CN104954666A - 光电设备和用于拍摄清晰图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电设备和用于拍摄清晰图像的方法。提出一种用于从监视区域(12)获取对象信息的光电设备(10)，具有：图像传感器(16)；分配给该图像传感器(16)的接收光学元件(14)，其具有可变化地倾斜的自适应透镜(26)；以及，分析单元(18)，其用于由图像传感器(16)的接收信号生成对象信息。其中分析单元(18)被设计用于在控制自适应透镜(26)的第一倾斜角时在图像传感器(16)的视野中确定图像特征(24)的第一位置，并且由第一位置确定自适应透镜(26)的漂移修正。

Description

光电设备和用于拍摄清晰图像的方法

本发明涉及根据权利要求1或12的前序部分所述的一种光电设备和一种用于拍摄清晰图像的方法。

几乎每个光学传感器中都设置了发射或接收光学元件。通常借助调焦来将光学元件以一定的距离或距离范围来清晰地调节，方式是机电地或光机地调节透镜的位置，并从而调节发射或接收光学元件的顶焦距。

为了进行精确调节，此类解决方案需要的安装空间大并且对机械结构有较高的要求，并因此实际上采用的是预定的聚焦位置。另一种可选方法是使用以下光学元件，即在其中不是改变顶焦距而是通过控制电压来直接改变形状并由此改变透镜的焦距自身。为此特别使用凝胶透镜或液体透镜。对于凝胶透镜而言，借助压电或电感的致动器使硅胶式液体产生机械变形。液体透镜则利用例如所谓的电润湿效应(英：electrowetting(电润湿))，方式是将两种不混溶的液体叠加布置在腔室中。当施加控制电压时，这两种液体会以不同的方式改变其表面张力，从而使得液体的内部临界面会根据电压改变其弯曲程度。由DE 10 2005 015 500 A1或DE 20 2006 017268 U1中已知一种光电传感器，其具有基于液体透镜的调焦装置。

带有可变焦距调节装置的摄像系统可分为两类。基于在不同聚焦位置的多次拍摄，自动聚焦系统迭代地获取适当的聚焦位置(“闭环(Closed-Loop)”法)。由于需要迭代，该方法进行得相对缓慢。聚焦的第二种可能性在于，由距离测量来确定所需的聚焦位置，然后聚焦单元再转换预定值(“开环(Open-Loop)”法)。接着有必要确保聚焦单元确实已达到所期望的聚焦位。这对具有热体积膨胀和温度相关的折射率的液体或凝胶透镜而言尤为关键。教导了与温度相关的校正矩阵来对此进行补偿。因此，操作聚焦单元要考虑实际温度并抵消温度漂移。对于可逆的温度性能而言，当然还包括其它的效应(比如老化)，与温度性能相反，这些效应通常不能预测。由此产生不可校正的漂移并从而产生余留的不清晰。

在用于调焦的液体透镜的改进方案中，EP 2 071 367 A1提出，通过在旋转方向上施加不同的电压也可改变液体透镜的倾斜。为了防止拍摄抖动的图像，要确定相机自身的运动，并将相机中的一个或多个透镜倾斜，以抵消所述自身的运动。但这种倾斜能力对于上述的温度性能和漂移问题却不会有什么改进。

DE 10 2005 015 500 A1中公开了另一种具有液体透镜的光电传感器，由于透镜框分离的电极上的非对称框架或不同的电势导致所述液体透镜在其光束整形特性方面是可非对称变化的。但该文件没有阐述，可用它来做什么。

因此，本发明的任务在于，用这种类型装置中的自适应透镜来改进聚焦。

该任务通过如权利要求1和3所述的光电设备以及如权利要求12所述的用于拍摄清晰的图像的方法得以实现。所述设备具有图像传感器和自适应透镜，通过倾斜可将透镜置于不同方向上。现在本发明的基本思想在于，倾斜自适应透镜并用图像传感器观察一特定的图像特征因倾斜而到达什么位置。该位置会因漂移而变化，也就是说特别是由于温度和老化现象而变化。由此可由该位置推断出漂移，并从而推断出必要的漂移修正。

在如权利要求1所述的实施形式中，自适应透镜被设置在图像传感器的接收光学元件中。倾斜自适应透镜会改变图像传感器的视场并从而改变在图像传感器视野内特定的图像特征的位置。

