ES2985457T3 - Sensor optoelectrónico con un dispositivo de apuntamiento y procedimiento para visualizar un campo de visión - Google Patents

Abstract

Se describe un sensor optoelectrónico (10) que comprende un sensor de imagen (12) para la captura de datos de imagen en su campo visual (16) y un dispositivo de puntería (26, 28) con una fuente de luz (26) dispuesta de forma desplazada lateralmente respecto del sensor de imagen (12) y diseñada para generar luz de alineación (30) y, por lo tanto, un patrón de luz (42) en el campo visual (16) para hacer visible en el espacio la posición y/o la extensión del campo visual (16). El dispositivo de puntería (26, 28) presenta al menos un metaelemento óptico (28) con una metasuperficie y/o un metamaterial que está dispuesto y diseñado de tal manera que los ejes ópticos (18, 30) del sensor de imagen (12) y del dispositivo de puntería (26, 28) están superpuestos coaxialmente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sensor optoelectrónico con un dispositivo de apuntamiento y procedimiento para visualizar un campo de visión

La invención se refiere a un sensor optoelectrónico, en particular, a una cámara, con un dispositivo de apuntamiento y un procedimiento para visualizar el campo de visión de un sensor optoelectrónico según el preámbulo de la reivindicación 1 o bien 14.

En aplicaciones industriales, se utilizan cámaras de diversas formas para captar automáticamente las propiedades de los objetos, por ejemplo, para inspeccionarlos o medirlos. A este respecto, las imágenes del objeto se captan y analizan en función del objetivo mediante procedimientos de procesamiento de imágenes. Una aplicación especial de cámaras es la lectura de códigos. Con ayuda de un sensor de imagen, se registran objetos con códigos sobre ellos, se identifican las áreas codificadas en las imágenes y se descodifican. Los lectores de códigos basados en cámaras también pueden trabajar fácilmente con tipos de códigos distintos de los códigos de barras unidimensionales, que, como un código matricial, también tienen una estructura bidimensional y proporcionan más información. La captura automática de texto de direcciones impresas (OCR,Optical Character Recognition)o escritas a mano es, en principio, una lectura de códigos. Entre los campos de aplicación habituales de los lectores de códigos figuran las cajas de supermercado, la identificación automática de paquetes, la clasificación de envíos postales, la gestión de equipajes en aeropuertos y otras aplicaciones logísticas.

Una cámara registra sus imágenes desde un campo de visión. Para un funcionamiento correcto es necesario alinear el campo de visión dentro del entorno de la aplicación. Por ejemplo, los objetos por detectar o los códigos por leer han de estar en el campo de visión. Se conoce equipar la cámara para ello con una ayuda de configuración o un dispositivo de apuntamiento que hace visible el campo de visión mediante un retículo o una marca luminosa localizable similar.

En un dispositivo de apuntamiento convencional, a la derecha e izquierda del camino de recepción están dispuestas fuentes de luz que marcan con dos puntos el punto central del campo visual que se encuentra centrado en el medio. Una disposición central de una fuente de luz no es posible porque la fuente de luz ensombrecería allí una parte del camino de recepción y, por lo tanto, estaría literalmente en la imagen. Con ello, el uso hasta ahora necesario de varios haces de apuntamiento de diferentes fuentes de luz requiere componentes adicionales y el espacio de instalación correspondiente. Además, entrecerrar los haces de apuntamiento hace que sea difícil visualizar el centro del campo de visión, en particular, en diferentes distancias. Utilizando campos de microlentes o elementos ópticos difractivos, es posible proyectar patrones más complejos en el campo de visión. El documento EP 2 620 894 B1 describe, por ejemplo, un sensor optoelectrónico con un dispositivo de apuntamiento, cuyo elemento generador de patrones presenta un campo de microlentes con varias lentes microcilíndricas. Estos productores de patrones también se han de encontrar espacio junto con las fuentes de luz e iluminarse correspondientemente para que los problemas estructurales y ópticos no desaparezcan.

El documento DE 20 2015 100 438 U1 divulga un sensor optoelectrónico con un dispositivo de apuntamiento que presenta una matriz de fuentes de luz individuales, que se pueden activar individualmente o en grupos, donde el patrón de activación corresponde al patrón de luz proyectado. Con ello, si bien pueden generarse patrones de luz muy variables, solo aumenta la cantidad de equipo necesaria y no evita un entrecerramiento.

Del documento EP 2 136248 A1 se conoce una cámara para la identificación de objetos con iluminación de objetos y/o iluminación de posicionamiento, en la que la iluminación está acoplada a un ajuste de enfoque. A este respecto, el concepto explicado anteriormente con dos fuentes de luz laterales se amplía a un anillo de fuentes de luz, lo que hace que la solución sea aún más compleja.

Desde hace algún tiempo se utilizan las llamadas lentes metálicas. Se trata de elementos ópticos extremadamente finos con efecto lente, que presentan nanoestructuras especiales para influir en la trayectoria del haz. Por ejemplo, el documento WO 2017/053309 A1 utiliza una lente metálica para la colimación. El trabajo de Yu, Nanfang y Federico Capasso, “ Flat optics with designer metasurfaces” . Nature materials 13.2 (2014): 139-150 también aborda esta tecnología. En el trabajo de Reshef, Orad, y col. “An optic to replace space and its application towards ultra-thin imaging systems” , Nature Communications 12.1 (2021): 1-8, además de las lentes metálicas, también se analizan las llamadas placas espaciales, que apuntan a la zona entre las lentes utilizando tecnologías similares a las lentes metálicas, ya que varias lentes metálicas también han de mantener inicialmente una distancia entre sí, como en el caso de las lentes clásicas. Las placas espaciales deben reducir esta distancia para poder reducir aún más la profundidad de construcción de una óptica. En las aplicaciones propuestas hasta ahora se utilizan lentes metálicas como sustitutos de las lentes refractivas clásicas.

