CN103109299B - 电光读取器中具有集成的物体传感器的扫描引擎 - Google Patents

Abstract

读取器中的扫描模块以及光电读取标志的方法包括：光源，用于在读取期间将光引导向标志；光检测器，用于在读取期间引导从标志返回的光并产生指示检测到的返程光的电信号；以及目标传感器，用于感测载有标志的目标并产生用于发起读取的触发信号。光源、光检测器和目标传感器全部由同一机架支持。

Description

电光读取器中具有集成的物体传感器的扫描引擎

发明背景

移动激光束读取器或激光扫描仪以及固态成像系统或成像读取器已以手持和免提两种操作模式使用以电光地读取一维条形码标志（symbol），尤其是沿一个方向具有一排长条和彼此隔开的间隔的通用产品码(UPC)类型，以及二维标志，例如Code49标志，其在单个标志中引入垂直层叠的多排长条和间隔图案的概念，如美国专利No.4,794,239中描述的那样。另一增加可在给定量的表面积上表征或存储的数据量的二维码结构已知为PDF417并记载在美国专利No.5,304,786中。

已知的移动激光束读取器一般包括：激光扫描引擎或模块，用于支持可电供能的激光器以射出激光束；聚焦透镜组件，用于聚焦激光束以在工作距离范围内的焦平面上形成具有某一尺寸的束斑；可电供能的扫描组件，用于横跨扫描图案中的标志地反复地扫描束斑，例如，每秒多次横跨对象标志的一扫描行或一系列扫描行，例如40次/秒；光电检测器，用于检测从标志反射和/或散射的激光并将检测到的激光转换成模拟电信号；以及电信号处理电路，其包括用于将模拟信号数字化的数字化器。有时，激光扫描引擎也支持控制器或微处理器，所述控制器或微处理器用于控制由激光扫描引擎支持的电气组件的操作和用于基于标志所使用的特定符号体系来对数字化的信号进行解码。

已知的成像读取器包括用于支持固态、图像传感器的成像扫描引擎或模块，该固态、图像传感器包括像素或光传感器阵列，用以感测从成像中的对象返回的光。图像传感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)器件并与用于电子数字相机中使用的图像传感器相似。该对象可以是标志或非标志。成像扫描引擎也支持：用于通过来自照明光源的照明光照亮标志的照明光组件，所述照明光源例如是一个或多个发光二极管(LED)；成像透镜组件，例如一个或多个成像透镜，用于捕获从某一视野或如从读取器前面测得的某一工作距离范围内的标志散射和/或反射的返程环境和/或照明光；以及电路，用于产生与在该视野内由图像传感器捕获的光的强度对应的电子模拟信号并用于将该模拟信号数字化。成像扫描引擎可选择地支持：瞄准光组件，用于投射例如大致圆点或十字准线以定位在标志中央的可见瞄准光图案，从而协助操作者在图像捕捉前在视觉上将标志定位在视野内，以及控制器或微处理器，用于控制成像扫描引擎支持的电气组件的操作并用于基于该标志所使用的特定符号体系来对数字化的信号进行处理和/或解码。

因此已知的是使用例如美国专利No.5,703,349中披露的图像传感器来捕获标志的单色图像。另外已知使用例如美国专利No.4,613,895中披露的具有多个掩埋通道的图像传感器以捕获标志的全色图像。常见地提供具有在VGA监视器中常见的640×480分辨率的二维CCD，尽管其它分辨率大小也是可行的。

在一些场合下，已知的激光器和成像扫描引擎被安装在配置成固定工作站的外壳内，所述固定工作站例如是自助售卖亭或免提、固定位置的显象扫描仪，该显象扫描仪具有或者是向其呈现标志或者是在其上扫过标志的窗。一些扫描引擎连续地捕捉并尝试对标志解码而不顾及标志实际上是否在视野内。然而，在成像扫描引擎的情形下来自照明组件的LED的连续、反复的亮光闪烁以及在激光扫描引擎的情形下来自激光器的激光亮光闪烁消耗并浪费能量，降低了组件寿命，并对于读取器的操作者和附近正被服务的顾客来说可能被感受为讨厌的、分散注意的和恼人的。

为了缓解这些问题，业内已提出用一些不同的方式周期地激活(即唤醒)扫描引擎。例如，扫描引擎可以非常低的占空比(大约10％)工作。因此，扫描引擎在非常短的时间周期内唤醒以对视野进行扫描并尝试检测其中的标志的存在。然而，这造成读取器性能的滞缓并使解码延迟，这可能被视为工程设计缺陷。另外，在唤醒时间段期间，分散注意的闪烁激光或照明光仍然存在。

