DE102013106585B4

DE102013106585B4 - System und Verfahren zur Feststellung der Brennweite einer Objektivanordnung

Info

Publication number: DE102013106585B4
Application number: DE102013106585.6A
Authority: DE
Inventors: Laurens Nunnink
Original assignee: Cognex Corp
Current assignee: Cognex Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2021-04-29
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103576280B; US8576390B1; US20140218590A1; CN103576280A; US9076199B2; DE102013106585A1

Abstract

System zur Feststellung der Brennweite einer Objektivanordnung (114,300), umfassend:■ ein variables Objektiv (L2), das sich entlang einer optischen Achse (OA) der Objektivanordnung (114, 300) befindet, und das derart konstruiert und angeordnet ist, um eine variable Fokussierungseinstellung bereitzustellen;■ eine Kalibrierungsanordnung (310), die in der Objektivanordnung (114, 300) integriert ist, wobei die Kalibrierungsanordnung (310) ein projiziertes Lichtmuster enthält, das variabel auf einen Kamerasensor (116) projiziert wird, der Licht von der Objektivanordnung (114, 300) basierend auf der Fokussierungseinstellung des variablen Objektivs (L2) empfängt; und■ einen Fokussierungsprozess (160), der die Brennweite der Objektivanordnung (114, 300) an der Fokussierungseinstellung basierend auf vorbestimmten Kalibrierungsinformationen bezüglich des Musters feststellt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft automatische Fokussierungssysteme für Kameraobjektive und insbesondere automatische Fokussierungsobjektive in Visionssystemkameras, die Flüssigkeits-Objektivanordnungen einsetzen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Visionssysteme, welche die Messung, Inspektion, Ausrichtung von Objekten und/oder die Entschlüsselung von Symbologie (z.B. von Strichcodes) ausführen, werden in einer Vielzahl von Anwendungen und Industriezweigen eingesetzt. Diese Systeme basieren auf der Verwendung eines Bildsensors, der Bilder (typischerweise der Graustufe oder in Farbe sowie in einer, zwei oder drei Dimensionen) des Subjekts oder Objekts erwirbt und verarbeiten diese erworbenen Bilder unter Verwendung eines Bord- oder zwischengeschalteten Visionssystemprozessors. Der Prozessor enthält im Allgemeinen sowohl die Verarbeitungs-Hardware als auch die nicht durchgängigen, computerlesbaren Programmanweisungen, die einen oder mehrere Visionssystemprozesse durchführen, um eine gewünschte Ausgabe basierend auf den verarbeiteten Informationen des Bilds zu generieren. Diese Bildinformationen werden typischerweise innerhalb einer Bildpixelmatrix bereitgestellt, jedes mit verschiedenen Farben und/oder Intensitäten. Im Beispiel eines Symbologie-(Strichcodes-) Lesegeräts erwirbt der Benutzer oder der automatische Prozess ein Bild eines Objekts, von dem angenommen wird, dass es einen oder mehrere Strichcodes enthält. Das Bild wird verarbeitet, um Strichcodemerkmale zu identifizieren, die dann durch einen Entschlüsselungsprozess und/oder den Prozessor entschlüsselt werden, um die durch den Strichcode repräsentierten, inhärenten alphanumerischen Daten zu erhalten.
Oftmals enthält eine Visionssystemkamera einen internen Prozessor sowie andere Komponenten, die es diesem erlauben, als eine eigenständige Einheit zu fungieren, das gewünschte Ausgabedaten (z.B. entschlüsselte Symbolinformationen) an einen nachgeschalteten Prozess bereitstellt, wie z.B. einem Lagerbestands-Computersystem.
Es ist wünschenswert, dass die Kameraanordnung wenigstens eine Objektivfassung enthält, wie z.B. die herkömmlich verwendete C-Fassung, die in der Lage ist, eine Vielzahl von Objektivkonfigurationen aufzunehmen, sodass sie an die spezifische Aufgabe des Visionssystems angepasst werden kann. Die Wahl der Objektivkonfiguration kann durch eine Vielfalt von Faktoren bestimmt sein, wie z.B. Belichtung/Beleuchtung, Bildfeld, Brennweite, relativer Winkel der Kameraachse sowie der abgebildeten Oberfläche und dem Feinheitsgrad der Details auf der abgebildeten Oberfläche. Zusätzlich können auch die Kosten des Objektivs und/oder der zur Befestigung des Visionssystem verfügbare Raum ebenfalls die Wahl des Objektivs bestimmen.
Eine beispielhafte Objektivkonfiguration, die für bestimmte Anwendungen des Visionssystems wünschenswert sein kann, ist die automatische Fokussierungsanordnung (automatische Scharfstellung). Beispielsweise kann ein automatisches Fokussierungsobjektiv durch eine sogenannte Flüssigkeits-Objektivanordnung ermöglicht werden. Eine Form des Flüssigkeits-Objektivs setzt zwei Iso-Dichtheits-Flüssigkeiten ein - wobei Öl ein Isolator ist, während Wasser ein Leiter ist. Die Variation der Spannung, die durch das Objektiv durch den umgebenden Schaltkreis hindurch geführt wird, führt zu einer Veränderung der Wölbung der Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Schnittstelle, was wiederum eine Veränderung der Brennweite des Objektivs verursacht. Einige wichtige Vorteile bei der Verwendung eines Flüssigkeits-Objektivs sind die Unempfindlichkeit des Objektivs (es besitzt keinerlei mechanischen beweglichen Teile), seine raschen Anlaufzeiten, seine relativ gute optische Qualität sowie seinen niedrigen Stromverbrauch und Größe. Die Verwendung eines Flüssigkeits-Objektivs kann wünschenswerterweise die Installation, den Aufbau und die Wartung des Visionssystems durch Eliminieren des Bedarfs, das Objektiv manuell zu berühren, vereinfachen. Relativ zu anderen automatischen Scharfeinstellungsmechanismen gesehen, hat das Flüssigkeits-Objektiv extrem rasche Anlaufzeiten. Es ist ebenfalls ideal für Anwendungen mit Ableseweiten, die sich von Objekt zu Objekt (Oberfläche zu Oberfläche) verändern oder während dem Wechsel des Ablesens eines Objekts zu einem anderen Objekt.
Eine jüngste Weiterentwicklung der Flüssigkeits-Objektiv-Technologie ist von der Optotune AG in der Schweiz erhältlich. Dieses Objektiv setzt eine bewegliche Membran ein, die einen Flüssigkeitstank bedeckt, um seine Brennweite zu variieren. Dieses Objektiv stellt vorteilhafterweise eine größere Blendenöffnung bereit, als konkurrierende Marken und arbeitet schneller. Aufgrund einer Thermaldrift und anderen Faktoren kann das Flüssigkeits-Objektiv jedoch mit der Zeit seine Kalibrierung und Brennweite verlieren .
Ein Ansatz zur erneuten Scharfeinstelllung eines Objektivs nach Verlust an Kalibrierung/Brennweite ist das Objektiv schrittweise in verschiedene Brennweitenpositionen zu fahren und die Schärfe ei nes Objekts zu messen, wie z.B. eines Laufzeitobjekts oder Kalibri erungsziels. Dies erfordert jedoch Zeit und Aufwand, was jeweils den Laufzeitbetrieb verkürzt und kann sich als eine unzuverlässige Technik erweisen (teilweise abhängig von der Qualität der Beleuchtung und dem Kontrast der abzubildenden Szene).
