CN106415590B - 作为用于条形码扫描仪的距离传感器的瞄准图案形状 - Google Patents

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Abstract

成像扫描仪包括瞄准光源，该瞄准光源配置成发射可见光穿过形状限定元件和瞄准透镜布置二者以在目标对象上产生瞄准图案。瞄准图案的形状随着目标对象与成像扫描仪之间的距离而改变。为了确定该距离，将像素数据中的瞄准图案的形状与瞄准图案在多个距离处的预期形状进行比较。

Description

作为用于条形码扫描仪的距离传感器的瞄准图案形状
背景技术
已开发出用于读取诸如条形码之类的光学标记的多种电光***。条形码是由一系列不同宽度的条和间隔构成的图形标记的经编码的图案。在条形码中，条和间隔具有不同的光反射特性。一些条形码具有一维结构，其中条和间隔在一个方向上隔开以形成一排图案。一维条形码的示例包括通用产品代码(UPC)，其一般用于零售店销售。一些条形码具有二维结构，其中多行的条和间隔图案垂直地堆叠以形成单个条形码。二维条形码的示例包括代码49(Code 49)和PDF417。
使用一个或多个成像传感器以对条形码进行读取和解码的***通常被称为基于成像的条形码读取器、成像扫描仪或成像读取器。成像传感器通常包括以一个或多个阵列对齐的多个光敏元件或像素。成像传感器的示例包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)成像芯片。
附图说明
附图，其中类同的附图标记在全部单独的视图中表示相同的或功能类似的要素，连同下面的详细描述被纳入于此并形成说明书的一部分，并用来进一步阐述包括所要求保护的发明的构思的实施例，以及解释那些实施例的各种原理和优势。
图1示出根据一些实施例的成像扫描仪。
图2是根据一些实施例的成像扫描仪的示意图。
图3是示出根据一个实施例的用于产生瞄准图案的光学***的示意图。
图4是根据一个实施例的用于产生其形状随着距离而改变的瞄准图案的光学***。
图5A－5D是根据一个实施例的在四个不同距离处的瞄准图案。
图6是根据一个实施例的用于产生其形状随着距离而改变的瞄准图案的另一光学***。
本领域技术人员将理解，附图中的要素出于简化和清楚而示出，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些要素的尺寸可相对于其他要素被放大以帮助提高对本发明实施例的理解。
已在附图中通过常规符号在适当位置对装置和方法构成进行了表示，所述表示仅示出与理解本发明的实施例有关的那些特定细节以免因得益于本文的描述对本领域技术人员显而易见的细节而混淆本公开。
具体实施方式
图1示出根据一些实施例的成像扫描仪50。成像扫描仪50具有窗56和带手柄的壳体58。成像扫描仪50还具有用于将其本身支承在工作台面上的底部52。当成像扫描仪50被放置在工作台面上时，其可作为静止工作站在免提模式下使用。当成像扫描仪50被从工作台面拾起并握持在操作者的手中时，其也可在手持模式下使用。在免提模式下，产品可滑过、刷过或呈现给窗56。在手持模式下，成像扫描仪50可朝向产品上的条形码移动，并可手动地按下触发器54以发起对条形码的成像。在一些实现中，可省去底部52，并且壳体58也可以呈其他形状。在图1中，缆线也连接至底部52。在其他实现中，当省去连接于底部52的缆线时，成像扫描仪50可由板载电池供电并且其可通过无线链路与远程主机通信。
图2是根据一些实施例的成像扫描仪50的示意图。图2中的成像扫描仪50包括下列部件：(1)定位于成像透镜布置60后面的成像传感器62；(2)定位于照明源72前面的照明透镜布置70；(3)定位于瞄准光源82前面的瞄准图案产生器80；以及(4)控制器90。在图2中，成像透镜布置60、照明透镜布置70以及瞄准图案产生器80被定位于窗56的后面。成像传感器62被安装在成像扫描仪中的印刷电路板91上。
成像传感器62可以是CCD或CMOS成像器件。成像传感器62通常包括多个像素元件。这些多个像素元件可由以单行线性地布置的一维阵列的光敏元件形成。这些多个像素元件也可由以相互正交的行和列布置的二维阵列的光敏元件形成。成像传感器62可操作以检测沿着光路或轴61穿过窗56由成像透镜布置60捕获的光。通常，成像传感器62和成像透镜布置60被设计成一起操作，以用于捕捉从条形码40散射或反射的光作为二维成像视场(FOV)上的像素数据。
