CN102246184A - 用于扫描光学代码的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

故意把光学像差引入到产生光学代码扫描器的扫描光束的光学***中，以便产生在离扫描器的不同距离处具有多个焦点或腰部的扫描光束。当光学代码处于离扫描器的不同距离处时，通过利用不同束腰位置能够由此增加扫描器的操作范围。根据本发明的实施例，故意把慧差引入到为光学代码扫描器提供光束的光学***。这提供了在离扫描器的不同距离处具有多个束腰的扫描光束。通过对光源和聚焦光学***进行定向以使得它们的光轴相交或者通过在原始光源和聚焦光学***之间引入诸如棱镜的光学构件，可以实现这一点。

Description

用于扫描光学代码的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及光学代码扫描器，更具体地涉及一种提高扫描器的操作范围和扫描图像的质量的用于扫描光学代码的方法和设备。
背景技术
在现代的超市购物过的任何人都熟悉光学代码成像装置(在这种情况下，条形码扫描器)，所述光学代码成像装置通过扫描印在产品包装上的条形码方便快速结账。这是条形码读取的相对容易的应用，因为为了读取条形码的目的需要由操作员使包装停顿。然而，条形码读取器仍然必须具有合理范围的操作距离，因为用户不能每次把条形码精确地放置在同一位置。
最近，光学代码读取器已被用于组装物品、检查物品、包装物品等的生产线。光学代码读取的这种应用复杂得多，因为产品例如在传送带上以相对较高的速度沿生产线移动。因此，为了避免在生产线上产生瓶颈，对光学代码进行准确解码而不会降低物体沿生产线移动的速度是重要的。因此，能够准确对光学代码解码的速度变为主要关心的问题。在其它条件相同的情况下，如果代码读取器能够在与扫描器相隔更大的距离范围上扫描代码，则能够以更高的生产线速度、更可靠地检测光学代码。
常用于线性条形码的一种形式的光学扫描器把激光束投射于远处的光学代码并沿条形码的方向线性地扫描该激光束。与黑暗区域(条)相比从条形码的明亮区域反射更多的激光束，因此，当感测时从条形码反射的光包含分别与条形码的间隔和条对应的一系列亮部分和暗部分。
对条形码的明亮区域和黑暗区域的准确检测需要在条形码上扫描良好聚焦的光源(在存在大量环境光时尤其如此)，以准确确定哪些区域是亮的或暗的，特别是在哪里出现明亮区域和黑暗区域之间的过渡区域。常见的方法是把光源聚焦于条形码预期所在的特定位置并通过使光束穿过预设尺寸的光阑来限制光束直径。图1是已被如此处理的光束的示意图。可以看出，光束将具有最小直径部分或腰部，并且在腰部的任一侧的宽度将增加。虽然当光学代码位于腰部时扫描的质量极好，但在与腰部相隔较远的距离(尤其在更接近扫描器的位置)，随着伴随的光学分辨率的降低，质量下降。结果，扫描器具有操作范围R，超过该操作范围R，分辨率可能会是不可接受的，或者对比度可能减小以致于使得光学代码不可读取。通过减小所述光阑的尺寸(但只能以减小总体照明为代价)，能够增加操作范围R。也就是说，需要光源的亮度的显著增加。
因此，在现有技术中非常需要提高光学代码扫描器的操作范围。
发明内容
自从发现光学透镜以来，人类一直努力通过消除光学像差来提高光学透镜和***的质量。根据本发明的一个方面，故意把光学像差引入到产生光学扫描器的扫描光束的光学***，以便产生在离扫描器的不同距离处具有多个焦点或腰部的扫描光束。当光学代码处于离扫描器的不同距离处时，通过利用不同束腰位置能够由此增加扫描器的操作范围。可以在不需要按照不寻常的方式对光学器件进行成形以及不需要对光执行复杂处理的情况中实现这一点。
慧形像差或“慧差”是发生于具有离轴光源(即，不与光轴对准的光源)的光学***中的常见形式的光学像差。具体地讲，光学***的不同部分(例如，透镜的不同部分)不把穿过它们的光聚焦在同一点。结果，具有慧差的透镜根据离轴光入射在透镜上的点在离该透镜的不同距离处产生多个束腰，而不是利用离轴光源产生单个束腰。
根据一个实施例，故意把慧差引入到为光学代码扫描器提供光束的光学***。这提供了在离扫描器的不同距离处具有多个束腰的扫描光束。通过对光源和聚焦光学***进行定向以使得它们的光轴相交或者通过在光源和聚焦光学***之间引入光学构件(诸如，棱镜)，可以实现这一点。
