DE102017119282B4

DE102017119282B4 - Optische Abbildungsvorrichtungen und -verfahren

Info

Publication number: DE102017119282B4
Application number: DE102017119282.4A
Authority: DE
Inventors: Esther Oteo; Laurens Nunnink; Matthew D. Engle; Carl W. Gerst III
Original assignee: Cognex Corp
Current assignee: Cognex Corp
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: US10565413B2; US20200387682A1; CN113051943A; US9996721B2; US11100301B2; DE102017119282A1; CN107784245A; US20180060626A1; US20190138774A1; CN107784245B

Abstract

Optische Abbildungsvorrichtung zum Lesen optischer Codes, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:einen Bereichssensor, der eine erste Vielzahl von Pixelzeilen umfasst, wobei der Bereichssensor zur Erfassung mittels nur einer zweiten Vielzahl von Pixelzeilen ausgebildet ist, wobei die zweite Vielzahl von Pixelzeilen an einer vorbestimmten Position des Bereichssensors angeordnet ist und weniger Pixelzeilen aufweist als die Anzahl von Pixelzeilen in der ersten Vielzahl von Pixelzeilen;ein Objektiv, wobei das Objektiv einen Abbildungsgang entlang einer optischen Achse aufweist;eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen, wobei die Beleuchtungsvorrichtungen zur Übertragung eines Beleuchtungsmusters durch Erzeugung eines Beleuchtungsgangs entlang der optischen Achse ausgebildet sind; undeine Vielzahl von reflektierenden Flächen, wobei die reflektierenden Flächen zur Umlenkung der optischen Achse ausgebildet sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Nicht zutreffend
HINWEIS AUF STAATLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
Nicht zutreffend
HINTERGRUND
Die Markierung von Gegenständen mit Codes zur Identifizierung ist sowohl im industriellen als auch im kommerziellen Bereich weit verbreitet. So werden zum Beispiel eindimensionale (Barcode) und zweidimensionale Codes auf Gegenständen angebracht, um anhand der in den Codes enthaltenen Daten eine schnelle Identifizierung des Gegenstands zu ermöglichen. Im Allgemeinen werden zum Lesen der Codes Laserscanvorrichtungen und -systeme verwendet, da sie in der Lage sind, den Code auf einem Gegenstand auch dann erfolgreich zu scannen, wenn der Gegenstand schnell an dem Scanner vorbeibewegt wird. Hierdurch können Laserscanvorrichtungen im Vergleich zu anderen Scanvorrichtungen hohe Scanraten (Zeilen/Sekunde) aufweisen.
Außerdem sind Lasersysteme leicht in Betrieb zu nehmen, da ein Lesebereich eines Laserscanners durch die Laserzeile klar markierbar ist. Dies ermöglicht dem Nutzer die schnelle Bestimmung einer geeigneten Ausrichtung des Laserscanners und von Peripheriegeräten. Des Weiteren können Laserscanvorrichtungen große Sichtwinkel aufweisen (z. B. 60 bis 90 Grad). Durch den großen Sichtwinkel können Laserscanner sehr nahe an dem zu scannenden Gegenstand oder an dem Scanbereich (d. h. einem Förderband) installiert sein, wobei ihnen dennoch ein zum Lesen eines Codes ausreichender Lesebereich bleibt.
Allerdings unterliegen Laservorrichtungen zahlreichen Bestimmungen und sind grundsätzlich zur Beschränkung der Energiemenge, die ein Laser abgeben kann, geregelt. Diese Regulierung der Laserausgangsleistung kann die Abstände und Sichtfelder (FOV; engl. field ofview), über welche die Laserscanvorrichtungen und -systeme anwendbar sind, einschränken. Außerdem nutzen viele Laserscanvorrichtungen rotierende oder schwingende Spiegel zur Erzeugung eines beweglichen Punkts. Durch diese beweglichen Teile können Laserscanvorrichtungen zusätzlichem Verschleiß unterworfen sein, wodurch sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Lebensdauer der Vorrichtung sinkt.
Bislang wurde versucht, mittels maschinell sehenden oder kamerabasierten Systemen eine Alternative zu Laserscanvorrichtungen vorzusehen. Bisherige maschinell sehende oder kamerabasierte Systeme wiesen jedoch keine Scanraten auf, die insbesondere in Anwendungen, bei denen die Codes schnell gescannt werden müssen, zum Scannen vieler Codes ausreichend waren. Bei Anwendungen, bei denen sich der Gegenstand beispielsweise mit ungefähr 1 m/s bewegt, kann ein Laserscanner den Code mit 1000 Zeilen pro Sekunde scannen. Somit würde der Code zwischen zwei Scans nur 1 mm zurücklegen. Ein typisches maschinell sehendes oder kamerabasiertes System weist jedoch ggf. eine Scanrate von lediglich 30 Bildern pro Sekunde auf und lässt damit 33 mm Bewegung zwischen den Bildern zu. Dies kann zu ausgelassenen Codes oder zu nur teilweise abgebildeten Codes führen oder womöglich dazu, dass der Code in keinem der Bilder erfasst ist.
Des Weiteren ist maschinell sehenden oder kamerabasierten Systemen der Öffnungswinkel des Sichtfelds durch die Brennweite des Abbildungsobjektivs und durch die Sensorgröße vorgegeben. Üblicherweise haben diese Systeme einen Öffnungswinkel von circa 30 Grad bis circa 40 Grad. Diese Öffnungswinkel sind im Allgemeinen kleiner als bei Laserscansystemen. Damit ein kamerabasiertes oder maschinell sehendes Scansystem das gleiche Sichtfeld wie ein Laserscansystem abdecken kann, muss das kamerabasierte oder maschinell sehende System weiter von dem abzubildenden Gegenstand entfernt angeordnet sein als ein Laserscansystem. Somit bedarf es einer Lösung zur Erhöhung einer Scanrate eines maschinell sehenden Systems.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine optische Abbildungsvorrichtung zum Lesen optischer Codes offenbart. Die Abbildungsvorrichtung umfasst einen Bereichssensor, ein Objektiv, eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen und eine Vielzahl von reflektierenden Flächen. Der Sensor ist zur Erfassung mittels einer vorbestimmten Anzahl von Pixelzeilen ausgebildet, wobei die vorbestimmten Pixelzeilen an einer vorbestimmten Position angeordnet sind. Das Objektiv weist einen Abbildungsgang entlang einer optischen Achse auf. Die Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen ist zum Übertragen eines Beleuchtungsmusters durch Erzeugung eines Beleuchtungsgangs entlang der optischen Achse ausgebildet, und die Vielzahl von reflektierenden Flächen ist zur Umlenkung der optischen Achse ausgebildet.
Bei einigen Ausführungsformen werden nur die vorbestimmten Pixelzeilen zum Abbilden eines Gegenstands verwendet. Der Sensor kann 960 Zeilen aus 1280 Pixeln aufweisen, und die vorbestimmte verwendete Anzahl von Pixelzeilen kann 40 betragen.
Bei einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen um Leuchtdioden. Diese Beleuchtungsvorrichtungen können auf einer Ebene ausgebildet sein, welche auch die optische Achse enthält. Bei der Vielzahl von reflektierenden Flächen kann es sich um Spiegel handeln. Einige Ausführungsformen umfassen reflektierende Flächen, die zur Umlenkung einer Beleuchtungsachse entlang einer der optischen Achse entsprechenden Achse ausgebildet sind. Bei einigen Ausführungsformen verkürzt die Umlenkung der optischen Achse einen Mindestfokusabstand zu einer nächstgelegenen Leseebene. Außerdem kann die Umlenkung der optischen Achse einen zwischen der Vorrichtung und einer nächstgelegenen Leseebene erforderlichen Bauraum verringern. Wahlweise ist ein von den Beleuchtungsvorrichtungen erzeugtes Beleuchtungsmuster mit der vorbestimmten verwendeten Anzahl von Pixelzeilen des Sensors konjugiert.
