用于确定和控制视觉系统摄影机中的焦距的系统和方法

用于确定和控制视觉系统摄影机中的焦距的系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于在视觉系统摄影机的镜头组件中利用一体式校准组件确定和控制焦距的系统和方法，所述一体式校准组件向摄影机的成像传感器提供与焦距有关的光学信息，同时允许沿影像轴采集一场景的运行时的影像。镜头组件包括位于沿镜头组件的光轴的可调透镜，其提供一可调的焦距设置。校准组件产生一光的投影图案，所述图案基于可调透镜的聚焦设置可调地投影在摄影机传感器上。也就是说，图案的外观和/或位置基于可调透镜的聚焦设置而变化。这使得一聚焦程序能够根据预定的校准信息来确定镜头组件的当前焦距，该校准信息与运行该聚焦程序的视觉系统处理器关联而储存。
【专利说明】用于确定和控制视觉系统摄影机中的焦距的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及摄影机镜头的自动对焦系统，且更特别地是涉及采用液体透镜组件的视觉系统摄影机中的自动对焦镜头系统。
【背景技术】
[0002]执行测量、检查、物体对齐和/或符号(例如条形码)解码的视觉系统广泛用于各种应用领域和行业中。这些系统是基于影像传感器的使用，所述影像传感器采集对象或物体的影像(一般为灰度图或彩图，且为一维、二维或三维)，并利用一装载或连接的视觉系统处理器处理所采集的影像。所述处理器通常包括处理硬件和根据图像已处理的信息执行一个或多个视觉系统处理以产生所需的输出的非易失性的计算机可读的程序指令。该影像信息通常提供于一系列的影像像素内，每一像素都具有不同的颜色和/或亮度。在符号(条形码)读取器示例中，用户或自动程序采集其认为包含一个或多个条形码的对象的影像。影像被处理以识别条形码特征，然后通过一解码程序和/或处理器解码，获取由编码所表示的内在的字母数字数据。
[0003]一般来说，视觉系统摄影机包括一内部处理器和其他允许其作为一独立单元的组件，所述处理器或组件提供所需的输出数据(例如已解码的符号信息)至下游程序(例如库存跟踪计算机系统)。可取的是摄影机组件包含一透镜支架，如常用的可接纳多种透镜结构的C型镜座，以便使其可适用于特定的视觉系统任务。透镜结构的选择可能受到各种不同因素的影响，例如由照度、视场、焦距、摄影轴和成像表面的相对角度，和成像表面上细节的精细度等因素所影响。此外，镜头的成本和/或用于安装视觉系统的可用空间也会影响透镜的选择。
[0004]在某些视觉系统应用中所需的一典型的透镜结构为自动对焦组件。例如，所谓的液体镜头组件可构建为自动对焦透镜。一种液体镜头使用了两种感光密度的液体一油为绝缘体而水为导体。通过周围的电路穿过透镜的电压的改变导致液-液界面的曲率的改变，这反过来又导致透镜焦距的改变。在使用液体透镜中的一些显著的优势为透镜的强度(其没有机械活动部件)、其快速响应时间、其相对较好的光学性能，及其低功耗和小尺寸。液体透镜的使用能够通过消除手动触摸透镜的需要而合意地简化视觉系统的安装、设置和维护。相对于其它自动对焦机构，液体透镜的响应时间非常快速。对于具有读取距离从物体到物体(表面到表面)改变或者在从一个对象的读取到另一个对象的转换期间的应用来说同样是非常理想的。
[0005]液体透镜技术中的最新的发展可从瑞士的Optotune AG获得。该透镜利用可移动的覆盖贮液器的膜片来改变其焦距。该透镜与同类设计相比有利地提供一较大的光圈，且运行速度更快。但是，由于热漂移和其他因素，随着时间的推移液体透镜可能会失去校准和聚焦。
[0006]失去校准/聚焦后对透镜重新聚焦的一种方法是递增地驱动透镜至各种不同的焦点位置并测量物体例如运行时的物体或校准目标的清晰度。但是，这需要时间和精力从运行时的操作消除，且可能并不可靠(部分取决于照明的质量和成像场景的对比度)。
