專利名稱：用旋轉(zhuǎn)三棱鏡與孔來非球面地形成掃描束的光學(xué)掃描器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如條碼掃描器等光學(xué)掃描設(shè)備，更具體地涉及一種用于生成具有延長的焦深或工作范圍并能有效地掃描寬廣的密度范圍的符號的激光束掃描圖形的激光器成像系統(tǒng)。
諸如條碼之類光學(xué)編碼信息已相當(dāng)普遍。一個條碼符號通常由一序列矩形的明亮的與陰暗的區(qū)域組成。暗區(qū)(條紋)的寬度和/或條紋之間的亮間隔的寬度表示編碼的信息。這些元素的一個規(guī)定的數(shù)量與排列表示一個字符。標(biāo)準(zhǔn)化的編碼方案規(guī)定每一字符的排列、元素的容許寬度及間隔、一個符號可包含的字符數(shù)或者符號長度是否可變等。已知的符號表示法有UPC/EAN(通用產(chǎn)品碼/歐洲物品編碼)128碼、Codabar(庫德巴碼)及交叉25碼等。
閱讀器與掃描系統(tǒng)電光地解碼每一個符號來提供通常描述該符號所附著的物品或其某些特征的多個字母數(shù)字型字符。這些字符通常是以數(shù)字形式表示并作為對一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸入供銷售點處理、庫存管理之類應(yīng)用的。在諸如4，251，798;4，360，798;4，369，361;4，387，297;4，409，470及4，460，120號美國專利中已經(jīng)公開過這種通用型掃描系統(tǒng)，所有這些專利都已轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
為了使用這些光學(xué)掃描器解碼一個條碼符號并抽聯(lián)合法的信息，一個條碼閱讀器掃描該符號以生成表示該被掃描的符號的一個模擬電信號。已知有各種掃描設(shè)備。掃描器可以是包含固定地安裝在棒上的一個發(fā)射器及一個檢測器的棒型閱讀器，在這一情況中用戶用手移動該棒橫越該符號。另外，一個光學(xué)掃描器橫越符號掃描諸如激光束之類的一個光束，以及一個檢測器感測符號反射的光。在每一種情況中，檢測器感測橫越符號掃描的一個光斑反射的光。在每一種情況中，檢測器感測橫越符號掃描的一個光斑反射的光，并且提供表示編碼信息的模擬掃描信號。
一個數(shù)字化器處理該模擬信號以生成一個其寬度及脈沖間的間隔對應(yīng)于條紋的寬度及條紋間的間隔的脈沖信號。該數(shù)字化器起邊緣檢測或波整形器電路的作用，并且該數(shù)字化器設(shè)定的閾值確定模擬信號中哪些點表示條紋邊緣。閾值電平有效地確定閱讀器應(yīng)將一個信號的哪些部分識別為一個條紋或一個間隔。
來自數(shù)字化器的脈沖信號是作用在一個解碼器上的。解碼器首先確定來自數(shù)字化器的信號的脈沖寬度及間隔。然后解碼器分析這些寬度與間隔來找出與解碼一個合法的條碼信息。其中包括識別由適當(dāng)?shù)木幋a標(biāo)準(zhǔn)所定義的合法字符與序列的分析。其中還可包括對被掃描的符號所遵守的特定標(biāo)準(zhǔn)的初始識別。這一對標(biāo)準(zhǔn)的識別通常稱作自識別。
不同的條碼具有不同的信息密度并在一個給定的區(qū)域內(nèi)包含表示不同數(shù)量的編碼數(shù)據(jù)的不同數(shù)目的元素。編碼越密，元素與間隔越小。在一種適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)上印刷較密的符號是困難的，因此較印刷低分辨率的符號成本更高。一種條碼符號的密度可用稱作該編碼的“基本單位尺寸”的最小條紋/間隔寬度表示，或者表示為兩倍條紋/間隔寬度的倒數(shù)的編碼的“空間頻率”。
一種條碼閱讀器通常具有規(guī)定的分辨率，通常是由其有效感測光斑所能檢測的基本單位尺寸表示的。例如，對于光學(xué)掃描器，束斑例如可大體上大于具有不同的光反射率的區(qū)域即符號的條紋與間隔之中的最小寬度。閱讀器的分辨率是由發(fā)射器或檢測器的參數(shù)，與發(fā)射器或檢測器相關(guān)聯(lián)的透鏡或孔，束傾斜角，數(shù)字化器的閾值電平，解碼器中的編程，或者這些元素的兩個或兩個以上的組合確定的。激光束掃描器的有效感測光斑通常緊密地對應(yīng)于光束投射在條碼上的點上的光束大小。光測器有效地求出在感測光斑區(qū)中檢測到的光的平均值。
條碼掃描所能夠解碼一個條碼的區(qū)域稱作該掃描器的有效工作范圍。在該范圍內(nèi)，光斑大小能對一種給定的條碼線密度生成這些條碼的精確讀數(shù)。工作范圍直接與掃描器部件的焦點特征及條碼的基本單位尺寸相關(guān)。
通常，一個光學(xué)掃描器包括一個生成光束的光源，諸如一個氣體激光器或半導(dǎo)體激光器。在掃描器系統(tǒng)中采用半導(dǎo)體激光器尤為理想，因為它們體積小，成本低以及功率要求低。光束通常用一塊透鏡光學(xué)地修正成在一個規(guī)定的距離上的一個具有一定大小的束斑。光學(xué)掃描器還包括一個掃描部件及一個光檢測器。該掃描部件可以或者橫越符號掃視束斑并跟蹤一條橫越與超出該符號的掃描線，或者掃描該掃描器的視野，或者兩者都進行。光檢測器具有一橫越并略為超出符號延伸的視野，并為檢測從符號反射的光而工作。將來自光檢測器的符號電信號轉(zhuǎn)換成一個脈沖寬度調(diào)制的數(shù)字信號，然后轉(zhuǎn)換成編碼在該符號中的數(shù)據(jù)的一種二進制表示，然后再轉(zhuǎn)換成如上面討論的所表示的字母數(shù)字型字符。
許多已知的掃描系統(tǒng)采用一透鏡系統(tǒng)來校正或聚焦激光束以在一規(guī)定的距離上建立一具有給定直徑的束斑。在垂直于該光束(即平行于該符號)中的這一點上的激光束的強度通常是以具有一個高中心峰值的“高斯”分布為特征的。工作范圍定義為橫越掃描條碼符號以后在其中高度明亮的束斑能夠解碼該編碼的區(qū)域。但當(dāng)掃描器與符號之間的距離移出了通常只有數(shù)英寸長度的掃描器的工作范圍時，束斑的高斯分布便大為加寬了，從而阻礙了一個條碼的精確讀出。從而，當(dāng)前的掃描系統(tǒng)為了正確地讀出符號必須定位在一個距符號相對較窄的范圍之內(nèi)。
