CN1262963C

CN1262963C - 基于垂直腔面发射激光器的条形码扫描器的方法和系统

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Publication number: CN1262963C
Application number: CNB018177751A
Authority: CN
Inventors: N·B·斯塔普莱顿; R·W·钱德勒; R·L·瓦肯蒂尼
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: WO2002017215A3; WO2002017215A2; EP1312036A2; US6712273B1; TWI279732B; CN1471683A

Abstract

在此公开了一种用于VCSEL(垂直腔面发射激光器)条形码和数据扫描的通用系统和方法，包括一个具有扫描表面(116)的外壳(102)，一个设置在外壳内的与扫描表面接近并正交的探测元件(106)；一个设置在外壳内的与探测元件和扫描表面接近的VCSEL部件(104)，和一个在扫描表面和探测元件之间形成于外壳内的孔(122)。

Description

基于垂直腔面发射激光器的条形码扫描器的方法和系统

技术领域

本发明总体涉及数据编码，并尤其涉及基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的条形码阅读及扫描所用的通用系统。

背景技术

为了方便高效地传递数据和信息，条形码扫描被用在大量的商业和工业应用中。随着对快速处理大量信息的要求的提高，在提高条形码扫描的效率和效果方面做了很多努力。总的来说，一个特定的条形码可以传递的信息量和效率受到条形码中的各个条纹的最小所需宽度(即间距)的制约。当最小的所需条纹宽度减小(即，达到了较小的间距)时，可以在一个给定的空间中编入更多的条纹。因此，利用较小间距的条形编码增大了编在给定空间中的数据量，产生一个更高效的系统。

小间距条形编码的一个主要局限在于条形码阅读系统的分辨率。在条形码阅读系统缺乏足够高的分辨率去精确识别较小间距的条形码时，数据传递变得不可靠且易有误差。因此希望提供精确且可靠的小间距条形码阅读。

常规的小间距条形码阅读和扫描系统一般采用激光器和光学透镜结合，在被扫描的媒介上产生并集中足够的照明并能够对小间距线条扫描。这种系统通常光学效率很低(由于透镜)，消耗大量的功率(以补偿低效率)，并且由于增加额外的部件而增大成本。大部分常规的激光扫描系统还有一个限制总的条形码宽度的扫描图案。有时被称作自由空间扫描器的一种公知的激光条形码扫描器的变型(如零售现金记录扫描器)通常包括大量用于操纵激光束前后扫过条形码以进行适当阅读的部件。有些这种系统采用激光器和多个旋转反射镜来完成阅读。这些系统虽然能够阅读小间距的条形码，但非常昂贵，对于零售业使用非常不实用。对于大多数非零售业的使用，邻近型条形码扫描系统就已够用，这使得大多数常规的激光扫描系统使用率很低。

其它常规的扫描及阅读系统使用标准的红外和可视LED(发光二板管)作为用于条形码扫描和阅读的光源。当需要更大的功率(即LED电流)和更多的光学透镜来提供足够照明以产生有用的读取信号时这些系统也受到限制。这导致对空间的要求及系统成本的提高。另外，这些扫描系统一般对小间距条形码的精确性较低，因为它们通常受到LED光源的大小的限制，LED光源与条形码的间距相比要较大。因此，基于LED的扫描系统也存在精确度和可靠性的问题。

另外，使常规条形码扫描的效率和性能变得复杂的是，定时系统一般在提供非常严格的定时计划和方案的同时也增加了常规系统的复杂性和成本。定时很重要，尤其在进行精确的数据传递的条形码扫描当中。大部分条形码系统依赖于条形码相对于扫描器的手动移动，既可以是条形码移过静态的扫描器，也可以是扫描器移过静态的条形码。精确判读条形码依赖于辨别各个条形宽度的能力。除非保证一种固定的匀速率扫描速度，否则必须利用某种参考信号(即定时信号)对扫描计时。一些常规的系统依赖于预设置的固定速率扫描，通常采用某类独立于条形码的内部定时系统。这种方法增加了系统成本和复杂性。其它的常规系统依赖于被读作部分特定的条形码或与条形码联系的定时信号。一般分辨率较低的这类系统需要较低的扫描速率，或者需要较大的系统不可靠性容限。

