DE19726581A1

DE19726581A1 - Optoelektronische Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Fokusanlage einer solchen Vorrichtung

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Publication number: DE19726581A1
Application number: DE19726581A
Authority: DE
Inventors: Hans-Werner Pierenkemper; Juergen Reichenbach
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: DE19726581C5; US6119942A; DE19726581C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage einer optoelektrischen Vorrichtung, insbesondere eines Strichcodelesers. Wei terhin ist die Erfindung auf eine optoelektronische Vorrichtung, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens dieser Art, gerichtet.

Um optoelektronische Vorrichtungen dieser Art, insbesondere Strichcodeleser, möglichst flexibel einsetzen zu können, ist es bekannt, die Fokuslage, d. h. den Abstand zwischen dem Konvergenzpunkt des ausgesandten Lichtstrahls und einem bezüglich der optoelektronischen Vorrichtung festgelegten Fixpunkt, bei spielsweise der Austrittsöffnung des Lichtstrahls aus dem Gehäuse der opto elektronischen Vorrichtung, aus einer Reihe von durch das Gerätedesign vorde finierten Fokuslagen auszuwählen. Dazu kann beispielsweise die Fokussierlinse über einen Schrittmotor in Richtung ihrer optischen Achse verschoben oder ver kippt werden, so daß der Abstand zwischen der Linse und dem das Licht aus sendenden Element, beispielsweise einer Laserdiode, verstellbar ist.

Im Rahmen des Herstellungsprozesses dieser optoelektronischen Vorrichtungen werden in einem Kalibrierverfahren Schrittmotorstellungen und Linsenpositio nen einander zugeordnet, durch die die gewünschten Werte für die unterschied lichen Fokuslagen erreicht werden.

Je nach Anwendungsfall bestehen sehr hohe Anforderungen an die Langzeitsta bilität dieser einzustellenden Werte der Fokuslagen, so daß die Toleranzen für die einzelnen Baugruppen sehr gering zu halten sind. Beispielsweise beträgt die geforderte Positionsgenauigkeit für die Gegenstandsweite (Abstand Laserdiode - Linse) im Einzelfall weniger als ± 0,5 µm.

Aufgrund dieser extremen Anforderungen an die Langzeitstabilität der geometri schen Anordnung der einzelnen optischen Elemente können für die Verstellung der Linse nur Verfahren verwendet werden, die die erforderliche hohe Präzision über die gesamte zu erwartende Lebensdauer der optoelektronischen Vorrich tung gewährleisten. Diese Verfahren und die dazu benötigten mechanischen Einrichtungen sind sehr aufwendig und damit sehr kostenintensiv herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optoelektrische Vorrichtung sowie ein Verfah ren zum Betreiben dieser Vorrichtung anzugeben, mit denen ein exaktes und sicheres Einstellen unterschiedlicher Fokuslagen auch ohne die beschriebenen aufwendigen und damit kostenintensiven konstruktiven Maßnahmen gewährlei stet ist.

Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage einer einen Lichtstrahl durch eine Fokussierlin se aussendenden optoelektronischen Vorrichtung, insbesondere eines Strich codelesers, bei dem die Breite des ausgesandten Lichtstrahls an einer bestimm ten Referenzposition bzw. ein für diese Breite repräsentativer Wert ermittelt und aus der ermittelten Breite bzw. dem ermittelten Wert die Fokuslage bestimmt wird.

Der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird durch eine optoelektroni sche Vorrichtung, insbesondere einen Strichcodeleser, gelöst, die einen einen Lichtstrahl aussendenden Sender, eine den ausgesandten Lichtstrahl fokussie rende Linse, einen lichtempfindlichen Sensor, der zum Empfangen des von dem Sender ausgesandten Lichtstrahls angepaßt und angeordnet sowie zum Erzeu gen eines für die Breite des Lichtstrahls an einer bestimmten Referenzposition repräsentativen Signals ausgebildet ist, sowie eine mit dem Sensor verbundene Auswerteschaltung, durch die aus dem von dem Sensor erzeugten Signal die Fokuslage der optoelektronischen Vorrichtung ermittelbar ist, umfaßt.