授予Katz等人的5，080，458號美國專利提出了采用極長的工作范圍或焦點深度的一種激光束掃描系統(tǒng)的條碼閱讀器。通常，掃描系統(tǒng)包括一個激光源、用于生成具有規(guī)定直徑的一個延伸的中心束斑的衍射圖樣的光學(xué)裝置、以及用于橫越一個符號掃描該修正后的激光束的掃描裝置。在較佳實施例中，激光源生成一正規(guī)的“高斯型”光束，該光束受到諸如旋轉(zhuǎn)三棱鏡之類的光學(xué)元件的修正，該光學(xué)元件生成一個在平行于條碼圖形的方向上大為減少了衍射的光束。具體地說，一個旋轉(zhuǎn)三棱鏡會彎折來自光軸上的一個點光源的光線使之在沿該軸線的相當(dāng)長的一部分上沿一條連續(xù)線的點與該軸線交叉。借此建立的束斑的強度與直徑會沿這一條線的距離顯著地變化。一個旋轉(zhuǎn)三棱鏡也產(chǎn)生與中心斑同心的衍射光環(huán)?？稍诠鈴街蟹胖靡粋€平行于掃描線而垂直于待掃描的條碼符號的條紋與間隔的狹縫。該狹縫消除垂直于掃描方向的衍射部分，即平行于符號的條紋與間隔的衍射部分。然而，狹縫并不消除位于平行于掃描即垂直于條紋與間隔的區(qū)域中的那部分環(huán)。雖然Katz等人的系統(tǒng)提供了對以前使用在條碼掃描器中的傳統(tǒng)透鏡的改進，但仍有必要為優(yōu)化條碼掃描應(yīng)用的性能而對旋轉(zhuǎn)三棱鏡設(shè)計作進一步改進。例如，Katz等人并未考慮為了在一個最大的工作范圍內(nèi)優(yōu)化檢測，需要在衍射圖樣中保留多少衍射環(huán)。
其它的問題涉及在掃描器中定位激光器與透鏡以便設(shè)定及保持所要求的光束聚焦。一種方法為將激光源與透鏡合并在一個加工成產(chǎn)生必不可少的光束聚焦的尺寸的模件中。這一類型的激光二極管及聚焦模件通常包括一個激光二級管、至少一個透鏡元件用于聚焦來自二極管的光、以及將透鏡元件固定在距激光二極管一個所需要的距離上的裝置以便將來自二極管的光聚焦在該模件前方一個預(yù)定距離上的點上。Krichever等人在他們的4，923，281號美國專利中教導(dǎo)將一個發(fā)射與聚焦模件的兩個支承部件壓緊在置于激光二極管與透鏡組件之間的一個偏壓彈簧的力上來調(diào)整該模件所發(fā)射的光的聚焦。一個支承部件是附著在激光二極管上的，另一部件支承聚焦來自激光二極管的光的透鏡組件。第二個支承器還提供一個使光通過透鏡的橢圓形孔。實際聚焦中，聚焦模件組件夾持在一個夾具中，該夾具具有嵌入定向激光束的槽或鍵槽中的鍵或卡頭元件，與孔如同兩個支承部件一樣逐漸地嵌套在一起。一旦達到所要求的焦點，便用諸如膠水或環(huán)氧樹脂之類的粘合劑或者諸如用樁支持、點焊、超聲焊之類的緊固法將兩個支承器永久性地相互固定在一起。這種聚焦需要一位熟練的技術(shù)人員付出相當(dāng)可觀的勞動。
不同的掃描應(yīng)用所要求的聚焦是不同的;一種不同的聚焦在距模件的一個不同距離上產(chǎn)生一個不同的光斑。這便產(chǎn)生了掃描器的不同工作范圍與靈敏度，而它們必須選擇為對應(yīng)于期望該掃描器要讀取的符號密度和/或定位該掃描器的較佳工作范圍的。如果一家生產(chǎn)廠生產(chǎn)具有各種工作范圍與各種光斑尺寸靈敏度的掃描器，則該生產(chǎn)廠必須保持預(yù)置成適用于生產(chǎn)廠家所期望的各掃描器產(chǎn)品所服務(wù)的特定掃描器應(yīng)用的上述激光二極管與聚焦模件的庫存。這樣一種庫存的生產(chǎn)成本是很高的，特別是由于聚焦每一個模件的勞動密集型過程。
本發(fā)明的一個目的是生成具有能用于掃描目的擴展的焦深(例如用于掃描條碼)的光束。
本發(fā)明的另一個目的是提供用于擴展工作距離及能解碼的條碼密度范圍的裝置，這種裝置的性能優(yōu)于通過以透鏡為基礎(chǔ)的掃描器所能達到的性能。
更為具體的一個目的是建立能為掃描條碼產(chǎn)生優(yōu)化性能的、采用旋轉(zhuǎn)三棱鏡等的掃描器的設(shè)計規(guī)則。
本發(fā)明的另一個目的是生產(chǎn)一種光發(fā)射器及關(guān)聯(lián)的鏡片組件，它們能夠容易地適應(yīng)廣范圍的掃描應(yīng)用，例如，工作范圍和/或信息密度。
一方面，本發(fā)明是一種掃描器，其中的光學(xué)部件是選擇為在掃描具有變化的光反射率的光學(xué)編碼的信息時能夠優(yōu)化性能的。這種掃描器包括一個用于在光徑中將一束準(zhǔn)直光束導(dǎo)向要掃描的信息的光源，以及用于使光束沿一條掃描線移動的裝置。在較佳實施例中，光源是一個激光器以及產(chǎn)生掃描運動的一面擺動的反射鏡。設(shè)置在光徑中的光學(xué)裝置建立一個由光束確定的光斑，其大小與要掃描的信息的特征的尺寸相關(guān)。此外，該光束在一段沿光束的軸線的相當(dāng)長的距離上呈現(xiàn)這一束斑的大小。一個光檢測器接收來自被掃描的信息的反射光以產(chǎn)生表示信息的反射率變化的一種信號供以后解碼與處理。
在本發(fā)明的這一第一方面中，光學(xué)裝置包含一個具有一垂直于該光學(xué)裝置的軸線的基本上平的表面的光學(xué)元件，以及一個由繞該光學(xué)裝置的軸線旋轉(zhuǎn)與第一表面成一個角度的一個旋轉(zhuǎn)圖形所定義的第二表面。具有這一形式的一個光學(xué)元件產(chǎn)生一個向內(nèi)對向該光學(xué)裝置的軸線的準(zhǔn)直光束的相傾斜。本發(fā)明的較佳實施例使用一個線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡(axicon)作為這一光學(xué)元件(其旋轉(zhuǎn)圖形為一條直線)。該光學(xué)裝置還包括用于形成一個孔的裝置。該孔限制了通過該光學(xué)元件的準(zhǔn)直光束的大小和/或形狀。通過光學(xué)元件的受限制準(zhǔn)直光束的范圍為設(shè)計成產(chǎn)生一個特定的相傾斜的光學(xué)元件建立了掃描器的一個預(yù)定的工作范圍。較佳實施例采用圓形的孔來限制通過光學(xué)元件的光的半徑;然而，也能采用其它孔形。
本發(fā)明還為選擇光學(xué)元件的優(yōu)化參數(shù)及孔的大小提供了一系列具體的設(shè)計規(guī)則。例如，Roβ/λ比值應(yīng)小于3并且最好大于1。在這一比值中，值β為光學(xué)元件產(chǎn)生的相傾斜，Ro為受到該孔限制的通過光學(xué)元件的準(zhǔn)直光束的半徑，而λ則是光源產(chǎn)生的光束的波長。
在另一方面，本發(fā)明設(shè)計了一種掃描符號的方法，這一方法包括下述步驟生成一個準(zhǔn)直光束;移動該光束以生成一條橫越待讀取的符號的掃描線;以及修正對向符號的光徑中的光束。具體地說，這一修正建立一個具有大致上與該符號的特征的大小相關(guān)的尺寸的光斑，這一光斑在沿光軸的一個相當(dāng)大的距離范圍內(nèi)保持不隨距該符號的距離變化的一個基本上恒定的大小。這一特征是在光束通過一個旋轉(zhuǎn)三棱鏡及一個限制孔的過程中引入相傾斜的結(jié)果。得到的光束具有以許多環(huán)圍繞一個中心波瓣為特征的一種強度分布，諸如用一個貝塞耳函數(shù)分布所描述的。通過孔的通道同時限制了圍繞掃描光束的中心波瓣的環(huán)的數(shù)目。
