DE202012101809U1 - Optical sensor - Google Patents
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- G06K7/10712—Fixed beam scanning
- G06K7/10722—Photodetector array or CCD scanning
Abstract
Optischer Sensor (1) zur Erfassung von Codes, mit einer eine matrixförmige Anordnung von Pixeln (7a) aufweisenden Flächenkamera (7), einem der Flächenkamera (7) vorgeordneten Optikelement, mittels dessen von einem Code zurückreflektierte Lichtstrahlen (4) auf die Flächenkamera (7) abgebildet werden, wobei die Flächenkamera (7) und das Optikelement in einer Scheimpflug-Anordnung angeordnet sind, und mit einer Auswerteeinheit (9), in welcher zur Dekodierung eines Codes Ausgangssignale der Pixel (7a) der Flächenkamera (7) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der optischer Sensor (1) für eine Codeerkennung in der Analyseautomation eingesetzt wird.Optical sensor (1) for detecting codes, with a surface camera (7) having a matrix-like arrangement of pixels (7a), an optical element upstream of the surface camera (7), by means of which light rays (4) reflected back by a code onto the surface camera (7 ) are mapped, the area camera (7) and the optical element being arranged in a Scheimpflug arrangement, and with an evaluation unit (9) in which output signals of the pixels (7a) of the area camera (7) are evaluated for decoding a code characterized in that the optical sensor (1) is used for code recognition in the analysis automation.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.The invention relates to an optical sensor.
Optische Sensoren der in Rede stehenden Art werden zur Erfassung von Codes, insbesondere Barcodes eingesetzt. Derartige Barcodelesegeräte bildende optische Sensoren werden in unterschiedlichsten industriellen Applikationen, wie zum Beispiel der Fördertechnik oder auch der Medizintechnik, insbesondere im Bereich der Blutanalysetechnik, eingesetzt.Optical sensors of the type in question are used for the detection of codes, in particular barcodes. Optical sensors of this type forming bar code readers are used in a wide variety of industrial applications, such as, for example, conveyor technology or medical technology, in particular in the field of blood analysis technology.
Bekannte optische Sensoren bilden scannende Systeme, bei welchen ein von einer Laserdiode emittierter Laserstrahl über eine Ablenkeinheit in Form eines motorisch getriebenen Polygonspiegelrads innerhalb eines Abtastbereichs periodisch abgelenkt wird. In diesem Abtastbereich können dann Barcodes erfasst werden, indem der Laserstrahl über das Strichmuster des Barcodes geführt wird. Nachteilig bei derartigen optischen Sensoren ist, dass der Laserstrahl exakt zu den Strichmustern des Barcodes ausgerichtet sein muss, um den Barcode erfassen zu können. In vielen Applikationen ist eine derartige definierte Ausrichtung jedoch nicht gegeben. Weiterhin ist der hohe optomechanische Aufwand derartiger optischer Sensoren nachteilig. Insbesondere die für die Ablenkung und Ausrichtung des Laserstrahls benötigten Teile sind konstruktiv aufwändig. Schließlich führen die empfindliche Laserdiode zur Generierung des Laserstrahls und die bewegten Teile, die für die Ablenkung des Laserstrahls sorgen, zu einer geringen Lebensdauer des optischen Sensors und auch zu einer geringen Zuverlässigkeit bei der Barcodedetektion.Known optical sensors form scanning systems, in which a laser beam emitted by a laser diode is deflected periodically via a deflection unit in the form of a motor-driven polygon mirror wheel within a scanning range. Barcodes can then be detected in this scanning area by guiding the laser beam over the bar pattern of the barcode. A disadvantage of such optical sensors is that the laser beam must be aligned exactly with the line patterns of the barcode in order to be able to detect the barcode. In many applications, however, such a defined orientation is not given. Furthermore, the high optomechanical complexity of such optical sensors is disadvantageous. In particular, the parts required for the deflection and alignment of the laser beam are structurally complex. Finally, the sensitive laser diode for generating the laser beam and the moving parts, which provide for the deflection of the laser beam, lead to a low life of the optical sensor and also to a low reliability in the barcode detection.
