專利名稱：在高強度環(huán)境光中具有改善的性能的電光讀取器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電光讀取器，諸如激光掃描儀，更具體的，涉及當在高強度環(huán)境光中讀取諸如條形碼符號的標記時改善的讀取器性能。
用來讀取各種符號表征，諸如出現在標簽上或物品表面上的通用產品代碼(UPC)條形碼符號的條形碼讀取器是現有技術中公知的。條形碼符號本身是編碼的圖形標記圖案，包括一系列各種寬度的條，它們被相互隔開以限定各種寬度的空白，條和空白具有不同的光發(fā)射特性。讀取器將圖形標記電光轉換為電信號，該信號被解碼成信息，典型的是對物品或物品的某些特征的描述。此信息通常用數字形式表示并用作對于數據處理系統的輸入，該系統用于銷售點運行、庫存控制等方面的應用。
這種常規(guī)類型的讀取器已經在例如授予與本申請相同的受讓人的美國專利No.5,600,121中被公開，且可以采用由用戶持有的便攜式激光掃描裝置，其被配置為允許用戶將該裝置，特別是掃描激光束瞄準到要讀取的目標符號。在本領域公知的移動激光束讀取器中，激光束被透鏡或其他光學元件沿光路作為束斑聚焦到目標上，該目標包括條形碼符號。移動光束讀取器以如下方式運行利用掃描元件，諸如置于光束路徑上的移動反射鏡的移動，重復掃描符號上的掃描圖案中的束斑。掃描元件或者掃過符號上的束斑并示蹤符號上的一條掃描線或一系列掃描線或其他圖案；或者掃描讀取器的視場；或者二者均掃描。
條形碼讀取器還包括傳感器或光電探測器，其檢測從符號反射或散射的光。光電探測器或傳感器位于讀取器中的一光路上，以使得其所具有的視場確保捕獲一部分從符號反射或散射的光。該光被檢測到并轉換為電信號。電子電路和軟件將電信號解碼成由已被掃描的符號表征的數據的數字表示。例如，光電探測器產生的模擬電信號被數字轉換器轉換成脈沖寬度調制數字化信號，其寬度相應于條和空白的實際寬度。然后此數字化信號被基于符號所使用的特定符號表征法而解碼成符號中所編碼的數據的二進制表示，隨后解碼成所表示的信息或文字數字字符。此信號處理器在授予與本申請相同受讓人的美國專利No.5,734,153中被公開。
條形碼讀取器需要在不同的環(huán)境光照情況下工作，包括室內的辦公室光照和室外的太陽光，室內和室外的光照范圍都是從暗淡到明亮。采用光和電措施的結合來避免明亮的環(huán)境光蓋過讀取器，同時避免不能成功解碼并讀取要讀取的標記?？梢葬槍μ幱陬A期光強度等級的室內或者室外光照來優(yōu)化這些措施，但是不適合針對兩者都進行。因此，當要求讀取器在非最優(yōu)的光強度等級中工作時，性能就會有損失。
一類讀取器稱作后向反射(retro-reflective)或者后向會聚(retro-collective)，涉及到光聚集光學系統，其中與激光束一起掃描視場。典型的，用于發(fā)射激光束到符號的掃描反射鏡還聚集從符號散射的光并將聚集光引導到傳感器上。這允許視場相對小，因為視場只需要足夠大，以看見聚焦的激光束斑并且調節(jié)傾向于將束斑移出視場中心的制造公差。
后向反射的讀取器中的掃描反射鏡需要相對較大，因為掃描反射鏡的表面區(qū)域確定了多少散射光可以被收集。然而，大的掃描反射鏡要求在掃描過程中有更多的電能被振蕩，當振蕩太快的時候會產生不期望的抖動，并且需要更多地保護其免受外部的沖擊力。即使這些因素對于手持讀取器是所不期望的，多數讀取器仍采用后向反射系統，主要是因為這些讀取器對小視場所承受的不同等級的環(huán)境光較不敏感。
