激光扫描枪：原理剖析与组成部件详解

激光扫描枪：原理剖析与组成部件详解

一、激光扫描枪原理

激光扫描枪作为一种高效的条码识别设备，其工作原理基于对条码的光学扫描与信号转换。当启动扫描时，扫描枪打出的光源投射到条码之上。条码由黑白相间的条空组成，由于黑白部分对光的反射率存在巨大差异，白色部分反射大量光线，黑色部分则吸收较多光线，这种反射光的差别成为识别条码的关键依据。

在扫描一组条码时，光源照射到条码后，反射光穿过透镜并集聚到扫描模组（即扫描枪解码板）上。扫描模组承担着光信号到模拟数字信号的转换功能，它将接收到的光强度信息转换为模拟电压信号。该电压信号的大小与光的强度密切相关，例如强光照射产生较高电压，弱光则对应较低电压。

随后，模拟 - 数字转换电路将模拟电压进一步转换为数字讯号，以便传输到电脑。在颜色量化方面，采用 RGB 三色的 8、10、12 位来处理，即将信号转换为相应位数的图像输出。较高的量化位数意味着图像能呈现更丰富的层次与深度。尽管人眼对超出一定范围的颜色差异难以分辨，但在可识别范围内，位数越高的扫描枪扫描出的图像颜色衔接越平滑，能展现更多画面细节，有助于更精准地识别条码信息。

值得注意的是，在整个采集光源到解码分析并转变成电脑输入信号的过程中，如果条码未能被正确识别，激光源线会持续亮起，表明扫描枪处于持续解码状态；一旦解码成功，激光线便自动熄灭。

二、激光扫描枪组成部分

（一）激光源

激光扫描枪的激光源多采用 MOVPE（金属氧化物气相外延）技术制造的可见光半导体激光器。这种激光器具有诸多显著优势：

低功耗：在长时间连续工作过程中，能够有效降低能耗，减少能源消耗成本，延长设备使用寿命，特别适用于商业环境中频繁使用扫描枪的场景，如超市、仓库等。

可直接调制：能够方便地根据需要对激光的特性进行调整，以适应不同的扫描要求和条码类型，提高扫描的准确性和灵活性。

体积小、重量轻：便于扫描枪的小型化设计，使其更易于手持操作或集成到其他设备中，在一些对设备体积有严格要求的场景，如移动支付终端、便携式数据采集设备等，具有很大的优势。

固体化：结构稳定，抗冲击和振动能力较强，能够适应较为恶劣的工作环境，减少因外界因素导致的设备故障。

可靠性高：在长时间、高频率的使用过程中，能够保持稳定的性能，降低设备的维修和更换频率，提高工作效率。

效率高：能够将电能高效地转换为光能，提高激光输出的效率，减少能量损耗。

半导体激光器发出的光束为非轴对称的椭圆光束，其出射光束垂直于 P - W 结面方向的发散角Ｖ⊥≈30°，平行于结面方向的发散角Ｖ‖≈10°。若采用传统光束准直技术，光束会聚点两边的椭圆光斑长、短轴方向会发生交换，导致扫描器扫描景深变小。Jay M.Eastman 等提出的特定光束准直技术克服了这一问题，大幅提高了扫描景深范围。这种椭圆光束适用于单线激光扫描器，布置光路时，需让光斑的椭圆长轴方向与光线扫描方向垂直。对于单线激光条码扫描器，椭圆光斑因其对印刷噪声的不敏感性，性能优于圆形光斑。

对于全角度条码激光条码扫描器，由于其扫描识读条码时，光束有时会以较大倾斜角扫过条码，所以光束光斑不宜为椭圆形，通常整形成圆形。目前常用的整形方案是在准直透镜前加一小圆孔光阑，其光束特性可用小孔的菲涅耳衍射特性近似。采用此方案，对于标准尺寸 UPC 条码，景深约为 250mm 到 300mm，可满足一般商业 POS 系统需求。但在机场行李输送线等对景深要求较高的场合，则略显不足。此时，常用的解决方案包括增大条码符号尺寸或使组成扫描图案的不同扫描光线会聚于不同区域形成 “多焦面”。更具吸引力的方案是采用特殊光学准直元件，使光场具有特殊分布，从而获得极小的光束发散角，以实现较大的景深。

