DE4217959C2 - Optische Abtastvorrichtung für bewegte Objekte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung für bewegte Objekte mit sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckenden, optisch unterscheidba­ ren Merkmalen, insbesondere zur Erkennung von auf diesen Objekten angebrachten Strichcodes oder von Strichmarken, mit einem Detektor, der über eine Empfangskanallinse rechteckiger Form, deren Längserstreckung mit der Er­ streckung der Striche des Codes zusammenfällt, von einem von den Objekten reflektierten Lichtstrom beaufschlagt wird und mit einer Beleuchtungseinrichtung für die Ob­ jekte.

Eine solche Abtastvorrichtung ist aus der DE-OS 31 37 174 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist die Empfangskanal­ linse eine Zylinderlinse, d. h. ein Körper mit längs seiner Erstreckung gleichen Querschnitten. Bei einer solchen Zylinderlinse findet in der Querrichtung keiner­ lei Fokussierung statt, so daß - je nach den Abständen - der überwiegende Teil der Lichtenergie verloren geht. Damit diese Verluste nicht zu groß werden, muß der Lese­ abstand zwischen Objekt und Zylinderlinse sehr klein sein, so daß diese bekannte Ausbildung sich wenig eignet für Anwendungsfälle mit größeren Leseabständen, etwa in der Größenordnung von 30 mm, und eine sichere Merkmals­ erkennung auch für solche Fälle gefordert wird.

Außerdem liegen bei der bekannten Ausbildung sowohl die Beleuchtungseinrichtung als auch der Detektor seitlich von der Mittenebene und hinter einer Spaltblende, so daß sich eine wenig kompakte Konstruktion ergibt.

Eine recht kompakte optische Abtastvorrichtung für be­ wegte Objekte mit sich quer zur Bewegungsrichtung er­ streckenden, optisch unterscheidbaren Merkmalen, insbe­ sondere zur Erkennung von auf diesen Objekten angebrach­ ten Strichcodes oder von Strichmarken, ist aus "Bauele­ mente der Optik" von Naumann/Schröder, 5. Auflage, S. 553 (dort Bild 19.2.2, Variante b) bekannt. Bei dieser Ausbildung wird ein zentral angeordneter Detektor durch zwei Empfangskanal-Sammellinsen von einem von den Objek­ ten reflektierten Lichtstrom beaufschlagt, der erzeugt wird von einer den zentralen Empfangsbereich umgebenden Beleuchtungseinrichtung für die Objekte. Dabei wird das Beleuchtungslicht einer Lichtquelle unter Aussparung eines zentralen Bereichs in einem ringförmigen Strahlengang auf das Objekt gerichtet und der reflektierte Strahlengang fällt durch eine Optik aus zwei plankonve­ xen Sammellinsen in Form zentralsymmetrischer Rotations­ körper auf den Detektor. Die eine Sammelliste ist nur dem zum Detektor reflektierten Strahlengang zugeordnet, während die andere einen größeren Durchmesser aufweist und der Beleuchtungsstrahlengang durch einen ringförmi­ gen Randbereich derselben fällt, während ihr zentraler Bereich vom reflektierten Strahlengang durchquert wird.

