TWI427540B - 條碼讀取裝置與條碼讀取方法 - Google Patents

Description

條碼讀取裝置與條碼讀取方法

本發明是有關於一種讀取裝置與讀取方法，且特別是有關於一種條碼讀取裝置與條碼讀取方法。

隨著工商業的快速發展，人們的生活步調越來越快，此時人們開始思考如何在瑣碎的事項上節省時間，以爭取更多的可用時間。於是，條碼(barcode)便應運而生。藉由條碼讀取裝置，使用者可以很快地自動且正確地輸入一連串的編號至機器或電腦，而不須手動地經由鍵盤一個編號一個編號地輸入至機器或電腦。因此，使用條碼不但能節省時間，亦可有效避免人為作業上因按錯按鍵而導致的疏失。

如今條碼已廣泛應用於工商業與民生，但隨著資訊容量的需求之日益提升，促使條碼從一維條碼(例如JAN13)朝向二維條碼(例如Matrix Code、PDF417等)發展。此外，條碼的尺寸(bar size或bit size)也在持續地縮小中。近年來，由於影像感測器與微型數位相機(compact camera module,CCM)的進步，更加速了條碼的應用與普及。

優良的條碼讀取裝置必須有足夠的解像能力，以提供清晰的影像予條碼解碼器(barcode decoder)，此外，條碼讀取裝置也需具備足夠的景深(depth of field)，以提供合適的條碼偵測距離。然而，當解析度(即解像能力)的要求 日漸嚴苛，但另一方面同時受鏡片數與製造成本的嚴格限制時，習知條碼讀取裝置常在景深與解像能力之間取捨，而難以得到兩全之設計。

本發明之一實施例提出一種條碼讀取裝置，適用於偵測一條碼。此條碼讀取裝置包括一成像鏡頭、一影像感測器及一條碼解碼器。成像鏡頭具有球面像差，以拓展成像鏡頭的景深。成像鏡頭用以將條碼成像於影像感測器上，且影像感測器將條碼的成像轉換為一條碼訊號。條碼解碼器用以根據條碼訊號來解碼，以獲得條碼所代表的資訊。

本發明之另一實施例提出一種條碼讀取方法，其包括下列步驟。利用一成像鏡頭將一條碼成像於一影像感測器上，其中成像鏡頭具有球面像差，以拓展成像鏡頭的景深。利用影像感測器將條碼的成像轉換為一條碼訊號。根據條碼訊號來解碼，以獲得條碼所代表的資訊。

為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1揭示本發明一實施例之條碼讀取裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例之條碼讀取裝置100適於偵測一條碼50。條碼讀取裝置100包括一成像鏡頭110、一影像感測器120及一條碼解碼器130。成像鏡頭110具有球面像 差，以拓展成像鏡頭110的景深。成像鏡頭110用以將條碼50成像於影像感測器120上，且影像感測器120將條碼50的成像轉換為一條碼訊號122。條碼解碼器130用以根據條碼訊號122來解碼，以獲得條碼50所代表的資訊。

具體而言，成像鏡頭110將來自條碼50的物體光52會聚於影像感測器120上，以使條碼50成像於影像感測器120上。在本實施例中，成像鏡頭110具有軸向像差，亦即在成像鏡頭110的光軸上之像差，且此軸向像差包括各階球面像差之至少其中一階之球面像差。在本實施例中，此軸向像差包括三階球面像差。舉例而言，從成像鏡頭110的出光瞳(exit pupil)的位置所看到的物體光52的波前可表示為：

其中，為完美的光學系統中(即成像鏡頭沒有任 何像差時)所產生的完美球面波之波前，而 則為成像鏡頭 110的波前像差。換言之，成像鏡頭110的波前像差W _SA (ρ)可用下式來表示：

其中，r _max 為成像鏡頭110的出光瞳半徑，f ₀ 為成像鏡頭110的近軸之焦距，ρ為成像鏡頭110之歸一化的出光瞳高度，△z為所設計的成像鏡頭110之焦深，W ₀₄₀、W ₀₆₀及W ₀₈₀分別為三階、五階及七階之球面像差的係數。若寫成無窮級數的形式，此波前像差的表示等效於各偶次項賽德像差(Seidel aberration)的表示法：

其中F#為成像鏡頭110的光圈值(f-number)，而n則是有關於成像鏡頭110的球面像差之階數。在本實施例中，三階球面像差(即W ₀₄₀ ρ ⁴)的絕對值例如是落在0.25 λ至5.00 λ的範圍內，其中λ為物體光52的波長。