发明内容

本发明通过一种扫描装置，其包括：外壳，其具有扫描表面和孔；探测部件，其与所述孔相邻且与扫描表面正交；以及垂直腔面发射激光器光源，其与所述孔相邻；其中，所述垂直腔面发射激光器具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及

所述发射轴线与平行于扫描表面的目标区成一定角度和距离，使所述垂直腔面发射激光器的、与目标区正交的漫反射具有最大强度。

本发明还提供一种扫描装置，其包括：外壳，其具有扫描表面、第一孔和第二孔；第一探测部件，其与所述第一孔相邻且与扫描表面正交；第一垂直腔面发射激光器，其与所述第二孔相邻；第二探测部件，其与所述第二孔相邻；以及第二垂直腔面发射激光器，其与所述第二孔相邻；其中，所述垂直腔面发射激光器具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及所述发射轴线的角度使被第一垂直腔面发射激光器的发射撞击的目标区漫射的光具有被所述第一探测部件测得的最大强度；目标区与扫描表面平行。

本发明又提供一种扫描装置，其包括：用于提供激光源的装置；

用于探测光的装置；容纳装置，其容纳所述提供激光源的装置、所述探测光的装置、与所述述提供激光源的装置相邻的扫描表面、位于所述扫描表面的孔；其中，所述提供激光源的装置具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及所述发射轴线的角度使与扫描表面平行的目标区漫射的光具有最大强度；探测光的装置具有的探测轴线与扫描表面正交。

本发明还提供一种扫描装置，其包括：至少两个垂直腔面发射激光器；至少两个探测部件；外壳，其容纳所述至少两个垂直腔面发射激光器和所述至少两个探测部件扫描表面，且具有扫描表面和至少一个位于该扫描表面的孔；其中，所述至少两个垂直腔面发射激光器的至少一个具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及所述发射轴线的角度使与扫描表面平行的目标区漫射的光具有最大强度；所述至少两个光探测部件的至少一个探测部件具有与扫描表面垂直的探测轴线。

本发明进一步提供一种扫描方法，其包括：把垂直腔面发射激光器的激光作为光源以相对目标区的角度提供给目标区；沿与目标区垂直的方向探测光；调整提供光源的激光相对目标区的角度，使得被目标区漫射的且被探测的光具有最大强度。

本发明还提供一种扫描装置，其包括：扫描表面，其具有孔；

探测部件，其与所述孔相邻；激光源，其与所述孔相邻且与扫描表面正交；其中，所述激光源具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及所述发射轴线的角度使与扫描表面平行的目标区漫射的反射光具有最大强度。

本发明还提供一种扫描装置，其包括：外壳，其具有扫描表面、第一孔和第二孔；第一探测部件，其与所述第一孔相邻；第一激光源，其与所述第二孔相邻；第二探测部件，其与所述第二孔相邻；以及第二激光源，其与所述第二孔相邻；其中，所述第一激光源和所述第一探测部件用于数据检索；所述第二激光源和所述第二探测部件用于定时，

所述第一激光源具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及

所述发射轴线的角度使与扫描表面平行的目标区漫反射具有被所述第一探测部件测得的最大强度；

第一探测部件具有的探测轴线与扫描表面正交。

提供本发明的以下概述以便于理解本发明独有的一些创新特征，但不做全面的描述。通过全面考虑整个说明书、权利要求书、附图及摘要之后可以获得对本发明各个方面的全面理解。

现在需要一种通用系统，该系统用于以成本有效、高精确度和可靠的方式扫描或阅读小间距条形码和其它类似格式的数据，同时将功耗减到最小；在克服前述常规方法的局限性的同时提供易于适应的接近式扫描器和阅读器。

