CN106022184A - 照明设备和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种照明设备和系统。揭示照明设备的实施例，所述照明设备包含适用于容纳照相机的固定器，所述照相机具有界定光轴的成像光学器件，其中所述固定器包含所述成像光学器件可借以俘获图像的开放端。一或多个侧发光照明光源定位于所述开放端附近，所述多个侧发光光源经定位以朝向与所述光轴相交的平面引导光。还揭示并主张其它实施例。

Description

照明设备和系统

技术领域

所揭示实施例大体上涉及光学数据采集装置，且明确地说(但非排他性地)，涉及具有包含侧发光照明灯且还可包含侧发光定向灯及侧发光确认灯的照明系统的光学数据采集装置。

背景技术

包含条形码读取器、矩阵码读取器及机器视觉系统的光学数据俘获装置是检查、跟踪及其它消费者及工业应用中的重要工具。通常，光学数据俘获装置包含俘获物体的图像且接着从所俘获图像提取信息的照相机。

此类装置中面临的困难是确保照相机采集到可从其中提取信息的物体图像。尤其，获得良好图像意味着提供物体的充分照明且确保物体定位在照相机的视场内，优选地定位在视场中心处，且物体的图像要清晰。

最后一个有关的问题是当已成功地从所俘获图像提取信息时向用户提供反馈。大部分当前装置在成功提取信息时提供可听音调或在成功提取信息时点亮底座上的一或多个发光二极管(LED)。这两种途径均具有缺点。如果可听音调太吵，那么其让人类操作员迅速变得烦躁不安，这可能导致人类操作员关闭所述音调或完全忽略所述音调。但如果所述音调的音量降低以使其不那么烦人，那么操作员在嘈杂环境中可能无法听到所述音调。由于LED在扫描仪底座上，用户必须将其目光远离物体以注视LED来查看其是否点亮。这使得用户的注意力从将物体保持在视场内分心。

发明内容

一方面，本发明提供了一种照明设备，其包括：适用于容纳照相机的固定器，所述照相机具有界定光轴的成像光学器件，其中所述固定器包含所述成像光学器件可借以俘获图像的开放端；及定位于所述开放端附近的一或多个侧发光照明光源，所述多个侧发光光源经定位以朝向与所述光轴相交的平面引导光。

另一方面，本发明提供了一种设备，其包括：适用于容纳照相机的固定器，所述照相机具有界定光轴的成像光学器件，所述固定器包括：基座电路板，所述照相机可安装到所述基座电路板，其中所述成像光学器件指向所述固定器的开放端的外侧，及耦合到所述基座电路板的一对分隔电路板，每一分隔电路板具有法线指向另一分隔电路板的内表面及法线背离所述另一分隔电路板的外表面；及定位在至少一个分隔电路板上的侧发光照明光源的一或多个阵列，侧发光照明光源的所述一或多个阵列经定位以当存在所述照相机时朝向与所述光轴相交的平面引导光。

另一方面，本发明提供了一种系统，其包括：照相机，其包含界定光轴的成像光学器件；固定器，其包含：基座电路板，所述照相机安装到所述基座电路板，其中所述成像光学器件指向所述固定器的开放端的外侧，及耦合到所述基座电路板的一对分隔电路板，每一分隔电路板具有法线指向另一分隔电路板的内表面及法线背离所述另一分隔电路板的外表面；及定位在至少一个分隔电路板上的侧发光照明光源的一或多个阵列，侧发光照明光源的所述一或多个阵列经定位以朝向与所述光轴相交的平面引导光。

