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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektro-optischen Lesen mittels Bilderfassung von direkten Teilemarkierungs(DPM)-Zeichen, wie etwa erhöhten, vertieften oder geätzten optischen Codes auf Werkstücken.
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HINTERGRUND
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Die direkte Teilemarkierung (Direct Part Marking, DPM) hat dafür gesorgt, dass Werkstücke direkt markiert, identifiziert und zu ihrer Herkunft zurückverfolgt werden können, und ihre Verwendung hat unter vielen anderen in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Medizintechnik, Werkzeugindustrie und Metallverarbeitung zugenommen. Bei einer typischen DPM handelt es sich um einen maschinenlesbaren, hochdichten, zweidimensionalen, matrixartigen, optischen Code, z. B. den bekannten DataMatrix- oder QR-Code, obwohl eindimensionale optische Codes ebenfalls bekannt sind. Jeder DPM-Code besteht aus mehreren Elementen, die direkt auf ein Werkstück aufgebracht werden (geprägt, geätzt, geformt oder nadelgeprägt). Zum Beispiel kann eine äußere Oberfläche eines Metallwerkstücks vorteilhafterweise mit vertieften Elementen, wie etwa halbkugelförmigen Vertiefungen nadelgeprägt werden; eine äußere Oberfläche eines Kunststoffwerkstücks kann vorteilhafterweise mit erhöhten Elementen wie etwa halbkugelförmigen Erhebungen geformt werden; und es kann ein Laser verwendet werden, um Elemente mit unterschiedlichem Lichtreflexionsvermögen nah bei einer äußeren Oberfläche eines Werkstücks zu ätzen. Andere Formen für die Elemente und andere Markierungstechniken können ebenfalls verwendet werden.
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Trotz der Fähigkeit, sehr genaue Vorgaben zur Elementgröße, -breite, -beabstandung und so weiter steuern zu können, hat der Mangel an scharfem Kontrast von direkt auf Werkstücke aus Metall, Kunststoff, Leder, Glas usw. aufgebrachten maschinenlesbaren optischen DPM-Codes verhindert, dass traditionelle Lesegeräte mit bewegtem Laserstrahl die DPM-Codes zuverlässig elektro-optisch lesen. Diese Lesegeräte mit bewegtem Strahl strahlten einen Laserstrahl aus, der von den hochgradig reflektierenden, typischerweise nicht ebenen Metall- oder Glaswerkstücken als helles Rückstrahllicht reflektiert wurde, das integrierte Fotodetektoren sättigte.
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Statt Lesegeräten mit bewegtem Laserstrahl wurden Festkörper-Bildlesegeräte verwendet, um durch Bilderkennung verschiedene Zeichen, einschließlich DPM-Codes, elektro-optisch zu lesen. Das Bildlesegerät umfasste Folgendes: eine Festkörper-Bilderkennungsvorrichtung (auch als Bildsensor bekannt) mit einem Sensor-Array von Fotozellen (auch als Pixel bekannt), die Bildelementen oder Pixeln eines Blickfelds des Bildsensors entsprachen, eine Beleuchtungsanordnung zum Beleuchten des Blickfelds mit Beleuchtungslicht, eine Bilderkennungs-Linsenanordnung zum Erfassen von von einem DPM-Werkstück im Blickfeld gestreuten und/oder reflektierten Umgebungs- und/oder Beleuchtungsrückstrahllicht und zum Projizieren des Rückstrahllichts auf den Bildsensor, um das Erfassen eines Bilds des DPM-Werkstücks im Blickfeld auszulösen, und einen Mikroprozessor zum Analysieren, Verarbeiten und Entschlüsseln des DPM-Codes aus dem erfassten Bild.
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Die Verwendung von Bildlesegeräten, insbesondere handgehaltenen Lesegeräten, zum Lesen von DPM-Codes auf Werkstücken hat sich jedoch als problematisch erwiesen. Jeder DPM-Code ist relativ klein, z. B. weniger als 2 mm × 2 mm. Die Werkstücke selbst weisen häufig komplizierte, d. h. nicht ebene, gekrümmte, reflektierende Oberflächen auf. Der Kontrast zwischen den DPM-Codes und ihren Werkstück-Hintergründen, insbesondere von ihren äußeren, reflektierenden Hintergrundoberflächen, ist häufig immer noch geringer als erwünscht. Im Gegensatz zu in einer Farbe (zum Beispiel Schwarz) auf Papier einer anderen Farbe (zum Beispiel Weiß) gedruckten maschinenlesbaren Codes werden DPM-Codes typischerweise nicht durch einen Unterschied in der Intensität des Rückstrahllichts zwischen Bereichen unterschiedlicher Farbe gelesen, sondern durch Schattenmuster, die von den erhöhten oder vertieften Elementen geworfen werden. Umgebungslichtbedingungen sind jedoch veränderlich. Die Beleuchtung von der integrierten Beleuchtungsanordnung wird unter veränderlichen Winkeln gelenkt. Reflexionen von Umgebungslichtquellen und der Beleuchtungsanordnung erscheinen im Blickfeld des Bildlesegeräts häufig als Lichtflecken, Blendung oder spiegelnde Reflexionen von starkem hellem Licht, die den Bildsensor sättigen, wodurch die Leseleistung verschlechtert wird.
