CCD扫描器

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《工程测量实用技术手册》第385页（2427字）

在条形码技术运用上，光电扫描器是一个主要的硬件设备。条形码数据的自动采集和光电信号的转换都要由光电扫描器来完成。光电扫描器的种类繁多，但它们的工作原理基本相同，都是利用光学系统读取条形码符号，由光电转换器将光信号转换成电信号，并通过电路系统对电信号进行放大和整形，最后以二进制脉冲信号输出给译码器。为了实现对条形码符号的自动扫描，有些光电扫描器还设计了光束自动扫描运动机构。光电扫描器外观虽小，但它却是光、电、机技术相结合的产物。

CCD扫描器与一般的扫描器扫描机理不同，其主要区别是采用了CCD(Charge Coupled Device)——电荷耦合装置。CCD元件是一种电子自动扫描的光电转换器，也叫CCD图像感应器。它可以代替移动光束的扫描运动机构，不需要增加任何运动机构，便可以实现对条形码符号的自动扫描。

CCD扫描器通常有两种类型：手持式和固定式。它们均属于非接触式，只是形状和操作方式不同，其扫描机理和主要元器件完全相同，如图18－4所示。扫描景深和操作距离取决于照射光源的强度和成像镜头的焦距。

图18－4 手持式CCD扫描器

1－照明光源(LED)；2－反光镜；3－透镜；4－CCD图像感应器；5－电路板；6－条形码

CCD元件采用半导体器件技术制造，通常选用具有电荷耦合性能的光电二极管或MOS电路制成。可将光电二极管排列成一维的线阵和二维的面阵。用于扫描条形码符号的CCD扫描器通常选用一维的线阵；而用于平面图像扫描的通常选用二维的面阵(也可选用一维的线阵)，一维CCD的构成如图18－5所示。光电转换元件(光敏部分)排成阵列状，其两侧均设有传送门电路和CCD移位寄存器。光电转换元件的奇数编号部分和偶数编号部分分别由不同的CCD移位寄存器传送，在输出部分再进行合并。

图18－5 一维CCD的构成

CCD元件工作原理是：关闭传送门，将电压加到感光部分的电极上以形成耗尽层，存储由光激励产生的电荷[图18－6(a)]。然后于打开传送门的同时，在传送电极下面形成耗尽层，把感光部分的存储电荷向CCD移位寄存器传送[图18－6(b)]。接着再关闭传送门，一边由CCD移位寄存器顺次传送电荷，一边在输出部分执行读出操作。在读出动作同时，在感光部分执行光电变换动作，并在耗尽层存储电荷。感光部分的光电转换元件采用MOS电容或者光电二极管等材料。

图18－6 电压加到感光部分的电极上形成耗尽层

(a)关闭传送门；(b)打开传送门

CCD元件光谱特性如图18－7所示。图中实线代表光电转换元件中使用的光电二极管；虚线代表使用MOS电容。CCD扫描器的响应波长在400～1100nm之间，其峰值波长为780nm左右。CCD扫描器通常选用红光泛光源，其波长为633nm。

图18－7 CCD元件光谱特性

CCD扫描器的工作机理是：使用多个发光二极管固定泛光源照射系统，以照明条形码符号。通过平面镜改变光的方向，再经透镜和光栅等光学系统将条形码符号映像到CCD元件上。当条形码符号映像到光电二极管阵列上时，由于条和空的反光强度不同，产生的电信号强度也不同。通过采集光电二极管阵列中每个光电二极管的电信号，从而可实现对条形码符号的自动扫描，如图18－8所示。

图18－8 CCD扫描器的工作机理

CCD扫描器的电路系统主要是由放大电路、整形电路、CCD控制电路等组成。放大电路是将CCD输出的微弱电流进行放大；整形电路是将放大后的模拟脉冲信号整形为数字信号；CCD控制电路主要是为CCD元件提供工作条件，如工作电压、移位脉冲信号等。有些CCD扫描器与译码器制成一体，如手持便携式条形码阅读器。

在CCD元件中，光电二极管阵列的排列密度和长度将决定CCD扫描器的分辨率和所能扫描的条形码符号的长度。其排列密度要保证条形码符号最窄的元素至少应被2～3个光电二极管所覆盖，以保证扫描的可靠性，提高扫描精度和首读率。常见的光电二极管阵列数有1024、2048、4096等。

CCD扫描器具有如下特点：

1)CCD扫描器操作非常方便，只要在有效景深范围内，光源照射到条形码符号即可自动完成扫描，方便操作。

2)对于不易接触的物品，如表面不平的物品、软质的物品、贵重物品、易损伤的物品等，均能方便地进行阅读。

3)CCD扫描器无任何运动部件，因此性能可靠，使用寿命较长。

4)可内设译码电路，将扫描器和译码器制成一体。

5)与激光枪相比具有耗电省，可用电池供电，体积小，便于携带的优点。

不足之处是阅读条形码符号的长度受扫描器的CCD元件尺寸限制，扫描景深不如采用激光器作光源的扫描器景深长。