Das Dokument WO 2010 / 053 722 A1 offenbart eine elektrooptische Lesevorrichtung, mit einer Lichtquelle und einem variablen Fokussierelement. Des Weiteren ist eine Steuerungsvorrichtung zum Durchführen einer Selbstkalibrierung vorhanden.
Das Dokument DE 10 2009 047 249 A1 offenbart eine Autofokusvorrichtung mit einer Objektivlinse, einem optischen Beobachtungssystem und einem Antriebsmechanismus.
Das Dokument DE 10 2006 027 836 A1 offenbart ein Mikroskop mit einem Objektiv und einer Autofokuseinrichtung, die einen Autofokusstrahlengang aufweist. Des Weiteren ist eine Kamera zur Aufnahme eines zweidimensionalen Bilds vorhanden.
Das Dokument US 6 394 605 B1 offenbart ein Autofokusverfahren für einen Wellenfrontsensor
Es ist daher wünschenswert, ein System und ein Verfahren zur Stabilisierung der Brennweite eines Flüssigkeits- (oder anderen automatischen Fokussierungs-) Objektivs derart zu stabilisieren, dass es rasch und zu jeder Zeit während dem Kamerabetrieb eingesetzt werden kann. Dieses Syst,em und Verfahren sollte jeweils eine Objektivanordnung erlauben, die sich in einer herkömmlichen Kamera- Sockelbefestigung befestigen lässt und sollte dabei einen erheblichen Leistungsverlust bei der Durchführung der Aufgaben mit dem Visionssystem vermeiden. Das System und das Verfahren sollte jeweils eine Fokussierung über einen relativ weiten Bereich an Ableseweite erlauben (z.B. 20 cm bis 2 m).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung überwindet die Nachteile des Stands der Technik, indem es ein System und ein Verfahren zur Feststellung und Regelung der Brennweite in einer Objektivanordnung einer Visionssystemkamera unter Verwendung einer integrierten Kalibrierungsanordnung bereitstellt, welche optische Informationen an den Bildsensor der Kamera bereitstellt, die sich auf die Brennweite beziehen, während entlang der Bildachse Laufzeitbilder einer Szene erworben werden können. Bei einer illustrativen Ausführungsform enthält ein System und Verfahren zur Feststellung der Brennweite einer Objektivanordnung ein variables Objektiv, das sich entlang einer optischen Achse der Objektivanordnung befindet, das eine variable Brennweiteneinstellung bereitstellt. Dieses variable Objektiv kann mit einem feststehenden Bi Idwandler-Objektiv assoziiert sein, das entlang der optischen Achse zwischen dem variablen Objektiv und einem
Kamerasensor positioniert ist. Es wird eine neuartige Kalibrierungsanordnung bereitgestellt, die mit der Objektivanordnung integriert ist. Die Kalibrierungsanordnung erzeugt ein projiziertes Muster aus Licht, das sich variabel auf den Kamerasensor basierend auf den Brennweiteneinstellungen des variablen Objektivs projiziert. Das heißt, dass die Erscheinung und/oder Position des Musters basierend auf der Brennweiteneinstellung des variablen Objektivs variiert. Dies ermöglicht es einem Brennweitenprozess, die derzeitige Brennweite der Objektivanordnung basierend auf vorbestimmten Kalibrierungsinformationen festzustellen, die in Zusammenhang mit einem Visionssystemprozessor gespeichert sind, der den Brennweitenprozess betreibt. Die Kalibrierungsanordnung kann sich entlang einer Seite des Objektivs derart befinden, um das Lichtmuster von einer rechtwinkligen Achse ungefähr senkrecht zur optischen Achse durch eine reflektierende Oberfläche auf die optische Achse zu projizieren. Diese reflektierende Oberfläche kann ein Prisma, einen Spiegel und/oder einen Lichtteiler über das gesamte oder einen Teil des Sichtfelds der Objektivanordnung in Bezug auf ein Objekt an der optischen Achse umfassen. Das Muster kann sich an einem Kalibrierungsziel befinden, das sich entlang der rechtwinkligen Achse befindet und von der reflektierten Oberfläche entfernt ist.
Illustrativ gesehen, kann das Kalibrierungsziel abwechselnde transparente und undurchsichtige Bereiche definieren und kann beleuchtet werden (z.B. mit einem LED-Leuchter von hinten beleuchtet). Dieses Ziel ist illustrativ entlang eines spitzen Neigungswinkels in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zur rechtwinkligen Achse verläuft, orientiert, sodass Musterelemente des Ziels (z.B. parallele Linien) jeweils mit einer vorbestimmten Brennweite assoziiert sind. Bei einer gegebenen Brennweite wird die Schärfe einer Vielzahl von benachbarten Linienpaaren bewertet. Das schärfste Paar stellt die derzeitige Brennweite dar. Ein dazwischen greifendes Kalibrierungs-Anordnungsobjektiv kann die Lichtstrahlen vom Kalibrierungsziel auflösen, bevor diese auf den Lichtteiler auftreffen, um so den gewünschten Brennweitenbereich am Sensor bereitzustellen (z.B. 20 cm - 2 m (oder unendlich)). Illustrativ gesehen, kann das Ziel durch Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge (sichtbar oder nicht sichtbar) beleuchtet werden und der Brennweitenprozess unterscheidet die vorbestimmte Wellenlänge derart, dass die Kalibrierung potenziell ohne Unterbrechung mit einer normalen Laufzeitabbildung des Objekts laufen kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Kalibrierungsanordnung ein projiziertes „Muster“ enthalten, das im Allgemeinen als eine kugelförmige Wellenfront definiert ist.
Die Objektivanordnung enthält wenigstens ein Mikro-Objektiv und im Allgemeinen eine Vielzahl von Mikro-Objektiven, die jeweils einen Teil eines Wellenfrontsensors definieren, der derart orientiert ist, um das Muster auf einen vorbestimmten Teil des Kamerasensors zu projizieren. Typischerweise befindet sich dieser Teil nahe der äußeren Kante des Sensors, sodass dieser nur minimal das Sichtfeld stört, das zum Erwerb des Laufzeitbilds verwendet wird.
Das System und Verfahren kann jeweils innerhalb des Brennweitenprozesses auch einen Regelungsprozess umfassen, der die Brennweiteneinstellung des variablen Objektivs basierend auf der festgestellten Brennweite und einer erwünschten Brennweite für die Objektivanordnung regelt und/oder einstellt. Das variable Objektiv kann dabei ein Flüssigkeits-Objektiv oder ein anderes, bewegliches, geometrisches Objektiv sein und kann insbesondere ein Flüssigkeits-Objektiv auf Membranbasis umfassen.
