DE102013114863A1 - Linse mit konstanter Vergrößerung für eine Kamera eines Visionssystems - Google Patents

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Abstract

Diese Erfindung stellt ein Linsenmodul für ein Visionssystem zur Verfügung, wobei eine konstante Vergrößerung bei verschiedenen Brennweiten möglich ist. Das Linsenmodul sitzt beweglich/einstellbar entlang der optischen Achse mit Bezug zum Sensors. Bei einer Ausführungsform umfasst das Linsenmodul eine feststehende hintere Linse und eine vordere Linse, die mechanisch bewegt wird, um das Objektbild auf dem Bildsensor zu fokussieren. Alternativ kann das Linsenmodul eine Flüssiglinse umfassen, die gesteuert wird, um die Vergrößerung in Bezug auf eine feststehende vodere Linse anzupassen, so dass eine konstante Systemvergrößerung erhalten wird. Die Flüssiglinse sitzt zwischen dem (feststehenden) vorderen Linsenmodul und dem Bildsensor und kann gesteuert werden, um das Bild auf dem Bildsensor zu fokussieren.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der provisorischen US-Anmeldung Seriennummer 61/745.927, eingereicht am 26. Dez. 2012, mit dem Titel LINSE MIT KONSTANTER VERGRÖSSERUNG FÜR EINE KAMERA EINES VISIONSSYSTEMS, deren gesamter offenbarter Inhalt hier durch Bezug eingeschlossen ist.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf maschinelle Visionssysteme, und insbesondere auf optische Systeme zum Einsatz bei Handlesegeräten für Symbolik und auf Verfahren beim Einsatz solcher optischen Systeme.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Visionssysteme, die Messung, Überprüfung, Ausrichtung von Objekten und/oder Dekodierung von Symbolik (z. B. von Barcodes) ausführen, werden in einem großen, auch industriellen, Anwendungsbereich eingesetzt. Die Basis dieser Systeme liegt im Einsatz eines Bildsensors, der Bilder (typischerweise in Graustufen oder farbig und ein-, zwei- oder dreidimensional) des Subjektes oder Objektes sammelt und diese erfassten Bilder unter Verwendung eines eingebauten oder separaten, angeschlossenen Visionssystemprozessors verarbeitet. Im Allgemeinen umfasst der Prozessor Verarbeitungshardware und nicht-transitorische, computer-lesbare Programmanweisungen, die einen oder mehrere Visionssystemprozesse ausführen, um eine gewünschte Ausgabe zu erzeugen, die auf den verarbeiteten Bildinformationen beruhen. Typischerweise wird die Bildinformation innerhalb einer Anordnung von Bildpixeln zur Verfügung gestellt, von denen jedes verschiedene Farben und/oder Intensitäten aufweist. Beim Beispiel eines Symbolik-(Barcode)Lesegerätes erfasst der Benutzer oder automatisierte Prozess ein Bild eines Objektes, von dem angenommen wird, dass es einen oder mehrere Barcodes enthält. Das Bild wird verarbeitet, um die Barcodemerkmale zu identifizieren, die dann in einem Entschlüsselungsprozess und/oder einem Prozessor, der die dazugehörigen alphanumerischen Daten enthält, die der Code repräsentiert, entschlüsselt werden. Bei anderen Arten von Visionssystemen werden verschiedene Visionssystem-Tools (z. B. Kantenerkennung, Schieblehre, Blobanalyse) vom Systemprozessor eingesetzt, um Kanten oder andere Merkmale zu entdecken, die ein Erkennen von Objektmerkmalen und die Bestimmung von gewünschten Informationen erlauben, die auf diesen Merkmalen beruhen, z. B. ob das Objekt defekt ist oder ob es korrekt ausgerichtet ist.
  • Bei einem Visionssystem ist eine Schlüsselkomponente das Kameramodul des Visionssystems. Das Kameramodul unfasst eine Linse (optisches System) und einen Imager (oder „Sensor”), der die Anordnung von Bildpixelinformationen zur Verfügung stellt. Der Visionssystemprozessor wie oben beschrieben empfängt die Pixeldaten vom Imager/Sensor und verarbeitet sie, um nutzbare Visionssystemnformationen über die abgebildete Szene und/oder das Objekt abzuleiten. Der Visionssystemprozessor und verwandte Komponenten (z. B. Datenspeicher, Dekoder usw.) können innerhalb des Gehäuses oder der Einfassung des Kameramoduls vorgesehen sein, oder einige oder alle dieser Komponenten können Fernkomponenten sein (z. B. innerhalb eines PC oder eines anderen selbstversorgenden Fernprozesssystems) und durch einen Draht- oder drahtlosen Anschluß verbunden sein. Ebenso kann das Kameramodul eine eingebaute (innere) Beleuchtung umfassen, die typischerweise die Linse umgibt, und/oder eine andere Beleuchtungsanordnung, die Licht für die abgebildete Szene zur Verfügung stellt.
  • Bei einigen Kameras von Visionsystemen ist es wünschenswert, eine automatische Fokussierungsmöglichkeit („Autofokus”) vorzusehen. Viele Autofokusanordnungen sind auf elektromechanische Betätigung angewiesen, um eine feste Linse zu bewegen, während andere immer mehr auf andere Formen von varioptischen Linsenausführungen, wie sogenannte Flüssiglinsen, angewiesen sind.
  • Auf dem speziellen Gebiet des Lesens einer Symbolik mit sensorbasierten Visionssystemen verwendet eine normale Ableseanordnung ein Handgerät, das auf ein Objekt gerichtet wird, das ein Symbol (z. B. einen ein- oder zweidimensionalen Barcode) enthält. Solche Handsysteme werden in der Regel eingesetzt, um Lagerbestände zu verfolgen, beispielsweise in einem Lagerhaus oder in einer Fabrikhalle. In einer solchen Umgebung kann die Entfernung zwischen einem Symbol und dem Lesegerät sehr variieren, da sich einige Objekte recht nah bei einem Benutzer befinden können, während andere in einer Entfernung (z. B. ein Objekt, das sich auf einem hohen Regalfach befindet) abgelegt sind. Während ein Ablesegerät einen herkömmlichen Autofokusmechanismus umfassen kann, um ein scharfes Bild sowohl vom nahen wie auch vom entfernten Objekt zu erzeugen, kann das Symbol auf dem entfernten Objekt klein im Vergleich zum gesamten Sichtfeld erscheinen, vorausgesetzt, dass diese lange Brennweite als der Öffnungswinkel des optischen Systems zu groß ist. Schlechthin kann die mangelnde Größe des Symbols im Gesamtbild eine ordentliche Dekodierung wegen des Mangel an genügender Auflösung im Vergleich zum Gesamtbereich, der vom Sensor erfasst wird schwierig machen (d. h. das interessierende Merkmal/Symbol ist aus der Entfernung zu klein).
