CN1267034A - 小型条型码阅读器扫描部件的光路设计 - Google Patents

Abstract

一种折反射光学扫描模件(例如在具有窗口的条型码阅读器中的光学扫描模件),包括:光源,用于把光束引至要读取的符号;以及光学组件,它包括集光部分,该集光部分沿光路聚集和再引导光至检测器,其中,集光部分的光轴偏离发射光束的光轴,从而由阅读器的窗口部分反射的发射光不会照射检测器。

Description

小型条型码阅读器扫描部件的光路设计

本发明是1998年3月26日提交的编号为09/048,418的美国申请的部分继续，而09/048,418号美国申请又是1996年10月9日提交的编号为08/727,944的美国申请的部分继续。这两项申请都通过参照而引用于此。

本发明领域涉及电一光阅读器或扫描系统(诸如条型码符号阅读器)，尤其涉及需要特别小巧的条型码阅读器的应用中使用的扫描组件的光路设计。

现今电-光阅读器(诸如条型码阅读器)非常普通。一般，条型码符号包括一行或多行亮暗区域，这些区域一般是矩形的。暗区(即，竖条)的宽度和/或亮区(即，竖条之间的间隔)的宽度以符号的方式对信息编码。

条型码符号阅读器对符号照射，并且感受从光反射率有差异的区域反射的光，以检测这些区域的宽度和间隔并得出经过编码的信息。条型码读取类型的数据输入系统对于许多种应用提高了数据输入的效率和准确性。容易在这些系统中输入数据便于更为频繁和详细的数据输入，例如提供有效的报表、跟踪正在进行的工作，等等。然而，为了得到这些好处，用户或者雇员必须乐于始终如一地使用阅读器。因此，阅读器的操作必须容易和方便。

已知有许多种扫描系统。一种特别有利的阅读器是光学阅读器，它将光束(诸如激光光束)扫过符号。由第4,487,297号和4,760,248号美国专利例示的激光扫描器系统和部件已一般地被设计来阅读具有不同的光反射率的部分的记号(即条型码符号)，尤其是通用产品代码(Universal productCode，UPC)型记号，该记号离开手持式或固定式扫描器一定的工作范围或读取距离，上述两项专利由本发明的受让人拥有，并且通过参照而引用于此。

可以使用各种镜子的马达结构以所要的扫描方式移动光束。例如第4,251,798号美国专利揭示了一种旋转多边形，在其每一边上具有平面镜，每块平面镜在符号上划过一道扫描线。第4,387,297和4,409,470号美国专利都使用平面镜，它沿着绕驱动轴(镜子安装在该轴上)的交替的圆周方向而被反复来回地驱动。第4,816,660号美国专利揭示了一种多镜结构，它包括一个大致为凹面镜的部分和一个大致为平面镜的部分。多镜结构沿驱动轴(多镜结构安装在该轴上)沿交替的圆周方向而被反复来回驱动。上述所有的美国专利通过参照而引用于此。

在上述类型的电-光扫描器中，“扫描引擎”包括激光源、光学元件、镜子结构、使镜子结构摆动的驱动装置、光电检测器以及相关的信号处理和译码电路，所有这些都将增加扫描器的尺寸和重量。在包括长时间使用的应用中，一个大而重的手持式扫描器能够让使用者感到疲劳。当使用扫描器产生疲劳或者其他不方便时，使用者就不愿意操作扫描器。任何不愿意始终使用扫描器使得数据采集的目的遭到失败，而这些条型码系统正是为此目的而采用的。还存在着对小型扫描器的需求，以便装入小型装置，诸如笔记本电脑等。

于是，条型码阅读器开发的一个正在进行之中的目的是尽可能缩小阅读器，并且仍然有进一步缩小扫描引擎的尺寸和减轻其重量的要求并且使得使用扫描器特别方便。运动部件的质量应该越小越好，以使产生扫描运动所需的功率减至最小。

还希望使扫描引擎模件化，从而使得一个特殊的模件能够用于多种不同的扫描器。然而，需要开发特别包含了所有必需的扫描器部件的小型和轻量的模件。

本发明的目的是减小用于产生光束的扫描运动以及收集反射光的部件的尺寸和重量。

一个相关的目的是开发一种尺寸既小重量又轻的电-光扫描系统。

还有一个目的是生产一种制造方便而成本低的模件。一个相关的目的是提供容易组装的模件。

简言之，并且一般地说，本发明提供了一种光学扫描模件，它包括：底板；由底板支承的光源，用于产生光束，并且引导光束沿第一光路的第一段至要读取的符号；光学组件，它包括集光部分，用于收集反射光并且沿第二光路再引导反射光，第二光路的光轴偏离第一光路的所述第一段；扫描组件，它包括为摆动运动安装的可来回摆动的扫描镜，该扫描组件可接收在第一光路的第一段上传送的光束和沿第一光路的第二段引导光束穿过窗口而到外壳模件的外部；以及由底板支承的检测器，用于检测收集到的反射光(该反射光已由集光部分再引导)，以及用于产生与检测得的光强相应的电信号。