La solicitud de patente alemana aún no publicada con el número de expediente 102021130334.6 combina un haz de luz piloto visible con un haz de luz de medición infrarroja mediante un elemento óptico con al menos una metasuperficie óptica. De esta manera, se puede seguir a simple vista el recorrido del haz de luz de medición. Sin embargo, allí no está prevista una aplicación como dispositivo de apuntamiento para visualizar el campo de visión de una cámara.

Por tanto, el objetivo de la invención es mejorar el dispositivo de apuntamiento de un sensor optoelectrónico para hacer visible su campo de visión.

Este objetivo se consigue mediante un sensor optoelectrónico con un dispositivo de apuntamiento y un procedimiento para visualizar el campo de visión de un sensor optoelectrónico según la reivindicación 1 o bien 14. Un sensor de imagen toma imágenes en su área de visualización o campo de visión y registra los datos de la imagen en consecuencia. Preferiblemente, el sensor de imagen está precedido por una óptica de recepción o un objetivo, que forman en conjunto un camino de recepción. Un dispositivo de apuntamiento con una fuente de luz en el espectro visible, por ejemplo, un LED o un láser genera luz de alineación y, con ello, un patrón de luz en el campo de visión, de modo que el campo de visión se vuelva reconocible para el ojo humano. Para hacer visible la posición y/o la extensión del campo de visión, pueden marcarse, por ejemplo, un centro, en particular, con un retículo, y/o líneas delimitadoras o esquinas. La fuente de luz está dispuesta de manera desplazada lateralmente con respecto al sensor de imagen, es decir, en su plano. Este desplazamiento evita que la fuente de luz sombree una parte relevante de la ruta de recepción o que sea capturada en los datos de la imagen. A este respecto, según la forma de realización, la fuente de luz puede estar dispuesta en el plano del sensor de imagen o de manera perpendicular a esto, por consiguiente, en dirección de visión de la cámara puede presentar una distancia.

La invención se basa en la idea básica de utilizar un metaelemento óptico para superponer coaxialmente los ejes ópticos del sensor de imagen y el dispositivo de apuntamiento. El eje óptico del sensor de imagen es el del recorrido de recepción y de una óptica de recepción prevista preferiblemente en este. El eje óptico del dispositivo de apuntamiento se corresponde con su dirección de radiación hacia el campo de visión. Por lo tanto, la función del metaelemento óptico es alinear coaxialmente entre sí la trayectoria de recepción y el eje de proyección del dispositivo objetivo, es decir, colocarlos uno encima del otro o juntarlos en uno. Debido al desplazamiento lateral de la fuente de luz con respecto al sensor de imagen, esto no ocurre inicialmente y solo se consigue a través del metaelemento óptico.

Por metaelemento óptico debe entenderse un elemento óptico que presenta una metasuperficie y/o un metamaterial, es decir nanoestructuras, en particular, más pequeñas que la longitud de onda de la luz incidente, que forman específicamente frentes de onda específicos. En una metasuperficie, estas nanoestructuras están previstas en la superficie, un metamaterial consigue las propiedades correspondientes a través de la nanoestructura de un sistema de capas o de un cuerpo sólido. Las nanoestructuras permiten modificar de forma definida la fase y/o la amplitud y, con ello, la dirección de propagación así como la polarización, y esto en particular dependiendo de la longitud de onda de la luz incidente. Las metasuperficies también se denominan “ óptica plana” , porque su necesidad de espacio en la dirección del haz es considerablemente menor que la de la óptica refractiva convencional. Preferiblemente, el metaelemento óptico forma una lente metálica, es decir, un material portador plano, translúcido con una metasuperficie en la parte delantera y/o trasera con una nanoestructura que consigue las propiedades de lente deseadas. Una lente metálica puede presentar un metamaterial en lugar de un simple material portador. Los metaelementos ópticos se conocen en la literatura especializada. De manera introductoria, se presentaron brevemente a modo de ejemplo el documento WO 2017/053309 A1 así como el trabajo de Yu y col. y Reshef y col., a lo que se hace referencia adicional.

La invención tiene la ventaja de que la luz de alineación puede recorrer el mismo camino luminoso que la luz recibida evaluada por el sensor de imagen, por supuesto en la dirección opuesta. Por lo tanto, no hay efectos adversos causados por entrecerrar los ojos o similares; el patrón de luz se encuentra fielmente en el lugar correcto según el campo de visión en el espacio real. En particular, se visualiza sin problemas el centro correcto del campo de visión y, según las necesidades, en donde también se puede visualizar de forma adicional o alternativa el campo de visión, incluida la geometría y la extensión, para ayudar aún más al ajustador. Se puede prescindir de dos o más fuentes de luz a ambos lados del sensor de imagen y ahorrar así componentes y espacio de construcción, que es limitado, especialmente en sensores miniaturizados.

