减少视觉系统变焦镜头偏移量的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种视觉系统，该系统设置可以对某些变焦镜头总成中的光学偏移进行补偿，系统包括但不限于液体镜头设置。系统包括与视觉系统处理器有效连接的图像传感器和用于改变焦距(例如由视觉处理器或其他测距设备控制)的变焦镜头总成。正透镜总成，其配置可以在正透镜总成一侧弱化变焦镜头总成在预先确定的对象运行范围内变焦镜头总成的作用。变焦镜头总成位于正透镜的前焦点或后焦点上。变焦镜头总成包括一液体镜头总成，该液体镜头总成本身可以在约20屈光度范围内进行变焦。在实施例中，镜头筒设有C形安装镜头座。

System and Method for Reducing the Offset of Zoom Lens in Visual System

【技术实现步骤摘要】
减少视觉系统变焦镜头偏移量的系统和方法分案申请本申请是申请号为201510228006.9、申请日为2015年5月6日、题为“减少视觉系统变焦镜头偏移量的系统”的分案申请。
本专利技术涉及一种用于机器视觉的摄像机，具体涉及一种自动聚焦镜头总成。
技术介绍
视觉系统可以执行物体测量、检验和校准和/或符号(例如条形码或更简单的ID)解码等任务，广泛应用于各行各业。这些系统中都要使用图像传感器，传感器获取物体或对象的图像(通常为黑白或彩色的一维、二维或三维图像)并使用板载或互联的视觉系统处理器对获取的图像进行处理。处理器通常包括处理硬件和永久性计算机可读程序说明，可以执行一项或多项视觉系统程序，以根据图像处理信息生成所需的输出数据。这些图像信息通常包含在含有多种色彩和/或强度的图像像素阵列内。例如在ID阅读器中，用户或自动化程序获取含有一个或多个ID的对象的图像。图像经过处理后识别出ID特征，并通过解码程序和/或处理器解码获得以ID图案形式编码的内在信息(例如数字字母数据)。通常情况下，视觉系统摄像机包括内部处理器和其他组件，通过这些组件，视觉系统摄像机可以作为独立装置向下游程序提供所需的输出数据(例如经过解码的符号信息)，例如库存跟踪计算机系统或物流应用。自动聚焦总成是一种典型的镜头配置，适合某些视觉系统应用。通过举例的方式，可以将自动聚焦镜头简化为一种“变焦镜头”总成(在下文中定义)，也称之为液体镜头总成。其中一种液体镜头是法国Varioptic公司的液体镜头，这种镜头使用两种等密度液体，其中油作为绝缘体，水作为导体。通过镜头的周围电路的电压变化促使液体和液体之间的接口的曲率发生变化，从而改变镜头的焦距。使用液体镜头的主要优点包括牢固耐用(没有机械运动部件)、反应时间短、光学性能相对较高、功耗低且尺寸小。使用液体镜头无需手动触碰镜头，从而简化了视觉系统的安装、设置和维护程序。与其他自动对焦机制相比，液体镜头的反应时间极短。对于物体到物体(表面到表面)的读取距离发生变化的应用或在从读取一个对象切换到另外一个对象的过程(例如扫描含有不同尺寸/高度物体(例如运输包装箱)的移动输送带)中，液体镜头都是理想的选择。通常情况下，快速瞬时聚焦的能力适合用于很多视觉系统应用。瑞士Optotune公司最近开发出了液体镜头技术。这种镜头利用覆盖储液器的移动膜片来改变焦距。线圈管施加压力改变膜片形状从而改变镜头的焦点。通过在预设范围内改变输入电流移动线圈管。不同的电流水平可以为液体镜头提供不同的焦距。与竞争产品设计(例如法国的Varioptic)相比，这种镜头可以提供更大的光圈(例如6到10毫米)，而且运行速度更快。但是，由于热偏移和其他因素的影响，在正常使用中校准和焦点设置通常会随着时间的增加而发生变化。可以提供各种系统来对焦点变化和其他因素进行补偿和/或校正。但是，这种补偿程序需要一定的处理时间(在摄像机的内部处理器内进行处理)，这就减缓了镜头获得新焦点的总体响应时间。同样，这种补偿程序(例如热偏移)可以经过标准化处理，而不是根据镜头的本身进行自定义，这就导致在镜头可能会遇到的具体偏移条件下镜头的稳定性会所有下降。注意，例如液体镜头的典型偏移量为0.15屈光度/0C(即Varioptic液体镜头的典型偏移量)。某些视觉应用，尤其是当需要长距离检测较小特征时，就要求成像器镜头的光学功率稳定性达到+/-0.1屈光度。通常认为，要充分控制镜头焦点并保持在所需范围内，所需的控制频率至少要达到约1000Hz。这样会增加视觉系统处理器的负荷，处理器可以基于DSP或类似架构。也就是说，如果DSP持续被镜头控制任务占据，视觉系统任务将会受到影响。所有这些不利因素就使得偏移补偿成为很多应用所面临的挑战。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供了一种可以补偿某些镜头组件中出现的光学偏移的视觉系统，可以改变光学功率，并通过控制镜头形状和/或镜头折射率改变光学功率(因此，在焦距＝1/光学功率时改变焦距)。这种镜头总成包括但不限于液体镜头设置，例如采用两种等密度液体或柔性膜片的液体镜头设置，通常也叫做“变焦镜头(variablelens)”总成。系统包括与视觉系统处理器联动运行的图像传感器和用于改变焦距(例如由视觉处理器或其他测距设备控制)的变焦镜头总成。正透镜总成的配置可以在正透镜总成一侧弱化变焦镜头总成在预先确定的对象运行范围内的作用。变焦镜头总成示意性地包括一液体镜头总成，该液体镜头总成本身可以在约20屈光度范围内进行变化。正透镜总成和变焦镜头总成示意性地安装在一可以相对于摄像机机体和图像传感器可拆卸的镜头筒中。图像传感器示意性地位于摄像机机体内。同样，视觉处理器可以部分或整体安装在摄像机机体内。在实施方案中，镜头筒设有一C形安装镜头座，正透镜总成包括一双合透镜(doublet)，双合透镜包括一前凸透镜和一后凹透镜。正透镜总成可以定义的有效聚焦范围为40毫米。可以使用的镜头(例如双合透镜)焦距示意性地在大约10和100毫米之间。此外，变焦镜头总成(例如液体镜头总成)通常位置比较接近，但是远离正透镜总成的焦点，可以在正透镜总成的前焦点，但是大部分情况下设置在后焦点上。变焦镜头和焦点之间的距离通常在正透镜总成的焦距F的0.1和0.5倍之间。正透镜总成和变焦镜头总成通过这种方式构成图像传感器上的整个透镜总成聚焦光中的一部分。因此，整个透镜总成的总体光学功率主要由正透镜总成的光学功率决定，换言之，大部分放大/光学功率由正透镜总成提供，从而最大程度上降低了变焦透镜总成的偏移效应。附图说明下面的专利技术介绍针对随附的图纸，其中：图1为示意性视觉系统布局图，图中包括一带有相关视觉处理器的视觉系统摄像机，镜头总成补偿随时间推移而发生的固有偏移，并显示了按照示意性实施例的场景获取典型物体图像的方式；图2为典型镜头系统的光线轨迹图，其中包括变焦镜头总成的物体成像；图3是示意性镜头系统的光线轨迹图，该镜头系统包括一变焦镜头总成，正透镜总成以到变焦镜头总成的预定距离沿光轴定位，从而提供一偏移公差镜头系统；图4是一镜头组的侧截面图，该镜头组包括一具有实施例偏移公差的变焦镜头总成和正透镜，图中显示了镜筒和镜筒内组件的相对尺寸；图4A是图4中的镜头组的侧截面图，显示了组件沿光轴的相对布局；图5为图4中的镜头组的光线轨迹图，显示了第一个焦距上的物体成像情况；图6为图4中的示意性镜头组的光线轨迹图，显示了第二个焦距(比第一个焦距远)上的物体的成像情况；图7为图4中的示意性镜头组的光线轨迹图，显示了第一个焦距上的物体成像情况；和图8是一张关系图，反应了本实施的正透镜总成、变焦镜头总成和正透镜焦点之间的关系。具体实施方式图1详细介绍了视觉系统100，其中包括视觉系统摄像机总成110和相关的镜头组/总成120。镜头组120的结构将在下文做详细介绍。在实施例中，镜头组120固定到摄像机上或可以使用定制或传统安装底座(例如众所周知的Cine或“C形底座”)进行拆卸。摄像机包括机体/外壳，该机体/外壳中包括多个运行组件，包括图像传感器或成像器130(以虚线显示)。在本实施例中，成像器130连接板载视觉处理器140，该处理器140可以运行多个硬件和/或软件程序，统称视觉程序14本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于偏移补偿的视觉系统，包括：与视觉系统处理器可操作地相连接的图像传感器；可以改变形状或折射率的变焦镜头总成；和正透镜总成，其配置为在正透镜总成一侧弱化变焦镜头总成在预先确定的对象运行范围内的作用。

