專利名稱：擴大光電閱讀器工作范圍和性能的光學調(diào)節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于讀取例如條形碼符號的標記、并具有不同光反射性部分的光電系統(tǒng)，并且具體地涉及擴大工作范圍和/或改變光束截面以便改進系統(tǒng)性能的裝置和方法。
背景技術：
過去曾經(jīng)為在標簽上或者目標表面上讀取條形碼符號開發(fā)出各種光電閱讀器和系統(tǒng)。條形碼符號本身是一種標記的編碼圖案。一般地說，閱讀器在光電上變換符號的圖形標記成為電氣信號，后者解碼成為字母數(shù)字字符。作為結(jié)果的字符描述出目標的和/或與符號關聯(lián)的目標某些特性。這樣的字符典型地包括對于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，以便在銷售點處理、庫存控制、商品跟蹤等中應用。
在符號中特定的符號元素布置，例如條形和空白，按照編碼或符號學規(guī)定的規(guī)則和定義闡明其所代表的字符。條形和空白的相對尺寸由采用的編碼類型所決定，按照條形和空白的實際尺寸。
為對于要求序列的字符編碼，可連接元素排列的集合形成完整的符號，其中各字符用其本身對應的元素組合代表。在某些符號學中，用獨特的“開始”和“停止”字符表示符號的開始和終結(jié)。當前存在一定數(shù)量的不同條形碼符號學。符號學包括諸如UPC/EAN、39碼、128碼、Codabar和Interleaved(隔行掃描)2 of 5等一維編碼。
為擴大能夠在一定符號表面面積量上代表或儲存數(shù)據(jù)的數(shù)量，已經(jīng)開發(fā)出多種新的符號學。一種新的編碼標準，49碼，引入用垂直地堆置元素行代替水平地延伸元素的二維概念。就是，不用一個長行，而采用幾個條形和空白的行。49碼結(jié)構(gòu)在美國專利No.4,794,239中描述。另一種稱作PDF417的二維編碼結(jié)構(gòu)在美國專利No.5,304,786中描述。
光電閱讀器已經(jīng)，例如，在美國專利No.4,251,798；No.4,369,361；No.4,387,297；No.4,409,470；No.4,760,248和No.4,896,026中描述，它們?nèi)繗w屬于本發(fā)明受讓人。這些閱讀器一般包括由氣體激光或半導體激光構(gòu)成發(fā)射光束的光源。在閱讀器中采用激光器件作為光源由于其尺寸較小、成本較低并且功率需要也較低而特別適宜。激光光束在光學上修改，典型地通過聚焦光學組件，形成在預定目標位置上具有一定尺寸的光束點。在目標位置上光束點的截面可接近于不同光反射性符號區(qū)域之間的最小寬度，即條形和空白，但點的截面可以較大，并且在某些情況下大于最小寬度的兩倍。
在傳統(tǒng)的閱讀器中，光束被掃描部件沿光的路徑引導趨向目標符號。閱讀器通過重復地在掃描圖案上掃描光束進行操作，例如，通過移動掃描部件跨越目標符號上一條線條或者一系列線條，諸如在光束的路徑中設置鏡子。掃描部件把光束點掃越符號，跟蹤掃描線跨越并超過符號的界限，和/或掃描預定的視野。
閱讀器也包括傳感器或其功能為探測從符號反射或散射光的光電探測器。光電探測器或傳感器位于閱讀器中的光路線中，使其具有可至少延伸跨越或少許超過符號邊界的視野。從符號反射光束一部分被探測到并且轉(zhuǎn)換為模擬電氣信號。數(shù)字轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字。然后從數(shù)字轉(zhuǎn)換器來的數(shù)字化信號根據(jù)用于符號的特定符號學進行解碼。