Preferiblemente, el sensor presenta solo una fuente de luz. Gracias al metaelemento óptico, que superpone coaxialmente los ejes ópticos del sensor de imagen y del dispositivo de apuntamiento, se puede visualizar correctamente el campo de visión, incluido su centro, a pesar de la irradiación lateral inicial de la fuente de luz dispuesta de manera desplazada lateralmente con respecto al sensor de imagen. Para ello, en el estado de la técnica era necesario una disposición de varias fuentes de luz simétrica con respecto al eje óptico del sensor de imagen, con lo que no podía evitarse el entrecerrar los ojos. Por el contrario, la invención puede funcionar con una única fuente de luz y proyectar el patrón de luz exactamente en dirección del campo de visión. Como alternativa, el sensor presenta preferiblemente varias fuentes de luz, que forman una disposición asimétrica alrededor del eje óptico del sensor de imagen. Un ejemplo para ello es una fuente de luz doble en el mismo lado del sensor de imagen para obtener más intensidad de luz o una matriz de fuentes de luz dispuesta de manera desplazada lateralmente con respecto al sensor de imagen. Naturalmente, en principio es posible combinar la invención con una disposición simétrica de varias fuentes de luz alrededor del eje óptico del sensor de imagen, pero entonces las posibilidades del metaelemento óptico utilizado según la invención se agotan solo parcialmente.

La fuente de luz presenta preferiblemente una dirección de emisión oblicua al eje óptico del sensor de imagen. La dirección de radiación oblicua conduce preferiblemente la luz de alineación hacia el eje óptico del sensor de imagen. Entonces se desvía en este por medio del metaelemento óptico en dirección al eje óptico del sensor de imagen y, de ese modo, los ejes ópticos del sensor de imagen y del dispositivo de apuntamiento se superponen coaxialmente. La dirección de radiación oblicua corrige así en cierto modo el desplazamiento lateral de la fuente de luz con respecto al sensor de imagen.

En una alternativa preferida, la fuente de luz presenta una dirección de emisión paralela al eje óptico del sensor de imagen, en donde un elemento óptico está dispuesto en la trayectoria del haz de la fuente de luz para cambiar la dirección de emisión en una orientación oblicua. En esta forma de realización, la luz de alineación presenta inicialmente un desplazamiento paralelo al eje óptico del sensor de imagen. A continuación, el elemento óptico desvía la luz de alineación en una dirección de radiación oblicua y la guía preferiblemente hacia el eje óptico del sensor de imagen. La combinación de una fuente de luz que irradia en paralelo al eje óptico del sensor de imagen con el elemento óptico corresponde funcionalmente a una fuente de luz con dirección de emisión oblicua como en el párrafo anterior. La alternativa puede tener ventajas estructurales, por ejemplo, puede ser más fácil guiar las trayectorias de luz internas a través del sensor o acomodar una fuente de luz en una placa de circuito paralela al plano del sensor de imagen con la dirección de emisión perpendicular a ella en lugar de disponer la fuente de luz de manera oblicua. Como elemento óptico pueden considerarse un espejo, un prisma y cualquier otro elemento óptico que pueda desviar un haz de luz. El elemento óptico está dispuesto en la trayectoria de la luz de alineación, que inicialmente se emite en paralelo al eje óptico del sensor de imagen y, por lo tanto, está desplazada lateralmente con respecto a la trayectoria de recepción, de modo que no se ha de tener en cuenta ninguna influencia sobre la luz de recepción.

Preferiblemente, el elemento óptico es un metaelemento óptico adicional. En esta forma de realización hay dos metaelementos ópticos, donde el metaelemento óptico adicional asume la función de desviación descrita en el párrafo anterior. A continuación, siguiendo la dirección de emisión de la luz de alineación, se encuentra el metaelemento óptico explicado según la invención, que combina coaxialmente los ejes ópticos del sensor de imagen y el dispositivo de apuntamiento.

El elemento óptico está configurado preferiblemente para enfocar o colimar la luz de alineación. Con ello, el elemento óptico obtiene una doble función de desviación en dirección de radiación oblicua y de conformación del haz de la luz de alineación. En una forma de realización, como metaelemento óptico adicional, tanto las propiedades de desviación del haz como las de conformación del haz pueden realizarse mediante nanoestructuras adecuadas. La conformación del haz garantiza que la luz de alineación, cuando los ejes ópticos del sensor de imagen y el dispositivo de apuntamiento se unifican coaxialmente, presente las propiedades del haz para las que está diseñado el metaelemento óptico superpuesto coaxialmente. Entonces no es necesaria una fuente de luz con características de radiación especiales ni ninguna óptica de transmisión separada para la fuente de luz, aunque esto, por supuesto, sería concebible como alternativa o complemento.

El metaelemento óptico está diseñado preferiblemente para generar el patrón de luz. Además de su función de unificación coaxial, el metaelemento óptico también actúa de este modo como elemento de generación de patrones. Esto permite diseñar patrones de luz más complejos, como un borde alrededor del campo de visión o una cruz y así se proporciona al ajustador información adicional sobre la orientación, geometría, extensión y similares del campo de visión. El metaelemento óptico también puede tener un efecto de conformación del haz, de modo que el patrón de luz se proyecta nítidamente en el mayor rango de distancia posible. Como alternativa, es concebible separar las funciones de desviación o combinación coaxial y generación de patrones, y prever un elemento de generación de patrones adicional, como por ejemplo un elemento óptico difractivo o un metaelemento óptico adicional, o las fuentes de luz ya están dispuestas en un patrón adecuado como cinco fuentes de luz en una cruz.

Preferiblemente, el sensor de imagen está precedido por una óptica de recepción, donde estando dispuestos el sensor de imagen, la óptica de recepción y el metaelemento óptico en este orden. Por lo tanto, la unión coaxial de los ejes ópticos del sensor de imagen y del dispositivo de apuntamiento solo se produce detrás de la óptica receptora, desde el punto de vista de la luz de alineación. De este modo, la luz de alineación pasa por alto la óptica receptora y no se ve afectada por ella. El orden definido para esta forma de realización no excluye la posibilidad de que entre el sensor de imagen y la óptica de recepción o entre la óptica de recepción y el metaelemento óptico se encuentren otros elementos ópticos.

