ES2878349T3 - Un dispositivo de iluminación para un sistema óptico de un aparato lector - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de iluminación para un sistema óptico de un aparato lector, comprendiendo el dispositivo de iluminación (1): un cuerpo hueco anular (2) configurado para recibir un dispositivo de adquisición de campo de luz (11, 12); una fuente de luz (3) dispuesta externamente alrededor del cuerpo hueco anular (2); y un reflector de luz externo (5) que tiene un extremo proximal (5a) y un extremo distal (5b), estando el reflector de luz externo (5) configurado para guiar la luz procedente de la fuente de luz (3) para iluminar una zona en el extremo distal (5b); caracterizado porque el reflector de luz externo (5) es una pieza hueca dispuesta concéntricamente con respecto al cuerpo hueco anular (2) y con una pared interna (6) fabricada de un material reflectante de luz, siendo la pared interna (6) una superficie de revolución que tiene: una primera parte (6a) con unas secciones transversales crecientes a lo largo de un eje central (7) desde el extremo proximal (5a) a una primera región (6b) con una sección transversal máxima, una segunda parte (6c) con unas secciones transversales decrecientes desde la primera región (6b) a una segunda región (6d) con una sección transversal mínima; en el que el saliente de la primera parte (6a) en el eje central (7) es más corto que el saliente de la segunda parte (6c) en el eje central (7); y porque el dispositivo de iluminación (1) comprende además un elemento reflector (8) que tiene una superficie exterior con acabado de espejo (8a) dispuesta frente a la fuente de luz (3) y configurada para redirigir la luz procedente de la fuente de luz (3) hacia la primera parte (6a) de la pared interna (6) del reflector de luz externo (5).
Description
DESCRIPCIÓN
Un dispositivo de iluminación para un sistema óptico de un aparato lector
CAMPO
La presente divulgación está comprendida en el campo de los sistemas de seguimiento y rastreo seguros y, más específicamente, en el campo de los dispositivos para leer y/o autenticar una marca impresa en un objeto, tal como una marca luminiscente impresa con tintas luminiscentes, pudiendo la marca ser un patrón, un logotipo, un código de barras 1D o 2D, o cualquier otro símbolo o código de identificación. En particular, la invención se refiere a dispositivos ópticos y de iluminación usados por lectores de marcas para iluminar y capturar la marca. Los lectores pueden ser, por ejemplo, dispositivos portátiles, escáneres ópticos o cualquier equipo de lectura montado en líneas de producción/distribución.
ANTECEDENTES
Los lectores portátiles se usan habitualmente para escanear una marca en la superficie de un artículo u objeto. La marca puede implementarse como un código de barras lineal, un código de barras matricial o cualquier otro patrón, incluidos los datos de identificación correspondientes al artículo. Con frecuencia, una marca en la superficie de un artículo es invisible o apenas visible como un patrón impreso con tinta luminiscente (por ejemplo, tintas fosforescentes o fluorescentes) y/o puede detectarse solo bajo una iluminación con luz de excitación específica, en las regiones UV (ultravioletas), VIS (visibles) o IR (infrarrojas) del espectro adecuadas para hacer que se ilumine el material luminiscente de la marca. Por ejemplo, si la marca es un código de barras cuya tinta se excita en el intervalo espectral visible y se ilumina en el intervalo espectral IR, se necesita una iluminación eficiente y homogénea para ahorrar energía de las baterías del lector portátil y porque cualquier modulación de la intensidad medida debida a una iluminación no homogénea puede dificultar la operación de lectura del código de barras. Además, incluso si la marca puede detectarse con luz visible, su tamaño puede ser pequeño o puede incluir detalles finos de escalas pequeñas de manera que dicha marca sea difícil de leer, lo que hace que sean necesarias unas buenas condiciones de iluminación.
Las fuentes de luz convencionales para los escáneres ópticos comprenden, entre otras, lámparas incandescentes, lámparas destellantes y LED, que emiten en las regiones UV, visibles o IR, habitualmente para longitudes de onda de aproximadamente 250 nm a aproximadamente 1 |jm. Los fotodetectores convencionales para escáneres son cámaras de tipo CMOS o CCD, fotodiodos (simples o en matriz), fototransistores o circuitos de fotorresistencia, sensores CMOS o CCD lineales.
Un escáner óptico convencional, ya sea portátil o fijo, normalmente comprende una fuente de luz, que puede incluir filtros, para iluminar una zona en un artículo con luz adecuada, un iluminador de guía de luz (que puede incluir medios de enfoque) para la entrega adecuada de luz desde la fuente de luz a dicha zona, medios para captar la luz reflejada desde dicha zona y transmitirla de vuelta a un fotodetector o sensor de imagen, una unidad de procesamiento para analizar la señal entregada por el sensor de imagen y detectar/leer o decodificar los datos asociados con una marca localizada dentro de dicha zona, y una unidad de control para controlar la fuente de iluminación y la unidad de procesamiento.
