用旋转三棱镜与孔来非球面地形成扫描束的光学扫描器的制作方法

专利名称：用旋转三棱镜与孔来非球面地形成扫描束的光学扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如条码扫描器等光学扫描设备，更具体地涉及一种用于生成具有延长的焦深或工作范围并能有效地扫描宽广的密度范围的符号的激光束扫描图形的激光器成像系统。
诸如条码之类光学编码信息已相当普遍。一个条码符号通常由一序列矩形的明亮的与阴暗的区域组成。暗区(条纹)的宽度和/或条纹之间的亮间隔的宽度表示编码的信息。这些元素的一个规定的数量与排列表示一个字符。标准化的编码方案规定每一字符的排列、元素的容许宽度及间隔、一个符号可包含的字符数或者符号长度是否可变等。已知的符号表示法有UPC/EAN(通用产品码/欧洲物品编码)128码、Codabar(库德巴码)及交叉25码等。
阅读器与扫描系统电光地解码每一个符号来提供通常描述该符号所附着的物品或其某些特征的多个字母数字型字符。这些字符通常是以数字形式表示并作为对一个数据处理系统的输入供销售点处理、库存管理之类应用的。在诸如4，251，798;4，360，798;4，369，361;4，387，297;4，409，470及4，460，120号美国专利中已经公开过这种通用型扫描系统，所有这些专利都已转让给本申请的受让人。
为了使用这些光学扫描器解码一个条码符号并抽联合法的信息，一个条码阅读器扫描该符号以生成表示该被扫描的符号的一个模拟电信号。已知有各种扫描设备。扫描器可以是包含固定地安装在棒上的一个发射器及一个检测器的棒型阅读器，在这一情况中用户用手移动该棒横越该符号。另外，一个光学扫描器横越符号扫描诸如激光束之类的一个光束，以及一个检测器感测符号反射的光。在每一种情况中，检测器感测横越符号扫描的一个光斑反射的光。在每一种情况中，检测器感测横越符号扫描的一个光斑反射的光，并且提供表示编码信息的模拟扫描信号。
一个数字化器处理该模拟信号以生成一个其宽度及脉冲间的间隔对应于条纹的宽度及条纹间的间隔的脉冲信号。该数字化器起边缘检测或波整形器电路的作用，并且该数字化器设定的阈值确定模拟信号中哪些点表示条纹边缘。阈值电平有效地确定阅读器应将一个信号的哪些部分识别为一个条纹或一个间隔。
来自数字化器的脉冲信号是作用在一个解码器上的。解码器首先确定来自数字化器的信号的脉冲宽度及间隔。然后解码器分析这些宽度与间隔来找出与解码一个合法的条码信息。其中包括识别由适当的编码标准所定义的合法字符与序列的分析。其中还可包括对被扫描的符号所遵守的特定标准的初始识别。这一对标准的识别通常称作自识别。
不同的条码具有不同的信息密度并在一个给定的区域内包含表示不同数量的编码数据的不同数目的元素。编码越密，元素与间隔越小。在一种适当的媒质上印刷较密的符号是困难的，因此较印刷低分辨率的符号成本更高。一种条码符号的密度可用称作该编码的“基本单位尺寸”的最小条纹/间隔宽度表示，或者表示为两倍条纹/间隔宽度的倒数的编码的“空间频率”。
一种条码阅读器通常具有规定的分辨率，通常是由其有效感测光斑所能检测的基本单位尺寸表示的。例如，对于光学扫描器，束斑例如可大体上大于具有不同的光反射率的区域即符号的条纹与间隔之中的最小宽度。阅读器的分辨率是由发射器或检测器的参数，与发射器或检测器相关联的透镜或孔，束倾斜角，数字化器的阈值电平，解码器中的编程，或者这些元素的两个或两个以上的组合确定的。激光束扫描器的有效感测光斑通常紧密地对应于光束投射在条码上的点上的光束大小。光测器有效地求出在感测光斑区中检测到的光的平均值。
条码扫描所能够解码一个条码的区域称作该扫描器的有效工作范围。在该范围内，光斑大小能对一种给定的条码线密度生成这些条码的精确读数。工作范围直接与扫描器部件的焦点特征及条码的基本单位尺寸相关。
通常，一个光学扫描器包括一个生成光束的光源，诸如一个气体激光器或半导体激光器。在扫描器系统中采用半导体激光器尤为理想，因为它们体积小，成本低以及功率要求低。光束通常用一块透镜光学地修正成在一个规定的距离上的一个具有一定大小的束斑。光学扫描器还包括一个扫描部件及一个光检测器。该扫描部件可以或者横越符号扫视束斑并跟踪一条横越与超出该符号的扫描线，或者扫描该扫描器的视野，或者两者都进行。光检测器具有一横越并略为超出符号延伸的视野，并为检测从符号反射的光而工作。将来自光检测器的符号电信号转换成一个脉冲宽度调制的数字信号，然后转换成编码在该符号中的数据的一种二进制表示，然后再转换成如上面讨论的所表示的字母数字型字符。
许多已知的扫描系统采用一透镜系统来校正或聚焦激光束以在一规定的距离上建立一具有给定直径的束斑。在垂直于该光束(即平行于该符号)中的这一点上的激光束的强度通常是以具有一个高中心峰值的“高斯”分布为特征的。工作范围定义为横越扫描条码符号以后在其中高度明亮的束斑能够解码该编码的区域。但当扫描器与符号之间的距离移出了通常只有数英寸长度的扫描器的工作范围时，束斑的高斯分布便大为加宽了，从而阻碍了一个条码的精确读出。从而，当前的扫描系统为了正确地读出符号必须定位在一个距符号相对较窄的范围之内。
