CN107895134B - 用于将瞄准图案引导到待由图像捕获电光读取的目标上并照射该目标的模块和系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种在成像读取器中的混合瞄准/照明光组件将可见瞄准图案和照明光图案引导在待由图像捕获读取的目标上。在优选实施例中，所述组件包括用于发射可见光线的光源，用于准直所述光线的准直透镜部件，以及具有小透镜阵列的小透镜部件，所述小透镜阵列被配置为光学地修改被准直光线以在所述目标上生成和投射所述可见瞄准图案以定位所述目标，且还在所述目标上投射所述照明光图案以照射所述目标。

Description

用于将瞄准图案引导到待由图像捕获电光读取的目标上并照 射该目标的模块和系统及其方法
背景技术
本公开通常涉及一种用于在操作成像读取器期间将瞄准图案引导到待由图像捕获电光(electro-optically)读取的目标上并照射该目标的图像模块和系统及其方法，且更具体地，涉及一种用于在操作读取器期间使读取器瞄准并照射目标的混合(hybrid)瞄准/照明组件。
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被用于电光读取目标，所述目标诸如一维和二维条形码符号目标和/或诸如文档之类的非符号目标。手持的成像读取器包括壳体和成像模块，壳体具有由操作者手持的手柄，成像模块亦称为扫描引擎，由所述壳体支承并在读取期间由操作者瞄准目标。成像模块包括具有光电单元(photocells)阵列或光传感器阵列的固态成像器或成像传感器以及成像透镜组件，该光电单元阵列或光传感器阵列对应于成像器的成像视场中的图像元素或像素，该成像透镜组件用于捕获从正被成像的目标散射和/或反射的返回光并用于将该返回光投射到该阵列上以启动对目标的图像的捕获。此类成像器可包括一维或二维电荷耦合设备(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)设备以及用于产生和处理与成像视场内的一维或二维像素数据阵列对应的电子信号的关联电路。
为了增加由阵列捕获的返回光的量，尤其是在昏暗光环境中和/或远距离读取的情形下，成像模块通常还包括照明光组件，用于利用照明光在照明场或照明光图案中照射目标以从目标反射和散射。照明光图案通常由使用照明光源(例如，一个或多个发光二极管(LED))和一个或多个照明透镜组而产生。
此外，为了缓解操作者不能容易地判断读取器是否直接瞄准目标的问题，该目标可以位于远离读取器的工作距离范围内的任何地方，成像模块通常还包括瞄准光组件来向操作员提供视觉反馈以指示读取器瞄准在何处。已知的瞄准光组件利用至少一个用于产生瞄准光束的瞄准光源(例如，激光器)和瞄准元件，瞄准元件包括例如衍射光学元件(DOE)或折射光学元件(ROE)，用于聚焦和光学修改瞄准光束以在读取之前将可见瞄准光图案(例如，光斑、线或十字准线)引导到目标上。
使用单独的瞄准光组件和单独的照明光组件增加了制造和组装成像模块和读取器的总尺寸、复杂性和成本。而且，这些单独组件的光源必须各自被电力供电，且这种额外的功率需求不被希望地消耗通常设置在手持无线成像读取器中的板载(on-board)电池，从而需要更频繁的再充电、更多的停机时间和更短的工作寿命。
因此，需要减小制造和组装成像模块和读取器的尺寸、复杂性和成本，并且使成像模块和读取器更节能。
附图说明
附图(其中类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构思的实施例，以及解释那些实施例的各种原理和优势。
图1是根据本公开的操作用于将瞄准图案和照明光图案引导到待由图像捕获电光读取的目标上的便携式手持成像读取器的侧视图。
图2是安装在图1的读取器中的成像模块的各种部件的示意图。
图3是描绘安装在图2的成像模块上的混合瞄准/照明光组件的部件的放大侧截面图。
图4是图3的混合瞄准/照明光组件的小透镜阵列部件的正视图。
图5是图4的小透镜阵列部件的截面图。
图6是如由图3的混合瞄准/照明光组件产生的在目标上的瞄准图案和照明光图案的平面图。
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。
