DE69326438T2

DE69326438T2 - Methode und Vorrichtung zur schnellen Autofokussierung

Info

Publication number: DE69326438T2
Application number: DE69326438T
Authority: DE
Inventors: Kevork Arackellian; Craig J. Cornelius
Original assignee: Intermec Corp
Current assignee: Intermec Technologies Corp
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2013-10-30
Also published as: JPH06313836A; DE69326438D1; US5442167A; EP0620680A1; EP0620680B1

Description

Die Erfindung betrifft das rasche Fokussieren auf Objekte, die sich in Objektebenen befinden, deren Abstand zur Fokussiervorrichtung sich häufig ändert. Ein Beispiel ist eine Vorrichtung, die nacheinander auf Bilder eines Objekts scharfstellt, das sich auf der Oberfläche einer Reihe von Artikeln mit unterschiedlicher Höhe befindet, die auf einem vorbestimmten Weg transportiert werden, beispielsweise auf einem Förderband.
Viele optische Abtasteinrichtungen, bei denen sich die Zielentfernungen rasch ändern können, erfordern schnelle, genaue und automatisch arbeitende Fokussiersysteme. Beispielsweise muß ein Paketlesesystem, das man zum Lesen dar postalischen Barcodeetiketten auf den Oberflächen von Schachteln oder Paketen auf einer laufenden Fördereinrichtung verwendet, zwingend in der Lage sein, Etiketten auf Schachteln mit beliebigen Größen zu lesen. Da ein derartiges System auf einer optischen Anordnung beruht, die sich rasch auf das Lesen der Barcodeetiketten einstellen muß, die sich in unterschiedlicher Höhe über der Fördereinrichtung befinden, ist ein rasch ansprechendes optisches Lesesystem erforderlich.
Normalerweise verwendet man bei optischen Systemen, die automatisch in einem vorbestimmten Bereich von Objektabständen fokussieren können, eine Änderung der Linsenabstände, um die geforderte Abbildung auf eine feste Bildebene zu erreichen. Elektrische Bereichserfasser und Steuersysteme zum Betätigen der mechanischen Einstellungen sind Teile der Systeme. Auf dem Gebiet der professionellen Photographie ermöglichen selbsttätig fokussierende Kameras das Scharfstellen durch die Bewegung der Linsenbaugruppen bezogen auf eine feste Bildebene, in der Film angeordnet ist. Solche mechanisch einstellbaren Linsen brauchen viel Platz und haben eine große Masse, die die Antwortzeit der Scharfeinstellung ganz erheb lich verlängert. Dies ist auf dem Gebiet annehmbar, für das diese Systeme entworfen sind. Den modernen Anforderungen an eine schnelle Erfassung und elektronische Lesbarkeit der abgetasteten optischen Information können sie jedoch nicht genügen.
US 4,570,185 offenbart eine Einrichtung zum automatischen Fokussieren des Bilds eines Objekts, umfassend:
eine Vorrichtung, die an einem festen Ort montiert ist und das Bild auf eine Bildebene fokussiert, wobei die Fokussiervorrichtung eine optische Achse aufweist;
eine bewegliche Vorrichtung zum Erfassen des Bilds; und
eine Vorrichtung zum Regeln der Position der Erfassungsvorrichtung relativ zur Fokussiervorrichtung durch das Bewegen der Erfassungsvorrichtung mit einer Bewegungskomponente in der Richtung der optischen Achse der Fokussiervorrichtung, um die Erfassungsvorrichtung im wesentlichen in der Bildebene anzuordnen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Einrichtung zum automatischen Fokussieren des Bilds eines Objekts bereitgestellt, umfassend:
eine Vorrichtung, die an einem festen Ort montiert ist und das Bild auf eine Bildebene fokussiert, wobei die Fokussiervorrichtung eine optische Achse aufweist;
eine bewegliche Vorrichtung zum Erfassen des Bilds; und
eine Vorrichtung zum Regeln der Position der Erfassungsvorrichtung relativ zur Fokussiervorrichtung durch das Bewegen der Erfassungsvorrichtung mit einer Bewegungskomponente in der Richtung der optischen Achse der Fokussiervorrichtung, um die Erfassungsvorrichtung im wesentlichen in der Bildebene anzuordnen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Regeln der Position der Erfassungsvorrichtung als offener Regelkreis arbeitet.
Eine Vorrichtung zum Erzeugen fokussierter optischer Bilder von Objekten, die mit unterschiedlichen Abständen auf einem vorbestimmten Weg an der Vorrichtung vorbeilaufen, enthält bevorzugt eine solche Fokussiervorrichtung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zum automatischen Fokussieren eines Bilds eines Objekts auf eine Bildebene bereitgestellt, umfassend:
