DE2029627C3 - Kompensationsschaltung für eine optische Abtasteinrichtung - Google Patents

Description

Auf dem Gebiet der optischen Abtastung wird zur Bestimmung der optischen Eigenschaften eines Objektes ein Lichtstrahl von diesem Objekt reflektiert oder durch das Objekt hindurchgeschickt. Die Genauigkeit mit der eine derartige Bestimmung erfolgen kann ist jedoch von der Genauigkeit abhängig, mit der die Eigenschaften der Lichtquelle selbst einhaltbar sind.

Bei optischen Zeichenerkennungsanlagen, Markierungslesern und ähnlichen Anlagen wird das Vorhandensein von Daten auf einem Objekt dadurch abgefühlt, daß die Änderungen des Reflexionsfaktors festgestellt werden. Da der Reflexionsfaktor definiert ist als das Verhältnis von reflektierter zu einfallender Lichtintensität, muß die Intensität der Lichtquelle selbst festgelegt sein. Eine vielversprechende aber praktisch kaum durchführbare Lösung dieses Problems besteht darin, eine Lichtquelle konstanter Intensität zu verwenden und dann lediglich die Intensität des reflektierten Lichtes zu messen. Die Schwierigkeiten bestehen dabei darin, daß beispielsweise die von Kathodenstrahl-Abtastgeneratoren gelieferten Lichtintensitäten verschiedenen Schwankungen unterliegen. Es treten Hochfrequenz-Schwankungen infolge von geringen Phosphormengen auf, es treten niederfrequente Schwankungen infolge von Ungleichmäßigkeiten im Elektronenstrahl oder in der Phosphorverteilung auf und es sind durch Alterung bedingte Verschiebungen zu beobachten. Anordnungen mit lichtemittierenden Dioden zeigen beim gegenwärtigen Stand der Technik Intensitätsschwankungen von 50% und mehr. Auch mit Laserstrahlen arbeitende Abtasteinrichtungen zeigen Unregelmäßigkeiten im Lichtaustritt

Da Lichtquellen konstanter Intensität nicht vorhanden sind, ist bereits vorgeschlagen worden, die Intensität der Lichtquelle ständig zu überwachen und mit der Intensität des reflektierten Lichtes unter Verwendung einer elektronischen, analogen Funktionseinheit zu vergleichen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch dieses Prinzip mit Schwierigkeiten behaftet ist. Die hauptsächlichste Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß die gegenwärtig erhältlichen Photodetektoren und analogen Funktionseinheiten unvermeidliche Schwanke kungen in ihrer Umwandlungsfunktion zeigen. Da sich diese Probleme nicht überwinden ließen, wurde dieses direkte Prinzip aufgegeben und zu einer Reihe von Ersatzlösungen übergegangen. Beispielsweise wird in verschiedenen konventionellen Schaltungen die Intensitätsänderung des reflektierten Lichtes benutzt, um ein Maß für die Änderung des Reflexionsfaktors zu erhalten. Bei anderen bekannten Verfahren wird eine nicht lineare Verstärkung des reflektierten Lichtsignals alleine, variable Kompensationsschaltungen für die

so verwendeten Photodetektoren und ein subtraktiver Vergleich der der Lichtquelle und dem abzutastenden Objekt zugeordneten Photodetektorsignale angewandt. So ist aus der DE-OS 14 87 804 eine Abtasteinrichtung bekannt, bei der neben einer automatischen Pegelregelung zur Kompensation insbesondere von durch Änderungen der Hintergrundhelligkeit und bestimmte alterungsbedingte Effekte verursachten niederfrequenten Pegeländerungen zusätzlich eine Maßnahme getroffen ist, auch die hochfrequenten,

