CN110826352A - 通过相干光转换的长距离条形码扫描 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及通过相干光转换的长距离条形码扫描。一种光学扫描物体上的标记的方法包括提供用于用相干光照射物体的相干光源。该物体标识有包括第一特征和第二特征的标记，其中第一特征包括相干光的反射，所述第二特征包括在被照射时非相干光的发射。成像装置能够区分相干光与非相干光。用相干光源产生的相干光照射标记，使标记反射相干光并且发射非相干光。通过控制器将相干光与从标记发射的非相干光区分开，用于识别所述第一特征和所述第二特征之一的图案。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月10日提交的美国临时专利申请No.62/717,431的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体涉及用于扫描条形码或其他图案的改进的方法。更具体地，涉及一种从被相干光源照射的条形码和其他图案的非相干发射中区分或阻挡相干光反射的方法，该相干光源能够以增加的偏移距离扫描条形码和其他图案。
背景技术
近年来，在标记先前主要用于消费者市场的情况下，条形码和QR标识形式的标记(编码的标识)的使用在制造环境中迅速增加。此形式的标记已用于识别产品或对象，以帮助商家管理库存以及在购买时识别产品。为了获得对于通常贴在标签上的条形码以及最近常见的QR标识的准确扫描，标签必须放置在条形码扫描仪附近。如果未实现标记和扫描仪之间的紧密接近，则证明扫描过程不可靠。
最近，已经证明在制造中使用标记对于工厂或制造环境中的质量控制和管理库存是有用的。确保适当的零件已组装到工件上，并向控制器发信号通知已从库存中移除零件已证明是有益的。然而，由于接近要求的扫描标记的附加步骤已被证明是低效的。在某些情况下，已经使用了能够进行无线传输的手持式扫描仪。然而，这些手持式扫描仪很麻烦并且仍然需要靠近标记以有效地工作。可替代地，使用固定式扫描仪，其需要操作者将标记移动到靠近扫描仪的位置，这为组装处理增加了一个步骤并降低了效率。
到目前为止，降低使用紧密接近扫描仪的低效率的尝试已被证明是徒劳的。对标记进行长距离扫描作为消除手持式扫描仪或紧密接近扫描站的使用的方法已被证明是徒劳的。长距离扫描作为对复合组件构造的质量控制验证特别有用，其中数百甚至数千件单独的层片(ply)层叠在心轴(mandrel)上。这些件通常无法仅通过外观来区分。目前，试图通过译解设置在背纸上的标记来使用标记以识别每个件的尝试已被证明对于制造效率存在妨害，因为需要紧密接近扫描。在识别出一件之后，当可以通过使用美国专利No.9,200,899LASER PROJECTOR SYSTEM AND METHOD(其内容通过引用并入本文)中公开的类型和处理的激光投射器投射轮廓的激光来指示将该件放置在心轴上的位置时，可以实现进一步的效率。
对于操作员选择了哪一件进行适当的确认对于满足质量标准是至关重要的，特别是在航空航天应用中。不适当的零件识别或放置可能导致航空航天部件的灾难性故障。在制造小部件(例如涡轮叶片)期间可以使用紧密接近标记扫描。然而，较大的部件(例如发动机整流罩或机翼)需要将单个件运送到紧密靠近的扫描仪以及从紧密靠近的扫描仪运送，从而导致不合理的处理延迟。已知在汽车装配和相关工厂中移动装配线的类似情况，其中标记用于验证零件选择。
当试图在制造环境中扫描标记(不限于但特别是长距离扫描)时，环境光导致额外的质量异常。为了识别产品或零件而扫描标记的常用方法是借助于飞行激光点(flyinglaser spot)。在该示例中，激光扫描标记，并且在扫描时记录返回强度。激光在紧密靠近的扫描中是有用的，因为来自激光投射器的光束可以聚焦在非常精细的焦点上。精细的焦点可用于克服高强度的环境光。
然而，激光束具有固有的缺点，即任何激光束的典型激光斑破坏了区分返回光的对比度的能力。这在图1中最佳地表示，其中激光斑产生模糊的响应，其对于高精度扫描而言固有地不准确，而高精度扫描是长距离条形码译解所需要的。在尝试长距离扫描时，此问题才会复杂化。即使集成有高精度相机也无法克服与激光斑相关的问题。因此，期望开发一种处理，用于在长距离处扫描标记以识别零件而无需额外的步骤和处理以确保准确的扫描。
发明内容
一种光学扫描物体上的标记的方法包括提供用于用相干光照射物体的相干光源。物体标识有包括第一特征和第二特征的标记。第一特征包括相干光的反射，第二特征包括非相干光的发射。提供了一种能够区分相干光与非相干光的成像装置。用相干光源产生的相干光照射标记，使标记反射相干光并发射非相干光。从标记发射的非相干光中区分出相干光，从而识别所述第一特征和所述第二特征之一的图案。