Weiterhin sind optische Sensoren zur Erfassung von Codes, insbesondere Barcodes bekannt, die als Lichtempfangselement eine Flächenkamera einsetzen.Furthermore, optical sensors for detecting codes, in particular barcodes are known, which use a surface camera as a light receiving element.
Vorteilhaft hierbei ist, dass in diesem Fall eine stationäre Beleuchtungseinheit ausreicht und auf einen Scanner mit bewegten Teilen zur Lichtablenkung verzichtet werden kann.The advantage here is that in this case a stationary lighting unit is sufficient and can be dispensed with a scanner with moving parts for light deflection.
Probleme treten jedoch bei derartigen optischen Sensoren dann auf, wenn mit diesen in relativ kurzen Zeitabständen Barcodes gelesen werden müssen, die als Strichcodes mit hohen Dichten, das heißt einer hohen Anzahl von einzelnen Strichelementen, das heißt Modulen mit geringen Modulbreiten ausgebildet sind. Zur Erfassung derartiger Barcodes müssen Flächenkameras mit hohen Auflösungen, das heißt einer großen Anzahl von Pixeln eingesetzt werden. Jedoch weisen derartige Flächenkameras im Vergleich zu deren Auflösung relativ geringe Pixelleseraten auf. Damit ergeben sich für diese hoch auflösenden Flächenkameras entsprechend kleine Bildaufnahmeraten, die durch den Quotient der Pixelleserate und der Anzahl der Pixel definiert sind. Werden nun die zu detektierenden Barcodes mit größeren Geschwindigkeiten relativ zum optischen Sensor bewegt, ist die Bildaufnahmerate des optischen Sensors kleiner als die erforderliche Barcodeleserate, das heißt es können nicht alle der am optischen Sensor vorbei bewegten Barcodes erfasst werden.Problems arise in such optical sensors, however, when barcodes must be read with them in relatively short time intervals, which are formed as bar codes with high densities, that is, a high number of individual bar elements, that is, modules with small module widths. To capture such barcodes, surface cameras with high resolutions, that is, a large number of pixels, must be used. However, such areal cameras have relatively low pixel readings as compared to their resolution. This results in correspondingly small image acquisition rates for these high-resolution area cameras, which are defined by the quotient of the pixel read rate and the number of pixels. If now the barcodes to be detected are moved at relatively high speeds relative to the optical sensor, the image acquisition rate of the optical sensor is smaller than the required barcode reading rate, that is, not all of the barcodes moving past the optical sensor can be detected.
Ein weiteres Problem derartiger optischen Sensoren besteht darin, dass durch die Abbildungseigenschaften einer der Flächenkamera vorgeordneten Linse Codes nur in einem sehr begrenzten Distanzbereich, dem sogenannten Tiefenschärfebereich erfasst werden, da der Code nur dann mit der Linse hinreichend scharf auf die Flächenkamera abgebildet wird, wenn er zumindest näherungsweise im Bereich der Bildweite der Linse liegt.A further problem of such optical sensors is that codes formed by the imaging properties of a lens surface camera capture codes only in a very limited distance range, the so-called depth of focus range, since the code is only sufficiently sharply imaged with the lens on the surface camera when it is illuminated at least approximately in the range of the image width of the lens.
Um eine hohe Verfügbarkeit des optischen Sensors zu erhalten, ist es jedoch erforderlich, dass mit diesem Codes innerhalb eines möglichst großen Tiefenschärfebereichs erfasst werden können.However, in order to obtain high availability of the optical sensor, it is necessary to be able to acquire codes within the largest possible depth of field.