在本實施例中，影像感測器120例如為電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或互補式金氧半導體感測元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)。由於成像鏡頭110具有球面像差，因此條碼50在影像感測器120上的成像會略微模糊，但此成像的模糊程度較不受物距(即條碼50至成像鏡頭110的距離)的改變所影響。換言之，相較於傳統之鏡頭，本實施例之成像鏡頭110具有較大的景深(depth of field)，且具有較大的焦深(depth of focus)。

雖然經由具有球面像差的成像鏡頭110將條碼50成像於影像感測器120上時，影像感測器120上的成像會略微模糊，但本實施例之成像所轉換而成的條碼訊號是在條碼解碼器130所能容忍的範圍內且能被條碼解碼器130正確地解碼成條碼所代表的資訊。因此，此種略微模糊的成像不但不會造成錯誤解碼，且反而因成像鏡頭110的景深變大了而使得可正確解碼之物距的範圍變大。如此一來，本實施例之條碼讀取裝置100便能夠增進使用的便利性。因此，本實施例之條碼讀取裝置100能夠有效改善習知的條碼讀取裝置在景深與解像力之間取捨而難以得到兩全，進而造成使用上的不便之問題。

圖2繪示圖1之成像鏡頭的一實施方式。請參照圖2，圖2所繪示的成像鏡頭110僅為圖1之成像鏡頭110的一種實施方式，其並不是用以限制本發明。在其他未繪示的實施例中，圖1之成像鏡頭110亦可以採用具有不同的透鏡數或不同種類的透鏡之可產生球面像差的鏡頭，或亦可採用具有可產生球面像差的其他光學元件之鏡頭，而這些可產生球面像差的其他光學元件例如是相位光罩(phase mask)、繞射光學元件或折射率漸變元件。

在本實施例中，成像鏡頭110包括至少一圓對稱透鏡。具體而言，在本實施例中，成像鏡頭110包括由條碼50側往影像感測器120側依序排列之一第一透鏡111、一第二透鏡112、一孔徑光闌113、一第三透鏡114、一第四透鏡115及一第五透鏡116，且第一透鏡111、第二透鏡 112、第三透鏡114、第四透鏡115及第五透鏡116的屈光度(refractive power)依序為負、正、負、正及正。具體而言，第一透鏡111例如為一凸面朝向條碼50側的凸凹透鏡，第二透鏡112例如為一雙凸透鏡，第三透鏡114例如為一雙凹透鏡，第四透鏡115例如為一凸面朝向影像感測器120側的凹凸透鏡，且第五透鏡116為一凸面朝向條碼50側的凸凹透鏡，其中第一透鏡111與第二透鏡112例如為非球面透鏡(aspheric lens)，而第三透鏡114、第四透鏡115及第五透鏡116例如為球面透鏡(spherical lens)。

以下舉出成像鏡頭110之參數的一實施例。需注意的是，下述之表一及表二中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。

在表一中，曲率半徑是指各表面(如圖2中的表面S0~S15)在靠近成像鏡頭110的光軸A處之曲率半徑，而無限大代表其為平面。間距是指兩相鄰表面間於光軸A上之直線距離，舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2間於光軸A上之直線距離。孔徑半徑(aperture radius)是指各表面的邊緣至光軸A之垂直距離。材質種類是指相鄰兩表面間之材質的種類。舉例而言，表面S1那列之材質種類是指表面S1與表面S2之間的材質是編號為E48R的透明材質。此外，S-LAH65、S-TIH53、S-LAH66及BK7亦皆為透明材質的編號。這些材質編號是透鏡製造者的領域中具有通常知識者所熟知或可查尋到的，因此在此處不再詳述這些材質的細節。再者，在材質種類中，AIR代表空氣，亦即此處沒有配置透鏡或其他光學元件。備註欄中各透鏡所對應之曲率半徑、厚度、孔徑半徑與材質種類請參照同列中各曲率半徑、間距、孔徑半徑與材質種類對應之數值。此外，在表一中，表面S1、S2為第一透鏡111的兩表面，表面S3、S4為第二透鏡112之兩表面，表面S5為孔徑光闌(aperture stop)113，表面S6、S7為第三透鏡114的兩表面，表面S8、S9為第四透鏡115的兩表面，且表面S10、S11為第五透鏡116的兩表面。表面S12、S13為阻擋紅外光通過之紅外光濾光片123的兩個表面，表面S14與S15為影像感測器120的蓋玻璃(cover glass)124的兩個表面，且表面S16為影像感測器120的感光面。

