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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Emittieren
eines Lichtstrahls und zum gleichzeitigen Sammeln des von einem
beleuchteten optischen Code gestreuten Lichtes und eine optische
Lesevorrichtung, die eine derartige Emissions/Empfangsvorrichtung
aufweist.
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Vorzugsweise,
jedoch nicht ausschließlich, sind
die Emissionsvorrichtung, das Gehäuse bzw. die Emissions-/Empfangsvorrichtung
der Erfindung dazu eingerichtet insbesondere in einer kostengünstigen optischen
Lesevorrichtung mit geringer Größe, wie beispielsweise
einer tragbaren optischen Code-Lesevorrichtung, verwendet zu werden.
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In
der vorliegenden Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen bezieht
sich der Ausdruck „optische
Lesevorrichtung" auf
jede Vorrichtung, die dazu geeignet ist, in Bezug zu einem Gegenstand stehende
kodierte Informationen (beispielsweise die Entfernung, das Volumen,
die Größe oder
Daten zu dessen Identifikation) durch die Erfassung und Verarbeitung
eines von diesem gestreuten Lichtsignals zu erfassen. Der Ausdruck „optischer
Code" bezieht sich
andererseits auf einen Code (wie beispielsweise einen Strichcode,
einen zweidimensionalen Code und dergleichen), der dazu geeignet
ist, die Gegenstände,
auf welchen er vorgesehen ist, eindeutig zu identifizieren.
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Als
Beispiel und um die folgende Erörterung klarer
zu machen, wird in der folgenden Beschreibung explizit auf optische
Code-Lesevorrichtungen Bezug genommen. In seiner einfachsten Form
umfaßt
eine optische Code-Lesevorrichtung eine Quelle zur Emission eines
Lichtsignals, mit dem ein Gegenstand beleuchtet werden soll, ein
Photoempfangsmittel zum Sammeln des vom beleuchteten Gegenstand gestreuten
Lichtsignals und zum Erzeugen eines dazu proportionalen elektrischen
Signals und ein Verarbeitungsmittel zum Bearbeiten und Verarbeiten des
erzeugten elektrischen Signals, um die gewünschte Information zu erhalten.
Der Emissionsquelle kann darüber
hinaus eine Fokussierungslinse nachgeordnet sein, um bei einer vorbestimmten
Entfernung das von der Emissionsquelle ausgesandte Lichtsignal zu
fokussieren.
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Wie
bekannt ist, besteht für
alle kostengünstigen
optischen Lesevorrichtungen mit geringer Größe die Notwendigkeit, kostengünstige und
kleine Vorrichtungen zum Aussenden eines fokussierten Lichtstrahls
und/oder Fokussierungsvorrichtungen zu verwenden. Zu diesem Zweck
ist der Gebrauch von Halbleiterlaserdioden als Emissionsquelle weit
verbreitet.
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Eine
Halbleiterlaserdiode umfaßt
im wesentlichen einen Chip aus einem Halbleitermaterial (mit einer
typischen Größe im Bereich
von 200–300 μm in der
Tiefe 250–300 μm und 100–150 μm in der
Höhe), der
aufgrund seiner besonders hohen Empfindlichkeit gegenüber atmosphärischen
Einflüssen
und elektrostatischen Ladungen in geeigneter Weise auf einem speziellen
Trägerelement
befestig und in einem speziellen Gehäuse aufgenommen ist, daß ihn gegenüber der
Außenumgebung
isoliert und/oder schützt.
Das Gehäuse
besteht im wesentlichen aus einer Metallkapsel mit einer im wesentlichen
zylindrischen Form. An einem ersten Ende derselben ist die Kapsel
mit einer Basisoberfläche,
die Aufnahmen zu Aufnahme jeweiliger elektrischer Verbindungselemente
zur Stromversorgung der Diode aufweist, und an einem gegenüberliegenden
Ende mit einer Service-Oberfläche
versehen, die ein Glasfenster umfaßt, um die Emission des von
der Diode erzeugten Lichtstrahls zu ermöglichen. Das Chipträgerelement hat
auch die Funktion einer Wärmesenke
für die
Diode bei ihrem Betrieb.
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Typischerweise
sind die Fenster der Halbleiterlaserdioden in der Weise hergestellt,
daß sie
den Austritt der größten möglichen
Menge an Lichtenergie zulassen, so daß die gesamte Lichtleistung
des Lasers ausgeschöpft
wird, ohne seine Wirksamkeit zu reduzieren. Daher umfassen sie eine
relativ große Größe.
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Jedoch,
während
der Gebrauch einer Hableiterdiode einerseits zuläßt, Vorteile hinsichtlich der Gesamtkosten
und der Größe der Emissions- und/oder
Fokussierungsvorrichtung (und somit der Lesevorrichtung) zu erzielen,
hat er andererseits den Nachteil, daß sie kein zuverlässiges Lesen
optischer Codes zuläßt, wenn
diese in einer geringen Entfernung von der Lesevorrichtung angeordnet
sind. Dies liegt im wesentlichen an der Unmöglichkeit, einen Lichtstrahl
zu erzeugen, der in einem vorbestimmten Entfernungsbereich, selbst
wenn dieser klein ist, parallel gerichtet und fokussiert bleibt.
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Daher
besteht bei den optischen Lesevorrichtungen die Notwendigkeit, einen
fokussierten Laserstrahl auch für
geringe Feldtiefen zu erzeugen, um ein zuverlässiges Lesen selbst von in einer
geringen Entfernung angeordneten optischen Codes zu ermöglichen.
Dies impliziert die Notwendigkeit, daß der Laserspot am Brennpunkt
einen Durchmesser aufweisen sollte, der im wesentlichen gleich der
oder etwas größer (das
1,5-fache) als die Größe des Moduls (d.h.
des kleinsten Elements des Codes) von optischen Informationen ist,
die gelesen werden müssen und
daß der
Spot so für
eine vorbestimmte Ausbreitungsentfernung bleiben muß.