  • Deshalb ist es wünschenswert, ein Kameramodul eines Visionssystems vorzusehen, das effektiver ein Symbol oder ein anderes interessierendes Merkmal sowohl bei kurzen Brennweiten als auch bei langen Brennweiten auflösen kann. Dieses Kameramodul sollte sich an ein Handgerät und/oder eine feststehende Vorrichtung anpassen lassen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung überwindet die Nachteile des Standes der Technik, indem sie ein Linsenmodul für ein Visionssystem wie eine Handlesegerät für Symbolik vorsieht, das eine konstante Vergrößerung sowohl bei kurzen wie auch bei langen Brennweiten erlaubt. Das Linsenmodul sitzt beweglich und/oder regulierbar entlang der optischen Achse in einer vorbestimmten Entfernung vom Bildsensor (im Allgemeinen rechtwinklig zur Achse angeordnet). Bei einem anschaulichen Ausführungsbeispiel besteht das Linsenmodul aus zwei Linsen L1 und L2, die getrennt voneinander entlang einer optischen Achse sitzen. Bei Ausführungsbeispielen können L1 und L2 durch Linsengruppen dargestellt sein. Die beiden Linsen L1 und L2 definieren jeweils Brennweiten f1 und f2. Die Linsen erfüllen die folgenden Relationen: (a) die Brennpunkte von L1 und L2 fallen zusammen; (b) die Blendenstufe des Moduls ist zwischen der Rückseite von L1 und dem Brennpunkt von L1; (c) die Vergrößerung des Moduls ist konstant und gleich f2/f1; und (d) die Verschiebung der Brennpunktsposition des Moduls ist (f1/f2)2* (Bewegung des Moduls entlang der optischen Achse). Bei einer Ausführungsform wird die Linse von einem Aktuator (z. B. ein Getriebestepper oder ein Servomotor) zu einer ausgewählten Position entlang der optischen Achse und mit Bezug auf den Sensor bewegt. Der Aktuator bewegt sich als Reaktion auf Befehle vom Visionsprozessor, der einen herkömmlichen oder kundenspezifischen Autofokusprozess einsetzt, um ein scharfes Bild des interessierenden Merkmals (z. B. ein Symbol) an einem Objekt in der vorherrschenden Entfernung aufzulösen. Das interessierende Merkmal wird mit etwa der gleichen Auflösung jeweils bei maximaler und minimaler Brennweite und allen dazwischenliegenden Bereichen erscheinen. Die dem Sensor eigene Pixelauflösung genügt beim Bereich der Bedienungsentfernungen, um genügende Details zur Identifizierung und Entschlüsselung des Symbols zu liefern.
  • Bei einem Anschauungsbeispiel umfasst ein Visionssystem zur Erfassung von Bildern von Objekten über einen Bereich von Brennweiten innerhalb eines Sichtfeldes einen Bildsensor, der in Wirkverbindung mit einem Visionsprozessor steht. Ein Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung, das entlang einer optischen Achse ausgerichtet ist und ein vorderes Linsenmodul umfasst, empfängt Licht von einer Szene und leitet das Licht zum Bildsensor weiter. Das vordere Linsenmodul ist flächenmäßig (oder von den zugehörige Bemaßungen her) kleiner als ein Bereich (oder zugehörige Bemaßungen) des Sichtfeldes, so dass ein praktisches und recht kompaktes Paket entsteht. Die Linse mit konstanter Vergrößerung umfasst auch ein hinteres Linsenmodul. Das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul sind mit einem dazwischeliegenden, festen räumlichen Verhältnis angeordnet. Anschaulicherweise sind das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet, dass (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und ein Brennpunkt des hinteren Linsenmoduls zusammenfallen, (b) eine Blendenstufe des Linsenmoduls mit knstanter Vergrößerung zwischen einer Rückfläche des vorderen Linsenmoduls und einem Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls ist, (c) eine Vergrößerung des Moduls konstant und gleich einer Brennweite (f2) des hinteren Linsenmoduls/einer Brennweite (f1) des vorderen Linsenmoduls ist, und (d) die Verschiebung in Brennpunktlage des Moduls (f1/f2)2* (Bewegung des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung entlang der optischen Achse) beträgt. Diese Anordnung (d. h. Punkt (b)) erlaubt, dass das vordere Linsenmodul einen Bereich und/oder Bemaßungen definiert, die kleiner sind als jene des abgebildeten Sichtfelds. Das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul können in einer Trommel montiert werden, die sich auf den Bildsensor zu und von diesem durch einen Aktuator, der auf einen Kokussierungsprozess reagiert, wegbewegt. Alternativ können das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung und dessen Komponenten mit Bezug auf das Kameragehäuse/den Rahmen fixiert werden und das Sensormodul (oder ein Teil davon, der den Sensor enthält) kann auf das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung zu und von diesem (entlang der optischen Achse) mithilfe eines geeigneten Aktuators als Reaktion auf den Fokussierungsprozess wegbewegt werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Visionssystem zur Erfassung von Bildern eines Objektes über einen Bereich von Brennweiten innerhalb eines Sichtfeldes einen Bildsensor, der in Wirkverbindung mit einem Visionsprozessor steht. Ein Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung ist entlang einer optischen Achse ausgerichtet, das Licht von einer Szene empfängt und das Licht an den Bildsensor weiterleitet. Das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung umfasst ein Flüssiglinsenmodul, das zwischen dem Bildsensor und einem vorderen Linsenmodul ausgerichtet ist. Dieses Linsenmodul kann auf dem Einsatz von mindestens zwei Flüssigkeiten mit gleicher Dichte beruhen, die die Wechselwirkung basierend auf dem Prinzip des Elektro wetting variieren oder die Linse kann einen Aktuator umfassen, der die Form einer mit Flüssigkeit befüllten Membran ändert. Das vordere Linsenmodul umfasst eine oder mehrere feststehende Linsen und das (hintere) Flüssiglinsenmodul einschließlich einer Schnittstelle, die den Input an elektrischer Energie dazu verwendet, um eine Vergrößerung m2 des Flüssiglinsenmoduls zu variieren. Ein Regler reguliert selektiv die Vergrößerung m2 des Flüssiglinsenmoduls, um den Brennpunkt auf das Objekt bei einer konstanten Systemvergrößerung M bei jeder Brennweite des Brennweitenbereichs zu erhalten. Anschaulichicherweise sind das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet, das (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und eine vordere Hauptebene des Flüssiglinsenmoduls zusammenfallen und (b) die Vergrößerung konstant und gleich ist dem Verhältnis zwischen dem Abstand (d2) vom Flüssiglinsenmodul zum Bildsensor und dem Abstand (d1) zwischen dem vorderen Linsenmodul und dem Flüssiglinsenmodul. Der Regler ist auch so angeordnet, dass er iterativ die Vergrößerung m2 des Flüssiglinsenmoduls reguliert bis ein gewünschter Brennpunkt bei einer konstanten Systemvergrößerung M zur Verfügung steht.
  • Anschaulicherweise wird bei einer Ausführungsform hier das vordere Linsenmodul und das Flüssig-(oder hintere)Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet, dass (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und die vordere Hauptebene des hinteren Linsenmoduls zusammenfallen (d1 = f1), (b) eine Blendenstufe des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung zwischen einer Rückseite des vorderen Linsenmoduls und einem Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls angeordnet ist, (c) die Vergrößerung konstant und gleich ist einem Verhältnis zwischen der Entfernung (d2) vom Flüssiglinsenmodul zum Bildsensor und der Entfernung (d1) zwischen dem vorderen Linsenmodul und dem Flüssiglinsenmodul.
