CN112202993B - 双成像视觉系统相机、瞄准仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种视觉系统，其典型地具有实现多功能单元的至少两个成像系统/图像传感器。第一成像系统通常具有标准的同轴光学结构，可用于长距离和较大的特征集，而第二成像系统通常具有扩展焦深/景深(DOF)结构。所述第二成像系统允许读取较小特征集/物体和/或在较短的距离上读取。整个(例如)识别码读取视觉系统的读取范围得以扩大，并且可对相对较小的物体进行精确成像。扩展DOF成像系统传感器可被定位为其最长尺寸位于垂直轴上。所述系统使得视觉系统处理计算所述视觉系统到物体的距离，进而生成标准成像系统中可变光学器件的自动聚焦设置成为可能。单或双瞄准仪可沿系统光轴将结构化光投射到物体表面上。

Description

双成像视觉系统相机、瞄准仪及其使用方法

分案申请

本申请为申请号2018115433600、申请日2018年12月17日、题为“双成像视觉系统相机、瞄准仪及其使用方法”的分案申请。

相关申请

此申请为联合未决的申请号为15/844,448，题为“双成像视觉系统相机及其使用方法”，并于2018年12月15号提交的美国专利申请的部分延续案，所述专利申请的教示通过引用明确地并入此文。

技术领域

本发明涉及用于查找并解码物体上ID码的机器视觉系统，更具体地涉及用于这种视觉系统的相机。

背景技术

视觉系统对物体进行测量、检查、对准和/或对以机器可读符号(也称为“ID”，如2D矩阵符号)的形式存在的符号进行解码，广泛用于各种应用和行业中。这些系统是基于图像传感器的使用，图像传感器获取对象或物体的图像(通常是灰度或颜色，并且以一维、二维或三维的形式)，并使用机载或互连视觉系统处理器来处理这些获取的图像。处理器通常包括处理硬件和非暂时性计算机可读程序指令两者，该指令执行一个或多个视觉系统处理以基于图像的处理信息生成期望的输出。通常在图像像素阵列内提供该图像信息，每个图像像素具有各种颜色和/或强度。在ID读取器(在此也称为“相机”)的实例中，用户或自动处理获取被认为包含一个或多个条形码的物体的图像。图像接受处理以识别条形码特征，然后该条形码特征经解码处理解码和/或处理器获得由代码表示的固有字母数字数据。

在操作中，ID读取器通常用于照亮包含一个或多个ID的场景。照明场景然后由成像系统内的图像传感器通过光学器件获取。阵列传感器像素被曝光，并且通过曝光为每个像素生成的电子值存储在可称为场景的“图像”的存储单元阵列中。在ID读取应用的上下文中，场景包括感兴趣的物体，该物体具有一个或多个适当尺寸和类型的ID。ID是存储图像的一部分。

ID读取器的一个常见用途是在制造和物流操作中跟踪和分类沿着一条线(例如传送带)移动的物体。ID读取器，或者更典型地，多个读取器(群集)，可以以适当的视角定位在线上，以在各个物体各自移动通过视场时获取各个物体的面上的任何预期ID。也可以手持结构的形式提供ID读取器，该手持结构允许用户从一个物体移动到另一个物体——例如在检查地板上移动，并且随意改变读取器和物体表面之间的距离和/或相对角度。更一般地，ID读取器相对于物体的焦距可以改变，这取决于读取器相对于线的放置和物体的大小。

使用固定安装的ID读取器或手持单元查找并解码小尺寸的ID码-例如，零件上提供的打印、喷丸或蚀刻的DataMatrix代码-同时保持对较大ID码和/或更长距离上进行成像的能力，通常是很有挑战性的。这种小ID码可以出现在各种物体和部件中，例如在显示面板、太阳能电池板、电路板等中使用的电子和光电组件。举例来说，“小”ID可以被定义为其格或条尺寸小于约5Mil的ID。这种小的特征尺寸通常需要ID读取器光学器件在给定范围内表现出良好的焦深/景深(DOF)和相对良好的聚焦。因此，配置成在较远距离处读取的传感器和光学器件可能缺少这种较小代码和/或较短距离所需的DOF。一般来说，希望ID读取器快速准确地找到并解码这样的小ID(即，表现出良好的快速性)。

更普遍地，对于一给定的成像光系统，与大焦距工作距离相比，近距离聚焦可显著地减少相应的焦深，就在近距离上读取小代码而言，这也具有特殊的好处，其中ppm接近极限，而轻微的虚焦会带来不可读取的模糊代码。对于手持设备，用户经常面对的需正确定位和稳定读取器以充分地对焦在物体上的巨大挑战–其中对焦和未对焦位置可变化不超过2-3毫米。

发明内容

本发明通过提供一种视觉系统装置克服了现有技术的缺点，其通常具有至少两个能够实现多功能单元的成像系统。第一成像系统通常是标准的同轴光学配置结构，可以用于长距离和大特征集(例如ID码)，第二成像系统通常是扩展焦深/景深(DOF)结构(例如沙氏(Scheimpflug)结构)。该第二成像系统允许读取小特征集(例如小ID码，低于(例如)5MIL)和/或通过扩展DOF在短距离上读取。该装置例如可以与标准成像系统结合使用，以进一步扩展整个(例如)ID码读取视觉系统的读取范围。这种视觉系统的优化采用标准成像系统用于更长距离和更大代码，并采用扩展DOF(沙氏)成像系统用于更短距离和更小代码。为了进一步扩展DOF，扩展DOF成像系统中的图像传感器可以定位成其最长尺寸(在采用矩形传感器的情况下)位于垂直轴上(即，与标准结构成90°)。这种双图像传感器系统可以允许视觉系统进程计算从视觉系统到物体的距离，以生成标准成像系统中可变光学器件的自动聚焦设置。该系统可以使用瞄准仪来帮助用户将代码定心在期望的轴上。瞄准仪可以基于结构化光束，该结构化光束将图案投影到标准成像系统的光轴区域中的物体表面上。如果物体靠近包含光轴的水平面，则该物体通常是在焦点上。举例来说，一些示例性瞄准仪图案形状可以包括(但不限于)与光轴重合的激光束(光斑)，与包含光轴的水平面重合的激光扇(线)以及两条(例如)平行的、间隔开的线，其中一条位于包含光轴的水平面上方，一条位于水平面下方。如果有用的物体/区域位于两条线之间，则在沙氏传感器上得到的图像是焦距对准的。

