用於將攝像頭透鏡法蘭校準到傳感器距離的方法和設備的製作方法
2023-12-11 15:03:07 2
用於將攝像頭透鏡法蘭校準到傳感器距離的方法和設備的製作方法
【專利摘要】用於機器視覺系統的方法和攝像頭組件，該組件包括：形成安裝法蘭的支承結構，該法蘭被配置耦合多個可互換的電控可調節焦距透鏡組件中的任意、二維圖像傳感器，由該支承結構所支承並形成與安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面、以及處理器，該處理器被用法蘭焦距誤差編程且當把透鏡安裝到安裝法蘭上時，該處理器使用該法蘭焦距誤差來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
【專利說明】用於將攝像頭透鏡法蘭校準到傳感器距離的方法和設備
[0001]有關申請的交叉參考
[0002]不適用。
[0003]關於聯邦政府資助的研究或發展的聲明
[0004]不適用。
【背景技術】
[0005]本發明涉及成像系統的校準，更特定地，涉及校準以補償由於製造容差引起的法
蘭焦距誤差。
[0006]機器視覺行業已經開發了數碼攝像頭系統，用於獲取用於代碼標識和解碼以及視覺檢測系統的高質量圖像。數碼攝像頭通常包括二維CMOS或CXD傳感器陣列、透鏡組件、透鏡安裝法蘭、以及攝像頭處理器。透鏡組件附連至透鏡安裝法蘭，透鏡安裝法蘭被認為將透鏡組件位於離傳感器特定距離處。例如，在C-安裝攝像頭的情況下，安裝法蘭和傳感器平面之間的特定距離為17.526毫米。相似地，在CS-安裝攝像頭的情況下，安裝法蘭和傳感器平面之間的特定距離為12.5毫米。處理器被編程為以計算而控制攝像頭焦距的方式來控制透鏡，其中控制特性至少部分地基於安裝法蘭和傳感器陣列之間的特定距離。
[0007]一個類型的透鏡組件是電動透鏡型，其中用馬達沿光軸移動透鏡部件來調節焦距。另一個類型的透鏡組件是可變光功率型組件，諸如液體透鏡，其中是修改透鏡的形狀來調節距離而不是沿光軸移動透鏡來調節焦距。為了控制電動透鏡，處理器調節到透鏡的控制信號，以驅動透鏡馬達而修改焦距。為了控制液體透鏡，處理器調節施加於透鏡上的電壓以改變透鏡的形狀從而調節焦距。
[0008]已經開發了可與許多不同類型的透鏡一起使用的一些攝像頭系統。其中單個攝像頭組件可使用幾個不同類型的液體透鏡，不同的透鏡一般具有不同的透鏡特定工作特性，這些工作特性存儲在安裝在透鏡上的存儲器設備中，可被用於計算處理器如何控制透鏡而調節焦距，等等。當把液體透鏡附連至安裝法蘭上時，處理器從透鏡存儲器設備處讀取工作特性且此後以與工作特性和攝像頭安裝類型(例如，C-安裝、CS-安裝、其它)一致的方式來控制透鏡。例如，在計算施加於透鏡的電壓以控制透鏡的形狀並且導致發生特定的光功率，該工作特性和特定攝像頭安裝類型的特性可以是有用的。
[0009]與現有的基於CXD或CMOS的攝像頭系統有關的一個問題是與CXD或CMOS傳感器陣列有關的製造容差，經常導致法蘭焦距誤差，繼而導致焦距誤差。例如，CCD傳感器陣列包括安裝在印刷電路板(PCB)上的CCD陣列，然後印刷電路板安裝在系統支承結構中。該PCB和陣列的厚度可感知地改變並導致法蘭焦距誤差(即，對於特定透鏡類型，與特定的或理想的法蘭焦距的偏差)。傳感器芯在其封裝中的位置的容差也可感知地對於法蘭焦距誤差做出貢獻。已經憑經驗地確定法蘭焦距誤差可導致聚焦誤差，在某些視覺應用中，聚焦誤差會大於景深，以致該誤差實質上影響整個系統的性能。
[0010]與法蘭焦距誤差相關聯的問題的一個解決方案是在裝運傳感器陣列(例如，C⑶陣列)和特定透鏡(例如，特定類型的液體透鏡)的組合之前工廠校準該組合。這個解決方案只在工廠安裝的透鏡將與傳感器陣列一起使用的情況下才有效，這個解決方案不允許其它具有可變能力的透鏡與工廠安裝的透鏡進行交換。
[0011]另一個解決方案是把校準目標集成到攝像頭組件中位於離傳感器陣列已知距離處或集成應用環境中位於距離傳感器陣列已知距離處，並且對系統進行編程，在調試過程(commissioning procedure)期間,每次啟動組件時對其本身進行再校準。類似解決方案是在安裝系統之後用放置在離傳感器陣列已知距離處的目標，現場校準傳感器陣列和透鏡組合。不幸地，這些解決方案中的每一個需要附加的調試過程步驟。此外，每次用一個類型的透鏡與不同類型的透鏡交換時，這些解決方案包括必須重複的一些過程。
[0012]與法蘭焦距誤差相關聯的問題的另一個解決方案是提供機械調節機構，用於製造後調節安裝法蘭和傳感器平面之間的法蘭焦距，補償或消除法蘭焦距誤差。儘管是可能的，但是這個解決方案需要極精確的機械調節組件且因此需要另外的系統部件而增加了總成本。