在本发明中，在接近或预定接近度的媒介阅读区中设置VCSEL部件和探测器，使得探测器接收离开被扫描的媒介的来自VCSEL部件的漫射角反射；以高度成本有效并易于适应的方式提供高度精确的小间距扫描和阅读。

本发明提供一种数据扫描装置，其包括：一具有扫描表面的外壳，一与扫描表面正交的设置在外壳内的探测元件，一在扫描表面和探测元件之间形成于外壳内的孔，以及一与该孔相邻的设置在外壳内的激光源。

本发明还提供一种漫反射式条形码阅读系统，其包括：一具有扫描表面的外壳，一与扫描表面接近并正交的设置在外壳内的探测元件，一与探测元件和扫描表面接近的设置在外壳内的VCSEL部件，以及一在扫描表面和探测元件之间形成于外壳内的孔。

本发明还提供了一种光电数据扫描的方法，其包括以下步骤：提供一具有目标区的扫描表面，提供一设置成与目标区接近并正交的光电探测器，提供一VCSEL部件，该VCSEL部件设置成与探测元件和目标区接近，适于以漫射角为目标区提供光源，以及用探测器接收从目标反射的源自VCSEL的光。

通过考查下面对本发明的详细描述，本领域的技术人员将会清晰地理解本发明的新颖特征，或者这些特征也可以通过实施本发明来学习到。但应该理解，虽然给出了本发明的特定实施例，但本发明的详细描述以及具体实例只是出于举例说明的目的，这是因为，通过理解本发明的详细说明和所附的权利要求书，在本发明范围内的各种变化和改型对于本领域的技术人员都是显而易见的。

附图说明

附图与本发明的详细描述一起用于解释本发明的原理，其中，在所有各个附图中采用相同的标号表示相同的或功能类似的元件，以及附图被结合在本说明书中并形成本说明书的一部分，该附图进一步表示了本发明。

图1是根据本发明的数据扫描装置的简图；

图2是图1所示装置的侧视示意图；

图3是根据本发明的另一数据扫描装置的简图；以及

图4是图3所示装置的平面示意图。

具体实施方式

虽然下面对本发明的各个实施例的制造和利用进行详细说明，但应该理解，本发明提供了很多可应用的发明概念，这些发明概念可以在各种特定范围内实施。在此讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的具体方式的举例说明，并不限定本发明的范围。

应该理解，在此公开的原理和用途可以应用到很大范围的光电用途中。本发明在将功耗和系统成本减小到最少的同时解决了与各种类型媒介的条形码类型信息的阅读、墨水和表面有关的问题。本发明提供了较大的条形码印刷密度。本发明可以结合有定时通道，提供独立于扫描速度或条形码间隔容限的精确阅读。本发明可以应用到大量表面扫描用途中，还可以应用到需要定时通道的精确性以及低功耗的用途中。例如，本发明可以用在各种高精度边缘探测用途(如打印机、复印机)、定向分析用途和旋转或线性编码器/解码器中。出于解释及举例说明的目的，下面参考接近型条形码扫描或阅读系统对本发明进行描述。本发明的系统可以应用于固定的位置扫描组件或可动的阅读组件(如笔型条形码读入器)中。

本发明利用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源。VCSEL正迅速地成为半导体光电子学的主要技术。VCSEL典型地可以用作任何使用其它激光源的地方的发光源并为系统设计者提供众多益处。因此，VCSEL的出现成为现代高速度、短波长通信系统和其它大量应用如光学编码器、反射/透射式传感器和光学阅读/写入应用中的选择的光源。固有的制造低成本、提高的可靠性、无象散和环形对称的光学输出正是VCSEL优于传统激光源的一些优点。