Die optische Abbildungsvorrichtung kann des Weiteren ein Austrittsfenster umfassen, wobei der Beleuchtungsgang und der Abbildungsgang ggf. durch das Austrittsfenster aus der optischen Abbildungsvorrichtung austreten. Das Austrittsfenster kann in dem Abbildungsgang und/oder dem Beleuchtungsgang des Weiteren einen Filter zur Filterung eines vorbestimmten Bandes der Lichtwellenlängenspektren aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Austrittsfenster mehrere Filter, wobei die Filter in dem Abbildungsgang und in dem Beleuchtungsgang mit gekreuzten Polarisationsrichtungen polarisiert sind.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Lesen optischer Codes mittels einer optischen Vorrichtung offenbart. Das Verfahren umfasst das Fokussieren eines Abbildungsgangs entlang einer optischen Achse mittels eines Objektivs, das Erzeugen eines Beleuchtungsmusters, das Umlenken des Abbildungsgangs mittels einer Vielzahl von reflektierenden Flächen und das Erfassen eines Gegenstands in dem Abbildungsgang mittels eines Bereichssensors. Das Objektiv ist in der optischen Vorrichtung integriert, und das Beleuchtungsmuster weist einen Beleuchtungsgang entlang einer Achse auf, die ungefähr einer Achse des Abbildungsgangs entspricht. Der Sensor verwendet nur eine vorbestimmte Anzahl von dem Sensor zur Verfügung stehenden Pixelzeilen.
Das Verfahren kann des Weiteren wahlweise das Umlenken des Beleuchtungsmusters mittels der Vielzahl von reflektierenden Flächen umfassen. Das Verfahren kann des Weiteren auch das Verringern von Rückstrahlungen von den optischen Codes mittels eines Filters umfassen, bei dem es sich um einen UV-Filter handeln kann. Die optische Vorrichtung kann des Weiteren in dem Abbildungsgang und/oder in dem Beleuchtungsgang auch einen optischen Filter zum Herausfiltern eines vorbestimmten Bandes der Lichtwellenlängenspektren aufweisen. Das Beleuchtungsmuster kann mittels einer Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen erzeugt werden, und die Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen kann in die optische Vorrichtung integriert sein.
Ebenfalls offenbart ist eine Anbauumlenkvorrichtung für eine bestehende optische Abbildungsvorrichtung. Die Anbauumlenkvorrichtung umfasst einen Strahlengangumlenkabschnitt und eine Einrichtung zur Erzeugung eines zeilenförmigen Beleuchtungsmusters. Der Strahlengangumlenkabschnitt ist zur Umlenkung eines Strahlengangs der optischen Abbildungsvorrichtung ausgebildet, und die Einrichtung zur Erzeugung eines zeilenförmigen Beleuchtungsmusters entspricht einem Fensterabschnitt eines Sensors der optischen Abbildungsvorrichtung. Die Einrichtung zur Erzeugung eines zeilenförmigen Beleuchtungsmusters kann wahlweise einen Strahlteiler und/oder einen dichroitischen Spiegel umfassen. Die Anbauumlenkvorrichtung kann des Weiteren ein geneigtes Austrittsfenster zur Reduzierung von Rückstrahlungen in die Zubehörvorrichtung umfassen, welches um ungefähr 15 bis 30 Grad geneigt sein kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

1 zeigt eine übliche Bestimmung eines Sichtfelds einer optischen Leseeinrichtung.
2 zeigt eine Bestimmung eines Sichtfelds einer optischen Leseeinrichtung mit einer alternativen Objektivbrennweite.
3A zeigt eine systematische Ansicht einer üblichen optischen Leseeinrichtung.
3B zeigt eine systematische Ansicht einer üblichen optischen Leseeinrichtung mit einer einzelnen Umlenkung.
4 zeigt eine graphische Darstellung eines Sensors mit Fenster.
5 zeigt eine graphische Darstellung eines Sensors mit Fenster, der einen sich in einer definierten Richtung bewegenden eindimensionalen Barcode erfasst.
6A zeigt eine systematische Ansicht einer Ausführungsform eines Beleuchtungsvorrichtungsmusterlayouts für einen Beleuchtungsgang auf derselben Ebene wie die optische Achse.
6B zeigt eine alternative systematische Ansicht einer Ausführungsform eines Beleuchtungsvorrichtungsmusterlayouts für eine Beleuchtung auf derselben Ebene wie die optische Achse.
7 zeigt eine systematische Ansicht einer alternativen optischen Leseeinrichtung mit einfacher Umlenkung, die einen längeren inneren Gang aufweist.
8 zeigt eine systematische Ansicht eines beispielhaften Abbildungssystems mit einem mehrfach umgelenkten Strahlengang.
9 zeigt eine systematische Ansicht einer Ausführungsform eines Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen mit Darstellung der Umlenkung eines Strahlengangs in dem Abbildungssystem.
10 zeigt eine isometrische Ansicht des Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen nach 8.
11 zeigt eine Seitenansicht des Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen nach 8.
12 zeigt eine Schnittansicht eines alternativen Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen.
13 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen, bei welchem die Beleuchtung nicht zusammen mit dem Abbildungsgang umgelenkt wird.
14 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen, welches einen Strahlteiler zur Kombinierung des Beleuchtungsgangs und des Strahlengangs aufweist.
15 zeigt ein mögliches Beleuchtungsmuster bei Verwendung einer wie oben beschriebenen optischen Abbildungsvorrichtung.
16A bis 16C zeigen mehrere Ausführungsformen von Beleuchtungsoptiken.
17 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Abbildungssystems mit mehreren reflektierenden Flächen, das ein geneigtes Austrittsfenster aufweist.
18 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Erfassen eines Gegenstands mittels eines optischen Abbildungssystems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bevor Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden, ist zu beachten, dass die Erfindung hinsichtlich ihrer Anwendung nicht auf die in der folgenden Beschreibung erläuterten oder in der nachfolgenden Zeichnung dargestellten konstruktiven Einzelheiten und Teileanordnungen beschränkt ist. Die Erfindung kann weitere Ausführungsformen annehmen und auf diverse Arten umgesetzt und angewendet werden. Außerdem ist zu beachten, dass die hier verwendeten Formulierungen und die hier verwendete Terminologie der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend anzusehen ist. Die Verwendung von Begriffen wie „aufweisen“ oder „umfassen“ und deren Ableitungen soll bedeuten, dass die darauffolgend aufgezählten Dinge oder Äquivalente zu diesen ebenso wie weitere Dinge eingeschlossen sind. Sofern nicht anderweitig spezifiziert oder eingeschränkt, sind die Begriffe „installiert“, „verbunden“, „getragen“ und „gekoppelt“ sowie deren Ableitungen im weiten Sinn verwendet und umfassen sowohl direkte als auch indirekte Befestigungen, Verbindungen, Halterungen und Kopplungen. Des Weiteren sind „verbunden“ und „gekoppelt“ nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
Weiterhin sind unter dem Begriff „Code“ diverse lesbare Codes, wie z. B. eindimensionale „Barcodes“, zweidimensionale Codes (z. B. QR-Codes usw.) und zahlreiche andere Codearten zu verstehen. Die Verwendung des Begriffs Code stellt keine Beschränkung auf den jeweils angewendeten Code dar.
Die folgende Beschreibung soll einen Fachmann in die Lage versetzen, die Ausführungsformen der Erfindung herzustellen und zu verwenden. Dem Fachmann werden ohne Weiteres verschiedenste Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen offensichtlich sein, und die hier genannten gattungsgemäßen Prinzipien können auch auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewandt werden, ohne von den Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen. Somit sollen die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern ihnen ist im Einklang mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen der weitestmögliche Geltungsbereich zuzugestehen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist mit Bezug auf die Zeichnung zu betrachten, in der gleiche Elemente in verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen aufweisen. Die Figuren, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, stellen ausgewählte Ausführungsformen dar und sollen den Geltungsbereich der Ausführungsformen der Erfindung nicht einschränken. Der Fachmann wird erkennen, dass zu den hier angeführten Beispielen zahlreiche nützliche Alternativen bestehen, welche in den Geltungsbereich der Ausführungsformen der Erfindung fallen.