图像特征可以是场景中任何一种可识别的结构。优选地，所述设备具有光发射器，而且分析单元将光发射器的光斑或部分照明图形用作图像特征。因此，该设备不再依赖场景中已存在的可识别的结构。从本身照明所获得的图像特征是可靠且容易识别的。例如，光发射器涉及对比图形照明装置或瞄准设备，例如用于显示相机的视场或在目标区域内的读码器的阅读区。此类光发射器因其自身的功能而被采用且不是特别设置用于进行根据本发明的漂移修正。

在如权利要求3所述的可选实施形式中，自适应透镜被设置在光发射器的发射光学元件中。若在这里将自适应透镜倾斜，则由光发射器生成的照明图形或光斑的位置会移动到图像传感器的视野内。光发射器的聚焦例如对于对比图形，对于用于指出特定拍摄区域或读取区域的目标图形是有利的或对于生成清晰的光斑是有利的。如权利要求1和3所述的实施形式的混合形式也是可设想的，其中光接收器和光发射器被调焦，无论是通过共同的自适应透镜来实现还是分别通过自适应透镜来实现。

本发明在接收端使用如权利要求1所述的自适应透镜以及在发送端使用如权利要求3所述的自适应透镜具有的优点在于，能快速且准确地调焦。根据本发明甚至用开环法来做到这一点，因为在运行时可确定自适应透镜的温度性能和老化效应并从而确定接收和发送光学元件的温度性能和老化效应，并且根据需要进行补偿。闭环法也要考虑漂移效应，原因在于要纠正实际的聚焦位置，但是由于迭代会进行得比较缓慢。

分析单元被优选设计用于在控制自适应透镜的第二倾斜角时在图像传感器的视野中确定图像特征的第二位置并由第一位置和第二位置来确定漂移修正。因此在本实施形式中，漂移修正以这两个倾斜角和两个在这种情况下确定的图像特征的位置为基础。倾斜角也有可能随图像特征相应位置的确定而有其它变化。反过来也可设想的是，关于一个倾斜角来确定多于一个的图像特征的位置。这会导致从中确定漂移修正的、更广泛的数据基础。在相应的倾斜角可触发自身拍摄。可选地在倾斜时曝光，从而使得图像特征变模糊并形成一条从第一位置到第二位置的线。

有利地，在存储元件中存储至少一个参考位置，并且分析单元根据第一位置和/或第二位置与参考位置的偏差来确定漂移修正。也就是说，在这里通过最初的教导或另外的设定一开始就确定，在相应的倾斜角预计哪里会出现没有漂移的图像特征。与参考位置的偏差则是漂移的量度。

分析单元被优选设计用于调节，其根据漂移修正来调节倾斜角的控制，从而使得漂移得到补偿。尽管将漂移识别出来并且例如接着显示维护要求能够是有利的，但真正的目的在于，对漂移进行补偿。漂移修正有可能做到这一点，即使得控制信号与自适应透镜相匹配，以便不再发生漂移或使漂移得到补偿。也可进行检查，方式是控制被适当调节的倾斜，于是图像特征的位置对应于相应的无漂移位置。可以预先对此进行检验以验证调节过程，甚至可以在操作过程中对此进行检验以确保漂移补偿的正确工作方式。

分析单元被优选设计用于调节自适应透镜的焦距，其中借助漂移修正来校正用于调节焦距的控制信号。通常来说，自适应透镜的任务不是调节倾斜角而是进行聚焦，或者至少除了调节倾斜角外还应该进行聚焦调节。为此在使用开环法时存储了一聚焦列表，其包含了对于特定的待调节焦距而言所必需的控制信号。在操作期间，由于漂移修正故要对控制信号进行调整以补偿漂移。这时假设漂移补偿(其在倾斜后由图像特征的位置偏差进行补偿)同样也对焦距调节进行补偿，因为自适应透镜使用相同的物理原理来进行倾斜和聚焦，所述物理原理也是相同的漂移的基础。

自适应透镜优选为液体透镜或凝胶透镜。此类透镜提供了所需的调节可能性而且结构还非常紧凑且价格低廉。此类透镜的倾斜当然并不意味着强制性地进行几何倾斜，而是指在效果上相当于倾斜的光学效应。

