JP4435469B2

JP4435469B2 - High speed laser scanning module with reflected beam path

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Publication number: JP4435469B2
Application number: JP2002294558A
Authority: JP
Inventors: バーカンエドワード; エムシェパードハワード; ドヴォーキスポール; アールヴィノグラドフイーゴール; クリシェヴァーマーク; ツィシディヴィッド; グアヴィッチヴラディミール
Original assignee: シンボルテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2003315713A; GB2387701A; GB0230159D0; DE60216217D1; DE60216217T2; TWI261207B; GB2387701B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーコード・シンボル読取装置のような電気光学的読取装置又は走査装置に関し、より具体的には、コンパクトなバーコード読取装置の読取部の近くにある、比較的に長い、単一の走査線を必要とする用途に使用するための走査モジュールにおける光路の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーコード・シンボル読取装置のような電気光学的読取装置は、現在では非常に一般的になっている。一般に、バーコード・シンボルは、普通は矩形の形状の一つ或いはそれ以上の明るい領域と暗い領域の列で成り立っている。暗い領域の幅すなわちバー、及び／又は明るい領域の幅すなわちバーの間にあるスペースが、シンボルの情報をコード化する。
【０００３】
バーコード・シンボル読取装置は、シンボルを照らし、反射力の異なる光の領域から反射された光を感知して、対応する領域の幅とスペースを検出し、コード化された情報を引き出す。バーコード読み取り形式のデータ入力システムは、広域にわたる様々な用途においてデータ入力の効率と正確さを向上させる。これらのシステムにおけるデータ入力が容易になることで、より常習的で詳細なデータ入力、例えば効率的な在庫リストを提供したり、進行中の仕事を追跡するようなことが円滑になる。しかしながら、これらの利点を実現させるためには、ユーザー又は従業員が一貫して読取装置を使用する気がなければならない。それゆえ、読取装置の操作は簡単で便利でなくてはならない。
【０００４】
様々な走査装置が知られている。特に利点のある読取装置の1つの形式は、シンボルを横切るレーザービームのような光のビームを走査させる光学的スキャナである。本発明の譲受人が所有し、引用によりここに組み入れる米国特許第４，３８７，２９７号及び同第４，７６０，２４８号において例示されているレーザー・スキャナのシステム及び構成部品は、一般に異なる光反射性の部分を持つ表示記号、すなわちバーコード・シンボル、特に万国製品コード（ＵＰＣ）形式のものを、特定の動作範囲や読み取り距離で、手持ち式又は定置型スキャナによって読み取るように設計されている。
【０００５】
当業者に公知のレーザービーム走査システムにおいては、単一のレーザー光ビームが、レンズ又は他の光学部品により、表面上にバーコード・シンボルを有するターゲットに向かって、光路に沿って指向される。移動ビーム式スキャナは、光源自体、或いは光ビームの経路に配置されたミラーなどの走査用構成要素の動きにより、シンボルを横切る一つの線又は一連の線として光ビームを繰り返し走査することによって作動する。走査用構成要素は、シンボルを横切ってビームスポットを掃引させ、シンボルのパターンを横切る走査線をトレースするか、又はスキャナの視野を走査するか、或いはその両方を行うものとすることができる。走査する光ビームを生成するために、光学的又は光学機械式手段によってレーザービームを動かすことができる。ビームを振らせる（ミラーのような光学素子を動かすことなどにより）か、光源自体を動かすことによって、このような動きを達成することができる。米国特許第５，４８６，９４４号は、電磁作動による反復振動を行うようにミラーが可撓性素子上に取り付けられた走査モジュールについて説明する。Ｋｒｉｃｈｅｖｅｒ他に付与された米国特許第５，１４４，１２０号は、レーザービームの走査を行うために、軸周りで、或いは平面内で繰り返し往復運動をするように駆動装置に取り付けられたレーザー、光学手段、及びセンサ構成要素について説明する。
【０００６】
別の形式のバーコード・スキャナとしては、ビームを動かし又は振らせるために機械的運動を用いるのではなく、光ビームを振らせてバーコード・シンボルを走査するために電子手段を用いるものがある。例えば、規則的な順序で一度に一回作動される、密に間隔をおいて配置された線形配列の光源を、バーコード・シンボルに伝え、単一の光源で走査されたビームを擬態することができる。また、単一の線形配列の光源の代わりに、多数の線形配列を用い、多数の走査線を生成することもできる。このような形式のバーコード読取装置は、Ｍｅｔｌｉｔｓｋｙ他に付与された米国特許第５，２５８，６０５号に開示されている。
【０００７】
バーコード読み取りシステムはまた、シンボルにおいて反射或いは散乱された光を検出するセンサすなわち光検出器を含む。光検出器すなわちセンサは、シンボルにおいて反射或いは散乱された光の一部を捕捉し、検出し、電気信号に変換することを保証する視野を有するように、スキャナ内で光路上に配置される。幾つかの異なる発光ダイオードの配置が、米国特許第５，６３５，７００号、第５，６８２，０２９号、及び第６，２１３，３９９号で説明されている。
逆反射光の集光に関しては、共に引用によりここに組み入れる米国特許第４，８１６，６６１号においてＫｒｉｃｈｅｖｅｒ他により、或いは米国特許第４，４０９，４７０号においてＳｈｅｐａｒｄ他により説明され、また、１９９６年１０月９日に出願された米国特許第６，１１４，７１２号において説明されている、反復的に振動するミラーのような単一の光学部品が、ターゲットの表面を横切ってビームを走査させ、集光された光を検出器へ指向させるものがある。通常、ミラーの表面は、できる限り多くの入射光を受けるように比較的に大きい。ミラーは、小さい検出器の表面に光を合焦させることができるので、検出器は小さなものでよいが、小さな検出器は信号対雑音比を増加させる。
【０００８】
もちろん、低いエネルギー消費及び高い周波数応答のためには、小さい走査素子が好ましい。しかしながら、走査素子が十分に小さくなり過ぎると、走査ミラーの領域を、受け取った光のためのアパーチャとして使用することができなくなる。一つの解決策は、走査されたレーザー・スポットがカバーする全体の領域から光信号を受け取る凝視検出システム（非逆反射システム）である。
非逆反射光集光においては、反射されたレーザー光は、走査のために用いられたものと同じ光学部品によっては集光されない。反対に、検出器は、走査ビームとは独立しており、通常は大きな視野を有するように構成され、反射光は、検出器の表面を横切ってトレースするようになる。回転ミラーのような走査光学部品は、射出光ビームを扱うだけでよいので、該走査光学部品をさらに小さく作ることができる。一方、検出器は、走査される領域における全ての場所からの入射光ビームを受け取るために相対的に大きくなければならない。
【０００９】
電子回路及びソフトウェアが、走査されたシンボルによって表示されたデータのデジタル表示に電気信号を復号する。例えば、光検出器によって生成されたアナログ電気信号を、デジタイザによって、バーとスペースの物理的な幅に対応する幅のパルス幅変調されたデジタル信号に変換することができる。或いは、ソフトウェア復号器によって、アナログ電気信号を直接処理することができる。例として、米国特許第５，５０４，３１８号を参照されたい。
バーコード読み取りシステムの復号過程は、通常、以下のように機能する。センサすなわち光検出器からのアナログ信号は、雑音を取り除き、ダイナミックレンジに適合させ、或いは信号の非均一性を補償するために、回路及び／又はソフトウェアによって、まずフィルターにかけられ、処理される。次に、アナログ信号からサンプルを取り、該サンプルをデジタルデータに変換するために、アナログ・デジタル変換器にかけることができる。例として、引用によりここに組み入れる米国特許第６，１７０，７４９号を参照されたい。代わりに、信号の形をデジタル化するために、アナログ回路を使用することができる。
【００１０】
ミラーとモーターの種々の形状を、望ましい走査パターンでビームを動かすために用いることができる。長い走査線を生成するスキャナは、米国特許第５，６２１，２０３号において説明されている。米国特許第４，２５１，７９８号は、各々の側面に平面ミラーを持つ回転多角体で、各ミラーがシンボルを横切る走査線を掃引するようにするものを開示している。米国特許第４，３８７，２９７号及び第４，４０９，４７０号は、共に、ミラーを取り付けた駆動軸まわりで周方向に交互に、反復的かつ往復動を行うように駆動される平面ミラーを採用している。米国特許第４，８１６，６６０号は、ほぼ凹形のミラー部分とほぼ平面状のミラー部分とで構成されるマルチ・ミラー構造を開示している。マルチ・ミラー構造は、反復的かつ往復動的に、マルチ・ミラー構造が取り付けられている駆動軸のまわりで周方向に交互に駆動される。米国特許第６，２４７，６４７号は、コントローラによって、多数の線、或いは単一の線のいずれかの走査パターンを提供する構成について説明している。上述の全ての米国特許は、引用によりここに組み入れられる。
【００１１】
