CN103513494A

CN103513494A - 包括照相机和光圈的光学设备

Info

Publication number: CN103513494A
Application number: CN201310245917.3A
Authority: CN
Inventors: 萨尔维·盖德; 萨内西·安东尼奥
Original assignee: Biomerieux SA
Current assignee: Biomerieux SA
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: JP6328620B2; WO2013190035A1; US20150156398A1; KR102015904B1; KR20150021965A; CN103513494B; EP2864837B1; US9936119B2; CN203561816U; EP2864837A1; EP2677363A1; JP2015526948A

Abstract

本发明涉及包括照相机和光圈的光学设备。光学设备（1）包括具有预定景深的固定焦距照相机，所述固定焦距照相机具有光轴（55），其中所述光学设备（1）包括光圈（5），所述光圈（5）定位在照相机的所述光轴（55）中，且包括透光孔（55）以增加所述照相机的所述预定景深，从而提供增加的景深，其中所述光圈附接到所述照相机，其中所述光圈（5）的所述透光孔（55）是圆形的且在不透明屏内，且定位以使其中心点与所述照相机的所述光轴（55）重合，且其中所述光学设备（1）还包括照明装置，所述照明装置均匀地围绕所述光轴（55）定位，以均匀地照亮定位在所述照相机的所述增加的景深之内的物体。

Description

包括照相机和光圈的光学设备

技术领域

本发明涉及包括固定焦距照相机和光圈的光学设备，用于改进所述照相机的景深且改进定位在改进景深之内的待被照相物体的图像的质量。根据本发明的光学设备特别适合于光学读取器，其中光学设备被链接到用于图像识别照相机捕捉的图像的装置。

背景技术

在自动系统和程序中，光学设备可用于监测所述系统和程序的特定元件。光学设备用于捕捉所述系统或程序的所述元件的图像。使用图像识别技术，图像可被分析，且可使用该分析的结果，例如监测和影响系统或程序的控制。这种光学设备在自动系统中的典型用途是使用光学系统来读取附接到产品的光学代码或条形码，以识别产品的类型，以及例如在系统或程序中使用的产品批号。

从经济层面来看，有利的且经常需要使用具有照相机的光学设备，该照相机可以以相对低的成本制造，诸如固定焦距照相机。利用固定焦距照相机所获得的图像质量通常适于采用光学设备所用于的特定任务。

然而，当固定焦距照相机被使用时，固定焦距照相机和关心物体之间的距离必须仔细调整以便允许照相机以足以允许随后图像识别步骤的质量来产生关心物体的图像。实际上，期望向使用者提供这样一种光学设备，该光学设备相对于光学设备的照相机和关心物体之间的距离具有至少一些余量，同时保持所获得图像的足够正确以用于随后图像识别步骤的质量。

为了允许固定焦距照相机和关心物体之间距离的这种灵活性，可用的技术方案需要改进照相机的景深。改进照相机景深应该足以用于特定用途以及光学设备的目的。

美国专利申请US2007/0119942公开了一种用于改进在线性光学条形码读取器中使用的照相机的景深的方法。根据US2007/0119942，线性光学条形码读取器包括具有光感元件或传感器以及光学接收设备的照相机，该光学接收设备具有一个或多个透镜，用于形成传感器上的图像。光学接收设备具有光学接收路径或光轴。设备在光学接收设备的光轴中包括在物镜的上游或下游的光圈以改进照相机的景深。该光圈具有阻止光线的不透明屏的形式，具有透光孔。在使用中，穿过孔的射线用于形成传感器上的图像。对比而言，被拦截的光束将不会用于形成图像。

根据US2007/0119942，当与不包括光圈的照相机对比时，在照相机光轴上存在光圈的效果是增加照相机的景深。

根据US2007/0119942的解决方案在一个特定方向提供对于景深的改进。这是由于透光孔的矩形形状。效果是根据现有技术的解决方案可用于特定任务诸如读取线性光学条形码。然而，根据现有技术文献的解决方案不适于提供用于增加在用于分析具有任意形状的物体，诸如2-D光学代码的光学设备中使用的照相机的景深。根据US2007/0119942的解决方案将不适于改进用于通用任务诸如样品水平感测的照相机的景深。

日本专利申请JP2003-098426公开使用特定光圈以改进照相机景深的照相机。该特定光圈包括用于传输仅仅红外线的中心部分以及用于传输仅仅可见光的外侧部分。根据JP2003-098426，使用特定光圈连同特定照明条件消除了对于具有自动光阑控制系统的光圈的需求。然而，该解决方案是昂贵的且复杂操作的。

