条码扫描仪

背景

存在许多不同类型的条码扫描机，但它们都以相同的基本原理工作。它们都使用从一系列黑白条纹反射的光强度来告诉计算机它看到的是什么代码。白色条纹很好地反射光线，而黑色条纹几乎不反射任何光线。条码扫描器将光线依次照射条码，同时检测和记录反射光和非反射光的图案。然后扫描仪将此模式转换为计算机可以理解的电信号。所有扫描仪都必须包含计算机软件，以便在输入条码后对其进行解释。这个简单的原则改变了我们操作数据的方式以及许多企业处理记录保存的方式。

条码扫描出现于 1970 年代初期，作为提高计算机数据输入速度和准确性的一种方式。企业才刚刚开始利用计算机跟踪库存和计费。面临的挑战是为拥有少量大批量物品库存的公司（例如仓库或邮购公司）找到一种快速、高效且相对简单的记录输入方法。条形码的使用使店员能够跟踪他们销售、运输或包装的每件物品，而无需进行繁琐且容易出错的键盘数据输入过程。条形码在服装店、制造工厂（例如汽车制造商）、航空行李检查、图书馆，当然还有超市中迅速流行起来。今天很常见的超市扫描仪被称为销售点扫描仪，因为扫描是在购买商品时完成的；销售点扫描可能是当今使用中最具挑战性的条码扫描应用程序。超市扫描器代表了各种类型的条码扫描器中最先进的设计，因为在读取形状奇怪的物品或可能脏、湿或易碎的物品上的条码时特别困难。

第一台扫描仪需要人工进行扫描，并使用非常简单的光源。最常见的是魔杖，它仍然很受欢迎，因为它既便宜又可靠。棒式扫描器需要将扫描器的末端放在代码上，因为它们使用的光源很窄（聚焦），足以区分棒尖处的条形和条纹。如果贴有标签的产品形状怪异或脏兮兮，这种方法即使不是不可能，也是不切实际的。

要使扫描仪在不接触代码的情况下工作，需要一个在较长距离内保持窄而明亮的光束的光源——最好的光源是激光。使用激光束，代码可以保持在距离扫描仪几英寸或更远的地方，然后可以在扫描仪内部进行实际的扫描操​​作。 1970 年代中期开发的旋转电机驱动反射镜组件允许激光扫过表面，因此用户无需移动扫描仪或代码；这项技术提高了扫描仪的可靠性和代码读取速度。

后来，全息图被选择来代替镜子，因为它们可以像镜子一样工作，但重量轻，更容易机动。全息图是一种摄影图像，当被正确波长的光照射时，其行为就像一个三维物体。全息图是通过将分成两部分的激光束照射到涂有感光乳剂的玻璃或塑料板上来创建的。上一代扫描仪通过旋转反射镜组件来工作，而全息扫描仪通过旋转磁盘来工作，磁盘上记录了一个或多个全息图。

IBM 和 NEC 的研究人员于 1980 年同时开发了全息销售点扫描仪。 选择全息扫描不仅是因为全息盘比镜子组件更容易旋转，还因为单个盘可以在许多不同方向反射光，通过在同一磁盘上合并不同的全息图区域。这有助于解决条码定位问题；也就是说，代码不再需要直接面对扫描窗口。现代条码扫描仪每秒将在许多不同的方向和角度进行数百次扫描。如果您在收银台查看扫描仪的表面，您会看到许多纵横交错的光线；这种模式被选为对特定包装方向最可靠和要求最低的模式。

原材料

全息条码扫描器由一组预成型部件组成。激光器——一个充满气体的小玻璃管和一个小电源来产生激光束——通常是氦氖（HeNe）激光器。换句话说，气体管充满氦气和氖气，产生红光。红光最容易检测，而且氦氖比其他类型的激光器便宜。它们是灯光秀或迪斯科舞厅中使用的激光类型的小得多的版本。

光学组件中的透镜和反射镜由高度抛光的玻璃或塑料制成，有时会镀上涂层以使其在使用的红色波长的光下或多或少地反射。光检测系统是一个光电二极管——一种半导体部件，当光照射到它时会传导电流，没有光时不传导电流；硅或锗光电二极管是最常用的两种光电二极管。

