DE4240735C2 - Optische Vorrichtung zur Bereitstellung von Meßsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Bereit­ stellung von Meßsignalen für eine Bestimmung der Transportge­ schwindigkeit von mikrostrukturierten Vorlagen.

Auf dem Gebiet der optischen Zeichenerkennung wächst mit der Ausweitung dieser Technik auf immer mehr Lebensbereiche die Anzahl der Anwendungen, die beispielsweise von den vielfälti­ gen Arten der Strichcode-Erkennung über das Lesen von Kodier­ zeilen auf Belegen bis hin zur Klarschrift- und Handblock­ schrift-Erkennung auf Formularen reichen.

Allen Anwendungen ist gemeinsam, daß die auf den Vorlagen zu erkennenden Zeichen oder Strukturen im Rahmen der Aufberei­ tung nicht verändert werden sollten. Insbesondere darf die Abtastung der Vorlagen mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen (Scanner) keinen lokalen oder temporären Schwankungen unter­ liegen, da ansonsten gegebenenfalls die Varianz der zu er­ kennenden Zeichen oder Strukturen zunimmt und die Erkennungs­ qualität abnimmt.

Aus diesem Grund ist während der Abtastung eine gleichmäßige Transportgeschwindigkeit für die Vorlagen wünschenswert, die wegen eines zwischen der in der Regel aus Papier bestehenden Vorlage und der Transportvorrichtung auftretenden Schlupfes nur schwer einzuhalten ist. Für den Fall, daß auf der Vorlage geometrisch definierte Strukturen vorhanden sind, können Meßsignale zur Festlegung der Transportgeschwindigkeit der Vorlagen ermittelt werden.

Dieses Verfahren ist jedoch bei quasi unbedruckten Vorlagen, deren einzige Struktur aus dem faserigen Aufbau des Papieres besteht, nicht anwendbar. Derartige Strukturen weisen eine Ausdehnung von 10 bis 50 µm auf. Meßsignale zur Bestimmung der Transportgeschwindigkeit von quasi unbedruckten Vorla­ gen auf denen Strukturen nur mit einer sehr hohen Ortsauflö­ sung lokal erkannt werden können, sind mit herkömmlichen op­ tischen Elementen nur sehr schwer zu erreichen.

Zur Beleuchtung des Standes der Technik in diesem Zusammen­ hang sei auf die Druckschrift DE-OS 23 12 588 hingewiesen, die einen Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations- Geschwindigkeitsmesser beschreibt. Durch die Verwendung von Linsen wird der Effekt der Lichtbrechung zur Fokussierung ge­ nutzt. Der Aufbau einer kompakten Vorrichtung zur Bereitstel­ lung von Meßsignalen für eine Bestimmung der Transportge­ schwindigkeit von mikrostrukturierten Vorlagen ist nicht be­ schrieben.

Weiter sei auf die Druckschrift DE-OS 26 37 361 hingewiesen, die eine Vorrichtung zum Messen der Bewegung eines ersten Teiles relativ zu einem zweiten Teil beschreibt. Hier werden ebenfalls Linsen zur Fokussierung des Lichts verwendet. Ein weiterer Nachteil ist, daß Skalengitter und Indexgitter benö­ tigt werden.

Schließlich sei auf die Druckschrift EP 03 53 603 A2 hinge­ wiesen, aus der ein Verfahren zur Herstellung eines Holo­ gramms auf einem festen Substrat sowie ein entsprechendes Substrat bekannt sind. Eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Meßsignalen für eine Bestimmung der Transportgeschwindig­ keit von mikrostrukturierten Vorlagen in einer sehr kompakten Bauweise ist nicht erklärt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine opti­ sche Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß auch die Transportgeschwindigkeit von mikrostrukturierten Vorlagen, die eine Ortsauflösung im Mikrometerbereich erfor­ dern, ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch das diffraktive Abbildungselement und das transparente Trägerelement entsteht eine kompakte und kostengünstige Mi­ niaturoptik. Das diffraktive Abbildungselement ermöglicht eine problemangepaßte Realisierung von mehreren optischen Funk­ tionen auf ein- und demselben Trägersubstrat, ohne daß auf­ wendige Justierungen an Fokus und Lage der jeweiligen Optik durchgeführt werden müssen.