本发明的目的是提供改进的光学设备，其具有照相机和用于改进所述照相机的景深的装置以及用于改进定位在改进景深之内的待被照相物体的图像质量，其中对于景深的改进不限于光学设备的特定方向用途。

发明内容

应注意到，在本文中，术语“固定焦距照相机”用于区分该类型的照相机与具有调节照相机焦距的能力的照相机。

在本文中，术语“照相机”涉及一个或多个透镜和光敏传感器的组合，其中透镜用于形成传感器上的图像。

在“景深”的情况下，是指利用照相机所获得的图像的质量足以用于照相机的特定用途的照相机-物体距离的范围。如果照相机与用于图像识别的装置组合使用，则“照相机景深”将包括所获得的图像的质量将足以随后图像识别的照相机-物体距离的范围。

在本文中，在“改进照相机景深”的情况下，是指利用照相机所获得的图像的质量足以用于照相机的特定用途的照相机-物体距离的范围的增加。“增加的”或“改进的”景深相对于不具有改进景深的照相机来说允许照相机和关心物体之间距离的更大灵活性。

根据本发明第一方面，本发明涉及包括具有预定景深的固定焦距照相机的光学设备，所述固定焦距照相机具有光轴，其中，所述光学设备包括光圈，所述光圈定位在所述照相机的所述光轴中，且包括透光孔以增加所述照相机的所述预定景深，从而提供增加的景深，其中，所述光圈附接到所述照相机，其中，所述光圈的所述透光孔是圆形的且在不透明屏内，且定位以使其中心点与所述照相机的所述光轴重合，且其中所述光学设备还包括照明装置，所述照明装置均匀地围绕所述光轴定位，以均匀地照亮定位在所述照相机的所述增加的景深之内的物体。

在光圈中使用圆形的孔将帮助改进通过照相机所获得的物体的图像质量，而不管物体相对于照相机光轴如何定向。该非定向性改进通过存在特定的照明装置而增强，所述照明装置适于均匀照亮待拍摄图像的物体。

优选地，所述圆形的孔在不透明屏之内具有一直径，用于预定景深，其中直径的值可以在光学设备的操作期间保持恒定。

优选地，所述圆形的孔具有一直径，其中所述直径的值是固定的。因此，所述直径不能被调节。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括至少一个照明源和至少一个照明位置以用于发射光。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括至少一个照明源和至少两个照明位置以用于发射光，其中所述照明位置围绕所述光轴定位。

根据本发明的优选实施方式，所述光学设备包括围绕所述照相机的所述光轴定位的支撑件，且其中所述至少一个照明源固定在所述支撑件上。

根据本发明的优选实施方式，用于所述至少一个照明源的所述支撑件具有围绕所述照相机的所述光轴定位的环的形式。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括两个照明源，其中所述两个照明源关于所述光轴对称地定位。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括至少一个发光二极管（LED）。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括围绕所述光轴定位的多个LED以提供均匀照明。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括围绕所述光轴定位的至少两个LED。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括围绕所述光轴定位的至少四个LED。

根据本发明的优选实施方式，所述照明装置包括围绕所述光轴定位的六个LED。

有利地，所述光圈设置有用于调节所述透光孔的尺寸的调节器。

根据本发明另外的实施方式，所述光学设备包括连接到所述照相机用于存储由所述照相机拍摄的图像的存储器。

根据本发明的优选实施方式，所述光学设备设置有连接到所述照相机用于处理由所述照相机拍摄的图像的微处理器。

根据本发明另外的实施方式，所述照相机包括CMOS光敏传感器。

根据本发明的另外的方面，提供一种用于样品的自动分析的仪器，其中所述仪器适于实施用于分析所述样品的自动过程，所述仪器具有用于待被使用在所述自动过程中的消耗品的容器，其中所述仪器还包括用于识别所述消耗品上的光学代码的光学读取器，其中所述读取器包括根据本发明的光学设备。

优选地，所述读取器设置有用于处理和分析由所述光学设备拍摄的图像的装置，且其中所述光学读取器设置有适于产生基于所述图像的处理和分析的指令的指令装置。

有利地，所述仪器设置有用于控制由所述仪器实施的所述自动过程的控制装置，其中所述光学读取器的所述指令装置连接到所述仪器的所述控制装置以便允许所述控制装置在处理和分析由所述光学设备拍摄的图像之后接收指令。

