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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige optoelektronische Vorrichtungen sind insbesondere als Barcodelesergeräte zur Erfassung von Barcodes ausgebildet. Insbesondere bilden derartige Barcodelesegeräte Scanner, bei welchen die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen mittels einer Ablenkeinheit periodisch innerhalb eines Abtastbereichs geführt werden. Die von der zu erfassenden Marke, insbesondere dem Barcode zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen, weisen eine dem Kontrastmuster der Marke entsprechende Amplitudenmodulation auf. Diese Amplitudenmodulation wird in der Auswerteeinheit der optoelektronischen Vorrichtung zur Dekodierung der Marke, insbesondere des Barcodes, ausgewertet.
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Ein Problem bei der Erfassung derartiger Marken tritt dann auf, wenn diese sehr glatte Oberflächen aufweisen. Beispiele hierfür sind Barcodes zur Kennzeichnung von Blutproben in Probenröhrchen oder dergleichen. Hier tritt die Schwierigkeit auf, dass bei einer Orientierung der Sendelichtstrahlen zur Marke derart, dass die von der Marke spekulär, das heißt spiegelnd zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen direkt auf den Empfänger treffen, die Amplituden der Empfangslichtstrahlen so groß sind, dass der Empfänger geblendet wird und damit die Marke nicht erkannt werden kann.
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Um diesem Problem zu begegnen, ist es bekannt, Sender zu verwenden, die mit linear polarisiertem Licht arbeiten. Zudem ist dem Empfänger ein Polarisationsfilter, bestehend aus einer Kunststoff-Folie, vorgeordnet. Durch eine derartige Polarisationsanordnung können die unerwünschten spiegelnden Reflexe von der Marke weitgehend ausgefiltert werden, so dass im Wesentlichen nur noch diffus von der Marke zurückreflektiertes Empfangslicht auszuwerten ist.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Filterung mit den aus Kunststoff-Folien bestehenden Polarisationsfiltern stark Wellenlängen abhängig ist, so dass je nach Wellenlängenbereich der Sendelichtstrahlen eine nicht zufriedenstellende Ausfilterung der spiegelnden Reflexe erhalten wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche bei möglichst einfachem Aufbau eine erhöhte Funktionalität aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken und umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit. Das Kontrastmuster einer Marke wird anhand der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers erkannt. Die Sendelichtstrahlen sind polarisiert. Dem Empfänger ist ein Dünnfilm-Polarisationsfilter vorgeordnet, mittels dessen der von der Marke spekulär zurückreflektierte Anteil der Empfangslichtstrahlen ausgefiltert ist.
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Mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung können Marken, insbesondere Barcodes, die glatte Oberflächen aufweisen, sicher erkannt werden, wobei besonders vorteilhaft ist, dass die optoelektronische Vorrichtung auch so zur Marke orientiert sein kann, dass diese in Richtung von spekulär, das heißt spiegelnd von der Marke zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen angeordnet ist.
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Durch die Verwendung des Dünnfilm-Polarisationsfilters in dem Empfänger wird nämlich erreicht, dass die polarisierten, insbesondere linear polarisierten Sendelichtstrahlen, die von der Marke spekulär zurückreflektiert werden und als Empfangslichtstrahlen in Richtung des Empfängers geführt sind, im Dünnfilm-Polarisationsfilter erheblich effizienter ausgefiltert werden, als dies bei Verwendung eines Polarisationsfilters bestehend aus einer Kunststoff-Folie der Fall ist.
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Dies beruht darauf, dass im Gegensatz zu Polarisationsfiltern aus Kunststoff-Folie 12, die ihre Polarisationswirkung durch während des Produktionsprozesses ausgerichtete Polymerkketten erhalten, das Dünnfilm-Polarisationsfilter aus einer mehrschichtigen Anordnung dünner Filme besteht. Bei einem solchen Dünnfilm-Polarisationsfilter wird eine Polarisationswirkung erhalten, bei welcher die Transmissionen des Lichts parallel und senkrecht zur Einfallsebene der Lichtstrahlen unterschiedlich ist.
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Dieser Effekt wird erfindungsgemäß dadurch ausgenutzt, dass der dem Empfänger vorgeordnete Dünnfilm-Polarisationsfilter so orientiert ist, dass der Auftreffwinkel der Empfangslichtstrahlen auf diesen im Bereich des Brewster-Winkels des Dünnfilm-Polarisationsfilters liegt.