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Auf dem Gebiet wurde versucht, dafür zu sorgen, dass Bildlesegeräte DPM-Codes leichter lesen können. Zum Beispiel beschrieb
US-Patent Nr. 8,028,913 die Verwendung eines Diffusors zum Zerstreuen des auf den DPM-Codes gerichteten Beleuchtungslichts,
US-Patent Nr. 7,201,321 beschrieb eine Technik zum Verbessern des Kontrasts des DPM-Codes,
US-Patent Nr. 7,726,572 beschrieb eine Digitalisierungstechnik zum Digitalisieren des DPM-Codes,
US-Patent Nr. 7,350,711 beschrieb die Verwendung von Umgebungslichtabschirmungen und -filtern zum Lesen des DPM-Codes,
US-Patent Nr. 7,163,149 beschrieb die Verwendung von mehr als einer Beleuchtungslichtanordnung zum Beleuchten des DPM-Codes,
US-Patentschrift Nr. 2009/0218403 beschrieb eine verbesserte Zieltechnik zum Orten des DPM-Codes und
US-Patentschrift Nr. 2006/0138234 beschrieb einen erweiterten dynamischen Bereich, in dem der DPM-Code gelesen werden konnte.
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So vorteilhaft derartige Versuche waren, besteht trotzdem immer noch Bedarf daran, die Lesbarkeit von DPM-Codes durch Bilderfassung auf kostengünstigere und schnellere Weise zu verbessern, ohne auf zusätzliche Hardware zurückzugreifen, die Kosten und Gewicht erhöht, und ohne auf zusätzliche Software zurückzugreifen, die die Leseleistung verlangsamt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beiliegenden Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten auf identische oder funktionell ähnliche Elemente beziehen, zusammen mit der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, sind in die Patentschrift integriert und bilden einen Teil davon und dienen dazu, Ausführungsformen von die beanspruchte Erfindung umfassenden Gedanken weiter zu veranschaulichen, und erläutern verschiedene Grundsätze und Vorteile dieser Ausführungsformen.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Bildlesegeräts zum elektro-optischen Lesen von erhöhten, vertieften oder geätzten Zeichen, wie etwa einem DPM-Code, durch Bilderfassung gemäß dieser Erfindung.
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2 ist eine Frontansicht in verkleinertem Maßstab des Lesegeräts von 1.
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3 ist eine schematische, vereinfachte Ansicht eines dem in 1 gezeigten entsprechenden Lesegeräts, die verschiedene Komponenten davon darstellt.
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4 ist eine vergrößerte Ansicht eines beispielhaften zu lesenden DPM-Codes.
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5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Lesen von erhöhten, vertieften oder geätzten Zeichen durch Bilderfassung gemäß dieser Erfindung darstellt.
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Der Fachmann wird einsehen, dass Elemente in den Figuren im Interesse der Einfachheit und Klarheit dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Zum Beispiel können die Abmessungen von einigen Elementen in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um zur Verbesserung des Verständnisses von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beizutragen.
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Die Vorrichtungs- und Verfahrenskomponenten wurden, wo angebracht, durch herkömmliche Symbole in den Zeichnungen dargestellt, wobei nur die spezifischen Details gezeigt werden, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind, um die Offenbarung nicht mit Details zu verschleiern, die für den Fachmann, dem die Beschreibung hierin zur Verfügung steht, ohne Weiteres offensichtlich sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine Vorrichtung gemäß einem Merkmal dieser Erfindung ist wirksam zum elektro-optischen Lesen von Zeichen, wie etwa einem direkten Teilemarkierungs(DPM)-Code, auf einem Ziel, wie etwa einem Werkstück, mit einer Zieloberfläche. Das Zeichen kann Elemente aufweisen, die auf einer anderen Höhe liegen als die Zieloberfläche. Im Fall des DPM-Codes, bei dessen Elementen es sich z. B. um Erhebungen oder Vertiefungen handelt, sind diese Elemente zum Beispiel in einem matrixartigen Muster angeordnet und sind relativ zur Zieloberfläche entweder erhöht und/oder vertieft. Andere Arten von erhöhten oder vertieften Zeichen und selbst geätzte Zeichen unterschiedlichen Lichtreflexionsvermögens nah bei der Zieloberfläche können wie nachfolgend beschrieben gelesen werden.
