DE2756253C2

DE2756253C2 - Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2756253C2
Application number: DE19772756253
Authority: DE
Inventors: Moritoshi Tokyo Ando; Hiroyuki Yokohama Kanagawa Ikeda
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1976-12-16
Filing date: 1977-12-16
Publication date: 1982-02-25
Also published as: FR2374696B1; FR2374696A1; DE2756253A1; GB1595487A; JPS5375950A

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-Patentichrift 36 19 033 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung sind am Umfang einer kreisförmigen Scheibe Hologramme angeordnet, die Beugungsgitter mit parallelen Linien konstanten Abstandes darstellen. Der die Hologramme tragende Umfangsbereich der Scheibe wird mit einem parallelen Laserstrahlenbündel be-Itrahlt, an dem die einzelnen Hologramme nacheinander vorbeilaufen und jeweils einen Abtaststrahl erzeugen. Zur Herstellung der Hologramme werden eine ebene Welle und eine Kugelwelle zur Überlagerung gebracht, wobei die Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle senkrecht zur Hologrammfläche liegt.

Es gibt viele Anwendungsfälle für eine solche Abtastvorrichtung. Die folgende Erläuterung bezieht lieh auf die Anwendung bei einem Verkaufsstellensy-Item, dem sogenannten POS (Point-of-sale). Diese Systeme trifft man immer häufiger in Warenmärkten an, da sie es gestatten, mit Hilfe eines zentralen Computers Art und Anzahl der verkauften Artikel automatisch zu erfassen, was viele hier nicht im einzelnen zu erläuternde Vorteile bringt Alle Waren sind zu diesem Zweck mit einem sogenannten Stfichköde-Etikett »ersehen, dessen Strichkode unter Verwendung Von UPC-Symbolen (Universal product code) ausgebildet ist Dieser Strichkode enthält erforderliche Informationen, die mit Hilfe der Abtastvorrichtung gelesen und dem Computer zur Verarbeitung übertragen werden.

Ein Beispiel eines Abtastgerätes für diese Anwendung ist in Fig. 9 der prioritätsälteren deutschen Patentschrift 26 26 062 dargestellt und in dieser erläutert Bei diesem Gerät ist es erwünscht, die Länge der von dem Abtaststrahl beschriebenen Abtastlinie zu vergrößern, ohne die Länge des Hologramms bzw. die Gesamtlänge

ίο der Hologramme zu erhöhen. Wie später im einzelnen erläutert werden wird, hat sich herausgestellt daß die gewünschte Verlängerung der Abtastlinie möglich wird, wenn die Hologramme beim Abtastvorgang mit einer Kugelwelle anstelle einer ebenen Welle bestrahlt

ι; werden. Als nachteilig erweist sich bei dieser Lösung aber, daß der geometrische Ort des Konvergenzpunktes des Abtaststrahls keine ebene, sondern eine gekrümmte Bildfläche ist Wie ebenfalls später im einzelnen erläutert werden wird, führt diese gekrümmte Bildfläche zu einer erheblichen Verringerung der Auflösung der Abtastvorrichtung, was naturgemäß unerwünscht ist und insbesondere bei der Abtastung von Strichkodes mit Strichen einer Breite in der Größenordnung von 0,3 mm zu Problemen führt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abtastvorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die bei zufriedenstellender Auflösung und verhältnismäßig ge>inger Hologrammgesamtlänge eine gioße Abtastlinienlänge erlaubt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine vergrößerte Draufsicht auf ein herkömmliches Strichkodeetikett.

F i g. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf ein herkömm-Iiches Strichkodeetikett und Abta: iiinien, die alle den gesamten Bereich des Strichkodes durchlaufen,

F ι g. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf ein herkömmliches Sirichkodeetikett und Abtastlinien, von denen keine den gesamten Bereich des Strichkodes durchläuft, F i g. 4 schematisch ein Beispiel eines herkömmlichen zweidimensionalen Abtastmusters mit sich rechtwinklig kreuzenden Abtastlinien,

F i g. 5A und 5B je eine perspektivische Ansicht eines Hologramms und eines Laserstrahlenbündels, welches das Hologramm beleuchtet und von diesem abgestrahlt wird,

F i g. 6 eine bildhafte Darstellung einer Lichtabtast vorrichtung (diese Figur entspricht Fig. 9 der eigenen älteren Patentschrift 26 26 062),

Fig. 7A eine Darstellung der herkömmlichen Methode zur Erzeugung eines Hologramms.

Fig. 7B eine Darstellung einer Methode zur Erzeugung eines Hologramms, das in einer erfindungsgemäßen Lichnabtastvorrichtung verwendbar ist,

F i g. 8 eine Draufsicht auf ein Hologramm, das mit Hilfe des der F i g. 7A entsprechenden Verfahrens hergestellt worden ist,

Fig,9 ein optisches Diagramm, das von einem herkömmlichen Hologramm erzeugt worden ist,

Fig. 10 eine Erläuterung der Krümmung der Bildfläche,

Fig. Il und 12 Darstellungen zur Erläuterung des Auftretens der Bildfeldkrümmung,

F i g. 13 eine Tabelle verschiedener Formen von Lichtflecken bei unterschiedüchen Beugungswinkeln,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Profile der Bildfeldkrümmungen,

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Profile der Bildfeldkrümmung bei unterschiedlichen Versetzungswinkeln P,

Fig. 16 eine graphische Darstellung von Kurven, die verwendbar sind zur Bestimmung des Versetzungswinkels P aus dem Ablenkungsmultiplizierfaktor M und dem Mittelbeugungswinkel β (χ),

F i g. 17 eine graphische Darstellung einer Verbesserung der in Fig. 15gezeigten Bildfeldkrümmungsprofile bei unterschiedlichen Versetzungswinkein P,

Fi g. 18 schematisch eine Schnitt- und Vorderansicht einer bekannten POS-Terminal-Einrichtung,

Fig. 19 schematisch eine Schnitt- und Vorderansicht einer POS-Terminal-Einrichtung, die eine erfindungsgemäße Lichtabtastvorrichtung aufweist, und