在一个实施例中，构成标记的条形码或QR标识包括两种不同的颜色，一种在被照射时发射荧光光谱中的光，另一种反射非荧光光谱中的光。相机或其他成像装置能够分辨相干特征和非相干特征之间的差异，以向控制器发信号通知由标记限定的精细分辨的图案。检测到的相干光反射与非相干发光之间的对比度克服了与激光斑相关的问题，即使在长距离处也是如此。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易理解本公开的优点，其中：
图1示出了激光斑的图像，已知其破坏长距离激光扫描并且使长距离激光图像模糊；
图2示出了本发明的标记扫描仪的第一实施例；
图3示出了用于识别将激光模板投射到工作表面上的标记的激光投射器。
图4示出了指示使用绿色激光激发的荧光材料的发光的波长图；
图5示出了区分环境照明中利用荧光模具的非相干光发射的波长图；
图6示出了指示使用相干光源对标记的模糊长距离扫描的相对波长图；
图7示出了指示使用相干光到非相干光的转换对标记的增强扫描的相对波长图；
图8示出了本发明的标记扫描仪的替代实施例；以及
图9示出了本发明的标记扫描仪的另一替代实施例；
图10示出了本发明的标记扫描仪的又一替代实施例。
具体实施方式
本发明的方法为操作者提供了在显著远于目前短距离条形码扫描仪所需距离的距离处扫描条形码、QR标识等的能力。生成相干光照射然后将相干入射光转换成非相干光克服了与例如激光斑(因此其需要扫描仪紧密接近条形码、QR标识等)相关的问题。
现在参照图2，用于实施本发明的方法的组件总体上以10表示。该组件包括用于产生激光束13的激光投射器12。激光束13通过第一振镜(galvanometer)16和第二振镜18引导向工作表面14。第一振镜16包括由第一扫描电机22驱动的第一反射元件20，第二振镜18包括第二反射元件24，包括第二扫描电机26。控制器28还引导第一扫描电机22和第二扫描电机26重定向激光束13以扫描工作表面14。更具体地说，控制器28引导第一扫描电机22和第二扫描电机26扫描已由标记32标识的层片件30。
成像装置34对工作表面14和层片件30进行成像，更具体地说，对标记32进行成像。成像装置34是相机、摄影测量组件、光传感器阵列或能够检测所需光谱中的光的等效传感器。在一个实施例中，相干光滤光器36过滤相干光使其不能到达相机34的光传感器元件38。
标记32包括第一特征40和可与第一特征40区分开的第二特征42。第一特征40和第二特征42一起形成条形码、QR标识或等同物。标记32对于每件层片30是唯一的，使得控制器28可以从数据库中识别该件层片30。在一个实施例中，条形码的条形成第一特征40，并且条形码的背景形成第二特征42。可替代地，背景形成第一特征40，并且条形码的条形成第二特征42。
激光投射器12提供相干光源，这样仅仅是示例性的。替代的相干光源在本发明的范围内，包括但不限于发光二极管等。第一特征40包括荧光模具，其在激发时发射荧光光谱中的光，更具体地，发射橙色光谱中的光，其具有约608nm处的峰值。然而，能够在激发时以不同荧光峰值发射具有不同荧光光谱的荧光的荧光模具也在本发明的范围内。应当理解，第一特征40或者第二特征42可以在被照射时提供荧光发射。然而，第一特征40和第二特征42中只有一个可以提供荧光特性，其目的在下文中将变得更加清楚。
图6示出了通过在具有差异较大的反射率的表面上扫描的相干光源12(在该示例中为激光器)产生的反射的相干光的曲线。由激光器12产生的相干光的干涉使高对比度边缘的转变位置变得模糊，并且妨碍已知在条形码、QR标识等中出现的低对比度特征的检测。图1中所示的激光斑在长距离处变得更加模糊，从而加剧了无法精确检测转变位置的情况。当要被激光束13覆盖的区域大并且标记32有限时，精确区分例如第一特征40与第二特征42的能力变得完全不足。因此，标记32放置在置于大工具上的小零件上，或者放置在覆盖宽间隔的制造功能需要额外的处理步骤以移动标记使其紧密靠近扫描器的情况，这正是本发明所解决的问题。
图4示出了通过发出具有约530nm处的峰值的相干光的绿色激光器对荧光材料的激发。在该示例中，荧光材料产生非相干的橙色荧光响应照射，其具有约608nm处的峰值响应。荧光带外部的光源对荧光材料的照射提供了从荧光材料的发光，该发光可以容易地与光源分离。作为非限制性示例，图5示出了环境光源对橙色荧光材料的照射，其中橙色荧光材料仍然产生具有约608nm处的峰值的发光响应，仍然提供与来自绿色激光器或LED的包括约530nm的峰值波长的反射光的区别。这种区别的非相干发光结果说明了当激光器或LED光源用于照射时任何制造环境中典型的环境照射。
