CN102334130A - 具有双功能照明光组件的成像读取器和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于成像对象的成像读取器及其方法，该成像读取器包括由壳体支撑的固态成像器，该固态成像器用于捕捉在视场上的来自对象的回射光。照明光组件执行照明功能和瞄准功能。照明光沿着光路通过壳体内的通道被投射以对该对象进行照明。壳体具有沿着光路远离成像器和照明光组件的边界壁，该边界壁用于对通过通道投射的照明光进行截取，以在对象上形成瞄准光分布，该瞄准光分布可视地指示视场的外围，以有助于将对象完全定位在视场内。

Description

具有双功能照明光组件的成像读取器和方法

技术领域

固态成像系统或成像读取器已经在手持和免提两种操作模式中进行使用，以从各种对象捕捉图像，所述对象诸如要被电光解码和读取的符号和/或要被处理以进行存储和显示的非符号。符号包括具体地是通用产品代码(UPC)符号表示法的一维条形码符号，其每一个都具有沿扫描方向间隔开的条和间隔的线性行，以及诸如Code 49的二维符号，Code 49是引入了将多个行的条和间隔图案垂直堆叠在单个符号中的原理的符号表示法，如美国专利No.4,794,239中所述。用于增加可以被表示或存储在给定量的表面积上的数据量的另一种二维代码符号表示法被称作PDF417，并且在美国专利No.5,304,786中得以阐述。非符号对象可以包括期望由成像读取器装捕捉其图像的任何人、地点或事物，例如签名。

成像读取器包括：固态成像器，该固态成像器具有与成像器二维视场中的图像元素或像素相对应的光电管或光传感器阵列；照明光组件，该照明光组件用于利用照明光均匀照亮对象；以及成像透镜组件，该成像透镜组件用于捕捉从被成像的对象散射和/或反射的回射照明光和/或环境光，并且用于将回射光聚焦到传感器阵列上，以发起将对象的图像捕捉为像素数据。

成像器可以是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，并且包括用于将像素数据转换成与视场上的一维或二维像素数据阵列相对应的电信号的关联电路。成像器与电子数字照相机中使用的成像器类似。

该成像器在控制器或编程微处理器的控制下捕捉回射光，该控制器或编程微处理器可操作用于处理来自成像器的电信号。当对象是符号时，控制器可操作用于将电信号处理和解码成指示被成像和读取的符号的解码信息。当对象是非符号时，控制器可操作用于将电信号处理为处理的对象图像，包括校直(de-skew)捕捉到的图像、对捕捉到的图像重新采样以具有期望尺寸、提高捕捉到的图像的质量、压缩捕捉到的图像以及将所处理的图像传送到本地存储器或远程主机等。

因此，已知使用用于捕捉对象符号的黑白图像的成像器，例如在美国专利No.5,703,349中公开的。还已知使用用于捕捉符号的全彩图像的具有多个埋设信道的成像器，例如，在美国专利No.4,613,895中公开的。通常提供VGA监视器中常见的具有640x 480分辨率的二维CCD，但是其它分辨率大小是可以的。

然而，使用用于对在与读取器相关的工作距离范围内的任何位置的对象进行成像的已知成像读取器，特别是手持式可移动读取器，已经被证实是具有挑战性的。操作人员在读取过程中无法清楚地看到对象是否完全位于阵列视场内，或者无法清楚地知道对象是否位于视场内的最佳中心位置。在指示器向操作人员通知已经成功地对该对象进行成像之前，常见的是，操作人员会在左右、上下和前后多个方向上反复移动便携式读取器，并且使便携式读取器反复多次瞄准单个对象，从而减缓了事务处理并且降低了生产力。

如果对象相对小或者远离读取器，则对该对象进行盲瞄准将更简单，这是因为对象处于视场内的几率更大。然而，在大多数情况下，特别是在对象的位置和定向变化时，难以实现对该对象的盲瞄准。