[0007]因此，可取的是提供一种用于稳定液体(或其他自动聚焦)透镜类型的聚焦的系统和方法，其能够迅速地且在摄影机操作期间的任意时间点采用。该系统和方法应允许安装在常规摄影机基座的镜头组件安装，且在进行视觉系统任务时应避免明显的性能损失。所述系统和方法应允许在一相对较宽的读取距离的范围内(例如20厘米至2米)聚焦。

【发明内容】

[0008]本发明通过提供一种利用一体式校准组件确定和控制视觉系统摄影机的镜头组件中的焦距的系统和方法克服了现有技术的缺点，所述一体式校准组件向摄影机的成像传感器提供与焦距有关的光学信息，同时允许沿影像轴采集一场景的运行时的影像。在一个说明性的实施例中，用于确定镜头组件的焦距的系统和方法包括位于沿镜头组件的光轴的可调透镜，其提供一可调的焦距设置。该可调透镜可与一固定成像透镜相连接，所述固定成像透镜沿光轴定位于可调透镜和摄影机传感器之间。设置有与镜头组件一体的新型校准组件。校准组件产生光的投影图案，所述图案基于可调透镜的对焦设置可调地投影在摄影机传感器上。也就是说，图案的外观和/或位置基于可调透镜的对焦设置而变化。这使得一聚焦程序能够根据预定的校准信息来确定镜头组件的当前焦距，该校准信息与运行该聚焦程序的视觉系统处理器关联而储存。校准组件可位于沿透镜的一侧，以便穿过一反射表面从大致垂直于光轴的正交轴投影光的图案至光轴上。该反射表面可包括一棱镜、反光镜和/或分光镜，其相对于光轴上的一物体覆盖镜头组件的全部或一部分视场。该图案可位于沿正交轴且远离反射表面的校准目标上。
[0009]说明性地，校准目标可定义交替的透明和不透明的区域，且可被照亮(例如通过LED发光器进行背光照明)。说明性地，该目标朝向为，相对于垂直于正交轴的平面成一倾斜锐角，以便目标(例如平行线)的每一图案元件都以一预定的焦距相关联。对于一给定的焦距，对多个相邻直线对的清晰度进行评估。最清晰的对代表当前焦距。一插入的校准组件透镜可在光线穿过分光镜之前从校准目标分辨光线，以便在传感器处提供所需的焦距范围(例如20厘米至2米(或无穷大))。说明性地，目标可由预定波长(可见或不可见)的光照亮，且聚焦程序区分预定波长，以便校准潜在地可在不干扰物体的常规运行时成像的情况下进行。
[0010]在另一个实施例中，校准组件可包括通常定义为一球面波前的投影“图案”。镜头组件包括至少一个微型透镜，且通常多个微型透镜中的每一个都限定一波前传感器的一部分，所述波前传感器被定向以投影图案至摄影机传感器的一预定部分上。通常该部分接近传感器的外缘，以便其最低限度地干扰用于运行时间影像采集的视场。
[0011]所述系统和方法可进一步包括，在聚焦程序中的一控制程序，其根据确定的焦距和镜头组件所需的焦距而控制和/或调整可调透镜的聚焦设置。所述可调透镜可为一液体透镜，或其它可移动的几何体的镜头，且更特别地可包括一膜基液体镜头。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]下面参考附图对本发明进行描述，其中:
[0013]图1为根据此处的实施例的包括用于确定和控制焦距的镜头装置的视觉系统摄影机的透视示意图，其显示在一场景中采集一物体的影像；
[0014]图2为根据此处的一个实施例的一透镜机构的示意图，包括一膜基液体透镜和在一物体和一摄影机影像传感器之间沿一光轴定向的固定成像透镜；
[0015]图3为如图2所示在一物体和一影像传感器之间定向的透镜机构的示意图，且包括根据一说明性的实施例的基于一倾斜的校准目标的校准组件；
[0016]图3A为图3中的光学系统理想表示的示意图，显示了此处的液体镜头的焦距的计算；
[0017]图3B和3C为图3中的光学系统的光线轨迹的示意图，分别显示了最小(约为零)和最大光功率时的可调透镜；
[0018]图4为如图2所示的在一物体和一影像传感器之间定向的透镜机构的示意图，且包括根据一说明性的实施例的基于一点光源和哈特曼-夏克(波前)传感器的校准组件；
