用於電光讀出器的反向反射掃描模塊的製作方法

2023-09-16 14:47:45 2

專利名稱：用於電光讀出器的反向反射掃描模塊的製作方法
發明的
背景技術：
有關申請本申請是1996年10月9日申請的、待審查的申請號為No.08/727,944的美國專利申請的繼續部分申請，其優先權是1995年10月10日申請的申請號為60/005049的US申請，在此引入作為參考。
發明的領域本發明涉及電光讀出器或掃描系統，例如條形碼掃描器，更具體地涉及反向反射雷射掃描模塊，該模塊用於要求特別小型化的掃描器中。
有關現有技術的描述電光讀出器，例如條形碼符號讀出器，目前是公知的。通常，條形碼符號包括一行或多行的形狀為矩形的明和暗區域。暗區域的寬度(即，條)和/或明區域的寬度(即，條之間的間隔)表示要讀出的編碼信息。
條形碼符號讀出器照射條形碼符號並且檢測來自碼區域的反射光以確定碼區域的寬度和間隔並從而獲得編碼信息。條碼讀出型數據輸入系統改進了各種應用的數據輸入的效率和精度。在這樣的系統中，容易輸入數據有利於更頻繁和更詳細的數據輸入，例如，提供有用的清單，跟蹤正在進行的工作，等等。然而，為了獲得這些優點，用戶或使用者必須樂於一直使用讀出器。因此，讀出器必須容易和便於操作。
各種掃描系統是眾所周知的。一個特別好的類型的讀出器是光掃描器，用一光束光(例如，雷射)掃描條形碼符號。由美國專利US4387297和US4760248舉例說明的這類雷射掃描系統和部件由本發明的受讓人所具有，在些引入作為參考，這類雷射掃描系統和部件已經用來，在離開手持式或固定式掃描器的某一工作範圍或讀出距離處，讀出具有不同光反射率的部分的標記，即條形碼符號，尤其是通用產品碼(UPC)類型的條形碼。


圖1a描述了以槍形狀裝置實現的、具有手槍式握把型的手柄53的已有技術條形碼讀出器10的一個例子。在輕質塑料殼體55中包括有光源46、檢測器58、光學部件57、信號處理電路63、可編程微處理器40和電源或電池62。位於殼體55前端的透射光窗口56使出射光束51射出並使輸入的反射光52進入。用戶從讀出器與條形碼隔開的一個位置把讀出器對準條形碼70，即讀出器不接觸條形碼或移動掃過條形碼。
正如圖1a所進一步描述的，光學部件可包括一個合適的透鏡57(或多個透鏡系統)以便使掃描光束在一個合適的參考平面上聚焦為一個掃描點。光源46，例如半導體雷射二極體，將光束引入透鏡57的光軸並且，根據需要，光束通過部分鍍銀的反射鏡47和其它透鏡或光束成形結構。由振動反射鏡59反射光束，振動反射鏡59與在手動起動觸發器54時提供能量的掃描驅動電動機60耦合。反射鏡59的振動使出射光束51按所要求的圖形來回掃描。
可以使用各種反射鏡和電動機來使光束按所要求的掃描圖形移動。例如美國專利No.4251789公開了一種在每一側具有平面鏡的旋轉多邊形，每一平面鏡跟隨掃描線掃過條形碼符號。美國專利No.4387297和No.4409470都使用了一個平面鏡，平面鏡安裝在驅動軸上，繞驅動軸沿交替的圓周方向重複和往復地驅動平面鏡。美國專利No.4816660公開了一種由普通凹面鏡部分和普通的平面鏡部分構成的多鏡結構。多鏡結構安裝在驅動軸上，繞驅動軸沿交替的圓周方向重複並往復地驅動多鏡結構。
由條形碼符號70反向反射的光52返向通過窗口56，透射到檢測器58。在圖1a所示出的典型讀出器中，反射光從鏡59和部分鍍銀的鏡47中反射並射到光敏探測器58上。探測器58產生與反射光52的強度成正比的模擬信號。
信號處理電路包括安裝在印刷電路板61上的數字轉換器63。數字轉換器處理來自探測器58的模擬信號以產生脈衝寬度和脈衝間隔與條的寬度和條之間的間隔對應的脈衝信號。數字轉換器用作邊緣探測器或波形成形器電路，由數字轉換器設定的閾值來確定模擬信號的哪一點代表條邊緣。將來自於數字轉換器63的脈衝信號施加到一個通常在可編程微處理器40中的解碼器上，可編程微處理器還將包括相應的程序存儲器和隨機存取數據存儲器。微處理器解碼器40首先確定來自數字轉換器的脈衝寬度和信號間隔。然後解碼器分析寬度和間隔以獲得真實的條碼信息並對真實的條碼信息進行解碼。這包括進行分析以識別真實的字符和順序，字符和順序由合適的碼標準來定義。這還包括與被掃描符號相符的特定標準的初始識別。通常把標準的這種識別稱為自動識別。
為了掃描碼符號70，使用者對準條碼讀出器10並操作可動觸發器開關54以驅動光源46、掃描電機60和信號電路。如果掃描光束是可見的，操作者能在符號出現的表面看到掃描圖形並由此調整讀出器10的瞄準。如果由光源46產生的光束51是臨界可見的，可以包括瞄準光。瞄準光，如果需要的話，形成可固定或掃描的可見光光點，就象雷射束51一樣。在起動觸發器之前，用戶使用可見光將讀出器瞄準符號。
讀出器10也可用作手提式數據收集終端。如果這樣的話，讀出器會包括鍵盤48和顯示器49，例如，象在前面提到的美國專利No.4,409,470中所描述的那樣。
在上面討論的類型的電光掃描中，包括雷射源的「掃描機(scan engine)」、鏡子結構的光學部件、使鏡子結構振動的驅動器、光探測器和相應的信號處理和解碼電路都使掃描器的體積和重量增加。在長時間使用的應用中，大而笨的手握式掃描器會使用戶產生疲勞。當掃描器的使用產生疲勞或不方便時，使用者不願意操作掃描器。不願意堅持使用掃描器就達不到這樣的條碼系統想要實現的收集數據目的。另外，需要有適合小型裝置(例如，筆記本或手心大小的電腦)的小型掃描器。
因此，條形碼讀出器發展的當前目標是儘可能地使讀出器小型化，並且仍然需要進一步減少掃描機的體積、重量和為使用掃描器提供特別的方便。移動部件的質量應該儘可能的輕以便使掃描運動所需的功率最小。
還希望能使掃描機模塊化以便專用模塊能用在各種不同的掃描器上。仍需要開發一種特別小型的、重量輕的模塊，該模塊包含所有必須的掃描器部件。
較小尺寸的掃描部件可以工作在較高的掃描頻率。然而，在典型的條碼掃描應用中，移動光束點的掃描頻率應當是相當低的，通常為20Hz或更低。如果頻率增加，光點掃過碼的速度增加。由探測器產生的信號的頻率也增加，並因而必須增加用於分析探測器信號的處理電路的帶寬。另外，工作在較高掃描頻率通常將產生具有較高噪聲電平的探測器信號，使準確地解碼更困難。
發明概述發明目的本發明的目的是研製一種完全獨立的、電光的、反向反射的掃描模塊，它包括產生光束、按圖形使光束掃描符號、檢測由符號反回的光和處理表示反射光的信號所需要的所有部件。關於這一點，反向反射的模塊應該體積小、重量輕並能容易地加到各種不同類型的電光掃描系統中。
本發明的另一目的是將用於產生光束掃描運動和收集反射光的部件的體積和重量減小。
本發明的另一類目的是研製一種電光掃描系統，該系統在操作者手持時體積小且重量輕，與現有技術相比，該系統容易掃描所編碼的標記。
另一同類的目的是研製一種電光掃描模塊系統，該系統對來自條碼掃描系統的出射窗口的鏡面反射不敏感。
發明的特徵與發明的目的一致，本發明的一個特徵體現在一個獨立的、電光的、反向反射的掃描模塊中，該掃描模塊用於讀出具有不同光反射率的光編碼的標記。該模塊包括一個底板；一個位於底板上的光源，用於沿出射路徑向反射光的標記發射光束；安裝在底板上的一個光檢測器，在視場範圍內沿入射路徑檢測由標記反射的光，並產生與不同光反射率的標記部分相應的電信號；一個安裝在光束和反射光的光路上的可移動反射器；一個在底板上的驅動器，用於移動可移動反射器以便使光束掃描標記並同時掃描視場。
根據本發明，光源安裝在殼體上，靜止的聚光鏡固定地安裝在殼體上，固定式摺疊/掃描鏡以固定的方式安裝在聚光鏡上。最好是，聚光鏡是凹形彎曲的，摺疊/掃描鏡是平面的。而且，在離開殼體一定距離處用託架夾持這些鏡子。本發明的另一有益方面體現在，以固定的方式將殼體和鏡子安裝在底板的兩端區域的一端，將可移動式反射器安裝在底板的兩端區域的另一端。光檢測器安裝在底板的中間區域，並且面對聚光鏡和位於其曲率中心。
驅動器包括一個細長支架，該支架具有相對的端部。將反射器安裝在支架的一個端部。驅動器包括一個安裝在支架的另一端部上的永久磁鐵；一個安裝在永久磁鐵附近的電磁線圈，當將交流驅動信號施加到線圈上時，電磁線圈工作，用於產生作用在永久磁鐵上的交流磁場，使磁鐵振動、進而使支架上和安裝在支架的掃描反射器繞大約位於反射器和永久磁鐵之間的軸振動。