Durch die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung kann das Reflektionsverhalten der jeweiligen Vorlage an beispielsweise zwei in Transportrichtung gegeneinander versetzten Meßpunkten im Mikrometerbereich aufgenommen werden. Dabei werden die dar­ aus sich ergebenden, zeitlich verschobenen Mikrore­ flektionssignale von den Sensoren erfaßt und für die anhand einer Signalkorrelation durchgeführte Geschwindigkeitsbe­ stimmung zur Verfügung gestellt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Trägerele­ ment auf seiner der einzigen Lichtquelle zugewandten Seite ein weiteres diffraktives optisches Abbildungselement auf, das den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl in mehrere Teillichtstrahlen aufteilt und jeden Teillichtstrahl auf das gemäß der Erfindung vorgesehene diffraktive optische Abbil­ dungselement fokussiert. Das zusätzlich vorhandene diffrak­ tive optische Abbildungselement realisiert einen optischen Strahlteiler, so daß die optische Vorrichtung lediglich eine einzige Lichtquelle benötigt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung können aber auch die auf das gemäß der Erfindung vorgesehene diffraktive optische Abbildungselement einfallenden Lichtstrahlen von mehreren Lichtquellen getrennt voneinander erzeugt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die einfallenden Lichtstrahlen den gegeneinander versetzten Meßpunkten parallel zugeführt. Der besondere Vorteil einer derartig ausgebildeten optischen Vorrichtung besteht darin, daß der Abstand der Meßpunkte auf der Vorlage unabhängig ist von der Distanz der aus dem diffraktiven Abbildungselement und dem transparenten Trägerelement bestehenden Miniaturoptik zur Meßebene.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich auf das Trägerelement, das entweder als Kunststoffteil oder als Glas­ platte bzw. -scheibe ausgebildet ist. Das diffraktive opti­ sche Abbildungselement besteht gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aus einer holografischen Folie, die vorzugsweise auf das Trägerelement aufgeklebt ist.

Andere Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich auf die lichtempfindlichen optischen Sensoren, die vorzugsweise un­ mittelbar an der der oder den Lichtquellen zugewandten Seite des Trägerelements angeordnet sind, um einen möglichst kurzen Strahlengang von der Meßebene zu den Signalerzeugern zu er­ halten. Als Lichtquellen und als lichtempfindliche optische Sensoren sind vorzugsweise Laserdioden vorgesehen, die für den Aufbau einer kleinen und kostengünstigen optischen Vor­ richtung für die genannten Zwecke besonders geeignet sind.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer einzigen Lichtquelle, sowie

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung mit mehreren Lichtquellen.

Die optische Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist eine einzige Lichtquelle 1 zur Erzeugung eines Lichtstrahls 4, ein zwi­ schen der Lichtquelle 1 und einer abzutastenden Vorlage 2 an­ geordnetes transparentes Trägerelement 10, sowie an der der Lichtquelle 1 zugewandten Oberseite des Trägerelements vorge­ sehene lichtempfindliche optische Sensoren 9, 9′ auf. Die Meßebene mit der jeweils zu erfassenden mikrostrukturierten Vorlage 2, deren faserige Papierstruktur im Mikrometerbereich lokal erkennbar ist, befindet sich unterhalb des Trägerele­ ments 10.

Die mikrostrukturierten Vorlagen 2 werden von einer nicht dargestellten Transportvorrichtung, bestehend beispielsweise aus Transportrollen oder -bändern, an der optischen Vorrich­ tung zur Erzeugung der Meßsignale vorbeibewegt. Der grund­ sätzliche Aufbau der optischen Vorrichtung ändert sich nicht, wenn die Lage der Lichtquelle 1 und der mikrostrukturierten Vorlagen 2 räumlich vertauscht werden, so daß der Transport der Vorlagen 2 oberhalb des Trägerelements 10 erfolgt.

Das als Kunststoffteil oder Glasplatte bzw. Glasscheibe aus­ gebildete Trägerelement 10 weist an seiner der Lichtquelle 1 zugewandten Oberseite ein erstes diffraktives optisches Ab­ bildungselement 8 auf, das den von der Lichtquelle 1 erzeug­ ten Lichtstrahl 4 in beispielsweise zwei Teillichtstrahlen 5, 5′ teilt. An der der Vorlage 2 zugewandten Unterseite des Trägerelements 10 ist ein zweites diffraktives optisches Ab­ bildungselement 7 angeordnet, das die das Trägerelement 10 durchdringenden Teillichtstrahlen 5, 5′ auf zwei in Trans­ portrichtung gegeneinander versetzte Meßpunkte 3, 3′ der je­ weiligen Vorlage ablenkt.

Das jeweilige diffraktive optische Abbildungselement 7 bzw. 8 besteht bevorzugt aus einer holografischen Folie mit einer Dicke von ca. 20 µm, die in beliebiger Länge bzw. Breite auf das Trägerelement 10 aufklebbar ist. Der Abstand zwischen den beiden Meßpunkten 3, 3′ beträgt beispielsweise 100 bis 300 µm, während der Meßpunkt selbst eine Ausdehnung von ca. 10 µm auf­ weist. Das aus Kunststoff bzw. Glas bestehende transparente Trägerelement 10 besitzt eine Dicke von 0,5 bis 1 mm.

Die beiden von dem an der Unterseite des Trägerelements 10 befindlichen diffraktiven optischen Abbildungselement 7 auf die Vorlage 2 umgelenkten Teillichtstrahlen 5, 5′ werden an den auf der Vorlage 2 versetzt angeordneten Meßpunkten 3, 3′ als Lichtstrahlen 6, 6′ reflektiert. Die reflektierten Licht­ strahlen 6, 6′ treffen auf das an der Unterseite des Träger­ elements angeordnete diffraktive optische Abbildungselement 7, von dem sie durch das Trägerelement 10 hindurch auf die beiden lichtempfindlichen optischen Sensoren 9, 9′ abgelenkt werden. Die beiden Mikroreflektionssignale, die von den Sen­ soren 9, 9′ aufgenommen werden, sind zueinander zeitlich ver­ schoben, so daß sich aus deren Korrelation zusammen mit dem bekannten Abstand der beiden versetzten Meßpunkte 3, 3′ die Transportgeschwindigkeit ermitteln läßt.

Der wesentliche Vorteil der optischen Vorrichtung gemäß Fig. 1 liegt in dem kleinen und einfachen Aufbau der aus Träger­ element 10 und diffraktiven optischen Abbildungselementen 7, 8 bestehenden Mikrooptik, die je nach Anwendung mehrere opti­ sche Funktionen auf ein und demselben Trägersubstrat umfaßt. Durch die Verwendung von Laserdioden für die Lichtquelle 1 und die Sensoren 9, 9′ läßt sich die optische Vorrichtung außerdem kostengünstig herstellen.

Die optische Vorrichtung gemäß Fig. 2 weist gegenüber der Anordnung in Fig. 1 mehrere Lichtquellen 1, 1′ zur Erzeugung von entsprechend vielen Lichtstrahlen 5, 5′ auf. Die bei­ spielsweise von zwei Laserdioden erzeugten beiden Laser­ strahlen durchdringen das transparente Trägerelement 10 und treffen unmittelbar auf das an der der Vorlage 2 zugewandten Seite des Trägerelements 10 angeordnete diffraktive optische Abbildungselement 7 auf. Mit Hilfe des diffraktiven optischen Abbildungselements 7 werden zum einen die jeweils Laserlicht führenden Strahlen 5, 5′ unmittelbar auf die gegeneinander versetzt angeordneten Meßpunkte 3, 3′ der Vorlage 2 fokus­ siert und zum anderen die von den beiden Meßpunkten 3, 3′ je­ weils reflektierten Laserstrahlen 6, 6′ zwei Laserdioden 9, 9′ umgelenkt.