在本发明的范围内，大量的VCSEL特征是尤其希望并有利的。VCSEL可以在低光束发散度的聚焦区中提供具有足够光强的源光束，不需要附加的透镜或放大。另外，VCSEL源非常适于小光束角的应用。参考图1-4可以更全面地理解这些特性的益处。

现在参见图1，在根据本发明的阅读组件100的一个实施例中举例说明了本发明的一些方面。组件100包括一个外壳102，一个VCSEL部件104和一个探测部件106。如图所示，VCSEL部件104可以在具有控制引线108和从表面110提供光源的平的窗口封装件中包括一个气密性VCSEL。如图所示，探测元件106可以在具有控制引线112并接收接受区114内的光的T-1封装件中包括一个硅光电探测器。外壳102可以由一个扫描表面116和腔室118及120形成，其内分别设置部件104和106。外壳102中还形成有一个光限制孔122。如图2所示，该图表示组件100的侧视图200，孔122可以包括一个通过扫描表面116的窄槽或窄缝。

操作时，待阅读的特定的条形码或其它类似的媒介沿表面116以与其直接接触或非常接近的方式通过。所需的媒介可以沿一个位置固定的组件100通过，或者可动组件100可以沿所需媒介通过。当印制的图案沿表面116通过时，组件100不仅可以识别高质量的印制条纹(如通过激光打印机产生的那些)，也可以判别其它的印刷品或媒介表面特征(如新闻纸上的胶版印刷)。元件104和106设置在外壳102内，并且形成的孔122使得探测器106的接受区114只接收从所需媒介的目标区(未示出)漫射的光，并且所有的镜面反射光和杂散光都被阻挡或忽略。此目标区通常是一个处于表面116正下方的极小空间，直接定心于接受区114下面。元件104和106设置在外壳102中，与扫描表面116极为接近0.05厘米-0.13厘米(如0.02”-0.05”)。VCSEL104以一个足以使目标区反射的漫射光最大化的角度设置在外壳102中。因为希望最大强度反射正交于目标区(在接受区114)，并且因为反射强度是光从所需媒介反射的角度的余弦值的函数，所以VCSEL 104设置成与表面116成一角度并与表面116相距一个距离，足以使正交于目标区的来自媒介的漫反射最大化。其它因素可以改变以提供所需的反射性能和特性。可以改变孔122的尺寸以限制到达探测器106的光强和光场，提供用户可以限定的分辨率。例如，在类似于组件100的系统中，提供宽度范围为0.025-0.013厘米(0.01”-0.005”)的孔122的措施可以分别提供约为0.020-0.010厘米(0.008”-0.004”)的线条分辨率和间隔分辨率。一般地，形成的孔122越小，系统分辨率越精细(和越好)。或者，可以选择或设计VCSEL 104以提供光的特定波长，提供最佳尺寸并形成组件100。

如图所示，部件104和106通过引线108和110分别直接与主控制器或分析设备(如微处理器或数字信号处理器)耦接。在大部分应用中，不需要信号放大，降低了系统的功耗要求。而且，因为本发明可以提供直接对主控制器或分析设备的数字输入，所以不需要A/D转换。另外，本发明因此提供了利用低压装置设计的能力，进一步降低了系统的功耗要求和成本，同时提高了系统的可靠性。

可以用任何合适的方法或工艺形成外壳102(如注模)，并且可以为后面插入部件104和106而预制，或者形成在这些部件周围，或与这些部件同时形成。外壳102本身可以构成一种独立的阅读器/扫描器结构，或者可以是一些其它的阅读器/扫描器结构(如笔型条形码读入器组件)的一个元件。探测器106可以包括任何合适的用于接收反射光并传递响应信号的工具。例如，探测器106可以包括一种不同封装件(如罐型封装件)中的硅光电探测器或平板窗式探测器。类似地，VCSEL部件104可以以任何合适的方式封装或布置(例如安装在衬底上的单个VCSEL表面)。因此可以以本发明包含的多种方式修改、改进并形成组件100。例如，外壳102、探测器106和VCSEL 104可以利用适当的半导体加工技术形成或设置在单个衬底上。

