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激光条码扫描枪原理及五大组成部分
时间:2018-02-03

激光条码扫描器由于其独有的大景深区域、高扫描速度、宽扫描范围等突出优点得到了广泛的使用。另外,激光全角度激光条码扫描器由于能够高速扫描识读任意方向通过的条码符号,被大量使用在各种自动化程度高、物流量大的领域。激光条码扫描器由激光源、光学扫描、光学接收、光电转换、信号放大、整形、量化和译码等部分组成,下面将详细讨论这些组成部分。

激光扫描枪原理

激光扫描枪通过打出的光源来扫描条码,通过条码的黑白条空所反射的光的巨大差别来识别条码,当扫描一组条码的时候,光源照射到条码上后反射光穿过透镜集聚到扫描模组上,由扫描模组(俗称扫描枪解码板)把光信号变换成模拟数字信号(即电压,它与接受到的光的强度有关)。即可传输到电脑上就是我们想要的条码内容。在这个扫描枪整个采集光源到解码分析转变成电脑输入信号的过程当中,如果条码无法正确的识别到,激光源线会一直亮着,这其实是扫描枪一直在解码的过程,如果解码成功,激光线就自动灭掉。

这时候模拟-数字转换电路把模拟电压转换成数字讯号,传送到电脑。颜色用RGB三色的8、10、12位来量化,既把信号处理成上述位数的图像输出。如果有更高的量化位数,意味着图像能有更丰富的层次和深度,但颜色范围已超出人眼的识别能力,所以在可分辨的范围内对于我们来说,更高位数的扫描枪扫描出来的效果就是颜色衔接平滑,能够看到更多的画面细节。

激光扫描枪组成部分

(一)激光源

采用MOVPE(金属氧化物气相外延)技术制造的可见光半导体激光器具有低功耗、可直接调制、体积小、重量轻、固体化、可靠性高、效率高等优点。它一出现即迅速替代了原来使用的He-Ne激光器

半导体激光器发出的光束为非轴对称的椭圆光束。出射光束垂直于P-W结面方向的发散角V⊥≈30°,平行于结面方向的发散角V‖≈10°。如采用传统的光束准直技术,光束会聚点两边的椭圆光斑的长、短轴方向将会发生交换。显然这将使扫描器只有小的扫描景深。Jay M.Eastman等提出采用图3所示的光束准直技术,克服了这种交换现象,大大地提高了扫描景深范围。这种椭圆光束只能应用在单线激光扫描器上。布置光路时,应让光斑的椭圆长轴方向与光线扫描方向垂直。对于单线激光条码扫描器,这种椭圆光斑由于对印刷噪声的不敏感性,将比下面所说的圆形光斑特性更好。

对于全角度条码激光条码扫描器,由于光束在扫描识读条码时,有时以较大倾斜角扫过条码。因此,光束光斑不宜做成椭圆形。通常都将它整形成圆形。目前常用的整形方案是在准直透镜前加一小圆孔光阑。此种光束特性可用小孔的菲涅耳衍射特性来很好地近似。采用这种方案,对于标准尺寸UPC条码,景深能做到大约250mm到300mm。这对于一般商业POS系统已经足够了。但对如机场行李输送线等要求大景深的场合,就显得不够了。目前常用的方案是增大条码符号的尺寸或使组成扫描图案的不同扫描光线会聚于不同区域形成“多焦面”。但是更有吸引力的方案是采用特殊的光学准直元件,使通过它的光场具有特殊的分布从而具有极小的光束发散角,得到较大的景深。

(二)光学扫描系统

从激光源发出的激光束还需通过扫描系统形成扫描线或扫描图案。全角度条码激光条码扫描器一般采用旋转棱镜扫描和全息扫描两种方案。全息扫描系统具有结构紧凑、可靠性高和造价低廉等显著优点。自从IBM公司在3687型扫描器上首先应用以来得到了广泛的应用,且不断推陈出新。可以预料,它所占的市场份额将会越来越大。

旋转棱镜扫描技术历史较悠久,技术上较成熟。它利用旋转棱镜来扫描光束,用一组折叠平面反射镜来改变光路实现多方向的扫描光线。目前使用较多的MS-700等扫描器产品还使旋转棱镜不同面的楔角不同而形成一个扫描方向上有几条扫描线。由多向多线的扫描光线组成一个高密度的扫描图案。这种方法可能带来的另一个好处是可使激光辐射危害减轻。

全角度扫描这个概念最早是为了提高超级市场的流通速度而提出的,并设计了与之相应的UPC条码。对于UPC码两个扫描方向的“X”扫描图案就已能实现全角度扫描。随着扫描技术的发展,条码应用领域的拓宽以及提高自动化程度的迫切需要,现在正在把全角度扫描这个概念推广到别的码制,如39码、交插25码等。这些码制的条码高宽比较小,为了实现全角度扫描将需要多得多的扫描方向数。为此除旋转棱镜外还将需要增加另一个运动元件,例如旋转图4中的折叠平面镜组等。

手持单线扫描器由于扫描速度低、扫描角度较小等原因,能用来实现光束扫描的方案就很多。除采用旋转棱镜、摆镜外,还能通过运动光学系统中的很多部件来达到光束扫描。如通过运动半导体激光器、运动准直透镜等来实现光束扫描。而产生这些运动的动力元件除直流电机外,还可以是压电陶瓷和电磁线圈等。这些动力元件具有不易损坏、寿命长和使用方便等优点,估计亦将会得到一定的应用。