掃描符號的掃描圖案可采取各種形式，諸如反復線條掃描、標準光柵掃描、抖動光柵掃描、魚骨、花瓣等等。這些光束圖案由光束路線中掃描部件的控制運動所產(chǎn)生。典型地，掃描部件被某種形式的掃描馬達所驅(qū)動而周期性地通過要求的光束圖案偏轉(zhuǎn)光束。對于反復線條掃描光束圖案，可以采用由一個簡單馬達所單向地旋轉(zhuǎn)的多角形鏡子。對于復雜光束圖案，需要更加復雜的驅(qū)動機構(gòu)。
光束圖案執(zhí)行的頻率也是一個需要考慮的重要問題。在給定的時間周期內(nèi)符號可以掃描的時間越多，符號獲得有效閱讀的機會就越大。當符號由移動物體攜帶時，諸如在運輸帶上移動的包裹，特別重要。
符號也可采用成像器件閱讀。例如，可以采用具有二維陣列單元或光傳感器的成像傳感器件，其中各單元對應于器件中視野的成像元素或像素。這樣的成像傳感器件可包括二維或面積電荷偶合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件及相關的電路，以便在視野中產(chǎn)生對應于二維像素信息陣列的電子信號。
因此眾所周知采用CCD捕獲需要閱讀條形碼的單色圖像，例如在美國專利No.5,703,349中所披露。同樣眾所周知可采用具有多條掩埋信道的CCD捕獲目標的全色圖像，例如在美國專利No.4,613,895中所披露。
許多應用要求手持閱讀器，其中容納移動的激光光束器件或成像器件。對于這樣的應用，光電部件的布置必須緊湊以便容納在可能是手槍形狀的手持組裝件內(nèi)。此外，這樣的閱讀器必須輕便并且在結(jié)構(gòu)上結(jié)實以便承受由于粗暴搬動而造成的物理沖擊。也要求在操作中消耗最低的功率以延長電池壽命。
還希望符號能夠相對手持閱讀器而言在工作距離廣大范圍內(nèi)閱讀。在移動激光束器件的情況下，傳統(tǒng)上應該在聚焦光學組件中移動一個或多個透鏡，并且依次接近于閱讀器的近位和離開閱讀器較遠的遠位之間移動激光束的焦點。透鏡的移動典型地用機械執(zhí)行。由于幾個原因這是不利的。首先，機械運動產(chǎn)生通過閱讀器傳播到用戶手中的振動，并且也可能產(chǎn)生灰塵而模糊光學儀器。而且，依據(jù)掃描速度，震動可產(chǎn)生討厭、惱人、可聞的嗡嗡聲。此外，透鏡移動需要驅(qū)動機構(gòu)，該機構(gòu)又消耗電力，這是昂貴而緩慢，并且不可靠，占用空間和增加閱讀器的總體重量、尺寸及復雜性。
一般眾所周知曾經(jīng)建議用液晶透鏡調(diào)節(jié)光學組件的焦點。美國專利No.5,305,731描述一種具有可調(diào)焦距長度的液體透鏡。美國專利No.5,625,496描述如何變化液體透鏡內(nèi)的折射率。法國公報No.2,791,439和No.2,769,375(和其相當?shù)拿绹鴮＠鸑o.6,369,954)描述一種可變焦點液體透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個目的是提供一種用于讀取數(shù)據(jù)編碼符號擴大閱讀器工作范圍和性能的改進裝置和方法。
本發(fā)明另一目的是提供一種在構(gòu)造上緊湊、輕便、耐用和有效而在操作上可靠的裝置，并且因此理想地適合于便攜式手持的應用。
本發(fā)明還有另外的目的是在光電閱讀器中調(diào)節(jié)焦距和/或改變光束點的截面而不必機械地移動透鏡。
在保持這些目的及今后將變得明白的其它方面同時，簡單地說，本發(fā)明的一個特征在于一種利用光電閱讀諸如一維和/或二維條形碼符號的標記的裝置和方法。
本發(fā)明提供一種具有一對沿光路線布置的光傳送液體的可變光學透鏡，該液體為不能混合的，具有不同光學折射率，和基本上為同樣的密度。液體之一在靜態(tài)下具有形狀以便在光學上改變沿光學路線穿過一個液體趨向標記的光線而具有第一光學特性。按照本發(fā)明，可以操作一臺控制器對于一個液體施加電壓以改變其形狀，并且在光學上改變光線而具有第二不同光學特性。在移動光束閱讀器的情況中，諸如激光二極管的光源發(fā)射激光束的光線，并且一個液體的形狀的改變使激光束聚焦在沿光學路線相對于可變透鏡的不同工作距離。在成像閱讀器的情況中，一個諸如陣列的傳感器從可變透鏡接受光線，并且一個液體的形狀的變化使光線聚集在沿光學路線相對于可變透鏡不同的成像平面。
