远程识别用的自瞄准读出器系统的制作方法

专利名称：远程识别用的自瞄准读出器系统的制作方法
技术领域：
一般而言，本发明涉及用于识别物品(article)的基于光学的方法和装置，具体而言，涉及用于识别光学编码物品的方法和装置。
背景技术：
在美国专利5，448，582号中公开了一种多相增益介质(multi-phase gain medium)，它有一个发射相(如染料分子)和一个散射相(如TiO2)。在某些实施例中还可以提供第三种，即本色相(matrixphase)。适于本色相的材料包括溶剂、玻璃和聚合物。该增益介质表现为在某一泵浦脉冲能量之上提供类似激光的谱线宽度的塌陷(collapse)。所公开的增益介质适用于以多波长代码给对象编码，而且适于与多种基片材料一起使用，包括聚合物和纺织物。
存在着一类工业问题，在这类问题中有大量物品必须被分离、识别、计数和/或分类。当今的方法覆盖了广谱解决方案。一种可用于宏观的和视觉可识别的物品的解决方案涉及一种手工过程，其中工人们通过识别物品的固有特征或借助包括在物品中的目视可读编码系统，从一组大量物品中顺序地选择物品。一旦选定，这些物品便手工地或利用运输工具送到存储或进一步处理具有共同属性的物品的地方。在对编目控制感兴趣的情况中，可由工人的某种直接动作来人工地或当选定物品通过一个计数装置时自动地对这些选定物品计数和制表。
在商业性的洗衣业中，例如，出租的服装被没有分类地成组归还和清洗。工人们选择单件服装，把这些服装放到架子上，再顺序地放到传送带上，而由传送带把这些服装存放到若干存放区之一。对于单个服装，在这若干存放区中选择适当的一个存放区，这是根据加到服装上的一个人工可读代码，通常在衣领内侧，它标识出在一个存放地点所有服装共有的某种属性。典型地是，这些属性包括例如一周的哪一天，路线号码，或最终用户名。类似地，在亚麻布制品供给业，亚麻布制品以大量的未分类组发送到洗衣房。工人们从一组中选出单个亚麻布物品并根据它们的特征，例如颜色、形状和/或尺寸来识别每件物品。然后，所选定和识别出的物品被送到适当的区域按特定的清洗配方进行清洗。
如可理解的那样，以手工劳动对物品(例如亚麻布和/或服装物品)进行识别、计数、分类和制表有诸多限制。这里特别感兴趣的是对处理吞吐量的限制。在一些洗衣房，在一单个8小时工作轮班时间内必须处理大约100，000件或更多的单个物品。因为要求工人们对每件物品完成多项任务(例如识别、计数和分类每件物品)，所以在一个8小时轮班时间内一个典型工人只能处理有限数量的物品。再有，对每件物品手工完成多项任务这种沉重负担还会导致识别、分类和计数过程的不准确性。
在为消除或至少是减少前述手工过程中的这些限制的努力当中，已经在寻找自动的解决方案。已经开发出传统的自动处理过程，以改善识别、计数和分类单个物品的准确性和使所需劳动量减至最小。例如，在洗衣房已利用了条码标签(通常是5符号中交错2个)和射频(RF)芯片来达到这些结果。然而，这些技术只有有限寿命，特别是因为这些标签和芯片被暴露在苛刻的工业洗衣环境中。再有，利用条形码标签的解决方案遇到的困难是它很费时间，而且当标签没有与条形码读出装置适当对位，即没有在其视野之内时，在一大件物品上特别难于确定一标签的位置。尽管RF芯片没有遇到对位的问题，但由于RF芯片未被证明其寿命长，而且成本又高，所以RF芯片也令人烦恼。
在上面引用的共同未决美国专利申请08/842，716中公开了识别物品的另一种方法。在这另一种方法中，可以在服装或亚麻布制品上缀上光活性材料(photonically active material)，如补钉、标签和线。适当选择的材料，每种材料例如有特殊的和唯一可识别的窄带激光发射，被利用来形成可光学识别的代码。这种代码允许识别服装、亚麻布制品和其它物品。在一个实施例中，两种或更多种纤维或线〔下文中称作激光线(Laser ThreadTM)〕显示出可检测的辐射，它们被包含在服装、亚麻布制品和其它物品中，以把信息光学编码到这些物品中。例如可以把激光线包含在服装标签中，用于在处理过程中唯一地标识一件租用的服装或其特征。类似地，激光线可被缝入亚麻布制品的边缘，例如缝入一块台布的边上，用于唯一地标识亚麻布制品和/或其特征。
如在前面参考的共同未决美国专利申请中指出的那样，当由例如具有特定波长、脉冲能量和脉冲持续时间的激光来激发时，激光线发射出类似激光的辐射。一般而言，所需要的激发激光器的波长在可见光谱的红至兰区，当以大约10纳秒的脉冲射向激光线时能提供的辐射能量密度约为例如10毫焦耳每平方厘米的量级。激发源的实例包括例如闪光灯泵浦的、调Q的双倍频NdYAG激光器，二极管泵浦的、调Q的双倍频NdYAG激光器，以及由其它主要涉及NdYAG激光器或其它激光晶体的非线性产品得出的光源。