Um den Tiefenschärfebereich bei derartigen optischen Sensoren zu erhöhen, ist es bekannt, Fokusverstelleinrichtungen vorzusehen. Eine Möglichkeit einer solchen Fokusverstelleinrichtung besteht darin, mittels einer mechanischen Stelleinheit wie einem Motor oder einem Piezo-Element, die Position der Linse zu ändern. Je nach Linsenposition kann dann in einem bestimmten Ortsbereich eine Codeerfassung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit einer Fokusverstelleinrichtung besteht darin, als Linsen Flüssiglinsen einzusetzen. Durch eine elektrische Ansteuerung der Flüssiglinse kann direkt deren Brennweite verändert werden.In order to increase the depth of focus range in such optical sensors, it is known to provide Fokusverstelleinrichtungen. One possibility of such a focus adjustment device is to change the position of the lens by means of a mechanical actuating unit such as a motor or a piezo element. Depending on the lens position, a code detection can then take place in a specific local area. Another possibility of a focus adjustment device is to use liquid lenses as lenses. By an electrical control of the liquid lens can be directly changed their focal length.
Nachteilig bei den Fokusverstelleinrichtungen ist zum einen der relativ hohe konstruktive Aufwand. Zudem ist nachteilig, dass diese Fokusverstellungen relativ langsam sind, so dass eine schnelle Adaption an unterschiedliche Leseabstände nicht oder nur unzureichend gegeben ist.A disadvantage of the Fokusverstelleinrichtungen is on the one hand, the relatively high design effort. In addition, it is disadvantageous that these focus adjustments are relatively slow, so that a rapid adaptation to different reading distances is not or only insufficiently given.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist.The invention has for its object to provide an optical sensor of the type mentioned, which has high functionality with little design effort.
Zur Lösung 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 optischen Sensor zur Erfassung von Codes und umfasst eine eine matrixförmige Anordnung von Pixeln aufweisende Flächenkamera, sowie ein der Flächenkamera vorgeordnetes Optikelement, mittels dessen von einem Code zurückreflektierte Lichtstrahlen auf die Flächenkamera abgebildet werden. Die Flächenkamera und das Optikelement sind in einer Scheimpflug-Anordnung angeordnet. Mit einer Auswerteeinheit werden zur Dekodierung eines Codes Ausgangssignale der Pixel der Flächenkamera ausgewertet. Der optische Sensor wird für eine Codeerkennung in der Analyseautomation eingesetzt.The invention relates to an optical sensor for detecting codes and comprises an area camera having a matrix-like arrangement of pixels, and an optical element arranged upstream of the area camera, by means of which a code back reflected light rays are imaged on the surface camera. The area camera and the optical element are arranged in a Scheimpflug arrangement. With an evaluation unit output signals of the pixels of the area camera are evaluated for decoding a code. The optical sensor is used for code recognition in the analysis automation.
Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor wird ohne den Einsatz von bewegten Teilen oder Stellvorrichtungen ein großer Tiefenschärfebereich realisiert, innerhalb dessen Codes, insbesondere Barcodes, sicher und zuverlässig erfasst werden können.With the optical sensor according to the invention, a large depth of focus range is realized without the use of moving parts or adjusting devices, within which codes, in particular barcodes, can be detected reliably and reliably.
Damit kann der optische Sensor erfindungsgemäß im Bereich der Analyseautomation eingesetzt werden, denn dort müssen Codes in unterschiedlichen Distanzen erfasst werden, wobei diese zudem relativ zum optischen Sensor bewegt werden, so dass auch hohe Leseraten bei der Codeerfassung erforderlich sind.Thus, the optical sensor according to the invention can be used in the field of analysis automation, because there codes must be detected at different distances, which are also moved relative to the optical sensor, so that high read rates are required in the code detection.
Bei Anwendungen im Bereich der Analyseautomation werden mit diesem Sensor Codes auf Probenröhrchen und/oder auf einem Probenröhrchen aufnehmenden Probenträger, welcher in vorgegebenen Einschubpositionen in einen Analyseautomaten einführbar ist, erfasst.For applications in the field of analysis automation, this sensor is used to record codes on sample tubes and / or on a sample tube receiving sample carrier, which can be inserted in predetermined insertion positions in an automated analyzer.
