条形码扫描仪：工作原理和应用场景详解

发明人：伯纳德·西尔沃（Bernard Silver）和诺曼·约瑟夫·伍德兰德（Norman Joseph Woodland）。

1952年7月，两位美国工程师伯纳德·西尔沃和诺曼·约瑟夫·伍德兰德，在宾夕法尼亚州的费城取得了最初的条形码专利权。

起源：条形码最初设想是为超市开发的，但是其技术最早为铁路行业所采纳使用，他们在火车车厢上贴上条形码，使火车车厢与相应的列车相匹配。

条形码扫描仪全球年销售量：120亿台。

主要制造商：康耐视（Cognex）、德立捷（Datalogic）、霍尼韦尔（Honeywell）、施克（SICK）、斑马（Zebra）。

线性条形码是一组可以用特殊扫描仪读取信息的代码。最常见的是超市里随处可见的通用产品代码（UPC），黑白条纹列成一排，条纹底部印刷一行数字。线性条码储存一维（1D）数据，出现在杂志、麦片盒子、糖果包装纸、汽车、图书馆卡片上，包括本书的背面。一维条形码只在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向不表达任何信息，其一定的高度通常是为了扫描仪的对准。

条形码的专利权在1952年就被授予，但在专利发布了12年后才首次投入使用。1974年6月26日是扫码界历史性的一天，在俄亥俄州的特洛伊（Ttoy Ohio）收银台，收银员扫描了第一个带有条形码的产品——10只装的箭牌果味口香糖。这包口香糖目前正在史密森尼学会的美国历史国家博物馆展出。

最近你可能注意到了二维（2D）快速响应（QR）代码，这种代码以小方块组成的形状出现在各种物品上。在水平和垂直方向的二维空间存储信息的条形码叫二维码。美国邮局、联合包裹服务公司（UPS）、航空公司、医疗保健供应商和许多其他地方使用了另外一种二维码——PDF417码。严格地说，二维码（2D）不是条形码，但是很多人仍然习惯这么称呼。因此，我们在本书中使用一维码和二维码这两个术语来表述。

条形码可以由激光扫描仪或成像仪来读取。激光扫描仪能非常迅速地将光线照射到条形码上，并将反射光线解码。成像仪使用相机拍下条形码的图像，然后由专门的软件解读条码信息。

这两种条形码扫描仪有各种不同样式。有固定不动的，比如超市的柜台扫描仪，购买的商品从固定不动的扫描仪下方通过即可完成扫码；或者是手持式的扫描仪；甚至是无线的，用于移动式操作。

激光扫描仪利用自身光源照射条形码，再接收反射的光线。也就是，激光扫描仪捕捉并记录下反射光和非反射光的模式（照射到白条上的光全部反射回来，照到黑条上光线几乎全被吸收，没有反射光），然后将这种模式转换成计算机可以管理的电信号。大多数激光扫描仪只能读取一维条形码。

超市扫描仪（零售终端扫描仪）是专门设计用来读取形状各异的、潮湿的、脏脏的或易碎的杂货物品的条形码。

接下来说说激光扫描仪的工作原理。

要将按照一定规则编译出来的条形码转换成有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程。物体的颜色是由其反射光的类型决定的，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体吸收各种物体的可见光，所以当条形码扫描仪光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条形码扫描仪内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。电信号输出到条形码扫描仪的放大电路增强信号之后，再送到整形电路，将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。要知道条形码所包含的信息，则需根据对应的编码规则（如UPC码）将条形符号转换成相应的数字、字符信息。最后由计算机系统进行数据处理和管理，物品的详细信息便被识别了。

图1　从左至右条形码示例：用于众多产品的UPC码、美国邮政使用的PDF417码、二维码

第一台条形码扫描仪需要人工专注操作才能进行扫描，它使用了非常简单的发光二极管光源（而不是激光）照射条形码。用一个光电二极管检测反射，将反射光转换成电信号。光笔式扫描仪是最原始的扫描方式，需要用手移动光笔，还要与条形码接触，因为它狭窄的光源只能分辨出笔尖的条形和条形之间的差异。到了20世纪70年代中期，激光扫描仪诞生了。通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，产生一种更强的光——一束激光。激光扫过条形码表面，无需人工移动扫描仪或移动含有条形码的物品。激光技术大大提高了扫描的速度和可靠性。