上述された形式の電気光学的スキャナにおいて、レーザー光源、光学系、ミラー構造、ミラー構造を振動させる駆動装置、光検出器及び対応する信号処理と復号回路の構成要素の実装は、全てがスキャナの寸法と重さを増加させる。長期使用を伴う用途では、大きくて重い手持ち式のスキャナは、ユーザーを疲労させる。スキャナの使用が、疲労又はその他の不便さを生み出すことになれば、ユーザーはスキャナを使いたがらなくなる。スキャナを一貫して使用することを嫌がるような事態になれば、バーコード・システムが意図しているようなデータ集光目的を挫折させることになる。また、ノートブック、携帯用デジタル端末、ポケットベル、携帯電話、その他のポケットサイズの機器のような小型でコンパクトな装置に適合する、互換性があり、コンパクトで、軽量なモジュールの必要性がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、バーコード読取装置開発の当面の目的は、読取装置をできる限り小型化することであり、走査モジュールの寸法と重さを更に減らし、比較的薄くすなわち平らな走査モジュールを提供して、単一の走査線を読取装置に近い寸法まで長くできるようにする必要性が依然として存在する。走査を行うのに必要とされる電力を最小限にするために、可動構成部品の質量をできる限り少なくすべきである。
特定のモジュールを種々の異なる用途において使用できるように、走査エンジンをモジュール化することも望ましい。このような用途のために必要な全ての走査部品を含む、特にコンパクトで軽量なモジュールを開発する必要性が存在する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、モジュールに近接する長い走査線を射出することができるバーコード読取装置において使用するモジュールを提供することである。
本発明の別の目的は、多数の光検出器を有する非逆反射性の走査モジュールを提供することである。
本発明の更に別の目的は、走査線上における位置の関数として光出力を調整する集光光学系を走査モジュール内に設けることである。
関連した目的は、別個の光学部品を用いて、より薄く、小さく、軽量でもある非逆反射性の電子光学的走査モジュールを提供する一方で、少なくとも２０ｍｍ²のコレクタ領域を提供することである。
本発明の更に別の目的は、モジュールの基板を形成するプリント回路基板と共に製造することができる階段形状の形状因子を有するモジュールを生成することである。
【００１４】
本発明のその他の目的、利点及び新規な特徴は、本発明を実施することに加えて、以下の詳細な説明を含む本開示から当業者には明らかであろう。本発明は、好適な実施の形態に関して以下に説明するが、本発明がそれらに制限されないことを理解すべきである。本発明の教示に接する当業者は、ここに開示され、特許請求された本発明の範囲内にあり、本発明が顕著な利用可能性を持つことになる他の分野における更に別の用途、変更及び実施の形態を認識できるであろう。
【００１５】
簡単に、そして一般的な表現をすれば、本発明は、異なる光反射性の部分を有し、走査モジュールから距離をおいたターゲット上にある表示記号を読み取るためのバーコード読取装置において用いられる走査モジュールを提供するものであり、この走査モジュールは、ほぼ平面状の基板と、該基板に直交する平面状の側面とを有する支持体と、支持体に取り付けられた、光ビームを生成するためのレーザー光源と、光源からの光ビームが走査ミラーによって第１光路に沿って支持体に取り付けられた反射ミラーに向けられ、その光ビームが第２光路に沿って走査モジュールの外側へターゲットに向かって指向されるように、光源と間隔をあけて支持体に取り付けられ、配置された走査ミラーとを含む。更に、支持体の側面にほぼ平行な走査パターンで、読まれるべき表示記号を横切って光ビームを動かすように、走査ミラーを動かす駆動装置と、支持体に取り付けられた、ターゲットからの反射光を直接受け取り、その反射光を電気信号に変換するための少なくとも一つのセンサとを含む。
【００１６】
本発明の別の態様によると、光ビームを射出するための光源が取り付けられた光学的走査モジュールと、光ビームを受け取り、走査されるバーコード・シンボルに向けられる走査ビームを、射出された走査ビームがターゲットに向かう途上で横切るモジュールの両側より長くなるようにそこから生成する走査アセンブリとが提供される。
本発明の更に別の態様によると、およそ４２ｍｍ×２４ｍｍ×１１ｍｍの面積を有するほぼ矩形で、階段形状で、平行六面体のモジュールの形状因子をもつ小型の光学的走査モジュールが提供される。第１の実施形態において、大きな方の側面の一つ（すなわち、好ましくは４２ｍｍ×２４ｍｍの側面）上に、光ビームを射出する光源と、光ビームを受け取り、読まれるべき表示記号に向けられる走査ビームをそこから生成する走査アセンブリと、シンボルからの反射光を受け取り、その反射光を検出器に指向させるように配置された光検出器及び集光光学系の少なくとも一つとが取り付けられる。
【００１７】
本発明の特色と考えられる新規な特徴は、請求請求の範囲に特に述べられている。しかしながら、本発明自体は、その構造とその作動方法の両方について、その付加的な目的と利点と共に、以下の具体的な実施の形態の説明を添付の図と関連づけて読むことにより、最もよく理解されるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、バーコード・シンボルを読み取るために、上記の特定された特許及び特許出願において一般的に説明された形式のバーコード読取装置に関する。本明細書及び特許請求の範囲において使用される用語「バーコード・シンボル」は、広く解釈され、交互配置されたバーとスペースから構成されるシンボルのパターンだけではなく、ドット又はマトリックス配列のパターンのような他の図形パターン、及び、手短に言えば、異なる光反射性又は表面特性の部分を有し、コード化された情報に用いられ、ここに開示された形式の装置で読み取られ、復号されることが可能なコントラストのある検出信号特性をもたらす表示記号も含むように意図されている。
【００１９】
好ましい実施の形態として、本発明の実施を、図１に示されるモジュールに類似する、レーザー走査式のバーコード読取装置のモジュールにおいて説明する。図1のモジュール装置は、一般的には、Ｄｖｏｒｋｉｓ他に付与され、ＳｙｍｂｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社に譲渡され、引用によりここに組み入れられる米国特許第５，３６７，１５１号において開示された形式のものであり、また、米国ニューヨーク州ＨｏｌｔｓｖｉｌｌｅのＳｙｍｂｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から部品番号ＳＥ１０００又はＳＥ１２００として商業的に入手可能であるバーコード読取装置の形態にも類似している。代わりに、又はそれに加えて、共にＳｙｍｂｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社に譲渡された、Ｓｗａｒｔｓ他に付与された米国特許第４，３８７，２９７号及び第４，７６０，２４８号、又はＳｈｅｐａｒｄ他に付与された米国特許第４，４０９，４７０号の特徴を、図１に示すバーコード読取装置の構成において使用することが可能である。米国特許第４，７６０，２４８号、第４，３８７，２９７号、及び４，４０９，４７０号は、引用によりここに組み入れる。
【００２０】
図１に示されるモジュール２００は、全体として矩形平行六面体形状の一体のフレーム又はアセンブリ２０１から形成され、前壁２０２、側壁２０３、２０４、好ましくは上部が開放された上面２０５、及び電気部品を取り付けることができるプリント回路基板２０７に囲まれた底面（図示せず）を有し、上面２０５の上をレーザービーム２０６が走査経路２１６に沿って走査される。レーザーダイオード・アセンブリ２０８が、該レーザーダイオード・アセンブリ２０８のアパーチャ２１０を通って射出される光ビーム２０９を生成するようにフレーム２０１上に取り付けられる。光ビーム２０９は、走査ミラー２１１に向けられ、該走査ミラーからアセンブリの前壁２０２に取り付けられた反射ミラー２１３（縁部だけが示されている）に経路２１２に沿って反射され、走査が行われる。次にビームは、反射ミラー２１３から光路２１４に沿って反射ミラー２１５へ反射される。そして、ビームはミラー２１５から反射され、表面２０５の上を、モジュール２００の外側へ、光路２０６に沿ってターゲット２１２の方向に向けられる。
【００２１】
光は、シンボルにおいて散乱又は反射され、後方に光検出器が置かれた集光レンズ２１７、２１８に向けられる。
この図はまた、駆動コイル２２０及び可動ミラーアセンブリ２１９を示しており、該ミラーアセンブリ２１９は、ミラー２１１を支持し、駆動コイルの電流の変化に対応して動く。
レーザーダイオード・アセンブリ２０８を、特定の用途に応じて、連続的「定出力」モード、パルス状のモード、又は異なる出力レベルの変調モードで作動させることができる。レーザーダイオードにモニター用ダイオードを組み合わせた閉ループフィードバック回路を使用して、所定の出力電力レベルにレーザーダイオードを維持する回路を設けることも知られている。
【００２２】
レーザーダイオード２０８に関連する光学サブアセンブリは、用途に応じて、次のレンズ形式の合焦レンズ及び／又は開口絞りを含むことができる。すなわち、球面対称ガラス又はプラスチックレンズ、屈折率勾配型レンズ、フレネルレンズ、二焦点光学レンズ、或いは多焦点光学レンズ、並びに、円筒形の光学素子のような、光軸周りに回転対称及び非回転対称の非球面ガラス又はプラスチックレンズ、レンズの直径自体が機能的にシステムの開口絞りとして働くレンズシステム、或いはフレネル「ゾーンプレート」光学系を含むが、それに制限されることはないホログラム光学素子である。
【００２３】
