专利名称：带扫描范围及光点尺寸自动调整的激光扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于读出诸如条型码符号的激光扫描头所用激光源，所说符号的不同部分具有不同的反射特性。
迄今已提出多种光学阅读器及光学扫描系统，用于阅读出现在标签上或物品表面上的条型码符号。条型码符号是一种编成代码的标记图案，由一串宽度不等且彼此间隔不等的竖条组成，竖条和间隔具有不同的光反射特性。阅读器和扫描系统将这种图形标记光-电转换成电信号，电信号又被解码成为标明物品或对其某些特征说明的数字符号。这种符号常被表示成数字形式，作为输入信号给销售点、货单检验等的数据处理系统。这种普通型的扫描系统已由诸如美国专利4251798、4369361、4387297、4409470、4760248以及4896026所公开，所有这些专利已转让给本申请的受让人。
正如上述专利中的一些所公开的，这种扫描系统的一个实例特别是置于由使用者支撑的手持式便携激光扫描头，其形状使得使用者可以将该扫描头，确切地说，是光束对准目标，阅读符号。
激光扫描器中的光源通常为气体激光器或半导体激光器。采用半导体器件，如激光二极管做扫描系统中的光源尤为合适，因其尺寸小，价格低，且需用功率低。激光束常由一聚光透镜光学地整形成一束中部的收敛的腰部的光束，其束宽随着距离由大变小，直至最小，或者说达到腰部，以后再增大。聚焦这束光，致使在目标所在的位置处得到一个所需大小的光点;常常是将腰部设置于目标所在的位置处。最好选择在目标处光点的大小近似地等同于不同光反射率区域，即条型码符号的竖条和间隔中最小的宽度。
条型码符号由多个竖条或者元组成，它们常为具有多种可能宽度的矩形形状。按照一组规则，这些元的特定排列根据所用编码或所用的“符号表示法”所规定的一组规则或定义限定一字符。竖条与间隔的相对尺寸由所用编码类型确定，它们相当于竖条与间隔的实际尺寸。每英寸条型码所表示的字符数称为符号密度。为了编码所需的一字符序列，将元的组连在一起形成完整的条型码符号，每个字符由其对应的元组表示。在某些符号表示法中，以特有的“起始”和“停止”记号表示其中条型码的开始和终结。有若干种各异的条型码符号表示法。这些符号表示法包括诸如UPC/EAN，Code39，Code128，Codabar以及“交叉25码”(Interleaved2of5)等。
为了增加给定大小的表面区域上所能表示或能贮存的数据量，近来提出几种新的条型码符号表示法。这些新的编码标准当中的一种，Code49利用竖直地堆起多行符号来替代水平地延展竖条，引入“两维”概念。也就是有几排竖条与间隔图案来代替唯一的一排。美国专利4794239描述了Code49的结构，因而将它列为参考文献。现有技术的扫描系统中，利用透镜或类似的光学部件，使光束沿光路射向带有条型码符号的目标。
扫描是通过光束沿着一条直线或一系列直线反复地扫过符号来实现的。扫描部件可使光点摆动通过条型码符号，并循着扫描线越过该符号，或者扫描扫描器的视场，或者二者兼做。扫描系统还包括传感器或光电探测器，用以检测自该符号反射的光。因此，这种光电探测器应置于扫描器内或在光路中，具有横越并稍稍超出符号的视场。一部分自条型码符号反射的光被检测到，并转换成电信号，而电子线路或程序系统将电信号解码成为与被扫描的条型码符号所代表的数据的数字表示。例如，来自光电探测器的模拟电信号常常被转换成具有与竖条及间隔的实际宽度相对应宽度的脉冲宽度调制数字信号。此后，按照特定的符号表示法将这种信号解码成编码于该条型码符号中数据的二进制表示，并表示为字母或数字字符。
公知扫描系统中的解码过程通常按如下方式进行。解码器自扫描器接收脉宽调制数字信号，同时程序系统中执行的算法着手解码该扫描。如果成功地并完全地解码扫描中的起始和停止符号以及其间的各符号，则解码过程结束，向使用者提供阅读完成的指示(譬如绿光和/或可闻的嘟嘟声)。另外，解码器接收下一个扫描，执行有关扫描的又一次解码操作，如此等等，直至得到完整解码的扫描，或者不再能得到更多的扫描。