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Ein
im Stand der Technik bekanntes Verfahren, um eine ausreichende Feldtiefe
zu erhalten, umfaßt
den Schritt einer Beeinflussung des aus der Laserdiode austretenden
Laserstrahls unter Verwendung der durch eine Apertur (Lochblende)
hervorgerufenen Effekte, um lediglich einen zentralen Abschnitt
des ausgesandten Laserstrahls hindurchtreten zu lassen.
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Es
ist bekannt, daß immer,
wenn eine Lichtwellenfront durch eine Apertur mit einer beliebigen Form,
die jedoch so ist, daß die
Wellenfront abgeschnitten wird, hindurchtritt, die Verteilung der Lichtintensität hinter
dieser Apertur durch die Beugung bestimmt ist. Die Verteilung wird
Beugungsmuster genannt und entspricht dem Spot des Laserstrahls
am Brennpunkt. Seine Form und Größe hängen von
der Größer der
Apertur, vom Abstand, aus dem das Muster betrachtet wird, und vom
Krümmungsradius
der einfallenden Wellenfront ab (in dem Fall, in dem die einfallende
Wellenfront eben ist, ist der Radius unendlich).
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Die
Form des Beugungsmusters hängt
von einem Parameter ab, der alle oben angegebenen möglichen
Varianten enthält.
Dieser Parameter ist als Fresnelzahl bekannt und durch die folgende
Gleichung definiert: N = a2/(λZ),wobei
a die Halb-Dimension der Apertur in der Richtung ist, in der der
Spotdurchmesser gemessen wird, λ die
Wellenlänge
ist und Z die effektive Beobachtungsentfernung ist (in dem Fall
einer ebenen Wellenfront ist Z die tatsächliche Beobachtungsentfernung
und im Fall einer gekrümmten
Wellenfront weicht die effektive Beobachtungsentfernung von der tatsächlichen
Beobachtungsentfernung um den Krümmungsradius
der Wellenfront ab).
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Im
wesentlichen sind die Haupteffekte der Beugung durch eine Apertur
einerseits, daß die
Größe des Laserstrahls
am Brennpunkt erhöht
wird und andererseits, daß der
Spot parallel gerichtet und für ein
größeres Entfernungsinterval
im wesentlichen mit demselben Profil bei behalten wird und schließlich, daß dem Spot
eine geeignetere Form für
ein optisches Lesen optischer Codes verliehen wird (insbesondere
wird ein Spot erhalten mit einem intensiven und fokussierten zentralen
Bereich). In dieser Weise kann ein Vorteil durch Vergrößerung des
Lesefeldes (Feldtiefe) erreicht werden. Häufig ist es tatsächlich wünschenswert,
kodierte Informationen auf optischen Trägern zu lesen, die in einem
sehr großen
Bereich von Abständen
angeordnet sind. Das bedeutet, daß die Lesevorrichtung ein großes Lesefeld
(entweder Fokussierungstiefe oder Feldtiefe) aufweisen muß. Ein solcher
Bedarf kann beispielsweise bei Umschlaganlagen zur Verteilung und
Sortierung von Gegenständen
auftreten, die durch optische Codes identifiziert werden, wobei
diese Gegenstände
auch sehr unterschiedliche Höhen
aufweisen können.
In diesem Fall muß der
Laserspot über
eine so große Ausbreitungsentfernung
wie möglich
fokussiert bleiben.
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Ein
im Stand der Technik bekanntes Verfahren, um eine hohe Feldtiefe
zu erreichen, umfaßt
den Schritt einer Beeinflussung des von der Laserdiode austretenden
Laserstrahls unter Verwendung der kombinierten Wirkungen der Fokussierungsvorrichtung
(Linse) und einer Apertur (Lochblende), so daß lediglich ein zentraler Teil
des ausgesandten Laserstrahls hindurchtritt. Im wesentlichen wurde
experimentell bewiesen, daß es
durch Addieren der Effekte der durch die Linse hervorgerufenen Fokussierung und
der durch die Apertur hervorgerufenen Beugung möglich ist, einen fokussierten
Lichtstrahl mit einer besonders hohen Feldtiefe zu erhalten.
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Durch
Kombinieren des durch die Fokussierungslinse hervorgerufenen Fokussierungseffekts des
Laserstrahls und der Wirkung aufgrund der Anordnung einer Apertur
zwischen der Linse und dem Brennpunkt (oder zwischen der Emissionsquelle
und der Linse) wird am Brennpunkt und in seiner Umgebung ein Spot
erhalten, dessen Form das der Apertur entsprechende Beugungsmuster
ist, das in der Größe mit einem
Faktor skaliert ist, der von der Vergrößerung oder Verkleinerung,
die von der Linse hervorgerufen wird, abhängt. Dadurch wird ein zuverlässiges Lesen
bei verschiedenen und relevanten Abständen möglich.
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Obwohl
das Einführen
einer Brechung in einen Lichtstrahl durch eine Apertur einen Anstieg
der Spotgröße des Lichtstrahls
am Brennpunkt und eine Reduzierung der Lichtausbeute der Lesevorrichtung hervorruft,
ist sie insbesondere dann von Vorteil, wenn einerseits eine übermäßige Fokussierung
des Spots verhindert (beispielsweise um nicht die Unvollkommenheiten des
Trägers
zu erfassen) und andererseits das Lesefeld der Lesevorrichtung maximiert werden
soll.
