CN103635913A - 在视场内具有不均一放大率的成像读取器 - Google Patents

Abstract

成像透镜组件捕捉从沿光轴位于背离窗的工作距离范围内的对象透过垂直槽式扫描仪的窗返回的光，并将所捕捉的返回光投射到固态成像器的阵列上。该成像透镜组件被光学地修正以在基本垂直于光轴的成像平面内的阵列的视场内实现不均一的放大并增加该视场的外围区域处的分辨率。放大率至少部分地随着离开光轴的径向距离的增加而在成像平面内被增加，以当相对于光轴倾斜且位于视场的外围区域时能够读取该对象。

Description

在视场内具有不均一放大率的成像读取器

背景技术

固态成像读取器已被安装在超市、仓储会员店、百货商店和其它类型零售店内具有水平和/或大致垂直配置的窗的槽式扫描仪或工作站中达许多年，以光电地读取标记对象，例如一维和二维标记(尤其是通用商品码(UPC)条形码标记)和读取非标记对象，例如驾照、收据、签名等，这些对象关联于拟由槽式扫描仪处理的产品。操作者或消费者可以“刷过”模式使与对象关联的产品的横跨和越过槽式扫描仪窗地沿一移动方向滑过或刷过。替代地，操作者或消费者可以“展示”模式立刻地将与产品关联的对象展示到窗的大约中央区域。这种选择依赖于用户喜好或依赖于其中使用系统的工作站的布局。

读取器包括具有一维或二维传感器阵列(也称像素)的成像器，这些传感器对应于该阵列的视场(FOV)中的图像元素或像素。该成像器可包括一维或二维电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，并与在数字用户照相机中使用以捕获图像的成像器相似。读取器包括：照明系统，用于利用从光源射出并透过窗朝向从其反射和散射的对象的照明光来照亮对象；以及具有光轴的成像透镜组件，用于捕捉透过窗从对象返回的光并将所捕捉的返回光作为图像投影到阵列上。包括控制器或经编程的微处理器的电子电路处理由阵列产生并指示所捕捉的图像的电信号。如果对象是标记，则控制器将捕捉的图像解码并由此读取该标记。如果对象不是标记，则控制器处理，例如存储、光学地校正和/或显示所捕捉的图像。

对象相对于窗的位置和取向是可变的。对象可位于产品之下或上或右至左，或者在箱形产品的诸侧面中的任何侧面之间或之上。对象可以“栅栏(picket fence)”方位取向，其中一维UPC标记的狭长平行条是垂直的，或者对象可以“阶梯”方位取向，其中诸标记条是水平的，或者它们之间以任何方位角取向。对象可相对于窗移动或保持暂时稳定。对象可被设置在成像透镜组件的光轴之上、附近或其远端，并可被定位在阵列FOV之内或之外的任何位置，并可沿光轴背离窗地位于工作距离范围之内或之外。

理想的是，使阵列FOV在近工作距离或在工作站的窗附近相对大以使FOV覆盖整个对象。在较远的工作距离，优选地使FOV缓慢地发散。固态读取器的使用的优势在于，通过该读取器读取对象的工作距离范围或能力受成像透镜组件的光学特性和受成像器阵列中的像素数(或其分辨率)限制。最小成像条/间隔区之间的比，或对象条形码标记的模与条/间隔区被投影在成像器阵列上的像素数(即由条/间隔区覆盖的像素数)之比，被称为“每个模的像素”或PPM。当FOV快速发散时，PPM也快速增加，这在一些情形下限制读取器在远工作距离解码和读取对象标记的能力。

在当对象标记相对于前述成像透镜组件的光轴以一相当大的成像角(例如45°)沿一具体方向倾斜时的情况下，并且当对象标记位于沿径向远离光轴的FOV的外围边缘区的位置时，PPM由于投影效果以成像角的余弦为函数进一步减小。另外，倾斜的标记比其实际情况看上去看上去更密。倾斜标记在阵列上的投影图像比取向在基本与成像透镜组件的光轴垂直的平面内取向的标记的图像具有更高的密度。理想的是，增加沿倾斜的对象标记的具体方向PPM以补偿PPM损失、降低的分辨率、表观增加密度以及对位于这种径向远离FOV外围边缘区内的这些倾斜标记进行解码和读取的能力下降。

