專利名稱：具有帶有增強(qiáng)的光聚集效率的透鏡和去模糊均衡器的成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0002本公開一般涉及光學(xué)系統(tǒng)和元件，以及圖像分析，且更 具體地說，涉及具有增強(qiáng)的光聚集效率的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的光 學(xué)偏差可以用去模糊均衡器去除。
背景技術(shù)：
0003多數(shù)成像系統(tǒng)通常采用單聚焦點(diǎn)，在該聚焦點(diǎn)上聚焦是 最佳的。然而，當(dāng)要成像的物體處在聚焦點(diǎn)上時(shí)，這類系統(tǒng)會產(chǎn)生銳 利的聚焦圖像，這類系統(tǒng)通常對要成像的物體和成像系統(tǒng)(或更為具 體地，其聚焦透鏡)之間的距離變化很敏感。雖然通過減小系統(tǒng)的孔 來增加良聚焦透鏡系統(tǒng)的景深已眾所周知，但這會嚴(yán)重降低光聚集效 率，從而可能限制這類系統(tǒng)的運(yùn)行速度。
0004用擴(kuò)展的調(diào)焦深度成像的其它技術(shù)已經(jīng)被考慮。例如， 已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利號5，371，361，公開了具有軟聚 焦透鏡的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)犧牲了中視場聚焦的質(zhì)量，以除了對電子 圖像信號進(jìn)行均衡以外，在整個(gè)距離范圍內(nèi)獲得幾乎不變的聚焦。再 舉另一個(gè)例子，美國專利號5,748,371和該發(fā)明的發(fā)明人所做的相關(guān)工作公開了將特定的光學(xué)器件(三次相位掩膜板)和數(shù)字信號處理相結(jié) 合以在很寬的物距范圍內(nèi)提供對焦響應(yīng)。三次相位掩膜板具有光學(xué)傳 遞函數(shù)，其在預(yù)定的范圍內(nèi)對物距相對不太敏感，并且設(shè)計(jì)了數(shù)字信 號處理以消除三次相位掩膜板對光學(xué)傳遞函數(shù)的影響(除了增加景 深)。該專利的發(fā)明人聲稱聯(lián)合設(shè)計(jì)將互補(bǔ)的三次相位掩膜板和數(shù)字信 號處理能產(chǎn)生只用光學(xué)部件的情況下不可能達(dá)到的成像效果。盡管如 此，三次相位掩膜板很復(fù)雜，其不對稱部分制造昂貴且麻煩。而且， 三次相位掩膜板的不對稱性要求在兩個(gè)方向上進(jìn)行互補(bǔ)的數(shù)字信號處 理。

發(fā)明內(nèi)容
0005本發(fā)明在擴(kuò)展的景深上提供了具有增強(qiáng)的光聚集效率的成像。
0006根據(jù)一個(gè)實(shí)施例， 一種系統(tǒng)包括成像器，旋轉(zhuǎn)對稱透鏡 組件，和信號處理器。所述成像器在視場內(nèi)形成物體的電子圖像。所 述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件被設(shè)置在所述成像器和所述物體之間。所述透鏡 組件對于特定的景深提供了增強(qiáng)的聚集效率，由此，相比于良聚焦透 鏡，所述透鏡組件產(chǎn)生象差。所述信號處理器連接到所述成像器。所 述信號處理器接收圖像數(shù)據(jù)，并形成一個(gè)或更多個(gè)虛掃描線信號，所 述虛掃描線信號包括以任意角度取自跨過圖像的一條或更多條線的采 樣。所述信號處理器包括非均勻的定標(biāo)器和均衡器。所述非均勻的定 標(biāo)器接收所述虛掃描線信號，并對虛掃描線信號中的采樣進(jìn)行定標(biāo)， 以生成非均勻定標(biāo)的虛掃描線信號。所述均衡器接收所述非均勻定標(biāo) 的虛掃描線信號，并使所述非均勻定標(biāo)的虛掃描線信號相等，以至少 部分補(bǔ)償由所述透鏡組件引起的象差。
0007根據(jù)另一實(shí)施例， 一種成像系統(tǒng)包括在視場范圍內(nèi)形成 物體的圖像的成像器，設(shè)置在所述成像器和所述物體之間的旋轉(zhuǎn)對稱 透鏡組件，和均衡器。所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件為給定景深提供了增強(qiáng) 的聚集效率，由此，相比于良聚焦透鏡，所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件產(chǎn)生
象差。所述轉(zhuǎn)動的對稱透鏡組件包括前負(fù)透鏡，后正透鏡，和設(shè)置在 所述前透鏡和所述后透鏡之間的孔。接連到所述成像器的均衡器接收
7圖像數(shù)據(jù)，并至少部分地補(bǔ)償由所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件引起的象差。