Die Verwendung von Abbildungsvorrichtungen und -systemen zum Lesen von Codes oder auch zum Ausführen grundlegender Abbildungsaufgaben macht es erforderlich, dass die Abbildungsvorrichtung bzw. die Leseeinrichtung einen Mindestabstand von den abzubildenden Gegenstand aufweist, damit sichergestellt ist, dass ein geeignetes Sichtfeld und ein geeigneter Fokus realisierbar sind. Bei einigen Anwendungen kann der zwischen einer Leseeinrichtung und dem abzubildenden Gegenstand verfügbare Abstand unter Umständen sehr begrenzt sein. Bei einigen Beispielen kann die Brennweite eines in einer optischen Leseeinrichtung verwendeten Objektivs modifiziert werden, um einen Mindestabstand zu einer nächstgelegenen fokussierten Ebene zu reduzieren. Allerdings kann die Reduzierung des Mindestabstandes zur nächstgelegenen fokussierten Ebene durch Reduzierung einer Brennweite den Sichtfeldwinkel vergrößern, wodurch sich eine entfernteste Abbildungsebene vergrößert. Diese Vergrößerung einer entferntesten Abbildungsebene kann die Auflösung in der entferntesten Abbildungsebene verringern, wodurch die Analyse kleinerer Gegenstände schwieriger wird. Ein Beispiel für die Anpassung einer Brennweite zur Reduzierung des Mindestfokusabstands ist der nachfolgenden Beschreibung von 1 und 2 entnehmbar.
1 zeigt eine übliche optische Leseeinrichtung 100 mit einem Sichtfeld (FOV) 102. Die Leseeinrichtung 100 kann zum Lesen von Daten zwischen einer ersten Ebene 104 und einer zweiten Ebene 106 ausgebildet sein. Die erste Ebene 104 und die zweite Ebene 106 können durch einen ersten Abstand 108 voneinander getrennt sein. Bei einem Beispiel kann der Abstand 304 mm betragen. Der erste Abstand 108 kann jedoch auch mehr als 304 mm oder weniger als 304 mm betragen. Außerdem können die erste Ebene 104 und die zweite Ebene 106 definierte Breiten aufweisen. Bei einem Beispiel kann die erste Ebene 104 eine Breite von 100 mm und die zweite Ebene 106 eine Breite von 254 mm aufweisen. Demnach ist das FOV 102 der Leseeinrichtung 100 definierbar, sobald die Größe des Sensors und die Brennweite eines Objektivs in der Leseeinrichtung bestimmt sind. Ausgehend von einem 1/3 Zoll großen Sensor und einem Objektiv mit einer Brennweite von 9,6 mm kann das FOV 102 bei dem Beispiel von 1 ± 14 Grad betragen, wobei die erste Ebene 104 und die zweite Ebene 106 wie oben beschrieben angeordnet sind. Hieraus ergibt sich ein Abstand 109 von ungefähr 203 mm zwischen der ersten Ebene 104 und der Leseeinrichtung 100. Ein Abstand 109 von 203 mm kann sich bei einigen Anwendungen, insbesondere bei begrenztem Platzangebot, als ungeeignet erweisen. Das FOV 102 kann grundsätzlich gemäß der Gleichung $t a n α = \frac{g}{f'}$
bestimmt werden, wobei α gleich dem FOV-Winkel 102, f' gleich der Brennweite eines Objektivs und s gleich einer Abbildungssensorgröße ist. Alternativ kann das FOV gemäß der Gleichung $t a n α = \frac{y}{d}$
bestimmt werden, wobei y gleich der Hälfte der Länge der zweiten Ebene 106 (dargestellt als Abstand 110) und d gleich dem Abstand zwischen der Leseeinrichtung 100 und der entferntesten Ebene 106 (dargestellt als Abstand 112) ist.
Zur Reduzierung des Mindestfokusabstands zu der ersten Ebene 104 kann die Brennweite des Objektivs der Leseeinrichtung 100 verringert werden. In 2 ist ein beispielhaftes Abbildungssystem 200 mit einer Leseeinrichtung 202 zu sehen, die ein Objektiv mit einer Brennweite von 4,2 mm aufweist. Das System 200 kann des Weiteren eine erste Ebene 204 und eine zweite Ebene 206 aufweisen, die durch einen Abstand 208 getrennt sind. Zum Vergleich sind die erste Ebene 204 und die zweite Ebene 206 bei diesem Beispiel um ungefähr 304 mm voneinander beabstandet. Durch Reduzierung der Brennweite des Objektivs von der in dem System nach 1 verwendeten Brennweite von 9,6 mm auf 4,2 mm kann der Mindestabstand 210 zu der ersten Ebene 204 ausgehend davon, dass der gleiche 1/3-Zoll-Sensor verwendet wird, auf 88 mm verringert werden. Dies verändert den Winkel eines FOV 212 des Abbildungsgangs zusätzlich auf ungefähr 30 Grad. Ausgehend davon, dass die erste Ebene 204 eine Breite von 100 mm aufweist, erhöht sich des Weiteren die Breite der zweiten Ebene 206 auf 455 mm.
Während die vorstehenden Beispiele eine mögliche Lösung zur Verringerung eines Mindestabstands zu dem durch das Abbildungssystem abzubildenden Gegenstand durch Reduzierung der Brennweite des Objektivs vorsehen, ist es bei einigen Beispielen ggf. nicht möglich, den Mindestabstand zu dem abzubildenden Gegenstand für eine betreffende Anwendung weit genug zu verringern. Eine Lösung zur weiteren Verringerung des zwischen einer Abbildungsvorrichtung und einem abzubildenden Gegenstand benötigten Raums besteht darin, den Strahlengang umzulenken. Bei einem Beispiel können zur Umlenkung des Strahlengangs Spiegel verwendet werden. Es können jedoch auch andere reflektierende Flächen zur Umlenkung des Strahlengangs verwendet werden, wie z. B. Prismen, in denen eine Totalreflexion stattfindet.
3A und 3B zeigen ein optisches Abbildungssystem 300. Das optische Abbildungssystem 300 kann eine Abbildungsvorrichtung 302 aufweisen. Die Abbildungsvorrichtung 302 kann einen Sensor 303, eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 304 und ein Abbildungsobjektiv 306 umfassen. Das optische Abbildungssystem kann des Weiteren eine reflektierende Fläche 308 aufweisen, die, wie in 3B gezeigt, von einem Gehäuse 310 umschlossen sein kann. Bei einer Ausführungsform kann der Sensor 303 ein CMOS-Sensor sein. Alternativ kann der Sensor 303 ein CCD-Sensor oder eine andere Art von anwendbarem Sensor sein. Bei einer Ausführungsform kann der Sensor 303 ein AR0134-Sensor von Aptina sein. Aufgrund der bei vielen digitalen Abbildungssensoren begrenzten verfügbaren Bildfrequenz können Abbildungssensoren die Geschwindigkeit des Scans eines Gegenstands insgesamt begrenzen. Um die Bildfrequenz eines digitalen Abbildungssensors zu erhöhen, kann der wirksame Erfassungsbereich des Sensors 303 verringert werden. In 4 ist beispielsweise eine graphische Darstellung eines Erfassungsbereichs 400 eines Sensors gezeigt. Der Erfassungsbereich 400 kann mehrere Pixel enthalten. Die Anzahl von Pixeln in einem betreffenden Erfassungsbereich 400 bestimmt die Auflösung eines betreffenden Sensors. Bei einigen Ausführungsformen können Sensoren Millionen von Pixeln (Megapixel) aufweisen. Gängige Sensorgrößen können beispielsweise 4 Megapixel, 8 Megapixel, 12 Megapixel usw. betragen. Je höher die Anzahl von Pixeln in dem Erfassungsbereich 400, desto höher die Auflösung des Sensors. Obwohl größere Pixelzahlen die Auflösung eines Sensors erhöhen, kann die höhere Auflösung aufgrund der mit der höheren Anzahl von Pixeln verbundenen erforderlichen Rechenleistung nachteilige Auswirkungen auf die Scangeschwindigkeit haben.