根据本发明的优选实施方式，所述仪器是用于生物学样品分析的仪器。

根据本发明另外的方面，提供用于借助于根据本发明的光学设备来识别物体上的光学代码的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述物体和所述光学设备定位到相互的位置，其中所述物体上的所述光学代码在所述光学设备的所述增加的景深之内，

通过围绕所述光学设备的所述光轴定位的照明装置均匀地照亮所述光学代码，

使用所述光学设备以对所述物体上的所述光学代码拍摄图像，

通过图像识别技术来处理由所述光学设备拍摄的图像，以便因此识别所述光学代码。

附图说明

本发明将在参考附图做出的描述之后更易于理解，其中：

图1示出了根据本发明的光学设备的第一实施方式；

图2示出了组成根据图1的光学设备的各个元件；

图3示出了根据本发明用于读取尖状物顶部上的光学2-D条形码的光学设备的可能用途；

图4示出了在用于尖状物的容器中的尖状物的第一旋转位置；以及

图5示出了尖状物相对于用于尖状物的容器的第二旋转位置中的尖状物；

图6示出了根据本发明用于读取定位在光学设备光轴中的2-D条形码的光学设备的基本几何形状；

图7是用于获得光学设备的景深的计算的图形表示；

图8是包括定位在图像平面的距离处的第一透镜和第二透镜以及光敏传感器的光学系统；

图9是用于指示透镜相关的模糊区域的图形表示；

图10示出了用于计算模糊圆（circle of confusion）的元件；

图11示出了照相机-物体距离和光圈中透光孔的尺寸之间的关系；

图12示出了光圈厚度在穿过光圈中的透光孔的光量上的可能影响；

图13示出了用于光学设备的特定用途以便对相对于光学设备的光轴倾斜的表面进行照相的景深的最小尺寸；

图14示出了在不使用光圈的情况下利用照相机拍摄的图像的例子；以及

图15示出了根据图14的在使用光圈情况下利用照相机所获得的物体图像。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的光学设备1的第一实施方式。光学设备1包括照相机和光圈5，该光圈5定位且附接到照相机以便在照相机的光轴中。在图2中示出了照相机的细节。光圈5设置有透光孔53且光圈定位成以便使得透光孔53的中心点与照相机的光轴重合。照相机连接到支撑件20，支撑件20适于在合适的位置固定光学设备，且相对于支撑件具有合适的斜度。该支撑件可用于将光学设备定位，例如，在仪器内，诸如用于生物学测试的仪器。

如图1所示，光学设备1还设置有围绕照相机光轴定位的环7。环7包括固定在其上的照明源71。环7可围绕照相机的光轴在360°角的范围内旋转。环7提供支撑件，用于将照明源71围绕照相机的光轴定位。照明源71围绕光轴定位以允许照明源71均匀地，即均一地照亮定位在照相机增加的景深之内且待被拍摄照片的物体。当物体定位在照相机增加的景深之内时，物体被均匀照亮。均匀的照明提供照相物体的图像相对于照相机光轴的均一质量。均匀的照明避免产生具有优质区域和劣质区域的图像。

在环7包括两个照明源71的情况下，照明源可对称地定位在环7上。这意味着两个照明源71在其之间通过180°的角分开。

在环7包括三个照明源71的情况下，照明源71可各自在其之间通过120°的角分开。在照明源71和待拍摄照片的物体的位置之间的关系更清楚地示出在图3中。

参照图1，应注意到照明源71还可具有照明位置的形式。照明位置是从照明源71在将被照相的物体的方向上发出的光的离开点。照明位置可例如是照明源71相关的光纤的端部。在该实施方式中，多个照明位置可与一个照明源71相关。由于照明位置围绕照相机的光轴定位，所以效果是通过多个照明位置发射的光允许均匀照亮物体。

在包括一个照明源71的实施方式中，至少一个照明源71可与至少两个照明位置相关以提供均匀照亮。在使用两个照明位置的情况下，照明位置可对称地围绕光轴定位以提供物体的均匀照亮。在使用多于两个照明位置的情况下，照明位置可均匀地围绕光轴分布以确保将被照相的物体的均匀照亮。可选择地，在一个照明源71定位在靠近光轴一确定距离处以提供均匀照亮的另外实施方式中，照明源71可与至少一个照明位置相关。

