Устройство для считывания линейных штриховых кодов
Устройство для считывания линейных штриховых кодов относится к средствам для считывания штрих-кодов, нанесенных на упаковку товаров, товары и изделия, а именно, к сканерам штрих-кодов. В настоящее время наиболее употребляемыми являются так называемые имидж-сканеры штриховых кодов. Имидж-сканер представляет собой фотоприемную матрицу, на которой с помощью объектива формируется изображение поверхности изделия или его упаковки с нанесенными различными способами штрих-кодами. Предлагается специализированное устройство для считывания штриховых кодов с цилиндрических изделий, выполненных из материалов с высоким коэффициентом отражения. В устройстве, включающем в себя типовой имидж-сканер для считывания штриховых линейных штрих-кодов, в систему подсветки штрих-кода дополнительно введены плоское поворотное зеркало с отверстием-диафрагмой и ахроматический рассеиватель света, причем плоское поворотное зеркало устанавливается по отношению к оптической оси объектива имидж-сканера так, чтобы световой поток освещающих светодиодов имидж-сканера отклонялся зеркалом на рассеиватель и не попадал в диафрагму зеркала, находящуюся на оптической оси объектива имидж-сканера, отклоняющее зеркало с диафрагмой, рассеиватель и имидж-сканер устанавливаются на разработанной подставке-кронштейне, конструктивно объединяющей эти элементы, а так же служащей для установки контролируемых цилиндрических изделий с штрих-кодом на фиксированные упоры подставки-кронштейна, при этом зеркало с диафрагмой и рассеиватель ориентируются так, чтобы считываемый код на цилиндрической поверхности контролируемого объекта освещался рассеянным светом под углом 30-60 градусов к оптической оси объектива. В одном из вариантов устройства поворотное зеркало и рассеиватель объединены в один узел в виде насадки, прикрепляемой к корпусу имидж-сканера. В описании 8 иллюстраций.
Предлагаемое устройство относится к средствам для считывания штрих-кодов, нанесенных на упаковку товаров, товары и изделия, а именно к сканерам штрих-кодов. В настоящее время наиболее употребляемыми являются так называемые имидж-сканеры штриховых кодов. Имидж-сканер представляет собой фотоприемную матрицу, на которой с помощью объектива формируется изображение поверхности изделия или его упаковки с нанесенными различными способами штрих-кодами. По команде оператора (нажатие кнопки) кадр с изображением штрих-кода заносится в память электронного блока имидж-сканера, обрабатывается и декодируется по заданным алгоритмам для получения исходной (закодированной) информации в виде алфавитно-цифрового описания модели, серийного номера, даты изготовления. Во всех известных типах имидж-сканеров присутствует одинаковый набор элементов. Это матричный фотоприемник (МП), объектив для переноса изображения штрих-кода в плоскость МП, встроенный источник освещения для подсветки считываемого штрих-кода, корпус, электронный блок для управления сканером, обработки и декодирования считываемого фотоприемником изображения штрих-кода, с проводной или беспроводной линией связи для передачи алфавитно-цифрового значения кода в компьютер. В качестве примера на Фиг. 1 представлен фронтальный внешний вид типичного имидж-сканера штрих-кодов, например, [http://www.datalogic.com/rus/products/automatic-data-capture/industrial-handhelds/powerscan-pm8500-pd-188.html (DS-POWERSCANPD8500-RU.PDF)], где 1 - объектив с фотоматрицей; 2 - светодиоды подсветки; 3 - прицельные светодиоды для индикации зоны считывания. Преимуществом имидж-сканеров является универсальный характер их применения для считывания и декодирования любых типов штриховых кодов, как линейных, так и двумерных. Однако, эта технология обладает и ограничениями - качество получаемого изображения, а следовательно и результаты декодирования штрих-кодов в большой степени зависят от условий освещения изделий, формы и оптических характеристик их поверхности, а также способа нанесения штрих-кодов. Особенно важными эти особенности применения имидж-сканеров становятся при считывании и декодировании штриховых кодов, нанесенных непосредственно на поверхности изделий или их деталей в процессах прямой маркировки. Отличие прямой маркировки от традиционной заключается в том, что традиционная маркировка, как правило, выполняется методами высококонтрастной типографской или струйной печати на бумаге или упаковочных материалах. Наиболее востребованная в условиях современного промышленного производства прямая маркировка включает в себя методы формирования штриховых кодов непосредственно на поверхности изделий или их частей. Методы прямой маркировки - химическое травление, механическое или лазерное гравирование.
В настоящее время наиболее распространенным способом прямой маркировки становится метод лазерного гравирования поверхности изделий или их частей, изготовленных из любых конструкционных материалов. Визуальные характеристики изображений штрих-кодов, нанесенных методами прямой маркировки отличаются от характеристик изображений, выполненных методами печати. Как правило, их контраст существенно ниже. Наибольшие трудности при считывании штриховых кодов, нанесенных методом лазерной маркировки, возникают в случае изделий цилиндрической формы, изготовленных из материалов с большим отражением. Примером таких изделий являются металлические заготовки средств инициирования - цилиндры с диаметром 7-8 мм, длиной 60-120 мм. Заготовки изготовлены из алюминиевого сплава с высоким коэффициентом отражения. Заготовки маркируются линейным штриховым кодом в международном формате Code 128. Длина кода не превышает 20 мм, высота равна 3 мм. Примеры таких изделий с нанесенным штрих-кодом представлены на Фиг. 2. Применение линейного штрих-кода для маркировки цилиндрических заготовок обусловлено как преимущественно линейно ориентированной геометрией изделий, так и поперечной избыточностью кода такого типа, что обеспечивает надежное считывание при изменении их угловой ориентации относительно оси цилиндра.
Изображения штриховых кодов, формируемые методом лазерного гравирования, создаются методом селективного термического разрушения отражающей поверхности изделия. Формирование изображения штрих-кода происходит в результате того, что участки поверхности, гравированные лазером, рассеивают падающий световой поток, а не отражают его. Рассеянный элементами штрих-кода в большой угловой диапазон световой поток лишь частично попадает в апертуру объектива сканера и элементы штрих кода формируют темные участки изображения. Отраженный от негравированных участков изделия световой поток формирует светлые участки изображения.
При работе сканера подсветка считываемого изображения штрих-кода производится, как правило, путем импульсного освещения световым потоком светодиодов системы освещения, встроенных в корпус сканера. При этом оптические оси освещающих пучков света и считывающего объектива расположены так, что отраженный и рассеянный свет от контролируемого изделия направляется в сторону считывающего объектива.
Если форма маркируемых изделий - цилиндрическая или трубчатая, с диаметром в диапазоне 5-20 мм, и изготовлены они из материалов с высоким коэффициентом отражения (чаще всего это металлы), использование штатной схемы подсветки сканера для считывания штрих-кодов на таких изделиях приводит к формированию высокоинтенсивных рефлексов от негравированных участков изделий с узкой угловой диаграммой направленности. Это приводит к нелинейным искажениям изображений, затрудняющих их обработку и декодирование. Близость угловой ориентации оптических осей объектива сканера и схемы освещения приводит к попаданию зеркально отраженного от поверхностей упоминаемой группы изделий интенсивного светового потока на фотоприемник сканера, что приводит, в свою очередь, к ненадежной работе схемы считывания и распознавания изображения штрих-кода из-за большой угловой нестабильности частотно-контрастных характеристик изображения и несоответствия яркостных характеристик формируемого изображения динамическому диапазону фотоприемника.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что для указанного вида изделий: цилиндрические детали диаметром 5-20 мм, имеющих поверхность с высоким коэффициентом отражения, универсальные имидж-сканеры непригодны для декодирования линейных кодов прямой маркировки. Поэтому, для решения поставленной задачи (достоверность считывания кода для указанного вида изделий) необходимы специализированные сканирующие устройства.
Известны примеры создания таких устройств, в которых для декодирования меток прямой маркировки подсветка штрих-кода выполняется рассеянным светом. Известна полезная модель «Портативное считывающее устройство для декодирования символьных меток прямого нанесения» (RU 96992 от 19.03.2010),, отличающаяся тем, что включение светодиодов целеуказания и светодиодов подсветки разнесено по времени, а для подсветки символьных меток создается диффузное освещение. Для создания подсветки рассеянным светом служит фрезерованный стакан, закрытый крышкой с отверстием по центральной оси стакана. Излучение светодиодов, расположенных внутри стакана, после переотражения от внутренней поверхности стакана выходит через отверстие в крышке стакана и освещает изображение штрих-кода.
Известна другая полезная модель «Портативное считывающее устройство для считывания и декодирования символьных меток прямого нанесения, в том числе с зеркальных поверхностей», RU 120798 от 24.01.2012. Эта полезная модель выполнена на основе выше рассмотренной полезной модели RU 96992 и тем же коллективом авторов. Отличительной особенностью этой модели является то, что для увеличения площади рассеянного светового пятна к упомянутому в модели RU 96992 цилиндрическому стакану, предназначенному для создания подсветки рассеянным светом, дополнительно пристыковано кольцо конусообразного сечения, изготовленное из матового материала. Свет от отдельных светодиодов рассеивается в материале кольца и в виде кольца некоторой ширины добавляется к пятну, сформированному в стакане.
Рассмотренные выше полезные модели - это устройства, разработанные и изготовленные с «нуля». Самостоятельно разработаны: корпус с самостоятельным дизайном, оптическая часть, блок формирования рассеянного света, вся аппаратная (программная) часть выполнена на нескольких отдельных печатных платах. Недостаток блока формирования рассеянного света для подсветки штрих-кода в модели RU 96992 заключается в сложности его изготовления и недостаточной площади светового пятна подсветки (поскольку в следующей модели RU 120798 авторы ставят задачу увеличения этой площади с помощью дополнительного кольца из матового (рассеивающего) материала.
Другим существенным недостатком блока формирования рассеянного света является преимущественно прямое направление индикатрисы рассеянного светового потока, приводящее к формированию интенсивного отраженного светового потока в направлении фотоприемника, и соответственно, нестабильности его работы.
Недостатком блока формирования рассеянного света для подсветки штрих-кода в модели RU 120798 заключается в еще большей трудности изготовления, в сравнении с моделью RU 96992, а также принципиальной неравномерности интенсивности рассеянного поля. К площади круглого пятна, формируемого цилиндрическим стаканом, добавляется площадь кольца некоторой ширины, создаваемая кольцевой насадкой из матового материала (см. рис. 2 в описании в модели RU 120798). Составляющие результирующего пятна рассеянного света создаются из разных источников освещения (светодиодов) и совершенно разными способами, поэтому, чтобы обеспечить равномерность интенсивности результирующего поля, необходимо дополнительно создать систему, в которой должно быть обеспечено измерение интенсивности излучения обеих составляющих поля и их регулировка. Другим существенным недостатком блока формирования рассеянного света является преимущественно прямое направление индикатрисы рассеянного светового потока, приводящее к формированию, при считывании штрих-кодов с зеркальных цилиндрических деталей, интенсивного отраженного светового потока в направлении фотоприемника и, соответственно, нестабильности его работы
В предлагаемой специализированной полезной модели, предназначенной для считывания линейных штрих-кодов прямого нанесения с цилиндрических деталей из материала с высоким коэффициентом отражения, так же, как и в рассмотренных выше полезных моделях, используется способ подсветки кода рассеянным светом. В предлагаемой полезной модели так же разработан блок формирования рассеянного света для подсветки кода, однако в этом блоке нет недостатков, о которых говорилось при рассмотрении блоков подсветки в полезных моделях RU 96992 и RU 120798. Предлагаемая полезная модель создана на основе универсального коммерческого сканера (имидж-сканера)и благодаря добавлению к штатной системе подсветки кода разработанного блока формирования бокового рассеянного света.
Для обеспечения надежного считывания и достоверности распознавания изображения штрих-кода на поверхности изделий, с указанными выше характеристиками, и предназначено предлагаемое специализированное устройство считывания, экономически эффективное по сравнению с известными полезными моделями. Другим преимуществом предлагаемой полезной модели является сохранение возможности использования универсального сканера штрих-кодов.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство для считывания линейных штриховых кодов, нанесенных методом лазерного гравирования, включающее типовой имидж-сканер для считывания линейных штрих-кодов, в систему подсветки штрих-кода дополнительно введены плоское поворотное зеркало с отверстием-диафрагмой и ахроматический рассеиватель света, причем плоское поворотное зеркало устанавливается по отношению к оптической оси объектива имидж-сканера так, чтобы световой поток освещающих светодиодов имидж-сканера отклонялся зеркалом на рассеиватель и не попадал в диафрагму зеркала, находящуюся на оптической оси объектива имидж-сканира, отклоняющее зеркало с диафрагмой, рассеиватель и имидж-сканер устанавливаются на подставке-кронштейне, конструктивно объединяющей эти элементы, а так же служащей для установки контролируемых цилиндрических изделий с штрих-кодом на фиксированные упоры подставки-кронштейна, при этом зеркало с диафрагмой и рассеиватель ориентируются так, чтобы считываемый код на цилиндрической поверхности контролируемого объекта освещался рассеянным светом под углом 30-60 градусов к оптической оси объектива. Зеркало направляет на рассеиватель световой поток системы освещения имидж-сканера под углом 100-120 градусов от оптической оси объектива. Размеры отверстия-диафрагмы выбираются такими, что бы поле зрения объектива не ограничивалось, а прямой свет от системы подсветки не проходил через него. Рассеянный световой поток от ахроматического рассеивателя формирует боковое освещение зеркальной поверхности изделия, отражение которого от цилиндрической поверхности изделия имеет существенно более широкое угловое распределение и, соответственно, меньшую интенсивность. Схема бокового безрефлексного освещения позволяет согласовать яркостно-контрастные характеристики изображения линейного штрих-кода с динамическим диапазоном фотоматрицы и, тем самым, добиться надежного считывания и декодирования линейного штрих кода, нанесенного методом лазерного гравирования на цилиндрические изделия из материалов с высокими коэффициентами отражения. Работа устройства поясняется Фиг. 3 (а, б), на которых представлены ход световых лучей и схематичный набор элементов при считывании линейных штрих-кодов с цилиндрических изделий при использовании штатной схемы освещения имидж-сканера (а) и схемы освещения в предлагаемом устройстве (б). Набор элементов включает корпус 1, матричный фотоприемник 2 с объективом, светодиоды 3 подсветки, зеркало 5 с отверстием на оптической оси сканера, рассеиватель 6, цилиндрическая заготовка 4.
