KR20210059644A - 포커스 모듈 - Google Patents

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KR20210059644A
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focus
sensor
focusing device
distance
module
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KR1020200151283A
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플로리안 슈나이더
토비아스 폰티지아
조나단 페일
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식아게
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Abstract

포커스 조정가능 광학기기, 광학기기의 포커스 포지션을 변경하기 위한 포커스 조정 유닛, 및 포커스 조정 유닛에 의해 거리 값에 대응하는 포커스 포지션으로 광학기기를 이동시키기 위한 포커스 제어부를 갖는 광전자 센서용 포커스 모듈이 제공된다. 더욱이, 포커스 모듈은 여기서, 거리 값을 결정하기 위한 거리 센서를 갖고, 포커스 조정 유닛, 포커스 제어부, 및 거리 센서는 포커스 모듈의 부분들이다.

Description

포커스 모듈{FOCUS MODULE}
본 발명은, 포커스-조정가능 광학기기, 광학기기의 포커스 포지션(focal position)을 변경하기 위한 포커스 조정 유닛, 거리 값을 결정하기 위한 거리 센서, 특히 비행 시간(Time of Flight) 프로세스의 원리에 따른 광전자 거리 센서, 및 포커스 조정 유닛에 의해 거리 값에 대응하는 포커스 포지션으로 광학기기를 이동시키기 위한 포커스 제어부(focus control)를 갖는 광전자 센서용 포커싱 디바이스에 관한 것이다.
광학기기의 포커싱은 매우 큰 그룹의 광전자 센서들에 대해 요구되는 작업이다. 센서 유형에 의존하여, 이것은 광 빔이 송신될 때 또는 광 패턴이 투사될 때 송신 측에 관련되거나, 또는 광 빔들 또는 심지어 이미지들의 검출을 위한 수신 측에 관련된다. 송신 측에서의 포커싱을 위한 일 예는 포커싱된 판독 빔을 갖는 바코드 스캐너이고; 수신 측에서의 포커싱을 위한 추가적인 예는 이미지들의 포커싱된 촬영을 위한 카메라이다. 투사된 조명 패턴을 이용하는 3D 카메라가 예시하는 바와 같이, 송신 측 및 수신 측 둘 모두에서 포커싱을 위한 필요성이 또한 존재한다.
카메라들은 물체 속성들을 자동으로 검출하기 위해, 예컨대 물체들의 검사 또는 측정을 위해 다양한 방식들로 특히 산업용 애플리케이션들에서 사용된다. 이러한 점에서, 물체의 이미지들이 촬영되고, 이미지 프로세싱 방법들에 의해 태스크에 따라 평가된다. 카메라들의 추가적인 용도는 코드들의 판독이다. 코드들이 로케이팅되어 있는 물체들은 이미지 센서를 사용하여 레코딩되고, 코드 구역들이 이미지들에서 식별되며, 이어서 디코딩된다. 또한, 카메라-기반 코드 판독기들은, 또한 매트릭스 코드와 같은 2차원 구조를 갖고 더 많은 정보를 제공하는, 1차원 바코드들과는 상이한 코드 타입들에 문제없이 대처한다. 인쇄된 주소들의 텍스트의 자동 검출(OCR(optical character recognition)) 또는 필기(handwriting)의 자동 검출은 또한 원칙적으로는 코드들의 판독이다. 카메라-기반 판독기들에 대한 이러한 큰 다양성에도 불구하고, 대체적으로 동일한 판독 파워로 덜 값비싼 특수화된 바코드 스캐너들이 여전히 널리 사용되고 있다. 코드 판독기들의 통상적인 사용 영역들은 슈퍼마켓 금전 등록기들, 자동 소포 식별, 우편 발송물들의 분류, 공항들에서의 수하물 처리, 및 다른 물류 애플리케이션들이다.
빈번한 검출 상황은 검사 작업 또는 측정 작업을 위해 컨베이어 벨트 위에 코드 판독기 또는 카메라를 설치하는 것이다. 카메라는 컨베이어 벨트 상에서 물체 스트림의 상대적인 이동 중에 이미지들을 레코딩하고, 검출된 정보를 저장하거나 또는 포착된 물체 속성들에 의존하여 추가적인 프로세싱 단계들을 착수한다. 그러한 프로세싱 단계들은, 운반된 물체들에 작용하는 기계에서의 특정 물체, 또는 특정 물체들이 품질 제어의 일부로서 물체 스트림으로부터 배출되거나 물체 스트림이 복수의 부분적인 물체 스트림들로 분류된다는 점에서 물체 스트림에 대한 변화에 적합한 추가적인 프로세싱을 포함할 수 있다. 물체들은 정확한 분류 또는 유사한 프로세싱 단계들을 위해, 적용된 코드들을 참조하여 코드 판독기에 의해 식별된다.
포커스 포지션은, 상이한 작동 거리들에 따라 작동할 수 있고, 특히 상이한 거리들에서 코드들을 판독할 수 있도록 세팅되어야 한다. 이를 위한 상이한 기술들이 존재한다. 통상적으로, 물체의 포지션, 즉 물체와 이미지 센서 사이의 거리는 리포커싱을 달성하기 위해 변화된다. 이것은 종종, 병렬 가이드 또는 스레드를 통해 스테퍼 모터 또는 가동 코일의 도움으로 자동으로 행해진다.
