专利名称：在高强度环境光中具有改善的性能的电光读取器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电光读取器，诸如激光扫描仪，更具体的，涉及当在高强度环境光中读取诸如条形码符号的标记时改善的读取器性能。
用来读取各种符号表征，诸如出现在标签上或物品表面上的通用产品代码(UPC)条形码符号的条形码读取器是现有技术中公知的。条形码符号本身是编码的图形标记图案，包括一系列各种宽度的条，它们被相互隔开以限定各种宽度的空白，条和空白具有不同的光发射特性。读取器将图形标记电光转换为电信号，该信号被解码成信息，典型的是对物品或物品的某些特征的描述。此信息通常用数字形式表示并用作对于数据处理系统的输入，该系统用于销售点运行、库存控制等方面的应用。
这种常规类型的读取器已经在例如授予与本申请相同的受让人的美国专利No.5,600,121中被公开，且可以采用由用户持有的便携式激光扫描装置，其被配置为允许用户将该装置，特别是扫描激光束瞄准到要读取的目标符号。在本领域公知的移动激光束读取器中，激光束被透镜或其他光学元件沿光路作为束斑聚焦到目标上，该目标包括条形码符号。移动光束读取器以如下方式运行利用扫描元件，诸如置于光束路径上的移动反射镜的移动，重复扫描符号上的扫描图案中的束斑。扫描元件或者扫过符号上的束斑并示踪符号上的一条扫描线或一系列扫描线或其他图案；或者扫描读取器的视场；或者二者均扫描。
条形码读取器还包括传感器或光电探测器，其检测从符号反射或散射的光。光电探测器或传感器位于读取器中的一光路上，以使得其所具有的视场确保捕获一部分从符号反射或散射的光。该光被检测到并转换为电信号。电子电路和软件将电信号解码成由已被扫描的符号表征的数据的数字表示。例如，光电探测器产生的模拟电信号被数字转换器转换成脉冲宽度调制数字化信号，其宽度相应于条和空白的实际宽度。然后此数字化信号被基于符号所使用的特定符号表征法而解码成符号中所编码的数据的二进制表示，随后解码成所表示的信息或文字数字字符。此信号处理器在授予与本申请相同受让人的美国专利No.5,734,153中被公开。
条形码读取器需要在不同的环境光照情况下工作，包括室内的办公室光照和室外的太阳光，室内和室外的光照范围都是从暗淡到明亮。采用光和电措施的结合来避免明亮的环境光盖过读取器，同时避免不能成功解码并读取要读取的标记。可以针对处于预期光强度等级的室内或者室外光照来优化这些措施，但是不适合针对两者都进行。因此，当要求读取器在非最优的光强度等级中工作时，性能就会有损失。
一类读取器称作后向反射(retro-reflective)或者后向会聚(retro-collective)，涉及到光聚集光学系统，其中与激光束一起扫描视场。典型的，用于发射激光束到符号的扫描反射镜还聚集从符号散射的光并将聚集光引导到传感器上。这允许视场相对小，因为视场只需要足够大，以看见聚焦的激光束斑并且调节倾向于将束斑移出视场中心的制造公差。
后向反射的读取器中的扫描反射镜需要相对较大，因为扫描反射镜的表面区域确定了多少散射光可以被收集。然而，大的扫描反射镜要求在扫描过程中有更多的电能被振荡，当振荡太快的时候会产生不期望的抖动，并且需要更多地保护其免受外部的冲击力。即使这些因素对于手持读取器是所不期望的，多数读取器仍采用后向反射系统，主要是因为这些读取器对小视场所承受的不同等级的环境光较不敏感。
