DE3602008A1 - Optische abtastvorrichtung mit einem spiegelrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung ins­ besondere zur Abtastung und Erkennung von Mustern, wie optischen Marken undStrichcodierungen mit einer Laserlichtquelle, die einen Laserstrahl über ein im Brennpunkt einer streifenförmigen Abtastoptik, insbesondere eines streifenförmigen Hohlspiegels angeordnetes, polygonförmiges Spiegelrad und die streifen­ förmige Abtastoptik als Abtastlichtfleck auf eine parallel zur streifenförmigen Abtastoptik angeordnete Abtast­ linie konzentriert, die sich auf der Oberfläche eines abzu­ tastenden Materials befindet, und mit einer Empfangsan­ ordnung, die von der vom Abtastlichtfleck gerade beauf­ schlagten Stelle der Oberfläche reflektiertes Licht erfaßt und einem Photowandler zuführt, der an eine Auswertelektronik angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Spiegelfläche des Spiegelrades eine gegenüber den übrigen Spiegel­ flächen unterschiedliche Fokussierungseigenschaft aufweist, derart, daß die betreffende Spiegelfläche den Abtastlichtfleck um ein vorbestimmtes Stück vor oder hinter die Abtastlinie verschiebt, auf die der Ab­ tastlichtfleck von den anderen Spiegelflächen konzentriert wird.

Derartige optische Abtastvorrichtungen werden z.B. zur Ab­ tastung hochdichter Codierungen verwendet, wobei der Photo­ wandler ein elektrisches Signal abgibt, welches für die von der vom Abtastlichtfleck beaufschlagten Stelle der Kodierung reflektierte Lichtintensität repräsentativ ist. Durch eine an den Photowandler angeschlossene Auswerte­ elektronik kann so eine Codierung erkannt werden. Werden derartige Codierungen in der Schärfenebene der Abtast­ vorrichtung abgetastet, so ergeben sich als Empfangssignale im wesentlichen Rechteckimpulse.

Normalerweise sind sämtliche Spiegelflächen eines Polygon­ spiegelrades eben ausgebildet, so daß nur in einer ganz be­ stimmte Ebene ein exakt fokussierter Laser-Abtastlichtfleck vorliegt. Außerhalb des Bereiches der Soll-Abtastlinie bzw. der Soll-Abtastebene ist die Strahlfokussierung unbefriedigend. Mit anderen Worten wird die für die Materialabtastung, insbe­ sondere die Codeabtastung zur Verfügung stehende Tiefenschärfen­ zone durch die notwendigerweise relativ große Strahlöffnung begrenzt.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine optische Abtast­ vorrichtung der eingangs genannten Gattung, insbesondere eine hoch auflösende Laser-Abtastvorrichtung zur Codeab­ tastung mit erheblich erweitertem Tiefenschärfenbereich zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Auswerteelektronik eine Diskriminatorstufe enthält, welche auf die Schärfe des Empfangslichtfleckes anspricht und ent­ scheidet, daß nur die vom schärfsten Abtastlichtfleck kommen­ den Signale in der Auswerteelektronik ausgewertet werden.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn diametral gegenüber­ liegende Spiegelflächen gleiche Fokussierungseigenschaften aufweisen.

Um die Bearbeitungskosten eines erfindungsgemäßen Spiegel­ rades niedrig zu halten, soll weiter vorgesehen sein, daß mindestens eine Spiegelfläche eben und mindestens eine Spiegelfläche konkav oder konvex gekrümmt ist.

Wenn die Tiefenschärfenzone um einen mittleren, durch ebene Spiegelflächen definierten Bereich herum schwanken soll, ist nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, daß das Spiegelrad ebene, konkave und konvex gekrümmte Spiegelflächen aufweist.