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Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, das bevorzugt mindestens ein lichtdurchlässiges Fenster aufweist. Die Vorrichtung ist bevorzugt als handgehaltener, tragbarer Scanner ausgebildet, könnte jedoch auch als an einem Ständer montierter ortsfester Scanner, vertikaler Schlitz-Scanner, Flachbettscanner oder horizontaler Schlitz-Scanner oder bi-optischer Zweifenster-Scanner ausgebildet sein. Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise außerdem ein Beleuchtungssystem, das von dem Gehäuse getragen wird und mit Energie versorgt werden kann, um das Ziel mit Beleuchtungslicht zu beleuchten, das bevorzugt von mindestens einer Leuchtdiode ausgestrahlt wird.
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Die Vorrichtung umfasst weiter einen Festkörper-Entfernungsbildsensor, der von dem Gehäuse getragen wird und ein Array von lichterkennenden Fotozellen aufweist, die einem Blickfeld zugewandt sind, das sich durch das Fenster zu dem Ziel erstreckt, und einen Kontroller, z. B. einen programmierten Mikroprozessor, zum Steuern des Entfernungssensors. Der Entfernungssensor ist wirksam zum Erfassen eines Zielbilds, bestehend aus einem ersten Satz von Pixeln mit ersten Abstandswerten, die einem ersten Abstand der Elemente von dem Entfernungssensor entsprechen, und einem zweiten Satz von Pixeln mit zweiten Abstandswerten, die einem zweiten Abstand der Zieloberfläche von dem Entfernungssensor entsprechen. Der Kontroller ist wirksam mit dem Entfernungssensor verbunden und ist wirksam zum Lesen des Zeichens durch Unterscheiden zwischen dem ersten Satz von Pixeln und dem zweiten Satz von Pixeln in dem Bild. Vorteilhafterweise sucht der Kontroller nach abrupten Änderungen der Abstandswerte, d. h. örtlichen Maxima oder Minima, unter benachbarten Pixeln, um die Elemente des zu lesenden Zeichens zu orten. Der Entfernungssensor umfasst bevorzugt einen Lichtsender, der Lichtimpulse, z. B. von Infrarot-(IR-)Licht, zu dem Ziel ausstrahlt, die von diesem zurückgestrahlt werden. Der Sensor erkennt zurückgestrahlte IR-Lichtimpulse nach Verzögerungszeiten und der Kontroller bestimmt die ersten und die zweiten Abstände jeweils aus den Verzögerungszeiten basierend auf der konstanten bekannten Lichtgeschwindigkeit.
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Das Bezugszeichen 10 in 1–2 kennzeichnet allgemein ein beispielhaftes handgehaltenes, tragbares Bildlesegerät zum elektro-optischen Lesen von Zeichen, wie etwa einem DPM-Code 100 (siehe 3–4) auf einem Werkstück 200 (siehe 3–4). Das Lesegerät 10 umfasst ein Gehäuse 12, in dem Beleuchtungs- und Bilderfassungsanordnungen, wie nachfolgend beschrieben, enthalten sind. Das Gehäuse 12 umfasst einen allgemein langgestreckten Griff oder unteren Handgriffabschnitt 14 und einen Lauf oder oberen Körperabschnitt 16 mit einem vorderen Endbereich 18. Die Querschnittsabmessungen und Gesamtgröße des Griffs 14 sind derart, dass das Lesegerät bequem in der Hand einer Bedienperson gehalten werden kann. Der Körper- und der Griffabschnitt können aus einem leichten, elastischen, stoßfesten, selbsttragenden Material, wie etwa einem synthetischen Kunststoffmaterial, hergestellt sein. Das Kunststoffgehäuse kann spritzgegossen sein, kann aber auch vakuumgeformt oder blasgeformt sein, um eine dünne hohle Schale zu bilden, die einen inneren Raum eingrenzt, dessen Volumen ausreicht, um die verschiedenen Anordnungen dieser Erfindung zu enthalten. Eine Überspritzung 30 aus einem elastischen, stoßabsorbierenden Material, wie etwa Gummi, ist zum Stoßschutz außen an verschiedenen Bereichen über das Gehäuse gespritzt.
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Ein manuell betätigbarer Auslöser 20 ist in einer beweglichen Beziehung in einem nach vorne weisenden Bereich des Lesegeräts an dem Griff 14 angebracht. Normalerweise wird der Zeigefinger der Bedienperson verwendet, um das Lesegerät durch Drücken des Auslösers zu betätigen. Zum Beispiel kann der Auslöser einmal gedrückt werden, um das Zielen auszulösen, und erneut gedrückt werden, um Bilderfassung und Lesen auszulösen. Alternativ kann das Zielen ein Standardzustand sein und der Auslöser kann nur einmal gedrückt werden, um den Standardzustand abzubrechen oder zu ändern und Bilderfassung und Lesen auszulösen. Es kann ein biegsames elektrisches Kabel 22 vorgesehen sein, um das Lesegerät mit Fernkomponenten des Code-Lesesystems zu verbinden. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Kabel 22 außerdem elektrische Leistung an die elektrischen Komponenten innerhalb des Lesegeräts liefern. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Kabel 22 mit einem Host 24 verbunden, der entschlüsselte Daten von dem Lesegerät empfängt. Bei alternativen Ausführungsformen kann ein Entschlüsselungsmodul 26 außerhalb von dem Lesegerät vorgesehen sein. Bei einer derartigen Ausführungsform können entschlüsselte Daten von dem Entschlüsselungsmodul 26 an weitere Host-Verarbeitungsausrüstungen und Datenbanken, die allgemein durch den Kasten 28 dargestellt sind, übertragen werden. Wenn das Kabel 22 nicht verwendet wird, kann eine drahtlose Verbindung zum Übertragen von Daten zwischen dem Lesegerät 10 und dem Host 24 vorgesehen sein und eine integrierte Batterie, typischerweise im Griff 14, kann zum Zuführen von elektrischer Leistung verwendet werden.