另外一类读取器称作非后向反射或者非后向会聚，涉及到视场固定的光聚集光学系统。典型的，扫描反射镜仅用于将光束发射到符号，同时采用一个独立的具有宽的、固定的视场的光学系统来收集散射光。束斑在符号上的扫描图案中扫过，视场必须足够大以使传感器能够看到整个扫描图案，该扫描图案可能是单条线或者多条线。因此，非后向反射系统的视场比后向反射系统的大几倍，收集的环境光连同从符号散射的光也会成正比地增加。因此，难于采用在所有环境光照状况下都工作良好的非后向反射系统。
然而，使用非后向反射系统具有明显的优点。扫描反射镜可以被做得很小，因为它只需要调节聚焦的束斑。小的扫描反射镜可以不需要消耗大量电能而容易地振荡，即使在高速振荡中也只会产生轻微的抖动，更易于防震以阻止外部震动力带来的损害，而且与后向反射系统的大扫描反射镜相比不太昂贵。
显然，如果由于环境光固有的大视场带来的环境光问题能够被减少或者消失，则利用非后向反射系统的优点将是有利的，尤其是在手持读取器的情况下。在这个方向指引下的一个措施是通过使用镜头来控制视场的垂直尺寸，并使用读取器的外壳来限制视场的水平尺寸，来减小非后向反射系统中的视场。这使得读取器能够在所有预期的、室内的、人工照明的光照条件下可靠的工作，但是如果该读取器在比室内最强光照还要强超过50倍的直接阳光的环境下工作仍然需要进行折衷。
在典型的反向反射或非反向反射的读取器中，光学聚集装置将从符号标记散射的激光聚集，并集中该聚集光到作为传感器的光点二级管上。光学聚集装置也不可避免地将环境光聚集并集中到光点二级管上。光电二级管产生与全部聚集的光线的强度成正比的电流。电流被施加给互阻抗放大器的输入，该互阻抗放大器用于产生与电流成正比、进而与全部聚集的光线的强度也成正比的输出电压。输出电压随着聚集光线强度的增大或者减小而增大或减小。如果聚集的光线强度足够亮的话，输出电压将非常高以至于放大器无法产生更高的电压。这种情况称为饱和，当这种情况发生时，读取器将不起作用，因为从符号取得的数据信号将会丢失。
因为这个原因，当设计必须要在明亮的阳光下工作的读取器时，标准操作必须把互阻抗放大器的增益降低到即使是在阳光下也不会产生饱和的点。因此，具有大视场并聚集大量环境光的非反向反射读取器必须被设计为比那些视场更小并因此聚集更少环境光的反向反射读取器具有更低的互阻抗放大器增益。这些互阻抗放大器的增益由反馈电阻器控制。降低反馈电阻器的电阻就可以降低增益，反之亦然。
不幸的是，降低反馈电阻器的电阻使数据信号比噪声信号减小得更快，以致于放大器输出信号的信噪比由于增益的降低而变得更差。因为非反向反射读取器需要具有比反向反射读取器更低的增益(为了防止饱和)，所以非反向反射读取器具有较差的信噪比，这劣化了它们的性能，即使是在室内光照条件下工作时。所以，反向反射读取器较好的信噪比以及伴生的扩展的工作范围是其流行的主要原因。
在美国专利No.5,923,021的图9-11中提出了现有技术的用来处理光电二极管的输出信号的前置放大器电路。这些电路包含降低了反馈电阻器电阻由此会降低增益并恶化信噪比的组件，或者包含会引入来自双极晶体管或二极管的散粒噪声或白噪声从而再次恶化信噪比的组件。因此，这种前置放大器电路并不能令人满意地使读取器能够在所有的光照情况下可靠运行。
因此，本发明的一般目的是使反向反射和非反向反射电光读取器能够在较广范围的不同环境光照状况下可靠地读取标记。
更具体的，本发明的目的在于提高读取标记的性能而不牺牲互阻抗放大器的增益，并且不向信号处理电路引入附加的噪声。
本发明的另一个目的是使得非反向反射读取器能够接近反向反射读取器的性能水平。
本发明的另一个目的是即使是在明亮的阳光下也可以防止高增益互阻抗放大器饱和。