后来用全息图（被光线照射时表现得像三维物体的摄影图像）代替镜子，它的作用就像一面镜子，但重量比镜子轻并且易于机动。早期的扫描仪是通过旋转一面镜子来工作的，而全息扫描仪是通过旋转一张记录有一个或多个全息图的光盘来工作的。

1980年，全息扫描仪在零售终端上市。因为全息圆盘比镜子更容易旋转，可以通过在同一个圆盘上放置不同的全息图区域来反射不同方向的光，全息扫描成为首选。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。

现代的条形码扫描仪读取信息的速度达到每秒数百次，有多种不同的读取信息的方法。如果你在收银台里观看激光扫描仪的表面，你会看到许多纵横交错的光线。之所以采用这种方式，是因为它可以读取任何方向的条形码。

图2　旋转的全息光盘由一种化学物质组成：重铬酸盐明胶（DCG）。重铬酸盐明胶，夹在两个塑料圆盘之间。

重铬酸盐明胶是一种活性优良的全息记录材料，具有高分辨率、高信噪比、低吸收等特点，已经在全息显示、全息光学元件、全息存储方面取得较好的应用。

图3　超市里用全息圆盘激光扫描仪扫描食品、杂货工作原理图。

激光扫描仪非常适合扫描一维条形码。有些甚至可以用来扫描几码（米）以外的项目，这非常方便仓库工人扫描大型项目。不过，由于应用需求越来越多，可以同时读取一维条形码和二维码的成像仪也就变得越来越普及。

早期的条码成像仪是作为激光扫描仪的替代品而发展起来的，只能读取一维码。线性成像优于激光扫描仪的地方是能读取损坏的或印刷不好的一维条码，所以至今仍有应用市场。

如今成像仪堪称扫描界全能王，可以读取所有种类的条码，既可以读取一维码，又能够读取二维码。因为它们比激光扫描仪更不依赖于反光，所以成像仪能够在电脑和智能手机屏幕上或者其他显示终端上读取代码，包括印在纸上或塑料上的标签（代码）。你甚至可以在你的智能手机上找到一个条形码扫描仪应用程序，然后调用手机摄像头，把你手机上的摄像头作为成像器。（请尝试安装一个APP，并读取图1中的一维和二维示例条形码。）

尽管许多激光扫描仪仍在销售中，随着技术的进步和企业对条形码扫描仪能力要求的提高，以及客户需求的旺盛，成像扫描仪的市场份额正在增加，而且很可能会继续扩大。(www.xing528.com)

本节集中讨论二维区域成像扫描仪——它正在迅速取代激光扫描仪的应用市场。二维区域成像扫描仪的构成：图像传感器、译码器、光电耦合电路和外壳。

条形码扫描仪中，需要各种化学物质和材料来制造用于形成图像传感器的半导体。然后用这些半导体制造光电探测器（当光线照射到它们时，这些半导体可以传输电流）以及高纯度硅的图像传感器内部的支持电路。硅中加入杂质以改变其电学特性。使用耐光性和光反应性的化学品、蚀刻剂和其他化学品制作半导体电路。

使用各种染料和颜料的滤色镜把光分解成红、绿、蓝三种颜色。图像传感器包括微透镜（非常小的透镜），一般由环氧树脂或硅树脂制成。

译码器电路也由硅半导体材料构成。译码器的印刷电路板和集成电路通常含有少量的有毒有害物质，如铅、汞和镉。

条码扫描器的外壳通常是高强度的塑料，但柜台内的条码扫描器通常使用金属外壳。扫描仪外壳上的透明窗口通常是一种合成树脂，称为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或烯丙基二甘醇碳酸盐（也用作眼镜镜片的材料）。

用于照明的发光二极管是由如用于红色发光二极管的铝镓磷化铟和用于白色发光二极管的氮化铟镓等半导体制成的。手持式扫描仪的激光二极管也是由半导体制成的。

本节将重点介绍能够同时读取一维和二维条形码的区域成像仪。尽管这些扫描仪可以用于许多不同的需求或场所，但其基本技术是相似的：图像传感器用于捕获条形码的图像，译码器用于读取该图像。

1．图像传感器，也称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备。它是由一个像素矩阵构成的，每个像素矩阵包含一个红色传感器、一个绿色传感器和一个蓝色传感器。就像任何其他的半导体集成电路一样，图像传感器也是由硅材料制作而成。制作过程要求洁净的室内条件和专门的工艺，原始的硅片被制作成一组光敏光电探测器。在光电探测器上方形成用于放大和数据传输的半导体层。半导体层之间用于连接的导电金属是通过所谓的淀积技术添加到每一层的。