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Im
Stand der Technik sind Laserlesevorrichtungen bekannt, die den kombinierten
Effekt der Fokussierung und der Beugung eines Laserstrahls dazu nutzen,
das Lesefeld derselben Lesevorrichtung zu vergrößern. Beispielsweise wird in
der europäischen Patentanmeldung
EP 367 299 eine Laserdiodenabtastvorrichung
zum Lesen von Strichcodes beschrieben, die eine einer Lochblende
und einer Fokussierungslinse zugeordnete Halbleiterlaserdiode aufweist.
In einer derartigen Vorrichtung müssen die relative Anordnung
der Lochblende und der Fokussierungslinse besonders beachtet werden,
um die gewünschten
Fokussierungs- und Beugungseffekte zu erzielen, und um ein zuverlässiges Lesen
zu ermöglichen.
Tatsächlich
ist es notwendig, ein geeignetes mechanische Kopplungs-, Träger und
Ausrichtungssystem zwischen der Diode, der Lochblende und der Linse
vorzusehen. Dies impliziert unvermeidbar hohe Kosten und lange Montagedauern.
Andererseits macht die Existenz mehrerer einzelner optischer Komponenten
(Diode, Lochblende, Fokussierungslinse), die jeweils in einer geeigneten
Weise im Verhältnis
zu den anderen angeordnet werden müssen, eine übermäßige Miniaturisierung der Vorrichtung unmöglich.
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Die
technische Aufgabe, welche die Grundlage der vorliegenden Erfindung
bildet, besteht darin, eine Vorrichtung zum Emittieren/Erfassen
eines Lichtsignals bereitzustellen, die konstruktiv einfach, einfach
zu montieren, kostengünstig
sein und eine kleine Größe aufweisen
sollte, so daß sie
beispielsweise in kostengünstigen
optischen Lesevorrichtungen mit kleiner Größe (wie beispielsweise in tragbaren
Lesevorrichtungen) montiert werden kann, und die es vorzugsweise
ermöglichen
sollte, alle Vorteile des Einbringens einer Beugung in den Emissionslaserstrahl
zu erreichen (insbesondere eine Vergrößerung der Feldtiefe der Vorrichtung
und/oder der Lesevorrichtung).
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Somit
betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Gesichtspunkt
derselben eine optische Vorrichtung zum Emittieren/Erfassen eines
Lichtsignals, welche umfaßt:
- – eine
Lichtstrahlemissionsquelle umfassend ein schützendes und/isolierendes Gehäuse und
Mittel zur Erzeugung des Lichtstrahls, die in einem ersten Teil
des Gehäuses
aufgenommen sind, wobei der erste Teil des Gehäuses mit einem Lichtstrahlemissionsfenster
versehen ist;
- – Photoempfangsmittel
zum Erfassen eines mit der Emissionsquelle bestrahlten, durch einen
optischen Code gestreuten Lichtsignal, wobei das Photoempfangsmittel
in einen zweiten Teil des Gehäuses
aufgenommen ist, der im Verhältnis zum
ersten Teil optisch getrennt ist, wobei der zweite Teil des Gehäuses mit
einem Fenster zum Sammeln des durch den bestrahlten optischen Code
gestreuten Lichtsignals versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissions-
und Sammelfenster auf einer ersten bzw. zweiten Wand hergestellt
sind (106, 107), die auf im Verhältnis zueinander
orthogonal orientierten Ebenen liegen.
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Es
ist somit möglich,
eine einzelne Emissions-/Erfassungsvorrichtung zu realisieren, die
es zuläßt, die
Gesamtabmessungen der Lesevorrichtung, in der die Vorrichtung montiert
werden soll, auf das äußerste zu
beschränken.
Die Emissions-/Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
läßt es zu,
die typische Anordnung der Komponenten in einer nicht-retroreflektierenden
Abtastlesevorrichtung in vorteilhafter Weise zu nutzen, wie im folgenden ausführlich erläutert ist.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Blende versehen, um eine Beugung in den durch die Emissionsquelle
erzeugten Laserlichtstrahl einzubringen, um eine Vergrößerung seiner
Feldtiefe zu erzielen. Noch bevorzugter ist die Blende strukturell
dem schützenden
und/oder isolierenden Gehäuse
der Lichtquelle zugeordnet und bildet einen Teil des Gehäuses. Dadurch
kann eine beträchtliche
Reduzierung der Gesamtabmessungen der Emissionsvorrichtung und somit
der optischen Lesevorrichtung, in der sie montiert werden soll,
erreicht werden. Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
vom Gesichtspunkt ihres Aufbaus besonders einfach und läßt die Verwendung
häufig verwendeter
optischer Elemente zu. Dadurch wird eine Reduzierung der Herstellungskosten
impliziert.
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Somit
ist es gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung möglich,
direkt am Ausgang des Gehäuses
der Emissionsquelle einen Laserlichtstrahl mit einem zugeordneten
Querschnitt und einer ausreichenden Feldtiefe zu erzeugen. In Anbetracht
der Präzision,
mit der es moderne Montageverfahren zulassen, die Lichtquelle im
Verhältnis
zum Gehäusefenster
anzuordnen, ist es möglich,
einen Laserlichtstrahl am Ausgang des Gehäuses zu erhalten, der bereits
dazu eingerichtet ist, wahlweise fokussiert zu werden ohne eine
weitere Notwendigkeit eines weiteren Bearbeitens nach dem Gehäuse. Somit
wird der oben mit Bezug zu den Vorrichtungen des Stands der Technik
genannte Nachteil, der insbesondere mit der Notwendigkeit verbunden
ist, die optische Ausrichtung der Blende gegenüber dem Emissionsfenster berücksichtigen
zu müssen,
beseitigt.
