JP2022187471A - 検出領域を通って移動する物体を検出するためのカメラ及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出領域を通って移動する物体を検出するためのカメラを提供する。【解決手段】カメラ（１０）は、検出領域（１４）を通って移動する物体の画像データを取得するための画像センサ（１８）と、調節可能な絞り（１７）を有する受光光学系（１６）と、画像データを読み出して絞り（１７）を調節するための制御及び評価ユニット（３８）と、を備える。制御及び評価ユニット（３８）は更に、物体が被写界深度内で撮影されるように物体毎に絞り（１７）を調節する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１又は１５のプレアンブルに記載の、検出領域を通って移動する物体を検出するためのカメラ及び方法に関する。

カメラは、産業上の利用において、例えば物品の検査や測定等の目的で、物品の特性を自動的に捕らえるために多様な方法で用いられる。その場合、物品の画像が撮影され、業務に応じて画像処理により評価される。カメラの別の用途としてコードの読み取りがある。画像センサを用いて、表面にコードが付された物品が撮影され、その画像内でコード領域が識別されて復号が行われる。カメラベースのコードリーダは、１次元バーコード以外に、マトリクスコードのように２次元的に構成され、より多くの情報を利用できる種類のコードも問題なく処理できる。印刷された住所や手書き文書の自動的なテキスト認識（OCR: Optical Character Recognition）も原則的にはコードの読み取りである。コードリーダの典型的な応用分野としては、スーパーマーケットのレジ、荷物の自動識別、郵便物の仕分け、空港での荷物の発送準備、その他の物流での利用が挙げられる。

よくある検出状況の１つはカメラをベルトコンベアの上方に取り付けるというものである。カメラはベルトコンベア上で物品の流れが相対移動している間、画像を撮影し、取得された物品特性に応じてその後の処理ステップを開始する。このような処理ステップでは、例えば、搬送中の物品に作用する機械上で具体的な物品に合わせて更なる処理を行ったり、物品の流れの中から品質管理の枠組み内で特定の物品を引き出すこと又は物品の流れを複数の物品の流れに分岐させることにより物品の流れを変化させたりする。そのカメラがカメラベースのコードリーダである場合、各物品が、それに付されたコードに基づき、正しい仕分け等の処理ステップのために識別される。

前記カメラは複雑なセンサ系の一部であることが多い。例えば、ベルトコンベアに設けられた読み取りトンネルでは、多数のカメラベースのコードリーダを、一方ではそれより広いベルトコンベアの幅をカバーするために並べて取り付け、他方では複数の側から物品を撮影するために様々な視点から取り付けるのが通例である。更に、搬送される物品の形状を別個のレーザスキャナで事前に測定し、そこから焦点情報、撮影実行時点、物品を含む画像領域等を特定することがよくある。

カメラの対物レンズには普通、絞りが組み込まれている。しかしそのアパーチャは従来、上述の応用では一定のままである。場合によっては１回だけ、例えば設置工程の間に、稼働に適した一定のアパーチャを見つけるためにアパーチャの適合化が行われる。

調節可能な絞りそのものはずっと以前から写真の分野で用いられている。これまでに可変絞りのための多様な技術的実装が存在している。古典的なアイリス絞りはモータで駆動することができる。不透明な状態から透明な状態に切り替えられる離散的な画素を持つＬＣＤディスプレイでは様々な開口半径で絞り作用が得られる。ＬＣＤディスプレイの代わりにマイクロ流体を用いることが考えられる。この場合、不透明な流体をエレクトロウェッティングで駆動することにより、該流体を透明な円盤上で様々な離散的な半径で円環状に配置する。別の実装方法は、低圧により内側に湾曲して不透明な流体を押しのける透明な膜を基礎としている。それにより膜とガラス基板の接触面に円形の透明な開口が生じる。

特許文献１では光伝播時間法（TOF, Time of Flight）を基礎とする距離センサがカメラに統合されている。これにより高さプロファイルが測定され、それに基づいて様々な機能が実行される。それらの機能の１つが受光光学系の焦点位置の調節である。受光対物レンズ内の絞りに一度だけ言及されているが、その絞りは調節可能ではない。