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Eine alternative Ausführungsform enthält ein Display und eine Tastatur und optional ein Drahtlos-Sende-/Empfangsgerät, bevorzugt mit einem integrierten Entschlüsselungsmodul 26. Die entschlüsselten Daten werden dann entweder in Echtzeit an einen entfernten Host-Computer übertragen oder in einem internen Speicher gespeichert, so dass die gespeicherten Daten zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das Lesegerät physisch mit einem derartigen angeschlossenen Host-Computer verbunden ist, im Batch-Betrieb an einen Host-Computer übertragen werden können.
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Wie in 3–4 gezeigt, besteht der DPM-Code 100 aus mehreren Elementen 102, die direkt auf das Werkstück 200 aufgebracht sind (geprägt, geätzt, geformt oder nadelgeprägt). Zum Beispiel kann eine äußere Zieloberfläche 104 eines Metallwerkstücks 200 vorteilhafterweise mit vertieften Elementen 102, wie etwa halbkugelförmigen Vertiefungen nadelgeprägt sein, die unterhalb oder hinter der Zieloberfläche 104 liegen; oder die äußere Zieloberfläche 104 eines Kunststoffwerkstücks 200 kann vorteilhafterweise mit erhöhten Elementen 102 wie etwa halbkugelförmigen Erhebungen geformt sein, die oberhalb von oder vor der Zieloberfläche 104 liegen; oder die äußere Zieloberfläche 104 eines beliebigen Werkstücks 200 kann vorteilhafterweise mit zum Beispiel einem Laser geätzt sein, um Elemente 102 mit anderem Lichtreflexionsvermögen nah bei der äußeren Zieloberfläche 104 des Werkstücks 200 zu bilden. Andere Formen als die in 3 abgebildeten kreisförmigen Formen für die Elemente 102 und andere Markierungstechniken als Laserätzen werden von dieser Offenbarung ebenfalls in Betracht gezogen. Obwohl sie in 3 als in einem zweidimensionalen matrixartigen Muster angeordnet abgebildet sind, können die Elemente 102 auch linear als Zeichenkette angeordnet sein. In der Praxis liegen die erhöhten oder vertieften Elemente 102 auf einer Höhe (Höhe oder Tiefe), die ungefähr 1 mm oder weniger von der Zieloberfläche 104 entfernt ist, während die geätzten Elemente 102 allgemein mit der Zieloberfläche 104 bündig sind.
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Wie vorangehend beschrieben, ist der erhöhte oder vertiefte DPM-Code 100 aufgrund von schlechtem Kontrast zwischen den Elementen 102 und der Zieloberfläche 104, die typischerweise aus demselben Material gebildet sind, häufig schwer zu lesen. Das steht im Gegensatz zu optischen Codes, die mit Tinte in einer Farbe (zum Beispiel Schwarz) auf einem Papierhintergrund einer anderen Farbe (zum Beispiel Weiß) gedruckt sind, wo Bereiche unterschiedlicher Farbe einen besseren Kontrast aufweisen. Wie nachfolgend erläutert, schlägt diese Offenbarung vor, sich nicht ausschließlich auf derartige Farb- oder Intensitätsunterschiede zu stützen, sondern sich statt dessen im Wesentlichen auf Abstandsunterschiede zwischen den Elementen 102 und der Hintergrund-Zieloberfläche 104 zu stützen, um den erhöhten oder vertieften DPM-Code 100 zu lesen. Diese Abstandsunterschiede werfen hellere und dunklere Schattenmuster, die wie nachfolgend beschrieben entschlüsselt werden können.