Zur Erhöhung der Scangeschwindigkeit eines Sensors ohne Reduzierung der gewünschten Auflösung kann der Erfassungsbereich 400 derart verkleinert werden, dass nur ein Teil der Sensorfläche 400 aktiv bleibt. 4 zeigt einen ersten inaktiven Bereich 402 und einen zweiten inaktiven Bereich 404, die einen aktiven Pixelbereich 406 umgeben. Bei einer Ausführungsform kann die Größe des aktiven Pixelbereichs 406 an das zur Ansicht eines bestimmten Codes erforderliche erwartete FOV angepasst werden. Wird beispielsweise erwartet, dass ein eindimensionaler Barcode in einer bestimmten Ausrichtung (d. h. vertikal oder horizontal) zu scannen ist, kann der aktive Pixelbereich 406 gleichermaßen (vertikal oder horizontal) ausgerichtet werden. Da für einen eindimensionalen Code des Weiteren nur ein Teil der Breite des betreffenden Codes benötigt wird, kann der aktive Bereich 406 auf einige wenige Pixelzeilen reduziert werden. Zum Beispiel kann der aktive Erfassungsbereich 406 auf zwischen 10 Zeilen und 50 Zeilen reduziert werden. Je nach den Anforderungen einer betreffenden Anwendung können jedoch auch mehr oder weniger Pixelzeilen verwendet werden. Bei einem Beispiel kann der aktive Erfassungsbereich 406 für einen Sensor mit einer Auflösung von 960 Zeilen mit je 1280 Pixeln und einer Bildfrequenz von 54 Bildern pro Sekunde durch Verwendung von lediglich 40 Zeilen mit je 1280 Pixeln um das 24-Fache verringert und die Bildfrequenz entsprechend um das 24-Fache erhöht werden. Diese Erhöhung der Bildfrequenz kann bei der Verwendung eines optischen Abbildungssystems eine höhere Scangeschwindigkeit und einen höheren Durchsatz ermöglichen. Außerdem kann der aktive Erfassungsbereich 406 auf eine Zeilenanzahl von zwischen 10 und 100 verkleinert werden. Zwar könnte der aktive Erfassungsbereich 406 auch auf weniger als 10 Zeilen verkleinert werden, doch die Beibehaltung von zumindest 10 Zeilen kann die Auswirkung von toten Pixeln in dem Sensor verringern. Des Weiteren kann die Beibehaltung von zumindest 10 Zeilen in dem aktiven Erfassungsbereich 406 die Präzision einer Abbildungsvorrichtung erhöhen, da verglichen mit einem Zeilensensor eine größere Menge von Informationen bereitgestellt wird.
In 5 ist die Erfassungsfläche 400 nach 4 bei der Abbildung eines eindimensionalen Barcodes 500 gezeigt, während dieser die Erfassungsfläche 400 in der gezeigten Richtung passiert. Der abgebildete Code ist so ausgerichtet, dass der aktive Erfassungsbereich 406 alle Daten in dem Barcode 500 abbilden kann, obwohl nur ein Teil der Erfassungsfläche 400 aktiv ist. Bei einer Ausführungsform kann der aktive Erfassungsbereich 406 (übereinstimmend mit der größten Abmessung des Sensors) horizontal ausgerichtet sein, um ein größeres FOV und eine besseres Auflösung zu ermöglichen, und kann außerdem mit der Bewegungsrichtung des Codes fluchten.
Erneut Bezug nehmend auf 3A und 3B kann die optische Leseeinrichtung 300 eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 304 umfassen. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei den Beleuchtungsvorrichtungen 304 um Leuchtdioden (LED) handeln. Bei einigen Beispielen kann es sich bei den Beleuchtungsvorrichtungen 304 um eine einfarbige LED handeln. Alternativ können mehrfarbige LED verwendet werden, um je nach abzubildender Codeart die Darstellung unterschiedlicher Wellenlängen auf dem Gegenstand zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen können die Beleuchtungsvorrichtungen 304 Licht mit konstanter Leistung abgeben. Alternativ kann die optische Leseeinrichtung 300 die Leistung der Beleuchtungsvorrichtungen 304 variieren. Bei einigen Anwendungen kann sich der zu lesende Code beispielsweise auf einem stark reflektierenden Gegenstand befinden, so dass hochintensives Licht den Code ggf. verschwimmen lässt oder zu einer starken Überbelichtung (engl. washout) führt. Dementsprechend kann die Leistung der Beleuchtungsvorrichtungen 304 verringert werden, um eine geeignete Beleuchtung des Gegenstands zu gewährleisten. Außerdem können die Beleuchtungsvorrichtungen Beleuchtungsoptiken umfassen, welche mit Bezug auf 16A bis 16C näher beschrieben sind.
Des Weiteren können in einem Austrittsfenster 314 der Abbildungsvorrichtung 300 angeordnete Filter zum Herausfiltern von Umgebungslicht verwendet werden, wie in 3A und 3B gezeigt ist. Außerdem können Filter zum Herausfiltern eines bestimmten Bandes der Lichtwellenlängenspektren ausgebildet sein und können den Abbildungsgang, den Beleuchtungsgang oder beide filtern. Bei einem Beispiel können die Beleuchtungsvorrichtungen 304 Licht im ultravioletten Spektrum ausgeben. Des Weiteren können die Codes auf den Gegenständen bei einigen Beispielen mittels einer fluoreszierenden Tinte gedruckt sein, wobei sich die Emissionswellenlänge von der Anregungswellenlänge unterscheidet. Die Verwendung eines Filters an dem Abbildungsgang kann es hierbei ermöglichen, dass nur die von der fluoreszierenden Tine stammende Fluoreszenz-Emissionswellenlänge passieren kann, so dass nur der Gegenstand von Interesse (der Code) abbildbar ist.
Darüber hinaus kann das kreuzpolarisierte Licht dazu genutzt werden, Reflexionen auf den abzubildenden Gegenständen zu vermeiden. Dieses Merkmal ist dort von Vorteil, wo sich der abzubildende Code auf einer glänzenden oder spiegelnden Fläche, wie z. B. einem polierten metallischen Gegenstand befindet. Zur Polarisation des Lichts kann ein Polarisator vor den Beleuchtungsvorrichtungen 304 und ein Polarisator mit der zu dem Beleuchtungspolarisator queren Polarisationsrichtung in dem Abbildungsgang angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann der Polarisator in das Austrittsfenster 314 integriert sein. Alternativ kann der Polarisator in den Beleuchtungsvorrichtungen 304 und in dem Abbildungsobjektiv integriert sein. Des Weiteren kann der Polarisator direkt vor den Beleuchtungsvorrichtungen 304 und vor dem Abbildungsobjektiv angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Polarisationsrichtung des Abbildungsgangs parallel zu dem Beleuchtungspolarisator gerichtet sein; alternativ kann die Polarisationsrichtung quer zu dem Beleuchtungspolarisator gerichtet sein. Üblicherweise wird die Ausrichtung des Polarisators entsprechend der Anwendung gewählt.
Die eine oder mehreren Beleuchtungsvorrichtungen 304 können des Weiteren derart ausgerichtet sein, dass das Licht entlang der annähernd einer optischen Abbildungsachse 312 entsprechenden Achse übertragen wird. Bei einigen Ausführungsformen sind die Beleuchtungsvorrichtungen 304 auf einer Ebene ausgebildet, welche die optische Abbildungsachse 312 enthält. Bei einer Ausführungsform können die Beleuchtungsvorrichtungen 304 Licht entlang einer der optischen Abbildungsachse 312 gleichen, aber von dieser separaten Achse übertragen. Da die optische Abbildungsachse 312 und die Beleuchtungsachse aufgrund der Verwendung der reflektierenden Fläche 308 jedoch annähernd gleich sind, können die beide Achsen einander nahe genug sein, dass die Beleuchtungsvorrichtungen 304 eine Beleuchtung in dem Sichtfeld der optischen Leseeinrichtung 300 bereitstellen.
Bei einer Ausführungsform können die eine oder mehreren Beleuchtungsvorrichtungen 304 des Weiteren dazu verwendet werden, die Anpassung einer Beleuchtungsmustergeometrie an einen Abbildungsgang zu unterstützen oder eine Übereinstimmung derselben mit einem Erfassungsbereich, wie z. B. dem zuvor beschriebenen aktiven Erfassungsbereich 406, herbeizuführen. Ein Beispiel für die Anordnung der Beleuchtungsvorrichtungen ist 6A zu entnehmen. 6A zeigt eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen 600 und ein Abbildungsobjektiv 602, welche in einer Abbildungsoptik 604 angeordnet sind. Wie in 6A gezeigt, können die Beleuchtungsvorrichtungen 600 linear angeordnet sein. Des Weiteren können die Beleuchtungsvorrichtungen 600 gleichmäßig zu beiden Seiten des Abbildungsobjektivs 602 verteilt sein. Alternative können Beleuchtungsvorrichtungen 600 nach Bedarf ungleichmäßig oder auch in einem nicht linearen Muster angeordnet sein. Die wie in 6A angeordnete Beleuchtungsvorrichtung 600 kann ein dem aktiven Erfassungsbereich 406 nach 4 und 5 entsprechendes Beleuchtungsmuster projizieren.