F i g. 20 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Schritte zur Bestimmung des Versetzungswinkels aus einem in Fig. !8 gezeigten Drehwinke! Q. gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine vergrößerte Draufsicht auf ein Strichkode-Etikett 11, das an einer Außenfläche eines jeden zu erfassenden Warenstücks (nicht dargestellt) befestigt ist. Der als Beispiel dargestellte Strichkode dieses Strichkode-Etiketts ist mit 12 bezeichnet. Er ist gewöhnlich auf die Oberfläche des Strichkode-Etiketts 11 gedruckt. Der Strichkode 12 ist unter Verwendung von UPC-Zeichen ausgebildet und stellt Daten, wie die Kosten, den Hersteller, die Art und das Herstellungsdatum der jeweiligen Ware, an der das Strichkode-Etikett 11 angebracht ist, dar. Die dieser Ware zugeordnete Information wird mit Hilfe einer Lichtabtastvorrichtung in Verbindung mit einem fotoelektrischen Wandler oder Fotosensor (84 in Fi g. 6) gelesen und durch einen nicht dargestellten Computer verarbeitet. Die Lichtabtastvorrichtung erzeugt ein kohärentes Lichtstrahlbündel, zum Beispiel ein Laserstrahlbünde' das den Strichkode 12 quer abtastet. Der Fotosensor empfängt das vom Strichkode 12 reflektierte Lichtstrahlbündel. Die Intensität dieses reflektierten Lichtstrahlbündels ändert sich in Abhängigkeit von dem jeweiligen Strichkode 12.

Das von der Abtastvorrichtung gelieferte kohärente Lichtstrahlbündel muß den Strichkoie abtasten, indem es ihn in seiner Gesamtheit kreuzt, wie dies in Fig.2 dargestellt ist. In Fig. 2 stellen die Linien 21a, 21 b und 21c Abtastlinien dar, von denen jede den gesamten Strichkode überquert.

Ist jedoch das Strichkode-Etikett unter bestimmten Winkeln gegenüber dem abtastenden Lichtstrahlbündel angeordnet, dann kann letzteres nicht den gesamten Strichkode überqueren, wie dies in F i g. 3 für die Abtastlinien 21a, 21 b und 21c gezeigt ist. Bei einer solchen Abtastung gemäß Fig.3 ist ein fehlerfreies Lesen aller im Strichkode 12 enthaltenen Information unmöglich. Da es sich bei den Abtastlinien 21a. 21 b und 21c um eindimensionale Abtastungen handelt, kann ein Abtastfehler gemäß Fig.3 nicht ausgeschlossen werden.

Es ist daher erforderlich, zur Vermeidung von Abtastfehlern den Strichkode 12 zweidimensional abzutasten. Bei einer solchen zweidimensiönalen Abtastung, wie sie in Fi g. 4 gezeigt ist. ist sichergestellt, daß der Computer die im Strichkode enthaltene Information fehlerfrei übernimmt, ind zwar selbst dann, wenn das Strichkode-Etikett eine beliebige Schräglage zur Abtastvorrichtung besitzt. Fig.4 zeigt ein zweidimensionales Abtastmuster, das sich senkrecht kreuzende Abtastlinien aufweist.

Das Prinzip der Lichtabtastung, von dem bei der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung Gebrauch gemacht wird, ist in den Fi g. 5A und 5B gezeigt gemäß F i g. 5A wird ein kohärentes Lichtstrahlbündel, nämlich ein Laserstrahlbündel 51, auf einen Punkt 52 eines

ίο Hologramms 53 projiziert Das Laserstrahlbündel 51 wird durch das Hologramm 53 so übertragen, daß es eine abzutastende Oberfläche 54 erreicht Wenn das Hologramm 53 in eine Richtung längs eines Pfeils 55 senkrecht zur Richtung des ortsfesten Laserstrahlbündels 51 verschoben wird, wandert ein Lichtfleck 56 über die Oberfläche 54 in Richtung des Pfeils 57 und erzeugt eine Abtastlinie 58. Das Hologramm 53 weist ein Beugungsgitter mit einem Raumfrequ^nzgradienten auf, so daß der Punkt 52 bei der erwähnten Bewegung des Hologramms 53 aasgehend von dessen Mitte zum Umfangsrand hin auf Bereiche allmä^Mich immer höher werdender Raumfrequen? trifft. Di<* Abtastlinie 58 ergibt sich daher als Folge unterschiedlicner Beugungswinkel des Laserstrahlbündels 51 in verschiedenen

2> Bereichen des Hologramms 53. Wird das Hologramm 53 gemäß F i g. 5B abwechselnd in einer Richtung längs des Pfeils Ί5 und einer Richtung längs eines Pfeils 59 verschoben, dann können Lichtflecken 56' und 56" die Oberfläche 54 sowohl in einer horizontalen Richtung parallel zum Pfeil 57 als auch in einer Vertikalrichtung entsprechend dem Pfeil 50 abtasten. Dabei ergibt sich eine in Vertikalriclitung längs des Pfeils 50 verschobene Abtastlinie 58.

Fig.6 zeigt eine Lichtabtastvorrichtung und ent-

π spricht Fig. 9 des älteren Patents 26 26 062. Bei der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung sind erste Hologiamme 61-1, 62-2,..., 61-4 und zweite Hologramme 62-1, 62-2, .... 62-12 in einer als Hologrammträger dienenden kreisförmigen Scheibe 63 befestigt Diese Hologramme sind längs einer Kreisbahn angeordnet die durch einen Mittelpunkt 0 definiert ist. Ein Laserstrahlenbündel 64 vor einer Laserstrahlenquelle 77 wird von einem Spiegel 65 zur Kreisscheibe 63 reflektiert. Das reflektierte Laserstrahlenbündel 64 läuft darin durch