(三)光接收系统

扫描光束射到条码符号上后被散射,由接收系统接收足够多的散射光。在激光全角度激光条码扫描器中,普遍采用回向接收系统。在这种结构中,接收光束的主光轴就是出射光线轴。这样,散射光斑始终位于接收系统的轴上。这种结构的瞬时视场极小,可以极大地提高信噪比,还能提高对条码符号镜面反射的抑制能力,并且对接收透镜的要求亦很低。另外,它还能使接收器的敏感面较小。高速光电接收器敏感面积一般都不大,而且小敏感面积的接收器成本亦较低,所以这一点也是很重要的。它的缺点是当扫描光束位于扫描系统各元件边缘时要产生渐晕现象。除了从结构上采取措施尽量减小渐晕外,还应舍弃特性太差的扫描角度。

全角度激光条码扫描器中还普遍采用光学自动增益控制系统,使接收到的信号光强度不随条码符号的距离远近而改变。这可以缩小信号的动态范围,有利于后续处理。

手持枪式激光条码扫描器具有扫描速度较慢、信号频率较低等特点。而低响应频率的接收器如硅光电池具有较大的敏感面积,并且这低频系统也容易达到较高的信噪比。因此,除可采用上述回向接收方案外还可以采取别的方案。例如可利用半导体激光器的易调制性,将出射激光束以某一较高频率调制。而后,在电信号处理时再采用同步接收放大技术取出条码信号。只要调制频率远大于条码信号频率,它所带来的条码宽度误差将可忽略不计。同步接收技术具有极高的抑制噪声能力,因此就不一定采用回向接收结构。这样就会给光学接收系统的安排上带来相当的灵活性。利用这种灵活性就能使识读器某些方面的性能得以提高。例如在回向接收方案中,运动元件亦是接收系统的组成部分,要求它具有一定的孔径大小以保证接收到足够多的信号光。但是,如果运动元件仅仅起扫描出射光束的作用,就可以做得很小。显然小的运动元件无论对于选择动力元件还是提高寿命、可靠性都是极为有利的。

(四)光电转换、信号放大及整形

接收到的光信号需要经光电转换器转换成电信号。全角度激光条码扫描器中的条码信号频率为几兆赫到几十兆赫。这么高的信号频率要求光电转换器使用具有高频率响应能力的雪崩光电二极管(APO)或PIN光电二极管。全角度激光条码扫描器一般都是长时间连续使用,为了使用者安全,要求激光源出射能量较小。因此最后接收到的能量极弱。为了得到较高的信噪比(这由误码率决定),通常都采用低噪声的分立元件组成前置放大电路来低噪声地放大信号。

手持枪式激光条码扫描器的信号频率为几十千赫到几百千赫。一般采用硅光电池、光电二极管和光电三极管作为光电转换器件。手持枪式激光条码扫描器出射光能量相对较强,信号频率较低,另外,如前所说还可采用同步放大技术等。因此,它对电子元器件特性要求就不是很高。而且由于信号频率较低,就可以较方便地实现自动增益控制电路。

由于条码印刷时的边缘模糊性,更主要是因为扫描光斑的有限大小和电子线路的低通特性,将使得到的信号边缘模糊,通常称为“模拟电信号”。这种信号还须经整形电路尽可能准确地将边缘恢复出来,变成通常所说的“数字信号”。同样,手持枪式扫描器由于信号频率低,在选择整形方案上将有更多的余地。

从上面所说的情况中,我们可以看到高信号频率带来了技术上的很大困难和成本上的提高。对于具有一定识读能力的全角度激光条码扫描器,它的数据率R正比于n/(H×Cosα-W×sinα)。其中,n为扫描方向数,H、W分别为条码符号的高度、宽度,α为条码符号相对扫描图案处于最不利于扫描识读时的角度值,对于各扫描线均匀分布的情况 α=π/2n,如 n=2 时 α为45°由这个式子我们可估算对于UPC码,如果采用扫描左半部和右半部并进行拼接的方案,n为3时数据率最低,对于完全贯穿整个条码才识读的方案,n为5时数据率将最低。在设计扫描系统时需对此予以考虑。

另外,也可以采用低速的扫描模块组合成一个阵列来达到全角度高速扫描条码的性能。显然,这种方案较宜应用于流水线场合中。

(五)译码

整形后的电信号经过量化后,由译码单元译出其中所含信息。全角度激光条码扫描器由于数据率高,且得到的绝大多数为非条码信号和不完整条码信号,译码器需要有自动识别有效条码信号的能力。因此它对译码单元的要求高得多,要求译码单元具有极高的数据处理能力和极大的数据吞吐量。目前普遍采用软、硬件紧密结合的方法。对于UPC、EAN码,译码器还要有左、右码段自动拼接功能。不过这种拼接可能将来自两个不同条码的左半部和有半部拼接起来。奇偶性和校验位并不能保证这种情况一定不会发生。随着扫描技术的发展,扫描器扫描方向数的增多和扫描速度的提高,这种码段拼接功能就显得不是非常必要了。不少公司的产品都提供一个开关让用户自己来取舍这个功能。




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