DE4414449C2 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Kontrastmarken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Kontrastmarken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der EP 0 433 593 A2 bekannt. Die Vor­ richtung ist als Barcode-Lesegerät zum Abtasten von Barcode-Symbolen ausge­ bildet.

Die Barcode-Symbole bestehen aus einer Folge von hellen und dunklen Linien­ elementen vorgegebener Breite. Die Barcode-Symbole werden von der Vorrich­ tung mittels eines Sendelichtstrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls, abgetastet. Der Sendelichtstrahl weist einen mittleren Durchmesser senkrecht zur Ausbrei­ tungsrichtung entsprechend seiner räumlichen Intensitätsverteilung auf. Bei La­ serstrahlen entspricht die räumliche Intensitätsverteilung idealerweise einer Gaußverteilung.

Der Durchmesser des Sendelichtstrahls variiert mit dem Abstand zur Vorrich­ tung entsprechend der Sendeoptik, die dem Sendeelement vorgeschaltet ist. In der Brennebene des Sendelichtstrahls ist der Durchmesser des Sendelichtstrahls üblicherweise erheblich kleiner als die Breite der Linienelemente. Demzufolge ist die Amplitudenmodulation des Empfangssignals nahezu identisch mit den Breiten der Linienelemente des Barcode-Symbols, so daß dieses von der Vor­ richtung sicher erkannt werden kann.

Mit zunehmender Entfernung des Barcode-Symbols von der Brennebene des Sendelichtstrahls wird der Durchmesser des Sendelichtstrahls rasch größer. So­ bald der Durchmesser des Sendelichtstrahls von gleicher Größenordnung wie die Breiten der Linienelemente der Barcode-Symbole ist, wird die Modulation des Empfangssignals durch die Breite des Sendelichtstrahls so beeinflußt, daß eine sichere Detektion des Barcode-Symbols erschwert wird oder nicht mehr möglich ist.

Wie in der EP 0 433 593 A2 ausgeführt wird, werden mit größer werdendem Durchmesser des Sendelichtstrahls die hochfrequenten Anteile des modulierten Empfangssignals, die von den schmalen Linienelementen des Barcode-Symbols stammen, zunehmend unterdrückt.

Werden die Amplituden der hochfrequenten Anteile des Empfangssignals im Verhältnis zu den Amplituden der niederfrequenten Anteile des Empfangssignals zu stark unterdrückt, kann das Barcode-Symbol von der Vorrichtung nicht mehr gelesen werden.

Um diesen Effekt zu kompensieren, ist in der Vorrichtung gemäß der EP 0 433 593 A2 ein analoger Filter vorgesehen, mit dem das analoge Emp­ fangssignal so gefiltert wird, daß die hochfrequenten Komponenten stärker als die niederfrequenten Komponenten verstärkt werden.

Zur Festlegung der Übertragungscharakteristik des Filters werden vier Frequen­ zen f₀, f₁, f₂ und f₃ definiert.

In den Bereichen zwischen zwei benachbarten Frequenzen wird jeweils ein be­ stimmter Verstärkungsfaktor gewählt,wobei die Verstärkungsfaktoren mit zuneh­ mender Frequenz größer werden. Die Übertragungscharakteristik des Filters kann für einen bestimmten Durchmesser des Sendelichtstrahls fest eingestellt werden. Alternativ kann die Übertragungsfunktion des Filters durch Verschieben der Frequenzen f₀, f₁, f₂ und f₃ verändert werden.

