CN1272738C - 光学信息读取装置 - Google Patents

Abstract

一种能够产生均匀明亮的照明光并能在所有时刻将该照明光投射到读取物体的合适位置上的光学信息读取装置。在该光学信息读取装置中具有：包含光接收传感器和成像透镜的光接收系统；均具有LED和照明透镜器件的多个照明光学系统位于该成像透镜的两侧。照明光学系统通过连接部分而相互连接在一起，从而形成透镜连接组件。在照明透镜器件的入射表面，多个凸透镜列和多个凹透镜列平滑地交替构成而形成多列透镜表面，其输出表面构成为平缓的柱面结构而形成杆状透镜表面。

Description

光学信息读取装置

技术领域

本发明涉及读取诸如条形码的信息码的光学信息读取装置。

背景技术

这种常规光学信息读取装置(条码阅读器)通过在机壳内设置照明光学系统和光接收系统而构成，其中照明光学系统具有多个LED和位于LED前面的照明透镜，而光接收系统则具有成像透镜和光接收传感器。照明光学系统通过读取开口将水平加长的光发射到诸如条形码打印纸(标签)的读取物体(待读物体)，光接收系统接收来自读取物体的反射光而读取该条形码。

于是，到目前为止，照明透镜通常采用具有形成为圆柱平面输出部分的半圆柱透镜。另一方面，在设有线传感器的外观检测设备中，认为可利用柱镜作为照明透镜而使照明光均匀(例如，已公开的日本专利2002-55060)。

例如，如图11A和11B所示，上述的柱透镜在其输出平面侧具有许多形成连续列结构的凸透镜，使得从LED2入射的光以沿水平方向(读取宽度方向)散射的状态射出。但是，这种柱透镜在凸透镜列结构1a之间具有拐点1b，光不能从拐点1b部分射出，因此会产生无用的光通量、并在均匀照明上出现困难。

另外，在上述专利文件公开的外观检测设备的情况下，照明光学系统与物体之间的距离是不变的，所以不需要考虑照明光轴与成像光轴之间的差异。另一方面，在照明光学系统与读取物体之间的距离可能变化的条形码的情况下，必须在整个读取深度范围将照明光正确地(不垂直偏移地)投射到读取位置。这要求将照明光轴与成像光轴之间的差异最大程度地减小。

发明内容

本发明是在充分考虑这些情况后提出的，因此本发明的目的是提供一个光学信息读取装置，该光学信息读取装置能够得到均匀明亮的照明光、并且在所有时刻不论读取物体与照明光学系统之间的距离如何变化均能将照明光投射到读取物体的合适位置。

为此，根据本发明方案的光学信息读取装置包括照明光学系统的光学照明透镜装置，具有多列(multi-tiered)透镜部件(单元)，在这些多列透镜部件中，多个凹面透镜列与多个凸面透镜列沿着读取宽度方向和杆状(长圆柱)透镜部件(单元)连续地交叉设置、以便利用相互集成在一起的多列透镜部件和杆状透镜部件在垂直于读取宽度方向的方向上会聚照明光。

使用这种结构，在照明透镜装置中，多列透镜部件可在读取宽度方向均匀散射(分散)来自照明光源的光，杆状透镜部件可提供在垂直于读取宽度方向的方向上不散射的照明光。这时，由于多列透镜部件具有连续交替设置的多个凹面透镜列和多个凸面透镜列，因此，所有来自光源的照明光均可通过，进而可有效提供没有损失的明亮的照明光。另外，由于照明透镜装置的结构使多列透镜部件和杆状透镜部件相互集成在一起，所以与分离结构相比可使结构简化，从而使整个装置的尺寸和重量减小。

在这个结构中，当照明光的光轴和光接收系统的光轴被光学地设置在同一平面上时，不论读取物体与照明光学系统之间的距离如何，照明光在所有时间均可被投射到正确的读取位置。

同时，这种光学信息读取装置中的光接收趋势是：由于光接收系统(成像透镜)特性的缘故，与中心侧部分(接近中心的部分)相比、在读取宽度方向的外围(边缘)部分变得较暗。因此，照明透镜装置的设置使得在读取宽度方向上外围部分与中心侧部分的光学特性彼此不同，从而使外围部分的光散射范围小于中心侧部分的光散射范围。这可使外围部分中照明光的会聚程度较大、以补偿因光接收系统的特性导致的较暗的外围部分，因此提高了清晰度。