Die Beleuchtungsoptik 604 kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen werden die Beleuchtungsvorrichtungen 600 in ein Spritzgießteil, z. B. in die Beleuchtungsoptik 604, eingesetzt und können jede gewünschte Form annehmen, wie z. B. eine der in 16A bis 16C als nicht einschränkende Beispiele für die Beleuchtungsoptiken gezeigten Formen. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Blende für den Abbildungsgang vorgesehen sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Beleuchtungsoptiken in einem einzelnen Spritzgießteil wie dem nach 6A ausgebildet. Bei anderen Ausführungsformen können die Beleuchtungsoptiken gruppiert sein, so dass eine Vielzahl der, aber nicht alle Beleuchtungsoptiken in einer Gruppe von Spritzgussteilen angeordnet sind, wie 6B zeigt. Bei weiteren Ausführungsformen können die Beleuchtungsoptiken individuell angeordnet sein. Es ist des Weiteren denkbar, dass andere Polymerformprozesse, wie z. B. Thermoformen, Formpressen, Blasformen und andere aus dem Stand der Technik bekannte Prozesse, eingesetzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass die Beleuchtungsvorrichtungen 304 eine Beleuchtung entlang einer der optischen Abbildungsachse entsprechenden Achse bereitstellen. Wenn sich die Abbildungsvorrichtung zum Beispiel in großer Nähe zu dem abzubildenden Gegenstand befindet, kann es vorteilhaft sein, wenn die Beleuchtung in einer Linie mit der optischem Abbildungsachse bereitgestellt wird. Es kann zum Beispiel von Vorteil sein, die Beleuchtung entlang einer der optischen Abbildungsachse entsprechenden Achse bereitzustellen, wenn Gegenstände über weite Entfernungen abgebildet werden, da in Fällen, in denen ein Winkel zwischen dem Abbildungsgang und dem Beleuchtungsgang besteht, die Beleuchtung das FOV nach einer gewissen Strecke teilweise oder vollständig verlassen kann. Dadurch, dass der Beleuchtungsgang auf einer Linie mit der optischen Abbildungsachse liegt, wird das FOV grundsätzlich durch die Beleuchtung beleuchtet. Dies ermöglicht des Weiteren eine erhöhte Effizienz bei der Abbildung von Gegenständen über größere Entfernungen.
Darüber hinaus erleichtert die Anordnung der Beleuchtung auf einer Linie mit der optischen Abbildungsachse die Inbetriebnahme und das Rüsten des optischen Abbildungssystems 300, indem ein Nutzer die Beleuchtung als Führung verwenden kann, um zu erkennen, wo genau der Abbildungsgang liegt. Durch die Anordnung der Beleuchtung auf einer Linie mit der optischen Achse kann somit ein Vorteil eines Laserscansystems in ein optisches Abbildungssystem integriert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler (zum Beispiel ein Strahlteiler mit 50 % Transmission, 50 % Reflexion) verwendet werden, um die Beleuchtungsachse mit der optischen Abbildungsachse zusammenzulegen. Es können jedoch auch andere optische Manipulationsvorrichtungen verwendet werden. Beim Einsatz unterschiedlicher Wellenlängen für den Beleuchtungs- und den Abbildungsgang, wie z. B. bei Einsatz der Fluoreszenzbildgebung, kann anstelle eines Strahlteilers beispielsweise ein dichroitischer Filter verwendet werden.
Wie in 3B gezeigt, kann die reflektierende Fläche 308 der optischen Leseeinrichtung 300 zum „Umlenken“ des Abbildungsgangs verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann die reflektierende Fläche ein Spiegel sein. Alternativ können auch andere reflektierende Materialien, wie z. B. Prismen verwendet werden. Die reflektierende Fläche 308 kann eine Anordnung der optischen Leseeinrichtung 300 nahe der nächstgelegenen gewünschten Leseebene ermöglichen. Das Abbildungsobjektiv 306 der optischen Leseeinrichtung 300 kann beispielsweise eine Brennweite von 4,2 mm aufweisen, so dass der Mindestfokusabstand zur oben beschriebenen Beibehaltung des gewünschten FOV bei 88 mm liegen würde. Hierzu müsste eine nächstgelegene Leseebene grundsätzlich 88 mm von dem Abbildungsobjektiv 306 entfernt sein. Bei einigen Anwendungen muss der Abstand zu der ersten fokussierten Ebene kleiner sein, z. B. 30 mm. Durch Anordnung der reflektierenden Fläche 308 unter einem 45-Grad-Winkel kann die optische Abbildungsachse 312 jedoch um einen 90-Grad-Winkel umgelenkt werden. Dies ermöglicht es, die optische Leseeinrichtung 300 näher an der nächstgelegenen Leseebene anzuordnen. Ausgehend davon, dass die reflektierende Fläche 308 bei dem vorliegenden Beispiel ungefähr 30 mm von dem Objektiv 306 und 30 mm von dem Austrittsfenster 314 des Gehäuses 310 entfernt angeordnet ist, können 60 mm des 88 mm weiten Mindestfokusabstands innerhalb des optischen Abbildungssystems 300 angeordnet sein, wodurch ein Abstand von lediglich 28 mm zwischen dem Austrittsfenster 314 des optischen Abbildungssystems 300 und der nächstgelegenen Leseebene erforderlich ist.
7 ist eine alternative Ausführungsform des optischen Abbildungssystems 300 nach 3 zu entnehmen. 7 zeigt ein optisches Abbildungssystem 700, wobei das optische Abbildungssystem 700 eine Abbildungsvorrichtung 702 umfassen kann. Die Abbildungsvorrichtung 702 kann einen Sensor 702, eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 704 und ein Abbildungsobjektiv 706 umfassen. Bei ähnlichen Ausführungsformen können die eine oder mehreren Beleuchtungsvorrichtungen 704 in derselben horizontalen Ebene wie das Abbildungsobjektiv 706 angeordnet sein. Bei derartigen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen 704 z. B. in der in 6A, 6B gezeigten Ausrichtung der Beleuchtungsvorrichtungen 600 und dem Abbildungsobjektiv 602 oder in den anderen zuvor beschriebenen Ausrichtungen zu beiden Seiten des Abbildungsobjektivs 706 angeordnet sein. Das optische Abbildungssystem kann des Weiteren eine reflektierende Fläche 708 aufweisen, die von einem Gehäuse 710 umschlossen sein kann. Bei dieser Ausführungsform kann die reflektierende Fläche 708 jedoch ungefähr 65 mm von dem Objektiv 706 und 25 mm von einem Austrittsfenster 712 des Gehäuses 710 entfernt angeordnet sein. Dies ermöglicht einen Abstand von null zwischen dem Austrittsfenster 712 der optischen Leseeinrichtung 700 und einer nächstgelegenen Leseebene, wobei das Abbildungsobjektiv 706 eine Brennweite von 4,2 mm aufweist. Somit zeigt 7 eine mögliche Modifikation des Abbildungsgangs in dem optischen Abbildungssystem 700, welche es möglich macht, dass der Mindestfokusabstand vollständig in dem optischen Abbildungssystem 700 angeordnet ist. Dies gewährt zusätzliche Flexibilität bei der Integration des optischen Abbildungssystems 700 in eine Anwendung.
Bezug nehmend auf 8 ist eine weitere Ausführungsform eines optischen Abbildungssystems zu sehen. 8 zeigt ein optisches Abbildungssystem 800. Das optische Abbildungssystem 800 kann eine Abbildungsvorrichtung 802 umfassen. The Abbildungsvorrichtung 802 kann einen Sensor 803, eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 804 und ein Abbildungsobjektiv 806 umfassen. Das optische Abbildungssystem 800 kann des Weiteren eine erste reflektierende Fläche 808, eine zweite reflektierende Fläche 810 und eine dritte reflektierende Fläche 812 umfassen. Die reflektierenden Flächen 808, 810, 812 können von einem Gehäuse 814 umschlossen sein. Bei dieser Ausführungsform können der Abbildungsgang und der Beleuchtungsgang durch die reflektierenden Flächen 808, 810, 812 umgelenkt werden, um eine alternative Gestaltung des Gehäuses 814 zu ermöglichen. Ähnlich wie oben können die reflektierenden Flächen 808, 810, 812 so angeordnet sein, dass der gesamte Mindestabstand zur fokussierten Ebene in dem Gehäuse 814 angeordnet ist, wodurch kein zusätzlicher Abstand zwischen dem Austrittsfenster 816 und der nächstgelegenen Leseebene erforderlich ist. Allerdings können die reflektierenden Flächen 808, 810, 812 auch so angeordnet sein, dass die Größe des Gehäuses 814 minimiert ist, wobei nach Bedarf gleichzeitig der zwischen dem Austrittsfenster 816 und der nächstgelegenen Leseebene erforderliche zusätzliche Abstand begrenzt ist. Zwar ist das optische Abbildungssystem 800 mit drei reflektierenden Flächen dargestellt, es können aber nach Bedarf auch mehr als drei reflektierende Flächen oder weniger als drei reflektierende Flächen verwendet werden.