自适应透镜优选具有在旋转方向上分段的控制元件。这些控制元件例如是分段的电极，这些电极通过电润湿效应操纵液体透镜。还可设想的是分段的致动器，特别是压电致动器，其局部改变施加到液体上的压力并由此使液体上的膜发生不同的弯曲，或直接使透镜的凝胶状物质变形。由于在旋转方向上的分段使得对透镜产生非旋转对称影响成为可能，这就导致了光学倾斜。

分析单元被优选设计用于读取对象信息中的代码信息。为此，该设备为读码器。

分析单元被优选设计用于生成监视区域的一系列图像，同时为了漂移修正至少控制一次第一倾斜角。也就是说此类设备拍摄图像系列，例如在被安装到传送带上时用于检查或测量传送带上输送的物体或读取在这些物体上所附的光学代码。应分别清晰聚焦地拍摄图片。为此可设想的是，插入使用倾斜的自适应透镜的额外的图像以发现焦距调节。也可使用图像处理软件以透视图回推出所述额外的图像而无需倾斜。在倾斜角度较小时，这非常好地近似于仅仅是图像部分的移动。用这种方式不必仅仅为了定位聚焦位置而损失图像。这里讨论的漂移是相对缓慢的过程，从而使得也只能以较长的时间间隔来计算漂移修正，而不是为每个待使用的图像进行计算。

如本发明所述方法可用类似的方式通过其它特征进一步改进并且同时显示类似的优点。所述其它的特征是示例性的，但是并不限于在隶属于独立权利要求的从属权利要求中所述。

下面借助实施例并且参考附图也对本发明的其它优点和特征进行描述。附图中的图片示出：

图1a示出了光电传感器的截面示意图，该光电传感器具有位于接收光学元件中的可倾斜自适应透镜；

图1b示出了拍摄图像特征的简化示意图，其中使用了如图1a所示的传感器在自适应透镜的两个倾斜位置进行拍摄；

图2a示出了光电传感器的截面示意图，该光电传感器具有位于发射光学元件中的可倾斜自适应透镜；

图2b示出了拍摄图像特征的简化示意图，其中使用了如图2a所示的传感器在自适应透镜的两个倾斜位置进行拍摄；

图3a示出了光束发散状态下的自适应透镜；

图3b示出了中性状态下的自适应透镜；

图3c示出了光束收敛状态下的自适应透镜；

图4a示出了向下倾斜的自适应透镜；

图4b示出了不倾斜的自适应透镜；

图4c示出了向上倾斜的自适应透镜；以及

图5示出了自适应透镜的顶视图，用于说明分段的、非旋转对称的控制。

图1示出了用于从监视区域12获取对象信息的光电设备10的实施形式的截面示意图。图像传感器16(例如CCD或CMOS芯片)通过接收光学元件14生成监视区域12的图像。该图像的图像信息被传输到分析单元18。

接收光学元件14具有自适应透镜，该透镜可通过分析单元18的电子控制来倾斜。自适应透镜的工作原理将根据下面的图3至图5详细阐述。除了自适应透镜外还可设置例如具有前置光圈的固定焦距镜头，其布置在自适应透镜之前，或者一般还布置了其它的光学元件，如光圈或透镜。通过自适应透镜的倾斜，设备10的视场会改变，也就是说会发生旋转和/或位移。

根据本发明，利用视场的这种变化来测量自适应透镜的漂移效果并在可能的情况下对其进行补偿。设备10包括具有发射光学元件22的光发射器20。如此一来，在监视区域中会产生可很好识别的图像特征24，而不管是准直发射光束的有限光斑还是光发射器20所生成的对比图形的一部分。在一个优选的实施形式中，光发射器20是指瞄准装置或激光瞄准器，其被用于可视化拍摄区域或读取区域。在没有光发射器20的未被示出的实施形式中，可将场景的结构特征用作图像特征24。

图像特征24由分析单元18定位到在倾斜条件下自适应透镜产生的图像中，用于测量漂移效应。图1b中示出了这一点。在此图中用实线描述了第一倾斜位置的图像特征24a并用虚线描述了第二倾斜位置的、被延时拍摄的图像特征24b。此外如实线箭头所示，在拍摄图像特征24a-b的两个位置由于倾斜而发生偏移。该偏移是由于实际倾斜所致，并包含用虚线箭头描述的、受控倾斜的预期比例，该比例例如根据教导存储在所述分析单元18中或存储在另一个存储元件中，并且偏移还包括额外的漂移分量，其归因于由温度或老化效应所导致的在受控制的倾斜与实际倾斜之间的偏差。如此一来就可测量漂移。在光发射器20与图像传感器16之间的距离应尽可能小，因为图像特征24的位移表明与距离的关系，这种关系会使测得的漂移失真或有必要进行更为复杂的计算。

