专利名称：低成本光扫描仪用的单体光学组件的制作方法
技术领域：
本发明是1996年10月9日提交的美国申请第08/727,944号的部分续展申请。
本发明的领域涉及电光阅读器或扫描系统，诸如条码符号阅读器，尤其涉及在特别需要小型扫描仪的应用中使用的扫描模块。
现在诸如条码符号阅读器等电光阅读器非常普及。一般地说，一个条码符号包含一行或多行亮区和暗区，一般为矩形形式。暗区(即，条)的宽度和/或条之间亮区(即，间隔)的宽度表示要阅读的编码信号。
条码符号阅读器照亮符号，并接收从条码区反射回来的光，以便检测条码区的宽度和间隔，并获得编码信息。条码阅读型数据输入系统改善了各种应用中数据输入的效率和精度。这类系统输入数据是很方便的，这有助于更频繁、更详细的输入数据，例如用以提供有效的详细目录、跟踪工作进展等。但是，为了获得这些优势，用户或雇员必须自愿地、始终如一地使用阅读器。因此，阅读器必须舒适并便于操作。
已知各种扫描系统。一种特别优越的阅读器是光扫描仪，它在符号上扫描一束光(诸如激光)。美国专利第4,387,297号和第4,760,248号所例举激光扫描系统及其部件类型一般已被设计成在离开手持或静态扫描仪某一工作范围内或在一定阅读距离的地方阅读具有不同光反射率部分的标记，即条码符号，特别是通用产品代码型(UPC)的条码符号。
可以使用各种反射镜或电动机结构按所需的扫描图形移动光束。例如，美国专利第4,251,798号揭示了一种旋转多边形，其每一边都有一平面镜，每个平面镜跟踪一条通过符号的扫描线。美国专利第4,387,297号和第4,409,470号都使用了一个平面镜，在围绕安装该平面镜的驱动轴的交替圆周方向上，反复和往复驱动所述平面镜。美国专利第4,816,660号揭示了多反射镜结构，它由一般为凹面镜的部分和一般为平面镜的部分组成。在围绕安装着多个反射镜的驱动轴的交替圆周方向上，反复往复驱动所述多反射镜结构。所有上述美国专利的内容通过引用包括在此。
在上述类型的电光扫描仪中，“扫描机”包括激光光源、光学部件、反射镜结构、摆动反射镜结构的驱动装置、光电探测器，以有相关信号的处理和解码电路，所有这些都会增加扫描仪的大小和重量。在需要长久使用的应用中，大而重的手持扫描仪会使用户产生疲劳。当使用扫描仪产生疲劳或者在其它方面不方便时，用户会不情愿操作扫描仪。不愿意始终使用扫描仪会有损于希望条码系统达到的数据收集的目的。另外，需要一种小型的扫描仪，以便将它放在诸如笔记本等小型装置中。
因此，条码阅读器发展的一个持续目的是尽可能使阅读器小型化，并且还需要进一步缩小扫描机的大小和重量，并为使用扫描仪提供特殊的便利。大量移动部件应尽可能地少，以便使产生扫描移动所需的功率最小。
还希望将扫描机模块化，以便在各种不同的扫描仪中使用特定的模块。但需要发展特别小型、轻巧的模块，它包括所有必须的扫描器部件。
本发明的一个目的是缩小用来产生光束扫描移动并收集反射光的各部件的大小和重量。
相关目的是开发一种既小又轻的电光扫描系统。
另一个目的是制造一种可以方便地、低成本制造的模块。相关目的是提供一种容易组装的模块。
依照本发明，提供了一种光学扫描模块，它包括(a)光源，用于发射光束；(b)扫描组件，用于接收所述光束，并且从中产生扫描光束，指向要读的标记；(c)光电探测器；和(d)单体光学元件，它包括(i)光束整形透镜，用于在向所述扫描组件传输之前接收所述光束，并对光束整形；和(ii)反射镜限定部分，用于放置反射镜表面，所述反射镜表面被布置成接收来自所述标记的反射光，并且将其射向所述光电探测器。
最好，用一种对光透明的塑料材料模压单体或整体光学元件，有选择地涂覆所述材料，以提供收集镜的反射面。模制部件还可以限定光源/激光器和/或光电探测器的固定和/或放置部件。还可以对光电探测器固定部分进行涂覆，最好用涂覆收集镜的相同材料，以便为光电探测器提供光屏蔽和电磁屏蔽。
模制部分可以包括向下延伸的“按扣”，可以将部件与被固定的激光器和光电探测器一起很容易地固定到下方的PCB中。
还可以在同一PCB上安装一个光束扫描结构，提供线性或两维扫描。
依照本发明，还提供了一种光学扫描模块，它包括一确定参考平面的固定基座，并在上面固定(a)光源，用于发射光束；(b)扫描组件，用于接收所述光束，并且从中产生扫描光束，指向要读的标记；其中将所述模块布置成由扫描光束确定一扫描平面，该平面与参考平面不正交。
因此，不需要衬垫将模块放在母板上便可获得所需的角度。
在另一种形式中，本发明提供了一种光学扫描模块，它包括一确定参考平面的基座，一光束反射元件和一光束反射元件驱动器，其中光束反射元件相对基座固定，并被驱动在一平面内摆动，所述平面与垂直于参考平面的平面成一角度。
依照本发明，还提供了一种小型光学扫描模块，它包括基本上为矩形的模块基座，并在上面固定了光源，用于发射光束；扫描组件，用于接收所述光束，并且从中产生扫描光束，指向要阅读的标记；探测器；和单体光学元件，单体光学元件包括用于在向所述扫描组件传输之前接收所述光束并对之整形的光束整形透镜，以及用于放置反射镜表面的反射镜限定部分，所述反射镜表面被布置成接收回射光，并且将其射向所述探测器。
本发明还提供了一种光学扫描模块，它包括光源，用于发射光束；第一扫描组件，用于接收所述光束并从中产生位于第一扫描平面的扫描光束；第二扫描组件，用于接收来自所述第一扫描组件的所述扫描光束并产生同样在第二平面中扫描的扫描光束，所述第二平面与所述第一平面不平行；以及探测器，用于探测返回光束，其中所述光源、所述扫描组件和所述探测器位于单个模块基座上。因此，可以进行两维扫描，允许定制的扫描图案。
