CN1041246C

CN1041246C - 采用ccd技术阅读二维条码的装置和方法

Info

Publication number: CN1041246C
Application number: CN94102310A
Authority: CN
Inventors: 爱德华·巴坎; 斯图尔特·伊特克恩; 鲍里斯·麦特里斯基
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1994-03-12
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2014-03-12
Also published as: KR940022330A; TW297889B; CN1096121A; JPH0749922A

Abstract

一种采用光学方式阅读条码符号的方法，该方法将一个包含一个符号的视场成像在一个线性光探测器阵列上，被阅读的条码符号具有多层有序、相邻的代码字所形成的排；并且将投射到光探测器阵列上的光的二进制表示传输到存储器。然后，扫描器移动，从而使探测器阵列对符号上的另一排进行成像。这种步骤重复进行，直到符号上的所有排均被阅读时为止。

Description

采用CCD技术阅读二维条码的装置和方法

本发明一般而言涉及一种以光电方式阅读标记的装置，被阅读的标记的各个部分具有不同的光反射率，如条码符号；另外，更具体地，本发明涉及采用电荷耦合器件(CCD)技术来阅读多层的或二维条码的装置。

迄今，已经发展了许多种光学阅读器和光学扫描系统用来阅读出现在标签上或物品表面的条码符号。条码符号本身是一种标记的编码图形，它是由一系列不同宽度的条和条与条之间不同宽度的间隔组成的，条和间隔有不同的光反射特性。阅读器和扫描系统以光电方式将图形标记转换成电信号，该信号通过解码成为字母数字字符，这些字符用来对物品或者它的某些特征进行描述。这样的字符通常是以数字形式来表征，并且用来作为一个数据处理系统的一个输入，这类系统应用在销售点处理、编目控制及其类似场合。这一通用类型的扫描系统已经公开，例如，美国专利4251798；4369361；4387297；4409470；4760248；4896026，所有上述专利均已转让给本申请的受让入。

正如上述那些专利中已公开的那样，这样一个扫描系统的一个实施例尤其在于一种由使用者掌握的手持式、便携激光扫描头，该扫描头被设计成允许使用者将扫描头-更详细而言是一束光对准被阅读的目标和符号。

一台激光扫描条码阅读器的光源通常是一台气体激光器或半导体激光器。在扫描系统中特别希望使用半导体器件作为光源，因为它们体积小、成本低和功耗低。激光束通常采用一个聚光光学组件进行光学变换，在目标距离上形成一个一定尺寸的束斑。希望在目标距离上的束斑剖面大致上与不同光反射率区间，如符号的条和间隔之间的最小宽度相当。

条码符号通常是由具有许多种可能宽度的矩形条或元素组成的。元素的特定编排确定按照一套规则和定义来表征的字符，这些规则和定义是通过代码或所用的“符号表示法(Symbology)”来确定的。条和间隔的相对尺寸是由所采用的编码种类决定的，条和间隔的实际尺寸也是如此。条码符号每英寸所表征的字符数目被称为符号的密度。对一个所希望的字符序列进行编码，须将一批元素的编排串联在一起形成一个完整的条码符号，信息中的每一个字符是由其对应的元素组合来表征的。在某些符号表示法中，采用一个独特的“开始”和“停止”字符来指示条码的起点和结尾。存在许多种不同的条码符号表示法。这些符号表示法包括：UPC/EAN，Code39，Code128，Codabar，以及二五交叉码(Interleaved2 of 5)。

为我们讨论方便起见，被一个符号表示法所辨认和定义的字符被称之为合法字符，然而不被这个符号表示法所辨认和定义的字符被称为非法字符。这样，采用一种给定的符号表示法不能对一个元素的编排进行解码，这种编排即对应为该种符号表示法的一个非法字符。

为了增加在一个给定的表面积上能够表征或存/储的数据量，最近已经发展了几种新的条码符号表示法。这几种新的码标准中的一种-Code49引入了一个“二维”概念，即在垂直方向重叠一排排的字符，而不是在水平方向延伸条码。也即，有几排条和间隔组成的图形，而不是仅仅一排。Code49的结构由美国4794239描述，在此作为参考。另一种结构，称为“PDF417”，在美国专利申请序列号461881中描述。

