全息激光扫描系统及其设计和建造的过程、装置和方法

专利名称：全息激光扫描系统及其设计和建造的过程、装置和方法
背景技术：
发明领域本发明一般涉及利用全息光学元件和可见光激光二极管而能在大的扫描体积范围内读出条纹或其它类型图形记号的超紧凑设计的全息激光扫描器，本发明还涉及在不同应用场合设计和操作该扫描器的方法。
先有技术的简要说明条形码符号用于产品或物件识别在本领域中为众所周知。迄今已研制出各种类型的条形码符号扫描器。通常可将这些条形码符号阅读器分成不同的二类。
第一类条形码符号阅读器用一个(或数个)特定波长的光同时照射条形码符号的所有的条纹和间隔，以便捕获其图像供识别/解码之用。这类扫描器一般称作CCD扫描器，因其使用CCD图像检测器检测正被阅读的条形码符号的图像。
第二类条形码符号阅读器使用聚焦的光束，一般用聚焦的激光光束，来依次扫描待读的条形码符号的条纹和间隔。这类条形码符号扫描器通常称作“飞点”扫描器，因为聚焦的激光光束表现为“飞越”正被阅读的条形码符号的“光点”。一般，激光条形码符号扫描器根据越过条形码符号的激光光束所使用的聚焦和扫描机构进作一步细分类。
当今使用的大多数激光扫描器使用透镜和移动的(即旋转或来回振荡的)反光镜，以便在码符的阅读操作期间激光光束聚焦并扫过条形码符号。这种激光扫描器的例子在纳入本说明书以供参考的以下美国专利的发明背景中作了详细披露授予Knowles等人的第5,216,232号；授予Knowles等人的第5,340,973号；授予Rockstein等人的第5,340,971号；授予Rockstein等人的低5,424,525号。
近年来获得极大流行的一种激光扫描器称作“多边形扫描器”，这是由于它使用了旋转的多边形，其各边都含有能反射光的表面(例如反光镜)，以使激光光束在扫描器扫描窗上部的空间里扫过多条路径。在多边形激光扫描器中，输出激光光束的角扫描和对返回的激光光束的采光效率二者都直接与旋转多边形上的光反射小面(facets)的数目和尺寸有关。
与使用透镜(即光折射元件)以整形激光光束并使其聚焦及使用光反射表面以使已聚焦的激光光束扫描的激光扫描器对照，存在着另一子类的使用高速全息盘的激光扫描器。一般说，所述全息盘包括称作“小面(facets)”的全息光学元件(HOE)阵列，这些小面的作用是在激光光束扫描操作期间使输出的激光光束聚焦和偏转，以及在光采集/检测操作期间使输入的反射激光聚焦。由于这种条形码符号扫描器使用全息光学元件(HOE)，所以一般称作全息激光扫描器或阅读器。先有技术的全息扫描器的例子公开于纳入本说明书以供参考的以下号码的美国专利中4,415,224；4,758,058；4,748,316；4,591,242；4,548,463；5,331,445及5,416,505。
与使用透镜和反射镜以使激光光束聚焦和扫描(即偏转)的激光扫描器相比，全息激光扫描器，或阅读器，具有许多优点。
全息激光扫描器超过多边形激光扫描器的主要优点之一在于全息激光扫描器能独立地控制(ⅰ)输出激光光束的角扫描和(ⅱ)返回激光光束的采光效率。
全息激光扫描器还有超过多边形类型的激光扫描器的其它优点。尤其是，在全息激光扫描器中，采光效率取决于每个全息小面的采光部分的尺寸，而输出激光光束的角扫描则取决于该全息小面的输出光束部分的角宽及该输出激光光束的入射角和衍射角。
虽然同基于反射镜的激光扫描系统相比，先有技术的全息扫描系统具有许多优点，但是先有技术的全息扫描器不是没有问题的。
在国际商用机器(IBM)公司生产的第一个全息扫描器中，在其全息盘上的全息小面是简单扇面，该简单扇面不允许对采光和光扫描功能进行分别控制。因此，这种全息扫描器的扫描速度比当时寸的应用所需的速度快。由IBM设计的随后的工业扫描器倒是允许独立地控制这些功能。但是，在先有技术的全息扫描器(例如由California州San Jose市的Holoscan,Inc.公司设计和出售的HOLOSCAN 2100TM全息激光扫描器)中使用的全息盘却未能(ⅰ)为采光而最大限度地利用盘上的可用空间，(ⅱ)对于特定的扫描样式(scanningpatterns)使扫描线的速度尽可能的低。这种设计上的限制的结果是先有技术的全息扫描器要求使用大的扫描盘，这就使其可用的采光面面积得不到有效使用。这些先有技术的扫描盘也不能根据在其上的每个全息小面产生具有基本相同信号电平的已检测扫描数据信号，使之与从中产生相应的光扫描数据信号的扫描体积中的位置无关。因而，对处理与这些已检测返回信号有关的显著信号摆动所需的电信号处理电路定下了很高的要求。
虽然授予共同申请人(Dickson)的美国专利第4,415,224号公开了一种全息扫描盘上的每个小面的采光效率的均衡方法，该专利却不曾公开、叙述或提议一种均衡在全息扫描盘上的每个小面的采光效率、同时又基本上利用全息扫描盘的所有采光面面积的方法。因此，一般说，先有技术的全息激光扫描器都要求有极大的扫描器机体以适应只使用一部分可用采光面面积的极大扫描盘。
在码符的许多阅读应用中，全息扫描器机体的体积范围必须充分紧凑以适应为实际安装所提供的不大空间。然而，由于受先有技术常规设计原理的限制，一直未能建造在许多应用中必需的足够紧凑的全息扫描器。因此，封闭先有技术的全息激光扫描器的光学装置所需的巨大机体使得其使用仅局限于对机体尺寸的约束无关紧要的少数实际应用中。
虽然由于其低功率用法及小的尺寸，十分希望使用固态可见光激光二极管(VLD)，但是在先有技术的全息激光扫描器中却实际上不能使用这种器件，因为存在着由常规VLD的内在特性造成的若干问题。
在全息激光扫描器中使用VLD的第一个有关问题是常规氦-氖激光管方式的VLD不产生单一的谱线输出。相反，常规VLD总是产生某些背景超亮度，这是一种宽光谱辐射，属于常规发光二极管(LED)产生的辐射类型。而且，VLD经常工作在一个以上的振荡模式和/或呈现跳模现象，即VLD从一个振荡模式跳跃到另一振荡模式。VLD的这二个特性都使激光光束在离开全息盘的高度色散的全息小面时遭受扩展。其结果是在全息小面的焦点处实际上形成较粗的“斑点”，引起对被扫描的码符的条纹及间隔的分辨误差以及经常引起不可容忍的符号解码差错。
在全息激光扫描器中使用VLD的第二个有关问题是VLD中内在的“象差”造成产生的激光光束在传播的水平和垂直方向上呈现象散。其结果是输出激光光束截面的尺寸和指向都随离开VLD的距离而变化。因此，在使用VLD的全息扫描器的扫描场中的某些特定点处，激光光束(“飞点”)将有这样的指向，使得不能为符号解码操作分辨出条纹和间隔。
全息扫描器还遭受一些别的技术问题。
在先有技术的全息扫描器中，光采集和检测的光学设备必定是复杂的，在扫描器机体内需要巨大的空间体积。其结果必定是在几乎所有的码符阅读应用中扫描器机体的高度尺寸显著大于希望的尺寸。
当输出的激光光束通过先有技术全息扫描器的旋转全息小面、然后被其衍射时，就内在地向输出激光光束传给了“由全息引入的”象散。虽然这种象散的来源不同于由于VLD的内在象差而传给激光光束的象散来源，但其作用基本相同，即输出激光光束截面的尺寸和指向随离开全息小面的距离而变化。因此，在全息扫描器的扫描场中的某些特定点处，激光光束(即“飞点”)将有这样的指向，使得不能为符号解码操作分辨出条纹和间隔。因而，实际上一直不可能设计具有三维扫描体积的全息激光扫描器，这种扫描器在扫过扫描体积时能与指向无关地扫描条形码符号。
由于设计和建造先有技术全息盘所用的方法，对每个小面采光面积尺寸和形状的控制不能独立于输出激光光束的角扫描。因此，它妨碍了用于采光功能的盘表面区的最佳使用，于是先有技术的全息扫描器的性能必然一直是折衷的。
虽然以上诸问题一般地规定了先有技术的全息激光扫描器需作重大改进的主要方面，但是仍存在别的对降低这类激光扫描系统性能起作用的问题。
尤其是，由对码符扫描的激光光束的镜面反射产生的眩光降低了符号条纹和间隔与其背景的可检测对比度，从而降低了在系统的光电检测器处检测的光学扫描数据信号的信噪比(SNR)。虽然笼统地知道用偏振滤波技术来对付激光扫描系统中的这类问题，但是并不知道在解决上述诸问题的同时如何能成功地把这种技术应用于全息型激光扫描系统。
因此，在本领域中十分需要一种改进的全息激光扫描系统以及设计并建造该系统的方法，而避免先有技术的全息扫描器及方法学上的缺点及不足。本发明的目的和综述因此，本发明的首要目的是提供一种没有先有技术的全息激光扫描系统和方法学上的缺点和不足的全息激光扫描器。
本发明的另一目的是提供一种全息激光扫描器，该扫描器产生的三维激光扫描体积显著大于全息激光扫描器机体本身的体积，并且在该激光扫描体积范围内提供完全的全方向扫描。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中该三维激光扫描体积具有围绕从全息扫描器扫描窗口延伸的投影轴向外扩展的多个聚焦面和高度约束的几何尺寸。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中使用多个对称放置的激光二极管以同时产生多个激光光束，该多个激光光束由多个体积传输型全息光学元件聚焦并扫过该扫描体积，每个全息光学元件承载在居中设置的旋转盘上，并且特地设计成当该激光光束之一在全息激光扫描器工作期间通过该全息光学元件时产生特定的焦点深度的单一扫描平面。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中由特定全息光学元件产生的激光把条形码符号反射回来、通过同一全息光学元件、然后加以准直以供光强度检测。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中多个激光器同时产生多个激光光束，该多个激光光束被承载多个全息小面的旋转盘聚焦和扫过该扫描体积。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中该扫描器机体具有一开口的扫描窗口，该扫描窗口允许在每个扫描样式产生周期内以互不相同的角度同时投射多个扫描平面。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中在该旋转盘上的全息光学元件最大限度地利用盘的面积进行采光，同时尽量减小在每种激光扫描样式的诸聚焦平面上的激光光束的速度，以便尽可能减小光检测电路和信号处理电路所需的电子帝宽。
本发明的又一目的是提供一种紧凑的全息激光扫描器，其中实质上利用了扫描盘上的所有可用采光面面积，而且在该全息扫描盘上的每个全息小面的采光效率基本相等，从而允许全息激光扫描器使用的全息扫描盘具有尽可能最小的盘直径。
本发明的又一目的是提供一种紧凑的全息激光扫描器，其中给全息扫描盘上每个全息小面的光束操纵部分提供的光衍射效率对于具有第一偏振状态的入射激光光束为最优，而给每个全息小面的采光部分提供的光衍射效率对于具有与该第一偏振状态正交的第二偏振状态的反射激光光束为最优，同时，聚焦在系统的光电检测器上的光被通过偏振滤波器，这些偏振滤波器传送具有该第二偏振状态的已采集激光，但是阻挡具有该第一偏振状态的已采集激光。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中在激光光束通过该旋转扫描盘上的全息光学元件之前就有效地消除了由每个可见光激光二极管中的内在象差所造成的激光光束象散。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中当该激光光束从可见光激光二极管传播通过集成的光学组件再通过全息激光扫描器的旋转盘上的各全息光学元件时，由扫描盘上的各全息光学元件引起的每个可见光激光二极管的相当宽的光谱输出的色散得到有效的自动补偿。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中使用常规的可见光激光二极管来产生激光扫描光束，而且设有简单且不昂贵的装置来消除或尽量减小由激光扫描器的全息盘引起的色散的效果。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中在激光光束通过旋转盘上的各全息光学元件之前就有效消除了在每个可见光激光二极管中的内在象差。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中从每个激光二极管产生的激光光束用单一的、超紧凑的光学模块进行处理，以便使激光二极管所产生的激光光束变圆、消除其中的内在象差、及补偿每个可见光激光二极管光谱输出中的与波长相关的变异，例如超亮度、多模激光及激光跳模，从而允许在要求大深度场的全息扫描应用中使用所得的激光光束。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中从全局出发选择激光扫描体积的多个聚焦区的焦距，以便在该扫描体积中相邻聚焦区的近区和远区中的扫描平面的末端处建立重叠，从而使得更容易阅读通过该扫描体积的条形码符号而与其朝向无关。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中为每个在该全息激光扫描器内使用的激光二极管设置独立的光采集/检测子系统。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中该扫描器的光束折转镜的几何尺寸和全息盘的尺寸是扫描器机体宽度和长度尺寸的唯一决定因素，而该扫描器的光束折转镜的几何尺寸和全息盘下面的抛物面采光镜的几何尺寸则是扫描器机体高度尺寸的唯一决定因素。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中为每个激光二极管和光采集/检测子系统设置独立的信号处理通道，以便提高本系统的信号处理速度。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中在该全息激光扫描器中使用多个信号处理器，以同时处理由光电检测器的每一个所产生的扫描数据信号。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中全息盘上的每个小面具有指示代码，该指示代码由输出激光光束的零级衍射编码并被检测，以便确定在符号解码操作期间要对哪些扫描平面进行有选择的滤波。
本发明的又一目的是提供这样的全息激光扫描器，其中直接通过旋转盘上的各全息光学元件的激光光束的零级衍射被用于产生起始/寻的(start/home)脉冲，以供与该扫描器内执行的缝合式(stitching-type)解码处理一起使用。
本发明的又一目的是提供一种码符阅读系统，其中使用全息激光扫描器以创建一扫描体积，在该体积内检测码符的有无，并且其中使用高速激光扫描器以扫描被检测的条形码所在的区域，以收集高分辨率扫描数据供解码处理之用。
本发明的又一目的是提供一种能用手支承的、载在手上的、和载在身上的扫描装置，该扫描装置使用全息扫描机构以在三维扫描体积内创建各种扫描样式，包括二维扫描光栅样式。
本发明的又一目的是提供设计这样的全息激光扫描器的新方法，该扫描器对于在条形码符号阅读操作期间约束在规定扫描体积内的任何给定三维激光扫描样式来说具有最小高度(即深度)尺寸的机体。
本发明的又一目的是为这样的全息激光扫描器提供设计全息盘的新方法，使得对在旋转盘上的每个全息光学元件(即小面)的采光区的尺寸和形状的控制都与输出激光光束的角扫描无关，以便在激光扫描处理期间最大限度地利用盘面面积以供采光。
本发明的又一目的是提供与全息激光扫描器中用的全息扫描盘及激光二极管一起使用的激光光束光学模块的设计新方法，该光学模块的功能是使激光二极管产生的激光光束变圆、消除其中内在的象差、及补偿可见光激光二极管光谱输出中与波长有关的变异，例如超亮度、多模激光和激光跳模。
本发明的又一目的是为全息激光扫描器提供全息盘的设计新方法，其中利用了盘上所有可用的面积以优化该盘的采光效率，从而提高了全息激光扫描器的性能。
本发明的又一目的是提供这样的盘设计方法，其中为了确定该盘各全息小面的尺寸和形状，使用了三维表面的几何程序以创建全息激光扫描器的各元件的几何模型及其三维激光扫描样式，而使用了电子表格建模程序(spreadsheet modelling program)以为全息激光扫描器及其三维激光扫描样式创建分析模型。
本发明的又一目的是提供这样的盘设计方法，该盘设计方法使用电子表格型计算机程序，以创建通过使用预先规定的全息小面承载盘和光束折转镜装置而产生预先规定的激光扫描样式的过程的分析模型，以及得出一组最优的全息小面参数，这组最优参数对于预先规定尺寸的全息小面承载盘而言使扫描器机体在高度、长度和宽度方向的尺寸为最小。
通过下文和本发明的权利要求书，本发明的这些和另一些目的将变得很明显。附图的简要说明为了更充分地理解“本发明的目的”，应结合附图来阅读“各说明性实施例的详细描述”，附图中

图1A是表示安装在第一示例性应用环境中的本发明全息激光扫描系统的透视图；图1B是表示安装在第二示例性应用环境中的本发明全息激光扫描系统的透视图；图1C是表示安装在第三示例性应用环境中的本发明全息激光扫描系统的透视图；图2A是本发明说明性实施例的全息扫描系统的整体透视图，示出时已从其光学基座卸除其机体和光电检测器支撑结构以便显露全息激光扫描盘、光束折转镜、激光光束产生模块、模/数信号处理板、及其它结构，否则它们会被系统的机体及光电检测器支撑结构所遮掩；图2B是说明性实施例的全息扫描系统的有限透视图，该图更详细地示出与其有关的激光光束产生模块、抛物面采光镜、光电检测器及模/数信号处理板相对应的、安装在本系统居中旋转的全息扫描盘周围的本系统第一扫描通道的光束折转镜；图2C是说明性实施例的全息扫描系统部分切去的直立侧视图，该图更详细地示出全息盘以及与本发明系统一个激光站有关的激光光束产生模块、光束折转镜、抛物面光检测镜和光电检测器的情况；图2D是说明性实施例的全息扫描系统沿着图2C的2D-2D线的部分切去图，该图更详细地示出全息扫描盘及与本发明系统的示例性激光扫描站有关的光束折转镜和抛物面光检测镜的装置；图2E是说明性实施例的全息扫描系统的透视图，该图示出本发明扫描器机体的扫描窗阵列；图3是本发明说明性实施例的全息扫描盘的平面图，该图示出围绕着盘的转轴安装在盘上的每个(第ⅰ个)全息光学小面的边界，为了说明，在小面上加有赋予的小面号数；图4A、4B和4C表示本发明说明性实施例的全息激光扫描系统的功能性方框图，该图示出系统的主要元件及相互关系；图5是本发明说明性实施例的全息激光扫描系统的透视图，该图示意性地表示在围绕全息激光扫描器的投影轴向外扩展的三维扫描体积内每个(第P(i,j)个)激光扫描平面在其预先规定的聚焦平面(即区域)处的投影；图5A是表示时序的示意图,其中在激光扫描操作期间当第j个激光光束通过扫描器机体内的旋转全息扫描盘上的第i个全息小面时周而复始地产生每个(第P(i,j)个)激光扫描平面；图6A是表示扫描线交叠现象的示意图，这些扫描线是本发明全息激光扫描器投射的、在激光扫描体积内的、在空间相邻的聚焦平面之间的不同全息小面产生的；图6B和6C是表示在扫描体积的远区具有焦距的二条激光光束的各种光束截面的示意图，所示的光束截面位于沿光束各自的扫描线轨迹上的数个不同点处，也位于光束各自的相邻聚焦面之间，该二图表示在三维激光扫描样式的聚焦面之间的每个区域内象散激光光束的交叠；图7是说明在本发明全息扫功系统的全息盘和激光光束产生模块(或诸产生模块)的设计方法中涉及的主要步骤的流程图8A是通过引导第j个激光光束穿过承载在全息扫描系统的旋转全息扫描盘上的第i个全息小面而产生位于在该系统的三维扫描体积内的第P(i,j)个激光扫描面(即第P(i,j)个激光扫描线)的过程的几何光学模型；图8A1是图8A的几何光学模型图，本图更详细地示出诸特定参数；图8B1、8B2和8B3共同表示代表图8A和8A1的几何光学模型用的参数的列表；图8C1和8C2共同表示描述图8A和8A1的几何光学模型的各特定参数之间的结构关系和函数关系用的数学公式的列表；图9是按照本发明方法设计的说明性实施例的全息扫描盘的示意图，该图指出规定全息扫描盘的每个(第i个)全息小面的几何特征用的各种几何参数；图10A1是说明与入射激光光束有关的光线经过路径的几何光学模型，该入射激光光束最初由旋转的全息小面向条形码符号衍射，然后从该条形码符反射回来的光线再次由同一全息小面向抛物面聚光镜衍射，最后已聚焦光线通过同一全息小面无衍射地向其光电检测器发送；图10A2和10A3表示激光光束传播通过图10A1所示的旋转全息扫描盘上的全息小面的过程的几何光学模型，这些光学模型在其盘设计过程中要用到以便当全息激光扫描器中不使用正交偏振器时对S和P偏振光计算归一化的总的输出-并-返回的光衍射效率；图10B表示用于代表图10A1、10A2和10A3的几何光学模型的一组参数；图10B1表示在图10A1、10A2和10A3的几何光学模型中使用的各种参数的一组初始化(即假定)值；图10C1表示描述图10A1、10A2和10A3的几何光学模型的特定参数之间结构关系和函数关系的一组数学表达式；图10C2表示一组公式，用于定义(1)第i个全息扫描小面对入射到全息扫描盘上的S偏振输出光线的光衍射效率，(2)第i个全息扫描小面对入射到全息扫描盘上的P偏振输出光线的光衍射效率，(3)第i个全息扫描小面对入射到全息盘上的S偏振输出光线的总的输出-并-返回的光衍射效率；每种光衍射效率都表示成在固定厚度明胶内的调制深度(即调制指数)的函数；图10D表示一组计算通过全息扫描小面的P偏振和S偏振光线的菲涅耳损耗和传输的公式，用于图10C2中表示的光衍射效率表达式；图10E1表示作为在固定厚度明胶内的调制深度(即调制指数)的函数的一组曲线(1)第1个全息扫描小面对入射到该明胶的S偏振输出光线的光衍射效率，(2)第1个全息扫描小面对入射到该明胶的P偏振输出光线的光衍射效率，(3)第1个全息扫描小面对入射的S偏振输出光线的总的输出-并-返回的光衍射效率，这些曲线最终用于计算与第16个全息小面总的输出-并-返回光衍射效率相对应的第1个全息小面总的输出-并-返回的光衍射效率；图10E2表示作为在固定厚度明胶内的调制深度(即调制指数)的函数的一组曲线(1)第16个全息扫描小面对入射到该第16个全息小面的S偏振输出光线的光衍射效率，(2)第16个全息扫描小面对入射到该第16个全息小面的P偏振输出光线的光衍射效率，(3)第16个全息扫描小面对入射到该第16个全息小面的S偏振输出光线的总的输出-并-返回的光衍射效率，以便最终计算与其本身(即第16个全息扫描小面)的总的输出-并-返回的光衍射效率相对的第16个全息扫描小面的总的输出-并-返回的光衍射效率；图10F是说明与入射激光光束有关的光线经过路径的示意图，该入射激光光束最初由旋转的全息小面向条形码符号衍射，然后从所述条形码反射回来的光线再次由同一全息小面向一抛物面聚光镜行射，最后已聚焦光线通过同一全息扫描小面基本无衍射地向偏振的光电检测器发送；图10G表示用于代表图10F1到10F2的几何光学模型的一组参数；图10G1表示用于代表图10F1和10F2的几何光学模型的特定参数的一组初始(即假定)值；图10H1表示描述图10F1和10F2的几何光学模型的特定参数之间结构关系和函数关系的一组数学公式；图10H2表示一组公式，用于定义(1)图10F的第i个全息扫描小面对入射到该小面的S偏振输出光线的光衍射效率，(2)第i个全息扫描小面对入射到该小面的P偏振输出光线的光衍射效率，(3)第i个全息扫描小面对入射到该小面的S偏振输出光线的总的输出-并-返回的光衍射效率；每种光衍射效率都表示成在固定厚度明胶内的调制深度(即调制指数)的函数；图10H3表示一组计算通过扫描盘上的全息扫描小面的P偏振和S偏振光线的菲涅耳损耗和传输的公式，用于图10H2中表示的光衍射效率的表达式；图10I1表示作为固定厚度明胶的指数调制深度(即调制指数)的函数的一组曲线(1)第1个全息扫描小面对入射到该小面的S偏振输出光线的光衍射效率，(2)第1个全息扫描小面对入射到该小面的P偏振输出光线的光衍射效率，(3)第1个全息扫描小面对入射到该小面的S偏振输出光线的总的输出-并-返回的光衍射效率，以便最终计算与第16个全息扫描小面的总的输出-并-返回光衍射效率相对应的第1个全息扫描小面的总的输出-并-返回光衍射效率；图10I2表示作为固定厚度明胶的指数调制深度(即调制指数)的函数的一组曲线(1)第16个全息扫描小面对入射到该小面的S偏振输出光线的光衍射效率；(2)第16个全息扫描小面对入射到该小面的P偏振输出光线的光衍射效率，(3)第16个全息扫描小面对入射到该小面的S偏振输出光线的总的输出-并-返回的光衍射效率，以便最终计算与其本身相对应的第16个全息扫描小面的总的输出-并-返回光衍射效率(即H16(Δn)=1)；图10J是表示在本发明扫描盘上的第i个全息扫描小面的朗伯(Lambertian)采光效率的几何光学模型；图10K表示对于与图10J的几何光学模型有关的参数的说明；图10L表示与图10J的几何光学模型有关的特定参数的初始(即假定)值表；图10L1表示说明图10J的几何光学模型中的特定参数之间关系的一组公式；图11A、11B和11C是详细说明按照本发明的第一说明性实施例设计其全息扫描盘所用的方法步骤的流程图；图12是图3的扫描盘的示例性全息扫描小面对入射到该小面的S偏振光的、作为折射率调制Δni(即Es(Δni))的函数的光衍射效率曲线，以及示例性全息衍射小面的内采光部分对入射到其上的P偏振光的、作为调制指数Δni(Ep(Δni))的函数的光衍射效率曲线，该两曲线表示这样的光衍射效率Es(Δni)和Ep(Δni)并不在调制指数Δni的相同值处具有峰值，因而不能用同一调制指数Δni在扫描小面的整个表面区域进行优化；图12A是本发明可替换实施例的全息扫描盘的示意图，其中在扫描盘上的每个全息扫描小面的外光束操纵部分具有通过选择第一调制指数Δn1而对于第一(例如S)偏振状态的入射激光光束优化的光衍射效率Es(Δni)，而该全息扫描小面的内采光部分则具有通过选择第二最优调制指数Δn2而对于与第一偏振状态正交的第二(即P)偏振状态的反射激光优化的光衍射效率Ep(Δni)；图12B1至12B3提供详细说明在图12A中所示的全息扫描盘的设计中所使用的方法步骤的流程图；图12C是对于图12A的扫描盘上的1号小面的有效相对光衍射效率的数学表达式；图13是全息记录系统的几何光学模型，通过使用由在图28A1至28D中表示的参数变换处理所确定的构造参数，该全息记录系统能用于构造本发明扫描盘的每个全息扫描小面；图14是本发明第一说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧视截面图，该图示出了扫描器机体的扫描窗口、由马达可旋转地支承的全息扫描盘、与说明的扫描通道有关的激光光束产生模块、其光束折转镜、抛物面采光镜、以及光电检测器；图14A是本发明第一说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧视截面图，该图示出了由系统操作期间产生和检测的激光通过的输出和输入光程的用计算机生成的示意性指示；图15是按照本发明第一说明性实施例的激光光束产生模块的平面图，该模块包括可见光激光二极管(VLD)、支承在类似万向支架的可调整安装组件内的非球面(asphesical)准直透镜、安装可旋转调节平台上的棱镜、光束变向镜、及支撑在模块的光具座上的全息光衍射光栅；图15A是图15的激光光束产生模块的平面图，从其光具座卸除了全息光衍射光栅及平面镜；图15B是图15的激光光束产生模块的光具座的平面图；图15C是图15的激光光束产生模块的光具座的侧视图；图15D1是图15的激光光束产生模块的棱镜承载平台的侧视图；图15D2是图15的激光光束产生模块的棱镜承载平台的平面图；图15E1是图15的激光光束产生模块的VLD/透镜安装枢轴板(mountpivot