DE69424248T2

DE69424248T2 - Integrierter Abtaster auf einem gemeinsamen Substrat

Info

Publication number: DE69424248T2
Application number: DE69424248T
Authority: DE
Inventors: Joseph Katz; Yajun Li; Miklos Stern; Jerome Swartz
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 1993-10-25
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2014-09-29
Also published as: EP0650133A2; EP0650133A3; CA2132646A1; JP3560656B2; AU674786B2; KR950012275A; TW392878U; AU7596194A; EP0650133B1; US6186399B1; JPH07199103A; DE69424248D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Scanner bzw. Abtastvorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf integrierte Strichcodescanner, die auf gemeinsamen Substraten montiert sind.
Strichcodes speichern Informationen über ein assoziiertes Objekt und werden durch Scanner bzw. Abtastvorrichtungen gelesen, die nun in der Hand gehalten werden. Da die Strichcodescanner kleiner werden ist die Anzahl der Anwendungen gestiegen. Heutzutage werden Strichcodescanner verwendet, um Teile zu speichern, die Warenhausinventur zu kontrollieren und sogar über Nacht gelieferte Pakete zu verfolgen.
Beim Lesen eines Strichcodes führt ein Strichcodescanner einen Laserstrahl über den Strichcode und detektiert das reflektierte Licht vom Strichcode. Typischerweise sind Strichcodescanner einschließlich der in der Hand zu haltenden Scanner unter Verwendung von diskreten bzw. getrennten Komponenten aufgebaut worden. Diese diskreten Komponenten, wie beispielsweise Laserdioden und drehbare Abtast- bzw. Führungs- oder Scannerspiegel werden getrennt hergestellt und sorgfältig in dem Scanner ausgerichtet, um die ordnungsgemäße Abtast- bzw. Scanfunktion zu erhalten.
Jedoch begrenzt die Anwendung von diskreten Komponenten weiter die Miniaturisierung der Strichcodescanner, wobei somit zusätzliche Anwendungen für den Strichcodescanner beschränkt werden. Weiterhin kann eine nicht ordnungsgemäße Ausrichtung der diskreten Komponenten den Scanner nicht funktionsfähig machen. Somit müssen die diskreten Komponenten sorgfältig während der Montage ausgerichtet werden, was es kompliziert und teuer macht, den Scanner aufzubauen.
EP-A-0669592 bildet einen Teil des Standes der Technik unter Artikel 54 (3) EPC und bezieht sich auf eine optische Vorrichtung für einen Strichcodeleser. Ein lichtimitierendes Element, ein Prisma und ein lichtaufnehmendes Element sind alle auf einem Halbleitersubstrat befestigt.
US-A-5097354 bezieht sich auf einen Strahlscanner bzw. eine Strahlabtastvorrichtung, die ein lichtimitierendes Element aufweist, weiter eine Linse, die vor dem lichtimitierenden Element derart angeordnet ist, daß ihre optische Achse parallel zur optischen Achse des lichtimitierenden Elementes ist, und einen reflektierenden Schwenkspiegel, der durch die coulombsche Kraft gedreht wird, die zwischen statischen Elektroden wirkt. Es ist auch ein Strahlscanner bzw. eine Strahlabtastvorrichtung vorgesehen, die ein lichtimitierendes Element aufweist, eine Linse, die vor dem lichtimitierenden Element derart angeordnet ist, daß ihre optische Achse parallel zur optischen Achse des lichtimitierenden Elementes ist, und einen Verschiebungsmechanismus zur Hinundherbewegung von entweder dem lichtimitierenden Element oder der Linse in einer Richtung im allgemeinen senkrecht zu deren optischen Achse.
US-A-5136147 offenbart einen tragbaren Abtastkopf, der Licht von einer lichtimitierenden Diode imitiert und dieses aufnimmt, um Symbole zu lesen, wie beispielsweise Strichcodesymbole. Die Optik innerhalb des Scanners ist betreibbar, um einen Lichtstrahl und das Blickfeld eines Lichtsensors in unterschiedlichen Ebenen außerhalb eines Scanner- bzw. Abtastvorrichtungsgehäuses zu focusieren. Abbildungsmittel sind in der Einheit vorgesehen, um ein Sichtfenster abzubilden. Das Sichtfenster hat eine kleinere Fläche als jene des Abtastpunktes. Das System kann eine LED als Lichtquelle einsetzen. Alle Hauptkomponenten der Abtastvorrichtung können auf einer gedruckten Leiterplatte montiert werden.
Entsprechend ist es wünschenswert, einen verbesserten Strichcodescanner mit vergrößerter Flexibilität vorzusehen.
Es ist auch wünschenswert, einen miniaturisierten Strichcodescanner vorzusehen.
Es ist auch wünschenswert, einen Strichcodescanner vorzusehen, der einfacher herzustellen ist.
Es ist auch wünschenswert, die Kosten zur Herstellung eines Strichcodescanners zu senken.
Zusätzlich gewünschte Punkte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt, und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich werden oder werden durch die praktische Ausführung der Erfindung erlernbar sein. Die Vorteile der Erfindung können mittels der instrumentalen Ausführung und der Kombinationen erkannt und erhalten werden, die in den beigefügten Ansprüchen insbesondere dargelegt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist eine Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Die beigefügten Zeichnungen, die zu dieser Beschreibung gehören und einen Teil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Ziele, Vorteile und Prinzipien der Erfindung zu erklären. In den Zeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Scanners bzw. einer Abtastvorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht eines Scanners gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Scan- bzw. Abtastmoduls, welches in dem in Fig. 1 gezeigten Scanner verwendet wird;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Scanners gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Seitenansicht eines Scanners gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Ansicht eines Scanners gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7a und 7b eine Seitenansicht von Scannern unter Verwendung eines flachen Substrates;
Fig. 8 eine Perspektivansicht eines weiteren Scan- bzw. Abtastmoduls;
Fig. 9 eine Perspektivansicht eines weiteren Scanners unter Verwendung eines flachen Substrates;
Fig. 10a bis 10b Drauf- und Seitenansicht eines mikrobearbeiteten Rücksammelspiegels;
Fig. 11 eine Seitenansicht eines Scanmoduls unter Verwendung von deformierbaren Spiegeln; und
Fig. 12 ein Scannersystem, welches den Scanner gemäß der vorliegenden Erfindung verkörpert.