发明内容

本发明涉及一种通过图像捕捉而光电地读取一对象的读取器和方法。所述对象优选地是一标记。读取器包括具有窗的外壳。优选地，读取器是垂直槽式扫描仪，其窗位于竖直平面内。读取器也可以是双窗工作站，该双窗工作站具有如前所述位于基本竖直平面内的一个窗以及位于基本水平平面内的另一窗。固态成像器由外壳支承，并优选地在窗后面的外壳内。成像器具有一带视场的传感器阵列，在读取过程中对象位于该视场内。阵列包括亚兆像素或超兆像素尺寸的一维或二维电荷耦合器件(CCD)阵列或互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列。

照明系统用来自光源(例如发光二极管(LED))的照明光透过该窗照亮该对象。具有光轴的成像透镜组件用以捕捉从沿光轴背离窗的工作距离范围内的对象透过窗返回的照明光，并将捕捉的返回照明光投射到阵列上。控制器或经编程的微处理器用以控制照明系统以照亮对象，控制成像器以在曝光时间周期内捕捉从对象返回的照明光以产生指示正被读取的对象的电信号，并处理该电信号以读出对象，尤其是对对象标记进行解码。

根据本发明的一个方面，成像透镜组件被光学地修正以在基本垂直于光轴的成像平面内实现阵列的视场内的不均一的放大率并提高该视场的外围区域处的分辨率。放大率至少部分地随着离开光轴增加的径向距离在成像平面内增加，以当相对于光轴倾斜时并位于视场的外围区域时允许对象的读取。由此，由于放大率在成像平面内的外围区域增加，将具有给定区域内更多用以采样对象的像素、更高的PPM并因此，阵列的分辨率在该外围区域内将沿径向方向增加。不均一的放大率提高了分辨率，尤其是在被读取的对象相对于光轴以陡峭的倾斜角成像的那些情形下。不均一的放大率部分地补偿由于这种陡峭的倾斜角造成的投影效果而导致的成像器阵列分辨率中的任何损失，并使读取器成功地在外围区域内读取这些倾斜的对象。

在一优选实施例中，经光学修正的成像透镜组件包括非旋转对称的光学器件，所述光学器件优选地包括环面透镜、圆柱透镜、非球面环面透镜以及非球面圆柱透镜中的至少一个。这些光学器件优选地仅在一水平面内形成合需的不均一放大率，在该水平面内对象横跨FOV并越过窗地沿一移动方向移动。经光学修正的成像透镜组件也可包括旋转对称的光学器件。

有利地，经光学修正的成像透镜组件随着离开光轴的径向距离增加而逐渐地增加成像平面内的放大率。换种说法，光轴上的成像透镜组件的有效焦距比其在背离光轴的外围区域的有效焦距更短。较长的焦距增加成像透镜组件的放大率。本发明由此在视场的外围区域从轴上区域至轴外区域重新分配放大率，以使外围区域处的倾斜对象标记被成功地解码和读取。

在另一改型中，经光学修正的成像透镜组件随着背离光轴的径向距离增加而逐渐增加成像平面内的放大率，即增加有效焦距，直到抵达视场的外围区域为止，并在越过视场的外围区域时随着背离光轴的径向距离增加而逐渐地减小成像平面内的放大率，即减小有效焦距，以部分地补偿离倾斜对象标记的一端相对于倾斜对象标记的相对端的窗的较大工作距离。换句话说，倾斜对象标记沿光轴被认为更靠近成像透镜组件的端部区相比倾斜对象标记沿光轴被认为更远离成像透镜组件的相对端部区需要较小的放大率以成功地读取。当被投影在成像器阵列上时，更远的端部区因此看上去更小，并因此可从放大率的增加中获益。

根据本发明的另一特征，通过图像捕捉而光电地读取标记的方法是通过下列步骤执行的：在读取期间将对象定位在固态成像器的传感器阵列的视场内；捕捉从沿成像透镜组件的光轴位于工作距离范围内的对象透过窗返回的光；将所捕捉的返回光投射到阵列上；并光学地修正成像透镜组件以在基本垂直于成像透镜组件的光轴的成像平面内实现阵列视场中的不均一放大率并增加视场的外围区域的分辨率，前述修正是通过随着背离光轴的径向距离增加而至少部分地增加成像平面内的放大率来实现的，以当相对于光轴倾斜并位于视场的外围区域时能够读取对象。

被视为本发明的特点的新颖特征在所附权利要求中被特别地阐明。然而，本发明本身不管是其结构还是其操作方法及其额外的目的和优势当结合附图阅读具体实施例时将从下文描述中得到最好的理解。

