CN1085334A - 组合式双距离激光扫描器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用具有不同焦距的两个激光 照明装置，它由最适用于从紧贴到约2英尺进行近距 扫描的第一激光照明装置和适用于从约2英尺到17 英尺进行长距扫描的第二激光照明装置所构成。扫 描器中配备有能对应于各种扫描应用情况选择某一 个照明装置工作的逻辑回路网。为了能够在不论选 择哪一个照明装置的情况下，所接收的光信号频率都 被限制在标准信号处理回路和解码回路的频率上，激 光光斑的速度是受到控制的。

Description

一般地说，本发明涉及用光电方法读取含有不同反射率区域的图形（例如条形码）的组合距离激光扫描器及方法;较详细地说，本发明涉及使用两个以上的激光二极管照明光学装置以便在不同的工作距离下都能进行对焦的上述组合距离激光扫描器及方法。本发明的优选第一实施例具有最适用于紧贴扫描用的第一装置和最适用于长距离扫描用的第二装置这样两个激光照明光学装置。两个激光照明光学装置被组装在一个组合距离激光扫描器之中。

为了识别商品，特别在小商业界中逐渐采用了条形码，因而也就开发出了各种条形码读取装置。条形码读取装置的多数用户要求小型、重量轻、费电少等的便携式手持扫描器。

激光扫描式条形码读取装置可以有各种各样的具体外形，既有用轻重量塑料制作的枪型外壳，也有便携式手持扫描头。读取装置的各种部位放置在枪形外壳的枪身部分和枪把部分。也即，在枪身部分中，配置了小型光源、聚焦透镜、含有能使自光源发出的光横向扫描切割条形码的扫描机构的小型光学装置，以及能检测扫描时被条形码记号反射的光的小型光检测器。

小型光源可以由激光管（例如同轴如氦-氖激光管）或者发光的二极管，或者半导体激光二极管极成。由于半导体激光二极管比激光管体积小、重量轻，所以扫描头所需的尺寸和重量都可以小，而且，对扫描头的处理和操作也比较容易，所以半导体激光二极管比较理想。由光源发出的光经过光学装置后，激光束被导向设置在扫描头枪身部分的扫描机构，进而对条形码记号进行横向切割扫描。扫描机构至少备有一个扫描用步进马达，或者共振棒，或者使激光束沿较长的方向横向切割扫描条形码的扫描器，如果追加一个能使激光束沿宽度方向横向切割扫描条形码的第二个马达，则扫描机构也可以由两个马达构成。扫描马达的轴安装有把通过窗口的激光束导向条形码记号的扫描镜。

由条形码记号反射的光，用检测回路进行检测和处理。检测回路一般由半导体光电二极管管类的光检测器构成。用户为了通过横向切割扫描条形码记号来读取图形，就决定了手持式读取装置的位置。为了识别条形码记号，由光检测器产生的一系列电信号被送到信号处理回路。信号处理回路的输出信号被送到条形码图形解码器回路，在那里条形码记号被解码。

当用户把读取装置对准条形码记号，并扣动板机时，光束和检测回路网才被启动，并且开始扫描。由于读取装置以这种方式工作，所以当读取装置采用内藏型电池时，可以延长电池的有效寿命。在轻重量的塑料外壳中，装入了激光光源、检测器、光学装置、信号处理回路、中央处理单元CPU以及电池。读取装置是按照从离开条形码记号的位置来瞄准条形码记号的原则设计的。也即，读取装置既不要与记号紧贴，也不要沿记号横向切割地移动。一般地说，这种类型的手持式条形码读取装置被指定在数英寸的范围内使用。代替上述的扫描方式，还有可能在人工参考下自动地进行扫描。

过去的光电条形码记号读取激光扫描装置的工作范围有如下限制：（a）对于最普遍的密度的条形码记号，约从紧贴到2英尺，（b）对于较低密度的条形码记号，约从30英寸到18英尺。这样，由于过去的激光扫描装置只使用一个具有单一固定焦距的激光照明光学装置，所以焦深较小，工作范围狭窄。

据上所述，本发明的第一个目的是，提供一种以光电方法读取条形码之类具有不同反射率区域的图形的组合距离激光扫描器及方法。为了适用于不同的工作距离，组合距离激光扫描器使用了两个或更多的能对不同距离作最佳调焦的激光二极管照明光学装置。发明的优选实施例中配备了两个激光光学照明装置，即最适用于自紧贴直到的2英尺距离扫描的第一激光照明光学装置和最适用于约2至17英尺扫描的第二激光光学照明装置，两个激光扫描装置被组合在一个组合距离激光扫描器之中。

