料注模部件或板，特别是构建为透镜板。因此光学器件保持器可方便地以所需的几何形状制造。在设置时，该光学器件保持器在固定点处提供了必要的灵活性，并允许特别是通过透镜的注入(Einspritzen)与发射光学器件整体地生产。优选地，在轴承点或弯曲点处设为逐渐变细(Verjüngungen)。

照明装置优选地包括多个光发射器，其中发射光学器件具有多个被分配给光发射器的、特别是相互类似的透镜。其中例如每个光发射器还具有一个透镜或具有多个透镜的排列。

照明装置被优选地构建为环形照明，其中光发射器环形分布在该环形照明的圆周上。更优选的是，该分布是均匀的。这有利于生产和读码器的读取区域的均匀照明。

优选地，光学器件保持器被固定在外圆周区域，并且在内部区域中可通过调整设备移动，反之亦然。因此，调整设备集中调整光学器件保持器的内部区域，并且受到光学器件保持器的弹性变形作用而相对于在外部区域的固定轴承结构来调整，反之亦然。

在一个优选的改进方案中，光学器件保持器被构建为星形，并在星的每个放射状区域中具有发射光学器件的至少一个光学元件。在操纵光学器件保持器时放射状区域弯曲，以便将光学元件或透镜带到所希望的状态(Position)和定向。星形光学器件保持器被特别构建为星形的透镜板。

光学器件保持器优选地具有至少一个柔性的部分区域，其通过操纵调整设备可弹性地变形。该柔性的部分区域还是例如额定弯曲点的物体，以便防止光学器件保持器不受控制地变形，以及在操纵调整设备时将发射光学器件可靠地带入所希望的状态。

优选地，每个柔性的部分区域被设为中央地或侧向地位于星的放射状区域中。因此，星形的光学器件保持器在操纵调整设备时以特别受控的方式变形，使得可实现发射光学器件的可靠的设置，并由此实现照明的可靠的设置。

照明装置优选地具有至少两个各自具有发射光学器件的光学器件保持器。此外，还可以使用用于调节照明的、成本更高昂的、多件式的光学器件。因此，光学器件保持器的可设置性的所有的混合形式是可以设想的，还例如可设置每个都具有各自的调整设备的两个光学器件保持器，使得共同的调整设备作用于两个光学器件保持器，或使得一个光学器件保持器是刚性的而仅仅另外一个光学器件保持器由调整设备改变。还可能的是，设有额外的光学器件保持器，其没有被固定到固定点上，例如为了首先设置照明的粗略的工作范围，在其中提供被设在固定点处的、用于快速调整的另外一个光学器件保持器。

调整设备优选地具有手动操纵装置或可电子控制的传动装置(Aktor)。手动操纵装置的例子是，具有用于光学器件保持器的螺旋形引导槽的旋转环。自动的传动装置包括例如电动马达、动圈或压电元件。

在本发明的优选的改进方案中，基于相机的读码器包括根据本发明的照明装置，并且此外还具有图像传感器和估值单元，该估值单元被构建为用于从图像传感器的图像数据读取并给出所拍摄的编码的编码信息。即使在不希望的环境条件下，均匀地并充足地照亮编码，并因此能够以非常低的读取误差来进行拍摄。

调整设备优选为具有到用于图像传感器的接收光学器件的聚焦设备的耦合。因此，用于图像传感器的聚焦调节的接收侧的对象移动装置被用作照明调节装置的传动装置。因此，可以省去传动装置。此外，可实现在发射器设计和接收器光学器件之间的最佳调准(Abstimmung)，使得图像传感器的聚焦和照明在很大程度上独立于要设置的工作距离来实现最佳的相互配合。

根据本发明的方法能够以相似的方式被改进，以及因此示出相似的优点。该类型的有利的特征是示例性的，而没有在独立权利要求的所附从属权利要求中被详尽无遗地描述。

在下面借助于实施方案并参照附图更详细地描述了关于本发明的另外的特征和优点。所绘附图示出了：

图1示出了基于相机的读码器的剖视图，其照明被设置到远程工作距离；

图2示出了基于相机的读码器的剖视图，其照明被设置到近程工作距离；

图3示出了关于根据图1和2设置的照明的位置依赖的强度分布；

图4a示出的照明装置的视图，其中为了简单起见，只示意性示出了一个透镜和一个固定到固定点处的光学器件保持器；

图4b是在预设的工作距离中的根据图4a的视图；

图5示出了被构建为星形的光学器件保持器的俯视图；

图6a示出了具有设在星的放射状区域中央的柔性的部分区域的、被构建为星形的光学器件保持器的变体的详细视图；

图6b示出了具有设在星的放射状区域偏离中央的位置的柔性的部分区域的、被构建为星形的光学器件保持器的另一个变体的详细视图；

图7a是照明装置的另一个实施方案的、与图4相似的视图，其中为了简单起见，仅示意性地示出了一个透镜和一个固定在固定点处的光学器件保持器，其具有在固定点处被改变的连接位置和连接定向；

