DE102014102458B4

DE102014102458B4 - Vorrichtung zum optischen Lesen von Codes

Info

Publication number: DE102014102458B4
Application number: DE102014102458.3A
Authority: DE
Inventors: c/o KABUSHIKI KAISHA TOYOTA C Tsukada Toshihiko; c/o KABUSHIKI KAISHA TOYOTA CHUO Kato Satoru; c/o DENSO CORPORATION Kitazumi Yoshimi; c/o DENSO WAVE INCORPORATED Ito Kunihiko; c/o KABUSHIKI KAISHA TOYOTA CHUO K Toyoda Chie
Original assignee: Denso Corp; Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Corp; Denso Wave Inc
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: DE102014102458B8; JP2014164721A; KR101665456B1; US20140239073A1; KR20140107132A; CN104008358A; DE102014102458A1; US9129173B2; JP6017347B2

Abstract

Vorrichtung (10) zum Lesen eines Codes (C) mit Information von einem Objekt (O), mit:einem Abbildungselement (16) zum Einfangen eines optischen Bilds (F), das auf einer Oberfläche des Objekts (O) gebildet wird, mittels Empfangen von Licht, das von der Oberfläche gestreut wird;einer Schärfentiefe erweiternden Einrichtung (20, 26) zum Gewinnen eines fokussierten Bilds vom eingefangenen optischen Bild unabhängig von einem Abstand zu dem Objekt innerhalb eines vorbestimmten Ablesebereichs, der von der Vorrichtung benötigt wird; undeiner optisch verzerrenden Einrichtung (18) zum Verzerren des eingefangenen optischen Bilds (F), derart, dass i) das fokussierte Bild in einem minimalen Abstand (DN) in dem Ablesebereich (D) ein gesamtes Bild des Codes (C) aufweist, und ii) das fokussierte Bild in einem maximalen Abstand (DF) in dem Ablesebereich (D) geliefert wird, um zu ermöglichen, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild des Codes (C) zugewiesen ist, wobeidie optisch verzerrende Einrichtung (18) aus einem einzelnen optischen Element oder aus einer Mehrzahl an optischen Elementen gebildet ist, die die Bedingungen i) und ii) erfüllen, unddie optisch verzerrende Einrichtung (18) konfiguriert ist, um eine Punktspreizfunktion zu gewinnen, die in dem Ablesebereich unabhängig vom Abstand ist und zu einer Wiederherstellung des fokussierten Bilds verwendet wird.

Description

HINTERGRUND
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Lesen von Codes, die auf einem Objekt platziert sind.
[Verwandte Technik]
Eine Codeleservorrichtung ist herkömmlicherweise bekannt, die eindimensionale Codes, wie zum Beispiel Strichcodes, und zweidimensionale Codes, wie zum Beispiel QR-Codes (eingetragene Marke), optisch liest. Ein Erweitern des Bereichs von Abständen, in denen ein Ablesen durchgeführt werden kann, (auf den im Folgenden als ein Ablesebereich Bezug genommen ist) der Codeleservorrichtung führt zu einer wesentlichen Verbesserung des Produktwerts der Codeleservorrichtung. Um den Ablesebereich zu erweitern, ist eine Technologie zum Erweitern einer Schärfentiefe erforderlich. Die Schärfentiefe bzw. Feldtiefe bezieht sich auf den Bereich von Abständen auf der Feldseite, in dem das Feld in einem fokussierten Zustand erscheint.
Die JP 3275010 B2 offenbart „ein optisches System, das eine erweiterte Schärfentiefe hat (englisch: an optical system having an extended depth of field)“. Das optische System weist ein optisches Phasenplattensystem und eine Verarbeitung eines wiederhergestellten Bilds, die im Frequenzraum durchgeführt wird, auf. Bei dem optischen System, das in der JP 3275010 B2 offenbart ist, wird die Schärfentiefe erweitert. Ein Bild, das im Fokus bzw. scharf eingestellt ist, kann über einen breiten Bereich von Abständen gewonnen werden. Der Codeablesebereich kann jedoch nicht auf die maximale Grenze desselben erweitert werden, indem lediglich die Schärfentiefe wie bei dem optischen System, das in der JP 3275010 B2 beschrieben ist, erweitert wird.
Hier wird die Pixelzuweisung in Fällen, in denen Codes der gleichen Größe abgebildet werden, betrachtet. Im Nahfeld wird der Code auf die gesamte Licht empfangende Oberfläche eines Bildsensors projiziert. Im Fernfeld wird jedoch der Code auf einen Teil der Licht empfangenden Oberfläche projiziert. Die Zahl der Pixel, die einer einzelnen Zelle des Codes zugewiesen ist, ist im Fernfeld verglichen mit derselben im Nahfeld geringer. Eine höhere Auflösung ist mit anderen Worten verglichen mit dem Nahfeld im Fernfeld erforderlich.
Wenn beispielsweise ein Ablesebereich, eine Codegröße und eine Zellengröße bestimmt sind, wird ein Blickwinkel eines Abbildungssystems aus der Codegröße in einem maximalen Abstand bestimmt. Die erforderliche Auflösung wird aus der Pixelzuweisung bei dem maximalen Abstand bestimmt. Eine Beziehung wird eingerichtet, bei der die Zahl der Pixel, die in dem Bildsensor erforderlich ist, aus dem Blickwinkel und der Auflösung bestimmt wird. In der Wirklichkeit wird die Zahl der Pixel des Bildsensors oftmals im Voraus aus der Perspektive des Aufwands bestimmt. Der maximale Abstand wird oftmals durch die Auflösung bestimmt. Wenn daher die Schärfentiefe lediglich erweitert wird, wird der Ableseabstand im Nahfeld durch Leseschirmbegrenzungen, wie zum Beispiel den Code, der über den Leseschirm, das heißt die Bildsensoroberfläche, hinausgeht, beschränkt.
Ein Produktkatalog für einen kabellosen Handscanner bzw. eine kabellose Handabtastvorrichtung (Erzeugnisname „SR61ex“), die durch die Intermec Inc. hergestellt wird, offenbart zusätzlich einen „Codeleser“, der eine Autofokuslinse verwendet, um den Codeablesebereich zu erweitern. Bei dem Verfahren, das die Autofokuslinse verwendet, wird der Abstand zwischen der Linse und der Licht empfangenden Oberfläche des Bildsensors geändert, indem die Linse bewegt wird. Ein Codeleser, der das Autofokuslinsenverfahren verwendet, erfordert eine treibende Einrichtung zum Bewegen der Linse. Die JP 2012-515359 A offenbart zusätzlich einen „Codeleser“, der unter Verwendung einer Linse mit variablem Fokus den Codeablesebereich erweitert. Bei dem Verfahren, das die Linse mit variablem Fokus verwendet, wird die Brennweite der Linse geändert. Ein Codeleser, der das Verfahren einer Linse mit variablem Fokus verwendet, erfordert eine Einrichtung zum Ändern der Brennweite der Linse.