另外一類讀取器稱作非后向反射或者非后向會聚，涉及到視場固定的光聚集光學系統。典型的，掃描反射鏡僅用于將光束發(fā)射到符號，同時采用一個獨立的具有寬的、固定的視場的光學系統來收集散射光。束斑在符號上的掃描圖案中掃過，視場必須足夠大以使傳感器能夠看到整個掃描圖案，該掃描圖案可能是單條線或者多條線。因此，非后向反射系統的視場比后向反射系統的大幾倍，收集的環(huán)境光連同從符號散射的光也會成正比地增加。因此，難于采用在所有環(huán)境光照狀況下都工作良好的非后向反射系統。
然而，使用非后向反射系統具有明顯的優(yōu)點。掃描反射鏡可以被做得很小，因為它只需要調節(jié)聚焦的束斑。小的掃描反射鏡可以不需要消耗大量電能而容易地振蕩，即使在高速振蕩中也只會產生輕微的抖動，更易于防震以阻止外部震動力帶來的損害，而且與后向反射系統的大掃描反射鏡相比不太昂貴。
顯然，如果由于環(huán)境光固有的大視場帶來的環(huán)境光問題能夠被減少或者消失，則利用非后向反射系統的優(yōu)點將是有利的，尤其是在手持讀取器的情況下。在這個方向指引下的一個措施是通過使用鏡頭來控制視場的垂直尺寸，并使用讀取器的外殼來限制視場的水平尺寸，來減小非后向反射系統中的視場。這使得讀取器能夠在所有預期的、室內的、人工照明的光照條件下可靠的工作，但是如果該讀取器在比室內最強光照還要強超過50倍的直接陽光的環(huán)境下工作仍然需要進行折衷。
在典型的反向反射或非反向反射的讀取器中，光學聚集裝置將從符號標記散射的激光聚集，并集中該聚集光到作為傳感器的光點二級管上。光學聚集裝置也不可避免地將環(huán)境光聚集并集中到光點二級管上。光電二級管產生與全部聚集的光線的強度成正比的電流。電流被施加給互阻抗放大器的輸入，該互阻抗放大器用于產生與電流成正比、進而與全部聚集的光線的強度也成正比的輸出電壓。輸出電壓隨著聚集光線強度的增大或者減小而增大或減小。如果聚集的光線強度足夠亮的話，輸出電壓將非常高以至于放大器無法產生更高的電壓。這種情況稱為飽和，當這種情況發(fā)生時，讀取器將不起作用，因為從符號取得的數據信號將會丟失。
因為這個原因，當設計必須要在明亮的陽光下工作的讀取器時，標準操作必須把互阻抗放大器的增益降低到即使是在陽光下也不會產生飽和的點。因此，具有大視場并聚集大量環(huán)境光的非反向反射讀取器必須被設計為比那些視場更小并因此聚集更少環(huán)境光的反向反射讀取器具有更低的互阻抗放大器增益。這些互阻抗放大器的增益由反饋電阻器控制。降低反饋電阻器的電阻就可以降低增益，反之亦然。
不幸的是，降低反饋電阻器的電阻使數據信號比噪聲信號減小得更快，以致于放大器輸出信號的信噪比由于增益的降低而變得更差。因為非反向反射讀取器需要具有比反向反射讀取器更低的增益(為了防止飽和)，所以非反向反射讀取器具有較差的信噪比，這劣化了它們的性能，即使是在室內光照條件下工作時。所以，反向反射讀取器較好的信噪比以及伴生的擴展的工作范圍是其流行的主要原因。
在美國專利No.5,923,021的圖9-11中提出了現有技術的用來處理光電二極管的輸出信號的前置放大器電路。這些電路包含降低了反饋電阻器電阻由此會降低增益并惡化信噪比的組件，或者包含會引入來自雙極晶體管或二極管的散粒噪聲或白噪聲從而再次惡化信噪比的組件。因此，這種前置放大器電路并不能令人滿意地使讀取器能夠在所有的光照情況下可靠運行。
因此，本發(fā)明的一般目的是使反向反射和非反向反射電光讀取器能夠在較廣范圍的不同環(huán)境光照狀況下可靠地讀取標記。
更具體的，本發(fā)明的目的在于提高讀取標記的性能而不犧牲互阻抗放大器的增益，并且不向信號處理電路引入附加的噪聲。
本發(fā)明的另一個目的是使得非反向反射讀取器能夠接近反向反射讀取器的性能水平。
本發(fā)明的另一個目的是即使是在明亮的陽光下也可以防止高增益互阻抗放大器飽和。
