CN102197403A - 带有分离视场的条形码阅读器 - Google Patents

Abstract

一种用于对目标物体(32)上的目标条形码(30)成像的基于多照相机成像的条形码阅读器(10)，特征在于：支承多个透明窗H、V且限定内部区域的壳体(20)，包括多个连接到图像处理系统的照相机组件(C1至C3)的成像系统，多个照相机组件的每个照相机组件定位在壳体内部。每个照相机组件包括传感器阵列。光反射折叠镜将来自给定的照相机组件的光分离为被引导出壳体到不同的视场的部分。光从照相机视场内的目标沿所述光路反射回到图像捕获传感器阵列。

Description

带有分离视场的条形码阅读器

技术领域

本发明涉及基于成像的条形码阅读器，所述条形码阅读器具有限定了其视场的镜布置。

背景技术

各种光电系统已被开发用于阅读例如条形码的光学标记。条形码是包括一系列宽度变化的条和空的图形标记的编码图案，所述条和空具有不同的光反射特征。条和空的图案将信息进行编码。条形码可以是一维条形码(例如，UPC条形码)或二维条形码(例如，DataMatrix条形码)。使用成像照相机系统读取条形码即将条形码成像且解码的系统典型地称为基于成像的条形码阅读器或条形码扫描器。

基于成像的条形码阅读器可以是便携式的或静止的。便携式条形码阅读器是适合于用户手持且相对于例如被阅读即被成像且解码的目标条形码这样的目标标记移动的条形码阅读器。静止条形码阅读器安装在例如相对于销售点柜台的固定位置上。例如包括目标条形码的产品包装这样的目标物体移动通过或掠过一个或多个透明窗中的一个，且因此在条形码阅读器的视场内经过。条形码阅读器典型地提供听觉和/或视觉信号以指示目标条形码已被成功地成像和解码。

其中利用静止的基于成像的条形码阅读器的典型示例包括用于消费者为其购买付费的销售点柜台/收银机。阅读器典型地封闭在壳体内，所述壳体安装在柜台内且一般地包括垂直定向的透明窗和/或水平定向的透明窗，二者的任一个可用于阅读附到目标物体上的条形码，即将目标条形码印刷或附到其上的产品或用于产品的产品包装。销售员(或在自助结帐情况中的消费者)顺序地将每个目标物体的条形码呈现到垂直定向的窗或水平定向的窗，这取决于在给定了目标物体的具体尺寸和形状以及条形码在目标物体上的位置的情况中哪个窗更方便。

具有多个成像照相机的静止的基于成像的条形码阅读器可称为基于多照相机成像的扫描器或条形码阅读器。在多照相机成像阅读器中，每个照相机系统典型地定位在多个透明窗中的一个之后，使其具有与每个另外的照相机系统不同的视场。虽然视场可在一定程度上重叠，但阅读器的有效视场或总视场通过添加另外的照相机系统而增加。因此，与单照相机阅读器相比，多照相机阅读器是理想的，所述单照相机阅读器具有较小的有效视场且要求将目标条形码在非常有限的方向上向阅读器展示以获得成功的可解码的图像，即可解码的目标条形码的图像。

多照相机成像阅读器的照相机系统可在壳体内且相对于透明窗定位，使得当目标物体展示到壳体用于阅读其上的目标条形码时，目标物体通过多个成像照相机系统成像，每个照相机提供目标物体的不同的图像。2007年9月27日提交的申请序号为11/862,568的名称为“Multiple Camera Imaging Based Bar Code Reader”的美国专利转让给本发明的受让人且在此通过引用合并。2008年4月30日提交的申请序号为12/112,275的名称为“Bar Code Reader having multiple Cameras”的美国专利转让给本发明的受让人且在此也通过引用合并。授予Feng等人的美国专利5,717,195涉及具有镜、带有光传感器阵列的照相机组件和照明系统的“Imaging Based Slot Datform Reader”。此专利的公开在此通过引用合并。

发明内容

公开了用于将目标物体上的目标条形码解码的条形码阅读器。示例的条形码阅读器具有支承一个或多个透明窗且限定内部区域的壳体。目标物体相对于壳体展示以用于将目标条形码成像。

