專利名稱：帶掃描范圍及光點尺寸自動調(diào)整的激光掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于讀出諸如條型碼符號的激光掃描頭所用激光源，所說符號的不同部分具有不同的反射特性。
迄今已提出多種光學(xué)閱讀器及光學(xué)掃描系統(tǒng)，用于閱讀出現(xiàn)在標(biāo)簽上或物品表面上的條型碼符號。條型碼符號是一種編成代碼的標(biāo)記圖案，由一串寬度不等且彼此間隔不等的豎條組成，豎條和間隔具有不同的光反射特性。閱讀器和掃描系統(tǒng)將這種圖形標(biāo)記光-電轉(zhuǎn)換成電信號，電信號又被解碼成為標(biāo)明物品或?qū)ζ淠承┨卣髡f明的數(shù)字符號。這種符號常被表示成數(shù)字形式，作為輸入信號給銷售點、貨單檢驗等的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。這種普通型的掃描系統(tǒng)已由諸如美國專利4251798、4369361、4387297、4409470、4760248以及4896026所公開，所有這些專利已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
正如上述專利中的一些所公開的，這種掃描系統(tǒng)的一個實例特別是置于由使用者支撐的手持式便攜激光掃描頭，其形狀使得使用者可以將該掃描頭，確切地說，是光束對準(zhǔn)目標(biāo)，閱讀符號。
激光掃描器中的光源通常為氣體激光器或半導(dǎo)體激光器。采用半導(dǎo)體器件，如激光二極管做掃描系統(tǒng)中的光源尤為合適，因其尺寸小，價格低，且需用功率低。激光束常由一聚光透鏡光學(xué)地整形成一束中部的收斂的腰部的光束，其束寬隨著距離由大變小，直至最小，或者說達到腰部，以后再增大。聚焦這束光，致使在目標(biāo)所在的位置處得到一個所需大小的光點;常常是將腰部設(shè)置于目標(biāo)所在的位置處。最好選擇在目標(biāo)處光點的大小近似地等同于不同光反射率區(qū)域，即條型碼符號的豎條和間隔中最小的寬度。
條型碼符號由多個豎條或者元組成，它們常為具有多種可能寬度的矩形形狀。按照一組規(guī)則，這些元的特定排列根據(jù)所用編碼或所用的“符號表示法”所規(guī)定的一組規(guī)則或定義限定一字符。豎條與間隔的相對尺寸由所用編碼類型確定，它們相當(dāng)于豎條與間隔的實際尺寸。每英寸條型碼所表示的字符數(shù)稱為符號密度。為了編碼所需的一字符序列，將元的組連在一起形成完整的條型碼符號，每個字符由其對應(yīng)的元組表示。在某些符號表示法中，以特有的“起始”和“停止”記號表示其中條型碼的開始和終結(jié)。有若干種各異的條型碼符號表示法。這些符號表示法包括諸如UPC/EAN，Code39，Code128，Codabar以及“交叉25碼”(Interleaved2of5)等。
為了增加給定大小的表面區(qū)域上所能表示或能貯存的數(shù)據(jù)量，近來提出幾種新的條型碼符號表示法。這些新的編碼標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中的一種，Code49利用豎直地堆起多行符號來替代水平地延展豎條，引入“兩維”概念。也就是有幾排豎條與間隔圖案來代替唯一的一排。美國專利4794239描述了Code49的結(jié)構(gòu)，因而將它列為參考文獻?，F(xiàn)有技術(shù)的掃描系統(tǒng)中，利用透鏡或類似的光學(xué)部件，使光束沿光路射向帶有條型碼符號的目標(biāo)。
掃描是通過光束沿著一條直線或一系列直線反復(fù)地掃過符號來實現(xiàn)的。掃描部件可使光點擺動通過條型碼符號，并循著掃描線越過該符號，或者掃描掃描器的視場，或者二者兼做。掃描系統(tǒng)還包括傳感器或光電探測器，用以檢測自該符號反射的光。因此，這種光電探測器應(yīng)置于掃描器內(nèi)或在光路中，具有橫越并稍稍超出符號的視場。一部分自條型碼符號反射的光被檢測到，并轉(zhuǎn)換成電信號，而電子線路或程序系統(tǒng)將電信號解碼成為與被掃描的條型碼符號所代表的數(shù)據(jù)的數(shù)字表示。例如，來自光電探測器的模擬電信號常常被轉(zhuǎn)換成具有與豎條及間隔的實際寬度相對應(yīng)寬度的脈沖寬度調(diào)制數(shù)字信號。此后，按照特定的符號表示法將這種信號解碼成編碼于該條型碼符號中數(shù)據(jù)的二進制表示，并表示為字母或數(shù)字字符。