在一个简单的实施形式中，仅确定了漂移并且例如显示超出容差。但有利的是进行了漂移补偿。为此确定自适应透镜相应的控制的调节，其使得受控制的倾斜和实际倾斜又重新一致，即在如图1b所示的图中确保实线箭头和虚线箭头等长。

除了延时拍摄图像，可在倾斜时进行曝光，从而使得图像特征24不是在两个分开的位置模糊而是拍摄在两个位置之间的线。该线有可能更易于识别，并且其线长度为包括漂移在内的位移量度。

在自适应透镜的倾斜位置和焦距之间存在与温度相关的联系，因为这两种调节方式是基于同一物理原理。换而言之，如所描述的那样可将焦距调整(Brennweitenverstellung)的漂移作为倾斜调整(Kippverstellung)的漂移来测量。相应的漂移补偿(其校正倾斜调整)也会引起对焦距调整的漂移补偿。通常，漂移补偿的目的是快速且可靠地进行调焦，根据本发明间接通过在倾斜自适应透镜时移动图像特征24以确定漂移补偿。

如果设备10被用于拍摄整个图像序列，例如为了对传送系统上的对象进行检查或测量，或为了读取被输送的对象上的光代码，则可与常规的图像采集同步获取漂移。为此，在不同的倾斜位置交替进行图像拍摄，如有必要，则可以接着由分析单元18通过后续图像处理来对倾斜所造成的影响进行补偿。如果光发射器20的照明对图像产生不利的影响，即造成图像的质量不够，则也可设想的是，在常规的图像拍摄时关闭光发射器20并在倾斜自适应透镜时在常规的图像拍摄之间插入由光发射器20生成的图像特征24的中间拍摄。在这种情况下，该序列不必严格交替，既可以是多次常规拍摄，也可以是在自适应透镜被倾斜且光发射器20激活时依次进行的多次拍摄。为了加快中间拍摄，也可只读入其中的图像部分，这是因为图像特征24的可能位置有限。

图2示出了光电设备10的另一种实施形式。本实施形式不同于图1所示实施形式的地方是，在这里自适应透镜是发射光学元件22的一部分，而不是接收光学元件14的一部分。因此聚焦的并非图像传感器16的图像拍摄，而是光发射器20的照明，这例如是为了以确定的距离投射清晰的对比图形、用于识别拍摄区域或读取区域的清晰的目标图形或者清晰的光斑。通过倾斜自适应透镜，显然图像特征24a-b不只是在所拍摄的图像数据内，而实际上会在不同位置处的对象区域中。但用与图1所述完全一样的方式来进行如本发明所述的漂移修正。用也具有自适应透镜的接收光学元件14来替代图2示出的固定的接收光学元件14是可设想的，特别地具有发射和接收路径有稍许变化的布置，例如通过自动准直类似的自适应透镜(如发射光学元件22)来进行。

图1和2是原理图，其对于多种传感器是有代表性的。而对本发明而言，事实上只有接收光学元件14和/或发射光学元件22中的自适应透镜以及以此为基础的漂移确定才是最重要的。由此得到各种用于检查和测量对象的应用。通过使用自身已知的信号或图像处理以读取代码，则得到条码扫描仪或基于相机的读码器。

图3和4以示例性的实施形式将接收光学元件14或发射光学元件22的自适应透镜示出为根据电润湿效应的液体透镜26。借助液体透镜26来阐述其工作原理，但本发明也具有其它的自适应透镜，例如具有液体腔和将其覆盖的膜的透镜，通过对液体施加压力来改变膜的弯曲程度，或者是具有凝胶状透光材料的透镜，通过致动器来进行机械变形。

可主动调整的液体透镜26具有两种透明的、不混溶的液体28、30，这些液体具有不同的折射率和相同的密度。在这两种液体28、30之间的液-液临界面32的形状被用于光学功能。致动是基于电润湿原则，其表明在表面或临界面的张力与外加电场的相互关系。因此有可能的是，通过在端口34上的电控制来改变临界层32的形状并从而改变液体透镜26的光学特性，这是通过在电极36上施加相应的电压。

