CN100470577C

CN100470577C - 用于光电读取标记的成像读取器中瞄准光图案发生器

Info

Publication number: CN100470577C
Application number: CNB2005800214989A
Authority: CN
Inventors: 弗拉迪米尔·古莱维奇; 亚历山大·布雷特曼; 大卫·特希·施
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: WO2006004858A3; EP1776653B1; JP2008505403A; US20050284942A1; WO2006004858A2; EP1776653A2; EP1776653A4; JP4515502B2; CN1977275A; US7182260B2

Abstract

生成不同瞄准光图案，从而使得成像读取器能够通过采用通过成型和加工技术制造的非干涉光学元件直接指向目标。

Description

用于光电读取标记的成像读取器中瞄准光图案发生器

技术领域

本发明一般涉及图像捕获系统和方法，更特别地涉及光电成像和读取之前在光学码符号生成精确限定的瞄准光图案。

背景技术

光学码是由具有不同光反射或光发射特性、通常按照先验规则聚集的图像区域所形成的图案。术语“条码”有时被用来描述某种类型的光学码。光学码的光学特性和图案被选择以在外观上将其与它们被用于其中的背景环境区分开来。用于从光学码中识别或提取数据的设备有时被称为“光学码读取器”，条码扫描仪是其中的一个类型。光学码读取器在很多不同环境中被用在固定的或便携的装置中，诸如在商店中用于结帐业务，在制造场所用于工作流程和存货控制，在运输车辆中用于跟踪包裹管理。光学码可被用作数据输入的快速通用装置，例如，通过从很多条码的打印列表中读取目标条码。在某些用途中，光学码读取器被连接到便携数据处理设备或数据采集和传输设备。光学码读取器通常包括手持传感器，其被手动地指向目标码。

大多数传统光学扫描系统被设计来读取一维条码符号。条码是由固定或可变的宽度间隔隔开的可变宽度的矩形条的图案。条和间隔具有不同的光反射特征。一维条码的一个例子是UPC/EAN码，其被用来识别例如产品清单。二维或堆叠的条码的例子是PDF417条码。在美国专利No.5635697中公开了PDF417条码的介绍和对其解码的技术。另一传统光学码被称为“MaxiCode”。其由中央定位图案(finderpattern)或公牛眼中心(bull’s eye center)和围绕中央定位图案的六角栅格。应该注意，本专利申请中所公开的发明的多个方面可应用至光学码读取器，一般地，不局限于适于被读取的特定类型的光学码。这里所述的发明也可应用至某些关联图像识别或分析。

大多数传统扫描系统生成一个或多个激光束，其将条码符号反射回系统。系统获得对应于由沿系统一个或多个扫描线的码所反射的光的连续模拟波形。系统然后对波形解码以从条码中提取信息。例如在美国专利No.4251798中公开了这种一般类型的系统。在美国专利No.5561283中公开了用于检测和解码一维和二维条码的射束扫描系统。

如今所使用的许多扫描仪采用移动激光束。某些这样的系统被用在可以被手动地指向目标的手持单元中。通常，单个扫描仪是包括其他扫描仪、计算机、缆线、数据终端等的非常大的系统的元件。

也可通过采用也被安装在手持单元中的成像装置读取条码。例如，可采用具有对应于设备视场中图像单元或像素的单元或像素传感器的一维或二维阵列的图像传感器。这样的图像传感器可以是二维的或电荷耦合装置(CCD)和相关电路，用于为视场产生对应于像素信息二维阵列的电子信号。

因此，已知使用CCD来捕获要读取的条码符号的单色图像，如美国专利No.5703349所公开的那样。还已知使用具有多个埋入式沟道的CCD来捕获目标的全色图像，如美国专利No.4613895中所公开的那样。

虽然一般满足所需目的，但成像设备的使用受到障碍，因为操作员不能确定设备或该设备安装在其中的手持单元是否直接指向条码。与其中操作员能看到条码上的射束的移动射束扫描器不同，成像设备是无源单元且不提供对操作员的可视反馈。