plate)的平面图；图15E2是图15的激光光束产生模块的VLD/透镜安装枢轴板的侧视图；图15F1是图15的激光光束产生模块的VLD/透镜安装支架(即轭架)平面图；图15F2是图15的激光光束产生模块的VLD/透镜安装支架的侧视图；图15G1是图15的激光光束产生模块的VLD/透镜安装壳体的截面图；图15G2是图15的激光光束产生模块的VLD/透镜安装壳体的轴向视图；图15H1是图15的激光光束产生模块的透镜镜筒的轴向视图；图15H2是图15的激光光束产生模块的透镜镜筒的截面图；图15I1是图15的激光光束产生模块的棱镜的平面图；图15I2是图15的激光光束产生模块的棱镜的侧视图；图15J是图15的激光光束产生模块的光束折转平面镜的平面图；图15K是图15的激光光束产生模块的全息光衍射光栅(即板)的平面图；图16是表示通过使用图15B至15K所示的模块部件而设计图15A的第一说明性实施例的激光光束产生模块所使用的方法步骤的流程图；图17A是用常规可见光激光二极管(VLD)产生的激光光束照明的全息光衍射光栅的几何光学模型；图17B是构造由全息光衍射光栅衍射的激光光束的如图17A所示的几何光学模型用的一组参数；图17B1是构造图17A的几何光学模型用的特定参数的一组假定值；图17C说明图17A的几何光学模型的某些参数之间的函数关系的一组公式；图17D是输出激光光束的衍射角对入射激光光束波长的曲线，该图示出输出衍射角与入射激光光束波长的强函数依赖关系；图18A是由扫描盘上的每个全息扫描小面及在第一说明性实施例的激光光束模块中的、用于显著减少入射激光光束波长对扫描盘输出激光光束的函数依赖关系的全息光衍射光栅形成的全息光学系统的几何光学模型；图18B是用符号表示图18A的几何光学模型用的一组参数；图18B1是图18A的几何光学模型中特定参数用的一组假定值；图18C是说明图18A的几何光学模型中特定参数之间关系的一组公式；图18D是输出激光光束的衍射角对入射激光光束波长的曲线图，适用于衍射角范围中心区附近的衍射角，该曲线表示由于本发明的光学装置原因输出激光光束的衍射角与入射激光光束的波长基本无关；图19A和19B为示例性全息扫描小面提供的几何光学模型，该两图示出在构造和重构过程中都用到的各种参数，还示出从重构波长到构造波长的变换；图19C、19D1、19D2和19E分别是一组已知参数、一组公式和得到的一组数，它们在第一扫描器激光波长处的所需全息性能为已知的情况下确定在第二构造激光波长处的全息构造参数；图19F是通过使用用本发明设计过程确定的构造参数而构造全息扫描小面用的系统的几何光学模型；图20是激光二极管的示意性表示，该图示出在可见光激光二极管中产生象差的内在原因在于从二极管结发出的垂直和平行激光光束的有效源的位置有所不同；图20A是在图15A的激光光束产生模块中使用的光学系统的示意图，该光学系统的目的是在使激光光束变圆的同时消除在光束圆化棱镜之外的激光光束的象散；图20B1、20B2和20B3提供图20A的光学系统的几何光学模型；图20C是代表图20B1至20B3的几何光学模型用的一组参数；图20C1是在图20B1至20B3的几何光学模型中的参数用的一组假定值；图20D和20D1是说明图20B1至20B3的几何光学模型中特定参数之间函数关系的一组公式；图20E为一曲线图，其纵坐标为由图15A的激光光束产生模块中的非球面准直透镜投射的P和S源图像的距离(即Ls2和Lp2)，横坐标为从非球面准直透镜的焦点至S光束源的距离(即d)，该曲线示出了P和S源图像会聚处的距离(d)值，象散被减少至零；图21A是用以校准在第一说明性实施例的激光光束产生模块中的第一光学系统的各部件，以便棱镜外的象散减少到零的光学系统示意图；图21B是表示方法步骤的流程图，该方法用于校准在第一说明性实施例的激光光束产生模块中的第一光学系统的各部件，以达到希望的光束纵横比(即，对于圆光束截面为“1”)，并使棱镜第二面外边的激光光束象散减少到零；图21C是本发明一般化参数调整方法的流程图；图21C1、21C2和21C3共同提供说明具体步骤的流程图，用于组装第一说明性实施例的激光光束产生模块的各部件，及用于按照本发明的原理形成该模块的几何参数和光学参数；图21D是第一说明性实施例的激光光束产生模块的第一和第二光学系统的直立截面图，该图示出二个光学系统耦合在一起，形成它们的几何参数和光学参数以实现光束的色散最小化、光束纵横比的控制、及象散的消除；图22是第二说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧面剖视图，该图示出扫描器机体的扫描窗口、由马达可旋转地支承的全息扫描盘、本第二说明性实施例的激光光束产生模块、其关连的光束折转镜、抛物面集光镜、以及光电检测器；图23是本发明第二说明性实施例的激光光束产生模块的直立侧视图，该模块以其第一和第二光学系统耦合在一起的方式安装在本说明性实施例的激光扫描器的光学基座上；图23A是本发明第二说明性实施例的激光光束产生模块的平面图，在该图中示出的情况是激光光束产生模块的光束折转镜和双功能的全息光衍射光栅已从模块的光学基座上卸去；图24是说明在按照本发明的设计方法来设计图23的激光光束产生模块中涉及的步骤的流程图；图25A是与第二说明性实施例的激光光束产生模块有关的第一光学系统(即全息扫描小面和全息光衍射光栅)的几何光学模型；图25B是代表图25A的几何光学模型用的一组参数；图25B1是在图25A的几何光学模型中参数的一组假定值；图25C是说明在图25A的几何光学模型中的特定参数之间关系的一组数学表达式；图25D提供表示以下之间关系的二条曲线(ⅰ)入射到双功能衍射光栅上的光束入射角θilD与提供零色散的相对于全息扫描盘的衍射光栅的指向(即倾斜角ρ)的关系，和(ⅱ)入射到所述衍射光栅上的光束入射角θilM与提供希望的光束纵横比的相对于全息扫描盘的倾斜角ρ的关系，其中这二条函数曲线的交点证明通过适当选择倾斜角ρ可以实现零光束色散和希望的扩束比；图25E是构造本发明说明性实施例的双功能HOE用的一组构造参数图26是第二说明性实施例的激光光束产生模块的第二光学系统的几何光学模型，该几何光学模型由本发明的光束色散检偏器(Beam DispersionAnalyzer)所建造以便确定本系统的性能；图27A是代表图26的几何光学模型用的一组参数；图27B是在图26的几何光学模型中的参数的一组假定值；图27C是说明图26的几何光学模型的特定参数之间关系的一组数学表达式；图27D是表示以下二者之间存在关系的曲线(ⅰ)由可见光激光二极管产生的入射激光光束的在全息盘处的衍射角，(ⅱ)该激光光束的波长，所述曲线是在使用图23的第一光学系统以在该激光光束通过本全息扫描系统的全息盘之前得到预先处理的情况下得出的；图27D1是与图27D曲线有关的数值表；图28A1和28A2提供当构造和重构之间有波长变化时构造光束角改变过程的几何光学模型；图28B是用于代表图28A1和28A2的几何光学模型的一组参数，包括在其几何光学模型中的参数的一组假定值；图28C1、28C2和28D表示一组已知参数、一组公式和所得的一组数，在已知在第一扫描器-激光器波长处的希望的全息性能参数的情况下，它们确定在第二构造-激光器波长处的全息构造参数；图29是通过使用由图28B和28C的参数变换过程确定的构造参数而构造双功能衍射光栅的全息记录系统的示意图；图30A、30A1、30A2和30A3提供图23所示的第二说明性实施例的激光光束产生模块的第二光学系统的几何光学模型；图30B和30B1是用于代表图30A的几何光学模型的一组参数；图30C1和30C2是说明图30A的几何光学模型的特定参数之间关系的一组数学公式；图30D是曲线，其纵坐标是由第二说明性实施例的激光光束产生模块中的非球面准直透镜投射的P和S源图像的距离(即LS2和LP2)，横坐标是从该准直透镜的焦点至S-光束源的距离(即d)，曲线表示存在着距离d的值，在该处P和S源图像会聚而且象散被减少至零；图31A1和31A2提供为了使在双功能衍射光栅之外的象散减少到零而校准第一说明性实施例的激光光束产生模块中的第二光学系统的部件中使用的光学系统的示意图；图31B是指示校准图23的激光光束产生模块中的第二光学系统的部件以使在双功能HOE以外的象散减少到零所使用的方法步骤的流程图；图31C1和31C2提供的流程图说明第二说明性实施例的激光光束产生模块的部件的组装过程以及按照本发明的原理形成该模块的几何参数和光学参数的过程；图31D是图23的激光光束产生模块的第一和第二光学系统的直立侧视图，该图示出二个光学系统耦合在一起并且安装在本文所说的全息扫描器的光学基座上；图32是本发明第二说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的截面侧视图，该图示出的第一说明性实施例的光检测子系统包括由马达可旋转地支承的全息扫描盘、与所示扫描通道有关的激光束产生模块、其光束折转镜、抛物面聚光镜、及光电检测器；图33A、33B和33C提供的流程图说明了按照本发明的全息扫描器用的光采集和检测子系统的设计方法；图34是在规定抛物面镜和光电检测之前的设计下的全息扫描器的几何模型；图35A1和35A2提供图32所示的不使用正交偏振器的光检测子系统的几何光学模型；图35B是代表图35A1和35A2的几何光学模型用的一组参数；图35B1是在图35A1和35A2的几何光学模型中使用的参数的一组假定值；图35C1和35C2表示说明图35A1和35A2的几何光学模型的特定参数之间的一组数学表达式；图35D1提供的曲线的纵坐标是扫描盘上第1号全息扫描小面的归一化“平均”光衍射效率，横坐标是偏离布拉格(Bragg)角的角度量(即δe)，其中归一化是相对于布拉格角处的第1号小面的峰值衍射效率而进行的；图35D2提供的曲线的纵坐标是扫描盘上第16号全息扫描小面的归一化“平均”光衍射效率，横坐标是偏离布拉格角的角度量(即δe)，其中归一化是相对于布拉格角处的第16号小面的峰值衍射效率而进行的；图36是本文所述的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧面剖视图，该图示出的第二说明性实施例的光检测子系统包括由马达可旋转地支承的全息扫描盘、与所示扫描通道有关的激光光束产生模块、其光束折转镜、抛物面聚光镜、光电检测器、以及安放在该光电检测器前的正交S偏振滤波器；图37A是代表图36的子系统的光学模型用的一组参数，在该子系统中把S偏振滤波器安放在光电检测器之前，该子系统的几何光学模型具有与不使用正交偏振器的子系统的、图35A1和35A2所示的几何光学模型相同的结构；图37A是图36的子系统的光学模型中使用的参数的一组假定值；图37B表示说明图36的子系统的几何光学模型的特定参数之间关系的一组数学表达式；图37C1提供曲线，该曲线的纵坐标为扫描盘上的第1号全息扫描小面对S偏振光的归一化光衍射效率，横坐标为偏离布拉格角的角度量(即δe)，其中归一化是相对于布拉格角处的第1号小面的峰值衍射效率而进行的；图37C2提供曲线，该曲线的纵坐标为扫描盘上的第16个全息扫描小面对S偏振光的归一化光衍射效率，横坐标为偏离布拉格角的角度量(即δe)，其中归一化是相对于布拉格角处的第16号小面的峰值衍射效率而进行的；图38A是代表图36的子系统的光学模型的一组参数，其中S偏振滤波器安放在光电检测器之前，该子系统的几何光学模型具有与不使用正交偏振器的子系统的、图35A1和35A2所示的几何光学模型相同的结构；图38A1是在图36的子系统的光学模型中使用的参数的一组假定值；图38B1和38B2表示说明使用S偏振器的图36的子系统的几何光学模型的特定参数之间关系的一组数学表达式；图38C1提供曲线，该曲线的纵坐标是扫描盘上的第1号全息扫描小面对P偏振光的归一化光衍射效率，其横坐标是偏离布拉格角的角度量(即δe)，其中归一化是相对于在布拉格角处的第1号小面的峰值衍射效率而进行的；图38C2提供曲线，该曲线的纵坐标是扫描盘上的第16个全息扫描小面对P偏振光的归一化光衍射效率，其横坐标是偏离布拉格角的角度量(即δe)，其中归一化是相对于在布拉格角处的第16号小面的峰值衍射效率而进行的；图39是与本发明光检测子系统有关的光线光学图，该图示出了由扫描盘上的全息扫描小面采集的最内和最外光线的路径；图40A是本发明激光扫描器内的扫描盘的三维几何模型的平面图，该图表示确定正在设计用于本系统的光检测子系统的抛物采光面碎片的第一宽度方向边界用的方法的第一步；图40B是本发明激光扫描器内的扫描盘的三维几何模型的平面图，该图表示确定正在设计用于本系统的光检测子系统的抛物采光面碎片的第二宽度方向边界用的方法的第二步；图41是本发明第五说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧视截面图，该图示出扫描器机体的扫描窗口、由马达可旋转地支承的传输型体积全息扫描盘、与所示扫描通道有关的激光光束产生模块、其光束折转镜、体积反射型全息聚光元件、以及光电检测器；图42是本发明第六个说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧视截面图，该图示出由马达可旋转地支承的传输型体积全息扫描盘、与所示扫描通道有关的激光光束产生模块、其光束折转镜、单一的折光镜、及放置在扫描盘下面的光聚焦光学部分和光电检测器；图43A和43B提供本发明第七个说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧视截面图，该图示出由马达可旋转地支承的传输型体积全息扫描盘、与所示扫描通道有关的激光光束产生模块、其光束折转镜、双重折光镜、以及安放在扫描盘下面的光聚焦光学部分和光电检测器；图44是本发明第八个说明性实施例的激光扫描系统的一个扫描通道的部分切除的侧视截面图，该图示出由马达可旋转地支承的反射型体积全息扫描盘、与所示扫描通道有关的激光光束产生模块、其光束折转镜、以及安放在扫描盘上面的体积传输型全息聚光元件和光电检测器；图45A和45B是码符扫描系统的透视示意图，其中本发明的全息激光扫描器用于检测在其扫描体积内码符的有无，具有可变焦距的高速激光扫描器用于扫描已检测到的码符的所在区域以收集在解码处理中使用的高分辨率扫描数据；图46是按照本发明原理构造成的自动可手持全息扫描装置的透视图；图47是按照本发明构成的自动可手持全息扫描装置的示意图，该装置在其三维扫描体积内产生二维光栅型激光扫描样式；以及图48是本发明的自动全息激光扫描机器的示意图，该图示出该机器安装在用户手背上供免提扫描应用之用。对本发明各说明性实施例的详细描述以下将参考各附图对全息激光扫描器的各种说明性实施例作详细描述。
在这些说明性实施例中，本发明的装置以具有高速全息激光扫描机构及具有对由此产生的扫描数据信号进行解码处理的扫描数据处理器的码符自动阅读系统的形式来实现。然而，为表达方便起见，在下文中将用术语“全息激光扫描器”来指示使用本发明的全息激光扫描机构的条形码符号阅读系统。
使用传输体积(TRANSMISSION-VOLUME)型全息激光扫描盘的全息激光扫描系统如图1A、1B和1C所示，本发明的全息激光扫描器1可使用在各种码符扫描的应用场合。在图1A中，该全息激光扫描器安装在仓库内，用于读出在包装3上的条形码符号2以便分类和确定运送路线。在图1B中，该全息激光扫描器安装在存储仓库的入门上方，用于作为自动化库存控制操作的一部分而读出存入仓库或从仓库取出的包装上的条形码符号。在图1C中示出该全息激光扫描器安装在停放在站台或码头上的集装箱入门上方，用于同样作为自动化存货盘存控制操作的一部分而读出装入集装箱或从集装箱取出的包装上的条形码符号。不言而喻，本发明的全息扫描系统可用于在零售环境下通常设立的销售点(POS)站。
在图2中示出全息扫描系统1，其紧凑的机体外罩4已脱离其基座5，基座5的作用是作为其各种光学元件及光电元件的光具座。在本说明性实施例中，扫描器机体的总高度为6.96英寸，宽度和长度分别为12.0和13.7英寸，以提供扫描器容纳深度为6.96英寸的约为1144立方英寸的总的内部容纳体积(“扫描器体积”)Vhousing。如以下将更详细描述的，由该超紧凑机体产生的总的三维扫描体积为15043.6立方英寸，其扫描场深度为30.0英寸。重要的是，本说明性实施例的扫描样式在规定的三维激光扫描体积Vscanning内的任何一处能分辨条形码符号的分辨率约为0.017英寸最小单元宽度量级。在本说明性实施例中，品质因数Vscanning/Vhousing=13.15。正如以后将变得明显的，通过使用本说明书所公开的本发明的设计原理和设计方法，该品质因数Vscanning/Vhousing可在各种条件下做到最大。
如图2A所示，本说明性实施例的全息扫描系统包括对称安装在全息扫描盘7周围的三个激光扫描站6A、6B和6C。正如图2B和图3所最佳图示的，全息扫描盘7包括两块玻璃板8A和8B，在该两板之间夹有在下文称作“全息扫描小面”或“全息小面”的多个专门设计的全息光学元件(HOE)。在本说明性实施例中，每个全息小面9作为体积传输型光衍射全息片来实现，该全息片具有空间频率变化的斜干涉条纹结构，以提供特征焦距fi。作为入射角Ai、调制深度Δni或记录媒介损耗的函数的这种体积光衍射全息片的光衍射效率在出名的论文“厚全息光栅的耦合波理论(Coupled Wave Theoryfor Thick Hologram Gratings)”中有详细描述，该论文的作者为HerwigKogelnik，于1969年11月发表在“贝尔系统技术杂志(The Bell SystemTechnical Journal(BSTJ))”、卷8、第9号、第2909-2947页中。
组成本全息扫描盘的一部分的玻璃承载板8A和8B以常规方式安装在支承毂10上。支承毂又安装在高速马达11的轴上。每个激光扫描站的其余主要的子部件有激光光束产生模块12A(12B、12C)、平面的光束折转镜13A(13B、13C)、抛物面聚光元件(例如镜子或体积反射全息片)14A(14B、14C)、光电检测器15A(15B、15C)及跨放在其上的可选用的正交偏振滤波器元件16A(16B、16C)、模拟扫描数据信号处理板17A(17B、17C)、以及数字扫描信号处理板18A(18B、18C)。为了简化说明，当描述本发明各激光扫描站时，总是以站6A为准。然而，不言而喻，站6B和6C具有相同结构，并具实质上其工作与站6A相同。
每个激光光束产生模块的功能是与全息扫描盘合作，从其内部的可见光激光二极管(VLD)产生具有希望的光束截面特性(例如具有椭圆或圆的光束纵横比)以及基本上没有象散和光束色散的激光光束，而如果激光光束在其扫描操作期间直接从VLD发送通过旋转的全息扫描小面，会有这种象散和色散。当入射激光光束从VLD通过旋转扫描盘上的特定全息扫描小面时，它以预先规定的“输出”方向(即以衍射角Bi)被衍射，此方向在本发明的全息盘设计过程中加以确定。与每个扫描站关连的光束折转镜的功能是把输出的已衍射激光光束从其输出方向改变(即折转)成产生其相应激光扫描平面所需的方向。值得注意的是，当所产生的激光扫描平面被一平面形表面(例如上有条形码符号的表面)截取时，就把线性的扫描线投影到被截面上，如图5所示。每个得到的扫描平面的角度大小取决于与扫描小面几何形状有关的扫描角θsi以及与此有关的扫描角倍增因子Mi，对后者将在此后作更详细讨论。当条形码符号被激光扫描平面中的任一个平面扫描时，入射的激光(按照对于漫反射表面的朗伯定律)被散射。该激光的一部分沿输出光程被反射回来、离开光束折转镜、然后通过仅在T渡越=2·fi/c秒之前产生的相应扫描面的同一全息扫描小面，其中c为光速。当反射的激光沿着其返回路径通过全息扫描小面朝向扫描盘下的抛物面镜时，输入光线以接近全息扫描小面的布拉格角(即Bi)进入该小面，因此沿着其光学轴(再次)被强烈地向抛物面镜衍射。抛物面镜本身也使这些已采集的光线聚焦，重新引导其以充分远离布拉格角的角度(即Ai)通过该全息扫描小面，使得由于在全息小盘内的内部衍射，这些光线以最小损耗通过全息小面朝向光电检测器传送。以后将为各种全息扫描盘和各种光偏振技术详细描述设计本发明的光检测子系统的新方法。
正如图3最佳表示的，本发明的全息扫描盘上的全息小面在盘表面上的排列方式实质上利用了在扫描盘外半径router与其内半径rinner之间提供的全部采光面面积。在本说明性实施例中，连同三个独立的激光光束源使用了16个全息扫描小面，以提供全方向的激光扫描样式，该样式包括以超过56次/秒的速率循环地产生的48个激光扫描平面。然而，不言而喻，此数目随本发明的实施例而变化，因而不应构成对数目的限制。正如以后将更详细描述的，已经设计好每个全息小面的几何形状，使得(1)支承在盘上的16个全息小面的每个小面基本上具有同一(即相等)的朗伯采光效率而与其焦距无关，(2)所有全息小面的综合面积占有(即使用)了扫描盘外半径和内半径之间的全部可用采光面积。本发明这一方面的优点是在系统的每个激光扫描站的光电检测器处产生和收集的基于光学的扫描数据信号具有最大信噪比(SNR)。当然，这意味着信号处理的更高性能和更高质量的扫描数据信号。
如图3所示，在扫描盘表面上的每个全息小面由一组几何参数、一组光学参数和一组全息记录参数来规定。几何参数规定了议论中的小面的各种物理特性，诸如由其预先赋予的小面号码(如i=1,2,3…或16)规定的盘上的小面位置、其采光表面面积Areai(设计成在布拉格角上的输入光线呈现高衍射效率)、小面的转动角θroti、调整后的小面转动角θ＇roti、小面的实际扫描角θsweepi(计及光束直径dbeam和界面空隙dgap)、以及扫描盘上的全息小面所占有的面积界限SBi。由于全息盘已优化的采光面面积，全息小面的形状一般是不规则的。与每个全息小面有关的光学参数包括物光束设计被重构时的波长λ、全息小面的入射角Ai、全息小面的衍射角Bi、其扫描角倍增因子Mi、小面的焦距fi等。不同于与每个小面有关的其它参数，记录参数规定了在全息小面记录期间使用的记录介质(例如重铬酸盐的明胶)的厚度T、记录介质的平均整体折射率、以及与该记录介质中形成的干涉条纹结构有关的调制深度(即调制指数)Δni。上述各参数将被总称为“构造参数”，因为需要用其来构造与之有关的全息小面。
在本发明的扫描系统中，每个全息小面的主要作用是使入射激光光束沿着三维空间中的特定路径偏转以便在由扫描系统所产生的三维扫描体积内产生相应的扫描平面。总起来说，由多个全息小面与三个激光光束产生模块一起产生的诸激光扫描平面的复合体在扫描系统的高度限制的扫描体积内创建了高度约束的三维扫描样式。
如图5所示，本说明性实施例的全息激光扫描器从其超紧凑的扫描器机体4循环产生复合三维激光扫描样式，该扫描样式由48个激光扫描平面组成，有四个不同的焦平面。这意味着12个不同的扫描平面被聚焦在三维扫描体积的四个不同的焦平面的每一个中。如图所示，这四个焦平面的每一个的伸展方向都基本平行于全息激光扫描器的扫描窗口，并且位于从扫描窗口起算的不同距离。于是，如图5最佳示出，当这些扫描平面的每一个被诸如硬板纸壁面之类的平面物体截取时，就有12条激光扫描线投影到物体表面上。将在以下对本发明的激光扫描样式作更详细的说明。
在图2B中，更详细地示出全息扫描器的激光扫描站之一。如该图所示，与每个激光扫描站关联的光束折转镜具有基本上平面的反射面15并且以切线方向安装在全息扫描盘的邻近。在本说明性实施例中，通过使用支腿16A和17A及后支架18A，光束折转镜13A被支撑在相对于机体底板(即光具座)5的这个位置上。第j个光束折转镜相对于全息盘法线的倾斜角φ将在说明本发明的扫描器设计过程时作更详细规定。值得注意，为了使表示为“h”的全息扫描器机体的高度为最小，因而设计真正超紧凑的全息激光扫描器，必须使每个(第j个)光束折转镜相对于机体底座的表示为“Yj”的高度为最小。如以下将详细说明的，本发明的设计过程在已知预先规定的激光扫描样式、分辨率、及全息盘尺寸的情况下提供确定光束折转镜最低高度的方法，从而提供设计具有用先有技术至今不能实现的物理尺寸的紧凑全息激光扫描器的新方法。虽然在本文中示出的设计方法应用于紧凑的、可搬运的全息激光扫描器，但此方法也可应用于手持式、手支式及可佩带的全息激光扫描器。
如图2B所示，与每个激光扫描器关连的激光光束产生模块安装正好在与其有关的光束折转镜下面的光学基座(即机体的底板5)上。激光光束产生模块可放在不同位置上，这取决于在全息激光的描器的构造中使用哪种激光光束产生模块的实施例。然而，最好其光束折转镜的几何尺寸及其全息盘的几何尺寸是扫描器机体的宽度和长度的唯一决定因素，而最好其光束转折镜及在全息扫描盘底下的抛物面聚光镜的尺寸是扫描器机体的高度的唯一决定因素。这意味着，当按照本发明的方法设计全息激光扫描器时，各激光光束产生模块、各信号处理板、旋转全息扫描盘的马达、各光电检测器、各光束折转盘、光检测子系统、及除全息扫描盘之外的所有其它部件的位置都不对扫描器机体的几何尺寸施加约束。简而言之，按照本发明的设计和构造原理，上述各全息扫描器部件可安装在只受全息扫描盘、各光束折转镜和在全息扫描盘底下的各抛物面聚光镜的几何尺寸制约的高、宽、长度方向的边界范围内的光学基座上。然而，正如在本文的扫描器设计方法的详细说明中所示，在三维扫描体积Vscanning内的激光扫描样式的几何尺寸是必需施加在全息盘、各光线折转镜及在全息扫描盘底下的各抛物面聚光镜上的高、宽、长度方向的尺寸约束的最终决定因素。因此，待实现的激光扫描样式的技术条件设置了本发明的全息扫描器设计过程的基本约束。
如图2A至2D所示，三个激光光束产生模块12A、12B和12C安装在底板5上，对称地围绕着电动机11的转轴。在激光扫描操作期间，这些激光光束产生模块产生被引导以入射角Ai通过全息盘边沿的三个独立的激光光束，由于本说明性实施例的激光扫描样式的对称性，所述入射角对于每个激光扫描站是相同的(即，对所有i值都是Ai=43.0度)。从三个激光光束产生模块12A、12B和12C产生的入射激光光束沿三个中心基准平面19A、19B和19C的方向伸展，该三个中心基准平面的每一个平面的伸展方向垂直于底板5的平面，并且安排成各相邻的中心平面互差120°，如图2D最佳示出。虽然这三个中心基准平面不是现实的(即，仅是虚构的)，但是在描述本发明的全息激光扫描器中的每个激光扫描站的详细几何结构中，它们将是有用的。
如图2B所示，每个激光扫描站的光电检测器沿着其中心基准平面方向安装在全息盘之上、与与其关连的光束折转镜相对置，使其在激光扫描及采光操作期间不阻挡，或反之干扰光的反射面(如产品表面、条形码符号等)反射回来的返回(即输入)激光光线。在本说明性实施例中，用光电检测器支持框架20把三个光电检测器15A、15B和15C支撑在其各自位置上，该支持框架用垂直伸展的支撑元件21A、21B和21C固定地安装在光学基座上。由每个光电检测器产生的电气模拟扫描数据信号用其模拟扫描数据信号处理板以常规方式处理，该信号处理板也支承在光电检测器支持框架20上。值得注意的是，光电检测器支持框相对于底板(即光学基座)的高度选择成小于光束折转镜必须超出全息盘的最小高度，以便实现本说明性实施例预先规定的激光扫描样式。实际上，此高度参数在满足对盘设计过程施加的设计约束的同时按照本发明的设计过程完全设计好全息盘之后才进行选择(即规定)。如此后将更详细说明的，使用电子表格式的计算机程序来有分析地建立激光扫描装置及激光光束扫描过程的光线光学这二者的几何结构的模型允许设计者确定与盘上的全息扫描小面有关的几何参数，在已知各光束折转镜规定的最大高度Yi的情况下，各几何参数将在最大限度地利用全息扫描盘上的可用采光面积的同时产生预先指定的激光扫描样式(包括焦平面的分辨率在内)。
如图2B、2C、2D和14所最佳示出，与每个激光扫描站关连的抛物面聚光镜沿着与该激光扫描站关连的中央基准平面的方向被安置在全息扫描盘底下。虽然肯定不明显，抛物面聚光元件(即聚光镜)相对于扫描盘上的全息小面的精确放置是由与每个激光扫描站关连的光电检测器进行有效的光检测的关键要求。单靠把光电检测器放置在抛物面聚光镜的焦点上不足以在本发明的光检测子系统中得到最佳光检测。必须对扫描盘上的全息小面的光衍射效率及对穿过小面传送的并且采集和聚焦以供检测的光线的偏振状态(或诸偏振状态)给予仔细分析。如在此后将变得更为明显的，这种光衍射效率分析的目的在于确保实现以下二个重要条件，即(ⅰ)基本上所有从物体(如条形码符号)反射的并通过全息小面的(产生相应瞬时扫描光束的)输入光线都被抛物面聚光镜收集；(ⅱ)所有由抛物面聚光镜收集的光线都以在全息小面内最小的光衍射损耗和折射散射损耗通过同一全息小面被聚焦在与该站有关的光电检测器上。将在以后说明设计和安装抛物面聚光镜以满足上述重要操作条件的过程。
如图2A至2D所示，三个数字扫描数据信号处理板18A、18B和18C这样排列，使其分别从模拟扫描数据信号处理板17A、17B和17C接收模拟扫描数据信号及提供对其的处理。如图2A和2B最佳示出，每块数字扫描数据处理板垂直安装在一对相邻的光束折转镜之间、紧靠全息盘的切向边沿、及在由全息盘和各光束折转镜几何尺寸所规定的扫描体积范围之内。中央处理板21也安装在基板上以处理从数字扫描数据信号处理板产生的信号。常规的电源板22也安装在基板上，在基极端角之一的范围内。对数字扫描数据信号处理板、中央处理板和电源板的功用将结合图4的系统方框图作更详细的说明。如所示，使用电缆把电气信号从每个模拟扫描数据信号处理板传送到其相关的数字扫描数据信号处理板，及从每个数字扫描数据信号处理板传送到中央处理板。经过稳定的电源电压用电气配线(未示出)提供给中央处理板21，以分配给在全息激光扫描器内需要电源的各种电气设备和光电设备。电源以常规方式用柔软电线(未示出)从标准的120V、60HZ电源提供到电源板。从中央处理板产生的符号字符数据通过连接到串行输出(即标准的RS232)通信插座23的串行数据传送电缆传送出去，该插座通过外壁安装在扫描器机体内。该数据可以用串行(或并行)数据通信电缆、RF(射频)信号收发信机、或本领域已知的其它通信机构传送到任何一种主机装置24。
如图2E所示，扫描器机体具有在其顶部壁面26上形成的三个对称安排的光传送孔25A、25B及25C。这些光传送孔的每一个都具有基本平面形范围，而且基本平行于可旋转地支承在电动机11的轴上的扫描盘。为了封住扫描系统的光学元件不受灰尘、潮气等的侵袭，把最好用耐防撞塑料制造的激光扫描窗26(图14)用橡皮垫圈和常规安装技术安装在每个光传输孔之上。在本说明性实施例中，每个激光扫描窗26具有能选择光谱的光传输特性，该激光扫描窗与在机体内安装在每个光电检测器前的光谱选择滤波器27一起形成执行两种功能的窄带光谱滤波子系统。该窄带光谱滤波子系统的第一功能是只传送在可见光谱红色区内的光学波长，以便给予激光扫描窗一种帝红色的或半透明的特性。这就使各内部光学元件较难可见，因而显著改善了全息激光扫描系统的外观。此特点也使全息激光扫描器不致给可能把它用在销售点(POS)站的顾客带来太多恐吓。窄帝光谱滤波器子系统的第二功能是只向检测用的光电检测器传送由相关的激光光束产生模块产生的输出激光光束的窄带光谱分量。关于这一光学滤波子系统的细节披露在一起进入审理的申请序号为08/439,224、标题为“使用具有窄带通特性的光学滤波及空间分隔的光学滤波器元件的激光条形码符号扫描器(Laser Bar Code SymbolScanner Employing Optical Filtering With Narrow Band-Pass Characteristicsand Spatially Seperated Optical Filter Elements)”的发明专利申请中，该申请于1995年5月11日提交(相当于美国专利No.5,468,951)，为完整起见，将它纳入本说明书以供参考。
