专利名称：在不同扫描范围内读取标记的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于读取目标物上具有不同反射特性区域的标记(如条形码符号)的扫描装置，特别是一种能自动地使对标记的扫描在不同扫描范围内进行的扫描装置。
应用激光扫描装置扫描或读取提供在如包装袋或销售标签等目标物上的信息，在该技术领域已是众所周知的，并且在商业上广为接受。在这方面，许多类型的扫描装置装有如条形码读取器的扫描头，其内装有光学读取系统，用于读取目标物上的信息或条形码符号，目标物被从条形码读取器射出的激光束扫描。一般地，这种激光扫描装置，特别是条形码读取器类的，被广泛地应用于工业上，如制造业，船运业及零售商业。这种激光扫描装置例如可以被永久地安装在超级市场内结算柜台的结构内，在那里，具有印于或贴于其上的条形码符号的商品标签通过一个安装于柜台表面下的固定条形码读取器以提供给商人一该商品已被顾客买走的记录，同时提供给顾客一个清单(很可能是一张打印的记录)。
另外，条形码读取器或激光扫描装置也可以被做成一个固定地安装在一个伸出支持平台或柜台顶面的台上的光扫描单元，商品可以置放于该台上。在许多应用情况下，根据本发明的一个较佳实施例，条形码读取器或激光扫描装置被做成一微型轻重量的枪形装置，其具有一手枪握柄，其内的活动装置一般在短距离上扫过印在销售标签或目标物上的条形码符号，以扫描并读取条形码符号提供的信息。
在此以前，许多种用于读取标签或物体表面上条形码符号的光读取器及光扫描系统已被开发出来。条形码符号本身是一标记的编码化的图形，其包括一系列相互隔开的宽度不同的条，并由此限定一系列不同宽度的空。条或空具有不同的光反射特性。读取器及扫描系统以电光方式将图形标记转换为电信号，该电信号被解码为用于描述该物体或其某些特性的字母或数字字符。这些字符典型地是以数字形式表示并被用作为一数据处理系统的输入，以供应用于销售点处理、库存控制等。这种一般形式的扫描系统已公开于如美国专利4251798，4369361，4387297，4409470，4760248，及4896026号中，所有这些专利都转让给了本申请的受让人。
另外，除上述专利外，已知的还有通过扫描装置提供不同大小扫描光点的中介装置和用于在差别很大的扫描距离上读取的聚焦装置使能完成扫描和读取如条形码或类似符号的扫描装置和系统。
美国专利5010242号公开了一种用于以不同速度扫描条形码的方法和装置，其中，一扫描器相对于静止的光学系统及光束产生系统振动以完成对在不同范围的条形码的扫描。美国专利4920255号公开了一种自动增大焦距的扫描器系统，其中，微处理器控制的数据使扫描光线聚焦在包含标记的目标物上并补偿标记的快速运动及相对扫描装置变化的距离。
上述各专利都没有公开使用一可自动地相对于扫描装置中基本静止的光束射出源振动且为电磁激励的聚焦装置，如一光学元件或透镜连同一小孔，以改变光束的聚焦点使可进行对欲在一差别很大的扫描范围内读取的包含标记的目标物的扫描的技术。
如上述专利中至少部分所公开的，这种扫描系统的一个实施例是安装于一个由使用者拿着的手持式可移动激光扫描头内，该扫描头成形为可以让使用者将其，更确切地说是将由其射出的光束或激光束描准一目标及一待读取的符号。
激光扫描器中的光源典型地是一气体激光器或一半导体激光器。使用如激光二极管等半导体装置作为扫描系统的光源是特别合适的，因为其体积小，低格低且电源功率要求低。激光束被光学整形，典型地是通过一个透镜，以在目标距离上形成一定大小的光点。在目标距离上光点的大小最好大约等于不同光反射特性区域的最小宽度，即符号的条或空的宽度。