更具体地，在上述多列透镜部件的情况下，发散度基于曲率半径的不同而变化，因此，当多列透镜的制作使其外围部分和中心侧部分具有不同曲率半径时，所制成的外围部分可具有小于中心侧部分的散射范围。另一方面，当制作的杆状透镜在读取宽度方向也具有弯曲表面时，所制成的外围部分可具有小于中心侧部分的散射范围。在两种情况下，光学特性可被设定在外围部分和中心侧部分之间变化。

此外，为了指示读取位置，可设置导光系统，该导光系统具有：导光源，它发射激光；导光透镜，它在读取宽度方向上散射从导光源发射的光；在这个导光系统的实施例中，导光透镜可与照明透镜装置整体地形成。这可简化装置的结构。

再有，在两个均与上述照明光学系统对应的照明光学系统相对于光接收系统对称设置的情况下，对称设置的照明光学系统的照明透镜装置通过不用作透镜的连接部分而被相互地整体连接。于是，因为左右侧照明透镜装置的整体化，减少了部件数量并改善了装配性能。

附图说明

以下结合附图对优先实施例的详细说明将使本发明的其它目的和特征变得更加清楚，在附图中：

图1A是表示本发明第一实施例的条形码读取器的光学系统结构的水平平面视图；

图1B是表示同一条形码读取器的光学系统的垂直剖面侧视图；

图2A和2B是表示这个实施例的光学系统的照明透镜装置的多列透镜部件表面的结构的放大平面视图。

图3是表示这个实施例的光学系统的照明光学系统的结构平面图；

图4是表示这个实施例的光学系统的照明光学系统的结构的垂直剖面侧视图；

图5表示杆状透镜部件结构与照明光强度之间的关系；

图6是表示这个实施例的导光系统结构的侧视图；

图7是表示这个实施例的条形码读取器和读取范围的导光系统的指示范围的平面图；

图8是表示本发明第二实施例的光学系统的照明光学系统的结构平面图；

图9是表示本发明第三实施例的光学系统的平面图；

图10A表示本发明第四实施例的照明透镜装置的结构；

图10B表示本发明第五实施例的照明透镜装置的结构；

图11A和11B是表示常规光学系统的照明透镜装置的多列透镜部件表面的结构的放大平面视图。

具体实施方式

下面将参照附图说明本发明的实施例。

(第一实施例)

参看图1A-7，说明本发明的第一实施例。在这个实施例中，本发明被应用于用作光学信息读取装置的便携式条形码读取器。

作为这个实施例的光学信息读取装置的条形码读取器11被放置在垂直伸长的壳体12的顶端内，壳体12的尺寸允许使用者用一只抓握和操作(如图7局部所示)，如图1A和1B所示，条形码读取器11具有：照明光学系统13，它构成照明装置，用于读取记录在诸如标签(未示出)的读取物体L上的条形码；光接收系统14，它构成光接收装置；导光系统15，它构成导光照明装置。在这个壳体12的顶表面上形成有读取窗口(读取孔口)12a，读取窗口12a具有水平加长的长方形结构并且是半透明的。

而且，如图7所示，显示部件16和键操作部件17设置在壳体12的上表面，虽然没有示出，但例如经两级按压操作的触发开关被设置在壳体12的侧面部分。再有，虽然没有示出，但壳体12中设有：控制电路，用于进行整体控制并根据条形码的读取执行解码处理；通信电路，它与外部进行通信；蓄电池，用作驱动电源；和其它部件。

下面，将分别说明光学系统13、14和15。

首先，如图1A和1B所示，上述的光接收系统14包括：光接收传感器18，例如CCD面积传感器，它具有水平伸长的结构并位于壳体12的中心部分；成像透镜19，它处于光接收传感器18的前面。在这个结构中，成像透镜的读取光轴O穿过读取窗口12a的中心而伸长并垂直于读取窗口12a的表面。另外，光接收系统14的视场(读取范围)F1(其外边缘由细线表示)被设置得略小于读取窗口12a的尺寸。虽然省略了详细的描绘和说明，但成像透镜19被构造成多个透镜布置成透镜筒的状态。

