CN106575349B - 控制成像读取器的目标照明的系统及方法 - Google Patents

Abstract

成像读取器具有用于利用照明光来照明目标的照明光组件、以及具有用于顺序地曝光像素的阵列的卷帘快门的固态图像传感器，以捕捉来自被照明目标的图像。通过控制传感器的曝光时间与增益、并通过控制照明光的输出功率来控制目标照明。当曝光时间和/或增益超过最小阈值时将输出功率维持在最大水平，并且当曝光时间和/或增益未超过最小阈值时降低输出功率，同时伴随地将曝光时间和/或增益维持恒定在最小阈值。

Description

控制成像读取器的目标照明的系统及方法

本发明的背景技术

本发明一般涉及控制通过图像捕捉读取目标的成像读取器的目标照明的系统与方法。

固态成像系统或成像读取器已经以手持和/或免提两种操作模式用于在相对于每个读取器的外壳上所提供的透光窗口的工作距离的范围上电光地读取目标，比如一维和二维条形码符号和/或诸如文档之类的非符号。外壳支撑成像模块(也被称为扫描引擎)，该成像模块包括：具有带有光电单元(photocell)或像素的阵列的固态成像器或成像传感器的成像组件，该光电单元或像素对应于传感器的成像视场中的图像元素或像素；以及用于捕捉从被成像的目标散射和/或反射的返回光并用于将返回光投射到传感器上以启动对每个目标的图像的捕捉的成像透镜组件。此类传感器可包括具有全局或卷帘(rolling)曝光快门的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，以及用于产生和处理与成像视场上的一维或二维像素数据阵列对应的电信号的关联电路。为了例如在昏暗的环境中或针对位于距窗口相对远的远距目标增加由传感器捕捉的返回光的量，成像模块通常还包括照明光组件，以用于在照明场上利用照明光来照明目标以从目标反射或散射。被传感器捕捉的返回光包括返回的照明光以及在读取器附近的任何环境光。

为实现捕捉的图像的期望图像亮度(也被称为白水平(white level))，已知的是使用自动曝光控制器(AEC)来控制传感器的曝光时间，并使用自动增益控制器(AGC)来控制传感器的增益。AEC与AGC又由主控制器或微处理器来控制。增加曝光时间和/或增益将增加捕捉的图像的亮度。典型的已知策略是使用曝光优先，其中，首先增加曝光时间直到达到最大曝光时间或阈值(通常大约4-8ms以便减少对于手持读取器的手抖(hand-jitter)影响)。如果图像亮度如由主控制器确定的仍然太低，则增加增益。此策略最大化传感器的信噪比(SNR)，因为只在必要时增加增益。

由照明光组件递送到目标并从目标返回的照明光的量是对捕捉的图像的亮度做出贡献的另一因素。照明光的强度或输出功率越大，捕捉的图像越亮。已知的是在AEC/AGC过程期间将由照明光组件供应的照明功率维持在最大恒定水平或阈值。

当使用在相同时间曝光所有像素的全局快门传感器时，仅需要在曝光时间期间打开照明光组件以照明目标。这导致非常高效地使用照明光，因为照明光组件当在非曝光时间期间不需要时被关闭。当曝光时间减少时，使用更少的照明光功率。然而，当使用在不同时间顺序地曝光像素的较低成本的卷帘快门传感器时，必须在整个帧的时间内打开照明光组件，而不管曝光时间，以便照明并捕捉整个目标图像。典型的曝光时间比帧时间短得多(例如，对于以每秒30帧操作的传感器，最大曝光时间可以是大约4ms，而帧时间是1/30秒＝33.3ms)。这导致非常低效地使用照明光组件，尤其对于具有短曝光时间及长帧的传感器来说。在产生照明光期间消耗的附加电能不仅产生不期望的热量，而且不期望地消耗通常在手提、无线成像读取器中提供的板载电池，因此需要更频繁的再充电、更多的停机时间以及更短的工作寿命。而且，照明光(尤其当非常亮时)对于操作者以及读取器附近的任何人来说通常被认为是烦扰。对于每个人的舒适将期望降低这种高照明烦扰。

因此，需要更高效地实时控制目标照明，以在具有卷帘快门传感器的成像读取器的操作中以对读取性能最小影响减少照明功率、节省电能、减少产生的过量废热，并且不烦扰操作者及其他人。

附图的若干视图的简要描述

附图，其中相同的附图标记在全部单独的视图中表示相同的或功能类似的要素，连同下面的详细描述被纳入于此并形成说明书的一部分，并用来进一步阐述包括所要求保护的发明的理念的实施例，以及解释那些实施例的各种原理和优势。