在另一實施例中，反向反射的模塊包括一個位於聚光鏡後面的摺疊鏡。摺疊鏡使由聚焦雷射二極體裝置產生的雷射束改變方向而射到振動掃描鏡上。為了使雷射束改變方向而到達振動的掃描鏡，光束必須通過聚光鏡中的孔。光檢測器和聚光鏡的設置位置選擇一個考慮掃描模塊整個尺寸的設計折衷方案。
所得到的小型結構能使反向反射模塊放在各種系統結構中，尤其是微型結構中。
公開了使來自掃描器的出射窗口的鏡面反射的檢測減至最小和省略的各種方案。
在所附的權利要求書中具體描述了本發明特性的新穎特徵。然而，通過下面參考附圖對具體實施例的描述，將會最好地理解發明本身、發明的結構和操作方法、其附加目的和優點。在所附的獨立權利要求中描述了發明的進一步特徵，在從屬權利要求中描述了優選特徵。
附圖的簡單描述圖1a是已有技術手握式雷射掃描器和數據接收端的示意圖；圖1b根據本發明的手握式槍型描述器的示意圖；圖2根據本發明的一個掃描模塊的一個實施例的透視圖，為了清楚起見除去了某些部分；圖3是圖2所示模塊的頂視圖，又除去了某些部分以便示出模塊的內部；圖4是圖2所示模塊的左視圖；圖5是圖2所示模塊的右視圖；圖6是圖2所示模塊的驅動部件的正視圖；圖7a是根據本發明的一個掃描模塊的另一個實施例的透視圖；圖7b是根據本發明的一個掃描模塊的另一個實施例的平面圖；圖8示出了根據本發明另一方面的一個掃描模塊；圖9示出了根據本發明另一實施例的一個掃描模塊；圖10示出了在圖9中所示的掃描模塊的又一實施例；圖11示出了標稱條形碼符號和讀出光束點；圖12示出了雷射聚焦孔徑和光束腰；圖13a示出了改進的孔徑形狀；圖13b示出了針對圖13a所示的孔徑形狀而言的另一孔徑形狀；
圖13c示出了針對圖13a所示的孔徑形狀而言的另一孔徑形狀；圖14示出了基於6密耳密度條碼的孔徑形狀的標稱MTF曲線；圖15示出了基於7.5密耳密度條碼的孔徑形狀的標稱MTF曲線；圖16示出了基於20密耳密度條碼的MTF曲線；圖17示出了55密耳密度條碼的MTF曲線；圖18示意性地示出了掃描模塊和解碼模塊之間的相互連接；圖19由上示出一種常規的雙光電二極體檢測系統；圖20從一側示出了圖19的系統；圖21從前面示出了圖19的系統；圖22從上面示出了根據本發明的改進檢測系統；圖23從一側示出了圖22的系統；圖24從前面示出了圖22的系統；圖25示出了常規掃描模塊的一部分；圖26示出了根據本發明另一方面的一個解碼器模塊；圖27示出了根據本發明的另一方面的「背對背」雙雷射器裝置；圖28是根據本發明圖2的一個掃描模塊的又一個實施例的透視圖，為了清楚起見除去了某些部分；圖29是圖28所示模塊的頂視圖，又除去了某些部分以便示出模塊的內部；圖30a是圖29的模塊的驅動部件的頂視圖；圖30b是圖29的模塊的驅動部件的正視圖；圖31是圖29的模塊的底板的底視圖，描述安裝孔和對準孔。
優選實施例的詳細描述在本說明書和所附的權利要求中所用術語＂標記＂概括地不僅包括由交替的條和各種寬度間隔的構成的、通常稱為條形碼符號的符號圖形，而且還包括另外的一維或兩維圖形圖形，以及字母數字字符。通常，術語「標記」可適用於任何類型的圖形或信息，通過使光束掃描並檢測表示在圖形或信息的各個點處的光反射率的變化的反射光或散射光。條形碼符號是本發明能掃描的「標記」的一個例子。
圖2至6示出了小尺寸的、獨立的、反向反射的掃描模塊400。模塊400基本上為矩形並且是做成如1.35＂×0.95″×0.69″這樣小的一個例子。圖2示出了去除某些部分的模塊400的透視圖。
圖28至31示出了另一種結構的小尺寸、獨立的、反向反射的掃描模塊900。模塊900基本上為矩形並且尺寸為0.811″×0.559″×0.449″。圖28示出了去除了某些部分的模塊900的透視圖。
儘管下面參考槍類型掃描器討論掃描模塊，但是，應該意識到，對將此模塊引入例如包括掃描部分和小鍵盤和/或顯示屏之類的任何合適系統中也是適用的。
圖2至圖6的模塊包括一個通用的平面、細長、金屬底板410，通常由鋁形成。底板410有一個端區域402、一個相對的端區域404和一個中間或中心區域406。一個半圓柱的本體或殼體412包括一個雷射二極體和一個聚焦模塊，該聚焦模塊與由本申請的受讓人所擁有的美國專利No.5,367,151中所示出的類似，在此引入其公開作為參考。
殼體412在螺栓408處用螺栓固定到底板410上，但是也可以作為底板410的一部分而整體形成。殼休412和底板410用作散熱片，以散失在掃描操作中由雷射二極體產生的熱。
模塊400包括兩個相互成直角的電路板。其一端垂直地安裝到底板410上的第一個電路板416支撐由掃描器所使用的電路部分。通常第一電路板416支撐產生驅動雷射二極體的電流的電路。
第二電路板418垂直地安裝在第一電路板上並且與底板410平行。假定底板410的平的主平面是模塊400的底部，則第二電路板418就會成為模塊400的頂部。柔性電纜(沒有示出)將第一電路板和第二電路板上的電路連接在一起。第二電路板418支撐必要的電路的其餘部分。要特別注意的是，電路板418支撐一個專用的集成電路419，它包括模擬信號處理電路、數字轉換器並且可以包括基於微處理器的解碼器。
圖3是模塊400的頂視圖，為了描述模塊的內部，省去了第二電路板418。如圖所示，支撐結構300給掃描反射器359提供撓性支撐，允許該反射器往返運動。下面結合圖6描述撓性支撐結構。
模塊的內部還包括在底板的端部402通過託架202固定到殼體412上的固定式的鏡面結構200。鏡面結構200包括其曲率中心有光檢測器206的一個凹形彎曲聚光鏡204。光檢測器206安裝在殼體208內的底板410的中心區域406。濾光器210位於殼體208內的光檢測器206的上遊。
可將公知類型的通氣縫位於光檢測器206的前面，儘管這在附圖中並沒有示出。
一個通用平面摺疊鏡212固定地安裝在聚光鏡204上，最好是一體形成並模製成一個整體。使摺疊鏡212傾斜並對著在殼體412內的雷射二極體和反射器359。鏡204、212的前面設有光反射塗層。
如圖6所示，支撐結構300包括其第一臂305連接到反射器359上的U形部件303。該部件303的第二臂307支撐一個永久磁鐵309。直線部分311在第一和第二臂之間延伸並將第一和第二臂連接在一起以形成U形部件303。
一對彈性條321、323與U形部件303的一個臂相連並用作平面彈簧。這些彈簧條包括一個彈性塑料材料(例如，MylarTM或KaptonTM膜)的平板，或其它彈性元件，例如象銅鈹合金之類的非磁性金屬。在所示出的其餘位置，條321、323處於相對未彎曲狀態並沿與直線部分311基本平行的方向延伸，直線部分311在第一臂303和第二臂307之間的空間中。條321、323的一組端部與第一臂305連接，並固定條321、323的另一組相對的端部。
更具體地，通過適用的緊固件325來固定形成彈性條321、323的MylarTM或KaptonTM材料板的端部，並由此將所述端部夾在板327和框架366之間，框架366從第一臂305的後表面和直線部分311的下表面的一部分延伸。通過合適的緊固件329使條321、323的相對的端部固定到固定支架上(圖2)，該合適的緊固件將條夾在板331和從支撐支座335伸出的固定臂337的增大部分之間的。支撐支座335安裝在端區域404的金屬底板410的平面部分。
將支撐結構300、反射器359和磁鐵309的部件的尺寸加工成，使磁鐵的重量相對於大約在反射器和磁鐵之間的樞軸與反射器的重量平衡。結果是，條321、323起平面片簧單元的作用並且繞該樞軸撓曲。樞軸A與底板410的平的下面部分垂直地(或圖6的垂直面)延伸。
由託架334將電磁線圈333固定到第二電路板418的下表面(圖5)。將第二電路板418安裝在模塊400的頂部而使所固定的線圈333非常接近永久磁鐵309，如圖3所示。永久磁鐵309的北極和南極之間的軸，沿圖3的平面，即與底板410的平面的下部分平行地對準。當通過電磁線圈333引入交流電時，在線圈磁場和永久磁鐵309之間的相互作用使永久磁鐵309產生振動運動和使所連接的部件303逆著由平面彈簧條321、323的回覆力轉動振動。彈性條321、323繞軸A來迴轉動引起部件303振動並使鏡359繞軸A通過圓弧沿兩個圓周方向往復運動。
當雷射二極體發射光束時，該光束沿路徑部分100傳輸並照射到拆疊鏡212，然後，沿路徑部分102反射到反射器359上，反射器再將光束沿路徑部分104反射到有標記的目標表面。該光束通過在模塊的一個側面中形成的孔射出。在雷射二極體發射光束期間，反射器359的往復振動使光束橫過標記掃描一行。