4> eine konvexe Linse 66, um ortsfest einen Pusikt 67 auf der Kreisscheibe 63 zu beleuchten. W-mn die Kreisscheibe 63 mit Hilfe eines Elektromotors 68 in Richtung eines Pfeils 60 gedreht wird, erzeugt jedes der Hologramme 61-1, 61-2 ... ein Abtastlaserstrahlenbündel 69, das ein Prisma 70 beleuchtet, während jedes der Hologramme 62-1, 62-2 ... ein Abtastlaserstrahlenbündel 71 erzeugt, das tin Dove-Prisma 72 beleuchtet. Dies deshalb, weils jedes der Hologramme 61-1, 61-2 ... vorher so ausgelegt worden ist, daß das es durchdrin-

« gcndi. Abtastlaserstrahlenbündel aufgrund von Beugung auf das Prisma 70 gerichtet werden kann, und weil jedes der Hologramme 62-1,62-2 ... zuvor so ausgelegt worden ist, daß das es durchdringende Abtastlaserstrahlenbündel aufgrund von Beugung auf das Dove-Prisma 72 gerichtet wird. ⁿas durch das Prisma 70 übertragene Abtastlaserstrahlenbündel 69 bildet eine der entsprechenden Abtästlinien 73, die in F i g. 6 von links nach rechts verlaufen. Das Abtaststrahlenbündel 71, das sowohl durch das Dove-Prisma 72 und ein Prisma 74 läuft, bildet eine der entsprechenden Abtastlinien 75, die in F i g. 6 auf der BrMoberfläche von oben nach unten verlaufen. Es sei bemerkt, daß die Ablenkrichtung des Abtastlaserstrahlenbündels 71 mit dem Dove-Prisma 72

leicht unter irgendeinem Winkel von 0° bis 360° eingestellt werden kann.

In F i g. 6 kennzeichnet die Bezugsziffer 76 einen Teil einer POS-Terminal-Einrichtung. Die Einrichtung 76 besitzt ein transparentes Fenster 78 zum Abtasten des in F i g. 1 mit 11 gezeigten Strichkodeetiketts. Wenn ein (in F i g. 6 nicht gezeigter) Artikel über dem Fenster 76 angeordnet wird und wenn das an der Außenfläche des Artikels befestigte Strichkodeetikett dem Fenster 78 gegenüberliegt, tasten die Abtastlaserstrahlenbündel 79 und 80 den (in Fig. 1 mit 12 gekennzeichneten) Strichkode mit einem Abtastmuster ab, das sich rechtwinklig kreuzt.

Jedes der Abtastlaserstrahlenbündel 79 und 80 wird vom Strichkodeetikett reflektiert. Das reflektierte Abtastlaserstrahlenbündel 82 wird, falls erforderlich, von einer Kondensorlinse 83 gesammelt, um einen Fotosensor 84 zu beleuchten, der eine Fotovervielfacherröhre aufweist. Die Intensität des reflektierten Abtastlaserstrahlenbündels 82 ändert sich entsprechend dem Strichkode, und die Intensitätsänderungen werden vom Fotosensor 84 in eine Folge elektrischer Impulse umgewandelt. Diese Folge elektrischer Impulse vom Fotosensor 84 wird von einem Demodulator 85 demoduliert. Die Ausgangssignale werden dann an eine (in F i g. 6 nicht gezeigte) Zentraleinheit (CPU) übertragen.

Fig. 7A zeigt die herkömmliche Methode zur Erzeugung eines Hologramms. Die Bezugsziffer 90 kennzeichnet eine transparente Glasplatte, die mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichtet ist. In der lichtempfindlichen Schicht wird ein Hologramm erzeugt. Eine (nicht gezeigte) Laserquelle erzeugt ein Laserstrahlenbündel, das mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Halbspiegels in zwei Laserstrahlenbündel 91 und 92 aufgeteilt wird. Das erste Laserstrahlenbündel 91 ist eine ebene Welle, das heißt, die sogenannte Bezugswelle. Das zweite Laserstrahlenbündel ist eine Kugelwelle. Infolge der Überlagerung der Laserstrahlenbündel werden auf der lichtempfindlichen Schicht der Platte 90 Interferenzstreifen erzeugt Die Interferenzstreifen bilden ein Hologramm oder sie sogenannten Beugungsgitter. Das Symbol ΔΘ bezeichnet einen vorbestimmten Richtungswinkel zwischen der ebenen Welle 91 und der Kugelwelle 92. Das Symbol AQ' bezeichnet einen Schnittwinkel zwischen der Platte 90 und der ebenen Welle 91. und man beachte, daß der Schnittwinkel ΔΘ' ein rechter Winkel (90°) ist

F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf ein Hologramm, das mit dem Verfahren gemäß F i g. 7A hergestellt worden ist. In F i g. 8 entspricht ein Bereich A einer Draufsicht auf ein Hologramm, wie es in F i g. 7A aus der Richtung eines Pfeils 8 gesehen wird. Gemäß Fig. 8 stellt das Hologramm 93 ein Beugungsgitter in Form einer Vielzahl konzentrischer Kreise dar. Es sind in Fig.8 jedoch nur 10 konzentrische Kreise gezeigt Dieses Hologramm 93 wird als eine Fresnelzonenplatte bezeichnet Jedes Hologramm 93 wird in eine Vielzahl von Hologrammstücken 94-1 bis 94-4 zerteilt die auf die Kreisscheibe 63 (Fig.6) als Hologramme 61-1 bis 61-4 verteilt werden. Jedes Hologramm 93 wird ferner in eine Vielzahl Hologrammstücke 95-1 bis 95-12 zerteilt die auf der Kreisscheibe 63 (Fig. 6) als Hologramme 62-1 bis 62-12 verteilt werden.

Es wird nun wieder F i g. 6 betrachtet Die Gesamtlänge der beiden Abtastlinien 73 und 75 ist im allgemeinen beträchtlich lang, beispielsweise etwa 3 m. Folglich entspricht die Gesamtlänge der einzelnen Hologramme 61-1 bis 61-4 und 62-1 bis 62-12 etwa 3 m. Deshalb ist der

Durchmesser der Kreisscheibe 63 nahezu 1 ml - ml. Als

U /

Folge dieser Maße erhält die POS-Terminal-Einrichtung, von der ein Teil mit der Bezugsziffer 76 bezeichnet ist, sehr große Abmessungen.