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Durch diese Anordnung wird das gerichtet an der Marke reflektierte Sendelicht, das einen Polarisationszustand beibehält, im genannten relevanten Wellenlängenbereich der Sendelichtstrahlen vollständig ausgefiltert. Dagegen wird der Polarisationszustand des diffus an der Marke reflektierten Anteils des Sendelichts geändert, das heißt dieser Anteil des Sendelichts wird depolarisiert. Damit gelangt dieser diffus reflektierte Anteil etwa zur Hälfte durch das Dünnfilm-Polarisationsfilter zum Empfänger und kann so zur Detektion der Marke verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft kann dabei das Dünnfilm-Polarisationsfilter so in der optoelektronischen Vorrichtung platziert werden, dass dieses einen Strahlteiler für die Sendelichtstrahlen und die Empfangslichtstrahlen bildet. Dadurch wird ein kompakter Aufbau der optoelektronischen Vorrichtung ermöglicht, insbesondere für denn Fall, dass die Sendelichtstrahlen mittels eines rotierenden Polygonspiegelrads abgelenkt werden, so dass diese periodisch innerhalb eines Abtastbereichs geführt sind. Die von einer Marke als Empfangslichtstrahlen zurückreflektierten Sendelichtstrahlen sind über das Polygonspiegelrad zum Empfänger geführt, wobei das Dünnfilm-Polarisationsfilter zwischen Polygonspiegelrad und Empfänger angeordnet ist.
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Alternativ kann die optoelektronische Vorrichtung als Video-Sensor ausgebildet sein. Hierzu ist als Sender eine Beleuchtungseinheit und als Empfänger eine Kamera vorgesehen.
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Die Kamera kann dabei in Form eines matrixförmigen CMOS- oder CCD-Arrays ausgebildet sein. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass keine beweglichen Teile zur Strahlablenkung vorgesehen sein müssen.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäß verwendeten Dünnfilm-Polarisationsfilters besteht im Gegensatz zu bekannten, aus Kunststoff-Folie bestehenden Polarisationsfiltern darin, dass mit diesem Dünnfilm-Polarisationsfilter spiegelnde Reflexe in einem weiten Wellenlängenbereich der Sendelichtstrahlen unterdrückt werden können. Dies gilt insbesondere dann wenn der Sender von einem Laser gebildet ist, der Sendelichtstrahlen im blauen Wellenlängenbereich emittiert oder allgemein für Sender, die Sendelicht im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 480 nm emittieren.
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Im Vergleich zu den bisherigen Sendern, welche Sendelichtstrahlen im roten oder im infraroten Wellenlängenbereich emittieren, erfolgt bei Verwendung von blauem Sendelicht eine erheblich langsamere Strahlaufweitung mit zunehmender Entfernung zu der Brennebene der Sendelichtstrahlen. Dies hat zur Folge, dass die Sendelichtstrahlen auch in größeren Distanzen zur Brennebene noch einen so kleinen Strahldurchmesser aufweisen, dass eine sichere Detektion der Marken gewährleistet ist. Somit wird durch die Verwendung eines im blauen Wellenbereich emittierenden Senders der nutzbare Lesebereich der Vorrichtung vergrößert.
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Besonders vorteilhaft ist der Sender als Halbleiterelement, vorzugsweise in Form einer Laserdiode oder auch in Form einer Leuchtdiode ausgebildet. Dadurch kann der Sender auf einfache Weise in der Vorrichtung platzsparend montiert werden. Insbesondere ist bei der Verwendung von derartigen Sendern im Vergleich zu im rotem Bereich oder infraroten Bereich emittierenden Sendern kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand notwenig.
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Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von Sendelicht, das anstelle im roten im blauen Wellenlängenbereich liegt, besteht in einer Reduzierung des sogenannten Speckle-Rauschen, welches beispielsweise in der
DE 100 56 232 beschrieben ist. Dadurch bedingt wird ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei der Abtastung der Marken erhalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.
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2: Verteilung von diffus und gerichtet reflektierten Anteilen von auf einem Barcode auftreffenden Sendelichtstrahlen.
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3: Zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.
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In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfinddungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken dargestellt. Prinzipiell können die Marken beliebige Folgen und Formen von aneinander angrenzenden Hell-Dunkelflächen, vorzugsweise Schwarz-Weiß-Flächen, aufweisen. Im Folgenden soll die Erfindung für den Fall erläutert werden, dass die Marken von Barcodes 2 gebildet sind. Die Barcodes 2 bestehen im Wesentlichen aus einer alternierenden Folge von hellen und dunklen, vorzugsweise schwarzen und weißen Linienelementen definierter Länge und Breite.
