带有为全内反射而定位的至少一个表面所给出的孔径的集成透镜模块

摘要

将波束成形组件的一个或多个元件组合到透镜模块中，以便减小该组件构造过程中的机械容差。典型的透镜模块包括模制的塑料透镜，它具有对准特征、圆柱表面、聚集表面和孔径。在透镜模块上以大于全内反射角的角度而定位的表面构成了上述孔径。

说明书

技术领域

本发明涉及光学部件，尤其涉及包括用于数据捕获器件的集成部件的透镜 模块。

背景技术

有大量的标准用于对数字和其它可视形式的信息进行编码，比如通用产品 代码(UPC)和/或欧洲物件号码(EAN)。这些数字代码允许各行业在相似的系统 下标识各种产品和制造，维持大量的库存，管理种类很广的物品。产品的UPC 和/或EAN作为一种数据表单被印到、贴到、蚀刻到产品上或以其它方式附加 到产品上。

数据表单是对数字和其它可视形式的信息进行编码的任何标记。例如，数 据表单可以是条形码、二维代码、物体上的标记、标签、签名、符号等。条形 码由一连串宽度不同的亮的和暗的矩形区域构成。这些亮的和暗的矩形区域可 以排列成代表UPC数字。另外，数据表单并不限于产品。它们可以被用于标识 重要的物品、地点等。数据表单也可以是其它对象，比如商标图像、人脸等。

诸如基于激光的条形码扫描仪等器件可以被用于解码这些数据表单，并从 它们中自动地获得关于产品的信息。已知的激光扫描仪包括光束成形光学器件 以形成其激光束。为了提高扫描仪性能，例如，对于低对比度和印刷较差的条 形码而言，椭圆成形的激光光斑是较佳的。通过使激光光斑的垂直高度拉长， 比如通过向光束成形光学器件添加带像散的光学部件，便可以形成椭圆成形的 激光光斑。例如，带像散的光学部件可以是圆柱形透镜或镜子。圆柱部件在扫 描仪中的准确定向对于一致的扫描仪性能而言是关键的。例如，如果透镜偏移 90度，则激光光斑在水平方向上被拉长并且并不提供性能增强。

图2示出了典型的光束成形组件200，它包括激光器205、聚焦透镜215、 圆柱透镜220、透镜夹具210以及孔径225。激光被聚焦透镜215聚焦，被圆 柱透镜220拉长，并且被孔径225进一步定形。孔径225可以是非旋转对称形 状，比如矩形、椭圆形等。产生孔径的典型方法是在不透明材料(比如透镜夹 具)中压铸一个孔。通常，在批量生产环境中，可能很难控制孔径尺寸和边缘 的质量。这导致孔径缺陷，比如孔径边缘处成形后的余料以及规格之外的尺寸。

尽管未示出，透镜夹具210包括对准特征，用于帮助使透镜模块在扫描仪 中恰当地定向。当组件200被构造出时，使圆柱透镜220与孔径225和/或透镜 夹具的对准特征恰当地定向是非常重要的，否则当透镜模块被放入扫描仪中时 激光束将被不恰当地定形。

相应地，期望简化扫描仪的光束成形组件的构造。另外，期望提高批量生 产出的孔径的质量。

发明内容

本发明满足这个和其它需要，这从本文的描述中可明显地看到。

根据本发明而实现的透镜模块包括聚焦透镜以及作为聚焦透镜一部分的 孔径。由以大于全内反射临界角的角度定位于该透镜上的至少一个表面形成了 该孔径。通过使多个表面以临界角定位于聚焦透镜上，便可以形成该孔径的形 状。聚焦透镜表面上被上述成一定角度的表面覆盖的区域将光线反射掉，而聚 焦透镜表面上没有被上述成一定角度的表面覆盖的区域则形成一个孔径从而 允许光线穿过。

该孔径可以具有半椭圆形状、椭圆形状、矩形形状、圆形形状、自由形状 等，并且该孔径可以限定激光束的水平宽度或垂直高度。

该聚焦透镜包括让光线进入该聚焦透镜的表面以及让光线从该聚焦透镜 中出射的表面。可以形成任一表面以便聚焦进入该透镜的光线。在一些实施方 式中，相反的表面可以具有非旋转对称的形状(比如圆柱形表面)，以拉长光 束光斑的垂直高度并提高扫描仪性能。用于构成该孔径的成一定角度的表面都 形成于该透镜的出射表面。

在包括非旋转对称表面的本发明的实施方式中，该表面相对于扫描设备的 定向/对准是重要的，因为透镜安装不当可能导致光束光斑被不恰当地拉长或扫 描仪性能有所下降。由此，本发明的一些实施方式包括位于透镜模块上的对准 特征。这些对准特征可以是突出的构件、凹陷的部分等。