Diese Verschiebung erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Frequenz die den schmalen Linienelementen des Barcode-Symbols entspricht.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht in der groben Einteilung des Frequenzspektrums des Empfangssignals. Dadurch kann der Einfluß des Sendelichtstrahldurchmessers auf die Modulation des Empfangssignals nur un­ vollständig erfaßt werden. Entsprechend kann das Empfangssignal mittels des analogen Filters nur begrenzt optimiert werden.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Übertragungs­ funktion des analogen Filters nur für einen bestimmten Abstand optimiert werden kann. Bei verschiedenen Leseabständen müssen die Frequenzen f₀, f₁, f₂ und f₃ verändert werden, wobei die Änderung der Frequenzen mittels eines zu­ sätzlichen Sensorsystems erfolgt, das beispielsweise die Signal-Frequenzen der von den schmalen Linien stammenden Empfangssignale mißt. Dies bedeutet einen beträchtlichen zusätzlichen Schaltungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß die Marken mit möglichst geringem apparati­ vem Aufwand innerhalb eines großen Lesebereichs sicher erkannt werden kön­ nen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-10 beschrieben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß in das digitale Filter in vorgegebenen Zeitintervallen nacheinander verschiedene Koeffizientensätze eingelesen werden. Jeder der Koeffizientensätze ist so gewählt, daß mit der Vorrichtung in einem vorgegebenen Abstandsbereich von der Vorrichtung, dem sogenannten Tiefenschärfebereich, die Marken sicher erkannt werden können.

Vorzugsweise erfolgt die Änderung der Koeffizientensätze des digitalen Filters periodisch, wobei die Umschaltfrequenz der Koeffizientensätze der Abtastrate der Ablenkeinheit entspricht. Die Abtastraten liegen vorzugsweise in der Grö­ ßenordnung von 10^-3 sec. Dies bedeutet, daß sich die Marken im Vergleich zur Abtastgeschwindigkeit nur sehr langsam bewegen, so daß eine Marke in einer bestimmten Position mit unterschiedlichen Einstellungen des digitalen Filters vorgegebenen Zeitintervallen nacheinander verschiedene Koeffizientensätze eingelesen werden. Jeder der Koeffizientensätze ist so gewählt, daß mit der Vorrichtung in einem vorgegebenen Abstandsbereich von der Vorrichtung, dem sogenannten Tiefenschärfebereich, die Marken sicher erkannt werden können.

Vorzugsweise erfolgt die Änderung der Koeffizientensätze des digitalen Filters periodisch, wobei die Umschaltfrequenz der Koeffizientensätze der Abtastrate der Ablenkeinheit entspricht. Die Abtastraten liegen vorzugsweise in der Grö­ ßenordnung von 10^-3 sec. Dies bedeutet, daß sich die Marken im Vergleich zur Abtastgeschwindigkeit nur sehr langsam bewegen, so daß eine Marke in einer bestimmten Position mit unterschiedlichen Einstellungen des digitalen Filters vermessen wird.

Üblicherweise werden an Gegenständen angeordnete Marken, die beispielsweise auf Fließbändern transportiert werden, mit Geschwindigkeiten im Bereich eini­ ger m/sec an der Vorrichtung vorbeibewegt.

Für jede der verschiedenen Einstellungen des digitalen Filters ergibt sich ein be­ stimmter Lesebereich. Zur Identifizierung der Marke braucht diese lediglich bei einer Einstellung der Koeffizienten des Filters erkannt werden, da sich die Posi­ tion der Marke während der Einzelmessungen nicht ändert. Im Ergebnis addie­ ren sich die Tiefenschärfebereiche für die Einzelmessungen zu einem Gesamt- Tiefenschärfebereich, der erheblich größer als die Einzelbereiche ist.

Zweckmäßigerweise werden nur zwei verschiedene Koeffizientensätze verwen­ det, so daß eine kurze Periodendauer der Umschaltung der Koeffizientensätze gewährleistet ist. Die Koeffizientensätze sind so gewählt, daß die daraus resul­ tierenden Tiefenschärfebereiche nahtlos aneinander anschließen, so daß sich die Einzelbereiche zu einem lückenlosen Gesamt-Tiefenschärfebereich addieren, in­ nerhalb dessen die Marken sicher erkannt werden können.

Jeder Koeffizientensatz des digitalen Filters ist so gewählt, daß die Störungen des Empfangssignals, die durch bauteilbedingte Störungen und durch den endli­ chen Durchmesser des Sendelichtstrahls in einem vorgegebenen Abstandsbereich von der Vorrichtung kompensiert werden.

