CN103098073B - 成像扫描仪中通过液晶器件的焦距调整 - Google Patents

Abstract

一种使用成像扫描仪(50)的方法和装置。该装置包括照明源(72)、固态成像器(62)、液晶器件(100)、透镜系统(64)和解码电路(90)。液晶器件(100)具有夹设在两块平行板结构(120,130)之间的液晶材料(110)。透镜系统(64)用以将从目标物体反射的光通过液晶器件(100)聚集到固态成像器(62)中的光敏元件阵列上。解码电路(90)用以从固态成像器捕获的图像对目标物体上的条形码(40)进行解码。

Description

成像扫描仪中通过液晶器件的焦距调整

技术领域

本公开总地涉及基于成像的条形码扫描仪。

背景

已开发出各种电光系统以用于读取光学标记，诸如条形码。条形码是由一系列各不相同宽度的条和间隔构成的图形标记的代码化图案。在条形码中，条和间隔具有不同的光反射特性。一些条形码具有一维结构，其中条和间隔沿一个方向隔开以形成一行图案。一维条形码的例子包括统一产品代码(UPC)，UPC通常用于零售商店销售。一些条形码具有二维结构，其中多行的条和间隔图案垂直层叠以形成单个条形码。二维条形码的例子包括码49和PDF417，它们分别记载在美国专利4,794,239和美国专利5,304,786中。

使用一个或多个固态成像器以对条形码进行读取和解码的系统一般被称为基于成像的条形码读取器、成像扫描仪或成像读取器。固态成像器一般包括沿一个或多个阵列对准的多个光敏元件或像素。固态成像器的例子包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)成像芯片。

用于对条形码进行读取和解码的基于成像的条形码读取器的性能主要取决于由固态成像器检测到的该条形码的图像质量。图像质量取决于该图像是否被正确地聚焦在固态成像器上。在许多基于成像的条形码读取器中，使用致动器来移动透镜、镜或成像芯片，用以在某一延伸的工作距离范围内在固态成像器上获得聚焦的图像。然而，可能需要一种基于成像的条形码读取器，它能在不使用致动器或任何其他移动部件的情况下在某一工作距离范围内获得聚焦的图像。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种装置，该装置包括照明源、固态成像器、液晶器件、透镜系统以及解码电路。照明源用以提供指向目标物体的照明。固态成像器具有光敏元件阵列，用于从目标物体捕获图像。液晶器件具有夹设在两块平行板结构之间的液晶材料。透镜系统用以将从目标物体反射的光通过液晶器件聚集到固态成像器中的光敏元件阵列上。解码电路用以从固态成像器所捕获的图像对目标物体上的条形码进行解码。

另一方面，本发明涉及一种方法。该方法包括下列步骤或框图：(1)用照明源照射目标物体上的条形码；(2)用透镜系统将从目标物体反射的光通过液晶器件聚焦到固态成像器内的光敏元件的阵列上，其中液晶器件具有夹设在两块平行板结构之间的液晶材料；(3)将条形码的图像捕获到固态成像器内的光敏元件阵列上；以及(4)从固态成像器所捕获的图像对目标物体上的条形码进行解码。

本发明的诸个实现方式可包括以下优点中的一个或多个。当液晶器件结合成像扫描仪中的透镜系统使用时，可在不使用致动器或任何其他移动部件的情况下构建自动对焦系统。本领域技术人员在阅读本发明的以下说明书和研究附图部分中的若干附图之后，本发明的这些和其它优点将变得显而易见。

附图说明

附图连同以下详细描述被纳入说明书中并构成说明书的一部分，用于进一步说明包括所要求保护发明的概念的实施例，并说明那些实施例的多个原理和优点，其中贯穿各个图示，类似的附图标记表示相同或功能类似的要素。

图1示出根据一些实施例的成像扫描仪。

图2是根据一些实施例的成像扫描仪的示意图。

图3示出对透镜来说，图像聚焦面内的变化与物体聚焦面内的变化如何相关。

图4示出根据一些实施例的用在成像扫描仪中的成像透镜组件的实现。

图5示出包括夹设在两块平行板结构之间的液晶材料的液晶器件。

本领域技术人员将理解，图中的要素为了简化和清楚而示出，并且不一定按比例绘制。举例而言，附图中一些要素的尺寸可能相对于其它要素被放大，以帮助改善对本发明实施例的理解。

在适当情况下，装置和方法的构成要素通过附图中的常规符号来表示，仅示出那些与理解本发明的实施例有关的特定细节，以免那些对得益于本文描述的本领域普通技术人员而言显见的细节混淆本公开。

