用于产生非对称绿色激光光束的装置的制作方法

专利名称：用于产生非对称绿色激光光束的装置的制作方法
发明
背景技术：
领域本发明通常涉及到用于读取具有不同光反射率的各部分，例如条形码符号的标记的电光系统，具体地，涉及到一种装置，用于产生具有非对称光束横截面的绿色激光束，并将绿色激光束导向符号，用于瞄准和/或读取的目的。
之前已经开发出各种电光阅读器和系统，用于读取出现在标签或目标物表面上的条形码符号。条形码符号本身是标记的编码图案。通常，阅读器将符号的图形标记电光地转换为被解码成混合字符的电信号。所得出的字符描述与符号相关联的目标物和/或目标物的某些特征。这些字符典型地包括了到数据处理系统中的输入数据，用于在销售点处理、编目控制、货物跟踪等中的应用。
在符号中的符号要素，例如条码和间距的特定排列确定了根据代码或符号表示学所规定的一组标准或定义而呈现的字符。条码和间距的相对大小由所用代码的类型按照条码和间距的实际大小而确定。
要编码预期的字符序列，要素排列的集合被连接以形成完整的符号，同时每一个字符由它对应的要素组所呈现。在某些符号表示法中，用唯一的“开始”和“结束”字符指示符号从哪里开始以及在哪里结束。当前存在多种不同的条形码符号表示法。符号表示法包括诸如UPC/EAN，Code 39，Code128，Codabar以及interleaved2 of 5。
为了增加呈现或存储在给定量符号表面区域中的数据量，已经开发出几种新的符号表示法。一种新的代码标准Code 49，引入了垂直堆积要素行来代替水平伸展要素的二维概念。即，有数行条码和间距来代替单一的长行。在U.S专利号4,794,239中描述了该结构。在U.S专利号5,304,786中描述了称为PDF417的另一种二维代码结构。
所有的电光阅读器在，例如U.S专利号4,251,798；号4,369,361；号4,387,297；号4,409,470；号4,760,248和号4,896,026中有描述，所有这些专利都指定给本发明的代理人。这些阅读器通常包括由气体激光器或半导体激光器所构成的用于发射光束的光源。特别是期望在阅读器中将半导体器件用作光源，因为它们尺寸小、成本低并且功率需求低。通常通过聚焦光学组件来对激光束进行光学地修正，以形成在目标物所处的焦距上具有特定尺寸的射束点。较佳地，焦距处射束点的横截面接近于不同光反射率的符号区域，即条码和间距之间的最小宽度。
在常规的阅读器中，由扫描组件将光束沿着光路径导向一目标符号。通过移动诸如放置在光束路径中的反射镜的扫描组件，将光束在扫描图案，例如横穿目标物符号的一线条或一系列线条中反复扫描来操作阅读器。扫描组件可使光束点扫过符号，跟踪穿过或超过符号边界的扫描线，并/或扫描预定的视界。
阅读器还包括执行检测来自符号的反射或散射光的功能的传感器或光检测器。光检测器或传感器位于阅读器中的光路径中，从而它具有延展至少穿过并稍微超过符号边界的视界。从符号反射的一部分光被检测为返回光并被转换为模拟电信号。数字转换器将模拟信号数字化。然后基于用于该符号的特定符号表示法，将来自数字转换器的数字信号解码成在该符号中编码的数据的二进制数据表示。该二进制数据随即被解码成由符号表示的混合字符。
在已知阅读器中的激光束具有在633nm到670nm的波长，常用的最好是对人眼呈现红色的波长为650nm的激光束。因此，通过国际电工技术委员会(IEC)所制定的安全标准来调节红色激光束的功率和强度，以保护人眼不受激光照射的危害。虽然用于读取条形码符号通常是令人满意的，但是在当前安全标准下的红色激光束的能见度在强烈的阳光或诸如荧光的白光下对于人眼识别、或远程扫描是不够的。
已知可使用诸如电荷耦合器件(CCD)传感器的二维阵列来对符号成像。包括聚焦透镜的光学组件用作将返回光聚焦到CCD传感器上。然后对于移动的射束扫描器，符号的图像被如上所述一样检测到、数字化并被解码。
还已知要在阅读符号之前要将CCD传感器，以及移动的射束扫描器瞄准符号。瞄准光电路通常用作在符号上形成静态或动态瞄准点或图案。并且，如果瞄准点或图案利用红色激光束，瞄准点或图案的能见度减少，并且有时在强烈的环境光或远程瞄准中“褪色”。
本发明的目的之一是增加用于瞄准和/或读取数据编码符号的光束的能见度。
本发明的另一目的是增加在移动射束阅读器中所用的光束的景深。
