ES2820451T3

ES2820451T3 - Lector de código de barras de obtención de imagen con diodo emisor de luz para generar un campo de visión

Info

Publication number: ES2820451T3
Application number: ES08855347T
Authority: ES
Inventors: Rong Liu; Ming Yu
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: US20090140050A1; PL2215584T3; EP2215584B1; US7967210B2; EP2215584A1; EP2215584A4; WO2009070444A1

Abstract

Lector de código de barras (10) para obtener una imagen de un objetivo, que comprende: un sistema de obtención de imagen, que incluye una matriz de píxeles de control de la luz para convertir la luz reflejada desde un objetivo (15) en señales eléctricas; un sistema óptico, que tiene una o varias lentes de enfoque posicionadas con respecto a la matriz de píxeles para transmitir una imagen de un objeto objetivo hacia dicha matriz de píxeles; un sistema de iluminación (51), que comprende una fuente de luz (152) para iluminar el objetivo dentro de un campo de visión definido por el sistema óptico; una lente (140), que tiene una primera superficie curva (S1) orientada hacia la fuente de luz (152) y una segunda superficie curva (S2) orientada hacia el objetivo, para curvar la luz emitida por la fuente de luz (152) para iluminar más uniformemente el objetivo dentro del campo de visión del lector de código de barras; caracterizado por que las superficies (S1, S2) curvan la luz dirigida radialmente emitida por la fuente de luz (152) para proporcionar una intensidad uniforme sobre una zona de interés rectangular, posiblemente cuadrada, dentro del campo de visión; una de una primera curva de la primera superficie (S1) de la lente (140) y una segunda curva de la segunda superficie (S2) de la lente (140) está definida por un polinomio rotacionalmente simétrico alrededor de una línea central de la lente que corta la fuente de luz (152), y la otra de la primera curva de la primera superficie (S1) de la lente (140) y la segunda curva de la segunda superficie (S2) de la lente (140) está definida por un polinomio no rotacionalmente simétrico alrededor de una línea central de la lente que corta la fuente de luz (152).

Description

DESCRIPCIÓN

Lector de código de barras de obtención de imagen con diodo emisor de luz para generar un campo de visión SECTOR DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un lector de código de barras basado en obtención de imagen que tiene un sistema de iluminación del campo de visión que incluye un diodo emisor de luz.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Se han desarrollado diversos sistemas electroópticos para leer marcas ópticas, tales como códigos de barras. Un código de barras es un patrón codificado de marcas gráficas compuesto por una matriz o una serie de barras y espacios de diferentes anchuras, teniendo las barras y los espacios diferentes características de reflexión de la luz. Los sistemas que leen y descodifican códigos de barras que emplean sistemas de obtención de imagen basados en CMOS o CCD se denominan habitualmente lectores de código de barras basados en obtención de imagen o escáneres de códigos de barras.

Los sistemas de obtención de imagen incluyen matrices de CCD, matrices de CMOS u otras matrices de píxeles de obtención de imagen que tienen una pluralidad de elementos o píxeles fotosensibles. La luz reflejada desde una imagen objetivo, por ejemplo, un código de barras objetivo es enfocada a través de una lente del sistema de obtención de imagen sobre la matriz de píxeles. Las señales de salida de los píxeles de la matriz de píxeles son digitalizadas mediante un convertidor de analógico a digital. La circuitería de descodificación del sistema de obtención de imagen procesa las señales digitalizadas, e intenta descodificar la imagen del código de barras.

La capacidad de un sistema de obtención de imagen para descodificar con éxito una imagen de un código de barras depende de la capacidad de capturar satisfactoriamente una imagen nítida del código de barras objetivo que está enfocado en la matriz de píxeles y esto, a su vez, puede depender de la iluminación uniforme de un código de barras objetivo.

Para muchas aplicaciones de obtención de imagen, un campo de visión (FOV, Field Of Vision) útil es rectangular, tal como dicta la relación de aspecto de la matriz de píxeles. El patrón de iluminación emitido por el lector de código de barras debe cubrir el FOV rectangular con buena uniformidad en la intensidad de la luz.

La Patente GB 2225659 A describe un par de LED (“Light Emitting Diodes”, diodos emisores de luz) con una lente o parte de lente para enfocar la luz en una dirección paralela a un código óptico dispuesto en una posición predeterminada con respecto al lector, y una lente o parte de lente para enfocar la luz en una dirección ortogonal al código óptico, con el fin de obtener una tira delgada como línea de iluminación, en la que la iluminación en los extremos de la tira puede ser más fuerte que en el centro.

