成像掃描引擎和製造方法

2023-06-07 01:55:51 4

專利名稱：成像掃描引擎和製造方法
技術領域：
本發明總體上涉及成像讀取器和掃描器領域，並且更具體地涉及 一種用於在成像讀取器和掃描器中標識目標對象的小型低成本的掃描 引擎。
背景技術：
已經開發了多種用於讀取諸如條形碼的光學標記的光電系統。條 形碼是由一系列不同寬度的條柵和間隔組成的圖形標記的編碼圖案， 這些條柵和間隔具有不同的光反射特性。 一些較為流行的條形碼符號
包括通用產品代碼(UPC)，通常用於零售店銷售；代碼39，主要 用於庫存跟蹤；以及郵車網絡(Postnet)，用於對美國郵件的郵編進 行編碼。使用基於一維成像器、電荷耦合器件(CCD)，或者基於互 補金屬氧化物半導體(CMOS)的成像系統來讀取和解碼條形碼的系統 在下文中通常被稱為成像系統、基於成像的條形碼讀取器或條形碼掃 描器。
基於成像的條形碼讀取器系統將該圖形標記光電轉換為電信號， 電信號被解碼為意在描述物品或其某個特徵的字母數字字符。然後， 這些符號通常以數字形式來表示並且用作用於各個終端用戶應用的數 據處理系統的輸入，諸如銷售點處理、庫存控制等等。
包括CCD、 CMOS，或者其他成像配置的基於成像的條形碼讀取 器系統包括通常在可以包括許多陣列的陣列圖案中排列的多個感光元 件(光敏器件)或像素。基於成像的條形碼讀取器系統使用發光二極 管(LED)或其他的光源來照亮目標對象，例如，目標條形碼。從目標
7果，該 聚焦透鏡從投射在像素陣列上的它的視場(FOV)生成圖像。陣列的 像素定期地按順序讀出從而產生表示捕獲的圖像幀的模擬信號。該模 擬信號由諸如運算放大器以增益因子放大。所放大的模擬信號由模擬-數字轉換器數位化。成像系統的解碼電路對表示所捕獲圖像幀的數字 化信號進行處理並且嘗試對己成像的條形碼進行解碼。該解碼電路可
以採用專用集成電路(ASIC)或與微處理器相關的內部電路的形式。
對於OEM (原始設備製造商)而言，用於讀取和掃描條形碼的成 像掃描引擎已經有多年是可用的了。掃描引擎通常包括傳感器陣列， 並且是用於將條形碼讀取能力添加到需要這樣的技術的任何產品上的 便利方式。
在現有的線性成像掃描引擎中，電路板通常與光學系統的軸線平 行地放置。這樣的配置要求在掃描引擎中裝配的圖像傳感器和它的聚 焦透鏡之間存在摺疊鏡。替代地，該圖像傳感器遠離主電路板安裝， 這需要用於在該圖像傳感器和主電路板之間建立連接的柔性電路或次 級電路板。這樣的配置造價昂貴並且不理想地需要大量空間。

發明內容
本發明涉及一種掃描引擎，該掃描引擎包括照明源，用於將光 束投射到目標對象上；聚焦透鏡，用於從該目標對象接收反射光並且 在反射光沿著光軸通過聚焦透鏡時使反射圖像聚焦，以及線性傳感器， 用於從該聚焦透鏡接收反射圖像。該線性傳感器提供表示反射圖像的 信號。電路板集成地連接至照明源和線性傳感器。
本發明還涉及一種利用掃描引擎來處理標記的方法，該方法包括 將光束從照明源投射到目標對象上；通過聚焦透鏡使目標對象的反射 圖像聚焦到線性傳感器上；從該線性傳感器生成與反射圖像相對應的 信號；以及將該信號傳送到輸出。該方法進一步包括通過將照明源和線性傳感器集成地安裝到印刷電路板而在照明源、線性傳感器和印刷 電路板之間形成通信連接。本發明進一步涉及計算機可讀介質，包括用於執行利用掃描引擎 來處理標記的方法步驟的計算機可執行指令，所述指令包括以下步驟 將光束從照明源投射到目標對象上，通過聚焦透鏡使目標對象的反射 圖像聚焦到線性傳感器上，從該線性傳感器生成與反射圖像相對應的 信號，並將該信號傳送到輸出。