图7b是在预设的工作距离中的根据图7a的视图；

图8a是照明装置的另一个实施方案的、与图4相似的视图，其中为了简单起见，仅示意性地示出了一个透镜和一个固定在固定点处的光学器件保持器，其中光学器件保持器具有被改变的形状；

图8b是在预设的工作距离中的根据图8a的视图；

图9a是照明装置的另一个实施方案的、与图4相似的视图，其中为了简单起见，仅示意性地示出了一个透镜和一个固定在固定点处的光学器件保持器，其中调整设备具有被改变的入射方向；

图9b是在预设的工作距离中的根据图9a的视图；

图10a是照明装置的视图，其中为了简单起见，仅示出了透镜和每个固定在固定点处的光学器件保持器；

图10b是在预设的工作距离中的根据图10a的视图；

图11是具有根据现有技术的照明的、基于相机的读码器的剖视图；以及

图12是在两个不同的工作距离设置中的、根据图11的常规的读码器的照明的依赖于位置的光强分布。

图11首先示出了具有根据现有技术的照明的、基于相机的读码器100的剖视图。读码器100具有纯粹示例性的通过两个透镜示出的接收光学器件102，以清晰地在图像传感器104上对未被示出的编码进行成像。然后，编码的图像数据被提供到提取编码信息的估值单元106。可以经由接口108交换编码信息，以及例如原始图像数据、参数或状态信息。

读码器100包括传统的照明装置200，其具有多个环状围绕接收光学器件102设置的光发射器202。光发射器是通过单个的透镜所示出的、被刚性分配的发射光学器件204。为了说明的目的，所绘直线206和208将照明装置200的光路切割为近程的第一工作距离或远程的第二工作距离。

图12示出在通过直线206和208表示的第一或第二工作距离处的、与位置相关的照明的强度分布曲线210和212。强度分布212显示出在要通过读码器100以远程的第二工作距离来拍摄的物体上的非常均匀的能量分布。与之相对地，强度曲线210示出了在近程的第一工作距离处的、除非进行调整否则基本上毫无用处的照明。

图1至图3示出了关于具有可调节的照明装置10的、基于相机的读码器100的类似的情况。读码器100的接收侧具有相应于图11的传统结构的接收光学器件102、图像传感器104、估值单元106和接口108。本发明将描述该类型的基于相机的读码器100的示例。照明装置10也可以同样用于具有其自身的照明的其它相机。此外，照明并不限于在图1中示出的的环形照明。

在照明装置10中，环形地设有多个(例如两个到十个，或更多个)光发射器12。光发射器16作为光源，例如是LED。光发射器12被分配有示出为透镜的照明或发射光学器件14的光学元件。还可使用其它折射、反射或衍射的光学光束形成元件来替换透镜。所示透镜可始终代表由多个光学元件组成的镜头。另外可以设想的是，光发射器12被额外分配未示出的、位置固定的光束形成光学器件。

图1示出了按照关于远程的工作距离的第一设置的发射光学器件14以及照明装置10，所述远程的工作距离通过线16示出。图2相对地示出了关于近程的、通过线18示出的工作距离的第二设置，其中根据图4到10更详细地说明的光学器件保持器确保了对由其所保持的发射光学器件14的设置。图2仅通过发射光学器件14的倾斜透镜来表示。

图3示出了在通过直线16和18表示的工作距离处的、与位置相关的照明的强度分布曲线20和22。其中在近程工作距离中的能量分布在较小的范围内，使得强度分布曲线20保持更高或更窄。然而，两个强度分布曲线20和22显示了非常好的均匀性，并提供了与根据传统的固定的照明装置200的图12的强度曲线208、210相比不同的情况，照明条件适于所选定的工作距离中的可靠的对象和编码的拍摄。另外，通过根据需求适当控制发射元件的亮度，还可实现在距离上恒定的照明强度。