為了與上述目的和下面變得顯著的其他目的一致，簡要地說，本發(fā)明的一個特征在于一種設備和一種方法，用來改善在寬范圍的環(huán)境光強度下電光讀取器讀取標記(諸如條形碼標記)的性能。該設備包含用于聚集來自標記的光線同時伴隨地聚集環(huán)境光的傳感器，以產生與聚集光強度成正比的傳感器信號。有利的是，該傳感器是將傳感器信號產生為電流信號的光電二極管。
該設備還包含具有連接到傳感器的放大器輸入的放大器，該放大器用于放大傳感器信號，來在放大器輸出處產生與所聚集光的強度成正比的輸出放大信號，優(yōu)選的是電壓信號。電阻器連接在放大器的輸入和放大器的輸出之間，向放大器提供對于在高強度環(huán)境光下驅動放大器進入飽和而言足夠高的增益。
根據本發(fā)明，補償調節(jié)電路連接在放大器的輸入和放大器的輸出之間，以防止放大器在高強度的環(huán)境光下飽和，而不降低放大器的高增益。調節(jié)電路具有可變電阻，該可變電阻被輸出的放大信號控制并與該信號成反比。在高強度的環(huán)境光下當輸出的放大信號增大時放大器輸入處的電阻減小，以防止放大器飽和。
在優(yōu)選的實施例中，調節(jié)電路包含場效應晶體管(FET)用作可變電阻，其電阻被輸出的放大信號控制。當輸出的放大信號接近引起飽和的水平時，FET的電阻下降，補償電流被施加給放大器的輸入，該輸入進而迫使放大器不飽和。環(huán)境光越亮，補償電流越大，因此，即使在最亮的陽光下，放大器也不會飽和。結果，放大器增益可以如所期望的高以使信噪比最大化，而不用擔心飽和。同時，可變電阻不影響反饋電阻器的電阻，不改變放大器增益，并且不引入散粒噪聲或白噪聲到輸出的放大信號。


圖1是根據現有技術的非反向反射電光讀取器的透視圖；和圖2是根據本發(fā)明的通過圖1的讀取器使用的用于改善性能的設備的電路示意圖。
正如在這里使用的，術語“符號”廣義地不僅包含由交替的不同寬度的條和空白組成的符號圖案，如通常所稱的條形碼，還包含其他的一維或者二維的圖形圖案，以及文字數字字符。通常，術語“符號”可以應用于任何類型的圖案或標記，這些圖案或標記可通過掃描光束和檢測反射光或散射光而識別或標識為在圖案或標記的不同點處的不同光反射率的變化的表示。圖1示出了標記15作為要讀取的“符號”的一個示例。
圖1描述了用來讀取符號的手持激光掃描裝置10。激光掃描裝置10包含外殼，該外殼具有桶部11和把手12。盡管該圖描述了一個手持手槍形狀的外殼，但是本發(fā)明也可以實現為其他類型的外殼，諸如臺式工作站或者固定掃描儀。在所例示的實施例中，外殼的桶部11包含出口或者窗口13，發(fā)射出去的激光束14可以經過它照射到與距離外殼有一定距離的條形碼符號15并且對其進行掃描。
激光束14在符號15上移動以創(chuàng)建掃描圖案。典型的，如線16所示，掃描圖案是一維的或者直線的。該激光束14的直線掃描移動是由被振蕩馬達18驅動的振蕩掃描反射鏡17產生的。如果需要的話，可以提供裝置來將光束14掃描過二維掃描圖案，從而使得可以讀取被二維光學編碼的符號。手動致動開關19或者類似的裝置允許當操作者手持裝置10并且將其對準符號15時使操作者開始該掃描操作。
掃描裝置10包含裝配在外殼內的激光源20，如，氣體激光管或者半導體激光二極管。激光源20產生激光束14。光電探測器21位于外殼內，以聚集一部分從條形碼符號15反射和散射的光。光電探測器21，如圖所示，面向窗口13，具有如前面所述的非反向發(fā)射讀取器的固定的、寬的視場的特征。另選的，在反向發(fā)射讀取器中，掃描反射鏡17的凹面部分可以聚焦在光電探測器21聚焦的光線，這種情況下光電探測器面向掃描反射鏡。當激光束14掃過符號15時，光電探測器21檢測從符號15反射和散射的光，并產生與聚集光強度成正比的模擬電信號。處理這種模擬信號的細節(jié)，特別是在不同的環(huán)境光狀況下，構成了本發(fā)明的基礎并且在下面詳細描述。