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Die
obengenannten Vorteile sind besonders offensichtlich, wenn es sich
bei der Laserlichtstrahlemissionsquelle um eine Halbleiterlaserdiode
handelt, obwohl es möglich
ist, dieselben Vorteile mit anderen Arten von Quellen zu erreichen,
die spezielle, mit einem Fester für die Emission des Lichtstrahls
versehene Schutzgehäuse
umfassen.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Blende direkt
mit dem Gehäuse
am Laserlichtstrahlemissionsfenster verbunden. Noch weiter bevorzugt
ist die Blende direkt im Laserlichtstrahlemissionsfenster aufgenommen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
ist das Laserlichtstrahlemissionsfenster so geformt, daß es selbst
eine Blende ist. Vorteilhafterweise wird die Emissionsquelle mit
einer geringeren Größe und Form
als der des Laserlichtstrahls in einem transversalen Querschnitt
am Laserlichtstrahlemissionsfenster realisiert, um dem Strahl eine
zugeordnete Form und Größe zu verleihen
und diesen gleichzeitig zu beugen. Erfindungsgemäß ist es somit ausreichend,
das Gehäusefenster
in geeigneter Weise zu formen, um die gewünschten Beugungseffekte zu
erhalten. Mit anderen Worten wird ein einziges optoelektronisches
Element (Gehäuse)
mit einer Emissionsblende/-fenster mit einer vorbestimmten Form und
Größe realisiert.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, wird die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise für
eine Montage in einer optischen Lesevorrichtung, wie beispielsweise
einer optischen Code-Lesevorrichtung, vorgesehen. Das optionale
optische Code-Lesen kann vorherrschend längs einer Vorzugsrichtung oder
längs mehrerer
Richtungen (omnidirektionales Lesen) ausgeführt werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird durch das Emissionsfenster eine Apertur mit einer
Fresnelzahl von kleiner als 2 (vorzugsweise kleiner als 1, 2) entlang
der Leserichtung und von kleiner als 6 in der orthogonalen Richtung
festgelegt, um ein zuverlässiges
Lesen von vorherrschend orthogonal zur Leserichtung (oder Abtastrichtung)
orientierten Codes zu ermöglichen.
Noch bevorzugter wird durch die Apertur eine Fresnelzahl von kleiner
als 2 entlang aller Richtungen festgelegt, um zuverlässige Lesevorgänge entlang
aller Richtungen unabhängig
von der Orientierung des Codes im Verhältnis zur Lesevorrichtung auszuführen.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, ist die Form des Beugungsmusters (Spot), das von einer Apertur
erzeugt wird, abhängig
von der Fresnelzahl, die durch die folgende Gleichung definiert
ist: N = a2/(λ Z),wobei
a die Halb-Dimension der Apertur in der Richtung ist, in der der
Spotdurchmesser gemessen wird, λ die
Wellenlänge
ist und Z die effektive Beobachtungsdistanz ist. Durch eine geeignete
Wahl der Fresnelzahl ist es daher möglich, jedes mal die Form des
Laserspots auszuwählen,
mit dem ein zuverlässiges
Lesen erreicht werden kann.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung des weiteren eine Fokussierungslinse. Es ist somit möglich, alle
oben beschriebenen Vorteile, die sich aus der Kombination der Effekte
der Fokussierung und der Beugung ergeben, zu erhalten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Fokussierungslinse direkt mit dem Gehäuse am Lichtstrahlemissionsfenster
verbunden. Um eine größere Sicherheit
für eine
stabile Kopplung zwischen der Fokussierungslinse und dem Laserlichtstrahlemissionsfenster
zu garantieren, umfaßt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorzugsweise des weiteren einen Klebstoff zwischen der Fokussierungslinse
und dem Emissionsfenster.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Fokussierungslinse im Laserlichtstrahlemissionsfenster aufgenommen
und ist selbst die Blende. Vorzugsweise ist die Fokussierungslinse eine
Fresnel-Linse oder Beugungslinse. Vorteilhafter Weise ist es möglich, mit
optischen lithographischen Verfahren sehr kleine und dünne Fresnel-Linsen
oder Beugungslinsen zu realisieren, die zu einem besonders günstigen
Preis durch Wiederholung aus einem Kunststoff hergestellt werden
können.
Eine derartige Linse bildet selbst das Fenster/die Blende des Gehäuses der
Laserlichtstrahlemissionsquelle und es können damit alle aus der Kombination
der oben beschriebenen Beugungs- und
Fokussierungseffekte resultierenden Vorteile erreicht werden.
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In
jedem Fall läßt es die
Integration der Fokussierungslinse in das Gehäuse der Emissionsquelle unabhängig von
der gewählten
Art der Ausführungsform
zu, die Gesamtgröße der optischen
Lesevorrichtung, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung montiert werden
soll, weiter zu reduzieren. Des weiteren wird somit der oben im
Zusammenhang mit den Vorrichtungen des Stands der Technik genannte Nachteil
und insbesondere der mit der Notwendigkeit einer Berücksichtigung
der optischen Ausrichtung der Fokussierungslinse im Verhältnis zur
Emissionsquelle und zur Blende verbundene Nachteil somit beseitigt.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung weist das Gehäuse
im wesentlichen eine Röhrenform
mit einer longitudinalen Achse Z auf und wobei die Lichtstrahlemissionsquelle
im Gehäuse
so angeordnet ist, daß sich
der emittierte Lichtstrahl längs
einer im wesentlichen zur longitudinalen Achse Z senkrechten Richtung
ausbreitet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es beispielsweise
aufgrund der Notwendigkeit geringerer Gesamtabmessungen notwendig
ist, daß der
Lichtstrahl im Verhältnis
zu einer Ebene für
die Montage des Gehäuses
bei einer sehr geringen Höhe
austritt, oder wenn sich aufgrund von Montage-gemäßen Anforderungen
der Strahl im Verhältnis
zur Oberfläche,
auf der alle optoelektronischen Komponenten der Emissionsquelle
montiert sind, parallel ausbreiten muß. Eine derartige Ausführungsform
ist in vorteilhafter Weise mit allen oben beschriebenen Ausführungsformen
kompatibel.