控制器對一個液體周期地施加電壓，或者在閱讀過程中連續(xù)地進行，或者只在確定某一特定標記或條形碼符號是否已經(jīng)成功地閱讀以后。
可變透鏡可包括單個固定透鏡，或者在其相對兩端的一對固定透鏡。一個液體可在靜態(tài)下徑向地對稱于光學路線，或者在一種變型中，可沿垂直于光學路線的橫向軸線延伸并改變激光束的截面。橢圓形光束截面對于閱讀一維符號較佳，而圓形光束截面對于閱讀二維符號較佳。改變光束截面使閱讀器適應讀取損壞或不良的印刷符號。
不同焦距和成像平面之間的改變和/或光束截面的改變不在機械上或物理上移動固體透鏡前提下執(zhí)行，因此在這樣的閱讀器中可減少噪聲、振動和灰塵，以及對于尺寸、重量、功率和體積的要求。可變液體透鏡不會隨著時間而磨損。
附圖的簡要說明

圖1為按照傳統(tǒng)工藝用于閱讀條形碼符號的手持閱讀器的示意圖；圖2為按照本發(fā)明圖1中手持閱讀器采用的可變透鏡剖面圖；圖3為按照本發(fā)明實施例在圖1中閱讀器使用的裝置示意圖；圖4為按照本發(fā)明另一實施例裝置示意圖；圖5為按照變型的可變透鏡一部分剖開視圖；和圖6、7和8各自為圖5中可變透鏡產(chǎn)生的光束截面圖。
具體的實施方式圖1中參考數(shù)字20一般標識用于以光電方式閱讀標記的手持閱讀器，該標記為諸如條形碼符號24，位于其工作范圍距離內(nèi)。閱讀器20具有手槍式握持手柄21和手動作用的扳機22，當壓下該扳機時，促使光束23指向符號24。閱讀器20包括殼體25，其中容納光源26、光探測器27、信號處理線路28和電池組29。在殼體前面的光傳送窗口30使光束23離開殼體，并且容許從符號散射出來的光31進入殼體。鍵盤32和顯示器33有利地設置在殼體的頂壁上以便方便地接近。
在使用時，操作者握持手柄21并使殼體瞄準在符號上和壓下扳機。光源26發(fā)射經(jīng)過光學變化的光束并且用光學聚焦組件35聚焦而在符號24上形成光束點。光束穿過分隔器34到掃描鏡36，該鏡由驅(qū)動馬達38重復地在掃描速率至少為每秒20次下振蕩。掃描鏡36反射入射光束到符號24并且使光束點以掃描圖案掃越符號。掃描圖案可以是沿掃描方向沿符號在長度方向延伸的線條，或者是一系列沿互相正交方向布置的線條，或者是全方向的圖案，以上僅說明幾種可能性。
反射光31在掃描圖案上具有變化的亮度并且穿過窗口30落在掃描鏡36上，在該鏡上反射到分隔器34上，而依次反射到光探測器27上以便轉(zhuǎn)換成模擬電氣信號。如在本行業(yè)中眾所周知，信號處理線路28使信號數(shù)字化并解碼析取在符號中編碼的數(shù)據(jù)。
按照本發(fā)明，聚焦光學組件35配置成為如圖2所示的可變透鏡?？勺兺哥R具有殼體40，其中顯示為小滴形式的第一液體42和第二液體44沿光路線46布置，該路線如以下在圖3-4中所描述，朝諸如將由光電閱讀器20讀取的條形碼符號的標記方向延伸。
液體42、44為光傳送性的、不能混合的、具有不同光學折射率和基本上為同樣密度。液體小滴42由電氣絕緣物質(zhì)構(gòu)成。例如，油、鏈烷(alcane)、鏈烷混合物，較佳地經(jīng)過鹵化，或者任何其它絕緣液體可以用在小滴42上。液體44由導電物質(zhì)構(gòu)成，例如加鹽(礦物或其它)的水，或任何其它液體，不論其為有機與否，并且較佳地通過添加離子成分變成導體。
殼體40由電氣絕緣的、光傳送材料、諸如玻璃構(gòu)成，較佳地經(jīng)過硅烷處理或涂有氟化聚合物，或為氟化聚合物、環(huán)氧樹脂和聚乙烯薄片。殼體40包括絕緣壁48，較佳地具有容器50，其中容納小滴以對稱關系相對于光路線或軸線46。壁48與小滴42相比正常具有低潤濕性，但經(jīng)過表面處理可保證較高的潤濕特性并且維持小滴的中心位置而防止小滴展開。容器50還有助于防止這樣的展開。