a) das Fokussieren des Bilds des Objekts auf eine Bildebene mit einer Fokussiervorrichtung, die an der optischen Fokussierachse befestigt ist;
b) das Erfassen des Bilds mit einer Erfassungsvorrichtung;
c) das Bestimmen der Position der Bildebene und das geregelte Bewegen der Erfassungsvorrichtung entlang der optischen Achse in diese Bildebene, in der ein Bild des Objekts fokussiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Erfassungsvorrichtung mit einem offenen Regelkreis erfolgt.
Das Stellglied kann ein Lautsprecherantrieb sein, der einen Lautsprechermagneten enthält, der sich abhängig vom Ansteuersignal bewegt, und eine am Lautsprechermagneten befestigte Stange, die sich mit dem Lautsprechermagnet bewegt, wobei der Lautsprechermagnet am ersten Teil und die Welle am zweiten Teil befestigt ist. Wahlweise kann das Stellglied ein Linearmotor sein, der einen Motormagneten und eine Motorspule enthält. Dabei ist der Motormagnet am ersten oder am zweiten Teil befestigt, und die Motorspule ist am jeweils anderen Teil (dem zweiten oder ersten Teil) angebracht. Beispielsweise kann der Motormagnet am ersten Teil befestigt sein und die Motorspule am zweiten Teil. Eine derartige Vorrichtung umfaßt ferner eine Sensorschaltung, die ein Bildgeber-Positionssignal erzeugt, das die Position des Bildgebers auf der optischen Achse darstellt, und eine Prozessorschaltung, die das Bildgeber-Positionssignal verarbeitet, den Unterschied zwi schen der Bildgeberposition und dem Ort der Bildebene auf der optischen Achse erfaßt und abhängig von der erfaßten Differenz ein Ansteuersignal erzeugt. Die Sensorschaltung kann einen linearen Differenztransformator enthalten. Zudem kann das zweite Teil eine geradlinig betätigbare Welle des Linearmotors sein. Die Fokussiervorrichtung kann ein optisches Bauteil sein, das ein Abbild des Objekts erzeugt. Beispielsweise kann das optische Bauteil ein Linsensystem sein, das relativ zum ersten Teil stationär gehalten wird.
Die Erfindung wird nunmehr zum besseren Verständnis und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Skizze der allgemeinen Anordnung eines Fokussiersystems, in dem ein Stellglied eine geradlinige Bewegung für einen Bildgeber entlang einer optischen Achse erzeugt;
Fig. 2 eine Skizze eines Fokussiersystems, in dem sich ein Bildgeber um einen Drehpunkt drehen kann, der sich außerhalb der optischen Achse befindet;
Fig. 3 eine Skizze einer Bildgebereinheit, in der sich ein Bildgeber mit seiner Bildebene rechtwinklig zu einer optischen Achse bewegt, jedoch auf einem ganz leichten Bogen;
Fig. 4 eine Ausführungsform eines Bildgebers, der sich auf dem Schwenkhebelabschnitt einer Platte befindet, die so angesteuert wird, daß sie sich um eine Achse biegt;
Fig. 5 eine Ausführungsform, bei der ein Bildgeber von der bewegten Spule eines Lautsprechers angesteuert wird;
Fig. 6 eine Detailzeichnung eines optischen Systems, in dem ein schwenkbarer Bildgeber verwendet wird;
Fig. 7 eine schematische Zeichnung, die den Einsatz eines elektrostriktiven Bauteils als Stellglied darstellt;
Fig. 8 eine Ausführungsform, bei der die Bildgeberregelung anhand einer Bewertung der Bildqualität durch die Linse hindurch erfolgt; und
Fig. 9 die Anwendung eines System zum Gebrauch beim Lesen von Objekten, die auf einem bewegten Förderbandsystem transportiert werden.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen das Fokussieren des Bilds eines Objekts durch das Bewegen eines Detektors (CCD-Bildgeber, Film, usw.) zur Bildebene erfolgt und nicht durch das Bewegen der optischen Bauteile in einer Linsengruppe oder durch das Bewegen der Linsengruppe selbst. Es hat sich gezeigt, daß dieser Ansatz technische Vorteile aufweist, da man die Masse des bewegten Bauteils beträchtlich verringern kann. Dies führt für eine vorgegebene Kraft zu einer rascheren Fokussierung. Beim Bewegen einer Linsengruppe in einem Linsensystem muß man auch die Abweichungseffekte berücksichtigen, die sich durch Neigung und axiale Mittenverschiebung der bewegten Bauteile auf die Modulationsübertragungsfunktion des Systems ergeben.
