CN100559385C - 一种光学读取头 - Google Patents

Abstract

一种光学读取头，用于读取物体的影像。该光学读取头包含壳体、漫射构造、光源模块及感光模块。漫射构造连接至壳体。光源模块具有基板及安装至基板的正面的第一光源。基板的正面固定至漫射构造的外表面。第一光源提供初始光线射入至漫射构造中。漫射构造进而将初始光线处理成一均匀光线后输出。感光模块固定于壳体内，用于感测均匀光线被物体反射所产生的反射光线。使用本发明能够消除强反射光所造成的辨识死角，提升照明效率以减少光源的数量及耗电量，并提升照明的均匀性以提高倾斜角度容许范围。

Description

一种光学读取头

技术领域

本发明涉及一种光学读取头。

背景技术

图1为一种传统的光学读取头的应用示意图。如图1所示，光学读取头101用于读取物体102，其中光学读取头101包含中空壳体110、光源模块120及感光模块140。光源模块120固定于中空壳体110内并提供光线。光线在中空壳体110内反射后照射到物体102。感光模块140固定于中空壳体110内，用于感测被物体102反射的光线。

光线的反射可分为三种形式，也就是镜面反射、扩散反射和漫射反射。镜面反射是指光线的入射角度等于反射角度。扩散反射发生在不平坦的表面且反射的光线超过一个角度，所有的反射光的反射角或多或少会与入射角相同。漫反射型的反射发生在粗糙或不光滑的表面，其反射光会有许多不同的角度。

由于中空壳体110的内壁面并不属于镜面，所以会有杂光L10进入到感光模块140。目前所使用的感光模块140包含有CMOS感测器，其解析度一般为100×100。感光模块140的透镜搭配CMOS感测器的可视角度(Field ofView，FOV)约为ArcTan(图案对角/2/EFL)×2，其中EFL为透镜的等效焦距。光源模块120通常是发光二极管(LED)，其发光波长大约为800nm～950nm的红外线。感光模块140的透镜固定结构可以调整透镜到物体102上的图像的取像距离。通过调整感光模块140的透镜固定结构、设计中空壳体110的内壁面的反射特性以及调整光源模块120的位置，即可控制光学读取头101对于物体102的照明效果。

在一例子中，镜头的解像约为50至80lp/mm，折射率Rl＞80％，且相对通光口径(f-number，F/N)不宜太高以免增加照明负担。读取头读取物体的容许倾斜角度要达到30至40度，镜头的景深(Deep of focus)大于±0.7mm。物体102可以是一本电子书，上面印有二维条码图案。由于电子书的纸面材质容易反光，加上使用者手握读取头来读取电子书时，读取头跟纸面的倾斜角度A可能会达到0至30度，或甚至是0至40度。因此，必须避免纸面反光所造成的强光进到感光模块140中而造成无法辨识物体的问题。

在图1中，让譬如是发光二极管的光源模块120发出的光线打在譬如是锥状笔头的中空壳体110的内壁面上，以增加入射光的强度。但是，本案发明人发现在入射角等于24度时，仍会有反射强光进入到感光模块140，而且，具有反射效果的内壁面(通常称为反射罩)也会使杂光射回感光模块140而进一步降低了对比。

图2为另一种传统的光学读取头的应用示意图。图2的光学读取头类似于图1，不同之处在于直接以作为光源模块的LED 120的光线打在物体102上，这种情况非常容易造成反射的强光进到感光模块140内而进一步降低对比。

因此，现有技术中光学读取头的缺点在于无法避免反射强光所造成的辨识死角、无法有效提升照明效率以减少LED的使用量及耗电量、以及无法有效提高倾斜角度的容许范围。此外，现有技术的光学读取头的组装也相当复杂。

