УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СИМВОЛОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ
DEVICE FOR READING LUMINESCENT SYMBOLS AND IMAGES

1. Цель изобретения.
Изобретение предназначено для индустрии электронного оборудования и средств контроля и учета, использующих люминесцентные метки, изображения и штрихкоды в качестве информационно-защитных признаков при производстве и перемещении товаров особого учета, делопроизводстве, обороте ценных бумаг, учете и проверке подлинности предметов музейной и художественной ценности, фармакологии и косметической промышленности.
2. Технический уровень.
Принцип действия люминесцентных фотосканеров основан на возбуждении светом люминесценции и регистрации изображения с последующей обработкой изображений. Они считывают не только люминесцентные штрихкоды, но и различные метки, условные графические символы, подписи и т.д., нанесенные специальными композициями и чернилами, включающими люминофор.
Известен патент (US 00502304A), в котором предлагается система, позволяющая считывать невидимый штрихкод, напечатанный люминесцентными чернилами и использующая последовательную регистрацию фотодиодом изменений интенсивности излучаемого света при облучении УФ источником. Такая система предназначена для считывания только линейных штрихкодов, что резко ограничивает область ее применения. Кроме того, она обладает значительными массогабаритными параметрами, что не позволяет ее использовать как мобильное устройство.
Известен патент (US 006832725 В2), в котором для осветителя фотосканера используется оптическая головка, имеющая встроенный массив светодиодов с длинами волн, необходимыми для освещения считываемых символов и управляемых контроллером сканера. Такое решение может быть использовано для считывания как люминесцентных символов и изображений, так и стандартных печатных символов, но при изменении характеристик применяемого люминофора потребуется дорогостоящая переделка осветителя сканера. Кроме того, сканер, изготовленный по такой схеме из-за сложности конструкции, будет стоить значительно дороже обычных фотосканеров, используемых в точках продаж и контроля.
Известен патент (US 007357326B2) на ручной сканер невидимых штрихкодов, в котором для считывания невидимых штрихкодов используется оптическое устройство в виде насадки, включающая в себя осветитель с массивом светодиодов с длинами волн излучения в диапазоне 350 - 420 нм и оптическую систему, состоящую из объектива и фильтра. Подключенная насадка через коммутирующие контакты электрически связана со схемой самого сканера. Такая конструкция позволяет считывать люминесцентные штрихкоды и изображения, но не является универсальным решением, так как конструктивно привязана к фотосканеру конкретного производителя, что увеличивает стоимость комплекта.
Наиболее близким к настоящему изобретению является патент (US 007370801B2). Авторы этого патента представили решение, аналогичное изложенному в предыдущем патенте. Терминал сбора данных (ТСД), в составе которого находится головка фотосканера, оснащен оптическим устройством - насадкой, состоящей из корпуса с электрическими контактами, коммутирующими с ТСД, как минимум одного УФ светодиода иллюминатора, расположенного под углом к оси оптической системы, проецирующей люминесцентное изображение штрихкода на сенсор. Насадка связана с ТСД разъемными коммутирующими электрическими контактами для подведения питания к УФ светодиодам и соединена с корпусом сканера торцевым фиксирующим соединением. ТСД без насадки позволяет считывать стандартные штрихкоды, а снаряженный насадкой - невидимые штрихкоды с люминофорами. К недостаткам такого решения можно отнести расположение светодиодов под углом к оптической оси, что влечет неоднородную освещенность считываемого символа и, как следствие, снижение устойчивости считывания. Узкое выходное окно насадки не позволяет осветить достаточно большую поверхность, на которой находится считываемый символ. Это затрудняет поиск невидимого штрихкода или изображения на нестандартных поверхностях большой площади (в частности, на предметах художественного стекла). Другим недостатком является привязка к определенному производителю сканеров, что не позволяет насадке стать универсальным решением для фотосканеров, ведет к увеличению стоимости комплекта оборудования, и сдерживает развитие технологий люминесцентной маркировки. Так, компания InData Systems (www.indatasvs.com) в альянсе с компанией HandHeld Products производит и продает комплекты для считывания люминесцентных символов по ценам 3-6 тысяч USD.