附图说明

参考以下图式描述本发明的非限制性且非详尽实施例，其中除非另有规定，否则相同参考数字指代各个视图中的相同部分。

图1A到1C分别是光学数据俘获装置的实施例的透视图、俯视图及前视图。

图2A到2B是包含定向光学器件的光学数据俘获装置的实施例的透视图。

图3A到3D是展示图2A到2B中所示的定向光学器件的操作的实施例的图式。

图4是包含确认光学器件的光学数据俘获装置的实施例的透视图。

具体实施方式

描述一种用于具有照明系统的光学数据采集装置的设备、系统及方法的实施例，所述照明系统包含侧发光照明灯且还可包含侧发光定向灯及侧发光确认灯。描述了特定细节以提供对实施例的理解，但相关领域技术人员将认识到，本发明可在无所描述细节中的一或多者的情况下或用其它方法、组件、材料等来实践。在一些实例中，没有详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，但其仍然涵盖在本发明的范围内。

本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着所描述的特征、结构或特性可包含在至少一个所描述实施例中，使得“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定全部是指相同实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适当方式组合在一或多个实施例中。

图1A到1C共同说明光学数据俘获装置100的实施例；图1A是透视图，图1B是俯视图，且图1C是前视图。装置100包含照相机116及相关联的成像光学器件118以及固定器，所述固定器经设计以容纳照相机及成像光学器件，同时为照相机提供侧发光照明。

固定器包含附接有两个分隔电路板104及106的基座电路板102。在所说明的实施例中，电路板104与106大致上彼此平行，但在其它实施例中，其无须平行。电路板102大致上平坦，且可为可承受预期结构负载且可提供所需电连接的任何种类的电路板。在一个实施例中，电路板102可为单层电路板，但在其它实施例中，其可为多层印刷电路板。

分隔电路板104及106将其边缘定位在基座电路板102上且附接到基座电路板102，使得电路板104与106大致上彼此平行且大致上垂直于电路板102。在所说明的实施例中，分隔电路板104及106使用焊料103附接到基座电路板102，但在其它实施例中，可使用例如夹具、紧固件等的其它方法来将分隔电路板104及106附接到基座电路板102。电路板102、104及106的此布置产生固定器的开放端130，当照相机116及成像光学器件118安装在固定器中时，成像光学器件118可通过开放端130俘获图像。

电路板104大致上平坦，且具有法向量指向电路板106的内表面110及法向量背离电路板106的外表面108。电路板106也大致上平坦，且具有法向量指向电路板104的内表面114及法向量背离电路板104的外表面112。电路板104及106两者均可为足够坚固以承受预期结构负载且提供所需电连接的任何种类的电路板。在一个实施例中，电路板104及106是单层电路板，但在其它实施例中，其可为多层电路板。在又其它实施例中，电路板104与106无须是相同类型的电路板。

照相机116、成像光学器件118或两者可通过将其附接到电路板102而紧固在固定器内。照相机116可为能够以电子方式俘获图像的任何种类的照相机。在一个实施例中，照相机116可为基于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的照相机，但在其它实施例中，照相机116可基于其它类型的图像传感器，例如电荷耦合装置(CCD)。成像光学器件118光学地耦合到照相机116内的图像传感器，且具有光轴119。成像光学器件118可包含折射、反射及衍射光学元件的任何组合。

装置100包含三种类型的侧发光光源：照明设备、定向照明设备及确认照明设备。装置100包含所有三种类型，但装置100的其它实施例无须包含所有三种类型。例如，其它实施例可只具有照明、只具有定向或只具有确认。又其它实施例可具有这些类型的侧发光照明设备中的两者或两者以上的任何组合。

侧发光照明设备包含侧发光光源的两个阵列。照明阵列122包含沿最接近固定器的开放端130的电路板104的边缘处或附近的线定位在电路板104的外表面108上的一组四个侧成像光源。照明阵列122内的个别光源被定向为指向光轴119的方向，使得来自阵列的光可照明与光轴119相交的平面。与照明阵列122相对，照明阵列124定位在开放端130的相对侧上及成像光学器件118的相对侧上。照明阵列124包含沿最接近固定器的开放端130的电路板106的边缘处或附近的线定位在电路板106的外表面112上的四个侧发光光源。在所说明的实施例中，侧发光照明阵列122及124均存在且各自具有四个个别侧发光光源。但在其它实施例中，照明阵列122及124可具有多于或少于所示(少至一个)的个别侧发光光源、无须具有相同数目的光源，且无需均存在。定位在每一照明阵列内的个别侧发光光源在一个实施例中是侧发光式发光二极管(LED)，但在其它实施例中可为其它类型的侧发光光源。

