DE2330612A1

DE2330612A1 - Optische abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2330612A1
Application number: DE2330612A
Authority: DE
Inventors: Johann Ploeckl
Original assignee: ZELLWEGER AG APPARATE- und MASCHINENFABRIKEN USTER USTER (SCHWEIZ); Zellweger Uster AG
Current assignee: ZELLWEGER AG APPARATE- und MASCHINENFABRIKEN USTER USTER (SCHWEIZ); Zellweger Uster AG
Priority date: 1972-08-10
Filing date: 1973-06-15
Publication date: 1974-02-28
Also published as: SE405178B; FR2195801B1; CH558572A; JPS4960236A; DE2330612C3; SE7605698L; GB1437346A; FR2195801A1; US3870394A; SE7310923L; IT991392B; DE2330612B2

Description

Apparate- und Maschinenfabriken TJster Uster / Schweiz

Optische Abtastvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine optische Abtastvorrichtung für optisch erkennbare Zeichen, welche einer Ware zugeordnet und vorzugsweise an derselben angebracht sind.

Diese Zeichen können Informationen, welche den betreffenden Waren, vorzugsweise in codierter Form, zugeordnet sind, darstellen. Zur Ablesung eines solchen Zeichens wird ein Abtastlichtstrahl über das Zeichen geführt, von welchem das Licht je nach Reflexionsvermögen der jeweils vom Abtastlichtstrahl getroffenen Stelle des Zeichens mehr oder weniger reflektiert wird. Ein aus mindestens einem Teil des reflektierten Lichtes gebildetes Empfangsstrahlenbündel wird einer photoelektrischen Empfangsvorrichtung zugeführt und von dieser in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses elektrische Signal kann in bekannter V/eise einem Computer zugeführt und von diesem ausgewertet werden. Das Ergebnis dieser Auswertung kann zum Beispiel die Angabe des

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Warenpreises, die Eingabe des V/arenpreises in eine Verreehnungsanlage, die Erfassung des Verkaufs verschiedener Artikel, deren Artikelnummern im Zeichen codiert sind, betreffen oder ganz allgemein der Lagerbewirtschaftung dienen.

In bekannten Abtastvorrichtungen wird der Abtastlichtstrahl mit Hilfe einer Strahlablenkvorrichtung erzeugt, welche beispielsweise ein Dreh- oder Schwingteil enthält. Ein solches Drehteil kann beispielsweise ein Spiegelpolygon sein, während als Schwingteil der Spiegel eines Spiegelgalvanonietersystems benutzt werden kann. Diese bekannten Strahlablenkvorriehtungen arbeiten nicht fehlerfrei. Es treten beispielsweise trotz konstanter Drehzahl bzw. Schwingfrequenz nichtparallele Abtastspuren auf, oder die Abtastspuren aufeinanderfolgender Abtastungen v/eisen ungleiche Abstände voneinander oder gar eine falsche Reihenfolge auf. Solche Abweichungen sind vor allen Dingen auf den sogenannten Pyramidalfehler des mechanischen Dreh- oder Schwingteils zurückzuführen. Hierunter versteht man die auch bei Anwendung grösster Präzision in der Herstellung nicht ganz zu vermeidende Nichtparallelität der spiegelnden Flächen eines Spiegelpolygons zu dessen Rotationsachse bzw. die nicht ganz zu vermeidenden Schlingbewegungen eines mechanischen Schwingteils urn eine oder mehrere andere Achsen als die Hauptsehwing-

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achse des Systems. Der Pyramidalfehler fuhrt dazu, dass der vom das Zeichen abtastenden Abtastlichtstrahl erzeugte Lichtfleck von seiner Soll-Abtastspur abweicht, v/as zu Fehlern bei der Ablesung des Zeichens führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, in welcher der genannte Pyramidalfehler mit optischen Mitteln weitgehend behoben ist.