Die Bewegung der Bildebene kann eine rein geradlinige Bewegung entlang der optischen Achse sein, oder sie kann sich entlang eines Bogens tangential zur optischen Achse bewegen, und zwar auf einem Radius, der verglichen mit dem Umfang der Bewegung groß ist, die in der Richtung der optischen Achse erforderlich ist. Es entsteht eine geringfügige Winkelbewegung des Bildgebers. Abhängig von der Radiusgröße des Bogens, der tangential zur optischen Achse eingestellt ist, kann eine geradlinige Bewegung in der Richtung der optischen Achse gut angenähert werden. Bei der radialen Bewegung des Bildgebers muß man auch beachten, daß sich der Mittelpunkt des Bildgebers, der als Ort der optischen Achse auf dem Bildgeber definiert ist, wenn die Bildebene des Bildgebers senkrecht zur optischen Achse steht, geringfügig aus der optischen Achse bewegt, wenn man den Bildgeber entlang eines Bogens führt. Dies kann zu einer gewissen Verzerrung des empfangenen Bilds durch den Bildgeber führen, die man hinsichtlich der besonderen Anforderungen der Anwendung beachten muß.
Mit ein- oder zweidimensionalen Bildgebern sind beide Bewegungsformen anwendbar; man darf dabei jedoch die erwähnten Verzerrungsprobleme, die bei einer Bewegung entlang eines Bogens möglich sind, nicht übersehen. Die Anforderungen in den bevorzugten Ausführungsformen wurden durch eine solche Bewegung nicht beeinträchtigt. Der Umfang der möglichen Probleme hängt natürlich vom Ausmaß ab. Man kann ihnen durch eine geeignete Gestaltung gemäß dem Stand der Technik begegnen.
Der Erfinder hat bei praktischen Anwendungen mit einem Gesamtbewegungsbereich des Bildgebers entlang der optischen Achse von 0,0305 cm (0,012 Inch) oder weniger gute Ergebnisse erhalten. Aus der folgenden Beschreibung geht hervor, daß die Werte für den Bildgeber-Bewegungsbereich größer oder viel kleiner sein können als der genannte Bereich, wenn das optische System geeignet entworfen ist, und zwar einschließlich einer Kontrolle des Orts der feststehenden Linsen bezüglich der erwarteten Objektbereiche.
Auf der einfachsten Stufe kann der Mechanismus aus zwei Stücken aufgebaut sein, von denen eines ein beweglicher Rahmen ist, der einen Bildgeber enthält, und der andere ein feststehender Rahmen, der die Linsen oder die Linsenbaugruppe enthält. Zum raschen Scharfstellen des optischen Bilds auf einem Bildgeber befestigt man ein Stellglied am bewegten Rahmen, das diesen relativ zum feststehenden Rahmen bewegt. Das Stellglied spricht auf ein Ansteuersignal aus einem Controller an und bringt den Bildgeber in die Bildebene.
In Fig. 1 ist ein Objekt 1 auf einer optischen Achse 17 in einer Objektebene 3 angeordnet. Dieses Objekt soll seine Lage entlang der optischen Achse 17 bezüglich der Linsenbaugruppe 11 ändern können, die an einem festen Ort auf der optischen Achse montiert ist. Eine Erfassungsvorrichtung bzw. ein Bildgeber 13 ist auf der optischen Achse 17 beweglich an geordnet und erfaßt ein Bild 19, das vom Objekt 1 stammt und auf seine Bildebene fokussiert ist.
Der Bildgeber 13 kann eine ein- oder zweidimensionale CCD-Anordnung sein, ein transistorisierter zweidimensionaler Bildempfänger oder ein einfaches chemisches Filmsystem. Einem Fachmann ist klar, daß der Bildgeber 13 irgendein Bildgeber aus einer großen Anzahl bekannter Vorrichtungen sein kann.
Da sich das Objekt 1 zu unterschiedlichen Orten auf der optischen Achse 17 bewegt, umfaßt das automatisierte System einen Detektor 5, der den Abstand des Objekts 1 von der Linse 11 bestimmt und mißt, und ein bezüglich der Linse 11 befestigtes Stellglied 9, das den Bildgeber 13 in die Bildebene des Bilds 19 bringt. Ein Controller 7 ist angeschlossen, der Daten vom Detektor 5 empfängt und das Ausmaß der Steuerung bestimmt, die man an das Stellglied 9 anlegen muß, um den Bildgeber 13 in irgendeine neue Bildebene zu verschieben, in der das Bild durch eine Ortsveränderung des Objekts 1 fokussiert ist.