然而，市场上能得到的适于激发光活性材料(例如激光线)的激发源会很昂贵。所以，可以理解，能使激发脉冲能量的效率达到极大的识别系统设计是重要的。进一步还可理解，通过严密控制要评估的物品中包含的光活性材料的位置和取向，能使激发脉冲能量的效率达到极大。如果保持严密的控制，那么固定取向的窄激发射束便能以可预测的确定度射到要评估物品中包含的光活性材料上。另一种情况是，如果对光活性材料的位置和取向的控制是松驰的，则需要一个描准系统束定位物品中包含的光活性材料，从而使激发射束能被定向以激发这些材料。
如上文讨论的那样，在各种处理操作过程中，严密控制要评估物品中包含的光活性材料的取向是特别令人头痛的事。例如，物品上含有光活性材料的区域可能被沾上泥土或者被遮盖，从而阻止光活性材料的照射。因此，本发明人已认识到，对于分离、识别、计数和光学分类物品的过程，采用一个瞄准系统和一个识别系统是有好处的。本发明的目的和优点本发明的第一目的和优点是提供改进了的识别和可选地分类物品的方法和装置，它克服了前述的以及其它的问题。
本发明的另一目的和优点是提供改进了的根据从物品上检测到的辐射来识别物品的方法和装置。
本发明的又一目的和优点是提供识别物品的方法和装置，它包括获取包括在物品内部或在物品表面上的发光材料，对发光材料的直接激发，以及检测发光材料的辐射，从而识别和(可选地)分类物品。
从对附图和随后的描述的考虑，将使本发明的其它目的和优点变得更加明了。
本发明的一种方法包括如下步骤(a)提供要识别的多个物品，每个物品至少有一部分包括光活性材料；(b)对于每个物品，利用来自激励源的光照射这至少一部分；(c)通过检测来自该光活性材料的辐射，识别出这至少一部分的位置；(d)把一激发源指向这个识别出的位置；(e)用来自该激发源的光照射所识别出的位置内的这至少一部分；以及(f)检测光活性材料响应来自该激发源的光而发出的窄带类似激光的或次生的辐射。也能实现一个可选的步骤，即根据所检测到的类似激光的或次生的辐射对物品进行分类。所检测到的类似激光的或次生的辐射以光学编码形式传送信息，用于在处理操作过程中识别物品的至少一个特征。
根据本发明，一种识别物品的装置包括传送每个物品使其通过该装置视场的装置。一激励源产生光以照亮该视场内物品至少一部分。在本发明中，这至少一部分包括光活性材料。此光活性材料响应来自该激励源的光发出荧光辐射。一装置通过检测来自光活性材料的辐射识别出这至少一部分的位置。一激发源产生超过一阈值通量(fluence)的光。一指向装置把激发源指向识别出的装置，从而使来自该激发源的光照射在所识别出的位置内的这至少一部分上。该光活性材料响应来自该激发源的光，发出窄带的类似激光的或次生的辐射。一光学检测器检测来自光活性材料的窄带类似激光的或次生的辐射。所检测到的类似激光的或次生的辐射传送光学编码用于识别该物品的至少一个特征。然后，这至少一个特征可以用于识别和可选地分类这些物品。
发明详述1995年9月5日由Nabil M.Lawandy的题为“具有强散射增益介质的能提供似激光作用的光源”的美国专利5，448，582号所公开的内容，全文包括在这里作为参考。
本发明能利用类似激光的辐射，例如显示出频谱上和时间上衰减的辐射，或次生辐射。次生辐射可以是来自光活性材料的任何光辐射，它是吸收来自激发源的能量的直接结果。如这里所利用的那样，次生辐射可以包括荧光和磷光。
这样，一开始就应该理解，本发明的教导能应用于识别这样的物品，它们已经用不呈现类似激光作用的材料进行了编码，如磷颗粒、染料(无散射体)和半导体材料。一种特别适用的半导体材料经过加工而形成量子井结构，它以能由制造参数调谐的波长发光。
这样，按照一个方面，本发明利用一光增益介质，它能在受到激发能源的激发时显示出来自该介质的类似激光活性或其它辐射，如在前面引用的美国专利5，448，582中公开的那样。这种光学增益介质可以包含一个基质相(matrix phase)，例如聚合物或基片，它在感兴趣的波长基本上是透明的；以及一个电磁辐射发射和放大相，例如铬染料或磷。在一些实施例中，光学增益介质还包含高折射率对比电磁辐射散射相，如氧化物的颗粒和/或基质相内的散射中心。
本发明的教导能利用染料或一些能发光的其它材料，可能与散射颗粒或散射点结合，显示出与激光作用一致的电-光特性；即类似于激光的辐射，它在输入泵浦能量超过一阈值水平时表现出谱线宽度衰减和时间衰减。
按照又一方面，如前文指出的那样，本发明利用次生辐射，它可以是来自光活性材料的任何光辐射，它是吸收来自激发源的能量的直接结果。次生辐射可包括荧光辐射和磷光辐射。