当在任何全息激光扫描系统中使用多激光光束源时，在相邻的光检测子系统之间一般出现“串扰”的问题，必须恰当解决。串扰问题的原因为众所周知。它是由于一个激光光束的光谱分量为相邻的光电检测器所检测。虽然肯定不是明显，但是已经把本发明的全息扫描盘设计成使得由一条光束(例如j=1)产生的、并且从激光扫描体积Vscanning内任何一处的被扫描码符反射的光线将会以偏离布拉格角的状况入射到与相邻光检测子系统关连的扫描盘的采光区上。因此，“相邻的”输入扫描数据信号的信号电平实际上不能由使用三个激光扫描站的本说明性实施例的全息激光扫描器中的每个光电检测器检测到。使此特点成为可能的扫描盘上的扫描小面的此种光学特性将在以后在本文中说明扫描盘设计过程时得到更详细的描述。
如图3最佳示出，本发明的全息扫描盘在以下两个重要方面与其它先有技术激光扫描盘不同。第一，实际上所有限定在支承毂10外沿和扫描盘外沿之间的可利用的扫描盘表面面积都被已布局在该限定区上的所有16个全息扫描小面的采光面积区所占有。第二，每个全息扫描小面具有与所有其它扫描小面基本相同的朗伯采光效率。与常规的激光扫描盘不同，本发明的扫描盘上的每个全息小面的几何形状从旁观者眼里看来象是不规则的、任意的、或许甚至是奇异的。然而，事实并非如此。如下文将更详细描述的，本文的扫描盘设计过程包括二个主要阶段第一阶段为“分析建模阶段”，在该阶段，在复合的一组系统约束范围内为每个全息小面确定特定的光学参数和几何参数；第二阶段为“全息小面布局阶段”，在该阶段，扫描盘设计人员在支承盘上作每个全息小面的布局，使得实际上在盘上的所有可用表面面积都为所得布局所利用。虽然本文的盘设计方法允许在全息小面布局阶段根据盘设计人员的辨别和判断(最好通过使用计算机辅助设计(CAD)工具)来选择与每个已设计的全息小面有关的某些几何参数，但是某些几何参数，例如每个小面的总表面面积Areai、其扫描转动角(或扫描角θ’rot)及其内半径ri，则是在分析建模阶段由与相应激光扫描线P(i,j)有关的几何结构(例如其扫描线长度、焦平面、及在扫描样式中的相对位置)所决定，其中扫描线P(i,j)在预先指定的激光扫描样式的特定焦平面内由全息小面产生。因此，在设计过程的分析建模阶段中确定的特定参数在过程的小面布局阶段中起到了对盘设计人员约束的作用。因此，在本发明扫描盘上实现的全息小面具有特定的几何特性，这些几何特性直接取决于由各小面产生的激光扫描样式的几何特性，也直接取决于与激光光束及扫描盘上实现的全息小面的光学特性。这一事实，虽然目前看较难理解，但是在对本发明的全息扫描盘设计过程作详细说明时将变得较明显。
如图4的系统方框图所示，本发明的全息激光扫描系统包括一定数量的系统部件，其中的许多部件是在上文已经描述过的板上实现的。为简明起见，说明这些系统部件的最好方法是说明在上述各板的每一块上实现的部件，然后说明这些部件之间的接口及互相作用。
在本说明性实施例中，每块模拟扫描数据信号处理板17A、17B、17C上装有以下部件与之关连的光电检测器15A(15B、15C)(例如硅光电管)，用于(如前所述地)检测模拟扫描信号；模拟信号处理电路35A(35B、35C)，用于处理检测到的模拟扫描数据信号；零级衍射信号检测器36A(36B、36C)，用于在扫描操作期间检测由旋转的扫描盘上的每个全息小面产生的低电平零级衍射信号；以及相关的信号处理电路系统37A(37B、37C)，用于检测由零级衍射信号检测产生的光学信号中预先规定的脉冲并产生含有周期脉冲样式的同步信号S(t)。如以下将更详细说明的，该同步信号S(t)的功用是指示特定全息小面(例如第i=1号小面)产生其零级光学信号的时刻，以便在扫描过程中把检测的扫描数据信号与产生这些信号的特定全息小面相联系。
在本说明性实施例中，每个光电检测器15A、15B和15C用光电子器件实现，而装载在模拟信号处理板上的每个模拟信号处理电路35A(35B、35C)用专用集成电路(ASIC)芯片实现。这些芯片合适地与电连接器一起安装在小型印刷电路(PC)板上，这些电连接器允许与扫描器机体内的另一些板连接。如图2B所示，其上装有其所有部件的每块PC板被合适地沿着光电检测器支承架20的各个中心基准平面方向固定到该支承架上。
在激光扫描操作期间聚焦到光电检测器15A(15B或15C)上的光学扫描数据信号D0由特定偏振状态(例如S偏振状态)的光线产生，该状态与扫过光反射面(例如条形码符号的条纹和间隔)并从其散射的衍射激光光束有关，因此当被扫表面呈现漫反射特性时一般会改变已散射光线的偏振状态分布。此后，已散射光线的一部分被沿着同一输出光程向曾经产生扫描的激光光束的全息小面反射。这些反射光线被正在扫描的小面采集，最后用其放置在扫描盘底下的抛物面反光镜聚焦到有关的光检测子系统的光电检测器上。每个光电检测器的功能是检测光学扫描数据信号D0的幅度(即强度)变化，和响应于该变化而产生与此强度变化相应的电气模拟扫描数据信号D1。当使用具有适当的光灵敏度特性的光电检测器时，电气模拟扫描数据信号D1的幅度变化将线性地对应于被扫表面(例如被扫条形码符号)的光反射特性。模拟信号处理电路系统的功能是带通滤波和预先放大电气模拟扫描数据信号D1，以便增强输出信号的SNR。
在本说明性实施例中，每块数字扫描数据信号处理板18A(18B及18C)的构造相同。在这些信号处理板的每一块上，实现了以下的器件。数-模(A/D)变换电路38A(38B、38C)用第一专用集成电路(ASIC)芯片实现。可编程数字化电路39A(39B、39C)用第二ASIC芯片实现。而且，已编程解码计算机40A(40B、40C)用微处理器及其有关程序、数据存储器和系统总线来实现。在本说明性实施例中，以本领域技术人员所熟知的方式，使用适当电连接器，各ASIC芯片、微处理器、其有关存储器和系统总线全都安装在单一印刷电路(PC)板上。
A/D变换电路的功能是执行简单的置门限功能以把电气模拟扫描数据信号D1变换成对应的数字扫描数据信号D2，该信号D2具有与正在被扫描的条形码符号的条纹和间隔相对应的第一和第二(即二进制)信号电平。实际上，数字扫描数据信号D2表现为脉宽调制型信号，因为其第一和第二信号电平的变化与被扫条形码符号的条纹和间隔的宽度成正比。
可编程数字化电路的功能是把与每个被扫描的条形码符号有关的数字扫描数据信号D2变换成相应的数字字序列(即数字计数值序列)D3。值得注意的是，在该数字字序列D3中，每个数字字代表了与相应的数字扫描数据信号D2中每个第一或第二信号电平有关的时间长度。这些数字计数值最好具有适当的数字格式，以用于执行各种符号解码操作，而符号解码操作同本发明的扫描样式和扫描体积一样，又主要取决于即将到来的特定扫描应用。参阅授予Knowles的美国专利第5,343,027号(将其纳入本说明书以供参考)，该专利提供了适用于本发明的全息激光扫描器的微电子数字化电路的设计和构造的技术细节。
在条形码符号扫描应用中，已编程解码计算机的功能是接收从数字化电路产生的每个数字字序列D3、向其提供一个或更多的码符解码算法以便确定由数字字序列D3所指示(即代表)的是哪个条形码符号；而该数字字序列D3又原来是从与解码计算机关连的光电检测器检测的相应的扫描数据信号D1中获得的。在更一般的扫描应用中，已编程解码计算机的功能是接收从数字化电路产生的每个数字字序列D3，并且向其提供一个或更多的模式识别算法(例如字符识别算法)以便确定该数字字序列D3所表示的是哪个样式。在条形码符号阅读应用中，其中被扫描的码符只能是若干记号中的任何一个记号，可以以本领域已知的方式来使用带自动鉴别能力的条形码符号解码算法。
如图4A、4B和4C所示，中央处理板21包括安装在小型PC板上的一些部件，即带有系统总线、有关程序和数据存储器的已编程微处理器42，用于控制全息激光扫描器的系统操作和执行其它辅助功能；第一、第二、第三和第四串行数据通道43、44、45和46，用于从可编程解码计算机40A(40B和40C)和RF接收机/机座单元47接收串行数据输入；输入/输出(I/O)接口电路48，用于和主计算机系统24(例如中央计算机、现金出纳机等)接口并向其发送符号字符数据和其它信息；以及用户接口电路49，用于向音频换能器50和以LED(发光二极管)为基础的目测指示器51提供驱动信号，以向用户等发出符号阅读操作成功的信号。在本说明性实施例中，每个串行数据通道用RS 232端口来实现，虽然不言而喻可使用其它结构来实现由之执行的功能。已编程控制计算机42在系统操作期间还产生马达控制信号和激光器控制信号。这些控制信号被在上述电源板上实现的电源电路52接收作为输入。输入到电源电路52的其它信号包括来自标准电源分配电路的120V、60Hz线电压信号。根据接收的输入信号，该电源电路产生以下信号作为输出(1)激光源使能信号以分别驱动VLD 53A、53B和53C,(2)马达使能信号以便驱动扫描盘马达11。
在本说明性实施例中，RF基座单元47用扫描器机体内安装在底板5上的极小PC板54来实现。RF基座单元47最好按照1995年8月17日提交的一起进入审理的序号为08/292,237的美国申请(对应于1994年2月3日公布的PCT公布号WO 94/02910)的叙述来构造，该专利纳入本文作为参考文献。基座单元47的功能是接收从位于远处的条形码符号阅读器、数据收集单元、或从能发送类型为所述申请序号为08/292,237(见上)描述的数据包调制的载波信号的其它设备所发送的数据包调制载波信号。
在预先规定的扫描体积内不能在所有区域保证全方向扫描的某些全息扫描应用中，使用由以下扫描平面产生的扫描数据可能是有用的(ⅰ)在码符正在被扫过的同时以极短时间多次重复产生的同一激光扫描平面，或者(ⅱ)在扫描体积的预先规定的部分内的空间相邻接的数个不同的扫描平面。在第一种情况下，如果移动条形码符号通过扫描体积的部分区域，则用一在超短时段(例如1至3毫秒)内循环产生的特定扫描平面(例如P(i=1,j=3))就可以获得与移动的条形码符号有关的若干个部分扫描数据信号片断，从而提供了足够多的扫描数据来阅读该条形码符号。在第二种情况下，如果条形码符号正在扫描体积内，则用本系统的三个激光扫描站同时产生的若干个不同扫描平面，便能获得与条形码符号有关的若干个部分扫描信号片断，从而提供足够多的扫描数据来阅读条形码符号，即，只要这样的扫描数据可识别并且在特定的解码处理器中作综合收集以供符号解码操作。
为了允许本发明的全息扫描站使用对部分扫描数据信号片断进行操作的符号解码算法，如上所述，使用了零级信号检测器及其相关的处理电路系统，以产生一周期信号X(t)，这在以上已作过简要讨论。当通过旋转扫描盘上的每个全息小面的外半径部分的零级入射激光光束产生周期信号X(t)时，该信号将在出现每个全息小面接口时包含一脉冲。然而，为了唯一地识别参考用的特定小面，如图3所示，在入射激光光束通过的径向距离上的两个预先规定的小面(即i=2和16)之间形成预先规定宽度为dgap的“间隙”。因此，除了周期性的小面间脉冲之外，周期信号X(t)还包括由预先规定的“间隙”产生的“同步脉冲”，该间隙可每隔T=2π/ω(秒)检测一次，其中ω是由扫描盘马达及相关连的驱动控制电路系统所维持的全盘扫描盘恒定角速度。因此，零级光电检测器的功能是检测入射激光光束的零级衍射，而其有关的信号处理电路系统的功能是(1)在周期信号X(t)中检测出“同步脉冲”的周期性出现，(2)同时产生只含周期性同步脉冲流的周期信号S(t)。这种脉冲检测的构造和信号产生电路系统是本领域普通技术人员完全能制作的。
因为在同步信号S(t)中的每个同步脉冲与扫描盘上的“基准”全息小面同步，所以被提供该周期信号的解码处理器(即计算机)(40A、40B、40C)可容易地在实时基础上把以下二者“联系起来”，或，相关(1)该解码处理器接收的每个模拟扫描数据信号D1，(2)曾经产生该模拟扫描数据信号的扫描盘上的特定全息小面。为了进行这种信号对小面的相对操作，给解码计算机提供关于在扫描盘上的全息小面排列次序的信息。这种小面次序信息可用存储在每个解码处理器的有关存储器内的小面号码序列(例如i=1、16、2、15、9、12、6、11、7、10、5、8、3、13、4、14、1)来表示。通过产生上述扫描数据信号和同步信号S(t)，本发明的全息扫描器在符号阅读过程中对使用部分扫描数据信号片断的符号解码处理可容易地作出符号解码处理的不同清单。本系统这一特点的优点将在此后变得很明显。
在使用部分扫描数据信号片断进行对被扫描码符的解码的码符阅读应用中，可与由扫描盘上的一特定小面产生的一组按时间顺序产生的激光扫描光束有关连地使用上述同步信号S(t)来识别一组数字字序列D3(即{Ds})。在这样的一些应用中，可使用每组数字字序列来对被部分扫描的码符进行解码及产生代表被扫描的码符的符号字符数据。在使用完整的扫描数据信号来对被扫描的码符解码的码符阅读应用中，不需使用上述同步信号S(t)，因为与被完全扫描的条形码符号相应的数字字序列D3足以使用本领域中已知的常规符号解码算法来执行符号解码操作。对本发明说明性实施例的三维激光扫描样式的说明参看图5来更详细地说明由本全息扫描器产生的激光扫描样式。为了说明之用，投影在扫描体积的四个焦平面的每一个上的激光扫描线用标有各自扫描线(即扫描面)名称P(i,j)的黑线表示。每根这样的扫描线长度主要由扫描体积Vscanning的几何尺寸所限定，该体积的界限如图所示由虚线表示。虽然本说明性实施例的激光扫描样式总共有48个扫描平面，但是在任何时刻只同时产生三个扫描面(即扫描线)。然而，在全息扫描盘一转之内，产生所有48个扫描平面。在扫描盘一转期间产生每个扫描平面的次序由图5A的示意图说明。如该图所示，产生每个扫描平面所使用的激光源和全息小面由其全息小面号码i和激光源号码j表示。
现在是说明本发明激光扫描样式的截面特性及在全方向扫描应用中这样的特性带来的好处的合适时机。
虽然本发明的激光光束产生模块提供产生无VLD固有特性带来的象散的圆化激光光束，但是由衍射无象散激光光束的旋转全息扫描盘所产生的激光扫描平面P(i,j)并非完全没有象散。这是由于经过准直的入射激光光束以零度以外的入射角Ai扫过光衍射元件时会在扫描体积内造成象散。这种形式象散称为“光束扫描象散”，它在每根扫描线末端及在每组扫描线的场的深度的极端部分显露出来。
虽然不一定明显，有若干理由不能用零度入射角(即Ai=0)来消除本发明的全息扫描器内的象散。第一个理由是这种方法会大大减小每个扫描小面的扫描角倍增因子M，从而使得不能实现本说明性实施例的扫描样式。其次，这种方法会减小各小面的总采光效率，因为要实现在空间的相应扫描线的衍射角Bi会不得不更低。第三，这种方法必定会导致全息扫描盘极难制造。
如图6A所示，相邻扫描面在扫描体积内的聚焦区之间交叠。当每个全息小面以约Ai=47°(对所有的i值)的引导角转过入射到其上的圆化激光光束时就产生每个扫描平面。虽然经常把每个扫描平面看成是一片连续的光，实际上它由单一的运动激光光束组成，当该激光光束被衍射通过其在空间的扫描线路径时，它一边渐进一边改变其截面尺寸。
通过使用Focus Software,Inc.of Tucson,Arizona的ZEMAX光学程序，可产生图6B和6C的光点图(spot-diagram)以便对组成本发明扫描样式的已扫描激光光束的象散特性进行分析。如图6B和6C所示，表示的特定已扫描的激光光束的光点尺寸(即截面尺寸)和指向位于其焦平面处的沿半个扫描平面方向的五个不同距离上，及在其焦平面上的二个平面和其焦平面下的二个平面上。实际上，这些扫描平面从焦平面算记的间隔分别为-120mm、-60mm、60mm、120mm。这五个沿扫描平面表示的五个不同光点尺寸距离对应于扫描盘绕其转轴的五个不同角转动。值得注意的是，图6B所示的光点尺寸图是对于其焦平面离扫描窗较远的已扫描的激光光束而言的，而图6C所示的光点尺寸图则是对于其焦平面与图6B的焦平面相邻、且离扫描窗较近的已扫描的激光光束而言的。图6B和6C所示的光点尺寸图的最左边代表相邻的扫描平面的中心。中间那组光点尺寸图代表在扫描体积内在激光光束的焦平面处的激光光束的截面直径和指向。上面那组光点尺寸代表在扫描体积内在激光光束的焦平面之上的激光光束的截面直径和指向。下面那组光点尺寸图代表在扫描体积内在激光光束的焦平面之下的激光光束的截面直径和指向。
在图6B和6C所示的光点图的每一个中，光束的指向取决于象散，该象散是入射激光光束被其绕盘的转动轴转动的相应全息小面衍射时引入的。在扫描体积中的每个焦平面处，特定的激光光束被聚焦，其象散特征与在空间交叠该特定激光光束的邻近激光光束的象散特性相反。如图6B和6C所示，从扫描线中点算起的在焦平面上的光束指向的旋转方向与相邻的交叠激光光束的旋转方向相反。因此，在扫描体积内每对相邻的焦平面之间的交叠激光光束区中，互补的光束截面特性合作以在空间交叠的扫描面范围上提供全向扫描场。因此，当被扫描的条形码的方向使得由于在两相邻焦点区的近部有象散光点的倾斜而难于阅读该符号时，在相邻的远场区中象散光点的倾斜为相反方向，从而使同一条形码的阅读比较容易。总而言之，在扫描体积内相邻焦点区之间扫描平面的交叠提供了健全的(robust)全方向码符扫描性能。按照本发明方法的全息激光扫描系统的设计在图7中，示出涉及按照本发明的全息激光扫描器的四个主要设计步骤。
如图7的方框A所示，本设计方法的第一步涉及用几何方法规定以下各实体(ⅰ)三维扫描样式的结构及待实现的扫描体积；(ⅱ)待设计的扫描器的诸性能参数；(ⅲ)应据之产生该扫描样式的扫描器机体的体积尺寸。一般说，这些实体的每一个必须由最终用户的要求来指定，包括以下因素诸如即将来临的扫描应用及环境；条形码分辨率；条形码符号衬底的反射特性；正被识别的物体的速度；以及扫描环境的物料通过量。
因此，作为本指定规格步骤的一部分，必须用几何词语即用坐标几何等来规定每个扫描平面(即焦平面)的号数和位置及其在规定的扫描体积内的焦距fi。一般说，这一步骤涉及提供例如三维扫描样式的几何规格，如图5、6A、6B和6C所示。简而言之，此步骤需要规定坐标系统(例如直角坐标系统)，然后规定在所述扫描体积内的每条扫描线(即扫描平面)的位置及其从第i个扫描小面量起的焦距fi。自然，被阅读的条形码符号的分辨率将确定每条扫描条可有的最大截面尺寸以分辨该条形码符号。因此，必须提供在规定的扫描体积的扫描操作范围内的被扫描的激光光束的最大截面直径。
如图5所示，本说明性实施例的扫描式样有四个规定的焦平面，指数为k=1、2、3、4。在各焦平面中的每一个之内的各扫描线中的每一个都用其几何坐标加以规定。例如为了满足本未来的示范性应用的40英寸场深的需要，在本说明性实施例中使用了四个焦平面。虽然最初看来这可能是保守的，但是已经发现该四焦平面设计提供的超过其它系统设计的重要优点在于它在三维扫描体积的中心部分提供垂直的“扫描点(sweep spot)”。在本说明性实施例中，这四个焦平面的每一个都平行于扫描器的扫描窗口，而且在四个焦平面的四个扫描样式的每一个都以旋转全息盘的转轴为中心。而且，在每个焦平面上的各条线彼此均匀隔开。在本说明性实施例中选择的基本的四线扫描样式提供在每个焦平面处的扫描区域的良好覆盖。可根据客户要求来建立(即确定)在扫描体积Vscanning中每条扫描线SL的最小和最大焦距和长度，以便在扫描体积中完全覆盖各扫描区域的每一个。
如图7的方框B所示，本设计方法的下一步骤涉及为激光扫描平台选择一基本架构，将在该扫描平台上产生已设计好的扫描样式。在图1至4所示的本说明性实施例中，被选为预计的三维扫描样式的适当激光扫描平台的激光扫描装置包括构造在本发明全息扫描盘周围的三个对称的激光扫描站，这些激光扫描站的每一个具有激光光束产生模块及光采集和检测子系统。在本说明性实施例中采用的三激光扫描站架构提供产生本示范性扫描样式的条-X扫描样式的最佳方法。扫描样式的对称性决定了所有三个激光扫描通道应当是相同的，这就允许任何一个通道的设计和其它通道的相同。为了方便起见，在各焦平面的每一个处创建的扫描样式应该以全息扫描盘的转轴为中心，虽然不言而喻这不是必要条件。如在本文以后将说明的，本发明的设计方法允许容易地改变系统参数，使得以轴为中心的扫描样式可以改变为非居中位置，或者可以以非对称方式构成扫描样式，即偏离全息扫描盘的旋转轴。
在已经为一给定应用规定了三维扫描样式和平台架构之后，在图7所示的扫描器设计方法的下一步骤涉及使用该扫描样式、体积技术要求和扫描器机座技术要来设计特定扫描平台，该平台包括本发明的全息扫描盘和光束折转镜阵列，其配置使得所得系统产生规定的扫描样式。优先的盘设计方法将参照图8A至12C详细说明于后。而且构造已设计扫描盘的优先方法将参照图13A至13E说明于后。
如图7的方框D所示，本方法的下一步骤涉及用方框B所得的全息扫描盘技术要求来设计激光光束产生模块。值得注意的是，在本设计方法的这一步所需的扫描盘技术要求包括每个小面的入射角Ai、其衍射角Bi、以及由VLD产生的激光光束的中心波长λi。如本文以后将详细说明的，激光光束产生模块的功能是产生入射激光光束，该光束具有圆化(或纵横比受控制)的光束截面、沿其扫描工作范围无象散效应、并且当激光光束沿着旋转扫描盘衍射地传送通过各小面时与激光扫描盘一起把其光谱成分的色散减至最小。在说明性实施例中，使用两种不同技术以实现上述利用超紧凑结构的功能。在图14至21D所示的本发明第一说明性实施例中，使用了VLD、非球面透镜、扩束透镜、固定空间频率的光衍射光栅以构造本发明的激光光束产生模块。在图22至31D的本发明第二说明性实施例中。使用了非球面透镜和固定空间频率的多功能光衍射光栅以构造本文的激光光束产生模块。在二个实施例中，使用了第一次允许在全息码符阅读系统使用常规VLD而不牺牲高性能特性的新设计技术。
如图7的方框E所示，本设计方法的最后一步涉及规定和设计光采集和检测子系统(以下称“光检测子系统”)以供与已设计的全息激光扫描器一起使用。如参照图32至43B在此后更详细说明的，可使用几种不同的子系统来实现按照本发明原理的系统部件。
在光采集和检测子系统的第一优先实施例中，把抛物面镜放置在扫描盘的采光区底下，该抛物面镜设计成把输入的已采光线聚向安放在扫描盘上面的处于抛物面镜焦距处的光电检测器。选择抛物面镜的聚焦特性及其相对于扫描盘的位置使得每束聚焦的光线以使其光衍射效率为最小的入射角传送通过扫描盘。在光采集和检测子系统的第二个说明性实施例中，具有可变空间频率的反射体积型全息衍射光栅放置在扫描盘的采光面底下，并设计成把输入已采光线聚向放置在扫描盘上的反射体积型全息光栅的焦距上。选择抛物面反射体积全息片的聚焦特性及其相对于扫描盘的位置使得每束已聚焦光线以使其光衍射效率为最小的入射角传送通过扫描盘。光采集和检测子系统的第三个说明性实施例包括平面镜、光聚焦光学机构和放置在扫描盘采光面底下的光电检测器。这些实施例的每一个将参照图32至43B详细描述于后。
现在参照图11详细说明在实行本文的“全息扫描器”设计方法中涉及的主要步骤。值得注意的是，本文使用“全息扫描器”这个词来描述设计全息激光扫描器所有子系统用的全部过程，该扫描器包括，但是不限于，全息扫描盘、光束折转镜阵列、光采集和检测子系统、激光光束产生模块以及包含这些子系统的扫描器机体。因此，本全息扫描器设计方法包括各子系统设计方法及互相作用以提供复合方法的过程的集合。一般说，有本发明的全息扫描器设计方法的许多实施例。影响扫描盘和光检测子系统的设计的因素包括例如在扫描操作期间使用的入射激光光束的偏振状态，以及在光采集和检测操作期间由光采集和检测子系统采集、聚焦和检测的激光光线的偏振状态。
在本发明的各实施例中，本文的扫描器设计方法在计算机辅助设计(CAD)工作站上实行，该CAD工作站可以用例如Macintosh 8500/120计算机系统的计算机系统来实现。在说明性实施例中，该CAD工作站支持三维几何数据库，用于存储和检索代表全息扫描装置三维模型的和正在设计的过程的信息，还支持关系数据库，用于存储和检索代表全息扫描装置几何和解析模型的和正在设计的过程的信息。此外，CAD工作站包括一系列不同的计算机程序，这些程序在执行时提供许多重要的设计和分析工具。这样的设计和分析工具包括，但是不限于，三维几何建模工具(例如由AutoDesk.Inc.开发的AUTOCAD几何建模软件)，用于创建和修改实际上表示全息激光扫描装置和正在设计的过程的每个方面的三维几何模型；增强的数学建模工具(例如由Cambridge,Massachusetts的Mathsoft,Inc.为Macintosh开发的MATHCAD 3.1)，用于创建、修改和分析全息扫描装置和正在设计的过程的数据模型；以及电子表格建模工具(例如由Microsoft Corporation开发的EXCEL，或由Lotus Development Corporation开发的LOTUS)，用于创建、修改和分析全息扫描装置和正在设计的过程的电子表格型分析模型。为了表达的简便，上述的CAD工作站及其所有的工具将统称为本发明的“全息扫描器设计(HSD)工作站”。在需要或合适时，此后将更详细叙述HSD工作站的功能度和工具。
如图11A的方框A所示，扫描器设计方法的第一步涉及扫描器设计人员在本HSD工作站的几何数据库范围内创建上述全息激光扫描器的几何模型。最好是创建包括扫描盘在内的全息激光扫描器的三维几何模型，虽然在许多应用场合，当扫描装置的对称性允许简化时用二维几何模型也足够了。图9表示在设计中的全息扫描盘的几何模型的示意图。通过使用扫描盘的这一几何模型，扫描器设计人员然后给扫描盘上的每个(第i个)全息小面以及给全息扫描系统内的每个(第j个)激光光束产生模块加上指数。在说明性实施例中，通过给设计中的全息扫描盘上的每个小面赋予一个唯一的号码、及给在本发明全息激光扫描系统中使用的每个激光光束产生模块赋予一个唯一的号码来执行该双重加指数步骤。因而可以用赋予的小面和激光光束产生模块的指数来识别在设计和建造过程中所指的是哪些小面和哪些激光光束。
如图11A的方框B所示，扫描器设计人员然后开始在HSD工作站的几何数据库范围内创建在本发明多站激光扫描平台上实现的三维激光扫描样式产生过程的几何模型。由于本激光扫描平台的对称性，对本发明复合激光扫描过程的建模可通过在三维激光扫描体积内分别对每条(第(i,j)条)扫描线的产生进行建模而容易地加以简化。由于除了使用不同(第i个)小面和特定(第j个)激光光束来产生在扫描体积中的每条(第(i,j)条)扫描线之外每条扫描线的产生方式都是相同的，所以可使用图8A所示的实质上相同的几何光学模型来代表每条(第(i,j)条)扫描线的产生。
一般说，代表每条(第(i,j)条)扫描线产生过程用的几何光学模型使用下列结构的几何规格(1)与固定的激光光束产生模块有物理关系的第(i,j)条扫描线、在旋转的全息盘上的相应小面、固定的光束折转镜、以及扫描器机体的基座和扫描窗口，(2)跟踪第j条入射激光光束路径的光线图从激光光束产生模块出发，通过第i个小面，离开第j个光束折转镜，以及聚焦在第(i,j)条扫描线沿着伸展的焦平面上。为了不需考虑在折转镜表面处的光线反射，从而简化盘的设计过程，定义了相对于实全息扫描盘的虚全息扫描盘57，如图8A和8A1所示。此建模技术允许通过使用虚盘中各小面的光束入射点ro和内半径ri而作出随后的计算。
作为图11A方框B所需的几何建模过程的一部分，扫描器设计人员必须小心定义许多几何参数及规定几何参数之间关系的解析公式，以供设计过程以后各阶段使用。在图8B1和8B2中定义了构造几何模型用的各个参数。在图8C1和8C2中以规定的数序列出了在模型的某些参数之间建立重要关系用的数学表达式组，供本文在以后参考之用。在图8C1和8C2中说明的该组数学表达式为本发明的扫描线产生过程提供了解析模型。
如图8B1和8B2所示，构造第(i,j)条扫描线产生过程的几何模型用的参数包括(1)至全息扫描盘上光束入射点的半径，赋予符号“ro”；(2)在第(i,j)条扫描线的焦平面上相邻扫描线之间的扫描线间隔，赋予符号“SSL”；(3)第(i,j)条扫描线的扫描线长度(以进入纸张进行测量)，赋予符号“LSL”；(4)从扫描盘测量至第(i,j)条扫描线的焦平面的距离，赋予符号“ai”；(5)从光束入射点的半径ro至光束折转镜的距离，赋予符号“L”；(6)与产生第(i,j)条扫描线有关的第j个光束折转镜的倾斜角，赋予符号“φj”；(7)虚扫描盘的倾斜角，赋予符号“2φ”；(8)在虚扫描盘上的光束入射点的横向移位，赋予符号“Δx”；(9)在虚扫描盘上的光束入射点的垂直移位，赋予符号“Δy”；(10)从旋转轴到虚扫描盘上的光束入射点的距离，赋予符号“ro+Δx”；(11)从虚扫描盘上的光束入射点到第(i,j)条扫描线所在的焦平面的距离，赋予符号“fi”；(12)由第j个激光光束扫描站产生的、在扫描盘处的激光光束的截面直径，赋予符号“dbeam”；(13)在相邻全息扫描小面之间的角间隙，赋予符号“dgap”；(14)在全息扫描盘上的可用采光区的外半径，赋予符号“router”；(15)在全息扫描小面上的可用采光区的内半径，赋予符号；rinner”；(16)第(i,j)条扫描线的场深度之半，赋予符号“δ”；
(17)从最大阅读距离(fi+δ=5＂)到扫描小面内半径ri的距离，赋予符号“C”；(18)相对于第i个全息小面法线测量的外光线角，赋予符号“α”；(19)相对于第i个全息扫描小面法线测量的内光线角，赋予符号“γ”；(20)从第i个小面的焦点+δ处测量到该扫描小面的采光面的采光角，赋予符号“β”；(21)光束折转镜和线C的交点，赋予符号“x”(x从盘的转轴量起)；(21A)光束折转镜和线C的交点，赋予符号“y”(y从盘的平面量起)；(22)从内半径测量到镜子交点的距离，赋予符号“D”；(23)从扫描器机体的基座测量到第j个光束折转镜顶端的距离，赋予符号“h”；(24)从扫描盘测量到全息扫描器基座的距离，赋予符号“d”；(25)从第i个全息扫描小面到扫描体积内相应焦平面的该扫描小面的焦距，赋予符号“fi”；(26)对第i个全息小面表面测量的入射光束角，赋予符号“Ai”；(27)对第i个全息小面表面测量的衍射光束角，赋予符号“Bi”；(28)从垂直线测量起的第i条激光光束的角度，赋予符号“-α”；(29)由第i个小面产生的衍射激光光束的扫描角，赋予符号“θsi”；(30)第i个全息小面的扫描倍增因子，赋予符号“Mi”；(31)第i个全息小面的小面旋转角，赋予符号“θroti”；(32)计及寂静时间(deadtime)的调整后的小面旋转角，赋予符号“θroti”；(33)相对于第16个小面归一化的第i个全息小面的采光效率因子，赋予符号“ζi”；(34)第i个全息小面的总采光面积，赋予符号“Area Totali”；(35)在第(i,j)条扫描线中心处的光束速度，赋予符号“Vcenter”；(36)在第i个全息小面中心处的衍射激光光束的歪斜角，赋予符号“φskew”；(37)由全息扫描盘产生的所有激光光束中的最大光束速度，赋予符号“Vmax”；(38)由全息扫描盘产生的所有激光光束中的最小光束速度，赋予符号“Vmin”；