照明源和照明位置的组合相当于照明装置。结果是，光学设备1包括如此的照明装置。

在图2中，在其预组装位置示出了光学设备1的不同元件。光学设备1包括支撑件20，支撑件20用于将光学设备1固定在合适位置且相对于将被照相的物体具有合适定向。

光学设备1还包括照相机，该照相机包括照相机主体2、透镜保持器3、透镜壳体4和锁定螺母6。照相机主体2固定到透镜保持器3。透镜壳体4固定到透镜保持器3，在其内部包括至少一个透镜。锁定螺母6用于将透镜壳体4封闭在透镜保持器3中。

如图2所示，光学设备1还包括设置有照明源71的环7，其包括特定特征，诸如：减小的尺寸以符合照相机的尺寸，低功率消耗以避免增加消耗成本，多种颜色以提供不同的颜色照明效果，减小的孔以提供照亮物体的聚焦光束。因此，照明源可是LED的形式。LED均匀围绕照相机光轴定位以便允许照明源均匀照亮在诸如之前所述的照相机的增加的景深之内的物体。光轴和这些照明源71的特定功能将参照图3详细描述。在环7设置有一个照明源71的实施方式中，环7可从一个位置旋转到另一位置，其中两个位置通过例如180°角分开以提供物体的均匀照亮。结果是，环上的照明源71可提供相当于环7的两个位置的两个不同的照明位置。

在图1和2中，环7包括围绕照相机的光轴均匀散开的六个LED。应注意到其他数量的LED例如四个或八个可被使用，只要LED配合以均匀照亮在照相机增加的景深之内的物体。

如图1所示，光圈5附接到照相机的透镜壳体4，且形成阻止光进入照相机的不透明屏。光圈5包括透光孔53使得对于入射在光圈上的光线束来说，只有穿过孔53且然后达到照相机的透镜壳体4内的一个或多个透镜的光线将有助于形成照相机中的图像，同时光圈5所拦截的光线将从其中排除。

照明源71被设计以最优化通过光孔穿过光圈5的光密度。光圈5和照明源71提供在照相机增加的景深之内拍摄的图像的改进质量。

光圈5设置有螺钉51和52，诸如六角固定螺钉，以便将光圈5固定到照相机的透镜壳体4。将注意到光圈5定位在照相机上以便使光圈的孔53的中心点与光圈被附接到的照相机光轴相重合。包括控制旋钮的调节器（未示出）可设置在光圈5上以便控制光圈的特定尺寸。透光孔的直径在仪器的操作期间保持恒定。

在根据图1和2的光学设备1中使用的照相机模块典型地基于具有光敏传感器的板，诸如互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。这将允许图像获取，使得例如条形码的图像可完整地绘制在传感器自身上。

照相机模块连接到基于微处理器的接口板。微处理器管理照相机模块且解码照相机获得的图像。接口板具有特定用于光学设备目的的嵌入算法。例如，如果光学设备用于读取2-D条形码，则嵌入算法将适于解码2-D条形码。

接口板还可管理通信板，这意味着接口板链接到照相机模块被使用的仪器的操作系统。该通信可用于测试，校准和消除错误目的。

此外，接口板可设置有存储系统，诸如闪存、RAM和EEPROM。接口板还可向功率供应提供电压控制器、接口连接器和一些其他的简单回路用于信号调整。

图像经由CMOS传感器获取且然后传输到RAM存储器用于随后的精化操作。嵌入在接口板中的算法可然后解码例如2-D条形码且提供该处理的结果到主板。基于微处理器的接口板可负责管理照相机模块以便适当地获取待处理的图像。

光圈5设置有透光孔53，透光孔53可调节穿过的光量。光圈5可负责增加照相机的景深且因此扩大图像在焦点上的物体窗口的范围。

如之前阐述的，透镜壳体4可通过锁定螺母6被支撑在透镜保持器3上，以便固定透镜的焦点位置。

在图3中示出了根据本发明的光学设备1的可能用途。光学设备1以适于读取接收在用于尖状物45的容器中的尖状物40的顶部上呈现的2-D条形码44的距离和斜度固定在某一位置。尖状物40具有圆形顶部表面41，具有在其中心的孔42。该孔42是用于经由尖状物40的底端处理的液体所需要的。这允许尖状物40用于将一定量的流体从吸取流体的第一位置传输到用于在第二位置分配流体的所述第二位置。