Sin una lente, un diodo emisor de luz genera un patrón de iluminación mucho más ancho de lo necesario, desperdiciando, por lo tanto, luz. Además, el patrón no es lo suficientemente uniforme. En la técnica anterior, se utiliza una lente para hacer coincidir el LED con el campo de visión del lector de código de barras. Esto sigue produciendo un patrón de iluminación redondo y, para cubrir la totalidad del FOV rectangular, aún se desperdicia luz, reduciendo la eficiencia energética y provocando una luz parásita que no proporciona ninguna función útil.

CARACTERÍSTICAS

Según la invención, se dan a conocer un lector de código de barras con las características de la reivindicación independiente 1 y un procedimiento con las características de la reivindicación independiente 6.

Se utiliza un sistema a modo de ejemplo con un lector de código de barras basado en obtención de imagen para obtener una imagen de un objetivo, y que tiene un sistema de obtención de imagen, que incluye una matriz de píxeles de monitorización de la luz, y un sistema óptico, que tiene una o varias lentes de enfoque posicionadas con respecto a la matriz de píxeles para transmitir una imagen de un objeto objetivo hacia la matriz de píxeles.

El sistema a modo de ejemplo incluye un sistema de iluminación que tiene una fuente de luz, tal como un diodo emisor de luz (LED), para iluminar un objetivo dentro de un campo de visión definido por el sistema óptico. Un circuito de excitación acoplado al diodo emisor de luz energiza el diodo emisor de luz. Una lente tiene una primera superficie orientada hacia el diodo emisor de luz y una segunda superficie orientada hacia el objetivo. En el sistema a modo de ejemplo, la lente tiene una superficie de entrada posicionada con respecto a una fuente de luz, tal como el diodo emisor de luz, y una superficie de salida polinómica, en general, no rotacionalmente simétrica, orientada hacia el objetivo. Esta lente curva la luz para crear un campo de visión con buena eficiencia y uniformidad en todo el campo de visión. Mediante el ajuste de las superficies de entrada y salida de la lente se obtiene uniformidad en una zona, en general, rectangular.

Estos y otros objetivos, ventajas y características de la invención se comprenderán mejor a partir de la referencia a la descripción adjunta de una realización a modo de ejemplo de la invención cuando se considere junto con los dibujos adjuntos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de un lector de código de barras basado en obtención de imagen de la presente invención, que tiene un sistema de enfoque automático;

la figura 2 es una representación de un cuerpo envolvente para contener los componentes representados en la figura 1;

la figura 3 y la figura 4 son vistas, en perspectiva, de una lente que, junto con un diodo emisor de luz, ilumina el campo de visión de un lector; y

las figuras 5A a 5C son representaciones que muestran la uniformidad de irradiancia conseguida mediante la puesta en práctica de la realización a modo de ejemplo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En la figura 1 se muestra esquemáticamente un diagrama de bloques de un lector 10 de código de barras basado en obtención de imagen. El lector 10 de código de barras, además de obtener una imagen y descodificar códigos de barras y códigos postales tanto de 1D como de 2D, también es capaz de capturar imágenes y firmas. En una realización preferente de la presente invención, el lector 10 de código de barras es un lector portátil cuyos componentes están contenidos en un cuerpo envolvente 11 (figura 2) que puede ser transportado y utilizado por un usuario que se desplaza caminando o en un vehículo por una tienda, almacén o planta para leer códigos de barras con fines de control de existencias y de inventario.

No obstante, se puede utilizar ventajosamente un lector de código de barras de la presente invención junto con cualquier tipo de sistema de identificación automático basado en obtención de imagen, que incluye, pero no está limitado a, lectores de código de barras, sistemas de obtención e identificación de imágenes de firmas, sistemas de reconocimiento óptico de caracteres, sistemas de identificación de huellas dactilares y similares. La intención de la presente invención es abarcar todos estos sistemas automáticos de identificación.

El lector 10 de código de barras incluye un disparador 12 acoplado a la circuitería 13 del lector de código de barras para iniciar la lectura de un código de barras 15 objetivo posicionado sobre un objeto cuando se aprieta o presiona un disparador 12. El lector 10 de código de barras incluye un componente de obtención de imagen 20 que incluye la óptica de obtención de imagen 21 y un generador de imagen 24 de CCD.