[0013]一個其它的解決方案是設計閉環自動聚焦系統，其中獲取圖像序列，並且系統根據測量到的圖像銳度來調節透鏡以設置最優焦距。這個解決方案不能在快速移動的應用中良好地工作，在這些應用中沒有足夠的時間來分析一系列圖像並調節每個所得圖像之間的焦距以尋找聚焦設置。
[0014]因此，有利的是具有不論與系統一起使用的透鏡類型而可自動補償法蘭焦距誤差的攝像頭系統。
【發明內容】
[0015]已經認識到，在製造後可測量特定傳感器/法蘭組件的法蘭焦距誤差，並且存儲在與傳感器/法蘭組件物理地相關聯的存儲器設備中。然後，當把透鏡安裝到安裝法蘭上時，可對系統處理器編程，以自動地調節透鏡而補償法蘭焦距誤差。例如，當在C-安裝傳感器/法蘭組件上的法蘭焦距誤差短了 250微米時(B卩，比規定的17.526毫米短250微米)，可對處理器編程以在相對的方向上自動驅動電動透鏡組件中的透鏡250微米，使傳感器到透鏡的距離延伸250微米，藉此消除誤差。
[0016]在諸如液體透鏡之類的可變光功率透鏡的情況中，補償法蘭焦距誤差所要求的光功率量取決於透鏡的有效焦距。在很多情況中，透鏡的有效焦距作為透鏡工作參數存儲於透鏡存儲器內。當把透鏡安裝到攝像頭上時，攝像頭處理器可使用有效焦距值以及法蘭焦距誤差值來標識補償誤差所需要的光功率。可把光功率作為信號發送到透鏡驅動器，導致驅動器控制透鏡上的電壓以改變透鏡形狀並且獲取補償誤差所需要的光功率。
[0017]根據上述評論，至少某些創新性的實施例包括用於機器視覺系統的攝像頭組件，該組件包括形成安裝法蘭的支承結構，該安裝法蘭被配置成與多個可互換電控可調節焦距透鏡組件中的任意耦合、二維圖像傳感器，由該支承結構支承並形成與安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面、以及處理器，在正常工作之前的調試過程期間用法蘭焦距誤差來編程該處理器，從而當把透鏡安裝到安裝法蘭上時，該處理器產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差，其中法蘭焦距誤差是理想法蘭焦距和法蘭焦距之差。
[0018]一些實施例還包括由支承結構支承的存儲器，並且該存儲器在組件正常工作之前存儲法蘭焦距誤差並在此後與多個可調節焦距透鏡組件一起使用該法蘭焦距誤差。在一些情況中，在調試過程期間使用第一透鏡組件確定法蘭焦距誤差，且此後在正常工作期間與至少第二透鏡組件一起使用。
[0019]在一些情況中，由形成安裝法蘭的支承結構來支承該處理器。一些實施例還包括鄰近安裝法蘭並連接到處理器的電接觸，當把透鏡組件安裝到安裝法蘭上時，這些電接觸連接到透鏡組件上的接觸，向透鏡組件提供透鏡控制信號。在一些情況中，當把透鏡組件安裝到安裝法蘭上時，還可對處理器編程以從透鏡組件得到透鏡特性，並且使用該透鏡特性來產生透鏡控制信號，以補償法蘭焦距誤差。在一些情況中，透鏡包括固定的玻璃成像器(glass imager)透鏡和液體透鏡。在一些情況中，透鏡特性包括成像器透鏡的有效焦距。
[0020]一些實施例還包括距離確定器，用於確定從攝像頭到要成像的目標的目標距離，還對處理器編程以使用該目標距離來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。在一些情況中，透鏡組件是電動透鏡組件，並且控制信號導致透鏡組件調節等於法蘭焦距誤差的量。在一些情況中，把法蘭焦距誤差編碼到由處理器運行的軟體中以產生透鏡控制信號。
[0021]其它實施例包括用於機器視覺系統的攝像頭組件，該組件包括形成安裝法蘭的支承結構，該安裝法蘭被配置成與多個可互換電控可調節焦距的透鏡組件中的任意耦合、二維圖像傳感器，由該支承結構支承並形成與安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面、存儲器，由該支承結構支承並在組件正常工作之前存儲法蘭焦距誤差且此後與多個可調節焦距透鏡組件一起使用，其中法蘭焦距誤差是理想法蘭焦距和法蘭焦距之差、以及處理器，由該支承結構支承並被編程為從該存儲器處得到法蘭焦距誤差，並且當把透鏡安裝到安裝法蘭上時，使用該法蘭焦距誤差產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
[0022]在一些情況中，處理器被進一步編程為，當把透鏡安裝到支承結構上時，從透鏡存儲器獲取至少一個透鏡特性，並且使用法蘭焦距誤差和該透鏡特性來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。一些實施例還包括距離確定器，用於確定從攝像頭到要成像的目標的目標距離，處理器被進一步編程為使用該目標距離來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
