CN102077216A - 具有折叠照明和成像路径的成像模块 - Google Patents

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Abstract

一种用于成像的成像模块，以及一种用于电光读取目标的读取器和电光读取目标的方法，包括：支撑物；成像组件，其具有固态成像器，该固态成像器具有在所述支撑物上的图像传感器阵列，用于沿着折叠的成像路径、在工作距离范围处的视场上捕获来自所述目标的回光；以及照明组件，其在所述支撑物上，用于沿着折叠的照明路径引导照明光，折叠的照明路径具有的长度长于折叠的成像路径，以使用照明光均匀地照明目标，折叠的照明路径的长度越长，使得照明组件能够使用更多的照明光来照明所述目标，并还使得成像组件能够捕获更多的回光，用于提高成像/读取性能。

Description

具有折叠照明和成像路径的成像模块
背景技术
固态成像系统或者成像读取器，以及移动激光光束读取器或者激光扫描仪都已经用于电光读取目标，诸如一维条形码符号，尤其是通用产品码(UPC)类型，每个具有一排条形并且沿着一个方向相互间隔，以及二维符号，诸如Code 49条码，其在单个符号中引入了的垂直堆叠的多排条形和空间图案的概念。在美国专利No.4,794,239中描述了Code 49的结构。另一种增加数据量的、能够在给定量的表面区域上表示或者存储的二维码结构为PDF417，并且在美国专利NO.5,304,786中描述。
成像读取器包括成像模块，其上面安装有成像组件。成像组件包括固态成像器以及成像元件，所述固态成像器具有单元传感器或者光传感器的传感器阵列，其对应于成像器视场中的图像元素或者像素；以及所述成像元件用于捕获从成像符号散射和/或反射的回光，并用于将回光投射到传感器阵列上，以便开始捕获符号的图像。这种成像器可以包括一维或者二维的电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)器件以及用于产生和处理电信号的相关联电路，所述电信号对应于视场上的像素信息的一维或者二维阵列。
从而，公知的是使用成像器来捕获符号的单色图像，例如，如美国专利No.5,703,349中所述的那样。还公知的是使用具有多个掩埋信道的成像器来捕获符号的全色图像，例如，如美国专利No.4,613,895中所述的那样。尽管其他分辨率大小也是可以的，但是通常提供具有640×480分辨率的二维CCD，该分辨率在VGA显示器中常见。
为了增加由成像器捕获的回光的量，尤其是在暗光环境中，不仅仅依靠环境光，成像模块通常还可以包括：照明光组件，照明光组件具有一个光源或者多个光源，例如，发光二极管(LED)；以及，多个照明元件，例如，透镜以及孔径光阑，用于使用照明光均匀地照明该符号，以从其发射和散射成回光。
正如已知的成像读取器在读取符号上具有优势那样，已经证明已知的照明光组件具有的具有劣势在于，使用被成像器以足够亮度捕获的足够的光来均匀照明远离的符号(远离的符号位于相对于读取器的工作距离范围的远端)，从而产生具有足够强度的电信号，所述具有足够强度的电信号能够被处理，以成功读取远离的符号。使照明功能更复杂的问题在于，期望将已知的照明光组件安装在指定的标准尺度的成像模块上，并且在包括能够被容纳在这种标准尺度内的已知照明光组件的元件的数目和位置上存在约束。
发明内容
简要地说，本发明的一个特征在于，用于对诸如一维符号的目标成像的成像读取器或者模块和方法。该读取器或者模块包括：支撑物；成像组件，其包括固态成像器，所述固体成像器具有在所述支撑物上的成像传感器阵列，所述成像组件用于沿着折叠的成像路径在工作距离的范围内视场上捕获来自目标的回光；以及在支撑物上的照明组件，所述照明组件用于沿着具有的长度比折叠的成像路径更长的折叠照明路径引导照明光，以使用照明光均匀地对目标进行照明。
根据本发明的一个方面，折叠照明路径长度越长，f数(称为焦比，其等于焦距除以照明组件的入射光瞳的直径)就越低，引导到目标的照明光的量就越大，并且从目标反射和/或散射的由成像器捕获的回光量就越大。照明光增加的吞吐量增强了成像/读取性能，尤其是读取位置远离读取器或者模块的远离的符号的性能。