3. Описание изобретения.
Изобретение относится к оптическим устройствам считывания символов и изображений, точнее к сканерам для считывания штрихкодов и изображений на основе матричных фотоприемных сенсоров ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП (комплементарный металл-окисел-полупроводник) типа, еще точнее к сканерам люминесцентных штрихкодов и изображений. Предлагаемое изобретение может быть использовано в системах скрытой записи/считывания штрихкодов, меток и изображений на ценных бумагах, предметах высокой художественной и музейной ценности, а также для считывания маркировки промышленных изделий и товаров, в том числе и их частей или исходных компонентов, различного назначения, в том числе имеющих вспомогательное или декоративное назначение, например на обертках, упаковках и т.п. продуктов питания, фармакологических и косметологических препаратов, но не ограничивается перечисленным. Предлагаемое изобретение также может быть использовано в оборудовании прямой маркировки (Direct Part Marking) при считывании штрихкодовых символов, получаемых иглоударной, лазерной или каплеструйной маркировкой с использованием люминофоров, повышающих контраст изображения, например для маркировки запчастей и компонентов в автомобильной, авиационной, космической, атомной, электронной и другой промышленности, но не ограничивается сказанным.
В течение ряда лет в мировой индустрии технологий учета, контроля и проверки подлинности материальных предметов широко используется штриховое кодирование. Появление сканеров штрихкода на основе ПЗС и КМОП сенсоров (фотосканеров) дало толчок развитию двумерных штриховых кодировок, обладающих большей информационной емкостью и помехозащищенностью. Использование люминесцирующих веществ для печати или нанесения скрытых изображений и штрихкодов расширяет возможности маркировки с точки зрения повышения скрытности и защиты от подделки. Технология маркирования с использованием люминофоров используется в фармакологии и косметической промышленности. Почтовое ведомство США использует невидимые штрихкоды и изображения в системах управления потоками корреспонденции и почтовых отправлений. Модифицированные люминофорами символы прямой маркировки позволяют значительно снизить затраты на маркировочное оборудование при производстве и отслеживании жизненного цикла запчастей и ответственных деталей в электронной, автомобильной и аэрокосмической промышленности. Нанесение люминесцентных штрихкодов, меток и изображений осуществляют методами прямой струйной, трафаретной или термотрансферной печати, лазерной гравировкой или методами заполнения модифицированных поверхностей составами, содержащими люминофор. Описание различных методов и используемых композиций, включающих люминофоры, приводится, например, в патентах US 005693693A, US 006203069B1, US 2003/0012562a1, RU 2165954 и др. В качестве люминофоров используют красители, обладающие стоксовым или антистоксовым сдвигом полос излучения. При использовании стоксовых люминофоров для скрытых символов полоса возбуждения красителя лежит, как правило, в области длин волн 350 - 420 нм, а полоса излучения - в области 470-700 нм. Для антистоксовых люминофоров эти полосы лежат в области 940-1000 нм и 500-680 нм соответственно. Такие характеристики используемых материалов позволили разработчикам оборудования при создании осветителя (иллюминатора) сканера использовать светодиодные излучатели ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) диапазонов, мощности излучения и эксплуатационные характеристики которых вышли в последнее время на уровень, достаточный для создания компактных высокоэффективных устройств.
Целью предлагаемого изобретения является создание оптического устройства в виде съемной насадки для считывания люминесцентных символов, которую с небольшими конструктивными изменениями корпуса можно было бы использовать с любой, в том числе и малобюджетной моделью фотосканера, не внося каких-либо изменений в его конструкцию. Указанная задача решается путем создания устройства, состоящего из корпуса с элементами крепления к фотосканеру, как минимум одного излучающего светодиода для освещения считываемого символа, оптических фильтров для селекции люминесцентного излучения, проецируемого на светочувствительный сенсор сканера, устройства питания светодиодов с элементами коммутации и электронными элементами управления.
4. Краткое описание чертежей.
Фиг.1 - представлена оптико-механическая схема насадки в сборе с фотосканером.
Фиг.1a - изображает вид насадки со стороны экрана.
Фиг.2 - изображена полоса пропускания длин волн излучения, пропускаемого приемным каналом фотосканера.