次に、図２に示される、異なった方向から見た別の実施の形態を参照すると、レーザービームが平面ミラーのような光学素子２１１に向けられるようになっており、該光学素子が動くことによって、モジュール２００の外側のターゲット面に向かう走査ビーム２１６となるようにビームを屈折させる。このビーム２１６は光学サブアセンブリによって合焦され、ミラー２１１に従ってターゲット面上のバーコード・シンボル２２８のバーを通って走査経路２１６に沿って動くスポットを、ターゲット面上に形成する。
光学素子２１１は、交流がコイル２２０に導入されると振動を引き起こすアセンブリ２１９に取り付けられる。その振動は、回転軸Ａまわりの円弧に沿った素子２１１の動きをもたらす。
【００２４】
走査ミラー２１１は、軸のまわりで振動するように取り付けられ、この振動は、永久磁石２２１と駆動電磁コイル２２０との間の相互作用によってもたらされる。適切な駆動信号が、ＰＣＢ２０７及びコイルの電気接点を介してコイルに与えられる。
図１に示される走査モーター駆動装置１２は、例示的なものであり、一次元又は二次元のレーザービームの走査動作を行うあらゆる形式の機械装置と置き換えることができる。例えば、スキャナのモーター駆動装置は、米国特許第５，５８１，０６７号及び第５，３６７，１５１号に開示された形態のいずれを含むこともでき、両特許を引用によりここに組み入れる。このように、静的光学アセンブリを、種々のスキャナの設計において部品として使用することができる。
【００２５】
シンボルから反射された光は、集光レンズ２２２の後方に取り付けられた個別の装置として示される光検出器２２４ａ、２２４ｂ、２２５ａ、２２５ｂにより受けられる。
図１及び図２のサブアセンブリ又は装置を、固定式或いは携帯可能なあらゆる形式のバーコード読取装置において実装することができる。
光検出器の出力信号は、電気的結合４２によってＰＣＢ２０７内の適切な電子部品に伝えられる。
光検出器の焦点深度を増すために、光検出器の前に光マスク用アパーチャを用いることができるが、適切に光検出器自体の領域を特定することによって、アパーチャなしで同じ効果を達成することができる。
【００２６】
別の好適な実施の形態において、走査ミラーを振動させるために用いられるモーター駆動装置の形式は、不平衡ミラーアセンブリを支持するマイラーの板ばねであってもよい。ミラーアセンブリは、永久磁石が振動力を与えるＡＣコイルによって駆動されて撓曲するマイラーの板ばねに取り付けられる。
更に別の形態は、ミラーが、好ましくは非常に小さい寸法の適切な駆動モーターによって直接往復駆動される、米国出願連続番号第０８／５０６，５７４号及び第０８／６３１，３６４号に述べられているような「微小機械加工」ミラーアセンブリである。更に別の形態は、ミラーが、互いに角度をなした複数の面を有する中実体から構成される、米国特許第４，２５１，７９８号の導入部において述べられているような公知の回転多角形状のミラーを使用するものである。中実体が回転すると、多角形の連続する回転面によってビームが走査される。一つの実施の形態においては、以下に更に詳細に説明するように、一次元走査にはマイラーのモーターを使用することができ、二次元走査には（上述の）Ｖ型の緊張バンド素子を用いることができる。
【００２７】
好適なレーザー１８は、従来のスルーホール技術によってＰＣＢに取り付けられた半導体レーザーである。発光ダイオードは、マイラーの板ばねモーターのＡＣコイルのようなＳＭＤデバイス（「表面実装デバイス」）であることが好ましい。このことは、従来技術のスキャナで用いられるような、隔離、手付けはんだ、或いはソケットの必要性を取り除く。典型的には、レーザーは、標準パッケージされたエッジエミッタレーザーである。コストを最小限にするためには、レーザーの合焦は調節可能ではなく、レーザーは、成形部材の一部として成形された肩部と接触する取付けフランジに簡単に取り付けられるようにする。この構成は、レーザーを、成形された合焦レンズ２０に対して十分正確に配置し、安価なスキャナで十分な性能を提供する。合焦レンズが肩部５４と同じ構成部品の一部として成形されるという事実は、不適切な合焦を引き起こすことがある許容誤差の累積を最小限にする。
【００２８】
図面の図２に示されるように、レーザー２０８は、ＰＣＢ２２６内に直接簡単に取り付けられた、下方に延びる導線２２７を有する。これにより、手付けはんだはなくなるが、所望ならば、はんだを用いることができる。
集光光学系２２２上に結像する光が光検出器４０に向けて下方に反射されるように、該集光光学系に反射性のコーティングを施すことができる。また、このコーティングは、発光ダイオードのハウジングとして働く成形部材の部分６２を覆うこともできる。このことは、光学アセンブリをその領域において不透明にさせ、アパーチャ３６及びフィルター３８を経由するもの以外の、あらゆる光が発光ダイオードに達することを防ぐ。
【００２９】
この反射性のコーティングはまた、他の機能を与えることもできる。典型的には、コーティングは、金、アルミニウム、又はクロムのような金属の薄いフィルムである。これのフィルムは導電性である。従って、このフィルムは、光検出器４０に対する電磁妨害シールドとしても働く。発光ダイオードを保護するために表面コーティングを使用することで、通常のＥＭＩシールドを省くことができ、これにより、別個のシールドのコスト及びアセンブリ内にシールドを取り付けるための労力の双方を排除する。
【００３０】
成形部材の突起部６６をＰＣＢ内の小さなソケット６８まで延ばすことによって、コーティングが電気的に接地される。代わりに、突起部６６を、基板内のメッキしたスルーホールに圧入してもよい。
成形部材５２のハウジング部分６２は、光フィルター３８を発光ダイオード４０上部の適所に保持するように働くだけでなく、該発光ダイオードを完全に取り囲み、これにより、迷光が該発光ダイオードに達するのを防ぐ。検出器の視野を制限し、周囲光の耐性を最大化するために、ハウジング内のアパーチャ３６を小さくしてもよい。アパーチャは、コレクター・ミラー２６に対して正確に配置される必要があり、最小限の大きさの視野の使用を可能にする。アパーチャとコレクター・ミラーは単一の部品として成形されるので、アパーチャとコレクター・ミラーの正確な相対的位置は容易に達成される。
【００３１】
不釣合ミラーの使用、すなわち、ミラーアセンブリに釣合錘が設けられていないものは、ミラーが、1秒あたり１００走査より大きい速度で駆動される形態において、特に適切である。不釣合ミラーの場合は、ミラーの可撓性ばねへの取り付け点が、ミラーアセンブリの質量の中心にないので、ミラーが休止している間は、重力が、より大きな質量を有するミラーアセンブリの側に相対的に大きな力を及ぼし、ミラーを重い方の側へ「垂れ」させ、可撓性ばねを引っ張る。もちろん、このような力の影響は、重力の力のベクトルに対するスキャナの配向に依存する。同じ「垂れ」の影響は、ミラーが相対的に低速で走査するときにも存在するので、このような用途においては、釣合のとれたミラーを使用することが好ましい。しかしながら、釣合のとれたミラーは、ミラー又はミラーアセンブリに付加的な質量を加えることを必要とし、そのことは、作動設計重量及び所要電力の観点からは欠点である。
【００３２】
高速作動（すなわち、１秒あたり１００走査より多い）の実施の形態においては、ばねの材料の組成、寸法、形状及び厚さを、所望の共振周波数を達成するように適切に選択することができる。例えば、およそ２００走査／秒での作動に対しては、４ミルの厚さを有するマイラーばねの選択が適切である。４００走査／秒での作動に対しては、およそ３ミルの厚さを有するステンレス鋼のばねが好ましい。
典型的には、従来の単一のレンズ設計を用いる場合、走査線の中間部分からの集光反射光の信号の強度は、走査線の縁部から集光されたものよりずっと強い。本発明の一つの実施の形態は、レンズ列を使用するものである。レンズ列は、２つ以上のレンズを有することができる。列の個別レンズの各々は、走査線の特定部分から信号を集める。各々のレンズの視野（ＦＯＶ）は、重なり合ってもよい。走査線に沿って所望の信号均一性を提供するために、各々のレンズの寸法及び配向を最適化することができる。
【００３３】
図３に示されるように、列の各々のレンズは、個別の検出器を有することができ、個別の検出器は増幅器に接続される。走査線に沿って信号均一性を最適化するために、各々の増幅器の増幅率を調整することができる。
個別のレンズのＦＯＶが重なり合っていない場合には、周囲光を減算することによって、全体のシステムの周囲光に対する耐性を改善させるように、これらのレンズからの信号を互いに結合することができる。例えば、ＡのＦＯＶがＣのＦＯＶと重なり合わない場合には、周囲光は各々のＦＯＶにわたってほぼ均一であると想定し、両者の信号が相殺されるようにすると、レーザー・スポットは両方のＦＯＶにおいて同時には存在しないので、周囲光は減少されるがレーザーの有効な信号分は減少されないようになる。適切な電子回路を用いて信号を逆にすることによって、発光ダイオードの信号の減算をリアルタイムで行うことができる。例えば、ＳＩＧＮＡＬ＝｜Ａ−Ｃ｜＋｜Ｂ−Ｄ｜によって定義される結合を用いることは、周囲光の寄与を減少させることになる。
【００３４】
走査角の関数としての信号均一性は、信頼できるバーコード読取装置の性能のために、大変重要である。集光光学系によって集められた信号の量は、走査角によって実質的に変化することがある。典型的には、信号は、入射ビーム角のコサインの４乗で変化する。このような信号の変化は、スキャナの性能を制限し、或いは、その影響を補償するために複雑な電子部品を必要とする場合がある。
典型的には、走査線の中間部分からの信号の強度は、縁部から集光された光からの信号の強度より、ずっと強い。コレクタ光学部品の設計の一つの実施の形態は、（軸上の）走査線の中間からの強い信号を、（軸外の）走査線の端部からの信号と同様の水準に均等化することによって、信号均一性を向上させることができる。
