具有全局電子快門控制的條形碼讀取裝置的製作方法

2023-04-28 11:11:41

專利名稱：具有全局電子快門控制的條形碼讀取裝置的製作方法
具有全局電子快門控制的條形碼讀取裝置 相關申請的交叉申請
本PCT申請要求2005年3月11日提交的申請號為11/077, 975、主題為 "具有全局電子快門控制的條形碼讀取裝置"的美國整理申請案和2005年3月 11日提交的、申請號為11/077， 976、主題為"自動對焦圖像讀取器的系統和 方法"的優先權。要求每個上述申請的優先權，並且每個上述申請的全部內容 結合於此作為參考。 發明領域
本發明總體上涉及圖像數據採集，更具體的，涉及具有調整照明和全局快 門控制的圖像數據採集器。
背景技術：
許多傳統圖像讀取器(例如手持和嵌入安裝的條形碼和機器碼讀取器)使 用基於電荷耦合器件(CCD)的圖像傳感器。基於CCD的圖像傳感器包括電耦合 的光敏性的光電二極體陣列，光敏二極體將入射光能轉換為電荷包。在操作中， 電荷包被轉移出CCD圖像傳感器以用於下一步處理。
一些圖像讀取器使用基於CMOS的圖像傳感器作為可選的成像技術。與CCD 一樣，基於CMOS的圖像傳感器包括光敏性的光電二極體陣列，光敏二極體將入 射光能轉換為電荷。然而，與CCD不同的是，基於CMOS的圖像傳感器允許二維 陣列中的每個像素被直接尋址。這樣的好處之一為，整幀圖像數據的子區域能 夠被單獨訪問。基於CMOS的圖像傳感器的另一個好處為通常來講他們的每個像 素的成本更低。這主要是由於CMOS圖像傳感器由生產例如微處理器等的普通集 成電路的大量晶圓生產設備的標準CMOS工藝製造。除了降低成本外，普通製造 工藝意味著能夠將CMOS像素陣列與諸如時鐘驅動器、數字邏輯電路、模/數轉 換器等其它標準電子裝置集成在一個單晶片上。而這樣的進一步好處是，減小 了空間需求，並且降低了功率消耗。
基於CMOS的圖像讀取器傳統上使用巻簾式快門以曝光傳感器陣列中的多個 像素。在巻簾式快門機構中，激活多行像素並且依次將其讀出。像素的曝光或
積分時間在重置像素的時間和讀出4象素值的時間之間。在圖2A中示出了這種才既 念。圖2A中，行a到行n中的每行的曝光由多個線條4&...化(通常為4)圖示。 每個線條的水平寬度8設計為對應於一個單獨行的曝光時間。每個線條4的水 平位移代表時移周期(shifting time period)，在時移周期中，曝光每行像素。從 圖2A中可以看到，連續行的曝光期是交迭的。圖2B中更詳細地示出了關於巻 簾式快門機構的時序圖。該時序圖的第二條線12和第三條線16分別表示行a 的重置定時信號和讀出定時信號。第四條線20和第五條線24分別表示行b的 重置定時信號和讀出定時信號。如兩個圖2A、圖2B所示，在將行a的值讀出之 前，開始曝光行b。由於在捕捉數據幀時必須曝光並且讀出幾百行〗象素，所以通 常地鄰近行像素的曝光期基本上交迭。如第一條線28上的照明定時信號所示， 具有交迭曝光期的巻簾式快門機構要求，在捕捉數據幀所需的大致上所有時間 內，照明源保持開啟，因此給所有行提供了照明。
搡作中，巻簾式快門機構遭受至少兩個不利條件圖像失真和圖像模糊。 圖像失真是是像素的每行在不同時間曝光的典型產物。當視覺記錄快速移動的 物體時，圖像失真的影響最明顯。圖3中示出了使用巻簾式快門拍攝從左到右 經過視野的公共汽車圖像像素50的代表圖像，示出的圖像表明了這種影響。當 公共汽車的圖像54的頂行早於像素58的底行被拍攝時，並且當公共汽車行駛 到左邊時，公共汽車的圖像像素58的底像素移動到相對於公共汽車像素54的 頂行的左邊。
圖像模糊是圖像讀取器中巻簾式快門機構中的通常需要長曝光期的典型產 物。如上面所指出的，巻簾式快門機構中的照明源必須在捕捉數據幀所需的大 致上所有時間內保持開啟。由於電池和/或照明源的限制，捕捉整幀數據期間內 提供的光對於短曝光時間通常來講是不夠的。沒有短曝光時間，導致模糊的影 響變得明顯。導致模糊影響的常見例子包括例如由於手持圖像讀取器的手抖動 而使圖像傳感器移動。
圖像讀取器需要克服現有CMOS圖像讀取器具有的圖像失真和圖像4莫糊的缺點。

發明內容
一方面，本發明特徵在於用於從目標採集圖像數據的、基於互補金屬氧化
物半導體(CMOS)的圖像讀取器。基於CMOS的圖像讀取器包括基於CMOS的圖 像傳感器陣列、與基於CMOS的圖像傳感器陣列電連接的定時模塊。定時模塊在 曝光期能夠同時曝光基於CMOS的圖像傳感器陣列的整幀像素。基於CMOS的圖 像讀取器還包括照明模塊，照明模塊能夠在照明期照射目標。照明模塊與定時 模塊電連接。基於CM0S的圖像讀取器進一步包括與定時模塊和照明模塊電連接 的控制模塊。控制模塊能夠使在照明期發生至少一部分曝光期。在基於CM0S的 圖像讀取器的一個實施例中，對目標照明包括在照明模塊中過激勵光源。在基 於CMOS的圖像讀取器的另一實施例，光源包括光敏二極體。在基於CM0S的圖 像讀取器的又一個實施例中，照明期開始之後開始曝光期，並且在照明期結束 之前結束曝光期。在基於CMOS的圖像讀取器的另一實施例中，在曝光期開始之 後開始照明期，並且曝光期結束之前結束照明期。在基於CM0S的圖像讀取器的 另一實施例中，在曝光期開始之前開始照明期，並且曝光期結束之前結束照明 期。在基於CMOS的圖像讀取器的再一個實施例中，曝光期的持續期小於3. 7毫 秒。在基於CMOS的圖像讀取器的各種實施例中，目標包括符號體系，例如一維 條形碼(例如39碼或UPC代碼)或二維條形碼(例如PDF417條形碼、阿芝臺 克(Aztec)符號、或數據矩陣符號)。
另一方面，本發明的特徵在於一種從目標採集圖像數據的、基於互補金屬 氧化物半導體(CMOS)的圖像讀取器。基於CMOS的圖像讀取器包括集成電路， 集成電路包括至少一個基於CMOS的圖像傳感器陣列和全局電子快門控制電路。 全局電子快門控制電路能夠生成曝光定時脈沖，曝光定時脈衝能夠使基於CMOS 的圖像傳感器陣列的大致上所有的整幀像素同時曝光。基於CM0S的圖像讀取器 還包括與集成電路電連接的光源。光源能夠響應於照明控制定時脈沖而照射包 括符號體系的目標。曝光控制定時脈衝期間，發生照明控制定時脈衝的至少一 部分。在基於CMOS的圖像讀取器的一個實施例中，對目標照明包括過激勵光源。 在基於CMOS的圖像讀取器的另一實施例中，光源包括光敏二極體。在基於CM0S 的圖像讀取器的再一個實施例中，照明期開始之後開始曝光期，並且照明期結 束之前結束曝光期。在基於CMOS的圖像讀取器的又一個實施例中，曝光期開始
之後開始照明期，曝光期結束之前結束照明期。在基於CMOS的圖像讀取器的另 一實施例中，曝光期開始之前開始照明期，並且在曝光期結束之前結束照明期。 在基於CMOS的圖像讀取器的再一個實施例中，曝光期的持續期小於3. 7毫秒。 在基於CMOS的圖像讀取器的各種實施例中，目標包括符號體系，例如一維條形 碼(例如39碼或UPC代碼)或二維條形碼(例如PDF417條形碼、阿芝臺克符 號、或數據矩陣符號)。
另一方面，本發明特徵在於一種用於從目標採集圖像數據的圖像讀取器。 圖像讀取器包括具有至少一個圖像傳感器陣列和曝光定時控制電路的集成電
路。曝光定時控制電路能夠生成曝光控制定時脈衝，曝光控制定時脈沖能夠同 時曝光圖像傳感器陣列中的大致上所有的像素。圖像讀取器還包括與集成電路 電連接的照明模塊。照明模塊包括能夠響應於照明控制定時脈衝而照射目標的 光源。在曝光控制定時脈衝期間，照明控制定時脈沖的至少一部分發生。在圖 像讀取器的一個實施例中，照明控制定時脈衝由照明模塊生成。在圖像讀取器 的另一實施例中，照明控制定時脈衝和曝光控制定時脈衝之間的交迭由控制模 塊調整，控制模塊與集成電路和照明模塊電連接。在圖像讀取器的又一個實施 例中，控制模塊包括微處理器。在圖像讀取器的一個實施例中，對目標照明包 括過激勵光源。在圖像讀取器的另一實施例中，光源包括發光二極體。在圖像 讀取器的又一個實施例中，照明期開始之後開始曝光期，並且照明期結束之前 結束曝光期。在圖像讀取器的另一實施例中，曝光期開始之後開始照明期，並 且曝光期結束之前結束照明期。在圖像讀取器的又一個實施例中，曝光期開始 之前開始照明期，並且曝光期結束之前結束照明期。在圖像讀取器的再一個實 施例中，曝光期的持續期小於3. 7毫秒。在基於CMOS的圖像讀取器的各種實施 例中，目標包括符號體系，例如一維條形碼(例如39碼或UPC代碼)或二維條 形碼(例如PDF417條形碼、阿芝臺克符號、或lt據矩陣符號)。
再一方面，本發明的特徵在於一種從目標採集圖像數據的方法。該方法包 括根據照明控制定時脈衝激活光源以照明目標。在照明控制定時脈衝的持續期 內，激活光源。該方法還包括同時激活多個像素以對入射輻射進行光轉換。根 據曝光控制定時脈衝而激活多個像素。該方法進一步包括在多個像素中的每個 的屏蔽部分中，存儲由多個像素中的每個採集的圖像數據。根據曝光控制定時 脈衝而對圖像數據進行存儲。本方法還進一步包括從多個像素讀出圖像數據， 其中照明控制定時脈衝期間，至少一部分曝光控制定時脈衝發生。在一個實施 例中，該方法進一步包括調整照明調整控制定時脈沖和曝光控制定時脈沖之間 的交迭。調整由控制模塊管理。在該方法的一個此實施例中，控制模塊包括微 處理器。在本方法的另一實施例中，對目標照明包括過激勵照明模塊中的光源。 在該方法的附加實施例中，光源包括發光二才及管。在該方法的進一步的實施例 中，響應於曝光控制定時模塊的停止部分，進行圖像數據的存儲。在該方法的 附加的實施例中，照明期開始之後開始曝光期，並且照明期結束之前結束曝光 期。在該方法的又一個實施例中，曝光期開始之後開始照明期，並且曝光期結 束之前結束照明期。在該方法的再一個實施例中，曝光期開始之前開始照明期， 並且曝光期結束之前結束照明期。在該方法的另一實施例中，曝光期的持續期
小於3. 7毫秒。在基於CMOS的圖像讀取器的各種實施例中，目標包括符號體系， 例如一維條形碼(例如39碼或UPC代碼)或二維條形碼(例如PDF417條形碼、 阿芝臺克符號、或數據矩陣符號)。
另 一方面，本發明的特徵在於 一種用於從條形碼符號採集和處理條形碼數 據的條形碼圖像讀取器。圖像讀取器包括用於接收條形碼符號反射的光輻射的 二維像素陣列，二維像素陣列包括第一多個像素和第二多個像素，二維陣列能 夠讀出第一多個像素而與第二像素的讀出無關，像素中每個包括光敏區和絕光 屏蔽數據存儲區。圖像讀取器還包括用於將從條形碼符號的反射光輻射引導到 二維像素陣列上的光學組件。圖像讀取器還進一步包括與二維像素陣列有關的 全局電子快門，全局電子快門能夠同時曝光二位陣列中大致上所有的像素。圖 像讀取器還包括處理器模塊，處理器模塊與二維像素陣列電連接，處理器模塊 能夠處理來自二位陣列像素的圖像數據，以生成經過解碼的條形碼數據。在條 形碼圖像讀取器的一個實施例中，二維圖像傳感器陣列是互補金屬氧化物半導 體(CM0S)傳感器。在條形碼圖像讀取器的另一實施例中，處理圖像數據以生 成包括自動識別多個條形碼類型的輸出數據。
另一方面，本發明的特徵在於一種用於從目標採集圖像數據的基於互補金
屬氧化物半導體(CMOS )的圖像讀取器。基於CMOS的圖像讀取器包括基於CMOS 的圖像傳感器陣列，基於CMOS的圖像傳感器陣列包括第一多個像素和第二多個 像素，基於CMOS的圖像傳感器陣列能夠讀出第一多個像素，而與第二多個像素 的讀出無關，基於CMOS的圖像傳感器陣列的每個像素包括光敏區和絕光屏蔽數 據存儲區。基於CMOS的圖像讀取器還包括與基於CMOS的圖像傳感器陣列電連 接的定時模塊，定時模塊設置為在曝光期同時曝光基於CMOS的圖像傳感器陣列 的整幀像素。基於CMOS的圖像傳感器陣列還包括照明模塊，照明模塊設置為在 照明期照射目標，並且照明模塊與定時模塊電連接。基於CMOS的圖像傳感器陣 列還包括與定時模塊和照明模塊電連接的控制模塊，並且控制模塊設置為在照 明期至少 一部分曝光期發生。
另一方面，本發明的特徵在於一種用於從目標採集圖像數據的、基於互補 金屬氧化物半導體(CMOS)的圖像讀取器。基於CMOS的圖像器讀取包括具有至 少一個基於CMOS的圖像傳感器陣列的集成電路，圖像傳感器陣列包括第一多個 像素和第二多個像素，基於CMOS的圖像傳感器陣列能夠讀出第一多個像素，而 與第二多個像素的讀出無關，基於CMOS的圖像傳感陣列的每個像素包括光敏區 和絕光屏蔽數據存儲區。基於CMOS的圖像傳感器陣列還包括全局電子快門控制 電路，全局電子快門控制電路設置為生成曝光控制定時脈衝，曝光控制定時脈 衝能夠同時曝光基於CMOS的圖像傳感器陣列的大致上所有的整幀像素。基於 CMOS的圖像傳感器陣列還包括光源，光源設置為根據照明控制定時脈衝照射目 標，光源與集成電路電連接。在基於CMOS的圖像讀取器的操作中，照明控制定 時脈沖與曝光控制定時脈沖的至少一部分交迭。在基於CMOS的圖像讀取器的一 個實施例中，對目標照明包括過激勵照明模塊中的光源。在基於CMOS的讀取器 的另一實施例中，光源包括發光二極體。在基於CMOS的圖像讀取器的又一個實 施例中，曝光控制定時脈沖的持續期比照明控制定時脈沖短。在基於CMOS的圖 像讀取器的另一實施例中，照明控制定時脈沖的持續期比曝光控制定時脈沖短。 在基於CMOS的圖^f象讀取器的又一個實施例中，曝光控制定時脈衝開始之前開始 照明控制定時脈沖，並且曝光控制定時脈衝結束之前結束照明控制定時脈衝。
在基於CMOS的圖像讀取器的另 一實施例中，曝光控制定時脈衝的持續期小於3. 7
毫秒。在基於CMOS的圖像讀取器的再一個實施例中，目標包括符號體系。在一 個此實施例中，符號體系是一維條形碼。在另一個此實施例中，符號體系是二 維條形碼。在一個此實施例中，二維條形碼是PDF417條形碼。
另 一 方面，本發明的特徵在於一種用於從條形碼採集圖像數據的條形碼圖 像讀取器。圖像讀取器包括具有至少一個二維圖像傳感器陣列的集成電路，二 維圖像傳感器陣列包括多個有源像素，每個有源像素包括至少一個屏蔽數據存 儲區，二維圖^f象傳感器陣列可以應用傳遞函數(transfer function)，以將入 射光強度轉換為輸出電壓，傳遞函數包括具有第一斜率的第一區域和具有第二 斜率的第二區域，當入射光強度高於指定水平，二維圖像傳感器陣列能夠應用 傳遞函數的第二區域，當入射光強度低於指定水平，二維圖像傳感器陣列能夠 應用傳遞函數的第一區域。條形碼圖像讀取器還包括曝光定時控制電路，曝光 定時控制電路設置為生成曝光控制定時脈沖，曝光定時控制脈沖能夠同時曝光 圖像傳感器陣列中的所有的或者大致上所有的像素以光轉換入射輻射。在一個 實施例中，曝光控制定時脈衝的持續期小於3.7毫秒。在另一實施例中，二維 圖像陣列傳感器的動態範圍大於65分貝。
再一方面，本發明的特徵在於一種自動聚焦圖像讀取器的方法。該方法包 括使用光學系統將由目標反射的光能引導到圖像傳感器上。該方法還包括在幀 曝光期依次曝光圖像傳感器中的多行像素，巾貞曝光期定義為從多行中第一個曝 光開始持續到多行中最後一個曝光結束的持續時間。該方法還包括從第一設置 到第二設置步進地改變光學系統，第一設置為當位於到圖像讀取器第一距離處 的物體的清晰圖像形成在圖像傳感器上時的設置，第二設置為當位於到圖像讀 取器第二距離處的物體的清晰圖像形成在圖像傳感器上時的設置。該方法還包 括從圖像傳感器中的多行像素讀出多行圖像數據，其中，在至少一部分幀曝光 期，光學系統步進地改變光學系統。在一個實施例中，該方法還包括根據在圖 像傳感器上形成的目標的清晰圖像，分析多行圖像數據，以為光學系統確定合 適的設置。在另一實施例中，該方法還包括同時曝光圖像傳感器中的多行以生 成目標圖像。在該方法的一個實施例中，圖像讀取器中鄰近行像素的曝光期互 相交迭。在該方法的另一實施例中，目標包括符號體系。在一個此實施例中，
符號體系是一維條形碼。在另一個此實施例中，符號體系是二維條形碼。
另一方面，本發明特徵在於一種具有自動聚焦性能的圖像讀取器。圖像讀 取器包括具有至少一個圖像傳感器陣列的集成電路。圖像讀取器還包括能夠將 目標的反射光引導到圖像傳感器陣列上的光學系統，光學系統具有多個焦距i殳 置，第 一焦距設置對應於位於到圖像讀取器第 一距離處的物體形成在圖像傳感 器上的清晰圖像，第二焦距設置對應於位於到圖像讀取器第二距離處的物體形 成在圖像傳感器上的清晰圖像。圖像讀取器還包括巻簾式快門控制模塊，巻簾 式快門控制模塊設置為依次曝光圖像傳感器陣列中的多行像素，以採集聚焦的 圖像數據。圖像讀取器還包括自動聚焦模塊，自動聚焦模塊設置為分析聚焦的 圖像數據，以確定目標的焦距設置，該目標的焦距設置對應於形成在圖像傳感 器上的目標的清晰圖像，其中，在巻簾式快門控制模塊依次曝光多行像素的至 少一部分的期間中，光學系統能夠從第一焦距設置到第二焦距設置步進變化。 在一個實施例中，圖像讀取器還包括全局電子快門控制模塊，全局電子快門控 制模塊設置為一旦確定目標的焦距設置，則同時曝光圖像傳感器陣列中的多行 像素，以採集幀圖像數據。在圖像讀取器的進一步實施例中，巻簾式快門控制 模塊和全局電子快門控制模塊集成在同一個集成電路上，該集成電路包含圖像 傳感器陣列。在圖像讀取器的進一步實施例中，巻簾式快門控制模塊和全局電 子快門控制模塊包含在一個圖像陣列控制模塊中。在圖像讀取器的另 一實施例 中，巻簾式控制模塊能夠使鄰近行的像素的曝光期相互交迭。