Da die Probenträger wahlweise in eine relativ große Anzahl von in Abstand zueinander liegenden Einschubfächer eingeführt werden können, wobei die Codes bei Einschieben in die Einschubfächer erfasst werden müssen, muss mit dem optischen Sensor ein entsprechend großer Tiefenschärfebereich abgedeckt werden, um die Codes bei Einschub in eines der Einschubfächer sicher zu erkennen.Since the sample carrier can optionally be introduced into a relatively large number of spaced-apart slots, the codes must be detected when inserted into the compartments, must be covered with the optical sensor, a correspondingly large depth of field to the codes when inserted into a to recognize the slots safely.
Ein derartiger großer Tiefenschärfebereich wird allein durch die erfindungsgemäße Scheimpflug-Anordnung der Flächenkamera und des der Flächenkamera zugeordneten Optikelements erzielt.Such a large depth of focus range is achieved solely by the Scheimpflug arrangement according to the invention of the area camera and of the optics element associated with the area camera.
Besonders vorteilhaft ist die Scheimpflug-Anordnung dadurch gegeben, dass sich die Ebenen der Flächenkamera und des Optikelements sowie die eine Scheimpflug-Ebene bildende Abbildungsebene der Flächenkamera in einem Punkt schneiden. Ein zu erfassender Code ist geneigt zur Scheimpflug-Ebene angeordnet und schneidet diese.Particularly advantageously, the Scheimpflug arrangement is given by the fact that the planes of the surface camera and the optical element as well as the Scheimpflug plane forming image plane of the area camera intersect at a point. A code to be detected is disposed inclined to Scheimpflug level and cuts them.
Mit dieser Scheimpflug-Anordnung wird ein besonders großer Tiefenschärfebereich erhalten, da ein Code immer dann am optischen Sensor erfasst werden kann, wenn dieser die Scheimpflug-Ebene schneidet. Dabei kann der Code entlang seiner Schnittlinie mit der Scheimpflug-Ebene sicher gelesen werden, da dort eine entsprechend scharfe Abbildung des Codes auf der Flächenkamera erhalten wird. Damit eignet sich der erfindungsgemäße optische Sensor besonders gut zur Erfassung eindimensionaler Codes oder sehr schmaler, langgestreckter zweidimensionaler Codes.With this Scheimpflug arrangement, a particularly large depth of focus range is obtained since a code can always be detected on the optical sensor when it intersects the Scheimpflug level. The code can be safely read along its intersection with the Scheimpflug plane, since there a correspondingly sharp image of the code on the surface camera is obtained. Thus, the optical sensor according to the invention is particularly well suited for detecting one-dimensional codes or very narrow, elongated two-dimensional codes.
Besonders vorteilhaft ist dieser optische Sensor ein stationäres Codelesegerät.Particularly advantageous is this optical sensor is a stationary code reader.
Der optische Sensor ist stationär in einer bestimmten Einbaulage relativ zum Analyseautomaten angeordnet.The optical sensor is arranged stationary in a specific mounting position relative to the automatic analyzer.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors besteht darin, dass auch bei hohen Barcoderaten, das heißt bei einer großen Anzahl von per Zeiteinheit in den Erfassungsbereich der Flächenkamera eintretenden Codes, insbesondere Barcodes, alle Barcodes sicher und zuverlässig detektiert werden können, und zwar auch dann, wenn diese Barcodes in unterschiedlichen Richtungen relativ zum optischen Sensor orientiert sind.A further significant advantage of the optical sensor according to the invention is that even with high bar code rates, that is to say with a large number of codes entering the detection area of the area camera per time unit, in particular bar codes, all bar codes can be reliably and reliably detected, even then if these barcodes are oriented in different directions relative to the optical sensor.
