專利名稱：用于光電讀取標(biāo)記的成像讀取器中瞄準(zhǔn)光圖案發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖像捕獲系統(tǒng)和方法，更特別地涉及光電成像和讀取之前在光學(xué)碼符號(hào)生成精確限定的瞄準(zhǔn)光圖案。
背景技術(shù)：
光學(xué)碼是由具有不同光反射或光發(fā)射特性、通常按照先驗(yàn)規(guī)則聚集的圖像區(qū)域所形成的圖案。術(shù)語(yǔ)“條碼”有時(shí)被用來描述某種類型的光學(xué)碼。光學(xué)碼的光學(xué)特性和圖案被選擇以在外觀上將其與它們被用于其中的背景環(huán)境區(qū)分開來。用于從光學(xué)碼中識(shí)別或提取數(shù)據(jù)的設(shè)備有時(shí)被稱為“光學(xué)碼讀取器”，條碼掃描儀是其中的一個(gè)類型。光學(xué)碼讀取器在很多不同環(huán)境中被用在固定的或便攜的裝置中，諸如在商店中用于結(jié)帳業(yè)務(wù)，在制造場(chǎng)所用于工作流程和存貨控制，在運(yùn)輸車輛中用于跟蹤包裹管理。光學(xué)碼可被用作數(shù)據(jù)輸入的快速通用裝置，例如，通過從很多條碼的打印列表中讀取目標(biāo)條碼。在某些用途中，光學(xué)碼讀取器被連接到便攜數(shù)據(jù)處理設(shè)備或數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備。光學(xué)碼讀取器通常包括手持傳感器，其被手動(dòng)地指向目標(biāo)碼。
大多數(shù)傳統(tǒng)光學(xué)掃描系統(tǒng)被設(shè)計(jì)來讀取一維條碼符號(hào)。條碼是由固定或可變的寬度間隔隔開的可變寬度的矩形條的圖案。條和間隔具有不同的光反射特征。一維條碼的一個(gè)例子是UPC/EAN碼，其被用來識(shí)別例如產(chǎn)品清單。二維或堆疊的條碼的例子是PDF417條碼。在美國(guó)專利No.5635697中公開了PDF417條碼的介紹和對(duì)其解碼的技術(shù)。另一傳統(tǒng)光學(xué)碼被稱為“MaxiCode”。其由中央定位圖案(finderpattern)或公牛眼中心(bull’s eye center)和圍繞中央定位圖案的六角柵格。應(yīng)該注意，本專利申請(qǐng)中所公開的發(fā)明的多個(gè)方面可應(yīng)用至光學(xué)碼讀取器，一般地，不局限于適于被讀取的特定類型的光學(xué)碼。這里所述的發(fā)明也可應(yīng)用至某些關(guān)聯(lián)圖像識(shí)別或分析。
大多數(shù)傳統(tǒng)掃描系統(tǒng)生成一個(gè)或多個(gè)激光束，其將條碼符號(hào)反射回系統(tǒng)。系統(tǒng)獲得對(duì)應(yīng)于由沿系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)掃描線的碼所反射的光的連續(xù)模擬波形。系統(tǒng)然后對(duì)波形解碼以從條碼中提取信息。例如在美國(guó)專利No.4251798中公開了這種一般類型的系統(tǒng)。在美國(guó)專利No.5561283中公開了用于檢測(cè)和解碼一維和二維條碼的射束掃描系統(tǒng)。
如今所使用的許多掃描儀采用移動(dòng)激光束。某些這樣的系統(tǒng)被用在可以被手動(dòng)地指向目標(biāo)的手持單元中。通常，單個(gè)掃描儀是包括其他掃描儀、計(jì)算機(jī)、纜線、數(shù)據(jù)終端等的非常大的系統(tǒng)的元件。
也可通過采用也被安裝在手持單元中的成像裝置讀取條碼。例如，可采用具有對(duì)應(yīng)于設(shè)備視場(chǎng)中圖像單元或像素的單元或像素傳感器的一維或二維陣列的圖像傳感器。這樣的圖像傳感器可以是二維的或電荷耦合裝置(CCD)和相關(guān)電路，用于為視場(chǎng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于像素信息二維陣列的電子信號(hào)。
因此，已知使用CCD來捕獲要讀取的條碼符號(hào)的單色圖像，如美國(guó)專利No.5703349所公開的那樣。還已知使用具有多個(gè)埋入式溝道的CCD來捕獲目標(biāo)的全色圖像，如美國(guó)專利No.4613895中所公開的那樣。
雖然一般滿足所需目的，但成像設(shè)備的使用受到障礙，因?yàn)椴僮鲉T不能確定設(shè)備或該設(shè)備安裝在其中的手持單元是否直接指向條碼。與其中操作員能看到條碼上的射束的移動(dòng)射束掃描器不同，成像設(shè)備是無源單元且不提供對(duì)操作員的可視反饋。