Als nächstes wird anhand der F i g. 9 eine Möglichkeit zur Verringerung der Gesamtlänge der Hologramme 61-1 bis 614 und 62-1 bis 62-12 (Fig.6) ohne Verringerung der Gesamtlänge der Abtastlinien 73 und 75 erläutert. Fig.9 ist eine beispielsweise Ansicht, die eine optische Darstellung zeigt, wie sie sich mittels eines herkömmlichen Hologramms ergibt

In F i g. 9 bewegt sich das Hologramm 93 in einer flachen Ebene 97, die durch Koordinatenachsen X- Y definiert ist. In einer Brennpunktebene 97', die durch Koordinatenachsen X'- Y'definiert ist, bewegt sich ein Brennpunkt S' entsprechend der Bewegung des Hologramms 93. Diesen Brennpunkt erhält man durch Abbilden eines Laserstrahlenbündels 98 durch das Hologramm 93. In einer Bildebene 97", die durch Koordinatenachsen X"— Y" definiert ist, bewegt sich ein Lichtfleck 5" entsprechend der Bewegung des Hologramms 93. Die jeweiligen Schnittpunkte der Koordinatenachsen X- Y, X'- Y' und X"- Y" liegen auf einer Z-Achse.

In F i g. 9 ist die Bewegung des Brennpunktes 5'in der Brennpunktebene 97' proportional zur Bewegung des Mittelpunktes 0 des Hologramms 93 in der Ebene 97.

Demgemäß sind die Koordinaten (x, y) zur Bestimmung des Mittelpunktes 0 die gleichen wie die Koordinaten (x\ y'J zur Bestimmung des Brennpunktes 5'. Dagegen sind die Koordinaten des Lichtpunktes 5" definiert als (Mx, My), wobei die Zahl M größer als 1 ist (M > 1), da die Bildebene 97" auf der der Ebene 97 abgewandten Seite der Brennpunktebene 97' angeordnet ist. M ist bekannt als Ablenkmultiplizierfaktor und ist durch folgende Gleichung (1) gegeben:

(D

Dabei ist /der Abstand zwischen den Ebenen 97 und 97" und /"/γ der Abstand zwischen den Ebenen 97 und 97'. Somit ist der Betrag der Ablenkung des Abtastlichtflecks S" auf das M-fache des Betrags der Ablenkung des Bewegungsmittelpunktes 0 vergrößert Demgemäß kann in Fig.6 die Länge eines jeden Hologramms verringert werden, ohne die Länge der entsprechenden Abtastlinie zu verkleinern. Da jedoch in Fig.9 das Laserstrahlenbündel 98 entsprechend herkömmlicher, bekannter Praxis eine ebene Welle ist kann sich die Größe des abgebildeten Lichtflecks S" auf der Bildebene 97" vergrößern. Deshalb kann man kein hohes Auflösungsvermögen beim Lesen eines Strichkodes erhalten. Im Hinblick darauf ist es erforderlich, den Bildabstand zu erhöhen, um in der Bildebene 97" einen Konvergenzpunkt oder fokussierten Punkt zu erzeugen.

Eine Erhöhung des Bildabstandes kann man erreichen, wenn man ein Laserstrahlenbündel 98 verwendet bei dem es sich nicht um eine ebene Welle, sondern um eine Kugelwelle handelt Damit kann in der Bildebene 97" ein Konvergenzpunkt erzeugt werden. In diesem Fall erhält man folgende Gleichung (2):

-L ₊ -L

a I

/h

(2)

Dabei ist a der Abstand zwischen einer Kugelwellenquelle 99 und der Ebene 97 (Dingabstand). Ein Nachteil ist dabei, daß die durch die Konvergenzpunkte definierte Bildebene in eine gekrümmte Bildfläche übergeht. Die Krümmungslinie der Bildfläche ist in Fig. 10 dargestellt. Fig. iö zeigt, wie die Krümmung der Bildfläche zustande kommt. Wenn sich das Hologramm 93 und die Kugelwellenquelie 99 relativ zueinander bewegen, bilden die Konvergenzpunkte die Krümmungslinie der Bildfläche 100. Der Grund dafür, daß die Bildfläche nicht eben, sondern gekrümmt wird, ist der, daß die reproduzierende Kugelwelle 98 (F ϊ g. 9) nicht identisch mit den Laserstrahlen 91 und 92 (Fig. 7A) ist. Generell sollte ein Laserstrahlenbündel, das als reproduzierende Welle dient, entweder ein Laserstrahlenbündel einer ebenen Welle sein oder ein Laserstfahlenbündel, das als Bezugswelle dient. Das ebenwellige Laserstrahlenbündel und das Bezugswelienstrnhlenbündel werden beide zur Erzeugung von

Wenn in Fig. 11, die eine Ansicht zur Beschreibung der Bildflächenkrümmung ist, eine Kugelwelle 121 Und eine ebene Welle 122 auf ein Aufzeichnungsmedium (in Fig. 11 nicht gezeigt), das auf einer durch die Koordinaten X— Y definierten Ebene angeordnet ist, aufgestrahlt werden, entsteht eine Interferenz zwischen den Wellen 121 und 122 auf den X— Y-Koordinaten, und man erhält ein Beugungsgitter.