在本发明的一些实施方式中，透镜模块还包括圆柱形透镜夹具。单片聚焦 透镜/圆柱形表面/孔径都可以被插入该圆柱形透镜夹具中，从而无须担心定向 问题。

在本发明的备选实施方式中，透镜夹具可以具有其自身的旋转对称孔径。 由此，透镜孔径限定激光束的宽度或激光束的高度，而透镜夹具孔径则限定激 光束的其它维度。一些透镜夹具孔径可能是非旋转对称的，但透镜和孔径在这 些透镜夹具中的定向将是很重要的。

根据本发明一实施方式实现的一种备选的透镜模块包括聚焦透镜、孔径和 透镜夹具。该孔径就是聚焦透镜的一部分，由至少一个以大于全内反射临界角 的角度定位于该聚焦透镜上的表面形成了该孔径。

根据本发明一实施方式实现的另一种透镜模块包括聚焦透镜和对准特征。 该聚焦透镜包括用于接收光线的第一表面以及用于聚焦从聚焦透镜中出射的 光线的第二表面。第一表面具有旋转对称形状(比如球形)或非旋转对称形状 (比如圆柱形)。这种典型的透镜也可以包括孔径和/或透镜夹具。

结合附图，从下面的详细描述中可以清楚地看到本发明的其它目标和特 征。然而，应该理解，附图仅仅用于解释说明而非限定本发明。

附图说明

附图并未按比例绘制且仅用于解释说明，在所有的附图中相同的标号指代 相同的元素。

图1示出了根据本发明一实施方式实现的典型器件。

图2示出了一种已知的光学组件。

图3-5示出了根据本发明一实施方式实现的透镜模块的若干个视图。

图6和7示出了根据本发明一实施方式实现的利用全内反射而形成的典型 孔径。

图8示出了根据本发明一实施方式实现的一种典型的透镜模块，它包括带 有两个开口端的圆柱形透镜夹具。

图9和10示出了根据本发明一实施方式实现的一种典型的透镜模块，它 包括带有不透明孔径的透镜夹具。

具体实施方式

下文将结合附图示出并描述透镜模块的若干个典型的实施方式。

一种垂直拉长形的激光光斑(比如椭圆形)是较佳的，尤其是在与该拉长 方向相垂直的方向上扫描数据表单的时候。由此，至少出于这一原因，扫描设 备包括光束成形组件，用于使激光束形成期望的形状。例如，可以使用圆柱形 光学部件来使激光束恰当地成形。但是，因为圆柱形透镜和许多孔径都是非旋 转对称的，所以透镜和孔径相对于扫描设备的定向是很重要的，从而确保激光 光斑被垂直拉长。

许多扫描设备使用带有孔径和对准特征的透镜夹具，以确保光束成形组件 被正确地插入扫描设备中。这给光束成形组件的构造过程添加了一些额外的步 骤，因为添加必须被恰当地插入透镜夹具中，且孔径也必须被准确且一致地再 现，由此产生一连串的机械容差。圆柱透镜和对准特征在恰当对准/定向的过程 中所出现的任何偏差都会导致与扫描设备定向有关的不恰当的光束成形，并由 此导致扫描性能下降。另外，孔径中的缺陷也可能导致不恰当的光束成形并使 扫描仪性能下降。

根据本发明而实现的典型的透镜模块通过将带有孔径的聚焦透镜组合到 一种组合透镜组件中，从而减小了机械容差数。该孔径由一些表面构成，这些 表面是聚焦透镜的一部分并且以大于全内反射临界角的角度定位于该透镜上。

聚焦透镜上被上述成一定角度的表面覆盖的区域反射光线，而没有被上述 成一定角度的表面覆盖的区域则形成上述孔径从而允许光线穿过。在一个实施 方式中，该透镜可能是模制的并且由塑料制成，而该孔径则可以很容易且准确 地被再现。

在本发明的一些实施方式中，上述孔径限定激光束的高度和宽度。在其它 实施方式中，机械加工的、模制的、或以其它方式形成的带孔径的透镜夹具也 可以用于对激光束的一个或多个维度进行定形。在其它实施方式中，激光源的 形状与透镜孔径和透镜夹具孔径结合起来，都可以用于对激光束进行定形。

在一些实施方式中，通过将非旋转对称光学表面(比如圆柱形镜子或透镜) 包括到透镜模块中，便可以进一步减小机械容差。在其它实施方式中，典型的 透镜模块还可以包括对准特征，它们帮助该透镜模块在扫描模块中恰当地定 向。因为对准特征和孔径都直接位于透镜模块上，所以在使用透镜夹具的实施 方式中，只需要一个简单的圆柱形透镜夹具。该透镜不必相对于透镜夹具而定 向。