該步驟進一步包括通過將該照明源和 線性傳感器集成安裝到印刷電路板而在照明源、線性傳感器和印刷電 路板之間形成通信連接。本發明又進一步涉及一種掃描引擎，該掃描引擎包括用於照亮 掃描引擎所對準的目標對象的裝置；用於使目標對象的反射圖像聚焦 的裝置；用於生成與反射圖像有關的信號的裝置，該裝置用於生成用 於接收反射圖像的信號。該掃描引擎進一步包括用於集成連接照明裝 置和用於生成信號以允許在它們之間進行通信的裝置。本發明還進一步涉及一種用於對描述物品的標記進行解碼的具有 線性傳感器的掃描引擎，該線性傳感器接收與該標記有關的反射圖像， 該掃描引擎包括用於提供該掃描引擎的容器的殼體，該殼體具有多個 表面。該掃描引擎進一步包括位於殼體內部的多個照明源，用於將光 束投射到標記上，以及可移動地連接到殼體並與多個照明源相對應的 多個照明透鏡。所述照明透鏡具有允許每個照明源通過相應的照明透 鏡投射光束的橫向縫孔，使得所述照明透鏡形成來自各自光束的窄的 光線。該掃描引擎還包括用於使目標對象的反射圖像聚焦到在光軸附 近的線性傳感器上的成像透鏡，以及集成地連接到該多個照明源和線 性傳感器從而允許在它們之間進行通信的電路板。該電路板相對於該 光軸橫向安裝並且固定地附著於殼體。下面結合附圖詳細描述示例性實施例的這些以及其它目的、優點和特徵。


在參照附圖考慮下面對本發明的描述之後，本發明的上述以及其 它特徵對本發明所涉及的技術領域的技術人員來說將變得很明顯，在附圖中圖1是具有根據現有技術構造的掃描引擎的手持成像讀取器的側視圖；圖2A是具有根據本發明示例性實施例構造的掃描引擎的手持成 像讀取器的側視圖；圖2B是使用根據本發明示例性實施例構造的掃描引擎的固定工作站；圖3是根據本發明示例性實施例構造的掃描引擎的透視圖； 圖4A是圖3的掃描引擎沿著剖面線4A-4A的平面剖視圖； 圖4B是圖3和圖4A的掃描引擎的高度側的部分剖視圖； 圖5A是根據本發明構造的掃描引擎的另一個示例性實施例的平 面視圖；以及圖5B是圖5A的掃描引擎的高度側的部分剖視圖。
具體實施方式
在圖1中圖示了可攜式手持成像器10的側視圖，並且包括在現有 技術中已知的掃描引擎11。由於手持成像器大小的限制，掃描引擎ll 經由柔性電路12遠程連接到印刷電路板13，並且需要用於從目標對象 接收反射圖像的摺疊鏡14。圖2 A圖示了根據示例性實施例的具有小型掃描引擎15的可攜式 手持成像器。圖2B圖示了具有嵌入到掃描器中的掃描引擎15的固定 工作站，用於在零售購買掃描或沿著輸送線製造中使用。掃描引擎15 可以用於需要將圖形標記掃描或解碼為意在描述物品或其某個特徵的 電信號的無限多個應用。這樣的示例包括手持計算機、成像器、醫療器械、診斷設備、彩票終端、機器人、蜂窩電話等等。由於它的小型設計，掃描引擎15包括集成印刷電路板(PCB) 16。圖3是根據一個 示例性實施例的掃描引擎15的透視圖。該掃描引擎包括通常具有長方 形形狀的殼體17，但是可以包括任何幾何構型而不會脫離所請求保護 的發明的精神和範圍。殼體17分別包括前面板18和後面板20以及第一和第二側面22、 24。連接側面22、 24和前後面板i8、 20的是頂蓋26和底蓋28。 PCB 16位於殼體17的後面板20附近。如圖3所示，該掃描引擎的小型設 計提供的尺寸大約為分別與參考字符x、 y和z相對應的14mmX8mm X20mm。窗口 32位於前面板18中，用於接收諸如條形碼的目標對象 的反射光34。該反射光34在光軸A-A附近通過窗口 32來接收。