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
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Abstract
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
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
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:
Auf einen Code auftreffende Lichtstrahlen
Der Flächenkamera
Die Beleuchtungseinheit
In der Auswerteeinheit
Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor
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
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
In der Auswerteeinheit
Aus den so gewonnenen Informationen über die Schärfe der Abbildung des Referenzmusters werden in der Auswerteeinheit
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
Der einzige konstruktive Unterschied besteht in der Abbildung des von der Leuchtdiode
Da nun das Referenzmuster einerseits und die Codes andererseits auf unterschiedliche Teilbereiche T1, T2 der Flächenkamera
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
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Legal Events
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |