DE19581524B4

DE19581524B4 - Verfahren und System zum Lesen von Bildern ohne Erfordernis einer eigenen Beleuchtungsquelle und Barcodeleser hierfür

Info

Publication number: DE19581524B4
Application number: DE19581524T
Authority: DE
Inventors: Bryan L. Eugene Olmstead; Michael J. Eugene Ahten; Bruce E. Eugene Paris; Jorge L. Eugene Acosta; James W. Eugene Ring; Paul R. Eugene Huss; Jon P.C. Eugene Williams; Alexander M. Eugene McQueen; Randy L. Eugene Person
Original assignee: Psc Scanning Inc (ndgesd Staates Delaware); PSC Scanning Inc
Current assignee: Datalogic Scanning Inc
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: US5814803A; GB2301691A; JPH09512372A; GB2301691B; US6042012A; US6073851A; WO1996020454A1; GB9617173D0; DE19581524T1

Abstract

Barcodeleser mit
einem mehrfokalen Umgebungslicht-Auffangsystem, aufweisend eine Linse (450, 460, 601, 620, 801, 810, 1120, 1130) mit einer Mehrzahl konzentrischer Linsenzonen (451, 465, 603, 628, 802, 1121, 1131), wobei jede Linsenzone eine andere Brennweite hat;
einer Öffnung (445, 461, 602) in der Form eines Schlitzes mit konstanter Breite, angeordnet über die Linsenzonen hinweg zum vorgebbaren Zuführen von Licht auf die Linsenzonen;
einem lichtempfindlichen Detektor (456, 462, 1090) angeordnet zum Empfangen von Umgebungslicht von den Linsenzonen und zur Ausgabe eines Signals, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von helleren und dunkleren Teilen eines gelesenen Bildes ändert; und
einem dieses Signal empfangenden Decoder (107, 1707).

Description

Das Gebiet der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Erfassung von Bildern, und zwar insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Lesen von Bildern, wie z.B. Barcode-Etiketten, unter Verringerung oder Ausschaltung des Erfordernisses einer eigenen Beleuchtungsquelle.
Etiketten, die Informationen in einem beliebigen von mehreren verschiedenen Code-Formaten tragen, werden üblicherweise an Produkten, Verpackungen oder sonstigen Gegenständen befestigt und in vielen Anwendungsbereichen verwendet. Zum Beispiel ist es gebräuchlich, Kennzeichnungsdaten eines Einzelhandelserzeugnisses in einem Barcodeformat auf einer Produktverpackung oder einem daran befestigten Etikett zu codieren. Barcodesymbole werden bei einem breiten Spektrum von Einzelhandelsverpackungen auch zu Kassier- oder Inventurzwecken eingesetzt. Ein im Kassenbereich eines Einzelhandelsunternehmens angeordnetes Barcode-Lesegerät kann von einem Angestellten verwendet werden, um Kennzeichnungsdaten eines Erzeugnisses in ein zugehöriges, dem Ort des Verkaufs (POS: Point of Sale) zugeordnetes Computersystem einzulesen.
Einige der existierenden Bar-, Strich- oder Balkencodes bestehen jeweils aus einer Reihe von parallelen, hellen und dunklen rechteckigen Zonen unterschiedlicher Breite. Die hellen Zonen werden oftmals als "Zwischenräume" und die dunklen Zonen als "Striche" oder "Balken" bezeichnet. Die Striche und Zwischenräume sind typischerweise so angeordnet und ausgewählt, daß sie verschiedene Zeichen eines gegebenen Barcodes definieren.
Ein Barcode-Etikett kann mittels eines Geräts (z.B. eines Scanners) gelesen werden, das reflektiertes und/oder gestreutes Licht erfaßt, welches von den die Zeichen enthaltenden Balken und Zwischenräumen kommt. Ein solches Gerät enthält typischerweise eine Lichtquelle zur Beleuchtung des zu lesenden Barcode-Etiketts. Ein gebräuchliches Verfahren zur Beleuchtung des Barcode-Etiketts besteht in der Verwendung eines Abtast-Laserstrahls, wobei ein Lichtfleck über das Barcode-Etikett geschwenkt wird und die Stärke des zurückgeworfenen Lichts von einem optischen Detektor erfaßt wird. Der optische Detektor erzeugt ein elektrisches Signal, dessen Amplitude durch die Stärke des erfaßten Lichts bestimmt ist. Ein anderes Verfahren zum Beleuchten des Barcode-Etiketts besteht in der Verwendung einer gleichförmigen Lichtquelle zusammen mit einer Reihenanordnung aus optischen Detektoren, die mit einem anlogen Schieberegister verbunden sind (üblicherweise als ladungsgekoppelte Anordnung oder CCD [Charge Coupled Device] bezeichnet). Bei einem solchen Verfahren wird – wie bei einem Abtastlaser – ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Amplitude durch die Stärke des aufgefangenen Lichts bestimmt ist. Sowohl beim Laserverfahren als auch beim CCD-Verfahren besitzt die Amplitude des elektrischen Eingangssignals einen ersten Wertebereich für dunkle Balken und einen zweiten Wertebereich für helle Zwischenräume. Während der Abtastung eines Etiketts treten im elektrischen Signal Nulldurchgänge in Richtung positiver Werte und Nulldurchgänge in Richtung negativer Werte auf, die Übergänge von Balken zu Zwischenräumen bedeuten. Das elektrische Signal kann in ein binäres Abtastsignal umgewandelt werden, das analysiert wird, um die Anordnung von Balken und Zwischenräumen des abgetasteten Etiketts zu festzustellen. Die Information über Balken und Zwischenräume wird an eine Decodiereinheit geleitet, um festzustellen, ob der Barcode erkannt wird und um zutreffendenfalls die im Barcode enthaltene Information zu decodieren.
Ein wesentlicher Bestandteil praktisch jedes existierenden Barcodelesersystems besteht in einer Einrichtung zum Beleuchten des Barcodes. Zum Beispiel verwenden auf Lasertechnik beruhende Abtastgeräte typischerweise einen bewegten Laserlichtpunkt, um den Barcode zu beleuchten und das zurückgeworfene Licht zu erfassen. Meßvorrichtungen verwenden im allgemeinen eine Licht aussendende Diode (LED: Light Emitting Diode), um einen kleinen Abschnitt des Barcodes zu beleuchten, und einen Detektor, um ein Abbild des Barcodes zu erfassen, während die Bedienungsperson den Leuchtstrahl physisch über den Barcode streicht. Auf Videotechnik beruhende Lesegeräte, z.B. solche, die zum Empfangen von Eingangssignalen CCD-Geräte nutzen, verwenden üblicherweise eine Mehrzahl von Leuchtdioden, um den gesamten Barcode mit gleichmäßiger Helligkeit zu beleuchten, und bilden dann den gesamten Barcode mit einem CCD-Sensor ab.
Alle vorgenannten Systeme beruhen auf einer selbsterzeugten Beleuchtung zum Zweck der Unterscheidung der Balken und Zwischenräume des Barcodes oder zur Erhöhung der aufgefangenen Lichtmenge, um eine akzeptable Leistung zu ermöglichen. Das Erfordernis einer eigenen Beleuchtung kann jedoch zu zusätzlicher Komplexität, zu einem größeren oder sperrigeren Gerät und/oder zu höherem Energieverbrauch führen. Zum Beispiel kann ein mit einem bewegten Laserlichtpunkt arbeitendes Abtastgerät eine gemusterte Spiegelstruktur, eine bifokale Linse, eine Laserlichtquelle und einen Motor erfordern, um den Laserlichtpunkt über ein Zielobjekt hinwegzuschwenken. Jedes dieser Bauteile erhöht die Komplexität und Unhandlichkeit des Gesamtsystems. Darüber hinaus ist der zum Verschwenken des Laserlichtpunkts verwendete Motor tendenziell eines der unzuverlässigsten Bauteile eines Scanners, gefolgt von der Laserlichtquelle. Der Einsatz eines Motors und einer Laserlichtquelle macht ein System tendenziell fehleranfälliger und teurer. Kurz gesagt macht das Erfordernis einer eigenen Beleuchtung im allgemeinen ein bildlesendes System komplizierter, kostenaufwendiger und unzuverlässiger. Diese Mängel können in bestimmten Anwendungsbereichen ausschlaggebend sein, insbesondere bei in der Hand gehaltenen Niedrigpreis-Geräten.
Außerdem unterliegen CCD-Leser oftmals einschneidenden Beschränkungen ihrer Sehfeldtiefe. Zum Beispiel haben CCD-Leser, die zur Beleuchtung rote Leuchtdioden verwenden, typischerweise eine Sehfeldtiefe von weniger als 2,5 cm (1 Zoll). Dies schränkt die Anwendungsbereiche ein, in denen CCD-Leser einsetzbar sind, und beschränkt generell die Vielseitigkeit solcher CCD-Leser. Darüber hinaus ist der Einsatz von CCD-Lesern infolge geringer Schwenkgeschwindigkeiten im allgemeinen auch auf handgehaltene Geräte beschränkt.
Ein Barcodeleser, der in der Lage ist, ohne selbsterzeugte Beleuchtung zu arbeiten ist beispielsweise aus der US 4874933 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen solchen Barcodeleser anzugeben, der eine vergrößerte Sehfeldtiefe besitzt, eine verringerte Anzahl von beweglichen Teilen aufweist und eine erhöhte Zuverlässigkeit besitzt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet ein auf einem CCD-Verfahren beruhendes bilderfassendes System. Das Erfassungssystem besitzt einen adaptiven Belichtungsschaltkreis, der dazu verwendet wird, um eine Sättigung eines CCD-Detektors bei hohen Beleuchtungspegeln zu verhindern, so daß der Dynamikbereich des Systems vergrößert wird. Das Erfassungssystem besitzt ferner ein wirkungsvolles optisches Lichtauffangsystem, das eine Apertur mit großem Längenverhältnis aufweist und/oder ein Verfahren zur Erfassung in mehreren Ebenen verwendet. Dadurch kann das Erfassungssystem bei gegebenem Lichtpegel eine vergrößerte Sehfeldtiefe oder eine erhöhte Lesegeschwindigkeit oder beides aufweisen. In Verbindung mit dem CCD-Detektor wird vorzugsweise ein Schaltkreis zum korrelierten zweifachen Abtasten verwendet, um zu ermöglichen, daß von dem System auch kleinere Lichtstärken erfaßt werden. Der Schaltkreis zum korrelierten zweifachen Abtasten kann auch eine vergrößerte Sehfeldtiefe, eine erhöhte Lesegeschwindigkeit oder beides liefern. Zur verbesserten Signalflankenerfassung nutzt das Erfassungssystem ferner eine Signalverarbeitung, die auf den Ableitungen des Signals beruht.
Verschiedene andere Ausführungsformen können einige statt aller vorgenannten Elemente verwenden oder zusätzliche Verfeinerungen enthalten und dabei dennoch die nützliche Wirkung erzielen, daß die Notwendigkeit einer selbsterzeugten Beleuchtung verringert oder ganz beseitigt wird.
Die verschiedenen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher, indem die weiter unten folgende eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungsfiguren studiert wird; darin zeigen
1 eine schematische perspektivische, zum Teil geschnittene Darstellung eines bevorzugten, in der Hand zu haltenden Barcodelesers, der Umgebungslicht nutzt;
1A ein Blockschaltbild eines optischen Lesesystems nach einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines CCD-Detektors, der einen fokussierten Lichtstrahl empfängt;
3A ein Potentialdiagramm zur Veranschaulichung des Vorgangs der Ladungsansammlung und der Ladungsübertragung von einer Photodiode auf eine CCD-Schieberegisterstelle;
3B eine physikalische Darstellung einer ladungsgekoppelten Anordnung mit fünf Potentialfallen;
3C ein Potentialdiagramm zur Veranschaulichung einer Ladungsverschiebung innerhalb eines CCD-Schieberegisters;
4 einen Stromlaufplan einer vereinfachten Ausgangsstufe eines CCD-Detektors;
5 eine schematische Darstellung eines Barcodes und einer zugehörigen Signalform nach Filterung;
6 einen Stromlaufplan eines Treiberschaltkreises zum Ansteuern einer integrierten CCD-Schaltung;
7 ein Blockschaltbild eines Systems mit einer Mehrzahl von CCD-Detektoren;
8A ein Blockschaltbild eines Schaltkreises zur korrelierten Doppelabtastung, und 8B eine graphische Darstellung von Signalverläufen im Abtastschaltkreis nach 8A;
9 einen Stromlaufplan einer CCD-Ausgangsstufe;
10A ein Blockschaltbild einer doppelt abtastenden Verarbeitungsstufe, und 10B eine graphische Darstellung von zeitlichen Signalverläufen in der doppelt abtastenden Verarbeitungsstufe nach 10A;
11A ein Blockschaltbild eines Dual-Slope-Prozessors, und 11B eine graphische Darstellung von zeitlichen Signalverläufen in dem Dual-Slope-Prozessor nach 11A;
12 den Verlauf der Übertragungsfunktion für die zweifach abtastende Verarbeitungsstufe nach 10A und für den Dual-Slope-Prozessor nach 11A;
13A eine schematische Darstellung eines optischen Systems, das auf einer Ausführung mit Einzellinse beruht, und 13B eine Darstellung einer auf einer Einzellinse beruhenden Ausführung, welche zeigt, daß ein unscharfer Punkt entsteht, sobald das Objektbild aus dem Brennpunkt herausbewegt wird;
14A bis 14D Darstellungen von verschiedenen Arten von Abweichungen und Verzerrungen, die mit einem optischen System zusammenhängen können;
15 einen Signalverlauf, der einen Cosinusgesetz-Effekt veranschaulicht;
16 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Lichteinfangs;
17 eine Darstellung zum Vergleichen der Funktionsformen der Punktverteilung im Brennpunkt für eine runde Blende und eine längliche/elliptische Blende;
18 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Veränderung einer elliptischen Lichtfleckgröße in Abhängigkeit vom Kippwinkel;
19 eine graphische Darstellung anschaulicher Verläufe von Sehfeldtiefen für eine runde Blende und für eine elliptische Blende, welche die gleiche Lichtmenge einfangen;
20A eine Darstellung einer Linse ohne Blende zwischen einem Objekt und einer Bilderfassungseinrichtung, und 20B eine Darstellung einer Linse mit Blende in ähnlicher Relativlage;
21A und 21B Darstellungen einer Schrägansicht bzw. einer Vorderansicht einer symmetrischen Linse mit mehreren Brennpunkten;
22A bis 22C Darstellungen verschiedener Ansichten eines mehrfokalen Linsensystems in Kombination mit einer elliptischen Blende;
23A, 23B und 23C graphische Kurvendarstellungen einer kleinstmöglichen wiedergebbaren Balkenbreite als Funktion des Abstands von einer Einzellinse, einer polyoptischen Linse ohne Interferenz bzw. einer polyoptischen Linse mit Interferenz zwischen den Zonen;
24A und 24B Darstellungen von Punktverteilungsfunktionen für eine zentrale Zone der in den 21A und 21B gezeigten Linse im Brennpunkt bzw. außerhalb des Brennpunkts;
25A und 25B Darstellungen von Punktverteilungsfunktionen für eine Ringzone der in den 21A und 21B gezeigten Linse im Brennpunkt bzw. außerhalb des Brennpunkts;
26A bis 30C näherungsweise Punktverteilungsdarstellungen verschiedener Kombinationen von Mittelzonen und Ringzonen verschiedener Brennweiten;
31A bis 31C Darstellungen einer symmetrischen mehrfokalen Linse aus mehreren Blickwinkeln mit einer Mehrzahl von Blenden;
32 eine Darstellung einer abgeschnittenen symmetrischen Linse;
33 eine Darstellung einer asymmetrischen Linse, deren optische Achse in der Mitte der Linse liegt;
34A eine Darstellung einer Achsabweichung, wenn die Mittelzone auf den Nahbereich und die Außenringzone auf den fernsten Bereich fokussiert ist, und 34B eine Darstellung der umgekehrten Situation;
35A und 35B Darstellungen verschiedener Ausführungsformen eines Linsensystems mit einer Anordnung von Linsen, die um eine bilderfassende Einrichtung herum in einem Muster angeordnet sind;
36A bis 36C Darstellungen verschiedener Ausführungsformen eines Linsensystems für planare Erfassung, mit einer Anordnung von Linsen, die um eine bilderfassende Einrichtung herum in einem Muster angeordnet sind;
37A bis 37C Darstellungen weiterer Ausführungsformen eines Linsensystems für planare Erfassung, mit einer Anordnung von Linsen, die um eine bilderfassende Einrichtung herum in einem Muster angeordnet sind, sowie mit einer Sammellinse;
38A bis 38B Darstellungen alternativer Ausführungsformen eines polyoptischen Linsensystems;
39A bis 39B Darstellungen alternativer Ausführungsformen eines optischen Systems, welches zum Einfangen von Licht gekrümmte Spiegel verwendet;
40A bis 40D Darstellungen einer besonderen polyoptischen Linse aus unterschiedlichen Blickwinkeln zur Veranschaulichung des Lichtempfangs;
41A bis 41C Darstellungen einer bevorzugten polyoptischen Linse;
42A bis 42C Darstellungen weiterer Ausführungsformen von optischen Systemen, die Blenden verwenden, um Interferenzen zwischen Zonen zu verringern;
43A einen Stromlaufplan eines bevorzugten adaptiven Belichtungsschaltkreises, und 43B eine graphische Darstellung von Signalverläufen im Schaltkreis nach 43A;
44A und 44B Blockschaltbilder zur Veranschaulichung alternativer Konfigurationen eines optischen Systems, welches einen adaptiven Belichtungsschaltkreis verwendet;
45A ein Blockschaltbild eines signalverarbeitenden Schaltkreises zum Bestimmen von Übergängen in einem Videosignal, und 45B eine graphische Darstellung von Signalverläufen im Schaltkreis nach 45A;
46A bis 46D Darstellungen von verschiedenen Ansichten eines CCD-Detektormoduls, das verschiedene Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
47 eine Darstellung einer Ausführungsform eines in der Hand zu haltenden bilderfassenden Geräts, welches das CCD-Detektormodul nach den 46A bis 46D enthält;
48 eine Darstellung einer Ausführungsform eines tragbaren Datenterminals, welches das CCD-Detektormodul nach den 46A bis 46D enthält;
49 eine Darstellung eines mehrere CCD-Detektoren enthaltenden, in allen Richtungen arbeitenden bilderfassenden Geräts zum Lesen in einer mehrdimensionalen Fläche;
50A und 50B Darstellungen zur Veranschaulichung der Wirkung auf ein Ausgangssignal, wenn ein Barcode bezüglich einer CCD-Anordnung verdreht wird;
51 ein Kurvendiagramm zum Vergleichen der über dem Rollwinkel aufgetragenen Bildpunktbreite für eine CCD-Anordnung mit quadratischen Bildpunkten und für eine CCD-Anordnung mit rechteckigen Bildpunkten (die ein Längenverhältnis von 4:1 aufweisen);
52A und 52B Darstellungen einer maskierten CCD-Anordnung in Schrägansicht bzw. Seitenansicht;
52C eine Darstellung einer Ausführungsform mit maskierter CCD-Anordnung und mit einer zusätzlichen Linse zur Verminderung des Vignetteneffekts;
53 eine Darstellung eines bilderfassenden Systems mit einem anamorphen Linsensystem;
54A und 54B Darstellungen von apodisierten polyoptischen Linsen zum Verringern der Interferenz zwischen den Zonen;
55A und 55B Linienverteilungsfunktionen zu den apodisierten Linsen nach den 54A und 54B;
56A und 56B Darstellungen zur Veranschaulichung eines Mehrelement-Linsensystems zum Vergrößern der Sehfeldtiefe bei gleichzeitiger Minimierung der Interferenz zwischen den Linsenelementen;
57 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines optischen Systems mit mehreren Brennpunkten einer polyoptischen Linse, wobei einige Aberrationen der Zone unkorrigiert sind, dergestalt daß der Sehfeldwinkel für die Bereiche längerer Brennweiten verengt wird;
58 eine Darstellung eines in mehreren Richtungen arbeitenden optischen Systems, welches eine zylindrische Optik verwendet, um das Lesen unterschiedlich ausgerichteter Bilder (z.B. Barcodes) zu ermöglichen;
59 eine Darstellung eines Filters mit einer einzigen Achse zum Bestimmen der Ausrichtung eines Barcodes;
60A bis 60C Darstellungen eines in mehreren Richtungen arbeitenden optischen Systems, welches einen Strahlenteiler und Spiegel verwendet, wobei verschiedene alternative Anordnungen der Zonen und des zeilenförmigen Sensors in den 60D bis 60F gezeigt sind;
61A eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines in mehreren Richtungen arbeitenden optischen Systems, welches einen Spiegelkorb verwendet, um ein einzelnes projiziertes Bild zu teilen und die verschiedenen Bildsegmente unabhängig voneinander zu drehen, und 61B eine besondere Anwendung eines Spiegelkorbs bei einem in der Hand zu haltenden Barcodeleser;
62A bis 62F Darstellungen einer weiteren Ausführungsform eines in mehreren Richtungen arbeitenden Lesers, der einen Kaleidoskopspiegel verwendet, um mehrere verdrehte Bilder eines Barcodes auf eine Detektoranordnung zu projizieren;
63 eine Darstellung eines optisch durchlässigen Abstandshalters, der von einem Barcodeleser-Gehäuse vorsteht, damit Umgebungslicht einen Barcode oder sonstiges zu lesendes Bild erreicht;
64A eine Darstellung einer optischen Streueinrichtung, während 64B eine Darstellung zeigt, welche die Wirkung eines Systems veranschaulicht, das die optische Streueinrichtung nach 64A verwendet; und 64C eine Darstellung zum Vergleich mit der Betriebsweise eines Systems ohne optische Streueinrichtung;
65A und 65B eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht eines LED-Zeigersystems, und 65C eine Darstellung zur Veranschaulichung verschiedener Zeigerformen in unterschiedlichen Entfernungen;
66 eine Darstellung eines signalverarbeitenden Schaltkreises mit einem Hochpaßfilter mit unendlicher Impulsantwort;
67 eine Darstellung eines signalverarbeitenden Schaltkreises mit einem Hochpaßfilter mit endlicher Impulsantwort;
68A und 68B Kurvendarstellungen von Beispielen für Impulsantwortkoeffizienten für die Signalverarbeitungseinheit nach 67, und die 69A und 69B Beispiele von Signalverläufen, die ebenfalls zur Signalverarbeitungseinheit nach 67 gehören;
70A und 70B Querschnittansichten des Abtastkopfs des in 1 dargestellten Barcodelesers in unterschiedlichen Ebenen;
70C eine geschnittene Draufsicht auf den optischen Baugruppenträger, der in dem in den 70A und 70B dargestellten Abtastkopf eingebaut ist;
71A ein elektrisches Blockschaltbild eines bevorzugten Elektronik- und Steuersystems für den Barcodeleser nach 1, und die 71B bis 71D Beispiele für Signalverläufe in dem elektrischen Blockschaltbild nach 71A;
72 ein Blockschaltbild eines Barcodelesers, der zu wiederholter Abtastung befähigt ist;
73A und 73B Darstellungen einer montierten mehrfokalen Linse mit Angabe ihrer bevorzugten Abmessungen, und 73C eine Tabelle, die bevorzugte Kennwerte der mehrfokalen Linse nach den 73A und 73B auflistet.
1 ist eine aufgeschnittene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Barcodelesers. Der in 1 dargestellte Barcodeleser 1501 ist eine in der Hand zu haltende Einheit mit relativ großer Sehfeldtiefe und kann mit Umgebungslicht betrieben werden, indem eine bevorzugte Kombination der nachfolgend im einzelnen beschriebenen Verfahren und Bauteile verwendet wird. Der in der Hand gehaltene Barcodeleser 1501 weist ein Gehäuse 1502 auf, das die meisten oder alle Bestandteile des optischen Systems und der Elektronik enthält. Der Barcodeleser 1501 besitzt ferner eine Digitalplatine 1503, auf der ein Träger 1506 für optische Baugruppen montiert ist, und eine Analogplatine 1504, die mit der Rückseite des Trägers 1506 für die optischen Baugruppen und auch mit der Digitalplatine 1503 verbunden ist. Ferner ist in einem Teil des Gehäuses 1502, der unterhalb des Abtastkopfs 1522 ein Handgriffstück bildet, eine Handgriffplatine 1505 aufgenommen.
Der Abtastkopf 1522 und der Träger 1506 für die optischen Baugruppen sind zusammen mit weiteren Bestandteilen des optischen Systems und zugehörigen Bauteilen in den 70A bis 70C näher dargestellt und werden weiter unten eingehender beschrieben. Auf dem Träger 1506 für die optischen Baugruppen ist eine Abbildungslinse 1509 eingebaut, zum Beispiel die in den 73A und 73B gezeigte Abbildungslinse 1749. Die Abbildungslinse 1509 ist vorzugsweise eine mehrfokale Linse (mit mehreren Brennweiten), die eine vergrößerte Sehfeldtiefe bietet. Einzelheiten zu einer Mehrzahl von geeigneten mehrfokalen Linsen und anderen optischen Konzepten sowie zu bevorzugten elektronischen Schaltungen zur Erleichterung des Betriebs in Umgebungslicht werden weiter unten eingehender beschrieben.
1A ist ein Blockschaltbild eines bildlesenden Systems 100 nach einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung.
Das bildlesende System 100 nach 1A umfaßt ein optisches Lichtauffangsystem 103, einen CCD-Detektor 104, eine Vorverstärkerstufe 105, eine Signalverarbeitungsstufe 106 und eine Decodierstufe 107. Das optische Lichtauffangsystem 103 arbeitet in Anwesenheit von Umgebungslicht 101, fängt Umgebungslicht auf, das von einem Zielobjekt (wie z.B. einem Barcode-Etikett 102) reflektiert wird, und fokussiert das aufgefangene Licht auf den CCD-Detektor 104. Der CCD-Detektor 104 wirkt mit der Vorverstärkerstufe 105 zusammen, um ein CCD-Eingangssignal zu gewinnen, das aus Bilddaten besteht. Das CCD-Eingangssignal kann von der Signalverarbeitungsstufe 106 verarbeitet und zur Decodierung an die Decodierstufe 107 geleitet werden, wie unten näher erläutert.
2 ist eine Darstellung eines CCD-Detektors 110, der einen fokussierten Lichtstrahl 115 empfängt. Licht wird von einem Zielobjekt reflektiert, das sich an einer Objektlinie 114 befindet. Das reflektierte Licht wird durch eine Linse 113 geleitet und auf den CCD-Detektor 110 fokussiert. Der CCD-Detektor 110 kann als zeilenförmige integrierte Schaltung ausgebildet sein, die eine Reihenanordnung von Photodioden 112 aufweist. Im Betrieb arbeitet der CCD-Detektor 110 ähnlich wie eine Videokamera, wobei die Reihenanordnung aus Photodioden 112 Bildpunktstellen entspricht. Größe und Abstand der Bildpunkte sowie die Fokussiergrenzen der Linse 113 bestimmen im allgemeinen die Sehfeldtiefe und die kleinstmögliche Barcodegröße für ein Bilderfassungsgerät, das einen solchen CCD-Detektor 110 enthält.
Zeilenförmige CCD-Detektoren weisen vier Grundfunktionen auf. Diese vier Grundfunktionen betreffen eine Umwandlung von Photonen in Elektronen, eine Ladungsspeicherung, eine Ladungsübertragung und eine Umwandlung von Ladung in Spannung. Die Umwandlung von Photonen in Elektronen erfolgt durch eine Mehrzahl von Photodioden (z.B. in den Bildpunkten der Photodioden 112). Typische Photodioden haben einen Quantenwirkungsgrad von 50%, d.h. es entsteht jeweils eine Elektronenladung, wenn zwei Photonen auf die Photodiode treffen. Die Elektronenladungen werden in einer Potentialfalle gespeichert, die wie ein Kondensator wirkt. Sobald ein Belichtungszeitintervall abgeschlossen ist, ermöglicht ein aus einer Steuereinheit empfangener Auslese-Steuerelektrodenimpuls, die angesammelten Ladungen in ein CCD-Schieberegister zu überführen. 3A zeigt ein Potentialdiagramm, das die Vorgänge der Ladungsansammlung und Ladungsübertragung aus einer Photodiode in eine CCD-Schieberegisterstelle veranschaulicht.
Eine Ladungsverschiebung innerhalb des Schieberegisters erfolgt, während die Photodioden während des darauffolgenden Belichtungsintervalls neue Ladung sammeln. Die ladungsgekoppelte Anordnung kann als Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistor (MOSFET) 130 mit verteilten Steuerelektroden (Gates) realisiert sein; eine physikalische Darstellung eines solchen Transistors ist in 3B gezeigt. Der MOSFET 130 mit verteilten Steuerelektroden hat einen langen Source-Drain-Kanal 131 und besitzt eine Mehrzahl von Steuerelektroden 132 (nämlich eine Steuerelektrode 132 pro Bildpunkt der Photodiode 112). An jeder Steuerelektrodenstelle (d.h. an jeder Schieberegisterstelle) wird durch eine Photodiode Ladung eingespeist, nämlich mittels der in 3A dargestellten Schritte. Die Ladung wird entlang einer Kette von Schieberegisterstellen durch Ansteuerung der Gate-Spannungen verschoben. Für den in 3B dargestellten MOSFET 130 werden zur Verschiebung der Ladung innerhalb des Schieberegisters drei Taktzyklen benötigt. Die Photodioden können also in jede dritte Steuerelektrode Ladung einspeisen. Alternativ können zwei Taktsignale verwendet werden, so daß die Photodioden in jede zweite Steuerelektrode Ladung einspeisen können. Ein Potentialdiagramm zur Veranschaulichung des beschriebenen Ladungsverschiebungsprozesses ist in 3C gezeigt.
Am Ende des analogen Schieberegisters wandelt ein Verstärker die Ladung in eine Spannung um. Diese Umwandlung erfolgt typischerweise dadurch, daß man einen Kondensator die Ladung integrieren läßt und dann die Kondensatorspannung über einen Trennverstärker an einen Ausgangsanschluß legt. Ein MOSFET wird dazu verwendet, zwischen den Übertragungen jedes Bildpunkts die Ladung vom Kondensator zu entfernen. Der Umwandlungsvorgang kann auch eine Verstärkung des umgewandelten Spannungspegels beinhalten. Die Ausgangsspannung hat im allgemeinen einen Gleichspannungs-Vorspannungspegel von ungefähr der halben Versorgungsspannung. Je höher die Eingangslichtstärke, desto niedriger ist die Gleichspannungs-Vorspannung, da die photoelektrische Ladung in Form injizierter Elektronen vorliegt.
4 ist ein Stromlaufplan einer vereinfachten Ausgangsstufe eines CCD-Detektors 110, wie er in 2 gezeigt ist. Gemäß 4 wird ein Elektronenstrom 150 von einem Integrationskondensator 152 (auch als Abtastkondensator bezeichnet) akkumuliert. Ein Transistor 154, z.B. ein MOSFET, löscht die gespeicherte Ladung zwischen aufeinanderfolgenden Bildpunkterfassungen. Der MOSFET 154 kann als Rücksetz-Transistor oder Rücksetz-MOSFET bezeichnet werden. Der MOSFET 154 ist an eine Bezugsspannungsquelle 156 angeschlossen. Das Spannungsniveau des Abtastkondensators 152 kann über eine Trennverstärkerstufe 155, die ebenfalls einen MOSFET enthalten kann, ausgelesen werden. Die Trennverstärkerstufe 155 ist mit einem Anschluß an eine positive Vorspannung 160, mit dem anderen Anschluß über eine Stromsenke 158 an eine negative Vorspannung 159 angeschlossen. In einer Ausführungsform weist die Stromsenke 158 einen Widerstand auf, und die negative Vorspannung 159 ist auf Nullpotential gelegt.
Weitere Informationen über die Betriebsweise ladungsgekoppelter Anordnungen finden sich zum Beispiel in J. Millman, Microelectronics, Digital and Analog Circuits and Systems [Mikroelektronik, Digitale und analoge Schaltungen und Systeme], (McGraw-Hill 1979), Seiten 298–312; J. D. Mosley, "CCD Imaging Arrays" [CCD-Bilderfassungsanordnungen], EDN Magazine, (20. Aug. 1990), Seiten 116–126; und in dem von der Sony Corporation herausgegebenen "1993 Linear Sensor IC Databook" [Datenbuch 1993 über integrierte zeilenförmige Sensorschaltungen].
Der CCD-Detektor 110 liefert Daten in Form eines zeitlich diskreten Analogsignals. Das Analogsignal ähnelt "Treppenstufen", wobei Daten von jedem Bildpunkt zu einer der Stufen beitragen. Die meisten integrierten CCD-Schaltungen liefern ein Ausgangssignal, das sich in einem niedrigen Zustand befindet, wenn das Bild hell (weiß) ist, und in einem hohen Zustand, wenn das Bild dunkel (schwarz) ist. Das Ausgangssignal des CCD-Detektors 110 kann tiefpaßgefiltert werden, um zu einem glatten Signal zu kommen, wie es in 5 gezeigt ist. In 5 ist ein Beispiel für einen Ausschnitt aus einem Barcode gezeigt, der dunklere Balken 170 und hellere Zwischenräume 171 aufweist. Ein zugehöriges CCD-Ausgangssignal 172 – nach Tiefpaßfilterung – ist oberhalb des Barcodeausschnitts gezeigt. Das gefilterte CCD-Ausgangssignal 172 zeigt sich in einem hohen Zustand, solange die dunkleren Balken 170 gelesen werden, und in einem niedrigen Zustand, solange die helleren Zwischenräume 171 gelesen werden. Das CCD-Ausgangssignal 172 kann eine beträchtliche Gleichspannungskomponente (z.B. 4,5 Volt) aufweisen.
Die Amplitude des CCD-Ausgangssignals 172 hängt hauptsächlich von der Empfindlichkeit der Photodiodenanordnung und von der Belichtungszeit ab. Während der Belichtungszeit sammeln die im CCD-Detektor 110 vorhandenen Photodetektoren Ladung. Die angesammelte Ladung wird periodisch in ein analoges Schieberegister übertragen. Die Informationen im analogen Schieberegister werden seriell ausgelesen, um ein analoges CCD-Signal zu bilden, das nach Filterung das CCD-Ausgangssignal 172 darstellt.
Alle gesammelten Daten müssen zwischen den Belichtungen aus den Photodetektoren übertragen und ausgelesen werden, damit keine Restladung die Daten der darauffolgenden Belichtungsperiode verfälscht. Wenn es erforderlich ist, eine Belichtungszeit zu haben, die kürzer als die Datenauslesezeit ist, kann eine CCD-Anordnung verwendet werden, die mit einer Verschlußblende arbeitet; dadurch wird es ermöglicht, daß die Belichtungszeit einen Bruchteil der Auslesezeit einnimmt.
6 ist ein Stromlaufplan einer Treiberschaltung, die zur Ansteuerung des CCD-Detektors geeignet ist. Die Treiberschaltung nach 6 erzeugt ein Bildpunkt-Taktsignal (ΦCLK) 201 und ein Auslese-Gate-Taktsignal (ΦROG) 202, um die Ladungsübertragung aus den Photodetektoren ins analoge Schieberegister zu erleichtern. Das Bildpunkt-Taktsignal 201 wird von einem Resonator-Oszillator-Schaltkreis 203 erzeugt, wie er in 6 dargestellt ist. Das Auslese-Gate-Taktsignal 202 wird von einer Auslese-Gatetakt-Generatorschaltung 205 erzeugt, wie sie ebenfalls in 6 dargestellt ist. Die Auslese-Gatetakt-Generatorschaltung 205 enthält eine Oszillatorschaltung 207, gefolgt von zwei jeweils einen Einzelimpuls liefernden Schaltungen. Ein weiterer einen Einzelimpuls liefernder Schaltkreis 208 bewirkt, daß das Bildpunkt-Taktsignal 201 vorübergehend gesperrt wird, sobald das Auslese-Gate-Taktsignal 202 erzeugt wird. Der CCD-Chip 204 erzeugt ein CCD-Video-Ausgangssignal 206.
Das CCD-Ausgangssignal 206 kann – wie erwähnt – einem Tiefpaß-Rekonstruktionsfilter und danach einer weiteren Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung, Decodierung und für sonstige Funktionen zugeführt werden, wie sie unten näher beschrieben werden. Das Tiefpaß-Rekonstruktionsfilter kann als Teil der Vorverstärkerstufe 105 oder der Signalverarbeitungsstufe 106 ausgebildet sein. Das Tiefpaßfilter ist vorzugsweise so aufgebaut, daß es Signale sperrt, deren Frequenz höher als das Eineinhalbfache der Frequenz des Bildpunkt-Taktsignals 201 ist. Das Tiefpaßfilter hat vorzugsweise eine steile Filterkennlinie, da ein weiches Filter die zum Lesen eines Barcodes erforderliche Anzahl von Bildpunkten pro Balken erhöhen kann. Das Tiefpaßfilter kann bei Bedarf auch eine Verstärkung liefern, und zwar in Abhängigkeit von der Lichtstärke und der Belichtungszeit.
Um die erforderliche Erfassungsfläche zu erzielen, können zur Bildgewinnung mehrere zeilenförmige CCD-Anordnungen verwendet werden. Die Empfindlichkeit nimmt tendenziell ab, je größer die Bilderfassungsgeräte werden, was dazu führt, daß die Verwendung mehrerer zeilenförmiger CCD-Anordnungen in bestimmten Anwendungsfällen vorzuziehen ist. Außerdem gehen bei größeren flächigen CCD-Anordnungen die Kosten tendenziell geometrisch in die Höhe. Obwohl hier eine Anzahl von Ausführungsformen im Zusammenhang mit zeilenförmigen CCD-Anordnungen beschrieben sind, sei bemerkt, daß viele Prinzipien der als Ausführungsbeispiele beschriebenen Einrichtungen auch auf flächige CCD-Sensoren anwendbar sind.
7 ist ein Blockschaltbild eines Systems mit mehreren CCD-Detektoren, das zum Beispiel so konfiguriert werden kann, daß es ein kostengünstiges System mit mehreren Abtastzeilen verwirklicht. Gemäß 7 werden eine Mehrzahl von CCD- Detektoren 230 von einer einzigen CCD-Ansteuerschaltung 231 getaktet, wie sie zuvor z.B. in 6 gezeigt wurde. Die CCD-Ansteuerschaltung 231 liefert ein Bildpunkt-Taktsignal und ein Auslese-Gate-Taktsignal 233 an alle CCD-Detektoren 230. Die CCD-Detektoren 230 sind über einen schnellen Analogmultiplexer 235, der die CCD-Detektoren 230 nacheinander zur Verarbeitung anwählt, mit einer Signalverarbeitungseinheit 232 verbunden. An der CCD-Ansteuerschaltung 231 kann ein Zähler 237 angeschlossen sein, um Taktimpulse zu zählen und den schnellen Analogmultiplexer 235 zu den richtigen Zeitpunkten weiterzuschalten. Die Signalverarbeitungseinheit 232 empfängt der Reihe nach – unter der Steuerung des Analogmultiplexers 235 – aus den CCD-Detektoren 230 jeweils ein CCD-Ausgangssignal 238 und verarbeitet auf diese Weise der Reihe nach wiederholt die CCD-Ausgangssignale 238.
Die CCD-Detektoren 230 können physikalisch in einer Vielzahl unterschiedlicher Anordnungsmuster angeordnet werden, um ein gewünschtes Bilderfassungsmuster zu erzeugen. Die CCD-Detektoren 230 können vollständig voneinander getrennt, auf einer gemeinsamen Schaltungsplatine befestigt oder auf demselben Chipsubstrat aufgebaut sein.
Es gibt eine Anzahl von Rauschquellen in CCD-Chips, die beim Entwurf eines auf einer CCD-Anordnung beruhenden optischen Systems u.U. berücksichtigt werden müssen. Insbesondere vier Quellen von Rauschen seien hier genannt. Die erste Quelle besteht in dem Rauschen, das durch die Einzelimpulse der Photodetektoren bedingt ist und durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann: Irms = _ (2e Id B),wobei I_d der Dunkelstrom (in Ampère) der Photodetektoren, B die Bandbreite des Systems (in Hertz) und e die Ladung auf einem Elektron (d.h. 1,6 × 10^–19 C) ist. Der Dunkelstrom I_d ist eine stark von der Temperatur abhängige Funktion, er verdoppelt sich nämlich alle 25°C (im Fall des Chips ILX-503A). Die Wirkung des Photodetektor-Impulsrauschens wird umso stärker, je länger der Photodetektor integriert. Somit erhöht sich bei längeren Belichtungszeiten das Photodetektor-Impulsrauschen. Die Wirkung dieses Impulsrauschens wird tendenziell jedoch dadurch ausgeglichen, daß eine längere Belichtung auch zu einem größeren Signal führt. Das durch Impulsrauschen bedingte Signal/Rausch-Verhältnis ist proportional zur Quadratwurzel der Belichtungszeit.
Eine zweite Rauschquelle hängt mit dem Vorgang der Ladungsübertragung zusammen. Diese Rauschquelle ergibt sich aus Oberflächenzuständen (d.h. 1/f) und aus thermischem Rauschen, das durch den Ladungsübertragungs-MOSFET erzeugt wird. Ladungsübertragungsrauschen äußert sich als lineares Wachstum des Rauschens vom Anfangsbildpunkt zum Endbildpunkt. Während der erste zu übertragende Bildpunkt nur kurze Zeit in dem Ladungsübertragungsregister bleibt, verweilt der letzte Bildpunkt viel länger darin und akkumuliert dadurch viel mehr Rauschen als der erste Bildpunkt. Da der Ladungsübertragungswirkungsgrad im allgemeinen hoch ist, ist diese Rauschart normalerweise nicht so bedeutend, als daß sie die Leistung verschlechtern könnte.
Eine dritte Quelle von Rauschen ist als kTC-Rauschen bekannt. Diese Art von Rauschen wird durch die Wirkung eines geschalteten Kondensators verursacht, die mit dem Rücksetztransistor am Ende der CCD-Kette zusammenhängt. Ein ähnlicher Effekt kann auch in Filtern mit geschalteten Kondensatoren auftreten. Dies Quelle von Rauschen ist typischerweise die dominante Rauschquelle im CCD-Chip, kann aber durch andere hier erörtere Verfahren, z.B. korrelierte Doppelabtastung, gemildert oder beseitigt werden.
Eine Kurvendarstellung der kTC-Rauschleistung als Funktion der Frequenz ist in 9B für eine in 9A dargestellte CCD-Ausgangsstufe gezeigt. Die in 9A dargestellte CCD-Ausgangsstufe entspricht der in 4 gezeigten CCD-Ausgangsstufe, mit der Ausnahme, daß der in 4 enthaltene Rücksetz-MOSFET 154 durch seinen Innenwiderstand im Sperrzustand (d.h. R_off) und seinen Innenwiderstand im leitenden Zustand (d.h. R_on) nachgebildet ist. In 9B zeigt eine Kurve 260 die kTC-Rauschleistung für den gesperrten Zustand des Rücksetz-MOSFET 154, in dem er den Widerstand R_off hat, während eine andere Kurve 261 die kTC-Rauschleistung für den leitenden Zustand des Rücksetz-MOSFET 154 zeigt, in dem er den Widerstand R_on hat.
Eine vierte Quelle von Rauschen ergibt sich aus dem Vorgang, bei dem Ladung in Spannung umgewandelt wird. Der Verstärker, der Ladung in Spannung umwandelt, unterliegt Oberflächeneffekten (d.h. 1/f) und thermischem Rauschen des FET sowie thermischem Rauschen, das auf andere Widerstände zurückzuführen ist. Diese Rauschquelle dominiert nach dem kTC-Rauschen und wird durch die Belichtungszeit nicht beeinflußt. Diese Rauschquelle hat nur eine geringe Temperaturabhängigkeit.
8A ist ein Blockschaltbild einer besonderen Art von Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung, wie sie zur Verminderung des kTC-Rauschens verwendet werden kann. 8B ist ein Diagramm von Signalverläufen zur Veranschaulichung einiger rauschmindernder Eigenschaften der Schaltung nach 8A.
Eine Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung, wie sie in 8A gezeigt ist, kann vorteilhaft verwendet werden, um das Rücksetzrauschen zu beseitigen, das aufgrund des periodischen Zurücksetzens der Spannung des Abtastknotens durch den Rücksetz-MOSFET in der (z.B. in 9A gezeigten) CCD-Ausgangsstufe entsteht; dadurch verbessert sich das Signal/Rausch-Verhältnis. Das Rücksetzrauschen kann im wesentlichen durch folgende Beziehung ausgedrückt werden: Nr(V) = _ (4kTBR),worin k = Boltzmannkonstante = 1,38 × 10^–23, T = absolute Temperatur (Kelvin), B = Rauschleistungsbandbreite (Hertz), und R = Widerstand (Ohm). Die Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung arbeitet im wesentlichen in der Weise, daß sie die CCD-Ausgangsspannung ein erstes Mal abtastet, nachdem der Rücksetzimpuls abgeschaltet worden ist, und noch einmal abtastet, nachdem die Signalladung ausgelesen worden ist, wodurch eine direkte Ladungsmessung erfolgt. Diese Ladungsmessung ist im wesentlichen unabhängig vom Rücksetzrauschen, da das Rücksetzrauschen über die Dauer eines Bildpunktintervalls "korreliert" wird. Mit anderen Worten, die durch den Kanalwiderstand bedingte Rauschspannung ändert sich über die Zeitperiode nicht, in der die beiden Abtastungen vorgenommen werden, so daß das Rücksetzrauschen außerhalb des CCD-Chips beseitigt werden kann.
Wie in 8A gezeigt, wird ein Eingangssignal 240 (wie es z.B. von dem in 6 dargestellten CCD-Chip 204 geliefert wird) einem Trennverstärker 241 zugeführt. Der Ausgang des Trennverstärkers 241 ist mit einem Gleichspannungs-Wiederherstellungsschaltkreis 239 verbunden, der einen Analogschalter 243, eine Kapazität 242 und eine Vorspannung 244 (z.B. Nullpotential) in der gezeigten Konfiguration enthält. Ein Klemmsignal steuert den Analogschalter 243. Der Gleichspannungs-Wiederherstellungsschaltkreis 239 ist mit einem weiteren Trennverstärker 245 verbunden. Der Trennverstärker 245 ist an einem weiteren Analogschalter 246 angeschlossen. Der Analogschalter 246 wird von einem Abtastsignal 259 gesteuert. Das andere Ende des Analogschalters 246 liegt an einer Kapazität 247 und einem weiteren Trennverstärker 248. Der Trennverstärker 248 gibt ein Ausgangssignal 249 aus.
Das Eingangssignal 240 kann zum Beispiel den in 8B zu Veranschaulichungszwecken dargestellten Verlauf der Eingangssignalkurve 250 haben. Die Signalverläufe gemäß 8B wurden zu Erläuterungszwecken etwas idealisiert. Die dunkler gezeichneten Linien der Eingangssignalkurve 250 veranschaulichen ein relativ niederfrequentes Rauschen 257, das im Eingangssignal 240 erscheint. Ein Durchgriffsimpuls 254 tritt in der Eingangssignalkurve 250 immer dann auf, wenn der Rücksetz-MOSFET aktiv ist. Während des Intervalls des Durchgriffsimpulses 254 kann ein Rauschen relativ hoher Bandbreite auftreten. Sobald der Durchgriffsimpuls 254 jedoch endet und der Rücksetz-MOSFET inaktiv ist, wird ein im wesentlichen niederfrequentes, konstantes Rauschmuster erwartet. Dieses niederfrequente Rauschen 257, das im Intervall 255 zwischen Durchgriffsimpulsen 254 auftritt, kann durch den Korrelationsbetrieb der Schaltungsanordnung nach 8A beseitigt oder wesentlich vermindert werden.
Im Betrieb wird das Eingangssignal 240 an den Trennverstärker 241 gelegt. Solange das Klemmsignal (das in 8B als Signalkurve 251 gezeigt ist) aktiv ist, wird die Kapazität 242 über den Analogschalter 243 mit der Vorspannung 244 verbunden. Die Kapazität 242 wird dadurch auf den Rücksetzspannungspegel 256 geladen, wie im Zusammenhang mit der Eingangssignalkurve 250 der 8B dargestellt. Das Klemmsignal wird dann deaktiviert, wodurch die Klemmung freigegeben (d.h. der Analogschalter 243 geöffnet) wird, aber die Kapazität 242 auf dem Rücksetzspannungspegel 256 geladen bleiben kann.
Die Eingangssignalkurve 250 springt dann auf ein Spannungsniveau 265, das durch die Ladungsmenge bestimmt ist, die von einer gegebenen Photodiode im CCD-Detektor angesammelt wurde. Das Ausgangssignal des Trennverstärkers 241 folgt der Eingangssignalkurve 250, wodurch das entgegengesetzte Ende der Kapazität 242 auf ein neues Spannungsniveau gezwungen wird, da die Kapazität 242 dieselbe zwischen seinen Anschlüssen liegende Spannung, die er vor dem Spannungsniveauwechsel der Eingangssignalkurve 250 hatte, beibehält. Die Spannung am Eingang des Trennverstärkers 245 umfaßt daher den Unterschied zwischen dem Spannungsniveau 265 der Eingangssignalkurve und dem Rücksetzspannungspegel 256. Da der Rücksetzspannungspegel 256 der Eingangssignalkurve 250 Rauschen 257 enthält, das über ein Bildpunktintervall korreliert ist, wird dadurch aus dem Ausgangssignal des Gleichspannungs-Wiederherstellungsschaltkreises 239 Gleichtaktrauschen unterdrückt.
Der Spannungspegel der Kapazität 242 wird abgetastet, wenn das (in 8B als Signalkurve 252 dargestellte) Abtastsignal 259 aktiviert wird. Sobald das Abtastsignal 259 aktiviert wird, lädt sich die Kapazität 247 auf ein Spannungsniveau auf, das durch die Spannung der Kapazität 242 bestimmt ist. Das Abtastsignal 259 wird dann deaktiviert, wodurch der Analogschalter 246 veranlaßt wird, sich zu öffnen, während die Kapazität 247 bis zur nächsten Abtastperiode des Abtastsignals 259 das Spannungsniveau hält.
Eine zur Eingangssignalkurve 250 gehörige Ausgangssignalkurve 253 ist in 8B ebenfalls gezeigt. Die Ausgangssignalkurve 253, wie sie als Ausgangssignal 249 der in 8A gezeigten Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung erscheinen kann, enthält eine Folge von abgetasteten Spannungspegeln der Eingangssignalkurve 250 und ist um die Vorspannung 244 verschoben. Wie erwähnt, enthält die Ausgangssignalkurve 253 grundsätzlich ein wesentlich verringertes Gleichtaktrauschen.
Eine detailliertere Darstellung eines bestimmten, als Doppelabtastprozessor bekannten Schaltungsanordnungstyps zur korrelierten Doppelabtastung ist in 10A gezeigt. Diagramme zum zeitlichen Ablauf der Signale in der Schaltungsanordnung zur korrelierten Doppelabtastung nach 10A sind in 10B dargestellt. Gemäß 10A liegt ein CCD-Signal 270 an einer Vorverstärkerstufe 273. Ein Widerstand R_L stellt den Ausgangswiderstand des CCD-Detektors dar. Die Vorverstärkerstufe 273 ist mit einer Tiefpaßfilterstufe 274 verbunden, die einen Verstärker 275, zwei Widerstände 276, 277 und einen Kondensator 278 in der dargestellten Anordnung enthält. Die Übertragungsfunktion der Tiefpaßfilterstufe lautet: ¦HRC(f)¦2 = 1/(1 + (2πTD)2),worin T_D die Zeitkonstante aus dem Widerstand 276 und dem Kondensator 278 ist. Die Tiefpaßfilterstufe 274 ist mit einem Kondensator 280 verbunden. Der Kondensator 280 liegt an einer Trennverstärkerstufe 282 und einem Ende eines Schalters S1. Das andere Ende des Schalters S1 liegt an Masse 286. Die Trennverstärkerstufe 282 ist mit einem zweiten Schalter S2 verbunden. Das andere Ende des Schalters S2 liegt an einem Kondensator 283 und ist durch eine weitere Trennverstärkerstufe 284 abgetrennt. Die Trennverstärkerstufe 284 gibt ein korreliertes Signal 288 aus.
Die Betriebsweise der in 10A gezeigten Schaltungsanordnung zur korrelierten Doppelabtastung kann unter Bezugnahme auf die Zeitverlaufsdiagramme gemäß 10B erläutert werden. Das CCD-Signal 270 kann in eine Mehrzahl von Bildpunktintervallen unterteilt werden, zu denen – wie erwähnt – jeweils ein Eingangssignal für einen gegebenen Bildpunkt gehört. Die Arbeitszeit des Doppelabtastprozessors läßt sich in fünf nicht-exklusive Zeitintervalle innerhalb eines Bildpunktintervalls unterteilen. Diese Zeitintervalle können wie folgt bezeichnet werden: 1) Rücksetzung, 2) Referenz, 3) Klemmung, 4) Videosignal-Übertragung und 5) Abtastung. Jedes dieser Zeitintervalle wird nachstehend ausführlicher erläutert.
Das in 10B im Zusammenhang mit der Signalkurve 300 gezeigte Rücksetzintervall 310 wird begonnen, sobald der Rücksetzschalter (z.B. der in 4 gezeigte Rücksetz-MOSFET) eingeschaltet wird, wodurch eine Bildpunktauslese-Schrittfolge ausgelöst wird. Die Signalkurve 300 in 10B ist ein Beispiel für ein Video-Ausgangssignal, das zu dem Zeitpunkt beginnt, zu dem der Rücksetzschalter eingeschaltet wird. Während des Rücksetzintervalls 310 wird die Abtastkapazität 152 in der CCD-Ausgangsstufe (wie sie z.B. in 4 gezeigt ist) auf das Spannungsniveau der Bezugsspannungsquelle 156 gesetzt, wodurch in der Abtastkapazität 152 ein positives Ladungspaket abgelegt wird, das durch Signalelektronen abzubauen ist. Die mit diesem Vorgang verbundene Zeitkonstante ist vorzugsweise sehr klein. Zum Beispiel kann die Zeitkonstante 800 Picosekunden betragen, wobei die Abtastkapazität 152 einen Wert von 0,4 pF hat und der Widerstand im eingeschalteten Zustand 2 kOhm beträgt. Infolge der kleinen Zeitkonstante kann die Breite des Rücksetzimpulses, der an den Rücksetz-MOSFET 154 gelegt wird, um die Löschung der Ladung der Abtastkapazität 152 zu steuern, bei Bedarf ganz klein (z.B. wenige Nanosekunden schmal) gemacht werden.
Das Anlegen eines Rücksetzimpulses an den Rücksetz-MOSFET 154 erzeugt einen Durchgriffsimpuls, der im CCD-Signal 270 erscheint. Dieser Durchgriffsimpuls wird durch ein als kapazitiver Spannungsteiler wirkendes Netzwerk verursacht, das die Abtastkapazität 152 und eine zwischen Gate-Anschluß und Source-Anschluß des Rücksetz-MOSFET 154 liegende Kapazität C_gs umfaßt.
Auf das Rücksetzintervall 310 folgt nach Ausschaltung des Rücksetzschalters (d.h. des MOSFET 154) ein Bezugsintervall 312. Das Spannungsniveau am Abtastknoten (d.h. an der Abtastkapazität 152) fällt in dieser Zeitspanne rasch auf das Bezugspotential der Bezugsspannungsquelle 156 ab. Der Abtastknoten behält das Bezugspotential, bis Signalladung auf die Abtastkapazität 152 geladen wird.
Während des Bezugsintervalls 312 tritt ein Klemm-Intervall 314 auf. Im Klemm-Intervall 314 wird der Klemmschalter S1 leitend geschaltet, wodurch das Spannungsniveau am Eingang der ersten Trennverstärkerstufe 282 auf Massepotential oder, falls gewünscht, auf ein von Null verschiedenes Bezugspotential gezwungen wird. Dieser Vorgang stellt für jeden Bildpunkt einen genauen Bezugspegel her, bevor die Übertragung einer Videosignal-Ladung erfolgt. Besagter Vorgang beseitigt auch das Rücksetzrauschen, das eingebracht wurde, solange der Rücksetzschalter (d.h. des MOSFET 154) eingeschaltet war. Das Klemmspannungsniveau wird als erster "Abtastwert" betrachtet, den der Doppelabtast-Schaltkreis erfaßt hat. Die Klemmung wird am Beginn eines nachfolgenden Videosignal-Übertragungsintervalls 316 freigegeben (d.h. der Schalter S1 ausgeschaltet).
Auf das Klemm-Intervall 314 folgt das Videosignal-Übertragungsintervall 316. Während des Videosignal-Übertragungsintervalls 316 wird Ladung aus der summierenden Potentialfalle auf den Abtastknoten (d.h. die Abtastkapazität 152) übertragen, sobald das Ausgangs-Übertragungsgate aktiv wird. Dies bewirkt, daß der Abtastknoten um einen Betrag entladen wird, der proportional zum Signalpegel in jener summierenden Potentialfalle der CCD-Anordnung ist.
Während des Videosignal-Übertragungsintervalls 316 tritt ein Abtastintervall 318 auf. Nachdem sich die Signalkurve 300 des Videosignals eingeschwungen hat, wird es durch Betätigung des Schalters S2 abgetastet und der abgetastete Wert gehalten. Der Schalter S2 wird vor der Videosignal-Übertragung leitend geschaltet, um sicherzustellen, daß die Abtastung beginnt, sobald der Klemmschalter auf Massepotential geschaltet wird. Wenn die Abtastung erst nach der Videosignal-Übertragung begänne, würde das Abtastergebnis eine geringfügige Nicht-Linearität zeigen, die aus der endlichen Bandbreite und Reaktionszeit der Abtast-Halte-Schaltung herrührt. Da der Schalter S2 vor der Videosignal-Übertragung eingeschaltet wird, beginnt die Abtastung für jeden Bildpunkt beim gleichen Potential. Die Zeitspanne zwischen Freigeben der Klemmung und Halten des Videosignals wird als Klemm-Abtast-Zeit oder Abtast-Abtast-Zeit t_s (sample-to-sample time) bezeichnet.
Eine bevorzugte Richtschnur für die zeitliche Organisation besteht darin, den Rücksetz-Takt weit entfernt von der Flanke der Videosignal-Übertragung anzuordnen. Diese Anordnung erlaubt eine ausreichende Einschwingzeit des Bezugsspannungspegels vor der Abtastung des Videosignals. Der Durchgriffsimpuls aus dem Rücksetz-Takt wird durch Einsatz des Klemmschalters unterdrückt, da das Videosignal mit Ausnahme der Abtast-Abtast-Zeit t_s über das gesamte Bildpunktintervall auf der Klemmspannung gehalten wird.
Die Abtast-Abtast-Zeit t_s und die elektrische Bandbreite T_D werden vorzugsweise so gewählt, daß eine niedrige Rauschleistung erreicht wird. Die Verarbeitungseinheit zur korrelierten Doppelabtastung arbeitet insoweit als Bandpaßfilter, als niederfrequentes Rauschen gesperrt wird, wenn t_s kleiner gemacht wird (da diese niedrigen Frequenzen korreliert werden), während hochfrequentes Rauschen gesperrt wird, wenn die Bandbreite verkleinert wird. Die Mittenfrequenz der als Bandpaßfilter wirkenden Anordnung wird eingestellt, indem t_s und T_D eingestellt werden und gleichzeitig eine hohe Signalverstärkung beibehalten wird. Die optimale Mittenfrequenz wird so gewählt, daß für ein gegebenes CCD-Rauscheingangsspektrum das Rauschen minimal wird.
Die Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung wird vorzugsweise so konfiguriert, daß sie das kTC-Rauschen vollständig unterdrückt und weißes Rauschen sowie 1/f-Rauschen, das durch den auf dem Chip befindlichen CCD-Verstärker entsteht, optimal filtert, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis für die Gesamtschaltung verbessert wird.
Eine andere einsetzbare Art von Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung besteht in einem Dual-Slope-Prozessor. Die Leistung des Dual-Slope-Prozessors ist im Betrieb bei niedriger Datenrate sehr ähnlich zur Leistung des Doppelabtast-Prozessors, aber bei hohen Bildpunktraten wird der Doppelabtastprozessor vorgezogen. Eine Darstellung eines Dual-Slope-Prozessors ist in 11A gezeigt. Diagramme des zeitlichen Verlaufs von Signalen im Dual-Slope-Prozessor der 11A sind in 11B gezeigt.
Im Dual-Slope-Prozessor nach 11A stellt ein Widerstand 352 den Ausgangswiderstand eines CCD-Detektors dar. Ein CCD-Ausgangssignal 350 liegt an einem Vorverstärker 353. Der Ausgang des Vorverstärkers 353 ist mit einem invertierenden Verstärker 355 und einem nicht-invertierenden Verstärker 354 verbunden, die jeweils einen Verstärkungsfaktor Eins haben. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 355 und der Ausgang des nicht-invertierenden Verstärkers 354 sind an einem Dreistellungsschalter 360 angeschlossen. Der Ausgang des nicht-invertierenden Verstärkers 354 ist über einen Widerstand 356 mit einer Schaltstellung 361 des Dreistellungsschalters 360 verbunden, während der Ausgang des invertierenden Verstärkers 355 über einen Widerstand 357 mit einer anderen Schaltstellung 363 des Dreistellungsschalters 360 verbunden ist. Eine dritte Schaltstellung 362 des Dreistellungsschalters 360 liegt frei. Ein gemeinsamer Kontakt 364 des Dreistellungsschalters 360 ist an einem Integrator 370 angeschlossen. Der Integrator 370 umfaßt einen Operationsverstärker 366 und einen Kondensator 367. Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers 366 sind jeweils mit einem der beiden Anschlüsse der Kondensators 367 verbunden, wie in 11A gezeigt. Zwischen dem Eingang des Operationsverstärkers 366 und Masse 369 liegt ein weiterer Schalter 365.
Im Betrieb wird das CCD-Videosignal 350 durch den Vorverstärker 353 verstärkt. Der Vorverstärker 353 kann eine Verstärkung von z.B. 2 V/V aufweisen. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 353 wird über den Dreistellungsschalter 360 dem Integrator 370 zugeführt. Die Verarbeitung des CCD-Videosignals 350 beginnt, indem zunächst der Integrator 370 auf Massepotential zurückgesetzt wird, indem der Schalter 365 leitend geschaltet und der Dreistellungsschalter 360 in Stellung 362 gebracht wird. Nachdem der Integrator 370 zurückgesetzt worden ist, öffnet sich der Schalter 365, und der Dreiwegsschalter 360 geht in die erste Stellung 361, so daß das Bezugsspannungsniveau während einer Abtastzeitspanne t_s auf den Integrationskondensator 367 integriert werden kann.
Die Wirkung der Integration besteht darin, das Rücksetzpotential zu subtrahieren und dadurch das Gleichtakt-Rücksetzrauschen zu beseitigen. Nach einer Integrationsdauer von t_s Sekunden wird Ladung auf den Abtastknoten (d.h. die Abtastkapazität 152) der CCD-Anordnung überführt. Gleichzeitig wird der Dreistellungsschalter 360 in die zweite Stellung 363 gebracht, um den Integrator 370 an den Ausgang des invertierenden Verstärkers 355 zu legen. Das Bezugsspannungsniveau plus das Videosignalniveau werden t_s Sekunden lang integriert, woraufhin sich der Schalter 360 in die dritte Stellung 362 öffnet. Der Signalwert wird dann vom Integrator 370 gespeichert gehalten.
Die Ausgangssignale des Doppelabtastprozessors bzw. des Dual-Slope-Prozessors können durch eine geeignete Einrichtung, z.B. einen Analog-Digital-Wandler, digitalisiert und digital verarbeitet werden, oder sie können unter Verwendung einiger oder aller analogen Verfahren verarbeitet werden, wie sie unten näher beschrieben werden.
Übertragungsfunktionen für den Doppelabtastprozessor und den Dual-Slope-Prozessor sind als Funktionen der normalisierten Frequenz (2πft_s) in 12 einander gegenübergestellt, wobei für den Doppelabtastprozessor t_s = 2T_D angenommen ist. Wie in 12 gezeigt, sind die Filterwirkungen der beiden verschiedenen Arten von Verarbeitungseinheiten einander sehr ähnlich; dennoch wird für höhere Datenraten der Prozessor zur korrelierten Doppelabtastung bevorzugt.
Die besonderen Eigenschaften von CCD-Detektoren stellen besondere Anforderungen an das optische System. Zum Beispiel muß ein auf CCD-Technik beruhender Barcodeleser, der für schnell vorbeibewegte Barcode-Etiketten konzipiert ist, eine relativ kurze Belichtungszeit haben. Um unter Umgebungslichtbedingungen, nämlich mit wenig oder keinem selbsterzeugten Licht, zu lesen, ist das optische System eines solchen Barcodelesers daher vorzugsweise so ausgebildet, daß es einen möglichst großen Teil des verfügbaren Lichts einfängt.
Die Erfindung zieht eine Reihe von verschiedenen optischen Elementen in Erwägung, die zur Verwendung bei den bevorzugten Ausführungsformen geeignet sind. Zu diesen optischen Elementen gehören zum Beispiel polyoptische und mehrfokale Linsen, Gradientenelemente, optische Plättchen, Prismen und weitere Bauteile. Diese Elemente können allein oder in Kombination verwendet werden, um die Lichtaufnahmefähigkeit und die Sehfeldtiefe der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu vergrößern.
Ein einfaches optisches System für eine zeilenförmige CCD-Anordnung besteht in einem eine einzige Linse enthaltenden System. Eine Ausführung mit Einzellinse ist in 13A dargestellt, die einige der grundlegenden Beziehungen zwischen Leseentfernung und Länge der Abtastzeile aufzeigt. Die Ausführung mit Einzellinse nach 13A zeigt das Auffangen von einem Zielobjekt 400 kommenden Lichts, das durch eine Linse 401 fokussiert und auf einen Bildsensor (z.B. einen CCD-Detektor) 402 projiziert wird. Wie in 13A dargestellt, kann man sich die Funktion der Linse 401 so vorstellen, daß sie – vom Bildsensor 402 aus gesehen – eine virtuelle Abtastzeile der Länge W_f in eine Entfernung X_f projiziert, auf welche die Linse 401 fokussiert ist. Das Verhältnis der Länge W_f der virtuellen Abtastzeile zur Länge W_i der bilderfassenden Anordnung ist gleich dem Verhältnis der Brennweite X_F zur Entfernung I der bilderfassenden Anordnung: WF = Wi XF/I.
Die Entfernung I der bilderfassenden Anordnung kann in ähnlicher Weise aus der Linsengleichung errechnet werden: I = XFf/(XF – f).
Jeder Bildpunkt wird entlang der Länge der virtuellen Abtastzeile W_F "projiziert". Durch diese Projektion wird das Abbild der Bildpunkte um das Verhältnis X_F/I vergrößert.
Die Breite W_F entspricht dem Blickfeld des Bildsensors 402 in einer Entfernung X_F. Der Bildsensor 402 besitzt dann einen Sehfeldwinkel θ nach folgender Beziehung: θ = 2 Arctan (Wi/2XF).
Der Entwurf eines optischen Systems kann Erwägungen zu Brennpunkt-Unschärfe, Brechung, Aberrationen, Lichtstärkeschwankungen, Lichtstreuung, Reflexionsfähigkeit der Etiketten und Kontrastverhältnis des Etikettendrucks einbeziehen. Auf diese Themen werden nachstehend kurz eingegangen, bevor eine vollständigere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen von optischen Anordnungen gemäß verschiedenen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung gegeben wird.
Das Phänomen der Brennpunkt-Unschärfe bezieht sich auf den Abstand des Objektbilds vom Brennpunkt der Linse. Wenn sich ein Barcode in einer Entfernung X_F von der Linse und innerhalb der Breite W_F des Blickfelds befindet, dann ist der Barcode scharf auf dem Bildsensor 402 abgebildet. Wenn der Barcode, wie in 13B gezeigt, näher an die Linse 401 heran- oder weiter von ihr wegbewegt wird, wird das Bild unscharf. Diese Unschärfe ergibt sich daraus, daß der Barcode durch einen "virtuellen Punkt" 405 oder verschwommenen Punkt abgebildet wird, der größer als der Brennpunkt am optimalen Brennpunkt 406 ist. Die Größe des unscharfen Punkts 405 ist eine lineare Funktion des Abstands vom Brennpunkt 406, wie aus 13B ersichtlich. Bei einer breiteren Linsenapertur (Öffnung) wächst der unscharfe Punkt 405 mit zunehmendem Abstand schneller als bei einer schmaleren Linsenapertur. Das Verhältnis von Aperturgröße zu Brennweite heißt f-Zahl oder Blende und wird als f/# abgekürzt. So hat z.B. eine f/4-Linse die halbe Sehfeldtiefe einer f/8-Linse, da der Durchmesser der Apertur der f/8-Linse die Hälfte des Aperturdurchmessers der f/4-Linse beträgt.
Eine Analogie kann zwischen einem CCD-Erfassungssystem und einem laseroptischen System gezogen werden, wobei die schmalste Stelle des Laserstrahls dem Brennpunkt des Erfassungssystems entspricht und die Größe des Laserflecks dem Bild der Punktverteilungsfunktion am Zielobjekt (z.B. Barcode) entspricht. In der Praxis kann es sein, daß die Punktgröße am Brennpunkt 406 (an der schmalsten Stelle oder "Taille") nicht von vernachlässigbar geringer Größe ist, sondern vielmehr infolge von Brechung und Linsenaberrationen etwas größer ist. Die Größe der Linsenapertur beeinflußt die Punktgröße, die durch Brechung bedingt ist, welche auftreten kann, wenn nur ein Teil einer Lichtwellenfront durch die Apertur hindurchtreten kann. Größere Aperturen führen grundsätzlich zu einer kleineren Punktgröße, während kleinere Aperturen zu größerer Punktgröße führen. Die Wirkungen der Brechung hängen auch von der Wellenlänge des Lichts ab, sei dieses Umgebungslicht oder eigenerzeugtes Licht. Zum Beispiel erzeugt blaues Licht tendenziell eine kleinere Punktgröße als rotes Licht.
In einem optischen Modell für auf CCD-Anordnungen beruhende Bildlesesysteme können die Wirkungen der Brennpunkt-Unschärfe und Brechungs-Punktgröße als Wurzel aus einem Quadratmittelwert (d.h. als Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate beider Punktgrößen) geschätzt werden.
Nicht nur Brechungseffekte, sondern auch Linsenaberrationen (d.h. Abweichungen von der idealen Linsenform) können zu größeren Taillenpunktgrößen führen. Die sich ergebende Taillenpunktgröße kann als D(1 + K) ausgedrückt werden, worin D die brechungsbegrenzte Punktgröße und K ein Aberrationsfaktor ist. Für eine aberrationsfreie Linse ist K = 0.
Es gibt verschiedene Arten von Aberrationen, darunter sphärische Aberration und chromatische Aberration. Sphärische Aberration ist der hauptsächliche Typ von Aberration bei Linsen mit großer Apertur (größer als f/3). Sphärische Aberration rührt von dem Unterschied zwischen einer vollkommen geformten Linse und einer sphärisch geformten Linse her. Um ein vollkommenes (brechungsbegrenztes) Bild zu erzeugen, wird eine sphärische Wellenfront benötigt. Eine sphärische Linsenform ist aber nicht die korrekte Form zur Erzeugung einer sphärischen Wellenfront. Die korrekte Linsenform hängt vom Verhältnis von Objekt- zu Bildentfernung (auch als Vergrößerungsverhältnis oder Konjugationsverhältnis bezeichnet) ab. Der Unterschied zwischen dieser vollkommen geformten Linse und einer sphärisch geformten Linse verursacht sphärische Aberration.
Die Wirkung der sphärischen Aberration besteht, wie in 14A gezeigt, in einer effektiven Verschiebung der Brennweite in Abhängigkeit davon, an welcher Radialstelle der Linse das Licht hindurchtritt (d.h. in Abhängigkeit von der Strahlenhöhe). Die zentrumsnahe Zone der Linse hat einen Brennpunkt, während radial außerhalb der Mitte liegende konzentrische Ringbereiche der Linse je nach ihrem Abstand von der Mitte andere Brennweiten haben. Sphärische Aberration kann minimiert oder ausgeschaltet werden, indem eine geeignet geformte sphärische Linse verwendet wird (z.B. plan-konvex, doppelt-konvex, meniskusförmig), die Linse korrekt geformt wird (wie z.B. bei asphärischen Linsen), oder eine Mehrfach- (z.B. Doppel- oder Dreifach-) Anordnung von Linsen verwendet wird.
Chromatische Aberration betrifft die Schwankung der Brennweite in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Schwankung der Brennweite tritt auf, weil der Brechungsindex eines optischen Materials sich mit der Wellenlänge ändert (ein "Dispersion" genannter Effekt). Chromatische Aberration ist die hauptsächliche Art von Aberration bei Aperturen unter f/2, wenn kein Astigmatismus vorhanden ist. Chromatische Aberration kann durch Verwendung zweier unterschiedlicher Linsen mit unterschiedlichen Dispersionseigenschaften korrigiert werden.
Koma-Bildung bezieht sich auf eine Schwankung der Vergrößerung in Abhängigkeit von der Höhe eines Strahls, wenn Objekte abgebildet werden, die sich nicht in der optischen Achse befinden. Die Wirkung der Koma-Bildung, wie sie z.B. in 14B veranschaulicht ist, wird normalerweise vom Astigmatismus-Effekt übertroffen, kann aber trotzdem korrigiert werden, indem die Blende geeignet angeordnet wird.
Astigmatismus bedeutet einen Brennpunktunterschied zwischen der horizontalen und der vertikalen Achse. Die Wirkung des Astigmatismus, wie z.B. in 14C veranschaulicht, besteht darin, daß er das Bild von tangentialen Linien (d.h. mit vertikaler Achse) in einer ersten Entfernung und radiale Linien (d.h. mit horizontaler Achse) in einer anderen Entfernung erscheinen läßt. Linsen mit oder ohne Astigmatismus zeigen im allgemeinen eine Sehfeldkrümmung, die in einer Verbiegung der Bildebene besteht. Eine Sehfeldkrümmung ist durch unterschiedliche tangentiale oder sagittale Linien gekennzeichnet, wie in dem vergleichenden Diagramm gemäß 14D gezeigt. Bei einem nicht-astigmatischen System sind die tangentiale Feldkrümmung und die sagittale Feldkrümmung gleich und liegen auf der Petzval-Fläche, während sie bei einem astigmatischen System verschieden sind.
Eine weitere Erwägung betrifft den Cosinusgesetz-Effekt; dieser Ausdruck beschreibt die Schwankung der Lichtstärke entlang eines Bildsensors. Der Cosinusgesetz-Effekt ist am ausgeprägtesten bei einem weitwinkligen Sehfeld. Mehrere Faktoren, die jeweils eine "Cosinus"-Komponente haben, wirken zusammen und erzeugen eine Lichtstärkeverteilung, die sich als Funktion des Sehfeldwinkels mit der vierten Potenz des Cosinus ändert. Breitere Sehfeldwinkel haben also größere Schwankungen der Signalintensität entlang des Bildsensors zur Folge, während schmalere Sehfeldwinkel kleinere Intensitätsschwankungen erzeugen. Der Cosinusgesetz-Effekt sollte berücksichtigt werden, um an den Rändern einer virtuellen Abtastzeile genug Licht einzufangen (d.h. um ein ausreichendes Signalniveau zu erzielen). Eine graphische Darstellung des Cosinusgesetz-Effekts ist in 15 gezeigt.
Die vom Bildsensor 402 aufgefangene Lichtmenge hängt zum Teil von der herrschenden Lichtstärke (sei es Umgebungslicht oder anderes Licht) und von der Reflektivität des Barcode-Etiketts ab. In 16 ist ein Modell des Lichteinfangs veranschaulicht. Wenn ein Ziel-Etikett 410 mit Reflexionsfaktor r mit Licht 411 der Lichtstromdichte I_i [Lumen/m²] beleuchtet wird, dann werden vom Etikett grundsätzlich I_i·r Lumen/m² zurückgestrahlt. Eine (vollkommen diffuse) Lambertquelle, die N Lumen/m² in eine Halbkugel aussendet, sendet N/π Lumen/Steradian·m² in Normalenrichtung zur Quelle. Deshalb kann die (in Normalenrichtung betrachtete) spezifische Lichtausstrahlung des Ziel-Etiketts mit der Lichtstromdichte I_i·r wie folgt ausgedrückt werden: I_i·r/π Lumen/Steradian·m². Ein Erfassungssystem empfängt am Bildsensor 402 eine Lichtstromdichte von πTN'sin²θ, worin N' die spezifische Objektstrahlung in Lumen/Steradian·m², T die Lichtdurchlässigkeit (Transmission) des Systems, und θ der Halbwinkel von der Mitte des Bildsensors zum Rand der Linse ist. Da – wie erwähnt – der Bildsensorabstand I als I = X_Ff/(X_F – f) ausgedrückt werden kann, worin f die Brennweite und X_F der Abstand zum Brennpunkt ist, ist also die aufgefangene Lichtmenge I_c in Lumen/m² durch folgende Beziehung gegeben: Ic = Ii·rTsin2θund θ = Arctan {(XF – f)/2AXF}.
Für kleine Aperturgrößen gilt: Ic = Ii·(rT/4A2)·(XF – f)2/XF 2,worin

I_i: = einfallendes Licht (Lumen/m²)
I_c: = aufgefangenes Licht (Lumen/m²)
r: = Reflexionsfaktor des Etiketts (Prozent)
T: = Linsendurchlässigkeit (Prozent)
θ: = Apertur-Halbwinkel (Grad)
A: = f/# der Apertur (ohne Einheit)
f: = Brennweite der Linse (Meter)
X_F: = Abstand zum Brennpunkt (Meter).

Somit ist die am Bildsensor 402 aufgefangene Lichtmenge unabhängig vom Abstand des Ziel-Etiketts von der Linse 401. Die aufgefangene Lichtmenge wird jedoch von der Intensität des das Etikett beleuchtenden (Umgebungs- oder sonstigen) Lichts, den Reflexionsfaktor des Etiketts und die Linsendurchlässigkeit proportional beeinflußt. Das aufgefangene Licht ist umgekehrt proportional zum Quadrat der f-Zahl (f/#) und hängt in gewissem Ausmaß von der auf die Brennweite bezogenen Lage (X_F) zum Brennpunkt ab.
Um den Modulationspegel des CCD-Videoausgangssignals zu bestimmen, kann das aufgefangene Licht I_c mit dem Druckkontrastverhältnis des Zieletiketts multipliziert werden. Es sei bemerkt, daß die obigen Berechnungen keine Signalmodulationsminderung berücksichtigen, die sich aus Wirkungen der Modulationsübertragungsfunktion (MTF: modulation transfer function) oder aus Cosinusgesetz-Effekten ergeben.
Weitere Informationen über Optik und optische Systeme finden sich zum Beispiel in W. J. Smith, Modern Optical Engineering – The Design of Optical Systems [Moderne Konstruktionslehre der Optik – Der Entwurf von optischen Systemen], (McGraw-Hill, 2. Auflage 1990).
Ein zweckmäßiges Modell zum Schätzen der Leistung optischer Systeme und zum Bestimmen von Parametern für den Entwurf von optimalen Linsen wird wie folgt angegeben: Brennpunkt-Unschärfe (mil) = √[(Foc)2 + (Diff)2],worin Foc die geometrische Brennpunkt-Unschärfe und Diff die brechungsbegrenzt minimale Punktgröße bedeuten; Foc (mil) = 1000·[f/(f/#)]·[(R – Ro)/Ro],worin R den Abstand zur Linse (in Zoll), R_o den Brennpunkt (in Zoll), f die Brennweite der Linse (in Zoll), und f/# die relative Apertur (Blende) bedeuten; Diff (mil) = 9,61·10–5·λR·(f/#)/f,worin R den Abstand zur Linse (in Zoll), λ die Nennwellenlänge (in Nanometern), f die Brennweite der Linse (in Zoll), und f/# die relative Apertur (Blende) bedeuten; Auflösung (mil) = 1000WR/[I(f, Ro)N] ≈ 1000WR/(fN),worin R den Abstand zur Linse (in Zoll), W die Breite der CCD-Anordnung (in Zoll), I(f, R_o) die CCD-Bildebene (in Zoll), und N die Anzahl von Bildpunkten der CCD-Anordnung bedeuten; Blickfeld (mil) = 8,333 WR/[I(f, Ro)] ≈ 8,333 WR/f,worin R den Abstand zur Linse (in Zoll), W die Breite der CCD-Anordnung (in Zoll), und I(f, R_o) die CCD-Bildebene (in Zoll) bedeuten. Auf der Grundlage des vorstehenden Modells können weitere Parameter wie folgt bestimmt werden:
Brechung = 2,44λAX/i
minimale sphärische Aberration = 0,067X/A³
chromatische Aberration = X/(2·V·A)
Koma = θ·X/(56A²)
Astigmatismus = θ²·X/(2A),
worin λ die Wellenlänge in Metern, A die relative Apertur (f/# oder Blende), V die Abbé-Zahl, und θ den halben Sehfeldwinkel in Radian bedeuten.
Typischerweise sind mindestens 2,5 Bildpunkte pro minimaler Elementbreite erforderlich, um Barcodes aufzulösen. Die Brennpunkt-Unschärfe kann in vielen Fällen 1,9-mal größer als die minimale Elementbreite sein. Punkte, die bis zu 2,4-mal so groß wie die minimale Elementbreite sind, können in rauscharmen Systemen immer noch arbeitsfähige Ergebnisse liefern.
Manche der bevorzugten Ausführungsformen machen von besonders geformten Blenden und Speziallinsen Gebrauch, um die Lichteinfangfähigkeit zu erhöhen und einen Betrieb unter reduzierten Lichtverhältnissen, wie z.B. unter Umgebungslichtbedingungen, zu ermöglichen. Da in vielen Anwendungsfällen ein Barcodeleser nur Balken und Zwischenräume und nicht notwendigerweise echte zweidimensionale Bilder liest, ist eine gewisse Optimierung der Linsenapertur möglich. Eine Vergrößerung der Apertur in Balkenrichtung ergibt grundsätzlich eine größere Lichtaufnahme mit minimaler Wirkung auf die Kennwerte der Sehfeldtiefe. Dies trifft zwar genau zu, wenn die Balken parallel zur Apertur (Blendenöffnung) liegen, aber wenn die Balken gedreht werden und der Barcode unter einem Winkel gelesen wird, dann wächst durch elliptische Punktaufweitung die Punktgröße bezüglich des Barcodes.
Diese Erscheinung ist in 17 veranschaulicht. 17 ist eine Darstellung zum Vergleichen der Punktaufweitungsfunktionsformen im Brennpunkt für eine runde Blende 430 und für eine längliche oder elliptische Blende 431, die jeweils das gleiche Lichtauffangvermögen haben. Wie in 17 gezeigt, sind in einer Brennebene 435 der aus der runden Blende in die Brennebene projizierte Fleck 436 und der aus der elliptischen Blende in die Brennebene projizierte Fleck 437 jeweils minimal. Aber in seitlicher Richtung ist der aus der elliptischen Blende in die Brennebene projizierte Fleck 437 größer als der aus der runden Blende in die Brennebene projizierte Fleck 436.
Wie in 18 veranschaulicht, ändert sich die Größe des elliptischen Flecks in Abhängigkeit vom Kippwinkel. In 18 stellt w_o die kleinste Breite des Lichtflecks dar, θ bezeichnet den Kippwinkel (z.B. bezüglich der vertikalen Balken eines Barcodes), und w bedeutet die projizierte Breite. Die projizierte Breite kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: w = {(e2·wo 2)/[(e2 – 1)·(cos θ)2 + 1]}1/2,worin e das Verhältnis von Höhe zu Breite bedeutet. Die Fläche des elliptischen Flecks ist durch folgende Gleichung gegeben: Fläche = π·e·wo 2
Die obige Gleichung gibt an, daß die Flächenzunahme des elliptischen Lichtflecks direkt proportional zum Verhältnis von Höhe zu Breite ist.
Eine schmalere Blende, wie z.B. die in 17 gezeigte elliptische Blende 431 (oder eine andere längliche, z.B. rechteckige Blende), vergrößert tendenziell grundsätzlich die Sehfeldtiefe. Die Höhe der Blende 431 in der zu den Balken parallelen Richtung wird vergrößert, um die Lichtaufnahme zu vergleichmäßigen. 19 ist eine graphische Darstellung von Kurven exemplarischer Sehfeldtiefen für eine runde Blende 430 und für eine elliptische Blende 431 gleichen Lichtauffangvermögens. Die in 19 dargestellten Kurven tragen auf einer Achse 440 die kleinstmögliche auflösbare Balkenbreite über der anderen, den Abstand zur Linse darstellenden Achse 441 auf. Wie in 19 gezeigt, erzeugt die schmalere Blende eine größere Sehfeldtiefe als die breitere Blende, hat aber brechungsbedingt eine größere Mindestabmessung des Lichtflecks.
Ein optisches System, das eine kleine runde Blende (z.B. die Blende 430) verwendet, hat im allgemeinen eine relativ gute Sehfeldtiefe, leidet aber an dem Erfordernis einer langen Belichtungszeit. Ein solches System ist z.B. in 20A gezeigt. Gemäß 20A wird Licht von einem Zielobjekt 444 (z.B. einem Barcode, von hinten gezeigt) reflektiert und durch eine runde Linse 443 (oder eine Linse mit runder Blende) auf einen CCD-Detektor 442 fokussiert. In dem optischen System nach 20A kann es sein, daß nur 0,02% des reflektierten Lichts den CCD-Detektor 442 erreichen.
Eine längliche Blende (z.B. Blende 431) verkürzt die Belichtungszeit, indem sie eine größere Lichtaufnahme ermöglicht. Ein System mit länglicher Blende ist z.B. in 20B gezeigt. In dem optischen System nach 20B wird Licht von einem Zielobjekt 458 (z.B. einem Barcode, von hinten gezeigt) durch eine mit Blende versehene Linse 457 (oder eine längliche oder ähnlich geformte Linse) auf einen CCD-Detektor 456 reflektiert. In einer Ausführungsform, die eine rechteckig ausgebildete Blende 445 verwendet, entspricht eine Schmalseite 446 der Blende 445 einer Blende für die gewünschte Sehfeldtiefe (z.B. f/20), während eine Langseite 447 der Blende 445 einer größeren Blende (z.B. f/5) entspricht und daher mehr Licht aufnimmt. Zwar kann der Bereich von Barcodewinkeln, den das optische System nach 20B erfaßt, im Vergleich zu dem in 20A gezeigten System infolge Verwendung einer länglichen Blende vermindert sein, aber es kann wesentlich mehr Licht aufgefangen werden (z.B. zehnmal so viel oder mehr).
Eine bevorzugte Ausführungsform einer CCD-Bilderfassungsanordnung verwendet einen in 50A gezeigten CCD-Detektor 1079, dessen Bildpunkte 1080 von rechteckiger Gestalt sind, wobei ihre langen Achsen rechtwinklig zu der Zeile liegen, die von der linearen Anordnung der Bildpunkte 1080 gebildet ist. Wie die länglich ausgebildete Blende 431, die oben im Zusammenhang mit 17 beschrieben wurde, erhöht die Anordnung mit rechteckigen Bildpunkten nach 50A die Lichteinfangseffizienz des CCD-Detektors 1079, ohne die räumliche Auflösung maßgeblich zu verschlechtern, solange der CCD-Detektor 1079 nicht um einen zu großen Winkel gegenüber dem jeweils gelesenen Barcode (oder sonstigen Bild) verdreht ist. Die 50A und 50B sind Darstellungen zur Veranschaulichung der Auswirkung der Verdrehung eines Barcodes bezüglich des CCD-Detektors 1079 auf ein Ausgangssignal 1082A bzw. 1082B. Wie in jenen Figuren gezeigt, führen die unverdrehten Balken 1081A bei ihrer Projektion auf den CCD-Detektor 1079 in 50A zu einem relativ sauberen Rechteck-Ausgangssignal 1082A. Im Gegensatz hierzu führen die teilweise verdrehten Balken 1081B bei ihrer Projektion auf den CCD-Detektor 1079 in 50B zu einem Ausgangssignal 1082B mit geneigt ansteigenden und abfallenden Flanken, was zum Teil eine Folge der Verteilung der Balken 1081B über eine größere Anzahl von Bildpunkten 1080 ist.
Um die Auswirkungen einer Bilddrehung bei der in 50A dargestellten Ausführungsform mit rechteckig ausgebildeten Bildpunkten 1080 zu verringern, sollte das Längenverhältnis der Bildpunkte so gewählt werden, daß die Auflösung des Barcodes (oder sonstigen gerade gelesenen Bildes) bei Etiketten, die eine tolerierbare Verdrehung gegenüber der Bilderfassungsanordnung aufweisen, nicht beeinträchtigt wird. Außerdem bietet das auf die Bildpunkte projizierte Bild eine zu geringe Auflösung, als daß der Barcode ordnungsgemäß abgebildet werden könnte, wenn die Bildpunkte zu groß sind. 51 ist eine graphische Darstellung zum Vergleichen der Bildpunktbreite in Abhängigkeit vom Verdrehungswinkel für eine CCD-Anordnung mit quadratischen Bildpunkten und eine CCD-Anordnung mit rechteckigen Bildpunkten (mit einem Längenverhältnis von 4:1). Wie in 51 gezeigt, beeinflußt der Winkel der Barcode-Etikettendrehung nicht maßgeblich die normalisierte projizierte Bildpunktbreite für eine CCD-Anordnung mit quadratischen Bildpunkten; jedoch beeinträchtigt der genannte Winkel sehr wohl die normalisierte projizierte Bildpunktbreite für eine CCD-Anordnung mit rechteckigen Bildpunkten mit einem Längenverhältnis von 4:1. Somit ist es möglich, daß zur Handhabung verdrehter Barcode-Etiketten mehr rechteckige Bildpunkte erforderlich wären, um die gleiche Leistung wie mit quadratischen Bildpunkten zu erzielen.
Das maximal hinnehmbare Längenverhältnis K_max von Bildpunkten 1080 für eine gegebene maximale Verdrehung (θ) und eine gegebene minimale Anzahl (N) von Bildpunkten pro Balken kann mathematisch gemäß Beziehungen bestimmt werden, die in den folgenden Gleichungen ausgedrückt sind: Weff(θ, K) = K·sin(θ) + cos(θ) (51.0) N = Weff(θ, K·f)·cos(θ), (51.1)worin W_eff die projizierte oder effektive Breite bedeutet (d.h. wie groß die Bildpunktbreite bei einer gegebenen Rotation aussieht) und K das Längenverhältnis ist. Der Wert f ist ein Faktor, der die Toleranz der signalverarbeitenden Elektronik gegenüber verzerrten Ausgangssignalen berücksichtigt. Für einen auf Ableitungen beruhenden (und weiter unten beschriebenen) Signalprozessor liegt f im allgemeinen bei ungefähr 0,8. Die Mindestzahl (N) von Bildpunkten pro Balken beträgt typischerweise wenigstens 2,5.
Gemäß Gleichung 51.0 ändert sich die effektive Bildpunktbreite W_eff in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel θ. Für θ = 0° beträgt W_eff = 1, während für θ = 90° W_eff = K gilt. Für 0° < θ < 90° ändert sich W_eff entsprechend den in 51 dargestellten Kurven. Gemäß Gleichung 51.1 sieht der Barcode bei seiner Verdrehung um einen Faktor cos θ größer aus, in teilweiser Abhängigkeit von der Wirkung der Signalverarbeitung (wie durch den Faktor f angedeutet). Je mehr Bildpunkte 1080 pro Balken zulässig sind (d.h. je größer N ist), desto größer können die Bildpunkte 1080 sein, wodurch die Empfindlichkeit gegen einfallendes Licht erhöht wird. In einem Beispiel, bei dem die maximal tolerierbare Verdrehung (θ) bezüglich des Bildsensors ±23° beträgt, f = 0,8 gilt und die Anzahl N von Bildpunkten pro Balken 3,75 ist, errechnet sich das maximal akzeptable Bildpunkt-Längenverhältnis zu Kmax(N; θ; f) = Kmax(3,75; 23°; 0,8) = 10 (51.2)
Somit beträgt im vorstehenden Beispiel das maximal hinnehmbare Bildpunkt-Längenverhältnis ungefähr 10 zu 1.
Die Verwendung rechteckiger Bildpunkte, wie vorstehend im Zusammenhang mit den 50A und 50B beschrieben, ist nicht auf CCD-Anordnungen beschränkt, sondern kann auf jede beliebige auf Bildpunkten beruhende Lichterfassungseinrichtung angewandt werden.
Wenn ein bestehender CCD-Detektor 1079 ein Längenverhältnis hat, das für größer angesehen wird, als optimal wäre, um verdrehte Barcode-Etiketten unter allen tolerierbaren Winkeln zu handhaben, dann gibt es mehrere Wege, das System so abzuändern, daß ein annehmbareres Längenverhältnis hergestellt wird, ohne daß der CCD-Detektor 1079 selbst geändert zu werden bräuchte. Wie in den 52A und 52B gezeigt, kann zum Beispiel der CCD-Detektor 1079 in einen CCD-Detektor 1090, der ein annehmbareres Längenverhältnis aufweist, umgewandelt werden, indem eine Metallmaske 1091 über den Bildpunkten verwendet wird. Die Metallmaske 1091 hat einen Schlitz 1093, der Licht nur zu den Abschnitten der CCD-Bildpunkte gelangen läßt, die der Höhe der Maske entsprechen, wodurch eine relativ einfache mechanische Anpassung der effektiven Höhe der CCD-Bildpunkte ermöglicht wird.
Die Verwendung einer Metallmaske 1091 kann sich als wirtschaftlicher als die Verwendung eines anderen CCD-Detektors mit richtigem Bildpunkt-Längenverhältnis herausstellen. Die Maske 1091 kann außen vor dem CCD-Detektor 1090 angelegt werden, wie in den 52A und 52B gezeigt. Die Maske 1091 liegt vorzugsweise physisch nahe der Bildsensor-Ebene (z.B. unter Berührung derselben), um den Vignetten-Effekt zu mindern, der bewirken würde, daß Lichtstrahlen in Zonen des CCD-Photodetektors gelangen, die nicht zur Lichterfassung gedacht sind. 52B zeigt neben dem CCD-Detektor 1090 eine Lichtstromdichte-Kurve 1092, die eine sanfte Abrundung der Lichtstromdichte veranschaulicht, die durch einen geringen Vignetten-Effekt selbst bei richtig positionierter Maske 1091 bedingt ist. Wenn jedoch die Maske 1091 zu weit beabstandet ist, ist sie zur Verkleinerung des Bildpunkt-Längenverhältnisses nicht mehr nützlich und senkt einfach nur den Wirkungsgrad der Lichterfassung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die oberste Metallmaskenschicht des CCD-Chips selbst verändert, um einen angemessen großen Schlitz 1093 vor den CCD-Photodetektoren zu schaffen. Zum Beispiel bei einem ILX-526 CCD-Chip von Sony besitzt ein bevorzugter Maskenschlitz auf der obersten Metallmaskenschicht des Chips eine solche Höhen- und Breitenabmessung, daß ein Bildpunkt-Längenverhältnis von 10:1 geschaffen ist.
Ein alternatives, abgewandeltes CCD-Bilderfassungssystem mit äußerer Maske ist in 52C gezeigt, wobei eine zusätzliche optische Einrichtung dazu verwendet wird, die Bildpunkte auf eine neue Abbildungsebene ein zweites Mal abzubilden. Bei dem Bilderfassungssystem nach 52C ist eine Abbildungslinse 1097 vor einer einen Schlitz 1099 aufweisenden Maske 1096 (auf der der CCD-Anordnung 1098 gegenüberliegenden Seite) angeordnet. Die Maske 1096 ist vom CCD-Detektor 1098 weiter entfernt angeordnet als in dem System nach den 52A, 52B. Zwischen der Maske 1096 und dem CCD-Detektor 1098 ist eine zweite Linse 1095 angeordnet. Die zweite Linse 1095 verringert oder beseitigt den Vignetten-Effekt, indem sie von der Abbildungslinse 1097 fokussiertes Licht wiederum auf den CCD-Detektor 1098 leitet. Daher ist die Korrekturmaske 1096 bei diesem System wirksamer als im System nach den 52A, 52B, und die mit dem Vignetten-Effekt zusammenhängenden Probleme fallen weniger ins Gewicht. Es trifft aber zu, daß das System nach 52C den zusätzlichen Aufwand einer zweiten Linse und eine längere Pfadstrecke für das optische System aufweist.
Eine andere Alternative zur Abwandlung von Bildpunkten eines CCD-Detektors, die ein zu großes Längenverhältnis haben, besteht in einem anamorphischen Linsensystem, wie es z.B. in 53 gezeigt ist. Das System nach 53 enthält einen CCD-Detektor 1100, vor dem eine erste asphärische Zylinderlinse 1102 in vertikaler Orientierung bezüglich des CCD-Detektors 1100 und eine vor der ersten asphärischen Zylinderlinse 1102 befindliche zweite asphärische Zylinderlinse 1104 in horizontaler Ausrichtung bezüglich des CCD-Detektors 1100 angeordnet sind. Die asphärischen Zylinderlinsen 1102, 1104 bewirken jeweils in nur einer Achsrichtung eine erhebliche Modulation. Die horizontal ausgerichtete asphärische Zylinderlinse 1104 weist eine geringere Vergrößerungskraft als die horizontal ausgerichtete asphärische Zylinderlinse 1102 auf, wodurch das effektive Längenverhältnis der Bildpunkte 1106 des CCD-Detektors 1100 gesenkt wird. Ein Element der Höhe H1 und Breite W1 (d.h. mit einem Längenverhältnis von H1:W1) wird daher durch die Wirkung der asphärischen Zylinderlinsen 1102 und 1104 hinsichtlich seiner scheinbaren Abmessungen am CCD-Detektor 1100 so geändert, daß es ein Längenverhältnis von H2:W2 hat. Anders ausgedrückt, wird die "Projektion" der Bildpunkte 1106 des CCD-Detektors 1100 auf die Barcode-Ebene hinsichtlich der Höhe von H2:W2 auf H1:W1 reduziert, wobei H1/H2 < W1/W2 gilt.
Der Abstand zwischen dem CCD-Detektor 1100 und der vertikal ausgerichteten Zylinderlinse 1102 ist als I₁ und der Abstand zwischen dem CCD-Detektor 1100 und der horizontal ausgerichteten Zylinderlinse 1104 als I₂ gegeben. In entsprechender Weise ist der Abstand zwischen dem Barcode 1105 und der vertikal ausgerichteten Zylinderlinse 1102 als O₁ und der Abstand zwischen dem Barcode 1105 und der horizontal ausgerichteten Zylinderlinse 1104 als O₂ gegeben. Die Höhenreduktion des Systems beträgt M₂/M₁, worin M₁ = O₁/I₁ und M₂ = O₂/I₂ bedeuten. Die exemplarischen Abstandsverhältnisse zwischen den verschiedenen Bauteilen sind in 53 für eine Höhenreduktion von 1:3 bemessen.
Ein möglicher Mangel des Systems nach 53 besteht darin, daß asphärische Zylinder eventuell schwierig herzustellen sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht auch von einem mehrfokalen Linsensystem (z.B. einem polyoptischen System) Gebrauch. Grundsätzlich ermöglicht die Verwendung einer mehrfokalen Linse eine Steigerung der Sehfeldtiefe, ohne die Lichtauffangfähigkeit zu opfern. Jedes Linsenelement (Zone genannt) einer mehrfokalen Linse ist auf eine andere Entfernung fokussiert. In einer Ausführungsform, die unten näher beschrieben ist, werden die Sehfelder aller Zonen gleichzeitig auf den CCD-Detektor fokussiert. Bei einer anderen Ausführungsform, die ebenfalls unten näher beschrieben ist, werden die Zonen in einem Multiplexverfahren nacheinander (z.B. mittels eines LCD-Verschlusses) auf den CCD-Detektor fokussiert, anstatt alle Zone gleichzeitig zu überlagern. Bei noch einer weiteren Ausführungsform, die ebenfalls unten näher beschrieben ist, werden die Zonen jeweils auf einen von mehreren getrennten CCD-Detektoren abgebildet.
Ein Ausführungsbeispiel für ein System mit mehrfokaler Linse in Verbindung mit einer elliptischen Blende ist in verschiedenen Ansichten in den 22A bis 22C gezeigt. Die symmetrische mehrfokale Linse 450 weist konzentrische Zonen auf und ist als solche in den 21A und 21B dargestellt. 21A zeigt die mehrfokale Linse 450 aus einem schrägen Blickwinkel, während 21B dieselbe Linse 450 von vorne darstellt. Wie gezeigt, ist die Linse 450 in eine Mehrzahl von konzentrischen Zonen 451 unterteilt. Eine solche Linse 450 besitzt eine symmetrische Ausbildung und kann sich für eine maschinelle Bearbeitung mit einer diamantbestückten Drehmaschine eignen.
Das Linsen- und Blendensystem nach den 22A bis 22C ist in drei verschiedenen Ansichten dargestellt. 22A zeigt eine Seitenansicht, 22B eine Draufsicht und 22C eine Schrägansicht. Das Linsen- und Blendensystem nach den 22A bis 22C weist eine vor einer mehrfokalen Linse 460 angeordnete elliptische (oder rechteckige) Blende 461 auf. Die elliptische Blende 461 hat vorzugsweise ein großes Längenverhältnis. Die elliptische Blende 461 und die mehrfokale Linse 460 befinden sich vor einer Bilderfassungseinrichtung 462, wie z.B. dem weiter oben beschriebenen CCD-Detektor. Im Betrieb gelangt von einem Barcode 463 reflektiertes Licht durch die elliptische Blende 461 und wird durch die mehrfokale Linse 460 fokussiert. Jede Zone 465 der mehrfokalen Linse 460 fokussiert das reflektierte Licht 466 in anderer Weise auf den Bildaufnehmer 462, da jede Zone 465 auf eine andere Entfernung fokussiert ist (d.h. vor der Linse 460 eine andere Brennweite besitzt). Die Sehfeldtiefe wird dadurch über die Sehfeldtiefe einer Linse mit einzigem Brennpunkt hinaus erweitert.
Das Übertragungsverhalten einer mehrfokalen Linse (z.B. der Linse 450) kann nach Überlagerungsgrundsätzen bestimmt werden, indem das Übertragungsverhalten aller einzelnen Zonen 451 aufsummiert wird. Wenn ein Verschluß verwendet wird, um Zonen 451 der mehrfokalen Linse 450 (z.B. durch Einsatz einer Flüssigkristallanordnung) auszublenden, braucht nur eine Zone 451 (oder ggf. eine Gruppe von unausgeblendeten Zonen) auf einmal analysiert zu werden und das Ergebnis jeder Einzelzone überlagert zu werden, um ein zusammengesetztes Ergebnis für die Linse 450 zu erhalten.
23A zeigt eine Kennlinie, die für ein Einzellinsen-System die kleinstmögliche wiedergebbare (d.h. auflösbare) Elementbreite als Funktion des Abstands von der Linse angibt. 23B zeigt eine Kennlinie, die für ein polyoptisches (d.h. mehrfokales) Linsen-System die kleinstmögliche wiedergebbare Balkenbreite als Funktion des Abstands von der Linse unter der Annahme angibt, daß es keine Interferenz gibt. Jede parabelförmige Kurve 471 stellt eine bestimmte Zone 451 der polyoptischen Linse 450 dar. Ein Scheitelpunkt 470 entspricht dem Minimum der Parabel. Die Kurven 471 werden einander überlagert, um graphisch die Entstehung einer vergrößerten Sehfeldtiefe für das polyoptische System darzustellen. Es kann jedoch auch vorkommen, daß die verschiedenen Zonen 451 miteinander interferieren und dabei in der graphischen Darstellung der Sehfeldtiefe "Totzonen" verursachen. Diese Totzonen 472 sind in 23C graphisch dargestellt, welche ein ähnliches Diagramm wie in 23B ist, aber von der Annahme ausgeht, daß es zwischen den Zonen der polyoptischen Linse 450 zu Interferenzen kommt.
Interferenz zwischen den Zonen 451 kann durch Nebenmaxima der Zeilen-Verteilungsfunktion der Linse 450, durch nicht zusammenfallende optische Mittelpunkte der Zonen 451 oder durch Sehfeldunterschiede der Zonen 451 verursacht werden. Unterschiedliche Linsenanordnungen erzeugen unterschiedliche Nebenmaximamuster. Einige Punktverteilungsfunktionen für einige gebräuchliche polyoptische Linsen sind in den 24A bis 30C gezeigt und unten erläutert.
Eine einfache Anordnung mit mehrfokaler Linse 450 weist eine Anzahl von konzentrischen Zonen 451 auf, die jeweils ihre eigene Brennweite haben, wie zuvor in den 21A, 21B gezeigt. Die Punktverteilungsfunktion in der Brennebene ist für die mittlere Zone 452 der in 21A gezeigten Linse dargestellt, und zwar in 24A in der Brennebene und in 24B außerhalb der Brennebene. Die Punktverteilungsfunktion in der Brennebene ist für eine gegebene Ringzone 454 (d.h. für eine beliebige andere Zone 451 außerhalb der Mittelzone 452) in 25A für die Brennebene und in 25B für einen Abstand von der Brennebene gezeigt. Die Diagramme der 24A und 25A sind in voller Größe dargestellt, während die Diagramme der 24B und 25B im Vergleich hierzu um einen Faktor 10:1 verkleinert dargestellt sind.
Die 26A bis 30C zeigen Darstellungen von Punkt- und Zeilen-Verteilungsfunktionen für verschiedene Kombinationen von Mittel- und Ringzonen mit unterschiedlichen Brennweiten. Die in den 26A bis 30C erscheinenden optischen Punktverteilungsfunktionen wurden aus Vereinfachungsgründen näherungsweise dargestellt. Im allgemeinen kann die Punktverteilungsfunktion für weit vom Brennpunkt entfernte Orte gut durch geometrische Optik approximiert werden. Für eine kreisförmige Blende ähnelt die Form der Punktverteilungsfunktion für weit vom Brennpunkt entfernte Orte einem Zylinder. In oder nahe der Brennebene ist die Form der Punktverteilungsfunktion durch Aberrationen (wenn diese groß sind) oder (wenn die Aberrationen klein sind) durch Brechung bestimmt. Die in den 26A bis 30C dargestellten Punktverteilungsfunktionen sind in oder nahe der Brennebene in erster Linie brechungsbeschränkt (d.h. sie gehen von nur kleinen Aberrationen aus). Für eine kreisförmige Blende sollte die Form der Punktverteilungsfunktion in oder bei der Brennebene nahe an die Form einer Airyschen Scheibe herankommen.
26B ist eine Darstellung eines aus einer Mittelzone 452 entstandenen Bildes 480, während 26A eine Darstellung eines anderen, aus einer Ringzone 454 entstandenen Bildes 481 ist, wobei die Mittelzone 452 und die Ringzone 454 verschiedene Brennweiten haben. 26C ist eine Darstellung, die ein vereinigtes Bild 482 zeigt, das aus der Kombination der Mittelzone 452 mit der Ringzone 454 entstand, wobei nur die Mittelzone 452 scharfgestellt war. In 26C ist das von der Ringzone 454 kommende Bild nicht ohne weiteres sichtbar, und zwar hauptsächlich aufgrund seiner geringen Lichtstromdichte, da es nicht scharfgestellt war. Jedoch zeigen die Kurven der Linienverteilungsfunktionen 483 und 484 deutlich die Wirkung der Ringzone 454. Die Linienverteilungsfunktionen 483, 484 besitzen jeweils ein der Mittelzone 452 entsprechendes Hauptmaximum 488 bzw. 489 sowie ein Paar von viel kleineren, der Ringzone 454 entsprechenden Nebenmaxima 490 bzw. 491. Wenn die Mittelzone 452 unscharf gestellt wird, wird die Wirkung der Ringzone 454 erheblich ausgeprägter.
Die 27A bis 27C veranschaulichen Verteilungsfunktionen für einen zwischen den Brennpunkten der beiden Zonen liegenden Punkt. 27B ist eine Darstellung eines durch die Mittelzone 452 erzeugten Bildes 500, während 27A eine Darstellung eines durch eine Ringzone 454 erzeugten Bildes 501 ist, wobei unterschiedliche Brennweiten angenommen werden. 27C ist eine Darstellung eines Bildes 502, das aus der Vereinigung der beiden Zonen 452, 454 hervorgeht, wenn der abgebildete Punkt zwischen den Brennebenen der beiden Zonen liegt. Es sei bemerkt, daß es in der Mitte des Vereinigungsbildes 502 zwar einen "Einbruch" 503 oder Totpunkt gibt, aber die Linienverteilungsfunktionen 505, 506 von der Wirkung dieses Einbruchs 503 vergleichsweise frei sind.
Die 28A bis 28C veranschaulichen Punktverteilungsfunktionen für den Fall, daß der Punkt in der Brennebene der Ringzone 454 liegt. 28B ist eine Darstellung eines durch die Mittelzone 452 erzeugten Bildes 510, während 28A eine Darstellung eines durch eine Ringzone 454 erzeugten Bildes 511 ist, wobei unterschiedliche Brennweiten angenommen werden. 28C ist eine Darstellung eines Bildes 512, das aus der Vereinigung der beiden Zonen 452, 454 hervorgeht. Das Vereinigungsbild 512 nach 28C ist dem Vereinigungsbild nach 26C sehr ähnlich, bei dem nur die Mittelzone 452 scharfgestellt war. Die in 28C aufgetragenen Zeilen-Verteilungsfunktionen 515, 516 zeigen jedoch die Wirkung der unscharf gestellten Mittelzone 452.
Die 29A bis 29C veranschaulichen einen schwerer wiegenden Effekt, bei dem eine Ringzone 454 nicht genügend unscharf im Verhältnis zur Mittelzone 452 ist. Das Ergebnis ist ein Bild 522 mit einer Ringstruktur. 29B ist eine Darstellung eines durch die Mittelzone 452 erzeugten Bildes 520, während 29A eine Darstellung eines durch die Ringzone 454 erzeugten Bildes 521 ist. 29C ist eine Darstellung eines Bildes 522, das durch Vereinigung der beiden Zonen 452, 454 entsteht; wie erwähnt, enthält das Bild 522 die Ringstruktur, die als diffuses Licht in einem Ringmuster um den zentralen Brennpunkt herum erscheint. Die Zeilen-Verteilungsfunktionen 525, 526 geben den Effekt dieser Ringstruktur an. Die Ringstruktur kann beim Versuch, Barcodes zu lesen, eine übermäßige Interferenz zwischen den Symbolen (ISI: inter-symbol interference) verursachen.
Wegen der Interferenz zwischen den Symbolen, die durch eine Ringzone, wie die in 29C gezeigte, verursacht werden kann, wird zum Lesen von Barcodes eine teilweise ausgeblendete Ringzone (ein Sektor) bevorzugt. Die 30A bis 30C sind Darstellungen von Abbildungen, die unter den gleichen Bedingungen wie bei den 29A bis 29C zustandekamen, aber für ein System, bei dem die Ringzone mit zwei kreisförmigen Blenden abgeblendet ist. 30B ist eine Darstellung eines durch die Mittelzone 452 erzeugten Bildes 530, während 30A eine Darstellung eines durch die abgeblendete Ringzone 454 erzeugten Bildes 531 ist. 30C ist eine Darstellung eines Bildes 532, das durch Vereinigung der beiden Zonen 452, 454 entstand. Die Verwendung der beiden kreisförmigen Blenden unterdrückt, wie in der horizontalen Zeile 536 der Verteilungsfunktion nach 30C gezeigt, erfolgreich die Nebenmaxima im horizontalen Muster. Diese Form von Blendenausbildung kann somit verwendet werden, um Barcodes, deren Balken vertikal ausgerichtet sind, zu lesen, ohne durch die mehrfokale Linse ein ungebührliches Ausmaß an Interferenz zwischen den Symbolen zu erzeugen.
Die 31A bis 31C sind Darstellungen zur Veranschaulichung einer besonderen Anordnung einer abgeblendeten Linse mit mehreren Zonen; diese Anordnung schafft eine Zeilen-Verteilungsfunktion, die jener aus 30C ähnlich ist. In den 31A bis 31C ist aus mehreren Blickrichtungen eine symmetrische mehrfokale Linse 601 mit einer Mehrzahl von Blenden 602 gezeigt, wobei vor jeder von mehreren Zonen 603 der Linse 601 jeweils eine Blende 602 angeordnet ist. Während 30C ein Bild zeigt, das sich aus zwei kreisförmigen Blenden ergibt, liefert die in den 31A bis 31C gezeigte abgeblendete mehrfokale Linse 601 aus den mehrfachen Ringzonen eine Mehrzahl von Abbildungen und eine entsprechende Mehrzahl von Maxima in der Verteilungsfunktion 535 der vertikalen Zeile. Jedoch würde die mit Blenden versehene mehrfokale Linse 601 nach den 31A bis 31C, wie bei der Anordnung nach 30C, auch eine Verteilungsfunktion 536 der horizontalen Zeile aufweisen, die vergleichsweise frei von Interferenz zwischen den Symbolen wäre.
Die Blenden 602 nach 31A oder 31B brauchen nicht kreisförmig zu sein, sondern können von quadratischer, rechteckiger oder beliebiger sonstiger geeigneter Form sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Blenden 602 jeweils von näherungsweise quadratischer Gestalt. Bei der physischen Herstellung können die quadratischen Blenden in eine durchgehende Öffnung eingeklebt werden, die der in den 22A bis 22C gezeigten Blende 461 ähnlich ist. Obwohl eine solche durchgehende Öffnung in ihrer Gesamtform "rechteckig" sein kann, funktioniert sie als eine Reihe von diskreten Einzelöffnungen, nämlich je eine für jede Linsenzone.
Die Auswahl der Höhe der Blende 602 vor jeder Zone kann ein Kompromiß zwischen Anforderungen der Lichtaufnahmefähigkeit und Kennwerten der Drehwinkelabhängigkeit sein. Die Breite jeder Blende 602 bestimmt für die zugehörige Zone die Sehfeldtiefe und ist vorzugsweise für alle Blenden 602 gleich, um die Interferenz zwischen den Zonen zu minimieren.
Vorzugsweise hat jede der mit einer Blende versehenen Zonen 603 eine andere Brennweite. Dies kann auf wenigstens zwei unterschiedliche Arten erreicht werden. Bei einem ersten Verfahren wird eine symmetrische Linse 610 unmittelbar unter der Mittelzone 611 physisch abgeschnitten, wie in 32 gezeigt. Die zugeschnittene Linse 612 hat die Kennwerte einer asymmetrischen mehrfokalen Linse. Bei einem zweiten Verfahren kann die Linse 620 in asymmetrischer Weise gegossen werden, wie in 33 gezeigt, dergestalt daß die unteren Teile 621 jeder Ringzone eine andere Brennweite als die oberen Teile 622 jeder Ringzone haben. Ein Vorteil der letzteren Methode besteht darin, daß die Linse so konstruiert werden könnte, daß sich ihre optische Achse 625 in der Mitte der Linse 620 befindet, wie in 33 gezeigt.
Bei den vorstehend genannten Linsenanordnungen ist die Verkippung gegenüber der Achse typischerweise am kleinsten, wenn die Mittelzone 627 auf den nächstgelegenen Bereich und die Außenringzone 628 auf den am weitesten entfernten Bereich fokussiert sind, wie in 34A dargestellt. 34B veranschaulicht die umgekehrte Situation, die zu größeren Ausrichtungsproblemen führen kann.
Ein alternatives optisches Lichtauffangsystem verwendet eine "maskierte" oder apodisierte Linse mit mehreren Brennpunkten, wie sie z.B. in 54A oder 54B gezeigt ist. In 54A ist eine Linse 1120 mit mehreren Zonen gezeigt, die konzentrische Ringzonen 1121a bis 1121d besitzt und ferner abgedunkelte Abschnitte 1122 aufweist, die maskiert oder apodisiert sind. Die apodisierten Abschnitte 1122 können hergestellt werden, indem auf der Linse 1120 Silber oder ein anderer reflektierender Werkstoff aufgetragen wird. Ebenso ist in 54B eine Linse 1130 mit mehreren Zonen gezeigt, die konzentrische Ringzonen 1131a bis 1131d besitzt und ferner auch apodisierte Abschnitte 1132 aufweist. Die apodisierten Linsen 1120, 1130 der 54A und 54B schaffen ein Lichtauffangsystem mit mehreren Brennebenen, das einen hohen Lichtauffangwirkungsgrad aufrechterhält und darüber hinaus die Interferenz zwischen den von den verschiedenen Brennebenen gleichzeitig auf einen CCD-Detektor einfallenden Lichtstrahlen verringert. Die Maskierung kann daher die Blende(n) der in den 22A bis 22C und 31A bis 31C gezeigten Ausführungsformen insoweit ersetzen, als die Maskierung eine ähnliche Wirkung wie die Blende(n) beim Vermindern der zwischen den Zonen auftretenden Interferenz entfaltet.
Vorzugsweise weisen die Linsen 1120 und 1130 nach den 54A und 54B jeweils eine Gruppe von konzentrischen Ringzonen 1121a bis 1121d bzw. 1131a bis 1131d auf, die unterschiedliche Brennweiten haben. Die Fläche jeder Ringzone 1121a bis 1121d und 1131a bis 1131d ist vorzugsweise im wesentlichen gleich, so daß von jeder Zone im wesentlichen gleiche Lichtmengen aufgefangen werden. Diese Bedingung erfordert, daß r_N = r_center√N für eine unmaskierte Linse 1120 oder 1130 gilt, worin r_N der äußere Radius für die Zone N ist und r_center den Radius der Mittelzone 1121d bzw. 1131d bedeuten. Die Radien, die erforderlich sind, um von Zone zu Zone eine konstante Lichtauffangfläche aufrechtzuerhalten, weichen in einfacher Weise von dieser Gleichung ab, um die maskierungsbedingte Flächenminderung zu berücksichtigen.
55A ist eine graphische Darstellung einzelner Zeilen-Verteilungsfunktionen 1141 bis 1144 für jede Ringzone 1121a bis 1121d oder 1131a bis 1131d der mehrfokalen Linsen gemäß 54A bzw. 54B. Nebenmaxima, die sonst in den Verteilungsfunktionen der horizontalen Zeilen vorkommen würden, sind durch Verwendung einer Maske (z.B. Apodisierung auf der Linse selbst) vermindert oder ganz beseitigt, um eine konstante vertikale Höhe für jede Ringzone 1121a bis 1121d oder 1131a bis 1131d der Linse 1120 bzw. 1130 aufrechtzuerhalten. Die resultierende zusammengesetzte oder vertikal integrierte Verteilungsfunktion 1146 in Horizontalrichtung ist in 55B gezeigt. Wie in 55B dargestellt, ist die resultierende vertikal integrierte Verteilungsfunktion 1146 in Horizontalrichtung relativ flach, ohne Nebenmaxima.
Die Verteilungsfunktion entlang einer Linie schwankt in Abhängigkeit vom Abstand zur Brennebene und vom Aberrations- und Brechungseffekt. Für die Bereiche der Sehfeldtiefe (d.h. für nicht dazwischen liegende Bereiche), wo die geometrische Optik gegenüber Aberrationen und Brechungswirkungen vorherrscht, liefert die Maskierung nach den 54A und 54B eine zusammengesetzte Achsen-Verteilungsfunktion, wie sie in 55B gezeigt ist. In der Nähe einer Brennebene können jedoch Aberrationen und Brechung gegenüber der geometrischen Optik vorherrschend sein und dadurch eine Leistungsverringerung verursachen. Viele der Maskenfamilien, die im Nah- und Fernbereich gut funktionieren, tun dies nicht bei mittleren Entfernungen. Vorzugsweise wird ein optisches Maskenmuster gewählt, das Nebenmaxima über einen möglichst großen Bereich von Entfernungen minimiert. Die Wahl des optimalen Maskenmusters hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Anzahl und Lage der in einem gegebenen optischen Lichtauffangsystem vorhandenen Brennebenen, dem Grad der erforderlichen Aberrationskorrektur, dem erforderlichen Sehfeldwinkel und/oder der Größe der zu lesenden Barcodes.
Zusätzlich zu den polyoptischen Linsen nach den 21A, 21B und den apodisierten polyoptischen Linsen nach den 54A, 54B besteht ein weiteres Verfahren zur Konstruktion von mehrfokalen Linsen mit den gewünschten Eigenschaften darin, eine Mehrzahl von einzelnen Linsen, nämlich eine pro Zone, zu kombinieren. Jede Einzellinse hat eine außermittige kreisförmige Blende und ist auf die gewünschten Brennpunktdaten der zugehörigen Zone optimiert. Die Linsenzonen werden der Reihe nach optimiert. Die fertige Linse umfaßt im wesentlichen eine stückweise stetige Vereinigungsmenge aller Einzellinsenzonen.
Andererseits kann es möglich sein, eine mehrfokale Linse herzustellen, die nur eine einzige, stetige Linsenkrümmung aufweist. In einem solchen Fall kann die Linse auf wenigstens zwei Arten optimiert werden. Erstens kann eine Gesamtübertragungsfunktion aufgestellt werden, welche die Brennpunkteigenschaften jeder Zone berücksichtigt. Die gesamten asphärischen Verformungskoeffizienten können dann auf einmal gelöst werden. Die zweite Methode besteht darin, jeder Zone einige Verformungskoeffizienten zu gewähren, wobei der Mittelzone die Koeffizienten niedrigster Ordnung und der Randzone die Koeffizienten höchster Ordnung gegeben werden. Das System wird der Reihe nach optimiert, von der Mittelzone zum Rand. Diese Methode schließt einen iterativen Prozeß ein, da die Randzonen es erforderlich machen können, geringfügige Abänderungen an den Koeffizienten niedriger Ordnung vorzunehmen, um Aberrationen zu minimieren.
Nachstehend werden mehrere spezielle optische Anordnungen erörtert, von denen viele oder alle die Vorteile der bisher beschriebenen polyoptischen Konstruktion beispielhaft vor Augen führen.
Eine spezielle Ausbildung einer optischen Linse ist in 35A gezeigt. In 35A, die als Draufsicht gezeichnet ist, ist eine Reihenanordnung 640 von Linsen 641, die jeweils einen einzigen Brennpunkt besitzen, in einem bogenförmigen Muster um einen Bildaufnehmer (z.B. einen CCD-Detektor 642) angeordnet. Jede Linse 641 ist vom CCD-Detektor 642 um eine geringfügig andere Entfernung beabstandet, so daß das von der Linsen-Reihenanordnung gebildete Muster kein vollkommener Kreisbogen ist. Alternativ könnte eine Gruppe von Linsen unterschiedlicher Brennweite bogenförmig angeordnet werden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die Mittelachsen der jeweils zu einer Linse 641 gehörigen Abtaststrahlen 643 gehen fächerförmig radial vom CCD-Detektor 642 aus. Die Brennpunkte 644 der Linsen 641 sind gestaffelt, und zwar in der Weise, daß die oberste Linse 641a den am nächsten gelegenen Sehfeldbereich 645a besitzt (da sie die kleinste Brennweite hat), die nächste Linse 641b den am zweitnächsten gelegenen Sehfeldbereich 645b besitzt, usw. bis zur letzten Linse 641e, welche den am weitesten entfernten Sehfeldbereich 645e besitzt.
Ein Vorteil der in 35A gezeigten optischen Anordnung besteht darin, daß sie ohne Verwendung von Verschlüssen eine nahtlose Sehfeldtiefe bereitstellen kann, solange die Linsen 641 so angeordnet sind, daß sie keine gegenseitige Interferenz verursachen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Anordnung dank der radialen Auffächerung der Achsen der Abtaststrahlen 643 den Koma-Effekt mildert.
Eine verwandte Ausführungsform einer optischen Anordnung ist in 35B gezeigt. Die Anordnung nach 35B ist der Anordnung nach 35A ähnlich, nur daß die Ausführungsform nach 35B in einer Seitenansicht anstelle einer Draufsicht gezeigt ist, so daß die Reihenanordnung 650 von Linsen 651 die Sehfeldtiefe vertikal statt horizontal erweitert. Die Anordnung nach 35B hat ähnliche Eigenschaften, nämlich ein bogenförmiges Muster von Linsen 651, radial aufgefächerte Abtaststrahlen 653, gestaffelte Sehfeldtiefen 655 und eine entsprechende Milderung des Koma-Effekts sowie eine kumulierte Erweiterung der Sehfeldtiefe für das System.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Anordnung ist in 36A gezeigt, die eine Abwandlung des Systems nach 35B ist. Wie 35B zeigt die Ausführungsform nach 36A eine Reihenanordnung 660 von Linsen 661, die in einem bogenförmigen Muster um einen CCD-Detektor 662 herum angeordnet sind. Abtaststrahlen 663 gehen vom CCD-Detektor 662 fächerförmig nach außen. Die Ausführungsform nach 36A fügt ferner einen Satz von Spiegeln 667 hinzu, die so angeordnet sind, daß sie die radialen Abtaststrahlen 663 in ein Bündel von parallelen Abtaststrahlen 668 umformen. Die einzelnen Sehfeldtiefen für die Linsen 661 sind entlang der parallelen Abtaststrahlen 668 gestaffelt. Neben den parallelen Abtaststrahlen 668 ist eine zusammengesetzte Sehfeldtiefe 669 gezeigt.
Ein Vorteil der Ausführungsform nach 36A besteht darin, daß sie eine dichtere Erfassung einer Ebene bietet. Anstelle der Spiegel 667 können Prismen oder lichtlenkende Linsen oder eine beliebige Kombination von Spiegeln, Prismen und/oder lichtlenkenden Linsen verwendet werden. 36B zeigt die Ausführungsform nach 36A in einer Realisierung mit Prismen 677 anstelle von Spiegeln. 36C zeigt die Ausführungsform nach 36A in einer Realisierung mit einer einzigen parallel richtenden Kollimationslinse 687 zur Erfüllung einer ähnlichen Funktion.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Anordnung ist in 37A gezeigt. Die Anordnung nach 37A ähnelt der Anordnung nach 36C, vertauscht aber die Stellungen der großen Einzellinse 707 und der Reihenanordnung von Linsen 701. Eine große Einzellinse 707 ist zur Kollimation vor einem Bildaufnehmer (z.B. einem CCD-Detektor 702) angeordnet. Eine Mehrzahl von kleineren Linsen 701 sind vor der größeren Einzellinse 707 angeordnet und hinsichtlich ihres Abstands zur größeren Einzellinse 707 geringfügig gestaffelt. Von den kleineren Linsen 701 ausgehende Abtaststrahlen 708 verlaufen parallel, um eine dichte Erfassung einer Ebene zu sichern. Die Abtaststrahlen 708 werden von der größeren Einzellinse 707 zum CCD-Detektor 702 gelenkt.
Die kleineren Linsen 701 weisen jeweils eine unterschiedliche Sehfeldtiefe 705 auf, so daß eine größere zusammengesetzte Sehfeldtiefe geschaffen wird.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Anordnung ist in 37B gezeigt. Die Anordnung nach 37B ist vom Konzept her der Anordnung nach 37A ähnlich. 37B umfaßt, wie die Anordnung nach 37A, eine große konvexe Kollimationslinse 717, die vor einem CCD-Detektor 712 angeordnet ist. Die Anordnung nach 37B weist auch eine Reihenanordnung von kleineren Linsen 711 auf. Anstatt jedoch den Abstand der kleineren Linsen 711 von der größeren Kollimationslinse 717 zu staffeln, wird in 37B ein Satz von abgestuften optisch wirksamen Plättchen 719 zwischen der größeren Kollimationslinse 717 und der Reihenanordnung von kleineren Linsen 711 angeordnet. Die abgestuften optisch wirksamen Plättchen 719 verschieben den Brennpunkt der kleineren Linsen 711 und bewirken gestaffelte Sehfeldtiefen 715 entlang der parallelen Abtaststrahlen 718, die zur Reihenanordnung der Linsen 711 gehören.
Ein Vorteil des Systems nach 37B besteht darin, daß die kleineren Linsen 711 nicht gestaffelt angeordnet zu sein brauchen, so daß die Herstellung des optischen Systems erleichtert werden könnte.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Anordnung ist in 37C gezeigt. Die Anordnung nach 37C ist der Anordnung nach 37B ähnlich, nur daß anstelle der abgestuften optisch wirksamen Plättchen 719 ein Gradientenelement 729 (auch "GRIN" [GRaded INdex]-Element genannt) verwendet wird. Eine Reihenanordnung von kleineren Linsen 721 ist, wie in 37B, ungestaffelt. Die kleineren Linsen 721 sind vor dem GRIN-Element 729 angeordnet, das sich vor einer großen Kollimationslinse 727 befindet, die ihrerseits vor den CCD-Detektor 722 gesetzt ist. Abtaststrahlen 728 bilden ein paralleles Muster und schaffen somit eine dichte Erfassung einer Ebene. Das GRIN-Element 729 ist aus einem Material gebildet, das einen zunehmenden Brechungsindex besitzt, so daß die optische Pfadlänge entlang seiner Achse unterschiedlich ist. So ist der Pfad an einem Ende 730 des GRIN-Elements 729 lang, während er am anderen Ende 731 des GRIN-Elements 729 kurz ist. Dementsprechend sind – wie gezeigt – die Sehfeldtiefen entlang der parallelen Abtaststrahlen 728 gegeneinander versetzt.
38A zeigt eine weitere Ausführungsform einer optischen Anordnung. Die Anordnung nach 38A ist der Anordnung nach 37B ähnlich, nur daß einige der in 37B gezeigten Einzelelemente zu einem einzigen Element zusammengefaßt wurden. Eine polyoptische Linse 751 faßt Merkmale der großen Kollimationslinse 717, der abgestuften optisch wirksamen Plättchen 719 und der Reihenanordnung von kleineren Linsen 711 nach 37B zu einem einzigen Gebilde zusammen. Der hintere Abschnitt 753 der polyoptischen Linse 751 ist entsprechend der Form der in 37B dargestellten Kollimationslinse 717 gekrümmt. Die in 37B gezeigte Reihenanordnung von kleineren Linsen 711 erscheint in 38A als einzelne Linsenelemente 752. Die einzelnen Linsenelemente 752 sind gestaffelt, so daß zwischen jedem einzelnen Linsenelement 752 und der die Kollimationslinse bildenden Rückseite 753 unterschiedliche Mengen optischen Materials angeordnet sind. Diese unterschiedlichen Mengen optischen Werkstoffs haben eine ähnliche Wirkung wie die abgestuften optischen Plättchen 719 in 37B und schaffen daher unterschiedliche Brennweiten und gestaffelte Sehfeldtiefen 755 entlang paralleler Abtaststrahlen 758. Die polyoptische Linse 751 nach 38A besitzt daher eine zusammengesetzte Sehfeldtiefe, die der Sehfeldtiefe nach 37B ähnlich ist.
Eine weitere Ausführungsform einer optischen Anordnung ist in 38B gezeigt. Die Anordnung nach 38B ist der Anordnung nach 37C ähnlich, nur daß einige der in 37C gezeigten Einzelelemente zu einem gemeinsamen Element zusammengefaßt wurden. Eine polyoptische Linse 761 vereinigt Merkmale der in 37C gezeigten großen Kollimationslinse 727, des GRIN-Elements 729 und der Reihenanordnung von kleineren Linsen 721 zu einem einzigen Gebilde. Die Rückseite der polyoptischen Linse 761 ist entsprechend der Form der in 37C gezeigten Kollimationslinse 727 gekrümmt. Die in 37C gezeigte Reihenanordnung von kleineren Linsen 721 erscheint in 38B in Form einzelner Linsenelemente 762. Ein GRIN-Element 764 ist zwischen den einzelnen Linsenelementen 762 und der die Kollimationslinse nachbildenden Rückseite 763 eingebettet und schafft somit unterschiedliche Brennweiten und gestaffelte Sehfeldtiefen 765 entlang paralleler Abtaststrahlen 768. Die polyoptische Linse 761 nach 38B besitzt daher eine zusammengesetzte Sehfeldtiefe, die der Sehfeldtiefe nach 37C ähnlich ist.
Zwar zeigen die in den 36A bis 39B dargestellten Ansichten die betreffenden Anordnungen jeweils von einer Seite des CCD-Detektors, aber der CCD-Detektor kann auch um 90 Grad gedreht werden, so daß die Linsen oder sonstigen Lichtauffangorgane horizontal nebeneinander anstatt vertikal übereinander angeordnet sind und die Photodioden das aufgefangene Licht in ähnlicher Weise wie in der Anordnung nach 35A empfangen. Im allgemeinen ergibt eine horizontale Nebeneinanderanordnung eine größere Lichtausbeute, aber eine vertikale Übereinanderanordnung ergibt weniger Interferenzen zwischen Linsen oder Linsenelementen.
Die 39A und 39B sind alternative Ausführungsformen von optischen Anordnungen unter Verwendung gekrümmter Spiegel oder ähnlicher Elemente. Das optische System nach 39A umfaßt eine Reihenanordnung von gekrümmten (d.h. fokussierenden) Spiegeln 790, die in einer diagonalen Linie 791 unter einem Winkel θ bezüglich eines CCD-Detektors 792 angeordnet sind. Die Reihenanordnung von gekrümmten Spiegeln mit unterschiedlichen Brennweiten oder unterschiedlichen optischen Pfadlängen erzeugt – wie gezeigt – gestaffelte Sehfeldtiefen 793 entlang paralleler Abtaststrahlen 794. Der Aufbau nach 39A minimiert die Wirkungen chromatischer Aberration.
39B zeigt eine zu 39A ähnliche optische Anordnung, verwendet aber eine einzige, in mehreren Teilbereichen gekrümmte Fläche 796 anstelle einer Reihenanordnung von gekrümmten Spiegeln 790. Die durchgehende, in mehreren Teilbereichen gekrümmte Fläche 796 ist unter einem Diagonalwinkel bezüglich des CCD-Detektors 792 angeordnet und bietet dadurch – wie gezeigt – in einer zur Anordnung nach 39A ähnlichen Weise gestaffelte Sehfeldtiefen 797 entlang der parallelen Abtaststrahlen 798. Die Anordnung nach 39B minimiert ebenfalls die Wirkungen chromatischer Aberration.
Eine weitere Ausführungsform eines polyoptischen Linsensystems ist in den 40A bis 40D gezeigt. 40A ist eine Darstellung einer Seitenansicht einer polyoptischen Linse 780, die vor einem CCD-Detektor 782 angeordnet ist. Wie gezeigt, wird von einem fernen Punkt kommendes Licht von der polyoptischen Linse 780 aufgefangen und auf den CCD-Detektor fokussiert.
40B ist eine Darstellung einer Draufsicht auf dasselbe polyoptische System. Von fernen Punkten ankommendes Licht der parallel gerichteten Abtaststrahlen wird von je einem individuellen Linsenelement 783 aufgefangen und auf den CCD-Detektor 782 fokussiert. Vorzugsweise hat jedes der Linsenelemente 783 eine unterschiedliche Brennweite. 40C ist eine Darstellung einer Draufsicht auf dasselbe polyoptische System wie in 40B, zeigt aber eine Zielabtastzeile 784 für mehrere der individuellen Linsenelemente 783. Von einer Zielabtastzeile 784 reflektiertes Licht gelangt – wie gezeigt – durch einen axialen Punkt 785 eines individuellen Linsenelements 783 und wird auf den CCD-Detektor 782 projiziert. Infolge der Relativlagen der Linsenelemente 783 ist die Zielabtastzeile 784 für jedes individuelle Linsenelement 783 gegenüber den anderen Zielabtastzeilen 784 geringfügig versetzt. 40D zeigt eine Schrägansicht derselben Zielabtastzeilenerfassungsanordnung wie in 40C.
Eine bevorzugte mehrfokale Linse ist in den 41A bis 41C dargestellt. Eine Schrägansicht einer bevorzugten Linse 801 ist in 41A gezeigt. Die Linse 801 kann – wie gezeigt – kreissymmetrisch sein. Die rückseitige Fläche 801a der Linse 801 ist vorzugsweise sphärisch, während die vordere Fläche 801b vier verschiedene asphärische Krümmungen aufweist, wie unten beschrieben. Die Linse 801 nach 41A kann mit einer rechteckigen lichtundurchlässigen Maske versehen sein, die eine einer Blende ähnliche Funktion erfüllt. Alternativ kann die Blendenwirkung erzielt werden, indem die Linse 801 zugeschnitten wird, um eine zugeschnittene Linse 810 zu erhalten, wie in den 41B und 41C gezeigt. 41B zeigt eine Schrägansicht der zugeschnittenen Linse 810, während dasselbe zugeschnittene Linsenteil in 41C in einer Draufsicht dargestellt ist. Der Zuschnittwinkel wird so gewählt, daß ein Blickfeld von vorzugsweise 45 Grad ermöglicht wird.
Die Linse 801 umfaßt vier Zonen 802, nämlich eine Mittelzone 803 (Zone 1) und drei äußere ringförmige Zonen 804, 805 und 806 (Zonen 2 bis 4). Zone 1 ist vorzugsweise 10,82 mm (0,426 Zoll) breit, während die Zonen 2 bis 4 vorzugsweise jeweils 5,41 mm (0,213 Zoll) breit sind. Der Grundradius (d.h. der Radius des rückseitigen sphärischen Teils der Linse) beträgt vorzugsweise 84,967 mm. Der Abstand von der Linse 801 zu einem Bildaufnehmer (z.B. einem CCD-Detektor) beträgt vorzugsweise 34,85272 mm. Bevorzugte Brennweiten stehen in Tabelle 41-1. Tabelle 41-1

Zone Brennweite (mm)

1 48,3

2 76,2

3 122,0

4 191,0

Der Werkstoff der Linse 801 enthält vorzugsweise einen Kunststoff, z.B. Polystyrol, mit einem Brechungsindex von 1,59453059. Es folgen bevorzugte Abmessungen und weitere Kennwerte gemäß der Linsenzone 802. Zone 1:

Effektive Brennweite	23,4508 mm
Grundradius	16,80842 mm
Kegeligkeit	–0,8092686
Asphärische Koeffizienten
r²	2,57577·10^–3
r⁴	–1,923724·10^–5
r⁶	5,448919·10^–7
r⁸	–1,765304·10^–8
r¹⁰	–2,931042·10^–10
r¹²	–5,210294·10^–13
r¹⁴	1,652903·10^–13
r¹⁶	8,778694·10^–15

Zone 2:

Effektive Brennweite	28,087 mm
Grundradius	19,64043 mm
Kegeligkeit	–1,212117
Asphärische Koeffizienten
r²	4,823852·10^–4
r⁴	–4,101818·10^–7
r⁶	3,891872·10^–9
r⁸	–1,945451·10^–11
r¹⁰	–5,040134·10^–14
r¹²	–6,846745·10^–17
r¹⁴	4,655883·10^–19
r¹⁶	7,854166·10^–21

Zone 3:

Effektive Brennweite	32,0515 mm
Grundradius	26,37444 mm
Kegeligkeit	0,1965319
Asphärische Koeffizienten
r²	2,988976·10^–3
r⁴	–1,127446·10^–5
r⁶	–5,863206·10^–9
r⁸	8,905697·10^–13
r¹⁰	–1,472282·10^–14
r¹²	–7,391061·10^–17

Zone 4:

Effektive Brennweite	35,2546 mm
Grundradius	27,69962 mm
Kegeligkeit	0,1344306
Asphärische Koeffizienten
r²	1,1298197·10^–3
r⁴	–8,30275·10^–6
r⁶	–4,769432·10^–9
r⁸	–6,742774·10^–12
r¹⁰	–1,675321·10^–15
r¹²	–1,827999·10^–17
r¹⁴	–4,208912·10^–21