两个照明光学系统13(上述照明光学系统)相对成像透镜19对称设置，每个照明光学系统13包括：多个(图1A中为两个)均用作照明光源的LED20；和照明透镜器件(照明透镜装置)，它具有水平伸长结构并位于LED20的前面。在这个实施例中，左右侧照明透镜器件21、21在连接部分22a整体地相互连接而形成透镜连接组件22，连接部分22a位于中间部分且不用作透镜。另外，透镜连接组件22整体地具有位于其左右侧端部的导光透镜部分23、23。

因此，在照明光学系统13中，从LED20发射的光被照明透镜器件21会聚和扩散，以使该光在水平方向散射并在垂直方向(在读取宽度方向)输出为窄的带状照明光，从而使照明光向前射出(穿过读取窗口12a被导向读取物体L)。这时，从左右侧照明透镜器件21输出的照明光的照明光轴被定位在与包含成像透镜19和光接收传感器18的读取光轴O的光学平面相同的光学平面中。另外，如图1中的细线(外边缘)F2所示，照明光的水平照明范围略宽于光接收系统的视场F1。

此外，一对导光系统15(上述的导光系统15)被相对于照明光学系统13尽是向外地设置，也如图6所示，每个导光系统15包括：导光源24，它由半导体激光器构成，用于发射激光束；导光透镜(23)，它位于导光源24的前面。在这个结构中，作为导光透镜部分23的导光透镜被整体安装到透镜连接组件22(照明透镜器件21)的一个外端部。

导光透镜部分23所起的作用是在水平方向散射来自导光源24的激光(见图1A)、在垂直方向会聚来自导光源24的激光(见图6)以便输出为导向光。这时，相对于垂直方向，焦点形成在读取参考距离附近。另外，水平导向光照明范围略大于光接收系统14的视场F1和该照明光的照明范围F3，如图1A和7中细线F3所示的外边缘。因此，导光系统15通过读取窗口12a将水平伸长的导向光向前(向着读取物体)投射。

在上述的结构中，当使用者将壳体12的读取窗口12a指向其上记录着水平伸长且基本平行的条形码的读取物体L、并且将触发开关接通到接近读取参考距离的第一级(所谓“半压下”)时，每个导光系统15通过读取窗口12a将水平伸长的带状导向光束(红光)发射到读取物体L。

这时，使用者调整壳体12以便例如使该导向光束与条形码的中心部分交叉、而后致使触发开关接通到第二级。响应这一步骤，导向光被发出、而后水平伸的带状照明光经过读取窗口12a而从照明光学系统13发射到条形码上、从条形码反射的光经读取窗口12a入射，于是图像通过成像透镜19而形成在光接收传感器18上，从而读取该条形码。

另外，参照图1A-5，详细地说明上述的照明透镜器件21。每个照明透镜器件21例如由合成树脂构成并形成水平伸长的杆状整体结构。它包括：多列透镜部件(部件)，它们由沿读取宽度方向连续交替排列的多个凹面透镜列和凸面透镜列构成；杆状透镜部件(部件)，它在垂直于读取宽度方向的方向上会聚照明光；该多列透镜部件和杆状透镜部件相互构成为一整体。

具体地，如图2A、2B和3所示，照明透镜器件21的入射表面部分(LED20侧面)形成为多列透镜部件表面，在该表面上，沿垂直方向伸长的多个凸面透镜列25a和多个凹面透镜列25b交替地形成在水平方向上。这时，凸面透镜列25a和凹面透镜列25b被弯曲成弧形整体结构，而使它们呈现光滑的连续结构，并且在从上方观看时，它们呈现所谓波状结构。另外，在这种情况下，从整体上看，凸面透镜列25a和凹面透镜列25b的曲率半径R均相等。