Bei einigen Beispielen kann die mehrere reflektierende Flächen aufweisende optische Leseeinrichtung 800 in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Brennweite des Abbildungsobjektivs 806 eine größere Mindestbrennweite erfordert. 9 zeigt beispielsweise eine Detailansicht eines mehrere reflektierende Flächen aufweisenden optischen Abbildungssystems 900. Das optische Abbildungssystem 900 kann eine Abbildungsvorrichtung 902 umfassen, wobei die Abbildungsvorrichtung 902 einen Sensor 903, eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 904 und ein Abbildungsobjektiv 906 umfasst. Das Abbildungssystem 900 kann des Weiteren eine optische Umlenkvorrichtung 907 umfassen, wobei die optische Umlenkvorrichtung 907 eine erste reflektierende Fläche 908, eine zweite reflektierende Fläche 910 und eine dritte reflektierende Fläche 912 umfassen kann. Bei einer Ausführungsform kann die Abbildungsvorrichtung eine DM150 oder DM260 von Cognex sein. Des Weiteren ist eine mit der Abbildungsvorrichtung 902 gekoppelte Kommunikationsverbindung 914 zu sehen. Bei einer Ausführungsform kann die Kommunikationsverbindung 914 eine Kommunikation zwischen der Abbildungsvorrichtung 902 und einer nicht weiter dargestellten Verarbeitungsvorrichtung, wie z. B. einem PC, oder einem geeigneten Bildverarbeitungssystem ermöglichen. Bei einer Ausführungsform kann die Kommunikationsverbindung 914 über eine Reihenschaltung, wie z. B. RS-262, RS-485, Universal Serial Bus („USB“), oder über andere Protokolle, wie z. B. Firewire, Ethernet, Modbus, DeviceNet oder ein anderes geeignetes Kommunikationsprotokoll kommunizieren. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Kommunikationsverbindung 914 eine drahtlose Kommunikationsverbindung sein. Die Kommunikationsverbindung 914 kann zum Beispiel eine Kommunikation mit anderen Vorrichtungen, wie z. B. der oben beschriebenen Verarbeitungsvorrichtung, über drahtlose Protokolle wie z. B. Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, RF, Mobilfunk (3G, 4G, LTE, CDMA) oder andere bekannte oder noch zu entwickelnde drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsprotokolle ermöglichen. Außerdem kann die Kommunikationsverbindung 914 zur Stromversorgung der Abbildungsvorrichtung 902 dienen. Alternativ kann die Abbildungsvorrichtung 902 eine andere Stromquelle, wie z. B. eine Batterie, oder eine separate externe Stromversorgungsverbindung aufweisen.
Bei dem vorliegenden Beispiel kann das Abbildungsobjektiv 906 eine Brennweite von 6,2 mm aufweisen. Ausgehend davon, dass die erste abgebildete Ebene ungefähr vier Zoll breit ist, würde somit der Mindestabstand zum Gegenstand 131 mm betragen. Mittels der oben angegebenen Gleichungen kann jedoch eine Mindestbrennweite für jede beliebige nähere und/oder weiter entfernte Ebenenbreite bestimmt werden. Wenn das Abbildungsobjektiv 906 eine Brennweite von 6,2 mm aufweist, kann die optische Leseeinrichtung 900 des Weiteren so ausgestaltet sein, dass 68 mm des Mindestfokusabstands zwischen den reflektierenden Flächen 908, 910, 912 gekrümmt werden können. Hierzu kann der Abstand (d1) zwischen dem Objektiv 906 und der ersten reflektierenden Fläche 908 15 mm betragen; kann der Abstand (d2) zwischen der ersten reflektierenden Fläche 908 und der zweiten reflektierenden Fläche 910 25 mm betragen; und kann der Abstand (d3) zwischen der zweiten reflektierenden Fläche 910 und der dritten reflektierenden Fläche 912 28 mm betragen. Somit ist zur Erzielung des Mindestfokusabstands zwischen der dritten reflektierenden Fläche 912 und einer Gegenstandsebene 916 ein verbleibender Abstand von 63 mm erforderlich.
Da die Abbildungsebene und die Beleuchtungsebene zwischen den reflektierenden Flächen 908, 910, 912 „umgelenkt“ werden, vergrößert sich das FOV der Abbildungsebene, so dass sich die reflektierenden Flächen 908, 910, 912 nach jeder „Umlenkung“ vergrößern müssen. Anhand der oben genannten Werte würde die reflektierende Fläche 908 eine Abmessung von circa 40 mm um die Längsachse benötigen. Die reflektierende Fläche 910 würde eine Abmessung von circa 60 mm um die Längsachse benötigen, und die reflektierende Fläche 912 würde eine Abmessung von circa 85 mm um die Längsachse benötigen. Die Größe der einzelnen reflektierenden Flächen kann anhand der Gleichung $t a n α = \frac{L / 2}{d},$
bestimmt werden, wobei α der FOV-Winkel, L die Länge des Spiegels und d der Abstand zwischen dem Spiegel und der Leseeinrichtung (bzw. zwischen Spiegeln in einem System mit mehren Spiegeln) ist. Durch Variierung der Abstände und Größen mehrerer reflektierender Flächen kann der Abbildungsgang somit „umgelenkt“ werden, um durch Reduzierung des zwischen einer Abbildungsvorrichtung und einer ersten abgebildeten Ebene erforderlichen physischen Abstands einen kompakteren Aufbau zu ermöglichen.
Das obige optische Abbildungssystem 900 ist zwar als Gesamtsystem beschrieben, jedoch kann es bei einigen Ausführungsformen darüber hinaus wünschenswert sein, eine bestehende Abbildungsvorrichtung (z. B. Abbildungsvorrichtung 902) durch Integration einer optischen Umlenkvorrichtung (z. B. der optischen Umlenkvorrichtung 907) in die bestehende Abbildungsvorrichtung zu modifizieren, um eine entsprechende Modifikation bestehender Vorrichtungen zu ermöglichen.
10 zeigt eine isometrische Ansicht des oben beschriebenen optischen Abbildungssystems 900. Hier ist das FOV des optischen Abbildungsgangs 1000 zu sehen. Wie in 10 gezeigt, kann das FOV eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, so dass es mit der abgebildeten Fläche 1002 übereinstimmt. Die Form kann zur Verarbeitung optischer Codes 1004 gewählt sein, welche die abgebildete Fläche 1002 in der gezeigten Richtung durchqueren. Die rechteckige Form kann durch den oben beschriebenen, mit einem Fenster versehenen Sensor begründet sein. 10 zeigt des Weiteren ein Gehäuse 918, welches die Abbildungsvorrichtung 902 und die reflektierenden Flächen 908, 910, 912 umschließt. 11 zeigt eine Seitenansicht des optischen Abbildungssystems 900. In 11 ist ein Winkel des FOV des optischen Abbildungsgangs 1100 beim Austritt des Abbildungsgangs aus dem Gehäuse 918 zu sehen. Bei dem oben beschriebenen Beispiel kann der Austrittswinkel circa 21 Grad betragen.