说明性地，可以用于读取ID代码的视觉系统为大代码和小代码提供了扩展的读取范围，并且包括两个成像系统。本发明提供了第一标准(同轴)成像系统，其光轴限定了整个系统光轴，并且可以具有瞄准仪来将用户引导到该轴上的ID代码的中心。该第一标准成像系统用于中长距离以及中长代码。其可以具有自动聚焦(自动对焦)光学总成，例如可变(例如液体)透镜，其由视觉系统处理器使用从图像和/或其他外部传感器获得的距离数据来控制。基于倾斜(例如沙氏)配置，本发明提供了第二扩展DOF成像系统。该系统可以实现聚焦范围的扩展，适用于更短的距离和更小的代码。该第二系统配置成使得物平面包含标准成像系统光轴。DOF由图像传感器的尺寸限定，因此其可以配置成更大的传感器尺寸用于进一步扩展DOF。为此，图像传感器的长轴与光学/透镜光轴和第一成像系统的光轴共面。根据代码到视觉系统的距离，代码将沿着图像传感器垂直轴及其相关视场出现在不同位置。将这种关系校准到视觉系统中，代码在图像上的位置与代码距离直接相关。该信息可用于计算代码大小，并可选地设置第一成像系统的焦距。

在说明性实施例中，本发明提供了一种用于对物体表面上的特征集进行成像的视觉系统及其相关方法。具有至少第一图像传感器和第一光学器件的第一成像系统限定了具有系统光轴的标准同轴结构。第二成像系统利用第二光学器件限定了扩展焦深(DOF)配置。视觉系统处理器接收并处理来自第一成像系统和第二成像系统的图像数据。说明性地，所述特征集包括ID代码。第一成像系统装置成对中等距离、较长距离上和较大ID码中的至少一个成像，第二成像系统装置成对较短距离上和较小ID码中的至少一个成像。第二成像系统可以根据沙氏(或等效的扩展DOF)结构来布置。第二成像系统还可以具有相应的第二图像传感器，该第二图像传感器限定了相对于第二光学器件的光轴以非垂直角度定向的平面，并且第二成像系统的物平面可以与系统光轴重合。第二光学器件可以包括反射镜总成，该反射镜总成将第二光学器件的光轴从远离系统光轴倾斜的方向重定向到系统光轴。注意，反射镜总成用于(在该示例性实施例中)折叠光路并减小系统的整体尺寸/体积覆盖区。反射镜总成的角度已经以这样的方式限定，即第二传感器安装在与第一传感器大致或基本相同的平面内(因此，两个传感器可以安装在同一电路板上)。更一般地，第二成像系统可以具有反射镜总成，该反射镜总成将第二图像传感器的安装位置重定向到其平面与第一图像传感器的平面基本平行的位置。

说明性地，第二图像传感器可以限定较小尺寸的轴和较大尺寸的轴，并且第二光学器件的光轴可以与系统光轴共面。该系统可以包括与系统光轴同轴的光学瞄准仪，并且该瞄准仪可以布置成投影在物体表面上出现的图案，该图案是与光轴相邻的点、与光轴相邻的线以及光轴的相对两侧上的平行、间隔开的线之一。所述瞄准仪包括光源，该光源通过反射镜总成将结构化光束投射到系统轴上。结构化光束可以将定向在垂直于第一成像系统的光轴和第二成像系统的光轴的方向上的线投射到物体表面上。然后，基于由第二成像系统获取的线的图像，一测量处理可以确定物体表面的高度和到物体的距离。基于由第一成像系统获取的图像，所述测量处理还可以确定物体表面的长度和宽度。说明性地，所述测量处理基于到物体的距离和由第一成像系统获取的图像中像素之间的间隔来确定长度和宽度。说明性地，所述系统可包括主要瞄准仪总成和次要瞄准仪总成，每一瞄准仪总成将结构化光的离散光束依照以相对关系投射到所述表面上，所述相对关系指示了相对于第一成像系统的焦点距离并指示了第二成像系统的视场的近似中心。所述主要瞄准仪总成以及次要瞄准仪总成中的每一个还可将结构化光的离散光束依照一相对关系投射到所述表面上，所述相对关系指示了第一成像系统的光轴相对于第二成像系统的光轴的交叉点。所述主要瞄准仪光束位于第一相机总成的相机光学器件的光轴上，而次要瞄准仪光束被定向为与所述光轴成一锐角，使其在相对于所述相机光学器件的焦面的一确定距离上跨过所述主要瞄准仪光束。

反射镜总成可以包括分束器，该分束器允许光从物体表面传递到第一成像系统。更一般地，处理器可以布置成识别特征在第二成像系统的图像中的位置，从而确定视觉系统距包含成像特征的物体表面的距离。可以为第一光学器件提供可变透镜，并且控制器可以基于该距离设置可变透镜的焦点。可变透镜可以包括液体透镜。说明性地，在沙氏配置中，第二成像系统可以限定相对于系统轴倾斜的光轴。该系统可以包括显示器，在该显示器中，由第一成像系统获取的图像被投影在显示器上，以帮助相对于第一成像系统定向物体表面。所述显示器可以包括表示其中心的图形，使得图像中的物体可以与所述中心对齐。

在另一个示例中，本发明提供了一种帮助用户利用手持设备应用获取近聚焦距离(以及在紧密度公差内–例如几个毫米)的系统和方法。所述系统和方法包括同轴瞄准仪和次要引导瞄准仪的组合，所述次要引导瞄准仪以相对于同轴瞄准仪成锐角的角度上投射结构化光束。此瞄准仪的组合帮助用户将读取器定位在相对于所述有用物体和/或区域而言适当的焦点距离上。投射的瞄准仪图案投射两个构图，所述构图在所述区域上交叉时，在无需(摆脱)机械支柱的情况下对焦所述读取器方面提供直观和清楚的反馈给用户。