【００３５】
図４及び図５を参照すると、集光光学系アセンブリにおいて使用するためのレンズ設計を示しており、「軸上光線」によって示されるように、走査線の中間部分からの光線が、ある角度でレンズの第２面に入射する。光線は、全体の内部反射（ＴＩＲ）によってこの面から反射し、第２面の別の部分に再入射し、次に第２のＴＩＲを受け、反射されて該第２面から遠ざかる。「軸外光線」に示されるように、光線の一部はＴＩＲを受けず、この面を通り抜けて検出器に達することができる。しかしながら、正味の結果としては、検出器に達することができる光線の数は減り、その信号は弱くなる。光線が臨界角度より小さい角度で表面に入射する場合には（走査線の縁部からの「軸外光線」を示す図を参照されたい）、その光線は、ＴＩＲを受けずに該面を通過し、検出器に達することができる。
【００３６】
別の実施の形態において、本発明は、反射光を検出し、シンボルに対応する電気信号を生成するためのセンサを提供し、該センサは、ターゲット上のビームスポットの位置に対応する、ターゲットの第１及び第２の部分それぞれからの反射光を受けるように、選択的に作動可能な別個の第１及び第２の部分を含んでいる。
一つの実施の形態において、ターゲットの上部からの戻り光が第１の部分に向けられ、ターゲットの下部からの戻り光が第２の部分に向けられるように、センサが縦方向に配置される。この実施の形態は、ラスター走査ビームのような二次元のターゲットを走査するのに特に適している。
【００３７】
別の実施の形態において、ターゲットの右側からの戻り光が第１の部分に向けられ、ターゲットの左側からの戻り光が第２の部分に向けられるように、センサが横方向に配置される。
この結果、中間部から受けた信号が減少するのに対して、走査線の縁部から受けた信号から集光された光の信号の強さは増加する。
同様の手法は、レンズにより、ある特定の方向（例えば、走査線の中間）からの光がより少なく集光され、他（例えば、走査線の縁部）からの光がより多く集光されるように、集光光学系を設けることである。
【００３８】
図６に示す第２のレンズの設計を参照すると、このレンズの第２面は自由曲面を有し、図に示すように、好適な実施の形態においてこの自由曲面を正弦波形とすることができる。
走査線の中間部の、集光レンズの光学的軸線に沿った光線に対して、レンズは負の力を有し、その結果、光を分散させ、検出器上の光強度を減少させる。走査線の端部からの、ある角度でレンズに入射する光線に対して、レンズは正の力を有し、より多くの光線を集光し、光検知器上の光強度を増加させる。
【００３９】
上述した各々の特徴、或いは２つ又はそれ以上を合わせたものが、上述した形式とは異なる他の形式のスキャナ及びバーコード読取装置において有用な用途を見出すことができることがわかるであろう。
本発明は、電子光学的スキャナの走査モジュールにおいて具体化されるように図示され、説明されているが、様々な修正と構造的変更が本発明の精神と範囲から逸脱することなく可能であるため、示された詳細だけに限定されることは意図されていない。より具体的には、一つの実施の形態に関連して説明された特徴を、当業者に明らかな方法において適切なように、他の実施の形態に組み入れることができることがわかるであろう。
【００４０】
これ以上分析しなくとも、前述したことは、本発明の要旨を十分に示しているであろうから、第三者は、現行の知識を応用することによって、従来技術の観点から見て本発明の一般的な態様又は特定の態様の本質的な特性を十分に構成する特徴を省略することなしに、本発明を種々の用途に容易に適合させることが可能であり、それゆえ、そのような適合は、付属の特許請求の範囲の均等物の意義及び範囲の中に包含されるべきであり、かつ、包含されることを意図するものである。新規なものとして請求し、特許によって保護されることを望むことは、添付の特許請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の好適な実施の形態による光学的アセンブリの斜視図である。
【図２】本発明の第２の好適な実施の形態による光学的アセンブリの部分断面斜視図である。
【図３】本発明の別の実施の形態による光学的アセンブリにおいて、４つの別個の光検出器の使用を示す略図である。
【図４】本発明の一つの実施の形態における集光レンズの作動を示す。
【図５】本発明の一つの実施の形態における集光レンズの作動を示す。
【図６Ａ】本発明の一つの実施の形態における集光レンズを示す。
【図６Ｂ】図６Ａの集光レンズを異なる方向から見た図である。
【符号の説明】
２０６レーザービーム
２０７プリント回路基板
２０８レーザーダイオード・アセンブリ
２０９光ビーム
２１１走査ミラー
２１６走査ビーム
２１２、２１４光路
２１３、２１５反射ミラー
２１７、２１８集光レンズ
２１９可動ミラーアセンブリ
２２０駆動コイル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electro-optical reader or scanning device, such as a bar code symbol reader, and more specifically, a relatively long, single unit located near the reader of a compact bar code reader. The present invention relates to the design of an optical path in a scanning module for use in an application that requires multiple scanning lines.
[0002]
[Prior art]
Electro-optical readers such as bar code symbol readers are now very popular. In general, a barcode symbol consists of one or more rows of light and dark regions, usually in the shape of a rectangle. The width of the dark area or bar and / or the width of the light area or bar encodes the symbol information.
[0003]
Bar code symbol readers illuminate symbols and sense light reflected from regions of light having different reflectivities to detect the width and space of the corresponding region and extract the encoded information. Bar code reading type data input systems improve the efficiency and accuracy of data input in a wide variety of applications. The ease of data entry in these systems facilitates more routine and detailed data entry, such as providing an efficient inventory list and tracking ongoing work. However, in order to realize these advantages, the user or employee must be willing to use the reader consistently. Therefore, the operation of the reader must be simple and convenient.
[0004]
Various scanning devices are known. One form of reader that is particularly advantageous is an optical scanner that scans a beam of light, such as a laser beam, across a symbol. The laser scanner systems and components illustrated in U.S. Pat. Nos. 4,387,297 and 4,760,248, owned by the assignee of the present invention and incorporated herein by reference, generally employ different light. Designed to read hand-held or stationary scanners for display symbols with reflective parts, ie barcode symbols, especially in the Universal Product Code (UPC) format, with a specific operating range and reading distance .
[0005]