特許文献２では、そのような距離センサによる距離値がせいぜい、それに対応して選択された焦点位置において所要の画像鮮明度を得るには足りるという程度の測定誤差を持つように、距離センサの測定時間が適合化される。特許文献３では、利用可能な焦点設定時間が余りに短い場合、リアルタイムに到達可能であり且つ十分な画像鮮明度がまだ得られる焦点位置であって、距離測定に従った最適な焦点位置とは違う位置までしか位置調節が行われない。その場合、被写界深度に対する絞りの影響を固定又は最適な設定によりその都度明確に排除しなければならない。

特許文献４には、選択可能な被写界深度を有するカメラベースのコードリーダであって、好ましくはハンドヘルド型機器として構成されたものが記載されている。光学素子を透過状態と反射状態の間で切り替えることで、受信光を第１又は第２のレンズ装置へ導く。これらのレンズ装置は互いに被写界深度が異なっている。冒頭で調節可能な絞り装置に言及されており、絞りの直径を小さくすると被写界深度が広がること、そしてその逆も然りであることが述べられている。しかしそれより詳しい説明はない。

特許文献５は写真撮影における絞りの選択に関するものである。露出過多又は露出不足を避けるために絞りが選択的に手動で又は自動的に調節される。特許文献６では被写界深度を最適化するためのアルゴリズムを実行するためにデータベースにアクセスする。また、被写界深度を絞りの変更により修正することができる。

DE 10 2018 105 301 A1 DE 10 2020 109 928 B3 DE 10 2020 109 929 B3 US 7 025 271 B2 US 2010/0310246 A1 US 2012/0229674 A1

本発明の課題は画像の撮影を更に改善することである。

この課題は請求項１又は１５に記載の、検出領域を通って移動する物体を検出するためのカメラ及び方法により解決される。カメラと物体が互いに相対運動を行い、それにより撮影対象の物体がカメラの検出領域内へ入り込む又は該領域を通過する。画像センサが検出領域とそこにある物体の画像又は画像データを撮影又は取得する。カメラの受光光学系を受光対物レンズと呼ぶ。それは品質上の要求に応じて一又は複数のレンズ及び他の光学素子並びに調節可能な絞りを備えており、その絞り開口又はアパーチャは制御により変更可能である。被写界深度は受光光学系の特性とその都度の絞りの設定から生じる。制御及び評価ユニットが画像データを読み出して、例えばその前処理、評価、保存、又はインターフェイス経由の出力を行う。更に制御及び評価ユニットは絞りの制御とその適切な調節を担っている。制御及び評価ユニットは共通の部品を備えていてもよいし、一方で絞りの設定に関係し、他方で画像データの処理といったカメラ内の他の作業に関係する専用の部品をそれぞれ備えていてもよい。

本発明の出発点となる基本思想は、絞りの設定を物体毎に動的に適合化することにある。物体毎に適切な絞りを用いることで、該物体が被写界深度内で撮影され、以て撮影画像又は画像データが所要の画像鮮明度に達することが確実になる。

本発明には、物体毎に個別に絞りを適合化することにより画像データの品質が高められるという利点がある。これにより他の箇所における受光光学系の構成を簡素化できる（例えば固定焦点系）。あるいは、画像データに関する非常に高い要求に適応できる。調節可能な絞りは部品として入手可能であり、故に本発明は簡単且つ比較的安価に実装できる。

被写界深度は用途特有の要求から決定されていることが好ましい。このことから、被写界深度という概念が、元々の光学的又は物理的な意味だけでなく、他の解釈でも用いられていることは明らかである。物理的な被写界深度は受光光学系の対物レンズの定数及び設定に依存している。しかし、実際に何より重要なのは客観的な画像鮮明度の基準ではなく、目的とする評価がその画像データでできるかという問題である。これは用途毎に非常に異なる判断を要する可能性がある。好ましくは、絞り調節の結果、物体がこの用途に関連した解釈による被写界深度内で撮影されるようにすべきである。

制御及び評価ユニットは画像データを用いて物体上のコードのコード内容を読み取るように構成されていることが好ましい。これにより本カメラは様々な規格に準拠したバーコード及び／又は２次元コード用のカメラベースのコードリーダとなり、場合によってはテキスト認識（OCR, Optical Character Reading）にも利用される。コードを読み取る前に、関心領域（ROI, Region of Interest）をコード候補として識別するセグメント化を行うことが更に好ましい。

