CN109946769A - 减少视觉系统变焦透镜漂移的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种视觉系统，所述视觉系统配置为补偿某些变焦透镜组件中可能出现的光学漂移，所述变焦透镜组件包括但不限于液体透镜装置。所述系统包括：图像传感器，其可操作连接至视觉系统处理器；以及变焦透镜组件，其由(如，视觉处理器或其他测距装置)控制，以改变其焦距。正透镜组件配置为减轻变焦透镜组件相对于物体距正透镜组件的预定工作范围的影响。变焦透镜组件位于正透镜的前焦点或后焦点附近；示例性地，变焦透镜组件包括液体透镜组件，其可在屈光度约为20D时进行固有变焦。在一个实施例中，镜筒具有C型接口的透镜底座。

Description

减少视觉系统变焦透镜漂移的系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请是2014年5月6日提交的名为“SYSTEM AND METHOD FOR REDUCTION OFDRIFTIN AVISION SYSTEM VARIABLE LENS”、申请号为14/271,148的共同未决的美国专利申请的部分延续申请案，其教导内容通过引用明确并入本申请。

技术领域

本申请涉及机器视觉中使用的相机，更具体地涉及自动对焦透镜组件。

背景技术

用于物体测量、检测及对位和/或符号解码(如，条形码或更简单的ID识别码)的视觉系统在工业中应用广泛。视觉系统基于图像传感器运作，由图像传感器获取物体或对象的图像(通常为灰度图像、彩色图像以及一维、二维或三维图像)，并利用机载或联网的视觉系统处理器处理获取到的图像。处理器通常包括处理硬件和非暂态计算机可读程序指令，其用于执行一个或多个视觉系统进程，以基于图像的处理信息生成所需输出。该图像信息通常包含在图像像素阵列中，每个图像像素阵列均具有各种不同的颜色和/强度。在ID读码器的示例中，用户或自动化过程程序获取被认为含有一个或多个ID的物体的图像。处理图像，识别其ID特征，然后通过解码处理和/或处理器解码，获得以ID模式编码的固有信息(如，字母数字数据)。

视觉系统相机通常包括内部处理器以及其他组件，这些组件可让其作为独立单元运行，向下游进程(如，库存跟踪计算机系统或物流应用程序)提供所需输出数据(如，解码的符号信息)。

在某些视觉系统的应用程序中可能需要的示例性透镜需是自动对焦(自动聚焦)组件。例如，可通过一种“变焦透镜”组件(也被称作所谓的液体透镜组件，下面将做进一步定义)来促进自动对焦透镜。其中，一种透镜是法国Varioptic公司的液体透镜，其采用了两种等密度的液体-油作为绝缘体，而使用水作为导体。透镜受周围导通的电路电压变化的影响，使液-液交界面的曲率发生变化，从而改变透镜焦长(focal length)。液体透镜的一些显著优点是坚固耐用(无机械活动件)、响应快速、光学质量相对优良、功耗低且尺寸小。液体透镜无需手动接触，因此，可非常理想地简化视觉系统的安装、设置和维护。相较于其他自动对焦机构而言，液体透镜的响应非常迅速。液体透镜也非常适合用于读取物体之间(面面间)的距离变化或一个物体到另一个物体之间的变化，例如，扫描含不同尺寸/高度物体的移动式输送带(如，运输箱)。通常，在许多视觉系统应用中都需要视觉系统具备快速“即时”的调焦能力。

液体透镜技术的最新发展状况可从瑞士Optotune AG公司获取。这种透镜通过采用移动膜覆盖液体腔来改变焦距(focal distance)。线轴施加压力，改变膜的形状，从而改变透镜焦点。线轴可通过在预设范围内改变输入电流来移动。电流值不同，液体透镜的焦距也将不同。与其竞争性产品的设计(如，法国Varioptic公司)相比，其透镜具有光圈大和运行速度快的优点。然而，由于热漂移及其他因素，这种透镜在运行期间通常会随时间的推移而在校准和焦点设置方面出现变化。虽然可通过配置各种系统来补偿和/或修正焦点变化及其他因素，但是，此类补偿程序需要时间来运行和处理(相机内部处理器中)，从而会拖慢透镜到达新焦点的整体响应时间。同样地，这种补偿程序(如，对热漂移)可标准化，而非针对透镜特性定制，这使得它们在处理透镜随时间推移而出现的具体漂移状况时不太可靠。例如，注意，液体透镜的漂移约可达0.15D/℃(如，目前正在生产的某些Varioptic液体透镜和/或市售的指定产品)。在一些视觉应用中，尤其是在距离较远的情况下检测小特征时，需要成像仪透镜的光焦度稳定在+/-0.1D屈光度。

另外，通常认为透镜至少需要约1000Hz控制频率来充分控制透镜的焦点，并将焦点保持在所需范围内。这将对基于DSP或类似架构的视觉系统处理器造成负担。也就是说，如果DSP持续先占透镜控制任务，则视觉系统的任务将受到影响。所有这些缺陷使得漂移补偿成为许多应用中的难题。

发明内容

本发明通过提供一种视觉系统来克服现有技术中的缺点，该视觉系统配置为补偿某些能够改变光焦度的透镜组件中可能出现的光漂移，其中，通过控制透镜形状和/或透镜折射率来改变光焦度(从而改变焦长/焦距，其中，焦长＝1/光焦度)。这种透镜组件包括但不限于液体透镜装置，例如，该透镜装置采用两种等密度液体或可变膜(在本文中也通常被称为“变焦透镜”组件)。该系统，包括：图像传感器，其可操作连接至视觉系统处理器；以及变焦透镜组件，其由如，视觉处理器或其他测距装置控制，以改变其焦距。正透镜组件配置成减轻变焦透镜组件相对于物体距正透镜组件的预定工作范围的影响。示例性地，变焦透镜组件包括液体透镜组件，并且该液体透镜组件可在屈光度约为20D时发生固有变焦。示例性地，正透镜组件和变焦透镜组件相对于相机主体和图像传感器共同置于可拆卸镜筒内。示例性地，图像传感器位于相机主体内。同样地，视觉处理器可全部或部分地位于相机主体内。在一个实施例中，镜筒具有C型接口的透镜底座，并且正透镜组件包括双合透镜，该双合透镜包括前凸透镜和后凹透镜。正透镜组件可定义40mm的有效焦距范围。示例性地，透镜(如，双合透镜)的可用焦长范围约在10～100mm之间。另外，变焦透镜组件(如，液体透镜组件)通常位于正透镜组件附近，但远离其焦点，其中，焦点可以是正透镜组件的前焦点，或者更通常地是后面/后部焦点。变焦透镜组件与焦点之间的距离可以是正透镜组件焦长F的约0.1～0.5倍。通过这种方式，正透镜组件和变焦透镜组件成为将光聚焦到图像传感器上的透镜总成的一部分。因此，正透镜组件的光焦度“主要限定”透镜总成的总光焦度，换句话说，大部分的放大倍率/光焦度由正透镜组件提供，使得变焦透镜组件漂移的影响降至最低。

