(57)【要約】  標的物体を撮像リーダで撮像する方法。方法は、（１）レンズ構成を通じて標的物体からの光を画像センサで検出して、明視野データを生成し、（２）標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成し、（３）標的物体の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読することを含む。画像センサは感光性エレメントのアレイ、およびマイクロレンズの焦点面に配置された感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイを備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的物体に向けられた照明を供するための照明源と、
明視野データを生成するための画像センサであって、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズを通じて光を受光しサブピクセルとして各々機能する複数の感光性エレメントを覆う、画像センサと、
画像センサと動作可能に接続されて、画像センサから明視野データを受け取る画像処理ユニット（ＩＰＵ）であって、標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように動作可能である、画像処理ユニットと、
ＩＰＵに動作可能に接続されて、ＩＰＵから受け取った画像データのストリームを処理するコントローラとからなる装置。
【請求項２】
ＩＰＵは、
所定の焦点面の組を選択し、
明視野データから標的物体の画像の組を構築するように構成されており、前記画像の組における各画像は、前記所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
画像センサの前方に配置されたレンズ構成をさらに備え、
各所定の焦点面は該レンズ構成の光軸に対して傾いている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ＩＰＵは、前記画像の組からの各画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
ＩＰＵは、明視野データから構築された前記画像の組からの１つの画像を標的物体の予想される合焦画像として選択するように構成されており、選択された該１つの画像は、前記画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
ＩＰＵは、
明視野データから複数の局所的な合焦画像を構築し、
前記複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の局所的な合焦画像は、明視野データから構築された１より多い局所的な合焦画像を含み、選択された局所的な合焦画像を構築することは、
異なる対応する局所的焦点面を備えるとともに、標的物体上の本質的に同じ領域を各々覆う局所的画像の組の鮮鋭度を見出すことと、
前記局所的画像の組から１つの局所的画像を選択された局所的な合焦画像として選択することとを含み、選択された局所的な合焦画像は前記局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ＩＰＵは、
選択された局所的な合焦画像をコントローラに転送し、
選択された局所的な合焦画像を転送した後、別の局所的な合焦画像を計算するために、選択された局所的な合焦画像を計算するために用いられたメモリを再利用するように構成されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ＩＰＵは、
３つの所定の焦点面を選択し、
明視野データから標的物体の３つの画像を自動的に構築し、該３つの画像の各々は、該３つの所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築され、
前記３つの画像の各々を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ＩＰＵは、
第１の焦点面を対応する焦点面として用いて、明視野データから標的物体の参照画像を構築し、
参照画像を、次の焦点面としての、近くの焦点面と、遠くの焦点面と、該近くの焦点面と該遠くの焦点面との間に配置されている第１の焦点面とのうちの選択された１つに対するサブピクセルにおける強度分布と比較し、
次の焦点面を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
参照画像をサブピクセルにおける強度分布と比較するこことは、マイクロレンズとサブピクセルとの間の黒色−白色間の遷移の方向を比較することを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
ＩＰＵは、
標的物体から受光された光の強度に基づいて最適化された合成開口を決定し、
最適化された合成開口を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ＩＰＵからコントローラへ転送されたデータの量は、ＩＰＵが画像センサから受け取るデータの量よりも実質的に少ない、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
撮像リーダで標的物体を撮像する方法であって、
画像センサによってレンズ構成を通じて標的物体からの光を検出し、明視野データを生成する工程であって、画像センサは、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズを通じて光を受光しサブピクセルとして各々機能する複数の感光性エレメントを覆っている、前記工程と、
標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成する工程であって、画像データのストリームは明視野データから生成される、前記工程と、
標的物体の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読する工程と、を備える方法。
【請求項１５】
前記レンズ構成の光軸に対して傾いている所定の焦点面の組を選択する工程と、
明視野データから標的物体の画像の組を構築する工程とをさらに備え、
前記画像の組における各画像は、前記所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記画像の組からの各画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成する工程をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
明視野データから構築された前記画像の組から１つの画像を標的物体の予想される合焦画像として選択する工程をさらに備え、選択された該１つの画像は前記画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
明視野データから複数の局所的な合焦画像を構築する工程と、
前記複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成する工程と、をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の局所的な合焦画像は、明視野データから構築された１より多い局所的な合焦画像を含み、選択された局所的な合焦画像を構築する工程は、
異なる対応する局所的焦点面を備えるとともに、標的物体上の本質的に同じ領域を各々覆う局所的画像の組の鮮鋭度を見出す工程と、
前記局所的画像の組から１つの局所的画像を選択された局所的な合焦画像として選択する工程とを含み、選択された局所的な合焦画像は前記局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
３つの所定の焦点面を選択する工程と、
明視野データから標的物体の３つの画像を自動的に構築し、該３つの画像の各々は、該３つの所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築される工程と、
前記３つの画像の各々を表す画像データを含む画像データのストリームを生成する工程と、をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
第１の焦点面を対応する焦点面として用いて、明視野データから標的物体の参照画像を構築する工程と、
参照画像を、次の焦点面としての、近くの焦点面と、遠くの焦点面と、該近くの焦点面と該遠くの焦点面との間に配置されている第１の焦点面とのうちの選択された１つに対するサブピクセルにおける強度分布と比較する工程と