在一说明性的示例中，本发明提供了种对表面上的视场内有用特征进行读取的视觉系统，至少具有适合于聚焦在所述表面上的第一相机总成。主要瞄准仪总成以及次要瞄准仪总成中的每一个瞄准仪将结构化光的离散光束依照一相对关系投射到所述表面上，所述相对关系指示了相对于第一相机总成的焦点距离。所述主要瞄准仪光束位于第一相机总成的相机光学器件的光轴上，而次要瞄准仪光束被定向为与所述光轴成一锐角，使其在相对于所述相机光学器件的焦面的一确定距离上跨过所述主要瞄准仪光束。所述主要瞄准仪光束限定了所述表面上的近似地限定了视场的几何图案。所述主要瞄准仪光束的几何图案为线，所述线的端点位于所述视场的近似边界上，所述视场由激光器和光学总成所投射。所述次要瞄准仪光束在所述视场的中心上跨过所述主要瞄准仪光束。所述主要瞄准仪和次要瞄准仪光束投射一组合图案，所述组合图案代表了所述表面和第一相机总成之间的距离范围。所述次要瞄准仪光束限定了一受控光束几何形状，使得次要瞄准仪光束沿着所述表面和所述第一相机总成之间的距离范围内跨过所述主要瞄准仪光束，所述距离范围近似地对应于工作距离范围。所述次要瞄准仪光束在所述表面上投射一几何形状，所述几何形状的边界与所述工作距离范围的相对边界对齐，所述工作距离范围具有由所述主要瞄准仪光束投射的几何形状。说明性地，由所述次要瞄准仪光束所投射的几何形状限定了长方形、正方形、正多边形和不规则多边形中的至少一个。所述视觉系统还包括投射次要瞄准仪光束的发射器，所述发射器具有可变地投射光束的可变光学器件总成，以用于以下各项中的至少一项，(a)适合不同的焦点距离以及(b)基于在所述表面上投射的次要光束的可变图案为用户提供进一步的信息。所述可变光学器件包括机械可变透镜、液体透镜和可变LCD窗口中的至少一个。说明性地，所述主要瞄准仪光束近似地限定了第一波长，以及次要瞄准仪光束近似地限定了与所述第一波长可见地离散的第二波长。所述有用特征限定了小型ID码，例如DPM码。

在示例性实施例中，整个整个视觉系统还设有第二相机总成，其中所述第一相机总成的相机光学器件同轴对齐，以及所述第二相机总成的光学器件限定了沙氏关系。说明性地，所述主要瞄准仪光束和次要瞄准仪光束被设置为依照一相对关系在所述表面上投射，所述相对关系指示了以下各项中的至少一项：(a)第二相机总成的视场的近似中心，以及(b)第一相机总成的光轴相对于第二相机总成的光轴的交叉点。

在一示例性实施例中，本发明还提供了一种对相机总成进行对焦的方法，用于通过与所述相机总成相关联的图像处理器/系统读取一表面上的特征，所述方法包括以下步骤：相对于所述表面定位所述相机总成，以相对于所述特征对齐主要瞄准仪光束投射的形状；以及调整所述相机总成至所述表面的距离，使得次要瞄准仪光束投射的形状跨过所述主要瞄准仪光束，以此指示所述相机总成位于可接受的工作距离范围内以读取所述特征。这向用户指明了所述相机总成是否位于可接受的工作距离范围内读取特征。所述相机总成可根据以上所述系统不同地设置。

附图说明

下面参考附图描述本发明，其中：

图1是用于在长、短距离上对大、小特征进行成像的双轴视觉系统相机装置的示意图，其中两个成像系统中的一个相对于另一个成像系统布置成扩展景深/焦深(例如倾斜或沙氏)结构，该另一个成像系统与系统光轴成一直线；

图2是图1的双轴双成像视觉系统装置中采用的同轴成像系统的性能光学图；

图3是图1的双轴双成像系统装置中采用的沙氏成像系统的性能光学图；

图4是根据图1的视觉系统装置获取的图像的示意图，示出了由同轴成像系统和扩展DOF成像系统在不同距离处获取的图像中特征(例如ID码)位置之间的比较；

图5是根据图1的实施例的双轴双成像系统装置的相机单元的更详细的示意图，其包括结构化光、线照明器和相关联的分束组件；

图6是图5的相机单元的侧视图；

图7是示例性校准过程的流程图，其中比较两个图像中的特征的相对位置，并使用该相对位置生成校准参数，用于运行时的操作；以及

图8是示例性运行时过程的流程图，其中对包含特征集(例如ID码)的物体表面进行成像，并且基于在图7的过程中导出的校准参数，所述特征信息被解码和/或用于确定尺寸、焦点和/或其他特征；

图9为根据另一个实施例的视觉系统相机装置和/或其用途的示意图；

图10为双轴视觉系统相机单元的局部侧视图，示出了其上部和下部的成像模块，以及相关联的瞄准仪装置的局部侧视图，其适用于帮助用户在近距离上并在校工作范围内对焦；

图11为图10的双轴相机单元的局部侧视展开图，示出了每个相机的光路和瞄准仪装置的光束；

图12为图10的相机单元和瞄准仪光束的顶视图；

图13为沿图12的线13-13剖开的相机单元和瞄准器光束的剖视图；

图14为图10的相机单元的同轴/上相机的局部示意图；

图15为示出了相机单元的短程模块的工作范围和相关联的瞄准仪图案关系的示意图。

具体实施方式

I.系统概述

图1示出了用于提供增强景深(DOF)的视觉系统装置100，该景深(DOF)用于成像小特征，例如位于成像物体表面上的ID码。装置100包括第一成像系统(这里也称为“相机总成”)110，该第一成像系统110相对于系统光轴OAS按照传统的同轴(直线)配置布置。同轴成像系统110包括图像传感器(也称为“传感器”或“成像器”)112，其限定了图像平面114和光学封装件116，光学封装件116可以是任何适当的固定或可移除的透镜装置。该透镜装置116可以包括可变焦距透镜(例如，电子控制的膜液体透镜，诸如可从瑞士的Optotune和法国的Varioptic处获得的透镜)。在这种装置中，可以使用任何适当的聚焦数据(例如，用视觉工具检测锐度，使用测距仪，包括LIDAR、飞行时间传感器等)来控制液体透镜，以提供指导适当焦距的输入118。聚焦可以由广义视觉系统处理器140控制，如下所述，或者由单独的聚焦处理器控制，或者由可操作地连接的处理组件的组合控制。一般来说，透镜装置116的尺寸和结构设计成在距像平面114一定距离/范围DS处对物体表面(例如平面)130成像。也可以使用各种棱镜、反射镜、滤光器、分束器等，如下所述。