公知掃描系統(tǒng)中的解碼過程通常按如下方式進行。解碼器自掃描器接收脈寬調(diào)制數(shù)字信號，同時程序系統(tǒng)中執(zhí)行的算法著手解碼該掃描。如果成功地并完全地解碼掃描中的起始和停止符號以及其間的各符號，則解碼過程結(jié)束，向使用者提供閱讀完成的指示(譬如綠光和/或可聞的嘟嘟聲)。另外，解碼器接收下一個掃描，執(zhí)行有關(guān)掃描的又一次解碼操作，如此等等，直至得到完整解碼的掃描，或者不再能得到更多的掃描。
此后，按照特定的符號表示法將這樣的信號解碼成編碼于條型碼符號中的數(shù)據(jù)的二進制表示，并表示為字母或數(shù)字字符。
以不同的密度印制條型碼符號。例如，高密度條型碼符號(線寬≤5密耳)用于小范圍(如集成電路)、信息密度大的符號;又如低密度條型碼(線寬≥50密耳)，用于倉儲包裝(如UPC/EAN條型碼)及容器。通常選擇掃過條型碼符號的光束的寬度與各不同光反射特性區(qū)域中最小寬度(如條元的最小寬度)相當(dāng)，因而需用不同寬度的光束閱讀不同密度的條型碼。此外，同一密度的條型碼可被置于離激光掃描頭不同距離處，這就有必要對應(yīng)于眾多的離掃描頭不同距離來變化光點的大小。
常規(guī)的激光掃描器有一聚光透鏡來聚焦激光束，使光點的大小對準(zhǔn)條型碼閱讀器所要工作的區(qū)域。這樣裝配的聚焦系統(tǒng)，常使掃描器前面有一“盲區(qū)”，就進行掃描而言，那里的光點尺寸太大。再有，這樣的掃描器必須在制造廠內(nèi)經(jīng)過沿著光軸調(diào)整聚光透鏡，同時監(jiān)視光點大小，然后將該透鏡永久性地固定在達到所需光點尺寸的位置處，以此使該掃描器聚焦。這種步驟是相對地更花費時間的步驟，從而增加了激光掃描器的制作成本。
為改進這種固定聚焦的掃描器，提出了各種建議。Bergstein在先申請的美國專利申請U.S.S.No7/503，374揭示了一種無焦光學(xué)系統(tǒng)，其中激光束受到準(zhǔn)直，其寬度(或光點大小)在很寬的范圍內(nèi)幾乎維持恒定(也即盡可能多地減少光束腰的形狀)。Krichever等人的美國專利4808804表示把不同的聚光透鏡元件移入及移出激光束光路，同時沿光軸移動激光二極管，以改變工作距離和/或光束的光點尺寸。Gabeler的美國專利4920255號給出一種閱讀條型碼的裝置，它采用超聲測距系統(tǒng)來檢測帶條型碼的表面區(qū)域，并用被檢測的區(qū)域來規(guī)定在條型碼上聚焦激光束的光學(xué)器件的位置(從該超聲測距系統(tǒng)輸出的信號沿激光聚焦光學(xué)器件驅(qū)動一個步進電機)。Drucker的美國專利4831275號揭示了一種變化的裝置，用以光學(xué)地修正自條型碼符號反射的光，從而改變該符號在條型碼閱讀器內(nèi)光電探測器上聚焦的距離;這項技術(shù)包括透鏡形狀的變化，沿光路移動孔徑，移動反射鏡(或纖維光纜)并提供一排傳感器，它們的每一個在不同的區(qū)域有效地聚焦。美國專利4，333，006號揭示了用多種由旋轉(zhuǎn)光盤所得到的變焦距全息照相圖在不同的重疊距離區(qū)域聚焦。
一般地說，本發(fā)明以激光掃描頭為其特征，其中光束腰的變化與條型碼符號的實際范圍大小無關(guān)。在優(yōu)選實施例中，光學(xué)部件為一聚光透鏡，由磁性線圈使其運動;透鏡的運動與激光束的掃描運動無關(guān)，以便在光束腰范圍內(nèi)得到一個連續(xù)的漸進變化(如連續(xù)振蕩)，因而在變化的某一點處，條型碼符號上的光點大小為一合適的尺寸。在另一優(yōu)選實施例中，透鏡的運動與光束掃描同步(比如，同一光點尺寸可維持于若干次掃描中)。
在又一優(yōu)選實施例中，通過改變光束腰的范圍直至自條型碼符號反射光中的反差超過一予定值來自適應(yīng)地選擇光點尺寸。這項技術(shù)具有實質(zhì)上超過其它方法的優(yōu)點，比如它縮短了解碼所需的時間，獲得更加準(zhǔn)確的解碼，并減少了光學(xué)部件的移動量(于是，隨著這種運動的結(jié)果，也降低了機械裝置的磨損及能耗)。這種自適應(yīng)方法取得常用條型碼掃描器的優(yōu)點;同樣的掃描器可用于不同的范圍，即使是對于那些不同的密度情況。不過，常常是在一段持續(xù)的時間內(nèi)將其重復(fù)地使用于同樣的范圍和同樣的密度。通過自適應(yīng)地選擇光束腰的范圍，該范圍可被設(shè)定并保持一段持續(xù)的時間，或許僅做很少的不經(jīng)常遇到的調(diào)整。這樣可以更快地實現(xiàn)解碼(因為省去了那些范圍在不適宜的值中試驗所要耗費的時間)，而且解碼也愈加準(zhǔn)確(因為可以逐步地調(diào)節(jié)光束上的光點大小，甚至大部分時間無需移動)。
本發(fā)明具有光束寬度變化的優(yōu)點，提供了對各種范圍，各種密度的掃描。與其象無焦系統(tǒng)中那種試圖減小或消除激光束的腰形形狀的作法，倒不如本發(fā)明為了進步而采用腰形形狀。對于任何給定的條型碼符號范圍，為擴大在該符號上的光點尺寸，移動腰的位置，使其位于符號的后面或者前面。這樣，在任何寬闊的條型碼符號范圍變化中，可達到光點尺寸的寬闊變化，這就使得同樣的激光掃描頭可成功地用于多種不同的應(yīng)用中。
