減少視覺系統(tǒng)變焦鏡頭偏移量的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于機(jī)器視覺的攝像機(jī)，具體涉及一種自動(dòng)聚焦鏡頭總成。
【背景技術(shù)】
[0002]視覺系統(tǒng)可以執(zhí)行物體測量、檢驗(yàn)和校準(zhǔn)和/或符號(例如條形碼或更簡單的ID)解碼等任務(wù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。這些系統(tǒng)中都要使用圖像傳感器，傳感器獲取物體或?qū)ο蟮膱D像(通常為黑白或彩色的一維、二維或三維圖像)并使用板載或互聯(lián)的視覺系統(tǒng)處理器對獲取的圖像進(jìn)行處理。處理器通常包括處理硬件和永久性計(jì)算機(jī)可讀程序說明，可以執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)視覺系統(tǒng)程序，以根據(jù)圖像處理信息生成所需的輸出數(shù)據(jù)。這些圖像信息通常包含在含有多種色彩和/或強(qiáng)度的圖像像素陣列內(nèi)。例如在ID閱讀器中，用戶或自動(dòng)化程序獲取含有一個(gè)或多個(gè)ID的對象的圖像。圖像經(jīng)過處理后識別出ID特征，并通過解碼程序和/或處理器解碼獲得以ID圖案形式編碼的內(nèi)在信息(例如數(shù)字字母數(shù)據(jù))。
[0003]通常情況下，視覺系統(tǒng)攝像機(jī)包括內(nèi)部處理器和其他組件，通過這些組件，視覺系統(tǒng)攝像機(jī)可以作為獨(dú)立裝置向下游程序提供所需的輸出數(shù)據(jù)(例如經(jīng)過解碼的符號信息)，例如庫存跟蹤計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或物流應(yīng)用。
[0004]自動(dòng)聚焦總成是一種典型的鏡頭配置，適合某些視覺系統(tǒng)應(yīng)用。通過舉例的方式，可以將自動(dòng)聚焦鏡頭簡化為一種“變焦鏡頭”總成(在下文中定義)，也稱之為液體鏡頭總成。其中一種液體鏡頭是法國Var1ptic公司的液體鏡頭，這種鏡頭使用兩種等密度液體，其中油作為絕緣體，水作為導(dǎo)體。通過鏡頭的周圍電路的電壓變化促使液體和液體之間的接口的曲率發(fā)生變化，從而改變鏡頭的焦距。使用液體鏡頭的主要優(yōu)點(diǎn)包括牢固耐用(沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件)、反應(yīng)時(shí)間短、光學(xué)性能相對較高、功耗低且尺寸小。使用液體鏡頭無需手動(dòng)觸碰鏡頭，從而簡化了視覺系統(tǒng)的安裝、設(shè)置和維護(hù)程序。與其他自動(dòng)對焦機(jī)制相比，液體鏡頭的反應(yīng)時(shí)間極短。對于物體到物體(表面到表面)的讀取距離發(fā)生變化的應(yīng)用或在從讀取一個(gè)對象切換到另外一個(gè)對象的過程(例如掃描含有不同尺寸/高度物體(例如運(yùn)輸包裝箱)的移動(dòng)輸送帶)中，液體鏡頭都是理想的選擇。通常情況下，快速瞬時(shí)聚焦的能力適合用于很多視覺系統(tǒng)應(yīng)用。
[0005]瑞士 Optotune公司最近開發(fā)出了液體鏡頭技術(shù)。這種鏡頭利用覆蓋儲液器的移動(dòng)膜片來改變焦距。線圈管施加壓力改變膜片形狀從而改變鏡頭的焦點(diǎn)。通過在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)改變輸入電流移動(dòng)線圈管。不同的電流水平可以為液體鏡頭提供不同的焦距。與競爭產(chǎn)品設(shè)計(jì)(例如法國的Var1ptic)相比，這種鏡頭可以提供更大的光圈(例如6到10毫米)，而且運(yùn)行速度更快。但是，由于熱偏移和其他因素的影響，在正常使用中校準(zhǔn)和焦點(diǎn)設(shè)置通常會隨著時(shí)間的增加而發(fā)生變化。可以提供各種系統(tǒng)來對焦點(diǎn)變化和其他因素進(jìn)行補(bǔ)償和/或校正。