為了減輕這樣的問題，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)專利No.6060722中提出用于成像讀取器的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器。該公知的發(fā)生器利用生成光干涉圖案的衍射元件、全息元件、或菲涅耳(Fresnel)元件。然而，這樣的干涉圖案發(fā)生器具有幾個(gè)限制，包括衍射功率損失和非均勻或點(diǎn)狀圖案線。
而且，視場(chǎng)上干涉圖案的最大角展度受到每個(gè)干涉元件結(jié)構(gòu)的最小尺寸的限制。例如，已知提供具有周期結(jié)構(gòu)的衍射光柵，每個(gè)結(jié)構(gòu)具有最小尺寸Tmin。為了獲得最大角展度αmax，已知Tmin＝λ/sin(αmax)，其中λ是光的波長(zhǎng)。在一個(gè)典型應(yīng)用中，αmax＝20度，且λ＝0.65微米，因此Tmin＝1.9微米。周期結(jié)構(gòu)需要被確定尺寸為Tmin的一半或0.95微米。為了實(shí)現(xiàn)該尺寸，通常需要光刻，然而這成本高且難以執(zhí)行。對(duì)于甚至更大的角展度，該情形加劇且尺寸Tmin達(dá)到實(shí)際制造極限。
還已知使用非干涉光學(xué)元件來投影瞄準(zhǔn)線。例如，美國(guó)專利No.6069748公開了使用環(huán)形透鏡(toroidal lens)來投影單個(gè)瞄準(zhǔn)線以導(dǎo)引切割工具。然而，這樣的技術(shù)不適用于光電讀取器，特別是用于讀取二維條碼的成像讀取器，并產(chǎn)生光強(qiáng)度分布不均勻的瞄準(zhǔn)線。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明總的目的是改進(jìn)通過采用成像設(shè)備所讀取的光學(xué)碼上瞄準(zhǔn)圖案生成。
更特別地，本發(fā)明的目的是利用單個(gè)非干涉光學(xué)元件生成多種不同形狀的瞄準(zhǔn)圖案。
本發(fā)明的另一目的是使得光學(xué)元件能夠被經(jīng)濟(jì)地制造并通過成型和加工技術(shù)而容易制造。
與上述及下面將顯而易見的其它目的一致，簡(jiǎn)單地說，本發(fā)明的一個(gè)特征在于用于光電讀取具有不同光反射率部分的標(biāo)記、諸如一維或二維條碼符號(hào)的成像讀取器中的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器。發(fā)生器包括具有沿某一方向隔開的多個(gè)折射結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，每個(gè)結(jié)構(gòu)具有沿該方向測(cè)量的結(jié)構(gòu)尺寸T；以及包括光源、諸如激光二極管的裝置，用于生成波長(zhǎng)為λ和射束橫截面具有沿該方向測(cè)量的射束尺寸D的可見的準(zhǔn)直光束，并用于引導(dǎo)射束沿光軸通過用于折射的折射結(jié)構(gòu)以便將瞄準(zhǔn)光圖案投影在要以相對(duì)于光軸測(cè)量的最大角αmax讀取的標(biāo)記上，射束尺寸D大于結(jié)構(gòu)尺寸T，且結(jié)構(gòu)尺寸T大于波長(zhǎng)λ除以最大角αmax的正弦。
因此，通過使T遠(yuǎn)大于λ/sin(αmax)，消除了不期望的干涉(衍射)效應(yīng)，同時(shí)消除了衍射功率損失。使T大于T就提供了瞄準(zhǔn)圖案與激光二極管的輻射分布以及與射束相對(duì)于光學(xué)元件的橫向偏移的獨(dú)立性。如下面所述，尺寸T是毫米量級(jí)而非微米量級(jí)的，使得光學(xué)元件以低成本制造工藝、諸如成型或三維加工，而非成本高的光刻來制造。
在優(yōu)選實(shí)施例中，激光二極管生成發(fā)散激光束，且孔徑光闌位于發(fā)散光束的路徑上，用于為激光束形成預(yù)定橫截面。部分光學(xué)元件可操作用于將預(yù)定橫截面的射束光學(xué)修正為準(zhǔn)直射束。
以所需的表面輪廓形成每個(gè)折射結(jié)構(gòu)，從而獲得所需的瞄準(zhǔn)圖案。例如，折射結(jié)構(gòu)可具有彎曲表面，用于將瞄準(zhǔn)光圖案生成為單個(gè)瞄準(zhǔn)線，其中沿該線在縱向地具有基本一致的光強(qiáng)度。每個(gè)彎曲表面可以是凸的或凹的。
作為另一例子，折射結(jié)構(gòu)可具有平面表面和彎曲表面，用于生成瞄準(zhǔn)光圖案為具有線強(qiáng)度的單個(gè)瞄準(zhǔn)線和位于瞄準(zhǔn)線上具有大于線強(qiáng)度的斑強(qiáng)度的單個(gè)瞄準(zhǔn)斑。優(yōu)選地，至少一個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有側(cè)面連接有兩個(gè)彎曲表面的一個(gè)平面表面。