上述之表面S1、S2及S4為偶次項非球面，而其可用下列公式表示：

式中，Z為光軸A方向之偏移量(sag)，c是球面之曲率。k是二次曲面常數(conic constant)，r是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而A₂、A₄、A₆、A₈、A₁₀...為非球面係數(aspheric coefficient)，在本實施例之表面S1、S2及S4中的係數A₂皆為0。下列表二所列出的是表面S1、S2及S4的非球面參數值。此外，表面S0、S3、S5~S15為球面，其中此處的球面包括曲率半徑為無限大之平面。

圖3A至圖3F分別繪示圖1中之成像鏡頭以傳統鏡頭取代時且在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的調制轉換函數(modulation transfer function,MTF)，圖4A至圖4F分別繪示圖1中之成像鏡頭以傳統鏡頭取代時且在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的點擴散函數(point spread function,PSF)，而圖5繪示圖1中之成像鏡頭以傳統鏡頭取代時且在空間頻率為60線對數/毫米(lp/mm)下所模擬出的跨焦調制轉換函數(through-focus MTF)。圖6A至圖6F分別繪示圖1中之成像鏡頭在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的調制轉換函數，圖7A至圖7F分別繪示圖1中之成像鏡頭在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的點擴散函數，而圖8繪示圖1中之成像鏡頭在空間頻率為60線對數/毫米下所模擬出的跨焦調制轉換函數。其中，在圖4A至圖4F及圖7A至圖7F中，這些矩形小格所處的平面之座標代表實際空間座標，而這些圖的縱軸(即圖中的上下方向)代表光強度，且越往上方光強度越強。比較傳統鏡頭所得到的光學模擬曲線(如圖3A至圖3F的調制轉換函數分佈圖、圖4A至圖4F的 點擴散函數分佈圖及圖5的跨焦調制轉換函數分佈圖)與本實施例之成像鏡頭110所得到的光學模擬曲線(圖6A至圖6F、圖7A至圖7F及圖8)可知，本實施例之條碼讀取裝置100與成像鏡頭110確實具有較大的景深與焦深。

具體而言，在本實施例中，成像鏡頭110可作為編碼鏡頭(coding lens)。相較於傳統鏡頭，本實施例之成像鏡頭110的調制轉換函數與點擴散函數具有高度的相似度，特別是在物距為92毫米至215毫米的範圍內，因此在這段物距範圍內所拍攝的條碼之影像會有相似程度的模糊。此外，成像鏡頭110之物距為92至215毫米的調制轉換函數在0到166線對數/毫米(即週期/毫米)的頻帶內沒有零點，所以不會在所需的頻帶範圍內損失資訊，此有助於後端的解碼。針對條碼50影像之擷取，成像鏡頭110的解析度之要求乃與物距、條碼的尺寸及影像感測器120的畫素尺寸相關，物距決定鏡頭的放大倍率(magnification)，而條碼50的最小條尺寸(minimum bar size)與畫素尺寸(sensor pixel size)則決定基板的取樣率(sampling ratio)，以上的關係可以用下式來表示：

其中，取樣率表示一個條(bar)共佔幾個畫素，取樣率越高，代表輸入的影像信號越低頻，而較不易受雜訊或失真(aliasing)所影響。若以畫素尺寸等於6×6平方微米來計算，其奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)即等於83 線對數/毫米。當取樣率等於1時即表示影像信號頻率為83線對數/毫米。換言之，當取樣率等於2時，即表示此時信號頻率為83/2=41.5線對數/毫米。根據上述公式可推估以下兩個結論：第一，擺放在近距離的條碼有較大的鏡頭放大率，因此有較大的取樣率，信號也多落在低頻，而放置較遠的條碼，因放大率降低，故取樣率較低即信號頻率較高；第二，較大的條尺寸可得較大的取樣率值，所以信號較低頻，反之則有較低的取樣率而信號則較高頻。

本實施例之成像鏡頭110乃利用上述的結論進行設計，當條碼50在遠物距時(例如物距>92毫米)，調制轉換函數皆較高，以提供條碼數位影像足夠的對比度。當條碼50放置在近物距時(例如物距<92毫米)，雖調制轉換函數產生零點，但在低頻(約33線對數/毫米)仍維持有一定的調制轉換函數振福，因此可利用放大率的優勢維持足夠的影像品質。因此，藉由所需應用的條碼規格以及所需之適用物距範圍，以及影像感測器之像素尺寸與成像鏡頭110的放大倍率定義出系統在不同物距條件的取像率，並根據所使用的條碼解碼器對取像率的要求得知不同空間頻率所需維持的調制轉換函數特性作為鏡頭設計的優化函數(merit function)。接著，利用所提出的球面像差方程式對成像鏡頭110進行優化設計便可獲得具備景深擴展能力的成像鏡頭。