支撑物优选地包括：基本平面的印刷电路板(PCB)，在其上安装成像器，优选直线的未封装的阵列；以及基本平行六面体的、具有在下方安装的基本平面基底并且平行于PCB的盒状底盘。线性成像器优选为CCD或者CMOS，优选具有沿着单行排列的约1500个图像传感器。照明组件包括多个照明光源，优选为在PCB上安装的一对发光二极管。
PCB具有直接面对基底的内表面。成像器安装在内表面上，用于捕获基本垂直于PCB方向上的回光。照明光源也安装在内表面上，用于将照明光引导在基本垂直于PCB的方向上。支撑物也包括前端，传递到目标的照明光以及来自目标的回光都通过该前端。照明光源安装在内表面上，与安装的成像器相比距离前端更远，以延长折叠的照明路径。未封装的线性阵列在PCB上提供更多的空间，以在PCB上容纳更远离支撑物前端的照明光源。
照明组件包括多个照明反射器，用于在基本平行于PCB的水平方向上折叠来自照明光源的照明光，并通过支撑物的前端，以及成像组件还包括成像反射器，用于折叠从目标捕获的回光，使其以基本垂直于PCB的垂直方向通过支撑物的前端。照明组件还包括：多个孔径光阑，用于控制引导到目标的照明光的量；以及多个照明透镜，用于将照明光聚焦在目标上。
基本平行六面体形状的底盘以及PCB具有标准的长度、宽度和高度尺度。例如，长度为21毫米，宽度为15毫米，以及高度为11毫米。用于模块的形状规格被视为不能超越其尺度的工业标准。
根据本发明的另一特征，在PCB的外表面安装电连接器，但是仍然在上述形状规格内。在本实施例中，微处理器有利地安装在PCB的外表面，以及电连接器用于传送来自微处理器的经解码电信号以远离模块。对于甚至更小的形状规格，电连接器可以被安装在PCB的内表面上，并且被容纳在底盘的凹进区域中。在后面的实施例中，微处理器被安装成远离该模块，并且电连接器用于传送未解码的信号以远离模块到达远程的微处理器。
对目标进行成像的方法有利地按以下方式进行：通过使用成像组件，沿着折叠的成像路径的在工作距离的范围内视场上捕获来自目标的回光，该成像组件包括具有图像传感器阵列的固态成像器；通过沿着具有的长度比折叠的成像路径更长的折叠照明路径引导来自照明组件的照明光，以使用照明光均匀地照明目标；以及通过将照明组件和成像组件安装在支撑物上。折叠照明路径的较长长度使得照明组件能够以更多的所述照明光来照明该目标，并且使得成像组件能够捕获更多的所述回光，用于提高成像/读取性能。
在所附的权利要求书中具体阐述了被认为是本发明特性的新颖性特征。然而，本发明自身，其结构以及操作方法与其附加的目标和优势在通过结合附图阅读时将根据下面特定实施例的描述而容易理解。
附图说明
图1是既可以以手持模式又可以以非手动模式操作的用于捕获来自目标符号的回光的便携式成像读取器的透视图；
图2是图1的读取器的各种部件的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的图2中的部件的分解透视图，该部件以标准形状规格布置在成像模块中，以便用于图1的读取器；
图4是装配之后的图3的模块中使用的印刷电路板下部的底部平面图；
图5是装配之后的图3的模块的透视图；
图6是图5的线6-6上截取的截面图；
图7是根据本发明在图1的读取器中使用的装配的成像模块的另一实施例的前透视图；
图8是图7的模块的顶透视图、后透视图；以及
图9是图7的模块的底透视图、后透视图。
具体实施方式
图1的附图标记30基本表示成像读取器，其具有基本竖直的呈现区域或者窗口26，以及枪形状的外壳28，外壳28由基底32支撑，以便将成像读取器30支撑在工作台面或者类似的支撑表面上。因此，成像读取器30可以用于非手持模式，作为固定的工作台，其中，要被成像和读取的支承目标符号的产品在竖直窗口26上滑动、刷过或者呈现给竖直窗口26；或者成像读取器30可以从工作台面上拿起，并被保持在操作员手中并且以手持模式使用，在手持模式中，手动地按下触发器34，以便启动对要距窗口26的工作距离处读取的标记(特别是一维符号)进行成像。在另一种变型中，可以省略基底32，以及也可以使用其他结构的外壳。如图1所示，可以省略连接到基底32的线缆16，在那种情况下，读取器30通过无线链路与远程主机进行通信，并且读取器由车载电池供电。
