CN1080404A - 利用微光学元件的小型激光二极管聚焦组件 - Google Patents

Abstract

一小型发射和聚焦组件。该聚焦组件包括一如 激光二极管的小型光发射器及一安装于一透镜支座 中的微光学元件。该微光学元件为4毫米或更小，且 最好小于或等于2.5毫米，其可为小的常规透镜、梯 度折射率透镜或几种衍射光学元件之一，该组件的焦 距通过沿其轴相对该光发射器移动透镜支座并在调 焦后永久地固定其位置确定。在调焦过程中，通过一 系列槽和键防止该支座与光发射器的相对转动。该 小型组件更小、更轻、更便宜并且可提供较大的相对 孔径。

Description

本发明涉及组合在一起的光发射器和聚焦元件的组件。这种组件，例如可用于扫描器或类似装置中用来读取如条形码的光学编码信息。

一激光二极管和聚焦组件典型地包括一激光二极管，至少一个用于聚焦来自该激光二极管的光的透镜元件及用来将该透镜元件固定在距该激光二极管要求距离处以将来自激光二极管的光聚焦在该组件前一预定距离点上的装置。例如，Krichever等人在他们的4，923，281号美国专利中教导过，将一发射和聚焦组件的两个支持部件顶着一置于激光二极管和透镜组之间的偏置弹簧的力套装以调节对该组件发射的光的聚焦。一支持部件连接于激光二极管，而另一支持部件支持着用于聚焦来自该激光二极管的光的透镜组。该第二个支持部件还提供一个椭圆孔用于让光穿过透镜。一系列槽和键部件阻止圆柱形支持部件间的轴向转动。

激光二极管和聚焦组件可以在许多光发射装置中找到应用。例如这样一个组件可被用于一光指示器中，使讲演者在讲座过程中可在一屏幕或展示板上产生一聚焦的可见光束点以指出一特定特征加以强调。在该组件的这类应用中，该组件越大，则使用其的装置亦越大越重。该装置的大的尺寸和重量使得其使用起来不便和累人，特别是对于较长时间的使用。

该激光二极管及聚焦组件目前较好的应用是用作用于读取如条形码符号的光学编码信息的装置的光发射部件。为了进一步强调有关已有技术组件结构的问题，这些问题将在有关条形码读取器的上下文中讨论。

条形码读取器已变得非常普及，因为条形码读取型数据输入系统在很多应用场合中改善了数据输入的效率和精度。这种系统中数据输入的简易性，促进了更频繁和详尽的数据输入，例如提供有效的库存清单、工作进展记录等。然而，为获得这些优点，使用者或雇员必须很愿意经常使用条形码读取器。因此条形码读取器必须容易和便于使用并且在长时间使用中必须产生较小的或不产生疲劳和不舒服。

为了解码一条形码符号并获得一合法信息，条形码读取器扫描条形码符号以产生一个代表所扫描符号的模拟电信号。已知有各种各样的扫描装置。扫描器可以是一棒式读取器，其包括固定在棒内的发射器和检测器，在这种情况下使用者手工地将棒移过条形码符号。在另一种形式中，一个光学扫描器将一束如激光束这样的光束扫描条形码符号，而一个光检测器则检测从条形码符号上反射的光。不论在哪种情况下，光检测器检测来自扫过条形码符号的一个点的反射光，并提供代表编码信息的模拟扫描信号。

在棒状读取器和大多数扫描器中，光源或发射器产生一光学调整的光束以在工作距离处形成一定大小的束斑且该光束射向置于工作距离附近位置的条形码符号以 从该符号产生反射。在该取器中使用了一个激光器作为发射器，发射器和光学聚焦部件都可是如前所描述过的单一激光器及聚焦组件的部件。

棒状读取器是手持使用的。在条形码扫描器的很多特定的应用中，要求将光学扫描器也安装在手持的或固定在手上的单中以便于使用者将扫描器指向目标及扣动扳机启动扫过条形码的光束扫描。在这样的手持读取器中，发射器、光学聚焦部件以及它们的外壳在重量和体积上将占一个相当大的比例。如果发射和聚焦组件是大的和重的，那么手持式条形码读取器也将是大的和重的。因此，使用将是不方便的，如果长时间使用，会使用户感到很疲劳。在使用中的不方便和不舒服，将会令使用者对使用条形码数据输入系统的读取器失去兴趣。对经常使用读取器的抵触将使条形码数据输入的目的和优点失败。

