专利名称：为成像读取器产生均匀分布的照明图案的配置和方法
为成像读取器产生均匀分布的照明图案的配置和方法关联技术的描述固态成像系统或成像读取器已以手持和/或免提两种操作模式应用于光电读取对象，所述光电读取对象例如是一维条形码标志，尤其是沿某一扫描方向具有一排长条和彼此隔开的间隔的通用产品码(UPC)标志，以及二维标志，例如在单个标志中具有多个垂直层叠的多排长条和间隔图案的Code49标志，如美国专利No. 4，794，239中描述的那样。手持式成像读取器包括具有由操作者手持的手柄的外壳以及由外壳支承并在读取期间由操作者瞄准标志的成像模块。成像模块包括带光电元件或光传感器(这些光电元件或光传感器对应于成像器的视场中的成像元件或像素)的传感器阵列的固态成像器以及用于捕获沿成像轴从正被成像的标志散射和/或反射的返程光并将返程光投射到传感器阵列上以发起对标志图像的捕获的透镜组件。该成像器可包括一维或二维电荷耦合器件(CXD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件以及产生和处理与视场内的一维或二维像素·数据阵列对应的电信号的关联电路。因此已知的是使用例如美国专利No. 5，703, 349中披露的成像器来捕获标志的单色图像。另外已知使用例如美国专利No. 4，613，895中披露的具有多个掩埋通道的成像器以捕获标志的全色图像。常见地提供具有在VGA监视器中常见的640X480分辨率的二维CCD，尽管其它分辨率大小也是可行的。为了增加由传感器阵列捕获的返程光的量，尤其是在昏暗光环境和/或远距离读取的情形下，成像模块通常还包括照明光组件，用于通过照明光照射标志以从中反射和散射。当传感器阵列是一维(即线性)的或者是具有合成视场的二维的时，照明光优选地沿短高度分布，即分布式照明图案，它也被称为照明或扫描线，其沿标志纵向地延伸。分布式照明图案通常是使用单光源形成的，例如尺寸在毫米级别的发光二极管(LED)以及单个柱面透镜。尽管就其意图目的来说一般是令人满意的，但单个LED和单个柱面透镜的使用已存在问题，因为分布式照明图案通常具有比所要求高度更高的高度，不具有尖锐边缘，受光学像差影响，并且由于光强度沿LED位于其中心的光轴是最亮的然后随着远离光轴逐渐减弱，尤其在分布式照明图案的相对端区域，因此强度不均匀。另外，LED和柱形透镜之间的耦合效率已很差劣。在LED和柱形透镜之间增设孔径光阑(aperture stop)将提高分布式照明图案的锐度(即缩短高度)，但却是以较差的耦合效率和更昏暗的分布的照明图案为代价的，这当然使读取性能劣化。为了更亮的分布式照明图案，可采用一对隔开的LED和一对柱形透镜。然而，这进一步增加了成本，引入更多的光学像差，并进一步降低了耦合效率。另外，由一对LED射出的照明光在分布式照明图案的中央区域处重叠，由此在分布式照明图案中产生明亮的“热”点以及突然的光强度变换，所有这些因素会造成读取性能劣化。已知的成像系统紧靠地设置在读取器外壳窗附近，照明光和返程光通过该窗。因此，成像透镜组件的视场相对较宽以可靠地读取相对于窗位于近距工作距离的标志。这进而降低了相对于窗处于远距工作距离的分辨率，并还将照明扩展至更宽的区域，由此降低其强度并再次降低了读取性能。为了良好的人机工程学，外壳的手柄有益地向后倾斜，例如相对于垂直方向倾斜大约15°。照明光组件可有益地安装在印刷电路板(PCB)上，该印刷电路板(PCB)被安装在倾斜的手柄内并因此也相对于垂直方向倾斜。因此，由倾斜PCB的板载LED发出的照明光需要被重定向并与成像透镜的总体水平成像轴对准。已知的成像读取器通过将其中的手柄和PCB配置成严格垂直而确保这种对准，但这导致具有差劣的人机工程学设计的外壳，这会增加操作者的疲劳感并降低生产力。发明概述简言之，本发明的一个特征在于，在将由图像捕获所读取的标志上并沿该标志产生基本均匀分布的照明光图案的配置。这种配置包括一成像系统，该成像系统具有带图像传感器(例如CCD或CMOS)阵列的固态成像器以及用于捕获视场内沿成像轴来自标志的的返程光并将该捕获的返程光投射到阵列上的成像透镜组件。该阵列是一维(即线性)阵列 或者是具有合成视场的二维阵列。成像系统的视场一般垂直于成像轴，并基本与标志上并沿标志的分布式照明光图案匹配。成像透镜组件优选地包括多个成像透镜，优选地是双合或库克三合的，这些透镜沿成像轴隔开或者彼此紧密相邻。这种配置进一步包括照明光组件，该照明光组件具有照明光源，用于射出相对于成像轴呈锐倾角的照明光；以及光学器件，该光学器件包括第一透镜部分和第二透镜部分，该第一透镜部分用于拦截、弯折和对准射出的照明光以沿基本垂直于成像透镜的扫描方向沿标志产生基本均匀分布的照明光图案，该第二透镜部分用于在与扫描方向大致垂直的横断方向上校准对准的照明光以在标志上产生基本均匀分布的照明光图案。