Zwischen der Linse 11 und dem Bildgeber 13 kann man, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist, eine Abstandsmeßvorrichtung 15 anbringen, die den Ort des Bildgebers 13 bezüglich der Linse 11 überwacht, und diese Information in den Controller 7 eingeben, damit eine geschlossene Regelschleife für das Stellglied 9 gebildet wird. Zusätzlich zum Bereitstellen der Ortsdaten über den Bildgeber 13 kann die Vorrichtung 15 durch diese Maßnahme fortlaufende Rückführsignale für den Controller 7 liefern, um den Bildgeber in der Bildebene zu halten. Zusätzlich kann es erforderlich sein, sicherzustellen, daß ein ausreichender Widerstand gegen die Bewegung in den Bildgeber 13 eingebaut ist, um seine Position in den Zeitspannen ausreichend zu stabilisieren, in denen der Controller 7 keine Bewegung über das Stellglied 9 anweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Abstandsmeßvorrichtung 15 einen linearen Differenztransformator (LVDT, LVDT = Linear Variable Difference Transformer). Man kennt auch andere Systeme, die eine exakte lineare Abstandsmessung liefern.
Fig. 1 zeigt ein System mit geradliniger Bewegung des Bildgebers. Dagegen zeigt Fig. 2 ein System, bei dem der Bildgeber so befestigt ist, daß er sich um eine Achse dreht, die durch einen Drehpunkt 23 geht.
Die Ebene des Bildgebers, der das Bild 19 empfängt, ist parallel zu einem Radiusvektor 25, der von der Drehachse 23 ausgeht. Das Stellglied 21 erzeugt eine Drehung um die Achse 23 und bewirkt in dieser Ausführungsform eine Bewegung des Bildgebers 13 entlang eines Bogens tangential zur optischen Achse 17. Sonst entsprechen alle Elemente in Fig. 2 den Elementen aus Fig. 1.
In Fig. 2 ordnet man die Linsen 11 bezüglich der Feldtiefe geeignet an, die für den Bereich von Objektorten auf der optischen Achse 17 erforderlich ist, und paßt den Bogenradius an, damit man die bestmögliche Bogenlänge auf dem Drehkreis tangential zur optischen Achse 17 erhält. Damit kann man sehr kleine Drehwinkel erreichen. Es kann eine gewisse Verzerrung des Bilds 19 auftreten; man kann sie bei der besonderen Anwendung dieser Systemart jedoch leicht berücksichtigen.
Als Detektor 5, der die Höhe des Objekts 1 erfaßt, d. h. den Ort der Objektebene 3, verwendet man eine einfache Vorrichtung, die auf der einen Seite des Objekts 1 eine Lichterfolge eingebaut hat und auf der anderen Seite eine parallele Folge entsprechender Lichtdetektoren. Da das Objekt 1 abhängig von seiner Höhe verhindert, daß einige der Detektoren Licht empfangen, und da diese Detektoren in direktem Zusam menhang mit dem Ort der Linsen 11 angeordnet sind, dient diese Vorrichtung als geeignetes Abstandsmeßgerät zum Bestimmen der Entfernung des Objekts 1 von der Linsenbaugruppe 11. Natürlich sind gemäß dem Stand der Technik auch weitere derartige Abstandsmeßgeräte verfügbar. Solche Einrichtungen sind insbesondere zum Bestimmen des Objektabstands bei Kameraphotographieanwendungen weit verbreitet.
Der Controller 7 ist ein Mikroprozessor, der Signalinformation aus dem Detektor 5 und aus der Vorrichtung 15 empfangen und diese Information verarbeiten kann. Der Mikroprozessor leitet daraus ein Steuersignal zum Positionieren des Stellglieds 9 oder 21 ab, damit der Bildgeber 13 zum Empfangen eines fokussierten Bilds 19 passend angeordnet wird. Die Prozessorschaltung zum Verarbeiten des Bildgeber-Positionssignals empfängt Daten bezüglich des Abstands der Objektebene 3 und der Linsen 11 vom Detektor 5. Sie verwendet Daten der Abbildungseigenschaften der Linsen 11, berechnet den für die Bildebene erwarteten Ort und erzeugt das erforderliche Ansteuersignal für das Stellglied, das den Bildgeber 13 in dieser Bildebene anordnet.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der rotierenden Bauart, jedoch mit einem abgewandelten Ansatz, der es erlaubt, den Bildgeber in einer Ebene zu halten, die senkrecht zur optischen Achse 17 ist. Der Bildgeber kann sich quer innerhalb dieser Ebene bewegen. Der Bildgeber 33 in dieser Ausführungsform ist ein zweidimensionaler Bildgeber, den man durch den Einsatz von Transistoranordnungen erhalten kann, die das vom Objekt 1 ausgehende Licht erfassen. Der Bildgeber 33 ist an einem Bildgeberrahmen 35 befestigt, an dem auch eine gedruckte Schaltungsplatine 37 montiert ist, die die Elektronik zum Betrieb des Fokussiersystems enthält. Der Rahmen 43 ist fest mit der Linsenbaugruppe 11 verbunden. Am feststehenden Rahmen 43 ist ein Motormagnet 39 befestigt. Am Bildgeberrahmen 35 ist eine Motorspule 41 montiert.
Die Rahmen 43 und 35 sind über Biegestäbe 31 verbunden.