按照本发明还提供具有一带窗口的壳体的条型码读取器，包括其上安装有—光学扫描模件：

a)光源，用于发射光束；

b)扫描组件，用于接收所述光束和由此产生引向待扫描的条型码符号的扫描光束，从而所发射的扫描光束大体上垂直于读取器的窗口。

按照本发明，还提供了一种小尺寸的光学扫描模件，其形状因子为大体上的长方体，模件尺寸大约为20.6mm×14.2mm×11.4mm。在第一实施例中，在较短侧面之一(即，最好是尺寸为20.6mm×11.4mm的周边侧面或也可能是14.2mm×11.4mm侧面)上安装了发射光束的光源；用于接收所述光束并且由此产生引向要读取的记号的扫描光束的扫描组件；检测器；以及安排来接收反射光并且将它引至所述检测器的集光镜。

在第二实施例中，具有相同的形状因子，光源安装在周边侧面的第一侧面(即10.4mm×20.6mm侧面)上，扫描组件安装在第一底面(即20.6mm×14.2mm面)上，集光镜安装在底面之一上，而检测器安装在底面之一上。在该实施例中，底侧之一或两个底面可以由印刷电路板构成，而在其上安装了光源的周边侧面构成模件的整体金属或塑料机架的一部分。

在第三实施例中，具有相同的形状因子，光源安装在第一周边侧面(即20.6mm×14.2mm侧面)上，扫描组件安装在第二周边侧面(即，即另一20.6mm×14.2mm侧面)上，集光镜安装在第一或第二底面上，而检测器安装在第一或第二底面上。在该实施例中，第二底面由印刷电路板构成。

在第二实施例的较佳形式中，扫描组件和检测器安装在同一底面，而集光镜安装在相对的底面。这种结构容许具有电连接的部件被安装在印刷电路板一侧，而关键的光学部件(激光器和集光镜)设置在整体机架中，该机架构成了另一底面以及至少一个周边侧面。

在第四实施例中，具有相同的形状因子，所有的部件都安装在第一底面(即10.4mm×20.6mm面)上，该底面由印刷电路板构成。

考虑为本发明特征的新颖特征特别在所附的权利要求书中提出。然而，对于本发明本身(包括其结构及其操作方法)以及它的附加的目的和优点，将从下面的具体实施例的描述(当结合附图阅读时)而能最好地明白。本发明的另一些特征在所附加的独立权利要求中提出，而另一些较佳的性质在从属权利要求中提出。

图1是按照本发明的较佳实施例的光学组件的部分剖面图；

图2a示出适合于与图1的光学组件一起使用的枪形扫描器的侧视图；

图2b是图2a的扫描器的正视图；

图2c是图2a的扫描器的平面图；

图2d是适合于与图1的光学组件一起使用的例示的手持式光学扫描器；

图2e是仍适合于与图1的光学组件一起使用的例示的手持的组合式计算机终端和光学扫描器；

图3示出一种光学组件，扫描光束以非90度角从该光学组件出射；

图4是示出图2a-2c的扫描器的操作的流程图；

图5a示出已知类型的薄软带驱动装置；

图5b示出一种改进的薄软带；

图6是部件分解图，示出图5b的薄软带的安装；

图7以组件的形式示出图6中提出的部件；

图8以剖开立体图的形式示出在一外壳内的光学组件；

图9示出二维扫描运动扫描器组件；

图10是相应于图9的示意平面图；

图11示出另一种扫描组件的结构；

图12是相应于图11的端视图；

图13a说明在传统组件中的扫描平面；

图13b说明在图11所示的一种类型的组件中的扫描平面；以及

图14示出另一种条型码阅读器外壳。

图1示出按照较佳实施例的低成本的光学组件，用于产生条型码阅读器中使用的扫描激光光束。

光学组件包括两个基本上分开的部分，即“固定的光学元件”10和扫描器马达驱动装置12，两者都安装在公共的支承物或印刷电路板(PCB)14上。在详细描述组件的结构之前，对装置的操作作一简要综述可能是有帮助的。来自半导体激光器18的光束16穿过模制的塑料透镜20，并且由棱镜22的全内反射而使光束转过90度。在离开棱镜后，光束穿过开在集光镜(collector mirror)26中的小孔24，并且射在摆动扫描镜28上。这样产生了扫描的出射光束30，它被引向要被读出的记号(未示出)。虽然镜子28示出为成角度的，但这仅仅是一种绘画表示法，以使镜子的形状和取向更清楚。镜子在呈现附图的纸面的平面内扫描光束，而纸面与PCB14正交。

来自记号的反射光32首先被扫描镜28接收，它将反射光引至集光镜36的凹面34上。藉助于小孔36和滤光器38将光聚焦在光电探测器40上。于是光电探测器输出信号通过电耦合42通到PCB14内的合适的电子线路。

扫描镜28安装在44处，用以绕轴摆动，通过永久磁铁46和驱动电磁线圈348之间的相互作用做到这一点。合适的驱动信号通过PCB14和线圈电触点50加到线圈上。示于图1的扫描器马达驱动装置12是例示性的，而它可以用任何类型的机构来替代，以使激光光束沿一维或两维作扫描运动。例如，扫描器马达驱动装置能够包括在美国专利第5,581,067号和第5,367,151号中揭示的任何结构，这两项专利都通过参照而引用于此。这样，可以将固定光学组件在各种扫描器设计中用作部件。

如图1所示，虽然可以在光电探测器40之前使用遮光孔36，但为了增加光电检测器的焦深，通过适当地规定光电检测器40本身的区域，没有遮光孔也能达到同样的效果。

本发明的另一个关键特征是，小孔24位于集光镜26的这样的位置，从而射在镜子28上的出射激光光束的光束路径偏离了来自集光镜26的凹面34的反射光的光轴。特别，在较佳实施例中，小孔24位于集光镜26的光轴之下，如图1所示(以及如图11中的相应部件所示)。