条形码40一般可位于近距工作距离(WD1)和远距工作距离(WD2)之间的距离的工作范围内的任何位置。在一个特定实现中，WD1近邻于窗56，而WD2离窗56大约几英尺。一些成像扫描仪可包括测距***，用于测量条形码40和成像透镜布置60之间的距离。一些成像扫描仪可包括自动对焦***，以允许基于条形码的测得距离使该条形码通过成像传感器62被更清晰地成像。在自动对焦***的一些实现中，基于条形码的测得距离调整成像透镜布置60的焦距。在自动对焦***的一些其他实现中，基于条形码的测得距离调整成像透镜布置60和成像传感器62之间的距离。
在图2中，照明透镜布置70和照明源72被设计成一起操作，以用于在照明时间周期期间产生朝向条形码40的照明光。照明源72可包括一个或多个发光二极管(LED)。照明源72也可包括激光器或其他类型的光源。瞄准图案产生器80和瞄准光源82被设计成一起操作，以用于产生朝向条形码40的可见瞄准光图案。这种瞄准图案可***作者使用以将成像扫描仪准确地瞄准于条形码。瞄准光源82可包括一个或多个发光二极管(LED)。瞄准光源82也可包括激光器、LED或其他类型的光源。
在图2中，诸如微处理器之类的控制器90***作性地连接至成像传感器62、照明源72和瞄准光源82，以控制这些部件的操作。控制器90也可被用于控制成像扫描仪中的其他器件。成像扫描仪50包括存储器94，该存储器可由控制器90访问以用于存储和检索数据。在许多实施例中，控制器90还包括解码器，用于对成像扫描仪50的成像视场(FOV)内的一个或多个条形码进行解码。在一些实现中，可通过利用微处理器数字地处理捕获的条形码图像来对条形码40进行解码。
条形码成像扫描仪通常投射明亮的瞄准图案(例如，点、线、交叉图案，等等)以帮助使用者将该扫描仪朝向条形码瞄准。当正确瞄准时，瞄准图案会被投射到期望的条形码上。
在操作中，根据一些实施例，控制器90发送命令信号以对照明源72供能达预定的照明时间周期。控制器90随后使成像传感器62曝光以捕捉条形码40的图像。所捕捉的条形码40的图像作为像素数据被转移至控制器90。此类像素数据由控制器90中的解码器数字地处理，以对条形码进行解码。从解码条形码40获得的信息随后被存储在存储器94中或被发送至其他设备以用于进一步处理。
对于基于图像的条形码扫描仪，距离知识对配置诸如传感器曝光时间、传感器增益、照明脉冲宽度等之类的***参数以用于最佳条形码读取性能来说是重要的。另外，为了容易使用，基于图像的条形码扫描仪通常需要瞄准***提供可见瞄准图案以指示成像视场(FOV)在何处。本公开提出了单一设计，该设计提供在期望读取范围内的可见瞄准图案，并且同时该瞄准图案的形状从近距离到远距离而改变，使得可从瞄准图案形状导出距离信息。
一种用于距离感测的已知方法是增加专用的源和传感器对并从返回信号强度导出距离信息。这种方法的问题是返回信号强度不仅依赖于距离也依赖于诸如对象反射率和对象取向等之类的许多其他因素。因此，将这些因素分离以可靠地确定距离是极具挑战性的。而且，额外的源和传感器增加了成本并增加了***复杂度。本公开公开了一种单一光学设计，该设计提供在期望读取范围内的可见瞄准图案，并且同时该瞄准图案的形状从近距离到远距离而改变以用于距离感测。
图3是示出根据一个实施例的用于产生瞄准图案的光学***的示意图。该光学***包括瞄准LED 82、孔径光阑83和瞄准透镜84。在一种实现中，瞄准LED 82是正方形芯片，形成具有正方形形状的面光源。孔径光阑83和瞄准透镜84属于图案产生产生器80。瞄准透镜84将正方形LED芯片82的图像投射在距离D1处并且瞄准透镜84还将圆形孔径光阑83成像在距离D2处。因此，这种单一***提供了在不同距离处的可见瞄准图案，以用于指示图像FOV。同时，如图4中所示，瞄准图案形状随着距离而改变：在距离D1附近，瞄准图案具有正方形LED芯片的形状；从距离D2附近到读取范围的终点，瞄准图案具有圆形孔径光阑的形状。从距离D1到距离D2，瞄准形状从正方形形状改变成圆形形状。从不同距离处的瞄准图案形状这种先备知识，可容易并快速地获得距离信息以配置用于最佳条形码读取性能的***参数。
在一个特定实现中，如图3中所示，瞄准LED 82是具有正方形芯片的OSRAM LOE67F。圆形孔径光阑83被置于离LED顶部0.2毫米处并且具有0.4毫米的直径。瞄准透镜84是具有8.8毫米的有效焦距(EFL)的平-凸透镜。作为选择，瞄准透镜的两个表面可以是非球面的以最小化离轴像差并因此最大化瞄准斑点的锐度。孔径光阑83和瞄准透镜84之间的间隔是6.8毫米。
