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讓我們認(rèn)識(shí)下條碼掃描器的一些知識(shí)

    對(duì)于經(jīng)常跟條碼接觸的行業(yè)公司來說，一定都知道條碼掃描器是不止一種的。其中的種類包括有：普通條碼掃描器、激光條碼掃描器、光筆掃描器、CCD掃描器等。下面讓我們一起來認(rèn)識(shí)下它們的工作原理、優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)等知識(shí)。
 
普通條碼掃描器的工作原理
 
 
常見的平板式條碼掃描器一般由光源、光學(xué)透鏡、掃描模組、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路加塑料外殼構(gòu)成。

它利用光電元件將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中處理。

當(dāng)掃描一副圖像的時(shí)候，光源照射到圖像上后反射光穿過透鏡會(huì)聚到掃描模組上，由掃描模組把光信號(hào)轉(zhuǎn)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)），同時(shí)指出那個(gè)像數(shù)的灰暗程度。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位來量化，即把信號(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)于我們來說，更高位數(shù)的條碼掃描器掃描出來的效果就是顏色銜接平滑，能夠看到更多的畫面細(xì)節(jié)。
 
 
激光條碼掃描器的工作原理
 
 
有激光手持式掃描器和全角度激光掃描器。

激光手持式掃描器是利用激光二極管作為光源的單線式掃描器，它主要有轉(zhuǎn)鏡式和顫鏡式兩種。轉(zhuǎn)鏡式的代表品牌是SP400，它是采用高速馬達(dá)帶動(dòng)一個(gè)棱鏡組旋轉(zhuǎn)，使二極管發(fā)出的單點(diǎn)激光變成一線。顫鏡式的制作成本低于轉(zhuǎn)鏡式，但這種原理的激光槍不易提高掃描速度，一般為33次／秒。個(gè)別型號(hào)，如POTICON可以達(dá)到100次／秒，其代表品牌為Symbol，PSC和POTICON。

全角度掃描器是通過光學(xué)系統(tǒng)使激光二極管發(fā)出的激光折射或多條掃描線的條碼掃描器，主要目的是減輕收款人員錄入條碼數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)準(zhǔn)條碼的勞動(dòng)，選擇時(shí)應(yīng)著重注意其掃描線花斑分布：在一個(gè)方向上有多條平行線；在某一點(diǎn)上有多條掃描線通過；在一定的空間范圍內(nèi)各點(diǎn)的解讀機(jī)率趨于一致。 
 
光筆掃描器的工作原理
 
 
    光筆是*先出現(xiàn)的一種手持接觸式條碼閱讀器，它也是*為經(jīng)濟(jì)的一種條碼閱讀器。

    使用時(shí)，操作者需將光筆接觸到條碼表面，通過光筆的鏡頭發(fā)出一個(gè)很小的光點(diǎn)，當(dāng)這個(gè)光點(diǎn)從左到右劃過條碼時(shí)，在“空”部分，光線被反射，“條”的部分，光線將被吸收，因此在光筆內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓，這個(gè)電壓通過放大、整形后用于譯碼。

    光筆的優(yōu)點(diǎn)主要是：與條碼接觸閱讀，能夠明確哪一個(gè)是被閱讀的條碼；閱讀條碼的長(zhǎng)度可以不受限制；與其它的閱讀器相比成本較低；內(nèi)部沒有移動(dòng)部件，比較堅(jiān)固；體積小，重量輕。

    缺點(diǎn)：使用光筆會(huì)受到各種限制，比如在有一些場(chǎng)合不適合接觸閱讀條碼；另外只有在比較平坦的表面上閱讀指定密度的、打印質(zhì)量較好的條碼時(shí)，光筆才能發(fā)揮它的作用；而且操作人員需要經(jīng)過一定的訓(xùn)練才能使用，如閱讀速度、閱讀角度、以及使用的壓力不當(dāng)都會(huì)影響它的閱讀性能；*后，因?yàn)樗仨毥佑|閱讀，當(dāng)條碼在因保存不當(dāng)而產(chǎn)生損壞，或者上面有一層保護(hù)膜時(shí)，光筆都不能使用；光筆的首讀成功率低及誤碼率較高。
 
 
CCD掃描器的工作原理
 
 

    CCD掃描器是利用光電藕合（CCD）原理，對(duì)條碼印刷圖案進(jìn)行成像，然后再譯碼。它的優(yōu)勢(shì)是：無轉(zhuǎn)軸，馬達(dá)，使用壽命長(zhǎng)；價(jià)格便宜。

    選擇CCD掃描器時(shí)，*重要的是兩個(gè)參數(shù)：

    景深——

    由于CCD的成像原理類似于照相機(jī)，如果要加大景深，則相應(yīng)的要加大透鏡，從而使CCD體積過大，不便操作。優(yōu)秀的CCD應(yīng)無須緊貼條碼即可識(shí)讀，而且體積適中，操作舒適。

    分辨率——

    如果要提高CCD分辨率，必須增加成像處光敏元件的單位元素。低價(jià)CCD一般是5口像素（pixel），識(shí)讀EAN，UPC等商業(yè)碼已經(jīng)足夠，對(duì)于別的碼制識(shí)讀就會(huì)困難一些。中檔CCD以1024pixel為多，有些甚至達(dá)到2048pixe1，能分辨*窄單位元素為0.1mm的條碼。

·激光條碼掃描器工作原理

     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。

    （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(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(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)用以來得到了廣泛的應(yīng)用，且不斷推陳出新?？梢灶A(yù)料，它所占的市場(chǎng)份額將會(huì)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*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，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(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(dòng)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(dòng)半導(dǎo)體激光器、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)直透鏡等來實(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*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(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，變成通常所說的“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。

    從上面所說的情況中，我們可以看到高信號(hào)頻率帶來了技術(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*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*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*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。

    （五）譯碼

    整形后的電信號(hào)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(hào)和不完整條碼信號(hào)，譯碼器需要有自動(dòng)識(shí)別有效條碼信號(hào)的能力。因此它對(duì)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(duì)于UPC、EAN碼，譯碼器還要有左、右碼段自動(dòng)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(huì)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。
 

    經(jīng)過上面的一些分析后，我們都會(huì)更加清楚地了解到我們各自所用的掃描機(jī)器原因了。希望本文能帶給大家一些幫助吧。