次の焦点面を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築する工程とを、さらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
参照画像をサブピクセルにおける強度分布と比較する工程は、マイクロレンズとサブピクセルとの間の黒色−白色間の遷移の方向を比較する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
標的物体から受光された光の強度に基づいて最適化された合成開口を決定する工程と、
最適化された合成開口を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築する工程と、をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
撮像リーダで標的物体を撮像する方法であって、該撮像リーダは、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを有する画像センサを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズを通じて光を各々受光する複数の感光性エレメントを覆っており、前記方法は、
前記画像センサによって明視野データを獲得する工程と、
明視野データから複数の局所的な合焦画像を構築する工程と、
前記複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成する工程とを備え、
前記複数の局所的な合焦画像から所与の局所的な合焦画像を構築する工程は、
異なる対応する局所的焦点面を備えるとともに、標的物体上の本質的に同じ領域を各々覆う局所的画像の組の鮮鋭度を見出す工程と、
前記局所的画像の組から１つの局所的画像を前記所与の局所的な合焦画像として選択する工程とを含み、
所与の局所的合焦画像は前記局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、方法。
【請求項２５】
標的物体の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読する工程をさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
撮像リーダで標的物体を撮像する方法であって、該撮像リーダは、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを有する画像センサを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズの焦点面に各々配置されるとともに該マイクロレンズを通じて光を各々受光しサブピクセルとして機能する複数の感光性エレメントを覆っており、前記方法は、
前記画像センサによって明視野データを獲得する工程と、
第１の焦点面を用いて、明視野データから第１の予想される合焦画像を構築し、標的物体の第１の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読する工程と、
第１の予想される合焦画像を処理することによってもバーコードの解読に成功しない場合、
（１）第１の予想される合焦画像において少なくとも１つの強度遷移縁を見出す工程と、
（２）少なくとも１つの強度遷移縁の遷移方向を、所定の近くの面と所定の遠くの面とのうちの次の焦点面として選択された１つに対するサブピクセルにおける強度分布と比較する工程と、
（３）次の焦点面を用いて、明視野データから次の予想される合焦画像を構築し、標的物体の該次の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読する工程とを備え、
前記所定の近くの面は第１の焦点面と比べて画像センサのより近くに配置され、前記所定の遠くの面は第１の焦点面と比べ画像センサからより離れて配置される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、撮像ベースのバーコード・スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の電気光学システムが、バーコードなど光学徴表（ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｄｉｃｉａ）を読み取るために開発されてきた。バーコードは、一連のバーおよび様々な幅のスペースよりなるグラフ徴表の暗号化されたパターンである。バーコードにおいて、バーおよびスペースは異なる光反射特徴を有する。バーコードには、バーおよびスペースが一方向で離隔され、パターンの列を形成する１次元構造を有するものがある。１次元バーコードの例としては、典型的には、小売店の販売で用いられる均一製品コード（ＵＰＣ：Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｃｏｄｅ）が挙げられる。バーコードでは、バーおよびスペースのパターンの複数の列が垂直に積み重ねられて、単一のバーコードを形成する２次元構造を有するものがある。２次元バーコードの例としては、コード４９およびＰＤＦ４１７が挙げられる。
【０００３】
バーコードを読み取り、解読するために１以上の固体画像センサを用いるシステムは、一般に、撮像ベースのバーコード・リーダ、撮像スキャナまたは撮像リーダと称される。固体画像センサは、一般に、１以上のアレイ中に整列した複数の感光性エレメントまたはピクセルを備えている。固体画像センサの例としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）撮像チップが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】いくつかの実施形態による撮像スキャナを示す図。
【図２】いくつかの実施形態による撮像スキャナの概略図。
【図３Ａ】画像センサの光軸がバーコードの表面に対して垂直でないことを示す図。
【図３Ｂ】画像センサの光軸がバーコードの表面に対して垂直でないことを示す図。
【図４Ａ】バーコードを曲面に配置することができることを示す図。
【図４Ｂ】バーコードを曲面に配置することができることを示す図。
【図４Ｃ】バーコードを曲面に配置することができることを示す図。
【図５Ａ】バーコードの１つの部分が第１の面上に存在でき、バーコードの別の部分が第２の面上に存在できることを示す図。
【図５Ｂ】バーコードの１つの部分が第１の面上に存在でき、バーコードの別の部分が第２の面上に存在できることを示す図。
【図６】いくつかの実施形態による明視野カメラの概略図。
【図７】いくつかの実施形態による、明視野データを用いて、ユーザが選択した焦点面を有する合焦画像を構築するための異なる変数の間の関係を示す図。
【図８】いくつかの実施形態による、明視野カメラを備えた撮像スキャナの概略図。
【図９】いくつかの実施形態による、各々が、対応する焦点面として所定の焦点面の１つを用い、画像の組を生成するのに用いることができる所定の焦点面の組を示す図。
【図１０】システムの光軸に対して垂直でない面にバーコードを配置することができることを示す図。
【図１１】いくつかの実施形態による、どのように面上の全ての点を、いくつかの最新のアルゴリズムを用いて明視野データから生成される予想される合焦画像における焦点に入れるかを示す概略図。
【図１２】いくつかの実施形態による、各々が、システムの光軸に対して傾いている所定の焦点面の組を示す図。
【図１３Ａ】いくつかの実施形態による、どのように未知の面上の全ての点に良好な焦点を持つ構築された画像を明視野データから構築するかを示す図。
【図１３Ｂ】いくつかの実施形態による、どのように未知の面上の全ての点に良好な焦点を持つ構築された画像を明視野データから構築するかを示す図。
【図１４】いくつかの実施形態による、捕獲されたフレームにおける焦点外れ修正の方向をどのように測定するかを示す概略図。
【図１５Ａ】副開口を通過する光が、写真画像を形成するための異なるマイクロレンズを通じて対応するピクセルに集束するのかを示す図。
【図１５Ｂ】副開口を通過する光が、写真画像を形成するための異なるマイクロレンズを通じて対応するピクセルに集束するのかを示す図。
【図１５Ｃ】副開口を通過する光が、写真画像を形成するための異なるマイクロレンズを通じて対応するピクセルに集束するのかを示す図。
【図１６Ａ】標的物体から受光された光の強度に基づき、かつ読み取るべきバーコードのタイプに基づき、最適化された合成開口を動的に変化させることができることを示す図。
【図１６Ｂ】標的物体から受光された光の強度に基づき、かつ読み取るべきバーコードのタイプに基づき、最適化された合成開口を動的に変化させることができることを示す図。
【図１６Ｃ】標的物体から受光された光の強度に基づき、かつ読み取るべきバーコードのタイプに基づき、最適化された合成開口を動的に変化させることができることを示す図。
【図１６Ｄ】標的物体から受光された光の強度に基づき、かつ読み取るべきバーコードのタイプに基づき、最適化された合成開口を動的に変化させることができることを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
１つの態様において、本発明は、標的物体を撮像リーダで撮像する方法を対象とする。この方法は、（１）画像センサを備えたレンズ構成を通じて標的物体からの光を検出して、明視野データを生成し、（２）標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成し、（３）標的物体の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読することを含む。画像データのストリームは明視野データから生成される。画像センサは、（１）感光性エレメントのアレイ、および（２）均一な間隔で、感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイを備えており、マイクロレンズは、各々がマイクロレンズの焦点面に配置され、各々がマイクロレンズを通じて光を受けサブピクセルとして機能する複数の感光性エレメントを覆っている。
【０００６】
同様な参照番号が別の図面の全体にわたって同一または機能的に同様なエレメントを指す添付の図面は、以下の詳細な記載と一緒になって、明細書に援用され、明細書の一部を形成し、特許請求される発明を含む概念の実施形態をさらに説明し、それらの実施形態の種々の原理および利点を説明するように働く。
【０００７】
当業者であれば、図面中のエレメントは簡潔性および明瞭性のために示されるもので、必ずしも原寸に比例して示されていないことを理解するであろう。例えば、図面中のエレメントのいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解を改善するのを助けるために他のエレメントに対して誇張することができる。
【０００８】
装置および方法の構成要素は、適切な場合、本明細書の記載の便益を有する分野の当業者に容易に明らかとなるであろう詳細を備えた開示を不明瞭としないように、本発明の実施形態の理解に関連する具体的な詳細のみを示す図面中の従来の記号によって表されている。
【０００９】
図１は、いくつかの実施形態による撮像スキャナ５０を示す。撮像スキャナ５０は窓５６およびハンドルを備えたハウジング５８を有する。撮像スキャナ５０は、それ自体を天板上に支えるためのベース５２も有する。撮像スキャナ５０は、それが天板上に置かれた場合に、静止したワークステーションとしてハンドフリー形態で用いることができる。撮像スキャナ５０は、それが天板から持ち上げられ、オペレータの手の中に保持される場合、ハンドヘルド形態で用いることもできる。ハンドフリー形態では、製品を滑らせ、通過させ、または窓５６に提示することができる。ハンドヘルド形態では、撮像スキャナ５０は製品上のバーコードに向けて移動させることができ、引金５４を手動で押し下げて、バーコードの撮像を開始することができる。いくつかの実施においては、ベース５２は省略することができ、ハウジング５８も他の形状とすることができる。図１において、ケーブルもベース５２に接続される。他の実施においては、ベース５２に接続されたケーブルを省略する場合、撮像スキャナ５０にはオンボード型電池によって電力を与えることができ、それはワイヤレス・リンクによって遠隔ホストと通信することができる。さらに他の実施において、撮像スキャナ５０は、スマートフォンまたはタブレット・コンピュータなどモバイル・コンピュータの一部とすることができる。
【００１０】
図２は、いくつかの実施形態による撮像スキャナ５０の概略図である。図２における撮像スキャナ５０は以下の構成要素、すなわち（１）撮像レンズ構成６０の背後に配置された画像センサ６２、（２）照明源７２の前方に配置された照明レンズ構成７０、（３）照準光源８２の前方に配置された照準レンズ構成８０、および（４）コントローラ９０を備えている。図２において、撮像レンズ構成６０、照明レンズ構成７０、および照準レンズ構成８０は窓５６の背後に配置される。画像センサ６２は、撮像スキャナ中のプリント回路基板９１上に載置される。
【００１１】
画像センサ６２はＣＣＤまたはＣＭＯＳ撮像装置とすることができる。画像センサ６２は、一般に、複数のピクセル・エレメントを備える。これらの複数のピクセル・エレメントは、１つの列に直線状に配置された感光性エレメントの１次元アレイによって形成することができる。これらの複数のピクセル・エレメントは、相互に直交する行および列に配置された感光性エレメントの２次元アレイによって形成することもできる。画像センサ６２は、窓５６を通って光路または軸６１に沿って撮像レンズ構成６０によって捕獲された光を検出するように作動することができる。一般に、画像センサ６２および撮像レンズ構成６０は、一緒になって、２次元の視野（ＦＯＶ）にわたってピクセル・データとしてのバーコード４０から散乱された、または反射された光を捕獲するように作動するように設計される。
【００１２】
バーコード４０は、一般に、近接作動距離（ＷＤ１）および遠方作動距離（ＷＤ２）の間の距離の作動範囲においていずれかの箇所に配置することができる。１つの具体的な実施において、ＷＤ１は窓６６に近接しており、ＷＤ２は窓５６から約数フィート（約１００センチ）である。撮像スキャナのいくつかは、バーコード４０と撮像レンズ構成６０との間の距離を測定するための測距システムを備えることができる。撮像スキャナのいくつかは、バーコードが、このバーコードの測定された距離に基づいて、画像センサ６２でより明瞭に撮像されるのを可能とするための自動焦点システムを備えることができる。自動焦点システムのいくつかの実施において、撮像レンズ構成６０の焦点距離は、バーコードの測定された距離に基づいて調整される。自動焦点システムのいくつかの他の実施において、撮像レンズ構成６０と画像センサ６２との間の距離は、バーコードの測定された距離に基づいて調整される。
【００１３】
図２において、照明レンズ構成７０および照明源７２は、照明時間の間にバーコード４０に向けて照明光を生成するために一緒に作動するように設計される。照明源７２は、１以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることができる。照明源７２は、レーザまたは他の種類の光源を備えることもできる。照準レンズ構成８０および照準光源８２は、バーコード４０に向けて目で見える照準光パターンを生成するために一緒に作動するように設計される。そのような照準パターンは、撮像スキャナを正確にバーコードに狙いを定めるためにオペレータによって用いられ得る。照準光源８２は、１以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることができる。照準光源８２は、レーザ、ＬＥＤ、または他の種類の光源を備えることもできる。
【００１４】
図２において、マイクロプロセッサなどコントローラ９０は、画像センサ６２、照明源７２、および照準光源８２に動作可能に接続され、これらの構成要素の操作を制御する。コントローラ９０を用いて、撮像スキャナ中の他のデバイスを制御することもできる。撮像スキャナ５０は、データを格納し、検索するために、コントローラ９０がアクセス可能なメモリ９４を備えている。複数の実施形態において、コントローラ９０は、撮像スキャナ５０の視野（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ））内にある１以上のバーコードを解読するためのデコーダも備える。いくつかの実施において、バーコード４０は、バーコードの捕獲された画像をマイクロプロセッサでデジタル的に処理することによって解読することができる。
【００１５】
操作において、いくつかの実施形態によると、コントローラ９０はコマンド・シグナルを送って、所定の照明時間の間、照明源７２にエネルギーを与える。次いで、コントローラ９０は画像センサ６２を露出させて、バーコード４０の画像を捕獲する。バーコード４０の捕獲された画像は、ピクセル・データとしてコントローラ９０に転送される。そのようなピクセル・データは、コントローラ９０中のデコーダによってデジタル的に処理されて、バーコードを解読する。次いで、バーコード４０を解読することから得られた情報はメモリ９４に格納されるか、またはさらなる処理のために他のデバイスに送られる。
【００１６】