[0023]又一些實施例包括與用於機器視覺系統中的攝像頭組件一起使用的方法，其中該攝像頭組件包括形成安裝法蘭的支承結構，該安裝法蘭被配置成與多個可互換電控可調節焦距的透鏡組件中的任意耦合、二維圖像傳感器，由該支承結構支承的二維圖像傳感器並形成與安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面、以及處理器，該方法包括在攝像頭正常工作之前的調試過程期間的步驟，測量作為理想法蘭焦距和法蘭焦距之差的法蘭焦距誤差、並對處理器編程從而當在組件的正常工作期間把鏡頭安裝到安裝法蘭上與組件一起使用時，使用該法蘭焦距誤差來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
[0024]在一些情況下，攝像頭組件還包括由支承結構支承的存儲器，編程的步驟包括在存儲器中存儲法蘭焦距誤差，其中處理器被編程為從該存儲器取回該法蘭焦距誤差。在一些情況下，在調試過程期間使用第一透鏡組件來確定法蘭焦距誤差，且此後在正常工作期間用至少第二透鏡組件來使用法蘭焦距誤差。在一些情況下，處理器被進一步編程為，當把透鏡組件安裝到安裝法蘭上時，從透鏡組件獲取透鏡特性，並且使用該透鏡特性來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
[0025]在一些情況下，透鏡特性包括與透鏡組件相關聯的有效焦距。在一些情況下，安裝到法蘭的透鏡組件是電動透鏡組件，並且控制信號導致透鏡組件調節等於法蘭焦距誤差的量。在一些情況下，把法蘭焦距誤差編碼到由處理器運行的軟體中以產生透鏡控制信號。
[0026]其它實施例包括與用在機器視覺系統中的攝像頭組件一起使用的方法，其中該攝像頭組件包括形成安裝法蘭的支承結構，該安裝法蘭被配置成與多個可互換電控可調節焦距的透鏡組件中的任意耦合、二維圖像傳感器，由該支承結構支承並形成與安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面、由該支承結構支承的存儲器、以及處理器，該方法包括在攝像頭正常工作之前的調試過程期間的步驟，測量作為理想法蘭焦距和法蘭焦距之差的法蘭焦距誤差、在存儲器中存儲法蘭焦距誤差、對處理器編程以從存儲器取回該法蘭焦距誤差、以及當在組件正常工作期間把透鏡安裝到安裝法蘭上時，使用該法蘭焦距誤差來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
[0027]在一些情況下，處理器被進一步編程為，當把透鏡安裝在支承結構上時，從透鏡存儲器獲取至少一個透鏡特性，並且使用該法蘭焦距誤差和透鏡特性來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。一些實施例還包括距離確定器，用於確定從攝像頭到要成像的目標的目標距離，處理器還被編程為使用該目標距離來產生透鏡控制信號以補償法蘭焦距誤差。
[0028]從下面的說明書，本發明的這些和其它目的、優點和方面將變得顯而易見。在說明書中，對形成說明書一部分的附圖進行參考，並且其中示出本發明的一個較佳實施例。如此的實施例不必定表示本發明完整的範圍，因此，參考這裡的權利要求書作為本發明的範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是根據本發明至少一些方面的攝像頭/透鏡組件的透視圖；
[0030]圖2是圖1所示的組件的部分橫截面圖，然而具有與攝像頭子組件隔開的透鏡子組件；
[0031]圖3與圖2相似，然而示出安裝到攝像頭子組件上的透鏡子組件；
[0032]圖4是示出圖3所示的攝像頭/透鏡組件的示意圖；
[0033]圖5是示出根據本發明的至少一些方面的與液體透鏡子組件一起使用的過程的流程圖；以及
[0034]圖6是示出根據本發明的至少一些方面的與電動透鏡子組件一起使用的過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0035]下面將描述本發明的一個或多個特定實施例。應該理解，在任何實際實施的開發中，如在任何工程或設計項目中，必須作出許多實施-特定的決定以獲取開發者的特定目標，諸如符合與系統有關的以及與行業有關的約束，從一個實施到另一個實施，這些約束可能是變化的。此外，應該理解，如此的開發努力是複雜的和花費時間的，但是對於獲取本揭示益處的熟悉本領域普通技術的人員來說，是進行設計、製造、生產的一個常規工作。