附图说明
通过下面参照附图对根据本发明的当前优选的示例性的实施例的详细描述，将会更全面地理解本发明的前面的简要描述和另外的目的、特征和优点，在附图中：
图1是由把没有像差的光源聚焦到特定位置并通过使光束穿过预设尺寸的光阑限制光束直径的现有的光学代码扫描器产生的光束的示意图；
图2包括图2(A)、2(B)、2(C)和2(D)的波形，是示出由光学扫描器产生的典型无像差光束的形状的光束剖面图；
图3包括图3(A)、3(B)、3(C)和3(D)的波形，是示出由根据本发明的一个方面的已引入慧形像差的光学扫描器产生的光束的形状的光束剖面图；
图4总结由图2(无像差单焦点***)和图3(具有故意引入的慧形像差的***)表示的***的光学性能；
图5示出作为光学代码和扫描器之间的距离的函数的单焦点和慧形像差***的沿传播方向的全宽半调制(FWHM)光束宽度；
图6是根据本发明的光学代码扫描器的第一实施例的示意图；
图7是根据本发明的光学代码扫描器的第二实施例的示意图；
图8是根据本发明的光学代码扫描器的第三实施例的示意图；以及
图9示意性地示出图8中的棱镜如何使透镜表现出慧形像差。
具体实施方式
图2包括图2(A)、2(B)、2(C)和2(D)的波形，是示出由光学扫描器产生的典型无像差光束的形状的光束剖面图。每个波形表示作为光束的空间宽度的函数的光束振幅。在以下的光学***中产生这些特性：在该光学***中，激光的波长为650nm，照明的发散角沿x轴为28°并且沿y轴为8.5°，孔径直径为0.8mm，准直透镜的焦距为2.33mm，准直透镜的标称焦点位置为150mm，在指定孔径处的慧形像差为一个波长，并且条形码间隔为5密耳。
在离扫描器的150mm距离处产生图2中最窄的光束(图2(C))。虽然在200mm的距离(图2(D))处光束仍然很窄，但它在接近扫描器的距离处迅速劣化。例如，在70mm(图2(B))处，光束宽度与条形间隔相当，从而光学分辨率几乎降低至零。另外，多峰使条形码图像的有效对比度反转，导致条形码的不恰当解码。在离扫描器的50mm处(图2A)，情况甚至变得更差。因此，具有无像差光束的光学扫描器在它的有效操作范围方面严重地受到限制。
图3包括图3(A)、3(B)、3(C)和3(D)的波形，是示出由根据本发明的一个方面的已引入慧形像差的光学扫描器产生的光束的形状的光束剖面图。以下进一步讨论产生慧形像差的优选方法。另一方面，该光学***的参数与参照图2定义的参数相同。可以看出，光束剖面图在离扫描器的50mm到200mm的光学代码距离的整个范围上保持很窄并且仅表现出单峰。因此，采用故意引入的慧形像差的光学代码扫描器避免了在近距离处由无像差扫描器引入的分辨率的损失和对比度模糊。
图4总结由图2(无像差单焦点***)和图3(具有故意引入的慧形像差的***)表示的***的光学性能(归一化对比度水平或调制传递函数(MFT))。显示了不同的曲线，这些曲线表示关于每个***获得的光学分辨率作为光学代码离扫描器的距离(以米为单位)的函数。还作为虚线显示了最小可读取水平T，最小可读取水平T表示扫描器的可操作阈值。如参照图2所解释，对于位于约70mm的单焦点***，光学分辨率开始失效。相比之下，可以看出，具有慧形像差的***有效地操作直至低于50mm。因此，具有慧形像差的***在操作范围方面实现了显著的改进。
图5以不同的曲线示出作为光学代码离扫描器的距离的函数的单焦点和慧形像差***的沿传播方向的全宽半调制(FWHM)光束宽度。可以看出，随着光学代码离扫描器的距离增加，对于单焦点***而言，光束宽度增加得快得多。
图6是根据本发明的光学代码扫描器的第一实施例10的示意图。具有光轴A的激光二极管12用作扫描器的光源。由二极管发射的光被引导至具有光轴B的准直透镜14。在典型的现有技术的扫描器中，轴线A和B共线，并且对二极管和透镜定位以在光学代码预期所在的预定位置处产生焦点。根据本实施例，相同的二极管和透镜被类似地定位，但透镜14逆时针旋转从而轴线A和B按照锐角相交。轴线A和B之间的这个角度被选择为这样的值：该值将在从透镜14发射的光中引入足够的慧形像差，以如以上所解释的那样扩展扫描器的操作范围。优选地，慧形像差为大约一个波长。