Die Sensoren 9, 9′ befinden sich ihrerseits unmittelbar an der den Lichtquellen 1, 1′ zugewandten Seite des Trägerele­ ments 10, um insgesamt einen möglichst kurzen Strahlengang sowie eine kompakte Miniaturoptik zu erzielen. Dennoch können die vorzugsweise aus Laserdioden ausgebildeten Sensoren 9, 9′ losgelöst von dem Trägerelement 10 angeordnet sein.

Die beiden auf die gegeneinander versetzten Meßpunkte 3, 3′ fokussierten Lichtstrahlen 5, 5′ werden in den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 der jeweiligen Vorlage 2 vorzugs­ weise parallel zugeführt, so daß die vorgegebene Distanz der beiden Meßpunkte 3, 3′ auf der jeweiligen Vorlage 2 nicht vom Abstand der das diffraktive optische Abbildungselement 7, das transparente Trägerelement 10, sowie die Sensoren 9, 9′ auf­ weisenden Optik zur Meßebene abhängt.

Claims (10)

1. Optische Vorrichtung zur Bereitstellung von Meßsignalen für eine Bestimmung der Transportgeschwindigkeit von mikro­ strukturierten Vorlagen (2) mit

• - wenigstens einer Lichtquelle (1, 1′) zur Erzeugung von Lichtstrahlen (4 bzw. 5, 5′),
• - einem zwischen der oder den Lichtquellen (1, 1′) und der Vorlage (2) angeordneten transparenten Trägerelement (10) mit einem auf seiner der Vorlage (2) zugewandten Seite vor­ gesehenen diffraktiven optischen Abbildungselement (7), das einfallende Lichtstrahlen (5, 5′) auf mehrere, in Trans­ portrichtung gegeneinander versetzte Meßpunkte (3, 3′) der Vorlage (2) fokussiert, sowie mit
• - lichtempfindlichen optischen Sensoren (9, 9′) zum Empfang der an den versetzten Meßpunkten (3, 3′) der Vorlage (2) re­ flektierten, von dem diffraktiven Abbildungselement (7) auf die Sensoren (9, 9′) abgelenkten Lichtstrahlen (6, 6′).

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Lichtquelle (1) zugewandten Seite des Träger­ elements (10) ein weiteres diffraktives optisches Abbildungs­ element (8) angeordnet ist, das einen von der Lichtquelle (1) erzeugten Lichtstrahl (4) in mehrere Teillichtstrahlen (5, 5′) aufteilt und jeden Teillichtstrahl (5, 5′) auf das an der der Vorlage (2) zugewandten Seite des Trägerelements (10) vorgesehene diffraktive optische Abbildungselement (7) fo­ kussiert.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere einfallende, von dem diffraktiven optischen Abbildungselement (7) fokussierte Lichtstrahlen (5, 5′) eine entsprechende Anzahl von Lichtquellen (1, 1′) vorgesehen ist.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an der der Vorlage (2) zugewandten Seite des Träger­ elements (10) angeordnete diffraktive optische Abbildungsele­ ment (7) die einfallenden Lichtstrahlen (5, 5′) parallel zu­ einander auf die Meßpunkte (3, 3′) der Vorlage (2) fokussiert.

5. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (10) als Kunststoffteil ausgebildet ist.

6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (10) als Glasplatte oder -scheibe ausgebildet ist.

7. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Abbildungselement (7 bzw. 8) aus einer holographischen Folie besteht.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die holographische Folie auf das Trägerelement (10) aufgeklebt ist.

9. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen optischen Sensoren (9, 9′) unmittelbar an der der oder den Lichtquellen (1, 1′) zugewandten Seite des Trägerelements (10) angeordnet sind.

10. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquellen (1, 1′) und als lichtempfindliche opti­ sche Sensoren (9, 9′) Laserdioden vorgesehen sind.