Weiterer Stand der Technik findet sich in den folgenden Patentdokumenten:

US 2012 / 0 181 337 A1 offenbart eine Strichcodelesevorrichtung, die zum Erfassen eines Strichcodes geeignet ist. Die Strichcodelesevorrichtung enthält eine Abbildungslinse, einen Bildsensor und einen Strichcode-Decoder. Die Abbildungslinse hat eine sphärische Aberration, um die Tiefenschärfe der Abbildungslinse zu erweitern. Die Abbildungslinse ist so konfiguriert, dass sie den Strichcode auf den Bildsensor abbildet. Der Bildsensor wandelt ein Bild des Strichcodes in ein Strichcodesignal um. Der Barcode-Decoder ist so konfiguriert, dass er das Strichcodesignal decodiert, um die durch den Strichcode dargestellten Informationen zu erhalten. Darüber hinaus ist auch ein Strichcode-Leseverfahren vorgesehen.
US 6 969 003 B2 offenbart einen Strichcodescanner mit erweitertem Betriebsbereich. Die Betriebstiefe eines Barcodescanners, vorzugsweise eines Laserscanners, wird erhöht, indem eine kubische Phasenmaske in den Scanstrahl gelegt wird. Der maskierte Strahl wird dann gescannt und von einem Strichcode reflektiert und von einem Photodetektor empfangen. Das empfangene Signal wird dann verarbeitet, um die ursprüngliche, ungestörte Darstellung des Strichcodemusters wiederherzustellen. Das verarbeitete Signal weist eine erhöhte Tiefenschärfe gegenüber einem unmaskierten Scannersignal auf.
US 2004 / 0 190 762 A1 offenbart ein Abbildungssystem zur Reduzierung von Abbildungsfehlern mittels eines dazwischenliegenden Mediums sowie ein diesbezügliches Anwendungsverfahren. Das System kann ein optisches oder aufgabenbasiertes optisches Abbildungssystem sein, das eine Optik, wie z. B. eine Phasenmaske, zum Abbilden einer Wellenfront des Systems auf ein Zwischenbild und zum Modifizieren der Phase der Wellenfront enthält, so dass eine optische Übertragungsfunktion des Systems im Wesentlichen invariant gegenüber fokusbezogenen Aberrationen aus dem Medium ist. Ein Detektor erfasst das Zwischenbild, das von einem Decoder weiterverarbeitet wird, der die Phaseneffekte aus der Optik entfernt und ein Endbild erzeugt, das im Wesentlichen frei von den Aberrationen ist. Andere Systeme können einen Codierer verwenden, der die Wellenfronten von akustischen Wellen, die sich durch ein Medium ausbreiten, codiert, um die Wellenfronten im Wesentlichen invariant gegenüber akustischen Aberrationen des Mediums zu machen. Die Abbildung und Decodierung der Wellenfronten kehren die Effekte der Wellenfrontcodierung um und erzeugen Klänge, die im Wesentlichen frei von den Aberrationen sind.

KURZFASSUNG
Es ist daher gewünscht, eine Codeleservorrichtung zu schaffen, die einen größeren Ablesebereich als Codeleservorrichtungen der Vergangenheit hat.
Diese Aufgabe wird mit dem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der sich daran anschließenden Ansprüche.
Um die im Vorhergehenden beschriebene Aufgabe zu lösen, ist die Technologie gemäß einem ersten Aspekt eine Codeleservorrichtung, die einen Code von einem Objekt liest. Die Codeleservorrichtung weist eine Abbildungseinheit, die mit einem Abbildungselement zum Einfangen eines optischen Bilds, das auf einer Licht empfangenden Oberfläche gebildet wird, versehen ist, eine Schärfentiefe erweiternde Einheit zum Gewinnen eines fokussierten Bilds ungeachtet eines Abstands zu dem Objekt innerhalb eines vorbestimmten Ablesebereichs und eine optisch verzerrende Einheit zum Verzerren des eingefangenen optischen Bilds auf, derart, dass das fokussierte Bild in einem minimalen Abstand in dem Ablesebereich ein gesamtes Bild des Codes aufweist, und das fokussierte Bild in einem maximalen Abstand des Ablesebereichs derart ist, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild des Codes zugewiesen ist.
Die optisch verzerrende Einheit kann eine Bildoberfläche des eingefangenen optischen Bilds krümmen, derart, dass ein Brennfleck bzw. eine Brennposition in einem peripheren Teil des Abbildungselements zu der Licht empfangenden Oberfläche näher als ein Brennfleck in einem Mittelteil des Abbildungselements ist, wenn ein Abstand zu dem Objekt kürzer als ein vorbestimmter Abstand ist.
Um die im Vorhergehenden beschriebene Aufgabe zu lösen, ist die Technologie gemäß einem dritten Aspekt eine Codeleservorrichtung, die einen Code von einem Objekt liest. Die Codeleservorrichtung weist eine Abbildungseinheit, die mit einem Abbildungselement
zum Einfangen eines optischen Bilds, das auf einer Licht empfangenden Oberfläche gebildet wird, versehen ist, eine Wellenfront wandelnde Einheit zum Wandeln von Wellenfronten eines einfallenden Lichts unter Verwendung einer eindeutigen Wandlungsfunktion, derart, dass ein optisches Bild, das nicht von dem Abstand zu dem Objekt abhängt, innerhalb eines vorbestimmten Ablesebereichs eingefangen wird, eine bildverarbeitende Einheit zum Durchführen einer Bildverarbeitung an einem eingefangenen Bild unter Verwendung einer inversen Funktion der Wandlungsfunktion, um das eingefangene Bild auf ein fokussiertes Bild des Objekts innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs wiederherzustellen, und eine optisch verzerrende Einheit auf, die auf einer Lichteinfallsseite der Wellenfront wandelnden Einheit angeordnet ist, zum Verzerren des eingefangenen optischen Bilds, derart, dass ein wiederhergestelltes Bild in einem minimalen Abstand des Ablesebereichs ein gesamtes Bild des Codes aufweist, und ein wiederhergestelltes Bild in einem maximalen Abstand des Ablesebereichs derart ist, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild des Codes zugewiesen ist.
Die optische verzerrende Einheit kann eine Bildoberfläche des eingefangenen optischen Bilds derart krümmen, dass ein Brennfleck in einem peripheren Abschnitt des Abbildungselements zu der Licht empfangenden Oberfläche näher als ein Brennfleck in einer Mittelposition des Abbildungselements ist, wenn ein Abstand zu dem Objekt kürzer als ein vorbestimmter Abstand ist.
Die optisch verzerrende Einheit kann ein optisches System sein, das mindestens eine Linse hat, und die Wellenfront wandelnde Einheit kann eine Phasenmodulationsoberfläche, die innerhalb des optischen Systems gebildet ist, sein.