EP 2 498 113 A1호는 모터-구동식 캠 플레이트 및 스프링 지지대에서의 대물렌즈의 평행 가이드의 도움을 받는 카메라-기반 코드 판독기에 대한 포커스 조정을 제안한다. DE 10 2016 112 123 A1호는 가동 코일 드라이브(moving coil drive)에 따라 판독 빔의 포커싱을 위해 피봇(pivot)되는 피봇 아암(arm) 상에서 투과 광학기기를 갖는 바코드 스캐너를 개시한다. 포커스 조정은, 상이한 포커스 포지션들에서 가동 코일 드라이브에 의해 이동가능하고 2개의 리프 스프링(leaf spring)들 상에서 롤링 오프(roll off)되는 광학기기 캐리어를 제공하는 EP 3 525 026 A1호에 제시되어 있다.
포커스 조정을 위한 카메라 및 방법은 DE 10 2018 102 917 B3호로부터 알려져 있다. 수신 광학기기의 포커스 포지션은 외부로부터 액세스가능한 스레드의 회전 이동에 의해 변화될 수 있다. 카메라는 비행 시간 측정을 사용하여 거리 값들을 측정하는 거리 측정 유닛을 포함하며, 상기 거리 값들은 요구된 포커스 포지션을 찾기 위해 디스플레이된다. 게다가, 이러한 포커스 포지션이 채택되었을 때 홀 센서(Hall sensor)에 의해 검사가 행해질 수 있다.
DE 10 2018 105 301 A1호는 수직 프로파일을 수신하는 통합형 거리 센서를 갖는 카메라를 개시한다. 따라서, 포커스 조정을 또한 포함할 수 있는 상이한 기능들이 지원된다.
DE 10 2018 103 092 A1은 동영상 카메라에 대한 포커스 세팅 디스플레이 유닛을 다룬다. 따라서, 포커스 세팅 및 거리 값들의 주파수 분포의 그래픽 표현이 서로에 대한 공간적 관계로 디스플레이될 수 있다.
포커스 유닛들이 고정적으로 설치되는 상기 컨베이어 벨트 애플리케이션들에서 디바이스들이 이전에 사용되었다. 결과적으로, 포커스 조정이 있거나 없는 디바이스 변형들이 존재한다. 포커스 조정 모터의 큰 공간 요건들로 인해, 복잡하고 값비싼 다이 캐스트 하우징은 다양한 변형들로 이용가능해야 한다. 이것은 더 높은 비용들, 더 많은 노력 및 유연성의 부족을 의미한다.
더욱이, 빠른 포커스 조정은 특히, 컨베이어 벨트들의 판독 터널들에서의 외부 측정 신호에 기반한다. 운반된 물체들의 지오메트리는 이러한 목적을 위해, 별개의 레이저 스캐너 등에 의해 미리 측정된다. 대응하는 디바이스 노력 및 조정 노력이 이러한 목적을 위해 요구된다.
US 2010/0176319 A1호는 이미지 기반 코드 판독기에 대한 모듈식 포커싱 시스템을 개시한다. 따라서, 고정 포커스, 수동 포커스, 또는 가변 포커스를 위한 렌즈 어레인지먼트(arrangement)들이 선택적으로 사용된다. 그러나, 이것은 오직 광학기기에만 관련된다. 가변 포커스는 여전히 카메라에 의해 적합한 포커스 포지션으로 제어되어야 한다.
따라서, 광전자 센서에 대한 포커싱을 개선시키는 것이 본 발명의 목적이다.
이러한 목적은, 포커스-조정가능 광학기기, 광학기기의 포커스 포지션을 변경하기 위한 포커스 조정 유닛, 거리 값을 결정하기 위한 거리 센서, 특히 비행 시간 프로세스의 원리에 따른 광전자 거리 센서, 및 포커스 조정 유닛에 의해 거리 값에 대응하는 포커스 포지션으로 광학기기를 이동시키기 위한 포커스 제어부를 갖는 광전자 센서용 포커스 디바이스에 의해 만족된다. 포커싱 디바이스는, 포커스 조정들이 독립적으로 수행된다는 점에서 광전자 센서의 제어와는 독립적으로 포커싱을 처리하는 자율 포커스 모듈로서 구성되며, 해제가능한 연결 엘리먼트들에 의해 센서로 개장(retrofit)될 수 있거나 또는 다른 포커스 모듈로 교체될 수 있고, 포커스 조정 유닛, 포커스 제어부, 및 거리 센서는 포커스 모듈의 부분들이다.