  • Bei einer weitern Ausführungsform umfasst ein Verfahren zu Erfassung von Bildern eines Objektes über einen Bereich von Brennweiten innerhalb eines Sichtfeldes die Schritte des Lieferns eines Bildsensors, der in Wirkverbindung mit einem Visionsprozessor steht, und eines Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung, das entlang einer optischen Achse ausgerichtet ist, das Licht von einer Szene empfängt und das Licht zu einem Bildsensor weiterleitet. Das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung umfasst ein vorderes Linsenmodul. Das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung wird iterativ angepasst, bis das Objekt einen gewünschten Brennpunkt am Bildsensor erreicht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die unten stehende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
  • 1 ein Diagramm eines Handlesegerät für Symbolik und des angeschlossenen Datenverarbeitungs- und Speichersystems ist, wobei ein Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung gemäß eines Ausführungsbeispiels eingesetzt wird, um Bilder von Objekten bei kurzer Brennweite und großer Brennweite zu erfassen;
  • 2 ein Bild einer Szene ist, die vom Bildsensor des Ablesegerätes der 1 erfasst worden ist, wobei Auflösung eines interessierenden Merkmals bei kurzer Brennweite gezeigt wird;
  • 3 ein Bild einer Szene ist, die vom Bildsensor des Ablesegeräts aus 1 erfasst worden ist, wobei Auflösung einer interessierenden Merkmals bei einer vergleichsweise langen Brennweite gezeigt ist;
  • 4 ein Querschnitt des Linsenmoduls zum Einsatz im Ablesegerät aus 1 gemäß einse Ausführungsbeispiels ist, wobei die relative Position des Moduls entlang der optischen Achse mit Bezug auf den Bildsensor für eine relativ kurze Brennweite gezeigt ist;
  • 5 ein Querschnitt des Linsenmoduls ist, das in 4 gezeigt wurde, bei dem die relative Position des Moduls entlang der optischen Achse mit Bezug auf den Bildsensor für ein längere Brennweite eingestellt ist;
  • 6 ein Diagramm ist eines Linsenfokussierungsmechanismus und der zugehörigen Prozessoren zur Verarbeitung von Bilddaten und Regelung der Brennweite des Linsenmoduls im Ablesegerät aus 1;
  • 7 ein Flußdiagramm eines Beispiels eines Fokussierungsprozesses ist, wobei das Linsenmodul im Ablesegerät aus 1 eingesetzt wird;
  • 8 ein Diagramm eines Linsenmoduls für ein Visionssystem mit konstanter Vergrößerung ist, das ein Flüssiglinsenmodul gemäß einer Ausführungsform einschließt;
  • 9 und 10 Dünnlinien-Strahlentracediagramme des Linsenmoduls für das Visionssystem mit konstanter Vergrößerung aus 8 sind, wobei gezeigt wird, wie eine konstante Vergrößerung auf einem Beispiel eines Objektes bei näherer und/oder weiter entfernter Position durch die Regelung der Vergrößerung des Flüssiglinsenmoduls eingehalten wird.
  • 11 ein Diagramm eines Linsenmoduls für ein Visionssystem mit konstanter Vergrößerung ist, das ein Flüssiglinsenmodul und eine Blendenstufe umfasst, die zwischen dem Flüssiglinsenmodul und einem vorderen Linsenmodul gemäß einer anderen Ausführungsform angeordnet sind.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • I. Allgemeine Überlegungen
  • 1 zeigt ein Visionssystem 100, das zumindest ein Symbollesegerät 110 umfasst, das, wie gezeigt, in der Hand gehalten werden kann oder in einer Position bezüglich einer Bildszene fixiert werden kann. Das Lesegerät kann jedes akzeptable Gehäuse definieren, einschließlich des dargestellten Hauptkörpers 112 und Griffs 114. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Lesegerät ein vorderes Fenster 116, das ein äußeres und/oder inneres Beleuchtungssystem (Beleuchtung) umfassen kann. Die Beleuchtung kann jede Anordnung und/oder Kombination von Leuchtelementen in jeder akzeptablen Anordnung umfassen. Bei dieser Ausführungsform werden beispielsweise Leuchtelemente (z. B. Hochleistungs-LEDs) 120, 122 verwendet und berücksichtigen eine Differenzierung der Farbe/Wellenlänge, des Winkels und/oder der Intensität der Beleuchtung. Die Beleuchtung kann konventionell zielende LEDs (nicht gezeigt) umfassen, die einen Strahl auf ein Sichtfeld projezieren, um sicher zu stellen, dass die interessierenden Merkmale (z. B. Barcodes oder andere Symbole, die auch „IDs” genannt werden) richtig und vollständig abgebildet werden. Das Lesegerät 110 kann eine Anzeigen- und Schnittstellenkonsole 130 umfassen, die sich bei diesem Ausführungsbeispiel hinten am Körpers 112 befindet. Diese Konsole kann An/Aus- und andere Schalter umfassen, ebenso wie Leuchten, die eine „gute” oder „fehlgeschlagene” Lesung des Symbols anzeigen (d. h. Erfolg oder Nichterfolg beim Lesen/Entschlüsseln des Symbols). Der Griff 114 kann einen oder mehrere Auslöseknöpfe 132 umfassen, die Beleuchtung und Bildaufnahme neben anderen Funktionen, wie Hin- und herschalten von gerichteten LEDs, auslösen. Das Lesegerät schließt auch einen oder mehrere Verarbeitungsschaltkreise, Speicher und dergleichen ein, die allesamt (gestrichelt) als ein Visionsprozessor 136 gezeigt sind. Dieser Prozessor rührt verschiedene Bildbearbeitungen und Bilddatenbehandlungen/Speicherfunktionen aus. Anschaulichicherweise empfängt der Prozessor 136 eine erfasste Bildrahmenrate in der Form von Farb- oder Grauschattierungspixeln (neben anderen Formaten) vom Bildsensor (auch gestrichelt gezeigt). Der Prozessor sucht nach ID Merkmalen (oder anderen interessierenden Merkmalen) im Bild und gibt dann entsprechende Daten an einen Entschlüsselungsprozess weiter, der Codes aus ID-Merkmalen erzeugt. Diese Codes werden gespeichert und/oder über eine Kommunikationsverbindung (diese kann ein Draht oder drahtlos sein, wie gezeigt) 140 an einen Empfänger 142 weitergegeben, der über ein Netzwerk oder eine andere Verbindung mit dem Datenverarbeitungs- und Speichersystem 144 verbunden ist. Dieses System 144 kann einen herkömmlichen Server oder PC umfassen, auf dem entsprechende Anwendungen für die Behandlung und das Speichern von Codedaten laufen, die vom Lesegerät 110 übertragen wurden. Diese Anwendungen und die Architektur des Systems 144 sollten für den Experten klar sein.