图1示出了根据本发明一实施方式实现的典型的设备100。在典型的实施 方式中，设备100可以包括手持式扫描仪、移动计算机、终端等。设备100包 括处理模块105、扫描模块115和存储器120，它们通过总线125耦合到一起。 设备100的各模块可以实现成软件、硬件、硬件仿真软件以及可重复编程的硬 件的任何组合。总线125是典型的总线，显示出设备100的不同模块的互操作 性。在各种实施方式中，可能有不止一条总线，在一些实施方式中某些模块可 能直接耦合而不再耦合到总线125。另外，一些模块可能与其它模块组合起来。

在典型的实施方式中，处理模块105可以被实现成一个或多个中央处理模 块(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)等。在一个实施方式中，处理模块105可 以包括通用CPU。在其它实施方式中，处理模块105的模块可以在处理模块105 的存储器中被预先编程或硬连线从而执行特定的功能。在备选实施方式中，处 理模块105的一个或多个模块可以被实现成FPGA，它们可以从存储器120中 加载不同的进程并且执行多种功能。处理模块105可以包括上述处理器的任何 组合。

存储器120可以被实现成易失性存储器、非易失性存储器和可重复写入的 存储器，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或闪存。图1中将 存储器120显示成单个模块，但在一些实施方式中，存储器120可以包括不止 一个存储器模块，并且一些存储器120可以是设备100的其它模块的一部分， 比如处理模块105。

典型的设备100(比如手持式扫描仪)可以在其存储器中存储数据捕获方 法145、信号处理方法150、电能管理方法155和接口方法160。

电能管理方法155管理设备100所用的电能。在一些实施方式中，当在给 定的时间量内没有检测到任何活动时，设备100可以切换到节电模式。节电模 式可以完全关闭设备100，或者，它可以使设备操作减慢或启动其它节电技术。

设备100可以使用扫描模块115和数据捕获方法145从目标数据表单中获 取信息。扫描模块115包括激光器110、透镜模块130和传感器170。设备100 使用激光器110所发出的光线来扫描数据表单，该光线经透镜模块130聚焦和 成形。传感器170接收返回到设备100的光线，并且设备100使用信号处理方 法150来解释该返回光线。在非向后扫描模块中，利用小的扫描镜使激光在数 据表单上进行扫描，并且返回的光线被大传感器读取。在向后扫描模块中，相 同的扫描镜产生扫描图案并且将返回的光线反射到传感器以便于读取。

设备100可以是耦合到终端的手持式扫描仪或包括扫描引擎的手持式计算 机。这些设备可以具有多种不同的通信协议。另外，单个设备可以耦合到若干 种不同类型的其它设备。由此，该设备可以使用接口方法160将解码后的数据 表单翻译成不同的通信协议。

图1所示典型的实施方式将数据捕获方法145、信号处理方法150、电能 管理方法155和接口方法160作为单独的组件来示出，但是这些方法并不限于 这种配置。本文所描述的每一种方法和数据库可以全部或部分地是单独的组 件，或者可以互操作和共享一些操作。另外，尽管这些方法是在存储器120中 进行描述的，但是在备选实施方式中，这些方法也可以永久地或动态地被并入 其它设备模块(比如处理模块105)的存储器中。

图3-5示出了根据本发明一实施方式实现的典型的透镜模块300。例如， 透镜模块300可以被实现成设备100的透镜模块130。透镜模块300是圆柱形 透镜，它包括外围壁式区域310、第一侧面350和第二侧面360。典型的透镜 模块300还包括特定的模制工艺所需的平整的侧面355。在本发明的备选实施 方式中，通过使用另一种模制工艺或用于形成透镜模块300的某种其它方法， 透镜模块300可以被制造成不具有平整的侧面。

在第一侧面350上从外围区域3 10起延伸出的是对准特征320和321。在 典型的透镜模块300中，对准特征是从外围区域310起延伸的半圆。在备选实 施方式中，对准特征可以是凹陷的区域、透镜模块300上的标记、平整的侧面 355等。不管透镜模块300上对准特征采用什么样的形式，扫描模块都包括互 补的对准特征从而确保透镜模块300能恰当地插入扫描模块中。例如，用于容 纳透镜模块300的扫描模块将包括一对互补的凹陷区域以便容纳上述延伸的半 圆。

在本发明的备选实施方式中，可以使透镜模块300在形式的时候不具有外 围区域。在本实施方式中，对准特征可以位于聚焦透镜的表面上。

当将透镜模块300置于扫描模块中时，第一侧面350面对着激光源并且接 收光线。可以将表面325制成旋转对称的或非旋转对称的。通过使用非旋转对 称表面(比如圆柱形表面)，便产生椭圆形光束光斑，这种光束光斑可提高扫 描仪性能。