(39)最大光束速度对最小光束速度的比值，赋予符号Vmax/Vmin”；(40)从扫描盘底下的抛物面反光镜反射的光线对小面布拉格角的偏离，赋予符号“δe”值得注意的是，如此定义的参数中的某些参数被赋予初始化(即假定)值，而其它参数则用图8C1和8C2表示的数学表达式计算。确切地说，哪些参数为初始化，哪些参数为计算，并且以什么次序进行，将在以后说明。
如图11A的方框C所示，扫描器设计过程的下一步涉及使用图8B1至8C2的几何参数和数学表达式，及使用HSD工作站的“电子表格”建模工具以便创建以分析为基础的扫描线产生模型，该扫描线产生模型描述了在本发明的三维扫描体积内的每条(第(i,j)条)扫描线的实际产生。如上所述，执行盘设计过程的该阶段的适当电子表格计算机程序包括例如Microsoft,Inc.的EXCEL和Lotus Developnsent Corporation的LOTUS。电子表格建模/分析工具的功用是提供网络型信息存储器结构，在该结构内可以以电子表格计算领域中众所周知的方法实施基于电子表格的扫描线产生模型的数学表达式。随着在电子表格计算机程序底层信息存储网络内的信息存储结点之间功能连系的建立，允许扫描器设计人员修改解析模型的一个或更多参数和分析在模型中的其它参数如何变更，从而允许对组成解析的扫描线产生模型的各种参数进行“假想因果(what-if)”分析。值得注意的是，电子表格工具的显示格式因实施例而异，所以格式本身不是本发明的重要方面。
如图11A的方框D所示，盘设计过程的下一步骤涉及扫描器设计人员为每个(第(i,j)个)扫描线产生过程的电子表格型分析模型中的若干参数规定假定(即初始)值。在说明性实施例中，这些假定的参数包括至全息扫描盘上的光束入射点的半径ro，该半径按设计是对每条(第(i,j)条)扫描线相同的(主要决定于盘的大小)；在第(i,j)条扫描线焦平面处相邻扫描线的扫描线间隔SSL，和第(i,j)条扫描线的“扫描线长度”LSL(二者都由用户应用要求来建立)；从光束入射点至光束折转镜的距离L(通常选择得尽可能小以使扫描器体积为最小)；与第(i,j)条扫描线的产生有关的光束折转镜的倾斜角φi；从扫描盘至第(i,j)条扫描线的焦平面的距离fi；由第j个激光光束扫描站产生的激光光束的截面直径dberm(由各焦平面处的光点尺寸要求来建立)；相邻全息小面之间的角度间隙dgap，和寻的脉冲间隙的宽度dgapmax；在全息扫描盘上的采光区的外直径router；第(i,j)条扫描线的场深度的一半(1/2)，即δ；从全息扫描盘到全息激光扫描器基座的距离d；以及偏离布拉格角的偏离角δe。值得注意的是，这些参数的假定值的选择使用了与每个特定参数有关的试探法和经验。一般说，这种试探法是根据设计准则和最终用户的扫描器应用要求而获得的。下面来简要讨论这种试探法。
一般说，根据对各全息扫描小面需要的朗伯采光效率的估值和从可购买到的VLD产生的可用光学功率来选择全息扫描盘直径的初始值。在本说明性实施例中，选择了全息扫描盘的直径为220mm。此假定值为以下二者的折衷使扫描盘直径最大以使朗伯采光效率为最大，使扫描直径最小以提供更紧凑的扫描器机体设计、同时尽量减少机械问题。然后，选择相邻全息小面之间的角度间隙dgap和寻的脉冲间隙dgapmax的初始值。
一旦为上述参数建立了初始值，就可使用基本的几何和/或三角公式来确定在基于电子表格的扫描线产生模型中“可初始化”参数的平衡。例如，间接规定由折转镜创建的扫描盘虚象的位置的几何参数Δx,Δy可通过应用反射定律来建立(即初始化)。扫描线中心点的位置(x,y,z)可取决于已初始化的扫描线间隔SSL、各扫描小面的假定的焦距fi、以及位于转轴中心的本说明实施例的扫描样式的对称性。为了允许在每个扫描面的场深度的极限处阅读符号，应稍微扩展(例如扩展5英寸)到达第(i,j)条规定的扫描线的每个焦距fi。
在图11的方框D处创建了第(i,j)条扫描线产生过程的电子表格模型之后，扫描器设计人员然后使用HSD工作站的电子表格工具来用假定(即初始化)或求数值的方法得到的有关参数而自动地计算在扫描线产生模型中的参数值。虽然(由于参数的依赖性)对分析模型的特定参数进行数值计算的顺序一般是对电子表格工具的操作者透明的，但是基于电子表格的扫描线产生模型的扫描器设计人员必须知道在其解析结构中各种参数之间的互相依赖关系，以便能恰当地构造作为该电子表格模型基础的信息结点和信息场。因此，为了明了和完整，以下来详细说明在扫描器设计过程中在本发明的基于电子表格的扫描线产生模型内执行的各计算步骤。然而，不言而喻，实际上这些步骤中有许多对扫描器设计人员是透明的，因为他或她需要提供基于电子表格的扫描线产生模型的特定输入，模型才会自动产生供显示的与扫描器设计过程有关的参数。
在图11A方框D处为上述参数假定其初始值之后，由方框E表示的本设计过程的下一步是使用图8C2的表达式(17)、与此相关的数字表达式(16、15、14、13、12和1)和在扫描线产生模型内的假定的从属参数，来对产生与每个第i个全息小面有关的规定的扫描线长度LSL所需的扫描角θsi进行数值计算。如这组功能上从属的表达式所反映的，产生规定的扫描线长度LSL所需的扫描角θsi完全取决于在表达式(17、16、15、14、13、12和1)中指出的参数的假定值的选择。
在这方面的若干观察将是有帮助的。首先，对于已给定的扫描角θsi，可通过简单地增减与入射角Ai和衍射角Bi有关的扫描线倍增因子Mi来调整在焦距fi所规定的焦平面处的扫描线长度LSL。其次，在最佳设计中，所有小面的经过调整的小面旋转角θ＇roti(包括与寂静时间有关的扫过角θdead=dbeam/ro+dgap/ro)之和应大致等于358.5度。这就允许有额外的1.5度供寻的脉冲用的大的作界面的间隙之用。如果这个总和大于358.5度，则所提出的设计就不合适了。如果这个总角度小于358.5度，则光束速度将会不必要地过高。
如图11A的方框F所示，扫描器设计过程的下一步是为每个(第i个)扫描小面对与第i个扫描小面有关的衍射(输出)光束角Bi进行数值计算。此项计算通过使用图8C2的表达式(13)及由此数学表达式指定的以前假定和计算的诸参数来执行。完成此步骤就为设计中的扫描盘的16个小面的每一个产生了衍射(输出光束)角Bi。值得注意的是，入射角Ai和衍射角Bi二者必须提供所需的扫描线长度LSL，不比此更多。在扫描器操作期间，这些角度与激光光束沿扫描线移动的速度之间有着微妙关系。具体地讲，如果在特定值之下增加入射角Ai，则扫描样式可能对不久将来的应用不合适。反之，如果减少入射角Ai，扫描样式可能比需要的更长，结果，扫描光束速度比需更的更高。正确的Ai值将使在扫描样式的每一个的焦平面处的光束速度为最小，这又使与光电检测器连接的信号电路系统的所需电子带宽的为最小。
在完成这步计算之后，扫描器设计人员用运行在HSD工作站上的基于MATHCAD的程序来在方框G处为每个(第i个)全息小面计算该全息小面对特定偏振状态的光的相对光衍射效率因子Hi的值。为了计算这些参数{Hi}，基于电子表格的扫描线产生模型使用计算机子程序来对设计中的扫描小面的每一个进行光衍射效率分析，然后据此计算与第16个扫描小面的总的输出-并-返回光衍射效率相对的第i个扫描小面的总的输出-并-返回光衍射效率，以为第i个小面提供归一化的光衍射效率的度量。即，该计算过程涉及在理论上得出代表每个扫描小面的光衍射效率的数学表达式，因为已知在最近将来的特定扫描器实施例中使用的偏振状态和光检测方案。以下将说明这种分析的细节。
在图10A1中，提供计算相对光衍射效率(Hi)的几何光学模型，计算是在用发出S偏振光光束的VLD产生入射激光光束并且在每个扫描站的光电检测器之前不设偏振滤波器的情况下进行的。该图示出在本发明激光光束扫描和采光过程中的光程，激光光束沿着该光程被衍射、反射、衍射、聚焦和基本无衍射地传送。在图10A中描述了在该过程中偏振状态的变换。计算每个(第i个)扫描小面对S和P偏振光的光衍射效率用的数学表达式根据图10A2和10A3的几何光学模型得出，图10B至10E2说明解析的模型(即工具)。
在本优选实施例中，图10B至10E2的解析模型用从Cambridge,Massachusetts的Mathsoft,Inc可购得的MATHCAD 3.1数学建模程序来实现。为了入射到扫描盘的S偏振输出光束的总的输出-并-返回衍射效率(包括10％的菲涅耳损耗和其它内部损耗)而推导的数学表达式表示为Ts[Δni]并表示在图10C2的表达式(13)中。值得注意的是，在用于支持衍射效率分析的几何光学模型中，入射角θi和衍射角θd的定义与上述扫描线产生模型中使用的入射角Ai和衍射角Bi不同。这一事实完全是基于历史的原因，而这并不重要。然而，这些角是数学上相关的角。角Ai和Bi分别是角θi和θd的补角，因而Ai=90°-θi；Bi=90°-θd。如所示，所述数学表达式取决于在盘上第i个全息小面的S偏振和P偏振衍射效率，这些效率一般是包括入射角θi和全息小面的调制指数(即调制深度或条纹干涉对比度)Δni在内的各种参数，这里假定乳胶体的厚度T在小面上各处保持不变。然而，通过固定(为其设一假定值)这些衍射效率的表达式中除Δni以外的变量的每一个，这些衍射效率的表达式可以简单地成为Δni的函数。在此情况下，在全息实验室中构成小面时，通过简单地控制调制指数Δni，就能设定光衍射效率。以本领域众所周知的方式，通过对记录扫描小面的干涉条纹结构所用的重铬酸明胶(DCG)进行恰当的曝光和处理，就可以控制调制指数Δni。通过在全息记录操作期间控制构造激光光束的功率和/或激光光束入射到明胶上的时间就可达到必要的曝光控制。
图10C2的表达式(14)表示了如何计算作为每个(第i个)和第16个扫描小面的总的输出-并-返回衍射效率Ts(Δni)的函数的每个小面的相对光衍射效率因子Hi。然而，首先描述那些可用于推导设计中的全息激光扫描器系统中的S和P偏振衍射效率的图10C2中的数学式(11)和(12)的技术是适当的。
最先，重要的是在推导各全息扫描小面的S和P光衍射效率的数学表达式时明确S和P偏振方向所指的意思。按照约定，这些偏振方向对入射面来定义，即“S偏振方向”定义为驻留在垂直于“入射面”的方向，而“P偏振方向”定义为驻留在平行于“入射面”的方向。“入射面”定义为包括入射光线及在入射光线入射点处小面表面的法线这二者在内的平面。此外，重要的是清楚地记住这些偏振方向指的是与入射激光光束球面波前相关的电场(或E场)矢量在电磁波传播期间作用于静电电荷的方向。
为了避免与下节引入的关于VLD中象散源的S和P混淆，引入“S波分量”和“P波分量”以定义入射激光光束的上述偏振方向。“S波分量”用于规定从激光光束产生模块发出和入射到扫描盘上的所得球面波前的分量，它具有指着S偏振方量的E场矢量。同样，“P偏振波分量”用于规定从激光光束产生模块发出和入射到扫描盘上的所得球面波前的分量，它具有指着P偏振方向的E场矢量。按照此定义，组成入射激光光束所得球面波前的S和P柱形波前二者都对S波分量起作用，而组成所得球面波前的S和P柱形波前二者都对P波分量起作用。
在本文中使用的用于说明在扫描操作期间入射激光光束的S和P波分量的总输出-并-返回衍射效率的模型以在厚全息结构中的电磁波耦合理论为基础，该理论在标题为“厚全息光栅的耦合波理论(Coupled Wave Theory forThick Hologram Grating)”，作者为Herwig Kogelnik，见前，的有名论文中作了独创的叙述。为了应用，该理论要求的二个基本假定为(1)在其中形成全息干涉条纹结构的乳化胶的厚度T显著大于入射波前的波长；(2)入射波前可以用平行波前来近似。对于由之制造本文扫描盘上的每个全息小面的我们的体积传输型全息片，第一假定为真。对于在本发明中为真的、入射到全息片输入表面上的球面波前具有比入射面大得很多的曲率半径的情况，第二假定也为真。
在图10C1中提供了一组数学表达式。这些数学表达式用于推导由图10C2表达式(11)、(12)和(13)表达的光衍射效率。图10C1的表达式(1)至(3)通过斯涅耳(Snell＇s)定律确定了内角和外角的关系。表达式(4)和(5)说明夹在扫描务的玻璃支承板之间的全息光衍射小面的倾斜干涉条纹结构的属性。这些表达式的推导方法是在扫描盘的界面表面处应用斯涅耳定律和使用光栅公式，以推导出扫描小面的可变空间频率干涉条纹结构。图10C1的表达式(6)至(10)指出入射和衍射波对内角α和与扫描小面有关的干涉条纹倾斜角φ的耦合关系，这些表达式根据Kogelnik的基本论文(见前)而导出。值得注意的是，在表达式(6)和(7)中表示的倾斜因素表达为特定扫描小面的内角α和干涉条纹倾斜角φ的函数，它们决定以不同衍射级衍射光学输入功率的好坏程度。虽然表达式(11)和(12)定义的总的输出-并-返回光衍射效率是调制深度的函数，但是不言而喻，如在布拉格灵敏度分析中所要求的，通过固定调制指数Δn(即在曲线图中Δn=n)而允许表达式(9)中的δ作变化，这些光衍射效率表达式就可以推导为入射角的函数。
应注意的是，图10C2中的表达式(11)和(12)包括三项。在该二个表达式中的第一项是由图10C1的表达式(8)和(10)定义的因子N(Δn)和S(Δn)，如由Kogelnik说明的耦合波理论(见上)所说明的，该第一项与由于光衍射过程的光的传输有关。表达式(11)和(12)中的第二项都是菲涅耳传输项ts，它与由于菲涅耳传输现象而通过扫描小面的S或P偏振光的传输有关。表达式(11)和(12)中的第三项都是估计的内部损耗项(1-0.1)，它与由于明胶中的散射和吸收的8％损耗和在明胶/玻璃界面处的2％菲涅耳反射损耗的估值有关。综合起来，这三项规定了第i个扫描小面对入射到该小面的S或P偏振光的光衍射效率。
因此，通过包括表达式(11)和(12)的各项，使用图10C2中的数学表达式(13)来为S偏振的输出光束计算总的输出-并-返回衍射效率。在实施本发明的扫描器设计方法中，把该光衍射表达式(14)插入在HLD工作站上运行的基于电子表格的扫描线产生模型的适当单元(cells)中。在图10E1和10E2中，S和P偏振衍射效率Es[Δni]和Ep[Δni]及S偏振输出光束的总输出-并-返回衍射效率Ts[Δni]分别为1号和16号小面对调制指数Δni的不同值绘图，但是电子表格模型实际上只使用使Ts[Δni]为最大的调制指数值Δni。一旦求出该Δni值，并为每个扫描小面计算出最大值Ts[ni]，就为每个(第i个)扫描小面计算与16号小面相对的每个(第i个)小面的输出-并-返回衍射效率(即相对光衍射效率Hi)，并将其与计算该参数值用的Δni值一起存储起来。Hi是在本设计过程的基于电子表格的扫描线产生模型中使用的恰当参数。
在描述了在光电检测器之前不使用正交偏振器的情况之后，现在适合于考虑在光电检测器之前使用正交偏振器的情况。此项技术用于消除来自光泽的基底和/或涂层的眩光。在此情况下，将修正在扫描盘上的各扫描小面的光衍射效率，以适应在扫描期间由各小面衍射一种偏振光，但只有由小面衍射的正交偏振状态的返回光才能通过正交偏振器至检测器。在此情况下，待用于计算Hi的光衍射效率分析在图10F至10I2中说明。除少数方面外，有正交偏振器情况的光衍射效率分析都和无正交偏振器的情况十分相同。分析中的主要差异在于第i个小面的总输出-并-返回光衍射效率的数学表达式不在后一种情况的同一调制指数值Δn处有Ts(Δn)的峰值。因此，如图10H2中的表达式(13)所示，对于S或P偏振输出光的总输出-并-返回光衍射效率Et[Δn]的数学表达式定义为S和P光衍射效率的乘积而不是如图10C2表达式(13)所示的S衍射效率与S和P衍射效率的平均值的乘积。在实施本发明的扫描器设计方法中，把此光衍射效率表达式(14)插入在HLD工作站上运行的基于电子表格的扫描线产生模型的适当单元中。虽然在图10I1和10I2中1号和16号小面的S偏振输出光束的S和P偏振衍射效率Es[Δni]和Ep[Δni]和总的输出-并-返回衍射效率Et[Δni]是对调制指数Δni的不同值来绘图，但是实际上电子表格模型只使用使Et[Δni]为最大的调制指数值Δni。一旦为每个(第i个)扫描小面求出该Δni值和计算出最大值Et[n1]，就为每个(第i个)扫描小面计算每个(第i个)小面相对于16号小面的输出-并-返回衍射效率(即相对光衍射效率Hi)并将其与用于计算该参数值的值Δni一起存储起来。Hi是在基于电子表格的扫描线产生模型中使用的相关参数。
在图11B的方框H中，电子表格型扫描线产生模型进而为每个(第i个)扫描小面计算相对采光效率因子ζi。值得注意的是，该参数用图8C2的表达式(18)和已在以前假定和求得的规定的各种参数值来计算。在本发明中，当从其焦点fi测量时，每个小面的总采光效率基本相同(相等)。如表达式(18)所示，每个(第i个)小面的“相对”采光效率因子ζi包项三项第一项为朗伯几何项；第二项为投影面积项，第三项为相对光衍射效率项(Hi)。朗伯几何项的公式用本小面的焦距fi和第16小面的焦距f16表示。投影面积项的公式用第i扫描小面的衍射光束角Bi和第16小面的衍射光束角B16表示。第i个扫描小面的相对光衍射效率Hi的公式用第i个和第16个小面的总的输出-并-返回光衍效率表示，如上面所详细说明。值得注意的是，由于每个(第i个)小面的相对光衍射效率Hi是使Hi为最大的小面调制指数Δni的函数，每个(第i个)扫描小面的相对采光效率因子ζi也是调制指数Δni的函数，其中调制指数是在实验室及在生产线上构造小面时可有控制地实现的参数。图8C2的表达式(18)的这三项代表了构造扫描盘所必需的三个极其重要的设计考虑，在所述扫描盘中，每个小面有基本相同的朗伯采光效率。在本设计过程的下一步，剩下要叙述的是在利用扫描盘上基本所有的可用表面面积时如何能达到这一目标。
在为设计中的盘上的每个扫描小面计算采光效率因子ζi之后，基于电子表格的扫描线产生模型前进到方框I，在此用图8C2的表达式(19)计算在设计中的扫描盘上的每个(第i个)扫描小面的总采光面积Areai。值得注意的是，表达式(19)的第一项反映了在外半径和内半径(即在盘支承毂的邻近)之间的所有可用采光面积都用于给盘上的每个扫描小面分配采光表面面积。图8C2的表达式(19)的第二项反映了通过给扫描盘上可用的全部采光表面面积加权一“均衡的”采光效率因子来计算每个小面的总采光表面面积。如图8C2的表达式(19)所示，该“均衡的”采光效率因子的计算方法是把第i个采光效率因子除以所有16个小面的所有采光效率因子之和。因此，扫描盘上的每个全息能基本上收集相同数量的反射激光并且将其引导到盘底下的抛物面聚光镜上，而与系统的扫描体积中被扫描条形码的位置无关。实际上，这意味着每个小面将基本上聚焦相同数量的光到光电检测器上，而与被扫描的条形码位于扫描体积最远的焦平面处或最近的焦平面处无关。
在图11B的方框J，扫描器设计人员用基于电子表格的扫描线产生模型来为每个小面确定小面内半径ri的最小值，该最小值允许扫描器机体高度等于按客户要求规定的希望的扫描器机体高度hdesired。设计过程的这一步涉及用以上确定的各优化参数来为扫描盘上所有小面确定内半径参数值的集合{ri}，该集合提供系统技术要求所需的希望的扫描器机体高度hdesired，各光束折转镜必须包括在此希望的机体之下，同时保证产生预先规定的扫描样式。在说明得出满足保证h=hdesired的各项必要条件的最小内半径参数值集合{ri}用的反复逼近计算过程之前，首先说明如何能用本系统中的其它在几何方面有关的参数来求得每个小面的内半径将是有帮助的。
如图8A所示，用从每条扫描线中心处的最大阅读距离点投射到虚扫描盘上的第i个小面内半径的光线来计算去往每个(第i个)小面的采光部分的最内部的光线的角度(即B-β)，见图8A1。该光线与光束折转镜的交点被用于建立该转折镜的高度yi。值得注意的是，只有给出最大镜高的光线才用于设定最终的镜高。如图8C1的表达式(11)所表明的，此尺寸yi加上集光光学部分用的盘底下的尺寸d，建立了扫描器机体的总高度h。
光束折转镜的倾斜角φi是能改变(即假定)以达到“最佳”扫描器设计的参数之一。已经弄清楚大的倾斜角(离开各扫描光束)导致较短的机体尺寸，但是对离开全息扫描盘的各光束要求有极浅的出射角。这使扫描盘难于制造并降低总的光衍射效率，从而降低其总的采光效率。它也不必要地导致高的光束速度。小的倾斜角对离开全息盘的光束将导致较佳的出射角，但是将导致较高的机体，并且对于本发明性实施例的16个小面扫描盘来说将导致扫描线扫描长度的减少。在若干次反复逼近之后，为光束折转镜建立了离垂直线16度处的最佳倾斜角φj。
在用于求最小ri的反复逼近求取过程中，目的主要在于使所有小面的ri为最小，因为这将保证利用扫描盘上最大量的可用采光空间以供采光之用。如果使每个小面的内半径参数ri为最小，同时使其它条件得到满足，则从被扫描的符号反射的并由旋转扫描盘上各小面采集的激光量将做到最大，从而在本系统的各个光电检测器处产生强的扫描数据信号。而且，如图8C1的表达式(11)和(10)所示，使每个扫描小面的ri最小将导致各光束折转镜的高度较高，因而需要扫描器机体具有增大的高度尺寸。因此，各小面内半径的调节对本全息扫描系统其它重要几何参数具有显著影响。
一般说，由基于电子表格的扫描线产生模型支持的反复逼近求值过程包括若干设计周期，这些周期的每一个可用指定的周期指数k=1、2、3、4、5、…、6、7、8、等来识别。在第(k=1)个周期中，盘设计人员使用图8C1的公式(4)至(11)计算光束折转镜高度h。为了用每个ri的初始值计算h的初始值(即hi)，在第一轮计算中选择每个ri(例如1.0英寸)的初始值(例如r1=1.0,r2=1.0,…,r16=1.0)。此周期的计算结果是一组扫描器机体高度值(例如h1=12.0英寸，h2=12.5英寸，…,h15=15.0英寸，h16=12.3英寸)，其中在本说明例中h15=15.0英寸是为每个ri的初始值算出的最大高度。
如果计算出的各高度值中无一等于或低于hdesired，则在第k+1周期把每个内半径参数ri递增一很小量(例如+0.2英寸)，然后为小面内半径ri的每个值重新计算扫描器高度参数hi。接着由扫描器设计人员分析这组扫描器高度值以确定哪些ri的值曾给出小于或等于hdesired的扫描器机体高度(hi)值。给出扫描器机体高度hi值小于或等于hdesired的每个ri值存储在HSD工作站的存储器中并且在反复逼近过程的随后各计算周期中固定不变。不曾给出小于或等于hdesired的扫描器机体高度hi值的每个ri值在反复逼近过程的随后的计算周期中被更换掉。
如果所有算出的高度值都等于或高于hdesired，则在第(k+1)周期把每个内半径参数ri再递增一很小量(例如+0.2英寸)并且为小面内半径的每个值重新计算扫描器高度参数。接着，扫描器设计人员分析这组扫描器高度值以确定哪些ri的值曾给出小于或等于hdesired的扫描器机体高度(hi)值。给出扫描器机体高度hi值小于或等于hdesired的每个ri值存储在存储器中并且在反复逼近的过程的随后各计算周期中固定不变。不曾给出小于或等于hdesired的扫描器高度hi值的每个ri值在反复逼近过程的随后的计算周期中被更换掉。
反复逼近求值过程如上所述进行到求出给出小于或等于希望的扫描器机体高度hdesired的扫描器机体高度hi的每个内半径ri。当过程到达此步时，基于电子表格的扫描线产生模型就已为设计中的扫描盘上的各小面确定一组内半径参数值{ri}。
在图11B的方框K处，基于电子表格的扫描线产生模型使用router的假定值、已优化的参数组{ri}、和前已算出的采光效率值组{ζi}来计算每个(第i个)扫描小面的净采光表面面积Areai，使得在其光电检测器处每个即所有小面从其相应的扫描线采集到基本相同量的光，同时在扫描盘上可用的基本上所用的表面面积都被利用于光的采集。为保证在这组参数计算期间满足上述条件，图8C1的表达式(19)包括的数学结构定义了一项以用于计算表面面积，该项与按比例分配的全息效率因子(即ζi/Σ(ζi))将提供采光效率均衡化(即归一化)。一旦完成此步骤，就产生出一组小面表面面积{Areai}。
在过程的本阶段，基于电子表格的扫描线产生模型为每个小面保持了一组几何参数，这组几何参数在理论上应足以构造能产生在设设过程最初阶段预先规定的扫描样式的扫描盘。具体说，这组建议的几何参数包括一组各全息小面的小面旋转角值{θ＇roti}；一组各全息小面的内半径值{ri}；一组各全息小面的总采光表面面积{Areai}；一组各全息小面的焦距值{fi}；以及一组各全息小面的调制指数值{Δni}。总之，这些参数将称作“构造参数”，因为它们用于构造在全息扫描盘上的各小面。值得注意的是，构造参数的子集{θ＇roti,ri,Areai}提供了第i个扫描小面的几何规格，它通常具有不规则形状的边界特性，该边界特性受这些构造参数的制约以及受盘上所有可用表面面积应被利用于采光这一条件的制约。
在求得能产生预先规定的激光扫描样式的、同时满足扫描器机体设计约束的小面参数组之后，依然重要的是由扫描器设计过程得出的那组小面构造参数是否能实际布局在其几何尺寸已预先由外边半径router限定的扫描盘的可用表面面积上。
在图11B方框L所示的设计过程的小面布局检验阶段，扫描器设计人员尝试在扫描盘表面上以允许最大限度利用盘表面面积的小面顺序来布局规定几何规格的全息小面的每一个。由于每个小面已被其构造参数{θ＇roti,ri,Areai}“宽松地”制约，盘布局的设计人员被给予一定的自由度，即规定每个小面的周边边界以使各小面占有盘上的基本上所有的可用表面面积，同时又满足每个(第i个)小面的构造参数{θ＇roti,ri,Areai}。当盘布局设计人员达到该目的之后，就可利用i=1,2...,16的结构参数完整集{θ＇roti,ri,Areai,fi,Δni,Ai,Bi}来制造已设计的扫描盘。
在本优选实施例中，使用由HSD工作站支持的几何建模工具，例如AUTOCAD，来对每个扫描小面进行几何建模及将其布局在扫描盘上，同时满足若干总体约束，即(1)在扫描盘上可用的基本所有采光表面面积都被利用；(2)在每次扫描线扫描结束时，与相应小面有关的所有或几乎所有采光表面面积被立即放在抛物面集光镜(即集光元件)之上以使光电检测器处的光检测为最大；以及(3)从第j个扫描站产生的扫描线反射的所有输入光线都打到其关连的光束折转镜上并由曾产生该扫描线的同一扫描小面采集，以防止信号被剪切，从而保证在光电检测器处的最大SNR。值得注意的是，在本扫描器设计过程的本阶段，不能对全息小面的任何一个小面改变或更换所有i值的构造参数集{θ＇roti,ri,Areai}，在整个过程中必须保持不变。具体说，执行小面布局过程的方法是调整每个小面的边界线，同时满足上述诸约束和满足小面参数{θ＇roti,ri,Areai}。
如果扫描器设计人员用HSD工作站中可用的工具能成功地对盘上的各小面进行布局，盘设计人员就进入方框M所示的设计过程的最后阶段，其中对已设计的扫描器分析其设计性能准则(例如在各小面之间的均衡的采光效率等)。过程的这一阶段用HSD工作站中可获得的各种分析工具来实现。例如，HSD工作站向扫描器设计人员提供工具，用以计算在已设计的扫描盘上每个小面的朗伯采光效率EL。该工具的目的是允许扫描器设计人员迅速算出在已设计的扫描盘上每个(第i个)小面的朗伯来光效率，并确定在已设计的扫描盘上的每个小面的这些采光效率量值是否基本相等。如果基本不相等，扫描器设计人员则可返回到基于电子表格的扫描线产生模型，并修改盘和/或扫描器设计直到为不久将来的应用获得可接受的性能参数。以下来更详细地说明朗伯采光效率测试工具的结构和功能。
图10J至10L2表示计算用本发明盘设计过程产生的扫描盘上每个(第i个)小面的朗伯采光效率EL用的几何光学模型(即朗伯辐射器模型)。与朗伯辐射器模型有关的各参数的几何定义见图10K。图10L1中列出的方程组规定了模型中某些参数之间的关系。值得注意的是，本文描述的EL计算过程并不包括与以下特性有关的因子衍射效率、偏离布拉格角时的全息盘传输特性、镜子反射系数、窗口传输特性、以及条形码反射系数。不言而喻，必须计及所有这些参数以便确定扫描系统的总采光光效率。因为已在以前讨论了这些多种多样的因子，为改进其精度而作的对本过程的修改对于本领域的技术人员将是容易做到的。
图10J的几何光学模型假定了大部分条形码表面表现为朗伯辐射器，其中在激光光束扫描和采光操作期间从这样的表面(即“漫反射表面”)的辐射过程受朗伯定律支配。按照朗伯定律，从被扫描码符漫反射的激光被投射到具有圆形收集孔径的面积(即Acircular)上。为了计算每个(第i个)小面的朗伯采光效率EL，朗伯定律要求每个小面具有圆的几何形状。一般说，本发明的扫描盘上的每个小面具有非圆的几何形状。因此，为了允许在这样的扫描盘上使用EL计算过程，必需为测试中的扫描盘上的每个(第i个)小面计算有效的圆孔径Aeff。此等效量值通过使用以前确定的第i个小面的表面面积Areai和众所周知的圆面积公式(即Areai=πR2=Aeff)就可容易地算出，其中R定义为该小面的有效圆孔径的半径。