Detaillierte Beschreibung

Die vorliegende Erfindung ist auf einen Lichtscanner gerichtet, der auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet ist.
Bezug wird nun im Detail auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Scanners bzw. der Abtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und wird im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Der Scanner 100 weist eine Laserdiode 112 auf, eine sphärische Linse 114, ein Abtastmodul 118 und Detektoren 120 und 128. Die Laserdiode 112 und der Detektor 128 sind auf einer Laserunterbefestigung 126 befestigt, die als Tragständer dient. Die sphärische Mikrolinse 114 wird vom Linsenhalter 116 getragen. Die Laserunterhalterung 126, der Linsenhalter 116, das Abtastmodul 118 und der Detektor 120 sind auf einem Substrat 122 montiert.
Die Oberfläche des Substrates 122 weist einen flachen Teil 121 benachbart zu einem geneigten Teil 123 auf. Die Laserunterbefestigung 126 und der Linsenhalter 116 sind auf dem flachen Teil 121 montiert. Das Scan- bzw. Abtastmodul ist auf dem geneigten Teil 123 montiert. Das Substrat 122 ist aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium hergestellt, und der geneigte Teil 123 ist in einem Winkel von ungefähr 45º geneigt. Die Laserdiode 112 ist mit einer optischen Achse der Linse 114 ausgerichtet und sendet einen sichtbaren Laserstrahl gemäß eines Laserdiodentreibers aus, der in den Zeichnungen nicht gezeigt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Laserdiode 112 irgendeine im Handel erhältliche Laserdiode sein, die einen Laserstrahl erzeugen kann, der zur Strichcodeabtastung geeignet ist, wie beispielsweise den Laserdiodenchip von Sony SLD 1101 VS.
Der Detektor 128 ist auf der Laserunterbefestigung 126 hinter der Laserdiode 112 montiert, um die Ausgangsgröße der Laserdiode 112 zu überwachen. Der Detektor 128 er zeugt ein Signal, welches die Lichtmenge darstellt, die von dem Hinterteil der Laserdiode 112 ausgegeben wurde, das proportional zur Intensität der Laserstrahlausgangsgröße aus dem Vorderteil der Laserdiode 112 ist. Dieses Signal kann zu einem Laserdiodentreiber übermittelt werden, um die Ausgangsgröße der Laserdiode 112 zu steuern.
Fig. 1 zeigt die Linse 114, die in einer aufrechten Position durch einen getrennten Linsenhalter 116 gesichert ist. Es sei bemerkt, daß die Linse 114 und der Linsenhalter 116 auch eine einzige integrierte Vorrichtung sein könnten. Obwohl Fig. 1 den Linsenhalter 116 auf dem flachen Teil des Substrates 122 montiert zeigt, könnte er auch an der Laserunterbefestigung 126 angebracht sein. Obwohl die Linse 114 als eine sphärische Mikrolinse im bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, könnte die Linse 114 auch irgendeine andere Linse aufweisen, um einen Laserstrahl zu focusieren, wie beispielsweise eine Kugelmikrolinse, eine Gitterstangenindexlinse bzw. Gitterstreifenindexlinse (GRIN = grated rod index lens) eine Mikro-Fresnel-Linse oder eine zylindrische Mikrolinse aufweisen.
Der erwünschte Brennpunkt des Laserstrahls kann erreicht werden durch Einstellen der Distanz zwischen der Linse 114 und der Laserdiode 112. Obwohl der Linsenhalter 116 einstellbar sein kann, um die Linse 114 näher zur Laserdiode 112 oder weiter weg davon zu bewegen, wird bevorzugt, daß die Linse 114 in einer vorausgerichteten Position festgelegt ist.
Das Abtastmodul 118 ist auf dem geneigten Teil 123 montiert, um zu gestatten, daß das Abtastmodul 118 einen Laserstrahl von der Laserdiode 112 auffängt und ablenkt. Während des Betriebs des Scanners 100 führt das Scan- bzw. Abtastmodul 118 den Laserstrahl in einer Dimension über ein Ziel.