依照本发明，还提供了一种光学扫描仪用的扫描元件，扫描元件包括用于反射扫描光束的反射器和用于按一种扫描移动方式驱动所述反射器的驱动器，其中反射器固定在一可扭转变形的元件上，并且在该元件上按一种扫描移动方式驱动，所述可扭转变形的元件是细长的，可绕其细长轴变形，并且垂直于其细长轴的截面形状不是平面型，将所述截面形状选择成沿细长轴提供基本上均匀的扭转变形。
本发明还提供了一种光学阅读器，它包括阅读器外罩，以及固定在外罩中的阅读光束发生器、阅读光束探测器和阅读光束窗，包含基座、手柄和头部的所述外罩包括阅读窗，阅读窗固定在手柄的一端，手柄在其另一端与基座相连，阅读器独立地放在基座上。因此，获得了包括空手/独立使用和手持使用的改进型人类工程学的产品。
后附的权利要求书具体叙述了视作本发明特征的新颖特点。但结合附图阅读时，可以从以下实施例的具体描述中充分地理解本发明本身，包括其结构和其操作方法，还有本发明的附加目的和优点。另外，所附的独立权利要求限定了本发明的特征，而从属权利要求进一步限定了较佳特征。
图1是依照本发明较佳实施例的光学组件的部分截面图；图2a是一侧视图，示出了适于与图1光学组件一起使用的手枪式扫描仪；图2b是图2a的扫描仪的正视图；图2c是图2a的扫描仪的顶面图；图2d例示了一手持光学扫描仪，它适于与图1的光学组件一起使用；图2e例示了手持组合型计算机终端和光学扫描仪，同样它也适于与图1的光学组件一起使用；图3示出了扫描光束的角度为非90°的光学组件；图4是一流程图，示出了图2a-2c扫描仪的工作过程；图5a示出了已知类型的柔软的厚带的驱动；图5b示出了改进的柔软的厚带；图6是一分解图，示出了图5b中柔软的厚带的安装；图7示出了在组装形式下图6所示的部件；图8示出了在切断形式下外罩内的光学组件；图9示出了2D扫描运动的扫描组件；图10是对应图9的示意顶面图；图11示出了另一种扫描组件结构；图12是对应图11的底视图；图13a示出了传统组件中的扫描平面；图13b示出了图11所示组件类型的扫描平面；以及图14示出了另一种扫描模块外罩。
图1示出了依照较佳实施例的低成本光学组件，用于产生扫描激光束。
光学组件包括两个本质上分离的部分，“静态光学部件”10和扫描仪电动驱动12，两者都安装在一个公用印刷电路板(PCB)14上。在详细描述组件结构之前，先概述一下装置的工作情况是有帮助的。来自半导体激光器18的光束16通过模制塑料透镜20，并经棱镜22的完全内反射转过90°。出射棱镜后，光束通过收集镜26中的孔径24，并且入射到摆动扫描镜28上。这产生了扫描出射光束30，该光束被引向将要阅读的标记(未示出)。
来自标记的反射光32首先被扫描镜28接收，扫描镜28将光束投向收集镜36的凹面34。通过孔径36和滤光器38将光聚焦到光电探测器40上。然后，通过电耦合42将光电探测器的输出信号传送到PCB 14内合适的电子器件上。
扫描镜28安装在标号44处，以便绕轴摆动，这可以依靠永久性磁铁46与驱动电磁线圈48之间的相互作用来实现。通过PCB 14和线圈电接触50将合适的驱动信号施加到线圈上。
图1所示的扫描仪电动驱动器12是一例示，它可以用任何类型的可以在一维或两维上影响激光束扫描移动的机械装置来代替。例如，扫描电动驱动器可以包括美国专利第5,581,067号和第5,367,151号中揭示了任何结构，所有这些专利的内容通过引用包括在此。用这种方式，可以把静态光学部件部分10用作各种扫描仪设计的一个部件。
图1所示的光学组件可以包含在任何类型的固定式或便携式光学扫描仪内，例如图2a-2c的扫描型扫描仪、图2d所示的手持式扫描仪、或者图2e所示的手持式计算机终端/扫描仪。
参照图2a至图2c，图中示出了按人类工程学设计的手持式手枪型扫描仪。扫描仪包括用标号100表示的扫描仪本体，本体包括手柄部102和头部104。手柄部102形状被构造成用户可以用手掌垂直握住，并且具有一个向前部，该向前部包括一板机106，板机106最好位于用户食指可操作的位置。头部104位于手柄部102的顶部，并且包括一个前表面，前表面包括扫描窗108和从手柄102向后延伸的球状后部，以便在使用时放在用户的手上。
扫描仪100关于枢轴112与基座部分110枢轴固定，枢轴112位于手柄102的底端。基座包括一平的底面114和从手柄部向前、向后，向两侧伸展，以便可以将组件作为一个整体稳定独立地放在支撑面上。将扫描仪100安装成可以在基座110上向前/向后作枢轴旋转。基座110通过电缆线116在扫描仪100和主机(未示出)之间提供接口。电缆116可以简单是传送电力，或者还可以包括一个数据通路，用于将控制信号传送给扫描仪，或者用于将读取的数据从扫描仪100下载到主机上。
基座110在其下方114包括一个压力开关(未示出)，该开关可以是任何合适的已知类型，释放它便通知扫描仪中的处理器扫描仪正以手持模式工作。相应地，当激活板机106时，扫描仪切换到触发模式，表示只进行阅读。
图4中的流程图更详细地描绘了控制系统。由图可见，用一个合适的控制器来维持一个连续的循环，以判断压力开关是否被激活(步骤150)。如果压力开关去激活，那么输入触发(手持)模式(步骤152)；对相关特性的进一步讨论可以参见美国专利第5,151,581号，该专利的内容通过引用包括在此。