为有助于克服该盲瞄准问题，通常在读取器中安装瞄准光组件，用于投射可见瞄准光图案，例如，用于置于符号中心处的大致圆形的斑或者十字线、或者用于界定视场的框架线(faming line)，协助操作人员视觉地将对象定位在视场内的，并且因此向操作人员通知读取器要被移动的方向，以便于在读取之前将瞄准光图案定位在对象上。瞄准光组件包括诸如激光的至少一个光源、聚焦透镜以及图案成形光学元件，诸如衍射光学元件(DOE)或者折射光学元件(ROE)。如美国专利No.6,340,114中所述，通过各个DOE的聚焦光形成多条发散射束，这些射束将以瞄准光图案排列的连续线或行的斑投射到对象上，以指示成像器的视场。

已知瞄准光组件的优点，但是已经证实在特定情况下它们还不太令人满意。例如，已知的瞄准光组件不仅在部件成本方面很昂贵，而且组装和对准其各个光学部件的人工成本也很高。瞄准光组件将不可忽略的重量和尺寸附加到读取器，这对要求尺寸和重量很小的读取器来说是不期望的。而且，读取器通常是在执行其它功能的电气装置中的辅助系统，所述电气装置例如零售店中的查价机、机场登机亭、彩票机等，并且因此，读取器必须尽可能地重量轻且紧凑。

发明内容

简言之，本发明的一个特征涉及一种用于成像对象的成像读取器及其方法。读取器包括固态成像器，该固态成像器由读取器支撑并且具有图像传感器阵列，该图像传感器用于在视场上捕捉来自对象的回射光，并用于生成指示与对象相对应的所捕捉到的光的电信号。优选地，成像器是具有滚动或全局快门的CCD、CMOS芯片或者晶片规模CCD。成像器可以是具有相互垂直的多个行和多个列的区域或二维阵列。对象可以是具有多个不同反射率的元素的符号，所述元素诸如条和间隔，而且以各种符号表示法被布置。对象可以是非符号对象，例如期望由成像读取器捕捉的任何人、地点或事物。控制器或编程微处理器将电信号处理为指示被成像的对象的数据。

读取器被配置有壳体，该壳体具有界定通道的边界壁。有利的是，光透射窗口被安装在通道内，并且通过边界壁来对其进行界定。壳体可以是具有用于手持操作的把手和具有前端区域的主体的手枪形状，该边界壁位于该前端区域中，或者壳体可以是盒子形状，并且被配置为被拾取以供手持操作和/或被支撑在台面上以供免提操作。

根据本发明的一方面，照明光组件由壳体支撑，并且可操作地连接到控制器。该照明光组件执行两个功能：照明和瞄准。照明光组件通过通道沿着光路投射照明光以照明对象。边界壁沿着光路以大于现有技术的距离远离成像器和照明光组件，并且因此，对通过通道投射的照明光进行截取(clip)，以在对象上形成瞄准光分布，该瞄准光分布可视地指示视场的外围，以有助于将对象完全定位在视场内。在现有技术中，照明光组件位于靠近窗口的前方，使得照明光不会被截取。通过使成像器和照明光组件按期望沿着光路远离窗口地进一步凹进壳体，边界壁对照明光进行截取。优选地，边界壁是圆周完整的，并且对照明光进行圆周地截取，以可视地指示视场的整个外围。因此，操作人员将看到对象上的照明光的比较突然的切断(cut-off)。

因此，消除了现有技术所教导的单独瞄准光组件以及组装和对准其各个光学部件(诸如激光器、DOE和ROE)的部件成本和人工成本的相关费用。消除单独瞄准光组件减小了读取器的重量和尺寸，从而使其在重量上显得很轻且紧凑，而且特别期望被包括为执行其他功能的电气装置中的附属系统，所述电气装置诸如零售店里的查价机、机场登机亭、彩票机等。

在优选实施例中，照明光组件包括至少一个照明发光二极管(LED)，并且优选地为彼此分离的一对照明LED，以及每个照明LED一个的一对照明透镜，用于在光学上将照明光改变为至少部分地在对象上重叠的一对锥形光束。两个照明LED的视差将防止上述切断是完美的，但视场外围以外的照明光强度将存在视觉上的降低，这足以指示视场末端的位置，并且使得操作人员能够避免将对象即使部分地定位在视场以外。通常将照明LED和成像器安装在印刷电路板上，并且使该一对照明LED优选地定位在成像器的相对侧。