在现有技术已知的扫描系统中，光束是通过一个沿着光路的透镜或类似的光学器件来导向的，从而对准表面上包括条码符号在内的一个目标。移动光束扫描器是通过光束沿横穿符号的一条线或一系列线重复扫描的方式来工作的，该方式借助于一个配置在光束光路中的扫描器件，比如一个反射镜。扫描器件也许要么使光束斑点扫过符号并跟踪一条横过符号的扫描线，要么扫描该扫描器的视场，或者二者兼而有之。

条码阅读系统还包括一个传感器式光探测器来检测从符号反射或散射的光。该光探测器或传感器被置于扫描器光路中以便使它具有一个横贯符号并且稍微大于符号的视场。从符号反射或散射的光的一部分被检测并且转换成电信号。电子线路或软件将电信号解码成被扫描符号所表征的数据的数字表达形式。例如，光探测器产生的模拟电信号也许会被转换成一个脉冲宽度调制信号，其宽度与条和间隔的物理宽度相对应。然后这样一个数字化信号根据该符号所采用的符号表示法来解码形成符号中编码数据的二进制表达形式，最后再转化成它们所表征的字母数字字符。

已知的条码阅读系统中的解码过程通常是采用下列方式来进行工作的。解码器从条码阅读器接收脉冲宽度调制数字信号，由软件来实现的一种算法设法对扫描进行解码。如果该扫描中的开始、停止字符以及它们之间的字符都完全成功地被解码，那么，解码过程结束并向使用者发出一个阅读成功的指示(比如一个绿灯信号和/或一个听得见的蜂鸣声)。否则，解码器接收下一次扫描并对该扫描进行另一次解码努力，依此类推，直到获得一次完全被解码的扫描或者无法获得更多的扫描。

于是，这样一个信号根据特定的符号表示法被解码形成符号中编码数据的二进制表达形式，再转化成所表征的字母数字字符。

移动光束激光扫描器不是能够阅读条码符号的光学仪器的唯一一种类型。另一类条码阅读器特别与本发明有关，这类阅读器采用基于电荷耦合器件(CCD)技术的探测器。采用这种现有技术的阅读器的探测器尺寸通常大于被阅读的符号或与大体上相等。整个符号都被来自阅读器的光照射，电荷耦合器件(CCD)的每个光敏元被依次读取从而确定一个条与一个间隔的存在。这类阅读器重量轻、使用方便，但是实际上要求直接接触或将阅读器置于符号的上面从而使符号被正确阅读。这种阅读器与符号的物理接触对某些应用场合是一种优选的操作模式，或者说是使用者个人喜欢的方式。

CCD条码扫描器的焦深与基于激光的扫描器相比，是非常有限的。其原因是，如，一台以LED(发光二极管)光源作为照明、基于CCD的扫描器的f#(焦距)远远小于一台激光扫描器的f#。而焦深是与f#2的，所以，这种基于CCD/LED的扫描器的焦深是很小的。

基于CCD的条码阅读器的其他特征已在专利申请序列号317,553和717,771中叙述，在此作为参考，并作为在CCD扫描器和获取、阅读二维标记和方法中的早期技术方法的例证。

在本发明前，不存在一种采用相对廉价的CCD型条码扫描器阅读二维条码符号的简洁、相对高效的方法。

简言之，并且用通用的术语，本发明提供了一种阅读条码符号或者类似物的方法，该方法包括以下步骤：以光学方式将一个包含符号的视场成像在一个线性光探测阵列上，该符号包括多重有序相邻的一排排被阅读的条码编码信息的代码字；将入射到光探测阵列上的光信号的二进制表示传输到存储器中，该阵列可移动以便对符号中不同的排进行成像；存储传输和移动过程是重复进行的，直到符号中所有的排都已被阅读时为止。然后，生成一个表征符号中所包含条码信息的数据输出。

本发明的另一特征为一种窗设计，该设计能够应用于所有种类的条码扫描器，这种窗由凸的第一部分和一个平坦的第二部分组成，凸的第一部分用来汇聚和引导一束发出的光束，平坦的第二部分用来接受从符号反射回来的光，反射光穿过这一部分到达安装在外壳里面的一个探测器。

