CN1784687B - 沿视线实时收集和显示信息的设置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于沿从人类操作者到离其不同距离的远处的并且可以通过机器可读标记标识的目标的视线实时地收集和自动显示信息的设置。在标记旁的目标上沿视线自动投影一个二维图象同时维持该图象大小在工作距离的扩展范围内相对不变。

Description

沿视线实时收集和显示信息的设置和方法
本发明一般涉及沿从人类操作者到位于离它不同距离并可由机器可读标记标识的远处目标的视线实时收集和显示信息的设置和方法，特别是涉及在各个与其沿视线的标记相邻的每个目标上自动显示一个二维图象同时在该距离的扩展的范围上维持图象的大小相对不变。
通常已知基于在相互垂直的方向上振荡来在光栅上扫描激光束的一对扫描镜在屏幕上投影一个二维图象。然而，已知的图象投影系统的分辨率有限，通常小于视频图形阵列(VGA)品质(quality)640×480象素的1/4。由已知投影系统所产生的图象通常只在单一距离或至多在离系统有限距离范围内清晰和清楚。已知投影系统的物理尺寸和功耗较高，从而不适合用于小型的，用电池操作的，可由操作者佩带的，手持的或支持手指的应用。
通常还已知佩带在操作者的手腕或皮带上的数据收集终端的屏幕上显示图象。在该腕或皮带佩带的终端或通过键盘输入或通过安装在操作者的一个或多个手指背上的电光读出器自动输入数据。通过有线或无线链路将由读出器捕获的数据发送至终端，并将与捕获的数据相对应的信息显示在终端屏幕(通常是液晶显示器(LCD)设备)上。例如已知安装在手指上的光读出器的例子参见美国专利号：5,578,810；号5,410,140；号5,543,610和号D-391,250。
然而，经验显示出采用耦合至安装在手指上的读出器的腕或皮带佩带的终端的数据收集系统不是完全满意的，因为要求操作者在使用期间必须反复地重新定向他/她的视线。在普通操作下，操作者最初将他/她的眼睛导向沿到诸如通常印在附在诸如要传送的包裹之类的目标上的条形码记号之类的标记的视线的方向。操作者将读出器瞄准该记号，启动扫描，然后等待已成功读出记号的听觉或视觉确认。
然后系统处理由读出器收集的数据并通常在终端上显示与经处理的数据相关的信息。因为如前所述，在一个人的手腕或皮带上安装了终端，为了看到在他们的手腕或皮带上显示的信息，操作者必须转动他/她的头，或至少他/她的眼睛的焦点沿不同的视线重新定向。当在连续的目标上的连续的记号上执行多个重复的扫描时，人的眼睛的连续重新定向降低了生产力并引起不适。
因此，本发明的一个目的是沿从人类操作者到远处目标的视线实时地收集和自动显示信息。
本发明的另一目的是如果不能消除的话就减少要求操作者在数据收集和显示期间切换他/她的目光的要求。
本发明的又一目的是在使用数据收集和显示设置期间提高生产力并减少操作者的不适。
为了将从下文明显看出的以上和其它目的，简而言之，本发明的一个特征在于沿从人类操作者到位于离开不同距离的远处目标的视线实时地收集和显示信息的设置和方法。各目标可以通过与它们相关联的机器可读标记来识别。例如，该标记可以是印在附于要传送的包裹上的标签上的一维或二维条形码记号。该记号标识该包裹，且操作者可以是工作是拾起和传送包裹以及读出记号并将其编码的数据输入跟踪网以在传送期间跟踪包裹的商业信使。
操作者通过看记号，将电光读出器瞄准该记号并人工启动读出器来启动记号的读出。在这些动作期间，操作者的目光直接盯着记号以确保由读出器发出或捕获的光导向该记号或从其反射。读出器处理从记号读出数据并检索用于显示的信息。检索到的信息可以是从查表获取的价格、从数据库获取的产品清单，简而言之，操作者在数据收集时想要的任何信息。
读出器或至少其主要元件包含在由操作者支持的便携式外壳内。例如，该外壳可以包括为了支持一个或多个在操作者的手指背上的外壳而安装的环。
