CN113051943A - 光学成像设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于读取光学代码的光学成像设备和方法。所述成像设备包括传感器、透镜、多个照明设备和多个反射表面。所述传感器被配置用于使用预定数量的像素行来进行感测，其中，所述预定像素行安排在预定位置中。所述透镜具有沿着光轴的成像路径。所述多个照明设备被配置用于沿着所述光轴透射照明图案，并且所述多个反射表面被配置用于折叠所述光轴。

Description

光学成像设备和方法

本申请是申请日为“2017年8月25日”、申请号为“201710742440.8”、题为“光学成像设备和方法”的分案申请。

相关申请的交叉引用

不适用。

联邦政府赞助的研究或开发的声明

不适用。

背景技术

使用识别码来标记物体常用于工业环境和商业环境两者中。例如，已经将一维码(条形码)和二维码置于物体上以便允许基于包含于代码中的数据来快速识别物体。通常，基于激光的扫描设备和系统由于其能够在物体快速移动通过扫描器时成功扫描代码而用于读取代码。这可以允许基于激光的扫描设备在与其他扫描设备相比时具有很高的扫描速率(行/秒)。

另外，因为可以通过激光线来清楚地标记激光扫描器的读取区域，所以可以容易地调试基于激光的系统。这可以允许用户快速地确定激光扫描器与外围设备的正确对准。进一步地，激光扫描设备可以具有很大的视角(例如，60到90度)。大视角允许激光扫描器安装在非常靠近待扫描物体或扫描区域(即，传送带)的地方，同时仍保持充足的读取区域以便能够读取代码。

然而，基于激光的设备经受多种调节并且通常被调节以便限制激光器可以输出的能量。对激光输出功率的这种调节可以限制可以使用基于激光的扫描设备和系统的距离和视场(“FOV”)。另外，许多基于激光的扫描设备利用旋转镜或振动镜来生成移动斑点。这些移动部分可能使基于激光的扫描系统受到附加磨损，并且由此降低设备的可靠性和寿命两者。

以前，已经使用了基于视觉或相机的系统以试图提供使用激光扫描设备的替代物。然而，以前基于视觉或相机的系统不具有足以能够扫描许多代码的扫描速率，特别是在需要迅速扫描代码的应用中。例如，在物体以大约1m/s的速度移动的应用中，激光扫描器可以以每秒1000行的速度扫描代码。因此，代码将在扫描之间仅移动1mm。然而，典型的基于视觉或相机的系统可以具有仅每秒30帧的扫描速率，从而允许帧之间大约33mm的移动。这可能导致遗漏代码或部分成像代码，或有可能根本不捕获帧中的任何帧中的代码。

进一步地，在基于相机或视觉的扫描系统中，视场的张角由成像透镜的焦距和传感器大小决定。通常，这些系统具有大约30度到大约40度的张角。这些张角通常小于基于激光的扫描系统的张角。因此，为了使基于相机或视觉的扫描系统覆盖与基于激光的扫描系统相同的视场，相比基于激光的扫描系统，基于相机或视觉的扫描系统必须置于更远离待成像物体的地方。因此，需要用于增大视觉系统的扫描速率的解决方案。

发明内容

公开了一种用于读取光学代码的光学成像设备。所述成像设备包括区域传感器、透镜、多个照明设备和多个反射表面。所述传感器被配置用于使用预定数量的像素行来进行感测，其中，所述预定像素行安排在预定位置中。所述透镜具有沿着光轴的成像路径。所述多个照明设备被配置用于通过产生沿着所述光轴的照明路径来透射照明图案，并且所述多个反射表面被配置用于折叠所述光轴。

在一些实施例中，仅预定像素行用于对物体进行成像。所述传感器可以具有1280像素的960行，并且所述预定使用数量的像素行可以是40行。

在一些实施例中，所述多个照明设备是发光二极管。这些照明设备可以配置在同样包含所述光轴的平面上。所述多个反射表面可以是反射镜。一些实施例包括反射表面，所述反射表面被配置用于折叠沿着与所述光轴相同的轴的照明轴。在一些实施例中，折叠光轴减小了到最近读取平面的最小对焦距离。另外，折叠光轴可以减少在设备与最近读取平面之间的所需安装空间。可选地，由照明设备产生的照明图案与传感器预定使用数量的像素行结合。

所述光学成像设备可以进一步包括出射窗，其中，所述照明路径和所述成像路径将通过所述出射窗离开所述光学成像设备。另外，所述出射窗可以包括处于所述成像路径和所述照明路径中的至少一项中用于对光波长光谱的预定带进行过滤的滤光片。在一些实施例中，所述出射窗包括多个滤光片，并且使用交叉偏振方向来偏振处于所述成像路径中和处于所述照明路径中的所述滤光片。