Bei der Codeleservorrichtung ist daher ein Codeablesebereich erweitert, und ein Ablesen kann von dem Nahfeld zu dem Fernfeld durch eine einzelne Codeleservorrichtung durchgeführt werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Codeleservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2A eine Querschnittsansicht entlang einer optischen Achse, die ein Beispiel eines optischen Systems bei der Codeleservorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B eine Querschnittsansicht entlang der optischen Achse, die ein Beispiel eines optischen Systems, das eine Phasenmodulationsplatte aufweist, zeigt;
3A und 3B erläuternde Diagramme eines Verfahrens zum Gewinnen einer Punktspreizfunktion (PSF; PSF = point spread function);
4A ein Blockdiagramm einer Konfiguration eines Steuersystems bei der Codeleservorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 4B ein Funktionsblockdiagramm einer Steuervorrichtung;
5 ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Prinzips der Schärfentiefenerweiterung;
6A bis 6C erläuternde Diagramme zum Erläutern eines Betriebs eines eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems;
7 ein schematisches Diagramm zum Erläutern einer Blickfelderweiterung, die durch das eine Verzerrung hinzufügende optische System durchgeführt wird;
8A und 8B grafische Darstellungen, die Unterschiede der MTF-Antwort abhängig von der Anwesenheit eines Phasenmodulationselements angeben; und
9A und 9B Querschnittsansichten entlang der optischen Achse, die ein Beispiel eines Entwurfs für das eine Verzerrung hinzufügende optische System, das eine Feldkrümmung verwendet, zeigen, wobei 9A die Feldkrümmung im Nahfeld und 9B die Feldkrümmung im Fernfeld zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Beispiel eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist im Folgenden im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
<Konfiguration einer Codeleservorrichtung>
(Gesamte Konfiguration)
Eine gesamte Konfiguration einer Codeleservorrichtung ist zuerst beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Konfiguration der Codeleservorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, weist eine Codeleservorrichtung 10 ein optisches System 14, einen Bildsensor 16 und einen bildverarbeitenden Abschnitt 26 auf. Das optische System 14 bildet ein optisches Bild eines Gegenstands O. Der Bildsensor 16 fängt das gebildete optische Bild ein. Der bildverarbeitende Abschnitt 26 führt eine Bildverarbeitung an dem eingefangenen Bild durch. Das optische System 14, der Bildsensor 16 und der bildverarbeitende Abschnitt 26 sind innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt) angeordnet. Das Gehäuse hat einen Fensterabschnitt. Licht, das durch den Gegenstand O gestreut wird, geht durch den Fensterabschnitt und fällt auf dem optischen System 14 ein. Das optische System 14 weist als eine Wellenfront wandelnde Einrichtung oder eine Wellenfront wandelnde Einheit ein Phasenmodulationselement 20 auf. Das optische System 14 weist als eine optische verzerrende Einrichtung oder eine optisch verzerrende Einheit ein eine Verzerrung hinzufügendes optisches System 18 auf. Der Gegenstand O ist hier ein Ableseobjekt, dem ein Code hinzugefügt wurde.
Bei der im Vorhergehenden beschriebenen Codeleservorrichtung 10 werden, selbst wenn das Phasenmodulationselement 20 die Wellenfront von Licht, das auf dem optischen System 14 einfällt, wandelt, und der Abstand zu dem Gegenstand O geändert wird, Bilder, die auf die gleiche Art und Weise verschwommen gemacht werden, eingefangen. Ein fokussiertes Bild (ein Bild, aus dem das Verschwimmen entfernt wurde) wird durch den bildverarbeitenden Teil 26, der eine Bildverarbeitung, wie zum Beispiel eine inverse Transformation, an dem eingefangenen Bild durchführt, wiederhergestellt. In einem vorbestimmten Bereich von Abständen (Ablesebereich) können ein Abbilden und eine Wiederherstellung, die nicht von den Abständen abhängen, durchgeführt werden. Als ein Resultat wird die Schärfentiefe erweitert. Auf das im Vorhergehenden beschriebene Verfahren zum Erweitern der Schärfentiefe ist als ein Wellenfrontcodieren Bezug genommen. Das Prinzip der Schärfentiefenerweiterung ist im Folgenden beschrieben.
Bei der im Vorhergehenden beschriebenen Codeleservorrichtung 10 fügt zusätzlich das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 dem optischen Bild, das durch den Bildsensor 16 eingefangen wird, eine Verzerrung hinzu. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 verzerrt das optische Bild derart, dass ein wiederhergestelltes Bild, das in einem minimalen Abstand des Ablesebereichs eingefangen wird, ein vollständiges Bild des Codes aufweist. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 verzerrt mit anderen Worten das optische Bild, derart, dass der gesamte Code innerhalb des wiedergewonnen Bilds, das in dem minimalen Abstand eingefangen wird, eingefangen wird. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 verzerrt ferner das optische Bild, derart, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild (einem Einzelzellenbild) des Codes in einem wiedergewonnenen Bild, das in dem maximalen Abstand des Ablesebereichs eingefangen wird, zugewiesen sind. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 verzerrt mit anderen Worten das optische Bild, derart, dass eine einzelne Zelle des Codes selbst in dem maximalen Abstand aufgelöst wird.
Das Bild, das durch das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 verzerrt wird, wird durch eine digitale Verarbeitung, die durch den bildverarbeitenden Teil 26 durchgeführt wird, zu einem Bild, das keine Verzerrung hat, korrigiert. Als ein Resultat der im Vorhergehenden beschriebenen Verzerrungshinzufügung und Verzerrungskorrektur wird das Blickfeld im Nahfeld erweitert. Eine Pixelzuweisung im Fernfeld wird zusätzlich sichergestellt. Der Ablesebereich wird wesentlich erweitert. Als ein Resultat des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18, das zusätzlich zu dem Phasenmodulationselement 20 umfasst ist, kann mit anderen Worten ein Problem, das durch einfaches Erweitern der Schärfentiefe nicht gelöst werden kann, gelöst werden. Das Erweitern des Blickfelds und das Sicherstellen der Pixelzuweisung sind im Folgenden im Detail beschrieben.
(Konfiguration eines optischen Systems)
Eine Konfiguration des optischen Systems bei der Codeleservorrichtung 10 ist als Nächstes beschrieben.
2A ist eine Querschnittsansicht entlang einer optischen Achse, die ein Beispiel des optischen Systems der Codeleservorrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 2A gezeigt ist, sind das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18, das Phasenmodulationselement 20 und der Bildsensor 16 in einer Reihenfolge von der Seite des Gegenstands O entlang einer optischen Achse L angeordnet. Bei dem in 2A gezeigten Beispiel wird eine dreidimensionale Phasenplatte, die als eine Phasenmodulationsplatte dient, als das Phasenmodulationselement 20 verwendet. Die dreidimensionale Phasenplatte hat in der Richtung einer optischen Achse eine eindeutige Vertiefung und einen Vorsprung (Dickenverteilung). Die eindeutige Vertiefung und der Vorsprung der Phasenplatte werden durch beispielsweise eine Phasenmodulationsoberfläche 20A, die eine gekrümmte Oberfläche hat, verwirklicht. Das Phasenmodulationselement 20 ist hinter dem eine Verzerrung hinzufügenden optischen System 18 (Aperturposition) angeordnet, wobei die Phasenmodulationsoberfläche 20A zu der Seite des eine Verzerrung hinzufügenden optischen System 18 gewandt ist.