定向照明设备包含在固定器上定位于照相机116及成像光学器件118的相对侧上的一对侧发光定向光源126。一个光源126定位在内表面110上(图1A中不可见，但图1B到1C可见)，且另一者在内表面114上。侧发光光源126被定向为大致上指向光轴119的方向，使得定向光可照明与光轴119相交的平面。侧发光定向光源126各自从电路板104及106的前边缘后缩选定距离以容纳定向光学器件。在一个实施例中，侧发光定向光源126可为侧发光式LED，但在其它实施例中，其可为另一类型的侧发光光源。在所说明的实施例中，每一内表面上存在一个侧发光定向光源126，但在其它实施例中，每一内表面上可存在一个以上侧发光定向光源126。在又其它实施例中，每一内表面无须具有相同数目的侧发光定向光源。

确认照明设备包含在固定器上定位于照相机116及成像光学器件118的相对侧上的一对侧发光确认光源128。一个确认光源128定位在内表面110上，且在电路板104与基座电路板102相交处附近位于内表面110的下部部分处且处于固定器的开放端处或附近。另一确认光源128放置在固定器的开放端处或附近位于内表面114的下部部分处的对应位置中。两个侧发光确认光源128被定向为大致上指向光轴119的方向，使得从确认光源128发射的光可照明与光轴119相交的平面(参见图4)。所说明的实施例在每一内表面上具有一个确认光源，但在其它实施例中，此可包含更多确认光源，且无须在每一侧上具有相同数目的确认光源。

在装置100的不同实施例中，不同的侧发光光源可发射不同颜色的光。例如，在一个实施例中，侧发光照明光源可发射白光，侧发光定向光源可发射红光，且侧发光确认光源可发射绿光。在其它实施例中，由不同的侧发光光源发射的颜色当然可不同于所列出的颜色。在又其它实施例中，一些侧发光光源可发射不可见波长(即，不可见颜色)，而其它侧发光光源对可见波长进行成像。例如，在一个实施例中，侧发光照明光源可发射红外光，而侧发光定向光源发射红光，且侧发光确认光源发射绿光。

图2A到2B说明光学数据俘获装置200的实施例；图2A说明其构造。装置200在大部分方面类似于装置100。主要区别是装置200包含光学耦合到侧发光定向光源126的定向光学器件。每一侧发光定向光源126耦合到对应的定向光学元件202。定向光学元件202装配在成像光学器件118与内表面110及114之间的固定器内。每一定向光学元件102包含位于其末端上的光束塑形元件；在所说明的实施例中，光束塑形元件是狭缝204，但在其它实施例中，其可为其它形状。其它光学器件可置于每一定向光学元件202内以在来自光源126的光通过狭缝204而出现之前聚焦、校准或以其它方式调节光。定向光源元件202内的额外光学器件可包含折射、反射或衍射元件，或这些元件的任何组合。

图2B说明装置200的定向操作的实施例。在定向光学器件202处于适当位置的情况下，当侧发光定向光源126被激活时，其光通过定向光学元件202内的光学器件(如果有)来调节且接着通过狭缝204离开而成为一对相交平坦光束206及208。如下文针对图3A到3D所解释，平坦光束206及208的形状以及定向光学器件202发射平坦光束时的角度经设计而使得平坦光束在与光轴119相交的平面上的投影是条纹。光学元件202还经设计而使得在条纹相交的距离范围中，条纹在成像光学器件118的视场中心处相交，而无关于平面距成像光学器件的距离。而且，如下文进一步论述，条纹的相交的形状向用户给出焦距指导。