在一个说明性实施例中，提供了一种补偿漂移的视觉系统。该视觉系统，包括：图像传感器，其可操作连接至视觉系统处理器；变焦透镜组件，其形状或折射率可以改变；以及定焦透镜组件，其配置成减轻变焦透镜组件对物体预定工作范围的影响。示例性地，变焦透镜组件包括液体透镜组件。液体透镜组件可位于图像传感器与定焦透镜组件之间，并且可在屈光度约为20D上变焦。此外，定焦透镜组件可限定正焦度。示例性地，定焦透镜组件和变焦透镜组件相对于相机装置主体和图像传感器置于可拆卸镜筒内，图像传感器可位于相机装置主体内。相机装置主体可电连接至变焦透镜组件，通过接触垫片和电缆组件中的至少一个向其提供功率和控制中的至少一个。定焦透镜组件可包括以下中的一个：(a)具有前凹面和后凸面的前透镜以及与前透镜间隔设置的中间双凸透镜；(b)前双凸透镜和堆叠型后透镜组件，其中堆叠型后透镜组件具有前正透镜、中间双凹透镜和后正透镜；(c)前平凹透镜和负透镜、堆叠型中间透镜以及后双凸透镜和正透镜，其中堆叠型中间透镜具有双凸透镜和平凸透镜；(d)前平凸透镜和正透镜，以及后正透镜和负透镜；(e)堆叠型前透镜组件以及后平凸透镜和负透镜，其中，堆叠型前透镜组件具有双凸透镜和双凹透镜。另外，定焦透镜组件中的至少一个透镜可包含聚合物材料。例如，定焦透镜组件可将有效焦距的可用范围限定在约0.3m至8m之间。另如，变焦透镜组件位于定焦透镜组件的焦点附近。该焦点为定焦透镜组件的前焦点或后焦点中的一个。在实施例中，定焦透镜组件可包括前透镜组件和后透镜组件，变焦透镜组件位于其间，其中，后透镜组件可限定正光焦度。同样地，在这些实施例中，前透镜组件可具有一对透镜，每个透镜具有前凸面和后凹面，以及一个具有相对凹面的透镜，而后透镜组件具有带相对凸面的透镜。示例性地，定焦透镜组件和变焦透镜组件是将光聚焦到图像传感器上的透镜总成的一部分，其中，定焦透镜组件的光焦度主要限定透镜总成的总光焦度。

在另一个说明性实施例中，提供了一种用于视觉系统的变焦透镜系统，该视觉系统具有将图像数据传送至处理器的图像传感器。该系统包括变焦透镜组件(如，液体透镜组件)。该系统包括具有焦点的定焦透镜组件。变焦透镜组件位于该焦点附近。定焦透镜组件和变焦透镜组件可以是将光聚焦到图像传感器的透镜总成的一部分。正透镜组件的光焦度可主要限定透镜总成的总光焦度。例示例性地，液体透镜组件可在屈光度约为20D时变焦。在实施例中，定焦透镜组件和变焦透镜组件相对于相机装置主体和图像传感器置于可拆卸镜筒内。图像传感器位于相机装置主体内。相机装置主体电连接至变焦透镜组件，以通过接触垫片和电缆组件中的至少一个向其提供功率和控制中的至少一个。示例性地，透镜系统可包括以下中的一个：(a)具有前凹面和后凸面的前透镜以及与前透镜间隔设置的中间双凸透镜；(b)前双凸透镜和堆叠型后透镜组件，其中堆叠型后透镜组件具有前正透镜、中间双凹透镜和后正透镜；(c)前平凹透镜和负透镜、堆叠型中间透镜以及后双凸透镜和正透镜，其中堆叠型中间透镜具有双凸透镜和平凸透镜；(d)前平凸透镜和正透镜，以及后正透镜和负透镜；(e)堆叠型前透镜组件以及后平凸透镜和负透镜，其中堆叠型前透镜组件具有双凸透镜和双凹透镜。

附图说明

下面结合附图对本发明进行说明，其中：

图1是根据说明性实施例的具有视觉系统相机的说明性视觉系统的配置图，示出了获取场景中示例性物体的图像，其中，视觉系统相机具有相关联的视觉处理器和随时间补偿固有漂移的透镜组件；

图2是示例性透镜系统的光线轨迹图，该示例性透镜系统包括对物体成像的变焦透镜组件；

图3是示例性透镜系统的光线轨迹图，该示例性透镜系统包括变焦透镜组件和正透镜组件，其中正透镜组件与变焦透镜组件相距预定距离沿光轴设置，以提供漂移容差(drift-tolerant)的透镜系统；