在1988年5月11日递交的第07/193，265号普通转让申请中，公开了一种无镜光学扫描器，而在1991年5月13日递交的07/699，417号专利申请中公开了将这种扫描器组装于一模块式扫描器元件系统中以利于在各种不同的外壳形状中使用该扫描器。几种公开的扫描器分别可安装在使用者的胳膊或手上。在1991年11月4日递交的07/787，458号普通转让申请中，公开了一种为用于一戒指安装型外壳的扫描器模块，这种外壳使得使用者可将扫描器戴在一个手指上。这三件公开的专利申请，在这里作 为一个整体引作参考。要使扫描器能戴在手上、胳膊上或手指上可实现，则这样的扫描器中的光发射器和光学组件一定是非常小的。通常的一个直径为9.0mm的模块封装，对于这样的扫描器来说是太大了。

此外，在很多光学扫描器，激光束在发射和聚焦组件附近被扫描镜反射回来，为了防止发射聚焦组件的结构阻碍和干扰反射光的光路，要求该组件设置在低于反射光路的某一点处。该组件越大，其低于反射光光路的距离越大。这一大的距离导致从激光发射器到扫描镜间大的入射角。然而，一大的入射角将在相应的跨越信息表面的扫描线中引起弯曲畸变。这种畸变复杂化或阻碍对截短的条形码符号或二维符号的读取。

典型地，已有的以激光器为基础的条形码读取器使用一直径为9.0毫米的传统模块封装的激光二极管。然而，使用于这种模块中的较大的激光二极管比较小的激光二极管更贵。

因此，有必要进一步减小光发射和聚焦组件的尺寸、重量和成本以用于条形码读取器和其它需要发射光束的装置中。

本发明的一个目的即在于减小光发射和聚焦组件的尺寸和重量。

本发明的另一个目的在于克服在聚焦过程中发射和聚焦组件中微透镜和小的激光二极管之间的相对转动。

从较宽的方面说，本发明是一个用于聚焦从一如激光二极管的光源发射的发散光束的小型组件。为获得重 量和尺寸的减小，本发明使了一个特别小的激光二极管和一个微光学元件。

为了说明的目的，术语“微光学部件”和“微光学元件”包括4毫米或更小的，且最好小于或等于2.5毫米的小型常规透镜、梯度折射率透镜以及如全息光学元件和二进制光学元件的衍射光学元件。因此，微光学元件可以是小直径的常规透镜或一梯度折射率透镜，即由一种材料形成的平板结构以使在沿着透镜平面不同的点具有不同的折射系数的透镜。另外，微光学元件可以是一菲涅尔透镜、一二进制光学透镜或一多级二进制光学透镜，其中的任一种都可通过平版印刷处理形成。

制造者通过沿着激光二极管中心轴相对于激光二极管滑动透镜座而可调整地聚焦来自激光二极管的光。在调焦过程中，通过一系列的槽和键部件防止透镜支座之间以及其和组件基板之间的轴向转动。一旦被正确聚焦，透镜支座即相对激光二极管被永久地粘接定位。典型地，透镜直径是4毫米或更小，如2.5毫米，然而，将来较佳的实施例将使用更小直径的透镜。

在一个实施例中，聚焦组件包括一个小尺寸的激光二极管、一个二极管支座、一个弹簧以及一个封装在一透镜支座中的微透镜。作为一种变化，透镜支座的背面可以与二极管的前部吻合，而二极管支座和弹簧可以被一个弹簧皱纹管或一个弹性导热橡胶环代替。

一弹性挡环将透镜保持在一成型于透镜座前部的座或凹槽内。即使在调焦后，该弹性挡环也可以被拿开， 以在透镜支座内重新调整透镜的位置或清洁透镜。作为一种变化，透镜支座在透镜座前部有一唇部折压在微光学透镜的边缘上以将该透镜永久地挤压在支座上的恰当位置上。

透镜支座的背面还包括一个小开口，经由该开口激光在进入透镜前可通过。该小开口作为该组件的孔径。此结构的一个结果是，该小孔在透镜后面，而不是如Krichever等人的专利中一样在透镜前面。该小孔可具有多种不同的几何形状。该小孔可以是圆形的或包括一矩形缝。同样，该小孔可以是椭圆形或可具有一橄榄球形。为生产一个具有要求小孔形状和大小的组件，只需要在组装该组件前选择一个具有要求的小孔的透镜支座。如果该小孔是矩形，椭圆形或橄榄球形的，其长的或“主”轴被设置为与所发射的激光束的椭圆截面的长轴相平行。