μ durch Intensitätsänderungen der Abtastlichtquelle verursachten Pegelschwänküngen auszugleichen. Dies geschieht bei dieser bekannten Einrichtung durch Verwendung einer zweiten Photozelle, die das von der abtastenden Kathodenstrahlröhre ausgehende Licht

t>5 dauernd überwacht, indem sie über eine Steuerschaltung die Abgabe eines hochfrequenten Helligkeitssteuersignals zurück zur Lichtquelle bewirkt. Die Steuerschaltung kompensiert außerdem Schwankungen der Hinter-

gnindhelljgkejt, indem vom binären Bildsignal ein Sperrsignal abgeleitet wird, das während der Dauer des Bildsignals den Ausgangspegel der Steuerschaltung festhält

Auch die bei dieser bekannten Einrichtung angewandte Methode kann insbesondere die unvermeidbaren alterungsbedingten Pegelverschiebungen nicht kompensieren, die durch die Photozellen selbst und die Steuerschaltung verursacht werden und in die Genauigkeit eingehen.

Der Wunsch nach einer auf direkten Wege wirkenden Methode, bei der sämtliche niederfrequenten und die hochfrequenten Pegelschwankungen kompensiert werden, blieb somit bestehen, die praktische Durchführbarkeit war jedoch in Frage gestellt

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kompensationsschaltung für eine optische Abtasteinrichtung anzugeben, wobei die Bestimmung des Reflexionsfaktors direkt und breitbandig erfolgt Gleichzeitig soll bei einfachem und auch kostenmäßig unaufwendigem Aufbau der Schaltung vermieden werden, daß eine größere Anzahl von r.anuelien Einstellungen erforderlich ist

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Kompensationsschaltung gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines optischen Abtasters, bei dem die Erfindung angewendet ist

F i g. 2 ein Schaltbild des beim Abtaster gemäß F i g. 1 verwendeten logarithmischen Konverters und des Differentialverstärkers und

F i g. 3 ein Schaltbild der beim Abtaster gemäß F i g. 1 verwendeten Pegelregelung.

F i g. 1 zeigt die Erfindung in Verbindung mit einem mit Punktlichtabtastung arbeitenden optischen Abtaster. Als Ab'astgenerator ist eine Kathodenstrahlröhre 101 verwendet Der Lichtstrahl der Kathodenstrahlröhre 101 wird über ein aus einem ersten Spiegel 102, einer Linse 103 und einem zweiten Spiegel 104 bestehenden optischen System auf ein abzutastendes Objekt 105 gerichtet Diese Anordnung ist konventionell und kann durch andere Abtastgeneratoren unc! Übertragungssysteme ersetzt werden. Um die für eine Messung des Reflexionsfaktors erforderliche Messung der Lichtintensitäten durchführen zu können, ist eine erste Photozelle, im betrachteten Beispiel eine Vervielfacher-Photozeile 106, so angeordnet, daß auf sie direkt das Licht vom Schirm der Kathodenstrahlröhre 101 auftrifft. Die Photozelle 106 erzeugt dann auf Leitung 201 ein Signal, das der Intensität des auf das Objekt 105 auftreffenden Lichtes proportional ist. Eine zweite Vervielfacher-Photozelle 107 ist su angeordnet, daß auf sie das vom Objekt 105 reflektierte Signal auftrifft. Diese Photozelle liefert dann auf Leitung 202 ein Signal, das der Intensität des reflektierten Lichtes proportional ist.

Die Signale auf den Leitungen 201 und 202 werden anschließend in einem logarithmischen Konverter 210 in entsprechende logarithmische Werte umgewandelt, die auf den Leitungen 203 und 204 erscheinen. Ein Differentialverstärker 220 subtrahiert den Analogwert der Leitung 203 von dem der Leitung 204 und liefert an seinem Ausgang auf dpp Leitungen 205 und 206 ein analoges Bildsignal.