图4示意性地示出了光发射器12和作为从属的发射光学器件14的透镜，该发射光学器件14例如可以为照明装置10的一部分，或其它的(例如没有被构建为环的)照明装置的一部分。发射光学器件14由仅示意性地以截面示出的、被固定到固定点26处的光学器件保持器24所保持。在图中分别仅通过箭头来示出其作用方向的、手动的或自动的调整设备28设置光学器件保持器24。因为光学器件保持器24在固定点26不移动，调整设备28的位置移动通常表现为光学器件保持器24的弹性变形。图4a示出了起始位置，发射光学器件14被直线定向并且位于光发射器12近程处。相对地在图4b中，调整设备28将光发射器12(如通过箭头30所示)沿着光轴移位。然而由于被固定到固定点26，光学器件保持器24不可简单地随着光发射器12移位，而是发射光学器件14被强制性地在通过箭头32所示出的横向方向上朝着光轴偏转。因此，发射光学器件14的定位同样发生在两个自由度上。同时，光学器件保持器24和发射光学器件12在所示出的示例中的悬置

类型还导致了发射光学器件14的倾斜。通过光学器件保持器24的未示出的可选的设计方案，比如以平行导向的形态，也可避免倾斜。

光学器件保持器24被固定到的固定点26除了导致简单的设置移动之外，相应地还导致发射光学器件14在多个自由度上的移位，使得通过移动仅很小的质量就能够调整特别大的设置范围。因此，照明将快速且简单地适应于工作距离，以及以希望的方式(例如在图3中所示的均匀的方式)照亮要拍摄的对象。

图5示出了星形的实施方案中的光学器件保持器24的俯视图。在星形的放射状区域内分别设有发射光学器件14的透镜。在中央设有接收光学器件102的开口36。该光学器件保持器24可优选地被构建为透镜板，其中透镜作为发射光学器件14被直接注入。板的几何形状每个都是通过所需要的照明场景的边界条件所确定的，并允许所有必要的设计和移动的自由度。而光学器件保持器24作为塑料注模部件也是可能。此外，在放置和弯曲的位置，例如被形成为逐渐变细或逐渐加强，使得光学器件保持器24支持必要的设置特性。

该星形的实施方案是环形照明的示例，其中，光发射器12环形地并且优选为均匀地围绕接收光学器件102分布，其中每个发射光学器件14在此处示例性地被分配具有彼此相同类型的简单的透镜的形式。星形的光学器件保持器24在内圆周处，也在开口36处，或在其外圆周处，相应地在放射状区域的端部处，在壳体处或在相对于光发射器12位置固定的另一个元件处被固定。调整设备28相应地抵接在光学器件保持器24的地点或位置固定的外圆周或内圆周处。在操纵调整设备28时，放射状区域弯曲，并且内部区域相对于外部区域移动，其中发射光学器件14以所需的方式被定位和倾斜。

图6示出了星形的光学器件保持器24的放射状区域的详细视图。可选的是，所示出的也可以被视为仅具有单个的光源12和发射光学器件14的单一的照明装置，或被视为不同于星形的光学器件保持器24的一部分。在放射状区域内，例如在放射状区域基部附近所示出的，存在柔性的部分区域38。在操纵调整设备28时，变形主要地或甚至几乎完全地通过该柔性的部分区域38所导致。在根据图6a的实施方案中，柔性的部分区域38被设在中央，而与之相对地，在根据图6b的实施方案中，该柔性的部分区域38被设在偏离中央的位置处。类似地，弯曲并非仅分布在一个位置上而是在多个优选的位置上。

图7至图9示出了对根据图4的实施方式而言关于光学器件保持器24的几何形状、固定点26的位置和在到固定点26的连接位置处的光学器件保持器的定向，以及调整设备28的作用方向的可供选择的实施方案。在根据图7的实施方案中，光学器件保持器24到固定点26的连接相对于图4中的连接是正交的，由此使得光学器件保持器24的形状可以容易地选择。在根据图8的实施方式中，光学器件保持器24额外分段地给出了另外一个弯曲位置，以便支持变形，并在变形时改变移动行为。在根据图9的实施方案中，调整设备28与从发射光学器件14所观察到的、与固定点26相对的侧面接合到光学器件保持器24，并且作为代替沿着垂直于光发射器12的光轴的方向作用。这仅是示例性的形状可能性的一种选择，其特别是可相互结合的。

图10示出了发射光学器件14和光学器件保持器24的另一个实施方案。其中发射光学器件14和光学器件保持器24a-b每个都为多件式的。在光发射器12之前首先具有位置固定的透镜14c。下面接着是各自具有额外的透镜14a-b的第一光学器件保持器24a和第二光学器件保持器24b。还可应用其它的折射、反射、衍射或全息的光学元件来替换透镜14a-c。透镜14a-c共同形成发射光学器件14。两个光学器件保持器24a-b可分别通过调整设备28a-b改变其状态，并且分别固定在固定点26a-b。每个光学器件保持器24a-b与其透镜14a-b以及调整设备28a-b还表现为整体对应于如在图4、7、8和9中示例性描述的单个的光学器件保持器24，而且还可能不同于由图10所示出的全部的变体和组合来设计光学器件保持器24。还可以设想的是，光学器件保持器24a-b中的至少一个是不可设置的，没有固定在固定点26a-b上，而是仅可沿光轴设置，或调整设备26a-b同时作用于多个光学器件保持器24a-b。光学器件保持器24a-b可以例如根据图5和图6被构建为星形或设置有柔性的部分区域38。