  • Das Lesegerät umfasst auch ein Linsenmodul 150 (gezeigt gestrichelt hinter dem Fenster 116), das für eine konstante Vergrößerung über einen Brennweitenbereich sorgt. Beispielsweise wird ein Objekt O1 mit einem Symbol 51 durch das Lesegerät 110 mit der Linse 150 abgebildet, wobei sich die Linse 150 auf ein Sichtfeld FOV1 fokussiert, bei dem das Symbol 51 einen ziemlich herausragenden Platz/Maßstab darin einnimmt. Dieser Maßstab ist ausreichend, um genug Details für eine akzeptable ID Lesung zu ermöglichen. Die Brennweite D1 entlang der optischen Achse OA1 befindet sich innerhalb eines wirksamen Bereichs von mindestens 350 mm und für den Zweck des Beispiels in einer Entfernung von etwa 500 mm. Ebenso kann deas Lesegerät 110 auf ein anderes Objekt O2, das sich in einer deutlich kürzeren Brennweite D2 entlang der optischen Achse OA2 befindet, die für dieses Beispiel etwa 50 mm beträgt, fokussiert werden (gestrichelt gezeigt). Es muß angemerkt werden, dass bei Verwendung des Linsenmoduls 150 mit konstanter Vergrößerung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Maßstab des zweiten Symbols S2 innerhalb des zugehörigen Sichtfelds FOV2 etwa die gleiche ist wie die von S1 und FOV1. Deshalb, ungeachtet der Entfernung innerhalb eines vorher festgelegten Entfernungsbereiches, bleibt die Größe des Sichtfeldes und des Symbols darin gleich, so dass genügend Details für eine gute Ablesung zur Verfügung stehen.
  • Mit Bezug auf die 2 und 3 wird das Prinzip der konstanten Vergrößerung weiter durch jeweils Beispiele von Bildern 200 und 300 erklärt, die das Erscheinen von erfassten Bildern jeweils bei Brennweiten von etwa 50 mm und 500 mm simulieren. Das Sichtfeld jedes Bildes 200, 300 ist definiert durch die Außenkanten des abgebildeten Bildes. Beim Einsatz einer Anordnung mit konstanter Vergrößerung sollten idealerweise beide Bilder etwa die gleichen Grenzen in Bezug zu der Szene aufweisen. Ebenso erscheint jedes Beispiel eines Symbolbereichs 210, 310 mit ziemlich ähnlicher Größe in Bezug auf das Sichtfeld, so dass genügend Details für den Prozessor zum Finden und Entschlüsseln des Symbols zur Verfügung stehen.
  • II. Konstante Vergrößerung mit mechanisch getriebener Linse
  • Es wird nun Bezug auf die 4 und 5 genommen, die das Linsenmodul 150 mit konstanter Vergrößerung gemäß eines Ausführungsbeispiels eingehender zeigen. Das Modul 150 besteht aus einer vorderen Linse L1 (mit einer Brennweite f1) und einer hinteren Linse L2 (mit einer Brennweite f2), die entlang der optischen Achse OA mit Bezug zum Sensor 410 ausgerichtet sind, der typischerweise eine Bildebene definiert, die senkrecht zur Achse OA ist. Die Linsen L1, L2 werden bei dieser Ausführungsform in einem festen Abstand SL mit Bezug aufeinander in einer Trommel 420 oder in einer anderen Unterstützungsstruktur angeordnet, die deren relative Ausrichtung und Beabstandung beibehält. Jede der beiden Linsen L1, L2 ist speziell konzipiert, um einen Satz von Beziehungen aufzustellen, die konstante Vergrößerung über einen Brennweitenbereich sicherstellen. Genauer gesagt sind diese Beziehungen wie folgt:
    • (a) die Brennpunkte von L1 und L2 fallen in der dargestelletn Ebene (d1 = f1 + f2) zusammen;
    • (b) die Blendenstufe des Moduls (AS) liegt zwischen der hinteren Oberfläche von L1 und dem Brennpunkt von L1;
    • (c) die Vergrößerung des Moduls ist konstant und gleich f2/f1; und
    • (d) die Verschiebung in der Brennpunktslage des Moduls ist (f1/f2)2* (Bewegung des Moduls entlang der optischen Achse).
  • Es wird angemerkt, dass die Platzierung der Blendenstufe in einer Position, die in Punkt (b) oben definiert ist, vorteilhaft ist, da die Größe der vorderen Linse in Durchmesser, Bereich usw. kleiner sein kann als ein Bereich, Länge, Breite usw. des abgebildeten Objekts und des zugehörigen Sichtfeldes. Umgekehrt kann die Platzierung der Blende anderswo (z. B. am Brennpunkt f1) einen Einsatz einer vorderen Linse von etwa der Größe des gewünschten Sichtfeldes notwendig machen – zum Beispiel in Art einer telezentrischen Linse. Solch eine große Linse ist natürlich von Nachteil, wenn es Größen- und Platzbeschränkungen gibt.
  • Es muß festgehalten werden, dass ausdrücklich betrachtet wird, dass die dargestellten Linsen L1 und/oder L2 durch eine Gruppe/Gruppen von Linsen mit ähnlicher oder gleicher optischer Leistung als einzelnes Linsenelement definiert werden kann/können. Bei verschiedenen Ausführungsformen können solche Gruppen von Linsen verbesserte Korrekturen von optischen Fehlleistungen im Vergleich zu einzelnen, diskreten Linsenelementen bieten. So muß der hier verwendete Begriff „Linse” weit gefasst werden, um eine Anordnung einer Vielzahl von diskreten Linsen einzuschließen.
  • Ein Experte auf dem Gebiet der Linsenkonstruktion sollte den Aufbau eines Linsenmoduls verstehen, das die obigen Beziehungen (a)–(d) erfüllt. Bei einer Ausführungsform beträgt der Wert f2/f1 etwa 0,1, aber andere Verhältnisse werden ausdrücklich in Betracht gezogen. Anschaulicherweise definieren beide Gruppen von Linsen L1 und L2 eine positive optische Leistung. Beispielsweise kann Linse L1 eine Brennweite zwischen etwa 30 und 60 mm definieren, und Linse 2 kann eine Brennweite zwischen etwa 6 und 10 mm definieren. Wie gezeigt, definiert die Linsenanordnung L1, L2 im Modul 150 bei einer relativ kurzen Brennweite FD1 (3) ein Strahlenmuster 430, das in einem steileren Winkel für eine gegebene Entfernung DS1 zwischen dem Sensor 410 und der hinteren Linse 410 abweicht. Dieses mehr abweichende Muster definiert einen Brennpunkt in einem Sichtfeld 440, das eine gewünschte Größe für eine entsprechende Abbildung eines interessierenden Merkmals (z. B. ein Symbol/ID) darin darstellt.
  • Um ein ähnlich großes Sichtfeld 540 (5) zum Feld 440 bei einer größeren Brennweite FD2 zu erhalten, wird der Abstand DS2 zwischen hinterer Linse L2 und Sensor 410 mit Bezug auf die obige Entfernung DS1 gekürzt. So weicht das Strahlenmuster 530 weniger ab. Es muß festgehalten werden, dass bei beiden Brennweiten die Blendenstufe AS die gleiche ist. So kann das optische System durch das annähernde Bewegen der Entfernung zwischen der hinteren Linse und dem Sensor in den Brennpunkt in einem ähnlich großen Sichtfeld bei einem weiten Bereich von Brennweiten gebracht werden.