0008根據(jù)又一實(shí)施例， 一種方法使來自于物體的光通過負(fù)透 鏡，使來自于負(fù)透鏡的中心區(qū)域的光通過的同時(shí)，阻擋來自于負(fù)透鏡 的外圍區(qū)域的光，使來自負(fù)透鏡的中心區(qū)域的光通過正透鏡，基于來 自于正透鏡的光形成物體的圖像，生成包括取自跨過圖像的線上的采 樣的虛掃描線信號，以非均勻量對虛掃描線信號進(jìn)行定標(biāo)，并使非均 勻定標(biāo)的虛掃描線信號相等，以至少部分補(bǔ)償由一個(gè)或更多個(gè)透鏡引 起的模糊。
0009下文將對特定實(shí)施例的構(gòu)造和操作進(jìn)行詳細(xì)說明。 附圖描述
0010

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)圖。
0011圖2A和2B是圖1的兩種形式的透鏡組件的側(cè)視圖。
0012圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，聚焦點(diǎn)對良聚焦透鏡和透鏡的
透鏡半徑的曲線圖。
0013圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，良聚焦透鏡和透鏡組件的一組
跡線曲線圖。
0014圖5是圖4的一組放大的跡線曲線圖。
0015圖6是良聚焦透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖。
0016圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖。
0017圖8是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在近場距離處良聚焦透鏡和透
鏡組件的調(diào)制傳遞函數(shù)之間的比較。
0018圖9是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在另一個(gè)距離處良聚焦透鏡和
透鏡組件的調(diào)制傳遞函數(shù)之間的比較。
0019圖IO是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，良聚焦透鏡和透鏡組件的總傳
遞函數(shù)之間的比較；
0020圖11是圖1的一種形式的信號處理器的框圖。
具體實(shí)施例方式
0021參考以上列出的圖，本部分將描述特定實(shí)施例和各實(shí)施 例的詳細(xì)構(gòu)造和操作。 一般來說，以下描述的實(shí)施例在擴(kuò)展的景深上提供改進(jìn)的成像，而無需減小孔的大小，從而不會因?yàn)闇p小孔的大小 而犧牲光聚集效率。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到在許多成像應(yīng)用中，透鏡系統(tǒng) 不需要提供衍射限制的光學(xué)性能，而只對特定應(yīng)用提供足夠的性能。 透鏡所需的分辨率通常是受成像器本身的分辨率限制的，是由像素大 小指定的。因此，透鏡設(shè)計(jì)者可以以各種不會降低總的系統(tǒng)分辨率的 方式來降低透鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能，在設(shè)計(jì)中產(chǎn)生增強(qiáng)其它更多的期望 屬性的附加自由度，諸如由較大的孔引起的提高的聚集效率。
0022本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，相對己知的現(xiàn)有技術(shù)，特定
的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)某些優(yōu)勢，包括以下列出的一些方面或所有方面 (1)與單一聚焦點(diǎn)為特征的系統(tǒng)相比，擴(kuò)大了景深；(2)更大的光聚 集效率；(3)更快的重復(fù)成像；(4)采用更易于制造且更便宜的光學(xué) 元件；和(5)軸對稱，其簡化了均衡過程(如， 一維均衡，而不是二 維均衡)。通過閱讀以下說明，各個(gè)實(shí)施例的這些優(yōu)點(diǎn)和其它優(yōu)點(diǎn)將顯 而易見。
0023圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于形成物體卯的圖像的系統(tǒng) 100的圖。物體90可以是任何物體，但在優(yōu)選的用法中，物體90是其 上印有光學(xué)代碼(諸如條形碼)的物品。系統(tǒng)100包括透鏡組件110， 成像器130，和信號處理器150。系統(tǒng)100可以包括其它未示出的部件。 透鏡組件110是相對于用于特定的景深的良聚焦透鏡具有增強(qiáng)的光聚 集效率的旋轉(zhuǎn)對稱透鏡。下文將針對圖2更加詳細(xì)地描述一種形式的 透鏡組件110。成像器130形成物體90的電子圖像。成像器130可以 是數(shù)字照相機(jī)，諸如電荷耦合裝置(CCD)照相機(jī)或CMOS (互補(bǔ)金 屬氧化物半導(dǎo)體)照相機(jī)，二者都形成矩形的二維像素陣列，二維像 素陣列一起構(gòu)成了圖像的電子表示。每個(gè)像素位置都存儲數(shù)據(jù)，該數(shù) 據(jù)表示在圖像的該位置處的光強(qiáng)度。每個(gè)像素的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以是顏 色編碼的矢量(如，紅-綠-藍(lán))或單色強(qiáng)度(如，灰度)。
0024圖2A和2B是兩種形式的透鏡組件110的側(cè)視圖。透鏡 組件110包括前負(fù)透鏡112，其后是隔離物114，再后面是后正透鏡118。 隔離物114可以是墊圈或類似物，其限定了孔116，孔116優(yōu)選是圓形 的，來自前負(fù)透鏡112的光穿過該孔到達(dá)后正透鏡118，同時(shí)阻擋來自 前負(fù)透鏡112外圍的光。隔離物114的厚度優(yōu)選地能在透鏡112和118之間建立期望的間隔。因?yàn)橥哥R組件110和其部件是軸對稱的或旋轉(zhuǎn) 對稱的，所以它們制造組裝花費(fèi)少且簡單，并具有其它優(yōu)勢，如對圖 像數(shù)據(jù)的信號處理簡單，這將在下文針對圖11更加詳細(xì)地說明。例如，
可使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研磨透鏡112和118，并且透鏡112和118以及隔離物 114可組裝在中空管(未示出)中，其能將元件保持在適當(dāng)位置。在圖 2A和2B中的透鏡的排列提供了欠矯正球面象差，其在提供期望的景 深時(shí)，能增加聚集效率，或用不同的說法講，為特定大小的透鏡孔擴(kuò) 展了景深。
0025盡管圖2A中所示的透鏡組件闡釋的是雙凹前負(fù)透鏡112 和雙凸后正透鏡118，透鏡組件110也可以包括負(fù)透鏡之后是擴(kuò)展景深 的正透鏡的任意適當(dāng)布局。圖2B中闡釋了一個(gè)替代性的透鏡組件，其 中前負(fù)透鏡112是平凹的，后負(fù)透鏡118是平凸的。對圖2A和2B所 示的布局進(jìn)行組合也是可行的(如， 一個(gè)雙曲透鏡和一個(gè)平曲透鏡)。
0026透鏡組件110相比于其它能提供擴(kuò)展景深的類型的布局 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是孔116在透鏡110中可以制造得更大。較大的孔改善了 光聚集效率，這又可以進(jìn)行更快的成像。因而，成像系統(tǒng)100能準(zhǔn)確 地掃描條形碼，例如，相比于采用良聚焦透鏡并具有同樣景深的系統(tǒng)， 能以更高的速度移動跨過視場范圍。提高聚集效率的代價(jià)是相比于良 聚焦透鏡，象差加大，從而需要在某些場合中對聚集的圖像進(jìn)行后處 理。
0027透鏡組件110優(yōu)選地具有一般的軸錐體聚焦函數(shù)。換言 之，透鏡組件110的光學(xué)脈沖響應(yīng)或點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)在某一距離范圍上是 物距的函數(shù)，且基本恒定。盡管圖2A和2B所示的透鏡組件110包括 兩個(gè)光學(xué)元件和一個(gè)孔，但是替代性的透鏡組件可以包括更多數(shù)量的 元件或較少數(shù)量的元件(如，單個(gè)圓錐透鏡或一般的圓錐透鏡)。可以 說透鏡組件110是軟焦距透鏡或可以說是引入了相當(dāng)大的球面象差。 透鏡組件110可以引入欠矯正的球面象差，或過矯正的球面象差，但 是欠矯正的球面象差一般可以獲得更好的效果。透鏡組件110也可以 引入色差。
0028可通過使用數(shù)字優(yōu)化技術(shù)，來確定前負(fù)透鏡112和后正 透鏡118、透鏡與孔116的間隔、及孔的大小的準(zhǔn)確規(guī)格。給定基本的透鏡形狀或類型，光學(xué)元件的排序和性能指標(biāo)(諸如，視場，景深， 場內(nèi)的分辨率，等等)，則編有執(zhí)行透鏡設(shè)計(jì)的程序的計(jì)算機(jī)能確定元
件間的間隔和透鏡規(guī)格。例如，圖2B配置的透鏡組件是使用ZEMAZ 光學(xué)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的，并進(jìn)行了測試以驗(yàn)證了此概念。在該原型透鏡 組件中，前負(fù)透鏡112是由曲率半徑為6.2mm (毫米)、中心厚度為 1.5mm的光學(xué)玻璃BK-7制成的；隔離物114的厚度為0.45mm，通光 孔116的直徑為2mm;后正透鏡118是由曲率半徑為4.71mm、中心厚 度為2.5mm的光學(xué)玻璃SF-ll制成的；后正透鏡118的后表面和成像 器130之間距離是9.68mm。該原型透鏡組件在1.5周期/mm的目標(biāo)面 上在從25mm到200mm的目標(biāo)距離范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)為20%。(前 面的所有數(shù)字參數(shù)都是近似的。)在此例子中，透鏡組件是球形的，但 不必一定是球形的。實(shí)際上，非球面鏡頭表面可以獲得更好的效果， 原因是能夠更好地控制最后透鏡系統(tǒng)的象差，或用較少的元件就能實(shí) 現(xiàn)同樣性能的透鏡系統(tǒng)。
0029在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，用薄透鏡近似開始進(jìn)行初始顯象通 常是很方便的。盡管折射透鏡的厚度很厚，薄透鏡可由衍射面近似。 而且，為了預(yù)測成像系統(tǒng)的性能，假定成像器平面上的光軸上的一點(diǎn) 是點(diǎn)源，并跟蹤通過透鏡到達(dá)目標(biāo)的光線，以反過來跟蹤光線通常是 方便的。在這些假設(shè)下，可對透鏡組件110和良聚焦透鏡進(jìn)行比較。 圖3是透鏡的距離(圖上的焦距點(diǎn))相對于發(fā)射光線的透鏡表面上的 環(huán)孔的半徑的圖300。良聚焦透鏡的光線全部以相同的距離(圖3中為 7英寸)達(dá)到，如恒定值曲線305表示，而透鏡組件110的光線則作為 透鏡半徑的函數(shù)以不同的距離聚焦，如曲線310所示。這是欠矯正球 面象差的特征，而透鏡的外面部分比中心(近軸)區(qū)域聚焦得更近。
0030圖4分別示出了良聚焦透鏡405 (頂部)和透鏡組件IIO (底部)的光線圖400A和400B。透鏡組件110的孔大小(直徑)比 良聚焦透鏡405的孔大，以獲得同樣的成像效果。良聚焦透鏡405將 所有光線聚焦到單個(gè)目標(biāo)距離408，而透鏡組件110將光線聚焦到很寬 的距離范圍。結(jié)果是形成相對聚焦光線410的窄帶。圖5分別示出了 圖4中的區(qū)域408和410的放大部分中的光線圖500A和500B。注意， 透鏡405的光線到達(dá)單一距離，而來自于透鏡組件110的光線是以典
ii型的欠矯正球面象差形式展開。
0031確定光學(xué)系統(tǒng)的分辨率的常用方法是通過調(diào)制傳遞函數(shù)， 調(diào)制傳遞函數(shù)度量成像系統(tǒng)分辨空間細(xì)節(jié)的能力。MTF圖顯示了對正 弦曲線目標(biāo)圖像的調(diào)制，(黑-白)/白與空間頻率(以周期/mm，或線 對/mm、也稱作lp/mm表示)之間的關(guān)系。在零空間頻率時(shí)，MTF是 單位l，并且隨著光學(xué)系統(tǒng)使目標(biāo)模糊，通常會隨著頻率增加而減小。 圖6顯示了良聚焦透鏡405在離透鏡五個(gè)不同的距離處的MTF的曲線 圖600。透鏡被聚焦到7英寸，由具有高分辨率(在該曲線圖中，在整 個(gè)空間頻率范圍內(nèi)MTF為恒定且等于1)的曲線603表示。曲線602 和604分別聚焦在6英寸和8英寸，并示出當(dāng)光射線不再聚焦在那些 距離的點(diǎn)時(shí)，調(diào)制在降低。最后，曲線601和605聚焦在5英寸和9 英寸。當(dāng)離聚焦點(diǎn)的距離增加時(shí)，顯然調(diào)制進(jìn)一步減小。透鏡405被 設(shè)計(jì)成在一定的景深范圍(即對于4英寸的總景深而言為5英寸和9 英寸)、1.5周期/mm時(shí)提供20。/。的調(diào)制(圖上為0.2)，。此MTF圖(例 如，601和605具有相同的值)的對稱性質(zhì)是良聚焦透鏡的特點(diǎn)，這可 以通過査看圖5中的光線明顯看出。
0032圖7示出了處于距透鏡相同的距離處的透鏡組件110的 一組MTF曲線710的圖700，即從5英寸以1英寸增量增加到9英寸。 所有的MTF曲線710形狀大致相似，在低空間頻率(此圖中為0-0.5 周期/mm)時(shí)，調(diào)制有一個(gè)陡峭的下降，在高空間頻率(在此圖中為大 于0.5周期/mm)時(shí)調(diào)制逐漸下降。此特定形式的透鏡組件IIO被設(shè)計(jì) 成在從5英寸到9英寸的整個(gè)范圍內(nèi)在1.5周期/mm時(shí)有至少20%的 調(diào)制。這種形式的透鏡組件110的焦距與透鏡半徑的關(guān)系示于圖3，其 可以用下面的等式表示
0033良聚焦透鏡也可以由上面等式的退化情況建模。例如， 透鏡405有以下參數(shù)R4.045英寸，d產(chǎn)7英寸，(12=7英寸，和E-1。 一種形式的透鏡組件110具有以下參數(shù):R=0.225英寸，d產(chǎn)l英寸，d2=12 英寸和E=7。因此，透鏡組件110用直徑上為5倍大的孔實(shí)現(xiàn)了同樣 的分辨率目標(biāo)，因此，能聚集25倍的光，原因是聚集效率與透鏡直徑的平方是成比例的。