另 一方面，本發明的特徵在於一種用於使環境光圖像劣化減到最小的圖像 讀取器。圖像讀取器包括具有至少一個圖像傳感器陣列的集成電路，圖像傳感 器陣列提供一個適用於光強度判斷的信號。圖像讀取器還包括巻簾式快門控制 模塊，巻簾式快門控制模塊設置為依次曝光圖像傳感器陣列中的多行像素。圖 像讀取器還包括全局電子快門控制模塊，全局電子快門控制模塊設置為同時曝 光圖像傳感器陣列中的多行像素，其中，能夠根據適用於光強度判斷的信號， 而選擇巻簾式快門控制模塊和全局電子快門控制模塊中的一個，以控制圖像傳 感器陣列。在圖像讀取器的一個實施例中，用於光強度判斷的信號包括與圖像 讀取器的光源強度有關的信號。在圖像讀取器的另一實施例中，適合光強度判 斷的信號可用於確定最小積分時間是否足夠。在圖像讀取器的進一步的實施例 中，適合光強度判斷的信號用於判斷當前環境狀況的曝光時間(也稱為積分時 間)是否小於計算的最小積分時間。在圖像讀取器的另一實施例中，巻簾式快 門控制模塊和全局電子快門控制模塊集成在在同一集成電路上，該集成電路包 含圖像傳感器陣列。
另一方面，本發明的特徵在於一種使圖像讀取器採集的圖像數據退化減到 最小的方法。該方法包括確定與環境光強度有關的至少一個參數，並且分析此 參數。本方法還包括根據至少一個參數的分析，對圖像讀取器中的圖像傳感器 陣列從全局電子快門控制模式到巻簾式快門控制模式的轉換控制。在該方法的 一個實施例中，該至少一個參數包括當前環境狀況的曝光時間。在該方法的另 一實施例中，該至少 一個參數的分析包括計算當前環境狀況的曝光時間與預定 曝光時間的比率。在一個這樣的實施例中，預定曝光時間是基於圖像讀取器的 光源提供的照明。在該方法的另一實施例中，分析至少一個參數包括確定環境 光強度與圖像讀取器的光源強度的比率是否超過預定閾值。
參考下述的描述和權利要求書，本發明前述的和其它的目的、方面、特徵、 以及有益效果將更加明顯。


參考下述的附圖、權利要求書，將更容易理解本發明的目的和特徵。附圖 不限制保護範圍，而應該把重點放在對本發明的原理的描述上。在附圖中，相 同的標註用於指示各個不同視圖中的相同部件。
圖1A是根據本發明的原理構造的圖像讀取器的一個實施例的框圖； 圖1B是用於本發明的自動識別模塊的示意性框圖1C是實現包括在不同數據表單類型之間自動識別的本發明原理的流程；
圖2A示出了根據現有技術使用巻簾式快門機構的圖像傳感器的操作；
圖2B是相對於圖2A所示的用於現有技術巻簾式快門機構的時序圖3是由現有技術的圖像傳感器拍攝的圖像；
圖4A是與本發明一個具體實施例相應的電路框圖4B是與本發明另一具體實施例相應的電路框圖5A是根據本發明原理構造的圖像讀取器中的照明模塊的一個實施例的框
圖5B是根據本發明原理構造的圖像讀取器中的圖像採集模塊的一個實施例 的框圖6是根據本發明原理構造的手持圖像讀取器的一個實施例的透視圖； 圖7是根據本發明原理構造的圖像讀取器的一個實施例的原理性框圖； 圖8A是應用於圖7所示的圖像讀取器一個實施例的現有技術中圖像傳感器
陣列一個實施例的部分示意圖8B和8C是應用於圖7所示的圖像讀取器的一個實施例的現有技術的像
素結構細節的剖視圖9是根據本發明原理用於採集圖像數據的過程的一個實施例的流程圖IOA、 IOB、 10C以及IOD是圖9所示過程的各種實施例的時序圖10E示出了包括多個單獨脈衝的照明控制定時脈沖；
圖ll是根據現有技術的圖像傳感器的部分原理圖12是圖11所示的現有技術的圖像傳感器的時序圖13是根據本發明原理用於自動聚焦處理的一個實施例的流程圖14是根據本發明原理用於改變操作模式的處理的一個實施例的流程圖15A、 15B、以及15C是根據本發明原理構造便攜數據終端圖像讀取器的
一個實施例的各種視圖16是圖15A、 15B、以及15C所示的便攜數據終端圖4象讀取器一個實施例
的電路框圖17A示出了可應用於本發明的多個曲面檢測圖的一個實施例；
圖17B示出了可應用於本發明的多個曲面檢測圖的另 一實施例；
圖18是可以在本發明的一個實施例中使用的直方圖分析示意圖19A至圖19D是根據本發明實施例的圖像數據分隔處理的示意圖20是根據本發明原理構造的透鏡驅動器的一個實施例的原理框圖21、 22A、及22B是根據本發明實施例的聚焦程度檢測過程的圖表說明；
圖23、 24、 25、 26、以及27是根據本發明實施可以應用的各種聚焦過程的 流程圖28A、 28B、以及28C示出了圖像傳感器像素陣列，其中，陰影區表示當 圖像傳感器陣列以窗口幀操作模式被搡作時，可以被選擇性地尋址並且被讀出 的多組位置上鄰近的像素；
圖29、 30A、 30B示出了可以用於本發明實施例的聚焦程度檢測過程的圖表；
圖31和32示出了可以4艮據本發明的實施例實行的附加處理的流程圖3 3是根據本發明的成像模塊的分解裝配視圖34是圖33中示出的成#^莫塊的前視圖35是圖33中示出的組裝的成<|^莫塊的側視圖36是帶有條形碼符號、其上具有投影的照明圖和目標圖、並且其上描繪 有根據本發明圖像讀取器的整幀視域的底板，該底板投影出照明圖和目標圖； 以及
圖37是描述具有以不同波段發光的LED的本發明的各種實施例的圖表。 發明的詳細描述
本發明的特徵為一種圖像讀取器和一種相應的捕捉目標的清晰而不失真的 圖像的方法。在一個實施例中，圖像讀取器包括二維的基於CMOS的圖像傳感 器陣列、定時模塊、照明模塊、以及控制模塊，它們相互之間均為電連接。照 明模塊將光線照在諸如符號體系(例如一維或者二維條形碼)的目標上，以便 圖像傳感器陣列能夠採集反射光並且進行處理。目標被照射的時間稱作照明期。 圖像傳感器陣列對圖像的捕捉由定時模塊驅動，在一個實施例中，定時模塊能 夠同時曝光此陣列中所有的或者大致上所有的像素。傳感器陣列中像素的同時 曝光能夠使圖像讀取器捕捉到非失真的圖像。把共同地激活像素以將入射光光 轉換為電荷的時間定義為傳感器陣列的曝光期。當曝光期結束時，將聚集電荷 轉移到屏蔽的存儲區，直到數據被讀出。在一個實施例中，曝光期和照明期由 控制模塊來控制。在一個此實施例中，控制模塊使照明期間發生至少一段曝光 期。通過在弱環境光的情況下充分縮短照明期或者曝光期，或者在強環境光的 情況下充分縮短曝光期，本發明的圖像讀取器能夠捕捉到大致上不模糊的圖像。
參照圖1A,示出了根據本發明構造的普通圖像讀取器100的框圖。普通圖
像讀取器包括下列模塊中的一個或者多個照明模塊104、圖像採集模塊108、 控制模塊112、存儲模塊116、輸入/輸出模塊120、激勵模塊124、用戶反饋才莫 塊128、顯示模塊132、用戶接口模塊134、射頻辨識(RFID)模塊136、智能 卡模塊140、磁條卡模塊144、解碼模塊150、自動識別模塊152、和/或一個或 者多個電源模塊168、以及鏡頭驅動器模塊165。在不同實施例中，這些模塊中 的每一個可以與一個或者多個其它模塊相結合。在一個實施例中，圖像讀取器 100包括具有基於整幀電子全局快門的圖像傳感器的條形碼圖像讀取器，圖像傳 感器能夠同時曝光圖像傳感器中大致上所有的像素。在一個這樣的實施例中， 圖像傳感器是基於CMOS的圖像傳感器。在另一個這樣的實施例中，圖像傳感器 是基於CCD的圖像傳感器。
當接收由控制模塊112傳送的圖像數據時，數據表單解碼模塊150 (也可以 為條形碼符號數據表單解碼模塊)可以搜索用於標記的圖像數據，諸如靜止區， 數據表單存在的指示，諸如一維或二維條形碼。如果潛在的數據表單被定位， 則數據表單解碼模塊150對圖像數據應用一個或多個數據表單解碼算法。如果 解碼嘗試成功，則圖像讀取器通過1/0模塊120輸出經過解碼的數據表單數據， 並且發出讀取成功的報警信號，比如通過用戶接口模塊134發出蜂鳴聲。
圖像讀取器100還可以包括自動識別模塊152。參考圖1B,自動識別模塊152 可以包含數據表單解碼模塊150和圖像處理和分析模塊1208，數據表單解碼才莫 塊150和圖像處理和分析模塊1208之間相互電連接。
如本實施例所示，圖像處理和分析模塊1208包括特徵提取模塊1212、通用 分類模塊1216、籤名數據處理模塊1218、 0CR解碼模塊1222、以及圖形分析模 塊1224，這些模塊之間相互電連接。另外，如圖1B所示，特徵提取模塊1212 包括二元數據彙編模塊1226、隔行疏化模塊1228、以及巻積模塊1230,這些模 塊之間相互電連接。
圖1C示出了應用本發明一個實施例的過程1300,本發明的該實施例利用了 圖1B中示出的自動識別模塊。過程1300包括圖像讀取器記錄使動事件(例如 當動作模塊124檢測到的扳機信號)(步驟1302 )，以及作為響應，使用圖像 讀取器IOO從目標採集圖像數據(步驟1304 )。圖像數據的採集步驟與諸如過
程300、過程400 (該過程被使用兩次，見圖13、圖23、圖24 )、過程600、 過程800等相一致。採集之後，將圖像數據傳送到數據表單解碼模塊150 (步驟 1308 )。數據表單解碼模塊搜索圖像數據的標記，例如靜止區，數據表單存在 的指示，例如一維或二維條形碼(步驟1310)。如果潛在的數據表單被確定， 則數據表單解碼模塊150對隨後的圖像數據施加一個或多個數據表單解碼算法 (步驟1314)。如果解碼嘗試成功，則圖像讀取器IOO輸出經過解碼的數據表 單數據(步驟1318 ),並且使用例如蜂鳴聲的報警發送讀成功的信號(步驟1322 )。
在一個實施例中，如果解碼嘗試失敗，則將圖像數據傳送到圖像處理和分 析模塊1208 (步驟1326 )。在另一實施例中，對圖像數據的處理和對數據表單 數據解碼的嘗試並行進行。在這樣一個實施例中，首先完成的處理(例如，數 據表單解碼嘗試或者圖像處理)輸出它的數據(例如，經過解碼的條形碼或者 捕捉的特徵)，並且結束另一個並行處理。在進一步的實施例中，根據數據表 單的解碼而處理圖像數據。在這樣一個實施例中，應該捕捉條形碼代碼化的項 目信息，諸如運送標號號碼和指示特徵標記的信息。
在圖像處理和分析模塊1208中，圖像數據由特徵提取模塊1212來處理。 通常，特徵提取模塊生成表示圖像數據特徵的數字輸出。如上所示，圖像數據 特徵指的是圖像數據中包含的數據類型特徵。特徵的通常類型包括一維或者二 維條形碼特徵、標記特徵、圖形特徵、列印文本特徵、手寫文本特徵、圖畫或 者圖像特徵、以及照片特徵等等。在任何種類特徵中，有時特徵的子種類能夠 -故識別。
作為特徵提取模塊1212處理圖像數據的一部分，圖像數據由二元數據彙編 模塊1226處理(步驟1328 ) 。 二元數據彙編模塊1226根據局部閾值和目標圖 像大小標準化，將灰度等級圖像二元數據彙編為二進位圖像。隨著圖像數據被 二元數據彙編，圖像數據由隔行疏化模塊1228處理，以將多像素粗線段簡化為 單像素粗線(步驟1332 )。隨著被二元數據隔行疏化圖像數據，圖像數據由巻 積模塊U30處理(步驟1336 )。
通常，巻積模塊1230使用根據本發明設計的一個或者多個檢測圖，對處理 過的圖像數據進行巻積，以識別各種圖像數據中的特徵。在一個實施例中，巻 積模塊1230為每個巻積的檢測圖生成一對數字，即平均數、以及方差(或標準 差)。圖17A示出了一組12個2x3二元曲線波檢測圖1250,用於^r測圖傳4G居 中存在的曲線元素。由於每個曲線波4企測圖1250與圖傳4t據巻積，生成的平均 值和方差提供了具有與巻積檢測圖12 5 0相似形狀的二元彙編的隔行疏化圖像數 據中的元素的密度或者存在的指示。由於每個像素圖生成一對數字，12個曲線 波檢測圖1250 —共生成24個數字。根據一個實施例，這些24個數字代表處理 過的圖像數據的曲線或者標記特徵。
圖像數據的進一步處理包括特徵提取模塊1212的輸出進入通用分類模塊 1216 (步驟1340 )。通用分類模塊1216使用特徵提取才莫塊生成的數字作為到神 經網絡、均方誤差分類器等的輸入。使用這些工具將這些圖像數據分到通用分 類中。在使用神經網絡的實施例中，不同神經網絡結構與本發明一致，以完成 不同的操作優化和特性。在使用神經網絡的一個實施例中，通用分類模塊1212 包括24+12+6+1=43個節點前饋、後傳播多層神經網絡。輸入層具有24個節點， 用於由使用12個曲線波檢測圖1250的巻積模塊1230生成的平均數和方差輸出。 在這個實施例的神經網絡中，包括具有12個節點的隱蔽層和具有6個節點的隱 蔽層。此處還具有一個輸出節點，以報告標記特徵存在與否。
在使用神經網絡的另一實施例中，巻積模塊1230使用了圖17B示出的20 個曲線波檢測圖1260。如圖所示，20個曲線波4企測圖1260包括圖17A中最初 的12個曲線波檢測圖1250。另外8個像素圖1260用於提供關於標記特徵的方 向信息。在使用20個曲線波檢測圖1260的一個實施例中，通用分類模塊216 是具有40+40+20+9 = 109個節點前饋、反向傳播多層神經網絡。輸入層具有 40個節點，用於由^f吏用20個曲線波;險測圖1260的巻積;漠塊1230生成的20對 平均數和方差輸入。在這個實施例的神經網絡中，分別具有40個節點和20個 節點的兩個隱蔽層， 一個輸出節點用於報告標記特徵存在與否，並且8個輸出 節點報告標記特徵的方向角度。8個輸出節點提供28=256種可能的方位狀態。 因此，方向角度設定在0至360的角度之間，以1.4角度增加。
在一些實施例中，通用分類模塊1216能夠將數據分類到種類的擴展集合中。 例如，在一些實施例中，通用分類模塊1216確定圖像數據是否包括不同的數據 類型，例如籤名、數據表單、手寫文本、列印文本、機器可讀文本、0CR數據、 圖形、圖片、圖像、表格(例如，運輸貨單、提貨單、身份證等)、指紋，生 物測定(例如指紋、人臉圖像、視網膜掃描等)、和/或其它類型的標識符。在 進一步的實施例中，通用分類模塊1216確定圖像數據是否包括這些數據類型的 各種組合。在一些實施例中，通用分類模塊1216確定圖像數據是否包括特定的 數據類型。在一個此實施例中，圖像處理和分析模塊1208包含在識別才莫塊中， 識別模塊根據圖像數據中是否存在特定數據類型(例如籤名或者生物測定)， 而輸出肯定或者否定回答。
在一個實施例中， 一旦確認了標記特徵存在，並且確定了它的大體方位， 則將圖像數據傳送到標記特徵數據處理模塊1218 (步驟1334 )。在一個實施例 中，標記特徵數據處理模塊1218用於;^r測圖像數據中簽名的邊界。在一個實施 例中，使用直方圖分析來檢測籤名的邊界。如圖18所示，直方圖分析包括一系 列沿著相對於標記特徵方向定義的垂直方向和水平方向的一維切片。在一個實 施例中，每個一維切片的值與沿著像素切片的黑像素的數量(即，0值)對應。 在一些實施例中，如果條形碼沒有被解碼，則捕捉整幀圖像數據的一些指定區 (例如中心區)，以用於籤名分析。 一旦完成，直方圖分析提供圖像數據中數 據元素像素的密度的二維圖。籤名邊界相對於最小密度確定， 一定數量的連續 切片必須達到這個最小密度。在一個實施例中，直方圖分析沿著垂直和水平方 向在內部搜索，直到像素密度升高到大於預定的截至閾值。由於通常使用低截 至閾值，使得標記特徵數據不會因疏忽而被裁剪。
在一個實施例中， 一旦確定了標記特徵的邊界，則標記特徵數據處理模塊 1218裁剪圖像數據並且提取標記特徵圖像數據。在一個此實施例中，由圖像修 改模塊進行裁剪，並且圖像修改模塊生成修改後的圖像數據，修改後的圖像數 據中不包括標記特徵的圖像數據的部分已經被刪除。在其它實施例中，應用各 種壓縮技術以減少標記特徵圖像數據的存儲需求。 一個此技術包括通過行程長 度解碼標記特徵圖像數據。根據此技術，用於每個掃描線的相似二元數據彙編 值的每個行程長度(即，
括矢量。根據這個解碼技術，標記特徵分解為矢量集。每個矢量的位置與每個 矢量的長度和方向結合，用於重建原始標記特徵。在一個此實施例中，只要連 續像素行程的曲率超過指定值，則解碼處理生成新矢量。進一步的壓縮技術應
用B-樣條曲線擬合。這個技術能夠嚴格地調節曲率和尺度轉換問題。
在各種實施例中，標記特徵圖像數據或者壓縮或解碼版本的標記特徵圖虧象 數據存儲在本地的專用存儲器設備上。在一個此實施例中，本地存儲設備可以 是以下詳細描述的例如CF存儲卡等可間隔分離的存儲設備。在另 一實施例中， 標記特徵圖像數據存儲在通用存儲器的揮發或者不揮發的部分，並且在將來下 載。在進一步的實施例中，在捕捉的時候或者以後時間點(例如，當完成數據 採集話路時)，能夠通過有線或者無線手段發射標記特徵圖像數據。
在另 一實施例中， 一旦確定了標記特徵的存在，標記特徵數據處理模塊218 不執行直方圖分析，而只在存儲器中存儲完整圖像或者壓縮版本的圖像。在另 一實施例中，為了節省處理時間，在較低解析度的圖像上進行初始圖像分析。 在這個實施例中， 一旦確定標記特徵的存在，將拍攝更高解析度的圖像。在一 個此實施例中，在這個圖像上執行標記特徵提取直方圖分析。接下來，將圖像 以壓縮或者原始格式存儲在存儲器上。在一些實施例中，圖像數據與其它數據 結合以形成特定項目(例如，包裹信封或運輸信封)的記錄。如上所述，圖像 讀取器100能夠採集一些附加數據，並且與標記特徵數據一起存儲或者從標記 特徵數據中間隔分離出來，附加數據包括但是不限於數據表單數據、手寫文本 數據、打字文本數據、圖形數據、圖像或者圖片數據等。