Hierfür ist dem Empfangselement ein n-bit Analog-Wandler nachgeschaltet, der das analoge Empfangssignal in ein digitales Signal umwandelt. Die Auflösung des Analog-Digitalwandlers d. h. dessen Wortbreite ist zweckmäßigerweise mög­ lichst groß zu wählen. Dadurch wird ein Informationsverlust bei der Wandlung des Analogsignals in ein Digitalsignal weitgehend vermieden.

Die Kompensation der Verzerrungen des Empfangssignals erfolgt durch eine geeignete Wahl der Übertragungsfunktion des digitalen Filters, dem das digitali­ sierte Empfangssignal zugeführt wird.

Bei der Bestimmung der Übertragungsfunktion des digitalen Filters werden die Übertragungsfunktionen der signalverzerrenden Bauelemente, insbesondere des Empfangselements, sowie das Frequenzspektrum der räumlichen Intensitätsver­ teilung des Sendelichtstrahls berücksichtigt. Dadurch können die Störeinflüsse über den gesamten Frequenzbereich genau erfaßt und kompensiert werden, wo­ durch die Geometrie der Hell-Dunkelflächen der Marken sehr präzise aus den Amplitudenverlauf des Empfangssignals rekonstruiert werden kann.

Die Koeffizientensätze des digitalen Filters werden zweckmäßigerweise über ein rechnergestütztes Variationsverfahren erhalten. Dabei erfolgt die Variation der Koeffizienten des Filters bis das Empfangssignal innerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit mit dem tatsächlichen Kontrastmuster der Marken in dem jeweils vorgegebenen Lesebereich übereinstimmt.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen Prinzipaufbau der optoelektronischen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Auswerteeinheit der optoelektronischen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm der Signalauswertung in der Schwellwertein­ heit mit:
a) Darstellung eines Barcode-Symbols,
b) Empfangssignal am Eingang der Schwellwerteinheit,
c) differenziertes Empfangssignal,
d) binäre Empfangssignalfolge am Ausgang der Schwell­ werteinheit,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des FIR-Filters,

Fig. 5 Ablaufschema zur Bestimmung der Koeffizientensätze des digitalen Filters,

Fig. 6 Zeitabhängigkeit der Koeffizienten des digitalen Filters während der Variation der Koeffizienten,

Fig. 7 a) erster Koeffizientensatz des digitalen Filters nach Ablauf der Variation der Koeffizienten,
zweiter Koeffizientensatz des digitalen Filters nach Ab­ lauf der Variation der Koeffizienten,

Fig. 8 a) Übertragungsfunktion für den ersten Koeffizientensatz des optimierten digitalen Filters,
b) Übertragungsfunktion für den zweiten Koeffizientensatz des optimierten digitalen Filters,

Fig. 9 a) Dekodiersicherheit der Vorrichtung vor bzw. nach Opti­ mierung des ersten Koeffizientensatzes des digitalen Fil­ ters,
b) Dekodiersicherheit der Vorrichtung vor bzw. nach Opti­ mierung des zweiten Koeffizientensatzes des digitalen Fil­ ters.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken dargestellt. Prinzipiell können die Marken beliebige Folgen und Formen von einander an­ grenzenden Hell-Dunkelflächen, vorzugsweise Schwarz-Weiß-Flächen, aufwei­ sen. Im folgenden soll die Erfindung für den Fall erläutert werden, daß die Marken von Barcode-Symbolen 2 gebildet sind. Die Barcode-Symbole 2 beste­ hen im wesentlichen aus einer Folge von schwarzen und weißen Linienelemen­ ten 2a, b definierter Länge und Breite.

Die optoelektronische Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sende­ element 3, einem Empfangselement 4 sowie einer Auswerteeinheit 5. Das Sen­ deelement 3 besteht aus einem Sender 6, vorzugsweise einer Laserdiode, sowie aus einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des Sendelichtstrahls 8. Der fokussierte Sendelichtstrahl 8 wird über eine Ablenk­ einheit 9, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden Polygonspiegelrad gebildet ist, abgelenkt und über das zu detektierende Barco­ de-Symbol 2 geführt. Die Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.