具体实施方式

图1示出根据一些实施例的成像扫描仪50。成像扫描仪50具有窗56以及带手柄的外壳58。成像扫描仪50也具有用于将在工作台上支承自身的底部52。当成像扫描仪50被放置在工作台上时，其可以免提模式作为固定工作站来使用。当从工作台取下成像扫描仪50并握持在操作者的手中时，其也可用于手持模式。在免提模式中，产品可滑过、刷过或呈现至窗56。在手持模式下，成像扫描仪50可朝向产品上的条形码移动，并可手动地按扳机54以发起对条形码的成像。在一些实现中，可省去底部52，并且外壳58也可以是其他形状。在图1中，电缆也连接于底部52。在其他实现中，当省去连接于底部52的电缆时，成像扫描仪50可由板载电池供电并且其可通过无线链路与远程主机通信。

图2是根据一些实施例的成像扫描仪50的示意图。图2中的成像扫描仪50包括下列组件：(1)位于成像透镜组件60后面的固态成像器62；(2)位于照明源72前面的照明透镜组件70；(3)位于瞄准光源82前面的瞄准透镜组件80；以及(4)控制器90。在图2中，成像透镜组件60、照明透镜组件70以及瞄准透镜组件80被定位在窗56后面。固态成像器62被安装在成像扫描仪中的印刷电路板91上。

固态成像器62可以是CCD或CMOS成像设备。固态成像器62一般包括多个像素元件。这些多个像素元件可由线性地呈单行排列的光敏元件的一维阵列形成。这些多个像素元件也可由以相互正交的行和列排列的光敏元件的二维阵列形成。固态成像器62用以检测由成像透镜组件60捕获的沿光路或轴61通过窗56行进的光。一般来说，固态成像器62和成像透镜组件60被设计成一起工作以捕获从条形码40散射或反射的光作为二维视场(FOV)上的像素数据。

条形码40一般位于近端（close-in）工作距离(WD1)和远端（far-out）工作距离(WD2)之间的工作距离范围内的任何位置。在一特定实现中，WD1离窗56大约几英寸，而WD2离窗56大约几英寸。一些成像扫描仪可包括测距系统，用于测量条形码40和成像透镜组件60之间的距离。一些成像扫描仪可包括自动对焦系统，用以允许基于所测得的条形码的距离用固态成像器62来对该条形码更清晰地进行成像。在自动对焦系统的一些实现中，基于所测得的条形码的距离来调节成像透镜组件60的焦距。在自动对焦系统的其他一些实现中，成像透镜组件60和固态成像器62之间的距离是基于所测得的条形码的距离来调节的。

在图2中，照明透镜组件70和照明源72被设计成一起工作以在照明时段产生朝条形码40照射光。照明源72可包括一个或多个发光二极管(LED)。照明源72也可包括激光器或其他类型的光源。瞄准透镜组件80和瞄准光源82被设计成一起工作以产生朝向条形码40的可见瞄准光图案。该瞄准图案可被操作者用来将成像扫描仪准确地瞄准至条形码。瞄准光源82可包括一个或多个发光二极管(LED)。瞄准光源82也可包括激光器或其他类型的光源。

在图2中，例如微处理器的控制器90可操作地连接于固态成像器62、照明源72和瞄准光源82以控制这些组件的操作。控制器90也可用来控制成像扫描仪中的其他器件。成像扫描仪50包括存储器94，该存储器可由控制器90访问以存储和检索数据。在许多实施例中，控制器90也包括解码器，用于对落在成像扫描仪50的视场(FOV)内的一个或多个条形码进行解码。在一些实现中，可通过用微处理器数字地处理所捕获的条形码的图像来对条形码40进行解码。

在操作中，根据一些实施例，控制器90发送命令信号来对照明源72供能长达一预定的照明时间段。控制器90随后使固态成像器62曝光以捕获条形码40的图像。捕获的条形码40图像作为像素数据被转移至控制器90。该像素数据由控制器90中的解码器数字地处理以对条形码进行解码。从解码条形码40所获得的信息随后被存储在存储器94中或被送至其他设备以供进一步处理。

图3示出对透镜64A来说，图像聚焦面内的变化与物体聚焦面内的变化如何相关。在图3中，透镜64A具有焦距f。如图3所示，透镜64A将位于与透镜系统相隔距离D₁处的物体聚焦至位于与透镜系统相隔距离d₁处的图像聚焦面内，其中物距D₁和像距d₁通过关系式1/f=1/D₁+1/d₁相关联。类似地，透镜64A将位于与透镜系统相隔距离D₂处的物体聚焦至位于与透镜系统相隔距离d₂处的图像聚焦面，其中物距D₂和像距d₂通过关系式1/f=1/D₂+1/d₂相关联。它遵循1/D₁-1/D₂=1/d₁-1/d₂。因此，物距的变化通过下面的方程与像距的变化相关联。