數字轉換器(未示出)典型地將模擬信號轉換為脈沖寬度調制數字信號，脈沖寬度和/或脈沖間距與掃描符號15的條和空白的實際寬度對應。解碼器(未示出)典型地包括被編程的、具有關聯的RAM和ROM的微處理器，根據特定符號表征法將脈沖寬度調制數字信號解碼以導出在符號中的編碼的數據的二進制表示，和由符號表示的文字數字字符。
激光源20引導激光束穿過包括聚焦透鏡22和孔徑光闌23的光學組件，以修正并引導激光束到掃描反射鏡17上。安裝在垂直軸上并由電機驅動器18繞垂直軸振動的反射鏡17反射光束并引導其經過出口13到符號15。
為了操作掃描裝置10，操作者按下觸發(fā)器19，該觸發(fā)器19啟動激光源20和電機18。激光源20產生激光束，該激光束穿過元件22和孔徑23的組合。元件22和孔徑23修正光束以產生一給定尺寸的強烈的束斑，其在工作距離范圍24上基本沒有變化。元件和孔徑的組合引導光束到旋轉反射鏡17上，其引導修正的激光光束從掃描儀外殼11出來并以掃描圖案，即，沿掃描線16，射向條形碼符號15。置于工作距離24內的任何點的條形碼符號15反射和散射激光的一部分。光電探測器21，示為安裝在掃描儀外殼11的非后向反射位置，檢測反射和散射光，并將接收的光轉換成模擬電信號。光電探測器也可安裝在面向掃描反射鏡17的后向反射位置。系統電路隨后將此模擬信號轉換成脈沖寬度調制數字信號，基于微處理器的解碼器根據條形碼符號表征規(guī)則的特征解碼該信號。
根據本發(fā)明，如圖2所示，光電探測器21，示為光電二極管，聚集來自符號15以及來自環(huán)境光的光線25，并產生傳感器信號，圖中示為大小與聚集的光線強度成正比的電流IAMB。因此，傳感器信號具有與符號中編碼的信息對應的數據成分，以及與環(huán)境光對應的噪聲成分。
傳感器信號被施加給互阻抗放大器(TIA)27的負的、反向放大器輸入26，互阻抗放大器還具有連接到直流基準電壓VREF的、正的非反向放大器輸入28。TIA 27放大傳感器信號以產生輸出的放大信號，示為大小也與在放大器輸出29處的聚集光線的強度成正比的輸入電壓Vo。盡管TIA由單個三角形符號來表示，但是其不限于使用一個可工作的放大器?？梢允褂枚嘤谝粋€的可工作放大器來達到更高的帶寬。符號TIA也包含附加的晶體管放大器。
反饋電阻器RF與TIA相連，用來對TIA給予對于在存在諸如陽光的高強度環(huán)境光時將TIA驅動到飽和而言充分的高增益。根據上面的解釋，高增益對于良好的信噪比和長工作范圍是希望的，但是會導致TIA更容易被驅動至飽和，尤其是在存在明亮的環(huán)境光時。反饋電容器CF并行地與反饋電阻器連接。在優(yōu)選實施例中，RF是400千歐姆，CF是1.8微微法拉。
補償調節(jié)電路連接在放大器的輸入端26和放大器輸出端29之間，用來在明亮的環(huán)境光中防止TIA發(fā)生飽和，而不降低其高增益。調節(jié)電路包含場效應晶體管(FET)30，它具有柵極端子(G)，其經由包含電阻器32和電容器33的第一濾波器31連接到放大器輸出29；源極端子(S)，其連接到放大器輸入端26；漏極端子，其經由包含電阻器35和電容器36的第二濾波器34連接到直流電壓電源VS。
FET是可變電阻器，其阻抗可以被輸出的放大信號Vo控制，并與該信號成反比。當TIA的輸出接近飽和時，FET的電阻下降，補償電流IOFFSET被施加給放大器輸入26，該放大器輸入26進而迫使TIA的輸出不飽和。環(huán)境光越強，補償電流越大，因此，即使在強陽光下，放大器也不會飽和。結果，TIA的增益可以如所期望地高以最大化信噪比，而不用擔心飽和。