图4是根据示例性实施例的包括变焦透镜组件和正透镜(示出漂移容差)的透镜组的侧剖视图，示出了镜筒及其相关组件的相对尺寸；

图4A是图4中所示透镜组的侧剖视图，示出了组件沿光轴的相对位置；

图5是图4中所示的说明性透镜组的光线轨迹图，示出了在第一距离对物体成像；

图6是图4中所示的说明性透镜组的光线轨迹图，示出了在第二距离对物体成像，其中第二距离比第一距离长；

图7是图4中所示的说明性透镜组的光线轨迹图，示出了在第一距离对物体成像；

图8是根据本说明书中实施例的正透镜组件、变焦透镜组件和正透镜焦点之间的关系图；

图9是根据实施例的漂移容差透镜系统的透镜布置图，其中，变焦透镜组件位于光学器件和图像传感器之间；

图10是根据实施例的漂移容差透镜系统的透镜布置图，其中，变焦透镜组件位于两组光学器件之间，置于图像传感器之前；

图11是根据另一实施例的12mm漂移容差透镜系统的透镜布置图，其中，变焦透镜组件位于光学器件和图像传感器之间；

图12是包含图11中所示透镜布置的透镜组件透视图；

图13是沿图12中13-13线取的透镜的侧剖视图；

图14是根据另一实施例的16mm漂移容差透镜系统的透镜布置图，其中，变焦透镜组件位于光学器件和图像传感器之间；

图14A是根据实施例的可在视觉系统中使用的矩形图像传感器的像圈图；

图15是根据另一实施例的25mm漂移容差透镜系统的透镜布置图，其中，变焦透镜组件位于光学器件和图像传感器之间；

图16是根据另一实施例的35mm漂移容差透镜系统的透镜布置图，其中，变焦透镜组件位于光学器件和图像传感器之间；

图17是包含图16中所示透镜布置的透镜组件的透视图；以及

图18是沿图17中18-18线取的透镜的侧剖视图。

具体实施方式

一、系统概述

图1示出了视觉系统100详图，该视觉系统100包括视觉系统相机装置110及相关联的透镜组/组件120。下面对透镜组120的结果做了进一步描述。在一个实施例中，透镜组120固定至相机，或者可用定制的或常规的安装座(如，众所周知的Cine或“C型接口的透镜底座”)可拆卸地安装。相机包括主体/外壳，该主体/外壳可容置多个操作组件，包括图像传感器或成像仪130(如虚线所示)。在该实施例中，成像仪130与机载视觉处理器140可操作地连接，该机载视觉处理器140可运行多种硬件和/或软件进程(通常被称为视觉进程142)。该视觉进程142可包括多个软件应用程序，这些软件应用程序适于执行通用或专门的视觉系统任务，例如，ID(编码)查找和解码任务、边缘检测、斑点分析、表面检查、机器人操作和/或其他操作。例如，见示例性ID 144。进程142还可包括各种图像采集和图像处理应用程序，其将图像数据以更适合视觉系统任务的形式保存，如，直方图和图像阈值等。这些任务和进程是本领域技术人员已知的，并且可通过视觉系统商业供应商(如，马萨诸塞州纳蒂克的康耐视公司)获得。如图所示，说明性视觉系统处理器140包含在相机主体中。视觉系统数据可以以“原始”、预处理(如，查找到的未经解码的ID图像数据)或经完全处理的数据(例如，解码的ID数据)形式通过有线和/或无线链路144传送至适合的数据处理系统或处理器，如，个人电脑或服务器系统。在替代实施方式中，可采用替代系统，如，移动计算设备和云设备等。数据处理系统根据用户的需要(如，质量或库存控制)存储和处理基于图像的数据。在可选实施例中，一些或全部视觉系统处理器/进程可在远程处理器(如，计算设备/处理器150)中被实例化和/或执行，该远程处理器以本领域技术人员已知的方式通过适当的有线和/或无线链路(如，链路144)互连至相机110。

注意，本说明书中使用的术语“进程”和/或“处理器”应广义地包括基于各种电子硬件和/或软件的功能和组件。此外，所示的进程或处理器可与其他进程和/或处理器组合，或分为各种子进程或子处理器。根据本说明书中的实施例，这些子进程和/或子处理器可进行各种组合。同样地，可明确预期到，本说明书中的任何功能、进程和/或处理器可由电子硬件、含非暂态计算机可读介质程序指令的软件或硬件和软件的组合来执行。在系统配置中，这些进程/进程功能可通过其发生/存在的相应“模块”或“元件”来命名。例如，“ID-读取模块”，其执行与读取和/或解码ID识别码相关联的功能。

如图所示，透镜组件120沿光轴OA(与传感器130的平面)对准，通常配置成垂直于该轴线。透镜组件120和传感器130对物体O成像。例如，物体O可以是部分或全部覆盖视场(FOV)的任何二维(2D)或三维(3D)表面或形状。在所示示例中，物体O距离相机110(如，距离传感器130的焦平面)的范围/距离(do)可变化，但(根据说明性实施例)其定义了可对物体O成像的预定工作范围。

示例性地，该实施例通过限定视觉系统的工作范围来补偿作为透镜总成120一部分的变焦透镜(如，液体透镜)随时间可能出现的光漂移，视觉系统在该工作范围下可减少变焦透镜的光焦度对透镜总成(包括透镜总成中的所有定焦透镜)光焦度的影响。通过这种方式，使得漂移成为组成透镜组件整体聚焦性能的很小一部分。该说明性装置的优点在于可缩小可调焦距范围。因此，该系统适用于多种实施例，如，物体表面距焦平面的距离(do)相对恒定，或者该距离(do)在相对较小距离范围内变化。示例性地，该系统可用于在较远距离处读取的视觉系统应用程序，其中，所需的光学距离仅为市售液体透镜(20D)的很小一部分(约2D)。如上所述，本说明书实施例中的各种透镜组件可包括各种可改变光焦度的透镜。更具体地，在实施例中，通过控制透镜形状和/或透镜折射率来改变光焦度(从而改变焦长/焦距，其中，焦长＝1/光焦度)。这种变焦透镜组件包括但不限于液体透镜，并且可采用各种类型的液体透镜，包括等密度液体型透镜(Varioptic)和薄膜型液体透镜(Optotune)等。同样地，还可采用通过其它机构运行的变焦透镜，如，机电驱动透镜。

二、减少漂移量的透镜布置

为了进一步说明实施例的理念，图2中示出了用于示例性视觉系统200的基本光学装置的光线轨迹图，该示例性视觉系统具有示例性物体O1、图像传感器230和通用变焦透镜(如，液体透镜(LL1))。物体O1位于距变焦透镜LL1的距离d1处。如图所示，该系统无附加透镜，并且从物体O1反射的光线240透过变焦透镜LL1，直接聚焦于图像传感器130上。因此，变焦透镜LL1焦点的任何微小变化(如，漂移)都可能导致出现明显的散焦状况，而散焦可影响视觉系统提供正确结果的能力。

为了处理透镜(如，液体透镜)对漂移及其他焦点变化的敏感性问题，现参照图3，图中示出了根据实施例的用于视觉系统300的通用光学装置。定焦(非变焦)正透镜PL沿系统和成像物体O2之间的光路设置在变焦(如，液体)透镜组件LL2前的预定距离d处。

因此，该系统300的光焦度A(其中，A1是正透镜组件PL的光焦度，A2是变焦透镜组件LL2的光焦度，而d是正透镜PL和变焦透镜LL2之间的距离)为：

A＝A1+A2-d×A1×A2

如果变焦透镜LL2和正透镜PL之间的距离相对较大(如，d＝k/A1，其中，k＝0.5……0.9，且k代表正透镜A1与距离d之间的乘积，如，k＝d×A1)，则上面定义的具有焦度A1和A2的透镜系统的总光焦度和相对距离d可表示为：