如果將模塊水平安裝在掃描器中，所得到的掃描行會是水平的並且會掃描具有垂直條的標記。相反，如果將模塊400垂直安裝在掃描器中，所得到的掃描行會是垂直的並且會掃描具有水平條的標記。
由標記反向反射的光沿路徑部分104反向傳輸，隨後沿路徑部分102反射光，以用於由凹形聚光鏡204來收集光。聚光鏡204再通過環境光阻擋濾光片210將沿路徑部分106返回的光反射以作用到檢測器上。濾光片阻擋大多數光波長，但是允許與雷射二極體發射的光波長相對應的波長的光通過。通氣縫也可設在檢測器的前面。
檢測器206產生模擬信號，該模擬信號與由專用集成電路419處理、數位化並解碼的反射光的強度成正比。為了清楚起見，沒有示出將來自檢測器的信號傳到專用集成電路的電引線。
設在掃描模塊中的小尺寸彈性支撐結構300不會妨礙在低掃描頻率下操作。另外，反射器和磁鐵位於部件303的相對端部使其重力離驅動軸相當遠，從而提供大的轉動慣量。而且，運動部件的質量相當大，彈簧的優選材料321、323傾向於是相當有撓性的。大質量、大慣量和彈簧撓性，使撓性支撐結構呈現相當低的振動特徵頻率。因此，小的獨立掃描模塊400操作在對於條形碼優選的低掃描頻率下，例如20Hz或更少。此外，在模塊400中反射器的重量和永久磁鐵的重量平衡，這樣能減少或消除可能干擾掃描運動的不希望的振動並能使必須給掃描部件的起紿運動施加的功率量減為最小，使掃描器更有效。
圖28至31示出了本發明的小尺寸的、獨立的、反向反射的掃描模塊的另一實施例。掃描模塊由Symbol Technologies，Inc.(本發明的受讓人)製作，該模塊稱為SE 900。在此引入SE 900掃描模塊Integration Guide作為參考。如圖28所示，模塊900基本上為矩形並且其尺寸為0.811″×0.559″×0.449″。因此，掃描模塊的整個體積大約為0.2立方英寸。圖28示出了除去某些部分的模塊900的透視圖。模塊包括一個通用的平面的、細長的、金屬底板910，通常由鋁製成，也可由其它的金屬(例如鋅)製成。底板910有一個端區域902、一個相對的端區域904和一個中間或中心區域906。一個半圓柱的殼體912包括一個聚焦的雷射二極體裝置911。殼體912在作為底板910的一部分而整體形成。聚焦雷射二極體裝置911產生聚焦的雷射束1000，該雷射束通過雷射二極體裝置的孔913將投射到掃描模塊900的光學元件上。在另一實施例中，當設有雷射束通過的孔徑時，殼休912會設計成容納雷射二極體和聚焦單元，從而減少本雷射二極體裝置的元件數量。應該理解到，殼體的孔徑在此情況下會對出射的雷射束的聚焦特性有貢獻。
模塊包括兩個相互基本上成直角的電路板。垂直地安裝到底板910上的第一個電路板916支撐由掃描器所使用的電路部分。在圖8的實施例中，第一電路板916為雷射二極體裝置911、光檢測器935和一個驅動掃描模塊900的掃描單元950的電磁線圈1004提供連接。通過兩個螺絲孔903a和903b將第二電路板(為了簡單起見，沒有示出)安裝在模塊900的頂部並且與底板910的下表面平行，第二電路板通常支撐接收器、信號處理電路和驅動掃描模塊900的掃描單元的驅動電路。在ASIC或晶片板類組件中至少部分地包括在第二電路板上的電路。電路能設計成具有可編程的特徵，例如可編程掃描幅度、放大器增益、雷射功率、雷射工作周期、在掃描行的端部的掃描光束的限制，等等。沿每一電路板的邊緣之一以接觸或近接觸的關係相互垂直地設置兩個電路板。通過焊接兩個電路板的鄰接接觸部分來實現在板之間的導電性。連接電路板的其它方法，例如撓性條，彈簧銷等，也是可以的。在優選實施例中，與外面連繫的連接器安裝在第二電路板918上。
圖29是模塊900的頂視圖，為了描述模塊的內部，省去了第二電路板918。圖28和圖29的相同附圖標記代表相同的元件。附圖標記940a和940b表示底板910的螺紋柱，用螺紋孔930a和930b通過螺紋柱將第二電路板918固定到底板上。如圖所示，模塊包括雷射二極體裝置911、一個拆疊鏡930、一個凹形彎曲聚光鏡932、掃描單元950、驅動線圈1004和光檢測器/濾光裝置936。掃描單元950包括用於掃描(反射器)鏡952的撓性支架以便允許掃描鏡的往復振動運動。下面結合圖30a和30b進一步描述掃描單元950。
一個凹形彎曲聚光鏡932具有光檢測器935對準的曲率中心。光檢測器安裝在光檢測器/濾光裝置936內的底板910的中心區域906的後面。濾光器937位於光檢測器/濾光裝置936內的光檢測器935的上遊。光檢測器/濾光裝置936還包括一個孔徑931，該孔徑位於光檢測器的前面並位於濾光器936的前面或後面。
摺疊鏡930能是一個平面鏡或者它具有一個圓柱曲率，以便改變射出雷射束的光特性。會改變射出雷射束的光特性的摺疊鏡的其它彎曲形狀也是可以的。摺疊鏡930的曲率或者在水平方向、垂直方向或者即在水平方向又在垂直方向。摺疊鏡930或由玻璃製成或由塑料模製而成。摺疊鏡930固定地連接到底板910上。
聚光鏡932包括一個孔徑933，由摺疊鏡930反射的雷射束經過該孔徑傳給掃描鏡952。聚光鏡932面向掃描鏡952和面向在光檢測器/濾光裝置936內的光檢測器935。鏡930、933和952前表面設有反射光的塗層。正如從圖29所能看到的，第一電路板916與雷射二極體裝置911、光電二極體935和線圈1004相連。通過使三個元件之間的在電路板上的間空最小來實現模塊的寬度減小。與圖3的模塊實施例相比，使光檢測器的位置更接近雷射二極體裝置導致幹涉來自聚光鏡204的光束而投射到光電二極體206上。在優選實施例中使光檢測器935接近雷射二極體裝置911也要求聚光鏡932接近底板910的中心區域和接近從雷射二極體裝置911射出的雷射束的側面。然而，由於這樣放置聚光鏡932，所以要求位於雷射二極體裝置911前面並位於聚光鏡932後面的摺疊鏡改變雷射束的方向而使雷射束射到掃描鏡952上。為發使聚光鏡932不阻擋由摺疊鏡改變方向而射到掃描鏡952的雷射束，在聚光鏡932中需要一個孔徑933。
通過減少圖28、29、30a和30b所示的掃描單元950的高度已經實現了減少掃描模塊的高度。圖30a描述了與掃描模塊的其它元件分離的掃描單元950。掃描單元950包括臂963。掃描鏡952固定到臂963的一端。在優選實施例中，臂963和掃描鏡952注射成型為一個單個的塑料部件。永久磁鐵969固定到臂963的一端。通過用作平面彈簧的撓性彈簧965使臂963與掃描模塊的底板910耦合。撓性彈簧965由例如聚酯薄膜或Kapton膜之類的撓性塑料材料或其它例如平麵條金屬(如銅鈹合金或不鏽鋼)之類的撓性元件製成。撓性彈簧965在中間包括一個矩形切口。當從一側觀看時，撓性彈簧965就好象由兩個撓性條966a和966b構成，如圖30b所示。儘管兩個撓性條是一個撓性彈簧965的部分，但是，為了描述簡單，將把撓性條當作單獨的單元來討論。在其餘位置，條965a和965b處於相對未彎曲的狀態並沿與臂963成一角度的方向延伸，如圖30a所示。使條966a和條966b的一組端部967與臂963連接並且固定條的相對端部968。更具體地，通過適用的緊固件970來固定條的端部967，並由此將所述端部夾持在板972和臂963的框架971之間。通過將條夾在板976和從支撐支座980伸出的一部分固定臂978之間的合適的緊固件974，使相對的端部968固定到固定支架上(圖28)，支撐支座980安裝在底板910上。應該注意到，儘管，在優選實施例中，通過撓性彈簧的矩形切口使撓性條966a和966b是一個撓性彈簧的部分，但是可以將這些條製作成分開的元件並且僅通過板和框架的夾緊作用連接在一起。具有切口的實施例優於分開的撓性條結構，因為具有切口的實施例給臂963提供了較好的垂直穩定性。以這樣的方式設計掃描鏡952、臂963和磁鐵969相對於掃描臂的旋轉中心的軸，磁鐵的重量與掃描鏡的重量平衡。結果是，條966a和966b起平面片簧單元的作用。掃描鏡952的重量和磁鐵的重量在臂上平衡能保證掃描單元950其餘位置穩定，允許在不同方位放置掃描模塊900。可以相對於底板910調整支撐結構980。底板可作為從下面通向支撐結構的入口。這對於在製作過程中掃描模塊的取向處理是非常有用的，當為了使掃描線相對掃描模塊適當對準而需要改變掃描單元和固定的掃描鏡的靜止位置時。在調整了掃描單元的靜止位置之後，通過螺釘、粘合或任何其它的固定機械裝置能將支撐結構固定到底板910上。在另一實施例中，可設計成從模塊的頂部進行支撐結構的調整，與從底部進行調整相反。在另一實施例中省去支撐結構並將撓性條直接固定到底板上。