Infolge der logarithmischen Umwandlung und der durchgeführten Subtraktion ist das Bildsignal proportional dem Logarithmus des Quotienten der beiden Eingangssignale. Das bedeutet daß der logarithmische Konverter 210 zusammen mit dem Dnrerentialverstärker 220 eine elektronische Divisionseinrichtung bildet, die ein auf den Quotienten der Eingangssignale bezogenes Ausgangssignal liefert In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, wenn das Ausgangssignal direkt proportional dem Quotienten der Eingangssignale ist In diesen Fällen kann mit dem Differentialverstärker 220 ein elektronischer, antilogarithmischer Konverter gekoppelt werden.

In den meisten konventionellen Zeichenerkennungsmaschinen und Markierungslesern wird das analoge Bildsignal mit einem Schwellenwert verglichen und auf diese Weise ein digitales Bild-Ausgangssignal gebildet Dieses digitalisierte Ausgangssignal weist bei einem Weißpegel einen ersten Wert und bei einem Schwarzpegel einen zweiten Wert auf. Eine derartige Verarbeitungseinrichtung kann in allgemeinster Form als Analog/Digital-Umsetzer bezeichnet werden. Ein derartiger Umsetzer 108 ist in der Abtasteinrichtung in Fig. 1 verwendet Die spezielle Ausbildung dieses Umsetzers hat im wesentlichen keine Bedeutung im Hinblick auf die Erfindung, es kann einer der konventionellen Umsetzer verwendet werden. Eine Abtasteinrichtung, wie sie bisher beschrieben ist würde noch die meisten oder sogar aHe der Nachteile aufweisen, die gegen die Verwendung der bekannten Einrichtungen mit direkter Messung des Reflexionsfaktors sprechen. In der bis hierher beschriebenen optischen Abtasteinrichtung wird jedoch bereits von dem Vorteil Gebrauch gemacht, den zwei der Merkmale der in optischen Abtasteinrichtungen üblicherweise auftretenden Signale bieten. Das erste dieser Merkmale besteht darin, daß bei diesen Signalen vorherrschend der Weißpegei auftritt und daß nur leiativ kurze Ausschläge zum Schwarzpegel vorhanden sind. Dies ist eine Folge davon, daß der größere Teil der abzutastenden Dokumente im wesentlichen einen hellen oder weißen Hintergrund aufweist Diese beiden Pegel kennzeichnen natürlich mehr bestimmte Helligkeitsbereiche als bestimmte Helligkeitswerte. Beide Pegel werden von Störpegeln beeinflußt, unterliegen bestimmten Pegelverschiebungen und die beiden Bereiche, in denen sie auftreten können sich sogar überlappen. Das zweite dieser Merkmale besteht darin, daß das Ausgangssignal digitalisiert ist, um eine einwandfreie Unterscheidung zwischen Weiß- und Schwarzpegel zu gewährleisten. Liegen eines oder beide dieser Signalmerkmale vor, so kann erfindungsgemäß eine Pegelregelung 300 vorgesehen werden, die auf die Änderungen des auf Leitung 30t liegenden Weißpegels anspricht, die aber von den dort auftretenden Schwarzpegeln unbeeinflußt bleibt. Über eine Leitung 303 wird auf einen Eingang des Differentialverstärkers 230 ein dem sich ändernden Weißpegel proportionales Signal rückgeführt. Dadurch werden die relativ niederfrequenten Pegelabwanderungen und durch Temperaturunterschiede, Alterung usw. hervorgerufene Schwankungen kompensiert.

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß auch durch die Photozellen 106 und 107 und durch den logarithmischen Konverter 210 bedingte Schwankungen kompensiert werden, obwohl diese Teile nicht in die Rückführungsschleife der Pegelregelung 300 eingeschlossen sind. Außerdem gestattet die erfindungsgemä-