外壳内还包含一个图象投影器。投影器包括：光源，例如用于发出激光束的固态激光器、用于将光束在目标上以扫描线图形进行扫描的扫描器，各扫描线具有多个象素、和控制器，用于根据读出器获取的数据选择在图形中所选择的象素并用于使所选择的象素被激光束照明并可视呈现从而在与目标上的记号相邻的目标上产生一个二维图象。
根据本发明的一个方面，在读出记号后自动将图象投影在目标上，并且为了观看图象，操作者不需要转移他/她的目光。在数据收集和显示期间，操作者不需要移动他/她的眼睛或改变他们的一直指向目标的视点。此特征提高了生产力和操作者的舒适性。
本发明的又一特征在于在目标和外壳之间的距离的扩展的范围内控制图象的大小。因此，目标可以离操作者支持的外壳几英寸或许多英尺。随着离投影器的距离的增加，投影的图象的面积增加，反之益然。在某些情况下，图象可能对近距离的目标太小，或对远距离目标太大。操作者通常将他/她的手移向或移离目标以获取更易于观看的图象。
本发明提供一种用于确定目标的距离并用于根据确定的距离控制图象的大小的测距仪。图象的大小最好在目标可能处于的距离的扩展范围内保持相对不变。不变的图象大小为操作者提供了持续的观看感受且避免了上述时间一长就会使制作者疲劳的手的移动。测距仪可以安装在外壳上。也可以预先知道被读取的标记的尺寸并使用该信息来确定距离。
图1为根据本发明的数据收集和显示系统的透视图；
图2为用于图1的系统中的安装在手指上的外壳的一个实施例的透视图；
图3为用于图1的系统中的安装在手指上的外壳的另一个实施例的透视图；
图4为用于图1的系统中的读出器的方框图；
图5为用于图1的系统中的图象投影器的方框图；
图6为在图象投影期间安装在手指上的外壳的又一实施例的透视图；和
图7为用于安装在用于图1的系统中的外壳中的上面安装了读出器和投影器的元件的模拟的透视图。
标号10通常标识根据本发明的数据收集和显示系统。系统10包括佩带在操作者16的皮带14上的移动终端12，包括围着操作者16的手腕佩带的腕带20的手腕佩带的外围设备18，和安装在操作者16的食指26上的安装在手指上的外壳24。
如下详述，操作者16沿视线引导他的眼睛，将他的伸出的食指26指向并将外壳24瞄准目标28(例如附在纸箱28上的标签32上印着例如二维条形码记号30的标记的装运纸箱)。然后操作者通过用他的姆指36人工按下触发器34启动安装在外壳24中的电光读出器。读出器读出并处理该记号，并通过电缆38将处理后的信息传送至外围设备18。而外围设备18通过无线链路40例如用诸如蓝牙之类的短程协议将经处理的信息传送至终端12。接着终端12通过另一无线链路42将接收到的信息通过IEEE 802.11协议发送至无线路由器44。随后路由器44将该信息发送至访问数据库或查表并从其中检索用于向操作者显示的信息的有线服务器46。服务器46将该检索到的信息发送至路由器42、终端12、外围设备18及安装在手指上的外壳24中的图象投影器。如下详述，该图象投影器将一个二维图象48(例如价格：“$12.99”)投影在与记号30相邻的纸箱28上。图象48对不需要转动他/她的头，或改变他/她的目光或视线来读取该图象的操作者可见。操作者的注意一直在纸箱上，从而提高了操作者的生产力和舒适性。
图2示出在伸出的拇指26上的外壳24。电光读出器60和图象投影器62或至少它们的主要元件安装在外壳24中。图4示出读出器60的电路元件。图5示出投影器62的电路元件。如下所述，读出器生成指示从记号接收到的光的可变亮度的模拟信号。该模拟信号由数字转换器50数字化，然后由解码器52解码。在图2中，模拟信号沿电缆38传导至其中包含数字转换器50和解码器52的外围设备18。在图3中，数字转换器50和解码器52包含在外壳24中，从而去掉了电缆38和外围设备18。外壳24中的无线收发器54用于与终端12中相对应的收发器56通信。图2和3都示出用于将外壳安装在操作者的手指上的指环架58。外壳24包括一对透光窗口62、64，一个用于读出器而另一个用于投影器，虽然如下所述可以将两个窗口62、64合并成一个单个的窗口。