Das vom Barcode-Symbol 2 reflektierte Empfangslicht 10 wird über das Poly­ gonspiegelrad zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht aus einer Fotodiode 11, in der das Empfangslicht 10 in ein elektronisches Empfangssignal gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker 12. Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement 4 eine Empfangsoptik 13 vorgeschaltet.

Das am Ausgang des Empfangselements 4 anstehende Empfangssignal wird der Auswerteeinheit 5 zugeführt.

Aus Fig. 3 ist das Prinzip der Auswertung der Empfangssignale ersichtlich. In Fig. 3a ist ein Barcode-Symbol 2 mit einer Folge von schwarzen und weißen Li­ nienelementen 2a, b dargestellt. Falls der Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 auf dem Barcode-Symbol 2 wesentlich kleiner als die kleinste Breite eines Linienelements 2a, b ist, wird der Sendelichtstrahl 8 durch die Reflexion von dem Barcode-Symbol 2 wie in Fig. 3b dargestellt amplitudenmoduliert.

Falls im Empfangselement 4 keine Verzerrungen oder Verfälschungen des Emp­ fangssignals erfolgt, entspricht der in Fig. 3b dargestellte Kurvenverlauf dem am Ausgang des Empfangselements 4 anstehenden Empfangssignal.

Die Bestimmung der Breite der einzelnen Linienelemente 2a, b des Barcode-Symbols 2 in der Auswerteeinheit 5 erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Wen­ depunktverfahren.

In einem ersten Schritt wird das Empfangssignal differenziert (Fig. 3c). An­ schließend werden die Extrema des differenzierten Empfangssignals bestimmt, die den Wendepunkten des Empfangssignals entsprechen. Diese Wendepunkte wiederum definieren die Übergänge von einem schwarzen zu einem weißen Li­ nienelement 2a, b bzw. umgekehrt.

Zur Bestimmung der Wendepunkte des Empfangssignals wird das differenzierte Empfangssignal mit vorzugsweise zwei Schaltschwellen S₁ und S₂ (Fig. 3c) in eine binäre Signalfolge (Fig. 3d) umgewandelt. Die Dauer der Zustände "0" und "1" der binären Signalfolge ist ein Maß für die Breite der Linienelemente 2a, b des Barcode-Symbols 2. Die Dauer der Zustände "0" und "1" kann über einen taktgesteuerten Zähler einfach erfaßt werden.

Mit größer werdendem Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 bzw. zunehmenden Signalverzerrungen im Empfangselement 4 werden auch die Kantenfehler größer, d. h. die Wendepunkte des Empfangssignals fallen mit den Ortskoordinaten der Schwarz-Weiß-Übergänge des Barcode-Symbols 2 nicht mehr zusammen. Im Extremfall kann dadurch ein Barcode-Symbol 2 nicht mehr erkannt wer­ den.

Ein Maß für die Abweichung des Empfangssignals vom tatsächlichen Kontrast­ muster bildet die sogenannte Dekodiersicherheit DS.

Bei einem idealen Barcode-Lesegerät ohne signalverzerrende Bauelemente und mit einem unendlich scharf fokussierten Sendelichtstrahl 8 ergibt sich eine voll­ kommene Übereinstimmung der Lagen der Wendepunkte des Empfangssignals und der Lagen der Schwarz-Weiß-Übergänge des Barcode-Symbols 2. Dies ent­ spricht dem Wert DS = 1. Ein Barcode-Symbol 2 kann von der Vorrichtung 1 mit Sicherheit erkannt werden.

Mit größer werdenden Störeinflüssen werden die Unterschiede zwischen den La­ gen der Wendepunkte des Empfangssignals und den Lagen der Schwarz-Weiß-Übergänge des Barcode-Symbols 2 größer, d. h. die Dekodiersicherheit DS wird kleiner.