有益地，光学器件可包括关于与成像轴不重合的光轴对称的全尺寸透镜的低半部。光源包括至少一个发光二极管(LED)，且优选地是多个LED，例如沿标志纵长的扫描方向隔开的一对LED。孔径光阑被定位在每个LED和光学器件之间,优选地紧邻于LED,用以限制入射到光学器件上的射出的照明光的垂直范围和高度，并进而限制分布式照明图案沿横断方向的垂直高度。LED和阵列优选地被表面安装在相对于成像轴以锐倾角倾斜的印刷电路板(PCB)上。在优选实施例中，倾斜的PCB被安装在人机工程学成像读取器的倾斜手柄中，所述成像读取器通过图像捕获来光电地读取标志。读取器具有窗，返程光和光的分布的照明图案通过该窗。窗可相对于成像轴倾斜以避免射出的照明光的反射到达成像透镜组件。成像透镜组件被定位成远离窗，例如在40毫米之外。从每个LED射出的照明光在分布式照明图案的中央区域重叠。因此，为了降低中央区域的光强度，第一透镜部分被配有入射多项式表面，另外可用以光学地修正照明光以使其沿扫描方向在直线上摆放。第二透镜部分配有出口超环面或柱形非球面表面，用以向标志投射通过孔径光阑的有限垂直高度的照明光以及用于将对准的照明光校准到标志上。光学器件可以是沿多个LED之间的扫描方向延伸的单式透镜，或一对分立透镜，对于每个LED具有一个分立透镜，每个透镜配有第一透镜部分和第二透镜部分。根据本发明，光学器件在标志上和沿标志形成分布式照明图案，该照明图案具有不受光学像差或突然的强度变化影响的均匀强度。光源和光学器件之间的耦合效率大为提高，由此增加了光吞吐量，增进了读取性能，并改善分布式发光图案的可见性。读取器人机工程学得以改善。
本发明的另一特征在于，在将由图像捕获所读取的标志上并沿该标志产生基本均匀分布的照明光图案的方法。该方法是通过下列步骤实现的捕获视场内沿成像轴来自标志的返程光并将该捕获的返程光投射到固态成像器上；射出相对于成像轴呈锐倾角的照明光；用光学器件的第一透镜部分拦截、弯折和对准射出的照明光，并用光学器件的第二透镜部分校准对准的照明光以在标志上并沿该标志产生基本均匀分布的照明光图案。本发明相信具有新颖性的特征在所附权利要求中具体陈述。然而，本发明本身不管是其结构还是其操作方法及其额外的目的和优势当结合附图
阅读具体实施例时将从下文描述中得到最好的理解。附图简述图I是根据本发明的便携式成像读取器的侧视图，该便携式成像读取器用以在拟通过图像捕获读取的对象或标志上并沿该对象或标志产生基本均匀分布的照明光图案；
图2是图I的读取器的各个组件的示意图。图3是包含图2的照明光组件的图I读取器的各个组件的分解立体图；图4是图3的组件的组合立体图；图5是描绘图4的照明光组件的操作的经剖视的放大侧视图；图6是成像透镜组件的经剖视的放大截面图；图7是照明光组件的光学器件的一个实施例的立体图；以及图8是照明光组件的光学器件的另一实施例的立体图。优选实施例的详细描述图I中的附图标记30—般地标识人机工程学成像读取器，该成像读取器被配置为手枪形外壳，所述手枪形外壳具有上桶状物或本体32以及下手柄28，下手柄28远离本体32以一倾角向后倾斜,该倾角例如相对于垂直方向为15°。窗26位于本体前端或鼻端附近并优选地也以一倾角倾斜，该倾角例如相对于垂直方向为15°，如图5中最佳示出的那样。成像读取器30被握持在操作者的手中并用于手持模式，在手持模式中，手动地压下扳机34以发起对象标记(尤其是一维标志)的成像，以在相对于窗26的一工作距离范围内被读取。也可采用其它结构的外壳。如图2中示意地示出那样，成像系统或模块包括安装在读取器30中的印刷电路板(PCB) 22上的成像器24。PCB 22被安装在倾斜的手柄28内，并如图5中最佳示出的那样同样以一倾角倾斜，例如相对于垂直方向15°。成像器24是固态器件,例如具有以单个直线行排列的一维可寻址图像传感器或像素阵列或者以互相正交的行和列排列的二维可寻址图像传感器阵列的CCD或CMOS成像器，所述成像器24优选地具有合成视场并用以检测由成像透镜组件20捕获的沿成像轴46通过窗26的返程光。返程光是从视场内的对象或标志38散射和/或反射的。视场一般垂直于成像轴46。成像透镜组件20是成像系统的一部分并用以将返程光聚焦到图像传感器的阵列上以允许标志38被读取。下面将描述成像透镜组件20的细节，如图6中最佳看到的那样。标志38可位于近距工作距离(WDl)和远距工作距离(WD2)之间的工作距离范围内的任何位置处。在优选实施例中，WDl离窗26大约1/2英寸，而WD2离窗26大约30英寸。