0034圖8是在近場距離為5英寸時(shí)將良聚焦透鏡405 (曲線 805)和透鏡組件110 (曲線810)的MTF進(jìn)行比較的曲線圖800?？?以看出，兩個(gè)透鏡的MTF曲線的形狀非常不同，但兩者都滿足在1.5 周期/mm時(shí)至少為20%的調(diào)制的設(shè)計(jì)需求。圖9是在中視場距離為6 英寸時(shí)比較相同透鏡的MTF的曲線圖900。良聚焦透鏡405的曲線905 比透鏡組件110的曲線910有更高的調(diào)制，但它們在1.5周期/mm時(shí)都 超過了20%的調(diào)制。
0035通過參考圖IO中的曲線圖1000，可以更全面地理解透鏡 組件IIO相比于良聚焦透鏡405具有的優(yōu)勢。在此圖中，MTF曲線710 和曲線601-605中的每一個(gè)曲線已經(jīng)與每個(gè)透鏡的孔面積(直徑的平 方)相乘，結(jié)果稱作總傳遞函數(shù)(TTF)，它考慮了可以用給定的成像 器曝光時(shí)間捕捉的信號的總量。曲線圖1000中的TTF曲線己經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn) 化為良聚焦透鏡405的低頻率值?？梢钥闯?，透鏡組件110的曲線960 比良聚焦透鏡曲線950有大得多的TTF。顯然，在1.5周期/mm的設(shè)計(jì) 目標(biāo)下，在從5英寸到9英寸的所有距離下，透鏡402的調(diào)制960至 少是透鏡400的調(diào)制950的7.4倍。因此，透鏡402能以大得多的聚集 效率獲得相同景深。本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解，通過類似的手段，通過 結(jié)合本說明書中描述的透鏡象差，透鏡可以被設(shè)計(jì)成在同樣的孔大小 下，比透鏡400具有更大的景深。使用光學(xué)設(shè)計(jì)程序(諸如ZEMAX ), 類似設(shè)計(jì)過程可用于設(shè)計(jì)具有與這些圖中示出的性能類似的折射透 鏡。
0036因?yàn)橥哥R組件110能比高聚焦的透鏡聚集更多的有用光， 所以透鏡組件110可用于以較快的速率形成圖像(即，較少的幀曝光 時(shí)間)，從而當(dāng)物體移動通過視場時(shí)，能有效地對移動的物體更快地成 像。因?yàn)榫吧畋粩U(kuò)展了，所以有效觀察體積增大了。結(jié)果是獲得具有 較高性能的成像系統(tǒng)，例如，具有增強(qiáng)能力的條形碼讀卡器，其能以 具有較高吞吐量在較大的掃描體積中掃描條形碼。與良聚焦透鏡相比， 擴(kuò)大景深所付出的代價(jià)是在高空間頻率時(shí)(由于球面象差)調(diào)制較小。 這可從圖9中明顯看出。該衰減可以用均衡器進(jìn)行補(bǔ)償，以修改透鏡 組件110和均衡器的總傳遞函數(shù)，以在整個(gè)景深內(nèi)接近良聚焦透鏡的調(diào)制。該補(bǔ)償或均衡可以由信號處理器150實(shí)現(xiàn)。期望MTF對距離相 對恒定，如圖7中所示，以能夠在不知道目標(biāo)距離的情況下進(jìn)行均衡。
0037信號處理器150優(yōu)選為是數(shù)字信號處理器(DSP)，如圖 11中所示。信號處理器150包括虛掃描線提取模塊152，非均勻像素 增益154和均衡器156。虛掃描線提取模塊152是可選的，它從成像器 130讀取和/或收集采樣或像素，成像器130跨整個(gè)圖像的一條或更多 條線以任意角度或以另一種期望的掃描模式放置。產(chǎn)生的規(guī)則的像素 組有時(shí)被稱作"虛掃描線"，原因是它類似于移動的激光光束點(diǎn)掃描通 過物體90時(shí)，由移動的激光光束點(diǎn)反射產(chǎn)生的信號。
0038非均勻的像素增益154雖然也是可選的，但它是有優(yōu)勢 的，原因是它可以抑制由成像器130中的像素與像素之間增益不同等 原因所引起的像素非均勻性。如果像素非均勻性很大且未被抑制，則 它會使圖像中的有用調(diào)制變模糊。例如，有用調(diào)制可以出現(xiàn)在圖像的 幾乎為黑色的部分上，然后在圖像的白色部分上，造成白色部分的噪 聲比黑色部分更多。當(dāng)均衡器放大高頻率以試圖將圖像恢復(fù)到良聚焦 狀態(tài)時(shí)，噪聲也被放大了。如果像素非均勻性噪聲是主要噪聲源，則 從增加孔大小獲得的益處將正好被由像素非均勻性造成噪聲增加來抵 消。如果隨機(jī)噪聲是主要噪聲源，則由于孔大小的增加造成的信號電 平的增加會超過由均衡器造成的對噪聲的放大，產(chǎn)生改進(jìn)的信噪比 (SNR)，及更為快速的成像。通過給本來較黑的部分提供較多的像素 增益、給趨向于較白的部分提供較少的增益(甚至削弱)，非均勻像素 增益154可以補(bǔ)償固有的非均勻性。非均勻的像素增益154優(yōu)選為是 一列比例因子，其一個(gè)像素接一個(gè)像素地與成像器的強(qiáng)度值相乘。通 過使用均勻的光源，優(yōu)選為與透鏡組件110結(jié)合，可校正非均勻的像 素增益154，以使得當(dāng)確定補(bǔ)償非均勻像素增益154的比例因子時(shí)，考 慮由透鏡組件110造成的任何場損失。