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Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 und einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Dem Sender 4 ist vorteilhaft eine nicht dargestellte Sendeoptik zugeordnet, dem Empfänger 6 ist entsprechend eine Empfangsoptik zugeordnet. Die Sende- und Empfangsoptik können jeweils von einer Linse gebildet sein. Der Sender 4 emittiert Sendelichtstrahlen 3 im blauen Wellenlängenbereich. Die Zentralwellenlänge des Senders 4, bei welcher die maximale Leistung abgestrahlt wird, liegt vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 350–480 nm. Dabei kann der Sender 4 entweder als Laserdiode oder Leuchtdiode ausgebildet sein. Je nach Ausbildung des Senders 4 kann dieser nur blaues Licht abstrahlen. Alternativ kann der Sender 4 auch über einen breiten Wellenlängenbereich emittieren, welcher teilweise im grünen oder im nahen Ultraviolett-Bereich liegt. Vorzugweise können in diesem Fall dem Sender 4 Farbfilter nachgeordnet sein, welche die Anteile des Sendelichts, welche beispielsweise im grünen Wellenlängenbereich liegen, ausfiltern. Durch die Verwendung von im blauen Wellenlängenbereich emittierenden Sendern 4 kann ein großer Lesebereich der Vorrichtung 1 erzielt werden. Die Sendelichtstrahlen 3 werden über eine Ablenkeinheit, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einen rotierenden Polygonspiegelrad 7 gebildet ist, abgelenkt und über den zu detektierenden Barcode 2 geführt. Die Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur in 1 dargestellten Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.
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Die vom Barcode 2 reflektierten Empfangslichtstrahlen 5 werden über das Polygonspiegelrad 7 zum Empfänger 6 geführt. Der Empfänger 6 besteht aus einer Fotodiode, in der die Empfangslichtstrahlen 5 in ein analoges elektronisches Empfangssignal gewandelt werden.
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Die am Ausgang des Empfangselements anstehenden Empfangssignale werden der Auswerteeinheit zugeführt, welche beispielsweise als Microcontroller ausgebildet ist.
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In der Auswerteeinheit werden die analogen Empfangssignale beispielsweise mittels einer Schwellwerteinheit in eine binäre Signalfolge gewandelt. Zur Erkennung eines Barcodes 2 wird diese Signalfolge mit einer dem Kontrastmuster des Barcodes 2 entsprechenden, in der Auswerteeinheit abgespeicherten Signalfolge verglichen.
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Im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 ist ein Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 angeordnet, der nicht nur eine Polarisation der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 besitzt, sondern auch als Strahlteiler für die Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 dient. Das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 besteht aus einer Mehrfachanordnung dünner, vorzugsweise auf einem Substrat aufgedampfter Schichten, die jeweils polarisierende Elemente für das auftreffende Licht bilden. Das so ausgebildete Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 weist für δ-polarisiertes Licht, das heißt Licht, das senkrecht zur Einfallsebene des Licht polarisiert ist, und für π-polarisiertes Licht, das heißt Licht das parallel zur Einfallebene des Licht polarisiert ist, eine unterschiedliche Transmission oder Reflexion auf. Das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 ist so im Strahlengang angeordnet, dass die Empfangslichtstrahlen 5 zumindest näherungsweise im Brewster-Winkel des Dünnfilm-Polarisationsfilters auf das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 auftreffen. Dabei ist der Empfänger 6 so weit vom Polygonspiegelrad 7 entfernt angeordnet, dass die Empfangslichtstrahlen 5 zumindest näherungsweise parallel geführt auf das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 auftreffen, so dass das gesamte Lichtbündel der Empfangslichtstrahlen 5 im Brewster-Winkel auf das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 auftrifft. Die vom Sender 4 emittierten Sendelichtstrahlen 3 sind linear und senkrecht zu deren Einfallsebene auf dem Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 polarisiert, das heißt der Sender 4 emittiert δ-polarisiertes Licht. Dies wird beispielsweise durch ein direkt dem Sender 4 zugeordnetes nicht dargestelltes Polarisationsfilter erreicht. Durch das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 wird erreicht, dass nur π-polarisiertes Empfangslicht auf den Empfänger 6 gelangt.
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Durch die erfindungsgemäße, in 1 dargestellte Anordnung des Dünnfilm-Polarisationsfilters 8 im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5 wird erreicht, dass nur der diffus von Barcode 2 reflektierte Anteil des Empfangslichts, nicht aber der gerichtet reflektierte Anteil des Empfangslichts zu Empfänger 6 gelangt.