授予Katz等人的5，080，458号美国专利提出了采用极长的工作范围或焦点深度的一种激光束扫描系统的条码阅读器。通常，扫描系统包括一个激光源、用于生成具有规定直径的一个延伸的中心束斑的衍射图样的光学装置、以及用于横越一个符号扫描该修正后的激光束的扫描装置。在较佳实施例中，激光源生成一正规的“高斯型”光束，该光束受到诸如旋转三棱镜之类的光学元件的修正，该光学元件生成一个在平行于条码图形的方向上大为减少了衍射的光束。具体地说，一个旋转三棱镜会弯折来自光轴上的一个点光源的光线使之在沿该轴线的相当长的一部分上沿一条连续线的点与该轴线交叉。借此建立的束斑的强度与直径会沿这一条线的距离显著地变化。一个旋转三棱镜也产生与中心斑同心的衍射光环。可在光径中放置一个平行于扫描线而垂直于待扫描的条码符号的条纹与间隔的狭缝。该狭缝消除垂直于扫描方向的衍射部分，即平行于符号的条纹与间隔的衍射部分。然而，狭缝并不消除位于平行于扫描即垂直于条纹与间隔的区域中的那部分环。虽然Katz等人的系统提供了对以前使用在条码扫描器中的传统透镜的改进，但仍有必要为优化条码扫描应用的性能而对旋转三棱镜设计作进一步改进。例如，Katz等人并未考虑为了在一个最大的工作范围内优化检测，需要在衍射图样中保留多少衍射环。
其它的问题涉及在扫描器中定位激光器与透镜以便设定及保持所要求的光束聚焦。一种方法为将激光源与透镜合并在一个加工成产生必不可少的光束聚焦的尺寸的模件中。这一类型的激光二极管及聚焦模件通常包括一个激光二级管、至少一个透镜元件用于聚焦来自二极管的光、以及将透镜元件固定在距激光二极管一个所需要的距离上的装置以便将来自二极管的光聚焦在该模件前方一个预定距离上的点上。Krichever等人在他们的4，923，281号美国专利中教导将一个发射与聚焦模件的两个支承部件压紧在置于激光二极管与透镜组件之间的一个偏压弹簧的力上来调整该模件所发射的光的聚焦。一个支承部件是附着在激光二极管上的，另一部件支承聚焦来自激光二极管的光的透镜组件。第二个支承器还提供一个使光通过透镜的椭圆形孔。实际聚焦中，聚焦模件组件夹持在一个夹具中，该夹具具有嵌入定向激光束的槽或键槽中的键或卡头元件，与孔如同两个支承部件一样逐渐地嵌套在一起。一旦达到所要求的焦点，便用诸如胶水或环氧树脂之类的粘合剂或者诸如用桩支持、点焊、超声焊之类的紧固法将两个支承器永久性地相互固定在一起。这种聚焦需要一位熟练的技术人员付出相当可观的劳动。
不同的扫描应用所要求的聚焦是不同的;一种不同的聚焦在距模件的一个不同距离上产生一个不同的光斑。这便产生了扫描器的不同工作范围与灵敏度，而它们必须选择为对应于期望该扫描器要读取的符号密度和/或定位该扫描器的较佳工作范围的。如果一家生产厂生产具有各种工作范围与各种光斑尺寸灵敏度的扫描器，则该生产厂必须保持预置成适用于生产厂家所期望的各扫描器产品所服务的特定扫描器应用的上述激光二极管与聚焦模件的库存。这样一种库存的生产成本是很高的，特别是由于聚焦每一个模件的劳动密集型过程。
本发明的一个目的是生成具有能用于扫描目的扩展的焦深(例如用于扫描条码)的光束。
本发明的另一个目的是提供用于扩展工作距离及能解码的条码密度范围的装置，这种装置的性能优于通过以透镜为基础的扫描器所能达到的性能。
更为具体的一个目的是建立能为扫描条码产生优化性能的、采用旋转三棱镜等的扫描器的设计规则。
本发明的另一个目的是生产一种光发射器及关联的镜片组件，它们能够容易地适应广范围的扫描应用，例如，工作范围和/或信息密度。
一方面，本发明是一种扫描器，其中的光学部件是选择为在扫描具有变化的光反射率的光学编码的信息时能够优化性能的。这种扫描器包括一个用于在光径中将一束准直光束导向要扫描的信息的光源，以及用于使光束沿一条扫描线移动的装置。在较佳实施例中，光源是一个激光器以及产生扫描运动的一面摆动的反射镜。设置在光径中的光学装置建立一个由光束确定的光斑，其大小与要扫描的信息的特征的尺寸相关。此外，该光束在一段沿光束的轴线的相当长的距离上呈现这一束斑的大小。一个光检测器接收来自被扫描的信息的反射光以产生表示信息的反射率变化的一种信号供以后解码与处理。
在本发明的这一第一方面中，光学装置包含一个具有一垂直于该光学装置的轴线的基本上平的表面的光学元件，以及一个由绕该光学装置的轴线旋转与第一表面成一个角度的一个旋转图形所定义的第二表面。具有这一形式的一个光学元件产生一个向内对向该光学装置的轴线的准直光束的相倾斜。本发明的较佳实施例使用一个线性旋转三棱镜(axicon)作为这一光学元件(其旋转图形为一条直线)。该光学装置还包括用于形成一个孔的装置。该孔限制了通过该光学元件的准直光束的大小和/或形状。通过光学元件的受限制准直光束的范围为设计成产生一个特定的相倾斜的光学元件建立了扫描器的一个预定的工作范围。较佳实施例采用圆形的孔来限制通过光学元件的光的半径;然而，也能采用其它孔形。
本发明还为选择光学元件的优化参数及孔的大小提供了一系列具体的设计规则。例如，Roβ/λ比值应小于3并且最好大于1。在这一比值中，值β为光学元件产生的相倾斜，Ro为受到该孔限制的通过光学元件的准直光束的半径，而λ则是光源产生的光束的波长。
在另一方面，本发明设计了一种扫描符号的方法，这一方法包括下述步骤生成一个准直光束;移动该光束以生成一条横越待读取的符号的扫描线;以及修正对向符号的光径中的光束。具体地说，这一修正建立一个具有大致上与该符号的特征的大小相关的尺寸的光斑，这一光斑在沿光轴的一个相当大的距离范围内保持不随距该符号的距离变化的一个基本上恒定的大小。这一特征是在光束通过一个旋转三棱镜及一个限制孔的过程中引入相倾斜的结果。得到的光束具有以许多环围绕一个中心波瓣为特征的一种强度分布，诸如用一个贝塞耳函数分布所描述的。通过孔的通道同时限制了围绕扫描光束的中心波瓣的环的数目。