Bei einem realen Barcode-Lesegerät können die bauteilbedingten Störeinflüsse oder der Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 so groß sein, daß Linienelemente 2a, b des Barcode-Symbols 2 mit unterschiedlichen Breitenverhältnissen zu einem Empfangssignal mit äquidistanten Wendepunktabständen führen. In die­ sem Fall können Linienelemente 2a, b unterschiedlicher Breite nicht mehr er­ kannt werden. Die Dekodiersicherheit beträgt in diesem Fall DS = 0.

Zur Elimination dieser Signalverzerrungen d. h. zur Erhöhung der Dekodiersi­ cherheit ist in der Auswerteeinheit 5 der Schwellwerteinheit 14 der Analog-Di­ gitalwandler 15 und das digitale Filter 16 vorgeschaltet.

Der n-bit-Analog-Digitalwandler 15 weist eine Wortbreite im Bereich von n = 8-12 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein 10-bit-Analog-Di­ gitalwandler 15 verwendet. Dadurch kann das analoge Empfangssignal mit einer hohen Auflösung in ein digitalisiertes Empfangssignal gewandelt werden.

Das digitale Filter 16 ist von einem FIR-Filter gebildet. Der Aufbau des FIR-Filters ist in Fig. 4 dargestellt. Die Ausgangsgröße y_n des FIR-Filters hängt von der Eingangsgröße x_m (m = n, n-1, n-2 . . . , n-M) zu verschiedenen Zeitpunk­ ten m ab.

Die in Fig. 4 dargestellte Variable z ist die zur Zeitvariablen n konjungierte Va­ riable im Frequenzbereich. Die Größe z^-1 stellt den Betrag der Verzögerung zwi­ schen zwei Verknüpfungspunkten, z. B. x_n und X_n-1, dar. Die Symbole X bzw. Σ charakterisieren eine multiplikative bzw. additive Verknüpfung, die durch einen Multiplizierer bzw. einen Addierer realisiert sind.

Die Gewichtung der Eingangsgröße erfolgt mit einstellbaren Koeffizienten h_mi. Der Index m gibt den Zeitrang des Filters 16 an. Im vorliegenden Fall wird ein Filter 18. Grades verwendet, d. h. die Anzahl der Koeffizienten m des Filters 16 beträgt M = 18, der Index m variiert demzufolge im Bereich m = 0, 1, 2 . . . 17.

Der Index i dient zur Unterscheidung der verschiedenen Koeffizientensätze. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei verschiedene Koeffizientensätze (i = 1, 2) verwendet.

Jeder der Koeffizienten h_mi ist in einem Speicherelement im digitalen Filter 16 gespeichert. Die Speicherelemente sind in Fig. 4 durch die Koeffizienten h_mi selbst gekennzeichnet.

Die Ausgänge der Speicherelemente für die Koeffizienten h_mi von verschiedenen Koeffizientensätzen i, die demselben Zeitrang m zugeordnet sind, sind an einen Schalter S_m angeschlossen. Der Ausgang des Schalters S_m wiederum ist an den Multiplizierer X angeschlossen, der dem Zeitrang m im Netzwerk des digitalen Filters zugeordnet ist.

Durch Umschalten der Schalter S_m (m 0, 1, 2 . . . 17) werden nacheinander die verschiedenen Koeffizientensätze h_mi (i = 1, 2) in das Netzwerk des digitalen Fil­ ters 16 eingelesen.

Diese Umschaltung erfolgt periodisch über eine nicht dargestellte Rechnerein­ heit. Dabei ist die Umschaltfrequenz der Koeffizienten h_mi gleich der Abtastrate der Ablenkeinheit. Somit wird die Vorrichtung bei aufeinanderfolgenden Abtast­ zyklen mit unterschiedlichen Koeffizientensätzen betrieben.

Die Abtastrate liegt in der Größenordnung von 10^-3 sec. Durch diese schnelle Umschaltung der Koeffizienten ist gewährleistet, daß jede Marke in einer vor­ gegebenen Position mit beiden Koeffizientensätzen vermessen wird.

Das digitalisierte und gefilterte Empfangssignal wird der Schwellwerteinheit 14 zugeführt und dort in eine binäre Signalfolge umgewandelt.