即使在被激光器或LED光源产生的相干光照射时，从荧光材料发射的也是非相干光。当提供具有荧光的第一特征40(例如，在橙色光谱中)以及非荧光的第二特征42的图案时，第一特征40和第二特征42可以通过成像装置34容易地区分，通过图4中所示的荧光发射与绿色激光产生的相干光反射的分离，可以明显看出这一点。取决于应用需要，成像装置中的传感器元件38可以是CMOS、CCD或等效光传感器。通过在传感器元件38与工作表面14和层片件30之间定位滤光器36，光学地阻挡相干激发能量和/或环境反射，可以实现进一步的精确性。选择滤光器36以过滤约570nm至约670nm范围内的相干光，使得照相机34主要检测由荧光的第一特征40发射的非相干光，提供在第一特征40和第二特征42之间限定的间隔或线处的高强度。以这种方式，发信号通知控制器28与条形码或QR标识相关联的高分辨率图案，使得控制器28能够容易地识别其上粘附有标记32的层片件30，即使在长距离处也是如此。应当理解，绿色激光器和橙色荧光材料的使用仅仅是示例性的，以另一波长在不同荧光发射中产生的相干光也在本发明的范围内。可以在不同的制造环境中使用不同的发射和照射光范围，这也在本发明的范围内。在一个实施例中，通过在相干光源22照射之前识别标记32的背景水平反射，也可以消除环境光。因此，在通过相干光源12照射标记32之后，可以从成像装置34产生的图像中减去背景光反射。
在一个实施例中，滤光器44被选择为除了由相干光源22产生的相干光之外还阻挡大部分环境光。滤光器44可以采用可用于过滤通过它的光的无源光学元件的形式，或者分离一个或多个范围的波长的分色镜，这将在下文中关于替代实施例进一步解释。在又一实施例中，传感器元件38可以包括两个传感器，其中一个传感器适于检测来自相干光源22(例如绿色激光器)的相干光，第二个传感器适于仅检测从荧光材料(例如橙色荧光材料)发出的非相干光。
本发明人预期，在译解标记之前，相机34在大的工作区域中(例如，在用于制造复合机翼的航空航天工作单元中)初始地定位标记32可能有一些困难。因此，控制器28引导相干光源22扫描工作表面14，同时使成像装置34与激光束12在工作表面14上的移动同步。成像装置34感测激光束12何时扫描荧光材料，引起和发射非相干光。此时，这种高速捕获不能提供足够的分辨率来译解标记32，而是仅在激光束12跨标记32扫描时监测返回的强度。控制器28将在目标范围内检测到非相干光的时间与激光扫描的位置相关联以识别层片件30的位置，因此识别标记32。一旦标记32被定位，控制器28就开始对标记32的译解以识别该件层片或零件30。
可替代地，成像装置34连续地监测工作表面14，直到环境光与标记32相互作用，更具体地说，与荧光的第一特征40相互作用。从成像装置34发信号通知控制器28来自荧光材料的非相干发光的位置。随后，控制器28向相干光源22发信号通知在哪里扫描激光束12以产生标记32的高分辨率图像，以便译解标记32并识别该件层片30。因此，在控制器28确定标记32的位置之后，成像装置34与激光束13在工作表面14上的扫描位置同步。
图7示出了本发明针对必须识别相邻特征(条和背景)之间的精确分界以便准确译解的条形码或其他标记的长距离扫描提供的改进。如图1中的图像所示，激光焦点变得距激光更远时，激光斑变得模糊。图7示出了扫描条形码的相干光在标记32上扫描以从标记32发射非相干光的曲线图，其包括相干光到非相干光的荧光转换。使用非相干光的扫描在曲线与反射率阶梯交叉时显示出强度平滑变化，其中反射率阶梯表示给定条形码中包含的条的每个边缘。曲线表示在激光束跨过条形码的每个条所限定的反射率的阶梯变化扫描时相机的外观，即使相机镜头的分辨率有限。图6中的每个线条图表示激光位置的一个阶梯。依赖于可预测的响应，可以精确地推断出出现反射阶梯的位置，并且使得即使各个条形码线窄于激光器和透镜二者的分辨率，也能够估计各个条形码线的宽度。在水平轴上的1处表示“反射率”的虚线代表实际边缘，其需要检测以精确译解条形码。水平轴的1处的反射率的重叠是由于激光斑的强度变化导致反射的相干光的干涉，如图6所示。结果是相机无法检测到条的边缘实际位于何处。然而，如图7中主要所示，将相干光(在该示例中由绿色激光器产生)转换成非相干光，提供了相干光在给定条的边缘处与非相干光的分离，使得光传感器或相机即使长距离也能清晰地识别条的边缘。