为了减轻这样的问题，现有技术已经在美国专利No.6060722中提出用于成像读取器的瞄准图案发生器。该公知的发生器利用生成光干涉图案的衍射元件、全息元件、或菲涅耳(Fresnel)元件。然而，这样的干涉图案发生器具有几个限制，包括衍射功率损失和非均匀或点状图案线。

而且，视场上干涉图案的最大角展度受到每个干涉元件结构的最小尺寸的限制。例如，已知提供具有周期结构的衍射光栅，每个结构具有最小尺寸T_min。为了获得最大角展度α_max，已知T_min＝λ/sin(α_max)，其中λ是光的波长。在一个典型应用中，α_max＝20度，且λ＝0.65微米，因此T_min＝1.9微米。周期结构需要被确定尺寸为T_min的一半或0.95微米。为了实现该尺寸，通常需要光刻，然而这成本高且难以执行。对于甚至更大的角展度，该情形加剧且尺寸T_min达到实际制造极限。

还已知使用非干涉光学元件来投影瞄准线。例如，美国专利No.6069748公开了使用环形透镜(toroidal lens)来投影单个瞄准线以导引切割工具。然而，这样的技术不适用于光电读取器，特别是用于读取二维条码的成像读取器，并产生光强度分布不均匀的瞄准线。

发明内容

因此，本发明总的目的是改进通过采用成像设备所读取的光学码上瞄准图案生成。

更特别地，本发明的目的是利用单个非干涉光学元件生成多种不同形状的瞄准图案。

本发明的另一目的是使得光学元件能够被经济地制造并通过成型和加工技术而容易制造。

与上述及下面将显而易见的其它目的一致，简单地说，本发明的一个特征在于用于光电读取具有不同光反射率部分的标记、诸如一维或二维条码符号的成像读取器中的瞄准图案发生器。发生器包括具有沿某一方向隔开的多个折射结构的光学元件，每个结构具有沿该方向测量的结构尺寸T；以及包括光源、诸如激光二极管的装置，用于生成波长为λ和射束横截面具有沿该方向测量的射束尺寸D的可见的准直光束，并用于引导射束沿光轴通过用于折射的折射结构以便将瞄准光图案投影在要以相对于光轴测量的最大角α_max读取的标记上，射束尺寸D大于结构尺寸T，且结构尺寸T大于波长λ除以最大角α_max的正弦。

因此，通过使T远大于λ/sin(α_max)，消除了不期望的干涉(衍射)效应，同时消除了衍射功率损失。使T大于T就提供了瞄准图案与激光二极管的辐射分布以及与射束相对于光学元件的横向偏移的独立性。如下面所述，尺寸T是毫米量级而非微米量级的，使得光学元件以低成本制造工艺、诸如成型或三维加工，而非成本高的光刻来制造。

在优选实施例中，激光二极管生成发散激光束，且孔径光阑位于发散光束的路径上，用于为激光束形成预定横截面。部分光学元件可操作用于将预定横截面的射束光学修正为准直射束。

以所需的表面轮廓形成每个折射结构，从而获得所需的瞄准图案。例如，折射结构可具有弯曲表面，用于将瞄准光图案生成为单个瞄准线，其中沿该线在纵向地具有基本一致的光强度。每个弯曲表面可以是凸的或凹的。

作为另一例子，折射结构可具有平面表面和弯曲表面，用于生成瞄准光图案为具有线强度的单个瞄准线和位于瞄准线上具有大于线强度的斑强度的单个瞄准斑。优选地，至少一个折射结构具有侧面连接有两个弯曲表面的一个平面表面。

作为一个附加例子，折射结构可具有多个平面表面，用于生成多个瞄准斑，并优选地，至少一个折射结构具有侧面连接有两个以上倾斜的平面表面的一个平面表面。

再一例子是成组设置的折射结构，其中一组沿该方向被设置在中央行上，两个以上组沿垂直于该方向的横向方向沿各侧行设置并位于中央行的相对侧上。折射结构的中央行具有弯曲表面，用于生成瞄准线。折射结构的侧行具有弯曲表面，用于一起生成另一瞄准线。该瞄准图案包括在标记上以直角相交的两条线，从而模拟步枪领域的“交叉瞄准线”。