Der Erfindung liegt die grundsätzliche Überlegung zugrunde, daß zur Einstel lung bestimmter Fokuslagen bei der Einregelung dieser Fokuslage jeweils die tatsächliche Ist-Fokuslage erfaßbar sein soll. Dabei soll die Fokuslage für Vor richtungen erfaßbar sein, die bei einer Baugröße von weniger als 100 mm Kan tenlänge Leseabstände bis zu 2,5 m und im Extremfall bis zu 5 m ermöglichen sollen.

Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der jeweiligen Ist-Fokuslage die Breite des abgesandten Lichtstrahls an einer vorgegebenen Referenzposition bzw. ein für diese Breite repräsentativer Wert ermittelt. Auch wenn im weiteren jeweils nur auf die Breite des Lichtstrahls bezug genommen wird, so kann bei dem er findungsgemäßen Verfahren jeweils anstelle der Breite ein für die Breite reprä sentativer Wert bestimmt und dem Verfahren zugrunde gelegt werden.

Aus der jeweils ermittelten Breite wird anschließend die Ist-Fokuslage bestimmt. Durch die Erkenntnis, daß zwischen der Breite des Lichtstrahls und der Fokus lage ein eindeutiger Zusammenhang besteht, kann anstelle der Ist-Fokuslage die Breite des Lichtstrahls an einem bestimmten Referenzpunkt ermittelt werden. Dies ist vorteilhaft, da die Ermittlung der Breite des Lichtstrahls leichter und genauer durchgeführt werden kann als die unmittelbare Ermittlung der jeweili gen Ist-Fokuslage.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der aus gesandte Lichtstrahl über eine Umlenkvorrichtung, insbesondere über ein rotie rendes Spiegelrad, umgelenkt. Dabei wird der ausgesandte Lichtstrahl durch die Umlenkvorrichtung insbesondere periodisch verschwenkt.

Bevorzugt überstreicht der ausgesandte Lichtstrahl einen lichtempfindlichen Sensor, wobei aus der Dauer des Überstreichens die Breite des Lichtstrahls er mittelt wird. Somit kann die beispielsweise bei Strichcodelesern übliche Ver schwenkung des Abtaststrahls gleichzeitig dazu verwendet werden, die Breite des Abtaststrahls und damit die jeweilige Ist-Fokuslage zu ermitteln. Der dabei verwendete Sensor wird vorteilhaft nicht nur zur Ermittlung der Breite des Ab taststrahls sondern beispielsweise zur Scan-Synchronisation oder als Referenz element zur Abstandsmessung verwendet. Somit sind die für die Bestimmung der Breite des Abtaststrahls entstehenden zusätzlichen Kosten so gering, daß sie vernachlässigt werden können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erzeugt der Sensor ein im wesentlichen pulsförmiges Signal, wobei die Pulsdauer des Si gnals bestimmt wird und aus der Pulsdauer die Breite des Lichtstrahls ermittelt wird. Zur Bestimmung der Pulsdauer des von dem Sensor während des Über streichens durch den Abtaststrahl erzeugten Signals kann beispielsweise die Anzahl der Taktimpulse gezählt werden, die auftreten, während das Ausgangs signal des Sensors einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Anzahl der gezählten Taktsignale ergibt somit ein Maß für die Pulsdauer für das vom Sensor erzeugte Signal. Bei Kenntnis der Geschwindigkeit, mit der der Licht strahl den Sensor überstreicht, kann aus dieser Geschwindigkeit und der Dauer des Überstreichens des Sensors, die der ermittelten Pulsdauer des Ausgangs signals des Sensors entspricht, die Breite des Lichtstrahls ermittelt werden. Wird der Lichtstrahl beispielsweise durch ein rotierendes Spiegelrad abgelenkt, so kann die Abtastgeschwindigkeit am Ort des Sensors aus der Drehgeschwindig keit des Spiegelrads und dem Abstand zwischen dem Spiegelrad und dem Sen sor berechnet werden.

Bevorzugt ist im Strahlengang vor dem Sensor eine Blende, insbesondere eine Schlitzblende, vorgesehen, wobei der Lichtstrahl über die Blende geführt wird, so daß lediglich der durch die Blende hindurchtretende Teil des Lichtstrahls den hinter der Blende angeordneten Sensor überstreicht. Dadurch wird erreicht, daß der Sensor lediglich von einem sehr dünnen, definierten Ausschnitt der Quer schnittsfläche des Lichtstrahls überstrichen wird, so daß die Pulsdauer des von dem Sensor erzeugten Ausgangssignals sehr exakt bestimmt werden kann.