在另一种模式下，压力开关被激活，输入连续扫描(空手)模式(步骤154)。在该模式下，总是激活表示扫描图案，使所有项目通过扫描仪的前方，进行扫描。例如，可以在诸如收银台等零售点使用。因此，该结构允许进行双重模式操作。
扫描仪最好是全方位扫描仪，但手枪式结构提供了传统的一维扫描仪的优点。另外，增加枢轴112可以调节角度，这使扫描仪作为整体可以以任何所需的枢轴角度放置，便于阅读，并且还可以在手持模式下使基座的角度取向处于舒适的位置。
主体100的基座110最好是模块化的，以便可以用最小的化费更换一个或其余部件，从而实现例如无绳应用。在头部104的上表面可以有选择地附加一个模式按钮118(参见图2c)，这可使用户例如根据条码符号或其它要阅读的标记或扫描条件选择任何所需类型的扫描图案。另外，在120处布置诸如LED等指示灯，表示例如扫描仪的工作模式，它是否处理空手或手持模式等。
现在参照图2d，在又一个实施例中，标号210一般表示的手持式扫描仪。扫描仪可以换用手枪形，或者使用任何合适的结构。对扫描仪手动操作，例如用板机(未示出)。如从上述专利和应用(其内容通过引用包括在此)中已知的，将光源部件(一般但不必为激光器)安装在方框210所示的扫描仪中。光源沿传输路径发射一束光，光束通过面向要阅读的标记(例如条码符号)的窗口218向外射出。另外，还在方框210内安装了光电探测器部件，例如光电二极管，光电探测器具有一视场，并且可以接收沿路径通过窗口214从符号返回的反射光。
图1中的光学组件安装在方框210内或者成为其一部分。
无论布置该结构的扫描仪类型如何，工作过程一般相同。光电探测器产生电模拟信号，表示反射光的可变强度。模拟-数字转换电路将该模拟信号转换成数字信号。解码模块222对该数字信号解码。解码模块222将数字信号解码成符号的数据表示。一般为计算机的外部主机224主要起数据存储器的作用，由解码模块222产生的数据被存储在主机中，供后续处理。
方框210和解码器222安装在PCB 214上。
在操作中，每次用户想要读一个符号时，用户将扫描仪对准该符号，并拉动板机，或者起动对符号的阅读。板机是一个电开关，它可以起动驱动装置。每秒对符号反复扫描多次，例如每秒100多次。符号被成功解码和阅读后，扫描动作便自动终止，从而使扫描仪依次对准下一个要阅读的符号。
另外，因为本发明也可以使用固定安装的头部，所以头部不需要是便携式手持型的。另外，头部可以具有手动操作的板机，或者通过与电源直接连接对头部连续操作。
因为多次摆动(而不是增加时间)可以提高对符号成功解码的可能性，即使符号印刷得很差，所以摆动只需持续一秒左右。谐振式反射器具有预定的、可预知的、已知的、一般均匀的角速度，增加了系统可靠性。
现参照图2e，图中示出了另一种手持式光学扫描仪，它包括一些附加特性，这里是扫描终端326。终端包括一手持盒328，手持盒328具有一数据显示屏330和一数据输入键盘332。图1的光学组件位于盒328内，其产生的扫描光束通过面向要阅读的标记的窗口334向外出射。被标记反射的光通过窗口334射回，并且入射到光电探测器部件(例如光电二极管)上，光电探测器产生返回光的输出信号。该信号内的信息内容可以存储到机载存储器(未示出)中，或者通过数据端口336下载到远端计算机中。另一种方法是，通过机载无线电发射机/接收机338产生的射频信号发射信息。
在一个实施例中，用来获得扫描动作的电动驱动器最好是“紧带元件(tautband element)”驱动器。美国专利第5,614,706号和第5,665,954号全面描述了这种类型的驱动器，这些专利被公共转让，并且其内容通过引用包括在此。实质上，结构包括一个诸如轻反射镜的光学元件，它安装在一条柔软的薄带(“紧带”)上，而薄带则固定在电磁线圈的两端。将永久磁铁固定于光学元件，当对线圈施加AC信号时，光学元件与所产生的变化磁场相互作用，在柔软带中产生反复的扭转运动。结果，光学元件摆动，产生扫描移动。
图5a更详细地示出了已知类型的紧带元件驱动器。在特定线圈70中，可以看到柔软带72、反射镜74和永久磁铁76。例如用支持环面78将柔软带72靠线圈70固定。标号80示意表示施加到线圈上的AC电压，并且用箭头82示意表示AC电压产生扭转摆动。显然，用一种对于懂技术的读者显而易见的方式，可以将这种结构作为反射镜28和驱动结构44、46和48来替代图1所示的结构。
在图5b所示的另一实施例中，用伸长元件84替代柔软带72，其中伸长元件84在垂直于其长轴的截面中呈V形，而长轴上安装有反射镜74和永久磁铁元件76。V形元件84穿过线圈，或者用相同于先前柔软薄元件72的方式进行适当固定，并且永久磁铁76与AC磁场相互作用，导致箭头86表示的扭转。带的V形截面增强了它的刚度，尤其保证扭转在带长度上是均匀的或基本均匀的，反射镜74安装在“V”的顶点。应该理解，可以使用其它带截面结构，诸如X形、I或H形，W形，只要能够保持扭转要求以及扭转沿带长度方向的均匀性要求。