如此设计出射和返回光束路径安排的重要结果是允许在一种紧凑的外壳结构(如图2d所示)中，对组件作内部安排，其中，图1的组件安装在印刷电路板(PCB)214上，而出射光束平行于PCB的平面。还要注意，组件置于外壳中，从而出射光束大体上与窗口218的表面正交。在图中把窗口218画得大体上与PCB214垂直，并且与外壳210的外表面齐平。在图2e的实施例的另一种结构中示出了窗口的相同布置。这些机械设计便于制造，并且能设计出结构很紧凑的阅读器。

然而，使窗口与出射光束处于正交的位置却导致了出射光沿相同方向的部分内反射并且回至组件。在现有技术中使用这种窗口和带有光学组件的模件结构是与得到最佳性能的良好设计相违背的，因为在这些结构中，来自窗口的反射光将被集光部分俘获并被引至光电检测器，在那里它们将与来自条型码符号的反射光一起被检测，从而产生噪声很大的信号。如果反射光量相当大，则该反射光甚至会使光电检测器溢出，而自条型码符号返回的反射光的信号将过强。使用这些模件或光学组件与现有技术光路设计的条型码阅读器能避免这些困难，其做法是典型地使用这样的窗口，把它安装得相对于出射的激光光束倾斜一个角度(例如，参见在第4,3887,297号、第4,409,470号、第4,816,660号和第5,280,164号美国专利中描述的条型码阅读器中的窗口的布置)。任何来自这种倾斜的窗口的内反射将沿着离开光学组件的方向，由此降低了光电检测器接收的信号的噪声。然而，在机械上实现这种倾斜的窗口结构需要作更大的努力，并且增大了外壳的总尺寸。

按照本发明的扫描模件的光路设计允许将扫描模件安装在PCB上，诸如图2d所示，从而窗口可以设置得与外壳的表面齐平，因而与发出的激光光束正交。对于一种更为紧凑的布置扫描模件也能安装得和窗口齐平。虽然来自窗口的反射光沿着出射激光光束的光束路径的方向返回，在图1的组件的光路设计中，出射激光光束光路与来自集光部分的反射光的光轴不同。于是，内反射的光不会被集光部分引至光电检测器40，因此不会影响由条型码符号反射的光的信号。

实现上述的出射光路和返回光路的偏移不需使用带小孔的集光镜26。须把激光光源和光电检测器如此相互关联地放置，即，通过具有隔开的或偏移的光轴，使得部分由窗口反射的和由集光部分反射的发射光束不照射光电检测器。

示于图1的光学组件可以被包括在任何类型的固定的或便携式的光学扫描器中，例如，图2a-2c的扫描型扫描器、示于图2d的手持式扫描器或示于图2e的手持式计算机终端/扫描器。

参看图2a至2c，示出一种手持式枪型扫描器的人体工程学设计。扫描器包括标号100表示的扫描器本体，它包括手柄部分102和头子部分104。手柄部分102构造得被向上握持在使用者的手掌中，并且具有包括板机106的前向部分，该扳机最好位于能由使用者的食指操作的地方。头子部分104设置在手柄部分102的顶部，并且包括前面(它包括扫描窗口108)和球形的后背部分，它由手柄102向后延伸，紧靠在使用者所用的那只手上或在其上方。

扫描器100可以绕枢轴转动地固定在基座部分110，其枢轴112设置在手柄102的底端。基端包括平坦的底面114并从手柄部分的前后向外延伸而到两边，从而整个组件能被独立稳定地置于支承面上。将扫描器100安装得可在基座110上沿前/后方向绕枢轴转动。基座110由电缆116提供扫描器100和主计算机(未示出)之间的连接。电缆116能够只是提供电力或者还能包括一条数据通路，用于要送至扫描器的控制信息或者用于要从扫描器100下载至主计算机的读得的数据。

在基座110的底面114上有一个具有任何合适类型的压力开关(未示出)，它的释放向在扫描器内的处理器指出，正以手持方式使用扫描器。相应地，扫描器切换至触发模式指示，只有当板机106被启动时才进行读取。

在图4的流程图中更详细地说明了控制系统。可以看出，不管压力开关是否被启动(步骤150)，通过合适的控制器即可保持连续的循环。如果压力开关未启动，则进入了触发(手持)模式(步骤152)；在第5,151,581号美国专利中可以发现有关特征的进一步的讨论，该项专利通过参照而引用于此。

在压力开关被启动的另一种模式中，进入连续扫描(不用手持)模式154。在此模式中，通常启动一种呈现扫描方式，允许所有要被扫描的物品从扫描器的前面通过。例如这可以在零售点(诸如结帐台)处使用。因此，这种安装允许双模式操作。

示于图中的扫描器100是一种全向的扫描器，但枪型结构提供了常规的一维扫描器的好处。此外，由于包括枢轴112而提供的可调角度允许把整个扫描器放在任何所要的绕枢轴转过的角度，以便于读取，还允许在手持模式下使用时，把基座倾斜至一舒适的位置。

主体100和基座110最好是模件化的，从而能用最少的花费改变一个或一些部件，以例如达到无线的实施例。在头子104的顶面上，可选地额外设置模式按钮118(见图2c)，允许使用者选择任何所要类型的扫描方式(例如，根据要读取的条型码符号或其他记号)或扫描条件。此外，在120处设置诸如LED等指示灯，它们例如能够指出扫描器的操作模式(不用手持的模式还是手持模式)等等。

