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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Anmeldung bezieht sich auf Kameras, die beim maschinellen Sehen verwendet werden, und insbesondere auf Anordnungen mit automatischer Fokussierlinse.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Sichtsysteme, die eine Messung, Prüfung, Ausrichtung von Objekten und/oder Decodierung von Symbologie (z. B. Strichcodes oder einfacher gesagt ”IDs”) durchführen, werden in einer großen Bandbreite von Anwendungen und Branchen verwendet. Diese Systeme basieren auf der Verwendung eines Bildsensors, der Bilder (für gewöhnlich grauskalig oder in Farbe und in einer, zwei oder drei Dimensionen) des Subjekts oder Objekts erfasst und die erfassten Bilder unter Verwendung eines On-Board- oder zwischengeschalteten Sichtsystemprozessors verarbeitet. Der Prozessor enthält im Allgemeinen sowohl Verarbeitungshardware als auch nicht-flüchtige computerlesbare Programmanweisungen, die einen oder mehrere Sichtsystemprozesse durchführen, um eine gewünschte Ausgabe auf Basis der verarbeiteten Bildinformationen zu erzeugen. Diese Bildinformationen werden für gewöhnlich innerhalb einer Anordnung von Bildpixeln bereitgestellt, die jeweils diverse Farben und/oder Intensitäten aufweisen. Beim Beispiel einer ID-Leseeinheit erfasst der Benutzer oder der automatisierte Prozess ein Bild eines Objekts, das Annahmen zufolge eine oder mehrere IDs enthält. Das Bild wird verarbeitet, um ID-Merkmale zu identifizieren, die danach von einem Decodierprozess und/oder Prozessor decodiert werden, um die inhärenten Informationen (z. B. alphanumerische Daten) zu erhalten, die im Muster der ID codiert sind.
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Häufig enthält eine Sichtsystemkamera einen internen Prozessor und andere Komponenten, die ermöglichen, dass sie als eigenständige Einheit arbeitet, wobei gewünschte Ausgabedaten (z. B. decodierte Symbolinformationen) an einen nachgeschalteten Prozess bereitgestellt werden, z. B. ein erfindungsgemäßes Nachverfolgungscomputersystem oder eine erfindungsgemäße Logistikanwendung.
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Eine beispielhafte Linsenkonfiguration, die bei gewissen Sichtsystemanwendungen wünschenswert sein kann, ist die die Anordnung mit automatischer Fokussierung (Autofokus). Beispielhaft kann eine Autofokuslinse durch einen Typ einer Anordnung mit ”variabler Linse” (nachstehend näher definiert) erleichtert werden, die als sogenannte Anordnung mit Flüssiglinse (Liquid Lens) bekannt ist. Eine Form einer Flüssiglinse, die von Varioptic, Frankreich, verfügbar ist, verwendet zwei isodichte Flüssigkeiten – Öl ist ein Isolator, wärhend Wasser ein Leiter ist. Die Schwankung der Spannung, die von einem umgebenden Schaltkreise durch die Linse geleitet wird, führt zu einer Änderung der Krümmung der Flüssigkeit-Flüssigkeit-Grenzfläche, was wiederum zu einer Änderung der Brennweite der Linse führt. Einige signifikante Vorteile der Verwendung einer Flüssiglinse sind die Robustheit der Linse (sie weist keine mechanischen beweglichen Teile auf), ihre schnellen Reaktionszeiten, ihre relativ gute optische Qualität und ihr geringer Energieverbrauch und ihre geringe Größe. Die Verwendung einer Flüssiglinse kann die Installation, die Einrichtung und die Wartung des Sichtsystems wünschenswert vereinfachen, da es nicht mehr notwendig ist, die Linse manuell zu berühren. Im Vergleich zu anderen Autofokusmechanismen hat die Flüssiglinse äußerst schnelle Reaktionszeiten. Sie eignet sich darüber hinaus ideal für Anwendungen mit Leseabständen, die sich von Objekt zu Objekt (Oberfläche zu Oberfläche) oder während des Wechsels vom Lesen eines Objekts zu einem weiteren Objekt ändern – z. B. beim Abtasten eines sich bewegenden Förderbands, das Objekte mit unterschiedlicher Größe/Höhe enthält (z. B. Versandkisten). Im Allgemeinen ist die Fähigkeit, ”spontan” schnell zu fokussieren, bei vielen Sichtsystemanwendungen wünschenswert.