第一電極54延伸進入液體44，而第二電極52位于壁部48以下。這些電極連接于電壓源V。這些電極，特別是電極52，較佳地為光傳送性。如美國專利No.6,369,954(其整個內(nèi)容綜合在此作為參考)中解釋，當有電壓施加在電極上時，將建立起改變壁部48對于小滴42的潤濕特性的電場。在電場存在下潤濕性顯著增加。
在沒有電壓施加時，小滴42一般采取如圖2實線所示半球形，其外表面“A”為凸面。當有電壓施加時，絕緣壁48的潤濕性增加，而小滴42變形并采取如圖2中虛線所示形狀，其外表面“B”變成具有更小曲率半徑的凸面。小滴這樣的變形改變透鏡35的焦點并且被本發(fā)明采用，在工作距離擴大的范圍內(nèi)讀取符號24，如以下聯(lián)系圖3-4所描述。
通過例子，在靜態(tài)下小滴42具有約6mm直徑。如果液體44是鹽水，其折射率約為1.35。如果小滴是油其折射率約為1.45。對于施加約40v RMS(均方根值)的電壓可獲得約40屈光度的焦點變化。透鏡的響應時間為幾百分之一秒，在這種情況下，如果使用周期性電壓，其頻率可以在50Hz和10kHz(千赫芝)之間，使其周期小于響應時間。
回到圖3，圖1的光源26顯示為激光二極管。掃描鏡36和其驅(qū)動機構(gòu)38同樣在圖3中描述。在可變透鏡35中小滴42曲率的變化是造成在附近位置Z1和遠處位置Z2之間焦點變化的原因。符號24可以在這些終點極限位置之間任何地方讀取，從而改進閱讀器的工作范圍。
電壓較佳地是周期性的，較佳為正方波形驅(qū)動電壓。正方波形很容易用可變負載循環(huán)通過具有內(nèi)建脈沖寬度調(diào)制器線路的微處理器60建立。驅(qū)動電壓也可以是正弦形或三角波形的信號，在這種情況，電壓的幅度控制小滴42的形狀，并且依次控制焦距和工作距離。對于一定焦距變化正方波形不需要如正弦波形一樣高的電壓。例如，許多閱讀器使用單個5伏電源。可變透鏡需要較5伏更高的電壓，因此必須在閱讀器內(nèi)產(chǎn)生較高的電壓驅(qū)動可變透鏡。該產(chǎn)生的電壓需要越低，電壓產(chǎn)生電路的成本也越低。
當使用正方波形時，焦距變化是通過改變負載循環(huán)獲得。當使用正弦波形時，焦距變化通過改變驅(qū)動電壓幅度獲得。負載循環(huán)的幅度可以通過微處理器或控制器60(較佳地如同信號處理線路28裝在同一線路板上)用離散的步幅(數(shù)字方式)變化或者連續(xù)地(模擬方式)變化。電壓也可為不變的直流電壓。
在圖3的裝置中，當閱讀時，由掃描鏡36正在掃描跨越焦平面掃描的激光束一般橫向于光路線或軸線46。控制器60可一直或在選擇時間上運行施加周期性電壓在可變透鏡35上。如此，可對每一次掃描施加電壓，或每隔一次施加等等。不但可以在掃描時施加電壓，甚至也可在以后施加。電壓可以在拉動扳機時開始，或者只在符號已經(jīng)探測到以后。電壓可以自動地施加，或者只在信號分析儀62(較佳地為微處理器)已經(jīng)確定正在掃描中的符號還沒有成功地解碼并讀取。
圖4相似于圖3，除去它描述具有傳感器64的成像器，較佳地為具有互相正交光電池行及列的CCD或CMOS，以便在或在成像平面Z3及Z4之間任何一處使符號成像，從而對成像器提供焦點擴大的工作范圍或深度(其中收集從符號來的光)。如同以前，當周期性電壓施加在可變透鏡35上時小滴42的形狀變化使其獲得焦點擴大的深度。
迄今為止的描述中，小滴42的曲率變化是處于兩凸面曲率A、B之間。本發(fā)明的精神包括在不同的曲率之間使小滴變形。例如，可能小滴的外表面為新月形，即在靜態(tài)時為凹面，一般為平坦以便當施加第一電壓時使光線聚焦于第一焦平面，而當施加不同的第二電壓時使其為凸面以便光線聚焦于第二焦平面。