Auch bei dieser bekannten Ausbildung ist die Erkennungs­ zuverlässigkeit der Strichcodes nicht immer befriedi­ gend. Wenn der wirksame Durchmesser der Optik des Refle­ xionsstrahlengangs zur Erzielung einer ausreichenden Lichtbeaufschlagung des Detektors groß gewählt wird, mindert sich die Tiefenschärfe und das Auflösungsvermö­ gen, so daß aus diesem Grund die Zuverlässigkeit der Strichcodeerkennung leidet. Wählt man einen kleinen Durchmesser des Empfangskanals bzw. bringt eine Blende in diesem an, so wird zwar die Tiefenschärfe und inso­ weit das Auflösungsvermögen erhöht, jedoch sinkt in gleichem Maße die Lichtstärke der Optik, was wiederum die Empfindlichkeit der Anordnung und damit die Zuver­ lässigkeit der Strichcodeerkennung beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer optischen Lesevorrichtung zur Erkennung von Strichcodes, mit der eine höhere Sicherheit und Zuver­ lässigkeit der Erkennung erzielt wird. Eine kompakte Optik soll sowohl die Beleuchtung als auch den Empfangs­ kanalstrahlengang so optimal gestalten, daß Strichcodes auch bei größeren Leseabständen mit sowohl großer Emp­ findlichkeit als auch großer Tiefenschärfe erkannt wer­ den.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsge­ mäß dadurch, daß die Empfangskanallinse eine Sammellinse ist und ebenso wie der Detektor zentral angeordnet ist und von symmetrisch zu ihr angeordneten Beleuchtungs- Sammellinsen umgeben ist, zu deren jeder eine den zen­ tralen Empfangsbereich in entsprechender Anordnung umge­ bende Leuchtdiode zur Beleuchtung des Gesichtsfeldes der Empfangskanal-Sammellinse gehört, wobei die Empfangska­ nal-Sammellinse sowie die Beleuchtungs-Sammellinsen ein einstückiges optisches Element darstellen.

Eine solche Ausbildung erzielt nicht nur die für die Erkennungszuverlässigkeit wichtige Tiefenschärfe quer zur Erstreckung der Codestriche bzw. in Bewegungsrich­ tung, sondern auch eine Fokussierung der Lichtströme, so daß die Verluste an Lichtenergie gering bleiben. Die Lichtstärke der Empfangsoptik ist wegen der vergleichs­ weise groß bleibenden Querschnittsfläche des Empfangs­ kanals auch nicht in erheblichem Maße eingeschränkt, so daß die Ansprechempfindlichkeit des Detektors befriedi­ gend bleibt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Wenn die rechteckige Empfangsfläche des Detektors gemäß Anspruch 4 in ein breiteres und schmaleres Streifenpaar unterteilt wird, die selektiv einschaltbar sind, ergibt sich die Möglichkeit einer Anpassung an das geforderte Auflösungsvermögen; bei Einschaltung des schmaleren Emp­ fangsfensters ergibt sich ein entsprechend höheres Auf­ lösungsvermögen.

Die Anwendung verschiedenfarbiger Beleuchtungsdioden gemäß Anspruch 5 gestattet eine Maximierung der Erken­ nungszuverlässigkeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Farbkombination Strichcode/Objektoberfläche.

Die Steuerung der Beleuchtungsdioden der Beleuchtungs­ einrichtung gemäß Anspruch 6 gestattet die Erzielung einer Lichtausbeute von den Beleuchtungsdioden, die we­ sentlich höher liegt, als sie bei kontinuierlicher Spei­ sung derselben möglich wäre. An sich ist aus DE-PS 33 11 352 eine Strichmarken-Erkennungsvorrichtung mit verschiedenfarbigen gepulsten Beleuchtungsdioden bekannt, um aus helligkeitsmäßig wenig unterschiedlichen Farben ein kräftiges Ausgangssignal zu erzeugen. Auch DE-PS 32 42 219 zeigt ein solches Prinzip, allerdings nicht unter Verwirklichung eines Pulsbetriebs; hier muß entsprechend den zu erkennenden Farbkombinationen ge­ wählt werden, welche Beleuchtungseinrichtung einzuschal­ ten ist.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Strichcode-Lesevorrichtung im Längsschnitt;

Fig. 2 die Strichcode-Lesevorrichtung mit nur ihren hauptsächlichen Bestandteilen und deren räumliche Zuordnung in einer perspektivischen Darstellung;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Strichcode-Lese­ vorrichtung.

In einem im Querschnitt quadratischen Gehäuse 1 ist in dessen vorderem Ende ein optisches Element 2 eingebaut, durch das sowohl der Strahlengang zur Beleuchtung des vor der Vorrichtung vorbeibewegten Objekts 3 mit den Strichcodes 4 als auch der vom Objekt reflektierte und auszuwertende Strahlengang fällt.