Figurenliste
Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematische Perspektivansicht einer Visionssystemkamera mit einer Objektivanordnung zur Feststellung und Regelung der Brennweite gemäß einer hierin enthaltenen Ausführungsform, die den Erwerb eines Objekts in einer Szene zeigt;
2 ein schematisches Diagramm einer Objektivanordnung gemäß einer hierin enthaltenen Ausführungsform, einschließlich einem Flüssigkeits-Objektiv auf Membranbasis sowie einem feststehenden Bildwandler-Objektiv, das entlang einer optischen Achse zwischen einem Objekt und einem Kamerabildsensor orientiert ist;
3 ein schematisches Diagramm einer Objektivanordnung wie in 2 dargestellt, die zwischen einem Objekt und einem Bildsensor orientiert ist, einschließlich einer Kalibrierungsanordnung, die auf einem geneigten Kalibrierungsziel gemäß einer illustrativen Ausführungsform basiert;
3A ein schematisches Diagramm einer idealisierten Repräsentation des optischen Systems von 3, das die Berechnung der Brennweite des darin befindlichen Flüssigkeits-Objektivs zeigt;
3B und 3C schematische Diagramme der Lichtstrahlverfolgung des optischen Systems von 3, die jeweils für das variable Objektiv mit einer minimalen (ungefähr Null) und einer maximalen optischen Leistung gezeigt sind;
4 ein schematisches Diagramm einer Objektivanordnung wie in 2 gezeigt, die zwischen einem Objekt und einem Bildsensor angeordnet ist, einschließlich einer Kalibrierungsanordnung, basierend auf der Beleuchtungspunktquelle und einem Shack-Hartmann-Sensor (Wellenfront) gemäß einer illustrativen Ausführungsform;
4A und 4B schematische Diagramme, welche die Berechnung der Brennweite des variablen Objektivs gemäß der illustrativen Shack-Hartmann-Ausführung von 4 illustrieren;
5 ein schematisches Diagramm einer wie in 2 gezeigten Objektivanordnung, die zwischen einem Objekt und einem Bildsensor angeordnet ist, einschließlich einer Kalibrierungsanordnung, die auf einer Neuausrichtung des Teils des Sichtfelds auf ein integriertes Kalibrierungsziels gemäß einer illustrativen Ausführungsform basiert; und
6 ein Ablaufdiagramm eines illustrativen Verfahrens zur Feststellung und Regelung einer Brennweite in einer Kameraanordnung, einschließlich einem variablen Objektiv und einer Kalibrierungsanordnung gemäß einer der Anordnungen von 3 - 5.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Visionssystemanordnung 100 gemäß einer illustrativen Ausführungsform. Die Anordnung 100 enthält ein Visionssystem, eine Kamera 110 mit einem Kamerakörper 112, der an einer Objektivanordnung 114 befestigt ist. Die Objektivanordnung 114 ist Teil eines optischen Sets, das ebenfalls einen internen Bildsensor 116 (als Phantomskizze dargestellt) innerhalb des Körpers 112 aufweist.
Sensor und Objektiv sind entlang einer optischen Achse OA wie dargestellt ausgerichtet, wobei der Sensor eine senkrechte Fokussierungsebene in Bezug auf die Achse OA definiert. Die Achse OA führt, wie dargestellt, ungefähr durch ein beispielhaftes Merkmal von Interesse 120 (z.B. einen Strichcode) an einem Objekt 122 hindurch. Das Merkmal 120 befindet sich innerhalb eines Sichtfelds (gestricheltes Kästchen 124), dessen Größe je nach Aufgabe des Visionssystems variieren kann. Die Größe des Sichtfelds hängt zum Teil auf die Ablese-/Sichtweite D zwischen dem Objekt 122 und dem Brennpunkt der Objektivanordnung 114 ab. Bei dieser Ausführungsform enthält die Objektivanordnung 114 ein Paar Objektive L1 und L2 (beide als Phantomskizze dargestellt und nachfolgend im Einzelnen beschrieben), die Licht von einer abzubildenden Szene auf den Sensor 116 fokussieren. Der Sensor überträgt erfasste Bilddaten an einen Visionsprozessor 140 (ebenfalls als Phantomskizze gezeigt), der Visionssystemprozesse an den Bilddaten durchführt (z.B. Identifikations-Auffindung, Ausrichtung, Inspektion, etc.) basierend auf programmierten Visionssystem-Werkzeugen und -Prozessen und gewünschte Bildinformationen 150 ausgibt, die dann in nachgeschalteten Prozessen und Anwendungen, wie z.B. Identifikations-Entschlüsselung und Handhabung, verwendet werden können. Der Prozessor 140 kann vollständig eigenständig innerhalb des Kamerakörpers 112 bestehen, teilweise im Körper enthalten sein oder sich extern des Körpers befinden - wie z.B. als eigenständiger Computer (z.B. ein PC) oder ein anderes Fernrechnergerät. Geeignete verdrahtete und/oder drahtlose Kommunikationsverknüpfungen sind zwischen der Sensoranordnung 116, dem Prozessor 140 und anderen nachgeschalteten Bilddaten-Verarbeitungs- und/oder Bilddaten-Handhabungs-Komponenten bereitgestellt. Der Prozessor kann ebenfalls andere typische Funktionen regeln, wie z.B. eine interne oder externe Beleuchtung (nicht dargestellt), Auslösung, etc.
Wie hierin verwendet, sollten die Begriffe „Prozess“ und/oder „Prozessor“ im weiten Sinne als eine Vielfalt von Funktionen und Komponenten auf Basis elektronischer Hardware und/oder Software verstanden werden. Weiterhin kann ein dargestellte Prozess oder Prozessor mit anderen Prozessen und/oder Prozessoren kombiniert oder in verschiedene Sub-Prozesse oder -Prozessoren unterteilt sein. Solche Sub-Prozesse und/oder Sub-Prozessoren können gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen beliebig kombiniert werden. Gleichermaßen wird ausdrücklich in Erwägung gezogen, dass beliebige Funktionen, Prozesse und/oder Prozessoren hierin unter Verwendung elektronischer Hardware, Software, bestehend aus einem nicht-transitorischen, computerlesbaren Medium aus Programminstruktionen oder einer Kombination aus Hardware und Software zur Anwendung kommen können.
Unter Bezugnahme auf das schematische Diagramm von 2 ist die Anordnung der Objektive L1 und L2 in Bezug auf das Objektsichtfeld 124 und dem belichteten Bereich des Sensors 116 im Einzelnen dargestellt. Jede der Komponenten ist mit der optischen Achse, wie dargestellt, ausgerichtet, wobei der Sensor 116 senkrecht zur selben liegt und eine Bildebene bildet. Bei dieser illustrativen Anordnung wird ein rückwärtiges, feststehendes Bildwandler-Objektiv (z.B. ein Konvexobjektiv) L1, typischerweise eines herkömmlichen Designs, bereitgestellt, um das Bild (Strahlen 210, 212) am Sensor 116 zu fokussieren. Weiterhin wird ein vorderes Objektiv L2 mit variabler Geometrie (oder „variables Objektiv‟) bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform kann dieses Objektiv die oben genannte Flüssigkeits-Objektivanordnung auf Membranbasis umfassen (d.h. das Optotune Flüssigkeits-Objektiv auf Membranbasis). Die Brennweite des optischen Systems kann innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (z.B. 20 cm bis 2 m (oder unendlich)) basierend auf der Einstellung des variablen Objektivs L2 variiert werden. Diese Einstellung wird durch Anlegen einer Kraft (F) auf dem Umfang der Membran unter Verwendung z.B. einer elektromagnetischen Betätigung gemäß bekannten und/oder gewerblich verfügbaren Techniken variiert werden.