圖9為圖1之成像鏡頭110的優化設計之流程圖。請參照圖9，成像鏡頭110的設計包括下列步驟。首先，執 行步驟T110，根據條碼50至成像鏡頭110之最大工作距離、影像感測器120的像素大小與條碼解碼器130解碼時所需的最低取樣率，來得到成像鏡頭110之焦距。接著，執行步驟T120，根據成像鏡頭110之焦距、成像鏡頭110之光圈大小、條碼50至成像鏡頭110之工作距離範圍及其相對應之倍率、影像感測器120的像素大小與條碼解碼器130解碼時所需之最小對比值，來得到成像鏡頭110的球面像差之大小。然後，執行步驟T130，從成像鏡頭110的各階球面像差中選出其中一階的球面像差(例如為三階球面像差)作為一指定球差，並使成像鏡頭110在離軸方向的其他離軸像差小於指定球差(即例如為三階球面像差)。如此，即可完成成像鏡頭110的優化設計。

下表三為傳統鏡頭與本實施例之成像鏡頭110的測試結果比較，共有0.254mm(Matrix Code)、0.33mm(JAN13)與0.5mm(Code39)三種條碼解析度(Bar Size)，以判別成功率50%作為門檻。從表三中可以看到，成像鏡頭110之可用距離明顯優於傳統鏡頭，最右欄的取樣率>1之理論限制，是以畫素尺寸為6×6平方微米、放大倍率(如下表四)進行推算之取樣率限制。由此可知採用本實施例之成像鏡頭110所獲得的成像雖略帶有模糊，但其對於物距變化較不敏感，因此能提供穩定的成像品質。

在本實施例中，成像鏡頭110與影像感測器120的距離是根據影像感測器120所感測到的影像之對比度所決定，而使成像鏡頭110對焦。舉例而言，可先變化成像鏡頭110與影像感測器120的距離，以獲得在不同距離下所測得的影像對比度。接著，再將成像鏡頭110與影像感測 器120固定於影像對比度最高的距離，或視需求固定於影像對比度在一定程度以上的距離，其中固定方式例如是利用機構來固定。

圖10為本發明之另一實施例之條碼讀取裝置的示意圖。請參照圖10，本實施例之條碼讀取裝置100a與圖1之條碼讀取裝置100類似，而兩者的差異在於對焦的方式不同。在本實施例中，條碼讀取裝置100a更包括一支撐機構150，其支撐成像鏡頭110與影像感測器120。在本實施例中，成像鏡頭110的對焦距離已先經由光學模擬、計算或實驗而得知，因此可在支撐機構150上設置一參考標記152，且成像鏡頭110與影像感測器120的距離是根據參考標記152所決定，以使成像鏡頭110對焦。舉例而言，可使成像鏡頭110的某一部分對準參考標記152，或使成像鏡頭110與影像感測器120與參考標記152相距某一特定距離。當成像鏡頭110及影像感測器120相對於參考標記處在特定的位置時，則成像鏡頭110至影像感測器120的距離即符合原先經由光學模擬、計算或實驗而得到的距離，如此即可完成成像鏡頭110之對焦。

圖11為本發明之一實施例之條碼讀取方法的流程圖。請參照圖11，本實施例之條碼讀取方法可應用於圖1之條碼讀取裝置100或圖10之條碼讀取裝置100a。此條碼讀取方法包括下列步驟。首先，執行步驟U110，利用成像鏡頭110將條碼50成像於影像感測器120上，其中成像鏡頭110具有球面像差，以拓展成像鏡頭110的景深。此 外，成像鏡頭110與影像感測器120的其他細節請參照上述實施例，在此不再重述。接著，執行步驟U120，利用影像感測器120將條碼50的成像轉換為條碼訊號122。然後，執行步驟U130，根據此條碼訊號來解碼，以獲得條碼所代表的資訊，例如是利用條碼解碼器130來解碼。在步驟U130中，可選擇先對影像感測器120所感測到的數位影像進行影像前處理，例如伽馬(gamma)調校、銳利化(sharpening)、缺陷補償(defect compensation)及偏壓消除(bias cancellation)之至少其一，然後，再利用條碼解碼器130對經過前處理後的數位影像進行解碼，以獲得條碼所含的資訊。