In laser beam scanning systems known to those skilled in the art, a single laser light beam is directed along a light path by a lens or other optical component toward a target having a barcode symbol on the surface. Moving beam scanners operate by repeatedly scanning a light beam as a line or a series of lines across a symbol by movement of the light source itself or scanning components such as mirrors placed in the path of the light beam. . The scanning component may sweep the beam spot across the symbol, trace a scan line across the symbol pattern, scan the scanner field of view, or both. The laser beam can be moved by optical or optomechanical means to produce a scanning light beam. Such movement can be achieved by shaking the beam (such as by moving an optical element such as a mirror) or by moving the light source itself. U.S. Pat. No. 5,486,944 describes a scanning module in which a mirror is mounted on a flexible element to provide repetitive vibration by electromagnetic actuation. U.S. Pat. No. 5,144,120 to Krichever et al. Describes a laser, optical mounted on a drive to reciprocate around an axis or in a plane for scanning a laser beam. Means and sensor components will be described.
[0006]
Another type of bar code scanner uses electronic means to scan a bar code symbol by shaking a light beam rather than using mechanical motion to move or shake the beam. . For example, transmitting a closely spaced linear array of light sources operated once in a regular order to a bar code symbol, mimicking a beam scanned with a single light source Can do. Also, instead of a single linear array of light sources, multiple linear arrays can be used to generate multiple scan lines. A bar code reader of this type is disclosed in U.S. Pat. No. 5,258,605 to Metlitsky et al.
[0007]
The barcode reading system also includes a sensor or photodetector that detects light reflected or scattered at the symbol. A photodetector or sensor is placed in the light path within the scanner to have a field of view that ensures that a portion of the light reflected or scattered at the symbol is captured, detected, and converted into an electrical signal. Several different light emitting diode arrangements are described in US Pat. Nos. 5,635,700, 5,682,029, and 6,213,399.
Concentration of retroreflected light is described by Krichever et al. In US Pat. No. 4,816,661, both incorporated herein by reference, or by Shepard et al. In US Pat. No. 4,409,470, and in 1996. A single optical component, such as a repetitively oscillating mirror, described in US Pat. No. 6,114,712, filed Oct. 9, causes the beam to scan across the surface of the target, Some direct the collected light to a detector. Typically, the mirror surface is relatively large to receive as much incident light as possible. The mirror can focus the light on the surface of a small detector, so the detector can be small, but a small detector increases the signal-to-noise ratio.
[0008]
Of course, for low energy consumption and high frequency response, a small scanning element is preferred. However, if the scanning element becomes too small, the area of the scanning mirror cannot be used as an aperture for the received light. One solution is a gaze detection system (non-retroreflective system) that receives an optical signal from the entire area covered by the scanned laser spot.
In non-retroreflected light collection, the reflected laser light is not collected by the same optical components used for scanning. Conversely, the detector is independent of the scanning beam and is usually configured to have a large field of view, and the reflected light will trace across the surface of the detector. Since the scanning optical component such as the rotating mirror only needs to handle the emitted light beam, the scanning optical component can be made smaller. On the other hand, the detector must be relatively large in order to receive the incident light beam from all locations in the scanned area.
[0009]
Electronic circuitry and software decode the electrical signal into a digital representation of the data displayed by the scanned symbols. For example, an analog electrical signal generated by a photodetector can be converted by a digitizer to a pulse width modulated digital signal with a width corresponding to the physical width of the bars and spaces. Alternatively, the analog electrical signal can be directly processed by a software decoder. See, for example, US Pat. No. 5,504,318.