图5A-5D分别是在距离101.6毫米(即，4英寸)、152.4毫米(即，6英寸)、203.2毫米(即，8英寸)和254.0毫米(即，10英寸)处的瞄准图案，其清楚地示出了瞄准图案在近距离101.6毫米和152.4毫米处是正方形的而在远距离203.2毫米和254.0毫米处是圆形的。因此，人们可配置短的传感器曝光时间、低的传感器增益和/或短的照明脉冲宽度以在检测正方形瞄准图案时避免条形码图案饱和。另一方面，人们可配置长的传感器曝光时间、高的传感器增益和/或长的照明脉冲宽度以在检测圆形瞄准图案时增加条形码图案亮度。以这种方式，条形码图像总是具有用于进取的(aggressive)解码的最佳亮度。另外，当变焦透镜被用于成像透镜布置60时，该变焦透镜可基于从瞄准图案确定的距离使其最佳聚焦设置在预定焦距处。
在其他实现中，孔径光阑形状不必被限制为圆形。它可以是不同于LED芯片形状的任何形状，比如十字形、椭圆形、轨迹形等。根据应用，可通过改变孔径光阑和瞄准透镜之间的间隔、瞄准透镜的EFL和/或LED和孔径光阑之间的距离来调整瞄准图案改变其形状之处的距离。还可在LED上增加额外的场透镜以帮助调整LED芯片图像的位置。另外，如图6中所示，另一孔径光阑81可被定位在瞄准LED 82近邻处以充当用于更清楚地限定瞄准光源的有效表面形状的光源开口。
所公开的将瞄准和距离感测功能结合到单一设计中的实施例能够具有节约***成本和复杂度的优点。此外，相较于依靠返回信号强度的现有方法，瞄准图案的形状提供了用于距离感测的可靠得多的方法。
一般而言，成像扫描仪50包括形状限定元件83、瞄准透镜布置84和瞄准光源82，瞄准光源82配置成发射可见光穿过形状限定元件83和瞄准透镜布置84二者以在目标对象上产生瞄准图案。瞄准图案的形状随着至少在第一距离D1与第二距离D2之间的表征目标对象40与成像扫描仪50之间的间隔的距离而改变。在此，在第一距离D1处的瞄准图案和在第二距离D2处的瞄准图案具有彼此不相似并且在任何统一的比例变换下不全等的实质上(substantially)不同的几何形状
成像扫描仪50进一步包括照明源72、成像透镜布置60、具有光敏元件的成像传感器62、以及控制器90。成像传感器62被配置用于检测来自目标对象40并穿过成像透镜布置60的光以在瞄准图案被投射在目标对象上时的第一时间周期期间创建第一像素数据。控制器90被配置成处理第一像素数据以用于确定表征目标对象与该装置之间的间隔的距离。为了确定该距离，将第一像素数据中的瞄准图案的形状与瞄准图案在多个距离处的预期形状进行比较。在一种实现中，为了确定该距离，将第一像素数据中的瞄准图案的形状的边界与瞄准图案在多个距离处的预期形状的边界进行比较。在另一种实现中，为了确定该距离，将第一像素数据中的瞄准图案的形状的二维图像与瞄准图案在多个距离处的预期形状的二维图像进行比较。瞄准图案在多个距离处的图像可被存储在存储器94中。
在上述说明书中已经描述了具体实施例。然而，本领域技术人员理解，可做出多种修正和改变而不脱离本发明如下权利要求书记载的范围。因此，说明书和附图被认为是示例性的而非限定性的意义，并且所有这些修正都旨在落在本教义的范围内。
这些益处、优势、问题解决方案以及可能使任何益处、优势或解决方案发生或变得更为突出的任何要素不被解释成任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征或要素。本发明单独由所附权利要求书限定，包括在本申请处于未决状态期间做出的任何修改以及出版后这些权利要求的所有等效物。
此外，在该文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等等之类的关系项可单独地用来将一个实体或动作与另一实体或动作区别开，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间具有任何实际的这种关系或顺序。术语“构成”、“构成有”、“具有”、“具备”、“包括”、“包括有”、“包含”、“含有”或它们的任何其他变型旨在覆盖非排他性包括，以使构成为、具有、包括、包含一要素列表的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素还可包括对该过程、方法、物品或装置未明确列出的或固有的其他要素。以“构成有一”、“具有一”、“包括一”、“包含一”开头的要素，在没有更多约束条件的情形下，不排除在构成有、具有、包括、包含该要素的过程、方法、物品或装置中有另外的相同要素存在。术语“一”和“一个”被定义为一个或多个，除非本文中另有明确声明。术语“基本上”、“本质上”、“近似”、“大约”或这些术语的任何其他版本被定义为如本领域内技术人员理解的那样接近，并且在一个非限定性实施例中，这些术语被定义为在10％以内，在另一实施例中在5％以内，在另一实施例中在1％以内，而在另一实施例中在0.5％以内。本文中使用的术语“耦合的”被定义为连接的，尽管不一定是直接连接的也不一定是机械方式连接的。以某种方式“配置的”设备或结构至少以该种方式进行配置，但也可以未列出的方式进行配置。