现在参看图2d，用标号210概括地指出另一实施例中的手持式扫描器。扫描器可以是枪型，或者任何其他可以使用的结构。扫描器例如是用扳机(未示出)手动操作的。如从通过参照而引用于此的上述专利申请中知道的，光源部件(它典型地是激光器但不必须是激光器)安装在以部件210示出的扫描器中。光源沿传输路径发出光束，它通过窗口218朝外延伸，而窗口218面对要读取的记号(例如，条型码符号)。光电检测器部件(例如，光电二极管)也安装在部件210中，光电检测器部件具有视野，并且用于收集从符号沿路径通过窗口返回的反射光。

图1的光学组件安装在部件210中，或者作为其一部分。

在给出其布置的不管哪种扫描器中，操作一般是相同的。光电检测器产生指出反射光的变化的强度的模拟电信号。由模拟—数字变换器电路把这个模拟信号变为数字信号。数字信号由译码模块222译码。译码模块222将数字信号译码为描述符号的数据。一台外部主装置224(通常是计算机)主要用作数据存储装置，在其中存储着由译码模块222产生的数据以供后续的处理。

部件210和译码器222安装在PCB214上。工作时，在使用者每次要读取符号时，使用者用扫描器对准符号并且扣动板机或者以另外的方式启动符号读取。扳机是一个电气开关，它启动驱动装置。该符号被每秒重复扫描多次，例如，每秒超过100次。一当符号被成功地译码和读取，扫描动作自动终止，由此使得扫描器可引向下一个要依次被读取的符号。

此外，在本发明中，头子不必是便携式手持型的，也可考虑用固定安装的头子。此外，头子可以具有手动操作的扳机，或者通过直接连至电源而连续操作。

摆动只需持续一秒种左右，因为多次摆动而不是摆动一次，将提高对符号成功译码的概率，即使对于印得不好的符号也是如此。共振的反射镜具有预定的、可预计的、已知的一般为均匀的角速度，以提高系统的可靠性。

现在转向图2e，该图示出另一种包括附加特征的手持式光学扫描器，此次，它采取扫描终端326的形式。该终端包括手持机壳328，它具有数据显示屏30和数据输入小键盘332。在机壳328内的图1的光学组件产生光束，它向外延伸穿过窗口334，而窗口334面对要被读取的记号。从记号反射的光返回穿过窗口334并且射在光电检测器部件(例如，光电极二极管)上，该部件产生返回光输出信号。在该信号内的信息内容可以被存储在在板(on-board)存储器(未示出)中或可以通过数据端口336被下载至远端的计算机。或者，可以通过由在板的无线发射机/接收机338产生的射频信号发送信息。

在一个实施例中，用来获得扫描动作的马达驱动装置最好是“紧带元件”(taut band element)驱动装置。特别在第5,614,706号第5,665,954号美国专利中充分描述了这种类型的驱动装置。这两项专利与此申请一道转让，并且通过参照而引用于此。大体上说，这种安装包括光学元件(诸如装在薄而柔软的带子(“紧带”)上的一块份量轻的镜子(，该光学元件跨过电磁线圈安装。一块永久磁铁与光学元件紧贴，该磁铁与变化的磁场相互作用，而此磁场是当把交流信号施加于线圈时产生的，两者的相互作用引起了软带中的反复的扭转运动。结果，光学元件摆动提供了扫描运动。

图5a更详细地示出一种已知类型的紧带元件驱动装置。在特殊的线圈70中，可以看到软带72、镜子74和永久磁铁76。软带72例如可以用支承环28支承在线圈70上。施加至线圈的交流电压在80处示意地表示，并且产生用箭头82示意地表示的扭转摆动。可以明白，这种安装以对于熟悉的读者而言是很显然的方式取代在图1中作为镜子28和驱动安排44、46、48概略地示出的一种安排。

在示于图5b的又一实施例中，软带72被狭长的元件84取代，该元件的垂直于其延伸轴的横截面是V形的，在该元件上安装了镜子74和永久磁铁元件76。V形元件84跨过线圈延伸，或者如同前面的薄软元件72和永久磁铁76那样合适地安装，该元件与交流磁场的相互作用导致用箭头86表示的扭转偏转。带的V型截面增加了它的刚性，并且特别确保扭转偏转在带的长度范围内是均匀的或大体上是均匀的，镜子74安装在“V”的顶部。可以理解，能够考虑用其他的带子的截面结构(诸如X形、I或H形、W形)，只要能够保持沿带子的长度方向的扭转偏转和该扭转偏转均匀性的要求就行。

图6以部件分解图的形式示出图安装图5b的V形零件84的一种实际方式。线圈70安装在包括中央臂71b以及外侧臂71c和71d的E形铁芯71a上，中央臂被容纳在线圈70的中心凹槽内，而外侧壁沿线圈的两侧延伸并且超出该线圈。安装板75a容纳在E形铁芯的外侧壁71c、71d上，并且在线圈70上方跨过该线圈延伸。安装板75a包括一个中心孔75b，该孔确定了V形元件84跨过它延伸的间隔。V形元件84包括数个臂(limb)84a，它们沿元件的纵轴在两端和中央对称地向两侧伸展，并且以任何合适的方式(例如通过把两端的臂84a固定至安装板75a顶面的方式)跨过孔75b安装在安装板75a上。把协同构造V形连接件85固定在V形零件84上，并且与臂84a对齐，而镜子74安装在V形零件顶点处的连接件85上。磁轭73悬挂于镜子74下，它大体上也呈V形，但跨在V形零件84上，磁轭的外端73a、73b与镜子74的背面相接。磁轭73具有离开镜子74延伸的中心部分和横向小突出部分73c、73d。横向小突出部73c和73d与V形零件的中央臂84a、84b对齐，并且与之相接。永久磁铁76与磁轭73的中心部分的底侧相接(例如与小突出部73c和73d的底侧相接)。因此磁轭73跨在V形零件84上，从而永久磁铁在安装板75a中的孔75b上方或穿过该孔，允许与线圈70有最佳磁耦合。当交流电流施加至线圈70时，永久磁铁76摆动，它又使V形零件84产生扭转弯曲以及镜子74的摆动。组装好的结构如图7所示。