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Ein
Gehäuse
der oben beschriebenen Bauart läßt es zu,
aus der typischen Anordnung der Komponenten in einer nicht-retroreflektierenden
Scan-Lesevorrichtung Vorteile zu ziehen. Wie bekannt ist, trifft
bei einer Scan-Lesevorrichtung der oben angegebenen Bauart der Laserstrahl
typischerweise unter 45° auf
einen oszillierenden oder sich drehenden Spiegel auf, der einen
Abtastvorgang in einer orthogonalen Richtung im Verhältnis zur
Laserstrahlemissionsrichtung erzeugt, wobei der Laserstrahl dann den
optischen Code beleuchtet und das davon gestreute Licht von einer
Photodiode gesammelt wird, deren Oberfläche der Ebene, in der der Code
liegt, gegenüberliegen
muß (d.h.,
die Oberfläche
ist im wesentlichen parallel zur Ebene des Codes), so daß die maximale
Erfassungsoberfläche
auf den Code gerichtet ist.
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Gemäß einem
zweiten Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung eine optische
Lesevorrichtung, die eine Lichtstrahlemissionsvorrichtung zur Bestrahlung
eines optischen Codes, Mittel zur Erzeugung einer Abtastung auf
einem optischen Code, eine Vorrichtung zum Erfassen des durch den
bestrahlten optischen Code gestreuten Lichtsignals und zum Erzeugen eines
dazu proportionalen elektrischen Signals, Mittel zum Überarbeiten
und Verarbeiten des elektrischen Signals umfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß die
Emissions- und Erfassungsvorrichtungen aus einer einzigen Emissions-/Erfassungsvorrichtung
der oben beschriebenen Bauart bestehen.
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Insbesondere
handelt es sich um eine nicht-retroreflektierende Scan-Lesevorrichtung,
die vorteilhafter Weise eine geringe Größe und geringe Herstellungskosten
aufweist. Mit einer derartigen Lesevorrichtung können alle oben mit Bezug auf
die erfindungsgemäße Emissions/Erfassungsvorrichtung genannten
Vorteile erreicht werden.
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Gemäß einem
dritten Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung ein schützendes
und/oder isolierendes Gehäuse
für eine
Lichtstrahlemissionsquelle, umfassend einen ersten Teil zur Aufnahme
eines Mittels zur Erzeugung eines Lichtstrahls, wobei der erste
Teil mit einem die Emission des Lichtstrahls zulassenden Fensters
versehen ist, einen zweiten Teil zur Aufnahme eines Fotoempfangsmittels
zum Erfassen eines durch einen mit dem Mittel zur Erzeugung des
Lichtstrahls bestrahlten optischen Code gestreuten Lichtsignals,
wobei der zweite Teil mit einem Fenster zum Sammeln des durch den
bestrahlten optischen Code gestreuten Lichtsignals versehen ist, wobei
der zweite Teil vom ersten Teil optisch getrennt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das
Emissions- und Sammelfenster auf einer ersten bzw. zweiten Wand
(107, 106) hergestellt sind, die in Ebenen liegen,
die im Verhältnis
zueinander orthogonal orientiert sind. Ein derartiges Gehäuse eignet
sich insbesondere für
eine Montage in einer Emissions-/Erfassungsvorrichtung und/oder
einer optischen Lesevorrichtung der oben beschriebenen Bauart, wobei
somit alle oben genannten Vorteile erreicht werden können.
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Vorzugsweise
umfaßt
das Gehäuse
alle strukturellen und/oder funktionalen Merkmale, die oben mit
Bezug auf die Emissions-/Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung genannt wurden.
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Weitere
Eigenschaften und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger
bevorzugter Ausführungsformen,
die mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angegeben
ist. In den Zeichnungen zeigt
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1 eine
perspektivische, schematische und unterteilte Ansicht einer herkömmlichen
Lichtstrahlemissionsquelle (insbesondere handelt es sich um eine
herkömmliche
Halbleiterlaserdiode);
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2 eine
perspektivische, schematische und unterteilte Ansicht einer Lichtstrahlemissionsquelle,
die einige bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung umfaßt (insbesondere
handelt es sich um eine Halbleiterleserdiode, die einige bevorzugte
Merkmale der vorliegenden Erfindung umfaßt);
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3 eine
schematische unterteilte Ansicht einer Emissionsvorrichtung eines
Laserlichtstrahls einschließlich
des optischen Elements aus 2;
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4 eine
schematische unterteilte Ansicht einer alternativen Ausführungsform
der Vorrichtung aus 3;
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5 schematisch
verschiedene Typen von Blenden, die jeweils im optischen Element
aus 2 und/oder in der Vorrichtung aus 3 verwendet werden
können;
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6 eine
perspektivische, schematische und unterteile Ansicht einer Emissions/Erfassungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
perspektivische schematische und unterteilte Ansicht von vorne eines
Teils der Vorrichtung aus 6;
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8 eine
perspektivische, schematische und unterteilte Ansicht von hinten
des Abschnitts aus 7.
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In
den 3 und 4 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine
optische Vorrichtung zur Emission eines Laserlichtstrahls, die einige
bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung umfaßt. Die Vorrichtung 1 ist
für einen
Gebrauch in einer optischen Lesevorrichtung mit einer geringen Größe und einem
geringen Preis vorgesehen (beispielsweise eine tragbare Lesevorrichtung
für optische
Codes), um die Feldtiefe des Lichtstrahls zu erhöhen, so daß in unterschiedlichen Entfernungen
(auch geringen) im Verhältnis
zur selben Lesevorrichtung angeordnete Informationen gelesen werden
können.