Una o varias lentes enfocan la luz reflejada desde el código de barras 15 objetivo sobre una matriz de fotosensores o píxeles 28 del generador de imagen de CCD 24. En una realización, el lector 10 incluye un sistema de autoenfoque 50 que mueve como mínimo una lente con un motor 29 que tiene una transmisión de salida acoplada a la lente, y cuyo movimiento es monitorizado con un codificador de posición 27. Los píxeles de la matriz de píxeles 28 son leídos, generando una señal analógica en una salida 30 representativa de una imagen de lo que esté enfocado por la óptica de obtención de imagen 21 en la matriz de píxeles 28, por ejemplo, una imagen del código de barras 15 cortado por el eje óptico, OA (Optical Axis), del lector. A continuación, la señal analógica de la imagen en la salida 30 es digitalizada mediante un convertidor 70 de analógico a digital, y una señal digitalizada en una salida 74 es descodificada por la circuitería 80 del descodificador. Los datos descodificados 90, representativos de los datos/información codificados en el código de barras 15 son enviados a continuación a través de un puerto de salida 100 de datos, y/o son mostrados a un usuario del lector 10 a través de una pantalla 108. Tras conseguir una buena “lectura” del código de barras 15, es decir, el código de barras 15 fue visualizado y descodificado con éxito, un altavoz 120 es activado por la circuitería 13 para indicar al usuario que el código de barras ha sido leído correctamente.

El lector 10 incluye, además, un generador 40 de patrón de apuntamiento, que genera un patrón de apuntamiento 43 visible para ayudar al usuario a apuntar correctamente el lector en el código de barras 15 objetivo. En una realización preferente, el generador 40 de apuntamiento es un aparato de apuntamiento de láser. Alternativamente, el aparato 40 de apuntamiento puede utilizar un LED u otra fuente de iluminación conocida por los expertos en la técnica. El patrón 43 puede ser un patrón que comprende una cruz formada por una línea horizontal 43a gruesa y una línea vertical 43b delgada perpendicular. En una realización preferente, el aparato de apuntamiento 40 de láser incluye un diodo láser 42 y una lente 44 difractiva.

En la realización mostrada, además del generador 40 de patrones de apuntamiento, el lector 10 incluye un sistema de iluminación 51 separado que tiene un diodo emisor de luz 152 para iluminar el código de barras 15 objetivo. Los sensores de CCD o de CMOS que componen el generador de imagen 24 detectan la luz reflejada desde la superficie objetivo y forman datos de píxeles correspondientes a una imagen del objetivo. Es ventajoso utilizar un sensor de matriz que tenga la capacidad de generar una parte de píxeles tras una solicitud, de modo que el tiempo de transferencia y el tiempo de procesamiento se puedan acortar cuando solo una parte de la matriz está expuesta correctamente. Uno de esos sensores es una matriz de CMOS fabricada por la firma Micron con la referencia MT9M001. Los datos de píxeles de la matriz son convertidos en datos digitales por un convertidor A/D 70 que es descodificado por el sistema de descodificación 80 que incluye un controlador de microprocesador. Un puerto de salida o pantalla 108 proporciona los resultados de la descodificación a un dispositivo periférico (no mostrado) o los muestra al usuario. El escáner 10 incluye, asimismo, una fuente de iluminación (no mostrada) que puede, dentro de un intervalo de escáner prescrito, iluminar una parte de la superficie objetivo suficiente para llenar toda la matriz bidimensional de sensores con datos. El escáner incluye un generador 40 de patrones de apuntamiento que incluye uno o varios diodos láser 42 y una lente de enfoque 44 (véase la figura 1) que es activada mediante un disparador 12 accionado por el usuario.

Fuente de iluminación de alta intensidad

El sistema de iluminación 51 incluye una lente 140 (figura 3) para redirigir o curvar la luz de un solo diodo emisor de luz 152 e iluminar el objetivo 15 dentro de un campo de visión a una distancia de enfoque D definida por la óptica de obtención de imagen 21. En la realización a modo de ejemplo, el diodo emisor de luz 152 está dispuesto en una placa de circuito impreso 150, de modo que el diodo emisor de luz 152 esté posicionado en una línea central de un eje z de un sistema de coordenadas representado en las figuras. El diodo emisor de luz 152 es energizado más preferentemente mediante una fuente de alimentación (no mostrada) en respuesta al accionamiento del disparador 12 pero, alternativamente, podría ser activado por una señal de un controlador que coordina y controla las operaciones del lector de código de barras, incluidas las funciones de descodificación.

La lente 140 está posicionada con respecto al LED 152 de tal manera que una superficie entrada, S1, está orientada hacia el LED 152, y una superficie S2 está orientada hacia el objetivo. Pero, por la presencia de la lente, la luz del diodo emisor de luz se dispersaría, y una zona plana del objetivo cruzaría la cobertura, en general esférica, con una cobertura no uniforme de luz, lo que requeriría una compensación y una posible identificación errónea por parte de la electrónica de descodificación del lector. Una curva generadora utilizada para generar la superficie S1 es rotacionalmente simétrica y puede ser asférica, tal como la ecuación 1:

Ecuación 1

, , C es el radio de curvatura de la base o la esfera de referencia, k es una constante cónica y los ai son los términos de salida de la esfera base o la esfera de referencia.

