在有限工作距离范围具有自动聚焦的数据捕获终端

摘要

一种自动地捕获来自位于与终端相距一工作距离范围内的目标的数据的数据捕获终端及其方法采用一控制器，该控制器自动地控制成像组件的焦点参数集，一旦从第一目标作出成功的数据捕获则存储成像组件的焦点参数之一，并自动地选择从所存储器的焦点参数确定的焦点参数子集以捕获来自第二目标的数据。该子集小于焦点参数的集并对应于工作距离范围内受限制的区以增强终端的数据捕获性能。

说明书

关联技术的描述

多年来，已将配有固态成像系统的便携式终端在手持和免提两种工作模 式下在许多应用场合中使用，例如超级市场、仓储俱乐部、百货商店和其 它类型的零售商以及包裹配送系统，以通过读取标志（例如一维条形码标 记，尤其是通用产品码(UPC)类型，每个标记具有沿扫描方向隔开的一排的 条和间隔）、并通过读取二维标记（例如码49，这种二维标记在单个标记 中引入垂直叠加多排的条和间隔图案(如美国专利No.4,794,239中描述的 那样)）以及通过捕获非标记目标(例如人、场所或事物)的图像而电光地捕 获来自多种目标的数据。例如，在想要购买烟草或酒类产品的情况下可以 捕获消费者的图像、消费者的签名或消费者的驾照以供年龄检验。增加可 由成像系统读取的数据量的二维码结构的另一示例已知为PDF 417并记载 在美国专利No.5,304,786中。

通常已知的固态成像系统包括：具有一维或二维阵列的单元或光传感器 的成像器，所述单元或光传感器对应于成像器的视场内的图像元素或像素； 以及用于捕获来自目标的光并将所捕获的光投射到成像器上的成像透镜组 件。该成像器可包括一维或二维电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导 体(CMOS)器件，并与数字用户照相机中使用的成像器相似以捕获图像。成 像透镜组件包括光学元件，用于捕获在一工作距离范围上的光，在该工作 距离范围内目标可相对于终端定位。

已知成像系统一般还包括照明器，用于在图像捕获期间通过从照明光源 射出并被引导至目标以从目标作为返程光反射和散射的照明光来照亮目标 (或是标记或非标记)。照明光源可位于系统之内和/或之外，并一般包括一 个或多个发光二极管(LED)。为了帮助操作者定位所需的目标，成像系统有 时但不一定配备具有用于产生激光束的瞄准激光器的瞄准组件以及用于从 激光束产生可见瞄准图案(例如“十字准线”图案)的瞄准光学器件。操作 者在图像捕获之前在瞄准模式期间在拟成像的目标上对瞄准图案进行训 练。该系统还进一步包括：电子电路，用于处理由成像器产生并指示由阵 列捕获的返程光的电信号；以及微处理器，用于要么对电信号解码以读取 来自标记目标的捕获图像，要么处理来自非标记目标的捕获图像以供存储 和显示。

因此已知的是使用例如美国专利No.5,703,349中披露的固态成像系统 来捕获目标的单色图像。另外已知使用例如美国专利No.4,613,895中披 露的具有多个掩埋信道的固态成像系统以捕获目标的全彩图像。常见地提 供具有在VGA监视器中常见的640×480分辨率的二维CCD，尽管其它分辨 率大小也是可行的。成像系统可被安装在多种设备内，例如计算机、蜂窝 电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、音频和/或视频播放器、便携式游 戏系统、无线电、视频摄像机、扫描仪、寻呼机、视频电话以及类似的微 处理器控制的电子设备。

在许多场合下，要求不管目标相对于成像器位于工作距离范围内的何处 都能捕获来自目标的数据，并且要求该范围延伸一很长的距离。为此，常 见地提供一种自动聚焦特征，其中成像镜头组件中的光学元件中的一个或 多个(例如聚焦透镜)自动和连续地移动至该延伸范围内的近距和远距工作 距离之间的多个光学位置。在每个光学位置，微处理器尝试捕获数据并分 析所捕获的数据以观察是否实际已发生成功的数据捕获。这种自动透镜移 动一般是机械实现的，并经常在用于测量目标背离成像器的距离的测距器 的指导下工作，或在测量目标图像的清晰度的处理器的指导下工作。