Die Übertragungsfunktion ist für jeden Koeffizientensatz des digitalen Filters 16 so ausgestaltet, daß Signalverzerrungen des Empfangssignals, die durch Bau­ elemente oder durch den endlichen Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 hervorgerufen werden, eliminiert werden können.

Diese Störgrößen sind jedoch keine Konstanten, sondern hängen von mehreren externen Faktoren ab. Der Einfluß des Durchmessers des Sendelichtstrahls 8 auf die Dekodiersicherheit hängt vom Verhältnis des Durchmessers zu den Breiten der Linienelemente 2a, b des Barcode-Symbols 2 ab. Ferner hängt der Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 vom Abstand d des Barcode-Symbols 2 zur Vorrichtung 1 ab. Schließlich beeinflußt die Ausbildung der signalverzer­ renden Bauelemente die Größe der Störsignale.

Bei der Bestimmung der Koeffizienten h_mi des digitalen Filters 16 sind diese Einflußgrößen im Rahmen eines Gesamtmodells für die Vorrichtung 1 berück­ sichtigt, wobei für die Bestimmung jedes Koeffizientensatzes ein separates Ge­ samtmodell entworfen wird. Auf der Basis dieses Gesamtmodells werden die Koeffizienten über eine systematische Variation ermittelt. Das Ablaufschema zur Bestimmung der Koeffizienten h_mi des digitalen Filters 16 ist in Fig. 5 darge­ stellt.

Das Barcode-Lesegerät ist an eine nicht dargestellte Rechnereinheit angeschlos­ sen und detektiert in vorgegebenen Abständen d Barcode-Symbole 2, die Lini­ enelemente 2a, b mit definierten Breitenverhältnissen aufweisen.

Das durch die Abtastung des Barcode-Symbols 2 auf das Empfangselement 4 auftreffende Empfangslicht 10 wird dort in das Empfangssignal gewandelt. Die­ ses Empfangssignal weist Signalverzerrungen auf, die durch das Empfangsele­ ment 4 und durch den endlichen Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 verursacht werden.

Dadurch enthält das Empfangssignal nicht nur Informationen über die Ausge­ staltung des Barcode-Symbols 2 welches abgetastet wurde, sondern auch Infor­ mationen über den Sendelichtstrahl 8 und das Empfangselement 4. Dieses Emp­ fangssignal wird im Analog-Digitalwandler 15 digitalisiert, dem FIR-Filter und schließlich der Rechnereinheit zugeführt. Zudem ist das Kontrastmuster des Bar­ code-Symbols 2 in der Rechnereinheit gespeichert.

In der Rechnereinheit werden die Lagen der Wendepunkte des Empfangssignals ermittelt und mit den Positionen der Übergänge von schwarzen zu weißen Lini­ enelementen 2a, b verglichen. Aus der Abweichung dieser Positionen wird die Dekodiersicherheit der Vorrichtung 1 ermittelt.

Dieses Verfahren wird für verschiedene Leseabstände wiederholt, so daß die Dekodiersicherheit in Abhängigkeit des Leseabstands d in der Rechnereinheit vorliegt. Die so ermittelte Dekodiersicherheit in Abhängigkeit des Leseabstands ist in Fig. 9 dargestellt.

Die beiden Koeffizientensätze h_mi (i = 1, 2) des digitalen Filters werden für ver­ schiedene Leseabstände getrennt optimiert. Demzufolge wird die Dekodiersicher­ heit für die verschiedenen Koeffizientensätze für verschiedene Bereiche der Le­ seabstände ermittelt (untere Kurven in Fig. 9a, b).

Die Koeffizienten h_mi des Filters 16 sind auf vorgegebene Werte eingestellt, die die Anfangsbedingung für das nachfolgende Variationsverfahren bilden. Zweck­ mäßigerweise wird als Anfangsbedingung der Wert eines der Koeffizienten h_mi des Filters 16 auf 1 gesetzt, während die restlichen Koeffizienten h_mi den Wert 0 annehmen.