參照圖2，可變透鏡35在軸向端區(qū)域也可具有固定的凸面透鏡66，而在對面的軸向端區(qū)域具有固定的凹面或平坦-凹面透鏡68。這些固定透鏡為全部光學系統(tǒng)的一部分并協(xié)助其盡量減少任何類型的像差，例如彩色像差。光學系統(tǒng)應該有利地包括孔徑光闌(未示)，它可以放置在光路線中任何一處。
在一種變型中，小滴42不一定為大體半球形，即對于光學路線46徑向地對稱，而是如圖5所示，沿大體垂直于光路線的橫向方向伸長。圓柱形小滴，現(xiàn)在用參考數(shù)字標識為70，抵靠在由絕緣壁74形成的槽形容器72中。
當施加周期性電壓時，圓柱形小滴70，現(xiàn)在作為圓柱形透鏡，改變在趨向符號途中激光束的截面。如此，從激光二極管來的光束截面76大體如圖7所示為橢圓形。所闡明的x-軸線沿掃描方向。y-軸線沿符號的條和空白長度方向延伸。
對于一維符號，要求如圖6所示更加橢圓形或延長形的光束截面78。對于二維符號，要求如圖8所示更加圓形的光束截面80。通過施加周期性電壓，圓柱形小滴70可在光學上改變光束截面成為或者是截面78或者是截面80，或者在二者之間。這些形狀的改變可連續(xù)地或以逐級方式發(fā)生，并且在讀取損壞或不良印刷的符號中特別有用，從而改進系統(tǒng)性能。
可以看到，焦點變化和/或光束截面變化是不經(jīng)過任何固體透鏡的機械運動而完成的。除去液體，所有可變透鏡35的零件可用塑料制成。
本發(fā)明也可考慮在光路線中使用多于一個可變透鏡。一個可變透鏡可用在焦點變化上，而另一個可用來變化光束截面的橢圓度和/或放大倍數(shù)(即，放大效果)。類似Petizval透鏡多個透鏡也可用來減少散光。
本發(fā)明還考慮在可變透鏡中使用多個電極改變小滴42在不同方向的曲率，從而例如變換球形透鏡為圓柱形透鏡。光束的最小截面，也稱作光束腰，可以改變，并同時光束的橢圓度也可改變。如果需要采用附加(多于二個)電極可以用來改正某些特定像差，不但對于移動的光束閱讀器，也對于成像器而言。
在移動的光束掃描器中，不但只有可變透鏡可在趨向需要讀取的標記出發(fā)路線中采用，在反射光線返回光探測器的返回路線中也可采用可變透鏡?？勺兺哥R可位于光探測器前面，以便通過改變碰撞在光探測器上反射光的數(shù)量而控制光學自動增益。
權利要求
1.一種具有不同光反射性零件的、用于光電閱讀標記的裝置，包括(a)具有沿光路線中布置的一對光傳送液體的可變光學透鏡，該液體為不可混合的，具有不同光折射率和基本上同樣密度，液體之一在靜態(tài)下具有形狀以便在光學上改變沿光路線穿過所述一個液體趨向標記的光線而具有第一光學特性；以及(b)控制器，用于跨越所述一個液體施加電壓以便改變其形狀，和在光學上改變光線而具有第二光學特性。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于發(fā)射光到可變透鏡的光源；其中，第一和第二光學特性為沿光路線在相對于可變透鏡不同工作距離上的、間隔開的不同的焦平面。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，光源為發(fā)射光線作為激光束的激光。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于從可變透鏡接受光的傳感器；其中，第一和第二光學特性為沿光路線在相對于可變透鏡不同工作距離上的、間隔開的不同的焦平面。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，傳感器為成像電池陣列。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于在標記上掃描光線和視野的至少一個的掃描器。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，控制器可操作地用于在掃描中連續(xù)地施加周期性電壓的電壓。