【技术特征摘要】
2014.05.06 US 14/271,1481.用于偏移补偿的视觉系统，包括：与视觉系统处理器可操作地相连接的图像传感器；可以改变形状或折射率的变焦镜头总成；和正透镜总成，其配置为在正透镜总成一侧弱化变焦镜头总成在预先确定的对象运行范围内的作用。2.根据权利要求1所述的视觉系统，变焦镜头总成包括一液体镜头总成。3.根据权利要求2所述的视觉系统，液体镜头总成的变化范围为20屈光度。4.根据权利要求1所述的视觉系统，正透镜和变焦镜头一同安装在一可以相对于摄像机机体和图像传感器可拆卸的镜头筒中，图像传感器位于摄像机机体内。5.根据权利要求4所述的视觉系统，镜头筒设有C形安装镜头座。6.根据权利要求4所述的视觉系统，正透镜包括一双合透镜，该双合透镜包括凸透镜和凹透镜。7.根据权利要求6所述的视觉系统，其中正透镜定义的有效可用焦距范围在10和100毫米之间。8.根据权利要求1所述的视觉系统，变焦镜头总成相邻于正透镜总成的焦点。9.根据权利要求8所述的视觉系统，所述焦点是正透镜总成的前焦点或后焦点中的任意一个。10.根据权利要求8所述的视觉系统，视觉系统中的变焦镜头总成和正透镜总成焦点之间的距离为正透镜总成焦距的0.1到0.5倍。11.根据权利要求10所述的视觉系统，变焦镜头总成包括一液体镜头总成。12.根据权利要求1所述的视觉系统，正透镜总成和变焦镜头总成是一整个镜头总成中的一部分，该整个镜头总成将...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·努恩宁克，
申请(专利权)人：康耐视公司，
类型：发明
国别省市：美国,US