DE2200094C3 - Abtastvorrichtung für optisch erkennbare Zeichen - Google Patents

Abtastvorrichtung für optisch erkennbare Zeichen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abta·.-.vorrichtung für optisch erkennbare, insbesondere einer Ware zugeordnete und an dieser angebrachte Zeichen, mit einem Sendestrahl, der aufgrund einer Dreh- oder Schwingbewegung eines einen Lichtstrahl erzeugenden oder weiterleitenden Teiles einer Strahlablenkvorrichtung um eine Achse eine Bezugsebene abtastet, wobei zwischen der Bezugsebene und dem Dreh- oder Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung eine sich in Abtastrichtung erstreckende erste Zylinderlinse angeordnet ist.
Es ist bereits eine photoelektrische Oberflächenabtastvorrichtung für laufende Bahnen bekannt (DT-PS 54 656), bei der eine zu prüfende Oberfläche einer Materialbahn mittels eines Lichtflecks abgetastet wird. Dieser Lichtfleck wird durch Abbildung eines von einer Lichtquelle beleuchteten Spaltes mittels einer Optik und nach Umlenkung des Spaltbildes über ein rotierendes vierflächiges Spiegelrad über einen Planspiegel, einen Parabolspiegel und mittels einer Zylinderlinse erzeugt. Das rotierende Spiegelrad bewirkt dabei, daß der Lichtfleck periodisch mit großer Geschwindigkeit quer zur Laufrichtung der Materialbahn über die zu prüfende Oberfläche wandert. Durch entsprechende Anordnung der optischen Bauelemente wird erreicht, daß der Lichtfleck an allen Stellen der Oberfläche mit konstanter Intensität und Schärfe auftritt.
Die bekannten Strahlablenkvorrichtungen arbeiten jedoch nicht fehlerfrei. Trotz konstanter Drehzahl bzw. Schwingfrequenz und gleichförmig vorbeibewegten Zeichen treten nicht parallele Abtastspuren auf, oder die
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Abtastspur von einander folgenden Abtastungen weisen ungleiche Abstände oder eine falsche Reihenfolge auf. Derartige Abweichungen sind vor allen Dingen auf den sogenannten Pyramidalfehler des mechanischen Drehoder Schwingteiles zurückzuführen, Unter dem Pyramidalfehler versteht man die auch bei Anwendung größter Präzision in der Herstellung nicht ganz zu vermeidenden Nichtparalleütäten der spiegelnden Flächen eines Spiegelrades relativ zu dessen Rotationsachse bzw. die nicht ganz zu vermeidenden Schwingbewegungen eines mechanischen Schwingtciles um eine oder mehrere andere Achsen als die Hauptschwingachse des Systems. Der Pyramidalfehler führt dazu, daß der vom das Zeichen abtastenden Sendestrahl erzeugte Lichtfleck von seiner Soll-Abtastspur abweicht, was zu Fehlern bei der Ablesung des Zeichens führen kann.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der der Pyramidalfehler optisch weitgehend behoben ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Zylinderlinse die den Sendestrahl abgebende Fläche der Strahlablenkvorrichtung mindestens bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls auf die Abtastspur innerhalb eines die Bezugsebene enthaltenden Tiefenbereiches abbildet. Aufgrund dieser Ausbildung wird der Abtastlichtfleck auch beim Vorliegen eines Pyramidalfehlers praktisch stets an der gleichen Stelle der Abtastspur erzeugt, so daß sich der betreffende Fehler in der Abtastspur nicht mehr bemerkbar macht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt
Fig.! ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer, stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung,
F i g. 2 einen Grundriß der Abtastvorrichtung und
Fig.3 einen Aufriß der Abtastvorrichtung, gesehen aus der Ebene ΛΊη Richtung des Pfeiles X'\n Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer, stark vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung. Einzelne Teile sind der besseren Übersicht wegen nur angedeutet oder nur teilweise gezeichnet.