本发明能应用于物品的结构，例如服装或亚麻布制品，其中该物品进一步包括至少一部分含有增益介质，以响应超过阈值通量的泵浦能量从而提供一窄带(例如大约3nm)光辐射。此窄带光辐射允许对物品的识别(和可能的分类)。
一种伸长的线一类的细丝结构，例如激光线(LaserThreadTM)包括电磁辐射发射和放大材料。电磁辐射发射和放大材料可能与散射体结合，提供似激光的辐射，如前文描述的那样。在本发明的一个实施例中，一或多个直径约为例如5-50μm的伸长细丝结构放在一件服装或亚麻布制品的至少一个区域之上或之内。可以提供多个发射波长，从而用波长对服装或亚麻布制品编码。
根据本发明的另一方面，利用分布在一核心周围的一个或多个光学增益介质膜的结构提供类似激光的辐射，如前文所述。该结构可以有各种几何形状，包括珠状、盘状和球状。包含在物品中的球状、盘状或球状物允许在处理操作过程中对物品进行识别和可选的分类。例如，待决和共同被授予的临时专利申请60/086，126号，98年5月2日由Nabil M.Lawandy提交，题为“用于组合化学和其它应用的柱状微激光珠，”公开了适于实现本发明这一方面的微激光柱状珠结构。这一临时专利申请公开的内容在这里全部引用作为参考。
在图7A中，显示了微激光柱状珠结构20的放大透视图。微激光柱状珠结构20包含柱状介电层，它们等效于一个闭合的二维平板波导并支持谐振方式。使用厚度约1-2μm和直径(D)约5-50μm的活性层，便可能有Q值超过106的工作方式。图7B表示图7A所示微激光柱状珠结构20的放大截面图。核心区22由增益介质层或区域24以及绝缘层或区域26包围。增益介质层24的折射率高于核心区22和绝缘层26。多个增益介质层和多个绝缘层包围核心区22。核心区22可以是金属的、聚合的、或散射的。增益介质层24最好是多个光学增益介质膜之一，它们放在核心22周围以提供多个特征发射波长。
如前文中以若干实施例阐明的那样，能发射似激光或次生辐射的光学增益介质可以用于识别物品。这种物品可以是，但不限于亚麻布制品、服装或一般的各种纺织物。
如下文所述，本发明的一个方面是提供一个识别(以及可能的分类)系统，它包括一个获取系统、一个指向系统、一个激发系统和一个检测系统。根据本发明的这一方面，该识别系统允许放在被评估物品上的光活性材料被定位(即被获取)，允许一激发源指向所获取的材料，允许一激发发射对准其上，以及允许对来自这些材料的对激发辐射的光学响应(似激光辐射或次生辐射)进行检测。按照这种方式，一个“搜索、指向、照射和检测”系统使能在处理操作过程中对物品进行识别。
应该指出，在识别出物品后，可能希望接下来对所识别的物品分类或与其它物品分开。在这种情况中，任何适当类型的分流器、操纵装置、或分类器装置都可与该识别系统相连，从而实现对识别出的(或未识别出的)物品作进一步处理。然而，本发明的实践并不要求进行分类，或者说不要求把所识别的对象彼此分开或与其它对象分开。
图8和图9表示出用于远程识别物品的自瞄准读出器系统，即前面讨论的“搜索、指向、照射和检测”系统。如图8中所示，物品30，诸如服装、亚麻布制品、织物和其它被编码的材料，当它们通过一远程识别装置34的获取视场32时被识别。在本发明的一个实施例中，利用传送设备，例如运动轨道或传送带36，可使大量物品30沿箭头“A”指示的方向自动通过获取视场32。
根据本发明，物品30包括至少一个区域38，其中含有光活性材料。如前面指出的那样，光活性材料允许对物品30进行光学编码，以供例如在处理操作过程中识别和可选地分类物品30。作为举例，这至少一个区域38可以是缝上的、粘上的、或以其它方式缀上或固定在物品30上的标签。如从前文概述的各种实施例中可理解的那样，可通过检测这至少一个区域38响应激发而发出的类似激光或次生辐射来对物品30进行光学编码和识别。
图9表示图8的自瞄准系统的示意图。在图9中，特别强调了读出器系统的四个功能方面。这四个功能方面包括进行目标获取40、指向42、激发44和接收或检测46的装置，即自瞄准读出器系统34的搜索、指向、照射和检测”特性。
目标获取利用附着在被评估物品30上的光活性材料的发光性质来确定物品30的最亮的或最强的辐射区。就是说，物品30的区域50响应一激发，在一个或多个特定波长范围发出亮度或荧光辐射。
在图9中，适当的激励源52可以利用透镜54或某些其它手段产生最好是发散的光束图样53，它照亮读出器系统34的获取视场。其结果是，附着在穿过该视场的物品30上的光活性材料被来自激励源52的辐射所激发。如前文指出的那样，响应这一激发，光活性材料在特定波长范围内发出亮光或荧光辐射。如可理解的那样，可根据被评估物品内包含的荧光材料的应用和性质来选择适当的激励源52。所希望的是射束53要足够宽，以保证光活性物质有任何可能取向时都能被检测到。