系统和方法构成已在附图中通过常规符号在适当位置被表示出，所述附图仅示出与理解本发明的实施例有关的那些特定细节，以免通过对得益于本文描述的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一种用于读取待由图像捕获电光读取的目标(例如，条形码符号)的成像模块。该模块包括混合瞄准/照明光组件，其用于在目标上生成和投射可见瞄准图案以定位目标，并用于同时在所定位的目标上生成和投射照明光图案以照射所定位的目标。该模块还包括成像组件，其用于从所照射的、所定位的目标在成像视场上捕获返回光。
在优选实施例中，混合瞄准/照明光组件包括用于发射可见光线的光源(例如，发光二极管)、用于准直光线的准直透镜部件，以及沿着光轴远离准直透镜部件间隔开的小透镜部件。小透镜部件具有通常排列在平面中的小透镜阵列，该平面大致垂直于所述光轴。小透镜阵列被配置为光学地修改被准直光线以在目标上生成和投射可见瞄准图案，并且还投射照明光图案以照射目标。成像组件包括固态成像器和成像透镜组件，固态成像器具有图像传感器的成像阵列，成像透镜组件用于捕获来自被照射目标的返回光，并且用于将所捕获的返回光投射到成像阵列上。
有利地，小透镜具有各个输入非球面表面和各个输出非球面表面，被准直光线入射到输入非球面表面上，输出非球面表面用于形成可见瞄准图案和照明光图案两者。小透镜优选地以互相正交的行和列排列，且在行和列两端的小透镜与其余的小透镜相比具有不同的光学特性，从而形成与照明光图案相比具有不同的光强度(例如，更亮或更暗)的可见瞄准图案。可见瞄准图案优选地形成在照明光图案的中心。
本公开的另一方面涉及一种用于读取待由图像捕获电光读取的目标的系统。该系统包括壳体(优选地具有手柄的手持壳体)和透光窗口。上述成像模块被安装在壳体中，并且上述混合瞄准/照明光组件穿过窗口将可见瞄准图案投射在目标上，并且还穿过窗口投射照明光图案以照射目标。
本公开的又一方面还涉及一种读取待由图像捕获电光读取的目标的方法。通过以下来执行该方法：在目标上生成和投射可见瞄准图案以定位目标，同时在所定位的目标上生成和投射照明光图案以照射所定位的目标，以及在成像视场上从所照射和定位的目标捕获返回光。在优选实施例中，可见瞄准图案和照明光图案的投射通过以下来执行：从光源发射可见光线，用准直透镜部件准直光线，沿着光轴远离准直透镜部件间隔开小透镜部件，通常在大致垂直于所述光轴的平面中排列小透镜部件的小透镜阵列，以及配置小透镜阵列以光学地修改被准直光线从而在目标上生成并投射可见瞄准图案，并且从而还投射照明光图案以照射目标。
根据本公开，混合瞄准/照明光组件避免必须提供和操作单独的瞄准光组件和单独的照明光组件。制造和组装成像模块和读取器的总尺寸、复杂性和成本大大降低。此外，仅一个光源需要被电力供电以产生瞄准图案和照明光图案，从而增加通常提供在手持无线成像读取器中的板载电池的工作寿命，从而导致较少频率的再充电和较少的停机时间。
图1中的附图标记30一般地标识被配置为手枪形壳体的人体工程学成像读取器，该壳体具有上部筒体或主体32以及远离主体32向后倾斜的下部手柄28。透光窗口26位于主体32的前端或鼻端附近。成像读取器30被握持在操作者的手中并在手持模式下使用，其中触发器34被手动按下以发起对在相对于窗口26的工作距离范围内要被读取的目标(尤其是条形码符号)的成像。其他配置的壳体以及操作在免提模式下的读取器亦可被采用。因此，虽然图1描绘了手枪形手持壳体，但是这仅仅是示例性的，因为将理解的是，许多其他读取器的配置可在本文公开的发明的实践中被采用。例如，读取器可替代地被配置为具有大致竖直窗口的垂直槽式扫描仪，或配置为具有大致水平窗口的水平槽式扫描仪或平台式(flat-bed)扫描仪，或配置为具有大致水平窗口和大致竖直窗口两者的双光学工作站。所述读取器可用于许多不同的环境中。
如图2中示意性地示出，成像模块包括安装在读取器30中的印刷电路板(PCB)22上的成像传感器或成像器24。PCB 22优选地安装在倾斜手柄28内。成像器24是固态设备，例如是具有以单个线性行排列的一维可寻址图像传感器或像素阵列或者优选地以互相正交的行和列排列的二维可寻址图像传感器阵列的CCD或CMOS成像器，所述成像器24优选地具有变形的(anamorphic)成像视场并操作用以检测由成像透镜组件20捕获的穿过窗26沿成像轴或光轴46的返回光。返回光是在成像视场上从条形码符号或目标38散射和/或反射的。成像视场大致垂直于成像轴46。
