CN1090941A - 光学符号(条形码)读出系统和装置 - Google Patents

Abstract

供阅读条形码和数据系集系统用的小型扫描器 模块。扫描时，从代码接收的光收集在表面积约等于 扫描器一侧面的光收集器中。该收集器面对代码并 随扫描束源(二极管激光器)旋转。面对代码的收集 器表面上的衍射光栅或菲涅耳透镜支配输入光使其 在收集器主体的基片内即在镜片本身内部(而无需模 块附加容积的空气通路)传播到光电检波器，在无需 专门镜片有效收集光的情况下使该扫描器的结构只 占不到1立方英寸的体积。

Description

本发明涉及扫描机或以光束扫过诸如条形码之类的光学可读数据显示符号和一旦光束辐照时接收来自符号的光以产生代表该符号之信号的扫描模块，而且还涉及用于收集从符号接收到光的改进型镜片，该镜片便于这种模块的微型化。

本发明还涉及数据收集系统，尤其涉及具有终端部件和扫描附件的便携式终端（有时称为便携式事务处理终端）该附件可松脱地夹持在该终端部件的手柄中并包括可独立或借助所述终端部件操作的符号阅读器提供对应于由所述符号表示的数据的信号至该终端部件，以便处理和/或贮存其内。该终端部件是可独立使用或同条形码阅读手柄部（扫描附件）装配成一个整体使用。

诸如按本发明提供的小型扫描机或模块，当其集成在便携端，在用手可抓的手柄中形成的有限空间内时，允许减小集成终端的尺寸，使其易于携带和操作，从而提供了一种能阅读条形码的改型便携式数据收集系统。由本发明提供的扫描机在一个大致呈矩形其宽度和长度约为1英寸和1/4英寸，高度或厚度约为6/10的包装箱内可占据小于1立方英寸的容积。一般，由本发明提供的接收光收集镜片在某一视界内收集光特别是在例如对扫描机需要小型化或简化设计的场合是有用的。本文所用术语扫描机和模块可指：光束源，束偏转器和用于收集来自符号（例如条形码）接收到的光并将其转换成代表电信号的数据的光学和电子部件的一个整体组件。

由于能产生高强度照度的较小光源，特别是半导体激光器已成为现有可用的，条形码扫描装置的尺寸已得以减小。现有的一种减小尺寸的途径是安装光源与附带的光检测器。于1991年5月14日颁发给Eastman等人的美国专利5015813和于1992年5月19日颁发给Eastman的专利5115120图解说明了使用柔性固定件的扫描机。这类固定件由于允许二极管激光器和相关光检测器安装在能往返振荡以使光束扫过条形码符号的支撑件上而有利于扫描机的小型化。

以往限制小型化的另一因素是需要在扫描光束照亮该码时收集来自该码的足够的光，使光电检测器能将光转换成包含由条形码表示的数据的电信号。为达到这些目标，人们已提出采用面积尽可能宽广的检测器阵列或检测器，用于将进来的光照聚焦在检测器上的收集透镜或利用聚集反射镜。光线必须波及的透镜间，反射镜和检测器之间的空气路径需要空间从而限制了小型化。进一步的小型化现已受到限制，因为由成比例减小尺寸的透射和/或反射镜系统所聚集的光变得不足以可靠和精确地转换成代表电信号的数据。本发明的一个特点是提供一种改进的光学聚集镜片，该种镜片消除了这类局限从而使扫描机或模块能进行更进一步的小型化，并同样提供装有这种光学聚集镜片的改进的扫描机。

包含作为收集数据以处理或存贮的收集装置的条形码扫描器的数据收集系统被广泛用于清单和存货管理以及销售数据收集点。有时称之为数据收集或转换终端的这些系统可通过它们本身用于独立收集数据甚至处理数据。这种独立终端可小型化的尺寸仅受所希望的显示大小和为键焊盘的键或其键盘的键所需区域的尺寸所限，计算后数据存贮和收集设备和电池组只需有限空间。条形码阅读器也可用于通过其本身和通过电缆或无线链路连接到分隔端或遥控端。同时人们希望不时地利用可链接条形码阅读器的遥控端或现金出纳机终端，或将阅读器同便携端相组合。条形码阅读器的尺寸按照一个形成整体的条形码阅读和数据收集组件（即，便携转换端）的总尺寸和体积有一个限度。此外，最好是便携终端的扫描器部分（扫描附件）而不是数据收集部分，设置在可抓终端的手柄内或作为该手柄的组成部分。这样，当终端不被连接时，扫描器部分易于用作一台独立的条形码扫描阅读器。在上述参考文献U.S专利5115120中发现一种便携式转换终端，其数据收集单元当与一扫描机单元组装时充当手柄。

本发明的一个特点是使条形码阅读扫描器能装入一手柄，或一扫描附件中，该手柄可在需要便携终端操作时，同数据收集处理部件集成一整体，以提供便携端。若只需条形码扫描则将收集和处理单元拆开而将手柄部分用作条形码扫描器。使用根据本发明的小型条形码扫描机模块有助于将其装入手柄部分，该手柄部分可以同一数据收集和处理单元呈支承关系可折卸地加以连接，以提供小型便携式转换终端。

因此，本发明的目的包括下列任一项或全部：

（a）提供改进型镜片，用于有效和高效地收集来自数据显示光学符号（条形码）的光，而最大限度地将光收集功能所需物理空间（体积）降至最小;

（b）提供包含扫描机和模块的用于阅读这样一种光学符号的改进型装置，该扫描机和模块装有这种改进型光学收集镜片从而可被小型化;

（c）提供改进型转换终端用于具有光学符号（条形码）阅读性能的数据收集，该终端能被小型化，并同样能在该终端的手柄内提供光学符号阅读装置，该手柄可从终端拆下，以使它和终端的其它部件（有关数据输入和处理和贮存）可单独使用;以及