Die Variation der Koeffizienten h_mi des FIR-Filters erfolgt in der Rechnereinheit nach dem Verfahren der Entwurfszentrierung (DCA = design centenng analy­ sis). Die zuvor ermittelte Dekodiersicherheit in Abhängigkeit des Abstands d wird als Eingangsgröße verwendet. Mit dieser Information werden die Koeffizi­ enten h_mi des FIR-Filters nach dem Zufallsprinzip geändert. Dann werden dieje­ nigen Parametersätze gespeichert, die zu einer Dekodiersicherheit führen, die einen vorgegebenen Mindestwert überschreiten.

Dieses Verfahren wird in mehreren Iterationsschritten wiederholt, wobei jeweils die in der Rechnereinheit ermittelte Dekodiersicherheit des vorher gehenden Ite­ rationsschrittes für den aktuellen Iterationsschritt verwendet wird. Die Iteration wird dann abgebrochen, wenn die Dekodiersicherheit einen vorgegebenen Soll­ wert überschreitet. Die zeitliche Veränderung der Koeffizienten des FIR-Filters während der einzelnen Iterationsschritte ist schematisch in Fig. 6 dargestellt.

Die Optimierung der Koeffizientensätze des Filters 16 erfolgt nicht nur für einen Leseabstand, sondern für den jeweils vorgegebenen Abstandsbereich, wobei der Sollwert für die Dekodiersicherheit für jeden Leseabstand erreicht werden muß.

In Fig. 7a, b sind die optimierten Sätze der Koeffizienten h_mi des digitalen Fil­ ters 16 dargestellt. Die Koeffizienten sind bezüglich des Mittelpunkts bzw. der Mittelsenkrechten asymmetrisch ausgebildet. Durch den asymmetrischen Anteil der Koeffizienten h_mi werden Phasenverzerrungen des Empfangssignals die durch das Empfangselement 4 bewirkt werden, eliminiert.

Durch den symmetrischen Anteil der Koeffizienten h_mi werden Amplitudenver­ zerrungen des Empfangssignals, die durch den endlichen Durchmesser des Sen­ delichtstrahls 8 und das Empfangselement 4 hervorgerufen werden, eliminiert.

In Fig. 8a, b sind die Übertragungsfunktionen des digitalen Filters 16 darge­ stellt, die sich aus den Fouriertransformierten der Koeffizientensätze des digita­ len Filters 16 gemäß Fig. 7a, b ergeben. Die Frequenz f_a beträgt im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel f_a = 10 MHz.

Die Übertragungsfunktionen entsprechen im wesentlichen den Inversen der Fre­ quenzspektren der räumlichen Verteilungen des Sendelichtstrahls 8 in den vor­ gegebenen Bereichen der Leseabstände, die im wesentlichen Gaußcharakteristi­ ken entsprechen. Abweichungen hiervon rühren von den Signalverzerrungen durch das Empfangselement 4.

Dies bedeutet, daß durch die experimentelle Erfassung aller externer System­ größen im gesamten Frequenzbereich deren Einfluß auf das Empfangssignal ge­ nau erfaßt und durch das Variationsverfahren eliminiert werden kann.

In Fig. 9a, b sind die mit den optimierten Koeffizientensätzen erhaltenen Werte für die Dekodiersicherheit dargestellt (obere Kurven). Für den ersten Koeffizien­ tensatz ergibt sich für Leseabstände im Bereich 36 cm < d < 104 cm eine Deko­ diersicherheit, die oberhalb von 0,6 liegt. Oberhalb dieses Grenzwertes können die Barcode-Symbole 2 sicher erkannt werden (Fig. 9a).

Für den zweiten Koeffizientensatz ergibt sich für Leseabstände im Bereich 30 cm <d < 87 cm eine Dekodiersicherheit, die oberhalb von 0,6 liegt.

Durch die Umschaltung der Koeffizientensätze im digitalen Filter 16 wird der Tiefenschärfebereich auf 30 cm < d < 104 vergrößert.