还公开了一种用于使用光学设备来读取光学代码的方法。所述方法包括：使用透镜沿着光轴聚焦成像路径；生成照明图案；使用多个反射表面来折叠所述成像路径；以及使用区域传感器来感测所述成像路径中的物体。所述透镜整合到所述光学设备中，并且所述照明图案具有沿着与所述成像路径的轴大约相同的轴的照明路径。所述传感器仅使用可用于所述传感器的预定数量的像素行。

可选地，所述方法可以进一步包括：使用所述多个反射表面来折叠所述照明图案。所述方法还可以进一步包括：使用滤光片来减少来自所述光学代码的反射，所述滤光片可以是紫外滤光片。所述光学设备可以进一步包括处于所述成像路径和所述照明路径中的至少一项中用于滤出光波长光谱的确定带的滤光片。所述照明图案可以使用多个照明设备来生成，并且所述多个照明设备可以整合到所述光学设备中。

还公开了一种用于现有光学成像设备的折叠附接设备。所述折叠附接设备包括折叠光路部分和线状照明图案发生器。所述折叠光路部分被配置用于折叠所述光学成像设备的光路，并且所述线状照明图案发生器与所述光学成像设备的传感器的加窗部分关联。可选地，所述线状照明图案发生器可以包括分束器和分色镜中的至少一项。所述设备可以进一步包括倾斜出射窗，所述倾斜出射窗用于减少到所述辅助设备中的反射，并且可以以大约15到30度倾斜。

附图说明

图1展示了一般光学读取器视场确定。

图2展示了具有替代性透镜焦距的光学读取器视场确定。

图3A是一般光学读取器的系统视图。

图3B是具有单个折叠的一般光学读取器的系统视图。

图4是加窗传感器的图形表示。

图5是感测在限定方向上移动的一维条形码的加窗传感器的图形表示。

图6A是在与光轴相同的平面上的照明路径的照明设备图案布局的实施例的系统视图。

图6B是在与光轴相同的平面上的照明的照明设备图案布局的实施例的替代性系统视图。

图7是具有更长内部路径的替代性一折叠光学读取器的系统视图。

图8是具有多折叠光学路径的示例性成像系统的系统视图。

图9是多反射表面成像系统的实施例的系统视图，展示了成像系统中的光路的折叠。

图10是图8的多反射表面成像系统的等距视图。

图11是图8的多反射表面成像系统的侧视图。

图12是替代性多反射表面成像系统的横截面视图。

图13是照明未与成像路径一起折叠的多反射表面成像系统的替代性实施例。

图14是具有用于组合照明路径和光路的分束器的多反射表面成像系统的替代性实施例。

图15展示了使用如以上展示的光学成像设备的可能照明图案。

图16A至图16C展示了照明光学器件的多个实施例。

图17是具有倾斜出射窗的多反射表面成像系统的替代性实施例。

图18是流程图，展示了用于使用光学成像系统来感测物体的过程。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用上不限于在以下说明中阐述的或在以下附图中展示的构造细节和部件安排。本发明能够具有其他实施例并且能够以不同方式来实践或执行。而且，应当理解的是，本文中使用的措辞和术语是出于说明的目的而不应视为是限制性的。本文中对“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变化形式的使用意味着涵盖其后列出的项及其等效物以及附加项。除非另外指明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变形形式是广义地使用的并且涵盖了直接和间接的安装、连接、支撑和耦合。进一步，“连接”和“耦合”不局限于物理或机械连接或耦合。

另外，对术语“代码”的使用可以被理解为指各种可读代码，比如，一维“条形码”、二维码(例如，QD码等)和其他各种代码类型。对术语代码的使用不限于所应用的代码类型。

呈现以下讨论以使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施例。对所展示的实施例的各种修改对本领域技术人员将是非常明显的，并且在不脱离本发明实施例的情况下，本文中的一般原理可以应用于其他实施例和应用中。因此，本发明的实施例不旨在受限于所示出的实施例，而是应当符合与本文中公开的原则和特征一致的最宽范围。参考附图来阅读以下具体实施范式，其中，不同图中的相同元件具有相同的参考号。不一定是按比例绘制的附图描绘了所选实施例并且不旨在限制本发明实施例的范围。本领域技术人员应认识到，本文中提供的示例具有许多有用的替代方案并且落入本发明实施例的范围内。

使用成像设备和系统来读取代码或甚至执行基本成像任务需要成像设备或读取器与待成像物体具有最小距离以便确保可以实现适当的视场和对焦。在一些应用中，读取器与待成像物体之间的有效距离可能有时候非常受限。在一些示例中，可以修改在光学读取器中使用的透镜的焦距以便减小最小最近对焦平面距离。然而，通过减小焦距来减小最小最近对焦平面距离可以增大视场角度，从而使最远成像平面的大小增大。最远成像平面的这种大小增大可以减小最远成像平面的分辨率，由此使得更加难以分析更小的物体。可以在以下图1和图2的讨论中看到调整焦距以便减小最小对焦距离的示例。