取得された画像データからコードを読み取ることができるときに、物体が被写界深度内で撮影されていることが好ましい。これは、先に触れた、被写界深度に対する用途特有の要求の例である。画像をコードの読み取りができる程度に鮮明に撮影するのである。これは純粋に実践に関係する基準であり、そこで重要なのは画像データの品質や画像鮮明度に関する抽象的な基準ではなく、コードの読み取りという課題が達成可能かという純粋に実用的な問題である。そして、絞りの動的な適合化により最大の復号率又は読み取り率が達成される。画像鮮明度がコードを読み取るために十分になるのはいつかという予想はシミュレーション又は実験により立てておくことができる。そのためには例えば、カメラに対して、例えば周囲光及び印字品質に関する典型的な条件の下、様々な距離でコードを提示することで、どの絞り設定の場合にコードがまだ読み取られるか（GoodRead）又はもはや読み取られないか（NoRead）を見つけ出す。

必要な被写界深度はコードの種類、モジュールサイズ（例えばモジュール当たりの画素で表されたもの）及び／又は復号法に依存していることが好ましい。ここでもまた、問題となるのは物理的な被写界深度だけではなく、実際的な要求であり、従って用途特有の被写界深度の別の解釈である。コードを読み取ることができるかは、特に先に挙げたパラメータ又は設定によって決まる。コードのなかには、より単純で、比較的低品質の画像データからでもなお読み取り可能な種類のものもかなりあれば、逆に非常に要求が厳しい種類のコードもかなりある。モジュール毎により多くの画素が利用可能であれば、コードの読み取りはモジュールサイズがより小さい場合よりも簡単である。露出は、積分時間という意味にせよ、任意選択の能動的な照明装置を用いる場合の照明の仕方という意味にせよ、重要である。デコーダのなかには他のものよりも低画質により良く対応できるものがある。また、先に挙げたパラメータの間には、必要な被写界深度に影響を及ぼす相互作用がある可能性がある。

本カメラは物体までの距離値を測定するための距離センサを備えていることが好ましい。前記距離値は好ましくは所要の被写界深度の基準として用いられ、制御及び評価ユニットはそれに応じて絞りを設定することができる。カメラを基準面（例えばベルトコンベア）の上方に固定的に取り付けるという好ましい形態の場合、その取り付け位置が分かっていれば、前記距離値を基準面上の物体の高さに換算することができる。故に以下では物体高さと距離を交換可能に用いた箇所がいくつかある。

距離センサはカメラに統合されていることが好ましい。これによりシステムがコンパクトでカプセル化されたままとなる。制御及び評価ユニットは内部で容易に距離センサにアクセスできる。距離センサは特に光伝播時間法の原理による光電式の距離センサとして構成されていることが好ましい。このような距離センサは完成したチップ又はモジュールとして入手可能である。特に好ましくは、距離センサが多数のＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Photodiode）を備え、それらがそれぞれＴＤＣ（Time-to-Digital Converter）を通じて個々の光伝播時間を測定する。

制御及び評価ユニットは、ある物体に対し、該物体について測定された距離値に依存して絞りを調節するように構成されていることが好ましい。絞りの調節を個々の物体の距離値に動的に結びつけることで、各物体が所要の被写界深度内で撮影されるようになる。ここで被写界深度は、好ましくは、何度も論じた用途特有の意味で理解すべきである。

制御及び評価ユニットは、ある物体に対し、必要な絞りの関数に基づき、該物体の距離に依存して絞りを調節することが好ましい。これによれば、「絞り（距離）」又は「絞り（物体高さ）」という関数が例えばカメラ又は制御及び評価ユニットのメモリに保存される。この関数は解析関数として又は近似として、例えば、階段関数として、全体的に若しくは区間毎に線形的若しくは多項的な関数として、又は参照テーブル（LUT, Lookup Table）として、予め決めておくことができる。

制御及び評価ユニットは、ある物体をある距離に配置し、画像データを取得し、画像鮮明度を検査し、当該距離に対する適切な絞りの設定が見出されるまで絞りを調節するという学習法のために構成されていることが好ましい。このようにすれば、特定の距離に対して適切な絞りが較正又は学習され、その後の駆動時には当該距離にある物体に対して動的にそのように絞りが設定されるようにすることができる。その都度の適切な絞りの基準は、例えば画像鮮明度が最高、最適若しくはなお十分であること、又は例えばコードが読み取られる等の用途特有の要求を満たすことである。より頑強な結果を得るには、同じ距離で少なくとももう１つの物体に対して学習を繰り返した後、例えば平均をとる。更に繰り返して、１つの物体又は次々に複数の物体を様々な距離に置くことで、各距離に対する適切な絞りの設定を見出すか、あるいは好ましい実施形態では、関数「絞り（距離）」の複数の値を見出す。そのように得られる階段関数の代わりに内挿を用いることもできる。