作為一個(gè)附加例子，折射結(jié)構(gòu)可具有多個(gè)平面表面，用于生成多個(gè)瞄準(zhǔn)斑，并優(yōu)選地，至少一個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有側(cè)面連接有兩個(gè)以上傾斜的平面表面的一個(gè)平面表面。
再一例子是成組設(shè)置的折射結(jié)構(gòu)，其中一組沿該方向被設(shè)置在中央行上，兩個(gè)以上組沿垂直于該方向的橫向方向沿各側(cè)行設(shè)置并位于中央行的相對(duì)側(cè)上。折射結(jié)構(gòu)的中央行具有彎曲表面，用于生成瞄準(zhǔn)線。折射結(jié)構(gòu)的側(cè)行具有彎曲表面，用于一起生成另一瞄準(zhǔn)線。該瞄準(zhǔn)圖案包括在標(biāo)記上以直角相交的兩條線，從而模擬步槍領(lǐng)域的“交叉瞄準(zhǔn)線”。
在本分組設(shè)置的折射結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)另一例子，其中一組沿該方向沿一行被設(shè)置，而其他組沿垂直于該方向的橫向方向沿另一行被設(shè)置。激光二極管的射束橫截面是長(zhǎng)軸對(duì)角地跨過這兩行延伸的橢圓。折射結(jié)構(gòu)的兩行具有彎曲表面，用于一起生成在標(biāo)記上以直角相交的兩條瞄準(zhǔn)線。
作為另一例子，光學(xué)元件具有中央拉伸的平面表面，射束穿過其在標(biāo)記上投影為中央瞄準(zhǔn)斑。折射結(jié)構(gòu)被設(shè)置在中央表面的相對(duì)側(cè)處的兩個(gè)側(cè)行上，并且相對(duì)于中央表面的延長(zhǎng)線以相對(duì)的傾斜角傾斜。一個(gè)側(cè)行的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有一對(duì)平面表面，用于生成一對(duì)遠(yuǎn)離中心斑在一個(gè)方向上隔開的端部瞄準(zhǔn)斑。另一側(cè)行的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有一對(duì)平面表面，用于生成另一對(duì)遠(yuǎn)離中心斑在相反方向上隔開的端部瞄準(zhǔn)斑。所得到的瞄準(zhǔn)圖案包括5個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
在優(yōu)選實(shí)施例中，折射結(jié)構(gòu)沿該方向周期性隔開，且每個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有拋物線曲率。光學(xué)元件由折射率為1.5左右的成型或加工的材料構(gòu)成，諸如玻璃或塑料。至少一個(gè)折射結(jié)構(gòu)是沿垂直于該方向的橫向延伸的溝道或隆起。


圖1是按照本發(fā)明的成像讀取器的一些元件的示意透視圖；圖2是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的與圖1中讀取器一起使用的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器的示意圖；圖3是其上疊加有激光束的圖2中光學(xué)元件的端視圖；圖4是圖2中元件的表面輪廓的放大的側(cè)視圖；圖5是解釋離開具有圖4中所示表面輪廓的元件的射線方向的圖形；圖6是類似圖4的示圖，但是本發(fā)明另一實(shí)施例；圖7是由圖4或圖6中實(shí)施例所生成的單線瞄準(zhǔn)圖案的表示；圖8是類似圖4的示圖，但是本發(fā)明另一實(shí)施例；圖9是解釋離開具有圖8中所示表面輪廓的元件的射線方向的圖形；圖10是由圖8的實(shí)施例所生成的包括單線和單斑的瞄準(zhǔn)圖案的表示；
圖11是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的光學(xué)元件的另一表面輪廓的代表性放大側(cè)視圖；圖12是解釋離開具有圖11中所示表面輪廓的元件的射線方向的圖形；圖13是由圖11的實(shí)施例所生成的包括三個(gè)瞄準(zhǔn)斑的瞄準(zhǔn)圖案的表示；圖14是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的光學(xué)元件的后透視圖；圖15是其上疊加有激光束的圖14中元件的端視圖；圖16是由圖14的實(shí)施例所生成的包括兩個(gè)交叉線的瞄準(zhǔn)圖案的表示；圖17是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的光學(xué)元件的前透視圖；圖18是其上疊加有激光束的圖17的元件的端視圖；圖19是由圖17的實(shí)施例所生成的包括兩個(gè)交叉線的瞄準(zhǔn)圖案的表示；圖20是類似圖18的示圖，但是本發(fā)明另一實(shí)施例；圖21是圖20中元件的表面輪廓的放大分解示圖；圖22是由圖20的實(shí)施例所生成的包括5個(gè)隔開的瞄準(zhǔn)斑的瞄準(zhǔn)圖案的表示；圖23是本發(fā)明的一個(gè)附加實(shí)施例的透視圖；圖24是圖23的頂視圖；和圖25是由圖23-24中實(shí)施例所生成的包括兩個(gè)交叉線和中央瞄準(zhǔn)斑的瞄準(zhǔn)圖案的表示。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參看附圖，圖1示出圖像傳感器陣列12，其可操作地用于將入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以處理成圖像。在美國(guó)專利No.5965875中公開了一種合適的陣列，該專利的內(nèi)容包括在此以供參考。