在本分组设置的折射结构中实现另一例子，其中一组沿该方向沿一行被设置，而其他组沿垂直于该方向的横向方向沿另一行被设置。激光二极管的射束横截面是长轴对角地跨过这两行延伸的椭圆。折射结构的两行具有弯曲表面，用于一起生成在标记上以直角相交的两条瞄准线。

作为另一例子，光学元件具有中央拉伸的平面表面，射束穿过其在标记上投影为中央瞄准斑。折射结构被设置在中央表面的相对侧处的两个侧行上，并且相对于中央表面的延长线以相对的倾斜角倾斜。一个侧行的每个折射结构具有一对平面表面，用于生成一对远离中心斑在一个方向上隔开的端部瞄准斑。另一侧行的每个折射结构具有一对平面表面，用于生成另一对远离中心斑在相反方向上隔开的端部瞄准斑。所得到的瞄准图案包括5个瞄准斑。

在优选实施例中，折射结构沿该方向周期性隔开，且每个折射结构具有抛物线曲率。光学元件由折射率为1.5左右的成型或加工的材料构成，诸如玻璃或塑料。至少一个折射结构是沿垂直于该方向的横向延伸的沟道或隆起。

附图说明

图1是按照本发明的成像读取器的一些元件的示意透视图；

图2是按照本发明一个实施例的与图1中读取器一起使用的瞄准图案发生器的示意图；

图3是其上叠加有激光束的图2中光学元件的端视图；

图4是图2中元件的表面轮廓的放大的侧视图；

图5是解释离开具有图4中所示表面轮廓的元件的射线方向的图形；

图6是类似图4的示图，但是本发明另一实施例；

图7是由图4或图6中实施例所生成的单线瞄准图案的表示；

图8是类似图4的示图，但是本发明另一实施例；

图9是解释离开具有图8中所示表面轮廓的元件的射线方向的图形；

图10是由图8的实施例所生成的包括单线和单斑的瞄准图案的表示；

图11是按照本发明另一实施例的光学元件的另一表面轮廓的代表性放大侧视图；

图12是解释离开具有图11中所示表面轮廓的元件的射线方向的图形；

图13是由图11的实施例所生成的包括三个瞄准斑的瞄准图案的表示；

图14是按照本发明另一实施例的光学元件的后透视图；

图15是其上叠加有激光束的图14中元件的端视图；

图16是由图14的实施例所生成的包括两个交叉线的瞄准图案的表示；

图17是按照本发明另一实施例的光学元件的前透视图；

图18是其上叠加有激光束的图17的元件的端视图；

图19是由图17的实施例所生成的包括两个交叉线的瞄准图案的表示；

图20是类似图18的示图，但是本发明另一实施例；

图21是图20中元件的表面轮廓的放大分解示图；

图22是由图20的实施例所生成的包括5个隔开的瞄准斑的瞄准图案的表示；

图23是本发明的一个附加实施例的透视图；

图24是图23的顶视图；和

图25是由图23-24中实施例所生成的包括两个交叉线和中央瞄准斑的瞄准图案的表示。

具体实施方式

现参看附图，图1示出图像传感器阵列12，其可操作地用于将入射光转换为电信号以处理成图像。在美国专利No.5965875中公开了一种合适的阵列，该专利的内容包括在此以供参考。

在操作中，视场14由图像传感器阵列12成像。更特别地，来自视场中目标(未示出)的光穿过成像透镜16，成像透镜将光聚焦到阵列的表面上。每个都具有一个或多个光敏元件的单元或像素传感器的阵列为目标图像产生对应于像素信息二维阵列的电子信号。

为了将阵列12瞄准目标，提供瞄准系统。系统包括激光二极管18、光学元件20、和孔径光阑，从图2-3中可更清楚地看到。激光二极管18生成波长为λ的激光束。从图2中可最清楚地看到，激光束发散，直到其穿过孔径光阑22，其中射束在孔径光阑22中被光学修正以具有预定的横截面。从而，在穿过光学元件的后部分之前，激光束穿过光学元件20的前透镜部分，在其中，射束被聚焦和准直。如下面所述，后部分被配置以光学修正穿过其中的射束从而在目标上生成可见的瞄准光图案，从而帮助操作员将阵列12瞄准在目标上。