受光光学系は固定された焦点位置を有していることが好ましい。このようにすれば、本カメラは固定焦点系となる。好ましくは、前記固定された焦点位置は、遠い物体、即ち最大の物体距離（例えばベルトコンベアの面内）にある背の低い物体に合わせて調節されている。故にこの物体の表面のコードは小さいモジュールサイズで撮影される。それ故、この特に要求の厳しい復号作業のために焦点位置を選ぶことは有意義である。

あるいは、焦点位置を設定するための焦点調節ユニット、特に自動焦点ユニットを設けることが考えられる。その都度の焦点位置を距離測定に依らずに見出すために、最初のステップで絞りを完全に開放すればよい。これにより被写界深度が狭まり、それにより距離に沿ってコントラストの明確な極大値を見出すことができる。故にこの最大値に対応して設定された焦点位置は最適である。その後は被写界深度を広げるために絞りを再び閉じることができる。

制御及び評価ユニットは、焦点位置に対応する距離にある物体に対しては絞りを最大の絞り開口に設定し、前記距離から外れるほど、特に該距離より近くなるほど絞りを大きく閉じるように構成されていることが好ましい。焦点位置に対応する距離に物体があるとき、それが固定焦点に対する適切な距離であろうと、焦点調節装置の目下の設定であろうと、絞りによって被写界深度の拡大に寄与する必要はない。絞りの開口を最大にしても、それは露出過多等、他の境界条件によりなお制限することができる。距離が外れていくに従って、絞りを閉じることにより被写界深度を拡大することができる。この挙動は関数「絞り（距離）」で表現することができる。固定焦点系においては焦点位置を最大の距離に設定することが好ましい。その場合、遠く離れた物体に対しては絞りが開放され、被写界深度が狭くなり、多量の光で画像が良好な解像度で撮影される。複数の物体がある場合は絞りが狭められ、被写界深度が広がる。入射光の減少は、距離に依存した動的挙動（即ち、典型的には１／ｒ^２特性）のため、普通は望ましくさえある。解像度の低下は容認できる。なぜなら、構造物、特にモジュールサイズは距離が近くなるにつれて大きくなるからである。

制御及び評価ユニットは明度、特に画像データの明度に依存して絞りを調節するように構成されていることが好ましい。ここでは距離測定の代わりに反射測定が絞り調節の基礎となる。他の条件が同じであれば近くの物体は遠くの物体よりも明るく見える。反射測定は追加の受光器（例えばフォトダイオード等）を用いて行われるか、その代わりに画像データの明度が評価される。距離測定と反射測定を組み合わせることもできる。

絞りは受光光学系に組み込まれている又は受光光学系に装着されていることが好ましい。特に、調節可能な絞りは対物レンズの設計において従来の固定絞りと置き換えることができる。絞りをレンズと統合して構成することが考えられる。あるいは、調節可能な絞りを前側で前景に向けて又は後側で画像センサに向けて対物レンズに装着する。

本カメラは、検出領域を通って搬送方向に検出対象の物体を案内する搬送装置付近に固定的に取り付けられていることが好ましい。このようにカメラを産業上利用することは非常に多い。物体が絶え間なく入れ替わり、その物体の入れ替わりが搬送装置により厳しい予定作業時間で生じるため、絞りの調節はほぼ絶え間なく、窮屈な予定作業時間で反応できなければならない。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に模範的に記載されているが、それらに限られるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

カメラの概略断面図。 カメラをベルトコンベア付近に取り付けた模範的な応用例の３次元図。 ベルトコンベア付近における幾何学的な関係と時間挙動を説明するための、カメラと該カメラの検出領域内を移動する２つの連続した物体とを示す図。

図１はカメラ１０の概略断面図である。検出領域１４からの受信光１２が受光光学系１６に入射し、該光学系が受信光１２を画像センサ１８へ導く。受光光学系１６の光学素子は、複数のレンズ並びに絞り及びプリズムといった他の光学素子から成る対物レンズとして構成されていることが好ましいが、ここでは簡略に１個のレンズだけで表されている。好ましい一実施形態では受光光学系１６が固定された焦点位置（固定焦点）を有しているが、別の形態では焦点位置が稼働中に変更される（焦点調節、自動焦点）。