Das Abtastmodul 118 weist vorzugsweise einen mikrobearbeiteten Spiegel auf, der unter Verwendung der schon existierenden VLSI-Technologie hergestellt wird. K. E. Peterson, "Silicon as a Mechanical Material" (Silizium als mechanisches Material), Proc. of IEEE, Vol. 70, Nr. 5, 420- 457 (Mai 1982), U. Breng und andere, "Electrostatic Micromechanic Actuators" (elektrostatische mikromechanische Betätigungsvorrichtungen), 2 J. Micromech. Microeng. 256-261 (1992) und Larry J. Hornbeck, "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators" (räumliche Lichtmodulatoren mit deformierbaren Spiegel), 1150 Proceedings of SPIE (1989) beschreiben akzeptable Techniken zur Herstellung von mikro bearbeiteten Spiegeln.
Der Detektor 120, der vorzugsweise auf dem flachen Teil 121 des Substrates 122 montiert ist, detektiert eine Reflektion eines Laserstrahls, wenn der Strahl über ein Ziel geführt wird. Der Laserstrahl zerstreut sich, wenn er über das Ziel geführt wird, womit somit dem Detektor 120 gestattet wird, Licht, welches von dem Ziel reflektiert wird, zu empfangen und zu detektieren. Der Detektor 120 erzeugt dann ein Signal, welches die detektierte Reflektion darstellt. Wo beispielsweise ein Laserstrahl über einen Strichcode mit hellen und dunklen Regionen ge führt worden ist, werden die hellen Regionen eines Strichcodes Licht reflektieren, während es die dunklen Regionen nicht tun. Wenn der Laserstrahl über den Strichcode geführt wird, detektiert der Detektor 120 das zerstreute Licht, was die hellen Regionen des Strichcodes darstellt, und er erzeugt ein entsprechendes Signal, wobei somit gestattet wird, daß der Strichcode "gelesen" wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Detektor ein monolitisch integrierter Photodetektor.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der Abtastvorrichtung bzw. des Scanners 100. Die Laserdiode 112, die Linse 114 und das Abtastmodul 128 sind in Ausrichtung miteinander angeordnet, um zu gestatten, daß das Abtastmodul 118 einen focusierten Laserstrahl ablenkt. Der Detektor 120 kann auf irgendeiner Seite des Linsenhalters 116 gelegen sein.
Drahtanschlußkissen 130 gestatten es, daß der Detektor 120 mit einer externen Vorrichtung verbunden wird, beispielsweise mit einem Signalprozessor. Drahtanschlußkissen 132 und 134 gestatten, daß die Laserdiode 112 und Detektor 128 jeweils mit einer externen Vorrichtung verbunden werden, wie beispielsweise mit einem Laserdiodentreiber zur Steuerung der Ausgangsgröße der Laserdiode 112. Drahtanschlußkissen 142 gestatten, daß der mikrobearbeitete Spiegel von einer externen Vorrichtung betätigt wird, wie beispielsweise einer (nicht gezeigten) Rückkoppelungsschaltung.
Das Abtastmodul 118 der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von verschiedenen Strukturen vorgesehen wer den, wie beispielsweise einer Dreh- oder Cantilever- bzw. Hebelstruktur, wie im Detail unten beschrieben. Weiter kann das Abtastmodul 118 durch verschiedene Techniken betätigt werden, die auch im Detail unten beschrieben werden, wie beispielsweise durch elektrostatische Betätigung und Wärmebetätigung. Bei einer Wärmebetätigung beispielsweise werden die Scharniere aus einer Formmemorylegierung bzw. Formspeicherlegierung hergestellt oder sind Bimetalle.
Bei einer Torsionsstruktur weist das Scan- bzw. Abtastmodul 118 einen Führungs- bzw. Scan-Spiegel 136, Torsionsscharniere 138 und einen Rahmen 140 auf. Die Scharniere 138 werden vom Rahmen 140 getragen, der auf dem geneigten Teil 123 des Substrates 122 montiert ist. Der Führungsspiegel 136 wird von den Scharnieren 138 getragen und dreht sich um eine Achse, die von den Scharnieren 138 geformt wird, und zwar entlang der Oberfläche des geneigten Teils des Substrates 122. Der Abtastspiegel 136 kann bis zu 90º gedreht werden. Wie oben beschrieben gestatten die Drahtanschlußkissen 142, daß das Abtastmodul 118 mit einer externen Vorrichtung verbunden wird, wie beispielsweise mit einem Scan- bzw. Abtastmodultreiber zur Steuerung des Abtastmoduls 118.