现参看图2-3，元件20的后部分由多个折射结构形成，例如沿一个方向平行设置的拉伸的折射结构24、26、28，用于分别折射沿上射线和下射线24a、24b；26a、26b；和28a、28b的射束。每个结构沿该方向具有结构尺寸T。尽管结构尺寸T被显示为对于所有结构是相同的，但不是必须这样。由每个结构的射线跟踪所产生的上下射线以角度2α被角扩展分开，其中α是相对光轴30测量的。

射束的横截面具有射束尺寸D，如图所示，其大于尺寸T，且在该例子中等于所有3个折射结构24、26、28的结构尺寸的和。选择尺寸T以比λ除以α的正弦大的多，从而最小化任何干涉效应。为了获得视场的最大角展度α_max，结构尺寸被最小化并被表示为T_min。

如图4所示，每个结构具有弯曲的表面轮廓，优选为抛物线，使得每个这样的轮廓可被表达为抛物线方程Z＝Y²/2R，其中R是局部曲率半径。图5是相应的曲线，其描绘局部倾斜或射线折射方向。特别地，相对于结构沿其设置的方向Y绘出α的正切。

按照Snell的折射定律，tanα近似等于

(dZ/dY)(n-1)＝Y(n-1)/R，

其中n等于折射率。最大射线方向α_max近似等于atan[T_min(n-1)/2R]。见看到，tanα随射线方向线性地改变，且因此对于目标上的瞄准光图案，从元件所投影的光形成单个可见瞄准线34，其中光强度分布在其长度上基本是均匀的，如图7所示。

例如，假定光学元件的前部分具有3.5毫米的焦距，并对以约25度到40度的角度发散的来自二极管的激光束进行准直，从而在元件的后部分处形成射束尺寸D约为1.5-2.4毫米、光强度为50％的射束斑。如果选择结构尺寸T为约0.5毫米，且如果折射率约为1.5，则实现了角展度2α等于约30度的瞄准图案。局部曲率半径R近似等于T(n-1)/2tanα_max＝0.47毫米。每个表面轮廓的深度为ΔZ＝T²/8R＝0.067毫米。每个折射结构的毫米尺寸很容易通过加工或成型而被制造，且光学元件有利地由玻璃或塑料形成。

在其中难以整洁地制造尖锐的顶点、诸如图4中的尖点的情况下，对于结构26’，可以通过颠倒中央凹槽26的弯曲以获得如图6所示的凹轮廓而消除这些尖锐角。具有图6中正弦轮廓的结构元件也将产生图7中所示的均匀强度的单线图案。

图8类似于图4，除了每个折射结构被配置以具有中央平面表面T₁，并在相对侧处侧面连接弯曲的抛物线表面。弯曲的表面可被表达为Z＝(Y+0.5T₁)²/2R。tanα在图9中被绘出，且近似等于(dZ/dY)(n-1)。穿过中央平面表面(其中α＝0)的光不被倾斜，而直线穿过从而生成具有斑强度的中央瞄准斑36。进入中央斑的能量的量由平面表面的相对长度T₁控制。弯曲表面产生一致光强度的单瞄准线38，其中光斑叠加在该瞄准线上。光斑具有比线38高的强度，并用于标记成像视场的中央。

图11类似于图8，除了仅示出一个折射结构的轮廓，且其具有三个平面表面40、42、44，其中外平面表面42、44相对于中央平面表面40倾斜。图12绘出tanα，且可以观察到，穿过每个平面表面(其中α＝0)的光未偏转地穿过，从而得到图13的瞄准图案的三个瞄准斑46、48、50。中央斑46标记视场中央，且端部斑48、50标记视场边缘。每个斑中能量的量取决于平面表面40、42、44的相对长度。