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Eine kürzliche Entwicklung in der Flüssiglinsentechnologie ist von Optotune AG, Schweiz, verfügbar. Diese Linse verwendet eine bewegliche Membran, die ein Flüssigkeitsreservoir bedeckt, um ihre Brennweite zu variieren. Eine Spule übt Druck aus, um die Form der Membran zu verändern und damit den Linsenfokus zu variieren. Die Spule wird durch Variieren des Eingangsstroms innerhalb eines vorab festgelegten Bereichs bewegt. Unterschiedliche Stromhöhen stellen unterschiedliche Brennweiten für die Flüssiglinse bereit. Diese Linse stellt vorteilhafterweise eine größere Blende (z. B. 6 bis 10 Millimeter) als konkurrierende Designs (z. B. Varioptic, Frankreich) bereit und arbeitet schneller. Aufgrund des thermischen Drifts und anderer Faktoren kann es während der Laufzeitnutzung und im Allgemeinen im Laufe der Zeit zu einer Abweichung der Kalibrierung und Fokuseinstellung kommen. Es kann eine Vielzahl von Systemen bereitgestellt werden, um die Fokusabweichung und andere Faktoren zu kompensieren und/oder zu korrigieren. Solche Kompensierungsroutinen können jedoch Verarbeitungszeit (innerhalb des internen Prozessors der Kamera) erfordern, die die Gesamtreaktionszeit der Linse zum Erreichen eines neuen Fokus verlangsamt. Gleichermaßen können solche Kompensationsroutinen (z. B. thermischer Drift) standardisiert und nicht spezifisch individuell auf die Linse angepasst werden, wodurch sie in Bezug auf spezifische Driftbedingungen, die eine Linse im Laufe der Zeit erfahren kann, weniger zuverlässig wird. Man bemerke, dass ein typischer Drift in einer Flüssiglinse z. B. 0,15 Dioptrin/°C (d. h. für die Flüssiglinse von Varioptic) beträgt. Insbesondere wenn es kleine Merkmale in einem großen Abstand zu erkennen gilt, erfordern manche Sichtanwendungen eine Stabilität der optischen Leistung der Bildwandlerlinse von +/–0,1 Dioptrien.
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Darüber hinaus wird im Allgemeinen anerkannt, dass eine Steuerfrequenz von zumindest ungefähr 1000 Hz erforderlich sein kann, um den Fokus der Linse angemessen zu steuern und diesen innerhalb gewünschter Bereiche zu halten. Dies stellt eine Belastung für den Prozessor des Sichtsystems dar, der auf DSP oder einer ähnlichen Architektur basiert sein kann. Das heißt, dass Aufgaben des Sichtsystems darunter leiden würden, wenn der DSP kontinuierlich mit Linsensteuerungsaufgaben beschäftigt ist. Durch all diese Nachteile wird die Driftkompensation in vielen Anwendung zu einer Herausforderung.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung räumt die Nachteile des Standes der Technik durch Bereitstellen eines Sichtsystems aus, das so ausgelegt ist, dass es den optischen Drift kompensiert, der in gewissen Linsenanordnungen auftreten kann, die zum Variieren der optischen Leistung in der Lage sind, wobei die optische Leistung (und somit das Variieren der Brennweite/des Fokusabstands, wobei Brennweite = 1/optische leistung) durch Steuern der Linsenform und/oder Brechungsindex der Linse variiert wird. Solche Linsenanordnungen umfassen Flüssiglinsenanordnungen, die z. B. zwei isodichte Fluide oder eine flexible Membran verwenden, die hier im Allgemeinen auch als Anordnung ”mit variabler Linse” bezeichnet wird, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Das System enthält einen Bildsensor, der operabel mit einem Sichtsystemprozessor verknüpft ist, und eine Anordnung mit variabler Linse, die so gesteuert wird (z. B. durch den Sichtprozessor oder eine weitere bereichsbestimmende Einrichtung), dass deren Brennweite variiert wird. Eine Sammellinsenanordnung ist so konfiguriert, dass sie eine Wirkung der Anordnung mit variabler Linse über einen vorab festgelegten Betriebsbereich des Objekts von der Sammellinsenanordnung abschwächt. Die Anordnung mit variabler Linse umfasst veranschaulichenderweise eine Flüssiglinsenanordnung, und eine solche Flüssiglinsenanordnung kann inhärent über ungefähr 20 Dioptrien variabel sein. Veranschaulichenderweise sind die Sammellinsenanordnung und die Anordnung mit variabler Linse gemeinsam in einem Objektivtubus aufgenommen, der in Bezug auf einen Kamerakörper und den Bildsensor entfernbar ist. Der Bildsensor befindet sich veranschaulichenderweise innerhalb des Kamerakörpers. Gleichermaßen kann der Sichtprozessor zur Gänze oder teilweise im Kamerakörper angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform weist der Objektivtubus eine C-Mount-Linsenbasis auf umfasst die Sammellinsenanordnung ein Dublett, das eine vordere konvexe Linse und eine hintere konkave Linse enthält. Die Sammellinsenanordnung kann einen effektiven Brennweitenbereich von 40 Millimeter definieren. Die nutzbare Brennweite der Linse (z. B. ein Dublett) liegt veranschaulichenderweise zwischen ungefähr 10 und 100 Millimetern. Darüber hinaus ist die Anordnung mit variabler Linse (z. B. Flüssiglinsenanordnung) für gewöhnlich einem Brennpunkt der Sammellinsenanordnung benachbart, aber dennoch von diesem entfernt angeordnet, wobei es sich um den vorderen oder typischer den Rückhinteren Brennpunkt der Sammellinsenanordnung handelt. Der Abstand zwischen der Anordnung mit variabler Linse und dem Brennpunkt kann zwischen ungefähr dem 0,1- und 0,5-Fachen einer Brennweite F des Sammellinsenanordnung liegen. Auf diese Weise sind die Sammellinsenanordnung und die Anordnung mit variabler Linse Teil einer Gesamtlinsenanordnung, die Licht auf den Bildsensor fokussiert. Die optische Leistung der Sammellinsenanordnung ”definiert” somit ”vorwiegend” eine optische Leistung der Gesamtlinsenanordnung – anders ausgedrückt wird der Großteil der Vergrößerung/optischen Leistung von der Sammellinsenanordnung bereitgestellt, wodurch die Driftwirkung in der Anordnung mit variabler Linse minimiert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die nachstehende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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1 ein Schaubild einer veranschaulichenden Sichtsystemanordnung ist, das ein Sichtsystemkamera mit zugehörigem Sichtprozessor aufweist, mit einer Linsenanordnung, die den inhärenten Drift im Laufe der Zeit kompensiert, wobei das Erfassen von Bildern eines beispielhaften Objekts in einer Szene gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform gezeigt ist;