El metaelemento óptico está dispuesto preferiblemente en un vidrio frontal del sensor, en particular, integrado en el vidrio frontal. Se trata de una estructura que ahorra especialmente espacio. Por ejemplo, se puede aplicar una metasuperficie óptica al interior o al exterior del vidrio frontal, o el vidrio frontal consiste al menos parcialmente en un metamaterial óptico.

Preferiblemente, el sensor de imagen está precedido por una óptica de recepción, donde el metaelemento óptico está dispuesto entre el sensor de imagen y la óptica de recepción. En esta forma de realización alternativa, ahora se intercambia el orden del metaelemento óptico y la óptica de recepción. Desde el punto de vista de la luz de alineación, los ejes ópticos del sensor de imagen y del dispositivo de apuntamiento ya están unificados delante de la óptica de recepción. La luz de alineación penetra en la óptica de recepción, que por tanto puede utilizarse para la conformación del haz, en particular, para la agrupación o la colimación. De este modo, se puede prescindir de elementos ópticos formadores de haces adicionales del dispositivo de apuntamiento para la luz de alineación.

Preferiblemente, el metaelemento óptico presenta un efecto óptico solo en el espectro de la fuente de luz, en particular, solo en el espectro visible o solo para un color de la fuente de luz. Esto significa que solo la luz de alineación se desvía específicamente o se le da forma de haz, o se forma así un patrón de luz. Sin embargo, la luz con longitudes de onda fuera del espectro de la fuente de luz y, por tanto, toda o al menos en todo caso la mayor parte de la luz de recepción simplemente pasa a través de ella sin cambios. Esto solo es posible dentro de los límites de lo técnicamente factible, pero ciertamente se puede diseñar una metasuperficie o un metamaterial de tal manera, que el efecto fuera de una determinada banda espectral siga siendo insignificante. El espectro de la fuente de luz, dentro del cual el metaelemento óptico muestra un efecto óptico, puede ser todo el espectro visible. Esto es suficiente para distinguir entre luz de alineación y luz de recepción, si los datos de imagen se obtienen en el rango no visible, por ejemplo, cuando los registros se realizan en el rango infrarrojo o ultravioleta. De manera especialmente preferida, la fuente de luz genera luz de alineación en un solo color, como por ejemplo azul, preferiblemente, combinada con la adquisición de datos de imagen en otro color, por ejemplo, en rojo. En este contexto, el color debe entenderse en particular en el sentido del rango de longitudes de onda especialmente estrecho de una fuente de luz láser. Si hay superposiciones en el espectro del dispositivo de apuntamiento y del sensor de imagen, la interacción sigue siendo pequeña y aceptable debido al estrecho espectro de acción del metaelemento óptico. La luz de recepción solo se ve ligeramente influenciada, los datos de imagen solo se modifican ligeramente.

Preferiblemente, el sensor presenta un dispositivo de iluminación para iluminar el campo de visión, que genera en particular luz de iluminación en un rango espectral diferente al de la luz de alineación de la fuente de luz. Este dispositivo de iluminación no sirve para visualizar el campo de visión, sino para proporcionar suficiente iluminación para tomar la imagen. El dispositivo de iluminación puede ser interno o externo, y preferiblemente se genera luz de iluminación fuera del espectro visible, en particular, luz de iluminación infrarroja o ultravioleta. Mediante una separación espectral entre la luz de iluminación y la luz de alineación, el metaelemento óptico puede cumplir sus diferentes funciones, es decir, combinar la luz de alineación coaxialmente con la trayectoria de recepción y, si es posible, no influir en absoluto en la luz de iluminación ni en la luz de recepción que vuelve correspondiente.

El sensor está configurado preferiblemente como lector de códigos basado en una cámara y presenta una unidad de control y evaluación para evaluar los datos de imagen, encontrar áreas de código y leer información de código de las áreas de código. El dispositivo de apuntamiento permite que un lector de códigos basado en cámara alinee de manera óptima su campo de lectura. Esto es importante tanto en lectores de códigos de funcionamiento manual como en lectores de códigos montados permanentemente, por ejemplo, en una cinta transportadora o en un túnel de lectura, para poder leer tantos códigos como sea posible.

El procedimiento según la invención puede perfeccionarse de forma similar y presenta ventajas similares. Las características ventajosas se describen a modo de ejemplo, pero no de forma concluyente, en las reivindicaciones dependientes que siguen a las reivindicaciones independientes.

La invención también se explica con más detalle a continuación con respecto a otras características y ventajas a modo de ejemplo con ayuda de formas de realización y con referencia al dibujo adjunto. Las ilustraciones del dibujo muestran en:

Figura 1 una representación esquemática de un sensor optoelectrónico con un sensor de imagen y un dispositivo de apuntamiento, cuyos ejes ópticos se superponen coaxialmente por medio de un metaelemento óptico;

Figura 2 una representación similar a la figura 1, ahora con la disposición del metaelemento óptico en un vidrio frontal;

Figura 3 una representación similar a la figura 2, ahora con la dirección de radiación el dispositivo de apuntamiento inicialmente paralela en lugar de oblicua;

Figura 4 una representación similar a la figura 1, ahora con el orden invertido de la óptica de recepción y el metaelemento óptico;

Figura 5 una representación similar a la figura 4, ahora con la dirección de radiación del dispositivo de apuntamiento inicialmente paralela en lugar de oblicua;

Figura 6 una visualización a modo de ejemplo de un campo de visión marcando el centro;

Figura 7 una visualización a modo de ejemplo de un campo de visión marcando el centro con un retículo;

Figura 8 una visualización a modo de ejemplo de un campo de visión marcando las áreas de esquina y

Figura 9 una visualización a modo de ejemplo de un campo de visión marcando el centro y las áreas de esquina.