图1展示了具有视场(“FOV”)102的一般光学读取器100。读取器100可以被配置用于读取第一平面104与第二平面106之间的数据。第一平面104和第二平面106可以分离第一距离108。在一个示例中，所述距离可以是304mm。然而，第一距离108可以大于304mm或小于304mm。另外，第一平面104和第二平面106可以具有限定宽度。在一个示例中，第一平面104可以具有100mm的宽度，并且第二平面106可以具有254mm的宽度。因此，一旦确定了传感器的大小和读取器内的透镜的焦距，就可以限定读取器100的FOV 102。在图1的示例中，假设三分之一英寸传感器和9.6mm焦距透镜，FOV 102可以是±14度，其中，第一平面104和第二平面106像以上所讨论的那样安排。这导致第一平面104与读取器100之间的距离109为大约203mm。203mm的距离109可能不适合于一些应用，特别是在空间受限的情况下。FOV 102通常可以通过方程

来确定，其中，α等于FOV角102；f’等于透镜的焦距；并且s等于成像传感器大小。可替代地，可以通过方程

来确定FOV，其中，y等于第二平面106的长度(被示出为距离110)的一半；并且d等于从读取器100到最远平面106的距离(被示出为距离112)。

为了减小到第一平面104的最小对焦距离，可以减小读取器100的透镜的焦距。现在转到图2，可以看到具有读取器202的示例成像系统200，所述读取器具有焦距为4.2mm的透镜。系统200可以进一步具有被分离距离208的第一平面204和第二平面206。为了比较的目的，在此示例中，第一平面204和第二平面206被分离大约304mm。假设使用同一个三分之一英寸传感器，通过将透镜的焦距从在图1中的系统中使用的9.6mm焦距减小到4.2mm，与第一平面204的最小距离210可以减小到88mm。进一步地，这将成像路径的FOV 212的角度改变为大约30度。此外，假设第一平面204具有100mm的宽度，第二平面206的宽度增大到455mm。

虽然以上示例提供了用于通过减小透镜的焦距来减小到待由成像系统成像的物体的最小距离的可能解决方案，但是在一些示例中，可能有可能将到待成像物体的最小距离减小到足以用于给定应用。用于进一步减小成像设备与待成像物体之间所需的空间的一种解决方案是折叠光路。在一个示例中，反射镜可以用于折叠光路。然而，其他反射表面可以用于折叠光路，比如，产生内反射的棱镜。

现在转到图3A和图3B，可以看到光学成像系统300。光学成像系统300可以具有成像设备302。成像设备302可以包括传感器303、一个或多个照明设备304和成像透镜306。光学成像系统可以进一步包括反射表面308，如图3B中示出的，所述反射表面可以包含在外壳310中。在一个实施例中，传感器303可以是CMOS型传感器。可替代地，传感器303可以是CCD型传感器或其他类型的适用传感器。在一个实施例中，传感器303可以是来自镁光(Aptina)的AR0134传感器。成像传感器通常可能由于许多数字成像传感器中可用的有限帧速率而限制物体扫描速度。为了增大数字成像传感器的帧速率，可以减小传感器303的有效感测区域。例如，如图4中示出的，可以看到传感器的感测区域400的图形表示。感测区域400可以包含多个像素。给定感测区域400中的像素的数量决定了给定传感器的分辨率。在一些实施例中，传感器可以具有数百万像素(百万像素)。例如，常见传感器大小可以为4百万像素、8百万像素、1200万像素等。感测区域400中的像素的数量越高，传感器的分辨率越大。虽然更大的像素计数增大传感器的分辨率，但是分辨率增大可能由于与增大数量的像素相关联的所需处理能力而对扫描速度具有不利影响。

为了增大传感器的扫描速度而不减小期望分辨率，可以减小感测区域400，从而使得仅感测面400的一部分保持活动。图4示出了围绕活动像素区域406的第一不活动区域402和第二不活动区域404。在一个实施例中，活动像素区域406可以被大小设定为观看特定代码所需的预期FOV。例如，在预期以特定取向(即，垂直或水平)来扫描一维条形码的情况下，可以以类似方式(垂直地或水平地)来对活动像素区域406进行取向。进一步地，由于对于一维代码，仅需要给定代码的宽度的一部分，所以活动区域406可以减小为几个像素行。例如，活动感测区域406可以减小为10行与50行之间。然而，根据给定应用的需要，还可以使用更多或更少像素行。在一个示例中，对于具有1280像素的960行的分辨率和每秒54帧的帧速率的传感器，通过使用1280像素的40行，活动感测区域406可以减小因子24，并且帧速率可以增大相应因子24。在使用光学成像系统时，这种帧速率增大可以允许增大的扫描速度和吞吐量。另外，活动感测区域406可以减小为10与100之间的行数量。虽然活动感测区域406可以减小为小于10行，但是维持至少10行可能减小传感器中的坏像素的影响。进一步地，在活动感测区域406中维持至少10行可以通过提供增加的信息(相比于行传感器)来改善成像设备的准确度。