如图10J所示，朗伯辐射器包括作为EL计算因子的一些其它几何参数，即Z，从码扫描点至定义在扫描盘上的有效圆孔径的距离；Rpr，投影的有效圆孔径的半径；Bi，来自第i个小面的输出激光的衍射角；以及δi，有效投影圆孔径所对的半角。在本过程的测量阶段，进行实际测量以便为每个小面确定Zi(单位为英寸)、Areai(单位为平方英寸)、和Bi(弧度)。利用公式Aeff=Aisin(Bi)来计算Aeff。然后用圆面积公式来计算Rpr∶Aeff=πR2pr。然后用已算出的Rpr和测得的Zi及利用公式δi=atan[Rpr/Zi]，其中atan=tan-1，来计算第i个小面的半角δi。在算出δi之后，就可以对小的δi值(即，小于2度)用公式EL=[sin(δi)]2来计算EL。在图10L2中，为示范而计算了一个数字例子。
从理想的角度看，对于所有的i值，每个小面应该有相等的定义为ELi·Hi的总采光效率。在大多数应有场合，人们可预期各小面的总采光效率在可接受的容差范围内有所偏离，然而仍认为这种扫描盘使其各全息小面的总采光效率基本上得到在本发明精神范围内的“均衡”。
当扫描器设计人员确定扫描盘设计满足了其设计准则(例如在各小面之间均衡的采光效率，等)时，就完成了盘设计过程，就可制造扫描盘的各个小面并在此后装配在盘的玻璃支承板之间。然而，如果扫描器设计人员不能如上所述成功地在盘上布局这些小面，则如图11C的方框M所示，设计人员可返回到扫描器设计过程中各阶段中的任一阶段，并根据在扫描器模型中新假定的参数用基于电子表格的扫描线产生模型来重新计算各参数。在此交互式设计过程中，已知呈现给设计人员的系统约束组，扫描器设计人员可进行“假想的因果关系”分析以便达到最佳的或最合适的扫描器设计。对在其光电检测器之前具有正交滤波器的全息激光扫描器的设计现在是说明如何设计用于使用光偏振滤波的全息激光扫描器的全息扫描盘的合适时机。
如图10F所示，从本系统的每个VLD产生的S(或P)偏振激光光束被引导入射到扫描盘、按顺序由各转动的全息小面衍射、然后由光束折转镜反射朝向扫描体积内待扫描的条形码符号。如所周知，入射到码符上的S(或P)偏振激光光束的一部分被光泽表面(即衬底或涂层)反射作为保留入射激光光束偏振状态的光学信号。偏振激光光束的其它部分通过光泽的涂层而被码符进行强度调制和散射(即漫反射)，并作为非偏振、强度调制光学信号被该码符反射回来。上述两种信号分量的一部分综合地沿着与入射扫描激光光束相同的光程返回并被相应的小面向抛物面镜衍射。抛物面镜使收集到的反射激光光束聚焦、以最小的光衍射(即偏离布拉格角)通过同一小面、再通过P(或S)偏振滤波器。该P(或S)偏振滤波器衰减(即阻挡)扫描数据信号的S(或P)偏振分量，但是把扫描数据信号的非偏振分量中的P(或S)偏振分量传送到光电检测器以供强度检测之用。最好，当使用该扫描装置时，正交偏振滤波器还阻挡入射到小面上的激光光束的S(或P)偏振的零级衍射波，因而从总体上改善了受检测的扫描数据信号的SNR。如图10F所示和下文所示，S正交偏振滤波器这个词组将是指方向朝向光电检测器以便通过S偏振光但是阻挡P偏振光的偏振滤波器，P正交偏振滤波器这个词组将是指方向朝向光电检测器以便通过P偏振光但是阻挡S偏振光的偏振滤波器。
虽然使用S或P正交偏振滤波器有效地解决了与上述全息扫描系统中眩光的有关问题，但是却需要对本发明的扫描器设计过程作少量修改。尤其是，由于在扫描时各小面必须有效地衍射某种偏振的光，而在光采集和检测时小面必须有效地衍射正交偏振的光，所以扫描小面的光衍射效率的计算必须修改，不同于图10C2的表达式(11)至(13)所叙述的方法。实现上述条件的方法是保证每个小面的输出S(或P)偏振衍射效率和返回P(或S)偏振衍射效率的乘积为最大。因此，每个i小面的总的输出-并-返回衍射效率Hi定义为以下二者的“乘积”(ⅰ)小面对入射激光光束的S(或P)偏振分量的输出衍射效率，(ⅱ)小面对激光光束的正交P(或S)偏振分量的返回衍射效率。
当设计扫描盘上的每个小面时，以此前扫描的方法执行图11A方框A至F中陈述的盘设计方法中的所有步骤。对扫描器设计方法的唯一修改出现在确定每个小面的全息衍射效率Hi时的图11B方框G中。在该方法的这一阶段，用图10H2表达式(13)来计算Et[Δni]，每个(第i个)小面的总的输出-并-返回衍射效率，Hi。如该数学表达式所示，此参数定义为S和P光衍射效率的乘积，而不是S(或P)衍射效率与S和P效率之平均的乘积，如图10C2表达式(13)所示，即Es[Δni]，小面对入射激光光束的S偏振分量的输出衍射效率，及Ep[Δni]，小面对激光光束的正交P偏振分量的返回衍射率。这两个个别衍射效率项分别由图10H2的表达式(11)和(12)提供。如图10H2所示，分量项Es[Δni]和Ep[Δni]及乘积项Et[Δni]作为由之实现第i个全息小面的记录乳化胶的调谐指数Δni的函数来作图。
为了实施本发明的扫描器设计方法，光衍射效率表达式(14)被插入运行在HSD工作站上的基于电子表格的扫描线产生模型的适当单元中。虽然在图10I1和10I2中为1号和16号小面分别画制了不同调制指数Δni值的S和P偏振衍射效率Es[Δni]和Ep[Δni]及S偏振输出光束的总的输出-并-返回衍射效率Et[Δni]的曲线，但是实际上对第i个小面只使用使Et[Δni]为最大的调制指数Δni的值。一旦为每个(第i个)扫描小面求出该Δni值和计算出最大值Et[ni]，就为每个(第i个)扫描面计算与16号小面的输出-并-返回衍射效率相对的每个(第i个)小面的输出-并-返回衍射效率(即相对光衍射效率Hi)，并将其与计算该参数值用的Δni值一起存储起来。此项计算是为在设计中的扫描盘上的16个小面的每一个进行的。然后，每个(第i个)小面的相对全息衍射效率Hi计算为两乘积项之比Et[Δni]/Et[Δn16]。在执行完此轮计算之后，得出特别设计于与正交偏振滤波器一起使用的扫描盘的一组相对衍射效率{Hi}。此后，扫描器设计人员回到基于电子表格的扫描线产生模型的方框H，继续前述的扫描器设计过程直到全部结束。
设计由在各小面的光束扫描部分和采光部分具有不同干涉条纹对比度的小面所组成的全息激光扫描盘，以供用于具有光偏振滤波器的全息扫描系统。
在本扫描器设计方法的上述实施例中，使用了正交偏振滤波器来消除扫描中的眩光现象。在上述的扫描盘设计中，没有使S和P衍射效率Es[Δni]和Ep[Δni]二者都为最大，而是通过求得上两项的乘积，即Et[Δni]，“达到峰值”或最大值的调制指数Δni的方法来使该乘积最大，这里假定在整个第i个小面上的条纹干涉结构的调制指数为均匀或相同。此事实示于图12的各衍射效率曲线。值得注意的是，通过接受这一事实，即各小面对S或P光的光衍射效率并不在同一调制指数Δni值处达到最大值或峰值，本发明提供了对不久将来问题的折衷。
在下述可替换的盘设计中，从设计过程中排除了这种约束，本可替换的技术求出Es[Δni]为最大(即峰值)的调制指数值Δni1和Ep[Δni]为最大的调制指数值Δni2，而不是求出使衍射效率Es[Δni]和Ep[Δni]的乘积为最大的乳化胶的单一的调制指数值。接着，在小面制造过程中，第i个小面有选择地被曝光以获得具有不同光衍射效率的二部分，即入射激光光束的入射方向为沿着第i个小面的外部分的小面乳化胶由氩激光光束曝光，使其达到调制深度Δni1，从而使光衍射效率Ep[Δni1]为最大；用于采光的返回激光光束的通过方向为沿着第i个小面的内部分的小面乳化胶由构造激光光束(例如氩激光器)曝光，使其达到调制深度Δni2，从而使光衍射效率Ep[Δni2]为最大。这种设计的扫描盘示于图12A。在此两步曝光过程中，在特定曝光过程期间，第i个小面不打算曝光的区域用空间掩蔽物掩盖。通过执行此小面设计和构造技术，就产生了这样的扫描盘，其小面在扫描期间优化了入射到旋转扫描盘的激光光束的S偏振分量的衍射效率，而在采光操作期间优化了从被扫符号反射回来的激光光束的P偏振分量的衍射效率。
如将会很明显的，具有各区域以不同调制深度Δni1和Δni2为特征的乳化胶(即DCG)组成的小面的扫描盘将给本发明全息激光扫描器提供更好的总采光效率，因为小面的内采光部分不必被曝光成使S和P偏振的效率之积为最大，而是曝光成使由于在光电检测器上有正交偏振器而传送到该光电检测器的返回光线的偏振的效率为最大。本发明的这一特点将导致具有大衍射角(即小B角)的小面(即第4、8、12和16号小面)采光效率的显著改进。使用此项技术可预期的改进平均约为50％，这是使用30mw(豪瓦)激光光束比使用20mw激光光束的差别，或40∶1的SNR比30∶1的SNR的改进。当阅读印刷在许多货物产品的光亮衬底或具有光泽涂层的码符号时，这就提供了明显改进的性能。
如图12B1至12B3所示，为设计使用在盘的光束扫描区和采光区具有双重调制深度或干涉条纹对比度区的扫描盘的全息激光扫描器，提供了经过修改的过程。如所示，在图12B1至12B3的方框A至F和J至N处示出的方法步骤与图11A至11C所述的方法基本相同。两种可替换设计的差别点在图12B2的方框G处开始，其中在HSD工作站上工作的基于电子表格的扫描产生模型为盘上每个(第i个)分割设计的小面计算“有效的”相对光衍射效率因子Heffi。图12C中表示的数学表达式用于为每个扫描小面计算参数Heffi。如该表达式所示，在此计算中涉及若干从属的参数，包括必须作初始假定才能进行计算的若干面积项。另一些项，例如每个(第i个)小面的光衍射效率Es[Δni1]并和Ep[Δni2]，可用图10H2中表示的光衍射效率的表达式来计算。第i个小面的外部面积Aouteri可在已知激光光束的直径和小面旋转角θroti后进行假定，见图8C2的表达式(17)，而小面的内部面积可通过从小面总面积Atotali中减去外部面积Aouteri而算出。为了本设计方法的目的，假定了参数Atotali为图11A至11C的设计方法所提供的Areai。
在算出Heffi之后，扫描器设计人员前进到方框H，使用基于电子表格的扫描线产生模型来为每个小面计算采光效率因子ζi。然后，在方框I，扫描器设计人员用基于电子表格的扫描线产生模型来计算小面的总采光表面面积Atotali。在方框I＇，扫描器设计人员用基于电子表格的扫描线产生模型以把假定值A＇totali和计算值Atotali比较。然后根据此二参数之差别，扫描器设计人员返回到设计方法的方框G，调整假定值A＇totali，并重复方框G至I＇所示的步骤，每次给出为第i个扫描小面计算总面积所需的不同Heffi值。当A＇totali向Atotali收敛时，就求出了可接受的Heffi和Atotali值，设计过程就可前进到方框J，以结合图11A至11C所示的方式重新开始计算。当获得了满足规定的系统约束及性能准则的可接受的一组几何参数时，就结束设计过程，可以构造此扫描器设计了。扫描盘重构参数的变换一般说，十分需要大量制造全息扫描盘。最理想是使用全息制模(mastering)技术。虽然可使用任何一种适合的制模技术，在几乎所有情况都必须以不同于其重构波长λR的记录波长λC来全息记录各个母小面(masterfacet)。其理由是众所周知的难于以在本说明性实施例中为约670nm(纳米)的重构波长来制造具有高的干涉条纹对比度的全息小面。相反，以可以实现高对比度干涉条纹的光谱波长来实现各小面的记录、然后以扫描器中各VLD的波长进行重放则比较容易。
目前，具有高对比度干涉条纹的记录小面的优先记录媒体是重铬酸明胶(DCG)，此明胶在488nm附近呈现最高的灵敏度。因此在记录期间要求用蓝色激光光束。为了以其构造波长记录第i个HOE，然后以另一波长重构该HOE，必须将其以重构波长λR表达的构造参数{fi、Ai、Bi}替换(即变换)成以规定的构造波长λC表达的一整套相应的参数。图28A1至28D中表示的过程可用于执行必要的参数变换。此外，通过使用本领域熟知的技术，引入非对称光学以消除或尽量消除由曝光和重构之间的波长移变所产生的象差。此后，通过使用变换后的构造参数组和图13示意的全息记录系统，就可制作各HOE小面。
在图28A1和28A2中，简要地表示正由小面全息光学元件(HOE)偏转的入射激光光束的几何光学模型，该HOE例如实现为承载在旋转扫描盘上的体积型传输全息片。如图28A1所示，入射激光光束以入射角θi(即90°-Ai)进入盘的上玻璃板，通过上玻璃板、明胶和下玻璃板传播，然后由此以衍射角θd(即90°-Bi)冒出朝向其相关的波束折转镜。如图28A2所示，正在通过全息小面的盘板和明胶传送的激光光束与记录在其上的高对比度干涉条纹相互作用，使得通过衍射物理过程来改变(即修改)其传播方向。如以上各图所示，需要若干参数来为此激光光束衍射过程和构造参数变换过程构建合适的几何光学模型。一般对于此变换过程有六个输入参数，还有二个输出参数。输入参数中的三个从扫描盘设计过程得出，即λ1，在全息图重构(即激光光束扫描)期间由VLD产生的激光光束的波长；在重构(即激光器扫描)期间激光光束传播通过小面(即上玻璃板、明胶、下玻璃板)的入射角θi1(即90°-Ai)；以及衍射的激光光束从小面冒出和朝向其关连的光束折转镜传播的衍射角θd1(即90°-Bi)。另三个提供给参数变换过程的输入参数从用于制造全息小面的HOE构造技术中得出，即λ2，在构造HOE时使用的激光光束波长；n0，在干涉条纹形成处理之前记录媒体的平均(即整体)折射率；以及n2，在干涉条纹形成处理之后记录媒体的平均折射率。
如图28D的列表所示，变换过程产生二个输出参数，即θi2，第二(构造)波长λC的入射角(参考光束角)θR；及θd2，第二(构造)波长λC的衍射角(物的光束角)θo；二者都在图13B中下了定义。这二个参数和象散校正光学一起用于配置图13E所示的HOE记录系统。组成本过程模型的所有其它参数是中间参数，因为它们建立变换过程的输入和输出参数之间的关系。在图28B和28C中，这些中间参数的定义如下在形成处理之后的媒体内部的入射角α1；在处理后的媒体内部的衍射角β1；d，已记录干涉条纹的表面条纹间隔；φ，各布拉格平面的倾斜角；θo·1，相对于各布拉格平面的角度；L，各布拉格平面的间隔，由布拉格条件方程决定；θo·2，在干涉条纹形成处理之前与满足布拉格条件的第二(即构造)波长的布拉格平面的相对角度；α2，在干涉条纹形成处理之前在记录媒体内对第二波长的入射角；和β2，在干涉条纹形成处理之前在记录媒体内对第二波长的衍射角。
通过使用如上定义的输入参数，可以用图28C表示的公式(10)和(11)容易地计算输出参数θi2=θo和θd.2=θR。此二个计算出的参数和以前确定的调制指数Δn1和象差校正光学一起用于构造被设计的扫描盘的第i个小面，该扫描盘使用具有波长λC的激光光束及具有在干涉条纹结构成形前后的折射率分别为n0和n2的平均值的记录媒体。在本说明性实施例中，优先的记录媒体是在蓝色光谱区中具有最大光敏度的重铬酸明胶(DCG)，因此使此记录媒体曝光的必要构造波长可以用具有中心波长约在488nm的峰值光谱输出的氩气体激光器来产生。对每个被设计的小面，用上述方法确定一组构造参数，然后用这组构造参数以第二(构造)波长λC实际构造“母版”小面。然后，为了批量生产全息扫描盘，可以用该母版小面来制作一个或多个小面“复制品”。使用已变换波长的构造参数来构造全息激光扫描盘如图13所示，通过产生来自激光源的参考激光光束来制造每个全息小面。使参考激光光束通过分束器，就以常规方式产生了物激光光束，再通过使用变形光学来形成具有由参数fi和θri指定的光束特性的物光束。然而，如所示，参考光束和物光束二者都被引导入射到承载在衬底上的全息记录媒体(例如DCG)。参考光束的入射角用参数θi2表示，而物光束的入射角则用参数θd2表示，如图所示。图13E表示该记录系统的几何配置，图中还示出全息小面的所有记录参数。制成之后的参数检验在按照本文所公开的叙述构造全息扫描盘之后，在许多应用中希望能验证这种扫描盘是否事实上体现了本发明的各种特点。由于在小面曝光期间通过控制激光功率和明胶质量来控制每个小面所需的调制指数的特定值，所以在已制成的扫描盘中存在着可以预期的一定程度的小面采光效率的可差异性。而且，由于在记录(即曝光)操作期间不可能维持每个小面的乳化胶层厚度的完美均匀性，也可以预期每个小面的采光效率可能略微偏离在盘设计过程中确定的数值。因此，在扫描盘制造中需要保持对以下二者的精确控制(ⅰ)各小面的每一个的规定的调制指数，以及(ⅱ)各小面的每一个的乳化胶层的均匀性。为了在盘的制造过程中保持优质控制，重要的是验证在每个已制成的扫描盘上各小面的采光效率值应基本相等，从而允许低带宽的光电检测及信号处理电路。图10J至10L示出的上述计算朗伯采光效率EL的工作可用于确定在已制成的扫描盘上每个小面的总采光效率(即ELi·Hi)基本相等，而这是在几乎所有全息扫描应用中所希望的。第一说明性实施例的激光光束产生模块在描述了本发明扫描器的系统总架构和如何设计和制作扫描盘以用于该扫描器之后，现在是详细描述本发明激光光束产生模块的若干不同实施例以及设计和构造该激光光束产生模块的不同方法的适当时机。
在图14中，示出第一说明性实施例的激光光束产生模块安装在本发明全息激光扫描器内，在该模块设有的每个扫描站处使用了放置在扫描盘底下的抛物面集光镜。在图14A中，简要表示这种扫描系统的光线光学。值得注意的是，激光光束产生模块有几种功用。该模块应当以预定的入射角θi(即90°-Ai)产生一指向旋转扫描盘上点ro处的圆化激光光束，在本说明性实施例中，该入射角度对于所有小面都精确地相同。此外，该模块所产生的激光光束应该没有与VLD有关的象散，而且当其被扫描盘衍射时应呈现最小的色散。
在图15A至15K所示的第一说明性实施例中，模块13A包括一光具座16，其上有若干可调整的机构以安装各种部件，例如VLD 53A(53B、53C)、非球面准直透镜61、棱镜62、镜子63及具有固定空间频率的光衍射光栅64。配置以上各部件以实现本发明的各个目的。在描述如何制作和装配该模块各部件之前，首先描述这些基本部件的每一个、包括由模块的光具座上设置的可调整的安装机构在内的一般结构是有益的。
如图15所示，第一说明性实施例的激光光束产生模块安装在抛物面聚光镜边沿的底下，也在关连的光束折转镜之下。如图15A所示，模块的光具座包括具有可旋转平台的枢轴板(point plate)，用于安装棱镜，还包括可调节的子组件，用于把VLD和非球面准直透镜安装成集成的子组件。图15I1和15I2示出棱镜62的几何特性，而图15J和15K则分别示出镜子63和HOE平板64的几何特性。如以下将变得明显的，这些可调整平台的功能是允许这样配置给各光学部件定义的几何参数，即，使得导致光束被圆化、象散被消除、光束的色散被减至最小。光束产生模块的光具座相对于扫描系统的光具座安装，使得产生的激光光束以本文在以上定义的角度Ai被引导入射到扫描盘。
图15B更详细地示出，每个模块台包括基底部分65和整体形成的光栅/镜子支撑部分66。如图15C所示，光栅/镜子支撑部分66以相对于基底部分65的钝角安放，使得当模块台60安装在扫描器台60上时，光衍射光栅64将自动地以(在本文的模块设计方法中确定的)预定角度对向扫描盘，如图15、15A所示，这种对准用扫描器台5上接受对准孔68的定位销67来完成，该对准孔形成在模块台60的下边。光栅/镜子支撑部分66包括用于支撑平面镜63的边支撑表面69，和用于支撑光衍射光栅(即HOE平板)的顶支撑表面70。可沿着所述支撑表面形成凹槽以牢固地卡住镜子和HOE板。
如图15B所示，基底部分还有一凹口71，从支点72以枢轴方式安装枢轴板72在此凹口中，这可在图15B中辨认出来。如图15E1和15E2所示，枢轴板72具有第一部分72A，其上可旋转地安装圆柱形平台73；还具有第二部分72B，其上固定地安装VLD和非球面透镜安装组件。圆柱形平台73的功用是为棱镜提一安装表面。可使用任何合适的粘合剂来把棱镜固定在平台73的顶表面上。在平台的邻近可设一调整螺钉，使得当完成棱镜的调整之后能把圆柱形盘固定在位。
包括VLD和准直透镜的安装组件在内的子部件示于图15E至15H2。如图15F1和15F2所示，设有VLD安装轭架75以便以枢轴方式支承包括图15G1和15G2的VLD座76及图15H1和15H2的透镜镜筒77在内的光学望远镜组件。VLD座76的功用是在其一端牢固地固定VLD。透镜镜筒77的功用是牢固地夹住非球面准直透镜61。位于VLD机体和透镜镜筒之间的弹簧用于产生阻力以抵制在调节VLD至透镜间的距离参数时透镜镜筒的攻丝作用。此弹簧的另一个功用是补偿在透镜镜筒和VLD座之间的配合的容差。该特点允许在大量生产应用中使用不贵和易于制造的部件，同时对d作精密调整。如所示，在VLD座另一端内把透镜镜筒和透镜安装到一起。在透镜镜筒的外表面上设有螺纹77A，在伸展通过VLD座76的膛76B的内表面上设有适配螺纹76A。在VLD轭架75基部中的定位销孔75A围绕枢轴板上的枢轴钉73C旋转。这种安排允许在下支将细述的配置过程中调节非球面准直透镜相对于VLD固定位置的位置。弹簧81插入内膛76B的一端，以便在透镜镜筒旋入内膛时该弹簧产生抵制透镜镜筒的力。当VLD轭架、VLD、透镜镜筒和非球面准直透镜组装在一起作为单个可调整的子组件时，该可调整单元用支持销钉78A和78B以类似万向接头的形式被以枢轴方式支持着，这些在图15G1中示出的支持销钉通过轭架75中的内膛79A和79B并分别旋入VLD座76中的螺纹孔80A和80D中。这种安排允许以相对于棱镜面从而相对于平面镜的上下方向调节激光光束对透镜镜筒的方向。而且，轭架相对于底板的枢轴式安装允许在配置过程中以枢轴方式调节相对于棱镜面的轭架指向，从而调节激光光束的方向。此外，在模块光具座的凹口内枢轴形基底的枢轴式安装允许相对于平面镜调整从棱镜冒出的已圆化光束的方向。如在以下将变得明显的，这种调节机构允许扫描器设计人员合适地配置VLD的各部件，使得以上目的按照本发明的原理而得到满足。
如图16所示，按照本发明的叙述，共有三个基本步骤涉及激光光束产生模块的设计。
如图16的方框A所示，模块设计方法的第一步涉及设计包括第i个小面及在激光光束产生模块中固定空间频率衍射光栅在内的第一光学系统。该光学系统的唯一功能是基本消除在入射激光光束通过旋转的扫描盘而衍射时的激光光束的色散。在本第一说明性实施例中，第一光学系统包括固定的空间频率衍射光栅(即板)64及用本发明盘设计方法在以前已设计的第i个小面。如方框B所示，本方法的第二步涉及设计包括VLD 53、非球面准直透镜61和棱镜62在内的第二光学系统，这些部件的配置圆化了从VLD产生的激光光束以及消除了在棱镜之外的已圆化光束中的象散。第三步即最后一步是用平面镜63连接第一和第二光学系统，以便形成本第一说明性实施例的如图15A至15K所示的激光光束产生模块。此后，模块可按参数配置并安装在全息激光扫描器内。此过程的细节将叙述于本文下面。
在图17A中，简要表示激光光束通过扫描盘衍射时光束色散的问题。构造光束衍射过程的几何光学模型所用的参数示于图17B中。光栅参数与衍射角之间的关系及衍射角与激光光束光谱分量的波长之间的关系在图17C中定义。在图17D中示出的衍射角对波长的曲线说明为什么由常规的VLD产生的入射激光光束在跨过扫描小面被衍射时趋于色散。由于超亮度、多模振荡和跳模，与VLD光束有关的各种光谱分量以取决于其波长的不同衍射角离开扫描盘上的HOE小面。衍射角依赖于波长的关系示于图17D中。
为了在所关心的波长范围(例如600至720nm)上尽量减少每个小面沿着本发明扫描盘方向的与波长有关的色散，上述第一光学系统中的衍射光栅以图18A定义的倾斜角ρ安放。图18C的表达式(1)表示了在重构波长、入射光束波长λC处的入射角θi1、衍射角θdc1与光栅间隔d1之间关系的数学表达式。此公式只是描述固定频率衍射光栅例如第一光学系统中使用的补偿板63的作用的光栅公式。通过对表达式(1)作代数处理，可求得由图18C表达式(3)提供的θd1(λ)表达式。衍射光栅的衍射角θdc1、在第i个小面处的入射角θi2与倾斜角ρ的关系由图18C的表达式(2)描述。此数学表达式是利用若干众所周知的三角关系得出的。虽然在已设计的扫描盘上的每个HOE小面具有可变频率的干涉条纹结构以便实现其焦距fi，但是本设计过程对每个小面进行建模，犹如它是固定频率光栅。由于第一光学系统的目标是在已在以前设计好产生预定扫描样式的小面的衍射角范围内使通过各HOE小面的光束色散为最小，所以可以作上述假定，不会在设计中引入显著误差。在本说明性实施例中，衍射角范围为约26.6°至约47.5°，其平均衍射角约为37°。因此将要选择此平均衍射角37°作为设计第一光学系统用的衍射角。此衍射角在几何光学模型中用θdc2表示，它表示已衍射激光光束被导向本扫描系统中的光束折转镜的平均方向。使用对扫描盘上每个HOE小面所作的上述假定将允许用以图18C公式(3)的形式表示的人们熟知的衍射公式来对第一光学系统中的小面建模。
为了完成第一光学系统的设计，必须求得代表第一光学系统的各参数的、使平均衍射角θd2的偏差为最小的一组数值，所述平均取自构造已设计的激光光束产生模块用的常规VLD的可预期产生的光谱波长范围内。理想的情况是在感兴趣的波长范围内的偏差为零；但是实际上不可能做到这点。取而代之的是，在感兴趣的波长范围内该偏差为最小。通过以下的过程，可以得出达到此目的的参数组。
通过使用图18C的表达式(3)，系统设计人员选择由扫描器高度和宽度尺寸约束所要求的入射角θi1值，然后在感兴趣的波长值λ范围内计算表达式(3)。在此求值步骤中，为倾斜角ρ选择初始值，而表达式(3)中所示的参数θi2、d2、和λR为已知或可从以前的盘设计过程中求出。尤其是，通过选择在以前已设计的扫描盘上实现的许多可变频率全息小面之间的平均干涉条纹间隔来得到d2。然后对于在λ范围内的大量不同波长值计算衍射角θd2，使得θd2(λ)可如图18D所示地作为波长λ的函数来绘图。从该绘制的图中可确定偏差，如果此偏差不可接受，则用一不同的倾斜角ρ重复以上过程，直到曲线θd2(λ)在感兴趣的波长范围内具有可以接受的偏差。在若干次交互作用后，将得到倾斜角ρ的可接受的参数值。在设计过程的本阶段，入射角参数θi1、衍射构造角θdc1和规定的标称重构波长λR提供了足以构造衍射光栅(即波长补偿极)的一组参数，同时倾斜角ρ足以相对于扫描盘上入射点ro来安装该衍射光栅，使得在光束扫描操作期间在VLD产生的光谱波长范围内光束色散为最小。图18B1表示为使在VLD输出带宽范围内的光束色散最小而求得的一组参数。这些参数以扫描盘的盘设计参数和本说明性实施例的扫描样式为基础。如图18D所示，这些参数导致在VLD输出带宽范围内各种光谱成分的衍射角θd2基本相同。实际上，意味着在已圆化的入射激光光束中这些光谱分量的每一个都将以基本相同的角度从扫描盘衍射，从而使已衍射扫描光束的色散为最小。
值得注意的是，上述的激光光束产生模块第一光学系统的设计方法向系统设计人员提供了两种设计自由度，因为入射角θi1或倾斜角ρ之一可用作设计变量，而另一个则用作设计约束。此发明性的特点允许入射角θi1显著不同于衍射角θd2，但是仍在VLD产生的激光光束的光谱带宽内使通过扫描盘的光束色散为最小。本设计方法允许入射角θi1为大量数值中的任何一个，这些数值都允许在扫描器机体的宽度尺寸约束内把已构造的激光光束产生模块实际安装在光具座和扫描盘之间的系统光具座上。本设计方法也允许倾斜角ρ为大量数值中的任何一个，这就在与扫描盘及放置在其下的抛物面集光镜相对地安装激光光束产生模块时向设计人员提供了很大的灵活性。本发明的这些特点在设计和构造全息激光扫描器中帮助了系统设计人员，上述的全息激光扫描器具有的扫描器机体体积相对于其规定的扫描体积已做到最小。
在已经设计了在激光光束产生模块的第一光学系统中使用的衍射光栅之后，简要地说明该衍射光栅的构造是适当的。一般说，十分需要大量制造上述类型的具有“波长补偿”衍射光栅的激光光束产生模块。因此，最理想是使用全息制模技术。虽然可使用任何一种合适的制模技术，在几乎所有情况都必须以不同于其重构波长λR的记录波长λC，来全息记录母衍射光栅。其理由是众所周知的难于以在本说明性实施例中为约670nm的重构波长来制造具有高的干涉条纹对比度的全息光栅。相反，以可以实现高对比度干涉条纹的光谱波长来实现光栅的记录、然后以扫描器中各VLD的波长进行重放则比较容易。目前，具有高对比度干涉条纹的记录衍射光栅的优先记录媒体是重铬酸明胶(DCG)，此明胶在488nm附近呈现最高的灵敏度。因此在记录期间要求用蓝色激光光束。为了以其构造波长记录衍射光栅，然后以另一波长重构该衍射光栅，必须将其以重构波长λR表达的整套构造参数{θi1,θdc1}替换(即变换)成以规定的构造波长λC表达的一整套相应的参数。图19A至19E所示的过程实质上全同于图13A至13D2所示的过程，可用于执行必要的参数变换。通过参照以上详述的图13A至13D2的过程，可以得到图19A至19E的过程的细节。此后，通过使用变换后的构造参数组和图19F示意的全息记录系统，就可制作各全息衍射光栅。
在本说明性实施例中，激光光束产生模块的衍射光栅用的优先的记录媒体是在蓝色光谱区中具有最大光敏度的DCG，因此使此记录媒体曝光的必要构造波长可以用具有中心波长约在488nm的峰值光谱输出的氩气体激光器来产生。用上述变换方法确定的那组构造参数可用于以第二(构造)波长λC实际构造“第一版”衍射光栅，然后为了批量生产激光光束产生模块，可以用该母版衍射光栅来制作一个或多个光栅“复制品”。
在完成激光光束产生模块的第一光学系统的设计之后，本设计方法的第二步涉及设计其第二光学系统。如上所述，包括VLD、非球面准直透镜和光束圆化棱镜的第二光学系统的功用是圆化从VLD产生的激光光束以及使沿着从扩束棱镜的第二表面外的一点来的已圆化光束完全消除象散。为了设计这种光学系统，本发明指出用几何方法建立由半导体VLD产生激光光束的模型，同时描述沿着产生的激光光束所内在地引入象散的现象。该新的建模技术将在以后详细描述。