本實施例之條碼讀取方法中的其他細節可參照上述實施例，而鏡頭的設計方法亦可參照上述圖9之優化設計，在此不再重述。由於本實施例之條碼讀取方法採用具球面像差的成像鏡頭110以拓展景深，因此本實施例之條碼讀取方法可在較大範圍的物距下正確判讀條碼的資訊，進而增進使用的便利性。

圖12為本發明之又一實施例之條碼讀取裝置的示意圖。請參照圖12，本實施例之條碼讀取裝置100b與圖1之條碼讀取裝置100類似，而兩者的差異如下所述。本實施例之條碼讀取裝置100b更包括一影像還原濾波器140，用以將來自影像感測器120的條碼訊號122經計算後轉換成一還原訊號142，其中還原訊號142比條碼訊號122更接近條碼50，且條碼解碼器130將還原訊號142解碼為條 碼50所代表的資訊。

在本實施例中，影像還原濾波器140例如為最小均方差濾波器(minimum mean square error filter,MMSE filter)。然而，在其他實施例中，影像還原濾波器140亦可以是維納濾波器(Wiener filter)、遞迴最小均方濾波器(iterative least mean square filter,ILMS filter)、最大似然濾波器(maximum likelihood filter,ML filter)、最大熵濾波器(maximum entropy filter,ME filter)或其他適當的濾波器。

若於空間域計算，影像還原濾波器140可利用摺積(convolution)運算處理數位影像，例如可利用遮罩運算(mask operation)來完成摺積運算。舉例而言，可事先將影像還原濾波器140的濾波器參數作適當的轉置即可，其運算如下式：

其中，Î是還原後的數位影像，B是影像感測器所擷取之數位影像，而W則是濾波器的參數。式中括號內的變數(如i、j)為數位影像的列與行的指數(indexes)，M、N是影像還原濾波器140的維度。濾波器參數的計算可利用維納濾波法(Wiener filtering method)、最小均方差濾波法(minimum mean square error filtering method,MMSE filtering method)、遞迴最小均方濾波法(iterative least mean square filtering method,ILMS filtering method)、最大似然濾波法(maximum likelihood filtering method,ML filtering method)或最大熵濾波法(maximum entropy filtering method,ME filtering method)，而以下以最小均方差濾波法為例。顧名思義，最小均方差濾波法即為找出一組濾波器參數以最小化下列之性能指標J

其中，I是目標數位影像，即是未受鏡組影響之理想影像。因此，濾波器參數之計算需滿足以下條件：

其中，此處的函數ArgMin是指給出一個W，而在此W下E為最小。當一組濾波器參數符合上式時，則處理後的數位影像Î便會十分相似於理想影像I，或說兩者間具有最小均方差。就頻率響應而言，由於還原濾波器是用於補償成像鏡頭110與影像感測器120造成的失真或瑕疵，因此濾波器多用於提升通道的中低頻調制轉換函數的振幅。以此理論為基礎，我們可用光學設計軟體所提供的點擴散函數之資訊進行濾波器參數計算，或是藉由拍攝標準的測試圖(例如ISO12233、Dot Chart)、人像圖(如Lena)、景觀圖或甚至是條碼圖來進行濾波器參數的設計。

在本實施例中，影像還原濾波器140的參數是利用影像感測器120透過成像鏡頭110感測到一測試圖的成像，並根據測試圖的成像進行計算後所獲得。此測試圖可具有規則排列特性、格線、幾何圖形或亂數分佈特性，或具有 上述這些特性及圖案的任意組合。

舉例而言，為了能夠獲得整體取像系統對具備各種不同頻率特性的影像進行濾波器設計，本實施例利用如圖13的測試圖(即目標數位影像)進行濾波器參數之計算，此測試圖主要由具備準亂數分布(pseudo random data)特性的圖形所組成。利用最小均方差法可計算得濾波器參數如下表五。

本實施例乃設計一7×7之濾波器遮罩(filter mask)，實際應用時，可隨數位電路或是中央處理單元(CPU)之計算負荷調整遮罩尺寸，如5×5或4×4，此外也可以利用奇異值分解(singular value decomposition,SVD)法進行列-行之解耦，以簡化影像還原濾波器140的結構，或是利用編碼鏡頭(即成像鏡頭110)的點擴散函數的對稱特性進行運算結構的簡化。