Das Licht, das auf dem optischen System 14 einfällt, geht durch das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 und das Phasenmodulationselement 20. Das Licht bildet dann auf einer Licht empfangenden Oberfläche 16A des Bildsensors 16 ein Bild. Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, wird das eingefangene Bild des Gegenstands O ein verschlechtertes Bild, dem durch das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 eine Verzerrung hinzugefügt ist und das durch das Phasenmodulationselement 20 aus dem Fokus gebracht bzw. unscharf gemacht wird.
Ein Bildsensor, der durch eine fotoelektrische Wandlung oder dergleichen ein optisches Bild einfängt, kann als der Bildsensor 16 verwendet werden. Ein Bildsensor mit einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD; CCD = charge coupled device) oder ein Bildsensor mit einem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS; CMOS = complementary metal oxide semiconductor) kann als der Bildsensor gegeben sein.
Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 muss lediglich derart entworfen sein, dass das wiedergewonnene Bild in dem minimalen Abstand des Ablesebereichs das gesamte Bild des Codes aufweist und in dem maximalen Abstand eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild (einem Einzelzellenbild) des Codes in dem wiedergewonnenen Bild zugewiesen ist. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 kann durch ein einzelnes optisches Element konfiguriert sein. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 kann alternativ durch eine Gruppe von optischen Elementen, wie zum Beispiel eine Kombinationslinse, konfiguriert sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 ein optisches Verzerrungssystem verwendet, das durch Verdichten eines peripheren Abschnitts eines Bilds das Bild verzerrt. Als das optische Verzerrungssystem kann ein optisches Verdichtungssystem, wie zum Beispiel eine „Fischaugen-Linse“ (englisch: fisheye lens), verwendet werden. Das optische Verdichtungssystem verdichtet das Bild auf eine konzentrische kreisförmige Art und Weise von einem Mittelabschnitt zu der äußeren Seite zunehmend.
Bei dem in 2A gezeigten optischen System wird die Phasenplatte als das Phasenmodulationselement 20 verwendet. Das Phasenmodulationselement 20 muss jedoch lediglich ein optisches Element sein, das eine Funktion zum Wandeln der Wellenfront eines einfallenden Lichts (Phasenmodulationsfunktion) liefert. Ein optisches Element (wie zum Beispiel eine kubische Phasenplatte), dessen Dicke sich in der Richtung einer optischen Achse ändert, kann als das Phasenmodulationselement 20 verwendet werden. Ein optisches Element (wie zum Beispiel ein Phasenmodulationselement eines Typs mit einer Verteilung eines Brechungsindex) dessen Brechungsindex sich ändert, oder ein Flüssigkristallelement (wie zum Beispiel ein Flüssigkristallelement mit einer räumlichen Phasenmodulation), das zu einer Phasenmodulation in der Lage ist, kann verwendet werden. Zusätzlich kann ein optisches Element (wie zum Beispiel eine Phasenmodulationshybridlinse), dessen Dicke und Brechungsindex sich abhängig von einer Beschichtung, die auf einer Linsenoberfläche aufgebracht ist, ändern, verwendet werden.
Die Phasenmodulationsoberfläche 20A, die als die Wellenfront wandelnde Einrichtung dient, kann ferner mit dem eine Verzerrung hinzufügenden optischen System 18 einstückig gebildet sein. 2B ist eine Querschnittsansicht entlang der optischen Achse, die ein Beispiel eines optischen Systems, das die Phasenmodulationsoberfläche aufweist, zeigt. Bei den in 2A und 2B gezeigten Beispielen ist das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 eine Kombinationslinse, die aus einer Mehrzahl von Linsen zusammengesetzt ist. Die Phasenmodulationsoberfläche 20A ist an einer der Linsenflächen des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18 auf der Lichtaustrittsseite gebildet. Als ein Resultat dessen, dass die Phasenmodulationsoberfläche 20A mit dem eine Verzerrung hinzufügenden optischen System 18 einstückig gebildet ist, kann die Zahl der Komponenten reduziert werden. Eine Ausrichtung einer optischen Achse des Phasenmodulationselements ist zusätzlich nicht erforderlich.
(Wandlungscharakteristiken des optischen Systems)
Wandlungscharakteristiken des optischen Systems sind als Nächstes beschrieben.
3A und 3B sind erläuternde Diagramme eines Verfahrens zum Gewinnen einer Punktspreizfunktion (PSF). Bei einem Wellenfrontcodieren wird die PSF verwendet, um Wandlungscharakteristiken des optischen Systems auszudrücken. Die PSF ist eine Funktion, die einen Grad einer Spreizung in Bezug auf eine Punktlichtquelle in dem optischen System angibt. Die PSF drückt mit anderen Worten aus, wie die Punktlichtquelle in einem Bild verschwommen gemacht wird, wenn das Bild der Punktlichtquelle eingefangen wird. Die PSF drückt noch mit anderen Worten die Art und Weise aus, mit der die Punktlichtquelle verschwommen gemacht wird.
Wie in 3A gezeigt ist, wird eine Punktlichtquelle P durch den Bildsensor 16 unter Verwendung des optischen Systems 14 der Codeleservorrichtung 10 eingefangen. Wie in 3B gezeigt ist, wird eine , die der Punktlichtquelle P entspricht, an der Licht empfangenden Oberfläche 16A des Bildsensors 16 gebildet. Eine PSF, die für das optische System 14 einzigartig ist, wird aus der gewonnen. Die gewonnene PSF wird als ein Steuerwert in einem Speicherteil 30 der Steuervorrichtung 24, die im Folgenden beschrieben ist, gespeichert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die PSF als eine Funktion verarbeitet, die nicht von dem Abstand abhängt. Streng genommen ändert sich die PSF abhängig von dem Abstand zu der Punktlichtquelle. In dem Ablesebereich kann jedoch die PSF als eine Funktion verarbeitet werden, die nicht von dem Abstand abhängt.
(Konfiguration eines Steuersystems)
Eine Konfiguration eines Steuersystems bei der Codeleservorrichtung 10 ist als Nächstes beschrieben.
4A ist ein Blockdiagramm der Konfiguration des Steuersystems bei der Codeleservorrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4B ist ein Funktionsblockdiagramm der Steuervorrichtung 24.
Wie in 4A gezeigt ist, weist die Codeleservorrichtung einen Bildsensor treibenden Abschnitt 22 und die Steuervorrichtung 24 auf. Der Bildsensor treibende Abschnitt 22 treibt den Bildsensor 16. Die Steuervorrichtung 24 steuert den Bildsensor treibenden Abschnitt 22. Der Bildsensor treibende Abschnitt 22 treibt beispielsweise jeden Teil des Bildsensors 16 basierend auf Steuersignalen von der Steuervorrichtung 24. Der Bildsensor treibende Abschnitt 22 gewinnt zusätzlich von dem Bildsensor 16 analoge Bildsignale. Der Bildsensor treibende Abschnitt 22 führt dann eine Verarbeitung, wie zum Beispiel ein Wandeln der analogen Bildsignale in digitale Bildsignale (eine Analog/Digital- [A/D-] Wandlung), durch und gibt Bildinformationen über das eingefangene optische Bild zu der Steuervorrichtung 24 aus. Die Steuervorrichtung 24 decodiert basierend auf den gewonnenen Bildinformationen den Code und gibt decodierte Informationen aus.