以这种方式，传统的同轴成像系统110可以作为标准的中远程视觉系统相机装置来操作，并且可以使用传统的或定制的自动聚焦功能以允许在给定范围内操作。第二成像系统(相机总成)120用于小特征的近距离成像，从而提供能够进行更长距离和近距离成像应用的视觉系统相机装置。

第二成像系统120还包括具有相应图像平面124的图像传感器122以及相关联的透镜光学器件124。传感器122和/或透镜光学器件126可以在性能上类似于同轴传感器112和/或光学器件116。可选地，其可以包括如上所述的自动聚焦总成。第二传感器图像平面124相对于垂直线128成锐角θ布置，垂直线128平行于同轴图像平面114(因此垂直于系统光轴OAS)。同样，第二传感器图像平面124相对于由第二成像系统透镜光学器件126限定的轴OAO限定了非垂直(锐角)角度α。角度θ和α选择成使得第二成像系统120相对于物体表面130上光轴OAO和系统光轴OAS会聚的点(点132)观察沙氏原理(将在下面进一步描述)。如下面进一步描述的，当对小特征(例如，3毫米及更小的ID码)成像时，所得视觉系统装置100提供期望的焦深DOF。

第一图像传感器112和第二图像传感器122(通常是2D灰度或彩色像素阵列，但是在各种实施例中可以是1D阵列)各自与一个或多个视觉系统处理器140互连。处理器140可以完全或部分地包含在视觉系统相机装置的外壳内。处理器使用从图像传感器112、122传输的图像数据来执行各种视觉系统处理。处理/处理器可以包括但不限于视觉工具142，例如边缘检测器、斑点分析器、测径器工具、模式识别工具和其他有用的模块。视觉系统处理器140还可以包括ID查找器，该ID查找器解释来自视觉系统工具的数据，并确定在分析的图像中是否存在ID候选。可以使用常规功能模块以及定制处理器/处理的ID解码器146尝试解码在图像中找到的ID候选。也可以提供其它处理和/或模块，例如处理来自两个传感器112和122的图像数据并提供各种控制功能(例如自动聚焦、照明、图像采集触发等)的处理和/或模块。这些功能对于技术人员来说应该是清楚的。可选地，一些或所有视觉系统处理可以包含在通用计算设备150内，例如PC、服务器、膝上型电脑、平板电脑或手持设备(例如智能手机)，其可以包括显示器和/或触摸屏152和/或其他形式的常规或定制用户界面，例如键盘154、鼠标156等。应该清楚的是，在替代实施例中，可以采用各种处理器装置和实现方式来向装置100提供视觉系统功能。类似地，当相机装置用于ID解码以外的任务时，可以采用适当的视觉系统处理模块-例如，当视觉系统用于检查时，可以提供训练处理模块和训练模式数据。

如上所述，两个成像系统(相机总成)110和112配置成在获取物体表面的相同区域的图像时分别观察不同的光学设置，即常规的、同轴配置和沙氏配置。简要参考图2的示图200，同轴成像系统110根据所描绘的原理对物体成像。即，传感器的像平面210垂直于光轴220。透镜系统240的有效光学平面230也大致垂直于光轴220。光轴在距离260处与物体表面250相交，如图所示。在这种装置中，在焦距260处的物体上的每个点(O1、O2、O3、O4和O5)在传感器图像平面210上的对应点(S1、S2、S3、S4和S5)处聚焦。距离260之前或之后的点可以基于它们在传感器图像平面上的位置而显得焦点没对准。

II.双轴相机单元

图3示出了沙氏相机总成120的光学特性的示意图300。在该装置中，传感器图像平面310位于区域312中。有用物体表面330沿着以大约90度(垂直)角度在点/线322处与传感器图像平面310相交的线/平面320。透镜光学器件340限定垂直于有效光学平面344的光轴342。根据沙氏原理，光学平面344相对于传感器图像平面310以角度AS定向在某一位置，这使得平面344与传感器图像平面310和物体表面平面320也会聚的点322相交。这种结构使得物体330上的每个点O1S、O2S和O3S(分别)沿着传感器312聚焦在点S1S、S2S和S3S。应该清楚的是，物体330上的点在保持聚焦的同时，根据它们与沙氏配置中的相机透镜340和传感器图像平面310的距离而偏移，这不同于同轴配置，在同轴配置中，尽管相对距离发生变化，但点仍然以系统光轴为中心。

图4示出了根据图1的视觉系统装置100利用两个成像系统110和120中的每一个获取的图像的示图400。一般而言，在实际操作中示出了上述相机配置，其中对于85毫米距离处的示例性Mil代码，使用第二沙氏装置可以将系统的总DOF从14毫米增加到34毫米。

左列410中所示的示例性图像412和414分别描绘了在相对近距离(82毫米)和较远距离(96毫米)处包含ID(例如，打印的数据矩阵)420的物体。在该实例中，操作DOF大约为14毫米。注意，对于同轴相机，图像出现在每个图像412、414中近似相同的位置，除了在更远的距离处相对较小(图像414)。