要理解，一些实施例可包括一个或多个通用或专用处理器(或“处理器件”)，例如微处理器、数字信号处理器、定制的处理器和现场可编程门阵列(FPGA)以及唯一存储的程序指令(包括软件和固件两者)，所述唯一存储的程序指令控制一个或多个处理器以连同某些非处理器电路实现本文所描述的方法和/或装置的一些、多数或全部功能。替代地，一些或全部功能可由无存储程序指令的状态机实现，或者在一种或多种应用中由专用集成电路(ASIC)实现，在这类ASIC中每种功能或某些功能的某些组合被实现为定制逻辑。当然，也可使用这两种方式的组合。
另外，一实施例可被实现为计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有存储在其上的计算机可读代码，用于对(例如包含处理器的)计算机编程以执行如本文描述和要求保护的方法。这种计算机可读存储介质的示例包括但不限于硬盘、CD-ROM、光存储器件、磁存储器件、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)以及闪存。此外，预期本领域普通技术人员虽然做出由例如可用时间、当前技术和经济考虑促动的可能显著的努力以及许多设计选择，但在得到本文所公开的构思和原理指导时，将容易地能以最少的试验产生此类软件指令和程序以及IC。
提供本公开的摘要以使读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述详细描述中，可以看出为了使本公开整体化，各个特征在各实施例中被编组到一起。这种公开方法不应被解释为反映要求保护的实施例需要比每一项权利要求中明确陈述的特征更多的特征的意图。相反，如接下来的权利要求所反映，发明主题在于少于单个公开的实施例的全部特征。因此，下面的权利要求在此被纳入详细说明书中，其中每个权利要求独自作为单独要求保护的主题事项。

Claims (20)

1.一种成像装置，包括：
形状限定元件；
瞄准透镜布置；
瞄准光源，所述瞄准光源配置成发射可见光穿过所述形状限定元件和所述瞄准透镜布置二者以在目标对象上产生瞄准图案，其中所述瞄准图案的形状随着至少在第一距离与第二距离之间的表征所述目标对象与所述装置之间的间隔的距离而改变，且其中在所述第一距离处的瞄准图案和在所述第二距离处的瞄准图案具有彼此不相似并且在任何统一的比例变换下不全等的实质上不同的几何形状；
照明源，所述照明源操作以产生朝向所述目标对象上的条形码发射的照明光；
成像透镜布置；
具有光敏元件的成像传感器，所述成像传感器用于检测来自所述目标对象并穿过所述成像透镜布置的光以在瞄准图案被投射在所述目标对象上时的第一时间周期期间创建第一像素数据，并且用于检测来自所述条形码并穿过所述成像透镜布置的光以在所述条形码被所述照明光照射时的第二时间周期期间创建第二像素数据；以及
控制器，所述控制器被配置成处理所述第一像素数据以用于确定表征所述目标对象与所述装置之间的间隔的所述距离，其中所述确定所述距离包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状与瞄准图案在多个距离处的预期形状进行比较。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器被进一步配置用于处理所述第二像素数据以解码所述条形码的图像。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述比较包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状的边界与瞄准图案在多个距离处的预期形状的边界进行比较。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述比较包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状的二维图像与瞄准图案在多个距离处的预期形状的二维图像进行比较。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述形状限定元件被定位在所述瞄准光源与所述瞄准透镜布置之间。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述形状限定元件是孔径。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述瞄准光源是发光二极管(LED)。