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Die Anteile der unterschiedlich reflektierten Empfangslichtstrahlen 5 sind in 2 veranschaulicht. 2 zeigt die in einem bestimmten Einfallswinkel auf einen Barcode 2 auftreffenden Sendelichtstrahlen. Am Barcode 2 wird ein Teil dieser Sendelichtstrahlen 3 als Empfangslicht 5a spekulär, das heißt gerichtet in einem Ausfallswinkel β zurückreflektiert, wobei der Ausfallswinkel β den Einfallswinkel α entspricht. Der restliche Teil der Sendelichtstrahlen 3 wird als Empfangslicht 5b in einem zweiten Winkelbereich diffus reflektiert.
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Bei Barcodes 2 mit glatten Oberflächen, wie sie insbesondere zur Kennzeichnung von Blutproben auf Probenröhrchen verwendet werden, ist der Anteil an spekulär reflektiertem Licht sehr groß. Wird dann die optoelektronische Vorrichtung 1 senkrecht zum Barcode orientiert, wird dieser hohe Anteil an spekulär reflektiertem Licht direkt zum Empfänger 6 zurückreflektiert. Dadurch wird der Empfänger 6 geblendet und der Barcode 2 kann nicht mehr gelesen werden.
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Dieser unerwünschte Effekt wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 1 vermieden. Durch die spezifischen Eigenschaften des Dünnfilm-Polarisationsfilter, dass dieses für π-polarisiertes Licht und δ-polarisiertes Licht eine unterschiedliche Transmission aufweist, wird der spekulär am Barcode 2 reflektierte Anteil des Empfangslichts 5a im Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 vollständig ausgefiltert und kann somit den Empfänger 6 nicht blenden. Diese Filterwirkung ergibt sich durch die physikalischen Eigenschafen des Dünnfilm-Polarisationsfilters 8 und dessen spezifischer Orientierung im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 3 und Empfangslichtstrahlen 5. Dadurch weist das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 für die einfallenden δ-polarisierten Sendelichtstrahlen 3 eine hohe Reflektivität von > 90% auf, aber auch für die π-polarisierten Anteile der Empfangslichtstrahlen 5 eine Transmission von > 90% auf, wogegen δ-polariserte Empfangslichtstrahlen 5 ausgefiltert werden. Da die δ-Polarisation der Sendelichtstrahlen 3 für den spekulär reflektierten Anteil der Empfangslichtstrahlen 5 bei der Reflexion am Barcode 2 erhalten bleibt, die von Barcode 2 diffus reflektierten Empfangslichtstrahlen 5 jedoch depolarisiert werden, wird somit mit dem Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 der spekulär reflektierte Anteil der Empfangslichtstrahlen 5 ausgefiltert, nicht jedoch der diffus reflektierte Anteil der Empfangslichtstrahlen 5. Dies gilt für einen großen Wellenlängenbereich der Sendelichtstrahlen, insbesondere auch für Sendelichtstrahlen 3 im blauen Wellenlängenbereich.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 2 entspricht der Anordnung gemäß 1 dahingehend, dass die Sendelichtstrahlen 3 des Senders 4 und die Empfangslichtstrahlen 5 über ein reflektierendes Polygonspiegelrad 7 geführt und, wobei die Empfangslichtstrahlen 5 in einem dem Brewster-Winkel des Dünnfilm-Polarisationsfilters entsprechenden Auftreffwinkel auf dem Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 auftreffen. Anders als bei der Ausführungsform der 1 bildet jedoch bei der Ausführungsform der 2 das Dünnfilm-Polarisationsfilter 8 keinen Strahlteiler mehr. Anstelle dessen ist zur Strahlumlenkung der Empfangslichtstrahlen 5 in Richtung des Empfängers 6 ein Hohlspiegel 9 vorgesehen. Die Hohlspiegel 9 weist eine zentrale Bohrung 10 auf, durch welche die Sendelichtstrahlen 3 geführt sind. Diese Bohrung übernimmt somit die Funktion einer Blende für die Sendelichtstrahlen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optoelektronische Vorrichtung
- 2
- Barcode
- 3
- Sendlichtstrahlen
- 4
- Sender
- 5
- Empfangslichtstrahlen
- 5a
- Empfangslicht
- 5b
- Empfangslicht
- 6
- Empfänger
- 7
- Polygonspiegelrad
- 8
- Dünnfilm-Polarisationsfilter
- 9
- Hohlspiegel
- 10
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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