將圖28的電磁線圈1004固定到第一電路板916的下表面並且非常接近磁鐵969。線圈有一個在掃描單元振蕩期間允許磁鐵969移動進入其中的中空中心部分1006。這一特徵保證了一個小型的掃描單元950並使掃描單元的整個長度減少，因而使掃描模塊900的高度減少。當通過線圈1004引入交流電時，在線圈的磁場和磁鐵969的磁場之間的相互作用使永久磁鐵969產生振動運動和使臂963逆著由平面彈簧條966a和966b產生的回覆力轉動振蕩。彈性條繞樞軸來迴轉動引起臂963振動。樞軸位於撓性條端部之間的中間並且與底板910的平面部分垂直地延伸。因而，使固定到臂963上的掃描鏡952繞樞軸通過圓弧沿兩個圓周方向往復運動。由於臂963位於撓性條的側面而不是在撓性條的上面，所以本實施例的掃描單元950具有減小的高度，如圖6的實施例所示。圖30a和30b的附圖標記1022表示臂963的環形狀部分。環形狀部分在撓性條966a的中間截面的上方略微延伸。環形狀部分1022具有一個中空的中心並用作從電路板918(沒有示出)向下延伸進入中空的中心1024的振動止動銷。在銷和環形狀部分1022的內臂之間的距離代表在下降過程中沿底板910的平面臂963的最大運動。
再參考附圖29，當雷射二極體發射光束時，該光束沿路徑部分1010傳輸並照射到摺疊鏡930的反射表面。摺疊鏡930改變光束的方向並將光束反射在路經1012上。改變方向的光束沿路徑1012傳輸，通過聚光鏡932中的孔徑933並射到作為反射單元950的一部分的掃描鏡952上。掃描鏡952將光束沿路徑部分1014反射到有標記出現的目標表面。該光束通過在掃描模塊900的一個側面中形成的孔射出。在雷射二極體發射光束期間，掃描(反射)鏡952的往復振動使光束橫掃過一行標記。如果將模塊900水平安裝在掃描器中，所得到的掃描行會是水平的並且會掃描具有垂直條的標記。相反，如果將模塊900垂直安裝在掃描器中，所得到的掃描行會是垂直的並且會掃描具有水平條的標記。
由標記反向反射的光照射到掃描鏡952。掃描鏡952將反射光投射到聚光鏡932上。使聚光鏡的面積基本上與掃描鏡的最小投射面積相等。這樣能平衡當掃描鏡從一個位置向另一位置移動(振動)時由聚光鏡952所接收的光量，從而，穿過掃描行的長度提供相同的信號。聚光鏡952將返回的光再反射到光檢測器935上。在光到達光檢測器935的途中，返回的光通過光濾光器937。濾光器阻擋大多數光波，但是允許波長與雷射二極體發射的光的波長相符的光通過。孔徑使光檢測器935的視場最小。光檢測器935產生與反射光的強度成正比的模擬信號。由可編程ASIC處理、數位化並解碼模擬信號，能使可編程ASIC位於第二電路板918上。
圖31示出了掃描模塊900的底板910的底面或底板910的下表面。切口1020保證了支撐結構980的調整。模塊具有兩個安裝孔1022、1023和兩個定位器孔1024、1025。沿底板910的底面的對角線設置這些孔，從而使孔之間的距離最大，這本身也保證了掃描器900與相應安裝結構有較好的支撐作用並對準。
因而，本發明的掃描模塊能保證真正地減小模塊的高度、寬度和深度。應該注意到，通過減少光學元件的尺寸、改變光檢測器的位置、修改出射雷射束的光路和由目標條碼反射的光的光路能進一步地減少掃描模塊尺寸。
還應該注意到，在公開的實例中，是在同一平面內進行雷射束傳輸/掃描和反射光的聚光的。由於模塊設計成歸併到數據採集裝置中，和圖1b的手動掃描器或袖珍計算機一樣，該裝置將通常包括一個出射窗口(圖1b的附圖標記56)，通過出射窗口掃描線在到達條碼的途中從該裝置中射出。這也可能是反射光到掃描模塊中的聚光鏡和光檢測器所通過的同一窗口。由於非掃描窗口是100％的透射，照射到出射窗口的內表面的部分光在到達條碼的途中反向朝掃描模塊反射，因而決不會留在數據採集裝置的內部。這部分光稱為鏡面反射。其能量通常大於從條碼反射的返回到數據採集裝置併到達掃描模塊的漫射光能。出射窗口相對於掃描模塊的傾斜位置將決定出射窗口的鏡面反射將是否射到掃描模塊的掃描鏡上。當出射窗口與出射掃描線的平面垂直時，出射窗口的鏡面反射將沿傳輸/掃描平面反向反射進入到掃描模塊中。在同一平面進行反射光的傳輸/掃描和檢測的掃描模塊中，聚光鏡將收集鏡面反射能，並且光檢測器將檢測鏡面反射能。因為鏡面反射沒有攜帶任何條碼信息，所以認為鏡面反射是光噪聲並且可影響掃描系統的解碼性能。避免檢測出射窗口鏡面反射的一種方法是，使出射窗口相對於掃描模塊的傳輸/掃描平面傾斜(從垂直位置)，導致由出射窗口內表面反射的鏡面反射在與傳輸/掃描平面不同的平面中，從而防止鏡面反射反向反射到掃描鏡上。這種方法的缺點在於使出射窗口現在相對於掃描模塊傳輸/掃描平面傾斜，在採集裝置中掃描模塊與傾斜出射窗口的組合的總深度大於出射窗口相對於掃描/傳輸平面成90度角時的總深度。
在出射窗口鏡面反射沿檢測/掃描平面反向反射到掃描模塊並且檢測/掃描平面與聚光平面一致的情況下，解決問題的另一種方法是，遮擋會收集出射鏡面反射的聚光鏡上的線(區域)。該方法的缺點在於，在掃描鏡上用於收集由條碼所反射的光的收集區域目前已經減少。
在沒有收集區域減少的情況下，避免檢測來自出射窗口的鏡面反射的另一種方法是，將傳輸/掃描平面與收集平面分開。例如，掃描模塊的光學系統的結構能使光檢測器放在第二電路板918上，面對掃描模塊的底板910，使聚光器改變成在與傳輸/掃描平面不同的平面上收集反射光。傳輸/掃描平面與檢測平面的分開能在不損失聚光鏡的收集面積的情況下減少或完全避免光檢測器接收鏡面反射。使光檢測器向下面向著掃描模塊的底板也可減少照射到光檢測器上的分散的環境光量。
儘管上面討論的實施例是參考單個雷射器方案給出的，但是應該意識到，當合適時也可將多個雷射器引入模塊中(例如，下面將要更詳細討論的全雙範圍掃描)。雷射器可以為任何已知的類型，例如，常規的雷射器，雷射二極體或它們的組合。在圖7b中示出了這樣的方案，在此圖中除了以300表示的掃描裝置外，還有一個以310a表示的用於掃描更遠距離目標的雷射器，一個以310b表示的用於掃描較近距離目標的雷射器。通過摺疊鏡310c使遠雷射束射到與近雷射器共用的鏡359上。
參見圖1b，示出了一個能實施的在圖2至6或圖7中示出的掃描模塊400。正如所看到的，簡單地將模塊400固定和定位在一個槍形狀類的讀出器10中。在此使用在整個說明書中已經使用的相同附圖標記。用任何合適的裝置將模塊固定並對準，以便出射光束104通過掃描窗口56順掃描方向射出。一個或其它的電路板416和418能交替地位於手槍式握把型的手柄中，或者，如圖所示，一個外加的PC卡能獨立地保留在手柄中。當獨立的掃描模塊簡單地放在併合適地固定在槍型掃描器10中時，顯然容易製作這種裝置。如果安裝一個外加的PC卡，則也能按常規的方式容易地固定在手柄53中並與模塊400相連接。所得到的裝置將具有槍型掃描器的優點以及由本發明的模塊提供的減少尺寸和重量的優點。
可以修改撓性支撐結構以便在基本上相互垂直的兩個方向上提供光束點掃描。許多不同的掃描應用需要在兩個不同的方向上掃描。一個這樣的應用是提供一種移動掃過條碼型標記的掃描圖形以找到相當完整足以使碼精確地讀出的部分。雙向掃描應用涉及在不同的兩維方向內編碼的標記的掃描。
兩維條碼包括一系列的行或條的光編碼信息。每一行沿X方向(水平方向)取向，並且沿Y方向以一個在另一個上方的方式設置了許多行。信息的每一行或每一條包括一系列編碼的符號，每一符號由一系列通常為矩形的明和暗的區域組成。暗區域(條)的寬度和/或在條之間的明間隔的寬度代表每一行或條的編碼信息。兩維條碼比公用的一維條碼攜帶更多的編碼信息。
為了讀出兩維標記，希望能用光柵或相似類型的掃描圖形掃描標記。用這樣的掃描圖形，相當數量的基本水平和基本平行的掃描線掃過標記，從一條上水平掃描線，向下繼續到多條中間水平掃描線，最後到下水平掃描線，均勻地覆蓋包含標記的所希望的掃描區域。為了獲得這樣的光柵型掃描圖形，必須保證有沿兩個不同方向往返運動的掃描元件。而且，沿產生X方向光點掃描運動的第一方向的振動頻率通常比沿產生Y方向光點掃描運動的第二方向的振動頻率高得多。
圖7a描述了模塊的另一實施例，除了下面的兩個方面以外該實施例與圖2的實施例類似。首先，射頻發射機450安裝在印刷電路板418上，並且與將電信號傳播到遠程主機的發射天線452耦合。該信號由掃描機數位化或由掃描機產生解碼信號。在無數應用中都能使用所得到的「無線掃描模塊」。