照明光组件可以包括用于发射瞄准光束的瞄准LED以及用于光学地改变瞄准光束以在对象中心投射瞄准斑的瞄准透镜。通常将瞄准LED和成像器安装在印刷电路板上，并且优选地将瞄准LED定位在照明LED之间的中间处。瞄准束还可以用于在读取器进入其中照明LED被关断而瞄准LED被打开的睡眠模式之后唤醒读取器，并且成像器用于检测对象何时位于瞄准束中时。响应于这样的检测，控制器打开照明LED 12A、12B，并且恢复对象成像。即使是在黑暗的周围环境下，瞄准束也能提供足够的光来唤醒读取器。

本发明的另一特征在于利用成像读取器来成像对象的方法。该方法通过以下步骤来执行：利用壳体的边界壁来界定通道、在固态成像器的视场上捕捉通过通道沿着光路的来自对象的回射光、生成指示所捕捉到的光的电信号、将电信号处理为指示成像的对象的数据、从照明光组件通过通道沿着光路投射照明光以照明对象、使边界壁沿着光路远离成像器和照明光组件，以及截取通过通道投射的照明光以在对象上形成视觉地指示视场外围的瞄准光分布，以有助于使对象完全定位在视场内。

在所附权利要求中具体阐述了被认为是本发明的特征的新颖特征。然而，在结合附图进行阅读时，从下面特定实施例的描述中可以最好地在其构造及其操作方法以及其它目的和优点方面理解发明本身。

附图说明

图1是根据本发明的可操作在手持模式的便携式成像读取器的分解俯视立体图，其用于投射照明对象并且辅助将读取器瞄准到对象的光；

图2是根据本发明的图1的读取器的各种部件的示意图；

图3是图1的读取器中使用的照明光组件的分解立体图；

图4是图3的照明光组件的组装立体图；

图5是图1的便携式成像读取器的放大分解俯视立体图；

图6是图1的便携式成像读取器的分解前视图；

图7是图4的照明光组件的立体图并且描绘了从其投射的截取照明光；

图8是根据本发明的以免提模式操作的成像读取器的立体图，其用于投射照明对象并且辅助将读取器瞄准在对象的光；

图9是图8的成像读取器的内部的立体图；以及

图10是根据本发明的以免提模式操作的另一成像读取器的内部的侧视图，其用于投射照明对象并且辅助将读取器瞄准在对象的光。

具体实施方式

图1中的附图标记30总体上标识便携式手持成像读取器，其具有手枪形状的壳体28以及可瞄准于待成像的对象的光透射窗口26(参见图6)。触发器34由操作人员手动按下以发起对象的成像，特别是位于窗口26或与窗口26间隔一定距离的一维或二维符号和/或非符号的成像。图8中的附图标记50总体上标识免提成像读取器，该免提成像读取器具有光透射窗口52以及由基座56支撑的盒状壳体54，该基座56用于在台面或类似的支撑面上支撑成像读取器50。因此，成像读取器50可以被用作其中对象被滑过、闪过或呈现至窗口52的固定工作台，或者能从台面被拾起并且用作手持式读取器。可以采用其它构造的壳体。如图8中所示，数据/电源线缆58被连接到读取器50，但也可以被省略，在该情况下，读取器50通过无线链路与远程主机进行通信，并且读取器50由机载电池来供电。

如图2中示意性所示，成像器24被安装在每个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、CMOS或晶片规模CCD，成像器24具有布置在一区域中的可寻址的图像传感器或像素的一维阵列或者以相互正交的行和列布置的这样的传感器的二维阵列，并且操作用于检测由成像透镜组件20通过窗口26、52沿着光路或光轴46捕捉到的回射光。回射光在二维视场上作为像素数据从对象38散射和/或反射。成像器24包括电路，例如用于将像素数据转换为表示指示每个像素的灰度级的数字的电信号的模数转换器。成像透镜组件20操作用于将回射光聚焦在图像传感器阵列上，以使得对象38能够被读取。对象38可以位于在近距工作距离(WD1)与远距工作距离(WD2)之间的工作距离范围内的任何位置。在优选实施例中，WD1距成像器24大约为4到6英寸，并且WD2可以距窗口26、52数英尺，例如约五十英尺。