Eine bevorzugte Blendenbreite ist 1,092 mm (0,043 Zoll). Eine weitere Ausführungsform eines mehrfokalen optischen Systems umfaßt eine polyoptische Linse, bei der die Zonen mit längerer Brennweite einen eingeschränkten Sehfeldwinkel haben, wie dies z.B. dadurch erreicht werden kann, daß man einige der Aberrationen der Zone absichtlich unkorrigiert läßt, wodurch der Sehfeldwinkel für diejenige Zone beschränkt wird, in der eine klare Abbildung des Barcodes auf dem CCD-Detektor erzeugt wird. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist in 57 dargestellt, die eine polyoptische Linse 1160 mit drei Zonen zeigt, welche vor einem CCD-Detektor 1161 angeordnet ist. Indem selektiv Koma, Astigmatismus und seitliche chromatische Aberrationen unkorrigiert gelassen werden, wird eine polyoptische Linse 1160 geschaffen, die drei verschiedene Sehfelder 1162, 1163 und 1164 besitzt, nämlich eines pro Zone. Das Sehfeld 1162 für die erste Zone ist breit, um das Lesen von breiten Bildern (z.B. Barcode-Etiketten) im Nahbereich zu ermöglichen. Das Sehfeld 1163 für die zweite Zone ist schmaler als das erste Sehfeld 1162, und das Sehfeld 1164 für die dritte Zone ist noch schmaler als das zweite Sehfeld 1163. Durch zunehmende Verengung des Sehfelds für die entfernteren Brennbereiche bietet die polyoptische Linse 1160 nach 57 den Vorteil, daß ein versehentliches Lesen von Barcodes oder sonstiger Bilder, die vom Barcodeleser weit entfernt sind, minimiert wird und daß die Aberrationskorrektur in den Bereichen, in denen ein Lesen erwünscht ist, verbessert wird und dadurch die Auflösung erhöht wird.
Die 42A bis 42C sind alternative Ausführungsformen von optischen Anordnungen, die optische Verschlüsse verwenden, um Interferenzen zwischen den Zonen zu verringern oder zu beseitigen. Diese Ausführungsformen verwenden entweder mechanische oder elektro-optische Verschlüsse, damit nur eine (oder mehrere) Linsen gleichzeitig aktiv sind.
42A zeigt eine Anordnung von Linsen 830 in einem kreisförmigen Muster, wodurch eine polyoptische Reihenanordnung gebildet wird. Die Linsen 830 sind vor einem CCD-Detektor 832 angeordnet. Ein mechanischer Verschluß 834 ist vor der Linsenanordnung 830 angeordnet. Der Verschluß 834 kann mechanisch um eine (nicht dargestellte) Motorwelle gedreht werden. Der Verschluß 834 hat eine Öffnung (oder Blende) 835, die auf einer Kreisbahn umläuft, sobald auf die Motorwelle eine Antriebskraft ausgeübt wird. Im Betrieb schirmt der Verschluß 834 alle Linsen 830 bis auf eine Linse 830 (oder ggf. eine Gruppe von Linsen 830) ab, die durch die im Verschluß 834 befindliche Öffnung 835 Licht auffängt. Der Verschluß 834 wird gedreht, damit die Öffnung 835 der Reihe nach jede Linse 830 (bzw. Gruppe von Linsen 830) in der kreisförmigen Anordnung freigibt. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Linsen 830 miteinander interferieren.
42B ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform mit Verschlußmechanismus. In 42B ist eine Reihenanordnung von polyoptischen Linsen 840 in einer Linie angeordnet. Die Linsen 840 sind vor einem CCD-Detektor 842 angeordnet. Ein rechteckiger oder sonstiger geeignet gestalteter Verschluß 844 ist vor der Reihenanordnung von Linsen 840 angeordnet. Der Verschluß 844 hat eine Öffnung (d.h. Blende) 845, die es ermöglicht, daß zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur jeweils eine Linse 840 (oder – falls gewünscht – eine Gruppe von Linsen 840) in Betrieb ist. Der Verschluß 844 ist entlang der Achse 846 parallel zur Reihenanordnung von Linsen 840 beweglich und kann von einem Elektromagneten, einem Linearmotor oder einem mechanischen Nocken angetrieben sein (nicht dargestellt). Auf diese Weise kann die Stellung der Öffnung 845 von einer Linse 840 zur nächsten verschoben werden. Im Betrieb wird der Verschluß 844 entlang der Achse 846 parallel zu den Linsen 840 so angetrieben, daß die Öffnung 845 nacheinander vor der gewünschten Linse 840 bzw. Gruppe von Linsen 840 positioniert wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Linsen 840 miteinander interferieren.
42C ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform, die ein Verschlußverfahren verwendet. In 42C bildet eine polyoptische Reihenanordnung von Linsen 850 ein kreisförmiges Gruppenmuster der gezeigten Art oder kann ein beliebiges anderes geeignetes Muster bilden, das an eine gegebene LCD-Verschlußanordnung angepaßt ist. Eine LCD-Anordnung 854 ist vor der Reihenanordnung von Linsen 850 angeordnet. Die Linsen 850 sind vor einem CCD-Detektor 852 angeordnet. Die LCD-Anordnung 854 enthält eine Mehrzahl von elektronisch betätigten Verschlüssen 855. Jeder Verschluß 855 reagiert individuell auf ein elektronisches Verschlußsteuersignal aus einer (nicht dargestellten) Verschlußsteuereinheit. Die LCD-Verschlüsse 855 werden elektronisch der Reihe nach so angesteuert, daß zu jedem Zeitpunkt jeweils nur eine Linse 850 (oder ggf. eine Gruppe von Linsen 850) in Betrieb ist. Auf diese Weise interferieren die Linsen 850 nicht miteinander. Ein Vorteil der LCD-Anordnung 854 besteht darin, daß sie keine beweglichen Teile aufweist und daher die Zuverlässigkeit erhöhen kann.
Die vorstehend beschriebenen Verschlußverfahren können zusammen mit einem optischen, mehrere Brennebenen aufweisenden Lichtauffangsystem realisiert werden, das z.B. ein optisches System mit einem einzigen polyoptischen Element oder mit mehreren Elementen umfaßt.
Die Wirkungsweise der im Zusammenhang mit den 42A bis 42C beschriebenen Verschlußverfahren kann unter Bezugnahme auf die 23B und 23C erläutert werden, die – wie oben erwähnt – Kurven darstellen, welche die kleinstmögliche wiedergebbare Balkengröße über dem Abstand von der Linse auftragen. Wenn alle Linsen in den zuvor beschriebenen polyoptischen Reihenanordnungen nach den 42A bis 42C gleichzeitig in Betrieb sind, dann können in dem zusammengesetzten Sehfeld aufgrund von Interferenzen zwischen den Zonen Totzonen 472, wie sie in 23C gezeigt sind, auftreten, so daß ein Zielobjektbild von der Leseeinrichtung falsch identifiziert oder gänzlich verfehlt wird. Die Verschlußverfahren nach den 42A bis 42C stellen einen aufeinanderfolgenden Betrieb der einzelnen Linsen her und minimieren oder beseitigen dadurch Interferenzen zwischen den Zonen. Die Sehfeldtiefe für die Linsen ergibt sich – wie in 23B gezeigt – für jede einzelne Linse getrennt. Nachdem jedoch der Reihe nach alle gewünschten Linsen unter Verwendung der beschriebenen Verschlußverfahren zum Einsatz gebracht worden sind, wird die zusammengesetzte Sehfeldtiefe die Summe der individuellen Sehfeldtiefen, ohne den Effekt von Interferenzen zwischen den Zonen. Das Ergebnis ist eine viel größere effektive Sehfeldtiefe, als sie mit einer einzigen Linse oder ohne Verschlußverfahren möglich ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein mehrfokales optisches System, in dem Interferenzen zwischen den Zonen verringert sind, ist in den 56A und 56B gezeigt. Das in 56B dargestellte optische System enthält ein Linsensystem 1155 mit mehreren Elementen und eine Mehrzahl von photoempfindlichen Detektoren, wie z.B. zeilenförmige CCD-Anordnungen 1156. Das Mehrelemente-Linsensystem 1155 enthält drei Linsenelemente 1155a bis 1155c, die jeweils eine unterschiedliche Brennweite und ein unterschiedliches Sehfeld besitzen. Ein Vergleich der jeweiligen Sehfelder 1151 bis 1153 ist in 56Aa gezeigt. Das Nahbereichs-Sehfeld 1151 ist dem ersten Linsenelement 1155a zugeordnet; das mittlere Sehfeld 1152 ist dem zweiten Linsenelement 1155b zugeordnet; und das am weitesten in die Ferne reichende Sehfeld 1153 ist dem dritten Linsenelement 1155c zugeordnet. Die Linsenelemente 1155a bis 1155c können als eine gemeinsame polyoptische Linse oder als drei getrennte, nebeneinander angeordnete Linsen ausgebildet sein. Zwar sind drei Linsenelemente 1155a bis 1155c dargestellt, aber es können je nach Bedarf, abhängig von den Anforderungen an die Gesamt-Sehfeldtiefe, mehr oder weniger Linsenelemente verwendet werden.
Im Betrieb fokussiert jedes Linsenelement 1155a bis 1155c Licht auf eine andere der drei zeilenförmigen CCD-Anordnungen 1156a bis 1156c. So hat das erste Linsenelement 1155a eine Brennweite F1 und fokussiert Licht auf eine erste zeilenförmige CCD-Anordnung 1156a; das zweite Linsenelement 1155b hat eine Brennweite F2 und fokussiert Licht auf eine zweite zeilenförmige CCD-Anordnung 1156b; das dritte Linsenelement 1155c hat eine Brennweite F3 und fokussiert Licht auf eine dritte zeilenförmige CCD-Anordnung 1156c. Jede zeilenförmige CCD-Anordnung 1156a bis 1156c empfängt dadurch fokussiertes Licht von nur einem der Linsenelemente 1155a bis 1155c und empfängt ein Bild aus nur einer Brennebene. Dieses Verfahren erzielt eine Nicht-Interferenz zwischen den Linsenelementen 1155a bis 1155c, ähnlich wie bei den Verschlußverfahren, die oben im Zusammenhang mit den 42A bis 42C beschrieben wurden, aber mit dem Vorteil kürzerer Bildlesezeiten, da von den zeilenförmigen CCD-Anordnungen 1156a bis 1156c alle Brennebenen gleichzeitig oder parallel abgebildet werden.
Die beschriebenen Verfahren mit polyoptischen Linsen und Verschlüssen werden vorzugsweise in Verbindung mit den Blendentechniken genutzt, die an anderer Stelle der vorliegenden Beschreibung erläutert sind. Einige der verschiedenen Ausführungsformen können hinsichtlich ihrer Geschwindigkeits- und Sehfeldtiefen-Kennwerte wie folgt verglichen werden. Die Verwendung einer kleinen länglichen Blendenöffnung in Verbindung mit einem einzigen Brennpunkt erhöht die Geschwindigkeit im Vergleich zu einer kleinen runden Blendenöffnung, da die längliche Blende mehr Licht auffängt. Sowohl die längliche als auch die runde Blende ergeben eine relativ gute Sehfeldtiefe. Die Verwendung einer polyoptischen Linsenkonfiguration mit großen Blendenöffnungen ergibt sogar einen noch schnelleren Betrieb, kann aber infolge von Interferenzen innerhalb einer Linse oder zwischen den Linsen zu einer "lückenhaften" Sehfeldtiefe führen. Die Lücken in der Sehfeldtiefe können beseitigt werden, indem Verschlüsse oder mehrere CCD-Anordnungen verwendet werden (die – wie zuvor beschrieben – jeweils einem unabhängigen Linsenelement zugeordnet sind). Die Verwendung einer polyoptischen Linsenkonfiguration zusammen mit länglichen Blendenöffnungen ergibt sogar einen noch schnelleren Betrieb, kann aber ebenfalls zu einer lückenhaften Sehfeldtiefe führen. Wiederum können Verschlüsse oder Mehrfach-CCD-Anordnungen mit getrennten Linsen verwendet werden, um die Lücken in der Sehfeldtiefe zu verringern oder zu beseitigen.
Ein CCD-Detektor, der in Verbindung mit einigen der oben beschriebenen Linsen- und/oder Blendenkonfigurationen eingesetzt wird, kann bei kleinem Sättigungsgrad (z.B. 1% des Maximalwerts) betrieben werden, damit er schneller arbeiten kann (d.h. um höhere Lesegeschwindigkeiten zu erreichen). Ein Betrieb des CCD-Detektors unterhalb der Vollaussteuerung kann zu höherem Rauschen im System führen; daher kann korrelierte Doppelabtastung verwendet werden, um den Rauschpegel im System zu senken. Korrelierte Doppelabtastung kann auch in den Fällen nützlich sein, in denen keine eigene Beleuchtungsquelle verwendet wird, da der Eingangssignalpegel reduziert sein kann. Somit kann durch ausreichenden Lichteinfang und Betrieb in einer rauscharmen Umwelt ein CCD-Detektor das Umgebungslicht nutzen, um Bilder, wie z.B. Barcode-Etiketten, zu lesen.
Die hier beschriebenen optischen Verfahren können ganz oder teilweise in Verbindung mit den Techniken eines einstellbaren Brennpunkts eingesetzt werden, die in den US-Patenten 5 317 211 A und 5 479 011 A beschrieben sind und durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung übernommen werden.
In einer Vielzahl von Ausführungsformen kann das optische System so konfiguriert werden, daß eine Bilderfassung in mehreren Richtungen unter Verwendung einer einzigen Detektoranordnung möglich ist. Besonders wünschenswert ist eine Abtastung in mehreren Richtungen in Anwendungsfällen, bei denen die Leseeinrichtung fixiert ist und bei denen daher die gegenseitige Orientierung von Barcode und Leser in weiten Grenzen schwanken kann. Eine Ausführungsform eines optischen Systems, das ein Lesen unterschiedlich orientierter Bilder (z.B. Barcodes) erlaubt, ist in 58 gezeigt. Bei der Ausführungsform nach 58 werden zwei zylindrische Optikelemente (wie z.B. zylindrische Linsen 1172 und 1174) verwendet, um den Barcode 1175 abzubilden. Ein zylindrisches Optikelement (auch zylindrisches Drehfilter genannt) erzeugt nur in einer Achse eine erhebliche Bildmodulation und liefert daher nur in der zur Zylinderachse senkrechten Richtung eine Auflösung. Andererseits haben viele Arten von Codes insofern einachsige Eigenschaften, als sie Modulationsinformation nur in der zu den Balken senkrechten Richtung enthalten. Damit ein zylindrisches optisches Element einen Barcode auflösen kann, muß die Auflösungsrichtung angemessen auf die Modulationsrichtung des Barcodes ausgerichtet werden. Eine Verwendung von zwei zylindrischen Optikanordnungen, die unterschiedlich ausgerichtet sind, ermöglicht es, daß mehrere Bilder sich mit weniger Interferenz überlappen, und ermöglicht daher in einer Anordnung, wie sie in 58 gezeigt ist, ein Lesen von Bildern in mehreren Richtungen.
Dementsprechend sind in 58 die zylindrischen Linsen 1172, 1174 vorzugsweise so orientiert, daß ihre Achsen im wesentlichen rechtwinklig (d.h. orthogonal) zueinander verlaufen, damit eine zylindrische Linse 1174 ein in Horizontalrichtung gut aufgelöstes Bild und die andere zylindrische Linse 1172 ein in Vertikalrichtung gut aufgelöstes Bild erzeugt. Das Licht, das von der zylindrischen Linse 1174 horizontaler Achse aufgefangen wird, wird mittels einer Mehrzahl von bilddrehenden Spiegeln 1176 um näherungsweise 90° gedreht und dann mit dem Licht, das von der zylindrischen Linse 1172 vertikaler Achse kommt, mittels eines Strahlungsteilers 1178 vereinigt.
Das Gesamtergebnis sind zwei im wesentlichen orthogonale virtuelle Bildzeilen vor dem Barcodeleser oder, äquivalent, eine Überlagerung von zwei im wesentlichen orthogonalen Bildern des Barcodes 1175 auf dem CCD-Detektor 1170. Eines dieser Bilder wird ein gut aufgelöstes Bild des Barcodes 1175 sein, während das andere Bild nicht aufgelöst sein wird, sondern zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Beleuchtung (z.B. einem Durchschnittslichtpegel) auf dem CCD-Detektor 1170 führen wird und daher mit der Erfassung des gut aufgelösten Bildes nicht interferiert. Auf diese Weise können Barcodes 1175 (oder sonstige Bilder), die horizontal oder vertikal ausgerichtet sind, gelesen werden.
Verschiedene Abwandlungen können an der Ausführungsform nach 58 vorgenommen werden, um ihre Betriebsweise auf verschiedene Weise zu ändern. Zum Beispiel kann anstelle eines zeilenförmigen CCD-Detektors 1170 eine zweidimensionale CCD-Anordnung verwendet werden. Auch ist die Anzahl von zylindrischen Optikeinrichtungen nicht auf zwei beschränkt, sondern kann jede beliebige Zahl annehmen; ebenso braucht ihre gegenseitige Winkelausrichtung nicht 90° zu sein, sondern kann jeden geeigneten Winkel einnehmen. Das zylindrische Optikelement kann ein reflektierendes anstelle eines brechenden Elements sein, oder es können Kombinationen von zylindrischen und nicht-zylindrischen optischen Elementen verwendet werden, um die Empfangswinkel der Drehfilter zu ändern. Ferner können die Brennweiten eines mehrachsigen Systems so versetzt sein, daß Barcodes verschiedener Orientierung in unterschiedlichen Entfernungen vom Leser fokussiert werden, um die Sehfeldtiefe zu vergrößern.
In 59 ist ein einfaches einachsiges Filter gezeigt, das einzeln oder in mehreren Exemplaren verwendet werden kann, um zu erfassen, wann ein Barcode in einer bestimmten Orientierung ausgerichtet ist, z.B. zum Zweck der Steuerung weiterer barcodelesender Einrichtungen, die solche Informationen nutzen. Das einachsige Filter nach 59 besitzt eine vor einem zeilenförmigen CCD-Detektor 1180 angeordnete zylindrische Linse 1181 mit vertikaler Achse. Wenn ein Barcode 1182 in Richtung der zylindrischen Achse der zylindrischen Linse 1181 ausgerichtet ist, befindet sich das Barcodebild in seiner besten Auflösung. Das Ausgangssignal des CCD-Detektors 1180 kann mit einem Schwellenwert verglichen werden, um zu bestimmen, wann ein Barcode 1182 richtig vor dem CCD-Detektor 1180 ausgerichtet ist, so daß er gelesen werden kann.
In den 60A bis 60C ist eine weitere Ausführungsform eines optischen Systems gezeigt, das verschieden ausgerichtete Barcodes zu lesen erlaubt; verschiedene alternative flächige und zeilenförmige Sensoranordnungen sind in den 60D bis 60F dargestellt. 60A zeigt eine Schrägansicht des optischen Systems, während 60B eine Draufsicht und 60C eine Seitenansicht zeigen. Die Ausführungsform nach den 60A bis 60C umfaßt einen Strahlteilerwürfel 1202 (oder alternativ einen Membranstrahlteiler oder eine sonstige ähnliche Einrichtung), ein Paar von Spiegeln 1203, 1204 und Bilderfassungsbereiche 1215, 1216, auf denen ein oder mehrere bilderfassende Elemente (wie sie z.B. jeweils in den 60D bis 60F gezeigt sind) montiert sind. Der Strahlteilerwürfel 1202 umfaßt ein Paar von dreiecksprismenförmigen Strahlteilern, die an ihren Diagonalseiten miteinander verbunden sind, so daß sie – wie in 60A gezeigt – eine Würfelform bilden. Der Strahlteilerwürfel 1202 teilt das ankommende Barcodebild in zwei Pfade 1207 und 1208. Der erste Pfad 1208 geht in einer vertikalen Linie weiter und erreicht den Bilderfassungsbereich 1216. Der zweite Pfad 1207 erreicht den Spiegel 1203, der eine 90°-Drehung des Bildes bewirkt, und gelangt dann zum Spiegel 1204, der eine weitere 90°-Drehung des Bildes bewirkt, so daß dieser Pfad ebenfalls in einer vertikalen Linie 1209, parallel zum ersten Pfad 1208, ausgerichtet ist. Der vertikale Pfad 1209 erreicht den Bilderfassungsbereich 1215. Die Gesamtwirkung der optischen Anordnung ist in 60B dargestellt, die zwei um 90° gegeneinander verdrehte Versionen des Bildes zeigt, wobei die zwei Bildversion jeweils an einem der beiden vertikalen Pfade 1208 und 1209 nach unten geleitet werden.
Mehrere verschiedene Bilderfassungskonfigurationen, wie sie in den 60D bis 60F gezeigt sind, können in Verbindung mit dem optischen System nach den 60A bis 60C verwendet werden. 60D zeigt zwei CCD-Flächensensoren (d.h. zweidimensionale CCD-Anordnungen) 1217, 1218, die sich auf dem Bilderfassungsbereich 1215 bzw. 1216 befinden. Die CCD-Flächensensoren 1217, 1218 ermöglichen die Erfassung eines Barcodes oder sonstigen Bildes auf eine beliebige Art und Weise aus einer Reihe von im Stand der Technik bekannten Möglichkeiten.
60E zeigt eine alternative Anordnung, bei der sich auf dem Bilderfassungsbereich 1215 bzw. 1216 zwei zeilenförmige CCD-Anordnungen 1219, 1220 befinden. Die beiden zeilenförmigen CCD-Anordnungen 1219, 1220 werden ebenfalls dazu genutzt, das empfangene Bild zu erfassen. Die zeilenförmigen CCD-Anordnungen 1219, 1220 sind parallel zueinander angeordnet, da das auf die erste zeilenförmige CCD-Anordnung 1219 projizierte Bild gegenüber dem auf die zweite zeilenförmige CCD-Anordnung 1220 projizierten Bild um 90° verdreht ist; wenn die zeilenförmigen CCD-Anordnungen parallel zueinander angeordnet werden, erhöht sich daher die Wahrscheinlichkeit, daß das Bild wenigstens auf einer der zeilenförmigen CCD-Anordnungen 1219, 1220 richtig orientiert ist.
60F zeigt eine weitere alternative Anordnung, bei der eine einzige zeilenförmige CCD-Anordnung 1221 über beide Bilderfassungsbereiche 1215, 1216 hinweg, und zwar entlang ihrer gemeinsamen Diagonalen, angeordnet ist. Die Ausführungsform nach 60F erfordert im allgemeinen eine zeilenförmige Anordnung 1221, die größer als die zeilenförmigen CCD-Anordnungen 1219, 1220 in der Ausführungsform nach 60E ist, benötigt aber möglicherweise weniger Signalverarbeitung oder weniger Bauteile, da nur eine einzige zeilenförmige CCD-Anordnung ausgelesen und verarbeitet zu werden braucht.
Ein weiteres in mehreren Richtungen arbeitendes optisches System ist in 61A gezeigt. Das optische System 1225 empfängt Licht, das von einem Bild (z.B. einem Barcode) reflektiert wurde, und dreht das Bild unter Verwendung eines Winkeleinstellspiegels 1226 um 90°. Das gedrehte Bild wird dann an einem Spiegelkorb 1228 abgelenkt, der das projizierte Einzelbild in mehrere Segmente teilt, was zu einem Mehrsegmentmuster führt, das auf einen Photodetektor 1227 (z.B. eine oder mehrere zeilenförmige CCD-Anordnung(en) oder einen CCD-Flächensensor) projiziert wird. Aus einer anderen Perspektive gesehen, wird eine Bilderfassungszeile vom Photodetektor 1227 am Spiegelkorb 1228 abgelenkt und in mehrere Segmente geteilt, was zu einem sternförmigen Muster führt. Das sternförmige Muster 1229 wird durch den Winkeleinstellspiegel 1226 um 90° gedreht und in den Bildraum vor dem Barcodeleser projiziert, um virtuelle Bilderfassungszeilen in mehreren Richtungen auf einem zu lesenden Bild zu erzeugen.
Um das gewünschte Muster zu erzielen, hat der Spiegelkorb 1228 vorzugsweise einen ersten verspiegelten Bereich 1230 und ein Paar von zweiten verspiegelten Bereichen 1231, die zu beiden Seiten des ersten verspiegelten Bereichs 1230 befestigt sind und von diesem unter einem Winkel von 30° abgebogen sind. Der Spiegelkorb 1228 ist unter einem Winkel von 45° zur Horizontalen angeordnet, um das Bild um 90° zu drehen und gleichzeitig das sternförmige Muster 1229 zu erzeugen.
Obzwar die Ausführungsform nach 61A mehrere Bauteile in der Lichtauffangoptik aufweist, bietet sie den Vorteil, daß die Bilder, die zu den verschieden orientierten virtuellen Bilderfassungszeilen gehören, auf unterschiedliche Segmente des Photodetektors 1227 projiziert werden, wodurch die Möglichkeit von Interferenz zwischen verschiedenen Bilderfassungszeilen verringert oder ausgeschaltet wird.
Die Verwendung eines Spiegelkorbs kann bei der Ausführungsform nach 61B besonders nützlich sein, indem einem in der Hand zu haltenden Barcodeleser 1235, der im normalen, in der Hand gehaltenen Betrieb eine einzige virtuelle Bilderfassungszeile besitzt, in einer befestigten Stellung mehrere virtuelle Bilderfassungszeilen verliehen werden können. Der in der Hand zu haltende Barcodeleser 1235 wird an einer feststehenden optischen Projektionseinheit 1236 in eine (nicht dargestellte) Gabel gelegt. Die optische Projektionseinheit 1236 besitzt einen Winkeleinstellspiegel 1238 und einen Spiegelkorb 1237 (z.B. von der Art des Spiegelkorbs 1228), die unter einem Winkel von 45° angeordnet sind, um ein Bild (z.B. von einem Objekt, das über die feststehende optische Projektionseinheit 1236 gehalten wird) zu drehen und das Bild (in einem sternförmigen Muster) auf den Bilderfassungssensor innerhalb des handgehaltenen Barcodelesers 1235 zu projizieren. Die optische Projektionseinheit 1236 gibt dadurch dem handgehaltenen Barcodeleser 1235 effektiv die Fähigkeit zur Bilderfassung in mehreren Richtungen, selbst wenn der handgehaltene Barcodeleser 1235 als solcher nur ein einzeiliges Bilderfassungsgerät ist.
Eine weitere Ausführungsform eines Mehrrichtungslesers, die ein Lesen in mehreren Richtungen ermöglicht, verwendet einen Kaleidoskopspiegel zum Projizieren mehrerer gedrehter Bilder eines Barcodes auf eine Detektoranordnung, wie in den 62A bis 62F dargestellt. Wie in den 62A und 62B gezeigt, umfaßt ein Kaleidoskopspiegel 1250 zwei Spiegelelemente 1253, 1254, die entlang einer Kante miteinander verbunden sind und unter einem Winkel von 45° zueinander ausgerichtet sind, wobei die reflektierenden Seiten der Spiegelelemente 1253 und 1254 einander zugewandt sind. Ein Bild 1251, das in den vom Kaleidoskopspiegel 1250 gebildeten "Tunnel" projiziert wird, hat zur Folge, daß an einem Detektor 1252 am entgegengesetzten Ende des Kaleidoskopspiegels eine Mehrzahl von Bildern entsteht, wie in den 62B und 62C gezeigt. Eine Mehrzahl von Bilderfassungs-"Zonen" 1259 wird im Bereich des Detektors 1252 gebildet, wobei in jeder Zone eine unter einem anderen Winkel ausgerichtete Version des Originalbildes 1256 vorliegt. Die Gesamtanzahl (N_I) von projizierten Bildduplikaten 1257 ist im allgemeinen durch die Gleichung N_I = 360°/A_K gegeben, worin A_K der Winkel zwischen den Kaleidoskopspiegeln 1253, 1254 ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Winkel A_K = 45°, somit ist die Anzahl an projizierten Bildern gleich acht.
In den Fällen, in denen der Detektor 1252 als CCD-Flächensensor ausgeführt ist, hat die Kaleidoskopspiegel-Ausführung nach den 62A und 62B den Vorteil, daß sie eine relativ einfache Signalverarbeitung des Ausgangssignals des CCD-Flächensensors erlaubt, ohne komplexe Algorithmen zum Bestimmen der Bildlage zu erfordern. Die Daten aus dem CCD-Flächensensor können linear in einer festgelegten Richtung (d.h. zeilenweise) ausgelesen werden, und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß eines der projizierten Bildduplikate 1257 sich in einem hinreichend horizontalen Winkel bezüglich des CCD-Flächensensors befindet, um die Erkennung des Bildes (z.B. eines Barcodes) zu erlauben.
Die 62D bis 62F zeigen Beispiele für einige der verschiedenen Relativlagen, welche die projizierten Bildduplikate 1257 einnehmen können. Das gerade Pfeilsymbol "→" in den 62D bis 62F stellt jeweils den Orientierungswinkel der projizierten Bildduplikate dar. In 62D ist das ursprüngliche Bild 1263 in Vertikalrichtung bezüglich des CCD-Flächensensors orientiert, aber ein Bildduplikat 1261 wird vom Kaleidoskopspiegel 1250 in Horizontalrichtung projiziert. In 62E ist das ursprüngliche Bild 1264 flacher als vertikal (z.B. unter ungefähr 67°) ausgerichtet, und ein anderes Bildduplikat 1262 aus einer anderen Bildzone 1259 ist nahezu horizontal ausgerichtet, so daß eine Erkennung unter Verwendung der CCD-Sensoranordnung möglich ist. 62F zeigt den theoretisch "schlimmsten Fall", in dem das ursprüngliche Bild um 45° gegenüber der Horizontalrichtung gekippt ist. In diesem Fall sind alle projizierten Bildduplikate 1257 ungefähr gleich schwierig von der CCD-Sensoranordnung zu erkennen, und die Fähigkeit, irgendeines der projizierten Bilder 1257 zu erkennen, wird zum Teil von den Toleranzen der Signalverarbeitungs- und Erkennungselektronik und -Intelligenz abhängen.
Damit ein Barcodeleser mit Umgebungslicht richtig funktioniert, sollte vorzugsweise ein ausreichender Abstand zwischen dem Barcode und dem optischen System aufrechterhalten werden, damit das Umgebungslicht den Barcode erreichen kann. Wenn das Lesegerät und der Barcode zu nahe zusammengebracht werden, kann der Barcode durch das Lesegerät oder den barcodetragenden Gegenstand so stark abgeschattet werden, daß der Barcode im Umgebungslicht unlesbar wird. Mehrere Abwandlungen können am Barcodeleser vorgenommen werden, um die das Barcode-Etikett erreichende Umgebungslichtmenge zu steigern. Eine mögliche Abwandlung, wie sie in 63 veranschaulicht ist, umfaßt einen optisch durchlässigen Abstandshalter 1303, der von dem das optische System enthaltenden Gehäuse 1301 vorsteht. Der optisch durchlässige Abstandshalter 1303 stellt sicher, daß zwischen dem Lesegerät und dem Barcode ein angemessener Mindestabstand eingehalten wird, und ermöglicht gleichzeitig, daß Umgebungslicht zum Barcode gelangt. Der optisch durchlässige Abstandshalter 1303 kann transparent sein oder undurchsichtige oder feste Bestandteile mit Lücken aufweisen (z.B. zwei undurchsichtige oder feste Wände und zwei fehlende Wände). Umgebungslicht 1311, das durch den transparenten oder undurchsichtigen Werkstoff bzw. die Lücken des optisch durchlässigen Abstandshalters 1303 eintritt, wird an einer optisch streuenden Oberfläche 1306 (die eine stärker reflektierende Fläche ist) vor dem Gehäuse 1301 reflektiert; dadurch wird Umgebungslicht 1312 am Gehäuse 1301 reflektiert und auf den Barcode 1310 geworfen. Das vom Barcode 1310 reflektierte Umgebungslicht wird in der Empfängeröffnung 1305 aufgefangen und vom optischen System gesammelt.
Der optisch durchlässige Abstandshalter 1303 kann an seiner Vorderseite (d.h. der vom Gehäuse 1301 abgewandten Seite) wahlweise mit einem transparenten Fenster 1304 versehen sein. Bei in der Hand zu haltenden Lesegeräten kann der optisch durchlässige Abstandshalter 1303 die Form einer transparenten "Nase" an der Vorderseite des Lesegeräts annehmen. Alternativ kann eine undurchsichtige "Nase" verwendet werden, in der Abschnitte fehlen, um den Eintritt von Umgebungslicht in den Raum zwischen dem Lesegerät und dem balkencodierten Gegenstand 1309 zu ermöglichen. In beiden Fällen ist das Fenster 1304 nicht unbedingt erforderlich, wahlweise aber doch verwendbar, um Schutz zu bieten. In Anwendungsfällen mit feststehendem Barcodeleser, insbesondere wenn der Barcodeleser ein horizontal angeordnetes optisches Vorderende hat und zu lesende Gegenstände darüber gehalten werden, wird ein transparentes Fenster 1304 bevorzugt, um Gegenstände vom optischen Vorderende fernzuhalten. In jedem Fall verhindert der optisch durchlässige Abstandshalter 1303 mechanisch, daß das balkencodierte Objekt 1309 zu nahe an das Lesegerät herangebracht wird und den Zutritt von Umgebungslicht ganz unterbindet; und die transparenten, durchscheinenden oder fehlenden Bereiche des optisch durchlässigen Abstandshalters 1303 ermöglichen es dem Umgebungslicht 1311, in den Raum zwischen dem balkencodierten Gegenstand 1309 und dem optischen Lichtauffangsystem einzutreten und den angebrachten Barcode 1310 zu beleuchten. Der Abstandshalter 1303 begrenzt auch den erforderlichen Bereich für die Sehfeldtiefe.
Eine allein oder in Kombination mit dem optisch durchlässigen Abstandshalter 1303 verwendbare zweite Anordnung zum Steigern des Umgebungslichts im Nahbereich oder für abgeschattete Barcodes besteht in einer streuungsoptischen Vorderfläche, die auf dem Barcodeleser (mit Ausnahme des optischen Lichtauffangsystems) angeordnet wird, wie z.B. in 64A gezeigt. Die in 64A gezeigte streuungsoptische Vorderfläche 1320 kann aus einer Vielzahl von Werkstoffen hergestellt sein, darunter – aber nicht darauf beschränkt – aus aufgerauhtem weißen Kunststoff, aufgerauhtem klaren Kunststoff oder gebürstetem Metall. Wie in 64b gezeigt, streut die streuungsoptische Vorderfläche 1320 einen Teil des einfallenden Umgebungslichts in die Richtung des Barcodes 1321 zurück und erhöht dadurch den Beleuchtungspegel am Barcode 1321. Eine Öffnung 1325 im Streuelement 1320 ermöglicht es, daß das reflektierte Umgebungslicht durch eine Linse 1326 (z.B. eine beliebige der hier beschriebenen mehrfokalen oder polyoptischen Linsen) aufgefangen und auf einen CCD-Detektor 1327 fokussiert wird. 64C zeigt zum Vergleich eine Situation, in der eine Umgebungslichtquelle 1330 die Rückseite eines balkencodierten Gegenstands 1331 trifft, was zur Folge hat, daß der Barcode 1332 bezüglich des Barcodelesers 1335 abgeschattet ist und der Zutritt einer für ordnungsgemäßen Betrieb des Lesegeräts ausreichenden Umgebungslichtmenge behindert wird.
Das optische Licht- und Bilderfassungssystem kann in einer Betrachtungsweise so angesehen werden, als würde es ein oder mehrere Abbildungen der Detektoranordnung(en) in das vor dem Barcodeleser abgetastete Raumvolumen projizieren und dabei eine oder mehrere virtuelle Abtastzeilen erzeugen. Um einen Barcode zu lesen, wird eine dieser Abtastzeilen vorzugsweise auf den Barcode projiziert. Dieses Zielen kann umso schwieriger werden, je mehr die Sehfeldtiefe des Barcodelesers zum Beispiel durch Verwendung der hier beschriebenen mehrfokalen Bilderfassungsverfahren verlängert wird. Um die richtige gegenseitige Positionierung des Barcodes und des Lesegeräts zu erleichtern, können eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs: Light Emitting Diodes) oder ähnliche Bauelemente als Zeigereinrichtung verwendet werden. Ein bevorzugtes LED-Zeigersystem ist in den 65A und 65B dargestellt, die eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht bieten.
Die Ausführungsform nach den 65A und 65B enthält eine Leuchtdiode 1350 (z.B. eine LED der "superhellen" Bauart), eine Gehäusewand 1352 mit einer Blende oder einem Schlitz 1351, ein holographisches (oder sonstiges) Streuelement 1353, das so angeordnet ist, daß es den Schlitz 1351 verdeckt, und eine Kunststofflinse 1355, die vor dem Schlitz 1351 in einer Verlängerungslinie der LED 1350 angeordnet ist. Im Betrieb wird von der LED 1350 kommendes Licht durch das holographische Streuelement 1353 gestreut und beleuchtet dadurch gleichmäßig die Fläche des Schlitzes 1351. Licht, das durch den Schlitz 1351 und das holographische Streuelement 1353 tritt, gelangt danach durch die Kunststofflinse 1355, die als Zeigeroptik oder zeigeroptisches System dient, um das aus dem beleuchteten Schlitz 1351 austretende Licht auf einen Punkt abzubilden, der im Raum mit der projizierten Abtastzeile zusammenfällt. Ohne das holographische Streuelement 1353, das eine gestreute und relativ gleichmäßige Beleuchtung aus dem Schlitz 1351 sicherstellt, könnte das Leuchtdiodenlicht ansonsten ungleichmäßig erscheinen und ein Abbild des als Träger der LED 1350 verwendeten LED-Chips (einschließlich seiner Bonddrähte) erzeugen.
Vorzugsweise werden zwei Zeiger-Leuchtdioden nach Art der LED 1350 verwendet, und zwar je eine an den beiden Seiten des Bildaufnehmers (wie in 46A oder 48) oder alternativ über oder unter dem Bildaufnehmer angeordnet. Die Zeiger-LEDs werden nicht dazu verwendet, den Barcode zum Lesen zu beleuchten, sondern dienen nur zur Unterstützung des Bedieners des Barcodelesers beim richtigen Positionieren des balkencodierten Gegenstands bezüglich des Lesers. Die richtige Positionierung kann daran erkannt werden, daß in der Nähe des Barcodes ein stärker fokussiertes Abbild des Zeigerschlitzes 1351 erscheint. 65C ist eine Darstellung zur Veranschaulichung verschiedener Zeigerschlitzformen in unterschiedlichen Entfernungen. Wie in 65C gezeigt, erscheinen die beleuchteten Zeigerschlitze im Nahbereich als relativ kleine, voneinander beabstandete Punkte 1360, im mittleren Sehfeldbereich als größere längliche, näher beabstandete Formen 1361, und im Fernbereich als eine gemeinsame größere längliche Form 1362. Die Zeiger-Leuchtdiode(n) 1350 werden vorzugsweise entsprechend dem Bilderfassungszyklus zyklisch ein- und ausgeschaltet, wobei sie – solange vom Bildaufnehmer gerade ein Bild des Barcodes erfaßt wird – ausgeschaltet sind, damit die Zeigerlichtstrahlen nicht die Bilderfassung stören. Alternativ kann ein (nicht dargestelltes) optisches Kerbfilter verwendet werden, um zu verhindern, daß zurückgestreutes LED-Zeigerlicht die CCD-Detektoranordnung erreicht.
Für das oben beschriebene LED-Zeigersystem können verschiedene Abwandlungen und alternative Bauformen verwendet werden. Zum Beispiel verwendet eine alternative Ausführungsform wenigstens zwei Zeiger, die auf verschiedene Raumpunkte fokussiert sind. Eine weitere alternative Ausführungsform verwendet anstelle eines Streuelements 1353 eine (nicht dargestellte) zusammengesetzte optische Anordnung mit einem Parabolkonzentrator. Mehrere weitere alternative Ausführungsformen richten sich insbesondere darauf, den Wirkungsgrad der Auskopplung des LED-Lichts aus dem optischen Zeigersystem zu erhöhen. Eine solche Ausführungsform enthält eine (nicht dargestellte) zylindrische Linse, die vor der LED 1350, aber hinter dem Streuelement 1353 und einer schlitzförmigen Zeigerblende 1351 angeordnet ist, wobei die zylindrische Linse dazu dient, einen größeren Teil des von der LED 1350 ausgesandten Lichts auf die Zeigerblende 1351 zu lenken (wodurch die benötigte LED-Leistung gesenkt wird). Eine andere Ausführungsform, mit der ein ähnliches Ziel erreicht wird, enthält einen (nicht dargestellten) Lichtleiter, der die LED 1350 bedeckt und das Lichtbündel so formt, daß es der Gestalt der Zeigerblende 1351 entspricht. Der Lichtleiter kann ein streuendes Ende aufweisen, so daß er auch das Streuelement 1353 ersetzen könnte.
Die hier beschriebenen Verfahren können in Verbindung mit Flächenabbildungsverfahren genutzt werden, wie sie z.B. im US-Patent 5 446 271 A mit der Bezeichnung "Omni-directional Scanning Method and Apparatus" [Verfahren und Einrichtung zum Abtasten in allen Richtungen] offenbart sind, welches hiermit durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. So kann eine flächenerfassende Einrichtung geschaffen werden, die unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen eine gesteigerte Arbeitsgeschwindigkeit besitzt oder in der Lage ist, in Umgebungslicht ohne Quelle für eine selbsterzeugte Beleuchtung zu arbeiten. Auch können die Mehrrichtungs-Leseverfahren, die einen mehrdimensionalen CCD-Flächensensor und virtuelle Abtastzeilen verwenden, in den hier beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung von CCD-Flächensensoren eingesetzt werden.
Nachdem ein Zielobjektbild durch den optischen Eingangsteil verarbeitet und vom CCD-Detektor erfaßt worden ist, so daß ein CCD-Video-Ausgangssignal entsteht, wird das CCD-Signal auf verschiedenste Weise verarbeitet. Das CCD-Ausgangssignal selbst kann als Teil eines automatischen oder adaptiven Belichtungssystems genutzt werden, um die Belichtungszeit des CCD-Detektors einzustellen, wie unten näher beschrieben. Das CCD-Ausgangssignal kann auch verarbeitet werden, um die Stellen von Balken und Zwischenräumen zu bestimmen und Barcodes oder sonstige Symbole zu erkennen, wie ebenfalls unten näher erörtert.
43A zeigt eine Ausführungsform eines adaptiven Belichtungssystems nach einem oder mehreren Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung. 43B ist eine Darstellung exemplarischer Signalverläufe in der Ausführungsform nach 43B.
In 43A ist ein Impulskammoszillator 900 gezeigt, der einen Schmitt-Trigger U7A enthält, dessen Eingangsknoten 901 über einen Kondensator C9 mit Masse 902 verbunden ist. Der Eingangsknoten 901 des Schmitt-Triggers U7A ist über eine Diode D3 und einen Widerstand R26, die in Reihe zueinander liegen, mit dem Ausgangsknoten 903 des Schmitt-Triggers U7A verbunden. Der Eingangsknoten 901 ist ferner mit einer weiteren Diode D2, die entgegengesetzt zur Diode D3 gepolt ist, und danach mit einem Widerstand R22 und dann mit dem Ausgangsknoten 903 des Schmitt-Triggers U7A verbunden.
Das Ausgangssignal des Impulskammoszillators 900 enthält am Punkt A ein periodisches Signal 920, z.B. wie in 43B gezeigt. Die periodische Signalform 920 kann eine Periode von z.B. 30 Millisekunden haben und einen 200 Mikrosekunden breiten, ins Negative gehenden Impuls 921 aufweisen. Der Kondensator C9 kann z.B. eine Kapazität von 0,1 μF, der Widerstand R22 einen Widerstandswert von 910 Ohm und der Widerstand R26 einen Widerstandswert von 4,3 kOhm haben. Der Ausgangsimpuls des Signals 920 ist grundsätzlich positiv, solange sich der Kondensator C9 über den Widerstand R22 auflädt, und negativ, solange sich der Kondensator C9 über den Widerstand R26 entlädt.
Der Impulskammoszillator 900 ist mit einer monostabilen Kippstufe 905 verbunden. Die monostabile Kippstufe 905 enthält einen Kondensator C2, der in der gezeigten Weise mit einem Anschluß einer Photodiode D1 verbunden ist. Der andere Anschluß der Photodiode D1 liegt an Masse 902. Die Photodiode D1 ist vorzugsweise bei oder nahe dem CCD-Detektor angeordnet, so daß sie die aus dem optischen System empfangene Lichtmenge erfassen kann. Der Kondensator C2 ist mit dem Eingangsknoten 906 eines Schmitt-Triggers U7B verbunden. Der Kondensator C2 kann z.B. eine Kapazität von 0,02 μF haben.
Im Betrieb steuert der Impulskammoszillator 900 den Kondensator C2 und die Photodiode D1 an. Die Form des am Punkt B vorliegenden Signals 924 und die Form des sich am Punkt C ergebenden Ausgangssignals 926 der monostabilen Kippstufe 905 sind in 43B dargestellt. Die Leitfähigkeit der Photodiode D1 steuert die Ausgangsimpulsbreite 927 der monostabilen Kippstufe 905 und dadurch das Tastverhältnis der Schwingung am Punkt C. Wenn die Photodiode D1 eine relativ große Lichtmenge empfängt, hat das Ausgangssignal 926 am Punkt C einen relativ schmalen negativen Impuls (z.B. ein Tastverhältnis von fast 100%). Wenn die Photodiode D1 eine relativ kleine Lichtmenge empfängt, hat das Ausgangssignal 926 einen relativ breiten negativen Impuls (z.B. ein Tastverhältnis von fast 0%).
Der Ausgang der monostabilen Kippstufe 905 ist mit zwei weiteren monostabilen Kippstufen 908 und 910 verbunden. Die beiden monostabilen Kippstufen 908, 910 weisen eine ähnliche Konfiguration auf. Die monostabile Kippstufe 908 enthält an ihrem Eingang einen Kondensator C13. Der Kondensator C13 liegt über einen Widerstand R11 an Masse und über einen anderen Widerstand R13 an einem Schmitt-Trigger U7F. Der Kondensator C13 kann z.B. eine Kapazität von 0,001 μF haben, und die beiden Widerstände R11 und R13 können z.B. jeweils einen Widerstandswert von 1 kOhm haben. Die andere monostabile Kippstufe 910 ist in ähnlicher Weise mit einem Kondensator C10, Widerständen R23 und R25 und einem Schmitt-Trigger U7D aufgebaut, nur daß der Widerstand R25 einen größeren Widerstandswert als der Widerstand R11 hat, nämlich z.B. 3,3 kOhm.
Der Ausgang der monostabilen Kippstufe 908 ist mit einer weiteren monostabilen Kippstufe 912 verbunden, die in ähnlicher Weise mit einem Kondensator C7, Widerständen R8 und R9 sowie einem Schmitt-Trigger U7C aufgebaut ist. Das am Punkt F anstehende Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 912 ist das Auslesesteuersignal 913 (ROG: read-out gate), dessen Funktion unten erläutert wird. Vorzugsweise erzeugen die monostabilen Kippstufen 908 und 912 jeweils einen festgelegten Impuls von ungefähr 1 Mikrosekunde Dauer, während die monostabile Kippstufe 910 vorzugsweise einen festgelegten Impuls von ungefähr 3 Mikrosekunden Dauer erzeugt.
Das Verschlußsignal am Punkt H ist eine Funktion der Ausgangssignale der beiden monostabilen Kippstufen 905 und 910. Das am Punkt C vorliegende Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 905 und das am Punkt G vorliegende Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 910 werden über eine ODER-Verknüpfung herstellende Dioden D4 und D5 zu einer Verschluß-Ausgangsimpulsstufe 914 zusammengeführt. Die Verschluß-Ausgangsimpulsstufe 914 enthält ein Transistor-Netzwerk mit einem Transistor Q1, dessen Basis 916 über einen Widerstand R27 mit beiden Dioden D4, D5 verbunden ist. Die Dioden D4 und D5 liegen über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R28 und einem Kondensator C3 an der Bezugsspannung 917 (z.B. 5 Volt). Der Kollektor 918 des Transistors Q1, der am Punkt H das Verschlußsignal 915 erzeugt, liegt über einen Widerstand R30 an der Bezugsspannung 917. Die Basis 916 des Transistors liegt über einen Widerstand R29 an Masse 902, während der Emitter 919 des Transistors Q1 unmittelbar an Masse 902 liegt.
Durch die ODER-Verknüpfungsfunktion der Dioden D4 und D5 enthält das (in 43B als Signal 938 gezeigte) Verschlußsignal 915 eine Folge von Impulsen 939, die von einem niedrigen zu einem hohen Zustand wechseln, sobald der negative Impuls der monostabilen Kippstufe 905 beginnt, und hoch bleiben, bis der negative Impuls der monostabilen Kippstufe 910 zu Ende geht. Die Wirkung ist die eines Oszillators variablen Tastverhältnisses, wobei sich das Tastverhältnis entsprechend dem von der Photodiode D1 aufgefangenen Licht ändert.