作為操作的一部分，圖像處理和分析模塊1208能夠設計為執行不同數據類 型的特定任務。例如，如果通用分類模塊1216判斷出圖像數據包括打字或者機 器可讀文本，則圖像數據能夠被採集，或者被直方圖分析，並且存儲，或者可 選地，圖像數據能夠被傳送給OCR解碼模塊1222。類似地，如果通用分類模塊 1216判斷出圖像數據包括圖形元素，則圖像數據能夠被傳送給圖形分析模塊 1224進行處理。在一個實施例中，圖形分析模塊1224設置為識別和解碼預定圖 像。在一個此實施例中，圖形分析可以包括確定選擇了運輸標籤上的文件帳單 和安裝指示中的哪一個框(如果有的話)。在進一步的實施例中，圖形分析可
以包括定位和解碼運輸標籤上的郵政編碼框中的打字或者手寫的文本。在可選
的實施例中，圖像讀取器IOO可以設置為，在激活特徵提取模塊1212之前，自 動嘗試除了數據表單解碼之外的解碼操作，例如OCR解碼或圖形解碼。
在另一實施例中，圖像處理和分析模塊1208將圖像數據分為多個區域，然 後對每個區域進行特徵提取和一般分類分析。在圖19A所示的一個實施例中， 標準矩形圖像數據窗口分為四個相等尺寸的子矩形。在圖19B所示的另一實施 例中，分隔包括交迭區域，以使分隔區域的整個面積大於圖像數據的整個場。 圖8B中有7個所示的交迭區域，在每個交迭區域的中心示出了每個標號。在圖 19C和19D示出的進一步的實施例中，分隔包括在圖像數據中的整個場內的採樣 區域(如交叉影線所示)。在另一實施例中，採樣區域能夠基於預加載的用戶 模板，例如用戶模板可以識別諸如運輸標籤中的感興趣區(例如，在諸如運輸 標籤中的標記特徵區、和/或條形碼區)。
在一個實施例中，分隔過程用於識別圖像數據中標記特徵的位置，圖像數 據可以包括例如數據表單的附加元素，數據表單包括條形碼數據表單、文本、 圖形、圖像等。在一個此實施例中，通用分類模塊1216對分隔的圖像數據的每 個區域的內容分類。然後由標記特徵數據處理模塊1218提取包含標記特徵的區 域。在一個實施例中，如果指示多個區域包含標記特徵數據，則標記特徵數據 處理模塊1218分析這些區域的排列以識別最可能包含圖形數據的區域。在進一 步的實施例中，當指示多個區域包含標記特徵數據時，則圖像處理和分析模塊 建立反饋環，在這裡生成另外的分隔區域並且進行分析，直到包含標記特徵數 據的 一個單分隔區域被定位。
申請號為10/958， 779、申請曰為2004年10月5日、主題為"在籤名和條 形碼之間自動識別的系統和方法"("System And Method To Automatically Discriminate Between A Signature And A Bar code")的美國專利中描述了圖l象讀 取器IOO可以執行的另外的圖像處理操作，其全部內容結合於此作為參考。
參考參考圖1A和圖5A中指示的圖^^讀取器100的附加部件，照明^t塊可 以包括光源160、照明控制模塊164、照明電源模塊168a、以及接口模塊172。 在各種實施例中，光源160可以包括白色或者彩色的LED，例如660nm照明LED、
紅外線LED、紫外線LED、雷射、卣光燈、弧光燈、或白熾光燈，它們能夠在給 定的圖像讀取器功率約束和圖像傳感器曝光/靈敏度需求下，產生足夠的光強 度。在許多實施例中，由於LED的高效運行使得功率消耗相對低，所以選擇LED 作為光源。照明控制模塊164控制照明模塊104的操作，並且可以包括定時和 光源激活和解除激活的電路。照明電源模塊168a提供必要的能量以驅動光源 160,它可以包括電池、電容、電感、變壓器、半導體、集成電路等。在可選的 實施例中，照明電源才莫塊168a的一些或者所有元素位於照明才莫塊的外部。具有 一個普通電源的圖像讀取器100是一個此實施例。接口模塊172用於與圖像讀 取器100中需要同步操作的其它模塊通信。這個可以包括，例如，上述的照明 期和曝光期的調節。
參考圖33至圖36的外觀圖，示出和描述了才艮據本發明的一個實施例的照 明模塊104和圖像採集模塊108的各種部件。如圖15A至15C的實施例，本發明 的圖像讀取器100可以包括例如成像模塊1802的成像模塊。如圖33至圖35中 示出的成像模塊1802結合了此處參考的IT400成像模塊的一些特性和附加的特 性。成傳J溪塊1802包括安裝有光源160a、 160b的第一電路板1804，第二電3各 板1806安裝有光源160c、 160d、 160e、 160f、 160g、 160h、 160i、 160j、 160k、 1601、 160m、 160n、 160o、 160p、 160q、 160r、 160s、以及160t (下文中簡稱 為160c至160t)。第一電路板1804還安裝有圖像傳感陣列182。成像才莫塊1802 還包括具有透鏡座1812的支撐組件1810，支撐組件1810支撐著安裝有成像鏡 頭212的透鏡鏡筒1814。光源160a、 160b對焦照明光源，而光源160c至160t 是照明光源。參考圖36,底板安裝有例如條形碼符號1835的可解碼標記，照明 光源160c至160t將二維照明圖案1830投影到底板上，而對焦照明光源160a、 160b投影為對焦圖案1838。在結合圖33至圖36示出和描述的實施例中，對焦 照明光源160a、 160b的光由陝縫(slit apertures) 1840結合透鏡1842成形，透 鏡將狹縫1840成像到底板上以形成對焦圖像1838,在圖33至36中的實施例中， 對焦圖像1838是線式圖案1838。照明圖案1830大致上對應由框1850指定的圖 像讀取器100的整幀視野。對焦圖案1838是在圖像讀取器100的一見野中心水平 延伸的線形。當同時^J喿作所有的照明光源160c至160t時，可以^投影為照明圖
案1830。當同時給光源160c至160t的子集通電時，也可以才殳影為照明圖案1830。 當光源160c至160t中只有一個通電時，例如LED 160s或160t,也可以才更影為 照明圖案1830。成像模塊1802的LED 160s和160t的投影角度比LED 160c至 160t的投影角度寬。
如圖5B所示，在一個實施例中的圖像採集模塊108包括光學模塊178、傳 感器陣列模塊182、以及傳感器陣列控制模塊186,這些模塊相互之間電連接。 光學模塊178包括用於引導和聚焦反射輻射的成像透鏡或其它光學元件。在一 些實施例中，光學模塊178包括輔助電路和處理能力，它們可以用作自動確定 成像物體合適焦距的一部分。
(85 )傳感器陣列控制模塊186包括全局電子快門控制模塊190、行和列尋址和 解碼模塊194、以及讀取模塊198，其中每一個模塊與傳感器陣列控制模塊186 中的一個或多個其它模塊電連接。在一個實施例中，傳感器陣列模塊182包括 具有基於CMOS的二維圖形傳感器陣列182的集成電路晶片1082(如圖4A所示) 的部件。在各種實施例中，例如模-數轉換等的輔助電路能夠從圖像傳感器陣列 間隔分離出來或者集成在與圖像傳感器陣列一樣的晶片上。在可選的實施例中， 傳感器陣列模塊182可以包括能夠同時曝光存儲整幀圖像數據的CCD傳感器陣 列。如上面一個實施例所述，全局電子快門控制模塊190能夠全部並且同時曝 光圖像傳感器陣列中所有的或者大致上所有的像素。在一個實施例中，全局電 子快門控制模塊190包括定時模塊。行和列尋址和解碼模塊194用於為各種操 作(例如，採集激活、電子快門數據存儲和數據讀取)選擇特定像素。讀取模 塊198組織和處理從傳感器陣列讀取數據。在一些實施例中，傳感器陣列控制 模塊186進一步包括巻簾式控制模塊202，巻簾式控制模塊202能夠依次曝光和 讀出圖像傳感器陣列中的像素行。
參考圖4A，描述圖像讀取器100的特別實施例。在圖4A的實施例中，具有 二維像素陣列250的圖像傳感器陣列182、 182a結合到CMOS集成電路(IC )芯 片1082、 1082a上。如下文中參考圖8A所述，圖像傳感器陣列182a是適合在 全局快門操作模式下操作的CMOS圖像傳感器陣列。CMOS圖像傳感器陣列182a 的每個像素250具有片上像素放大器254 (如圖8A所示)和片上光屏蔽存儲區 286 (如圖8B、 8C所示)。如圖8A所示，圖像傳感器陣列182a還可以具有二 維電連接柵格262，電互連柵格262與像素250電連接。圖像傳感器陣列182a 還可以具有晶片上的行電路296和列電路270。行電路296和列電路270可以^吏 能一個或者多個各種處理和操作任務(例如，尋址像素、解碼信號、信號的放 大、模-數信號轉換、施加定時、讀取和復位信號等)。參考CMOS圖像傳感器 IC晶片182a的另一方面，在與^^素250相同的晶片上，CMOS圖形傳感器IC芯 片182a包括行電路296、列電路270、包括〗象素放大器255的處理和控制電 路254、光屏蔽存儲區258、互線262、增益電路1084、模-數轉換電路1086、 以及線驅動電路1090， CMOS圖形傳感器IC晶片182a生成指示陣列的每個像素 250上的入射光的多位(例如8位、IO位)信號，輸出出現在晶片1082a的一 組輸出管腳上。參考圖像傳感器IC晶片1082a的另外的片上元件，CMOS圖<象傳 感器IC晶片1082a包括定時/控制電路1092，定時/控制電路1092可以包括此 類部件作為偏壓電路、時鐘/定時生成電路、以及振蕩器等。定時/控制電路1092 可以形成與圖5B有關的傳感器陣列控制模塊108的一部分。
參考圖4A的圖像讀取器100的另一方面，圖像讀取器100包括主處理器IC 晶片548,存儲模塊116、照明模塊104、以及激動模塊124。主處理器IC晶片 548可以是具有集成幀接收器549和中央處理單元(CPU)的多功能IC晶片。具 有集成幀接收器的處理器IC晶片548可以是例如具有"快速捕捉相機接口"的 XSCALE PXA27X ( INTEL供應)處理器IC晶片。圖像讀取器100進一步包括激活 模塊124,激活模塊124產生用於使條形碼解碼處理開始的觸發信號。激活模塊 124可以包括手動激活觸發器216。圖像讀取器100進一步包括成像透鏡212和 存儲模塊116，存儲模塊116包括諸如RAM、 EPROM、快閃記憶體等存儲設備。存儲模 塊116通過系統總線584與處理器IC晶片548通信。處理器IC晶片548可以 被編程或者設置為，以^L行參考圖1描述的才莫塊104、 108、 112、 120、 124、 128、 132、 134、 136、 140、 144、 150、 152、 168、 165需要的不同功 能。在圖4A的實施例中，數據解碼模塊150和自動識別模塊152的功能由處理 器IC晶片548執行，處理器IC晶片548根據存儲在存儲模塊116中的特定軟 件進行操作。因此，處理器IC晶片548和存儲模塊116的結合在圖4A的實施
例中標示為150、 152。
參考圖4B,示出了具有CCD圖1^象傳感器晶片1082、 1082b的圖1^讀取器100 的實施例。CCD圖像傳感器IC晶片1082b包括像素250的面積陣列、寄存器1094、 以及輸出放大器1096,它們結合在晶片1082b上。輸出寄存器1094和輔助電路 依次將與每個像素有關的電荷轉換為電壓，並且將像素圖像信號發送到晶片 1082b外部的部件。當開始讀出圖像數據時，將像素250的第一行上的電荷依次 傳送給輸出寄存器1094。輸出寄存器1094依次將電荷注入放大器1096，放大 器1096將像素電荷轉換為電壓，並且對圖像處理電路1070施加信號。當電荷 從第一行像素傳送到輸出寄存器1094時，下一行的電荷下移一行，這樣，當第 一行電荷已經被轉換為電壓的時候，輸出寄存器1094接收第二行像素的電荷。 繼續處理直到讀出相應於圖像傳感器陣列182b的所有行的像素的圖像數據。圖 ^^讀取器100還包括晶片1082b外部的圖j象信號處理電路1070。圖4象信號處理 電路1070包括例如增益電路1072、模-數轉換器1074、以及線驅動器1076等 的元件。電路1070的定時和控制電路1078可以包括諸如偏壓發生器、振蕩器、 時鐘、以及定時發生器等的元件。增益電路1072可以包括實現諸如相關雙採樣 的附加功能以減少像素偏移和噪聲的影響。圖4A示出了圖像讀取器100的附加 部件。圖像信號處理電路1070可以包括在圖像傳感器IC晶片1082b外的集成 電路晶片(IC晶片)中。
在一個實施例中，IMAGETEAMTMarea (2D)成^f象引擎中的任何一個能夠^是供 根據本發明原理構造的圖像採集模塊108和照明模塊104的部件，例如根據本 發明的原理構造的4000 0EM2D成像引擎，由位於700 Vis ions Drive, P.O. Box 208， Skaneateles Falls, NY的Hand Held Products, Inc.提供。 (90)參考圖6，示出了根據本發明的一個實施例構造的手持圖像讀取器100a 的透視圖。手持圖像讀取器100a包括殼體208、多個光源160、透鏡212、觸發 器216、以及接口電纜200。在各種實施例中，圖〗象讀取器100a的功能可以由 area (2D) IMAGETEAM 圖像讀取器的任何一個提供，諸如模型4410、 4600、或 4800 ( Hand Held Products, Inc供應)，並且可以根據本發明構造。結合圖IA描 述的所有模塊104、 108、 112、 116、 120、 124、 128、 132、 134、 136、 140、 144、 150、 152、 165、 以及168可以結合為一體，並且可以由手持 殼體208或者圖15A中示出的可選殼體506支撐，這樣，殼體208或殼體506 封裝並且支撐各種模塊。同樣地，圖4A、圖4B以及圖16中示出的所有部件可 以結合為一體，並且由殼體208或者殼體506支撐，這樣，殼體208或殼體506 封裝並且支撐各種部件。透鏡212可以包括玻璃和/或聚石灰酸酯。透鏡212可以 為單透鏡，或者包括多個透鏡部件，即，透鏡212可以為成對透鏡，三個透鏡 等。
參考圖7，示出了結合圖像讀取器100的原理性框圖的剖面示意圖。圖像讀 取器100包括光源160、照明控制模塊164、電源模塊168b、以及接口模塊172， 這些模塊相互電連接。光源160將光能162直接照射到包括符號體系170的目 標166。目標166的反射輻射174由透鏡212聚焦到圖像傳感器陣列182上，圖 像傳感器陣列182與傳感器陣列控制模塊186和電源模塊168b電連接。在一個 實施例中，圖像傳感器陣列182是基於CMOS的圖像傳感器陣列。在另一實施例 中，圖像傳感器陣列182是基於CCD的圖像傳感器陣列。傳感器陣列控制模塊 186與存儲模塊116電連接，控制模塊112，與電源模塊168b和接口模塊172 電連接。通常，光學窗口 (未示出)放置在掃描器的前面，以減少單元損害的 可能性。
參考圖8A,更詳細地示出了基於CMOS的圖像傳感器陣列182a的局部圖。圖 像傳感器陣列182a包括像素250的二維陣列。每個像素包括光^l區252和處理 和控制電路254,處理和控制電路254包括放大器255以及屏蔽存儲區258 (為 了描述清楚，只提供了與單像素有關的標號252、 254、 255、 258 )。放大器255 的存在意味著CMOS圖像陣列182a被視為有源像素陣列，即，CM0S圖像陣列182a 的每個像素能夠放大入射光能經過光轉換而生成的信號。電荷-電壓的轉換電路 使CMOS圖像陣列182a將聚集的電荷轉換為輸出信號。屏蔽存儲區258存儲採 集的像素值，直到讀出像素值，使得在定義的曝光期，碰撞在CMOS圖像陣列182a 上的另外的入射輻射不破壞讀取的值。除了像素放大器255之外，每個像素250 的處理和控制模塊254可以包括其它元件中的復位和選擇電晶體。
在一個實施例中，通過在處理和控制電路254中提供另外的消息而擴展基
於CMOS的圖像傳感器陣列182a的動態範圍。特別地，擴張處理電路以具有動 態改變入射輻射輸入強度與輸出電壓之間的轉換因數的性能。即，處理電路應 用具有多斜率的傳遞曲線。具有多斜率的傳遞曲線的具體形式能夠採取各種形 式，包括一系列在拐點連接的線性關係，與高強度的對數傳遞曲線連接的低強 度的線性部分，或者在低強度處具有陡峭斜率和在更高強度處具有更高斜率的 任意形狀的完全連續曲線。
在多斜率的實施例中，由於每個單獨像素能夠根據其上的 入射輻射的強度獨立採用傳遞曲線的不同部分，基於CMOS的圖像傳感器182a 的動態範圍明顯擴大。在操作中，接收較少入射輻射的基於CMOS的圖像傳感器 182a的區域相應於較高的靈敏度而採用陡峭轉換斜率，並且，接收較多的區域 相應於較低的靈敏度而採用平緩轉換斜率。使用多斜率傳遞函數，基於CM0S的 圖像傳感器182a能實現65至120dB的動態範圍。來自比利時Fi 11Factory NV， Schalienhoevedreef 20B， B-2800 Mechelen、題為"雙斜率動態範圍擴展" ("Dual Slope Dynamic Range Expansion ，，)的才支術iU當中更詳糹田i也4苗述了具 有多斜率的傳遞曲線的圖像傳感器的操作。此文檔可以在Fill Factory (www.fillfactory.com) 中 HTTp://www. fi 1 lfactory.