受光光学系には調節可能な絞り１７が付設されている。調節の原理は極めて様々な技術に基づくものとすることができるが、特に、冒頭で簡単に論じたように、モータで駆動されるアイリス絞り、ＬＣＤディスプレイ、エレクトロウェッティング作用を利用した不透明な流体、又は透明な膜が挙げられる。以下では単に、調節可能な絞り１７の絞り開口が電子的な制御により変更可能であるという機能的な側面だけを考察する。調節可能な絞りは受光光学系１６に組み込んだり、画像センサ１８又は検出領域１４の方に向けて装着したりすることができる。調節可能な絞り１７は円形の絞り開口を作り出すことが好ましいが、他の形状も考えられる。

カメラ１０の撮像中に検出領域１４を発射光２０でくまなく照らすため、カメラ１０は任意選択の照明ユニット２２を含んでいる。これは図１では発光光学系のない単純な光源の形で描かれている。別の実施形態ではＬＥＤやレーザダイオード等の複数の光源が例えば円環状に受光路の周りに配置される。それらは、色、強度及び方向といった照明ユニット２２のパラメータを適合化するために、多色型でグループ毎に又は個別に制御可能とすることもできる。図から離れて、照明ユニット２２を外部の部品としたり、完全になくしたりすることもできる。後者の場合、カメラ１０は周囲光だけで作動する。

画像データを取得するための本来の画像センサ１８に加えて、カメラ１０は検出領域１４内の物体までの距離を光伝播時間法（TOF, Time of Flight）で測定する光電式の距離センサ２４を備えている。距離センサ２４は、ＴＯＦ発光光学系２８を有するＴＯＦ発光器２６と、ＴＯＦ受光光学系３２を有するＴＯＦ受光器３０とを含んでいる。これらを用いてＴＯＦ光信号３４が発信され、再び受信される。光伝播時間測定ユニット３６がＴＯＦ光信号３４の伝播時間を測定し、その時間からＴＯＦ光信号３４を反射した物体までの距離を測定する。

図示した実施形態ではＴＯＦ受光器３０が複数の受光素子３０ａ又は画素を備えているため、位置分解された高さプロファイルを取得することさえできる。別の形態ではＴＯＦ受光器３０が受光素子３０ａを１つしか備えていない、又は受光素子３０ａの複数の測定値を１つの距離値に換算する。距離センサ２４の構成は全くの模範的なものであり、光伝播時間法を用いない他の光電式の距離測定や、非光学的な距離測定も考えられる。光伝播時間法を用いた光電式の距離測定は公知であるため、詳しい説明は行わない。模範的な測定法として、周期的に変調されたＴＯＦ光信号３４を用いる光混合検出法（Photomischdetektion）とパルス変調されたＴＯＦ光信号３４を用いるパルス伝播時間測定法の２つがある。また、ＴＯＦ受光器３０を光伝播時間測定ユニット３６の全体又は少なくとも一部、例えば光伝播時間測定用のＴＤＣ（Time-to-Digital-Converter）と共に共通のチップ上に収めた高度集積型の解決策もある。それにはＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）受光素子３０ａのマトリクスとして構成されたＴＯＦ受光器３０が特に適している。このようなＳＰＡＤベースの距離測定には、位置分解型の測定のためではなく統計的な多重測定のために用いられる複数の受光素子３０ａを設け、それらを用いてより正確な距離値を特定することが特に有利である。ＴＯＦ光学系２８、３２は任意の光学系（例えばマイクロレンズアレイ等）を代表してそれぞれ単独レンズとして単に記号的に示されている。

制御及び評価ユニット３８が、調節可能な絞り１７、照明ユニット２２、画像センサ１８、及び距離センサ２４と接続されており、カメラ１０内での制御、評価及び他の調整の任務を担う。即ち、該ユニットは、調節可能な絞り１７を好ましくは距離センサ２４の距離値に依存して制御することでその都度の検出対象の物体に対して後述のような適切な絞り開口が形成されるようにするとともに、画像センサ１８から画像データを読み出し、それを保存したり、インターフェイス４０に出力したりする。好ましくは、この制御及び評価ユニット３８が画像データ内のコード領域を見出して復号することができる。これによりカメラ１０はカメラベースのコードリーダとなる。様々な制御及び評価の作業のために複数の部品を設けて、例えば絞りの適合化を独立した部品内で実行したり、画像データの前処理を独立したＦＰＧＡ上で実行したりすることができる。