図２において、バーコード４０は、画像センサ６２の光軸６１に垂直な面の上にある。撮像レンズ構成６０が適切に調整されると、画像センサ６２の焦点面をバーコード４０の面に実質的に近く位置させ、全バーコードを焦点に入れることが可能である。いくつかの状況において、図３Ａに示されるように、画像センサ６２の光軸６１はバーコードの面４２に対して垂直ではなく、これらの状況において、従来の画像センサの焦点面はバーコードの面４２に対して平行ではなく、面４２の一部は、画像センサ６２で撮像した場合、完全な焦点中に存在しなくてもよい。別の例において、図３Ｂに示されるように、中空でない矩形の形態であるパッケージ４５は双光学式（ｂｉ−ｏｐｔｉｃ）ワークステーション５０を横切ってスキャンされ、パッケージの底面は双光学式ワークステーション５０の水平窓５６Ｈに対して平行である。双光学式ワークステーション５０における画像センサの光軸は、一般に、水平窓５６Ｈに対して垂直ではないゆえに、画像センサの光軸もまたパッケージ４５の底面に対して垂直でない。図３Ｂに示された状況では、バーコードがパッケージ４５の底面に配置されると、このバーコードの部分は、双光学式ワークステーション５０における画像センサで撮像される場合、完全な焦点中に存在しなくてもよい。たとえバーコードの面が画像センサの光軸に対して傾いていても、バーコードの全ての部分を焦点に入れるのが一般に望ましい。
【００１７】
他の状況において、図４Ａ〜図４Ｃに示されるように、バーコード４０は曲面４２上に配置される。これらの状況において、バーコード４０の部分は、従来の画像センサが用いられる撮像スキャナ５０で撮像した場合、完全な焦点中に存在しなくてもよい。さらに他の状況において、図５Ａ〜図５Ｂに示されるように、バーコード４０は複数の面に配置される。例えば、出荷ラベルをパッケージの縁に付着させる場合、出荷ラベル上のバーコード４０は、現実的には、曲げられた面に配置され、それは複数の面で着座しているように見えるであろう。図５Ａ〜図５Ｂにおいて、バーコード４０の１つの部分は面４２Ａ上に存在し、バーコード４０の別の部分は面４２Ｂ上に存在する。このバーコード４０が撮像スキャナ５０で撮像される場合、バーコード４０の部分は完全な焦点中に存在しなくてもよい。たとえバーコードが曲面または曲げられた面に配置されても、バーコードの全ての部分を焦点に入れるのが一般には望ましい。
【００１８】
本開示は、撮像スキャナが、傾いた面、曲面、または曲げられた面上のバーコードに焦点を合わすのを可能とするためのいくつかの方法および装置を記載する。これらの方法および装置は、フォトセンサ上の各位置に到達する方向性光分布を捕獲することができる明視野カメラに依拠する。明視野カメラの詳細な記載は、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｔｅｃｈ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＣＴＳＲ  ２００５−０２に公表された、「Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｈａｎｄ−ｈｅｌｄ  Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ  Ｃａｍｅｒａ」と題されたレン  エヌジーら（Ｒｅｎ  Ｎｇ．ｅｔ  ａｌ．）によって書かれた刊行物中で見出すことができる。
【００１９】
図６は、いくつかの実施形態による明視野カメラの概略図である。この明視野カメラは、写真主レンズ６０、マイクロレンズ・アレイ６４、および微細なピッチのフォトセンサ・アレイ６６を備えている。図６は、これらの構成要素の概略を示す。主レンズ６０は、マイクロレンズ・アレイ６４の前方に配置される。図６に示されるように、対象４０からの光線は、主レンズ６０およびマイクロレンズ・アレイ６４を通った後に、それらの方向に基づいて分離され、マイクロレンズ直下のピクセルのアレイに入射する。
【００２０】
図７は、明視野データを用いて、ユーザが選択した焦点面１００Ｐを有する合焦画像を構築するための異なる変数間の関係を示す。図７においては、ユーザが選択した焦点面１００Ｐは主レンズ６０から距離ｚに配置される。焦点面１００Ｐ上の点（ｘ，ｙ）は、位置（ｘ’，ｙ’）において対応する結像面１００Ｉに焦点を結ぶ。結像面１００Ｉにおける構築された焦点画像は式、
【００２１】
【数１】
2015507795.tif 000003
【００２２】
によって与えられ、式中、Ｅ（ｘ’，ｙ’）は合成フィルム面１００Ｉ上に出現したであろう放射画像値であり、Ｌ（ｕ，ｖ，ｓ，ｔ）は、主レンズ上の点（ｕ，ｖ）およびマイクロレンズ面上の点（ｓ，ｔ）を通過した光の強度を測定する獲得された明視野データである。積分は主レンズ６０上の全ての点（ｕ，ｖ）にわたり、これは口径Ａ（ｕ，ｖ）として機能し、主レンズ上にない全ての点（ｕ，ｖ）についてＡ（ｕ，ｖ）＝０である。加えて、αは、焦点距離Ｆ換算（すなわち、ｚ’＝αＦ）で測定して、主レンズ６０と合成フィルム面１００Ｉとの間の距離ｚ’である。さらに、レンズ方程式１／ｚ＋１／ｚ’＝１／Ｆのため、αは焦点面１００Ｐと主レンズ６０との間の距離ｚに直接的に関係し、すなわち、α＝ｚ／（ｚ−Ｆ）である。
【００２３】
異なる焦点面を持つ合焦画像は、明視野データから構築することができるゆえに、明視野カメラを含む撮像スキャナは改良された性能を有することができる。図８は、いくつかの実施形態による、明視野カメラを備えた撮像スキャナ５０の概略図を示す。図８において、撮像スキャナ５０は、主撮像レンズ６０、画像センサ６２、画像処理ユニット（ＩＰＵ）２００、およびマイクロプロセッサ９０を備えている。画像処理ユニット（ＩＰＵ）２００は画像センサに動作可能に接続されて、画像センサ６２からの明視野データを受け取る。ＩＰＵ２００は、標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように構成されており、マイクロプロセッサ９０はＩＰＵ２００に動作可能に接続されて、ＩＰＵから受け取った画像データのストリームを処理する。
【００２４】
図８において、明視野データを生成するための画像センサ６２は、感光性エレメント６６のアレイ、および均一な間隔で、感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズ６４のアレイを備えることができる。所与のマイクロレンズは、一般に、複数の感光性エレメントを覆う。これらの複数の感光性エレメントの各々は、所与のマイクロレンズの焦点面に配置することができ、これらの複数の感光性エレメントの各々は同一の所与のマイクロレンズを通じて光を受ける。
【００２５】
１つの実施形態において、ＩＰＵ２００は、所定の焦点面の組を選択し、明視野データからの標的物体の画像の組を生成するように構成されている。画像の組における各画像は、対応する焦点面として所定の焦点面の１つを用いて明視野データから生成する。１つの例において、図９に示されたように、所定の焦点面の組としては、焦点面１０１Ｐ、１０２Ｐ、１０３Ｐ、および１０４Ｐが挙げられる。図面中で、ｚ１、ｚ２、ｚ３、およびｚ４は、各々、主レンズ６０と焦点面１０１Ｐ、１０２Ｐ、１０３Ｐ、および１０４Ｐとの間の距離である。ＩＰＵ２００は、式、Ｅ１（ｘ’，ｙ’）＝Ｅ（ｘ’，ｙ’；α１）、ここでα１＝ｚ１／（ｚ１−Ｆ）、Ｅ２（ｘ’，ｙ’＝Ｅ（ｘ’，ｙ’；α２）、ここでα２＝ｚ２／（ｚ２−Ｆ）、Ｅ３（ｘ’，ｙ’）＝Ｅ（ｘ’，ｙ’；α３）、ここでα３＝ｚ３／（ｚ３−Ｆ）、およびＥ４（ｘ’，ｙ’）＝Ｅ（ｘ’，ｙ’；α４）、ここでα４＝ｚ４／（ｚ４−Ｆ）、によって決定して、明視野データから標的物体の画像の組を生成するように構成されている。
【００２６】
いくつかの実施形態において、ＩＰＵ２００は、画像の組からの各画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように構成されている。マイクロプロセッサ９０は、バーコードを解読するための最良の焦点を備えた画像を見出すことを試みることができる。別法として、マイクロプロセッサ９０は、単に、成功した解読まで、ＩＰＵ２００から受け取った画像の各々で見出されるバーコードを解読することを試みることができる。
【００２７】
いくつかの他の実施形態において、ＩＰＵ２００は、標的物体の予想される合焦画像として明視野データから生成された画像の組から１つの画像を選択するように構成されている。マイクロプロセッサ９０は、丁度、ＩＰＵ２００から受け取った、この予想される合焦画像に見出されるバーコードを解読する必要がある。予想される合焦画像を見出すためには、ＩＰＵ２００は、まず、明視野データから生成された画像の組、Ｅ１（ｘ’，ｙ’）、Ｅ２（ｘ’，ｙ’）、Ｅ３（ｘ’，ｙ’）、およびＥ４（ｘ’，ｙ’）からの画像の鮮鋭度を見出し、ＩＰＵ２００は、次いで、予想される合焦画像として他のものよりも良好な鮮鋭度を有する画像を選択する。この予想される合焦画像は、さらなる処理のために、マイクロプロセッサ９０に送ることができる。
【００２８】