com/htm/technology/htm/dual_slope. htm下載，其全部內容結合於此。在來自 瑞士 Photonfocus AG, Bahnhofplatz 10, CH-8853 Lachen、題為"LinLog Technology"的技術文檔中更加詳細地描述了具有對數斜率的傳遞曲線的圖像 傳感器的才喿作。jt匕文檔能夠乂人Photonfocus (www. photonfocus. com)中 http: //www. photonfocus. com/html/eng/cmos/linlog. php下載，其全部內容結 合於此。
圖8A中覆蓋l象素250的是電互連262的二維柵格，電互連262與像素250、 行電路296 (也在圖4A中)
、以及列電路270電連接。行電路296和列電路270使能一個或者多個處理和 操作任務，例如尋址像素、解碼信號、信號放大、模-數信號轉換、施加定時、 讀出和復位信號等。使用晶片上的行電路296和列電路270,可以對基於CMOS 的圖像傳感器陣列182a進行操作，以在X-Y坐標系中選擇性地尋址，並且從單
獨像素中讀出數據。也可以以圖像讀取器100的適當編程方式對基於CMOS的圖 像傳感器陣列182a進行操作，以選擇性地對整幀像素的部分尋址和讀出。例如， 在這些實施例中，讀出的像素部分能夠將期望像素區外的非期望像素排除在外。 被讀像素部分還能夠代表區域中的像素釆樣，這樣感興趣區中的單獨像素，像 素行、^象素列不被讀出。結合圖28A、 28B、 28C詳細描述窗口幀才喿作才莫式中的 圖像讀取器100的進一步細節，其中，圖像讀取器100從少於圖像傳感器陣列 182的所有像素中選擇性地尋址並且讀出圖像數據。通常，圖像讀取器100能夠 被編程或設置為從基於CMOS的圖形傳感器陣列182a中選擇性的尋址、並且讀 出來自陣列中第 一多個像素的圖像數據，而與選擇性地尋址並且讀出陣列中的 第二多個像素無關。
在一個實施例中，像素結構可以如授予Eastman Kodak公司的申請號為 5,986,297的美國專利中描述的那樣。該專利題為"具有電子快門高光溢出保護 和低串影的彩色有源像素傳感器"(Color Active Pixel Sensor with Electronic Shuttering, Anti-blooming and Low Cross-talk)。 特另'J地，在 第3列第35行到第55行和第5列第25行到第55行中，此申請描述了申請附 圖1A、 2A (在此複製為圖8B、圖8C)中示出的像素結構的有關區域的橫截面。 本公開指出了圖8B中的像素包括光敏二極體270,光敏二極體270具有垂直溢 漏274、中轉門276、浮置擴散280、復位門282、復位漏284、以及光屏蔽286。 光屏蔽光圈288、彩色濾光片290、以及微透鏡292。微透鏡292放置在光電檢 測器上，這樣，光穿過彩色濾光片290後，通過^f效透鏡292將光聚焦到光屏蔽 光圈288中。因此，進入光敏二極體270的光具有在由彩色濾光片290確定的 預i帶寬內的波長。此專利描述了圖8C示出的第二像素結構，第二像素結構在 很多方面與圖8B中的實施例相似，除了圖8C中有兩個傳輸門294、 296，以及 存儲區298。在兩個情況下，通過使用絕光層或重疊層有效地覆蓋除了光電^r測 器(在該情況下，是光電二極體270 )的所有區域來構造光屏蔽，以使入射光只 指向光電二極體區。光屏蔽區中的光圈的產生抑制了像素之間的串影，光屏蔽 區將光電子的產生限制在光檢測器區域。圖8C中，浮置擴散的標識為281,復 位門的標識為283,復位漏的標識為285。在一些實施例中，應用申請號為
5,986,297的美國專利中描述的像素結構，可以省略彩色濾光片290，在其它實 施例中，可以省略孩￡透4竟292。
參考圖9、 IOA、 IOB、 IOC、 10D,描述使用圖像讀取器IOO從目標採集圖像 數據的過程300。在各種實施例中，目標可以包含例如一維或者二維條形碼的符 號體系。步驟302中，根據例如壓下觸發器216或者檢測到圖像讀取器100視 野中物體的存在，激活模塊124啟動過程300。在一個實施例中，根據過程300, 控制模塊112可以接收響應於壓下觸發器216或者4企測到物體的信號，並且響 應地給各種模塊(例如，照明模塊104和圖像採集模塊108)發出信號。過程 300包括激活照明源以使用照明光162照射目標(步驟304 )。在一個實施例中， 響應於照明控制定時模塊350而激活照明源。在照明控制定時脈衝350的持續 時間內，由激活的照明源對目標進行照明。在一個實施例中，照明源是光源160, 而照明控制定時脈衝350由照明;漠塊104中的照明控制;f莫塊164生成。過程300 還包括激活全局電子快門以同時曝光圖像傳感器陣列中多行的多個像素，從而 將入射輻射光轉換為電荷(步驟312)。響應於曝光控制定時脈沖354,而同時 激活多個像素。在一個實施例中，響應於曝光控制定時脈沖354的開始部分360， 而同時激活多個像素。在進一步的實施例中，曝光控制定時脈衝354由傳感器 陣列控制模塊186的全局電子快門控制模塊190 (圖5B)生成。
在一個最小化變換的圖像失真的採集目標圖像的實施例中，通過過激勵諸 如LED的照明源來照射目標，以生成比標準操作明亮幾倍的照明。參考本發明 的例子，其中，圖像讀取器100包括成像模塊1802 (如圖33至35所示)、LED 160c至160t(即，160c、 160d、 160e、 160f、 160g、 160h、 160i、 160j、 160k、 1601、 160m、 160n、 160o、 160p、 160q、 160r、 160s、以及160t)，在 此處描述的照明定時脈衝350或者脈沖350'、 350"、 350"'中任何一個的整個 持續時間內，每個LED具有40mA的標準推薦的最大DC操作電流消耗率(100% 的LED電流)，但是可以被過激勵而消耗例如大於60mA ( 150%的電流)或80mA (200%的電流)。LED 160e至160t具有40mA的標準推薦的最大DC操:作電流消 耗率，也可以在此處描述的定時脈衝350或者脈沖350'、 350"、 350"'中的任何 一個的整個持續時間被過激勵以消耗大於例如120mA( 300。/。的電流)、160mA(400yo的電流)、200mA(500%的電流)、500mA(1， 250%的電流)。示出了作為DC驅動電 流脈沖的照明定時脈衝350、 350'、 350"、 350'"。然而，才艮據圖10E所示的本 發明，脈沖350、 350'、 350"、 350'"也可以是經過調製的脈沖或者"浮皮選通，， 的月永衝，這樣，月永衝350、 350\ 350"、 35(T "包括用於驅動LED 160的一系列 短持續時間的單獨脈衝。用脈衝驅動信號取代DC驅動信號減少了 LED的輸出佔 空比，並且因此減少了 LED中消耗的功率。由於在很多情況中，LED的工作壽命 由LED結構的最大結溫確定，而減少的功率消耗減少了結溫。有效效應是指能 夠容忍的較高的峰值電流而不超過LED結構的最大操作結溫極限。通常，減少 的LED 160的輸出佔空比提高了可以被LED安全驅動的電流量。在此次描述的 "濾波"或"脈沖調製"的照明控制脈沖的選通脈衝率可以例如為1, OOOHz到 10, OOOHz。根據這個實施例，與全局電子快門結合的淨皮過激勵的照明源允許短 曝光期。即，明亮的照明允許為每個像素使用短積分時間，並且全局電子快門 允許圖像傳感器中所有像素同時感光。由於被明亮地照射的目標的短曝光期， 即使當目標相對於圖像讀取器移動時，本發明的圖像讀取器能夠採集清晰的非 失真圖像。在一個實施例中，曝光期少於3.7毫秒。在一個實施例中，其中， 過激勵光源，並且使用不同顏色的光源。例如，在一個此實施例中，圖像讀取 器包括白和紅的LED、紅和綠的LED、白、紅以及綠的LED、或者響應於例如圖 像讀取器最普通的成像符號的顏色的一些其它選擇組合。在這個實施例中，不 同顏色的LED的每個根據總功率預算在一定水平被可選地脈衝調製。在另一個 此實施例中，兩個彩色LED每次都被脈沖調製，但是每個在相對低的功率被脈 衝調製，這樣，仍然保持了總功率預算。在進一步的實施例中，紅、綠、藍LED 能夠被隔行掃描以仿真白光。
參考圖37描述圖像讀取器100的成像模塊1802的各種實施例。成像模塊 1802的LED 160可以分為如圖37所示的組。圖像讀取器100能夠被設置為每組 LED以一定的發射波段發光。在圖37的表中描述的實施例8中，圖像讀取器100 設置為對焦LED160a、 160b發綠光，以及所有的照明LED 160c到160t發紅光。 圖37的表中描述了其它實施例。圖像讀取器IOO可以設置為對不同組的光源同 時加電(例如對組l、組2、組3、組4同時加電)或由照明定時控制脈沖350、350'、 350"、 350'"依次加電(例如，組1,然後組2，然後組3，然後組4 )。
仍然參考圖9、圖IOA、圖IOB、圖IOC、以及圖IOD，過程300還包括處理 處理經過光轉化而生成的電荷以產生圖像數據(步驟316)。如上所述，處理可 以包括，例如，放大入射輻射生成的數據。處理還包括在多個^^中的每個的屏 蔽部分存儲生成的圖像數據值。過程300還包括從多個像素讀出並且處理存儲 的圖像數據值(步驟320 )。如上所述，處理可以包括放大入射輻射生成的數據， 並且將生成的數據轉換為數位訊號。處理還可以包括在圖像傳感器陣列模塊182 的多個像素上存儲相應於入射光的一組數位訊號值作為幀圖像數據(步驟320 )。 步驟320中的圖像讀取器100可以在存儲模塊116中存儲包括多個N比特(灰 度)像素值的幀圖像數據，每個像素值代表到多個像素中一個上的入射光。在 一個實施例中，由讀出定時控制脈沖368控制多個像素的讀出，讀出定時控制 脈沖368由傳感器陣列控制模塊186的讀出模塊198生成。在一個實施例中， 讀出定時控制脈沖368包括傳輸到多個像素中每個的多個脈衝。在一個實施例 中，在曝光控制定時脈衝354期間，發生照明控制定時脈沖350的至少一部分。 在一個此實施例中，由控制模塊112協調包括具有全局電子快門控制模塊190 的傳感器陣列控制模塊186的圖像採集模塊104的操作與具有照明控制模塊164 的照明模塊104的操作，以實現照明350和曝光354控制定時脈衝中的交迭。
在圖10A所示的一個實施例中，曝光控制定時脈衝354在照明控制定時脈 衝350之後開始，並且在照明控制定時脈沖350之前結束。讀出控制定時脈衝 368在照明控制定時脈沖350完結時開始。在圖IOB所示的另一實施例中，照明 控制定時脈衝35G'在曝光控制定時脈沖354，之後開始，並且在曝光控制定時脈 沖354，之前結束。在這個實施例中，讀出控制定時脈衝368'在曝光控制定時脈 衝354'完結時開始。在進一步實施例中，當曝光控制定時脈衝和照明控制定時 脈衝依次發生時，它們相互交迭。在圖10C所示的此實施例中，這個連續操作 可以包括開始照明控制定時脈沖350"、開始曝光控制定時脈衝354"、結束照明 控制定時信號脈沖350",以及後來結束曝光控制定時脈衝354"。在這個實施例 中，在曝光控制定時脈衝354"結束時，開始讀出控制定時脈衝368"。在圖10D 所示的進一步此實施例中，依次的操作可以包括開始曝光控制定時脈衝354'"、
開始照明控制定時脈沖350'"、結束曝光控制定時脈沖354'"、以及後來結束照 明控制定時信號脈衝35(K "。在這個實施例中，當照明控制定時信號脈衝35(K " 完結時，開始讀出控制定時脈衝368"。如結合圖10E所示，此處所述的每個照 明控制定時脈沖350、 350'、 350"、 350'"可以包括多個短持續時間的單獨脈衝。
仍然參考成像模塊1802,具有成像模塊1802的圖像讀取器100可以有這種 操作模式，在這種操作模式下，在曝光控制定時脈衝354、 354'、 354"、或354'" 內，對焦LED 160a、 160b控制為關閉或者斷電，從而LED 160a、 160b的光不 影響被採集並且傳送到解碼模塊150或者自動識別模塊152的圖像。在另一實 施例中，在曝光控制定時脈衝354， 354', 354"， or 354'"期間，除了照明LED 160c到160t外，對焦照明LED 160a、 160b^皮控制為加電。在曝光控制定時月永 沖354、 354'、 354"、或354'"期間，對焦照明LED 160c到160t的控制為加電， 因此提高了相應於其上投射有對焦圖案1838的底板區的圖像數據的信號強度。
參考過程300 (圖9 )，圖像讀取器100可以設置為在步驟304中照明控制 脈衝350、 350'、 350"、或350'"給對焦LED 160a、 160b中的至少一個和照明 LED 160c到160t中的至少一個同時加電，以提高到底板、尤其是其上同時才殳射 有照明圖案1830和對焦圖案1838的底板區域的照明強度。解碼模塊150或自 動識別模塊152執行的解碼處理，可以包括相應於圖案1838的圖像數據(即， 相應於其上成像有圖案1838的像素陣列的圖像數據)被選擇地經過解碼處理， 解碼處理例如是對取景器圖案的定位處理、線性條形碼符號解碼嘗試、或靜止 區定位處理。其中，依照曝光期採集圖像。其中，對焦LED 160a、 160b和照明 LED 160c到160t被同時加電。例如，為了對取景器圖案定位、解碼線性條形碼 符號、或者定位靜止區(此處，依照曝光期採集圖像，其中，對焦LED 160a、 160b中的至少一個和照明LED 160c到160t中的至少一個淨皮同時加電)，隨著 對焦圖案1838在視野水平地延伸，處理採集的整幀圖像的解碼模塊150可以選 擇性地分析相應於圖像傳感器182的中心行圖像數據(即，相應於圖28a中所 示的行2802的圖像數據)。過程300中，照明控制脈沖350、 350' 、 350"、或350'" 同時全會至少一個對焦照明LED (例如160a)和至少一個照明LED (例如160t)同 時加電，步驟320中，圖像讀取器100可以採集整幀或"窗口幀，，圖像數據，
這在圖28A到圖28C中有更詳細的描述。圖像讀取器100可以設置為，在步驟 320中圖^f象讀取器100採集窗口幀圖^f象數據，並且在步驟304中同時照射至少一 個對焦照明LED和至少一個照明LED,窗口幀相應於照明圖案1838的大小和形 狀。例如，當圖像讀取器100投射水平線形對焦圖案1838時，在步驟320讀出 的窗口幀圖像數據可以是相應於圖28A中行2802的窗口幀圖像數據，行2802 上成像有圖案1838,並且其後圖案經過此處所述的處理(例如，嘗試通過定位 靜止區或定位取景器圖案嘗試對線性條形碼符號解碼)。在本發明的實施例中， 其中對焦照明LED和照明LED由照明控制脈衝350、 350' 、 350"、或350'"同時 驅動，如此處所述，對焦LED160a、 160b和照明LED 160c到160t可以在脈衝 350、 350'、 350"或35(T "的整個持續時間被過激勵。
在一個的實施例中，可以使用Eastman Kodak公司供應的KAC-0331 640x480 VGA CMOS圖像傳感器實現CMOS圖像陣列182a。在題為"KAC- 0311 640x480 VGA CMOS圖像傳感器全集成定時，模擬數字處理和IO位ADC" ("KAC-0311 640x480 VGA CMOS IMAGE SENSOR Fully Integrated Timing, Analog Signal Processing & 10 bit ADC，，)的技術說明書(版本號1,日期2002年8月5日，在 http: //www. kodak, com/global/plugins/acrobat/en/digital/ccd/products/ cmos/KAC—0311LongSpec.pdf可下載)更全面地描述了 KAC-0311,其全部內容 結合於此作為參考。下面的編輯摘要是從上述完整說明書中摘取的KAC-0311的 操作。根據這個技術說明書的摘要，KAC-0311是在一個單晶片上集成了模擬圖 像獲取、數位化、以及數位訊號處理的固態有源CMOS成像器。圖像傳感器包括 具有640x480有源元件的VGA格式像素陣列。用戶可以對圖像尺寸編程以定義 感興趣的窗口。特別地，通過對行和列開始和結束操作的編程，用戶可以定義 最低為lxl的像素解析度的感興趣窗口。在KAC-0311圖像傳感器的一個實施例 中，窗口可以用於使能可以平移的視見區的數字變焦操作。在KAC-0311圖像傳 感器的另一實施例中，當二次抽樣用於減少採集的圖像的解析度時，保持不變 的視野。