カメラ１０はケーシング４２により保護されている。ケーシング４２は受信光１２が入射する前面領域において前面パネル４４により閉鎖されている。

図２はカメラ１０をベルトコンベア４６付近に設置して利用できることを示している。この図ではカメラ１０が単に記号として示されており、図１に基づいて既に説明した構成はもはや示されていない。ベルトコンベア４６は、矢印で移動方向５０を示したように、物体４８をカメラ１０の検出領域１４を通過するように搬送する。物体４８は表面にコード領域５２を持つことができる。カメラ１０の任務は物体４８の特性を捕らえることであり、更にコードリーダとしての好ましい使用においては、コード領域５２を認識し、そこに付されたコードを読み取り、復号して、その都度対応する物体４８に割り当てることである。物体の側面、特にその側面に付されたコード領域５４をも認識するために、好ましくは複数の追加のセンサ１０（図示せず）を異なる視点から使用する。また、より広い検出領域１４を共同でカバーするために複数のカメラ１０を並べて配置することができる。

図３は、図２の状況と同様に検出領域１４を下に向けたカメラ１０を再度示している。この例では距離センサ２４の距離測定野５６が検出領域１４よりも広く、該領域１４を含んでいる。もっとも、この例から外れて検出領域１４と距離測定野５６が部分的に重なる構成や、重ならない構成も考えられる。距離測定野５６が少なくとも部分的に手前に位置していればより早めに距離測定値が利用可能になるという利点がある。

第１の撮影対象の物体４８が速度ｖで検出領域１４内へ入ってくる。速度ｖは、搬送装置のパラメータとして既知のもの、エンコーダ等の外部のセンサで測定したもの、先の画像撮影から再構成したもの、又は距離センサ２４を用いて測定したものとすることができる。最後の場合、距離センサ２４は受光素子３０ａから成る複数の受信ゾーンを備えていることが好ましい。物体４８は各ゾーンへ次々に進入するから、その時間の連続と測定された距離から速度ｖを推定することができる。

物体４８は距離測定野５６に入ったときに検出される。好ましくはその物体が検出領域１４の中央に来たときに撮影を実行すべきである。それまでにまだ行程ｄ_１を進まなければならず、そこまでの時間はｔ_１＝ｄ_１／ｖで与えられる。行程ｄ_１は更に距離ｈ_１に依存している。それは、物体４８の高さが変われば最初に検出される位置も変わるからである。他方で距離ｈ_１は距離センサ２４により測定され、しかも垂直ではなく斜めに測定された距離値ｈ_ｍ１から式ｈ_１＝ｈ_ｍ１ｃｏｓαを使って換算しなければない。ここで図示した構成では、角度αは、距離測定野５６への進入の際にｈ_ｍ１が直ちに測定されるとすれば距離センサ２４の視野角の半分に当たり、いずれにせよ構成が固定されているから既知である。これらの量からｄ_１＝ｈ_１ｔａｎαも計算することができる。

他の物体に対しても同様の考察を行うことができるが、ここでは代表として、まだ行程ｄ_２を残している高さｈ_２の物体４８ａだけを示している。こうして制御及び評価ユニット３８は図３から分かる関連の形状情報と撮影実行時点とを利用することができる。従って、調節可能な絞り１７の絞り開口を、各物体４８、４８ａの撮影のために、距離センサ２４による各々の距離値又はそれらから算出可能な高さｈ_１、ｈ_２に応じて適時に設定することができる。

カメラ１０からより離れており、従ってより低い高さ（ｈ_１＜ｈ_２）を持つ物体４８ａは、信号の大きさが距離の二乗に反比例することから、より暗く捕らえられる。加えて物体４８ａの表面のコード５２は高さｈ_２が低くなるほど小さく見えるため、より高い解像度が必要である。絞りを閉じると被写界深度が広がり、解像度が低下する。どの程度の低下とどの程度の信号雑音比がなおも容認されるかは具体的な使用に依存する。これはコードの読み取りという例で明らかになる。即ち、最終的に重要なのは画像が物理的な品質基準を満たすかではなく、コードを読み取ることができるかである。従って、ある距離値に対する適切な絞りの設定は、コードが読み取り可能になることが保証されるかにより査定されることが好ましい。これはコードの種類、モジュールサイズ、露出及び使用されるデコーダに応じて変わり得るため、これらのパラメータに依存して距離値毎に複数の絞り設定を知得しておき、それを駆動時に状況に応じて用いるようにすれば有意義となり得る。