现在转到图5，图4的感测面400被示出为在一维条形码500在所示出的方向上通过感测面400时对其进行成像。成像代码的取向为使得活动感测区域406能够对条形码500中的数据中的所有数据进行成像，即使仅感测面400的一部分是活动的。在一个实施例中，活动感测区域406可以被水平地取向(以便与传感器的最大尺寸重合)以便允许更大的FOV和更好的分辨率，并且还可以与代码的移动方向对准。

现在返回到图3A和图3B，光学读取器300可以包括一个或多个照明设备304。在一个实施例中，照明设备304可以是发光二极管(“LED”)。在一些示例中，照明设备304可以是单色LED。可替代地，多色LED可以用于允许根据待成像代码的类型而向物体呈现不同波长。在一些实施例中，照明设备304可以以恒定输出来输出光。可替代地，光学读取器300可以改变照明设备304的输出。例如，在一些应用中，待读取代码可以处于高反射物体上，其中，高强度光可能模糊或“洗掉(wash-out)”代码。因此，可以减小照明设备304的输出以便确保对物体的适当照明。另外，照明设备可以包括参照图16A至图16C而更详细地讨论的照明光学器件。

此外，如在图3A和图3B中示出的，定位在成像设备300的出射窗314中的滤光片可以用于滤出环境光。另外，滤光片可以被设计用于滤出光波长光谱的确定带，并且可以对成像路径、照明路径或两者进行过滤。在一个示例中，照明设备304可以输出紫外光谱中的光。进一步地，在一些示例中，物体上的代码可以使用荧光油墨来打印，其中，发射波长不同于激发波长，在成像路径上使用滤光片可以仅允许由荧光油墨提供的荧光发射波长通过，由此仅允许对兴趣物体(代码)进行成像。

另外，交叉偏振光可以用于避免待成像物体上的反射。在待成像代码处于有光泽表面或反射表面上(比如，抛光金属物体)的情况下，此特征是有利的。为了对光进行偏振，可以将偏振片置于照明设备304前方，并且可以将偏振方向垂直于照明偏振片的偏振片置于成像路径中。在一个实施例中，偏振片可以整合到出射窗314中。可替代地，偏振片可以结合到照明设备304中并且结合到成像透镜中。进一步地，偏振片可以直接置于照明设备304前方并且直接置于成像透镜前方。在一些实施例中，成像路径的偏振方向可以平行于照明偏振片；可替代地，偏振方向可以垂直于照明偏振片。通常，基于应用来选择偏振片的取向。

所述一个或多个照明设备304可以被进一步取向为使得光沿着与光学成像轴312大约相同的轴透射。在一些实施例中，照明设备304被配置在包含光学成像轴312的平面上。在一个实施例中，照明设备304可以沿着类似于光学成像轴312但与其分离的轴透射光。然而，因为光学成像轴312和照明轴两者由于对反射表面308的使用而大约相同，所以两个轴可以足够靠近，从而使得照明设备304在光学读取器300的视场中提供照明。

在一个实施例中，可以使用一个或多个照明设备304。进一步地，为了帮助将照明图案几何形状与成像路径匹配或为了与感测区域(比如，以上所讨论的活动感测区域406)重合。在图6A中可以看到对照明设备进行定位的一个示例。图6A展示了多个照明设备600和定位在照明光学器件604中的成像透镜602。如图6A中示出的，照明设备600可以线性地安排。进一步地，照明设备600可以均匀分布于成像透镜602的任一侧。可替代地，照明设备600可以非均匀分布，或如果适用的话，以非线性模式分布。像图6A中那样安排的照明设备600可以投射与图4和图5的活动感测区域406类似的照明图案。

可以以许多方式来产生照明光学器件604。在一些实施例中，照明设备600置于注塑成型的部件(例如，照明光学器件604)内并且可以采取任何期望形状，比如，图16A至图16C中示出的针对照明光学器件的非限制性示例的形状。在一些实施例中，可以包括用于成像路径的光圈。在一些实施例中，照明光学器件形成于单个注塑成型的部件(像图6A中示出的部件)中。在其他实施例中，照明光学器件可以组合到一起，从而使得如图6B中示出的，多个照明光学器件(但不是所有照明光学器件)被定位在一组注塑成型的部件中。在又其他实施例中，照明光学器件单独定位。已经进一步设想的是，可以使用其他聚合物成型工艺，比如，热成型、圧缩成型、吹塑或本领域中熟知的其他工艺。