发明内容

因此，本发明一个目的在于提供一种光学读取头，同时能消除强反射光所造成的辨识死角，提升照明效率以减少光源的数量及耗电量，并提升照明的均匀性以提高倾斜角度容许范围。

为达上述目的，本发明提供一种光学读取头，用于读取物体的影像。光学读取头包含壳体、漫射构造、光源模块及感光模块。漫射构造连接至壳体。光源模块具有基板及安装至基板正面的第一光源。基板的正面固定到漫射构造的外表面。第一光源提供初始光线射入漫射构造中。漫射构造将初始光线处理成均匀光线后输出。感光模块固定于壳体内，用于感测均匀光线被物体反射所产生的反射光线。

作为本发明进一步的优选方案，所述感光模块的光轴平行于所述漫射构造的轴向方向。

作为本发明进一步的优选方案，所述基板为软性电路板，所述第一光源电连接至所述软性电路板。

作为本发明进一步的优选方案，所述光源模块进一步包括第二光源，所述第二光源安装于所述软性电路板上，且电连接至所述软性电路板。

作为本发明进一步的优选方案，所述第一光源和/或所述第二光源直接焊接在软性电路板上。

作为本发明进一步的优选方案，所述基板环绕所述漫射构造超过360度。

作为本发明进一步的优选方案，所述第一光源容纳于所述漫射构造的凹槽中，使得所述第一光源发出的光线垂直入射至所述漫射构造中。

作为本发明进一步的优选方案，所述漫射构造为中空管体或实心柱体。

作为本发明进一步的优选方案，所述漫射构造可相对于所述壳体移动。

作为本发明进一步的优选方案，所述基板的正面通过粘胶固定至所述漫射构造的外表面。

作为本发明进一步的优选方案，所述基板的正面用于将未直接射入至所述漫射构造中的第一光源所发出的次要光线反射到所述漫射构造中。

作为本发明进一步的优选方案，所述漫射构造进一步包含杂散光消除区段，用于避免杂散光进入所述感光模块。

作为本发明进一步的优选方案，所述感光模块中，透镜的等效焦距小于或等于3毫米。

因此，采用本发明的结构，可以大幅缩小光学读取头的体积，以方便使用者携带使用。此外，由于采用了漫射结构使得光源发出来的光线在较小的空间内即可实现均匀化，使得光源可以装设得非常靠近受测物体，同时通过提升照明的均匀性以消除强反射光所造成的辨识死角，提升照明效率从而减少光源的数量及耗电量；而且，光线经过漫射消除了方向性，使得读取装置倾斜角度容许范围变大。且光源所发出来的大部分光线可以接近垂直地入射至漫射构造中，因此可以进一步有效提升照明效率及辨识能力。采用本发明的结构，组装也相当方便。

在本发明的进一步技术方案中，由于发光二极管直接焊接在软性电路板上，形成所谓的表面安装式发光二极管(Surface Mount LED)，使得光源模块的固定方式更加简化，而不需复杂的固定方式，只要将软性电路板环绕漫射构造一圈即可，因此，光学读取头的组装可以变得更加简便。

在本发明的进一步技术方案中，本发明还可加入用于消除杂散光的杂散光消除区段，即使缩短漫射构造的长度，也可以达到消除杂散光的效果。光学读取头的漫射构造被缩短，使得物距能够变得更短，此时需要加大CMOS感测器的可视角度(Field of View，FOV)才能感测到同样大小的物体，故能够选用等效焦距较小的透镜，并获得较短的像距，因此，光学读取头的整体长度被有效的缩短。

为让本发明之上述内容能更明显易懂，下面举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为一种传统的光学读取头的应用示意图。

图2为另一种传统的光学读取头的应用示意图。

图3为本发明第一实施例中光学读取头的应用示意图。

图4为本发明第二实施例中光学读取头的应用示意图。

主要元件符号说明：

L1：初始光线

L2：均匀光线

L3：反射光线

L4：次要光线

1：光学读取头

2：物体

10：壳体

11：壳体的外壁

20：漫射构造

20A：漫射构造的轴向方向

21：漫射构造的外表面

22：杂散光消除区段

23：漫射构造的内壁

24、25：漫射构造的凹槽

30：光源模块

31：基板

31A：基板的正面

32：第一光源

33：第二光源

35：粘胶

40：感光模块

40A：感光模块的光轴

41：透镜

42：影像感测器

43：红外线滤波器

44：镜筒

50：主机板

60：导线

具体实施方式

图3为本发明第一实施例中光学读取头的应用示意图。如图3所示，本实施例的光学读取头1用于读取物体2的影像。物体2譬如是电子书，上面印有譬如二维条码的图案。光学读取头1包含壳体10、漫射构造20、光源模块30及感光模块40。

