CN101263509A - 光电读取器中的激光功率控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光电读取器中的激光功率控制装置。该激光功率控制装置在检测到不符合满足现行安全标准的预定标准的过功率状态时，中断对光电读取器中使用的激光器的供电。

Description

光电读取器中的激光功率控制装置

本申请要求与本申请共同转让的2005年12月12日提交的美国临时专利申请No.60/716304的权益。

技术领域

本发明一般涉及光电读取器，例如用于读取诸如条形码符号的标记的激光扫描器，更具体地说，涉及用于增强安全性的激光功率控制装置。

背景技术

已经研发出多种用于读取例如出现在标签上或物品表面上的条形码符号的标记的光电系统或读取器。条形码符号本身是一种图形标记的编码图案，该编码图案由相互分隔开以限制不同宽度的间隔的一系列不同宽度的条构成，条和间隔具有不同的光反射特性。读取器通过把图形标记的图案光电转换成时变电信号而工作，所述时变电信号被数字化并被解码成与被读取的符号相关的数据。

一般地说，来自激光器的激光束沿着光路被引向在其表面上包括条形码符号的目标。移动束扫描器通过借助扫描部件的运动重复地使激光束沿一条扫描线或一系列扫描线扫过符号来工作，所述扫描部件例如是激光器本身或者设置在激光束的路径中的扫描镜。光学器件把激光束在目标表面上聚焦成束点，并且扫描部件的运动使束点扫过符号，以追踪跨符号的扫描线。扫描部件的运动一般由电驱动电动机来实现。

读取器还包括用于沿着扫描线检测从符号反射或散射的光的传感器或光电检测器。光电检测器或传感器被定位成使其具有确保捕获反射光或散射光的视野，并把后者转换成模拟电信号。

在回射光的采集中，一个光学部件(例如在美国专利No.4816661或No.4409470中描述的可逆振荡镜(reciprocally oscillatorymirror)，通过引用将这两个专利都并入本文)使光束扫过目标表面，并把采集的光引向传感器。在非回射光的采集中，反射的激光不被用于扫描的同一光学部件采集。代替地，传感器独立于扫描光束并具有大的视野。反射的激光可以跨过传感器而循迹前进。

电子控制电路和软件把来自传感器的模拟电信号解码成由已被扫描的符号表示的数据的数字表示。例如，由光电检测器产生的模拟电信号可被数字化器转换成脉宽调制的数字化信号，使所述脉宽对应于条和间隔的物理宽度。另选的是，可以由软件解码器直接处理所述模拟电信号。例如参见美国专利No.5504318。

解码处理通常通过向运行试图将信号解码的软件算法的微处理器施加数字化信号而工作。如果一个符号被成功且完全地解码，则解码处理终止，并向用户提供成功读取的指示(例如绿灯和/或可听到的哔哔声)。否则，微处理器接收下一扫描，并执行解码出符号中编码的数据的二进制表示的另一解码处理，并解码成如此表示的字母数字字符。一旦获得成功的读取，则把二进制数据传送给主计算机以供进一步处理，例如从查找表中进行信息检索。

虽然当激光的输出功率增加时读取性能增强，但是政府规定的安全标准出于人的安全规定了激光的最大功率输出。这些标准中的一些标准要求：即使通常调节激光输出功率的控制电路发生故障时，激光的输出功率也不能超出规定的限制。

例如，在激光器壳体内的监视光电二极管通常用于监视激光输出功率。该监视光电二极管是用于在操作期间维持激光输出功率恒定的反馈电路的一部分。如果监视光电二极管发生故障或者断开与反馈电路的电连接，则反馈信号将丢失，并且反馈电路将可能增加激光输出功率，达到超过规定限制的水平。

另一个例子涉及与激光器串联电连接并通常用于产生激励激光器的驱动电流的驱动晶体管。如果该驱动晶体管发生故障或者断开与激光器的电连接，则激光输出功率可能增加到超过规定限制的水平，这再一次危及用户和旁观者的安全。