包括图7的结构的组装好的模件如图8所示，从该图可见，包括一个大体上为立方形的外壳。镜子的角运动的方向用箭头A表示。

在另一个较佳实施例中，用于使扫描镜摆动的马达驱动的类型可以是支承不平衡镜子组件的密拉(Mylar，聚酯薄膜)片簧。在图11-12中，把镜子组件装在Mylar片簧上，当永久磁铁由赋予摆动力的交流线圈驱动时，该Mylar片簧弯曲。

还有一种办法是如在第08/506,574和08/631,364号美国专利申请中讨论的“微加工”(micro machined)镜子组件，按照这两项申请，镜子直接由合适的驱动马达前后驱动，该马达的尺寸最好非常小。还有一种办法是使用如在引言中所述的涉及第4,251,798号美国专利的已知的旋转多边形类型的镜子，按照该项专利，镜子包括具有多个互成角度的面的立体实体。当该实体旋转时，光束被多边形实体的相继的旋转面扫描。在一个实施例中，对于一维扫描，可以使用Mylar马达，而对于二维扫描，可以使用上述V形紧带元件，这在下面要详加讨论。

现在转至图1所示的固定的光学组件10，注意，激光器聚焦透镜20、激光器孔24和集光镜26都用单个模制的塑料件来确定，在图中以打剖面线的方式示出，并且概略地用标号52表示。模制件52还用来容纳和放置激光器18、滤波器38和光电检测器40。

较佳的激光器18是半导体激光器，藉助于常规的通孔技术把该激光器安装在PCB上。当Mylar片簧马达是交流线圈时，光电二极管最好是SMD(“表面安装器件”)器件。这就不需要在现有技术扫描器中使用的手工焊接或插座。一般，激光器将是标准封装的边缘发射(edge-emitting)激光器。为了使成本降至最低，激光器聚焦是不可调整的，而激光器只是简单安装，用其安装凸缘与作为模制件的一部分的肩部接触。这将使激光器足够准确地相对于模制的聚焦透镜20定位，以用价格不昂贵的扫描器提供合适的性能。由于聚焦透镜是作为与肩部54的同一部件模制的，因此减小了容差积累，否则会引起不合适的聚焦。

用紫外光固化粘合剂把激光器在模制件52中固定在合适位置。由于模制件的塑料材料对于紫外光是透明的，因此粘合剂可由照射紫外光而固化，该紫外光是通过模制件射入放置激光器的空腔的，粘合剂可以施加至激光器68，或施加至模制件52，然后再将激光器推入空腔，直至紧靠在定位肩部54上。然后可将组件在紫外光中曝光数秒钟，以使粘合剂固化。如果想要得到较高的性能，则这种固定激光器的方法也允许进行聚焦调整。此时，一边监视输出光束一边逐渐将激光器放入空腔。当达到正确的聚焦时，就把组件对紫外光曝光。于是使粘合剂固化，而锁定组件位置。

在不调整的组件中，可以去掉粘合剂而用激光器对定位肩部54加上弹簧负荷，例如，用在PCB14和激光器18的底部之间的橡皮或泡沫垫圈56。

如图中所示，激光器18具有向下延伸的电引线58，直接把它们简单装入PCB14。这就不需要手工焊接，但如果需要，可以用焊接。

由于引线向下延伸入电路板，这意味着在常规的激光器中，光束将直接向上垂直于电路板。先前描述过的棱镜22模制为模制件52的顶部，以引导垂直的激光光束穿过集光镜26中的小孔24而朝着扫描镜28。棱镜22使用全内反射以反射激光光束，因此不需要反射涂层来涂敷其上表面。

为了提供激光光束的进一步的聚焦(如果有此需要的话)，也可以使棱镜的出射表面60具有一定的形状。

希望激光光束在其光路的某处通过一个光光束阑。集光镜26中的小孔24可以用于此目的。另一种做法是，由透镜20或棱镜22的反射表面或出射表面提供光束光阑。

事实上，最好保持小孔24越小越好，这将提高集光镜26的集光能力。例如，小孔24的直径可以0.5mm的范围内。由于得到的衍射图形给出了按照贝塞耳函数的光分布而提供了额外的好处，这在扫描记号时特别适用。

需将模制件52与电路板14相固定，并在模制件52的端部提供铆头62、64。当装入部件时，这些铆头自动地闩在电路板上。另一种做法是使在模制件的底侧的杆穿过电路板，而被加热立桩在板的底部。也可以使用超声立桩的办法。

集光镜26涂敷有反射涂层，从而投射在其上的光被向下反射而朝向光电检测器40。这个涂层也可以覆盖模制件的这样的部分62，该部分用作光电二极管的壳体。这将使在该区域的光学组件不透明，以防止除了经过小孔36和滤光器38的光之外的任何光到达光电二极管。