Die tatsächliche Belichtungsdauer 940 ist, wie in 43B gezeigt, etwas kürzer als die Dauer der im Verschlußsignal 938 vorhandenen Impulse 939. Die Belichtungsdauer 940 wird am Beginn jedes Impulses 939 des Verschlußsignals 938 gestartet, wird aber durch den ROG [read-out gate]-Signalimpuls 935 beendet, der im Signal 934 nach 43B gezeigt ist. Der ROG-Impuls 935 beendet die Belichtungsdauer 940, indem er eine Ladungsverschiebung aus den Bildpunkten der CCD-Anordnung in die CCD-Schieberegister auslöst. Solange das Verschlußsignal 938 auf hohem Pegel steht, fangen die Bildpunkte Licht auf. Solange das Verschlußsignal 938 niedrig ist, sind die Bildpunkte kurzgeschlossen; jedoch beendet der ROG-Impuls 935 grundsätzlich die Aufnahme von Licht, bevor das Verschlußsignal 938 vom hohen zum niedrigen Zustand wechselt.
Die monostabilen Kippstufen 908, 910 und 912 stellen sicher, daß der die Belichtungsdauer 940 beendende ROG-Impuls 935 deutlich unmittelbar vor das Ende des Verschluß-Impulses 939 fällt, und zwar zu einer Zeit, zu der die Taktung zur CCD-Anordnung gesperrt ist. Die monostabile Kippstufe 910 erzeugt eine 3 Mikrosekunden lange Taktsperrphase 937, an deren Ende der Verschluß-Impuls 939 grundsätzlich endet. Gleichzeitig mit dem Beginn der 3 Mikrosekunden langen Phase 937 bewirkt die monostabile Kippstufe 908 eine 1 Mikrosekunde lange Verzögerung, nach der die monostabile Kippstufe 912 den ROG-Impuls 935 erzeugt. Somit fällt der ROG-Impuls 935 auf einen Zeitpunkt in der Mitte der von der monostabilen Kippstufe 910 vorgegebenen, 3 Mikrosekunden langen Phase 937 und unmittelbar vor das Ende des Verschluß-Impulses 939. Das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 910 sperrt die Taktung zur CCD-Anordnung zu dem Zeitpunkt, zu dem der ROG-Impuls 934 erscheint.
Die in 43A gezeigte Schaltung zur adaptiven Belichtung liefert somit eine Belichtungszeit, die sich auf der Grundlage der Lichtmenge ändert. Wenn es mehr Licht gibt, wird die Belichtungsdauer 940 kürzer, und wenn es weniger Licht gibt, wird die Belichtungsdauer 940 länger (z.B. bis zu 30 Millisekunden).
Die 44A und 44B zeigen alternative Konfigurationen eines optischen Systems, das einen Schaltkreis zur adaptiven Belichtung verwendet.
In 44A erzeugt ein CCD-Chip 950 ein Video-Ausgangssignal 956, das an einen Vorverstärker 951 gelegt ist. Das vorverstärkte Signal 952 liegt an einem Spitzenwertdetektor 954, der den von Spitze zu Spitze gemessenen Wert des vorverstärkten Videosignals 952 erfaßt. Das Spitze-Spitze-Signal 957 wird einer Belichtungssteuerschaltung 955 zugeführt, welche die Belichtungsdauer für den CCD-Chip 950 einstellt. Die Belichtungssteuerschaltung 955 ist ähnlich wie die Belichtungssteuerschaltung nach 43A aufgebaut, verwendet aber zur Steuerung der Belichtungsdauer nicht das mittels einer Photodiode D1 gemessene aufgefangene Licht, sondern das Spitze-Spitze-Signal 957.
44B zeigt ein alternatives adaptives Belichtungsverfahren, das dem Verfahren nach 44A ähnlich ist, aber im Unterschied zu vorher wird zur Steuerung der Belichtungsdauer des CCD-Chips der Spitze-Spitze-Signalpegel der ersten Ableitung des Videosignals verwendet. In 44B erzeugt ein CCD-Chip 960 ein Video-Ausgangssignal 967, das an einen Vorverstärker 961 gelegt ist. Das vorverstärkte Signal 966 wird einem signalverarbeitenden Block 962 zugeführt. Der signalverarbeitende Block 962 erzeugt eine erste Ableitung des vorverstärkten Signals 966. Das die erste Ableitung darstellende Signal 963 wird einem Spitzendetektor 964 zugeleitet, der den Spitze-Spitze-Wert des die erste Ableitung darstellenden Signals 963 mißt. Das Spitze-Spitze-Signal 968 wird einer Belichtungssteuerschaltung 965 zugeführt, welche die Belichtungsdauer für den CCD-Chip 960 einstellt. Die Belichtungssteuerschaltung 965 ist in ähnlicher Weise wie die Belichtungssteuerschaltung nach 43A aufgebaut, verwendet aber zur Steuerung der Belichtungsdauer nicht das von einer Photodiode D1 gemessene aufgefangene Licht, sondern das Spitze-Spitze-Signal 968, das aus der ersten Ableitung des Videosignals erzeugt wird.
Sobald das Videosignal gewonnen ist, können Änderungen des Videosignals auf eine beliebige von mehreren bekannten Arten erfaßt werden. Zum Beispiel können Änderungen des Videosignals dadurch erfaßt werden, daß eine zweite Ableitung des Videosignals gebildet wird und in ausgewählten Zeitintervallen Nulldurchgänge des die zweite Ableitung darstellenden Signals gefunden werden. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel im US-Patent 4 000 397 A beschrieben, das die Bezeichnung "Signal Processor Method and Apparatus" [Verfahren und Einrichtung für einen Signalprozessor] trägt und auf den Namen von Hebert et al. erteilt wurde; dieses Patent wird hiermit durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
Eine Schaltung zur Erfassung der zweiten Ableitung ist in 45A gezeigt. Verläufe von Signalen, die zur Schaltungsanordnung nach 45A gehören, sind in 45B dargestellt. In 45A empfängt ein Tiefpaß-Rekonstruktionsfilter 971 ein Video-Eingangssignal 972 aus einem CCD-Chip 973. Das Video-Eingangssignal 972 kann entsprechend dem Inhalt der CCD-Anordnung eine Mehrzahl von treppenförmig gestuften Spannungspegeln enthalten, wie im Signalverlauf 990 der 45B dargestellt. Das Video-Eingangssignal 972 kann durch eine optionale Verstärkungsstufe 974 geleitet werden, bevor es in das Tiefpaßfilter 971 gespeist wird. Das Tiefpaß-Rekonstruktionsfilter 971 glättet das Video-Eingangssignal 972 zu einem glatteren, stetigeren Signal, wie z.B. dem in 45B gezeigten Signal 922.
Das tiefpaßgefilterte Signal 975 wird an eine Differenzierschaltung 976 gelegt, die eine erste Ableitung 979 des tiefpaßgefilterten Signals 975 erzeugt. Die erste Ableitung 979 wird an eine weitere Differenzierschaltung 978 gelegt, die eine weitere Ableitung bildet und somit eine zweite Ableitung 980 des tiefpaßgefilterten Signals 975 erzeugt. Das die erste Ableitung darstellende Signal 979 entspricht der in 45B aufgetragenen Kurve 994, während das die zweite Ableitung darstellende Signal 980 der in 45B aufgetragenen Kurve 996 entspricht.
Das die erste Ableitung darstellende Signal 979 wird auch einem Spitzendetektor 981 zugeführt, der den Spitzenwert des die erste Ableitung darstellenden Signals 979 erfaßt und dadurch ein Schwellensignal 977 erzeugt. Das Schwellensignal 977, das die erste Ableitung darstellende Signal 979 und das die zweite Ableitung darstellende Signal 980 werden einem Vergleichslogikblock 982 zugeführt. Der Vergleichslogikblock 982 erfaßt Nulldurchgänge des die zweite Ableitung darstellenden Signals 996 (das in 45B gezeigt ist), indem er das die zweite Ableitung darstellende Signal mit einem Nullspannungspegel vergleicht. Die Nulldurchgänge werden als gültige Übergänge betrachtet, wenn sie erfolgen, während das die erste Ableitung darstellende Signal 979 den (positiven oder negativen) Pegel des Schwellensignals 977 übersteigt. Auf diese Weise vergleicht der Vergleichslogikblock 982 das die erste Ableitung darstellende Signal 979 mit den durch das Schwellensignal 977 definierten (positiven oder negativen) Schwellenwerten 987, 988 und erkennt einen Übergang als gültig an, wenn das die zweite Ableitung darstellende Signal 996 den Nullpegel während einer Zeit kreuzt, in der das die erste Ableitung darstellende Signal den Pegel entweder des Schwellensignals 987 oder des Schwellensignals 988 über- bzw. unterschreitet. Ein rekonstruierter Balkensignalverlauf 998, wie er durch das oben beschriebene Verfahren gewonnen werden kann, ist in 45B gezeigt. Die Polarität des Balkensignalverlaufs 998 hängt davon ab, welches Vorzeichen das die erste Ableitung darstellende Signal 994 zur Zeit des Nulldurchgangs der zweiten Ableitung hat.
Weitere Einzelheiten über die zweite Ableitung verwertende Erfassungsverfahren sind im oben zitierten US-Patent 4 000 397 A beschrieben. Übergänge im Videosignal können auch unter Verwendung von Verfahren erfaßt werden, die im US-Patent 5 463 211 A mit der Bezeichnung "Method and Apparatus for Detecting Transitions in a Time Sampled Input Signal" [Verfahren und Einrichtung zur Erkennung von Übergängen in einem zeitabgetasteten Eingangssignal] und/oder im US-Patent 6 047 894 A mit der Bezeichnung "Signal Conditioning for Variable Focus Optical Reader" [Signalaufbereitung für einen optischen Leser mit variablem Fokus] beschrieben sind; die genannten Patente werden durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen. Weitere verwandte Verfahren finden sich im US-Patent 5 298 728 A mit der Bezeichnung "Signal Processing Method and Apparatus" [Verfahren und Einrichtung zur Signalverarbeitung], das ebenfalls durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Das im vorgenannten US-Patent 5 463 211 A beschriebene Verfahren zur Signalverarbeitung auf der Grundlage von Verzögerungsleitungen kann z.B. ohne das Erfordernis eines vorgeschalteten Tiefpaß-Rekonstruktionsfilters funktionsfähig sein und kann in einigen Fällen so aufgebaut sein, daß es unmittelbar auf das CCD-Video- Ausgangssignal wirkt.
Die Leistung einer auf Ableitungen beruhenden Signalverarbeitung kann erhöht werden, indem Verfahren zur wechselspannungsmäßigen Signalverarbeitung verwendet werden, wie unten näher beschrieben. Da Ableitungen verrauschter als das ursprüngliche Signal sind, können auf Ableitungen beruhende Signalverarbeitungsschaltungen für einen optimalen Betrieb manchmal ein Signal/Rausch-Verhältnis in der Größenordnung von 10 zu 1 erfordern. Außerdem können, wenn der Barcode unscharf oder unvollständig auf den Leser ausgerichtet ist, die Übergänge zwischen niedrigen und hohen Signalpegeln sanft ("weiche Flanken") anstatt abrupt ("harte Flanken") sein, was dazu führt, daß trotz angemessener Signalpegel deren Ableitungssignale eine niedrige Amplitude haben.
Um eine zuverlässige Signalverarbeitung selbst bei Anwesenheit weicher Flanken sicherzustellen, enthält eine bevorzugte Ausführungsform der Signalverarbeitungselektronik eine wechselspannungsbezogene Signalverarbeitungseinheit auf der Grundlage erstens eines Hochpaß-FIR-Filters (FIR: Finite Impulse Response [endliche Impulsantwort]) mit relativ niedriger Sperrfrequenz und zweitens eines Komparators mit Hysterese. Ein Blockschaltbild eines solchen Signalprozessors ist in 67 gezeigt. Die Ausführungsform nach 67 enthält ein Hochpaß-FIR-Filter 1401 und einen Hysterese-Komparator 1402, der einen Operationsverstärker 1405 mit Widerständen 1406, 1407 und 1408 aufweist, deren Werte so gewählt sind, daß ein geeigneter Hysteresewert eingestellt ist. Ein aus einer Detektoranordnung empfangenes Eingangssignal 1410 liegt am Hochpaß-FIR-Filter 1401, das die niedrigen Frequenzen und den Gleichspannungsanteil (d.h. die nicht vom Barcode stammenden Signale) entfernt. Der Komparator 1402 springt auf den (hohen) Balken-Zustand, wenn das Ausgangssignal des Hochpaß-FIR-Filters 1401 positiv ist, und auf den (niedrigen) Zwischenraum-Zustand, wenn das Ausgangssignal des Hochpaß-FIR-Filters 1401 negativ ist. Eine Hysteresespanne wird verwendet, um zu verhindern, daß Rauschsignale den Komparator 1402 umschalten.
Ein optimales Hochpaß-FIR-Filter 1401 besteht aus einem Hochpaß-Filter mit Gaußscher Impulsantwort, dessen Koeffizienten für ein Filter elfter Ordnung in 68B tabelliert und graphisch aufgetragen sind. Ein vereinfachtes Hochpaß-FIR-Filter kann auch in Form eines einen gleitenden Durchschnitt bildenden Filters verwirklicht werden. Koeffizienten für ein exemplarisches einen gleitenden Durchschnitt bildendes Hochpaß-FIR-Filter elfter Ordnung sind in 68A tabelliert und graphisch aufgetragen. Das Filter nach 68A hat den Vorteil, daß es sich auf einfache Weise softwaremäßig verwirklichen läßt.
Die Betriebsweise des Signalprozessors nach 67 hängt zum Teil von der Geschwindigkeit des Barcodesignals (d.h. von der Zeit zwischen Signalübergängen) ab und ist in 69A für Balkenbreiten veranschaulicht, die der Zeitkonstanten des Hochpaß-FIR-Filters 1401 nahekommen (d.h. für schnelle Barcodesignale). In dieser Situation wirkt das Hochpaß-FIR-Filter 1401 als Gleichspannungs-Unterdrückungsschaltung, so daß das (in 69A als Signal 1421 dargestellte) Eingangssignal 1410 in die Form eines um die Null-Volt-Linie pendelnden Wechselspannungssignals gebracht wird. Die Amplitude des pendelnden Signals 1422 (d.h. des Ausgangssignals des Hochpaß-FIR-Filters 1401) ist fast genauso groß wie die Amplitude des Eingangssignals 1421; deshalb wird durch den Einsatz des Hochpaß-FIR-Filters 1401 kein zusätzliches Rauschen eingeführt. Die Hysteresespanne 1424 des Komparators 1402 – mit der positiv Hystereseschwelle 1425 und der negativen Hystereseschwelle 1426 – wird so eingestellt, daß sie gerade größer als das Grundrauschen ist. Bei CCD-Anordnungen ist das Grundrauschen für einen konstanten Signalpegel üblicherweise konstant und vorhersagbar; die Hysteresespanne 1424 kann daher angemessen eingestellt werden, wenn der erwartete Eingangssignalpegel im voraus bekannt ist; ansonsten kann sie experimentell eingestellt werden. Der Komparator 1402 wechselt sein Ausgangssignal, sobald das Ausgangssignal 1422 des Hochpaß-FIR-Filters über den positiven Hystereseschwellwert 1425 steigt. Der Komparator 1402 setzt sich zurück, sobald das Ausgangssignal 1422 des Hochpaß-FIR-Filters unter den negativen Hystereseschwellwert 1426 sinkt. Der Komparator 1402 wechselt seinen Zustand nicht mehr, wenn der Signalpegel innerhalb der Hysteresespanne 1424 bleibt. Das sich ergebende Ausgangssignal 1428 ist in 69A gezeigt.
Wenn die Balken viel größer sind (d.h. das Eingangssignal langsamer ist), sind die Signalverläufe wesentlich anders, wie in 69B gezeigt. Das Eingangssignal 1431 hat größere Abstände zwischen den Spannungswechseln. Das Ausgangssignal 1432 des Hochpaß-FIR-Filters ähnelt einer Ableitung. Jedoch ist die Amplitude des FIR-Ausgangssignals 1432 immer noch fast gleich groß wie die Amplitude des Eingangssignals 1431. Der Komparator 1402 springt auf hohen Pegel, wenn das Filter-Ausgangssignal 1432 über eine Hystereseschwelle 1435 steigt. Das ableitungsähnliche FIR-Filter-Ausgangssignal 1432 sinkt ziemlich rasch auf Null, aber aufgrund der Wirkung der Hysteresespanne 1434 springt der Komparator 1402 erst bei Erscheinen einer weiteren Flanke auf seinen anderen Wert. Sobald eine weitere Flanke auftritt, unterschreitet das Ausgangssignal 1432 des Hochpaß-FIR-Filters die negative Hystereseschwelle 1436, und der Komparator 1402 schaltet sich in seinen anderen Zustand.
Dementsprechend ist die Schaltung nach 67 in der Lage, Eingangssignalbalken von nahezu unendlicher Breite auf eine Breite umzuformen, die in der Größenordnung der Zeitkonstanten des Hochpaß-FIR-Filters 1401 liegt. Wenn die Optik des optischen Systems unscharf gestellt wird oder das Lesegerät seine Ausrichtung bezüglich des Barcodes verliert, nimmt die Anstiegszeit des analogen Eingangssignals 1410 im allgemeinen zu. Die Schaltung nach 67 ist jedoch immer noch in der Lage, Balkenübergänge zu erfassen und auf sie zu reagieren.
Die linearen Phaseneigenschaften von FIR-Filtern sind in dem Signalverarbeitungssystem erwünscht. Die softwaremäßige Realisierung von Hochpaß-FIR-Filtern ist relativ einfach. Hardwaremäßige Realisierungen sind problematischer, da sie aus Transversalfiltern, LC-Verzögerungsleitungen oder Abtast-Halte-Verzögerungsleitungen bestehen, eignen sich aber zur Integration auf demselben integrierten Schaltkreis wie eine anwendungsspezifische Detektoranordnung. Als Alternative zu einem Hochpaß-FIR-Filter kann ein IIR-(Infinite Impulse Response [unendliche Impulsantwort])-Filter verwendet werden, welches viel einfacher hardwaremäßig realisierbar ist (mit einfachen RC-Schaltungen oder aktiven Filtern). 66 ist eine Darstellung eines exemplarischen Signalprozessors, der ein Hochpaß-Netzwerk mit einem einzigen Pol/Nullstellenpaar verwendet. Die Ausführungsform nach 66 enthält ein Hochpaß-Filter 1380, einen Trennverstärker 1381 und einen Hysteresekomparator 1382. Das Hochpaß-Filter enthält einen Kondensator 1386 und einen Widerstand 1387, der Trennverstärker 1381 enthält einen Operationsverstärker 1388 in einer Spannungsfolgerschaltung, und der Komparator 1382 enthält einen Operationsverstärker 1391 mit Widerständen 1389, 1390 und 1392, deren Werte so gewählt sind, daß sie einen geeigneten Hysteresewert ergeben. Ein möglicher Mangel der Ausführungsform nach 66 besteht darin, daß sie eventuell umso mehr Balkenverzerrung verursacht, je mehr sich die Balkenbreiten der Filterzeitkonstanten annähern.
Information betreffend die Stellen oder Zeitpunkte der Übergänge im Videosignal wird an den Decoder 107 (wie er z.B. in 1A gezeigt ist) geleitet, der die Übergangsdaten auf eine der zahlreichen im Stand der Technik bekannten Arten interpretiert. So kann der Decoder 107 die relative Breite von Balken und Zwischenräumen durch Messung der relativen Zeit zwischen aufeinander folgenden Übergängen bestimmen. Der Decoder kann die die Balken und Zwischenräume betreffenden Meßdaten verwenden, um zu festzustellen, welcher von mehreren Barcodes gelesen wurde, und/oder um die betreffenden Zeichen des Barcodes zu bestimmen. Weitere Einzelheiten über Decodierung finden sich zum Beispiel in dem US-Patent 5 493 108 A, welches die Bezeichnung "Method and Apparatus for Recognizing and Assembling Optical Code Labels" [Verfahren und Einrichtung zum Erkennen und Zusammensetzen von optisch codierten Etiketten] trägt; diese Anmeldung wird durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
In vielen Systemen zum Lesen und Decodieren von Barcodes ist der Decodierschritt der langsamste Schritt im Verfahren. Deshalb ist es wünschenswert, den Zeitaufwand zu minimieren, den der Decoder 107 darauf verwendet, eine Decodierung ungültiger Signale zu versuchen. Diese Zeitaufwandsminimierung kann in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht werden, daß eine Vorverarbeitung von Bilddaten erfolgt, bevor diese dem Decoder 107 vorgelegt werden. Dadurch können Spannungssequenzen, bei denen es unwahrscheinlich ist, daß sie zu einem gültigen Barcode gehören, zurückgewiesen werden, ohne den Decoder 107 zu blockieren.
Eine Vorverarbeitung kann sehr schnell mit Hilfe eines einfachen Flankenzählers erfolgen. Ein typischer Barcode enthält größenordnungsmäßig 30 Flanken. Eine Signalsequenz kann durch den Flankenzähler als "interessant" klassifiziert werden, wenn sie mehr als eine vorgegebene Mindestanzahl von Flanken, zum Beispiel mehr als 20 oder 25 Flanken, enthält. Die als "interessant" beurteilten Signalsequenzen werden dann zwecks Decodierung langsamer an den Decoder 107 ausgelesen. Jedoch ist das Auslesen der Daten aus einem CCD-Detektor oder einer sonstigen Art von lichtempfindlicher Anordnung typischerweise datenzerstörend, d.h. das Auslesen löscht die Daten. Der vorverarbeitende Flankenzähler wird daher vorzugsweise in Verbindung mit einem Speicherelement, z.B. einem analogen Schieberegister, verwendet, um eine "Abtastwiederholung", d.h. eine zweite Betrachtung derselben Daten, diesmal durch den Decoder 107, zu ermöglichen.
Ein zur Abtastwiederholung befähigtes System ist in 72 gezeigt. Eine Abtastwiederholung wird durch Verwendung eines analogen Schieberegisters 1703 erreicht, das die Bilddaten aus einem CCD-Detektor 1702 speichert. Nach Belichtung des CCD-Detektors 1702 mit einem Bild werden die Bildpunktladungen aus dem CCD-Detektor 1702 in das analoge Schieberegister 1703 verschoben. Ein Abtastwiederholungs-Multiplexer 1704 wählt das Eingangssignal vom CCD-Detektor 1702. Nachdem ein Bild ins analoge Schieberegister 1703 übertragen worden ist, werden die Bilddaten zum Zweck der Vorverarbeitung schnell aus dem analogen Schieberegister 1703 ausgelesen, wobei die "Abtastwiederholungs"-Funktion freigegeben ist. Die "Abtastwiederholungs"-Funktion bewirkt, daß die Daten aus dem analogen Schieberegister 1703 in eine kreisförmige Warteschlange gestellt werden, so daß jede Bildpunktladung, nachdem sie am ausgangsseitigen Ende des analogen Schieberegisters 1703 gelesen wurde, über den Abtastwiederholungs-Multiplexer 1704 zum anderen Ende des analogen Schieberegisters 1703 zurückgeleitet wird, während die übrigen Ladungen um eine Stelle nach vorne verschoben werden.
Die Bilddaten werden einem Signalprozessor (z.B. Flankendetektor) 1705 zugeführt, der dann seine Informationen an einen Flankenzähler 1706 weiterleitet, um eine Vorverarbeitung durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt hat der Decoder 1707 die Bilddaten noch nicht erhalten und könnte an der Decodierung vorheriger Abtastdaten arbeiten. Wenn sich das Signal nach der Vorverarbeitung durch den Flankenzähler 1706 als "interessant" qualifiziert, werden die Bilddaten mit zur Datenannahmegeschwindigkeit des Decoders 1707 passender verringerter Geschwindigkeit (durch Änderung der Geschwindigkeit des Auslesetaktsignals 1709) ein zweites Mal aus dem analogen Schieberegister 1703 ausgelesen, wobei dieses Mal die Abtastwiederholungs-Funktion gesperrt ist. Die Sperrung der Abtastwiederholungs-Funktion erlaubt es dem analogen Schieberegister 1703, sich zur Vorbereitung auf das nächste Bild zu entleeren, indem verhindert wird, daß die Bilddaten in einen Kreisverkehr zum entgegengesetzten Ende des Schieberegisters 1703 eingereiht werden. Gleichzeitig kann ein neues Bild in das analoge Schieberegister 1703 eingelesen werden, während das alte Bild ausgelesen wird. Wenn sich die ursprünglichen Bilddaten bei erster Betrachtung nicht als "interessant" qualifizierten, wird das analoge Schieberegister 1703 zur Vorbereitung auf die nächste Abtastung geleert, sei es durch einen gesteuerten Ladungsabfluß (Drain) oder durch schnelles Auslesen mit gesperrter Abtastwiederholungs-Funktion.
Eine Anzahl der verschiedenen Komponenten zur Abtastwiederholung können zu einem einzigen integrierten Schaltkreis vereinigt werden, wie in 72 angedeutet. Das analoge Schieberegister 1703 ist in CCD-Chips üblicherweise in Form eines Bildübertragungsregisters vorhanden.
Die in den unmittelbar vorangehenden Absätzen beschriebenen Vorverarbeitungs- und Abtastwiederholungs-Fähigkeiten sind in solchen Anwendungsfällen besonders nützlich, in denen eine Mehrzahl von Detektoranordnungen vorkommen. Jede der Anordnungen könnte ihren eigenen Vorprozessor haben, um zu bestimmen, wann ein "interessantes" Signal vorliegt, wodurch eine effizientere Aufteilung der Decoderarbeitszeit auf nur jene Detektoranordnungen möglich ist, die Signale enthalten, welche wahrscheinlich einen Barcode darstellen.
Weitere Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform eines Barcodelesers nach 1 sind in den 70A bis 70C gezeigt, wobei ein bevorzugtes elektronisches Blockschaltbild nebst zugehörigen Signalverläufen in den 71A bis 71D dargestellt sind. Der in 1 und in den 70A bis 70C dargestellte Barcodeleser 1501 ist eine in der Hand zu haltende, eine relativ große Sehfeldtiefe aufweisende Einheit, die in Umgebungslicht arbeiten kann, indem sie eine bevorzugte Kombination der oben beschriebenen Verfahren und Bauteile verwendet.
Der Abtastkopf 1522 und der Optikträger 1506 des Barcodelesers nach 1 sind in den 70A bis 70C zusammen mit weiteren Bestandteilen des optischen Systems und damit zusammenhängenden Merkmalen näher dargestellt. An der Analogplatine 1504 ist innerhalb des Trägers 1506 für die optischen Baugruppen eine CCD-Detektoranordnung 1512 der maskierten Bauart, wie sie in 52A gezeigt ist, befestigt. Der CCD-Detektor hat vorzugsweise rechteckige Bildpunkte mit einem Längenverhältnis von 10:1, wie im Ausführungsbeispiel nach 50A gezeigt und im Zusammenhang mit diesem beschrieben. Der CCD-Detektor 1512 ist mit einem adaptiven Belichtungssystem verbunden, wie es in 43A gezeigt und auf der Analogplatine 1504 zusammen mit einer Mikrosteuereinheit untergebracht ist, welche CCD-Zeitsteuersignale erzeugt, ein adaptives Belichtungsregelsystem verwirklicht und verschiedene Signale an den Decoder liefert (wie unten in bezug auf die Elektronik nach 71A beschrieben).
Zur Vorderseite des Optikträgers 1506 hin ist eine Abbildungslinse 1509 angeordnet, die in den 73A (Vorderansicht) und 73B (Seitenansicht) näher dargestellt ist. In 73A ist eine (der Abbildungslinse 1509 entsprechende) Abbildungslinse 1749 gezeigt, die ein mehrfokales Linsenteil 1753, wie die Mehrzonenlinse nach 41A, aufweist, das vier konzentrische Ringzonen 150a bis 1750d unterschiedlicher Brennweiten besitzt, die Abbildungen auf dem CCD-Detektor 1512 erzeugen. Das mehrfokale Linsenteil 1753 ist auf einer Zylinderlinse 1755 angeordnet. Die Zylinderlinse 1755 und das mehrfokale Linsenteil 1753 bilden vorzugsweise ein einziges optisches Element und können aus festem Glas oder Kunststoff hergestellt sein. Die Zylinderlinse 1755 hat eine konkave Rückseite 1752, die bei Bedarf eine Korrektur von Sehfeld-Aberrationen erlaubt.
In den 73A und 73B sind bevorzugte Abmessungen (in Millimetern) angegeben; solche Abmessungen stehen auch in der Tabelle nach 73C, zusammen mit weiteren bevorzugten Kennwerten. Vorzugsweise beträgt die Toleranz der Mittendicke nicht mehr als ±0,05 Millimeter, die Toleranz der Oberflächenunregelmäßigkeit keine größere Abweichung als 10 Mikrometer von einer Idealform, und die Toleranz der Oberflächenleistung keine größere Abweichung als 15 Mikrometer von einer Idealform. Die Mindestgröße der freien Öffnung an der Rückseite 1752 beträgt 6 Millimeter.
Zurückkommend auf die Beschreibung der 70A bis 70C, ist dort eine Schlitzöffnung 1508 mit hohem Längenverhältnis (d.h. eine Reihe von Einzelöffnungen, die zu einer einzigen "durchgehenden" Öffnung ausgebildet sind), wie z.B. in den 22A bis 22C gezeigt, vor der Mehrzonenlinse 1509 angeordnet. Auf oder in dem Träger 1506 für die optischen Baugruppen sind zwei Zeiger-LEDs 1520 montiert, die jeweils ein holographisches Streuelement 1519 beleuchten und LED-Zeigerstrahlen durch einen Zeigerschlitz 1518 und eine Zeigerlinse 1507 senden. Das LED-Zeigersystem ist dem im Zusammenhang mit 65A beschriebenen Zeigersystem ähnlich. Der Träger 1506 für die optischen Baugruppen ist starr mit der Analogplatine 1504 verbunden, um die Relativlage der Schlitzöffnung 1508, der Mehrzonenlinse 1509, des CCD-Detektors 1512 und der Zeiger-LEDs 1520 zu fixieren.
Der bevorzugte Barcodeleser 1501 enthält ferner einen Ableitungen verarbeitenden Signalprozessor zum Umwandeln eines Videosignals aus dem CCD-Detektor 1512 in ein Balken/Zwischenraum-Signal für den Decoder, wobei der Signalprozessor auf der Analogplatine 1504 ausgeführt ist, während der Decoder auf der Digitalplatine 1503 untergebracht ist. Der Barcodeleser 1501 hat auch einen lichtdurchlässigen Abstandshalter, wie er z.B. im Zusammenhang mit 63 beschrieben wurde, am Eingabeende des Abtastkopfs 1522, wobei ein oberer Abschnitt ausgespart ist, damit ausreichende Umgebungsbeleuchtung den Barcode erreicht.
Im Betrieb tritt Licht aus den Zeiger-LEDs 1520 durch das holographische Streuelement 1519, um die Zeigerschlitze 1518 gleichmäßig zu beleuchten, z.B. wie im Zusammenhang mit 65A beschrieben. Zeigerstrahlen aus den Zeigerschlitzen 1518 werden von den Zeigerlinsen 1507 abgebildet, um es einem Bediener zu ermöglichen, mit der Einheit auf den Barcode zu zielen und den Barcode innerhalb der Sehfeldtiefe des Barcodelesers 1501 zu positionieren. Wie oben erwähnt, besteht der Zweck der Leuchtdioden nicht darin, den vom Umgebungslicht beleuchteten Barcode zu beleuchten, sondern einfach darin, dem Benutzer dabei zu helfen, den Barcodeleser 1501 richtig zu positionieren und mit ihm richtig zu zielen. Die Leuchtdioden 1520 werden während des Belichtungsintervalls vorzugsweise abgeschaltet, um eine ungleichmäßige Beleuchtung des Barcodes zu vermeiden und um in der Lesereinheit Energie zu sparen. Umgebungslicht wird an einem Zielobjekt (z.B. einem codierten Symbol), das entlang einer virtuellen Bilderfassungszeile angeordnet ist, reflektiert. Der Abstandshalter an der Vorderseite des Barcodelesers 1501 verhindert, daß die Einheit so nahe an den Barcode herangebracht wird, daß eine Abschattung den Zutritt ausreichender Umgebungslicht an den Barcode behindert. Das reflektierte Umgebungslicht wird durch die Abbildungslinse 1509 auf den CCD-Chip 1512 fokussiert. Der CCD-Chip 1512 setzt mittels eines beliebigen der oben beschriebenen Verfahren Lichtstärkeinformation in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal kann verarbeitet und decodiert werden, um eine Erkennung des codierten Symbols zu bewerkstelligen.
Bei in der Hand zu haltenden Ausführungsformen, wie der bevorzugten Barcodeleserversion 1501, ist es oft wichtig, die Leistungsaufnahme zu minimieren und dennoch eine hohe Lesegeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Der Energieverbrauch kann reduziert werden, indem die Analogplatine solange ausgeschaltet bleibt, bis sie zum Lesen eines Barcodes benötigt wird. Die dabei entstehende Schwierigkeit besteht darin, daß die CCD-Bildpunkte und die Übertragungsregister, die sich auf der Analogplatine 1504 befinden, nach dem Einschalten mit Ladung gefüllt sind und erst geleert werden müssen, bevor ein Bild aufgenommen werden kann. Diese Leerung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß ein Verschluß-Anschluß mit Impulsen angesteuert wird, um die Bildpunkte des CCD-Chips 1512 zu löschen, und daß der Inhalt des Übertragungsregisters mehrmals mit sehr hoher Taktgeschwindigkeit herausgetaktet wird. Sobald das Übertragungsregister leer ist, kann es zur Bilderfassung mit normaler Geschwindigkeit ausgelesen werden.
Auch ist es nach dem Einschalten der Analogplatine 1504 wünschenswert, das Belichtungsregelsystem rasch zu stabilisieren, um ein schnelles Barcodelesen zu erleichtern, und zu diesem Zweck wird ein exponentieller Regelkreis aufgestellt. Die Zeiger-LEDs 1520 können eine erhebliche Leistung aufnehmen und beleuchten den Barcode während der Bilderfassung vorzugsweise nicht; vorzugsweise werden die LEDs 1520 deshalb während der Bilderfassung, während der Energieversorgung anderer starker Energieverbraucher des Lesers (Piepstonerzeuger, Anzeige-LEDs usw.) und – so schnell wie möglich – nach einer erfolgreichen Decodierung ausgeschaltet.
Ein bevorzugtes elektrisches Blockschaltbild für den Barcodeleser 1501 nach den 1 und 70A bis 70C ist in 71A gezeigt. Das Elektroniksystem 1601 enthält eine CCD-Steuereinheit 1602, die z.B. durch einen Mikrochip MC68HC05, wie er von Motorola, Inc. hergestellt wird, verkörpert sein kann. Die CCD-Steuereinheit 1602 liefert ROG- und SHUT-Taktsignale (ROG: read-out gate [Auslese-Gate]; SHUT: shutter [Verschluß]) an einen CCD-Chip 1603. Ein Oszillator 1607 liefert ebenfalls ein Taktsignal an den CCD-Chip 1603. Der CCD-Chip gibt ein Videosignal an einen Signalprozessor 1604 aus. Das Videosignal wird auch einer Spitzendetektor- und Komparator-Schaltung 1606 zugeführt, die an die CCD-Steuereinheit 1602 ein STB-Signal (STB: signal too big) zurücksendet, um anzuzeigen, ob das Signal zu groß ist, so daß eine Signalkappung eintreten könnte. Sowohl der Signalprozessor 1604 als auch die CCD-Steuereinheit 1602 sind an eine Schnittstelle 1608 angeschlossen. Der Signalprozessor 1604 und die CCD-Steuereinheit 1602 geben zusammen folgende Signale aus: ein Signal über die Gültigkeit der Daten (DV: data valid), ein Signal für den Beginn der Abtastung (SOS: start of scan), ein Signal "Etwas befindet sich im Raumvolumen" (SIV: something in volume), und ein Signal mit Balken/Zwischenraum-Information (BAR) für einen (nicht dargestellten) Decoder. Der Decoder antwortet mit einem Signal "Gutes Lesen" (GR: good read), sobald er einen Barcode erkannt hat, und läßt eine "Gutes-Lesen"-LED 1610 aufleuchten, die für den Bediener des Barcodelesers 1501 sichtbar ist.
Um den Decodiervorgang zu erleichtern, wird das Signal DV von der CCD-Steuereinheit 1602 erzeugt; außerdem signalisiert es dem Decoder am Ende jedes Belichtungszyklus, vorübergehend jegliche Decodiervorgänge einzustellen und auf einen neuen. Datenstrom aus dem Signalprozessor 1604 zu warten. Nach Abschluß der Datenübertragung und Balkenbreitendigitalisierung aus dem Signalprozessor 1604 an den Decoder wird das Signal DV abgeschaltet, und der Decodierbetrieb kann wiederaufgenommen werden. Auf diese Weise werden sehr hohe Bildpunkt-Auslesegeschwindigkeiten eingesetzt, um die Daten mit Balken/Zwischenraum-Information an den Decoder in einem Bruchteil jedes Belichtungszyklus zu übertragen, wodurch mehr Zeit für die normalerweise langsamere Symboldecodierarbeit verfügbar bleibt.
Ein weiteres verwendetes Steuersignal wird als Signal "Etwas befindet sich im Raumvolumen" oder SIV-Signal (SIV: something in volume) bezeichnet. Das Signal SIV wird genutzt, um ein mehrfaches Lesen desselben Barcodes zu verhindern, und ist besonders in Anwendungsfällen mit feststehendem Lesegerät nützlich. Das Signal SIV wird von einem Flankenzähler (einem internen Bestandteil der CCD-Steuereinheit 1602) ausgegeben und ändert seinen Zustand immer dann, wenn der Flankenzähler eine Flankenanzahl feststellt, die wesentlich anders (größer oder kleiner) ist als die übliche Anzahl, die vorliegt, solange sich kein Gegenstand vor dem Barcodeleser 1501 befindet. Nach Empfang des Signals SIV beginnt der Decoder Digitalisierungs- und Decodierungsschritte, bis es zu einer erfolgreichen Decodierung kommt. Nach einer erfolgreichen Decodierung wird der Decoder gesperrt, bis das Signal SIV entfernt und dann erneut geltend gemacht wird. Das Signal SIV wird erst dann entfernt, sobald der Flankenzählerstand auf sein Hintergrundniveau zurückgekehrt ist, und wird erst dann wieder geltend gemacht, sobald ein neues Barcode-Etikett vor den Barcodeleser 1501 gehalten wird. Auf diese Weise wird ein mehrfaches Lesen desselben Etiketts verhindert.
Es folgt eine Beschreibung aller Signale, die mit der Schaltungsanordnung nach 71A zusammenhängen. Das "Moduswahl"-Signal (MODE) wählt unterschiedliche Betriebsarten der Anordnung, die zum Beispiel auf unterschiedliche Geschwindigkeitsanforderungen eingehen.
Das "Auslesegate"- oder ROG-Signal (ROG: read-out gate) ist ein im aktiven Zustand hohes Signal, das den ROG-Eingang des CCD-Chips ansteuert, um Ladung aus den Photodetektoren ins Übertragungsregister zu überführen.
Das "Verschluß"-Signal (SHUT) ist ein im aktiven Zustand hohes Signal, das eine Verschlußfunktion steuert, indem es die Ladung aus den Photodetektoren auf dem CCD-Chip 1603 abfließen läßt. Die Zeitspanne vom Ausschalten (d.h. Absinken auf niedrigen Pegel) dieses Signals bis zum Ende des Anstiegs des Signals ROG ist die Belichtungsdauer.
Das Signal "Leuchtdioden einschalten" (LED) ist ein im aktiven Zustand hohes Signal, das die Zeiger-Leuchtdioden 1520 einschaltet. Vorzugsweise ist das Signal LED während der Belichtungsdauer nicht aktiv.
Das Signal "Daten gültig" (DV: data valid) ist, wie oben erläutert, ein im aktiven Zustand hohes Signal, das während des Auslesens von Bildpunktdaten aus dem CCD-Chip 1603 eingeschaltet ist. Ein hoher Pegel des Signals DV kennzeichnet die Zeit, in der brauchbare Bilddaten vorhanden sind.
Das Signal "Beginn der Abtastung" (SOS: start of scan) ändert seinen Zustand nach jedem Lesen durch den CCD-Chip 1603. Das Signal DV liegt jeweils ungefähr in der Mitte der abwechselnd hoch- und tief liegenden SOS-Signalabschnitte.
Das Signal "Etwas befindet sich im Raumvolumen" (SIV: something in volume) ist, wie oben erläutert, ein im aktiven Zustand hohes Signal, das einen kurzen Impuls liefert, sobald sich ein Übergang vom Hintergrund-Balkenmuster (BAR) zu etwas anderem ereignet (wenn z.B. gerade ein Etikett erschienen ist).
Das Signal "Balken-Eingangssignal" (BAR) ist ein im aktiven Zustand hohes Signal, dessen hohe Signalpegel relativ dunklen Teilen eines gelesenen Bildes entsprechen und dessen niedrige Signalpegel relativ hellen Teilen eines gelesenen Bildes entsprechen.
Das Signal "Signal zu groß" (STB: Signal too big) ist ein im aktiven Zustand hohes Signal, das eingeschaltet ist, wenn das vom CCD-Chip 1603 kommende Video-Ausgangssignal größer als der erwünschte Wert ist, der durch ein an einem Komparator anliegendes Eingangssignal V_ref vorgegeben ist. Vorzugsweise wird die Belichtungsdauer verkürzt, wenn dieses Signal auf hohem Pegel steht, und verlängert, wenn dieses Signal auf niedrigem Pegel steht.
Wenn das Signal "Beschleunigen" (SUP: speed up) zu einem hochohmigen Eingangssignal gemacht wird, bewirkt es, daß das Bildpunkt-Taktsignal auf eine viel höhere Frequenz ansteigt. Wenn das Signal SUP zu einem Ausgangssignal niedrigen Pegels gemacht wird, kehrt das Bildpunkt-Taktsignal zu seiner normalen Frequenz zurück. Das Signal SUP wird beim Einschalten des Barcodelesers dazu verwendet, den CCD-Chip 1603 von gespeicherter Ladung zu befreien.
Darstellungen von exemplarischen Signalverläufen, die zur Ausführungsform nach 71A gehören, sind in den 71B bis 71D gezeigt. 71B zeigt die zwischen dem Signal ROG, dem Signal DV, dem Videosignal (d.h. dem Ausgangssignal des CCD-Chips) und dem Signal BAR bestehende Beziehung sowie als Beispiele angegebene zeitliche Kennwerte. 71C zeigt in einem vergrößerten Zeitmaßstab dieselben Signale zusammen mit dem Signal LED, dem Signal SHUT, dem Signal SOS, dem Signal SIV und dem Signal STB. 71D zeigt den Zeitverlauf derselben Signale beim Starten (wenn z.B. die Spannungsversorgung der Analogplatine 1504 eingeschaltet wird).
Eine Ausführungsform eines speziellen CCD-Detektormoduls 1001 ist aus verschiedenen Blickwinkeln in den 46A bis 46D dargestellt. 46A zeigt eine Draufsicht auf das CCD-Detektormodul 1001, während 46B eine Vorderansicht, 46C eine Seitenansicht und 46D eine Schrägansicht des CCD-Detektormoduls 1001 zeigen. In den 46A bis 46D enthält das CCD-Detektormodul 1001 einen CCD-Chip 1003, eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) 1005, eine Abbildungslinse 1006 sowie eine oder mehrere Fokussier- oder Zeigerlinsen 1007. Die Zeigerlinsen 1007 sorgen für eine Fokussierung der LEDs 1005. Die Abbildungslinse 1006 kann eine Linse mit einziger Zone, eine Linse mit einer Blende mit großem Längenverhältnis, eine Mehrzonenlinse oder eine Kombination aus diesen sein.
Das System kann eine oder mehrere Schaltungsplatinen 1008, auf denen die verschiedenen Bauteile des Systems zu montieren sind, und ferner eine (nicht dargestellte) Energieversorgungseinheit, eine (nicht dargestellte) CCD-Ansteuereinheit sowie Signalverarbeitungselektronik aufweisen. Die CCD-Ansteuereinheit und die Signalverarbeitungselektronik können nach oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
Alternativ kann in anderen bevorzugten Ausführungsformen das CCD-Detektormodul 1001 so aufgebaut sein, daß es ohne die Zielstrahlen erzeugenden LEDs 1005 und Zeigerlinsen 1007 arbeitet.
Die 47 und 48 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen von Systemen, die das CCD-Detektormodul 1001 nach den 46A bis 46D enthalten. 47 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines in der Hand zu haltenden Bilderfassungsgeräts 1020, wie es z.B. für Anwendungen an Verkaufsstellen (POS: point of sale) oder zur Inventur verwendet werden kann. Bei dem in der Hand zu haltenden Bilderfassungsgerät nach 47 befindet sich das CCD-Detektormodul 1001 in einem Kopfteil 1022 des in der Hand zu haltenden Bilderfassungsgeräts 1020 und ist mit einer (nicht dargestellten) Steuereinheit für Handscanner verbunden. Das CCD-Videoausgangssignal aus dem CCD-Detektormodul 1001 kann unmittelbar der Handscanner-Steuereinheit zugeleitet werden oder kann zuerst mittels eines beliebigen der oben beschriebenen Verfahren aufbereitet und/oder verarbeitet werden. Wenn Zeiger-LEDs verwendet werden, können die Zeiger-LEDs 1005 durch ein Signal aus einem Abzug 1021 gesteuert werden, das durch die Handscanner-Steuereinheit weitergeleitet wird.
48 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines tragbaren Datenterminals 1030, welches das CCD-Detektormodul 1001 nach den 46A bis 46D enthält. Gemäß 48 enthält das tragbare Datenterminal 1030 einen Tastaturblock 1032 zum Eingeben von Daten und einen Anzeigeschirm 1031 zum Anzeigen von Daten auf im Stand der Technik bekannte Weise. Das CCD-Detektormodul 1001 ist mit einem (nicht dargestellten) Decoder verbunden, der im tragbaren Datenterminal 1030 angeordnet ist. Das CCD-Video-Ausgangssignal aus dem CCD-Detektormodul 1001 kann unmittelbar mit einer Signalaufbereitungs- und/oder Signalverarbeitungselektronik im tragbaren Datenterminal 1030 verbunden sein oder kann mittels oben beschriebener Verfahren innerhalb des CCD-Detektormoduls 1001 aufbereitet und/oder verarbeitet werden und danach dem Decoder des tragbaren Datenterminals 1030 zugeführt werden. Auch die Zeiger-LEDs 1005 können durch das tragbare Datenterminal 1030 gesteuert werden.
Das CCD-Detektormodul 1001 kann für Einzelhandels- oder Industrieanwendungen auch fest montiert werden (z.B. auf einem "Slim-Stativ" oder Stützstativ). Alternativ kann das CCD-Detektormodul 1001 in einem Gerät angeordnet werden, das an der Hand oder am Handgelenk befestigt wird, z.B. zum Einsatz an Verkaufsstellen oder zu Inventurzwecken.
49 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines mehrere CCD-Anordnungen aufweisenden Bilderfassungsgeräts, das verwendet werden kann, um eine mehrdimensionale Fläche zu lesen. Gemäß 49 enthält ein Bilderfassungsgerät 1050 eine Mehrzahl von CCD-Detektoren 1051. Jeder CCD-Detektor 1051 hat eine zugehörige Linse 1052 zum Einfangen von Licht. Die Linse 1052 kann eine polyoptische Linse sein, wie sie oben beschrieben wurde, und kann nach Verfahren, die ebenfalls oben beschrieben wurden, mit einer Blende versehen oder in eine vorgegebene Form gebracht werden. Im oberen Teil des Bilderfassungsgeräts 1050 wird ein transparentes Element 1054 angeordnet, so daß codierte Symbole tragende Gegenstände über das Bilderfassungsgerät 1050 hinweggeführt werden können. Licht wird durch jede Linse 1052 entlang einer von mehreren, jeweils zu einer Linse 1052 gehörigen virtuellen Abbildungslinien 1053 eingefangen. Durch Anordnung der CCD-Detektoren 1051 unter verschiedenen Winkeln (etwa wie im Beispiel nach 49 gezeigt) kann ein mehrdimensionaler Bereich durch das Bilderfassungsgerät 1050 abgedeckt werden.
Die mehrfach vorhandenen CCD-Detektoren 1051 können durch eine einzige CCD-Ansteuereinheit gesteuert werden, die z.B. wie in 7 ausgebildet sein kann. Somit können die CCD-Detektoren 1051 nacheinander von einer einzigen Signalverarbeitungseinheit abgefragt werden. Das Bilderfassungsgerät 1050 kann in ein feststehendes Scannersystem eingebaut und für Verkaufsstelleneinsätze, z.B. an Kassen des Lebensmitteleinzelhandels, verwendet werden.
Die hier beschriebenen Techniken können in Kombination oder in manchen Fällen auch einzeln verwendet werden, um ein Bildlesegerät bereitzustellen, das eine erhöhte Fähigkeit besitzt, unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen zu arbeiten. Die beschriebenen Verfahren können dem Bildlesegerät ermöglichen, entweder unter Verwendung einer eigenen Beleuchtungsquelle schneller zu arbeiten oder mit Umgebungslicht zu arbeiten, ohne daß eine Quelle zur eigenen Erzeugung einer Beleuchtung vorhanden ist.