成像引擎的另一方式尝试检测标志而无需激励照明LED。然而，在低环境光状况下，例如当读取器被定位在零售环境的黑暗角落时，由于图像传感器的曝光必须非常长以对于物体检测获取可接受亮度的图像，因此激活时间将很慢。同样，读取器的性能是滞缓的。

仍然，成像引擎的又一种方法是使用由瞄准组件产生的瞄准图案作为目标检测的辅助照明。然而，由于执行某些图像处理以检测标志并对正确的图像获取设置图像传感器的参数以解码需要时间，因此引擎激活仍然有些慢(～40ms)。另外，由于瞄准图案一般仅限于视野的中央区域，只有在标志出现在视野中央时扫描引擎才可被激活，这进一步助长了滞缓的性能。

如美国专利No.5,280,162和No.5,449,891例示的那样，独立专用目标传感器可被安装在读取器中，以便只有在扫描引擎的有效视野内检测到载有标志的目标的情况下才激活扫描引擎。然而，这类安装是复杂的和昂贵的并需要执行光学对准程序。目标传感器的物体检测视野不保证与扫描引擎的视野匹配。目标感测特征因此不能容易地纳入到新装置中。

发明内容

本发明的一个特征简言之在于用来电光地读取对象标记(尤其是条形码标志)的读取器的扫描引擎或模块。读取器包括具有透光窗的外壳。扫描模块被安装在外壳内并包括：机架；光源，其由机架支持以在读取期间引导光通过标志处的窗；光检测器，其由机架支持以在读取期间检测通过窗从标志返回的光并用于产生指示检测到的返程光的电信号；以及目标传感器，其由机架支持以感测载有标志的目标并产生用于发起读取的触发信号。控制器或微处理器或者安装在机架上或者安装在机架外。控制器响应触发信号并可作用以控制由扫描引擎支持的电组件的操作并将电信号处理成与标志对应的数据。目标传感器因此已被集成在扫描引擎上。

在扫描引擎是基于激光器的一个实施例中，光源是射出激光束的激光器。聚焦透镜组件由机架支持，以聚集激光束从而在相对于扫描模块的工作距离范围内形成束斑。可电供能的扫描组件也由机架支持，用于在横跨标志的扫描图案中横跨标志反复地扫描束斑。光检测器是用于检测从标志返回的激光并将返回的激光转换成电信号的光电检测器。

在扫描引擎是基于成像器的另一实施例中，光源是用照明光照亮标志的照明光源，而光检测器是具有用于检测从标志返回的照明光的像素阵列的固态图像传感器。成像透镜组件也由机架支持，用于在视野内和相对于扫描模块的工作距离范围内捕获返程的照明光。可选的瞄准光组件同样由机架支持，用于在标志上投射可见的瞄准光图案以帮助操作者在读取前从视觉上将标志定位在视野内。

在任一实施例中，机架优选地包括印刷电路板，该印刷电路板上共同安装有光源、光检测器和目标传感器。目标传感器包括：红外光发射器，用于向目标射出红外光以从其返回；以及红外光传感器，用于在与光检测器的视野重叠的检测视野内监测从目标返回的射出红外光。

优选地，对基于成像器的扫描引擎来说，照明光源包括一对间隔开的、发光二极管(LED)，这对发光二极管在印刷电路板上被安装在图像传感器的相对侧处。红外光发射器和红外光传感器优选地安装在图像传感器的相对侧处。如果提供瞄准光组件，则其在印刷电路板上位于红外光发射器和红外光传感器之间。机架也可包括在其上安装例如成像透镜的透镜的机架罩。

本发明的另一特征简言之在于一种电光读取标志的方法，该方法通过下列步骤实现：通过在机架上支持一光源在读取期间将光引向标志；在读取期间检测从标志返回的光；通过在机架上支持一光检测器而产生指示检测到的返程光的电信号；以及通过在机架上支持一目标传感器而产生用于发起读取的触发信号。

本发明相信具有新颖性的特征在所附权利要求中具体陈述。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是工作在手持模式或免提模式的用于电光读取标记的电光读取器的立体图；