2．在光电探测器、晶体管和触点制作完成后，加入一组滤光片。用于制造彩色滤光片的材料因制造商而异。用染料或颜料将某种底材加工为红色、绿色和蓝色的滤光片。滤光片阵列中的每个滤光片元件只允许其特定的颜色通过它下面的光电探测器。

3．接下来在芯片上制作微镜头，微镜头将入射光聚焦到每个单独的像素上。在滤色片上涂抹一层透明的树脂，使滤色片表面光滑。然后在滤色片上再加一层树脂，在每个滤色镜上形成单独的圆顶透镜（见图4）。

4．完整的成像仪由像素阵列构成，如一个成像仪可能宽752像素，高480像素。

图4　图像像素的简化视图。每个像素包括用于聚焦入射光的微透镜，滤光片将红色、绿色、蓝色的光分离开，三种颜色的光每一种都有独自的光电探测器。

5．条形码扫描仪不仅能读取条形码的光反射，还能处理这些数据，并根据已知的一维和二维条形码的编写规则对其进行解码。为了实现这一功能，条形码扫描仪包含了微处理器、存储器和通信模块，以便将解码后的条形码信息输出到主机系统。这些功能模块集成在印刷电路板上。

6．成像仪可以直接安装到主电路板上，也可以用电缆或连接器连接到主电路板。

7．条形码扫描仪还具有其他功能，如一种照亮条形码的方法。照明通常是通过合并白色和红色LED后的光线来完成的。手持单元包括一个激光器或用其他方法来瞄准扫描仪一样的东西。另一个常见的功能是，当扫描条码成功时，音频输出会发出“哔哔”声。这些功能可以集成到解码器的电路板中，或者在与主电路板接口的单独的子板上。

8．完整的条形码扫描仪组件可以作为一个独立的单元出售给第三方，也可以包装在附件中赠送，或者它可以打包在手持扫描仪或柜台式扫描仪中，作为成品条码扫描仪解决方案出售。最终包装的大小和形状因设计而异。

有些条形码扫描仪可以固定安装，待扫描的物品在传送带上呼啸而过；有些则是在工厂或仓库中对物品进行手持扫描；有些设计具有坚固的外壳，以适应恶劣的工作环境或防止跌落到坚硬的地面上摔坏。

质量检查会纳入生产过程的多个环节，完整的扫描仪必须经过几个工作测试才能获得行业认可。比如测试扫描仪测试代码读取的一致性和速度，以及其他标准，如特定符号在给定扫描角度下的读取距离。

现代成像仪可以以每秒60帧甚至更快的速度读取图像。这使得扫描仪可以通过多次扫码从而保证读码的准确性，或快速读取通过扫描仪的传送带上物品的代码。

还要测试扫描仪的纠错能力，即检验扫描仪能否更好地读取某种程度上稍有瑕疵的条形码，如代码含有墨迹、条码宽度不准确等，要求扫描仪必须能够容许代码打印过程中的一些错误，并且仍然能够准确地识别读取代码。

更好的条形码正在研制中，读取条形码的扫描仪研制也必须跟上步伐。许多公司正在开发包含第三维度（3D，或蚀刻条形码）的条形码，或者使用颜色或灰度来增加可以在其上编码的信息量。

随着图像传感器和图像处理技术的不断完善，成像技术也在不断进步。随着科学技术的发展，未来扫描仪将变得越来越小巧，价格越来越便宜，一些扫描仪将包含多个传感器。这样可以获得更大的景深，也能够有效地扫描移动物体上的条形码。

在大多数情况下，扫描速度越快越好。为了提高检测线的速度，一种新的方法是添加数字版权信息系统。该系统使用半透明水印，可以放置在所有的包装上，而不会模糊产品标签。这可以节约收银员时间，收银员不必浪费时间在扫描前寻找条形码。

条形码扫描仪的成像技术与数码相机和智能手机的成像技术非常相似。因此它们不仅能够读取条形码，还为许多可能的应用程序打开了大门。随着条码扫描仪变得越来越智能，许多公司开始对其越来越多的产品信息进行编码。扫描仪可以用来获取客户忠诚度ID的信息，扫描优惠券，等等。可以想象，未来图像处理和信息存储应用的可能性几乎是无穷无尽的。