图6以分解的形式示出了安装图5b中V形元件84的实际模式。线圈70安装在E形铁芯71a上，E形铁芯71a包括插入线圈70之中心孔中的中心臂71b以及在线圈两侧延伸并伸到线圈之上的外臂71c和71d。固定板75a放在E形铁芯的外臂71c和71d上，并且在线圈70上延伸。固定板75a包括中心孔75b，它限定了V形元件84穿过的空间。V形元件84包括侧翼84a，它们在元件端部和中心处关于纵轴向两侧对称延伸，并且用任何合适的方式将V形元件84固定在固定板75a上，跨越孔径75b，例如可以将端侧翼84a固定在固定位置75a的上表面上。将协同构造的V形连接元件85与V形元件84固定，并且一般将其与侧翼84a对准，并且在V形元件的顶部，将反射镜74固定在连接元件85上。从反射镜74挂下的是一轭架73，它也基本上呈V形，但跨骑V形元件84，轭架73的外端73a和73b与反射镜74的背面固定。轭架73有一远离反射镜74的中心部分和短小的横向突出部73c和73d。横向突出部73c和73d与V形元件的中心侧翼84a和84b对准，并与之固定。永久磁铁76与轭架73之中心部分的下方固定，例如与突出部73c和73d的下方固定。相应地，轭架73跨骑V形元件84，致使永久磁铁的磁场覆盖固定板75a中的孔径75b或者穿过孔径75b，以便与线圈70进行最佳磁耦合。当对线圈70施加AC电流时，永久磁铁76摆动，由此引起V形元件84的扭转以及反射镜74的摆动。图7示出了组装结构。
图8示出了一组装模块，它包含图7中的结构。由图可见，包括一个基本上为立方体的外罩。箭头A表示反射镜的角度移动方向。
作为一种替代，用来摆动扫描镜的电动驱动器类型可以是例如不平衡类型的“聚酯薄膜电动机”。以下将结合图11-12对其进行描述。按照这种类型，反射镜与聚酯薄膜片状簧片固定，当AC线圈产生摆动运动，从而驱动永久磁铁时，片状簧片前后弯曲。另一种替换是微型结构的反射镜，美国专利第4,387,297号和第4,409,470号在相关介绍中对此作了讨论，依照这些专利，直接用合适的驱动电动机，最好尺寸非常小，来前后驱动反射镜。还有一种替代是使用一种由已知的旋转多边形类型构成的反射镜，美国专利第4,251,798号在相关介绍中对此作了讨论，依照该专利，反射镜包括一个具有多个面的实体，多个面相互成一定的角度。当实体旋转时，通过连续旋转多边形实体的面，对光束进行扫描。在一种实施例，可以在一维扫描结构中使用聚酯电动机，而将(上述)V形紧带元件用于二维扫描，以下还将对二维扫描作更详细的描述。
返回图1所示的静态光学组件10，注意激光聚焦透镜20、激光孔径24以及收集镜26都由单个模制的塑料部件确定，图中用剖面线表示，并一般用标号52指出。模制部件52还起容纳和定位激光器18、滤光器38和光电探测器40的作用。
较佳的激光器18是半导体激光器，最好是SMD(“表面安装器件”)光电二极管。这可以避免象现有技术扫描仪中所使用的那样使用光电二极管支座和手焊或承窝。一般激光器将是一种标准封装的边缘发射激光器。为使成本最低，激光器的聚焦是不可调的，并且简单地将激光器安装成，使其固定边缘与作为模制部件的一部分模压的肩部相接触。这将使激光器足够精确地相对模制聚焦透镜定位，以在便宜的扫描仪中提供合适的性能。将聚焦透镜模制成与肩部54相同的部件部分这一事实使容限累积最小，不然会造成不合适的聚焦。
利用UV固化粘合剂将激光器安置在模制部件52内。由于模制部件的塑料材料对紫外线(UV)光透明，所以将UV光透过部件照射到放置激光器的空腔中。粘合剂可以加在激光器18或模制部件52上，然后将激光器推入空腔中，直至它与定位的肩部54相邻。然后组件暴露在紫外线光下几秒钟，将粘合剂固化。如果需要较高的性能，保持激光器的这一方法还可以进行聚焦调节。在该情况下，使激光器逐渐滑入空腔中，同时对输出光束进行监测。当获得正确焦距时，对部件照射UV光，以使粘合剂固化，并将组件固定在位置上。
在不能调焦的组件中，可以用弹性方式将激光器加载到定位肩部54上，例如在PCB14和激光器18底部之间施加橡胶或泡沫塑料垫圈56。
如图所示，激光器18具有向下延伸的电气引线58，它被简单地直接安装在PCB 14中。这避免了手焊，但如果需要可以进行焊接。
引线向下伸入电路板的意思是，在常规激光器中，光束将垂直于电路板直接向上。前述的棱镜22被模压在模制部件52的顶部，它将垂直激光束引导通过收集镜26中的孔径24，射向扫描镜28。棱镜22对激光束全反射，因此不必用反射涂层涂覆上表面。
为了对激光束作进一步的聚焦(如果需要的话)，还可以对棱镜的出射面60整形。
希望激光束在其路径的某个地方一穿过光阑。收集镜26中的孔径24可以起到这个目的。另一种方法是，由透镜20或棱镜22的反射面或出射面提供该光阑。
事实上，最好保持孔径24尽可能地小，这可以改善收集镜26的的收集能力。例如，孔径24的直径可以在0.5毫米范围内。当所得的衍射图案产生特别适于扫描标记的遵循Bessel函数的光分布时，这会带了附加的好处。
需要将模制部件52与电路板14固定，并且在固定端提供了按扣62和64。当安装部件时，这些按扣会自动锁入电路板中。
另一种方法是，模制部件下方的柱子穿过电路板，以便用热的方式打桩到电路板的底面。还可以使超声打桩方法。
用反射涂层涂覆收集镜26，以便射在其上的光被向下反射到光电探测器40上。该涂层还可以涂覆模制部件中对光电探测器起外罩作用的部分62。这将使光学组件在该区域中不透明，以防止光到达光电二极管，除非光是通过孔径36和滤光器38到达光电二极管的。
这种反射涂层还有另一种功能。一般，涂层是一种由诸如金、铝或铬组成的薄膜。这些薄膜是导电的。因此，薄膜还对光电探测器40起到电磁干涉屏蔽的作用。用表面涂层来保护光电二极管可以省去常规的EMI屏蔽，从而免去独立屏蔽的成本以及将其安装在组件中的劳动力。
通过把模制部分的突起66伸入PCB中的小承窝68中，使涂层电气接地。另一种方法是，将突起66压入电路板中的被镀通孔中。