Eine Lesevorrichtung 1 ist unterhalb einer Fördereinrichtung 2 angeordnet und enthält eine Abtastvorrichtung IA Die Fördereinrichtung 2 besteht aus einem Förderband 24, welches über eine Walze IB läuft, sowie aus einem weiteren Förderband 2C, welches über eine Walze 2Dläufi:. Zwischen den beiden Walzen 2flund ID bzw. zwischen den darüber laufenden Förderbändern 2A und IC befindet sich ein Spalt 3, der in der Förderrichtung die Breite Bund quer dazu die Länge L hat. Die Länge L ist der Breite der Förderbänder angepaßt. Durch den Spalt 3 hindurch wirkt die Lesevorrichtung 1 auf ein auf einer Ware 4 unten angebrachtes Speichen 5.
Anstelle der Fördereinrichtung 2 könnte aber auch !ediglich eine auf der Höhe der Förderbänder 2/4 und 2C angebrachte Platte vorgesehen sein, in welcher ein entsprechender Spalt 3 angeordnet ist. Die Ware 4 kann dann automatisch oder von Hand über den Spalt 3 bewegt werden.
Im Idealfall bewegt si :'i das Zeichen 5 in einer Bezugsebene 6 über den Spalt 3 hinweg. Die Bezugsebene 6· ist in Fig. I durch eine strichpunktierte Umrandung angedeutet.
Der Sendestrahl 7 tritt aus einer Fläche 17Λ einer ersten Zylinderlinse 17 aus, welche zwischen der Bezugsebene 6 und dem Dreh- oder Schwingteil einer Strahlablenkvorrichtung 16 liegt Die erste Zylinderlinse 17 erstreckt sich in der Abtastrichtung gemäß dem Pfeil 7/4 und bildet die den Sendestrahl 7 abgebende Fläche 16/4 der Strahlablenkvorrichtung 16 zumindest bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls 7 auf die Abtastspur innerhalb eines die Bezugsebene 6 enthaltenden Tiefenbereiches Tab.
Die erste Zylinderlinse 17 ist parallel zur Bezugsebene 6 angeordnet, und ihre Länge ist der Länge L des Spaltes 3 derart angepaßt, daß der von der den Sendestrahl 7 abgebenden Fläche 16/4 kommende Lichtstrahl auch dann noch von der Zylinderlinse 17 erfaßt wird, wenn der vom Sendestrahl erzeugte Lichtfleck dia Endlagen der Abtastspur erreicht hat.
Die Fig.2 zeigt einen Grundriß d .· Abtastvorrichtung IA Von der Fläche 164 der Strahlablcnkvorrichtung 16 fällt ein in der Ablenkfläche konvergentes Strahlenbündel 11"' auf die der Strahlenablenkvorrichtung 16 zugekehrte Fläche 17Sder Zylinderlinse 17. Der Sendestn»hl 7 verläßt die Zylinderlinse 17 durch die der Bezugsebene 6 zugekehrten Fläche 17A In einem Punkt F wird das der Abtastung dienende Strahlenbündel fokussiert. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel führt das Strahlenbündel 1Γ", welches schließlich den Sendestrahl 7 bildet, eine Schwenkbewegung aus. Es ist aus F i g. 2 ersichtlich, daß hierbei der Fokussierpunkt F im Verlauf einer vollen Schwenkbewegung einen Bogen durchläuft und somit nicht stets in der Bezugsebene 6 liegt. Der Tiefenschärfebereich ist in F i g. 2 mit T bezeichnet und erstreckt sich über die Tiefe 71 außerhalb der Bezugsebene 6 und über die Tiefe T7 zwischen Bezugsebene 6 und Zylinderlinse 17. Um trotz bogenförmigen Verlaufs des Fokussierurgspu: ktes über den ganzen Tiefenschärfebereich T eine scharfe Abtastung des Zeichens zu erreichen, ist es bei schw. nkendem Strahlenbündel 11'" zweckmäßig, die Abbildung der Fläche 16/4 in der Mittellage nicht in die Bezugsebene 6 vorzunehmen, sondern in dem von der Zylinderlinse 17 abgewendeten Teil Tj des Tietenbereiches T. Es ist insbesondere vorteilhaft, in der Mittellage des Abtaststrahles 7 die Abbildung in der von der ersten Zylinderlinse 17 am weitesten entfernten Ebene 6' des Tiefenbereiches Terfolgen zu lassen.