Nach erfolgter Optimierung der Koeffizienten h_mi des digitalen Filters 16 wird die Rechnereinheit von der Vorrichtung 1 getrennt. Während des Betriebs der Vorrichtung 1 werden die optimierten Koeffizientensätze h_mi des digitalen Filters 16 beibehalten. Eine Nachregelung der Koeffizienten h_mi des digitalen Filters 16 und damit der Übertragungsfunktionen ist nicht notwendig, da die Koeffizienten h_mi für verschiedene Leseabstände d und Barcode-Symbole 2 optimiert wurden und durch die Umschaltung zwischen den Koeffizientensätzen ein beträchtlich vergrößerter Tiefenschärfebereich erhalten wird.

Claims (10)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kontrast­ mustern versehenen Marken, mit einem einen Sendelichtstrahl emittieren­ den Sendeelement und einem Empfangselement, wobei der Sendelichtstrahl mittels einer Ablenkeinheit periodisch über die Marken geführt wird und der von einer Marke reflektierte Empfangslichtstrahl eine durch den Kontrast der Marke aufgeprägte und vom räumlichen Intensitätsverlauf des Sende­ lichtstrahls abhängige Amplitudenmodulation aufweist, und wobei das Empfangslicht im Empfangselement in ein analoges Empfangssignal umge­ setzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Empfangssignal in einem n-bit-Analog-Digitalwandler (15), dessen Wortbreite n größer als eins ist, in ein digitales Empfangssignal umgesetzt wird, welches einem digitalen Filter (16) mit zeitlich veränderlichen Koeffizientensatz zugeführt wird, wobei die verschiedenen Koeffizientensätze des Filters (16) so gewählt sind, daß die Übertragungscharakteristiken des Filters (16) für die einzel­ nen Koeffizientensätze innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs den Inversen der Frequenzspektren der räumlichen Intensitätsverteilungen des Sendelichtstrahls (8) in verschiedenen Abständen von der Vorrichtung (1) entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Koeffizientensätze des digitalen Filters (16) periodisch erfolgt, wobei die Umschaltfrequenz der Koeffizientensätze der Abtastrate der Ablenkeinheit (9) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem di­ gitalen Filter (16) in vorgegebenen Zeitintervallen nacheinander zwei unter­ schiedliche Koeffizientensätze zugewiesen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter (16) von einem HR-Filter 18. Grades mit Koeffizienten (h_mi) gebildet ist, wobei jeder Koeffizient (h_mi) einem bestimmten Zeitrang (i) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Koeffizient (h_mi) eines Koeffizientensatzes in einem Speicherelement gespeichert ist, und daß die Ausgänge der Speicherelemente der Koeffizienten (h_mi) von verschiedenen Koeffizientensätzen mit demselben Zeitrang (i) mit einem Schalter S_m verbunden sind, der auf einen Multiplizierer (X) des digitalen Filters (16) geführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Koeffizientensatz die Übertragungscharakteristik des digitalen Fil­ ters (16) innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs dem Inversen des Frequenzspektrums der räumlichen Intensitätsverteilung des Sendelichtstrahls (8) für einen vorgegebenen Bereich des Abstands von der Vorrichtung (1) entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Koeffizientensatz die Übertragungscharakteristik des digitalen Fil­ ters (16) zur Kompensation bauteilbedingter Störungen des Empfangssignals definierte Abweichungen vom Inversen des Frequenzspektrums der räumli­ chen Intensitätsverteilung des Sendelichtstrahls (8) aufweist, die den Um­ kehrfunktionen der Übertragungsfunktionen der Bauteile entsprechen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das signalver­ zerrende Bauteil vom Empfangselement (4) gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortbreite des n-bit Analog-Digitalwandlers (15) im Bereich 8 n 12 liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Barcode-Lesegerät ausgebildet ist, dessen Sendeelement (3) einen als Laser ausgebildeten Sender (6) aufweist, dessen Sendelichtstrahl (8) über die Ablenkeinheit (9) abgelenkt wird, und dessen Empfangselement (4) eine Fotodiode (11) und einen Verstärker (12) zur Verstärkung des Empfangssignals aufweist.