4 C 3 6 ι: 9 / 0 e 2 3

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Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung, insbesondere für optisch erkennbare, einer Ware zugeordnete bzvr. an dieser angebrachte Zeichen mit einem Abtastlichtstrahlenbündel, das auf Grund einer Drehoder Schwingbewegung um eine Achse eines ein Lichtstrahlenbündel weiterleitenden Teiles einer Strahlablenkvorrichtung eine durch Führungsmittel bestimmte Fläche oder Ebene abtastet, welche Abtastvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass ein von einer Lichtquelle stammendes Lichtstrahlenbündel durch optische Mittel gegen eine spiegelnde Fläche der Strahlablenkvorrichtung gerichtet ist, und das von dieser spiegelnden Fläche zurückgeworfene Abtastlichtstrahlenbündel durch eine zwischen der Strahlablenkvorrichtung und einem konkaven Spiegel angeordnete torische Meniskuslinse gegen den konkaven Spiegel gerichtet ist, wobei das vom konkaven Spiegel zurückgeworfene Abtastlichtstrahlenbündel in der durch Führungsmittel bestimmten Ebene fokussiert wird.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Systems einer Abtastvorrichtung mit eingezeichneten Strahlengängen in einem Grundriss;

Fig. 2 einen Aufriss des in Fig. 1 dargestellten optischen Systems mit eingezeichneten Strahlengängen;

Fig. 3 den "Verlauf des Haupt Strahles des Abtastlichtstrahlenbündels unter der Wirkung des Pyramidalfehlers.

In allen Figuren sind sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezeichnungen versehen.

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Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel ,eines optischen Systems einer Abtastvorrichtung mit eingezeichneten Strahlengängen in einem Grundriss. Der besseren Uebersichtlichkeit wegen sind einzelne Strahlengänge unterbrochen gezeichnet. Die Pig. 2 zeigt einen Aufriss der gleichen Anordnung.

Die Abtastvorrichtung 1 v/eist eine Lichtquelle 2, vorzugsweise eine Laserlichtquelle auf, deren Austritts-Lichtstrahlenbündel als im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel 3' gegen eine Zylinderlinse/gerichtet ist. Die Achse der Zylinderlinse 4 steht senkrecht auf der Zeichenebene. Ein aus der Zylinderlinse austretendes konvergentes, im wesentlichen einen länglich rechteckigen Querschnitt aufweisendes Lichtstrahlenbündel 3'' wird an einer Stelle 5 zu einer senkrecht auf der Zeichenebene stehenden dünnen Linie fokussiert und ist als divergentes Lichtstrahlenbündel 3¹¹¹ gegen eine sphärische Eintrittsfläche 6 eines total reflektierenden Prismas 7 gerichtet. Das Prisma lenkt das einfallende Lichtstrahlenbündel 3¹¹¹ rechtwinklig ab und richtet ein annähernd paralleles Lichtstrahlenbündel 3^llt! gegen eine spiegelnde Fläche 9 eines Spiegelpolygons 10, welches um eine Achse 11 rotiert. Die sphärische Fläche 6 ist so bemessen, ctes das divergierende Lichtstrahlenbündel 3'»¹ in der Darstellungsebene der Fig. 1 wieder annähernd parallel

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aber dicker als das Strahlenbündel 3' wird.

Ausserdem ist der Abstand des Prismas 7 vom Spiegelpolygon 10 so gewählt, dass das aus dem Prisma 7 austretende Lichtstrahlenbündel 3'''' zu einer dünnen Linie auf der spiegelnden Fläche 9 des Spiegelpolygons 10 fokussiert wird.

Die zwischen der Lichtquelle 2 und der spiegelnden Fläche 9 des Spiegelpolygons 10 angeordneten optischen Elemente, nämlich die Zylinderlinse 4 und das Prisma werden im weiteren gesamthaft als "erste optische Mittel" bezeichnet.

Das Spiegelpolygon 10 rotiert um seine Achse 11, welche senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 1 steht. Auf diese Weise erzeugt das Spiegelpolygon ein mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit des Spiegelpolygons schwenkendes Abtastlichtstrahlenbündel 12. Das schwenkende Abtastlichtstrahlenbündel 12 passiert nun eine zwischen dem Spiegelpolygon 10 und einem konkaven Spiegel 13, vorzugsweise näher beim Spiegelpolygon 10 angeordnete erste torische Meniskuslinse 14. In einer auf der Zeichenebene der Fig. 1 durch den Hauptstrahl 12' des Lichtstrahlenbündels 12 gehenden, senkrecht auf der Zeichenebene stehenden Schnittebene ist das Lichtstrahlenbündel 12 annähernd parallel. Das Lichtstrahlenbündel 12 trifft auf den konkaven Spiegel 13

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auf und wird von diesem als konvergentes Abtastlichtstrahlenbündel 15, gegebenenfalls über einen senkrecht zur Hauptsymmetrieebene 16 des optischen Systems 1 angeordneten Umlenkspiegel 17 in einer senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 1 stehenden Abtastebene 18 zu einem scharfen Abtastfleck 19 fokussiert.. Die zwischen der spiegelnden Fläche 9 des als Strahlablenkvorrichtung wirkenden Spiegelpolygons 10 und der Abtastebene 18 angeordneten optischen Elemente, nämlich die erste torische Meniskuslinse 14, der konkave Spiegel 13 und der gegebenenfalls vorgesehene Umlenkspiegel 17, werden im weiteren gesamthaft als "zweite optische Mittel" bezeichnet.