在图20中，提供了用于产生具有沿着激光光束内在地引入象散的激光光束的半导体VLD的几何模型。人们都知道，一般说，常规VLD产生的激光光束具有二个不同光束分量，即具有平行于VLD结面(即调振腔)的宽度尺寸的极窄尺寸的第一光束分量；以及具有平行于VLD结面高度的极宽尺寸的第二光束分量。为了说明的目的，第一光束分量将被称作已产生激光光束的“P外部波前”，而第二光束分量将被称作已产生激光光束的“S外部波前”。这些标记S和P是指以垂直(S)或平行(P)于VLD结面的方向传播的概念上的柱形波前，而不得与本文在前定义的在扫描盘表面处入射激光波束的S波偏振和P波偏振方向相混。如图20所示，已产生的激光光束的“S外部波前”被认为来源于位于VLD结面体积范围内的“有效S源”，而已产生的激光光束的“P外部波前”则被认为来源于位于VLD结面体积范围内的“有效P源”。由于“有效P源”与“有效S源”在空间相隔一段被称为每个VLD中内在“象差”的、并且在统计上因VLD而异的某个距离δ，所以该几何模型预计“S外部波束”将以不同于“P外部波前”的变化率沿着已产生的激光光束发散，因而激光光束将呈现众所周知的象散。按照本几何模型，这些外部波前分量的几乎全部的功率都位于这些电磁波前的电场矢量方向，其偏振平行于VLD结面的宽度尺寸，此偏振通常称作“横向电”偏振，或者称作VLD振荡的TE模式。按照该模型，S点源产生的柱形波前的曲率中心位于S源处，而P点源产生的柱形波前的曲率中心位于P源处。关于VLD物理学的细节可以由H.C.Casey,Jr.和M.B.Panish所著的、由AcademicPress于1978年出版的“异质结构激光器(Heterostructure Lasers)”一书的A部和B部中找到。不管VLD物理学的这一事实，重要的是懂得“有效S源”和“有效P源”是几何模型的构造，将其开发出来以按照本发明诸目的设计本发明激光光束产生模块的第二光学系统。虽然在“有效S源”与结面几何之间及“有效P源”与结面几何之间可以有结构对应性，但是为了本发明的目的，不必在本文中指出这种对应性。对实施本发明这一方面重要的是使用VLD的这一新型几何模型，以便设计如下文将描述的第二光学系统。如此做的优点将在以后变得显而较明显。
第二光学系统设计方法的进行是通过用与非球面准直透镜和光束圆化棱镜的几何光学模型有关的图20的几何模型来对VLD建模，如图20A所示。在图20B1、20B2和20B3中，更详细地表示激光光束产生模块的第二光学系统的几何光学模型。具体地讲，这些图示出了构造该第二系统的几何光学模型用的几何和光学参数，即与VLD有关的S和P波前的有效源的位置；δ，定义为S和P有效源之间距离的VLD的象差；f1，非球面准直透镜的焦距；d，在非球面准直透镜焦点和S波前(即光束)源之间的距离；D1，离开非球面准直透镜的P波前(即光束)的直径；D2，离开棱镜的P波前的扩展的直径；M，定义为D2/D1的扩束棱镜的扩束因子特性；n，棱镜材料的折射率；θpi1，在棱镜面处会聚的P光束下部的入射角；θpi2，在棱镜面处会聚的P光束上部的入射角；φp1，离开非球面准直棱镜的P光束的会聚角；φs1离开非球面准直透镜的S光束的会聚角；φp2，离开棱镜的P光束的会聚角；φs2=φs1，离开棱镜的S光束的会聚角；LP1，由非球面准直透镜成象的P源的象距离；LP2，在插入扩束棱镜之后的P源的象距离；LS1，由非球面准直透镜成象的S源的彖距离；LS2=LS1，在插入扩束棱镜之后的S源的象距离；θpr1，在棱镜中的会聚P光束下部的折射角；θpr2，在棱镜中的会聚P光束上部的折射角；α，棱镜顶角，为方便起见将其设计成等于θpr1；θpi3=θpr1-θpr2=α-θpr2，在棱镜第二面处的会聚P光束上部的入射角；以及θir3=φp2，离开棱镜第二面的会聚P光束上部的折射角。这些参数一起构成第二光学系统的几何光学模型。值得注意的是，只要光束的整个截面直径入射(即落)到棱镜的第一表面上，而这在实际上是极易满足的假定，就不必考虑把在棱镜第一表面和准直透镜主平面的距离作为模型的参数。
在图20C1图中，示出在模型中的各种参数的一组假定值，在设计过程中这组假定值可保持不变。在图20D和20D1中。示出定义了第二光学系统的几何光学模型中某些参数之间特定关系的一组公式。在本发明的HSD工作站中可得到的MATHCAD工具可用于实现第二光学系统的几何光学模型。如明白示出的，图20D和20D1中的表达式(1)至(13)导致得出LP2和LS2，在通过非球面准直透镜和扩束棱镜之后P源的象和S源的象的距离，的表达式。根据这些函数，正好从棱镜第二表面冒出的S柱形波前的曲率可定义为1/LS2，而正好从棱镜第二表面冒出的P柱形波前的曲率可定义为1/LP2。换言之，当S柱形波前正好离开棱镜第二表面时其曲率半径由1/LS2给出，而当P柱形波前正好离开棱镜第二表面时其曲率半径由1/LP2给出。
众所周知，每个具有非零象差、本文定义为δ的VLD将产生呈现象散特性的激光光束。然而，已经发现对于δ的每个非零值及入射角θpi1和θpi2的假定值，存在一可实现的值d，在此值上，离开棱镜第二表面的S和P柱形波前具有相等的曲率半径，如图20E的曲线所示。在此光学条件下，从棱镜第二表面冒出的S和P柱形波前二者(由于它们相等的曲率半径)都以相同速率沿着棱镜的输出光轴会聚，所得的波前为球形而且没有与VLD非零内在象差有关的象散。经过严格的定量分析，也已经发现入射角θpi1和θpi2的小量变化对只改变柱形波前之一(P波前)的曲率半径有显著影响，但是却最小地影响S波前的曲率半径。值得注意的是，存在此种情况是因为在VLD的几何光学模型中，P源比S源更远离非球面准直透镜的主平面。因此第二光学系统的几何模型的数学结构提出把参数d、θpi1和θpi2选为在本文的参数调节过程中使用的“可调节参数”，使得能满足上述光学条件和消除象散。
由于这些发现，当已在上述的象散消除的情况下配置第二光学系统的参数时，简要地讨论各部件的每一个在该第二光学系统中的功能将是有帮助的。首先，如上所述，在VLD内表示的S和P源分别产生从这些S和P的源的位置发出的柱形波前。非球面准直透镜的功用是通过S和P波前，同时改变这二个波前的曲率半径，以及改变它们的视在曲率中心。值得注意的是，在第二光学系统中，假定了S和P波前都沿轴传播，因此离轴的象散可以忽略，不需要考虑。棱镜的功用是只显著改变这些柱形波前之一的曲率半径，同时最小地改变另一柱形波前的曲率半径。此曲率半径的变化的明显程度与对棱镜第一表面测量的入射角θpi1和θpi2强烈有关。通过仔细考察图20D和20D1中表示的表达式(2)至(13)，可容易看出上述的功能关系以及在MATHCAD模型中各种参数之间依赖性的建立方式。尤其重要的是，当寻求满足图20E曲线的光学条件的那组参数时，上述分析显示出本发明的设计方法向设计人员提供了两种自由度。具体地讲，扫描器设计人员可以为棱镜入射θpi1和θpi2(即棱镜倾斜角θprism-tilt)选择一已知值，然后求得在棱镜第二表面处消除象散的参数值d(即从准直透镜焦距至S源的距离)。作为另一种选择，扫描器设计人员可为距离d选择一已知值(即，通过把VLD至透镜的间隔D设定到初始值)，然后求得在棱镜第二表面处消除象散的棱镜倾斜角θprism-tilt的参数值。这是非常重要的事实，因为在许多应用中将希望控制从棱镜第二表面产生的球形会聚波前的椭圆度(即纵横比)。有了在本发明第二光学系统中可得到的这一自由度，通过选择合适的棱镜入射角θpi1和θpi2，就能容易地控制来自棱镜第二表面的球形波前的椭圆度。本发明的这一特点在许多扫描应用中具有重大价值。特别是当在劣质印刷的码上扫描点阵(dot-matrix)码时，希望产生具有这样纵横比的激光光束，即，使得光束高度大于在码元(例如条纹)之间存在的空档。使用这种激光光束的效果是平均掉这些空档，从而改进了这种码的首次就通过的阅读率。
在任一特定的设计应用中，将要使用的方法取决于，例如，由全息扫描器设计提出的物理约束。为了求得能实现图20E的光学条件的距离d或棱镜倾斜角θprism-tilt，开发了两种不同的参数调节过程。如以下将更详细说明的，这些技术基于用于求出以下条件的模型数学结构把象散消除掉，同时，椭圆形状的激光光束在通过本第一说明性实施例的激光光束产生模块第二光学系统的棱镜时被圆化。
实际上，为每个用于构造激光光束产生模块的VLD用经验测量其象差δ是不可行的。因此，用图20D的数学表达式(14)和(15)，即用S和P源的象距离的数学表达式来为已选定的入射角θpi1和θpi2值计算距离d是不可行的。作为替代，由本发明设计方法采纳的手段是在第二光学系统的几何模型中利用两种自由度及提供可使用的两种不同过程以调节(即配置)系统的参数，使象散得到消除、激光光束得到圆化、及作为可选项使从棱镜第二表面冒出的球形会聚波前(即所得的光束)的焦点得到调节。为了避免对本发明困惑，将对这两种技术首先作一般描述，同时说明这些过程中的各种步骤如何影响S和P柱形波前的几何特性及影响从棱镜第二表面产生的所得球形波前。此后，将参考图21A的按照本发明的参数调节系统来说明这些参数调节技术的两个说明性实施例，该参数调节技术可用于调节已组装的激光光束产生模块的几何和光学参数，使得本发明的各种目的在其中得到实现。
一般说，图21A的参数调节系统85的功用是允许在组装/校准过程中调节棱镜倾斜角θprism-tilt和距离d，以便产生具有希望的纵横比的无象散激光光束。值得注意的是，根据图20A中参数d的定义，通过简单地调节VLD至透镜的间隔D就可以调节到d。如所示，参数调节系统85包括光具座86，在其上固定地安装着枢轴板安装用具87。枢轴板安装用具的功用是在参数校准过程中安装载有光学子组件的枢轴板72，该光学子组件包括VLD、镜筒、透镜支架、及轭架。光束扫描装置88，例如Photon,Inc生产的ModelNo.1180-GP，沿着通过测试聚焦透镜90的第一光轴89被安装在参数调节系统的光具座上，该光轴是当其上有棱镜的棱镜平台73被安装在枢轴板中的第二凹口内时的棱镜第二表面的光轴。此外，光束检测器(例如象限检测器)91沿着光轴92被安装在光具座上，当其上有棱镜的棱镜平台被安装在枢轴板的第二凹口内时，该光轴92通过棱镜第一表面的中心。
如图21B的方框A所示，第一广义的参数调节技术的第一步涉及为第二光学系统选择几何光学模型中所有参数的值，但是距离d和入射角θpi1和θpi2(即棱镜倾斜角θprism-tilt)除外，它们按照过程中的变量来对待。如方框B所示，第二步涉及为参数d和θprism-tilt选择初始值，选择以实际上可用的任何准则进行。接着，如图21B方框C所示，本过程涉及设定入射角θpi1和θpi2，使得在棱镜第二表面上达到希望的光束椭圆度(即纵横比)。当希望在棱镜的第二表面处沿着扫描光束有圆形光束截面，则纵横比将是一，而当希望有椭圆形光束截面时，则纵横比将是不等于一的某个数值。实质上，此步骤提出了第二系统必须满足的参数约束。
如图21B方框D所示，调节VLD至透镜的间隔D以便求出在棱镜第二表面处使S和P柱形波前的曲率半径相等的参数值d，从而在该处得到沿第二光学系统光轴会聚的球形波前。在此条件下，S和P波前之间的象差在棱镜第二表面处及表面之外完全得到消除。然而，在某些情况下，激光光束球形波前的会聚率如此强大，使得与入射激光光束的聚焦能力算在一起的一个或多个全息小面的聚焦能力如此强大，以致光束在扫描场内的聚焦点不到或超过其预定的焦平面。为了补偿该过大或不足的聚焦能力，盘设计人员可实行参数调节的附加步骤，以增加或减少所得球形波前的曲率半径，使得当激光光束的球形波前通过扫描盘上的每个全息小面时，该球形波前的曲率半径将使波前会聚在扫描样式的预定焦平面上。
如图21B方框E所示，该任选的调节阶段的第一步涉及改变d，以调节不受棱镜倾斜角变化明显影响的S柱形波前的曲率半径，从而使两个柱形波前都聚焦到保证光束聚焦到全息扫描器扫描体积内有关焦平面上的焦点上。如图21B的方框F所示，任选的调节过程的第二步涉及调整棱镜倾斜角直到对棱镜倾斜角θprism-tilt敏感的柱形波前(即S波前)的曲率半径再次等于另一柱形波前的曲率半径，从而在棱镜的第二表面处产生沿其光轴会聚的球形波前。由于本重新调节步骤寻求实现希望的焦距(即成象距离)并且沿激光光束的球形波前消除象差，所以不可能保证有圆化的光束。简而言之，只能在第二光学系统中消除象散的同时精确控制激光光束的椭圆度或焦距，但不是二者。
如图21C方框A所示，第二广义的参数调节技术的第一步涉及为第二光学系统的几何光学模型中所有参数的值，但是距离d和入射角θpi1和θpi2除外，该后两个参数当作过程中的变量来处理。如图21C的方框B所示，第二步涉及为参数d及θpi1和θpi2及θprism-tilt选择实质上能用任何准则实现的初始值。然后，如图21C方框C所示，本过程涉及设定距离d，使得对棱镜倾斜角的变化不敏感的S柱形波前被聚焦到希望的焦点上，这一步可能需要也可能不需要补偿与扫描体积内预定的诸焦平面有关的小面聚焦能力。实质上，在方框C处的本步骤给出了第二系统必须满足的参数约束。如图21C方框D所示，接着调节棱镜的倾斜角，使得在棱镜的第二表面处，对棱镜倾斜角调节不敏感的S柱形波前的曲率半径做到与对棱镜倾斜角调节敏感的P柱形波前的曲率半径相等，从而在棱镜第二表面处得到沿第二光学系统光轴会聚的球形波前。在此情况下，在棱镜第二表面处及在该表面以外，完全消除了S和P波前之间的象差。因为在棱镜第二表面处的光束直径(或纵横比)基本上等于在扫描盘处的光束直径(即纵横比)，所以不需要用第一参数调节过程中提供的那种参数重新调节阶段来重新调节该参数。
当激光光束产生模块的第一和第二光学系统的设计都已完成时，过程的下一步是连接该两光学系统。本步骤用平面镜63完成，该平面镜从棱镜第二表面接受无象散光束，并且以预先设计的使光束衍射的入射角引导光束通过衍射光栅，并最后入射到旋转扫描盘上。实质上，平面镜只是改变来自棱镜的激光光束的方向并将其耦合到衍射光栅，而不改变光束的截面或激光光束的其它特性。在本说明性实施例中，平面镜的功用是折转激光光束，使得非球面准直透镜、棱镜和光栅可以实现必要的参数的方式排列，同时使在其中实现激光光束产生模块的体积为最小。虽然使用了平面镜来把第一和第二光学系统耦合到一起，但是不言而喻在本发明的其它实施例中，该两系统可通过近置而直接耦合，而不在其间插入光学元件。
现在是描述组装第一说明性实施例的激光光束产生模块各部件以及按照本发明的原理配置其几何和光学参数的具体过程的适当时机。本特定过程以使用图21A的光具座的上述第二广义的参数调节方法为基础。如图C1的方框A、B和C所示，本过程的这少数几步涉及把上述子组件组装在枢轴板上。具体说，首先把VLD 53A(53B、53C)压嵌在VLD座76的一端。然后把非球面准直透镜61安装在透镜镜筒77的一端。然后通过转动透镜镜筒3至4圈将其旋装到VLD座中。此步骤进行参数d的初始设定。如方框D所示，用销钉78A和78B把该VLD/透镜子组件连接到VLD轭架75，以枢轴方式支撑具有相对于VLD轭架一个旋转自由度的VLD和透镜子组件。此后，在方框E，把VLD轭架75用枢轴73C可旋转地安装在枢轴板72上，如图21A所示。在图21C1的方框F，把枢轴板和安装在其上的光学子组件放置在参数调节台的安装用具87之内。
尚不把棱镜安装在枢轴板上，执行本过程的下一步以便引导VLD和非球面透镜所产生的激光光束沿向一轴线，使得当把棱镜装到枢轴板上时该激光光束将与棱镜相交，并保证其整个光束截面入射到棱镜第一表面上。如图21A所示，通过使用沿轴线92安装的光束光电检测器91来执行本过程的这一步。示于方框H的本阶段的第一步涉及使轭架内的VLD/透镜子组件倾斜，使沿目标轴92引导的激光光束落在象限型光电检测器上。如有必要，可通过旋转在VLD座76内的透镜容纳镜筒27从而调节VLD至透镜的间隔D而调节目标上的光束尺寸。在图21C2方框I，接着旋转轭架组件，直到激光光束通过在光束光电检测器91处的目标的十字线。通过如此配置之后，把VLD和透镜子组件和轭架组件都锁定在位，这就保证了激光光束穿过目标十字线，从而穿过透镜的第一表面。
在图21C2方框J所示的本过程下一阶段涉及把(已预先把棱镜安装在其上的)棱镜支撑板73安装到枢轴板中的第二安装凹口内，以便设置棱镜倾斜角θprism-tilt的初始值。接着，在图21C2的方框K，相对于VLD座地调节透镜镜筒以设定d，使得在非扫描方向(即平行于码元-条纹和间隔的方向)的光束截面尺寸聚焦到图21A的测试透镜90的焦距上。
到此阶段，所提供的光学子组件已具有所有主要部件以构成θprism-tilt，此角度足以消除象散，同时实现所希望的光束纵横比。
接着，图21C2的方框L涉及调节棱镜倾斜角θprism-tilt使得象散被消除，同时实现特定的光束纵横比。本阶段涉及使用Photon光束扫描装置来在沿棱镜光轴(光束沿此光轴从棱镜第二表面传播开去)的不同点处以x和y方向测量激光光束的光束截面。通过选择棱镜倾斜角，然后沿光束方向测量光束截面，就执行了该棱镜倾斜角调节步骤。在当光束的截面测量指示人们沿光束长度方向移动测量点时光束沿x和y方向以相同速率会聚到其焦点，然后沿该互相正交的方向以相同速度散开的情况下，则检测到这些条件的棱镜倾斜角θ*prism-tilt是沿激光光束方向完全消除了象散的棱镜倾斜角。一旦获得此参数θ*prism tilt，就用调整螺丝和/或粘合剂将其锁定在位，如图21C2的方框M所示。
当激光光束产生模块已组装完毕并且已配置其参数以消除象散时，就把枢轴板安装在激光光束产生模块的光具座的凹口内，再把枢轴板相对于模块台转动，直到光束垂直于镜子，如图21C2的方框N所示。这一步涉及使用沿不同的测试光学轴放置的象限检测器。接着，在图21C3的方框O，可把光衍射光栅和镜子安装在光具座的支架中。然后在图21C3的方框P，可使用校准销钉和孔把整个激光光束产生模块安装在扫描系统的光具座上，如图21D所示。在本阶段，从棱镜第二表面发出的激光光束自动定向于一轴，该轴最终在一平面中通过扫描盘，该平面形成在(ⅰ)和(ⅱ)之间(ⅰ)从外扫描盘延伸到光束入射点ro的直线，(ⅱ)扫描盘旋转轴本身。在构造过程的这一阶段，自动设定了入射角θi2’使得当激光波束被衍射通过扫描盘时激光波束的色散为最小。这由扫描器台和支撑光栅的模块台来实现。值得注意的是，入射角θi2在此前已由第一光学系统的设计过程确定。一旦从激光光束产生模块输出的激光光束对扫描盘校准完毕，模块的光具座就可用螺栓、螺钉或本领域已知的其它紧固件固定到位。对其它二个激光光束产生模块的每一个，重复以上过程。第二说明性实施例的激光光束产生模块图22示出本发明激光光束产生模块的可供选择的另一实施例。在模块的该第二实施例中，除去了棱镜的使用。取而代之的是只使用VLD 53A、非球面准直透镜61、平面镜63和双功能固定空间频率的光衍射光栅95，如图23所示。如图23所示，本扫描系统的所有其它部件全都相同。
在图23A中，示出了第二说明性实施例的激光光束产生模块12A＇(12B＇、12C＇)的各部件组装在模块的光具座上，扫描器机体已经除去。本实施例的激光光束产生模块在许多方面与第一说明性实施例相同，即具有其上以枢轴方式安装VLD轭架75的枢轴板72＇，用于以枢轴方式支承VLD轭架块75。VLD 53A及非球面透镜65如上所述地与透镜镜筒77安装，此子组件又以枢轴方式安装在VLD轭架75之中。在本实施例中，有一用支撑元件相对于模块台60固定安装的平面镜63。双功能光衍射光栅64＇也相对于平面镜被固定安装。为调节从平面镜反射回来的激光光束打击双功能光衍射光栅的入射角，枢轴板72＇相对于激光光束产生模块的光具座是可以以枢轴方式调节的，其方法已在第一说明性实施例中提供。通过使用该光学组件，可实现激光光束产生模块，从而达到本发明的前述诸目的。
如图24所示，本发明第二说明性实施例的激光光束产生模块的设计方法涉及基本的三步。如图24方框A所示，第一步涉及设计第一光学系统，该系统包括双功能光衍射光栅64＇及在预先设计的扫描盘上的各全息小面。第一光学系统具有二个基本功用，即控制在扫描盘上的入射激光光束的纵横比；和当激光光束被衍射通过旋转扫描盘时使在VLD带宽上的激光光束色散为最小。如图24方框B所示，设计过程的第二步涉及用前已设计的双功能光衍射光栅来设计第二光学系统。该第二光学系统的主要功用是在衍射光栅的第二光学表面处消除沿激光光束方向的象散。在图24方框C，设计过程涉及用平面镜63连接第一和第二光学系统以形成单一不可分的模块，该模块在和扫描盘耦合时高度可靠地实现上述三个光学功用。这些步骤的每一步将在下文中作更详细描述。
参考图25A至25F及图26，将详细描述图23的激光光束产生模块的第一光学系统的设计。
如图25A所示，根据以下二个假定来为第一光学系统构造几何光学模型(1)入射到小面的球形波前的曲率半径对于小面的表面面积来说极大；(2)其所有的光线基本上已准直(即，在小面表面面积上的入射波前基本上是平面形的)。如图25A所示及图25B的参数说明表所定义，该模型包括一些外部角和距离，即D1，离开非球面准直透镜的激光光束的直径；D2，在从多功能衍射光栅的第二表面冒出之后的激光光束的扩展直径；M，定义为D2/D1的光束直径扩展比；d2，在扫描盘上的各小面的光栅平均间隔(单位微米)；θi2，定义为相对于法线向量的入射角，该法线向量对扫描盘上的示范全息小面的第一表面画出；衍射角θd2，相对于对全息小面的第二表面画出的法线向量而定义；入射角θi1，相对于对双功能光衍射光栅的第一表面画出的法线向量而定义；衍射角θd1，相对于对光衍射光栅的第二表面画出的法线向量而定义；θi1M，在能提供所希望的扩束比M的双功能光衍射光栅处的光束的入射角；θi1D，在能为离开扫描盘的光束提供零色散的双功能光衍射光栅处的光束的衍射角；θd1M，离开能提供所希望的扩束比M的双功能光衍射光栅的光束的衍射角；θd1D，离开能为离开全息盘的光束提供零色散的双功能光衍射光栅的光束的衍射角；指向(即倾斜)角ρ，定义为在全息盘和多功能光衍射光栅之间的角度；以及λ，由VLD产生的激光光束的波长(单位微米)。
在图25C中，提供了定义在几何光学模型的参数之间关系的一组数字表达式。图25C的表达式(1)由众所周知的光栅方程得出，它涉及d2，扫描盘中干涉条纹结构的“光栅平均间隔”，与VLD重构波长λ、入射角θi2和衍射角θd2的关系。利用三角关系，出现所希望的扩束比的衍射角θd1M可以用倾斜角ρ和入射角θi2来定义，如图25C表达式(3)所定义。从众所周知的扩束比公式M=cos(θd1)/cos(θi1)出发，通过进行代数运算和应用公式(3)，可推导出用倾斜角ρ表示的入射角θi1M的数学表达式，其形式为图25C的表达式(2)。然后通过使用光栅公式，推导出双功能光衍射光栅的光栅间隔分别与倾斜角ρ、入射角θi1M和衍射角θd1M的函数关系。该数学表达式表示为图25C的表达式(4)。
然后，使用三角关系，以倾斜角ρ和入射角θi2来定义出现零光束色散处的衍射角θ1d，如图25C的表达式(6)定义的。从与图18C表达式(3)相同的零色散公式出发，应用表达式(6)和进行某些代数运算，推导出入射角θi1D与倾斜角ρ、入射角θi2、VLD的重构波长λR和d2(全息小面的固定空间频率等同物的平均光栅间隔)的关系表达式。此表达式的形式用图25C表达式(5)来描述。接着，再次使用光栅公式推导出与双功能光衍射光栅有关的光栅间隔d1M(ρ)与倾斜角ρ、入射角θi1M、衍射角λd1M和波长λR的函数关系。
此后，假定在图25B1表中表示的参数λR、θi2、M、θd2的值，则图25C的表达式可以只表示为倾斜角/ρ的函数。值得注意的是，衍射角θd2被选择为与本说明性实施例已设计的扫描盘上的16个全息小面有关的各种衍射角的平均值(例如37度)。另一方面，扩束因子M将一般地被选择为在激光光束产生模块中使用的VLD的两个光束散开角之比(例如3.0)。然而，为了易于制造双功能光栅，可将扩束因子M选择得比上述光束散开角之比小些。在本说明性实施例中，激光器的波长为0.670微米，而入射到扫描盘上的角度为43度，同时，相应的衍射角为37度，这是接近扫描盘上的16个全息小面的衍射角值范围中间值的扫描盘平均衍射角值。
为了求得同时满足表达式(2)和(5)条件的倾斜角ρ的值，可以使用两种求解技术之一。第一种技术涉及使图25C的表达式(2)和(5)彼此相等，然后求解倾斜角ρ。作为替换，第二种技术涉及绘制表达式(2)和(5)作为倾斜角ρ的函数的曲线，并且辨认出该两函数相交处的倾斜角值ρ。值得注意的是，通过设置在扫描盘和双功能衍射光栅之间的倾斜角-ρ等于ρ0，第一光学系统将达到扩束比M=3.0，同时在产生入射光束的VLD的带宽上使光束色散最小。在本说明性实施例中，倾斜角ρ0的值等于-11.1度，在此角度处，给出所希望的扩束比的入射角也等于在VLD产生的入射激光光束的帝宽上给出最小光束色散的入射角。
在图25E中，为本说明书实施例的双功能光栅提供了一组构造参数。值得注意的是，这些参数是在重构波长670nm处表达的，因此，当要把规定的光衍射光栅实现到DCG中时，必须将其变换到氩激光器的构造波长。为此可使用上述图28A1至28D的过程的参数变换系统。
图27A至27D1表示在本文的HSD工作站内可获得的、称为“光束色散分析器”工具的设计后使用的工具。该分析工具可用于为在图26中几何建模的、离开已设计好的扫描盘的激光光束分析衍射角θd2的变化。当使用多功能衍射光栅和由上述设计过程规定的任何特定组的构造参数(包括用于倾斜角ρ的诸参数)时，上述工具对测定色散已减少的程度有重要价值。
如图26所示，以上设计的第二光学系统的几何建模方式与本设计过程中以前做的相同。用于构造几何光学模型的参数在图27A中说明。图27B表示本说明性实施例的已知(假定的)参数。图27C表示某些参数之间重要关系的数学表达式。在图27C的表达式(4)中，衍射角θd2表达为波长(在空气中)λ、倾斜角ρ、光栅间隔d1、光栅间隔d2和入射角θi1的函数。在为ρ、d1、d2和θi1假定其参数值之后，表达式(4)简化为只依赖于波长的函数。然后，通过用在VLD带宽范围内的不同波长值来求该所得函数的值，可以如图27D和27D1绘制衍射角θd2曲线，并得到光束色散的度量值。值得注意的是，商业上可购得的VLD的激光带宽或扩展约为或小于0.010微米，因此这对λ是足够大的区域。一般说，由跳模造成的波长变化的数量级为0.0003微米。有了在扫描系统内的VLD的这种假定的波长移变，从光束色散分析器得到的曲线指出以上设计的模块的第一光学系统将使对其衍射后的激光光束的角偏差(即光束色散)维持在约0.0055度。
在完成激光光束产生模块的第一光学的设计之后，就可以用全息记录技术构造在本模块中使用的双功能光衍射光栅。通过使用光栅方程，此固定的空间频率的光衍射光栅(HOE)可唯一地由其重构波长λR和设计所要求的入射角θi1和衍射角θd1来确定。然而，如结合第一说明性实施例的扫描盘和激光光束产生模块的设计所说明的，在不同于重构波长λR的构造波长λC上构造(即制造)双功能衍射光栅较为容易，λC是根据实现双功能光栅用的记录乳化胶(例如DCG)而选择的。图28A1至28D所示的参数变换过程可用于把双功能光栅的构造参数变换成在构造波长λC表示的一组相应的构造参数。在计算在构造波长的曝光角时，乳化胶内的布拉格平面角必须在构造过程之后保持不变。这一过程已结合本发明扫描盘上的每个全息小面的构造作了说明，为避免冗长，本文将不重复其细节。在执行了图28A至28D的参数变换过程之后，可以用变换了波长的参数和图29所示的记录系统来制造双功能衍射光栅。
设计过程的下一步涉及为激光光束产生模块设计第二光学系统。在图30A中，示出了第二光学系统的几何光学模型。在第二说明性实施例中，该光学系统的唯一功用是从系统中消除象散。因此，加在本系统设计上的约束将不同于加在第一说明性实施例中的。如所示，本几何光学模型包括VLD、非球面准直透镜、和如上设计成固定空间频率全息衍射光栅的双功能衍射光栅。图30A、30A1和30A2指出该几何光学模型的各种几何和光学参数，图30B表示详细定义这些参数的参数表。如图30B所述，第二光学系统的几何光学模型由以下诸参数形成fi，非球面准直透镜的焦距；S源，S柱形波前的源(即S光束源)的位置；P源，P柱形波前的源(即P光束源)的位置；d，从准直透镜的焦点测量到S柱形波前的源(即S光束源)的位置的距离；δ，在S源和P源之间的距离(即象差)；D1，离开非球面准直透镜的P波前的直径；D2，离开双功能光衍射光栅的扩展的P波前的直径；M，扩束因子，定义为M=D2/D1；dh，双功能光衍射光栅的光栅间隔，测量单位为微米；θpi1，在双功能光衍射光栅的前表面处的会聚P波前下部的入射角；θpi2，在双功能光衍射光栅的前表面处的会聚P波前上部的入射角；φP1，离开非球面准直透镜第二表面的P波前的会聚角；φS1，离开非球面准直透镜第二表面的S波前的会聚角；φP2，离开双功能光衍射光栅第二表面的P波前的会聚角；φS2，离开双功能光衍射光栅第二表面的S波前的会聚角，它等于φS1；LP1，由非球面准直透镜成象的P波前的象距离；LP2，在插入双功能光衍射光栅之后由非球面准直透镜成象的P波前的象距离；LS1，由非球面准直透镜成象的S波前的象距离；LS2，在插入双功能光衍射光栅之后由非球面准直透镜成象的S波前的象距离，它等于LS1；θpd1，在双功能光衍射元件处会聚的P波前下部的衍射角；θpd2，在双功能光衍射元件处会聚的P波前上部的衍射角；以及λr，从VLD产生的激光光束的重构波长。这些参数综合组成第二说明性实施例的第二光学系统的几何光学模型。值得注意的是，只要光束的整个截面直径入射(即落)到光衍射光栅的第一表面，而这是在实践中极易满足的假定，就不必考虑把双功能全息光衍射光栅的第一表面到准直透镜的主平面之间的距离作为模型的参数。