[0036]將在圖1到3中示出的和圖4中示意性地示出的示例性攝像頭/透鏡組件10的上下文中描述本發明。組件10包括攝像頭子組件11和透鏡子組件14。攝像頭子組件11包括攝像頭外殼12、處理單元或處理器24以及圖像傳感器陣列26。在圖示實施例中，示出外殼12為一起形成外殼結構的數個部件。在其它實施例中，可組合其它部件子集以形成外殼結構，且在至少一些情況中，單個模製部件可形成該外殼結構。[0037]仍參考圖1到4，外殼12形成一般開口向一側(例如，圖2和3中所示的左側)的外殼腔體20。處理器24 (見圖4)安裝到腔體20中的PCB27上。圖像傳感器26包括安裝到PCB27表面的CCD、CMOS、或其它類型2D平面傳感器陣列，並且傳感器/PCB組件安裝在腔體20中以使傳感器26面對腔體的開口端。沿攝像頭成像軸35配置傳感器26。參考圖2和3，在安裝之後，圖像傳感器26的感測表面位於感測平面37中。圖像傳感器26連接到處理器24。
[0038]仍參考圖2和3，外殼12還形成面向腔體20的開口端的法蘭表面或法蘭41以及通過法蘭表面41通向腔體20內的螺紋母接頭開口 30。開口 30圍繞成像軸35對稱地形成且鄰近圖像傳感器26的感測表面。法蘭焦距(FFD)存在於圖像傳感器26的感測平面37和法蘭表面39之間，如圖2和3中所標出。
[0039]參考圖1和4，攝像頭子組件11在接頭開口 30附近形成電氣母接頭或埠 16。埠 16被設計為安全地接收電氣公插頭件14並機械耦合至其，該電氣公插頭件14形成透鏡子組件14的一部分，以使可從處理器24發送透鏡控制信號到透鏡子組件14，以使在至少一些實施例中，處理器24可從透鏡存儲器讀取透鏡特性。
[0040]參考圖4，除了上面描述的部件之外，攝像頭子組件11包括電源53、存儲器42、和距離測量設備40。在至少一些實施例中，電源53是電池。處理器24連接到電源53以從其接收功率。處理器24還連接到存儲器42。在存儲器42中存儲了一些算法，處理器24執行這些算法而進行根據本發明至少某些方面的方法。此外，存儲器42還存儲了執行創新的方法或過程所需要的數據。
[0041]距離測量設備40包括可用於確定攝像頭組件10和要成像的目標表面之間的距離的設備或子組件。在本【技術領域】中，各種測量設備是眾所周知的，因此不再在此詳細描述。設備40連接到處理器24以在組件工作期間向處理器24提供瞬時的攝像頭到目標距離值(見圖4中的d)。雖然這裡描述的實施例包括測量設備40作為攝像頭組件10的一部分，但是可提供與組件10分立的設備40。
[0042]再參考圖1到4，在至少一些實施例中，透鏡子組件14包括透鏡支承結構17、液體透鏡組件32、固定玻璃成像器透鏡55 (或固定透鏡組)、透鏡存儲器設備44 (具體見圖4)、驅動器51、以及電氣公插頭18 (具體見圖1)。一般用剛性塑料材料形成支承結構17，並且如標註所示，支承結構17提供包括透鏡子組件14的其它部件的支承。儘管在所示的例子中結構17被圖示為包括數個部件，在至少一些實施例中，可用不同部件子組來形成結構17，或甚至由單個部件來形成結構17。結構17支承驅動器51、存儲器44、插頭18、成像器透鏡55、和液體透鏡組件32的每一個。
[0043]結構17具有其它特徵，用於把透鏡子組件14耦合到攝像頭子組件11，並且與攝像頭子組件的各特徵配合來企圖精確地相對相對於攝像頭部件來放置透鏡子組件部件。關於這一點，再參考圖3和4，支承結構17形成總體圓柱形的通道，其中沿光軸安裝了固定和液體透鏡並與光軸對準。結構17的外表面形成圓柱螺紋公接頭表面34，被設計成耦合至由攝像頭外殼12形成的螺紋母接頭開口 30。結構17還形成停止表面43，停止表面43垂直於螺紋表面34而延伸且被設計成在安裝時與法蘭表面41配合而限制透鏡子組件14相對於攝像頭子組件12的位置。
[0044]像透鏡32那樣的液體透鏡在本【技術領域】是眾所周知的，因此這裡不再詳細說明透鏡子組件32。此處應該足以說，液體透鏡32是可變焦距液體透鏡組件，它包括由彼此面對的兩個平行窗口定義的液體腔室以及主體，該窗口固定至該主體。優選地，該窗口是由諸如玻璃之類的透光材料形成的透明板。液體腔室包括相似濃度和具有不同光學指標的兩種不溶合的液體，這形成半月板形式的光學界面。液體之一優選是絕緣液體，例如，包括油和/或油性物質，而另一種優選是導電液體，例如，包括水溶液。液體透鏡還包括帽蓋和夾在帽蓋和主體之間的墊片，保證透鏡結構的緊密性。導電液體與由帽蓋形成的電極相接觸，並且液體-液體界面與包括絕緣的電極的主體的錐形部分接觸。通過電潤溼現象，根據施加於由帽蓋和主體形成的電極之間的電壓V，可能修改液體-液體界面的曲率。例如，曲率可從凹的第一形狀改變成相對更凹的第二形狀。因此，根據所施加的電壓，可使穿過液體腔室的光束聚焦至更大或更小程度。