在一些实施例中，期望具有沿着与光学成像轴相同的轴提供照明的照明设备304。例如，当成像设备非常接近待成像物体时，可能有利的是，提供与光学成像轴成一条线的照明。例如，可能有利的是，当在长距离内对物体进行成像时，沿着与光学成像轴相同的轴提供照明，因为在成像路径与照明路径之间存在角度的情况下，在某个距离之后，照明可能部分或完全处于FOV之外。通过使照明路径与光学成像轴成一条直线，照明将通常照亮FOV。当在更长距离内对物体进行成像时，这可以进一步允许增大的效率。

另外，通过提供与光学成像轴成一条直线的照明，可以通过允许用户将照明用作引导以便确切了解成像路径在哪里来辅助对光学成像系统300的调试和设置。因此，通过提供与光轴成一条直线的照明，基于激光的扫描系统的优点可以结合到光学成像系统中。在一些实施例中，可以使用分束器(例如，50％透射、50％反射分束器)来使照明轴与光学成像轴汇聚。然而，还可以使用其他光学操纵设备。例如，当不同波长用于照明路径和成像路径时(比如，使用荧光成像时)，可以使用双色向滤光片来代替分束器。

如图3B中示出的，光学读取器300的反射表面308可以用于“折叠”成像路径。在一个实施例中，反射表面可以是反射镜。可替代地，可以使用其他反射材料，比如，棱镜。反射表面308可以允许光学读取器300置于最近期望读取平面附近。例如，光学读取器300的成像透镜306可以具有4.2mm的焦距，从而使得维持以上描述的期望FOV将得到最小对焦距离88mm。这将通常要求最近读取平面远离成像透镜306至少88mm。在一些应用中，到第一对焦平面的距离需要更小，例如，30mm。然而，通过以45度角来定位反射表面308，可以以90度角来折叠光学成像轴312。这可以允许光学读取器300被定位在更靠近最近读取平面的地方。在本示例中，假设反射表面308被定位成距离聚焦透镜306大约30mm并且距离外壳310的出射窗314 30mm，88mm最小对焦距离的60mm可以定位在光学成像系统300内，由此在光学成像系统300的出射窗314与最近读取平面之间仅需要28mm距离。

现在转到图7，可以看到图3的光学成像系统300的替代性实施例。图7展示了光学成像系统700，光学成像系统700可以包括成像设备702。成像设备702可以包括传感器702、一个或多个照明设备704和成像透镜706。在类似实施例中，所述一个或多个照明设备704可以定位在与成像透镜706相同的水平平面中。在如此实施例等实施例中，多个照明设备704可以定位在成像透镜706的任一侧，比如，在图6A、图6B中示出的照明设备600和成像透镜602的取向上或在以上讨论的那些其他取向上。光学成像系统可以进一步包括反射表面708，所述反射表面可以包含在外壳710中。然而，在此实施例中，反射表面708可以定位成距离聚焦透镜706大约65mm并且距离外壳710的出射窗712 25mm。这可以允许光学读取器700的出射窗712与最近读取平面之间的零距离，其中，成像透镜706具有4.2mm的焦距。因此，图7展示了对光学成像系统700内的成像路径的可能修改以便允许最小对焦距离完全包含于光学成像系统700内。在将光学成像系统700整合到应用中时，这可以允许附加灵活性。

现在转到图8，可以看到光学成像系统的进一步实施例。图8展示了光学成像系统800。光学成像系统800可以包括成像设备802。成像设备802可以包括传感器803、一个或多个照明设备804和成像透镜806。光学成像系统800可以进一步包括第一反射表面808、第二反射表面810和第三反射表面812。反射表面808、810、812可以包含于外壳814内。在此实施例中，成像路径和照明路径可以通过反射表面808、810、812折叠以便允许替代性外壳814设计。类似于以上内容，反射表面808、810、812可以被定位成允许整个最小对焦平面距离包含于外壳814内，从而使得在出射窗816与最近读取平面之间不需要任何附加距离。然而，反射表面808、810、812还可以被定位成使外壳814大小最小化，同时如适用的话，还限制出射窗816与最近读取平面之间所需的附加距离。虽然光学成像系统800被示出为具有三个反射表面，但是如适用的话，可以使用多于三个反射表面或少于三个反射表面。