포커스 모듈은, 센서가 포커스 모듈로 개장될 수 있도록 또는 하나의 포커스 모듈이 다른 포커스 모듈로 교체될 수 있도록 설계된다. 포커스 모듈은, 예컨대 그 자체로 알려진 임의의 형태로, 예컨대 단일 렌즈 또는 대물렌즈로서 설계될 수 있는 포커스 조정가능 광학기기를 포함한다. 포커스 조정부는 포커스 포지션을 변화시키기 위한 액추에이터로서 기능한다. 요구되는 제어들은 광학기기가 포커스 조정부의 도움으로 원하는 포커스 포지션으로 이동되는 것, 즉 피사계 심도 범위가 특정 거리 값 주위에 배치되는 것을 제공하는 포커스 제어부에 의해 발생한다.
본 발명은, 포커스 모듈이 상황-적합 포커스 포지션을 자율적으로 세팅할 수 있는 기본적인 아이디어로부터 시작한다. 이러한 목적을 위해, 예컨대 물체 또는 판독될 코드로부터 거리를 측정하는 거리 센서가 제공된다. 거리 센서는, 바람직하게는 비행 시간 프로세스의 원리에 따라 광학적으로 작동할 수 있다. 그러한 센서들은 매우 콤팩트한 설계로 이용가능하다. 포커스 제어부, 거리 센서, 및 포커스 조정부는 광전자 센서가 아니라 포커스 모듈의 일부를 형성한다. 따라서, 포커스 모듈은, 특히 오토포커스 모듈로서 작동하기 위해 포커스 조정들을 독립적으로 수행할 수 있다.
본 발명은, 특히 큰 유연성이 모듈성에 의해 달성된다는 장점을 갖는다. 특히, 외부 거리 측정에 대한 노력이 빠른 애플리케이션에서 요구되는지 또는 지오메트리 결정을 위해 업스트림에 배열된 레이저 스캐너가 통합된 거리 측정에 의해 생략될 수 있는지의 판단이 판독 터널에서 행해질 수 있다. 포커스 모듈은 별개로 개발, 테스트, 및 제조될 수 있다. 매우 콤팩트한 포커스 조정부들 및 거리 센서들 및 그에 따른 포커스 모듈의 콤팩트한 설계들이 가능하다.
포커스 모듈은 바람직하게, 포커스 조정 유닛, 포커스 제어부, 및 거리 센서에 대한 드라이버 회로가 수용되는 회로 보드, 특히 플렉스 보드를 갖는다. 포커스 모듈의 모든 필수 전자 엘리먼트들 또는 심지어 이들 모두에 대한 그러한 공통 회로 보드는 특히 콤팩트한 설계를 허용한다. 포커스 모듈은 바람직하게, 광학기기의 포지션 및 그에 따라 실제로 세팅된 포커스 포지션을 검출하기 위한 포지션 센서를 또한 포함하며, 그러한 포지션 센서는 마찬가지로 유리하게 공통 회로 보드 상에 수용될 수 있다.
포커스 모듈은 바람직하게, 센서의 제어 데이터를 수신하고 그리고/또는 거리 센서의 거리 값들을 센서에 전달하기 위해, 센서에 대한 인터페이스를 포함한다. 따라서, 센서는 포커스 모듈과 통신할 수 있으며, 예컨대 포커싱 모드를 세팅하거나 포커스 포지션을 특정할 수 있다. 반대로, 센서는 거리 센서에 의해 측정된 거리 값에 대한 액세스를 가지며, 그 거리 값은 포커스 조정 이외의 다른 목적들, 예컨대 조명 조정 또는 이미지 평가 지원을 위해 또한 유용하다.
포커스 제어부는 바람직하게, 적어도 하나의 거리 값이 인터페이스를 통해 특정되고 대응적으로 포커스 위치가 거리 값을 추적하는 외부 포커스 모드에 대해 구성된다. 포커스 모듈은 상이한 모드들에서의 동작을 위해 구성될 수 있다. 이러한 모드에서, 외부 거리 값들은 거리 센서의 자체 거리 값들에 부가하여 또는 그 대신 사용된다. 이것은, 자율적인 리포커싱이 너무 느릴 높은 빠른 애플리케이션들에서, 예컨대 운반 속도들에서 가급적 필요하다. 이어서, 거리 값들은, 예컨대 상류에 배치된 레이저 스캐너에 의해 미리 결정되므로, 적합한 포커스 포지션을 세팅하기 위해 실제 이미지 촬영 또는 코드 판독까지 충분한 시간이 남아 있다.
포커스 제어부는 바람직하게, 거리 값들이 거리 센서를 통해 연속적으로 측정되고 대응적으로 포커스 포지션이 거리 값들을 추적하는 오토포커스 모드에 대해 구성된다. 여기서, 포커스 모듈은 독립적인 오토포커스 모듈로서 작동한다. 거리 값들의 연속 측정은 요구되는 조절 레이트에 따라 발생한다. 외부 포커스 모드 및 오토포커스 모드에 부가하여 추가적인 모드들, 예컨대 포커스 모듈이 독립적으로 보정되는 보정 모드가 고려될 수 있다.
포커스 조정 유닛은 바람직하게 가동 코일 드라이브를 갖는다. 따라서, 특히 가볍고 콤팩트한 포커스 모듈이 가능하다. 가동 코일 드라이브는 제어 또는 조절에 의해 동작될 수 있으며, 포커스 모듈은 바람직하게, 광학기기의 실제 포지션의 결정을 위한 이미 위에서 언급된 포지션 센서를 조절을 위해 포함한다. 가동 코일 드라이브에 대안적으로, 예컨대, 액체 렌즈 또는 젤 렌즈와 같은 적응형 렌즈가 또한 고려될 수 있다.