在又一实施例中，成像装置34检测标记32的特征光谱，标记32包括第一特征40和第二特征42，其中特征40,42中的至少一个是荧光的，近似于条形码的每个条的位置。这有利于成像装置34在使用来自相干光源22的相干光13照射标记32时基于从标记32反射或发射的特征环境光来快速地扫描高分辨率图像。因此，当成像装置34向控制器28发信号通知标记32的大致位置，控制器28转而向激光投射器发信号通知在哪里扫描激光束12时，激光投射器(相干光源22)不需要搜索标记32。
在图3中最佳示出(为了与图2的连续性)的又一实施例中，美国专利No.9,200,899LASER PROJECTOR AND METHOD中描述的激光项目和系统用作相干光源。因此，扫描标记32的同一激光器还扫描激光模板44，激光模板44用于引导操作者将层片件30或其他零件在工作表面14上放置在哪里。因此，控制器28发信号通知已经基于标记32的扫描选择了哪件层片30。然后控制器22基于检测到的标记32引导操作者将该件层片30放置在哪里，或者发出指示选择了适当组件序列之外的该件层片30的错误的信号。该序列仅通过操作者将层片件放置在成像装置34的成像范围内，使得在用相干光照射之后可以扫描标记32来形成。
图8示出了总体上示出为50的另一替代实施例，其中与先前实施例相似的元件包括相似的元件编号。在该实施例中，来自标记32的荧光发射沿着与激光束13相同的路径返回，由成像装置34感测。
激光器12(相干光源)是绿色激光器，其将具有约532nm处的峰值的激光束13传输到分色镜52上，到第一反射元件20和第二反射元件24，到标记32的位置，其中第一特征40或第二特征42包括荧光材料。从荧光材料发射的返回光被第一和第二反射元件20,24重定向到分色镜52，分色镜52仅将具有约608nm的荧光波长处的峰值的光透射到传感器54。在该实施例中，传感器54包括收集光学器件和传感器电子器件，例如光电二极管、光电倍增器和等效物，以提供必要的检测灵敏度。
可替代地，又一个实施例总体地在图8中以60示出，包括添加到组件的非分色(部分反射)镜56，用于过滤和引导荧光发射57到非相干光传感器58，并且引导相干光59到不同的相干光传感器61。这种布置提供了如下附加益处：检测从设置在工作表面14上的逆向反射目标62反射的激光，以便相对于激光投射器22在三维坐标系中精确定位工作表面14。因此，同一激光投射器22用于扫描逆向反射目标62、投射激光模板44(图3)以及用于用相干光来扫描标记32。一旦扫描并译解了标记32，激光投射器就扫描逆向反射目标62，以便在三维坐标系中定位工作表面14。逆向反射目标62以已知的方式将相干光返回到源12。这种布置还通过将发光与反射的相干光水平进行比较来提供对荧光发射的改进的检测，从而能够计算两个波长(532nm与608nm)之间的比率。因此，相干和非相干波长二者都穿过部分反射镜56到达修改的传感器58,61。可选地通过添加内部分色镜或分光器(未示出)以将发射的光反射到单独的橙色和绿色波长来改善修改的传感器58,61。
在图10的70处总体示出了又一实施例，其中与第一实施例相似的元件包括相似的元件编号。第一相机72和第二相机74接收从工作表面14和标记32发射的光，标记32包括如上所述的荧光的第一特征40。第一相机72被绿色过滤，第二相机74被橙色过滤。当然，应该理解的是，以这种方式使用第一相机72和第二相机74旨在用于检测反射的绿色激光束和发射的橙色荧光。可替代地，第一相机72被绿色过滤，第二相机74被绿色/橙色过滤，以便计算波长的差以精确地检测从第一特征40发射的橙色波长。此外，可以替代地使用滤光器来检测绿色激光反射或橙色荧光发射。这种替代布置使得两个相机72,74能够以美国专利No.9,200,899LASER PROJECTOR SYSTEM AND METHOD中阐述的方式在激光束12从固定到工作表面14的逆向反射目标62反射时对激光束12进行三角测量，以进行摄影测量。因此，激光投射器12具有以下双重功能：三维定位物体和/或工作表面14以用于投射激光模板44(图3)或图像，以及用相干光扫描条形码或标记32以验证根据激光模板的引导选择了适当的层片件来放置。
本申请的发明人已经确定，发射的能量(光波)与扫描的激光束12的运动的同步允许对标记32的快速解码，更具体地，允许对粘附到层片件30的第一特征40和第二特征42的快速解码。以这种方式，用于投射制造模板的传统激光投射器系统可以用于提供条形码扫描功能。