模制部件52的外罩部分62不仅将滤光器38固定在光电二极管40的顶部，而且整个围绕在光电二极管的周围，从而防止偏离光射到它的上面。外罩中的孔径36可以小的，用以限制探测器的视场，使环境光抗扰度最大。需要将孔径精确地相对收集镜26定位，以允许使用最小化的视场。由于将孔径和收集镜模压成单个部件，所以很容易获得精确的相对位置。
图3示出了另一种结构。在某些情况下，希望将结构布置成光束30离开光学组件时与垂直方向(相对PCB 14)的夹角不等于90°。例如，安装要求是将PCB 14安装在非正交的位置上。在先前的结构中，当安装PCB 14时，必须通过引入附加衬垫来解决该问题，以便光束30以所需的角度离开。在依照图3的结构中，通过调节光束出射光学组件的角度来补偿安装角度，并省去安装包括衬垫的PCB的需要，来解决这个问题。在所示的结构中，采用的方法是改变扫描镜组件28的角度，其特别好处是不需要对激光器的安装进行调节。应该理解，剩余的光学部件也需要调节，以便进一步补偿本领域熟练技术人员容易取得的调节。
所涉及的角度依赖于特殊用户的需要，但可以在相对PCB板的45-90°范围内，能在60-70°范围内更好，最好相对PCB 65°。
图11和12示出了依照本发明一实施例的关于图3的另一种光学组件和电动驱动实施例。将结构固定在单基板500上，并且该结构包括一个类型合适的(例如上述类型)激光器组件502。来自激光器组件502的光束通过收集镜506的孔径504，并且被扫描镜508反射。返回的光束后向反射到收集镜506上，并且射向适当的已知类型的探测器510。现在返回扫描镜508的驱动组件，具体地说，反射镜与永久磁铁512结合安装，永久磁铁512与AC电流驱动线圈514提供的磁场相互作用，以摆动反射镜。反射镜通过连接元件510相对基座500固定，而连接元件501通过两个聚酯薄膜簧片518和520与反射镜连接。尽管反射镜平行基座固定，但连接元件516与水平基座成25°，而垂直于连接带516延伸的聚酯薄膜簧片由此与垂直方向成25°。因此，如以下更详细的描述，扫描平面与垂直方向成25°。当然，应该理解，可以选择任何合适的角度。于是，扫描角度受反射镜移动幅度的限制，并且最好选为50°。反射镜是非平衡式的，即未给反射镜提供平衡物。
可见，反射镜508相对垂直方向成一角度，将扫描光束射出组件的上表面。与图1中一样，尽管在图11中将反射镜508表示成与垂直纸面的平面成一角度，但这仅仅是一种图示方法，以使图形更清楚。可见，连接元件516包括在聚酯薄膜簧片518和520两侧延伸的侧翼522和524。这些侧翼定位在侧方块526和528的成形凹槽内，允许除掉一定量的侧翼，为获得所需的扫描角提供合适的空间，同时提供光阑以限制反射镜的摆动量通过落下将对单元进行冲击。
因此，激光器组件502出射的光束入射到反射镜508上，扫描镜通过50°角度对光束扫描，但是扫描光束的平面(扫描平面)与基座500不成90°，该角度由驱动磁铁摆动的方向(即折曲聚酯薄膜簧片的轴)来限制。参照图13a和13b将对此充分理解。在图13a中，激光束30沿Y方向输入。反射镜和驱动组件未示出，但在图13a中，假设常规的反射镜结构为，反射镜与XZ平面成45°，并且安装成绕X方向摆动。结果，在YZ平面中建立了扫描平面530。但是在图13b中，如图11和图12中所讨论的，安装反射镜和反射镜驱动器。由此可见，在平面532内与YZ平面成25°获得扫描线。同样，可以选择任何所需的扫描平面角或扫描角。
相应地，可以用不同的方式获得如图3所述的光束的非90°的出射角。
图9示出了第二较佳实施例，在该实施例中，使用两个反射镜，每个反射镜近正交要求摆动，由此获得两维扫描移动。使用如美国专利第5,581,070号、第5,637,856号和第5,614,076号所述的两个反射器X-Y移动，可以获得多图案扫描仪，这三个专利的内容通过引用包括在此。最好用图5a或图7所示的柔软的薄的元件型驱动器来驱动两个反射器。特别是，光学模块10发出光束30，使之穿过收集器34中的孔径24，固定在第一V形元件84上的第一摆动反射镜28a使光束沿第一方向(例如，X方向)摆动，然后固定在V形带84上的第二反射镜28b使其沿第二方向(例如，Y方向)摆动。结果，如图案11所示，可以在目标处获得任何所需的扫描图案。如图10中所示的基座布置，最好将所述元件都安排在单个模块中。特别是，激光器18使出射光束30穿过收集反射镜26中的孔径34。反射镜28a使光束沿X方向摆动，反射镜28b使其沿Y方向摆动，从而产生图11所示的扫描图案。回程光束32沿反射路径返回，并且收集镜26将其射到探测器40上。当然，应该理解，最好将该布置与图1所示的光学组件结合使用，并且各部件的准确定位和取向对熟练读者来说是显而易见的。
图14示出了用于容纳这里所述的扫描仪或任何其它合适维数扫描仪的另一例扫描仪的外形因子和人类工程学外罩变化。具体地说，扫描仪包含在一个具有扫描窗602的笔状的外罩中。笔状外罩600最好是细长形的，前面604和后面606较宽，而侧面较窄。扫描窗最好位于宽面604的上端，它在笔“尖”612的另一端。可以用一个或多个安装在例如笔状外罩600之侧面或正面上的触发器608和610来触发扫描。笔尖612可以是常规的笔或是电子笔。由于宽面，该结构容易容纳所述类型的扫描仪模块。另外，对窗602定位允许进行人类工程学的扫描，而对多个触发器定位允许左撇子或右撇子用户能够方便地使用扫描仪。可见，外罩600的宽后面606以阅读的方式与用户手掌接触，便于舒适且方便地使用，同时窄的侧面以书写方式与用户手掌接触，以便通过象笔那样正常使用该结构。