然而，这种自动聚焦由于若干种原因是不利的。首先，机械运动产生振 动，该振动在手持工作模式下通过终端被传播至操作者的手，该振动也可 能产生灰尘以使成像透镜组件透镜组件蒙垢，并使一些部件随时间磨损。 此外，该振动可能产生令人反感的、恼人的、可听闻的嗡嗡声。另外，机 械透镜移动需要驱动机构，该驱动机构消耗电能并且昂贵和缓慢，可能是 不可靠的，占据空间并增加终端的总重量、尺寸和复杂性。所有这些因素 当光学位置的数量很多和当范围非常长时会加剧。另外，测距器本身代表 了花费、尺寸和复杂性的增加。

尽管已知的自动聚焦数据捕获终端就其意图达到的目的而言总地来说 是令人满意的，但在多个光学位置上进行的聚焦调整通常花费太长时间。 如果聚焦调整花费200毫秒或更长数量级的时间，则终端将被认为是行动 迟缓的，这是操作者不喜欢的。为了提高用户使用性和数据捕获性能，需 要一种更具响应性的终端，例如数据捕获时间在50毫秒或更少数量级的终 端。

发明内容

简单地说，本发明的一个特征在于一种数据捕获终端，用于自动捕获来 自位于在与终端相距一工作距离范围内的目标的数据。该终端较为有利地 是微处理器控制的电子设备，例如计算机、蜂窝电话、智能电话、个人数 字助理(PDA)、音频和/或视频播放器、便携式游戏系统、无线电、视频摄 像机、扫描仪、寻呼机、视频电话、条形码标志扫描仪以及类似的电子设 备。该终端较为有利地配有由人类操作者握持并可相对于目标移动的手持 壳体。该壳体优选地具有光透射窗。

该终端包括成像组件，用于聚焦和捕获通过视野内的窗从位于工作距离 范围内的目标反射和/或散射的返程光，并用于产生各自指示所捕获的返程 光的相应电信号。工作距离的范围通常由在任何具体应用场合下使用的目 标规定。例如，如果应用场合是捕获包裹递送标签或外形上的船运数据， 则总体外形的尺寸可规定最近的工作距离，例如可使整个外形落在成像组 件的视野内。同时，印刷在外形上的船运数据的字母数字文本的大小可规 定可使用的最远工作距离。较为有利地，成像组件作用以通过光电地读取 标记(尤其是一维和/或二维标记)来对目标成像。每个标记包括不同光反射 性的要素，例如条形码和间隔。成像组件优选地包括：具有图像传感器阵 列的一维或二维固态成像器，以及具有至少一个聚焦透镜的成像镜头组件。 优选地，所述阵列是CCD或CMOS阵列。在标记读取期间，借助控制器或经 编程的微处理器来处理和解码所捕获的标记图像。

成像组件优选地包括一照明器，该照明器在读取期间用来自照明光源的 照明光来照明标记。照明光源包括一个或多个发光二极管(LED)。当成像器 工作在低光照或暗环境光的环境时，照明器尤为有用，但照明器也能一样 好地用在普通室内光照水平下。瞄准光组件可用于产生有益于在读取之前 定位标记的瞄准光图案或标志。

控制器作用以通过自动控制成像组件的焦点参数集来处理来自其中一 个目标的电信号之一，使之成为指示一个目标的数据。例如，成像组件的 聚焦透镜可以是可移动的，并且控制器可作用以经由电机驱动机构使聚焦 透镜机械地移动至不同的光学位置，其中成像平面沿光路移动。又如，成 像组件的聚焦透镜可以是可变液态透镜，并且控制器可作用以经由电子驱 动机构横跨液态透镜地施加不同的电压，由此沿光路改变成像平面。不同 的光学位置或电压构成前面提到的焦点参数，这些焦点参数受控制器控制。

控制器进一步作用以确定一个目标已被成功捕获的数据，并且一旦成功 确定即存储成像组件的多个焦点参数中的一个。成像组件的焦点参数集对 应于整个工作距离范围。因此，一旦控制器已确定标记目标已被成功地解 码和读出或者非标记目标已被成功地处理和显示，则具体光学位置或具体 电压被优选地存储在可由控制器访问的存储器中。