漫射构造20连接至壳体10。在图3中，漫射构造20可为中空体或中空管体，进而可当作一个光积分球使用。然而，漫射构造20也可以是实心体或实心柱体。漫射构造20可以具有圆形、方形或其他截面形状。当漫射构造20具有圆形截面时，基板31环绕漫射构造20超过360度。然而，本发明并未受限于此，基板31也可以环绕漫射构造20小于360度。举例而言，基板31环绕漫射构造20可以小于180度或介于180度和360度之间。

光源模块30具有基板31及安装至基板31的正面31A的第一光源32。基板31的正面31A固定至漫射构造20的外表面21，第一光源32提供初始光线L1射入至漫射构造20中，漫射构造20接收初始光线L1，并将初始光线L1处理成一均匀光线L2后输出，其中初始光线L1在漫射构造20中进行多次反射后，进而形成均匀光线L2。或者，初始光线L1也可以在漫射构造20中进行多次反射及多次折射后，进而形成均匀光线L2。

感光模块40固定于壳体10内，用以感测均匀光线L2被物体2反射所产生的反射光线L3。感光模块40的光轴40A实质上平行于漫射构造20的轴向方向20A。

基板31为一软性电路板，第一光源32电连接至软性电路板，而软性电路板再通过导线60而电连接至光学读取头1的主机板50。第一光源32可以是发光二极管。主机板50上有多个电子元件构成处理电路。在光学读取头1读取物体2上的图案后，主机板50上的处理电路可以直接辨识此图案并输出对应于此图案的对应信号，譬如是发出声音或发出光线等等，从而跟使用者进行互动。

为了提供更亮的均匀光线，光源模块30可以进一步具有第二光源33，第二光源33安装于基板31上，且电连接至基板31。第二光源33也可以是发光二极管。第一光源32及第二光源33可以容纳于漫射构造20的凹槽24与凹槽25中，使其大部分的光线可以垂直入射至漫射构造20中。本实施例中，第一光源32及第二光源33均安装于同一基板31上，在另一例子中，第二光源33可以安装于另一基板上。而且，光源模块30包含但不限于一个发光二极管或多个发光二极管。多个发光二极管可以发出相同的光线或不同的光线。

感光模块40包含透镜41及影像感测器42。透镜41固定于壳体10中。影像感测器42通过主机板50而固定于壳体10，并透过透镜41接收反射光线L3。

为了滤除第一光源及第二光源所发出的红外光以外的光线，感光模块40可以进一步包含红外线滤波器43，其固定于壳体10中，用于通过反射光线L3中的红外光。例如，该红外滤波器43可以选用可透过红外光的红外光带通滤波器。

为了便于对焦的调整，可以将漫射构造20设计成使其内壁23可相对于壳体10的外壁11滑动或移动。或者，内壁23及外壁11可以具有对应的螺纹以便于对焦的调整。

在本实施例中，基板31的正面31A可通过粘胶35而固定至漫射构造20的外表面21，组装很方便。此外，基板31的正面31A用于将未直接射入至漫射构造20中的第一光源32所发出的次要光线L4反射到漫射构造20中。

图4为本发明第二实施例的光学读取头的应用示意图。为了便于清楚显示起见，图4并未显示出基板及粘胶。如图4所示，本实施例类似于第一实施例，不同之处在于，漫射构造20具有杂散光消除区段22，用于避免杂散光进入感光模块40。杂散光消除区段22通常被设计成圆锥状，用于避免杂散光进入到感光模块40中。