Wie in 4B gezeigt ist, weist die Steuervorrichtung 24 den bildverarbeitenden Abschnitt 26, einen Code decodierenden Abschnitt 28 und den Speicherabschnitt 30 auf. Der Speicherabschnitt 30 speichert darin eine PSF 32, Korrekturparameter 34 und eine decodierende Tabelle 36. Die PSF 32 wird für eine Wiederherstellung eines fokussierten Bilds verwendet. Die Korrekturparameter 34 werden für eine Verzerrungskorrektur verwendet. Die decodierende Tabelle 36 wird für ein Codedecodieren verwendet.
Der bildverarbeitende Abschnitt 26 liest die PSF 32 des optischen Systems 14 von dem Speicherteil 30 aus. Der bildverarbeitende Abschnitt 26 führt dann eine Bildverarbeitung durch, um an dem gewonnenen Bild eine inverse Transformation durchzuführen. Der bildverarbeitende Abschnitt 26 stellt dann das eingefangene Bild in ein fokussiertes Bild, aus dem das Verschwimmen entfernt wurde, wieder her. Der bildverarbeitende Abschnitt 26 liest zusätzlich die Korrekturparameter 34 für eine Verzerrungskorrektur aus. Der bildverarbeitende Abschnitt 26 führt dann eine Bildverarbeitung durch, um eine Verzerrungskorrektur an dem eingefangenen Bild durchzuführen, wodurch ein unverzerrtes Bild gewonnen wird. Das Wiederherstellungsverfahren und das Verzerrungskorrekturverfahren können in irgendeiner Reihenfolge durchgeführt werden. Bildinformationen, die sich auf ein unverzerrtes fokussiertes Bild beziehen, werden durch diese Verfahren gewonnen.
Der Code decodierende Abschnitt 28 extrahiert von dem Bild, das einer Bildverarbeitung unterworfen wurde, ein Codebild. Der Code decodierende Abschnitt 28 führt dann ein decodierendes Verfahren zum Decodieren des Codes durch. Der Code decodierende Abschnitt 28 führt basierend auf der decodierenden Tabelle 36, die aus dem Speicherabschnitt 30 ausgelesen wird, das decodierende Verfahren durch. Der Code decodierende Abschnitt 28 gibt decodierte Informationen, die durch das decodierende Verfahren gewonnen werden, aus. Wenn beispielsweise der Code ein Strichcode ist, wird eine Ziffernfolge, die aus Nullen und Einsen zusammengesetzt ist, die dem decodierten Strichcode entsprechen, erzeugt. Eine Zeichenkette, die der Ziffernfolge entspricht, wird alternativ erzeugt.
<Funktionen der Codeleservorrichtung>
Funktionen der Codeleservorrichtung sind als Nächstes beschrieben. Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, weist die Codeleservorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine „Schärfentiefe erweiternde Funktion“, „eine Blickfeld erweiternde Funktion“ und eine „Pixelzuweisung sicherstellende Funktion“ auf. Jede Funktion ist im Folgenden beschrieben.
(Schärfentiefe erweiternde Funktion)
Die „Schärfentiefe erweiternde Funktion“ ist zuerst im genaueren Detail beschrieben.
5 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern der Funktion zum Erweitern der Schärfentiefe. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Schärfentiefe unter Verwendung eines Wellenfrontcodierens, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, erweitert.
Das Prinzip des Wellenfrontcodierens ist hier kurz beschrieben. Ein Fall ist beschrieben, bei dem ein Objektbild F durch das optische System 14 optisch in ein eingefangenes Bild G gewandelt wird, und durch eine Bildverarbeitung in ein wiederhergestelltes Bild F_R wiederhergestellt wird. Das optische System 14 hat eine PSF. Bei der optischen Wandlung von dem Objektbild F zu dem eingefangenen Bild G wird eine Näherung durch eine Faltung unter Verwendung der PSF durchgeführt, wie es durch einen folgenden Ausdruck ausgedrückt ist: $G = PSF*F (* gibt eine Faltung an)$
Bei der Bildverarbeitung zum Wiederherstellen des eingefangenen Bilds G zu dem wiederhergestellten Bild F_R wird zusätzlich eine Näherung durch eine Faltung unter Verwendung einer inversen Funktion (PSF)^-1 der PSF durchgeführt, wie es durch einen folgenden Ausdruck ausgedrückt ist. Ein filterndes Verfahren, das äquivalent zu der inversen Transformation einer Änderung bei einer optischen Übertragungsfunktion (OTF; OTF = optical transmission function), die durch das optische System 14 durchgeführt wird, ist, wird mit anderen Worten durchgeführt. $F_{R} = {(PSF)}^{- 1} *G (* gibt eine Faltung an)$
Wie in 5 gezeigt ist, nimmt, wenn ein Bild eines Objekts, dem ein Code C hinzugefügt wurde, eingefangen wird, der Code C einen Teil eines Abbildungsgebiets R, wenn das Objekt in einem fernen Abstand (Fernfeld) anwesend ist, ein. Wenn das Objekt in einem nahen Abstand (Nahfeld) anwesend ist, nimmt der Code C im Wesentlichen das gesamte Abbildungsgebiet R ein. Auf das Abbildungsgebiet R ist im Folgenden als ein Schirm Bezug genommen. Wenn kein Wellenfrontcodieren verwendet wird, wird, wenn das Objekt eine Fokusposition verlässt, ein verschwommenes Bild im Nahfeld und im Fernfeld eingefangen. Die Art und Weise eines Verschwommenmachens ändert sich abhängig von dem Abstand (der Menge einer Fehlausrichtung) von der Fokusposition zu dem Objekt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem ein Wellenfrontcodieren verwendet wird, wird innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs ein eingefangenes Bild G, das die gleiche Art und Weise eines Verschwommenmachens hat, ungeachtet des Abstands zu dem Objekt als ein Resultat der im Vorhergehenden beschriebenen optischen Wandlung eingefangen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hängt zusätzlich die PSF des optischen Systems 14 nicht von dem Abstand ab. Innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs wird daher das eingefangene Bild G ungeachtet des Abstands zu dem Objekt als ein Resultat der im Vorhergehenden beschriebenen Bildverarbeitung in das fokussierte wiedergewonnene Bild F_R wiederhergestellt.
(Blickfeld erweiternde Funktion)
Als Nächstes ist die „Blickfeld erweiternde Funktion“ im genaueren Detail beschrieben.
6A bis 6C sind erläuternde Diagramm zum Erläutern eines Betriebs des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18. 7 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern der ein Blickfeld erweiternden Funktion, die durch das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 geliefert wird.