显然，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化都是可能的。已经根据相关法律标准描述了前述发明；因此，该说明书实际上仅仅是示例性的而不是限制性的。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的变化和修改是清楚的，并且落入本发明的范围内。因此，提供本发明的法律保护的范围只能通过研究以下权利要求来确定。
Claims (17)
1.一种光学扫描物体上的标记的方法，包括以下步骤：
提供相干光源，用于用相干光照射物体；
用包括第一特征和第二特征的标记标识物体，其中所述第一特征包括非相干光的发射，所述第二特征包括相干光的反射；
提供一种能够区分相干光与非相干光的成像装置；
用相干光源产生的相干光照射标记，从而使标记反射相干光并发射非相干光；以及
检测从标记发射的非相干光的存在或不存在，从而识别所述第一特征和所述第二特征之一的图案。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述区分相干光与非相干光的步骤进一步限定为，过滤来自所述成像装置的相干光。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述用包括第一特征和第二特征的标记标识物体的步骤进一步限定为，所述第一特征是荧光的并且所述第二特征是非荧光的。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述用包括第一特征和第二特征的标记标识物体的步骤进一步限定为，所述第一特征在被相干光照射时发射非相干光并且所述第二特征在被相干光照射时反射相干光。
5.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：所述成像装置通过检测来自所述第一特征的荧光的发射来定位标记。
6.如权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：在检测到来自所述第一特征的荧光的发射之后，所述成像装置向所述相干光源发信号通知所述标记的位置。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述提供相干光源的步骤进一步限定为，提供用于投射相干光束的激光投射器。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述用相干光源照射物体的步骤进一步限定为，用波长约为532nm的绿色激光束扫描标记。
9.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：所述第一特征吸收波长小于约575nm的光并且发射峰值波长约为608nm的光。
10.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：过滤波长低于约575nm的相干光。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述区分相干光与非相干光的步骤进一步限定为，提供分色镜和分束器之一，用于将从第一特征反射的相干光引导到第一光传感器，并且将从第二特征发射的非相干光引导到第二光传感器。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述提供成像装置的步骤进一步限定为，提供包括相干光传感器和非相干光传感器的相机。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述提供相干光源的步骤进一步限定为，提供激光投射器，所述激光投射器能够将激光模板投射到由设置在物体上的所述标记限定的工作表面上。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述将激光模板投射到工作表面上的步骤进一步限定为，译解指示将激光模板投射到工作表面上的位置的所述标记。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述物体放置在工作表面上的所述激光模板指示的位置处。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述成像装置包括两个相机，用于对目标的位置进行三角测量，从而确定目标在三维坐标系中的位置。
17.如权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：针对反射的相干光和发射的非相干光，选择性地过滤所述第一相机和所述第二相机中的一个。
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