Donde los parámetros adecuados para esta ecuación se enumeran a continuación:

Una versión más genérica de la ecuación 1 es una superficie polinómica que puede incluir asferas rotacionalmente simétricas o asimétricas regidas por la ecuación 2:

Ecuación 2

donde b y c¡ son coeficientes de los términos de expansión del polinomio.

La curva de generación utilizada para generar la superficie S2 es una asfera polinómica no rotacionalmente simétrica, que es un subconjunto de una superficie polinómica tal como la descrita en la ecuación 2, también se rige y puede ser generada por un polinomio tal como el descrito en la ecuación 3:

Ecuación 3

z ^{= -} Cr

^{■ £ ( « / ' & / cf/ )} ²

(l ^ /l-(¿ l)C V ) , , donde ^{* +}, ²

^y _{C es el radio de curvatura de la esfera}base, k es una constante cónica, ai son los coeficientes de té -rm Vinos de salida de la esfera de referencia, y b¡ y c¡ son coeficientes de los términos de salida polinómicos de la esfera de referencia.

Donde los parámetros adecuados para esta ecuación (polinomio de grado n) se enumeran a continuación:

Cabe señalar que, en las ecuaciones 2 y 3 para la esfera base, C y k son constantes únicas. En un caso más general, la ecuación es bicónica, de tal modo que se cumple la representación de la ecuación 4:

Ecuación 4

El eje de coordenadas mostrado en la figura 3 tiene su origen en un plano en el que las dos superficies se cortan. En la figura 3 se muestra una línea curva 154 de intersección de las superficies S1, S2. Un punto P1 que es común a ambas superficies se encuentra en esta línea de intersección, y un segundo punto P2 se encuentra en la superficie S2. Para determinar las coordenadas en la dirección z de estos puntos simplemente se introducen sus coordenadas x e y en la ecuación de generación para la superficie concreta y se resuelve para z. Como ejemplo sencillo, el punto P3 tiene coordenadas x e y de 0,0, de modo que su coordenada z es a2 a4 = 0,04. El escalado adecuado de los parámetros puede producir resultados en cualquier unidad deseada.

Las superficies descritas en las ecuaciones 1 y 2 son representativas y otras formas son adecuadas siempre que curven la luz dirigida, en general, radialmente, emitida por el LED 152, para proporcionar una intensidad uniforme sobre una zona de interés rectangular (posiblemente cuadrada) dentro del campo de visión del sensor. Las superficies se fabrican, en la realización a modo de ejemplo, mediante tecnología de torneado con diamante, que produce un molde que luego se utiliza para moldear la lente 140 mediante inyección de plástico. Las figuras 5A a 5C son representaciones de datos recopilados de una combinación de diodo emisor de luz/lente a una distancia de 100 mm en la dirección x e y en el plano objetivo. Estos datos se obtuvieron con una distancia D de 100 mm desde la superficie S2 de la lente 140 al objetivo. El LED estaba separado a una distancia de 0,2 mm del centro de la superficie S1 en esta prueba. Los datos muestran una buena uniformidad en el campo de visión del lector y un recorte de la luz casi completo fuera del campo de visión.

La lente 140 funciona para enfocar la luz difusa o divergente del único LED 152 de la fuente, para proporcionar trayectorias más paralelas para la luz emitida por el LED.

Existen ventajas sustanciales en la utilización de asferas en el sistema de iluminación. Las asferas reducen el número de superficies ópticas a la vez que eliminan aberraciones y distorsiones, al tiempo que proporcionan un sistema compacto de menor masa. Las asferas se pueden fabricar utilizando la tecnología de torneado con diamante, que permite cortar superficies asféricas de precisión para su utilización en el moldeado de la lente.

