技术领域

本发明涉及光学标记阅读器领域，尤其涉及条形码阅读器。

                    背景技术

诸如条形码符号阅读器的电光式阅读器现在是相当常见的。通常，条形码 阅读器包括一行或多行明区和暗区，典型地为矩形形式。暗区即条的宽度和/ 或明区即条之间空间的宽度表示待读的编码信息。

条形码符号阅读器用光照射符号并感测从编码区反射的光，以检测编码区 的宽度和间距并导出编码信息。条形码阅读类型数据输入系统改善了多种多样 应用的数据输入的效率和准确度。在这种系统中数据输入的简易便于更频繁和 详细的数据输入，以提供有效目录，对工作进程的跟踪。然而，为了实现这些 好处，用户或雇员必须愿意始终如一地使用阅读器。因此阅读器必须易于操作 和使用方便。

已知有各种各样的条形码阅读器。其中一种阅读器便是用诸如激光束的光 束在符号上扫描的光学扫描仪。美国专利4,387,297和4,760,248所例举的这种 激光扫描仪系统和部件通常被设计成从手持或固定扫描仪在一定的工作范围 或阅读距离下读出具有不同光反射率部分的标记，即条形码符号，尤其是统一 产品代码(UPC)，上述专利已转让给本发明的受让人并在此引作参考。上述专 利中所公开的阅读器包括在条形码符号上移动激光束的扫描元件。用户从阅读 器与符号在空间上隔开(即不与符号接触或者在符号上移动)的位置将阅读器对 准条形码。

在没有扫描元件的其他扫描仪中，用户必须在条形码上物理移动(“扫过 (swipe)”)阅读器和照明光束。现有的需要在条形码上物理扫过的条形码阅读 器称为“棒形”阅读器。这种类型的扫描一直用象书写笔一样握在手指中的棒 形或笔形扫描仪进行的。这种类型的扫描导致扫描性能差，因为没有经验的用 户有时握着笔形扫描仪或棒形扫描仪或是太垂直于符号或是太偏斜，两种情况 均导致读出出错。棒形阅读器通常使用发光二极管(LED)照射条形码。为了对 条形码扫描，用户将棒形阅读器定位在条形码上方并操作触发开关以激励光源 和信号处理电路。一旦光源被激励，用户在条形码上扫过阅读器，信号处理电 路对返回信号进行处理。

如上所述，这些笔形扫描仪一般使用发光二极管(LED)作为光源，以及光 电检测器(它可以是光电晶体管、光电二极管或另一种光电检测元件或器件)， 其电引线被焊接到笔外壳内又长又窄电路板的端部。按照光学系统设计的要 求，LED和光电检测器通过一支承结构被定位在合适位置。通常，这涉及某些 手工组装、手工焊接，在许多情况下还涉及手工对准。通常使用胶水保证在整 个产品寿命期间所有部件保持在其适当位置中。这些手工操作和调节增加笔形 扫描仪的制造成本并转嫁到消费者为这些条形码阅读器支付的更高价格上。

对于各种价格敏感的扫描应用而言，需要一个极其廉价且可靠的条形码符 号阅读器。这些应用包括通过对印刷价目表上条形码扫描的家庭购物，通过对 印刷广告上条形码的扫描经因特网检索有关广告产品的信息，对电子游戏、玩 具和器具等等进行编程。

对于这些应用而言，现有技术中已知的一般条形码符号阅读器太昂贵。因 此，需要一种在这些应用中使用的条形码阅读器，这种阅读器不使用现有技术 已知条形码阅读器中常用的成本高的透镜、反射镜、光管、光纤、光学滤光片 和其他光学元件。

现有技术已知的条形码符号阅读器(尤其是接触型棒形条形码扫描仪)的另 一个限制是，它们具有非常有限的焦深。当在曲面上扫描时，这尤其成问题。 LED照射符号的对光电二极管可见的同一部分。当孔径离开表面时，正如经常 碰到的曲面那样，光电二极管不再能够看到符号的被照的区域，导致扫描出错。 因此，需要一种场深度和焦深更长的条形码阅读器，它能够在曲面上和/或通 过(CD和其他产品使用的)厚塑料保护包装而扫描。