  • Mit Bezug auf 6 wird ein Beispiel eines Fokussierungssmechanismus 610 zum Bewegen des Linsenmoduls 150 entlang der optischen Achse OA auf den Sensor 138 (montiert gezeigt auf eine zugehörige Imagerplatine, die die Basis eines Sensormoduls 630 festlegt) zu und von diesem weg gezeigt. Es wird angemerkt, dass der gezeigte Mechanismus 610 ein Beispiel einer weiten Vielfalt von möglichen Mechanismen zur Einstellung des Brennpunkts darstellt, andere Ausführungsformen davon sollten einem Experten klar sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Mechanismus 610 einen Aktuator in Form eines Motors (z. B. ein Servo- oder Steppermotor) 620 mit entsprechenden Drehmoment und, wenn gewünscht, eine Untersetzung, um ein Zahntriebwerk 622 in jeder der entgegengesetzten Drehrichtungen (Doppelpfeil 624) zu drehen. Der Motor dreht ein großes Getriebe 626 mit einem Innenmesser, das mit der Außenfläche des Linsenmoduls durch passende Gewinde 628 verbunden ist, die eine ziemlich flache Gewindesteigung umfassen können. Wenn sich das Getriebe 626 auf der Basis des Motorantriebs dreht, bringt es das Linsnmodul dazu sich auf das Sensormodul 630 und den zugehörigen Sensorbildebene zu oder von diesen weg (Doppelpfeil 631) zu bewegen. Bei dieser Ausführungsform greift ein Antirotationsstift 632, der am Gehäusekörper 112 befestigt ist, in den axial ausgerichteten Schlitz 634 im Linsenmodul 150 ein, um eine Drehung der Linse zu verhindern. Auf diese Weise wird die Drehung des Getriebes voll in lineare Bewegung des Linsenmoduls entlang der Achse OA übersetzt. Eine Variation einer alternativen Antirotationsanordnung kann bei dieser Ausführung eingesetzt werden. Alternativ kann die Linse gedreht werden und eine feste Gewindebasis (Ersatz für ein drehendes Getriebe 626) kann verwendet werden, um eine lineare Übersetzung im Linsenmodul 150 mit Bezug auf den Sensor zu erzeugen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Linse feststehen und der Sensor kann auf einer axial beweglichen Basis vorgesehen sein. Im Allgemeinen definiert das System relative Bewegung zwischen dem Linsenmodul 150 und der Sensor-/Bildebene (138).
  • Die axiale Position des Linsenmoduls 150 wird bestimmt durch den richtigen Brennpunkt des projezierten Bildes auf dem Sensor 138. Bei einer Ausführungsform umfasst der integrierte Visionsprozessor 136 einen Fokussierungsprozess 640, der herkömmliche Techniken einsetzen kann, um festzulegen, wann ein Bild scharf fokussiert ist. Beispielsweise, kann der Kontrastabfall an Kanten bei erfassten Bildern verwendet werden. Beim Fokussierungsprozess 640 wird das Linsenmodul 150 mit konstanter Vergrößerung durch den Motor 620 durch eine Vielzahl von Positionierungsschritten bewegt (in der Gesamtheit als eine feststehende vordere Linse L1, hintere Linse L2 und Blendenstufe AS) und der Prozess 640 bestimmt die beste Brennpunktsposition auf der Grundlage von bestimmten Maßen in den erfassten Bildern. Andere Techniken zur Fokussierung der Linse werden ausdrücklich in Betracht gezogen – beispielsweise können Streichen über Linsenpositionen oder Einsatz eines Abstandssensors und/oder Bereichsfinders verwendet werden, um die Entfernung zum Objekt/der abgebildeten Szene festzulegen und die Linse zu einer vorbestimmten Einstellung zu bewegen. Die Einstellung der Linsenposition kann zum Beispiel auf einer Formel oder einer Tabelle beruhen, die die abgetastete Entfernung verwendet, um die Einstellung der Linsenposition festzulegen.
  • Mit weiterem Bezug auf 6 wird ausdrücklich in Betracht gezogen, dass das Linsenmodul 150 mit konstanter Vergrößerung mit Bezug auf das Gehäuse/den Rahmen der Kamera fixiert werden kann. Bei solchen Ausführungsformen kann das Sensormodul 630 (oder ein Teil davon – z. B. der Sensor 138) entlang der optischen Achse OA auf das fest positionierte Linsenmodul 150 mit konstanter Vergrößerung zu oder von diesem weg bewegt werden. Ein geeigneter Sensoraktuator (SA) (angedeutet mit gestrichelter Linie als Kasten 648) kann eingesetzt werden, um das Sensormodul 630 wie angedeutet durch den zugehörigen Doppelpfeil zu bewegen. Jeder akzeptable Aktuierungsmechanismus kann eingesetzt werden, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) elektrisch getriebene Schneckenantriebe, Getriebeantriebe und/oder Linearmotoren. Fokussierungsprozesse, wie allgemein oben beschrieben (z. B. schrittweise, überstreichend, Abstand abtastend usw.) können eingesetzt werden, um eine geeignete Sensorposition mit Bezug auf das feststehende Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung einzustellen.
  • III. Fokussierungsprozess mit konstanter Vergrößerung
  • Mit kurzem Bezug auf 7 wird ein Beispiel eines Prozesess 700 zum Einstellen eines Brennpunktes des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung gezeigt. Dieser Prozess 700 ist ein vereinfachtes Beispiel jedes akzeptablen Prozesses zur Brennpunkteinstellung während des Einrichtens und/oder der Laufzeit. Beim Schritt 710 erfasst der Sensor einen oder mehrere Bildrahmen der Szene und überträgt diese Bildrahmen zum Visionsprozessor. Neben anderen Prozessen führt der Prozessor den Fokussierungsprozess (640 in 6) durch, um festzulegen, ob das Bild genügend aufgelöst ist (Schritt 720). Ist das Bild genügend aufgelöst (beispielsweise kann ein Symbol entschlüsselt werden), dann ermöglicht es Entscheidungsschritt 730, dass der Brennpunkt bei der gegenwärtigen Einstellung eingestellt wird (Schritt 740). Ist der Brennpunkt inakzeptabel oder schlechter als der, der bei einer früheren Einstellung des Linsenmoduls erreicht wurde, dann stellt der Fokussierungsprozess die Linsenbrennweite nochmals in einer vorher bestimmten Richtung über ein Einstellungsinkrement ein (Schritt 750). Die Auswahl der vorher bestimmten Richtungsformbewegung des Linsenmoduls kann auf einer Vorhersage beruhen, welche Richtung den Brennpunkt verbessern wird, oder sie kann basieren auf eine Bildanalyse, die angibt, welche Richtung einen besseren Brennpunkt erreicht. Ist der Brennpunkt schlechter als die vorherige Einstellung, dann wird die Richtung der Einstellung im nächsten Zyklus entsprechend umgekehrt. Während eine Einstellung in Stufen unter Verwendung eines iterativen Prozesses auftreten kann, wird in Betracht gezogen, dass eine größere Einstellung anfangs basierend auf einer Bestimmung gemacht werden kann, wie „aus dem Brennpunkt” das Bild ist und dann können kleinere Anpassungen gemacht werden, bis ein endgültiger Brennpunkt erreicht ist. Dieser Prozess (700) ist wiederum ein Beispiel eines weiten Bereichs von Prozessen und/oder Techniken von Brennpunktsanpassungen, die für einen Experten klar sein sollten.