포커스 조정 유닛은 바람직하게, 광학기기를 갖는 이동가능 캐리어 엘리먼트를 포함하고, 고정된 유지 엘리먼트를 포함하며, 이동가능 캐리어 엘리먼트 및 고정된 유지 엘리먼트는 각각 표면을 갖고, 특히 서로 평행한 표면들을 갖고, 여기서 이동가능 캐리어 엘리먼트의 포지션은 포커스 포지션의 세팅을 위해 유지 엘리먼트에 대해 가변적이고, 이동가능 캐리어 엘리먼트의 이동 동안 표면들을 롤링 온(roll on) 또는 롤링 오프하는 적어도 하나의 롤링 리프 스프링(rolled leaf spring)이 캐리어 엘리먼트와 유지 엘리먼트 사이에 배열된다. 이동가능 캐리어 엘리먼트의 포지션은 포커스 포지션의 세팅을 위해 고정된-포지션 유지 엘리먼트에 대해 변경된다. 포커스 조정부는, 캐리어 엘리먼트와 유지 엘리먼트 사이에 배열되고 캐리어 엘리먼트 및 유지 엘리먼트의 개개의 표면들을 롤링 온 및 오프하는 리프 스프링에 기반한다. 이러한 종류의 콤팩트한 기계식 서스펜션은 높은 장기 안정성으로 큰 조정 거리들을 가능하게 한다.
캐리어 엘리먼트는 바람직하게, 상부 단부 접합부(end abutment) 및 하부 단부 접합부를 가지며, 유지 엘리먼트는 단부 접합부들 사이에서 돌출되는 댐핑(damping) 엘리먼트를 갖는다. 단부 접합부들은, 무엇보다도 포커스 조정부가 너무 큰 편향에 대처할 수 없는 무전류(currentless) 상태에서 최소 또는 최대 큰 편향으로 캐리어 엘리먼트를 이동시키는 것을 제한한다. 댐핑 엘리먼트는 충돌하는 캐리어 엘리먼트의 운동 에너지를 흡수한다. 따라서, 어떠한 에스컬레이션(escalation)도 발생하지 않으며, 포커스 모듈은 진동/충격 로드에 대해 더 견고해진다.
유리한 추가적인 전개에서, 광 송신기 및/또는 광 수신기, 및 광 송신기 및/또는 광 수신기와 연관된 본 발명에 따른 적어도 하나의 포커스 모듈을 갖는 광전자 센서가 제공된다. 따라서, 포커스 모듈은 송신 측 또는 수신 측에서 포커싱하는 데 적합하다. 광 송신기 및 광 수신기의 동축 어레인지먼트가 또한 고려될 수 있으며, 여기서 포커스 모듈은 송신 광학기기 및 수신 광학기기 둘 모두로서 작동하거나 또는 송신 측 및 수신 측에 대해 2개의 포커스 모듈들의 사용이 고려될 수 있다.
센서는 바람직하게, 자신의 광 송신기 전에 포커스 모듈을 갖는 바코드 스캐너로서 구성된다. 송신 측에서의 이러한 사용으로, 포커스 모듈은 바코드 스캐너의 판독 빔을 코드 거리로 번들링한다. 대안적으로, 센서는 자신의 광 수신기 전에 포커스 모듈을 갖는 카메라로서 구성된다. 수신 측에서의 이러한 애플리케이션에서, 포커스 모듈은 이미지 센서로서 구성된 카메라의 광 수신기 상에서, 포커싱된 이미징을 제공한다. 카메라는 바람직하게 카메라-기반 코드 판독기이고, 즉 그것은 이미지 센서의 이미지 데이터에서 코드들을 로케이팅하고 디코딩하는 평가 유닛을 갖는다.
본 발명은 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 예로서 또한 추가적인 특징들 및 장점들에 관해 다음에서 더 상세히 설명될 것이다. 도면들의 도는 다음과 같다:
도 1은 포커스 모듈의 개략적인 표현이다.
도 2는 포커스 모듈의 포커스 조정부의 확대된 표현이다.
도 3은 포커스 모듈의 거리 센서의 확대된 표현이다.
도 4a는 포커스 모듈의 필수 전자 엘리먼트들을 갖는 펼쳐진 공동 회로 보드의 개략적인 표현이다.
도 4b는 포커스 모듈의 회로 보드의 어레인지먼트의 개략적인 표현이다.
도 5는 포커스 모듈을 갖는 카메라의 개략적인 표현이다.
도 6은 편향의 제한 및 댐핑을 이용하는 포커스 조정부의 캐리어 엘리먼트의 개략적인 표현이다.
도 7은 캐리어 엘리먼트의 편향의 제한 및 댐핑의 대안적인 실시예의 3차원 표현이다.
도 8은 컨베이어 벨트에 설치된 포커스 모듈을 갖는 카메라의 적용 상황의 표현이다.