Claims

Barcodeleser mit einem mehrfokalen Umgebungslicht-Auffangsystem, aufweisend eine Linse (450, 460, 601, 620, 801, 810, 1120, 1130) mit einer Mehrzahl konzentrischer Linsenzonen (451, 465, 603, 628, 802, 1121, 1131), wobei jede Linsenzone eine andere Brennweite hat; einer Öffnung (445, 461, 602) in der Form eines Schlitzes mit konstanter Breite, angeordnet über die Linsenzonen hinweg zum vorgebbaren Zuführen von Licht auf die Linsenzonen; einem lichtempfindlichen Detektor (456, 462, 1090) angeordnet zum Empfangen von Umgebungslicht von den Linsenzonen und zur Ausgabe eines Signals, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von helleren und dunkleren Teilen eines gelesenen Bildes ändert; und einem dieses Signal empfangenden Decoder (107, 1707).
Barcodeleser nach Anspruch 1, bei dem das mehrfokale Umgebungslicht-Auffangsystem ohne Vorrichtung zum Beleuchten des Barcodes bereitgestellt ist und das Umgebungslicht-Auffangsystem lediglich Umgebungslicht auffängt.
Barcodeleser nach Anspruch 1, bei dem die Linsenzonen überlappende Schärfentiefen aufweisen.
Barcodeleser nach Anspruch 1, bei dem die Linsenzonen eine erste Zone mit einer zentralen Linsenregion (452, 803, 1121d, 1131d) aufweist und jede nachfolgende Linsenzone eine ringförmige, die vorangehende Linsenzone umgebende Linsenregion (454, 802, 1121c, 1121b, 1131c, 1131b) aufweist.
Barcodeleser nach Anspruch 1, ferner mit einem Gehäuse (1020), das einen Handgriffteil und einen Kopfteil (1022) aufweist, wobei der Kopfteil ein Bilderfassungsfenster (1304) aufweist, das derart angeordnet ist, dass das mehrfokale Umgebungslicht-Auffangsystem Licht auffangen kann, und der Kopfteil ferner vor dem Bilderfassungsfenster einen optisch durchlässigen Abstandshalter (1303) aufweist.
Barcodeleser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner mit wenigstens einer Leuchtdiode (1350, 1520, 1005) zur Erzeugung eines Zielstrahls.
Barcodeleser nach Anspruch 6, ferner mit einem optischen Streuelement (1519), das im Pfad des Zielstrahls angeordnet ist.
Barcodeleser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner mit einem Spiegelkorb (1228) zum Empfangen und Wiedergeben eines Bildes in einem sich wiederholenden Muster.
Barcodeleser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Öffnungen an einer vom lichtempfindlichen Detektor abgewandten Seite der Linsenzonen angeordnet sind.
Verfahren zum Lesen von Bildern, mit folgenden Schritten: Auffangen von Umgebungslicht durch ein mehrfokales Linsensystem (450, 460, 601, 620, 801, 810, 1120, 1130) aufweisend konzentrische Linsenzonen (451, 465, 603, 628, 802, 1121, 1131), wobei jede Linsenzone eine andere Brennweite hat; vorgebbares Zuführen des Umgebungslichts durch einen über die Linsenzonen hinweg angeordneten Schlitz (445, 461, 602) konstanter Breite; Empfangen des durch die Linsenzonen hindurch passierenden Umgebungslichts auf einem lichtempfindlichen Detektor (456, 462, 1090) und Ausgeben eines Signals, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von helleren und dunkleren Teilen eines gelesenen Bildes ändert; und Decodieren des Signals.
System zum Lesen von codierten Bildern, aufweisend: ein mehrfokales Umgebungslicht-Auffangsystem mit einer Mehrzahl von Linsenregionen (451, 465, 603, 628, 802, 1052, 1121, 1131), wobei mindestens zwei Linsenregionen eine unterschiedliche Brennweite haben; eine Mehrzahl von Detektorregionen (1051, 1156), je eine für jede der mindestens zwei Linsenregionen, zur Ausgabe je eines Detektionssignals, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von helleren und dunkleren Teilen eines Bildes eines Zieles ändert.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 11, ferner aufweisend eine Mehrzahl von Öffnungen (602), jeweils eine für die mindestens zwei Linsenregionen.
System zum Lesen von codierten Bildern nach einem der Ansprüche 11 oder 12, ferner aufweisend: einen an jede der Detektorregionen angeschlossenen Multiplexer (235) zum Empfangen der Detektionssignale; einen an den Multiplexer angeschlossenen Signalprozessor (232); und einen an den Signalprozessor angeschlossenen Decoder (107).
System zum Lesen von codierten Bildern nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner aufweisend: eine Mehrzahl an ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD = charge-coupled devices) zum Bilden einer Mehrzahl von Detektorregionen (1051, 1156); und ein Mittel zum Verändern einer Belichtungsdauer einer jeden der ladungsgekoppelten Vorrichtungen in Abhängigkeit von der empfangenen Lichtstärke.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 13, wobei der Signalprozessor einen Doppelabtastungs-Schaltkreis aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 15, wobei der Doppelabtastungs-Schaltkreis einen Dual-Slope-Prozessor aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner aufweisend eine Mehrzahl von polyoptischen Linsen (450, 460, 620, 640, 650, 780, 801, 810, 830, 850, 1052, 1120, 1130), welche die Mehrzahl von Linsenregionen des mehrfokalen Umgebungslicht-Auffangsystems bilden.
System zum Lesen von codierten Bildern nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei mindestens eine der Linsenregionen periodisch verschlossen wird.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 11, wobei das mehrfokale Umgebungslicht-Auffangsystem eine einzelne Linse mit einer Mehrzahl von die Linsenregionen aufweisenden Zonen aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 19, wobei die Linsenzonen konzentrisch sind, wobei eine erste Linsenzone eine zentrale Linsenregion (452, 803, 1121d, 1131d) aufweist und jede nachfolgende Linsenzone eine ringförmige, die vorangehende Linsenzone umgebende Linsenregion (454, 802, 805, 1121c, 1121b, 1131c, 1131b) aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 20, wobei die erste Linsenzone die kürzeste Brennweite der Mehrzahl von Linsenzonen aufweist und wobei jede nachfolgende Linsenzone eine im Vergleich zur vorangehenden Linsenzone weiter entfernte Brennweite aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 11, ferner aufweisend ein Detektor-Array, welches die Mehrzahl von Detektorregionen (1051, 1156) aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 22, wobei das Detektor-Array einen ladungsgekoppelten Vorrichtungsdetektor (1003, 1051, 1079, 1090, 1100) mit einem Array von rechteckigen Pixeln (1080, 1106) aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 23, ferner aufweisend eine vor dem ladungsgekoppelten Vorrichtungsdetektor angeordnete Maske (1091, 1096).
System zum Lesen von codierten Bildern nach Anspruch 11, aufweisend eine Mehrzahl von separaten Detektoren, wobei jeder Detektor eine der Detektorregionen aufweist.
System zum Lesen von codierten Bildern nach einem der Ansprüche 11 bis 25, ferner aufweisend einen an die Detektorregionen angeschlossenen adaptiven Belichtungs-Schaltkreis.
System zum Lesen von codierten Bildern nach einem der Ansprüche 11 bis 26, ferner aufweisend ein an einen Komparator (1402) angeschlossenes infinites Pulserwiderungs-Filter (1401) zum Verstärken von Übergängen in dem Detektionssignal.
Verfahren zum Lesen codierter Bilder, aufweisend: Auffangen von Umgebungslicht durch ein mehrfokales Umgebungslicht-Auffangsystem mit einer Mehrzahl von Linsenregionen (1155), wobei mindestens zwei Linsenregionen eine unterschiedliche Brennweite haben; Ausrichten von aufgefangenem Umgebungslicht von jeder Linsenregion auf eine von einer Mehrzahl von Detektorregionen (230, 1156); und Ausgeben eines Detektionssignals von jeder Detektorregion, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von helleren und dunkleren Teilen eines Bildes eines Zieles ändert.
Verfahren nach Anspruch 28, ferner aufweisend Reduzieren von Interferenz zwischen den Linsenregionen verursacht durch gleichzeitiges Auffangen von Umgebungslicht mittels vorgebbaren Zuführens von Licht, welches durch jede Linsenregion hindurch passiert.
Verfahren nach Anspruch 28, ferner aufweisend Empfangen von Detektionssignalen in einem an einen Signalprozessor (232) angeschlossenen Multiplexer (235) und Vorverarbeiten der Detektionssignale zum Ausgeben an einen Decoder (107).