应该理解，上述每个特征，或者两个或多个的组合可以在不同于上述类型的其它类型扫描仪和条码阅读器中找到应用。
尽管用一个电光扫描仪的扫描模块说明和描述了本发明，但本发明不局限于所述的细节，因为可以用任何方式不脱离本发明的精神和范围进行各种改变和结构变化。具体地说，应该承认，有关一个实施例所述的特征可以用一种对熟练读者来说显而易见的方式包含在其它实施例中。
无需进一步的分析，上述内容将完全揭示本发明的精髓，其他人通过应用现有知识很容易使其适用于各种应用，但不遗漏从现有技术的角度看构成了本发明一般或具体方面的实质特征的特点，从而这些适用性应该并试图在以下权利要求书的等效意义和范围内加以理解。后附权利要求书叙述了希望专利证书要求保护的内容。
权利要求
1.一种光学扫描模块，其特征在于，包括(a)光源，用于发射光束；(b)扫描组件，用于接收所述光束，并且从中产生扫描光束，指向要读的标记；(c)光电探测器；和(d)单体光学元件，它包括(i)光束整形透镜，用于在向所述扫描组件传输之前接收所述光束，并对光束整形；和(ii)反射镜限定部分，用于放置反射镜表面，所述反射镜表面被布置成接收来自所述标记的反射光，并且将其射向所述光电探测器。
2.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述反射镜表面在所述单体光学元件上包含一涂层。
3.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件为所述光束限定了一光阑。
4.如权利要求3所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光阑由所述反射镜限定部分中的孔径来确定。
5.如权利要求3所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光阑由所述光束整形透镜来确定。
6.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件包括一整体的光束折叠式棱镜。
7.如权利要求6所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光束折叠式棱镜被布置成通过全反射折叠所述光束。
8.如权利要求6所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光束折叠式棱镜对所述光束限定一光阑。
9.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件包括一光源放置部分。
10.如权利要求9所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光源放置部分在单体光学元件上包括一个肩部，它与所述光源相邻。
11.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件包括一光源外罩部分。
12.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件包括一光电探测器放置部分。
13.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件包括一光电探测器外罩部分。
14.如权利要求13所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光电探测器外罩部分在整体光学元件内包括一放置空腔。
15.如权利要求14所述的光学扫描模块，其特征在于，用一种电磁屏蔽材料涂覆所述光电探测器外罩部分。
16.如权利要求13所述的光学扫描模块，其特征在于，电磁屏蔽材料还提供光屏蔽。
17.如权利要求2所述的光学扫描模块，其特征在于，单体光学元件包括一光电探测器外罩部分，还用所述涂层涂覆所述光电探测器外罩部分，为所述光电探测器提供电磁屏蔽。
18.如权利要求13所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光电探测器外罩部分确定孔径，以限制光电探测器的视场。
19.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件包括固定部分，用于将所述光学扫描模块固定在一印刷电路板上。
20.如权利要求19所述的光学扫描模块，其特征在于，所述外罩部分包括柔软的按扣。
21.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述单体光学元件由一种塑料材料模压而成。
22.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述反射镜表面被布置成通过所述扫描组件接收所述反射光。
23.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，所述光学扫描模块包括一确定参考平面的固定基座，并且扫描模块被布置成以相对参考平面非直角的角度从扫描模块中射出一光束。
24.如权利要求23所述的光学扫描模块，其特征在于，将反射镜限定部分定位成以所述非直角发射光束。
