激光條碼掃描器由于其獨(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，激光全角度激光條碼掃描器由于能夠高速掃描識(shí)讀任意方向通過(guò)的條碼符號(hào)，被大量使用在各種自動(dòng)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(hào)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。
激光掃描槍原理
激光掃描槍通過(guò)打出的光源來(lái)掃描條碼，通過(guò)條碼的黑白條空所反射的光的巨大差別來(lái)識(shí)別條碼，當(dāng)掃描一組條碼的時(shí)候，光源照射到條碼上后反射光穿過(guò)透鏡集聚到掃描模組上，由掃描模組（俗稱掃描槍解碼板）把光信號(hào)變換成模擬數(shù)字信號(hào)（即電壓，它與接受到的光的強(qiáng)度有關(guān)）。即可傳輸?shù)诫娔X上就是我們想要的條碼內(nèi)容。在這個(gè)掃描槍整個(gè)采集光源到解碼分析轉(zhuǎn)變成電腦輸入信號(hào)的過(guò)程當(dāng)中，如果條碼無(wú)法正確的識(shí)別到，激光源線會(huì)一直亮著，這其實(shí)是掃描槍一直在解碼的過(guò)程，如果解碼成功，激光線就自動(dòng)滅掉。
這時(shí)候模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)換電路把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)，傳送到電腦。顏色用RGB三色的8、10、12位來(lái)量化，既把信號(hào)處理成上述位數(shù)的圖像輸出。如果有更高的量化位數(shù)，意味著圖像能有更豐富的層次和深度，但顏色范圍已超出人眼的識(shí)別能力，所以在可分辨的范圍內(nèi)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，更高位數(shù)的掃描槍掃描出來(lái)的效果就是顏色銜接平滑，能夠看到更多的畫面細(xì)節(jié)。
激光掃描槍組成部分
（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(lái)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(duì)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(zhǔn)直技術(shù)，光束會(huì)聚點(diǎn)兩邊的橢圓光斑的長(zhǎng)、短軸方向?qū)?huì)發(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(zhǎng)軸方向與光線掃描方向垂直。對(duì)于單線激光條碼掃描器，這種橢圓光斑由于對(duì)印刷噪聲的不敏感性，將比下面所說(shuō)的圓形光斑特性更好。
對(duì)于全角度條碼激光條碼掃描器，由于光束在掃描識(shí)讀條碼時(shí)，有時(shí)以較大傾斜角掃過(guò)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(lái)很好地近似。采用這種方案，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)尺寸UPC條碼，景深能做到大約250mm到300mm。這對(duì)于一般商業(yè)POS系統(tǒng)已經(jīng)足夠了。但對(duì)如機(jī)場(chǎng)行李輸送線等要求大景深的場(chǎng)合，就顯得不夠了。目前常用的方案是增大條碼符號(hào)的尺寸或使組成掃描圖案的不同掃描光線會(huì)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(guò)它的光場(chǎng)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(guò)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(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(lái)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(chǎng)份額將會(huì)越來(lái)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(lái)掃描光束，用一組折疊平面反射鏡來(lái)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(lái)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(jí)市場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(dòng)元件。
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(lái)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(guò)運(yùn)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)中的很多部件來(lái)達(dá)到光束掃描。如通過(guò)運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體激光器、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)直透鏡等來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描。而產(chǎn)生這些運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(dòng)力元件具有不易損壞、壽命長(zhǎng)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，估計(jì)亦將會(huì)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(hào)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(shí)視場(chǎng)極小，可以極大地提高信噪比，還能提高對(duì)條碼符號(hào)鏡面反射的抑制能力，并且對(duì)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。
全角度激光條碼掃描器中還普遍采用光學(xué)自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，使接收到的信號(hào)光強(qiáng)度不隨條碼符號(hào)的距離遠(yuǎn)近而改變。這可以縮小信號(hào)的動(dòng)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(hào)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(hào)處理時(shí)再采用同步接收放大技術(shù)取出條碼信號(hào)。
只要調(diào)制頻率遠(yuǎn)大于條碼信號(hào)頻率，它所帶來(lái)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(huì)給光學(xué)接收系統(tǒng)的安排上帶來(lái)相當(dāng)?shù)撵`活性。利用這種靈活性就能使識(shí)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(dòng)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(hào)光。但是，如果運(yùn)動(dòng)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(dòng)元件無(wú)論對(duì)于選擇動(dòng)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(hào)放大及整形
接收到的光信號(hào)需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。全角度激光條碼掃描器中的條碼信號(hào)頻率為幾兆赫到幾十兆赫。這么高的信號(hào)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(zhǎng)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(lái)低噪聲地放大信號(hào)。
手持槍式激光條碼掃描器的信號(hào)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(duì)較強(qiáng)，信號(hào)頻率較低，另外，如前所說(shuō)還可采用同步放大技術(shù)等。因此，它對(duì)電子元器件特性要求就不是很高。而且由于信號(hào)頻率較低，就可以較方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hào)邊緣模糊，通常稱為“模擬電信號(hào)”。這種信號(hào)還須經(jīng)整形電路盡可能準(zhǔn)確地將邊緣恢復(fù)出來(lái)，變成通常所說(shuō)的“數(shù)字信號(hào)”。同樣，手持槍式掃描器由于信號(hào)頻率低，在選擇整形方案上將有更多的余地。
從上面所說(shuō)的情況中，我們可以看到高信號(hào)頻率帶來(lái)了技術(shù)上的很大困難和成本上的提高。對(duì)于具有一定識(shí)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)，H、W分別為條碼符號(hào)的高度、寬度，α為條碼符號(hào)相對(duì)掃描圖案處于最不利于掃描識(shí)讀時(shí)的角度值，對(duì)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(duì)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(duì)于完全貫穿整個(gè)條碼才識(shí)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(duì)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(lái)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(chǎng)合中。