在操作中，視場(chǎng)14由圖像傳感器陣列12成像。更特別地，來自視場(chǎng)中目標(biāo)(未示出)的光穿過成像透鏡16，成像透鏡將光聚焦到陣列的表面上。每個(gè)都具有一個(gè)或多個(gè)光敏元件的單元或像素傳感器的陣列為目標(biāo)圖像產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于像素信息二維陣列的電子信號(hào)。
為了將陣列12瞄準(zhǔn)目標(biāo)，提供瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括激光二極管18、光學(xué)元件20、和孔徑光闌，從圖2-3中可更清楚地看到。激光二極管18生成波長(zhǎng)為λ的激光束。從圖2中可最清楚地看到，激光束發(fā)散，直到其穿過孔徑光闌22，其中射束在孔徑光闌22中被光學(xué)修正以具有預(yù)定的橫截面。從而，在穿過光學(xué)元件的后部分之前，激光束穿過光學(xué)元件20的前透鏡部分，在其中，射束被聚焦和準(zhǔn)直。如下面所述，后部分被配置以光學(xué)修正穿過其中的射束從而在目標(biāo)上生成可見的瞄準(zhǔn)光圖案，從而幫助操作員將陣列12瞄準(zhǔn)在目標(biāo)上。
現(xiàn)參看圖2-3，元件20的后部分由多個(gè)折射結(jié)構(gòu)形成，例如沿一個(gè)方向平行設(shè)置的拉伸的凹槽24、26、28，用于分別折射沿上射線和下射線24a、24b；26a、26b；和28a、28b的射束。每個(gè)結(jié)構(gòu)沿該方向具有結(jié)構(gòu)尺寸T。盡管結(jié)構(gòu)尺寸T被顯示為對(duì)于所有結(jié)構(gòu)是相同的，但不是必須這樣。由每個(gè)結(jié)構(gòu)的射線跟蹤所產(chǎn)生的上下射線以角度2α被角擴(kuò)展分開，其中α是相對(duì)光軸20測(cè)量的。
射束的橫截面具有射束尺寸D，如圖所示，其大于尺寸T，且在該例子中等于所有3個(gè)結(jié)構(gòu)24、26、28的結(jié)構(gòu)尺寸的和。選擇尺寸T以比λ除以α的正弦大的多，從而最小化任何干涉效應(yīng)。為了獲得視場(chǎng)的最大角展度αmax，結(jié)構(gòu)尺寸被最小化并被表示為Tmin。
如圖4所示，每個(gè)結(jié)構(gòu)具有彎曲的表面輪廓，優(yōu)選為拋物線，使得每個(gè)這樣的輪廓可被表達(dá)為拋物線方程Z＝Y(jié)2/2R，其中R是局部曲率半徑。圖5是相應(yīng)的曲線，其描繪局部?jī)A斜或射線折射方向。特別地，相對(duì)于結(jié)構(gòu)沿其設(shè)置的方向Y繪出α的正切。
按照Snell的折射定律，tanα近似等于(dZ/dY)(n-1)＝Y(jié)(n-1)/R，其中n等于折射率。最大射線方向αmax近似等于atan[Tmin(n-1)/2R]。見看到，tanα隨射線方向線性地改變，且因此對(duì)于目標(biāo)上的瞄準(zhǔn)光圖案，從元件所投影的光形成單個(gè)可見瞄準(zhǔn)線34，其中光強(qiáng)度分布在其長(zhǎng)度上基本是均勻的，如圖7所示。
例如，假定光學(xué)元件的前部分具有3.5毫米的焦距，并對(duì)以約25度到40度的角度發(fā)散的來自二極管的激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，從而在元件的后部分處形成射束尺寸D約為1.5-2.4毫米、光強(qiáng)度為50％的射束斑。如果選擇結(jié)構(gòu)尺寸T為約0.5毫米，且如果折射率約為1.5，則實(shí)現(xiàn)了角展度2α等于約30度的瞄準(zhǔn)圖案。局部曲率半徑R近似等于T(n-1)/2tanαmax＝0.47毫米。每個(gè)表面輪廓的深度為ΔZ＝T2/8R＝0.067毫米。每個(gè)折射結(jié)構(gòu)的毫米尺寸很容易通過加工或成型而被制造，且光學(xué)元件有利地由玻璃或塑料形成。
在其中難以整潔地制造尖銳的頂點(diǎn)、諸如圖4中的尖點(diǎn)的情況下，對(duì)于結(jié)構(gòu)26’，可以通過顛倒中央凹槽26的彎曲以獲得如圖6所示的凹輪廓而消除這些尖銳角。具有圖6中正弦輪廓的結(jié)構(gòu)元件也將產(chǎn)生圖7中所示的均勻強(qiáng)度的單線圖案。
