CN100517366C - 在光电读取器和图像投影仪中监控光束位置的装置 - Google Patents

Abstract

一种在光电读取器、图像投影仪等设备中确定光束位置的装置，包括以扫描频率在目标上移动扫描光束作为扫描线的驱动器，以及操作连接到该驱动器的光电反馈组件，用于在光束移动期间光探测扫描线的位置，并且以扫描频率生成反馈信号，该反馈信号可以指示扫描线的位置。去除了驱动器中的反馈线圈，以避免驱动器中多个线圈之间的电磁耦合。

Description

在光电读取器和图像投影仪中监控光束位置的装置

技术领域

本发明总体上涉及监控扫描光束的光束位置，该扫描光束被用在光电读取器中以读取诸如条形码符号的标记，或者被用在图像投影仪中以显示图像，更具体地说，涉及使用光反馈来确定光束位置。

背景技术

光电读取器在本领域中是众所周知的，用于将图形标记的空间图样(被称为符号)光电转换为时变电信号，然后该信号被解码为数据。典型地，从光源产生的光束由一个透镜沿着朝向包含该符号的目标的光路。该光束沿着一条扫描线或在该符号上以光栅图样排列的一系列扫描线，通过移动扫描镜或位于光路中的某些其它光学部件，或者通过移动光源本身，被重复地扫描。光电探测器检测从该符号散射或反射的光，并生成模拟电信号。电子电路将该模拟信号转换为数字化的信号，其具有与包含该符号的条带和间隔的物理宽度相对应的脉冲宽度，并且解码器将该数字化的信号解码为描述该符号的数据。

光束的重复扫描由一个驱动器来执行，典型地为具有可绕轴振荡的转子的电机。永磁体和扫描镜可以连带地与转子一起振荡。电机由绕在线轴上的驱动器线圈驱动，线轴在物理上被放置得靠近永久磁体。次级或反馈线圈也被绕在同一个线轴上。当转子运动时，磁体的运动在驱动线圈中产生了交变电压驱动信号。在驱动线圈中产生的驱动信号的频率与转子运动的相同，驱动信号的一个周期对应于转子运动的一个周期。驱动线圈中的驱动信号的幅度与转子运动的速度成正比。驱动线圈中的驱动信号的极性与转子的运动方向有关，使得驱动信号的正半周期表示转子在一个驱动方向上运动，而负半周期表示转子在以相反的驱动方向上运动。驱动信号的过零发生在转子到达其在各自扫描线各端的最大行程时。在每次过零时，转子停下片刻，并使驱动方向反转。

反馈线圈可以用于多种目的。由于磁体的运动，它也产生了一个被称为反馈信号的交变电压信号。在反馈线圈中产生的反馈信号的频率和极性对应于驱动信号的频率和极性。通常采用电驱动监控电路来监控反馈信号的幅度，例如，如果幅度下降到低于一个预定的门限则关闭光源，从而表示驱动器失灵。通常也采用电闭环控制电路来处理反馈信号，以决定如何继续驱动电机。通常还采用另一种电路来处理反馈信号的过零以驱动开始扫描(SOS)信号，它表示转子运动并且用来对扫描线进行同步。

虽然使用反馈线圈来监控驱动器故障、驱动驱动器，以及产生SOS信号通常能满足所需目的，但也会带来问题。在驱动器和反馈线圈之间存在不希望的磁耦合。为了去除这种不希望的耦合信号和导致的噪声和失真，必须增加电子器件以主动消除该耦合信号，并且需要滤波来保证控制环路的稳定性。由于滤波引入了相位延迟，SOS信号将不再表示扫描光束的光束点相对于目标符号中的主要条带和间隔的真实位置。该问题在现有技术中通过增加和调节电子器件来解决，以根据所使用的电机类型提前或延迟SOS信号。此外，当反馈线圈被连接到驱动线圈时，有时会产生一种讨厌的蜂鸣声。