  • IV. Konstante Vergrößerung unter Verwendung einer Flüssiglinse
  • Ein Beispiel einer Linsenkonfiguration, die bei bestimmten Anwendungen von Visionssystemen wünschenswert sein kann, ist das sogenannte Flüssiglinsenmodul. Eine Form einer kommerziell erhältlichen Flüssiglinse, die beispielsweise von Varioptic aus Frankreich bezogen werden kann, verwendet zwei Flüssigkeiten mit gleicher Dichte – Öl ist ein Isolator, während Wasser ein Leiter ist – und das Prinzip (Phänomen) des Elektro Wetting, um die optische Leistungseinstellung der Linse zu variieren. Ein Beispiel sieht einen variablen Bereich von 18 Dioptrien (1/Brennweite) optische Leistung vor. Die Variation der Spannung, die durch die Umgebungselektronik die Linse passiert, führt zu einer Änderung der Krümmung der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Schnittstelle, was wiederum zu einer Änderung der Brennweite der Linse führt. Einige wichtige Vorteile beim Einsatz einer Flüssiglinse sind die Unempfindlichkeit der Linse (sie weist keine mechanisch beweglichen Teile auf), ihre schnellen Reaktionszeiten, ihre relativ gute optische Qualität und der geringe Stromverbrauch und die geringe Größe. Der Einsatz einer Flüssiglinse kann, was erstrebenswert ist, Einbau, Einrichtung und Wartung des Visionssystems vereinfachen, da es nicht mehr notwendig ist, die Linse mit der Hand zu berühren. Im Vergleich zu anderen Autofokusmechanismen hat die Flüssiglinse extrem schnelle Reaktionszeiten. Sie ist auch ideal für Anwendungen bei Ableseentfernungen, die sich von Objekt-zu-Objekt (Oberfläche-zu-Oberfläche) oder während des Wechsels vom Ablesen eines Objekts zu einem anderen Objekt ändern.
  • Eine neue Entwicklung bei der Flüssiglinsentechnologie ist bei Optotune AG, Schweiz, erhältlich. Diese Linse verwendet eine bewegliche Membran, die einen Flüssigkeitsbehälter bedeckt, um ihre Brennweite zu variieren. Vorteilhafterweise, stellt diese Linse eine größere Blende zur Verfügung als die Produkte der Konkurrenz und sie arbeitet schneller. Die Brennweite/der Abstand eines optischen Systems, das Flüssiglinsentechnologie einsetzt, kann innerhalb eines vorher festgesetzten Bereiches (z. B. 20 Dioptrien) variieren, was auf der Einstellung des Flüssiglinsenelements beruht. Diese Einstellung wird durch die Einwirkung einer Kraft auf den Umfang der Membran variiert, wobei ein elektromagnetischer Aktuator gemäß der bekannten Technik zum Einsatz kommt.
  • 8 zeigt eine allgemeine Konfiguration eines Linsensystems 800 für ein Visionssystem (siehe 1), einschließlich eines Flüssiglinsenelements L2L, das entlang einer optischen Achse OAL ausgerichtet ist. Bei diesem Beispiel einer Anordnung besteht das gesamte Linsensystem 800 aus mindestens zwei Linsen oder zwei Gruppen von Linsen. Die erste (vordere) Gruppe L1L hat eine feststehende optische Leistung, die zweite (hintere) Gruppe L2L besteht aus oder umfasst ein Flüssiglinsenelement mit variabler optischer Leistung. Es wird angemerkt, dass das vordere Linsenmodul und das (hintere) Flüssiglinsenmodul in diesem Ausführungsbeispiel in einem festen räumlichen Verhältnis entlang der optischen Achse OAL angeordnet sind. Die Flüssiglinse L2L wird von einem Treiber oder einem ähnlichen Prozessor 810 angetrieben, der die Linse mit Strom versorgt, um ihren Brennpunkt basierend auf dem Linsen-Fokussierungsprozess 820 regulieren. Ein vollständiger Bereich von Parameterbeispielen für das System ist unten angegeben. Wenn zum Beispiel ein Objekt 830 mit einer Entfernung Sobj (bei diesem Beispiel etwa 20,710 mm) von der optischen Ebene der ersten Linsengruppe L1L mit der optischen Leistung A1 platziert wird, wird diese Linse ein Bild bei einem Abstand projezieren: S_2 = Sobj/(A1*Sobj-1) (Gl. 1)
  • Bei einem Beispiel, das keineswegs einschränken soll, kann die Entfernung d1 zwischen den jeweiligen optischen Ebenen der Linsen L1L und L2L und die Entfernung d2 zwischen der optischen Ebene der Flüssiglinse L2L und dem Bildsensor 840 festgelegt werden. Die Flüssiglinse L2L projeziert hier dieses Zwischenbild auf dem Sensor 840, wenn die optische Leistung A_LL der Flüssiglinse gleich ist (eingestellt auf): A_LL = 1/(S_2 – d1) + 1/d2 (Gl. 2)
  • Die geometrische Vergrößerung m1 der ersten Linsengruppe) ist gleich: m1 = 1/(A1*S_obj – 1) (Gl. 3) und die Vergrößerung m2 der zweiten Linsengruppe) ist gleich: m2 = 1/(A_LL*(S_2 – d1) – 1) (Gl. 4)
  • Die Flüssiglinse L2L wird nun im hinteren Brennpunkt der Linse L1L platziert, dieser Ausdruck kann auch mit d1 = 1/A1 beschrieben werden.
  • Wird dieses in die Gleichungen (2) und (4) eingesetzt, so reduziert sich die Gesamtvergrößerung M dieses Systems auf: M = m1*2 = d2/d1 (Gl. 5)
  • Wobei M die Systemvergrößerung ist, m1 die Vergrößerung der/des feststehenden Linsengruppe/-moduls, m2 die Vergrößerung der/des Flüssiglinsengruppe/-moduls, d1 die Entfernung zwischen den jeweiligen optischen Ebenen der Linsen L1L und L2L und d2 die Entfernung zwischen der optischen Ebene der Flüssiglinse L2L und dem Bildsensor 840.
  • So erzeugt diese Anordnung eine konstante Vergrößerung die frei von der Abhängigkeit (Unabhängigkeit) von der Entfernung des Objekts ist. Die 9 und 10 zeigen jeweils ein Beispiel des Strahlenverlaufs bei dünnen Linsen durch die Linsenanordnung 800 des Systems für zwei unterschiedliche Objektentfernungen S3 (näher an der optischen Ebene von L1L) und S4 (weiter entfernt von der optischen Ebene von L1L). Die Brennweite F2L und F2L' der Flüssiglinse L2L wird durch den Treiber 810 und den Prozess 820 in etwa eingestellt, um das fokussierte Bild bei konstanter Vergrößerung M durch den vorweggenommenen Bereich der Objektentfernungen Sobj zu projezieren.
  • So kann durch Variation der optischen Leistung von L2L (m2) der Wert von M auf einem vorherbestimmten Niveau über unterschiedliche Entfernungen des Objektes vom System (Sobj) gehalten werden. Der Wert für M2 kann unter Verwendung einer Variation von Techniken eingestellt werden. Der oben beschriebene Fokussierungsprozess 700 kann eingesetzt werden, um m2 einzustellen. Das heißt, die Leistung der Linse L2L kann schrittweise (iterativ) angepasst werden, bis der geeignete Brennpunkt für den gewählten konstanten Wert für M für das Objekt 830 bei einer gegebenen Entfernung erreicht ist.