图3A到3D说明光学数据俘获装置200的实施例的定向操作。在所说明的实施例中，装置200展示为具有外壳的实施例，但其它实施例可具有不同外壳或根本没有外壳。

图3A说明装置200的定向操作的实施例。成像光学器件118是基于其图像将被俘获的物体的大小及物体将被放置的与装置200的距离来选择：具有长焦距及小视场的光学器件可用于距装置200远的小物体，且具有较短焦距及较大视场的光学器件可用于接近装置200的大物体。由此，在所说明的实施例中，装置200是俘获焦距A、B还是C处的图像取决于成像光学器件118。

为了允许用户容易地将光学器件118的视场与其图像将被俘获的物体对准，装置200使用上述定向光学器件及侧发光定向光源以朝向上面定位有物体的平面投影第一光束206及第二光束208。光束206及208两者均经塑形以从定向光学器件202中作为“平坦”光束出现，使得每一光束在平面上的投影将具有条纹的形状。光束206与208两者均经对准而使得由其在平面上的投影产生的条纹302与304将相交。而且，光束206及208经对准而使得在条纹相交的距离范围中，相交将处于光学器件118的视场中心，而不论距装置200的距离为何。换句话说，无论图像将被俘获的对象与光学器件118相距距离A、B还是C，条纹的相交将指示视场中心。因此，如果用户将物体放置在条纹的相交处，那么物体将经适当定位以由系统成像。

图3B到3D说明由条纹302及304的相交形成的形状与介于装置200与焦平面之间的焦距(A、B或C)之间的关系的实施例。在其它实施例中，除了条纹之外，还可使用不同的几何形状来代替条纹或作为条纹的补充来传达视场及焦距信息。例如，可使用多边形(例如正方形及三角形)以及例如圆形的形状等。每一条纹302及304具有第一端E及第二端D。条纹在点F处相交，如上文解释，点F对应于成像光学器件118的视场中心，而无关于装置200与平面之间的距离。

如下文进一步解释，条纹302及304的相交的确切形状取决于装置200与上面投影有条纹的平面之间的距离。通过使用条纹的相交与由条纹的相交形成的形状的组合，用户可容易地将要在视场中扫描的图像定位在适当距离处以获得最优焦距，使得装置200内的照相机116可获得清晰图像。

图3B说明由与装置200相距焦距A处的条纹形成的图案。在此情况中，条纹302与304在其第二端D处或附近彼此相交，因此大致上形成“V”形状。如果成像光学器件118使得A是适当的焦距，那么用户仅仅调整装置200到平面的距离直到形成“V”形状为止，且接着将物体定位在相交点F处或附近。物体接着经适当定位且处于焦点处以供光学器件俘获。

图3C说明当上面投影有条纹302及304的平面与系统相距距离B时条纹302与304的相交。在此情况中，条纹302与304大致上相交为“X”形状，其中相交点F再次是光学器件的视场中心。在此X形状中，条纹302与304大致上彼此平分；换句话说，每一条纹大概将另一条纹切割一半。再次，如果成像光学器件118使得B是正确的焦距，那么用户调整相距系统的距离直到形成X形状为止并将物体定位在相交点F处。物体由此处于适当距离处且处于适当位置中以进行图像俘获。

在图3D中，第一条纹302与第二条纹304在其第一端E处或附近相交，因此大致上呈脱字符(“^”)的形状。当所述条纹以所示的脱字符形状相交时，用户已知上面投影有条纹的平面与系统相距距离C，且点F是在成像光学器件的视场中心处。因此，如果光学器件使得焦距是距离C，那么用户仅仅调整相距系统10的距离使得产生脱字符形状的相交，且接着将要成像的物体定位在相交点F处或附近。