发明内容

因而，本发明的总的目的在于控制激光的功率输出以满足安全标准。

本发明的一个附加目的是：在检测到激光输出功率超过预定的安全标准时，将激光器断电。

本发明的另一个目的在于增加安全性而不会对读取器性能带来不利影响。

按照上述目的和从下文可以看出的其它目的，简要地说，本发明的一个特征在于，在用于读取诸如条形码符号的标记的光电读取器中的激光功率控制装置中，通过把激光束从激光器通过由壳体支撑的窗口引向要被读取的标记来读取所述标记。

所述装置包括扫描器，该扫描器用于使激光束扫过大于位于壳体内的过扫描区域之间的窗口的扫描角从而使激光束离开窗口。过功率电路用于检测激光束的输出功率超过预定阈值的过功率状态。所述过功率电路包括位于过扫描区域之一中的过功率部件，该部件用于实现激光束的输出功率的检测。控制电路用于在检测到过功率状态时将激光器断电。

在一个实施例中，过功率部件是一个目标，优选地是粘附于一个过扫描区域的标签，或者是标记在或模制在一个过扫描区域中的结构(feature)。该目标用于将输入到其上的激光束反射到主光电检测器，所述主光电检测器用于检测从标记散射的光。光电检测器产生具有表示激光束的输出功率的振幅的过功率信号。把所述目标安装得远离窗口既不会对从离开壳体的射出激光束引起任何干扰，也不会使由主光电检测器进行的过功率信号的产生干扰其主要任务，即产生表示从标记散射的光的信号。

过功率电路比较过功率信号的振幅和基准值，并且在过功率信号的振幅超过基准值时产生控制信号。该控制信号被传送到微处理器，该微处理器断开串联连接在激光源和电源之间的开关，从而在过功率状态下中断对激光器的供电。供电不必完全中断。减少供电以使激光器返回到输出功率低于规定限制的安全状态就足够了。

在另一个实施例中，主光电检测器比较表示从标记散射的光的信号的振幅和在制造时在校准模式期间记录在微控制器中的最大值。例如，在校准模式期间，可以对着窗口放置一个白色卡片。表示从白色卡片反射的光的信号的最大振幅被存储在微控制器中。此后，在读取期间，如果信号的振幅在预定值之上，例如为存储的最大振幅的50％，则关掉激光器，或者至少减小激光器的功率。

附图说明

图1是根据现有技术的光电读取器的透视图；

图2是示出根据本发明的尤其是在图1的读取器中有用的激光功率控制装置的一个实施例的部分概略的电路示意图；

图3是根据本发明的用于图1的读取器中的激光功率控制装置的另一个实施例的部分概略的电路示意图；

图4是在图3的实施例中使用的过功率测量电路的电路示意图；以及

图5是用于帮助理解图4的电路的操作的一组波形以及示例性目标。

具体实施方式

这里使用的术语“符号”不仅广义地包括通常被称为条形码符号的由交替的不同宽度的条和间隔构成的符号图案，而且还包括其它的一维或二维图形图案以及字母数字字符。通常，术语“符号”适用于任何类型的图案或标记，它们可以用下述方式被辨认或识别：扫描光束，并检测反射光或散射光作为在图案或标记的各个点的光反射率的差异的表示。图1示出作为要被读取的“符号”的一个例子的标记15。

图1示出用于读取符号的手持式激光扫描器装置10。激光扫描器装置10包括具有桶部11和柄12的壳体。虽然图中示出的是手持式手枪形壳体，但本发明也可以用其它类型的壳体(例如台式工作站或固定扫描器)来实现。在所例示的实施例中，壳体的桶部11包括出口或窗口13，射出的激光束14通过该出口或窗口13入射到并扫过位于距壳体一定距离处的条形码符号15。