Da bestimmte variable Objektivarten, wie z.B. das oben beschriebene Flüssigkeits-Objektiv auf Membranbasis, mit der Zeit ihre Kalibrierung der Brennweite verlieren können und eher allgemein, weil es wünschenswert ist, eine gute Kalibrierung aufrecht zu erhalten, ist die Fähigkeit, die Brennweite rasch und automatisch festzustellen und zu regeln, hoch wünschenswert. Die Verwendung eines externen Kalibrierungsziels ist bei einer Laufzeitumgebung nicht immer praktikabel und kann zeitaufwändig sein. Alternativ kann es unzuverlässig sein, sich auf erworbene Bilder von Laufzeitobjekten zu verlassen, um die Brennweite zu schätzen und dies wird potenziell durch unzureichende Beleuchtung und andere Variablen innerhalb der Laufzeitumgebung noch verschlechtert. Deshalb wird gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen eine integrierte Kalibrierungsanordnung bereitgestellt. Diese Anordnung stellt ein zuverlässiges und konsistente Kalibrierungsziel (oder andere Bildkoordinate(n)) an den Sensor bereit, sodass die Brennweite kontinuierlich festgestellt und falls gewünscht aktualisiert werden kann.
Es wird auf 3 verwiesen, die ein schematisches Diagramm einer illustrativen Ausführungsform einer Objektivanordnung 300 zeigt. Die Objektive L1 und L2 (oben unter Verweis auf 2 beschrieben) sind unverändert und befinden sich entlang der optischen Achse OA zwischen dem Sensor 116 und dem Objekt 124. Eine Kalibrierungsanordnung 310 ist entlang der Achse CA bereitgestellt, die sich senkrecht zur optischen Achse OA befindet. Die Achse CA der Kalibrierungsanordnung schneidet sich mit der optischen Achse an einem Punkt 312 in der Nähe der Vorderseite des variablen Objektivs L2 an einem 45-Grad Spiegel (d.h. einem Lichtteiler) 314, der Licht von der Kalibrierungsanordnung 310 auf die optische Achse OA zum Sensor 116 reflektiert und es ebenfalls Licht vom Objekt 124 erlaubt, entlang der optischen Achse OA zum Sensor 116 zu führen. Die Kalibrierungsanordnung 310 enthält ein konvexes (oder eine andere Art) feststehendes Objektiv L3, das Licht von einem Beleuchtungsgerät 320, wie z.B. einer LED-Anordnung von vorbestimmter Wellenlänge, fokussiert. Diese Wellenlänge ist hoch variabel und kann im sichtbaren Spektrum oder im unsichtbaren, nahen Infrarot (IR) liegen. Das Licht vom Beleuchtungsgerät führt durch eine transparente Kalibrierungsplatte 330 hindurch, die abwechselnde, transparente/lichtdurchlässige oder undurchlässige (z.B. schwarze), parallele Linien (oder ein anderes Muster) definieren. Die Kalibrierungsplatte 330 ist in einem spitzen Winkel α in Bezug auf die senkrechte Ebene 332 geneigt, die durch die Achse CA hindurch führt. Der geneigte Winkel α des Ziels ist hoch variabel und definiert im Allgemeinen eine am weitesten vom Objektiv L3 entfernte Position 340 an einem Ende sowie eine am nächsten gelegene Position 342 am entgegengesetzten Ende davon. Bei einer Ausführungsform wird der Winkel α derart ausgewählt, sodass in Kombination mit dem Objektiv L3 jede parallele, jede undurchsichtige Linie eine verschiedene bekannte Brennweite im Bereich von ungefähr 20 cm bis unendlich (beispielhafterweise) darstellt. Bei einer Ausführungsform ist die Weite D1 die am weitesten entfernte Position 340 vom Ziel 330 vom Objektiv L3 und kann eine unendliche Brennweite darstellen. Wie gezeigt, können eine diskrete Position und assoziierte Linie auf eine Brennweite von (zum Beispiel) 1 m eingestellt werden. Der Prozessor (140) führt einen Fokussierungsprozess (160 in 1) aus, um diese Linie und/oder eine Linie zu finden, die sich im besten Fokus befindet. Das System kann gespeicherte Kalibrierungsdaten (170 in 1) enthalten, die z.B. die bekannte Brennweite für jede Linie im Ziel 330 enthalten. Diese Daten können z.B. als eine Suchtabelle angeordnet werden, die Linien mit vorbestimmten Werten und/oder Informationen über die Weite angleichen. Basierend auf diesen Informationen stellt der Prozess den Fokusstatus der Objektivanordnung unter Verwendung bekannter Techniken fest. Das Objektiv L2 wird durch den Fokussierungsprozess 160 (wie nachfolgend beschrieben) basierend auf den Berechnungen zur Fokussierung an der beispielhaften, gewünschten Brennweite (z.B. 1 m) eingestellt.
Weil die Lichtausgabe vom Beleuchtungsgerät 320 wesentlich höher als das von der Objektivanordnung 300 vom Objekt empfangene Umgebungslicht eingestellt werden kann, kann das projizierte Muster des Ziels 330 vom Sensor 116 unterschieden werden, wenn das Beleuchtungsgerät aktiviert ist (d.h. während einem Kalibrierungsschritt, der zwischen den Laufzeit-Bilderwerbungsschritten stattfinden kann). Alternativ kann das Licht vom Beleuchtungsgerät 320 unter Verwendung einer diskreten Wellenlänge und/oder einer nicht sichtbaren Wellenlänge (z.B. IR) unterschieden werden, an welche der Sensor derart adaptiert ist, um mit dem Kalibrierungsziel 330 assoziiert zu sein. Wenn das Beleuchtungsgerät während der Laufzeit ausgeschaltet wird, liest der Sensor nur Umgebungslicht vom Objekt 124 ab. Alternativ kann der Spiegel 314 derart angeordnet sein, um eine Wellenlänge an Licht zu übertragen, während eine weitere Wellenlänge reflektiert wird. Der Spiegel kann z.B. derart adaptiert sein, um ROT-Licht zu übertragen und BLAU-Licht zu reflektieren. Das Objekt wird mit ROT-Licht durch ein geeignetes Beleuchtungsgerät (nicht dargestellt) beleuchtet und das Kalibrierungsziel wird mit BLAU-Licht beleuchtet. Das Ausschalten der Beleuchtungsgeräte erlaubt es dem Sensor, nur rotes Umgebungslicht abzubilden. Im Allgemeinen wird in Erwägung gezogen, dass eine Vielfalt von Anordnungen an Beleuchtungs- und Spiegelkonstruktionen verwendet werden kann, um unter dem Licht, das vom Objekt empfangen wird und dem Licht, das vom Kalibrierungsziel empfangen wird, zu unterscheiden.