壳体内的成像系统具有照相机，所述照相机使用图像捕获传感器阵列以捕获在照相机视场内的条形码的图像。光源被定位为靠近照相机的图像捕获传感器。至少两个光反射折叠镜相对于所述光源和传感器阵列定位，以将来自光源的光反射到两个不同的照相机视场。折叠镜也将从在视场内的目标反射回的光传送回到图像捕获传感器阵列。图像处理系统具有例如微处理器控制器的处理器，用于从由成像系统捕获的图像识别条形码。在一个示例性实施例中，处理器以时间复用方式从图像捕获传感器阵列的不同部分对图片元素估计条形码的存在，检查第一个视场然后检查第二个视场。

本发明的示例性实施例的这些和其他的目的、优点和特征被结合附图详细描述。

附图说明

图1是具有垂直窗和水平窗的条形码阅读器的透视图，通过所述窗以阅读器内的多个照相机观察条形码；

图2是图1的阅读器的透视图，其中阅读器壳体的部分被移除以图示安装到印刷电路板的三个照相机，且也示出了多个反射镜的定位；

图3和图4是示出了不同照相机的光路的透视图，导致一个照相机提供两个不同的照相机视场；和

图5是图1的条形码阅读器的选择的系统和电路的示意性框图。

具体实施方式

在附图中示出了本发明的基于成像的条形码阅读器10的示例性实施例。如在图5的示意性框图中描绘的，条形码阅读器10包括电路11，所述电路11包括成像系统12，所述成像系统12包括多个成像照相机，且在示例性实施例中存在产生原始灰度图像的三个照相机。

图像处理系统14包括一个或多个处理器15和解码器16，该解码器16分析来自照相机的灰度图像，并且如果存在成像的目标条形码，则将其解码。成像系统12可成像且解码1D和2D条形码和邮政编码。阅读器10也可捕获图像和识别标志(signature)。解码器16可集成到阅读器10中或可以是单独的系统，如本领域技术人员所理解的。在示例性实施例中使用三个照相机，但取决于阅读器的设计和使用，在阅读器10中可使用更多或更少的照相机。其结果是，图5的描绘预期了具有N个照相机的可能性，其中N是可小于、等于或大于3的整数。

在一个示例性实施例中，阅读器的解码器被支承在壳体20的内部区域内(见图1)。壳体20可集成在销售点系统的销售柜台内，所述销售点系统例如可包括收银机、触摸屏视觉显示器或其他类型的用户接口和用于生成销售收据的打印机。在图1中描绘的壳体20包括两个透明窗H、V。图1的阅读器10是静止的，所公开的概念可应用于手持式条形码阅读器。六面物体32被示出为移动到阅读器视场内。本发明的一个目的是阅读器由于如下事实的简化：至少一个照相机具有分离的视场，所述分离的视场对物体32的不同面进行成像，并且更具体地，将阅读和解码在其分离的视场内的条形码30。

在示例性实施例中，多个照相机组件C1至C3被安装到壳体内的印刷电路板22(图2)，并且每个照相机限定了视场FV1、FV2、FV3。反射镜被定位为在窗H、V之后并与窗H、V相邻，所述反射镜有助于限定给定的照相机视场，使得各视场自壳体20通过窗，从而在壳体20外在窗H、V的区域内创建阅读器10的有效总视场TFV。因为每个照相机C1至C3具有有效工作范围WR(在图5中示意性地示出)，在所述有效工作范围WR上，可成功地将目标条形码30成像和解码，在窗H、V前方存在有效目标区域，在所述有效目标区域内，目标条形码30可被成功地成像和解码。

根据一个使用，销售员或消费者将选择购买的产品或目标物体32掠过(或展示到)壳体20。更具体地，印刷或附到目标物体上的目标条形码30将掠过窗H、V附近的区域以用于阅读，即将目标条形码的编码标记成像和解码。当成功阅读目标条形码时，将通过阅读器10生成视觉和/或听觉信号以向用户指示目标条形码30已被成功成像和解码。成功阅读指示可以当从解码器16得到合适的信号时使发光二极管(LED)34a发光的形式(图5)和/或通过扬声器34b生成可听声音的形式。