根据本发明，照明光组件也被安装在每个成像读取器中，并且优选地包括：照明器或照明光源12，例如，彼此间隔开并且表面安装在PCB 22上的一对发光二极管(LED)12A、12B(参见图3-4)；以及照明器透镜组件10，例如一对照明透镜10A、10B(参见图3-4)，该一对照明透镜的每一个优选地但不一定被安装在各个照明LED 12A、12B上，该一对照明透镜用于光学地改变从照明LED 12A、12B发射的照明光，以形成如图7所示的一对锥形光束60A、60B，该一对锥形光束60A、60B至少部分地在对象38上重叠以用照明光均匀照明对象38。仅出于说明的目的，在图2中，照明LED 12A、12B和照明透镜10A、10B示意性被示作相对于的窗口26倾斜或偏斜。实际上，按照其它图中所示来布置照明LED 12A、12B和照明透镜10A、10B，并且照明LED 12A、12B和照明透镜10A、10B优选地对称地位于成像器24的相对侧。LED12A、12B优选地在曝光时间段中被加脉冲，但是可以被连续激励。

如图2中所示，照明LED 12A、12B操作地连接到操作用于控制这些部件的操作的控制器或编程微处理器36。成像器24也操作地连接到控制器36。本地存储器14可由控制器36来访问，以供存储和检索数据。

在操作中，控制器36发送命令信号以将照明LED 12A、12B在曝光时间段(即500微秒)或更短中加脉冲，并且在曝光时间段期间激励和曝光成像器24以从对象38收集回射光，例如照明光和/或环境光。具有滚动快门的典型阵列需要大约16-33毫秒来获取整个对象图像，并且以大约每秒30-60帧的帧速率进行操作。全局快门当前是优选的。由于照明LED 12A、12B仅在极短曝光时间段中被激励，因此可以以比之前更大的驱动电流来驱动照明LED 12A、12B。这使得曝光时间段尽可能的短，并且提高了滑动速度容差，而且增强了性能并且降低了总成本。

根据本发明的一方面，照明光组件执行两个功能：照明和瞄准。在现有技术中，如上所述，照明光组件只执行照明功能，并且单独的瞄准光组件执行瞄准功能，即，协助操作人员使读取器准确地瞄准对象38。

为了在不使用单独的瞄准光组件的情况下实现瞄准，每个读取器的壳体28、54被配置有界定通道72的边界壁，例如挡板(bezel)70(参见图5)。有利的是，将光透射窗口26、52安装在通道72中，并且由挡板70来界定。挡板70沿着光路46远离成像器24和照明LED 12A、12B。

在操作中，照明光组件沿着光路46通过通道72投射由光束60A、60B组成的照明光以对该对象38进行照明。同时，通过通道72投射的照明光由挡板70截取，以在对象38上形成可视地指示成像器24的视场外围的瞄准光分布60，以有助于将对象38完全定位在视场内。在现有技术中，照明光组件位于靠近窗口的前方，使得照明光不会被截取。通过使得成像器24和照明光组件按期望沿着光路远离窗口地进一步凹进壳体，挡板70对照明光进行截取。优选地，挡板70是圆周完整的，并且圆周地截取瞄准光分布60，以可视地指示视场的整个外围。因此，操作人员将看到对象38上照明光的比较突然的切断。两个照明LED12A、12B的视差将防止上述切断是完美的，但是视场外围以外的照明光强度将存在视觉上的降低，这足以指明视场末端的位置，并且使得操作人员能够避免将对象即使部分地定位在视场以外。

因此，消除了现有技术中所教导的单独瞄准光组件，以及与部件成本以及组装和对准其各种光学部件(诸如激光器、DOE和ROE)的人工成本相关的费用。消除单独瞄准光组件减小了读取器的重量和尺寸，从而使其显得重量很轻而且紧凑，而且对于被包括为执行其他功能的电气装置中的附属系统，是特别合意的，所述电气装置诸如零售店里的查价机、机场登机亭、彩票机等。