在看图4-5的方框图之前，应注意系统10可以有许多变化。如前所述，可以去掉电缆38和外围设备18。外壳24本身不需要安装在手指上，而可以象笔、枪、闪光灯或个人数字助理那样握在人的手里，或者可以由操作者的身体的另一部分来支持，或者可以象例如合并在眼镜或头盔中那样佩带在人的衣服或身体上。可以改变终端、路由器和服务器之间的有线或无线链路，且实际上在某些应用中，可以去掉这些件设备中的一件或多件。
现参见图4，读出器60包括光源，例如固态可视激光器二极管66，它可用于通过聚焦光学器件68将激光束导向可由扫描器72振荡以将激光束通过窗口62扫描在目标上并围绕目标上的标记30的扫描镜70。所述设置生成一条在适合读出诸如UPC记号之类的一维记号的越过记号的一个方向上延伸的单个扫描线。可以将第二扫描镜和扫描器用于生成一个沿垂直与所述一个方向的第二方向设置的扫描线的图案，该图案适于读出二维记号。
从记号反射的光由可用于生成指示从记号反射的光的检测到的亮度的电模拟信号的传感器74(例如光电二极管)检测。如前所述，此模拟信号在数字转换器50中数字化，在解码器52中解码，并由收发器54发送至天线76，它们都在控制器80(例如编程的微型处理器)的控制下。电池78(最好是可再充电的)用于向外壳24中所有的电子元件供电。触发器34与控制器80连接。
这样，读出器60生成一个标识目标或其某特征的解码的信号。系统采用此标识信号来访问数据库或查表以检索与标识信号相应的某些信息。这可以是运输价格或产品清单中的商品量等。系统将该检索到的信息发送回投影器62以显示该检索到的信息。
在参见图5之前，应注意读出器不需要采用如用于移动束读出器中那样的激光器66和光电二极管74，而可以是其中将电荷耦合器件(CCD)阵列或类似的二维阵列用于成像记号然后根据图象的分析来解码该记号的成像器。
图5的图象投影器62包括诸如激光器82之类由驱动器84供给能量以将激光束发送至可由X驱动器88振荡的X镜86用于将激光束以第一扫描频率fh沿第一方向水平地前后移动(通常称为“X轴”扫描)，然后发送至可由Y驱动器92振荡的Y镜86用于将激光束以第二扫描频率fv沿第二方向垂直地上下移动(通常称为“Y轴”扫描)的光源。所述第一和第二方向相互垂直。第一或水平扫描频率通常比第二或垂直扫描频率快。在较佳实施例中，fv≥40HZ而fh≥3.8KHZ或n(fv)，其中n是一水平扫描中的象素数。
控制处理器94可用于控制时间同步发生器96，而该发生器96控制X驱动器88和Y驱动器92以确保X镜86和Y镜90以正确的速度振荡。X扫描器反馈电路98和Y扫描器反馈电路100监视镜86、90的扫描频率和扫描角，并辅助驱动器88、92维持额定速度和扫描角。晶体振荡器102用作主时钟。另外，反馈电路98、100可以用于控制激光点在其从屏幕越过时的亮度以跨屏幕获取一致的亮度。时间同步发生器96还控制激光器驱动器84控制何时为激光器82提供能量以发射其激光束。
可以将同样的激光器62、82用于读取和用于图象投影。镜70、86及它们的驱动器可以共享。Y镜90只有在希望两轴读取时共享。控制器80、94共享。
图6示出修改的安装在手指上的外壳110，其中也包含读出器60和投影器62，并尽可能多地共享上述元件以使外壳更紧凑和轻。示出了用于读出和图象投影的单个窗口112。带114允许外壳的尺寸适合操作者的一个或多个手指。设置一对触发器116、118来启动下述不同的操作模式。
投影器产生一个已知为“光栅”的在图6中由标号120标识的结果光图案。从点A开始，驱动器88以沿X方向的水平频率向点B扫描来自激光器82的聚焦的光的点以形成第一扫描线。随即，驱动器92以沿Y方向的垂直频率从点B扫描该点以形成第二扫描线。在较佳实施例中，对于在离窗口112约为5英寸的距离测量的4平方英寸(例如2.25英寸×1.75英寸)左右的显示区，光栅的分辨率为沿高度(Y方向)约120线或象素而沿宽度(X方向)约64象素。