Fig. 3 zeigt verschiedene Elemente zur Steuerung des Scanmoduls 118. Die elektrostatische Betätigung ist ein Weg, wie das Scan-Modul 118 den Spiegel 136 drehen kann, um einen auftreffenden Laserstrahl zu führen. Entsprechend weist im bevorzugten Ausführungsbeispiel das Scan- Modul 118 obere Elektroden 144 auf, die auf einer Glasab deckung 148 auf jeder Seite der Drehachse über dem Spiegel 136 montiert sind, und die Substratelektroden 146, die auf einem Substrat 122 auf jeder Seite der Drehachse unter dem Spiegel 136 montiert sind. Die oberen Elektroden 144 müssen transparent sein, um zu gestatten, daß Licht in das Scan-Modul 118 eintritt und daraus austritt. Beispielsweise können die oberen Elektroden 144 durch Ablagerung einer halbtransparenten mechanischen Beschichtung mit geringem Reflektionsvermögen auf einer Glasabdeckung 148 geformt werden. Während des Betriebs des Scan-Moduls 118 werden die oberen Elektroden 144 und die Substratelektroden 146 erregt, um eine elektrostatische Kraft zur Drehung des Spiegels 136 zu erzeugen. Die elektrostatische Kraft erzeugt eine Spannung zwischen einer der Substratelektroden 146 und dem Spiegel 136, was wiederum Ladungen von entgegengesetzter Polarität zwischen der Substratelektrode 146 und dem Spiegel 136 erzeugt. Die daraus resultierende anziehende Kraft zieht die nähere Seite des Spiegels 136 nach unten, wobei somit der Spiegel 136 entlang der Drehachse gedreht wird.
Gleichzeitig wird eine Spannung zwischen dem Spiegel 136 und einer entsprechenden oberen Elektrode 144 angelegt, um der Substratelektrode 146 dabei zu helfen, den Spiegel 136 zu drehen. Die daraus resultierende Anzugskraft zieht die andere Seite des Spiegels 136 nach oben, wobei weiter der Spiegel 136 in Koordination mit der Substratelektrode 146 gedreht wird.
Der Spiegel 136 kann in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden, und zwar durch Anlegung von Spannungen an der anderen Substratelektrode 146 und der oberen Elektrode 144. Ein auftreffender Lichtstrahl kann durch das Scan-Modul 118 gescannt bzw. geführt werden, und zwar durch abwechselndes Anlegen von Spannungen an den geeigneten Substratelektroden 146 und den oberen Elektroden 144. Dieser Ansatz sieht ein einfaches Verfahren zur Betätigung des Scan- bzw. Abtastmoduls 118 vor, und zwar unter Verwendung von sehr geringem Leistungsverbrauch.
Obwohl Fig. 3 sowohl obere Elektroden 144 als auch Substratelektroden 146 zeigt, könnte der Spiegel 136 auch unter Verwendung von nur einem Satz von Elektroden gedreht werden, d. h. entweder die oberen Elektroden 144 oder die Substratelektroden 146. Bei einer solchen Konfiguration könnten die Substratelektroden 146 den Spiegel 136 drehen, und zwar ohne Verwendung von oberen Elektroden 144 durch alternatives Anlegen von Spannungen zwischen den Substratelektroden 146 und dem Spiegel 136. Die oberen Elektroden 144 könnten alleine in der gleichen Weise arbeiten. Jede Situation würde eine größere Anzugskraft erfordern, um den Spiegel 136 zu drehen.
Während die Scharniere 138 aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt werden können, werden die Scharniere vorzugsweise aus einer Formmemorylegierung gemacht, wie beispielsweise Titan-Nickel, und zwar wegen den einzigartigen formwiederbringenden Merkmalen von solchen Legierungen. Formspeicher- bzw. Formmemorylegierungen kehren zu ihrer ursprünglichen Form zurück, wenn sie über eine Übergangstemperatur aufgeheizt werden. Nachdem die Scharniere 138 durch die Drehung des Spiegels 136 verdreht worden sind, können sie einen kurzen elektrischen Impuls vor jeder Abtastung bzw. Führung unterworfen werden, um sie aufzuheizen und den Spiegel 136 zu seiner ursprünglichen Position zurückzubringen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Impuls von 10-20 mW für 10 Millisekunden oder weniger aufgebracht werden, um den Spiegel 136 in seine ursprüngliche Position zurückzubringen. Zusätzliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beschrieben, wobei