在這一方法的較佳實施例中，產(chǎn)生相傾斜的步驟是通過引導(dǎo)一束準(zhǔn)直光束通過一個實心的光學(xué)元件得到的。該光學(xué)元件有一個基本上平的第一表面及由繞光軸旋轉(zhuǎn)的一個轉(zhuǎn)動圖形定義的一個第二表面。這一轉(zhuǎn)動圖形與第一表面成一角度。該轉(zhuǎn)動圖形是為提供一個非球面光學(xué)元件而選擇的，該元件在距該符號的不同距離上產(chǎn)生呈現(xiàn)一個基本上恒定的大小的必要光斑。如果該轉(zhuǎn)動圖形是二次曲線型的(圓形的，拋物線形的)，得到的物體可能是一塊透鏡，它不會在距符號不同的距離上產(chǎn)生基本上恒定的光斑大小。轉(zhuǎn)動圖形可以是一條直線，在這一情況中得到的光學(xué)元件為一塊線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡。轉(zhuǎn)動圖形也可落入一條直線與一個二次圖形之間的范圍內(nèi)。本發(fā)明所采用的非球面光學(xué)部件真正產(chǎn)生包含貝塞耳環(huán)的束斑。
根據(jù)本發(fā)明的第二種方法包括下述步驟生成一束基本上單色的準(zhǔn)直光束;以及修正該光束以建立沿光束的光徑的一個預(yù)定的距離上延伸的具有基本上恒定的直徑的一個束斑。并且，該束斑呈現(xiàn)為具有一個中心波瓣及多個圍繞該中心波瓣的預(yù)定衍射圖樣。這樣一個衍射圖樣可對應(yīng)于一個貝塞耳函數(shù)，如上所述。這一方法還包括限制光束的衍射圖樣以減少圍繞中心波瓣的環(huán)的個數(shù)的步驟。將受限制的光束引導(dǎo)到待讀取的一個符號上并使之橫越該符號移動。
在這一第二方法的較佳實施例中，修正光束的步驟包括令光束通過一個光束元件，該元件產(chǎn)生光束的向內(nèi)對向其一條軸線的準(zhǔn)直光束的相傾斜。并且，限制光束衍射圖樣的范圍的步驟包括限制通過該光學(xué)元件的準(zhǔn)直光束的半徑，例如令光束通過一個圓孔將其限制在一個預(yù)定的半徑上。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于一個讀取光學(xué)編碼信息的系統(tǒng)中的模件化發(fā)光器件，包括一個通用的發(fā)光模件及一個安裝在該模件上使來自該模件的光的特征適應(yīng)一種特定的掃描應(yīng)用的要求的光學(xué)組件。該通用模件并不需要特殊的焦距調(diào)整。結(jié)果，由于消除了在制造過程中的人工聚焦調(diào)整，這種模件能以低成本大量生產(chǎn)與貯存。光學(xué)元件與孔可根據(jù)特定應(yīng)用的要求選配與安裝在通用模件上。如果裝配容許容易地拆卸，制造廠商可以拆除并更換光學(xué)元件及孔來改變模件化器件的型號使之適用于不同的掃描應(yīng)用。
更具體地，該發(fā)光模件具有一個發(fā)射光的前端部分，該發(fā)光模件包含一個發(fā)光元件，諸如在對向該發(fā)光模件的前端部分的方向上發(fā)射光的一個激光器。一個第一光學(xué)元件將來自第一發(fā)光元件的光準(zhǔn)直并聚焦在基本上無窮遠處。第一安裝裝置將第一光學(xué)元件定位在從發(fā)光元件發(fā)射的光的一條軸線上鄰近該發(fā)光模件前端部分的一個點上。將一個光學(xué)組件安裝在發(fā)射光的發(fā)光模件的前端部分上方。該組件包含一個第二光學(xué)元件，它使來自第一光學(xué)元件的準(zhǔn)直光線彎曲使之在沿軸線的一個相當(dāng)長的范圍內(nèi)沿一條連續(xù)線的點與軸線交叉。在較佳實施例中，第二光學(xué)元件是一塊線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡。一個孔限制通過該第二光學(xué)元件的光束的大小。成形第二光學(xué)元件并確定孔的尺寸使得第二光學(xué)元件與孔一起建立一個具有大致上與待掃描的信息的特征的大小相關(guān)聯(lián)的一個尺寸的光斑。這些尺寸還在光軸上相當(dāng)長的一段距離范圍上相對于變化的設(shè)備與符號之間的距離將光斑保持在一個基本上恒定的大小上。
在另一方面中，本發(fā)明由含有上述模件化發(fā)光器件的光學(xué)掃描器構(gòu)成。
在模件化發(fā)光器件的較佳實施例中，該光學(xué)元件是一個具有一基本上平的表面以及一由繞垂直于第一表面的一條軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動圖形定義的第二表面的實心光學(xué)元件。轉(zhuǎn)動圖形相對于光接收表面形成一個角度。一塊線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡是這種實心光學(xué)元件的典型實例。這種光學(xué)元件生成包含一個中心波瓣及若干圍繞該中心波瓣的環(huán)的一個衍射圖樣，孔限制了在掃描中實際到達符號的圖樣中的環(huán)數(shù)。該孔可放置在第一與第二光學(xué)元件之間。另外，第二光學(xué)元件可位于第一光學(xué)元件與孔之間，而孔則位于鄰近發(fā)光的第二光學(xué)元件的一個表面處。
本發(fā)明的一部分其它目的與新穎特征將在下面的描述中提出，而一部分則可通過對下文的檢驗或者通過在實踐本發(fā)明中學(xué)習(xí)而成為對熟悉本技術(shù)的人員顯而易見的。本發(fā)明的目的與優(yōu)點可利用所附的權(quán)利要求書中所具體指出的手段與組合得到實現(xiàn)與完成。


圖1為示出在掃描一個條碼符號的位置上的一個根據(jù)本發(fā)明的手持式光學(xué)掃描器的等軸局部剖視圖;
圖2A為一個激光發(fā)射器及透鏡模件的剖視圖;
圖2B為一個孔及旋轉(zhuǎn)三棱鏡組件的剖視圖;
圖3為由圖2A的發(fā)射器及透鏡模件與圖2B的孔及旋轉(zhuǎn)三棱鏡組件構(gòu)成的一個發(fā)射器及聚焦模件的剖視圖;
圖4A與4B分別為用于本發(fā)明的一個線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡型折射光學(xué)元件的剖視與平面圖;
圖5為通過一個線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡及一個圓形限制孔的一束準(zhǔn)直光束所產(chǎn)生的光分布的示意圖;
圖6為調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)相對于使用旋轉(zhuǎn)三棱鏡的掃描器所掃描的符號的空間頻率的曲線;
圖7與8為展示作為使用本發(fā)明掃描的不同空間頻率的編碼的照射寬度的一個函數(shù)的工作范圍的曲線;以及表1-4為實現(xiàn)本發(fā)明的掃描器的計算機模擬中得到的實際工作范圍的表，在這些表中，表3還示出了實驗結(jié)果。