La figura 1 muestra una representación en sección esquemática de un sensor 10 optoelectrónico. El sensor 10 presenta un sensor 12 de imagen, por ejemplo, un chip CCD o CMOS con un gran número de elementos de píxeles dispuestos en una fila o en una matriz. Por tanto, en el caso del sensor 10 se trata, en particular, de una cámara. En una forma de realización preferida, se leen códigos y el sensor 10 es entonces un lector de códigos basado en una cámara. El sensor 12 de imagen está precedido por una óptica 14 de recepción, que en la práctica está configurada preferiblemente como objetivo de registro y que en este caso está representada de forma simplificada mediante solo una lente. El sensor 12 de imagen recibe la luz de recepción a través de la óptica 14 de recepción desde una zona de visión o campo 16 de visión, en el que en la situación de aplicación se encuentran los objetos por registrar y, en particular, los códigos por leer. El campo 16 de visión así como un eje 18 óptico de la trayectoria de recepción se definen por el diseño y la disposición del sensor 12 de imagen y la óptica 14 de recepción. En esta descripción, a menudo se habla de forma algo imprecisa del campo 16 de visión y del eje 18 óptico del sensor 12 de imagen.

Para registrar imágenes independientemente de las condiciones ambientales, el sensor 10 presenta preferiblemente una iluminación 20 con un emisor 22 de luz, que puede presentar un gran número de emisores de luz individuales y, preferiblemente, una óptica 24 de transmisión. La iluminación 20 puede estar prevista internamente como se muestra y, como alternativa, externamente su configuración es posible de cualquier manera en sí conocida. La disposición de la iluminación 20 con respecto a la trayectoria de recepción con el sensor 12 de imagen como en la figura 1 es concebible, pero en la práctica debe entenderse principalmente de forma esquemática, por ejemplo, los transmisores 22 de luz se disponen en círculo alrededor de la trayectoria de recepción. Preferiblemente, el transmisor 22 de luz genera luz de iluminación en el espectro invisible, en particular, luz de iluminación infrarroja o ultravioleta. Sin embargo, no se excluye la iluminación en el espectro visible, como la luz blanca, roja, azul o verde. El emisor de luz también puede ser de banda estrecha, como en el caso de un LED o, sobre todo, de un láser.

Además, el sensor 10 comprende un dispositivo de apuntamiento con una fuente 26 de luz, tal como una fuente de luz semiconductora tal como un LED, un diodo láser o un VCSEL en el espectro visible y un metaelemento 28 óptico. La fuente 26 de luz está dispuesta desplazada lateralmente con respecto al sensor 12 de imagen, es decir, presenta una distancia al eje 18 óptico del sensor 12 de imagen. La fuente 26 de luz también puede tener una distancia en dirección al eje 18 óptico, como se muestra o puede estar situada de otra manera en el plano del sensor 12 de imagen. En una forma de realización preferida, basta una única fuente 26 de luz, pero también son concebibles varias fuentes 26 de luz. Entonces, estas están dispuestas preferiblemente de forma no simétrica con respecto al sensor 12 de imagen, por lo que la luz 30 de alineación no está centrada inicialmente con respecto al eje 18 óptico.

La fuente 26 de luz emite inicialmente su luz 30 de alineación con una dirección de radiación oblicua con respecto al eje 18 óptico. Debido a la inclinación, la luz 30 de alineación incide en el eje 18 óptico y, en este caso, en el metaelemento 28 óptico. El metaelemento 28 óptico está diseñado de tal manera, que garantiza una desviación hacia el eje 18 óptico en el espectro de la luz 30 de alineación. Por tanto, la dirección de radiación se alinea con el eje 18 óptico y, por tanto, con la dirección de incidencia de la luz de recepción. En otras palabras, el eje óptico del dispositivo de apuntamiento y el eje 18 óptico del sensor 12 de imagen o la trayectoria de recepción están superpuestos o combinados coaxialmente.

Con el dispositivo de apuntamiento se genera un patrón de luz en el campo 16 de visión con la luz 30 de alineación, que indica la posición del campo 16 de visión a un observador humano, como la persona que instala el sensor 10, o lo visualiza en el espacio real. Por consiguiente, el sensor se puede alinear fácilmente con una escena u objetos o códigos que se vayan a grabar. Gracias a la superposición coaxial del dispositivo de apuntamiento y la trayectoria de recepción, el patrón de luz muestra la referencia correcta al campo 16 de visión en el espacio real. El patrón de luz puede ser simple o complejo; los ejemplos se explicarán más adelante con referencia a las figuras 6 a 9. Además de su función de desviación, el metaelemento 28 óptico puede estar configurado para la generación de patrones o un elemento de generación de patrones separado, no mostrado, es responsable de esto, o el patrón de luz consta de solo uno o unos pocos puntos de luz, que se generan directamente por la fuente 26 de luz.