25.一种光学扫描模块，它包括一确定参考平面的固定基座，其特征在于，还在上面固定有(a)光源，用于发射光束；(b)扫描组件，用于接收所述光束，并且从中产生扫描光束，指向要读的标记；其中将所述模块布置成由扫描光束确定一扫描平面，该平面与参考平面不正交。
26.如权利要求25所述的光学扫描模块，其特征在于，以某一角度固定扫描组件，致使扫描平面不与所述参考平面正交。
27.如权利要求25所述的光学扫描模块，其特征在于，扫描平面相对参考平面的夹角在45-90°的范围内，在60-70°范围内较好，最好为65°。
28.如权利要求4所述的光学扫描模块，其特征在于，与所述反射镜限定部分相比，所述孔径的大小相对较小。
29.如权利要求28所述的光学扫描模块，其特征在于，所述孔径具有合适的大小，可使光束发生衍射。
30.如权利要求28所述的光学扫描模块，其特征在于，孔径直径大约为0.5毫米。
31.一种光学扫描模块，其特征在于，包括一确定参考平面的基座，一光束反射元件和一光束反射元件驱动器，其中光束反射元件相对基座固定，并被驱动在一平面内摆动，所述平面与垂直于参考平面的平面成一角度。
32.如权利要求31所述的模块，其特征在于，反射元件固定在一有弹性的可变形元件上，所述可变形元件位于所述基座上，绕不平行于参考平面的轴变形。
33.如权利要求32所述的模块，其特征在于，反射元件固定在一可弯曲的叶状簧片上，所述簧片具有一不平行于参考平面的弯曲轴。
34.一小型光学扫描模块，其特征在于，包括基本上为矩形的模块基座，并且在上面固定了光源，用于发射光束；扫描组件，用于接收所述光束，并且从中产生扫描光束，指向要阅读的标记；探测器；和单体光学元件，它包括用于在向所述扫描组件传输之前接收所述光束并对之整形的光束整形透镜，以及用于放置反射镜表面的反射镜限定部分，所述反射镜表面被布置成接收后向反射光，并且将其射向所述探测器。
35.如权利要求34所述的模块，其特征在于，所述扫描组件包括相对基座作可移动固定的反射元件，以及用于移动反射元件的装置，其中反射元件通过一弹性耦合器固定。
36.如权利要求35所述的模块，其特征在于，所述弹性耦合器包括一叶状簧片。
37.如权利要求35所述的模块，其特征在于，所述弹性耦合器包括一可扭转变形的细长元件。
38.如权利要求35所述的模块，其特征在于，所述反射元件可移动，可以高速摆动。
39.一种光学扫描模块，其特征在于，包括光源，用于发射光束；第一扫描组件，用于接收所述光束并从中产生位于第一扫描平面的扫描光束；第二扫描组件，用于接收来自所述第一扫描组件的所述扫描光束并产生在第二平面中扫描的扫描光束，所述第二平面与所述第一平面不平行；以及探测器，用于检测返回光束，其中所述光源、所述扫描组件和所述探测器位于单个模块基座上。
40.如权利要求39所述的模块，其特征在于，还包括单体光学元件，它包括用于在向所述扫描组件传输之前接收所述光束并对之整形的光束整形透镜，以及用于放置反射镜表面的反射镜限定部分，所述反射镜表面被布置成接收后向反射光，并且将其射向所述探测器。
41.如权利要求39所述的模块，其特征在于，每个反射元件都被固定在一可扭转变形的元件上，并且被驱动在所述元件上摆动。
42.一种光学扫描仪用的扫描元件，其特征在于，所述扫描元件包括用于反射扫描光束的反射器和用于按一种扫描运动方式驱动所述反射器的驱动器，其中反射器固定在一可扭转变形的元件上，并且在该元件上按一种扫描运动方式驱动，所述可扭转变形的元件是细长的，可绕其细长轴变形，并且垂直于其细长轴的截面形状非平面型，将所述截面形状选择成沿细长轴提供基本上均匀的扭转变形。
43.如权利要求42所述的元件，其特征在于，所述可扭转变形元件的截面形状可以是以下形状组中的一个V形、X形、I形、H形和W形。
44.如权利要求43所述的元件，其特征在于，所述可扭转变形元件的截面形状为V形。
45.如权利要求44所述的元件，其特征在于，所述反射镜固定在所述V形可扭转变形元件的顶点。
46.一种光学阅读器，其特征在于包括阅读器外罩，以及固定在外罩中的阅读光束发生器、阅读光束探测器和阅读光束窗，包含基座、手柄和头部的所述外罩包括阅读窗，阅读窗固定在手柄的一端，手柄在其另一端与基座相连，阅读器独立地放在基座上。
47.如权利要求46所述的阅读器，其特征在于，手柄以枢轴方式固定在基座。
48.如权利要求46所述的阅读器，其特征在于，基座包括一模式探测器，用于探测阅读器是处在独立模式下还是在手持模式下。
49.如权利要求48所述的阅读器，其特征在于，所述模式探测器在基座的下方包括一压力开关。
50.如权利要求48所述的阅读器，其特征在于，根据探测到的模块改变对阅读器的操作。
51.如权利要求50所述的阅读器，其特征在于，如果探测到手持模式，那么仅当起动致动器时才产生阅读光束。
52.如权利要求50所述的阅读器，其特征在于，如果探测到独立/空手模式，那么连续产生阅读光束，允许空手操作。
53.如权利要求46所述的阅读器，其特征在于，包括一飞点光学扫描仪。
54.如权利要求46所述的阅读器，其特征在于，包括一视场扫描仪。
55.如权利要求1所述的光学扫描模块，其特征在于，还包括笔型模块外罩，它具有垂直其长轴的矩形截面，确定了相对的宽长的表面以及相对的窄长的表面，一端为笔端，并且还包括扫描窗，它位于宽长表面上，基本上在另一端。
56.一种在电光阅读器中使用的整体光学元件，所述电光阅读器包括用于向要阅读的条码符号发射光束的发光器，和用于探测从符号反射回来的光的光探测器，其特征在于，所述整体光学元件包括a)光束整形透镜部分，用于对光束整形，并且沿第一光学路径将整形光束射离所述发射器；b)光束折叠部分，它与光束整形部分形成一整体，用于沿不同于第一路径的第二光学路径引导整形光束。c)光收集部分，它与光束整形部分和光束折叠部分形成一整体，用于收集反射光，并且将收集到的光射向探测器。