Die Beleuchtungseinrichtung 5 besteht aus vier die Ecken des Gehäuses 1 einnehmenden Leuchtdioden 6, von denen je eine Licht im roten, grünen, blauen und infraroten Spek­ tralbereich erzeugt.

Hinter den Leuchtdioden 6 ist, einen mittigen Empfangs­ bereich einnehmend, ein optischer Detektor 7 angeordnet.

Das optische Element besteht aus einer den mittigen Em­ pfangsbereich einnehmenden Empfangskanal-Sammellinse 20 und vier beidseits von dieser in den Gehäuseecken ange­ ordneten und je einer Leuchtdiode 6 zugeordneten Beleuch­ tungs-Sammellinsen 22.

Im rechtwinklig zur optischen Zentralachse verlaufenden Querschnitt hat die Empfangskanal-Sammellinse 20 eine rechteckige Gestalt, wobei die längere Erstreckung von einer zur gegenüberliegenden Gehäusewand verläuft und die kürzere Erstreckung demgegenüber wesentlich kürzer ist. Bei Betrachtung von Fig. 2 bewegt sich das Objekt 3 relativ zur Lesevorrichtung in der Längsrichtung L und die Striche des Strichcodes 4 erstrecken sich in der Querrichtung T. Die längere Erstreckung der Empfangska­ nal-Sammellinse 20 fällt mit der Querrichtung T zusammen.

Die Beleuchtungs-Sammellinsen 22 nehmen die innerhalb des lichten Gehäusequerschnitts verbleibenden Eckenbe­ reiche ein und sind deshalb auch von rechteckigem Umriß mit einer etwas größeren Erstreckung in Querrichtung.

Die genannten fünf Linsen 20, 22 sind Bereiche des ein­ stückigen optischen Elements 2, und zwar bikonvexe Sam­ mellinsen mit einer allen fünf Linsen gemeinsamen sphäri­ schen Vorderfläche und jeweils einer sphärischen Rücken­ fläche, wobei die Rückenfläche der Empfangskanal-Sammel­ linse mit 26 und die Rückenflächen der Beleuchtungs-Sam­ mellinsen 22 mit 28 bezeichnet sind.

In den Zeichnungen ist eine Ausbildung gezeigt, bei der aus fertigungstechnischen Gründen das optische Element mittels optischen Kitts aus sechs Bestandteilen zusam­ mengeklebt ist, und zwar mit einer Hauptstoßfläche 30, die rechtwinklig zur optischen Achse der Vorrichtung verläuft. Hier kann somit das optische Element gedacht werden als bestehend aus einer den gesamten Gehäusequer­ schnitt einnehmenden, allen Linsen gemeinsamen plankon­ vexen Linse, einer plankonvexen Linse als Bestandteil der Empfangskanal-Sammellinse und vier plankonvexen Linsen als jeweiliger Bestandteil einer Beleuchtungs- Sammellinse.

Im Betrieb bewegen sich die beschriebene Lesevorrichtung und/oder das Objekt 3 mit den Strichcodes 4 relativ in Längsrichtung L zueinander. Wegen der von der Kreis­ symmetrie stark abweichenden, in Längsrichtung wesent­ lich kleineren Apertur der Empfangskanal-Sammellinse 20 ergibt sich eine entsprechend richtungsabhängige Ver­ änderlichkeit des Auflösungsvermögens der Empfangskanal­ optik; das für die Erkennung der Strichcodes entschei­ dende Auflösungsvermögen in Längsrichtung L ist wesent­ lich höher als in Querrichtung T.

Die Lichtstärke und damit Empfindlichkeit der Anordnung ist jedoch weniger verringert als es der Fall wäre, wenn eine kreissymmetrische Linse auf einen Durchmesser redu­ ziert würde, der der Erstreckung der Empfangskanal- Sammellinse in Längsrichtung entspricht.