（d）提供一种用于阅读沿多个坐标排列的光学符号或代码（例如二维条形码）的改进系统。

本发明的上述目的更具体地陈述如下：

（a）提供阅读诸如条形码之类的可光学扫描的符号的改进装置，这类装置可用于一个使携式终端中或任何需要小型化的条形码扫描器的场所或任何对条形码扫描设备定位空间受限的场所;

（b）提供改进的具有条形码扫描和阅读部分和数据收集和处理部分的装置，这些部分可以作为整体组装形式中的扫描附件而组合适用于可携式转换终端，但该条形码扫描部分和数据收集和处理部件在需要时可以分开并单独使用，

（c）提供改进型条形码扫描机模块，这些模块利用有助于这种扫描机模块小型化的收集装置。

（d）提供改进的手持条形码扫描部件，这些部件可以支承关系连接到数据收集和处理部件，以提供可被小型化的改进型和可携数据收集和/或终端。

总之，本发明提供一种扫描附件，该附件可同一终端部件一起或独立使用，以提供为手动和用光学法收集和输入数据并读出数据显示符号，该附件体现本发明。该终端部件有一可为供手动输入数据的键盘的数据输入装置，一个显示器和已计算数据的处理和存贮元件。该部件容纳于第一外壳中。所述扫描附件位于第二外壳中，第二外壳设有一个支承和通过电线可电气连接到数据输入部件的手柄。在该手柄中容纳有一个小型扫描终端机，该机器有从手柄中向外投射光束并通过手柄中的一窗口射向光可读符号的装置。该扫描机模块还包含一光电接收器和半导体激光器或其它光源。最好，可包含收集光的镜片的该光源，该接收器以及相关元部件与驱动装置（最好以电磁式运行）一起被安装在柔性支承板上，驱动装置驱动该支承板，光源和接收器，以执行振荡运动，从而使光束扫过所述符号。该接收器最好通过一光收集器设置，该光收集器具有通过一主体设置的镜片，光线耦合到该主体并射向主体的一侧直达与其紧邻的一光电传感器。该主体可呈板状，面向与扫描束相同方向上。诸如光电二极管，光电二极管阵列或电荷耦合器件CCD之类的电光传感器或光探测器沿该板的一端安装。为使光耦合到该板并使光以这类角度取向，以提供朝向光探测器的传播，在该板一个表面上或邻近该板的一个表面处加工有衍射光栅或菲涅耳折射透镜。该表面的面积可等于扫描机模块的面积（该板的长度和宽度等于扫描机的长和宽）。该扫描机厚度方向上的尺寸可比它的最小长度或宽度尺寸要小得多。因此，该扫描机可被小型化以致占据的面积小于1立方英寸，例如其宽度和长度小于1.25×1.1英寸，厚度小于0.6英寸。

接收器的光收集器镜片可以各种形式体现，如采用光栅，光栅透镜，反射器和多层光波导装置，以有效捕获投射在其上的光，从而避免光传播的外部空气路径并有助于扫描机的小型化和简化，该扫描机也可以落在本发明范围内的所有各式各样的形式体现。按照本发明所提供的扫描机可用扫描束和接收器分别对二维代码的每维代码的码元（code    elements）进行扫描。

该扫描机模块有助于处置在可拆卸手柄中的终端的扫描功能，以及便于对可附装到操作员手后他或她的安全帽中的其他小型化条形码阅读扫描装置的设计，就如在1991年9月9日以Quick等人提交的和于1991年9月9日以Eastman等人名义提交的共同待审U.S.专利申请07/756636和07/756637中所述那样，（这两申请已转让给本申请的同一受让人），或便于对任何空间受限场合中的其他小型条形码阅读扫描装置的设计。

从对以下结合附图的说明的阅读，将会更清楚地了解本发明以上和其他特点，目的和优点以及本发明的当前最佳实施方案，附图中：

图1是一个在其手柄中装有条形码扫描设备的便携式终端的部分剖面侧视图;该手柄支承和被连接到手动数据输入和数据处理部件;该终端表示为一个整体组件，但带有其条形码扫描设备的手柄与手动输入和处理部件是可分离并可彼此独立使用的;

图2是图1所示扫描机模块的一个平面视图;

图3是沿图2中线3-3的截面视图;

图4是带有光接收器的扫描机模块的视图，其光收集器及其支承板被除去，以显示它们下面的元件，该视图是沿图3中线4-4所取视图;

图5是沿图2中线5-5所取的端面视图;

图6是沿图2中线6-6所取的侧视图;

图7是类似于图6的视图，带有设计结构不同于图1至6的扫描机模块中所用的挠性支板;

图8-23是表示几个不同创造性实施例的光收集器的示意图，这些收集器包括光接收器，而图17是图16实施例的反射特性曲线图;

图24-27是表示根据本发明的扫描机的不同实施例的示意图，这些扫描机装有图8-23所示类型的光接收器;

图28a是一种用于扫描和阅读二维（2-D）条形码的扫描机的立面示意图;

图28b是一种示例性2-D码的侧视图;和

图29a和29b是表示图28a和b的扫描机的接收器操作及其连带的探测器的概略侧视和平面视图。

参考图1，图中表示具有条形码扫描阅读器手柄12（一个扫描的附件）和一个数据输入，处理和显示终端部件14的便携式转换终端10，手柄12和部件14是可分离的，只是图中被表示为在手柄12顶部在鞍形或座架18的接口16处被组装在一起。该终端在其外壳的一个表面上有一个键盘20和显示器22。外壳的底部有连接器24的一半，而界定接口16的顶部或座架有连接器24的其余部分。该连接器可借助模压互连工艺技术来形成，其内的树脂能处理成可通过电镀或电沉积而接纳导电材料。该接口可被如此电镀连接，该连接界定了该连接器24以及导电地通向终端部件14和手柄12中的电路。形成这类电路的技术是由纽约14623    Rochester，Metro公园25号的Mitsui    Pathtek公司提出。另一方面，该种连接器可通过光学链路来形成例如象在接口16相对侧面上的光发射器（LEDS）和光检测器的视力（optos）。