为了与上述目的和下面变得显著的其他目的一致，简要地说，本发明的一个特征在于一种设备和一种方法，用来改善在宽范围的环境光强度下电光读取器读取标记(诸如条形码标记)的性能。该设备包含用于聚集来自标记的光线同时伴随地聚集环境光的传感器，以产生与聚集光强度成正比的传感器信号。有利的是，该传感器是将传感器信号产生为电流信号的光电二极管。
该设备还包含具有连接到传感器的放大器输入的放大器，该放大器用于放大传感器信号，来在放大器输出处产生与所聚集光的强度成正比的输出放大信号，优选的是电压信号。电阻器连接在放大器的输入和放大器的输出之间，向放大器提供对于在高强度环境光下驱动放大器进入饱和而言足够高的增益。
根据本发明，补偿调节电路连接在放大器的输入和放大器的输出之间，以防止放大器在高强度的环境光下饱和，而不降低放大器的高增益。调节电路具有可变电阻，该可变电阻被输出的放大信号控制并与该信号成反比。在高强度的环境光下当输出的放大信号增大时放大器输入处的电阻减小，以防止放大器饱和。
在优选的实施例中，调节电路包含场效应晶体管(FET)用作可变电阻，其电阻被输出的放大信号控制。当输出的放大信号接近引起饱和的水平时，FET的电阻下降，补偿电流被施加给放大器的输入，该输入进而迫使放大器不饱和。环境光越亮，补偿电流越大，因此，即使在最亮的阳光下，放大器也不会饱和。结果，放大器增益可以如所期望的高以使信噪比最大化，而不用担心饱和。同时，可变电阻不影响反馈电阻器的电阻，不改变放大器增益，并且不引入散粒噪声或白噪声到输出的放大信号。
图1是根据现有技术的非反向反射电光读取器的透视图；和图2是根据本发明的通过图1的读取器使用的用于改善性能的设备的电路示意图。
正如在这里使用的，术语“符号”广义地不仅包含由交替的不同宽度的条和空白组成的符号图案，如通常所称的条形码，还包含其他的一维或者二维的图形图案，以及文字数字字符。通常，术语“符号”可以应用于任何类型的图案或标记，这些图案或标记可通过扫描光束和检测反射光或散射光而识别或标识为在图案或标记的不同点处的不同光反射率的变化的表示。图1示出了标记15作为要读取的“符号”的一个示例。
图1描述了用来读取符号的手持激光扫描装置10。激光扫描装置10包含外壳，该外壳具有桶部11和把手12。尽管该图描述了一个手持手枪形状的外壳，但是本发明也可以实现为其他类型的外壳，诸如台式工作站或者固定扫描仪。在所例示的实施例中，外壳的桶部11包含出口或者窗口13，发射出去的激光束14可以经过它照射到与距离外壳有一定距离的条形码符号15并且对其进行扫描。
激光束14在符号15上移动以创建扫描图案。典型的，如线16所示，扫描图案是一维的或者直线的。该激光束14的直线扫描移动是由被振荡马达18驱动的振荡扫描反射镜17产生的。如果需要的话，可以提供装置来将光束14扫描过二维扫描图案，从而使得可以读取被二维光学编码的符号。手动致动开关19或者类似的装置允许当操作者手持装置10并且将其对准符号15时使操作者开始该扫描操作。
扫描装置10包含装配在外壳内的激光源20，如，气体激光管或者半导体激光二极管。激光源20产生激光束14。光电探测器21位于外壳内，以聚集一部分从条形码符号15反射和散射的光。光电探测器21，如图所示，面向窗口13，具有如前面所述的非反向发射读取器的固定的、宽的视场的特征。另选的，在反向发射读取器中，扫描反射镜17的凹面部分可以聚焦在光电探测器21聚焦的光线，这种情况下光电探测器面向扫描反射镜。当激光束14扫过符号15时，光电探测器21检测从符号15反射和散射的光，并产生与聚集光强度成正比的模拟电信号。处理这种模拟信号的细节，特别是在不同的环境光状况下，构成了本发明的基础并且在下面详细描述。