即，物体焦点ΔD₁₂的轴向偏移与像焦点的偏移Δd₁₂乘以相应放大倍数M的平方紧密相关。

图4示出根据一些实施例用在成像扫描仪50中的成像透镜组件60的实现。图4中的成像透镜组件60包括透镜系统64和液晶器件100。图5更详细地示出液晶器件100。在图5中，液晶器件100包括夹设在两块平行板结构120与130之间的液晶材料110。在一种实现中，两块平行板结构120、130由玻璃、塑料或其他透明材料制成。透明的导电材料层——例如ITO(掺锡的氧化铟)——可被涂覆在两块平行板结构120和130的每一个上以形成电极，用来在两块平行板结构120与130之间施加电压。

在图5中，电压源140连接于液晶器件100以在两块平行板结构120与130之间施加电压以改变液晶材料110的折射率。例如，当在两块平行板结构120与130之间施加第一电压V₁时，液晶材料110的折射率变为N₁；当在两块平行板结构120与130之间施加第二电压V₂时，液晶材料110的折射率变为N₂。

如图4所示，透镜系统64和液晶器件100被设置在固态成像器62的前面。来自位于与透镜系统64相隔物距D₁处的条形码40的光可聚焦在位于与透镜系统64相隔成像距离d₁处的固态成像器62上。当将液晶器件100插入到透镜系统64和固态成像器62之间的光路中的某一位置时，物体(例如条形码40)的像的聚焦位置将偏移。由于液晶器件100造成的像焦点的偏移Δd依赖于液晶器件100中的液晶材料110的折射率。如果液晶材料110的厚度为T且液晶材料110的折射率为N，则由具有折射率N的液晶材料110造成的像焦点的偏移Δd(N)由方程Δd(N)=T*(N-1)/N给出。因此，如果液晶材料110的折射率为N₁，则像焦点的偏移为Δd(N₁)=T*(N₁-1)/N₁，并且如果液晶材料110的折射率为N₂，则像焦点的偏移为Δd(N₂)=T*(N₂-1)/N₂。

当液晶材料的折射率从N₁变至N₂时，像焦点改变一数量

Δd₁₂=Δd(N₂)-Δd(N₁)=T*(N₂-N₁)/N₁N₂

像焦点的这种改变Δd₁₂可通过方程Δd₁₂≈(ΔNN)*(T/N)来近似地估算出，其中N是平均折射率而ΔN/N是折射率的相对变化。像焦点的这种改变Δd₁₂导致物体聚焦面的相应变化

在其中T=1mm、ΔN/N=25%、N=1.3和M=25的例子中，拟成像的物体的聚焦面的改变是ΔD₁₂≈120mm，这大约是4.7英寸。因此，由在液晶器件100中的两块平行板结构120与130之间施加的电压造成的液晶材料110折射率的某些变化可能造成拟成像的物体的聚焦面的显著偏移。

通过液晶器件100与透镜系统64的结合，可为成像扫描仪50构建自动对焦系统而无需使用致动器或任何其他移动部件。成像扫描仪50的物体聚焦面可通过简单地调整施加于液晶器件100的电压而偏移，以将条形码的图像更清晰地聚焦到固态成像器62上。另外，由于两块平行板结构的性质，落在自动对焦工作范围内的条形码的图像质量将不会对液晶器件100的机械位置和角公差非常敏感。这意味着液晶器件100在生产过程中更易于组装到成像扫描仪50中。

在成像扫描仪50的自动对焦系统中使用液晶器件100还具有其他优势。例如，由于液晶器件100位于透镜系统64和固态成像器62之间，因此能很好地与外部世界形成屏蔽并密闭在成像扫描仪50的机架腔内。此外，如果不需要自动对焦功能，则可轻易地将液晶器件100从成像扫描仪50移走，由此成像透镜组件60能成为具有固定焦距的系统。

在上述说明书中已经描述了特定实施例。然而，本领域普通技术人员将理解可作出各种修改和改变，而不背离后附权利要求中陈述的本发明的范围。因此，说明书和附图将按照说明的意义而不是限制的意义来看待，且所有此类修改旨在被包含在本示教的范围内。

这些益处、优点、问题的解决方案以及可使任何益处、优点或解决方案发生或变得更突出的任何要素不应当解释为任何或所有权利要求的关键、必需的或实质的特征或要素。本发明仅由所附权利要求限定，所附权利要求包括在本申请待审期间作出的任何修改以及那些授权权利要求的所有等效方案。