容纳在手柄内支架26上的是小型扫描机模块28。支架26下面是电路板30和电池32。该电池不是必须的，用于操作扫描机的电源可由终端部件14中的电池组或从借助电缆34连到手柄12的外部端子（未示出）提供。该电缆有多根供响应从扫描机28扫描的条形码所探测到的光所得到的信号之用的导线。从电路板30引出的线还经由电缆34连接到外部终端。通往终端部件14并在信号电缆34内载有信号的引线可并行连接，或当终端部件14被组装并连接到手柄12时在板30上的电路系统可为断开通往电缆34载有信号的导线而操作。手柄12还有一触发器36，操纵一连接到电路板的开关，使电源能加到激光器二极管和加到扫描机的驱动机构，使扫描机来的光束能扫过条形码。

手柄的顶端有容纳折叠反射镜38的支架，该折叠镜使扫描束40穿过手柄12中的窗口或端口41沿条形码方向取向。该折叠镜还响应该扫描束将来自条形码的照度反射到包含扫描机模块28的光收集器42的光学接收端。该收集器和半导体激光器（激光器二极管44）为在底座件50和52之间确定枢轴的挠性体46和48中共同振荡运动而安装，底座件50和52从固定和平稳地安装在支架26的支承座54伸出。因此，扫描机产生的激光光束40扫描条形码并将对条形码扫描时接收到的照度转换成代表该代码的信号，然后在电路板30上的电路中经处理后送往终端部件14或另一外部终端或由电缆34连到手柄的其他条形码信号使用装置。电路板30上的电路可产生由扫描机模块开始扫描的信号和当符号被解码或时间周期已流逝时结束扫描的信号。这种电路可为91年2月7日以Eastman等人名义提交的申请07/652158或91年6月5日和91年10月31日以Grodevant名义提交的07/710839和07/786147中所论述的那种电路，所有这些申请已转让给本申请的同一受让人。

终端部件14和手柄条形码扫描器需要时都可单独使用。当如图1所示互连时，它们形成一个整体的便携式转换终端，操作员可一手抓住手柄而用另一手在键盘20上输入数据。该数据在终端部件14的计算后数据处理电路中进行处理。该数据可保持在终端部件14的存贮器中，以便以后读出和/或在显示器22上显示。该终端部件还可包括一发射机和接收机经由有线或无线链路将通信数据发送到主计算机，和从该主计算机接收该数据。诸如好的阅读信号（可听或可视）等其他设施可被设置。该手柄部件也可为自容纳的并具有一显示器，其上可读出条形码或显示来自主计算机的信息。

示于图1并在图2至图6中更为详细示出的扫描机28是当前用于便携式转换终端10中的最佳类型的扫描机。光接收器/收集器42可为图8-23所示类型。扫描机28本身可为不是图1-7所示的其他类型的小型扫描机，例如它可为根据本发明并示于图24-27中所提供的那种类型。当要扫描和读出二维条形码时，扫描机可为图28和29中所示那种类型。

在图1-7中所示的扫描机中，挠性件46和48可为上述参考文献U.S专利5015831中所示那种类型。它们包括提供载有来自光接收器42的信号的导电材料的电路通路或路径的部件以及给激光器二极管供以电力的至激光器二极管44的线路（正5V和地）。当挠性件是塑料时，这些电路通路部件可利用以上论述的制造技术被模制成与挠性件成一整体的电镀导体材料丝。

激光器二极管44和接收器42的支承件是由支承块56和58提供的。这些支承块沿其一侧被连到挠性件46和48同时连到下部和上部电路板60和62。下部电路板60如图所示可为一平面板或模制成形的电镀导电材料，将激光器二极管44及其控制电源和接地信号直接或经电路板62传送到挠性件中的电路通路。这些电路通路可在挠性件46和48之任一个或两者中。上部电路板62支承光收集器（电光接收器42的组成部分）。在上部板62中可能有一光部件经过诸如孔64等，借助该部件光束40从激光器二极管44按其路线投射到折叠镜38并从而射到条形码（见图1）。在光收集器内也可有一个与孔64对齐的孔。收集器是具有光栅66的透明薄玻璃或塑料板65，该板设置有光栅66的基片以及一光波导。另一种光部件可由可除去光栅条纹的一段板66来形成。这个区域是同光束对齐并是光束40贯穿的区域。正如有关图15更详细的论述那样，这个光波导可由多层高和低折射率的玻璃或塑料形成。

光栅66可以是一种炫耀光栅或可为全息型透射光栅，其中光栅条纹在内部，但最好接近外表面（这些表面远离扫描模块并在光束40方向上）。

板65的一端是一个光电检波器68。这可为单结式光电检波器（一个长的光电二极管），该界面沿板65的端70延伸。光电检波器可为一光电晶体管或一个邻接的光电二极管阵列或为接收离开基片板65之端70的光而设置的光电晶体管，或一个电荷耦合器件（CCD）。光栅条纹（可为直的或曲线）基本平行于端70。

概括地说，光收集器可操作如下。光栅衍射进来的光;第一级衍射分量处于对板65的表面这样的角度，致使光波导传播模式发生在基片板65中，光通过板65传播到达端70并由光电检波器68转换成代表该代码的电信号。这些信号可由安装在上部板62上的集成电路（IC）72和75处理和/或检测。