条形码符号是由条或典型地为具有各种可能宽度的矩形要素构成的。根据由所使用的码型或“标记法”(symbology)规定的一系列规则和定义，各元素特定的排列即限定了所代表的字符。条和空的相对大小由所使用的编码类型所决定，如同是条和空的真实大小一样。每英寸条形码符号所代表的字符数据被称作符号的密度。为了对所需的字符序列进行编码，各要素排列的集合被连接在一起构成完整的条形码符号，该字符段中的每个字符由其自身所对应的要素组代表。在一些标记法中一特有的“开始”和“结束”字符被用来指示条形码的开始和结束点。存在有许多种不的条形码标记法。这些记法包括VPC/EAN，Code39，Code128，Codabar以及Interleaved2of5等。
为讨论方便，被一种标记法所识别和定义的字符将被称为合法字符，而不被该标记法所识别和定义的字符被称为非法字符。因此，不能被一种给定标记法解码的要素排列对应于一个对该标记法非法的字符。
为了增加在一给定大小的表面积上所能表示或存贮的数据量，一些新的条形码标记法最近被开发出来。这些新编码规则的一种，Code49，通过将多行字符垂直地叠置代替在一行上水平地延伸条码，提出了一种二维的概念。即，有多行的条空图形，替代仅仅一行。Code49的结构在美国专利4794239号中予以描述，该专利在此引为参考。
由手持式读取器提供的一维单行扫描，在读取这些二维条形码时有其缺点，即，读取器必须被分别描准每一行。同样，多扫描线读取器产生多条彼此相错开一定角度的扫描线，因此也不适用于识别Code49型的二维条形码符号。
在本领域人员所公知的扫描系统中，光束被一透镜或类似的光学部件所准直，沿着一光路射向表面具有条形码符号的目标物。扫描通过将光束在一条线上或一组线上反复扫过符号而完成。扫描部件可以结合一驱动或扫描马达用于或以高速反复方式将光点扫过符号并形成一横越并超出符号的扫描线，或将扫描器的视野进行扫描，或两者都进行。
扫描系统一般还包括一个用以检测从符号反射的光的传感器或光检测器。该光检测器位于扫描器内或光路中，在该光路中光检测器具有延伸过或稍超出符号的视野。从符号反射的光的一部分被检测到并转换为一电信号，该信号被电子电路或软件解码为所被扫描的符号所代表的数据的数字表示形式。例如，来自光检测器的模拟电信号典型地可被转换为一脉冲宽度调制数字信号，其宽度对应于条或空的实际宽度。此信号然后被根据特定的标记法解码为编码在符号中的数据的二进制表示形式，进而得出所代表的字母或数字字符。
在已知扫描系统中的解码过程一般如下工作。解码器接收来自扫描器的脉宽调制数字信号，软年中实施的算法试着对扫描信号进行解码。如果扫描信号中的开始和结束字符以及其间的字符被成功并完全地解码，解码过程结束并向使用者提供一个读取成功的提示(如绿灯和/或一蜂鸣声)。否则，解码器接收下一扫描信号，对该信号进行另一次解码尝试，以此类推，直到得到一完整解码的扫描或接收不到别的扫描信号为止。
激光扫描器并非唯一的一种能读取条形码符号的光学仪器。另一种条形码读取器是装有以电偶合器(CCD)技术为基础的检测器类型的。在这种读取器中，检测器的尺寸大于或基本上等于欲读取符号。整修符号被来自读取器的光照亮，而每个CCD单元被顺次读出以判定条或空的出现。这种读取器重量轻且易于使用，但要求将读取器基本上直接接触或置于符号上以使符号能被正确读取。这种读取器与符号的实际接触在某些应用场合是较好的工作方式，或被使用者喜爱的方式。
基本上，本发明涉及一种适于控制射向目标物上标记的光束的扫描角的扫描装置，较好地是通过聚焦装置在微处理器控制下的工作的手段，使光束最佳地聚焦，以在差别很大的工作距离上提供对目标物上标记的快速清晰的读取。本发明的扫描装置能控制扫描角的特性进一步加强了本发明扫描装置功能的多面性，使得其在变化很大的扫描距离上获得对标记清楚的读取。
相应地，本发明的一个目的是提供一种具有可自动地调节的聚焦装置的扫描装置，其能在变化的扫描距离上扫描并读取目标上的标记而不损失扫描读取的质量。