El metaelemento 28 óptico presenta una metasuperficie y está configurado en particular como lente metálica (“ óptica plana” ). Como alternativa o de manera complementaria, es concebible que el cuerpo o soporte del metaelemento 28 óptico ya presente un metamaterial. Los componentes ópticos tradicionales, como lentes, placas de ondas u hologramas, dependen de la propagación de la luz a distancias mucho mayores que la longitud de onda de la luz incidente para formar frentes de onda. De esta manera, a lo largo de la trayectoria del haz se acumulan gradualmente cambios significativos en la amplitud, fase o polarización de las ondas luminosas. Por el contrario, una metasuperficie presenta estructuras que pueden verse como dispersores de luz anisotrópicos en miniatura o resonadores o bien antenas ópticas. Estas estructuras tienen dimensiones y distancias en el rango de los nanómetros, mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz incidente. Como resultado, la metasuperficie da formas arbitrarias a los frentes de ondas ópticas con resolución de sublongitud de onda según el principio de Huygens, introduciendo las nanoestructuras variaciones espaciales en la reacción óptica de los dispersores de luz. Esto permite recrear los efectos de una lente convencional, pero también las funcionalidades de otros componentes ópticos, como por ejemplo elementos de desviación del haz, divisores de haz, polarizadores o rejillas de difracción. La característica especial es la alta flexibilidad para lograr un frente de onda de salida deseado y, por tanto, una amplia variedad de efectos ópticos mediante nanoestructuras adaptadas. Dependiendo del rango de longitud de onda, se utilizan materiales con un comportamiento de transmisión adecuado, por ejemplo, dióxido de titanio, nitruro de silicio o fosfuro de galio en el espectro visible y nitruro de aluminio en el espectro ultravioleta, así como aleaciones de calcogenuro en la región de infrarrojo media y silicio en la región de infrarrojo de onda larga. Estas consideraciones sobre una metasuperficie se pueden trasladar a un metamaterial, en el que el interior o el soporte presenta nanoestructuras correspondientes, en donde esto puede combinarse con una metasuperficie. Por lo tanto, el metaelemento 28 óptico puede presentar una meta o nanoestructura en el interior y/o en la parte delantera y/o trasera. Para las propiedades conocidas en sí de un metaelemento 28 óptico, se hace referencia nuevamente a la bibliografía especializada y, en particular, al documento WO 2017/053309 A1 mencionado inicialmente y al trabajo de Yu y col. y Reshef y col.

Según la invención, la función deseada del metaelemento 28 óptico es principalmente una desviación para la superposición coaxial del dispositivo de apuntamiento y la trayectoria de recepción, opcionalmente con generación adicional de patrones y/o conformación, agrupación o colimación del haz. Preferiblemente, el metaelemento óptico actúa específicamente solo en el espectro de la fuente 26 de luz y, por tanto, solo sobre la luz 30 de alineación, pero no sobre la luz de iluminación del transmisor 22 de luz de la iluminación 20 o bien la luz de recepción. Por tanto, el metaelemento 28 óptico es prácticamente invisible en la trayectoria de recepción. Una separación espectral es posible, por ejemplo, si el sensor 12 de imagen registra en el espectro no visible y, correspondientemente, la iluminación 20 genera, por ejemplo, luz de iluminación infrarroja o ultravioleta. También es posible una separación en la región visible, por ejemplo, una luz 30 de alineación azul con una luz de iluminación roja o bien registro de imágenes rojo.

Si no se puede evitar una superposición espectral, es ventajoso utilizar una fuente 26 de luz de banda especialmente estrecha, en particular, una fuente de luz láser y adaptar el metaelemento 28 óptico a esta. Entonces, la influencia de la luz de recepción es mínima y también es posible disponer delante del sensor 12 de imagen un filtro óptico correspondiente, con el que se filtra la luz en el espectro de la luz 30 de alineación. Con ello, también se permitirán combinaciones con longitudes de onda muy cercanas entre sí. Por ejemplo, la iluminación 20 puede utilizar como emisor 22 de luz un LED blanco o una fuente de luz infrarroja cercana y el dispositivo de apuntamiento puede utilizar una fuente 26 de luz roja, en particular, un láser correspondiente. Dado que el dispositivo de apuntamiento se acciona por regla general con la iluminación 20 apagada, la visibilidad del patrón de luz no es un problema. Incluso cuando la iluminación 20 está encendida, el patrón de luz puede resaltar lo suficiente en su espectro, si la intensidad de iluminación de la fuente 26 de luz es suficiente.

Además, el sensor 10 presenta una unidad 32 de control y evaluación. Con ello, se controlan la iluminación 20 y la fuente 26 de luz del dispositivo de apuntamiento y se leen los datos de imagen del sensor 12 de imagen. En una forma de realización del sensor 10 como lector de códigos basado en cámara, se buscan áreas de código en los datos de imagen y se decodifica la información de código dentro de las áreas de código. Los datos de imagen, los resultados de una evaluación, tales como información de código y similares se proporcionan en una interfaz 34. Los datos de la imagen se pueden generar en diferentes etapas de preprocesamiento y la evaluación completa o parte de la evaluación se puede reubicar externamente.

El sensor 10 se protege por una carcasa 36, que en muchas formas de realización se cierra al menos parcialmente por un lado mediante un vidrio 38 frontal transparente.

Las figuras 2 a 5 muestran formas de realización adicionales de la invención, que difieren de la forma de realización descrita en la figura 1 en sus escenarios de acoplamiento, es decir, la disposición y el diseño respectivos de la fuente 26 de luz y el metaelemento 28 óptico, para dirigir la luz 30 de alineación hacia el eje 18 óptico y así conseguir la superposición coaxial del eje 18 óptico de la trayectoria de recepción y el eje óptico del dispositivo de apuntamiento. Las diferencias se describen principalmente a continuación y a este respecto las características y propiedades ya conocidas se dotan de los mismos números de referencia.