Die aus Fig. 3 ersichtliche Auswerteschaltung besteht im wesentlichen aus einem Steuerwerk 40, das die Be­ leuchtungsdioden 6 in einem an sich bekannten Pulsbe­ trieb speist, wobei gleichzeitig speichernde Pegelmesser 42 und in den Pausenintervallen ein Umgebungslicht- Pegelmesser 44 angesteuert werden, welche den jeweils empfangenen Meßwert speichern ("Sample and Hold").

Die Ausgangssignale durchlaufen eine Bereinigungsschal­ tung 46 aus drei je einer Farbe Rot, Grün, Blau zuge­ ordneten Subtraktionselementen 48, und einem dem IR-Spektralanteil zugeordneten Subtraktionselement 50, wobei die Ausgangssignale der Subtraktionselemente 48 in einem Maximumdetektor 52 ausgewertet werden und das Ausgangssignal des Subtraktionselements 50 zu einem Schwellenwertglied 54 gelangt, dessen Ausgang dem Steuerwerk 40 zugeführt wird. Dieses dient in noch zu beschreibender Weise zur Aktivierung des Rot-, Grün- und Blau-Kanals der Beleuchtungseinrichtung 5. Diese Kanäle sind zur Vermeidung einer unnotigen Beanspru­ chung der zugehörigen Beleuchtungsdioden inaktiv, so­ lange sich kein Strichcode im Lesebereich befindet.

Der Betrieb der Schaltung verläuft im einzelnen wie folgt:
Die Signale des Detektors 7 werden über einen Vorver­ stärker 56 den Signaleingängen sämtlicher speichernder Pegelmesser 42, 44 zugeführt. Das Steuerwerk 40 beauf­ schlagt die Infrarot-Beleuchtungsdiode 6 IR im dauernd laufenden Pulsbetrieb, so daß die jeweiligen Reflexions­ signale vom Pegelmesser 42 IR erfaßt werden und dem ei­ nen Eingang des Subtraktionselements 48 zugeführt wer­ den.

In den Beleuchtungspausen steuert das Steuerwerk 40 den Umgebungslicht-Pegelmesser 44 an, dessen Ausgangssignal zum anderen Eingang des Subtraktionselements 50 gelangt. In diesem geschieht eine Subtraktion des Umgebungslicht­ signals vom IR-Beleuchtungssignal und somit eine Berei­ nigung des letzteren um die veränderlichen Umgebungs­ lichteinflüsse.

Solange sich kein Strichcode im Lesebereich der Lese­ vorrichtung befindet, bleibt das Ausgangssignal des Subtraktionselements 48 unterhalb bzw. oberhalb eines am Schwellenwertglied 54 einstellbaren Schwellenwertes und dieses erzeugt kein Lesesignal an seinem Ausgang. Wird der Schwellenwert überschritten, so ist dies ein Zeichen dafür, daß ein Strichcode 4 in das Gesichtsfeld der Leseoptik eingelaufen ist, und es wird das Steuer­ werk 40 in der Weise angesteuert, daß dieses jetzt sei­ nerseits alle vier Beleuchtungsdioden aufeinanderfolgend speist, wie dies schematisch durch die Impulsfolge 60 angedeutet ist. Gleichzeitig mit der Speisung der roten Beleuchtungsdiode 6 R wird der Steuereingang des zuge­ hörigen Pegelmessers 42 R angesteuert, so daß das an seinem Signaleingang vom Detektor 7 über den Vorver­ stärker 56 eintreffende Signal registriert und gespei­ chert wird. Nacheinander werden auch die Detektorsignale von den grünen und blauen Spektren auf diese Weise ge­ speichert. Es versteht sich, daß die Pulsfrequenz so hoch liegt, daß während des Vorbeilaufs eines Strichs des Strichcodes 4 dieser Zyklus mehrfach durchlaufen wird.

Nach Subtraktion der Umgebungslichtkomponente in der Bereinigungsschaltung 46 werden die Rot-, Grün- und Blau-Signale im Maximumdetektor 52 verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird nur der Farbauszug mit dem größten Kontrast ausgewertet.