本发明的第二个目的是，提供一种配备有能够根据特定的扫描应用要求来选择某一个激光照明光学装置动作的逻辑回路网的所述组合距离激光扫描器。为了使所接收的光信号频率被限制在标准的信号处理解码回路的频率上，根据被选择的是哪一个激光照明光学装置，激光光斑的移动速度（例如通过控制扫描马达的驱动信号振幅）是受到控制的。扫描是通过由扫描马达驱动的公用振动式扫描镜来实现的，对于最适用于紧贴或短距离工作的第一激光照明光学装置的情形，加在扫描马达上的驱动信号的振幅比较大;对于最适用于长距离扫描工作的第二激光照明光学装置的情形，驱动信号的振幅比较小。

为了解决上述课题，在光电读取条形码记号之类带有不同反射率区域的图形时，本发明提供具有下述特征的组合距离激光扫描器及方法。激光扫描器含有：一个用于使激光光束从视场的一端扫描到另一端的公用扫描镜，一个用于短距离扫描工作的短距离激光照明光学装置，一个用于长距离扫描工作的长距离激光照明光学装置。为了收集由被扫描视场反射的光，并把它导向检测器，设置了聚光光学装置。检测器检测被反射的激光辐射，并且产生与反射光相对应的电信号。

更详细地说，在扫描器中还配备有为了使扫描器能在视场内作短距离工作或长距离工作而选择短距离激光照明装置动作或长距离激光照明装置动作的选择装置。在第一实施例情形中，选择装置中还备有信号处理回路，它能够在暂时使用长距离激光照明装置并启动距离测定动作时分析被反射光信号的振幅和频率。如果扫描时条形码的距离愈远，则检测器的输出信号的频率愈高，振幅愈小，反之，扫描时距离愈短，则检测器的输出信号的频率愈低，振幅愈大。因此，根据由距离测定动作检测出的信号的振幅和频率，可以决定选择短距离照明光学装置还是长距离照明光学装置。在第二实施例情形中，使用了声纳测距器，以检测到视场内目标的距离。在第三实施例情形中，上述的选择装置是一种由操作者操作的手动选择装置，例如操作者通过操作一个具有第一挡位和第二挡位两个挡位的扳机来作选择。

在第一优选实施例情形，扫描镜是一个由扫描马达驱动的平面扫描镜。短距离激光照明光学装置是配置在扫描镜近前方的短距离可见光激光二极管组件。长距离激光照明光学装置是一种长距离可见光激光二极管组件，它的配置是，有一个放置在短距离可见光激光二极管组件横侧的折返镜，并且激光辐射先射自折返镜，再由扫描镜反射。

此外，在优选实施例中，短距离激光照明光学装置和长距离激光照明光学装置是一种结合成一体的激光二极管组合，它们都被放置在扫描镜的近前方，并且其中的短距离工作马达和长距离工作马达都设计得任何一个都可以动作。

短距离激光照明光学装置的理想工作距离是从紧贴到约2英尺。与与相对，长距离激光照明光学装置的理想工作距离是距离读取装置约2至17英尺。聚光光学装置各有一个公用的聚光镜，它用于把由视场反射的全部激光辐射聚集到光电二极管等光检测器上。

通过阅读下面参考附图对几个优选实施例的详细说明，将容易理解本发明的组合距离测光扫描装置的上述目的和优点。在所有附图中，同样的部件用同样的代号表示。

图1示出在高质量条形码记号的情形下，本发明的组合式双（长、短）距离扫描器对于各种条形码分辨率的扫描解码区域范围。可以认为，短距离能码区域是从紧贴到约2英尺的条形码图形读取，而长距离解码区域是约2英尺到17英尺的条形码图形读取。如图1所示，在条形码图形处可能达到的分辨率从对于非常近距离条形码图形的0.005英寸条宽到对于远距离条形码图形的0.05英寸条宽。在短距离解码区域和长距离解码区域之间存在重复的范围，实际上，短距离解码区约有4×1/2英尺宽，长距离解码区域约从10英寸到约12英尺宽。不过，在比上述区域窄的范围之外进行解码工作并不是最适宜的。

图2是本发明的组合式双（长、短）距离扫描器的第一实施例的主要功能和部件的框图。组合式双距离扫描器在数分之一秒时间内对条形码数据进行扫描、分析和传送。把组合式双距离扫描器瞄准条形码记号，并扣动扳机12，就启动了以下的动作序列。