UC-0311圖像傳感器的像素為7. 8um的節距。像素結構是Kodak的釘扎光 電二極體(pinned photodiode)結構。KAC-0311圖4象傳感器在不^f吏用孩i透鏡的
單色版本或者不使用微透鏡的貝爾模式(Bayer) (CMY)的彩色濾色鏡陣列時是 可用的。在KAC-0311圖像傳感器的一個實施例中，集成定時和編程控制用於4吏 能視頻和靜止圖像捕捉操作中的步進掃描模式。在KAC-0311圖像傳感器的進一 步的實施例中，當保持不變的主時鐘率時，用戶可以給幀頻編程。
在KAC-0311圖像傳感器中，像素陣列的模擬視頻輸出由晶片上模擬信號管 線處理。在KAC-0311圖像傳感器的一個實施例中，相關雙採樣用於消除像素復 位的時域噪聲和固定圖案噪聲。在KAC-0311圖像傳感器的進一步的實施例中， 幀頻箝位(frame rate clamp )用於使能同步光學黑度校準和偏移校正。在又一 實施例中，KAC-0311圖像傳感器的可編程模擬增益包括全局曝光增益以將信號 擺幅映射到模-數轉換器輸入範圍。可編程模擬增益還包括白平衡增益，以進行 模擬域中色彩均衡。在附加實施例中，KAC-0311圖像傳感器的模擬信號處理鏈 包括列運放處理、列數字偏移電壓調節、白平衡、可編程增益放大、全局可編 程增益放大、以及全局數字偏移電壓調節。在一個實施例中，數字可編程放大 器用於為自動白平衡提供同時色彩增益校正和曝光增益調節。在各種實施例中， 基於每列並且全局完成偏移校準。另外，使用晶片上寄存器中存儲值能夠進行 每列偏移校準，並且十位冗餘符號數字模-數轉換器將模擬數據轉化為十位數字 字流。在KAC-0311圖像傳感器的各種實施例中，使用不同模擬信號處理管線以 提高噪聲抗擾度、信噪比、以及系統動態範圍。在一個實施例中，KAC-0311的 串口是與可兼容的工業標準兩線^C串口接口。在另一實施例中，KAC-0311圖像 傳感器的電源由一個3. 3V的單電源^是供。在各種實施例中，KAC-0311圖^象傳感 器具有一個單主時鐘，並且以最高2眼Hz的速度運行。
能夠用於本發明、並且授予伊士曼柯達公司(Eastman Kodak Company )的 圖像傳感器的操作和物理細節在申請號為6,714,239、題為"具有可編程色彩均 衡的有源像素傳感器，，("Active Pixel Sensor with Programmable Color Balance") 的美國專利和申請號為6, 552,323、題為"共用輸出信號線的圖像傳感器" ("Image Sensor with Shared Output Signal Line")的美國專利中也有描述，它 們每個的全部內容結合於此作為參考。以下是美國專利6， 522， 323的材料簡要。 特別地，申請號為6,522,323的美國專利公開了包括以多行和多列形式排列的 多個像素的圖像傳感器。還進一步公開了包括全局電子快門的圖形傳感器。公 開的圖像傳感器的相同行中的像素共用像素輸出節點和輸出信號線。進一步， 該公開指出了通過使兩個單獨行選擇每行的信號線， 一個用於行內的每隔一個
像素，以及用於每對列的1:2列輸出信號線分用表，實現了行內的圖像信號的 間隔分離。原理圖(此次複製為圖11)示出了兩個鄰近像素5。原理圖中使用 的標識符包括以下的具有復位門的復位電晶體(RG)、傳輸門(TG)、信號 電晶體(SIG)、具有行選擇門的行選擇電晶體(RSEL)、光電檢測器(PD)、 浮置擴散(FD)。關於圖ll提供的實施例和時序圖(此處複製為圖12)，申請 號為6,552,323的美國專利的第24-25行第3列中描述了全局快門的操作。此公 開指出了通過在傳感器的每個像素中將集成信號電荷同時從光電檢測器30a、 30b傳送到浮置擴散10a、 10b，而開始讀出。然後，行選擇1 ( 15 )被拉高並且 浮置擴散1 (10a )的信號電位被採樣，並且由脈沖調製SS1的行電路20a保持。 然後行選擇1(15)被拉低，行選擇2(25)被拉高，並且浮置擴散2 ( 10b )的 信號電位被採樣，並且由脈沖調製SS2的行電路20b保持。行中的浮置擴散10a、 10b被讀出，並且然後由脈沖調製RG復位。下一行選擇2 (25)被拉低，並且 行選擇1 (15)被拉高，並且浮置擴散1 (10a)的復位電位被採樣，並且由脈 衝調製SR1的列電路20a保持。然後行選擇1(15)被拉低，並且行選擇2(25) 被拉高，並且浮置擴散2 (10b)的復位電位被採樣，並且由脈沖調製SR2保持。 然後在圖像傳感器下一行中的相同像素讀出表開始之前，讀出列電路20a、 20b 的被採樣和被保持信號。
在另一實施例中，CMOS圖像陣列182a能夠由KAC-9630 128 (H) x98(V) CMOS 圖像傳感器實現。在題為"設備性能說明書-柯達KAC-9630 CMOS圖像傳感器"
(Device Performance Specification - Kodak KAC-9630 CMOS Image Sensor) 2004年9月、版本1. 1的技術說明書中更力。完整地描述了 KAC-9630。此文檔的 全部內容結合於此作為參考。此文檔可以從例如^f尹士曼柯達7>司
(www. kodak, com) 的hup: //www. kodak, com/global/plugins/acrobat/en/ digital/ccd/products/cmos/KAC_9630LongSpec. pdf下載。這個才支術說明書描 述了作為能夠以每分鐘580幀捕捉單色圖像的低功率CMOS有源像素圖形傳感器
的KAC-9630圖像傳感器。另外描述了 KAC-9630圖像傳感器包括晶片上8位模-數轉換器、固定模式噪聲消除電路和視頻增益放大器。還進一步描迷了 KAC-9630 具有允許積分時間和幀頻調節的集成可編程定時和控制電i 各。描述了 KAC-9630 圖像傳感器的讀出電路能夠支持在少於2毫秒的時間內在單8位數字數據總線 上讀出整幀。如上所述，描述了 KAC-9630圖像傳感器包括集成電子快門。 (109)在另一實施例中，CMOS圖像陣列182a能夠由Micron圖像傳感器Wide VGAMT9V022 (美光科技公司(Micron Technology, Inc供應，總部位於8000 South Federal Way， Post Office Box 6， Boise, ID 83707-0006 )實現。在乂人Micron Technology (www. micron, com) http:〃download.micron.com/pdf/flyers/mt9v022—(mi -0350)-flyer.pdf下載的產品MTgV099產品宣傳單中更詳細地描述了 MT9V022圖 像傳感器。該文檔的全部內容結合於此作為參考。
在一些實施例中，圖像讀取器100既能夠在巻簾式模式下也能夠在全局電 子快門模式下操作。在一個此實施例中，巻簾式模式用於自動聚焦操作的一部 分，並且一旦確定了合適的焦距，全局電子快門模式用於採集圖像數據。圖13 中示出的過程400描述了確定合適焦距的過程和採集後來的圖像的過程。響應 於例如操作者壓下觸發器216或響應於移動到圖像讀取器100視野中的物體， 激活模塊124可以生成觸發信號以開始過程400。在操作中，當圖像讀取器100 採集新圖像時，圖像讀取器100照射包含物體的目標(例如條形碼)(步驟404 )， 然後進入巻簾式操作模式(步驟408 ),其中圖像讀取器的圖像傳感器中的多行 被依次曝光。作為操作的一部分，幀曝光期可以定義為從多行中第一行曝光開 始到多行中最後一行曝光結束的時間。在一個實施例中，在幀曝光期的至少一 部分期間，圖像讀取器100的成像透鏡212被控制為在連續動作或者逐步連續 動作中的一個(步驟414)。如圖20的實施例所示，圖〗象讀取器100可以具有 透鏡驅動模塊165,透鏡驅動模塊165由控制模塊112或者用於移動成像透鏡 n2的另一模塊控制，以改變圖像讀取器100的焦距設置。在一個此實施例中， 光系統具有多個離散設置。對於每個離散設置，透鏡212在圖像傳感器上形成 位於距離圖像讀取器100的特定距離處的物體的清晰圖像。在一個實施例中， 光學系統的聚焦範圍的一個極限值相應於來自位於無限遠的物體的聚焦入射輻射。如果入射光線大致上平行，則認為物體是在無限遠。在一個實施例中，光
學系統的聚焦範圍的另一個極限值是光學系統的近點(near point)。光學系統 的近點是物體能夠被放置的相對於光學系統的最近距離，在此處光學系統仍能 夠產生物體的清晰圖像。在另一實施例中，光學系統的焦距中的變更沒有覆蓋 光學系統的整個範圍。例如，在一個此實施例中，圖像讀取器100的焦距設置 在相差幾毫米的焦距設置之間變化。在另一實施例中，圖像讀取器100的焦距 設置在相差釐米的焦距設置之間變化。讀取器100設置為包括透鏡驅動模塊165, 以允許掃描器在超過擴展景深下操作。
進一步參考透鏡驅動模塊165，可以實施各種透鏡驅動技術和方法。申請號 為4,350,418的美國專利的全部內容結合於此作為參考，其公開了包括距離調節 環的透鏡聚焦調節系統，其中通過調節環的旋轉實現透鏡的位置調節。申請號 為4， 793， 689的美國專利的全部內容也結合於此作為參考，其公開了一種透鏡 鏡筒，其包括具有可以圍繞光軸旋轉的空心旋轉環，光軸布置在具有軸承的空 心固定汽缸的空腔內，光軸插入在響應於旋轉環旋轉的移動的可移動汽缸與插 入在固定汽缸和旋轉環之間直徑方向的振動波浪發動機之間。申請號為 5, 541， 777的美國專利的全部內容也結合於此作為參考，其公開了電磁透鏡驅動 器，包括具有內軛和外軛的固定部件、運轉插入的磁鐵、用於支撐將被驅動的 主體的可移動部件、在外輒和內輒的軸向的環繞線型、以及檢測運轉插入的》茲 鐵的磁場以生成位置指示信號的位置檢測器。
過程400還包括從多個曝光行讀出圖像數據(步驟420 )。通過諸如對比檢 測方法或相位檢測方法的自動聚焦算法分析圖像數據(步驟424 )。使用行焦距 圖像信息，圖像讀取器100制定透鏡212的合適焦距設置，例如通過基於採集 的數據確定合適的焦距設置，然後將透鏡212移動到那個設置，或者通過評估 當前行圖像數據以確定是否在當前焦距設置上，圖像讀取器被可接收地聚焦(步 驟428 )。在各種實施例中，由圖像採集模塊108、光學模塊、控制模塊112、 或專用自動聚焦模塊(例如專用於執行焦距計算目的ASIC或FPGA )執行圖像數 據的分析。隨著透鏡212的位置正確制定，圖像讀取器100進入全局電子快門 操作模式(步驟432 )。可以看到根據過程400的一些情況中，圖像讀取器100
可以停止巻簾操作，並且在從圖像傳感器陣列模塊182的每個像素中讀出圖《象 數據之前，開始全局電子快門操作模式的操作。在全局電子快門操作模式中， 圖像讀取器100採集整幀圖像數據(步驟436 ),圖像數據存儲在存儲模塊116 中並且隨後由控制模塊112傳送到解碼模塊150或者自動識別模塊152。根據這 個實施例，其中，在讀取器成像透鏡112被控制運行的時間內，行圖像信息被 讀出並且進行分析，在一幀數據的範圍內，可以實現圖像讀取器自動聚焦以使 目標成像。在各種實施例中，自動聚焦操作可以由專用自動聚焦模塊處理，或 者聚焦模塊可以與諸如圖像採集模塊108和/或控制模塊112的其它模塊合為一 體。
仍然參考過程400的步驟，參考圖21的流程圖、圖22a、以及圖22b的直 方圖，進一步描述分析行圖像數據以確定焦距特性的步驟424。步驟2102中， 圖像讀取器100可以構造步驟420中讀出的圖像數據的當前行的像素值的直方 圖。圖22A是相應於被可接受地聚焦的二值圖像(例如，在單色底板上的條形 碼符號中)的行數據像素值的直方圖。直方圖2108代表高對比度圖像，並且包 括在灰度的高端的許多像素值，在灰度低端的許多像素值，以及在灰度範圍中 部的少數像素值。圖22B是相應於聚焦較差的二值圖像的行數據的像素值的直 方圖。直方圖2110表示的圖像數據是"扁平"的低對比度像素數據，這意味著 在灰度的極限值具有較少像素值，並且在灰度的中心有大量像素值。因此，可 以看出，使用圖像對比度信息可容易地確定圖像的聚焦程度。
步驟2104中，圖像讀取器100確定採集的直方圖數據。在步驟2104中， 圖像讀取器100可以確定透鏡212的合適的焦距對準的設置(appropriate in-focus setting),或者判斷從圖像數據的當前行提取的直方圖數據是否表示在當前透鏡 的設置或者位置上圖像讀取器被可接受地聚焦。當步驟2104中圖像讀取器100 基於採集的直方圖數據判斷透鏡212的正確設置時，直方圖數據可以來自當前 行，或者基於當前的行數據和在前的行數據的組合。另一方面，當採集行信息 時，記錄透鏡212的位置或者設置值，使每行讀出的圖像數據的直方圖信息包 含指示透鏡212的位置的相關透鏡位置數據。步驟2104中，用於確定焦距對準 透鏡設置的傳遞函數可以使用行對比度信息作為直方圖的表示，也可以使用指
示與每組行數據有關的透鏡212位置的透鏡位置數據。
參考過程400的進一步步驟，步驟414中，圖像讀取器100可以控制透銷: 212連續運動或者步進連續運動。當控制為連續運動時，在圖像傳感器陣列模塊 182的連續行像素被曝光和讀出的整個時間，透鏡212連續移動。當控制為步進 連續運動時，在傳感器模塊182的行像素被曝光並且被讀出的整個時間內，透 鏡212重複地移動和停止。在圖像讀取器一個實施例中，透鏡212被控制為步 進式連續運動，圖像讀取器100在兩個端點(即，第一較遠場點(field position), 和第二較近場點)之間連續移動透鏡。在圖像讀取器100另一實施例中，透4竟 212被控制為步進式連續運動，圖像讀取器100在兩個端點之間連續移動透鎮: 212,並且在端點位置之間的一個或者多個位置間歇地停止透鏡212。被控制為 步進式連續移動的透鏡212，可以被認為具有運動期(即透鏡移動期間)和停止 期(即透鏡短暫空閒期間)。在本發明的一個實施例中，透鏡212的運動和A人 多行像素中的讀出圖像數據是協調的。例如，透鏡移動和圖像傳感器陣列模塊 182的控制能夠被調整為在透鏡212的停止期，發生圖像傳感器陣列模塊182的 一行或者多行曝光期，以使在整行曝光期，透鏡212為空閒。進一步，在某些 實施例中，當在透鏡212的運動階段，相應於曝光的像素圖像數據的處理是有 效時，圖像讀取器100可以設置為在透鏡212的運動期拋棄相應於曝光的像素 的圖像數據(例如，在行分析步驟424期間)。
參考圖13大致上描述的過程400的特定實施例結合圖23和圖24的流程圖 描述。在圖23的實施例中，步驟424中，圖像讀取器100基於採集到那點的採 集的行圖像數據嘗試確定焦距對準的透鏡設置。步驟428a中，如果圖像讀取器 100確定已經採集了確定透鏡212的焦距對準位置的足夠信息，圖像讀取器100 確定透鏡212的焦距對準設置，並且進行到步驟428b，以將透鏡212移動到確 定的焦距對準位置。如果沒有採集到足夠信息，圖像讀取器100返回到步驟432 以採集另外行的信息。當在步驟428b移動透鏡212時(例如為了確認確定的焦 距對準位置是否正確)，圖像讀取器100可以繼續讀和處理行圖像數據。當透 鏡212已經移動到確定的焦距對準位置，圖像讀取器10(M丸行步驟432，以進入 操作的全局電子快門操作模式。當圖像讀取器100進入全局快門操作模式的時 候(步驟432 ),圖象讀取器100可以使透鏡212停止運動。然後圖像讀取器執 行步驟436,以採集整幀圖像數據，然後執行步驟438,以將圖像數據傳送到數 據表單解碼模塊150或者自動識別模塊152中的其中一個。
在參考圖24描述過程400的一個實施例中，圖像讀取器100由步驟424評 估當前行數據(最新近採集的行數據)，以判斷當前行數據是否表示當前圖像 讀取器100是當前焦距對準，而建立透鏡212的焦距對準i殳置。如果步驟428d 中圖像讀取器IOO判斷出圖像讀取器100當前沒有焦距對準，則圖像讀取器100 返回到步驟420以採集另外的行信息。步驟420中，如果圖像讀取器100判斷 讀出取器當前在焦距對準(in-focus)位置，圖像讀取器100進行到步驟432以 進入全局電子快門操作模式。當圖像讀取器100進入全局快門操作模式時，圖 形讀取器100可以使透鏡212停止運動(步驟432 )。然後圖像讀取器100進行 到步驟436以採集整幀圖像數據，然後進行到步驟438,將圖像數據傳送到數據 表單解碼模塊150或自動識別模塊152中的其中一個。