如图2示意性地示出，成像组件包括成像器24，其安装在读取器中的印刷电路板(PCB)22上。成像器24是固态器件，例如，CCD或者CMOS成像器，尤其是未封装的芯片；以及，成像器24具有可寻址图像传感器或者像素的一维线性阵列，优选数目为1500，以单行布置，并且用于检测由成像透镜组件20沿着成像路径46通过窗口26捕获的回光。回光从目标或者符号38以大约40度在视场上散射和/或反射。成像透镜组件20优选地包括诸如柯克三片型(Cooke triplet)的多个透镜，所述多个透镜具有的焦距为大约8毫米，其与孔径光阑一起安装在圆柱形的筒中并且用于可调整地将回光聚焦到图像传感器阵列上，以使得能够读取符号38。该筒沿着轴线延伸并且被轴向地调整，并且在装配期间，优选地通过粘合剂保持在固定位置上。符号38可以位于从接近的工作距离(WD1)和远离的工作距离(WD2)之间距离的工作范围中的任何位置。在优选实施例中，WD1与成像器阵列24相距大约四到六英寸，以及WD2可以是与窗口26相距很多英尺，例如，大约五十英尺以外。
照明组件也安装在成像读取器中，并且优选地包括例如发光二极管(LED)的多个照明器或者照明光源12以及多个照明器透镜组件10，每个LED 12一个照明器透镜组件。照明组件沿着照明路径引导照明光，以均匀地照明符号38。
未示出的瞄准组件也可以被安装在成像读取器中，并优选地包括：一个瞄准光源或者多个瞄准光源(诸如，瞄准激光器)；以及，瞄准透镜组件，用于生成瞄准光束图案。瞄准透镜组件可以包括多个诸如透镜的瞄准元件以及多个图案生成元件，所述瞄准元件用于校准由激光器产生的激光光束，每个图案生成元件是衍射光学元件、全息元件、Fresnel元件或者折射光学元件，用于光学地修改各个校准的激光束，以在目标上生成可视的瞄准光图案。在所示的实施例中，照明组件用作瞄准组件。
如图2中所示，成像器24和照明器12可操作地连接到控制器或者微处理器36，控制器或者微处理器36用于控制这些部件的操作。存储器14连接到控制器36，并且控制器36可访问存储器14。优选地，微处理器与用于处理来自目标符号38的回光并用于对捕获的目标图像进行解码的微处理器一样。
在操作中，微处理器36发送命令信号，以在短的曝光时间段(例如，500微秒或者更少)中使照明器12脉动，并且激励并曝光成像器24，以仅在所述曝光时间段中收集来自目标符号38的例如照明光和/或环境光的回光。典型的阵列需要大约33毫秒来获得整个目标图像，并且以大约30帧每秒的帧速率来操作。
图2中组件的配置仅仅是示意性的。根据本发明的一个实施例，如图3到图6中所示，图2的部件被安装在压缩成像模块60上，该压缩成像模块60具有用以对适合不同形状的相异外壳进行标准化的形状规格。该标准化的形状规格测量结果是长度约21毫米乘以宽度约15毫米乘以高度约11毫米。该模块60包括支撑物，该支撑物具有基本上平行六面体的、盒状的底盘62，该底盘优选采用压铸材料制成，并且PCB 22安装在该底盘62上并且闭合底盘62的顶部，用于支撑照明和成像组件。PCB 22优选地与底盘62结合并围绕成像器24创建防尘密封件。该底盘62具有在PCB 22下方安装的并且与PCB 22平行的基本上平面的基底64。
PCB 22具有与基底64直接面对的内表面或者下表面66。如图4所示，未封装成像器24安装在PCB 22的内表面66上，用于捕获基本垂直于PCB 22的竖直方向上的回光。照明光源12也安装在内表面66上，用于将照明光引导在基本垂直于PCB 22的竖直方向上。支撑物还包括前端68，照明光通过前端传递到目标符号，并且回光从目标符号返回通过前端。照明光源12被安装在内表面66上，与安装的成像器24相比距离前端68更远。未封装的成像器24在PCB 22上提供了更多的空间，以在其上容纳更远离支撑物前端68的照明光源12。
照明组件包括多个照明反射器70，用于通过将来自照明光源12的照明光从基本垂直于PCB 22的初始竖直方向重新引导到基本上平行PCB 22的水平方向并且通过支撑物的前端68，来折叠照明路径。每个反射器70包括镜子，所述镜子以相对于水平方向45度角安装并在被保持在承载件中，所述承载件被安装用于在基底64上滑动运动，以在装配期间调整镜子的位置。一旦经过调整，承载件优选地通过粘合剂被固定在位。成像组件也包括成像反射器72，用于通过将在基本平行于PCB 22的水平方向上通过支撑物的前端68的来自目标的已捕获回光重新引导到基本垂直于PCB 22的竖直方向，来折叠成像路径。成像反射器72是镜子，该镜子以相对于水平方向45度角安装并且优选通过粘合剂保持在固定位置中。该照明组件也包括多个孔径光阑74，用于控制被引导到目标符号的照明光的量。照明透镜10将照明光聚焦在目标符号上，照明透镜10优选地由注射成型聚碳酸酯材料制成。