Das so erhaltene Nutzsignal ist höher als bei Beleuch­ tung mit einer Lichtquelle breitbandigen Spektrums, z. B. einer Glühlampe, da die meisten Druckfarben bei einer solchen Beleuchtung ebenfalls ein breitbandiges Licht reflektieren, das sich bei Farben mit schmalen Absorp­ tionsspektrum (z. B. gelb) nur unwesentlich von einem weißen Hintergrund abhebt.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Optisches Element
3 Objekt
4 Strichcode
5 Beleuchtungseinrichtung
6 Leuchtdiode
7 Detektor
20 Empfangskanal-Sammellinse
22 Beuchtungs-Sammellinse
24 Vorderfläche
26 Rückenfläche der Empfangskanal-Sammellinse
28 Rückenfläche der Beleuchtungs-Sammellinsen
30 Hauptstoßfläche
40 Steuerwerk
42 Speichernder Pegelmesser
44 Umgebungslicht-Pegelmesser
46 Bereinigungsschaltung
48 Subtraktionselement (R; G; B)
50 Subtraktionselement (IR)
52 Maximumdetektor
54 Schwellenwertglied
56 Vorverstärker
60 Impulsfolge

Claims (8)

1. Optische Abtastvorrichtung für bewegte Objekte (3) mit sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckenden, op­ tisch unterscheidbaren Merkmalen, insbesondere zur Er­ kennung von auf diesen Objekten angebrachten Strichcodes (4) oder von Strichmarken,
mit einem Detektor (7), der über eine Empfangskanallinse (20) rechteckiger Form, deren Längserstreckung mit der Erstreckung der Striche des Codes (4) zusammenfällt, von einem von den Objekten (3) reflektierten Lichtstrom be­ aufschlagt wird und
mit einer Beleuchtungseinrichtung (5) für die Objek­ te, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangskanallinse eine Sammellinse ist und ebenso wie der Detektor (7) zentral angeordnet ist und von symmetrisch zu ihr angeordneten Beleuchtungs-Sammellinsen (22) umgeben ist, zu deren jeder eine den zentralen Empfangsbereich in entsprechen­ der Anordnung umgebende Leuchtdiode (6) zur Beleuchtung des Gesichtsfeldes der Empfangskanal-Sammellinse (20) gehört, wobei die Empfangskanal-Sammellinse (20) sowie die Be­ leuchtungs-Sammellinsen (22) ein einstückiges optisches Element (2) darstellen.

2. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (20; 22) bikonvexe Linsen sind.

3. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Detektor (7) mit rechteckiger Empfangsfläche, dessen Erstreckung mit der Erstreckung der Empfangskanal-Sammellinse (20) zusammenfällt.

4. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch eine Unterteilung der Empfangsfläche in ein breiteres und ein schmaleres Streifenpaar, die se­ lektiv einschaltbar sind.

5. Optische Abtastvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsdioden (6) Licht verschiedener Wel­ lenlänge abstrahlen und selektiv einschaltbar sind.

6. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, gekenn­ zeichnet durch eine Schaltungsanordnung zur Speisung der Beleuchtungsdioden und zur Verarbeitung der vom Detektor (7) empfangenen Signale in der Weise, daß die verschie­ denfarbigen Beleuchtungsdioden in einem Pulsbetrieb auf­ einanderfolgend gespeist werden und die zugehörigen De­ tektorsignale in einem Maximumdetektor (52) verglichen werden, und daß nur der Farbauszug mit dem größten Kontrast aus­ gewertet wird.

7. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leuchtdiode (6) Licht im infra­ roten Bereich abstrahlt.

8. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Beleuchtungsdiode im fortlaufenden Pulsbetrieb betrieben wird und die Schal­ tungsanordnung nach Empfang eines von der Beleuchtung durch die Infrarot-Beleuchtungsdiode (6 IR) herrührenden Detektorsignals einen Pulsbetrieb der weiteren Beleuch­ tungsdioden (6R, 6G, 6B) einschaltet.