在图30B1中，为模型中的各种参数提出了一组假定值，在设计过程中可以保持这组假定值不变，从而提供了在几何光学模型中数学表达式中的各种系数。在图30C1中，提供一组数学公式，用以定义在第二光学系统的几何光学模型中的某些参数之间的特定关系。如清楚表示的，表达式(1)至(12)导致得到图30C2中表达式(11)和(12)的LP2和LS2公式，即，在通过非球面准直透镜和光衍射光栅成象之后P源和S源的象距离。根据这些函数，当S柱形波前正好从光衍射光栅的第二表面冒出时该液前的曲率可定义为1/LS2，而当P柱形波前正好从光衍射光栅的第二表面冒出时该波前的曲率可定义为1/LP2。换言之，当S柱形波前正好离开光衍射光栅的第二表面时其曲率半径由LS2给出，而当P柱形波前正好离开光衍射光栅的第二表面时其曲率半径由LP2给出。可以使用本发明的HSD工作站中的MATHCAD 3.1数学设计程序来进行几何光学建模。
众所周知，每个具有本文定义为δ的非零象差的VLD将产生呈现象散特性的激光光束。然而，已经发现对于每个非零的δ值和光栅倾斜角θgrating -tilt(即光栅入射角θpi1和θpi2)，存在一可实现的d值，在此值上离开光衍射光栅第二表面的S和P柱形波前具有相等的曲率半径，如图30D的曲线所示。在这种光学条件下，从光衍射光栅第二表面冒出的S和P柱形波前(由于它们相等的曲率半径)都以相同速率沿着光衍射光栅的输出光轴会聚，所得波前是球形的，而且没有与VLD中内在的非零象差有关的象散。第二光学系统的几何模型的数学结构提出，在此参数调节过程中，几何参数d起到变量或“可调节参数”的作用，而在本文前面确定的光栅倾斜角θgratng-tilt参数及θpi2则起着约束的作用，使得在调节过程中可以求出消除象散的光学条件。
在本实施例第二光学系统中的各元件中的每一个所实现的光学功能类似于在第一说明性实施例第二光学系统中各元件实现的光学功能。尤其是在VLD内表示的S和P源分别产生从S和P源位置发出的柱形波前。非球面准直透镜的光学功能是通过S和P波前，同时改变这两个波前的曲率半径以及其曲率的视在中心。在该第二光学系统实施例中，假定S和P波前二者都沿轴传播，因此其离轴象散可以忽视，不必加以考虑。在第二光学系统中光衍射光栅的光学功能是只显著改变这些柱形波前之一的曲率半径，同时最少地改变另一柱形波前的曲率半径。改变曲率半径的明显程度与相对于光衍射光栅第一表面测量的入射角θpi1和θpi2有着强烈的函数关系。通过仔细考察图30C1的表达式(1)至(12)，可容易看出在该光学系统的解析解型中各参数之间的函数关系以及建立这种依赖关系的方式。
重要的是，当寻求满足图30D曲线中示出的光学条件的那组参数时，上述分析显示出第二说明性实施例的设计方法给设计人员提供了两种自由度。特别是，设计人员可以为光栅入射角θpi1和θpi2选择一已知值，然后去求在光衍射光栅第二表面处消除象散的参数d的参数值。作为替换，设计人员可以为距离d选择一已知值，然后去求在光的第二表面处消除象散的光栅倾斜角θgrating-tilt的参数值。值得注意的是，在本说明性实施例中，由于激光光束产生模块的双功能光衍射光栅的内在布拉格角灵敏度，倾斜角调节量是很小的(例如最大为2-3度)。
值得注意的是，上述第二光学系统的数学结构允许或者是(ⅰ)把距离d作为参数调节过程中的系统约束，而使光栅倾斜角θgrating-tilt作为其中的可变参数，或者是(ⅱ)把光栅倾斜角θgrating-tilt作为参数调节过程中的系统约束，而使距离d作为其中的可变参数。根据这二个事实，开发了两种不同的参数调节过程，以求得消除象散的距离d或光栅倾斜角。虽然这些技术以用于求出消除象散的条件的模型的数学结构为基础，但是它们不限于激光扫描系统。在任何特定的设计应用中，将用于配置包括VLD、非球面准直透镜和光衍射光栅在内的光学系统的参数的过程取决于最近未来的应用所给出的物理约束。例如，在设计第二说明性实施例的激光光束产生模块时，在设计其第一光学系统中预先确定了光栅倾斜角的情况下，光栅倾斜角θgrating-tilt在设计第二光学系统时就起到约束的作用，而把距离参数d作为可变参数。在正在为非全息激光扫描器设计激光光束产生模块的情况下，并不把光栅倾斜角θgrating-tilt约束至任何特定值，因此此参数可作为在光学系统的几何光学模型中的变量。
如同结合第一说明性实施例的激光光束产生模块的设计所提及的，用经验方法为每个待用于构造第二说明性实施例的激光光束产生模块测量象差是完全不可行的。因此用图30C表中表示的数学表达式来为选择的各参数值计算距离d是不可行的。取而代之的是，由第二说明性实施例的设计方法所采纳的手段是利用上述几何模型的结构和提供一种新过程和新的台，用于调整(即配置)第二光学系统的各参数以消除象散。为了说明清楚，将首先描述参数调节台，然后参照图31B的过程图说明参数调整过程的一般化形式。最后，将参考图31A的参数调节台和图31C的过程图说明本过程的特定实施例。
在图31A中示出与上述的激光光束产生模块一起使用的本发明的参数调节系统100。该台的功用是允许在组装/校准过程中调节光栅倾斜角θgrating -tilt和距离d这两个参数，使得产生具有所希望的纵横比的无象散激光光束。如图31A所示，参数调节系统包括光具座101，在其上固定地安装枢轴板安装用具102。枢轴板安装用具的功用是在参数调节过程中安装包括以下部件的光学子组件带有VLD的模块台60＇和枢轴板72＇、镜筒、透镜支架、以及组装在其上的VLD轭架。枢轴板安装用具提供枢轴板安装凹口，该凹口设计成牢固地接受模块台60＇及其有关的光学子组件。
如图31A所示，参数调节系统包括沿第一光轴安装在光具座上的光束扫描装置88，当光衍射光栅72＇安装在光栅平台70上时，该第一光轴沿着通过扫描盘仿真全息片(H2)104、(具有焦距ftest的)测试透镜、和x-y光束扫描器88的光轴103通过光衍射光栅72＇的第二表面的中心。此调节机构允许激光光束相对于光衍射光栅的第二表面作预先校准而在校准步骤中不安装光衍射光栅。需要扫描盘仿真全息片104的理由是因为双功能衍射光栅本身引入色散，如果不使用对应于无聚焦能力的“平均”全息小面(即θi=-43°,θd=37°)的固定频率光栅104，就会影响测量结果。值得注意的是，全息片104以角度ρ相对于双功能光栅倾斜，以给予零色散。如果在第一光学系统的设计中改变了入射角θ(即θgrating-tilt)，则最好也应改变ρ以便改进光束色散的减少。
如图31A所示，参数校准台还包括光束检测器(例如象限型光电检测器)91。光束检测器91沿第二光轴106安装在光具座上，当把光衍射光栅安装在模块台60＇的光栅平台70上时，第二光轴通过光衍射光栅72＇第一表面的中心。如以下将说明的，这些测试仪器用于在组装和配置激光光束产生模块期间调节激光光束产生模块的几何和光学参数。
现在参照图31B来说明与图21B中说明的广义的方法类似的广义的参数调节技术。值得注意的是，优先使用该广义的技术是由于它允许把双功能光栅固定地安装到模块台上，从而预先设计了模块台和扫描器台，使得在把模块台通过校准销钉67和68安装到扫描器台时就自动配置了ρ。如图31B方框A所示，本技术的第一步涉及实现在第二光学系统的几何光学模型中全部参数的数值，只有以下两个参数除外(ⅰ)在过程中作为变量对待的距离d，(ⅱ)在设计过程中作为约束对待的光栅角θgrating-tilt。如图31B的方框B所示，第二步涉及设置从第二说明性实施例的激光光束产生模块的第一光学系统的设计过程中获得的参数θgrating-tilt。一旦设置了该参数，应得到规定的纵横比。如果在设置参数θgrating-tilt后得不到在第一光学系统的设计过程中确定的规定的纵横比的值，则应调节光栅倾斜角直到获得所希望的纵横比。接着，如图31B的方框C所示，调节距离d使得在光衍射光栅的第二表面处S和P柱形波前的曲率半径二者相等，从而在该处得到沿第二光学系统的光轴会聚的球形波前。在此情况下，在双功能衍射光栅第二表面处及在此表面处之外，S和P柱形波前之间的象差得到完全消除。
一旦完成第二说明性实施例的激光光束产生模块的组成光学统的设计，过程的下一步，如图31B的方框D所示，涉及把第一和第二光学系统连接到在一起，以提供安装在设置了预先计算的入射角θpi1(即θgrating-tilt)和预先计算的光栅倾斜角ρ的扫描器台上的激光光束产生模块，从而在VLD的带宽上把激光光束色散减至最小。在本说明性实施例中，不使用例如平面镜的中间光学元件，直接耦合激光光束产生模块的第一和第二光学系统，然而，在可替换的另一实施例中，可使用平面镜以折转在非球面准直透镜和光衍射光栅之间的激光光束。这种系统连接技术在以下的特定应用中可能是需要的非球面准直透镜和光栅必须如此地相对于扫描盘安排，即，使得能以必须满足特定物理约束的小型体积尺寸来实现激光光束产生模块。
现在是合适时机来描述特定的过程，以组装第二说明性实施例的激光光束产生模块的部件及按照本发明的原理配置其几何和光学参数。
如图31C1方框A、B、C和D所示，特定过程的第一阶段涉及把上述子组件安装到枢轴板上。具体说，在方框A，首先把VLD压嵌入VLD座76的一端。在框B，把非球面准直透镜61装入透镜镜筒77的一端。在框C，旋动透镜镜筒3至4圈左右把它装入VLD座，以把距离参数d设定到某个初始值。在方框D，通过销钉78A和78B把VLD/透镜子组件连接到VLD轭架75上，以便以相对于VLD轭架的一个旋转自由度来以枢轴方式支承VLD和棱镜子组件。此后在图31C框E，把VLD轭架可旋转安装到图23A所示的枢轴板72＇。在框F，把已装在其上的枢轴板和光学子组件安装到模块台60＇。在框G，带有图23A的子组件的模块台60＇被放置在图31A1和31A2的参数调节台的安装用具102的凹口内。在框H所示的组装/调节过程的阶段，给VLD加电使其产生激光光束输出。
过程的下一阶段使用参数调节系统的光束光电检测器91以用光衍射光栅的第一光轴校准所产生的激光光束。不把双功能光衍射光栅安装在模块台60＇，而把参数调节台安排成图31A1的样子之后，本阶段的第一步，如图31C1的方框I所示，涉及在轭架内倾斜VLD/透镜子组件，使得激光光束沿目标轴106导向(即引导至光衍射光栅的第一光轴)并落在目标(即象限型光电检测器91)上。在图31C2的框J，旋转VLD轭架组件直至激光光束通过在光束的光电检测器91处的目标十字线。值得注意的是，选择目标的位置，使得当安装了光栅和镜子之后激光光束打到镜子这样的位置上，该位置以布拉格角方向把光束反射地通过双功能光栅，激光光束也沿着与全息扫描盘旋转轴共面的光轴传播。当如此配置时，VLD和透镜子组件以及轭架子组件都已锁定到位。
如图31C2框K所示的过程下一阶段涉及把镜子63和双功能光栅72＇装入模块台，如图31A2所示，其方法是使用任何合适的粘合剂或等效手段。在把衍射光栅和镜子装到模块台上之后，就提供了这样的光学子组件，它具有配置参数d的所有主要部件，这些部件在达到预定的光束纵横比的同时，足以消除象散。
如图31C2框L所示，过程的下一步涉及通过相对于VLD座旋转透镜镜筒来调节参数d，以消除象散。执行此阶段的方法是按照图31A2的排列方式使用Photon光束扫描装置88、体积全息片(H2)103、和测试透镜105。在有效地驱动VLD和从光衍射光栅第二表面发出激光光束的同时，通过相对于VLD座旋转透镜镜筒，逐渐调节参数d直到消除象差。在此渐进式调节过程中，使用Photon光束扫描装置，以沿着光束传播方向的光栅和准直透镜的光轴的不同点处在x和y方向测量激光光束的光束截面。具体说，通过为d选择一数值然后沿光束方向测量光束的截面来执行此调节步骤。在当对光束的截面量值表示当测量点沿光束的长度方向移动时光束沿x和y方向以相同速率会聚到其焦点，然后在这两个正交方向以相同速率发散的情况下，则检测到这些条件的距离d的值d*就是沿激光光束方向完全消除了象散的d值。当使用上述调整过程求得d的这个参数值时，就在光衍射光栅的第二表面处和在其外面消除了象散。可将此参数值d*用粘合剂或其它合适的手段锁定。
当已完全组装好激光光束产生模块并且其参数已配置以消除象散时，接着，如图31C2方框M所示，把以上述方式预先配置好的整个激光光束产生模块如图31D所示地安装到扫描系统的光具座上，使得模块台60＇上的校准销钉68适配到扫描器台5的校准孔69中。在组装过程的本阶段，自动地配置(即设定)了光栅倾斜角ρ0，使得当激光光束被衍射通过扫描盘时激光光束的色散为最小。值得注意的是，由第一光学系统的设计过程在以前确定的光栅倾斜角由预先设计的角度设定，在此角度上光栅72被与扫描器台5和模块台60＇的几何位置相对地安装在模块台60＇上。一旦如上述地校准好激光光束产生模块，就用螺栓、螺钉或本领域已知的其它紧固件固定在位。在全息激光扫描器内的每个扫描站处为每个激光光束产生模块重复上述过程。
对本发明光采集和检测子系统的设计在详细描述了按照本发明设计和制作全息扫描盘和激光光束产生模块的各种过程之后，现在是说明用于本发明全息激光扫描器的各种光采集/检测子系统及其设计方法的适当时机。
如图14及22所示，说明性实施例的激光扫描系统使用的光采集检测子系统包括三个主要部件，即产生据之采集和发源反射激光的第P(i,j)扫描面用的扫描盘的全息小面7；安装在每个激光扫描站近旁的扫描盘底下的抛物面聚光元件(例如抛物面聚光镜)14A(14B、14C)；以及安装在扫描盘之上、沿抛物面聚光镜焦点轴方向的光电检测器15A(15B、15C)。如本文前述，此子系统设计允许扫描器设计人员尽量减小在扫描盘底下的扫描器机体的尺寸，同时光束折转镜的高度确定扫描盘之上的扫描器机体的高度。
必须由本发明光采集/检测子系统的可接受设计满足的约束规定如下(1)在采光操作期间被任意特定全息小面采集并由抛物面聚光镜聚焦的基本上全部反射光线以光衍射效率最低的角度通过特定全息小面，以便使最大光功率传送通过全息小面朝向位于抛物面聚光镜的焦点的光电检测器；(2)在采光操作期间从被扫描的码符反射并入射到全息扫描盘内部和外部(即极端)(即在图34中表示为R1和R2)的光线在激光光束扫描期间被扫描盘强烈衍射，其衍射方向反向平行于输出激光光束入射到全息盘的角度；以及(3)抛物面聚光镜的表面面积占有如此的空间范围和如此相对于扫描盘和光电检测器排列，使得当全息扫描盘在本发明的全息激光扫描器内围绕盘旋转时，在光扫描操作期间由特定全息小面采集的基本上全部的光线都被抛物面聚光镜接收。这些约束对图14和22所示的光采集子系统的设计和操作是重要的，因此被下述的本发明光采集子系统的设计方法的各步骤所实现。只要有可能，就为图32所示的子系统的几何光学模型列出解析表达公式，并且通过如同对本全息扫描器其它子系统曾使用过的严格数学分析来获得最优设计参数。然而，以下采纳的手段是利用上述子系统约束来提供与前已设计好的本发明扫描盘和激光光束产生模块一起使用的适当光采集子系统的设计过程。
如图33A方框A所示，设计方法的第一步涉及对前已设计好的扫描盘中每个全息小面的光衍射效率分析(即布拉格灵敏度分析)。此分析的目的在于在扫描盘的输出方向确定相对于小面布拉格角(即偏离布拉格角)的入射角，在此角度小面的光衍射效率下降至预定的最小阈值之下。换言之，其目的在于确定入射角的角度范围(例如从θA至θB)，在此范围之外，全息小面的衍射效率下降至预定最小阈值之下。此角度范围示意于图34的几何模型中。如以下将说明的，此信息根据各小面相对于抛物面镜聚焦的光的特定偏振状态的衍射效率的分析而从理论上得出。用于分析此光衍射效率与入射角θi的函数关系的数学表达式因本扫描盘的各说明性实施例而异。一般说，三种全息扫描盘可用于任何特定扫描器的设计，即为在光电检测器前无正交偏振器而设计使用的扫描盘；为在光电检测器前带P偏振器而使用的扫描盘；为在光电检测器前帝S偏振器而使用的扫描盘；这在前文都作过说明。因此下面将为此三种情况的每一个作出布拉格灵敏度分析的说明。在每种情况下，通过利用在本扫描器设计过程的各前阶段确定的扫描器各种子部件的参数值，创建在设计中的全息激光扫描器的精确三维几何模型。最好，在本阶段产生的三维几何模型不应反映抛物面聚光镜14A、14B、14C和光电检测器15A、15B、15C，因为在本阶段尚未规定抛物面镜的精确几何尺寸和相对位置，也未规定光电检测器的精确位置。几何模型的部分实况示于图34中。如在下文中将变得明显的，按照本发明的原理，在准确得到这些规定之前，必须首先实现涉及光衍射效率及光线踪迹分析的若干关键设计步骤。
如图33A方框B所示，设计过程的下一阶段涉及使用HSD工作站以进行在全息扫描盘每个小面上的布拉格灵敏度分析，以确定偏离布拉格角的入射角范围，在此范围内从抛物面镜反射的光线将以最小衍射传过各小面射向光电检测器。图35A和35B所示的几何光学模型用于根据Kogelnik的论文建立的开创性的理论基础表示与用于构造全息小面的布拉格光衍射灵敏度模型有关的几何和光学参数。因为图35A1的几何光学模型实质上与图10A2至10B的模型等同，所以不必在此对组成此模型的几何和光学参数作重复说明。
图34提供了布拉格光衍射灵敏度模型，用于设计图10A1所示的光电检测器前无正交偏振器用的扫描盘。该模型仔细考虑了S和P偏振状态的光都由被扫描码符反射、由全息小面采集、由抛物面镜聚焦、最后通过全息小面传送到光电检测器以供检测。因此，图35C2的表达式(14)提供了传过扫描盘上每个特定小面的S和P偏振状态的光的“平均”衍射效率与偏离布拉格角的角度δe的函数关系式。使用图35B1列表的参数假定值，分别列出在图35C2的表达式(12)和(13)中描述的作为组成部分的S和P衍射效率。通过应用斯涅耳定律于图35A1和35A2的几何光学模型及应用在Herwig Kogelnik的论文，见上，详述的在体积型全息光衍射光栅中的耦合波理论的原理，推导出图35C1表达式(1)至(11)的数学表达式。值得注意的是，如Kogelnik的论文中讨论的，虽然在公式(6)和(7)中定义的“倾斜度因子“CS和CR用内部入射角α和干涉条纹倾斜角φ来表示，但是这些参数也可用θi和θd来表示。
图35D1和35D2的曲线表示第一和第十六个全息小面的“归一化”平均光衍射效率与偏离布拉格角的角度δe的函数关系。表达式(14)用于产生这些曲线。对于δe=0即入射角等于全息小面的布拉格角的情况，理论的平均光衍射效率为最大(即Enorm./Eavg=1)，这是可以预料的。对于偏离小面的布拉格角的入射角，光衍射效率通常以某种振荡行为减少。通过给每个全息小面求出并画出“归一化”的平均光衍射效率，子系统设计人员可以为每个全息小面识别出“归一化”光衍射效率低于最小阈值(例如0.09)的布拉格偏离角δe的所在位置。通过使用该角度信息，设计人员就可确定来自抛物面镜的已聚焦光线必须在哪些角度以最小的衍射传送通过全息小面，从而最大地传送供检测用的功率。值得注意的是，在这种分析中发现了为了使反射回到扫描盘的已采集光线不以显著的衍射损失射向光电检测器，来自抛物面镜的整束光线中的每一根和所有根光线都必须偏离输出光束入射角(即输出布拉格角)至少20度。
参照图37A至37C2及参照图28A1和28A2所示的扫描盘的几何光学模型，下面来描述布拉格光衍射灵敏度分析模型，用于分析设计于将S偏振器放置在光电检测器之前的图36所示的扫描盘，即使用第二说明性实施例的激光光束产生模块的扫描盘。此模型仔细考虑了用P偏振状态的光束扫描码符，S偏振状态的光从被扫描码符反射、由全息小面采集、由抛物面镜聚焦、并最后通过全息小面传送到供检测用的光电检测器上。S偏振器允许S偏振状态的光线传送到光电检测器上，而P偏振状态的光线则被偏振器滤除。因此，图37B中的表达式(12)提供了扫描盘上每个特定小面对通过它的S偏振状态光的衍射效率的一般表达式。值得注意的是，每个小面的这一特性表达为偏离布拉格角的角度δe并且是用图37A1表中列出的参数假定值代入公式的函数。在表达式(1)至(11)中表示的数学表达式通过应用斯涅耳定律于图35A1和35A2的扫描盘上的体积型全息小面的几何光学模型而得出。在图37B表达式(6)和(7)中定义的“倾斜度因子”CS和CR是使用体积型全息光栅中耦合波理论的众所周知的原理得出的。图37C1和37C2中绘制的函数示出了1号和16号全息小面对S偏振光的“归一化”光衍射效率与偏离布拉格角的角度δe的函数关系。图37B表达式(12)用于产生这些曲线。对于δe=0，即入射角等于全息小面的布拉格角时，每个小面对S偏振光的理论光衍射效率为最大(即Enorm=1)，这是可以预期的。对于偏离小面的布拉格角的入射角，光衍射效率通常以某种振荡行为减少。通过给每个全息小面求出并画出“归一化”的平均光衍射效率，子系统设计人员可以为每个全息小面识别出归一化光衍射效率低于最小阈值(例如0.09)的布拉格偏离角δe的所在位置。通过分析这些曲线，设计人员就可确定来自抛物面镜的已聚焦光线必须在哪些角度以最小的衍射传送通过全息小面，从而最大地传送供检测用的功率。
参照图38A至38C2及参照图28A1和28A2所示的扫描盘的几何光学模型，设有布拉格光衍射灵敏度模型，用于设计于将P状态偏振器放置在光电检测器之前的图36所示的扫描盘，即使用第一说明性实施例的激光光束产生模块的扫描盘。此模型仔细考虑了用S偏振状态的光束来扫描码符，P偏振状态的光从被扫描码符反射、由全息小面采集、由抛物面镜聚焦、并最后通过全息小面传送到供检测用的光电检测器上。P偏振器允许P偏振状态的光线传送到光电检测器上，而S偏振状态的光线则被偏振器滤除。因此，图38B中的表达式(12)提供了扫描盘上每个特定小面对通过它的P偏振状态光的衍射效率的一般表达式。值得注意的是，每个小面的这一特性表达为偏离布拉格角的角度δe，并且是用图38A1表中列出的参数假定值代入公式的。在图38B的表达式(1)至(11)表示的数学表达式通过应用斯涅耳定律于图35A1和35A2的扫描盘上的体积型全息小面的几何光学模型而得出。在图38B表达式(6)和(7)中定义的“倾斜度因子”CS和CR是使用体积型全息光栅中耦合波理论的众所周知的原理得出的。图38C1和38C2中绘制的函数示出了1号和16号全息小面对P偏振光的“归一化”光衍射效率与偏离布拉格角的角度δe的函数关系。表达式(12)用于产生这样的一族曲线。对于δe=0，即入射角等于全息小面的布拉格角时，每个小面对P偏振光的理论光衍射效率为最大(即Enorm=1)，这是可以预期的。对于偏离小面的布拉格角的入射角，光衍射效率通常以某种振荡行为减少。通过给每个全息小面求出并画出“归一化”的平均光衍射效率，子系统设计人员可以为每个全息小面识别出归一化光衍射效率低于最小阈值(例如0.09)的布拉格偏离角δe的所在位置。通过分析这些曲线，设计人员就可确定来自抛物面镜的已聚焦光线必须在哪些角度以最小的衍射传送通过全息小面，从而最大地传送供检测用的功率。
在完成了设计中的扫描器所用的那种扫描盘所需的布拉格灵敏度分析之后，子系统设计人员就可确定扫描盘上的光电检测器的位置(即中心和光轴指向)。如图33A方框C所示，此步骤涉及用HSD工作站以对从扫描体积中任何一处的码符反射到扫描盘各小面上的所有输入光线进行准确的光线踪迹分析，并且根据此分析，辨认出在扫描盘上面(但低于光束折转镜的顶边)无输入光线的一点。在方框D，用无光线的点来确定光电检测器的位置。
如图33A方框E所示，子系统设计方法的下一步涉及选择广义抛物面表面函数Sparabolic(x,y,z)，用于规定每个光采集子系统的光采集/聚焦镜。如以下将描述的，对子系统设计方法的平衡接着涉及规定抛物面小片的参数，由之构成抛物面镜。
如图33B步骤F所示，子系统设计过程的下一步涉及通过给图34的几何光学模型添加一条线来扩展该子系统的几何光学模型，该线从光电检测器的中心部分延伸，平行于入射到扫描盘上的激光光束线并且最好位于入射光束线之上，如图39所示。此添加线的功用是建立至今尚未规定的抛物面小片的光轴位置和指向，其中该抛物小面代表了待构造和安装在激光光束产生模块邻近和扫描盘底下的抛物面镜。
如图33B方框G所示，设计方法的下一步涉及规定抛物面小片的焦距。抛物面小片的焦距一般主要由扫描盘底下的空间限制所确定。在本说明性实施例的全息激光扫描器中，选择了抛物面焦距为3.0英寸，因为这在扫描盘底下提供了安装该抛物面境的足够空间。然而，不言而喻，此参数一般因实施例而异。
如图33B方框H所示，设计方法的下一步涉及确定扫描盘上的哪个全息小面具有最小的内半径ri。从其实在的几何形状，此小面将采集离扫描盘中心(即毂)最近的光线，因而将衍射离其转轴最近的光线。此后，如图39所示，用此小面确定抛物面小片长度方向的尺寸。值得注意的是，为了进行设计，假定落在此小面上的极端部(即内部和外部)光线以小面的布拉格角打在其表面上，因此根据设计，衍射的光线被以平行于抛物面小片的光轴方向传送射向抛物面小片。于是，当抛物面镜按照对抛物面小片的规定来实现时，入射到小面且接近其布拉格角的已采集光线将被聚焦到光电检测器所在的抛物面聚光面的焦点上。
如图33C方框I所示，设计方法的下一步涉及确定扫描盘上的哪个全息小面具有最大的角旋转量θrot。如下面将述及的，此小面将用于规定抛物面小片宽度方向的尺寸。对抛物面小片宽度方向尺寸的下界由设计约束确定，该约束要求在光扫描操作期间由特定全息小面采集的基本上所有的光线在全息扫描盘围绕其转轴旋转时都被抛物面镜接受。抛物面小片在宽度方向尺寸的上界是在空间受约束的机体内在扫描盘底下的可用空间。
在图33C方框J，子系统设计人员使用在HSD工作站上此前已开发好的扫描器三维光学模型及使用具有最大角扫描的小面来确定可能施加在抛物面小片宽度方向尺寸的最小的左面和右面的表面边界。以下是确定这些表面边界的技术。
如图40A所示，最小左面边界由计算机三维建模确定，这是入射激光光束刚开始照射到具有如上身份的全息小面的最右边的情况。理想情况是，在扫描线产生过程的本阶段，从光束折转镜反射的所有反射光线都被全息小面采集。然而，为了保证在扫描操作的本阶段由小面采集的所有这种光线都由用于聚焦的抛物面聚光镜采集，设计人员向外伸展抛物面小片的最左面边界，使得整个小面刚好放置在抛物面小片底下。
接着，如图40B所示，由计算机三维建模来确定最小的右面边界，这是入射激光光束刚结束照射具有以上身份的全息小面的最左边的情况。理想情况是，在扫描线产生过程的本阶段及其它阶段，从光束折转镜反射的所有反射光线都被全息小面采集。然而，为了保证在扫描操作的本阶段由小面采集的所有这种光线都由用于聚焦的抛物面聚光镜采集，设计人员向外伸展抛物面小片的最右边界面，使得整个小面刚好放置在抛物面小片底下。
完成以上各步之后，可通过把在扫描盘平面处确定的边界投影到三维抛物面小片上来确定宽度方向的表面尺寸。抛物面小片的长度方向及投影的宽度方向的尺寸提供了可用于构造在设计中的集光子系统的抛物面镜的“小片切割参数”。构造该抛物面镜的优选方法是使用小面切割参数来从具有如设计过程方框G所规定的焦距的抛物面镜中切出抛物面小片。值得注意的是，如上设计的所得抛物面镜将在扫描盘旋转时在整个扫描宽度上覆盖最大小面的采光部分的整个区域。
接着，在图33C的方框K，在HSD工作站上用为抛物面小片(即抛物面镜)的整套技术要求来修订光采集/检测子系统的三维几何模型。然后，在图33C的方框L，在HSD工作站上小心地分析更新后的几何模型，以确认从抛物面镜反射的所有光线都被传送通过各个偏离布拉格角的全息小面，以保证最大光功率传送到位于光检测子系统的抛物面镜焦点处的光电检测器。如果此光线踪迹分析证明子系统设计满足规定的准则，就完成了设计过程，并可以按照最后的几何模型实现此子系统设计了。然而，如果光线踪迹分析指示设计不满足其准则，设计人员可返回到过程中上述步骤的一步或多步，修改其参数，并做完设计过程直到满足所希望的性能准则。一般说，运行该设计程序一轮就足以实现满足子系统设计的要求，该子系统设计满足在扫描器设计全过程的本阶段提出的系统约束。
在图41中示出的本全息激光扫描器具有本发明光检测子系统的可替换实施例。该扫描系统不使用抛物面镜以把已采集光线聚焦指向位于抛物面镜焦点处的光电检测器，而是使用实现此光学功能的反射体积全息片108。在所有其它方面，图41的光检测子系统与以上详述的说明性实施例相同。值得注意的是，上述设计技术可用于设计光检测子系统的反射体积全息片108。通过使用据之设计和构造抛物面镜的抛物面小片的完整技术要求，可以构造反射体积全息片的方法由于其公开将变得显而易见。
图42至43B示出了本发明全息激光扫描器的两种可供选择的实施例。除了其中使用的光检测子系统的结构之外，这些全息扫描系统与本文前述的各说明性实施例相同。
图42示出的实施例的光检测子系统包括光电检测器15A和避免折转在扫描盘底下已采集和聚焦的光线的采光和聚焦光学系统110。该采光和聚焦光学系统包括平面采光镜111和聚光器型的聚焦透镜112。如所示，采光镜111安放在扫描盘外面部分之下，以便接受入射到全息小面的并由全息小面以其布拉格角采集的平行光线。平面镜采集的光线的方向基本上平行于扫描盘平面，然后被聚焦透镜聚焦到光电检测器15A所在的焦点上。使用此光检测子系统设计的一个缺点是它在扫描盘底下需要较大空间体积以收容镜子111和聚焦透镜112，其中聚焦透镜一般要求有相对短的焦距以在焦点上放置光电检测器。从实际上看，这往往会要求扫描盘马达安放在扫描盘的上面而不是下面，如图42所示。
图43A和43B示出的实施例的光检测子系统包括光电检测器15A及采光和聚焦光学系统113，后者在扫描盘底下折转和聚焦所采集的光线。采光和聚焦光学系统包括第一平面折光镜114，第二平面折光镜115及聚光器型聚焦透镜116。如所示，平面集光镜114放置在扫描盘外面部分的底下，以接受入射到全息小面的、并由全息小面以其布拉格角采集的平行光线。由平面镜114采集的平行光线基本上平行于扫描盘平面地被引导到折转镜115上。光线折转镜115又重新把采集的光线导向位于扫描盘下面的聚焦透镜116。聚焦透镜116把折转后的光线聚焦到光电检测器15A所在的焦点上。如所示，每个光电检测器实现在有关扫描站的模拟信号处理板上。如同上述的实施例，使用本光检测子系统设计的主要缺点是它要求在扫描盘底下太多的空间，往往要求把扫描盘马达放在扫描盘的上面，而不是下面。