第一 和第二透鏡36和38使光束40從照明源聚焦或重定向到成像視場 (FOV)。透鏡36、 38可以是透明的或半透明的材料並且包括用於使 光束40集中和重定向的橫向孔41,從而產生在成像傳感器FOV處定 向的窄的光線。透鏡36和38在垂直方向上可移動，從而允許進一步 調整從中投射的光線。透鏡36和38的位置在裝配過程中確定並且在 達到合適的位置時由膠粘劑固定。現在參照圖4A，圖4A是掃描引擎15沿著圖3的剖面線4A-4A 的平面剖視面，其中剖面線4A-4A顯露了由外殼42封閉內的掃描引擎 15的內部組件。顯示了反射光34進入窗口 32並且由聚焦透鏡44聚焦。 受曝光控制並被聚焦的反射圖像35離開聚焦透鏡44並由傳感器46接 收。在所圖示的實施例中，傳感器46是線性傳感器，它例如可以是例 如帶有諸如由Panavision製造的ELIS 1024 CSP的1024個元件的 CMOS傳感器，或者線性CCD傳感器。第一和第二照明源48和50分別連接到PCB 16並位於殼體17中。 照明源48、 50可以是單獨的發光二極體(LED)或一組LED。光束38 從照明源48、 50通過透鏡38投射到目標對象。傳感器46包括視場(FOV)(圖3所示)，該視場圖示了用於接收針對光束38的反射圖 像35的傳感器46的工作範圍。在一個示例性實施例中，掃描引擎15被集成連接到單個PCB 16， 該單個PCB 16附連到傳感器46、照明源48、 50、放大器54以及接口 56。與PCB 16的集成連接是通過使用表面安裝技術(SMT)來實現的。 接口 56提供在掃描引擎15和遠程設置的主機57之間的連接。在一個示例實施例中，照明源48、 50的操作由遠程設置的主機 57經由帶狀電纜58或本領域技術人員已知的其它通信接口來啟動。遠 程設置的主機57是可編程微處理器，但是也可以是可編程微控制器或 專用集成電路(ASIC)而沒有脫離所請求保護的發明的精神或範圍。 主機57包括提供時鐘信號的時鐘57a;電源57b;地線57c;以及具有 用於從掃描引擎15的線性傳感器46接收輸出信號59的至少一個輸入 57d。該遠程設置的主機57也包括復位57e，復位57e經由接口56提 供復位信號和曝光控制信號輸出57f。在操作期間，遠程設置的主機57從電源57b向掃描引擎提供電力， 電源57b啟動照明源48和50用於投射在通過透鏡36和38之後變成 集中光圖案的照明圖案40。將該集中光圖案投射在諸如條形碼的目標 對象上，並且光從該目標對象表面反射向掃描引擎15的窗口 32。然後， 反射光34由聚焦透鏡44聚焦到線性傳感器46上。在線性陣列中的多 個像素位於接收反射圖像35的線性傳感器46內部。然後，線性傳感 器46產生表示反射圖像35的像素值，反射圖像35轉換為模擬信號59， 模擬信號59由放大器54緩存並放大。將放大信號59從掃描引擎15 傳送到遠程設置的主機57，在主機57處該信號由模字(A/0)轉換器 57g轉換為數位訊號並由解碼器57h解碼。然後，解碼信號由該解碼器 的內部電路合成以標識諸如條形碼的目標對象，並且將輸出57j傳送到 通常用於通知用戶的外圍設備(未示出)，例如終端、印表機、液晶 顯示器等等。的模擬信號5 9 。 如果模擬信號59過高或過低，則該固件或軟體還將通過測量模擬信號 59的幅度並在後續掃描中調節曝光時間來控制曝光時間。該固件或軟 件嵌入主機57的微處理器內部的例如閃爍只讀存儲器(ROM)上或作 為可以由用戶編程並下載到微處理器的二進位圖像文件。如圖5A和5B所示，在單獨的示例性實施例中，掃描引擎15包 括安裝到頂蓋28的第二印刷電路板60。