在这一方法的较佳实施例中，产生相倾斜的步骤是通过引导一束准直光束通过一个实心的光学元件得到的。该光学元件有一个基本上平的第一表面及由绕光轴旋转的一个转动图形定义的一个第二表面。这一转动图形与第一表面成一角度。该转动图形是为提供一个非球面光学元件而选择的，该元件在距该符号的不同距离上产生呈现一个基本上恒定的大小的必要光斑。如果该转动图形是二次曲线型的(圆形的，抛物线形的)，得到的物体可能是一块透镜，它不会在距符号不同的距离上产生基本上恒定的光斑大小。转动图形可以是一条直线，在这一情况中得到的光学元件为一块线性旋转三棱镜。转动图形也可落入一条直线与一个二次图形之间的范围内。本发明所采用的非球面光学部件真正产生包含贝塞耳环的束斑。
根据本发明的第二种方法包括下述步骤生成一束基本上单色的准直光束;以及修正该光束以建立沿光束的光径的一个预定的距离上延伸的具有基本上恒定的直径的一个束斑。并且，该束斑呈现为具有一个中心波瓣及多个围绕该中心波瓣的预定衍射图样。这样一个衍射图样可对应于一个贝塞耳函数，如上所述。这一方法还包括限制光束的衍射图样以减少围绕中心波瓣的环的个数的步骤。将受限制的光束引导到待读取的一个符号上并使之横越该符号移动。
在这一第二方法的较佳实施例中，修正光束的步骤包括令光束通过一个光束元件，该元件产生光束的向内对向其一条轴线的准直光束的相倾斜。并且，限制光束衍射图样的范围的步骤包括限制通过该光学元件的准直光束的半径，例如令光束通过一个圆孔将其限制在一个预定的半径上。
在另一方面，本发明提供了一种用于一个读取光学编码信息的系统中的模件化发光器件，包括一个通用的发光模件及一个安装在该模件上使来自该模件的光的特征适应一种特定的扫描应用的要求的光学组件。该通用模件并不需要特殊的焦距调整。结果，由于消除了在制造过程中的人工聚焦调整，这种模件能以低成本大量生产与贮存。光学元件与孔可根据特定应用的要求选配与安装在通用模件上。如果装配容许容易地拆卸，制造厂商可以拆除并更换光学元件及孔来改变模件化器件的型号使之适用于不同的扫描应用。
更具体地，该发光模件具有一个发射光的前端部分，该发光模件包含一个发光元件，诸如在对向该发光模件的前端部分的方向上发射光的一个激光器。一个第一光学元件将来自第一发光元件的光准直并聚焦在基本上无穷远处。第一安装装置将第一光学元件定位在从发光元件发射的光的一条轴线上邻近该发光模件前端部分的一个点上。将一个光学组件安装在发射光的发光模件的前端部分上方。该组件包含一个第二光学元件，它使来自第一光学元件的准直光线弯曲使之在沿轴线的一个相当长的范围内沿一条连续线的点与轴线交叉。在较佳实施例中，第二光学元件是一块线性旋转三棱镜。一个孔限制通过该第二光学元件的光束的大小。成形第二光学元件并确定孔的尺寸使得第二光学元件与孔一起建立一个具有大致上与待扫描的信息的特征的大小相关联的一个尺寸的光斑。这些尺寸还在光轴上相当长的一段距离范围上相对于变化的设备与符号之间的距离将光斑保持在一个基本上恒定的大小上。
在另一方面中，本发明由含有上述模件化发光器件的光学扫描器构成。
在模件化发光器件的较佳实施例中，该光学元件是一个具有一基本上平的表面以及一由绕垂直于第一表面的一条轴线旋转的转动图形定义的第二表面的实心光学元件。转动图形相对于光接收表面形成一个角度。一块线性旋转三棱镜是这种实心光学元件的典型实例。这种光学元件生成包含一个中心波瓣及若干围绕该中心波瓣的环的一个衍射图样，孔限制了在扫描中实际到达符号的图样中的环数。该孔可放置在第一与第二光学元件之间。另外，第二光学元件可位于第一光学元件与孔之间，而孔则位于邻近发光的第二光学元件的一个表面处。
本发明的一部分其它目的与新颖特征将在下面的描述中提出，而一部分则可通过对下文的检验或者通过在实践本发明中学习而成为对熟悉本技术的人员显而易见的。本发明的目的与优点可利用所附的权利要求书中所具体指出的手段与组合得到实现与完成。


图1为示出在扫描一个条码符号的位置上的一个根据本发明的手持式光学扫描器的等轴局部剖视图;
图2A为一个激光发射器及透镜模件的剖视图;
图2B为一个孔及旋转三棱镜组件的剖视图;
图3为由图2A的发射器及透镜模件与图2B的孔及旋转三棱镜组件构成的一个发射器及聚焦模件的剖视图;
图4A与4B分别为用于本发明的一个线性旋转三棱镜型折射光学元件的剖视与平面图;
图5为通过一个线性旋转三棱镜及一个圆形限制孔的一束准直光束所产生的光分布的示意图;
图6为调制转换函数相对于使用旋转三棱镜的扫描器所扫描的符号的空间频率的曲线;
图7与8为展示作为使用本发明扫描的不同空间频率的编码的照射宽度的一个函数的工作范围的曲线;以及表1-4为实现本发明的扫描器的计算机模拟中得到的实际工作范围的表，在这些表中，表3还示出了实验结果。
如本说明书及所附权利要求书中所使用的，名词“符号”不仅广义地包含由相间的不同宽度的条纹与间隔构成的通常称作条码的符号图形，而且还包含其它一维或二维图形以及字母数字型字符。通常，名词“符号”可应用于任何类型的图形与标记，只要它们是能够通过扫描一条光束并检测作为图形或标记的各点上的光反射率的变化的一种表示的反射或散射光加以识别与辨识的。图1示出了本发明所能扫描的一个条码15作为“符号”的一个例子。