右列430描绘了两个图像432和434，其分别描绘了从较近处(图像432)和较远处(图像434)成像的相同ID代码420。在该图像中，对该相对较小ID的聚焦有利地保持在67毫米至101毫米(至少34毫米的操作DOF)。该装置中的潜在限制因素是代码特征从传感器的底部边缘(图像432)到传感器的顶部边缘(图像434)的迁移。因此，通过提供更大尺寸的传感器(或椭圆形传感器)，可以进一步增加沙氏成像系统的DOF。

图5和图6描绘了用于对呈现扩展范围的较大和较小特征(例如，ID码)进行成像的整体示例性视觉系统相机装置的成像单元500。该单元可以是相机外壳的一部分，例如固定安装或手持单元-例如，如2013年12月20日提交的，题为“包括用于移动设备的支架和解码器的图像模块(IMAGE MODULE INCLUDING MOUNTING AND DECODER FOR MOBILE DEVICES)”的，共同转让的、公开的美国专利申请US20150178538A1中示出和描述的固定安装或手持单元，其教示作为有用的背景信息通过引用并入本文。尽管未示出，成像单元500可以包括将相机光学器件和电子组件与环境分离的各种外壳、盖和/或透明/半透明窗口。根据图1的上述配置，单元500包括标准同轴成像系统510和扩展DOF成像系统(例如，根据沙氏原理操作)520。同轴成像系统的光轴610(图6)有效地限定了整个系统的总光轴。该同轴成像系统510操作以对位于中长距离(相对而言)和/或中大特征集(例如ID码)的特征进行成像。如上所述，同轴系统510的光学器件512可以包括可变透镜600(在图6中以虚线示出)，可变透镜600可以是例如液体透镜，其由与单元500相关联的电路514控制。值得注意的是，成像单元500可以包括瞄准系统，在该实施例中，瞄准系统投射由从光源/发射器544发出的透射的基本上为平面的光扇542限定的线540。扇542和所得线540沿着系统光轴610相交/驻留。光源514可以是激光二极管或能够在工作距离上产生准直光束的其它组件。瞄准系统的投影形状可以构造成使用合适的透镜、棱镜、漫射器和/或本领域技术人员应该清楚的其它光学组件(例如线性漫射器、场透镜等)在表面上限定任何期望的图案。光扇(或其它结构照明形状)542通过一对反射镜550和552从位于系统光轴610下方和旁边的光源544重定向到系统光轴上。反射镜550和552在两个轴上倾斜(例如，如图所示，围绕x轴和y轴)，以沿着系统光轴610放置投影瞄准仪光扇542。反射镜552位于同轴成像系统510和相关联的光学器件512的前面。该反射镜552充当分束器，允许来自物平面(图6中的600)的返回光通过反射镜552返回并进入同轴光学器件512和系统的第一图像传感器630(轴640垂直于传感器的图像平面)。

所示的扩展DOF成像系统520倾斜以实现(例如沙氏)结构。这允许成像系统520实现聚焦范围的期望扩展，该聚焦范围用于在较短距离成像和/或用于小代码。扩展DOF成像系统520还包括适当的光学器件572，其可以是固定的或可变的(手动或电子控制的)。特别参考图6，光学器件572限定光轴640，该光轴640相对于系统的第二图像传感器650的图像平面以非垂直锐角642定向。在该实施例中，第一传感器630的像平面和第二传感器650的像平面是平行的，并且它们各自的光轴610和654是平行的(并且如图所示，以上下关系彼此远离)。在该示例性实施例中，光学器件572被向下引导(如所描绘的)到反射镜660中，反射镜660以相对角度662将光轴644向上重定向到与物平面600区域中的系统光轴610会聚。使用倾斜光学器件572和反射镜660产生扩展的DOF配置(例如沙氏)，用于对小特征(例如ID)和/或短距离成像。作为非限制性示例，传感器图像平面和光学光轴之间的角度442可以是大约120-130度，并且由反射镜在光轴段640和644之间限定的角度662可以是大约60-70度。类似地，系统光轴610和扩展DOF系统光轴之间的角度664在60度和70度之间。DOF测量通常由传感器尺寸限定，因此其可以配置成使得更大的传感器尺寸用于进一步扩展DOF——例如，通过沿着垂直双箭头670的方向改变第二图像传感器650的尺寸。如上所述，并且从图6中的图中可以清楚地看出，取决于物体表面/特征到单元500的距离，感兴趣特征(例如ID)将出现在沿着第二图像传感器650的垂直轴(双箭头670)的不同位置。注意，一组LED或类似照明元件580安装在同轴成像系统的电路板上(围绕其光轴)。这是可以为成像场景提供照明的各种总成的示例。

III.操作过程

参考图7和图8的流程图，其分别示出了用于在运行时操作中使用校准来确定感兴趣特征(ID)的大小和位置以设置两个成像系统之间的校准的处理700和800。在图7中，处理700从步骤710开始，将适当的校准物体定位在距成像系统第一工作距离处，使得标准同轴成像系统和扩展DOF成像系统都可以获取相同特征集的图像，例如棋盘、ID和/或其他校准基准。在步骤720中由每个成像系统获取图像。然后，在步骤730中，解析和识别校准特征——例如，通过解码图像中的嵌入ID，该嵌入ID指示整个校准物体图像中相邻特征的相对位置。通过了解每个图像中相同特征的位置，系统可以比较相对位置，并在每个成像系统中的图像之间建立存储的映射。可以在不同的工作距离重复步骤720、730和740(判定步骤750)，直到获得足够的校准数据。然后，在步骤760中，每个图像中不同工作距离处的特征映射可用于计算通用校准参数，该通用校准参数在运行时用于将每个图像中所识别特征的位置与其他功能相关联，例如设置同轴光学器件的焦点。

图8示出了根据示例性实施例的双轴视觉系统的运行时操作的处理800。在步骤810中，用户或自动化处理(例如机器人操纵器、输送机等)将物体、视觉系统或两者移动至一个定向，使得标准(同轴)和扩展DOF(沙氏)成像系统各自在两个成像系统的工作范围内的距离处观察物体表面上感兴趣的特征(例如ID代码)。该步骤可以包括将结构化光瞄准照明器投射到这些特征上或附近。注意，瞄准仪可以基于将图案投影到标准成像系统光轴区域的物体表面上的结构化光束(相干/激光或另一个准直光源)。基于沙氏配置，如果物体靠近包含光轴的水平面，则通常会聚焦。举例来说，一些示例性瞄准图案形状可以包括(但不限于)与光轴重合的激光束(光斑)、与包含光轴的水平面重合的激光扇(线)以及两条(例如)平行的、间隔开的线，其中一条位于包含光轴的水平面上方，另一条位于水平面下方。如果感兴趣的物体/区域位于两条线之间，则在沙氏配置的图像传感器上得到的图像是对焦的。