Si bien la presente invención se ha descrito con cierto grado de particularidad, la intención es que la invención incluya todas las modificaciones y alteraciones del diseño dado a conocer que caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Lector de código de barras (10) para obtener una imagen de un objetivo, que comprende:

un sistema de obtención de imagen, que incluye una matriz de píxeles de control de la luz para convertir la luz reflejada desde un objetivo (15) en señales eléctricas;

un sistema óptico, que tiene una o varias lentes de enfoque posicionadas con respecto a la matriz de píxeles para transmitir una imagen de un objeto objetivo hacia dicha matriz de píxeles;

un sistema de iluminación (51), que comprende una fuente de luz (152) para iluminar el objetivo dentro de un campo de visión definido por el sistema óptico;

una lente (140), que tiene una primera superficie curva (S1) orientada hacia la fuente de luz (152) y una segunda superficie curva (S2) orientada hacia el objetivo, para curvar la luz emitida por la fuente de luz (152) para iluminar más uniformemente el objetivo dentro del campo de visión del lector de código de barras;

caracterizado por que

las superficies (S1, S2) curvan la luz dirigida radialmente emitida por la fuente de luz (152) para proporcionar una intensidad uniforme sobre una zona de interés rectangular, posiblemente cuadrada, dentro del campo de visión; una de una primera curva de la primera superficie (S1) de la lente (140) y una segunda curva de la segunda superficie (S2) de la lente (140) está definida por un polinomio rotacionalmente simétrico alrededor de una línea central de la lente que corta la fuente de luz (152), y la otra de la primera curva de la primera superficie (S1) de la lente (140) y la segunda curva de la segunda superficie (S2) de la lente (140) está definida por un polinomio no rotacionalmente simétrico alrededor de una línea central de la lente que corta la fuente de luz (152).

2. Lector de código de barras, según la reivindicación 1, en el que el sistema de iluminación comprende un solo diodo emisor de luz que, cuando es energizado, emite luz divergente que es enfocada por dicha lente para iluminar uniformemente una zona rectangular en un plano del objetivo.

3. Lector de código de barras, según la reivindicación 1, en el que la primera curva de la primera superficie o la segunda curva de la segunda superficie está definida sustancialmente por

donde r ~ v * ^ , C es el radio de curvatura de la esfera base o de referencia, k es una constante cónica y a¡ son los términos de salida de la esfera base o de referencia, y donde los coeficientes C, k y a son todos números reales.

4. Lector de código de barras, según la reivindicación 1, en el que la fuente de luz comprende un solo diodo emisor de luz, y la primera curva de la primera superficie orientada hacia el diodo emisor de luz corresponde sustancialmente a una curva generadora de la forma z — S i ai rL donde ai es el término de salida de orden i del número real.

5. Lector de código de barras, según la reivindicación 1, en el que el sistema de iluminación comprende un solo diodo emisor de luz que, cuando es energizado, emite luz divergente que es enfocada por dicha lente para producir un patrón de iluminación de rayos de luz en general paralelos emitidos desde la lente para iluminar uniformemente una zona rectangular en un plano del objetivo.

6. Procedimiento para obtener una imagen de un objetivo con un lector (10) de código de barras basado en obtención de imagen, que comprende:

posicionar una o varias lentes de enfoque con respecto a una matriz de píxeles para transmitir una imagen de un objeto objetivo (15) hacia dicha matriz de píxeles;

proporcionar una fuente de luz (152, 42), para iluminar el objetivo dentro de un campo de visión definido por las lentes de enfoque; caracterizado por

interponer una lente (140) entre la fuente de luz (152) y el objetivo que tiene una primera superficie curva (S1) orientada hacia la fuente de luz que es esféricamente simétrica alrededor de la línea central de la lente y que, además, tiene una segunda superficie curva (S2) orientada hacia el objetivo que es asimétrica alrededor de dicha línea central y que está definida por un polinomio no rotacionalmente simétrico alrededor de dicha línea central, en el que las superficies (S1, S2) curvan la luz dirigida radialmente emitida desde la fuente de luz (152) para proporcionar una intensidad uniforme sobre una zona de interés rectangular, posiblemente cuadrada, dentro del campo de visión; en el que

una de una primera curva de la primera superficie (S1) de la lente (140) y una segunda curva de la segunda superficie (S2) de la lente (140) está definida por un polinomio rotacionalmente simétrico alrededor de una línea central de la lente que se corta con la fuente de luz (152), y la otra de la primera curva de la primera superficie (S1) de la lente (140) y la segunda curva de la segunda superficie (S2) de la lente (140) está definida por un polinomio no rotacionalmente simétrico alrededor de una línea central de la lente que se corta con la fuente de luz (152); energizar selectivamente la fuente de luz para emitir luz que se enfoca desde un patrón divergente a medida que pasa a través de la lente; y

convertir la luz que incide en la matriz de píxeles reflejada desde un objetivo en señales eléctricas para obtener una imagen.

7. Procedimiento, según la reivindicación 6, en el que la lente se fabrica moldeando una lente de plástico, en el que el molde se forma mediante torneado con diamante.

8. Procedimiento, según la reivindicación 6, en el que la fuente de luz es un solo diodo emisor de luz que está colocado en una línea central de la lente.