尖状物40可以是用于生物学分析的设备中所使用任何的尖状物。可选择地，该尖状物可以是在其内部提供特定涂层的类型。使用中，重要是能够识别定位在容器45中的特定尖状物40。为了该目的，尖状物40携带2-D条形码44。利用该2-D条形码44，不仅尖状物40的类型可被识别，而且尖状物的批号可被识别。该信息对于检查是否正确的尖状物被定位在正确位置是重要的，以便识别是否存在尖状物，以便确定尖状物所属于的批号等等。

由于一方面尖状物的圆形表面41的边界的存在以及另一方面尖状物的顶部表面的中心的孔42的存在，尖状物40对于在尖状物40顶部上印刷2-D条形码44所可用的总表面面积是非常有限的。因此，2-D条形码44可以是相对小的，具有典型2x1mm的尺寸。

由于实际的原因，光学设备1的读取端和尖状物40的中心之间的距离X₁可以相对长，大约90-110mm。在没有任何特定调整的情况下，包括在光学设备1中使用的预定景深的照相机的固定焦距长度将不能产生条形码44的足够质量的图像以允许解码条形码44。关于该缺少质量相关的问题是尖状物40可在容器45内旋转。这意味着即使光学设备1相对于尖状物的容器45固定，但是仍然能够使条形码44相对于光学设备1的位置有所不同。

图4和5示出了尖状物40相对于容器45的第一和第二旋转位置，以及因此尖状物40顶部上的条形码相对于光学设备1的第一和第二位置。在图4和5中，仅仅示出了光轴55的一部分。在图4的情况下，条形码44定位在相对于光学设备1的第一位置。在根据图5的位置，光学设备1和条形码44之间的距离长于在根据图4的位置中的。

为了光学设备1能够在条形码44相对于光学设备1的任意位置中时读取条形码44，光学设备1的照相机需要具有足够的景深以允许光学设备1对条形码44拍摄图像，且具有用于解码条形码的足够质量。

在光学设备1用于读取光学代码44的使用中，第一可能性是将设置有光学代码44的物体定位在固定位置。之后，光学设备1放置在光学设备1可对物体上的光学代码44拍摄图像的位置中。这意味着，光学设备1定位成确保光学代码44在光学设备1的照相机的景深之内。

可选择地，光学设备1固定在合适位置且之后设置有光学代码44的物体放置在相对于光学设备1的位置中，以使光学代码44在光学设备1的照相机的增加的景深之内。

在任何情况下，为了允许光学设备1对物体上的光学代码44拍摄图像，光学设备1和光学代码44的相互位置将使得代码44在光学设备1的照相机的增加的景深之内。

根据图3，通过使用具有在其中心的透光孔53的光圈5来增加光学设备1的预定景深。该透光孔53是圆形的，且该圆形的中心点与光学设备1的照相机的光轴55重合。由于透光孔53是圆形的，孔的形状帮助光学设备在所有可能的方向上具有类似的分辨率。因此相对于在根据图5的位置拍摄的图像的质量相比，尖状物40的旋转对在例如根据图4的位置所拍摄的图像的质量没有影响。可保证在所有可能的位置的条形码44的图像的足够质量。

与根据图3的光学设备1有关的以确保优质图像的第二调整是存在具有照明装置71的环7。光学设备1特别适于在仪器诸如用于生物学分析的仪器的内部使用。这意味着光学设备1在黑暗中使用。照明装置71均匀地围绕光轴55定位以均匀照亮必须被拍摄图像的物体，在这种情况下，为尖状物40的顶部表面41。存在用于增加景深的光圈5和环7上的照明源71的组合一起提供利用光学设备中固定焦距照相机所获得的图像的均匀的图像质量。该质量将向条形码44相对于光学设备1的所有可能的位置提供。

根据本发明的光学设备1特别适用于读取在用于生物分析和测试的仪器中使用的消耗品上的条形码。该类型的条形码可存在于例如以尖状物形式的消耗品上。根据本发明，光学设备可用于对尖状物在其中可期望找到条形码的区域中的表面拍摄图像。一旦拍摄了图像，图像可使用图像识别技术来处理。

光学设备1的第一用途是使用图像识别的结果作为用于检查条形码存在或不存在的工具。不存在条形码将指示尖状物不存在或尖状物没有适当定位在仪器中。

如果条形码存在，则光学设备1可用于读取条形码以从而识别定位在仪器中的特定尖状物。尖状物的识别对于仪器的适当操作是重要的安全步骤。消耗品识别的结果允许操作者或自动控制系统，在第一实例中，在仪器可认可特定分析程序或检测开始之前检查是否正确的消耗品定位在正确位置中。