同轴成像系统光学器件的基本自动聚焦可以选择性地使用各种反馈机制进行，例如飞行时间传感器等。替代地或附加地，可以基于图像中的特征来直接调整焦点，如下所述。接下来，在步骤820中，激活标准和扩展DOF成像系统以获取感兴趣特征的图像。在步骤830中，视觉系统处理(或)尝试使用适当的视觉系统工具(边缘查找器、ID查找器等)来定位和识别来自每个成像系统的特征)中。注意，两个成像系统中只有一个可以基于范围等识别可读特征。如果可以接受从特征中提取信息——例如ID的解码——那么该处理可以简单地传递解码的信息并指示读取成功。当特征对于扩展的成像系统来说太远或者对于标准成像系统来说太近/太小时，这是有利的，使得两个系统中只有一个能够读取这样的特征。

就在两个成像系统中识别特征的程度而言，校准参数可以允许它们在每个图像中的位置相关联。举例来说，如果在标准图像中发现ID代码特征，则可以识别中心，并在视场中分配一个(x，y)位置。扩展DOF图像中的相同ID代码特征也在该视场中居中并被分配一个(x，y)位置。因为扩展DOF图像中的特征基于距离在视场中移动，而标准图像中的特征不管距离如何都保持相对静止，这可以允许确定视觉系统和物体表面之间的相对距离。这可以通过使用校准参数来实现，校准参数映射了不同工作距离下特征在扩展DOF视场上的移动。也可以通过确定特征(ID代码)在标准和扩展DOF图像中覆盖了多少视场来确定特征的大小(ID代码)。如果基于在步骤830中确定的距离将标准成像系统光学器件中的当前焦点设置(经由可变光学器件/液体透镜总成)为正确距离(判定步骤840)，则所获取的图像可以用于进一步的操作，例如步骤850中的ID解码。如果标准光学系统内的设定焦距与来自步骤830的当前读数不匹配，则可以在步骤860中调整焦距，并且可以重新获取图像(步骤820和830)。当从聚焦和识别的特征中提取信息时(步骤850)，信息可以被存储和/或传输到下游设备——例如物流计算系统/数据库、输送机控制系统等。

IV.整合显示

图9示出了根据另一实施例的视觉系统相机装置900和/或其用途。在该装置中，其可以类似于或等同于以上图5-6的实施例，整个视觉系统相机总成910再次包括两个相机传感器总成和相关联的光学器件(在本实施例中称为“相机”920和930)，如上所述。第一相机920显示在本地显示器940上，该本地显示器940可以是整个总成的外壳912的一部分，或者链接到远程观看者，例如手持智能电话(使用适当的有线或无线数据链路)。该显示器940用作取景器，以手动地将相机总成和/或物体定向在图像的(垂直)中心922(即光轴上)。在这种情况下，取景器/显示器执行与激光瞄准仪相同的功能。因此，在该实施例中可以省略或选择性地停用瞄准仪。显示器可以包括圆、十字准线、框或其他重叠图形942，其作为显示像素的一部分生成或物理地应用于显示屏，并且用于进一步帮助物体相对于图像定中心。注意，如上所述，第二相机930布置成沙氏配置，以便提供扩展的DOF。

有利的是，这种配置900还可以用于测量小盒状物体(例如，部件/物体950)的尺寸。这种盒状物体的一个实例是印刷电路板上的组件。在该实施例中，投影(结构化光)激光扇/线960(如上所述)对准用户希望测量的部分/区域950。如上所述，倾斜反射镜964和分束器966用于引导光束960。第二(沙氏)相机930同时测量部件的高度(轴962的Z尺寸)，以及从第一(传统)相机920到部件950的距离，该距离取决于激光线960在其图像中的位置和形状(激光轮廓)。这种高度测量功能使用升高物体表面使线发生的位移，类似于本领域技术人员已知的激光位移传感器的操作。第一相机920可以通过测量以图像中像素为单位的尺寸，并将该值与由第二(沙氏)相机930测量的物体和相机图像平面之间的距离相结合，来测量部件的X和Y尺寸(轴962)，从而为像素到像素的测量提供标度。

V.双瞄准仪结构

图10-14多方面地示出了双轴相机单元1000，根据一个示例性的实施方案/实施例，其中双瞄准仪结构用于帮助用户在短工作距离-例如大约1-2英寸(2-5厘米)-和短工作范围(例如几个毫米)内在有用区域(例如ID码)上对焦。图10示出了，瞄准仪总成关于以上所述的上(同轴)细节模块1010和下相机模块1120(在结构和功能上类似于成像系统/单元510)的常见功能和布置。上模块1010的传感器1014沿着如射线1012所示的轴OAO成像，在视场1028内为线路总成1014提供从场景中接收的光线，其包括(例如)2D图像传感器1110(图11)。所述系统的焦面可与传感器1110一致。线路板1026包括(例如)激光发射器1031，其结合相关联的光学器件(例如45度反射镜1034以及分色镜1036–如前所述)工作以沿着轴OAO以预设(典型地)的颜色，例如红色，投射光线1020的水平扇形图案。特别地，反射镜1034和1036允许所述主要瞄准仪光束(1020)发射器1031远离光轴OAO布置，并引导光束到轴OAO上，同时使得接收的光线可通过(例如分色)反射镜1036从场景中返回。