图1描绘了用于读取符号的一个手持式激光扫描器设备10。激光扫描器设备10包含一个大致上在上述专利中所示的形式的具有一个枪管部分11及枪把12的外壳。虽然图中描绘的是一个手持式手枪形外壳，本发明也可实现在其它类型的扫描器外壳中，诸如作为一台桌面工作站或静止的扫描器。在所示的实施例中，外壳的枪管部分11包含一个出口或窗口13，外出的激光束14便是通过它照射在并扫描横越位于距外壳一定距离上的条码符号15的。
激光束14横越符号15移动以建立一个扫描图形。通常，扫描图形是一维即线性的，如直线16所示。激光束14的线性扫描运动是由一台步进电机18驱动的一面摆动反射镜17产生的。如果需要，可以设置装置来扫描光束14使之经过一个二维扫描图形，以便读取二维的光学编码符号。此外，可以设置移动激光源20和/或旋转三棱镜22来代替摆动反射镜产生所要求的光束扫描图形。
手动启动的扳机19或类似的装置使操作员能够将设备10瞄准符号15以后启动扫描操作。采用扳机开关可降低电力消耗，因为只在实际扫描一个符号的有限时间内而不是在所有时间内才启动诸如激光源、扫描电机18、以及光检测器与解码器等部件。
扫描器设备10包含一个安装在外壳中的激光源20，诸如一个气体激光管或一个半导体激光二极管。该激光源20生成激光束14。位于外壳中的一个光检测器21至少接收一部分从条码符号15反射的光。光检测器21可面对窗口13。另外，也可用扫描反射镜17的一个凸起部分将反射光聚焦在光检测器21上，在这一情况中光检测器面对扫描反射镜。当光束14扫过符号15时，光检测器21检测符号15反射的光并生成一个与反射光成比例的模拟电信号。一个数字化器(未示出)典型地将该模拟信号转换成一个脉冲宽度调制的数字信号，其脉冲宽度和/或间隔对应于所扫描的符号15的条纹与间隔的物理宽度。一个典型地包括一个带有相关联的RAM(随机存取存储器)及ROM(只读存储器)的编程的微处理器的解码器(未示出)按照特定的符号表示法解码该脉冲宽度调制的数字信号来导出编码在该符号中的数据的一种二进制表示，以及由该符号表示的字母数字型字符。
激光源20引导激光束通过包括旋转三棱镜22及孔23的一个光学装置以修正并引导激光束到转动反射镜17上。安装在一条垂直轴上并由电机驱动器18绕一条垂直轴线转动的反射镜17反射该光束并将其引导通过出口13到达符号15上。所示出的孔23是椭圆形的，但其它形状的孔也能使用。孔限制了通过旋转三棱镜的光束的大小并减少出现在得到的衍射图样上的环的数目，这将在下面讨论。
为了操作扫描器设备10，操作员按下扳机19来启动激光源20及步进电机18等。激光源20生成一束激光束，该激光束通过旋转三棱镜22及孔23组合。旋转三棱镜22及孔23修正该光束以生成具有给定直径的一个强束斑，它继续延伸并在一段距离24上基本上不改变(如在这里引入作为参照的授予Katz等人的5，080，456号美国专利中所详细描述的)。旋转三棱镜与孔组合将光束引导到转动反射镜17上，后者将修正后的激光束从扫描器外壳11中引导出去并以一种扫视模式(即，沿扫描线16)引向条码符号15。一个位于距离24内的任何一点上并基本上垂直于激光束14的条码符号15反射一部分激光。安装在扫描器外壳11中的光检测器21检测反射光并将接受的光输入转换成一个模拟电信号。然后，系统电路将该模拟信号转换成一个脉冲宽度调制的数字信号，以微处理器为基础的解码器按照条码符号表示规则的特征对它进行解码。
一块旋转三棱镜是一个旋转体，它通过反射、折射或两者将来自该旋转体的轴上的一个点光源的光线弯曲，使之在沿该轴的一个相当长的范围上在沿一条连续的线的点上与该轴交叉。从而，一块旋转三棱镜并不象一块透镜那样只将光线聚焦在一个单一的点上或者在沿该轴的一个狭窄的区域中。受到一个准直光束照射的旋转三棱镜产生这一光束的一个波前倾斜向内对向该旋转三棱镜的轴线。得到的光束中包含与中心束斑同心的衍射光环。放置在光径上的孔23限制了这些衍射环的数目。孔23消除了部分平行于扫描方向的区域中的这些环以及部分垂直于扫描方向的区域中的衍射环。
当旋转三棱镜为如图所示的一个独立的光学元件时，该旋转三棱镜具有一个基本上平的第一表面。该旋转三棱镜的一个第二表面具有由一个旋转的图形定义的一个形状，并相对于第一表面成一角度，该图形是绕该旋转三棱镜的中心轴旋转的。在采用线性旋转三棱镜的较佳实施例中，旋转的图形为一条直线，因此第二表面是圆锥形的。可将线性旋转三棱镜设置成这样的朝向，使之通过其锥形表面接收光线并从其平表面发射光线。另外，也可令旋转三棱镜通过平表面接受入射光而通过其圆锥形表面发射光线，如图3与5中更清楚地示出的。光学元件可具有其它的形状和/或用一个反射元件代替，只要该元件能产生下面要详细讨论的相倾斜与衍射图样即可。
图2A、2B与3示出可替代图1的激光扫描器设备10中的激光源20与旋转三棱镜22的一种激光发射器及聚焦模件。图2A示出一个“通用”激光器及透镜模件40。该通用模件40包括一个小型激光二极管41、一个支承框43及一块聚焦透镜45。激光二极管模件41可具有发射光谱的可见部分中的一种光束的类型。电连接引线从激光二极管41的基座的后表面伸出。激光二极管41的圆柱形前端位于支承框43的后部，支承框通常是用黄铜制成的。激光器支承框的黄铜可用作一个热吸收器来耗散激光二极管41产生的热量。支承框43的大小可制成压配合在激光二极管41的柱体前端部分上的，或者支承框43可以是连接在激光二极管41的前端部分和/或基座上的，例如通过焊接或粘接。