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2 ein Schaubild des Strahlenverlaufs für ein beispielhaftes Linsensystem ist, das eine Anordnung mit variabler Linse enthält, die ein Objekt abbildet;
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3 ein Schaubild des Strahlenverlaufs für ein veranschaulichendes Linsensystem ist, das eine Anordnung mit variabler Linse enthält, und wobei eine Sammellinsenanordnung entlang der optischen Achse in einem vorab festgelegten Abstand zur Anordnung mit variabler Linse angeordnet ist, um somit ein drifttolerantes Linsensystem bereitzustellen;
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4 ein seitlicher Querschnitt einer Linseneinheit, die eine Anordnung mit variabler Linse und eine Sammellinse enthält, die Drifttoleranz aufweist, gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform ist, wobei die relativen Abmessungen des Objektivtubus und zugehöriger Komponenten gezeigt sind;
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4A ein seitlicher Querschnitt der Linseneinheit von 4 ist, wobei die relative Platzierung von Komponenten entlang der optischen Achse gezeigt ist;
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5 ein Schaubild des Strahlenverlaufs für die veranschaulichende Linseneinheit von 4 ist, wobei die Abbildung eines Objekts in einem ersten Abstand gezeigt ist;
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6 ein Schaubild des Strahlenverlaufs für die veranschaulichende Linseneinheit von 4 ist, wobei die Abbildung eines Objekts in einem zweiten Abstand gezeigt ist, der länger als der erste Abstand ist;
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7 ein Schaubild des Strahlenverlaufs für die veranschaulichende Linseneinheit von 4, wobei die Abbildung eines Objekts in einem ersten Abstand gezeigt ist; und
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8 ein Schaubild der Beziehung zwischen der Sammellinsenanordnung, der Anordnung mit variabler Linse und dem Sammellinsenbrennpunkt gemäß vorliegenden Ausführungsformen ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Sichtsystem 100 ausführlich, das eine Sichtsystemkameraanordnung 110 und eine zugehörige Linseneinheit/-anordnung 120 enthält. Die Konstruktion der Linseneinheit 120 ist im Folgenden näher beschrieben. Bei einer Ausführungsform ist die Linseneinheit 120 an der Kamera befestigt und kann unter Verwendung einer spezifischen oder herkömmlichen Halterungsbasis entfernbar sein, z. B. des hinlänglich bekannten Cine bzw ”C-Mount”. Die Kamera enthält einen Körper/ein Gehäuse, das eine Mehrzahl von Betriebskomponenten aufnehmen kann, z. B. einen Bildsensor oder Bildwandler 130 (phantomhaft gezeigt). Bei dieser Ausführungsform ist der Bildwandler 130 operabel mit einem On-Board-Sichtprozessor 140 verbunden, der eine Vielzahl von Hardware- und/oder Softwareprozessen betreibt, allgemein als Sichtprozess 142 bezeichnet. Der Sichtprozess 142 kann eine Mehrzahl von Softwareanwendungen umfassen, die so ausgelegt sind, dass sie allgemeine oder spezifische Sichtsystemaufgaben durchführen, z. B. ID-(Code-)Such- und -Decodieraufgaben, Kantenerkennung, Blob-Analyse, Oberflächenprüfung, Robotermanipulation und/oder andere Vorgänge. Siehe z. B. die beispielhafte ID 144. Die Prozesse 142 können auch diverse Bilderfassungs- und Bildmanipulationsanwendungen umfassen – die Bilddaten in eine Form bringen, die sich für eine Verwendung in Sichtsystemaufgaben besser eignet – z. B. Histogrammbildung, Schwellenwertbildung usw. Diese Aufgaben und Prozesse sind dem Fachmann bekannt und können von einem kommerziellen Sichtsystemanbieter bezogen werden – z. B. Cognex Corporation, Natick, MA. Wie gezeigt, ist der veranschaulichende Sichtsystemprozessor 140 innerhalb des Kamerakörpers enthalten. Sichtsystemdaten in ”roher”, vorbearbeiteter (z. B. gefundene nicht-decodierte ID-Bilddaten) oder vollständig bearbeiteter (z. B. decodierte ID-Daten) Form können über eine kabelgebundene und/oder drahtlose Verbindung 144 an ein geeignetes Datenverarbeitungssystem oder einen geeigneten Prozessor bereitgestellt werden, z. B. einem eigenständigen PC oder Serversystem. Alternative Systeme wie mobile Datenverarbeitungssysteme, cloudbasierte Einrichtungen und dergleichen können in alternativen Umsetzungen bereitgestellt werden. Das Datenverarbeitungssystem speichert und manipuliert die bildbasierten Daten wie vom Benutzer gewünscht – z. B. Qualitäts- oder Bestandskontrolle. Bei alternativen Ausführungsformen können einige oder alle der Sichtsystemprozessoren/-prozesse in einem Remote-Prozessor (z. B. der Datenverarbeitungseinrichtung/dem Prozessor 150) instanziiert und/oder durchgeführt werden, der auf dem Fachmann bekannte Weise über eine geeignete kabelgebundene und/oder drahtlose Verbindung (z. B. Verbindung 144) mit der Kamera 110 verbunden ist.