Basierend auf dem Kalibrierungs-Anordnungsobjektiv L3 kann die Kalibrierungsanordnung relativ klein und in der Objektivanordnung integriert sein. Wie in 1 dargestellt, ist eine beispielhafte Kalibrierungsanordnung 180 gemäß verschiedener der hierin in Erwägung gezogenen Ausführungsformen entlang einer Seite des Hauptobjektivtubus befestigt. Die Anordnung 180 kann je nach Situation interne oder externe Leistungs-/Datenverknüpfungen 182 enthalten. Es versteht sich von selbst, dass der Formfaktor der Kalibrierungsanordnung in Bezug auf das Objektiv gemäß dem Fachgebiet hoch variabel ist. Wünschenswerterweise wird die Kalibrierungsanordnung in dieser und/oder anderen hierin enthaltenen Ausführungsformen als integraler Teil der Gesamtobjektivanordnung befestigt oder entfernt. Bei einer Ausführungsform setzt das Objektiv eine herkömmliche Befestigungsanordnung ein, wie z.B. eine C-Befestigung. Der Kamerakörper 112 oder eine andere Komponente, wie z.B. ein externer Prozessor, kann eine entsprechende Öffnung für die Leistungs-/Datenverknüpfung 160 enthalten, sodass die Kalibrierungsanordnung entfernbar mit dem Körper verknüpft werden kann. Bei einem Beispiel kann eine Verbindung auf USB-Basis eingesetzt werden, um die Kalibrierungsanordnung dieser oder anderer hierin enthaltenen Ausführungsformen zu versorgen und/oder zu regeln.
Bei einem Beispiel beträgt die Weite D1 ungefähr 25 mm und der Winkel α beträgt ungefähr 7 Grad (und eher allgemein ungefähr 5 - 10 Grad). Die Lichtwegweite D2 vom Kalibrierungs-Anordnungsobjektiv L3 bis zur Kreuzung 312 und D3 von der Kreuzung zum variablen Objektiv L2 beträgt ungefähr 6 - 12 mm. Gleichermaßen beträgt der axiale Abstand D4 der Objektive L2 und L1 ungefähr 5 mm und die Weite D5 zwischen der Sensorbildebene (116) und dem Bildwandlerobjektiv L1 beträgt ungefähr 20 mm. Das Objektiv L1 definiert eine Brennweite von ungefähr 20 mm, und das Flüssigkeits-Objektiv L2 definiert eine variable Brennweite in einem Bereich von ungefähr 200 mm bis unendlich. Das Objektiv L3 definiert eine Brennweite von ungefähr 25 mm. Diese Abstände und/oder Werte sind in alternativen Ausführungsformen hoch variabel und sollten nur als nicht einschränkende Beispiele gelten.
Eher allgemein kann das optische System wie folgt und unter weiterem Verweis auf die idealisierte Darstellung des optischen Systems 300 wie in 3A gezeigt charakterisiert werden:

Zu Zwecken dieser Repräsentation wird davon ausgegangen, dass sämtliche Objektive 1A, L2A und L3A dünn sind und relativ dicht nebeneinander entlang der gemeinsamen optischen Achse OAA (in Richtung des Pfeils s) im Vergleich zum Objekt 350 und den Kalibrierungsabständen angeordnet sind. Als solche kann die optische Leistung der Objektive L1, L2, L3 jeweils als A1, A2 und A3 definiert werden. Der Abstand b liegt zwischen dem Kalibrierungsziel und der optischen Achse OAA entlang der y-Achse senkrecht dazu (y-Pfeil). In diesem Beispiel sind L1 und L3 jeweils feststehende Glasobjektive und L2 ist ein Flüssigkeits-Objektiv mit variabler optischer Leistung. Das Ziel ist, die Leistung dieses Objektivs zu messen. Der Punkt (s₂,y₂) am Kalibrierungsfokus 356 wird auf den Sensor 352 an (s₁,y₁) abgebildet (scharf, in Fokus).

Das Kalibrierungsziel wird in einem Winkel an einer Linie (gestrichelt) durch die nachfolgende Gleichung orientiert: $y_{2} = a * s_{2} + b$
Es ist bekannt, dass: $1 / s_{1} + 1 / s_{2} = A1 + A2 + A3$
und $y_{1} {/s}_{1} = y_{2} {/s}_{2}$
somit ergibt das Kombinieren von (Gl. 3) mit (Gl. 1): ${1/s}_{2} = y_{1} / (b * s_{1}) - a/b$
und das Kombinieren von (Gl. 4 mit (Gl. 2) ergibt die Leistung für das Objektiv L2: $A2 = A1 + A3 - 1 {/s}_{1} - y_{1} / (b * s_{1}) + a/b .$
Man beachte, dass ein lineares Verhältnis zwischen der Position y₁ am Sensor 352, an dem das Kalibrierungsziel scharf abgebildet wird, und der optischen Leistung A2 des Objektivs L2, besteht.
Unter kurzer Bezugnahme auf 3B und 3C wird in diesen die Lichtstrahlverfolgung 370 des Systems 300 für das variable Objektiv L2 mit einer Mindestleistung gezeigt (d.h. eine Vergrößerung A2, die auf Null (0) oder ungefähr Null (0) eingestellt ist) sowie bei maximaler Leistung. Bei Null (0) Leistung (dargestellt durch eine flache Objektiv-(12) Oberfläche 374) befindet sich die Stelle 340 am Kalibrierungsziel 330 in Fokus an der Stelle 380 am Sensor 116 (3B). Bei maximaler Leistung (dargestellt durch eine Konvexobjektiv-(L2) Oberfläche 374) ist die Stelle 342 am Ziel 330 in Fokus an der Stelle 382 am Sensor 116 (3C). Die Darstellungen von 3B und 3C sind illustrativ für eine Vielfalt von Anordnungen und/oder Positionen, bei welchen Stellen entlang des Ziels am Sensor fokussiert sind.
In Bezug auf 4 wird darin eine Objektivanordnung 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform schematisch dargestellt. Man beachte, dass jegliche Komponenten und Parameter in der Objektivanordnung 400, die identisch oder ähnlichen denjenigen in der oben beschriebenen Anordnung 300 (3) sind, mit ähnlichen Referenznummern versehen sind. Wie gezeigt, ist die Kalibrierungsanordnung 410 entlang einer Achse CA1 ausgerichtet, die sich mit der optischen Achse OA an Punkt 312 in Verbindung mit dem oben beschriebenen Lichtteiler 314 schneidet. Bei dieser Ausführungsform wird ein punktförmiges Beleuchtungsgerät 420 (z.B. ein Beleuchtungsgerät auf Diodenbasis) selektiv betrieben, um eine Kugelwellenfront am Lichtteiler 314 zu projizieren. Das punktförmige Beleuchtungsgerät 420 befindet sich in einem bekannten Abstand D6, wie dargestellt, und kann in eine geeignete Struktur, wie oben beschrieben, an der Objektivanordnung eingebaut sein. Im Allgemeinen ist das punktförmige Beleuchtungsgerät in einem Abstand von 1/(A1 + A2) positioniert, bei welchem A1 die optische Leistung des feststehenden Objektivs L1 ist und A2 die optische Leistung des variablen (Flüssigkeits-) Objektivs L2 ist. Der Lichtstrahl wird durch die Objektive L2 und L1 hindurch geführt und danach führen die Strahlen 440 durch ein oder mehrere herkömmliche Mikro-Objektive 450, die derart positioniert sein können, um die Strahlen 440 an einen Abschnitt 460 des Sensors 116 zu fokussieren - z.B. in der Nähe einer Kante des Sichtfelds des Sensors, wo eine Störung des Hauptbilds auf ein Mindestmaß reduziert ist. Diese Mikro-Objektive 450 definieren einen grundlegenden Shack-Hartmann- (Wellenfront-) Sensor. Diese Teile 460 des Sensors 116, die vom Mikro-Objektiv belichtet werden, werden durch den Fokussierungsprozess 160 überwacht, wenn das Beleuchtungsgerät 420 aktiviert ist. Basierend darauf, wo an einem gegebenen Teil 400 (d.h. welche(r) Pixel in der Sensoranordnung) der Punkt des fokussierten Lichtstrahl auftrifft, kann die Verlagerung dieses Punkts verwendet werden, um die Brennweite der Objektivanordnung unter Verwendung bekannter Berechnungen und gespeicherter Kalibrierungsdaten (170) festzustellen. Das variable Objektiv L2 kann derart eingestellt werden, um diejenige Brennweite zu erreichen, die den/die von dem/den Mikro-Objektiv(en) erzeugte(n) Punkt(e) an der geeigneten Stelle an einen bestimmten Teil 460 des Sensors 116 platziert.