當圖2的設備暴露于室內光線時，即，光線強度比陽光弱時，輸出的放大信號足夠低以至于FET根本不會被啟動，因此實質上是把FET從電路中移走。所以，FET即使是連接到很高增益的放大器也不會增加任何噪聲。
第一濾波器31用來過濾掉與符號對應的高頻數據成分，以使得只有強陽光產生的大的直流信號才能控制FET。第二濾波器34用來過濾掉可能出現在電源VS中的高頻噪聲成分，來消除不經意地將噪聲引入放大器輸入端26的可能性。
所請求保護的新的并期望被專利證書保護的內容在所附權利要求書中提出。
權利要求
1.一種用于改善電光讀取器在環(huán)境光范圍中讀取標記的性能的設備，包括a)用于伴隨有聚集環(huán)境光而聚集來自標記的光的傳感器，以產生與聚集光的強度成正比的傳感器信號；b)放大器，具有連接到傳感器的放大器輸入，該放大器用于放大傳感器信號以在放大器輸出處產生與所聚集光的強度成正比的輸出放大信號；c)連接在放大器輸入和放大器輸出之間的電阻器，用于對放大器給予對于在高強度環(huán)境光下將放大器驅動到飽和而言充分高的增益；d)連接在放大器輸入和放大器輸出之間的補償調節(jié)電路，用于在不降低放大器的高增益的情況下防止在高強度的環(huán)境光下放大器的飽和，該調節(jié)電路具有可變電阻，該可變電阻受輸出放大信號控制并與該信號成反比，當在高強度的環(huán)境光下輸出放大信號增大時放大器輸入處的該電阻減小，以驅使放大器遠離飽和。
2.如權利要求1所述的設備，其中傳感器是將傳感器信號產生為電流信號的光電二極管。
3.如權利要求2所述的設備，其中放大器是將輸出放大信號產生為電壓信號的互阻抗放大器。
4.如權利要求3所述的設備，其中互阻抗放大器具有被施加了基準電壓的非反向輸入，并且其中放大器輸入是反向輸入。
5.如權利要求4所述的設備，反饋電容器連接在反向輸入和放大器輸出之間。
6.如權利要求1所述的設備，其中調節(jié)衰減電路包含場效應晶體管(FET)用作其電阻受輸出放大信號控制的可變電阻器。
7.如權利要求6所述的設備，其中FET具有連接到放大器輸出的柵極端子，連接到放大器輸入的源極端子，以及連接到電壓源的漏極端子。
8.如權利要求7所述的設備，連接到漏極端子的濾波器電路用于過濾掉來自電壓源的高頻噪聲，以使其不到達放大器輸入端。
9.如權利要求7所述的設備，連接到柵極端子的濾波器電路用于從放大輸出信號中過濾掉高頻噪聲。
10.一種對在環(huán)境光范圍中電光地讀取標記進行改善的方法，包括以下步驟a)伴隨有聚集環(huán)境光而聚集來自標記的光，以產生與聚集光的強度成正比的傳感器信號；b)利用放大器來放大傳感器信號，以產生與聚集光的強度成正比的輸出放大信號；c)對放大器給予對于在高強度環(huán)境光下將放大器驅動到飽和而言充分高的增益；d)通過由輸出放大信號反向控制在放大器輸入處的電阻，在不降低高增益的情況下，防止在高強度的環(huán)境光下放大器飽和，當在高強度的環(huán)境光下輸出放大信號增大時放大器輸入處的電阻減小，以驅使放大器遠離飽和。
11.如權利要求10所述的方法，其中控制電阻的步驟是由用作連接于放大器的可變電阻器的場效應晶體管執(zhí)行的。
全文摘要
通過利用場效應晶體管作為可變電阻的補償調節(jié)電路，來使高增益、低信噪比的互阻抗放大器即使在明亮的太陽光下也可避免進入飽和。
文檔編號G06K7/14GK1989510SQ200580024869
公開日2007年6月27日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權日2004年7月23日
發(fā)明者愛德華·巴肯, 比德·法澤卡斯 申請人:訊寶科技公司