CN1781110A

CN1781110A - 光学系统

Info

Publication number: CN1781110A
Application number: CNA2004800118050A
Authority: CN
Inventors: 雷内·S.·汉森
Original assignee: Novo Nordisk AS
Current assignee: Novo Nordisk AS
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2006-05-31

Abstract

本发明涉及一种用于成像物体到图像传感器上的光学系统，所述系统有延伸通过光阑并通过成像装置的光轴，成像装置包含非球形光束折射面。按照本发明，诸如透镜(4)的非球面成像元件与小光阑(5)进行组合。光阑(5)和它相对于透镜(4)的位置是这样配置的，光束有图1所示的路径，从该图中可以清楚地看出，来自A点的光束折射通过非球形表面的这个部分与光束从C点折射到D点通过非球形表面的部分不重叠。所以，透镜表面上两个所述部分可以有这样的配置，它们到标签(2)上的各个部分有不同的焦距。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及一种用于成像物体到图像传感器上的光学系统，所述系统有延伸通过光阑并通过成像装置的光轴，成像装置包含非球形光束折射面。

本发明具体涉及，但不专一地，用于读出可以包含胰岛素的药瓶上信息。这种标志包含有关容器内含物，有效期，生产日期，批号等的信息。

背景技术

我们知道各种类型的条形码，矩阵码和代码阅读器可用于这个目的。代码阅读器的构造主要基于两个原理。第一个原理是，有很小横截面的扫描准直光束用于逐点照明代码，它通常借助于从作循环运动反射镜上反射的激光束与光电检测器的组合，用于确定代码上反射光点的反射光强度。

另一个原理是利用漫射光源和光学系统，光学系统能够清晰地检测图像传感器上的漫射光代码。矩阵码的扫描结构远比条形码的扫描结构复杂，一般地说，因为矩阵码的照明要求光束作二维运动。通常，它很难确保设备中活动部件结构的可靠性，这是由于用户在日常使用时造成的磨损，且其中对小型化的要求很高。这种情况与不断下降的图像传感器价格相结合使得带图像传感器的系统用于矩阵码的读出具有很大的吸引力。

例如，根据US Patent No.4,978,335和US Patent No.5,821,524中公开的内容，我们知道基于条形码读出的系统，而在Japanese PatentApplication No.2001-075480和11-3167877中描述有二维矩阵码的系统。前者也提到利用CCD摄像机读出代码，但是，在考虑到以下的条件时，它没有给出能够实际成像二维信息矩阵到CCD摄像机上的方法。

现有技术用于代码阅读器的图像传感器光学系统有以下的工作范围，它的焦距通常从不小于30mm至500mm。本发明的一个非常重要方面是，借助于如此紧致的光学系统可以读出矩阵码，该系统可以与调剂用胰岛素的投药装置形成整体。因此，可以在投药装置内计算药瓶上的信息，虽然本发明也适用于常规的条形码，但是它们的信息密度通常太小，利用投药装置中的计算单元不具有效率优越性。现在描述的本发明涉及二维矩阵编码，由此产生两个问题：一个问题是矩阵码相对于光学系统的准确定位，另一个问题是准确地成像矩阵码到传感器上，即使是在所需焦距远远小于30mm的情况下，可以确保在聚焦不良的条件下仅产生很小的畸变。

该问题是由于小焦距情况下产生的总体有限景深和增大的光学畸变。有缺陷的聚焦与图像传感器上代码位置的非线性位置变换使得解码算法不稳定或完全不能解码。除了这个问题以外，安瓿的圆柱形表面对系统容差的要求正好是景深和非线性位置变换。主要的问题是，来自物体上极端的光束到达像平面传播的距离远远大于来自矩阵码中心的光束传播的距离。

GB 2 287 551，US 5 305 147，和US 5 311 364描述有短焦距非球面透镜的光学系统。这些现有技术系统是非常复杂和昂贵的，因为它们的目的通常是大的准直光阑和低的畸变。

发明内容

本发明的目的是提供一种上述类型的光学系统，其中借助于价廉和工作可靠的光学元件，在不良聚焦下具有非常小的畸变。

实现本发明的目的是借助于这样的系统，它包含相对于非球形光束折射面配置和定位的光阑，因此，与光轴有不同距离的两个图像点光束被非球面的各不相同表面部分偏转。

在这个文件中，非球面是指非平面和非球形表面，按照本发明，利用公开的光阑尺寸和位置，它能够补偿光学畸变。非球面可以是双弯曲的表面，例如，抛物面，以及主要沿狭长方向的单弯曲表面，例如，圆柱面。非球面可以仅仅用作系统中的聚焦元件，或者，它可以与其他光学元件的组合主要用作校正元件。