在一些示例中，多反射表面光学读取器800可以用于成像透镜806的焦距需要更大的最小焦距的应用中。例如，图9示出了多反射表面光学成像系统900的详细视图。光学成像系统900可以包括成像设备902，成像设备902包括传感器903、一个或多个照明设备904和成像透镜906。成像系统900可以进一步包括光学折叠设备907，光学折叠设备907可以包括第一反射表面908、第二反射表面910和第三反射表面912。在一个实施例中，成像设备可以是来自康耐视(Cognex)的DM150或DM260。进一步地，可以看到耦合至成像设备902的通信连接914。在一个实施例中，通信连接914可以提供成像设备902与处理设备(未示出)(比如，PC或专用图像处理系统)之间的通信。在一个实施例中，通信连接914可以经由串行连接(比如，RS-262、RS-485、通用串行总线(“USB”))或经由如火线(Firewire)、以太网、ModBus、DeviceNet或其他适用通信协议等其他协议进行通信。在进一步实施例中，通信链路914可以是无线通信链路。例如，通信链路914可以使用无线协议(比如，Wi-Fi、Zigbee、蓝牙、RF、蜂窝(3G、4G、LTE、CDMA)或其他已知或未来开发的有线或无线通信协议)来提供与其他设备(比如，以上讨论的处理设备)的通信。另外，通信连接914可以用于向成像设备902提供电力。可替代地，成像设备902可以具有替代性电源，比如，电池或单独的外部电源连接。

在此示例中，成像透镜906可以具有6.2mm的焦距。因此，假设第一成像平面为大约四英寸宽，最小物距将为131mm。然而，使用以上描述的方程，可以针对任何给定更近和/或更远平面宽度而确定最小焦距。进一步地，在成像透镜906透镜具有6.2mm的焦距的情况下，光学读取器900可以被设计用于允许68mm的最小对焦距离以便在反射表面908、910、912之间折叠。为了这样做，聚焦透镜906与第一反射表面908之间的距离(d1)可以为15mm；第一反射表面908与第二反射表面910之间的距离(d2)可以为25mm；并且第二反射表面910与第三反射表面912之间的距离(d3)可以为28mm。因此，在第三反射表面910与物面916之间需要63mm的剩余距离以便实现最小对焦距离。

因为成像平面和照明平面在反射表面908、910、912之间“折叠”，所以成像平面的FOV增大，从而需要反射表面908、910、912的大小在每次“折叠”之后增大。使用以上讨论的值，反射表面908将在长轴周围需要约40mm的尺寸。反射表面910将在长轴周围需要约60mm的尺寸，并且反射表面912将在长轴周围需要约85mm的尺寸。可以使用方程

来确定单独反射表面的大小，其中，α是FOV角；L是反射镜长度；并且d是反射镜与读取器之间的距离(或可替代地，多反射镜系统中的反射镜之间的距离)。因此，通过改变多个反射表面的距离和大小，可以“折叠”成像路径以便通过减小成像设备与第一成像平面之间所需的物理距离来允许更紧凑的装置。

另外，虽然以上光学成像系统900被描述为完整系统，但是在一些实施例中，可能期望的是，通过将光学折叠设备(例如，光学折叠设备907)结合到现有成像设备上来修改现有成像设备(例如，成像设备902)以便允许现有设备被相应修改。

现在转到图10，可以看到以上描述的光学成像系统900的等距视图。此处，可以看到光学成像路径1000的FOV。如图10中看到的，FOV可以具有基本上矩形的形状以便与成像表面1002重合。可以选择所述形状以便处理可能在所示出的方向上通过成像表面1002的光学代码1004。矩形形状可由如以上讨论的加窗传感器引起。图10进一步展示了围绕成像设备902和反射表面908、910、912的外壳918。图11示出了光学成像系统给900的侧视图。如在图11中看到的，可以在光学成像路径1100离开外壳918时看到所述成像路径的FOV。在以上讨论的示例中，输出角可以为约21度。

现在转到图12，可以看到多反射成像系统1200的替代性实施例。成像系统1200可以包括成像设备1202。成像设备1202可以是如以上讨论的成像设备。成像设备1202可以经由转接板1206附接至折叠设备1204。折叠设备1204可以包括第一反射表面1208、第二反射表面1210、第三反射表面1212和出射窗1214。折叠设备可以进一步包括照明设备1216。照明设备1216可以是多个LED。进一步地，折叠设备1204可以包括光学透镜1218。光学透镜1218可以定位在照明设备1216的输出端处。在一个实施例中，光学透镜1218可以使用来自照明设备的输出来创建线图案。如以上讨论的，这可以通过允许用户使光学成像路径位于哪里可视化来辅助调试和设置成像系统1200，并且改善照明系统效率。例如，光学透镜1218可以用于将照明成形以便匹配成像设备1202中的传感器1222的配对活动部分从而将照明图案与成像路径FOV匹配。