De Einrichtung eine unerwünschte Erscheinung auszugleichen, die bei vielen Abtastsystemen merkliche Änderungen der Gesamtverstärkung hervorruft. Diese Erscheinung besteht darin, daß infolge der Geometrie und der relativen Abmessungen der meisten praktischen Abtasteinrichtungen merkliche Intensitätsschwankungen auftreten, wenn sich der Lichtfleck über das Abtastfeld bewegt. Nimmt man beispielsweise eine konstante Intensität des Lichtstrahles an, so ist das Ausgangssignal der Photozellen 106 oder 107 proportional dem räumlichen Winkel vom Leuchtfleck zur Peripherie der relativ großen Eintrittsfläche der Photozelle, auch wenn die Parameter der Photozelle konstant bleiben. Es ist des lalb üblich, die Eintrittsflächen der Photozellen so anzuordnen, daß sich die Änderungen bei der einen Photozelle durch die entsprechenden Änderungen bei der anderen Photozelle kompensieren. Dies kann durch eine Anordnung der Photozellen derart erreicht werden, daß der räumliche Winkel von einem Lichtfleck auf der Kathodenstrahlröhre 101 zur Eintrittsfläche der Photozelle 106 etwa proportional dem räumlichen Winkel vom Bildpunkt auf dem abzutastenden Objekt 105 zur Eintrittsfläche der Photozelle 107 ist. Aber auch bei vollkommenem Gleichlauf zwischen den beiden Photozellen lassen sich diese Änderungen nicht durch subtraktive Methoden kompensieren, da sie am Ausgang jeder Photozelle als multiplikative Faktoren auftreten. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung jedoch, werden die beiden multiplikativen Faktoren dividiert, so daß sie weitgehend ausgelöscht werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung liefert somit als bedeutsames Nebenprodukt eine Verbesserung der Wirksamkeit konventioneller Ausgleichsverfahren, ohne daß dafür zusätzliche elektronische Kompensationsschaltungen erforderlich wären.

Spezielle Schaltungen für die erfindungsgemäße Einrichtung sind in den F i g. 2 und 3 dargestellt.

Der logarithmische Konverter 210 der F i g. 2 besteht zunächst aus einem Paar in Vorwärtsrichtung gepolter Dioden D 21 und D 22, die jeweils einen der Eingänge 201 und 202 überbrücken, die pn-Übergänge dieser werden, deren Werte wesentlich höher sind als der dei Basis-Emitterwiderstände der Transistoren 7"2I unc Γ22. Auf diese Weise wird über die Steuerleitung 30J der Strom der F.mitterstmmqiielle des Differentialver stärkers 220 gesteuert, ohne daß seine Verstärkung davon beeinflußt würde. Ein Widerstand R 23 bestimm den Ruhestrom der Emitterstromquelle. Es sind aucl andere Methoden zur Pegelregelung ohne Verstär kungsänderung möglich, beispielsweise dadurch, daß cir

ίο zweiter Differentialverstärker oder ein zusätzlichei Eingang beim beschriebenen Differentialverstärkei vorgesehen wird. Das hier beschriebene Ausführungs beispiel erfüllt jedoch trotz seiner Einfachheit der gewünschten Zweck. Der Ausgang des Differentialver stärkers wird an einem Kollektorwiderstand R 2' abgenommen und ist an die Basis eines der Pegeltrans formation dienenden Transistors Γ24 angeschlossen dessen Betriebsspannung über einen Spannungsteilei R 25. R 26 und eine Kapazität C21 abgeleitet ist. Von Kollektor des Transistors Γ24 wird das Ausgangssigna des Differentialverstärkers direkt über die Leitung 301 in die Pegelregelungseinheit 300 gegeben. Außerden wird von diesem Kollektor über einen Widerstand R 2i und die Leitung 205 das Signal dem Eingang de:

Analog/Digital-Umsetzers 108 zugeführt.