圖7a還示出了一個第二殼體412』，在第二殼體412』上安裝了另一雷射二極體，用於發射通過摺疊鏡212中的孔、沿路經部分108傳輸的、照射在反射鏡359上的另一雷射束。這種「雙雷射」對多行掃描應用非常有用。
儘管已經針對讀出一維或兩維條碼描述了本發明，但是本發明並不局限於這些實施例，而且本發明還能應用到更複雜的標記掃描應用中。可以想得到，本發明還能獲得供各種機器觀察使用的應用，或者還能獲得從例如字符之類的其它類型的標記或從掃描物品的表面特性得出信息的光學字符識別應用。
在所有的各種實施例中，掃描單元都安裝到一個非常小的封裝中。作為各種類型的數據採集系統的掃描機這樣的模塊是通用的。例如，一個或多個模塊可替換地用在手持式掃描器、桌面掃描器中，所述桌面掃描器與一個撓性臂相連或沿桌子的表面延伸安裝或與桌面的下側相連，或者作為一個更複雜數據採集系統的子部件或組合件來安裝。可以立體地放置多個模塊以便幾個交錯參考平面或視場可以被掃描或成象。與這類元件相應的控制或數據線可與安裝在模塊的外表面的邊緣上的電連接器相連，使模塊與數據採集系統的其它元件對應的配合連接器電連接。
一個專用的模塊可以具有與模塊有關的特定掃描或解碼特性，即，在某一工作距離的可操作性，或具有特定符號學或印刷密度的可操作性。也可以通過手工設置與模塊有關的控制開關來設定特性。用戶還可以修改數據採集系統以掃描不同類型的物品或者為了不同的用途通過使用簡單的電連接器由交換在數據採集系統上的模塊來改變系統。
在包括一個或多個象鍵盤、顯示器、印表機、數據存儲器、應用軟體和資料庫那樣的部件的獨立數據採集系統內也能實現上面所述的掃描模塊。這樣的系統也可以包括通信接口，通過數據機或ISDN接口，或通過從便攜終端到固定接收機的紅外或小功率無線電廣播，來使數據採集系統與局部區域網的其它部件通信或與電話交換網通信。
現在參見圖8，示出了一個一般設計的掃描模塊500的另一結構。模塊包括產生掃描光束511的雷射器510，掃描光束511穿過一般設計的透鏡系統512。如在前面的實施例所述，掃描光束511入射在設置成繞樞軸點521振動的鏡520上，以便通常按箭頭513和514所示的那樣掃描光束。在包括用於壁形成電路板502的相互連接的電路板501上安裝組件(正象針對前面實施例所討論的那樣)。正如上面所討論的，與底板電路板501平行地安裝另一電路板(沒有示出)。在503和504處設置安裝模塊500的裝置。一個接收光電二極體、如濾光器之類的合適的信息處理裝置和通氣縫分別設在516、517和518處。這些元件以一般公知的方式接收和處理反射光束並且有代表性地針對底板501的尺寸來討論這些元件，關於尺寸A和B可以是A＝0.7″(17.8mm)和B＝0.75″(19.0mm)。典型的高度可在0.42″(10.67mm)的範圍內。
圖8中示出的裝置特別適合具有例如上面討論尺寸的微型掃描單元。在上述的模塊中已經指出，由於難以獲得質量平衡，所以在這樣的微型模塊中出現瞄準誤差，這也會帶來固定偏差的問題。當希望獲得上面討論的低頻掃描時這更是一個問題。本發明通過使用所示出的特定鏡結構克服了這些困難。更詳細地觀察該結構，鏡520安裝在帶有永久磁鐵521的公用支架上。包括鏡520和永久磁鐵521的鏡系統相對於底板501上的固定點523通過樞軸522旋轉。鏡系統與樞軸線垂直地從樞軸522的一側延伸，並且相對於與樞軸522垂直延伸的標稱線在相對著的方向上面對面地設置520和永久磁鐵521。通過產生交流磁場的線圈524，以參照圖2至圖6的實施例所討論的方式，驅動鏡系統來實現掃描運動。交流磁場使永久磁鐵521來回地運動，導致掃描運動。該結構與對照圖2至圖6所討論的結構略有差別，其差別在於鏡520和永久磁鐵521位於驅軸522的同一側，而不是位於驅軸的相對側。
考慮到系統的小型化，難以在鏡系統中提供足夠質量以增加轉動慣量並進而通過足夠的量來降低振動頻率。引入質量會導致固定偏差並且加入任何其它質量會使該問題更嚴重。在圖8所求的實施例中，通過在永久磁鐵521的附近引入位於底板501上的附加磁單元530克服了這一點。例如，單元530是從底板501突起的鐵條。由於鐵條530和永久磁鐵521之間的相互磁作用，給永久磁鐵521和鏡系統整個地加偏壓使其與鐵條對準。從而實現了鏡系統的質量的有效增加並且由此減少了瞄準誤差/固定偏差。當然，會意識到，可以由任何其它合適的磁性元件530來代替鐵條。
根據本發明的另一方面，提供了一種掃描器模塊系統，適合於克服與由掃描器環境中的環境光引起的幹擾有關的困難。
這一問題尤其是與非反向聚合(非反向反射)條碼掃描系統衝突，在該系統中檢測器不僅收集由掃描器產生的讀出光束，而且還收集環境光。這將導致低品質的性能，尤其是在高周圍光環境的媒介中。將知道，通過提供用於反射光的適當濾光器來濾除由周圍光環境所引起的噪聲解決該問題。噪聲的空間濾波取決於由反射條碼所接收的光而形成的掃描圖形。噪聲的瞬時濾波取決於由反射條碼所接收的光而形成的波形。通常光譜濾光取決於下列因素a)由可見光雷射二極體(VLD)加工的可變性所引起的波長變化；b)由VLD老化引起的波長變化；c)對一個給定的VLD波長隨溫度的變化；d)光傳輸與接收光角的關係；e)VLD的多模雷射作用。
為了調節上述所有的因素，通常濾光器具有大約70nm的帶寬。這是比單一VLD模的光譜寬度要寬的數量級，結果是，保留著大量的由周圍光環境引起的不需要的噪聲。此外，在不影響掃描器性能的情況下不能改變濾光參數。
參見圖9，示出了本發明提出的一種方案。該裝置包括一個固定的濾光器和一個具有可調諧波長的VLD，調諧的參數為VLD的溫度。
一般用540表示一個掃描模塊。將意識到，對參考上面實施例討論的單一模塊或在任何其它合適的形式中可以包括下面討論的元件。模塊540包括一個發射讀出光束542的雷射器541。通過反射器543使光束542改變方向而射到掃描系統544上，在圖中用單一反射器來表示，該反射器是可移動的以便通過沿箭頭A所示的方向往復運動來使光束542掃描。所得到的掃描光束由主光束555用圖形表示，掃描限由虛線556和556′表示。為了使用作為調諧參數的溫度來調諧雷射器541的波長，將雷射器541放在一個熱電致冷/加熱單元560上，該雷射器封裝在一個子支架上或一個以任何公知方式形成的晶片中。致冷/加熱單元560可以是任何公知類型，例如，可以是通過改變流過其電流的幅度和方向來改變溫度的類型的致冷/加熱單元。從而，雷射器541的波長能保持在用於檢測器(沒有示出)的濾光器的通帶範圍內並且因而可以使用較窄的帶通。
通常依據反饋信號可以用各種方式來控制溫度。例如，使反射器部分鍍銀，以便反射讀出光束542的大多數而傳輸讀出光束的一部分，如561所示。由輔助檢測器562接收傳輸的光束561。輔助檢測器562可以設在模塊540上或保留在掃描器殼體中，當合適時。輔助檢測器562監視讀出光束561的傳輸部分的波長並且給致冷/加熱單元560提供控制信號，以便獲得所希望的溫度來使讀出光束542的波長保持在濾光器的帶通範圍內。通過控制線563傳輸控制信號。由此可見，控制溫度的一個方法是使輔助檢測器562調諧以在通帶範圍內的一個所希望波長提供最大響應。控制致冷/加熱單元560的溫度，使輔助檢測器562的輸出最大。
這種方案使讀出光束562的波長保持在所希望的頻帶內。結果是，隨著精密地控制波長漂移，濾光器具有大大減少的帶寬。因此，能濾去由周圍光環境所引起的大部分無關的噪聲，從而得到改進的信噪比和性能。
圖9所示的實施例特別適合對抗因為上述因素a)至c)，而出現的波長變化，即加工可變性、老化和溫度明顯時出現的波長的變化。可以理解，該實施例將因此得到改進的性能。
使用圖10所示的實施例將進一步提高性能，該實施例還考慮由於光傳輸與接收光的角度的關系所引起的波長變化。通過再設置輔助檢測器以使其位於掃描系統544的下遊來實現這一點。因此可以使改變方向的反射器543全部鍍銀。而另一個部分鍍銀的鏡565放置在由掃描系統544反射的、覆蓋整個掃描範圍的光束的路徑中，以便在由附圖標記556和556′表示的界限內的光束的一部分被反射並且已經通過反射鏡565改變了方向。檢測器566檢測讀出光束的改變方向的部分。檢測器566檢測讀出光束的波長(用與參照圖9所討論的檢測器562類似的方式)並且還提供了關於掃描角的瞬時信息。將這種信息反饋到控制器567(可以是任何合適的處理器)並由此來控制致冷/加熱單元560的溫度。當然，可以理解控制器567可以是與檢測器一體形成，或者從整體上講可以形成用於模塊542的控制器的部分。從而能控制雷射器541的波長以校正取決於接收光角度的光傳輸的變化。應當理解，為了使該實施例能夠操作，必須能以足夠快的速率改變致冷/加熱單元560和雷射器的溫度，以跟上掃描角的變化。當然，對於足夠慢的掃描速率能實現這一點，並且通過使整個致冷/加熱單元560和雷射器541系統的熱質量減至為最小能調節較快的掃描速率。