激光束14跨符号15移动，从而产生扫描图案。一般地说，扫描图案是一维的或线性的，如线16所示。激光束14的该线性扫描运动是由振荡电动机18驱动的振荡扫描镜17产生的。如果需要，可以提供用于使光束14扫过二维扫描图案的装置，以允许读取二维的光学编码符号。手动致动的触发机构(trigger)19或类似装置允许操作者在其握持装置10并将装置10瞄准符号15时启动扫描操作。

扫描器装置10包括安装在壳体内的可激励激光源20。激光源20产生激光束14。主光电检测器21位于壳体内，用于收集从条形码符号15反射和散射的光的至少一部分。如图所示，主光电检测器21面向窗口13，并具有上述的非回射读取器的静态宽视野特性。另选的是，在回射读取器中，扫描镜17的凸部可以把收集的光聚焦在主光电检测器21上，在这种情况下，主光电检测器面向扫描镜。当光束14扫射符号15时，主光电检测器21检测从符号15反射和散射的光，并产生与收集的光的强度成比例的模拟电信号。

数字化器(未示出)通常把模拟信号转换成脉宽调制的数字信号，使脉宽和/或间距对应于被扫描符号15的条和间隔的物理宽度。通常包括具有相关联的RAM和ROM的编程微处理器的解码器(未示出)按照特定的符号体系(symbology)对脉宽调制的数字信号进行解码，以得出编码在符号中的数据的二进制表示以及符号所代表的字母数字字符。

激光源20引导激光束通过包括聚焦透镜22和孔径光阑23的光学组件，以便调节激光束并把激光束引导到扫描镜17上。扫描镜17被安装在一立轴上并由电动机驱动器18使其关于一垂直轴线进行振荡，扫描镜17反射光束并引导其通过出口13到达符号15。

为了操作扫描器装置10，操作者按下触发机构19，触发机构19启动激光源20和电动机18。激光源20产生通过部件22和孔径23的组合的激光束。部件22和孔径23调节激光束，从而产生给定尺寸的强束点，该尺寸持续延伸并在工作距离的范围24内基本上不变。所述部件和孔径的组合把光束引导到旋转镜17上，旋转镜17把调节过的激光束从扫描器壳体11引向外部，并以扫射图案(即沿着扫描线16)引向条形码符号15。被置于工作距离24内的任何点处并且基本上垂直于激光束14的条形码符号15反射和散射激光的一部分。示出为被安装在扫描器壳体11中的非回射位置处的主光电检测器21检测反射光和散射光，并把接收的光转换成模拟电信号。主光电检测器还可被安装在面向扫描镜17的回射位置处。然后，系统电路把模拟信号转换成脉宽调制的数字信号，基于微处理器的解码器按照条形码符号体系规则对该数字信号进行解码。

如图2所示，激光源20包括位于激光源内的激光二极管25和监视光电二极管26。监视光电二极管26用于监视二极管25的输出功率。光电二极管26是用于维持激光输出功率恒定的反馈电路的一部分。该反馈电路包括比较器27，比较器27具有通过由电阻器28、29构成的分压器而施加于比较器的正输入端的基准电压。光电二极管26通过包括电阻器30、31的电阻网络而连接到比较器的负输入端。比较器27的输出通过电阻器32和电容器34被传递到场效应晶体管(FET)33的栅极G。FET 33的漏极输出被连接到激光二极管25。器件33的源极输出通过电阻器35而接地。

如迄今所描述的那样，图2的电路是常规之处在于：内部监视光电二极管26检测由激光二极管25发出的激光束的输出功率的改变，并向用于驱动FET 33的比较器27发送反馈信号，以允许更多或更少的电流通过电阻器35，并进而通过激光二极管25。该电流越大，激光输出功率越大，反之亦然。

激光二极管25由电源40供电，电源40包括用于产生激励激光二极管25的驱动电流的驱动晶体管。即使驱动晶体管、或者监视光电二极管26、或者电源或关于监视光电二极管的反馈电路中的任何电气部件发生故障或者断开了电连接，通过激光功率控制装置仍然能够获得规定的安全性限制，所述激光功率控制装置根据本发明监视激光二极管25的输出功率，并且在被监视的输出功率超过预定阈值时将激光二极管25断电。