这个反射涂层也可以用作其他功能。一般，涂层将是金属(诸如金、铝或铬)的薄膜。这些薄膜导电。因此，薄膜也用作光电二极管40的电磁干扰屏蔽。使用表面涂敷来保护光电二极管使得通常的EMI(电磁干扰)屏蔽可以免除，由此既免除了单独屏蔽所花费的成本又免除了把EMI屏蔽加入组件所花费的劳动。

涂层电气上接地，其做法是使模制件的突出物66伸入PCB中的小插口68。另一种做法是，可以将突出物66压配入电路板中的经过电镀的通孔。

模制件52的罩壳部分62不仅用于使滤光器38固定在光电二极管40的顶部，并且完全围绕了光电二极管，由此防止杂散光到达光电二极管。罩壳部分中的小孔36可以很小，以限制检测器的视场，而使得对于周围光的不敏感性达到最大。小孔需相对于集光镜26准确地定位，以允许使用尺寸最小的视场。由此小孔和集成镜是作为单个部件模制的，因此容易达到两者的相对的准确位置。

另一种结构示于图3。在某些情形中，希望提供这样一种结构，在这种结构中，光束与PCB14成一角度(而不是与之成90度)地离开光学组件。例如，会有这样的情形，其中，安装要求意味着PCB14安装在不正交的位置处。在前面所述的结构中，当安装PCB14时，必须通过引入附加的衬垫来克服这个问题，从而光束30以所需的角度离开。在按照图3的结构中，是通过调整光束离开光学组件的角度以补偿安装角度和不需安装包括衬垫的PCB来解决这个问题的。在所示的结构中，是通过改变扫描镜组件28的角度来做到这一点的，由于不需要调整激光器的安装，因此这是特别有利的。应该理解，剩下的光学元件也需调整，以进一步补偿，对于熟悉本领域的人而言，很容易进行这些调整。

所包括的角度取决于特殊的消费者的要求，但可在与PC板成45度的至90度的范围内，较好地是在60度至70度的范围内，最好是与PCB成65度角。

图11和12示出按照本发明的不同于图3的光学组件和马达驱动装置实施例。虽然所描绘的是二维扫描，但部件的结构也可以单用于一维扫描。结构安装在单块底板500上，并且包括合适类型的激光器组件502(例如，上述类型的激光器组件)。在此实施例中，激光器组件502可以安装在包括周边侧面550的机壳中，该机壳亦用作激光器的散热器。来自激光器组件502的光束不被弯折，而是直接穿过在集光镜506中的小孔504，并被扫描镜508反射。反射光束在集光镜506上折反射，并被引至合适的已知类型的检测器510。

现在更详细地说明用于扫描镜508的驱动组件，镜子连同永久磁铁512安装，永久磁铁512与由交流电流驱动的线圈514提供的磁场相互作用，以使镜子摆动。镜子藉助于附着件501相对于底板500安装，附着件501由两个Mylar弹簧518、520连至镜子。虽然镜子平行于底板安装，但附着件516与水平底板成25度安装，因而Mylar弹簧(它垂直于附着带516延伸)与垂直轴成25度。因此，如下面详细讨论的，确定一扫描面，它与垂直轴成25度。当然，应该理解，能够选择任何合适的角度。于是扫描角由镜子的运动幅度确定，而以选择50度较好。镜子组件是不平衡型的，即，当相对于支点考虑时不提供与镜子质量相对的平衡块。

不平衡镜子(即，在镜子组件中不提供平衡块的镜子)，在以大于每秒100次扫描的速度驱动镜子的实行场合下使用是特别合适的。采用不平衡镜子，由于镜子对软弹簧的附着点不是镜子组件的质心，当镜子静止时，重力将在镜子组件具有较大质量的一侧对其施加较大的力，使镜子在其较重的一侧“下垂”，并且拉软弹簧。当然，这个力的作用取决于扫描器相对于重力矢量的取向。当镜子以较低的速度扫描时，将呈现相同的“下垂”，因此，在这些应用中，最好使用平衡镜子。然而，平衡镜子需要增添至镜子(或镜子组件)的额外质量，对于操作设计重量因而功率要求而言，这是一个缺点。

在高速工作(即，超过每秒100次扫描)的实施例中，可以适当地选择弹簧的材料成份、尺寸、形状和厚度，以达到所要的谐振频率。例如，对于200次扫描/秒的工作，选择4密耳厚的Mylar弹簧是合适的。对于400次扫描/秒的工作，最好采用厚度约为3密耳的不锈钢弹簧。

可以看出，镜子508相对于垂直轴倾斜，以引导扫描光束从组件的顶面出射。如图1那样，虽然在图11中把镜508表示为也与正交于纸面的平面倾斜，但这仅仅是一种使图面更清楚的绘图表示而已。可以看出，包括臂522和524的附着件516沿着Mylar弹簧518、520的两侧延伸。这些臂置于侧块526、528中的凹入部分内，允许对于臂有一定大小的空隙，该空隙为要达到的扫描角提供合适的空间，同时例如通过使它下垂提供阻挡物以限制镜子的将冲击传给装置的摆动量。

