減少視覺(jué)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(jué)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(jué)系統(tǒng)可以執(zhí)行物體測(cè)量、檢驗(yàn)和校準(zhǔn)和/或符號(hào)(例如條形碼或更簡(jiǎn)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(jué)系統(tǒng)處理器對(duì)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(shuō)明，可以執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)視覺(jué)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(duì)象的圖像。圖像經(jīng)過(guò)處理后識(shí)別出ID特征，并通過(guò)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(jué)系統(tǒng)攝像機(jī)包括內(nèi)部處理器和其他組件，通過(guò)這些組件，視覺(jué)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(guò)解碼的符號(hào)信息)，例如庫(kù)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(jué)系統(tǒng)應(yīng)用。通過(guò)舉例的方式，可以將自動(dòng)聚焦鏡頭簡(jiǎn)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(guó)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(guò)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(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件)、反應(yīng)時(shí)間短、光學(xué)性能相對(duì)較高、功耗低且尺寸小。使用液體鏡頭無(wú)需手動(dòng)觸碰鏡頭，從而簡(jiǎn)化了視覺(jué)系統(tǒng)的安裝、設(shè)置和維護(hù)程序。與其他自動(dòng)對(duì)焦機(jī)制相比，液體鏡頭的反應(yīng)時(shí)間極短。對(duì)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(duì)象切換到另外一個(gè)對(duì)象的過(guò)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(jué)系統(tǒng)應(yīng)用。
[0005]瑞士 Optotune公司最近開(kāi)發(fā)出了液體鏡頭技術(shù)。這種鏡頭利用覆蓋儲(chǔ)液器的移動(dòng)膜片來(lái)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)(例如法國(guó)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(huì)隨著時(shí)間的增加而發(fā)生變化?？梢蕴峁└鞣N系統(tǒng)來(lái)對(duì)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(guò)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(huì)遇到的具體偏移條件下鏡頭的穩(wěn)定性會(huì)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(jué)應(yīng)用，尤其是當(dāng)需要長(zhǎng)距離檢測(cè)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(huì)增加視覺(jué)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(shuō)，如果DSP持續(xù)被鏡頭控制任務(wù)占據(jù)，視覺(jué)系統(tǒng)任務(wù)將會(huì)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(jué)系統(tǒng)，可以改變光學(xué)功率，并通過(guò)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(jué)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(jué)處理器或其他測(cè)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(duì)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(duì)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(jué)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(guò)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(shuō)明】
[0008]下面的發(fā)明介紹針對(duì)隨附的圖紙，其中:
[0009]圖1為示意性視覺(jué)系統(tǒng)布局圖，圖中包括一帶有相關(guān)視覺(jué)處理器的視覺(jué)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(jué)系統(tǒng)100，其中包括視覺(jué)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(jué)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(jué)程序142。視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)任務(wù)，例如ID(代碼)查找和解碼任務(wù)、邊緣檢測(cè)、二進(jìn)制大對(duì)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(jué)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(gòu)買。如圖所示，示意性視覺(jué)系統(tǒng)處理器140包含在攝像機(jī)機(jī)體內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)有線和/或無(wú)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(guò)全面處理(例如解碼ID數(shù)據(jù))的格式的視覺(jué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)?？梢詡溥x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(chǔ)存并操作基于圖像的數(shù)據(jù)，例如質(zhì)量或庫(kù)存控制。在備選實(shí)施例中，部分或所有視覺(jué)系統(tǒng)處理器/程序都可以通過(guò)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(guò)適當(dāng)?shù)挠芯€和/或無(wú)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(yǔ)“程序”和/或“處理器”應(yīng)包