图1是根据本发明的其目标照明要被控制的手持成像读取器的视图。

图2是描绘图1的读取器的系统部件的示意图。

图3是根据环境光相对照明光不是主导的(dominant)现有技术的描绘信噪比、照明功率、曝光时间以及增益是如何被控制作为图1中示出的类型的读取器中的工作距离的函数的一组曲线图。

图4是根据本发明的一个方面的类似于图3中的那些的一组曲线图。

图5是描绘在检测环境光的水平中执行的步骤的流程图。

图6是根据本发明的另一方面(其中环境光相对照明光是主导的)的类似于图4中的那些的一组曲线图。

本领域技术人员将理解，附图中的要素出于简化和清楚而示出，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些要素的尺寸和位置可相对于其他要素被放大以帮助提高对本发明实施例的理解。

已在附图中通过常规符号在适当位置对系统和方法构成进行了表示，所述表示仅示出与理解本发明的实施例有关的那些特定细节以免因得益于本文的描述对本领域技术人员显而易见的细节而混淆本公开。

具体实施方式

本公开的一个方面涉及用于成像读取器的控制系统，该成像读取器具有用于利用照明光照明目标的照明光组件、以及具有用于顺序地曝光像素的阵列的卷帘快门的固态图像传感器(例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件)，以捕捉来自被照明目标的图像。控制系统包括：用于控制传感器的曝光时间的曝光控制器；用于控制传感器的增益的增益控制器；以及用于控制照明光的输出功率的照明控制器。控制系统进一步包括可操作地连接到曝光控制器、增益控制器以及照明控制器的主控制器，以用于在曝光时间和/或增益超过最小阈值时将输出功率维持在最大水平，并用于在曝光时间和/或增益未超过最小阈值时降低照明光的输出功率，同时伴随地将曝光时间和/或增益维持恒定在最小阈值。

本公开的另一方面涉及控制成像读取器的方法，该成像读取器具有用于利用照明光照明目标的照明光组件、以及具有用于顺序地曝光像素的阵列的卷帘快门的固态图像传感器，以捕捉来自被照明目标的图像。该方法通过以下来执行：控制传感器的曝光时间、控制传感器的增益、控制照明光的输出功率、在曝光时间和/或增益超过最小阈值时将输出功率维持在最大水平、并在曝光时间和/或增益未超过最小阈值时降低照明光的输出功率，同时伴随地将曝光时间和/或增益维持恒定在最小阈值。

降低的输出功率使得照明光组件的操作更有效，尤其对于具有短曝光时间和长帧的卷帘快门传感器而言。在产生照明光期间与现有技术相比消耗了更少的电能。减少了板载电池消耗，因此需要更少频次的再充电、更少的停机时间、以及更长的工作寿命。产生更少的废热。更少地烦扰用户，因为已经降低了照明光强度。

图1中的附图标记10一般标识用于通过图像捕捉来电光地读取目标的移动、手持的读取器。如所示，成像读取器10具有下部手柄12以被握持在用户手中，以及布置在具有由用户的食指手动地按压以启动对目标的读取的触发器18的枪状外壳16中的上部桶状部14，所述目标诸如，与产品相关联的一维或二维的条形码符号。透光窗口20(在图2中最佳地看出)在桶状部14的前端区域处被安装在外壳16上。读取器10可因此用于手持模式，在该手持模式中读取器10瞄准要被读取的每个目标，继之以手动地按压触发器18以启动读取。

图2示意性地描绘了安装在窗口20后面在读取器10中的成像模块或扫描引擎。成像模块包括固态的成像器或图像传感器36，以及成像透镜组件38，该成像透镜组件可具有一个或多个成像透镜，诸如库克三合透镜(Cooke triplet)。传感器36具有像素或光电单元的阵列，并且可以是优选地具有卷帘曝光快门的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，并类似于电子数字相机中使用的传感器。卷帘快门顺序地曝光通常以相互正交的行和列布置的像素。传感器36与透镜组件38一起可操作用于捕捉从要由图像捕捉在视场上沿着光路或轴42穿过窗口20并在近距工作距离(WD1)与远距工作距离(WD2)之间的工作距离的范围上读取的目标40散射和/或反射的的返回光。在优选的实施例中，WD1在窗口20处或距离窗口20大约半英寸，且WD2可以距窗口20两英尺或更多，但是构想了其他数值。目标40可以是与产品相关联的印刷代码，或在诸如智能手机之类的移动电子设备上显示的电子代码。