该小型发射和聚焦组件显示了更进一步的优点。例如，该小型组件可提供一个比目前在固体激光扫描器中使用的普通结构大的相对孔径。

在典型的光扫描器中，激光束在发射和聚焦组件附近被扫描镜反射回来。由于本发明提供的发射和聚焦组件尺寸的减小，允许将该组件设置在更接近扫描镜光轴的位置而该组件的结构不会干扰反射光束。这种设置减小了激光束与扫描镜的入射角。较小的入射角减小了在条形码符号上的扫描线内的弯曲畸变。小的弯曲畸变使本发明的聚焦组件可用来读取截短的条形码及二维符号。

该发射和微光学聚焦组件具有很简单的结构并对极小的扫描单元可被优化。发射和聚焦组件尺寸和重量的减小是使一激光二极管聚焦组件实际应用于戒指型扫描器或棒式读取器中的必要条件，如上所述。同样，将小孔作为透镜支座的一部分提供使得可以选择小孔的尺寸和形状最好地符合特定的扫描应用。

应该进一步注意到在一小型封装（直径小于等于5.6毫米）中的激光二极管典型地比普通封装（直径等于9.0毫米）中的激光二极管要便宜，该普通封装的激光二极管用于已有的激光器型条形码读取器中。因此，将该小型聚焦组件应用到不同的使用聚激光束的装置中具有明显的性能和价格的优越性。

虽然主要为了用于棒式或扫描器型条形码读取器，该微光学聚焦组件还具有其它用途。例如，该装置可用于一光指示器，使得讲演者在讲演过程中可在屏幕或展示板上产生一聚焦的可见光束斑以指出一特殊特征加以强调。

本发明的其它目的，优点和新的特征将在下面的描述中给出，并且对本领域的技术人员通过研究下面的说明，这些优点和特征将很明显。

附图的简单说明：

图1A到1C为显示本发明第一个实施例的小型聚焦组件的结构的不同的视图。

图2A到2E显示了可用于本发明不同实施例中作为聚焦元件的五种不同的微光学透镜的剖面图。

图3为显示本发明第二个实施例的小型聚焦组件的结构的剖面图。

图4为显示本发明第三个实施例的小型聚焦组件结构的剖面图。

图5为显示利用一变化的透镜保持结构的透镜支座的剖面图。

图6A到6D是沿图5中A-A线的剖面图，用于显示可提供于透镜支座上的不同的小孔形状。

如图1B剖面图所示，第一实施例的小型聚焦组件包括一小尺寸激光二极管1，其可在市场上买到，例如型号为SONY    SLD1101VS及TOSHIBA    TOLD9211M。该第一实施例的小型聚焦组件的其余部件安装在该小尺寸激光二极管1的基座10上。在该实施例中，该激光二极管1的基座10被封装在激光器支座11中，该支座典型地由黄铜制成。该激光器支座11的黄铜将作为散热片散去由激光二极管1产生的热。

一弹性挡环17将一微光学单元12保持在成形于透镜支座13前部的透镜座中。典型地，该透镜支座13是黄铜的，而该弹性挡环17是不锈钢的。即使在调焦后，该弹性挡环也可被移开，以在支座内再调整透镜的位置或清洁透镜。如下讨论的，该微光学元件可是一常规形状的透镜，一梯度折射率透镜或不同类型的衍射光学元件中的一种。

透镜支座13的背面包括一小开口14，经由该开 口来自激光二极管1的光在进入微光学单元12之前通过。该小开口14作为该组件的孔径。如图1B所示，该小孔14在微光学元件的后面。

一弹簧15环绕激光二极管1的前端部5并置于二极管1的基座10和透镜支座13的后面之间。弹簧15在二极管基座10和透镜支座13之间提供一分离的力以使支座13被相对于二极管1被推向前。

透镜支座13的外径比激光二极管支座11的前端部内径稍小。因此该二支座套装在一起使得组件的长度可调。相对于激光二极管支座11滑动或伸缩透镜支座13即相对激光二极管1改变微光学元件的位置，并由此调整组件的聚焦性能。在调焦过程中，当透镜支座13向后滑向激光二极管1的基座10时，弹簧15收缩。