此后，按照特定的符号表示法将这样的信号解码成编码于条型码符号中的数据的二进制表示，并表示为字母或数字字符。
以不同的密度印制条型码符号。例如，高密度条型码符号(线宽≤5密耳)用于小范围(如集成电路)、信息密度大的符号;又如低密度条型码(线宽≥50密耳)，用于仓储包装(如UPC/EAN条型码)及容器。通常选择扫过条型码符号的光束的宽度与各不同光反射特性区域中最小宽度(如条元的最小宽度)相当，因而需用不同宽度的光束阅读不同密度的条型码。此外，同一密度的条型码可被置于离激光扫描头不同距离处，这就有必要对应于众多的离扫描头不同距离来变化光点的大小。
常规的激光扫描器有一聚光透镜来聚焦激光束，使光点的大小对准条型码阅读器所要工作的区域。这样装配的聚焦系统，常使扫描器前面有一“盲区”，就进行扫描而言，那里的光点尺寸太大。再有，这样的扫描器必须在制造厂内经过沿着光轴调整聚光透镜，同时监视光点大小，然后将该透镜永久性地固定在达到所需光点尺寸的位置处，以此使该扫描器聚焦。这种步骤是相对地更花费时间的步骤，从而增加了激光扫描器的制作成本。
为改进这种固定聚焦的扫描器，提出了各种建议。Bergstein在先申请的美国专利申请U.S.S.No7/503，374揭示了一种无焦光学系统，其中激光束受到准直，其宽度(或光点大小)在很宽的范围内几乎维持恒定(也即尽可能多地减少光束腰的形状)。Krichever等人的美国专利4808804表示把不同的聚光透镜元件移入及移出激光束光路，同时沿光轴移动激光二极管，以改变工作距离和/或光束的光点尺寸。Gabeler的美国专利4920255号给出一种阅读条型码的装置，它采用超声测距系统来检测带条型码的表面区域，并用被检测的区域来规定在条型码上聚焦激光束的光学器件的位置(从该超声测距系统输出的信号沿激光聚焦光学器件驱动一个步进电机)。Drucker的美国专利4831275号揭示了一种变化的装置，用以光学地修正自条型码符号反射的光，从而改变该符号在条型码阅读器内光电探测器上聚焦的距离;这项技术包括透镜形状的变化，沿光路移动孔径，移动反射镜(或纤维光缆)并提供一排传感器，它们的每一个在不同的区域有效地聚焦。美国专利4，333，006号揭示了用多种由旋转光盘所得到的变焦距全息照相图在不同的重叠距离区域聚焦。
一般地说，本发明以激光扫描头为其特征，其中光束腰的变化与条型码符号的实际范围大小无关。在优选实施例中，光学部件为一聚光透镜，由磁性线圈使其运动;透镜的运动与激光束的扫描运动无关，以便在光束腰范围内得到一个连续的渐进变化(如连续振荡)，因而在变化的某一点处，条型码符号上的光点大小为一合适的尺寸。在另一优选实施例中，透镜的运动与光束扫描同步(比如，同一光点尺寸可维持于若干次扫描中)。
在又一优选实施例中，通过改变光束腰的范围直至自条型码符号反射光中的反差超过一予定值来自适应地选择光点尺寸。这项技术具有实质上超过其它方法的优点，比如它缩短了解码所需的时间，获得更加准确的解码，并减少了光学部件的移动量(于是，随着这种运动的结果，也降低了机械装置的磨损及能耗)。这种自适应方法取得常用条型码扫描器的优点;同样的扫描器可用于不同的范围，即使是对于那些不同的密度情况。不过，常常是在一段持续的时间内将其重复地使用于同样的范围和同样的密度。通过自适应地选择光束腰的范围，该范围可被设定并保持一段持续的时间，或许仅做很少的不经常遇到的调整。这样可以更快地实现解码(因为省去了那些范围在不适宜的值中试验所要耗费的时间)，而且解码也愈加准确(因为可以逐步地调节光束上的光点大小，甚至大部分时间无需移动)。
本发明具有光束宽度变化的优点，提供了对各种范围，各种密度的扫描。与其象无焦系统中那种试图减小或消除激光束的腰形形状的作法，倒不如本发明为了进步而采用腰形形状。对于任何给定的条型码符号范围，为扩大在该符号上的光点尺寸，移动腰的位置，使其位于符号的后面或者前面。这样，在任何宽阔的条型码符号范围变化中，可达到光点尺寸的宽阔变化，这就使得同样的激光扫描头可成功地用于多种不同的应用中。
本发明的再一优点是可大大减小扫描器前面的“盲区”。