圖8類似于圖4，除了每個(gè)折射結(jié)構(gòu)被配置以具有中央平面表面T1，并在相對(duì)側(cè)處側(cè)面連接彎曲的拋物線表面。彎曲的表面可被表達(dá)為Z＝(Y+0.5T1)2/2R。tanα在圖9中被繪出，且近似等于(dZ/dY)(n-1)。穿過中央平面表面(其中α＝0)的光不被傾斜，而直線穿過從而生成具有斑強(qiáng)度的中央瞄準(zhǔn)斑36。進(jìn)入中央斑的能量的量由平面表面的相對(duì)長(zhǎng)度T1控制。彎曲表面產(chǎn)生一致光強(qiáng)度的單瞄準(zhǔn)線38，其中光斑疊加在該瞄準(zhǔn)線上。光斑具有比線38高的強(qiáng)度，并用于標(biāo)記成像視場(chǎng)的中央。
圖11類似于圖8，除了僅示出一個(gè)折射結(jié)構(gòu)的輪廓，且其具有三個(gè)平面表面40、42、44，其中外平面表面42、44相對(duì)于中央平面表面40傾斜。圖12繪出tanα，且可以觀察到，穿過每個(gè)平面表面(其中α＝0)的光未偏轉(zhuǎn)地穿過，從而得到圖13的瞄準(zhǔn)圖案的三個(gè)瞄準(zhǔn)斑46、48、50。中央斑46標(biāo)記視場(chǎng)中央，且端部斑48、50標(biāo)記視場(chǎng)邊緣。每個(gè)斑中能量的量取決于平面表面40、42、44的相對(duì)長(zhǎng)度。
圖14描繪從后透視圖中看到的光學(xué)元件的另一實(shí)施例。前部分被配置作為凸透鏡52，且多組折射結(jié)構(gòu)在后部54處被示出。具有射束尺寸D的橢圓射束橫截面56疊加在結(jié)構(gòu)上。一組沿中央行58設(shè)置，并且中央行58的結(jié)構(gòu)被配置有圖6的正弦輪廓，從而投影圖16所示的瞄準(zhǔn)線60。兩個(gè)以上組沿分別垂直于中央行58的頂部行62和底部行64設(shè)置。頂部行和底部行的結(jié)構(gòu)每個(gè)都被配置有圖6的正弦輪廓，從而投影與線60交叉以形成圖16中交叉瞄準(zhǔn)線圖案的瞄準(zhǔn)線66。
例如，如果光學(xué)元件具有2.5毫米的外徑，則中央行可占據(jù)約0.7毫米的區(qū)域，且頂部和底部區(qū)域分別可占據(jù)約0.9毫米的區(qū)域。為了確定中央行中每個(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸T，平行于二極管結(jié)的激光束斑56的發(fā)散角被考慮，且對(duì)應(yīng)于50％強(qiáng)度水平時(shí)約0.4毫米到0.7毫米的射束尺寸D。結(jié)構(gòu)尺寸T達(dá)到約0.4毫米。頂部和底部行的結(jié)構(gòu)尺寸通常都達(dá)到約0.5毫米。
圖17描繪類似于圖14的光學(xué)元件20的另一實(shí)施例，但僅具有兩個(gè)組，且每個(gè)組具有如圖4所示配置的折射結(jié)構(gòu)。一個(gè)組沿行68延伸并占據(jù)元件后部分54的約一半，而另一組沿垂直于行68的行70延伸并占據(jù)后部分54的另一半。
如果設(shè)置橢圓射束橫截面72使得其長(zhǎng)軸對(duì)角地跨過兩個(gè)行68、70，如圖18所示，這是特別期望的。這可通過轉(zhuǎn)動(dòng)激光二極管或光學(xué)元件20而實(shí)現(xiàn)。折射結(jié)構(gòu)的行68生成瞄準(zhǔn)線74，且折射結(jié)構(gòu)的行70生成以直角與線74交叉并產(chǎn)生圖19的交叉瞄準(zhǔn)線圖案的另一瞄準(zhǔn)線76。
在圖20的端視圖中示出光學(xué)元件的再一實(shí)施例，其中后部分被分成三個(gè)區(qū)，即具有中央平面表面78的中央?yún)^(qū)、和一對(duì)具有多個(gè)折射結(jié)構(gòu)的端部區(qū)，其中每個(gè)折射結(jié)構(gòu)都具有一對(duì)沿線性棱84彼此相會(huì)的平面表面80、82，如圖21所示，線性棱相對(duì)于中央表面78的延長(zhǎng)線以相對(duì)的傾斜角傾斜。
穿過中央平面表面78的光被投影到標(biāo)記上作為中央瞄準(zhǔn)斑86。如果在中央?yún)^(qū)域處配置周期性結(jié)構(gòu)，則中央斑將被拉伸。穿過一個(gè)端部區(qū)域的光被平面表面80、82投影到標(biāo)記上作為一對(duì)端部瞄準(zhǔn)斑88、90，而穿過另一端部區(qū)域的光被平面表面80、82投影到標(biāo)記上作為另一對(duì)端部瞄準(zhǔn)斑92、94，從而形成圖22的瞄準(zhǔn)圖案作為標(biāo)記視場(chǎng)的中央和四個(gè)角的5個(gè)瞄準(zhǔn)斑。如果希望20度乘30度的視場(chǎng)，則每個(gè)端部區(qū)域被提供18度的表面傾斜，使得18度乘以(n-1)等于36度，其中n＝1.5。