  • Es wird nun Bezug auf 11 genommen, die ein Linsensystem 1100 mit konstanter Vergrößerung mit einem Flüssiglinsenmodul L2L gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt. Elemente, deren Aufbau und/oder Funktion ähnlich ist, wie diejenige, die oben mit Bezug auf die 8 bis 10 beschrieben wurden, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Anschaulicherweise kann eine Blendenstufe ASL (siehe auch die obige Beschreibung für mechanisch bewegte Linsen) zwischen dem vorderen Linsenmodul L1L und dem hinteren Flüssiglinsenmodul L2L angeordnet werden. Die Position dieser Blendenstufe ASL entlang der optischen Achse OAL definiert die Größe der Linsen (-gruppen/-module) L1L und L2L. Ist die Blendenstufe ASL in Richtung des vorderen Linsenmoduls L1L angeordnet, dann sollte sich die Größe (Durchmesser) des Flüssiglinsenmoduls L2L vergrößern. Ist im umgekehrten Fall die Blendenstufe ASL in Richtung des Flüssiglinsenmoduls L2L angordnet, dann sollte sich die Größe (Durchmesser) des vorderen Linsenmoduls L1L vergrößern. Gegenwärtig können kommerziell erhältliche Flüssiglinsen im Allgemeinen mit kleineren Durchmessern bezogen werden, so dass die Blendenstufe im Allgemeinen näher an der Flüssiglinse platziert ist oder das Flüssiglinsenmodul (selbst) wirkt als Blendenstufe im System.
  • Einige allgemeine Parameter für ein Arbeitsbeispiel eines Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung, das eine Flüssiglinse vom Membrantyp verwendet, werden in der Tabelle wie folgt gezeigt und beschrieben:
    Brennweite von Linse 1 f1 = 100 mm
    Kürzeste Objektentfernung: S_near = –200 mm
    Größte Objektentfernung S_far = –400 mm
    Zwischenwert Nearimage S2 S2_near = 200 mm
    Zwischenwert FAR* Image S2 S2_far = 133,333 mm
    Abstand zwischen den Linsen d1 = f1 mm
    Abstand L2L zum Sensor d2 = 20 mm
    Brennweite von L2L für Nearobjekt f_11_near = 16,667 mm
    Optische Leistung von L2L (Doptrien)@Near A_11_near = 60 Dioptrien
    Brennweite von L2L für für FAR Objekt f_11_far = 12,5 mm
    Optische Leistung von L2L (Dioptrien)@Far A_11Far = 80 Dioptrien
    Erforderlicher optischer Leistungsbereich von L2L (Dioptrien) R = 20 Dioptrien
    Vergrößerung bei NEAR Entfernung m1_near = –1
    m2_near = 0,2
    M_near = m1*m2 = –0,2
    Vergrößerung bei FAR Entfernung m1_far = –0,333
    m2_far = 0,6
    M_far = m1*m2 = –0,2
  • Es sollte klar sein, dass das Visionssystem mit der Linse mit konstanter Vergrößerung, das hier beschrieben wurde, vorteilhafterweise hier die Erfassung von Bildern eines interessierenden Bereichs bei einem weiten Bereich von Brennweiten mit entsprechenden Details und relativ einfacher Anpassung des Linsenmoduls erlaubt. Das erhöht die Erfassungsgeschwindigkeit, da sich die Entfernung zwischen Objekten ändert, so dass sich das System als ausgesprochen geeignet als Visionssystem für Handgeräte und für fest installierte Geräte herausgestellt hat (zum Beispiel bei einem sich bewegenden Förderband), das auf Objekte von verschiedener Größe und Form (mit entsprechenden Unterschieden in der Brennweite) treffen kann.
  • Das oben Gesagte ist eine genaue Beschreibung des anschaulichen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Verschiedene Variationen und Zusätze können gemacht werden, ohne von Sinn und Umfang dieser Erfindung abzurücken. Merkmale jeder der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können gegebenenfalls mit Merkmalen von anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden, um eine Vielzahl von Merkmalskombinationen bei entsprechenden neuen Ausführungsformen zur Verfügung zu stellen. Während das oben Gesagte weiterhin eine Anzahl von einzelnen Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschreibt, ist das hier Beschriebene lediglich eine Veranschaulichung der Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise werden verschiedenen Begriffe der Richtung und Orientierung, die hier verwendet werden, wie „senkrecht”, „waagerecht”, „auf”, „unten”, „oben”, „Seite”, „vorder”, „hinter”, „links”, „rechts” und dergleichen, nur als relative Konventionen und nicht als absolute Orientierung mit Bezug auf ein festes Koordinatensystem wie Schwerkrafr verwendet. Darüberhinaus sollten die Begriffe „Prozess” und/oder „Prozessor”, wie sie hier verwendet werden, weit gefasst werden, so dass sie eine Vielzahl von Funktionen und Komponenten umfassen die auf elektronischer Hardware und/oder Software beruhen. Darüberhinaus kann ein gezeigter Prozess oder Prozessor mit anderen Prozessen und/oder Prozessoren kombiniert werden oder in verschiedene Unterprozesse oder -Prozessoren aufgeteilt werden. Solche Unterprozesse und/oder Unterprozessoren können auf verschiedene Weise emtsprechend der hier gezeigten Ausführungsbeispiele miteinande kombiniert werden. Ebenso wird ausdrücklich in Betracht gezogen, dass jede Funktion, jeder Prozess und/oder Prozessor hier unter Verwendung von elektronischer Hardware und Software, die aus einem nicht-transitorischen, computerlesbarem Medium von Programmanweisungen oder einer Kombination von Hardware und Software besteht, eingerichtet werden kann. Darüberhinaus wird ausdrücklich in Betracht gezogen, während das Linsenmodul als Einheit mit mindestens zwei räumlich fixierten Linsen und einem externen Aktuator dargestellt ist, dass zusätzliche Linsen und/oder andere optische Elemente (z. B. Filter) bei alternativen Ausführungsformen vorgesehen werden können. Auch können die Linsen des Linsenmoduls einzeln durch einzelne Aktivierungsvorrichtungen (oder einem Satz von Getrieben, die mit einem normalen Motor verbunden sind) ausgelöst werden. Zusätzlich kann die Auslösung durch alternative Mechanismen, wie etwa ein Linearmotor, erreicht werden. Darüberhinaus kann das Linsenmodul abnehmnar sein und/oder einen eigenständiger Aktuator enthalten, der mit der Kamera durch eine entsprechende Verbindung verbunden ist. Bei Ausführungsformen, die zum Beispiel ein Flüssiglinsenelement einsetzen, wird die Positionierung des festen Linsenmoduls am vorderen und am Flüssiglinsenmodul an der Rückseite nur als Anschauungsbeispiel gezeigt. Wenn Flüssiglinsenmodule mit entsprechender Größe erhältlich sind, können diese vorne am Modul angeordnet werden und ein feststehendes (oder ein anderes) Linsenmodul kann hinten angeordnet werden (das heißt näher am Bildsensor und weiter weg vom abgebildeten Objekt/Szene). Entsprechend darf diese Beschreibung nur als Beispiel angesehen werden und beschränkt in keiner Weise den Umfang dieser Anmeldung.