如本說明書及所附權(quán)利要求書中所使用的，名詞“符號”不僅廣義地包含由相間的不同寬度的條紋與間隔構(gòu)成的通常稱作條碼的符號圖形，而且還包含其它一維或二維圖形以及字母數(shù)字型字符。通常，名詞“符號”可應(yīng)用于任何類型的圖形與標(biāo)記，只要它們是能夠通過掃描一條光束并檢測作為圖形或標(biāo)記的各點上的光反射率的變化的一種表示的反射或散射光加以識別與辨識的。圖1示出了本發(fā)明所能掃描的一個條碼15作為“符號”的一個例子。
圖1描繪了用于讀取符號的一個手持式激光掃描器設(shè)備10。激光掃描器設(shè)備10包含一個大致上在上述專利中所示的形式的具有一個槍管部分11及槍把12的外殼。雖然圖中描繪的是一個手持式手槍形外殼，本發(fā)明也可實現(xiàn)在其它類型的掃描器外殼中，諸如作為一臺桌面工作站或靜止的掃描器。在所示的實施例中，外殼的槍管部分11包含一個出口或窗口13，外出的激光束14便是通過它照射在并掃描橫越位于距外殼一定距離上的條碼符號15的。
激光束14橫越符號15移動以建立一個掃描圖形。通常，掃描圖形是一維即線性的，如直線16所示。激光束14的線性掃描運動是由一臺步進電機18驅(qū)動的一面擺動反射鏡17產(chǎn)生的。如果需要，可以設(shè)置裝置來掃描光束14使之經(jīng)過一個二維掃描圖形，以便讀取二維的光學(xué)編碼符號。此外，可以設(shè)置移動激光源20和/或旋轉(zhuǎn)三棱鏡22來代替擺動反射鏡產(chǎn)生所要求的光束掃描圖形。
手動啟動的扳機19或類似的裝置使操作員能夠?qū)⒃O(shè)備10瞄準(zhǔn)符號15以后啟動掃描操作。采用扳機開關(guān)可降低電力消耗，因為只在實際掃描一個符號的有限時間內(nèi)而不是在所有時間內(nèi)才啟動諸如激光源、掃描電機18、以及光檢測器與解碼器等部件。
掃描器設(shè)備10包含一個安裝在外殼中的激光源20，諸如一個氣體激光管或一個半導(dǎo)體激光二極管。該激光源20生成激光束14。位于外殼中的一個光檢測器21至少接收一部分從條碼符號15反射的光。光檢測器21可面對窗口13。另外，也可用掃描反射鏡17的一個凸起部分將反射光聚焦在光檢測器21上，在這一情況中光檢測器面對掃描反射鏡。當(dāng)光束14掃過符號15時，光檢測器21檢測符號15反射的光并生成一個與反射光成比例的模擬電信號。一個數(shù)字化器(未示出)典型地將該模擬信號轉(zhuǎn)換成一個脈沖寬度調(diào)制的數(shù)字信號，其脈沖寬度和/或間隔對應(yīng)于所掃描的符號15的條紋與間隔的物理寬度。一個典型地包括一個帶有相關(guān)聯(lián)的RAM(隨機存取存儲器)及ROM(只讀存儲器)的編程的微處理器的解碼器(未示出)按照特定的符號表示法解碼該脈沖寬度調(diào)制的數(shù)字信號來導(dǎo)出編碼在該符號中的數(shù)據(jù)的一種二進制表示，以及由該符號表示的字母數(shù)字型字符。
激光源20引導(dǎo)激光束通過包括旋轉(zhuǎn)三棱鏡22及孔23的一個光學(xué)裝置以修正并引導(dǎo)激光束到轉(zhuǎn)動反射鏡17上。安裝在一條垂直軸上并由電機驅(qū)動器18繞一條垂直軸線轉(zhuǎn)動的反射鏡17反射該光束并將其引導(dǎo)通過出口13到達符號15上。所示出的孔23是橢圓形的，但其它形狀的孔也能使用?？紫拗屏送ㄟ^旋轉(zhuǎn)三棱鏡的光束的大小并減少出現(xiàn)在得到的衍射圖樣上的環(huán)的數(shù)目，這將在下面討論。
為了操作掃描器設(shè)備10，操作員按下扳機19來啟動激光源20及步進電機18等。激光源20生成一束激光束，該激光束通過旋轉(zhuǎn)三棱鏡22及孔23組合。旋轉(zhuǎn)三棱鏡22及孔23修正該光束以生成具有給定直徑的一個強束斑，它繼續(xù)延伸并在一段距離24上基本上不改變(如在這里引入作為參照的授予Katz等人的5，080，456號美國專利中所詳細描述的)。旋轉(zhuǎn)三棱鏡與孔組合將光束引導(dǎo)到轉(zhuǎn)動反射鏡17上，后者將修正后的激光束從掃描器外殼11中引導(dǎo)出去并以一種掃視模式(即，沿掃描線16)引向條碼符號15。一個位于距離24內(nèi)的任何一點上并基本上垂直于激光束14的條碼符號15反射一部分激光。安裝在掃描器外殼11中的光檢測器21檢測反射光并將接受的光輸入轉(zhuǎn)換成一個模擬電信號。然后，系統(tǒng)電路將該模擬信號轉(zhuǎn)換成一個脈沖寬度調(diào)制的數(shù)字信號，以微處理器為基礎(chǔ)的解碼器按照條碼符號表示規(guī)則的特征對它進行解碼。
一塊旋轉(zhuǎn)三棱鏡是一個旋轉(zhuǎn)體，它通過反射、折射或兩者將來自該旋轉(zhuǎn)體的軸上的一個點光源的光線彎曲，使之在沿該軸的一個相當(dāng)長的范圍上在沿一條連續(xù)的線的點上與該軸交叉。從而，一塊旋轉(zhuǎn)三棱鏡并不象一塊透鏡那樣只將光線聚焦在一個單一的點上或者在沿該軸的一個狹窄的區(qū)域中。受到一個準(zhǔn)直光束照射的旋轉(zhuǎn)三棱鏡產(chǎn)生這一光束的一個波前傾斜向內(nèi)對向該旋轉(zhuǎn)三棱鏡的軸線。得到的光束中包含與中心束斑同心的衍射光環(huán)。放置在光徑上的孔23限制了這些衍射環(huán)的數(shù)目?？?3消除了部分平行于掃描方向的區(qū)域中的這些環(huán)以及部分垂直于掃描方向的區(qū)域中的衍射環(huán)。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)三棱鏡為如圖所示的一個獨立的光學(xué)元件時，該旋轉(zhuǎn)三棱鏡具有一個基本上平的第一表面。該旋轉(zhuǎn)三棱鏡的一個第二表面具有由一個旋轉(zhuǎn)的圖形定義的一個形狀，并相對于第一表面成一角度，該圖形是繞該旋轉(zhuǎn)三棱鏡的中心軸旋轉(zhuǎn)的。在采用線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡的較佳實施例中，旋轉(zhuǎn)的圖形為一條直線，因此第二表面是圓錐形的。可將線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡設(shè)置成這樣的朝向，使之通過其錐形表面接收光線并從其平表面發(fā)射光線。另外，也可令旋轉(zhuǎn)三棱鏡通過平表面接受入射光而通過其圓錐形表面發(fā)射光線，如圖3與5中更清楚地示出的。光學(xué)元件可具有其它的形狀和/或用一個反射元件代替，只要該元件能產(chǎn)生下面要詳細討論的相傾斜與衍射圖樣即可。