现在转到图13，可以将光学读取器的进一步实施例视为光学读取器系统1300。光学读取器系统1300可以包括具有成像透镜1304的成像设备1302、第一反射表面1306、第二反射表面1308和第三反射表面1310。光学读取器系统1300可以进一步包括一个或多个照明设备1312。在图13的实施例中，照明设备1312可以定位在光学读取器系统1300的出口处并且接近出射窗1314。这可以允许照明轴1316具有与成像轴1318总体上相同的轴。进一步地，照明设备1312可以被配置用于投射光，从而使得成像物体1320在成像FOV 1322内被照亮。

现在转到图14，可以将光学读取器系统的进一步实施例视为光学读取器系统1400。光学读取器系统1400可以包括具有成像透镜1404的光学成像设备1402、第一反射表面1406、第二反射表面1408和第三反射表面1410。在一个示例中，光学成像设备1402可以是如以上描述的光学成像设备。光学读取器系统1400还可以包括一个或多个照明设备1412。在一个实施例中，照明设备1412可以定位在第一反射表面1406下面。反射表面1406可以被配置用于允许照明通过第一反射表面1406并且将照明轴1414与成像轴1416对准。在一个实施例中，第一反射表面1406可以是分束器。可替代地，第一反射表面1406可以是双色向滤光片。通过将照明轴1414与成像轴1416对准，成像物体1418可以在轴上通过成像FOV 1420照亮。

图15展示了照明分布图案1508，其中，照明路径沿着与光学成像路径相同或类似的轴透射。此处，成像FOV 1502被示出为从光学成像系统1504投射。类似地，成像FOV 1502内的照明分布图案1508被示出为投射到成像物体1506上。如在图15中看到的，在照明分布图案1508的较暗部分中示出了最强烈的照明，所述较暗部分在形状上延长以便与成像FOV1502重合。在照明分布图案1508中示出的这种照明分布可以提供对成像物体1506的完全照明以便允许更有效且准确的成像。如果如以上参照图4和图5而描述的，光学成像系统1504中的传感器被加窗为预定数量的像素行，则照明场1500可以与所述数量的像素行结合，从而使得照明场1500不延伸出成像FOV 1502。尽管在图15中，成像FOV 1502受到约束，但是重要的是，注意，照明场1500可能在多个方向上延伸出成像FOV。

现在转到图16A至图16C，可以看到多个照明光学器件1600、1602和1604。图16A展示了自由形态的照明透镜1600的示例性图像。自由形态的照明透镜可以被专门形成用于对来自照明设备的照明进行成形和/或使其图案化。图16B展示了用于与照明设备一起使用的圆柱形透镜1602的示例性图像。最后，图16C展示了用于与照明设备一起使用的反射光学器件1604，在此示例中，为全内反射(TIR)透镜。以上描述的照明光学器件1600、1602、1604中的每个照明光学器件可以用于帮助对来自如以上所描述的照明设备等照明设备的照明进行成形和/或使其图案化。

现在转到图17，可以将光学读取器系统的进一步实施例视为光学读取器系统1700。光学读取器系统1700可以包括具有成像透镜1704的光学成像设备1702、第一反射表面1706、第二反射表面1708和第三反射表面1710。光学成像设备1702还可以包括一个或多个照明设备1712。照明设备1712可以被配置用于使照明轴与成像轴对准。光学读取器系统1700可以进一步包括出射窗1714。在一个实施例中，可以以某个角度倾斜出射窗1714以便减小沿着成像轴的反射。在一个实施例中，可以使出射窗1714成角度。在一些实施例中，以大约15度来使出射窗1714成角度。然而，如适用的话，可以以大于15度或小于15度来使出射窗成角度。例如，可以以大约30度来使出射窗成角度。进一步地，虽然出射窗1714在图17中被示出为从左到右成角度，但是可以修改角度的方向以便在给定应用中用于提供最优量的反射减少。

现在转到图18，可以看到用于使用如以上讨论的光学成像系统来感测光学代码的过程1800。在过程框1804处，可以生成照明图案。在一个实施例中，可以使用如以上讨论的多个照明设备来生成照明图案。进一步地，在一些实施例中，在过程框1805处，可以像以上描述的那样对照明图案进行成形或过滤。例如，可以使用分束器、双色向滤光片和/或通过以对应于期望照明图案的图案来定位照明设备从而对照明图案进行成形，并且置于照明路径内。在一个实施例中，照明设备可以是LED。在过程框1802处，可以使用光学成像系统的透镜来聚焦成像路径。在一个实施例中，可以基于透镜的焦距来聚焦成像路径。