数字转换器(未示出)典型地将模拟信号转换为脉冲宽度调制数字信号，脉冲宽度和/或脉冲间距与扫描符号15的条和空白的实际宽度对应。解码器(未示出)典型地包括被编程的、具有关联的RAM和ROM的微处理器，根据特定符号表征法将脉冲宽度调制数字信号解码以导出在符号中的编码的数据的二进制表示，和由符号表示的文字数字字符。
激光源20引导激光束穿过包括聚焦透镜22和孔径光阑23的光学组件，以修正并引导激光束到扫描反射镜17上。安装在垂直轴上并由电机驱动器18绕垂直轴振动的反射镜17反射光束并引导其经过出口13到符号15。
为了操作扫描装置10，操作者按下触发器19，该触发器19启动激光源20和电机18。激光源20产生激光束，该激光束穿过元件22和孔径23的组合。元件22和孔径23修正光束以产生一给定尺寸的强烈的束斑，其在工作距离范围24上基本没有变化。元件和孔径的组合引导光束到旋转反射镜17上，其引导修正的激光光束从扫描仪外壳11出来并以扫描图案，即，沿扫描线16，射向条形码符号15。置于工作距离24内的任何点的条形码符号15反射和散射激光的一部分。光电探测器21，示为安装在扫描仪外壳11的非后向反射位置，检测反射和散射光，并将接收的光转换成模拟电信号。光电探测器也可安装在面向扫描反射镜17的后向反射位置。系统电路随后将此模拟信号转换成脉冲宽度调制数字信号，基于微处理器的解码器根据条形码符号表征规则的特征解码该信号。
根据本发明，如图2所示，光电探测器21，示为光电二极管，聚集来自符号15以及来自环境光的光线25，并产生传感器信号，图中示为大小与聚集的光线强度成正比的电流IAMB。因此，传感器信号具有与符号中编码的信息对应的数据成分，以及与环境光对应的噪声成分。
传感器信号被施加给互阻抗放大器(TIA)27的负的、反向放大器输入26，互阻抗放大器还具有连接到直流基准电压VREF的、正的非反向放大器输入28。TIA 27放大传感器信号以产生输出的放大信号，示为大小也与在放大器输出29处的聚集光线的强度成正比的输入电压Vo。尽管TIA由单个三角形符号来表示，但是其不限于使用一个可工作的放大器。可以使用多于一个的可工作放大器来达到更高的带宽。符号TIA也包含附加的晶体管放大器。
反馈电阻器RF与TIA相连，用来对TIA给予对于在存在诸如阳光的高强度环境光时将TIA驱动到饱和而言充分的高增益。根据上面的解释，高增益对于良好的信噪比和长工作范围是希望的，但是会导致TIA更容易被驱动至饱和，尤其是在存在明亮的环境光时。反馈电容器CF并行地与反馈电阻器连接。在优选实施例中，RF是400千欧姆，CF是1.8微微法拉。
补偿调节电路连接在放大器的输入端26和放大器输出端29之间，用来在明亮的环境光中防止TIA发生饱和，而不降低其高增益。调节电路包含场效应晶体管(FET)30，它具有栅极端子(G)，其经由包含电阻器32和电容器33的第一滤波器31连接到放大器输出29；源极端子(S)，其连接到放大器输入端26；漏极端子，其经由包含电阻器35和电容器36的第二滤波器34连接到直流电压电源VS。
FET是可变电阻器，其阻抗可以被输出的放大信号Vo控制，并与该信号成反比。当TIA的输出接近饱和时，FET的电阻下降，补偿电流IOFFSET被施加给放大器输入26，该放大器输入26进而迫使TIA的输出不饱和。环境光越强，补偿电流越大，因此，即使在强阳光下，放大器也不会饱和。结果，TIA的增益可以如所期望地高以最大化信噪比，而不用担心饱和。