支承框43的前端用作透镜45的支座。透镜可用若干装置定位。例如，透镜45可以粘接在支承框43上，或者用某种形式的扣环定位。另外，通用模件40可包含一压缩在激光二极管41与透镜45之间的弹簧。这一弹簧提供的张力将透镜45压在形成在支承框43的前端部分上的前唇上。支承框45将聚光透镜45定位在沿激光二极管41发射的光束的轴线上距激光二极管的发光前表面一定距离处。形成在支承框43的前端部分上的前唇提供一个大的开口47，通过它，模件40发射光束。
通用模件40可采用若干种不同形式。例如，该模件可使用一种与授予Krichever等人的4，923，281号美国专利中相似的外壳结构来代替图2A中所示的支承框43。
模件40起“通用模件”的作用，因为透镜45与开口47是这样选择与定位的使其将来自激光二极管41的光束聚焦在无穷远处。为了使这样一个单元适于在模件前方的要求距离上提供一个所要求的束斑大小并产生一个所要求的扫描器工作范围，在支承框43的前端安装了制成重新聚焦光束所要求的尺寸的一块旋转三棱镜及孔，图2B示出了旋转三棱镜与孔帽配置的一个较佳实施例。
帽42围绕一个旋转三棱镜元件44。帽42的前唇也构成一个小于开口47的圆形孔46。图3示出一个完整的激光发射器与聚焦模件50，它包括通用模件40、帽42与旋转三棱镜44。如所示，帽42的大小是制成压配合在通用模件40的前端部分上的。以这样一种装配，可以将帽42取下并代之以具有不同的孔径和/或旋转三棱镜角度的另一个组件，以提供不同束斑大小与工作范围的模件。另外，帽42也可连接在支承框43的前端部分上，例如通过焊接或粘接。同样，所示的帽42的结构也是示例性的。帽42可采用各种各样的不同方式。特别要指出的是，帽42可重新设计成将孔46放置在旋转三棱镜44的后表面与通用模件的前表面之间。
孔46限制了模件50所发射的光束的半径。孔46与线性旋转三棱镜元件44的圆锥形前表面的角度一起定义了得到的光束的非扩展形截面分布。为一种给定的扫描应用选择正确的孔半径与旋转三棱镜角度的设计规则将在下面结合图5讨论。由于孔与旋转三棱镜是作为一个独立的单元的元件构成的(图2B)，可将束半径与旋转三棱镜角度选择为产生对应于各预期的应用(条码密度、工作范围等)所要求的束斑大小与非扩展形分布范围的。对于不同的应用，不需要改变通用模件的聚焦。制造厂商只须为每一种扫描应用简单地采用一种不同的帽与旋转三棱镜组件。
图4A与4B分别以剖视及正视图描绘一个线性旋转三棱镜型光学元件。示出在这两个图中的旋转三棱镜对应于图1的实施例中的旋转三棱镜22及图3的模件化实施例中的旋转三棱镜44。如图4A与4B所示，该旋转三棱镜22(44)是一个半径为R的圆形元件。一个第一表面基本上是平的。第二表面是由一条绕该旋转三棱镜的中心轴线旋转的直线确定的。这一直线与示出在该旋转三棱镜后部的平表面成α角。图5示出由一条通过孔46及线性旋转三棱镜22或44的准直光束产生的光分布。
本发明的光学元件与孔配置产生特别适用于光学扫描的(例如，用于扫描条码)具有扩展的焦深的光束。旋转三棱镜可用于形成这种光束，虽然其它随ρK(K＜2，其中ρ为径向距离)变化的非球面外形也同样能用。现在已经发现孔(束直径)与倾斜角确定工作区域，并且有可能选择这些参数的值来优化扫描性能。
以下的数学分析将线性旋转三棱镜作为一种非球面元件的专有类型对待，但其结果对于与旋转三棱镜所提供的直线形状相比差别非常小的非球面外形而言并不十分明显。已经认识到旋转三棱镜是产生沿相当长的距离上保持密集、围绕其传播轴线只有有限的扩展的光束的结构。使用一种近似的几何学方法来确定这一有效区的界限是有用的，如图5所示。
Katz等人在5，080，456号美国专利中公开了下述几何有效区(场的深度)对旋转三棱镜元件的半径R的关系Zd＝ (R)/((n-1)α)其中n为旋转三棱镜的折射率，α为旋转三棱镜的圆锥形表面的倾斜角。然而，Katz等人并未特别建议通过提供一个孔来限制通过旋转三棱镜的准直光束的束半径，以调整工作范围。现在已经发现，提供一个适当大小的孔与选择旋转三棱镜角度一起能够为一个光学扫描器建立一个要求的场深度及对应的工作范围。下面详细讨论为给定的符号密度建立优化的扫描器性能的特定几何学与对应的数学分析。为了简化分析，我们假定孔46是圆形的并在准直光束通过光学元件时限制其有效半径;然而，相同的原理也可用于不同形状的孔。此外，虽然图5示出的旋转三棱镜通过其平表面接受光线并通过其圆锥形表面发射光线，下面的分析同样适用于旋转三棱镜的方向是反置的情况，即入射光照射在圆锥形表面上并通过平表面发射光。
图5中的孔与旋转三棱镜配置的场深可表示如下
Zd= (R0)/((n-1)α) = (Ro)/(β) (1)其中β＝(n-1)α(1.1)其中n为旋转三棱镜的折射率，α为旋转三棱镜的圆锥形表面的倾斜角，而β则为得到的相倾斜。然而，这一公式表示中使用了实际通过旋转三棱镜的准直光束的半径R0。在本发明中，束半径R0是受到诸如孔46这样的装置限制的。在这样一种配置中，束半径R0对应于孔的半径。