本发明新的特征在所附的权利要求中叙述。然而，通过参考一个具体实施例的详细描述，并且对照所附的图进行阅读，本发明本身以及其它特征和优点将得到最好的了解。

图1是本发明中用于阅读条码的光学扫描系统的透视图；

图2是一个PDF417型二维条码符号的图像；

图3是本发明的条码阅读器中发射和接受元件的一幅高度简化的透视图；

图4是本发明的激光扫描条码扫描器的“鼻”部或称前端部分的一个剖面图，该扫描器采用了一个多用途窗；

图5是本发明的条码扫描器另一个实施例的前视图，该扫描器采用了一个多用途窗；以及

图6是本发明的条码扫描器的一个高度简化和框图。

正如本说明书和后面的权利要求书中所采用的那样，术语“符号”和“条码”被用来作为大致上的限定，其覆盖面不仅仅是由不同宽度的条和间隔组成的图像，而且还包括其他一维或二维的图像，以及符号数字字符。

本发明还提供了一种用于运行一个条码阅读系统的方法和装置，采用这种方法可阅读二种不同的条码，即一种标准的线状条码和另一种更特别的二维条码。本发明还提供一种允许使用者对条码进行垂直扫描的方法，该方法使合适的软件能对二准条码进行逐排阅读和解码。

图1所示为可根据本发明的原理来设计的一种手持式条码阅读器的一个实施例的一个高度简化的透视图。阅读器100也许还可安装在一个袖珍扫描器中，或者作为一个桌面工作站或者是固定的扫描器，用这种方式是条码标签扫过阅读头。在本优选实施例中，阅读器被安装在一个手持式轻型的塑料外壳100中，该外壳由使用者手持定位与印在标签102上的条码101接触，标签102贴在物品103上。

图2为拟用本发明的仪器来阅读的PDF417型二维条码符号的图像。

每一个PDF17符号是由许多排条码信息叠在一起组成。符号中的每一排由一个起始图案，几个被称为“代码字”的符号字符和一个结束图案组成。一个代码字是对代表某些数字、字母或其他符号，或与这些内容相关联的一个值进行解码的基本单元。总之，每一排中的代码字形成数据列。

PDF417符号的排数目和数据列数目都是可变的。符号至少应用三排，也许可高达九十排。同样，在每一排中，代码字或数据列的数目可在三至三十之间变化。

每个PDF417代码字由十七种模或单元组成。每个代码字有四个条和四个间隔。单个条或间隔的宽度可在一至六个模间变化，但是组合起来每个代码字总是具有十七个模。这样，每个代码字能够定义成一个八数字序列，其表示该代码中的四组宽度不同的条和间隔。这就称为代码字的“x序列”，可用序列x₀、x₁、x₂，…x₇来表示。比如，对x序列“51111125”，第一个元素是五个模宽，后面有五个一个模宽的元素，再有一个二个模宽的元素，最后一个元素是五个模宽。

可能代码字的集合进一步被分成三个互相独立的子集，这些子集被称为“群”。在PDF417符号中，每一排仅用三个群中的一个来编码数据，每个群依次每三排重复一次。由于任何相邻的二排采用不同的群，当扫描线没能精确地对准同一排，并且在一次扫描过程中扫描线从一排扫到另一排时，解码器能够分辨出来自不同排的代码字。

一个代码字的群数目可根据以下公式由其x序列来确定：

群数目＝(x₀-x₂+x₄-x₆)mod9其中“mod9”指被9除后的余数。至于图2中的代码字，其群数目可按以下方法计算：

群数目＝(5-1+1-2)mod9＝3

为了使出错的概率达到最小，PDF417仅用三个群，尽管9个群在数学上也是可能的。这样，每一排仅用三个群0，3，或6中的一个来解码数据，同样的群每三排依次重复一次。比如，第0排代码字使用群0，第1排使用群3，，第2排采用群6，等等。通常，群数目也可根据排数目按下式来确定。

群数目＝((排数目)mod3)·3

在PDF417中定义了929个代码字的数值。这些数值为0至928。每个群用截然不同的“条一间隔”图案来表示929个可获得的数值，因此每个群不会与其它群相混淆。

图3是本发明的条码阅读器中光发射和接受元件的一幅高度简化的透视图。采用光源105，比如一个发光二极管(或一个发光二极管阵列)和一个聚光透镜106(或一个这种透镜阵列)来将大量光照射到视场中，该光的理想情况是一个窄的矩形。

阅读器被置于条码符号104上面，从而使符号104至少有一整排被充分照明。反射和散射的光通过集光光学元件107回到阅读器，到达一个线性光电二极管阵列108或一个图像传感器。