因此，由激光器组件502发出并且射在镜子508上的光束由扫描镜通过50度的角度进行扫描，然而，光束的扫描平面(扫描面)与底板500不成90度，而是成了由这样的方向所限制的角度，沿该角度驱动磁铁以使之摆动(即，沿Mylar弹簧的弯曲轴)。参看图13a和13b最能明白这一点。在图13a中，激光光束30沿Y方向进入。虽然未示出镜子和驱动组件，但在图13a中假设正常的镜子结构，即，镜子与XZ平面成45度倾斜，并且将其安装得绕X轴摆动。结果，在YZ平面内形成扫描平面530。然而，在图13b中，如对于图11和12讨论的那样安装镜子和镜子驱动装置。因此，可以看出，在平面532内得到扫描线，平面532与YZ平面成25度。此外，能够选择任何所要的扫描平面角或扫描角。

因此，如对于图3讨论的那样，以不同的方式得到了光束的非90度的输出角。

图9示出第二个较佳实施例，在该实施例中，通过使用两块镜子(每块镜子沿正交的方向摆动)而得到二维扫描运动。如在第5,581,070号、第5,637,856号第5,614,706号美国专利中所描述的那样，采用两个反射镜的X-Y运动可以得到多种图形扫描器，上面所述各项专利都通过参照而引用于此。最好用图5a或图7所示的薄软元件型驱动装置来驱动两块反射镜。特别，光学模件10通过在集光器34中的小孔24发射光束30，通过安装在第一V形件84上的第一摆动镜28a使该光束沿第一方向(例如X方向)摆动，然后通过安装在V形第84上的第二镜28b使该光束沿第二方向(例如Y方向)摆动。结果，如由图形11示意地表示的那样，在目标上得到任何所要的扫描图形。所有的零件最好能设置在单元模件中，如从图10中所画的底板平面图所能看到的那样。特别，激光器18发出出射的光束30，通过在集光镜26中的小孔34。光束藉助于镜子28a沿X方向摆动，而光束藉助于镜子28b沿Y方向摆动，产生用11示意地表示的扫描图形，返回光束32沿反射路径返回，并且由集光镜26引至检测器40。当然应该理解，这种结构最好与图1所示的光学组件连用，并且对于熟悉本领域技术的读者而言，这些部件的放置和取向都是显然的。

图14示出另一种扫描引擎形状因子和人体工程学外壳的改变，以包括在这里所描述的扫描器或任何其他的合适地定出尺寸的扫描器。特别，扫描器被包括在笔型外壳600中，该外壳具有扫描窗口602。笔型外壳600最好是狭长的，具有宽的正、背面604、606以及窄的侧面。最好把扫描窗口设置在宽面604的顶端(在笔“尖”612的对端)。扫描可以由一个或多个触发钮608、610触发，例如可将这些触发钮设置在笔型外壳600的侧面或正面上。笔尖612可以是常规的笔尖或电子笔笔尖。由于宽面的缘故，这种安装容易把这里描述的那种扫描器模件装进去。此外，窗口602的设置允许作符合人体工程学的扫描，而设置多个触发钮允许惯用左手或右手的使用者方便使用扫描器。可以看出，在读取模式中，外壳600的宽的背面606与使用者的手掌接触，使得使用舒适和容易，而在书写模式中，窄的侧面与使用者的手掌接触，从而这种结构能够象一支笔那样正常使用。

虽然在图14中示出的窗口602的短边平行于笔的轴线，但另一种做法是，使窗口的长边设置得与笔的轴线平行，而扫描线的方向也与笔的轴线平行。

可以明白，上面所述的特征中的每个特征，或者两个或更多个特征，可以在不同于上述类型的其他类型的扫描器和条型码阅读器中找到有用的应用。

虽然本发明已经通过在电-光扫描器中使用的扫描模件中的实施而加以说明和描述，但并不打算限于所示的细节，因为不偏离本发明的精神和范围即可以作出各种变更和结构改变。特别，可以理解，对于一个实施例描述的特征可以作为合适的特征被包括入其他的实施例中，这对于熟悉本领域技术的读者而言将是很显然的。

不作进一步的分析，上面所述将充分揭示本发明的要旨，从而其他人运用现有的知识即可容易地修改它以适合各种应用而不去除这些特征(从现有技术的观点来看，它们完全构成了本发明的一般或特殊方面的主要特征)，因此，这些修改应该而且打算被包括在下述权利要求书的等价物的意义和范围内。在所附的权利要求书提出新的要被保护的权利要求。

Claims (20)

1.在一种具有带窗口的外壳的电-光阅读器中，引向要读取的条型码符号的光束和从所述要读取的条型码符号反射的光束通过所述窗口，其特征在于，折反射光学扫描模件包括：

a)支承件；

b)光源，安装在所述支承件上，用于沿第一光路的第一段产生和引导光束至要被读取的符号；

c)光学组件，包括集光部分，所述集光部分用于聚焦反射光和沿第二光路再引导反射光，所述第二光路具有光轴，所述光轴偏离所述第一光路的所述第一段；

d)扫描组件，包括可来回摆动的扫描镜，安装所述扫描镜用于摆动运动，并且用于接收在所述第一光路的第一段上传输的光束和沿所述第一光路的第二段引导光束，使其穿过所述窗口而射出所述外壳模件，它同时还接收从所述符号反射的光并将该反射光引至所述光学组件的所述集光部分；以及

e)检测器，安装在所述支承件上，用于检测已被所述集光部分再引导的被聚焦的反射光，并且用于产生相应于检测到的光强的电信号。

2.如权利要求1所述的模件，其特征在于，所述支承件确定一个参考面，而如此安装所述扫描组件，从而扫描光速确定一个扫描平面，它一般与所述支承件正交。

3.如权利要求2所述的模件，其特征在于，还包括光束弯折光学元件，用于接收沿所述第一光路的第一段的第一部分的来自光源的光束，所述第一部分一般与所述底板正交，并且用于沿所述第一光路的第一段的第二部分引导所述光束。