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Um diese Abstandsunterschiede zu bestimmen, wird ein Festkörper-Entfernungssensor 32, wie in 3 gezeigt, in dem Gehäuse 12 angebracht, wobei das Gehäuse zur Klarheit in vereinfachter Form abgebildet ist. Bei dem Entfernungssensor 32 handelt es sich bevorzugt um ein zweidimensionales Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)Array von Fotozellen, die, wenn sie von einem Kontroller oder programmierten Mikroprozessor 54 mit Energie versorgt werden, wirksam sind, um Rückstrahllicht über sein Blickfeld von dem Werkstück 200 zu erfassen, und zwar durch ein lichtdurchlässiges Fenster 36 am vorderen Endbereich 18 zum Abdichten des Gehäuses 12 gegen Eindringen von Verunreinigungen. Eine Bilderkennungslinse 38 ist auf den Entfernungssensor 32 ausgerichtet, um das Rückstrahllicht auf den Entfernungssensor 32 zu projizieren. Ein Infrarot-(IR-)Lichtstrahler 42 befindet sich neben dem Entfernungssensor 32 und kann ebenfalls von dem Kontroller 54 mit Energie versorgt werden. Vorzugsweise ist eine Beleuchtungsanordnung 34 vorgesehen, um ein Beleuchtungsfeld für den Entfernungssensor 32 unter der Steuerung der Kontrollers 54 mit Energie zu versorgen. Die Beleuchtungsanordnung 34 bildet bevorzugt eine einzige Beleuchtungslichtquelle oder mehrere Beleuchtungslichtquellen, z. B. Leuchtdioden (LEDs), die von Leistungsversorgungsleitungen im Kabel 22 oder über die integrierte Batterie mit Leistung versorgt werden.
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Der Entfernungssensor
32 bestimmt jeden Abstand von den Elementen
102 und zu der Hintergrund-Zieloberfläche
104 durch Verwendung eines Laufzeitverfahrens (Time-of-Flight(TOF)-Verfahren) als Entfernungsmesstechnik, wobei jeder Abstand wie folgt aus der Laufzeit von Licht zurückberechnet wird: Zuerst wird ein von dem IR-Strahler
42 ausgestrahlter IR-Lichtimpuls in einem festen Zeitintervall zu den Elementen
102/der Zieloberfläche
104 gelenkt. Als nächstes wird der reflektierte Lichtimpuls von den Elementen
102/der Zieloberfläche
104 von den Fotozellen des Entfernungssensors
32 erkannt. Dann wird die Laufzeit des IR-Lichtimpulses basierend auf dem Phasenunterschied zwischen dem ausgestrahlten und dem reflektierten IR-Lichtimpuls ermittelt. Schließlich wird die resultierende Laufzeit mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, um den Abstand von den Elementen
102/der Zieloberfläche
104 zu ermitteln. Der Entfernungssensor
32 weist bevorzugt eine effektive Pixelzahl von mindestens 320 × 240, eine Bildfrequenz von mindestens 30 Einzelbildern pro Sekunde, und eine Entfernungsauflösung von mindestens ungefähr 100 Mikrometern bei einer Entfernung von ungefähr einem Meter auf.
US- Patent Nr. 7,436,496 ,
US-Patent Nr. 7,671,391 und
US-Patentschrift Nr. 2009/0230437 beschreiben Entfernungssensoren, die vorwiegend für militärische Anwendungen verwendet werden.
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Somit ist der Entfernungssensor 32 wirksam, um ein Zielbild, bestehend aus einem ersten Satz von Pixeln mit ersten Abstandswerten, die einem ersten Abstand der Elemente 102 von dem Entfernungssensor 32 entsprechen, und einem zweiten Satz von Pixeln mit zweiten Abstandswerten, die einem zweiten Abstand der Zieloberfläche 104 von dem Abstandssensor 32 entsprechen, zu erfassen. Der Kontroller 54 ist wirksam mit dem Entfernungssensor 32 verbunden und ist wirksam, um das Zeichen durch Unterscheiden zwischen dem ersten Satz von Pixeln und dem zweiten Satz von Pixeln innerhalb des Zielbilds zu lesen. Genauer sucht der Kontroller 54 nach abrupten Änderungen der Abstandswerte, d. h. örtlichen Maxima oder Minima, unter benachbarten Pixeln, um die Elemente des zu lesenden Zeichens zu orten.
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Zur weiteren Erläuterung nehme man an, dass die Zieloberfläche 104 nicht mit den Elementen 102 markiert ist, eben ist und zu dem ebenen Array von Fotozellen im Entfernungssensor 32 parallel ist. In diesem Fall sieht der Kontroller 54 im Wesentlichen keine oder nur eine geringe Änderung der Abstandswerte unter den entlang den Fotozellenzeilen angeordneten benachbarten Pixeln. Wenn diese unmarkierte Zieloberfläche 104 relativ zu einer oder mehreren von drei Lageachsen (d. h. Neigung, Drehung oder Gierung) geneigt ist, sieht der Kontroller 54 eine im Wesentlichen konstante Änderung der Abstandswerte unter den benachbarten Pixeln entlang jeder Achse. Wenn diese unmarkierte Zieloberfläche 104 stetig gekrümmt ist, sieht der Kontroller 54 eine im Wesentlichen stetige Änderung der Abstandswerte unter den benachbarten Pixeln. Sobald die Zieloberfläche 104 jedoch mit erhöhten oder vertieften Elementen 102 markiert ist, sieht der Kontroller 54 die vorangehend erwähnten, örtlich begrenzten, abrupten Änderungen der Abstandswerte und diese Knickpunkte repräsentieren die erhöhten oder vertieften Elemente 102. Bei erhöhten Zeichen identifiziert der Kontroller 54 diejenigen Knickpunkte im Blickfeld, die allgemein heller sind, da sie physisch näher am Entfernungssensor 32 liegen. Analog dazu identifiziert der Kontroller 54 bei vertieften Zeichen diejenigen Knickpunkte im Blickfeld, die allgemein dunkler sind, da sie physisch weiter vom Entfernungssensor 32 entfernt sind. Wenn die Elemente 102 vom Kontroller identifiziert sind, entschlüsselt der Kontroller 54 sie, um das Zeichen zu lesen.