gleiche oder ähnliche Teile in den Zeichnungen durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Scanners der vorliegenden Erfindung. Der Scanner 102 weist die Laserdiode 112 auf, die auf der Laserunterbefestigung 126 in Ausrichtung mit einer optischen Achse der Linse 144 montiert ist, um einen Laserstrahl auszusenden, und einen Detektor 128, der auf der Laserunterbefestigung 126 befestigt ist, um die Ausgangsgröße der Laserdiode 112 zu überwachen. Die Linse 144, die von dem Linsenhalter 116 getragen wird, focusiert den Laserstrahl, der von der Laserdiode 112 ausgesandt wird. Die Laserunterbefestigung 126 und der Linsenhalter 116 sind auf einem flachen Teil 121 des Substrates 122 montiert. Das Abtastmodul 118, welches auf einem geneigten Teil 123 des Substrates 122 befestigt ist, lenkt den focusierten Lichtstrahl über ein Ziel, und der Detektor 120 detektiert eine Reflektion des gescannten bzw. geführten Laserstrahls.
Zusätzlich weist der Scanner 102 weiter Linsen 146 auf, die von dem Linsenhalter 142 getragen werden, und zwar zur Vergrößerung der Ablenkung des Strahls vom Scan-Modul 118, bevor der Strahl über ein Ziel geführt wird. Eine weitere Ablenkung des Strahls gestattet einen kleineren mechanischen Ablenkwinkel eines Mikrospiegels im Modul 118 und steigert die Flexibilität bei der Focusierung des Strahls. Wie in Fig. 4 gezeigt ist die Linse 144 eine positive Linse bzw. Sammellinse und die Linse 146 ist eine negative Linse bzw. Streulinse, obwohl bemerkt sei, daß die Linse 144 und die Linse 146 von irgendeiner Bauart sein können.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Scanner 104 eine Laserdiode 112 aufweist, die auf der Laserunterbefestigung 126 befestigt ist, die wiederum auf einem flachen Teil 121 des Substrates 122 befestigt ist. Der Detektor 128 ist auch auf der Laserunterbefestigung 126 hinter der Laserdiode 112 montiert, um die Ausgangsgröße der Laserdiode 112 zu überwachen. Das Abtastmodul 118, welches auf dem geneigten Teil 123 des Substrates 122 montiert ist, empfängt einen unfocusierten Laserstrahl von der Laserdiode 112 und lenkt diesen Strahl durch die Linse 148 ab, die von dem Linsenhalter 150 getragen wird. Die Linse 148 focusiert den abgelenkten Strahl, bevor er ein Ziel erreicht, wie beispielsweise einen Strichcode. Die Konfiguration des Scanners 104 sieht eine einfache und kompakte Struktur vor, und zwar aufgrund der Abwesenheit einer Linse zwischen der Laserdiode 112 und dem Scan-Modul 118.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht des Scanners 104 ohne die Linse 148. Die Laserdiode 112 ist mit dem Abtastmodul 118 ausgerichtet. Drahtanschlußkissen 132 und 134 gestatten, daß externe Vorrichtungen mit der Laserdiode 112 bzw. dem Detektor 128 verbunden werden. Die Drahtanschlußkissen 142 gestatten, daß die externe Vorrichtung mit dem mikrobearbeiteten Spiegel in Verbindung treten. Obwohl Fig. 6 keinen Detektor zum Detektieren des reflektierten Lichtes zeigt, kann ein solcher Detektor leicht nahe dem Scan- Modul 118 oder an irgend einer anderen wünschenswerten Stelle montiert werden.
In den Fig. 7a und 7b wird der Lichtstrahl auf ein Scanmodul abgebogen. Wie in den Fig. 7a bzw. 7b gezeigt, weisen die Scanner 106 und 107 die Laserdiode 112, die Linse 114 und das Scanmodul 118 auf. Die Linse 114, die bei den Scannern 106 und 107 verwendet wird, kann von irgendeiner Bauart sein und ist auf dem Substrat 222 montiert, welches vollständig flach ist. Die Laserdiode 112 ist auf der Laserunterbefestigung 126 montiert.
Wie in Fig. 7a gezeigt ist die Laserdiode 112 des Scanners 106 um ein Maß X über einer optischen Achse der Linse 114 ausgerichtet. Durch Ausrichtung der Laserdiode 112 in dieser Weise wird der Laserstrahl, der von der Laserdiode 112 ausgesandt wird, um einen Winkel A nach unten gebogen. Der gebogene Laserstrahl trifft auf das Scan- Modul 118, welches auf dem flachen Substrat 222 montiert ist. Das Scan-Modul 118 führt den Laserstrahl über ein Ziel in der in den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen Weise.