[0019]图4A和4B所示为根据图4中的说明性的哈特曼实施例计算可调透镜的焦距的示意图；
[0020]图5为如图2所示的在一物体和一影像传感器之间定向的透镜机构的示意图，根据一说明性的实施例，且包括基于一体式校准目标的视场的一部分的重新定向的校准组件；以及
[0021]图6为根据图3-5的机构的其中一个的包括一可调透镜和一校准组件用于确定和控制摄影机组件中的焦距的一说明性的程序的流程图。
【具体实施方式】
[0022]图1所示为根据一个说明性的实施例的一视觉系统装置100。所述装置100包括一视觉系统，具有一机身112的摄影机110，所述机身112上安装有一镜头组件114。镜头组件114为一光学套件的一部分，所述光学套件在机身112内还包括一内置影像传感器116(以虚线表示)。如图所示，传感器和镜头沿一光轴OA对齐，传感器关于轴OA限定了一垂直焦平面。轴OA大约穿过一物体122上的有用的典型特征120 (如条形码)。特征120处于一视场(虚线框124)内，所述视场能够根据视觉系统的任务改变大小。视场的大小部分取决于物体122和镜头组件114的焦点之间的读取/查看距离D。在该实施例中，镜头组件114包括一对透镜LI和L2 (二者均以虚线表示且详述如下)，所述透镜将光从成像场景聚焦至传感器116。传感器传送捕获的影像数据至一视觉处理器140 (同样以虚线表示)，视觉处理器140根据程控视觉系统工具和程序对影像数据执行视觉系统处理(例如ID查找、校准、检查等)，并输出所需的影像信息150，所述影像信息150可用于下游程序和应用如ID解码和处理。处理器140能够完全整装于摄影机机身112内、部分安装于机身内，或安装于机身外部一如独立式计算机(如PC)或其他远程计算设备。传感器组件116的处理器140和其他下游影像数据处理组件之间设置有适当的有线和/或无线通信线路。处理器还能够控制其他典型的功能，如内部或外部照度(未图示)、触发等。
[0023]此处所使用的术语“程序(process)”和/或“处理器”应从广义上来理解，包括各种基于电子硬件和/或软件的功能和组件。此外，所述的程序或处理器能够与其他程序和/或处理器组合或分为多个子程序或处理器。根据此处的实施例可对这种子程序和/或子处理器进行各种不同的组合。同样地，可明确设想到，此处所述的任何功能、程序和/或处理器能够利用电子硬件、软件、或硬件和软件的结合实施，其中该软件由程序指令的非易失性的计算机可读媒介组成。
[0024]根据图2的示意图，进一步详细显示了相对于物体视场124的透镜LI和L2的设置以及传感器116的曝光区。如图所示，每个组件都与光轴OA对齐，传感器116垂直于光轴OA并形成一成像面。在该说明性的设置中，设置有通常为常规设计的后部的固定成像透镜(例如凸透镜)LI，用于聚焦传感器116上的影像(光线210、212)。此外还设置有前部的几何形状可调的(或“可调的”)透镜L2。在一个实施例中，该透镜可包括上述的膜基液体镜头装置(即Optotune膜基液体镜头)。光学系统的焦距可基于可调透镜L2的设置在一预定的范围(例如20厘米至2米(或无穷大))内变化。利用例如根据已知的和/或市面上的技术的电磁式驱动在膜的周边施加力(F)来改变该设置。
[0025]因为某些可调的透镜类型，例如上述的膜基液体镜头，随着时间的推移焦距会丢失校准，且更一般地，因为需要保持良好的校准，所以非常需要能够快速自动确定和控制焦距。在运行时环境中利用外部校准目标并不总是可行的，并且会很费时。或者，依赖所采集的运行时物体的影像来估计焦距，这不是很可靠，且可能由于运行时环境下不充分的照度和其他变量而降低效果。因此，根据此处的实施例，设置有一内置校准组件。该组件具有至传感器的可靠且一致的校准目标(或其它的一个或多个基准)，以便能够根据需要不断确定和更新焦距。