絞りの調節の基礎は以下のように説明できる。解像度Ｒｅｓ_ｉｍｇは画素サイズｐ及び倍率ｍａｇと次のような関係にある。
Ｒｅｓ_ｉｍｇ＝ｐ／ｍａｇ

更に、焦点距離ｆが既知の場合、距離ｒ＞ｆに対する倍率ｍａｇは次のように近似できる。
ｍａｇ＝ｆ／（ｆ－ｒ）

絞りが過度に閉じられている場合、場合によっては回折効果が現れ、それが解像度に影響を及ぼす可能性がある。このような回折効果はレイリー基準を用いて次のように記述される。
Ｒｅｓ_ｄｉｆｆ＝１．２２＊ｌａｍｂｄａ／（Ｎ＊ｍａｇ）
ここでｌａｍｂｄａは波長であり、多色性ＬＥＤの場合は例えば平均値を用いることができる。Ｎはｆ値であり、従って絞りの口径に反比例する。係数１．２２はベッセル関数のゼロ点位置に対応するもので、他の値を選ぶこともできる。

そうすると、解像限界は２つの値Ｒｅｓ_ｉｍｇ、Ｒｅｓ_ｄｉｆｆのうち大きい方、即ち次式で与えられる。
Ｒｅｓ＝ｍａｘ（Ｒｅｓ_ｉｍｇ，Ｒｅｓ_ｄｉｆｆ）

被写界深度ＤＯＦは次式で近似される。

ここでａｌｐｈａは経験的な補正係数、Ｃはいわゆる「錯乱円（circle of confusion）」で、これは解像限界と関係があり、具体的にはなお解像されるべき最小単位である。調べようとする物体が小さければ小さいほど、一次従属の関係によって被写界深度ＤＯＦは狭くなる。ところで、Ｃは所望の解像限界で置き換えることができ、更に経験的に求められた係数ａで補正することができる。絞りが小さすぎず、故に解像度が回折により制限されていない場合、ＣをＲｅｓで置き換えると上の方程式は次のようになる。

故に、絞りの設定についての最善の条件は以下のようになる。即ち、物体が小さければ絞りを開くべきである。そうすると被写界深度ＤＯＦが狭くなる。故に、受光光学系１６の焦点位置を固定する場合は、それを大きい距離又は小さい物体のために設計することで、コード読み取りへの応用において小さいモジュールサイズでも読み取ることができるようにすべきである。距離がより小さい又は物体がより大きい場合、焦点位置が同じであれば、コードを読み取ることができる十分な被写界深度ＤＯＦになるまで絞りを閉じる。距離値が小さくなるため、画素数で表したモジュールサイズは大きくなり、その結果、絞りを更に閉じる余裕ができる。

この絞り適合化は、明度の動的特性が部分的に補償されることからも有益である。カメラ１０に達する光子の数は絞りの半径ｄに依存する。即ち、
ｓｉｇｎａｌ～１／ｄ^２
である。これはまさに振幅が距離の二乗に反比例すること、即ち、
ｓｉｇｎａｌ～１／ｒ^２
に対応している。Ｎ＝ｆ／（ｄ／２）であるから、同時に被写界深度ＤＯＦは絞りが縮小するとともに線形的に広がる。

以上のことが分かれば関数「絞り（距離）」を見出すことができる。それを用いて制御及び評価ユニット３８がその都度測定された距離値に対して、調節可能な絞り１７の適切な設定を見出す。物体毎のこの動的な絞り調節を用いて、必要に応じて絞りにより被写界深度を広げることにより、結像が鮮明になり、十分な信号が出力され、それによりデコーダがコードを読み取ることができる（Good Read）。事情によっては、コードの種類、モジュールサイズ、露出及び／又はデコーダに関する様々な想定状況に対応して前記のような関数を複数保存しておき、使用時の実際の条件に応じてそれらの関数の１つを用いることが有意義である。