现有技术已知的条形码符号阅读器(尤其是接触型棒形条形码扫描仪)的另 一个缺点是，当直射光(不是被条形码反射的光)到达阅读器中光电检测器时， 它引起检测器产生一固定电流，该电流增加到通过对条形码扫描产生的变化电 流上。这在电流电压变换器的输出上形成一偏离电压。该偏离电压通常随元件 不同而变化，通常用可变电阻器作调节或补偿，这必须在每个内置的各元件上 作调节。这一手工调节过程在低成本扫描仪中是高价和不希望有的。

                      发明内容

本发明的一个目的是提供一种条形码符号阅读器，该阅读器产生成本低， 适合于对印刷价目表上条形码进行扫描的家庭购物、通过对印刷广告上条形码 进行扫描经因特网检索有关广告产品的信息、对电子游戏、玩具和器具、及其 他类似应用进行编程。

本发明的另一个目的是提供一种低成本条形码符号阅读器，该阅读器免除 对光学元件、光学对准、LED或光电二极管的手工焊接或胶接。

本发明的再一个目的是提供一种低成本条形码符号阅读器，该阅读器通过 延伸读出孔径在垂直于扫描仪在符号上移动方向的方向上伸长的扫描仪的焦 深和场深度，能够消除由于扫描仪相对于符号的角度不适当而造成的读出失败 以及改善扫描仪在曲面上扫描时的性能。

根据本发明的扫描仪的另一个目的是提供一种简单设计，这里扫描仪的整 个末端可以被替换，允许对扫描仪作快速且简易安装和维护。另外，可替换的 末端可以形成各种尺寸并允许对扫描仪作调节或最佳化处理，以对不同种类和 尺寸的符号进行扫描。

本发明的又一个目的是提供一种能够被装入象车辆报警控制器、车库遥控 开门器、电视遥控器、便携电话机、个人数字助理、手掌计算机、可编程计算 器、寻呼机等一样的外壳内的廉价阅读器(或扫描仪)。

本发明的简单阅读器的另一个用途是在改进的读卡机(通常称为扫过阅读 器)，这允许用单次扫过读出一张卡上印刷的两个或多个条形码，以及当扫过 受损符号的卡时改善首次通过的读出率。

另一个目的是提供一种既简单又廉价的阅读器，该阅读器能够用于感测其 他类型的标记，如彩票上铅笔标记、学校试卷以及邮政代码。

将参考附图详细地揭示本发明这些和其他目的、特征和优点。

                     附图说明

图1a和1b示出根据本发明的条形码阅读器的一个实施例的俯视图和侧视 图。

图2a是本发明的另一实施例的俯视图，还表明装置外壳内电路板和内部 元件的轮廓。

图2b是图2a所示装置的截面图，包括装置外壳内的内部元件。

图2c是图2a所示装置的正视图，包括装置外壳内部中光电二极管窗口的 视图。

图3是图2a实施例中所采用的扫描组件的剖面图。

图4a是根据本发明的LED驱动电路的一个实施例的电路图。

图4b是根据本发明的信号处理电路的一个实施例的电路图。

图5a和6a说明按照本发明的一个实施例的在曲面上的扫描操作，在阅读 器外壳的底部使用平底脚。

图5b和6b说明按照本发明的一个实施例的在曲面上的扫描操作，在阅读 器外壳的底部使用倾斜底面脚。

图7是本发明另一实施例的侧视图，也表明装置外壳内电路板和内部元件 的轮廓。

图8是按照本发明的一替代实施例的截面图，也表明装置外壳内电路板和 内部元件的轮廓。

图9a、9b、9c和9d示出本发明的又一个实施例的仰视图、侧视图和俯视 图，也表明装置外壳内电路板和内部元件的轮廓。

                 本发明详细描述

根据本发明的低成本条形码阅读器的一个实施例如图1a和1b所示，包括 条形码扫描装置10，其形状类似于个人计算机的小型鼠标定位装置。扫描装置 10的外壳11由下部11b和上部11a(盖)构成。本发明并不局限于该特定物理形 状，根据本发明的低成本条形码阅读器的其他形状也是可以的，鼠标形状具有 几个优点。首先，这种形状很容易被公众识别并与高技术应用相关联。其次， 本发明的鼠标形状的条形码扫描装置还可以包括计算机鼠标的元件，照此具有 附加用途。第三，外壳的形状保证扫描仪相对于条形码适当取向。

图2a-2c示出本发明的条形码扫描装置的一种替代外壳设计。应当理解， 外壳内的扫描仪结构，正如图2a-2c中所示的，也能够用在图1a和1b的实 施例中。

正如图2a和2b所示，条形码扫描装置20的外壳21载有电路板22，在其 下侧载有表面安装LED24和光电二极管26或另一种光电检测器。在一个替代 实施例中，LED(或另一光源)和光电二极管可以被安装在分别的电路板上，将 其连接在一起，或者二者之一分别被安装在焊接于主板的弯条上。表面安装 LED 24和光电二极管25是标准部件，目前可从几家制造商处获得。可以将它 们安装在带标准拾取和放置机械的电路板上，象扫描仪中所有其他电子元件一 样。这一过程完全是自动的，在电子工业中是众所周知的。将光电二极管和 LED放置在电路板上时无需特别当心。标准机械的定位容限是适度的。

正如图2b和2c进一步表明的，载有光电二极管25、LED24和任何其他 所需电路的条形码扫描装置20电路板22可以被放置到外壳21的下部，LED 和光电二极管在电路板的底部上，对准下方。在LED正下方，在外壳21的底 部21b中有一个小孔26。当使LED发光时，它将光投射到外壳的底部。一部 分光穿过扫描组件200的孔径26，在图3中作更详细表示。LED24有一个积 分透镜，它将投射的光束以几度的角度发散。因此，在焊接时即使LED24略 有倾斜，该孔径仍然被照射到。应当理解，按照本发明，载有电光二极管和 LED的电路板也可以被置于外壳的上部或者外壳的任何其他部分，只要它与孔 径在空间上隔开。

参考图3，光电二极管25被定位在电路板22的下侧，靠LED24很近。然 而，LED24和光电二极管25最好被不透明材料墙，即挡光板27隔开，它阻止 光从LED直接通过进入到光电二极管。该挡光板保证只有从条形码(或者被扫 描的其他类型符号)反射的光能够达到光电二极管。外壳21的底部21b最好应 当是黯黑或者某种其他暗色，以便使反射返回到检测器的光量减至最小。

在检测器下方的扫描组件200的底部21b的底28应当倾斜，从而阻止LED 光向检测器的镜面反射。在LED24的正下方，在扫描组件200和外壳21底部 21b上有一个小孔26。为了避免被灰尘或碎片阻挡，可以用透明材料薄膜23 覆盖孔径26，例如在外壳的底部或外侧上，透明材料薄膜起出射窗口的作用。 实现这一点的几种方法之一便是将透明的自粘封口施加在外壳底部上。封口可 以用定位在孔径上方的无粘合剂区制成。

本发明的光学系统包括LED、光电二极管、黑色底部的外壳、挡光板和外 壳底部上的小孔径，按照如下所述进行工作。

参考图2a、2b和2c，将扫描仪20放在被扫描的符号上，孔径26对着符 号一侧。然后用户慢慢紧握外壳21侧面并手动地移动扫描仪，使孔径26整个 地滑过条形码符号，从而使它与符号中每个条码和空白相交。当扫描仪移动时， 孔径有时定位在符号的暗条码上，有时定位在亮的空白上。当定位在空白上时， 来自LED24的光通过孔径26，落在该空白区上并通过孔径反射返回到外壳内。 一部分光落在光电二极管25上，引起光电二极管产生电流。

相反，当孔径定位在符号的暗条码上时，很少的光被反射返回到外壳21 内，被光电二极管25接收，所以，光电二极管产生比孔径定位在空白上时小 得多的电流。

因此，随着扫描仪在符号上的移动，通过孔反射进入的光以由被扫描符号 的条码和空白的宽度确定的图案方式增大和减小。这一变化的光引起光电二极 管25产生的相应变化的电流。将这一电流转换为变化的电压，并以条形码扫 描常用的几种方法中任何一种方法进行放大和数字化。可以将数字化信号送至 微处理器(未示出)作解码。

