應用公共成像陣列的捕像系統和方法
2023-05-14 23:21:06 2
專利名稱：應用公共成像陣列的捕像系統和方法
技術領域：
本發明一般涉及捕像系統和方法，尤其涉及捕獲目標的全色或單色圖像和/或捕獲光學碼符的單色圖像，光學碼符用公共成像陣列尤其是用像素傳感器成像陣列讀取，各傳感器工作時測量入射光在各像素傳感器同一位置的三基色。
光學碼是由不同光反射或光發射特性的圖像區組成的圖案，一般按先驗法則裝配。有時用「條形碼」描述某些類別的光學碼。選擇光學碼的光學特性與圖案來區分它們在外觀上與其應用的背景環境的不同。有時把從光學碼中識別或提取數據的系統稱為「光學碼閱讀器」，其條形碼掃描器是一種類型。光學碼閱讀器一般應用於多種不同環境的固定或便攜設施，如商店的結帳服務、製造場所的加工流程與庫存管理和運輸車輛的跟蹤包件處理。例如通過從列印列出的許多條形碼中讀出目標條形碼，光學碼可用作迅速綜合的數據輸入手段。在有些應用中，把光學碼閱讀器接至便攜數據處理裝置或數據收集與傳輸裝置。光學碼閱讀器常常包括人工指向目標碼的手持傳感器。
大多數普通光學掃描系統設計成讀一維條形碼符。條形碼是一種變寬矩形條用固定或可變寬度空間分開的圖案，條與空間的反光特性不一。例如，一例一維條形碼就是用來識別產品庫存的UPC/EAN碼，一例二維或堆迭條形碼是PDF417條形碼。美國專利No.5,635,697揭示了PDF417條形碼及其解碼技術。另一種普通光學碼是Maxicode，包括中央探測器圖案或牛眼中心和包圍中央探測器的天邊形網格。應該指出，本專利申請揭示的發明諸方面一般適用於光學碼閱讀器，與適合讀取的特定類型光學碼無關。本發明還適用於某種相關的圖像識別或分析。
大多數普通掃描系統產生一條或多條從條形碼符反射回系統的雷射束，系統得到的連續模擬波形對應於該碼沿一條或多條系統掃描線反射的光，然後系統解碼該波形，從條形碼提取信息。例如，美國專利No4,251,798揭示了這類系統，美國專利No.5,561,283揭示了檢測並解碼一維與二維條形碼的光束掃描系統。
當今應用的許多掃描系統，使用了掃描雷射束，有些此類系統部署在人工瞄準目標的手持單元裡，一個獨立系統往往是一個很大的網絡組成部分，而網絡包括其它掃描器、計算機、電纜、數據終端等。
條形碼也可用成像裝置來讀，如應用的圖像傳感器裝置具有對應於該裝置視野中像元或像素的二維光電管或光傳感器陣列。這種圖像傳感器裝置包括二維或面積電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件和對視野產生對應於二維像素信息陣列的電信號的相關電路。
例如，美國專利No.5,703,349揭示了用CCD捕獲要讀出的條形碼符的單色圖像，還知道，美國專利No.4,613,895揭示了用CCD配以多條埋置通道來捕獲目標全色圖像。
由於製作這種CCD有難度且昂貴，因此美國專利No.3,971,065提出用濾色器拼合來選擇不同光電管位置的不同波長帶。數位相機流行的一種拼合法是Bayer濾色器陣列(CFA)圖案，其50％綠色像素排列在方格盤中，25％紅色像素和25％藍色像素的交替線條填滿圖案其餘部分。
雖可一般滿足原來的要求，但部分由於不同色的光電管位於不同位置，故Bayer CFA具有色混淆、分辨度與靈敏度問題。為減小這些問題，原有技術在美國專利No.5,965,875中提出了像素傳感器成像陣列，各傳感器有三隻測量同一位置不同色的光傳感器，即各像素傳感器應用一種三阱集成電路結構。
這樣，條形碼符閱讀器或數位相機使用了一種二維成像傳感器裝置。數碼照相應用捕像系統更好，該系統遠離相機聚焦至無限遠，用相對大的孔徑採光。鑑於景深要求，條形碼符可用聚焦成接近閱讀器配備相對較小孔徑的捕像系統更好地讀出，以將閱讀器工作距離範圍保持在實際極限內。舉例來說，閱讀器工作距離一般是0.5″～12″，而相機工作距離通常為12″到無限遠。