本发明的又一优点是可完全避免在制造厂中调整焦点，这样，甚至对用于一种范围、一种密度的扫描器，本发明仍是有利的，甚至对简单的扫描头，其制做成本仍是降低的。
本发明避免了复杂性以及使用单独的范围寻找传感器来确定目标区域，再指示焦点变化所需的费用。本发明的同步方法特别适用于高速扫描的条型码扫描器，这种方法中光束的范围(即光束腰的范围)自一个区段移向另一区段，并在每一步都保持在一个固定的区段上有一个予定的扫描周期数。
本发明的其他特点及优点，从下述优选实施例和权利要求将是显见的。
图1是带有本发明激光光源的激光扫描头截面图;
图2是沿图1的2-2线的剖面图，表示激光变焦系统以及附加光电检测器的位置;
图3A是沿图2的3-3线的纵剖图，表示本发明激光光源的一个实施例;
图3B是沿图2的3-3线的局部纵剖图，表示一个变形的孔;
图4是沿图3A的4-4线的截面图;
图5是沿图3A的5-5线的截面图;
图6是沿图2的3-3线的纵剖图，表示本发明激光光源的另一实施例;
图7是沿图6的7-7线的截面图;
图8是沿图6的8-8线的截面图;
图9是本发明激光光源的再一实施例截面图;
图10是沿图2的3-3线的纵剖图，表示本发明激光光源的另一实施例;
图11是沿图10的11-11线的截面图;
图12是本发明一个实施例的总光路图及电路方框图;
图13是对本发明一个实施例的激光光点大小变化的图解表示;
图14是对本发明另一实施例的激光光点大小变化的图解表示;
图15是本发明一个实施例的总光路图及电路方框图;
图16是对本发明又一实施例的激光光点大小变化的图解表示;
图17是在激光束的不同范围，也即聚光透镜的不同位置处激光束腰形形状的图解表示;
图18和19是聚光透镜的位置与激光束范围之间关系的图解说明;
图20是带本发明激光光源的激光扫描头另一实施例的纵截面图;
图21是本发明激光光源又一实施例的纵截面图。
图1表示在譬如美国专利4897532(列为参考文献)中较为充分地描述过的手动激光扫描头10。其它类型激光扫描头也可被本发明使用。激光扫描头通常用于读出由不同光反射特性的部分所组成的符号。这样的符号包括黑、白工业用条型码符号，如Code2＝39、Codabar、“交叉25码”(Interleaved2of5)，还包括普适的UPC条型码。所说的符号也可以是任何字母符号和/或数字字符。所说的符号被置于背景范围中，在那里，符号或者至少其一部分与背景相比具有不同的光反射特性。读出这种符号尤其有益于自动控制场合及物体的识别。
现在参看图1-2，扫描头10通常具有枪型外壳，它有手柄部分12和主体部分14。手动扳机16启动扫描器，使激光源18沿光轴20发射一束激光。激光束受到扫描反射镜22反射，经窗口24自扫描头射出，照到符号28上(图中扫描头前面的符号区未按比例表示)。扫描反射镜22装在高速扫描电机26上，交替地往复摆动该反射镜，使来回扫过符号28。自符号反射的光通常由凹球面集光镜32聚集，将反射光限定为一锥形30(反射激光束的反射镜22为一小的平面反射镜，顺着凹球面集光镜32的一边放置)。反射光锥形30由镜32指向光电探测器34(最好是光电二极管)，该探测器产生一表现测得的可变光强度的电模拟信号。镜32还可用来聚焦并沿着与激光束同一轴引导一束瞄准光。所说的瞄准光由光源36(如发射可见光的二极管(LED)、白炽光源或者氙闪光管)产生，并由冷反射镜38向着凹球面镜32反射。所说的冷反射镜可透过激光波长的光，却反射瞄准光的波长的光。
现在转看图3A、3B、4和5，这里表示了激光源的一个优选实施例。激光二极管50支撑在激光座51中，激光座卡紧于基座53上。激光二极管沿光轴20发射一束激光，这束激光受到聚光透镜52聚焦;所说的透镜受磁性线圈54的驱动，沿光轴纵向移动。从透镜52出射的光穿过孔56。孔可以是譬如圆形开口(图3A)或者矩形狭缝(图3B)。透镜52支撑于支承部件60中;孔56则形成于孔径部件58中，孔径部件套在透镜上。将透镜支承部件60支承在一对片状弹簧62上，使它可沿光轴纵向振荡。片状弹簧还支承着两个永磁铁64、66和软铁部件68。通过改变磁性线圈54所产生的磁场强度实现聚光透镜的运动。