扫描模块内的距离测定器14检测到条形码记号的距离。在第一优选实施例情形，距离测定器14的结构可以是暂启动长距离扫描机构实现测距动作，用信号处理回路分析反射光信号的振幅和频率。如果扫描时条形码放置的距离愈远，则产生的检测器输出信号的频率成分愈高，振幅愈上，反之，如果扫描时的距离愈近，则产生的检测器输出信号的频率成分愈低，振幅愈大。因此，根据从距离测定动作检测出的信号振幅和频率，可以决定选择短距离照明装置还是选择长距离照明装置。在第二实施情形，距离测定器14可以由市售的照相机用Polaroid声纳形式的测距器来构成。根据距离测定器的输出，转换开关回路网16决定选用短距离可见光激光二极管18还是选用长距离可见光激光二极管20。

在第一优选实施例情形，短距离激光照明光学装置和长距离激光照明光学装置部安置在扫描镜的近前方，并设计得既可能以短距离工作模式工作也可能以长距离工作模式工作，它们形成一个单一整体的激光二极管组件。此外，在另外的优选实施例情形，如图4、图5和图6所示，短距离激光照明光学装置和长距离激光照明光学装置是分开的。

由所选择的固体激光二极管所产生的激光束，借助于激光二极管组件内的对焦光学装置被送向平面扫描镜，并借助于振动式扫描镜对条形码记号进行横向切割扫描。扫描借助于由扫描马达驱动的公用振动式平面扫描镜实现。对于最适用紧贴工作或短距离工作的第一激光照明装置的情形，由于到短距离条形码目标的距离短，扫描马达驱动的振幅比较大，反之，对于最适用于长距离扫描工作的第二激光照明装置情形，由于到长距离条形码目标的距离长，所以扫描马达驱动信号的振幅比较小。各种扫描速度使得被接收的光信号频率被限制在标准信号处理回路和解码回路的频率上。振动式扫描镜使激光光束反射，并通过出射窗口射向条形码记号。一般地，激光光束以约每秒36次的速度来回地横向切割扫描条形码记号。光检测器探测从条形码记号反射回来的激光，并把该光信号变换成模拟电信号。该模拟信号由采用已知技术的模拟回路网22处理。该模拟信号的形式表达了含在条形码记号中的信息。

数字化回路24中的信号调整回路采用已知的技术把模拟信号变换成数字化的条形图形信号。该图形信号被送到控制框26中的接口控制模块，并被解码。

图3是本发明的组合式双距离激光扫描器的第二实施例的主要功能和部件的框图。在该实施例情形中，由操作者操作具有第一挡位和第二挡位的扳机12，选择短距离或长距离激光二极管中的一个来工作。下面说明工作过程。在和距离工作的情形下，首先把扳机板放在第一挡位处，组合双距离扫描器内的逻辑转换天关回路网32将选择长距离激光二极管工作，并选择在瞄准模式工作下的扫描马达的适当的瞄准扫描振幅。众所周知，在瞄准模式下，最初是平面扫描镜工作，作低速振动，形成可见光激光光束的水平扫描线。操作者利用这个可见的扫描线可以在18英尺距离之内使扫描器瞄准。

然后，把扳机扳到第二挡位上。由于原来扳机长时间处在第一挡位，所以选择了长距离用的激光光束和长距离扫描振幅。为把扳机扳向第二挡位之后，平面扫描镜以常规的长距离扫描频率和振幅振动，并启动检测回路。被曲面聚光镜反射的光聚向光检测器，光检测器的输出信号经过放大之后被数字化，变成数字信号，再由解码器进行处理。扫描是借助于由扫描马达驱动的公用振动平面镜实现的。随后，对于最适用于紧贴或短距离工作的第一激光照明光学装置，使得扫描马达驱动信号的振幅较大，对于用长距离扫描的第二激光照明光学装置，使得扫描马达驱动信号的振幅比较小。各种扫描速度使得被接收的光信号频率限制在标准信号处理回路和标准解码回路的频率上。其后，根据第一实施例中说明的技术，进行工作。