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Wie bisher beschrieben, weist jedes Pixel einen Abstandswert auf, der den Abstand zwischen einem Punkt auf dem Werkstück 200 und seinem Bild auf einer Fotozelle im Entfernungssensor 32 wiedergibt. Vorteilhafterweise weist jedes Pixel außerdem einen Intensitäts- oder Luminanzwert auf, der die Menge des Rückstrahllichts wiedergibt, das von dem jeweiligen Punkt auf dem Werkstück reflektiert und/oder gestreut wird. Dieser Intensitätswert kann zusammen mit dem Abstandswert verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Elemente 102 vom Kontroller 54 einwandfrei identifiziert wurden. Alternativ kann dieser Intensitätswert alleine verwendet werden, um die vorangehend erwähnten lasergeätzten Elemente 102 mit unterschiedlichem Lichtreflexionsvermögen zu lesen, die eng neben der Zieloberfläche 104 liegen.
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Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zum elektro-optischen Lesen von Zeichen mit Elementen auf einem Ziel mit einer Zieloberfläche ausgeführt, indem die Elemente auf einer anderen Höhe als der Zieloberfläche geortet werden; indem ein Zielbild des Ziels mit einem Festkörper-Entfernungsbildsensor mit einem Array von lichterfassenden Fotozellen erfasst wird, die einem sich zu dem Ziel erstreckenden Blickfeld zugewandt sind, wobei das Zielbild aus einem ersten Satz von Pixeln mit ersten Abstandswerten besteht, die einem ersten Abstand der Elemente von dem Sensor entsprechen, und aus einem zweiten Satz von Pixeln mit zweiten Abstandswerten besteht, die einem zweiten Abstand der Zieloberfläche von dem Sensor entsprechen, und indem das Zeichen durch Unterscheiden zwischen dem ersten Satz von Pixeln und dem zweiten Satz von Pixeln innerhalb des Bilds gelesen wird.
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Mit Hilfe des Betriebsablaufdiagramms 300 von 5 versorgt der Kontroller 54, beginnend beim Startschritt 302, im Betrieb den Entfernungssensor 32, die Beleuchtungsanordnung 34 und die IR-LED 42 mit Energie und erfasst in Schritt 304 das Bild der beleuchteten Elemente 102 und der beleuchteten Zieloberfläche 104 in dem Blickfeld. Jedes Pixel des erfassten Bilds enthält vorteilhafterweise sowohl einen Abstandswert (der den Abstand oder die Entfernung eines jeweiligen Punkts auf dem Werkstück relativ zu dem Entfernungssensor 32 wiedergibt) und einen Luminanz- oder Lichtintensitätswert (der die Menge an von dem jeweiligen Punkt des Werkstücks reflektiertem und/oder gestreutem Rückstrahllicht wiedergibt). Standardmäßig versucht der Kontroller 54 zuerst, das Zeichen basierend auf den Intensitätswerten (Schritt 308) von allen Fotozellen zu lesen und zu entschlüsseln. Das kann ausreichen, um die vorangehend erwähnten lasergeätzten DPM-Codes, deren Elemente 102 ein unterschiedliches Lichtreflexionsvermögen aufweisen, oder sogar andere optische Codes, deren Lesen vom Unterscheiden zwischen unterschiedlichen lichtmodifizierenden Elementen abhängt, zu lesen. Wenn die Entschlüsselung erfolgreich war, ertönt ein Piepston, und die Ergebnisse werden zu dem Host 24 geschickt (Schritt 310).