除了符号读取器之外的、以光栅图样对一目标重复扫描光束的另一种配置是图像投影仪，用于将图像投影到显示面、例如显示屏上。典型地，一个或多个具有不同波长的可供给能量的激光将其各自的激光束投影到屏幕上，同时振荡驱动器在屏幕上以扫描线扫描光束。在每次扫描期间激光被提供能量和去除能量，从而在屏幕上生成用于观看位映射图像。与读取器中的情形一样，驱动器包括具有反馈和驱动线圈的电机，如上所述，具有交叉耦合信号、额外的硬件、相位延迟以及讨厌的噪音等附带问题。

发明内容

因此，本发明的一个总的目标是在光扫描装置、如光电读取器和图像投影仪中消除电磁反馈。

更具体地说，本发明的一个目标是通过光学装置而不是电磁装置来确定光束位置。

本发明的另一个目标是能够监控驱动器失灵、保证控制环路的稳定性、生成没有相位延迟的SOS信号，并且在这种光扫描装置中消除讨厌的噪音，而不需要使用反馈线圈。

为保持以上目标以及在下文中将描述得更加清楚的其它目标，本发明的一个特征在于，简要地说，在一种用于确定光束位置装置和方法中，使用驱动器以扫描频率在目标上移动扫描光束，作为扫描线，并使用操作连接到所述驱动器的光电反馈装置，用于以光学方式探测扫描线位置，并且以所述扫描频率生成反馈信号，该反馈信号指示扫描线的位置。

该装置可以是光电读取器，在这种情况下所述目标是一个符号，最好是一维或二维符号。该装置也可以是图像投影仪，在这种情况下，所述目标是一个在其上可看到图像的屏幕。在任一种情况下，扫描光束都通过驱动器来移动，所述驱动器例如是带有其上安装了光发射部件以进行共同的振荡运动的转子的单向或双向电机。所述光发射部件可以是光源，如激光二极管，或者是光束路径上的光学部件。最好该部件是安装在转子上的扫描镜，并且可操作用于从那里反射扫描光束。所述电机包括永磁体和驱动线圈，可操作用来在相反的驱动方向使反射镜振荡，从而产生扫描线的光栅图样，所述扫描线以相互正交的扫描方向在目标上延伸。在读取器的情况下，从扫描线导出以及由所述符号散射的一部分光被处理，以读取该符号。在投影仪的情况下，光源在光束沿各个扫描线行进期间被提供能量和去除能量，从而在目标屏幕上创建一个图像。

根据本发明，电机中未缠绕反馈或次级线圈。反馈线圈的上述用途，即监控电机故障、驱动电机、产生SOS信号等，借助于光电反馈装置而不是电磁反馈装置来执行。例如，一个这种光电反馈装置使用了分束器来对扫描光束进行分光，从而形成反馈光束，并且使用了位置敏感驱动器来探测反馈光束的位置。另外一个装置使用了多个光源，用于分别产生扫描光束和反馈光束。

通过使用光反馈，可以实现驱动线圈和电机磁体之间的最大耦合效率，而不需要考虑次级反馈线圈。交叉耦合信号消除电路不是必要的。可能仍需要最小滤波来进行环路控制和带宽限制。提高了电机故障信号的精确性。由光反馈得到的SOS信号没有相位延迟。考虑到变压器到反馈线圈的馈通，电机启动时间不再会被延迟。不存在关于线圈之间的变压器耦合的讨厌噪音。

简单地说，磁反馈信号不是电机位置和速度、以及光束位置的最佳表征。现有技术中的磁反馈信号由于驱动器和反馈线圈之间的信号馈通而被污染。光反馈信号不会被污染得这么厉害并且增强了性能。