[0045]參考圖4，由施加驅動電壓的驅動器51來電控液體透鏡組件32的致動器(未示出)，從而可以受控方式來改變光學透鏡組件14的焦距。驅動器51連接到插頭18以使當插頭18連接到埠 16 (再見圖1)時驅動器51可接收來自處理單元24的控制信號。在至少一些實施例中，透鏡存儲器44也電連接到插頭18以致當插頭18耦合到埠 16時，處理器24可讀取透鏡特性。
[0046]在至少一些實施例中，存儲器44包括EEPR0M，並且被用於存儲透鏡子組件14的各種特性。例如，在至少一些實施例中，存儲器44將存儲固定透鏡55 (再見圖4)的有效焦距。此外，存儲器44可存儲斜率值和偏移值，該斜率值和偏移值將液體透鏡32的光功率與改變透鏡形狀從而產生不同的光功率所需的施加的電壓值相關。
[0047]再參考圖2，為了把透鏡子組件14安裝到攝像頭子組件11，結構17被放置為使得透鏡公插頭的螺紋表面34和攝像頭外殼母插頭30的螺紋表面對齊，並且向攝像頭子組件11移動結構17直到螺紋嚙合。旋轉透鏡子組件14直到停止表面43鄰接法蘭表面41。此時，表面41和43配合而將組件14的各部件位於相對於攝像頭子組件部件的特定並列位置處。更特定地，表面41和43以及透鏡子組件和外殼12的其它支承結構配合而將透鏡55和32沿成像軸35放置(也見圖3)，並且企圖把透鏡32和55設置在相對於圖像傳感器26的感測表面的已知位置處。
[0048]處理器24執行的、用於產生控制透鏡組件32的液體透鏡控制信號的計算是基於如此假設:透鏡32和35位於相對於傳感器26的精確位置處。因此，透鏡和傳感器之間並列的任何變化會負面地聚焦在離組件10 —距離處的目標表面(見圖4中69)上的能力。因此，當製造攝像頭子組件11時，法蘭焦距FFD (再見圖2和3)是一個特別重要的尺寸。
[0049]如上所述，為了各種原因，在製造期間難以控制FFD從而經常發生FFD誤差(eFFD)，這會負面地影響攝像頭組件10將目標69的圖像聚焦在傳感器26感測表面上的能力。
[0050]根據本發明的至少一些實施例，為了補償eFFD，在製造完成之後，可以對每個攝像頭子組件11計算eFFD，並且可把該eFFD存儲在攝像頭存儲器42中，供處理器24使用以補償誤差。然後，正常工作期間，在把透鏡子組件安裝到攝像頭子組件11上後，處理器可使用該eFFD來控制可變焦距透鏡子組件以補償eFFD。
[0051]在像透鏡32那樣的液體透鏡的情況中，其中必須改變透鏡控制信號以補償eFFD的方式取決於透鏡的有效焦距。如上所述，包括液體透鏡的很多透鏡子組件配備有存儲在透鏡存儲器44中的透鏡焦距，在透鏡安裝時，處理器24可讀取該透鏡焦距。[0052]關於透鏡控制信號的計算，可由下面一般式來表達對於示例性攝像頭組件的目標在此處聚焦的距離d:
[0053]I/d=LLop+ILop-l/ (FFDi+eFFD) 式 I
[0054]其中LLop是液體透鏡32的光功率，ILop是成像器透鏡55的光功率，兩者都以屈光度來表達，FFDi是理想法蘭焦距(即，沒有eFFD時的法蘭焦距)，而eFFD是法蘭焦距誤差。可把成像器透鏡的光功率ILop表達為成像器透鏡的有效焦距的倒數，如式2:
[0055]ILop=I/efl 式 2
[0056]可組合式I和2，重寫以計算聚焦在特定距離d處的目標所需要的液體透鏡32的光功率如下:
[0057]LLop=l/d-l/efl+l/(FFDi+eFFD) 式 3
[0058]在液體透鏡攝像頭存儲器44中存儲有效焦距efl。在製造之後測量法蘭焦距誤差eFFD，並且存儲在攝像頭存儲器42中。此外，攝像頭子組件11是特定類型的(例如，C-安裝、CS-安裝等)，且因此其表徵為理想法蘭焦距FFDi,可把它編程到處理器24執行的算法中。因此，當經由距離測量設備40測量攝像頭到目標距離d並且將其提供給處理器24時，處理器24通過分別從存儲器44和42讀取的有效焦距和法蘭焦距誤差，以及求解式3，就可計算聚焦在距離d處的目標所需要的液體透鏡光功率LLop。一旦確定了光功率LLop，處理器24產生提供給透鏡驅動器51的控制信號，以指定在距離d處聚焦所需要的液體透鏡光功率。在至少一些實施例中，提供控制信號作為PWM信號，但也可設想其它類型的控制信號。
[0059]仍參考圖4，用各種液體透鏡參數對驅動器51編程，使驅動器51控制液體透鏡32而調節透鏡32的光功率使之與使用式3計算的功率值匹配。為此，如行業中所周知，透鏡