參考過程400或者過程800，可理解為在建立"焦距對準"位置中，圖像讀 取器100可以基於表示比其它可用的透鏡焦距位置更好的焦距處的標記的預期 或者當前的透鏡位置，將透鏡212的預期或當前位置指定為"焦距對準"。因此， 當透鏡聚焦位置在通常意義上沒有高度聚焦時，如果它表示標識比其它透鏡位 置更加在焦距對準，讀取器100仍然可以指定位置作為"焦距對準"。在一個 特定的實施例中，當透鏡100被控制為步進連續運動，它可以在有限量的離散 位置(例如兩個位置)之間切換。在一個此實施例中，如果透鏡位置表示標識 比其它的可能位置更加焦距對準，則圖像讀取器100可以指定有限量的可能離 散位置的其中一個為"焦距對準"位置。特別地，當設置為透鏡212在有限量 離散位置之間切換時，可以忽略焦距判斷步驟，並且圖像數據被直接傳送到解 碼模塊150或者自動識別模塊152。特別地，當存在有限量的交替焦距位置時， 焦距對準位置基於在成功解碼結果處的位置而能夠被容易地區別。通過解碼嘗 試識別焦距對準位置可以減少平均解碼時間。
在本發明的變形中，步驟420中，圖像讀取器100讀出預定量的行圖像數 據，並且在步驟424中，分析預定量的行。預定量的行可以例如為圖像傳感器
陣列182的2行、3行、10行或者所有行(100+)。步驟424中，圖像讀取器 IOO可以從多行中選擇最佳聚焦(例如，最亮的對比度)行，並且判斷與最佳聚 焦行有關的記錄的焦距設置是圖像讀取器100的"焦距對準"設置。可選地， 圖像讀取器100可以使用從幾行上採集的數據圖像而計算焦距對準設置數據。 在上述變換實施例的任何一個中，當確定焦距設置後，在步驟432中，圖像讀 取器100可以首先進入全局電子快門操作模式，然後將透鏡212移動到確定的 焦距位置設置，或者可選地，在步驟432中，圖像讀取器100可以在進入全局 電子快門操作模式之前，將透鏡212移動到確定的透鏡設置上，或者這兩個搮: 作可以同時進行。
在自動焦距操作的另一實施例中，如結合圖25-圖30B所述，在聚焦期和數 據採集期可以使用全局電子快門操作模式。根據此處描述的過程800，在自動聚 焦期，從焦距設置或者位置的每個變化，採集有限"窗口，，幀圖像數據。例如， 焦距確定邏輯算法只讀出並且分析圖像傳感器的中心區或者掃描線的中心組 (例如中間的十個掃描線)。根據這個實施例，而當顯著減少採集用以使圖像 讀取器焦距的系列幀的時間時，有限幀數據提供焦距確定邏輯算法的足夠信息。
在可選的實施例中，過程400或過程800中的步驟的特定順序可以改變而 不背離本發明此處包括的概念。在各種其它實施例中，執行巻簾式操作的電路 和執行全局電子快門操作的電路可以在相同的CMOS晶片上執行，或者可以在各 自專用晶片上的一個或者兩個電路元件上執行。在另外的實施例中，巻簾式快 門功能和全局電子快門操作可以組合在包含硬體、軟體、和/或固件的單模塊中。
在以巻簾式快門或者全局電子快門模式操作的圖像讀取器100的另一實施 例中，圖像讀取器100能夠在全局電子快門操作模式和巻簾式快門操作模式之 間動態切換。在一個此實施例中，當積分時間比給定的閾值短時，圖像讀取器 100從默認的全局電子快門操作模式切換到巻簾式操作模式。許多商業上可用的 成像器是使用光屏蔽或者使用電轉換實現的，光屏蔽允許一定量的光洩露到存 儲元件中，電轉換沒有完全將存儲元件與光敏元件隔離開。這樣，在將電荷傳 送到存儲元件後，對圖像的入射環境照明對存儲元件的內容有負面影響。以下 提供此操作的數例。
通常，具有全局電子快門功能的CMOS圖像傳感器的快門效率指定了圖^f象傳 感器上的存儲區能夠屏蔽存儲的圖像數據的範圍。例如，如果快門的效率為 99.9%，那麼在屏蔽區生成電荷所花費的積分時間(也稱為曝光時間)比在非屏 蔽區生成相同量電荷所花費的積分時間長1000倍。因此，在圖像捕捉周期內， 以下公式提供了來自環境光的圖像上的光輻照度的說明，在圖像移動到存儲區 內之後時限期間，該光輻照度相對於來自使用環境光照明的物體的圖像上的光 輻照度，環境光和光源160可以被忽略，並且在圖像被移動到存儲區之前的時 限期間而不超過期望的退化率。這個公式也可以表示在整個成像周期，圖像上 的入射光相同的情況。在兩個實例中，需要知道沒有引入最大退化而可以使用 最小積分。formula see original document page 43
在許多實例中，在曝光期以及在幀的剩餘期，圖像上的光不變。在這種情 況下，圖像上的光輻強度是常量，可以計算出光洩露不會過分幹擾期望圖像時 可以使用的最小積分時間。在這種情況下計算公式，允許為特定退化計算最小 積分周期的計算。以下的常態輻照度數例是用於99. 9%的快門效率、20ms的幀 頻、以及5%的最大容忍退化率。
20ms* (100%—99. 9%) = ( Texposure*5%) 或者計算不引起超過5%的退化率時，可以使用的最小曝光時間
Texposure=0. 4ms
因此，如果圖像捕捉時的積分時間小於0. 4ms，那麼退化洩露(光學和電子的) 將引入5%或者更多的誤差。
在處理由於過強的環境光引入的圖像退化的一個實施例中，當積分時間變 得比與圖像讀取器的幀頻、最大可允許退化率以及快門效率有關的預定水平低 時，圖像讀取器IOO切換到巻簾式操作。圖14示出了用於響應於短積分時間而 切換操作模式的過程600。響應於例如由操作者對觸發器216的壓下或者響應於 提供到圖像讀取器100的視野內的物體，激活模塊124可以生成觸發信號以使 過程600開始。過程600包括存儲計算的最小積分時間(步驟604 )。在一個實
施例中，根據上述公式確定閾值。這些公式的一些輸入，例如，快門效率、最
大可接收圖像退化洩露、以及幀頻，可以作為圖像讀取器100的最初設置一部 分或者稍後時間在圖像讀取器100中設置。過程600還包括採集圖像數據(步 驟608 )。作為圖像數據採集的一部分，用於當前環境狀況的曝光時間由傳感器 陣列控制模塊186制定(步驟612)。在各種實施例中，這個曝光時間由圖像讀 取器100中全局電子快門控制模塊190、光學模塊178、或另一個適當建立的模 塊確定。為了確定是否圖像讀取器100的操作模式應該從全局快門切換到巻簾 式快門，比較制定的曝光時間與最小積分時間閾值(步驟616)。如果制定的積 分時間比計算的最小積分時間閾值短，則圖像讀取器100的操作模式從全局電 子快門切換到巻簾式快門(步驟620 )。如果制定的積分時間大於或者等於計算 的最小積分時間閾值，則保持全局電子快門操作模式(步驟628)。
參考圖15A、流程圖31、以及圖32描述本發明的進一步的實施例。如圖15A 所示，圖像讀取器100可以設置為具有用戶可選配置設置。例如，如圖15A所 示，圖像讀取器100在顯示器504上提供圖像用戶接口 (GUI)、菜單選擇顯示 屏3170，菜單選擇顯示屏3170為操作者提供了巻簾式操作模式和全局快門操作 模式的用戶可選配置選項。GUI顯示屏可以使用與一定的可用作業系統(諸如 WINDOWS CE)有關的工具包配置，作業系統可以安裝有在圖像讀取器100上。 當讀取器100設置為包括瀏覽器或者是使用相適的分析程序和解釋程序進行其 它配置，GUI3170可以使用各種開放標準語言(例如HTML、 JAVA, XML、 JAVA) 生成。在圖15A的實施例中，GUI圖標3152是巻簾快門選項按鈕，GUI圖標3154 是全局電子快門菜單選項。當選擇圖標3152時，圖像讀取器IOO設置為圖像讀 取器100接收如此處所述的下一觸發信號，以開始解碼嘗試，圖像讀取器100 使用巻簾式操作模式採集圖像數據，而不使用全局電子操作模式。當選擇圖標 3154時，圖像讀取器IOO設置為圖像讀取器IOO接收下一觸發信號以開始解碼 嘗試，圖像讀取器100使用全局電子操作模式採集圖像數據，而不使用巻簾式 操作模式。GUI3170可以生成為允許其它的用戶可選配置選項。在圖15A的實施 例中，按鈕3156 (可以是文本或者按鈕形式)的選擇將圖像讀取器IOO設置為， 在接收觸發信號的下一時間執行過程300。。按鈕3158的選擇將圖像讀取器100 設置為，在接收觸發信號的下一時間執行過程400。按鈕3162的選擇將圖像讀 取器100設置為，執行過程600，在下一時間接收觸發信號。按鈕3164的選擇 將圖像讀取器IOO設置為，圖像讀取器100在"圖像捕捉"搡作模式，因此， 下一時間接收觸發信號，圖像讀取器採集圖像數據(例如圖像數據的2D整幀)， 並且輸出圖像(例如到顯示器504或者間隔分離裝置)，而不將採集的圖像數 據傳送給模塊150或模塊152。在運輸行業的應用中，有利於相應移動中的物體
(例如，移動的運載工具、在裝配線上的包裹)，在"圖像捕捉"模式下捕捉 圖像。因此，可以看出，由於使用全局快門操作模式而減少了圖像失真，因此 使用全局快門操作模式的圖像捕捉模式的執行帶來明顯益處。巻簾式快門配置 和全局電子快門配置之間的旋轉或與按鈕3156、 3158、 3160、 3162、以及3164 有關的配置也可以使用軟體開發包(SDK)的命令生成。產生系統，使可以在與 圖像讀取器間隔分離的主終端選擇SDK產生的命令(例如，"巻簾式快門，，和
"全局快門"命令)，並且將命令傳送到圖像讀取器100以重新配置讀取器100， 其中此命令使圖像讀取器100為巻簾式快門配置和全局電子快門配置中的其中 一個。
再次參考圖31的流程圖，步驟3102中，操作者在巻簾式快門配置和全局 電子快門配置之間選擇。如果操作者選擇巻簾快門配置，圖像讀取器100進行 到步驟3104。步驟3104中，通過觸發信號(例如，通過觸發器216的手動激活 或者其它方法)的生成，圖像讀取器100從空閒狀態被驅動到活動讀取狀態， 然後，自動執行步驟3106和3108。步驟3106中，圖像讀取器100使用巻簾快 門操作模式採集圖像數據，然後在步驟3108中，將步驟3106中採集的圖像數 據傳送到數據表單解碼模塊152或者自動識別模塊152以對圖像數據解碼或者 進行其它操作。步驟3102中，如果選擇全局電子快門模式，則圖像讀取器IOO 執行步驟3118。步驟3118中，通過觸發信號(例如，通過觸發器216的手動激 活或者其它方法)的生成，將圖像讀取器IOO從空閒狀態驅動到活動讀取狀態， 並且然後自動執行步驟3118和3120。步驟3118中，圖^f象讀取器IO(H吏用全局 電子快門操作模式採集圖像數據，然後在步驟3122中，將步驟3118中採集的 圖像數據傳送到數據表單解碼模塊152或者自動識別模塊152以對圖像數據解 碼或者進行其它操作。
參考圖32的流程圖，描述本發明的另一實施例。在參考圖32的流程圖描 述的實施例中，圖像讀取器100設置為採集圖像數據，並且使用巻簾快門操作 模式和全局快門操作模式，嘗試解碼圖像數據。步驟3202中，如此處所述生成 觸發信號(例如，通過觸發器216的手動激活或者其它方法)，以將圖l象讀取 器IOO從空閒狀態驅動到活動讀取狀態，然後，自動執行步驟3204和3206。步 驟3204中，圖像讀取器100進入巻簾式快門操作模式。步驟3206中，圖像讀 取器100使用巻簾式快門操作模式採集諸如整幀圖像數據或者窗口幀圖像數據。 步驟3208中，圖像讀取器100將步驟3206中採集的圖像數據傳送到數據表單 解碼模塊150和/或自動識別模塊152。數據表單解碼模塊150或自動識別模塊 152可以對釆集的圖像數據進行解碼或者其它處理，並且輸出結果(例如，給顯 示器504和/或間隔分離裝置輸出經過解碼的條形碼消息)。步驟3118中，圖 像讀取器IOO進入全局電子快門操作模式。步驟3212中，圖像讀取器100使用 全局電子快門操作模式採集圖像數據。步驟3212中，圖像數據100使用全局電 子快門操作模式採集圖像數據。步驟3212中採集的圖像數據可以是整幀或者窗 口幀的圖像數據。步驟3214中，圖像讀取器100將步驟3212中採集的圖像數 據傳送到數據表單解碼模塊150或者自動識別模塊152。數據表單解碼模塊150 或者自動識別模塊152可以對採集的圖像數據進行解碼或者其它處理，並且輸 出結果(例如，給顯示器和/或間隔分離裝置輸出經過解碼的條形碼消息)。如 控制環箭頭3216所示，圖像讀取器100可以自動重複步驟3204、 3206、 3208、 3210、 3212、以及3214，直到滿足停止條件。停止條件可以是例如觸發停止信 號的生成(可以是通過釋放觸發器216而生成)或者預定量的條形碼符號解碼 成功。
結合圖25的流程圖，描述根據本發明的另一個過程。與過程400相似，過 程800包括在透鏡212被控制為運動期間，對有限量的圖像數據的處理。在過 程400和過程800,快速確立透4竟212的焦距對準位置。同時，過程400包括對 被操作的圖像傳感器陣列模塊182的使用，在這個過程的不同階段的時間，在 第 一巻簾快門操作模式和依次執行的第二全局電子操作模式中，可以使用選擇
性可尋址圖像傳感器陣列模塊中的一個執行過程800,在巻簾式操作模式和全局
電子操作模式下的整個過程中，操作此處描述的可尋址圖像傳感器陣列模塊。
進一步參考過程800，步驟802中，通過觸發信號的生成(例如，響應於觸 發器216的壓下、圖像讀取器視野內的物體的檢測、或者接收間隔分離裝置的 命令)，激活模塊124開始過程800。步驟814中，圖像讀取器100將透鏡212 設置為運動。步驟814中，圖像讀取器100可以控制透鏡212為連續運動或者 其它步進連續運動中的一個。
步驟820中，圖像讀取器100從圖像傳感器陣列模塊182讀出窗口幀圖像 數據。CMOS圖像傳感器可以在窗口幀操作模式下操作。在窗口幀操作模式下， 只讀出相應於圖像傳感器陣列的可選擇尋址的所有像素的子集的圖像數據。參 考圖28A、 28B、以及28C描述在窗口幀^澡作;漠式下的圖^^讀取器100的示例， 其中，使用代表10x10的像素塊的每個正方形柵格代表圖像傳感器陣列，並且 其中陰影區2802、 2804、以及2806代表被選擇性尋址和選擇性讀出的像素。在 圖28A的實施例中，示出了窗口幀操作模式，其中，通過選擇性地尋址和只讀 出包括在圖像傳感器陣列模塊182的中心的一組行像素的像素中心行圖案，而 從圖像傳感器陣列182讀出窗口圖像數據。可選地，在窗口幀操作模式下，圖 像讀取器100可以選擇性地尋址和從圖像傳感器陣列模塊182的一個單行像素 選擇性地讀出圖像數據。進一步，在窗口幀操作模式下，圖像讀取器100可以 選擇性的尋址，並且從行2802a和2802b選擇性地讀出圖像數據。在圖28B的 實施例中，示出窗口幀操作模式，其中，通過選擇性地尋址和只讀出在圖像傳 感器陣列模塊182的中心的位置上鄰近的像素集(即，互相鄰近的像素集)， 而從圖像傳感器陣列模塊182讀出窗口幀圖像數據。在圖28C的實施例中，示 出窗口幀操作模式，其中，通過選擇性地讀出位置上連續像素的間隔分離的 10xlO塊群，而從圖像傳感器陣列模塊182讀出窗口圖像數據。在結合圖28A、 28B、以及28C描述的所有的窗口幀操作衝莫式中，選擇性的尋址，並且讀出相應 於小於圖像傳感器像素的一半的圖像數據。當在窗口幀操作模式下操作時，圖 ^^讀取器IOO可以採集相應於如圖28a、 28b、 28c中所示的一個或者更多圖案 或者其它圖案中的像素上的入射光圖像數據。圖像數據的這種集合可以包括灰
度值集，並且可以稱為窗口幀圖像數據。
與存儲模塊116存儲整幀圖像數據，然後整幀圖像數據的一部分被指定為 將經過進一步處理的感興趣區(樣品區)的可選操作才莫式相比，此處描述窗口 幀操作模式。在窗口幀操作模式下，在釆集整幀圖像數據所需的時間片段內， 可以採集幀圖像數據。
進一步參考過程800,步驟824中，圖像讀取器IOO分析窗口幀圖像數據， 以判斷圖像讀取器100的焦距特性。參考圖29的流程圖和圖30A和圖30B的直 方圖，進一步描述分析窗口幀圖像數據以判斷焦距特性的步驟。步驟4102中， 圖像讀取器100可以作出步驟820中讀出當前窗口幀圖像數據的的像素值的直 方圖。圖30A是根據被可接收聚焦的二值圖像(例如，在單色底板上的條形碼 符號中)的行數據的像素值的直方圖。直方圖4108代表高對比度圖像，並且包 括在灰度的高端的許多像素值、在灰度低端的許多像素值、以及在灰度中心範 圍的少數像素值。圖30B是相應於聚焦差的二值圖像的窗口幀圖像數據的像素 值的直方圖。直方圖4110統計的圖像數據是"扁平"的，低對比度圖像意味著 在灰度值的兩個端點具有較少像素值，並且在灰度值的中心具有大量像素值。 因此，可以看出，使用圖像對比度信息能夠容易地確定圖像的聚焦程度。
步驟4104中，圖像讀取器IOO評估採集的直方圖數據。在步驟(原文為塊) 4104中，圖像讀取器100可以確定透鏡212的合適的焦距對準設置，或者確定 從圖像數據的當前行提取的直方圖數據是否表示圖像讀取器100在當前的透鏡 位置被可接收地聚焦。步驟4104中的圖像讀取器IOO基於採集的直方圖數據， 確定透鏡212合適的設置，直方圖數據可以來自當前窗口幀圖像數據，或者基 於當前窗口幀圖像數據的和先前採集的一個或多個窗口幀圖像數據的在前數據 的組合。另一方面，記錄透鏡212的位置或者設置值，使得當窗口幀圖像數據 信息被採集時，被讀出並且分析的每行圖像數據的直方圖信息具有指示透鏡212 的位置的相關透鏡位置數據。步驟4104中，用於確定焦距對準透鏡設置的傳遞 函數可以使用窗口幀對比信息(如直方圖中所概述的那樣)，也可以使用指示 與每個採集的窗口幀圖像數據有關的透鏡212位置的透鏡位置數據。