一个槽或键槽10a成型在激光二极管1的基座10上。该槽或键槽10a与地线9相准直（如图1A所示），并与激光二极管椭圆的发射图形的长轴相准直。槽或键槽11a成型于激光二极管支座11上并与二极管基座10上的槽10a相准直（如图1A、1B所示）。槽或键槽13a也成型于透镜支座13的前表面上，如图1C所示。在实际调焦的过程中，该聚焦组件被夹持于一具有键或卡头部件的支架上，各键或卡头嵌入各槽或键槽。该机械嵌入防止在滑移各元件的过程中各元件相对转动。

一旦获得要求的聚焦，该二支座即通过利用如粘合剂或环氧树脂的粘合物，或通过如铆钉、点焊、超声波 焊或类似的固定方法相互永久地固定。激光二极管1还具有一个或更多的槽19成型于基座10上。各槽19在基座10和激光二极管支座11的环绕部分之间形成一小通道。当利用粘合物固定支座11和13的位置关系时，该粘合物将通过激光二极管1的基座10上的角形缺槽19被注入。也可以利用角形缺槽19以及槽或键槽10a，在调焦的过程中进一步防止激光二极管的转动运动。

图2A到2E显示了在图1A到1C的实施例以及在下面将讨论的图3和图4的实施例中用作聚焦元件的不同例子的微光学透镜元件。图2A显示了一小型常规透镜或“微透镜”12a，其为4毫米或更小。该微透镜12a具有一平面后表面和一凸的前表面。微透镜12a的材料的折射率n在整个透镜内为常数，然而，由于其形状，该透镜将通过其的光线聚焦。在试验过程中使用的一个有市售的例子具有2.5毫米的外径，但在可行范围的更小的透镜更好。

然而，小的常规透镜具有缺点。每个这种透镜必须被磨削和磨光以修正其形状。这种加工过程使这种类型的小透镜很贵，并且实际上形成比2.5毫米外径更小的这种透镜是很困难的。由于这些原因，在生产更小的组件时有必要使用其它的微光学元件，如下讨论的。

在第一变形中，该微光学元件12可包含一梯度折射率透镜，镜即由一种材料形成的平板结构以使在沿着透镜的平面的不同点具有不同的折射率系数。图2B所 示的梯度折射率透镜12b被搀入恰当的杂质以调整折射率系数以使在沿透镜平面的不同点的折射率系数不同。为了本发明的目的，杂质的浓度横越透镜12b的平面分布，以使折射率系数以这样的方式变化，即产生一基本上与常规透镜12a相同的光学特性，如图2B中假想的透镜12b’一样。

本发明还可以使用几种其它类型的微光学元件。例如，几种类型的衍射元件中的任一种都可以用作各实施例中的微光学元件12。图2c显示了一种菲涅尔透镜12C，图2D显示了一二进制光学透镜12d，而图2E显示了一多级二进制光学透镜12e。透镜12c、12d及12e的前表面都做成这样轮廓以使穿过这些透镜的光的衍射将光以基本上与常规透镜12a相同的方式聚焦。

用于形成梯度折射率透镜的杂质搀入和用于生产衍射菲涅尔、二进制及多级二进制型透镜的照相平版印刷基本上与生产半导体装置的制造技术上同。因此，这些变形的微光学元件的每一种都可以极低的成本大量生成。同样，以比常规透镜小得多的直径生产变形的微光学元件成为可能。Yvonne    A.Carts发表于“Laser    Focus    World”1991年6月第93-99页的“微光学元件具有巨大的潜力”的文章提供了微光学透镜元件技术的状况的详细描述。

图3显示了图1所示的小型聚焦组件的简化结构。在图3的组件中，图1中的激光器支座及弹簧被一单一 元件弹簧皱纹管25替代。透镜支座13’的后部具有一圆柱形的凹腔，该凹腔与激光二极管1的圆柱形前部5的外径相吻合但比其稍大。在调焦过程中此圆柱形凹腔相对于透镜支座13’导引激光二极管1。另外开口26a和26c穿过透镜支座13’的壁。

在第二实施例的调焦过程中，在激光二极管基座和透镜支座上的键被再次用来防止转动。透镜支座13’被相对激光二极管1定位以提供必要的聚焦。该由不锈钢制成的弹簧皱纹管25在二极管基座10和透镜支座13’之间根据需要压缩或伸展直到需要的组件聚焦被获得。一旦聚焦，粘合剂可被通过孔26a和26c注入以永久地确定激光二极管1和透镜支座13’的相对位置并由此确定该组件的焦距。