可选地，照明光组件可以包括用于发射瞄准光束的瞄准LED 74A以及用于光学地改变瞄准光束以在对象38中心投射瞄准斑80的瞄准透镜74B。通常将瞄准LED 74A和成像器24表面安装在PCB22上，并且优选地使瞄准LED 74A定位在照明LED 12A、12B之间的中间处。瞄准束还可以用于在读取器进入其中照明LED 12A、12B被关断但瞄准LED 74A被打开的睡眠模式之后唤醒读取器，并且成像器24用于检测对象38何时位于瞄准束中。响应于这样的检测，控制器36打开照明LED 12A、12B，并且恢复对象成像。即使是在黑暗的周围环境下，瞄准束也能提供足够的光来唤醒读取器。

底架82覆于PCB 22之上，并且通过一对紧固件84与PCB 22连接。底架保持成像透镜20和瞄准透镜74B，并且包围成像器24。防护玻璃84覆于成像器24之上，并且保护成像器24。图4中的所有组装部件被称为扫描或成像引擎。

在图1至图7中，成像引擎被安装在大约与挡板70同高。在图9中，成像引擎被安装在挡板(未示出)下面。一对堆叠的折射镜86、88折射光路两次，照明光60和/或瞄准斑80沿着该光路行进。在现有技术中，照明光组件位于靠近窗口的前方，使得照明光不会被截取。通过使成像器24和照明光组件按期望沿着光路远离窗口52地进一步凹进壳体，挡板70对照明光进行截取。使用两个折射镜86、88是增大照明光组件与挡板70之间的距离而不会增加壳体深度的一种方法。

增大照明光组件与窗口52之间的距离的另一方法是使用如图10中所描绘的单个折射镜88。图10中的成像引擎与其在图9中的定向相比被旋转90°，从而使得能够消除一个折射镜。

应当理解，上述元件中的每一个或者两个或多个一起也可以用于与上述类型不同的其它类型的构造。例如，挡板70不必是单独部分，而是可以是壳体本身的一部分，或者是安装在壳体前端区域的橡胶罩的一部分。而且，如上所述，使用一对照明LED具有距离窗口大约十英寸的范围以及大约每秒50到100英寸的滑动速度。可以将额外的照明LED，诸如另一对LED，安装在PCB 22上，以增大工作范围和/或滑动速度。如果不需要这样的增大的工作范围和/或滑动速度，则可以将单个照明LED安装在PCB 22上。

尽管已经将本发明阐述和说明为具有双重功能照明光组件的成像读取器和方法，但是本发明并不意在局限于所示出的细节，这是因为在不以任何方式背离本发明的精神的前提下，可以做出各种修改和结构改变。例如，本发明不限于其功能仅在于成像对象的成像读取器，而是等同地适用于具有成像器24作为其子系统中之一的移动计算机或终端。

在没有进一步分析的情况下，前述内容也充分展示了本发明的要点，人们可以通过应用现有知识来在不省略构成本发明总体或特定方面的基本特征的特征的情况下容易地使其适用于各种应用，因此，这样的使用应当并且希望在所附权利要求等价物的含义和范围内被理解。

在所附权利要求中阐述了作为新颖的并且希望收到专利证书保护的要求保护的内容。

Claims (19)

1.一种用于将对象电光成像的读取器，包括：

壳体，所述壳体具有界定通道的边界壁；

固态成像器，所述固态成像器由所述壳体支撑，用于捕捉来自对象的在视场上的沿着光路通过所述通道的回射光，并且用于生成指示所捕捉到的光的电信号；

控制器，所述控制器由所述壳体支撑，用于将所述电信号处理成指示被成像的所述对象的数据；以及

照明光组件，所述照明光组件由所述壳体支撑并且操作地连接到所述控制器，用于沿着所述光路通过所述通道投射照明光以照明所述对象，所述边界壁沿着所述光路远离所述成像器和所述照明光组件，用于对通过所述通道投射的所述照明光进行截取，以在所述对象上形成可视地指示所述视场外围的瞄准光分布，以有助于将所述对象完全定位在所述视场内。