The decoding process of the barcode reading system usually functions as follows. The analog signal from the sensor or photodetector is first filtered and processed by circuitry and / or software to remove noise, adapt to dynamic range, or compensate for signal non-uniformity. The sample can then be taken from the analog signal and subjected to an analog to digital converter to convert the sample to digital data. By way of example, see US Pat. No. 6,170,749, incorporated herein by reference. Alternatively, analog circuitry can be used to digitize the signal shape.
[0010]
Various shapes of mirrors and motors can be used to move the beam in the desired scan pattern. A scanner that produces long scan lines is described in US Pat. No. 5,621,203. U.S. Pat. No. 4,251,798 discloses a rotating polygon having a planar mirror on each side, with each mirror sweeping a scan line across the symbol. U.S. Pat. Nos. 4,387,297 and 4,409,470 both have planar mirrors that are driven in a repetitive and reciprocating manner, alternating circumferentially around a drive shaft with a mirror attached. Adopted. U.S. Pat. No. 4,816,660 discloses a multi-mirror structure composed of a substantially concave mirror portion and a substantially planar mirror portion. The multi-mirror structure is driven alternately in a circumferential direction around a drive shaft on which the multi-mirror structure is mounted in a repetitive and reciprocating manner. U.S. Pat. No. 6,247,647 describes a configuration in which a controller provides a scan pattern of either multiple lines or a single line. All the above-mentioned US patents are incorporated herein by reference.
[0011]
In the electro-optic scanner of the type described above, the implementation of the laser light source, optical system, mirror structure, drive device for vibrating the mirror structure, photodetector and corresponding signal processing and decoding circuit components are all implemented in the scanner. Increase size and weight. For applications involving long-term use, large and heavy handheld scanners can fatigue the user. If the use of the scanner creates fatigue or other inconvenience, the user is reluctant to use the scanner. If you don't want to use the scanner consistently, you will frustrate the data collection purpose that the barcode system is intended for. There is also a need for a compatible, compact and lightweight module that fits small and compact devices such as notebooks, portable digital terminals, pagers, cell phones and other pocket-sized devices. .
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the immediate objective of developing a barcode reader is to make the reader as small as possible, further reducing the size and weight of the scanning module, and providing a relatively thin or flat scanning module. There remains a need to be able to lengthen one scan line to a size close to the reader. To minimize the power required to perform the scan, the mass of the movable component should be as low as possible.
It is also desirable to modularize the scan engine so that a particular module can be used in a variety of different applications. There is a need to develop a particularly compact and lightweight module that includes all the scanning components required for such applications.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a module for use in a bar code reader capable of emitting a long scanning line close to the module.
Another object of the present invention is to provide a non-retroreflective scanning module having a large number of photodetectors.
Yet another object of the present invention is to provide a condensing optical system within the scanning module that adjusts the light output as a function of position on the scanning line.
A related object is to provide a non-retroreflective electro-optic scanning module that uses a separate optical component that is thinner, smaller and lighter, while at least 20 mm. ² Is to provide a collector area.
Yet another object of the present invention is to produce a module having a step-shaped form factor that can be manufactured with a printed circuit board that forms the substrate of the module.
[0014]
Other objects, advantages and novel features of the invention will become apparent to those skilled in the art from this disclosure, including the following detailed description, in addition to practicing the invention. While the present invention is described below with reference to preferred embodiments, it should be understood that the invention is not limited thereto. Those skilled in the art who have access to the teachings of the present invention will find additional uses, modifications in other fields within the scope of the invention disclosed and claimed herein, and which will have significant applicability. And embodiments will be appreciated.
[0015]
Briefly and in general terms, the present invention is used in a barcode reader for reading a display symbol on a target having different light reflective portions and spaced from a scanning module. A scanning module is provided for generating a light beam attached to a support having a substantially planar substrate, a planar side perpendicular to the substrate, and a support. The laser light source and the light beam from the light source are directed by the scanning mirror to the reflecting mirror attached to the support along the first optical path, and the light beam is directed to the target outside the scanning module along the second optical path. And a scanning mirror mounted on and spaced from the light source so as to be directed. In addition, there is a drive that moves the scanning mirror to move the light beam across the display symbol to be read in a scanning pattern that is substantially parallel to the side of the support and reflected light from the target attached to the support. And at least one sensor for receiving directly and converting the reflected light into an electrical signal.
[0016]
According to another aspect of the present invention, an optical scanning module fitted with a light source for emitting a light beam, and a scanned beam directed to a barcode symbol that receives the light beam and is scanned are emitted. A scanning assembly is provided that produces the beam to be longer than both sides of the module that it traverses on its way to the target.
In accordance with yet another aspect of the present invention, a compact optical scanning module is provided having a substantially rectangular, stepped, parallelepiped module form factor having an area of approximately 42 mm × 24 mm × 11 mm. In a first embodiment, a light source emitting a light beam on one of the larger sides (i.e. preferably a 42 mm x 24 mm side) and a scan that receives the light beam and is directed to the display symbol to be read A scanning assembly for generating a beam therefrom and at least one of a photodetector and collection optics arranged to receive the reflected light from the symbol and direct the reflected light to the detector are attached.
[0017]
The novel features believed characteristic of the invention are set forth with particularity in the appended claims. However, the present invention itself, as well as its structure and method of operation, together with its additional objects and advantages, is best understood by reading the following description of specific embodiments in conjunction with the accompanying figures. Will be done.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a bar code reader of the type generally described in the above identified patents and patent applications for reading bar code symbols. The term “barcode symbol” as used herein and in the claims is broadly interpreted and refers not only to patterns of symbols composed of interleaved bars and spaces, but also to patterns of dots or matrix arrays. Other graphic patterns, and in short, have different light reflectivity or surface property parts, are used for coded information, and are read and decoded by devices of the type disclosed herein It is also intended to include display symbols that provide contrasting detection signal characteristics that can be detected.
[0019]
As a preferred embodiment, the implementation of the present invention is described in a laser scanning bar code reader module similar to the module shown in FIG. The modular device of FIG. 1 is generally of the type disclosed in US Pat. No. 5,367,151 granted to Dvorkis et al., Assigned to Symbol Technologies and incorporated herein by reference, It is also similar to the bar code reader configuration that is commercially available as part number SE1000 or SE1200 from Symbol Technologies of Holtsville, New York. Alternatively or in addition, U.S. Pat. Nos. 4,387,297 and 4,760,248 granted to Swarts et al., Or U.S. patent granted to Shepard et al., Both assigned to Symbol Technologies. The features of No. 4,409,470 can be used in the configuration of the barcode reader shown in FIG. U.S. Pat. Nos. 4,760,248, 4,387,297, and 4,409,470 are hereby incorporated by reference.
[0020]
The module 200 shown in FIG. 1 is formed from a unitary frame or assembly 201 of generally rectangular parallelepiped shape, and attaches a front wall 202, side walls 203, 204, preferably a top surface 205 with an open top, and electrical components. A laser beam 206 is scanned along the scan path 216 over the top surface 205, having a bottom surface (not shown) surrounded by a printed circuit board 207. A laser diode assembly 208 is mounted on the frame 201 to generate a light beam 209 that is emitted through the aperture 210 of the laser diode assembly 208. The light beam 209 is directed to the scanning mirror 211 and is reflected along the path 212 from the scanning mirror to a reflecting mirror 213 (only the edges are shown) attached to the front wall 202 of the assembly. Is called. Next, the beam is reflected from the reflection mirror 213 along the optical path 214 to the reflection mirror 215. The beam is then reflected from the mirror 215 and directed over the surface 205 to the outside of the module 200 along the optical path 206 in the direction of the target 212.
[0021]
The light is scattered or reflected at the symbol and is directed to a condenser lens 217, 218 with a photodetector behind it.