成像透镜组件20操作用以将返回光聚焦到图像传感器的阵列上以允许符号38被读取。符号38可位于近距(close-in)工作距离(WD1)和远距(far-out)工作距离(WD2)之间的工作距离范围内的任何位置处。在优选实施例中，WD1离窗口26大约1/2英寸，而WD2离窗口26大约30英寸。成像透镜组件20位于窗口26的远处，例如在40毫米之外。
根据本公开，成像模块还包括混合瞄准/照明光组件，用于将可见瞄准图案或光斑74(参见图3和6)引导到目标38上，并且用于在照明光图案或照明场72上用照明光照射目标38(参见图3和6)。如图2所示，混合组件包括用于发射可见光线的瞄准和照明光源(优选地，发光二极管(LED)10)以及瞄准和照明透镜组件12。下面描述混合组件的细节，如图3-5中最佳地看到的那样。
还如图2所示，成像器24和LED 10可操作地连接至控制器或微处理器36，控制器或微处理器36操作用以控制这些部件的操作。存储器14连接至控制器36并可由控制器36访问。优选地，微处理器与用于处理从目标38捕获的返回光并用于对所捕获的目标图像进行解码的微处理器相同。
在操作中，控制器36发送命令信号以在短的曝光时间段(比如500微秒或更短时间)内激励LED 10，并激励和曝光成像器24以仅在所述曝光时间段期间从目标38收集返回光，例如照明光和/或环境光。典型的阵列需要大约18-33毫秒来获取整个目标图像，并以每秒大约30-60帧的帧速率来操作。
现在转向图3，LED 10被表面安装在PCB 22上，并且瞄准和照明透镜组件12在LED10前面的固定位置处被支撑在PCB 22上。组件12包括用于准直由LED 10发射的光线的准直透镜部件50和沿着光轴46远离准直透镜部件50间隔开的小透镜部件60。准直透镜部件50和小透镜部件60通常居中在光轴46上。准直透镜部件50和小透镜部件60由玻璃构成，或者优选地由透光塑性材料(plastic material)各自模制而成。
准直透镜部件50构成具有平坦表面52和凸表面54的正透镜，所发射的光线入射在平坦表面上52，被准直光线从凸表面54离开准直透镜部件50。小透镜部件60中的小透镜具有各个输入非球面表面62和各个输出非球面表面64，被准直光线入射到输入非球面表面62上，输出非球面表面64用于形成可见瞄准图案74和照明光图案72两者。每个小透镜的尺寸通常在1mm×1mm内，且每个小透镜64的中心厚度约为1.5mm。表面62、64是具有高非球面系数的光学质量等级表面。表面62、64可以是关于其中心光轴对称或非对称的。两个表面62、64的光学特性和中心厚度决定了来自该小透镜的光学修改。
如图4最佳地所示，小透镜以互相正交的行和列排列。在行和列两端的小透镜66(参见图4)与其余的小透镜相比具有不同的光学特性，以形成与照明光图案72相比具有不同的光强度(例如，更亮或更暗)的可见瞄准图案74。优选地，如图3和图6所示，可视瞄准图案74(以大致圆形光斑示出)形成在照明光图案72的中心，该照明光图案72被示出为大致矩形的场。因此，如图3和图6所示，以与瞄准图案74的强度不同的预定强度照射照明光图案72，从而使操作者能够容易地在照明光图案72内定位目标38。在优选实施例中，光斑74的强度分布在其中心区域处最大，且从离开光斑74的中心区域径向下降。光斑74和照明光图案72之间的强度转变是平滑且渐进的，如图6的虚线同心圆所描绘的。
在上述说明书中已经描述了具体实施例。然而，本领域技术人员理解，可做出多种修改和改变而不脱离如下权利要求书所记载的本发明的范围。例如，除了小透镜部件60，混合瞄准/照明光组件12可被配置有诸如菲涅尔透镜的其他光学元件，或配置为在照明场中心产生更大或更小强度的瞄准光斑的其他透镜。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包括在本教导的范围内。