当图2的设备暴露于室内光线时，即，光线强度比阳光弱时，输出的放大信号足够低以至于FET根本不会被启动，因此实质上是把FET从电路中移走。所以，FET即使是连接到很高增益的放大器也不会增加任何噪声。
第一滤波器31用来过滤掉与符号对应的高频数据成分，以使得只有强阳光产生的大的直流信号才能控制FET。第二滤波器34用来过滤掉可能出现在电源VS中的高频噪声成分，来消除不经意地将噪声引入放大器输入端26的可能性。
所请求保护的新的并期望被专利证书保护的内容在所附权利要求书中提出。
权利要求
1.一种用于改善电光读取器在环境光范围中读取标记的性能的设备，包括a)用于伴随有聚集环境光而聚集来自标记的光的传感器，以产生与聚集光的强度成正比的传感器信号；b)放大器，具有连接到传感器的放大器输入，该放大器用于放大传感器信号以在放大器输出处产生与所聚集光的强度成正比的输出放大信号；c)连接在放大器输入和放大器输出之间的电阻器，用于对放大器给予对于在高强度环境光下将放大器驱动到饱和而言充分高的增益；d)连接在放大器输入和放大器输出之间的补偿调节电路，用于在不降低放大器的高增益的情况下防止在高强度的环境光下放大器的饱和，该调节电路具有可变电阻，该可变电阻受输出放大信号控制并与该信号成反比，当在高强度的环境光下输出放大信号增大时放大器输入处的该电阻减小，以驱使放大器远离饱和。
2.如权利要求1所述的设备，其中传感器是将传感器信号产生为电流信号的光电二极管。
3.如权利要求2所述的设备，其中放大器是将输出放大信号产生为电压信号的互阻抗放大器。
4.如权利要求3所述的设备，其中互阻抗放大器具有被施加了基准电压的非反向输入，并且其中放大器输入是反向输入。
5.如权利要求4所述的设备，反馈电容器连接在反向输入和放大器输出之间。
6.如权利要求1所述的设备，其中调节衰减电路包含场效应晶体管(FET)用作其电阻受输出放大信号控制的可变电阻器。
7.如权利要求6所述的设备，其中FET具有连接到放大器输出的栅极端子，连接到放大器输入的源极端子，以及连接到电压源的漏极端子。
8.如权利要求7所述的设备，连接到漏极端子的滤波器电路用于过滤掉来自电压源的高频噪声，以使其不到达放大器输入端。
9.如权利要求7所述的设备，连接到栅极端子的滤波器电路用于从放大输出信号中过滤掉高频噪声。
10.一种对在环境光范围中电光地读取标记进行改善的方法，包括以下步骤a)伴随有聚集环境光而聚集来自标记的光，以产生与聚集光的强度成正比的传感器信号；b)利用放大器来放大传感器信号，以产生与聚集光的强度成正比的输出放大信号；c)对放大器给予对于在高强度环境光下将放大器驱动到饱和而言充分高的增益；d)通过由输出放大信号反向控制在放大器输入处的电阻，在不降低高增益的情况下，防止在高强度的环境光下放大器饱和，当在高强度的环境光下输出放大信号增大时放大器输入处的电阻减小，以驱使放大器远离饱和。
11.如权利要求10所述的方法，其中控制电阻的步骤是由用作连接于放大器的可变电阻器的场效应晶体管执行的。
全文摘要
通过利用场效应晶体管作为可变电阻的补偿调节电路，来使高增益、低信噪比的互阻抗放大器即使在明亮的太阳光下也可避免进入饱和。
文档编号G06K7/14GK1989510SQ200580024869
公开日2007年6月27日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年7月23日
发明者爱德华·巴肯, 比德·法泽卡斯 申请人:讯宝科技公司