32由使光功率與施加於透鏡的電壓電平相關的斜率和偏移值所表徵。對透鏡確定斜率和偏移，並且存儲在透鏡存儲器44中供驅動器51使用。驅動器51把電壓提供給透鏡致動器以控制液體透鏡光功率。
[0060]在攝像頭子組件11製造後，可使用各種方法中的任何一種來測量法蘭焦距誤差eFFD。例如，在至少一些情況中，可把液體透鏡安裝到待測量誤差eFFD的攝像頭上，並且使目標位於離開攝像頭組件已知距離處。處理器通過用已知距離d來求解式3並假設零法蘭焦距誤差eFFD而計算液體透鏡的光功率LLop。在改變式3中的eFFD值的同時可控制攝像頭組件來獲取目標圖像，藉此改變液體透鏡的光功率，直到獲取尖銳聚焦的圖像結果。然後可把與聚焦的圖像對應的誤差eFFD存儲在攝像頭存儲器42中以便以後與其它透鏡一起使用。
[0061]作為另一個實例，可把液體透鏡安裝到已知具有理想法蘭焦距FFDi的第一攝像頭上，並且可使該第一攝像頭/透鏡組件相對於目標定位而放置，以使在把液體透鏡被設置到特定光功率時，所得圖像是尖銳的。測量當圖像尖銳的該第一攝像頭/透鏡組件和目標之間的第一距離。接著，不改變透鏡上的聚焦設置，把透鏡安裝到待確定eFFD的第二攝像頭上。相對於目標移動第二攝像頭/透鏡組件直到獲取尖銳圖像結果，並且測量第二攝像頭/透鏡到目標距離。可使用已知有效焦距和第一和第二距離之差來計算誤差eFFD (例如，通過求解式3的一個版本)，然後存儲而供以後使用。
[0062]現在參考圖5，示出表示根據本發明的至少一些實施例的至少一些方面的方法的流程圖50。還參考圖4，在框52處，在透鏡存儲器44中存儲成像器透鏡55的有效焦距efl。此外，雖然在圖5中沒有示出，但是在框52處還存儲與光功率和透鏡電壓關係相關聯的斜率和偏移值，驅動器51使用該斜率和偏移值來控制液體透鏡。在框54處，在已經製造攝像頭組件之後，測量法蘭焦距誤差eFFD，並且存儲在攝像頭存儲器42中。在框56處，把多個不同液體透鏡組件的任何一個(例如，見圖2中的示例性組件14)安裝到攝像頭子組件11上。在至少所示出的實施例中，安裝包括透鏡子組件14安裝到攝像頭子組件11上的機械安裝、以及在埠 16中接收插頭18以形成處理器24和驅動器51之間的電連接以及透鏡存儲器44和處理器24之間的數據通信鏈路。
[0063]仍參考圖5，在把透鏡子組件14安裝到攝像頭子組件11上後，處理器24從透鏡存儲器讀取數據。在上述實施例中，處理器從存儲器44讀取有效焦距efl。在框60處，在正常工作期間，當使用攝像頭/透鏡組件10以得到距離d處的目標(見圖4中69)的圖像時，在框60處，距離測量設備40首先確定攝像頭到目標距離d，並且把值d提供給處理器
24。在框62處，處理器24從攝像頭存儲器42讀取法蘭焦距誤差eFFD。在框64處，處理器24使用法蘭焦距誤差eFFD、有效焦距efl、以及從框60測量到的距離d來計算把距離d處的目標圖像聚焦在傳感器26上所需要的液體透鏡光功率(再見圖4)。在框66處，處理器24產生透鏡控制信號，並且把透鏡控制信號提供給液體透鏡驅動器51，指示所需要的光功率。在框68處，驅動器51使用控制信號以及與液體透鏡32相關聯的斜率和偏移值，將液體透鏡電壓設置為計算的產生所需要的光功率的電平。
[0064]在至少一些實施例中，構想的是，代替液體透鏡子組件，可將電動透鏡子組件與如上所述的攝像頭子組件一起使用。在使用電動透鏡組件時，如上所述，法蘭焦距誤差對攝像頭組件在聚焦目標的能力具有相似的效果。在電動透鏡子組件的情況中，可在不獲取任何信息(諸如離透鏡子組件的有效焦距)的情況下補償法蘭焦距誤差。而是，可對處理器24編程，簡單地調節電動透鏡的控制達等於法蘭焦距誤差的量但是在反方向，藉此沿成像軸35移動電動透鏡組件。例如，再參考圖2，其中實際法蘭焦距FFD比理想法蘭焦距FFDi大250微米以致法蘭焦距誤差eFFD是+ 250微米，可控制處理器24簡單地調節電動透鏡子組件，使子組件透鏡沿成像軸35向圖像傳感器26移動250微米，以直接補償誤差。類似地，在其中法蘭焦距誤差是一 250微米的情況下，可對處理器24編程，使透鏡子組件中的透鏡沿軸35離開圖像傳感器26移動250微米。
[0065]再參考圖4，在包括電動透鏡的攝像頭組件的情況中，圖4的示意圖不包括透鏡存儲器44，並且可由通過合適的驅動器51驅動的電動透鏡組件代替液體透鏡32和固定透鏡55。
[0066]現在參考圖6，示出示例性方法70，當把電動透鏡子組件安裝到攝像頭子組件11上時，可使用該方法來補償法蘭焦距誤差。也參考圖4，在框72處，測量攝像頭的法蘭焦距誤差eFFD，並且存儲在攝像頭存儲器42中。在框72處，把電動透鏡子組件安裝到攝像頭子組件上。在框78處，在正常工作期間，當要得到距離d處的目標的圖像時，使用距離測量設備40來確定攝像頭子組件11和目標69之間的距離d。在框80處，處理器24從存儲器42讀取法蘭焦距誤差eFFD。在框84處，處理器24通過法蘭焦距誤差eFFD和距離d的函數來調節透鏡位置以補償誤差。