图6～8示出了激光源18的另一个优选实施例。激光二极管50支撑于支座51中;支座卡紧在基座53中。由该二极管发射的激光束沿着光轴20通过聚光透镜52及孔56;孔可为圆型开口(图6)或者矩形狭缝(未示出，不过与图3B相似)。孔形成于孔径部件58中;孔径部件套在透镜上。在本实施例中，通过装在透镜支承部件60上的磁性线圈54来实现聚光透镜的运动;该线圈随透镜运动。透镜支承部件60支承在一对片状弹簧62上。永磁铁64的中心有孔，供激光束穿过，它与软铁部件68结合，相对于激光二极管被安置在适当的位置。随着给线圈的交流电幅值的增加，该线圈被拉向永磁铁64，进而进入包围着的软铁部件68内。将磁性线圈放在运动部件上，而将较重的永磁铁和软铁部件放在固定部件上，这就减少了必须要移动的质量，从而改善了透镜运动的高频响应。图7中还表示出紧固于基座53上的光电探测器34。
图9示出激光源的第三优选实施例。在这个实施中，将磁性线圈及软铁部件68固定在基座53上，永磁铁64则与可动透镜装在一起。激光自被支承在激光座51中的激光二极管50发射出来，穿过聚光透镜52、孔56和永磁铁64中的开孔。增加线圈的磁场强度，透镜52、透镜支承部件60以及永磁铁64即朝磁性线圈54移动。
图10～11表示了激光源的第四个优选实施例。激光二极管50被卡紧于基座53上;聚光透镜52支撑于透镜支承部件60上，由带有孔径56的孔径部件58套在它上面。透镜支承部件和孔径部件都跨放在管状座架61内。螺旋弹簧62阻碍透镜及透镜支承部件朝激光二极管移动。永磁铁64随透镜组件一起运动，该磁铁被容置在由磁性线圈54包围的软铁套68里面。增加供给磁性线圈54的电流幅度，使永磁铁64被拉向磁性线圈，因而缩短了聚光透镜和激光二极管之间的间隙。
所描述的这四种激光源中的任何一种都可与三种优选的透镜控制系统一起被采用。图12表示了第一种透镜控制系统，图中图解地表示出基本光路。自激光二极管50发射的激光束受到聚光透镜52聚焦，再由摆动着的反射镜22扫过条型码符号。自条型码反射的光由聚焦镜32(示做透镜)聚集在聚焦在光电二极管34上，二极管的输出以现有技术中的公知方式得到加工。这个信号经前置放大器80放大，得到一个能代表被扫描条型码反射特性变化特点的模拟信号，该模拟信号随之由数字化转换器82转换成数字，而数字信号由解码器84解码，给出一排由条型码所表示的字符，可将这种解得的字符显示于显示器86上和/或通过接口88送到数字计算机90中。
图12中还示出激光源与扫描反射镜的控制电路。在电机驱动器92和时钟94的控制下，由电机26使反射镜22摆动。聚光透镜52的位置通过磁性线圈驱动器96驱动磁性线圈而连续振荡。
图13图解地表示出借助聚焦透镜振荡而实现的激光束聚焦的变化。下面的曲线图代表聚光透镜的运动，该运动被表示成分段线性的，不过它也能表示为正弦曲线形式或者其它形式。上面的曲线图表示激光束的扫描运动，叠加在曲线上的是该激光束在某些时刻的“光点大小”。为清楚见，只示出少数“光点大小”的显示。譬如，在A时刻，聚光透镜处于其行程的一个终端点处，这时对应于最小的光点尺寸;B时刻，透镜已行至对应着中等光点大小的点处;C时刻，透镜已到达它的相反的终端点处，对应于最大的光点尺寸。这个例子被称为透镜的准稳定运动，因为该运动相对于扫描速度是十分缓慢的。
图12还示出第二个优选的透镜控制系统。在同样的驱动光束扫描反射镜时钟控制下，分频器或类似的电路控制着聚光透镜的移动。正如图14所示，在这个实施例中，透镜在三个不同的位置之间运动。透镜维持在激光光点尺寸最小的位置A处，四次扫过条型码符号。之后，透镜移至B位置，在那里对应于中等大小的激光光点，同时它再次保持于该位置，四次扫过条型码符号。接下去，透镜移到C位置，在那里对应着最大尺寸的激光光点，同时它维持在那里，又四次扫过条型码符号。最后，透镜移回A位置，重新开始整个循环。