（二）光学扫描系统

从激光源发出的激光束需借助扫描系统形成扫描线或扫描图案。全角度条码激光条码扫描器主要采用以下两种扫描方案：

旋转棱镜扫描：这是一种历史悠久且技术成熟的方案。它利用旋转棱镜来扫描光束，并通过一组折叠平面反射镜改变光路，实现多方向的扫描光线。例如当前使用较多的 MS - 700 等扫描器产品，通过使旋转棱镜不同面的楔角不同，在一个扫描方向上形成多条扫描线。由多向多线的扫描光线组成高密度的扫描图案。这种方法的另一个潜在好处是可减轻激光辐射危害。

全息扫描：具有结构紧凑、可靠性高和造价低廉等显著优点。自 IBM 公司在 3687 型扫描器上首次应用以来，得到了广泛推广且不断创新发展，其在市场中的份额也在逐步扩大。

全角度扫描概念最初是为提高超级市场的流通速度而提出，并针对 UPC 条码设计了相应的扫描图案。随着扫描技术发展、条码应用领域拓宽以及自动化程度提升的需求，全角度扫描概念逐渐推广到其他码制，如 39 码、交插 25 码等。这些码制的条码高宽比较小，为实现全角度扫描需要更多的扫描方向数。为此，除旋转棱镜外，还需增加另一个运动元件，如旋转折叠平面镜组等。

手持单线扫描器因扫描速度低、扫描角度较小等特点，可用于实现光束扫描的方案较多。除采用旋转棱镜、摆镜外，还可通过运动光学系统中的诸多部件实现光束扫描，如运动半导体激光器、运动准直透镜等。产生这些运动的动力元件除直流电机外，还包括压电陶瓷和电磁线圈等。这些动力元件具有不易损坏、寿命长和使用方便等优点，在未来的应用中可能会得到更广泛的应用。

（三）光接收系统

扫描光束射到条码符号上后被散射，光接收系统负责接收足够多的散射光。在激光全角度激光条码扫描器中，普遍采用回向接收系统。其接收光束的主光轴与出射光线轴重合，使得散射光斑始终位于接收系统的轴上。这种结构具有以下优点：

瞬时视场极小：能够有效排除周围环境光的干扰，极大地提高信噪比，确保接收到的条码信号清晰、准确。

提高对条码符号镜面反射的抑制能力：减少因镜面反射导致的误判，提高条码识别的准确性。

对接收透镜要求低：降低了光学系统的设计和制造成本，提高了设备的经济性。

使接收器的敏感面较小：由于高速光电接收器敏感面积一般不大，小敏感面积的接收器成本较低，这对于降低设备整体成本具有重要意义。

然而，回向接收系统也存在缺点，当扫描光束位于扫描系统各元件边缘时会产生渐晕现象。为解决此问题，除在结构上采取措施尽量减小渐晕外，还需舍弃特性太差的扫描角度。

全角度激光条码扫描器中还普遍采用光学自动增益控制系统，该系统可使接收到的信号光强度不随条码符号与扫描枪的距离远近而改变。这一特性能够缩小信号的动态范围，有利于后续信号处理环节，提高条码识别的稳定性和可靠性。