Das eine Verzerrung hinzufügende optische Systems 18 verzerrt das optische Bild, derart, dass ein wiedergewonnenes Bild, das in dem minimalen Abstand des Ablesebereichs eingefangen wird, das gesamte Bild des Codes aufweist. Das Objektbild F, das in 6A gezeigt ist, wird als ein verzerrtes Bild G eingefangen, in dem die Verdichtung in dem peripheren Abschnitt größer ist als in dem Mittelabschnitt des Bilds, wie es in 6B gezeigt ist. Die Verzerrung ist in dem peripheren Abschnitt stark. Die Verzerrung ist in dem Mittelabschnitt schwach. Wenn beispielsweise ein QR-Code (eingetragene Marke) im Nahfeld gelesen wird, wird das verzerrte Bild G, das in 6C gezeigt ist, eingefangen.
Wie aus 6C deutlich ist, kann als ein Resultat des Bilds, das verzerrt ist, der gesamte Code innerhalb des Schirms selbst im Nahfeld eingefangen werden. Wie in 6A und 6B gezeigt ist, wird als ein Resultat des Verzerrungskorrekturverfahrens nach einem Abbilden das verzerrte Bild G in das unverzerrte wiederhergestellte Bild F_R wiederhergestellt. Das Bild des verdichteten peripheren Teils wird mit anderen Worten wiederhergestellt und in ein unverzerrtes Bild zurückgeführt.
Wie in 7 gezeigt ist, kann als ein Resultat der Schärfentiefe, die erweitert ist, ein wiederhergestelltes Bild, das im Fokus ist, ungeachtet des Abstands zu dem Gegenstand innerhalb eines Ablesebereichs D erhalten werden. Der Ablesebereich D geht von einem minimalen Abstand D_N bis zu einem maximalen Abstand D_F. Ein „Bezugspunkt“ bezieht sich hier auf eine „Aperturposition“, bei der die Phasenmodulationsoberfläche 20A des Phasenmodulationselements 20 angeordnet ist.
Wenn das Objekt bei einem nächstgelegenen Punkt, das heißt in dem minimalen Abstand D_N, eingefangen wird, passt der Code C, der dem Objekt hinzugefügt ist, als ein Resultat des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18, das eine Verzerrung hinzufügt, in das Abbildungsgebiet. Ein wiedergergestelltes Bild, das das Codebild aufweist, kann gewonnen werden. Als ein Resultat des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18, das eine Verzerrung hinzufügt, wird mit anderen Worten das Blickfeld an dem nächstgelegenen Punkt erweitert. Ein Weitwinkelabbilden mit einem Blickwinkel von θ_N (>θ_F) kann durchgeführt werden. Das Blickfeld wird beispielsweise 1,4-mal erweitert. Eine Erweiterung des Blickfelds an dem nächstgelegenen Punkt erweitert im Wesentlichen die Schärfentiefe. Der Blickwinkel θ_F ist der Blickwinkel an dem entferntesten Punkt, der in dem maximalen Abstand D_F liegt.
(Eine Pixelzuweisung sicherstellende Funktion)
Die „eine Pixelzuweisung sicherstellende Funktion“ ist als Nächstes im genaueren Detail unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, verdichtet das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 den peripheren Abschnitt des Bilds stärker als in dem Mittelabschnitt. Im Nachfeld nimmt der Code C im Wesentlichen die Gesamtoberfläche des Schirms ein. Eine Zuweisung der Zahl der Pixel für ein Einheitsbild (einzelne Zelle) des Codes C erhöht sich daher. Im Fernfeld nimmt andererseits der Code C lediglich einen Teil des Schirms ein. Eine Pixelzuweisung für eine einzelne Zelle des Codes verringert sich daher. Wenn sich die Pixelzuweisung für eine einzelne Zelle des Codes verringert, wird das Bild durch das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 ohne Weiteres beeinträchtigt. Eine Wiederherstellung in ein unverzerrtes Codebild ist mit anderen Worten selbst in dem Mittelteil schwierig, der weniger verzerrt als der periphere Teil ist.
Im Lichte des im Vorhergehenden beschriebenen Problems verzerrt das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 das optische Bild derart, das mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild (einer einzelnen Zelle) des Codes C in dem wiederhergestellten Bild, das in dem maximalen Abstand D_F des Ablesebereichs eingefangen wird, zugewiesen wird. Das optische Bild wird verzerrt, derart, dass die Pixelzuweisung für eine einzelne Zelle des Codes C größer als die vorbestimmte Zahl von Pixeln an dem entferntesten Punkt, der in dem maximalen Abstand D_F liegt, ist. Die Pixelzuweisung für eine einzelne Zelle des Codes C ist beispielsweise zwei Pixel oder mehr. Als ein Resultat wird eine einzelne Zelle des Codes C selbst an dem entferntesten Punkt aufgelöst.
Im Fernfeld nimmt der Code C ebenso den Mittelteil des Schirms ein. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 kann daher entworfen sein, derart, dass die Auflösung in dem Mittelteil hoch ist und die Auflösung in dem peripheren Teil niedrig ist. Als ein Resultat dieses Entwurfs kann die Pixelzuweisung für eine einzelne Zelle des Codes C größer als die vorbestimmte Zahl von Pixeln an dem entferntesten Punkt gemacht werden.
Wie in 9A und 9B gezeigt ist, tritt zusätzlich, wenn das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 verwendet wird, da sich Brennflecken zwischen dem Mittelteil und dem peripheren Teil des Blickfelds unterscheiden, ein Phänomen auf, auf das als „Feldkrümmung“ Bezug genommen ist. Bei der Feldkrümmung wird eine Brennfläche S_I (Bildoberfläche des optischen Bilds) gekrümmt. Das eine Verzerrung hinzufügende optische System 18 kann derart entworfen sein, um aktiv aus der Feldkrümmung einen Vorteil zu ziehen. Dieser Entwurf ist im Folgenden im Detail beschrieben.
Im Nahfeld, wie es in 9A gezeigt ist, ist der Brennfleck in dem peripheren Teil näher zu der Licht empfangenden Oberfläche 16A des Bildsensors 16 als der Brennfleck in dem Mittelteil. Der Fokus ist mit anderen Worten nicht mit der Licht empfangenden Oberfläche 16A in dem Mittelteil ausgerichtet. Der Fokus ist vielmehr mit der Licht empfangenden Oberfläche 16A in dem peripheren Teil ausgerichtet. Die Menge von Informationen in dem peripheren Teil ist als ein Resultat einer Verdichtung durch das eine Verzerrung hinzufügende optische Systems 18 reduziert. Da der Fokus mit der Licht empfangenden 16A in dem peripheren Teil ausgerichtet ist, werden eine Wiederherstellung des Bilds in dem peripheren Teil und ein Decodieren des Codes erleichtert.
Im Fernfeld, wie es in 9B gezeigt ist, ist der Brennfleck zu der Seite des optischen Systems verschoben. Die gekrümmte Brennoberfläche S_I ist ebenfalls zu der Seite des optischen Systems verschoben. Der Fokus ist in dem peripheren Teil nicht mit der Licht empfangenden Oberfläche 16A ausgerichtet. Der Fokus ist vielmehr in dem Mittelteil mit der Licht empfangenden Oberfläche 16A ausgerichtet.