图4显示了一与图3相似的结构，只是图3中的弹簧皱纹管被一弹性和导热的橡胶环35替代。此实施例的调焦与图3实施例相似，弹性导热橡胶环35按需要伸展或压缩直到透镜支座13’被相对于激光二极管1定位以提供必要的聚焦。

图5是一个详细的剖面图，显示利用一不同结构将微光学元件12保持在透镜座中的本发明的透镜支座的变形的实施例。替代用于前述实施例中的弹性挡环，在透镜支座13”中透镜座的前缘的一唇部18被折压在透镜的边缘以保持该透镜。唇部18因此用于将透镜挤压入支架13”前部的座内。

如图5所示，孔14在微光学元件12的后面。多 种不同的透镜支座可被形成以提供具有如图6A至图6D所示的多种不同的几何形状的孔。图6A显示了一具有圆形孔14a的透镜支座。作为一种变化，透镜支座可包含一矩形缝14b。另外，该孔可以是椭圆的，如图6C中14c所示，或者可具有一橄榄球的形状，如图6D的14d所示。对各种选择的孔形，还可以改变该孔的尺寸。该孔的尺寸和形状限定了由该组件射出的光量。因此，通过在组件焦距调整前替换一具有不同尺寸和/或形状的孔的透镜支座，为特定的应用设计聚焦组件即成为一件相对容易的事情。

虽然图3至5显示了以一常规透镜作为一微光学元件，但各种示于图2B至2E的变形元件12b至12e也可用来替换该常规透镜。

目前使用的激光二极管是SONY    SLD1101VS的，其最初是为小型便携式光盘唱机而开发的。此二极管基座的直径为5.6毫米，而其前端部5的直径最大为3.7毫米。虽然更小的激光二极管则更好。

在图1及图3至5所显示的实施例中，微光学元件是微型的常规透镜，其直径典型地小于4毫米。用于本发明原型试验的一种有市售的透镜是Edmund    R43，399型微透镜，其由LaSFN850322型玻璃制成。此透镜的直径为2.5毫米，具有一平的后表面和一凸的前表面，该前表面具有2.12毫米的典率。利用一具有670毫微米的波长的激光二极管，该透镜玻璃的折射率系数为1.8414，而该透镜的 焦距为2.52毫米。透镜内的主点在平的后表面前0.435毫米处。

为了调整该组件产生一200毫米的工作范围（加或减100毫米），在激光器外壳内从激光二极管基片的距离应为2.56毫米。因为该基片在外壳内的位置从制造商的说明书中是已知的，因对该微光学聚焦组件确定最优调节及相应线度是可能的。对一2.5毫米直径的透镜，透镜支座可具有一5.0毫米的外径。利用例举的激光二极管和可得到的微透镜，图1的实施例将生成一个具有从激光二极管的基座10的后表面到透镜支座13前表面的6.5毫米总长度的组件。图3和图4的实施例将生成一个具有从激光二极管基座10的后表面到透镜支座13’的6.0毫米总长度的组件。

Claims (5)

1、一种光发射和聚焦组件，包括：

一激光二极管；

一用于聚焦由该激光二极管发射的光的微光学元件；

用于安装该微光学元件的装置，所述用于安装的装置最初允许所述微光学元件的轴向移动以调整其相对于激光二极管的位置，但一旦正确的聚焦建立即将其固定以永久地将该微光学元件安装于最佳位置。

2、如权利要求1的组件，其中，所述微光学元件是一外径小于或等于4毫米的透镜。

3、如权利要求1的组件，其中，所述用于安装的装置包括一透镜支座，所述透镜支座具有一形成于其上最靠近所述激光二极管的背面上的孔和一在其前部用于容置所述微光学元件的槽。

4、一种用于为读取光学编码信息的装置中的光发射组件，包括：

一光发射元件;

一微光学元件，用于聚焦来自该光发射元件的光，所述微光学元件具有一4毫米或更小的外径;

用于沿着自所述光发射元件的光的轴安装所述微光学元件的装置，所述用于安装的装置允许该微光学元件沿所述的轴相对运动以调整来自所述光发射元件的光的焦点;以及

在调整来自所述光发射元件的光的焦点后固定该用于安装的装置的位置的装置。

5、一种组件，包括：

一激光二极管;

一微光学元件，用于聚焦由该激光二极管发射的光;

用于沿所述激光二极管的光发射轴安装该微光学元件以使该微光学元件将射自所述激光二极管的光聚焦在一距该组件预定距离点的装置。

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