Zweckmäßigerweise verläuft auch der Empfangsstrahlengang über das Spiegelrad, um auch insoweit die Abbildungstiefen­ schärfe wesentlich zu erweitern und somit am Photowandler auch bei Abstandsschwankungen zwischen der Abtastvorrichtung und der abzutastenden Codierung ein hiervon weitgehend un­ abhängiges elektrisches Ausgangssignal am Photowandler zu erhalten.

Um in Abhängigkeit von der Schärfe des Abtastlichtflecks unterschiedlich starke elektrische Signale am Ausgang des Photoempfängers zu erhalten, kennzeichnet sich eine weitere Ausführungsform dadurch, daß daß vor dem Photoempfänger eine Lochblende angeordnet ist und die Diskriminatorstufe einen Differenzierungs-Schwellwertschalter enthält, dessen Schwelle so eingestellt ist, daß durch Abtastungen außerhalb der Schärfenebene bedingte Abflachungen der Empfangsimpuls­ flanken nicht mehr ausreichen, die Schaltschwelle zu überwinden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Differenzierungs-Schwell­ wertschalter sowohl auf ansteigende als auch auf abfallende Empfangsimpulsflanken anspricht.

Es ist zwar bereits ein optisches Fehlersuchgerät für in ihrer Längsrichtung bewegte Materialbahnen bekannt (DE-AS 29 25 734), bei der schon ein Spiegelrad mit unterschiedlicher Fokussierungseigenschaften aufweisenden Polygon-Spiegelflächen vorgesehen ist. Die unterschiedlichen Spiegelflächen des Spiegelrades dienen bei dem bekannten Gerät jedoch dazu, in einer festgelegten, sich nicht verändernden Abtastebene abwechselnd Lichtflecke unterschiedlicher Form und/oder Größe zu erzeugen, um auf diese Weise unterschiedliche Fehler­ arten ermitteln zu können. Bei dem bekannten optischen Fehlersuchgerät werden also sämtliche Empfangssignale, ob sie nun von einem scharfen kleinen oder unscharfen großen Lichtfleck kommen, ausgewertet und für die Fehlersuche herangezogen. Dabei wird von einer exakten Anordnung der zu untersuchenden Bahn in einer bestimmten Soll-Abtast­ ebene ausgegangen.

Der vorliegenden Erfindung liegt ein grundsätzlich anderer Gedanke zugrunde, nämlich der, daß es z.B. bei der Strich- Code oder sonstigen Markenabtastung häufig vorkommt, daß sich die abgetasteten Muster nicht exakt in einer bestimmten Soll-Abtastebene befinden. Andererseits ist der Tiefenschärfe­ bereich derartiger Laserstrahl-Abtastvorrichtungen sehr gering, so daß normalerweise an die optimale optische Posi­ tionierung des abgetasteten Strichcodes oder Musters hohe An­ forderungen gestellt werden.

Erfindungsgemäß werden nun scharfe Abtastlichtflecke in mindestens zwei einen Abstand aufweisenden Ebenen erzeugt, und die Auswerteelektronik stellt selbst fest, welcher der beiden oder mehr erzeugten Abtastlichtflecke ausreichend scharf ist, um zur Auswertung herangezogen zu werden. Mit der vorliegenden Erfindung sollen also weder Fehler überhaupt noch gar unter­ schiedliche Fehlerarten ermittelt werden, sondern Muster optimal erfaßt und erkannt werden, auch wenn sie sich nicht genau in einer Sollabtastebene befinden. Auch eine ebene Spiegelfläche ist im Sinne der Erfindung eine Spiegelfläche mit Fokkusierungseigenschaften, wobei in diesem Fall der Brennpunkt im Unendlichen liegt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Spiegelrad mit sechs Spiegelflächen,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsge­ mäßen otischen Abtastvorrichtung mit einem Spiegelrad, welches vier Flächen mit unter­ schiedlichen optischen Fokussierungseigen­ schaften besitzt,

Fig. 3 den gleichen Gegenstand wie Fig. 2 bei um 90° verdrehtem Spiegelrad und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungs­ form der Diskriminatorstufe nach den Fig. 2 und 3.