Der Brennpunkt des konkaven Spiegels 13 liegt vorzugsweise wenigstens annähernd auf der Achse 11 der Strahlablenkvorrichtung bzw. des Spiegelpolygons 10. Die gemäss Vorstehendem für die Bildung des Abtastlichtstrahlenbündels 17 gewählte optische Anordnung ergibt einen sehr kleinen Konvergenzwinkel 0 des Abtastlichtstrahlenbündels 17· Hierdurch wird erreicht, dass der Querschnitt des Abtastlichtstrahlenbündels 15» welches den Abtastfleck 19 auf einem zu lesenden Zeichen erzeugt, innerhalb eines bestimmten, ausreichend grossen Bereich vor und hinter der Abtastebene 18 im Vergleich zur Struktur des abzutastenden Zeichens noch ausreichend klein ist und dabei das abzutastende Zeichen

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lediglich innerhalb dieses Bereiches und nicht exakt in der Abtastebene 18 liegen muss.

Ein von dem Abtastlichtfleck 19 auf einem abgetasteten Zeichen ausgehendes Empfangsstrahlenbündel 20 gelangt über den konkaven Spiegel 13 als annähernd paralleles Strahlenbündel 21 und über eine, beispielsweise oberhalb der ersten torischen Meniskuslinse 14 angeordnete zweite torische Meniskuslinse 22 (vergl. Fig. 2) zur spiegelnden Fläche 9 des Spiegelpolygons 10 zurück. Das von der zweiten torischen Meniskuslinse 22 gegen die spiegelnde Fläche 9 gerichtete konvergente Lichtstrahlenbündel 23 wird von.der zweiten torischen Meniskuslinse 22 auf die spiegelnde Fläche 9 fokussiert.

Vorzugsweise wird dabei die Anordnung der beiden torischen Meniskuslinsen 14 und 22 derart gewählt, dass die Reflexionsstellen des Lichtstrahlenbündels 3'''¹I welches schliesslich das Abtastlichtstrahlenbündel 15 erzeugt, und des von dem Empfangsstrahlenbündel 20 stammenden konvergenten Lichtstrahlenbündels 23 (vergl. Fig. 2) auf der spiegelnden Fläche 9 örtlich gegeneinander versetzt sind. Hierdurch wird nämlich vermieden, dass durch optische Unvollkommenheiten, wie Kratzer, Staub usw. auf der spiegelnden Fläche 9 von dem an sich viel intensiveren Lichtstrom des Licht st rahl_ -enbündels 3'»·» Streulicht in das Empfangsstrahlenbündel übertritt. Ein solcher Streulicht-Uebertritt würde

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nämlich das Signal/Rauschverhältnis bei dqr schliesslich vom Empfangsstrahlenbündel getroffenen photoelektrischen Empfangsvorrichtung ungünstig beeinflussen.

In gleicher Weise ist es vorteilhaft, auf dem konkaven Spiegel 13 die Reflexionsstellen der Lichtstrahlenbündel 12 und 20 örtlich gegeneinander zu versetzen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Das schräg von oben auf die spiegelnde Fläche 9 auftreffende Lichtstrahlenbündel 23 wird als divergentes schräg nach unten verlaufendes Lichtstrahlenbündel 24 reflektiert. Das Lichtstrahlenbündel 24 wird durch dritte optische Mittel, wie beispielsweise eine Zylinderlinse 25 und eine Linse 26, gegen die aktive Fläche einer photoelektrischen Empfangsvorrichtung 27, wie beispielsweise eine Photodiode^ gesandt.