4.如权利要求1所述的模件，其特征在于，所述光学组件的所述集光部分包括设置在所述集光部分的小孔，用于接收来自所述光源的光束，并且允许光束通过所述集光部分并且沿着与第二光路隔开的所述第一光路的第二段传输。

5.如权利要求1所述的模件，其特征在于，还包括由所述底板支承的驱动装置，用于使扫描镜来回摆动，以每秒100次以上的频率使光束跨过所述符号扫描，所述驱动装置包括软片簧，所述扫描镜安装在所述软片簧上。

6.如权利要求1所述的扫描模件，其特征在于，设置所述检测器，从而来自发射光束的反射光不照射所述检测器，所述反射光先是由所述窗口部分反射然后由所述集光部分反射。

7.如权利要求1所述的扫描模件，其特征在于，所述镜子组件是不平衡式的，意思是指在所述镜子组件中不设置平衡块，并且附着点不是所述镜子组件的质心。

8.如权利要求1所述的扫描模件，其特征在于，所述光源是半导体激光器。

9.如权利要求1所述的扫描模件，其特征在于，所述集光部分是凹面镜。

10.如权利要求3所述的扫描模件，其特征在于，所述光束弯折光学元件是镜子。

11.在一种具有带窗口的外壳的电-光阅读器中，引向要读取的条型符号的光束和从所述要读取的条型码符号反射的光束通过所述窗口，其特征在于，折反射光学扫描模件包括：光源，用于将光束引至要读取的符号；以及光学组件，它包括集光部分，该集光部分沿着一条光路聚集光线，并将它再引导至检测器，其中，所述集光部分的光轴偏离发出的光束的光轴，从而发出的被所述阅读器的所述窗口部分反射的光不照射所述检测器。

12.一种手持式条型码阅读器，其特征在于，所述阅读器包括：

a)外壳，它具有限制其内部的壁和包括平面窗口；以及

b)光学扫描组件，它安装在所述内部并且包括扫描器，用于在扫描平面内引导光束穿过所述窗口，并且射出所述外壳而到达要被扫描的条型码符号，所述扫描平面设置得大体上与所述平面窗口正交。

13.一种用于读取条型码符号的光学扫描模件，其特征在于包括：

a)底板；

b)光源，它由所述底板支承，用于产生光束；

c)不平衡扫描组件，它包括可来回摆动的扫描镜组件，该组件安装在附着点，用于摆动运动，并且可接收从光源传输的光束和将所述光束沿光路引至要读取的符号；

d)光学组件，它包括集光部分，用于聚焦和再引导从所述符号反射的光；

e)驱动装置，它由所述底板支承，用于使扫描镜组件来回摆动，以超过每秒100次的速率跨过所述符号扫描光束，所述驱动装置包括软片簧，所述扫描镜组件安装在所述软片簧上的附着点处；以及

f)检测器，用于检测已被所述集光部分再引导的被聚焦的反射光，还用于产生相应于被检测的光强的电信号。

14.一种激光扫描模件，它用于扫描系统，以读取具有不同光反射率的部分的条型码符号，其特征在于，所述扫描模件包括：

(a)一般为长方体形状的多面结构，包括：第一或底面、第二或顶面以及四个周边侧面，即，第一、第二、第三和第四周边侧面，这四个所述周边侧面的每一个确定在底面和顶面之间；一般为平面状的底板，它形成所述结构的底面，其尺寸不大于21mm×15mm；以及壁，其宽度不超过12mm，一般，该壁与所述底面正交，并且形成所述结构的周边侧面的至少一部分，在所述结构的周边侧面的第一侧面上有开口；

(b)半导体光源，用于沿光路产生激光光束，该光束穿过所述开口而到达要读取的符号；

(c)反射镜，它位于所述光路中，用于将射在所述反射镜上的光束引导至所述符号；

(d)片簧，一般为平面状，用于支承地安装所述反射镜，以使该反射镜作来回摆动运动；

(e)驱动装置，用于来回摆动所述反射镜；以及

(f)检测器，用于检测接收到的反射光以及用于产生相应于所述符号的不同光反射率部分的电信号。

15.如权利要求14所述的模件，其特征在于，所述反射镜同时接收所述从所述符号反射的光并且将它引至所述检测器。

16.如权利要求14所述的模件，其特征在于，所述半导体光源安装在所述周边侧面的第二个侧面上，所述第二周边侧面与所述第一周边侧面相对。

17.如权利要求16所述的模件，其特征在于，所述检测器安装在所述第二周边侧面上。

18.如权利要求16所述的模件，其特征在于，所述支承件确定了一个参考平面，并且如此安排所述扫描组件，从而扫描光束确定一个扫描平面，所述扫描平面一般平行于所述支承件。

19.如权利要求16所述的模件，其特征在于，所述驱动装置由所述第二周边侧面支承，用于使所述反射镜来回摆动，从而以超过每秒100次的速率跨过所述符号扫描所述光束。

20.如权利要求14所述的扫描模件，其特征在于，还包括光束弯折光学元件，它设置在光路中，弯折由所述光源发出的光束，并且引导所述光束至所述反射镜。

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