读取器10还支持可激励的照明光组件，以用于在被激励时用来自照明光源的照明光来照明目标40。照明光组件包括如所示的一对照明光源或发光二极管(LED)44，以及对应的一对照明透镜组件46以在被激励时用照明光均匀地照明目标40。照明LED 44以及照明透镜组件46优选地对称定位在传感器36的相对侧处。

主控制器或微处理器50控制组件的电部件的操作，将从目标40捕捉的返回光处理成图像，并解码所捕捉的图像。存储器48连接到主控制器50并可由主控制器50访问。主控制器50包括用于每个LED 44的电流驱动器或照明控制器22、用于控制传感器36的曝光时间的曝光控制器24、以及用于控制传感器36的增益的增益控制器26。曝光控制器24与增益控制器26优选地是基于软件的并与主控制器50集成，但它们也可以是基于硬件的。每个照明控制器22优选地是基于硬件的，但也可以是基于软件的。

如前面提到的，增加曝光时间和/或增益和/或照明光的输出功率将增加捕捉的图像的亮度。本发明涉及以更有效的利用照明光组件、节约电能、减少废热、减少电池消耗、并且避免非常明亮的烦扰的照明光为目标的在具有卷帘快门的成像读取器中控制这些因素中的一个或多个。

转向图3中描绘的现有技术，信噪比(SNR)、LED照明功率、曝光时间以及增益被标绘为从WD1到并经过WD2的离开窗口20的距离的函数。根据该现有技术的典型策略是使用曝光优先，其中，首先在区域I中增加曝光时间以实现期望的图像亮度直到到达最大曝光时间阈值(通常大约在4-8ms以便减少对手持读取器的手抖影响)，并伴随地在区域I中将增益维持在恒定的最小增益阈值水平。如果图像亮度如由主控制器50确定的仍然太低，则在区域II中增加增益，而将曝光时间维持在其最大阈值处。此策略最大化传感器36的SNR，因为只在必要时增加增益。在区域I和区域II两者中将由照明光组件供应的照明功率维持在最大恒定功率阈值水平。如所示，区域I一般涵盖从窗口20开始并在距窗口20大约8英寸处结束的近距离的范围，而区域II涵盖从距窗口20大约8英寸开始并在距窗口20大约24英寸(在此之后SNR太低以致不能获得有意义的数据)处结束的远距离的范围。在图3中，假设环境光没有实质性地影响照明光，即，在读取器10附近没有其强度影响到照明光的强度的太阳光或过亮的光。

转向如图4中描绘的本发明的一个方面，SNR、LED照明功率、曝光时间以及增益再次被标绘为从WD1到并经过WD2的离开窗口20的距离的函数。为了在使用卷帘快门传感器36时减少照明功率，将照明功率实时地调制为曝光时间的函数。当曝光时间长时(例如，接近最大曝光时间阈值)，则将照明光以全输出功率定向到目标以最大化SNR。如果曝光时间变得小于预定阈值(即，最小曝光时间阈值)，其中手抖影响不再是问题(例如，大约1ms)，则降低照明功率水平，而非减少曝光时间(如在现有技术中)以实现期望的目标亮度水平。

更具体地，前述区域I已被细分成图4中的区域1A与区域IB。区域1A一般涵盖从窗口20开始并在距窗口20大约5英寸处结束的近距离的范围，而区域IB涵盖从距窗口20大约5英寸开始并在距窗口20大约8英寸处结束的中间距离的范围。区域II如上所述。如之前，在区域IB中增加曝光时间以实现期望的图像亮度，直到达到最大曝光时间阈值(通常大约4-8ms以便减少对于手持读取器的手抖影响)，并伴随地，在区域IB中将增益维持在恒定最小增益阈值水平。如果图像亮度如由主控制器50确定的仍然太低，则在区域II中增加增益，而将曝光时间维持在其最大阈值。在区域IB和区域II两者中将由照明光组件供应的照明功率维持在最大恒定功率阈值水平。

然而，与图3中描绘的策略相反，在区域IA中在朝向窗口20的方向上降低照明功率以实现期望的图像亮度，并伴随地将曝光时间维持恒定在前述的最小曝光时间阈值，并将增益维持恒定在前述的最小增益水平阈值。因此，在图4中，保持曝光时间恒定，并在最靠近窗口的工作距离的范围内调制照明，然而，在现有技术中，保持照明恒定，并在最靠近窗口的工作距离的范围内调制曝光时间。正是照明光功率的这种减少负责使得照明光组件的操作更有效、并消耗更少的电能、并降低了板载电池消耗、并且产生更少的废热、并更少地烦扰用户。