这些益处、优势、问题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的、必需的或必要的特征或要素。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公布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、顶部和底部等之类的关系术语可单独地用来将一个实体或动作与另一个实体或动作区别开，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间具有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的包括，使得构成、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、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，该术语被定义为在10％以内，在另一实施例中定义为在5％以内，在另一实施例中定义为在1％以内，且在另一实施例中定义为在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。
将理解，一些实施例可包括诸如微处理器、数字信号处理器、定制的处理器和现场可编程门阵列(FPGA)之类的一个或多个通用或专用处理器(或“处理设备”)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来实现，或者在一种或多种专用集成电路(ASIC)中实现，其中各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。
此外，一个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，用于对(例如包含处理器的)计算机编程以执行如本文所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了由例如可用时间、当前技术和经济考虑而促动的可能的显著努力以及许多设计选择，但在被本文所公开的构思和原理所指导时，将容易地能通过最少实验产生此类软件指令和程序以及集成电路(ICs)。
提供本公开的摘要以使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书的范围或含义。此外，在上述具体说明中，可以看出出于使本公开整体化的目的，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与各项权利要求中明确记载的相比需要更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映，发明主题在于少于单个公开的实施例的全部特征。因此，以下权利要求由此被结合入具体说明中，其中各个权利要求作为单独要求保护的主题代表其自身。

Claims (14)

1.一种用于读取待由图像捕获电光读取的目标的成像模块，包括：
混合瞄准/照明光组件，用于在所述目标上生成和投射可见瞄准图案以定位所述目标，且用于同时在被定位的目标上生成和投射照明光图案以照射所述被定位的目标；以及
成像组件，用于从被照射且被定位的目标在成像视场上捕获返回光，
其中，所述混合瞄准/照明光组件包括用于发射可见光线的光源、用于准直所述光线的准直透镜部件，以及沿着光轴远离所述准直透镜部件间隔开的小透镜部件，所述小透镜部件具有通常排列在大致垂直于所述光轴的平面中的小透镜阵列，所述小透镜阵列被配置为光学地修改被准直光线以在所述目标上生成和投射所述可见瞄准图案，且还在所述目标上生成和投射所述照明光图案，以及
其中，所述小透镜以互相正交的行和列排列，且其中在行和列两端的小透镜与其余的小透镜相比具有不同的光学特性，以形成与所述照明光图案相比具有所述不同的光强度的所述可见瞄准图案。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述成像组件包括固态成像器和成像透镜组件，所述固态成像器具有图像传感器的成像阵列，所述成像透镜组件用于将所述返回光捕获并投射到所述成像阵列上。
3.根据权利要求1所述的模块，包括印刷电路板，所述混合瞄准/照明光组件和所述成像组件被安装在所述印刷电路板上。