在短距离工作情形，操作者在短距离（从紧贴到24英寸）下使扫描器瞄准条形码。然后把扳机开关直接放在第二挡位处。由于扳机在第一挡位上具有最短的停留时间，逻辑回路网32将选择短距离激光二极管20和短距离扫描振幅。首先，扫描马达以低速振动产生可见的水平扫描线，操作者可以根据该可见的扫描线进行扫描器的瞄准，扫描镜以瞄准模式动作。然后，扫描镜以常规的短距离扫描频率和振幅振动，并启动检测回路。在聚光镜上反射的返回光被聚集在光检测器上，光检测器的输出信号被放大之后，被数字化成为数字信号，后者由条形码解码回路进行处理。

图4是本发明的组合式双距离激光扫描器的光学装置的典型配置略图。短距离可见光激光二极管组件40和长距离可见光激光二极管组件42配置在检测由聚光镜40聚集的激光辐射的光检测器44的两侧。在其它实施例中，部件40、42和44的配置方式可以有不同的几何位置关系。

图5和图6分别是本发明的组合式双距离扫描器的典型光学装置的侧视图和正视图。短距离可见光激光二极管组件50配置在由扫描马达56和驱动机构58驱动的平面扫描镜54的近前方，位于外壳52前端的附近。配置在短距离可见光激光二极管组件50附近的长距离平面折返镜60被带有配置在外壳52后部的平面扫描镜54附近的散热器64的长距离可见光激光二极管组件62所照明。从激光二极管62射向折返镜60的激光辐射，由折返镜60反射到振动扫描镜54上，再往振动扫描镜54的反射，通过出射窗口而自扫描器射出。

由条形码图形反射的激光辐射，被曲面聚光镜66所接收，经其反射后聚集到光电二极管光检测器68上。如图6所示，平面扫描镜54和曲面聚光镜66最好用已知技术做成为一个由扫描马达56驱动的单一组合镜。

图7是表示典型激光二极管组件的结构和主要部件的剖面图。典型的激光二极管组件70含有分别被弹簧76推向外壳72两端的可见光激光二极管74和焦点透镜78。被焦点透镜78聚集在适当距离的激光光束通过位于外壳另一端中央的开口后，作为激光光束射出。在短距离激光二极管组件情形下，透镜78把激光光束聚集在适合于短距离扫描工作的焦点处，而在长距离激光二极管组合情形下，透镜78把激光光束聚集在适合于长距离扫描工作的焦点处。

在第一优选实施例中，短距离激光照明光学装置和长距离激光照明光学装置都配置在扫描镜的近前方（例如，图5和图6中的短距离激光二极管组件60的位置），它们可以设计成能够以长距离或者短距离模式中任一个模式工作的、构成单一整体的激光二极管组件。在该实施例中，在图7（B）的虚线82所示的组件中心线的两侧配置有两个互相邻接的激光开口80'和80'，在这两个开口各自的前方放置含有不同的曲率透镜面（一边用于聚焦近焦点，另一用于聚焦远焦点），焦点透镜被做成是一个复合透镜，它具有被图7（B）中虚线所示的中心线所分开的两个焦点不同的透镜面。激光二极管块74之中，在两个激光开口80'和80'的近后方，配置有两个不同的激光二极管。由于激光二极管块74中的两个激光二极管易于横向并列配置，所以不难理解激光二极管自身是极小型的。

图8是可与本发明的组合式双距离激光扫描器送连使用的枪型条形码读取装置的略图。读取装置10可以具体做成像图示那样有手持式扫描器，也可以做成桌上工作站即固定式扫描器。在优选实施例情形中，组合式双距离激光扫描机构具体是放置在带有出射窗口156的外壳155中的。激光光束通过该出射窗口156，射向位于外壳外面的条形码记号，进行扫描。

通常，出射光束151是由激光二极管式类似器件在读取装置100的内部产生的，射向离装置前端数英寸的目标物上的条形码记号。出射光束151按照扫描图形进行扫描。用户按照使该扫描图形能够横向切割要读取的条形码记号的原则，决定手持式装置的位置。从记号反射的光152由读取装置内的光检测器158检测。为了再生条形码所表示的数据光检测器158产生的一系列电信号被处理和解码。

在优选实施例中，读取装置100是带有类似于手枪把手的把手部分153的枪型读取装置。用户瞄准要读取的条形码记号后扣动扳机154，光束151和检测器回路网动作，如果装置是内藏电池式的，就延长了电池有效寿命。在用轻重量的塑料制成的外壳155中，除了电池162之外，还装入了激光光源、光检测器158、光学装置和信号处理回路网，以及中央处理单元CPU    140。位在外壳155前端的透光窗156既允许光束151射出，也允许反射光射入。读取装置100是按用户能够离开条形码记号的装置处瞄准记号来设计的。也即，装置100既不要与记号紧贻，也不要横向切割移动。一般地，这种类型的手持式条形码读取装置被指定在数英寸的范围内使用。