도 1은 포커스 모듈(10)의 개략적인 표현을 도시한다. 광학기기(12)는 포커스 조정부(14)에 의해 개개의 적합한 포커스 포지션으로 이동된다. 도 1에 도시된 모든 엘리먼트들과 같이, 광학기기(12)는 순전히 일 예로서 그리고 여기서는 개별 렌즈로서 도시된다. 그것은 일반적으로, 렌즈들, 및 다른 광학 엘리먼트들, 이를테면 다이어프램들, 프리즘들 및 선택적으로 또한 반사식일 수 있는 다른 것들로 이루어진 임의의 원하는 대물렌즈이다. 포커스 조정부(14)는 이중 화살표에 따라, 광학 축을 따라 렌즈 포지션을 변화시킴으로써, 그에 따라 대안적인 포커스 변화를 막지 않으면서, 예컨대 적응형 렌즈의 포커스 길이 조정에 의해 작동된다.
거리 센서(16)는 세팅될 개개의 포커스 포지션이 도출될 수 있는 거리 값들, 즉 예컨대 물체 거리 또는 코드 거리를 측정한다. 거리 센서(16)는 TOF(time of flight)로 마킹되지만, 또한 상이한 측정 원리들을 사용할 수 있다.
더욱이, 포커스 모듈(10)은 포커스 조정부(14) 및 거리 센서(16)에 연결된 그 자신의 포커스 제어부(18)를 갖는다. 이것은, 개개의 거리 값들이 측정되고 그에 따라 포커스 포지션이 세팅되는 포커스 조절 또는 오토포커스 모드를 가능하게 한다.
인터페이스(20)는 포커스 모듈(10)이 사용되는 광전자 센서로의 연결을 제공한다. 외부 제어 커맨드들이 수신될 수 있고, 거리 센서(16)의 거리 값들이 이를 통해 출력될 수 있다. 더욱이, 포커스 모듈(10)은 자신을 센서에 체결시키거나 자신을 센서로부터 해제하기 위해, 개략적인 표현에서 인식가능하지 않은 기계식 커넥터를 갖는다.
도 2는 가동 코일 드라이브로서의 포커스 조정부(14)의 유리한 실시예를 도시한다. 여기서 3개의 렌즈들로 상징되는 광학기기(12)는 2개의 롤링된 리프 스프링들(24)에 의해 양측에서, 고정된 유지 엘리먼트(26) 사이에 클램핑된 이동가능 캐리어 엘리먼트(22) 상에 로케이팅된다. 이동가능 캐리어 엘리먼트(22)는 오실레이터로서 작동하고, 고정된 포지션 유지 엘리먼트(26)는 고정자로서 작동한다. 롤링된 리프 스프링(24)은 개개의 고정 지점(28)을 이용하여 이동가능 캐리어 엘리먼트(22) 및 유지 엘리먼트(26)에 체결된다. 고정은 또한 부가적인 지점들에서 고려될 수 있지만, 이것은 가능한 조정 경로를 단축시키거나; 또는 그것은 반대로, 롤링된 리프 스프링(24)이 그들의 스프링 힘에 의해 클램핑되고 롤 마찰이 정적 마찰보다 작으므로 또한 생략될 수 있다.
바람직하게 광학기기(12)의 광학 축에 대응하는 길이방향 축의 방향에서의 이동가능 캐리어 엘리먼트(22)에 대한 힘 효과는 롤링된 리프 스프링(24)의 롤링 업 또는 오프에 영향을 준다. 개개의 채택된 포지션은 드라이버 회로(30)를 통하여 포커스 제어부(18)에 의해 정의된다. 도 2에서의 방향 화살표 또는 드라이버 회로의 맞물림 지점은 기하학적이지 않고 순전히 기능적인 것으로 이해되어야 한다. 가동 코일 드라이브 시스템은 바람직하게, 광 경로들을 방해하지 않기 위해 캐리어 엘리먼트(22)의 주변부에서 실제로 맞물린다.
가동 코일 드라이브 시스템에 대한 대안으로서, 다른 포커스 조정들, 예컨대 액체 렌즈 또는 젤 렌즈와 마찬가지로 광학적으로 유효한 윤곽을 변경함으로써 자신의 포커스 길이를 변경하는 적응형 렌즈가 또한 고려될 수 있다.
도 3은 비행 시간 측정 원리에 따른, 광전자 거리 센서로서의 통합된 거리 센서(16)의 유리한 실시예를 도시한다. 거리 센서(16)는 TOF 송신 광학기기(34)를 갖는 TOF 광 송신기(32) 및 TOF 수신 광학기기(38)를 갖는 TOF 광 수신기(36)를 포함한다. 따라서, TOF 광 신호가 송신되고 다시 수신된다. 비행 시간 측정 유닛(40)은, TOF 광 신호의 비행 시간을 결정하고, TOF 광 신호가 다시 반사되었던 물체로부터의 거리를 이로부터 결정한다.