为使所述板围绕由挠性件46和48所确定的轴往复振荡，设置有悬离上板62的线圈74和76的电磁驱动器。极靴78和80集聚磁场并对永久磁铁82和84产生吸引力或推斥力，永磁铁与线圈处于电磁耦合关系中。当一个线圈吸引，另一个排斥时便驱使包含激光器二极管44和接收器42的支承板作如箭头88所示的振荡运动。这种运动引起扫描束40扫过条形码。板62内设置有来自电路72和75的连接。这些电路具有将电流切换至线圈74和76的部件，以使激光器二极管44和接收器42能围绕由挠性件46和48所确定的枢轴振动。接收器42同激光器二极管共同地（一起）振动，因为它们是通过一公共支承构件被连接在一起的。因此，当光束扫过代码时，照度被接收，又被转换为包含由代码表示的数据的信号。

参考图7，图中所示扫描机模块90在许多方面类似于扫描机模块28，故相同部件由相同标号标识。仅使用一个电路板62。激光器二极管穿过基片65中的开口及其光栅而安装在该板上。挠性件是由设计类似于上面引证的U.S专利5115120中所述的那种十字弹簧（crossed    springs）形成。这些弹簧彼此偏置地位于块92和94中，块92和94沿由96指示的扫描机枢轴分布，以便提供能满足所需要的许多贯穿挠性件的导电通路，以将扫描机的集成电路和驱动装置（线圈）连接到扫描机的终端而且还从这类终端给激光器二极管44供以工作电源。块92和94可用导电塑料板模制而成，以形成从挠性件至电路板62的导电通路。

图8至23示出可用于图1所示终端中的电光接收器特别是光接收器的不同实施例，但这些电光接收器一般可应用于扫描机中，甚至更一般地应用于电光接收器中，尤其是非常需要空间而必需加以小型化的场合。这些收集器通过缩短光传播路径和使这些路径本身包含在它们的主体（它们可被看作光学透射基片）内来小型化。一般来说光收集器是通过使用光栅，透镜（特别是菲涅耳透镜）和/或反射镜的光学元件或镜片并至少折射一次光，但最好在收集器主体范围内折射几次（例如三或四次）。这种具有合理的效率程度（对最大限度地减小从主体的的泄漏而言）的光不是聚焦成一点，就是沿最好该主体侧端面上的一根线聚焦但可沿与光的投射面相隔一定距离的任何表面聚焦。在此表面处，一个光耦合构件被界定，输入或引导投射光进入主体，在那里，光以一次或多次折叠传播至光耦合着一个光电传感器（光电检波器）的测端面或其他表面。该光电检波器可同主体形成一个整体或与其相隔一定距离。当收集器是可动的，例如，当收集器是象图24中所举例说明，此后还要更详细论述的扫描器组件的组成部分时，这后一种配置在功能方面更为理想。

在光收集器的不同实施例中，采用了光栅。这类光栅可以是如图示的表面浮雕光栅，是通过表面雕刻，光复制或模子压纹而形成或它们可为光化学蚀刻的。光耦合结构的光栅或其他元件，例如某些实施例中的菲涅耳透镜可同主体或基片组合在一起。例如，光栅可采用传统的光化学技术和诸如二色凝胶体材料用全息法形成。应该认为所有这类耦合结构，无论它们是单独制成再与主体组装的还是直接制作在为接收收集光而设计的主体表面上，都由其上投射用于收集的光的主体表面确定。应该理解：在物体表面的表面外形表现为光栅外形的地方该光栅外形可由以上通过举例方式讨论过的任一种工艺形成。

在几个实施例附图中没有示出光电检波器这是为简化图示起见。所利用的光电检波器，特别是在要获得线性聚焦束的场合，可以是线性阵列和电荷耦合器件，或在要获得光点或点聚焦的场合可为光电二极管或光电晶体管。

参考图8，该图示出通过诸如玻璃或光塑料（例如聚碳酸酯）之类的光透射材料制的一般矩形板的截面，它有一个供扫描条形码的激光束穿过的开口。其中激光源是二极管激光器，具体是表面装配型二极管激光器，该二极管及其散热片可处于主体或基片800下面在其下表面802上（该表面与其上投射光的表面804相对）或可在主体内。在任何情况下，光耦合结构806表现为可变节距光栅的那部分都有其区域808，在此区域光栅条纹被除去而光束通过该区域。需要时可设置贯穿主体的孔810。该光栅的频度或周期性（光栅条纹间距）是可变的，远离焦点的光栅周期性减小。该周期性有时称为光栅频率（grating    frequency）。在背离焦点812的方向上沿主体800长度的光栅频率增大。焦点可位于侧端表面814或其附近，例如当检波器安装在主体800外部的表面814上时，位于检波器。

可遵照已知技术来设计光栅透镜。光栅透镜可精确分段制作，在此情况下，焦点是中心或每个园弧的半径。一般来讲，该设计采用经典菲涅耳公式γ

，其中γ为到条纹的距离，m是条纹数，λ。是设计波长值，和f是焦距。有关衍射光栅透镜（有时称运动形透镜“kineform lenses”）设计方面的进一步信息，可参考1991年5月7日颁发给D.A.Buralli和G.M.Morris，题为“衍射光学成象透镜系统”的U.S专利5013133以及参考本文引证和提及过的专利和论文。

图9所示耦合器900与图8所示耦合器完全相同。光栅节距受到调节而横跨输入孔径（该孔径由光入射到其上的那个表面来确定，可以是耦合器本身的孔径或一个外部的物理孔径）。耦合器900被倾斜，以有效地调节横跨孔径的光栅节距或周期性。倾斜减小了光栅频率（和外形的变化）;并能破坏简并性（degeneracy）从而减小负级衍射，增强附图所示的一级衍射。这提高了光栅效率因而也提高了耦合器900的效率。通过将耦合器主体安装在一个能使它围绕通过焦点或平行于焦点的一个轴倾斜的构件中可改变这种倾斜度以满足不同应用要求。