图2是根据本发明具有与目标传感器集成的激光扫描引擎的、用于电光读取标记的移动激光束读取器的部分剖切示意图；

图3是根据本发明具有与目标传感器集成的成像扫描引擎的、用于电光读取标记的成像读取器的部分剖切示意图；

图4是图1的读取器的各个组件的示意图。

图5是用于图3的读取器的成像扫描引擎的分解立体图；

图6是图5的成像扫描引擎的组装立体图。

具体实施方式

如本文中使用的，术语“标志”广义上不仅涵盖由不同宽度的交替的条和间隔构成并通常被称为条形码标志的标志图案，也涵盖其它标记，例如一维或二维图形图案以及字母数字字符，甚至包括非标记，例如签名、驾驶员执照、收据等。标志可印刷在目标上，或可显示在诸如蜂窝电话的目标的屏幕上。一般来说，术语“标志”可适用于可通过扫描光束并检测反射或散射的光作为在图案或字符的各个点处的光反射率的变化的表征或通过捕获来自图案或字符的环境光和/或照明光以形成拟被处理的图像来辨认或识别的任何类型图案或字符。

图1中的附图标记30总地指示一电光读取器，该电光读取器具有窗26以及由底座32支持的枪形外壳28，所述底座32用于将读取器30支承在工作台上。读取器30因此可以：以免提模式用作固定工作站，其中目标或产品滑过、扫过或被呈现给窗26，或可从工作台摘下并握持在操作者的手中；以及以手持模式来使用，其中手动地按下扳机34以发起对拟读取的标记(尤其是一维标志)的读取。在另一变例中，可省去底座32，并可采用其它配置的外壳。外壳也可永久地固定于固定支架。如图1所示，也可将连接于底座32的电缆省去，在这种情形下，读取器30通过无线收发器与远程主机通信，并且读取器由板载电池电气地供能。

图2示意地示出安装在读取器30中的激光扫描引擎60或模块。激光扫描引擎60包括：机架80，机架80用于支持可电供能的激光器64，用以射出激光束；聚焦透镜组件或光学器件61，用于聚焦激光束以在工作距离范围内的焦平面上形成具有某一尺寸的束斑；可电供能的扫描组件62，用于横跨扫描图案中的标志地反复地扫描束斑，例如，每秒多次地横跨对象标志的一扫描行或一系列扫描行，例如40次/秒；光电检测器66，用于检测从标志反射和/或散射的激光并将检测到的激光转换成模拟电信号；以及电信号处理电路，其包括用于将模拟信号数字化的数字化器68。有时，激光扫描引擎60也支持控制器或微处理器36，所述控制器或微处理器36用于控制由激光扫描引擎60支持的电气组件的操作以及用于基于标志所使用的特定符号体系来对数字化的信号进行解码。

图3示意地示出安装在读取器30中的成像扫描引擎50或模块。成像扫描引擎50包括机架80，用于支持固态、图像传感器24，该固态、图像传感器24包括像素或光传感器阵列以感测从被成像的对象返回的光。图像传感器24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，并与用于电子数字相机中使用的图像传感器相似。该对象可以是标志或非标志。成像扫描引擎50也支持：照明光组件10、12，该照明光组件10、12如下文中更详细描述地用于通过来自照明光源的照明光照亮标志；成像透镜组件，例如一个或多个成像透镜20，用于捕获从某一视野或如从读取器前面测得的某一工作距离范围上的标志散射和/或反射的返程的环境光和/或照明光；以及电路，其用于产生与在该视野内由图像传感器捕获的光的强度对应的电子模拟信号并用于将该模拟信号数字化。

成像扫描引擎50可选择地支持瞄准光组件16、18，该瞄准光组件16、18如下文更详细描述地用于投射可见的瞄准光图案，例如标志中央处的一般圆形斑点或十字准线，以帮助操作者在图像捕获前从视觉上将标志定位在视野内。有时，成像扫描引擎50也支持控制器或微处理器36，该控制器或微处理器36用于控制由成像扫描引擎50支持的电气组件的操作以及用于基于标志所使用的特定符号体系来对数字化的信号进行处理和解码。

如图4所示，传感器24被安装在印刷电路板(PCB)22上，传感器24构成机架80的一部分。成像透镜组件20捕获沿光路或光轴46通过窗26在视野内的返程光。返程光是从视野内的对象或标志38散射和/或反射的。标志38位于近距工作距离(WD1)和远距工作距离(WD2)之间的工作距离范围内的任何位置处。在一优选实施例中，WD1离窗26大约1/2英寸，而WD2离窗26可以是许多英寸。