消耗品的识别还可提供关于尖状物所属于的消耗品具体批次的信息。可能的是，在检测完成之后，需要通过施加与在程序或检测中使用的消耗品批次相联系的修正而调整程序或检测的结果。此外，或可选择地，消耗品的识别可在使用与消耗品具体批次相联系的信息的校准程序中使用，这是在起动仪器或检测之前。

光学设备1的第二用途是使用在仪器中使用的第一消耗品的识别且利用在该相同仪器中使用的另外的消耗品对照该第一消耗品。该第二消耗品可以任何合适的方法或方式识别，手动地或自动地，例如通过使用另外的条形码读取器。第一消耗品的识别，包括其类型和批号，可与第二消耗品的相似信息进行对比。一旦两个消耗品已经进行对比，可能的是在仪器的操作中，仅在第一消耗品的识别证实了其匹配第二消耗品的识别时，才允许开始程序或测试。

对于光学设备的每个特定用途，用于处理通过光学设备的照相机所拍摄的图像的算法必须适于该特定用途。

现在将描述特定实施方式。在以下的示例中，根据本发明的光学设备的使用将参照光学设备用于读取尖状物的顶部上的2-D条形码的用途来描述。在该示例中的2-D条形码是DataMatrix ECC-200条形码。该类型的条形码典型地具有8x18元素的矩阵。

光学设备1相对于在该示例中所使用的尖状物40的顶部的位置在图3中示出。不同元件的尺寸以及多个元件之间的距离进一步在图6和8中详细描述。

根据图6，光学设备1的光敏传感器100定位在传感器平面101中。传感器100定位在光学设备的光轴55中。用于拍摄图像的目标是2-D条形码44。条形码44定位在目标平面111中。

α是光轴55和条形码44的目标平面111（见图6）之间的角。在该示例中，角α设定在35°和40°之间。

聚焦系统以传感器100和条形码44之间的透镜的形式存在。透镜103具有端部透镜平面104。传感器平面101和端部透镜平面104之间的距离是25.25mm。透镜103具有在光轴的方向测量的14.45mm的厚度。

端部透镜平面104和目标平面111之间的距离是102.45mm。

为了产生允许读取条形码44的图像，而不管条形码44所附接的尖状物40相对于光学设备1的旋转位置如何（参见图3），应该满足两个条件：

1）组成条形码44的数据矩阵的所有元素必须定位在具有通过所谓景深的距离（DOF）所分开的两个极限的范围内，以及

2）图像质量应该足以使得数据矩阵的每一个元素可使用施用于处理所获得图像的算法来识别。

“景深”的意思和定义参照图7进行解释。以下描述用于指定光学设备的“景深”：如果物体通过光学系统被看见，则景深是对于拍摄图像的特定用途给予可接收的图像清晰度的物体距离的间距。