本發(fā)明的再一優(yōu)點是可大大減小掃描器前面的“盲區(qū)”。
本發(fā)明的又一優(yōu)點是可完全避免在制造廠中調(diào)整焦點，這樣，甚至對用于一種范圍、一種密度的掃描器，本發(fā)明仍是有利的，甚至對簡單的掃描頭，其制做成本仍是降低的。
本發(fā)明避免了復(fù)雜性以及使用單獨的范圍尋找傳感器來確定目標(biāo)區(qū)域，再指示焦點變化所需的費用。本發(fā)明的同步方法特別適用于高速掃描的條型碼掃描器，這種方法中光束的范圍(即光束腰的范圍)自一個區(qū)段移向另一區(qū)段，并在每一步都保持在一個固定的區(qū)段上有一個予定的掃描周期數(shù)。
本發(fā)明的其他特點及優(yōu)點，從下述優(yōu)選實施例和權(quán)利要求將是顯見的。


圖1是帶有本發(fā)明激光光源的激光掃描頭截面圖;
圖2是沿圖1的2-2線的剖面圖，表示激光變焦系統(tǒng)以及附加光電檢測器的位置;
圖3A是沿圖2的3-3線的縱剖圖，表示本發(fā)明激光光源的一個實施例;
圖3B是沿圖2的3-3線的局部縱剖圖，表示一個變形的孔;
圖4是沿圖3A的4-4線的截面圖;
圖5是沿圖3A的5-5線的截面圖;
圖6是沿圖2的3-3線的縱剖圖，表示本發(fā)明激光光源的另一實施例;
圖7是沿圖6的7-7線的截面圖;
圖8是沿圖6的8-8線的截面圖;
圖9是本發(fā)明激光光源的再一實施例截面圖;
圖10是沿圖2的3-3線的縱剖圖，表示本發(fā)明激光光源的另一實施例;
圖11是沿圖10的11-11線的截面圖;
圖12是本發(fā)明一個實施例的總光路圖及電路方框圖;
圖13是對本發(fā)明一個實施例的激光光點大小變化的圖解表示;
圖14是對本發(fā)明另一實施例的激光光點大小變化的圖解表示;
圖15是本發(fā)明一個實施例的總光路圖及電路方框圖;
圖16是對本發(fā)明又一實施例的激光光點大小變化的圖解表示;
圖17是在激光束的不同范圍，也即聚光透鏡的不同位置處激光束腰形形狀的圖解表示;
圖18和19是聚光透鏡的位置與激光束范圍之間關(guān)系的圖解說明;
圖20是帶本發(fā)明激光光源的激光掃描頭另一實施例的縱截面圖;
圖21是本發(fā)明激光光源又一實施例的縱截面圖。
圖1表示在譬如美國專利4897532(列為參考文獻)中較為充分地描述過的手動激光掃描頭10。其它類型激光掃描頭也可被本發(fā)明使用。激光掃描頭通常用于讀出由不同光反射特性的部分所組成的符號。這樣的符號包括黑、白工業(yè)用條型碼符號，如Code2＝39、Codabar、“交叉25碼”(Interleaved2of5)，還包括普適的UPC條型碼。所說的符號也可以是任何字母符號和/或數(shù)字字符。所說的符號被置于背景范圍中，在那里，符號或者至少其一部分與背景相比具有不同的光反射特性。讀出這種符號尤其有益于自動控制場合及物體的識別。
現(xiàn)在參看圖1-2，掃描頭10通常具有槍型外殼，它有手柄部分12和主體部分14。手動扳機16啟動掃描器，使激光源18沿光軸20發(fā)射一束激光。激光束受到掃描反射鏡22反射，經(jīng)窗口24自掃描頭射出，照到符號28上(圖中掃描頭前面的符號區(qū)未按比例表示)。掃描反射鏡22裝在高速掃描電機26上，交替地往復(fù)擺動該反射鏡，使來回掃過符號28。自符號反射的光通常由凹球面集光鏡32聚集，將反射光限定為一錐形30(反射激光束的反射鏡22為一小的平面反射鏡，順著凹球面集光鏡32的一邊放置)。反射光錐形30由鏡32指向光電探測器34(最好是光電二極管)，該探測器產(chǎn)生一表現(xiàn)測得的可變光強度的電模擬信號。鏡32還可用來聚焦并沿著與激光束同一軸引導(dǎo)一束瞄準(zhǔn)光。所說的瞄準(zhǔn)光由光源36(如發(fā)射可見光的二極管(LED)、白熾光源或者氙閃光管)產(chǎn)生，并由冷反射鏡38向著凹球面鏡32反射。所說的冷反射鏡可透過激光波長的光，卻反射瞄準(zhǔn)光的波長的光。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)看圖3A、3B、4和5，這里表示了激光源的一個優(yōu)選實施例。激光二極管50支撐在激光座51中，激光座卡緊于基座53上。激光二極管沿光軸20發(fā)射一束激光，這束激光受到聚光透鏡52聚焦;所說的透鏡受磁性線圈54的驅(qū)動，沿光軸縱向移動。從透鏡52出射的光穿過孔56。孔可以是譬如圓形開口(圖3A)或者矩形狹縫(圖3B)。透鏡52支撐于支承部件60中;孔56則形成于孔徑部件58中，孔徑部件套在透鏡上。將透鏡支承部件60支承在一對片狀彈簧62上，使它可沿光軸縱向振蕩。片狀彈簧還支承著兩個永磁鐵64、66和軟鐵部件68。通過改變磁性線圈54所產(chǎn)生的磁場強度實現(xiàn)聚光透鏡的運動。