8.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，還包括用于確定標記是否被成功地掃描和讀取的分析儀，和其中在確定標記未被成功地掃描和讀取后控制器可操作地用于施加電壓。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述一個液體在電氣上絕緣，和其中另一個液體是導電的，并且其中第一電極設置在所述一個液體的一側(cè)，而其中第二電極浸在所述一個液體對面一側(cè)的所述另一液體中，和其中電壓跨越電極施加。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，可變透鏡包括至少一個沿光路線與液體隔開的固定的聚焦透鏡。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，有兩個各自具有正及負光學功率的固定的聚焦透鏡，和其中兩個固定的聚焦透鏡位于可變透鏡的相對兩端。
12.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，可變透鏡具有所述一個液體抵靠在其上的電氣絕緣壁，和其中第二電極接觸該絕緣壁。
13.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述一個液體在靜止狀態(tài)時環(huán)繞光路線徑向?qū)ΨQ。
14.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述一個液體沿大體垂直于光路線的橫向軸線延伸，并且在光學上改變穿過所述一個液體的光線的截面。
15.一種具有不同光反射性零件的、用于光電閱讀標記的方法，包括下列步驟(a)布置一對沿光路線的光傳送液體以形成可變光學透鏡，該液體為不可混合的，具有不同光折射率和基本上同樣密度，液體之一在靜態(tài)下具有形狀以便在光學上改變沿光路線穿過所述一個液體趨向標記的光線而具有第一光學特性；和(b)跨越所述一個液體施加電壓以便改變其形狀，和在光學上改變光線而具有第二光學特性。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括發(fā)射光到可變透鏡的步驟；其中，第一和第二光學特性為沿光路線在相對于可變透鏡不同工作距離上的、間隔開的不同的焦平面。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括從可變透鏡接受光的步驟；其中，第一和第二光學特性為沿光路線在相對于可變透鏡不同工作距離上的、間隔開的不同的焦平面。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括在標記上掃描光及視野的至少一個的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，還包括在掃描時連續(xù)地施加周期性電壓的步驟。
20.如權利要求18所述的方法，其特征在于，還包括確定標記是否被成功地掃描和讀取的步驟，和在確定標記未被成功地掃描和讀取后施加電壓的步驟。
全文摘要
通過對可變透鏡施加電壓以改變其中的液體形狀而在用于讀取標記的光電閱讀器或成像器中增加其工作范圍。
文檔編號G06K7/10GK1667450SQ20051005284
公開日2005年9月14日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權日2004年3月11日
發(fā)明者P·柯瑞穆, D·T·施, V·谷列維奇, E·巴坎, I·維格多夫 申請人:訊寶科技公司