为了更好的理解，图7示出了

U是物体距离；

U_f是景深的远极限；

U_n是景深的近极限；

对于景深（DOF）的尺寸，适用以下公式：

DOF=U_f–U_n；

V是图像距离；

V_f是远极限的图像；

V_n是近极限的图像；

d是透镜开度；

c是模糊圆的直径。

对于f-值N以及放大率m（两个都关于焦距f），适用以下公式：

N = \frac{f}{d}

m = \frac{V}{U}

图像（V）和物体（U）距离通过以下公式而相关：

\frac{1}{U} + \frac{1}{V} = \frac{1}{f}

限定DOF极限的以下公式可如下演变：

U_{n} = \frac{U}{1 + \frac{N \cdot c}{f \cdot m}}

和

U_{f} = \frac{U}{1 - \frac{N \cdot c}{f \cdot m}}

对于条形码读取，这些公式用于计算所需要的DOF。

在图8中，光学设备的示意性实施方式示出具有两个透镜，第一透镜201和第二透镜202。

等焦透镜203的焦距f是：f=16mm。

从第二透镜202到焦平面的后焦距bfl是：bfl=11.8mm。

作为物体和等焦透镜之间的距离的物体距离U然后变成：

U=[物体；系统]+7.35mm。

名义位置是[物体；系统]=102.45mm，其相当于

U=109.8mm且V=18.7mm。

总距离的公差是+/-1.2mm，其中“总距离”是聚焦透镜，透镜201的边缘和传感器100之间的距离。

模糊圆的尺寸从投射在传感器100上的数据矩阵计算。

图9表示从透镜沿着光轴102追踪的射线。

图10表示传感器阵列的横向视图。

参照图9和10，显示了模糊圆300具有n-1像素的半径。模糊区域利用参考数字301指示。当p是传感器阵列上投射的像素的尺寸时，则模糊圆的直径是：

c=2*（n-1）*p。

在传感器阵列的横向视图中，可以看到投射在传感器上的数据矩阵的每一个元素的尺寸具有n像素的尺寸，则：

n*p=m*L（其中L是数据矩阵中的每一个元素的尺寸）。

所以，最后：

c=2*m*L-2*p。

参考图11描述存在光圈的影响。

透镜开度通过具有透光孔53的光圈5控制。因为光圈5距离第一透镜在某一距离x处，其相当于距离等焦透镜在距离x+6.5mm，所以透镜开度取决于图11所示的物体距离。

d = d_{0} \cdot \frac{U}{u - 7.35 mm - x}

在名义位置（U=109.8mm），d=1.07*d₀。

光圈的厚度的影响示出在图12中。

几何上，α=180°-90°-θ。

θ是在物体位置的开度角，定义为：

于是如果α≥89°，则光圈的厚度不会有助于增加透镜开度，而是增加进入光学系统的光量，如图12所示的反射线增加光量。

得出以下公式：

包含条形码44的平面相对于正交平面倾斜，如图13所示。DOF的最小值现在限定为尖状物沿着光轴55的投影。由于将DOF的最小值与实际DOF相对比是有意思的，该对比通过离焦偏差来表现，如在图13中所定义的。

离焦偏差具有两个坐标：

根据瑞利准则，光圈5和等焦透镜203的组合导致由角θdiff评定的衍射（直径d的圆开度）：

\sin θ_{diff} = 1.22 \cdot \frac{λ}{d}

衍射角是艾里斑的顶角，其半径为：

r(Airy)=v*tanθ_diff

只要模糊圆的直径小于艾里斑的直径，则衍射现象不会具有任何影响。

现在，光圈5的最小直径d₀能够被计算以摆脱衍射：

在名义位置（U=109.8mm；V=18.7mm），模糊圆具有直径：

C=0.032mm（默认近似值）。

该结果是对艾里斑的直径的最高极限，其对衍射角施加以下条件：

θ_diff≤0.048°。

透镜开度的条件是：

d≥1.07mm。

于是，所需要的光圈最小直径为：

d_0min=1.00mm。

为了避免任何衍射的问题，考虑光圈5的孔53的尺寸的机械公差，孔53将至少具有2mm的直径。

在名义位置的关联透镜开度-光圈直径为：

d=1.07*d₀

且

d₀≥2mm，以摆脱衍射。

尖状物的z-定位的机械公差（+/-2.847mm）导致所需要的景深为：

3.717mm(40°投影+2.847mm)

+6.43mm(DOFmin)

+3.717mm(40°投影+2.847mm)

=13.87mm。

然后考虑到任何隐藏的公差诸如尖状物的塑料，其上印刷有条形码的膜，以及由于制造公差诸如大约2%的不确定性而对DOF的任何影响，最小景深固定在15mm，该值与光圈的2mm+/-0.05mm的制造公差和透镜开度2.18mm的使用有关。

为了验证计算结果，某些特征上可能的误差被考虑：

焦距：f=16.0mm，公差为+/-5%（0.80mm），

后焦距：bfl=11.8mm，公差为+/-5%（0.59mm），

光学长度：14.45mm，公差为+/-0.4mm。

焦距的误差是具有最大影响的特征。当图像距离（V）被假定是固定且不确定性为5%时，这将导致对于DOF的大约28%的相对误差、对于模糊圆的43%的相对误差以及对于物体距离的52%的相对误差。

这些数字表示不确定性是相当重要的。如果图像距离（V）被调整以再次找出按f=16.00mm所获得的物体距离，则结果如下：

图像距离的调整：ΔV≈6.8%

物体距离:ΔU≈2.7%

DOF:ΔDOF≤0.1%

模糊圆:Δc≈12%

小于0.1%的DOF的所计算的变化是可接受的。

在名义位置，模糊圆具有基本上0.032mm的直径，12%的不确定性可使其减小到0.028mm。在透镜开度为2.19mm的情况下，由衍射导致的艾里斑具有大约0.0132mm的直径，其足够小而不能干扰几何光学。