第二 PCB 60不需要用於通過 經由連接到第二PCB的電路實現前述操作來對模擬信號59進行解碼的 遠程設置的主機57，，同時保持了掃描引擎15的小型設計。接口 56 保留用於將已解碼的信息傳送到外圍主機，比如收銀機。如在圖4B中 清楚地看出的，第二PCB 60與PCB 16對接焊接在一起，從而在兩個 板之間提供了通信連接61。微處理器62位於頂部並與第二 PCB 60形 成通信連接，它可以替代地是微控制器或ASIC而沒有脫離所請求保護 的發明的精神和範圍。第二PCB 60和微處理器62的加入使得掃描引 擎15的總體尺寸在高度上相對圖3的Y坐標增加了大約3mm。微控制器包括用於將來自線性傳感器46的已放大的模擬信號59 轉換為數位訊號的A/D轉換器64，數位訊號由解碼器66解碼，從而 產生解碼信號，解碼信號由該解碼器的內部電路合成以標識目標對象。 已解碼的信號由輸出80傳送到通常用於通知用戶的外圍設備(未示 出)，諸如終端、印表機、液晶顯示器等等。微處理器62包括用於將時鐘信號提供到PCB 16的時鐘68、電源 70、以及到掃描引擎15的地線72。電源70可以從通常需要穩壓器的 外部電源(未示出)來供給，或者可以是附連到掃描引擎15的電池組 (未示出)。微處理器62進一步包括輸入74，輸入74用於從線性傳感 器46接收經由在PCB 16和PCB 60之間的對接焊接的通信連接61通過放大器54發送的放大信號59。
微處理器62還包括提供復位信號的復位76;用於基於之前的 放大信號59來控制曝光時間的曝光控制信號輸出78;以及用於控制在 掃描引擎15內部的不同組件的輸出80，例如啟動第一和第二照明源 48、 50。
在操作期間，微處理器62從電源70向掃描引擎15提供電力，電 源70結合輸出80啟動照明源48和50用於投射照明圖案40，該照明 圖案40在通過透鏡36和38之後變成集中光圖案。將該集中光圖案投 射在諸如條形碼的目標對象上，並且光從該目標對象表面反射向掃描 引擎15的窗口32。然後，反射光34由聚焦透鏡44聚焦在線性傳感器 46上而產生反射圖像35。在線性陣列中的多個像素位於用於接收反射 圖像35的線性傳感器46內部。然後，線性傳感器46產生表示反射圖 像35的像素值，將反射圖像35轉換為模擬信號59，模擬信號59由放 大器54緩存並放大。該放大信號59通過通信連接61從在PCB 16上 的輸出傳送到PCB 60,進入到微處理器62的輸入74中。微處理器通 過A/D轉換器64將放大信號59轉換為數位訊號，然後該數位訊號由 解碼器66解碼。然後，解碼信號由該解碼器的內部電路合成以標識目 標對象，並且從輸出80傳送到通常用於通知用戶的外圍設備(未示出)， 例如終端、印表機、液晶顯示器等等。
微處理器62執行諸如軟體或固件的計算機可讀介質以處理和解 碼與掃描引擎15瞄準的目標對象的反射圖像35有關的模擬信號59。 如果模擬信號59過高或過低，則在微處理器62內部的固件或軟體還 將通過測量模擬信號59的幅度並在後續掃描中調節曝光時間來控制曝 光時間。固件或軟體嵌入在微處理器62內部的例如閃爍只讀存儲器 (ROM)上或作為可以由用戶編程並且下載到微處理器的二進位圖像文 件。從上面的描述可以看出，具有耦接到照明源和線性傳感器的集成