适当激励源52的实例可以包括，例如，X-射线源、氙闪光灯、荧光灯、白炽灯以及广散射激光束。在一个实施例中，可以由修改激发装置44来产生这适当的激励源52。
在这方面参考

图1，在激发方式期间，来自激发激光源1的辐射沿射束路径7向指向系统传播。在获取方式期间，通过引入可动反射镜5把激发源辐射重定向到沿射束路径8，从而由此激发造成一个激励源。利用传动装置2使反射镜5中断射束路径7，传动装置2有一转动轴3，反射镜5由传动臂4支持在转动轴3上。传动装置2可以是一个螺线管、电流计或其它任何能使反射镜5的位置进、出射束路径7的装置，这最好是通过来自读出器控制电子电路的电指令来实现。在射束被沿射束路径8偏转之后，它被射向一个模式混杂晶体(modescrambling crystal)10的输入表面11。根据具体的设计要求，可由反射镜6的反射把射束射向晶体表面11，还可要求通过透镜9聚焦，使射束全部进入晶体表面11。模式混杂晶体10是一个光导管，它的截面形状最好与获取视场的形状相同(即如果所设计的视场为方形，则晶体截面也为方形)。在最佳实施例中，晶体的所有侧面都被抛光，从而使晶体内传播的光在入射到一个侧面时便被反射，成为内部全反射。另一种作法是，用金属或电介质涂层覆盖晶体10的各侧面，从而使晶体10的侧面有高反射系数。输入表面11被用微磨粒研磨过，从而使进入该输入表面的光沿随机方向在晶体10内部散射。这种波前混杂使光从晶体侧面多次内反射之后均匀地充满晶体10的体积。一旦达到晶体10的输出表面，光的分布在输出面上便是均匀的，而且有该晶体截面的形状。这光还以一个宽的随机化的角范围离开晶体10，这个角范围的最大值由晶体和周围介质(通常是空气)的折射率确定。离开晶体10的光被透镜12收集和成像到获取系统14的目标区上。成像透镜12的选择使来自晶体10的被成像射线13基本上充满目标区。
读出器系统的正常操作方式如下。首先，反射镜5被放在射线路径8中。当一物品在获取视场内被感知时，激发源被触发，使一均匀照射覆盖目标区，从而覆盖该物品。均匀照射使物品上被编码的材料发荧光并被获取摄像机感知。反射镜5从射束路径8移开，指向系统受命令指向检测到的最亮荧光方向。当该物品在指向系统的目标区内被感知时，激发源再次被触发，使一瞄准的窄的激发光束照射到编码材料上。当检测到编码辐射并进行分析之后，反射镜5再次被放到射束路径8中，于是准备好了重复这一周期。
一般而言，适当的激励源52应理解为这样一种电磁辐射源，它的辐射被光活性材料吸收，而且它有足够的光子能量，以在光活性材料中诱发出可检测的荧光。例如在一个实施例中，把上文中标识出的激光线包含在被评估的物品30中，这时通过一滤光片使其辐射频谱变窄的氙闪光灯就是一个适当的激励源52，因为激光线一旦吸收了来自氙闪光灯的可见光辐射便会发荧光。在另一实施例中，物品30在其包含光活性材料的地方自行辐射，所以不需要激励源52。这种自辐射物品包括例如生物荧光和化学荧光物品。
来自光活性材料的光辐射或荧光辐射，不论是诱发的还是固有的，均可被例如目标获取系统40的图像电子摄像机系统56检测到。摄像机系统56的视场优选与激励源52的发散束图案53一致或较小。实质上，摄像机系统56的视场55决定了读出器系统34的获取视场32。
在一个实施例中，来自光活性材料的荧光辐射通过一个滤光片，它基本上通过荧光辐射，但使来自从物品30的强烈漫散射的或镜面反射的激励辐射衰减。通过在激励源52和摄像机56的路径内放置适当的滤光片，即这些滤光片有不重合的通带，使来自激励源52的原生辐射在照射物品30后不被摄像机56检测到。来自图像摄像机系统56的电子信号可由计算机或专用图像处理电子线路41进行分析，以确定物品30的最强辐射区50在视场55内的位置。传统的图像获取和处理软件可用于这一目的。
应该理解，当在一个时刻在获取视场32内只能存在物品30的单个荧光部分时，可以使用其它图像检测器来取代图像摄像机系统56，例如位置传感检测器。
指示物品30的最强辐射区50在视场中位置的信息从目标获取系统40，即摄像机系统56或处理电子电路41，传送到射束指向系统42。射束指向系统42处理这位置信息，并响应该信息，使来自激发装置44的辐射对位或定向，从而基本上照射到物品30的最强辐射区50上。
应该理解，根据本发明，指向系统42包括一个灵活的射束定向装置58，它响应来自目标获取系统40的位置信息(例如电子控制信号)。还应该理解，指向系统42可以包括声-光射束检测器、旋转多面镜，透镜(微透镜阵列)转发器、谐振电流计扫描器、以及全息扫描器，或它们的任何组合。