這些矛盾的要求導致作出這樣的安排，即在條形碼閱讀器與相機構成單個便攜裝置時，用活動的光學元件來改變捕像系統的焦點。已知可用相機裡的基於聲或光的自動聚焦機構來探測目標距離並相應地改變焦點，還知道移動條形碼閱讀器裡的透鏡或玻璃板可改變焦點。然而，這些設計都要求組裝複雜的活動部件，常常呈現出差的可靠性與重現性。
因此，本發明的總目的是將用於光學碼光電讀出的閱讀器與用於捕獲目標圖像的相機組合成單個裝置。
尤其是本發明的一個目的是用單個裝置捕獲目標的全色或單色圖像和/或光學碼的單色圖像。
本發明的另一目的是處理來自單一成像陣列的全色與單色兩種圖像，不藉助於移動任何光學元件來改變各圖像的聚焦。
與上述目的和後面說清楚的其它目的相一致，本發明在捕像系統與方法中簡要說明的一個特徵在於應用了一種傳感器公共成像陣列，諸傳感器在陣列中各位置間隔開，用於檢測傳感器上的入射光。公共陣列是一種二維固態CCD或CMOS器件，但在該較佳實施例中，各傳感器有三隻光傳感器，工作時測量各傳感器同一位置入射光的每個三基色，以得到測出的紅藍綠信號，如美國專利No.5,965,875揭示的那樣，其較佳方法是檢測矽中對各傳感器入射光不同波長的吸收長度差。與已知的Bayer CFA相比，這種檢測每一傳感器中每種基色的全色成像陣列工作時，以目標成像操作模式捕獲高分辨度、高靈敏度的三色目標圖像。
根據本發明，公共成像陣列系共用的，以彩色或單色捕獲工作距離相對系統為遠場範圍內的目標圖像，還以單色捕獲工作距離相對系統為近揚範圍的光學碼圖像。捕像方法是用目標透鏡把目標圖像聚焦到共用陣列裡的第一組傳感器上，並用光學碼透鏡把碼像聚焦到共用陣列的第二組傳感器上。
以數字為例，捕獲條形碼符等光學碼的近場範圍為0.5″～12″，而捕獲人、地點或目標的遠場範圍為12″到無限遠。共用陣列中約97％的傳感器用來捕獲目標圖像，約3％的傳感器用於捕獲一維條形碼符。
為防止一塊透鏡捕獲的光到達公共陣列保留用於其它透鏡捕獲光的部分，在容納該陣列的支架內部使用一塊遮光板，該板可塗敷吸光塗層。
讀光學碼不必區分像的彩色，因此本發明提議混合和組合多個被測信號，如紅與藍信號，以產生讀該光學碼的合成單色信號。可用陣列外部或內部的硬體或軟體以模擬或數字域執行混合。合成信號的分辨度與靈敏度比已知的CFA成像陣列如光學碼閱讀器使用的CCD更高，因為合成信號至少由每個傳感器的兩個被測信號產生，並非由每個傳感器的一個被測信號產生。
在一較佳實施例中，系統裝在成像器具或模塊裡，後者再裝入某一裝置，諸如可攜式或固定安裝的閱讀器或其它形式。對於手持式或手指安裝的閱讀器，需要時尤其希望操作員用手動操作觸發器切換目標成像模式與閱讀模式。但由於傳感器是分開派定的，故可同時實施目標成像與閱讀模式。
圖1是本發明一較佳實施例的小型成像器具的拓展圖；圖2是配備圖1成像器具的手持設備的透視圖；圖3是另一配備圖1成像器具的手持設備的剖視圖4是等效於原有技術全色成像陣列的已知像素傳感器的電氣線路；圖5是指示捕像系統部分一實施例的電氣線路；圖6是指示捕像系統部分另一實施例的電氣線路；圖7是指示捕像系統部分又一實施例的電氣線路；圖8是指示捕像系統部分再一實施例的電氣線路；和圖9是本發明捕像系統另一部分的剖視圖。
現參照附圖，圖1示出本發明一較佳實施例的成像器具10。該圖是示出成像器具某些光路與子系統的拓展圖。如圖所示，成像器具包括各種電路板、光學元件和底板元件。封裝的圖像傳感器陣列12位於圖像傳感器板14上，圖像傳感器板14還包含與圖像傳感器陣列12關聯的採像電路。在一較佳實施例中，成像陣列12有一通過其接收入射圖像的窗16，該陣列把入射光轉換成下述處理的電信號。美國專利No.5,965,875揭示了一種合適的陣列，其內容引用於此作參考。其它適用的陣列是CCD和CMOS陣列。
直線18表示成像器具10圖像傳感器陣列12的主光軸。主光軸18通過光學支架20傳入物鏡組件22，後者的主光軸在整體上與系統的一樣。然後，光軸1 8通到陣列12的窗16。