[0026]参考图3，显示了镜头组件300的一个说明性实施例的示意图。透镜LI和L2 (上文已述，参考图2)保持不变，且沿光轴处于传感器116和物体124之间。沿垂直于光轴OA的轴CA设置有一校准组件310。校准组件轴CA与光轴相交于一点312，点312处一 45度放置的反光镜(即一分光镜)314接近可调镜头L2的前部，所述分光镜314反射来自于校准组件310的光线使其沿光轴OA至传感器116，且还允许光线从物体124沿光轴OA达至传感器116。校准组件310包括一凸透镜(或其他类型)的固定透镜L3，L3用于聚焦来自发光器320 (如一预先确定波长的LED组件)的光线。所述波长是高度可变的，且可在可见或不可见的光谱范围内，接近于红外线(红外辐射)。来自于发光器的光线穿过一透明校准板330，所述校准板330可限定交替的透明/半透明和不透明的(例如黑色)平行线(或其它图案)。校准板330关于轴CA垂直穿过的平面332倾斜一锐角α。目标的倾斜角α是高度可变的，且通常限定倾斜角α的一端位于距透镜L3最远的位置340处，且其相对的一端位于最近的位置342处。在一个实施例中，选定角α，如此，结合透镜L3，每一平行的、每一不透明的线代表从大约20厘米至无穷大(例如)的范围内不同的、已知的焦距。在一个实施例中，目标330从透镜L3至最远位置340的距离Dl可代表一无穷大的焦距。如图所示，一不连续的位置及与其关联的线可设为(例如)I米的焦距。处理器(140)执行聚焦程序(图1中160)使该线和/或某一线位于最佳焦距处。系统可包括储存的校准数据(图1中170)，所述校准数据包含，例如，目标330中每条线的已知焦距。所述数据可设置为，例如，一查阅表格，所述查阅表格将线与预先确定的焦距值和/或信息匹配起来。基于该信息，程序利用已知技术确定镜头组件的聚焦状态。根据以典型的所需的焦距(例如I米)的聚焦计算，通过聚焦程序160调节透镜L2 (进一步如下所述)。
[0027]因为来自于发光器320的光线输出可设置为明显高于镜头组件300从物体接收到的环境光线，当启动发光器时(即在发生于运行时影像采集步骤之间的校准步骤期间)，目标330的投影图案能够由传感器116区分。可选地，可使用不连续的波长和/或不可见的波长(例如红外辐射)来区分出来自于发光器320的光线，传感器适配为基于该区分来与校准目标330相关联。当在运行期间停用发光器时，传感器仅读取来自于物体124的环境光线。可选地，反光镜314可设置为传送一种光线的波长同时反射其它波长。例如,反光镜可适配为传送红光而反射蓝光。物体通过适当的发光器(未图示)由红光照亮且校准目标由蓝光照亮。停用发光器使得传感器仅反映红色的环境光线。一般来说，可设想到采用多种不同的发光装置和反光镜结构来区分从物体接收到的光线和从校准目标接收到的光线。
[0028]基于校准组件透镜L3，校准组件可相对较小并集成于镜头组件中。如图1所示，根据此处所设想的各种不同的实施例，一典型的校准组件180沿主透镜镜筒的一侧安装。组件180可根据不同情况包括内置或外置的电源/数据线路182。应当清楚的是，根据本领域的技术，相对于透镜，校准组件的形状因数是高度可变的。理想地，在此处的实施例和/或其他实施例中，校准组件作为整个镜头组件的一基本部分而被连接和/或拆除。在一个实施例中，透镜采用常规的安装设置，如C型镜座。机身112或其它组件如外部处理器可包括用于电源/数据线路160的适当的端口，以便校准组件能够可拆卸地连接至机身。在一个实例中，可采用一基于USB的连接来向此处的实施例或其他实施例中的校准组件供应动力或控制校准组件。
[0029]在一个实例中，距离Dl约为25毫米，角α约为7度(且更一般地约为5_10度)。从校准组件透镜L3至交点312的光路距离D2以及从交点至可调透镜L2的D3约为6_12毫米。同样地，透镜L2和LI的轴向间距D4约为5毫米，且传感器(116)成像平面和成像透镜LI之间的距离D5约为20毫米。透镜LI限定约为20毫米的焦距，且液体镜头L2限定在约200毫米至无穷大的范围内可调的焦距。透镜L3限定约为25毫米的焦距。这些距离和/或值在可选的实施例中是高度可变的，且应理解为只用于非限制性的示例。