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Die
Vorrichtung 1 umfaßt
einen Emissionsquelle 20, wie beispielsweise eine Halbleiterlaserdiode
zur Emission eines Lichtstrahls 3, wie beispielsweise eines
Laserstrahls. Der aus der Diode 20 austretende Laserstrahl 3 kann
einen elliptischen Querschnitt, wie beispielsweise im Fall eines
Kanten-emitierenden Lasers, oder einen kreisförmigen Querschnitt, wie beispielsweise
im Fall eines VCSEL-Lasers (vertical cavitiy Surface Emitting Laser)
aufweisen.
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In
der folgenden Beschreibung wird explizit auf eine Halbleiterlaserdiode
als Emissionsquelle eines Lichtstrahls Bezug genommen. Jedoch ist
es für den
Fachmann verständlich,
daß das
angegebene in ähnlicher
Weise auf verschiedene Arten von Emissionsquellen, die in jedem
Fall ein mit einem Lichtstrahlemissionsfenster versehenes Schutzgehäuse aufweisen,
anwendbar ist.
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Um
die Beschreibung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
und die Unterschiede gegenüber
den Vorrichtungen des Standes der Technik deutlicher zu machen,
wird zunächst
auf 1 Bezug genommen, in der eine Halbleiterlaserdiode 2 einer
herkömmlichen
Bauart (Stand der Technik) gezeigt ist.
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Typischerweise
umfaßt
eine herkömmliche Laserdiode 2 im
wesentlichen einen Chip 4 aus einem Halbleitermaterial,
der auf einem speziellen Trägerelement 5 befestigt
ist und in einer in einem speziellen Metallgehäuse (oder Verkapselung) 6 zum Schutz
und/oder zur Isolation gegenüber
externen Umgebungseinflüssen
definierten Kavität
aufgenommen ist, die im wesentlichen eine Röhrenform aufweist und in der
eine Längsachse
Z definiert ist. An einem ersten Ende derselben umfaßt das Gehäuse 6 eine
Basisoberfläche 7,
auf der Elemente 8 (die im allgemeinen mit dem Ausdruck
Rheophoren oder Pins bezeichnet werden) zum elektrischen Anschluß zur Versorgung
der Diode 2 und einer Monitorphotodiode 9 vorgesehen
sind. An einem gegenüberliegenden
Ende derselben umfaßt
das Gehäuse 6 eine Serviceoberfläche oder
Wand 10, in der ein Glasfenster 11 hergestellt
ist, um den Austritt des vom Chip 4 erzeugten Lichtstrahls 3 zu
ermöglichen.
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In
herkömmlichen
Fokussierungsvorrichtungen und/oder optischen Lesevorrichtungen
wird der Laserdiode 2 nachgeordnet im allgemeinen eine Blende
zur Auswahl eines zentralen Abschnitts des Lichtstrahls 3 und
eine Fokussierungslinse zur Fokussierung des Lichtstrahls 3 bei
einer vorbestimmten Leseentfernung vorgesehen.
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Nun
wird auf 2 Bezug genommen, in der eine
modifizierte Halbleiterlaserdiode 20 gezeigt ist, bei der
es sich um ein Beispiel eines optischen Elements zur Emission eines
Lichtstrahls handelt, bei dem einige bevorzuge Merkmale der vorliegenden Erfindung
realisiert sind. Das optische Element 20 ist wiederum für eine Montage
in der Laserlichtstrahlemissionsvorrichtung 1a gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen (die vollständig
in den 3 und 4 gezeigt ist).
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Aus 2 ist
zu erkennen, daß die
Laserdiode 20 der oben beschriebenen und in 1 gezeigten
herkömmlichen
Laserdiode 2 mit Ausnahme an der Serviceoberfläche 10 des
Gehäuses 6 ähnlich ist. Die
mit den oben mit Bezug auf die Laserdiode 2 des Standes
der Technik beschriebenen identischen strukturellen Elemente der
Laserdiode 20 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet,
während
die unterschiedlichen und/oder modifizierten strukturellen Elemente
mit einem anderen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die in den 2 und 3 gezeigt
ist, ist das Fenster 11 zur Emission des Lichtstrahls 3 so
geformt, daß es
selbst eine Blende 12 ist. Insbesondere sind die Größe und die
Form des Fensters 11 geringer als die Größe des Lichtstrahls
in einem transversalen Querschnitt am Fenster selbst, um dem Strahl 3 eine
zugeordnete Größe und Form
zu verleihen und um diesem gleichzeitig eine Beugung zu verleihen.
Somit bildet die Blende 12 einen integralen Teil der Laserdiode 20.
Insbesondere bildet die Blende 12 einen integralen Teil
des Gehäuses 6,
wobei sie mit dem Letzteren ein einzelnes optisches Element bildet,
wodurch eine einzelne Fenster/Blendenkomponente 12 realisiert
wird.
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Vorzugsweise
definiert das Fenster/die Blende 12 im Gehäuse 6 eine
Apertur mit einer Fresnelzahl, die kleiner als 2 (vorzugsweise kleiner
als 1, 2) entlang der Leserichtung, und kleiner als 6 (vorzugsweise
kleiner als 2) in der orthogonalen Richtung ist. Insbesondere definiert
die Apertur eine Fresnelzahl von kleiner als 2 entlang aller Richtungen,
um zuverlässige
Lesevorgänge
entlang aller Richtungen unabhängig
von der Orientierung des Codes im Verhältnis zur Lesevorrichtung auszuführen.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Vorrichtung und/oder des optischen Elements der vorliegenden
Erfindung (die jedoch weniger bevorzugt ist), die nicht gezeigt
ist, ist die Blen de 12, anstatt daß sie aus dem Emissionsfenster
besteht, direkt mit dem Gehäuse 6 am
Fenster 11 zur Emission des Lichtstrahls 3 (beispielsweise
durch das Einfügen
eines Klebstoffs) verbunden, um insgesamt eine Apertur mit einer
gewünschten
Form und Größe zu definieren.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform (die ebenfalls nicht
gezeigt ist) ist die Blende 12 direkt im Gehäuse 11 aufgenommen.