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Man bemerke, dass der Ausdruck ”Prozess” und/oder ”Prozessor”, wie hier verwendet, breit ausgelegt werden sollte, so dass sie eine Vielzahl von auf elektronischer Hardware und/oder Software basierenden Funktionen und Komponenten umfassen. Darüber hinaus kann ein gezeigter Prozess oder Prozessor mit anderen Prozessen und/oder Prozessoren kombiniert oder in diverse Teilprozesse oder Teilprozessoren geteilt werden. Solche Teilprozesse und/oder Teilprozessoren können auf diverse Weise gemäß vorliegenden Ausführungsformen kombiniert werden. Gleichermaßen wird ausdrücklich in Erwägung gezogen, dass jede Funktion, jeder Prozess und/oder jeder Prozessor hierin unter Verwendung von elektronsicher Hardware, Software, die aus einem nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium von Programmanweisungen besteht, oder einer Kombination von Hardware und Software umgesetzt sein kann bzw. können. Bei einer Systembaugruppe können solche Prozesse/Prozessfunktionen als in einem entsprechenden ”Modul” oder ”Element” auftretend/vorliegend bezeichnet werden. Beispielsweise ein ”ID-Lesemodul”, das die Funktionen ausführt, die mit dem Lesen und/oder Decodieren von ID-Codes in Zusammenhang stehen.
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Die Linsenanordnung 120 ist entlang der optischen Achse OA (mit der Ebene des Sensors 130) ausgerichtet gezeigt, die für gewöhnlich vertikal zur Achse angeordnet ist. Die Linsenanordnung 120 und der Sensor 130 bilden ein Objekt O ab. Das Objekt O kann beispielhaft eine beliebige zweidimensionale (2D-) oder dreidimensionale (3D-)Oberfläche oder Form haben, die teilweise oder zur Gänze in das Sichtfeld (FOV) passt. Bei dem gezeigten Beispiel kann der Bereich/Abstand (do) des Objekts O zur Kamera 110 (z. B. zur Brennebene des Sensors 130) variiert werden, definiert jedoch einen vorab festgelegten Betriebsbereich (gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform), in dem das Objekt O abzubilden ist.
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Veranschaulichenderweise kompensiert diese Ausführungsform einen potentiellen Drift im Laufe der Zeit in einer variablen Linse (z. B. einer Flüssiglinse), die Teil der Gesamtlinsenanordnung 120 ist, durch Definieren eines Betriebsbereichs für das Sichtsystem, in dem der Einfluss der optischen Leistung der variablen Linse auf die optische Leistung der Gesamtlinsenanordnung (einschließlich sämtlicher fester Linse) verringert wird. Auf diese Weise ist der Drift eine kleine Komponente der gesamten Fokusleistung der Linsenanordnung. Diese veranschaulichende Baugruppe liefert Nutzen, wobei der einstellbare Brennweitenbereich verringert werden kann. Somit ist dieses System bei diversen Ausführungsformen nützlich – z. B. jenen, bei denen der Abstand (do) der Objektoberfläche zur Brennebene relativ konstant ist oder dieser Abstand (do) über eine kleinen relativen Abstand variiert. Veranschaulichenderweise kann dieses System bei Sichtsystemanwendungen verwendet werden, die in größeren Abständen lesen, wobei der erforderliche optische Bereich nur ein kleiner Bruchteil (ungefähr 2 Dioptrien) des spezifizierten Bereichs von im Handel erhältlichen Flüssiglinsen (20 Dioptrien) ist. Wie oben beschrieben, kann die Anordnung mit variabler Linse der hier in Erwägung gezogenen Ausführungsformen eine Vielzahl von Linsentypen umfassen, die in der Lage sind, die optische Leistung zu variieren. Insbesondere wird bei Ausführungsformen die optische Leistung (und somit Variieren der Brennweite/des Fokusabstands, wobei die Brennweite = 1/optische Leistung) durch Steuern der Linsenform und/oder des Brechungsindex der Linse variiert wird. Solche Anordnungen mit variabler Linse umfassen Flüssiglinsen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, und eine Vielzahl von Linsentypen kann verwendet werden, z. B. isodichte Fluidtypen (Varioptic), Membrantypen (Optotune) usw. Gleichermaßen können variable Linsen verwendet werden, die mithilfe anderer Mechanismen wie z. B. elektromechanischer Betätigung arbeiten.