Die Biegestäbe erlauben es den Rahmen, sich gegeneinander zu bewegen, wobei jedoch die Ebene des Bildgebers 33 senkrecht zu einer optischen Achse bleibt, die durch den Bildgeber 33 verläuft. Das Stellglied, das die Kraft zum Bewegen des Rahmens 35 bezüglich eines festen Rahmens 43 liefert, besteht aus dem Motormagnat 39 und der Spule 41. Durch das Anlegen eines elektrischen Signals an diese Kombination über die Spule 41 wird eine Kraft erzeugt, die den Magneten 39 und die Spule 41 entweder zusammenzieht oder sie auseinander drückt. Dadurch verschiebt sich der Bildgeber 33 auf der optischen Achse nach vorn oder hinten.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die auf dieser Drechachsentechnik beruht, wobei das sich drehende Teil einen Bildgeber 53 enthält, der ein Schwenkhebel ist und einen Teil eines feststehenden Glieds 51 bildet. Das feststehende Glied 51 ist eine dünne Platte, die eine gedruckte Schaltungskarte sein kann, die auch die Elektronik für die automatische Ansteuerschaltung enthält. Auf diese Weise kann sie als Schaltungsplatine für die Bildgeber-Ansteuerelektronik einschließlich des Controllers dienen.
Ein Schlitz 55 trennt eine ausgeschnittene Spitze 63 vom Rest der Platte 51. Die Spitze 63 schwenkt um die Achse 61 aus der Ebene der Platte 51. Die Bewegung der Spitze 63 erfolgt über ein Stellglied 59, das so an der Platte 51 befestigt ist, daß es die Spitze 63 antreibt. Entlang der Achse 61 ist ein Schlitz 57 in die Platte 51 eingearbeitet, der irgendwelche unerwünschten Drehbewegungen oder Verwindungen, die nicht um die Achse 61 erfolgen, so klein wie möglich halten soll. Damit stellt man leicht sicher, daß der Bildgeber 53 das Bild 65 auf der ganzen Bildlänge parallel zur Achse 61 unverzerrt erkennt.
Wie bei den anderen Verfahren kann das Stellglied 59 ein Linearmotor-Antriebssystem sein, das eine Spule und einen Motormagneten enthält. In dieser Ausführungsform ist es besser, einen Festkörper-Betätigungsmechanismus zu verwenden, z. B. einen piezoelektrischen Antrieb oder eine andere elektrostriktive oder magnetostriktive Vorrichtung, die die Bewegung der Spitze 63 steuert. Natürlich kann der Bildgeber 53 entweder eine geradlinige CCD-Anordnung oder eine zweidimensionale CCD-Anordnung oder eine andere optisch empfindliche Anordnung einschließlich einer Dünnfilmtransistoranordnung sein, die für die erfaßte Strahlung empfindlich ist.
Fig. 5 zeigt ein Drehverfahren, bei dem eine Lautsprecherspule zum Ansteuern des Bildgebers 96 verwendet wird, der sich um eine Achse 82 dreht. Ein leichter Rahmen 84, der den Bildgeber 96 hält, schwenkt drehend um einen Bolzen 86 auf der Drehachse 82. Der Bolzen 86 ist an Haltern auf der feststehenden Einheit befestigt, die die Linsenbaugruppe (nicht dargestellt) enthält. Der Bildgeber 96 ist so ausgerichtet, daß er die optische Achse 17 wie beschrieben schneidet.
Zum Antreiben der Verbindungsstange 92, die so gekoppelt ist, daß sie den Bildgeberrahmen 84 bewegt, verwendet man ein Lautsprechersystem 88 mit bewegter Spule, das eine Magnetbaugruppe 90 und eine bewegte Spule 94 enthält. Man beachte, daß der Bildgeberrahmen 84 in dieser Abbildung mit besonders geringem Gewicht entworfen ist. Dadurch hat er eine sehr kleine Masse und spricht besser auf rasche Bewegungen an, damit er schnell veränderliche Objektpositionen auf der optischen Achse 17 zügig erkennt.
Fig. 6 zeigt eine vollständige Baugruppe einer automatischen Fokussiervorrichtung mit einem schwenkbaren Bildgeber. An einem feststehenden Rahmen 118, der auch Gelenke 114, eine feststehende Schaltungsplatine 112 und einen stationären Motormagneten 104 trägt, ist eine Linsenbaugruppe 102 befe stigt. Zwischen den stationären Rahmen 118 und den schwenkbaren Bildgeberrahmen 116 sind Resonanz- oder Widerstandsfedern 108 eingespannt. Die Widerstands- oder Resonanzfedern sind nicht unbedingt erforderlich. Man kann sie jedoch dazu verwenden, eine Reaktionskraft auf die Bewegung des schwenkbaren Bildgeberrahmens zu liefern. Dadurch wird das Positionieren des Bildgebers 100 während des Betriebs zuverlässiger, und es tritt keine oder nur eine verringerte Nachschwingneigung auf. Eine weitere Möglichkeit, irgendwelche Nachschwingneigungen zu verringern, sind Biegegelenke.