附图说明

图1是根据现有技术的用于读取条形码符号的手持式读取器的示意图；

图2是根据现有技术的图1所示细节的框图；

图3是根据本发明的光电反馈装置的第一实施例；

图4是根据本发明的光电反馈装置的第二实施例；

图5是根据本发明的光电反馈装置的第三实施例；

图6是根据本发明的光电反馈装置的第四实施例；

图7是根据本发明的光电反馈装置的第五实施例；

图8是根据本发明的光电反馈装置的第六实施例；

图9是根据本发明的光电反馈装置的第七实施例；

图10是根据本发明的光电反馈装置的第八实施例；

图11是根据本发明的光电反馈装置中所使用的双光圈激光二极管的前视图；

图12是根据本发明的光电反馈装置的透视图，示出了扫描光束和反馈光束的折叠光路；

图13是示出了根据本发明的背投影仪装置的多个实施例的透视图；

图14是图13的分解放大细节图；

图15是根据本发明的另一个实施例的透视图；

图16是安全规则流程的示意图；

图17是根据本发明的光电反馈装置的第九实施例的顶视图；以及

图18是图17的侧视图。

具体实施方式

图1中的附图标记20主要示出了现有技术中的手持式读取器，其用于位于距该读取器一段工作距离范围内的光电读取标记，如条形码符号24。读取器20具有手枪式握把21，以及可手动操作的扳机22，当按压扳机时，可以使光束23被指向符号24。读取器20包括外壳25，在外壳中容纳了光源26、光探测器27、信号处理电路28、以及电池组29。外壳前面的透光窗口30使得光束23能从外壳射出，并允许由符号所散射出的光31进入外壳。键盘32和显示器33可有利地设置在外壳的顶壁上，从而可以方便地访问。

在使用时，操作员手持握把21将外壳对准符号并按下扳机。光源26发出光束，它被光学修正并由光聚焦组件35聚焦，以在符号24上形成一个光束点。光束经过分束器34到达扫描镜36，扫描镜以每秒至少20次扫描的扫描速率被电机驱动器38重复地振荡。扫描镜36将其上的入射光束反射到符号24，并在对符号的扫描中以扫描图样扫射光束点。该扫描图样可以是在符号上以扫描方向纵向延展的扫描线，或者是一系列沿相互正交的方向排列的扫描线，或者是一种全向的图样，仅给出了很少的一些可能方案。

被反射的光31在扫描图样上具有可变的强度，并经过窗口30到达扫描镜36，在这里被反射到分束器34上，并依次被反射到光电探测器27，用于转换成模拟电信号。信号处理电路28对信号进行数字化和解码，以提取出被编码在该符号中的数据。

驱动电机38在图2中更详细地示出，驱动线圈40和反馈线圈42都被缠绕在一个共同的线轴上。信号处理电路28包括一个控制微处理器46，可操作用来将控制信号发送到驱动电路44，该驱动电路依次发送驱动信号到驱动线圈40，以产生与永磁体(未示出)相合的电磁场，并驱动电机38。

如上所解释的，在现有技术中已知，反馈线圈42也与该磁体相合，并产生了与驱动信号的频率相同的电反馈信号，并可用于多种目的。例如，驱动电路44在闭环电路中包括误差比较器，以调节被馈送给驱动线圈的驱动信号的幅度。同样，反馈信号也被用来获取上述的SOS信号，它被馈送给微处理器以对扫描线进行同步。另外，反馈信号被用来监控驱动器故障。

根据本发明的一个特征，建议消除线圈40、42之间的电磁耦合、及由此产生的噪声和信号失真、消除噪声所需的额外硬件、滤波和相位调节、相位延迟，以及讨厌的噪音，全都如上所述。这通过取消反馈线圈来实现，并替代地使用光电反馈来执行先前由反馈线圈完成的功能。

如图3中所示的光电反馈装置的第一实施例，光源26，最好是激光二极管，发射主光束到扫描镜36，它可由驱动电机38以双箭头驱动方向振荡。从扫描镜36被反射的光束被分束器50分光，以形成扫描光束23和反馈光束52。如图1中所示，扫描光束23被指向符号24。反馈光束52被指向一维位置敏感设备(PSD)54，用于以光学方式依次探测反馈光束以及扫描光束的位置。

PSD 54是光敏二极管的线性阵列，一种优选的设备由日本的Hamamatsu Photonic Devices制造，可用的型号为No.S3932或S1300。PSD收集具有不同入射角的入射光，并在其双通道输出端产生两个电信号。这些信号被处理以确定入射光的位置和范围。