Anhand weiterer Illustration wird auf 4A und 4B verwiesen, die jeweils das optische Verhältnis zwischen den Komponenten gemäß der Ausführungsform von 4 zeigen. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Objektive L1 und L2 jeweils dünn sind und in dichtem Abstand zueinander befestigt sind. Die optische Leistung des feststehenden Objektivs L1 und des variablen Objektivs L2 sind jeweils als A1 und A2 definiert. ML1 und ML2 sind Mikro-Objektive mit einer Brennweite f. Der Bildsensor IS befindet sich in der Brennebene jedes dieser Objektive. Die Achse OML jedes Mikro-Objektivs ML1 und ML2 verläuft parallel zur optischen Achse OAB des Systems mit einem Versatzabstand h zwischen den Achsen OML und OAB. Obwohl die Position des punktförmigen Beleuchtungsgeräts PS hoch variabel ist, ist in diesem Beispiel der Einfachheit halber das punktförmige Beleuchtungsgerät PS in einem derartigen Objektabstand positioniert, dass wenn das variable Objektiv L2 mit einer optischen Leistung von Null (A2=0) eingestellt ist, wird der Kugellichtstrahlt vom punktförmigen Beleuchtungsgerät PS (über den lichtteilenden Spiegel M) durch das variable Objektiv L2 in eine ebene Wellenfront kollimiert (4A). Die Mikro-Objektive ML1 und ML2 fokussieren diesen Lichtstrahl auf den Sensor, wie gezeigt, an zwei Stellen B1 und B2. Beim Variieren der optischen Leistung A2 des Objektivs L2 werden diese Stellen B1, B2 über einen Abstand d versetzt (4B). Die optische Leistung A2 des variablen Objektivs L2 kann aus diesem Abstand d (was an sich durch die Pixelstelle an den Stellen B1, B2 am Sensor IS berechnet wird) mit der nachfolgenden Gleichung berechnet werden: $A2 = d/ (h * f + d * (s_{1} - f))$
In Bezug auf 5 wird eine weitere Ausführungsform einer Objektivanordnung 500 gezeigt und beschrieben. Jegliche Komponenten und Parameter in der Objektivanordnung 500, die denjenigen der oben beschriebenen Anordnung 300 (3) identisch oder ähnlich sind, werden wiederum mit ähnlichen Referenznummern bereitgestellt. Bei dieser Ausführungsform verwendet die Kalibrierungsanordnung 510 einen kleinen Teil des Sichtfelds der Objektivanordnung (typischerweise entlang der Kante davon), das mit einem Miniaturspiegel oder Prisma 520 bedeckt ist. Der Spiegel befindet sich axial zwischen dem variablen Objektiv L2 und dem Objekt 124. Bei dieser Ausführungsform befindet sich der Spiegel/das Prisma 520 in einem axialen (bezüglich dem OA) Abstand D7, der diesen innerhalb des Tubus der Objektivanordnung platziert (z.B. wie in der Anordnung 180 in 1 gezeigt). Der Spiegel/das Prisma 520 ist um ungefähr 45 Grad bezüglich der optischen Achse OA geneigt, sodass dieser Licht von einem kleinen Kalibrierungsziel 530 reflektiert, das sich in einem Distanzierungsabstand D8 oberhalb des Spiegels/des Prismas 520 befindet. Die Ebene des Ziels 530 ist senkrecht zur gestrichelten Linie 540 abgebildet, d.h. sie selbst liegt senkrecht zur optischen Achse OA. Das Ziel 530 kann separat beleuchtet werden oder sich auf Umgebungslicht verlassen. Das Ziel kann jedes beliebige akzeptable Muster sein. Im Allgemeinen hängt die Stelle der Projektion auf den Sensor 116 und die Erscheinung des Musters von der aktuellen Brennweite ab, die vom variablen Objektiv L2 bereitgestellt wird. Gespeicherte Kalibrierungsdaten (170) können verwendet werden, um die Brennweite basierend auf der Projektion am Sensor festzustellen.
Aufgrund der Anordnung der in der oben in 5 gezeigten Komponenten wird die optische Leistung A2 des Objektivs L2 basierend auf der nachfolgenden Gleichung berechnet: $A2 = A1 - {1/s}_{1} - {1/s}_{2},$
wobei
s1 der Abstand vom Objektiv zum Sensor ist;
s2 der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Kalibrierungsziel ist; und
A1 die optische Leistung des Objektivs L1 ist.
Zu Zwecken dieses Verhältnisses wird davon ausgegangen, dass die Objektive und Abstände zwischen den Objektiven im Vergleich zum Abstand vom Objekt zum Sensor gering sind.
Es ist deutlich zu erkennen, dass das Kalibrierungsziel 530 als eine Vielzahl von Kalibrierungszielen bereitgestellt werden kann, die sich in variierenden entsprechenden Abständen befindet. Zusätzlich wird ausdrücklich in Erwägung gezogen, dass die oben in 5 beschriebene Anordnung, bei welcher ein Teil des Sichtfelds derart neu ausgerichtet ist, um ein Bild des Kalibrierungsziels zu enthalten, in den oben in Bezug auf 3 und 4 dargestellten und beschriebenen Kalibrierungstechniken angewendet werden kann. D.h. die durch diese Verfahren erzeugten Kalibrierungsbilder können auf einen Teil des Gesamtsichtfelds des Sensors projiziert werden. Das Kalibrierungsbild wird innerhalb dieses Teils diskret (separat) relativ zum verbleibenden Sichtfeld, das für die Analyse des Laufzeitobjekts bestimmt ist, analysiert.