在图2中，主光电检测器21接收从符号15散射的光，并产生振幅与接收的光的强度成比例的电返回信号。这个返回信号被馈送到对符号进行解码的微控制器44。

在制造时在校准模式期间，对着窗口13放置一白色卡片，该卡片用于将入射到该白色卡片上的基本上全部的激光反射回光电检测器21，光电检测器21进而产生具有最大振幅的返回信号。该最大振幅或者校准值被存储在与微控制器相关联的存储器36中。

在读取期间，将由光电检测器21产生的返回信号的振幅与存储的校准值进行比较。如果返回信号的振幅例如超过校准值的50％，则这表示过功率状态，并且中断或者减小对激光器的供电。微控制器产生控制信号，该控制信号打开电连接在电源40和激光源20之间的通常闭合的开关39，由此中断对激光源的供电。开关39也可以是继电器或双极晶体管或场效应晶体管，在此情况下，减少对激光源的供电便足够了。

在图3中，示出了上述的扫描镜17，其由驱动电动机18沿双头箭头指示的相反的圆周方向振荡，以便通过出射窗口13以一扫描角扫射激光束14，如图3所示，窗口13被示出为安装在壳体11上的透光部件。如所示出的，扫描角宽于窗口13的宽度，的确，这是故意安排的，以便使激光束跨窗口13在壳体的一个过扫描区域11A和另一个过扫描区域11B之间行进。这些过扫描区域在壳体内位于窗口的相对侧，并且激光束14被过扫描区域阻挡而无法射出壳体。

在图3的实施例中，其中与图2中的部件相似的部件用相似的附图标记标识，已存在于读取器中的用于检测从符号15反射的光的主光电检测器21被用于检测过功率状态。为了使用主光电检测器21检测过功率状态而不干扰其检测从符号反射的光和通过窗口13的光的主要功能，将目标38置于过扫描区域11A、11B中的至少一个中。目标38被布置成将入射的激光束14反射到主光电检测器21，但仅当激光束14不通过窗口13时才这样做。目标38可以为粘附于过扫描区域之一的内表面的标签的形式，或者可以是被标记在或模制在所述内表面中的结构。

过功率检测电路37用于检测由主光电检测器21产生的电信号的振幅何时超过由管制部门规定的阈值，并在检测到过功率状态时产生要被传送到微控制器44以打开开关39的过功率信号。该检测电路只在光束14入射过扫描区域中的目标38期间才工作。

即使存在也入射到主光电检测器21上的亮的环境光(诸如太阳光)，对过功率状态的检测也必须是可靠的。为了使读取器对环境光较不敏感，如图5所示，目标38由交替的较亮区域和较暗区域所形成的图案构成，或者由黑色条41和白色间隔43所形成的图案构成，这在外观上和条形码符号15类似。但是，对于该应用，不需要一个以上的间隔43和条41。当光束14扫过目标38的较亮区域和较暗区域时，通过过功率检测电路37来确定反射光的强度差，进而确定由主光电检测器21产生的电信号的振幅差。该差值仅仅取决于激光输出功率，而不取决于环境光，从而亮的环境光将不会引起对过功率状态的误确定。

如图4所示，主光电检测器21被电连接到常规的前置放大级45，进而被电连接到常规的读取器电子电路42，如常规地用来读取符号15的电路，除了别的以外，读取器电子电路42包括附加增益级、滤波级、数字化器、解码器和自动增益控制电路。图5示出点A处的电压波形V_A，其中放大的电压信号在亮区域43内具有最大振幅。