图4说明侧发光确认光源128的操作的实施例。侧发光确认光源128可耦合到图像处理电子设备，所述图像处理电子设备耦合到装置100或200中的照相机116。在使用照相机的图像传感器俘获图像之后，使用例如微处理器或数字信号处理器(DSP)等处理硬件来处理所述图像。如果处理硬件成功地解码图像，那么其发送信号到侧发光确认光源128。响应于此信号，光源128闪烁，因此将快速猝发的光402投影到含有所述物体的平面404上并向用户提供反馈：已从所俘获图像成功地提取信息。以此方式，用户无须将其眼睛从视场或图像移开来了解是否完成成功读取，而是可等待闪烁，所述闪烁指示信息从图像中的成功提取。在一个实施例中，确认光源128的颜色不同于其它光源，使得用户可容易区分确认闪烁。例如，侧发光确认光源128可为绿色，但在其它实施例中，此当然可不同。

包含发明摘要的实施例的以上描述不旨在详尽或将本发明限于所描述的形式。本发明的特定实施例及实例在本文中是出于说明性目的而描述，但如相关领域技术人员将认识到，鉴于以上详述，在本发明的范围内的各种等效修改是可能的。

所附权利要求书中使用的术语不应被解译为将本发明限于说明书及权利要求书中揭示的特定实施例。实情是，本发明的范围是完全通过所附权利要求书来确定，所述权利要求书应使用已确立的权利要求解译原则来解译。

Claims (23)

1.一种照明设备，其包括：

适用于容纳照相机的固定器，所述照相机具有界定光轴的成像光学器件，其中所述固定器包含所述成像光学器件可借以俘获图像的开放端；及

定位于所述开放端附近的一或多个侧发光照明光源，所述多个侧发光光源经定位以朝向与所述光轴相交的平面引导光。

2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括：

多个侧发光定向光源，其定位于与所述开放端相距选定距离处；及

投影光学器件，其光学地耦合到所述多个侧发光定向光源以将多个定向光束投影到与所述光轴相交的所述平面上，其中，当所述照相机安装在所述固定器中时，所述多个定向光束在所述平面上的所述投影是在所述成像光学器件的视场的中心处相交的条纹，而无关于所述成像光学器件与所述平面之间的所述距离。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述投影光学器件包括一对光学元件，每一光学元件耦合到对应的侧发光定向光源，其中每一光学元件包含光束形成元件以对所述所发射光束进行塑形。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述光束形成元件是狭缝。

5.根据权利要求2所述的设备，其中所述条纹包括各自具有第一端及第二端的第一条纹及第二条纹，且其中：

如果所述第一条纹与所述第二条纹在其两者的第一端处或附近相交，从而大致上形成脱字符形状，那么所述平面在第一焦距距离处；

如果所述第一条纹与所述第二条纹彼此平分，那么所述平面在第二焦距距离处；且

如果所述第一条纹与所述第二条纹在其两者的第二端处或附近彼此相交，从而大致上形成V形状，那么所述平面在第三焦距距离处。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述一或多个侧发光照明光源包含在所述开放端的一侧上的一或多个侧发光照明光源的阵列及在所述开放端的另一侧上的一或多个侧发光照明光源的另一阵列。

7.根据权利要求2所述的设备，其进一步包括定位在所述开放端的一侧上且指向与所述光轴相交的所述平面的一或多个侧发光确认光源。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述侧发光光源是侧发光式发光二极管LED。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述侧发光照明光源、所述侧发光定向光源与所述侧发光确认光源中的每一者发射不同颜色的光。