图16示出了第三个，也是最优选的透镜控制系统实施例。这是一个自适应系统，其中聚光透镜的位置应该随着来自光敏二极管的反馈来校准。启动激光扫描器上的扳机时，透镜开始处于C位置，在此对应于最大的光点尺寸。在所谓阶段I期间，透镜随着光点尺寸的减小慢慢移动，直至前置放大器80的输出向控制器98发出信号，这时光点大小已达到为得到所需的反射光变化的等级足够的尺寸。在那个被称为“俘获”的点上，控制器98固止聚光透镜的位置，扫描持续(阶段Ⅱ)。换一情况，若前置放大器80的输出减小，“俘获”消失，聚光透镜被指定开始再次寻找它所能接受的位置。
当模拟信号有足够的反差时，就发生俘获。反差C可表示为
C = (Imax- Imin)/(Imax+ Imin)其中Imax是模拟信号的峰值，对应于自条型码的彩色光(即白色)区反射的光，而Imin是模拟信号的最小值，对应于自条型码符号的深黑色(即黑色)区反射的光。当反差C超过予定的限制，即C≥Co时就发生俘获;这里Co为一常数。所采用的Co值取决于模拟信号转换成数字信号的数字化转换器特性。数字化转换器特性越好，Co的值可越小。
至此，我们介绍了激光束的“光点尺寸”。现在转看图17，可以解释“光点尺寸”的含意。由激光二极管50和聚光透镜52所得到的激光束没有被完全准直。光束的宽度沿着光轴有所不同。于是，譬如当聚光透镜处于其行程的一个终端点处时，对应的激光束应具有图17中标记为E1的束包线(未画出标尺)。光束的宽度是变化的，不过最小宽度是在“腰”的位置W1处。随着聚光透镜朝其行程的另一端移动，激光束的腰也离开光源而移动。图中示出在聚光透镜不同位置处，激光束确定的几个束包线，如束包线E2～E7。重要的是应注意到，随着腰的位置离开光源而移动，激光束腰的尺寸平稳地增大;于是，W2比W1大等等;当聚光透镜到达其行程的另一端时，腰的尺寸为W7。
在任何给定的聚光透镜位置处，光束宽度的变化有利于能够得到同一区段处“光点尺寸”的变化。于是，比如被扫描的条型码符号位于位置X，光点的大小就能与条型码的密度变化相适应地变化。随着聚光透镜在对应于束包线E4的位置，光点尺寸应达到最小，于是得到腰W4。使聚光透镜自E4位置移开，移到对应于束包线E3和E2的位置，即可得到较大尺寸的光点;在对应束包线E3、E2位置时，光点尺寸分别为X3和X2。在其它的区段可得到同样的光点尺寸变化。于是，由激光二极管所产生的激光束的本来形状被用于得到各区段的光点尺寸变化。
图18～19表示聚光透镜的位置与激光束区段(即光束腰的位置)之间的关系。图19的上半部表示变焦前的情况。光束腰与透镜的距离l20可表示成焦距f及光源(即激光二极管)位置l10的函数，其中l10等于f+△。于是，变焦前我们有120= (f ( f + △ ))/(f + △ - f) = (f2)/(△)变焦后，透镜移过一个量δ，致使光束腰的位置移到12，这个12可表示为
12= (f ( 110+ δ))/(110+ δ - f) = (f ( f + △ + δ))/(△ + δ)= (f2)/(△ + δ) = (120)/(1 + ( δ/ △))因而有(12)/(120) = 1/(1 + ( δ/ △))实际可适用的(δ/△)范围是-0.5△≤δ≤△一旦δ超过这个范围，工作就会变得不稳定或者产生不希望有的高功率耗损(图18)。
对应的图象中的距离，即光束的改变是l2＝(0.5-2.0)l20图20和21中示出本发明的又一实施例。激光扫描装置可以是具有手动的枪型外形的条型码阅读器100。不过，显然其它种类的扫描器外形也都很容易适用于本发明。阅读器100带有手枪式握把形的握柄153，其上有可扳动的扳机154。使用这种阅读器，可令使用者在对准要读的符号时再激发激光束151和探测器电路，所以如果本装置是自备电源时，就能节省电池的寿命。轻型塑料外壳中装有激光源、探测器158、光学系统和信号处理电路，还有CPU140以及电源或电池162。外壳155前端的透光窗156可使出射光束151离去，并使进来的反射光152进入。阅读器100被设计成由使用者在使该阅读器100离开条型码符号一段距离的位置处对准条型码，也就是说，阅读器并不接触或横切移过符号。通常，规定这类手动条型码阅读器要在从接触符号到离开符号几英寸的距离或者甚至更远的区域操作之。