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Anhand einer weiteren Veranschaulichung der Grundgedanken einer Ausführungsform zeigt 2 ein Schaubild der Strahlenverfolgung einer Basisoptikbaugruppe für ein beispielhaftes Sichtsystem 200 mit einem beispielhaften Objekt O1, einem Bildsensor 230 und einer verallgemeinerten variablen Linse (z. B. einer Flüssiglinse (LL1)). Das Objekt O1 ist in einer Abstand d1 zur variablen Linse LL1 angeordnet. Dieses System weist keine zusätzlichen Linsen auf und die Strahlen 240, die vom Objekt O1 reflektiert werden, passieren die variable Linse LL1 und werden direkt auf den Bildsensor 130 fokussiert, wie gezeigt. Somit führt jedwede geringfügige Abweichung (z. B. durch Drift bedingt) des Fokus der variablen Linse LL1 zu einem potentiell signifikanten Außerhalb-des-Fokus-Zustand, der die Fähigkeit des Sichtsystems zur Lieferung eines korrekten Ergebnisses beeinflussen kann.
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Um diese Driftempfindlichkeit und andere Fokusabweichungen in z. B. einer Flüssiglinse zu berücksichtigen, wird nun Bezug auf 3 genommen, die eine verallgemeinerte Optikbaugruppe für ein Sichtsystem 300 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Eine feste (nicht-variable) Sammellinse PL ist in einem vorab festgelegten Abstand d vor der Anordnung LL2 mit variabler Linse (z. B. Flüssiglinse) entlang des optischen Pfads zwischen dem System und dem abgebildeten Objekt O2 angeordnet.
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Somit ist die optische Leistung A dieses Systems 300 (wobei A1 die optische Leistung der Sammellinsenanordnung PL ist, A2 die optische Leistung der Anordnung LL2 mit variabler Linse ist und d der Abstand zwischen der Sammellinse PL und der variablen Linse LL2 ist) wie folgt: A = A1 + A2 – d·A1·A2
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Wenn der Abstand zwischen der variablen Linse LL2 und der Sammellinse PL relativ groß ist (z. B. d = k/A1 (wobei k = 0,5 ... 0,9 und das Produkt der Leistung der Sammellinse A1 und des Abstands d darstellt; d. h. k = d·A1)), kann die optische Gesamtleistung A des oben definierten Linsensystems mit den Leistungen A1 und A2 und dem relativen Abstand d wie folgt wiedergegeben werden: A = A1 + (1 – k)·A2 und ist der Drift, der als Differential der optischen Linsenleistung (dA) pro Einheitszeit (dT) (dA/dT) des Systems dargestellt ist, wie folgt: dA/dT = dA1/dT + (1 – k)·dA2/dT was heißt, dass der Drift des Übersystems dA/DT der Summe des Drifts der Sammellinse dA1/dT und (1 – k) mal dem Drift der variablen Linse dA2/dT entspricht.
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Bei einer Ausführungsform kann die feste Sammellinse PL als Glaslinse mit inhärent geringem Drift (d. h. dA1/dT ≈ 0) gewählt werden, so dass sich im Vergleich zum ursprünglichen Aufbau von 2 unter Verwendung der Sammellinse PL und der größeren Leistung der Sammellinse (d. h. größere k) eine effektive Verringerung des Gesamtdrifts dA/dT des Systems von 3 um einen Faktor von 1 – k (= 0,1-fach ... 0,5-fach) ergibt, je größer die Driftverringerung in der variablen Linse ist.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, die ausführlich einen Querschnitt einer integrierten Linseneinheit/-anordnung 120 zur Verwendung in der veranschaulichenden Sichtsystemkamera 110 von 1 zeigt. Diese Linsenanordnung 120 kann diverse elektrische Verbindungen und/oder Leitungen (die phantomhaft als Kabel 410 und Verbinder 412 schematisch gezeigt sind) enthalten, die sich von der Anordnung 420 mit variabler Linse (z. B. Flüssiglinse) zu einer Stelle auf dem Körper der Kamera 110 erstrecken, in Verbindung mit geeigneten Steuerprozessoren/Komponenten, die dem Sichtprozessor 140 zugehörig sind. Man bemerke, dass die beispielhafte Fluidlinsenanordnung 420, die vom Membrantyp, isodichten Fluidtyp oder einem äquivalenten Typ sein kann, innerhalb eines Tubus 430 enthalten ist und die Leitung 410 so konstruiert ist, dass sie sich von einer Stelle auf dem Tubus 430 erstreckt. Diese Verbindung ermöglicht, dass Steuersignale die Flüssiglinsenanordnung bespeisen (z. B. Strom- und/oder Spannungsmodulation), um die Variation und die Einstellung des Fokus der Flüssiglinsenantwort 420 in Reaktion auf Befehle des Prozessors zu erlauben. Der korrekte Fokus kann unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken ermittelt und/oder eingestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind – z. B. unter Verwendung der Schärfe von abgebildeten Kanten, nachdem diverse Fokuseinstellungen durchgearbeitet wurden, und/oder unter Verwendung einer externen Einrichtung zur Bereichsfindung. Auch wenn bei der gezeigten Ausführungsform eine separate Kabelverbindung mit einem zugehörigen Verbinder auf dem Körper der Kamera verwendet wird, kann die Verbindungsbaugruppe innerhalb des Tubus 430 vorliegen – z. B. aus ausgerichteten Kontaktstellen und/oder Kontaktringen (auf der Linse und dem Kamerakörper) bestehend, die sich verbinden, wenn die Linsenanordnung 120 am Kamerakörper befestigt ist.