圖6～8示出了激光源18的另一個優(yōu)選實施例。激光二極管50支撐于支座51中;支座卡緊在基座53中。由該二極管發(fā)射的激光束沿著光軸20通過聚光透鏡52及孔56;孔可為圓型開口(圖6)或者矩形狹縫(未示出，不過與圖3B相似)。孔形成于孔徑部件58中;孔徑部件套在透鏡上。在本實施例中，通過裝在透鏡支承部件60上的磁性線圈54來實現(xiàn)聚光透鏡的運動;該線圈隨透鏡運動。透鏡支承部件60支承在一對片狀彈簧62上。永磁鐵64的中心有孔，供激光束穿過，它與軟鐵部件68結(jié)合，相對于激光二極管被安置在適當(dāng)?shù)奈恢?。隨著給線圈的交流電幅值的增加，該線圈被拉向永磁鐵64，進而進入包圍著的軟鐵部件68內(nèi)。將磁性線圈放在運動部件上，而將較重的永磁鐵和軟鐵部件放在固定部件上，這就減少了必須要移動的質(zhì)量，從而改善了透鏡運動的高頻響應(yīng)。圖7中還表示出緊固于基座53上的光電探測器34。
圖9示出激光源的第三優(yōu)選實施例。在這個實施中，將磁性線圈及軟鐵部件68固定在基座53上，永磁鐵64則與可動透鏡裝在一起。激光自被支承在激光座51中的激光二極管50發(fā)射出來，穿過聚光透鏡52、孔56和永磁鐵64中的開孔。增加線圈的磁場強度，透鏡52、透鏡支承部件60以及永磁鐵64即朝磁性線圈54移動。
圖10～11表示了激光源的第四個優(yōu)選實施例。激光二極管50被卡緊于基座53上;聚光透鏡52支撐于透鏡支承部件60上，由帶有孔徑56的孔徑部件58套在它上面。透鏡支承部件和孔徑部件都跨放在管狀座架61內(nèi)。螺旋彈簧62阻礙透鏡及透鏡支承部件朝激光二極管移動。永磁鐵64隨透鏡組件一起運動，該磁鐵被容置在由磁性線圈54包圍的軟鐵套68里面。增加供給磁性線圈54的電流幅度，使永磁鐵64被拉向磁性線圈，因而縮短了聚光透鏡和激光二極管之間的間隙。
所描述的這四種激光源中的任何一種都可與三種優(yōu)選的透鏡控制系統(tǒng)一起被采用。圖12表示了第一種透鏡控制系統(tǒng)，圖中圖解地表示出基本光路。自激光二極管50發(fā)射的激光束受到聚光透鏡52聚焦，再由擺動著的反射鏡22掃過條型碼符號。自條型碼反射的光由聚焦鏡32(示做透鏡)聚集在聚焦在光電二極管34上，二極管的輸出以現(xiàn)有技術(shù)中的公知方式得到加工。這個信號經(jīng)前置放大器80放大，得到一個能代表被掃描條型碼反射特性變化特點的模擬信號，該模擬信號隨之由數(shù)字化轉(zhuǎn)換器82轉(zhuǎn)換成數(shù)字，而數(shù)字信號由解碼器84解碼，給出一排由條型碼所表示的字符，可將這種解得的字符顯示于顯示器86上和/或通過接口88送到數(shù)字計算機90中。
圖12中還示出激光源與掃描反射鏡的控制電路。在電機驅(qū)動器92和時鐘94的控制下，由電機26使反射鏡22擺動。聚光透鏡52的位置通過磁性線圈驅(qū)動器96驅(qū)動磁性線圈而連續(xù)振蕩。
圖13圖解地表示出借助聚焦透鏡振蕩而實現(xiàn)的激光束聚焦的變化。下面的曲線圖代表聚光透鏡的運動，該運動被表示成分段線性的，不過它也能表示為正弦曲線形式或者其它形式。上面的曲線圖表示激光束的掃描運動，疊加在曲線上的是該激光束在某些時刻的“光點大小”。為清楚見，只示出少數(shù)“光點大小”的顯示。譬如，在A時刻，聚光透鏡處于其行程的一個終端點處，這時對應(yīng)于最小的光點尺寸;B時刻，透鏡已行至對應(yīng)著中等光點大小的點處;C時刻，透鏡已到達它的相反的終端點處，對應(yīng)于最大的光點尺寸。這個例子被稱為透鏡的準(zhǔn)穩(wěn)定運動，因為該運動相對于掃描速度是十分緩慢的。
圖12還示出第二個優(yōu)選的透鏡控制系統(tǒng)。在同樣的驅(qū)動光束掃描反射鏡時鐘控制下，分頻器或類似的電路控制著聚光透鏡的移動。正如圖14所示，在這個實施例中，透鏡在三個不同的位置之間運動。透鏡維持在激光光點尺寸最小的位置A處，四次掃過條型碼符號。之后，透鏡移至B位置，在那里對應(yīng)于中等大小的激光光點，同時它再次保持于該位置，四次掃過條型碼符號。接下去，透鏡移到C位置，在那里對應(yīng)著最大尺寸的激光光點，同時它維持在那里，又四次掃過條型碼符號。最后，透鏡移回A位置，重新開始整個循環(huán)。
圖16示出了第三個，也是最優(yōu)選的透鏡控制系統(tǒng)實施例。這是一個自適應(yīng)系統(tǒng)，其中聚光透鏡的位置應(yīng)該隨著來自光敏二極管的反饋來校準(zhǔn)。啟動激光掃描器上的扳機時，透鏡開始處于C位置，在此對應(yīng)于最大的光點尺寸。在所謂階段I期間，透鏡隨著光點尺寸的減小慢慢移動，直至前置放大器80的輸出向控制器98發(fā)出信號，這時光點大小已達到為得到所需的反射光變化的等級足夠的尺寸。在那個被稱為“俘獲”的點上，控制器98固止聚光透鏡的位置，掃描持續(xù)(階段Ⅱ)。換一情況，若前置放大器80的輸出減小，“俘獲”消失，聚光透鏡被指定開始再次尋找它所能接受的位置。