在指向系统42的一个实施例中，双轴射束定向指向系统包含2个非谐振电流计扫描器，每个有一反射镜固定在扫描器轴上。一个扫描器使射束沿一个轴偏转并把来自激发源的辐射重定向到第二个扫描器反射镜上。第二扫描器的转动轴与第一扫描器轴正交，从而使激发辐射重定向到物品并能沿两个独立的轴线扫描，以便能基本上覆盖获取系统40的整个获取视场。镜面反射特性被指定为允许对激发系统有高通过率，同时还允许来自固定在物品30上的光活性材料的次生辐射或激光辐射有高通过率。最好是这些反射镜在激发波长上具有高的能量密度破坏阈值。
指向系统42还包括一个双工器(diplexer)59，用于把来自激发源44的向物品30传播的辐射60与来自光子材料的向接收装置46传播的次生辐射或似激光辐射62组合起来。
图2是指向系统的顶视图，图3是侧视图。射线路径A起源于双工器59，并包括与激发光束反向传播的从被编码物品接收的光。射束A从第一反射镜M1反射而形成射束B，或者，如果反射镜M1已经转动，则形成射束C。反射镜M1装在第一电流计GV1的轴S1上。轴S-的轴线通常安装成与射束路径A正交。GV1使反射镜M1转动以响应来自读出器控制电路的电信号。射束B或C从第二反射镜M2反射而形成射束D，或者，如果反射镜M2已经转动，则形成射束E。反射镜M2安装在第二电流计GV2的轴S2上，其中S2的轴线与S1正交，而且通常位于包含射束A的平面内。GV2使反射镜M2转动，以响应来自读出器控制电路的电信号。反射镜M-使射束A沿着投影到目标区平面上的一条线移动，该线平行于原始射线路径。反射镜M2使射束A沿着投影到目标区平面上的一条线移动，该线垂直于原始射束，而且通常平行于射束B。以这种方式，驱动反射镜M1和M2可使射束A倾斜到目标区TA内的一个指定点。
双工器59可以实现为若干个传统装置，它们利用光子三个特性的任何一个，以允许光束共线反向传播。这三个特性是偏振、波长和动量。其结果是，双工器59可以实现为一个偏振分束器(当利用偏振时)、一个二向色反射(当利用波长时)、以及一个自由空间无反向元件，本领域称为循环器(当利用动量时)。另一个适当的实施例是部分反射镜，又称作分束器，当在整个系统设计中能允许与此装置关联的损耗时，可以使用它。
接收系统46的元件66在功能上与双工器59等效，但通常被配置成前述三个装置中的另一个。例如，在一个实施例中，双工器59是一个二向色反射镜，而且元件66是一个偏振分束器。事实上，元件66用于把一个相干光源或校准源64的输出加到从指向装置42传送到接收装置46的共线射束中。加入相干光源64的输出是在读出器系统34的校准操作方式期间进行的。
在校准操作方式期间，相干光源64的输出加到共线射束中，以允许把指向系统42确定的定向区校准到获取装置40检测到的最强辐射区50。在一个实施例中，相干光源64包含例如一个激光二极管、氦-氖激光器或其它适当光源，其辐射可由获取装置40的摄像机系统56检测到。
在一个最佳校准过程中，在校准操作期间将一个平的目标放在摄像机系统56的视场55中，从而使来自相干光源64的与激发源光60共线传播的部分光和所收到的光62从这平的目标散射到摄像机系统56中。在获取系统40的计算机或专用图像处理电路4-中产生并存储一个数据表。该数据表中的条目把物品30的唯一被检测到的最强辐射区50与指向系统42的唯一被定向位置链接起来。在读出器系统34的正常操作方式期间，即当结束校准方式并因此断掉相干光源64时，该数据表用于帮助确定适当的位置，以使指向系统42指向激发源辐射60。就是说，通过把检测到的最强辐射区50在获取视场中的位置与该数据表内的相应条目进行比较，便可为指向系统42确定相关的定向位置。
现在进一步详细讨论校准，图4表示本发明更详细的侧视图。在此图中，为清楚起见，把获取系统(AS)〔及相关的视场(FOV1)〕与指向系统(PS)〔及相关的视场(FOV2)〕明显分开了。在该最佳实施例中，希望这两个视场尽可能地重叠，以减小由于物品在传送装置上的不希望的运动所造成的瞄准误差，物品的这种运动可能在获取和激发之间的时间里发生。由获取系统的图像摄像机检测到的最亮荧光位置对应于摄像机视场中的两个正交角。如果画一根假想线把摄像机和荧光区连起来，则这条线可用两个角来描述，如果这角是相对于摄像机中心轴构成的话。这些角之一A1在包含物体和摄像机速度矢量的平面内，即在该图的平面内。另一个角在垂直于第一平面的平面内，该平面包含穿过传送带和摄像机宽度的一条线，即垂直投影到页面外的一个垂直平面。类似的角(例如A2)可从指向系统的视野内的物品位置画出。如果这些角在视场内不是相同的(即A1=A2)，则判读误差会使指向系统PS指向错误的区域。所以保持这些角度是本发明的一个垂直方面。这一点特别重要，因为在传送带上的物品不一定处在传送带平面内。事实上，它们在成堆之后更可能具有三维特征。
图5显示如果不能保持视场中的角度，视差如何会造成指向误差。