通过多个光学元件的顺序排列，在发射光学器件14的设计中具有更大的自由度和与其距离相关的调节。因此还可特别用于特别苛刻的照明场景。

Claims

1.一种用于为基于相机的读码器(100)产生照明区域的照明装置(10)，所述照明装置(10)具有至少一个光发射器(12)、发射光学器件(14)、用于发射光学器件(14)的光学器件保持器(24)和调整设备(28)，所述光学器件保持器(24)能够借助于所述调整设备(28)移动，并且因此照明区域能够聚焦在工作距离上和/或所述照明区域的尺寸能够调节，

其特征在于，

所述光学器件保持器(24)被固定在至少一个固定点(26)处，使得在操纵所述调整设备(28)时所述光学器件保持器(24)被强制性地相对于所述光发射器(12)移动，但在所述固定点(26)处所述光学器件保持器(24)保持相对于所述光发射器(12)的相对位置。

2.如权利要求1所述的照明装置(10)，其中所述调整设备(28)被构建成使得所述光学器件保持器(24)沿着所述光发射器(12)的光轴移动，其中所述发射光学器件(14)在该移动中通过被固定在所述固定点(26)处而能够同时横向于所述光轴移动和/或倾斜。

3.如权利要求1或2所述的照明装置(10)，其中所述发射光学器件(14)与所述光学器件保持器(24)整体地形成，特别是通过将透镜注入到所述光学器件保持器(24)中来形成。

4.如前述权利要求中任一项所述的照明装置(10)，其中所述光学器件保持器(24)被构建为塑料注模部件或板，特别是构建为透镜板。

5.如前述权利要求中任一项所述的照明装置(10)，其中所述照明装置(10)包括多个光发射器(12)，并且其中所述发射光学器件(14)具有多个被分配给所述光发射器(12)的、特别是相互类似的透镜。

6.如权利要求5所述的照明装置(10)，所述照明装置(10)被构建为环形照明设备，其中所述光发射器(12)环形地分布在所述环形照明设备的圆周上。

7.如权利要求6所述的照明装置(10)，其中所述光学器件保持器(24)被固定在外圆周区域，并且在内部区域中能够通过调整设备(28)移动，反之亦然。

8.如权利要求5到7中任一项所述的照明装置(10)，其中所述光学器件保持器(24)被构建为星形，并且在所述星的每个放射状区域中具有所述发射光学器件(14)的至少一个光学元件。

9.如前述权利要求中任一项所述的照明装置(10)，其中所述光学器件保持器(24)具有至少一个柔性的部分区域(38)，所述部分区域(38)能够通过操纵所述调整设备(28)而弹性地变形。

10.如权利要求8和9所述的照明装置(10)，其中每个柔性的部分区域(38)被设为中央地或侧向地位于所述星的放射状区域中。

11.如前述权利要求中任一项所述的照明装置(10)，所述至少两个光学器件保持器(24a-b)各自具有发射光学器件(14a-b)。

12.如前述权利要求中任一项所述的照明装置(10)，其中所述调整设备(28)具有手动操纵装置或能够电子控制的传动装置。

13.一种基于相机的读码器(100)，所述读码器(100)具有如前述权利要求中任一项所述的照明装置(10)，所述读码器(100)具有图像传感器(104)和估值单元(106)，所述估值单元(106)被构建为用于从所述图像传感器(104)的图像数据读取并给出所拍摄的编码的编码信息。

14.如权利要求13所述的照明装置(10)，其中所述调整设备(28)具有到用于所述图像传感器(104)的接收光学器件(102)的聚焦设备的耦合。

15.一种用于为基于相机的读码器(100)产生照明区域的方法，其中用于光发射器(12)的发射光学器件(14)的光学器件保持器(24)移动，并因此所述照明区域能够聚焦在工作距离上和/或所述照明区域的尺寸能够调节，

其特征在于，

使固定在至少一个固定点(26)处的光学器件保持器(24)强制性地相对于所述光发射器(12)移动，而在所述固定点(26)处保持所述光学器件保持器(24)相对于所述光发射器(12)的相对位置。