當(dāng)模擬信號有足夠的反差時，就發(fā)生俘獲。反差C可表示為
C = (Imax- Imin)/(Imax+ Imin)其中Imax是模擬信號的峰值，對應(yīng)于自條型碼的彩色光(即白色)區(qū)反射的光，而Imin是模擬信號的最小值，對應(yīng)于自條型碼符號的深黑色(即黑色)區(qū)反射的光。當(dāng)反差C超過予定的限制，即C≥Co時就發(fā)生俘獲;這里Co為一常數(shù)。所采用的Co值取決于模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換器特性。數(shù)字化轉(zhuǎn)換器特性越好，Co的值可越小。
至此，我們介紹了激光束的“光點尺寸”?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)看圖17，可以解釋“光點尺寸”的含意。由激光二極管50和聚光透鏡52所得到的激光束沒有被完全準(zhǔn)直。光束的寬度沿著光軸有所不同。于是，譬如當(dāng)聚光透鏡處于其行程的一個終端點處時，對應(yīng)的激光束應(yīng)具有圖17中標(biāo)記為E1的束包線(未畫出標(biāo)尺)。光束的寬度是變化的，不過最小寬度是在“腰”的位置W1處。隨著聚光透鏡朝其行程的另一端移動，激光束的腰也離開光源而移動。圖中示出在聚光透鏡不同位置處，激光束確定的幾個束包線，如束包線E2～E7。重要的是應(yīng)注意到，隨著腰的位置離開光源而移動，激光束腰的尺寸平穩(wěn)地增大;于是，W2比W1大等等;當(dāng)聚光透鏡到達其行程的另一端時，腰的尺寸為W7。
在任何給定的聚光透鏡位置處，光束寬度的變化有利于能夠得到同一區(qū)段處“光點尺寸”的變化。于是，比如被掃描的條型碼符號位于位置X，光點的大小就能與條型碼的密度變化相適應(yīng)地變化。隨著聚光透鏡在對應(yīng)于束包線E4的位置，光點尺寸應(yīng)達到最小，于是得到腰W4。使聚光透鏡自E4位置移開，移到對應(yīng)于束包線E3和E2的位置，即可得到較大尺寸的光點;在對應(yīng)束包線E3、E2位置時，光點尺寸分別為X3和X2。在其它的區(qū)段可得到同樣的光點尺寸變化。于是，由激光二極管所產(chǎn)生的激光束的本來形狀被用于得到各區(qū)段的光點尺寸變化。
圖18～19表示聚光透鏡的位置與激光束區(qū)段(即光束腰的位置)之間的關(guān)系。圖19的上半部表示變焦前的情況。光束腰與透鏡的距離l20可表示成焦距f及光源(即激光二極管)位置l10的函數(shù)，其中l(wèi)10等于f+△。于是，變焦前我們有120= (f ( f + △ ))/(f + △ - f) = (f2)/(△)變焦后，透鏡移過一個量δ，致使光束腰的位置移到12，這個12可表示為
12= (f ( 110+ δ))/(110+ δ - f) = (f ( f + △ + δ))/(△ + δ)= (f2)/(△ + δ) = (120)/(1 + ( δ/ △))因而有(12)/(120) = 1/(1 + ( δ/ △))實際可適用的(δ/△)范圍是-0.5△≤δ≤△一旦δ超過這個范圍，工作就會變得不穩(wěn)定或者產(chǎn)生不希望有的高功率耗損(圖18)。
對應(yīng)的圖象中的距離，即光束的改變是l2＝(0.5-2.0)l20圖20和21中示出本發(fā)明的又一實施例。激光掃描裝置可以是具有手動的槍型外形的條型碼閱讀器100。不過，顯然其它種類的掃描器外形也都很容易適用于本發(fā)明。閱讀器100帶有手槍式握把形的握柄153，其上有可扳動的扳機154。使用這種閱讀器，可令使用者在對準(zhǔn)要讀的符號時再激發(fā)激光束151和探測器電路，所以如果本裝置是自備電源時，就能節(jié)省電池的壽命。輕型塑料外殼中裝有激光源、探測器158、光學(xué)系統(tǒng)和信號處理電路，還有CPU140以及電源或電池162。外殼155前端的透光窗156可使出射光束151離去，并使進來的反射光152進入。閱讀器100被設(shè)計成由使用者在使該閱讀器100離開條型碼符號一段距離的位置處對準(zhǔn)條型碼，也就是說，閱讀器并不接觸或橫切移過符號。通常，規(guī)定這類手動條型碼閱讀器要在從接觸符號到離開符號幾英寸的距離或者甚至更遠的區(qū)域操作之。