按照本发明，光阑的直径是这样的，来自物体边缘的光束被非球形表面上的各个点折射，但并不包括非球面的顶点。这可以补偿物体与像平面之间的距离差，它取决于被观察的光束来自物体的远端或中心。两个极端的不同距离需要有不同的焦距，利用按照本发明的光学系统可以精确地实现这个要求。

光阑到物体和像平面的孔径大小分别有这样的尺寸，折射来自物体边缘光束的部分非球面与折射来自物体中心光束的部分非球面不重叠。

最好是，利用非球面透镜元件，但是本发明的原理也包括利用非球面反射镜。

光束折射面是指可以用几何光学(射线跟踪模型)描述其性质的折射和反射光学元件。光束折射面还可以指部分或完全基于衍射现象的光学元件。

按照一个优选实施例，非球面透镜是注模透镜，而光阑是圆形光阑。

按照另一个实施例，光阑可以是狭长形光阑，因此，沿一个方向的光束，即，沿包含光轴的平面，可以被透镜的中心区和边缘区折射。由于矩阵码通常是单向弯曲而不是双向弯曲的，光学误差不是特别大。最好是，狭长形光阑孔径与狭长形透镜结合使用，狭长形透镜的表面有非球面曲率，它横跨透镜的纵向。

按照一个优选实施例，该系统包括配置光阑的注模外壳，光阑与外壳形成整体，并包括用于成像装置的固定装置。在外壳中可以包含几个透镜，最好是，该外壳包含用于一个或多个光源或光导体的固定装置。由于外壳还可以包括图像传感器的固定装置，它可以形成这样的光学系统，其中包含非昂贵的装置，简单光学元件被精确地定位，在平面物体传感器上可以实现弯曲物体的基本无畸变成像，而同时在物体与图像传感器之间的光学距离是非常小，例如，小于30mm。

利用按照本发明的光学系统仍然可以发生小的畸变，借助于已知的图像校正电路可以进一步减小这种畸变，并从图像传感器中接收数字图像数据。校正电路可以基于数字多项式函数。

由于它具有非常紧致和可靠的设计，本发明特别适用于包含在投药的计量器或BGM中。

附图说明

以下参照附图描述本发明，其中：

图1表示按照本发明的技术原理；

图2表示已知的二维矩阵码；

图3是按照本发明光传感器的剖视图；和

图4是图3所示实施例的分解图。

具体实施方式

现在参照图1，其中首先解释本发明的原理。

在图1中，它画出圆柱形药瓶的部分表面1，药瓶上有标签2(见图2)。此外，还画出光学传感器或摄像机芯片3，透镜4和光阑5。从图1中可以清楚地看出，光束从A点到B点的传播路径大于光束从C点到D点的传播路径。例如，若在光学系统上利用三角测量法，则光程长的偏差可以达到12％。本发明的效应是，光学系统可以做得非常紧致，若成像的光学长度是12mm，则所述12％相当于1.4mm，它接近于光阑孔径为0.5mm的这种系统理论景深。对于光程长加机械连接中所有不确定性，1.4mm的景深足以有所述效应。这意味着，借助于现有技术的结构原理，实际上不可能构造具有足够高质量的12mm程长光学系统。虽然光阑的孔径对于景深是非常重要的，但是它一旦小于约0.5mm，则增加多余的衍射现象，而传感器的光强下降到这样的水平，它对于相关的光源和传感器是无用的。

按照本发明，诸如透镜4的非球形面成像元件与0.5mm的小光阑进行组合。光阑及其相对于透镜4的位置是这样配置的，它形成如图1所示的光程，从图1中可以清楚地看出，来自A点的光束折射通过非球形面的部分与从C点到D点的光束折射通过非球形面的部分不重叠。所以，透镜表面的两个所述区可以配置成这样，它们到标签2上的各自部分有不同的焦距。

借助于熟知的技术，实际上可以设计按照本发明原理工作的透镜，例如，按照以下的公式：

z (r) = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + K) c^{2} r^{2}}}

其中

1/c＝-1.24042

k＝-0.786851

r是坐标系统中的径向坐标，坐标系统的原点是透镜的顶点。

图2表示一个已知二维矩阵码6的例子，它包含多个点，例如，暗点7和亮点8。这种矩阵码是我们已知的，例如，参阅US Patent No.5,126,542，其中亮点和暗点分别代表数字信息的0和1。这种二维矩阵码与条形码比较有相当高的信息密度，虽然本发明也适用于条形码，但是，在利用二维矩阵码时，本发明的优点是特别明显的，当矩阵码是在圆形表面上时，例如，胰岛素安瓿上的标签，产生利用这种代码成像的成像问题。