次要瞄准器光束1030在一相对于同轴(主要)瞄准仪光束1020的锐角AA上被投射。光束1030从定位在线路板1026上的投射总成1032上投射。如图所示，此板1026靠近下模块(1120)的光学器件1210布置，并位于上模块(1010)的光学器件1040下方。在此例中，次要瞄准仪的发射器总成1032位于主要瞄准仪的(水平扇)发射器1031下方和下模块光学器件1210上方的便捷位置上。此发射器总成1032可包括适当的光学器件(例如反射镜，倾斜附件，等等)以使光束1030具有角度AA。

在一个实施例中，次要瞄准仪光束1030限定了波长(例如绿色)，此波长从扇/线瞄准仪光束1020上离散。这使得两个投射的光束1020、1030的图案更容易被用户所区分。其它离散的颜色可用于替代的实施例中，和/或不可见的波长可用于某些适当的场合中–例如用在发光表面。在一个实施例中，在光束1020和1030之间限定的角度AA大约为15度，并基于需要的工作距离在一个角度范围(例如大约10-20度)内可变。

进一步参见图11-13，整个双相机结构1000得以示出，其包括下相机模块1120和相关联的传感器电路板1124.下模块1120在结构和功能上和以上所述的单元520相类似。它从场景(射线1024)中通过成角度的光学器件1210(图12和13)和使用沙氏原理的反射镜总成接收光线，如上所述。注意，在于此使用构思的双瞄准仪总成时，此实施例中各部件结构上的布置可以是千差万别的。因此，图10-14中示出的结构是示例性的。

发射器总成1032可被构造和设置成在有用区域上投射机构化光图案–例如矩形。对于技术人员而言清楚的合适的透镜和滤镜可用于生成需要的图案。此投射的图案形状(或者其它合适的规则或者不规则多边形/曲线形状)允许用户确定相关的位置的方向。举例来说，在所述形状是歪斜时，这可指明读取器轴OAO没有垂直于读取表面的平面定向。同样地，如下所述，次要瞄准仪光束投射的形状的边界可指明设备的工作范围–顶部边缘为所述范围的一端而底部边缘则是所述范围的相对部分。如图14所示，次要瞄准仪光束1030投射在示例性读取表面1420(虚线显示)上的形状1410为正方形或者矩形的。

如图所示，次要瞄准仪光束1030被设置为在光束交叉区域1320上跨过同轴瞄准仪光束(示出为扇形平面)1020。所述交叉区域限定了沿着轴OAO的长度，其为读取器正确对焦的工作范围。注意，次要瞄准仪图案是用于近距离的。对于长距离，次要瞄准仪图案可离主要瞄准仪线足够远，以让用户觉得不明显。在这样的示例中，主要瞄准仪的线可专门用于相对于有用区域定向读取器，以及足够的工作范围可由相机单元提供，以保证良好的ID读取。

显著地，说明性的双瞄准仪结构提供了足够的帮助，以取得针对上(同轴)相机模块1010的正确对焦距离。对于下(沙氏)相机模块1120，所述双瞄准仪结构还可帮助用于确定相机总成1000的关联视场。如上所述，对于下模块1120而言，轴OAO的全长保持在焦距内，但只有场景沿着轴的一部分可在其传感器上成像。因此，确定视场的界限对于保证所述特征在读取中可被全部成像是必须的。

参见图15，其示出了次要瞄准仪图案(正方形1510)相对于主要瞄准仪线1520沿着相机单元1540的工作范围1530的相关布置。如前所述，在次要瞄准仪光束1512和同轴瞄准仪光束/扇1512之间的交叉区域1550由发射器1542的相机单元中相对于轴OAO的角度AA和位置所决定。当有用表面位于范围(垂直的虚线1560和1562)外时，图案1510远离线1520，出现在线的下方(太近)或者上方(太远)。在工作范围1550(垂直的虚线1570和1572)的最近和最远边缘，图案1510的上或下边缘(分别)勉强接触线1520。在范围1550的中间(垂直的虚线1580)，图案关于所述线居中，其上和下边缘1590、1592近似地与其等距离。这是对获得良好焦距中的ID码而言是优选/最好的位置。

注意，除了所示的线，主要瞄准器光束还可限定替换的形状和要素。举例来说，其可限定一对瞄准仪点或者其它常见的图案(例如圆、椭圆、十字架等等)。此外，所述主要瞄准仪可限定对应于由用户选择的焦距上的(横向)视场的宽度。通过这种方式，用户可确定所述表面上的所选特征是否在视场内。在示例性的实施例中，光轴OAO位于相机单元的视场(1028)的中心内，因此，次要瞄准仪光束大约在视场的中心越过主要瞄准仪光束。除了以上所述的在理想焦距上的线交叉图案，次要瞄准仪可同样地限定不同的图案。举例来说，在供替换的实施例中，所述次要瞄准仪可在距视场的中心一确定的距离上越过所述主要瞄准仪线/图案。对于诸如间隙测量的类似应用，此结构可用于允许读取器在某一距离上聚焦。在另一个实施例中，次要瞄准仪可分别限定一个扩展的图案，使得两个或更多的距离，或一垂直线，以及在有用表面上投射一种测距“标线”。

在另一个实施例中，如在图14中示例性的显示，次要瞄准仪光束1030的发射器1450被修改为包括可变的光学器件–例如可改变图案1052的液体透镜，机械可变焦距透镜和/或LCD窗口。这可变光学器件机制可由适当的控制器电路1460所控制，它可是相机单元的视觉系统处理器1470的一部分或者与其相连。此处理(处理器)1470可在结构和/或功能上与如上所述的处理(处理器)140相类似。所述可变图案/焦点可为用户提供不同的焦距，和/或提供进一步的可用于定位和对焦读取器的信息。

VI.总结

应该清楚的是，上述双轴、双成像系统装置提供了一种有效的机制，用于在不同距离处读取诸如ID的特征，并使用从双图像传感器获取的图像获得的信息来执行各种有用的任务。这些任务可以包括自动对焦、特征尺寸确定和一般距离测量。该装置可以包括瞄准仪和其他期望的特征，并且可以用于手持和固定安装单元。所述系统还可以提供了有效的机制，通过提供两个在到达合适的焦距时互相交叉的瞄准仪光束，使用户可聚焦在小工作范围内，以及确定相关联的视场。