与示例性成像系统12一起使用的三个照相机组件C1至C3的每个捕获其各视场FV1至FV3的一系列图像帧。每个照相机组件C1至C3的一系列图像帧在图5中示意性地示出为IF1至IFN。每一系列图像帧IF1至IFN包括由照相机组件C1至C3生成的一系列单独的图像帧。图像帧以表示原始灰度值的数字信号的形式。

在照相机内使用全域快门和兆像素传感器阵列(具有1280×960个图片元素或像素)允许三个成像照相机C1至C3从两个窗H、V覆盖要求的扫描体积。这通过将兆像素传感器的照相机视场分离为两个大致尺寸相等的部分而实现。使照相机视场的每半个以与另外可使用两个单独的宽VGA照相机实现的定向类似的定向离开两个窗的一个。因为兆像素传感器的每半个视场具有比单个WVGA传感器(750×480个像素)更高的分辨率，所以示例性实施例提供了比专用WVGA传感器的设计更高的分辨率，且因此提供了在高密度条形码上的更好的工作范围。另外，每半个视场的宽高比接近填充条形码阅读器的窗H、V所需的宽高比。

图3和图4图示了将来自两个具有兆像素传感器阵列的照相机C1、C3的视场分离，所述分离可通过限定视场的折叠镜的合适定位来实现。在图3中，两个镜100、102将照相机C1的视场分为两半，使得其他折叠镜104至107可将从这些镜反射回的来自照相机组件的光引导到路径108、109，所述路径108、109以明显不同的定向离开窗V。对于条形码阅读器10，此设计将为足以将条形码成像所需的照相机的数量从六个(如果使用WVGA照相机)降低到三个。如果被证明在一些应用中是有利的，则也可将视场分为多于两个部分。

在示例性实施例中，照相机传感器阵列的第一部分(典型地一半)被曝光，且然后曝光随后的部分。在第一次曝光时，连接到照相机的处理器对其视场的一半进行估计，然后在下一次曝光中对另一半进行估计。用于照相机C1的两个LED 110、112通过图像处理系统14内的控制器15被激活。发光二极管的次序和时序通过此处理器或控制器控制。将来自这些发光二极管的光重新定向的两个镜100、102具有大致平面的反射表面，但光偏转也可以使用略微凹进或突出的表面。

转到图3A，可见照相机组件C1具有两个分开的发光二极管110、112，它们紧邻传感器阵列114。当第一发光二极管110加电时，在从折叠镜100、106、107反射离开之后，以光线108为中心的光从壳体20在用于当物体以图1中描述的方式移动时对物体的后边缘和前边缘进行成像的方向上发射。在示例性实施例中，紧邻地分开意味着发光二极管的中心和阵列中心之间的间隔为1至1.5cm。当第二发光二极管112加电时，在从折叠镜102、104、105反射离开之后，以光线109为中心的光在用于当物体以图1中描述的方式移动时对物体的尾边缘表面116进行扫描的方向上从壳体发射并且被引导。

如在图3A中描绘，从发光二极管110、112发射的光在到达两个镜100、102之前通过光管和两个聚焦透镜的组合。透镜111a、111b将来自发光二极管110的相对地扩散的输出成形为更聚集的光束。透镜113a、113b将来自发光二极管112的相对地扩散的输出成形为更聚集的光束。

转到图4A，可见照相机组件C3具有两个紧邻传感器阵列124的分开的发光二极管120、122。二极管将光引导通过相关联的光管和透镜系统的组合。当第一发光二极管120加电时，光通过光管和两个透镜125a、125b，从具有镜面表面132的棱镜反射离开，且然后从折叠镜134、135反射，使得以光线140为中心的光从壳体发射且在用于当物体以图1中描述的方式移动时对包装32的前表面117引导表面和底表面进行扫描的方向上被引导。从包装返回的光通过透镜127且撞击在传感器阵列124上。当第二发光二极管122加电时(典型地在随后的时间间隔)，光通过光管和两个透镜123a、123b，从镜面130反射离开，且然后从折叠镜136、137反射离开，使得以光线141为中心的光从壳体发射且在用于当物体以图1中描述的方式移动时对包装32的前尾表面和底表面进行扫描的方向上被引导。从包装返回的光通过透镜127且撞击在相同的传感器阵列124上，但处理器15估计传感器阵列的不同部分，以估计分离的视场。在示例性实施例中，紧邻地分开意味着发光二极管的中心和传感器阵列124的中心之间的间隔为1至1.5cm。