Zwischen den Bildgeber 100 und die stationäre Schaltungsplatine 112 sind biegsame elektrische Leitungen 110 geschaltet, die das Signal aus dem Bildgeber 100 zur Signalverarbeitungselektronik leiten. Die stationäre Schaltungsplatine 112 kann auch den Controller enthalten und über die biegsamen elektrischen Leitungen 110 Controllersignale für die Motorspule 106 liefern, um den schwenkbaren Bildgeberrahmen 116 zu bewegen.
Der schwenkbare Bildgeberrahmen 116 dreht sich um eine Achse durch die Gelenke 114. Der Bildgeberrahmen 116 ist wiederum so entworfen, daß er ein besonders geringes Gewicht hat, damit eine rasche Reaktion auf veränderte Bildebenenpositionen leichter wird. Am stationären Rahmen 118 ist auch ein linearer Differenztransformator 120 befestigt, der mit dem schwenkbaren Bildgeberrahmen 116 verbunden ist und einen Meßwert für den Ort des CCD-Bildgebers 100 bezüglich der Linsenbaugruppe 102 liefert.
Fig. 7 zeigt den Einsatz einer elektrostriktiven oder magnetostriktiven Vorrichtung, die den Bildgeber geradlinig auf der optischen Achse 17 bewegt. Der Bildgeber 13 ist an einer piezoelektrischen Vorrichtung 97 befestigt dargestellt, die ihrerseits an einem feststehenden Rahmen 99 montiert ist, der auch die feststehende Linsenbaugruppe 11 halten kann. Der Controller 7 überträgt elektrische Signale, die eine elektrostriktive Verformung der piezoelektrischen Vorrichtung 97 bewirken. Die elektrostriktive Vorrichtung 97 ist so geschnitten, daß die Elektrostriktionsverformung eine Ausdehnung oder Kontraktion entlang der optischen Achse 17 ist, die den Bildgeber 13 auf der optischen Achse 17 so vor und zurück bewegt, daß das Bild 19 nicht verformt wird. Durch den Einsatz einer elektrostriktiven Vorrichtung, etwa der Vorrichtung 97, braucht man im allgemeinen keine Abstandsmeßeinrichtung 15 mehr, die die Entfernung zwischen dem Bildgeber 13 und der Linse 11 überwacht, da solche Vorrichtungen stabil und reproduzierbar arbeiten.
Fig. 8 zeigt eine andere Vorgehensweise zum Festlegen der Steuerung einer richtigen Bildgeberposition, mit der man ein scharfgestelltes Bild empfängt. Ein Kontrastbewertungssystem 20 ist so verbunden, daß es das durch die Linse 11 fokussierte Bild empfängt. Mit bekannten Verarbeitungsalgorithmen bewertet man die Bildqualität und stellt fest, ob das Bild scharfgestellt ist. Die Bildqualität kann man mit den Bildkontrastmerkmalen verknüpfen, d. h. mit der Detailschärfe des Bilds oder mit anderen Faktoren, die mit dem Fokussierungsgrad verknüpft sind. Aufgrund dieser Bewertung erzeugt der Controller 7 ein Steuersignal, das das Stellglied 9 in Gang setzt und den Bildgeber 13 wieder in die Ebene des scharfen Bilds 19 verschiebt.
Das obige selbsttätige Fokussiersystem und diverse Konzepte sind beim Erfassen von Informationen nützlich, die sich auf den Oberseiten von Paketen befinden, die sich schnell auf einem Förderband bewegen. Eine solche Anwendung umfaßt das Lesen von Barcodesymbolen auf Postpaketen beim raschen Abtasten der Oberseite der Postpakete, die ein Förderband zügig an der Abtastkamera vorbei bewegt. Die Bewegungsgeschwindigkeit kann derzeit einige hundert Feet pro Minute (hundert Feet = 30,48 Meter) oder mehr betragen. Fig. 9 zeigt einen solchen Einsatz. Auf dem Förderband 107 befinden sich einige Pakete, die mit 101, 103 und 105 bezeichnet sind. Jedes Paket hat bezüglich der Ebene des Förderbands 107 eine unterschiedliche Höhe und ist daher mit einem unterschiedlichen Abstand zur Linse 11 auf der optischen Achse 17 angeordnet.
Das Objekt 1 ist für die postalische Erfassung normalerweise ein Barcode, der auf den Oberseiten 109, 111 und 113 der jeweiligen Pakete angebracht ist. Die Informationen in diesen Barcodesymbolen liefern Anweisungen für die Handhabung der Sendung usw. Die Barcodes verändern ihre Objektposition bezüglich der Linse 11 sehr rasch, wenn das Förderband 107 an der Abtastkamera vorbei läuft. Folglich ist es erforderlich, das Bild 19 sehr rasch auf den Bildgeber 13 zu fokussieren.
Die Erfindung ist anhand besonderer Ausführungsformen ausführlich erläutert und beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, da Fachleute zahlreiche Abwandlungen vornehmen können, die in den Bereich der Erfindung fallen.