包括电阻器R和电容器C的微分器47被连接到电压比较器50的负输入端，电压比较器50的正输入端被连接到基准电压V_REF2。图5示出点B处的电压波形V_B，其中微分电压信号的峰值对应于亮区域和暗区域之间的转变。比较器50用于比较微分电压信号的振幅和基准电压V_REF2。如图5所示，如果微分电压信号的振幅超过基准电压V_REF2，则比较器50将跳开(trip)并在点C处产生一个脉冲或输出控制信号V_C。控制信号V_C被传送到微控制器44，微控制器44进而启动开关39，以中断对激光源的供电。

为了确保图4的电路不会被读取器视野内的亮的或高反射率的物体(这些物体即使在激光输出功率处于规定的安全标准之内也可能产生大振幅的强峰值)所欺骗，仅当已知光束14处于壳体的过扫描区域11A和11B之一并且光束14不能入射到读取器壳体外部的任何高反射率物体时，微控制器才接受输出控制信号V_C。

为了降低成本和简化电路，微控制器44可以设置有片上模数转换器，该模数转换器监视点B处的微分电压信号并确定该信号的振幅是否增加到足以表示需要将激光器断电的过功率状态。这种修改允许去除比较器50。

在另一种变体中，可以用数字门代替比较器50。门的阈值电压的良定义性通常比可以用比较器获得的阈值电压的良定义性要差，但是如果在读取器中存在足够的裕度，即，正常的激光输出功率和必须将激光器断电的故障功率之间的差，则门是可以接受的。

在所附权利要求中阐述了新提出并希望受专利证书保护的内容。

Claims (11)

1、一种在用于以光电方式读取标记的读取器中的激光功率控制装置，包括：

a)可激励激光器，用于向所述标记发射激光束以使激光束从所述标记反射；

b)光电检测器，用于检测在读取模式期间由所述标记反射的光，并用于产生具有一读取振幅的电信号，所述读取振幅表示由所述光电检测器检测到的光；

c)微控制器，用于比较所述读取振幅和最大振幅，并用于在所述读取振幅与最大振幅相差了预定量时产生控制信号；以及

d)用于在产生了所述控制信号时将所述激光器断电的电路。

2、如权利要求1所述的装置，其中所述光电检测器用于在读取模式之前的校准模式期间检测由光反射源反射的光，并用于产生具有最大振幅的电信号。

3、如权利要求2所述的装置，其中所述微控制器具有存储器，在所述存储器中存储有所述最大振幅。

4、如权利要求2所述的装置，其中所述光反射源是白色薄片。

5、如权利要求1所述的装置，其中当所述读取振幅超过所述最大振幅的预定部分时产生所述控制信号。

6、如权利要求1所述的装置，其中断电电路包括开关，该开关具有使所述开关连接到所述激光器的一种状态以及使所述开关与所述激光器的电连接断开的另一种状态。

7、一种激光功率控制方法，包括以下步骤：

a)在校准模式期间，为激光器通电以使其向光反射源发射激光束从而使激光束从所述光反射源反射；

b)在校准模式期间检测由所述源反射的光，并产生具有最大振幅的电信号，所述最大振幅表示在校准模式期间检测到的光；

c)在读取模式期间，为所述激光器通电以使其向要以光电方式读取的标记发射激光束从而使激光束从所述标记反射；

d)在读取模式期间检测由所述标记反射的光，并产生具有一读取振幅的电信号，所述读取振幅表示在读取模式期间检测到的光；

e)比较所述读取振幅和所述最大振幅，并且当所述读取振幅与所述最大振幅相差了预定量时产生控制信号；以及

f) 在产生了所述控制信号时将所述激光器断电。

8、如权利要求7所述的方法，还包括存储所述最大振幅的步骤。

9、如权利要求7所述的方法，其中当所述读取振幅超过所述最大振幅的预定部分时产生所述控制信号。

10、如权利要求7所述的方法，其中所述断电步骤是通过断开与所述激光器相连的开关而执行的。

11、如权利要求7所述的方法，其中在所述读取模式之前执行所述校准模式。

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