Otros lectores convencionales detectan la luz de luminiscencia emitida por una marca, que se ha excitado mediante una fuente de luz. En este caso, la luz de luminiscencia se transmite a través de un o unos filtros de luz de luminiscencia (es decir, un o unos filtros de emisión) a un fotodetector o un sensor de imagen. Cuando el sustrato iluminado es altamente reflectante y la iluminación está en una banda ancha que tiene cierta interferencia con la banda de emisión (y la detección de emisión comienza antes de que la iluminación haya cesado por completo), entonces el lector también debe estar equipado con un filtro de excitación. Los filtros de excitación interferométricos pueden usarse para reducir los reflejos especulares; sin embargo, estos filtros son difíciles de diseñar, muy costosos y pueden modificar sustancialmente el patrón de homogeneidad de iluminación debido al "corrimiento al azul" ("blue shift") que se produce con una incidencia no normal en su superficie.
Un problema clásico con los escáneres ópticos es iluminar una zona, a un nivel de la superficie reflectante de un artículo que comprende una marca, de forma homogénea y con la intensidad de luz suficiente, de manera que el detector del escáner sea capaz de leer dicha marca a partir de la luz reflejada, a la vez que minimizar la luz parásita y evitar “puntos calientes” o reflejos especulares sobre la superficie iluminada que degradan el contraste y pueden provocar graves problemas de procesamiento de imágenes. La detección de la marca también puede fallar si se satura el sensor de imagen. Este problema es más agudo cuando la marca se imprime en superficies reflectantes curvas.
Algunos escáneres ópticos usan un sistema óptico en el que una buena parte de la luz que incide sobre la marca procede directamente de la fuente sin someterse a ninguna reflexión o refracción; sin embargo, dicha configuración puede sufrir fuertes reflejos especulares cuando el sustrato lo favorece, lo que dificulta la lectura de una marca. Para tal configuración, la probabilidad de obtener una reflexión especular en una marca es alta en el caso de, por ejemplo,
un símbolo (matriz de datos) impreso en un paquete de cigarrillos envuelto con celofán o un símbolo (matriz de datos) impreso directamente en un sustrato con una superficie altamente reflectante, tal como, por ejemplo, un sustrato metálico pulido, papel brillante, papel metalizado.
Para abordar estos problemas, varios documentos de patente proponen técnicas de iluminación específicas. El documento US 6352204-B2 desvela la iluminación de una zona en un artículo en un ángulo de baja incidencia con el fin de minimizar un "efecto de lavado" provocado por superficies brillantes o irregulares. Sin embargo, hay un problema pendiente con la luz ambiental (es decir, luz parásita) que puede dificultar la lectura de códigos.
Los documentos US7357326-B2, US7370802-B2 y US7419098-B2 desvelan un iluminador que tiene un portaobjetivos, en forma de pirámide truncada, para iluminar directamente una zona en un artículo colocando el extremo convergente de dicho portaobjetivos cerca de dicha zona de manera que la luz procedente de la fuente de luz llegue solo a la zona deseada mientras se protege de gran parte de la luz ambiental. El extremo divergente opuesto del portaobjetivos recibe luz de la fuente de luz. Sin embargo, esta disposición provoca algunos problemas con el reflejo directo de la luz, de vuelta al sensor de imagen, en la cara interna del portaobjetivos (incluso si esta cara es una superficie reflectante irregularmente no uniforme con el fin de dispersar la luz) y genera además posibles "puntos de luz" en la superficie reflectante del artículo.
Otros documentos de patente, tales como el documento US20060133757-A1 y el documento US7510120-B2, desvelan otras implementaciones de escáneres o lectores de códigos portátiles con medios para iluminar una región de lectura: sin embargo, incluso si en ambos casos se reducen los reflejos directos usando o bien una iluminación difusa o una iluminación de ángulo bajo, es evidente que la eficiencia y la compacidad ópticas no están optimizadas. El documento US2012092131-A1 desvela un iluminador de guía de luz anular que resuelve algunos de los problemas explicados anteriormente, mejorando la detección de una marca mediante un escáner equipado con dicho iluminador. Dicho iluminador elimina gran parte de la luz parásita proveniente de fuentes externas o debida a la reflexión interna, evita la formación de puntos de luz sobre la superficie iluminada y mejora el contraste de la marca mejorando la homogeneidad de la iluminación. El iluminador de guía de luz anular reduce la retrorreflexión, que es una fuente de luz difusa, proporcionando una iluminación homogénea de la muestra y una uniformidad de la luz. Sin embargo, como fuente difusa también tiene una baja eficiencia óptica debido a la luz atrapada en la guía de luz, lo cual es un problema, especialmente para dispositivos portátiles alimentados por baterías. El documento US 2009/084848 A1 se refleja en el preámbulo de la reivindicación 1.
En el caso de los escáneres diseñados para leer códigos luminiscentes, los reflejos especulares se bloquean en gran medida por un filtro de luminiscencia. La lectura de códigos luminiscentes con escáneres de códigos de luminiscencia reduce el impacto negativo de los reflejos especulares de las superficies altamente reflectantes en la lectura de marcas. El filtro de luminiscencia también elimina parte de la luz ambiental posiblemente presente en la marca y reduce el efecto de los reflejos internos.
Un escáner/detector capaz de leer marcas luminiscentes proporciona una iluminación sobre la marca que excita eficientemente la luminiscencia en la tinta y además detecta la luminiscencia emitida usando un filtro de luminiscencia (de paso largo). El filtro se elige para proporcionar un bloqueo suficiente para la luz de iluminación y, por lo tanto, para cualquier iluminación reflejada de retorno (por ejemplo, reflejos especulares de la superficie de la marca o de la propia estructura de iluminación) y garantiza una transmisión suficiente para la luminiscencia con el fin de obtener una imagen de alto contraste de la marca luminiscente incluso si está impresa en sustratos altamente reflectantes. Sin embargo, en algunos casos, el uso exclusivo de un filtro de luminiscencia no es suficiente para evitar completamente los reflejos especulares de las superficies reflectantes. Es posible que la iluminación tenga una pequeña parte de espectro que se extienda a la banda de transmisión del filtro de luminiscencia debido a los requisitos específicos para los espectros de excitación de luminiscencia y debido a los espectros de emisión amplia habituales de los LED de iluminación usados/disponibles. En este caso, podrían usarse filtros de excitación interferométricos o absorbentes (de paso corto) para eliminar la parte de longitud de onda innecesaria (larga) de los espectros de iluminación que, a continuación, cae en la banda de transmisión de los filtros de luminiscencia (es decir, la diafonía entre los canales de excitación y de detección). Tales filtros de excitación permiten reducir los reflejos especulares; sin embargo, como ya se ha mencionado, son difíciles de diseñar, podrían ser costosos y podrían modificar sustancialmente el patrón de homogeneidad de iluminación debido al "corrimiento al azul" que se produce con una incidencia no normal en su superficie.
Es posible un diseño que pueda reducir los reflejos especulares dirigiendo los rayos de iluminación de manera que se evite la retrorreflexión de los sustratos altamente reflectantes para entrar en el detector y así llegar al sensor de imagen. Este es el caso de la iluminación oblicua. Mediante el uso de un diseño específico de la iluminación descrito a continuación, se reducen los reflejos especulares que no se detendrían con el filtro de fluorescencia (luminiscencia).
El diseño propuesto también tiene una alta eficiencia óptica que rara vez se aborda en la técnica anterior. Se requiere una alta eficiencia óptica para los escáneres portátiles de luminiscencia con el fin de reducir el consumo y aumentar el tiempo de funcionamiento.
Muchos de los dispositivos de iluminación de la técnica anterior no consiguen iluminar de manera homogénea la zona de lectura, y aquellos que logran un cierto grado de uniformidad de luz requerida para leer una marca son voluminosos y no son adecuados para incorporarse en un pequeño dispositivo portátil o en una miniaplicación conectada a un dispositivo portátil, tal como un teléfono inteligente.
Por lo tanto, hay una necesidad en la técnica de un dispositivo de iluminación y/o un sistema óptico para un aparato lector (capaz de leer códigos luminiscentes) que maximice la eficiencia óptica y, por lo tanto, la irradiación óptica en la marca a la vez que maximizar la homogeneidad de iluminación de la marca, y que reduzca los reflejos especulares a un nivel aceptable con el fin de permitir una lectura de datos eficiente en caso de que la marca incluya una representación de datos (codificada) (por ejemplo, códigos de barras 1D o 2D). Además, es necesario alcanzar estos objetivos con un dispositivo de iluminación o un sistema óptico que sea lo más compacto posible.
Sumario de la invención
La invención se expone en las reivindicaciones independientes. La presente invención se refiere a un dispositivo de iluminación usado por un sistema óptico de un aparato lector, tal como un dispositivo portátil o un escáner óptico. El dispositivo de iluminación resuelve los problemas mencionados anteriormente de una fuerte reflexión especular desde una superficie que puede saturar un sensor de luz e impedir la lectura de códigos impresos con tintas absorbentes, o la lectura de códigos luminiscentes (sin requerir un filtro de excitación).
La presente invención también logra la máxima eficiencia óptica y una iluminación uniforme además de una gran reducción de la reflexión especular en la marca a leer. Además, estas ventajas se proporcionan por un dispositivo de iluminación compacto con un volumen mínimo, que facilita el acoplamiento o unión a dispositivos portátiles, tales como teléfonos inteligentes y escáneres ópticos.
La presente invención, aunque está especialmente adaptada para lectores portátiles de códigos luminiscentes, también puede usarse en lectores en general (no necesariamente lectores portátiles) y para la lectura de códigos no necesariamente luminiscentes (por ejemplo, detectar solo la luz reflejada).
El dispositivo de iluminación comprende un cuerpo hueco anular para recibir un dispositivo de adquisición de campo de luz, una fuente de luz dispuesta externamente alrededor del cuerpo hueco anular, un reflector de luz externo que tiene un extremo proximal y un extremo distal. El reflector de luz externo está configurado para guiar la luz procedente de la fuente de luz para iluminar una zona en el extremo distal.
Los componentes clave del dispositivo de iluminación son la configuración especial del reflector de luz externo y la incorporación de un elemento reflector con una superficie exterior con acabado de espejo dispuesta frente a la fuente de luz. Estos dos elementos trabajan en conjunto para lograr sinérgicamente las ventajas técnicas mencionadas en un volumen altamente reducido.
El reflector de luz externo es una pieza hueca dispuesta concéntricamente con respecto al cuerpo hueco anular y con una pared interna fabricada de material reflectante. La pared interna es una superficie de revolución que tiene una primera parte con unas secciones transversales crecientes a lo largo de un eje central desde el extremo proximal a una primera región con la sección transversal máxima; y una segunda parte con unas secciones transversales decrecientes desde la primera región a una segunda región con la sección transversal mínima. El saliente de la primera parte en el eje central es más corto que el saliente de la segunda parte en el mismo eje. La superficie interior del extremo distal se localiza, preferentemente, dentro de la segunda región de la pared interna. El elemento reflector dispuesto frente a la fuente de luz está configurado para redirigir la luz procedente de la fuente de luz hacia la primera parte de la pared interna del reflector de luz externo. El elemento reflector desvía los rayos que, en su ausencia, se propagarían directamente desde la fuente de luz hasta la marca localizada en el extremo distal, siendo por lo tanto una fuente potencial de puntos calientes en la imagen detectada si la muestra favorece la reflexión especular. Estos rayos desviados no se pierden simplemente sino que se reflejan sobre el reflector de luz externo, lo que favorece la reflectancia difusa, permitiendo de este modo que una buena parte de la luz alcance la marca en el extremo distal, aumentando de esta manera la eficiencia con un buen reparto de rayos, mejorando la uniformidad, y eliminando en gran medida los puntos calientes, ya que solo una parte muy pequeña de los rayos que inciden sobre una muestra con alta reflexión especular lo haría en ángulo, pudiendo representarse en forma de imágenes por la lente principal en el sensor de imagen. Esto se logra debido a que no se permite que los rayos LED de iluminación se propaguen directamente (es decir, sin someterse a una dispersión reflectante en el reflector de luz externo especialmente diseñado) a la muestra.
La superficie exterior con acabado de espejo del elemento reflector puede implementarse como una superficie de revolución, que comprende, preferentemente, una o más superficies cónicas truncadas. El elemento reflector puede comprender una capa opaca, preferentemente fabricada de un material difusivo, dispuesta en el extremo distal del elemento reflector (es decir, en el lado del elemento reflector orientado hacia la marca escaneada).
El dispositivo de iluminación puede comprender además una capa transparente dispuesta en perpendicular al eje
central entre el reflector de luz externo y el cuerpo hueco anular. La capa transparente es una ventana transparente para cerrar el volumen en el que está dispuesta la fuente de luz (por ejemplo, unos LED conectados a una PCB), para evitar que la contaminación y la humedad alcancen la PCB con los LED y la circuitería electrónica.
De acuerdo con una realización, el elemento reflector está unido a la superficie exterior del cuerpo hueco anular. Preferentemente, el elemento reflector está dispuesto de tal manera que la distancia mínima desde la superficie exterior con acabado de espejo a la fuente de luz (por ejemplo, un LED) es de al menos 0,5 mm para evitar el uso de tolerancias de montaje demasiado estrechas para los lEd .
En cuanto a los materiales empleados para la fabricación de los diversos componentes del dispositivo de iluminación, la superficie exterior con acabado de espejo del elemento reflector está fabricada, preferentemente, de aluminio pulido, plata pulida o plástico blanco denso con un recubrimiento de metal en la superficie; la pared interna del reflector de luz externo puede fabricarse de un material difusivo de plástico blanco o de un metal de dispersión de superficie con propiedades de dispersión (es decir, su "función de distribución de reflectancia bidireccional" BRDF) similar a la del material difusivo de luz de plástico (por ejemplo, un reflector difuso que dispersa más del 90 % en una distribución lambertiana y que tiene menos de un 10 % de reflexión especular); el cuerpo hueco anular está fabricado, preferentemente, de un material absorbente de luz; y la capa transparente puede fabricarse de acrílico o policarbonato.
En una realización preferida, la fuente de luz comprende una pluralidad de fuentes de emisión de luz, preferentemente LED, dispuestas simétricamente alrededor del cuerpo hueco anular. En una realización, los LED están conectados a una pCb en forma de anillo externamente concéntrica al cuerpo hueco anular.
Un aspecto adicional de la presente invención se refiere a un sistema óptico para leer una marca en un objeto. El sistema óptico comprende cualquier realización del dispositivo de iluminación explicado anteriormente. Además, el sistema óptico incorpora un medio óptico (es decir, un dispositivo de adquisición de campo de luz) dispuesto dentro del cuerpo hueco anular. En una realización, el medio óptico comprende una lente principal y un sensor de imagen que captura la luz recibida de la lente principal. En una realización, el sistema óptico está montado en una microaplicación conectada a un teléfono inteligente. De acuerdo con una realización, el sistema óptico también comprende un filtro óptico de luminiscencia, ya sea un filtro absorbente o un filtro de interferencia, para transmitir la luminiscencia y evitar que la luz de excitación de los LED alcance el sensor de imagen. Dicho filtro es necesario para leer las marcas luminiscentes.
De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona un aparato para detectar una marca en un objeto. El aparato incluye el sistema óptico ya mencionado con el nuevo dispositivo de iluminación y un procesador para analizar la imagen capturada por el sistema óptico para detectar una marca. El aparato puede ser un lector portátil. En una realización, el lector portátil es un teléfono inteligente. En este caso, el sistema óptico está montado, preferentemente, en una microaplicación acoplada al teléfono inteligente. En otra realización, el lector portátil es un escáner óptico.
La presente invención presenta una ventaja adicional con respecto a la eliminación de filtros de excitación costosos en caso de que exista una región de diafonía entre las curvas de intensidad de excitación y de emisión al leer las marcas luminiscentes. El dispositivo de iluminación de la presente invención puede usarse para lectores en los que la detección de luz y la iluminación están en aproximadamente la misma banda espectral o para lectores en los que la luz de excitación (iluminación) está en una banda espectral y la detección de la luz de luminiscencia está en otra banda espectral.
En el primer caso, los lectores que usan la misma banda espectral para la detección de luz y la iluminación, cuando el sustrato o la marca es difusivo (es decir, el nivel de intensidad debido a la reflexión especular de la luz de iluminación es bajo), es posible imprimir una marca con tintas absorbentes y leer las marcas impresas con dichas tintas. Sin embargo, cuando el sustrato es altamente reflectante (es decir, el nivel de intensidad debido a la reflexión especular de la luz de iluminación es alto y puede saturar el sensor de luz), el elemento reflector de acuerdo con la presente invención evita la reflexión directa de la luz de iluminación en la marca hacia el sensor de luz y, por lo tanto, elimina la reflexión especular. Esto se debe a su pared interna que proporciona solo una iluminación "oblicua" de la marca (de manera que el sensor de luz solo detecta un reflejo difuso) y, por lo tanto, es posible leer tintas absorbentes.
En el segundo caso, los lectores que usan diferentes bandas espectrales para la detección de luz y la iluminación, es posible usar tintas luminiscentes para leer las marcas en sustratos altamente reflectantes, pero el sensor de luz debe estar equipado con un filtro de luminiscencia con el fin de evitar la reflexión especular de la luz de iluminación sobre el sustrato (en caso de que la detección de luminiscencia comience mientras todavía haya algo de iluminación con luz de excitación) y así evitar la saturación del sensor de luz. Sin embargo, en este caso, si hay alguna región de diafonía entre el espectro de la luz de excitación y el espectro de luz (emisión) de luminiscencia, entonces es necesario añadir un costoso filtro de excitación para atenuar las longitudes de onda de la luz de excitación que puede atravesar el filtro de luminiscencia, con el fin de tener una señal de luminiscencia detectable sobre una señal de diafonía. El efecto técnico adicional mencionado anteriormente de la invención es que la iluminación oblicua solo
proporciona la detección de una reflexión difusa procedente de la marca, de manera que la intensidad reflejada en la región espectral de diafonía disminuye (ya que la parte relacionada con la reflexión especular se reduce fuertemente) y permite medir la luz de luminiscencia sin usar un filtro de excitación.
En algunas realizaciones, el dispositivo de iluminación usa preferentemente luz visible para excitar la luminiscencia, aunque pueden usarse otras partes del espectro, dependiendo de la marca. La lectura de marcas puede realizarse, por ejemplo, en el intervalo espectral IR. En el caso de las marcas de absorción de luz, que requieren que la iluminación y la detección estén en la misma banda espectral, el espectro de iluminación requerido se define entonces por las propiedades de absorción de luz de la marca.
Las características, funciones y ventajas que se han expuesto pueden lograrse de manera independiente en diversas realizaciones o pueden combinarse en otras realizaciones más, de las cuales pueden verse detalles adicionales con referencia a la siguiente descripción y dibujos.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describen muy brevemente una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que están expresamente relacionados con una realización de dicha invención, presentada como un ejemplo no limitante de la misma.
La figura 1 representa una vista en perspectiva de la sección longitudinal del dispositivo de iluminación.
La figura 2 representa una vista en sección de otro ejemplo de la realización del dispositivo de iluminación que incluye un medio óptico.
La figura 3 representa el elemento reflector del dispositivo de iluminación mostrado en la figura 2, reflejando la luz procedente de la fuente de luz.
La figura 4 ilustra otra realización del elemento reflector, separado del dispositivo de iluminación.
La figura 5 representa otra realización a modo de ejemplo del elemento reflector y el reflector de luz externo, con una sección longitudinal curva.
La figura 6 representa los puntos fijos y variables del elemento reflector y el reflector de luz externo usados en un proceso de optimización asistido por ordenador.
La figura 7 representa la irradiación normalizada en las dimensiones X e Y en el extremo distal del dispositivo de la figura 1.
La figura 8 representa una gráfica de la sección transversal de la irradiación normalizada a lo largo del eje X a una altura central, Y = 0, del dispositivo de la figura 1.
La figura 9A representa un sistema óptico de acuerdo con la presente invención montado en un extremo de un escáner óptico. La figura 9B muestra una vista ampliada del sistema óptico de la figura 9A.
Descripción detallada
La presente invención se refiere a un dispositivo de iluminación para un sistema óptico de un aparato lector. La figura 1 muestra, en una vista en perspectiva, los componentes principales del dispositivo de iluminación 1 de acuerdo con una sección longitudinal a lo largo del eje central 7. El dispositivo de iluminación permite la lectura y/o la detección, mediante el sistema óptico de un aparato lector, de una marca o símbolo luminiscente impreso en un artículo. El eje Z representa la dimensión longitudinal, el eje Y la dirección vertical y el eje X la profundidad del dispositivo de iluminación 1.