Bevorzugt ist der Sensor im Randbereich des Schwenkwinkels des verschwenk ten Lichtstrahls angeordnet, so daß der von dem Lichtstrahl abgetastete Bereich nur minimal eingeschränkt wird. Es ist jedoch auch möglich, den Lichtstrahl über einen Strahlteiler auf den Sensor bzw. auf die Blende zu leiten, so daß der durch den Strahlteiler nicht auf den Sensor bzw. auf die Blende geleitete Teil des Lichtstrahls ungehindert den Abtastbereich über den gesamten Schwenkwinkel überstreicht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Refe renzposition, an der die Breite des ausgesandten Lichtstrahls bestimmt wird, innerhalb der optoelektronischen Vorrichtung, insbesondere nahe an dem den Lichtstrahl aussendenden Sendeelement gelegen. Dadurch kann eine sehr kom pakte Bauweise der optoelektronischen Vorrichtung erreicht werden, wobei ins besondere sämtliche Bauelemente einschließlich des zur Breitenbestimmung erforderlichen Sensors sowie vorteilhaft auch der Auswerteschaltung innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet werden können.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fo kuslage aus der ermittelten Breite des Lichtstrahls anhand einer vorgegebenen Gleichung berechnet. Durch die Berechnung der Fokuslage aus der ermittelten Breite ist eine unmittelbare und damit eine direkte Bestimmung der jeweiligen Fokuslage möglich. Da die Berechnung jedoch relativ aufwendig und zeitintensiv ist, wird nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Fokuslage ab hängig von der ermittelten Breite aus einer insbesondere in einem Speicher ab gespeicherten, vorgegebenen Tabelle abgeleitet. Die gespeicherten Werte können dabei bevorzugt dadurch erzeugt werden, daß in einem Lernverfahren für eine Vielzahl von Fokuslagen die jeweils zur einer Fokuslage korrespondierende Breite des Lichtstrahls bestimmt, insbesondere gemessen wird und daß jeweils die ermittelte Breite zusammen mit bzw. abhängig von der korrespondierenden Fokuslage abgespeichert wird.

Erfindungsgemäß erfolgt somit eine Kalibrierung auf eine Vielzahl von Fokusla gen und somit auf einen Fokuslagenbereich, wobei diese Kalibrierung gegen über der reinen Berechnung der Fokuslage den Vorteil hat, daß gerätespezifi sche Toleranzen unmittelbar durch die Kalibrierung miterfaßt werden. Nach Er mittlung der Breite des Lichtstrahls kann somit die zugehörigen Fokuslage un mittelbar durch Auslesen des entsprechenden Wertes aus der abgespeicherten Tabelle erhalten werden. Falls der ermittelte Breitenwert des Lichtstrahls nicht unmittelbar in der Tabelle abgespeichert sein sollte, so kann der entsprechende Wert der Fokuslage durch Interpolation ermittelt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird anhand der ermittelten Fokuslage die optoelektronische Vorrichtung so lange verstellt, insbesondere die Linse verkippt und/oder entlang ihrer optischen Achse ver schoben, bis eine vorgegebene Fokuslage erreicht wird. Dabei wird die ermittelte Fokuslage bevorzugt einem Regelkreis zugeführt, die ermittelte Fokuslage mit der vorgegebenen Fokuslage verglichen, und durch den Regelkreis die optoelek tronische Vorrichtung verstellt, insbesondere die Position der Linse so lange ver ändert, bis die ermittelte Fokuslage im wesentlichen gleich der vorgegebenen Fokuslage ist.