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Der Tubus 430 der Linsenanordnung ist bei dieser Ausführungsform mit dem Formfaktor einer herkömmlichen C-Mount-Linse mit einer entsprechenden Gewindebasis 440 bemessen und angeordnet. Das gezeigte Außengewinde der Tubusbasis (Flansch) 440) ist so ausgelegt, dass es zu einem entsprechenden Innengewinde (nicht gezeigt) auf dem Kamerakörper passt. Die Gewindegröße ist herkömmlich (z. B. 1 Zoll × 32) Man bemerke, dass der Kamerakörper eine Vielzahl von Zubehörteilen und funktionellen Komponenten enthalten kann, z. B. ein Ringbeleuchter, der die Linse umgibt, und/oder Verbindungen für eine externe Beleuchtungsanordnung. Solche Zubehörteile und/oder Komponenten können auf die Kamera angewandt werden, um spezifische Sichtsystemaufgaben zu erfüllen. Der Tubus 430 kann aus einer Vielzahl von Materialien konstruiert sein, z. B. aus gegossenem oder maschinell hergestellter Aluminiumlegierung. Die Gewindebasis ermöglicht, dass der Tubus und die darin enthaltene zugehörige Gesamtlinsenanordnung abnehmbar am Kamerakörper angebracht und durch andere Linsentypen ersetzt werden kann, nach Belieben des Herstellers oder Benutzers. Auch wenn bei dieser Ausführungsform der Formfaktor eines C-Mount-Basis verwendet wird, kann bei alternativen Ausführungsformen eine beliebige annehmbare Linsenbasisform verwendet werden, die die Aufnahme einer Flüssiglinse oder anderen geeigneten variablen Linse ermöglicht. Beispielsweise kann eine F-Mount-Linsenbasis verwendet werden.
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Die Abmessungen des Objektivtubus 430 sind in 4 anhand eines nicht-einschränkenden Beispiels gezeigt. Wie gezeigt, kann der Tubusaußendurchmesser ODL bei einer Ausführungsform ungefähr 28 bis 29 Millimeter sein. Dies berücksichtigt die allgemeinen Größenbeschränkungen/-parameter einer C-Mount-Linse. Gleichermaßen ist die Länge OLL des Tubus 430 vom vorderen Ende 432 zur Gewindebasis 440 veranschaulichenderweise ungefähr 32 bis 34 Millimeter. Der Abstand DS von der Linsenbasis 440 zur Brennebene des Bildsensors 130 ist ungefähr 17,5 Millimeter. Man bemerke, dass diese Abmessungen für große Bandbreite an möglichen Beziehungen veranschaulichend sind, die dem Fachmann bekannt sind.
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Es wird nun weiter auf 4A Bezug genommen, wobei die Positionierung der internen optischen Komponenten der Linse ausführlich beschrieben ist. Eine Sammellinsenanordnung 450, die einen in Bezug auf den Durchmesser der variablen Linse (420) relativ großen Durchmesser aufweist, ist benachbart dem vorderen Ende 432 des Tubus 430 angeordnet. Diese Sammellinsenanordnung (auch ”Sammellinse” genannt) 450 befindet sich in einer Ausnehmung 454, die am vorderen Ende des Tubus gebildet ist. Die Sammellinse 450 ist an ihrer Vorderseite durch einen Gewindering 456 befestigt. Man bemerke, dass die Baugruppe bei alternativen Ausführungsformen äußerst variabel ist und bei alternativen Ausführungsformen eine Vielzahl von Befestigungs- und/oder Anbringungsmechanismen verwendet werden kann. Die Sammellinse 450 ist ein achromatisches Dublett, das eine effektive Brennweite (f) von 40 mm und eine Rückbrennweite von 33,26 Millimetern definiert. Die offene Blende ist 24 Millimeter. Der Durchmesser der Gesamtlinsenanordnung ist 25 Millimeter. Veranschaulichenderweise besteht sie auch einer vorderen konvexen Linse 458 und einer hinteren konkaven Linse 459. Die konvexe Linse 458 definiert einen vorderen Radius RL1 von 27,97 Millimetern und einen hinteren Radius RL2 von –18,85 Millimetern (wobei die positiven und negativen Radii Richtungen in Bezug auf die Ausrichtung des abgebildeten Objekts darstellen, wobei positive Radii hin zum Objekt ausgerichtet sind und negative Radii hin zum Bildsensor ausgerichtet sind). Die konkave Linse 459 definiert einen vorderen Radius (auch RL2) von 18,85 Millimetern (der die Gegenoberfläche der konvexen Linse 458 komplementiert) und einen hinteren Radius RL3 von 152,94 Millimetern. Die konvexe Linse 458 hat eine Mittendicke TC1 (entlang der optischen Achse CA) von 9,5 Millimetern und die konkave Linse hat eine Mittendicke TC2 von 2,5 Millimetern. Diese Abmessungen sind bei alternativen Ausführungsformen äußerst variabel. Die oben beschriebene Ausführungsform und die zugehörigen Abmessungen einer Sammellinsenanordnung 450 (z. B. mit Dublett) ist im Handel von Edmund Optics Inc., Barrington, NJ, unter der Artikelnummer 32321 erhältlich. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Abstand ODLF von vorne bis zur Sensorebene der Linse gemäß einer Ausführungsform ungefähr 49 Millimeter. Es sollte klar sein, dass die Abmessungen und/oder die Baugruppe von Komponenten der Sammellinse bei alternativen Ausführungsformen äußerst variabel sind.