光电二极管将表征条码符号某一排的图像转换成一个电信号。正如下面将要根据图6所示的方框图所描绘的那样，这个代表单排数据的电信号被解码(或者说被尝试解码)，其结果被应用在随后的图像和信号处理中。

尽管本发明主要涉及一个应用CCD的阅读器，用来阅读多层或二维的条码，本发明的一项可选择的特征还可用于激光扫描条码阅读器，如图4所示。

图4所示为条码阅读器的一项激光扫描实施例中的外壳101的前端部分109的一个高度简化的示意剖面图。如图所示，光源为110，窗111由一个平坦的上部112和一个凸出的下部113构成。光探测器114安装在下部113的后面，从而使照明光穿过上部112，反射光通过下部113。如图4所示，该窗很接近扫描器的前端，但为采用CCD的阅读器中的一个透镜留出了一个合适的位置，这种阅读器通常在使用时接触被阅读的符号。

图4所示的实施例尤其对一个非回反射(nonretro-reflective)激光扫描条码阅读器来讲是有用的，这类扫描器需要在光传感器前置一个固定的透镜来增加信号的水平并且通过使探测器的视场变窄来帮助排除环境光。

图5是本发明的条码阅读器的一个前视平面图，该阅读器具有一个采用一个长条柱面镜的多用途窗。图5可用来描述一个激光扫描条码阅读器或者一个采用CCD的阅读器。当描述一个采用CCD的阅读器时，窗111的凸出的下部113通常处于光源的前面，而不是在探测器前面，采用这样的下部113，光源被汇聚成一条高强度的照明带，该照明带在目标距离上平行于条码的排。

这二种条码阅读器都需要一个出口窗防止尘埃进入内部，还需要有一个光源滤波器。这二种功能可以由一个做成窗形状的单个模压塑件来提供。

总之，本发明特征之一是采用一个窗，这种窗具有一个部分或几个部分形成的透镜。这样的透镜可以置于光源前，置于光探测器前，或置于二者之前，这取决于采用什么类型的条码阅读器及其操作要求。

该窗可以用红色的塑料模压而成，这样它除了是一个透镜以外还起一个光学滤波器的作用。该窗一种更可取的方式是采用一个平坦的部分使向外发出的光束能够通过，以及一个做成透镜形状的部分将从符号反射回来的光汇聚到探测器上。根据扫描器的要求，窗上形成的透镜可以是柱面镜，也可以是球面镜，比如，一种多个球面透镜的方案也可以用来将反射光汇聚到各自的探测器上，还可采用单个长柱面镜和多个探测器组合起来使用。

图6所示是本发明的CCD条码扫描器电子部分的方框图。

图像传感器114所起的作用是获取探测器视场中的图像。从图像传感器114得到的电信号被加到传输门115上，而后到达移位寄存器116。移位寄存器具有一个输出线路117，该线路作为与总线118的接口。总线118是条码阅读器计算机部分的主要数据总线，计算机部分包括存储器119，CPU120和接口121。

尽管已经针对阅读一维或二维条码对本发明进行了描述，但它不仅仅局限于这些实施例，它还可以应用于更复杂的标记扫描应用的场合。本发明的方法很容易在多种机器视觉或者光学字符辨识领域得到应用，在这些场合，信息还来自其它种类的标记，如字符，或者来自被扫描物品的表面特征。

在所有不同的实施例中，扫描器的元件可以装在一个非常紧凑的封装中，从而使扫描器可以制造成单块印刷线路板或者一个集成微型组件。这样一种组件作为激光扫描元件在大量不同类型的数据采集系统中可以互换使用。比如，该组件可以分别在一个手持式扫描器中使用；在连接在一条活动臂上的或直接在桌面上展开的或连接在桌子面下边的台式扫描器上使用；或者作为一个更复杂的数据采集系统的子元件或部件。

该组件很有意义地包括了安装在一个支持元件上的一个光学组件，以及一个光电探测器元件。与这些元件有关的控制或数据线可与安装在组件边缘或外表面的一个电气连接件相连，从而使该组件能和与数据采集系统的其它元件相关联的一个相对应的连接件进行电气上的连接。