图3首先示出了对液体透镜26的聚焦特性进行的、早就已知的更改。在图3a中，入射的光在凹临界层32处发散。图3b示出了通过平的临界层32进行的中性调整，而在图3c中临界层是凸的并从而汇聚入射的光。很显然，通过相应的中间调节能够将折射行为更精细地微调并且例如能够调节焦距。

此外，液体透镜26会在其倾斜时受到影响。图4中示出了这一点，并且是基于非旋转对称施加的电压和电场。因此，临界层32非旋转对称地变形，这一点被用于倾斜。图4a示出了液体透镜26向下的倾斜，图4b示出了旋转对称的调节而无需倾斜以便进行比较，并且图4c示出了液体透镜26向上的倾斜。其中，倾斜的方向相应地涉及以下光学效果，即从什么方向接收光或将发射光往什么方向发射。倾斜能够相应地叠加聚焦。

图5示出了液体透镜26的顶视图，以便进一步说明非旋转对称的控制。为此将电极36分段。需要至少一个在图4中示出的额外端口34b来控制这里示例性示出的四个区段36a-d。通过在区段36a-d处施加不同的电压来以非对称的方式使临界层32变形，因此除了调节焦距外也可调节透镜形状的倾斜。

Claims (12)

1.一种用于从监视区域(12)获取对象信息的光电设备(10)，具有：图像传感器(16)；分配给所述图像传感器(16)的接收光学元件(14)，其具有可变化地倾斜的自适应透镜(26)；以及，分析单元(18)，其用于由所述图像传感器(16)的接收信号生成对象信息，

其特征在于，

所述分析单元(18)被设计用于在控制所述自适应透镜(26)的第一倾斜角时在所述图像传感器(16)的视野中确定图像特征(24)的第一位置，并且由所述第一位置确定所述自适应透镜(26)的漂移修正。

2.如权利要求1所述的光电设备(10)，所述光电设备(10)具有光发射器(20)，并且其中所述分析单元(18)将所述光发射器(20)的光斑或部分照明图形用作图像特征(24)。

3.一种用于从监视区域(12)获取对象信息的光电设备(10)，具有：图像传感器(16)；光发射器(20)；分配给所述光发射器(20)的发射光学元件(22)，其具有可变化地倾斜的自适应透镜(26)；以及，分析单元(18)，其用于由所述图像传感器(16)的接收信号生成对象信息，

其特征在于，

所述分析单元(18)被设计用于在控制所述自适应透镜(26)的第一倾斜角时在所述图像传感器(16)的视野中确定由所述光发射器(20)的光斑或部分照明图形构成的图像特征(24)的第一位置，并且由所述第一位置确定所述自适应透镜(26)的漂移修正。

4.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述分析单元(18)被优选设计用于在控制所述自适应透镜(26)的第二倾斜角时在所述图像传感器(16)的视野中确定所述图像特征(24)的第二位置，并且由所述第一位置和第二位置确定漂移修正。

5.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中在存储元件(18)中存储了至少一个参考位置，并且所述分析单元(18)根据所述第一位置和/或第二位置与参考位置的偏差来确定漂移修正。

6.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述分析单元(18)被设计用于调节，其根据所述漂移修正调节对倾斜角的控制，使得所述漂移得到补偿。

7.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述分析单元(18)被设计用于调节所述自适应透镜(26)的焦距，并且其中借助所述漂移修正来校正用于调节焦距的控制信号。

8.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述自适应透镜(26)为液体透镜或凝胶透镜。

9.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述自适应透镜(26)具有在旋转方向上分段的控制元件(36a-d)。

10.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述分析单元(18)被设计用于读取对象信息中的代码信息。

11.如前述权利要求中任一项所述的光电设备(10)，其中所述分析单元(18)被设计用于生成所述监视区域(12)的一系列图像并且为了漂移修正控制至少一次第一倾斜角。

12.一种用于拍摄清晰图像的方法，其中聚焦并倾斜接收光学元件(14)的自适应透镜(26)，

其特征在于，

在控制所述自适应透镜(26)的第一倾斜角时在视野中确定图像特征(24)的第一位置，并且从所述第一位置确定所述自适应透镜(26)的漂移修正，以及通过所述漂移修正来校正所述接收光学元件(14)的调焦的漂移。