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Die Anordnung (die von einer Vielzahl von Herstellern bezogen werden kann) 420 mit variabler Linse (z. B. Flüssiglinse) ist benachbart dem hinteren Ende des Objektivtubus 430 platziert. Bei dieser Ausführungsform kann die Anordnung 420 mit variabler Linse als nicht-einschränkendes Beispiel eine Flüssiglinse vom Modell Arctic 416, erhältlich von Varioptic, Frankreich, umfassen. Die beispielhafte Anordnung mit variabler Linse hat einen Brennbereich von ungefähr 20 Dioptrien (d. h. 5 Zentimeter ins Unendliche), einen Durchmesser von 7,75 Millimetern und eine Dicke (entlang der optischen Achse) von 1,6 Millimetern. Die gezeigte beispielhafte Flüssiglinsenanordnung 420 besteht aus der Linseneinheit 470, die auf einer Steuerleiterplatte 472 befestigt ist, mit einer zentralen Blende 474, die entlang der optischen Achse ausgerichtet ist, durch die fokussiertes Licht zum Sensor 130 gelangt.
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Die Linsenanordnung 130 kann unter Verwendung eines integralen oder unitären Abstandshalter, einer Schulterbaugruppe und/oder einer Trägerstruktur 460 innerhalb eines Tubus 430 getragen werden. Die Trägerstruktur 460 gewährleistet, dass die Anordnung 420 mit variabler Linse in einer geeigneten Ausrichtung in Bezug auf die optische Achse OA bleibt. Der Abstand DLR zur Sammellinse von hinten bis zu vor der Einheit 470 mit variabler Linse ist bei dieser Ausführungsform 18,0 Millimeter. Man bemerke, dass der Bildsensor 130 bei einer Ausführungsform einen herkömmlichen CMOS-Sensor mit einer Größe von 0,5 Zoll (6,9 Millimeter (horizontal) mal 5,5 Millimeter (vertikal) – SW in 5) definieren kann.
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Es wird nun auf die 5 bis 7 Bezug genommen, die das Sichtsystem und die Linsenanordnung in Betrieb bei einer Mehrzahl von Brennweiten innerhalb des Betriebsbereichs des System zeigen. Das Objekt O befindet sich in jedem der Schaubilder des Strahlenverlaufs der 5, 6 bzw. 7 somit in drei beispielhaften Abständen DO1, DO2 und DO3. Beispielsweise ist DO1 ungefähr 219 Millimeter, ist DO2 ungefähr 430 Millimeter und ist DO3 ungefähr 635 Millimeter. Innerhalb dieses Bereichs wird die optische Leistung der Anordnung mit variabler Linse von +10,73 Dioptrien für F = 37,4 Millimeter (5); bis +0,32 Dioptrien für F = 39,8 Millimeter (6); bis –3,81 Dioptrien für F = 42,3 Millimeter variiert. Dieser Brennbereich von 219 bis 635 Millimetern ist mit einer Variation von 6,9 Dioptrien verbunden. Vergleichsweise erfordert eine System, an dem die gezeigte Anordnung mit variabler Linse befestigt ist, bei einer herkömmlichen Baugruppe, bei der die variable Linse in einem engen Abstand zur vorderen Linse angebracht ist, für gewöhnlich eine Variation von 3,3 Dioptrien. Somit verringert das veranschaulichende System den potentiellen Drift in Bezug auf eine herkömmliche Baugruppe effektiv um mehr als einen Faktor von 2.