根据本发明的一个方面，折叠的照明路径长度越长，则f数(也称为焦比，其等于焦距除以照明组件的入射光瞳的直径)越低，孔径光阑74的尺寸越大，被引导到目标的照明光量越大，并且由成像器捕获的从目标散射和/或反射的回光的量越大。照明光增加的吞吐量提高了成像/读取性能，尤其用于读取位置远离读取器或者模块的远离的符号时的性能。
根据本发明的另一特征，优选为零插入型的电连接器76被安装在PCB 22的外表面78上，但是仍然在上述形状规格内。在这个实施例中，如图3到图6的模块所示，微处理器36有利地安装在PCB 22的外表面78上，并且，电连接器70用于将来自微处理器36的解码数字信号传送到远离模块60。
对于高度尺度减小到9毫米的甚至更小的形状规格，如图7到图9中所示的模块80的另一种实施例，电连接器76可以被安装在PCB 22的内表面66上，并且被容纳在底盘的凹进区域82中。在后一实施例中，微处理器36被安装成远离模块80，并且电连接器76用于将远离模块80的未解码信号传送到远程微处理器36。在后一实施例中，PCB22的外表面78上没有安装部件。
应该理解，上述的每个元件，或者两个或多个元件一起也可在不同于上述类型的其他结构类型中找到有用的应用。
尽管本发明示出或描述为具有折叠的照明和成像路径的成像读取器或者模块，但是，并非意欲限制于所示出的细节，因为在不以任何方式脱离本发明的精神的情况下，可以做出多种变形和结构改变。
不用进一步分析，上文全面呈现了本发明的要点，使得其他人可以通过应用现有的知识，容易地使其适用于各种应用，而没有省略从现有技术的出发点清楚组成的本发明的一般或者特定方面的实质特征，并因此这些调整应该并且意欲在权利要求书的等效的含义和范围内理解。
在权利要求书中描述了主张为新的并且期望由专利证书保护的内容。

Claims (20)

1.一种用于对目标进行成像的成像模块，包括：
支撑物；
成像组件，所述成像组件包括固态成像器，所述固态成像器具有在所述支撑物上的图像传感器阵列，所述成像组件用于沿着折叠的成像路径在工作距离范围的视场上捕获来自所述目标的回光；以及
照明组件，所述照明组件在所述支撑物上，用于沿着折叠的照明路径引导照明光，所述折叠的照明路径具有的长度长于所述折叠的成像路径，以使用所述照明光均匀地照明所述目标，所述折叠的照明路径的长度越长，使得所述照明组件能够使用更多的所述照明光来照明所述目标，并使得所述成像组件能够捕获更多的所述回光，用于提高成像性能。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述支撑物包括印刷电路板，所述成像器安装在所述印刷电路板上，以及其中，所述照明组件包括在所述印刷电路板上安装的多个照明光源。
3.根据权利要求2所述的模块，其中，所述图像传感器的阵列是线性的未封装的阵列，以及其中，所述照明光源是发光二极管。
4.根据权利要求2所述的模块，其中，所述支撑物具有基本平面的基底，以及其中，所述印刷电路板是基本上平面的并且以相互平行的方式位于在所述基底上。
5.根据权利要求4所述的模块，其中，所述印刷电路板具有直接面对所述基底的内表面，以及，其中，所述成像器被安装在所述内表面上，用于在基本垂直于所述印刷电路板方向上捕获所述回光，以及其中，所述照明光源被安装在所述内表面上，用于将所述照明光引导在基本垂直于所述印刷电路板的方向上。
6.根据权利要求5所述的模块，其中，所述支撑物包括前端，所述照明光通过所述前端传递到所述目标，并且所述回光通过所述前端从所述目标传递；以及其中，所述照明光源被安装在所述内表面上并且与安装的成像器相比距离所述前端更远，以延长所述折叠的照明路径。
7.根据权利要求5所述的模块，其中，所述照明组件包括多个照明反射器，所述照明反射器用于将来自所述照明光源的所述照明光折叠在基本平行于所述印刷电路板的方向上，以及其中，所述成像组件包括成像反射器，所述成像反射器用于将来自所述目标的已捕获回光折叠在基本垂直于所述印刷电路板的方向上。
8.根据权利要求5所述的模块，其中，所述照明组件包括：多个孔径光阑，所述多个孔径光阑用于控制被引导到所述目标的所述照明光的量；以及多个照明透镜，所述多个照明透镜用于将所述照明光聚焦到所述目标上。