This figure also shows the drive coil 220 and the movable mirror assembly 219, which supports the mirror 211 and moves in response to changes in the drive coil current.
The laser diode assembly 208 can be operated in a continuous “constant power” mode, a pulsed mode, or a modulation mode with different power levels, depending on the particular application. It is also known to provide a circuit that maintains a laser diode at a predetermined output power level using a closed loop feedback circuit that combines a laser diode with a monitoring diode.
[0022]
The optical subassembly associated with the laser diode 208 can include a focusing lens and / or aperture stop of the following lens types, depending on the application. That is, rotationally symmetric and non-rotationally symmetric around the optical axis, such as spherically symmetric glass or plastic lenses, refractive index gradient lenses, Fresnel lenses, bifocal optical lenses, or multifocal optical lenses, and cylindrical optical elements Hologram optical elements including, but not limited to, aspheric glass or plastic lenses, lens systems in which the lens diameter itself functionally serves as an aperture stop for the system, or Fresnel “zone plate” optics.
[0023]
Referring now to another embodiment shown in FIG. 2, seen from a different direction, the laser beam is directed to an optical element 211, such as a plane mirror, and the optical element moves. To refract the beam so that it becomes a scanning beam 216 towards the target surface outside the module 200. This beam 216 is focused by the optical subassembly to form a spot on the target surface that moves along the scan path 216 through the bar of the barcode symbol 228 on the target surface according to the mirror 211.
The optical element 211 is attached to an assembly 219 that causes vibration when alternating current is introduced into the coil 220. The vibration causes movement of the element 211 along an arc around the rotation axis A.
[0024]
The scanning mirror 211 is mounted to oscillate about an axis, and this oscillation is caused by the interaction between the permanent magnet 221 and the drive electromagnetic coil 220. Appropriate drive signals are provided to the coil via PCB 207 and the coil electrical contacts.
The scanning motor drive 12 shown in FIG. 1 is exemplary and can be replaced with any type of mechanical device that performs a scanning operation of a one-dimensional or two-dimensional laser beam. For example, a scanner motor drive can include any of the forms disclosed in US Pat. Nos. 5,581,067 and 5,367,151, both of which are incorporated herein by reference. Thus, the static optical assembly can be used as a component in various scanner designs.
[0025]
The light reflected from the symbol is received by photodetectors 224a, 224b, 225a, 225b, shown as separate devices attached to the back of the condenser lens 222.
The subassembly or device of FIGS. 1 and 2 can be implemented in any type of barcode reader that is fixed or portable.
The photodetector output signal is transmitted by electrical coupling 42 to the appropriate electronic components in PCB 207.
To increase the depth of focus of the photodetector, an aperture for the photomask can be used in front of the photodetector, but achieve the same effect without the aperture by appropriately identifying the area of the photodetector itself be able to.
[0026]
In another preferred embodiment, the type of motor drive used to oscillate the scanning mirror may be a Mylar leaf spring that supports the unbalanced mirror assembly. The mirror assembly is attached to a Mylar leaf spring that is bent by a permanent magnet driven by an AC coil that provides a vibrating force.
Yet another form is described in U.S. Application Serial Nos. 08 / 506,574 and 08 / 631,364, where the mirror is directly reciprocated by a suitable drive motor, preferably of very small dimensions. Such as a “micromachined” mirror assembly. Yet another form is a known rotating polygonal shape as described in the introduction of US Pat. No. 4,251,798, in which the mirror is composed of a solid body having a plurality of surfaces angled with respect to each other. The mirror is used. As the solid body rotates, the beam is scanned by a continuous polygonal plane of rotation. In one embodiment, a Mylar motor can be used for one-dimensional scanning and a V-shaped tension band element (described above) is used for two-dimensional scanning, as described in more detail below. be able to.
[0027]
A suitable laser 18 is a semiconductor laser attached to the PCB by conventional through-hole technology. The light emitting diodes are preferably SMD devices ("surface mount devices") such as the AC coil of Mylar leaf spring motor. This eliminates the need for isolation, hand solder, or sockets as used in prior art scanners. Typically, the laser is a standard packaged edge emitter laser. To minimize cost, the focus of the laser is not adjustable and the laser is easily attached to a mounting flange that contacts a shoulder that is molded as part of the molded member. This arrangement places the laser sufficiently accurately with respect to the shaped focusing lens 20 and provides sufficient performance with an inexpensive scanner. The fact that the focusing lens is molded as part of the same component as shoulder 54 minimizes the accumulation of tolerances that can cause inadequate focusing.
[0028]
As shown in FIG. 2 of the drawings, the laser 208 has a downwardly extending lead 227 that is simply mounted directly in the PCB 226. This eliminates hand soldering, but can be used if desired.
A reflective coating can be applied to the condensing optical system so that the light imaged on the condensing optical system 222 is reflected downward toward the photodetector 40. The coating can also cover the part 62 of the molded member that serves as the housing for the light emitting diode. This makes the optical assembly opaque in that region and prevents any light from reaching the light emitting diode except through the aperture 36 and filter 38.
[0029]
This reflective coating can also provide other functions. Typically, the coating is a thin film of metal such as gold, aluminum, or chrome. This film is conductive. Therefore, this film also serves as an electromagnetic interference shield for the photodetector 40. By using a surface coating to protect the light emitting diode, the usual EMI shield can be omitted, thereby eliminating both the cost of a separate shield and the effort to install the shield in the assembly.
[0030]
The coating is electrically grounded by extending the projection 66 of the molded member to a small socket 68 in the PCB. Alternatively, the protrusion 66 may be press-fitted into a plated through hole in the substrate.
The housing portion 62 of the molded member 52 not only serves to hold the light filter 38 in place above the light emitting diode 40, but also completely surrounds the light emitting diode, thereby preventing stray light from reaching the light emitting diode. . In order to limit the field of view of the detector and maximize the tolerance of ambient light, the aperture 36 in the housing may be reduced. The aperture needs to be accurately positioned with respect to the collector mirror 26, allowing the use of a minimally sized field of view. Since the aperture and collector mirror are molded as a single part, the exact relative position of the aperture and collector mirror is easily achieved.
[0031]
The use of unbalanced mirrors, i.e. those where the mirror assembly is not provided with a counterweight, is particularly suitable in configurations where the mirror is driven at a speed greater than 100 scans per second. In the case of an unbalanced mirror, the point of attachment of the mirror to the flexible spring is not in the center of the mirror assembly's mass, so that while the mirror is at rest, gravity is on the side of the mirror assembly with the larger mass. A relatively large force is applied, causing the mirror to “sag” to the heavier side and pulling the flexible spring. Of course, the effect of such forces depends on the orientation of the scanner with respect to the gravity force vector. The same “sagging” effect is present when the mirror scans at a relatively slow speed, so in such applications it is preferable to use a balanced mirror. However, a balanced mirror requires the addition of additional mass to the mirror or mirror assembly, which is a disadvantage in terms of operating design weight and power requirements.
[0032]
In embodiments with high speed operation (ie, more than 100 scans per second), the material composition, size, shape and thickness of the spring can be appropriately selected to achieve the desired resonant frequency. . For example, for operation at approximately 200 scans / second, the selection of a Mylar spring having a thickness of 4 mils is appropriate. For operation at 400 scans / second, a stainless steel spring having a thickness of approximately 3 mils is preferred.
Typically, when using a conventional single lens design, the intensity of the reflected reflected light signal from the middle portion of the scan line is much stronger than that collected from the edge of the scan line. One embodiment of the present invention uses a lens array. The lens array can have two or more lenses. Each individual lens in the column collects signals from a particular portion of the scan line. The field of view (FOV) of each lens may overlap. In order to provide the desired signal uniformity along the scan line, the size and orientation of each lens can be optimized.