La figura 2 muestra una forma de realización, en la que se realiza el acoplamiento de la luz 30 de alineación al eje 18 óptico en el vidrio 38 frontal. Para ello, el metaelemento 28 óptico está dispuesto en el interior o en el exterior del vidrio 38 frontal o está integrado en el vidrio 38 frontal. La dirección de radiación de la fuente 26 de luz y, en particular, su inclinación se ajusta correspondientemente para apuntar a la posición cambiada del metaelemento 28 óptico. La combinación del metaelemento 28 óptico y el vidrio 38 frontal reduce el número de componentes y ocupa menos espacio de construcción.

La figura 3 muestra una forma de realización, en la que el metaelemento 28 óptico también está dispuesto en el vidrio 38 frontal o está integrado en el vidrio 38 frontal para la superposición coaxial de la luz 30 de alineación sobre el eje 18 óptico. Además, la dirección de radiación de la fuente 26 de luz ya no es oblicua, sino paralela al eje 18 óptico. Para guiar la luz 30 de alineación sobre el eje 18 óptico a la altura del metaelemento 28 óptico, está previsto otro elemento 40 óptico para su desviación. Con ello, la combinación de la fuente 26 de luz alineada en paralelo con el otro elemento 40 óptico provoca efectivamente la misma dirección de radiación que una inclinación de la fuente 26 de luz descrita anteriormente.

El elemento 40 óptico adicional puede ser cualquier elemento de desviación, como por ejemplo un espejo o un prisma. El otro elemento 40 óptico se encuentra fuera del campo 16 de visión debido al desplazamiento lateral de la fuente 26 de luz con respecto del sensor 12 de imagen, de modo que no se requieren propiedades especiales con respecto a la transparencia en el espectro de la iluminación 20 o de la luz de recepción. En el caso del elemento 40 óptico adicional se trata preferiblemente de otro metaelemento óptico que garantiza la desviación deseada en el espectro de la luz 30 de alineación. De manera especialmente preferida, el otro elemento 40 óptico está diseñado para la conformación del haz de la luz de alineación 30, en particular, para su colimación. En una forma de realización, sus nanoestructuras pueden generar como otro metaelemento óptico, además de una fase lineal para la desviación del haz, al mismo tiempo una curvatura de fase adaptada a las propiedades de imagen deseadas. Con una función dual de este tipo del otro elemento 40 óptico, puede utilizarse una fuente 26 de luz divergente o puede prescindirse de una óptica de conformación del haz o de colimación separada para la fuente 26 de luz. A diferencia de la figura 3, el metaelemento 28 óptico podría estar previsto individualmente en lugar de en el vidrio 38 frontal, como en la figura 1.

La figura 4 muestra una forma de realización, en la que las posiciones de la óptica 14 de recepción y el metaelemento 28 óptico están intercambiadas en comparación con formas de realización anteriores. Mientras que la luz 30 de alineación ha pasado por alto hasta ahora la óptica 14 de recepción, en la forma de realización según la figura 4 pasa a través de la óptica 14 de recepción. Por consiguiente, el dispositivo de apuntamiento puede utilizar la óptica 14 de recepción para dar forma al haz o colimar la luz 30 de alineación. El metaelemento 28 óptico puede complementar las propiedades de formación del haz de la óptica 14 de recepción para la luz 30 de alineación, es decir, además de una desviación pura a través de una fase lineal, introducir una curvatura de fase adecuada. En otra forma de realización, el metaelemento 28 óptico está integrado en la óptica 28 de recepción, por ejemplo, como metasuperficie de una lente. En la forma de realización según la figura 4, la fuente 26 de luz está dispuesta en ángulo o está configurada de manera oblicua como en las figuras 1 y 2, para apuntar al metaelemento 28 óptico, donde se superpone entonces la luz 30 de alineación coaxialmente con el eje 18 óptico, antes de llegar a la óptica 14 de recepción.

La figura 5 muestra una forma de realización similar a la figura 4, es decir, con superposición coaxial ya antes de la óptica 14 de recepción, en donde ahora la fuente 26 de luz ya no está en ángulo, sino que irradia paralela al eje 18 óptico como en la figura 3. Como se explica en la figura 3, está previsto otro elemento 40 óptico que desvía la luz 30 de alineación hacia el metaelemento 28 óptico. El elemento 40 óptico adicional es preferiblemente otro metaelemento óptico.

Las figuras 6 a 9 muestran algunos patrones 42 de luz a modo de ejemplo que pueden generarse mediante el dispositivo de apuntamiento con la fuente 26 de luz y el metaelemento 28 óptico. En la figura 6 está ilustrada una visualización muy simple, en la que un punto o mancha se proyecta como un patrón 42 de luz en el centro del campo 16 de visión. Esto marca el centro del campo 16 de visión y proporciona así una ayuda de alineación especialmente importante.

Como se muestra en la figura 7, la luz 30 de alineación para marcar el centro recibe una estructuración adicional, preferiblemente, mediante el propio metaelemento 28 óptico, como alternativa mediante un elemento de patrón adicional o una disposición correspondiente de fuentes 26 de luz. Es especialmente útil un retículo como patrón 42 de luz, con el que se pueden reconocer fácilmente el centro y las direcciones principales del campo 16 de visión. Se puede proyectar cualquier otro patrón en lugar de un retículo.