照明组件优选地包括：照明器或照明光源12，例如图5-6所示的一对发光二极管(LED)12A、12B；以及照明透镜组件10，例如同样在图5-6中所示的相应的一对照明透镜10A、10B，以用照明光图案均匀地照亮标志38。下面将描述照明组件的细节，如图5-6中最清楚地看到的那样。

瞄准组件优选地包括例如瞄准LED的瞄准光源18以及在标志38上产生瞄准光图案的瞄准透镜16。下面将描述瞄准组件的细节，如图5-6中最清楚地看到的那样。

如图4所示，图像传感器24、照明光源12和瞄准光源18可操作地连接于控制器或微处理器36，控制器或微处理器36可作用以控制这些组件的操作。存储器14连接于控制器36并可由控制器36访问。优选地，微处理器就是用来处理来自对象标志的返程光并用于对捕获的对象图像进行解码的微处理器。

在成像扫描引擎50的操作中，控制器36发送命令信号以驱动瞄准LED18以在读取前将瞄准图案投射到对象上并随后在一短时间段(也就是500微秒或更短时间)内驱动照明LED12A、12B，并在帧的曝光时间段内对图像传感器24供能以在所述时间周期内采集来自对象的光。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。传感器24可具有一百万数量级的可寻址像素。

如图5-6最清楚示出的那样，一对照明LED12A、12B彼此隔开并表面安装在PCB22上，并且这对照明透镜10A、10B被安装在照明LED12A、12B上以光学地修正从照明LED12A、12B射出的照明光。照明LED12A、12B和照明透镜10A、10B优选地对称设置在图像传感器24的相对侧处，该图像传感器24也被表面安装在PCB22上。照明LED12A、12B优选地针对曝光时间段提供脉冲。选择地，瞄准LED18被安装在PCB22上位于照明LED12A、12B之间的中点处并在传感器24之上。

机架罩82覆于PCB22之上并通过图示的紧固件与之连接。机架罩82将成像透镜20保持在传感器24前方并也将瞄准透镜16保持在瞄准LED18前方并密封传感器24使其与杂散光分离。罩玻璃86覆盖并保护图像传感器24。图6中所有组装后的组件被统称为成像扫描引擎。

根据本发明，目标传感器由激光扫描引擎60(图2)或成像扫描引擎(图3)的机架80支持以感测载有标志38的目标并产生用以发起读取的触发信号。触发信号被引导至控制器36。目标传感器包括：红外(IR)光发射器，例如IRLED40，用于向目标发出波长范围从700nm至大约1100nm的对人眼不可见的IR光并使光从目标返回；以及IR光传感器42，用于以以下这样一种方式监视在与成像透镜20或检测器66的视野重叠的检测视野内从目标返回的射出IR光：仅在目标落在视野内的情况下才激活扫描引擎50、60。为了更好的系统效率和指向感兴趣的物体方向，IRLED40的观察角近似等于IR传感器42的检测视野。IR传感器42可具有附加的光学器件和孔以更精确地匹配成像透镜的视野。IRLED40和IR传感器42被表面安装于PCB22上位于图像传感器24的相对侧处并高于该图像传感器，优选地位于瞄准LED18的侧面。

IR传感器42可具有日光滤光器以为更好性能而提高信号光-环境光之比。日光滤光器基本上阻挡在大约350nm至大约700纳米范围内的可见光并使IR光通过。窄带通滤波器也可以是有益的。在另一优选实施例中，IRLED40和IR传感器42可彼此接近地封装并实现为位于瞄准LED18的同一侧上的单个集成组件。

控制器36执行算法以通过使用IR传感器42监测从IRLED40射出并经反射的IR光来确定目标是否存在。在初始化时，控制器36将使用模数转换器来确定背景环境光的基准以调整增益以使其在各种光照条件下不饱和。在初始化后，优选地通过控制器36或者在软件或者在硬件中设定阈值，以指示目标的存在与否。在设定硬件阈值的实施例中，在外部硬件监视经反射的IR光的能级的同时控制器36可进入降低功率状态。在超出阈值的情况下，硬件经由触发信号唤醒控制器36。替代地，作为过滤以同一IRLED波长射出的其它光源的方法，控制器36也可以已知频率向照明LED12A、12B提供脉冲并检测所述已知频率下的经反射的光。

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。

尽管本发明已描述和记载作体现为在电光读取器中具有集成的目标传感器的扫描引擎，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字面专利保护。

Claims (10)