通过在处理器94的控制下以选择的次数启动和停止激光器82在光栅图案120中产生图象48，而发生器96控制激光器驱动器84。激光器82产生可见光并且只有在希望看见所希望的图象中的象素时才启动。例如，通过在扫描线的象素D上启动激光器又在另一条扫描线中的象素E上启动激光器...，直至形成形成数字“1”的垂直脚来形成图6中图象字“S12.99”中的数字“1”。
可以通过此技术形成每一个字母或数字。实际上，可以从沿X和Y轴设置的多个如此照明的象素形成包括图形设计和标志符，甚至条形码记号在内的任何图象。字体可以存储在由处理器94访问的存储器124中的字体文件122中。
图象面积约为4-8平方英寸以实现约4∶1的对比度以便于观看。如果要维持显示亮度或对比度，较大的图象面积需要激光功率超过CDRH-II安全级。相反，如果保持激光功率恒定，则亮度和对比度减小以增加显示面积。
可以通过改变镜86、90的扫描角，通过改变到扫描镜的激励功率，或通过稍微改变驱动频率来动态地改变显示面积。以最小为40Hz的频率扫描图象高度以减少闪烁。X镜86最好是安装在扭转带上的平面镜。镜的旋转中心与旋转轴对称以使可听到的噪声最小化。显示区最好是矩形。
激光束最好随扫描速度而变化以维持一致可视性的显示。激光功率和象素持续时间的乘积应在整个显示中维持不变。在扫描线期间各点的开关持续时间可以变化，从而可以认为线的分辨率是“无穷的”。
该组件可适应约0.5立方英寸的体积，因此可以适合配置成笔、环、钥匙串、垂饰或任何其它具有小形状因素的装置的外壳。组件的元件最好安装在诸如印刷电路板之类的普通支持物上并构成矩形或平行六面体形的紧凑模块。
参见图7，模块130包括支持物132(例如印刷电路板)和其中安装了激光器(见图5)和可用于对由激光器发出的激光束进行光修正的光学器件的激光器/光学外壳134。
从外壳134射出的激光束导向或从静态反射镜136反射。扫描器也安装在板132上并包括可由惯性驱动器88以第一扫描速率振荡以扫描在第一水平扫描角上从反射镜反射的激光束的第一扫描镜86，和可由电磁驱动器92以第二扫描速率振荡以扫描在第二水平扫描角上从反射镜反射的激光束的第二扫描镜90。
惯性驱动器88是高速、低电功率消耗的元件。惯性驱动器的细节可以在申请号：10/387,878，申请日：2003年3月13日，转让给本申请同一受让人的并通过引用包括在此的美国专利申请中找到。
电磁驱动器92包括共同安装在第二扫描镜90后面的永久磁铁138和用于响应接收到周期驱动信号产生周期的磁场的电磁线圈140。线圈140与磁铁138相邻，从而周期场与磁铁138的永久磁场发生磁作用并使磁铁，继而使第二扫描镜90振荡。线圈140由与板132连接的垂直壁142支持。
惯性驱动器88最好以大于5kHz(具体来说18kHz或以上的数量级)的扫描速率以高速振荡扫描镜86。该高的扫描速率是以听不见的频率，从而使噪声和振动最小化。电磁驱动器92以足以允许图象不过分闪烁地持续在人类眼睛的视网膜上的40Hz左右的较低扫描速率振荡扫描镜90。
镜86扫描水平扫描线越快，且镜90扫描水平垂直扫描水平扫描线越慢，从而产生一个构成图象的大致平行的扫描线的栅格或序列。各扫描线具有多个象素。图象分辨率最好为640×480象素的VGA品质。在一些应用中，一个320×480象素的一半VGA品质，或320×240象素的四分之一的VGA品质就足够了。
图象通过选择照明一条或多条扫描线中的象素构成。如上所述，控制器94通过激光束使光栅图案中的选择的象素被照明，并使其可视。例如，激光器驱动器84将电流导向激光器82以为后者提供能量以在各选择的象素上发光，而不将电流导向激光器82以不向后者提供能量而不照明没有选择的象素。照明的和没有照明的象素得到的图案包含可以是任何人类或机器可读的信息或图形的图象48。声光调制器而不是激光器驱动器84可以用于将激光束偏转至光栅图案中的任何希望的象素以照明该象素，或将激光束从任何不希望的象素偏转开以不照明该象素。
公共触发器34可以用于启动读取和控制投影显示的持续时间。例如，最初按下时启动读取。通过压住触发器，使能投影直至松开按钮，然后重新瞄准下一次读取。通过握着触发器，操作者可以将图象40切换至任何希望的投影表面。除了使用单个触发器，可以独立地操作双重触发器116、118，一个用于读取而另一用于图象投影。