參考過程800的進一步步驟，步驟814中，圖像讀取器100可以控制透鏡212為連續運動或者步進連續運動。當控制為連續運動時，透鏡212在響應於窗 口幀圖像數據的像素被曝光並且被讀出的整個時間連續移動。當控制為步進式 連續運動時，透鏡212在相應於窗口幀圖像數據的像素被曝光並且讀出的整個 時間重複移動並且停止。在圖像讀取器100的一個實施例中，透鏡212控制為 步進連續運動，圖像讀取器100在兩個端點(即，第一更遠的場點和第二較近 場點)之間連續移動透鏡。在圖像讀取器100另一實施例中，透鏡212控制為 步進式連續運動，圖像讀取器100連續在兩個端點位置之間移動透鏡212,並且 在端點位置之間的一個或者多個位置上間歇使透鏡212停止。控制為步進連續 運動的透鏡212可以認為是具有運動期(即透鏡移動期間)和停止期(對應於 透鏡臨時空閒的時間)。在本發明的一個實施例中，透鏡212的運動和多行像 素中圖像數據的讀出是協調的。例如，透鏡212的步進運動和圖像傳感器陣列 模塊182的控制可以協調為，在用於曝光相應於窗口幀圖像數據的像素的曝光 期內，步進連續運動的透鏡的停止期發生，並且在此曝光期之前和之後，運動 周期發生。進一步，在特定實施例中，當對應於在透鏡212的運動周期內被曝 光的像素的圖像數據的處理有效時，圖像數據100可以被設置為，丟棄對應於 在透鏡212的移動周期內被曝光的像素的圖像數據，例如，在分析步驟824中。
參考圖26、 27的流程圖描述參考圖25大概描述的過程800的特別實施例。 在圖26的實施例中，步驟824中，圖像讀取器100嘗試基於確定採集到那點的 採集的窗口幀圖像數據的焦距對準設置。如果在步驟828a中，圖像讀取器IOO 判斷出已經採集了確定圖像讀取器100的焦距對準位置的足夠信息時，則圖像 讀取器100進行到步驟828b，將透鏡移動到確定的焦距對準位置。如果沒有採集 到足夠信息，圖像讀取器返回到步驟820，以採集另外的窗口幀信息。在步驟 828b中，例如為了判斷確定的焦距對準位置是否正確而移動透鏡212時，圖像 讀取器100可以繼續讀出並且處理窗口幀圖像數據。當透鏡212已經移動到確 定的焦距對準位置，圖像讀取器100執行步驟836，採集整幀圖4象數據(例如， 依照過程300 )，然後執行步驟838,將採集的圖像數據傳送到數據表單解碼模 塊15Q或者自動識別才莫塊152的其中一個。
在參考圖27描述過程800的實施例中，圖像讀取器100通過評估步驟824中當前的窗口幀圖像數據(最近採集的窗口幀數據)以判斷當前的窗口幀圖像
數據是否指示圖像讀取器100當前是焦距對準，而確立透鏡212的焦距對準設 置。在步驟828c中，如果圖像讀取器IOO判斷圖像讀取器當前不在焦距對準， 圖像讀取器100返回到步驟820，以採集另外窗口幀信息。步驟828中，如果 圖像讀取器IOO判斷讀取器當前在焦距對準位置，圖像讀取器100執行步驟836, 以採集整幀圖像數據(例如，依照過程300 ),然後執行步驟838,以將釆集的 圖像數據傳送到數據表單解碼模塊150或者自動識別模塊152的其中一個。
在本發明的各種實施例中，在步驟820中，圖像讀取器100可以讀出預定 量的窗口幀圖像數據，並且在步驟824中，圖像讀取器100可以分析預定量的 窗口幀圖像數據。窗口幀圖像數據可以具有相同圖案(例如，始終是圖28A的 圖案)或者可以具有變化圖案(例如，首先是圖28A的圖案，然後是圖28B的圖 案，然後是圖28C的圖案)。在一個變化的實施例中，在採集之後，圖像讀取 器IOO可以將每個採集的窗口幀圖像數據傳送到數據表單解碼模塊150和/或自 動識別模塊152。步驟824中，為了確定圖像讀取器100的焦距對準設置，圖像 讀取器100分析的預定量的幀圖像數據。在確定焦距對準設置時，圖像讀取器 100可以選擇與最佳聚焦(最高對比度)的窗口幀圖像數據有關的焦距對準設置， 或者，圖像讀取器100可以使用來自採集的多個窗口幀的圖像數據，評估焦距 設置。在過程800的變化實施例的任何一個中，在步驟836中，當圖^f象讀取器 100的焦距對準設置確定之後，透鏡212移動到確定的設置位置以確立焦距對準 設置之前或者之後，圖像讀取器IOO可以採集整幀圖像數據。
參考過程400和過程800,可理解為在確立焦距對準位置時，圖^f象讀取器 828基於表示目標標記位於比其它可用透鏡焦距位置更好的焦距的預定或者當 前位置上，可以指定透鏡212的預定或者當前位置為焦距對準。因此，當透鏡 焦距位置沒有在通常意義上高度聚焦時，如果傳感器讀取器100表示至少目標 符號比其它可用透鏡位置更為焦距對準，則傳感器讀取器100仍然可以指定該 位置作為"焦距對準"。在一個特別實施例中，當透鏡212控制為處於步進式連續 運動中時，透鏡212可以在有限量的離散位置(例如，兩個位置)之間切換。 在此實施例中，如果透鏡位置表示目標符號比剩下的可能位置更在焦距對準， 則圖像讀取器100可以指定有限量的可能離散位置的其中一個為"焦距對準" 位置。特別在配置中，當透鏡212在有限量的離散位置之間切換，可以忽略焦 距確定步驟，並且圖像數據直接傳送到解碼模塊150或自動識別模塊152。特別 地，當具有限量的可選的焦距位置時，基於以成功解碼的方式定位結果的位置， 可以容易地識別焦距對準位置。通過解碼嘗試，識別焦距對準位置可以減少平 均解;馬時間。
已知的， 一些可用圖像傳感器陣列具有設置或者操作模式，其中，由於包 裝關係(例如，邊緣像素被晶片的包裝材料覆蓋)或者特定的屏幕高寬比的配 置，不讀出有限量的邊緣列和/或行。當從圖4象傳感器的所有像素或者大致上所 有的像素中讀出來自圖像傳感器的圖像數據，而不讀出有限量的行和/或列邊緣 像素時，此被採集的圖像數據集在此處認為是整幀圖像數據集。
參考過程400和過程800,已經描述了可以將透4竟212控制為連續運動或者 步進連續運動中的一個。可以看出，當透鏡212控制為連續運動時，圖像讀取 器100的焦距設置控制為隨時間變化。當透鏡212控制為步進式連續運動時， 因此，透鏡212的焦距設置(因此也是圖像讀取器100的焦距位置)也被控制 為隨著時間步進變化。進一步，根據過程400或者過程800，當透鏡212控制為 步進式連續運動時，在運動期，透鏡212的焦距設置是在變化狀態。當透鏡212 控制為步進式連續運動時，在停止期，圖像讀取器100的焦距設置暫時為空閒 狀態。
再次參考圖1A,以下說明提供以上介紹的圖像讀取器100的模塊上的另外 細節。在各種實施例中，控制模塊112可以包括具有晶片上快速可訪問存儲器、 用於執行特定操作的專用集成電路(ASIC)、以及軟體、固件、以及數字解碼 邏輯的中央處理單元。存儲模塊116可以包括任何一個或者多個用於數據存儲 的只讀(ROM)、隨機訪問、以及不揮發可編程存儲器。基於ROM的存儲器可以 用於容納安全數據和圖像讀取器作業系統指令以及用於其它模塊的代碼。基於 RAM的存儲器可以用於在圖像讀取器操作期間方便臨時數據存儲。不揮發可編程 存儲器可以使用各種形式，典型地，為可擦可編程只讀存儲器(EPROM)和電可 擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)。在一些實施例中，當圖像讀取器100為
靜止狀態或者省電的休眠狀態時，不揮發存儲器用於確保了數據的保留。
I/O模塊120用於建立圖像讀取器100和其它電子裝置之間潛在的雙向通 信。具有1/0模塊12部分的元件包括無線或者有線區域網接口、撥號或者電纜 數據機接口、USB接口、PCMCIA接口、RS232接口、 IBM Tailgate接口 RS485 接口、 PS/2鍵盤/滑鼠接口、專用音頻和/視頻接口、標準快閃記憶體(CF)接口、 PC 卡標準接口、安全標準存儲器、用於輸入/輸出設備的安全數字輸入輸出、和/ 或任何其它標準或者個人設備接口 。 CF接口是根據CF規格版本2. 0 (保存在網 站http:Vwww.compactflash.org)的CF標準而設計的4矣口 。 CF ^見格版本2. 0文檔 的全部內容結合於此作為參考。PC卡標準接口是根據諸如由個人計算機存儲卡 國際協會(PCMCIA)維護的，並且可以從http:Vwww.pcmcia.org下載的PC卡 標準8. 0版本-2001年春季的PC卡標準而設計的4妄口 。PC卡標準8. 0版本-2001 年春季的規格版本2. 0的全部內容結合於此作為參考。
激活模塊124用於開始圖像讀取器100各方面的操作，諸如根據此處描述 的過程300、過程400、過程600、或者過程800的數據採集和處理。過程300、 過程400、過程600以及過程800可以響應於激活才莫塊124的各自過程的啟動而 自動執行。圖像讀取器IOO可以設置為在過程300、過程400、過程600以及過 程800啟動後自動繼續，直到滿足停止條件。停止條件可以例如是觸發器停止 信號(可以由觸發器216釋放產生)的生成或者成功解碼預定量的條形碼符號。 在上述的手持圖像讀取器100a中，激活模塊包括觸發器216,當觸發器216被 壓下，生成控制模塊112接收的觸發信號，然後，將控制信號發送到圖像讀取 器100的其它合適模塊。在圖像讀取器100的固定安裝的實施例的一個實施例 中，激活模塊124包括物體檢測模塊，當檢測到將被成像的物體存在時，物體 傳感模塊生成觸發信號以開始圖像讀取100的才喿作。當生成觸發信號時，將圖 像讀取器100從空閒狀態驅動到活動狀態。激活模塊124也可以相應於從本地 或者遠程隔離裝置接收的的命令而生成觸發信號。
用戶反饋模塊128用於為操作者提供傳感反饋。在各種實施例中，反饋可 以包括蜂窩聲警報的聲覺信號、諸如LED閃光指示的視覺顯示、諸如在圖像讀 取器100中振動的機械感覺，或者能夠給操作者指示諸如圖像成功捕捉的圖像
讀取器100操作狀態的任何其它感覺反饋。
顯示模塊132用於給操作者提供諸如圖像讀取器100的操作狀態的視覺信 號，例如包括剩餘電量和/或存儲空間、操作模式、和/或其它操作或者功能細 節。在各種實施例中，顯示模塊132可以由具有可選的觸摸板(touch-padscreen overlay)的顯示屏LCD平板顯示器提供，操作觸摸板用於接收與顯示器相配合 的操作者接觸輸入。
用戶接口模塊134用於為操作者和圖像讀取器100之間的通信提供接口機 制。在各種實施例中，用戶接口模塊包括鍵盤、特別功能或者可編程的按鈕、 操作杆、或者撥動開關等。如果顯示模塊132包括如上所述的觸摸板顯示屏 (touch-pad screen overlay),顯示才莫塊可以在用戶4妄口才莫塊13 4中結合由元件 可選地提供的 一些輸入功能。
在一些實施例中，RFID模塊136是符合ISO/IEC 14443的RFID詢問器和 讀取器，RFID詢問器能夠詢問RFID的非接觸裝置，並且能夠恢復RFID標籤 發射的響應。國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(正C)是定義全世界 標準化的專門系統的團體。在其它實施例中，RFID模塊136根據ISO/IEC 10536 或ISO/IEC 15963操作。由ISO/IEC公布的非接觸卡標準覆蓋了實施例中的各種 類型，具體為ISO/正C 10536 (緊貼式卡)、ISO/IEC 14443 (鄰近式卡)、以及 ISO/正C 15693 (接近式卡)。這些分別用於操作者與相關的耦合元件非常近、 在附近、或者在更遠距離的情況。在一些實施例中，RFID模塊136設置為讀出 包括才艮據產品電子代碼(EPC)、由麻省理工學院自動標識中心(Auto-ID Center atMIT)提出的代碼格式的信息的標籤。在一些實施例中，RFID模塊136根據 私有協議操作。在一些實施例中，RFID模塊136與從詢問的RFID標籤到計算 機處理器的信息的至少 一部分通信，其中計算機處理器通過網絡使用信息去訪 問或者找回存儲在可訪問伺服器上的數據。在一些實施例中，信息是RFID標籤 序列號或者與RFID標籤有關的物體。
在一些實施例中，智慧卡模塊140是符合ISO/正C 7816的智慧卡讀取器， 智慧卡讀取器使用電接觸用於建立與設計合適的基於智慧卡的接觸晶片通信。 智慧卡模塊140能夠讀並且在一些情況中寫數據給附接的智慧卡。
在一些實施例中，磁條卡模塊144是能夠讀取諸如在一個或者多個軌道(例 如，信用卡上使用的軌道上)上以磁性格式運載解碼信息的卡的物體的磁條讀 取器。在其它實施例中，磁條卡模塊144是磁性字符讀取裝置，其用於讀取使 用磁墨印刷的字符，例如在銀行支票上可見的以指示美國銀行家協會的路由號 碼、帳號、支票序號、以及匯票。在一些實施中，提供磁性讀取裝置的兩種類 型。
在圖像讀取器100的一些實施例中，RFID模塊136、智慧卡140、以及》茲 條卡模塊144的功能包含在諸如松下集成智慧卡讀取模塊號ZU-9A36CF4 (由 Matsushita Electrical Industrial Company, Ltd.供應)的single tribrid讀耳又器才莫塊中， 在日期為2004年3月、題為"Manual Insertion Type Integrated Smart Reader"("手 動插入型集成智慧卡")(版本1.00)的松下規格號MIS-DG60C194中更加詳 細地描述了 ZU-9A36CF4 。該文檔的全部內容結合於此作為參考。
解碼模塊150用於解碼諸如一維或二維條形碼的目標數據，例如， UPC/EAN、 11碼、39碼、128碼、Codabar、 Interleaved 2 of 5、 MSI、 PDF417、 MicroPDF417、 Code 16K、 Code 49、 MaxiCode、 Aztec、 Aztec Mesa、 #1據矩 陣、Qcode、 QRCode、 ( UCC複合)UCC Composite 、 Snowflake、 Vericode、 Dataglyphs、 RSS、 BC 412、 Code 93、 Codablock、 Postnet (US)、 BP04 State 、 Canadian 4 State 、 Japanese Post 、 KIX (Dutch Post) 、 Planet Code 、 OCRA、 OCR B等。在一些實施例中，解碼模塊還具有自動識別功能，自動識別模塊能夠在諸 如以上列舉的多個條形碼之間自動識別。解碼器150的特定的功能，例如可解 碼標記字符的測量，在申請日為2004年11月5日、申請號為10/982,393、題為 "Device and System for Verifying Quality of Bar Codes"(用於校-驗條形碼質量的裝 置和系統)的美國專利中有描述。該申請的全部內容結合於此作為參考。
根據本發明原則構造的圖像讀取器100的另一個示例是圖15A、圖15B、以 及圖15C中的不同透視圖示出的便攜數據終端100b。圖15A示出了主透視圖， 圖15B示出了正面透視圖，以及圖15C示出了背面透鏡圖。如圖所示，在一個 實施例中，便攜數據終端100b包括接口元件，接口元件具有顯示器504、鍵盤 508、諸如用於定位光標的接口按鈕512、觸發器216、以及具有觸針座524的
觸針座520 (未示出)。^更攜數據終端100b還進一步包括透4竟212和光源160b。 在附加的實施例中，便攜數據終端能夠增加多種可附接的計算機外圍設備而增 強功能。在各種實施例中，計算機外圍設備可以包括一個或者多個磁條讀取器、 諸如指紋掃描器的生物測定讀取器、諸如發票印表機的印表機、RFID標籤或者 RF付款讀取器、以及智慧卡讀取器等。在各種實施例中，便攜數據終端100b 可以為Dolphin 7200、 7300、 7400、 7900、或9500系列移動計算機(Hand Held Products, Inc.供應，總部4立於700Visions Drive,郵編208, Skaneatdes Falls, NY),並且可以根據發明構造。在申請號為10/938,416、提交日為2004年9月 10日、題為"Hand Held Computer Device"("手持計算機設備")的相關美 國專利中更加詳細地描述了手持計算機設備、尤其是設備殼體的各種細節。本 申請的全部內容結合於此作為參考。