成像透镜组件20位于窗26的远处，例如在40毫米之外。照明光组件也被安装在成像读取器中并包括照明光源，例如至少一个发光二极管(LED),并优选为多个LED,例如一对LED 10、12 ;以及光学器件,该光学器件被配置成在拟通过图像捕获读取的标志38上并沿标志38产生基本均匀分布的照明光图案。至少一部分散射和/或反射的返程光源自在标志38上并沿着标志38的照明光图案。光学器件可包括全尺寸透镜的下半部(在图5中用虚线绘出)，它是关于光轴56对称的。光学器件可以是如图7所示的单式透镜，或如图8所示的一对透镜16、18。下面将描述照明光组件的细节，如图3-5中最佳看到的那样。窗26是倾斜的以避免来自LED 10、12的照明光的反射到达成像透镜组件20。如图2所示，成像器24和LED 10,12可操作地连接于控制器或微处理器36，控制器或微处理器36用以控制这些组件的操作。存储器14连接于控制器36并可由控制器36访问。优选地，微处理器就是用来处理来自对象标志38的返程光并用于对捕获的对象图像进行解码的微处理器。在操作中，微处理器36发送命令信号以在很短的曝光时间段(也就是500微秒或更短时间)内对LED 10、12供能，并对成像器24供能和曝光以仅在所述曝光时间段内从对象标志38采集返程光，例如照明光和/或环境光。典型的阵列需要大约18-33毫秒来获取 整个对象图像并在每秒大约30-60帧的帧速率下工作。现在转向图3_5，LED 10、12和成像器24各自被表面安装在倾斜的PCB 22上。表面安装省去了带状电缆以及独立PCB和连接器的使用。LED10、12被安装在比成像器24更高的高度处并位于成像器24的相对两侧处。LED 10、12沿标志38的扫描方向纵长隔开。当被供能时，每个LED 10、12基本上朝着光学器件16、18相对于大致水平的成像轴46呈锐倾角地向下发出照明光束。孔径光阑40位于每个LED前面的光轴56上，优选地紧密靠近相应的LED，以便限制射出的照明光束入射到光学器件16、18上的垂直范围或高度。LED 10、12被容纳在由罩盖44覆盖的壳体42中。光学器件16、18被支承在壳体42的前面。光学器件16、18对每个孔径光阑40成像并包括第一透镜部分48，用于拦截、弯折和对准射出的照明光束以沿基本垂直于成像轴46的扫描方向产生基本均匀分布的照明光图案；以及第二透镜部分50，用于沿与扫描方向基本垂直的横断方向垂直地校准对准的照明光束。从LED射出的照明光束在分布式照明图案的中央区域重叠。第一透镜部分48配有入射多项式表面52，用于减小中央区域内的重叠光束的光强度，以及用于将分布式照明图案形成为沿扫描方向的大致笔直的线。第二透镜部分50配有出口超环面或柱形非球面表面54，用于向标志38投射通过孔径光阑40的有限垂直高度的照明光以及用于在标志38上并沿着标志38校准对准的照明光。光学器件16、18可以是沿LED 10,12之间的扫描方向延伸的单式透镜(见图7)。替代地，光学器件包括一对透镜16、18 (见图8)，每个LED具有一个透镜，每个透镜16、18各自具有第一和第二透镜部分48、50并各自配有入射多项式表面52和出口超环面或柱形表面54。每个多项式表面52在中央区域形成具有较低强度光的非对称光强度图案；因此，当两个光束的较低强度光在中央区域重叠时，它们倾向于遍及整个工作距离范围地匹配分布图案的相对端区域处的光强度。如图6所示，成像透镜组件20包括多个成像透镜58、60、62，优选地配置成双合(doublet)或库克三合(Cooke triplet)的、沿成像轴46隔开的、或彼此紧密靠近的并安装在保持架64中。中央透镜60具有负屈光(negative power)。三合结构补偿了光学像差。回到图5，孔径光阑40的中心位于或基本平行并靠近于光轴56，以使离开光学器件16、18的外出照明光线基本平行于光轴56。中心轴70被定义为光学器件16、18的几何中心，并要么与成像轴46共线要么基本平行并接近于成像轴46。中心轴70也基本平行于光轴56,但在垂直方向上与光轴56不重合。在一些实施例中，可能期望孔径光阑40的中心对于光轴56不居中或倾斜，由此外出照明光线以相对于中心轴70的一倾角定向。本发明的配置比现有技术配置浪费了较少的照明，并将照明视场与成像系统的视场更好地匹配。本发明允许采用较低分辨率的成像器，但不牺牲远距工作距离的可靠性。要理解，前述要素中的每一个、或这些要素中的两个或更多个，可在与前述类型结构不同的其它类型结构中找到有益的应用场合。例如，光学器件可由透镜和光楔来代替。尽管本发明已被解说和描述为在由成像读取器通过图像捕获读取的标志上并沿着该标志产生基本均匀分布的照明光图案的配置或模块以及方法，然而要理解本发明不仅限于所示的细节，因为可作出各种修正和结构变化而无论如何不脱离本发明的精神。无需进一步的分析，前面的内容已然如此完整地披露了本发明的要旨以至于其他 人能运用现有的知识针对各种应用场合轻易地对其作出改变而不会忽略一些特征，这些特征从现有技术的立场来看相当好地构成本发明的一般或具体方面的必要特征，并因此这些改变应当和意图在下面权利要求书的等效物的含义和范围内得以理解。在所附权利要求书中阐述了要求保护什么样的新内容并要求受字面专利保护。