Zur Erzielung eines möglichst großen Tiefenschärfebereiches Tist es vorteilhaft, den Abstand zwischen der ersten Zylinderlinse 17 und der Strahlablenkvorrichtung so groß zu machen, wie es die räumlichen Verhältnisse der Abtastvorrichtung erlauben, d. h. es ist vorteilhaft, die erste Zylinderlinse 17 beispielsweise an einem Ende der Abtastvorrichtung 1/4 anzuordnen und die Strahlablenkvorrichtung 16 am entgegengesetzten Ende.
Die Dreh- bzw. Schwingachse 16öder Strahlablenkvorrichtung 16 steht wenigstens annähernd senkrecht zu der Längsachse der e.sten Zylinderlinse 17.
Das von der Fläche 16/4 der Strahlablenkvorrichtung 16 weggehende Strahlenbündel 1Γ" wird durch ein auf die Fläche 16-4 auftreffendes Strahlenbündel 11" erzeugt, welches aus einer zweiten Zylinderlinse 15 kommt. Die Achse 15/4 der zweiten Zylinderlinse 15 steht senkrecht zur Längsachse der ersten Zylinderlinse 17. Das von einem schwach geneigten Umlenkspiegel 14 durch die zweite Zylinderlinse 15 kommende Strahlenbündel 11" schließt vorzugsweise mit der Dreh- bzw. Schwingachse 16ß der Strahlablenkverrichtune 16
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einen etwas von 90° abweichenden Winkel γ ein Derselbe Winkel γ liegt dann auch zwischen dem abgehenden Strahlenbündel 11'" und der Dreh- bzw. Schwingachse 16ß. Hierdurch wird erreicht, daß das schwenkende Strahlenbündel 11'" oberhalb der Zylinderlinse 15 hin- und herschwenkt, ohne von der Zylinderlinse 15 beeinträchtigt zu werden. Die Abweichung des Winkels von 90° wird vorteilhafterweise etwa 0,5° gewählt (F ig. 3).
Die zweite Zylinderlinse 15 wirft ein in der Ablenkrichtung gemäß Pfeil TA konvergentes Strahlenbündel 11" gegen die Strahlablenkvornehtung 16. Nach Spiegelung an der Fläche 16/4 setzt sich das Strahlenbündel weiterhin konvergent als Strahlenbündel 1 Γ" fort (F i g. J). κ
Dadurch, daß die Achse der ersten und der /weiten Zylinderlinse 17 bzw. 15 senkrecht aufeinander stehen, ist der Abtaststrahl 7 senkrecht /ur Richtung 74 konvergent und erzeugt nicht einen strichförmigen. sondern einen punktförmigen Lichtfleck im Fokus.
F.in erster Vorteil der Anwendung von Zylindcrlinsen liegt darin, daß diese fabrikatorisch leichter mit der geforderten Genauigkeit herzustellen sind als sphärische Linsen. Außerdem stellen sie in Richtung ihrer Achse weniger hohe Anforderungen in bezug auf ihre i$ Justierung. Fin weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung der ersten Zylinderlinse 17 liegt darin, daß mit ihrer Hilfe der Pyramidalfehler der Strahlablenkvorrichtung 16 praktisch ausreichend behoben wird.
Infolge des erwähnten Pyramidalfehlers der Ablenkvorrichtung 16 erhält das von ihr weggehende Strahlenbündel 11'" einen Schlag, d h. die von sich aufeinanderfolgenden spiegelnden Flächen 16,4 stammenden Strahlenbündel W" durchlaufen nicht alle die gleiche Ablenkfläche. Demzufolge überstreichen diese Strahlenbündel verschiedene Stellen der Fläche 17ßder ersten Zylinderlinse 17. Die erste Zylinderlinse 17 hat nun die Figenschaft, unabhängig von diesen Schwankungen des auf sie treffenden Strahlenbündels 11'" diese stets im gleichen Punkt Fzu fokussieren. Dadurch ist der sonst schädliche Pyramidalfehler mit optischen Mitteln behoben.