此外，在本实施例中，感光模块40包含镜筒44、透镜41及影像感测器42。类似地，感光模块40可以进一步包含红外线滤波器43。镜筒44固定于壳体10中。透镜41固定于镜筒44中。影像感测器42固定于壳体10，并透过透镜41接收反射光线L3。红外线滤波器43可固定在杂散光消除区段22与透镜41之间，用于对消除杂散光的反射光线L3进行滤波，将滤波后的反射光线L3透过到透镜41中。如图4所示，红外线滤波器43可以固定在漫射构造20中。

比较图3和图4可知，图3示出的结构采用足够长的漫射结构消除杂散光，而本实施例加入了用于消除杂散光的杂散光消除区段22，因此即使缩短漫射构造20的长度，也可以达到消除杂散光的效果。可见，本实施例中，学读取头1的长度可以有效被缩短。

传统的光学读取头的透镜的等效焦距(Equivalent Focal Length，EFL)都是大于或等于5毫米。由于采用了杂散光消除区段22，光学读取头的漫射构造被缩短，使得物距能够变得更短，此时需要加大CMOS感测器的可视角度(Field of View，FOV)才能感测到同样大小的物体，故能够选用等效焦距较小的透镜，并获得较短的像距，因此，光学读取头的整体长度被有效的缩短。本实施例的光学读取头的透镜41的等效焦距(Equivalent FocalLength，EFL)可以小于或等于3毫米。

综上所述，采用本发明上述实施例，可以大幅缩小光学读取头的体积，以方便使用者携带使用。此外，由于光源可以装设得非常靠近受测物体，且光源所发出来的大部分光线可以接近垂直地入射至漫射构造中，因此可以有效提升照明效率及辨识能力。此外，发光二极管可以直接焊接在软性电路板上，形成所谓的表面安装式发光二极管(Surface Mount LED)，使得光源模块的固定方式更加简化，而不需复杂的固定方式，只要将软性电路板环绕漫射构造一圈即可。因此，光学读取头的组装可以变成相当简便。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1、一种光学读取头(1)，用于读取物体(2)的影像，其特征在于，该光学读取头(1)包含：

壳体(10)；

漫射构造(20)，连接至所述壳体(10)；

光源模块(30)，具有基板(31)及安装至所述基板(31)的正面(31A)的第一光源(32)，所述基板(31)的正面(31A)固定至所述漫射构造(20)的外表面(21)，所述第一光源(32)提供初始光线(L1)射入至所述漫射构造(20)中，所述漫射构造(20)将所述初始光线(L1)处理成均匀光线(L2)后输出；及

感光模块(40)，固定于所述壳体(10)内，用于感测所述均匀光线(L2)被所述物体(2)反射所产生的反射光线(L3)。

2、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述感光模块(40)的光轴(40A)平行于所述漫射构造(20)的轴向方向(20A)。

3、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述基板(31)为软性电路板，所述第一光源(32)电连接至所述软性电路板。

4、如权利要求3所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述光源模块(30)进一步包括第二光源(33)，所述第二光源(33)安装于所述软性电路板上，且电连接至所述软性电路板。

5、如权利要求4所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述第一光源(32)和/或所述第二光源(33)直接焊接在软性电路板上。

6、如权利要求1或4所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述基板(31)环绕所述漫射构造(20)超过360度。

7、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述第一光源(32)容纳于所述漫射构造(20)的凹槽中，使得所述第一光源(32)发出的光线垂直入射至所述漫射构造(20)中。

8、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述漫射构造(20)为中空管体或实心柱体。

9、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述漫射构造(20)可相对于所述壳体(10)移动。

10、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述基板(31)的正面(31A)通过粘胶(35)固定至所述漫射构造(20)的外表面(21)。

11、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述基板(31)的正面(31A)用于将未直接射入至所述漫射构造(20)中的第一光源(32)所发出的次要光线(L4)反射到所述漫射构造(20)中。

12、如权利要求1所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述漫射构造(20)进一步包含杂散光消除区段(22)，用于避免杂散光进入所述感光模块(40)。

13、如权利要求12所述的光学读取头(1)，其特征在于，所述感光模块(40)中，透镜(41)的等效焦距小于或等于3毫米。

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