除了该实施例可以用于二维扫描之外，图4与图3相类似。来自光源26的主光束48连续从旋转轴相互正交的两个扫描镜36a、36b被反射。从镜36b被反射的光束被分束器50分光，以形成扫描光束23和反馈光束52。反馈光束52被指向二维PSD 56，除了PSD 56包括沿相互正交的行和列排列的光敏二极管阵列之外，它与PSD 54相类似。

图5示出了类似图3的另一个实施例，其中反馈光束52不是通过从主光束48被分离出来而形成的，而是从另一个光源60独立地形成，在这种情况下是发光二极管(LED)。LED 60将其光束指向扫描镜36，该扫描镜的反射形成了反馈光束52，在途中经过透镜58到达PSD 54，以进行光探测。扫描光束和反馈光束具有与镜36的振荡速率相同的频率。LED光最好与PSD的灵敏度相匹配，典型使用的是红外线。

除了该实施例可用于二维扫描之外，图6与图5相类似。当来自光源26的主光束48连续从两个扫描镜36a、36b被反射以形成扫描光束23时，来自LED 60的光在经过透镜62之后，连续从两个相同的扫描镜36a、36b被反射以形成由PSD 56以光学方式探测到的反馈光束52。

除了LED 60将其光指向镜36的后反射面以从那里反射到PSD54之外，图7与图5相类似。除了可用于二维扫描之外，图8与图7相类似。在图8中，来自光源26的主光束48连续从两个扫描镜36a、36b被反射以形成扫描光束23。现在，有两个LED 60a、60b，以及两个一维PSD 54a、54b。来自LED 60a、60b的光被分别指向镜36a、36b的后反射面，以形成由PSD 54a、54b以光学方式探测到的一对反馈光束。

除了光束分离功能被直接引用到扫描镜36中之外，图9示出了与图5相类似的实施例。镜36是部分反射的，以产生扫描光束23，并且是部分透射的，以使得反馈光束52照射到PSD 54上。

除了可用于二维扫描之外，图10与图9相类似。来自光源26的主光束48连续从两个扫描镜36a、36b被反射，以形成扫描光束23。镜36b也被设计为光可透射的，如在图9中所讨论的，在这种情况下，经过镜36b的光形成了由PSD 56以光学方式探测到的反馈光束52。

图11是光源26的前视图，尤其是具有双光圈64、66的激光二极管。扫描光束23从光圈64被射出，反馈光束52从光圈66被射出。因此不需要独立的LED或其它的离散光源。

图12是镜36a、36b的透视图，它们被安装在框架68上以放置在图1的读取器中，并且示出了源自光圈64的扫描光束23的光路，以及源自光圈66的反馈光束52的光路。有孔的二极管免去了分束器和/或独立光源的需求。

光反馈消除了反馈线圈及与其相关联的问题。现在可以实现电机磁体和驱动线圈之间的最大耦合效率。噪声消除电路是不必要的。SOS信号没有相位延迟。反馈光束在一个固定门限下的任何小的振荡都可以作为电机故障指示器。

如上所述，以上光电反馈实施例中的每一个都可用于其它扫描装置中，例如，美国专利第6,655,597号中所举例类型的图像投影仪。如图13中所示，图像投影仪外壳70容纳了一个或多个上述驱动器，每个驱动器都可以操作用来使扫描镜振荡，以在显示面上创建扫描线的光栅图样80，所述显示面如背投屏幕72，具有沿水平扫描方向间隔的框架部分74、76，每个框架部分74、76沿垂直扫描方向纵向延伸。框架部分74、76覆盖在每条扫描线的末端。用于产生扫描光束的光源在沿各扫描线的位置被提供能量或去除能量，以生成由屏幕72上的被照亮和未被照亮的像素组成的位映射图像。