(Beispiele)
Ein Experiment zum Lesen eines Codes, der eine Zellgröße von 1,0 mm hat, wird unter Verwendung eines Allgemeinzweckbildsensors durchgeführt. Während der Code unter Verwendung eines herkömmlichen optischen Systems in einem Bereich von 200 mm oder mehr und 400 mm oder weniger gelesen werden kann, hat sich herausgestellt, dass der Code unter Verwendung des optischen Systems gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Bereich vom 120 mm oder mehr und 1200 mm oder weniger gelesen werden kann. Der Ablesebereich (Abstand von der Aperturposition) ändert sich abhängig von der Zellgröße und dem Entwurf des optischen Systems.
(Kombinierende Funktionen)
Als Nächstes ist eine Kombination der eine „Schärfentiefe erweiternden Funktion“, der ein „Blickfeld erweiternden Funktion“ und der „eine Pixelzuweisung sicherstellenden Funktion“ beschrieben. 8A und 8B sind grafische Darstellungen, die Unterschiede der Modulationsübertragungsfunktions- (MTF-; MTF = modulation transfer function) Antwort abhängig von der Anwesenheit des Phasenmodulationselements angeben. 8A ist eine grafische Darstellung, die die MTF-Antwort angibt, wenn kein Phasenmodulationselement anwesend ist. 8B ist eine grafische Darstellung, die die MTF-Antwort angibt, wenn ein Phasenmodulationselement eingefügt ist. Die vertikale Achse gibt einen normierten MTF-Wert an. Die horizontale Achse gibt eine räumliche Frequenz (Einheit: Zyklus/mm) an. Die Konfiguration des optischen Systems ist so, wie sie in 2A gezeigt ist.
Die MTF ist eine Angabe, die die Abbildungsleistung des optischen Systems angibt. Der Abstand zu dem Objekt ist als in der Reihenfolge der durchgezogenen Linie zu der grob gestrichelten Linie bis zu der fein gestrichelten Line zunehmend angegeben. Wie in 8A gezeigt ist, verringert sich in einem Fall, bei dem das Phasenmodulationselement 20 nicht in der Aperturposition des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18 angeordnet ist, die MTF-Antwort, sowie sich der Abstand zu dem Objekt erhöht. Dies gibt an, dass sich die Abbildungsleistung des optischen Systems 14 abhängig von dem Abstand zu dem Objekt ändert.
Wie in 8B gezeigt ist, ist im Gegensatz dazu in einem Fall, in dem das Phasenmodulationselement 20 bei der Aperturposition des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18 angeordnet ist, die MTF-Antwort ungeachtet des Abstands zu dem Objekt im Wesentlichen konstant. Dies gibt an, dass die Abbildungsleistung des optischen Systems 14 ungeachtet des Abstands zu dem Objekt konstant ist. Aus diesen Resultaten wird herausgefunden, dass die MTF-Verteilung des eine Verzerrung hinzufügenden optischen Systems 18 durch das Phasenmodulationselement 20 gleichmäßig gemacht wird. Bilder, die auf die gleiche Art und Weise verschwommen gemacht sind, können erhalten werden. Die Schärfentiefe kann zusätzlich erweitert werden.
Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ungeachtet des Abstands zu dem Objekt ein fokussiertes wiederhergestelltes Bild gewonnen. Die Schärfentiefe wird mit anderen Worten erweitert, und der Ablesebereich wird erweitert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zusätzlich dem eingefangen optischen Bild abhängig von dem Ablesebereich eine Verzerrung hinzugefügt. Als ein Resultat einer hinzugefügten Verzerrung wird das Blickfeld im Nahfeld erweitert, derart, dass das wiederhergestellte Bild, das in dem minimalen Abstand eingefangen und wiederhergestellt wurde, das gesamte Bild des Codes aufweist. Als ein Resultat der hinzugefügten Verzerrung wird zusätzlich eine vorbestimmte Zahl von Pixeln jeder Zelle des Codes in dem wiederhergestellten Bild, das in dem maximalen Abstand eingefangen und wiederhergestellt wurde, zugewiesen. Ein Ablesen von dem Nahfeld bis zu dem Fernfeld kann daher mit einer einzelnen Codeleservorrichtung durchgeführt werden.
<Variationsbeispiele>
Die Konfiguration der Codeleservorrichtung, die bei dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist ein Beispiel. Die Konfiguration kann modifiziert sein, ohne von dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Gemäß dem im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel ist beispielsweise ein Fall, bei dem die Schärfentiefe durch ein Wellenfrontcodieren erweitert ist, beschrieben. Die Schärfentiefe kann jedoch durch andere Verfahren erweitert sein. Als das Verfahren zum Erweitern der Schärfentiefe können beispielsweise eine codierte Apertur, ein Fokusdurchlaufen, eine Farbaberration, eine Mikrolinse und dergleichen gegeben sein. Dieses sind bekannte Verfahren, die in verschiedenen Dokumenten im Detail beschrieben sind. Hinsichtlich der codierten Apertur und des Fokusdurchlaufs sei auf Yasuhiro Mukaikawa, et al., „Optical sensing technology by modification of optical systems, imaging process, and signal processing“, Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Band 77, Nr. 12, 2011, Bezug genommen.
Bei der codierten Apertur wird nicht nur die Lichtmenge durch die Apertur in dem Abbildungssystem angepasst, sondern die PSF des Abbildungssystems wird codiert. Bei einem idealen geometrischen optischen System ist die Form der Apertur äquivalent zu der Form der PSF in dem Bild. Die PSF des Abbildungssystems kann daher durch das Aperturmuster gesteuert werden. Um Bilder stabil wiederherzustellen, wird eine Aperturform, die Breitbandfrequenzcharakteristiken ohne einen Nullschnittpunkt hat, vorgeschlagen. Details sind in Dokumenten, wie zum Beispiel Zhou, C., Nayar, „What are good apertures for defocus deblurring?“, International Conference of Computational Photography, San Francisco, U.S. (2009), beschrieben.
Bei dem Fokusdurchlauf wird eine Mehrfachbelichtung eines Bilds an jedem Punkt durchgeführt, während die Position des Bildsensors während der Belichtung geändert wird (Fokusdurchlaufen). Als ein Resultat wird eine PSF, die nicht von dem Abstand abhängt, erhalten. Details sind in Dokumenten, wie zum Beispiel Hajime Nagahara, Sujit Kuthirummal, Changyin Zhou, Shree K, Nayar, „Flexible Depth of Field Photography“, Proc. European Conf. Computer Vision, Nr. LNCS 5305, S. 60-73, 2008. 10, beschrieben.
Bei der chromatischen Aberration wird die Schärfentiefe durch eine spezielle optische Linse, die eine erhöhte chromatische Aberration hat, ein Farbfilterarray und eine zweckgebundene Signalverarbeitung erhöht. Details sind in Dokumenten, wie zum Beispiel Egawa, et al., „Depth of Field Expansion Technology Using Chromatic Aberration“, Kougaku (Optics) 40(10), 528-533, 2011-10-10, The Optical Society of Japan, a division of The Japan Society of Applied Physics, beschrieben.