Dies wird erfindungsgemäß durch die dynamische Fensterung der Flächenkamera erzielt. Zu dieser dynamischen Fensterung werden mittels des Umschaltmittels, angepasst an die Fördergeschwindigkeit der Barcodes, selektiv Fenster als Teilbereiche der Flächenkamera definiert, wobei bei einer solchen Fensterung immer nur die Pixel innerhalb des jeweiligen Fensters ausgelesen und für die Bildauswertung in der Auswerteeinheit verwendet werden, nicht jedoch die außerhalb des Fensters liegenden Pixel. Damit kann die Bildausleserate des optischen Sensors gegenüber dem herkömmlichen Betrieb des optischen Sensors, bei welchem alle Pixel der Flächenkamera ausgelesen werden müssen, erheblich gesteigert werden. Dadurch wird erreicht, dass die Bildausleserate des optischen Sensors erheblich größer ist als die Barcoderate, wodurch gewährleistet ist, dass sämtliche der am optischen Sensor vorbei bewegten Barcodes sicher detektiert werden können.This is achieved according to the invention by the dynamic fenestration of the area camera. For this dynamic fenestration, windows are selectively defined as subregions of the area camera by means of the switching means, adapted to the conveying speed of the barcodes. In such a windowing, only the pixels within the respective window are read out and used for the image evaluation in the evaluation unit, but not the pixels outside the window. Thus, the image readout rate of the optical sensor compared to the conventional operation of the optical sensor, in which all pixels of the area camera must be read out, be significantly increased. This ensures that the image readout rate of the optical sensor is considerably greater than the barcode rate, which ensures that all of the barcodes moving past the optical sensor can be reliably detected.
Die Größen und Lagen des Fensters innerhalb der Gesamtfläche der Flächenkamera sind dabei an die Größe und an die aktuellen Orientierungen der Barcodes relativ zum optischen Sensor derart angepasst, dass mit dem jeweils aktivierten Fenster der gerade zu detektierende Barcode vollständig erfasst werden kann. Umgekehrt ist das jeweilige Fenster so dimensioniert, dass im Wesentlichen nur der zu detektierende Barcode erfasst wird, das heißt das jeweilige Fester wird so klein wie möglich gewählt, um die vollständige Erfassung des Barcodes noch zu gewährleisten. Dadurch kann die größtmögliche Bildaufnahmerate erhalten werden.The sizes and locations of the window within the total area of the area camera are adapted to the size and to the current orientations of the barcodes relative to the optical sensor such that the barcode currently to be detected can be completely detected with the respectively activated window. Conversely, the respective window is dimensioned so that essentially only the barcode to be detected is detected, that is, the respective fixed is chosen as small as possible in order to ensure the complete detection of the barcode yet. This allows the highest possible image acquisition rate to be obtained.
Besonders vorteilhaft ist durch Speicherung der Folge von zu detektierenden Barcodes oder durch Ermittlung der zeitlichen Abfolge der zu detektierenden Barcodes in einem Einlernvorgang diese Abfolge bekannt. Dann kann durch ein externes Triggersignal das Umschaltmittel im optischen Sensor derart gesteuert werden, dass die Aktivierung der einzelnen Fenster bei der dynamischen Fensterung an den Transport der Barcodes so abgestimmt ist, dass für jeden der in den Erfassungsbereich des optischen Sensors eintauchenden Barcodes zeitgenau das Fenster mit der an die Position und Orientierung angepassten Größe und Lage aktiviert wird.It is particularly advantageous by storing the sequence of barcodes to be detected or This sequence is known by determining the time sequence of the barcodes to be detected in a learning process. Then, the switching means in the optical sensor can be controlled by an external trigger signal such that the activation of the individual windows in the dynamic fenestration to the transport of the barcodes is tuned so that for each of the immersed in the detection range of the optical sensor barcodes the window with the size and position adapted to the position and orientation is activated.