In das auf Leitung 301 liegende analoge Ausgangssi gnal wird, wie in Fig.3 dargestellt, in einem aus der Transistoren Γ31 und Γ32 bestehenden Differential verstärker der Pegelregelungseinheit 300 mit einei Bezugsspannung verglichen. Ein zweiter, aus Transisto ren T33 und Γ34 bestehender Differentialverstärkei vergleicht das Ausgangssignal des ersten Differential Verstärkers mit einer festen, negativen Vorspannung Große Abweichungen von dieser Vorspannung werder durch eine an den Kollektorwiderstand Ä33 ange schlossene bipolare Begrenzerschaltung D 33 verhin dert. Der Widerstand R 34 dient in konventionelle) Weise als gemeinsamer Emitterwiderstand für der zweiten Differentialverstärker. Die beiden beschriebe nen Differentialverstärker bilden gemeinsam die UmIa dequelle für eine Speicherkapazität C31. Über dit

L*riUUCll IIClClll BUIgTUIlU UCf /.UgCIUMiICII t^UUltluIglldlC

entsprechende logarithmische Spannungen.

Leitungen 204 und 203 führen zu einem invertierenden und zu einem nicht invertierenden Eingang eines Transistorpaares T21, Γ22 in Differentialschaltung. Die Emitter dieser Transistoren sind mit einem eine steuerbare Emitterstromquelle bildenden Transistor Γ23 verbunden, an dessen Basis der Ausgang Pegelregelung 300 über Leitung 303 angeschlossen ist Bei einer üblichen Differentialverstärkerstufe hat jede Spannungsänderung auf Leitung 303 eine Verstärkungsänderung zur Folge. Diese Wirkungsweise ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht erwünscht, da jede Verstärkungsänderung bewirken würde, daß der Logarithmus des Quotienten der Eingangssignale mit einem veränderlichen Faktor multipliziert würde, was einer Potentierung des Quotienten mit einem veränderlichen Exponenten gleichkäme. Die bei der erfindungsgemäßen Einrichtung angestrebte Wirkungsweise besteht darin, daß bei Spannungsänderungen auf der Leitung 303 der Strompegel oder der Arbeitspunkt des Differentialverstärkers Γ21, Γ22 ohne Änderung seiner Verstärkung variiert wird. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal des Verstärkers eine lineare Funktion der Signale an seinen drei Eingangsleitungen 203, 204 und 303 ist Diese Wirkungsweise wird dadurch erreicht daß Emitterwiderstände R2i und R 22 eingeschaltet stärker bildenden Transistorpaare wird die Speicherka pazität geladen und entladen, d. h. die an dei Speicherkapazität C31 liegende Spannung folg zwangsläufig den Änderungen des an Leitung 301 liegenden Analogsignals. Die Widerstände R 32 bis R 3^ begrenzen jedoch die Lade- und Entladeströme so, dal die Wirkung eines Tiefpaßfilters entsteht. Liegt die Grenzfrequenz dieses Filters unterhalb der niederster Frequenz eines Eingangssignals unter normalen Be triebsbedingungen, so wird verhindert, daß die kurzzeitigen, den Schwarzpegel bildenden Signalspitzen der Ladezustand der Speicherkapazität C31 beeinflussen Um eine Rückwirkung auf den Ladezustand dei Speicherkapazität C31 vom Ausgang 303 her rx vermeiden, ist eine Emitterfolgeschaltung bestehend au; den Transistoren Γ35, Γ36 und den Widerständen RM bis R 38 zwischengeschaltet

Die Wirkungsweise der Pegelregelungseinheit 300 die also darin besteht daß sie lediglich auf Weißpege anspricht wird dadurch verbessert daß vom Ausgang 109 des Analog/Digital-Umsetzers 108 zusätzlich eir von einem Schwarzpegel abgeleitetes Sperrsigna

zugeführt wird. In der Schaltung gemäß F i g. 3 leitet dif Diode D 31, wenn auf Leitung 302 ein dem Weißpege entsprechender Nullpegel liegt Der untere Anschlul des Widerstandes Ä31 liegt dann auf einer ausreichenc