Es wird Bezug auf 6 genommen, die ein verallgemeinerndes Verfahren oder einen Prozess 600 zur Feststellung und Regelung der Brennweite einer Objektivanordnung zeigt, die gemäß jeder der oben beschriebenen Anordnungen konstruiert ist. Das Verfahren oder der Prozess kann bei der Initialisierung der Kamera oder auf regelmäßiger Basis während dem Betrieb durchgeführt werden. Bei einer Symbologielesenden Anwendung kann das Kalibrierungsverfahren sofort nach erfolgreicher Auslesung eines Strichcodes oder eines anderen Symbols an einem Objekt durchgeführt werden. Falls die Objekte durch die abgebildete Szene an einem Förderband hindurch geführt werden, sind die Informationen über die Höhe eines nachfolgenden Objekts oftmals verfügbar (nach der vorherigen erfolgreichen Auslesung) und somit kann die bekannte Höhe des nachfolgenden Objekts verwendet werden, um eine neue Brennweite zum Auslesen dieses Objekts verwendet werden. Der Betriebszeitraum ist hoch variabel, und die rasche Natur der Berechnungen ermöglicht eine ziemlich häufige oder kontinuierliche Kalibrierung, falls erwünscht. Insbesondere beginnt das Verfahren/der Prozess 600 optional mit einem Austritt aus dem Laufzeiterwerb von Objektbildern durch den Visionsprozessor 140 in Schritt 610. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Verfahren in Kombination mit, oder zeitgleich mit dem Laufzeitbetrieb erfolgen - z.B. bei der Anordnung von 5, bei der ein Teil des Sichtfelds (das nicht für die Laufzeit-Bilderwerbs-Analyse verwendet wird) verwendet wird, um das Kalibrierungsziel 530 zu verwenden oder bei dem eine fest zugeordnete Wellenlänge verwendet wird, um Licht an den Sensor von der Kalibrierungsanordnung zu projizieren. Bei jedem Laufzeit- oder Nicht-Laufzeitbetrieb läuft das Verfahren 600 als nächstes derart ab, um den Prozess (160) in Schritt 620 zu fokussieren. Enthält die integrierte Kalibrierungsanordnung Beleuchtung, wird/werden das/die Beleuchtungsgerät(e) in Schritt 630 betrieben, während der Sensor ein Bild mit einem vorbestimmten Muster vom integrierten Kalibrierungsziel erwirbt. Unter Verwendung des erworbenen Bilds des Musters an dem gesamten oder an einem Teil des Sensors setzt das Verfahren 600 gespeicherte Kalibrierungsinformationen und/oder Daten (170) ein, um die aktuelle Brennweite der Objektivanordnung in Schritt 640 festzustellen. Dieser Feststellungsschritt kann unter Verwendung einer Suchtabelle vorgenommen werden, der die Brennweiten auf spezifische Bilddaten abbildet, die zum Kalibrierungszielmuster und/oder zur projizierten Position (z.B. in der Wellenfront-Anordnung von 4) am Sensor gehören. Die Daten 170 können zudem herkömmliche Gleichungen oder Formeln beinhalten, die die Berechnung der spezifischen Brennweite basierend auf den gemessenen Bilddaten vom Sensor zulassen. Beispielsweise können in der Anordnung von 3, wo die Brennweite zwischen zwei Linien fällt, Gleichungen zum Interpolieren einer Entfernung zwischen diesen Linien verwendet werden, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen.
Nachdem die aktuelle Brennweite in Schritt 640 festgestellt worden ist, kann das Verfahren 600 entscheiden, ob die Brennweite innerhalb eines vorbestimmten Parameters oder Bereichs (Entscheidungsschritt 650) basierend auf einem programmierten Wert, der dem Fokussierungsprozess (160) zur Verfügung steht, liegt. Falls die Brennweitere innerhalb der Parameter liegt, dann fährt das Verfahren 600 mit dem Laufzeitwert (falls zuvor ausgetreten) fort oder betritt anderweitig einen Zustand der korrekten Fokussierung in Schritt 660. Das Verfahren wartet dann das nächste programmierte Kalibrierungsintervall ab und wiederholt die Schritte 610 - 650. Falls die Brennweite außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, dann regelt das Verfahren das variable Objektiv (L2) in Schritt 670 durch Ausüben einer entsprechenden Kraft F (oder durch andere Mechanismen) derart, dass seine Geometrie so eingestellt ist, um die erwünschte Brennweite bereitzustellen. Der Regelungsschritt 670 berechnet die entsprechende Einstellung für das Objektiv unter Verwendung entsprechender Gleichungen und Informationen, die der Objektiveinstellung zugehörig sind. Falls die Brennweite z.B. als 1 m abgelesen wird und 2 m erwünscht sind, ordnet der Fokussierungsprozess das Objektiv an, die Kraft F um eine vorbestimmte Menge zu verändern, welche diese 2-m-Einstellung dann erreicht. Falls das Vertrauen in die neu eingestellte Brennweite relativ hoch ist, dann kann sich das Verfahren 600 optional auf den Laufzeit-Wiederaufnehmen-Schritt 660 (über den Verfahrenszweig 672 in gestrichelter Linie) ausbreiten. Alternativ, falls eine Bestätigung der Neueinstellung gewünscht ist, kann das Verfahren 600 zu den Schritten 630 - 650 (über den Verfahrenszweit 674 in gestrichelter Linie) zurückkehren und die neue Brennweite feststellen. Dieser Prozess kann (in einer Schlaufe) wiederholt werden, bis der Entscheidungsschritt 650 feststellt, dass die gewünschte Brennweite erreicht worden ist.
Es ist deutlich zu erkennen, dass das System und Verfahren zur Feststellung und Regelung der Brennweite in einer Objektivanordnung mit einem variablen (typischerweise Flüssigkeits-) Objektiv relativ zuverlässig ist, nur wenige komplizierte Komponenten einsetzt und rasch und wiederholt laufen kann. Dieses System und Verfahren lässt sich relativ gut mit existierenden Objektivanordnungen integrieren und kann Teil eines entfernbaren und/oder austauschbaren Objektivsystems an einer Visionssystemkamera sein.
Das Vorstehende ist eine detaillierte Beschreibung der illustrativen Ausführungsformen der Erfindung. Verschiedene Modifizierungen und Zusätze können vorgenommen werden, ohne vom Sinn und Geltungsbereich dieser Erfindung abzuweichen. Die Merkmale jeder der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können mit den Merkmalen der anderen beschriebenen Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden, um eine Vielfalt an Merkmalskombinationen in den assoziierten neuen Ausführungsformen bereitzustellen. Obwohl weiterhin das Vorstehende eine Anzahl separater Ausführungsformen des Geräts und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschreibt, dient die hierin enthaltene Beschreibung lediglich dazu, die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu illustrieren. Die Orientierung der Kalibrierungsanordnungen in Bezug auf die optische Achse der Objektivanordnung ist z.B. hoch variabel in alternativen Ausführungsformen und kann je nach z.B. Verpackungs-Belangen variiert werden. Die Verwendung geeigneter optischer Komponenten, um einen solchen Formfaktor zu erreichen, sollte dem Fachmann auf dem Gebiet verständlich sein. Auf ähnliche Weise, während eine grundlegende Doppel-Objektanordnung gezeigt und beschrieben wird, können komplizierte Objektanordnungen in Zusammenhang mit einer oder mehreren der hierin beschriebenen illustrativen Kalibrierungsanordnungen eingesetzt werden. Gleichermaßen sind die Muster an beliebigen der hierin beschriebenen Kalibrierungszielen hoch variabel, so auch die Positionen am Sensor, an welchen solche Zielmuster (oder andere Kalibrierungsbilder) projiziert werden. Dementsprechend ist diese Beschreibung lediglich als ein Beispiel bestimmt und schränkt den Geltungsbereich dieser Erfindung anderweitig keinesfalls ein.