本发明的又一目的是减少在电光阅读器中所遇到的斑点噪声。
本发明的还有一目的是通过减少衍射感应激光束散射来读取更高密度的符号。
本发明的又一目的是在电光阅读器的操作期间，减少与红颜色相关联的心理风险因素，并增加人们看到激光束的舒适度。
本发明的另一目的是提供一种小型化、密集型、重量轻、耐用并且理想地用于便携式手持应用中的激光装置。
为了确保这些目的以及将在下文中明显的目的，简单地说，本发明的一个特征在于在读取诸如一和/或二维条形码符号的标记的阅读器中，用于产生高能见度的光束并将光束导向被读取标记的装置。
高能见度的光束由作为具有波长在500nm到550nm范围内的绿色激光束的激光器所产生，并且沿着一路径被导向标记。该激光器包括在垂直于该路径的横断平面上具有非对称横截面的光学晶体复合物，以产生具有在横断平面中的非对称横截面的绿色激光束。在该较佳实施例中，标记是具有沿着扫描的方向彼此隔开的多个平行的条码的一维条形码，在该情形中，射束横截面在沿着扫描方向上具有很窄的尺寸。将射束移过符号来初始化其阅读。
与其，或者是除了使用绿色激光束来读取符号，该绿色激光束在阅读之前还可用作照亮符号上的静态或动态瞄准点或图案的瞄准光源。对于相同的输出功率，绿色射束要比常规的红色射束明亮很多倍。因此，操作人员即便是在诸如阳光的强烈室外光、或者是诸如荧光的强烈室内光、或者是在许多英尺之外的远程阅读下，可更容易看见绿色射束。
绿色射束较之红色射束展示了更大的聚焦深度。Rayleigh范围是聚焦Gaussian射束的聚焦深度，并且与波长成反比。因此，比红色射束的波长要短的绿色射束具有更大的聚焦深度，在该聚焦中阅读符号。
激光斑点是由，例如从粗糙平面的激光照明中产生的激光辐射的相干性所导致的噪声或干扰效果。由于其较短的波长，绿色射束比红色射束的斑点噪声要少。由于绿色光束的较短波长导致较少的衍射感应射束散射，可以更容易地阅读更高密度的符号。
使用绿色射束可使与红颜色和危险相关联的心理风险因素最小化，如果没有消除的话。并且，绿颜色在情绪度上更佳舒适，因为它通常与自然和安全相关联。因此，使用发射出绿色射束的光电阅读器的操作人员可感到更加地安全，并且同时，在使用阅读器的附近的人们，诸如顾客和他们的孩子们，特别是该器件被配置在枪型的机壳中并类似于一种武器时，不会感觉到受到威胁或处在危险的器件之下。
在该较佳实施例中，晶体复合物的输出表面凸出地弯曲，以提供光学地修正和聚焦绿色激光束的光功率。这样不必在射束的路径中设置分立的聚焦透镜。此外，孔径光阑可在形成在复合物外表面上的电介质反射镜中直接形成。这样不必在射束的路径中设置分立的孔径光阑。无需独立的聚焦透镜和孔径光阑增加了小型化的程度，并使得阅读器具有极小的波形因数。
总的说来，对于使用移动射束的基于激光的数据获取，特别是具有椭圆轮廓时，绿色射束可理想地用作的移动射束。对于获得所需聚焦深度的射束成形目的，对晶体复合物施加额外的光学功率，并且使输出的射束是带开口(apertured)的。对于基于成像器的数据获取，绿色射束可用于瞄准成像器。


图1是依照现有技术用于阅读条形码符号的手持阅读器的示意图；图2是依照本发明用于产生绿色激光束的装置的一实施例的放大透视图；图3是图2实施例的缩小比例的顶视图；图4是沿着图3的4-4线所得的横截面图；图5是依照图2实施例的孔径光阑的端视图；图6是依照本发明另一实施例的孔径光阑的端视图；图7是依照本发明的装置的另一实施例的前正视图；图8是依照本发明又一实施例的基于成像器的阅读器的绿色激光瞄准装置图示；以及图9是依照本发明又一实施例的在用于阅读一维和/或二维符号的移动射束阅读器中的绿色激光扫描装置的透视图。
在图1中的标号20通常标识位于其工作距离内用于电光地阅读标记(诸如条形码符号24)的手持阅读器，阅读器20具有手枪式把手21以及手动扳机22，当它被按下时，可使得光束23导向符号24。阅读器20包括机壳25，其中容纳有光源26、光检测器27、信号处理电路28以及电池组29。在机壳前方的光传播窗口30使得光束23从机壳中射出，并允许从符号上散射的返回光31进入机壳内。键盘32和显示器33可较佳地设置在机壳的顶壁上，用于对其存储。