外壳由坚固的外壳组成，通常由 不锈钢制成， 和一个光学窗口，可以是玻璃或非常有弹性的塑料。窗口材料必须具有良好的光学和机械性能；也就是说，它必须保持透明，但还必须将扫描仪与空气隔离，以免污垢或灰尘进入内部并阻挡光线或光检测器。窗户中的缺陷会导致光线以不可预测的角度透射或根本不透射；这两种情况都会影响扫描仪的准确性。

全息盘由一种叫做重铬酸盐明胶的物质制成 (DCG) 密封在两个塑料盘之间。 DCG 是一种用于记录激光图像的光敏化学物质，很像照相胶片记录光。它是由陶氏化学和宝丽来为他们自己的全息工作开发的，它以液体形式出售，因此可以涂在各种表面上。 DCG 全息图在全息珠宝（吊坠、表盘等）和玩具店出售的全息旋转盘中很常见。如果将 DCG 留在户外，它会丢失记录的图像，这就是为什么它必须密封在两层塑料之间。

旋转圆盘的旋转电机驱动器是一个带有中心旋转轴的小型电动缸，类似于竖立机中可用的那种。轴连接到全息圆盘的中心，因此当电机打开时，圆盘会旋转。

设计

条码扫描器需要一个设计团队来生产完整的组件。首先，激光记录工程师设计全息光盘。在此设计中需要考虑许多重要的特性。例如，磁盘必须反射大部分照射到它的光（高效率），它不能使光扭曲以使反射光束保持狭窄，并且它必须在旋转时以选定的扫描模式反射光。此外，扫描模式必须使条形码可以通过扫描窗口并仍然被读取的可读方向的数量最大化。

完成的磁盘由许多不同的全息图组成，这些全息图以楔形记录在同一磁盘上。每个楔子以不同的角度反射光。当磁盘旋转时，光线被扫描成一条线。线条的方向从一个楔形到另一个楔形变化。全息图设计者还指定了要使用的激光的确切功率，这是基于对用户的寿命、效率和安全性的选择。

设计全息光盘后，光学工程师设计激光和全息光盘的位置，指定将光引导到正确方向所需的任何透镜或反射镜，并设计检测系统，以便从条形码反射的光可以被高效可靠地阅读。设计者必须优化扫描仪的光学投射， 定义为物体可以远离扫描仪窗口并仍能被正确读取的最远距离。光学设计师的工作是考虑如何最好地将组件安装到最小的空间中，以最小的重量和费用，同时仍将窗口放置在一个方便的角度以供正常使用。例如，超市扫描仪必须让收银台的窗口朝上，尽管将旋转盘放在盒子的侧面可能更方便。额外的镜子可以满足这两个约束。

电气工程师确定解释来自光电探测器的电信号的最佳方法。在电气方面，信号必须被接收并解释为一系列 ON 信号（从白条反射的光）和 OFF 信号（没有从黑条反射的光）。然后，计算机将生成的图案转换为图案所代表的产品信息。计算机程序员可能会被用来设计将代码转换为产品信息的计算机软件，但正确解释开/关模式的工作留给了电气工程师。

制造
过程

设计完所有组件后，就可以进行制造和组装了。全息光盘通常由内部制造，而其他组件（镜头、镜子和激光器）通常从其他制造商处购买。然后组装和测试各个部件。

全息光盘

• 1 制造过程的第一步是批量生产全息光盘。该磁盘是从母版全息图复制的。所有的磁盘，母版和复制品，都是由带有 DCG 填充物的塑料“面包”制成的三明治。母盘是分段制作的，最终盘中所需的每个不同反射角都有一个楔子。典型的销售点扫描仪在单个磁盘上有 7 到 16 个楔子。全息记录是通过在 DCG 夹层表面相交的两束激光束完成的，从而形成全息图案。调整两束光束相遇的角度将改变每个全息图的反射特性。以这种方式创建的每个楔形都将像一面镜子，转向不同的方向。
• 2 记录完所有所需的楔形后，将它们组装起来并粘在一个透明板上，然后可以复制。所使用的胶水具有不会使全息图像失真的光学特性，例如甘油基粘合剂。复制全息图的方法有很多种，但 DCG 全息图最常见的是光学复制。母盘放置在靠近但不接触空白 DCG 夹层盘的位置，并使用单个激光束从后面照亮母盘。这将图案转移到坯料上。