Diese Überlegungen gelten sinngemäß auch bei Anwendung eines Schwingspiegels in der Strahlablenkvorrichtung.
Der zweiten Zylinderlinse 15 wird ein über den Umlenkspiegel 14 um 90" abgelenktes Strahlenbündel 11' aus einer dritten Zylinderlinse 13 zugeführt. Anstelle der Zylinderlinse 13 könnte auch eine sphärische Linse verwendet werden.
Der Zylinderlinse 13 wird über einen weiteren Umlenkspiegel 12 ein von einer Lichtquelle 10. vorzugsweise einem Laser, z. B. Heliumgaslaser, stammendes Strahlenbündel 11 zugeführt.
Vermittels des optischen Systems, bestehend aus der dritten Zylinderlinse 13, Umlenkspiegel 14 und /weiter Zylinderlinse 15, wird der .Strahldurchmesser des ursprünglichen Sirahlenbündels 11 so weit reduziert, daß zusammen mit der Fokussierung durch die zweite und erste Zylinderlinse ein im Hinblick auf die Struktur des abzulesenden Zeichens 5 hinreichend feiner Lichtfleck auf der Abtastspur entsteht.
Die Brennweite der ersten Zylinderlinse 17 wird vorteilhafterweise zwischen 50 und 150 mm gewählt.
Die Abtastvorrichtung \A wird vorteilhaft so ausgeführt bzw. angeordnet, daß der Sendestrahl 7 unter einem schiefen Winkel * gegen die Bezugsebene-Normale 8 auf die Bezugsebene auftrifft, weil hierdurch spiegelnde Reflexionen in den Empfangsteil der Lesevorrichtung 1 weitgehend unterdrückt werden können. Der Winkel liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 45°. Ein Winkel von 15° hat sich für die Unterdrückung der spiegelnden Reflexion als ausreichend und besonders vorteilhaft erwiesen. Der Winkel λ kann aber noch größer gewählt werden, beispielsweise 45°, wodurch sich als weiterer Vorteil ergibt, daß auch auf einer Seitenfläche 4,4 der Ware 4 (vgl. Fig. I) angeordnete Zeichen, beispielsweise ein Balkencode, abgelesen werden können.
Gibt die Lichtquelle 10, beispielsweise als Laser, bereits ein hinreichend feines, vorzugsweise paralleles. Strahlenbündel 11 ab, dessen Querschnitt genügend klein ist, so kann, namentlich bei verhältnismäßig grober Struktur des Zeichens 5, auf das optische System, bestehend aus den Linsen 13 und 15, verzichtet werden.
Infolge des fächerförmigen Ablenkens des Strahlenbündel 1 Γ" bzw. des Sendestrahls 7 ist die Auslenkung des Abtastpunktes längs der Abtastspur, insbesondere gegen die beiden Endlagen hin, nicht mehr streng linear proportional zum seitlichen Ablenkwinkel durch die Strahlablenkvorrichtung 16. Dieser Linearitätsfehler längs der Abtastspur wird durch den Strahlenversatzwinkel ß. welcher zwischen dem Hauptstrahl des Strahlenbündels W" und dem Hauptstrahl des Sendestrahles 7 zufolge des schiefen Durchtritts durch die erste Zylinderlinse 17 auftritt, gemildert.
Die Lesevorrichtung 1 enthält weiter einen Empfangsteil mit einer weiteren Zylinderlinse 20 (Fig. 1), welche ein Empfangsstrahlenbündel 19 aus dem an der Ware 4 bzw. an dem Zeichen 5 diffus reflektierten Licht vorzugsweise durch eine blendenartige Vorrichtung 21 und ein Abbildungssystem 22 auf einen photoelektrischen Wandler 23 wirft. Das elektrische Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers 23 kann vorteilhafterweise über einen Verstärker 24 einem Computer zugeführt werden. Das Empfangsstrahlenbündel 19 verläuft unter einem Winkel ό, welcher größer ist als der Winkel a. zur Bezugsebene-Normale 8.
Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims (16)

22 OO Patentansprüche:
1. Abiastvorrichtung für optisch erkennbare, insbesondere einer Ware zugeordnete und an dieser angebrachte Zeichen, mit einem Sendestrahl, der S aufgrund einer Dreh- oder Schwingbewegung eines einen Lichtstrahl erzeugenden oder weiterleitenden Teiles einer Strahlablenkvorrichtung um eine Achse eine Bezugsebene abtastet, wobei zwischen der Bezugsebene und dem Dreh- oder Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung eine sich in Abtastrichtung erstreckende erste Zylinderlinse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (17) die den Sendestrahl (7) abgebende Räche (!ΘΑ; der Strahlablenkvorrichtung (16) mindestens bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls (7) auf die Abtastspur innerhalb eines die Bezugsebene (6) enthaltenden Tiefenbereiches (T) abbildet.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung in dem von der ersten Zylinderlinse (17) abgewandten Teil (T1) des Tiefenbereiches (T) erfolgt.
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung in der von der ersten Zylinderlinse (17) am weitesten entfernten Ebene (6') des Tiefenbereichs f7?erfolgt.
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkvorrichtung (16) ein Spiegelrad oder einen Schwingspiegel jo enthält, dessen Dreh- bzw. Schwingachse (\6B) wenigstens annähernd senkrecht zu der Längsachse der ersten Zylinderlinse (17) sieht.
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkvorrichtung (16) an einem Ende der Vorrichtung angeordnet ist, an deren anderem Ende die erste Zylinderlinse (17) vorgesehen ist.
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Dreh- oder Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung (16) auftreffende bzw. von ihm abgehende Lichtstrahl mit der Dreh- bzw. Schwingachse (16Sjeinen etwas von 90° abweichenden Winkel (γ) einschließt.
7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 6, 4s dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Winkels (y) von 90° etwa 0,5° beträgt.
8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Dreh- oder Schwingteil der Abtastvorrichtung (16) ein in der Abtastrichtung (7/^konvergentes Strahlenbündel (H") auffällt.
9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungspunkt (F)des Strahlenbündels (H'"), welches vom Dreh- oder Schwingten der Abtastvorrichtung (16) abgestrahlt wird, wenigstens bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls (7) auf die Abtastspur oberhalb der Bezugsebene (6) liegt
10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Dreh- oder Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung (16) auftreffende Strahlenbündel (H") von einer zweiten Zylinderlinse (15) gebildet ist, deren Achse (15,4j senkrecht zur Achse dir ersten Zylinderlinse (17) steht. ftfi
11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten Zylinderlinse (17) zwischen 50 und 150 mm beträgt.
12. Abtastvorrichtung nach Anspruch I oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zylinderlinse (15) mit einer dritten Zylinderlinse (13) ein Abbildungssystem bildet, das einen Laserstrahl (11) im Bereich der Bezugsebene (6) zu einem Punkt zusammenzieht.
13. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sendestrahl (17) überstrichene Fläche mit der Bezugsebene-Normale (8) einen von 0° verschiedenen Winkel (λ) einschließt
14. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen 10° und 45° beträgt.
15. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (λ) 15° beträgt.
16. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Grundplatte (9) vorzugsweise parallel zu einer Kante der Grundplatte (9) als Lichtquelle (10) ein Laser vorgesehen ist, sowie ein 90°-Umlenkspiegel (12) eine dritte Zylinderlinse (13) mit im wesentlichen senkrecht auf der Grundplatte (9) stehender Achse, ein weiterer 90°-Umlenkspiegel (14), eine zweite Zylinderlinse (15) mit parallel zur dritten Zylinderlinse (13) verlaufender Achse (ISA) und die Strahlablenkvorrichtung (16) mit einem Spiegelrad oder Schwingspiegel angeordnet sind, und daß die erste Zylinderlinse (17) an der senkrecht zur Laserachse verlaufenden, entgegengesetzt der Strahlablenkvorrichtung (16) befindlichen Kante der Grundplatte (9) befestigt ist.
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