现在参见图3，图中示出了根据本发明的扫描器/阅读器系统300的另一实施例。可以认为组件300包括两个组件100。因此本发明提供两个通道：一个可用于定时的目的，另一个可用于数据检索。更具体地说，组件300包括一个外壳302，一个第一VCSEL部件304，一个第二VCSEL部件306，一个第一探测部件308和一个第二探测部件310。如图所示，VCSEL部件304和306可以在分别具有控制引线312和314的平的窗式封装件中包括气密性VCSEL。如图所示，探测部件308和310可以在分别具有控制引线316和318的T-1封装件中包括硅光电探测器。外壳302形成有扫描表320和光限制孔322。形成或设置的探测器、VCSEL和孔使得探测器308只接收VCSEL 304产生的反射光，并且探测器310只接收VCSEL 306产生的反射光。如图3所示，在两个通道之间的孔322内没有阻挡件。组件300的结构使得反射离开所需媒介的来自VCSEL 304的任何杂散光将处于探测器310的接受角之外，并且同样，反射离开所需媒介的来自VCSEL 306的杂散光将处于探测器308的接受角之外。但在一些实施例中，希望设计这样的应用，即VCSEL 304产生的光被探测器310接收，VCSEL 306产生的光被探测器308接收。

另一种方案是，如果需要，可以在两个通道之间形成或设置一些适当的阻挡件。任选地，组件300还可以包括一个形成或设置在外壳302和跨越孔322之中的阻挡件324。可以提供阻挡件324来保护探测器和VCSEL免受与连续操作有关的、会削弱组件300性能的危险(如纸张尘埃的积聚)。阻挡件324可以由一种合适的材料(如，塑料或玻璃)形成，选取的材料使得其物理特性将不干扰VCSEL和探测器的漫反射操作。一般地，来自塑料或玻璃材料的镜面反射将不影响本发明的漫反射操作。

图4提供了一幅组件300的操作示意图。两通道之间的中心线由指示符400表示。指示符400用于图示的目的，不必结合在组件300中。或者，指示符400可以包括一些可视标记(如墨点)，或者可以包括一个与孔322正交形成的附加孔。通过第一通道、VCSEL 304和探测器308阅读的数据一般沿指示符402所示的路径通过。通过第二通道、VCSEL 306和探测器310读取的数据一般沿指示符404所示的路径通过。媒介可以连续地通过表面320，因为本发明对分析的条形码或表面没有施加最大的长度限制。

本发明由此提供了在单个组件中有多个扫描/阅读通道的能力，并且以一种简单且成本有效的方式提供此能力。利用本发明的指导，可以根据特定的设计要求(如多通道线性或旋转编码)将任何所需数量的通道结合到一个扫描组件中。

在此给出的实施例和实例最好地解释本发明及其实际应用，由此使得本领域的技术人员能够制造和利用本发明。但本领域的技术人员应该理解，前面的描述和实例只是出于说明和举例的目的。本发明的其它变化和改型对于本领域的技术人员都是显而易见的，这些变化和改型都被随附的权利要求书所覆盖。例如，根据具体的设计要求可以利用除VCSEL部件以外的激光源，只要它们提供光源的方式与本发明的教导相一致即可。在此给出的说明既不是穷举，也不限定本发明的范围。在不脱离下列权利要求书的精神和范围的上述教导下，可以做出各种改型和变化。本发明的使用可以包括具有不同特性的部件。本发明的范围由所附的权利要求书限定，其在所有方面对等同物给出全面的认识。