通常，隨機(jī)噪聲(諸如來自像 素放大器的噪聲)的影響在圖像的黑色區(qū)域占主導(dǎo)地位。而在白色區(qū) 域中，相比于隨機(jī)噪聲，像素非均勻性可能是主要的。在白色區(qū)域中， 在某些情況下，相比于像素非均勻性，由組成信號的離散數(shù)量的光子 造成的散粒噪聲(這是另一種類型的隨機(jī)噪聲)是主要的。在這些情 況下，非均勻像素增益幫 較小，原因是主要噪聲源是隨機(jī)的。0039均衡器156是一種濾波器，其傳遞函數(shù)優(yōu)選為近似于透 鏡組件110的MTF的反函數(shù)，以完全或部分地抵消或補(bǔ)償由透鏡組件 110造成的模糊或象差。同樣，均衡器也可以是期望的透鏡MTF (諸 如曲線905)和實(shí)際的透鏡MTF (諸如曲線910)之間的比率。在這種 情況下，均衡器用來創(chuàng)建與用MTF曲線905的透鏡獲得的圖像同樣質(zhì) 量的圖像。這可以實(shí)現(xiàn)，以降低在高空間頻率時(shí)的均衡器的增益，因 而降低對噪聲的放大。均衡器156可以認(rèn)為是高通濾波器，其在低頻 率時(shí)增益為單位l，在高空間頻率時(shí)，增益較大。不幸的是，在高空間 頻率時(shí)，噪聲被放大。但是由于使用透鏡組件110，總的聚集增加，增 加的信號足夠補(bǔ)償噪聲的增加，使SNR增大，曝光時(shí)間減小，產(chǎn)品掃 速更高。希望透鏡組件IIO的MTF不會隨距離而顯著變化，使得均衡 器156具有單一的固定的傳遞函數(shù)。如果MTF隨距離變化顯著，則如 果距離已知，則可選擇在該距離下與MTF匹配的均衡器；替代性地， 可以順序或并行地在同一圖像數(shù)據(jù)上嘗試多個(gè)均衡器，并且可以使用 后處理來確定哪一個(gè)產(chǎn)生的效果最好。
0040通常，均衡器156可以實(shí)施為數(shù)字有限沖激響應(yīng)(FIR) 濾波器。使用窗頻率采樣技術(shù)或維納濾波，從己知的傳遞函數(shù)產(chǎn)生FIR 均衡器的這種技術(shù)在本領(lǐng)域是已知的。
0041特別地，可以用硬件或軟件來實(shí)施信號處理器150和均 衡器156。它們可以以主動或被動的各種形式存在。例如，它們可以作 為由源代碼、目標(biāo)代碼、可執(zhí)行代碼和其它格式的程序指令組成的一 種或更多種軟件程序存在。以上的任何一種形式可體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)上，其包括壓縮或解壓縮形式的存儲設(shè)備和信號。示例性的計(jì)算 機(jī)可讀存儲設(shè)備包括傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)RAM (隨機(jī)存取存儲器)，ROM (只 讀存儲器)，EPROM (可擦除，可編程ROM)， EEPROM (電可擦除 可編程ROM),閃存和磁或光盤或磁帶。示例性的計(jì)算機(jī)可讀信號， 不管是否用載波調(diào)制過，都是作為計(jì)算機(jī)程序的主機(jī)或運(yùn)行計(jì)算機(jī)程 序的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)配置后可訪問的信號，包括通過因特網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò) 下載的信號。前面所述的具體例子包括CDROM上或通過因特網(wǎng)下載 的軟件分發(fā)。在某種意義上說，因特網(wǎng)本身，作為抽象實(shí)體，也是一 種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。同樣， 一般來說，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也是計(jì)算機(jī)可讀介
15質(zhì)。
0042本說明書中所使用的術(shù)語和描述只是作為說明，而不旨
在作為限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到在不偏離本發(fā)明的根本原則情 況下，可以對上述的實(shí)施例的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改動。因此，本發(fā)明的范 圍應(yīng)該僅由所附的權(quán)利要求和其等同物確定一其中除非特別指出，所 有的術(shù)語都應(yīng)理解為是最寬的合理意義。
權(quán)利要求