又如图20中所进一步描述的，可以采用一个适当的透镜157(或者多透镜系统)将扫描光束聚焦于处在一适当参照平面上的条型码符号上。设置光源146，如半导体激光二极管，以便将一束光引入透镜157的光轴;光束穿过一个半镀银反射镜147及其它所需的透镜或光束成形机构，当扣动扳机154时，它们与摆动的反射镜或者扫描部件159一起被加到已启动的扫描电机160上。美国专利5015833描述了一种变化了的光学装置，它被列为参考文献。如果光源146产生的光是不可见的，瞄准光就产生一个可见光光点，这个光点可以被固定或者象激光束那样被扫描;使用者在扣动扳机154之前，先要用这个可见光将阅读器对准条型码符号。
为了能利用扫描装置使其有变焦距/自动聚焦的能力，其实质也即能扫描并读出在离该装置各种扫描距离处目标上的符号，本阅读器100包括光学系统或透镜157的电磁变焦装置(如图20所示那样)，为的是能改变焦点位置，也即改变自光源146射出的光束或激光束的腰位置。
为实现上面所述，图21特别给出图解表示，给外壳结构200提供这种电磁自动聚焦/变焦装置，外壳200有管状的主体部分202，最好由非金属材料或塑性材料(如聚四氟乙烯塑料等)组成，它具有内部基本为圆柱形的轮廓。用以发射光束的光源146就固定在管状主体部分202的一端;所说的光源可以是诸如靠导线204与电源162(例如电池)相连的激光二极管。光源或激光二极管146装在套筒206中，该套筒可为黄铜的，它以螺纹连接或紧锁方式固定在管状主体部分202的一端208上。
在主体部分202的另一端或说第二端210处形成一个环形槽212，它适于容置电激励的缠绕线圈214，该线圈与交流电源相接。所说的环形槽212在管状主体部分202的第二端210处形成的孔216的内径比主体部分202伸向装有光源146的第一端内径小。
将光学透镜157或等效的光学聚焦系统设置于管状主体部分202内，以与圆柱形表面218滑动接触;永久磁铁222通过外接衬套224的中介连接到所述透镜或聚焦系统上，以使它能连同光学透镜157一起移动。磁铁212具有中央通孔226，使得从光源146发出并穿过聚光透镜157的光束或激光束由此穿过，射向主体部分202的端部210。靠衬套224连接的光学透镜157和磁铁222在圆柱形外壳主体部分202的内部边界里面，沿着壁面218自如地轴向滑动，因为存在于其间的摩擦系数很低。
主体部分202的第二端具有较小内径的孔216，孔216靠外端的部分带有螺纹228，适于与套管230上的互补螺纹相连接;套管230由非铁磁性金属材料或者塑性材料做成，适于螺扣地进出孔216。套管230的外端由透光的板形窗232封闭，该窗使光能不受阻地由此穿过，却把外壳200的内部与外界密闭隔开。
光学透镜157朝着光源146的端面234与螺旋弹簧238相接;弹簧238贴近透镜157的边缘，同时弹簧238向着光源146伸入到沿表面218延伸着的套管242与光源146部分之间的环形通道240里面。磁铁222与第二个螺旋弹簧244相接触，该弹簧伸展于环绕孔径226、背离透镜157的面246与套管230的端表面248之间。因而，考虑上述装置提供的由螺旋弹簧238和244相反作用着的弹力给出的相互作用，及螺接在孔216里面的套管230的轴向的不同调整，连在一起的光学组件157和磁铁222，在外壳200的主体部分202里面被保持在予定的或者是参考的轴向位置上。这个位置确定光束腰或激光束腰的基本位置或参考位置;光束或激光束自光源146发出，穿过光学透镜157、磁铁222中的光学孔226以及窗234，以便扫描和阅读目标物上的符号。由于外壳200的内部相对于外界或外部条件密封，所以外壳内所包含的空气本质上提供一种缓冲作用，万一扫描装置跌落或遭到突然的外部撞击，它就作为一种消震介质。这将保护其中所包含的精细光学组件免受这种外力引起的损害。