いくつかの状況において、図１０に示されるように、バーコードは、システムの光軸に対して垂直でない面４２上に配置される。バーコードのいくつかの部分は、選択された焦点面が光軸に対して垂直である場合、完全な焦点中に存在しなくてもよい。例えば、面４２上の点Ｐ１は、焦点面１０１Ｐを予想される合焦画像を構築するために用いる場合には、最良の焦点を有し、点Ｐ２は、焦点面１０２Ｐを用いた場合に、最良の焦点を有し、点Ｐ３は、焦点面１０３Ｐを用いた場合に、最良の焦点を有し、点Ｐ４は、焦点面１０４Ｐを用いた場合に、最良の焦点を有する。点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４が全て最良の焦点にある合焦画像を構築するのが望ましい。
【００２９】
図１１は、どのようにいくつかの実施形態による、いくつかの最新のアルゴリズムを用いて明視野データから生成された予想される合焦画像中の焦点に面４２上の全ての点を入れるかを説明するための概略図である。図１１において、面４２は表面方程式ｚ＝ｈ（ｘ，ｙ）によって記載される。面４２上の点Ｐ（ｘ，ｙ）からの光は、主レンズ６０を通過した後に、対応する撮像点Ｐ’（ｘ’，ｙ’）に焦点を結ぶ。面４２上の点Ｐ（ｘ，ｙ）と対応する撮像点Ｐ’（ｘ’，ｙ’）との間の関係は、公知の幾何光学方程式に基づいて決定することができる。そのような関係は、
【００３０】
【数２】
2015507795.tif 000004
【００３１】
と形式的に書くことができ、式中、関数Ｘ（ｘ’，ｙ’）およびＹ（ｘ’，ｙ’）の正確な形態は、当業者が容易に見出すことができる。光軸の方向に沿った、主レンズ６０と対応する撮像点Ｐ’（ｘ’，ｙ’）との間の距離間隔は、焦点距離Ｆ換算で測定してα（ｘ’，ｙ’）である。そして、この距離間隔は、表面方程式ｚ＝ｈ（ｘ，ｙ）を用いて決定することができ、
α（ｘ’，ｙ’）＝ｈ（ｘ，ｙ）／（ｈ（ｘ，ｙ）−Ｆ）
によって与えられる。面４２上の全ての点を焦点に入れることができる予想される合焦画像は、以下の式、
【００３２】
【数３】
2015507795.tif 000005
【００３３】
によって決定することができ、α（ｘ’，ｙ’）は式
【００３４】
【数４】
2015507795.tif 000006
【００３５】
によって決定される。
１つの実施形態において、図１０に示されるように、バーコードは、傾斜角θにて光軸に対して傾いている面４２上に配置される。面４２は表面方程式ｚ＝ｈ（ｘ，ｙ）＝ｄ−ｘｃｏｓθによって記載され、式中、ｄは光軸における表面点から主レンズ６０までの距離である。光軸の方向に沿った、主レンズ６０と対応する撮像点Ｐ’（ｘ’，ｙ’）との間の距離間隔は、傾斜角θおよび変数ｄの関数であり、すなわち、
α（ｘ’，ｙ’）＝ｈ（ｘ，ｙ）／（ｈ（ｘ，ｙ）−Ｆ）＝α（ｘ’，ｙ’；ｄ，θ）
である。焦点表面ｚ＝ｄ−ｘｃｏｓθに対応する構築された合焦画像
【００３６】
【数５】
2015507795.tif 000007
【００３７】
は、式
【００３８】
【数６】
2015507795.tif 000008
【００３９】
によって与えられる。図８に示された１つの実施形態において、ＩＰＵ２００は、所定の焦点面の組を選択し、明視野データから標的物体の画像の組を生成するように構成されている。画像の組における各画像は、対応する焦点面として所定の焦点面の１つを用いて明視野データから生成される。１つの例において、図１２に示されるように、所定の焦点面の組は焦点面１０１Ｐ、１０２Ｐ、１０３Ｐ、および１０４Ｐを含む。各焦点面は、一定の傾斜角θにて光軸に対して傾いている。ＩＰＣ２００は、明視野データから標的物体の画像の組を生成するように構成されており、画像の組は構築された合焦画像
【００４０】
【数７】
2015507795.tif 000009
【００４１】
【数８】
2015507795.tif 000010
【００４２】
【数９】
2015507795.tif 000011
【００４３】
、および
【００４４】
【数１０】
2015507795.tif 000012
【００４５】
を含む。図１２において、面４２上の全ての点は、焦点面１０２Ｐを用いて構築された合焦画像
【００４６】
【数１１】
2015507795.tif 000013
【００４７】
における焦点に入れることができる。
一般に、面４２の向きが知られている場合、各々が面４２と同一の向きを有する所定の焦点面の組を選択することができる。焦点面としてこれらの所定の焦点面を用いて画像の組が明視野データから構築される場合、面４２上の全ての点を焦点に入れる構築された画像の１つを見出すのは可能である。面４２の向きは、独立して、複数の方法によって決定することができる。１つの例において、面４２の向きは、この面に投影された格子パターンで決定することができる。別の例において、書類を水平なテーブルの頂部に置く場合、ハンドヘルド・スキャナの向きがハンドヘルド・スキャナ内部のグラジオメータから知れている場合、面４２の向きは決定することができる。傾いた平坦な面上の全て点に焦点を合わすことができる撮像スキャナは、書類捕獲およびＯＣＲ適用でかなり有用であり得る。
【００４８】
先の教示は、明視野データでは、平坦な面４２の向きが知られている場合、平坦な面４２上の全て点を焦点に入れることは可能であり、曲面４２が決定され、公知の式によって記述できる場合、曲面４２上の全ての点を焦点に入れるのも可能であることを実証する。多くの通常の状況において、図４Ｂ〜図４Ｃに示されるように、曲面４２は容易に決定することができない。というのは、曲面４２の向きまたは撮像スキャナへのその距離はかなり任意であり得るからである。これらの状況においては、特に、ＯＣＲが曲面中の印刷物に対して実行されなければならない場合には、曲面４２上の全ての点に対して良好な焦点を有する構築された画像を有するのが依然として望ましい。
【００４９】
図１３Ａ〜図１３Ｂは、いくつかの実施形態により、どのように未知の面上の全ての点に対して良好な焦点で構築された画像を明視野データから構築するのかを示している。図１３Ａにおいては、複数の局所的な合焦画像が明視野データから生成され、これらの複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成する。図１３Ｂに示されるように、図１３Ａ中の撮像領域Ａｉに配置された撮像点Ｐ’（ｘ’，ｙ’）近くに配置された選択された局所的な合焦画像を生成するためには、ＩＰＵまたは一般的なマイクロプロセッサは、まず、表面点Ｐｉ（ｘ，ｙ）近くの異なる対応する局所的焦点面１０１Ｐ（ｉ）１０２Ｐ（ｉ）、１０３Ｐ（ｉ）、および１０４Ｐ（ｉ）での局所的画像の組の鮮鋭度を見出すことができ、各局所的画像は標的物体上の本質的に同じ領域を覆う。次いで、ＩＰＵまたは一般的なマイクロプロセッサは、選択された局所的な合焦画像として局所的画像の組から１つの局所的画像を選択することができ、選択された局所的な合焦画像は、局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する。図１３Ｂにおいて、局所的画像の局所的焦点面１０３Ｐ（ｉ）は最良の鮮鋭度を有し、それは選択された局所的な合焦画像として選択される。同様に、図１３Ｂに示されるように、表面点Ｐｊ（ｘ，ｙ）近くの異なる対応する局所的焦点面１０１Ｐ（ｊ）、１０２Ｐ（ｊ）、１０３Ｐ（ｊ）、および１０４Ｐ（ｊ）での局所的画像の組の鮮鋭度を見出した後、最良の鮮鋭度を備えた局所的画像の局所的焦点面１０２Ｐ（ｊ）は、図１３Ａ中の撮像領域Ａｊに対応する選択された局所的な合焦画像として選択される。
【００５０】
鮮鋭度の発見は、多くの方法でなすことができる。例えば、１つの方法は、単純に、ピクセルの根２乗平均値（Ｒｏｏｔ−Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ）を見出すことである−ＲＭＳ値がより大きくなるほど、画像がより鮮明となると本発明者らは考える。別の例では、ピクセル値の標準偏差を用いて鮮鋭度を測定することができ−やはり、標準偏差がより大きくなると、画像はより鮮明になる。局所的領域について、かく誘導された全ての画像が同一の鮮鋭度を有する場合（例えば、局所的領域が全くコントラストを有しない場合）、局所的画像のいずれも取ることができる。局所的画像、またはその一部は、得られた画像の一部として送られる。一旦これがなされると、データを格納するのに用いられたストレージのいくらかを解放して、ＩＦＣから獲得された新しいデータを格納することができる。したがって、ＩＰＵは完全な画像、傾いた面上の、曲面上の、または曲げられた面上のバーコードに関連するデータを格納するためのメモリを有する必要はない。
【００５１】
未知の面上の全ての点に対して良好な焦点を持つ構築された画像は、ＩＰＵおよび一般的なマイクロプロセッサ双方を用いて明視野データから構築することができる一方で、明視野データを処理するためのＩＰＵの使用はある種の利点を有することができる。いくつかの状況において、明視野カメラ（「ＬＦＣ」）はバーコード・スキャナの適用に対して直接的に適用できない可能性がある。なぜならば、（ａ）獲得されたデータの量は、通常、１桁以上ものはるかに多いものであり、（ｂ）大量のデータの転送はより長い時間がかかり、デコーダの応答性を低下させ、（ｃ）データの量はより多くの格納を必要とし、これは不必要にコストを増大させる可能性があり、（ｄ）データのリフォーカシングはＣＰＵのパワーおよび時間がやはりかかり、（ｅ）解読ソフトウェアの画像処理能力は、ＬＦＣによって利用可能とされる複雑な明視野データに直接的に適用できない可能性があるからである。したがって、ＬＦＣは、（コストおよび電力消費のため）比較的より遅いＣＰＵ、より制限された量のメモリを有する傾向があり、典型的なデジタル・カメラよりも速く応答しなければならない撮像バーコード・スキャナの多くの既存の設計に直接的に適していない可能性がある。
【００５２】
画像処理ユニット（ＩＰＵ）はＬＦＣからのデータを取り、それを処理して、焦点規則的画像を生成し、得られた画像をスキャナの主マイクロプロセッサに送るだけである。マイクロプロセッサは焦点規則的画像を獲得するのみであるので、マイクロプロセッサにおけるソフトウェアの実行は変化させる必要はない。ＩＰＵはＬＦＣからのデータを取り込み、数ラインのデータをバッファーに入れる。データ・バッファーを所定の程度まで満たすと、データの処理を開始する。データ処理は、各々が異なる焦点位置を表す局所的画像の組を生成し、それらを比較して、最良な鮮鋭度を持つものを見出すことよりなる。
【００５３】
ＩＰＵは、スキャナの主マイクロプロセッサを直接的に用いて、ＬＦＣからのデータを処理する方法に関連する問題の多くを緩和するのを助ける。ＣＰＵに送られるデータの量は低下する。ＩＰＵは、マイクロプロセッサへのデータ転送速度よりも速いＬＦＣへのデータ転送速度を利用することができる。マイクロプロセッサは過剰な仕事を行わない。また、ソフトウェアは変更する必要がない。ＩＰＵがデータ・バッファーを満たすためのわずかな遅延以外に、ＩＰＵはリアル・タイムでデータを処理する。
【００５４】
処理をスピード・アップして標的物体の予想される合焦画像を見出すためにＩＰＵを用いることに加えて、標的物体の予想される合焦画像を迅速に見出すために他の方法を見つけるのも望ましい。図１４は、どのようにいくつかの実施形態による、捕獲されたフレームにおける焦点外れ修正の方向を測定するのかを説明するための概略図である。図１４においては、主レンズ６０は、バーコード２で標的をマイクロレンズ・アレイ６４上に映し出す。各マイクロレンズの背後には、２Ｄアレイの３×３サブピクセルがある（従来のカメラでは、各マイクロレンズの背後には１つのピクセルがある）。図１４においては、バーコードは３つの可能な共役面、すなわち共役面２、共役面２Ｎ、および共役面２Ｆのうちの１つに配置できることを前提とする。共役面２Ｎは共役面２よりも画像センサ６２により近く、共役面２Ｆはさらに離れている。図１４においては、バーの縁は光軸上に位置し、したがって、それは中央のマイクロレンズ上に映し出される（縁がいずれかの他のマイクロレンズに映し出される場合、全考察は同じとなろう）。ベース・レンズ６０の撮像特性のため、中央のものの下方にあるマイクロレンズは、上方のマイクロレンズよりも少ない光を受けるであろう。バーコードが面２にある場合、バーの縁の全ての点は副開口Ａ、Ｂ、およびＣに向かって等しく光を拡散させ、したがって、サブピクセル４ａ、４ｂ、および４ｃの同一のシグナルを生成する。バーコードが面２Ｎに配置される場合、サブピクセル４ａは４ｃよりも少ない光を受ける。したがって、（サブピクセルを合計した）マイクロレンズ間での黒色−白色間の遷移は、サブピクセルの間と同一の方向となろう。バーコードが面２Ｆに配置される場合、マイクロレンズとサブピクセルとの間の黒色−白色間の遷移は反対方向に進むことが理解できる。したがって、マイクロレンズとサブピクセルとの間の黒色−白色間の遷移の方向を比較し、システムは、バーコードが共役面２またはより近くに、またはより遠くに配置されているかを自動的に決定する。サブピクセルのシグナルの差に基づいて、必要なデジタル再焦点合わせの方向のみならず大きさも決定することができる。
【００５５】
捕獲画像における焦点外れ修正は、サブピクセルのシグナル間での分布によって決定される、レンズ６０の異なる副開口から各マイクロレンズに進んでくる光の強度についての情報に基づいて達成することができる。したがって、光線追跡を用いて、物理的に配置されているよりもベース・レンズからより近く、またはより遠くに配置されたマイクロレンズ・アレイに対応する画像を合成することができる。焦点外れの既知の方向に基づき、より鮮明なバーコード画像は、取られた単一のフレームから迅速に再構築することができ、バーコードの解読を可能とする。いくつかの実施形態において、明視野画像センサは、良好なデジタル画像再焦点合わせを達成するために、各マイクロレンズの背後に１０×１０サブピクセルを有することができる。いくつかの他の実施形態において、明視野画像センサは、合理的に良好なデジタル画像再焦点合わせを達成するための各マイクロレンズの背後に３×３サブピクセルを有することができる。好ましい焦点面として３つの共役面のうちの１つを選択するための上記の方法は、２ｄイメージャおよび線形イメージャの双方に適用することができる。さらに、いくつかの実施形態において、マイクロレンズ間での黒色−白色間の遷移は、バーコードの縁を撮像することによって提供される。他の実施形態において、黒色−白色間の遷移は、形状強度遷移を伴って、格子光パターンまたは他の光パターンを標的上に投影することによって提供することができる。上記の焦点外れ修正の方法を用い、迅速なバーコードの読み取りのためには、２〜３の焦点位置を通っての周期動作、またはデジタル焦点補償の徴候および量を自動的に選択する、のいずれかによって、デジタル焦点合わせをイメージャ・ファームウェアの一部とするのが可能である。
【００５６】
迅速なバーコード読み取りを提供する別の方法は、標的物体から受光された光の強度に基づいて、最適化された合成開口を動的に決定することであり、および最適化された合成開口を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築することである。
【００５７】
１つの具体的な実施において、図１４に示されるように、主レンズ６０は、標的をバーコード２でマイクロレンズ・アレイ６４上に映し出す。各マイクロレンズの背後には、２Ｄアレイの３×３サブピクセルがある（従来のカメラでは、各マイクロレンズの背後には１つのピクセルがある）。各マイクロレンズは主レンズ６０の開口をフォトセンサ・アレイ６６上に映し出し、その結果、３×３サブピクセルの各々は、レンズ６０の対応する副開口から光を受ける。中央のマイクロレンズの背後の３つの示されたサブピクセルは、したがって、主レンズの副開口Ａ、Ｂ、Ｃから光を受ける。高い周囲光条件において、または視野の延長された深さが必要な場合、画像は、全レンズ開口の１／３である主レンズの中央の副開口Ｂのみからの光を受ける中央サブピクセル４ｂからのみ構築することができる。（現実には、全てが焦点の増加した深さを備えた、他のサブピクセルを選択することによって、８つの他の画像を同一フレームから構築することができ、これらの画像の合計は画像ＳＮＲを増加させることができる）。低い周囲光条件では、または小さな中央開口の回折限界を克服するためには、各マイクロレンズの背後の全てのサブピクセルを合計することによって画像を形成することができる。
【００５８】
図１５Ａは、ピクセルを通過する全ての光はその親マイクロレンズを通過し、かつ主レンズ上のその共役方形（副開口）を通過することを示す。図１５Ｂは、副開口を通過する全ての光線は、異なるマイクロレンズの下では、対応するピクセルを通って集束することを示す。これらのピクセルは、図１５Ｃに示されるように、この副開口６０Ｓ（ｍ，ｎ）を通って見た写真を形成し、そこでは、添え字ｍおよびｎは、主レンズ６０上の異なる副開口を標識するための整数値を取ることができる。
【００５９】