本发明的另一个特征在于，将一对光导管84、86放置在框架部分74、76内，并将一对光敏二极管88、90在导管84、86的末端。每个导管基本上是由合成塑料材料构成的透明固体片，用于传导光。当每条扫描线的末端碰到这些导管时，接收到的光将被传输到光敏二极管88、90并由其进行探测，所述光敏二极管依次产生可用作SOS信号的电信号。该SOS信号是以光学方式而不是以磁性方式得到的，因此不会受到上述电磁耦合问题的影响。这种电信号也能用于探测电机故障。代替两个光敏二极管88、90，一个单个的光电探测器92被放置在中央以寻找从两个框架部分74、76被反射的光。

如在图14的分解视图中更清楚地看到的，屏幕72的左上角被放大显示，多个间隔开的不透明条带94沿每个框架部分被连续地纵向排列。当扫描线的一端入射到不透明条带上时，缺少由光敏二极管88探测到的信号(或者存在由光敏二极管92探测到的信号)的情况被检测出来，这提供了关于扫描光束的垂直位置的信息。这用于在垂直扫描方向上对光栅图样进行线性化，并且也可以用于检测负责垂直扫描的电机的故障。这也被用于精确地将向左和向右的扫描排成一行，以会聚出被投影的图像。在另一种变体中，不透明条带的中心一条被省略，以指示屏幕沿垂直方向的中心。

由于被投影图像使用了激光照明，该装置需要满足FDA规则(CDH和/或IEC)。推荐的方法是设置一个光电探测器，用于从屏幕72感知被反射的照度。

对于内置的屏幕，被反射的照度可以在制造时被校准。如果反射功率发生变化，则表示屏幕已被移走，或者有物体进入到投影仪和屏幕之间。在任一种情况下，可以将激光器关闭，或者可以将激光功率降至低得多的水平。功率减少的装置仍可以用来向用户显示指示，指导他恢复屏幕，从而恢复全功率操作。例如，可以投影“请将你的显示器对准均匀的背景以正常操作！”的消息。

如果该装置在自由投影模式下被使用，如图15中所示，则图像可以被投影到任何表面上。启动时，显示器使用低功率激光输出来扫描该表面。全功率操作只有在检测到完全均匀的反射时才被开启，指示屏幕、墙壁等的存在。而且，如果被感知的背景不是均匀的，则显示器可以指导用户在它可以被开启到全功率之前将该装置对准安全背景。

因此，本发明的另一个方面体现在确定屏幕72是否存在，并且作为响应，修正对光源26的电能供应。光敏二极管96具有几乎与图像投影仪的视区相等的视区，可操作用来监控从屏幕72反射回的激光。屏幕的反射率在其整个表面上应当是均匀的，使得光敏二极管96能够看到反射光的恒定片断。然而，如果屏幕72不存在，或者如果它破了，则光敏二极管96将探测到反射率发生相当大的变化。该信息被用来调节供给激光源的电源98。如果未探测到屏幕，则光源被去除能量，最好是在20毫微秒内，以确保满足安全规则。如果探测到屏幕，则电源98可以增大以得到更亮的显示。

为了估算屏幕上给定点的反射率，不仅要测量被反射的光，而且要计算被反射/发射的光的比率。这可能很难实时做到。同样，在某些点，激光源可能被完全去除能量，无法收集到关于这些点的屏幕反射率的信息。一种可能的解决方案是增加一个额外的红外(不可见)低功率激光，其连续操作用于检测背景，并使得光敏二极管96的光谱响应与该红外激光相匹配。

为了增加反射率，光敏二极管96的视区应该用扫描光束一起被扫描，像在向后反射的读取器中一样。代替具有足够的时间分辨率的光敏二极管，还可以使用光敏传感器阵列(例如电荷耦合设备或互补金属氧化物半导体设备)。这些设备具有同样的目标，即在每一点估算屏幕反射率。而且，还可以使用专用的红外照明装置，如激光器或泛光照明LED。也可以使用无源的远红外传感器阵列。这些传感器对人体热辐射敏感，并被广泛用于安全系统中。如果该阵列的组合视区覆盖了图像投影仪的整个视区，则在该视区中人体的任何部分的存在都能被探测到，即使是在相当大的距离以外。如果探测到人体，则为了安全起见，供给激光二极管的电能被关闭。