En la figura 8, la geometría y la extensión del campo 16 de visión en su conjunto se visualizan mediante el patrón 42 de luz. Entonces no se necesita ninguna imagen del sensor 12 de imagen para alinear correctamente el campo 16 de visión o el sensor 10 en su conjunto. Gracias a la superposición coaxial, el patrón 42 de luz y su representación del campo 16 de visión se escalan correctamente con la escala de imagen de la óptica 14 de recepción en todo el rango de distancias del sensor 10. Para esta representación en tamaño real del campo 16 de visión, se puede usar la óptica 14 de recepción como se explica en las figuras 4 y 5, como alternativa, se puede usar el metaelemento 28 óptico para proyectar el patrón 42 de luz en el tamaño correcto. Los límites exteriores del campo 16 de visión se indican en la figura 8 mediante marcas de esquina; también en este caso es concebible cualquier otro patrón.

La figura 9 ilustra una combinación en la que se marca tanto el centro del campo 16 de visión, como en la figura 6, y se visualiza su extensión, como en la figura 8. Los elementos de patrón individuales pueden configurarse de manera diferente, por ejemplo, en cada caso como retículo y se puede crear cualquier patrón diferente que haga visibles propiedades importantes del campo 16 de visión.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   i. Sensor (10) optoelectrónico, en particular, una cámara, que presenta en su campo (16) de visión un sensor (12) de imagen para registrar datos de imagen y un dispositivo (26, 28) de apuntamiento con una fuente (26) de luz que está dispuesta desplazada lateralmente con respecto al sensor (12) de imagen y está configurada para generar luz (30) de alineación y con ello un patrón (42) de luz en el campo (16) de visión para hacer visible la posición y/o extensión del campo (16) de visión en el espacio,

   caracterizado

   por queel dispositivo (26, 28) de apuntamiento presenta al menos un metaelemento (28) óptico con una metasuperficie y/o un metamaterial, que está dispuesto y configurado de tal manera que los ejes (18, 30) ópticos del sensor (12) de imagen y el dispositivo (26, 28) de apuntamiento se superponen coaxialmente.
2. 2. Sensor (10) según la reivindicación 1,

   que presenta solo una fuente (26) de luz o que presenta varias fuentes (26) de luz que forman una disposición asimétrica alrededor del eje (18) óptico del sensor (12) de imagen.
3. 3. Sensor (10) según la reivindicación 1 o 2,

   en donde la fuente (26) de luz presenta una dirección de radiación de manera oblicua al eje (18) óptico del sensor (12) de imagen.
4. 4. Sensor (10) según la reivindicación 1 o 2,

   en donde la fuente (26) de luz presenta una dirección de radiación paralela al eje (18) óptico del sensor (12) de imagen y en donde un elemento (40) óptico está dispuesto en la trayectoria del haz de la fuente (26) de luz para cambiar la dirección de radiación en una alineación oblicua.
5. 5. Sensor (10) según la reivindicación 4,

   en donde el elemento (40) óptico es un metaelemento óptico adicional.
6. 6. Sensor (10) según la reivindicación 4 o 5,

   en donde el elemento (40) óptico está configurado para enfocar o colimar la luz (30) de alineación.
7. 7. Sensor (10) según una de las reivindicaciones anteriores,

   en donde el metaelemento (28) óptico está configurado para generar el patrón (42) de luz.
8. 8. Sensor (10) según una de las reivindicaciones anteriores,

   en donde el sensor (12) de imagen está precedido por una óptica (14) de recepción y en donde el sensor (12) de imagen, la óptica (14) de recepción y el metaelemento (28) óptico están dispuestos uno detrás del otro en este orden.
9. 9. Sensor (10) según una de las reivindicaciones anteriores,

   en donde el metaelemento (28) óptico está dispuesto en un vidrio (38) frontal del sensor (10), en particular, está integrado en el vidrio (38) frontal.
10. 10. Sensor (10) según una de las reivindicaciones 1 a 7,

    en donde el sensor de imagen (12) está precedido por una óptica (14) de recepción y en donde el metaelemento (28) óptico está dispuesto entre el sensor (12) de imagen y la óptica (18) de recepción.
11. 11. Sensor (10) según una de las reivindicaciones anteriores,

    en donde el metaelemento (28) óptico presenta un efecto óptico solo en el espectro de la fuente (26) de luz, en particular, solo en el espectro visible o solo para un color de la fuente (26) de luz.
12. 12. Sensor (10) según una de las reivindicaciones anteriores,

    que presenta un dispositivo (20) de iluminación para iluminar el campo (16) de visión, que genera en particular luz de iluminación en una región espectral diferente a la de la luz (30) de alineación de la fuente (26) de luz.
13. 13. Sensor (10) según una de las reivindicaciones anteriores,

    que está configurado como lector de códigos basado en una cámara y presenta una unidad (32) de control y evaluación para evaluar los datos de la imagen, encontrar áreas de código y leer información de código de las áreas de código.
14. 14. Procedimiento para visualizar el campo (16) de visión de un sensor (10) optoelectrónico, en particular, un sensor (10) optoelectrónico según una de las reivindicaciones anteriores, que captura datos de imagen del campo (16) de visión con un sensor (12) de imagen y mediante un dispositivo (26, 28) de apuntamiento emite luz (30) de alineación con una fuente (26) de luz dispuesta desplazada lateralmente con respecto al sensor (12) de imagen y genera con ello un patrón (42) de luz en el campo (16) de visión para hacer visible la posición y/o extensión del campo (16) de visión en el espacio,

    caracterizado,

    por queel dispositivo (26, 28) de apuntamiento presenta al menos un metaelemento (28) óptico con una metasuperficie y/o un metamaterial que se superpone coaxialmente a los ejes (18, 30) ópticos del sensor (12) de imagen y el dispositivo (26, 28) de apuntamiento.