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專注條碼技術(shù)19年
條碼系統(tǒng)應(yīng)用集成服務(wù)提供商
解析條碼激光掃描識讀器的組成部分
激光掃描條碼識讀器由于其獨(dú)有的大景深區(qū)域、高掃描速度、寬掃描范圍等突出優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的使用。另外，激光全角度掃描識讀器由于能夠高速掃描識讀任意方向通過的條碼符號，被大量使用在各種自動化程度高、物流量大的領(lǐng)域。激光掃描條碼識讀器由激光源、光學(xué)掃描、光學(xué)接收、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、整形、量化和譯碼等部分組成下面將詳細(xì)討論這些組成部分。
（一）激光源
采用MOVPE（金屬氧化物氣相外延）技術(shù)制造的可見光半導(dǎo)體激光器具有低功耗、可直接調(diào)制、體積小、重量輕、固體化、可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。它一出現(xiàn)即迅速替代了原來使用的He－Ne激光器。
半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束為非軸對稱的橢圓光束（圖二）。出射光束垂直于P－W結(jié)面方向的發(fā)散角Ｖ⊥≈30°，平行于結(jié)面方向的發(fā)散角Ｖ‖≈10°。如采用傳統(tǒng)的光束準(zhǔn)直技術(shù)，光束會聚點(diǎn)兩邊的橢圓光斑的長、短軸方向?qū)l(fā)生交換。顯然這將使掃描器只有小的掃描景深。Jay M.Eastman等提出采用圖3所示的光束準(zhǔn)直技術(shù)，克服了這種交換現(xiàn)象，大大地提高了掃描景深范圍。這種橢圓光束只能應(yīng)用在單線激光掃描器上。布置光路時(shí)，應(yīng)讓光斑的橢圓長軸方向與光線掃描方向垂直。對于單線掃描識讀器，這種橢圓光斑由于對印刷噪聲的不敏感性，將比下面所說的圓形光斑特性更好。
對于全角度條碼掃描識讀器，由于光束在掃描識讀條碼時(shí)，有時(shí)以較大傾斜角掃過條碼。因此，光束光斑不宜做成橢圓形。通常都將它整形成圓形。目前常用的整形方案是在準(zhǔn)直透鏡前加一小圓孔光闌。此種光束特性可用小孔的菲涅耳衍射特性來很好地近似。采用這種方案，對于標(biāo)準(zhǔn)尺寸UPC條碼，景深能做到大約250mm到300mm。這對于一般商業(yè)POS系統(tǒng)已經(jīng)足夠了。但對如機(jī)場行李輸送線等要求大景深的場合，就顯得不夠了。目前常用的方案是增大條碼符號的尺寸或使組成掃描圖案的不同掃描光線會聚于不同區(qū)域形成“多焦面”。但是更有吸引力的方案是采用特殊的光學(xué)準(zhǔn)直元件，使通過它的光場具有特殊的分布從而具有極小的光束發(fā)散角，得到較大的景深。
（二）光學(xué)掃描系統(tǒng)
從激光源發(fā)出的激光束還需通過掃描系統(tǒng)形成掃描線或掃描圖案。全角度條碼掃描識讀器一般采用旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描和全息掃描兩種方案。全息掃描系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和造價(jià)低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)。自從IBM公司在3687型掃描器上首先應(yīng)用以來得到了廣泛的應(yīng)用，且不斷推陳出新。可以預(yù)料，它所占的市場份額將會越來越大。
旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描技術(shù)歷史較悠久，技術(shù)上較成熟。它利用旋轉(zhuǎn)棱鏡來掃描光束，用一組折疊平面反射鏡來改變光路實(shí)現(xiàn)多方向的掃描光線。目前使用較多的MS－700等掃描器產(chǎn)品還使旋轉(zhuǎn)棱鏡不同面的楔角不同而形成一個(gè)掃描方向上有幾條掃描線。由多向多線的掃描光線組成一個(gè)高密度的掃描圖案。這種方法可能帶來的另一個(gè)好處是可使激光輻射危害減輕。
全角度掃描這個(gè)概念最早是為了提高超級市場的流通速度而提出的，并設(shè)計(jì)了與之相應(yīng)的UPC條碼。對于UPC碼兩個(gè)掃描方向的“X”掃描圖案就已能實(shí)現(xiàn)全角度掃描。隨著掃描技術(shù)的發(fā)展，條碼應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及提高自動化程度的迫切需要，現(xiàn)在正在把全角度掃描這個(gè)概念推廣到別的碼制，如39碼、交插25碼等。這些碼制的條碼高寬比較小，為了實(shí)現(xiàn)全角度掃描將需要多得多的掃描方向數(shù)。為此除旋轉(zhuǎn)棱鏡外還將需要增加另一個(gè)運(yùn)動元件，例如旋轉(zhuǎn)折疊平面鏡組等。
手持單線掃描器由于掃描速度低、掃描角度較小等原因，能用來實(shí)現(xiàn)光束掃描的方案就很多。除采用旋轉(zhuǎn)棱鏡、擺鏡外，還能通過運(yùn)動光學(xué)系統(tǒng)中的很多部件來達(dá)到光束掃描。如通過運(yùn)動半導(dǎo)體激光器、運(yùn)動準(zhǔn)直透鏡等來實(shí)現(xiàn)光束掃描。而產(chǎn)生這些運(yùn)動的動力元件除直流電機(jī)外，還可以是壓電陶瓷和電磁線圈等。這些動力元件具有不易損壞、壽命長和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，估計(jì)亦將會得到一定的應(yīng)用。
（三）光接收系統(tǒng)
掃描光束射到條碼符號上后被散射，由接收系統(tǒng)接收足夠多的散射光。在激光全角度掃描識讀器中，普遍采用回向接收系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)中，接收光束的主光軸就是出射光線軸。這樣，散射光斑始終位于接收系統(tǒng)的軸上。這種結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)視場極小，可以極大地提高信噪比，還能提高對條碼符號鏡面反射的抑制能力，并且對接收透鏡的要求亦很低。另外，它還能使接收器的敏感面較小。高速光電接收器敏感面積一般都不大，而且小敏感面積的接收器成本亦較低，所以這一點(diǎn)也是很重要的。它的缺點(diǎn)是當(dāng)掃描光束位于掃描系統(tǒng)各元件邊緣時(shí)要產(chǎn)生漸暈現(xiàn)象。除了從結(jié)構(gòu)上采取措施盡量減小漸暈外，還應(yīng)舍棄特性太差的掃描角度。
全角度掃描識讀器中還普遍采用光學(xué)自動增益控制系統(tǒng)，使接收到的信號光強(qiáng)度不隨條碼符號的距離遠(yuǎn)近而改變。這可以縮小信號的動態(tài)范圍，有利于后續(xù)處理。
手持槍式掃描識讀器具有掃描速度較慢、信號頻率較低等特點(diǎn)。而低響應(yīng)頻率的接收器如硅光電池具有較大的敏感面積，并且這低頻系統(tǒng)也容易達(dá)到較高的信噪比。因此，除可采用上述回向接收方案外還可以采取別的方案。例如可利用半導(dǎo)體激光器的易調(diào)制性，將出射激光束以某一較高頻率調(diào)制。而后，在電信號處理時(shí)再采用同步接收放大技術(shù)取出條碼信號。只要調(diào)制頻率遠(yuǎn)大于條碼信號頻率，它所帶來的條碼寬度誤差將可忽略不計(jì)。同步接收技術(shù)具有極高的抑制噪聲能力，因此就不一定采用回向接收結(jié)構(gòu)。這樣就會給光學(xué)接收系統(tǒng)的安排上帶來相當(dāng)?shù)撵`活性。利用這種靈活性就能使識讀器某些方面的性能得以提高。例如在回向接收方案中，運(yùn)動元件亦是接收系統(tǒng)的組成部分，要求它具有一定的孔徑大小以保證接收到足夠多的信號光。但是，如果運(yùn)動元件僅僅起掃描出射光束的作用，就可以做得很小。顯然小的運(yùn)動元件無論對于選擇動力元件還是提高壽命、可靠性都是極為有利的。