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Unabhängig von
der oben erläuterten
speziellen Ausführungsform
der Vorrichtung und/oder dem optischen Element kann die Form der
Blende 12 auf der Grundlage der speziellen für die Vorrichtung und/oder
die Lesevorrichtung, in der die Vorrichtung und/oder die optischen
Elemente montiert werden sollen, vorgesehenen Verwendung gewählt werden. Wie
bereits erwähnt
wurde, kann es sich bei dem Lesevorgang von optischen Codes um eine
omnidirektionale Art handeln oder er kann vorherrschend entlang
einer Vorzugsrichtung erfolgen. Im ersten Fall ist es von Vorteil,
eine Blende mit einer symmetrischen Form (kreisförmig, rechteckig oder rhombisch,
oder eine dieser Formen, die auf andere Weise abgeschrägt ist – s. 5(a)) zu verwenden. Andererseits ist es
im zweiten Fall von Vorteil, eine in der orthogonalen Richtung im
Verhältnis
zur Lesevorrichtung verlängerte
Blende zu verwenden (die eine elliptische, rechteckige oder rhombische
Form oder eine dieser Formen aufweist, die auf andere Weise abgeschrägt ist – s. 5(b)).
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Die
Vorrichtung 1 (und/oder das optische Element 20)
umfaßt
des weiteren eine Fokussierungslinse 13 für den abgeschnittenen
Strahlabschnitt 3 (s. 3). Die
Linse 13 ist im allgemeinen aus einem für die Lichtstrahlung transparenten Kunststoffmaterial
hergestellt. Jedoch können
beliebige andere optisch transparente und in der gewünschten
Form druckbare oder formbare Materialien verwendet werden.
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Die
Linse 13 kann mit dem Gehäuse 6 der Laserdiode 20 gemäß einer
der in der europäischen Patentanmeldung
99 830 677.3 desselben Anmelders und in den 1, 2 und 3 dieser
Anmeldung beschriebenen Weise, deren Beschreibung hierin durch Bezugnahme
einbezogen wird, verbunden und damit ausgerichtet sein. Gemäß diesen
Arten ist die Linse 13 nahezu in Kontakt mit dem Fenster/der
Blende 12 angeordnet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist die Fokussierungslinse 13 direkt mit dem Gehäuse am Fenster/an
der Blende 12 verbunden. In diesem Fall umfaßt die Vorrichtung
einen zwi schen das Fenster/die Blende 12 und die Linse 13 eingefügten Klebstoff,
um die Linse fest am Gehäuse 6 der
Laserdiode 2 zu befestigen.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung 1 und/oder des optischen Elements 20 bildet
die Fokussierungslinse 13 einen integralen Teil des Gehäuses 6 und
bildet das Fenster 11 für
die Emission des Lichtstrahls 3. Darüber hinaus sind ihre Form und
Größe so gewählt, daß sie auch
die Blende 12 bildet, womit somit ein Fenster/Blende/Linse
(11, 12, 13) gebildet wird (s. insbesondere
die in 4 gezeigte Linse 13). Insbesondere handelt
es sich bei der Fokussierungslinse 13 um eine Fresnel-Linse
oder um eine Beugungslinse (die durch eine Beugungstechnik hergestellt
ist).
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist, ist die Laserdiode 2 im Gehäuse 6 so
angeordnet, daß sich
der ausgesandte Lichtstrahl 3 entlang einer Richtung x
ausbreitet, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse Z des Gehäuses 6 ist.
Auch bei dieser Ausführungsform kann
die Blende 12 mit dem Gehäuse 6 am Emissionsfenster 11 verbunden
sein oder in diesem aufgenommen sein oder kann sie aus dem in geeigneter Weise
geformten Emissionsfenster 11 mit geeigneter Größe bestehen,
wie oben beschrieben wurde. Dasselbe gilt für die Fokussierungslinse 13.
Sie kann mit dem Gehäuse 6 am
Fenster/an der Blende 12 verbunden sein oder im Fenster/in
der Blende 12 aufgenommen sein und selbst als eine Blende
wirken, wie oben beschrieben wurde.
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Die
Vorrichtung 1 (und/oder das optische Element 20)
ist besonders für
eine Montage in einer optischen Lesevorrichtung geeignet, die zur
Erfassung von Identifikationsdaten eines bestrahlten Gegenstandes
(nicht gezeigt) bestimmt ist. Die Lesevorrichtung umfaßt auch
Mittel zur Erzeugung eines Scans auf dem zu lesenden optischen Code,
Photodetektionsmittel zum Sammeln eines Lichtsignals, das von dem
bestrahlten optischen Code gestreut ist, und zum Erzeugen eines
dazu proportionalen elektrischen Signals, und Verarbeitungsmittel
zum Überarbeiten
und Verarbeiten des elektrischen Signals. Im speziellen Fall einer
optischen Codelesevorrichtung umfaßt das Verarbeitungsmittel
einen Analog/Digitalwandler und einen Decoder.
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Mit
besonderer Bezugnahme auf 3 erzeugt
der Chip 4 der Laserdiode 20 beim Betrieb einen
Laserstrahl 3, der durch das Fenster/die Blende 12 in
geeigneter Weise zugeschnitten und dann durch die Fokussierungslinse 13 auf
einen gewünschten
Lesebereich fokussiert ist (wo beispielsweise ein zu identifizierender
optischer Code vorhanden ist).