Claims

1.一种扫描装置，其包括：

外壳，其具有扫描表面和孔；

探测部件，其与所述孔相邻且与扫描表面正交；以及

垂直腔面发射激光器光源，其与所述孔相邻；

其中，所述垂直腔面发射激光器具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描装置是一个条形码扫描器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器和所述探测部件距所述扫描表面的距离在0.05厘米-0.13厘米。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述孔的宽度为0.013厘米-0.025厘米。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有0.010厘米-0.020厘米的线条分辨率和间隔分辨率。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测部件和垂直腔面发射激光器不需要光学器件。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置的输出是数字化而不需要把模拟转换为数字。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述探测部件和垂直腔面发射激光器形成在一个衬底上。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置仅需要低压功能。

10.一种扫描装置，其包括：

外壳，其具有扫描表面、第一孔和第二孔；

第一探测部件，其与所述第一孔相邻且与扫描表面正交；

第一垂直腔面发射激光器，其与所述第二孔相邻；

第二探测部件，其与所述第二孔相邻；以及

第二垂直腔面发射激光器，其与所述第二孔相邻；

所述发射轴线的角度使被第一垂直腔面发射激光器的发射撞击的目标区漫射的光具有被所述第一探测部件测得的最大强度；

目标区与扫描表面平行。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述扫描装置是一个条形码扫描器。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述第一垂直腔面发射激光器和所述第一探测部件用于数据检索

所述第二垂直腔面发射激光器和所述第二探测部件用于定时目的。

13.一种扫描装置，其包括：

用于提供激光源的装置；

用于探测光的装置；

容纳装置，其容纳所述提供激光源的装置、所述探测光的装置、与所述述提供激光源的装置相邻的扫描表面、位于所述扫描表面的孔；

其中，所述提供激光源的装置具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及

所述发射轴线的角度使与扫描表面平行的目标区漫射的光具有最大强度；

探测光的装置具有的探测轴线与扫描表面正交。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述扫描装置是一个条形码扫描装置。

15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述激光来自垂直腔面发射激光器。

16.一种扫描装置，其包括：

至少两个垂直腔面发射激光器；

至少两个探测部件；

外壳，其容纳所述至少两个垂直腔面发射激光器和所述至少两个探测部件扫描表面，且具有扫描表面和至少一个位于该扫描表面的孔；

其中，所述至少两个垂直腔面发射激光器的至少一个具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及

所述至少两个光探测部件的至少一个探测部件具有与扫描表面垂直的探测轴线。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于：所述扫描装置是一个条形码扫描器。

18.一种扫描方法，其包括：

把垂直腔面发射激光器的激光作为光源以相对目标区的角度提供给目标区；

沿与目标区垂直的方向探测光；

调整提供光源的激光相对目标区的角度，使得被目标区漫射的且被探测的光具有最大强度。

19.如权利要求18的方法，其特征在于：所述目标区具有条形码。

20.如权利要求18的方法，其特征在于：以0.010厘米-0.020厘米的线条分辨率和间隔分辨率探测所述目标区的光。

21.一种扫描装置，其包括：

扫描表面，其具有孔；

探测部件，其与所述孔相邻；

激光源，其与所述孔相邻且与扫描表面正交；

其中，所述激光源具有一个发射轴线，其相对所述扫描表面成一个角度；以及

所述发射轴线的角度使与扫描表面平行的目标区漫射的反射光具有最大强度。

22.如权利要求21的装置，其特征在于：

所述扫描装置是一个条形码扫描装置；

所述激光源是垂直腔面发射激光器。

23.一种扫描装置，其包括：

外壳，其具有扫描表面、第一孔和第二孔；

第一探测部件，其与所述第一孔相邻；

第一激光源，其与所述第二孔相邻；

第二探测部件，其与所述第二孔相邻；以及

第二激光源，其与所述第二孔相邻；

其中，所述第一激光源和所述第一探测部件用于数据检索；

所述第二激光源和所述第二探测部件用于定时；

第一探测部件具有的探测轴线与扫描表面正交。

24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述扫描装置是一个条形码扫描装置。

25.如权利要求23所述的装置，其特征在于：所述第一和第二激光是垂直腔面发射激光器。