Nach Fig. 1 besitzt ein erfindungsgemäßes Spiegelrad 11 sechs gleiche, polygonartig angeordnete Spiegelflächen 12, 12′; 13, 13′; 14, 14′. Die diametral gegenüberliegenden Spiegelflächen 12 sind eben ausgebildet, während die diametral gegenüberliegenden Spiegelflächen 13 konkav und die diametral gegenüberliegenden Spiegelflächen 14 konvex gekrümmt sind. Je nachdem, welche der Spiegelflächen das von ihnen in einer optischen Abtastvorrichtung erfaßte Licht reflektiert, erfolgt die Fokussierung des reflektierten Laser-Lichtstrahls an unterschiedlichen Stellen innerhalb einer Tiefenschärfenzone. Diese Funktion wird im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 erläutert, wobei der Einfachheit halber lediglich ein vierflächiges Spiegelrad 11 darge­ stellt ist, welches zwei diametral gegenüberliegende ebene Spiegelflächen 12 und zwei diametral gegenüberliegende konkave, hohlspiegelartige Spiegelflächen 13 aufweist.

Eine Laserlichtquelle 19 sendet ggf. über eine nicht dar­ gestellte Strahlaufweitungsoptik einen Laser-Lichtstrahl 17 auf das Spiegelrad 11, welches sich bei Darstellung nach Fig. 2 gerade in derjenigen Drehposition befindet, in welcher der Laser-Lichtstrahl 17 auf eine ebene Spiegel­ fläche 12 auftrifft. Von dort wird der Laser-Lichtstrahl 17 zu einem streifenförmigen Hohlspiegel 21 reflektiert, in dessen Brennpunkt sich die vom Licht beaufschlagte ebene Spiegelfläche 12 befindet. Auf diese Weise wird der Laser- Lichtstrahl 17 als parallel zum Eintrittslichtstrahl ver­ laufender Fahrstrahl auf einer Abtastlinie 15 in Form eines Lichtfleckes 16 konzentriert, der bei Drehung des Spiegel­ rades 11 im Sinne des Pfeiles f in Fig. 2 entlang der Abtast­ linie 15 eine Abtastbewegung periodisch ausführt. Im Bereich der Abtastlinie 15 ist die Oberfläche des vom Lichtfleck 16 abzutastenden Materials angeordnet, welches z.B. eine Strichcodierung trägt, die erkannt werden soll.

Das von der Materialoberfläche an der Stelle des Abtastlicht­ flecks 16 reflektierte Licht wird als Empfangsstrahl 18 über den Hohlspiegel 21 auf die gleiche ebene Spiegelfläche 12 des Spiegelrades 11 gelenkt, auf die auch der Laser-Licht­ strahl 17 auftrifft. Es handelt sich also um einen Auto­ kollimationsstrahlengang.

Unmittelbar vor dem Laser 19 ist ein Teilerspiegel 22 angeordnet, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als geometrischer Teilerspiegel ausgebildet ist. Er läßt den Laser-Lichtstrahl 17 durch und reflektiert einen äußeren Ausschnitt des Empfangs­ strahls 18 auf eine Empfangsoptik 23, die das Empfangslicht auf einem Photowandler 24 konzentriert, vor dem eine Lochblende 28 angeordnet ist.

Der Photowandler 24 ist an eine Auswerteelektronik 25 angeschlossen, die eine Dikriminatorstufe 26 enthält, welche eine Entscheidung trifft, ob der auf dem Photo­ wandler 24 empfangene Empfangslichtfleck 27 für die an­ schließende Auswertung ausreichend scharf ist oder nicht. Für die Auswertung in der Auswertelektronik 25 freigegeben werden lediglich eine bestimmte Mindestschärfe aufweisende Empfangslichtflecke 27.