投影的数据被设计成相对地限于内容并可以从移动终端12编程。例如，操作者可以将终端12从带14取下，并用使用小键盘150和显示器152，操作者可以选择一个投影价格或产品清单数量的选项。一旦配置后，将终端放回到带上。通过限制显示的信息量，在投影到复杂表面(complex surface)上时变得更明了。另外，设置还可以包括允许操作者投影配置选项和选择要显示的希望的信息的切换机构。
另外，图象的大小是可以配置的。希望任何形式的数据收集设备都有广的工作范围并能读出在其附近或远离它的记号。如果扫描角是不变的，则操作者根据从设备到投影平面的距离看见不同尺寸的图象。这使操作者将他/她的手移离或移近投影平面以获取更好的图象。为了提供恒定的体验而不用这样补偿手的移动，可以为外壳补充测距机构154以测量其离投影平面的距离。根据测量的距离，控制器改变扫描角以维持恒定的图象尺寸。可以改变视野的大小而不是改变扫描角，虽然以更差的图象分辨率为代价。测距机构154可以是红外线的或超声波的测距仪。
为了有效(小尺寸、长电池寿命)，设置必须想办法降低能耗。鉴于用于量化或处理器压缩的VGA分辨率(640×480象素)和8位/象素的大致等价物，整个图象占300千字节。在传统系统中，可以将图象传送至外部存储器，然后由来自外部存储器的处理器存取。外部总线设备呈现基于CMOS的电子设备消耗高电平功率的高电容性负载。提出本发明的示例实施例使用具有嵌入的DRAM处理器。从激光器的反射捕获的图象数据将被传送至并从嵌入的DRAM直接处理。解码的图象将被移至外部存储器或通过无线链路传送至皮带佩带的终端。
另外，可以将设置配置成读取一维或二维记号。当为一维条形码配置时，禁止激光器的光栅，并应用更简单的解码算法，两者都比二维扫描降低了功耗。
在最低配置中，触发器34控制预配置的信息的读取和投影。配置既可以用更复杂的开关(例如带致动的涡轮)也可以通过定时的开关触发器来实现。例如，用户可以快速地双击触发器，从而将设置输入配置模式。设置可以投影一组选项，其中最上面的一个可以加亮。单击可以向下卷。一旦找到希望的选项，操作者可以按下并保持压下触发器以启动希望的选项并返回到可操作状态。
例如，可以为目标配置射频(RF)标签或用与目标相关的唯一信息电子编程的应答器而不是读取条形码记号，且RF识别系统可包括读出器或配置成手持设备的询问器。读出器通常包括与收发器(与解码器)一起封装的天线或线圈。读出器依据功率输出的频率在一英寸至100英尺或以上的范围内发射无线电波。当标签通过无线电波带时，它检测到读出器的启动信号。读出器将解码在标签中的数据解码，并将解码的数据传送至主机用于处理。标签可以是有源的或是无源的。可以使用其它类型的读出器，例如磁条读出器。
在附加权利要求中列出了所要求的作为新的和希望由专利证书中受保护的条款。

Claims (13)

1.一种用于沿从人类操作者到离其不同距离的远处目标的视线实时地收集和自动显示信息的装置，各目标用与其相关联的机器可读标记来标识，所述装置包括：
可以由操作者瞄准各目标的标记的外壳(24)；
至少部分由所述外壳(24)支持的瞄准目标(28)的读出器(60)，用于电光地读出所述目标(28)上的机器可读记号(30)及获取与所述记号(30)相关的记号数据(48)，和
至少部分由所述外壳(24)支持的投影器(62)，所述投影器包括：
用于发射光束的光源，
扫描器，用于以扫描线图案(120)扫描光束，每条扫描线具有多个象素，以及