控制器仍然进一步作用以在之后通过自动选择由所存储的一个焦点参 数确定的一个焦点参数子集将来自另一目标的另一电信号处理成为指示另 一目标的数据，并作用以确定另一目标的数据已被成功捕获。该子集包含 所存储的一个焦点参数。该子集小于成像组件的焦点参数集并对应于工作 距离范围内有限的区。

因此，不是使控制器尝试遍及整个延伸的工作距离范围捕获数据并分析 在每个不同的光学位置或在每个不同的电压下捕获的数据以观察是否事实 上已发生成功的数据捕获，本发明的一个实施例提出使这种数据捕获和分 析仅发生在光学位置或电压的一个较小子集中，由此增强终端的数据捕获 性能。较小的子集包含最后一次成功的数据捕获的存储位置或电压。本发 明假设下一目标将大致处于与最后一次成功处理的目标相同的工作距离或 在其附近。

优选地，所存储的光学位置或电压居中地位于该子集中，并且控制器自 动地控制聚焦透镜，使其处于居中存储的光学位置或电压的两侧上的位置 或电压下。较为有利地，相对于终端而言，该范围具有近子区和远子区。 近子区优选地居中地位于距离窗大约2-4英寸的工作距离内。远子区优选 地居中地位于距离窗大约10英寸至无穷大的工作距离内。如果所存储的光 学位置或电压位于近子区内，则控制器优选地自动控制聚焦透镜并选择在 所存储的光学位置或电压两侧上的更多的位置或电压。如果所存储的光学 位置或电压位于远子区内，则控制器优选地自动控制聚焦透镜并选择在所 存储的光学位置或电压两侧上的更少的位置或电压。

本发明的另一方面在于一种自动地从与数据捕获终端相距一定工作距 离范围内的目标捕获数据的方法。该方法通过下列步骤实现：在成像组件 的视野上聚焦和捕获来自目标的返程光；产生各自指示所捕获的返程光的 相应电信号；通过自动地控制成像组件的一个焦点参数集来将来自其中一 个目标的其中一个电信号处理成为指示这一个目标的数据；确定已成功捕 获的一个目标的数据；一旦成功确定则存储成像组件的焦点参数中的一个； 配置成像组件的焦点参数集以使其对应于工作距离范围；接着通过自动选 择由所存储的一个焦点参数确定的焦点参数的子集来将来自另一目标的另 一电信号处理成为指示另一目标的数据；确定另一目标的数据已被成功地 捕获；将所存储的一个焦点参数纳入到子集中；配置该子集以使其小于成 像组件的焦点参数集；并配置该子集以使其对应于工作距离范围内有限的 区以增强终端的数据捕获性能。

被视为本发明的特性的新颖特征在所附权利要求中具体陈述。然而，本 发明本身不管是其结构还是其操作方法及其额外的目的和优势将在结合附 图阅读具体实施例时从下文描述中得到最好的理解。

附图说明

图1是根据本发明用于捕获来自目标的数据的配置为无线电话的数据捕 获终端的前视图；

图2是图1的终端的壳体的部分示意、部分截面图；

图3是描述根据本发明的图2的控制器的操作的图；

图4A是描述根据本发明的图2的控制器的近子区操作的图；

图4B是描述根据本发明的图2的控制器的远子区操作的图；以及

图5是描述图1的终端的操作的流程图。

优选实施例的详细描述

根据本发明的自动捕获来自目标(例如条形码标记和非标记目标)的数 据的便携式数据捕获终端及其方法在图1中总地图示为无线电话100，例如 可工作在蜂窝电话系统中的蜂窝电话。尽管图1中示出了无线电话100，但 本领域内技术人员将发现，下面描述的特征也可在其它移动计算机中获得 应用，例如智能电话、个人数字助理(PDA)、音频和/或视频播放器、便携 式游戏系统、无线电、视频摄像机、扫描仪、寻呼机、视频电话、手持计 算机以及其它受微处理器控制的电子设备，尤其是那些具有网络访问功能 的设备，并且本文描述的无线电话100或数据捕获终端应当指这些和其它 的每个等效物。