Die Abtastebene 18 liegt beispielsweise in einem Abstand d (vergl. Fig. 2) oberhalb einer als Führungsmittel dienenden Abdeckplatte 28. Die Abdeckplatte 28 weist einen Schlitz 29 auf, durch welchen sowohl das Abtastlichstrahlenbündel 15, als auch das Empfangsstrahlenbündel 20 verläuft. Die beschriebene Anordnung ergibt nun in einem beidseits der Abtastebene 18 liegenden räumlichen Bereich B von der Dicke 2d eine für die Abtastung ausreichend kleiner Abtastfleck 19.

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Die Fig. 3- zeigt schematisch den Verlauf des Hauptstrahles des AbtastlüehtStrahlenbündels (vergl. Fig- I und 2) unter der Wirkung des Pyramidalfehlers. Zufolge unvermeidbarer Fertigungstoleranzen weisen die einzelnen Polygonflächen 9 des Spiegelpolygons 10 eine Kippung gegen seine Drehachse 11 um den Winkel σθ auf. Dadurch weist ein auf eine solche gekippte Polygonfläche fallender Hauptstrahl 3* nach seiner Reflexion als Hauptstrahl 12* einen Pyramidalfehler von 2 oO gegen seine Soll-Lage 12' auf. Dadurch würde ohne weitere Massnahmen der vom konkaven Spiegel 13 gegen die Abtastfläche 18 gerichtete Abtastlichtstrahl (Hauptstrahl) 15* um den Betrag + X = f · · tan2o£ gegenüber der SoIl-Lage (15**) dieses Hauptstrahls versetzt sein, wobei f' gleich der Brennweite des konkaven Spiegels 13 ist.

Xl ·

Die zwischen dem Spiegelpolygon 10 und dem konkaven Spiegel 13, \orzugsweise näher beim Spiegelpolygon 10 als bei konkaven Spiegel 13, angeordnete torische Meniskuslinse 14 ist nun so ausgebildet und angeordnet, dass die vor der torischen Meniskuslinse 14 um den Winkel 2 cO gegeneinander geneigten Hauptstrahlen 12' und 12* nach dem Verlassen der torischen Meniskuslinse als parallel zueinander verlaufende Strahlen 12** und 12*** auf den konkaven Spiegel 13 fallen. Das heisst, der meridionale Brennpunkt der torischen Meniskuslinse liegt auf der Oberfläche 9 des Spiegelpolygons 10. Vom konkaven Spiegel 13 wird der Abtastlichtstrahl 15***

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nun mit dem Winkel /5 zur Soll-Richtung 15** (gegebenenfalls über den Umlenkspiegel 17) in die Abtastebene im Auftreffpunkt 19 fokussiert. In einer Parallelebene 18' zur idealen Abtastebene 18 ergibt sich durch die erwähnte Massnahme nunmehr ein Zeilenversatz x¹ mit dem Betrag

Υ -Ϊ ·ύ*,/β oder Χ

da /S - IL ■ 2 oC

wobei f' = Brennweite der torischen Meniskuslinse 14.

iii

Dadurch ergibt sich nun folgender Vorteil: In der Abtastebene 12 ist der durch den Pyramidalfehler verursachte Zeilenversatz gleich 0, also voll korrigiert. In einer, in Strahlrichtung gemessenen, im Abstand t hinter oder vor der idealen Abtastebene 18 liegenden Parallelebene 18' ergibt sich ein wesentlich kleinerer durch den Pyramidalfehler verursachter Zeilenversatz als ohne die erwähnten Massnahmen.

Beispielsweise gilt für t = 15 mm, f' = 350 mm und

Xl

f? = 70 mm, dass der Zeilenversatz x¹ rund 70 mal kleiner wird als der Zeilenversatz χ wie er sich ohne die torische Meniskuslinse 15 einstellen würde.

Die Durchbiegung der torischen Meniskuslinse 14 ist wenigstens annähernd so zu wählen, dass der Abbildungs masstab, das heisst das Verhältnis objektseitige Schnittweite zu bildseitger Schnittweite, konstant ist

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-¹^- 233061?

Aus der .Formel für x¹ und /j ist ersichtlich, dass es zweekmässig ist ff möglichst klein und f' möglichst

υ Jl

gross zu wählen. Dies wird aber mit einer Anordnung, bei welcher die Meniskuslinse 14 möglichst nahe beim Spiegelpolygon 10 liegt und mit einer möglichst grossen

Brennweite 11, des konkaven Spiegels 13 gemäss vorliegender Ii

Erfindung, in besonders hohem Masse erreicht.