거리 센서(16)의 설계는 순전히 예시적이다. 시간 광 프로세스들에 의한 광전자 거리 측정은 알려져 있으며, 따라서 상세히 설명되지 않을 것이다. 2개의 예시적인 측정 프로세스들은 주기적으로 변조되는 TOF 광 신호를 사용하는 광자 혼합 검출 및 펄스 변조된 TOF 광 신호를 사용하는 펄스 비행 시간 측정이다. TOF 광 수신기(36)가 비행 시간 측정 유닛(40) 또는 그의 적어도 일부들, 예컨대 비행 시간 측정들을 위한 TDC(time to digital converter)들과 함께 공통 칩 상에 수용되는 고도로 통합된 솔루션들이 여기에 또한 존재한다. 특히, SPAD(single photon avalanche diode) 광 수신 엘리먼트(36a)의 매트릭스로서 설계된 TOF 광 수신기(36)가 이러한 목적에 적합하다. TOF 광학기기들(34, 38)은 마이크로렌즈 분야와 같은 임의의 원하는 광학기기를 표현하는 개개의 개별 렌즈들로서 상징적으로만 도시된다. 대안적으로, 거리 센서(16)가 상이한 광학적 또는 비-광학적 원리를 사용하여 거리들을 측정한다는 것이 고려될 수 있다.
도 4a는 특히 유리한 실시예의 펼쳐진 공통 회로 보드(42)를 도시한다. 공통 회로 보드(42)는 바람직하게, 가요성 보드, 예컨대 단단한 플렉스 회로 보드로서 구성된다. 거리 센서(16), 포커스 제어부(18), 및 드라이버 회로(30)가 공통 회로 보드(42) 상에 수용된다.
도 4b는 포커스 모듈(10)에서의 공통 회로 보드(42)의 어레인지먼트를 도시한다. 공통 회로 보드는 조절을 위한 전자기기, 즉 포커스 제어부(18) 및 드라이버 회로(30)가 포커스 모듈(10)의 하부측 상에 로케이팅되도록 접힌다. 광학기기(12)의 시야를 검출할 수 있어야 하는 거리 센서(16)는 반대로 상부측 상에 로케이팅된다. 광학기기(12)의 개개의 포지션에 대한 포지션 센서(도시되지 않음)가 측부에서 제공될 수 있다.
회로 보드(42)는 특히, 그의 하부 구역에 더 추가적인 전자 엘리먼트들을 가질 수 있다. 그들은 일반적인 엘리먼트들, 이를테면 메모리들 또는 공급 유닛들 및 인터페이스(20)를 포함한다. 이상적인 경우에서, 어떠한 추가적인 회로 보드도 필요하지 않다. 광학기기(12) 및 포커스 모듈(10)을 통한 광의 통과를 가능하게 하는 회로 보드(42)의 하부 구역 내의 중심 개구는 도 4b의 개략적인 단면도에서 인식가능하지 않다.
추가적인 센서들, 예컨대 온도 센서 또는 가속도 센서가 회로 보드(42) 상에서 고려될 수 있다. 광학기기(12)의 개개의 포지션은 온도에 의존하여 온도를 통해 정정된다. 가속도 센서는, 예컨대 조절을 조정하기 위해 적용 상황의 분석을 제공한다. 예컨대, 상황에 따라, 응답 시간 또는 포지션 안정성이 외부 제어들에서 최적화된다. 이러한 점에서 현재 어떠한 특별한 요구들이 없다면, 조절은 전력 소비를 최적화할 수 있다.
도 5는 수신 측에 연결된 포커스 모듈(10)을 갖는 광전자 센서의 일 예로서 카메라(100)의 블록 다이어그램을 도시한다. 연결은, 한편으로는 해제가능한 연결 엘리먼트들에 의해 그리고 다른 한편으로는 인터페이스(20) 및 카메라(100)의 대응하는 인터페이스(44)를 통해 기계적으로 발생한다. 수신된 광은 카메라(100)의 이미지 센서(46) 상으로 광학기기(12)에 의해 안내된다.
카메라 제어부(48)는 이미지 센서(46)에 연결되며, 카메라(100)에서 제어 작업, 평가 작업, 및 다른 조정 작업을 담당한다. 따라서, 카메라 제어부는 이미지 레코딩들을 트리거링하고, 이미지 센서(46)의 이미지 데이터를 판독하여, 이미지 데이터를 저장하고, 이미지 데이터를 프로세싱하여, 이미지 데이터를 외부 인터페이스(도시되지 않음)에 출력한다. 카메라 제어부(48)는 바람직하게, 카메라(100)가 카메라-기반 코드 판독기가 되도록 이미지 데이터에서 코드 구역들을 로케이팅하고 디코딩할 수 있다. 그러나, 예컨대 검사 및 측정 작업(머신 비전)을 위한 다른 이미지 프로세싱 프로세스들이 또한 고려될 수 있다.