另一方面，可以将经放大的变化信号(称为模拟信号)送至模数转换器或数 字化器(未示出)。然后微处理器能够处理模拟信号的这一数字表示，对条形码 进行解码。

外壳21底部21b的孔径26较佳地其尺寸为待解码的任何符号中最窄条码 尺寸上下。然而，即使当孔小于或略大于条码(或条码之间空白)时进行解码也 是可能的。

在本发明的另一实施例中，孔径在平行于条码的方向上(即垂直于扫描仪 在符号上移动方向的方向上)被拉长。通过允许光反射到条形码的更大区域上， 这可以增大信号电平。通过提供拉长的孔径以及照射条形码的更大区域，本发 明还能够对曲面上的条形码进行扫描，这里扫描仪略微离开符号表面。这可以 改善光电二极管的视场并给扫描仪足够的焦深，以通过透明塑料壳(例如光盘 中使用的塑料壳)对符号扫描。另外，它降低扫描仪对被扫描符号上诸如小划 痕或灰尘的印刷缺陷的灵敏度。

孔径的宽度最好在0.010至0.020英寸上下，其长度被拉长，比宽度长约 50％。为了避免被灰尘或碎片阻挡，(例如在外壳底部或外侧上)可以用透明材 料薄膜23，53和53′覆盖孔径，透明薄膜起出射窗口的作用，分别如图3、5 和6所示。实现这一点的几种方法之一是用透明自粘封口施加在外壳底部上。 封口可以用定位在孔径之上的无粘合剂区制成。

虽然许多不同的孔径形状都是允许的，但是采用椭圆形状作为孔径是较佳 的，椭圆的短轴与扫描仪在条形码的移动方向相对准。椭圆形状允许的相对 移动方向的角度失准比矩形孔径的更大，由此使扫描装置的操作最佳化。

在本发明的实施例中，正如图2a和2c所示，外壳21在其底部21b上有3 个小的凸起或脚29a、29b和29c。当将扫描仪放在平表面上时，只有这3个脚 接触表面。两个脚29c和29b较佳地位于扫描孔径的外壳相对两端，并如外壳 尺寸允许的分得最开，以提供稳定性。第三个脚29a最好与扫描孔径26同心。 换句话说，扫描孔径26通过第三个脚29a投射在该脚的中心附近。扫描时， 只有这3个脚接触条形码的表面，或者载有条形码的项目。当对不平整(但是 通常是平的)表面上的符号扫描时，三个脚的构造可保证孔径保持与符号接触， 孔径并不会提升到条形码的表面之上，这会降低扫描装置的性能。

另一方面，扫描仪外壳21的整个底部21b可以是平的，没有凸起或脚。 由于这会增大摩擦，它最好是由低摩擦的材料制成。

虽然可以采用其他类型和颜色作为外壳21，但是外壳的底部21b最好是 由黑塑料注模形成的。外壳的下部包括扫描孔径26、挡光板27和光电二极管 25之下的斜底面。还有作为下部外壳一部分模塑的壁，它们升高到靠近电路板 底部或与电路板底部接触。这些壁环绕LED和光电二极管，以排除环境光。 最好使这些壁形成有粗糙文理，使内反射减至最小。

外壳21的上部可以由任何所需颜色制成。在组装扫描仪时，电路板被置 于定位器件上与外壳21底部21b一体化。然后外壳的上部(盖)被卡住就位。上 部具有使电路板定位的部件。采用本领域所公知的按扣21c，正如图2b和3 所示，不需要用螺丝或胶水将外壳的顶和底保持在一起。

参考图5a，扫描仪50使用扫描仪的平表面脚，孔径56位于从外壳底部 51b延伸的平底脚59a的中心。当本发明的本实施例用于曲面上时，正如图6a 所示，扫描仪相对于符号表面600倾斜，读出孔径56提升到读出表面之上， 由此影响装置的扫描操作。在按照本发明的扫描仪的另一实施例中，正如图5b 和6b所示，脚59a′的底面(其他的脚未示出)是曲面，从孔径56′向上倾斜。在 这个实施例中，扫描仪在曲面上的性能得到改善，因为读出孔径56′没有提升 到符号表面600上多少，保持贴近相对垂直于符号表面。脚59a′的斜面允许扫 描仪以超过15度的倾角进行读出。