圖2A、2B與3示出可替代圖1的激光掃描器設(shè)備10中的激光源20與旋轉(zhuǎn)三棱鏡22的一種激光發(fā)射器及聚焦模件。圖2A示出一個“通用”激光器及透鏡模件40。該通用模件40包括一個小型激光二極管41、一個支承框43及一塊聚焦透鏡45。激光二極管模件41可具有發(fā)射光譜的可見部分中的一種光束的類型。電連接引線從激光二極管41的基座的后表面伸出。激光二極管41的圓柱形前端位于支承框43的后部，支承框通常是用黃銅制成的。激光器支承框的黃銅可用作一個熱吸收器來耗散激光二極管41產(chǎn)生的熱量。支承框43的大小可制成壓配合在激光二極管41的柱體前端部分上的，或者支承框43可以是連接在激光二極管41的前端部分和/或基座上的，例如通過焊接或粘接。
支承框43的前端用作透鏡45的支座。透鏡可用若干裝置定位。例如，透鏡45可以粘接在支承框43上，或者用某種形式的扣環(huán)定位。另外，通用模件40可包含一壓縮在激光二極管41與透鏡45之間的彈簧。這一彈簧提供的張力將透鏡45壓在形成在支承框43的前端部分上的前唇上。支承框45將聚光透鏡45定位在沿激光二極管41發(fā)射的光束的軸線上距激光二極管的發(fā)光前表面一定距離處。形成在支承框43的前端部分上的前唇提供一個大的開口47，通過它，模件40發(fā)射光束。
通用模件40可采用若干種不同形式。例如，該模件可使用一種與授予Krichever等人的4，923，281號美國專利中相似的外殼結(jié)構(gòu)來代替圖2A中所示的支承框43。
模件40起“通用模件”的作用，因為透鏡45與開口47是這樣選擇與定位的使其將來自激光二極管41的光束聚焦在無窮遠處。為了使這樣一個單元適于在模件前方的要求距離上提供一個所要求的束斑大小并產(chǎn)生一個所要求的掃描器工作范圍，在支承框43的前端安裝了制成重新聚焦光束所要求的尺寸的一塊旋轉(zhuǎn)三棱鏡及孔，圖2B示出了旋轉(zhuǎn)三棱鏡與孔帽配置的一個較佳實施例。
帽42圍繞一個旋轉(zhuǎn)三棱鏡元件44。帽42的前唇也構(gòu)成一個小于開口47的圓形孔46。圖3示出一個完整的激光發(fā)射器與聚焦模件50，它包括通用模件40、帽42與旋轉(zhuǎn)三棱鏡44。如所示，帽42的大小是制成壓配合在通用模件40的前端部分上的。以這樣一種裝配，可以將帽42取下并代之以具有不同的孔徑和/或旋轉(zhuǎn)三棱鏡角度的另一個組件，以提供不同束斑大小與工作范圍的模件。另外，帽42也可連接在支承框43的前端部分上，例如通過焊接或粘接。同樣，所示的帽42的結(jié)構(gòu)也是示例性的。帽42可采用各種各樣的不同方式。特別要指出的是，帽42可重新設(shè)計成將孔46放置在旋轉(zhuǎn)三棱鏡44的后表面與通用模件的前表面之間。
孔46限制了模件50所發(fā)射的光束的半徑?？?6與線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡元件44的圓錐形前表面的角度一起定義了得到的光束的非擴展形截面分布。為一種給定的掃描應(yīng)用選擇正確的孔半徑與旋轉(zhuǎn)三棱鏡角度的設(shè)計規(guī)則將在下面結(jié)合圖5討論。由于孔與旋轉(zhuǎn)三棱鏡是作為一個獨立的單元的元件構(gòu)成的(圖2B)，可將束半徑與旋轉(zhuǎn)三棱鏡角度選擇為產(chǎn)生對應(yīng)于各預(yù)期的應(yīng)用(條碼密度、工作范圍等)所要求的束斑大小與非擴展形分布范圍的。對于不同的應(yīng)用，不需要改變通用模件的聚焦。制造廠商只須為每一種掃描應(yīng)用簡單地采用一種不同的帽與旋轉(zhuǎn)三棱鏡組件。
圖4A與4B分別以剖視及正視圖描繪一個線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡型光學(xué)元件。示出在這兩個圖中的旋轉(zhuǎn)三棱鏡對應(yīng)于圖1的實施例中的旋轉(zhuǎn)三棱鏡22及圖3的模件化實施例中的旋轉(zhuǎn)三棱鏡44。如圖4A與4B所示，該旋轉(zhuǎn)三棱鏡22(44)是一個半徑為R的圓形元件。一個第一表面基本上是平的。第二表面是由一條繞該旋轉(zhuǎn)三棱鏡的中心軸線旋轉(zhuǎn)的直線確定的。這一直線與示出在該旋轉(zhuǎn)三棱鏡后部的平表面成α角。圖5示出由一條通過孔46及線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡22或44的準(zhǔn)直光束產(chǎn)生的光分布。
本發(fā)明的光學(xué)元件與孔配置產(chǎn)生特別適用于光學(xué)掃描的(例如，用于掃描條碼)具有擴展的焦深的光束。旋轉(zhuǎn)三棱鏡可用于形成這種光束，雖然其它隨ρK(K＜2，其中ρ為徑向距離)變化的非球面外形也同樣能用?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)孔(束直徑)與傾斜角確定工作區(qū)域，并且有可能選擇這些參數(shù)的值來優(yōu)化掃描性能。
以下的數(shù)學(xué)分析將線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡作為一種非球面元件的專有類型對待，但其結(jié)果對于與旋轉(zhuǎn)三棱鏡所提供的直線形狀相比差別非常小的非球面外形而言并不十分明顯。已經(jīng)認識到旋轉(zhuǎn)三棱鏡是產(chǎn)生沿相當(dāng)長的距離上保持密集、圍繞其傳播軸線只有有限的擴展的光束的結(jié)構(gòu)。使用一種近似的幾何學(xué)方法來確定這一有效區(qū)的界限是有用的，如圖5所示。
Katz等人在5，080，456號美國專利中公開了下述幾何有效區(qū)(場的深度)對旋轉(zhuǎn)三棱鏡元件的半徑R的關(guān)系Zd＝ (R)/((n-1)α)其中n為旋轉(zhuǎn)三棱鏡的折射率，α為旋轉(zhuǎn)三棱鏡的圓錐形表面的傾斜角。然而，Katz等人并未特別建議通過提供一個孔來限制通過旋轉(zhuǎn)三棱鏡的準(zhǔn)直光束的束半徑，以調(diào)整工作范圍?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提供一個適當(dāng)大小的孔與選擇旋轉(zhuǎn)三棱鏡角度一起能夠為一個光學(xué)掃描器建立一個要求的場深度及對應(yīng)的工作范圍。下面詳細討論為給定的符號密度建立優(yōu)化的掃描器性能的特定幾何學(xué)與對應(yīng)的數(shù)學(xué)分析。為了簡化分析，我們假定孔46是圓形的并在準(zhǔn)直光束通過光學(xué)元件時限制其有效半徑;然而，相同的原理也可用于不同形狀的孔。此外，雖然圖5示出的旋轉(zhuǎn)三棱鏡通過其平表面接受光線并通過其圓錐形表面發(fā)射光線，下面的分析同樣適用于旋轉(zhuǎn)三棱鏡的方向是反置的情況，即入射光照射在圓錐形表面上并通過平表面發(fā)射光。