Ein weiterer Vorteil der torischen Meniskuslinse 14 liegt darin, dass zufolge des Strahlversatzes bei schiefem Durchtritt von derselben Abtastgeschwindigkeitsfehler, wie sie bei grosser Strahlablenkung auftreten können, wenigstens teilweise korrigiert werden.

Das optische System der Strahlablenkvorrichtung kann durch eine beim Schlitz 29 angeordnete planparallele Glasplatte 30 vor Verstaubung geschützt werden.

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Claims

-Patentansprüche-

f i J Optische Abtastvorrichtung, insbesondere für optisch erkennbare, einer Ware zugeordnete bzw. an dieser angebrachte Zeichen mit einem Abtastlichtstrahlenbündel, das auf Grund einer Dreh- oder Schwingbewegung um eine Achse eines ein Licht strahlenbündel weiterleitenden Teiles einer Strahlablenkvorrichtung eine durch Führungsmittel bestimmte Fläche oder Ebene abtastet, dadurch gekennzeichnet , daß ein von einer Lichtquelle (2) stammendes Lichtstrahlenbündel (3¹, 3¹', 3'"₅ 3¹¹¹¹) durch optische Mittel (4, 7) gegen eine spiegelnde Fläche (9) der Strahlablenkvorrichtung (10) gerichtet ist, und das von dieser spiegelnden Fläche (9) zurückgeworfene Abtastlichtstrahlenbündel (12) durch eine zwischen der StrahlaMenkvorrichtung (10) und einem konkaven Spiegel (13) angeordnete torische Meniskuslinse (14·) gegen den konteren Spiegel (13) gerichtet ist, wobei das vom konkaven Spiegel (13) zurückgeworfene Abtastlichtstrahlenbündel (15) durch diesen in der durch Führungsmittel bestimmten Ebene (18) fokussiert wird.
2. Optische Abtastvorricht\ing nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß erste optische Mittel, durch welche das von einer Lichtquelle (2) stammende Lichtstrahlenbündel gegen eine bewegliche spiegelnde Fläche (9) gelenkt wird, ein mit einer sphärischen Eintrittsfläche (6) versehenes Prisma (7) aufweisen.
3· Optische Abtastvorrichtungnach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , da; der Abstand der genannten torischen Meniskuslinse (14) von der

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Strahlablenkvorrichtung, bzw. dem Spiegelpolygon (10) kleiner ist als der Abstand dieser Meniskuslinse (14) vom konkaven Spiegel (13).
4. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet , daß die genannte torische Meniskuslinse (14) so ausgebildet und angeordnet ist, daß das von ihr auf die spiegelnde Fläche geworfene Lichtstrahlenbündel (3' ' ' ') diese Fläche an einer ersten Stelle trifft» welche örtlich versetzt ist zu einer zweiten Stelle auf dieser spiegelnden Fläche (9), an welcher ein Empfangsstrahlenbündel (23) auf die spiegelnde Fläche (9) auftrifft.
5. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet , daß die genannte torische Meniskuslinse (14) das Abtastlichtstrahlenbündel (12) an eine erste Stelle des konkaven Spiegels (13) wirft, welche erste Stelle örtlich versetzt ist gegenüber einer zweiten Stelle auf dem konkaven Spiegel (13)ϊ an welcher ein Empfangsstrahlenbündel (20) reflektiert wird.
6. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein vom Auftreffpunkt (19) des Abtastlichtstrahlenbündels (15) ausgehendes Empfangsstrahlenbündel (20) über den konkaven Spiegel (13) und durch eine zweite torische Meniskuslinse (22) gegen die genannte spiegelnde Fläche (9) geworfen wird.
7. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein Bmpfangsstrahlenbündel nach seiner Reflexion an der genannten spiegelnden Fläche (9) duch optische Mittel (25» 26) auf eine photoelektrische Empfangsvorrichtung geworfen wird.

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8. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Brennpunkt des konkaven Spiegels (13) wenigstens annähernd auf der Achse (11) der Strahlablenkvorrichtung (10) liegt.
9. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennweite (f.p der genannten torischen Meniskuslinse (14) kleiner ist als die Brennweite (ΐΛ) des konkaven Spiegels (13).
10. Optische Abtastvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet , daß der meridionale Brennpunkt der genannten torischen Meniskuslinse (14) auf der Oberfläche des Spiegelpolygons (10) liegt.