[0067]儘管本發明容許各種修改和替換形式，已經在附圖中以示例方式示出了特定實施例，並且已經在這裡進行了詳細描述。然而，應該理解，本發明不旨在限制所揭示的特定形式。例如，當把上述示例中用於控制透鏡的處理器安裝到攝像頭外殼時，應該理解，應該把處理器直接安裝到透鏡上或安裝在透鏡外殼中。在這個情況中，當透鏡連接到攝像頭子組件時，基於透鏡的處理器可從攝像頭存儲器讀取法蘭焦距誤差，並且執行上述過程中之一。作為另一個示例，在液體透鏡的情況中，通過攝像頭處理器可從透鏡存儲器讀取諸如定義電壓和光功率關係的斜率和偏移值之類的其它透鏡特性、以及有效焦距，並且處理器可產生與控制信號相反的透鏡電壓信號來影響所需要的光功率。
[0068]作為又一個示例，儘管在上述實施例包括攝像頭存儲器，其中在製造之後和攝像頭組件正常工作之前把測量到的法蘭焦距誤差存儲在該攝像頭存儲器中，但是在其它實施例中，在計算法蘭焦距誤差之後，可修改式3來反映誤差從而實際上把誤差編程到由處理器24運行的軟體中。因此，上述式3中最後的因子會塌縮為(collapse into)常數值，因為在計算誤差之後理想法蘭焦距FFDi和誤差eFFD兩者都是已知的。以此方式，因為直接把誤差eFFD編碼到處理器24運行的軟體中而可取消圖4中的存儲器42。
[0069]因此，本發明覆蓋落在如下所附的權利要求書定義的本發明的精神和範圍內的所有修改、等效物以及替代。
[0070]為了告知公眾本發明的範圍，作出下列權利要求。
【權利要求】
1.一種用於機器視覺系統中的攝像頭組件，所述組件包括: 形成安裝法蘭的支承結構，所述安裝法蘭被配置成與多個可互換電控制可調節焦距的透鏡組件中的任意耦合； 二維圖像傳感器，由所述支承結構支承並形成與所述安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面；以及 存儲器，由所述支承結構支承並在所述組件正常工作之前存儲法蘭焦距誤差，其中法蘭焦距誤差是理想法蘭焦距和法蘭焦距之差。
2.如權利要求1所述的攝像頭組件，其特徵在於，處理器，被編程為當把透鏡安裝到所述安裝法蘭上時，使用所述法蘭焦距誤差來產生透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
3.如權利要求2所述的攝像頭組件，其特徵在於，所述處理器由形成所述安裝法蘭的所述支承結構所支承。
4.如權利要求2所述的攝像頭組件，其特徵在於，還包括可調節焦距透鏡組件，其中所述處理器由所述透鏡組件支承且在透鏡組件連接到安裝法蘭後從所述存儲器獲取所述焦距誤差。
5.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，在調試過程期間使用第一透鏡組件確定所述法蘭焦距誤差，且此後在正常工作期間與至少第二透鏡組件一起使用所述法蘭焦距誤差。
6.如權利要求3所述的組件，其特徵在於，還包括鄰近安裝法蘭且連接至所述處理器的電接觸，當把所述透鏡組件安裝到所述安裝法蘭上時，所述電接觸用於連接到位於透鏡組件上的接觸，從而向所述·透鏡組件提供所述透鏡控制信號。
7.如權利要求6所述的組件，其特徵在於，所述處理器被進一步編程為，當把透鏡組件安裝到所述安裝法蘭上時，從所述透鏡組件獲取透鏡特性，並且使用所述透鏡特性來產生透鏡控制信號，以補償所述法蘭焦距誤差。
8.如權利要求7所述的組件，其特徵在於，所述透鏡包括固定的玻璃成像器透鏡和液體透鏡。
9.如權利要求8所述的組件，其特徵在於，所述透鏡特性包括所述成像器透鏡的有效焦距。
10.如權利要求2所述的組件，其特徵在於，還包括距離確定器，用於確定從攝像頭到要成像的目標的目標距離，所述處理器還被編程為使用所述目標距離來產生所述透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
11.如權利要求2所述的組件，其特徵在於，所述透鏡組件是電動透鏡組件，並且所述控制信號導致所述透鏡組件調節等於法蘭焦距誤差的量。
12.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，把所述法蘭焦距誤差編碼到由所述處理器運行的軟體中以產生所述透鏡控制信號。