1.一種用于讀取光學(xué)代碼的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括成像器，其在視場內(nèi)形成帶有光學(xué)代碼的物體的電子圖像；旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件，其設(shè)置在所述成像器和所述物體之間，所述透鏡組件為期望景深提供增強(qiáng)的聚集效率，由此，相比于良聚焦透鏡，所述透鏡組件產(chǎn)生象差；和信號處理器，其連接到所述成像器，其中所述信號處理器接收圖像數(shù)據(jù)，并生成一個(gè)或多個(gè)虛掃描線信號，所述虛掃描線信號包括取自跨過所述圖像的一條或多條線上的采樣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號處理器包括均衡器，其接收虛掃描線信號，并使所接收的虛掃描線信號均衡， 以至少部分補(bǔ)償由所述透鏡組件引起的所述象差。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述信號處理器還包括.-非均勻定標(biāo)器，其接收虛掃描線信號，并對所述虛掃描線信號中的采樣進(jìn)行定標(biāo)，以生成用于輸入所述均衡器的非均勻定標(biāo)的虛掃描 線信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述均衡器是一維的，由此， 所述成像系統(tǒng)對所述虛掃描線的角定向在很大程度上是不變的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述均衡器具有的傳遞函數(shù) 基本上是所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件的調(diào)制傳遞函數(shù)的反函數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件包括 一般的圓錐透鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件包括 前負(fù)透鏡；后正透鏡；和孑L，其被設(shè)置在所述前透鏡和所述后透鏡之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述前負(fù)透鏡是雙凹透鏡。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述前負(fù)透鏡是平凹透鏡。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述后正透鏡是雙凸透鏡。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述后正透鏡是平凸透鏡。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件的孔 的大小大于具有與所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件相似景深的良聚焦透鏡的孔 的大小，由此，當(dāng)所述物體以大于使用良聚焦透鏡時(shí)的速度移過所述 視場時(shí)，所述成像系統(tǒng)生成所述物體的成形良好的圖像。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)代碼是條形碼。
14. 一種成像系統(tǒng)，其包括-成像器，其在視場內(nèi)形成物體上的光學(xué)代碼的電子圖像； 旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件，其設(shè)置在所述成像器和所述物體之間，所述 旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件為期望景深提供增強(qiáng)的聚集效率，由此，相比于良 聚焦透鏡，所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件產(chǎn)生象差，所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件 包括前負(fù)透鏡； 后正透鏡；和孑L，其設(shè)置在所述前透鏡和所述后透鏡之間，和 信號處理器，其連接到所述成像器，并被配置為生成一個(gè)或多個(gè) 虛掃描線信號，所述虛掃描線信號包括取自跨過所述圖像的一條或多 條線上的采樣。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述信號處理器包括連接到所述成像器的均衡器，其中所述均衡器接收圖像數(shù)據(jù)，并至少 部分補(bǔ)償由所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件引起的所述象差。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組 件是一般的軸錐體。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述均衡器是一維的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述均衡器的輸入是 虛掃描線信號，所述虛掃描線信號包括取自跨過所述圖像的線上的采 樣。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述前負(fù)透鏡是雙凹 透鏡。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述前負(fù)透鏡是平凹 透鏡。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述后正透鏡是雙凸 透鏡。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述后正透鏡是平凸 透鏡。
23. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述均衡器具有的傳 遞函數(shù)基本上是所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件的調(diào)制傳遞函數(shù)的反函數(shù)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組 件的孔的大小大于具有與所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件相似景深的良聚焦透 鏡的孔的大小，由此，當(dāng)所述物體以大于使用良聚焦透鏡時(shí)的速度移 過所述視場時(shí)，所述成像系統(tǒng)生成所述物體的成形良好的圖像。
25. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述圖像包括多個(gè)像素，所述成像系統(tǒng)進(jìn)一步包括多個(gè)像素特定的增益元件，其分別對像素值進(jìn)行定標(biāo)，以補(bǔ)償形 成所述像素值的強(qiáng)度時(shí)的非均勻性。
26. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的成像系統(tǒng)，其中所述光學(xué)代碼是條形碼。
27. —種方法，其包括 使來自物體上的光學(xué)代碼的光穿過負(fù)透鏡；阻擋來自所述負(fù)透鏡的周邊區(qū)域的光，同時(shí)使來自所述負(fù)透鏡的中心區(qū)域的光通過；使來自所述負(fù)透鏡的所述中心區(qū)域的所述光穿過正透鏡； 基于來自所述正透鏡的所述光形成所述光學(xué)代碼的圖像；以及 生成至少一個(gè)虛掃描線信號，所述虛掃描線信號包括取自跨過所述圖像的一條或多條線上的采樣。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其進(jìn)一步包括 以非均勻的量對所述虛掃描線信號的所述采樣進(jìn)行定標(biāo)；以及 使非均勻定標(biāo)的所述虛掃描線信號均衡，以至少部分補(bǔ)償由一個(gè)或多個(gè)所述透鏡引起的象差。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其進(jìn)一步包括 使所述虛掃描線信號均衡，以至少部分補(bǔ)償由一個(gè)或多個(gè)所述透鏡引起的象差。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中跨過所述圖像的所述一條 或多條的線包括處于不同角度的線。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述光學(xué)代碼是條形碼。
全文摘要
在一種形式下，一種成像系統(tǒng)(100)包括在視場內(nèi)形成物體(90)的圖像的成像器(130)，設(shè)置在所述成像器(130)和物體(90)之間的旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件(110)，和均衡器(156)。所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件(110)對特定的景深提供增強(qiáng)的聚集效率，由此，與良聚焦透鏡相比，所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件(110)產(chǎn)生象差。所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件(110)包括前負(fù)透鏡(112)、后正透鏡(118)以及設(shè)置在所述前負(fù)透鏡和后正透鏡(112，118)之間的孔(116)。連接到所述成像器(130)的均衡器(156)接收圖像數(shù)據(jù)，并至少部分地補(bǔ)償由所述旋轉(zhuǎn)對稱透鏡組件(110)產(chǎn)生的象差。
文檔編號G02B27/00GK101614877SQ20091015113
公開日2009年12月30日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日
發(fā)明者A·希林, B·L·奧姆斯特德 申請人:數(shù)據(jù)邏輯掃描公司