附图说明

图1是根据本发明在作为垂直槽式扫描仪而使用的过程中的光电读取器的立体图；

图2是图1的读取器的各个组件的方框线路图；

图3是描述在图1的读取器工作过程中的对象移动的示意性俯视图；

图4是根据本发明用于图1的读取器的经光学修正的成像透镜组件的立体图；

图5是描述根据本发明一个实施例的图4的经光学修正的成像透镜组件的有效焦距或放大率如何因变于背离成像透镜组件的光轴的径向距离而被光学地修正的曲线图；

图6是描述根据本发明另一实施例的图4的经光学修正的成像透镜组件的有效焦距或放大率如何因变于背离成像透镜组件的光轴的径向距离而被光学地修正的曲线图；以及

图7是沿光轴背离经修正的成像透镜组件在与图1的读取器窗垂直的方向上观察到的空间并在视场的外围区域示出倾斜的对象标记的端视图。

具体实施方式

图1中的附图标记10总地表示在零售地点的结账柜台处理交易的光电读取工作站，在这些地点各自关联于并优选地载有诸如条形码标记的对象的诸如罐12或箱14的产品被处理以实现购买。结账台包括台面16，在其上产品以刷卡速度展示或滑过箱形成像读取器20的基本垂直或竖直的窗18，该箱形成像读取器20被配置为安装在台面16上的垂直槽式扫描仪。用户——优选地是结账操作人员22——位于台面16的一侧，而读取器20位于另一侧。现金/信用卡出纳机24位于操作人员容易够到的位置。读取器20是便携式的和轻量的，并可由操作人员22从台面16拾起，并且窗18在工作站模式下可瞄准优选地在过重或过大而不容易被安放到读取器20前面的台面16上的产品上的标记。

如图2所示，读取器20包括成像器40和成像透镜组件41，它们被安装在支承或保持结构43上以构成成像模块。成像器40是固态设备，例如CCD或CMOS成像器并具有可寻址图像传感器或像素的线性阵列或面阵列，其优选为亚兆像素或超兆像素尺寸，具有背离窗18而发散并由图2示出的边界线28、30限定的视场(FOV)。成像透镜组件41具有基本垂直于窗18的光轴26并用以捕捉来自对象并透过窗18的光，所述对象例如为一维或二维标记32(见图3)，沿光轴26位于近工作距离(WD1)和远工作距离(WD2)之间的工作距离范围内，并用于将捕捉的光投射到成像器阵列上。图3中的箭头表示对象标记32在读取期间横跨水平FOV并越过窗18移动所沿的方向。在一优选实施例中，WD1大约与成像器阵列相距2英寸并大致与窗18重合，而WD2大约与窗18相距8英寸。照明系统42也被安装在读取器中并优选地包括多个光源，例如设置在成像器40周围以用照明光均匀地照亮对象标记32的发光二极管(LED)42。

如图2所示，成像器40和照明系统42可操作地连接于控制器或经编程的微处理器36，控制器或微处理器36用以控制这些组件的操作。优选地，微处理器就是用来对从对象标记32散射的光进行解码并处理所捕捉的对象标记图像的微处理器。

在操作中，微处理器36将命令信号送至照明系统42以在例如500微秒或更短的短时间周期内向LED提供脉冲，并向成像器40供电以在对象标记32沿图3中箭头的方向移动时基本仅在所述时间周期采集从对象标记32反射和/或散射的照明光。典型的阵列需要大约16-33毫秒来读取整个对象图像并在大约每秒30-60帧的帧速率下工作。

成像器40本身较为有利地具有全局电子快门，其中所有的传感器同时被曝光以实现光捕捉。多数CCD阵列设计有全局电子快门。典型的CMOS阵列设计有滚动式电子快门，其中不同的传感器在不同时间曝光。如果使用CMOS阵列，则它应当被设计成实现全局电子快门。

对象标记32可以是越来越广泛使用的一维或二维标记，尤其是在生产环境和包裹递送中。有时，对象标记32包括常常在忠诚卡、配给券、积分卡中发现的不同长度的截短标记类型，在这种情形下区域成像器可读取这些附加标记。

如前所述，附图仅描绘垂直槽式扫描仪20的示意图。其它类型的基于成像器的读取器，例如双窗、双光学工作站。带一个或多个窗的具有不同形状的其它外壳也落在本发明的精神之内。例如，具有枪形外壳的自立式读取器是另一种较为有利的配置。

在现有技术中，成像透镜组件一般在光轴周围旋转对称，并且放大率一般在光轴上是最大的。如果被成像在光轴26上相对于成像在光轴26之外，经成像的对象标记将以不同尺寸或密度出现。尽管捕捉轴上对象一般是令人满意的，然而当轴外对象标记32在沿图3的箭头方向沿水平FOV移动期间位于远离光轴26的FOV外侧、右侧和左侧的外围区域34(用斑点突出表示)和相对于光轴26以相当大的成像角(例如45°或更大倾角)倾斜时，已知的成像透镜组件并不那么令人满意。如前所述，由于成像器阵列上的投影效果的缘故，PPM因变于成像角的余弦而减小。另外，倾斜的标记32比其实际情况看上去更密集。成像器阵列上对倾斜标记32的投影图像具有比取向在基本平行于窗18并垂直于光轴26的平面内的标记的图像更高的密度。