此外，为了使读取装置100做得具有便携式计算机终端的功能，所以还配备有键盘148和显示器1490。

继续图8的说明，为了把扫描光束聚集在位于适当基准面上的条形码记号上，可以使用适当的透镜157（或者多透镜装置）。此外，诸如半导体激光照的光源146放置得能够把光束引导到透镜157的光轴上。激光光束通过半透明镜147和必要时的其他透镜或光束形成机构，然后被装置在用扳机154启动的扫描马达160上的振动式扫描镜759反射，再通过窗口156射出。如果光源146发出的光是可见光，光学装置中可以不含有瞄准光。由于瞄准光产生可见的光斑（它可以与激光光束一样地扫描，也可以是固定不动的），必要时用户可以在扣动扳机154之前，利用这个可见光来使读取装置瞄准条形码记号。

上面，对本发明的组合式双距离激光扫描器的几个实施例及其变化形态作了详细的说明，由此可以了解本发明所揭示的内容和原理，以及向本领域专家显示的多个替用结构。

附图的简单说明：

图1是本发明组合式双距离激光扫描器对各种条形码分辨率4的扫描解码区域范围的表示图。

图2是本发明的组合式双距离激光扫描器的第一实施例的主要功能和部件的框图。

图3是本发明的组合式双距离激光扫描器的第二实施例的主要功能和部件的框图。

图4是本发明的组合式双距离激光扫描器的光学装置的典型配置略图。

图5是本发明的组合式双距离激光扫描器的典型光学装置的侧视图。

图6是图5的典型光学装置的正视图。

图7是本发明激光二极管组件的结构和主要部件的剖面图。

图8是可与本发明的组合式双距离激光扫描器关连使用的枪型条形码读取装置的略图。

代号说明

12    扳机

14    距离测定器

16    转换开关回路网

18    短距离可见光激光二极管

20    长距离可见光激光二极管

22    模拟回路网

24    数字化回路

26    控制柜

32    转换开关回路网

40    短距离可见光激光二极管组件

42    长距离可见光激光二极管组件

44    光电二极管

46    聚光镜

50    短距离可见光激光二极管组件

52    外壳

54    平面扫描镜

56    扫描马达

58    驱动机构

60    长距离平面折返镜

62    长距离可见光激光二极管组件

64    散热器

66    曲面聚光镜

68    光电二极管检测器

70    典型的激光二极管组件

72    组件外壳

74    可见光激光二极管块

76    弹簧

78    聚焦透镜

80    中央开口

80'    两个开口

82    中心线

100条形码读取装置

140中央处理单元CPU

146光源

147半透明镜

148键盘

149显示器

151出射光束

152入射的反射光

153把手部分

154扳机

155外壳

156透光窗

157透镜

158光检测器

159振动式扫描镜

160扫描马达

162电池

170条形码记号

Claims (4)

1、用于以光电方法读取带有不同反射率区域的记号的组合式双距离激光扫描器，其特征是，它包括：

含有用于使激光光束在视场内扫描的扫描镜的激光扫描机构，

用于短距离扫描工作的短距离激光照明光学装置，

用于长距离扫描工作的长距离激光照明光学装置，

用于收集由被扫描视场所反射的光的聚光光学装置，

检测由所述聚光光学装置所收集的反射光，并产生与反射光相对应的电信号的光检测器，以及

既可以选择用于视场内短距离工作的所述短距离激光照明光学装置动作，也可以选择用于视场内长距离工作的所述长距离激光照明光学装置动作的选择装置。

2、根据权利要求1的扫描器，其特征是，所述选择装置含有能检测到视场内目标的距离的距离测定器。

3、根据权利要求1的扫描器，其特征是，所述选择装置含有能手动地选择所述短距离激光照明光学装置或所述长距离激光照明光学装置的手动开关。

4、激光光束扫描的组合距离激光扫描方法，其特征是，它包括以下步骤：

用扫描镜使激光光束从视场的一端扫描到另一端的步骤，

短距离扫描工作时，用短距离激光照明光学装置照射扫描镜的步骤，

比短距离长的长距离扫描工作时，用长距离激光照明光学装置照射扫描镜的步骤，

用聚光光学装置收集由被扫描视场所反射的激光辐射的步骤，以及

检测被聚光光学装置导向光检测器的激光辐射的步骤。

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