12 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Abbildungssystems 1200 mit mehreren reflektierenden Flächen. Das Abbildungssystem 1200 kann eine Abbildungsvorrichtung 1202 umfassen. Die Abbildungsvorrichtung 1202 kann eine wie oben beschriebene Abbildungsvorrichtung sein. Die Abbildungsvorrichtung 1202 kann über eine Adapterplatte 1206 an einer Umlenkvorrichtung 1204 befestigt sein. Die Umlenkvorrichtung 1204 kann eine erste reflektierende Fläche 1208, eine zweite reflektierende Fläche 1210 und eine dritte reflektierende Fläche 1212 sowie ein Austrittsfenster 1214 umfassen. Des Weiteren kann die Umlenkvorrichtung Beleuchtungsvorrichtungen 1216 umfassen. Bei den Beleuchtungsvorrichtungen 1216 kann es sich um eine Vielzahl von LED handeln. Des Weiteren kann die Umlenkvorrichtung 1204 eine optische Linse 1218 umfassen. Die optische Linse 1218 kann an dem Ausgang der Beleuchtungsvorrichtungen 1216 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann die optische Linse 1218 mittels der Leistung der Beleuchtungsvorrichtungen ein Linienmuster erzeugen. Wie oben beschrieben, kann dies die Inbetriebnahme und das Rüsten des Abbildungssystems 1200 erleichtern, indem ein Nutzer hierdurch die Position des optischen Abbildungsgangs visuell erfassen kann, und die Effizienz des Beleuchtungssystems verbessern. Die optische Linse 1218 kann beispielsweise zur Formung der Beleuchtung verwendet werden, so dass diese an einen konjugierten aktiven Abschnitt eines Sensors 1222 in der Abbildungsvorrichtung 1202 angepasst ist und das Beleuchtungsmuster wiederum an das FOV des Abbildungsgangs angepasst ist.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer optischen Leseeinrichtung als optisches Leseeinrichtungssystem 1300. Das optische Leseeinrichtungssystem 1300 kann eine Abbildungsvorrichtung 1302 mit einem Abbildungsobjektiv 1304, eine erste reflektierende Fläche 1306, eine zweite reflektierende Fläche 1308 und eine dritte reflektierende Fläche 1310 umfassen. Das optische Leseeinrichtungssystem 1300 kann des Weiteren eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 1312 umfassen. Bei der Ausführungsform nach 13 können die Beleuchtungsvorrichtungen 1312 an dem Ausgang des optischen Leseeinrichtungssystems 1300 und einem Austrittsfenster 1314 benachbart angeordnet sein. Hierdurch kann eine Beleuchtungsachse 1316 eine im Wesentlichen einer Abbildungsachse 1318 entsprechende Achse aufweisen. Des Weiteren können die Beleuchtungsvorrichtungen 1312 zum Projizieren von Licht ausgebildet sein, derart, dass der abzubildende Gegenstand 1320 durch das Abbildungs-FOV 1322 beleuchtet wird.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Leseeinrichtungssystems als optisches Leseeinrichtungssystem 1400. Das optische Leseeinrichtungssystem 1400 kann eine optische Abbildungsvorrichtung 1402 mit einem Abbildungsobjektiv 1404, einer ersten reflektierenden Fläche 1406, einer zweiten reflektierenden Fläche 1408 und einer dritten reflektierenden Fläche 1410 umfassen. Bei einem Beispiel kann die optische Abbildungsvorrichtung 1402 eine wie oben beschriebene optische Abbildungsvorrichtung sein. Das optische Leseeinrichtungssystem 1400 kann außerdem eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 1412 umfassen. Bei einer Ausführungsform können die Beleuchtungsvorrichtungen 1412 hinter der ersten reflektierenden Fläche 1406 angeordnet sein. Die reflektierende Fläche 1406 kann so ausgebildet sein, dass sie die Beleuchtung durch die erste reflektierende Fläche 1406 hindurchlässt und eine Beleuchtungsachse 1414 mit einer Abbildungsachse 1416 fluchtet. Bei einer Ausführungsform kann die erste reflektierende Fläche 1406 ein Strahlteiler sein. Alternativ kann die erste reflektierende Fläche 1406 ein dichroitischer Filter sein. Durch Fluchten der Beleuchtungsachse 1414 mit der Abbildungsachse 1416 kann ein abzubildender Gegenstand 1418 auf der Achse durch das Abbildungs-FOV 1420 beleuchtet werden.
15 zeigt ein Beleuchtungsverteilungsmuster 1508, wobei ein Beleuchtungsgang entlang derselben oder einer ähnlichen Achse übertragen wird wie ein optischer Abbildungsgang. Hier ist das Abbildungs-FOV 1502 als von einem optischen Abbildungssystem 1504 projiziert dargestellt. Ebenso ist das Beleuchtungsverteilungsmuster 1508 in dem Abbildungs-FOV 1502 auf einen Abbildungsgegenstand 1506 projiziert dargestellt. Wie 15 zu entnehmen ist, zeigt sich die intensivste Beleuchtung in den dunkleren Abschnitten des Beleuchtungsverteilungsmusters 1508, welches länglich ausgebildet ist, um dem Abbildungs-FOV 1502 zu entsprechen. Diese im Beleuchtungsverteilungsmuster 1508 gezeigte Beleuchtungsverteilung sorgt für eine vollständige Beleuchtung des Abbildungsgegenstandes 1506, so dass eine effizientere und präzisere Abbildung möglich ist. Wenn der Sensor in dem optischen Abbildungssystem 1504, wie oben mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben, mit einem Fenster aus einer vorbestimmten Anzahl von Pixelzeilen versehen ist, kann das Beleuchtungsfeld 1500 mit dieser Anzahl von Pixelzeilen konjugiert werden, so dass sich das Beleuchtungsfeld 1500 nicht über das Abbildungs-FOV 1502 hinaus erstreckt. Obwohl das Abbildungs-FOV 1502 in 15 begrenzt ist, ist es wichtig, zu beachten, dass sich das Beleuchtungsfeld 1500 auch in mehreren Richtungen über das Abbildungs-FOV hinauserstrecken kann.
In 16A bis 16C ist eine Vielzahl von Beleuchtungsoptiken 1600, 1602 und 1604 dargestellt. 16A zeigt ein beispielhaftes Bild eines Freiform-Beleuchtungsobjektivs 1600. Das Freiform-Beleuchtungsobjektiv kann insbesondere dazu ausgebildet sein, der Beleuchtung aus einer Beleuchtungsvorrichtung eine Form oder ein Muster zu verleihen. 16B zeigt ein beispielhaftes Bild eines zylindrischen Objektivs 1602 zur Verwendung mit einer Beleuchtungsvorrichtung. 16C zeigt schließlich eine reflektierende Optik 1604 zur Verwendung mit einer Beleuchtungsvorrichtung, wobei es sich in diesem Beispiel um eine Totalreflexionslinse (TIR-Linse; engl. total internal reflection) handelt. Die oben beschriebenen Beleuchtungsoptiken 1600, 1602, 1604 können jeweils dazu verwendet werden, der Beleuchtung aus einer Beleuchtungsvorrichtung wie oben beschrieben eine Form oder ein Muster zu verleihen.
17 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Leseeinrichtungssystems als optisches Leseeinrichtungssystem 1700. Das optische Leseeinrichtungssystem 1700 kann eine optische Abbildungsvorrichtung 1702 mit einem Abbildungsobjektiv 1704, einer ersten reflektierenden Fläche 1706, einer zweiten reflektierenden Fläche 1708 und einer dritten reflektierenden Fläche 1710 umfassen. Die optische Abbildungsvorrichtung 1702 kann außerdem eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen 1712 umfassen. Die Beleuchtungsvorrichtungen 1712 können so ausgebildet sein, dass sie eine Beleuchtungsachse mit einer Abbildungsachse fluchten. Das optische Leseeinrichtungssystem 1700 kann des Weiteren ein Austrittsfenster 1714 umfassen. Bei einer Ausführungsform kann das Austrittsfenster 1714 unter einem Winkel geneigt sein, um Rückstrahlungen entlang einer Abbildungsachse zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform kann das Austrittsfenster 1714 angewinkelt sein. Bei einigen Ausführungsformen ist das Austrittsfenster 1714 um ungefähr 15 Grad angewinkelt. Allerdings kann das Austrittsfenster nach Bedarf auch um mehr als 15 Grad oder um weniger als 15 Grad angewinkelt sein. So kann das Austrittsfenster beispielsweise um ungefähr 30 Grad angewinkelt sein. Zwar ist das Austrittsfenster 1714 in 17 des Weiteren von links nach rechts angewinkelt, jedoch kann die Richtung des Winkels für die Verwendung in einer betreffenden Anwendung auch modifiziert werden, um den optimalen Grad der Rückstrahlungsreduzierung vorzusehen.