控制器，通过由所述光束照明所述扫描线中选择的象素而不照明所述扫描线中的其他象素并呈现可视，而沿所述操作者的视线在相同目标(28)上靠近所述记号(30)根据由所述读出器获取的记号数据(48)自动产生所述记号数据(48)的二维图像。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述读出器(60)检测由所述记号(30)反射的不同强度的光线，并生成表示所检测的不同强度的光线的模拟信号，所述读出器包括处理器，用于处理所述模拟信号以获取由所述投影器(62)显示的记号数据(48)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光束由固态激光器(82)生成。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述投影器(62)中的扫描器包括第一可振荡扫描镜(86)，用于以第一扫描速率和第一扫描角沿第一方向扫描光束，以及第二可振荡扫描镜，用于以不同于所述第一扫描速率的第二扫描速率和不同于所述第一扫描角的第二扫描角沿基本上垂直于所述第一方向的第二方向扫描光束。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述扫描速率其中至少有一个超过可听频以将噪声最小化。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由所述外壳(24)支持的测距机构(154)确定距离所述目标(28)的距离，而所述控制器(80)可操作地连接到所述测距机构(154)，用于基于由所述测距机构(154)确定的距离来控制所述相同目标(28)上的记号数据的图像的大小。
7.一种用于沿从人类操作者到离其不同距离的远处目标的视线实时地收集和自动显示信息的方法，各目标用与其相关联的机器可读标记来标识，所述方法包括：
由所述操作者将各目标的标记瞄准一外壳(24)；
将至少部分由所述外壳(24)支持的读出器(60)瞄准目标(28)以电光地读出所述目标(28)上的机器可读记号(30)及获取与所述记号(30)相关的记号数据(48)，并以扫描线图案(120)扫描光束，每条扫描线具有多个象素，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
通过操作至少部分由所述外壳支持的投影器(62)由所述光束照明所述扫描线中选择的象素而不照明所述扫描线中的其他象素并呈现可视，而沿所述操作者的视线在相同目标(28)上靠近所述记号(30)根据由所述读出器获取的记号数据(48)自动产生所述记号数据(48)的二维图像。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括由操作者(16)的手指(26)支持所述外壳(24)的步骤。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括检测由所述记号(30)反射的不同强度的光线，生成表示所检测的不同强度的光线的模拟信号，以及处理所述模拟信号以获取由至少部分由所述外壳(24)所支持的投影器(62)显示的记号数据(48)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光束由固态激光器(82)生成。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤由第一可振荡扫描镜(86)和第二可振荡扫描镜执行，所述第一可振荡扫描镜以第一扫描速率和第一扫描角沿第一方向扫描光束，而所述第二可振荡扫描镜以不同于所述第一扫描速率的第二扫描速率和不同于所述第一扫描角的第二扫描角沿基本上垂直于所述第一方向的第二方向扫描光束。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述扫描速率其中至少有一个超过可听频以将噪声最小化。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括确定从所述外壳(24)到所述目标(28)的距离，并基于所述确定的距离来控制所述相同目标(28)上的记号数据的图像的大小。
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