必要な絞り設定又は関数「絞り（距離）」の学習又は較正のため、まず、予想される物体のうち最も背が低く、それに応じた最小のモジュールサイズを持つ物体を検出領域１４に配置することにより出発点を見出すことができる。固定焦点系の場合、それが焦点位置と一致することが好ましい。コードがなおも読み取られる程度に絞りを開く。これはこの距離における絞りの設定値に相当する。より背の高い物体に対しては不鮮明さを補うために絞りを更に閉じる。ここで、適当な高さの物体を用いて関数「絞り（距離）」の少なくとももう１つの値を較正することが考えられる。学習された絞り設定から他の距離値又は高さに対する内挿又は外挿を行うことができる。

Claims (15)

1. 検出領域（１４）を通って移動する物体（４８）を検出するためのカメラ（１０）であって、画像データを取得するための画像センサ（１８）と、調節可能な絞り（１７）を有する受光光学系（１６）と、前記画像データを読み出して前記絞り（１７）を調節するための制御及び評価ユニット（３８）とを備えるカメラ（１０）において、
   前記制御及び評価ユニット（３８）が、前記物体（４８）が被写界深度内で撮影されるように物体（４８）毎に前記絞り（１７）を調節するように構成されていることを特徴とするカメラ（１０）。
2. 前記被写界深度が用途特有の要求から決定されている、請求項１に記載のカメラ（１０）。
3. 前記制御及び評価ユニット（３８）が前記画像データを用いて前記物体（４８）上のコード（５２）のコード内容を読み取るように構成されている、請求項１に記載のカメラ（１０）。
4. 取得された前記画像データからコードを読み取ることができるときに、前記物体（４８）が被写界深度内で撮影されている、請求項３に記載のカメラ（１０）。
5. 必要な被写界深度がコードの種類、モジュールサイズ、露出及び／又は復号法に依存している請求項３又は４に記載のカメラ（１０）。
6. 物体（４８）までの距離値を測定するための距離センサ（２４）を備え、特に該距離センサ（２４）がカメラ（１０）に統合されている及び／又は光伝播時間法の原理による光電式の距離センサ（２４）として構成されている、請求項１に記載のカメラ（１０）。
7. 前記制御及び評価ユニット（３８）が、ある物体（４８）に対し、該物体（４８）について測定された距離値に依存して前記絞り（１７）を調節するように構成されている、請求項６に記載のカメラ（１０）。
8. 前記制御及び評価ユニット（３８）が、ある物体（４８）に対し、必要な絞りの関数に基づき、該物体（４８）の距離に依存して前記絞り（１７）を調節する、請求項６又は７に記載のカメラ（１０）。
9. 前記制御及び評価ユニット（３８）が、ある物体（４８）をある距離に配置し、画像データを取得し、画像鮮明度を検査し、当該距離に対する適切な絞りの設定が見出されるまで前記絞り（１７）を調節するという学習法のために構成されている、請求項６又は７に記載のカメラ（１０）。
10. 前記受光光学系（１６）が、固定された焦点位置、特に最大の物体距離に対応した焦点位置を有している、請求項１～４のいずれかに記載のカメラ（１０）。
11. 前記制御及び評価ユニット（３８）が、焦点位置に対応する距離にある物体（４８）に対しては前記絞り（１７）を最大の絞り開口に設定し、前記距離から外れるほど、特に該距離より近くなるほど前記絞り（１７）を大きく閉じるように構成されている、請求項６に記載のカメラ（１０）。
12. 前記制御及び評価ユニット（３８）が明度、特に前記画像データの明度に依存して前記絞り（１７）を調節するように構成されている、請求項１～４のいずれかに記載のカメラ（１０）。
13. 前記絞り（１７）が前記受光光学系（１６）に組み込まれている又は該受光光学系（１６）に装着されている、請求項１～４のいずれかに記載のカメラ（１０）。
14. 前記検出領域（１４）を通って搬送方向（５０）に検出対象の物体（４８）を案内する搬送装置付近に固定的に取り付けられている、請求項１～４のいずれかに記載のカメラ（１０）。
15. 検出領域（１４）を通って移動する物体（４８）を検出するための方法であって、画像センサ（１８）を用いて、調節可能な絞り（１７）を有する受光光学系（１６）を通じて画像データを取得し、該画像データを読み出す方法において、
    前記物体（４８）が被写界深度内で撮影されるように物体（４８）毎に前記絞り（１７）を調節することを特徴とする方法。

Images