Durch die erfindungsgemäße Regelung der Fokuslage kann die exakte Einstel lung einer gewünschten Fokuslage auch dann gewährleistet werden, wenn die ursprünglich bei der Herstellung der Vorrichtung bestimmten Werte für den Verstellmechanismus, beispielsweise aufgrund von Verschleiß oder anderer Langzeiteffekte, nicht mehr exakt jeweils der gewünschten Fokuslage entspre chen. Durch die erfindungsgemäße Ermittlung der Ist-Fokuslage und der erfin dungsgemäßen Regelung wird der Verstellmechanismus so lange angesteuert, bis die gewünschte Fokuslage der ermittelten Ist-Fokuslage entspricht und so mit exakt eingestellt ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Ob jektabstand zu einem von dem Lichtstrahl abgetasteten Objekt ermittelt, der er mittelte Objektabstand mit der ermittelten Fokuslage verglichen und die opto elektronische Vorrichtung so lange verstellt, insbesondere die Position der Linse verändert, bis der Objektabstand im wesentlichen gleich der ermittelten Fokus lage ist. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung eine automatische Schärfenein stellung und somit ein Autofokus-System realisiert werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das aus gesandte Licht im sichtbaren Bereich. Dementsprechend sind sowohl das Sen deelement als auch der Sensor wie die übrigen optischen Elemente der Vor richtung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung von sichtbarem Licht ausgebildet. Grundsätzlich kann jedoch das ausgesandte Licht im nicht sichtbarem Bereich, beispielsweise im Infrarotbereich liegen. In diesem Fall sind das Sendeelement, der Sensor sowie die übrigen optischen Elemente zum Aussenden bzw. Empfan gen und Verarbeiten von Licht entsprechender Wellenlänge ausgebildet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angege ben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben; in diesen zeigen:

Fig. 1 den Strahlungsverlauf eines von einer Fokussierlinse fokussierten Lichtstrahls mit zwei verschiedenen Fokuslagen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer erfin dungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung,

Fig. 3 eine von dem Sensor einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vor richtung erzeugte Impulsfolge,

Fig. 4 die erfindungsgemäß digitalisierte Impulsfolge nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Diagramm mit gemessenen Pulsbreiten für Verschiedene Fo kuslagen und

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung von berechneten und durch Messung ermittelten Lichtstrahlbreiten bezogen auf unter schiedliche Fokuslagen.

Fig. 1a zeigt eine Linse 1, die einen ein Lichtbündel endlicher Dicke darstellen den Lichtstrahl 2 in einen auf der optischen Achse 3 der Linse 1 liegenden Kon vergenzpunkt 4 fokussiert.

Der Abstand zwischen dem Konvergenzpunkt 4 und der Linse 1 wird im folgen den als Fokuslage 5 bezeichnet. Prinzipiell kann als Fokuslage 5 der Abstand zwischen dem Konvergenzpunkt 4 und einem beliebigen anderen, gegenüber der Linse 1 oder dem den Lichtstrahl aussendenden Sendeelement ortsfesten Punkt bezeichnet werden.

An einer Position x zwischen der Linse 1 und dem Konvergenzpunkt 4 ist die Breite 6 des Lichtstrahls 2 durch einen schwarzen Balken gekennzeichnet, wo bei diese Breite bei einem Lichtstrahl 2 mit kreisförmigem Durchmesser den Durchmesser des Lichtstrahle 2 an dieser Position x angibt.

In Fig. 2b ist die Anordnung nach Fig. 2a bei verringerter Fokuslage 5' darge stellt. Man erkennt, daß die Breite 6' des Lichtstrahls 2 an der Position x deut lich kleiner ist als die Breite 6 nach Fig. 1a.

Die Erfindung macht sich die in Fig. 1 schematisch dargestellte Erkenntnis zunutze, daß die Breite des Lichtstrahls 2 an einer vorgegebenen Position x zu der jeweiligen Fokuslage korrespondiert, so daß aus der ermittelten Breite des Lichtstrahls auf die jeweilige tatsächliche Fokuslage geschlossen werden kann.

Um die Breite des Lichtstrahls und damit die tatsächliche Fokuslage ermitteln zu können, kann beispielsweise die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vor richtung verwendet werden.

In Fig. 2 sendet ein als Laserdiode ausgebildeter optischer Sender 7 einen Lichtstrahl 8 durch eine Linse 9 und durch eine in Strahlrichtung hinter der Linse 9 gelegene Blende 10 in Richtung eines rotierenden Spiegelrades 11. Die Fokuslage der Vorrichtung ist dabei durch eine nicht dargestellte Verstellvor richtung, durch die beispielsweise die Linse 9 entlang ihrer optischen Achse 3 verschiebbar oder verkippbar ist, einstellbar.

Das Spiegelrad 11 ist als Polygonspiegelrad ausgebildet, an dessen Außenseite acht ebene Spiegelelementen 12 vorgesehen sind, und ist über einen nicht dar gestellten Antriebsmotor im Uhrzeigersinn antreibbar, wie es durch einen Pfeil 13 angedeutet ist.