按照本发明的扫描装置或阅读器100可用作可调角扫描器/变焦扫描器，这类扫描器可对位于离开该扫描装置几英寸之内(甚至相接触)到若干英尺距离处的符号扫描并阅读;譬如，从5英寸直至15英尺的作业范围内，都无需做大的调整和/或在扫描装置中加入附加的部件。这样，为移动自光源146发出，穿过聚焦透镜157及磁铁222中光学孔226的光束或者激光束的焦点，本发明仔细考虑了线圈214的电激励，以便交替地、电磁地吸引和排斥磁铁222，引起由光学透镜157和带孔226的磁铁222在管状外壳主体部分202里面，沿着其中的圆柱形内壁面218轴向往复移动。为实现上述，通过合适的导线250将交流激励电流送给线圈214中，导线250与电源相连-也许是光源146的电源，以便加给磁铁222极性变化的电磁场。透镜157和磁铁222在外壳200的主体部分202内的这种往复运动与螺线管弹簧238和244的恢复力或平衡力作用相反，后者倾向于使光学透镜157和磁铁222回到初始平衡位置;在这个位置上，光束腰处于予定范围。为达到所要的作业范围，由光学透镜157和磁铁222组成的装置轴向往复运动的范围大约为离开平衡位置±15毫米;加到由磁线圈214上的交流电一般在大约2～5赫兹的工作频率内，这大大低于通常的这类扫描装置大约18赫兹的正常扫描频率。因此，这将提供一种实质上为连续式的(即准稳定运动)自动变焦作用，因而在扫描过程中，射出的光束或激光束将被合理地聚焦于由该扫描装置阅读的符号上，而不管扫描装置离该符号的距离。
虽然本发明描述了特定的实施例，但本发明有广泛的适用性，因此并不意味着权利要求被限制在所给出的细节上。下面的权利要求包括了其他实施方案。各种修改以及结构上的变化都可以得出，却不会脱离本发明。例如，聚光透镜的运动可采用小电机、压电执行元件或者流体力学的执行元件来实现。
权利要求
1.一种用于阅读目标上具有不同光反射特性区域的符号的激光扫描头中的激光源，包括装在基座上使其定向发射的激光束沿光轴传播的激光器；沿所述光轴设置的一光学部件，其使所述激光束被聚焦成带有腰部的、宽度可变的光束，光束腰处的宽度比其它位置处小；使所述光学部件沿所述光轴纵向移动的装置，该装置的动作与符号实际范围的大小无关，使得光束腰位置的变化与符号的实际范围无关。
2.如权利要求1所述的激光源，其特征在于所述的光学部件为聚光透镜。
3.如权利要求1所述的激光源，其特征在于所述使光学部件产生相对运动的装置的动作与所说激光束的扫描运动无关。
4.如权利要求1所述的激光源，其特征在于所述使光学部件产生相对运动的装置引起该光学部件连续的、逐渐的运动，并对应于光束腰范围的连续、逐渐的变化。
5.如权利要求4所述的激光源，其特征在于所述连续、逐渐的变化为振荡，其中光束腰的范围在最小值与最大值之间振荡。
6.如权利要求1所述的激光源，其特征在于还包括控制所述光学部件的运动并由此控制光束腰范围变化的电路，还包括使所述变化与光束扫过所述符号的扫描同步、使所述范围在进一步调整前在预定的扫描次数维持恒定的电路。
7.如权利要求1所述的激光源，其特征在于还包括自适应控制电路，它通过连续引起所述范围的变化直至由所述激光扫描头聚集的反射光超过一预定的反差值来控制所述光学部件的运动，并由此控制光束腰范围的变化。
8.如权利要求1、3、4、6或7所述的激光源，其特征在于所述光学部件包括聚光透镜，其中所述使光学部件运动的装置包括磁性线圈，该线圈相对于所述聚光透镜或激光器固定。
9.如权利要求8所述的激光源，其特征在于所述使光学部件运动的装置还包括支撑所述聚光透镜的透镜支承部件，所述激光源还包括一个或多个弹性元件，它们阻止由所述磁性线圈引起的运动。
10.如权利要求9所述的激光源，其特征在于所述弹性元件包括支撑所述透镜支承部件的片状弹簧，使它能相对于所述片状弹簧的纵长方向横向运动。
11.如权利要求9所述的激光源，其特征在于还包括永久磁铁，它相对于激光二极管和聚光透镜之中相对于磁性线圈运动的一个固定，使得激励的磁性线圈可引起永久磁铁朝着或离开该线圈移动，并引起聚光透镜与激光二极管的间隔变化。
12.如权利要求11所述的激光源，其特征在于所述磁铁固定于一可动部件上。
13.如权利要求11所述的激光源，其特征在于所述永久磁铁相对于聚光透镜的位置固定，所述的磁性线圈相对于激光二极管的位置固定。