如图1所示，无线电话100包括：壳体120；用于发送RF信号至通信网 络的蜂窝基站和从通信网络的蜂窝基站接收RF信号的射频(RF)天线102； 用于将音频信息从内部扬声器引导至用户或操作者的扬声器腔104；用于将 音频信息从用户引导至内部麦克风的麦克风腔106；以及与用户交互以将输 出信息提供给用户或从用户那里接收输入信息的用户接口108。用户接口 108包括但不局限于能够显示字母数字和图形图像数据的液晶显示器 (LCD)110、键盘112以及在壳体120前侧和有时在壳体120旁侧的多个选 择按钮114。

如图2所示，壳体120具有一般位于平面窗26后面、优选地在壳体120 后侧的数据捕获系统30。数据捕获系统30可作用以在数据捕获工作模式下 捕获来自目标38的数据，并包括安装在壳体120内的印刷电路板22上的 成像器24。成像器24是固态器件，例如具有以单个直线排排列的一维可寻 址图像传感器或像素阵列或者以互相正交的行和列排列的这些传感器的二 维阵列的CCD或CMOS成像器，所述成像器24作用以检测由成像透镜组件 20通过窗26沿光路或光轴46捕获的返程光，并产生各自指示捕获的返程 光的相应电信号。返程光从视野内的每个目标38散射和/或反射。成像透 镜组件20包括至少一个聚焦透镜并如下所述可在控制器或微处理器36的 控制下经由驱动器42作用以可调整地将返程光聚集到图像传感器的阵列上 以允许目标38被处理。目标38相对于终端位于近距工作距离(WD1)和远距 工作距离(WD2)之间的工作距离范围内的任何位置。在优选实施例中，WD1 离窗26大约2-4英寸，而WD2离窗26大约10英寸至无穷大距离。

照明组件也被安装在壳体120中并优选地包括：照明器或照明光源12， 例如发光二极管(LED)；以及用照明光均匀地照射目标38的照明器透镜组 件10。LED 12优选地是脉冲式的。也可选择地将瞄准组件安装在壳体120 内，优选地，该瞄准组件包括瞄准光源18(例如LED)以及用于在目标38上 产生可见的瞄准光图案的瞄准透镜组件16。瞄准图案有益于帮助操作者准 确地将壳体瞄准到目标38。成像器24、照明光源12和瞄准光源18可操作 地连接于控制器或微处理器36，所述控制器或微处理器36可作用以控制这 些器件的工作。优选地，微处理器就是用于处理各自指示来自所捕获目标 图像的捕获的返程光的相应电信号、对标记目标解码和读取标记目标并存 储和显示非标记目标的那种微处理器。

在操作中，壳体120由操作者握持并移动，并且窗26瞄准在或出现在 目标38上，所述目标38例如是标记、标签或非标记人、位置或事物。控 制器36优选地响应触发器的手动驱动，例如按下选择器按钮114中的一个， 从而发送命令信号以在数据捕获之前对瞄准光源18供能，为照明光源12 提供脉冲并对成像器24供能和使成像器24曝光以在所谓500微秒或更短 的时间段内从目标38采集光(例如照明光和/或环境光)。典型的阵列需要 大约16-33毫秒以获取整个目标图像并工作在大约30-60帧/秒的帧速率 下。

控制器36作用以通过自动地控制成像组件20的焦点参数集来将来自其 中一个目标的电信号之一处理成为指示该一个目标的数据。例如，成像组 件20的聚焦透镜可以是可移动的，并且控制器36可作用以经由驱动机构 42机械地使聚焦透镜移动至不同的光学位置，其中成像平面沿光路46移动 以将所捕获的图像聚集到成像器阵列上。又如，成像组件20的聚焦透镜可 以是可变液态透镜，并且控制器36可作用以经由驱动机构42横跨液态透 镜地施加不同的电压，由此沿光路46改变成像平面以再次将捕获的图像聚 集到成像器阵列上。不同的光学位置或电压构成前面提到的焦点参数，这 些焦点参数受控制器36控制。

控制器36可进一步作用以确定一个目标的数据已被成功捕获，并一旦 成功确定则存储成像组件20的焦点参数中的一个。成像组件20的焦点参 数集对应于整个工作距离范围。因此，一旦控制器36已确定标记目标已被 成功地解码和读出或者非标记目标已被成功地处理和显示，则具体光学位 置或具体电压被优选地存储在可由控制器36访问的存储器14中。