此外，在本文中，诸如第一和第二、顶部和底部等等之类的关系术语仅用于将一个实体或动作与另一实体或动作区分开，而不一定要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包括……的”、“具有”、“具有……的”“含有”、“含有……的”、“包含”、“包含……的”或其任意其它变型旨在覆盖非排他的包含，使得包括、具有、含有、包含一系列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素而且还包括并未明确列出的其它要素或这些过程、方法、物品或装置固有的其它要素。跟随有“包括……一”、“具有……一”、“含有……一”、“包含……一”的要素不排除包括、具有、含有、包含该要素的过程、方法、制品或装置中存在附加的相同要素，且无更多限制。术语“一”和“一个”被定义为一个或多个，除非本文明确地另外指明。术语“基本上”、“本质上”、“将近”、“约”或其任何其它版本被定义为如本领域普通技术人员所理解的那样的“接近于”，且在一个非限制性实施例中，该术语被定义为在10%以内，在另一实施例中在5%以内，在另一实施例中在1%以内，且在另一实施例中在0.5%以内。在本文中所使用的术语“耦合”被定义为“连接”，尽管不一定直接连接且不一定机械地连接。以某种方式“配置”的设备或结构至少以该方式配置，但也可能以本文未列出的方式来配置。

将理解，一些实施例可由一个或多个通用或专用处理器（或“处理设备”）和唯一存储的程序指令（包括软件和固件）组成，其中一个或多个通用或专用处理器诸如微处理器、数字信号处理器、定制处理器和现场可编程门阵列（FPGA）等，而程序指令控制上述一个或多个处理器以结合某些非处理器电路实现本文中描述的方法和/或装置的一些、大多数或全部功能。替代地，一些或全部功能可由不具有存储的程序指令的状态机实现，或在一个或多个专用集成电路（ASIC）中实现，在一个或多个专用集成电路（ASIC）中，这些功能的每个功能或某些功能的一些组合可被实现为定制逻辑。当然，可使用两种方法的组合。

此外，实施例可被实现为计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机可读代码，用于对计算机（例如包括处理器）编程以执行如本文描述和要求保护的方法。此类计算机可读存储介质的示例包括但不限于硬盘、CD-ROM、光学存储设备、磁存储设备、ROM（只读存储器）、PROM（可编程只读存储器）、EPROM（可擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）以及闪存。再者，预期在本文所公开的概念和原理的引导下，本领域技术人员能在无需潜在地显著努力以及受例如可用时间、当前技术和经济考虑启发的许多设计选择的情况下，通过最少实验容易地产生此类软件指令和程序以及IC。

提供说明书摘要是为了允许阅读者迅速查明本技术公开的本质。应理解，它将不用于解读或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述的详细描述中可见，为使本公开更为流畅，可将各种特征编组在多个实施例中。本公开的方法不应被解读为反映下述意图：所要求保护的实施例需要比在每一权利要求中明确表述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求反映的，发明主题可在于比单个公开实施例的全部特征更少的特征。因此，所附权利要求在此被纳入详细描述中，其中每一项权利要求独自作为单独要求保护的主题。

Claims (9)

1.一种对条形码进行读取和解码的装置，包括：

照明源，用于提供指向目标物体的照明；

固态成像器，所述固态成像器具有一阵列的光敏元件，用于捕获来自目标物体的图像；

液晶设备，所述液晶设备具有夹设在两块平行板结构之间的液晶材料，其中所述液晶设备没有改变来自所述目标物体并通过所述液晶设备的图像的大小，并且其中在所述两块平行板结构之间施加电压以改变所述液晶材料的折射率；

透镜系统，所述透镜系统工作以将从目标物体反射的光通过液晶设备聚焦到固态成像器中的光敏元件阵列上；以及

解码电路，所述解码电路工作以从固态成像器捕获的图像对所述目标物体上的条形码进行解码。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两块平行板结构形成两个透明电极。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两块平行板结构形成两个电极，所述两个电极在从照明源产生的照明波长下是透明的。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

电路，用于在所述两块平行板结构之间施加一电压。

5.一种对条形码进行读取和解码的方法，包括：

用照明源照射目标物体上的条形码；

用透镜系统将从所述目标物体反射的光通过液晶设备聚焦到固态成像器中的光敏元件阵列上，其中所述液晶设备具有夹设在两块平行板结构之间的液晶材料，并且所述液晶设备没有改变来自所述目标物体并通过所述液晶设备的图像的大小，并且进一步其中在所述两块平行板结构之间施加电压以改变所述液晶材料的折射率；

将所述条形码的图像捕获在所述固态成像器中的光敏元件阵列上；以及

从通过所述固态成像器捕获的图像对所述目标物体上的条形码进行解码。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

配置所述两块平行板结构以起到两个电极的作用。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述两块平行板结构之间施加一电压。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚焦包括：

将从目标物体反射的光通过所述液晶材料聚焦到所述固态成像器中的光敏元件阵列上。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚焦包括：

将从所述目标物体反射的光通过所述液晶材料并通过所述两块平行板结构聚焦到所述固态成像器中的光敏元件阵列上。