通過選擇用單一縱向模產生雷射的一個合適的VLD，還能進一步地改進系統以考慮因素e)(某些VLD以幾種光譜模產生雷射)引起的變化。會滿足這一要求的各種VLD是公知的，例如，大多數折射率導引VLD。可以理解，即使VLD以幾種模產生雷射，也會識別出有改進，不過他們不是主要的關鍵點。
用另一種方法，引入固定波長的VLD並且能使用可調諧濾光器來代替。在此情況下，由輔助檢測器562或複合波長和掃描角檢測器566接收的控制信號會反饋濾光器，以使濾光器跟隨雷射器541的波長變化。可適用的調諧濾光器是公知的，例如，由光學工程第6期(1981年11月/12月)第805至845頁收集的幾篇有關電可調諧光譜濾光器的文章，可以知道可調諧的濾光器。應當理解，系統的其他特徵會與參照圖9和10所描述的類似。
根據本發明的另一方面，希望改進差質量的一維條形碼符號的讀出。眾所周知，通過使用具有橢圓橫載面的、長軸與條方向或間隔方向平行的讀出光束來提高讀出一維條形碼的精度，如圖11所示，以570放大地示出了讀出光束的光點並且該光點按箭頭B所示的方向掃描條形碼符號571。讀出光點是橢圓形的，其長軸與條的方向平行並且與掃描方向垂直。結果是，垂直方向上的碼缺陷是混勻的。
希望能增加一個給定掃描器的工作範圍，以便掃描器會更通用。為了增加掃描器對高密度條碼(3至10mil)的工作範圍，通過在掃描方向增加雷射器的聚焦孔徑尺寸能增加工作範圍的遠端，通過使光束腰更接近孔徑能使工作範圍的近端減少。在圖12中用圖形示出了這一點。雷射器575通過圓的聚集孔徑577的發射光束576。光束576具有一個用W放大示出的腰。通過增加掃描方向(仍然用箭頭B表示)上的孔徑尺寸，工作範圍增加，但光束腰減小。因而，如果接近雷射束腰掃描一個印刷不好的條形碼，則由於在掃描方向上條形碼中的缺陷不太均勻的結果，將增加讀出光束光點的尺寸，從而導致通過與掃描線垂直的細長橢圓點不能濾去讀出信號中的噪聲。希望消除或減少對工作範圍有不利影響的性能退化。
本發明用已知的方案解決了難題，通過識別可改變的系統參數來改進狀態，即雷射器聚集孔徑形狀。下面描述特別優選的形狀。發現如果優化了聚集孔徑的形狀，則可以增加雷射器光束腰並且在不損失掃描器工作範圍的情況下對差質量的條形碼獲得改進的信噪比。
常規孔徑形狀一般是圓的或矩形的，由於可用於增加掃描器工作範圍的僅有參數是孔徑尺寸和光束腰位置；按如上所述，這將使光束腰減小並且工作範圍增加。各種其它的孔徑形狀示在圖13a至13c中。參見圖13a，示出了具有階梯形狀的優化孔徑。該孔徑可由如圖所示的對稱設置的一系列矩形A1、A2、A3、A1′、A2′A3′來形成。每一對矩形A1、A1′等都在掃描方向(再一次用箭頭B示出)有不同長度的側邊，在中間找到最寬的矩形，在上面和下面找到最窄的矩形。
為了使製作過程容易和減少在銳角轉角處的光散射，選擇與圖13a所示的形狀接近的光滑形狀。例如，如圖13b所示，可使用圓角的鑽石形，或如圖13c所示，使用具有上圓凸起和下圓凸起的、由上圓凸起和下圓凸起延伸的圓形。
事實上，通過MTF分析能得到如圖13a所示的優化孔徑形狀，MTF是孔徑函數的卷積整數。我們現在轉到使用MTF分析的數學處理。
假定掃描器想要讀出6、7.5、20和55密耳碼。通常在優化掃描器工作範圍之後，最高碼密度(在我們的例子中為6密耳)的MTF改變vs目標距離，如圖14中的十字標記曲線所描述的。讓我們假定數字轉換器能在MTF＞15％提供讀出。在所示出的例子中，具有0.027″(0.686mm)寬的矩形孔徑的掃描器，對於6密耳條碼，將提供從2.5″(63.5mm)到9″(228.6mm)的工作範圍。
對於6密耳的碼，MTF曲線在離掃描器5″(130mm)光束腰位置達到約45％的最大值。具有比閾值15％大得多的最大值MTF對掃描器的性能不產生影響。掃描器消除了表示印刷缺陷的較高空間頻率，噪聲使光束腰位置周圍的光束增大。理想情況下，希望一個正好在閾值之上的平MTF曲線。換言之，光束腰增大直到達到平的MTF曲線為止。
因此，使用為了控制MTF曲線的形狀的附加自由度，即，當讀出一維條碼時的孔徑形狀。對於圖13a所示的、由沿掃描方向x1、x2和x3具有不同的側邊的三個矩形區域構成的孔徑，考慮MTF是孔徑函數的卷積整數，通過下面的公式能計算所示的孔徑的MTFMIF＝(MTF1.S1+MTF2.S2+MTF3+.S3+…)/(P1+P2+P3…)其中，MTFI是孔徑的第i區域的MTF，Pi在第i區域內的雷射功率。因而，通過使孔徑具有某種形狀我們具有附加設計的自由度。對於6密耳碼提供平的MTF的孔徑的例子在圖13a中。對7.5密耳、20密耳和55密耳分別計算的MTF由圖15至17的實線表示。人們能預料到，將消除尺寸比6密耳小的所有印刷缺陷。
孔徑形狀優化的另一種可能性是，在保持高密度條碼的寬範圍時增加低密度條碼(40，55密耳)的工作範圍，正如從圖16和17所看到的。
參見圖14，對於「鑽石」孔徑和6密耳碼的標稱MTF曲線函數由下面的公式給出MTF1(wb,z,x,Ox,Ax,)=MTF(wb,z,x,,ex,Ax+0.11)+MTF(wh,z,x,ex,Ax)+MTF(wb,z,x,ex,Ax-0.011)3]]>其中wb是碼密度，z是離開孔徑的距離(mm)，x是雷射器與透鏡聚集平面之間的距離，e是雷射器的發散角，Ax是孔徑相關部分的孔徑尺寸(英寸)。給出的數值與圖13a的實施例對應。
距離WR是上面定義的工作範圍，並且示出了直角孔徑(用十字表示的曲線)和優化孔徑(實線)的MTF曲線。MTF＝15％的閾值用虛線畫出，限定工作範圍WR。
圖15至17使用相同的慣例，但分別針對7.5密耳、20密、55密耳的碼。由▲WR代表工作範圍的改進。對於圖17，選擇了20％閾值，正如上面所討論的，對這樣低密度條碼是能夠實現的。
根據本發明的另一方面，對小掃描模塊的死區域減少問題提出了建議。
參照圖19，從上面示出了用於改進小型非反向聚光(非反向反射)一維和兩維掃描模塊的常規方案。兩個透鏡600、601與任何類型的掃描模塊605中的相應檢測器(例如，光電二極體)602、603相對應，例如，上面參照本發明的其它實施例所描述的模塊類型。沒有示出掃描模塊605的其它元件，例如，雷射器，等等。透鏡用於減少視場並由此消除一部分背景噪聲和周圍光。透鏡600、601還放大相應檢測器602、603的信號收集區域，從而增加了信噪比。用常規類型的加法裝置(沒有示出)將來自兩個檢測器的信號相加。在每一檢測器的視場分別由各自的方向相反的陰影線區域604和605示出的地方，將看到有一個由距離Ld表示的稱為「死區」的非重疊區域。當企圖掃描該區域內印刷的標記時將在此區域內得到非均勻信號。尤其是，中心的和信號將或者為零或者為其端部的幅度的兩倍。死區域限定了一個非解碼區，結果是，在「噪聲」附近或在實際掃描模塊的輸出窗口的附近，不能實現解碼。應該理解，常常希望實現這樣的觸碼，但如果為了具有覆蓋「死區」的視角而使光電二極體反向移動的話，將失去工作區域。圖20和21分別示出了圖19的裝置的側視圖和前視圖。
在圖22的平面圖中示出了本發明建議的方案。除了兩個檢測器602、603外，在模塊605的中心設置有一個第三光電檢測器606。用虛線畫出第三檢測器606的視場並用附圖標記607來表示第三檢測器的視場。將會看到，第三檢測器606將檢測死區內的信號，在不損失主檢測器602、603的工作範圍的情況下提供附加的工作範圍。由於接近掃描模塊605的信號是相對高質量的並且比遠離掃描模塊的信號要大得多，所以小光電檢測器就足夠了。較小的光電二極體檢測器不必解碼超過距離Ld的信號，因為兩個較大的檢測器足夠地覆蓋了該區域。較小的檢測器606特別有助於對軸線近端標記的解碼。為了使圖形適當大，使用一個合適的鏡系統使雷射路徑彎折。這意味著兩個主檢測器602、603不得不移開更遠，而第三檢測器通過覆蓋死區再次緩和了這種狀況。圖23和24分別示出了根據本發明的裝置的側視圖和前視圖。