又如圖20中所進一步描述的，可以采用一個適當(dāng)?shù)耐哥R157(或者多透鏡系統(tǒng))將掃描光束聚焦于處在一適當(dāng)參照平面上的條型碼符號上。設(shè)置光源146，如半導(dǎo)體激光二極管，以便將一束光引入透鏡157的光軸;光束穿過一個半鍍銀反射鏡147及其它所需的透鏡或光束成形機構(gòu)，當(dāng)扣動扳機154時，它們與擺動的反射鏡或者掃描部件159一起被加到已啟動的掃描電機160上。美國專利5015833描述了一種變化了的光學(xué)裝置，它被列為參考文獻。如果光源146產(chǎn)生的光是不可見的，瞄準(zhǔn)光就產(chǎn)生一個可見光光點，這個光點可以被固定或者象激光束那樣被掃描;使用者在扣動扳機154之前，先要用這個可見光將閱讀器對準(zhǔn)條型碼符號。
為了能利用掃描裝置使其有變焦距/自動聚焦的能力，其實質(zhì)也即能掃描并讀出在離該裝置各種掃描距離處目標(biāo)上的符號，本閱讀器100包括光學(xué)系統(tǒng)或透鏡157的電磁變焦裝置(如圖20所示那樣)，為的是能改變焦點位置，也即改變自光源146射出的光束或激光束的腰位置。
為實現(xiàn)上面所述，圖21特別給出圖解表示，給外殼結(jié)構(gòu)200提供這種電磁自動聚焦/變焦裝置，外殼200有管狀的主體部分202，最好由非金屬材料或塑性材料(如聚四氟乙烯塑料等)組成，它具有內(nèi)部基本為圓柱形的輪廓。用以發(fā)射光束的光源146就固定在管狀主體部分202的一端;所說的光源可以是諸如靠導(dǎo)線204與電源162(例如電池)相連的激光二極管。光源或激光二極管146裝在套筒206中，該套筒可為黃銅的，它以螺紋連接或緊鎖方式固定在管狀主體部分202的一端208上。
在主體部分202的另一端或說第二端210處形成一個環(huán)形槽212，它適于容置電激勵的纏繞線圈214，該線圈與交流電源相接。所說的環(huán)形槽212在管狀主體部分202的第二端210處形成的孔216的內(nèi)徑比主體部分202伸向裝有光源146的第一端內(nèi)徑小。
將光學(xué)透鏡157或等效的光學(xué)聚焦系統(tǒng)設(shè)置于管狀主體部分202內(nèi)，以與圓柱形表面218滑動接觸;永久磁鐵222通過外接襯套224的中介連接到所述透鏡或聚焦系統(tǒng)上，以使它能連同光學(xué)透鏡157一起移動。磁鐵212具有中央通孔226，使得從光源146發(fā)出并穿過聚光透鏡157的光束或激光束由此穿過，射向主體部分202的端部210。靠襯套224連接的光學(xué)透鏡157和磁鐵222在圓柱形外殼主體部分202的內(nèi)部邊界里面，沿著壁面218自如地軸向滑動，因為存在于其間的摩擦系數(shù)很低。
主體部分202的第二端具有較小內(nèi)徑的孔216，孔216靠外端的部分帶有螺紋228，適于與套管230上的互補螺紋相連接;套管230由非鐵磁性金屬材料或者塑性材料做成，適于螺扣地進出孔216。套管230的外端由透光的板形窗232封閉，該窗使光能不受阻地由此穿過，卻把外殼200的內(nèi)部與外界密閉隔開。
光學(xué)透鏡157朝著光源146的端面234與螺旋彈簧238相接;彈簧238貼近透鏡157的邊緣，同時彈簧238向著光源146伸入到沿表面218延伸著的套管242與光源146部分之間的環(huán)形通道240里面。磁鐵222與第二個螺旋彈簧244相接觸，該彈簧伸展于環(huán)繞孔徑226、背離透鏡157的面246與套管230的端表面248之間。因而，考慮上述裝置提供的由螺旋彈簧238和244相反作用著的彈力給出的相互作用，及螺接在孔216里面的套管230的軸向的不同調(diào)整，連在一起的光學(xué)組件157和磁鐵222，在外殼200的主體部分202里面被保持在予定的或者是參考的軸向位置上。這個位置確定光束腰或激光束腰的基本位置或參考位置;光束或激光束自光源146發(fā)出，穿過光學(xué)透鏡157、磁鐵222中的光學(xué)孔226以及窗234，以便掃描和閱讀目標(biāo)物上的符號。由于外殼200的內(nèi)部相對于外界或外部條件密封，所以外殼內(nèi)所包含的空氣本質(zhì)上提供一種緩沖作用，萬一掃描裝置跌落或遭到突然的外部撞擊，它就作為一種消震介質(zhì)。這將保護其中所包含的精細光學(xué)組件免受這種外力引起的損害。