一个单独的组件也许具有与其相关的具体的扫描或解码特征，比如，在一定工作距离上的可操作性，或针对一个具体的符号表示法或印刷密度的可操作性。这种特征还可以通过手动调整与组件相关的控制开关来进行定义。使用者还可以采用该数据采集系统来扫描不同种类的物品，或者说，采用一个简单的电气连接件对数据采集系统的组件进行互换，该系统可以应用于不同的场合。

上面所描述的扫描组件还可安装在一个独立的数据采集系统中，该系统包括一个或多个下列组成部分，如键盘、显示器、打印机、数据存储器、应用软件和数据库。这样一个系统还可包括一个通讯接口从而使数据采集系统能与局部网络中的其它部分或与电话交换网络进行通讯，接口可以通过调制解调器(modem)，也可以通过一个ISDN接口，或者采用袖珍终端上的低功率无线电发送机向固定的接收机发送。

可以理解，上述的每个特征，或二个特征，或更多个特征组合在一起，可在与上述类型不同的其它种类的扫描器和条码阅读器中得到有价值的应用。

然而，在这里对本发明所概括的内容进行说明和描述并不是为了被局限在所描述的细节中，因为在丝毫不违背本发明的精神的前提下可以进行大量修改和结构上的变动。

Claims

1、一种阅读一个条码符号或者类似物的方法，包括以下步骤：

(a)以光学方式将一个包含一个符号的视场成像在一个线性光探测器阵列上；

(b)将投射到光探测器阵列上的光的二进制表示信号传输到存储器；

(c)移动所述的阵列，以对所述符号的另一排进行成像，其特征是还包括以下步骤：

(d)重复进行步骤(b)和(c)直到所述符号的所有排都阅读完时为止；以及

(e)产生一个代表包含在所述符号中的条码信息的数据输出；

被阅读的符号具有多层有序、相邻的代码字所形成的排。

2、如权利要求1所述的方法，其中进一步包括对存储在所述的存储器中的光信号的二进制表示进行解码的步骤，使其转化成代表所述条码符号的所述排的数据，当每一排被成像时采取逐排进行的原则。

3、如权利要求1所述的方法，其中所述的光学成像步骤包括将光导向所述的视场以及在所述的光探测器阵列上收集反射光。

4、如权利要求2所述的方法，其中所述的导光步骤包括采用一个发光二极管光源。

5、如权利要求2所述的方法，其中所述的导光步骤包括采用一个激光二极管光源。

6、如权利要求1所述的方法，其中所述的光探测器阵列是一个CCD器件，所述的传输步骤包括连续读取所述的光探测器阵列。

7、如权利要求1所述的方法，其中所述的移动所述阵列的步骤是由使用者手动完成的，即沿垂直方向扫过条码符号。

8、用于阅读具有多层有序、相邻的代码字所形成的排的条码符号或类似物装置，包括：

(a)一个用于照射该符号的光源；

(b)一个具有一个视场的光探测器，该视场包括符号中一个单排；

(c)将照射到所述光探测器阵列上的光的二进制表示传输到存储器的装置；

(d)对所述的存储器中的二进制表示进行解码的装置，解码后形成代表符号中一个单排的数据；其特征是还包括：

(e)当每一排被阅读时，收集代表所述符号每一排的数据的存储装置；以及

(f)用来确定整个符号的每一排均被阅读并且产生一个代表包含在所述符号中的条码信息的数据输出的装置。

9、如权利要求8所述的装置，其中所述的光源是一个发光二极管阵列。

10、如权利要求8所述的装置，其中所述的光探测器阵列是一个CCD器件。

11、一种阅读不同部分具有不同光反射率的标记的光电扫描器，包括：

(a)一个外壳；

(b)安装在外壳内，用来产生并沿着一条向外的光路引导光束的装置，其特征是还包括：

(c)安装在外壳内的探测器装置，用来探测从视场中的标记反射回来的光，并且产生一个表征该标记的电信号，其中的改进包括安装在外壳上的窗装置，该装置包括一个汇聚向外发出光束的第一部分和接受反射光并将其导向探测器装置的第二部分。

12、如权利要求11所述的一个光电扫描器，其中所述的产生光的装置是一个发光二极管(LED)阵列。

13、如权利要求11所述的一个光电扫描器，其中所述的产生光的装置是一个激光二极管阵列。

14、如权利要求11所述的一个光电扫描器，其中所述的窗装置是一个安装在外壳前部的单个窗。

15、如权利要求11所述的一个光电扫描器，其中所述的探测器装置是一个CCD器件。