8.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
光源开口，所述光源开口被定位在所述瞄准光源近邻处以限定所述瞄准光源的有效表面形状。
9.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
存储器，所述存储器存储瞄准图案在多个距离处的图像。
10.如权利要求1所述的装置，其中表征所述目标对象与所述装置之间的间隔的所述距离是所述目标对象与所述装置之间的距离。
11.一种成像方法，包括：
投射可见光穿过形状限定元件和瞄准透镜布置二者以在目标对象上产生瞄准图案，其中所述瞄准图案的形状随着至少在第一距离与第二距离之间的表征所述目标对象与所述瞄准透镜布置之间的间隔的距离而改变，且其中在所述第一距离处的瞄准图案和在所述第二距离处的瞄准图案具有彼此不相似并且在任何统一的比例变换下不全等的实质上不同的几何形状；
用具有光敏元件的成像传感器检测来自所述目标对象并穿过成像透镜布置的光以在瞄准图案被投射在所述目标对象上时的第一时间周期期间创建第一像素数据；
处理所述第一像素数据以用于确定表征所述目标对象与所述成像透镜布置之间的间隔的所述距离，其中所述确定所述距离包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状与瞄准图案在多个距离处的预期形状进行比较；
朝向所述目标对象上的条形码投射照明光；以及
用所述成像传感器检测来自所述条形码并穿过所述成像透镜布置的光以在所述条形码被所述照明光照射时的第二时间周期期间创建第二像素数据并且具有变焦的所述成像透镜布置被设置在从表征所述目标对象与所述瞄准透镜布置之间的间隔的所述距离确定的预定焦距处。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
处理所述第二像素数据以解码所述条形码的图像。
13.一种成像方法，包括：
投射可见光穿过形状限定元件和瞄准透镜布置二者以在目标对象上产生瞄准图案，其中所述瞄准图案的形状随着至少在第一距离与第二距离之间的表征所述目标对象与所述瞄准透镜布置之间的间隔的距离而改变，且其中在所述第一距离处的瞄准图案和在所述第二距离处的瞄准图案具有彼此不相似并且在任何统一的比例变换下不全等的实质上不同的几何形状；
用具有光敏元件的成像传感器检测来自所述目标对象并穿过成像透镜布置的光以在瞄准图案被投射在所述目标对象上时的第一时间周期期间创建第一像素数据；
处理所述第一像素数据以用于确定表征所述目标对象与所述瞄准透镜布置之间的间隔的所述距离，其中所述确定所述距离包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状与瞄准图案在多个距离处的预期形状进行比较；
朝向所述目标对象上的条形码投射照明光；以及
用所述成像传感器检测来自所述条形码并穿过所述成像透镜布置的光以在所述条形码被所述照明光照射时的第二时间周期期间创建第二像素数据。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
处理所述第二像素数据以解码所述条形码的图像。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述比较包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状的边界与瞄准图案在多个距离处的预期形状的边界进行比较。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述比较包括将所述第一像素数据中的瞄准图案的形状的二维图像与瞄准图案在多个距离处的预期形状的二维图像进行比较。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述投射可见光包括用瞄准光源产生可见光，所述瞄准光源包括发光二极管(LED)。
18.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
将光源开口定位在瞄准光源近邻处以限定所述瞄准光源的有效表面形状。
19.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
将瞄准图案在多个距离处的图像存储在存储器中。
20.如权利要求13所述的方法，其中表征所述目标对象与所述瞄准透镜布置之间的间隔的所述距离是所述目标对象与所述瞄准透镜布置之间的距离。
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