57.一种在光电阅读器中使用的光学扫描模块，所述光电阅读器用于将光束射向要阅读的条码符号，并探测从条码符号返回的反射光，其特征在于，所述光学扫描模块包括；a)一般为平面型的支撑物，它位于一参考平面内；b)发光器，它固定在支撑物上，并且用于产生光束；和c)扫描仪，它固定在支撑物上，并且用于在一倾斜的扫描平面中扫描光束，所述倾斜扫描平面相对参考平面成锐角，并且用于沿所述倾斜的扫描平面将扫描光束射离模块。
58.一种在光电阅读器中使用的光学扫描模块，所述光电阅读器用于将光束射向要阅读的条码符号，并探测从条码符号返回的反射光，其特征在于，所述光学扫描模块包括；a)一般为平面型的支撑物，它位于一参考平面内；b)光源，它由所述支撑物支撑，用于产生光束，并沿一折叠的光学路径将光束射向要阅读的符号；c)光学组件，它固定在支撑物上，并且包括具有光束折叠部分的光学元件，所述光束折叠部分用于沿第一段路径接收来自光源的光束，并且沿第二段路径射出光束，其中所述第一段路径一般垂直于参考平面，而所述第二段路径一般平行于参考平面；和d)扫描组件，它包括一般为平面型的、可作往复摆动的扫描镜，所述扫描镜被固定用来在支撑物上摆运动，并且用于接收来自光束折叠部分的光束，并沿第三段路径发射光束，其中第三段路径相对参考平面倾斜一锐角。
59.一种在光电阅读器中使用的后向反射扫描模块，所述光电阅读器用于将光束射向要阅读的条码符号，并探测从条码符号返回的反射光，其特征在于，所述后向反射扫描模块包括；a)一般为平面型的矩形支撑物；b)光源，它由支撑物支撑，用于产生光束，并沿第一光学路径将光束射向要阅读的符号；c)光学组件，它固定在支撑物上，并且包括具有光收集部分和光束折叠部分的光学元件，所述光收集部分用于收集和再发射反射光，而所述光束折叠部分位于第一光学路径中，用于将光束射向并穿过所述光收集部分；和d)扫描组件，它包括一般为平面型的、可作往复摆动的扫描镜，所述扫描镜被固定在第一光学路径中，用来在支撑物上摆动运动，将光束折叠部分射出的光束反射到符号，还同时直接接收来自符号的反射光，并且沿第二光学路径将接收到的反射光射向组件的光收集部分；e)驱动器，它由所述支撑物支撑，用于往复摆动所述扫描镜，使光束扫过所述符号；和f)传感器，它由所述支撑物支撑，并且位于第二光学路径中，用于检测由光收集部分再射回的被收集到的反射光，并且产生对应于所述符号的电信号。
60.一种在光电阅读器中使用的光学扫描模块，所述光电阅读器用于将光束射向要阅读的条码符号，并探测从条码符号返回的反射光，其特征在于，所述光学扫描模块包括；a)一般为平面型的支撑物；d)光学组件，它固定在支撑物上，并且包括具有光收集部分和光束折叠部分的光学元件，其中所述光收集部分用于收集反射光，而所述光束折叠部分用于将光束射向并穿过所述光收集部分；c)第一扫描组件，它固定在所述支撑物上，用于沿第一扫描平面扫描通过所述光收集部分的光束；和d)第二扫描组件，它固定在所述支撑物上，用于沿第二扫描平面扫描第一扫描平面内的被扫光束，以获得符号的二维扫描图案，其中所述第二扫描平面与第一扫描平面不平行。
61.一种在电光阅读器中使用的扫描组件，所述电光阅读器用于将光束射向并扫过要阅读的条码符号，其特征在于，所述扫描组件包括a)反射器，用于反射光束；b)可扭转变形的元件，用于支撑所述反射器，所述元件沿一轴延伸，并且其截面非平面型；和c)驱动器，用于绕所述轴沿相反的切线方向摆动反射器，所述元件伴有基本均匀的扭转变形。
62.一种用于阅读条码符号的阅读器，其特征在于，包括；a)外罩，它具有一窗口和一手柄部分，所述外罩包括电光部件，该部件用于将光束通过窗口射向要阅读的条码符号，并且探测从符号反射回来的光，并通过窗口射入外罩，在手持操作模式下，用于在阅读期间由使用者握住所述手柄部分；和b)基座，它与所述手柄部分相连，并且具有一支撑表面，用于在独立操作模式下在阅读期间将外罩支撑在支撑表面上。
63.一种用于阅读条码符号的阅读器，其特征在于，包括；a)手持式外罩，它沿纵轴在相对的端部区域之间延伸，所述外罩在一般垂直于纵轴的方向上具有一般为矩形的截面，所述外罩具有一对相互平行的长壁和一对相互平行的短壁，所有所述壁限定了内部，所述外罩在一个端部区域处具有一窗口，并且在所述内部包括电光部件，用于使光束通过窗口射向要阅读的条码符号，并且用于探测被符号反射的光，并通过窗口射入外罩；和b)一尖部，它突出于外罩的另一端部区域。
全文摘要
一种光学扫描仪用的光学扫描模块,它包括整体模制的塑料部件,该部件不仅限定了激光器聚焦透镜,而且限定了激光器聚焦孔径和收集镜。另外,模制部件可以容纳和放置半导体激光器和光电探测器,以确保将这些元件容易地准确地放主扫描组件中。光学组件可为模块形式,固定在带有光束扫描仪的通用印刷电路板上。
文档编号G06K7/14GK1242556SQ9812606
公开日2000年1月26日 申请日期1998年12月23日 优先权日1998年3月26日
发明者玻尔·德沃基斯, 豪沃德·施帕克, 爱德华·巴肯, 西蒙·巴德, 亨利·格劳斯费尔德, 马克·德里兹玛拉, 海尔·查里奇, 拉杰·布里奇拉尔, 大卫·齐, 伊恩·詹金斯, 秦洪州, 西奥多·库兹 申请人:讯宝科技公司