13.一種用於機器視覺系統中的攝像頭組件，所述組件包括: 形成安裝法蘭的支承結構，所述安裝法蘭被配置成與多個可互換電控可調節的焦距透鏡組件中的任意耦合； 二維圖像傳感器，由所述支承結構支承並形成與所述安裝法蘭隔開法蘭焦距的二維傳感器平面；存儲器，由所述支承結構支承並在所述組件正常工作之前存儲法蘭焦距誤差，此後與多個可調節焦距透鏡組件一起使用，其中所述法蘭焦距誤差是理想法蘭焦距和法蘭焦距之差；以及 處理器，被編程為從所述存儲器得到所述法蘭焦距誤差，並且當把透鏡安裝到所述安裝法蘭上時，使用所述法蘭焦距誤差產生透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
14.如權利要求13所述的組件，其特徵在於，所述處理器由形成所述安裝法蘭的支承結構所支承。
15.如權利要求13所述的組件，其特徵在於，所述處理器由所述可調節焦距的透鏡組件之一所支承。
16.如權利要求14所述的組件，其特徵在於，所述處理器被進一步編程為，當把透鏡安裝到支承結構上時，從透鏡存儲器獲取至少一個透鏡特性，並且使用所述法蘭焦距誤差和所述至少一個透鏡特性來產生所述透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
17.如權利要求13所述的組件，其特徵在於，還包括距離確定器，用於確定從攝像頭到要成像的目標的目標距離，所述處理器進一步被編程為使用所述目標距離來產生所述透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
18.一種與用於機器視覺系統中的攝像頭組件一起使用的方法，其中所述攝像頭組件包括形成安裝法蘭的支承結構，所述安裝法蘭被配置成與多個可互換電控可調節焦距的透鏡組件中的任意耦合、二維圖像傳感器，由所述支承結構支承並形成與安裝法蘭隔開法蘭焦距、以及處理器，所述方法包括下列步驟: 在攝像頭正常工作之前的調試過程期間，測量作為理想法蘭焦距和法蘭焦距之差的法蘭焦距誤差；以及 編程所述處理器來在所述組件正常工作期間當把透鏡安裝到安裝法蘭上與所述組件一起使用時，使用所述法蘭焦距誤`差來產生所述透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述攝像頭組件還包括由所述支承結構支承的存儲器，編程的步驟包括在所述存儲器中存儲所述法蘭焦距誤差，其中所述處理器被編程為從所述存儲器取回所述法蘭焦距誤差。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，在調試過程期間使用第一透鏡組件確定所述法蘭焦距誤差，且此後在正常工作期間用至少第二透鏡組件來使用所述法蘭焦距誤差。
21.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述處理器被進一步編程為，當把所述透鏡組件安裝到所述安裝法蘭上時，從所述透鏡組件獲取透鏡特性，並且使用所述透鏡特性來產生所述透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述透鏡特性包括與所述透鏡組件相關聯的有效焦距。
23.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，安裝至所述法蘭的透鏡組件是電動透鏡組件，並且所述控制信號導致所述透鏡組件調節等於所述法蘭焦距誤差的量。
24.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，把所述法蘭焦距誤差編碼到由所述處理器運行的軟體中以產生所述透鏡控制信號。
25.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述攝像頭組件包括由所述支承結構支承的存儲器，所述方法還包括下列步驟:在所述存儲器中存儲所述法蘭焦距誤差；以及對所述處理器編程以從所述存儲器取回所述法蘭焦距誤差。
26.如權利要求25所述的方法，其特徵在於，所述處理器被進一步編程為，當把透鏡安裝在所述支承結構上時，從透鏡存儲器獲取至少一個透鏡特性，並且使用所述法蘭焦距誤差和所述至少一個透鏡特性來產生所述透鏡控制信號以補償所述法蘭焦距誤差。
27.如權利要求25所述的方法，其特徵在於，還包括距離確定器，用於確定從攝像頭到要成像的目標的目標距離，所述處理器被進一步編程為使用所述目標距離來產生所述透鏡控制信號以補償 所述法蘭焦距誤差。
【文檔編號】G02B7/02GK103852852SQ201310632355
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2012年12月3日
【發明者】L·努寧克, M·哈爾特, R·德拉紹斯 申請人:康耐視公司