Фиг.3 - изображена характерная кривая для фильтра, помещаемого в иллюминатор насадки перед светодиодами для блокирования попадания длинноволнового паразитного излучения светодиодов.
Фиг.4 - изображает полосу пропускания фильтра, устанавливаемого в приемный канал насадки для блокирования излучения основных длин волн светодиодов.
Фиг.5 - изображена оптоэлектронная схема насадки.
Фиг.6 - изображает фотографию фотосканера Metrologic MS1690 Focus, снаряженного насадкой и описанного в Примере 1.
Фиг.7 - представляет невидимый символ двумерного штрихкода, сфотографированный фотосканером Metrologic MS1690 Focus, снаряженным насадкой.
Фиг.8 - изображает терминал сбора данных Casio DT-X11M30E, снаряженный насадкой и описанный в Примере 2.
3. Раскрытие изобретения.
Сущность изобретения состоит в том, что создана съемная конструкция оптического устройства в виде насадки (Фиг.1, Фиг.1а) на фотосканер, имеющая независимое питание светодиодов, управляемое световыми импульсами, получаемыми от сканера посредством фотодатчиков. Оптическое устройство (насадка) состоит из корпуса 1, который своей внутренней поверхностью механически крепится на внешней поверхности корпуса фотосканера 2 со стороны приемного окна. Механизм крепления 3 может зависеть от конкретной модели сканера или может быть универсальным, типа кулачковых фиксаторов или других подобных, и содержит как минимум один зажим, надежно фиксирующий корпус насадки на корпусе сканера. Корпус оптического устройства изготавливают из пластмассы или легкого металлического сплава типа дюралюминий.
Оптическое устройство - насадка может быть смонтирована в едином корпусе, который прочно фиксируется на корпусе сканера. Однако может быть изготовлено и оптическое устройство (насадка), состоящая из функциональных блоков, которые посредством сооответствующих фиксирующих устройств, например зажимов, защелок, направляющих штырей или пазов и т.п., а также коммутирующих электрических контактов могут быть собраны в единую конструкцию. Например, одним из блоков может быть универсальный посадочный узел, не зависящий от модели сканера, например, с цанговым, кулачковым, эксцентриковым или другим каким-либо фиксаторам, который прочно крепится на поверхности сканера независимо от его размеров и формы. К фиксаторам и направляющим этого узла в свою очередь может крепиться оптоэлектронный блок, к которому может присоединяться блок питания или блок сетевого адаптера.
На поверхность корпуса, прилегающую к входному окну сканера за исключением зоны поля зрения сенсора, наносят светопоглощающее покрытие 4 для блокировки излучения "родных" светодиодов 6 сканера. В корпусе насадки установлена плата иллюминатора 7, с одной стороны которой установлен как минимум один светодиод люминесцентной подсветки 8 с требуемой длиной волны излучения для освещения считываемого символа и как минимум два светодиода прицеливания 9.
Другой возможностью является установка на плату иллюминатора или конструкции из нескольких плат массивов светодиодов с разными спектрами излучения. Как минимум таких светодиодов может быть два. Например, один массив светодиодов со спектром излучения в УФ области спектра может возбуждать стоксовую люминесценцию одного красителя, а другой массив светодиодов со спектром излучения в ИК-области спектра может возбуждать антистоксовую люминесценцию другого красителя. Такие массивы светодиодов могут работать как одновременно при запуске от одного электронного ключа, так и независимо друг от друга. В этом случае в электронной схеме предусмотрен как минимум один ручной переключатель режимов люминесцентной подсветки, позволяющий производить селективный выбор области спектрального возбуждения считываемых оптических символов и изображений в области их оптического поглощения. Аналогично могут быть сконструированы массивы светодиодов прицеливания. Соответственно в оптический тракт в этом случае вводятся соответствующие спектральные фильтры.
Еще одной возможностью является использование массива светодиодов, состоящей, как минимум, из двух светодиодов с различными диаграммами направленности. В этом случае может быть достигнуто точное позиционирование оптического устройства в процессе считывания оптической информации. Соответственно в этом случае в электронной схеме предусмотрен как минимум один ручной переключатель режимов люминесцентной подсветки, позволяющий производить селективный выбор режима спектрального возбуждения и светодиодов с определенными спектральными диаграммами направленности.