虽然本发明的全息扫描器及其系统设计的许多方法已对体积传输全息片的使用作了详细描述，不言而喻，也可以使用体积反射全息片来构造在本全息扫描系统各种实施例中使用的本发明的全息扫描盘。在图44中示出用多个体积反射型全息小面实现的扫描盘所构成的本发明扫描系统的这种可替换实施例。如所示，本系统需要有几分不同的光学设计以便容纳这种体积反射扫描盘的物理过程。简要说明与这种可替换激光扫描系统设计的说明性实施例有关的光学系统将是有帮助的。
如图44所示，每个折光镜13A设有壁孔120和第一光束折转镜121。第一光束折转镜121的功用是引导来自激光光束产生模块12A的纵横比受控的第j个激光光束通过壁孔120指向位于扫描盘之上“无光线”区域的第二光束折转镜122。第二光束折转镜122的功用是把激光光束(1)导向扫描盘的外边沿到达与前述扫描盘设计中相似的ro的入射点。当扫描盘旋转时，第j个激光光束进入每个(第i个)扫描小面的体积深度，当由此被反射时，也被衍射，其方式取决于在扫描器设计过程中设计的全息小面的干涉条纹结构。当全息小面旋转时，已衍射的激光光束被其有关的光束折转镜反射，使得在扫描器的扫描体积内产生相应的扫描线P(i,j)。当从被扫描码符(或在全息OCR(光学字符识别)应用中的被扫描文本字符)返回时，激光光束被散射，一部分散射的激光光束沿着在空间与输出路径相符的输入路径反射回来，如图所示。如所示，以十分接近全息扫描小面布拉格角的角度打在扫描盘内部和外部边沿的输入光线A和B被沿着基本上平行于入射激光光束的光程(1)的光程(2)和(3)强烈衍射。因此，输入光线中的很大一部分光功率从扫描小面反射朝向支承在扫描盘之上邻近于第二光束折转镜122的体积传输全息片123。体积传输全息片123的功用是把已采光线聚焦朝向光电检测器15A所在的全息片焦点。值得注意的是，全息片123的尺寸选择成采集到从全息扫描小面反射的所有光线，其位置选择在扫描盘之上的无光线区域内。关于体积传送扫描盘7的设计和构造的所有上述方法和过程一般都能应用于图44的全息扫描器的设计和构造。鉴于本发明上述的叙述，可容易地修改本发明的HSD工作站，以用于设计图44的全息扫描器或者本发明的任何别的全息扫描器。
正如可以想象的，本发明的全息激光扫描器可用于各种应用。虽然全息激光扫描器1已描述为可独立应用的紧凑的全息激光条型码符号阅读系统，在某些应用场合中它也可用作在更大扫描系统内的子系统，只在其健全的扫描体积内检测码符的有无。如图45A和45B所示，全息激光扫描器1正是如此使用的。其功用是在其健全的扫描体积内只检测码符的有无，并且，作为输出，产生在扫描体积Vscanning内规定已检测码符位置的信息。这种信息可简单地是P(i,j)，后者在实质上对有关焦平面和焦平面内的扫描线的信息进行编码(即实施)，其中沿着传送帝129移动的码符130是在该扫描线上检测到的。在图45A的例子中，由全息扫描器1产生的码符位置信息是P(15,3)，该信息规定了在扫描体积内检测到码符的扫描线。图5表示该特定的扫描线占有扫描体积内哪个区域。在图45A的说明性实施例中，高速激光扫描系统131在载于其上的控制计算机中具有一转换表，该表用码符位置信息P(i,j)来产生能一般识别已检测码符所在位置、即扫描体积Vscanning的体积量化区的信息。激光扫描系统131还包括高速激光扫描机构，该机构能在扫描体积Vscanning内产生具有可变焦深的激光光束，并能把激光光束操纵到扫描体积中的规定区域以供主动扫描之用。
下面来描述图45A和45B所示的扫描系统在其操作期间所采取步骤的确切顺序。当在扫描体积Vscanning内存在码符130时，全息扫描器1自动检测该符号并产生提供给扫描器131的位置信息P(15,3)。在将此信息转换成扫描区信息之后，激光扫描系统131利用该转换的信息来(ⅰ)把激光束的焦距设置到已检测码符已被检测的所在焦平面(即焦平面DF4)上；(ⅱ)把激光光束操纵到Vscanning内的相应区域；(ⅲ)在此区域内产生X-条或其它扫描样式以便采集在该区域内的高分辨率扫描数据线。所采集的扫描数据存储在扫描数据视频缓冲器131A中，高速解码处理器131B(即微计算机)用缝合法或其它适当的解码技术对每帧视频数据进行解码处理，以便读出在扫描体积Vscanning的该区域中的被扫描码符。由处理器131B产生的输出符号字符数据然后提供给主计算计系统132。接着，当传送带如图45B所示向前移动时，传送带上的下一包装物以高速通过该扫描体积。当在扫描体积内检测到包装物上的码符134时，就再次执行上述的操作顺序。然而这一次，激光光束将自动聚焦到第一场深度(即DF1)，因为这是当被检测码符通过扫描体积时所在的位置。因此，聚焦的激光光束自动在由图5所示P(4,3)所定义的不大区域内扫描。所有其它各步与上述的相同。对于每个进入扫描体积的新包装物，其上的码符(或多个码符)被自动检测，与其有关的位置信息被提供到扫描系统131，以使其扫描样式指向已检测码符临时所在的位置，以进行对该区域的高分辨率扫描。
如图46所示，可容易地缩小本发明的全息激光扫描系统的尺寸，将其实施在全自动便携手支式机体、手背式或可佩戴在身上的机体140中，这种全息激光扫描系统具有单方向RF(射频)信号传输功能，同时保留了它所有的基本特征，即在其扫描体积内有多个焦平面；非象散焦点区；以及全方向扫描。在本说明性实施例中，图46的便携式扫描器实现了以下的功能性在美国专利第5,468,951号中叙述的空间交叠的物检测和激光扫描场；在美国专利第5,340,971号叙述的长程/短程方式的可编程扫描操作；在美国专利第5,424,525号叙述的省电的系统控制架构；以及在一起接受审理中的美国专利申请序号第08/292,237号中叙述的RF信号发送功能性和声音确认信令，这些专利或专利申请的每一个为在Blackwood,New Jersey的MetrologicInstruments,Inc.所共有，为完整起见将它们纳入本文以供参考。
如图47和图48所示，本发明的全息激光扫描系统可容易地修改、缩小尺寸和在具有单向RF信号功能的全自动便携手支式机体145、手背式机体146或可佩载机体中实施。图47和48所示的扫描器的主要差别在于图47的扫描器可以用手支持，而图48的扫描器48则如与1994年11月2日公布的欧洲公开出版物第0621971号对应的一起审理中的申请序号第308/489,305号中所叙述的用无指手套安装在手背上，上述申请纳入本文以供参考。
在图47和48所示的说明性实施例中，本发明的全息扫描装用于产生二维光栅扫描(raster)型的扫描样式，场的深度自扫描器扫描窗起延伸约2＂至约10＂。如图47所示，该扫描器包括由扫描器机体内部支起的小型的电池操作的马达148所转动的体积传输扫描盘147。扫描盘具有约20个全息小面，每个全息小面设计成在三维扫描体积Vscanning内的二维光栅扫描样式中产生二十条扫描线(即扫描平面)之一。如所示，小型化的如本文前述的激光光束产生模块12A用于产生无象散的并具有圆化的或纵横比受控的光束截面的入射激光光束。此激光光束通过压电控制的布拉格盒(cell)149，压电控制的布拉格盒把激光光束引导入射到全息扫描盘的下边，其极小的入射角范围Δθi可以由前已详述的本发明扫描盘设计任意确定。因此，布拉格盒的功用是在中心，即标称入射角θi，附近调制激光光束的入射角。在扫描器上的基于微处理器的系统控制器(未示出)在扫描操作期间为布拉格盒产生控制信号。当激光光束以标称入射角导向扫描盘时，则当激光光束被二十个不同的全息扫描小面衍射时，激光光束产生在二十线扫描样式中的二十条主扫描线中的每一条主扫描线。然而，当入射角围绕标称入射角θi调制时，被衍射的激光光束就在其主扫描线附近作无限多个但是小范围的扫描线扫描，从而导致“扫描线间的抖动(inter-scanline dithering)”。如果对标称入射角θi的偏差是对称的，则已衍射的扫描线的偏差在所得的二维光栅扫描样式中也是对称的。同样，如果对标称入射角θi的偏差不对称，则已衍射扫描线的偏离在所得的二维光栅扫描样式中也将是不对称的。
以与上述扫描盘7和7＇中的小面相同的方式，每个在扫描盘147上的扫描小面也具有把反射的激光集中到小抛物面镜150的功能，小抛物面镜150的焦点在扫描盘上面接近马达处的光电检测器151所在的位置上。由光电检测器151产生的强度信号提供给微处理器以便以常规方式作解码处理。基于红外线的物检测收发信机152安装在扫描窗近旁，以产生如图所示的将扫描体积与其工作扫描范围在空间交叠的物检测场。在此特定的说明性实施例中，图47和48的便携式扫描器都体现以下的功能性在美国专利第5,468,951号中叙述的在空间交叠的物检测场和激光扫描场；在美国专利第5,340,971号中叙述的可编程扫描操作的长程/短程方式；在美国专利第5,424,525号中叙述的省电的系统控制架构；以及在一起进入审理的美国专利申请序号08/292,237中叙述的RF信号发送功能性及声学确认信令，这些专利和专利申请中的每一个都为在Blackwood,New Jersey的Metrologic Instruments,Inc.所共有，为完整起见将它们纳入本文以供参考。
利用本文上述的详细设计过程，本领域的普通技术人员将能容易地设计许多其它不同类型的全息激光扫描系统以供各种应用领域之用。
各说明性实施例的全息激光扫描系统都使用三个激光扫描站。然而，不言而喻，可使用多于三个激光扫描站(例如四个，五个，六个或七个)的激光扫描系统以在各种几何形状的三维扫描体积内产生和投射高度复杂的激光扫描样式。
虽然对本文的全息激光扫描器的各种实施例都结合线性(一维)和二维码符扫描应用作了说明，然而应该明白本发明的扫描装置和方法同样适合于在光学字符识别(OCR)应用中扫描字母数字字符(例如文本信息)，及适合于在图形扫描领域中扫描图形图像。
以上描述了对说明性实施例的若干修改。然而，不言而喻，本领域的普通技术人员能够容易地作出对本发明说明性实施例的各种别的修改。所有这些修改和变型都在由所附的本发明权利要求书限定的本发明的范围和精神之内。
权利要求
1．一种用于全息激光扫描器以产生多条扫描线的全息扫描装置，包括可围绕旋转轴旋转的支承盘，所述支承盘具有内周边、外周边以及限定在所述内周边和外周边之间的可用采光区；以及多个全息小面，每个全息小面承载在所述内周边和所述外周边之间的所述支承盘上，且每个全息小面具有用于采光操作的小面表面面积，所述小面表面面积的至少一部分安放在所述支承盘所述外周边的邻近以供激光光束扫描操作之用，其中所述多个全息扫描小面的所有小面表面面积之和基本上等于所述支承盘的所述可用采光区的表面面积。
2．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中每个所述全息小面的折射率在其小面表面面积上具有可变空间频率，从而提供与待由所述全息扫描小面产生的扫描线距离有关的焦距。
3．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中每个所述全息小面的采光效率基本上相等。
4．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中所述全息小面的至少一个小面的内表面边界具有显著大于所述支承盘内周边的内半径。
5．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中每个所述全息小面是体积传输型全息片。
6．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中每个所述全息小面是体积反射型全息片。
7．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中每个所述全息扫描小面在其整个小面表面面积上的平均折射率基本相等。
8．如权利要求1所述的全息扫描装置，其中用于扫描操作的每个所述小面的小面表面面积的外边部分具有第一平均折射率，而用于采光操作的每个所述小面的小面表面面积的其余部分则具有第二平均折射率。
9．如权利要求8所述的全息扫描装置，其中所述第一平均折射率不同于所述第二平均折射率。
10．如权利要求8所述的全息扫描装置，其中所述小面表面面积的所述外边部分的光衍射效率对光的第一偏振状态优化，所述小面表面面积的所述其余部分的光衍射效率对正交于所述第一偏振状态的光的第二偏振状态光优化。
11．如权利要求10所述的全息扫描装置，其中所述第一偏振状态是S偏振状态，所述第二偏振状态是P偏振状态。
12．一种用于产生三维激光扫描体积的全息激光扫描器，该扫描器包括具有扫描窗口的机体；其中所述三维激光扫描体积显著大于全息激光扫描器机体的体积，而且在所述三维激光扫描体积内提供充分的全方向扫描。
13．如权利要求12所述的全息激光扫描器，其中所述三维激光扫描体积具有多个焦平面，还具有从所述扫描窗口延伸的投射轴向外扩展的高度约束的几何形状。
14．一种全息激光扫描器，包括具有内部体积和扫描窗口的扫描器机体；以及从所述扫描器机体产生的三维激光扫描体积，其中所述三维扫描体积与所述扫描器机体体积之比约大于5.0。
15．一种产生多个扫描平面的全息激光扫描器，每个所述扫描平面具有特定的聚焦深度并且被在空间约束在三维扫描体积之内，所述全息激光扫描器包括多个对称安装的激光二极管，用于同时产生多个激光光束；多个体积传输型全息光学元件，用于聚焦和扫描所述多个激光光束穿过所述三维扫描体积，其中每个所述全息光学元件承载在旋转盘上，而且在所述全息激光扫描器操作期间当一束所述激光光束通过所述全息光学小面时每个所述全息光学元件产生所述多个扫描平面之一。
16．一种全息激光扫描器，包括载有多个全息光学元件、同时围绕转轴旋转的扫描盘；安放在所述扫描盘底下的光电检测单元；以及激光光源，用于产生被引导通过所述扫描盘的激光光束；其中，在每一时刻，所述激光光束被传送通过一个全息光学元件、被聚焦和沿一激光扫描线扫描以供码符反射，使得在所述全息激光扫描器操作期间反射的激光通过同一全息光学元件，然后被准直以供所述光电检测单元检测光强之用。
17．一种全息激光扫描器，包括多个激光器，用于同时产生多个激光光束；以及承载多个全息小面、同时围绕转轴旋转的扫描盘，用于聚焦和扫描所述多个激光光束，以便在三维扫描体积内产生复合扫描样式，用于全方向地扫描在所述三维扫描体积内出现的码符。
18．一种在扫描样式产生周期中产生具有多个扫描平面的复合扫描样式的全息激光扫描器，包括具有开口的扫描窗的扫描器机体；多个激光器，用于同时产生多个激光光束；承载多个全息小面的旋转盘，用于聚焦和扫描所述多个激光光束，以便产生具有多个扫描平面的复合扫描样式；其中所述开口的扫描窗允许在每个扫描样式产生周期中以互相不同的角度同时投射所述多个扫描平面。
19．一种全息激光扫描器，用于产生由各有一焦平面的多个激光扫描平面组成的复合激光扫描样式，所述全息激光扫描器包括可围绕转轴旋转的支承盘，它具有内周边、外周边、以及限定在所述内周边和外周边之间的可用采光区；以及多个全息小面，每个所述全息小面在所述支承盘内周边和外周边之间承载在所述支承盘上，且每个所述全息小面具有用于采光操作的小面表面面积，并且所述小面表面面积的至少一部分放置在所述支承盘的所述外周边的邻近，以供激光光束扫描操作之用，其中所述各全息光学元件排列在所述支承盘上以最大地利用所述支承盘上的采光区域，同时使在每个所述激光扫描平面的焦平面处的激光光束的速度为最小。
20．一种全息激光扫描器，包括可围绕转轴旋转的支承盘，它具有内周边、外周边、以及限定在所述内周边和外周边之间的可用采光区；以及多个全息小面，每个所述全息小面在所述支承盘内周边和外周边之间承载在所述支承盘上，且每个所述全息小面具有小面表面积以供采光操作之用，其中在所述支承盘上基本上所有可用的采光表面面积都被利用，并且每个所述全息小面的采光效率基本相等。
21．一种全息激光扫描器，包括可围绕转轴旋转的支承盘，它具有内周边、外周边、以及限定在所述内周边和外周边之间的可用采光区；激光光源，用于产生分别具有以第一和第二偏振状态为特征的第一和第二分量的激光光束，所述第一偏振状态正交于所述第二偏振状态；多个全息小面，每个所述全息小面在所述支承盘内周边和外周边之间支承在所述支承盘上，且每个所述全息小面具有安放在所述外周边邻近的光束操纵部分以用于使所述激光光束扫过码符，还具有采光部分以用于采集从所述被扫描码符反射的激光，其中给每个所述全息小面的所述光束操纵部分提供对入射到其上的所述激光光束的第一偏振状态优化的光衍射效率，而每个全息小面的所述采光部分则具有对从所述被扫描码符反射的激光的第二偏振状态优化的光衍射效率；光电检测器，用于检测从所述码符反射的激光；以及放置在所述光选择器前的偏振选择滤波器，用于传送具有所述第二偏振状态的已采集激光，而阻挡具有所述第一偏振状态的已采集激光。
22．一种全息激光扫描器，包括具有内在象差的激光二极管，用于产生具有象散的激光光束；可围绕转轴旋转的全息扫描盘，它具有承载在其上的一个或多个全息光学元件以扫描所述光束，且用于产生激光扫描样式以在具有相对大的场深度的三维扫描体积内扫描码符；以及象散减少装置，用于在激光扫描操作期间基本消除所述可见光激光光束通过所述全息光学元件之前的所述象散。
23．一种全息激光扫描器，包括激光二极管，用于产生具有多种光谱分量的激光光束；可围绕转轴旋转的全息扫描盘，它具有一个或多个全息光学元件，用于扫描所述激光光束及用于产生激光扫描样式以供扫描码符之用；以及光学组件，用于在扫描操作期间当所述激光光束从所述激光二极管传播通过每个所述全息光学元件时有效地补偿在所述激光二极管光谱输出中的与波长有关的色散。
24．一种全息激光扫描器，包括激光二极管，用于产生具有多个光谱分量的激光光束；可围绕转轴旋转的全息扫描盘，它具有一个或多个全息光学元件，用于扫描激光光束及用于产生激光扫描样式以供扫描码符之用；以及与所述激光二极管集成在一起的光学组件，用于(ⅰ)控制由所述激光二极管产生的激光光束的纵横比，(ⅱ)消除在传送通过所述光学组件之后所述激光光束中的象散，以及(ⅲ)补偿在所述激光二极管的光谱输出中与波长有关的变化。
25．如权利要求24所述的全息激光扫描器，其中所述激光光束是可见光激光光束。
26．一种全息激光扫描器，包括多个激光器，用于同时产生多个激光光束；以及承载多个全息小面的扫描盘，用于聚焦和扫描所述多个激光光束，以便在三维扫描体积内产生包括多个扫描平面的复合扫描样式，其中所述诸扫描平面具有多个聚焦区，用于扫描在所述三维扫描体积内出现的码符；以及其中选择了所述多个聚焦区的焦距，以便在所述三维扫描体积中相邻聚焦区的近区和远区中在所述各扫描平面的端部创建一交叠，从而使在所述三维扫描体积内通过所述交叠的码符得以被全方向扫描。
27．一种全息激光扫描器，包括多个激光二极管，用于同时产生多个激光光束；可围绕转轴旋转的扫描盘，它承载聚焦和扫描所述多个激光光束的多个全息小面，以便在三维扫描体积内产生包括多个扫描平面的复合扫描样式，用于全方向地扫描在所述三维扫描体积内出现的码符；以及多个光采集和检测子系统，每个所述光采集和检测子系统安放在所述扫描盘周围，以便采集和检测只由一个所述激光二极管扫描的码符反射的激光。
28．一种全息激光扫描器，包括具有宽度、长度和高度尺寸和具有扫描窗的扫描器机体；多个激光器，用于产生多个激光光束；可围绕转轴旋转的全息扫描盘，它支承多个全息小面，用于聚焦和扫描所述多个激光光束，以便产生多个扫描平面；多个光束折转镜，用于折转所述多个扫描平面以便通过所述扫描窗口投射复合扫描样式，用于在预定的三维扫描体积的空间界限内相交；以及放置在所述全息扫描盘底下的多个集光镜，其中所述各光束折转镜的几何尺寸和所述全息扫描盘的几何尺寸一起确定所述扫描器机体的宽度和长度尺寸，以及其中所述各光束折转镜和在所述全息扫描盘底下的各集光镜确定所述扫描器机体的高度尺寸。
29．如权利要求28所述的全息激光扫描器，其中每个所述的集光镜包括抛物面集光镜。
30．如权利要求28所述的全息激光扫描器，其中每个所述激光器包括激光二极管，且其中所述全息激光扫描器还包括与每个所述集光镜安排在一起的光电检测器以产生扫描数据信号。
31．如权利要求30所述的全息激光扫描器，还包括每个所述激光二极管和光电检测器的子组合用的独立信号处理通道以提高系统的信号处理速度。
32．如权利要求28所述的全息激光扫描器，还包括多个信号处理器，用于在所述全息激光扫描器内同时处理由所述光电检测器的每一个所产生的扫描数据信号。
33．一种全息激光扫描器，包括产生激光光束的激光二极管；绕转轴旋转的全息扫描盘，它承载多个全息小面，以便由所述诸全息小面衍射的方法聚焦和扫描所述激光光束，与此同时，当所述衍射的激光光束在激光扫描操作期间传送通过所述诸全息小面时，所述全息扫描盘对所述已衍射激光光束的零级衍射进行编码；以及检测装置，用于检测所述已衍射激光光束的所述零级衍射，以便确定在符号解码操作期间哪些扫描平面有待于有选择地滤出。
34．如权利要求33所述的全息激光扫描器，其中所述已衍射激光光束的所述零级衍射通过所述全息扫描盘上的全息光学元件，并产生起始/寻的脉冲，以与结合所述全息激光扫描器执行的缝合型或其它型解码过程一起使用。
35．一种全息激光扫描器，包括产生输出激光光束的激光器；具有旋转轴的支承盘，该支承盘具有内周边、外周边及限定在所述内周边和外周边之间的可用采光区；以及多个全息小面，每个所述全息小面在所述支承盘内周边和外周边之间承载在所述支承盘上，且每个所述全息小面具有用于采光操作的采光面积，其中对每个全息光学元件的采光面积的尺寸和形状的控制独立于所述输出激光光束的角扫描，以便在激光扫描操作期间最大地利用用于采光功能的盘表面面积。
36．一种具有预定激光扫描样式的全息激光扫描器的设计方法，包括以下的步骤(a)确定所述全息扫描盘的全息小面的尺寸和形状；(b)使用表面几何程序来创建所述全息激光扫描器的部件和所述激光扫描样式的几何模型；以及(c)使用电子表格建模程序来为所述全息激光扫描器及所述激光扫描样式创建解析模型。
37．一种用于全息激光扫描器的全息扫描盘的设计方法，所述全息激光扫描器能根据具有高度方向、长度方向和宽度方向尺寸的扫描器机体来产生预定的激光扫描样式，所述方法包括以下步骤(a)应用电子表格型计算机程序来创建用预定的全息小面支承盘和光束折转镜装置产生所述预定的激光扫描样式的过程的解析模型；以及(b)计算最优的一组全息小面参数，对于预定尺寸的全息小面支承盘，这组参数使所述扫描器机体在高度、长度和宽度方向的尺寸为最小。
38．一种设计全息激光扫描器的方法，包括以下步骤(a)为在条形码符号阅读操作期间约束在规定的扫描体积内的已知三维激光扫描样式而给扫描器机体规定最小高度(即深度)。
39．一种设计支持在三维扫描体积内的扫描线产生过程的全息激光扫描器用的工作站，所述工作站包括用于对所述全息激光扫描器的扫描样式的几何形状建模的装置；以及用于产生所述全息激光扫描器的所述扫描线产生过程的解析模型的装置。
40．一种用于构造具有一个或更多全息小面的全息扫描盘的方法，包括以下步骤(a)以第一调制指数制作所述全息扫描小面的第一部分；以及(b)以不同于所述第一调制指数的第二调制指数制作所述扫描盘的第二部分。
41．一种用于产生具有预定纵横比的激光光束的激光光束产生模块，包括产生激光光束用的激光二极管；非球面透镜；棱镜；以及单功能光衍射光栅。
42．如权利要求41所述的激光光束产生模块，其中所述单功能光衍射光栅是全息光学元件。
43．一种激光光束产生模块，包括产生具有非对称光束截面和象散特性用的激光二极管；控制所述激光光束纵横比及在棱镜之外消除所述激光光束的象散特性用的非球面透镜和棱镜；以及光衍射光栅，用于当在激光光束扫描操作期间所述激光光束传送通过全息扫描盘时减少所述激光光束各光谱分量的色散。
44．一种用于具有全息扫描盘的激光扫描器的激光光束产生模块，包括激光二极管，用于产生具有非对称光束截面和象散特性的激光光束；以及非球面透镜和光衍射光栅，用于控制激光光栅的纵横比，在光衍射光栅之外消除所述激光光束的象散特性，及在激光光束扫描操作期间当所述激光光束传送通过激光扫描盘时减少激光光束各光谱分量的色散。
45．一种激光光束光学模块的设计方法，该激光光束光学模块与其全息激光扫描器所采用的全息扫描盘和激光二极管一起使用，所述设计方法包括以下步骤(a)设计光学组件，以便(ⅰ)控制从所述激光二极管产生的激光光束的形状，(ⅱ)消除其中的内在象差，以及(ⅲ)当所述激光光束传送通过所述全息扫描盘时补偿在可见光激光二极管光谱输出中与波长有关的变化。
46．一种配置激光光束产生模块各参数用的装置，包括光具座；在所述光具座上的用具，用于支持所述激光光束产生模块；在所述光具座上的象限光电检测器，用于检测从所述模块产生的激光光束；在所述光具座上的光束扫描器，用于沿着对所述光具座限定的光轴测量所述激光光束的光束截面。
47．一种全息激光扫描系统，包括激光扫描盘，它具有放置在其上的多个全息扫描小面，用于在扫描场内扫描入射激光光束，及用于采集在所述扫描场内从被扫描的码符反射的光线以供以后聚焦和检测之用；放置在所述激光扫描盘底下的聚光镜，用于把由每个全息扫描小面采集的反射光线聚焦朝向在所述激光扫描盘之上的焦点；以及放置在所述激光扫描盘之上的所述焦点处的光电检测器，用于检测由所述聚光镜聚焦的并通过所述扫描小面传送到所述光电检测器的已采集光线的强度，以供为以后的处理检测并产生扫描数据信号之用；其中在所述扫描期间在所述激光光束入射角处每个所述扫描小面的光衍射效率显著大于在光检测期间从所述抛物面聚焦镜朝向光电检测器传送的所述已聚焦激光光束的扫描的光衍射效率。
48．如权利要求47所述的全息激光扫描系统，其中所述聚光镜具有抛物面反射表面。
49．如权利要求47所述的全息激光扫描系统，还包括放置在所述光电检测器前的光偏振滤波器。
50．如权利要求49所述的全息激光扫描系统，其中所述入射激光光束的偏振状态是S偏振，所述偏振滤波器的偏振状态是P偏振状态。
51．一种全息激光扫描系统，包括具有诸全息小面的激光扫描盘，用于采集从被扫描码符反射的光线；放置在所述激光扫描盘底下的抛物面聚光镜，用于聚焦由所述各全息小面采集的反射光线；以及放置在所述激光扫描盘之上的光电检测器，用于检测由所述抛物面聚光镜聚焦的已采集光线的强度。
52．一种全息激光扫描系统，包括具有体积型全息小面的激光扫描盘，用于采集由被扫描条形码符号反射的光线；放置在所述激光扫描盘之下的抛物面聚光镜，用于聚焦由所述诸全息小面采集的反射光线；以及放置在所述激光扫描盘之上的光电检测器，用于检测所述已聚焦光线的强度。
53．一种码符阅读系统，包括第一激光扫描器，用于检测码符在三维扫描体积中的位置；以及第二扫描器，用于扫描码符被检测的位置或区域，以采集扫描数据供解码处理之用。
54．如权利要求53所述的码符阅读系统，其中所述第一激光扫描器是全息激光扫描器。
54．如权利要求54所述的码符阅读系统，其中所述第二扫描器是二维型扫描器。
56．一种全息激光扫描器，包括机体；以及在所述机体内的全息激光扫描装置，用于在三维扫描体积内产生二维光栅扫描样式。
57．如权利要求56所述的全息激光扫描器，其中所述机体是可用手支持的。
58．如权利要求57所述的全息激光扫描器，还包括不使用可用手操作的触发器的自动启动激光扫描的装置。
59．一种可用手支持的全息激光扫描器，包括可用手支持的机体；以及在所述机体内的装置，用于在三维扫描体积内产生二维光栅扫描样式。
60．一种激光扫描系统，包括用于产生高分辨率二维扫描场的装置；用于在三维扫描体积内操纵所述二维扫描场的装置。
61．一种全息激光扫描系统，包括具有诸小面的激光扫描盘，该小面具有双干涉条纹对比度区，用于优化扫描及采光操作。
62．一种手持式全息扫描器，包括手持式机体；用于产生高分辨率二维扫描场的在所述机体内的装置。
63．一种全息激光扫描系统，包括激光扫描盘，该盘利用其最大采光表面面积，并具有已优化采光效率的诸全息扫描小面。
64．一种全息激光扫描系统，包括扫描器机体；以及全方向三维扫描体积，其中所述全方向三维扫描体积与所述扫描器机体体积之比大于5。
65．一种全息激光扫描系统，包括机体；以及在所述机体中的装置，用于为在三维扫描体积内的全方向码符扫描产生诸交叠的象散扫描平面。
66．一种全息激光扫描系统，包括抛物面集光镜，该集光镜的光轴校准成偏离所述诸全息扫描小面的布拉格角。
67．一种全息激光扫描系统，包括光电检测器；放置在所述光电检测器之前的正交偏振滤波器；以及具有优化到所述偏振滤波器的诸全息小面的激光光束扫描盘。
68．一种全息激光扫描系统，包括高度约束的三维扫描体积，用于空间受限制的扫描环境。
69．一种全息激光扫描系统，包括在几何上严格定义的三维扫描空间内的全方向激光扫描场。
70．一种全息激光扫描系统，包括激光光束扫描盘，该盘具有反射型体积全息片作为激光光束扫描元件。
71．一种全息激光扫描系统，包括机体；放置在所述机体内的激光扫描装置，用于在严格定义的三维扫描体积内产生投影在工作表面上的全方向激光扫描样式；其中所述激光扫描装置包括产生一个或多个激光光束的一个或多个激光二极管，还包括可围绕转轴旋转的全息激光扫描盘，用于在所述三维扫描体积内扫描所述一个或多个激光光束。
72．一种计算机工作站，用于设计以上任一权利要求所述的全息激光扫描器。
全文摘要
能在高度受约束(即受控制)几何形状的或大或小的扫描体积内阅读一维和二维条形码符号和其它类型图形标记的、产生三维激光扫描体积的超紧凑设计的全息激光扫描器(1),该全息激光扫描器使用包括承载多个小面(9)的旋转盘(7)的全息光学元件(13A、13B、13C),还使用至少一个可见光激光二极管(12A、12B、12C)。三维激光扫描体积具有多个焦平面及高度约束的几何形状,该几何形状围绕从全息扫描器(1)含有壁孔的扫描窗延伸的投射轴向外扩展。
文档编号G07G1/00GK1209892SQ96180004
公开日1999年3月3日 申请日期1996年12月18日 优先权日1995年12月18日
发明者勒鲁伊·迪克森, 约翰·格鲁特, 托马斯·阿蒙森, 哈里·诺尔斯 申请人:计量器具公司