포커스 모듈(10)은 그것이 카메라 제어부(48)와는 독립적으로 포커싱을 처리할 수 있다는 점에서 독립적이거나 또는 자율적이다. 그럼에도 불구하고, 카메라 제어부(48)는 바람직하게, 인터페이스들(20, 44)을 통해 포커스 제어부(18)와 통신한다. 이것은 상이한 동작 모드들을 가능하게 만든다. 바람직한 동작 모드는, 포커스 제어부(18)가 거리 센서(16)의 거리 값들을 사용하여 광학기기(12)의 연관된 포커스 포지션을 독립적으로 세팅하는 오토포커스 모드이다. 이러한 점에서, 거리 값들은 또한, 카메라 제어부(48)로 출력될 수 있으며, 카메라 제어부는 그에 따라, 추가적인 태스크들, 이를테면 노출 시간들, 이미지 밝기 제어를 위한 별개의 활성 조명 등의 세팅을 만족시킨다. 다른 동작 모드는, 카메라(100)에 외부적으로 연결된 레이저 스캐너와 같은 센서들의 거리 값들 또는 대응하는 포커스 포지션들이 이제 포커스 제어부(18)에 대해 특정되는 외부 포커싱 모드이다. 포커스 모듈(10)은 이러한 외부 포커스 모드에서 더 이상 완전히 자율적이지 않지만; 그것은 바람직하게, 훨씬 더 큰 유연성을 또한 제공한다. 포커스 모듈(10)의 자율적인 보정과 같은 추가적인 동작 모드들이 고려될 수 있다.
카메라(100)는 포커스 모듈(10)의 사용을 위한 광전자 센서의 일 예일 뿐이다. 포커스 모듈(10)은 여기서 수신 측에서 작동한다. 대안적으로, 송신 측에서의 포커싱은 또한, 예컨대, 조명 패턴을 포커싱하거나 또는 바코드 스캐너의 판독 빔을 코드 거리로 세팅하기 위해 고려될 수 있다. 광전자 센서의 추가적인 실시예들에서, 동일한 포커스 모듈(10)은 송신 및 수신 측 둘 모두에서 포커싱을 제공하거나 또는 2개의 포커스 모듈들(10)이 이러한 목적을 위해 제공된다.
이동 캐리어 엘리먼트(22)의 관점에서, 도 6은 특히, 충격 및 진동 로드들에 대한 외부 편향으로부터의 보호를 위한 댐핑을 예시한다. 특정한 스프링 강성을 갖는 리프 스프링들(24)을 통해 지지되는 캐리어 엘리먼트(22) 및 광학기기(112)의 질량은 고전적인 스프링-질량 댐퍼 시스템을 형성한다. 무전류 상태에서, 특히 운송 동안, 포커스 제어부(18)는 외부 가속에 대처할 수 없다. 포커스 모듈(10)에 대한 손상을 방지하고 운송을 가능하게 하기 위해, 단부 접합부들(50)이 캐리어 엘리먼트(22)에 제공된다. 캐리어 엘리먼트(22)의 최대 또는 최소 편향에서, 이들 단부 접합부들은 유지 엘리먼트(26)에 체결되는 댐퍼(52)에 영향을 준다. 댐퍼들(52)은 고무와 같은 댐핑 재료로 제조되며, 캐리어 엘리먼트(22)의 충격들 및 진동들로부터 에너지를 흡수한다. 댐핑 특성들을 세팅하기 위해, 적합한 재료들(특히, 쇼어(Shore) 경도) 또는 재료 복합물들(예를 들어, 2개의 타입들의 고무 또는 고무-금속 복합물) 및 형상들이 선택된다. 통상적으로 단단한 단부 접합부들(50)의 형상 및 재료가 또한 변경될 수 있다. 캐리어 엘리먼트(22)와 댐퍼들(52) 사이의 수평 거리는 횡단 로드에 대한 변형들을 제한한다.
도 7은 댐핑의 다양한 실시예를 예시한다. 이러한 경우, 단부 접합부들(50)은 삼각형이다. 댐퍼(52)는 그러브(grub) 나사(54)를 통해 유지 엘리먼트(26)에 체결되며, 이 경우 대응하는 개구는 댐퍼(52)에서 중심적으로 또는 편심적으로 안착된다. 상이한 체결을 이용하여, 예컨대 접착성 본딩(bond)에 의해, 댐퍼(52)는 선택적으로 마찬가지로 개구를 갖거나 또는 완전히 채워질 수 있다.
도 8은 센서(100)의 검출 구역을 통해 화살표(60)에 의해 표시된 바와 같이, 물체들(58)을 운반하는 컨베이어 벨트(56)에 설치된 센서(100)의 가능한 사용을 도시한다. 물체들(58)은 그들의 외부 표면들에 코드 구역들(62)을 가질 수 있다. 물체들(58)의 속성들을 검출하고, 코드 판독기로서의 바람직한 사용에서는, 코드 구역들(62)을 인식하고, 그 구역들에 적용된 코드들을 판독 및 디코딩하며, 그들을 개개의 연관된 물체(58)와 연관시키는 것이 센서(100)의 목적이다. 또한, 측방향으로 적용된 코드 구역들(64)을 인식하기 위해, 도시되지 않은 부가적인 센서들이 바람직하게, 상이한 관점들에서 사용된다.