圖5中的孔與旋轉(zhuǎn)三棱鏡配置的場深可表示如下
Zd= (R0)/((n-1)α) = (Ro)/(β) (1)其中β＝(n-1)α(1.1)其中n為旋轉(zhuǎn)三棱鏡的折射率，α為旋轉(zhuǎn)三棱鏡的圓錐形表面的傾斜角，而β則為得到的相傾斜。然而，這一公式表示中使用了實際通過旋轉(zhuǎn)三棱鏡的準(zhǔn)直光束的半徑R0。在本發(fā)明中，束半徑R0是受到諸如孔46這樣的裝置限制的。在這樣一種配置中，束半徑R0對應(yīng)于孔的半徑。
不論孔是如圖5中那樣位于激光源與旋轉(zhuǎn)三棱鏡之間，還是如圖3那樣鄰近旋轉(zhuǎn)三棱鏡的傾斜前表面，孔46都限制通過旋轉(zhuǎn)三棱鏡的光線的有效半徑。如果孔是在激光源與旋轉(zhuǎn)三棱鏡之間的，則它限制了實際照射在旋轉(zhuǎn)三棱鏡的平的后表面上的光束的半徑。如果孔是鄰近旋轉(zhuǎn)三棱鏡的傾斜的前表面的，則它限制了從旋轉(zhuǎn)三棱鏡發(fā)出的光線的半徑。然而，對于孔的這兩種位置，得出的光束的幾何形狀幾乎是相同的。
在圖5中所示的陰影區(qū)內(nèi)可見，光束在下述位置上達到最小的擴展Z＝2Zd/3(2)束斑大小是由光束的傾斜角確定的，后者是由設(shè)備引入的相移確定的。由于中心斑的直徑為如5，080，456號專利中所指出的d＝ (2.4λ)/(πβ) (β＜＜1)(3)其中λ為激光源所發(fā)射的光束的波長，由于為了使對比度仍保持合理(即，大于15%)而使條紋/間隔寬度“m”不小于d/2，結(jié)果是m＝ (2.4λ)/(2πβ) ＝0.38 (λ)/(β)或β＝ (2.4λ)/(2πm) ＝0.38 (λ)/(m) (4)使用空間頻率術(shù)語，由于fx＝1/2m，結(jié)果成為fx＝ (πβ)/(2.4λ) (5)使用式(1.1)來用旋轉(zhuǎn)三棱鏡的角度定義傾斜角β，式(4)與(5)變成m＝ (2.4λ)/(2π(n-1)α) ＝0.38 (λ)/((n-1)α) (4.1)
及fx＝ (π(n-1)α)/(2.4λ) (5.1)條碼的檢測依賴于采集從若干條紋與間隔反射的光。這樣，重要的特征是“線擴展函數(shù)”而不是在掃描任意目標(biāo)時所使用的點擴展函數(shù)。貝塞耳型光束(如旋轉(zhuǎn)三棱鏡或類似非球面元件所提供的)的線擴展函數(shù)生成一個調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)，該函數(shù)在大范圍的空間頻率(條碼密度)上呈現(xiàn)為低值，如圖6中作為例子示出的。具體地說，圖6示出從使用產(chǎn)生0.625mRad(毫弧度)的β的相前傾斜的一個旋轉(zhuǎn)三棱鏡得出的MTF。線擴展函數(shù)的MTF是在距離Z等于1.4米處測得的。這一測定是使用一均勻輸入照明半徑R0＝2毫米與激光源所提供的輸入光束波長λ＝670毫微米取得的。電子電路應(yīng)設(shè)計成能處理低對比度信號的。這可以在調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)MTF超過一個一定的低值(比如15%，即圖6中的0.15)的整個范圍上擴展操作。圖6的曲線示出了本發(fā)明的掃描器能夠有效地讀取的編碼密度的擴展的范圍。
等價的公式(4)與(5)揭示條紋/間隔的寬度及光的波長確定能生成一定的相前傾斜(β)的必要旋轉(zhuǎn)三棱鏡。另外，公式(1)與(2)揭示照明光束(或者限定它的孔)的半徑確定工作范圍及光束的最狹窄處的位置(在2Zd/3處)兩者。
如果使用高斯光束來照射旋轉(zhuǎn)三棱鏡，用輸入光束的光腰(1/e2強度點)作為光束的大小。展示作為不同的空間頻率圖形(即條碼)的照明光腰(w)的一個函數(shù)的工作范圍的某些典型曲線示出在圖7與8的上部。在這兩個圖中每一個下方的直線展示使用對應(yīng)于不同孔徑的不同高斯照明光束的光腰值讀取一個13密耳條碼時沿光軸的不同工作范圍的位置。
雖然以上討論的推導(dǎo)是對旋轉(zhuǎn)三棱鏡進行的，對于它們某些分析表達式是可以推導(dǎo)出的，但它們在廣義上對于具有與旋轉(zhuǎn)三棱鏡所提供的線性相移稍有不同的光學(xué)特征的非球形表面也是同樣成立的，對于它們沒有現(xiàn)成的精確解。例如，當(dāng)用于產(chǎn)生相傾斜的光學(xué)元件是在另一個光學(xué)元件的緊鄰位置上或者連接在另一光學(xué)元件上時，光接受表面可能是與另一個元件的光發(fā)射表面的形狀一致的。如果另一個元件是一塊透鏡，光接受表面會具有對應(yīng)于該透鏡的形狀的一個形狀。用于產(chǎn)生相傾斜的光學(xué)元件的第二表面則可具有這樣選擇的一個非球面輪廓，使得這一元件的兩個表面之間的差對應(yīng)于上面討論的線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡的表面之間的差。
已經(jīng)展示了用旋轉(zhuǎn)三棱鏡來提供具有不變的光束擴展的“擴展的距離”。旋轉(zhuǎn)三棱鏡的錐角與光孔唯一地確定了工作范圍、盲區(qū)以及光束檢測給定密度的條碼的能力?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于掃描目的的一種優(yōu)化配置呈現(xiàn)為表達式R0β/λ在值1與3之間的一個值。這一要求主要建立了這樣一條原則，衍射圖樣中容許的環(huán)數(shù)應(yīng)受限制，使得點擴展函數(shù)適用于掃描目的。下面將詳細討論幾種揭示在這一值上達到優(yōu)化的掃描性能的理論性估算、計算機模擬及實驗結(jié)果。我們應(yīng)當(dāng)注意，由于β是根據(jù)所要求的點擴展函數(shù)選定的(它對于高密度條碼是較窄的，從而β較大，而對于低密度條碼則較寬，從而β較小)，我們對大約由0.3R/β給定的盲區(qū)沒有獨立的控制能力。然而，我們能夠找出提供所有參數(shù)的可接受的性能的值的范圍，例如，β＝0.002弧度及R＝1(圖10)提供非常滿意的值。
從它們能將一個入射的平面波前變換成一個圓錐形波前的能力上看，旋轉(zhuǎn)三棱鏡是用于生成“無衍射”光束的最簡單裝置，在設(shè)備位置后方的某一區(qū)域中，圓錐形波前生成一個貝塞耳函數(shù)橫向分布。一組具有沿一個圓錐表面的傳播K矢量的無限平面波確實產(chǎn)生一個貝塞耳J0分布J0(kpsinβ)(6)其中k＝2π/λ，而λ為波長，p為徑向距離。
一個旋轉(zhuǎn)三棱鏡是一個截頂?shù)膱A錐形光學(xué)表面，因此只能提供一個“不完整”的貝塞耳分布。盡管如此，這一特點是有利的，由于它限制了側(cè)波瓣的數(shù)目，對于掃描器，這是一種令人滿意的特性。旋轉(zhuǎn)三棱鏡的確具有在一個區(qū)域Zd中提供一個延長的聚焦光束的能力，如圖5中所指出的，從而使Zd= (R0)/(β) (1)其中R0為照射光束的半徑而β為K矢量相對于縱向(Z)的傾斜角，如上面所討論的。