在附图中示出的折叠镜的特征和功能进一步在2008年10月3日提交的Drzymala等人的美国专利申请No.12/245,111中描述，在此通过引用将其合并。当镜被使用在光学布置中以将阅读器视场反射到另一个方向上时，镜可被视作孔(所述孔被定义为通过其接收光的洞或开口)。在共同待决的申请中的描述示出如下的光学布置：其表现了一个或多个在阅读器壳体内实现了长光程长度的折叠镜。当镜限制(clip)或限定成像或照相机视场时，称为渐晕(vignetting)。当镜限制来自例如发光二极管这样的源的额外的或不需要的光时，通常称为遮光(baffling)。在图3和图4中，三个折叠镜用于限定给定的视场。然而，其他数量的镜可用于将光引导到壳体外的视场。

示例性的三个照相机C1至C3的这些传感器阵列当曝光完整的帧时能够以45帧/秒运行，因此一半的帧能够以此速度的大约二倍运行，从而导致传感器的每半个大约每秒曝光45次。另一方面，WVGA传感器能够以60帧/秒运行。每个带有分离视场的三个兆像素照相机C1至C3每秒产生270个半帧。使用六个WVGA照相机的相当的阅读器每秒产生总共360帧。四十五帧/秒足以实现100英寸/秒的掠过速度。更低的速度可能使得在可能要求超过一次曝光以进行解码的质量差的条形码上降级第一次通过阅读速度。

替代的运行模式通过对于传感器的更小的部分加窗而对于六个扫描方向的每个使用小于视场的一半。这允许增加的帧速度，但减低了视场的尺寸，这意味着扫描窗将不完全被填充。这在掠过条形码时是足够的，但在展示条形码时不是很好，因为扫描窗的部分将不被任何照相机的视场覆盖。这可通过添加失真聚焦光学器件辅助，以拉伸缩窄的视场，从而填充扫描场内的间隙。

每个照相机包括电荷耦合装置(CCD)，互补金属氧化物半导体(CMOS)或其他成像像素阵列，在成像处理器15的控制下运行。信号35是原始的数字化灰度值，所述灰度值对应于每个照相机的一系列生成的图像帧。数字信号35连接到总线接口42，在此处通过复用器43将信号复用，且然后以组织的方式通信到存储器44，使得处理器知道哪个图像表示属于给定的照相机。

图像处理器15从存储器44访问图像帧IF1至IFN，且搜寻包括被成像的目标条形码30’的图像帧。如果被成像的目标条形码30’在一个或多个图像帧内存在且可解码，则解码器16试图使用具有被成像的目标条形码30’或其部分的一个或多个图像帧将所述被成像的目标条形码30’解码。对于目标条形码30到阅读窗H、V的任何单独的展示，目标条形码30相对于窗的展示方位和方式决定了哪个或哪些照相机生成适合于解码的图像。

阅读器电路11包括成像系统12、存储器44和电源11a。电源11a电连接到阅读器电路11且为其供电。阅读器包括照相系统60(在图5中示意性地示出)，所述照明系统60提供照明(在下文中更详细地描述)以照明有效总视场TFV，这便于获得目标条形码30的图像。

对于每个照相机组件C1至C3，传感器阵列在曝光期间被启用以捕获照相机组件的视场FV1至FV4的图像。总视场TFV是传感器阵列和成像透镜组件的光学特征的构造以及阵列和透镜组件之间的距离和方位二者的函数。