[0030]更一般地，光学系统可具有如下特征，并进一步参考如图3Α中所示的光学系统300的理想的表示:`[0031]为便于表示，假设所有的透镜L1A、L2A和L3A都很薄且当与物体350和校准距离相比较时，其彼此沿共同的光轴OAA (方向箭头s)相对较近。同样地，透镜L1、L2、L3的光功率可分别定义为Al、A2和A3。距离b为校准目标和光轴OAA之间沿垂直于光轴OAA的y轴(y箭头)的距离。在本示例中，LI和L3为固定的玻璃透镜且L2为一具有可变光功率的液体透镜。目的是测量该透镜的功率。校准焦点356上的点(s2，y2)(清晰、焦点对准地)成像于传感器352上的点(S1, Y1)处。
[0032]校准目标以一角度定向在由以下公式定义的直线(虚线)上:
[0033]y2=a*s2+b(式 I)
[0034]已知:
[0035]1/s1+1/s2=A1+A2+A3(式 2)
[0036]以及
[0037]YiZs1=Y2Zs2(式 3)
[0038]因此，将(式3)带入(式I)得:
[0039]I/s2=yl/ (b*sl)_a/b(式 4)
[0040]以及将(式4)带入(式2)得出透镜L2的功率:[0041]A2=A1+A3-1/S1-Y1/ (Ms1)+a/b。
[0042]请注意，传感器352上的校准目标被清晰成像的位置和透镜L2的光功率A2之间存在一线性关系。
[0043]简要参考图3B和3C，所示为系统300内对应可调透镜L2的在最小功率(即放大倍率A2设置为零(O)或接近于零(O))和最大功率处的光线轨迹370。零(O)功率(以一扁平透镜(L2)表面374表示)时，校准目标330上的位置340在传感器116的位置380处聚焦清晰(in-focus)(图3B)。最大功率(由一凸透镜(L2)表面374表示)时，目标330上的位置342在传感器116的位置382处聚焦清晰(图3C)。图3B和3C的表示为各种不同的设置和/或位置的说明，其中沿目标的位置聚焦在传感器上。
[0044]现在参考图4，根据一个进一步的实施例，一镜头组件400如图所示。要注意，镜头组件400中任何与上述组件300 (图3)中相同或相似的组件和参数设置有相同的参考数字。如图所示，校准组件410沿轴CAl对齐，所述轴CAl连同上述的分光镜314与光轴OA相交于点312。在该实施例中，选择性地操作点光源420 (例如二极管发光器)投影一球面波前至分光镜314。点光源420位于如图所示的已知距离D6处，且可如上文所述构建为镜头组件上的一适当的结构。一般来说，点光源定位在I/ (A1+A2)的距离处，此处Al为固定透镜LI的光功率且A2为可调(液体)透镜L2的光功率。光线穿过透镜L2和LI，且之后光线440穿过一个或多个可定位的常规微型透镜450，以便聚焦光线440至传感器116的460部一例如，460部在传感器的视场的一边缘附近，此处对主像的干扰是最小的。这些微型透镜450定义了一基本的哈特曼(波前)传感器。当启动发光器420时，由微型透镜曝光的传感器116的460部由聚焦程序160监控。根据聚焦的光线的点落在给定的460部(SP在传感器阵列内的像素)的位置，通过利用已知的计算和存储的校准数据170，该点的移位(shift)可用于确定镜头组件的焦距。可对可调透镜L2进行调整，来达到将由微型透镜产生的点放置在传感器116的给定部分460上的适当的点处的焦距。