不论孔是如图5中那样位于激光源与旋转三棱镜之间，还是如图3那样邻近旋转三棱镜的倾斜前表面，孔46都限制通过旋转三棱镜的光线的有效半径。如果孔是在激光源与旋转三棱镜之间的，则它限制了实际照射在旋转三棱镜的平的后表面上的光束的半径。如果孔是邻近旋转三棱镜的倾斜的前表面的，则它限制了从旋转三棱镜发出的光线的半径。然而，对于孔的这两种位置，得出的光束的几何形状几乎是相同的。
在图5中所示的阴影区内可见，光束在下述位置上达到最小的扩展Z＝2Zd/3(2)束斑大小是由光束的倾斜角确定的，后者是由设备引入的相移确定的。由于中心斑的直径为如5，080，456号专利中所指出的d＝ (2.4λ)/(πβ) (β＜＜1)(3)其中λ为激光源所发射的光束的波长，由于为了使对比度仍保持合理(即，大于15%)而使条纹/间隔宽度“m”不小于d/2，结果是m＝ (2.4λ)/(2πβ) ＝0.38 (λ)/(β)或β＝ (2.4λ)/(2πm) ＝0.38 (λ)/(m) (4)使用空间频率术语，由于fx＝1/2m，结果成为fx＝ (πβ)/(2.4λ) (5)使用式(1.1)来用旋转三棱镜的角度定义倾斜角β，式(4)与(5)变成m＝ (2.4λ)/(2π(n-1)α) ＝0.38 (λ)/((n-1)α) (4.1)
及fx＝ (π(n-1)α)/(2.4λ) (5.1)条码的检测依赖于采集从若干条纹与间隔反射的光。这样，重要的特征是“线扩展函数”而不是在扫描任意目标时所使用的点扩展函数。贝塞耳型光束(如旋转三棱镜或类似非球面元件所提供的)的线扩展函数生成一个调制转换函数(MTF)，该函数在大范围的空间频率(条码密度)上呈现为低值，如图6中作为例子示出的。具体地说，图6示出从使用产生0.625mRad(毫弧度)的β的相前倾斜的一个旋转三棱镜得出的MTF。线扩展函数的MTF是在距离Z等于1.4米处测得的。这一测定是使用一均匀输入照明半径R0＝2毫米与激光源所提供的输入光束波长λ＝670毫微米取得的。电子电路应设计成能处理低对比度信号的。这可以在调制转换函数MTF超过一个一定的低值(比如15%，即图6中的0.15)的整个范围上扩展操作。图6的曲线示出了本发明的扫描器能够有效地读取的编码密度的扩展的范围。
等价的公式(4)与(5)揭示条纹/间隔的宽度及光的波长确定能生成一定的相前倾斜(β)的必要旋转三棱镜。另外，公式(1)与(2)揭示照明光束(或者限定它的孔)的半径确定工作范围及光束的最狭窄处的位置(在2Zd/3处)两者。
如果使用高斯光束来照射旋转三棱镜，用输入光束的光腰(1/e2强度点)作为光束的大小。展示作为不同的空间频率图形(即条码)的照明光腰(w)的一个函数的工作范围的某些典型曲线示出在图7与8的上部。在这两个图中每一个下方的直线展示使用对应于不同孔径的不同高斯照明光束的光腰值读取一个13密耳条码时沿光轴的不同工作范围的位置。
虽然以上讨论的推导是对旋转三棱镜进行的，对于它们某些分析表达式是可以推导出的，但它们在广义上对于具有与旋转三棱镜所提供的线性相移稍有不同的光学特征的非球形表面也是同样成立的，对于它们没有现成的精确解。例如，当用于产生相倾斜的光学元件是在另一个光学元件的紧邻位置上或者连接在另一光学元件上时，光接受表面可能是与另一个元件的光发射表面的形状一致的。如果另一个元件是一块透镜，光接受表面会具有对应于该透镜的形状的一个形状。用于产生相倾斜的光学元件的第二表面则可具有这样选择的一个非球面轮廓，使得这一元件的两个表面之间的差对应于上面讨论的线性旋转三棱镜的表面之间的差。
已经展示了用旋转三棱镜来提供具有不变的光束扩展的“扩展的距离”。旋转三棱镜的锥角与光孔唯一地确定了工作范围、盲区以及光束检测给定密度的条码的能力。现在已经发现，用于扫描目的的一种优化配置呈现为表达式R0β/λ在值1与3之间的一个值。这一要求主要建立了这样一条原则，衍射图样中容许的环数应受限制，使得点扩展函数适用于扫描目的。下面将详细讨论几种揭示在这一值上达到优化的扫描性能的理论性估算、计算机模拟及实验结果。我们应当注意，由于β是根据所要求的点扩展函数选定的(它对于高密度条码是较窄的，从而β较大，而对于低密度条码则较宽，从而β较小)，我们对大约由0.3R/β给定的盲区没有独立的控制能力。然而，我们能够找出提供所有参数的可接受的性能的值的范围，例如，β＝0.002弧度及R＝1(图10)提供非常满意的值。
从它们能将一个入射的平面波前变换成一个圆锥形波前的能力上看，旋转三棱镜是用于生成“无衍射”光束的最简单装置，在设备位置后方的某一区域中，圆锥形波前生成一个贝塞耳函数横向分布。一组具有沿一个圆锥表面的传播K矢量的无限平面波确实产生一个贝塞耳J0分布J0(kpsinβ)(6)其中k＝2π/λ，而λ为波长，p为径向距离。
一个旋转三棱镜是一个截顶的圆锥形光学表面，因此只能提供一个“不完整”的贝塞耳分布。尽管如此，这一特点是有利的，由于它限制了侧波瓣的数目，对于扫描器，这是一种令人满意的特性。旋转三棱镜的确具有在一个区域Zd中提供一个延长的聚焦光束的能力，如图5中所指出的，从而使Zd= (R0)/(β) (1)其中R0为照射光束的半径而β为K矢量相对于纵向(Z)的倾斜角，如上面所讨论的。
此外，公式(4)揭示了在β与旋转三棱镜生成的光束的空间频率响应之间存在着一种直接的关系，近似地由下式给出β＝0.38 (λ)/(m) (7)其中m为条码的最窄元素的宽度。