A＝A1+(1-k)×A2

而漂移量用系统每单位温度(dT)的透镜光焦度(dA)的差值(dA/dT)表示：

dA/dT＝dA1/dT+(1-k)×dA2/dT

这表明上述系统的漂移量dA/dT为正透镜漂移量dA1/dT与(1-k)倍变焦透镜漂移量dA2/dT之和。

在一个实施例中，定焦正透镜PL可选择固有漂移低(如，dA1/dT≈0)的玻璃透镜，因此，与图2中所示的原始设置相比，图3中系统的总漂移量dA/dT通过正透镜PL有效降低了1-k(＝0.1x……0.5x)，并且正透镜的焦度越大(如，k越大)，变焦透镜的漂移减少得越多。

现参照图4，图中详细示出了用于图1中说明性视觉系统相机110的集成透镜组/组件120的横截面。该透镜组件120可包括各种电接线和/或引线(电缆410和连接器412以虚线示意性示出)，电接线和/或引线从变焦透镜组件(如，液体透镜)420延伸至相机110主体上的位置，与相关联的视觉处理器140的相应控制处理器/组件通信。注意，示例性液体透镜组件420(可为薄膜型、等密度液体型或同等类型)包含在镜筒430内，并且引线410构造成从镜筒430上的位置延伸。该连接使得控制信号可驱动液体透镜组件(如，电流和/或电压调制)，使得液体透镜组件420的焦点变化和设置响应于处理器的指令。可使用本领域技术人员已知的各种技术来确定和/或设置适当的焦点，例如，在单步调试各焦点设置后使用图像边缘清晰度和/或使用外部测距装置。虽然在所示实施例中使用了单独的电缆链路，其中，相机主体上有相关联的连接器，但是连接布置可置于镜筒430内，例如，在透镜组件120固定至相机主体时，连接布置由(透镜和相机主体上)对准的接触垫片和/或接触环组成。

在该实施例中，透镜组件镜筒430配置了常规尺寸和外形的C型接口透镜，该C型接口透镜具有适合的螺纹底座440。镜筒底座(法兰)440的所示外螺纹与相机主体上的相应内螺纹(未示出)相适配。螺纹具有常规尺寸(如，1英寸×32)。注意，相机主体可包括各种附件和功能组件，如，围绕透镜和/或接线用于外部照明组件的环形光源。可将这些附件和/或组件应用于相机来实现视觉系统的任务。镜筒430可由多种材料构成，如，铸造铝合金或机加工铝合金。螺纹底座使得镜筒和包含其中的相关透镜总成可拆卸地连接至相机主体，并且可由制造商或用户选择使用其他类型的透镜替换。虽然在该实施例中使用了C型接口底座，但是也可在可选实施例中使用任何可容置液体透镜或其他适合的变焦透镜的、可接受的透镜底座。例如，可采用F型透镜底座。

镜筒430的尺寸通过图4中的非限制性示例示出。如图所示，在一个实施例中，镜筒外径ODL可约为28-29mm。这解决了C型接口透镜底座中的一般尺寸限制/参数限制。同样地，举例来说，镜筒430从前端432到螺纹底座440的长度OLL约为32～34mm。透镜底座440与图像传感器130的焦平面之间的距离DS约为17.5mm。注意，这些尺寸表明了本领域技术人员已知的各种可能的关系。

进一步参照图4A，图中详细示出了透镜内部光学组件的定位。正透镜组件450位于镜筒430的前端432附近，该正透镜组件450相对于变焦透镜(420)具有较大直径。该正透镜组件(也称为“正透镜”)450设置在形成于镜筒前端的凹部454内。正透镜450在其前侧通过螺纹环456固定。注意，该布置在可选实施例中是高度可变的，并且在可选实施例中可采用各种安装和/或附接机构。正透镜450为消色差双合透镜，将有效焦长(f)定义为40mm，而后焦长定义为33.26mm。光圈为24mm。透镜总成的直径为25mm。示例性地，透镜总成由前凸透镜458和后凹透镜459组成。凸透镜458限定前半径RL1为27.97mm，后半径RL2为-18.85mm(其中，正半径和负半径表示相对于成像物体方位的方向，正半径朝向物体，而负半径朝向图像传感器)。凹透镜459限定前半径(也是RL2)为18.85mm(与凸透镜458的配合面适配)，后半径RL3为152.94mm。凸透镜458的中心厚度TC1(沿光轴OA)为9.5mm，凹透镜的中心厚度TC2为2.5mm。这些尺寸在可选实施例中是高度可变的。上述实施例中的以及相关尺寸的正透镜(如，双合透镜)组件450可从新泽西州巴灵敦的爱特蒙特光学公司(Edmund Optics Inc.)购得(订货号：32321)。在该实施例中，根据一个实施例，透镜前到传感器平面的距离ODLF约为49mm。显而易见的是，在可选实施例中，正透镜的尺寸和/或组件布置是高度可变的。

变焦(如，液体)透镜组件(可由多个制造商提供)420设置在镜筒430后端附近。在该实施例中，并且作为非限制性示例，变焦透镜组件420可包括法国Varioptic公司的Arctic 416型液体透镜。示例性变焦透镜组件的对焦范围约为20D(即5cm到无限远)，直径为7.75mm，并且厚度(沿光轴)为1.6mm。所示示例性液体透镜组件420由透镜组470组成，透镜组安装在具有中心孔474的控制器电路板472上，中心孔沿光轴对准，使得聚焦光通过光轴传递到传感器130上。

透镜组件130可使用一体或单体隔件、肩部装置和/或支撑结构460支撑在镜筒430内。支撑结构460确保变焦透镜组件420保持固定，相对于光轴OA正确对准。在该实施例中，正透镜后部到变焦透镜组470前部的距离DLR为18.0mm。注意，在一个实施例中，图像传感器130可限定一个1/2英寸的常规CMOS传感器(图5中所示摆幅(SW)：6.9mm(水平)×5.5mm(垂直))。

现参照图5至图7，图中示出了在系统工作范围内的多个焦距下运行的视觉系统和透镜组件。因此，在图5、图6和图7的每个光线轨迹图中，物体O分别位于3个示例性距离DO1、DO2和DO3。例如，DO1约为219mm，DO2约为430mm，并且DO3约为635mm。变焦透镜组件的光焦度在该范围内从F＝37.4mm(图5)时的+10.73D变为F＝39.8mm(图6)时的+0.32D以及F＝42.3mm时的-3.81D。该对焦范围219～625与6.9D的屈光度变化有关。与系统将变焦透镜附接在距前透镜较近位置的布置相比，按传统布置安装所示变焦透镜组件通常需要3.3D的屈光变化。因此，相对于传统布置，说明性系统有效减少了2倍以上的潜在漂移量。