本发明的另一目的是提供一种具有一模块结构的扫描装置，该模块结构内设置有一光学元件，其可以响应一电磁激励机构的激励而在两个端位置间沿轴向往复移动以改变射出光束的焦点，使得扫描装置可以在变化很大的工作距离(装置与标记间的距离)上读取标记。
本发明的还一目的是提供一种自动聚焦扫描装置，其能使在定向光束的扫描角上做精确的控制，以在扫描和读取目标物上标记中提供一清晰和高质量的方式而不用考虑装置采用的扫描距离。
本发明的再一目的在于提供一自动聚焦扫描装置，其利用微处理器控制的电路自动控制装置的扫描角以在装置在变化很大的工作距离上工作时获得最大的扫描和读取清晰度和效率。
本发明还有一个目的是提供一种改变光束焦距的方法，用于自动控制一自动聚焦扫描装置的扫描范围。
本发明的前述目的和其它目的以及特征、优点，将在以下结合附图对实施例的详细描述中更为明确。
附图中
图1显示了一具有用于自动改变射向目标上标记的激光束焦点的光学机构的激光扫描装置的实施例的纵向剖视图，其中，该扫描装置是一手持式枪形装置。
图2放大地显示了扫描装置的一个具有自动聚焦扫描元件的模块结构的纵向剖视图，其可以改变射出的激光束的聚焦。
图3示意地显示了一个由已有扫描装置在不同扫描范围内得到的扫描角。
图4a、4b显示了由本发明的自动聚焦扫描装置在短的和长的扫描距离上得到的改善的扫描角。
图5显示了具有能获得图4a、4b所示扫描角的可变焦距的自动聚焦扫描装置的用于微处理器控制下工作的线路设置。
图6显示与图5相比变化了的线路设置。
请详细参照附图。如图1所示，根据一典型实施例，激光扫描器是一手持式枪形条形码读取单元100(当然其它形状的扫描器也很容易地适于本发明)，具有一手枪柄形的握柄153，在该握柄上具有一可移动板机154，让使用者可以在描准待读取符号时启动光束151和检测电路，由此，如果该扫描单元是自供电的则可节省电池。轻重量塑料壳155装有激光光源，检测器158，光学组件和信号处理电路，以及CPU140和电源或电池162。壳155的前端有一透明的窗156，使出射光束151可以射出而入射的反射光152可以进入。读取单元100设计为可以被在离开符号的位置描准条形码符号，即不接触符号或移过符号。典型地，这种手持式条形码读取取器特定在从接触符号到离开符号几英寸或更远的距离范围内工作。
如图1进一步描述的，一合适的透镜157(或多透镜系统)可用来将扫描光束聚焦到一恰当的参考面上的条形码符号上。一光源146，如一半导体激光二极管置于将一光束引入透镜157光轴的位置，光束穿过一部分镀银的镜子147和其它必要的透镜或光束整形结构以及一连接在扫描马达160上的摆动镜或扫描元件159，该扫描马达160当扣动扳机154时被启动。一种变换的光学设置描述于美国专利第5015833号中，该专利在此被引作参考。如果光源146产生的光是不可见的，如果需要，一描准光产生一个可见光点，其可以是固定的，或如激光束一样扫描。使用者利用此可见光在扣动扳机154前将读取单元描准符号。
为了使扫描装置具有变焦/自动聚焦性能，基本地，能扫描和读取距扫描装置不同距离的标记，读取器100包括一个用于光学系统或透镜157的电磁变焦机构，如图1所示，以使之能改变焦点，即由光源146产生的光束或激光束的光束腰位置。
为了获得前述功能，如图2所详细示出的，该电磁自动聚焦/变焦机构提供了一壳结构200，该壳结构包括一管体部分202，该管体部分202最好是由非金属的或塑料材料制成，如聚四氟乙烯(teflon)或类似材料，而其内部基本上是一圆柱形。固定于管体部分202一端是一用于产生光束的光源146，例如一连接恰当电源的激光二极管，该电源例如是电池162，通过导线204连到激光二极管。光源或激光二极管146安装在一套筒206上，该套筒206可以是黄铜的，通过螺纹连接或紧密固定安装在管体壳部202的一端208上。