Dadurch wird mit dem optischen Sensor ein getriggertes System bereitgestellt, bei welchem der Takt der dynamischen Fensterung an die Barcoderate exakt angepasst ist.As a result, a triggered system is provided with the optical sensor, in which the cycle of the dynamic windowing is adapted exactly to the barcode rate.
Die Flächenkamera ist besonders vorteilhaft von einem CCD- oder CMOS-Array gebildet. Mit derartigen Flächenkameras können die erforderlichen hohen Auflösungen zur Detektion von Barcodes hoher Dichte erzielt werden.The area camera is particularly advantageously formed by a CCD or CMOS array. With such area cameras, the required high resolutions can be achieved for the detection of high density barcodes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße optische Sensor eine eigene Beleuchtungseinheit in Form einer Anordnung von Leuchtdioden auf.In a further advantageous embodiment, the optical sensor according to the invention has its own lighting unit in the form of an arrangement of light-emitting diodes.
Die Belichtungszeiten der Pixel werden besonders vorteilhaft elektronisch gesteuert.The exposure times of the pixels are particularly advantageously controlled electronically.
Gemäß einer ersten Variante kann hierzu ein sogenannter Rolling Shutter vorgesehen sein. Mit diesem Rolling Shutter werden die einzelnen Pixel-Zeilen der Flächenkamera rollierend einzeln nacheinander belichtet. Um Fehldetektionen zu vermeiden, muss hierbei mittels der Beleuchtungseinheit das zu detektierende Objekt für die komplette Bildaufnahmezeit, das heißt für die Zeitspanne über welche alle Pixel-Zeilen der Flächenkamera belichtet werden, beleuchtet werden.According to a first variant, a so-called rolling shutter can be provided for this purpose. With this Rolling Shutter, the individual pixel lines of the area camera are exposed one after the other, rolling one by one. In order to avoid misdetections, the object to be detected must be illuminated by the illumination unit for the complete image acquisition time, that is to say for the time span over which all pixel lines of the area camera are exposed.
Gemäß einer zweiten Variante kann ein sogenannter Global Shutter vorgesehen sein. Bei diesem Global Shutter werden alle Pixel der Flächenkamera zeitgleich belichtet, was die Bildaufnahmezeit erheblich verkürzt.According to a second variant, a so-called global shutter can be provided. With this global shutter all pixels of the area camera are exposed at the same time, which considerably reduces the image acquisition time.
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 den Barcode
Der Flächenkamera
Die Beleuchtungseinheit
Durch die Kontraststruktur des Codes, die im vorliegenden Fall von hellen und dunklen Strichelementen des Barcodes
In der Auswerteeinheit
Der optische Sensor
Ein derartig großer Tiefenschärfebereich
Um die Bildaufnahmerate des optischen Sensors
Zur Erfassung des Barcodes
Bei der Detektion einer Folge von Barcodes
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Optischer SensorOptical sensor
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Beleuchtungseinheitlighting unit
- 44
- Lichtstrahlenlight rays
- 55
- Austrittsfensterexit window
- 66
- Barcodebarcode
- 77
- FlächenkameraAreascan
- 7a7a
- Pixelpixel
- 88th
- Linselens
- 99
- Auswerteeinheitevaluation
- 1010
- TiefenschärfebereichDepth of field
- 1111
- Rackrack
- 1212
- Probenröhrchensample tubes
- 1313
- AnalyseautomatenAnalyzers
- 1414
- Einschubfachinsertion tray
- FF
- Fensterwindow
Claims (16)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201220101809 DE202012101809U1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Optical sensor |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201220101809 DE202012101809U1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Optical sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE202012101809U1 true DE202012101809U1 (en) | 2012-06-14 |
Family
ID=46547414
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201220101809 Expired - Lifetime DE202012101809U1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Optical sensor |
Country Status (2)
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DE (1) | DE202012101809U1 (en) |
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2012
- 2012-05-16 DE DE201220101809 patent/DE202012101809U1/en not_active Expired - Lifetime
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2013
- 2013-05-03 CH CH00909/13A patent/CH706534B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20120809 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |