TWI393060B - 成像讀取器中之脈衝照明技術 - Google Patents

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Description

成像讀取器中之脈衝照明技術 發明領域
本發明一般是有關於一種用於藉由影像擷取而讀取記號、尤其是二度空間記號之電子光學讀取器，以及更尤其是用於改善讀取器性能表現、特別是當在記號與讀取器間實施快相對移動時之電子光學讀取器。
 發明背景
目前所已知之交易點工作站可以產生螢幕掃瞄而能夠讀取二度空間符號，且可以使用固態成像器以擷取二度空間目標影像、尤其須要以電子光學方式讀取之二度空間符號。為了獲得目標影像，此固態成像器例如是以消費者數位攝影機製成，必須相對於目標保持固定位置十毫秒等級之時間。只有當此固態成像器相對於目標符號保持在固定位置時，才可以可靠地擷取符號之影像且將其解碼，而將此符號中經編碼之資料傳送至主機處理。在此交易點工作站之上下文中，操作者以各種掃瞄速度、有時一次有時數次通過視窗而掃瞄符號，而此操作者以朝向或遠離此視窗之額外移動分量呈現此符號，而在某些情況中，此等符號以各種速度在移動傳輸器上傳輸而通過此視窗，以及還有在其他情形中，此具有視窗之手持式讀取器以各種速度相對於符號移動，由於在符號與成像器間相對移動使得此符號之影像模糊，以及因此，此等影像無法可靠且成功地解 碼與讀取。
以數字作為例子，此通常可供使用之成像器是以大約每秒30畫面之視訊或畫面率操作。因此，由成像器讀取影像之時間是大約33毫秒。以每秒50英寸之掃瞄速度，此符號在30毫秒中進行大約1.5英寸。此在讀取器工作距離之近端視界領域，其寬度大約小於等於兩英寸。因此，以大於50英寸/秒之掃瞄速度，此符號可以在小於33毫秒之時間期間中進出視界領域，因此使其無法成功地讀取符號。實際上，此符號可以如此快速地經由此視界領域，以致於傳統之成像器並不具有足夠時間以獲得即使此符號一個完整影像。
 發明概要
因此，本發明之一般目的為提升此由影像擷取操作之電子光學讀取器之技術水準。
簡短而言，本發明之一特徵為，以電子光學方式讀取記號特別是二度空間符號之讀取器。此讀取器可以具有視窗之靜止交易點工作站或具有視窗之手持式讀取器實現。在讀取期間，在符號與視窗間進行相對移動。例如，在工作站之情形中，此符號掃瞄通過視窗，以及在手持式讀取器之情形中，此讀取器本身相對於符號移動。在較佳實施例中，此工作站是安裝於零售機構例如超級市場中。
根據本發明，此二度空間固態成像器安裝於讀取器中、且包括影像感測器陣列，而可以在讀取期間操作在視 界領域上經由視窗，以擷取來自二度空間目標之光線。此陣列較佳為CCD或CMOS陣列。此與高速頻閃照明器有關之成像器使得可以在例如500微秒等級非常短的時間期間內獲得目標之影像，以致於使得即使在成像器與目標之間有相對移動，此目標影像不會模糊。此頻閃照明較周圍照明為光亮，尤其是靠近視窗處如此，以協助在此所說明之自動區別。
圖式簡單說明
第1圖為根據本發明交易點工作站之透視圖，其可操作用於從二度空間目標擷取光線；第2圖為根據本發明電子光學讀取器之透視圖，其可以手持模式或工作站模式操作，用於從二度空間目標擷取光線；第3圖為第1圖工作暫各種元件之電路方塊圖；第4圖為沿著第3圖4-4線之正視圖；第5圖為驅動電流電路之概要圖；第6圖為第5圖電路之實際實施；第7圖說為根據本發明工作站另一實施例之概要圖；第8圖為使用於本發明工作站之一之曝光控制電路之電路圖；第9圖為使用於本發明工作站另一實施例之電路圖；以及第10圖為第9圖工作站之前方正視圖。
 較佳實施例之詳細說明
第1圖中之參考數字10通常是指用於處理交易之工作站，而特別是指在零售地點之出口記帳器，在此處處理用於購買而各標示目標符號之產品例如罐頭12或盒子14。此記帳器包括一記帳器頂面16，跨此頂面此等產品可以掃瞄速度滑行而通過：此安裝於記帳器頂面16上盒形垂直槽孔式讀取器20之垂直窗口18。出口計帳店員或操作者22是在此記帳器頂面之一側，而讀取器20是在相對之一側。一現金/賒帳記錄器24是位於操作員容易取得之處。
第2圖中之參考數字30通常是指具有與讀取器20不同組態之另一個讀取器。讀取器30通常具有：垂直窗口26；以及由底座32所支持之槍形殼體28，用於支持在計帳器頂面之讀取器30。此讀取器30因此可以使用作為靜止工作站，其中產品可以滑行或掃瞄通過垂直窗口26，或可以由計帳器頂面取出且握在操作員手中而使用作為握持式讀取器，其中可以手工按下觸發器34，以開始讀取符號。
如同截至目前為止所說明，讀取器20、30為傳統式。根據本發明，此成像器40與聚焦透鏡41裝設於此兩個讀取器之一中例如第3圖之讀取器20之殼體43中。此成像器40例如為CCD或CMOS成像器之固態裝置，且其具有可定址影像感測器之陣列，而可以操作用於擷取：此經由窗口18而來自在視界領域上與位於近端工作距離(WD1)與遠端工作距離(WD2)間之工作距離範圍中之來自例如二度空間符號之目標之光線。在較佳實施例中，WD1大約距離成像器陣列40兩英寸且通常與窗口18重合，以及WD2大約距窗口18八英寸。照明器42亦安裝於讀取器中，且較佳包括多個光源、例如發光二極體(LED)42a至421，其配置在成像器40周圍將目標均勻地照明，如同於第4圖中所顯示者。
如同於第3圖中所示，此區域成像器40與照明器42可以操作地連接至控制器或微處理器36，而可操作用於控制此等元件之操作。此微處理器較佳與使用於由此記號散射光解碼之微處理器相同，且用於處理此所擷取之目標影像。
當在操作中，微處理器36發出指令信號至照明器42，使LED發出脈衝小於或等於500微秒之短時間期間，且將區域成像器40賦能，而實質上只在該時間期間收集來自此目標之光線。典型之陣列須要大約33毫秒以讀取整個目標影像，且以大約每秒30個畫面之畫面速率操作。此陣列可以具有一百萬數量級之可定址影像感測器。
當在成像器與目標間存在相對運動時，尤其是在50英寸/秒或更大之高掃瞄速率、以如此短之時間期間進入且移出視界領域，以致於只可以擷取一個完整之目標影像。因此，本發明建議大幅增加此照明器之光線脈衝之強度。首先，將LED之數目增加至在第4圖中所說明之超過大約十、以及十二個LED。其次，各LED以超過其額定電流加速驅動(overdriven)。例如，如果各LED之額定電流為40－50毫安培，而本發明建議以150毫安培等級之驅動電流加速驅動。為了補償此LED之加速驅動，因此，使用小於或等於5%等級之非常低之工作周期，以允許在LED中所產生之熱消散。此所產生之高強度光線脈衝產生頻閃效應，使得此目標對成像器40顯得靜止，因此，此目標之移動對於成像器在時間上顯得凍結，此成像器然後可以擷取此目標之整個影像。
藉由將畫面速率增加至30畫面/秒電視標準以上，而可以增強目標之高速移動追蹤。此微處理器導致照明器以至少50－60閃爍/秒之閃爍速率閃爍。以500微秒之脈衝時間，可以支持此100閃爍/秒之閃爍速率，且仍然保持在5%工作周期中。此所增加之閃爍速率亦可減少照明閃爍，其對於在交易暫之客戶與操作人員可能非常困擾。
此成像器40本身應具有整體電子快門(shutter)，其中所有感測器同時曝露用於光線擷取。大部份CCD陣列設計具有整體電子快門。典型CMOS陣列設計具有轉動電子快門，其中不同之感測器在不同時間曝露。如果使用CMOS陣列，則必須設計其允許整體電子快門。
高強度LED須要大電流驅動器，上述之照明器當導通時可以期待擷取1至2安培電流。如同在第5圖之驅動電路中所示，一個2000微法拉第等級之大電容器C被微量充電，且作為用於代表LED 42a之電流源。假設2%工作周期、大約60閃爍/秒、以及300毫秒之脈衝時間，則須要大約20－40毫安培之持續微電流Ic以補充在電容器上之電荷。
如同在第5圖中所示，此微電流Ic藉由時脈信號之工作周期，而與所切換電流Is成正比。如果工作周期為2%、以及切換電流為2安培，則此微電流為40毫安培。第6圖說明第5圖電路之實際應用。此電流源對於電容器上之電壓範圍為線性。對於2000微法拉第之電容器，此在電容器上之電壓變化大約為0.3V。此電容器須要大約165毫秒以達成其最初電壓3.3V。此在第6圖中元件之選擇取決於：所驅動LED之數目，以及可供使用之持續驅動電流。
第7圖為殼體20之概要圖，其中此成像器40與照明器42並未設置靠近窗口18，但更設置在殼體中而遠離窗口18。一摺疊鏡44使得此成像器與照明器設置靠近殼體之底壁，以致於在此視界領域上所擷取之光線在由成像器擷取之前由此鏡反射。
此構成照明器之多個LED由於其距離窗口遙遠設置作為擬似-點源照明器。此視界領域擴充，以致於其包括在窗口正常尺寸符號。在較佳實施例中，選擇此LED之強度，以致於在窗口之符號並未飽和。在距離窗口更遠之工作距離，此符號之影像將顯得較暗。然而，在完整之操作範圍上，此光線強度變化並不會排除成功解碼。
此擬似-點源照明器在涵蓋此固定視界領域(FOV)、尤其此照明器之FOV與成像器之FOV重疊時為有效率，如同於第7圖中所示者。然而，此由點源所產生光線之強度是與其距此光源之距離之平方成反比。在第7圖之擬似-點光源照明器中，此影像傾向於靠近窗口而過度曝光，而遠離窗口而變暗。因此，本發明之另一實施例建議：將成像器之曝光時間設定於一例如500微秒之固定且恆定值，以及然後調整此照明器之閃光時間期間。特定而言，如果期望會有 過度曝光影像，則可將此閃光時間期間減少。
第8圖說明用於調整光線脈衝之閃爍時間期間之即時控制電路。將此具有與成像器相同大小FOV之光二極體46連接至整合器48，以測量由此成像器所擷取光線之數量。此微處理器36發出“照明-導通”信號以驅動放大器50。當”照明-導通”信號藉由將此與整合電容器54並聯之開關52開啟而變高時，則此整合開始。如果此總累積光線超過預先確定值Vref，則在此照明-導通信號結束之前將LED切換成切斷(off)。此電路防止影像飽和，但如果影像為暗(曝光不足)則不會增加整合時間。選擇此LED之強度而將曝光不足之可能性最小化。當此整合器顯示有足夠之累積光線位準時，則將LED切換成切斷。調變此LED閃光時間期間可以運作良好，因為此高強度光線蓋過周圍光線，且在此LED切換成切斷之後所累積之任何光線是可以忽略的。
第9圖說明類似於第7圖實施例之另一個固定曝光實施例，其所不同者為照明器42包括兩個照明子系統42A、B。此第一子系統42A是由多個LED構成，其在外部配置於殼體上而在窗口18周圍，如同於第10圖中所示。各外部LED將光線投射在由畫斜線面積56A、B所顯示之錐形容積上。第二子系統42B是由設置於殼體中離窗口18遙遠之一或多個LED所構成，且可以操作將光線投射在由劃點面積58所示錐形容積上。因此，將工作距離範圍分割成：近範圍58與遠範圍56A、B。
此由外部與內部LED所提供之分解照明使得：照明在整個操作範圍上更加均勻。因此，藉由在內部設置內部LED，其在窗口之光線強度較對過度曝光影像正常所期待者為低。藉由在外部設置外部LED，其光線強度較正常期待暗影像之遠範圍中為高。
在應用中，此例如來自外部LED之高強度光線對於在交易站之客戶或人員會造成緊張，其中一或更多LED可以發出不同波長之光線，以致於其光線例如紅外線不容易被看到。其他使得亮光線較不惱人之技術可以包括：在其他位置之照明LED，以分散觀看者之注意。
可以藉由高強度光線脈衝與成像器之曝光時間同步而達成最大效率。較佳將曝光時間如同以上說明固定，以致於讀取器無須作任何曝光決定，此曝光決定會延遲移動目標之擷取。當然，如果可以在單一畫面中、或在影像擷取間之時刻實施，則亦可以調整曝光時間。例如，可以使用在第8圖中之光二極體46，以感測由目標反射回之光線，以決定如何設定下一次曝光時間。
為了節省非活動期間之功率，可以使用成像器40或光二極體46，使用周圍光線以周期性地監視其FOV，因此須要許多毫秒之比較長之整合時間。如果在監視點之間偵測到例如分開數秒之FOV中重大改變，則一或多個LED可以發出脈衝，以產生高強度光線脈衝，用於決定此目標是否在FOV與操作範圍中。如果是如此，則可將此讀取器從睡眠模式啟動至主動模式。
10．．．工作站
12．．．罐頭
14．．．盒子
16．．．記帳器頂面
18．．．垂直窗口
20．．．讀取器
22．．．操作者
24．．．現金/賒帳記錄器
26．．．垂直窗口
28．．．殼體
30．．．讀取器
32．．．底座
34．．．觸發器
36．．．微處理器
40．．．成像器
41．．．聚焦透鏡
42‧‧‧照明器
42a~421‧‧‧發光二極體
42A‧‧‧照明子系統
42B‧‧‧照明子系統
43‧‧‧殼體
44‧‧‧摺疊鏡
46‧‧‧光二極體
48‧‧‧整合器
50‧‧‧驅動放大器
52‧‧‧開關
54‧‧‧整合電容器
56A‧‧‧斜線面積
56B‧‧‧斜線面積
58‧‧‧劃點面積
WD2‧‧‧遠端工作距離
第1圖為根據本發明交易點工作站之透視圖，其可操作用於從二度空間目標擷取光線；第2圖為根據本發明電子光學讀取器之透視圖，其可以手持模式或工作站模式操作，用於從二度空間目標擷取光線；第3圖為第1圖工作暫各種元件之電路方塊圖；第4圖為沿著第3圖4－4線之正視圖；第5圖為驅動電流電路之概要圖；第6圖為第5圖電路之實際實施；第7圖說為根據本發明工作站另一實施例之概要圖；第8圖為使用於本發明工作站之一之曝光控制電路之電路圖；第9圖為使用於本發明工作站另一實施例之電路圖；以及第10圖為第9圖工作站之前方正視圖。
16‧‧‧記帳器頂面
18‧‧‧垂直窗口
20‧‧‧讀取器
36‧‧‧微處理器
40‧‧‧成像器
41‧‧‧聚焦透鏡
42‧‧‧照明器
43‧‧‧殼體
WD2‧‧‧遠端工作距離

Claims (12)

  1. 一種用以電氣光學式地讀取記號之讀取器，包括：一殼體，其具有窗口，經由此窗口在讀取期間可以進行在窗口與記號間之相對移動，該殼體具有用以支撐該窗口之一前壁、與該前壁隔開之一後壁、以及連接到該等前和後壁且操作來用於支撐該殼體的一基底；在此殼體中之一固態成像器，其包括影像感測器之陣列，以供在讀取期間在一視界領域內擷取經由窗口來自記號之光線；以及一脈衝照明器，其用於以高強度光線脈衝將此記號照明，以使得此記號在讀取期間對成像器顯得靜止，該照明器包括於外部配置於該前壁上而圍繞該窗口之一第一照明子系統，其供在讀取期間以一第一光線強度，照明位於遠離該窗口的工作距離之一遠範圍內之記號；以及於內部鄰近該後壁設置於該殼體內之一第二照明子系統，其供在讀取期間以比該第一光線強度弱之一第二光線強度，照明位於鄰近該窗口之工作距離的一近範圍內之記號，藉此在該近範圍或該遠範圍內均勻地照明該記號。
  2. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其更包括一控制器，用於控制照明器，以產生時間期間小於500微秒、且強度位準為比周圍光線大至少5倍之光線脈衝。
  3. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中此照明器包括多個發光二極體(LED)。
  4. 如申請專利範圍第3項之讀取器，其中各LED具有額定驅動電流，以及其中此照明器以超過此額定驅動電流、但以減少不到5%之工作周期之驅動電流加速驅動各LED。
  5. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其更包括一控制器，用於控制照明器，以超過30脈衝/秒之速率產生光線脈衝，以減少照明閃爍。
  6. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其更包括一微充電器，用於以低速率持續充電一電容器，以於此電容器上維持恆定電壓，此電容器被用作為供該照明器用之能源。
  7. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中此照明器包括多個發光二極體(LED)，用於發出不同波長之光線。
  8. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中該成像器係鄰近該基底設置於該殼體內，且擷取來自位在接近該窗口之該記號的光線。
  9. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中此成像器具有一視界領域，以及其中此照明器之視界領域與成像器之視界領域相當。
  10. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中此成像器為：電荷耦合裝置與具有整體電子快門之互補金屬氧化物矽裝置之一。
  11. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中此成像器具有一固定曝光時間，以及一控制器用於控制此照明器以產生具有一時間期間之光線脈衝，以及一偵測器用於偵測由 此記號所傳回之光線；以及其中此控制器可操作來供調整此時間期間作為由偵測器所偵測到傳回之光線之函數。
  12. 如申請專利範圍第1項之讀取器，其中此讀取器具有一睡眠模式，在其中此照明器不動作，以及其中此成像器在睡眠模式中周期地擷取該視界領域內之光線；以及一控制器用於判定一記號是否存在於視界領域中，以及用於在讀取器之作用模式中啟動照明器，以發出光線脈衝。
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