操作時，圖像傳感器陣列12對成像器具的視野成像，尤其是來自視野的光通過光學支架20進入透鏡組件22，後者把光聚焦到陣列表面。各有三隻光傳感器的光電管或像素傳感器陣列產生的電信號，對應於目標圖像的二維像素信息陣列。各像素傳感器工作時測量陣列中各傳感器同一位置的入射光每一三基色，對得到測出的紅藍綠信號的各傳感器下面再詳述。
載有陣列12和透鏡組件22的圖像傳感器板14裝在底板構件24上，第二底板構件26與第一底板構件一起對成像器具形成堅固本體。
成像器具10配有將結合光路28描述的瞄準系統。包括雷射二極體32和環形透鏡34的瞄準束髮生組件30對瞄準系統提供光，瞄準雷射束36從發生組件發出，通過衍射光學元件40由摺疊鏡38反射，衍射元件40產生的發散小光束跟隨數字42指示的光路(為便於表達圖1的拓展圖，光路42沿虛線43所指的Y軸方向伸縮)。來自瞄準系統的發散小光束通過光學支架20中窗44處成像器具正面從成像器具出射。成像器具正面附近衍射元件40的位置可縮小器具的尺寸，因為器具內不必為小光束髮散設置空間。尺度A表示透鏡組件22的主光軸18與小光束通路28的偏差，而通路28是瞄準系統在瞄準小光束從成像器具出射點的主光軸。尺度A在較佳實施例中小於1/2″，如5mm。
本發明諸實施例對成像器具10設置了照明源46。照明印刷電路板48載有發光二極體。小透鏡板50構成成像器具的外部正面。來自照明印刷電路板48上雷射二極體的光通過小透鏡板50。對成像器具提供照明場。照明印刷電路板的功率由電源板52提供，包括圖像傳感器的成像器具的其它電子元件，也由電源板52提供功率。
組裝時，成像器具形成極密微的單元，尺寸一般為1″×1.5×″0.75″，體積為1.25立方英寸。該密微單元可方便地配入各種形狀的設備內，如圖2的手持設備54，它包括通常帶細長手柄或抓手58的外殼56和收容成像器具10的上部60。成像器具正面出現在手持設備54上部的前端，手持部分58的截面尺寸和總尺寸可方便地將設備握在手裡。機體和手柄部分由輕質的彈性耐衝擊自承材料構成，如合成塑料。塑殼可以注射模製，也可真空形成或以吹型塑模製造而形成空心薄殼，它界定的內部空間的容積是足以包含成像器具10與其它元件。
在設備正面區的手柄部58上以活動方式安裝手操觸發器62，用戶用食指按壓觸發器就可操縱該設備。設置柔性電纜64把設備接至網絡其它元件。在諸替代實施例中，電纜還可對成像器具10供電力。在諸較佳實施例中，電纜64接至接收來自裝置的數據的主控裝置或系統65。在涉及條形碼閱讀器的諸替代實施例中，在器具10外面設置了解碼模塊66。在該例中，還將來自解碼模塊66的解碼數據發送給通常用塊68表示的主控裝置處理設備與終端。
圖3是本發明諸較佳實施例中手持設備54』另一較佳實施例的剖視圖，示出了成像器具10的位置。該例用電池供電，為無線型，解碼板72(含微處理器)置於成像器具10外部。
觸發器或手柄電路板70位於該手持設備的手柄部58』，觸發板電氣連接至與手持裝置觸發器62相關的開關裝置，處理表示操作員按壓觸發器62以便啟動或繼續、圖像捕獲的信號。
除了與觸發器相關的電路，圖3設備的手柄還包含射頻板74和對一個或多個數據終端提供移動電臺鏈路的天線76。設備54』由電池78供電力。為在設備與外部接收機或駁接裝置之間傳送數據，還可設置紅外數據接口(IRDA)79或多觸點靴(未示出)。
成像器具電子硬體包括讀條形碼符的兩大電氣子系統成像子系統與解碼子系統。成像子系統包括成像陣列、模/數轉換器、時序發生器、自動增益控制(AGC)電路和控制以上諸元件的外圍電路。解碼子系統圍繞微處理器單元構建。在諸較佳實施例中，微處理器是IBM製造的Powered PC(403系列)，系32位RISC埋式控制器，以低功耗提供高性能與高功能。解碼子系統的其它元件包括快擦與ROM、DRAM、I/O(8位雙向平行埠，16個用戶/系統單位I/O)和要求的粘合邏輯。