参考图10，图中示出诸如主体800中所述的透射材料制成的主体1000。可变频率1002提供光耦合结构。相对表面1004为反射面，也可为涂敷在表面1004的外侧面上的镜面。为简化图示，图10或本组（图8至23）中任一其他附图均未示出激光束借以通过主体1000的孔或其它装置。使用反射表面1004有效地增大了主体的厚度，从而能减小光栅节距（见上述公式）而易于制造。还减少了镜片数F。光在主体范围内经过两次折射传播到焦点。焦距增大至3/2h，其中h为厚度。

为更进一步减小光栅节距并增大F数，可采用组合光栅，即一个在其上入射来自符号的光的表面上，另一光栅在如图11和12所示的相对表面上。主体1100和1200的材料和形状可为如结合图8时所论及的。在图11中，该光耦合结构的光栅1102是一种可变频率光栅，而该反射面有一恒定频率的光栅1104。在图12中，恒定频率光栅1202用于耦合结构中，而可变频率光栅1204位于相对表面上。在图12的耦合器中，光线（a）（b）和（c）可为恰好平行的，简化了对可变频率光栅1204的设计。光栅1202可为高衍射率的炫耀光栅。因此图12的实施例可能是最佳的。

在图11和12中，焦距是两个透镜的复合焦距。底部光栅以比上部光栅更明显的锐角衍射光束，从而有效地减小了焦距和F数。为提高效率最好是在下部表面上涂敷镜面。不过，若希望依靠衍射去折射光，则该下部表面不必是反射面。

为形成光耦合结构可采用折射，而不是衍射能力。图14示出使用以在光透射体1402上的棱镜或菲涅耳透镜1400形式的折射能力。为增大镜片的焦距，可用一反射表面和最好可为恒定或可变频率的衍射光栅1404。

图13表示一具有矩形主体1302的接收器1300，该主体在形成光耦合结构1304和相对面1306的两个面上向内凹入弯曲。光电检波器PD1308被附装到端面1310以便同在端面1310上或其附近聚焦的光进行光耦合。图13所示耦合器的设计类似于图8所示耦合器。人们会理解：该设计可为图10至14所示类型或可为根据本文所示和所描述的其他实施例。

图20和21表示不同的几个实施例，该接收器被分叉为两个可相对中心平面2001彼此为镜象的互补结构。该接收器采用在相对侧端面上的一对光电检波器2000和2002。光耦合结构可为讨论过的图8至14中的任一种或将在有关图15至19的论述中的任一种。对每个分叉部分的耦合结构可为不同的设计，例如，直线光栅或如图所示的曲线光栅。它们最好为相同设计结构。相对于中心平面2001相反方向上的频率增加，以便在耦合器的相对端形成焦点。

在有关图8至14所描述的耦合器以及利用传播的光波导模式和在关于图15至19所描述的其它耦合器中，在耦合器主体中只发生几次偏折（folds），通常是三次，有时仅一次。为提高耦合器的效率，极少的偏折是理想的。极少偏折提供了光到达光电检波器的较高可能性。折射次数越多就越有可能在光到达光电检波器之前发生光的泄漏，散射和吸收。因此如图10至14所示的一次偏转时的效率高于多次偏转时的效率。传统的薄光波导结构提供较低的耦合效率（可能效率为10-20%）然而采用极少偏析和光波导中的较低传播模时便提高效率。主体或板可制成较厚因而物理性能更坚实和刚强，这是胜于传统薄光波导和光纤的一个附加优点，该厚度一般可为1-5mm。

图15示出具有多层1502，1504和1506的主体1500。层1502和1506的折射率比夹在它们之间的层1504要低。光入射到其上的表面可被划线或外形能衍射或折射光并耦合光，以使角度（衍射情况下的θd）足以满足总的内部反射要求。对于总的内部反射而言，可应用的关系式为：

${\theta }_d\mathrm{>Sin}{}^{\mathrm{-1}}$ (n₁)/(n_s′)

其中n₁和n_s是层1502和1504的折射率。当n₁和n_s是1.55和1.66时，总的内部反射所需衍射角大约为65°。

采用一公共层1504（取消层1506）如有关图11和12所描述的并利用带有反射表面1510的一个恒定或可变频率光栅1508;可能是合乎需要的。此时，衍射角θd是从较低表面光栅1508出来的衍射角。这最后描述的在收集器中利用光波导传播模的实施例是当前最佳的。

参考图16和17，该图示出一个类似于图15所示的收集器，该收集器具有光栅或菲涅耳光耦合结构1600和在与具有耦合结构1600表面相对的表面上的反射光栅1602。不是依靠两层不同折射率之间的一个界面，而是采用了可为多层介电干扰滤波器或涂层的界面结构1604。该涂层被设计成对低入射角有低反射性（高透射率），但对较高入射角有高反射率。图16中对滤波器1604的入射角示为θd，而图17描绘了该反射特性的曲线图。

光耦合到该结构，然后通过界面1604传送并以θd角度从光栅1602被衍射，角度θd为从光栅1602出来的衍射角，θd是大于界面1604的高反射角。然后光传播到配置光检波器处的光耦合器的一个侧端。参考图18，图中示出类似于图15利用了光栅1802的一个实施例，光栅1802处入射角与光栅效率有关。在入射角大于衍射角θd情况下，光栅效率降低。因此在第二次反射或偏折时，光是在耦合器的较低面上的镜面经镜像反射而偏折的。由于镜象反射是一个高效过程，故该耦合器的效率可高于本文所述其他光波导耦合器。

参考图19，该图示出类似于图18所示光波导实施例。可为二色凝胶体全息（DGH）的体积光栅（volume    grating）夹在光波导信道1900和反射表面1902之间的主体内，可位于夹持DGH光栅的透射（玻璃）复盖板上，以提供形成主体1900的组件。该DGH在低入射角（例如θm）时，有高衍射率，但在衍射角θd下基本无衍射率。然后依靠反射镜面1902，去提供通过光波导通道1900的光的第三次偏折。该二色凝胶体全息图也可以透射形式加以利用。在透射期间，以θm角度入射的光将被衍射成θd角并在镜面处被反射作为第一次偏折。