一般而言，变焦透镜组件(如，液体透镜组件)位于正透镜组件的焦点附近，但远离该焦点，该焦点可为正透镜组件的前焦点，或更通常地为后面/后部焦点。众所周知，设置在焦点附近使得变焦透镜可为透镜系统的总光焦度做贡献。变焦透镜组件与焦点之间的距离可以是正透镜组件焦长F的约0.1～0.5倍。例如，参照图8中的示图，其中正透镜组件PL沿光轴OA设置，而变焦透镜VL位于正透镜焦点FP附近。图中示出了正透镜PL与焦点FP之间的焦长F。距离(1-k)×F以变焦透镜VL与聚焦透镜和焦点FP之间的距离表示，其中，k＝0.9～0.5(即0.9×F～0.5×F)。因此，正透镜PL与变焦透镜VL之间的距离为k×F(即0.1×F～0.5×F)。通过这种方式，正透镜组件PL和变焦透镜VL组件成为将光聚焦到图像传感器上的透镜总成LA的一部分，并且正透镜组件的光焦度“主要限定”了透镜总成的总光焦度，换言之，大部分的幅度/光焦度均由正透镜组件提供，从而将变焦透镜组件中漂移的影响降至最低。

现参照图9至图10，图中示出了根据实施例的2种减少漂移量的透镜布置。下表中还分别提供了每个透镜元件的示例性参数。图9示出了与(例如)传统设计的图像传感器910相关联的透镜装置900。在该实施例中，变焦透镜包括液体透镜组件920。所示光线930从物体(未示出)反射到透镜装置900中，物体可置于距离第一透镜940(例如)200mm的地方。在非限制性示例中，该透镜940包括前凹面942和后凸面944。该透镜可包含聚合物，如，聚碳酸酯(或其他适用的光学材料)。中间透镜组件包括具有凸透镜952的前复合透镜950，该凸透镜952具有前表面954和后表面956。这与具有相似半径的凸面的凹透镜958和后凸面960适配。注意，透镜元件(950)也可由聚碳酸酯(或其他光学材料)构成。每侧(如，平行平面)半径无限大的碟状光学元件970(如，红外滤光片)位于复合透镜组件950后面。光线930在变焦(液体)透镜组件920处从碟状元件970会聚。该示例性组件可基于法国Varioptic公司的Arctic416型透镜或其他适合的(例如)液体透镜。该组件包括前盖盘980、与透镜控制电路990互连的透镜元件982、孔径光阑(相应半径为341.763mm)984和后盖盘986。透镜控制电路与上述视觉系统可操作地连接。调整该元件，以保持聚焦在图像传感器910上，并基于上述各种条件控制漂移容差。液体透镜组件920与成像仪之间的间隔可约为13～14mm，并且碟状元件970与液体透镜组件920之间的间隔可约为3～4mm。注意，本领域技术人员可修改示例性透镜的尺寸和形状及其间隔。同样地，变焦透镜组件可包括按不同物理原理工作的各种不同类型的透镜。例如，可以使用瑞士Optotune公司的薄膜型液体透镜，以及机械型透镜代替。

现参照图10，图中示出了在给定工作范围内可减少漂移量的透镜装置1000的另一个实施例。该装置包括传统设计的图像传感器1010和变焦(液体)透镜组件1020。光线1030在(例如)80～100mm范围内从物体(未示出)反射至前凸透镜1040。在非限制性示例中，前透镜1040包括前凸面1042和后凹面1044。后组透镜1046限定了前凸面1048和后凹面1050。后组透镜1060具有前表面1062和后表面1064，两个表面1062和1064均为凹面。光线1030从该透镜1060射出并射入变焦(如，液体)透镜组件1020，在该实施例中，变焦透镜组件1020位于光学装置中间，附加透镜1080和1088位于变焦透镜组件和图像传感器1010之间。在该示例中，液体透镜组件1020的模型和结构与上述组件920(具有半径为10.101mm的孔径光阑)相似，并且由透镜控制器1090控制，该透镜控制器的操作运行也与上述控制器990相似。如参照上述装置900，在适当的情况下，可采用变焦透镜组件的可选实施例。来自变焦(如，液体)透镜组件1020的光线1030射入与液体透镜组件间隔约1.2mm设置的凸透镜1080。凸透镜1080包括前凸面1082和后凸面1084。碟状(例如)红外滤光片1088可位于凸透镜1080的后面。在该实施例中，碟状红外滤光片在图像传感器的前面间隔约10～12mm设置。在该实施例中，作为非限制性示例，透镜由光学玻璃构成，但透镜(或其他光学元件)中的一个或多个可由其他可接受的材料构成，如，聚碳酸酯或适合的同等材料。

上述透镜装置900和1000可适于通过(例如，传统的相机底座，如，上述C型接口的透镜底座)封装在透镜内。可在透镜主体与相机底座之间设置适合的电连接器，使得能够控制变焦透镜组件。控制电路的电子器件可全部或部分地相对于透镜主体设置，或者在适当的情况下，设置于相机主体内。

在非限制性示例中，本说明书各实施例的透镜可限定下表中的每个指定参数。透镜组件900(图9)的参数由下面第一张表格给出，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至13的顺序(从左至右)排序：

下表用于透镜组件1000(图10)，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至14的顺序(从左至右)排序：

可进一步预期的是，本说明书中实施例的漂移补偿透镜装置可与其他减少漂移量的方法结合使用，如，变焦透镜或光学反馈系统的温度稳定法。这种装置作为非限制性示例，通过引用并入本文作为有用的背景信息，其在名为“SYSTEM AND METHOD FORDETERMINING AND CONTROLLING FOCAL DISTANCE IN AVISION SYSTEM CAMERA”的共同转让的美国专利(专利号：8576390；共同受让人：Nunnink)中有展示和描述。本申请还参考了名为“CONSTANT MAGNIFICATION LENS FOR VISION SYSTEM CAMERA”的美国专利申请(专利号：14/139867；发明人：Nunnink)和名为“ASSEMBLY WITH INTEGRATED FEEDBACK LOOP FORFOCUS ADJUSTMENT”的美国专利申请(专利号：13/800055；发明人：Nunnink等人)。示例性地，本申请提供了一种用于视觉系统相机的可拆装透镜组件，其包括自动对焦的集成液体透镜组，其中，该透镜组通过使用集成在透镜组件主体中的反馈控制电路来补偿焦点变化。反馈控制电路从位置传感器(如，霍尔传感器)接收与透镜致动器(如，线轴，其在电流控制下可使膜发生偏转变化)有关的运动信息，并在内部使用该信息来校正运动变化，即在设定的透镜目标焦距下偏离透镜设定位置的运行变化。位置传感器可以是单机或离散传感器的组合，离散传感器的位置相对于致动器/线轴变化，以便在透镜组周围的多个位置测量移动值。示例性地，反馈电路可与一个或多个温度传感器互连，温度传感器针对特定温度值来调整透镜的设定位置。另外，该反馈电路可与感测重力作用方向的加速度计通信，从而基于透镜的空间定向校正透镜膜中的潜在凹陷(或其他的定向诱导变形)。