权利要求
1.一种在将由图像捕获读取的标志上并沿着该标志产生基本均匀分布的照明光图案的配置，包括 成像系统，所述成像系统包括带图像传感器阵列的固态成像器以及用于捕获视场内沿成像轴来自标志的返程光并将所述捕获的返程光投射到所述阵列上的成像透镜组件；以及 照明光组件，所述照明光组件包括用于相对于所述成像轴以锐倾角射出照明光的照明光源；以及光学器件，所述光学器件包括第一透镜部分以及第二透镜部分，所述第一透镜部分用于拦截、弯折和对准所述射出的照明光以在沿所述标志的扫描方向上产生所述图案，所述第二透镜部分用于校准对准的照明光以在基本垂直于所述扫描方向的横断方向上产生所述图案。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述光学器件具有中心轴，以及具有位于光轴上的中心的孔径光阑，所述光轴沿横断方向与所述中心轴不重合并且基本平行于所述中心轴。
3.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述光学器件具有中心轴，以及具有相对于所述光轴定位的中心的孔径光阑，由此所述射出的照明光以相对于所述中心轴的所述倾角定向。
4.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述光源包括至少一个发光二极管(LED)，以及所述LED和所述光学器件之间的孔径光阑，所述孔径光阑用于限制入射到所述光学器件上的所述射出的照明光在所述横断方向上的横向尺寸。
5.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述光源包括安装在印刷电路板(PCB)上的一对发光二极管(LED)表面，所述印刷电路板(PCB)以相对于成像轴的所述锐倾角倾斜，并且其中所述成像器也被表面安装在所述PCB上。
6.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述光源包括沿所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED)，其中来自每个LED的所述射出的照明光在分布式照明图案的中央区域内重叠，并且其中所述第一透镜部分具有入射多项式表面，用于减少中央区域内的光强度以及用于形成分布的照明图案以沿所述扫描方向线性地摆放。
7.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述第二透镜部分具有校准所述对准的照明光的出口超环面或柱形非球面表面。
8.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述光源包括沿所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED),并且其中所述光学器件是沿所述LED之间的扫描方向延伸的单式透镜。
9.如权利要求I所述的配置，其特征在于，所述光源包括沿所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED)，并且其中所述光学器件包括一对透镜，每个LED对应一个透镜，每个透镜具有第一透镜部分和第二透镜部分。
10.一种通过图像捕获光电地读取标志的成像读取器，包括 外壳，所述外壳具有相对于垂直方向以锐倾角倾斜的人机工程学手柄； 印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板(PCB)安装在所述手柄中并以所述锐倾角倾斜；以及 由所述外壳支承的成像模块，所述模块包括成像系统，所述成像系统包括具有安装在PCB上的图像传感器阵列的固态成像器，以及成像透镜组件，其用于捕获视场内沿成像轴来自所述标志的返程光以及用于将所述捕获的返程光投射到所述阵列上；以及照明光组件，所述照明光组件包括安装在所述PCB上的照明光源以及光学器件，所述照明光源用于以相对于所述成像轴的所述锐倾角射出照明光，所述光学器件包括第一透镜部分和第二透镜部分，所述第一透镜部分用于拦截、弯折和对准所述射出的照明光以沿所述标志的扫描方向产生所述图案，所述第二透镜部分用于校准所述对准的照明光以沿基本垂直于所述扫描方向的横断方向产生所述图案。