Claims (15)

  1. Ein Visionssystem zur Erfassung von Bildern von Objekten über einen Bereich von Brennweiten innerhalb eines Sichtfeldes, umfassend: einen Bildsensor, der in Wirkverbindung mit einem Visionsprozessor steht; ein Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung, das entlang einer optischen Achse ausgerichtet ist, das Licht von einer Szene empfängt und das Licht zum Bildsensor weiterleitet, wobei das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung ein vorderes Linsenmodul einschließt; und wobei das vordere Linsenmodul flächenmäßig kleiner ist als eine Fläche des Sichtfeldes.
  2. Das Visionssystem gemäß Anspruch 1, wobei das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung weiterhin ein hinteres Linsenmodul einschließt, und wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul in einem festen räumlichen Verhältnis dazwischen angeordnet sind.
  3. Das Visionssystem gemäß Anspruch 2, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet sind, dass (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und ein Brennpunkt des hinteren Linsenmoduls zusammenfallen, (b) sich eine Blendenstufe des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung zwischen der Rückfläche des vorderen Linsenmoduls und einem Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls befindet, (c) eine Vergrößerung des Moduls konstant und gleich der Brennweite (f2) des hinteren Linsenmoduls/einer Brennweite (f1) des vorderen Linsenmoduls ist und (d) die Verschiebung in Brennpunktlage des Moduls (f1/f2)2* (Bewegung des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung entlang der optischen Achse) ist.
  4. Das Visionssystem gemäß Anspruch 3, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul in einer Trommel montiert sind, die sich durch einen Aktuator, der auf einen Fokussierungsprozess reagiert, auf den Bildsensor zu und von diesem wegbewegt.
  5. Das Visionssystem gemäß Anspruch 3, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul und die Blendenstufe jeweils mit Bezug aufeinander festgelegt sind, und weiter umfassend einen Aktuator, der den Bildsensor auf das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung zu und von diesem wegbewegt.
  6. Das Visionssystem gemäß Anspruch 2, weiterhin umfassend ein Flüssiglinsenmodul, das zwischen dem vorderen Linsenmodul und dem Bildsensor ausgerichtet ist, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet sind, dass (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und die vordere Hauptebene des hinteren Linsenmoduls zusammenfallen (d1 = f1), (b) das hintere Linsenmodul eine variable optische Leistung aufweist, (c) sich eine Blendenstufe des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung zwischen einer Rückfläche des vorderen Linsenmoduls und einem Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls befindet, die Vergrößerung des Moduls konstant und gleich dem Verhältnis zwischen der Entfernung d2 von der hinteren Linsengruppe zum Sensor und dem Abstand d1 zwischen den zwei Linsengruppen ist.
  7. Ein Visionssystem zur Erfassung von Bildern eines Objektes über einen Bereich von Brennweiten innerhalb eines Sichtfeldes, umfassend: einen Bildsensor, der in Wirkverbindung mit einem Visionsprozessor steht; ein Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung, das entlang einer optischen Achse ausgerichtet ist, die Licht von einer Szene empfängt und das Licht zum Bildsensor weiterleitet, wobei das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung ein Flüssiglinsenmodul, das zwischen dem Bildsensor und einem vorderen Linsenmodul angeordnet ist, einschließt, wobei das vordere Linsenmodul eine oder mehrere feststehende Linsen umfasst, und das Flüssiglinsenmodul eine elektrische Schnittstelle einschließt, die eine Vergrößerung m2 des Flüssiglinsenmoduls variiert, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul in einem festgelegten räumlichen Verhältnis dazwischen angeordnet sind; und einen Regler, der die Vergrößerung m2 des Flüssiglinsenmoduls selektiv reguliert, um den Brennpunkt auf das Objekt bei einer konstanten Systemvergrößerung M bei jeder Brennweite des Brennweitenbereichs zu erhalten.
  8. Das Visionssystem nach Anspruch 7, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet sind, dass (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und eine vordere Hauptebene des Flüssiglinsenmoduls zusammenfallen und (b) das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung konstant und gleich einem Verhältnis zwischen der Entfernung (d2) vom Flüssiglinsenmodul zum Bildsensor und dem Abstand (d1) zwischen dem vorderen Linsenmodul und dem Flüssiglinsenmodul ist.
  9. Das Visionssystem gemäß Anspruch 8, wobei das Flüssiglinsenmodul ein Membranflüssiglinsenmodul umfasst.
  10. Das Visionssystem gemäß Anspruch 9, wobei die elektrische Schnittstelle einen Aktuator, der eine Form der Membran variiert, enthält.
  11. Das Visionssystem gemäß Anspruch 8, wobei das Flüssiglinsenmodul mindestens zwei Flüssigkeiten gleicher Dichte umfasst, die die gegenseitige Wechselwirkung in Übereinstimmung mit einem Elektro Wetting-Prinzip als Reaktion auf eine varrierte elektrische Eingangsleistung variieren.
  12. Das Visionssystem gemäß Anspruch 7, wobei der Regler so angeordnet ist, dass er iterativ die Vergrößerung m2 des Flüssiglinsenmoduls reguliert, bis ein gewünschter Brennpunkt bei der konstanten Systemvergrößerung M zur Verfügung steht.
  13. Das Visionssystem gemäß Anspruch 7, wobei das vordere Linsenmodul flächenmäßig kleiner ist als eine Fläche des Sichtfeldes.
  14. Ein Verfahren zur Erfassung von Bildern eines Objektes über einen bereich von Brennweiten innerhalb eines Sichtfeldes, umfassend die Schritte: Vorsehen eines Bildsensors, der in Wirkverbindung mit einem Visionsprocessor steht, und eines Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung, das entlang einer optischen Achse ausgerichtet ist, die Licht von einer Szene empfängt und das Licht zum Bildsensor weiterleitet, wobei das Linsenmodul mit konstanter Vergrößerung ein vorderes Linsenmodul einschließt; und iterative Regulierung des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung, bis das Objekt einen gewünschten Brennpunkt beim Bildsensor erreicht.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, weiter umfassend das Anordnen eines Flüssiglinsenmoduls, das zwischen dem vorderen Linsenmodul und dem Bildsensor ausgerichtet ist, wobei das vordere Linsenmodul und das hintere Linsenmodul so aufgebaut und angeordnet sind, dass (a) ein Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls und die vordere Hauptebene des hinteren Linsenmoduls zusammenfallen (d1 = f1), (b) das hintere Linsenmodul eine variable optische Leistung aufweist, (c) sich eine Blendenstufe des Linsenmoduls mit konstanter Vergrößerung zwischen der Rückfläche des vorderen Linsenmoduls und einem Brennpunkt des vorderen Linsenmoduls befindet, (d) die Vergrößerung des Moduls konstant und gleich ist dem Verhältnis zwischen dem Abstand d2 von der hinteren Linsengruppe zum Sensor und dem Abstand d1 zwischen den zwei Linsengruppen.
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