Der auf die jeweiligen Spiegelelemente 12 auftreffende Lichtstrahl 8 wird von den Spiegelelementen 12 reflektiert, so daß der reflektierte Lichtstrahl 8' beim Rotie ren des Spiegelrades 11 periodisch einen sich über einen Winkel α erstrecken den Abtastbereich 14 überstreicht.

Im in Fig. 2 unten dargestellten Randbereich des Abtastbereichs 14 ist eine Blende 15 mit einer Blendenöffnung 16 sowie ein hinter der Blende 15 angeord neter, als Fotodiode ausgebildeter lichtempfindlicher Sensor 17 angeordnet, der mit einer Auswerteschaltung 18 verbunden ist.

Der mit 8' bezeichnete, an einem der Spiegelelemente 12 reflektierte Lichtstrahl überstreicht beim Rotieren des Spiegelrades 11 die Blende 15, so daß während des Überstreichens der Blendenöffnung 16 Licht auf den Sensor 17 auftrifft. Durch den auf den Sensor 17 auftreffenden, eine endliche Breite besitzenden Lichtstrahl 8' wird ein elektrisches Signal erzeugt, das der Auswerteschaltung 18 zugeführt und von dieser verarbeitet und ausgewertet wird, wie es im folgenden naher beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt das Ausgangssignal des Sensors 17, das beim dreimaligen Über streichen der Blendenöffnung 16 durch den reflektierten Lichtstrahl 8' erzeugt wird.

Solange der Sensor 17 nicht durch Licht beaufschlagt wird, ist die am Ausgang des Sensors 17 anliegende Ausgangsspannung U im wesentlichen gleich Null. Zum Zeitpunkt t₁ hat der äußere Rand des reflektierten Lichtstrahls 8' die zum Lichtstrahl hin gelegene Kante der Blendenöffnung 16 erreicht, so daß der nicht durch die Blende 16 abgeschirmte Teil des reflektierten Lichtstrahls 8' auf den Sensor 17 auftrifft und ein Ansteigen der Ausgangsspannung U bewirkt. Die Ausgangsspannung U steigt so lange an, bis der reflektierte Lichtstrahl 8' über seine gesamte Breite durch die Blendenöffnung 16 hindurchtritt und auf den Sensor 17 auftrifft.

Die von dem Sensor 17 erzeugte Ausgangsspannung U bleibt bei einer weiteren Bewegung des reflektierten Lichtstrahls 8' im wesentlichen konstant, bis die führende Kante des Lichtstrahls 8' die in Überstreichrichtung liegende Kante der Blendenöffnung 16 erreicht. Bei einer weiteren Bewegung des Lichtstrahls 8' wird ein immer größerer Bereich des Lichtstrahls 8' von der Blende 15 abge schirmt, so daß die Ausgangsspannung U des Sensors 17, wie in Fig. 3 darge stellt, gegen Null absinkt, bis sie zum Zeitpunkt t₂ wieder im wesentlichen gleich Null ist.

Auf diese Weise erzeugt jedes Überstreichen des reflektierten Lichtstrahls 8' über die Blendenöffnung 16 einen Spannungsimpuls 19 am Ausgang des Sen sors 17.

Erfindungsgemäß werden diese Spannungsimpulse einer in der Auswerteschal tung 18 vorgesehenen Schwellwertschaltung zugeführt, die bei Überschreiten einer Schwellwertspannung U_S ein binäres Signal mit Impulsen 20 erzeugt, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Breite eines Impulses 20 ist jeweils ein Maß für die Dauer des Überstreichens der Blendenöffnung 16 durch den reflektierten Lichtstrahl 8'. Da diese Zeitdauer wiederum abhängig von der Breite des reflek tierten Lichtstrahls 8' ist, kann diese aus der ermittelten Dauer der Impulse 20 sowie der Geschwindigkeit des Lichtstrahls 8' am Ort des Sensors 17 berechnet werden. Dabei ist die Berechnung der Geschwindigkeit des Lichtstrahls 8' am Ort des Sensors 17 wiederum aus der bekannten Rotationsgeschwindigkeit des Spiegelrades 11 und dem Abstand zwischen dem Spiegelrad 11 und dem Sensor 17 berechenbar.