根據本發明的另一方面，希望獲得具有最少修改或不修改現有元件的多位性能(multi-bit performance)。各種非多位掃描模塊是眾所周知的。例如，用上面參照圖1至7所討論類型的掃描模塊或掃描機引入這一特徵，具體包括一個掃描信號輸入、掃描信號數字轉換器和數位化信號輸出，以及模擬信號微分器和輸出。前面已經考慮過，引入這樣的元件的多位結構是不可行的，除非引入專用集成電路(ASIC)，因為在常規掃描模塊中的小電路板上沒有增加多位電路的空間。此外，即使可以實現多位掃描模塊，但是，多位掃描模塊也會與所有的現有便攜終端中的解碼器不相容。
本發明以改進的方式通過保留目前的掃描模塊而利用在這樣的模塊中的現有元件與多位解碼器進行接口來解決這些問題。
在圖25中示出了本發明的一個例子。用620表示一個參考圖2所描述的類型的掃描模塊(儘管可以使用任何合適的模塊)。僅僅示出了與信號處理有關的那些元件。模塊620包括一個信號輸入621和一個將模擬輸入信號轉換成數字輸出623的數字轉換器622。數字輸出保持在接口引出頭624中。這允許以設置成與合適的解碼器模塊相連接的實際模塊化形式來使用掃描模塊。除數字轉換器622以外，還有一個模擬信號微分器620。在第二接口引出頭627中保持輸出微分信號626。常規的非多位系統沒有使用第二接口引出頭。
參見圖26，示出了一個解碼模塊。對於非多位解碼，數位化的信號623由接口引出頭624接收並且在解碼器631中被解碼。沒有使用微分信號626接口引出頭627；解碼器使用由掃描板620上的數字轉換器622提供的標準數字轉換器條圖形信號。
用一個使用微分器信號626和來自數字轉換器622的數位化的條圖形信號適用的解碼器能實現多位性能。包括作為解碼模塊630的部分的模數轉換器632。當解碼器631檢測來自掃描機的數字轉換器輸出的轉換時，它通過線633將信號傳送到控制器634，使模數轉換器632採樣微分信號。因而，模數轉換器632通過線635給解碼器631提供邊緣強度信息。掃描模塊數字轉換器622供給邊緣位置和極性信息。多位信號處理的主要原理在已有技術中已眾所周知，在此就不詳細地對此進行研究，但是應該明白能監視所關心的參數。
模數轉換器632可以是解碼板(如圖26所示)上的一個單獨集成電路，或者是模數轉換器632包含在解碼微處理器晶片本身中。一個適用的微處理器是由Toshiba生產的。
在輸入信號621的一行中有兩個正或負邊沿的情況下，常規的數字轉換器非常靈敏，以致於即使對於在兩個正峰值之間的非常小的負峰值或反之亦然，數字轉換器622也將檢測所有邊沿並且這些微弱信號按常規方式使用強度數據是不能得到的。已經發現，這並不是導致信號處理退化的主要原因。
圖18示意示出了在掃描模塊620和解碼器模塊630之間的連接關係。
將看到，能將改進的多位模塊化裝置與參考圖1-7或28-31所討論的結構結合起來，以進一步改進該裝置的可互換性和模塊化性，使在此描述的基本的反向反射掃描模塊的應用範圍更寬。
根據本發明的另一方面，希望引入兩個或多個雷射器，特別是應用越來越小的雙二極體特性掃描器，以滿足所要求的尺寸/涉及的人與機械控制的考慮。
根據本發明的圖27中所示出的一個實施例，雙二極體(ER)裝置包括一個用於遠距掃描聚焦的第一雷射器和一個用於近距掃描聚焦的第二雷射器。為了獲得所要求的小尺寸，以背對背的結構將遠距雷射器700放置在近距雷射器702的後面。通過鏡706和708使遠距雷射器光束704在近距雷射器702附近改變方向。通過鏡712改變近距雷射器光束710的方向。根據一個實施例，通過一個「專用鏡」716在714處使兩個光束再組合。使專用鏡部分鍍銀或開縫，以便反射近距光而傳輸遠距光束。另外，專用鏡716可偏移遠距光束路徑704以使遠距光束704通過專用鏡716。
除了能減少尺寸外，將發現，使用現有模塊時可引入該裝置，僅僅包括在可用空間中的附加元件。在使用在此討論類型的模塊化裝置的地方，將會發現，可以容易地體現增加附加雷射器和元件的能力，使現有元件的適應性和可再適用性更大。一定能想像到，圖27的裝置可與前面參考圖1-6和28-31所討論的模塊化的裝置結合。
應該理解，上面所描述的每一特徵，或兩個或更多的組合都能在與上面討論類型不同的其它類的掃描器和條碼讀出器中得到應用。
儘管已經用電光讀出器的反向反射掃描模塊作為實例描述了本發明，但是，不想將本發明限制在所說明的細節上，因為在不脫離本發明精神的情況下可以作出各種修改和結構變化。
在不進一步分析的情況下，上述內容就如此全部地揭示本發明的要點，從而通過應用通用的知識，別人能容易地使其適用於不從已有技術或觀點中省去特徵的各種應用，清楚地構成本發明的一般或特定方面的必要特徵，因此這樣的修改應該並且希望包含在下面權利要求的等同物的含義和範圍內。在所附的權利要求中陳述了認為是新的並希望由專利證保護的內容。
權利要求
1.一種用於使光束掃描條形碼的掃描單元，所述掃描單元包括a)支架；b)固定在所述支架一端的片型彈性部件；c)與所述彈性部件的第二端相連並沿所述彈性部件的一側延伸的驅動臂；d)連接到所述驅動臂的反射單元；e)連接到所述驅動臂的磁鐵；以及f)一個驅動器，用於將力作用在所述磁鐵上並使所述反射單元和所述磁鐵至少沿一個圓周方向運動。
2.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述驅動器包括一個電磁線圈，該電磁線圈具有通過其中心的孔。
3.如權利權求2所述的掃描單元，其中在所述磁鐵運動期間所述線圈至少部分地接受通過線圈孔的所述磁鐵。
4.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述磁鐵和所述反射單元位於所述驅動臂的不同端。
5.如權利權求4所述的掃描單元，其中所述驅動臂、所述反射單元和所述磁鐵形成一個平衡結構。
6.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述反射單元是一個平面鏡。
7.如權利權求6所述的掃描單元，其中所述平面鏡是一種塑料平面鏡。
8.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述驅動臂是一個塑料驅動臂。
9.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述驅動臂和所述反射單元構成一個單個的模製塑料單元。
10.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述片型彈性部件由聚酯薄膜製成。
11.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述片型彈性部件包括至少兩個片簧。
12.如權利權求1所述的掃描單元，其中所述源為雷射二極體並且所述光束為雷射束。
13.一種通過用光束掃描符號(symbol)並收集從符號返回的反射光來讀出條形碼符號的掃描模塊，所述掃描模塊包括a)底板；b)產生光束的光源；c)使所產生的光束改變方向並用所述改變了方向的光束以振蕩移動的方式掃描符號的掃描單元，所述掃描單元包括i)連接到所述底板上的支架；ii)固定在所述支架一端的片型彈性部件；iii)與所述彈性部件的第二端相連並沿所述彈性部件的一側延伸的驅動臂；iv)連接到所述驅動臂的掃描鏡；v)連接到所述驅動臂的磁鐵；以及vi)一個驅動器，用於將力作用在所述磁鐵上並使所述掃描鏡和所述磁鐵至少沿一個圓周方向運動；d)一個聚光光學元件，用於收集從所述符號返回的反射光；e)一個檢測器，用於檢測所述收集的反射光並將所述檢測的反射光轉換成電信號；以及f)一個處理所述電信號的處理電路。
14.如權利權求13所述的掃描模塊，進一步包括一個沿從所述光源到所述掃描單元的光束路徑設置的摺疊鏡，用於使所述光源產生的光束彎曲並改變光束方向而射向所述掃描鏡。
15.如權利權求14所述的掃描模塊，其中所述摺疊鏡具有一個曲率，用於改變所述光束的橫截面特性。
16.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述驅動器包括一個電磁線圈，該電磁線圈在其中心具有一個孔。
17.如權利權求16所述的掃描模塊，其中在所述磁鐵振動運動期間所述線圈至少部分地接受通過線圈孔的所述磁鐵。