Wie in Fig. 7b gezeigt, weist der Scanner 107 auch ein Prisma 115 auf, welches benachbart zur Linse 114 positioniert ist. Ein Laserstrahl, der von der Laserdiode 112 ausgesandt wird, läuft durch die Linse 114 und wird durch das Prisma 115 auf das Scan-Modul 118 nach unten gebogen. Wiederum führt das Scan-Modul 118 den Laserstrahl über ein Ziel in der in den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen Weise.
Das Biegen des Laserstrahls, der von der Laserdiode 112 ausgesandt wird, eliminiert die Notwendigkeit eines geneigten Substrates. Dies sieht einen beträchtlichen Vorteil vor, da ein flaches Substrat leichter herzustellen ist, als ein geneigtes Substrat.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Scan-Modul, welches vom Bezugszeichen 119 bezeichnet wird. Der Spiegel 136, der von Scharnieren 138 getragen bzw. aufgehängt wird, dreht sich entlang einer Drehachse senkrecht zu einem auftreffenden Laserstrahl. Die Scharniere 138 werden vom Rahmen 140 getragen. Der Spiegel 136 wird in einem Winkel mit Bezug auf die Oberfläche des Substrates 222 gekippt, um einen auftreffenden Lichtstrahl senkrecht zur Oberfläche des Substrates 222 aufzufangen und abzulenken. Der Spiegel 136 wird hin und her gedreht, und zwar beispielsweise unter Verwendung der elektrostatischen Betätigung, wie oben beschrieben, was bewirkt, daß ein auftreffender Laserstrahl über ein Ziel geführt wird, wie beispielsweise über einen Strichcode.
Der in Fig. 9 gezeigte Scanner 108 sieht das Scanmodul 119 vor, welches in Fig. 8 gezeigt ist. Beim Scanner 108 sendet die Laserdiode 112, die auf dem flachen Substrat 139 montiert ist, einen Laserstrahl parallel zur Oberfläche des Substrates 139 auf den Spiegel 136 aus. Der Detektor 128 überwacht die Ausgangsgröße der Laserdiode 112. Die Scharniere 138, die auch auf dem flachen Substrat 139 montiert sind, gestatten, daß der Spiegel 136 sich dreht und den Strahl in einem erwünschten Muster ablenkt. Eine Nut 137 wird in das Substrat 139 vor der Laserdiode 112 geätzt, um eine (nicht gezeigte) Linse zu halten, um den Laserstrahl zu focusieren, der von der Laserdiode 112 ausgesandt wird.
Der Scanner 108 der Fig. 9 ist ebener als der Scanner 100 der Fig. 1, da die Komponenten einschließlich des Abtastmoduls 119 auf einem einzigen flachen Substrat 139 mit niedrigem Profil montiert werden können. Es ist nicht nur das flache Substrat 139 des Scanners 108 leichter herzustellen als das geneigte Substrat 123 des Scanners 100, es fordert auch das niedrige Profil des Scanners 108 weniger Raum als der Scanner 100, wobei somit gestattet wird, daß er in mehr Anwendungen verwendet wird.
Die Fig. 10a und 10b zeigen jeweils eine Drauf- und Seitenansicht des mikro bearbeiteten Rücksammelspiegels 135. Der mikrobearbeitete Rücksammelspiegel 135 kann anstelle des Abtastmoduls 118 oder 119 in irgendeinem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingerichtet werden. Der Spiegel 136 ist auf der Mitte des Detektors 120 montiert, der von den Scharnieren 138 getra gen wird. Der Spiegel 136 und der Detektor 120 werden entlang der Scharniere 138 durch elektrostatische Betätigung gedreht, wie oben beschrieben, was bewirkt, daß ein Laserstrahl, der auf den Spiegel 136 trifft, ein Ziel abtastet. Der Detektor 120 detektiert eine Reflektion des abgetasteten Strahls vom Ziel.
Der mikrobearbeitete Rücksammelspiegel 135 minimiert das Ausmaß des Platzes, welcher in einem Scanner erforderlich ist, und zwar durch Eliminieren der Notwendigkeit eines getrennten Detektors und Abtastspiegels. Weiterhin detektiert der Detektor 120 in dem mikro-bearbeiteten Rücksammelspiegel 135 das reflektierte Licht effektiver als ein stationärer Detektor, da der Detektor 120 immer so gedreht wird, daß er zum abgetasteten Ziel hinweist, womit somit gestattet wird, daß der Detektor 120 mehr abgestrahltes Licht empfängt, welches von dem Ziel reflektiert wird. Dies verringert auch das Rauschen (das Licht, welches nicht von dem Ziel reflektiert wurde), welches vom Detektor 130 detektiert wird.