[0045]参考图4A和4B来进一步说明，其中根据图4的实施例，每幅图都显示了组件之间的光学关系。可假设透镜LI和L2很薄，且彼此之间安装得很靠近。固定透镜LI和可调透镜L2的光功率分别定义为Al和A2。MLl和ML2为焦距为F的微型透镜。成像传感器IS位于这些透镜中的每一个的焦平面内。每个微型透镜MLl和ML2的轴OML平行于系统的光轴0ΑΒ，轴OML与OAB之间具有一偏距h。尽管点光源PS的位置是高度可变的，本示例中简单起见，点光源PS定位在下述这种物距处，当可调透镜L2设置为零光功率(A2=0)时，来自于点光源PS (通过分光镜M)的球面光线经由可调透镜L2平行校准为(collimated into)一平面波前(图4A)。微型透镜MLl和ML2聚焦该光线至传感器上如图所示的两点BI和B2处。当改变透镜L2的光功率A2时，这些点B1、B2移动一距离d (图4B)。可调透镜L2的光功率A2可利用以下公式通过该距离d (其本身就是由传感器IS上的点B1、B2的像素位置所决定的)计算得出:
[0046]A2=d/(h*f+d* (Sff))
[0047]参考图5，所示和所述为一镜头组件500的另一个实施例。重申一下，镜头组件500中任何与上述组件300 (图3)中相同或相似的组件和参数设置有相同的参考数字。在该实施例中，校准组件510利用镜头组件的视场(通常沿其边缘)的一小部分，所述部分由一微型反光镜或棱镜520覆盖。所述反光镜轴向地位于可调透镜L2和物体124之间。在该实施例中，反光镜/棱镜520位于一轴向(例如比照轴OA)距离D7处，在该处其被放置在镜头组件(例如如图1中所示的组件180)的镜筒内的。反光镜/棱镜520关于光轴OA倾斜约45度，以使其反射来自位于反光镜/棱镜520之上隔开一段距离的D8处的一小型校准目标530的光线。如图所不，目标530的平面垂直于一虚线540,所述虚线540其本身垂直于光轴0A。目标530可被单独照亮，或依赖于环境光线。目标可为任何可接受的形式。一般来说，传感器116上投影的位置和图案的外观将会根据由可调透镜L2提供的现有焦距改变。储存的校准数据(170)可用于基于传感器上的投影确定焦距。
[0048]根据以上图5中所示的组件的设置，根据以下公式计算透镜L2的光功率A2:
[0049]AS=A1-1Zs1-1Zs2，其中
[0050]Si为透镜至传感器的距离；
[0051]s2为透镜和校准目标之间的距离；且
[0052]Al为透镜LI的光功率。
[0053]为了该关系成立，假设透镜和透镜之间的距离相对于物体至传感器的距离来说比较小。
[0054]应当清楚的是，校准目标530可设置为位置各不相同的多个校准目标。此外，可明确设想到的是，图5中的上述设置(其中视场的一部分重新定向至包括一校准目标的影像)可应用于以上关于图3和4所示和所述的校准技术中。也就是说，通过这些方法所产生的校准影像可投影至传感器的整个视场的一部分上。相对于专用于分析运行时的物体的剩余视场，校准影像在该部分内分开地(单独地)对进行分析。
[0055]参考图6，所示为用于确定和控制根据上述每个设置构建的镜头组件的焦距的一般性的步骤或程序600。该步骤或程序可在摄影机初始化时，或在运行期间定期执行。在符号读取应用中，一旦成功读取了物体上的条形码或其他符号就可立即执行校准程序。物体在运输机上穿过成像场景处，通常可获取随后的物体的高度信息(在之前的成功读取之后)，且因此，随后的物体的已知高度可用于，为读取该对象而设置新的焦距。操作的周期是高度可变的，且如果需要的话，计算的快速性质适于相当频繁或连续的校准。特别是，可选地，随着步骤610中视觉处理器140对物体影像的采集的结束，步骤/程序600开始。在可替换的实施例中，该步骤可与运行时的操作结合，或同时发生——例如图5的设置中，视场的一部分(不是用在运行时的图像采集分析)用于分析校准目标530或者一专用波长用于将光从校准组件投影至传感器。无论是运行时间还是非运行时间的操作，程序600下一步在步骤620中运行聚焦程序(160)。在一体式校准组件包括照明的情况下，在步骤630中启动这样的一个或多个发光器，同时传感器从一体式校准目标采集预先确定的图案的影像。通过使用在整个传感器或其一部分上所采集的图案的影像，程序600在步骤640中利用储存的校准信息和/或数据(170)来确定镜头组件的当前焦距。该确定步骤可包括一查阅表的使用，所述查阅表将焦距映射至传感器上的与校准目标图案和/或投影位置(例如，在图4的波前设置)有关的特定的影像数据。信息170也可包括常规的方程式或公式，其可根据来自于传感器的测量的影像数据计算特定焦距。例如，在图3的设置中，在焦距落在两条线之间的情况下，可采用在那些线之间插入(interpolate) —距离值的等式来获得较高的准确性。