PCB或兩塊PCB的掃描引擎通過上述配置提供了小型的結構。雖然已 經以某種程度的特定性對PCB 16和PCB60的位置進行了描述，但是 PCB可以位於掃描引擎15上其它位置，諸如將PCB 60連接到底蓋28， 替代地，PCB 16、 60可以取代並且用作側面22、 24、面板18、 20或 蓋26、 28中的任何一個。在本領域技術人員能力範圍內的這樣的改進、 位置變化以及修改意圖由權利要求所覆蓋。而且，雖然已經以某種程 度的特定性對本發明整體進行了描述，但是應當理解，在不脫離所請 求保護的本發明的範圍的情況下，本領域技術人員可以做出各種改變。
權利要求
1.一種掃描引擎，包括至少一個照明源，用於將光束投射到目標對象上；聚焦透鏡，用於從所述目標對象接收反射光並在所述反射光沿著光軸穿過所述聚焦透鏡時使所述反射光聚焦；線性傳感器，用於直接從所述聚焦透鏡接收反射圖像，提供表示所述反射圖像的信號；以及電路板，用於集成地連接到所述至少一個照明源和所述線性傳感器。
2. 根據權利要求l所述的掃描引擎，進一步包括殼體，所述殼體 具有與所述至少一個照明源相對放置的至少一個透鏡，使得將所述光 束投射通過具有用於使所述光束集中的橫向縫孔的所述至少一個透 鏡°
3. 根據權利要求l所述的掃描引擎，進一步包括第二電路板，所 述第二電路板具有與所述首次提到的電路板的集成連接，用於允許在 它們之間進行通信。
4. 根據權利要求3所述的掃描引擎，進一步包括集成連接到所述第二電路板的微處理器，所述微處理器具有用於對所述信號進行解 碼的解碼器。
5. 根據權利要求4所述的掃描引擎，進一步包括連接到所述首次提到的電路板的放大器，用於放大到所述解碼器的信號。
6. 根據權利要求3所述的掃描引擎，其中，在所述第二電路板與 所述首次提到的電路板之間允許在它們之間進行通信的所述集成連接 是對接焊接連接。
7. 根據權利要求1所述的掃描引擎，其中，所述首次提到的電路 板基本上垂直於所述光軸。
8. 根據權利要求7所述的掃描引擎，進一步包括第二電路板，所述第二電路板具有與所述首次提到的電路板的集成連接，用於允許在 它們之間進行通信，所述第二電路板關於所述首次提到的電路板橫向 放置。
9. 根據權利要求S所述的掃描引擎，進一步包括殼體，所述殼體 具有用於封閉所述至少一個照明源、所述聚焦透鏡以及線性傳感器的 多個表面，所述首次提到的電路板提供所述殼體的所述表面中的一個 表面。
10. 根據權利要求8所述的掃描引擎，進一步包括殼體，所述殼 體具有用於封閉所述至少一個照明源、所述聚焦透鏡以及線性傳感器 的多個表面，所述第二電路板提供所述殼體的所述表面中的一個表面。
11. 一種利用掃描引擎來處理標記的方法，所述方法包括步驟 將光束從至少一個照明源投射到目標對象上；通過聚焦透鏡使來自所述目標對象的反射光聚焦到線性傳感器上；從所述線性傳感器生成與所述反射圖像相對應的信號； 將所述信號傳送到輸出；以及通過將所述至少一個照明源和所述線性傳感器集成連接到印刷電 路板，在所述至少一個照明源、所述線性傳感器和所述印刷電路板之 間形成通信連接。
12. 根據權利要求ll所述的方法，進一步包括步驟通過提供具 有與所述至少一個照明源相對放置的至少一個透鏡的殼體來使所述光束集中，使得所述光束投射通過具有用於產生集中光束的橫向孔的所 述至少一個透鏡。
13. 根據權利要求11所述的方法，進一步包括步驟通過集成連 接第二印刷電路板與所述首次提到的電路板而形成通信連接，用於允 許在它們之間進行通信。
14. 根據權利要求12所述的方法，進一步包括從距所述掃描引擎 遠程放置的主機對所述信號進行解碼。
15. 根據權利要求13所述的方法，進一步包括步驟通過由所述第二電路板生成的信號來啟動所述至少一個照明源，並且通過提供具有與所述至少一個照明源相對放置的至少一個透鏡的殼體來使所述光束集中，使得所述光束投射通過具有用於產生集中光束的橫向孔的所 述至少一個透鏡。