Como se representa en la figura 1, el dispositivo de iluminación comprende un cuerpo hueco anular 2 configurado para recibir un dispositivo de adquisición de campo de luz (medio de captura óptica), una fuente de luz 3 para excitar la marca dispuesta externamente alrededor del cuerpo hueco anular 2 y un reflector de luz externo 5 que guía la luz procedente de la fuente de luz 3 a una zona en el extremo distal 5b del reflector de luz externo 5.
La figura 2 muestra una vista en sección de un sistema óptico 10 que comprende el dispositivo de iluminación 1 de la figura 1. El sistema óptico 10 incluye además un medio óptico; en particular, un sensor de imagen 12 para adquirir una imagen de la marca y una lente principal 11 dispuesta frente al sensor de imagen 12 para enfocar la luz reflejada desde la marca sobre el sensor de imagen. En una realización, el dispositivo de iluminación 1 incluye además un filtro de luminiscencia 24 dispuesto dentro del cuerpo hueco anular 2, frente a la lente principal 11. El filtro de luminiscencia 24 es especialmente útil cuando el dispositivo de iluminación 1 se usa en un lector de luminiscencia (es decir, para leer marcas luminiscentes).
El reflector de luz externo 5 es una pieza hueca dispuesta concéntricamente con respecto al cuerpo hueco anular 2. La pared interna 6 del reflector de luz externo 5 está fabricada de un material reflectante para reflejar la luz (representada como los rayos de luz 13) emitida desde la fuente de luz 3, tal como un material difusivo de plástico blanco o un metal de dispersión de superficie para mejorar la difusión de la luz. La configuración y la forma especiales del reflector de luz externo 5 mejoran la redirección de los rayos de luz sobre la zona en el extremo distal 5b, donde va a colocarse la marca, logrando una iluminación más eficiente y homogénea de la marca.
La pared interna 6 del reflector de luz externo 5 es una superficie de revolución con una forma específica. En una primera parte 6a de la pared interna 6, la sección transversal aumenta progresivamente a lo largo del eje de revolución (eje central 7) desde un extremo proximal 5a de la pared interna 6 del reflector de luz externo 5 a una primera región 6b con una sección transversal máxima. La longitud de la primera región 6b a lo largo del eje central 7 puede ser muy corta, casi infinitesimal, hasta unos pocos milímetros. En una segunda parte 6c, la sección transversal de la pared interna 6 disminuye continuamente, alcanzando una segunda región 6d con una sección transversal mínima. En la realización mostrada en la figura 2, la segunda región 6d es infinitesimal y corresponde al extremo distal 5b. Como alternativa, la segunda región 6d con una sección transversal mínima puede extenderse una corta distancia (por ejemplo, algunos milímetros) hasta el extremo distal 5b. La longitud de la primera parte 6a, o su saliente en el eje central 7, es más corta que la longitud de la segunda parte 6c, o su saliente en el eje central 7. Esta configuración permite una redirección eficiente y homogénea de los rayos de luz 13 procedentes de la fuente de luz a la zona en el extremo distal 5b en un volumen mínimo, manteniendo el dispositivo compacto.
El dispositivo de iluminación 1 comprende además un elemento reflector 8, cuya superficie exterior 8a tiene un acabado de espejo (por ejemplo aluminio pulido o plata pulida) y está al menos parcialmente orientada hacia la fuente de luz 3, de tal manera que parte de la luz procedente de la fuente de luz 3 se refleja de vuelta hacia la primera parte 6a de la pared interna 6 del reflector de luz externo 5. De esta manera, la luz incidente sobre la marca colocada en el extremo distal 5b no incide en ángulo, de tal manera que una reflexión especular a partir de una marca o sustrato plano podría representarse en forma de imágenes por el sistema de formación de imágenes (lente principal 11 y sensor de imagen 12). Esto se debe a que la luz procedente de la fuente de luz 3 no viaja directamente hasta la marca en ángulos y áreas donde una reflexión especular produciría un punto caliente en el sistema de formación de imágenes, sino que, en cambio, se refleja e incide sobre la marca/sustrato en ángulos oblicuos. Por lo tanto, el presente dispositivo de iluminación 1 evita que los rayos que inciden sobre la marca en ángulos puedan producir puntos calientes en el sistema de formación de imágenes.
De acuerdo con una realización, el elemento reflector 8 comprende una capa opaca 8' en el extremo distal del elemento reflector 8 (es decir, el lado del elemento reflector 8 más cercano al extremo distal 5b del dispositivo de iluminación 1). La capa opaca 8' está fabricada preferentemente de un material difusivo ligero (por ejemplo, implementado como una parte blanca difusa). La capa opaca 8' se usa para aumentar la homogeneidad de luz y eliminar reflejos especulares sobre la superficie exterior pulida del elemento reflector 8. En la realización de la figura 2, el elemento reflector 8 y la capa 8' están acoplados o fijados a la superficie exterior del cuerpo hueco anular 2.
Para aumentar la seguridad y evitar que un usuario contacte accidentalmente con el circuito electrónico de la PCB 4 que alimenta los LED 3, puede disponerse una capa transparente 9 en perpendicular al eje central 7, entre el reflector de luz externo 5 y el cuerpo hueco anular 2 (véase la figura 1). Preferentemente, la capa transparente 9 está dispuesta dentro de la primera región 6b con una sección transversal máxima. De esta manera, la capa transparente 9 tiene forma anular y puede fabricarse y ensamblarse fácilmente en el dispositivo. En una realización, la capa transparente 9 está fabricada de PMMA o policarbonato.
La figura 3 ilustra una vista ampliada del elemento reflector 8, que muestra con más detalle la redirección de los rayos de luz (13a, 13b) hasta la primera parte 6a de la pared interna 6. En esta realización, el cuerpo hueco anular 2 se coloca de tal manera que su extremo distal 2a caiga al lado o dentro de la primera región 6b del reflector de luz externo (5). En una realización preferida, la superficie exterior con acabado de espejo 8a del elemento reflector 8 es una superficie de revolución dispuesta concéntricamente con respecto al reflector de luz externo 5. El elemento reflector 8 mostrado en la figura 3 está formado por dos conos truncados consecutivos (18a, 18b) y puede tener forma de embudo, cambiando el contorno de la pared interna (es decir, la generatriz) linealmente a lo largo del eje central 7.
La figura 4 representa otra realización del elemento reflector 8, presentando el contorno de la pared interna una forma de generatriz que tiene una dependencia cuadrática, cúbica o, en general, polinómica, a lo largo del eje central 7 (es decir, no solo las paredes cónicas rectas).
Además, la figura muestra el diseño específico de la capa de dispersión de luz 8' que evita la reflexión de luz especular en la parte posterior metálica del elemento reflector 8 y, por lo tanto, participa en la homogeneización de la iluminación y ayuda a aumentar su eficiencia. El espesor y el ángulo de bisel 25 de la capa 8' pueden optimizarse para evitar el sombreado de los rayos de luz 13 que se reflejan desde la primera parte 6a de la pared interna 6 y se dirigen al extremo distal 5b del dispositivo de iluminación.
La figura 5 representa otra realización a modo de ejemplo del dispositivo de iluminación 1, en la que el contorno de la sección longitudinal del reflector de luz externo 5 y el elemento reflector 8 es curvo (y no lineal, como en la realización de la figura 3). En este caso específico, el aumento de las secciones transversales de la primera parte 6a y de la superficie exterior con acabado de espejo 8a no es lineal (las secciones transversales de la segunda parte 6c tampoco disminuyen linealmente). La forma de la sección curva del reflector de luz externo 5 y/o del elemento reflector 8 puede obtenerse usando un proceso de optimización asistido por ordenador que incluye un modelo de rayos de luz. El proceso de optimización puede realizarse, como se muestra en el ejemplo de la figura 6, estableciendo algunos puntos fijos 20 del contorno y calculando unos puntos variables adicionales 21 del contorno que optimizan la reflexión y la uniformidad de la luz en el extremo distal 5b.
El proceso de optimización incluye:
- Variar la localización de los puntos variables 21.
- Obtener el valor de los parámetros relacionados con un criterio de selección que incluye al menos una de entre la energía, la eficiencia general y la homogeneidad de la luz recibida en una zona en el extremo distal 5b donde se coloca la marca. La homogeneidad se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:
Homogeneidad Irr x100
Irr,
donde Irrmín e Irrmáx son, respectivamente, la irradiación mínima y máxima medidas dentro del área iluminada definida por el extremo distal 5b. La imagen de la figura 7 representa la irradiación normalizada obtenida en el proceso de optimización en las coordenadas X e Y en el extremo distal 5b del dispositivo de iluminación donde las líneas 23 muestran los extremos del área delimitada por el extremo distal 5b. La figura 8 representa una gráfica de la irradiación normalizada a lo largo del eje X a una altura central (Y = 0) para el dispositivo de iluminación de la figura 6, que muestra una homogeneidad de iluminación del 87,6 %.
- Seleccionar los puntos variables 21 que maximizan una función que considera estos parámetros de acuerdo con los criterios de selección empleados.
Pueden emplearse algunas restricciones en el proceso de optimización; por ejemplo, fijar un umbral para la distancia mínima dmín entre la fuente de luz 3 y el elemento reflector 8. En una realización, la distancia mínima dmín es de al menos 0,5 mm para favorecer la reflexión al reflector de luz externo 5.
Para generar un patrón de luz altamente homogéneo en el extremo distal 5b, los diferentes elementos del dispositivo de iluminación 1 (cuerpo hueco anular 2, fuente de luz 3, reflector de luz externo 5 y elemento reflector 8) están dispuestos concéntricamente alrededor del eje central 7 (eje de revolución). La fuente de luz 3 puede estar formada por una pluralidad de fuentes de emisión de luz, preferentemente unos LED, dispuestas simétricamente alrededor del cuerpo hueco anular 2. Los LED pueden estar dispuestos en una PCB en forma de anillo 4 concéntricos con respecto a la lente para generar una luz uniforme en el plano donde se localiza la marca. El cuerpo hueco anular 2 está fabricado preferentemente de un material absorbente de luz, tal como plástico negro o aluminio.
