激光條碼掃描器詳細工作原理
激光條碼掃描器由于其獨有的大景深區(qū)域高掃描速度寬掃描范圍等突出優(yōu)點得到了廣泛的使用另外激光全角度激光條碼掃描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 激光條碼掃描器由激光源光學(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)的光束準直技術(shù)光束會聚點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激光條碼掃描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
對于全角度條碼激光條碼掃描器由于光束在掃描識讀條碼時有時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準尺寸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激光條碼掃描器一般采用旋轉(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低廉等顯著優(yōu)點自從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高密度的掃描圖案這種方法可能帶來的另一個好處是可使激光輻射危害減輕
全角度掃描這個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)計了與之相應(yīng)的UPC條碼對于UPC碼兩個掃描方向的X掃描圖案就已能實現(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運動元件例如旋轉(zhuǎn)圖4中的折疊平面鏡組等
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動光學(xué)系統(tǒng)中的很多部件來達到光束掃描如通過運動半導(dǎo)體激光器運動準直透鏡等來實現(xiàn)光束掃描而產(chǎn)生這些運動的動力元件除直流電機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)點估計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激光條碼掃描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也是很重要的它的缺點是當(dāng)掃描光束位于掃描系統(tǒng)各元件邊緣時要產(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
全角度激光條碼掃描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度不隨條碼符號的距離遠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
手持槍式激光條碼掃描器具有掃描速度較慢信號頻率較低等特點而低響應(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)換成電信號全角度激光條碼掃描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光電二極管全角度激光條碼掃描器一般都是長時間連續(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
手持槍式激光條碼掃描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)換器件手持槍式激光條碼掃描器出射光能量相對較強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現(xiàn)自動增益控制電路
由于條碼印刷時的邊緣模糊性更主要是因為掃描光斑的有限大小和電子線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激光條碼掃描器它的數(shù)據(jù)率R正比于n/H×Cosα-W×sinα其中n為掃描方向數(shù)HW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的角度值對于各掃描線均勻分布的情況 α=π/2n如 n=2 時 α為45°由這個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行拼接的方案n為3時數(shù)據(jù)率最低對于完全貫穿整個條碼才識讀的方案n為5時數(shù)據(jù)率將最低在設(shè)計掃描系統(tǒng)時需對此予以考慮
另外也可以采用低速的掃描模塊組合成一個陣列來達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激光條碼掃描器由于數(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UPCEAN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不同條碼的左半部和有半部拼接起來奇偶性和校驗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)品都提供一個開關(guān)讓用戶自己來取舍這個功能