[0056]在步骤640中已确定了当前焦距后，程序600能够根据聚焦程序(160)可获得的程控值决定焦距是否在一预先确定的参数或范围内(判定步骤650)。如果焦距在参数范围内，那么程序600恢复运行时的值(如果已退出的话)，否则就进入步骤660中校正焦距的状态。然后程序就等待下一个程控的校准间隔并重复步骤610-650。如果焦距超出预设的范围，那么程序就通过施加适当的力F (或通过其他机制)控制步骤670中的可调透镜(L2)，以便调整其几何形状来提供所需的焦距。控制步骤670利用适当的与透镜调整相关的等式和信息计算出透镜的合适的设置。例如，如果焦距读取为I米和2米是所需要的，那么聚焦程序命令透镜根据达成该2米设置的预定量改变力F。如果在重置焦距中的把握相对较高，那么程序600可选地分支转至恢复运行步骤660 (通过虚线程序分支672)。可替换地，如果需要确认新的设置，程序600可返回至步骤630-650 (通过虚线程序分支674)并确定新的焦距。该程序可重复(循环)，直至决定步骤650确定已达到了所需的焦距。
[0057]应当清楚的是，用于确定和控制具有可调(通常为液体)透镜的镜头组件中的焦距的系统和方法相对较可靠，几乎不使用复杂的组件，且能够快速和反复地运行。该系统和方法与现有透镜机构集成得相对较好，且在一视觉系统摄影机中可为一可拆卸和/或可更换镜头系统的一部分。
[0058]前文已详细描述了本发明的说明性的实施例。在不脱离本发明的发明思想和范围情况下可进行各种修改和增加。为提供多种与新实施例相关的结合特征，上述各种实施例中的每一个实施例的特征可适当地与其他所述实施例的特征相结合。此外，虽然前文描述了一些本发明的设备和方法的单独的实施例，但本文的描述仅仅是对本发明原理的应用的说明。例如，校准组件关于镜头组件的光轴的定向在可选的实施例中是高度可变的，且可基于例如包装方面的考虑作出改变。本领域的普通技术人员应当清楚为达成这种形状因数的适当的光学组件的使用。同样地，尽管所示和所述为基本的两镜头组件，可结合此处所述的一个或多个说明性的校准组件使用更为复杂的镜头设置。同样地，此处所述的任意校准组件上的图案是高度可变的，因为关键的是这样的目标图案(或其它校准影像)被投影至传感器上的位置。因此，该描述仅仅起示例性的作用，而并不旨在限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种用于确定镜头组件的焦距的系统，包括: 位于沿镜头组件的光轴的可调透镜，其构建及设置为提供一可调的焦距设置； 与镜头组件集成为一体的校准组件，所述校准组件包括一可调地投影在摄影机传感器上的光的投影图案，所述摄影机传感器根据可调透镜的聚焦设置接收来自镜头组件的光； 以及 聚焦程序，其在聚焦设置下根据与所述图案有关的预定校准信息确定镜头组件的焦距。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述校准组件位于一大致垂直于光轴的轴上，以便通过一反射面投影所述图案至光轴上。
3.根据权利要求1所述的系统，其中反射面为至少一个棱镜或反光镜。