前面已经详细描述了本发明的说明性实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和添加。上述各种实施例中的每一个的特征可以适当地与其它所述实施例的特征组合，以便在相关联的新实施例中提供多个特征组合。此外，尽管前面描述了本发明的设备和方法的多个单独的实施例，但是这里描述的仅仅是本发明原理的应用的说明。例如，如本文所使用的，各种方向和取向术语(及其语法变体)，例如“垂直”、“水平”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”、“侧部”、“前”、“后”、“左”、“右”、“向前”、“向后”等，仅用作相对于固定坐标系的相对约定，而不是用作相对于固定坐标系的绝对取向，例如重力的作用方向。此外，当术语“基本上”或“近似地”用于给定的测量值、值或特性时，其指的是在正常操作范围内以获得期望的结果的量，但是包括由于系统的允许公差(例如1-2％)内的固有误差和误差引起的一些可变性。还应注意，如本文所用，术语“处理”和/或“处理器”应广义地理解为包括各种基于电子硬件和/或软件的功能和组件。此外，所描绘的处理或处理器可以与其他处理和/或处理器组合，或者被划分为各种子处理或处理器。根据这里的实施例，这种子处理和/或子处理器可以被不同地组合。同样，明确地设想，这里的任何功能、处理和/或处理器可以使用电子硬件、由程序指令的非暂时性计算机可读介质组成的软件、或者硬件和软件的组合来实现。可选地，视觉系统装置可以包括被分成至少两个独立区域的单个传感器，每个传感器使用各种光学机构(例如以本领域技术人员应该清楚的方式配置的棱镜、反射镜等)从分立的相机装置(即同轴和沙氏)接收图像来将接收到的光引导到传感器上的适当位置。此外，虽然示出和描述的示例性扩展DOF成像系统和取景器装置限定了沙氏配置，但是也可以清楚地设想利用扩展DOF的其他类似配置。因此，该描述仅作为示例，而不是限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种对表面上的视场内有用特征进行读取的视觉系统，至少具有适合于聚焦在所述表面上的第一相机总成，所述系统包括：

主要瞄准仪总成，包括远离所述第一相机总成的相机光学器件的光轴布置的第一发射器，所述第一发射器引导主要瞄准仪光束到所述光轴上；以及

次要瞄准仪总成，包括投射次要瞄准仪光束的第二发射器，所述第二发射器使得所述次要瞄准仪光束被定向为与所述光轴成锐角；

其中，每个瞄准仪总成根据所述第一相机总成的焦点距离，分别将结构化光的离散光束投射到所述表面上；

其中，所述主要瞄准仪和次要瞄准仪光束投射组合图案，所述组合图案代表了所述表面和第一相机总成之间的距离范围；以及

其中，所述次要瞄准仪光束限定了受控光束几何形状，使得次要瞄准仪光束沿着所述表面和所述第一相机总成之间的距离范围跨过所述主要瞄准仪光束，所述距离范围对应于工作距离范围。

2.如权利要求1所述的视觉系统，其中，所述主要瞄准仪光束限定了所述表面上的近似地限定了视场的几何图案。

3.如权利要求2所述的视觉系统，其中，所述主要瞄准仪光束的几何图案为线，所述线的端点位于所述视场的近似边界上，所述视场由激光器和光学总成所投射。

4.如权利要求1所述的视觉系统，其中，所述次要瞄准仪光束在所述视场的中心上跨过所述主要瞄准仪光束。

5.如权利要求1所述的视觉系统，其中，所述次要瞄准仪光束在所述表面上投射几何形状，所述几何形状的边界与所述工作距离范围的相对边界对齐，所述工作距离范围具有由所述主要瞄准仪光束投射的几何形状。

6.如权利要求5所述的视觉系统，其中，由所述次要瞄准仪光束所投射的几何形状限定了长方形、正方形、正多边形和不规则多边形中的至少一种。

7.如权利要求1所述的视觉系统，其中，所述第二发射器具有可变地投射光束的可变光学器件总成，以用于以下各项中的至少一项，(a)适合不同的焦点距离以及(b)基于在所述表面上投射的次要光束的可变图案为用户提供进一步的信息。

8.如权利要求7所述的视觉系统，其中，所述可变光学器件包括机械可变透镜、液体透镜和可变LCD窗口中的一种。

9.如权利要求1所述的视觉系统，其中，所述主要瞄准仪光束限定了第一波长，以及次要瞄准仪光束限定了与所述第一波长可见地离散的第二波长。

10.如权利要求1所述的视觉系统，其中所述有用特征限定了小型ID码。

11.如权利要求1所述的视觉系统，还包括第二相机总成，其中所述第一相机总成的相机光学器件同轴对齐，以及所述第二相机总成的光学器件限定了沙氏关系。

12.如权利要求11所述的视觉系统，其中，所述主要瞄准仪光束和次要瞄准仪光束被设置为依照以下各项中的至少一项在所述表面上投射：(a)第二相机总成的视场的近似中心，以及(b)第一相机总成的光轴相对于第二相机总成的光轴的交叉点。

13.一种对相机总成进行对焦的方法，用于通过与所述相机总成相关联的图像处理器读取表面上的特征，所述方法包括以下步骤：

相对于所述表面定位所述相机总成，以相对于所述特征对齐主要瞄准仪光束投射的形状，使得所述主要瞄准仪光束位于所述相机总成的相机光学器件的光轴上；以及

调整所述相机总成至所述表面的距离，使得次要瞄准仪光束相对于所述主要瞄准仪光束所在光轴以锐角投射的形状穿过所述主要瞄准仪光束；

投射所述主要瞄准仪和次要瞄准仪光束的组合图案，所述组合图案代表了所述表面和第一相机总成之间的距离范围；

通过所述次要瞄准仪光束限定受控光束几何形状，使得次要瞄准仪光束沿着所述表面和所述第一相机总成之间的距离范围跨过所述主要瞄准仪光束，所述距离范围对应于读取器正确对焦的工作距离范围，以此指示所述相机总成位于工作距离范围内以读取所述特征。

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