旋转三棱镜生成的光束的最高聚焦点(即“最佳光斑”)在2Zd/3的距离上。因此以上的公式指明存在着一个自由参数R0，通过它可将最佳光斑移动到任何位置上。作为一条经验法则，用于条码解码的工作范围延伸在Zd/3±Zd/4之间，而Zd则可以通过增大(或减小)R0来延长(或缩短)。
然而，如下面将要示出的，把R0理解为不是一个完全独立的参数这一点是非常重要的。
如果在图样中含有太多的贝塞耳环，则贝塞耳分布的点扩展函数的振动性质对于扫描目的是相当不合适的。确实，从贝塞耳点扩展函数的线性积分得出的线扩展函数(LSF)，在“贝塞耳无衍射光束”的半径增加时呈现为调制转换函数的明显减小。
下面对半径为R0/3的几何“最佳光斑”中(见图5)容纳的贝塞耳环的数目加以估算。已知贝塞耳函数(图6)具有受贝塞耳函数的零点界限的环。
由于对于Z＝2.4，5.6，8.7…或近似地Z＝2.4+πt＝(0.76+t)π时J0(Z)＝0，从公式6可得到(2π)/(λ) ρβ＝(0.76+t)π或ρ＝(0.76+t) (λ)/(2β) t＝0，1，2，…这样，由于ρ等于在最窄点位置上的照射半径的1/3(Ro)/3 =(0.76+t) (λ)/(2β) (8)可对t提供一种估计，t为围绕包含在“最佳光斑”上的中心波瓣的贝塞耳环的数目。因此，每当定义为等于R0β/λ的量M低于1.14(＝3/2×0.76)时，“最佳光斑”仅仅包含中心贝塞耳波瓣区(t≤0)。当M为2.64时，只有一个环围绕最佳光斑(t＝1)，对于4.14为两个环(t＝2)，等等。
对于若干倾斜角(β＝0.625，1，2，3毫弧度)及若干半径(R＝2，1，0.5，0.25)的计算机模拟概括在表1-4中所示表中。从这些模拟中可以总结出几个结论，如下面要讨论的。
从模拟结果得出的最重要结论是如果因子M小于3，则可以得到最佳结果(最大工作范围)。作为一个例子，考虑表2，该表是对调制指数或对比度C等于0.12导出的。如在表的下部所示，当M＝R0β/λ的值为6时(第一列数据)，4密耳条码与5密耳码的MTF低于假定为产生这些编码的精确读数所必需的值0.12。结果是对于这些条码密度，完全不存在工作范围。同样对于M＝6的情况，对于较低密度的编码10、15与20密耳，能达到的工作范围是比较短的并且远离旋转三棱镜元件。如果将旋转三棱镜与孔选择为产生3或1.5的R0β/λ即M的值(中间的列)，工作范围大为加长，而扫描器能够在不使MTF值下降到0.12截止点以下的条件下有效地读取所有尺寸的条码。并且工作范围出现在较接近旋转三棱镜元件的点上，从而方便了扫描器的定位，使被扫描的条码相对地接近设备的前端。虽然右侧列揭示当M值为0.75时，扫描器能够读取所有列出的编码大小，但所能达到的工作范围却实际上小于M为3或1.5的情况。表1、3与4中的其它表揭示了当M在1与3之间时类似的优点。
表3中所示的实验结果肯定了从计算机模拟中得出的结论。1毫米的孔的实验结果对应于M值1.5。这些结果示出了所有四种条码密度的长工作范围。并且，这些工作范围全都起始于大约14或15英寸的同一距离上。采用0.5毫米的孔(M＝0.75)能够产生更接近旋转三棱镜的工作范围;然而，某些工作范围，尤其是对10密耳条码的范围，短于使用表3中的1毫米的孔所产生的范围。
将式(7)中的β值代入WR与M的表达式，可得到WR= 1/2 Zd= 1/2 · (Ro)/(β) = 1/2 · (mR0)/(0.38λ) (9)M= (Roβ)/(λ) = (0.38Ro)/(m) (10)从计算机模拟中揭示M应在1与3之间，其结果是1< (Roβ)/(λ) <3(10.1)或1< (0.38R0)/(m) <3(10.2)将式(10)中的R0代入式(9)，可得
WR= 1/2 · (M)/((0.38)2) · (m2)/(λ) =3.5M (m2)/(λ)=(3.5÷10.5) (m2)/(λ) (11)注意到对于一个“最佳高斯光束”我们能得出下式这一点是重要的Wo= (1n(1/n))/(πfo)得出的工作范围为WR=2Zr=2π (W02)/(λ) = (-8m21nC)/(λπ)=-2.54(1nC) (m2)/(λ) (12)其中C为检测到的图形的对比度或“调制指数”。
与“最佳高斯的”相比，旋转三棱镜结构所提供的改进可以通过将式(11)除以式(12)来评估|Q|＝ (3.5Mπ)/(8lnC) (13)下面对M与C的若干值进行评估，如表5所示
对于旋转三棱镜的情况，m2/λ的系数为(3.5÷10.5)，而对于高斯的情况则仅大约为(5.4÷6.4)(假定C＝0.12或0.08)，从而指明在理论上对于额定设计密度，假定M＝2÷3时旋转三棱镜可增加工作范围一个1.3÷1.65(30-65%)的一个因子。这也指明当M＜2时，高斯光束可具有相当的质量。
计算机模拟中得到的实际工作范围概括在图9-12所示的表中。
从而，如果一条具有由孔46的半径确定的半径R0的照射光束照射在一块提供给一个圆形波β弧度的相前倾斜的旋转三棱镜上，得到的光束将在大约0.3-0.9R0/β范围内的距离上保持一个非扩展的截面分布。然而，为了扫描的目的，宽截面光束是不符合要求的，因此入射光束应满足条件1< (R0β)/(λ) <3 (10.1)图3的实施例利用了若干可互换的旋转三棱镜与孔帽单元，每一个包含一个倾斜角β(由(n-1)α确定)的旋转三棱镜及一个半径R0的孔，它们可以与准直激光组件联合使用。对各帽的β与R0的选择取决于预期的应用(条码密度、工作范围等)。此外，如果扫描器要用于不同条码密度的符号，组件50可通过更换旋转三棱镜帽进行改装。