18 zeigt einen Prozess 1800 zur Erfassung eines optischen Codes mittels eines wie oben beschriebenen optischen Abbildungssystems. In Prozessblock 1804 kann ein Beleuchtungsmuster erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform kann das Beleuchtungsmuster wie oben beschrieben mittels einer Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen erzeugt werden. Des Weiteren kann das Beleuchtungsmuster bei einigen Ausführungsformen in Prozessblock 1805 wie oben beschrieben geformt oder gefiltert werden. Das Beleuchtungsmuster kann zum Beispiel mittels Strahlteilern, dichroitischen Filtern und/oder durch Anordnung der Beleuchtungsvorrichtungen in einem dem gewünschten Beleuchtungsmuster entsprechenden Muster geformt und in dem Beleuchtungsgang angeordnet werden. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei den Beleuchtungsvorrichtungen um LED handeln. In Prozessblock 1802 kann der Abbildungsgang mittels eines Objektivs eines optischen Abbildungssystems fokussiert werden. Bei einer Ausführungsform kann der Abbildungsgang anhand der Brennweite des Objektivs fokussiert werden.
In Prozessblock 1806 kann der Abbildungsgang umgelenkt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Abbildungsgang mittels einer Vielzahl von reflektierenden Flächen umgelenkt werden. Zur Umlenkung des Abbildungsgangs können wie oben beschrieben zum Beispiel Spiegel verwendet werden. Durch das Umlenken des Abbildungsgangs kann der Mindestfokusabstand zum Teil oder vollständig innerhalb des optischen Abbildungssystems angeordnet sein. Die Reduzierung des Fokusabstands durch Umlenken des Abbildungsgangs ist im Vorstehenden näher beschrieben. In Prozessblock 1808 kann der Abbildungsgang gefiltert werden. Bei einigen optionalen Ausführungsformen wird der Abbildungsgang an einem Austrittsfenster des optischen Abbildungssystems gefiltert. Das Austrittsfenster kann zum Beispiel einen UV-Filter, einen polarisierten Filter, einen dichroitischen Filter oder einen anderen geeigneten Filter aufweisen. Um eine Filterung zur Reduzierung von Rückspiegelungen entlang des Abbildungsgangs vorzusehen, kann das Austrittsfenster auch geneigt sein. Das Austrittsfenster kann um zwischen 0 und 30 Grad geneigt sein, so zum Beispiel um 15 Grad. Bei einigen Ausführungsformen kann der Sensor mit einem Fenster 1812 versehen sein, so dass nur ein vorbestimmter Abschnitt des Sensors zur Erfassung von Gegenständen verwendet wird. Wie oben mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben, kann das Vorsehen eines Fensters die Erfassungsgeschwindigkeit und die Bildwiederholungsrate des Sensors durch Verkleinerung eines aktiven Pixelbereichs erhöhen. In Prozessblock 1810 kann schließlich ein Gegenstand in dem Abbildungsgang über den Sensor des optischen Abbildungssystems erfasst werden. Bei einigen Ausführungsformen wird das Bild außerdem nach der Beendigung von Prozessblock 1810 gespeichert und verarbeitet.
Obwohl die obigen Ausführungsformen Abbildungssysteme mit einer oder drei wie in den Figuren angeordneten reflektierenden Flächen beschreiben, sollen diese Ausführungsformen keine Einschränkung darstellen. Es versteht sich, dass mittels der obigen Verfahren und Systeme Abbildungssysteme derart ausgestaltbar sind, dass sie in verschiedensten Anwendungen und Systemen einsetzbar sind.

Claims

Optische Abbildungsvorrichtung zum Lesen optischer Codes, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Bereichssensor, der eine erste Vielzahl von Pixelzeilen umfasst, wobei der Bereichssensor zur Erfassung mittels nur einer zweiten Vielzahl von Pixelzeilen ausgebildet ist, wobei die zweite Vielzahl von Pixelzeilen an einer vorbestimmten Position des Bereichssensors angeordnet ist und weniger Pixelzeilen aufweist als die Anzahl von Pixelzeilen in der ersten Vielzahl von Pixelzeilen; ein Objektiv, wobei das Objektiv einen Abbildungsgang entlang einer optischen Achse aufweist; eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen, wobei die Beleuchtungsvorrichtungen zur Übertragung eines Beleuchtungsmusters durch Erzeugung eines Beleuchtungsgangs entlang der optischen Achse ausgebildet sind; und eine Vielzahl von reflektierenden Flächen, wobei die reflektierenden Flächen zur Umlenkung der optischen Achse ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beleuchtungsvorrichtungen auf einer Ebene ausgebildet sind, welche die optische Achse enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Beleuchtungsmuster mit den bestimmten Pixelzeilen des Sensors konjugiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von reflektierenden Flächen zur Umlenkung einer Beleuchtungsachse entlang einer der optischen Achse entsprechenden Achse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Vielzahl von Pixelzeilen mit einer zweiten Bildfrequenz ausgelesen wird, die höher ist als eine erste Bildfrequenz, mit der die erste Vielzahl von Pixelzeilen auslesbar ist, wobei die zweite Bildfrequenz proportional zu einem Verhältnis der Anzahl von Pixelzeilen in der ersten Vielzahl von Pixelzeilen zu der Anzahl von Pixelzeilen in der zweiten Vielzahl von Pixelzeilen höher als die erste Bildfrequenz ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, des Weiteren umfassend ein Austrittsfenster, wobei der Beleuchtungsgang und der Abbildungsgang durch das Austrittsfenster aus der optischen Abbildungsvorrichtung austreten.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Austrittsfenster in dem Abbildungsgang und/oder in dem Beleuchtungsgang einen Filter zur Filterung eines vorbestimmten Bandes der Lichtwellenlängenspektren aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Austrittsfenster mehrere Filter umfasst und die Filter in dem Abbildungsgang und in dem Beleuchtungsgang mit gekreuzten Polarisationsrichtungen polarisiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Vielzahl von Pixelzeilen mindestens 960 Zeilen mit jeweils 1280 Pixeln umfasst und die zweite Vielzahl von Pixelzeilen nicht mehr als 40 Pixelzeilen aus den mindestens 960 Zeilen umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Umlenkung der optischen Achse einen erforderlichen Bauraum zwischen der Vorrichtung und der nächstgelegegen Leseebene verringert.
Verfahren zum Lesen optischer Codes mittels einer optischen Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines Beleuchtungsmusters, wobei das Beleuchtungsmuster einen Beleuchtungsgang entlang einer Achse aufweist, die ungefähr einer Achse eines Abbildungsgangs entspricht; Fokussieren des Abbildungsgangs entlang einer optischen Achse mittels eines Objektivs, wobei das Objektiv in der optischen Vorrichtung integriert ist; Umlenken des Abbildungsgangs mittels einer Vielzahl von reflektierenden Flächen; und Erfassen eines Objekts in dem Abbildungsgang mittels eines Bereichssensors, der eine erste Vielzahl von Pixelzeilen umfasst, wobei der Bereichssensor zur Erfassung mittels nur einer zweiten Vielzahl von Pixelzeilen ausgebildet ist, die weniger Pixelzeilen als die Anzahl von Pixelzeilen in der ersten Vielzahl von Pixelzeilen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Vielzahl von Pixelzeilen parallel zu einer Bewegungsrichtung des zu erfassenden Objekts ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, des Weiteren umfassend das Umlenken des Beleuchtungsmusters mittels der Vielzahl von reflektierenden Flächen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die optische Vorrichtung einen optischen Filter in dem Abbildungsgang und/oder in dem Beleuchtungsgang aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Beleuchtungsmuster mittels einer Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen in die optische Vorrichtung integriert ist.
Anbauumlenkvorrichtung für eine bestehende optische Abbildungsvorrichtung; wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen Strahlengangumlenkabschnitt, wobei der Strahlengangumlenkabschnitt zur Umlenkung eines Strahlengangs der optischen Abbildungsvorrichtung ausgebildet ist, derart, dass der Strahlengang mindestens zweimal umgelenkt ist; und eine Einrichtung zur Erzeugung eines zellenförmigen Beleuchtungsmusters, wobei die Einrichtung zur Erzeugung eines zeilenförmigen Beleuchtungsmusters einem Fensterabschnitt eines Sensors der optischen Abbildungsvorrichtung entspricht.
Anbauumlenkvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zur Erzeugung eines zeilenförmigen Beleuchtungsmusters einen Strahlteiler und/oder einen dichroitischen Spiegel umfasst.
Anbauumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, des Weiteren umfassend ein geneigtes Austrittsfenster zur Reduzierung von Rückstrahlungen in die Vorrichtung.
Anbauumlenkvorrichtung nach Anspruch 19, wobei das geneigte Austrittsfenster um ungefähr 15 bis 30 Grad geneigt ist.