10.一种设备，其包括：

适用于容纳照相机的固定器，所述照相机具有界定光轴的成像光学器件，所述固定器包括：

基座电路板，所述照相机可安装至所述基座电路板，其中所述成像光学器件指向所述固定器的开放端的外侧，及

耦合到所述基座电路板的一对分隔电路板，每一分隔电路板具有法线指向另一分隔电路板的内表面及法线背离所述另一分隔电路板的外表面；及

定位在至少一个分隔电路板上的侧发光照明光源的一或多个阵列，侧发光照明光源的所述一或多个阵列经定位以当存在所述照相机时朝向与所述光轴相交的平面引导光。

11.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括：

多个侧发光定向光源，其在与所述开放端相距选定距离处定位在所述分隔电路板中的至少一者上；及

投影光学器件，其光学地耦合到所述多个侧发光定向光源以将多个定向光束投影到与所述光轴相交的所述平面上，其中，当所述照相机安装在所述固定器中时，所述多个定向光束在所述平面上的所述投影是在所述成像光学器件的视场的中心处相交的条纹，而无关于所述成像光学器件与所述平面之间的所述距离。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述投影光学器件包括一对光学元件，每一光学元件耦合到一或多个对应的侧发光定向光源，其中每一光学元件包含光束形成元件以对所述所发射光束进行塑形。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述光束形成元件是狭缝。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述条纹包括各自具有第一端及第二端的第一条纹及第二条纹，且其中：

如果所述第一条纹与所述第二条纹在其两者的第一端处或附近相交，从而大致上形成脱字符形状，那么所述平面在第一焦距距离处；

如果所述第一条纹与所述第二条纹彼此平分，那么所述平面在第二焦距距离处；且

如果所述第一条纹与所述第二条纹在其两者的第二端处或附近彼此相交，从而大致上形成V形状，那么所述平面在第三焦距距离处。

15.根据权利要求11所述的设备，其进一步包括耦合到所述固定器且指向与所述光轴相交的所述平面的一或多个侧发光确认光源。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述侧发光照明光源、所述侧发光定向光源与所述侧发光确认光源各自发射不同颜色的光。

17.一种系统，其包括：

照相机，其包含界定光轴的成像光学器件；

固定器，其包含：

基座电路板，所述照相机安装到所述基座电路板，其中所述成像光学器件指向所述固定器的开放端的外侧，及

耦合到所述基座电路板的一对分隔电路板，每一分隔电路板具有法线指向另一分隔电路板的内表面及法线背离所述另一分隔电路板的外表面；及

定位在至少一个分隔电路板上的侧发光照明光源的一或多个阵列，侧发光照明光源的所述一或多个阵列经定位以朝向与所述光轴相交的平面引导光。

18.根据权利要求17所述的系统，其进一步包括：

多个侧发光定向光源，其在与所述开放端相距选定距离处定位在所述分隔电路板中的至少一者上；及

投影光学器件，其光学地耦合到所述多个侧发光定向光源以将多个定向光束投影到与所述光轴相交的所述平面上，其中，当所述照相机安装在所述固定器中时，所述多个定向光束在所述平面上的所述投影是在所述成像光学器件的视场的中心处相交的条纹，而无关于所述成像光学器件与所述平面之间的所述距离。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述投影光学器件包括一对光学元件，每一光学元件耦合到一或多个对应的侧发光定向光源，其中每一光学元件包含光束形成元件以对所述所发射光束进行塑形。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述光束形成元件是狭缝。

21.根据权利要求19所述的系统，其中所述条纹包括各自具有第一端及第二端的第一条纹及第二条纹，且其中：

如果所述第一条纹与所述第二条纹在其两者的第一端处或附近相交，从而大致上形成脱字符形状，那么所述平面在第一焦距距离处；

如果所述第一条纹与所述第二条纹彼此平分，那么所述平面在第二焦距距离处；且

如果所述第一条纹与所述第二条纹在其两者的第二端处或附近彼此相交，从而大致上形成V形状，那么所述平面在第三焦距距离处。

22.根据权利要求18所述的系统，其进一步包括耦合到所述固定器且指向与所述光轴相交的所述平面的一或多个侧发光确认光源。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述侧发光照明光源、所述侧发光定向光源与所述侧发光确认光源各自发射不同颜色的光。