圖14是圖12之影像還原濾波器之濾波器參數的三維圖形。請參照圖12與圖14，將此組濾波器參數作快速傅 立葉轉換，取其橫向調制轉換函數(即MTFx)與縱向調制轉換函數(即MTFy)之頻率響應，可得圖15。由圖15中可明顯看到，此組濾波器參數主要在提高20-60線對數/毫米之MTF。

本實施例乃利用上述(1)式之運算核心搭配表五之濾波器參數來對數位影像進行處理，下表六為加入影像還原濾波器140後的條碼解碼性能比較，共有0.254mm(Matrix Code)、0.33mm(JAN13)與0.5mm(Code39)三種條碼解析度(bar size)進行測試，以判別成功率50%作為門檻。

表六中可觀察到影像還原濾波器可較圖1之實施例再拓展約10-30mm之偵測距離。根據實驗可知，影像還原濾波器130確實能改善成像鏡頭110(即編碼鏡頭)所造成的模糊，故能有效改善影像清晰度與對比度，亦不會造成影像失真(artifact)、波紋(Ringing)或是放大影像雜訊，因此能提升條碼判別的正確率與拓展偵測距離(即物距)。

在本實施例中，成像鏡頭110與影像感測器120的距離是根據影像還原濾波器140所計算而得的還原訊號142所代表之影像的對比度所決定，而使成像鏡頭110對焦。舉例而言，可先變化成像鏡頭110與影像感測器120的距離，以獲得在不同距離下所測得的影像，而影像還原濾波器140將這些影像還原成多個還原影像。接著，再將成像鏡頭110與影像感測器120固定於還原影像的對比度最高的距離，或視需求固定於還原影像對比度在一定程度以上的距離，其中固定方式例如是利用機構來固定。然而，在另一實施例中，亦可採用如圖10之支撐機構150與參考標記152來使條碼讀取裝置100b對焦。

圖16為本發明之另一實施例之條碼讀取方法的流程圖。請參照圖16，本實施例之條碼讀取方法可應用於圖12之條碼讀取裝置100b。本實施例之條碼讀取方法與圖11之條碼讀取方法類似，而兩者的差異在於步驟U130與步驟U130’的不同。在本實施例之條碼讀取方法中，根據條碼訊號來解碼的步驟(即步驟U130’)包括下列步驟。首先，執行步驟U132，利用影像還原濾波法將來自影像感測器120的條碼訊號122經計算後轉換成還原訊號142，其中還原訊號142比條碼訊號122更接近條碼50。在本實施例中，即利用影像還原濾波器140來將條碼訊號122還原成還原訊號142，而其細節請參照圖12之實施例，在此不再重述。接著，執行步驟U134，將還原訊號142解碼為條碼50所代表的資訊。在本實施例中，即利用條碼解碼器 130將還原訊號142解碼為條碼50所代表的資訊，而其細節請參照圖12之實施例，在此不再重述。

另外，在步驟U134中，可選擇先對影像還原濾波器140所還原而成的還原訊號進行影像前處理(即對影像還原濾波器140所還原而成的還原影像進行影像前處理)，例如伽馬(gamma)調校、銳利化(sharpening)、缺陷補償(defect compensation)及偏壓消除(bias cancellation)之至少其一，然後，再利用條碼解碼器130對經過前處理後的數位影像進行解碼，以獲得條碼所含的資訊。

本實施例之條碼讀取方法中的其他細節可參照上述圖12之實施例，而鏡頭的設計方法可參照上述圖9之優化設計，在此不再重述。由於本實施例之條碼讀取方法採用具球面像差的成像鏡頭110以拓展景深，並利用影像還原濾波法來進一步拓展景深，因此本實施例之條碼讀取方法可在更大範圍的物距下正確判讀條碼的資訊，進而增進使用的便利性。

綜上所述，在本發明之實施例之條碼讀取裝置與條碼讀取方法中，由於採用了具球面像差的成像鏡頭來拓展景深，因此條碼可在較大範圍的物距下被正確地判讀，因此能夠增進條碼讀取上的使用便利性。換言之，本發明之實施例之條碼讀取裝置與條碼讀取方法能夠有效改善習知的條碼讀取裝置與方法在景深與解像力之間取捨而難以得到兩全，進而造成使用上的不便之問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧條碼