在图5中，获取系统(AS)确定最大荧光区F并把这一区域映射到目标区TA的平面中的一点(P)。对于平的物品，点F与点TA重合。在本实施例中的指向系统不具有扫描反射镜用于指向图面内的激发辐射。替代作法是该系统等待物品移动到指向系统下面，直至目标点TP直接在其下面。现在，当目标点TP与目标区TA平面中的那一点重合时，辐射便错过了在物体上的所希望的目标点DTP。这是因为由获取系统测量的目标角A1没有被指向系统保持，于是发生了判读误差。
然而，在一个实施例中，那里已知物品平放在传送带上，这类系统构成能指向所希望的点，其好处是少使用一个扫描反射镜。
现在应该清楚，应该进行校准过程，以使获取角A1与图4中的指向角A2一致，因为与最大荧光区对应的角被用于命令指向系统的指向镜准确地再生指向角。校准过程在校准过程期间利用一个附加装置，它使获取系统和指向系统的光轴重合。图6A表示一个最佳实施例。
图6A的校准装置包括一个部分反射分束器BS(也称作薄膜分束器)、反射镜M、以及一个固定架，用于使获取摄像机56和指向系统PS与反射镜M和分束器BS精确对齐。该装置的作用是使指向装置PS的转动轴精确地与摄像机透镜(L)的入瞳重合。通过这一对齐，来自指向系统的任意光线R1作为光线R2传播到目标区，并在目标区沿路径R2反射回来作为光线R3进入摄像机56。光线R3相对于摄像机56光轴的夹角与光线R1相对于指向系统光轴的夹角相同。光线R1是从接收器中的相干光源(图9中的校准源64)导出的。
在校准过程中，一个指令信号提供给指向反射镜，以把相干光源指向例如光线R1的方向，而从目标区散射的相干光源的光作为光线R3被摄像机56检测到。现在，有一个发射到指向反射镜的指令信号与获取摄像机56中被检测到的位置二者之间的映射关系。构造了一个表，以便包含发送到反射镜的指令信号和在摄像机56中检测到的相应位置二者的所有可能的组合。在完成这一校准过程之后，该校准表被反过来使用，从而使摄像机56中现在检测到的位置能用于确定发给反射镜的唯一指令信号，于是精确地再生这同一视场角。
图6B中的表1表示在校准过程中构成的校准表示例的子集。Vx和Vy值是发送到指向反射镜的电压，而在表中处在电压值交叉处的条目是检测到被反射源光线的摄像机的x和y象素值。图6C中的表2是从表1中导出的，用于正常操作方式期间。当检测到一个亮荧光区时，检测到荧光的象素的x和y象素值用于确定发给指向反射镜的Vx和Vy指令电压。
如前面指出的那样，光活性材料(例如激光线TM)的激发是由激发源44提供的。所以，适当激发源44的指标决定于对感兴趣物品30的光活性材料的要求。例如，当把激光线TM暴露在具有特定波长、脉冲能量和脉冲持续时间这些特性的激光器输出时，该激光线TM便被激发发光。一般而言，所需要的激发激光器具有波长在可见光谱的红到兰区间，当以大约10纳秒的脉冲射向激光线TM时能提供的辐射能量密度的量级为例如10个毫焦耳每平方厘米。激发源示例包括，例如闪光灯泵浦的、调Q的双倍频NdYAG激光器，二极管泵浦的、调Q的双倍频NdYAG激光器，以及由其它主要涉及NdYAG激光器或其它激光晶体的非线性器件导出的光源。为了增大系统对指向误差(即对激发源44的误指向)和物品穿过获取系统40视场55的运动变化的容错能力，最好把激发光束60做成发散的，从而使它照在物品上的点大于读出器的成像和指向分辨力。
根据本发明的一个实施例，光活性材料被激发源44激发至发荧光以提供光学编码，而且激发源44可以是其它光源而不是激光光源。在这种情况中，选择激发源以在检测器中产生适于频谱分析的高信噪比信号。例如，该激发源可以包含一个经过频谱滤波然后使其准直的氙闪光灯。
如前文指出的那样，指向系统42通过射束定向装置58和双工器59收集来自光活性材料的次生或激发辐射62并射入接收系统46。在一个实施例中，接收系统46包括一个色散元件用于对所收到的辐射进行频谱分析。例如，接收系统46能把所接收的辐射耦合到一个光纤中，该光纤与一个光栅分光计和多通道检测器元件(例如CCD阵列)耦合。另一种作法是，该接收系统46包括一个成像分光计用于沿一个轴对辐射作频谱分析，和沿一个正交轴对辐射进行空间成像。然后，一台计算机或专用电子处理器可分析辐射的频谱和/或空间特征，以输出被评估物品标识的指示。
如可理解的那样，为了定位物品30的最亮荧光区50，需要有限量时间去从摄像机系统56获取数据场并在获取系统40中处理这些数据。在此期间，物品30可能移动穿过读出器系统34的获取场32。除非考虑到这一移动造成的物品位移，否则指向系统42将把来自激发源44的辐射射向一个不正确的位置，即物品30的最亮荧光区50先前被检测到的地方。所以，在本发明的范围内要考虑检验过程中物品30的位移。例如，在一个实施例中，获取系统40在物理上与读出器系统34的其它系统分开，其分开距离至少应该大到足以考虑获取和处理最亮荧光区50的位置所需要的时间，加上指向系统42的机械部件对来自激发源44的辐射进行导向所需要的任何置位时间。如所能理解的那样，这一时间段会因具体的实现因素而改变，例如移动物品30穿过获取视场32的传送装置36的速度。