从透镜14发射的光入射在扫描镜16上并从其被朝着远处的光学代码18反射。如双箭头所指示，镜子16围绕垂直于该附图的平面的轴线旋转以沿着光学代码18扫描从镜子16反射的光束。
从光学代码18反射的光进入接收光学器件20(用于聚集光的成像光学器件)并聚焦在光电传感器20上，光电传感器20产生表示接收的光信息的电信号。该信号被传递给电子器件24，电子器件24处理该信号以恢复光学代码18中包含的信息。
图7是根据本发明的光学代码扫描器的第二实施例10’的示意图。在多数方面，实施例10’与实施例10相同，并且相应的部件由相同的附图标记表示了。本质区别在于二极管12和透镜14的布置。在典型的现有技术的扫描器中，轴线A和B共线，并且对二极管和透镜定位以在光学代码预期所在的预定位置处产生焦点。在这个实施例中，相同的二极管和透镜被类似地定位，但二极管12逆时针旋转从而轴线A和B按照锐角相交。轴线A和B之间的这个角度被选择为这样的值：该值将在从透镜14发射的光中引入足够的慧形像差，以如以上所解释的那样扩展扫描器的操作范围。优选地，慧形像差为大约一个波长。
应该注意的是，实施例10和10’使用与常规光学扫描器相同的光源和透镜，但是仅仅对光源或扫描器进行重新定向。因此，在非常小的物理修改的情况下利用现有的扫描器能够实现本发明的优点。此外，在没有光的复杂处理的情况下利用简单的透镜(没有特殊形状)实现利用慧形像差获得的改进。
图8是根据本发明的光学代码扫描器的第三实施例10”的示意图。在多数方面，实施例10”与实施例10相同，并且相应的部件由相同的附图标记表示了。本质区别在于在二极管12和透镜14之间***棱镜26。在典型的现有技术的扫描器中，轴线A和B共线，并且对二极管和透镜定位，以在光学代码预期所在的预定位置处产生焦点。在这个实施例中，相同的二极管和透镜被类似地定位，但棱镜26在从透镜14发射的光中引入足够的慧形像差，以如以上所解释的那样扩展扫描器的操作范围。优选地，慧形像差为大约一个波长。
图9示意性地示出棱镜26如何使透镜14表现出慧形像差。在没有棱镜的情况下，在位置E的来自二极管的光将在E’从透镜14射出。然而，棱镜26使来自二极管的光折射以使它在F’处射出。实际上，棱镜26使二极管看起来好像存在于所指示的取向的F处(虚像)。然而，如参照图6所解释的，这种结构把慧形像差引入到透镜中。
应该注意的是，实施例10”使用与常规光学扫描器相同的光源和透镜并通过棱镜的适当设计基本上保留它们的原始取向。因此，通过在几乎没有物理修改的情况下改装现有的扫描器，能够实现本发明的优点。此外，在没有光的复杂处理的情况下利用简单的透镜(没有特殊形状)实现利用慧形像差获得的改进。
虽然已为了示例的目的公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下可以做出许多增加、修改和替换。

Claims (17)

1.一种用于增加能够由光学扫描器读取光学代码的范围的方法，该光学扫描器包括光源和用于聚焦光源的光学器件，该方法包括下述步骤：使所述光学器件表现出光学像差，所述光学像差在从所述光学器件发出的光中在离扫描器的不同距离处产生多个焦点。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述像差是慧差。
3.如权利要求2所述的方法，在所述光源和所述光学器件具有光轴的扫描器中执行该方法，使所述光学器件表现出光学像差的步骤包括：选择所述光源和所述光学器件的相对位置或取向以使得它们的光轴相交。
4.如权利要求2所述的方法，在这样的扫描器中执行该方法：在该扫描器中，所述光源和所述光学器件具有共线的光轴，并且所述光源和所述光学器件被构造并定位为在预定位置处产生焦点，使所述光学器件表现出光学像差的步骤包括：在光学器件和所述光源之间***引起慧形像差的光学部件。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述光学部件是棱镜。
6.一种用于构造具有能够读取光学代码的扩展范围的光学扫描器的方法，包括下述步骤：
提供具有第一光轴的光源和具有第二光轴的光学器件，所述光源和所述光学器件被构造为使得：当所述光源和所述光学器件布置为具有预定间隔并且它们的光轴共线时，从所述光源引导经过所述光学器件的光将在离所述光学器件的预定距离处具有焦点；以及