圖23-24中描繪了光學(xué)元件的另一實(shí)施例，其可操作地用于生成圖25的瞄準(zhǔn)圖案中的一對(duì)交叉線96、98，其進(jìn)一步特征為明亮的中央斑100，且目前被視為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖23-24的實(shí)施例具有包括多個(gè)折射結(jié)構(gòu)104的中央?yún)^(qū)域102，可操作地用于生成瞄準(zhǔn)圖案中的垂直線96；一對(duì)具有多個(gè)折射結(jié)構(gòu)114的側(cè)邊區(qū)域106、108，可操作地用于生成瞄準(zhǔn)圖案中的水平線98的左半和右半部分；和一對(duì)扁平端部區(qū)域110、112，可操作地用于生成中央斑100，優(yōu)選具有大于線96、98的強(qiáng)度的強(qiáng)度。
當(dāng)然其它的構(gòu)型也是可能的。結(jié)構(gòu)優(yōu)選是周期性的，并且如前面提到的那樣，每個(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸T不必對(duì)于一個(gè)光學(xué)元件上的所有結(jié)構(gòu)都相同。
雖然光學(xué)元件已經(jīng)被描述為具有集成的前部分或準(zhǔn)直透鏡，但是準(zhǔn)直也可由遠(yuǎn)離反射結(jié)構(gòu)的獨(dú)立光學(xué)元件執(zhí)行。光學(xué)元件優(yōu)選具有內(nèi)置的球面像差校正，且其表面輪廓可以由函數(shù)Z＝aR4表達(dá)，其中Z是表面垂度(sag)，a是球面像差系數(shù)，R是垂直于光軸的徑向橫向坐標(biāo)(radial lateral coordinate)。
對(duì)于每個(gè)實(shí)施例，射束斑的橫向平移不改變瞄準(zhǔn)圖案中的強(qiáng)度分布。因此，與輸入射束的位置誤差由于折射結(jié)構(gòu)的重復(fù)特征而可容忍。
如上面所述，上述瞄準(zhǔn)圖案中線上的強(qiáng)度分布優(yōu)選是均勻的，但不必總是這樣。有時(shí)希望強(qiáng)度分布不均勻。例如，如果與線的中心比較，希望更大強(qiáng)度到線的端部，則對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)，正弦彎曲比拋物線彎曲有利。強(qiáng)度分布隨折射結(jié)構(gòu)的表面輪廓的二階導(dǎo)數(shù)而反向地改變。
在所附的權(quán)利要求中給出了所要求保護(hù)和期望由專利保護(hù)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于光電讀取具有不同光反射率部分的標(biāo)記的成像讀取器中的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，包括a)光學(xué)元件，具有多個(gè)沿一個(gè)方向隔開的折射結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)結(jié)構(gòu)具有沿所述方向測(cè)量的結(jié)構(gòu)尺寸T；和b)發(fā)生裝置，用于生成波長(zhǎng)為λ并且射束橫截面具有沿所述方向測(cè)量的射束尺寸D的可見準(zhǔn)直光束，并且沿光軸引導(dǎo)所述光束穿過所述折射結(jié)構(gòu)以便折射，從而將瞄準(zhǔn)光圖案投影在要以相對(duì)于所述光軸所測(cè)量的最大角αmax讀取的標(biāo)記上，其中所述射束尺寸D大于所述結(jié)構(gòu)尺寸T，且所述結(jié)構(gòu)尺寸T大于所述波長(zhǎng)λ除以所述最大角αmax的正弦。
2.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述發(fā)生裝置包括用于生成發(fā)散激光束的激光二極管、在所述發(fā)散光束路徑上用于為所述激光束形成預(yù)定橫截面的孔徑光闌、和可操作用于將預(yù)定橫截面的射束光學(xué)修正為準(zhǔn)直射束的光學(xué)元件部分。
3.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述折射結(jié)構(gòu)具有彎曲表面，用于生成所述瞄準(zhǔn)光圖案為單個(gè)瞄準(zhǔn)線，并且沿所述線在縱向上具有基本均勻的光強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求3所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中每個(gè)彎曲表面是凸曲率和凹曲率之一。