但是，這種補(bǔ)償程序需要一定的處理時(shí)間(在攝像機(jī)的內(nèi)部處理器內(nèi)進(jìn)行處理)，這就減緩了鏡頭獲得新焦點(diǎn)的總體響應(yīng)時(shí)間。同樣，這種補(bǔ)償程序(例如熱偏移)可以經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，而不是根據(jù)鏡頭的本身進(jìn)行自定義，這就導(dǎo)致在鏡頭可能會遇到的具體偏移條件下鏡頭的穩(wěn)定性會所有下降。注意，例如液體鏡頭的典型偏移量為0.15屈光度/°C (即Var1ptic液體鏡頭的典型偏移量)。某些視覺應(yīng)用，尤其是當(dāng)需要長距離檢測較小特征時(shí)，就要求成像器鏡頭的光學(xué)功率穩(wěn)定性達(dá)到+/-0.1屈光度。
[0006]通常認(rèn)為，要充分控制鏡頭焦點(diǎn)并保持在所需范圍內(nèi)，所需的控制頻率至少要達(dá)到約1000Hz。這樣會增加視覺系統(tǒng)處理器的負(fù)荷，處理器可以基于DSP或類似架構(gòu)。也就是說，如果DSP持續(xù)被鏡頭控制任務(wù)占據(jù)，視覺系統(tǒng)任務(wù)將會受到影響。所有這些不利因素就使得偏移補(bǔ)償成為很多應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可以補(bǔ)償某些鏡頭組件中出現(xiàn)的光學(xué)偏移的視覺系統(tǒng)，可以改變光學(xué)功率，并通過控制鏡頭形狀和/或鏡頭折射率改變光學(xué)功率(因此，在焦距=I/光學(xué)功率時(shí)改變焦距)。這種鏡頭總成包括但不限于液體鏡頭設(shè)置，例如采用兩種等密度液體或柔性膜片的液體鏡頭設(shè)置，通常也叫做“變焦鏡頭(variablelens)”總成。系統(tǒng)包括與視覺系統(tǒng)處理器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的圖像傳感器和用于改變焦距(例如由視覺處理器或其他測距設(shè)備控制)的變焦鏡頭總成。正透鏡總成的配置可以在正透鏡總成一側(cè)弱化變焦鏡頭總成在預(yù)先確定的對象運(yùn)行范圍內(nèi)的作用。變焦鏡頭總成示意性地包括一液體鏡頭總成，該液體鏡頭總成本身可以在約20屈光度范圍內(nèi)進(jìn)行變化。正透鏡總成和變焦鏡頭總成示意性地安裝在一可以相對于攝像機(jī)機(jī)體和圖像傳感器可拆卸的鏡頭筒中。圖像傳感器示意性地位于攝像機(jī)機(jī)體內(nèi)。同樣，視覺處理器可以部分或整體安裝在攝像機(jī)機(jī)體內(nèi)。在實(shí)施方案中，鏡頭筒設(shè)有一 C形安裝鏡頭座，正透鏡總成包括一雙合透鏡(doublet)，雙合透鏡包括一前凸透鏡和一后凹透鏡。正透鏡總成可以定義的有效聚焦范圍為40毫米。可以使用的鏡頭(例如雙合透鏡)焦距示意性地在大約10和100毫米之間。此外，變焦鏡頭總成(例如液體鏡頭總成)通常位置比較接近，但是遠(yuǎn)離正透鏡總成的焦點(diǎn)，可以在正透鏡總成的前焦點(diǎn)，但是大部分情況下設(shè)置在后焦點(diǎn)上。變焦鏡頭和焦點(diǎn)之間的距離通常在正透鏡總成的焦距F的0.1和0.5倍之間。正透鏡總成和變焦鏡頭總成通過這種方式構(gòu)成圖像傳感器上的整個(gè)透鏡總成聚焦光中的一部分。因此，整個(gè)透鏡總成的總體光學(xué)功率主要由正透鏡總成的光學(xué)功率決定，換言之，大部分放大/光學(xué)功率由正透鏡總成提供，從而最大程度上降低了變焦透鏡總成的偏移效應(yīng)。
【附圖說明】
[0008]下面的發(fā)明介紹針對隨附的圖紙，其中:
[0009]圖1為示意性視覺系統(tǒng)布局圖，圖中包括一帶有相關(guān)視覺處理器的視覺系統(tǒng)攝像機(jī)，鏡頭總成補(bǔ)償隨時(shí)間推移而發(fā)生的固有偏移，并顯示了按照示意性實(shí)施例的場景獲取典型物體圖像的方式；
[0010]圖2為典型鏡頭系統(tǒng)的光線軌跡圖，其中包括變焦鏡頭總成的物體成像；