镜片、镜子、激光

• 3 其他组件（镜头、镜子、激光等）通常从外部制造商处购买。在设计过程中指定镜头、反射镜和扫描窗口属性。制造商在所有这些组件到达时对其进行测试，以确认它们符合规格。电机和激光器经过测试以确保正常运行，有些还经过使用寿命测试，以确保条码扫描器在合理的时间内不会出现故障。

住房

• 4 外壳可以从金属加工车间购买，也可以由制造商制造。盒子的尺寸和确切形状在设计中指定，制造过程将这些规格转换为可实现的草图。零件经过机械加工、组装和强度和耐用性测试。

在条码扫描仪中，激光束对准带有黑白条码符号的物品。光线被反射回来并记录在旋转的全息光盘上。然后，光电探测器将这种光转换为可由计算机读取的电信号。
旋转盘由夹在两个塑料盘之间的化学物质 DCG 组成。一个典型的全息光盘包含 7 到 12 个楔子，每个楔子以不同的角度反射光。为了制作这些磁盘，首先要准备一个磁盘母版——包括粘在一个透明板上的各种楔子——。接下来，单个激光束从后面照亮母版，将图案转移到放置在（但不接触）母版旁边的空白 DCG 磁盘上。

总装

• 5 最后，将全息光盘与旋转电机驱动器组装在一起并进行测试。扫描模式、方向和速度都经过检查。然后将旋转盘与光学系统（激光器和反射镜）组装在一起。激光器的放置通常取决于空间方面的考虑：激光器可以直接瞄准旋转的圆盘，或者瞄准将光束引导到圆盘的镜子，如果这可以使包装更小。
• 6 磁盘和光学系统作为一个单元进行测试。当组件通过检查时，它被永久安装在外壳内并用扫描窗口密封。

质量控制

条码扫描器制造过程中的质量控制有几个阶段。首先，条形码行业定义了几个测试标准，所有制造商都必须指定这些标准。其中包括：

• 首次通过读取率 (FPRR)——代码第一次通过扫描窗口时可被读取的时间百分比
• 拒绝率——每百万无法读取的扫描次数
• 读取速度——条码可以通过扫描仪表面的速度范围

这些特性将与扫描仪的光学、电气和机械特性有关。在机械上，扫描仪会运行数天（并且一些选定的单元将从生产中撤出以进行更长的使用寿命测试——长达数年）以确保电机将继续以预期的速度始终如一地转动磁盘。由于区分代码中宽条和窄条的能力与磁盘转动的速度有关，因此电动磁盘以可预测的方式继续运行至关重要。旋转速度也与读取速度有关，可能需要调整以匹配店员在超市结账时拖拽商品的平均速度。机械故障可能表明磁盘安装错误或不平衡或其他需要纠正的机械问题。

在光学上，扫描仪经过了代码读取一致性测试。对于一个好的条码扫描器，这个数字应该大于 85%。通常，可以达到 75% 到 85%。如果扫描仪无法满足此标准，则会将其送回进行光学系统检查——组件的清洁度以及激光和检测系统的正常运行。

在电气方面，扫描仪会接受拒绝率测试。全息扫描仪每秒扫描条码 100-200 次。这使计算机可以比较许多不同的代码读数以确保准确性。但是如果电子设备出现问题，计算机将开始“拒绝”扫描，或者干脆拒绝读取它们。该测试的一部分使用在某些方面不完美的条码——包含墨点、宽度不均匀的条等的条码。制造商必须生产能够容忍条码打印过程中出现一些故障的扫描仪。这是使用多次扫描和交叉检查技术的另一个原因。

未来

条码扫描技术的未来将采取多种不同的途径。条码扫描的更普遍使用需要更便宜和更小的光源，这将改进像棒式扫描仪这样的简单仪器。例如，半导体激光器可能会使魔杖成为对用户更具吸引力的仪器。此外，一些儿童学习工具和玩具开始出现带有交互式条形码而不是按钮。这样就可以在同一个条码扫描玩具上增加新的模块。有一些家庭购物系统开始利用这项技术，允许人们通过使用电话和调制解调器扫描目录中的选择来在家购买杂货或衣服。

另一方面，随着技术变得更加可靠和易于使用，激光扫描仪开始发现越来越复杂的应用。越来越多的行业正在使用条码来跟踪复杂的大量定制产品，记录制造过程中的步骤，并监控工厂的活动。可以开发其他光学组件，使该技术在尺寸和实用性方面变得更加灵活。