La presente invención también se refiere a un sistema óptico 10 para leer una marca en un objeto, tal como el mostrado en la figura 2. El sistema óptico 10 comprende, además del dispositivo de iluminación 1, un dispositivo de adquisición de campo de luz dispuesto dentro del cuerpo hueco anular 2. En una realización, el dispositivo de adquisición de campo de luz comprende una lente principal 11 y un sensor de imagen 12 dispuesto frente a la lente principal 11. La lente principal 11 enfoca la luz reflejada de vuelta desde la marca sobre el sensor de imagen 12. El sistema óptico puede montarse en una microaplicación conectable a un teléfono inteligente, o puede montarse o integrarse en un lector portátil.
La presente invención también se refiere a un aparato lector para detectar una marca en un objeto. El aparato, como se muestra en la figura 9A, comprende un sistema óptico 10, que incluye el dispositivo de iluminación 1, y un procesador para analizar la imagen recibida desde el sistema óptico 10 para leer, detectar, decodificar y/o autenticar una marca. El aparato puede ser un lector portátil, tal como un teléfono inteligente o un escáner óptico 30, tal como se representa en el ejemplo de la figura 9A. El sistema óptico 10 montado en un extremo del escáner óptico 30 se ilustra en detalle en la figura 9B. El reflector de luz externo 5 del sistema óptico 10 está unido a una carcasa externa 19, que puede ser parte del propio sistema óptico 10 o del escáner óptico 30.
Claims (17)
1. Un dispositivo de iluminación para un sistema óptico de un aparato lector, comprendiendo el dispositivo de iluminación (1):
un cuerpo hueco anular (2) configurado para recibir un dispositivo de adquisición de campo de luz (11, 12); una fuente de luz (3) dispuesta externamente alrededor del cuerpo hueco anular (2); y
un reflector de luz externo (5) que tiene un extremo proximal (5a) y un extremo distal (5b), estando el reflector de luz externo (5) configurado para guiar la luz procedente de la fuente de luz (3) para iluminar una zona en el extremo distal (5b);
caracterizado porque el reflector de luz externo (5) es una pieza hueca dispuesta concéntricamente con respecto al cuerpo hueco anular (2) y con una pared interna (6) fabricada de un material reflectante de luz, siendo la pared interna (6) una superficie de revolución que tiene:
una primera parte (6a) con unas secciones transversales crecientes a lo largo de un eje central (7) desde el extremo proximal (5a) a una primera región (6b) con una sección transversal máxima,
una segunda parte (6c) con unas secciones transversales decrecientes desde la primera región (6b) a una segunda región (6d) con una sección transversal mínima;
en el que el saliente de la primera parte (6a) en el eje central (7) es más corto que el saliente de la segunda parte (6c) en el eje central (7);
y porque el dispositivo de iluminación (1) comprende además un elemento reflector (8) que tiene una superficie exterior con acabado de espejo (8a) dispuesta frente a la fuente de luz (3) y configurada para redirigir la luz procedente de la fuente de luz (3) hacia la primera parte (6a) de la pared interna (6) del reflector de luz externo (5).
2. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 1, que comprende además una capa transparente (9) dispuesta en perpendicular al eje central (7) entre el reflector de luz externo (5) y el cuerpo hueco anular (2).
3. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 2, en el que la capa transparente (9) está fabricada de acrílico o policarbonato.
4. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie exterior con acabado de espejo (8a) está fabricada de aluminio pulido, plata pulida, acero inoxidable pulido o plástico denso con un recubrimiento de metal en la superficie.
5. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie exterior con acabado de espejo (8a) del elemento reflector (8) es una superficie de revolución dispuesta concéntricamente con respecto al reflector de luz externo (5).
6. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 5, en el que la superficie exterior con acabado de espejo (8a) tiene unas secciones transversales crecientes a lo largo del eje central (7).
7. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en el que la superficie con acabado de espejo (8a) del elemento reflector (8) comprende al menos una superficie cónica truncada.
8. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un filtro de luminiscencia (24) dispuesto dentro del cuerpo hueco anular (2).
9. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento reflector (8) está unido a la superficie exterior del cuerpo hueco anular (2).
10. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la pared interna (6) del reflector de luz externo (5) está fabricada de un material difusivo de plástico blanco.
11. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la pared interna (6) del reflector de luz externo (5) está fabricada de una superficie metálica de dispersión de luz.
12. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo hueco anular (2) está fabricado de material opaco.
13. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de luz comprende una pluralidad de fuentes de emisión de luz dispuestas simétricamente alrededor del cuerpo hueco anular (2).
14. El dispositivo de iluminación de la reivindicación 13, en el que las fuentes de emisión de luz son unos LED.
15. El dispositivo de iluminación de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento reflector (8) comprende una capa de dispersión de luz opaca (8') dispuesta en el extremo distal del elemento reflector (8).
16. Un sistema óptico para leer una marca en un objeto, comprendiendo el sistema óptico (10) un dispositivo de iluminación (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y un dispositivo de adquisición de campo de luz (11, 12) dispuesto dentro del cuerpo hueco anular (2).
17. Un aparato para detectar una marca en un objeto, que comprende un sistema óptico (10) de acuerdo con la reivindicación 16, y un procesador configurado para analizar la imagen recibida desde el sistema óptico (10) para detectar una marca.
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