此外，公式(4)揭示了在β與旋轉(zhuǎn)三棱鏡生成的光束的空間頻率響應(yīng)之間存在著一種直接的關(guān)系，近似地由下式給出β＝0.38 (λ)/(m) (7)其中m為條碼的最窄元素的寬度。
旋轉(zhuǎn)三棱鏡生成的光束的最高聚焦點(即“最佳光斑”)在2Zd/3的距離上。因此以上的公式指明存在著一個自由參數(shù)R0，通過它可將最佳光斑移動到任何位置上。作為一條經(jīng)驗法則，用于條碼解碼的工作范圍延伸在Zd/3±Zd/4之間，而Zd則可以通過增大(或減小)R0來延長(或縮短)。
然而，如下面將要示出的，把R0理解為不是一個完全獨立的參數(shù)這一點是非常重要的。
如果在圖樣中含有太多的貝塞耳環(huán)，則貝塞耳分布的點擴展函數(shù)的振動性質(zhì)對于掃描目的是相當(dāng)不合適的。確實，從貝塞耳點擴展函數(shù)的線性積分得出的線擴展函數(shù)(LSF)，在“貝塞耳無衍射光束”的半徑增加時呈現(xiàn)為調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)的明顯減小。
下面對半徑為R0/3的幾何“最佳光斑”中(見圖5)容納的貝塞耳環(huán)的數(shù)目加以估算。已知貝塞耳函數(shù)(圖6)具有受貝塞耳函數(shù)的零點界限的環(huán)。
由于對于Z＝2.4，5.6，8.7…或近似地Z＝2.4+πt＝(0.76+t)π時J0(Z)＝0，從公式6可得到(2π)/(λ) ρβ＝(0.76+t)π或ρ＝(0.76+t) (λ)/(2β) t＝0，1，2，…這樣，由于ρ等于在最窄點位置上的照射半徑的1/3(Ro)/3 =(0.76+t) (λ)/(2β) (8)可對t提供一種估計，t為圍繞包含在“最佳光斑”上的中心波瓣的貝塞耳環(huán)的數(shù)目。因此，每當(dāng)定義為等于R0β/λ的量M低于1.14(＝3/2×0.76)時，“最佳光斑”僅僅包含中心貝塞耳波瓣區(qū)(t≤0)。當(dāng)M為2.64時，只有一個環(huán)圍繞最佳光斑(t＝1)，對于4.14為兩個環(huán)(t＝2)，等等。
對于若干傾斜角(β＝0.625，1，2，3毫弧度)及若干半徑(R＝2，1，0.5，0.25)的計算機模擬概括在表1-4中所示表中。從這些模擬中可以總結(jié)出幾個結(jié)論，如下面要討論的。
從模擬結(jié)果得出的最重要結(jié)論是如果因子M小于3，則可以得到最佳結(jié)果(最大工作范圍)。作為一個例子，考慮表2，該表是對調(diào)制指數(shù)或?qū)Ρ榷菴等于0.12導(dǎo)出的。如在表的下部所示，當(dāng)M＝R0β/λ的值為6時(第一列數(shù)據(jù))，4密耳條碼與5密耳碼的MTF低于假定為產(chǎn)生這些編碼的精確讀數(shù)所必需的值0.12。結(jié)果是對于這些條碼密度，完全不存在工作范圍。同樣對于M＝6的情況，對于較低密度的編碼10、15與20密耳，能達到的工作范圍是比較短的并且遠離旋轉(zhuǎn)三棱鏡元件。如果將旋轉(zhuǎn)三棱鏡與孔選擇為產(chǎn)生3或1.5的R0β/λ即M的值(中間的列)，工作范圍大為加長，而掃描器能夠在不使MTF值下降到0.12截止點以下的條件下有效地讀取所有尺寸的條碼。并且工作范圍出現(xiàn)在較接近旋轉(zhuǎn)三棱鏡元件的點上，從而方便了掃描器的定位，使被掃描的條碼相對地接近設(shè)備的前端。雖然右側(cè)列揭示當(dāng)M值為0.75時，掃描器能夠讀取所有列出的編碼大小，但所能達到的工作范圍卻實際上小于M為3或1.5的情況。表1、3與4中的其它表揭示了當(dāng)M在1與3之間時類似的優(yōu)點。
表3中所示的實驗結(jié)果肯定了從計算機模擬中得出的結(jié)論。1毫米的孔的實驗結(jié)果對應(yīng)于M值1.5。這些結(jié)果示出了所有四種條碼密度的長工作范圍。并且，這些工作范圍全都起始于大約14或15英寸的同一距離上。采用0.5毫米的孔(M＝0.75)能夠產(chǎn)生更接近旋轉(zhuǎn)三棱鏡的工作范圍;然而，某些工作范圍，尤其是對10密耳條碼的范圍，短于使用表3中的1毫米的孔所產(chǎn)生的范圍。
將式(7)中的β值代入WR與M的表達式，可得到WR= 1/2 Zd= 1/2 · (Ro)/(β) = 1/2 · (mR0)/(0.38λ) (9)M= (Roβ)/(λ) = (0.38Ro)/(m) (10)從計算機模擬中揭示M應(yīng)在1與3之間，其結(jié)果是1< (Roβ)/(λ) <3(10.1)或1< (0.38R0)/(m) <3(10.2)將式(10)中的R0代入式(9)，可得
WR= 1/2 · (M)/((0.38)2) · (m2)/(λ) =3.5M (m2)/(λ)=(3.5÷10.5) (m2)/(λ) (11)注意到對于一個“最佳高斯光束”我們能得出下式這一點是重要的Wo= (1n(1/n))/(πfo)得出的工作范圍為WR=2Zr=2π (W02)/(λ) = (-8m21nC)/(λπ)=-2.54(1nC) (m2)/(λ) (12)其中C為檢測到的圖形的對比度或“調(diào)制指數(shù)”。
與“最佳高斯的”相比，旋轉(zhuǎn)三棱鏡結(jié)構(gòu)所提供的改進可以通過將式(11)除以式(12)來評估|Q|＝ (3.5Mπ)/(8lnC) (13)下面對M與C的若干值進行評估，如表5所示
對于旋轉(zhuǎn)三棱鏡的情況，m2/λ的系數(shù)為(3.5÷10.5)，而對于高斯的情況則僅大約為(5.4÷6.4)(假定C＝0.12或0.08)，從而指明在理論上對于額定設(shè)計密度，假定M＝2÷3時旋轉(zhuǎn)三棱鏡可增加工作范圍一個1.3÷1.65(30-65%)的一個因子。這也指明當(dāng)M＜2時，高斯光束可具有相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量。
計算機模擬中得到的實際工作范圍概括在圖9-12所示的表中。
從而，如果一條具有由孔46的半徑確定的半徑R0的照射光束照射在一塊提供給一個圓形波β弧度的相前傾斜的旋轉(zhuǎn)三棱鏡上，得到的光束將在大約0.3-0.9R0/β范圍內(nèi)的距離上保持一個非擴展的截面分布。然而，為了掃描的目的，寬截面光束是不符合要求的，因此入射光束應(yīng)滿足條件1< (R0β)/(λ) <3 (10.1)圖3的實施例利用了若干可互換的旋轉(zhuǎn)三棱鏡與孔帽單元，每一個包含一個傾斜角β(由(n-1)α確定)的旋轉(zhuǎn)三棱鏡及一個半徑R0的孔，它們可以與準(zhǔn)直激光組件聯(lián)合使用。對各帽的β與R0的選擇取決于預(yù)期的應(yīng)用(條碼密度、工作范圍等)。此外，如果掃描器要用于不同條碼密度的符號，組件50可通過更換旋轉(zhuǎn)三棱鏡帽進行改裝。