另一方面，如图4所示，照明透镜器件21的输出表面被形成为相对水平轴具有平缓柱形结构的杆状透镜表面26。另外，在这个实施例中，也如图3和5所示，杆状透镜表面26被制成这样，即、它沿读取宽度方向的中心侧部分(内部)形成为具有不变的透镜厚度、而其周围部分(外部)被形成为平缓的弯曲表面部分26a(当从上方观看时为凹面)，在弯曲表面部分26a中，当从上方观看时，厚度逐渐增加。因此，中心侧部分与周围部分具有彼此不同的光学特性。

其次，说明上述结构的操作。

在如此构成的照明光学系统13中，从LED20入射到照明透镜器件21的多列透镜部件表面25上的光被杆状透镜部件表面26在水平方向散射、在垂直方向会聚(聚集)，因而从整体上输出水平伸长的均匀照明光束。这时，由于多列透镜表面25具有以平滑的连续状态交替设置的多个凸面透镜列25a和凹面透镜列25b，所以与具有弯曲透镜表面的常规柱透镜1不同，多列透镜表面25允许来自LED20的所有光透过，于是可不浪费地有效地提供明亮的照明光。

此外，尽管这种条形码读取器11可使壳体12的读取窗口12a(照明光学系统13)和读取物体L之间的距离发生变化，但是由于照明光的光轴与光接收系统14的光轴被光学地设置在同一平面内，所以不论读取物体L与照明光学系统13之间的距离如何变化，在照明光在整个读取深度范围内的垂直方向上不移动的情况下，该照明光总能投射到正确的读取位置。

同时，在上述结构中，在读取条形码的过程中，光接收的趋势是：由于光接收系统14中的成像透镜19的特性，与中心侧部分(靠近中心的部分)相比，在读取宽度方向的周围(边缘)部分变得较暗。但是，在这个实施例中，由于弯曲表面部分26a形成在照明透镜器件21的杆状透镜部件表面26的周围侧(如图3所示)，所以周围部分的光散射范围b变得比中心侧部分的光散射范围窄(如图5所示)，因此在条形码周围侧的照明光的会聚程度更多地增加。于是，可补偿因光接收系统14的特性所导致的周围变暗，从而提高清晰度。

再有，照明透镜器件12包括相互集成在一起的多列透镜部件表面25和杆状透镜表面26，与分开设置(用两个透镜)的情况相比，该结构变得更简化，这可使整个装置的尺寸和重量减小。另外，由于左右侧照明透镜部件21、21以透镜连接组件22的形式而构成，在组件22中，它们通过不用作透镜的连接部分22a而整体地相互连接，构成导光光学系统15的导光透镜部分23、23也与透镜连接组件22集成在一起，因而能进一步简化结构、减少部件数量、改善装配性能。

因此，根据这个实施例，由于照明光学系统13的每个照明透镜器件21由相互集成在一起的多列透镜部件表面25和杆状透镜部件表面构成、并且照明光的光轴与光接收系统14的光轴O处于同一平面，所以可产生均匀明亮的照明光，同时不论读取物体L与照明光学系统13之间的距离如何变化，照明光在任何时候都能投射到读取物体L的合适位置，从而得到极好的效果。

图8表示本发明的第二实施例。与上述第一实施例的不同之处是照明透镜器件31的结构。即，在这个照明透镜器件31中，其入射表面部分形成为多列透镜部件表面32，在表面32中沿垂直方向伸长的多个凸透镜列32a和多个凹透镜列32b在水平方向上交替设置，其出射表面部分构成为杆状透镜部件表面33，杆状透镜部件表面33相对水平轴具有平缓的表面结构。

在这个结构中，杆状透镜部件表面33在水平方向上具有均匀的结构(厚度)，在多列透镜部件表面32中，凸透镜列32a和凹透镜列32b的曲率半径在周围部分和中心侧部分具有不同的数值。具体地，在周围部分的曲率半径R3和R4设定成大于中心侧部分的曲率半径R1和R2。这导致照明透镜器件31中的周围部分和中心侧部分具有不同的光学特性，所以周围部分的光散射范围小于中心侧部分的光散射范围，于是，条形码周围部分侧的照明光的会聚程度大大地增加，这可提供与上述第一实施例相似的效果。