控制器36仍然进一步作用以在之后通过自动地选择由所存储的一个焦 点参数确定的焦点参数子集来将来自另一目标的另一电信号处理成为指示 另一目标的数据，并作用以确定另一目标的数据已被成功捕获。该子集包 含所存储的一个焦点参数。该子集小于成像组件20的焦点参数集并对应于 工作距离范围内受限制的区或测试区域。

因此，不是使控制器36尝试遍及整个延伸的工作距离范围捕获数据并 分析在每个不同的光学位置或在每个不同的电压下捕获的数据以观察是否 事实上已发生成功的数据捕获，本发明的一个实施例提出使这种数据捕获 和分析仅发生在光学位置或电压的一个较小子集中，由此改善终端的数据 捕获性能。较小的子集包含最后一次成功的数据捕获的存储位置或电压。 本发明假设下一目标将大致处于与最后一次成功成像的对象相同的工作距 离或在其附近。

图3图解地示出具有在整个工作距离范围的近距距离WD1和远距距离 WD2之间均匀隔开的垂直标记的刻度。这些标记描述遍及整个范围的多个光 学位置或电压。最后一次成功的数据捕获的存储位置或电压在图中由垂直 的较高标记表示。控制器36自动地控制聚焦透镜并选择该范围内的较小测 试区域的距离T1和T2之间的所存储的光学位置或电压两侧上的位置或电 压的子集。所存储的位置或电压优选居中地位于该子集中。

图4A、4B与图3相似并图解地示出相对于终端从2英尺至无穷大的范 围的非线性刻度。在该范围近端的距离大于在该范围远端的距离。图4A中 示出距离窗26范围从大约2英尺至大约2.6英尺的近子区。图4B中示出 距离窗26范围从大约7英尺至无穷大的远子区。如果所存储的光学位置或 电压位于近子区内，则近测试区域T1-T2中的位置或电压之间的目标距离 较小。如果所存储的光学位置或电压位于远子区内，则远测试区域T1-T2 中的位置或电压之间的目标距离较大。

图5是概括上述内容的流程图。从起始方框200开始，在方框202捕获 第一目标的图像，并在方框104由控制器36处理该第一目标的图像，同时 控制器调整成像组件20的焦点参数。如果在方框206未经处理，则控制器 36返回至起始方框100以等待另一目标。如果第一目标被成功地处理，则 在方框208控制器36存储成像组件20的焦点参数，所述焦点参数使成功 的处理变得可能。在方框210，控制器36确定包含所存储的焦点参数的焦 点参数子集。在方框112，捕获第二目标的图像，同时控制器仅调整成像组 件20的焦点参数的子集。如果在方框212未经处理，则控制器36返回至 起始方框100以等待另一目标。如果第二目标被成功地处理，则在方框216 控制器36将结果送至远程主机以供进一步处理。焦点参数的存储在数据捕 获会话期间不一定只执行一次，而是较为有利地可在会话期间动态地执行 多次。换句话说，存储优选地是连续更新的。

根据本发明，机械移动或电压调整的量以及拟分析的图像数目减少，由 此导致更具响应性的自动聚焦机构。通过取在已成功捕获前一图像之后确 定的受限制范围内的下一图像，各组终端之间的生产可变性以及在多组终 端之间的焦点漂移得以补偿。

要理解，前述元件中的每一个、或这些元件中的两个或更多个，可在与 前述类型结构不同的其它类型结构中获得有益的应用场合。因此，可使用 具有不同结构的终端。

尽管已将本发明解说和描述成根据执行数据捕获的方法在有限范围内 自动聚焦的数据捕获终端，然而不旨在将本发明限制在图示的细节，因为 可作出多种修正和结构变化而不管怎样不脱离本发明的精神。

无需进一步的分析，前面的内容已然如此完整地披露了本发明的要旨以 至于其他人能运用现有的知识针对各种应用场合轻易地对其作出改变而不 会忽略一些特征，这些特征从现有技术的立场来看相当好地构成本发明的 一般或具体方面的必要特征，并因此这些改变应当且意图在下面权利要求 书的等效物的含义和范围内得以理解。

在所附权利要求书中阐述了要求保护的新的并需要受专利证书保护的 内容。