关于焦距和后焦距的影响，可注意到以下：

两个极端的情况被模拟且观察：

1）+5%的焦距，-5%的后焦距；

2）-5%的焦距，+5%的后焦距。

在两种情况下，对图像距离（V）进行调整以得到之前在名义位置所获得的期望DOF，在第一种情况1）下，DOF提高1.2mm；在第二种情况2）下，DOF回退1.2mm。

所以，分开聚焦透镜和传感器的距离的公差为+/-1.2mm。

结果是，在任何情况下，焦距的误差可通过调节系统的位置来进行可接受地补偿。

Claims

1.一种光学设备（1），包括具有预定景深的固定焦距照相机，所述固定焦距照相机具有光轴（55），其中，所述光学设备（1）包括光圈（5），所述光圈（5）定位在所述照相机的所述光轴（55）中，且包括透光孔（53）以增加所述照相机的所述预定景深，从而提供增加的景深，其中，所述光圈（5）附接到所述照相机，其中，所述光圈（5）的所述透光孔（53）是圆形的且在不透明屏内，且定位以使其中心点与所述照相机的所述光轴（55）重合，且其中所述光学设备（1）还包括照明装置，所述照明装置均匀地围绕所述光轴（55）定位，以均匀地照亮定位在所述照相机的所述增加的景深内的物体。

2.根据权利要求1所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括至少一个照明源（71）和至少一个照明位置以用于发射光。

3.根据权利要求1所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括至少一个照明源（71）和至少两个照明位置以用于发射光，其中所述照明位置围绕所述光轴定位。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的光学设备（1），其中所述光学设备（1）包括围绕所述照相机的所述光轴定位的支撑件（7），且其中所述至少一个照明源固定在所述支撑件（7）上。

5.根据权利要求4所述的光学设备（1），其中用于所述至少一个照明源（71）的所述支撑件（7）具有围绕所述照相机的所述光轴（55）定位的环的形式。

6.根据任一项前述权利要求所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括两个照明源（71），其中所述两个照明源（71）关于所述光轴（55）对称地定位。

7.根据任一项前述权利要求所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括至少一个发光二极管（LED）（71）。

8.根据权利要求7所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括围绕所述光轴（55）均匀定位的多个LED（71）。

9.根据权利要求7所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括围绕所述光轴（55）定位的两个LED（71）。

10.根据权利要求7所述的光学设备（1），其中所述照明装置包括围绕所述光轴（55）定位的六个LED（71）。

11.根据任一项前述权利要求所述的光学设备（1），其中所述光圈（5）设置有用于调节所述透光孔（53）的尺寸的调节器。

12.根据任一项前述权利要求所述的光学设备（1），其中所述光学设备（1）包括连接到所述照相机用于存储由所述照相机拍摄的图像的存储器。

13.根据任一项前述权利要求所述的光学设备（1），其中所述光学设备（1）设置有连接到所述照相机用于处理由所述照相机拍摄的图像的微处理器。

14.根据任一项前述权利要求所述的光学设备（1），其中所述照相机包括CMOS光敏传感器（100）。

15.一种用于样品的自动分析的仪器，其中所述仪器适于实施用于分析所述样品的自动过程，所述仪器具有用于待被使用在所述自动过程中的消耗品（40）的容器，其中所述仪器还包括用于识别所述消耗品上的光学代码（44）的光学读取器，其中所述读取器包括根据权利要求1-14中任一项所述的光学设备（1）。

16.根据权利要求15所述的仪器，其中所述读取器设置有用于处理和分析由所述光学设备（1）拍摄的图像的装置，且其中所述光学读取器设置有适于产生基于所述图像的处理和分析的指令的指令装置。

17.根据权利要求16所述的仪器，其中所述仪器设置有用于控制由所述仪器实施的所述自动过程的控制装置，其中所述光学读取器的所述指令装置连接到所述仪器的所述控制装置，以便允许所述控制装置在处理和分析由所述光学设备（1）拍摄的图像之后接收指令。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的仪器，其中所述仪器是用于生物学样品分析的仪器。

19.一种用于借助于根据权利要求1-14中任一项所述的光学设备（1）来识别物体上的光学代码（44）的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述物体和所述光学设备（1）定位到相互的位置，其中所述物体上的所述光学代码（44）在所述光学设备（1）的增加的景深内，

通过围绕所述光学设备（1）的光轴（55）均匀定位的照明装置均匀地照亮所述光学代码（44），

使用所述光学设备（1）以对所述物体上的所述光学代码（44）拍摄图像，

通过图像识别技术来处理由所述光学设备（1）拍摄的图像，以便因此识别所述光学代码（44）。