图14描绘从后透视图中看到的光学元件的另一实施例。前部分被配置作为凸透镜52，且多组折射结构在后部54处被示出。具有射束尺寸D的椭圆射束横截面56叠加在结构上。一组沿中央行58设置，并且中央行58的结构被配置有图6的正弦轮廓，从而投影图16所示的瞄准线60。两个以上组沿分别垂直于中央行58的顶部行62和底部行64设置。顶部行和底部行的结构每个都被配置有图6的正弦轮廓，从而投影与线60交叉以形成图16中交叉瞄准线图案的瞄准线66。

例如，如果光学元件具有2.5毫米的外径，则中央行可占据约0.7毫米的区域，且顶部和底部区域分别可占据约0.9毫米的区域。为了确定中央行中每个结构的结构尺寸T，平行于二极管结的激光束斑56的发散角被考虑，且对应于50％强度水平时约0.4毫米到0.7毫米的射束尺寸D。结构尺寸T达到约0.4毫米。顶部和底部行的结构尺寸通常都达到约0.5毫米。

图17描绘类似于图14的光学元件20的另一实施例，但仅具有两个组，且每个组具有如图4所示配置的折射结构。一个组沿行68延伸并占据元件后部分54的约一半，而另一组沿垂直于行68的行70延伸并占据后部分54的另一半。

如果设置椭圆射束横截面72使得其长轴对角地跨过两个行68、70，如图18所示，这是特别期望的。这可通过转动激光二极管或光学元件20而实现。折射结构的行68生成瞄准线74，且折射结构的行70生成以直角与线74交叉并产生图19的交叉瞄准线图案的另一瞄准线76。

在图20的端视图中示出光学元件的再一实施例，其中后部分被分成三个区，即具有中央平面表面78的中央区、和一对具有多个折射结构的端部区，其中每个折射结构都具有一对沿线性棱84彼此相会的平面表面80、82，如图21所示，线性棱相对于中央表面78的延长线以相对的倾斜角倾斜。

穿过中央平面表面78的光被投影到标记上作为中央瞄准斑86。如果在中央区域处配置周期性结构，则中央斑将被拉伸。穿过一个端部区域的光被平面表面80、82投影到标记上作为一对端部瞄准斑88、90，而穿过另一端部区域的光被平面表面80、82投影到标记上作为另一对端部瞄准斑92、94，从而形成图22的瞄准图案作为标记视场的中央和四个角的5个瞄准斑。如果希望20度乘30度的视场，则每个端部区域被提供18度的表面倾斜，使得18度乘以(n-1)等于36度，其中n＝1.5。

图23-24中描绘了光学元件的另一实施例，其可操作地用于生成图25的瞄准图案中的一对交叉线96、98，其进一步特征为明亮的中央斑100，且目前被视为本发明的优选实施例。图23-24的实施例具有包括多个折射结构104的中央区域102，可操作地用于生成瞄准图案中的垂直线96；一对具有多个折射结构114的侧边区域106、108，可操作地用于生成瞄准图案中的水平线98的左半和右半部分；和一对扁平端部区域110、112，可操作地用于生成中央斑100，优选具有大于线96、98的强度的强度。

当然其它的构型也是可能的。结构优选是周期性的，并且如前面提到的那样，每个结构的结构尺寸T不必对于一个光学元件上的所有结构都相同。

虽然光学元件已经被描述为具有集成的前部分或准直透镜，但是准直也可由远离反射结构的独立光学元件执行。光学元件优选具有内置的球面像差校正，且其表面轮廓可以由函数Z＝aR⁴表达，其中Z是表面垂度(sag)，a是球面像差系数，R是垂直于光轴的径向横向坐标(radial lateral coordinate)。

对于每个实施例，射束斑的横向平移不改变瞄准图案中的强度分布。因此，与输入射束的位置误差由于折射结构的重复特征而可容忍。

如上面所述，上述瞄准图案中线上的强度分布优选是均匀的，但不必总是这样。有时希望强度分布不均匀。例如，如果与线的中心比较，希望更大强度到线的端部，则对于每个结构，正弦弯曲比抛物线弯曲有利。强度分布随折射结构的表面轮廓的二阶导数而反向地改变。