4.根据权利要求3所述的系统，其中反射面覆盖镜头组件视场的一部分，且反射面构建和设置为投影图案至摄影机传感器的一部分上。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述图案位于一校准目标上，所述校准目标位于沿正交于光轴的轴上且远离反射面。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述反射面为一分光镜，其位于可调透镜的前面并允许光线从一物体沿光轴穿过该分光镜。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述图案设置在一校准目标上，所述校准目标位于沿正交于光轴的轴上且远离反射面，所述校准目标限定多个透明和多个不透明的区域并被照亮，所述校准目标进一步地定向为，相对于垂直于正交轴的平面成一倾斜锐角。
8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括位于分光镜和所述目标之间的校准组件透镜，所述多个不透明区域分别与多个焦距相关联。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述不透明区域包括多条平行线。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述目标由一预定波长的光照亮，且聚焦程序构建和设置为区分该预定的波长。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述图案限定一具有球面波前的光束，且进一步包括至少一个微型透镜，其限定一波前传感器的一部分，所述波前传感器被定向以投影图案至摄影机传感器的一预定部分上。
12.根据权利要求1所述的系统，其中聚焦程序构建和设置为根据确定的焦距和镜头组件所需的焦距来控制可调透镜的聚焦设置。
13.根据权利要求1所述的系统，其中可调透镜包括一膜基液体透镜。
14.一种用于确定包含可调焦透镜的镜头组件的焦距的方法，包括步骤: 对可调透镜提供一聚焦设置； 利用一校准组件投影一光的图案，所述光的图案可调地投影在摄影机传感器上，所述摄影机传感器根据可调透镜的聚焦设置接收来自镜头组件的光；以及 在聚焦设置下根据与图案有关的预定校准信息确定镜头组件的焦距。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括利用校准组件将所述图案从一大致垂直于光轴的轴通过一反射面投影至光轴上。
16.根据权利要求15所 述的方法，其中投影的步骤包括投影图案至摄影机传感器的一部分上。
17.根据权利要求15所述的方法，其中投影的步骤包括使所述图案穿过一分光镜，其位于可调透镜前面并允许光线从一物体沿光轴穿过该分光镜。
18.根据权利要求17所述的方法，其中投影的步骤包括(a)设置一校准目标，其位于沿正交于光轴的轴上且远离反射面，(b)照亮所述校准目标以投影透明和不透明的区域，以及(c )关于一垂直于正交轴的平面沿一倾斜锐角定向校准目标。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在分光镜和所述目标之间设置一校准组件并将多个不透明区域分别与多个焦距相关联。
20.根据权利要求18所述的方法，其中照亮校准目标的步骤包括传输一预定波长的光，以及其中确定步骤包括区分由传感器接收的所述预定的波长。
21.根据权利要求16所述的方法，其中投影的步骤包括设置一图案，其限定具有球面波前的光束，并通过至少一个限·定了一波前传感器的一部分的微型透镜传送所述光束，所述微型透镜定向为投影所述图案至摄影机传感器的一预定部分上。
22.根据权利要求14所述的方法，其中进一步包括根据确定的焦距和镜头组件所需的焦距来控制可调透镜的聚焦设置。
【文档编号】G02B7/09GK103576280SQ201310327177
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】L·努恩宁克 申请人:康耐视公司