52‧‧‧物體光

100、100a、100b‧‧‧條碼讀取裝置

110‧‧‧成像鏡頭

111‧‧‧第一透鏡

112‧‧‧第二透鏡

113‧‧‧孔徑光闌

114‧‧‧第三透鏡

115‧‧‧第四透鏡

116‧‧‧第五透鏡

120‧‧‧影像感測器

122‧‧‧條碼訊號

130‧‧‧條碼解碼器

140‧‧‧影像還原濾波器

142‧‧‧還原訊號

150‧‧‧支撐機構

152‧‧‧參考標記

A‧‧‧光軸

S0~S16‧‧‧表面

T110~T130、U110~U130、U130’、U132、U134‧‧‧步驟

圖1為本發明之一實施例之條碼讀取裝置的示意圖。

圖2繪示圖1之成像鏡頭的一實施方式。

圖3A至圖3F分別繪示圖1中之成像鏡頭以傳統之鏡頭取代時且在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的調制轉換函數。

圖4A至圖4F分別繪示圖1中之成像鏡頭以傳統之鏡頭取代時且在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的點擴散函數。

圖5繪示圖1中之成像鏡頭以傳統之鏡頭取代時且在空間頻率為60線對數/毫米下所模擬出的跨焦調制轉換函數。

圖6A至圖6F分別繪示圖1中之成像鏡頭在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的調制轉換函數。

圖7A至圖7F分別繪示圖1中之成像鏡頭在物距分別為55毫米、70毫米、92毫米、110毫米、150毫米及215毫米時所模擬出的點擴散函數。

圖8繪示圖1中之成像鏡頭在空間頻率為60線對數/毫米下所模擬出的跨焦調制轉換函數。

圖9為圖1之成像鏡頭110的優化設計之流程圖。

圖10為本發明之另一實施例之條碼讀取裝置的示意圖。

圖11為本發明之一實施例之條碼讀取方法的流程圖。

圖12為本發明之又一實施例之條碼讀取裝置的示意圖。

圖13為應用於圖12之影像還原濾波器的測試圖。

圖14是圖12之影像還原濾波器之濾波器參數的三維圖形。

圖15為將圖14之濾波器參數作快速傅立葉轉換後之橫向調制轉換函數(即MTFx)與縱向調制轉換函數(即MTFy)之頻率響應。

圖16為本發明之另一實施例之條碼讀取方法的流程圖。

50‧‧‧條碼

52‧‧‧物體光

100‧‧‧條碼讀取裝置

110‧‧‧成像鏡頭

120‧‧‧影像感測器

122‧‧‧條碼訊號

130‧‧‧條碼解碼器

Claims (19)