参考图22和23，该图示出一个耦合器2200，它具有包含线性光栅条纹2202的光学耦合结构。一个分光折射器（prismatic    refractor）可供选择使用。该光栅结构（它可为恒定或可变频率光栅）照射一端面2204。该端面是反射的曲面，以使其形成具有将入射在耦合结构表面的光聚集到最好与镜面2204相对的收集器主体端面或其附近的焦点的能力的镜面，该镜面2204的形状为园柱抛物面。在图22和23所示实施例中，该镜面在竖直和横向两个方向上集中光线。

图24，25，26和27示出装有图8至23所示类型的电光反射器的扫描机的三个不同实施例。正如以上有关图1至7所论述的，在图1至7所示挠性扫描机中采用有关图8至23所述类型的光收集器也是合乎需要的。

参考图24，该图示出一带有按前述任一实施例的光栅，反射镜，光波导等等的板2400。该板连接到偏转线圈（未示出）。该板还附装到一平面（facet）反射镜2402，该反射镜的反射表面与由激光二极管组件2404所提供的光源成45°角。该激光二极管产生光束2406并将其射向所述平面的反射表面在反射表面光被反射至条形码。一个电动机最好为此被连到偏转线圈，以致当光束从激光二极管投向平面2402时其旋转轴与光束2406成一直线。该轴还可沿收集器2400主体的长度方向延伸。收集器和反射镜组件如此振荡，以使其上配置光耦合结构的收集器表面与从反射镜2402反射的扫描束2408一起面对和扫过该代码。从该代码符号返回的光在图中是以射线2410示意地表示的，这些射线2410是经收集器收集的。光检测器2412最好是固定的并与侧端2414相隔一定距离。该检测器在无需旋转也无需为产生对应于被扫描代码的电信号而准备软引线，集流环之类设施情况下采集光。镜片2400与平面反射镜2402一起可安装在一挠性框架上并如上面引证的U.S专利5015813或5115120中所述那样由一电磁驱动器驱动或安装在目前市场可买到的那种挠性镜架上。

在图25中，电动机2500借助其轴2502被连接，该轴振动和驱动一扫描镜2504，该扫描镜有其与来自激光二极管组件2508的激光束2506成45°的反射表面。该光束通过孔2510或通过可为有关图8至23所描述的那种电光接收器2514的收集器2512中的其他通路。该接收器还包括在其端部的光检测器2516。

在扫描镜振动时，将扫描束2518投向代码并扫过该代码的各条。该扫描光照导致由光线2520所示的返回光，这些光线经扫描镜2504偏射到电光接收器2512，在那里将光线转换成对应于代码的信号。接收器2512是静止的。扫描机的唯一移动部件是镜面2504和电动机轴。正如上述，该镜面可安装在如市场上可买到的现成挠性扫描镜架上。

参考图26和27，该图示出以J.M.Eastman等人名义于1991年2月7日提交并转让给本申请同一受让人的专利申请07/652158中所述的一般类型的扫描机。该扫描机（为简化图示未示出）的电子部件可安装在作为扫描机主要部件的印刷电路板2600上。该印刷电路板上还装有一扫描电动机2602，振动连到扫描镜2606的轴2604。激光二极管组件2608将光束2610投射到位于电光收集器2614中央的反射平面2612。该收集器有一光耦合结构2616，例如有关前面诸附图描述中的光栅等，该光栅是在用光束2610扫描时，来自代码的光所入射的表面上。有耦合结构2612的该表面是中凹的曲面，以利于光的收集。被收集的光耦合到该结构并如箭头2618所示在接收器2614的一端传播到光检测器2620。接收器2614的使用提供了对可为类似于迄今所用结构的主要部件的扫描机设计和结构的简化。

参考图28和29，该图示出一用于扫描和阅读一个二维（2-D）条形码的扫描机。某些这类条形码（即阶形码）可有沿一维（列）定向的条和由沿垂直方向（行）取向的相邻条纹序列构成的代码。2-D代码的其他实施例可包含类似亮和暗单元（element）图的检验板。这样一种代码示于2800处。该扫描机利用激光器和岩粒流动变质的镜片（anomorphic    optics），用以产生宽度不超过每行代码宽的扇形束（fan    beam）。该束逐行沿两维之一扫过代码。该扫描过程借助扫描组件提供，该组件包括扫描电动机和在代码处（代码平面内）提供线束的成象镜片组成部分的反射镜。可使用诸如电光或声光折射器等其他束扫描装置。

为了阅读该光束，设置一检测系统，该系统沿垂直于行的方向有效地扫描该代码。该扫描系统包括一基片式成象系统，如图29a至29b所示，该系统将照明线成象到线性电荷耦合器件或其他行扫描摄象机上。该摄象机将代码的每一行转换或相邻的象素。这些相邻象素显示代码并产生相应于每行代码的数字信息，由此代码中的信息可借助本领域已知技术来解码。二维扫描是同步的。最好，连到扫描机轴的光学编码器提供同步CCD的同步信号，以使当扇束扫描代码时，逐行产这些象素。

图29a示出2-D条形码2800，电光接收器2810和照亮线路设备（line    illumination    2820的侧视图。点A和B指示由照亮线路2820照亮的2-D条形码2800的代表单元（repnesentative    elements）。从点A和B散射的光由接收器2810收集。图中未出由A和B发出的两个代表性射线，即来自点A的2838和2839和来自点B的2840和2841。射线2838和2841在接收器点2842处相交。射线2839和2840在接收器点2843相交。射线2838和2839通过接收器2810的衍射和折射会聚作用被成象于点A。同样，射线2840和2841被成象于B，接收器2810可为图8-23所示结构，但是照亮行源自分离的条形码码元的光被成象在如图29b所示收集器边缘的截然不同的点。