与本发明这种利用有关的标签曲率和非常短焦距可以导致如此综合的光学误差，借助于已知的数字成像软件程序，实际上不能修正这种光学误差。这个问题的解决是借助于本发明与已知数字图像修正技术的结合，例如，可以减小枕形畸变和/或桶形畸变。

图3是本发明优选实施例的剖视图。

图3画出有标签12的药瓶11，并被支承在基座28上。借助于电路板PCB 14上安装的光学系统，可以读出标签上的信息。在电路板上还安装发光二极管15和16以及图像传感器17。图4中还画出光学系统。

参考数字18用于表示光导体元件，它可以从发光二极管15和16接收光。光导体元件有抛光的表面19-21，因此，在光离开通过无光面22之后，均匀和漫射分布的光射向标签12。在光导体元件18的无光面的外侧配置薄的透明防护障23，用于光学系统的清洁。

光导体元件18的部分24配置成非球面透镜24并有光阑25，见图1所示的光阑5。此外，形成的不透明屏26可以确保外来光不能进入图像传感器，它仅接收从标签并通过透镜24的光。上述的元件被外壳27包围，以下参照图4更详细地解释外壳27。

图4是图3所示实施例的分解图。外壳27是分开的注模元件，它包含没有画出的横向细光束29，其中配置光阑25。如上所述，光导体元件18包括透镜24，从以上的解释中可以看出，重要的是按照本发明，该透镜相对于光阑25的排列是非常精确。在所示的实施例中，这是借助于光导体元件18上的导向面30，31实现的，从图4中可以清楚地看出，它的表面嵌入到注模元件27的凹槽中。按照这种方式，透镜24与光阑25之间的相对位置是非常精确。按照普通的方法可以实现图像传感器17相对于光学元件的定位，例如，被组装的两个部件上包含凸台和凹坑。

Claims

1.一种用于成像物体到图像传感器上的光学系统，所述系统有延伸通过光阑并通过成像装置的光轴，成像装置包含非球形光束折射面，其特征是，光阑的配置和在光学系统中的位置是这样的，与光轴有不同距离的两个图像点的光束基本上被非球形面上各不相同的表面部分折射。

2.按照权利要求1的光学系统，其特征是，成像装置包括：非球面透镜。

3.按照权利要求1的光学系统，其特征是，成像装置包括：非球面反射镜。

4.按照权利要求1的光学系统，其特征是，成像装置包括：衍射透镜。

5.按照权利要求2的光学系统，其特征是，透镜是注模透镜。

6.按照权利要求1的光学系统，其特征是，光阑是圆形光阑。

7.按照权利要求1的光学系统，其特征是，光阑是狭长形光阑。

8.按照权利要求7的光学系统，其特征是，透镜是具有传送带限定非球形面的狭长形透镜，传送带平行于透镜的纵向。

9.按照权利要求1-7中任何一个的光学系统，其特征是，它包含配置光阑的注模外壳，光阑与外壳形成整体，并包含用于成像装置的固定装置。

10.按照权利要求4的光学系统，其特征是，外壳中配置几个透镜。

11.按照权利要求9或10的光学系统，其特征是，外壳中配置多个反射镜。

12.按照权利要求9-11的光学系统，其特征是，外壳包含用于一个或多个光源的固定装置。

13.按照权利要求12的光学系统，其特征是，外壳包含光导体。

14.按照权利要求12或13的光学系统，其特征是，外壳包含用于图像传感器的固定装置。

15.按照权利要求8-14的光学系统，其特征是，物体与图像传感器之间的光程小于30mm。

16.按照权利要求1-13的光学系统，其特征是，图像传感器能够产生数字图像数据。

17.按照权利要求16的光学系统，其特征是，提供一种图像校正电路，它配置成用于调整图像数据，它可以减小光学成像误差。

18.按照权利要求15的光学系统，其特征是，借助于数字多项式函数提供调整。

19.按照权利要求1-18的光学系统，其特征是，它集成在用于治疗的投药装置中。

20.按照权利要求1-14的光学系统，其特征是，它集成在血液葡萄糖测量装置中，用于读出这种装置上标签的信息。