在所附的权利要求中给出了所要求保护和期望由专利保护的内容。

Claims

1.一种用于光电读取具有不同光反射率部分的标记的成像读取器中的瞄准图案发生器，其中所述成像读取器具有激光二极管(18)，用于生成发散激光束，所述瞄准图案发生器包括：

光学元件(20)，具有：

前透镜部分，用于将所述发散激光束光学地修正为波长为λ并且射束横截面具有射束尺寸D的可见准直激光束，和

以多个折射结构(24，26，28)形成的后部分，其中每个所述折射结构(24，26，28)具有结构尺寸T，其中所述准直激光束被沿光轴(30)引导穿过所述折射结构(24，26，28)，以便折射，从而将瞄准光图案投影在要以相对于所述光轴(30)所测量的最大角α_max读取的标记上，其中所述射束尺寸D大于所述结构尺寸T，且所述结构尺寸T大于所述波长λ除以所述最大角α_max的正弦。

2.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中包括在所述发散激光束路径上的孔径光阑(22)。

3.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述折射结构(24，26，28)具有弯曲表面，用于生成所述瞄准光图案为单个瞄准线(34)，并且沿所述单个瞄准线(34)具有均匀的光强度。

4.如权利要求3所述的瞄准图案发生器，其中每个弯曲表面具有凸曲率和凹曲率之一。

5.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述折射结构(24，26，28)具有平面表面和弯曲表面，用于生成所述瞄准光图案为具有线强度的单个瞄准线(38)、和在所述瞄准线(38)上的斑强度大于所述线强度的单个瞄准斑(36)。

6.如权利要求5所述的瞄准图案发生器，其中至少一个所述折射结构(24，26，28)具有侧面连接有两个所述弯曲表面的一个所述平面表面(T1)。

7.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述折射结构(24，26，28)具有多个平面表面(40，42，44)，用于生成多个瞄准斑(46，48，50)。

8.如权利要求7所述的瞄准图案发生器，其中一个所述平面表面是中央平面表面(40)，另外两个所述平面表面(42，44)相对于所述中央平面表面(40)倾斜。

9.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述折射结构(24，26，28)被成组设置，其中一组设置在中央行(58)上，另外两组沿垂直于所述中央行(58)的相应侧行(62，64)设置并位于所述中央行(58)的相对两侧，所述折射结构的中央行(58)具有弯曲表面，用于生成瞄准线(60)，且所述折射结构的侧行(62，64)具有弯曲表面，用于一起生成另一瞄准线(66)，所述瞄准图案包括在所述标记上直角交叉的这两条瞄准线(60，66)。

10.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述折射结构被成组设置，其中一组沿一个行(68)设置，另一组沿垂直于所述一个行(68)的另一行(70)设置；且其中所述射束横截面是长轴对角延伸跨过这两个行(68，70)的椭圆；且其中折射结构的这两个行(68，70)具有弯曲表面，用于一起生成在所述标记上以直角交叉的两条瞄准线(74，76)。

11.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述光学元件(20)具有中央拉伸的平面表面(78)，准直激光束通过所述中央拉伸的平面表面(78)在所述标记上投影为中央瞄准斑(86)，且其中所述折射结构(24，26，28)被设置在中央表面的相对两侧处的两个侧行上，并相对于所述中央拉伸的平面表面(78)的延长线以相对的倾斜角倾斜，且其中一个所述侧行的每个折射结构具有一对平面表面(80，82)，用于生成一对远离所述中央瞄准斑(86)的端部瞄准斑(89，94)，另一个所述侧行的每个折射结构具有一对平面表面(80，82)，用于生成另一对远离所述中央瞄准斑(86)的端部瞄准斑(90，92)，所述瞄准图案包括5个瞄准斑(86，88，90，92，94)。

12.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述折射结构(24，26，28)被周期地隔开，每个折射结构具有抛物线曲率。

13.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中所述光学元件(20)由折射率为1.5的成型材料构成。

14.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中至少一个所述折射结构(24，26，28)是沟道。

15.如权利要求1所述的瞄准图案发生器，其中至少一个所述折射结构(24，26，28)是隆起。