在实用中，持握住把手21的操作员将机壳瞄准符号并按下扳机。光源26发射出由光学元件或聚焦透镜35光学地修正或聚焦的光束，以在符号24上形成一射束点。该射束穿透射束分裂器34，直至由马达驱动器38以一每秒至少20次扫描的扫描速率重复摆动的扫描反射镜36。扫描反射镜36将入射其上的射束反射到符号24并使射束点扫过扫描图案中的符号。扫描图案可以是沿着扫描方向的符号的长度方向的延展的线条，或者是沿着相互正交的方向，排列的一系列线条，或者是全方向的图案(仅仅是为了例举出一些可能)。
反射的返回光31在扫描图案上具有变化的强度，并且透过窗口30，到达扫描反射镜36上，在扫描反射镜36上反射到分裂器34，并且依次反射到光检测器27，用于转换成模拟电信号。如在本领域中所知，信号处理电路28将信号数字化并对其解码，以获取在符号中编码的数据。
现有技术的光源26是一种激光器，可操作用于产生从约633nm到670nm范围的波长、并具有如上所述易于在强烈环境光存在时或在远程阅读期间褪色的特性红色的激光束23。依照本发明，在图2中描述的光源40的一实施例可用于操作产生具有500nm到550nm波长范围，最好是532nm波长的绿色激光束。
源40包括具有第一非线性光学晶体42、以及与第一晶体42直接相连的第二非线性光学晶体44的光学晶体、其上包覆有第一高反射电介质反射镜46的输入表面以及其上包覆有第二高反射电介质反射镜48的输出表面的光学晶体复合物。
在该较佳实施例中，第一晶体42是钕掺钇原钒酸盐(Nd:YVO4)或者是钕掺钆原钒酸盐(Nd:GdVO4)。第二晶体最好是磷酸钛氧基钾(KTiOPO4)，也称为KTP。每个反射镜46和48是全电介质精密涂层，对在0°到45°的入射角的特定波长具有最大的反射率。第一反射镜46在532nm和1064nm反射，第二反射镜48在1064nm反射。
在图4和7的实施例中，聚焦泵激(pump)射束50以45°的角度撞击在第一反射镜46上，并导致在晶体复合物内部的激光谐振以及二次谐波的产生。具有波长为532nm的绿色激光束52从第二反射镜48中辐射。如上已经讨论使用绿色激光束的优势及其能见度增加、景深增加、斑点噪声减少、衍射感应射束散射减少以及心理舒适度增加。
在用于阅读诸如一维条形码24的标记的电光阅读器的领域中，本发明旨在使在横穿射束传播方向的平面上具有非对称横截面的绿色激光束成形。如图2所示，晶体复合物具有矩形的横截面，藉此产生椭圆或细长的射束横截面。在一较佳实施例中，该复合物具有3.5×2平方mm的矩形横截面。射束的椭圆率随着复合物横截面的纵横比变化。复合物的长度大约4mm。射束横截面的窄尺寸沿着扫描方向延展，即，由扫描组件36使射束扫过标记24的方向。
本发明还旨在通过形成一种具有凸起弯曲的、球面外形的输出表面来对晶体复合物提供光学功率。因此输出表面被抛光，以形成将射束聚焦在符号24所处位置附近的基准平面上的聚焦透镜。通过将聚焦透镜形成为激光装置整体一组成部分，可消除或至少减少对光学元件35中的分立、单独的聚焦透镜的需求。
本发明还旨在通过将孔径光阑结合成激光装置的一组成部分来成形附加的射束。在现有技术中，孔径光阑通常在图1中的激光源26和扫描组件36之间设置为分立的元件。本发明旨在第二反射镜48中直接形成孔径光阑54。孔径光阑54可具有矩形(图5)或卵形(图6)开口，绿色射束途经其直至扫描组件36。
在激光器外部无需分立的孔径光阑和聚焦透镜提供了一种非常紧密的装置，它可用作在机壳中安装具有极小波形因数的阅读器，或者是作为已没有可用空间来附加电光阅读器的设备的附件。例如，小型阅读器可附加在个人数字助理以及蜂窝电话(其中可用空间是很珍贵的)中。
本发明还旨在-30℃到60℃的环境中对绿色设备保持稳定的输出功率。通过将复合物安装在第一散热片56和第二散热片58中来实现温度控制。诸如Peltier元件60的电子冷却系统夹在散热片56和58之间。通过控制温度，可以调节输出的波长。热电偶68被连接到第一散热片56以控制温度，并且如果温度超过了一阈值，在反馈控制电路中会产生一出错信号，以纠正温度，并随即控制输出的波长。
在图4中，散热片56、58以及Peltier元件60具有间空(clearance)通道62，通过其泵激射束50撞击在第一反射镜46上。