現參照圖9，更詳細示出了圖1所示的物鏡組件22。圖示的傳感器陣列12也裝在板14上，組件22包括目標透鏡110和以隔開方式裝在外面空心支架114上的光學碼透鏡112。在以套筒式收容在外支架114內的內部空心支架120上，以隔開方式形成較大和較小的收集孔徑116與118。遮光板122將內支架120細分成較大和較小的容積室124與126。
目標透鏡110與較大收集孔徑116一起把位於工作距離遠場範圍內的目標圖像聚焦到室124內陣列12的第一組傳感器A上。孔徑116是可容納大量光的大型圓孔，遠場範圍從12″到無限遠。碼透鏡112與較小收集孔徑118一起把位於工作距離近場範圍內的光學碼圖像聚焦到室126內該陣列的第二組傳感器B上。孔徑118是讀取條形碼符所需的窄縫。孔徑越大，光學模糊圈越大，當圖像更快地移離其聚焦位置時，圖像就散焦。近場範圍為0.5″～12″。
遮光板122阻斷由目標透鏡110捕獲的光進入室126，還阻斷碼透鏡112捕獲的光進入室124。遮光板起物理屏障作用，還可塗布吸光黑塗層吸光並儘量減少內反射。
在陣列的VGA分辨度為640×480像素的情況下，目前打算陣列97％的總面積，即大小為640×465像素的區域用於捕獲目標圖像，而3％的總面積，即大小為640×15像素的區域捕獲碼圖像。對CIF分辨度為320×240像素和超VGA解析度為1024×768像素的陣列，也採用類似比例。
室124中諸傳感器產生的目標信號，由目標處理器128以普通方式處理。室126裡諸傳感器產生的碼信號，也由碼信號處理器130以普通方式處理。這些處理器由觸發器62或驅動器分別選擇，或在本例中同時工作而產生對應於成像碼的目標圖像和/或數據。
現參照圖4，在按美國專利No.5.965,875設計陣列時，圖示電氣線路等效於陣列12各像素傳感器的基本結構。各傳感器測量藍綠紅電壓信號VB、VG與VR，對應的光電流為IB、IG與IR，對應的電容為CB、CG與CR。在目標成像操作模式中，如像數位相機工作於拍攝物體、人、景像等目標的彩照一樣，室124中各傳感器測得的電壓信號經處理，就產生目標的整幅三色圖像。該全色圖像具有高的分辨度和靈敏度，部分原因在於各傳感器測量了三種不同色彩，相反地，Bayer CFA在各傳感器處理測量一種色彩。
為在光學碼成像的讀操作模式中達到同樣高的分辨度和靈敏度，把來自室126中諸傳感器的多個測量的彩色信號組合或混合起來，生成一種合成的單色或灰度信號VM。尤其在分析了圖4電路後，輸出電壓與光電流有如下關係ΔVB＝-IBCBΔtΔVG＝(IB+IG)CGΔtΔVR＝-(IR+IG)CRΔt將上述表達式作代數運算得VM＝ΔVB+ΔVR＝-(IG+IB+IR)ΔtCBCR/(CB+CR)這樣，將來自各傳感器紅與藍光二極體的電壓信號相加，得出正比於三種光電流的量。該量適於測量光學碼灰度圖像的單色信號，該信號包括室126中各傳感器上所生成的測得的彩色信號組合，因而與基於原有技術CFA CCD的傳感器陣列(各傳感器只測量一個彩色信號)相比，最後處理過的灰度圖像具有更高的分辨度、靈敏度和信噪比。
圖5示出的電壓加法放大器80，將來自各傳感器的被測藍紅模擬電壓信號相加，產生單色信號VM。圖5示出了圖4的傳感器電路還有普通復位和選線電路以及各色電流源的普通偏置電路。
圖6類似於圖5，不過用一對跨導放大器82、84將測得的藍、紅模擬電壓信號轉換成相應的電流信號，再把電流信號相加。輸出電壓VM正比於灰度強度。
圖7是模/數轉換器86、88、90的示意圖，分別用於將測得的藍綠紅模擬信號轉換成數字形式，然後在加法電路92中對它們數字組合。數字合成信號VM是三色加權之和，各色的加權係數相同或者不同。圖7尤其適合在同一塊集成電路片上集成為成像陣列。
圖8電路也產生數字合成信號，但應用了獨立的ASIC晶片。如前一樣，同一晶片100上的轉換器86、88、90作為生成各藍綠紅數位訊號的成像陣列。這些信號饋給復用器(MUX)94，後者接不同ASIC晶片102上的分路器(DEMUX)96。DEMUX的輸出饋給各藍綠紅寄存器104、106、108，它們的輸出再饋給加法電路92而生成數字單色信號。