Устройства работают следующим образом. При появлении в поле зрения фотоприемной матрицы 2 объекта 4 по команде оператора (нажатие кнопки на корпусе имидж-сканера) или автоматически с заданной периодичностью по командам процессора имидж-сканера включаются светодиоды подсветки и формируемое объективом сканера изображение изделия со штрих-кодом записывается в память сканера. Далее происходит обработка изображения и его декодирование. При отсутствии поворотного зеркала и рассеивателя (Фиг. 3а) изделие освещается прямым световым потоком освещающих светодиодов, по направлению близкому к оптической оси объектива сканера. Цилиндрическая форма изделия в совокупности с высоким коэффициентом отражения материала приводит к формированию высококонтрастного неравномерного по полю изображения штрихового кода, яркостно-контрастные характеристики которого сильно зависят от положения и угловой ориентации изделия. Декодирование изображения штрих-кода в таких условиях происходит крайне ненадежно. При наличии поворотного зеркала с диафрагмой и рассеивателя (Фиг. 3б) прямой световой поток освещающих светодиодов отклоняется зеркалом 5 на рассеиватель 6. Изделие освещается боковым потоком рассеянного света и на фотоприемнике формируется достаточно равномерное и оптимальное по яркостно-контрастным характеристикам изображение линейного штрих-кода. Поэтому декодирование происходит быстро и надежно.
На Фиг. 4 (а, б) представлены сделанные с помощью фотоматрицы сканера снимки штрих-кодов с поверхности контролируемых объектов, соответствующие двум разным схемам освещения: на Фиг. 4а - изображение штрих-кода, формируемое камерой имидж-сканера при прямом (штатном) освещении; на Фиг. 4б - изображение штрих-кода, формируемое камерой сканера при боковом рассеянном освещении. На Фиг. 5а представлен эскиз варианта предлагаемого устройства для чтения линейных штрих-кодов на цилиндрических изделиях из алюминиевого сплава, состоящий из подставки-кронштейна 2 с встроенными поворотным зеркалом-диафрагмой 4, рассеивателем 5 светового потока и имидж-сканером 1 марки PD 8530 фирмы Data Logic, устанавливаемым в держатель сканера 3 подставки. На упорах подставки установлено цилиндрическое изделие с линейным штрих-кодом 6.
Для испытаний предлагаемого технического решения разработаны и изготовлены два варианта подставок, фото которых представлено на Фиг. 5б, отличающиеся конструкциями держателей 1 сканера 2, узлов зеркал-диафрагм 3 и рассеивателей 4.
Испытания предлагаемого считывающего устройства проведены в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, и подтвердили преимущества предлагаемого технического решения для повышения производительности и достоверности считывания и декодирования линейных штрих-кодов, нанесенных методом лазерной маркировки на цилиндрические изделия из материалов с высоким коэффициентом отражения.
Устройство для считывания линейных штриховых кодов, у которого подсветка изображения кода выполняется рассеянным светом, отличающееся тем, что считывание осуществляется универсальным имидж-сканером, у которого в систему подсветки изображения кода дополнительно введены плоское поворотное зеркало с отверстием-диафрагмой и ахроматический рассеиватель света, причем плоское поворотное зеркало устанавливается по отношению к оптической оси объектива имидж-сканера так, чтобы световой поток освещающих светодиодов имидж-сканера отклонялся зеркалом на рассеиватель и не попадал в диафрагму зеркала, находящуюся на оптической оси объектива имидж-сканера, отклоняющее зеркало с диафрагмой, рассеиватель и имидж-сканер устанавливаются на подставке-кронштейне, конструктивно объединяющей эти элементы, а также служащей для установки контролируемых цилиндрических изделий с штрих-кодом на фиксированные упоры подставки-кронштейна, при этом зеркало с диафрагмой и рассеиватель ориентируются так, чтобы считываемый код на цилиндрической поверхности контролируемого объекта освещался рассеянным светом под углом 30-60° к оптической оси объектива.