壳体部分202的另一端或第二端210具有一成形于其上的环形凹槽212用于容置可加电压的缠绕线圈214，该线圈连接到一交流电源上。此环形槽212在管体部分202的第二端210形成一个内柱面216，其内径比延伸向安装有光源146的第一端的体部202的内部圆柱218的直径小。
光学透镜157或等效光学聚焦系统设置在壳体部分202内与圆柱面218滑动接触，永久磁铁222通过一外部的连接轴衬224连接在透镜157上，以使其可与光学透镜157地起移动。磁铁222具有一中央贯穿的孔226，使来自光源146穿过透镜157的光或激光束从中穿过射向壳体部分202的210端。
光学透镜157及通过轴衬224固定于其上的磁铁222因为其与壁表面218间的低摩擦系数，很容易在圆柱壳体部分202内沿壁表面218滑动。
壳体部分202的第二端210具有较小内径的孔216，孔216具有设有螺纹228的外端部，螺纹228用于结合轴衬230的螺纹，轴衬230由非铁磁性金属或塑料材料构成，并适于被螺合装入或螺旋退出孔216。轴衬230的外端面由一透光盘形窗232闭封，该窗232对光的通过没有阻碍，但将壳200的内部与外界环境封闭隔开。光学透镜157对着光源146的端面或表面234在接近透镜157周边的位置与一螺旋线圈弹簧238接触，该弹簧238向着光源146延伸入一在沿表面218延伸的套筒242和光源146的一部分之间的环形通道240。一第二螺旋线圈弹簧224与磁铁222接触，延伸在孔226周围、背向透镜157的表面246及轴衬230的端面248之间。因此，考虑到前述结构中相对作用的弹簧238和244提供的相互作用，以及轴衬230在螺孔216中不同的轴向调准位置，光学元件157及固定于其上的磁铁222保持在壳200的壳体部分202内的一个预定初始或参考轴向位置。这个位置给从光源146中射出、通过透镜157、磁铁222的光孔226及窗232、用于扫描和读取目标物上标记的光或激光束定下了一个基本的或参考的光束腰位置。因为壳200内的空间与外部环境密封隔开，其内容置的空气在扫描装置跌落或遭到外部撞击时基本上可作为吸震介质提供一缓冲作用。这将保护其内容置的精密光学元件免受外力引起的损坏。
根据本发明的扫描装置或读取器100基本上被用作扫描角可调/变焦扫描器，其使得对距离装置几英寸甚至相接触直至数英尺(例如从5英寸到15英尺)的标记进行扫描或读取成为可能，而不需要大量的调整及/或在扫描装置内安装附加的元件。因此，为了改变从光源146射出、穿过聚焦透镜157及磁铁222内光孔226的光或激光束的焦点或光束腰，本发明对线圈214施加电压以交替地、电磁地吸引和排斥电磁铁222以使由光学透镜157及具有孔226的磁铁构成的机构在管体部分202的限制内沿其圆柱壁面218轴向往复移动。为了完成前述结构，一供能交流电通过适当的电引线250被加到线圈214上，导线250连接至一电源，如可以是供应光源146电能的电源，以向磁铁222施以极性改变的电磁场。透镜157和磁铁222在壳200的体部202内的往复运动与试图将透镜157和磁铁222推回初始平衡位置的线圈弹簧238和244回复力或平衡力相反，在该初始平衡位置光束腰在一预定范围。为了得到需要的工作范围，由透镜157和磁铁222构成的机构的轴向往复运动范围是从平衡点向两侧大约15毫米，而加在电磁线圈214的交流电大约在2～5Hz的工作频率，比典型的此类扫描装置的正常扫描频率约18Hz低得多。相应地，这将提供一实质上为连续模式的自动变焦动作以使在一扫描过程中射出的光或激光束将被正确地聚焦扫过正在被扫描装置读取的记号，而无论扫描装置与记号的距离是多少。