最好除了一个接收器提供沿照明行2820的分辨率CCD是以上有关图8至23所述那种类型的电光接收器的检测器线性阵列，因此，该CCD能方便地将光转换成相应于代码的相邻象素。

从以上说明显而易见：本发明已提供了可以小型化形式制造的改进的扫描机和其内特别有用的改进的光接收器。本发明还提供了用于形成整体可携式终端的扫描附件，该附件带有可分离的数据收集和扫描部件，这两部件可单独使用或装配成整体终端使用。毫无疑问，本领域的技术人员将会在本发明范围内对本文所述扫描机，接收器，收集器和整体终端作出各种变化和改型。因此，前述说明只应视为举例证明而无限制意义。

Claims (36)

1、用于产生为对光学可读信号进行扫描的光束和提供响应其所述光束的照亮而代表所述符号的信号的扫描机，其特征在于所述扫描机包括电光接收器，该接收器包括：

光收集器，该光收集器的主体具有曝光于来自符号的光的第一表面和与所述第一表面相隔一定距离的第二表面，沿所述第一表面的一种光耦合结构，用于使来自符号的光经所述第一表面进入所述主体，以沿所述主体传到所述第二表面，所述接收器还包括：

与所述第二表面成光接收关系的光电检测器。

2、根据权利要求1的扫描机，其特征在于还包括：

第一支架;

产生所述光束并安装在所述第一支架的光源，所述电光接收器也被装在所述第一支架并且所述第一表面面向与所述光束同一方向;

附装到所述中空的主体的第二支架;

将所述第一支架连接到所述第二支架并在其间界定枢轴连接件的挠曲装置;以及

在所述两支架上的驱动装置，以使所述第一支架相对所述第二支架围绕所述枢轴连接件作往复运动，以扫描所述光束和所述接收器。

3、根据权利要求2的扫描机，其特征在于所述第二支架包括一底座，所述第一支架包括印刷电路板，所述驱动装置是在所述板上有一转子和在所述底座有一定子的电磁驱动器，所述转子和定子处于彼此电磁相耦合状态。

4、根据权利要求2的扫描机，其特征在于所述第一支架包括其上有导体连到所述驱动装置的印刷电路板;所述光电检测器和所述光源，而所述挠曲装置具有连接到所述板的导体的导体，而所述底座上的终端被连到所述挠曲装置的导体。

5、根据权利要求4的扫描机，其特征在于所述光源是位于一筒内的半导体激光器件，所述筒附装到所述第一支架;所述电光接收器中的一个光透射部分不是包含所述筒就是被所述光束穿过。

6、根据权利要求1的扫描机，其特征在于设有一包括所述光耦合结构用于偏折所述光的装置，该装置选自包含由衍射光栅，反射镜，背衬衍射光栅的反射镜，有聚焦能力的反射镜，一个背衬衍射透镜的反射镜，在不同折射率的所述主体内界定一光波导的层间界面和代表其反射性取决于光在那里的入射角的表面的光传播通路中的一单元组成的组中。

7、根据权利要求1的扫描机，其特征在于所述光耦合结构是具有光栅条纹的衍射透镜，所述条纹出现的频率沿远离所述第二表面的方向增大，以在所述第二表面或邻近所述第二表面，对一已知衍射级提供焦点。

8、根据权利要求1的扫描机，其特征在于所述主体界定一光波导，将光导向所述第二表面。

9、根据权利要求1的扫描机，其特征在于所述主体是一块板而所述第一和第二表面是所述板的不同表面。

10、根据权利要求9的扫描机，其特征在于所述光耦合结构是由所述板的第一面的所述面界定的，所述板具有与所述第一面相对的第二面，所述第二面为所述板的向内反射面。

11、根据权利要求10的扫描机，其特征在于由所述第一面界定的所述光耦合结构是光栅。

12、根据权利要求11的扫描机，其特征在于由所述第一面界定的所述光栅是一种周期性恒定的光栅，而由所述第二面界定的所述光栅是一种周期性可变的光栅，同时所述第一面上的所述光栅在所述第二表面或其附近，确定所述光的焦点。

13、根据权利要求11的扫描机，其特征在于由所述第二面界定的所述光栅是一个周期性恒定的光栅，而在所述第一面上的光栅是周期性可变的光栅，同时所述第一面上的所述光栅在所述第二表面或其附近，确定所述光的焦点。

14、根据权利要求8的扫描机，其特征在于所述光波导具有相对的两侧面，其第一侧面与其上入射来自所述符号的所述光的所述第一表面的距离较近，而其第二侧面离所述第一表面较远，沿所述第二侧面的光栅以一定衍射角折射向所述第一侧面，所述第二侧面具有形成镜面反射的表面，所述光栅，其衍射效率随入射角的增大而减小，从而增大了光从所述第二侧面通过镜面反射而折射入所述光波导的量，同时减小了光从所述第二侧面经衍射折入所述光波导的光量。

15、根据权利要求1的扫描机，其特征在于还包括一个提供所述光束的光源，拦截所述光束和面向所述符号的光束折射器，连接到所述折射器，用于振动所述折射器，以使所述光束扫过所述符号的电动机，扫描时在所述符号处，所述光束的光是往回反射的，而所述接收器是向着所述往回反射光的。

16、根据权利要求15的扫描机，其特征在于所述电动机，所述收集器的所述主体和所述折射器是一个组件，其中所述收集器和折射器围绕一根轴振动，同时所述第一表面面向所述符号。

17、根据权利要求16的扫描机，其特征在于所述折射器为一具有以对所述光束大约成45°角射向所述第一表面的反射表面的镜面。

18、根据权利要求15的扫描机，其特征在于所述折射器有一侧面，该侧面折射面对所述光源同时也面对所述收集器的所述第一表面的所述光束，以将所述光折射到所述收集器，该收集器在所述折射器振动时它是固定的。