Claims

1. Einrichtung zum automatischen Fokussieren des Bilds (19) eines Objekts (1), umfassend:

eine Vorrichtung (11), die an einem festen Ort montiert ist und das Bild auf eine Bildebene (19) fokussiert, wobei die Fokussiervorrichtung eine optische Achse aufweist;

eine bewegliche Vorrichtung (13) zum Erfassen des Bilds; und

eine Vorrichtung (5, 7, 9) zum Regeln der Position der Erfassungsvorrichtung relativ zur Fokussiervorrichtung durch das Bewegen der Erfassungsvorrichtung mit einer Bewegungskomponente in der Richtung der optischen Achse (17) der Fokussiervorrichtung (11), um die Erfassungsvorrichtung (13) im wesentlichen in der Bildebene (19) anzuordnen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Regeln der Position der Erfassungsvorrichtung als offener Regelkreis arbeitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Positionsregelvorrichtung (5, 7, 9) eine mit der Erfassungsvorrichtung (13) verbundene Vorrichtung (9) umfaßt, die die Erfassungsvorrichtung geregelt im wesentlichen entlang der optischen Achse (17) bewegt, und eine Vorrichtung (5, 7), die die Bewegungsvorrichtung (9) regelt, und die Erfassungsvorrichtung (13) im wesentlichen senkrecht zur Bildebene (19) bewegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Positionsregelvorrichtung eine Vorrichtung (5) zum Bestimmen der Position des Objekts entlang der optischen Achse und zum Verwenden dieser Information beim Regeln der Position der Erfassungsvorrichtung umfaßt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, zudem umfassend einen Bildqualitätsanalysator (20), wobei die Regelvorrichtung so betreibbar ist, daß sie die Position der Bildebene entlang der optischen Achse aus der Berechnung der Qualität des Bilds bestimmt, die ihr der Analysator (20) sendet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der Bildqualitätsanalysator (20) so betreibbar ist, daß er den Fokussierungsgrad des Bilds auf der Erfassungsvorrichtung berechnet, um den Ort der Bildebene zu bestimmen und die Erfassungsvorrichtung dorthin zu bewegen.

6. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussiervorrichtung ein Linsensystem ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die Fokussiervorrichtung ein optisches Linsensystem ist.

8. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungsvorrichtung ein lichtempfindliches chemisches Medium ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, wobei das lichtempfindliche chemische Medium ein photographischer Film ist.

10. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung (13) zum Erfassen eine elektronische Bilderfassungsvorrichtung ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung zum Erfassen eine CCD-Anordnung ist, die linear sein kann.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung zum Erfassen eine optisch empfindliche transistorisierte Anordnung ist.

13. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung so eingerichtet ist, daß sie die Erfassungsvorrichtung linear entlang der optischen Achse bewegt.

14. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Regelvorrichtung so eingerichtet ist, daß sie die Erfassungsvorrichtung entlang eines Bogens bewegt, der zu einer Linie tangential ist, die zur optischen Achse parallel ist oder damit zusammenfällt.

15. Einrichtung nach Anspruch 2 oder irgendeinem der Ansprüche 3 bis 14 wenn abhängig von Anspruch 2, wobei die Bewegungsvorrichtung (9) ein elektromechanisches Stellglied ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied eine Baugruppe (39, 41) aus Magnet und Spule ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied (59) eine Kombination aus Motormagnet und Spule ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied eine Kombination aus Audiolautsprecher und beweglicher Spule (90, 94) ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied eine elektrostriktive Vorrichtung ist.

20. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied eine magnetostriktive Vorrichtung ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei das Stellglied eine piezoelektrische Wandlervorrichtung ist.

22. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung einen elektronischen Regler (17) enthält.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, wobei der Regler von einem Computer bereitgestellt wird.

24. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussiervorrichtung auf der optischen Achse befestigt ist.