図１６Ａ〜図１６Ｄは、標的物体から受光された光の強度に基づいて、かつ読み取るべきバーコードのタイプに基づき、最適化された合成開口を動的に変化させることができるのを図示している。図１６Ａにおいては、中心副開口６０Ｓ（０，０）は、バーコードが十分な量の照明を受け取る場合、焦点深度を最適化するように選択される。図１６Ｂにおいて、主レンズ６０を覆う全ての副開口は、フォトセンサ・アレイ６６上の光入射の量を最大化するように選択される。図１６Ｃにおいては、焦点深度とフォトセンサ・アレイ６６によって受光された光の量との間で幾分妥協するように、９つの中心副開口が選択される。９つの中心副開口は副開口６０Ｓ（１，−１）、６０Ｓ（１，０）、６０Ｓ（１，１）、６０Ｓ（０，−１）、６０Ｓ（０，０）、６０Ｓ（０，１）、６０Ｓ（−１，−１）、６０Ｓ（−１，０）、および６０Ｓ（−１，１）である。図１６Ｄにおいては、直線状バーコードを撮像するために、および焦点深度とフォトセンサ・アレイ６６によって受光された光の量との間で幾分妥協するように、３つの副開口が選択される。３つの副開口は副開口６０Ｓ（０，−１）、６０Ｓ（０，０）、および６０Ｓ（０，１）である。最適化された合成開口を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築するのに、いくつかの利点がある。標的物体の予想される合焦画像を構築するためのこの方法は比較的迅速であり得る。なぜならば、この構築方法は、一般には、フォトセンサ・アレイ６６中のいくつかの選択されたフォトセンサによって検出された光の強度を合計することを含むからである。そのような合計は、単純な合計または重み付けした合計を含むことができる。
【００６０】
これまでの明細書においては、具体的な実施形態を記載してきた。しかしながら、当業者であれば、後の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正および変形をなすことができるのを理解する。したがって、明細書および図面は、限定的な意味よりはむしろ説明的な意味と見なされるべきであり、全てのそのような修飾は、本教示の範囲内に含まれることが意図される。
【００６１】
利益、利点、問題に対する解決、および何らかの利益、利点、または解決を生じさせる、またはそれらをより顕著とすることができるいずれかの要素は、いずれかのまたは全ての請求項の重要な、必要な、または必須の特徴または要素として解釈されるべきでない。本発明は、本出願の係属の間になされた何らかの補正を含む添付の特許請求の範囲、および発行された特許請求の範囲の全ての同等体によってのみ定義される。
【００６２】
さらに、本書類においては、第１および第２、頂部および底部等など合理的な用語は、構成要素または作用の間の現実の関係または順序を必ずしも要求または暗示することなく、１つの構成要素または作用を別の構成要素または作用から区別するためにだけ用いることができる。用語「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、「包含する」、「包含している」、「含有する」、「含有している」またはそのいずれかの他の変形は非限定的な包含を網羅することを意図し、その結果、要素のリストを含み、有し、包含し、含有する工程、方法、製品、または装置はそれらの要素のみを包含するのではなく、そのような工程、方法、製品、または装置に明示的にリストされていない、またはそれらに固有の他の要素を包含することができる。「ある・・・を含む」、「ある・・・を有する」、「ある・・・を包含する」、「ある・・・を含有する」が先行する要素は、それ以上の制約なしに、その要素を含み、有し、包含し、含有する工程、方法、製品、または装置における追加の同一の要素の存在を排除しない。用語「ある」は、本明細書中において明示的にそうでないことが述べられているのでなければ、１以上と定義される。用語「実質的に」、「本質的に」、「近似的に」、「約」またはそのいずれかの他のバージョンは、当業者によって理解されるように近いと定義され、１つの非限定的実施形態においては、その用語は１０％以内、別の実施形態においては５％以内、別の実施形態では１％以内、別の実施形態では０．５％以内であると定義される。本明細書中で用いられる用語「結合した」は、必ずしも直接的および必ずしも機械的ではなくても、接続していると定義される。ある方法で「構成されている」デバイスまたは構造体は、少なくともその方法で構成されているが、リストされていない方法で構成されていてもよい。
【００６３】
いくつかの実施形態は、マイクロプロセッサ、デジタル・シグナル・プロセッサ、特注プロセッサおよびフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、およびある種の非−プロセッサ回路と組み合わせて、本明細書中に記載された方法および／または装置の機能のいくつか、ほとんど、または全てを実行するために１以上のプロセッサを制御する（ソフトウェアおよびファームウェア双方を含む）一意の格納されたプログラム命令など１以上の上位概念的または特殊化されたプロセッサ（または「処理デバイス」）を含むことができることは理解されるであろう。別法として、いくつかの、または全ての機能は、格納されたプログラム命令を有しない、または１以上の適用特異的集積回路（ＡＳＩＣ）では、各機能、またはその機能のあるもののいくつかの組合せがカスタム・ロジックとして実施される、状態機械によって実施することができる。勿論、２つのアプローチの組合せを用いることができよう。
【００６４】
さらに、実施形態は、（例えば、プロセッサを含む）コンピュータをプログラムして、記載された、およびここに特許請求される方法を行うための、その上に格納されたコンピュータ可読暗号を有するコンピュータ可読格納媒体として実施することができる。そのようなコンピュータ可読格納媒体の例としては、限定されるものではないが、ハード・ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光学格納デバイス、磁気格納デバイス、ＲＯＭ（読出し専用メモリ）、ＰＲＯＭ（プログラム可能読出し専用メモリ）、ＥＰＲＯＭ（消去可能なプログラム可能読出し専用メモリ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なプログラム可能読出し専用メモリ）およびフラッシュ・メモリを含む。さらに、当業者であれば、例えば、利用可能な時間、現在の技術、および経済的考慮によって動機付けされる、恐らくはかなりの努力および多くの設計選択肢に拘わらず、本明細書中に開示された概念および原理によって導かれると、最小の実験にてそのようなソフトウェア命令およびプログラムおよびＩＣを容易に作り出すことができるであろうと予想される。
【００６５】
本開示の要約書は、技術的開示の性質を迅速に読者に確認させるのを可能とするために供する。それは、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈し、または制限するのに用いられないという理解の下で提示される。加えて、これまでの詳細な記載において、種々の特徴は、開示を効率化する目的で種々の実施形態に一緒にグループ化することは理解できる。開示のこの方法は、特許請求された実施形態が、各請求項で明示的に引用されたよりも多くの特徴を必要とする発明を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明性がある主題は、単一の開示された実施形態の全ての特徴未満に存在する。したがって、以下の特許請求の範囲は個々に引用して詳細な記載に一体化され、各請求項は別々に特許請求される主題として独立して存在する。
【図１】
2015507795.tif 000014
【図３Ｂ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ｂ】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図４Ａ】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図８】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月30日(2014.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的物体に向けられた照明を供するための照明源と、
明視野データを生成するための画像センサであって、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズを通じて光を受光しサブピクセルとして各々機能する複数の感光性エレメントを覆う、画像センサと、
画像センサと動作可能に接続されて、画像センサから明視野データを受け取る画像処理ユニット（ＩＰＵ）であって、標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように動作可能である、画像処理ユニットと、
ＩＰＵに動作可能に接続されて、ＩＰＵから受け取った画像データのストリームを処理するコントローラとからなる装置。
【請求項２】
ＩＰＵは、
所定の焦点面の組を選択し、
明視野データから標的物体の画像の組を構築するように構成されており、前記画像の組における各画像は、前記所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
画像センサの前方に配置されたレンズ構成をさらに備え、