手持枪式激光条码扫描器具有扫描速度较慢、信号频率较低等特点。低响应频率的接收器如硅光电池具有较大的敏感面积，且低频系统容易获得较高的信噪比。因此，手持枪式扫描器除可采用回向接收方案外，还可采用其他方案。例如，利用半导体激光器的易调制性，将出射激光束以较高频率调制，然后在电信号处理时采用同步接收放大技术取出条码信号。只要调制频率远大于条码信号频率，其带来的条码宽度误差可忽略不计。同步接收技术具有极高的抑制噪声能力，所以不一定采用回向接收结构，这为光学接收系统的布局带来了较大灵活性，可使识读器在某些方面的性能得到提升。例如在回向接收方案中，运动元件是接收系统的组成部分，需有一定孔径大小以保证接收到足够多的信号光；而若运动元件仅起扫描出射光束的作用，则可做得很小，这对于选择动力元件以及提高设备寿命和可靠性极为有利。

（四）光电转换、信号放大及整形

光电转换：接收到的光信号需经光电转换器转换为电信号。全角度激光条码扫描器中的条码信号频率通常为几兆赫到几十兆赫，如此高的信号频率要求光电转换器使用具有高频率响应能力的雪崩光电二极管 (APD) 或 PIN 光电二极管。由于全角度激光条码扫描器一般长时间连续使用，为保障使用者安全，激光源出射能量较小，导致最后接收到的能量极弱。为获得较高的信噪比（由误码率决定），通常采用低噪声的分立元件组成前置放大电路对信号进行低噪声放大。

信号放大及整形：手持枪式激光条码扫描器的信号频率为几十千赫到几百千赫，一般采用硅光电池、光电二极管和光电三极管作为光电转换器件。手持枪式激光条码扫描器出射光能量相对较强，信号频率较低，且可采用同步放大技术等，因此对电子元器件特性要求相对不高。并且由于信号频率较低，较易实现自动增益控制电路。

由于条码印刷时边缘存在模糊性，以及扫描光斑的有限大小和电子线路的低通特性，得到的信号边缘模糊，即 “模拟电信号”。这种信号需经整形电路尽可能准确地恢复边缘，转换为 “数字信号”。手持枪式扫描器因信号频率低，在选择整形方案上有更多的选择余地。

从数据率角度来看，对于具有一定识读能力的全角度激光条码扫描器，其数据率 R 正比于 n/(H×Cosα - W×sinα)。其中，n 为扫描方向数，H、W 分别为条码符号的高度、宽度，α 为条码符号相对扫描图案处于最不利于扫描识读时的角度值，对于各扫描线均匀分布的情况 α = π/2n（如 n = 2 时 α 为 45°）。通过此式子可估算对于 UPC 码，如果采用扫描左半部和右半部并进行拼接的方案，n 为 3 时数据率最低；对于完全贯穿整个条码才识读的方案，n 为 5 时数据率最低。在设计扫描系统时需充分考虑这一因素。另外，也可采用低速的扫描模块组合成一个阵列来实现全角度高速扫描条码的性能，这种方案更适用于流水线等场合。

（五）译码

整形后的电信号经过量化后，由译码单元译出其中所含信息。全角度激光条码扫描器由于数据率高，且扫描过程中得到的绝大多数为非条码信号和不完整条码信号，所以对译码单元要求极高。它需要具备自动识别有效条码信号的能力，要求译码单元具有强大的数据处理能力和巨大的数据吞吐量。目前普遍采用软、硬件紧密结合的方法来实现。对于 UPC、EAN 码，译码器还需具备左、右码段自动拼接功能。不过，这种拼接可能会将来自两个不同条码的左半部和右半部拼接起来，虽然奇偶性和校验位可在一定程度上降低这种错误发生的概率，但并不能完全杜绝。随着扫描技术的发展，扫描器扫描方向数的增多和扫描速度的提高，这种码段拼接功能的必要性逐渐降低。不少公司的产品提供了一个开关，让用户可自行决定是否启用该功能。

激光扫描枪通过各组成部分的协同工作，实现了高效、准确的条码识别功能，在商业零售、物流仓储、工业生产等众多领域发挥着极为重要的作用，成为现代信息化管理不可或缺的工具。