Zur Feststellung der Schärfe kann die Blende 28 dienen, denn, je unschärfer der Lichtfleck 27 ist, umso mehr von dem Licht fällt auf die Blende 28, so daß das Empfangs­ signal entsprechend schwächer wird.

Aufgrund der mit zunehmendem Herauswandern des abgetasteten Gegenstandes aus der Schärfenebene der Abtastvorrichtung zu­ nehmender Unschärfe des Abtastlichtfleckes 27 wird aber nicht nur der Absolutwert des auf dem Photowandler 24 auftreffenden Lichtes herabgesetzt; wesentlich ausgeprägter ist die Abflachung der Flanken der Empfangsimpulse. Während bei Anordnung des abzu­ tastenden Gegenstandes in der Schärfenebene im wesentlichen Recht­ eckimpulse empfangen werden, nehmen die Impulse beim Heraus­ wandern des Gegenstandes aus der Schärfenebene zunehmend dreicks­ ähnliche Formen mit mehr oder weniger abgeflachten Flanken an. Durch die Erfassung der Abflachung der Empfangsimpulsflanken kann das Herauswandern eines Gegenstandes aus der Schärfenebene wesentlich empfindlicher als durch die Intensitätsänderungen erfaßt werden.

Fig. 4 zeigt ein für die Erfassung der Abflachung der Impuls­ flanken besonders geeignete Ausführungsform der Diskriminator­ stufe 26. Das Ausgangssignal des Photowandlers 24, dem gegebenen­ falls auch die Blende 28 nach den Fig. 2 und 3 vorgeschaltet sein kann, wird über einen geregelten Verstärker 29 an einen Differen­ zierungs-Schwellwertschalter 30 angelegt, der aus einem RC-Glied mit einem Kondensator 30′ und einem Zweifach-Schwellwertschalter 30′′ besteht.

Die Empfangsimpulse 24 werden folglich, nachdem sie durch den geregelten Verstärker auf ein vorbestimmtes Niveau gebracht wurden, zunächst durch das RC-Glied mit dem Kondensator 30′ differenziert. Die dabei entstehenden Signale werden umso niedriger, je flacher die Flanken der Empfangsimpulse sind. In dem Zweifach- Schwellwertschalter 30′′ werden dann die differenzierten positiven und negativen Impulse getrennt erfaßt und auf ihre Höhe überprüft. An den Ausgängen A und B erscheinen dann Signale, wenn die positiven bzw. negativen Flanken der Empfangsimpulse eine vor­ bestimmte Steilheit überschreiten. Unterschreiten die Steilheiten der Flanken der Empfangsimpulse die vorbestimmte Steilheit, so erscheint an den Ausgängen A und B kein Signal.

Die aus Fig. 4 ersichtliche Schaltung liefert also nur dann von der abgetasteten Codierung abgeleitete Ausgangs- bzw. Erkennungssignale wenn sich diejenige Spiegelfläche des Spiegelrades 11 im Strahlengang befindet, die am Ort des abgetasteten Gegen­ standes einen weitgehend scharfen Abtastlichtfleck 16 erzeugt.

Die erfindungsgemäße Schaltung sucht sich somit selbst die zur Erkennung der Codierung besonders geeigneten Empfangs­ signale heraus. Aufgrund der hohen Drehzahl des Spiegelrades 11 spielt der Ausfall jedes zweiten oder dritten Empfangssignals für die Auswertung keine Rolle, zumal die abgetasteten Gegen­ stände im allgemeinen mit vergleichsweise geringer Geschwindig­ keit an der Abtastvorrichtung vorbeigeführt werden.

Die optische Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie folgt:

Wird in der Darstellung der Fig. 2 das Spiegelrad 11 um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, so erhält man diejenigen Abbildungsverhältnisse, die in Fig. 3 veranschaulicht sind. Aufgrund der konkaven Ausbildung der Spiegelfläche 13 wird jetzt der Laser-Lichtstrahl 17 auf einer Linie 15′ konzentriert, die sich in einem deutlichen Abstand vor der Abtastlinie 15 nach Fig. 2 befindet. Entsprechend wird auch von dieser Abtastlinie 15′ reflektiertes Licht optimal auf den Photowandler 24 konzentriert.