在一个实施例中，获取系统40和指向系统42是由第一传感器启动的，该第一传感器的位置是检测物品穿过获取视场32的运动，而激发系统44和接收系统46由第二传感器启动。根据本发明的这一实施例，第一和第二传感器的位置被调节到减小和基本消除由于物品30的运动造成的误差。
在一个实施例中，读出器系统34识别在静止获取视场内的多个物品。在这一实施例中，物品每个尺寸都小于该获取视场而且可以在该获取视场中随机地分散，或者以有序方式分开而使相邻物品不相接触。例如，可利用分段的托盘来实现物品的有序分离。在获取视场内的所有物品都可被来自一激励源(例如激励源52)的单脉冲照射。这单脉冲具有足够大能量，能在获取视场内的所有物品中激发出荧光。可以理解，如前文指出的那样，物品也可以是自发荧光的。
在这一实施例中，一个目标获取算法识别来自物品的超过一预定阈值亮度值的所有可检测的光辐射。然后，由获取系统检测到的目标位置可以顺序地送到指向、激发和接收系统，以对获取视场内的物品进行识别并可选地允许进行分类。
在一个最佳实施例中，指向系统把来自激发系统的辐射和来自光活性材料的响应射向接收系统。然而，本领域技术人员应该理解，其它实施例也在本发明的范围内。例如，一个实施例可以只有由指向系统导向的激发系统，而接收系统单独地观察整个获取视场以收集光活性材料的响应，或者与此相反。在另一实施例中，获取系统、激发系统和接收系统可以每个都由指向系统来导向。
虽然在最佳实施例的范围内进行了描述，但应该理解，对于本领域技术人员而言，可以对这些教导作许多修改。例如，本发明的教导不想局限于识别和可选地分类任何特定类型的物品。这样，本领域技术人员会理解，本发明的教导能应用于大量的识别应用。
可能希望把本发明的读出器系统用于广泛的编码材料，这样，一个激发源波长便不足以提供对所有这些材料的适当激发。在这种情况下，激发源应被修改成包含多波长。在一个实施例中，通过非线性光学过程(例如，通过stokes频移)从第一波长产生一第二波长，并用一个先前描述过的双工器装置使这两个波长共线。这两条光束最好是共线的，从而通过指向系统。
再有，可能希望检测物品的性质而不是编码材料的性质。例如，确定在其上使用编码材料的物品的颜色可能是有用的。在这一实施例中，除了该最佳实施例的分光计外，在读出器的接收器中纳入其它适合的检测器，便能确定物品的其它性质。可以利用一个双工器元件使这附加的检测器的光轴与接收器的光轴共线。可能希望使附加检测器的视场实质上宽于分光计的视场，从而能在被编码材料附近的地点测量物品的这些其它性质。
本发明最佳实施例的读出器装置有能力获取二维视场中的目标(借助区域摄像机)和激发/检测二维视场中的目标(借助二维指向系统)。然而，通过考虑把获取能力限定于一维(借助行扫描摄像机)，或点检测(单个元件，非成像检测器)，以及通过考虑把指向系统的能车限定于一维(单轴扫描器)，或点激发/频谱检测(无扫描器)，从而可以提从其它实施例。各种重新配置也是可能的。当物品的编码材料应用在物品上沿平行于传送装置移动方向的已知位置上时，前种类型的读出器系统(单轴扫描)特别可用。在这种情况下，传送带的运动可用来代替扫描器的功能。这一配置受到判读误差(如图5所示)的影响，所以主要可用于物品处在传送装置平面内的情况。这一作法还利用能提供连续输出或至少以一重复速率重复的激励源，它与传送装置的速度一起，提供沿移动方向的适当空间分辨力。这后一种读出器系统(没有扫描)可应用于编码材料在物品上沿物品的两条轴线的位置已知的情况。以与先前情况类似的方式，读出器系统使用传送装置造成的物品运动来提供扫描功能。
本发明的另一实施例适用于物品上的编码分布在几个分开的位置上并且分开的距离大于指向系统空间分辨率的情况。例如，光学编码可能需要多个波长，因而需要多个编码材料，它们不能被容易地放在同一地点。在这一情况中，获取系统识别每个组分材料在物品上的位置。然后由读出器系统顺序地指向、激发和检测来自物品上每个材料的光波长，随后通过对检测到的波长进行适当的组合或链接，“建立”出代码。
因此，可以理解，尽管已经针对其最佳实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，这里可对形式和细节进行改变而不离开本发明的范围和精神。
权利要求