5.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述折射結(jié)構(gòu)具有平面表面和彎曲表面，用于生成所述瞄準(zhǔn)光圖案為具有線強(qiáng)度的單個(gè)瞄準(zhǔn)線、和在所述瞄準(zhǔn)線上的斑強(qiáng)度大于所述線強(qiáng)度的單個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
6.如權(quán)利要求5所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中至少一個(gè)所述折射結(jié)構(gòu)具有側(cè)面連接有兩個(gè)彎曲表面的一個(gè)平面表面。
7.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述折射結(jié)構(gòu)具有多個(gè)平面表面，用于生成多個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
8.如權(quán)利要求7所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中至少一個(gè)所述折射結(jié)構(gòu)具有側(cè)面連接有兩個(gè)以上所述平面表面的一個(gè)平面表面，其中所述兩個(gè)以上平面表面相對(duì)于所述一個(gè)平面表面傾斜。
9.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述折射結(jié)構(gòu)被成組設(shè)置，其中一個(gè)組沿所述方向設(shè)置在中央行上，兩個(gè)以上組沿垂直于所述方向的橫向沿各側(cè)行設(shè)置并位于所述中央行的相對(duì)側(cè)處，所述折射結(jié)構(gòu)的中央行具有彎曲表面，用于生成瞄準(zhǔn)線，且所述折射結(jié)構(gòu)的側(cè)行具有彎曲表面，用于一起生成另一瞄準(zhǔn)線，所述瞄準(zhǔn)圖案包括以在標(biāo)記上直角交叉的兩條線。
10.如權(quán)利要求9所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述光學(xué)元件具有一對(duì)拉伸的平面表面，其中射束通過所述一對(duì)拉伸的平面表面在兩條線交叉點(diǎn)處的標(biāo)記上投影為中央對(duì)準(zhǔn)斑。
11.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述折射結(jié)構(gòu)被成組設(shè)置，其中一組沿所述方向沿一個(gè)行設(shè)置，另一組沿垂直于所述方向的橫向沿另一行設(shè)置；且其中所述射束橫截面是長(zhǎng)軸對(duì)角延伸跨過兩行的橢圓；且其中折射結(jié)構(gòu)的兩行具有彎曲表面，用于一起生成在標(biāo)記上以直角交叉的兩個(gè)瞄準(zhǔn)線。
12.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述光學(xué)元件具有中央拉伸的平面表面，射束通過所述中央拉伸的平面表面在標(biāo)記上投影為中央瞄準(zhǔn)斑，且其中所述折射結(jié)構(gòu)被設(shè)置在中央面的相對(duì)側(cè)處的兩側(cè)行上并相對(duì)于所述中央面的延長(zhǎng)線以相對(duì)的傾斜角傾斜，且其中一個(gè)所述側(cè)行的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有一對(duì)平面表面，用于生成一對(duì)遠(yuǎn)離中央斑在一個(gè)方向上隔開的端部瞄準(zhǔn)斑，且其中另一側(cè)行的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有一對(duì)平面表面，用于生成另一對(duì)遠(yuǎn)離中央斑在相反方向上隔開的端部瞄準(zhǔn)斑，所述瞄準(zhǔn)圖案包括5個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
13.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述折射結(jié)構(gòu)沿所述方向周期地隔開，每個(gè)折射結(jié)構(gòu)具有拋物線曲率。
14.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中所述光學(xué)元件由折射率為1.5左右的成型材料構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中至少一個(gè)所述折射結(jié)構(gòu)是沿垂直于所述方向的橫向延伸的溝道。
16.如權(quán)利要求1所述的瞄準(zhǔn)圖案發(fā)生器，其中至少一個(gè)所述折射結(jié)構(gòu)是沿垂直于所述方向的橫向延伸的隆起。