图9表示本发明的第三实施例。在这个实施例中，导光光学系统40由导光光源24和位于光源24之前并与照明透镜器件(附图中省略了该照明光学系统)分开设置的导光透镜41组成。这个导光光学系统40在需要时可被使用。

虽然，在上述第一实施例中、弯曲表面部分26a形成在照明透镜器件21的杆状透镜部件表面26中，在上述第二实施例中、照明透镜器件31的多列透镜部件表面32具有不同的曲率半径R，但是根据本发明的第四实施例，如图10A所示，在照明透镜器件51中，多列透镜部件表面52的所有曲率半径R是恒定的、并且杆状透镜部件表面53在水平方向上均匀地构成。这也能达到所需的目的。另一方面，根据本发明第五实施例，如图10B所示，在照明透镜器件61中，多列透镜部件表面62的曲率半径R在其周围部分和其中心侧部分具有不同的数值，弯曲表面部分63a形成在杆状透镜部件表面63内。这使光的散射范围进一步变化。

另外，虽然没有示出，但也可在照明光源(LED)和照明透镜之间设置光阑板以便在垂直方向上限制来自LED的光。这能提供较高对比度的照明光。再有，虽然在上述实施例中、照明光的光轴和光接收系统的光轴O被定位在同一物理平面上，例如，既使在光路被反射镜弯曲的情况下，如果在光投射到读取物体之前的瞬间的照明光的光轴与被读取物体反射之后通过成像透镜成像瞬间的光的光轴处在同一平面，则可认为它们处在同一光学平面。

应当理解，本发明不限于上述的实施例，即本发明在不偏离其构思和范围的情况下将覆盖其实施例的所有变化和改进。

例如，虽然在上述第一实施例中、左右侧照明透镜装置通过连接部分相互整体地连接，但也可在左右部分上设置分离的透镜装置。

此外，本发明不限于便携式条形码读取器，本发明也可用于固定式光学信息读取装置，对于光接收系统、导光光学系统的结构和壳体的结构均可作出各种改变。

Claims (7)

1.一种光学信息读取装置，包括：

用于投射照明光的照明光学系统，沿待读取物体的宽度方向设置，所述照明光学系统包括：

由LED构成的照明光源；及照明透镜装置，用于输出从所述照明光源入射到其上的光，同时会聚和/或散射该入射光；和

光接收系统，具有用于接收从所述读取物体反射的光的光接收传感器，

所述照明透镜装置包括：多列透镜单元，在该多列透镜单元中，多个凹面透镜列和多个凸面透镜列沿待读取物体的宽度方向连续地交替设置；杆状透镜单元，用于在垂直于待读取物体的宽度方向的方向上会聚所述的照明光，其中所述多列透镜单元和所述杆状透镜单元彼此整体地形成在一起。

2.如权利要求1的光学信息读取装置，其特征在于，所述照明光的光轴与所述光接收系统的光轴被光学地设置在同一平面上。

3.如权利要求1的光学信息读取装置，其特征在于，所述照明透镜装置被制作成使其周围部分与其中心侧部分沿待读取物体的宽度方向上的光学特性相互不同，以便所述周围部分的光散射范围小于所述中心侧部分的光散射范围。

4.如权利要求3的光学信息读取装置，其特征在于，在所述照明透镜装置中，所述多列透镜单元被制作成使其曲率半径在所述的周围部分和所述的中心侧部分之间变化，从而产生不同的光学特性。

5.如权利要求3的光学信息读取装置，其特征在于，在所述照明透镜装置中，所述杆状透镜部件在沿待读取物体的宽度方向上形成有弯曲表面，用以产生不同的光学特性。

6.如权利要求1的光学信息读取装置，还包括导光系统，该导光系统具有：导光源，用于发射激光；和导光透镜，用于沿待读取物体的宽度方向上散射从所述导光源发射的光，所述导光透镜与所述照明透镜装置整体地构成。

7.如权利要求1的光学信息读取装置，其特征在于，两个照明光学系统被用作所述的照明光学系统、并且它们相对所述光接收系统对称地设置，该对称设置的照明光学系统的所述照明透镜装置通过不用作透镜的连接部分而相互连接在一起。

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