19、根据权利要求15的扫描机，其特征在于包括一电动机，可由所述电动机振动的折射器，所述折射器有一光束反射表面，所述收集器以与所述折射器相隔一定距离的关系被安装使其第一表面面对所述反射表面，一个光反射或透射面设置在所述收集器上，该表面面对所述光束反射表面和所述光束并界定所述光束从所述光源到所述光反射表面从而到所述符号的一条通路，在所述符号处，所述光束的光被反射回到所述光反射表面，从而回到所述收集器，在那里所述光被入射在所述收集器的所述第一表面上。

20、一种电光接收器，包括一光收集器，该收集器包括：

具有曝光于入射光的第一表面和与所述第一表面相隔一定距离的第二表面的主体，

沿所述第一表面的光耦合结构，以使所述光经所述第一表面进入所述主体，在所述主体内传播到所述第二表面，所述接收器还包括：

光电传感器，与所述第二表面呈光接收关系，随着光的到达，所述传感器借助所述第二表面将该光转变成电信号。

21、根据权利要求20的接收器，其特征在于包括所述光耦合结构的装置被配置成使所述光在所述主体中至少偏折一次，从而使所述光限制在所述主体内并传播到所述第二表面。

22、根据权利要求21的接收器，其特征在于所述用于偏折所述光的装置是在所述主体内多次偏折所述光。

23、根据权利要求21的接收器，其特征在于所述光耦合结构从包含衍射光栅，衍射透镜和菲涅耳折射透镜的组中选出。

24、根据权利要求22的接收器，其特征在于所述用于偏折所述光的装置从包含衍射光栅，反射镜，背衬衍射光栅的反光镜，有聚焦能力的反光镜，背衬衍射透镜的反光镜，在不同折射率的所述主体中界定一光波导的层间界面和在光传播路径中具有其反射率取决于入射角的表面的元件的组中选出。

25、用于扫描和阅读沿相邻元件以二维形式设置的符号的扫描机，沿所述二维之一方向延伸的单元包含用于沿宽度近似小于所述符号线最小宽度的照亮线照亮所述符号的装置，用于沿所述二维之另一维方向扫描所述照亮线的装置，用于接收所述照亮的光和转化所述光成沿所述二维之所述一维方向的象素的装置，所述象素代表所述符号的每个单元。

26、根据权利要求25的扫描机，其特征在于所述照亮装置包括激光器光源，和一个光学装置用于将所述光映射成所述符号平面上呈扇形的束，该束的长度与所述符号的所述诸单元的总长相等，而其宽度小于任一所述单元的宽度。

27、根据权利要求25的扫描机，其特征在于所述接收装置包括一光电检测器，该检测器具有用于将沿线性路经入射其上的光分为多个象素，并将所述象素转换成与其对应的电信号的装置，和用于将所述光映射到所述光电检测器的装置。

28、根据权利要求27的扫描机，其特征在于还包括：用于使所述扫描装置和所述接收装置同步的装置，以操纵所述接收装置以提供分离的象素和对应于所述符号各单元的相应信号。

29、根据权利要求27的扫描机，其特征在于所述接收装置包括线性电荷耦合光电检测器（CCD）。

30、根据权利要求29的扫描机，其特征在于所述映射装置包含光接收器，该接收器又包括有一个所述照亮投射其上的入射光表面的主体，光耦合装置，该装置选自有平行于所述照亮线的光栅条纹的衍射光栅和有平行于与用于将所述照射导入所述主体的所述表面相关连的所述照亮线的各分段的折射单元，在所述主体，光沿其传播到一线性伸展收集区，所述CCD被置于同所述收集区呈现光耦合关系。

31、用以收集和输入数据的便携式终端的扫描附件，该附件包括有界定一个插座和一中空体的表面的第一外壳，所述中空体有一窗口和界定用于可抓手柄的一表面，一个小型扫描机模块，该模块具有用于将光束从所述模块向外投射的装置，所述扫描机置于所述中空体中，光束穿过所述窗口射向所述符号，和所述中空体中的电光接收器，用于响应所述光束照射收集来自所述符号的光和提供代表所述中空体中所述符号的电信号的装置，用以操作所述扫描机，在所述插座中用于可拆卸地夹持所述终端的装置，所述终端包括具有一键盘供手动输入数据的便携数据输入终端，所述插座使所述信号与所述终端发生通信联系。

32、根据权利要求31的扫描附件，其特征在于所述电光接收器包括一光学收集器，该收集器包括一主体，其第一表面对来自符号的光曝光，其第二表面与所述第一表面相隔一定距离;沿所述第一表面的光耦合结构，用于使来自符号的光经所述第一表面进入所述主体，在所述主体中传播到所述第二表面，所述接收器还包括一个光电传感器，该传感器同所述第二表面成光接收关系，传感器响应经由所述第二表面到达的光变成代表所述符号的电信号。

33、根据权利要求32的扫描附件，其特征在于设置有包含所述光耦合结构的装置，用以使所述光至少在所述主体中偏折一次，以便将光约束在所述主体中并传播到所述第二表面。

34、根据权利要求33的扫描附件，其特征在于所述用于偏折所述光的装置使所述光在所述主体中偏折若干次。

35、根据权利要求33的扫描附件，其特征在于所述光耦合结构从包含衍射光栅，衍射透镜和菲涅耳折射透镜的组中选出。

36、根据权利要求34的扫描附件，其特征在于所述用于偏折所述光的装置选自包含以下元件的组中：衍射光栅，反射镜，背衬衍射光栅的反射镜，有聚焦能力的反射镜，背衬衍射透镜的反射镜，在不同折射率的所述主体中界定一光波导的层间界面，和在光传播路径中呈现反射率取决于光的入射角的一个表面的元件。

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