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Wenn die Entschlüsselung nicht erfolgreich war, analysiert der Kontroller 54 die Abstandswerte von allen Fotozellen, um nicht nur die Zieloberfläche 104 zu modellieren (d. h. ist sie eben oder gekrümmt), sondern auch, um nach abrupten Änderungen der Abstandswerte zu suchen, d. h. lokalen Maxima oder Minima (Knickpunkten) unter benachbarten Pixeln, um die Elemente 102 des zu lesenden Zeichens zu orten. Indem er die Änderungen oder den Gradienten der Abstandswerte kennt, kann der Kontroller 54 somit die Form bestimmen und das Lichtmuster isolieren, das die Elemente 102 darstellt, und dadurch einen Bereich von Interesse in dem Bild identifizieren, in dem sich dieses Lichtmuster befindet, gegebenenfalls den Kontrast dieses Lichtmusters verbessern (Schritt 306), damit fortfahren, diese Lichtmuster zu entschlüsseln (Schritt 308), um das Zeichen zu lesen, und schließlich die Ergebnisse einer erfolgreichen Entschlüsselung zu dem Host 24 zu schicken (Schritt 310). Somit könnten durch Erfassen der Intensitätswerte und/oder der Abstandswerte beliebige erhöhte/vertiefte/geätzte Zeichen gelesen werden, ohne spezialisierte Hardware zu benötigen, die die gerichtete Reflexion minimiert, und ohne spezialisierte Software zu benötigen, die das Lesen verlangsamt, wodurch das Lesen robuster und aggressiver gemacht wird.
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Es versteht sich, dass jedes der vorangehend beschriebenen Elemente oder zwei oder mehr zusammen, auch in anderen Arten von Konstruktionen, die sich von den vorangehend beschriebenen unterscheiden, eine nützliche Anwendung finden können.
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Statt den Laufzeit-Entfernungssensor 32 zu verwenden, kann zum Beispiel der Abstand auch durch Stereo-Triangulation (Höhe/Tiefe wird aus einer Differenz zwischen zwei von zwei Bildsensoren aufgenommenen Bildern berechnet) oder durch eine Lichtfeldkamera gemessen werden.
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Des Weiteren soll diese Offenbarung nicht auf das Lesen von DPM-Codes beschränkt sein, da andere erhöhte/vertiefte/geätzte Zeichen gelesen werden könnten. Zum Beispiel weisen Kredit-/Zahlungskarten erhöhte Zeichen auf, z. B. eine Nummer und/oder andere Daten, die über ihre Hintergrundoberfläche angehoben sind. Die Hintergrundoberfläche der Karte ist typischerweise stark reflektierend und trägt detaillierte graphische Muster, was alles den Kontrast zwischen den erhöhten Zeichen und der Hintergrund-Kartenoberfläche sehr niedrig macht. Automatische Zeichenerkennung (Optical Character Recognition, OCR) und automatisches Lesen sind daher problematisch und die vorangehend beschriebene Abstandsmesstechnik erleichtert derartiges OCR-Lesen. Als ein anderes Beispiel weist ein Fahrzeugnummernschild erhöhte Zeichen auf, z. B. alphanumerische Zeichen und/oder anderen Daten, die über seine Hintergrund-Schildoberfläche angehoben sind. Die Hintergrundoberfläche des Schilds ist typischerweise stark reflektierend und der schlechte Kontrast zwischen den erhöhten Zeichen und der Hintergrund-Schildoberfläche wird durch immer vorhandenen Schmutz und Schlamm auf der Schildoberfläche sowie Beschädigungen des Schilds verschlimmert. Als noch ein weiteres Beispiel könnten in ein Dokument geprägte Siegel gelesen und überprüft werden.
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In der vorangehenden Beschreibung wurden spezifische Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann sieht jedoch ein, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Patentansprüchen dargelegt ist, abzuweichen. Dementsprechend sind die Beschreibung und die Figuren in veranschaulichendem und nicht in einschränkendem Sinn zu betrachten und es ist beabsichtigt, dass alle derartigen Abwandlungen im Umfang vorliegender Lehren enthalten sind.
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Die Nutzen, Vorteile, Lösungen von Problemen und etwaige Elemente, die bewirken können, dass ein Nutzen, Vorteil oder eine Lösung eintritt oder deutlicher wird, sind nicht als kritische, notwendige oder wesentliche Merkmale oder Elemente von einem oder allen der Ansprüche auszulegen. Die Erfindung ist ausschließlich von den angehängten Patentansprüchen definiert, einschließlich etwaiger während der Rechtsanhängigkeit diese Anmeldung vorgenommener Änderungen und aller Entsprechungen dieser Patentansprüche, wie sie erteilt sind.