按照本發(fā)明的掃描裝置或閱讀器100可用作可調(diào)角掃描器/變焦掃描器，這類掃描器可對位于離開該掃描裝置幾英寸之內(nèi)(甚至相接觸)到若干英尺距離處的符號掃描并閱讀;譬如，從5英寸直至15英尺的作業(yè)范圍內(nèi)，都無需做大的調(diào)整和/或在掃描裝置中加入附加的部件。這樣，為移動自光源146發(fā)出，穿過聚焦透鏡157及磁鐵222中光學(xué)孔226的光束或者激光束的焦點，本發(fā)明仔細考慮了線圈214的電激勵，以便交替地、電磁地吸引和排斥磁鐵222，引起由光學(xué)透鏡157和帶孔226的磁鐵222在管狀外殼主體部分202里面，沿著其中的圓柱形內(nèi)壁面218軸向往復(fù)移動。為實現(xiàn)上述，通過合適的導(dǎo)線250將交流激勵電流送給線圈214中，導(dǎo)線250與電源相連-也許是光源146的電源，以便加給磁鐵222極性變化的電磁場。透鏡157和磁鐵222在外殼200的主體部分202內(nèi)的這種往復(fù)運動與螺線管彈簧238和244的恢復(fù)力或平衡力作用相反，后者傾向于使光學(xué)透鏡157和磁鐵222回到初始平衡位置;在這個位置上，光束腰處于予定范圍。為達到所要的作業(yè)范圍，由光學(xué)透鏡157和磁鐵222組成的裝置軸向往復(fù)運動的范圍大約為離開平衡位置±15毫米;加到由磁線圈214上的交流電一般在大約2～5赫茲的工作頻率內(nèi)，這大大低于通常的這類掃描裝置大約18赫茲的正常掃描頻率。因此，這將提供一種實質(zhì)上為連續(xù)式的(即準(zhǔn)穩(wěn)定運動)自動變焦作用，因而在掃描過程中，射出的光束或激光束將被合理地聚焦于由該掃描裝置閱讀的符號上，而不管掃描裝置離該符號的距離。
雖然本發(fā)明描述了特定的實施例，但本發(fā)明有廣泛的適用性，因此并不意味著權(quán)利要求被限制在所給出的細節(jié)上。下面的權(quán)利要求包括了其他實施方案。各種修改以及結(jié)構(gòu)上的變化都可以得出，卻不會脫離本發(fā)明。例如，聚光透鏡的運動可采用小電機、壓電執(zhí)行元件或者流體力學(xué)的執(zhí)行元件來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于閱讀目標(biāo)上具有不同光反射特性區(qū)域的符號的激光掃描頭中的激光源，包括裝在基座上使其定向發(fā)射的激光束沿光軸傳播的激光器；沿所述光軸設(shè)置的一光學(xué)部件，其使所述激光束被聚焦成帶有腰部的、寬度可變的光束，光束腰處的寬度比其它位置處??；使所述光學(xué)部件沿所述光軸縱向移動的裝置，該裝置的動作與符號實際范圍的大小無關(guān)，使得光束腰位置的變化與符號的實際范圍無關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光源，其特征在于所述的光學(xué)部件為聚光透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的激光源，其特征在于所述使光學(xué)部件產(chǎn)生相對運動的裝置的動作與所說激光束的掃描運動無關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的激光源，其特征在于所述使光學(xué)部件產(chǎn)生相對運動的裝置引起該光學(xué)部件連續(xù)的、逐漸的運動，并對應(yīng)于光束腰范圍的連續(xù)、逐漸的變化。
5.如權(quán)利要求4所述的激光源，其特征在于所述連續(xù)、逐漸的變化為振蕩，其中光束腰的范圍在最小值與最大值之間振蕩。
6.如權(quán)利要求1所述的激光源，其特征在于還包括控制所述光學(xué)部件的運動并由此控制光束腰范圍變化的電路，還包括使所述變化與光束掃過所述符號的掃描同步、使所述范圍在進一步調(diào)整前在預(yù)定的掃描次數(shù)維持恒定的電路。
7.如權(quán)利要求1所述的激光源，其特征在于還包括自適應(yīng)控制電路，它通過連續(xù)引起所述范圍的變化直至由所述激光掃描頭聚集的反射光超過一預(yù)定的反差值來控制所述光學(xué)部件的運動，并由此控制光束腰范圍的變化。
8.如權(quán)利要求1、3、4、6或7所述的激光源，其特征在于所述光學(xué)部件包括聚光透鏡，其中所述使光學(xué)部件運動的裝置包括磁性線圈，該線圈相對于所述聚光透鏡或激光器固定。
9.如權(quán)利要求8所述的激光源，其特征在于所述使光學(xué)部件運動的裝置還包括支撐所述聚光透鏡的透鏡支承部件，所述激光源還包括一個或多個彈性元件，它們阻止由所述磁性線圈引起的運動。
10.如權(quán)利要求9所述的激光源，其特征在于所述彈性元件包括支撐所述透鏡支承部件的片狀彈簧，使它能相對于所述片狀彈簧的縱長方向橫向運動。
11.如權(quán)利要求9所述的激光源，其特征在于還包括永久磁鐵，它相對于激光二極管和聚光透鏡之中相對于磁性線圈運動的一個固定，使得激勵的磁性線圈可引起永久磁鐵朝著或離開該線圈移動，并引起聚光透鏡與激光二極管的間隔變化。
12.如權(quán)利要求11所述的激光源，其特征在于所述磁鐵固定于一可動部件上。
13.如權(quán)利要求11所述的激光源，其特征在于所述永久磁鐵相對于聚光透鏡的位置固定，所述的磁性線圈相對于激光二極管的位置固定。