Die mit Hilfe der Auswerteschaltung bestimmten Zeitdauern der Pulse 20 sind auf die Schaltschwelle U₅, die beispielsweise 50% der Signalamplitude entspre chen kann, bezogen, wobei über eine Peakdetektorschaltung Intensitätsschwan kungen beispielsweise aufgrund von unterschiedlichem Remissionsverhalten der unterschiedlichen Spiegelelemente 12 berücksichtigt werden können.

In Fig. 5 sind die für eine Vielzahl von unterschiedlichen Fokuslagen ermittel ten Breiten der Impulse 20 graphisch in einer Kurve 21 dargestellt. Aus dem monoton ansteigenden Verlauf der Kurve 21, die den funktionellen Zusammen hang zwischen den jeweiligen Fokuslagen und den entsprechenden Breiten der Impulse 20 darstellt, ist ersichtlich, daß über die Bestimmung der Breiten der Impulse 20 sehr einfach eine Bestimmung der jeweils tatsächlichen Fokuslage möglich ist.

Nach Umrechnung der Breiten der Impulse 20 über die Geschwindigkeit des Lichtstrahls 8' am Ort des Sensors 17 in die Breite des Lichtstrahls 8' am Ort des Sensors 17 ergibt sich die in Fig. 6 in einer Kurve 22 dargestellte Abhän gigkeit zwischen der Breite des Lichtstrahls 8' und der jeweils zugeordneten Fo kuslage.

Ebenfalls in Fig. 6 ist die rechnerisch ermittelte Abhängigkeit zwischen der je weiligen Fokuslage und der Breite des Lichtstrahls 8' in einer Kurve 23 darge stellt. Der Vergleich der Kurven 22 und 23 zeigt deutlich die gute Übereinstim mung zwischen der berechneten Abhängigkeit und den gemessenen Werten.

In der praktischen Anwendung wird beispielsweise in einem Lern- bzw. Kali brierverfahren für eine Vielzahl von vorgegebenen Fokuslagen jeweils die zuge ordnete Breite des Lichtstrahls 8' am Ort des Sensors 17 bestimmt. Die auf diese Weise ermittelten Abhängigkeiten werden in einem Speicher abgelegt, wo sie für den Betrieb der Vorrichtung abrufbar sind.

Soll im Betrieb der Vorrichtung eine bestimmte Fokuslage eingestellt werden, so kann aus dem Speicher der entsprechende Breitenwert des Lichtstrahls 8' aus gelesen werden, woraufhin dieser ausgelesene Breitenwert mit dem über den Sensor 17 und die Auswerteschaltung 18 tatsächlich ermittelten Breitenwert verglichen wird. Über einen Regelkreis wird die Position der Linse 9 so lange ver stellt, bis der über die Auswerteschaltung 18 erhaltene tatsächliche Breitenwert des Lichtstrahls 8' dem aus dem Speicher ausgelesenen Soll-Breitenwert ent spricht, so daß die tatsächliche Fokuslage gleich der diesem Breitenwert zuge ordneten, gewünschten Fokuslage ist. Somit kann über die Messung der Breite des Lichtstrahls 8' über einen Regelkreis, die Position der Linse 9 so lange ver ändert werden, bis die gemessene Breite des Lichtstrahls gleich der zur ge wünschten Fokuslage korrespondierenden Breite des Lichtstrahls ist.

Die Verstellung der Position der Linse 9 kann dabei über eine mechanische Ver stellvorrichtung, beispielsweise mittels eines Schrittmotors, erfolgen. Anstelle eines Schrittmotors können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der er findungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise auch Piezo-Aktoren verwendet werden. Das diesen Elementen prinzipiell behaftete Problem, daß zum einen bei der Verstellung eine Hysterese zu berücksichtigen ist und zum anderen abhän gig von der Temperatur und dem Alter der Elemente sich die Verstelleigenschaf ten ändern, kann durch die erfindungsgemäße Regelung problemlos gelöst wer den. Daher können die durch die Piezo-Aktoren erreichbaren Vorteile, wie bei spielsweise eine Reduktion der Baugröße, eine Erhöhung der Verstellgeschwin digkeit und Kostenvorteile, ausgenutzt werden.

Als weitere Variante für die Verstellvorrichtung können beispielsweise Tauch spulenanordnungen verwendet werden, wie sie beispielsweise auch in CD-Spielern verwendet werden.