上面討論的較佳實施例采用一塊折射型旋轉(zhuǎn)三棱鏡作為光學(xué)元件，即，光束通過該元件并被該元件修正以產(chǎn)生必要的相傾斜。也有可能使用一個具有適當(dāng)外形的反射型光學(xué)元件。例如，該光學(xué)元件可采用圓錐形反射鏡的形式。這樣一面反射鏡可包括由一轉(zhuǎn)動的直線或類似的圖形繞該反射鏡的中心軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的一個反射表面。
同樣，在本發(fā)明中采用的孔可具有多種形狀。如圖1所示，孔23是橢圓形的，而圖2A至5的孔46是描述為一個規(guī)定半徑的圓孔?？走€可以是正方形、長方形的等。在各種情況中，孔限制了由光學(xué)元件修正的準(zhǔn)直光束的范圍，從而限制了衍射圖樣的范圍并減少了出現(xiàn)在衍射圖樣中的環(huán)的數(shù)目。
表1
表2
表3
表4
表權(quán)利要求
1.一種用于掃描具有不同光反射率的光學(xué)編碼信息的掃描器，所述掃描器包括(a)一個光源，用于在光徑中將一束準(zhǔn)直光束導(dǎo)向待掃描的信息，以及用于使該光束沿一條掃描線移動的裝置；(b)一個光學(xué)元件，具有垂直于該準(zhǔn)直光束的一條軸線的基本上平光的一個第一表面，以及由一個轉(zhuǎn)動圖形繞所述軸線旋轉(zhuǎn)而形成的一個第二表面，所述轉(zhuǎn)動圖形是與所述第一表面成一角度的，所述光學(xué)元件導(dǎo)致該準(zhǔn)直光束向內(nèi)對向所述軸線產(chǎn)生一相傾斜；(c)用于形成一個孔來限制通過該光學(xué)元件的準(zhǔn)直光束的范圍的裝置，其中通過所述光學(xué)元件的準(zhǔn)直光束的范圍為該光學(xué)元件所導(dǎo)致的一個特定的相傾斜建立一個預(yù)定的掃描器工作范圍；以及(d)一個光檢測器，定位成接受從所述信息反射的光。
2.一種用于掃描一個符號的方法，包括下述步驟(a)生成一準(zhǔn)直光束并沿一條光徑將所述光束導(dǎo)向待讀取的一個符號;(b)移動所述光束以生成一條跨越所述待讀取的符號的掃描線;(c)修正在光徑中對向所述符號的所述光束以建立一個具有與所述符號的特征的尺寸一般性地相關(guān)的尺寸的光斑，在一條光軸的一個距離相當(dāng)長的范圍內(nèi)，對到達所述符號的不同的距離上，所述光斑保持一個基本上恒定的尺寸，該修正步驟包括(ⅰ)產(chǎn)生一個向內(nèi)對向該光軸的所述光束的相傾斜，以及(ⅱ)限制圍繞該相傾斜的光束的一個中心波瓣的貝塞耳環(huán)的數(shù)目。
3.一種掃描一個符號的方法，包括下述步驟(a)生成一基本上單色的準(zhǔn)直光束;(b)修正該光束以產(chǎn)生一具有基本上恒定的直徑的束斑，該束斑沿所述光束的光徑的一段預(yù)定的距離延伸，并呈現(xiàn)一具有一個中心波瓣及多個圍繞所述中心波瓣的環(huán)的預(yù)定的衍射圖樣;(c)限制該光束衍射圖樣以減少圍繞所述中心波瓣的所述環(huán)的數(shù)目;(d)將減小了的光束衍射圖樣導(dǎo)向一個待讀取的符號上;以及(e)跨越待讀取的符號移動該減小了的光束衍射圖樣。
4.一種供讀取光學(xué)編碼信息的系統(tǒng)中使用的裝置，包括(A)一個具有從中發(fā)射光束的前端部分的發(fā)光模件，所述發(fā)光模件包括(ⅰ)一個發(fā)光元件，在對向該發(fā)光模件的前端部分的方向中發(fā)射光線，(ⅱ)一個第一光學(xué)元件，用于將來自該發(fā)光元件的光線基本上準(zhǔn)直及聚焦在無窮遠處，以及(ⅲ)第一安裝裝置，用于將該第一光學(xué)元件安裝在沿該發(fā)光元件發(fā)射的光的一條軸線上鄰近該光發(fā)射模件的前端部分的一個點上;以及(B)安裝在該發(fā)光模件從中發(fā)射光線的前端部分上的一個組件，所述組件包括(ⅰ)一個第二光學(xué)元件，使來自該第一光學(xué)元件的準(zhǔn)直光產(chǎn)生一個相傾斜，使之在沿該軸線的一個相當(dāng)長的范圍的一條點的連續(xù)線上與該軸線交叉，(ⅱ)用于形成一個限制通過該第二光學(xué)元件的光線的孔的裝置，以及(ⅲ)第二安裝裝置，用于將第二光學(xué)元件及用于形成一個孔的裝置安裝在該發(fā)光模件從中發(fā)射光線的前端部分的上。
5.一種用于讀取具有不同光反射率的光學(xué)編碼信息的裝置，包括(A)一個發(fā)光模件，具有從中發(fā)射光線的一個前端部分，所述發(fā)光模件包括(ⅰ)一個發(fā)光元件，在對向該發(fā)光模件的前端部分的方向中發(fā)射光線，(ⅱ)一個第一光學(xué)元件，用于將來自該發(fā)光元件的光線準(zhǔn)直與聚焦在基本上無窮遠處，以及(ⅲ)第一安裝裝置，用于將第一光學(xué)元件安裝在沿該發(fā)光元件所發(fā)射的光線的一條軸線上鄰近該發(fā)光模件的前端部分的一個點上;(B)安裝在發(fā)光模件從中發(fā)射光線的前端部分上的一個組件，所述組件包括(ⅰ)一個第二光學(xué)元件，使來自第一光學(xué)元件的準(zhǔn)直光產(chǎn)生一個相傾斜，使之在沿該軸線的一段相當(dāng)長的范圍上的一條點的連續(xù)線上與該軸線交叉，(ⅱ)用于形成一個孔來限制通過第二光學(xué)元件的光線的裝置，以及(ⅲ)第二安裝裝置，用于將第二光學(xué)元件及形成孔的裝置安裝在發(fā)光模件從中發(fā)射光線的前端部分上;用于使所述光束產(chǎn)生一個跨越該信息一部分的一個掃描動作的裝置;以及用于接受從該光學(xué)編碼信息反射回來的光線并生成的應(yīng)于不同的光反射率的電信號的裝置。
全文摘要
在條碼掃描器中使用線性旋轉(zhuǎn)三棱鏡或類似元件產(chǎn)生一大致與被掃描信息的特征的大小相關(guān)的掃描光斑，該光斑的尺寸在相當(dāng)長的距離范圍內(nèi)保持基本恒定。該光學(xué)元件產(chǎn)生一衍射圖樣，該圖樣包括一中心波瓣及圍繞其的若干個環(huán)。設(shè)置了一個孔來限制光束以及到達符號的圖樣中的環(huán)數(shù)。由該光學(xué)元件產(chǎn)生的光束的大小及相前傾斜角選擇為能產(chǎn)生所要求的分辨率及工作范圍。本發(fā)明還提供了一模件化發(fā)光裝置。
文檔編號G06K7/10GK1083609SQ93116579
公開日1994年3月9日 申請日期1993年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月28日
發(fā)明者伊曼紐爾·馬羅姆, 約瑟夫·卡茨 申請人:歐林巴斯光學(xué)工業(yè)股份有限公司