На другой стороне платы установлены компоненты 10 электронной схемы управления питанием светодиодов. В корпусе насадки установлен оптический фильтр 11, блокирующий попадание длинноволновой части излучения светодиодов в сенсор сканера при работе с сильно отражающими поверхностями и светофильтр 12, блокирующий паразитные засветки от посторонних источников освещения и отраженное от поверхности мишени излучение основных длин волн светодиодов. В конструкции оптического устройства может быть предусмотрена ручная или электромеханическая смена фильтра 11. Характеристики фильтров 11, 12 зависят от применяемых люминофоров и имеют примерный вид, показанный на Фиг.3 и Фиг.4. Для формирования линии прицеливания в корпус установлены две сферические линзы 13 так, чтобы светодиоды 9 находились вблизи фокальной плоскости на оптической оси линз. С этой же целью могут использоваться две цилиндрические линзы. Экран 14, имеющий форму прямоугольного, круглого, овального или эллипсовидного раструба, предназначен для защиты оператора от излучения светодиодов и от попадания внешних засветок в приемный канал сканера. Экран выполнен из того же материала, что и корпус насадки. Внутренняя поверхность экрана имеет зеркальное покрытие, обеспечивающее концентрацию излучения светодиодов в направлении считываемого символа. Фотодатчики 16 для управления светодиодами осветителя 8 и фотодатчик 15, являющийся источником сигнала для включения светодиодов прицеливания 9 при установке насадки позиционируются преимущественно соосно соответствующим светодиодам сканера 2, причем конструкция корпуса обеспечивает минимальный зазор между ними для обеспечения эффективного срабатывания схемы управления в режиме переключения. Корпус содержит отсек 17 для установки как минимум одного гальванического элемента питания 18 при изготовлении насадки с автономным питанием. Если допускается подключение к сети переменного тока, тогда в корпусе насадки батарейный отсек отсутствует и питание подается через соответствующее гнездо для подключения сетевого адаптера с необходимым номинальным напряжением. В корпусе насадки установлен микропереключатель 19 для блокировки возможности включения светодиодов насадки в неснаряженном состоянии и выключатель питания 20 движкового типа. На боковой стенке корпуса насадки установлен светодиод 21 индикации разряда гальванических элементов питания. Схема стабилизации и управления питанием светодиодов (Фиг.5) преобразует импульсы от фотодатчиков 15, 16 в импульсы тока соответствующих светодиодов 8 и 9, блокирует возможность включения светодиодов в неснаряженном состоянии насадки и сигнализирует об уровне разряда гальванических элементов в насадке с автономным питанием. Управление током светодиодов прицеливания осуществляется электронным ключом 26 на базе полевого транзистора n-p-n типа, а управление током через светодиоды освещения считываемого символа посредством специализированной микросхемы 27 стабилизатора тока светодиодов. Мониторинг уровня разряда гальванических элементов осуществляется схемой 25 на двух биполярных транзисторах n-p-n типа и одним светодиодным индикатором 21, который своим миганием просигнализирует о необходимости замены. Схема управления питанием светодиодов не исчерпывается приведенными в данной заявке схемотехническими решениями. Считывание люминесцентных символов и изображений сканером с предлагаемой насадкой осуществляется путем установки ее на корпус сканера, включением сканера и включением питания насадки. При наведении оператором сканера с насадкой в область, в которой предположительно находится люминесцентный символ, и нажатии на "курок" 29 сканера начинают вспыхивать "родные" светодиоды сканера, излучение которых заблокировано насадкой от попадания в область считываемого символа. При этом фотодатчики насадки вырабатывают импульсы тока для светодиодов прицеливания и освещения, которые вспыхивают излучением 22 и 25, а оператор путем точного прицеливания наводит сканер с насадкой на вспыхивающий люминесцентным излучением 24 символ до его считывания. Если это штрихкод, то при удачном считывании и декодировании сканер издает звуковой сигнал. При возникновении трудностей следует изменить расстояние от насадки до поверхности, на которой расположен символ, и повторить процедуру до получения подтверждения считывания. Считывание люминесцентных меток и изображений проводится аналогично с той лишь разницей, что сканер при этом управляется специализированным программным обеспечением компьютера. При отсоединении насадки сканер может считывать стандартные видимые невооруженным глазом штрихкоды.