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Darüber hinaus dürfen in diesem Dokument Verhältnisbegriffe wie etwa erstes und zweites, oben und unten und dergleichen nur verwendet werden, um eine Einheit oder Handlung von einer anderen Einheit oder Handlung zu unterscheiden, ohne unbedingt eine tatsächliche derartige Beziehung oder Reihenfolge zwischen derartigen Einheiten oder Handlungen zu erfordern oder zu implizieren. Die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „weist auf”, „aufweisend”, „beinhaltet”, „beinhaltend”, „enthält” „enthaltend” oder andere Varianten davon sollen eine nicht ausschließende Einbeziehung abdecken, so dass ein Prozess, Verfahren, Artikel oder eine Vorrichtung, der, das bzw. die eine Liste von Elementen umfasst, aufweist, beinhaltet, enthält, nicht nur dieses Element beinhaltet, sondern auch andere Elemente beinhalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder einem derartigen Prozess, Verfahren, Artikel oder einer derartigen Vorrichtung innewohnen. Ein Element, dem „umfasst ein/e ...”, „weist ein/e ... auf”, „beinhaltet ein/e ...” oder „enthält ein/e ...” vorausgeht, schließt ohne weitere Einschränkungen nicht das Vorhandensein weiterer identischer Elemente in dem Prozess, Verfahren, Artikel oder der Vorrichtung aus, der, das bzw. die das Element beinhaltet oder enthält. Die Begriffe „ein” und „eine” sind definiert als ein/e oder mehr, wenn hierin nicht ausdrücklich Anderes gesagt wird. Die Begriffe „im Wesentlichen”, „ungefähr”, „etwa” oder eine beliebige andere Variante davon sind definiert als nahezu, wie es vom Fachmann verstanden wird, und in einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Begriff als innerhalb von 10% liegend definiert, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 5%, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 1% und in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 0,5%. Der Begriff „gekoppelt”, wie er hierin verwendet wird, ist definiert als verbunden, jedoch nicht unbedingt direkt und nicht unbedingt mechanisch. Eine Vorrichtung oder Struktur, die auf eine bestimmte Art „konfiguriert” ist, ist auf mindestens diese Art konfiguriert, kann jedoch auch auf nicht aufgeführte Arten konfiguriert sein.
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Man wird einsehen, dass manche Ausführungsformen aus einem oder mehreren generischen oder spezialisierten Prozessoren (oder „Verarbeitungsvorrichtungen”) bestehen können, wie etwa Mikroprozessoren, digitalen Signalprozessoren, individuell angepassten Prozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und eindeutigen gespeicherten Programmanweisungen (umfassend sowohl Software als auch Firmware), die den einen bzw. die mehreren Prozessoren steuern, um in Verbindung mit gewissen Schaltungen außerhalb des Prozessors einige, die meisten oder alle der Funktionen des hierin beschriebenen Verfahrens und/oder der hierin beschriebenen Vorrichtung zu implementieren. Alternativ könnten einige oder alle Funktionen von einer Zustandsmaschine, die keine gespeicherten Programmanweisungen aufweist, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) implementiert werden, wobei jede Funktion oder einige Kombinationen bestimmter dieser Funktionen als individuell angepasste Logik implementiert sind. Natürlich könnte eine Kombination der beiden Ansätze verwendet werden.
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Darüber hinaus kann eine Ausführungsform als computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeichertem computerlesbarem Code implementiert werden, um einen Computer (der z. B. einen Prozessor umfasst) dazu zu programmieren, ein Verfahren wie hierin beschrieben und beansprucht auszuführen. Beispiele derartiger computerlesbarer Speichermedien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Festplatte, eine CD-ROM, eine optische Speichervorrichtung, eine magnetische Speichervorrichtung, einen (ROM) (Festspeicher), einen PROM (programmierbaren Festspeicher), einen EPROM (löschbaren programmierbaren Festspeicher), einen EEPROM (elektrisch löschbaren programmierbaren Festspeicher) und einen Flash-Speicher. Des Weiteren wird erwartet, dass der Fachmann, trotz möglicherweise erheblicher Bemühungen und vieler Auslegungsmöglichkeiten, aufgrund von zum Beispiel verfügbarer Zeit, aktueller Technik und wirtschaftlichen Überlegungen, ohne Weiteres in der Lage sein wird, mit minimalem Experimentieren derartige Softwareanweisungen und Programme und integrierte Schaltungen zu erzeugen, wenn er von den hierin offenbarten Konzepten und Grundsätzen geleitet wird.
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Die Kurzfassung der Offenbarung ist dazu vorgesehen, es dem Leser zu ermöglichen, die Art der technischen Offenbarung rasch zu erkennen. Sie wird unter der Voraussetzung eingereicht, dass sie nicht verwendet wird, um den Umfang oder die Bedeutung der Patentansprüche zu interpretieren oder einzuschränken. Außerdem ist in der vorangehenden ausführlichen Beschreibung zu sehen, dass verschiedene Merkmale zum Zweck der Straffung der Offenbarung in verschiedenen Ausführungsformen zusammen gruppiert sind. Dieses Verfahren der Offenbarung darf nicht als eine Absicht reflektierend interpretiert werden, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale benötigen als in jedem Anspruch ausdrücklich aufgeführt. Wie die nachfolgenden Patentansprüche reflektieren, liegt der erfinderische Gegenstand im Gegenteil in weniger als allen Merkmalen einer einzigen offenbarten Ausführungsform. Somit sind die nachfolgenden Patentansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrennter beanspruchter Gegenstand für sich alleine steht.