18.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述磁鐵和所述掃描鏡位於所述驅動臂的不同端。
19.如權利權求18所述的掃描模塊，其中所述驅動臂、所述掃描鏡和所述磁鐵形成一個平衡結構。
20.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述掃描鏡是一種塑料鏡。
21.如權利權求14所述的掃描模塊，其中所述聚光光學元件包括一個具有貫通孔的聚光鏡，所述摺疊鏡使所述光源產生的光束彎曲並使通過所述聚光鏡的孔的光束方向改變為射向所述掃描鏡。
22.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述驅動臂是一個塑料驅動臂。
23.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述驅動臂和所述反射單元構成一個單個的模製塑料單元。
24.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述片型彈性部件由聚酯薄膜製成。
25.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述片型彈性部件包括至少兩個片簧。
26.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述源為雷射二極體並且所述光束為雷射束。
27.如權利權求13所述的掃描模塊，進一步包括一個給所述光源、所述檢測器和所述線圈提供電連接的第一電路板。
28.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述處理電路包括特定的模擬專用集成電路。
29.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述處理電路包括晶片板電路(chip-on-board)。
30.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述處理電路包括有選擇地至少修改所述掃描模塊的一個操作參數的可編程特徵。
31.如權利權求30所述的掃描模塊，其中將所述操作參數存儲在所述處理電路內。
32.如權利權求13所述的掃描模塊，進一步包括一個掃描單元定心特徵，用於調整所述掃描單元相對所述機殼的位置。
33.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述機殼包括至少兩個對準單元，用於將所述掃描模塊合適地定位到數據採集裝置的殼體中。
34.如權利權求33所述的掃描模塊，其中所述至少兩個對準單元包括對準調整片。
35.如權利權求33所述的掃描模塊，其中所述至少兩個對準單元包括對準孔。
36.如權利權求21所述的掃描模塊，其中所述聚光鏡的寬度基本上與所述掃描鏡的最小投射寬度相等。
37.如權利權求13所述的掃描模塊，其中所述雷射束的傳輸/掃描和反射光的收集在不同的平面內進行。
38.一種通過用雷射束掃描符號並收集從符號返回的反射光來讀出條形碼的掃描模塊，所述掃描模塊包括a)金屬底板；b)用於收集從符號返回的反射光的聚光鏡，所述聚光鏡具有貫通的孔；c)產生雷射束的雷射源；d)使所述雷射源產生的所述雷射彎曲並通過所述聚光鏡中的孔投射所述彎曲的雷射束；e)掃描單元，用於接收通過所述聚光鏡中的孔投射到其上的雷射並以振蕩運動方式用所述雷射束掃描符號，所述掃描單元包括i)連接到所述金屬底板上的支架；ii)固定在所述支架一端的片型彈性部件；iii)與所述彈性部件的第二端相連並沿所述彈性部件的一側延伸的驅動臂；iv)具有一定寬度並連接到所述驅動臂的第一端的掃描鏡，用於接收從所述聚光鏡中的孔投射的彎曲雷射束並使雷射束射向符號；v)連接到所述驅動臂的第二端的磁鐵；以及vi)一個電磁線圈，用於將力作用在所述磁鐵上並使所述掃描鏡和所述磁鐵在至少一個圓周方向上運動；f)一個檢測器，用於檢測所述收集的反射光並將所述檢測的反射光轉換成電信號；以及g)一個連接所述雷射源、所述檢測器和所述線圈的第一電路板；以及h)一個包括處理所述電信號的處理電路的第二電路板。
39.如權利權求38所述的掃描模塊，其中包括具有曲率的拆疊鏡，用於調整所述雷射束的橫截面特性。
40.如權利權求39所述的掃描模塊，其中所述摺疊鏡具有圓柱曲率。
41.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述線圈至少部分地接收通過線圈孔的所述磁鐵。
42.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述驅動臂和所述掃描鏡構成一個單個模製塑料件。
43.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述驅動臂、所述掃描鏡和所述磁鐵形成平衡結構。
44.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述片型彈性部件由聚酯薄膜製成
45.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述片型彈性部件包括至少兩個片簧。
46.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述處理電路包括應用專用集成電路。
47.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述處理電路包括晶片板電路(chip-on-board)。
48.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述處理電路包括有選擇地至少修改所述掃描模塊的一個操作參數的可編程特徵。
49.如權利權求48所述的掃描模塊，其中將所述操作參數存儲在所述處理電路內。
50.如權利權求48所述的掃描模塊，其中所述處理電路進一步包括用於對掃描條形碼編碼信息進行解碼的解碼器。
51.如權利權求38所述的掃描模塊，進一步包括一個掃描單元定心特徵，用於調整所述掃描單元相對於所述機殼的位置。
52.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述聚光鏡的寬度基本上與所述掃描鏡的最小投射寬度相等。
53.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述掃描模塊的體積小於0.15立方英寸。
54.如權利權求38所述的掃描模塊，其中具有大約0.8英寸的長度、大約0.5英寸的寬度和大約0.3英寸的高度。
55.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述機殼包括至少兩個對準單元，用於將所述掃描模塊合適地定位到數據採集裝置的殼體中。
56.如權利權求55所述的掃描模塊，其中所述至少兩個對準單元包括對準調整片。
57.如權利權求55所述的掃描模塊，其中所述至少兩個對準單元包括對準孔。
58.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述線圈包括至少兩個繞組，第一繞級是激勵繞組，第二繞組為反饋繞組。
59.如權利權求38所述的掃描模塊，其中所述雷射束的傳輸/掃描和反射光的收集在不同的平面內進行。
全文摘要
一種讀出具有不同光反射率的光編碼的標記的獨立的、電光的、反向反射的掃描模塊,該模塊包括一個底板;一個位於底板上的光源,用於沿出射路徑向反射光的標記發射光束;安裝在底板上的一個光檢測器,在視場範圍內沿入射路徑檢測由標記反射的光,並產生與不同光反射率的標記部分相應的電信號;一個安裝在光束和反射光的光路上的可移動反射器;一個在底板上的驅動器,用於移動可移動反射器以便使光束掃描標記並同時掃描視場。
文檔編號G06K7/10GK1278088SQ00105410
公開日2000年12月27日 申請日期2000年3月24日 優先權日1999年3月24日
發明者霍華德·謝潑德, 愛德華·D·巴坎, 保羅·德沃爾基斯, 鮑裡斯·梅特利茨基, 拉伊·布裡德爾, 弗拉基米爾·古列維奇, 馬克·克裡切韋爾, 李雅君, 約瑟夫·卡茨, 文森特·盧西亞諾 申請人:符號技術有限公司