4.根据权利要求1所述的模块，其中，所述准直透镜部件构成具有平坦表面和凸表面的正透镜，所发射的光线入射在所述平坦表面上，所述被准直光线从所述凸表面离开所述准直透镜部件。
5.根据权利要求1所述的模块，其中，所述小透镜具有各个输入非球面表面和各个输出非球面表面，所述被准直光线入射到所述输入非球面表面上，所述输出非球面表面用于形成所述可见瞄准图案和所述照明光图案两者。
6.根据权利要求1所述的模块，其中，所述可见瞄准图案形成在所述照明光图案的中心。
7.一种用于读取待由图像捕获电光读取的目标的系统，包括：
具有透光窗口的壳体；以及
安装在所述壳体中的成像模块，所述模块包括混合瞄准/照明光组件，用于穿过所述窗口在所述目标上生成和投射可见瞄准图案以定位所述目标，并用于同时穿过所述窗口在被定位的目标上生成和投射照明光图案以照射所述被定位的目标，所述可见瞄准图案与所述照明光图案相比具有不同的光强度；以及成像组件，用于从被照射且被定位的目标在成像视场上穿过所述窗口捕获返回光，
其中，所述混合瞄准/照明光组件包括用于发射可见光线的光源、用于准直所述光线的准直透镜部件，以及沿着光轴远离所述准直透镜部件间隔开的小透镜部件，所述小透镜部件具有通常排列在大致垂直于所述光轴的平面中的小透镜阵列，所述小透镜阵列被配置为光学地修改被准直光线以在所述目标上生成和投射所述可见瞄准图案，且还在所述目标上生成和投射所述照明光图案，
其中，所述小透镜以互相正交的行和列排列，且其中在行和列两端的小透镜与其余的小透镜相比具有不同的光学特性，以形成与所述照明光图案相比具有所述不同的光强度的所述可见瞄准图案。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述成像组件包括固态成像器和成像透镜组件，所述固态成像器具有图像传感器的成像阵列，所述成像透镜组件用于将所述返回光捕获并投射到所述成像阵列上。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述准直透镜部件构成具有平坦表面和凸表面的正透镜，所发射的光线入射在所述平坦表面上，所述被准直光线从所述凸表面离开所述准直透镜部件。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述小透镜具有各个输入非球面表面和各个输出非球面表面，所述被准直光线入射到所述输入非球面表面上，所述输出非球面表面用于形成所述可见瞄准图案和所述照明光图案两者。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述可见瞄准图案形成在所述照明光图案的中心。
12.一种读取待由图像捕获电光读取的目标的方法，包括：
在所述目标上生成和投射可见瞄准图案以定位所述目标；
同时在被定位的目标上生成和投射照明光图案以照射所述被定位的目标，所述可见瞄准图案与所述照明光图案相比具有不同的光强度；以及，
从被照射且被定位的目标在成像视场上捕获返回光，
其中，通过以下来执行所述可见瞄准图案和所述照明光图案的投射：从光源发射可见光线，用准直透镜部件准直所述光线，沿着光轴远离所述准直透镜部件间隔开小透镜部件，通常在大致垂直于所述光轴的平面中排列小透镜部件的小透镜阵列，以及配置所述小透镜阵列以光学地修改被准直光线从而在所述目标上生成并投射所述可见瞄准图案，并且从而还投射所述照明光图案以照射所述目标，以及以互相正交的行和列排列所述小透镜，且将在行和列两端的小透镜配置为与其余的小透镜相比具有不同的光学特性，以形成与所述照明光图案相比具有所述不同的光强度的所述可见瞄准图案。
13.根据权利要求12所述的方法，包括将所述准直透镜部件配置为具有平坦表面和凸表面的正透镜，所发射的光线入射在所述平坦表面上，所述被准直光线从所述凸表面离开所述准直透镜部件。
14.根据权利要求12所述的方法，包括配置具有各个输入非球面表面和各个输出非球面表面的所述小透镜，所述被准直光线入射到所述输入非球面表面上，所述输出非球面表面用于形成所述可见瞄准图案和所述照明光图案两者。
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