niedrigen .Spannung, um die Diode D 32 und damit den Transistor 7".J7 /u sperren. In diesem Zustand arbeitet die Pegelregelungseinheil 300 in der zuvor beschriebenen Weise F.ine positive, den Schwar/pegel bildende Spannung sperrt die Diode D31 und bringt dadurch die Diode D 32 und den Transistor 7".17 in den leitenden Zustand. 13a der Transistor Γ37 zwischen Kmitterwidcrstand /t 32 und Masse eine leitende Verbindung herstellt, werden die Transistoren TM und 7"33 über den gesamten Bereich ihrer ßasisspannungrn gesperrt. Das dabei auf Leitung 301 liegende Ausgangssignal kann dann den l.adungszustand der Speicherkapa/itäl ("31 nicht beeinflussen. Die bereits erwähnte, einen hohen fiingangswiderstand aufweisende !!mitterfolgeschaltung bewirkt, daß die an der Speicherkapazität Γ31 liegende Spannung so lange aufrechterhalten bleibt, bis die durch das positive Signal auf Leitung 302 bewirkte Sperrung der Umladequelle beendet ist. Auf diese Weise wird das von der Pegelregelungseinheil 300 gelieferte, dem Differentialverstärker 220 zugeführtc Steuersignal auf dem gerade vorhandenen Wert festgehalten, wenn das analoge Ausgangssignal die vom Analog/Digital-Umsetzer 108 bestimmte Schwarz Weißschwelle überschreitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Kompensationsschaltung für eine optische Abtasteinrichtung, bei der ein erstes elektrisches Signal direkt vom Abtaststrahl und ein zweites elektrisches Signal indirekt vom Abtastobjekt reflektierten Abtaststrahl abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signale über einen logarithmischen Konverter (210) auf die Eingänge einer ihre Differenz bildenden Schaltung (220) geführt sind, deren Ausgang sowohl mit einem die effektiven Abtastsignale ermittelnden Ar.alog/Digital-Umsetzer (108) als auch über eine als Tiefpaß wirkende und damit nur auf niederfrequente Pegelschwankungen ansprechende Pegelregelungseinheit (300) mit dem zusätzlichen, den Ausgangspegel steuernden Steuereingang der differenzbildenden Schaltung verbunden ist

2. Kompensationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Differenz bildende Schaltung aus einem Differentialverstärker (220) besteht, dessen Verstärkung unabhängig von dem seinem Steuereingang zugeführten, von der Pegelregelungseinheit (300) gelieferten Steuersignal ist

3. Kompensationsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker (220) aus einem Transistorpaar (T21, Γ22) besteht, dessen Basen die Eingänge bilden und dessen Emitter über jeweils einen Widerstand (R 21, R 22) mit dem Kollektor eines dritten, der über seine Basis vom Ausgang der Pegelregelungseinheit steuerbar ist, die gemeinsame Stromquelle bildenden Transistors (T73) veibuaden sind, wobei die Widerstände höher als die Basis imitterwiderstände des Transistorpaares gewählt sind.

4. Kompensationsschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelregelungseinheit (300) zusätzlich mit dem Ausgang des Analog/Digital-Umsetzers (108) verbunden ist, so daß ein von diesem geliefertes effektives Abtastsignal als Sperrsignal wirkt und während seiner Dauer den Ausgangspegel der Pegelregelungseinheit (300/ festhält.

5. Kompensationsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelregeleinheit (300) eine an eine Umladequelle angeschlossene Speicherkapazität (C3i) enthält, die durch ihre Ladung den Ausgangspegei der Pegelregeleinheit (300) bestimmt, und daß die Umladequelle durch das als Sperrsignal wirkende effektive Abtastsignal gesperrt wird.

6. Kompensationsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umladequelle und die Speicherkapazität (C31) einen Tiefpaß bilden, dessen Grenzfrequenz niedriger als die des Differentialverstärkers gewählt ist.

7. Kompensationsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz unterhalb der untersten Frequenz der beiden Eingangssignale liegt.