各所定の焦点面は該レンズ構成の光軸に対して傾いている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ＩＰＵは、前記画像の組からの各画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
ＩＰＵは、明視野データから構築された前記画像の組からの１つの画像を標的物体の予想される合焦画像として選択するように構成されており、選択された該１つの画像は、前記画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
ＩＰＵは、
明視野データから複数の局所的な合焦画像を構築し、
前記複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の局所的な合焦画像は、明視野データから構築された１より多い局所的な合焦画像を含み、選択された局所的な合焦画像を構築することは、
異なる対応する局所的焦点面を備えるとともに、標的物体上の本質的に同じ領域を各々覆う局所的画像の組の鮮鋭度を見出すことと、
前記局所的画像の組から１つの局所的画像を選択された局所的な合焦画像として選択することとを含み、選択された局所的な合焦画像は前記局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ＩＰＵは、
選択された局所的な合焦画像をコントローラに転送し、
選択された局所的な合焦画像を転送した後、別の局所的な合焦画像を計算するために、選択された局所的な合焦画像を計算するために用いられたメモリを再利用するように構成されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ＩＰＵは、
３つの所定の焦点面を選択し、
明視野データから標的物体の３つの画像を自動的に構築し、該３つの画像の各々は、該３つの所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築され、
前記３つの画像の各々を表す画像データを含む画像データのストリームを生成するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ＩＰＵは、
第１の焦点面を対応する焦点面として用いて、明視野データから標的物体の参照画像を構築し、
参照画像を、次の焦点面としての、近くの焦点面と、遠くの焦点面と、該近くの焦点面と該遠くの焦点面との間に配置されている第１の焦点面とのうちの選択された１つに対するサブピクセルにおける強度分布と比較し、
次の焦点面を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
参照画像をサブピクセルにおける強度分布と比較するこことは、マイクロレンズとサブピクセルとの間の黒色−白色間の遷移の方向を比較することを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
ＩＰＵは、
標的物体から受光された光の強度に基づいて最適化された合成開口を決定し、
最適化された合成開口を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ＩＰＵからコントローラへ転送されたデータの量は、ＩＰＵが画像センサから受け取るデータの量よりも実質的に少ない、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
撮像リーダで標的物体を撮像する方法であって、
画像センサによってレンズ構成を通じて標的物体からの光を検出し、明視野データを生成する工程であって、画像センサは、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズを通じて光を受光しサブピクセルとして各々機能する複数の感光性エレメントを覆っている、前記工程と、
標的物体の予想される合焦画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成する工程であって、画像データのストリームは明視野データから生成される、前記工程と、
標的物体の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読する工程と、を備える方法。
【請求項１５】
前記レンズ構成の光軸に対して傾いている所定の焦点面の組を選択する工程と、
明視野データから標的物体の画像の組を構築する工程とをさらに備え、
前記画像の組における各画像は、前記所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記画像の組からの各画像を表す画像データを含む画像データのストリームを生成する工程をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
明視野データから構築された前記画像の組から１つの画像を標的物体の予想される合焦画像として選択する工程をさらに備え、選択された該１つの画像は前記画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
明視野データから複数の局所的な合焦画像を構築する工程と、
前記複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成する工程と、をさらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の局所的な合焦画像は、明視野データから構築された１より多い局所的な合焦画像を含み、選択された局所的な合焦画像を構築する工程は、
異なる対応する局所的焦点面を備えるとともに、標的物体上の本質的に同じ領域を各々覆う局所的画像の組の鮮鋭度を見出す工程と、
前記局所的画像の組から１つの局所的画像を選択された局所的な合焦画像として選択する工程とを含み、選択された局所的な合焦画像は前記局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
３つの所定の焦点面を選択する工程と、
明視野データから標的物体の３つの画像を自動的に構築し、該３つの画像の各々は、該３つの所定の焦点面のうちの１つを対応する焦点面として用いて明視野データから構築される工程と、
前記３つの画像の各々を表す画像データを含む画像データのストリームを生成する工程と、をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
第１の焦点面を対応する焦点面として用いて、明視野データから標的物体の参照画像を構築する工程と、
参照画像を、次の焦点面としての、近くの焦点面と、遠くの焦点面と、該近くの焦点面と該遠くの焦点面との間に配置されている第１の焦点面とのうちの選択された１つに対するサブピクセルにおける強度分布と比較する工程と
次の焦点面を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築する工程とを、さらに備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
参照画像をサブピクセルにおける強度分布と比較する工程は、マイクロレンズとサブピクセルとの間の黒色−白色間の遷移の方向を比較する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
標的物体から受光された光の強度に基づいて最適化された合成開口を決定する工程と、
最適化された合成開口を用いて、明視野データから標的物体の予想される合焦画像を構築する工程と、をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
撮像リーダで標的物体を撮像する方法であって、該撮像リーダは、（１）感光性エレメントのアレイと、（２）均一な間隔で該感光性エレメントのアレイの上に重ねられたマイクロレンズのアレイとを有する画像センサを備え、マイクロレンズは、該マイクロレンズを通じて光を各々受光する複数の感光性エレメントを覆っており、前記方法は、
前記画像センサによって明視野データを獲得する工程と、
明視野データから複数の局所的な合焦画像を構築する工程と、
前記複数の局所的な合焦画像を一体に組み合わせて、標的物体の予想される合焦画像を形成する工程とを備え、
前記複数の局所的な合焦画像から所与の局所的な合焦画像を構築する工程は、
異なる対応する局所的焦点面を備えるとともに、標的物体上の本質的に同じ領域を各々覆う局所的画像の組の鮮鋭度を見出す工程と、
前記局所的画像の組から１つの局所的画像を前記所与の局所的な合焦画像として選択する工程とを含み、
所与の局所的合焦画像は前記局所的画像の組からの他の画像よりも良好な鮮鋭度を有する、方法。
【請求項２５】
標的物体の予想される合焦画像を処理して、標的物体上のバーコードを解読する工程をさらに備える、請求項２４に記載の方法。
【国際調査報告】
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