尤其为了增加PPM以补偿PPM的损失、降低的分辨率、表观增加的密度以及在径向远离的外围区域34对这类倾斜标记进行解码和读取的能力下降，本发明的成像透镜组件41被光学修正以在基本垂直于光轴26并基本垂直于台面16的成像平面内的视场中实现不均一的放大率以及在该视场外围区域增大分辨率。

如图5的曲线图所示，其中绘出有效焦距(EFL)或放大率(M)相对于离开光轴26的径向距离的关系，放大率在成像平面内逐渐地增大，在区C从光轴26上的最小值(位于FOV的中央)至区B的较大放大率(外区34中的对象32相对于光轴26的径向较近边缘)直至区A的更大放大率(外区34中的对象32相对于光轴26的径向较远边缘)。外围区域34中增加的放大率和分辨率是以FOV的中央区(区C)中的放大率和分辨率的下降为代价的；然而，在中央区内仍然有足够大的放大率和分辨率以充分地读取其中的对象标记32。本发明的非均一放大率由此至少部分地补偿由相对于光轴26以陡峭的倾斜角位于径向远离外围区域34的对象标记32成像所造成的投影效果引起的成像器阵列分辨率的任何损失。

在一优选实施例中，如图4所示，经光学修正的成像透镜组件41包括非旋转对称的光学器件，用于对成像平面内的水平视场进行光学修正。非旋转对称的光学器件较为有利地包括被配置成非球面圆柱透镜的第一透镜44，它在水平视场内具有负的光焦度并在与水平视场垂直的垂直视场内具有零光焦度。第二透镜46是非球面圆柱透镜，它在水平视场内具有正的光焦度并在垂直视场内具有零光焦度。第三透镜48是圆形聚焦透镜。由于两透镜44、46在垂直视场内的光焦度均为零，因此不修正垂直放大率。然而，由于两透镜44、46的光焦度在水平视场内不等于零并且不彼此抵消，因此水平视场的放大率被改变。仅修正水平视场的放大率。在其它应用中，透镜的光焦度可以反转。也能采用环面透镜和环面非球面透镜来取代圆柱或非球面圆柱透镜。然而，圆柱形一般比环面形状更容易制造。为了更紧凑的设计和降低成本，透镜44、46可直接被整合到聚焦透镜48中。经光学修正的成像透镜组件也可包括旋转对称的光学器件。

如图5所示，经光学修正的成像透镜组件41在成像平面内随着与光轴26的径向距离增加逐渐地增加放大率，即增加有效焦距。因此，区A具有比区B更大的放大率，而区B具有比区C更大的放大率。换句话说，光轴26上的成像透镜组件41的有效焦距比在外围区域34的光轴26外的有效焦距更短。较长的焦距增加了放大率。由此，在视场的外围区域从轴上区域至轴外区域重新分配放大率，以使外围区域34处的倾斜对象标记32被成功地解码和读取。

在另一修正中，如图6所示，经光学修正的成像透镜组件41在成像平面内随着与光轴26的径向距离增加从区C至区B逐渐地增加放大率，即增加有效焦距，但随后在成像平面内随着与光轴26的径向距离增加从区B至区A逐渐地减小放大率，即减小有效焦距，以补偿与区A相比远离区B的窗18的更大的工作距离。换句话说，倾斜对象标记32沿光轴26被认为更靠近成像透镜组件41的端部区(即区A)相比倾斜对象标记32沿光轴26被认为更远离成像透镜组件41的相对端部区(即区B)需要更低的放大率以实现成功读取。当被投影在成像器阵列40上时，更远的端部区(即区B)因此看上去更小，并因此可从放大率的增加中获益。

图7是沿光轴26背离经修正的成像透镜组件41在与读取器窗18垂直的方向上观察到的空间并在视场的外围区域34示出倾斜的对象标记32的端视图。更近的端部区(即区A)表现为比更远的端部区(即区B)更大。因此，如前所述，区B将从放大率的增大中获益。

要理解，前述要素中的每一个、或这些要素中的两个或更多个，可在与前述类型结构不同的其它类型结构中找到有益的应用场合。

尽管本发明已示出和记载体现为通过以被光学修正以在视场中具有不均一放大率的成像透镜系统光电地读取对象的售卖点工作站，然而不旨在局限于所示细节，因为可不脱离本发明的精神地作出多种修正和结构改变。