基本上按照所述预定距离布置所述光源和所述光学器件，且对它们进行定向以使得它们的光轴相交；
从而，源自于所述光源并从所述光学器件射出的光表现出多个焦点并产生用于光学代码的照明，该照明允许在比在所述光源和所述光学器件的光轴布置为共线的情况下能够读取代码的范围大的范围上读取代码。
7.一种用于构造具有能够读取光学代码的扩展范围的光学扫描器的方法，包括下述步骤：
提供具有第一光轴的光源和具有第二光轴的光学器件，所述光源和所述光学器件被构造为使得：当所述光源和所述光学器件布置为具有预定间隔并且它们的光轴共线时，从所述光源引导经过所述光学器件的光将在离所述光学器件的预定距离处具有焦点；
布置所述光源和所述光学器件以使它们的光轴共线；以及
在所述光源和所述光学器件之间***使源自于所述光源并从所述光学器件射出的光表现出慧差的光学部件；
从而，源自于所述光源并从所述光学器件射出的光表现出多个焦点并产生用于光学代码的照明，该照明允许在比在没有所述光学部件的情况下能够读取代码的范围大的范围上读取代码。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述光学部件是棱镜。
9.一种光学代码扫描器中的照明源，用于在远处的光学代码上扫描光以便读取该光学代码，该照明源包括：
具有第一光轴的光源和具有第二光轴的光学器件，所述光源和所述光学器件被构造为使得：当所述光源和所述光学器件布置为具有预定间隔并且它们的光轴共线时，从所述光源引导经过所述光学器件的光将在离所述光学器件的预定距离处具有焦点；
用于基本上按照所述预定距离安装所述光源和所述光学器件且对它们进行定向以使得它们的光轴相交的装置；
从而，源自于所述光源并从所述光学器件射出的光表现出多个焦点并产生用于光学代码的照明，该照明允许在比在所述光源和所述光学器件的光轴布置为共线的情况下能够读取代码的范围大的范围上读取代码。
10.在与如权利要求9所述的照明源的组合中，一种扫描镜，被定位为接收从所述光学器件发射的光并把该光朝着远处的光学代码反射，所述扫描镜还被构造为可移动以沿着光学代码扫描从其反射的光。
11.如权利要求10所述的组合，还包括：解码装置，被定位为接收从光学代码反射的光，并且包括具有电输出的用于该光的光电传感器和响应于该电输出并被构造为处理该电输出以恢复光学代码中的信息的电子器件。
12.一种光学代码扫描器中的照明源，用于在远处的光学代码上扫描光以便读取该光学代码，该照明源包括：
具有第一光轴的光源和具有第二光轴的光学器件，所述光源和所述光学器件被构造为使得：当所述光源和所述光学器件布置为具有预定间隔并且它们的光轴共线时，从所述光源引导经过所述光学器件的光将在离所述光学器件的预定距离处具有焦点；
用于安装所述光源和所述光学器件以使它们的光轴共线的装置；以及
光学部件，被***在所述光源和所述光学器件之间，所述光学部件被构造为使源自于所述光源并从所述光学器件射出的光表现出慧差；
从而，源自于所述光源并从所述光学器件射出的光表现出多个焦点并产生用于光学代码的照明，该照明允许在比在没有所述光学部件的情况下能够读取代码的范围大的范围上读取代码。
13.在与如权利要求12所述的照明源的组合中，一种扫描镜，被定位为接收从所述光学器件发射的光并把该光朝着远处的光学代码反射，所述扫描镜还被构造为可移动以沿着光学代码扫描从其反射的光。
14.如权利要求13所述的组合，还包括：解码装置，被定位为接收从光学代码反射的光，并且包括具有电输出的用于该光的光电传感器和响应于该电输出并被构造为处理该电输出以恢复光学代码中的信息的电子器件。
15.如权利要求12所述的照明源，其中所述光学部件是棱镜。
16.在与如权利要求15所述的照明源的组合中，一种扫描镜，被定位为接收从所述光学器件发射的光并把该光朝着远处的光学代码反射，所述扫描镜还被构造为可移动以沿着光学代码扫描从其反射的光。
17.如权利要求16所述的组合，还包括：解码装置，被定位为接收从光学代码反射的光，并且包括具有电输出的用于该光的光电传感器和响应于该电输出并被构造为处理该电输出以恢复光学代码中的信息的电子器件。
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