In Fig. 12, einer weiteren Darstellung, ist ein Hologramm mit Beugungsgittern zwischen χ+Δχ und *-d;rin einer durch die Koordinaten X- ^definierten Eben, angeordnet. Wenn eine Kugelwellenquelle 131 in einer in Fig. 12 gezeigten Position (x.a)angeordnet ist, werden Reproduktions- oder Wiedergabewinkel an den Punkten χ+Δχ, Afund x—Δχζχιιχ, Obzw. zu —cc. Ferner werden Beugungswinkel einer Bildwelle 132 an den Punkten χ+Δχ, χ und χ—Δχ zu β (χ+Δχ), β (χ) bzw. ß (χ—Δχ). β (χ) ist der mittlere Beugungswinkel. Die Beugungswinkel β (χ+Δχ), β (χ) und β (χ—Δχ) lassen sich durch die folgende Gleichungsgruppe (3) definie-

β ix + Ax) = sin

jS(-v) = sin"¹ [sin ^tan"¹ f —

= sin"¹ [
L

- sin <τ

(3)

ß(x -Ax) = sin¹ isinftan ' f \\ + sino-1

Die Bildwelle 132 konvergiert in einem Punkt 133. Der Buchstabe / repräsentiert den Abstand zwischen der durch die Koordinaten X— Fdefinierten Ebene und einer dazu parallelen Ebene, in welcher der Punkt 133 liegt. Der Abstand /wird Bildabstand genannt Der Wert des Bildabstandes / kann durch Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12 und den Gleichungen (3) beschriebenen Methoden abgeleitet werden und ist durch die folgende Gleichung (4) definiert:

2atana

tanj8(.v + Ax)- tanj5{.v - Ax) Dabei ist a der Absland zwischen der Kugelwellenquelie 131 und der durch die Koordinaten X-Y definierten Ebene, und Δχ kann definiert werden als

Δχ — ä tan α.

Wenn in obiger Gleichung (4) der Wert von Δχ ein fester Wert ist und der Wert von χ graduell erhöht wird, mit anderen Worten, wenn der Beugungswinkel β (χ) graduell vergrößert wird, erhöht sich der Bildabstand / stark mit der Vergrößerung des Wertes von β (χ). Aufgrund der Ausdehnung des Bildabstandes /entsprechend der Erhöhung des Wertes von β (χ) wird die Krümmung des Bildfeldes 100 (Fig. 10) erzeugt. Man beachte, daß die Bildfeldkrümmung nicht erzeugt werden kann, wenn der Ablenkungsmultiplizierfaktor M (siehe F i g. 9) gleich 1 ist (M= 1).

Wie aus der vorausgehenden Beschreibung hinsichtlich der Bildflächenkrümmung ersichtlich ist, wird der Bildabstand /mit weiter zunehmendem β (Ά·,)!anger. Der

«ο BSu'**!!.'^.vinke!"''.v^ksnn auchdefiniert \y*»nr»*»n °^^c^**** Winkel zwischen der Richtung der Bildwelle und der Normalen auf das Hologramm.

Es wird nun wieder Fi g. 6 betrachtet. Die Beugungswinkel des Abtastlaserstrahlenbündels 71 sind recht groß im Vergleich zu denen des Abtastlaserstrahlenbündels 69. Folglich ist es unvermeidlich, daß die Abtastlinien 75, die durch das Abtastlaserstrahlenbündel 71 abgetastet werden, eine sich mangelhaft auswirkende Bildflächenkrümmung erzeugen. Die Abmessung des Lichtflecks, der das Strichkodeetikett abtastet, nimmt daher zu, wie es in Reihe I in F i g. 13 gezeigt ist. Reihe I zeigt Lichtflecken (weiße Bereiche), die auf dem Strichkodeetikett unter Beugungswinkeln von 16°, 20°, 24°, 28° und 32° des Abtastlaserstrahlenbündels 75 eines jeden der Hologramme 62-1 bis 62-12 abgebildet worden sind, und zwar gemäß der bekannten Lichtabtastvorrichtung. Es ist einfach zu erkennen, daß die in Reihe I gezeigten Lichtflecken kein hohes Auflösungsvermögen für das Lesen des Strichkodes aufweisen.

Deshalb kann der Strichkode nicht fehlerfrei gelesen werden.

Fig. 14 zeigt Profile der Krümmungen der Bildflächen. Auf der Ordinate ist der Bildabstand / in Millimetern aufgetragen, und die Abszisse zeigt den Beugungswinkel β (x)m Grad. Die Kurven G, Ci, Ci, CU, Ce und Go sind Profile der Bildflächenkrümmungen, wenn die Ablenkungsmultiplizierfaktoren Λ/die Werte 1,2,3,4,8 bzw. 10 haben. Wenn der Faktor Λ/gleich I ist, wird keine Krümmung des Abbildungsfeldes erzeugt. In

so diesem Fall ist aber, wie erwähnt, die Gesamtlänge aller Abtastlinien 73 (F i g. 6) gleich der Gesamtlänge K (F i g. 6) der Hologramme 61-1 bis 61-4 (F i g. 6). Auch ist die Gesamtlänge aller Abtastlinien 75 gleich der Gesamtlänge K (F i g. 6) der Hologramme 62-1 bis 62-12 (Fig.6).

Wenn die Gesamtlänge der Abtastlinien 73 und 75 gleich 3 m ist, würde sich der Durchmesser der Scheibe 63 (Fig.6) stark erhöhen auf etwa I m. Um den Durchmesser der Scheibe 63 auf beispielsweise ein Viertel dieses Durchmessers zur verringern, muß der Ablenkungsmultiplizierfaktor M zu 4 gewählt werden (M=4). Wenn A/gleich 4 ist, erhält man die Kurve &, in Fig. 14. Wenn im Fall der Kurve G der Beugungswinkel β (χ) innerhalb eines Bereiches von 0° ± 10° liegt, ist

die Änderung des Wertes d/des Bildabstandes /nicht so groß. Folglich ist das Auflösungsvermögen eines jeden Abtaststrahlenbündels, das heißt, der Abtastlinien 75 (Fig.6) relativ hoch. Jede der Abtastlinien 73 wird

durch das von den entsprechenden Hologrammen »bgestrahlte Abtastlaserstrahlenbündel 69 (Fig.6) mit Beugungswinkeln β (χ) innerhalb eines Bereiches von 0°±10° abgetastet. Wenn der Beugungswinkel β (χ) dagegen in einem Bereich von 20° ± 10° liegt, ist die Änderung Al'des Bildabstandes /extrem groß. Folglich ist das Auflösungsvermögen einer jeden der Abtastlinien 75 (Fi pi 6) sehr niedrig, Jede der Abtastlinien 75 wird von dem Abtastlaserstrahlenbündel 71 (Fig.6) abgetastet, das von den entsprechenden Hologrammen mit den Beugungswinkeln jJftyim Bereich von 20° + 10° abgestrahlt wird.