满足CDRH要求的另一种方法在图16中被示出。安全规则测量通过距离200mm处的直径7mm的光圈100所接收到的能量。如果三色激光束102、104、106彼此偏离了2°，则三个光束不再同时经过光圈100，允许对同样的CDRH分类的更高的总输出功率。通过调节经由电子延迟的角度误差，图像仍能被正确显示。该方案可以被进一步开发，即通过对相同的颜色使用两个或更多的激光，彼此之间偏离2度，以满足安全要求。

另外一种增加显示亮度而不超过CDRH限度的方法是，将屏幕区域二等分或四等分，等等，不同的图像投影仪在屏幕的不同子部分上进行显示。

图17-18示出了光电反馈装置的另一个实施例，其中扫描镜36被安装在轴108上，由驱动器实现振荡。光源26发出光束48，该光束从镜36的前表面被反射，作为扫描光束。另一个光源110发出另一个光束，它被透镜112聚焦到扫描镜26的后表面上，用于从那里经过同的透镜112被反射，作为反馈光束52，从而由另一个光电探测器114来探测。只要平面镜36与光束48垂直，光电探测器就会产生陡峭的光脉冲。两个连续的脉冲之间的时间对应于转子周期的一半。和前面所述一样，反馈光束52可以用作从电磁反馈线圈获取的反馈信号的功能替代。

所附的权利要求书中给出了新的、希望由专利权保护的权利要求。

Claims (12)

1.一种用于确定光束位置的装置，包括：

以扫描频率在目标上移动扫描光束作为扫描线的驱动器；

用于产生反馈光束的装置；以及

可操作地连接到所述驱动器的光电反馈装置，用于在扫描光束移动期间以光学方式探测扫描线的位置；位置敏感设备，用于以光学方式探测所述反馈光束的位置，从而以所述扫描频率生成反馈信号，其中所述反馈信号指示所述扫描线的位置；以及用于根据所述反馈信号来控制所述驱动器的控制电路。

2.权利要求1所述的装置，其中所述驱动器包括用于将扫描光束反射到所述目标从而从反射镜反射的反射镜，以及用于以相反的驱动方向使所述反射镜振荡从而在所述目标上产生以相互正交的扫描方向延伸的扫描线的光栅图样的电机。

3.权利要求2所述的装置，其中所述目标包括一个标记，从该标记反射的光以光电方式被读取，或者包括一个可看到从其反射的光的屏幕。

4.权利要求3所述的装置，其中所述标记包括一维或二维条形码符号。

5.权利要求2所述的装置，其中所述光电反馈装置包括用于对扫描光束进行分光以形成反馈光束的分束器。

6.权利要求2所述的装置，还包括将主光束指向所述反射镜以从那里反射作为扫描光束的主光源，以及用于产生反馈光束的反馈光源。

7.权利要求6所述的装置，其中所述主光源是激光器，所述反馈光源是发光二极管。

8.权利要求6所述的装置，其中所述主光源和反馈光源是具有两个光圈的激光二极管。

9.权利要求2所述的装置，其中所述电机具有单个线圈。

10.权利要求2所述的装置，其中所述目标是一个屏幕，其具有沿水平扫描方向间隔开的框架部分，每个框架部分沿垂直扫描方向纵向延伸；并且其中所述光电反馈装置包括分别沿所述框架部分延伸并分别覆盖每条扫描线的末端位置的光导管，以及以光学方式检测入射到所述光导管上的扫描光束的反射以生成指示每条扫描线的末端位置的所述反馈信号的光探测器。

11.权利要求10所述的装置，其中光吸收区域沿每个光导管被彼此分开放置。

12.权利要求1所述的装置，其中所述目标是屏幕；其中所述装置还包括被提供电能的、用于产生主光束的光源；用于探测所述屏幕并生成指示探测到所述屏幕的屏幕信号的探测器；以及根据所述屏幕信号增加供给所述光源的电功率的功率控制电路。

Images