对于每个照相机组件C1至C3，在曝光期间后通过读出像素阵列的像素的一些或全部而生成电信号，从而生成灰度值数字信号35。其进行如下：在每个照相机内，传感器阵列的接收光的光传感器/像素在曝光期间被充电。当读出传感器阵列的像素时，生成模拟电压信号，其幅值对应于每个读出的像素的电荷。每个照相机组件C1至C3的图像信号35表示一系列光传感器电压值，每个值的幅值表示由光传感器/像素在曝光期间接收到的反射光的强度。

照相机组件的包括增益和数字化电路的处理电路然后将模拟信号数字化且转化为数字信号，所述数字信号的幅值对应于像素的原始灰度值。一系列灰度值GSV表示由照相机组件生成的相继的图像帧。数字化的信号35包括一系列数字灰度值，其范围典型地在0至255之间(对于八位A/D转换器，即2⁸＝256)，其中0灰度值表示不存在由像素在曝光期间或积分期间接收的任何反射光(其特征为低像素亮度)，且255灰度值表示由像素在曝光期间接收的非常强的反射光水平(其特征为高像素亮度)。在一些传感器中，特别是CMOS传感器中，像素阵列的所有像素不是同时曝光，因此一些像素的读出可在时间上与一些其它像素的曝光期间一致。

如在图5中最佳地可出，数字信号35通过图像处理系统40的总线接口42接收，所述接口42可包括在ASIC控制下运行的复用器43，以将包含在数字信号35内的图像数据串行化。数字化信号35的数字化灰度值被存储在存储器44内。数字值GSV构成一系列图像帧IF1至IFN的数字化的灰度版本，所述灰度版本对于每个照相机组件C1至C3且对于每个图像帧表示在曝光期间由成像透镜组件投影在像素阵列上的图像。如果成像透镜组件的视场包括目标条形码30，则在数字化图像帧中存在目标条形码30的数字灰度值图像30’。

解码电路14然后对选择的图像帧操作且试图将图像帧内的任何可解码的图像解码，例如将被成像的目标条形码30’解码。如果解码成功，则表示在目标条形码30内编码的数据/信息的解码的数据56通过数据输出端口58输出和/或通过显示器59显示给阅读器10的用户。当获得目标条形码30的良好的阅读时，即条形码30被成功成像且解码时，扬声器34b和/或指示器LED 34a被条形码阅读器电路11激活以向用户指示目标条形码30已被成功阅读。

虽然本发明已通过一定程度的特定性来描述，但本发明意图是：包括来自所公开的设计中的在权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims (18)

1.一种用于解码目标物体上的目标条形码的条形码阅读器，所述条形码阅读器包括：

包括一个或多个透明窗且限定壳体内部区域的壳体，目标物体相对于所述透明窗掠过或展示以用于对目标条形码成像；

成像系统，所述成像系统包括：

照相机，所述照相机具有被定位在所述壳体内部区域内的图像捕获传感器阵列，所述图像捕获传感器阵列用于捕获在照相机视场内的条形码的图像；

用于所述照相机的光源，所述光源被定位为靠近所述照相机的所述图像捕获传感器；和

分离场的光反射折叠镜，相对于所述光源和所述传感器阵列定位，用于反射来自所述光源的光以产生两个或更多个照相机视场，且将从视场内的目标反射的光传送回到所述图像捕获传感器阵列；和

图像处理系统，所述图像处理系统包括用于从由所述成像系统捕获的图像识别条形码的处理器。

2.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中所述成像系统具有多个照相机和光源，其中每个照相机包括定位为靠近相关联的图像捕获传感器阵列的至少一个光源。

3.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中所述光源包括发光二极管，所述发光二极管通过所述处理器以相继的受控间隔接通和断开，以从所述两个或更多个视场捕获图像。

4.根据权利要求3所述的条形码阅读器，包括用于所述两个或更多个照相机视场的每个的一个发光二极管。

5.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中所述传感器阵列收集在从视场内的物体的返回路径上反射离开两个或更多个光反射折叠镜的光。