[0033]
As shown in FIG. 3, each lens in the row can have a separate detector, which is connected to an amplifier. In order to optimize signal uniformity along the scan line, the gain of each amplifier can be adjusted.
If the FOVs of the individual lenses do not overlap, the signals from these lenses can be combined with each other to improve the tolerance of the overall system to ambient light by subtracting the ambient light. For example, if A's FOV does not overlap with C's FOV, assume that the ambient light is nearly uniform across each FOV, and letting both signals cancel, the laser spot will be in both FOVs. At the same time, the ambient light is reduced, but the useful signal of the laser is not reduced. By reversing the signal using appropriate electronic circuitry, the signal of the light emitting diode can be subtracted in real time. For example, using the coupling defined by SIGNAL = | A−C | + | BD | will reduce the contribution of ambient light.
[0034]
Signal uniformity as a function of scan angle is very important for reliable bar code reader performance. The amount of signal collected by the collection optics can vary substantially with scan angle. Typically, the signal varies with the cosine of the incident beam angle. Such signal changes may limit the performance of the scanner or require complex electronic components to compensate for the effects.
Typically, the signal strength from the middle portion of the scan line is much stronger than the signal strength from the light collected from the edge. One embodiment of the collector optics design is to equalize the strong signal from the middle of the scan line (on-axis) to a level similar to the signal from the end of the scan line (off-axis). Therefore, signal uniformity can be improved.
[0035]
Referring to FIGS. 4 and 5, a lens design for use in a concentrating optics assembly is shown, where the light rays from the middle portion of the scan line are at an angle, as indicated by “on-axis light rays”. Incident on the second surface of the lens. The light beam is reflected from this surface by total internal reflection (TIR), re-enters another part of the second surface, then undergoes a second TIR, is reflected and moves away from the second surface. As shown in “Off-axis rays”, some of the rays are not subject to TIR and can pass through this plane to reach the detector. However, the net result is that the number of rays that can reach the detector is reduced and the signal is weakened. If the ray is incident on the surface at an angle less than the critical angle (see the figure showing "off-axis rays" from the edge of the scan line), the ray passes through the surface without undergoing TIR. And can reach the detector.
[0036]
In another embodiment, the present invention provides a sensor for detecting reflected light and generating an electrical signal corresponding to a symbol, the sensor corresponding to a position of a beam spot on the target. Separate first and second portions are included that are selectively operable to receive reflected light from the first and second portions, respectively.
In one embodiment, the sensors are arranged vertically so that return light from the top of the target is directed to the first portion and return light from the bottom of the target is directed to the second portion. This embodiment is particularly suitable for scanning a two-dimensional target such as a raster scanning beam.
[0037]
In another embodiment, the sensors are arranged laterally so that return light from the right side of the target is directed to the first portion and return light from the left side of the target is directed to the second portion.
As a result, while the signal received from the intermediate portion decreases, the intensity of the light signal collected from the signal received from the edge of the scanning line increases.
A similar approach is that the lens collects less light from one particular direction (eg, the middle of a scan line) and more light from the other (eg, the edge of the scan line). Thus, a condensing optical system is provided.
[0038]
Referring to the design of the second lens shown in FIG. 6, the second surface of this lens has a free-form surface, and as shown in the figure, this free-form surface can be a sinusoidal waveform. .
For light rays along the optical axis of the collecting lens in the middle of the scan line, the lens has a negative force, thereby dispersing the light and reducing the light intensity on the detector. For light rays that are incident on the lens at an angle from the end of the scan line, the lens has a positive force, collecting more light rays and increasing the light intensity on the photodetector.
[0039]
It will be appreciated that each of the features described above, or a combination of two or more, can find useful applications in other types of scanners and bar code readers than those described above.
Although the invention has been illustrated and described as embodied in a scanning module of an electro-optic scanner, various modifications and structural changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. It is not intended to be limited to the details shown. More specifically, it will be appreciated that features described in connection with one embodiment may be incorporated into other embodiments as appropriate in a manner apparent to those skilled in the art.
[0040]
Even without further analysis, the above will fully illustrate the gist of the present invention, so that third parties can apply the current knowledge to view the present invention from a prior art perspective. It is possible to easily adapt the present invention to various applications without omitting features that sufficiently constitute the essential characteristics of the general aspect or specific aspect of the invention. Such adaptations are and are intended to be encompassed within the meaning and scope of equivalents of the appended claims. What is claimed as new and desired to be protected by Letters Patent is set forth in the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an optical assembly according to a first preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view of an optical assembly according to a second preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the use of four separate photodetectors in an optical assembly according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 illustrates the operation of a condenser lens in one embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the operation of a condensing lens in one embodiment of the present invention.
FIG. 6A shows a condensing lens in one embodiment of the present invention.
6B is a diagram of the condenser lens in FIG. 6A as viewed from different directions.
[Explanation of symbols]
206 Laser beam
207 printed circuit board
208 Laser diode assembly
209 Light beam
211 Scanning mirror
216 Scanning beam
212, 214 Optical path
213, 215 Reflective mirror
217, 218 condenser lens
219 Movable mirror assembly
220 Drive coil

Claims

Frame (201);
A light source assembly (208) attached to the frame (201) for emitting a light beam;
A scanning mirror (211) mounted on the frame (201) so as to be capable of reciprocating vibration so as to reflect an incident light beam;
A driving device (220) attached to the frame (201 ) to reciprocally vibrate the scanning mirror (211) and sweep the incident light beam reflected from the mirror;
A scanning module (200) of the apparatus for electro-optically reading the display symbol (228), comprising:
a) The frame (201) has a printed circuit board (207) in a first plane and a second plane having an opening and parallel to the first plane and positioned above the first plane. An upper surface (205) inside,
b ) A pair of upper and lower beam reflecting mirrors (213, 215) is provided, and the upper reflecting mirror (215) is positioned higher than the upper surface (205) on the back side of the frame (201). The reflection mirror (213) attached to the lower side of the frame (201) is attached below the upper surface (205) on the front side of the frame (201) at a position away from the back side of the frame (201). is and, the reflecting mirror is located in the lower (213), has been a light beam (209) reflected from said scanning mirror (211), located in the upper through opening in said top surface (205) It acts to reflect the reflection mirror (215) that is, the reflection mirror is located in said upper (215) is a reflecting mirror positioned in the lower (213 In the reflected light beam from a) above side of said top surface (205), to the outside of the frame (201), characterized in that it acts to reflect toward the indicia to be read (228) Scan module (200) .

The module of claim 1, wherein the light source assembly (208) is mounted on the back side of the module between the top surface (205) and the printed circuit board (207) .

Module according to claim 1 wherein the scanning mirror (211), wherein the between the upper surface (205) and said printed circuit board (207) is a planar mirror mounted on the rear side of the module .

The module according to claim 1, wherein the driving device includes an electromagnetic coil attached to the back side of the module between the top surface (205) and the printed circuit board (207) .

The module according to claim 1, wherein each of the reflecting mirrors is a plane mirror.

A pair of sensors (224a, 224b, 225a, 225b) for detecting light reflected from the display symbol (228) is provided, and the sensors (224a, 224b, 225a, 225b) include the upper surface (205) and the print. The module according to claim 1, wherein the module is attached to the front side of the module between the circuit board and the circuit board .

The module according to claim 6, wherein each sensor includes a pair of condensing lenses.

The module of claim 1, wherein the frame (201) is a substantially parallelepiped.