在图5b和6b所示的另一实施例中，扫描仪外壳的整个底面可以是曲面， 没有凸起或脚。为了降低摩擦，在这种实施例中的底面最好由低摩擦系数的材 料制成。

图4a和4b示出扫描仪使用的电路的电路示意图。图4a示出LED驱动电 路，而图4b示出对光电二极管输出进行数字化的信号处理电路。图4a的驱动 电路是一般自身说明问题的，易于被本领域专业技术人员理解。下面将描述图 4b的示意图。

第一放大器级A1(这是电流电压转换器)被交流耦合到第二级的输入端，后 者是电压放大器。交流耦合阻断了第一级的直流偏移量，消除了需要作偏移调 整。然而作增益调节仍然是有用的，以补偿有用LED光亮度偏差造成的信号 电平的偏差。增益调节是在第二级A2中进行的。第三级A3对信号进行数字 化并将其输出到解码器。第三级运算放大器的正饱和电压被当作数字电平“1”， 运算放大器的负饱和电压被当作数字电平“0”。因此，虽然前两级的输出是 模拟的，但是第三级的输出是数字的。

所示的模拟电路可以整个地固定在电路板的与LED和光电二极管的同一 侧上。这免除了将元件放置在电路板两侧的开销。

本发明的条形码符号阅读器(或扫描仪)可以通过电缆连接到外部解码器和 /或电源。另一方面，解码器也可以被安装在与模拟电路的同一电路板上。它 可以具有内部解码器，将解码数据发送到外部主机。阅读器可以通过电缆由外 部电源供电，或者可以用内部电池使之运行，电池可以是可调换的或者可再充 电的。

条形码符号阅读器也可以经串行口连接到计算机。如果串行口不能将电源 提供给扫描仪，阅读器可以通过装在外壳内的电池供电。本发明的条形码阅读 器需要很低的电功率，通过小的纽扣电池供电能够工作相当长的时间。

本发明的条形码符号阅读器的电池供电实施例也可以是无电缆线的。采用 这些实施例，被扫描图象和/或被转换数据能够被存储在住留在阅读器外壳内 的内部存储器中，以后下载到主计算机。向主计算机的数据的传送(即下载)可 以经诸如光传递、IR(红外线)传输、RF(射频)传递等的无线传输来实现或者用 插到扫描仪中的可移动电缆线来实现。

用作扫描的LED和光电二极管可以用以下方式与扫描仪(或者条形码符号 阅读器)进行通信。

当存储在扫描仪存储器中的数据被下载时，将扫描仪放置在一个专用托架 上。托架将另一LED和光电二极管(或另一种类型光电二极管)定位在扫描孔径 下方。扫描仪能够使其扫描LED闪光，将数据发送到底座中的光电二极管。 底座能够使其LED闪光，将数据发送到扫描仪中的光电二极管。

扫描仪可以用在各种物理实施例中。当用电池供电时，它能够位于类似于 人们携带其车钥匙的小型遥控汽车报警控制器的小外壳中。它甚至可以被装在 与汽车报警控制器或者遥控车库开门器相同的外壳中。扫描仪既廉价又足够 小，以致于很容易装在诸如电视遥控器、便携电话机、个人数字助理、手掌计 算机、可编程计算器、寻呼机等的小型器具中。

当用在任何电池供电应用中时，它必须使功耗减至最小。在这种情况中， 可以设置一个开关或者其它形式的手动起动器，在必须进行扫描时打开扫描 仪。在被起动时，模拟电路、解码器和扫描LED被激励。一旦出现解码，通 过解码器自动降低整个系统的供电。如果在预定时间内没有出现解码，电源也 被切断。如果需要的话，在手动起动器被释放时，也能够立即切断电源。

根据本发明的扫描系统的另一用途是读卡器(通常称为杆阅读器)。在这种 应用中，诸如信用卡的卡手工滑过槽，移动卡上的条形码通过扫描孔径。这一 扫描系统是如此廉价，以致于能够将两个或多个扫描系统装在一个杆阅读器 中，使它能够用单次扫过读出印刷在一张卡上的两个或多个条形码。另一方面， 两个或多个扫描孔径能够用单次扫过对单个条形码上的不同路径扫描。它仅需 要任何一个扫描孔径来提供良好扫描，使解码成功。这极大地增大了扫过符号 已经被损的卡时第一次通过的读出率。