在图4中(如在图3中)，假设环境光没有实质性地影响照明光。这通常是户内环境中的情况。如果环境光具有高强度(例如，太阳光、户外环境、或极亮室内灯)，则在保持曝光时间固定在最小增益水平阈值(区域IA)的同时减少照明光将对目标亮度具有很小影响。可通过在减少照明光时监测目标亮度来检测此情况。环境光相对于照明光的量还可从启用照明光与不启用照明光的测量中确定，或利用在两个不同照明光水平下进行的测量来确定。此外，可操作外部光电二极管以测量环境光水平。

例如，如在图5的流程图中示出的，在步骤100中，传感器36以由主控制器50设置的第一照明功率水平捕捉第一目标图像，且主控制器50确定第一目标图像的第一亮度水平。在步骤102中，传感器36以由主控制器50设置的第二照明功率水平捕捉第二目标图像，且主控制器50确定第二目标图像的第二亮度水平。如果第二功率水平例如是第一功率水平的一半，则将预期第二亮度水平为第一亮度水平的一半。如果不是，则在步骤104中，主控制器50可计算环境光的水平以及照明光的水平，并确定环境光是否已经实质性地影响了照明光。如果确定了环境光已经实质性影响了照明光，则将在步骤106中减少照明功率与曝光时间两者以实现目标亮度。在图6中描绘该控制，其中，在区域IA中在朝向窗口20的方向上同时减少照明功率与曝光时间两者以实现期望的图像亮度。

在上述说明书中已经描述了特定实施例。然而，本领域技术人员理解，可做出各种修正和改变而不背离本发明如下权利要求书中阐述的本发明的范围。例如，不是在图4与图6中的区域1B中调制曝光时间并将增益维持在最小增益水平阈值，本发明还提出相反情况，即在图4与图6中的区域1B中调制增益并将曝光时间维持在最小曝光时间水平阈值。在SNR不是决定因素时可有利地采用此方案。因此，说明书和附图被认为是示例性的而非限定性的意义，并且所有这些修改都旨在落在本教义的范围内。

这些益处、优势、问题的解决方案以及可能使任何益处、优势或解决方案发生或变得更为突出的任何要素不被解释成任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征或要素。本发明单独由所附权利要求书限定，包括在本申请处于未决状态期间做出的任何修改以及出版后这些权利要求的所有等效物。

此外，在该文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等等之类的关系术语可单独地用来将一个实体或动作与另一实体或动作区别开，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“构成”、“构成有”、“具有”、“具备”、“包括”、“包括有”、“包含”、“含有”或它们的任何其他变型旨在覆盖非排他性包括，以使构成为、具有、包括、包含要素的列表的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素，还可包括对这种过程、方法、物品或装置未明确列出的或固有的其他要素。以“构成有一”、“具有一”、“包括一”或“包含一”开头的要素，在没有更多约束条件的情形下，不排除在构成有、具有、包括或包含该要素的过程、方法、物品或装置中有另外的相同要素存在。术语“一”和“一个”被定义为一个或多个，除非本文中另有明确声明。术语“基本上”、“本质上”、“近似”、“大约”或这些术语的任何其他版本被定义为接近本领域普通技术人员所理解的那样，并且在一个非限定性实施例中，这些术语被定义为在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，而在另一实施例中在0.5％以内。本文中使用的术语“耦合的”被定义为连接的，尽管不一定是直接连接的也不一定是机械方式连接的。以某种方式“配置的”设备或结构至少以该种方式进行配置，但也可以未列出的方式进行配置。

要理解，一些实施例可包括一个或多个通用或专用处理器(或“处理器件”)，例如微处理器、数字信号处理器、定制的处理器和现场可编程门阵列(FPGA)以及唯一存储的程序指令(包括软件和固件两者)，所述唯一存储的程序指令控制一个或多个处理器以连同某些非处理器电路实现本文所描述的方法和/或装置的一些、多数或全部功能。替代地，一些或全部功能可由无存储程序指令的状态机实现，或者在一种或多种应用中由专用集成电路(ASIC)实现，在这类ASIC中每种功能或某些功能的某些组合被实现为定制逻辑。当然，也可使用这两种方式的组合。