[0011]圖3是示意性鏡頭系統(tǒng)的光線軌跡圖，該鏡頭系統(tǒng)包括一變焦鏡頭總成，正透鏡總成以到變焦鏡頭總成的預(yù)定距離沿光軸定位，從而提供一偏移公差鏡頭系統(tǒng)；
[0012]圖4是一鏡頭組的側(cè)截面圖，該鏡頭組包括一具有實(shí)施例偏移公差的變焦鏡頭總成和正透鏡，圖中顯示了鏡筒和鏡筒內(nèi)組件的相對尺寸；
[0013]圖4A是圖4中的鏡頭組的側(cè)截面圖，顯示了組件沿光軸的相對布局；
[0014]圖5為圖4中的鏡頭組的光線軌跡圖，顯示了第一個(gè)焦距上的物體成像情況；
[0015]圖6為圖4中的示意性鏡頭組的光線軌跡圖，顯示了第二個(gè)焦距(比第一個(gè)焦距遠(yuǎn))上的物體的成像情況；
[0016]圖7為圖4中的示意性鏡頭組的光線軌跡圖，顯示了第一個(gè)焦距上的物體成像情況；和
[0017]圖8是一張關(guān)系圖，反應(yīng)了本實(shí)施的正透鏡總成、變焦鏡頭總成和正透鏡焦點(diǎn)之間的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0018]圖1詳細(xì)介紹了視覺系統(tǒng)100，其中包括視覺系統(tǒng)攝像機(jī)總成110和相關(guān)的鏡頭組/總成120。鏡頭組120的結(jié)構(gòu)將在下文做詳細(xì)介紹。在實(shí)施例中，鏡頭組120固定到攝像機(jī)上或可以使用定制或傳統(tǒng)安裝底座(例如眾所周知的Cine或“C形底座”)進(jìn)行拆卸。攝像機(jī)包括機(jī)體/外殼，該機(jī)體/外殼中包括多個(gè)運(yùn)行組件，包括圖像傳感器或成像器130 (以虛線顯示)。在本實(shí)施例中，成像器130連接板載視覺處理器140，該處理器140可以運(yùn)行多個(gè)硬件和/或軟件程序，統(tǒng)稱視覺程序142。視覺程序142可以包括多個(gè)軟件應(yīng)用程序，可以執(zhí)行普通或特殊的視覺系統(tǒng)任務(wù)，例如ID(代碼)查找和解碼任務(wù)、邊緣檢測、二進(jìn)制大對象分析、表面檢驗(yàn)、機(jī)器人操作和/或其他應(yīng)用。參考典型ID144作為示例。程序142可以包括多種圖像采集和圖像處理應(yīng)用程序，可以將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成更適合視覺系統(tǒng)任務(wù)使用的形式，例如直方圖、閾值等。這些任務(wù)和程序?qū)儆谝阎膶I(yè)技術(shù)，可以向市售系統(tǒng)供應(yīng)商，例如馬薩諸塞州納蒂克康耐視公司購買。如圖所示，示意性視覺系統(tǒng)處理器140包含在攝像機(jī)機(jī)體內(nèi)?？梢酝ㄟ^有線和/或無線鏈接144向適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)或處理器，例如獨(dú)立電腦和服務(wù)器系統(tǒng)提供“raw(原始格式)”、預(yù)處理(例如創(chuàng)建、未解碼的ID圖像數(shù)據(jù))或經(jīng)過全面處理(例如解碼ID數(shù)據(jù))的格式的視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)。可以備選實(shí)施方案中，可以提供備選系統(tǒng)，例如移動(dòng)計(jì)算設(shè)備、基于云計(jì)算的設(shè)備以及類似設(shè)備。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要儲存并操作基于圖像的數(shù)據(jù)，例如質(zhì)量或庫存控制。在備選實(shí)施例中，部分或所有視覺系統(tǒng)處理器/程序都可以通過遠(yuǎn)程處理器(例如計(jì)算設(shè)備/處理器150)實(shí)現(xiàn)和/或執(zhí)行，該處理器通過適當(dāng)?shù)挠芯€和/或無線鏈接(例如鏈接144)以行業(yè)內(nèi)已知的方式與攝像機(jī)110互聯(lián)。。
[0019]注意，此處使用的術(shù)語“程序”和/或“處理器”應(yīng)包