Da der zur Erfassung der Breite des Lichtstrahls verwendete Sensor zusätzlich zur Synchronisation des Lichtstrahls und als Referenzelement zur Abstands messung verwendet werden kann, ist der für die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigte zusätzliche Kostenaufwand, insbesondere bei Berücksichtigung der durch die Erfindung zu erwartenden Kostenvorteile vernachlässigbar.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit einer automatischen Abstandsmessung kombiniert, so kann durch die Ab standsmessung der Abstand zu einem im Abtastbereich angeordneten Objekt ermittelt und dieser ermittelte Abstand als gewünschter Wert für die Fokuslage dem erfindungsgemäßen Regelkreis zugeführt werden. Durch die beschriebene, erfindungsgemäße Regelung wird die Linse 9 automatisch so eingeregelt, daß die vom Sensor 17 ermittelte Breite des Lichtstrahls 8' gleich der zu der gewünsch ten Fokuslage korrespondierenden abgespeicherten Breite des Lichtstrahls 8' ist. Auf diese Weise wird der Konvergenzpunkt auf das im Abtastbereich angeord nete Objekt gelegt, so daß durch die Erfindung ein Autofokus-System realisier bar ist. Mit der Erfindung ist eine sehr schnelle Einregelung der Fokuslage auf einen vorgegebenen Objektabstand möglich, so daß die üblichen Restriktionen bezüglich der Tiefenschärfe der Abtasteinheit, beispielsweise eines Strichcodele sers, und damit bezüglich der Abtastperformance entfallen.

Bezugszeichenliste

1

Linse

2

Lichtstrahl

3

optische Achse

4

Konvergenzpunkt

5

Fokuslage

6

Breite des Lichtstrahls

7

optischer Sender

8

Lichtstrahl

8

' reflektierter Lichtstrahl

9

Linse

10

Blende

11

rotierendes Spiegelrad

12

Spiegelelement

13

Pfeil

14

Abtastbereich

15

Blende

16

Blendenöffnung

17

Sensor

18

Auswerteschaltung

19

Spannungsimpuls

20

Impuls

21

Kurve

22

Kurve

23

Kurve

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage einer einen Lichtstrahl (8, 8') durch eine Fokussierlinse (9) aussendenden optoelektronischen Vorrich tung, insbesondere eines Strichcodelesers, bei dem die Breite (6, 6') des ausgesandten Lichtstrahls (8') an einer bestimmten Referenzposition (x) bzw. ein für die Breite repräsentativer Wert ermittelt und aus der ermit telten Breite (6, 6') bzw. dem ermittelten Wert die Fokuslage (5, 5') be stimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgesandte Lichtstrahl (8, 8') über eine Umlenkvorrichtung, ins besondere über ein rotierendes Spiegelrad (11), umgelenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgesandte Lichtstrahl (8, 8') durch die Umlenkvorrichtung (11) insbesondere periodisch verschwenkt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgesandte Lichtstrahl (8') einen lichtempfindlichen Sensor (17) überstreicht und daß aus der Dauer des Überstreichens die Breite (6, 6') des Lichtstrahls (8') ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein im wesentlichen pulsförmiges Signal (19) erzeugt, daß die Pulsdauer des Signals (19) bestimmt wird und daß aus der Pulsdauer die Breite (6, 6') des Lichtstrahls (8' ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem Sensor (17) eine Blende (15), insbesondere eine Schlitzblende, vorgesehen ist und daß der Lichtstrahl (8') über die Blende (15) geführt wird, so daß lediglich der durch die Blende (15) hin durchtretende Teil des Lichtstrahls (8') den hinter der Blende (15) ange ordneten Sensor (17) überstreicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl über einen Strahlteiler auf den Sensor bzw. auf die Blende geleitet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Lichtstrahls (8') an einer innerhalb der optoelektroni schen Vorrichtung gelegenen Referenzposition (x) bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokuslage (5, 5') aus der ermittelten Breite (6, 6') anhand einer vorgegebenen Gleichung berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokuslage (5, 5') abhängig von der ermittelten Breite (6, 6') aus ei ner insbesondere in einem Speicher abgespeicherten, vorgegebenen Ta belle abgeleitet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Lernverfahren für eine Vielzahl von Fokuslagen (5, 5') die jeweils zu einer Fokuslage (5, 5') korrespondierende Breite (6, 6') des Lichtstrahls (8') bestimmt, insbesondere gemessen wird und daß jeweils die ermittelte Breite (6, 6') zusammen mit bzw. abhängig von der korre spondierenden Fokuslage (5, 5') abgespeichert wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der ermittelten Fokuslage (5, 5') die optoelektronische Vor richtung so lange verstellt wird, insbesondere die Linse (9) verkippt und/oder entlang ihrer optischen Achse (3) verschoben wird, bis eine vor gegebene Fokuslage erreicht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Fokuslage (5, 5') einem Regelkreis zugeführt wird, daß die ermittelte Fokuslage (5, 5') mit der vorgegebenen Fokuslage verglichen wird und daß durch den Regelkreis die optoelektronische Vorrichtung verstellt, insbesondere die Position der Linse (9) so lange verändert wird, bis die ermittelte Fokuslage (5, 5') im wesentlichen gleich der vorgegebe nen Fokuslage ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Objektabstand zu einem von dem Lichtstrahl (8') abgetasteten Objekt ermittelt wird, daß der Objektabstand mit der ermittelten Fokusla ge (5, 5') verglichen wird und daß die optoelektronische Vorrichtung so lange verstellt, insbesondere die Position der Linse (9) verändert wird, bis der Objektabstand im wesentlichen gleich der ermittelten Fokuslage (5, 5') ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgesandte Licht (8, 8') im sichtbaren Bereich liegt.