除了前述，用于为扫描装置提供自动聚焦/变焦功能的结构200也使光束扫描角的调节变得方便以改进扫描的清晰度并由此提高对应于聚焦透镜157的轴向往复移动的、该机构在不同工作范围上读取标记的质量。
请参阅图3，现在采用的扫描装置，在它们的扫描过程中一般提供一固定的扫描角，由此一个在较近工作距离的目标与位于较远工作距离上的标记相比被在一较小的角宽度上扫描或相对于目标扩散较小。这对在较长距离(例如，对同一扫描装置与在几英寸到1或2英尺相比，在12～15英尺的距离上)的扫描质量有不利影响。为较远处的标记如条形码提供较小或较窄的扫描角和/或较低的频率的功能具有优越性，因为同样的角度在较长距离处即转变为较长的扫描路程，这明显地提高了系统的带宽要求。
因此，在通过采用如上所述的机构200而具有变焦/自动聚焦功能的扫描系统中，为决定光束腰的位置发射一个“Z驱动”信号。一中转的信号能控制最大角度，并且在某些场合还可能控制扫描元件的频率。
因此，通过采用以下描述的系统，相应于由于透镜的移动对某点聚焦长度的改变，如图4a，4b所示，对较长距离处标记的扫描角α2或带宽小于对较近处标记的扫描α角或带宽。
因此，最大的扫描速度约略由下式给出Vs+4nfscanαmaxZ其中，fscan是每秒的扫描次数，αmax是扫描镜最大的角偏差，而Z是从扫描元件到被装置读取的标记的距离。
因此，对一个标记，或一个宽度为x的条形码要素的停留时间如下
tx＝X/Vs＝X/(4πfscanαmax)·1/Z相应地，要求减小停留时间对Z的依赖，可以通过改变fscan或αmax得到。
如图5所示，透镜157将接收自光源或激光二极管146的光经过孔226传向一合适扫描镜300，而微控制器302向与透镜157相连的Z驱动器304提供输入，同时向角度和/或频率驱动器306提供信息，驱动器306向扫描元件308和扫描镜300提供信号，使能根据标记或条形码与透镜157的距离自动地改变焦点或光束腰。
作为一种变形，在图6所示的实施例中，其中的元件与图5描述的相似或相同，微控制器302向Z驱动器304输入信息以移动扫描元件308而透镜157保持在固定的位置而不是如图2所示实施例中往复移动。
总之，前述内容提供了一个有自动聚焦/变焦功能和可通过一用于改变光学元件位置的电磁机构改变扫描光束角度的扫描装置，其中，一个连接在该光学元件上并能与之一起移动的磁铁上的孔形成一限制系统光圈数的光学孔。
用于光学元件和磁铁的小型轻重量低震动可往复移动的机构允许快速的变焦动作，使得通过结合振动变焦装置与一快速水平(“X”)扫描器可以得一适于所有距离和密度的扫描器，而该快速水平扫描器可以是一标准的18Hz扫描器。
从前述，可清楚地看出本发明涉及一种独特的通用的自动聚焦/变焦扫描机构，使得一相对简单和便宜的扫描装置可被用来对位于距装置差异很大的工作距离上的标记做高效高速的精确的扫描。
虽然以上对本发明较佳实施例做了详细的描述，但是根据本发明的精神可以容易地作出形式上和细节的改变。因此本发明的内容不仅局限于所描述的细节，而应由权利要求书所限定。
权利要求
1.一种用于读取具有不同光反射性区域的标记的扫描装置，包括用于使光束从扫描装置射向标记的装置；与聚焦装置功能地连接的用于连续地改变聚焦装置焦点以使扫描装置能读取不同工作距离处标记的装置；以及与控制射向标记的光束最大扫描角的装置相关连的、用于控制聚焦的装置。
全文摘要
一种用于读取在不同距离处的如条形码等标记的扫描装置，其可以自动地调节焦点位置以读取不同距离处的标记。该装置具有自动聚焦元件。一电磁激励机构与聚焦元件作用，改变聚焦元件的位置，以改变光束的焦点位置，使之能读取与装置距离不同的标记。
文档编号G06K7/10GK1080416SQ9211484
公开日1994年1月5日 申请日期1992年12月23日 优先权日1991年12月23日
发明者保罗·德沃尔基斯 申请人:欧林巴斯光学工业股份有限公司