Es werden nun diejenigen Hologramme beschrieben, die bei der erfindiingsgemäßen Abtastvorrichtung benutzt werden. Das auf der vorliegenden Erfindung beruhende Hologramm wird durch Beaufschlagung der lichtempfindlichen Schicht sowohl mit einer ebenen Welle als auch mit einer Kugelwelle hergestellt. Die Beaufschlagung der lichtempfindlichen Schicht mit der

b l fi b

Fig. 7B beschichtet ist, erzeugt Worden ist, eignet sich sehr gut zur Frzeugung gleichförmiger Bildabstände bezüglich jeglichem der gegebenen Beugungswinkel β

Die Wirksamkeit des Hologramms, das mit dem in Fig.7B gezeigten Verfahren hergestellt worden ist, wird anhand Fig. 15 erläutert. Fig. 15 ist eine Darstellung der verschiedenen Profile der Krümmungen der Abbildungsfelder. Dabei zeigt die Ordinate den

ίο Bildabstand /in Millimetern, und die Abszisse zeigt den Beugungswinkel β (x)\ft Grad. Es sei bemerkt, daß man, obwohl diese Darstellung sich nur auf die Kurve Ct in F i g. 14 bezieht, Darstellungen ähnlich der In Fi g. 14 für die Kurven Ci, C3, Ce und Go in F i g. 14 erhalten kann. In der Darstellung der Fig. 16 sind die Kurven G,p$, pw, pi? und pm erhalten worden unter Verwendung von Hologrammen, die mit dem in Fig.7B gezeigto.ii Verfahren unter Versetzungswinkeln Pgleich 0°, 5°, \5" bzw. 20° erzeugt worden sind. Das unter einem

•bellen Welle erfuigt üfiicf einem VGFucsti teil, VOJi Sr VefsciEUngäWirikc! F VOIi 0° SrZGügiG Ho'ogrSiMni ΐ5ΐ

Null verschiedenen Versetzungswinkel F° zwischen diesen. F i g. 7B zeigt eine Methode zur Erzeugung eines Hologramms, das bei einer erfindungsgemäßen Lichtabiastvorrichtung verwendet wird. In Fig.7B kennzeichnen die Bezugsziffern 90, 91 und 92 die gleichen Elemente wie die in F i g. 7 A gezeigten. Der Unterschied «wischen den Darstellungen der F i g. 7A und 7B besteht darin, daß die transparente Glasplatte 90 das ebenwellige Laserstrahlenbündel 71 nicht unter einem rechten Winkel (siehe ΔΘ' [ = 90°] in Fig.7A) schneidet, iondern unter einem vorbestimmten Versetzungswinkel P. Ein Hologramm, das in der (nicht gezeigten) lichtempfindlichen Schicht, mit der die Platte 90 in ein herkömmliches Hologramm. Folglich ist die in F i g. 15 als durchgezogene Linie gezeigte Kurve G eine herkömmliche Kurve, die exakt die gleiche wie Kurve Ct in F i g. 14 ist. Wenn sich in F i g. 15 der BRUgungswinicel β (χ) innerhalb eines Bereiches von 10° <ß(x) <30^a ändert, das heißt, 20° ±10° (wobei die 20° als Mittelbeugungswinkel definiert sind), erhält man die kleinste Änderung ΔΙ' des Bildabstandes / durch die Kurve pis. Die Beugungswinkel β (χ+Δχ), β (χ) und ß (χ-Δχ)$\ηά durch die folgende Gleichungsgruppe (3)', die eine Modifikation der obigen Gleichungsgruppe (3) ist, definiert:

ß(x + Ax) = sin ' Jsin/¹+ sin ftan ' f Yj - sin<7 ,

β (χ) = sin ' \sinP+ sin (tan ' f-^-l\|
L \ \ fn JJ\

ß(x - Ax) = sin ^l sinf+ sin /tan'¹ ( Yj + sing

Den Bildabstand / erhält man, indem man die Ausdrücke β (χ+Δχ)\ιηά β (χ-Δχ)ϊη der vorausgehenden Gleichung (4) durch die Ausdrücke β (χ+Δχ)ιιηά β (χ—Δχ) in der Gleichungsgruppe (3)' ersetzt. Man trkennt aus der Darstellung leicht, daß der geeignetste Versetzungswinkel P ein Winkel von 15° ist, wenn der Ablenkungsmultiplizierfaktor M auf 4 und der Mittelbeugungswinkel β (χ) auf 20° gesetzt ist. Wie zuvor erwähnt, ist die Änderung ΔΙ' (in Fig. 14) des Bildabstandes /extrem groß, und demgemäß beleuchten das Strichkodeetikett fehlerträchtige Lichtflecken, wie die in Zeile I der F i g. 13 gezeigten. Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden Erfindung die Änderung Δ1' (in F i g. 15) des Bildabstandes /sehr klein. Da ein Auftreten der fehlerträchtigen oder fehlerverursachenden Lichtflecken verhindert ist und kleine Lichtflecke, wie sie in Zeile II der F i g. 13 gezeigt sind, das Strichkodeetikett beleuchten, kann man ein beträchtlich hohes Auflösungsvermögen des Abtaststrahlenbündels zum Lesen des Strichkodes erhalten.