便攜數據終端lOOb還包括機電接口 532,例如撥號或者電纜數據機接 口、 USB接口、 PCMCIA接口、乙太網接口、 RS232接口、 IBM Tai lgate接口 RS485 接口、 CF接口、 PC卡標準接口、用於存儲器接口的安全數字標準、用於輸入/ 輸出設備接口的安全數字輸入輸出、和/或其它任何合適標準或者私有設備接 口。在各種實施例中，機電接口 532可以用作附屬計算機接口的一部分。
圖16中示出了便攜數據終端100b的一個實施例的電路框圖。在圖16的實 施例中，圖像採集模塊108b包括圖像引擎，圖像引擎包括設置在圖像傳感器芯 片546上的二維圖像傳感器536和相關的成像光學器件544。相關的成像光學器 件544包括透鏡212b(未示出)。圖像傳感器晶片546可以設置在根據本發明構 造的型號為IT4000或IT4200圖像引擎(Hand Held Products, Inc供應，總部位 於Skaneateles Falls, NY)中，並且可以是適合諸如上述的Kodak KAC-0311或 Micron MT9V022圖像傳感器陣列的商用晶片。便攜數據終端100b還包括照明 模塊104b,照明模塊104b包括光源106b和照明控制模塊164b。這些照明模塊 也是以上引用的IT4000和IT4200圖像引擎的一部分。便攜數據終端100b還包 括處理器集成電路(IC)晶片548,該處理器集成電路(IC)晶片548可以由例 如INTEL Strong ARM RISC處理器或者INTEL PXA255處理器提供。處理器IC 晶片548包括中央處理器(CPU) 552。為了捕捉圖像，如上所述，處理器IC
晶片548將適當的控制和定時信號發送到圖像傳感器晶片546。處理器IC晶片 548還控制將晶片546生成的圖4象數據傳送到RAM576中。處理器IC晶片548 可以設置為部分或者整體執行結合圖1A所述的模塊104、 108、 112、 116、 120、 124、 128、 132、 134、 136、 140、 144、 150、 152、 165、以及168中一個或者 多個模塊的功能。
如上所述，便攜數據終端100b可以包括諸如液晶顯示器的顯示器504、 4建 盤508、多個通信或者諸如802. 11無線電通信連接器556的無線電收發器、用 於移動通信/通用分組無線業務(GSM/GPRS)無線電通信連接器560的全局系統 無線電接收器、和/或藍牙無線電通信連接器564。在另外實施例中，便攜數據 終端100b可以具有通過碼分多址(CDMA)、蜂窩數字分組(CDPD) 、 Mobitex侵j夷 式電話和數據網絡以及網絡組件，傳送諸如聲音或者凝:據通信的信息的性能。 在其它實施例中，便攜數據終端100b可以使用DataTACTM網絡或者無線撥號連 接來傳輸信息。
便攜數據終端100b可以進一步包括紅外線(IR)通信鏈路568。鍵盤508 可以通過微處理晶片572與IC晶片548通信。便攜數據終端110b可以進一步 包括RFID電路578和智慧卡電路586, RFID電路578如上所述用於將數據於讀 和寫到RFID標籤或者記號，智慧卡電路586包括用於建立與諸如電路使能信用 卡的智慧卡通信的電接觸590。便攜數據終端100b還包括存儲器574，存儲器 574包括揮發存儲器和不揮發存儲器。在一個實施例中，揮發存儲器部分地由 RAM 576提供。不揮發存儲器可以部分地由快閃記憶體ROM 580提供。處理器IC晶片 548通過系統總線584與RAM 576和ROM 580通信。處理器IC晶片548和樣￡處 理晶片572還包括多區的揮發性和不揮發存儲器。在各種實施例中，至少一些 上述模塊(例如控制模塊112中的元件)至少部分在軟體中執行，元件構件可 以存儲在諸如ROM 580的不揮發存儲器中。在一個實施例中，處理器IC晶片548 包括本身使用CPU 552和存儲器574的控制電路。存儲器574的不揮發區可以 用於例如存儲程序才喿作指令。
在各種實施例中，處理器IC晶片548可以包括具有幾個串口 (例如，通用、 串口、藍牙)和並行接口 (例如，PCMCIA, CF)的多個I/0接口 (圖16中未示 出)。
在一個實施例中，處理器IC晶片548處理幀圖像數據，例如解碼一維或者 二維條形碼或者一組OCR字母。各種條形碼和/或OCR解碼算法在商業上可用， 例如，通過IT4250圖像引擎與解碼板的結合(Hand Held Products, Inc.供 應)。在一個實施例中，解碼板解碼例如符號體系，符號體系例如是UPC/EAN、 ll代碼、39代碼、128代碼、Codabar、 Interleaved 2 of 5、 MSI、 PDF417、 MicroPDF417、 Code 16K、 Code 49、 MaxiCode、 Aztec、 Aztec Mesa、 DataMatrix、 Qcode Code、 UCC Composite, 、 Snowflake、 Vericode、 Dataglyphs、 RSS、 BC412、 Code 93、 QR Codablock， Postnet卿、BP04 State、 Canadian 4 State、 Japanese Post、 KIX (Dutch Post)、 Planet Code、 OCR A、 OCR B等。
在其它操作中，紅外線收發器568促進了從廣播模式下的便攜數據終端100b 到接收模式下的便攜數據終端100b的數據紅外線複製。在數據複製期，紅外線 接收器568的使用使得來自單廣播設備的數據被幾個接收裝置同時接收，而不 需要任何接收裝置與廣播設備物理連接。
在另外的進一步實施例中，圖像讀取器100可以包含在諸如處理終端圖像 Kiosk 8870 (Hand Held Products Inc.供應，總部位於700 Visions Drive, P.O. Box 208， Skaneateles Falls, NY)，並且才艮據本發明構造的處理終端中。在 進一步的實施例中，圖像讀耳又器可以包含在諸如IMAGETEAM 3800E線性成l象引 擎或者IMAGETEAM 4710 (Hand Held Products, Inc.供應，總部位於700 Visions Drive, P.O. Box 208， Skaneateles Falls, NY.)的二維讀取器的固定安裝系 統。
在各種實施例中，上述的模塊包括照明模塊104、成像採集模塊108、控制 模塊112、存儲模塊116、 1/0模塊120、激活模塊124、用戶反饋模塊128、顯 示模塊132、用戶接口模塊134、 RFID模塊136、智慧卡模塊140、磁條卡模塊 144、解碼模塊150、照明控制模塊164、電源模塊168、接口模塊172、光學模 塊178、傳感器陣列模塊182、傳感器陣列控制模塊186、全局電子快門控制模 塊190、行列尋址和解碼模塊194、以及讀出模塊198、巻簾式控制模塊202、 以及自動聚焦模塊，這些模塊可以在不同軟體、固件、和/或硬體的不同組合中
實現。
可以用於本發明的機器可讀存儲介質包括電子、磁性和/或光學存儲介質，
例如，石茲性軟盤、*更盤、DVD驅動器、在一些實施中可以4吏用DVD盤的CD驅動 器、任何CD-R0M盤(即，只讀光碟)、CD-R盤(即， 一次寫入多次讀出光碟)、 CD-RW光碟(即，可重寫光碟)、以及電存儲介質(諸如RAM、 ROM、 EPROM、 CF卡、PCMCIA卡、或可選的SD或SDIO存儲器、以及電子部件，諸如4欠盤 驅動器、DVD驅動器、CD/CD-RW驅動器、或CF/PCMCIA/SD適配器)，它 們容納和從存儲介質讀出和/或寫入到存儲介質。機器可讀存儲介質的本領域的 技術人員可知，不斷地發明數據存儲的新介質和格式，並且將來可用的任何便 利的、商業可用存儲介質和相應的讀/寫裝置可以適合使用，特別是，如果提供 任何更好的存儲性能，更快的訪問速度、更小的尺寸、以及每比特存儲信息的 更低成本。已知的舊的機器可讀的介質在特定條件下也可用，例如打孔紙帶f茲 帶或者卡、磁帶或者線上的磁性記錄、印刷字母(例如OCR和磁性解碼符號) 的光學或者磁性讀取以及機器可讀符號(諸如一維或者二維條形碼)。
本領域的普通技術人員應該認識到，可以在硬體(例如，石更連線邏輯)、 軟體(例如，在通用處理器上操作的程序中的邏輯解碼)、以及固件(例如， 在如所需的處理器上的操作調用的不揮發存儲器中的邏輯解碼)中實現電子和 電氣的裝置的許多功能。本發明考慮使用採用硬體、固件、以及軟體的一種實 施代替採用不同的硬體、固件、以及軟體的另一個相同功能的實施。在一定程 度上，執行可以由傳遞函數數學表示，即，在輸出終端為施加到表示傳遞函數 的"黑盒"輸入終端的特定激勵生成特定響應，此處預期了傳遞函數的任何執 行，包括傳遞函數的部分或者片段執行的硬體、固件、以及軟體的組合。
儘管已經參考此處公開的結構對本發明進行解釋，但是，本發明的保護範 圍不局限於此細節，本發明覆蓋了權利要求書的範圍和精神內的各種變化和替 換。
權利要求
1、一種用於從目標採集圖像數據的基於互補金屬氧化物半導體的條形碼讀取裝置，所述基於互補金屬氧化物半導體的條形碼讀取裝置包括一集成電路，其包括至少一個基於互補金屬氧化物半導體的圖像傳感器陣列，所述基於互補金屬氧化物半導體的圖像傳感器陣列包括一第一多個像素和一第二多個像素，所述條形碼讀取裝置可編程，以選擇性地尋址和讀出基於互補金屬氧化物半導體的圖像傳感器陣列的所述第一多個像素，而與互補金屬氧化物半導體圖像傳感器陣列的所述第二多個像素無關，基於互補金屬氧化物半導體的圖像傳感器陣列的每個像素包含一光敏區、一放大器、以及一絕光屏蔽數據存儲區域；一手持殼體，用於密封所述圖像傳感器陣列；一全局電子快門控制電路，其設置為用於生成曝光控制定時脈衝，所述曝光控制定時脈衝用於同時曝光基於互補金屬氧化物半導體圖像傳感器陣列的所有或大致上所有的整幀像素；至少一光源，用於響應一照明控制定時脈衝而照射所述目標，所述光源與所述集成電路電連接；其中，所述照明控制定時脈衝的至少一部分與所述曝光控制定時脈衝的至少一部分交迭；以及一條形碼處理模塊，用於在採集的圖像數據中識別條形碼符號的表示。
2、 根據權利要求1所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 照射所述目標包括過激勵照明模塊中的光源。
3、 根據權利要求2所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述光源包括發光二極體。
4、 根據權利要求1所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述曝光控制電路定時脈衝的持續時間比所述照明控制定時脈沖的持續時間 短。
5、 根據權利要求1所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述照明控制定時脈沖的持續時間比所述曝光控制定時脈衝的持續時間短。
6、 根據權利要求1所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述曝光控制定時脈沖開始之前開始所述照明控制定時脈沖，並且所述曝光控 制定時脈沖結束之前結束所述照明控制定時脈衝。
7、 根據權利要求1所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述曝光控制定時脈衝的持續時間小於3. 7毫秒。
8、 根據權利要求1所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述目標包括符號體系。
9、 根據權利要求8所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其中， 所述符號體系是一維條形碼。
10、 根據權利要求8所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其 中，所述符號體系是二維條形碼。
11、 根據權利要求IO所述的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀取器，其 中，所述二維條形碼是PDF417條形碼。
12、 一種用於從條形碼符號採集圖像數據的手持條形碼讀取裝置，所述條 形碼讀取裝置包括一手持殼體；一集成電路，其放置在所述手持殼體內，並且包括至少一個二維圖像傳感 器陣列，所述二維圖像傳感器陣列包括多個有源像素，每個有源像素包括至少 一屏蔽數據存儲區，所述二維圖像傳感器陣列用於應用傳遞函數而將入射光強 度轉化為輸出電壓，所述傳遞函數包括具有第一斜率的第一區域和具有第二斜 率的第二區域，當所述入射光強度高於指定水平時，所述二維圖像傳感器陣列 應用傳遞函數的第二區域，並且當所述入射光強度低於指定水平時，所述二維 圖像傳感器陣列應用傳遞函數的第一區域；手動觸發器，其中所述條形碼讀取裝置設置為通過所述手動觸發器的壓下 而生成觸發信號，並且將所述條形碼讀取裝置從空閒狀態驅動為活動讀取狀態； 以及一曝光定時控制電路，所述曝光定時控制電路用於生成曝光控制定時脈衝， 所述曝光控制定時脈沖同時曝光圖像傳感器陣列中的所有或者大致上所有的像 素，以對入射輻射進行光轉換，其中，所述手持條形碼讀取裝置設置為在所 述手動觸發器被壓下之後，所述條形碼讀取裝置釆集圖像數據，並且將所述圖 像數據傳送給條形碼解碼模塊。
13、 根據權利要求12所述的條形碼圖像讀取器，其中，所述曝光控制定時 脈沖的持續時間小於3. 7毫秒。
14、 根據權利要求12所述的條形碼圖像讀取器，其中，所述二維圖像陣列 傳感器的動態區域大於65分貝。
15、 根據權利要求12所述的條形圖像讀取器，其中，所述條形碼圖像讀取 設備從二維條形碼採集圖像數據。
16、 根據權利要求15所述的條形碼圖像讀取器，其中，所述二維條形碼是 PDF417條形碼。
17、 一種用於從條形碼符號採集和處理條形碼數據的條形碼讀取裝置，所 述條形碼讀取裝置包括一個二維像素陣列，用於接收所述條形碼符號反射的光輻射，所迷二維像素陣 列包括一第一多個像素和一第二多個像素，所述條形碼讀取裝置被設置為所 述條形碼讀取裝置被控制為選擇性尋址並且從所述二陣列中讀出所述陣列的第 一多個像素的圖像數據，而與所迷陣列的第二多個像素無關，每個所述像素包 括一光敏區和一絕光屏蔽數據存儲區；一手持殼體，用於封裝所述二維像素陣列；光學器件，用於將所述條形碼符號反射的光輻射引導到所述二維像素陣列； 一全局電子快門，其與所述二維像素陣列關聯，所述全局電子快門用於同時曝光所述二維陣列中的所有或者大致上所有的像素；以及一條形碼處理模塊，其與所述二維像素陣列電連接，所述條形碼處理模塊用於識別採集的圖像數據中的條形碼符號的表示。
18、 根據權利要求17所述的條形碼圖像讀取器，其中，所述二維圖像傳感 器陣列是互補金屬氧化物半導體圖像傳感器。
19、 根據權利要求17所述的條形碼圖像讀取器，其中，對所述圖像數據處 理以生成輸出數據包括在多個條形碼類型中自動識別。20、 一種用於從目標採集圖像數據的基於互補金屬氧化物半導體的圖像讀 取器，所述基於互補金屬氧化物半導體的條形碼讀取裝置包括一基於互補金屬氧化物半導體的圖形傳感器陣列，所述基於互補金屬氧化 物半導體的圖像傳感器陣列包括多行像素，所述基於互補金屬氧化物半導體的 圖像傳感器陣列的每個像素是包括像素放大器、光敏區、以及絕光屏蔽數據存 儲區的有源像素；一手持殼體，用於封裝所述傳感器陣列；一定時模塊，與所述基於互補金屬氧化物半導體的圖像傳感器陣列電連接， 所述定時模塊設置為在曝光期同時曝光所述基於互補金屬氧化物半導體圖像傳 感器陣列的整幀像素；一照明模塊，設置為在照明期照射目標，所述照明模塊與所述定時模塊電 連接；一控制模塊，與所述定時模塊和所述照明模塊電連接，所述控制模塊設置 為在照明期發生曝光期的至少一部分；以及一條形碼處理模塊，用於識別採集的圖像數據中的條形碼符號的表示。
全文摘要
本發明的特性為一種圖像讀取器和相應的用於捕捉諸如一維或者二維條形碼的目標的清晰不失真圖像的方法。在一個實施例中，圖像讀取器包括基於二維CMOS的圖像傳感器陣列、定時模塊、照明模塊、控制模塊。照射目標的期間稱為照明期。圖像傳感器陣列捕捉圖像由定時模塊驅動，在一個實施例中，定時模塊能夠同時曝光陣列中基本上所有的像素。共同激活像素以將光入射光光轉換為電荷的周期確定了傳感器陣列的曝光周期。在一個實施例中，在照明周期內發生曝光周期的至少一部分。
文檔編號G06K7/10GK101171597SQ200680016023
公開日2008年4月30日 申請日期2006年3月7日 優先權日2005年3月11日
發明者印軍·王, 威廉姆·H·海溫斯 申請人:手持產品公司