在过程框1806处，可以折叠成像路径。在一些实施例中，可以使用多个反射表面来折叠成像路径。例如，如以上描述的，可以使用反射镜来折叠成像路径。折叠成像路径可以允许最小对焦距离的一些或全部包含在光学成像系统内。以上更详细地讨论了通过折叠成像路径来减小对焦距离。在过程框1808处，可以对成像路径进行过滤。在一些可选实施例中，在光学成像系统的出射窗处对光学路径进行过滤。例如，出射窗可以具有紫外滤光片、偏振滤光片、双色向滤光片或其他滤光片(如适用的话)。还可以使出射窗倾斜以便提供用于减少反射沿着成像路径返回的过滤。可以将出射窗倾斜0与30度之间，如例如，15度。在一些实施例中，可以对传感器进行加窗1812，从而使得仅传感器的预定部分用于感测物体。如以上参照图4和图5而讨论的，加窗可以通过减小活动像素区域来增大传感器的感测速度和刷新率。最终，在过程框1810处，可以经由光学成像系统的传感器感测到成像路径中的物体。另外，在一些实施例中，在完成过程框1810之后，登记并处理图像。

虽然以上实施例描述了具有像图中那样安排的一个或三个反射表面，但是这些实施例不意味着是限制性的。应当理解的是，使用以上方法和系统，成像系统可以被设计以便容纳到各种应用和系统中。

Claims (20)

1.一种用于读取光学代码的光学成像设备，所述设备包括：

区域传感器，所述区域传感器包括第一多个像素行，所述区域传感器被配置用于仅使用第二多个像素行来进行感测，所述第二多个像素行被安排在所述区域传感器的预定位置中并且包括比所述第一多个像素行中的像素行的数量更少的像素行；

透镜，所述透镜具有沿着光轴的成像路径；以及

照明设备，所述照明设备被配置用于通过产生沿着所述光轴的照明路径来传输照明图案。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述照明设备被配置在包含所述光轴的平面上。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述照明图案与所述传感器的预定像素行匹配。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括反射表面，所述反射表面被配置用于折叠所述光学路径。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二多个像素行以比所述第一多行被配置成被读出所采用的第一帧速率大的第二帧速率被读出，其中，所述第二帧速率以与所述第一多个像素行中的像素行的数量与所述第二多个像素行中的像素行的数量之比成比例地大于所述第一帧速率。

6.如权利要求1所述的设备，进一步包括出射窗，其中，所述照明路径和所述成像路径通过所述出射窗离开所述光学成像设备。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述出射窗包括处于所述成像路径和所述照明路径中的至少一项中的滤光片以用于对光波长光谱的预定带进行过滤。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述出射窗包括多个滤光片，并且使用交叉的偏振方向来偏振处于所述成像路径中和处于所述照明路径中的所述滤光片。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一多个像素行各自包括至少1280像素的至少960行，并且所述第二多行包括所述至少960行中的不超过40行的像素。

10.如权利要求4所述的设备，其中，折叠所述光轴减少了在所述设备与最近读取平面之间的所需安装空间。

11.一种用于使用光学设备来读取光学代码的方法，所述方法包括：

生成照明图案，所述照明图案具有沿着与成像路径的轴近似相同的轴的照明路径；

使用透镜沿着光轴聚焦所述成像路径，所述透镜整合到所述光学设备中；

以及

使用包括第一多个像素行的区域传感器来感测所述成像路径中的物体，其中，所述区域传感器被配置用于仅使用第二多个像素行来进行感测，所述第二多个像素行包括少于所述第一多个像素行中的像素行的数量的像素行。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一多个像素行平行地与正被感测的所述物体的移动方向对准。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：使用多个反射表面来折叠所述照明图案。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述光学设备包括处于所述成像路径和所述照明路径中的至少一项中的滤光片。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述照明图案是使用多个照明设备来生成的。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述多个照明设备整合到所述光学设备中。

17.一种用于现有光学成像设备的折叠附接设备，所述现有光学成像设备包括区域传感器，所述折叠附接设备包括：

折叠光路部分，所述折叠光路部分被配置用于折叠所述光学成像设备的所述区域传感器的光路，所述区域传感器具有第一多个像素行并且被配置用于仅使用第二多个像素行来进行感测，其中所述第二多个像素行被安排在所述区域传感器的加窗部分中并且包括比所述第一多个像素行中的像素行的数量更少的像素行；以及

线状照明图案发生器，所述线状照明图案发生器与所述光学成像设备的所述区域传感器的加窗部分关联。

18.如权利要求17所述的设备，其中，所述线状照明图案发生器包括分束器和分色镜中的至少一项。

19.如权利要求17所述的设备，进一步包括倾斜出射窗，所述倾斜出射窗用于减少到所述设备中的反射。

20.如权利要求19所述的设备，其中，所述倾斜出射窗以近似15到30度倾斜。

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