9.根据权利要求1所述的模块，其中，所述支撑物具有基本上平行六面体的形状，所述基本上平行六面体的形状具有标准化的长度、宽度和高度尺度。
10.根据权利要求1所述的模块，其中，所述支撑物包括印刷电路板，所述印刷电路板具有内表面和相对的外表面，在所述内表面上安装有所述成像器；以及所述支撑物还包括电连接器，所述电连接器被安装在所述印刷电路板的所述外表面上。
11.根据权利要求1所述的模块，其中，所述支撑物包括印刷电路板，所述印刷电路板具有内表面以及底盘，在所述内表面上安装有所述成像器，所述底盘具有凹进区域；以及所述支撑物还包括电连接器，所述电连接器被安装在所述印刷电路板的所述内表面上并且被容纳在所述底盘的所述凹进区域中。
12.一种用于对目标进行成像的成像模块，包括：
支撑装置；
成像装置，所述成像装置包括固态成像器，所述固态成像器具有在所述支撑装置上的图像传感器阵列，所述成像装置用于沿着折叠的成像路径在工作距离范围的视场上捕获来自所述目标的回光；以及
照明装置，所述照明装置在所述支撑装置上，用于沿着折叠的照明路径引导照明光，所述折叠的照明路径具有的长度长于所述折叠的成像路径，以使用所述照明光均匀地照明所述目标，所述折叠的照明路径的长度越长，使得所述照明装置能够使用更多的所述照明光来照明所述目标，并使得所述成像装置能够捕获更多的所述回光，用于提高成像性能。
13.一种用于以电光方式读取目标的成像读取器，包括：
外壳，以及
成像模块，所述成像模块由所述外壳支撑，所述模块包括：支撑物；成像组件，所述成像组件包括固态成像器，所述固态成像器具有在所述支撑物上的图像传感器阵列，所述成像组件用于沿着折叠的成像路径在工作距离范围的视场上捕获来自所述目标的回光；以及照明组件，所述照明组件在所述支撑物上，用于沿着折叠的照明路径引导照明光，所述折叠的照明路径具有的长度长于所述折叠的成像路径，以使用所述照明光均匀地照明所述目标，所述折叠的照明路径的长度越长，使得所述照明组件使用更多的所述照明光来照明所述目标，并使得所述成像组件能够捕获更多的所述回光，用于提高成像性能。
14.一种对目标成像的方法，包括以下步骤：
使用成像组件，沿着折叠的成像路径在工作距离范围的视场上捕获来自所述目标的回光，所述成像组件包括固态成像器，所述固态成像器具有图像传感器阵列；
沿着折叠的照明路径引导来自照明组件的照明光，所述折叠的照明路径具有的长度长于所述折叠的成像路径，以使用所述照明光均匀地照明所述目标，所述折叠的照明路径具有的长度越长，使得所述照明组件能够使用更多的所述照明光来照明所述目标，并使得所述成像组件能够捕获更多的所述回光，用于提高成像性能；以及
在支撑物上安装所述照明组件和所述成像组件。
15.根据权利要求14所述的方法，以及，使用印刷电路板来构造所述支撑物，所述印刷电路板具有相对的内表面和外表面，以及
其中，通过在所述内表面上安装所述成像器以用于在基本垂直于所述印刷电路板方向上捕获所述回光，来执行所述安装步骤，以及其中，进一步通过在所述内表面上安装所述照明组件以用于将所述照明光引导在与所述印刷电路板基本垂直的方向上，来执行所述安装步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，以及，使用前端来构造所述支撑物，所述照明光通过所述前端传递到所述目标，并且所述回光通过所述前端从所述目标传递；以及，其中，进一步通过以下方式来执行所述安装步骤：将所述照明组件安装在所述内表面上并且与安装的成像器相比距离所述前端更远，以延长所述折叠的照明路径。
17.根据权利要求14所述的方法，以及，使用基本上平行六面体的形状来构造所述支撑物，所述基本上平行六面体的形状具有标准化的长度、宽度和高度尺度。
18.根据权利要求15所述的方法，以及，在所述印刷电路板的所述外表面上安装电连接器。
19.根据权利要求15所述的方法，以及，使用底盘来构造所述支撑物，所述底盘具有凹进区域；以及在所述印刷电路板的所述内表面上安装电连接器，以及将所述电连接器容纳在所述底盘的所述凹进区域中。
20.根据权利要求14所述的方法，以及，将所述支撑物安装在外壳中。
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