1．一种识别物品的方法，包括如下步骤提供多个物品，其中每个物品至少有一部分包括光活性材料；对于每个物品，以来自一激励源的光照射这至少一部分；通过检测来自光活性材料的辐射识别这至少一部分的位置；把一激发源指向识别出的位置；以来自该激发源的光照射识别出的位置内的这至少一部分；以及检测光活性材料响应来自激发源的光而发出的标识编码辐射。
2．如权利要求1所述的方法，其中光活性材料由线构成，这些线包含基片材料和电磁辐射发射与放大材料，以提供类似激光的辐射。
3．如权利要求2所述的方法，其中这些线附着在物品上。
4．如权利要求2所述的方法，其中由这些线构成一个补钉，而且该补钉缀在物品上。
5．如权利要求1所述的方法，其中光活性材料包含珠状结构，以提供类似激光的辐射。
6．如权利要求1所述的方法，其中该激励源包含一个电磁源，它的辐射被光活性材料吸收，并且它有足够的能量诱发从光活性材料发出可检测到的辐射。
7．如权利要求1所述的方法，其中当光活性材料被来自激发源的光激发时，该光活性材料输出一个次生辐射，此次生辐射显著地(substantially)亮于被来自激励源的光激发时产生的辐射，从而能实现对标识编码辐射进行高信噪比的频谱分析。
8．如权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包含如下的初始校准步骤提供一个产生光的校准源；传播来自该校准源的一部分光和来自激发源的一部分光以及来自光活性材料的对来自激发源的光的响应；以及构成一个校准表，用于把指向的方向与所接收的辐射来自的方向关联起来。
9．如权利要求1所述的方法，进一步包括根据检测到的辐射对物品分类的步骤。
10．如权利要求1所述的方法，其中所检测到的辐射包含用于标识物品的至少一个特性的光学编码。
11．一种识别物品的方法，包括如下步骤提供多个自辐射物品，其中每个自辐射物品有至少一部分包括光活性材料；对于每个物品，通过检测来自光活性材料的辐射识别这至少一部分的位置；把一激发源指向识别出的位置；以来自该激发源的光照射识别出的位置内的这至少一部分；检测光活性材料响应来自激发源的光而发出的标识编码辐射；以及根据检测到的标识编码辐射识别单个物品。
12．如权利要求11所述的方法，其中自辐射物品包含生物发光和化学发光物品之一。
13．一种用于识别物品的装置，包括一个激励源，用于产生光以照射每个所述物品的至少一部分，所述至少一部分包含光活性材料；一个第一检测器，用于通过检测所述光活性材料响应来自所述激励源的光而发出的辐射，识别出所述至少一部分的位置；一个激发源，用于产生光；一个指向系统，用于把所述激发源指向所述识别出的位置，从而使来自所述激发源的光照射所述识别出的位置内的所述至少一部分；以及一个第二检测器，用于检测所述光活性材料响应所述来自激发源的光而发出的信息编码辐射。
14．如权利要求13所述的装置，其中所述激励源包含一个辐射源，它的辐射被所述光活性材料吸收，而且它有足够的能量诱发从所述光活性材料发出可检测到的次生辐射。
15．如权利要求13所述的装置，其中所述第一检测器包含一个电子摄像机。
16．如权利要求13所述的装置，其中所述激发源包括一个激光器。
17．如权利要求13所述的装置，其中所述激发源包括下列之一闪光灯泵浦的、调Q的双倍频NdYAG激光器，二极管泵浦的、调Q的双倍频NdYAG激光器，以及由其它包括NdYAG激光器和其它激光晶体的非线性器件导出的装置。
18．如权利要求13所述的装置，其中所述指向装置包括一个有至少一个自由度的射束定向装置。
19．如权利要求13所述的装置，进一步包括一个传送带用于使所述物品移动通过所述装置的视场。
20．如权利要求1所述的装置，进一步包括一个校准子系统，用于把所述第一检测器的输出与所述指向系统的控制输入关联起来。
全文摘要
公开了一种识别物品(30)的方法和装置。该方法包括如下步骤:(a)提供多个物品(30),其中每个物品(30)至少有一部分(38)包括光活性材料;(b)对于每个物品(30),用来自激励源(52)的光照射这至少一部分(38);(c)通过检测来自光活性材料的辐射(56),识别出这至少一部分(38)的位置(50);(d)把一激发源(44)指向这个识别出的位置(50);以及(e)用来自激发源(44)的光照射所识别出的位置(50)内的这至少一部分(38)。下一个步骤是检测光活性材料响应来自激发源(44)的光而发出的信息编码辐射。一个可选的步骤(g)是根据检测到的辐射(62)对物品(30)分类。
文档编号B65G47/48GK1283319SQ98812790
公开日2001年2月7日 申请日期1998年11月24日 优先权日1997年11月25日
发明者威廉·戈特索斯 申请人:光谱科学公司