上面讨论的较佳实施例采用一块折射型旋转三棱镜作为光学元件，即，光束通过该元件并被该元件修正以产生必要的相倾斜。也有可能使用一个具有适当外形的反射型光学元件。例如，该光学元件可采用圆锥形反射镜的形式。这样一面反射镜可包括由一转动的直线或类似的图形绕该反射镜的中心轴旋转而产生的一个反射表面。
同样，在本发明中采用的孔可具有多种形状。如图1所示，孔23是椭圆形的，而图2A至5的孔46是描述为一个规定半径的圆孔。孔还可以是正方形、长方形的等。在各种情况中，孔限制了由光学元件修正的准直光束的范围，从而限制了衍射图样的范围并减少了出现在衍射图样中的环的数目。
表1
表2
表3
表4
表权利要求
1.一种用于扫描具有不同光反射率的光学编码信息的扫描器，所述扫描器包括(a)一个光源，用于在光径中将一束准直光束导向待扫描的信息，以及用于使该光束沿一条扫描线移动的装置；(b)一个光学元件，具有垂直于该准直光束的一条轴线的基本上平光的一个第一表面，以及由一个转动图形绕所述轴线旋转而形成的一个第二表面，所述转动图形是与所述第一表面成一角度的，所述光学元件导致该准直光束向内对向所述轴线产生一相倾斜；(c)用于形成一个孔来限制通过该光学元件的准直光束的范围的装置，其中通过所述光学元件的准直光束的范围为该光学元件所导致的一个特定的相倾斜建立一个预定的扫描器工作范围；以及(d)一个光检测器，定位成接受从所述信息反射的光。
2.一种用于扫描一个符号的方法，包括下述步骤(a)生成一准直光束并沿一条光径将所述光束导向待读取的一个符号;(b)移动所述光束以生成一条跨越所述待读取的符号的扫描线;(c)修正在光径中对向所述符号的所述光束以建立一个具有与所述符号的特征的尺寸一般性地相关的尺寸的光斑，在一条光轴的一个距离相当长的范围内，对到达所述符号的不同的距离上，所述光斑保持一个基本上恒定的尺寸，该修正步骤包括(ⅰ)产生一个向内对向该光轴的所述光束的相倾斜，以及(ⅱ)限制围绕该相倾斜的光束的一个中心波瓣的贝塞耳环的数目。
3.一种扫描一个符号的方法，包括下述步骤(a)生成一基本上单色的准直光束;(b)修正该光束以产生一具有基本上恒定的直径的束斑，该束斑沿所述光束的光径的一段预定的距离延伸，并呈现一具有一个中心波瓣及多个围绕所述中心波瓣的环的预定的衍射图样;(c)限制该光束衍射图样以减少围绕所述中心波瓣的所述环的数目;(d)将减小了的光束衍射图样导向一个待读取的符号上;以及(e)跨越待读取的符号移动该减小了的光束衍射图样。
4.一种供读取光学编码信息的系统中使用的装置，包括(A)一个具有从中发射光束的前端部分的发光模件，所述发光模件包括(ⅰ)一个发光元件，在对向该发光模件的前端部分的方向中发射光线，(ⅱ)一个第一光学元件，用于将来自该发光元件的光线基本上准直及聚焦在无穷远处，以及(ⅲ)第一安装装置，用于将该第一光学元件安装在沿该发光元件发射的光的一条轴线上邻近该光发射模件的前端部分的一个点上;以及(B)安装在该发光模件从中发射光线的前端部分上的一个组件，所述组件包括(ⅰ)一个第二光学元件，使来自该第一光学元件的准直光产生一个相倾斜，使之在沿该轴线的一个相当长的范围的一条点的连续线上与该轴线交叉，(ⅱ)用于形成一个限制通过该第二光学元件的光线的孔的装置，以及(ⅲ)第二安装装置，用于将第二光学元件及用于形成一个孔的装置安装在该发光模件从中发射光线的前端部分的上。
5.一种用于读取具有不同光反射率的光学编码信息的装置，包括(A)一个发光模件，具有从中发射光线的一个前端部分，所述发光模件包括(ⅰ)一个发光元件，在对向该发光模件的前端部分的方向中发射光线，(ⅱ)一个第一光学元件，用于将来自该发光元件的光线准直与聚焦在基本上无穷远处，以及(ⅲ)第一安装装置，用于将第一光学元件安装在沿该发光元件所发射的光线的一条轴线上邻近该发光模件的前端部分的一个点上;(B)安装在发光模件从中发射光线的前端部分上的一个组件，所述组件包括(ⅰ)一个第二光学元件，使来自第一光学元件的准直光产生一个相倾斜，使之在沿该轴线的一段相当长的范围上的一条点的连续线上与该轴线交叉，(ⅱ)用于形成一个孔来限制通过第二光学元件的光线的装置，以及(ⅲ)第二安装装置，用于将第二光学元件及形成孔的装置安装在发光模件从中发射光线的前端部分上;用于使所述光束产生一个跨越该信息一部分的一个扫描动作的装置;以及用于接受从该光学编码信息反射回来的光线并生成的应于不同的光反射率的电信号的装置。
全文摘要
在条码扫描器中使用线性旋转三棱镜或类似元件产生一大致与被扫描信息的特征的大小相关的扫描光斑，该光斑的尺寸在相当长的距离范围内保持基本恒定。该光学元件产生一衍射图样，该图样包括一中心波瓣及围绕其的若干个环。设置了一个孔来限制光束以及到达符号的图样中的环数。由该光学元件产生的光束的大小及相前倾斜角选择为能产生所要求的分辨率及工作范围。本发明还提供了一模件化发光装置。
文档编号G06K7/10GK1083609SQ93116579
公开日1994年3月9日 申请日期1993年8月28日 优先权日1992年8月28日
发明者伊曼纽尔·马罗姆, 约瑟夫·卡茨 申请人:欧林巴斯光学工业股份有限公司