顯然，上述每一元件或二個或更多元件合在一起，也適用於不同於上述類型的其它結構。
雖然本發明作為應用公共傳感器陣列的捕像系統與方法的具體化作了圖示與描述，但並不意在限制圖示的細節，因為在以任何方式不背離本發明精神的情況下可作出各種修正和結構變化，例如目前較佳地容納捕像系統的形狀不是圖2和3所示的槍形外殼，而是手持式長方形外殼，類似於電子記事簿或蜂窩電話或數據採集終端。
權利要求
1.一種捕獲系統，其特徵在於，包括a)傳感器在公共陣列中各位置隔開的公共成像陣列，用於檢測入射在傳感器上的光；和b)捕像組件，用於把工作距離遠場範圍內的目標圖像聚焦在公共陣列的第一組傳感器上，並把工作距離近場範圍內的光學碼圖像聚焦在公共陣列的第二組傳感器上。
2.如權利要求1的系統和內部收納公共陣列的支架，其中捕像組件包括由支架支承用於聚焦目標圖像的目標透鏡和由支架支承並與目標透鏡隔開用於聚焦光學碼圖像的碼透鏡。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述支架內部的遮光板用於阻止從目標圖像捕獲的光到達第二組傳感器，並阻止從光學碼圖像捕獲的光到達第一組傳感器。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述傳感器安排成相互正交的行與列，第一組中行佔主要比例，第二組中行佔少量比例。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述近場測量範圍為0.5″～12″，遠場測量範圍約為12″到無限遠。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述光學碼是一維條形碼符。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述各傳感器包括三隻光傳感器，操作時用於在各傳感器獲取測得的紅藍綠信號時的同一位置測量入射光的三基色，處理來自第一組傳感器的信號而得到全色的目標圖像，還處理來自第二組傳感器的多個信號而得到合成信號，並由此得到單色的光學碼圖像。
8.一種捕像方法，其特徵在於包括步驟a)檢測傳感器公共成像陣列上的入射光，諸傳感器在公共陣列各位置隔開；b)把工作距離遠場範圍的目標圖像聚焦在公共陣列第一組傳感器上；和c)把工作距離近場範圍內的光學碼圖像聚焦在公共陣列第二組傳感器上。
9.如權利要求8的方法，其特徵在於還包括在支架內部安裝公共陣列的步驟和在支架上以隔開的位置安裝目標透鏡與碼透鏡的步驟。
10.如權利要求9的方法，其特徵在於還包括用遮光板細分支架內部的步驟，所述遮光板阻止從目標圖像捕獲的光到達第二組傳感器，並阻止從光學碼圖像捕獲的光到達第一組傳感器。
11.如權利要求8的方法，其特徵在於還包括把諸傳感器排列成相互正交的行與陣的步驟，和大部分行分配給第一組傳感器而將小部分行分配給第二組傳感器的步驟。
12.如權利要求8的方法，其中近場範圍為0.5″～12″，遠場範圍約12″到無限遠。
13.如權利要求8的方法，其中光學碼是一維條形碼符。
14.如權利要求8的方法，其中各傳感器包括三隻光傳感器，操作時用於在各傳感器獲取測得的紅藍綠信號時的同一位置測量入射光的三基色，處理來自第一組傳感器的信號而得到全色的目標圖像，還處理來自第二組傳感器的多個信號而得到合成信號，並由此得到單色的光學碼圖像。
全文摘要
把工作距離相對捕像系統處於遠場範圍的目標圖像聚焦在兩維傳感器公共陣列的第一組傳感器上，並把工作距離相對系統處於近場範圍的光學碼圖像聚焦在該陣列的第二組傳感器上。同一陣列在便攜設備中共用，所述設備能捕獲目標圖像和光學碼圖像而不必移動任何光學元件。
文檔編號G06K7/10GK1511298SQ03800311
公開日2004年7月7日 申請日期2003年3月19日 優先權日2002年3月20日
發明者T·D·比安庫裡, M·M·帕特爾, T D 比安庫裡, 帕特爾 申請人:訊寶科技公司