16. —種計算機可讀介質，包括用於執行利用掃描引擎來處理標 記的方法步驟的計算機可執行指令，所述指令包括步驟將光束從至少一個照明源投射到目標對象上；通過聚焦透鏡使所述目標對象的反射圖像聚焦到線性傳感器上； 從所述線性傳感器生成與所述反射圖像相對應的信號； 將所述信號傳送到輸出；以及通過將所述至少一個照明源和所述線性傳感器集成連接到印刷電 路板，在所述至少一個照明源和所述線性傳感器和所述印刷電路板之 間形成通信連接。
17. —種掃描引擎，包括用於照明所述掃描引擎定向的目標對象的裝置； 用於使所述目標對象的反射圖像聚焦的裝置；用於生成與所述反射圖像有關的信號的裝置，該裝置用於生成接收所述反射圖像的信號；以及用於集成連接所述照射裝置和所述用於生成信號的裝置的裝置， 用於允許在它們之間進行通信。
18. —種用於對描述物品的標記進行解碼的具有線性傳感器的掃 描引擎，所述線性傳感器接收與所述標記有關的反射圖像，所述掃描 引擎包括用於提供所述掃描引擎的容器的殼體，所述殼體具有多個表面； 位於所述殼體內部的多個照明源，用於將光束投射到所述標記上； 多個照明透鏡，可移動地連接到所述殼體並且與所述多個照明源相對應，所述照明透鏡具有允許所述照明源中的每個照明源通過相應的照明透鏡投射光束的橫向縫孔，使得所述照明透鏡形成來自每一各自光束的窄的光線；成像透鏡，用於使所述目標對象的反射圖像直接聚焦到在光軸附近的所述線性傳感器上，所述線性傳感器提供表示與所述標記有關的所述反射圖像的模擬信號；以及集成連接到所述多個照明源和所述線性傳感器以允許在它們之間進行通信的電路板，所述電路板與所述光軸相對地橫向安裝並固定地附連到所述殼體。
19. 根據權利要求18所述的掃描引擎，進一步包括第二電路板， 所述第二電路板具有與所述首次提到的電路板的集成連接以允許在它 們之間進行通信，所述第二電路板與所述首次提到的電路板相對地橫 向放置。
20. 根據權利要求19所述的掃描引擎，其中，所述首次提到的電 路板或所述第二電路板取代所述殼體的所述多個表面中的任何一個表 面。
21. 根據權利要求2所述的掃描引擎，其中，具有橫向孔的所述至少一個透鏡相對於所述殼體可移動地連接，以便定向集中光束。
22. 根據權利要求1所述的掃描引擎，其中，所述信號是模擬信號，所述模擬信號被傳送到用於對所述模擬信號進行解碼的遠程主機。
23. 根據權利要求22所述的掃描引擎，其中，所述遠程主機包括 用於對所述模擬信號進行解碼的軟體。
24. 根據權利要求18所述的掃描引擎，其中，所述模擬信號被傳 送到用於解碼的遠程主機，所述遠程主機用於對所述模擬信號進行解 碼。
25. 根據權利要求1所述的掃描引擎，其中，所述掃描引擎的體 積小於2.5立方釐米。
全文摘要
一種掃描引擎(15)包括用於將光束(40)投射到目標對象上的照明源(48，50)；聚焦透鏡(44)，用於接收目標對象的反射光(34)並在反射光沿著光軸(A-A)穿過聚焦透鏡(44)時聚焦反射圖像(35)，以及線性傳感器(46)，用於從聚焦透鏡(44)接收反射圖像(35)。該線性傳感器(46)提供表示反射圖像(34)的信號(59)。電路板(16)被集成連接到照明源(48，50)和線性傳感器(46)。
文檔編號G06K7/10GK101663674SQ200880003668
公開日2010年3月3日 申請日期2008年1月18日 優先權日2007年1月31日
發明者愛德華·D·巴坎, 馬克·傑茨馬拉 申請人:符號技術有限公司