无需进一步的分析，前面的内容已然如此完整地披露了本发明的要旨以至于其他人能运用现有的知识针对各种应用场合轻易地对其作出改变而不会忽略一些特征，这些特征从现有技术的立场来看相当好地构成本发明的一般或具体方面的必要特征，并因此这些改变应当和意图在下面权利要求书的等效物的含义和范围内得以理解。

在所附权利要求书中阐述了要求保护什么样的新内容并要求受专利证书保护。

Claims (20)

1.一种通过图像捕捉而光电地读取一对象的读取器，包括：

具有窗的外壳；

固态成像器，所述固态成像器由所述外壳支承并具有带视场的传感器阵列，所述对象在读取期间被定位在所述视场中；以及

成像透镜组件，所述成像透镜组件具有光轴并作用以捕捉从沿所述光轴背离所述窗的工作距离范围内的对象透过所述窗返回的光并将所捕捉的返回光投射到阵列上，所述成像透镜组件被光学地修正以在基本垂直于所述光轴的成像平面内的视场内实现不均一的放大率并提高所述视场的外围区域处的分辨率，所述放大率在所述成像平面内至少部分地随着远离所述光轴的径向距离的增加而增加，以当相对于所述光轴倾斜且位于所述视场的外围区域时实现所述对象的读取。

2.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，所述窗位于基本竖直平面内的外壳上。

3.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，所述阵列是电荷耦合器件（CCD）阵列和互补金属氧化物半导体（CMOS）阵列之一。

4.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，还包括由所述外壳支承的照明系统，所述照明系统用照明光照亮所述对象，并且经光学修正的成像透镜组件可作用以将所捕捉的返回照明光投射到所述阵列上。

5.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，还包括控制器，用于处理由所述成像器产生的电信号并解码对象标记。

6.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，所述经光学修正的成像透镜组件包括非旋转对称的光学器件。

7.如权利要求6所述的读取器，其特征在于，所述非旋转对称的光学器件包括环面透镜、圆柱透镜、非球面环面透镜和非球面圆柱透镜中的至少一者。

8.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，所述经光学修正的成像透镜组件包括旋转对称的光学器件。

9.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，所述经光学修正的成像透镜组件随着离开光轴的径向距离的增加而逐渐地增加在所述成像平面内的放大率。

10.如权利要求1所述的读取器，其特征在于，所述经光学修正的成像透镜组件随着背离光轴的径向距离的增加而逐渐增加所述成像平面内的放大率，直到抵达视场的外围区域为止，并且然后在越过视场的外围区域时随着背离所述光轴的径向距离的增加而逐渐地减小在所述成像平面内的放大率。

11.一种通过图像捕捉而光电地读取一对象的方法，包括以下步骤：

在读取期间将所述对象定位在固态成像器的传感器阵列的视场内；

捕捉从沿成像透镜组件的光轴位于一工作距离范围内的对象透过窗返回的光；

将所捕捉的返回光投射到所述阵列上；以及

光学地修正所述成像透镜组件以在基本垂直于所述光轴的成像平面内实现视场中的不均一放大率并增加视场的外围区域处的分辨率，所述修正是通过随着背离光轴的径向距离的增加而至少部分地增加所述成像平面内的放大率来实现的，以当相对于光轴倾斜且位于视场的外围区域处时能够读取所述对象。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括使所述窗取向为位于基本竖直的平面内。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述阵列配置为电荷耦合器件（CCD）阵列和互补金属氧化物半导体（CMOS）阵列之一。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括用照明光照亮所述对象，并且其中所述投影步骤是通过将所捕捉的返回照明光投射到所述阵列上来执行的。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括处理由所述成像器产生的电信号，并解码对象标记。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括配置所述经光学修正的成像透镜组件使其具有非旋转对称的光学器件。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述非旋转对称的光学器件配置为环面透镜、圆柱透镜、非球面环面透镜近和非球面圆柱透镜中的至少一者。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括配置所述经光学修正的成像透镜组件使其具有旋转对称的光学器件。

19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光学修正步骤是通过随着离开所述光轴的径向距离的增加而逐渐地增加在所述成像平面内的放大率而执行的。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述经光学修正的步骤是通过随着背离光轴的径向距离的增加而逐渐增加所述成像平面内的放大率直到抵达视场的外围区域为止并且然后在越过视场的外围区域时随着背离光轴的径向距离的增加而逐渐地减小成像平面内的放大率来执行的。

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