Claims (14)

  1. 광전자 센서용 포커싱 디바이스로서,
    포커스-조정가능 광학기기(optics),
    상기 광학기기의 포커스 포지션(focal position)을 변경하기 위한 포커스 조정 유닛,
    거리 값을 결정하기 위한 거리 센서, 및
    상기 포커스 조정 유닛에 의해 상기 거리 값에 대응하는 포커스 포지션으로 상기 광학기기를 이동시키기 위한 포커스 제어부(focus control)를 포함하며,
    상기 포커싱 디바이스는 자율 포커스 모듈로서 구성되고, 상기 포커스 모듈은 포커스 조정들이 독립적으로 수행된다는 점에서 상기 광전자 센서의 제어와는 독립적으로 포커싱을 처리하고,
    상기 포커싱 디바이스는 해제가능한 연결 엘리먼트들에 의해 상기 광전자 센서로 개장(retrofit)될 수 있거나 또는 다른 포커스 모듈로 교체될 수 있고,
    상기 포커스 조정 유닛, 상기 포커스 제어부, 및 상기 거리 센서는 상기 포커스 모듈의 부분들인,
    포커싱 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 거리 센서는 비행 시간(Time of Flight) 프로세스의 원리에 따른 광전자 거리 센서인,
    포커싱 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 조정 유닛, 상기 포커스 제어부, 및 상기 거리 센서에 대한 드라이버 회로가 수용되는 회로 보드를 갖는,
    포커싱 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회로 보드는 플렉스(flex) 보드인,
    포커싱 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서의 제어 데이터를 수신하고 그리고/또는 상기 거리 센서의 거리 값들을 상기 센서에 전달하기 위해, 상기 센서에 대한 인터페이스를 갖는,
    포커싱 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 포커스 제어부는, 적어도 하나의 거리 값이 상기 인터페이스를 통해 특정되고 대응적으로 상기 포커스 포지션이 상기 거리 값을 추적하는 외부 포커스 모드에 대해 구성되는,
    포커싱 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 제어부는, 상기 거리 값들이 상기 거리 센서를 통해 연속적으로 측정되고 대응적으로 상기 포커스 포지션이 상기 거리 값들을 추적하는 오토포커스 모드에 대해 구성되는,
    포커싱 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 조정 유닛은 가동 코일 드라이브(moving coil drive)를 갖는,
    포커싱 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 포커스 조정 유닛은, 상기 광학기기를 갖는 이동가능 캐리어 엘리먼트, 및 고정된 유지 엘리먼트를 포함하며, 상기 이동가능 캐리어 엘리먼트 및 상기 고정된 유지 엘리먼트는 각각 표면을 갖고,
    상기 이동가능 캐리어 엘리먼트의 포지션은 포커스 포지션의 세팅을 위해 상기 유지 엘리먼트에 대해 가변적이고, 상기 이동가능 캐리어 엘리먼트의 이동 동안 상기 표면들을 롤링 온(roll on) 또는 롤링 오프(roll off)하는 적어도 하나의 롤링 리프 스프링(rolled leaf spring)이 상기 캐리어 엘리먼트와 상기 유지 엘리먼트 사이에 배열되는,
    포커싱 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캐리어 엘리먼트는, 상부 및 하부 단부 접합부(end abutment)를 가지며,
    상기 유지 엘리먼트는 상기 단부 접합부들 사이에서 돌출되는 댐핑(damping) 엘리먼트를 갖는,
    포커싱 디바이스.
  11. 광전자 센서로서,
    광 송신기 및 광 수신기 중 적어도 하나, 및 적어도 하나의 포커싱 디바이스를 포함하고, 상기 포커싱 디바이스는 상기 광 송신기 및/또는 상기 광 수신기와 연관되며,
    상기 포커싱 디바이스는,
    포커스-조정가능 광학기기,
    상기 광학기기의 포커스 포지션을 변경하기 위한 포커스 조정 유닛,
    거리 값을 결정하기 위한 거리 센서, 및
    상기 포커스 조정 유닛에 의해 상기 거리 값에 대응하는 포커스 포지션으로 상기 광학기기를 이동시키기 위한 포커스 제어부
    를 포함하고,
    상기 포커싱 디바이스는 자율 포커스 모듈로서 구성되고, 상기 포커스 모듈은 포커스 조정들이 독립적으로 수행된다는 점에서 상기 광전자 센서의 제어와는 독립적으로 포커싱을 처리하고,
    상기 포커싱 디바이스는 해제가능한 연결 엘리먼트들에 의해 상기 광전자 센서로 개장될 수 있거나 또는 다른 포커스 모듈로 교체될 수 있고,
    상기 포커스 조정 유닛, 상기 포커스 제어부, 및 상기 거리 센서는 상기 포커스 모듈의 부분들인,
    광전자 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광전자 센서는 바코드 스캐너로서 구성되며,
    상기 바코드 스캐너는 상기 광 송신기를 갖고, 상기 포커싱 디바이스는 상기 광 송신기 앞에 배열되는,
    광전자 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광전자 센서는 카메라로서 구성되며,
    상기 카메라는 상기 광 수신기를 갖고, 상기 포커싱 디바이스는 상기 광 수신기 앞에 배열되는,
    광전자 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 카메라는 카메라-기반 판독기인,
    광전자 센서.
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