1. 一種條碼讀取裝置，適於偵測一條碼，該條碼讀取裝置包括：一成像鏡頭，具有球面像差，以拓展該成像鏡頭的景深，其中該球面像差包括三階球面像差，且該三階球面像差的絕對值是落在0.25 λ至5.00 λ的範圍內；一影像感測器，其中該成像鏡頭用以將該條碼成像於該影像感測器上，且該影像感測器將該條碼的成像轉換為一條碼訊號；一條碼解碼器，用以根據該條碼訊號來解碼，以獲得該條碼所代表的資訊；以及一影像還原濾波器，用以將來自該影像感測器的條碼訊號經計算後轉換成一還原訊號，且該條碼解碼器將該還原訊號解碼為該條碼所代表的資訊，其中該成像鏡頭與該影像感測器的距離是根據該影像還原濾波器所計算而得的該還原訊號所代表之影像的對比度所決定，而使該成像鏡頭對焦。
2. 如申請專利範圍第1項所述之條碼讀取裝置，其中該成像鏡頭包括至少一圓對稱透鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之條碼讀取裝置，其中該影像還原濾波器為維納濾波器(Wiener filter)、最小均方差濾波器(minimum mean square error filter,MMSE filter)、遞迴最小均方濾波器(iterative least mean square filter,ILMS filter)、最大似然濾波器(maximum likelihood filter,ML filter)或最大熵濾波器(maximum entropy filter,ME filter)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之條碼讀取裝置，更包括一支撐機構，支撐該成像鏡頭與該影像感測器，其中該支撐機構具有一參考標記，且該成像鏡頭與該影像感測器的距離是根據該參考標記所決定，以使該成像鏡頭對焦。
5. 一種條碼讀取方法，包括：利用一成像鏡頭將一條碼成像於一影像感測器上，其中該成像鏡頭具有球面像差，以拓展該成像鏡頭的景深；利用該影像感測器將該條碼的成像轉換為一條碼訊號；以及根據該條碼訊號來解碼，以獲得該條碼所代表的資訊，其中該球面像差包括三階球面像差，該三階球面像差的絕對值是落在0.25 λ至5.00 λ的範圍內，且根據該條碼訊號來解碼的步驟包括：利用一影像還原濾波法將來自該影像感測器的條碼訊號經計算後轉換成一還原訊號，其中該還原訊號比該條碼訊號更接近該條碼；以及將該還原訊號解碼為該條碼所代表的資訊，其中，該成像鏡頭與該影像感測器的距離是根據該影像還原濾波器所計算而得的該還原訊號所代表之影像的對比度所決定，而使該成像鏡頭對焦。
6. 如申請專利範圍第5項所述之條碼讀取方法，其中該成像鏡頭包括至少一圓對稱透鏡。
7. 如申請專利範圍第5項所述之條碼讀取方法，其中該影像還原濾波法為維納濾波法(Wiener filtering method)、最小均方差濾波法(minimum mean square error filtering method,MMSE filtering method)、遞迴最小均方濾波法(iterative least mean square filtering method,ILMS filtering method)、最大似然濾波法(maximum likelihood filtering method,ML filtering method)或最大熵濾波法(maximum entropy filtering method,ME filtering method)。
8. 如申請專利範圍第5項所述之條碼讀取方法，其中該影像還原濾波法之運算式是利用該影像感測器透過該成像鏡頭感測到一測試圖的成像，並根據該測試圖的成像進行計算後所獲得。
9. 如申請專利範圍第8項所述之條碼讀取方法，其中該測試圖具有規則排列特性。
10. 如申請專利範圍第8項所述之條碼讀取方法，其中該測試圖包括格線及幾何圖形之至少其一。
11. 如申請專利範圍第8項所述之條碼讀取方法，其中該測試圖具有亂數分佈特性。
12. 如申請專利範圍第5項所述之條碼讀取方法，其中該成像鏡頭與該影像感測器的距離是根據一支撐機構上的一參考標記所決定，以使該成像鏡頭對焦。
13. 如申請專利範圍第5項所述之條碼讀取方法，其中該成像鏡頭與該影像感測器的距離是根據該影像感測器所感測到的影像之對比度所決定，而使該成像鏡頭對焦。
14. 如申請專利範圍第5項所述之條碼讀取方法，其中該成像鏡頭之設計包括：根據該條碼至該成像鏡頭之最大工作距離、該影像感測器的像素大小與解碼時所需的最低取樣率，來得到該成像鏡頭之焦距；根據該成像鏡頭之焦距、該成像鏡頭之光圈大小、該條碼至該成像鏡頭之工作距離範圍及其相對應之倍率、該影像感測器的像素大小與解碼時所需之最小對比值，來得到該成像鏡頭的該球面像差之大小；以及從該成像鏡頭的各階球面像差中選出其中一階的球面像差作為一指定球差，並使該成像鏡頭在離軸方向的其他離軸像差小於該指定球差。
15. 一種條碼讀取裝置，適於偵測一條碼，該條碼讀取裝置包括：一成像鏡頭，具有球面像差，且用以拓展該成像鏡頭的景深，其中該球面像差包括三階球面像差，且該三階球面像差的絕對值是落在0.25 λ至5.00 λ的範圍內；一影像感測器，其中該成像鏡頭用以將該條碼成像於該影像感測器上，且該影像感測器將該條碼的成像轉換為一條碼訊號；以及一影像還原濾波器，用以將來自該影像感測器的條碼訊號經計算後轉換成一還原訊號，其中該成像鏡頭與該影像感測器的距離是根據該影像還原濾波器所計算而得的該還原訊號所代表之影像的對比度所決定，而使該成像鏡頭 對焦，其中，該成像鏡頭包括由該條碼往該影像感測器依序排列之一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡及一第五透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡及該第五透鏡的屈光度依序為負、正、負、正及正。
16. 如申請專利範圍第15項所述之條碼讀取裝置，更包括一孔徑光闌，配置於該第二透鏡與該第三透鏡之間。
17. 如申請專利範圍第15項所述之條碼讀取裝置，其中該第一透鏡與該第二透鏡為非球面透鏡，且該第三透鏡、該第四透鏡及該第五透鏡為球面透鏡。
18. 如申請專利範圍第15項所述之條碼讀取裝置，其中該第一透鏡為一凸面朝向該條碼的凸凹透鏡，該第二透鏡為一雙凸透鏡，該第三透鏡為一雙凹透鏡，該第四透鏡為一凸面朝向該影像感測器的凹凸透鏡，且該第五透鏡為一凸面朝向該條碼的凸凹透鏡。
19. 如申請專利範圍第15項所述之條碼讀取裝置，更包括一條碼解碼器，用以根據該條碼訊號來解碼，以獲得該條碼所代表的資訊。