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Allgemeiner gesagt ist die Anordnung mit variabler Linse (z. B. Flüssiglinsenanordnung) einem Brennpunkt der Sammellinsenanordnung benachbart, aber dennoch von diesem entfernt angeordnet, wobei es sich um den vorderen oder typischer den Rück-/hinteren Brennpunkt der Sammellinsenanordnung handelt. Es wird verstanden, dass die Platzierung benachbart dem Brennpunkt ermöglicht, dass die variable Linse zur Gesamtleistung des Linsensystems beiträgt. Der Abstand zwischen der Anordnung mit variabler Linse und dem Brennpunkt kann zwischen ungefähr dem 0,1- und 0,5-Fachen einer Brennweite F des Sammellinsenanordnung liegen. Veranschaulichenderweise wird Bezug auf das Schaubild von 8 genommen, wobei eine Sammellinsenanordnung PL entlang der optischen Achse angeordnet ist, wobei eine variable Linse VL dem Brennpunkt FP der Sammellinse benachbart ist. Die Brennweite F zwischen der Sammellinse PL und dem Brennpunkt FG ist gezeigt. Der Abstand (1 – k)·F ist als der Abstand zwischen der variablen Linse VL und der Fokuslinse und dem Brennpunkt FP charakterisiert, wobei k = 0,9 bis 0,5 (d. h. 0,9·F bis 0,5·F). Somit ist der Abstand zwischen der Sammellinse PL und der variablen Linse VL k·F (d. h. 0,1·F bis 0,5·F). Auf diese Weise sind die Sammellinsenanordnung PL und die Anordnung mit variabler Linse VL Teil einer Gesamtlinsenanordnung LA, die Licht auf den Bildsensor fokussiert, und ”definiert” die optische Leistung der Sammellinsenanordnung somit ”vorwiegend” eine optische Leistung der Gesamtlinsenanordnung – anders ausgedrückt wird der Großteil der Vergrößerung/optischen Leistung von der Sammellinsenanordnung bereitgestellt, wodurch die Driftwirkung in der Anordnung mit variabler Linse minimiert wird.
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Es wird darüber hinaus in Erwägung gezogen, dass die driftkompensierende Linsenbaugruppe der vorliegenden Ausführungsformen in Kombination mit anderen driftverringernden Verfahren verwendet werden kann, z. B. Temperaturstabilisierung der Systeme mit variabler Linse oder optischen Rückkopplungssysteme. Als nicht-einschränkendes Beispiel sind solche Baugruppen in der gemeinsam zugewiesenen US-Patentanmeldung mit der fortlaufenden Nummer 14/139,867, mit dem Titel ”CONSTANT MAGNIFICATION LENS FOR VISION SYSTEM CAMERA”, von Nunnink; US-Patentanmeldung mit der fortlaufenden Nummer 13/800,055, mit dem Titel ”LENS ASSEMBLY WITH INTEGRATED FEEDBACK LOOP FOR FOCUS ADJUSTMENT”, von Nunnink et al.; und
US-Patent Nr. 8,576,390 ; mit dem Titel ”SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING AND CONTROLLING FOCAL DISTANCE IN A VISION SYSTEM CAMERA”, von Nunnink, gezeigt und beschrieben und hier durch Bezugnahme als nützliche Hintergrundinformationen integriert,
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Es sollte klar sein, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen ein System bereitstellen, das für das Abbilden eines kleinen Merkmals (oder eines Satzes von Merkmalen) wie ID-Code über einen relativ großen Abstand besonders nützlich ist. Die Wirkung der Anordnung mit variabler Linse wird gemäß einer Ausführungsform unter Verwendung der Sammellinsenanordnung abgeschwächt. Diese Baugruppe ist innerhalb des gewünschten Betriebsbereichs und der gewünschten Merkmalsgröße akzeptabel.
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Das Vorstehende ist eine ausführliche Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung. Diverse Modifikationen und Hinzufügungen können vorgenommen werden, ohne sich vom Geist und Umfang dieser Erfindung zu entfernen. Merkmale jeder der oben beschriebenen diversen Ausführungsformen können nach Bedarf mit Merkmalen anderer beschriebener Ausführungsformen kombiniert werden, um eine Vielzahl von Merkmalkombinationen in zugehörigen neuen Ausführungsformen bereitzustellen. Auch wenn das Vorstehende eine Reihe von getrennten Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt, ist darüber hinaus das hier Beschriebene für die Anwendung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichend. Wie hier verwendet, werden z. B. richtungs- und ausrichtungsbezogene Ausdrücke wie ”vertikal”, ”horizontal”, ”oben”, ”unten”, ”untere”, ”obere”, ”seitlich”, ”vorne”, ”hinten”, ”links”, ”rechts” und dergleichen nur als relative Konventionen und nicht als absolute Ausrichtungen in Bezug auf ein festes Koordinatensystem wie Schwerkraft verwendet. Außerdem wird in Erwägung gezogen, dass das System, auch wenn die gezeigte Linsenanordnung in eine entfernbare Linseneinheit integriert ist, in einer festen und/oder dauerhaft befestigten Linse verwendet werden kann. Auch wenn die oben beschriebenen Linsengrößen und abstandshaltenden Abstände für den beispielhaften Betriebsbereich verwendet werden, können gleichermaßen solche Größen und Abstand bei Baugruppen, die ähnliche relative Parameter, aber eine größere oder kleinere Gesamtgröße aufweisen, hoch- oder runterskaliert werden. Wenn eine ”Linsenanordnung” hier verwendet und/oder beschrieben wird, kann sie außerdem aus einer oder mehreren einzelnen Linsen bestehen, die eine gewünschte optische Wirkung bereitstellen. Demgemäß soll die Beschreibung nur beispielhaft und den Umfang der Erfindung nicht anderweitig einschränkend ausgelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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