4. Примеры технического решения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на примерах его конкретных, но не ограничивающих заявляемые технические решения, вариантах выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи.
Пример 1. Изготовлена насадка на фотосканер двумерных штрихкодов Metrologic MS1690 Focus (Фиг.6). Корпус насадки изготовлен из дюралюминия методом фрезерования. Корпус имеет зажим накидного типа, позволяющий надежно укрепить насадку на корпусе сканера. В насадке установлено 6 УФ светодиодов HPL - H77HV1BA-V3 с длиной волны излучения 395 нм, мощность 35 mW и углом расходимости 45°. Для прицеливания использованы два светодиода RF-BNS150TS-CD голубого свечения. В качестве фотодатчиков установлены фототранзисторы L-32Р3С. Для управления током светодиодов использован электронный ключ на полевом N-канальном транзисторе BSS138. Для управления УФ светодиодами использована микросхема стабилизатора тока через светодиоды типа DD312 в корпусе ТО-252, светодиоды включены параллельно двумя последовательными каскадами по 3 светодиода. Это позволило использовать для автономного питания насадки два гальванических элемента напряжением 9 В типа "Крона". Мониторинг уровня разряда батарей контролирует схема на 2-х транзисторах n-p-n типа КТ3102 ДМ. Для предотвращения несанкционированного включения светодиодов в неснаряженном положении насадки использован микропереключатель с лапкой MX-1382. Для блокирования паразитного излучения от светодиодов использован фильтр из стекла СС4 толщиной 3 мм, в приемном канале сенсора для подавления УФ излучения установлен фильтр из стекла ОС11 толщиной 5 мм. Насадка позволяет считывать невидимые штрихкоды на базе люминофоров, излучающих в области длин волн 600-650 нм и модифицированные символы с заполненными люминофором углублениями, полученными ударно-точечным способом (так называемый dot peen символ). Фотография считываемого люминесцентного символа изображена на Фиг.7. Без насадки сканер позволяет считывать стандартные видимые штрихкоды.
Пример 2. Изготовлена насадка на ТСД Casio DT-X11М30Е (Фиг.8.). Корпус насадки изготовлен из дюралюминия фрезерованием. Он имеет два зажима и два направляющих штифта для позиционирования и крепления насадки на корпусе ТСД. В насадке установлены 6 УФ светодиодов типа HPL-H77FV1BA-V1 с длиной волны излучения 370 нм, углом расходимости 120° и мощностью 25 мВт. В качестве линии прицеливания используется линия прицеливания ТСД, получаемая от светодиодов зеленого цвета. Для управления светодиодами иллюминатора использован фотодатчик на базе фототранзистора L-32Р3С, позиционируемый соосно со светодиодами иллюминатора ТСД при установке насадки. В электронной схеме управления иллюминатором использована микросхема стабилизатора тока DD312, которая управляет током, проходящим через включенную последовательно-параллельно цепь из 6 светодиодов. Мониторинг уровня разряда батарей контролируется схемой на 2-х транзисторах n-p-n типа КТ3102 ДМ. Устройство питается от 2-х гальванических элементов напряжением 9 В типа «Крона». Для предотвращения несанкционированного включения светодиодов в неснаряженном положении насадки использован микропереключатель с лапкой MX-1382. Для блокирования паразитного излучения от светодиодов использован фильтр из стекла СС4 толщиной 3 мм, в приемном канале сенсора для подавления УФ излучения установлен фильтр из стекла ОС11 толщиной 5 мм. Насадка, установленная на ТСД, позволяет считывать, запоминать и передавать на сервер по радиоканалу невидимые штрихкоды и изображения, напечатанные невидимыми чернилами на основе люминофора с поглощением в области 370 нм и флюоресценцией в области 620 нм. После снятия насадки ТСД может считывать стандартные видимые штрихкоды.