Fig. 11 zeigt ein Abtastmodul 164 mit einer Cantilever- bzw. Hebelstruktur, die verformbare Spiegel anstelle eines sich drehenden Spiegels verwendet. Das Scan-Modul 164 weist ein Spiegelelement 150 auf, einen Träger 152, Siliziumelektroden 154, einen Oxidfilm 156, ein Siliziumsubstrat 158 und eine Spannungsquelle 160.
Das Spiegelelement 150 ist aus einem reflektierenden Material hergestellt, wie beispielsweise Aluminium, und wird elektrisch geerdet und an einem Ende des Trägers 152 befestigt. Der Träger 152 ist an der Elektrode 154 montiert, die mit einem Oxidfilm 156 zur elektrischen Isolation beschichtet ist. Die Elektrode 154 ist auf dem Substrat 158 montiert und ist mit der Spannungsquelle 160 verbunden. Die Elektrode 154 ist von dem Spiegelelement 150 durch den Luftspalt 162 getrennt.
Wenn die Spannungsquelle 160 eine Spannung auf die Elektrode 154 aufbringt, erzeugt dies ein elektrostatisches Feld innerhalb des Luftspalts 162, was eine elektrostatische Anziehung zwischen den Elektroden 154 und den entsprechenden Spiegelelement 150 verursacht. Die elektrostatische Anziehung zwingt das Spiegelelement 150, sich nach unten zu biegen und einen auftreffenden Lichtstrahl abzulenken. Die ordnungsgemäße Steuerung der Elektrostatik würde einen auftreffenden Lichtstrahl führen bzw. scannen.
Fig. 12 zeigt ein Scannersystem 200, welches einen Scanner 202 darstellt, der die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die externen Vorrichtungen 204 sind mit dem Scanner 202 durch Leitungen 206 verbunden. Das Scannersystem 200 kann beispielsweise ein stationärer Strichcodescanner oder ein in der Hand zu haltender Strichcodescanner sein.
Die Scanner der vorliegenden Erfindung werden entweder unter Verwendung der monolitischen Integration oder der Hybridintegration hergestellt. Die monolitische Integration stellt das optomechanische System vollständig auf einem einzigen Halbleiterchip her. Andererseits kombi niert eine integrierte Hybridschaltung eines oder mehrere der einzeln hergestellten Untersysteme auf einem gemeinsamen Substrat. Die Hybridintegration bietet im allgemeinen einen weniger komplizierten Prozeß als die monolitische Integration und gestattet die Kombination von genaueren Vorrichtungen.
Viele der Komponenten der vorliegenden Erfindung einschließlich der Laserdiode, der Detektoren, der Linsen und des Abtast- bzw. Scann-Moduls könnten unter Verwendung der VLSI-Technologie hergestellt werden. Wenn die · monolitische Integration verwendet wird, werden alle diese Komponenten zusammen auf einem einzigen Chip hergestellt, und zwar in einer einzelnen Serie von Prozeßschritten. Wenn die Hybridintegration verwendet wird, wird jede Komponente individuell hergestellt und auf einem gemeinsamen Substrat montiert.
Es ist jedoch nicht nötig, daß alle der Komponenten VLSI sind. Beispielsweise könnten die Linsen zur Focusierung des Lichtstrahls unter Verwendung von anderen bekannten Techniken aufgebaut werden und dann ordnungsgemäß auf den Scanner montiert werden.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Modifikationen und Variationen am Scanner der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Es wird somit beabsichtigt, daß die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen dieser Erfindung abdeckt, vorausgesetzt sie fallen in den Umfang der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Scanner (100, 102, 104) zum Scannen bzw. Führen von Licht über ein entferntes Ziel und zum Detektieren von Licht, das von dem Ziel reflektiert wird, wobei der Scanner folgendes aufweist:

eine Lichtquelle (112) zum Erzeugen des Lichts;

ein Scan-Modul (118) zum Scannen bzw. Führen von Licht über das Ziel hinweg; und

einen Detektor (120) zum Detektieren von Licht, das von dem Ziel reflektiert wird, und zum Erzeugen eines für das detektierte Licht repräsentativen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß

das Scan-Modul (118) und der Detektor (120) als eine integrierte opto-elektronische Einrichtung auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (122) ausgebildet sind.

2. Scanner (100, 102, 104) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (112) ebenfalls einen Teil der integrierten opto-elektronischen Einrichtung bildet.

3. Scanner gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Scan-Modul einen elektro-mechanischen Deflektor (136, 138) aufweist, welcher mindestens einen Spiegel (136) umfaßt, der ansprechend auf ein elektrisches Signal bewegbar ist, und zwar zum Auslenken des Lichts in einem gewünschten Muster über das Ziel hinweg.

4. Scanner (100, 104) gemäß Anspruch 3, wobei der Spiegel (136) auf dem Detektor (120) integriert ist.

5. Scanner (100, 104) gemäß Anspruch 1, wobei das Scan- Modul (118) ferner eine Linse (114) zum Fokussieren des von der Lichtquelle (112) erzeugten Lichts aufweist, wobei die Lichtquelle (112) bezüglich einer optischen Achse der Linse (114) versetzt ist.

6. Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Scan-Modul (118) einen über Scharniere angelenkten Spiegel (136) aufweist, der um seine Scharniere (138) drehbar ist.

7. Scanner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Scan-Modul (119) mikro-bearbeitet ist und folgendes umfaßt:

einen an dem Substrat befestigten Rahmen (140);

einen Scan- bzw. Führungs-Spiegel (136); und

ein Paar von Scharnieren (138), die mit dem Rahmen und entsprechenden Enden des Scan-Spiegels verbunden ist zum Aufhängen des Scan-Spiegels (136) über der Oberfläche des gemeinsamen Substrats (122) ohne zusätzliche Tragvorrichtungen und um zu gestatten, daß sich der Scan-Spiegel (136) um eine Drehachse dreht.

8. Verfahren zum Bilden eines Scanners (100, 104) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

Vorsehen einer Lichtdiode (112) zum Erzeugen eines Lichtstrahls, und

Bilden

(a) eines elektro-mechanischen Scan-Moduls (118), welches einen Spiegel (136) umfaßt, der ansprechend auf ein elektrisches Signal bewegbar ist zum Scannen des Lichtstrahls in einem gewünschten Muster über das Ziel hinweg; und

(b) eines Detektors (120) zum Detektieren des gescannten und von dem Ziel reflektierten Lichts, auf einem Halbleitersubstrat (122).

9. Verfahren zum Bilden eines Scanners (100, 104) gemäß Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch: Bilden der Lichtdiode (112) zum Erzeugen des Lichtstrahls ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat (122).