11.如权利要求10所述的读取器，其特征在于，所述光源包括沿所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED)，其中来自每个LED的射出的照明光在分布式照明图案的中央区域内重叠，其中所述第一透镜部分具有入射多项式表面，用于减少中央区域内的光强度以及用于形成分布式照明图案以沿所述扫描方向线性地摆放，并且其中所述第二透镜部分具有出口超环面或柱形非球面表面，用于校准所述对准的照明光。
12.如权利要求10所述的读取器，其特征在于，所述外壳具有所述返程光和分布式照明光图案从中经过的窗，并且其中所述成像透镜组件远离所述窗定位。
13.一种在将由图像捕获读取的标志上产生基本均匀分布的照明光图案的方法，包括下列步骤 捕获视场内沿成像轴来自所述标志的返程光，并将所述捕获的返程光投射到固态成像器上； 以相对于所述成像轴的锐倾角射出照明光； 通过光学器件的第一透镜部分拦截、弯折和对准所述射出的照明光以沿所述标志的扫描方向产生所述图案；以及 校准所述对准的照明光以沿着与所述扫描方向基本垂直的横断方向产生所述图案。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，提供带中心轴的光学器件，并将孔径光阑定位成中心位于光轴上，所述光轴沿横断方向与所述中心轴不重合并与所述中心轴基本平行。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述射出步骤是通过至少一个发光二极管(LED)执行的，并且通过将孔径光阑定位在所述LED和所述光学器件之间来限制由所述光学器件拦截的射出的照明光的横向尺寸。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述射出步骤是通过一对发光二极管(LED)执行的，并且将所述LED和所述成像器表面安装在印刷电路板(PCB)上，所述印刷电路板(PCB)以相对于成像轴的所述锐倾角倾斜。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述射出步骤是通过沿所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED)执行的,其中来自每个LED的射出的照明光在分布式照明图案的中央区域内重叠，并且将所述第一透镜部分配置成具有入射多项式表面，用于减少中央区域内的光强度并形成分布式照明图案以沿所述扫描方向线性地摆放。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述第二透镜部分配置成具有出口超环面或柱形非球面表面，用于校准所述对准的照明光。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述射出步骤是通过所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED)执行的，并且将所述光学器件配置成沿所述LED之间的扫描方向延伸的单式透镜。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述射出步骤是通过沿所述标志的扫描方向纵长隔开的一对发光二极管(LED)执行的，并且将所述光学器件配置成一对透镜，每个LED对应一个透镜，每个透镜配置有第一透镜部分和第二透镜部分。
全文摘要
在拟通过图像捕获读取的标志上并沿该标志形成基本均匀分布的照明光图案。固态成像器被安装在符合人机工程学的倾斜手柄中的倾斜印刷电路板上。成像透镜组件捕获视场内沿成像轴来自标志的返程光，并将捕获的返程光投射到成像器上。照明光源被安装在印刷电路板上，从而以相对于成像轴的一锐倾角射出照明光。光学器件包括具有多项式入射表面的第一透镜部分以及第二透镜部分，该第一透镜部分用于将射出的照明光拦截、弯折和对准以沿标志的扫描方向产生图案，该第二透镜部分用于校准对准的照明光以沿横断方向产生图案。
文档编号G06K7/10GK102918543SQ201080067073
公开日2013年2月6日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年6月2日
发明者R·刘, E·巴坎, M·德兹玛拉, I·维诺格德夫 申请人:讯宝科技公司