25. Einrichtung zum Ausbilden fokussierter optischer Bilder von Objekten, die unterschiedliche Abstände von der Einrichtung haben, wenn sie die Einrichtung auf einem vorbestimmten Weg durchlaufen, wobei die Einrichtung eine Fokussiervorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

26. Einrichtung nach Anspruch 25 zum Ausbilden fokussierter optischer Bilder der Symbolik, die auf den Oberflächen der Artikel auftritt, die mit unterschiedlichen Abständen zur Einrichtung angeordnet sind, wobei die Einrichtung enthält: eine Fördervorrichtung, die die Artikel entlang des vorbestimmten Wegs befördert; ein stationäres erstes Glied, das relativ zum vorbestimmten Weg in einer festen Position gehalten wird und die Fokussiervorrichtung trägt, um ein Bild der Symbolik auf der Oberfläche eines der Artikel in der Bildebene zu erzeugen, wenn die Fördervorrichtung die Artikel am optischen Element vorbei befördert; ein zweites Glied, das eine mitbewegte Erfassungsvorrichtung trägt, wobei das zweite Glied relativ zum ersten Glied beweglich ist und die Erfassungsvorrichtung ausgewählt entlang der optischen Achse bewegt; und ein Stellglied, das so befestigt ist, daß es das zweite Glied relativ zum ersten Glied bewegt, und zwar abhängig von einem Ansteuersignal, das die Entfernung entlang der optischen Achse zwischen der Position der Erfassungsvorrichtung und der Position der Bildebene angibt, damit die Erfassungsvorrichtung einstellbar in der Bildebene angeordnet wird.

27. Einrichtung nach Anspruch 14 oder irgendeinem der Ansprüche 15 bis 26 wenn abhängig von Anspruch 14, zudem umfassend ein ebenes Bett, das die Erfassungsvorrichtung hält, wobei eine Empfangsfläche der Erfassungsvorrichtung unter einem vorbestimmten Winkel gegen die Ebene des Betts orientiert ist, und zumindest ein erster Schwenkarm schwenkbar mit einem ersten Kantenbereich des ebenen Betts verbunden ist, und zumindest ein zweiter Schwenkarm schwenkbar mit einem zweiten entgegengesetzten Kantenbereich des ebenen Betts verbunden ist, und der erste und der zweite Schwenkarm im wesentlichen gleiche Länge haben, und der erste Schwenkarm an seinem Endbereich, der dem am Bett befestigten Endbereich gegenüberliegt, mit einem ersten Drehpunkt in einer zum Bett parallelen Ebene verbunden ist, die einen vorbestimmten Abstand zum Bett hat, und der zweite Schwenkarm an seinem Endbereich, der dem am Bett befestigten Endbereich gegenüberliegt, mit einem zweiten Drehpunkt in der zum Bett parallelen Ebene verbunden ist, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Drehpunkt im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den Verbindungen des ersten und des zweiten Schwenkarms zum Bett ist, und die Kante des Betts, die Linie zwischen dem ersten und dem zweiten Drehpunkt und der erste und der zweite Schwenkarm ungefähr ein Parallelogramm bilden.

28. Einrichtung nach Anspruch 27, wobei der erste und der zweite Schwenkarm biegsam sind und eine näherungsweise Drehung um die Drehpunkte und Verbindungspunkte zum Bett gestatten.

29. Verfahren zum automatischen Fokussieren eines Bilds eines Objekts auf eine Bildebene, umfassend:

a) das Fokussieren des Bilds des Objekts auf eine Bildebene mit einer Fokussiervorrichtung, die an der optischen Fokussierachse befestigt ist;

b) das Erfassen des Bilds mit einer Erfassungsvorrichtung;

c) das Bestimmen der Position der Bildebene und das geregelte Bewegen der Erfassungsvorrichtung entlang der optischen Achse in diese Bildebene, in der ein Bild des Objekts fokussiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Erfassungsvorrichtung mit einem offenen Regelkreis erfolgt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Bestimmens der Position der Bildebene die Schritte enthält:

a) das Bestimmen des Abstands zwischen der Fokussiervorrichtung und dem Objekt; und

b) das Berechnen der Position der Bildebene mit Hilfe der Abbildungseigenschaften der Fokussiervorrichtung.

31. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Bestimmens der Position der Bildebene die Schritte enthält:

a) das Berechnen des Fokussierungsgrads des Bilds, so wie es die Erfassungsvorrichtung erfaßt; und

b) das Berechnen der Position der Bildebene mit Hilfe empirischer Algorithmen, die man vorab aus Messungen mit der Fokussiervorrichtung bestimmt hat.

32. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 29 bis 31, zudem umfassend die Schritte:

a) das Anordnen eines ersten Glieds, das ein stationäres optisches Element trägt, in einer festen Position relativ zur optischen Achse;

b) das Bereitstellen eines beweglichen zweiten Glieds, das die Erfassungsvorrichtung hält;

c) das Erzeugen eines Ansteuersignals, das den Abstand entlang der optischen Achse zwischen der Erfassungsvorrichtung und der Bildebene angibt; und

d) das ausgewählte Bewegen des zweiten Glieds relativ zum ersten Glied abhängig vom Ansteuersignal, um die Erfassungsvorrichtung in der Bildebene anzuordnen.

33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das zweite Glied dadurch relativ zum ersten Glied bewegt wird, daß sich das zweite Glied um eine Drehachse dreht, damit die Erfassungsvorrichtung im wesentlichen entlang der optischen Achse bewegt wird.