17.一種在用于光電讀取具有不同光反射率部分的標(biāo)記的成像讀取器中生成瞄準(zhǔn)圖案的方法，包括以下步驟a)沿一個(gè)方向隔開光學(xué)元件的多個(gè)折射結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)結(jié)構(gòu)具有沿所述方向測(cè)量的結(jié)構(gòu)尺寸T；和b)生成波長(zhǎng)為λ且射束橫截面具有沿所述方向測(cè)量的射束尺寸D的可見準(zhǔn)直光束，并沿光軸引導(dǎo)所述光束穿過所述折射結(jié)構(gòu)以便折射，從而將瞄準(zhǔn)光圖案投影在要以相對(duì)于光軸測(cè)量的最大角αmax讀取的標(biāo)記上，其中所述射束尺寸D大于所述結(jié)構(gòu)尺寸T，且所述結(jié)構(gòu)尺寸T大于所述波長(zhǎng)λ除以所述最大角αmax的正弦。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，配置所述折射結(jié)構(gòu)以具有彎曲表面，用于生成所述瞄準(zhǔn)光圖案為單個(gè)瞄準(zhǔn)線，并且沿所述線在縱向上具有基本均勻的光強(qiáng)度。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，配置所述折射結(jié)構(gòu)以具有平面表面和彎曲表面，用于生成所述瞄準(zhǔn)光圖案為具有線強(qiáng)度的單個(gè)瞄準(zhǔn)線、和斑強(qiáng)度大于所述線強(qiáng)度的所述瞄準(zhǔn)線上的單個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，配置所述折射結(jié)構(gòu)以具有多個(gè)平面表面，用于生成多個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，配置所述折射結(jié)構(gòu)以被成組設(shè)置，其中一組沿所述方向被設(shè)置在中央行上，且兩個(gè)以上的組沿垂直于所述方向的橫向上沿各側(cè)行被設(shè)置并位于所述中央行的相對(duì)側(cè)，所述折射結(jié)構(gòu)的中央行具有彎曲表面，用于生成瞄準(zhǔn)線，且所述折射結(jié)構(gòu)的側(cè)行具有彎曲表面，用于一起生成另一瞄準(zhǔn)線，所述瞄準(zhǔn)圖案包括在標(biāo)記上以直角相交的兩條線。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，配置所述折射結(jié)構(gòu)以被成組設(shè)置，其中一組沿所述方向沿一行設(shè)置，且另一組沿垂直于所述方向的橫向沿另一行設(shè)置；并定位作為橢圓的射束橫截面以使其長(zhǎng)軸對(duì)角地延伸跨兩行；并配置折射結(jié)構(gòu)的兩行以具有彎曲表面，用于一起生成在標(biāo)記上以直角相交的兩條瞄準(zhǔn)線。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，配置所述光學(xué)元件以具有一對(duì)拉伸的平面表面，其中射束通過所述一對(duì)拉伸的平面表面在兩條線相交點(diǎn)處的標(biāo)記上投影為中央瞄準(zhǔn)斑。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，配置所述光學(xué)元件以具有中央拉伸平面表面，其中射束通過所述中央拉伸平面表面在標(biāo)記上投影為中央瞄準(zhǔn)斑，并且配置所述折射結(jié)構(gòu)以被設(shè)置在中央面的相對(duì)側(cè)處的兩條側(cè)行中并相對(duì)于中央面的延長(zhǎng)線以相對(duì)的傾斜角傾斜，并且配置一個(gè)所述側(cè)行的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)以具有一對(duì)平面表面，用于生成一對(duì)遠(yuǎn)離中央斑在一個(gè)方向上隔開的端部瞄準(zhǔn)斑，并且配置其他側(cè)行的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)以具有一對(duì)遠(yuǎn)離中央斑在相對(duì)方向上隔開的端部瞄準(zhǔn)斑，所述瞄準(zhǔn)圖案包括5個(gè)瞄準(zhǔn)斑。
全文摘要
生成不同瞄準(zhǔn)光圖案，從而使得成像讀取器能夠通過采用通過成型和加工技術(shù)制造的非干涉光學(xué)元件直接指向目標(biāo)。
文檔編號(hào)G06K9/22GK1977275SQ200580021498
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者弗拉迪米爾·古萊維奇, 亞歷山大·布雷特曼, 大衛(wèi)·特希·施 申請(qǐng)人:訊寶科技公司