三、减少漂移量的透镜组件

图11至图18示出了减少漂移量的透镜的各种实施例，该减少漂移量的透镜可在各种相机装置及相关应用程序(包括手持式和固定式安装单元)中用于扩大对物体特征(如，ID识别码)的读取范围。使用本说明书中的透镜装置可在焦距高达约8m的情况下成像。说明性装置通常在余下的固定透镜光学组件后设置变焦(如，液体)透镜，使得变焦透镜通常位于透镜组件后部，并且在固定光学组件和相机图像传感器之间。参照图11，图中示出了透镜装置1100。该装置适用于12mm(f’＝12)透镜。如图所示，提供了整个透镜装置(以mm为单位)的相对标尺1110。透镜的固定光学器件(以虚线框1120示出)由前板元件1130及其后面的双凸透镜1132组成。在双凸透镜1132后设置一组(3个)直径较小的透镜1134(正透镜)、1136(双凹透镜)和1138(正透镜——反面)。在该实施例中，固定光学组件1120设置在单独的透镜外壳中，而变焦透镜组件1140安装在视觉系统外壳的框架内(例如，手持式ID读取器，如，2014年11月21日提交的、专利号为14/550709的名为“IMAGE MODULE INCLUDING MOUNTINGAND DECODER FOR MOBILE DEVICES”的共同转让的美国专利申请)。在非限制示例中，变焦透镜组件1140可包括上述液体透镜机构，该液体透镜机构可从瑞士Optotune公司购得。可选地，该变焦透镜组件还可包括任何可接受的手动或电动调焦透镜装置，包括上述可从法国Varioptic公司购得的透镜。变焦透镜组件1140可(通过电缆和印刷电路布线等)互连至视觉系统处理器或其他可调节透镜焦长的控制器。该控制器可与上述反馈系统集成。可选地，变焦透镜组件1140设有一个或多个滤光片和/或防尘罩(若适用)。该实施例中还设有孔径光阑1142。变焦透镜组件1140将光(光线1150)聚焦到图像传感器1152上，以透射到视觉系统处理器。光板1130前表面与图像传感器1152之间的装置1100的总长1160约为15.2mm。后透镜1138后表面与像面(图像传感器1152)之间的距离1162约为10.26mm。例如，装置1100的近似参数限定F/#为7；图像半径为3mm(即在传感器高达1.2～5.0百万像素时，图像半径为1/3英寸)；图像高度为3mm时，RMS光斑半径为1.7μm；并且测量失真小于3％～4％。

下表用于透镜组件1100(图11)，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至16的顺序(从左至右)排序：

注意，上面和下文中进一步提供的各个透镜参数表仅作为可能广泛实现的示例使用。可通过使用符合成像应用的机械和光学需求的不同部件、尺寸、焦长和厚度等来改变本说明书中的任何或所有透镜和/或光学组件，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

图12和图13示出了对应于固定光学组件1120的透镜组件1200。透镜元件包含在由铝或其他可接受的材料构成的镜筒外壳1210内。透镜元件的编号与图11中组件的对应元件的编号类似。透镜1200的底座1230可以是任何可接受的形式，例如，可指定在镜筒全长上使用C型接口螺纹底座(即1英寸×32螺纹/英寸)。或者，可指定在镜筒全长，或者无论在哪种情况下，在镜筒的适当部分上使用M8×0.5螺纹。如图13中的剖视图所示，孔径光阑1310可位于双凹透镜1136和最后面的正透镜1138之间。包含在镜筒1210内的透镜1130～1138由前卡环1240夹持，前卡环1240的外径1330为10毫米，将前卡环1240拧到镜筒1210的前端上。将螺纹间隔环1250也拧到镜筒上，并且沿镜筒设置，以相对于像面设置透镜组件的焦距。在一个实施例中，当环1250适当置于镜筒1210上时，可使用螺纹锁固胶、粘合剂或其他固定机构(例如，固定螺钉和销等)将其永久性地/半永久性地固定到镜筒上。当透镜旋入设备上的透镜接口(mount)时，环1250抵靠在该安装件上并提供所需的间距。在一个实施例中，透镜全长1340约为6.9mm，并且卡环1250的后表面与像面1360之间的设定距离1350约为12.15mm。

图14至图18示出了各种可减少漂移量的透镜组件，该减少漂移量的透镜组件包括其整体结构中的变焦透镜，并且该减少漂移量的透镜组件可在(例如)固定安装视觉系统中使用，如，物流和物体跟踪应用程序中使用的ID读取器。

参照图14，图中示出了16mm透镜装置1400。该装置可由外壳1410构成，外壳1410包括在整个组件中的变焦(如，液体)透镜组件1430。透镜组件经由电缆1432或其他形式连接至相机上的连接器/触点或其他视觉系统外壳，与处理器通信，从而控制透镜组件1430的焦距。注意，可在透镜外壳中内置/设置各种电路，以执行一些或所有变焦透镜控制功能。

透镜装置1400包括前负透镜1440，以及后面的较小直径的负透镜1442、双凸透镜1444和由双凸透镜1446和平凹透镜1448组成的较小直径的双合透镜1445。由正透镜1452和双凸透镜1454组成的较小直径的第二双合透镜1450设置在第一双合透镜1445的后面，并且正透镜1456设置在双合透镜1450与变焦(液体)透镜组件1430之间。孔径光阑1458也可设置在最后的正透镜1456的后表面上。图中示出了相对标尺1470(以毫米为单位)，并且通过使用本领域技术人员已知的(例如)适合的调节环、底座和接口等，将变焦透镜1430后部与图像传感器1490表面上的像面之间的后焦长1480设置为约8.5mm。如图14A中的简要显示，这产生了直径约8mm的像圈。传感器位于示出的最大像圈1496(约8.83mm)内，示例性传感器1490为IMX265型图像CMOS传感器(由日本索尼公司制造)。也就是说，像圈1496围绕矩形周边1495的角，其表示传感器1490的可用图像像素阵列。其他图像传感器(如，具有由矩形1494限定的像素阵列的图像传感器)的特征在于像圈尺寸(1493)不同(在该示例中，像圈尺寸较小，即7.66mm)。这种尺寸较小的传感器可从Teledyne e2v公司(英国)购得。