1.一种用于电光读取标志的扫描模块，包括：

包括印刷电路板PCB的机架和覆盖在所述印刷电路板之上的机架罩；

光源，所述光源安装在所述PCB上并由机架支持以在读取期间将光引导向标志；

光检测器，所述光检测器安装在所述PCB上并由所述机架支持以在读取期间检测从所述标志返回的光并产生指示检测出的返程光的电信号；以及

透镜组件，所述透镜组件通过所述机架罩保持在位并位于所述光检测器的前方；以及

与所述光检测器分离并整体安装在所述PCB板上的目标传感器，所述目标传感器由所述机架支持以感测载有标志的目标并产生用于发起读取的触发信号。

2.如权利要求1所述的扫描模块，其特征在于，所述光源是用于发出激光束的激光器；并且聚焦透镜组件由所述机架支持以聚焦所述激光束以在相对于所述扫描模块的工作距离范围内形成束斑,所述聚焦透镜组件包括由所述机架罩保持的透镜组件；并且电供能的扫描组件由所述机架支持以在横跨所述标志的扫描图案中横跨标志地扫描束斑，其中所述光检测器是用于检测从所述标志返回的激光并将返回的激光转换成电信号的光电检测器。

3.如权利要求1所述的扫描模块，其特征在于，所述光源是用照明光照亮所述标志的照明光源，所述光检测器是具有一阵列像素以检测从所述标志返回的照明光的固态图像传感器；并且成像透镜组件由所述机架支持以在一视野或相对于所述扫描模块的一工作距离范围内捕获返程照明光，所述成像透镜组件包括由所述机架罩保持的透镜组件。

4.如权利要求3所述的扫描模块，其特征在于，所述照明光源包括一对间隔开的发光二极管(LED)，这对发光二极管被安装在所述图像传感器的相对两侧，其中所述目标传感器包括：红外光发射器，用于朝向所述目标发射红外光并使红外光从所述目标返回；以及红外光传感器，用于监测已射出并从所述目标返回的红外光，其中所述红外光发射器和所述红外光传感器被安装在所述图像传感器的相对两侧。

5.如权利要求1所述的扫描模块，其特征在于，所述光检测器监测视野内的返程光，并且所述目标传感器包括：红外光发射器，用于向目标射出红外光并使红外光从所述目标返回；以及红外光传感器，其监测在与所述光检测器的视野重叠的检测视野内的返程红外光。

6.一种电光读取标志的方法，包括以下步骤：

在印刷电路板PCB上安装光源、光检测器和目标传感器，其中所述目标传感器与所述光检测器分离并整体安装在所述PCB上；

通过将所述光源支持在具有覆盖在所述PCB之上的机架罩的机架上而在读取期间将光引导向标志；

通过在所述机架上支持所述光检测器并用所述机架罩将透镜组件保持在所述光检测器前方而在读取期间用所述光检测器检测从所述标志通过透镜组件返回的光并产生指示检测出的返程光的电信号；以及

通过在所述机架上支持所述目标传感器来感测载有标志的目标并产生用于发起读取的触发信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述引导步骤通过如下方式实现：射出激光束；通过在所述机架上支持聚焦透镜组件聚焦所述激光束以在相对于扫描模块的一工作距离范围内形成束斑，所述聚焦透镜组件包括由所述机架罩保持的透镜组件；并通过在所述机架上支持电供能的扫描组件在横跨所述标志的扫描图案中横跨所述标志地扫描所述束斑，其中所述检测步骤是通过检测从所述标志返回的激光并将所述返回的激光转换成电信号来实现的。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述引导步骤是通过用照明光照亮所述标志来实现的，所述检测步骤是由固态图像传感器实现的，所述固态成像传感器具有一阵列像素以检测从所述标志返回的照明光；并通过将成像透镜组件支持在所述机架上而在一视野或相对于扫描模块的一工作距离范围内捕获返程照明光，所述成像透镜组件包括由所述机架罩保持的透镜组件。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述照明步骤是通过被安装在所述图像传感器的相对两侧的一对隔开的发光二极管(LED)来实现的，其中所述目标感测步骤是通过从红外光发射器朝向所述目标发射红外光并使红外光从所述目标返回并用红外光传感器监测已射出并从所述目标返回的红外光并将所述红外光发射器和所述红外光传感器安装在所述图像传感器的相对两侧而实现的。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检测步骤是通过检测视野内的返程光来实现的，并且所述目标感测步骤是通过向所述目标射出红外光并使红外光从所述目标返回并通过在与所述光检测器的视野重叠的检测视野内监测返回的红外光来实现的。