In der Praxis sind sowohl der Ablenkungsmultiplizierfaktor Mals auch der Beugungswinkel β feines jeden Hologramms zu Beginn des Entwurfsvorgangs für die Herstellung der POS-Terminal-Einrichtung (Fig.6) bestimmt. Folglich werden zuerst der Faktor Mund der Winkel β (χ) festgelegt, und der Winkel P kann danach bestimmt werden. Es ist erleichternd, eine Bezugskurve zur Bestimmung des Winkels P aus den festgelegten M und β (χ) zu bestimmen. Ein Beispiel einer solchen Bezugskurve ist in Fig. 16 gezeigt In dieser zeigt die Ordinate den optimalen Versetzungswinkel P in Grad, und die Abszisse gibt den Ablenkungsverstärkungsfaktor Man. Die Kurven ßis, βττ, βκ, ß\o, ßs und ßn sind bei Mittelbeugungswinkeln β (χ) von 25°, 20°, 15°, 10°, 5° bzw. 0° aufgetragen. Unter Verwendung der genannten Bezugskurve kann der optimale Versetzungswinkel P augenblicklich für irgendeinen gewünschten Faktor M und irgendeinen gewünschten Winkel β (χ) bestimmt werden. Ist beispielsweise der Faktor M auf 4 und der Winkel β (χ) auf 20° festgelegt, kann der optimale Winkel P von einem Punkt X auf der Kurve β 20 bestimmt werden. Der Punkt X liefert den optimalen Versetzungswinkel F, das heißt, 15°. Für M=4 raid β ft)= 20° führt der Versetzungswinkel 15° zur kleinsten

Ändisung ΔΙ' des Bildabstandes / innerhalb eines Bereiches 20° + 10° (siehe das zur Kurve p\5 in F i g. 15 gehörige Δ V).

Warum der Versetzungswinkel P für eine Verringerung des Betrages der Änderung /d/des Bildabstandes / bei irgendeinem Beugungswinkel β (χ) wirksam ist, ist nicht vollständig klar. Dieser Umstand mag jedoch folgenden Grund haben. Generell erhält man folgende Gleichung:

Dabei ist X der Abstand zwischen dem Hologramm und der Reproduktionswellenquelle, Y ist der Bildabstand, der durch irgendeine einzige Stelle auf dem Hologramm definiert ist, und /ist die Brennweite, die durch irgendeine einzige Stelle auf dem Hologramm definiert ist. In obiger Gleichung erhöht sich die

Ve

röße konstant gemacht werden. Beispielsweise handelt er sich beim Laserstrahlenbündel zur Erzeugung eines Hologramms um den eines Ar-Lasers, dessen Wellenlänge 488 nm beträgt (Äi=488nm). Während die Wellenlänge des Laserstrahlenbündels zur Erzeugung einer Reproduktionswelle, die voll einem He-Ne-Laser stammt, 632,8 nm beträgt (A₂ = 632.8 nm).

Bei einer POS-Terminal-Einrichtung ist es für eine Bedienungsperson erleichternd, eine Lichtabtastvor· richtung zu haben, die ein Strichkodeetikett abtasten kann, das entweder am Boden oder an den Seiten von Artikeln befestigt ist. Deshalb wird das Abtastlaserstrahlenbündel gewöhnlich in einer solchen Richtung auf Artikel gerichtet, daß es entweder die Seiten oder {lie Böden der Artikel abtasten kann. Fig. 18 zeigt schematisch eine Schnitt- und Vorderansicht einer bekannten POS-Terminal-Einrichtung. In Fig.'8 strahlt eine Abtastlaserstrahlenbündelquelle 201 ein Abtastlaserstrahlenbündel 202 ab. Die Bezugsziffern 76

Abstandes zwischen der Mitte des Hologramms und irgendeinen, jeweils betrachteten Punkt darauf. Deshalb vergrößert sich der Bildabstand Y graduell mit der Zunahme des Abstandes zwischen der Mitte des Hologramms und einem jeden der jeweils darauf betrachteten Punkte. Im Gegensatz zum vorausgehenden wird bei der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen, daß sich die Brennweite / aufgrund des zuvor erläuterten Versetzungswinkels P mit der Erhöhung des Abstandes zwischen der Mitte des Hologramms und einem jeden der jeweils darauf betrachteten Punkte nicht ändert. Dadurch ändert sich auch der Bildabstand Y nicht mit der genannten Erhöhung. Mit anderen Worten: Wenn in obiger Gleichung /nahezu konstant ist, dann ist auch Y nahezu konstant, da X ein fester Wert ist.

Durch verschiedene Arten von Experimenten hinsichtlich des Versetzungswinkels P kam die Anmelderin zu folgender Erkenntnis. Die in Fig. 15 gezeigten Profile können durch geeignete Bestimmung einer besonderen Beziehung zwischen der Wellenlänge λ\ des zur Erzeugung eines Hologramms verwendeten Laserstrahlenbündels und der Wellenlänge Λ2 des als Reproduktionswelle verwendeten Laserstrahlenbündels verbessert werden. Solche Verbesserungen der Profile aufgrund der genannten Erkenntnis werden anhand F i g. 17 erläutert In der Darstellung der F i g. 17 sind die Kurven G', ps', pm und pn' Verbesserungen der in Fig. 15 gezeigten Kurven G, p?, pw bzw. pis. Wie ein Vergleich der Fig. 17 mit der Fig. 15 zeigt, ist der Bereich eines jeden Krümmungsprofils, innerhalb welchem sich der Bildabstand oder die Bildweite / um einen kleinen Betrag ändert, bezüglich der zugehörigen Beugungswinkel β (χ) relativ groß, wenn man ihn mit dem entsprechenden Bereich eines jeden Profils der in F i g. 15 gezeigten Krümmungen vergleicht Die Kurven in der Darstellung der Fig. 15 sind unter Verwendung eines herkömmlichen Wellenlängenverhältnisses aufgezeichnet, das heißt — = 1. Im Gegensatz dazu sind die

Kurven in Fi g. 17 unter Verwendung eines gegebenen WeUenlängenverhältnisses aufgezeichnet, bei dem

T²TUcIu gleich 1 ist, sondern beispielsweise 1,3. Wenn das

Welienlängenverhältnis~als größer 1 gewählt ist, kann *i

das Profil des Bildabstandes oder der Bildweite in einem relativ weiten Bereich der Beugungswinkel β (χ) ufld 75 fg^fac^niii

ρΐηρη *ΤΆίΙ Af*r

richtung bzw. ein transparentes Fenster. Diese Teile 76 und 78 sind ouch in F i g. 6 gezeigt Artikel 203, die je ein Strichkodeetikett zeigen, werden von der Bedienungsperson von Hand über dem und längs des transparenten Fensters 78 und in einer durch einen Pfeil 200 angedeuteten Richtung bewegt Das Strichkodeetikett 11 kann an den Seiten der Artikel befestigt sein, wie es in F i g. 18 gezeigt ist, oder an den Böden der Artikel (nicht gezeigt). Um entweder das an den Seiten der Artikel befestigte Strichkodeetikett oder das an den Böden der Artikel befestigte Strichkodeetikett abzutasten, wird das Abtastlaserstrahlenbündel 202 auf einen Spiegel 204 gerichtet. Das reflektierte Abtastlaserstrahlenbündel 202', das gegenüber dem Fenster 78 eine Neigung von etwa 45° aufweist, wird zur Beleuchtung der Artikel 203 verwendet.