透镜组件1400的其他示例性光学参数可包括焦长约16.2～16.6mm、孔径尺寸F8、总轨迹约27.9mm、对焦范围1.0～4.0m，以及变焦透镜组件的工作范围约在0.0D～2.5D之间。在该范围内，漂移量在理论上可比传统设计的少2.5倍。在极端视场(FOV)位置，RMS光斑半径低于2.2μm。

下表用于透镜组件1400(图14)，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至20的顺序(从左至右)排序：

参照图15，图中示出了25mm透镜装置1500。该装置可由外壳1510构成，外壳1510包括在整个组件内的变焦(如，液体)透镜组件1530。如上所述，透镜组件经由电缆1532或其他形式连接至连接器/触点。透镜装置1500包括具有略微凹入的正面的前透镜1540，以及后面的较小直径的平凸透镜1542和由双凸透镜1546和双凹透镜1548组成的双合透镜1544。由第一正透镜1552和第二透镜1554组成的较小直径的第二双合透镜1550设置在第一双合透镜1544的后面，并且负透镜1556设置在双合透镜1550与变焦(液体)透镜组件1530之间。孔径光阑1558也可设置在最后的正透镜1556的后表面上。图中示出了相对标尺1570(以毫米为单位)，并且通过使用本领域技术人员已知的(例如)适合的调节环、底座和接口等，将变焦透镜1530的后部与图像传感器1590表面上的像面(如，像圈约为8-mm)之间的后焦长1580设置为约8.5mm。透镜组件的其他参数可包括焦长约24.2～25.2mm、孔径尺寸F8、总轨迹约27.6mm、对焦范围1.0～4.0m，以及变焦透镜的工作范围约在0.0D～4.0D之间。在该范围内，漂移量在理论上可比传统设计少4倍。在极端视场(FOV)位置，RMS光斑半径低于1.9μm。

下表用于透镜组件1500(图11)，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至16的顺序(从左至右)排序：

参照图16，图中示出了35mm透镜装置1600。该实施例中的透镜装置适用于大型相机装置，如，在涉及各种尺寸物体的大批量物流运作(如，物流服务和大批量装运等)中使用的相机装置。该透镜装置1600可由外壳1610(如图16中的虚线框所示，并且将下面做进一步详细描述)构成，外壳1610包括在整个组件内的变焦(如，液体)透镜组件1630。如上所述，透镜组件经由电缆1632或其他形式连接至连接器/触点。

透镜装置1600包括大直径的前平凸透镜1640以及后面的直径较小的双凸透镜1642、堆叠有双合透镜1644，双合透镜1644由正透镜1646和双凹透镜1648组成。由第一正透镜1652和第二平凸透镜1654组成的较小直径的第二双合透镜1650设置在第一双合透镜1644的后面，并且负透镜1656设置在双合透镜1650与变焦(液体)透镜组件1630之间。孔径光阑1658也可设置在最后的负透镜1656的后表面上。图中示出了相对标尺1670(以毫米为单位)，并将变焦透镜1630后部与图像传感器1690表面上的像面(如，像圈约为8-mm)之间的后焦长1680设为约8.5mm。透镜组件的其他参数包括焦长约32.4～34.8mm、孔径尺寸F8、总轨迹约49.6mm、对焦范围1.0～4.0m，以及变焦透镜的工作范围约在0.0D～6.5D之间。在该范围内，漂移量在理论上可比传统设计少6.5倍。在极端视场(FOV)位置，RMS光斑半径低于3.4μm。

下表用于透镜组件1600(图16)，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至20的顺序(从左至右)排序：

下表用于透镜组件1800(图18)，其中，整个组件中的各结构或元件的相应前表面和后表面(若适用)分别按0至22的顺序(从左至右)排序：

如图17和18所示，图中更加详细地示出了可减少漂移量的35mm透镜1700的另一实施例和/或实施方式。该透镜组件1700包括外壳1710，外壳1710封装多个功能与图16中所示的上述装置1600相似或相同的透镜。该外壳可由任何可接受的材料(如，铝合金)构成，并且可具有各种形状。如图所示，外壳1710包括前端1720、主镜筒1730和后端1740。进一步参照图18，透镜前部1720旋入内螺纹，该内螺纹形成于主镜筒1730的加宽凸缘1820中。注意，在该实施例或其他实施例中，可选滤光片(如，红色带通滤波器)1840可安装到透镜前部。透镜前端1720的总直径DF约为27.5mm。滤光片1840通常是市售的具有适当光学规格的螺纹滤光片(如，可见颜色、红外和紫外等波长带通滤光片)。主镜筒1730将平凸透镜1842置于双合透镜1844的前面，双合透镜1844由平凸透镜1846和平凹透镜1848组成，平凸透镜1846和平凹透镜1848一起产生正透镜几何形状。双凹透镜1850堆叠在双合透镜1844后面。一对较小直径的相对平凸透镜1852和1854设置在双凹透镜1850后面。较小直径的双合透镜1856在透镜1852和1854后面限定了负透镜。该双合透镜1856位于最后的正透镜1858后面。变焦(如，液体)透镜1860位于透镜1858后面。该透镜通过带螺纹的圆环形卡环1862夹持在较小直径后端1740，该卡环1862位于具有(例如)M13×0.5内螺纹的后套环1864内。套环的内径IDC约为13mm(螺纹)，外径ODC约为14mm，且其轴向长度LC可约为3.1mm。卡环1862可包括卡槽1866，用于通过具有适当侧面和形状的叶形工具紧固。注意，透镜装置1700还包括在适当位置的光路内的孔径光阑1859，例如，与透镜1858的后表面上的液体透镜组件1860相邻。

镜筒1730可在后端1734旋拧，以与相机装置透镜接口上的内螺纹适配。安装深度由在镜筒1730上滑动的调节套筒1736控制。形成于套筒1736内表面与镜筒1730外表面之间的一个或多个键槽(未示出)可用于相对于镜筒限制套筒的旋转，同时允许平行于光轴OA的轴向滑移运动(轴向)。套筒1736通过一个或多个固定螺钉1760保持在所需位置。在一个实施例中，镜筒的螺纹后端1734可限定标准C型接口的螺纹规格。因此，镜筒1730的外径约为25mm。所示透镜在中等漂移的情况下可处理至少300万像素的分辨率。