Claims

System zur Feststellung der Brennweite einer Objektivanordnung (114,300), umfassend: ■ ein variables Objektiv (L2), das sich entlang einer optischen Achse (OA) der Objektivanordnung (114, 300) befindet, und das derart konstruiert und angeordnet ist, um eine variable Fokussierungseinstellung bereitzustellen; ■ eine Kalibrierungsanordnung (310), die in der Objektivanordnung (114, 300) integriert ist, wobei die Kalibrierungsanordnung (310) ein projiziertes Lichtmuster enthält, das variabel auf einen Kamerasensor (116) projiziert wird, der Licht von der Objektivanordnung (114, 300) basierend auf der Fokussierungseinstellung des variablen Objektivs (L2) empfängt; und ■ einen Fokussierungsprozess (160), der die Brennweite der Objektivanordnung (114, 300) an der Fokussierungseinstellung basierend auf vorbestimmten Kalibrierungsinformationen bezüglich des Musters feststellt.
System nach Anspruch 1, wobei die Kalibrierungsanordnung (310) derart angeordnet ist, um das Muster an einer Achse (CA) ungefähr senkrecht zur optischen Achse (OA) durch eine reflektierende Oberfläche auf die optische Achse (OA) zu projizieren.
System nach Anspruch 2, wobei die reflektierende Oberfläche ein Prisma oder ein Spiegel (314, 520) ist.
System nach Anspruch 3, wobei die reflektierende Oberfläche einen Teil des Sichtfelds der Objektivanordnung (114, 300) bedeckt und derart konstruiert und angeordnet ist, um das Muster auf einen Teil des Kamerasensors (116) zu projizieren.
System nach Anspruch 4, wobei sich das Muster an einem Kalibrierungsziel (330) befindet, das sich entlang einer Achse befindet die rechtwinklig zur optischen Achse (OA) und entfernt von der reflektierenden Oberfläche verläuft.
System nach Anspruch 3, wobei die reflektierende Oberfläche ein Lichtteiler (314) ist, der sich an der Vorderseite des variablen Objektivs (L2) befindet, das Licht von einem Objekt entlang der optischen Achse (OA) durch diese hindurch lässt.
System nach Anspruch 6, wobei das Muster an einem Kalibrierungsziel (330) bereitgestellt ist, das sich entlang einer Achse rechtwinklig zur optischen Achse (OA) und entfernt von der reflektierenden Oberfläche befindet, wobei das Kalibrierungsziel (330) transparente und undurchlässige Bereiche definiert und beleuchtet ist, wobei das Kalibrierungsziel (330) ferner derart entlang einem akuten, geneigten Winkel in Bezug auf eine Ebene orientiert ist, die senkrecht zur rechtwinkligen Achse verläuft.
System nach Anspruch 7, ferner umfassend ein Kalibrierungsanordnungs-Objektiv, das sich zwischen dem Lichtteiler und dem Ziel befindet, wobei die undurchlässigen Bereiche jeweils mit einer Vielzahl von Brennweiten assoziiert sind.
System nach Anspruch 8, wobei die undurchsichtigen Bereiche parallele Linien enthalten.
System nach Anspruch 9, wobei das Ziel durch Licht einer vorbestimmten Wellenlänge beleuchtet ist und der Fokussierungsprozess (160) derart konstruiert und angeordnet ist, um die vorbestimmte Wellenlänge zu unterscheiden.
System nach Anspruch 7, wobei das Muster einen Lichtstrahl definiert, der eine kugelförmige Wellenfront aufweist und ferner umfassend wenigstens ein Mikro-Objektiv (450), das einen Teil eines Wellenfrontsensors definiert, der derart orientiert ist, um das Muster auf einen vorbestimmten Teil des Kamerasensors (116) zu projizieren.
System nach Anspruch 1, wobei der Fokussierungsprozess (160) derart konstruiert und angeordnet ist, um die Fokussierungseinstellung des variablen Objektivs (L2) basierend auf der festgestellten Brennweite und einer gewünschten Brennweite für die Objektivanordnung (114, 300) zu regeln.
System nach Anspruch 1, wobei das variable Objektiv (L2) ein Flüssigkeits-Objektiv auf Membranbasis umfasst.
Verfahren zur Feststellung der Brennweite einer Objektivanordnung (114, 300), einschließlich eines variablen Fokussierungsobjektivs (L2), umfassend die nachfolgenden Schritte: ■ Bereitstellen einer Fokussierungseinstellung an das variable Objektiv (L2); ■ Projizieren eines Lichtmusters mit einer Kalibrierungsanordnung (310), das variabel auf einen Kamerasensor (116) projiziert wird, der Licht von der Objektivanordnung (114, 300) basierend auf der Fokussierungseinstellung des variablen Objektivs (L2) empfängt; und ■ Feststellen der Brennweite der Objektivanordnung (114, 300) an der Fokussierungseinstellung basierend auf vorbestimmten Kalibrierungsinformationen bezüglich des Musters.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Projizieren mit der Kalibrierungsanordnung (310) des Musters von einer Achse (CA) ungefähr senkrecht zur optischen Achse (OA) durch eine reflektierende Oberfläche hindurch auf die optische Achse (OA).
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Projizierens das Projizieren des Musters auf einen Teil des Kamerasensors (116) enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Projizierens das Hindurchführen des Musters durch einen Lichtteiler enthält, der sich an der Vorderseite des variablen Objektivs (L2) befindet, das Licht von einem Objekt entlang der optischen Achse (OA) durch dieses hindurch lässt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Projizierens (a) das Bereitstellen eines Kalibrierungsziels (330) enthält, das sich entlang einer Achse rechtwinklig zur optischen Achse (OA) und entfernt von der reflektierenden Oberfläche befindet, (b) das Beleuchten des Kalibrierungsziels (330), um transparente und undurchsichtige Bereiche zu projizieren und (c) die Orientierung des Kalibrierungsziels (330) entlang eines akuten, geneigten Winkels in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur rechtwinkligen Achse.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das Anordnen des Kalibrierungs-Anordnungsobjektivs zwischen dem Lichtteiler und dem Ziel und die Assoziierung der jeweiligen undurchsichtigen Bereiche mit jeweils einer Vielzahl von Brennweiten.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Beleuchtens des Kalibrierungsziels (330) die Übertragung von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge enthält und wobei der Schritt der Feststellung das Unterscheiden der vorbestimmten Wellenlänge enthält, die vom Sensor (116) empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Projizierens das Bereitstellen eines Musters enthält, das einen Lichtstrahl mit einer kugelförmigen Wellenfront und das Übertragen des Lichtstrahls durch wenigstens ein Mikro-Objektiv (450) enthält, das einen Teil eines Wellenfrontsensors definiert, der derart orientiert ist, um das Muster auf einen vorbestimmten Teil des Kamerasensors (116) zu projizieren.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend das Regeln der Fokussierungseinstellung des variablen Objektivs (L2) basierend auf der festgestellten Brennweite und einer gewünschten Brennweite für die Objektivanordnung (114, 300).