6.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中所述图像捕获传感器阵列截获来自一个视场的光，并且所述处理器截获来自所述传感器阵列的一部分的信号，以对所述一个视场成像，并且其中，来自不同视场的光也被所述传感器截获，并且所述处理器截获来自所述传感器阵列的不同部分的信号，以对所述不同视场成像。

7.根据权利要求6所述的条形码阅读器，其中一个发光二极管被激活以向所述一个视场提供光，并且不同的发光二极管被激活以提供光从而照亮视场。

8.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中所述处理器估计小于所述图像捕获阵列的整个面积以确定在每个视场内条形码的存在。

9.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中两个分离场的光反射折叠镜相对于所述源定位以将光在不同的方向上反射到两个不同的视场。

10.根据权利要求9所述的条形码阅读器，其中两个发光二极管以时间次序激活，一个发光二极管被激活用于一个视场，并且第二个发光二极管被激活用于第二个视场。

11.根据权利要求1所述的条形码阅读器，其中所述分离场的折叠镜包括具有两个光反射镜面的棱镜。

12.一种用于成像目标条形码的方法，包括：

提供具有一个或多个透明窗的壳体，所述透明窗限定用于具有条形码的物体的移动和/或定位的区域；

将具有传感器阵列的照相机定位在所述壳体内，用于对在所述壳体外的物体上的条形码成像；

激活定位在所述壳体内靠近所述照相机的所述传感器阵列的光源，并且将从所述光源发射的光从定位在所述光源和所述一个或多个透明窗之间的至少一个分离场的折叠镜偏转离开，以照亮两个不同的照相机视场；

当来自所述视场的光撞击到所述传感器阵列上时，从两个照相机视场捕获图像；和

从所述两个照相机视场截获图像以确定条形码的存在。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述光源包括第一发光二极管和第二发光二极管，所述第一发光二极管和第二发光二极管以时间次序被激活以照亮不同的视场。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述图像传感器包括图片元素的阵列，并且其中构成所述阵列的图片元素的第一部分对一个视场成像，并且构成所述阵列的图片元素的第二部分对第二视场成像。

15.根据权利要求12所述的方法，其中来自所述光源的光从具有两个光反射镜面的棱镜反射离开。

16.一种用于基于多照相机成像的条形码阅读器中的成像系统，所述条形码阅读器具有：支承多个透明窗且限定内部区域的壳体，目标物体被靠近所述多个窗展示或相对于所述多个窗移动，以用于对目标物体上的目标条形码成像，所述成像系统包括：

连接到图像处理系统的多个照相机组件，所述多个照相机组件的每个照相机组件被定位在壳体内部位置中，并且限定与所述多个照相机组件的每个其他照相机组件的视场不同的视场，每个照相机组件包括传感器阵列和靠近所述传感器阵列的光源；

与所述多个照相机组件的每个相关联的多个镜，用于将来自光源的光分离以行进到两个或更多个照相机视场，并且用于将从目标物体反射离开的光返回到所述照相机组件的传感器阵列；和

一个或多个处理器，用于估计由所述多个照相机组件捕获的图像。

17.根据权利要求16所述的系统，其中来自所述照相机组件的一个或多个的照明光在通过所述透明窗的一个射出所述壳体之前，从多个折叠镜反射离开。

18.一种用于对目标物体上的目标条形码成像的基于成像的条形码阅读器，所述条形码阅读器包括：

支承一个或多个透明窗并且限定内部区域的壳体，目标物体被展示给所述壳体或掠过所述壳体，以用于对目标条形码成像；

成像系统，包括：

照相机装置，所述照相机装置具有被定位在壳体内部区域内的图像捕获传感器阵列，用于捕获在照相机视场内的条形码的图像；

用于照相机的光源装置，所述光源装置被定位在所述照相机的图像捕获传感器附近，用于发射光；和

用于限定多个照相机视场的场分离装置，包括相对于所述光源和所述传感器阵列沿光路定位的镜，以将来自光源的光传送到视场，并且将从在视场中的目标反射的光沿所述光路传送回到所述图像捕获传感器阵列；和

图像处理装置，用于选择地激活光源装置并且从由所述成像系统捕获的图像识别条形码。

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