14.如權(quán)利要求11所述的激光源，其特征在于所述永久磁鐵相對于激光二極管的位置固定，所述的磁性線圈相對于聚光透鏡的位置固定。
15.一種調(diào)整用于閱讀目標(biāo)上符號的激光掃描頭的激光束，以改變激光束在所述符號上光點大小，得到適于閱讀該符號光點尺寸的方法，其中所述符號具有不同的光反射特性區(qū)域，所述的符號相對于所述的激光掃描頭位于一范圍內(nèi)，該方法包括以下步驟設(shè)置激光源并自該光源沿光軸發(fā)射激光束;使該激光束穿過沿光軸設(shè)置的光學(xué)部件，使激光束聚焦成帶有腰部的、寬度可變的光束，激光束腰的寬度較其它位置處小;沿光軸相對于所述激光源移動所述光學(xué)部件，這種移動與條型碼符號的實際范圍大小無關(guān)，由此得到的光束腰范圍的變化也與條型碼符號的實際范圍無關(guān)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述光學(xué)部件是聚光透鏡。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述光學(xué)部件的運動與激光束的掃描運動無關(guān)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述光學(xué)部件的運動為連續(xù)的、逐漸的運動，從而產(chǎn)生光束腰范圍的相應(yīng)的連續(xù)、逐漸的變化。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述連續(xù)、逐漸的變化為振蕩，其中光束腰的范圍在最小值與最大值之間振蕩。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于進一步還包括使光學(xué)部件的運動變化與所述光束越過條型碼符號的掃描同步，從而使得所述的范圍在進一步調(diào)整前在予定的掃描次數(shù)維持恒定。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于進一步還包括通過連續(xù)產(chǎn)生所述范圍的變化直至由所述激光掃描頭聚集的反射光超過預(yù)定的反差值來自適應(yīng)地控制所述光學(xué)部件的運動，并由此控制光束腰范圍的變化。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于通過激勵一個電磁線圈實現(xiàn)所述光學(xué)部件的運動。
23.一種調(diào)整用于閱讀目標(biāo)上符號的激光掃描頭的激光束，以改變激光束在所述符號上光點大小，得到適于閱讀該符號光點尺寸的方法，其中所述符號具有不同的光反射特性區(qū)域，所述的符號置于相對于該激光掃描頭的一定范圍內(nèi)，該方法包括以下步驟設(shè)置激光源并自該光源沿光軸發(fā)射激光束;使該激光束穿過一沿光軸設(shè)置的光學(xué)部件，使激光束聚焦成帶有腰部的、寬度可變的光束，激光束腰的寬度較其它位置處小;相對于激光源移動所述的光學(xué)部件，使光束腰處在與所述條型碼符號的位置不相同的區(qū)域上，從而使該記號上的激光光點的大小比腰的尺寸大。
24.一種制作激光掃描頭的方法，該類掃描頭中的激光束自激光二極管通過聚光透鏡而射向目標(biāo)上的記號，該方法包括以下步驟在激光掃描頭上設(shè)置一激光二極管，使該二極管沿光軸發(fā)射激光束;沿所述光軸設(shè)置一聚光透鏡，用于將激光束聚焦成帶有腰部的、寬度可變的激光束，該光束腰部處的寬度較其它位置處小;設(shè)置相對于所述激光二極管移動所述聚光透鏡的裝置，以改變所述激光束的光束腰范圍，設(shè)置控制移動聚光透鏡的裝置的電路，在一個相對于激光二極管確定的位置處設(shè)置聚光透鏡，而不用為聚焦激光束而調(diào)整聚光透鏡位置。
全文摘要
一種激光掃描裝置，其中光束腰的變化與符號實際范圍的大小無關(guān)。光學(xué)部件為聚光透鏡，通過激勵一個磁性線圈使其運動；該透鏡的動作與激光束的掃描運動無關(guān)，使光束腰的范圍產(chǎn)生連續(xù)的、逐漸的變化(例如連續(xù)的振蕩)，使得在某些點處，符號上光點尺寸成為合適的大小。所述透鏡的運動可與光束的掃描同步(比如可使用一光點尺寸維持于幾次掃描中)。改變光束腰的范圍，直至來自所述符號的反射光中的反差超過預(yù)定的值，可以自適應(yīng)地選擇光點尺寸。
文檔編號G06K7/10GK1080073SQ92114849
公開日1993年12月29日 申請日期1992年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月23日
發(fā)明者李雅君 申請人:歐林巴斯光學(xué)工業(yè)股份有限公司