另外，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具有存储在其上的计算机可读代码，以用于对计算机(例如，包括处理器的)编程以执行如本文描述和要求保护的方法。这种计算机可读存储介质的示例包括但不限于硬盘、CD-ROM、光存储器件、磁存储器件、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。此外，预期本领域普通技术人员虽然做出由例如可用时间、当前技术和经济考虑促动的可能显著的努力以及许多设计选择，但在通过本文所公开的理念和原理指导时，将容易地能够以最少的试验产生此类软件指令和程序以及IC。

提供本公开的摘要以允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述详细描述中，可以看出为了使本公开整体化，各个特征在各实施例中被编组到一起。这种公开方法不应被解释为反映要求保护的实施例需要比每一项权利要求中明确陈述的特征更多的特征的意图。相反，如接下来的权利要求所反映，发明主题在于少于单个公开的实施例的全部特征。因此，下面的权利要求在此被纳入详细说明书中，其中每个权利要求独自作为单独要求保护的主题事项。

Claims (12)

1.一种用于成像读取器的控制系统，所述成像读取器具有用于利用照明光照明目标的照明光组件、以及具有用于顺序地曝光像素的阵列的卷帘快门的固态图像传感器以捕捉来自被照明目标的图像，所述控制系统包括：

曝光控制器，所述曝光控制器用于控制所述传感器的曝光时间；

增益控制器，所述增益控制器用于控制所述传感器的增益；

照明控制器，所述照明控制器用于控制所述照明光的输出功率；以及

主控制器，所述主控制器可操作地连接到所述曝光控制器、增益控制器以及照明控制器，以用于在所述曝光时间与所述增益中的至少一个超过最小阈值时将所述输出功率维持在最大水平，并用于在所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个未超过所述最小阈值时降低所述照明光的所述输出功率，同时伴随地将所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个维持恒定在所述最小阈值。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述读取器具有透光窗口，相对于所述透光窗口所述目标被定位在工作距离的范围内；且其中，当所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个未超过所述最小阈值时，所述主控制器通过在朝向所述窗口的方向上减少所述输出功率来降低所述输出功率以实现期望的图像亮度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主控制器在所述曝光时间超过最小曝光时间阈值时将所述输出功率维持在所述最大水平，并在所述曝光时间未超过所述最小曝光时间阈值时降低所述照明光的所述输出功率，同时伴随地将所述曝光时间维持恒定在所述最小曝光时间阈值。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，当降低所述输出功率时，所述主控制器将所述曝光时间维持在所述最小曝光时间阈值，并且还将所述增益维持在最小增益阈值。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当将所述输出功率维持在所述最大水平时，所述主控制器增加所述曝光时间并将所述增益维持在所述最小阈值处。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制器以及所述传感器可操作用于确定环境光是否实质性地影响所述照明光，且其中，当所述环境光实质性地影响所述照明光时，所述主控制器可操作用于降低所述照明光的所述输出功率，并用于伴随地降低所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个。

7.一种控制成像读取器的方法，所述成像读取器具有用于利用照明光来照明目标的照明光组件、以及具有用于顺序地曝光像素的阵列的卷帘快门的固态图像传感器，以捕捉来自被照明目标的图像，所述方法包括：

控制所述传感器的曝光时间；

控制所述传感器的增益；

控制所述照明光的输出功率；

当所述曝光时间与所述增益中的至少一个超过最小阈值时将所述输出功率维持在最大水平；以及

当所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个未超过所述最小阈值时降低所述照明光的所述输出功率，同时伴随地，将所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个维持恒定在所述最小阈值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述读取器具有透光窗口，相对于所述透光窗口所述目标被定位在工作距离的范围中；且其中，当所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个未超过所述最小阈值时，通过在朝向所述窗口的方向上减少所述输出功率来执行对所述输出功率的降低以实现期望的图像亮度。

9.如权利要求8所述的方法，并当所述曝光时间超过最小曝光时间阈值时将所述输出功率维持在所述最大水平，并当所述曝光时间未超过所述最小曝光时间阈值时降低所述照明光的所述输出功率，同时伴随地将所述曝光时间维持恒定在所述最小曝光时间阈值。

10.如权利要求9所述的方法，并当降低所述输出功率时，将所述曝光时间维持在所述最小曝光时间阈值，并且还将所述增益维持在最小增益阈值。

11.如权利要求10所述的方法，并当将所述输出功率维持在所述最大水平时，增加所述曝光时间并将所述增益维持在所述最小阈值处。

12.如权利要求7所述的方法，并确定环境光是否实质性地影响所述照明光，并当所述照明光实质性地影响所述照明光时，降低所述照明光的所述输出功率，并伴随地降低所述曝光时间与所述增益中的所述至少一个。