也可以使用多行的扫描孔径(每个孔径设置有其自己的LED和光电二极管) 来读出诸如印刷在卡上的PDF417条形码的两维条形码。

通过将来自两个或多个孔径的数据合在一起能够进一步改善对被损符号 的读出。一个孔径可以在一部分符号中缺陷上扫过，而另一个孔径在另一部分 符号中另一缺陷上扫过。两个孔径都未对整个符号扫描，但是整个符号可以通 过利用来自两个孔径的数据而重新构成。

还可以使用上述的简单系统来感测其它类型的标记。能够对彩票上铅笔标 记或学校测验进行感测。美国(和其他国家)所采用的邮政编码的阅读器也可以 是利用两个或多个孔径的阅读器廉价地进行阅读。

形状象小的计算机鼠标的条形码符号阅读器的实施例可以是为本发明的 小型廉价条形码阅读器的一种可能配置。其他的配置也是可能的。例如，本发 明的条形码阅读器可以用在表面安装包装中，平行于电路板的平面瞄准LED 和光电二极管，与前面描述的垂直于电路板的平面情况相反。这些侧向元件允 许扫描孔径沿薄外壳的边缘定位或者定位在窄笔形外壳的末端。

图7示出按照本发明的手枪形棒形扫描仪的截面图。棒形扫描仪70包括 外壳71，它装载电路板72(PCB板)，LED74和光电二极管75装在该电路板上。 在LED74正下方，有一个小孔径76，在棒形扫描仪70的颈部71b中。当使 LED发光时，它将光投向颈部71b的底面。图8示出按照本发明的手枪形棒形 扫描仪的另一实施例，LED84和光电二极管85安装在电路板82上，在棒形扫 描仪80的颈部81b中的小孔径86上方。图7和8分别示出的实施例的拉长的 读出孔径76和86允许扫描期间维持适当取向，并提供改善读出平面和曲面两 种情况时的倾斜容限和焦深。图7和8中的挡光板77和87使LED与光电二 极管隔开，与前面实施例中的情况一样。

根据本发明，颈部的底面可以是弯曲的、从孔径向上倾斜，正如以上参考 图5和6所示的实施例更详细描述的。同样，图7和8所示的棒形扫描仪在曲 面上的性能得到改善，因为读出孔径在扫描期间没有提升到符号表面上方多 少。

图9a、9b、9c和9d示出按照本发明的另一种类型的扫描仪90，分别示出 了笔形扫描仪的仰视图、侧视图和俯视图。被挡光板97分开的LED94和光电 二极管95安装在电路板92上。本实施例还包括一个折叠反射镜99，它将光射 向孔径96。来自LED的光通过孔径96被折叠反射镜99反射，反射光被反射 镜99射向光电二极管95。可以用孔径96之上的插入到扫描仪末端中的透明带 93保护孔径96，正如图9d所示。

根据本发明的扫描仪可以使用透明材料薄膜，如施加到外壳底部上或者在 孔径之上插入到扫描仪末端中的透明自粘封口，目的是防止孔径被灰尘或碎片 阻挡。当保护带磨损或者变为损坏时，或是由用户自己或是在服务站点可以将 其替换。

另一方面，扫描仪的整个末端可以被替换，允许对扫描仪作快速和便捷的 安装和维护。另外，可替换的末端可以具有各种尺寸，允许针对各种不同类型 和尺寸的符号的扫描而对扫描仪作调节或最佳化处理。

作为另一个替代方案，可以将一小片透明物质，如塑料或玻璃安装在孔径 上替代透明带。

尽管参考具体实施例已经描述了本发明，对于本领域专业技术人员而言显 然在本发明精神和范围可以设想各种变化和改进。具体实施例的附图和说明是 通过例子的方式作出的，而不是限制本发明的范围，希望覆盖本发明精神和范 围之内的所有这些变化和改进。

本专利申请要求1999年7月16日提交的根据35U.S.C.119(e)的临时申请 号60/144,647的优先权。