In Fig. 18 repräsentieren sowohl die schraffierte Zone B als auch die kreuzschraffierte Zone A den Bereich, ir dem der Strichkode korrekt gelesen werden kann. Mit anderen Worten, der Bildabstand des Abtastlaserstrahlenbündels 202 ist auf die Zonen A und B beschränkt Obwohl es sich bei der Zone B um einen Bereich handelt, in dem der Strichkode effektiv gelesen werden kann, wird sie jedoch nicht zum Lesen des Strichkodes benutzt, da die Zone B unter dem Γ enster 78 und im Inneren der POS-Terminal-Einrichtung liegt. Wenn die Zone B oberhalb des Fensters 78 und außerhalb der POS-Terminal-Einrichtung liegen würde, wie die kreuzschraffierte Zone Cin Fig. 19, könnte die Zone B effektiv zum Lesen des Strichkodes verwendet werden.

Fig. 19 zeigt schematisch eine Schnitt- und Vorderansicht einer POS-Terminal-Einrichtung, die eine erfindungsgemäße Lichtabtastvorrichtung aufweist In Fig. 19 strahlt eine Abtastlaserstrahlenquslle 211, welche die erfindungsgemäße Lichtabtastvorrichtung aufweist, ein Abtastlaserstrahlenbündel 212 ab. Ein reflektiertes Abtastlaserstrahlenbündel 212' erhält man mit Hilfe des Spiegels 204. Wie diese Figur zeigt ist der Biidabstand auf die Zone C beschränkt, und der Strichkode kann an jeglicher Stelle innerhalb einer solchen Zone C korrekt gelesen werden. Eine Zonenänderung von den Zonen A und B (Fig. 18) zur Zone C(F i g. 19) kann man leicht erreichen, indem man auf richtige Weise eine der in Fig. 15 oder Fig. 17 gezeigten Kurven wählt und daraus den optimalen Verseizungswinkei Pbesürnmt. Eine solche Zonenänderung erreicht man, indem man eine Grenze der Zone, die

in Fig. 18 als Linie 220 (und auch ils Linie 221) dargestellt ist um einen Drehwinkel Q (Fig. 18) verschiebt Um die Änderung unter den Bedingungen von beispielsweise M=A, β (x)=2Q° und ^=I zu

erreichen, werden die Kurven in Fig.20 benutzt Fig.20 ähnelt der Fig. 15. In Fig.20 wird als erstes eine gerade vertikale Linie 223 gebildet Die Linie 223 schneidet einen vorbestimmten Beugungswinkel β (χ). In diesem Fall ist β (χ) auf 20° gesetzt Als zweites werden durch Punkte, in denen die Kurven pm, p\s, Pia und pi die vertikale Linie 223 schneiden, Tangenten 224, 225, 226 bzw. 227 gezeichnet Als drittes wird eine Tangente gewählt deren Tangentenwinkel Q' proportional zum Drehwinkel Q ist Im speziellen Fall ist die Tangente 226 gewählt worden. Bei der Tangente 226 handelt es sich um eine Linie, die durch den Punkt gezeichnet ist, in welchem die Linie 223 die Kurve pw schneidet Als Ergebnis kann ein Hologramm erzeugt werden, das die charakteristische Kurve pio aufweist, die zum Erreichen der Zonenänderung am geeignetsten ist Die Zone C in F i g. 19 kann man erhalten, indem man die Lichtabtastvorrichtung (2t 1) benutzt, die das Hologramm aufweist, das die charakteristische Kurve pw besitzt und das durch das in Fig. 7B gezeigte Verfahren erzeugt worden ist wobei der Versetzungswinkel Pauf 10° eingestellt ist

Wie bereits erwähnt eignet sich die erfindungsgemäße Lichtabtastvorrichtung dazu, beispielsweise ein POS-System mit einem hohen Auflösungsvermögen für das Lesen des Strichkodes eines Strichkodeetiketts verfügbar zu machen.

Hierzu 14 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abtastvorrichtung mit auf einem Träger angeordneten Hologrammen, die durch Überlagerung einer ebenen Welle und einer Kugelwelle hergestellt sind, bei welcher ein nacheinander auf die verschiedenen Hologramme auftreffendes Laserstrahlbündel je ein konvergierendes Abtaststrahlbündel ergibt, dessen Konvergenzpunkt infolge Relativbewegung zwischen auftreffendem Laserstrahlbündel und Hologrammträger eine Abtastbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme mit schräg zur ebenen Welle angeordneter Hologrammfläche aufgenommen sind und daß das auftreffende Laserstrahlbündel eine Kugelwellenfront aufweist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des auf die Hologramme auftreffenden Laserstrahlbündels gleich oder größer ist als die Wellenlänge sowohl des einen als auch des anderen der zur Erzeugung der Hologramme dienenden Laserstrahlbündel.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Hologrammfläche und der ebenen Welle (Versetzungswinkel P)be\ Aufnahme der Hologramme entsprechend einem Beugungswinkel (ß) so bestimmt ist, daß der geometrische Ort des Konvergenzpunktes des konvergierenden Abtaststrahlbündels und damit der Bereich, innerhalb dessen eir. Objekt (203, 11) mit ausreichender Genauigkeit abgetastet werden kam,, in einer durch ein transparentes Fenster (7d) begrenzten Zone (C) außerhalb einer die Vorrichtung aufnehmenden Anordnung liegt (Fig. 19).