Bei dem Mikrolinsenverfahren wird die Schärfentiefe durch ein Abbildungssystem erweitert, das eine spezielle Linse hat, die eine Kombination einer Mehrzahl von Linsen, die unterschiedliche Brennweiten haben, ist. Details sind in Dokumenten, wie zum Beispiel Levin, A., Hasinoff, S., Green, P., DuRand, F., and Freeman, W., 2009, „4D frequency analysis of computational cameras for depth of field extension“, MIT CSAIL TR 2009-019, beschrieben.
Der Code, der dem ausgelesenen Objekt hinzugefügt ist, kann zusätzlich irgendeiner von eindimensionalen Codes, wie zum Beispiel Strichcodes, und zweidimensionalen Codes, wie zum Beispiel QR-Codes (eingetragene Marke), sein.

Claims

Vorrichtung (10) zum Lesen eines Codes (C) mit Information von einem Objekt (O), mit: einem Abbildungselement (16) zum Einfangen eines optischen Bilds (F), das auf einer Oberfläche des Objekts (O) gebildet wird, mittels Empfangen von Licht, das von der Oberfläche gestreut wird; einer Schärfentiefe erweiternden Einrichtung (20, 26) zum Gewinnen eines fokussierten Bilds vom eingefangenen optischen Bild unabhängig von einem Abstand zu dem Objekt innerhalb eines vorbestimmten Ablesebereichs, der von der Vorrichtung benötigt wird; und einer optisch verzerrenden Einrichtung (18) zum Verzerren des eingefangenen optischen Bilds (F), derart, dass i) das fokussierte Bild in einem minimalen Abstand (D_N) in dem Ablesebereich (D) ein gesamtes Bild des Codes (C) aufweist, und ii) das fokussierte Bild in einem maximalen Abstand (D_F) in dem Ablesebereich (D) geliefert wird, um zu ermöglichen, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild des Codes (C) zugewiesen ist, wobei die optisch verzerrende Einrichtung (18) aus einem einzelnen optischen Element oder aus einer Mehrzahl an optischen Elementen gebildet ist, die die Bedingungen i) und ii) erfüllen, und die optisch verzerrende Einrichtung (18) konfiguriert ist, um eine Punktspreizfunktion zu gewinnen, die in dem Ablesebereich unabhängig vom Abstand ist und zu einer Wiederherstellung des fokussierten Bilds verwendet wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die optisch verzerrende Einrichtung (18) eine Bildoberfläche des eingefangenen optischen Bilds (F) krümmt, derart, dass eine Fokusposition in einem peripheren Gebiet des Abbildungselements (16) zu der Licht empfangenden Oberfläche näher als eine Fokusposition in einem mittleren Gebiet des Abbildungselements (16) kommt, wenn ein Abstand von dem Abbildungselement (16) zu dem Objekt kürzer als ein vorbestimmter Abstand ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die eine Schärfentiefe erweiternde Einrichtung (20, 26) folgende Merkmale aufweist: eine optische Wellenfront wandelnde Einrichtung (20) zum Wandeln einer Wellenfront eines einfallenden Lichts, das das optische Bild zeigt, mit einer Wandlungsfunktion (PSF), um dem eingefangenen optischen Bild (G) zu ermöglichen, unabhängig vom Abstand zu dem Objekt innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs (D) zu sein, und eine bildverarbeitende Einrichtung (26) zum Verarbeiten des eingefangenen und Wellenfront gewandelten optischen Bilds (G) basierend auf einer inversen Funktion der Wandlungsfunktion (PSF), derart, dass das fokussierte Bild aus dem eingefangenen und Wellenfront gewandelten Bild (G) innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs (D) wiederhergestellt wird, wobei die optisch verzerrende Einrichtung (18) auf einer optischen Einfallsseite der optischen Wellenfront wandelnden Einrichtung (20) angeordnet ist und als das fokussierte Bild ein wiederhergestelltes Bild (F_R) verzerrt, das durch die bildverarbeitende Einrichtung (26) wiederhergestellt wird, derart, dass i) das wiederhergestellte Bild (F_R) in einem minimalen Abstand (D_N) in dem Ablesebereich (D) ein gesamtes Bild des Codes (C) aufweist, und ii) das wiederhergestellte Bild (F_R) in einem maximalen Abstand (D_F) in dem Ablesebereich (D) geliefert wird, um zu ermöglichen, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild des Codes (C) zugewiesen ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, bei der die optisch verzerrende Einrichtung (18) eine Bildoberfläche des eingefangenen optischen Bilds (F) krümmt, derart, dass eine Fokusposition in einem peripheren Gebiet des Abbildungselements zu der Licht empfangenden Oberfläche näher als eine Fokusposition in einem mittleren Gebiet der Abbildungsvorrichtung kommt, wenn ein Abstand von dem Abbildungselement zu dem Objekt kürzer als ein vorbestimmter Abstand ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, bei der die optisch verzerrende Einrichtung (18) ein optisches System ist, das mindestens eine Linse aufweist, das optische System die Wandlungsfunktion aufweist, und die Wellenfront wandelnde Einrichtung ein optisches Phasenmodulationselement (20) ist, das eine Phasenmodulationsoberfläche (20A) hat, welche das Licht, das durch die optisch verzerrende Einrichtung (18) übermittelt wird, empfängt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die eine Schärfentiefe erweiternde Einrichtung (20, 26) folgende Merkmale aufweist: eine optische Wellenfront wandelnde Einrichtung (20) zum Wandeln einer Wellenfront von einfallendem Licht, das das optische Bild zeigt, mit einer Wandlungsfunktion (PSF), um dem eingefangenen optischen Bild zu ermöglichen, unabhängig vom Abstand zu dem Objekt innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs (D) zu sein, und eine bildverarbeitende Einrichtung (26) zum Verarbeiten des eingefangenen und Wellenfront gewandelten optischen Bilds basierend auf einer inversen Funktion der Wandlungsfunktion (PSF), derart, dass das fokussierte Bild aus dem eingefangenen und Wellenfront gewandelten Bild (G) innerhalb des vorbestimmten Ablesebereichs (D) wiederhergestellt wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die optisch verzerrende Einrichtung (18) auf einer optischen Einfallsseite der optischen Wellenfront wandelnden Einrichtung (20) angeordnet ist und als das fokussierte Bild ein wiederhergestelltes Bild verzerrt, das durch die bildverarbeitende Einrichtung (26) wiederhergestellt wird, derart, dass i) das wiederhergestellte Bild in einem minimalen Abstand (D_N) in dem Ablesebereich (D) ein gesamtes Bild des Codes (C) aufweist, und ii) das wiederhergestellte Bild in einem maximalen Abstand (D_F) in dem Ablesebereich (D) geliefert wird, um zu ermöglichen, dass mindestens eine vorbestimmte Zahl von Pixeln einem Einheitsbild des Codes (C) zugewiesen ist.