16. Optoelektronische Vorrichtung, insbesondere Strichcodeleser, insbeson dere zum Durchführen des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem einen Lichtstrahl (8, 8') aussendenden Sender (7), mit einer den ausgesandten Lichtstrahl (8, 8') fokussierenden Linse (9), mit einem lichtempfindlichen Sensor (17), der zum Empfangen des von dem Sender (7) ausgesandten Lichtstrahls (8, 8') angepaßt und angeord net sowie zum Erzeugen eines für die Breite (6, 6') des Lichtstrahls (8') an einer bestimmten Referenzposition (x) repräsentativen Signals (19) ausge bildet ist, sowie mit einer mit dem Sensor (17) verbundenen Auswerte schaltung (18), durch die aus dem von dem Sensor (17) erzeugten Signal (19) die Fokuslage (5, 5') der optoelektronischen Vorrichtung ermittelbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Linse (9) und dem Sensor (17) eine Blende (15), insbesondere eine Schlitzblende angeordnet ist, durch die der Lichtstrahl (8') hindurch auf den Sensor (17) trifft.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkvorrichtung, insbesondere ein rotierendes Spiegelrad (11) vorgesehen ist, über die der ausgesandte Lichtstrahl (8, 8') insbesondere periodisch um einen bestimmten Schwenkwinkel (α) verschwenkbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (17) im Randbereich des Schwenkwinkels ((x) angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Linse und dem Sensor ein Strahlteiler angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler zwischen der Umlenkvorrichtung und dem Sensor angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler zwischen der Umlenkvorrichtung und der Blende an geordnet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherelement vorgesehen ist, in dem für eine Vielzahl von un terschiedlichen Fokuslagen (5, 5') die jeweils zu einer Fokuslage korre spondierende Breite (6, 6') des Lichtstrahls (8') zusammen mit bzw. ab hängig von der korrespondierenden Fokuslage (5, 5') abgespeichert ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstellvorrichtung zur Verstellung der Fokuslage (5, 5') der op toelektronischen Vorrichtung, insbesondere durch Verkippen und/oder Verschieben der Linse (9) entlang ihrer optischen Achse (3), vorgesehen ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (18) mit einem Regelkreis verbunden ist, dem als Regelgröße die ermittelte Fokuslage (5, 5') zuführbar ist, die mit einer die Führungsgröße des Regelkreises bildenden, vorgegebenen Fokuslage vergleichbar ist, und der mit der Verstellvorrichtung, der als Stellgröße das Ausgangssignal des Regelkreises zuführbar ist, verbunden ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronische Vorrichtung zum Aussenden von sichtbarem Licht ausgebildet ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (17) zum Empfangen von sichtbarem Licht ausgebildet ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (7), die Linse (9) und der Sensor (17) innerhalb eines ge meinsamen Gehäuses der optoelektronischen Vorrichtung angeordnet sind.