如上所述，具有非对称射束横截面的聚焦绿色光束扫过要被阅读的符号。还可在阅读之前使用绿色光束的高能见度作为瞄准射束。例如，在CCD成像器的情形中，如上所述，并且如在图8中所示，期望使CCD传感器64瞄准符号并且为了该目的，图2或图7的绿色激光装置可用作可靠地照亮符号上的瞄准点或图案80。图8示出了投射到目标平面82上的瞄准图案80、绿色激光装置40以及可操作以产生多个射束泄出(beamlet)的衍射光学元件66。瞄准图案80包括四个角标号以及一个中央准线标号。
图9描述了绿色激光装置40和扫描器70，可操作以产生穿过一维条形码符号72或二维条形码符号74的扫描线76。
所要求的新的，并且期望被专利证书所保护的范围将在所附权利要求中得到陈述。
权利要求
1.在一种用于电光地读取标记的阅读器中，一种用于产生高能见度的光束并将其导向要被电光地阅读的标记的装置，所述装置包括激光器，用于产生具有从约500nm到约550nm范围内波长的绿色激光光束，并用于将所述绿色激光束沿着一路径导向所述标记，所述激光器包括在垂直于所述路径的横断面中具有非对称横截面的非线性光学晶体复合物，以产生在所述横断面中具有非对称横截面的绿色激光束。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述复合物具有相对的表面，其上涂有高反射率的电介质反射镜，并且一对非线性光学晶体位于两个表面之间，以形成一内部谐振结构。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述表面之一是泵激光射在其上的输入表面，而所述表面的另一个是绿色激光束从该复合物射出的输出表面，并且其中所述输出表面凸出以提供光学地修正和聚焦所述绿色激光束的光功率。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述复合物的输出表面的电介质反射镜中形成有一孔径光阑，以进一步光学地修正和聚焦所述绿色激光束。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述晶体之一是磷酸钛氧基钾，而所述晶体的另一个是钕掺钇原钒酸盐，且其中所述泵激光具有808nm的波长，其中所述输入表面上的电介质反射镜在532nm和1064nm具有最大的反射率，并且其中所述输出表面上的电介质反射镜在1064nm具有最大的反射率。
6.如权利要求1所述的装置，还包括与所述复合物有热交换的散热板，用于测量所述复合物温度的、连接到所述散热板的热电偶，以及可操作地连接到所述热电偶和所述散热板、用于在所述温度超过阈值时冷却所述散热板的冷却元件。
7.如权利要求2所述的装置，还包括用于支撑与之有热交换的所述复合物的散热板，所述散热板置于与所述绿色激光束的路径平行的平面中。
8.如权利要求2所述的装置，还包括用于支撑与之有热交换的所述复合物的散热板，所述散热板置于与所述绿色激光束的路径垂直的平面中。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述散热板具有一开口，其中所述输入表面至少部分地露出。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标记包括具有沿着扫描方向彼此分开的多个并行条码的条形码符号，其中所述非对称光束截面在沿所述符号上的扫描方向具有一窄尺寸；以及用于使光束在阅读符号期间沿着所述扫描方向扫过所述符号的扫描组件。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标记是一编码符号，并且其中所述绿色激光束在阅读符号之前照亮所述符号的一部分。
12.在一种电光地阅读标记的方法中，一种产生高能见度光束，并将其导向要电光地阅读的标记的方法，所述方法包括如下步骤产生具有从约500nm到约550nm范围内波长的绿色激光的光束，并将所述绿色激光束沿着一路径导向所述标记，所述激光束从一非线性光学晶体复合物中产生，所述复合物在垂直于所述路径的横断面中具有非对称横截面，以产生在所述横断面中具有非对称光束横截面的所述绿色激光束。
全文摘要
在用于阅读标记的电光阅读器中，产生一绿色激光束，并使其聚焦并成形为具有非对称射束横截面。该绿色激光束在阅读之前还用作照亮标记上的瞄准点或图案。
文档编号G06K9/24GK1833246SQ200480022884
公开日2006年9月13日 申请日期2004年7月12日 优先权日2003年8月12日
发明者李亚君 申请人:讯宝科技公司