Aufgrund dieser Ausbildung wird jede Materialoberfläche, die sich zwischen den Abtastlinien 15 und 15′ befindet von einem optimal fokussierten Laser-Lichtstrahl zumindest bei irgendeiner Drehposition des Spiegelrades 11 beaufschlagt. Entsprechend erfolgt auch eine optimale Lichtkonzentration des reflektierten Lichtes auf den Photowandler 24.

Der optische Teil der Vorrichtung stellt also zumindest bei jeder ganzen Umdrehung des Spiegelrades einmal einen scharfen Empfangslichtfleck 27 am Photowandler 24 zur Verfügung, welcher aufgrund der unterscheidenden Eigenschaften der Diskriminator­ stufe 26 für die Auswertung in der Auswerteelektronik 25 her­ angezogen wird, während die unscharfen Lichtflecke ausge­ schieden und bei der Auswertung nicht berücksichtigt werden. Wie das im einzelnen geschehen kann, ist oben anhand der Fig. 4 erläutert worden.

Claims (7)

1. Optische Abtastvorrichtung insbesondere zur Abtastung und Erkennung von Mustern, wie optischen Marken und Strich­ codierungen mit einer Laserlichtquelle, die einen Laser­ strahl über eineim Brennpunkt einer streifenförmigen Ab­ tastoptik, insbesondere eines streifenförmigen Hohlspiegels angeordnetes, polygonförmiges Spiegelrad und die streifen­ förmige Abtastoptik als Abtastlichtfleck auf eine parallel zur streifenförmigen Abtastoptik angeordnete Abtast­ linie konzentriert, die sich auf der Oberfläche eines abzu­ tastenden Materials befindet, und mit einer Empfangsan­ ordnung, die von der vom Abtastlichtfleck gerade beauf­ schlagten Stelle der Oberfläche reflektiertes Licht erfaßt und einem Photowandler zuführt, der an eine Auswertelektronik angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Spiegelfläche des Spiegelrades eine gegenüber den übrigen Spiegel­ flächen unterschiedliche Fokussierungseigenschaft aufweist, derart, daß die betreffende Spiegelfläche den Abtastlichtfleck um ein vorbestimmtes Stück vor oder hinter die Abtastlinie verschiebt, auf die der Ab­ tastlichtfleck von den anderen Spiegelflächen konzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ elektronik (25) eine Diskriminatorstufe (26) enthält, welche auf die Schärfe des Empfangslichtfleckes (27) anspricht und entscheidet, daß nur die vom schärfsten Abtastlichtfleck (27) kommenden Signale in der Auswerte­ elektronik (25) ausgewertet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diametral gegen­ überliegende Spiegelflächen (12, 13) gleiche Fokussierungs­ eigenschaften aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Spiegelfläche (12) eben und mindestens eine Spiegelfläche (13) konkav oder konvex gekrümmt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelrad (11) ebene (12), konkave (13) und konvexe (14) Spiegel­ flächen aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Empfangs­ strahlengang (18) über das Spiegelrad (11) verläuft.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Photo­ empfänger (24) eine Lochblende (28) angeordnet ist und die Diskriminatorstufe (16) einen Differenzierungs- Schwellwertschalter (30) enthält, dessen Schwelle so einge­ stellt ist, daß durch Abtastungen außerhalb der Schärfen­ ebene bedingte Abflachungen der Empfangsimpulsflanken nicht mehr ausreichen, die Schaltschwelle zu überwinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzierungs- Schwellwertschalter (30) sowohl auf ansteigende als auch auf abfallende Empfangsimpulsflanken anspricht.