四、结论

显而易见的是，上述实施例提供了一种特别适合在距离相对较远时对小特征(或特征集)(如，ID识别码)成像的系统。使用根据实施例的正透镜组件会减轻变焦透镜组件的效果。这种布置在所需的工作范围和特征尺寸内是可接受的。在其他实施例中，透镜装置(如，可拆卸透镜装置)将变焦透镜放置在固定光学组件后面，从而产生降低的漂移特性。因此，变焦透镜在传感器前设置了该装置的最后面的光学组件。变焦透镜可包含在透镜装置/外壳中，或者可以是相机装置的一部分。

上文中已经对本发明的说明性实施例进行了详细描述。在不脱离本发明精神与范围的前提下，可对本发明做各种修改和增添。上述多个实施例中的每一个实施例的特征都可根据情况与其他所述实施例的特征相组合，以便在相关的新实施例中提供多种特征组合。此外，虽然上文中描述了本发明的装置和方法的多个单独的实施例，但是本文中的描述仅仅是对本发明的原理的应用的说明。例如，本文中使用的各种方向与方位用语，如，“垂直的”、“水平的”、“向上”、“向下”、“底部”、“顶部”、“侧面”、“前”、“后”、“左”和“右”等仅作相对性用语，不能视为相对于固定坐标系的绝对方位(如，重力作用方向)。此外，虽然所示的透镜组件并入了可拆卸透镜组中，但是该系统可用于固定和/或永久性安装的透镜中是可以预期的。同样地，虽然在示例性工作范围内采用了上述透镜尺寸和间隔距离，但是这些尺寸和距离可在具有相似相对参数而总尺寸更大或更小的装置中向上或向下缩放。另外，在采用和/或在本文中描述了“透镜组件”的情况下，该透镜组件可由一个或多个可提供所需光学效果的离散透镜组成。因此，本说明书仅作示例之用，而并非旨在限制本发明的范围。

Claims (21)

1.一种补偿漂移的视觉系统，包括：

图像传感器，其可操作地连接至视觉系统处理器；

变焦透镜组件，其形状或折射率能够改变；以及

定焦透镜组件，其配置为减轻所述变焦透镜组件在物体预定工作范围内的影响。

2.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述变焦透镜组件包括液体透镜组件。

3.根据权利要求2所述的视觉系统，其中，所述液体透镜组件在屈光度约为20D时能够变焦。

4.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件限定正光焦度。

5.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件和所述变焦透镜组件相对于相机装置主体和所述图像传感器置于可拆卸镜筒内，所述图像传感器位于相机装置主体内。

6.根据权利要求5所述的视觉系统，其中，所述相机装置主体电连接至变焦透镜组件，以通过接触垫片和电缆组件中的至少一个向其提供功率和控制中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件包括以下中的一个：(a)具有前凹面和后凸面的前透镜，以及与所述前透镜间隔设置的中间双凸透镜；(b)前双凸透镜和堆叠型后透镜组件，其中堆叠型后透镜组件具有前正透镜、中间双凹透镜和后正透镜；(c)前平凹透镜和负透镜、堆叠型中间透镜以及后双凸透镜和正透镜，其中堆叠型中间透镜具有双凸透镜和平凸透镜；(d)前平凸透镜和正透镜，以及后正透镜和负透镜；(e)堆叠型前透镜组件以及后平凸透镜和负透镜，其中，堆叠型前透镜组件具有双凸透镜和双凹透镜。

8.根据权利要求7所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件中的至少一个透镜包含聚合物材料。

9.根据权利要求7所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件将有效焦距的可用范围限定在约0.3至8米之间。

10.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述变焦透镜组件位于定焦透镜组件的焦点附近。

11.根据权利要求9所述的视觉系统，其中，所述焦点为定焦透镜组件的前焦点或后焦点中的一个。

12.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件包括前透镜组件和后透镜组件，所述变焦透镜组件位于前透镜组件和后透镜组件之间。

13.根据权利要求12所述的视觉系统，其中，所述后透镜组件限定正光焦度。

14.根据权利要求12所述的视觉系统，其中，所述前透镜组件具有一对透镜，每个透镜具有前凸面和后凹面；以及具有相对凹面的透镜，而所述后透镜组件具有带相对凸面的透镜。

15.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述定焦透镜组件和所述变焦透镜组件是将光聚焦到所述图像传感器上的透镜总成的一部分，并且所述定焦透镜组件的光焦度主要限定所述透镜总成的总光焦度。

16.一种用于视觉系统的变焦透镜系统，所述视觉系统具有将图像数据传送至处理器的图像传感器，所述变焦透镜系统包括：

变焦透镜组件；以及

具有焦点的定焦透镜组件，所述变焦透镜组件位于所述焦点附近，

其中，所述定焦透镜组件和所述变焦透镜组件是将光聚焦到所述图像传感器上的透镜总成的一部分，并且所述正透镜组件的光焦度主要限定透镜总成的总光焦度。

17.根据权利要求16所述的变焦透镜系统，其中，所述变焦透镜组件包括液体透镜组件。

18.根据权利要求17所述的变焦透镜系统，其中，所述液体透镜组件在屈光度约为20D时能够变焦。

19.根据权利要求16所述的变焦透镜系统，其中，所述定焦透镜组件和变焦透镜组件相对于相机装置主体和所述图像传感器置于可拆卸镜筒内，所述图像传感器位于相机装置主体内。

20.根据权利要求19所述的变焦透镜系统，其中，所述相机装置主体电连接至所述变焦透镜组件，以通过接触垫片和电缆组件中的至少一个向其提供功率和控制中的至少一个。

21.根据权利要求16所述的变焦透镜系统，其中，所述定焦透镜组件包括以下中一个：(a)具有前凹面和后凸面的前透镜以及与所述前透镜间隔设置的中间双凸透镜；(b)前双凸透镜和堆叠型后透镜组件，其中堆叠型后透镜组件具有前正透镜、中间双凹透镜和后正透镜；(c)前平凹透镜和负透镜、堆叠型中间透镜以及后双凸透镜和正透镜，其中堆叠型中间透镜具有双凸透镜和平凸透镜；(d)前平凸透镜和正透镜，以及后正透镜和负透镜；(e)堆叠型前透镜组件以及后平凸透镜和负透镜，其中堆叠型前透镜组件具有双凸透镜和双凹透镜。