激光经第二侧面360从透镜模块300中出射。第二侧面360包括聚焦表面 306和孔径305。孔径305由平整表面315到318构成。在透镜模块300中， 表面315到318处于一个比全内反射临界角要大的角度中。临界角(C)被定义成 C＝sin-1(n2/n1)，其中C是从第一和第二介质的边界的法线起的角度，而n1和 n2则分别是第一和第二介质的折射率。对于n2＜n1的情况，入射角大于C的 光线将经历全内反射(TIR)。

因为入射到表面315到318的光线被反射，所以没有被表面覆盖的区域形 成了一个孔径305从而允许光线穿过。图6和7示出了光线进出透镜模块300 的行为。如图所示，光线在透镜模块300的第一侧面350上进入。然后，入射 到成一定角度的表面315-318的光线被反射，同时光线穿过孔径305并且被表 面306聚焦。在本发明的备选实施方式中，表面306可以具有非旋转对称的形 状，而表面325可以聚焦进入透镜模块300的光线。

在一个实施方式中，可以用热稳定材料(比如玻璃)来制造透镜模块130。 这样，如果设备100被用于具有不同温度的环境中，则透镜模块130的性质和 /或尺寸可能不会有显著变化。例如，当设备100在热环境和冷环境之间移动时， 热稳定材料可能不会改变形状。由此，穿过透镜模块130的光线可能不会在不 同的环境中发生畸变。在另一个实施方式中，透镜模块130可能由热不稳定材 料(比如塑料)来制造。热不稳定材料可能比热稳定材料便宜，但是在热环境 和冷环境中可能会改变性质和/或尺寸。由此，穿过热不稳定材料的光线可能会 发生畸变。当将热不稳定材料用于透镜模块130时，可以将预先定义的图案应 用于第一和/或第二侧面350、360，以减小光线畸变。在一个实施方式中，预 定的图案是衍射图案，比如栅格或一组共心圆。在另一个实施方式中，通过将 预定的图案应用于其侧面，可以由热不稳定材料来产生绝热透镜。

在本发明的一些实施方式中，透镜模块300也可以包括透镜夹具。图8示 出了被插入圆柱形透镜夹具800的聚焦透镜组件300′。透镜夹具并不包括对准 特征或孔径。因此，透镜夹具800制造起来很简单。另外，在将透镜组件300′ 插入圆柱形透镜夹具800中时可以无须监控透镜组件300′和透镜夹具800之间 的定向问题。

可以形成透镜组件300′的孔径305，以确定光束的整体形状。例如，在本 发明的不同实施方式中，该孔径可以具有拉长的半椭圆形、矩形、圆形、自由 形式形状等。在其它实施方式中，孔径305限定激光束的一个维度(比如其高 度或宽度)，而另一个组件则限定该激光束的其它维度。

在本发明的实施方式中，可以使用其宽度大于其高度的矩形光源。由此， 激光束的高度由光源来确定，而激光束的宽度则由孔径来确定。

在本发明的另一个实施方式中，透镜组件可以被插入包括孔径的透镜夹 具。图9和10示出了一种包括透镜组件300′和透镜夹具900的透镜模块，其中 该透镜夹具900包括圆形孔径905。在本实施方式中，透镜夹具孔径905是旋 转对称的，使得在将透镜组件300′插入透镜夹具中时能够无须监控透镜组件 300′和透镜夹具900的定向问题。另外，带有圆形孔径的透镜夹具可以很容易 且准确地制造。例如，透镜夹具900可以用机器来加工制造。在备选实施方式 中，透镜夹具900可以具有非旋转对称孔径。可以将孔径905制造成透镜夹具 的一部分，或在其它实施方式中，该孔径可以位于一个套在透镜夹具一端上的 盘子上。

在图9和10中，激光束的高度由透镜夹具孔径905来限定，而激光束的 宽度则由透镜孔径305来限定。如图9所示，用于将光线反射掉的成临界角的 表面315和317是能够透过透镜夹具孔径905看得到的，并且并不允许光线穿 过。在备选实施方式中，激光束的高度由透镜孔径305来限定，而激光束的宽 度则由透镜夹具孔径905来限定。激光束的高度和激光束的宽度都可以被单独 调节以便针对期望的扫描仪性能进行优化。

尽管上面的实施方式都是在数据表单扫描环境中来描述本发明，但是本发 明的组合透镜模块也可以用在任何光束成形应用中。例如，但不限于此，激光 指示器、激光投影仪、用于读取光盘的激光器、激光制导等。

尽管在应用于较佳实施方式时已显示、描述并指出了本发明的基本新颖特 征，但是应该理解，在不背离本发明的精神的情况下，本领域的技术人员可以 对所揭示的本发明的形式和细节做出各种删除、替代和改变。因此，本发明仅 仅由所附的权利要求书的范围来指明。