2.根据权利要求1所述的读取器，还包括光透射窗口，所述光透射窗口在所述通道中并且由所述边界壁来界定。

3.根据权利要求1所述的读取器，其中，所述壳体被配置为被手持用于手持操作，并且具有所述边界壁所位于的前端区域。

4.根据权利要求1所述的读取器，其中，所述边界壁是圆周完整的，并且圆周地截取所述照明光以可视地指示所述视场的整个外围。

5.根据权利要求1所述的读取器，其中，所述成像器是电荷耦合器件、互补金属氧化硅器件和晶片规模器件中的一个。

6.根据权利要求1所述的读取器，其中，所述照明光组件包括彼此隔离的一对照明发光二极管(LED)，以及每个照明LED一个的一对照明透镜，用于在光学上将所述照明光改变为至少部分地重叠在所述对象上的一对锥形光束。

7.根据权利要求6所述的读取器，其中，所述照明光组件包括用于发射瞄准光束的瞄准发光二极管(LED)，以及用于光学地改变所述瞄准光束以在所述对象中心投射瞄准斑的瞄准透镜。

8.根据权利要求7所述的读取器，还包括印刷电路板，所述照明LED和所述成像器通常被安装在所述印刷电路板上，并且其中，所述一对照明LED位于所述成像器的相对侧。

9.根据权利要求8所述的读取器，其中，所述瞄准LED和所述成像器通常被安装在所述印刷电路板上，并且其中，所述瞄准LED位于所述照明LED之间的中间处。

10.根据权利要求1所述的读取器，其中，所述照明光组件包括用于发射瞄准光束的瞄准发光二极管(LED)，其中，所述成像器检测所述对象何时位于所述瞄准光束中，并且其中，所述控制器响应于对象检测发起成像。

11.一种用于将对象电光成像的读取器，包括：

边界装置，所述边界装置界定通道；

成像装置，所述成像装置用于捕捉来自对象的在视场上的沿着光路通过所述通道的回射光，并且用于生成指示所捕捉的光的电信号；

控制装置，所述控制装置用于将所述电信号处理为指示被成像的所述对象的数据；以及

照明装置，所述照明装置用于沿着所述光路通过所述通道投射照明光以对所述对象进行照明，所述边界装置沿着所述光路远离所述成像装置和所述照明装置，用于对通过所述通道投射的所述照明光进行截取，以在所述对象上形成可视地指示所述视场外围的瞄准光分布，以有助于将所述对象完全定位在所述视场内。

12.一种将对象电光成像的方法，包括下述步骤：

利用壳体的边界壁来界定通道；

在固态成像器的视场上捕捉沿着光路通过通道的来自对象的回射光，并且生成指示所捕捉到的光的电信号；

将所述电信号处理成指示被成像的所述对象的数据；

从照明光组件沿着所述光路通过所述通道投射照明光以对所述对象进行照明；以及

使所述边界壁沿着所述光路远离所述成像器和所述照明光组件，并且对通过所述通道投射的所述照明光进行截取，以在所述对象上形成瞄准光分布，所述瞄准光分布可视地指示所述视场的外围，以有助于将所述对象完全定位在所述视场内。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括将由所述边界壁界定的光透射窗口安装在所述通道中的步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括保持所述壳体用于手持操作并且将所述边界壁定位在所述壳体的前端区域上的步骤。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述边界壁配置为圆周完整的步骤，并且其中，通过对所述照明光进行圆周地截取以可视地指示所述视场的整个外围来执行所述截取步骤。

16.根据权利要求12所述的读取器，还包括将所述成像器配置为电荷耦合器件、互补金属氧化硅器件和晶片规模器件中的一个的步骤。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，通过将所述照明光改变为至少部分地重叠在所述对象上的一对锥形光束来执行所述投射步骤。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括发射并且光学地改变瞄准光束，以在所述对象的中心投射瞄准斑的步骤。

19.根据权利要求12所述的方法，还包括下述步骤：发射瞄准光束，检测所述对象何时位于所述瞄准光束中，以及响应于对象检测来发起成像。

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