14.如权利要求11所述的激光源，其特征在于所述永久磁铁相对于激光二极管的位置固定，所述的磁性线圈相对于聚光透镜的位置固定。
15.一种调整用于阅读目标上符号的激光扫描头的激光束，以改变激光束在所述符号上光点大小，得到适于阅读该符号光点尺寸的方法，其中所述符号具有不同的光反射特性区域，所述的符号相对于所述的激光扫描头位于一范围内，该方法包括以下步骤设置激光源并自该光源沿光轴发射激光束;使该激光束穿过沿光轴设置的光学部件，使激光束聚焦成带有腰部的、宽度可变的光束，激光束腰的宽度较其它位置处小;沿光轴相对于所述激光源移动所述光学部件，这种移动与条型码符号的实际范围大小无关，由此得到的光束腰范围的变化也与条型码符号的实际范围无关。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述光学部件是聚光透镜。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述光学部件的运动与激光束的扫描运动无关。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述光学部件的运动为连续的、逐渐的运动，从而产生光束腰范围的相应的连续、逐渐的变化。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述连续、逐渐的变化为振荡，其中光束腰的范围在最小值与最大值之间振荡。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于进一步还包括使光学部件的运动变化与所述光束越过条型码符号的扫描同步，从而使得所述的范围在进一步调整前在予定的扫描次数维持恒定。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于进一步还包括通过连续产生所述范围的变化直至由所述激光扫描头聚集的反射光超过预定的反差值来自适应地控制所述光学部件的运动，并由此控制光束腰范围的变化。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于通过激励一个电磁线圈实现所述光学部件的运动。
23.一种调整用于阅读目标上符号的激光扫描头的激光束，以改变激光束在所述符号上光点大小，得到适于阅读该符号光点尺寸的方法，其中所述符号具有不同的光反射特性区域，所述的符号置于相对于该激光扫描头的一定范围内，该方法包括以下步骤设置激光源并自该光源沿光轴发射激光束;使该激光束穿过一沿光轴设置的光学部件，使激光束聚焦成带有腰部的、宽度可变的光束，激光束腰的宽度较其它位置处小;相对于激光源移动所述的光学部件，使光束腰处在与所述条型码符号的位置不相同的区域上，从而使该记号上的激光光点的大小比腰的尺寸大。
24.一种制作激光扫描头的方法，该类扫描头中的激光束自激光二极管通过聚光透镜而射向目标上的记号，该方法包括以下步骤在激光扫描头上设置一激光二极管，使该二极管沿光轴发射激光束;沿所述光轴设置一聚光透镜，用于将激光束聚焦成带有腰部的、宽度可变的激光束，该光束腰部处的宽度较其它位置处小;设置相对于所述激光二极管移动所述聚光透镜的装置，以改变所述激光束的光束腰范围，设置控制移动聚光透镜的装置的电路，在一个相对于激光二极管确定的位置处设置聚光透镜，而不用为聚焦激光束而调整聚光透镜位置。
全文摘要
一种激光扫描装置，其中光束腰的变化与符号实际范围的大小无关。光学部件为聚光透镜，通过激励一个磁性线圈使其运动；该透镜的动作与激光束的扫描运动无关，使光束腰的范围产生连续的、逐渐的变化(例如连续的振荡)，使得在某些点处，符号上光点尺寸成为合适的大小。所述透镜的运动可与光束的扫描同步(比如可使用一光点尺寸维持于几次扫描中)。改变光束腰的范围，直至来自所述符号的反射光中的反差超过预定的值，可以自适应地选择光点尺寸。
文档编号G06K7/10GK1080073SQ92114849
公开日1993年12月29日 申请日期1992年12月23日 优先权日1992年12月23日
发明者李雅君 申请人:欧林巴斯光学工业股份有限公司