（四）光電轉(zhuǎn)換、信號放大及整形
接收到的光信號需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號。全角度掃描識讀器中的條碼信號頻率為幾兆赫到幾十兆赫。這么高的信號頻率要求光電轉(zhuǎn)換器使用具有高頻率響應(yīng)能力的雪崩光電二極管(APO)或PIN光電二極管。全角度掃描識讀器一般都是長時(shí)間連續(xù)使用，為了使用者安全，要求激光源出射能量較小。因此最后接收到的能量極弱。為了得到較高的信噪比（這由誤碼率決定），通常都采用低噪聲的分立元件組成前置放大電路來低噪聲地放大信號。
手持槍式掃描識讀器的信號頻率為幾十千赫到幾百千赫。一般采用硅光電池、光電二極管和光電三極管作為光電轉(zhuǎn)換器件。手持槍式掃描識讀器出射光能量相對較強(qiáng)，信號頻率較低，另外，如前所說還可采用同步放大技術(shù)等。因此，它對電子元器件特性要求就不是很高。而且由于信號頻率較低，就可以較方便地實(shí)現(xiàn)自動增益控制電路。
由于條碼印刷時(shí)的邊緣模糊性，更主要是因?yàn)閽呙韫獍叩挠邢薮笮『碗娮泳€路的低通特性，將使得到的信號邊緣模糊，通常稱為“模擬電信號”。這種信號還須經(jīng)整形電路盡可能準(zhǔn)確地將邊緣恢復(fù)出來，變成通常所說的“數(shù)字信號”。同樣，手持槍式掃描器由于信號頻率低，在選擇整形方案上將有更多的余地。
從上面所說的情況中，我們可以看到高信號頻率帶來了技術(shù)上的很大困難和成本上的提高。對于具有一定識讀能力的全角度掃描識讀器，它的數(shù)據(jù)率R正比于n/(H×Cosα-W×sinα)。其中，n為掃描方向數(shù)，H、W分別為條碼符號的高度、寬度，α為條碼符號相對掃描圖案處于最不利于掃描識讀時(shí)的角度值，對于各掃描線均勻分布的情況 α=π/2n，如 n=2 時(shí) α為45°由這個(gè)式子我們可估算對于UPC碼，如果采用掃描左半部和右半部并進(jìn)行拼接的方案，n為3時(shí)數(shù)據(jù)率最低，對于完全貫穿整個(gè)條碼才識讀的方案，n為5時(shí)數(shù)據(jù)率將最低。在設(shè)計(jì)掃描系統(tǒng)時(shí)需對此予以考慮。
另外，也可以采用低速的掃描模塊組合成一個(gè)陣列來達(dá)到全角度高速掃描條碼的性能。顯然，這種方案較宜應(yīng)用于流水線場合中。
（五）譯碼
整形后的電信號經(jīng)過量化后，由譯碼單元譯出其中所含信息。全角度掃描識讀器由于數(shù)據(jù)率高，且得到的絕大多數(shù)為非條碼信號和不完整條碼信號，譯碼器需要有自動識別有效條碼信號的能力。因此它對譯碼單元的要求高得多，要求譯碼單元具有極高的數(shù)據(jù)處理能力和極大的數(shù)據(jù)吞吐量。目前普遍采用軟、硬件緊密結(jié)合的方法。對于UPC、EAN碼，譯碼器還要有左、右碼段自動拼接功能。不過這種拼接可能將來自兩個(gè)不同條碼的左半部和有半部拼接起來。奇偶性和校驗(yàn)位并不能保證這種情況一定不會發(fā)生。隨著掃描技術(shù)的發(fā)展，掃描器掃描方向數(shù)的增多和掃描速度的提高，這種碼段拼接功能就顯得不是非常必要了。不少公司的產(chǎn)品都提供一個(gè)開關(guān)讓用戶自己來取舍這個(gè)功能。