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Mit
Bezugnahme auf 4 erzeugt andererseits der Chip 4 der
Laserdiode 20 einen Laserstrahl 3, der in geeigneter
Weise durch das Fenster/Blende/Linse 11, 12, 13 auf
einem gewünschten
Lesebereich in geeigneter Weise ausgeblendet und fokussiert ist
(wo beispielsweise ein zu identifizierender optischer Code vorhanden
ist). Wenn die Vorrichtung 1 in einer optischen Lesevorrichtung
verwendet wird, wird das vom bestrahlten optischen Code gestreute Lichtsignal
vom Photo-Erfassungsmittel erfaßt,
das in derselben Lesevorrichtung angeordnet ist, und darauffolgend
verarbeitet, um die gewünschte
Information zu erhalten. Im speziellen Fall einer optischen Codelesevorrichtung
wird das Lichtsignal als ein analoges elektrisches Signal erfaßt, in ein
digitales Signal umgewandelt und dann decodiert.
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Im
Folgenden wird auf 6, 7 und 8 Bezug
genommen, in welchen eine nicht-retroreflektierende
optische Scan-Lesevorrichtung 100 gezeigt ist, die eine
optische Emissions-Erfassungsvorrichtung 101 für ein Lichtsignal
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt.
Vom strukturellen Gesichtspunkt betrachtet ist die Vorrichtung 101 der
herkömmlichen
Emissionsquelle 3, die in 1 gezeigt ist,
gleich (oder bei einigen ihrer alternativen Ausführungsformen gleich mit der
in 2, 3 oder 4 gezeigten
Emissionsvorrichtung) mit der Ausnahme, daß sie ein Gehäuse 60 umfaßt, das
eine im wesentlichen parallel-epipedische Form aufweist, und daß die Kavität des Gehäuses 60 in
zwei Abschnitte 60a und 60b unterteilt ist, die
optisch durch eine Zwischenwand 102 getrennt sind, die
aus einem optisch opaquen Material hergestellt ist.
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Im
Abschnitt 60a des Gehäuses 60 ist
das Mittel zur Erzeugung des Lichtstrahls aufgenommen, daß oben mit
Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Im Abschnitt 60b ist
eine Photodiode 103 zum Sammeln und Erfassen des von einem
optischen Code 104 gestreuten Lichtstrahls aufgenommen,
der vom oben angegebenen Mittel zur Erzeugung des Lichtstrahls 3 bestrahlt
wird.
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Der
Abschnitt 60b ist mit einem Fenster 105 zum Sammeln
des vom optischen Code 104 gestreuten Lichtstrahls versehen.
Das Fenster ist in einer Wand 106 ausgebildet, die im wesentlichen
orthogonal zur Wand 107 ist, an der das Fenster 11 zur
Emission des Lichtstrahls 3 ausgebildet ist (mit anderen Worten
ist die Wand 107 im wesentlichen parallel zur Codeebene 104).
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Der
in der Vorrichtung 101 erzeugte Lichtstrahl 3 trifft
unter 45° auf
einen sich drehenden oder oszillierenden Spiegel 104 eines
polygonalen Spiegelrotors 150 auf, der eine Abtastung in
einer im wesentlichen orthogonalen Richtung bezüglich der Emissionsrichtung
des Lichtstrahls 3 erzeugt. Der so abgelenkte Strahl trifft
auf den optischen Code 104 auf und das davon gestreute
Licht wird von der Photodiode 103 gesammelt. Somit sind
der optische Emissionspfad und der optische Sammelpfad voneinander
vollständig
getrennt.
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7 und 8 zeigen
in Einzelheiten die innere Struktur dieser Vorrichtung. Das aus
einem Kunststoff, aus Metall oder aus einem Keramikmaterial hergestellte
Gehäuse 60 besteht
im wesentlichen aus drei Schichten (es könnten jedoch auch lediglich zwei
vorgesehen werden): Bei der ersten, die mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet
ist, handelt es sich um die Basis, auf der einige Bahnen 111 zum Anschluß der Photodiodenkontakte 112 hergestellt sind.
Auf die Basis 110 ist die Monitor-Photodiode 8, der
Chip 4 der Laserdiode (die von der zur Seite emittierenden
Bauart, SEL, oder vertikal emittierend, VCSEL sein kann) auf einem
Träger 5,
der aus einem thermisch leitfähigen
Material hergestellt ist, und die Empfangsphotodiode 103 montiert.
Dann wird auf der ersten Schicht 110 eine zweite Schicht 120 angebracht,
in der das Fenster 11 erhalten wird (optional kann das
Fenster die Wirkung einer Blende 12 oder einer Blende/Linse 13 haben,
wie oben beschrieben wurde). Die Schicht 120 dient gleichzeitig
als eine Abstandschicht zwischen der Schicht 110 und einer dritten
Schicht 130, in der das Fenster 105 (aus einem
transparenten Material) zum Sammeln des durch den bestrahlten optischen
Code 104 gestreuten Lichtstrahls erhalten wird. Die Empfangsphotodiode 103 befindet
sich somit in einer leicht rückwärtigen Position
im Verhältnis
zum Sammelfenster 105 und wird daher teilweise im Verhältnis zum
von anderen Bereichen als den vom Emissionsstrahl bestrahlten kommenden
Licht (Umgebungslicht) abgeschirmt, wodurch das Signal-Rauschen-Verhältnis am
Ausgang der Photodiode 103 verbessert wird.
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Die
Zwischenwand 102 ist aus einem optisch opaquen Material
hergestellt, um zu verhindern, daß die Empfangsphotodiode 103 auch
nur leicht vom von der Laserdiode emittierten Lichtstrahl 3 getroffen wird,
da dies unterwünschtes
Rauschen auf dem Ausgangssignal verursachen würde. Somit ist der optische
Emissionsweg optisch vom optischen Empfangsweg isoliert.
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Alle
oben mit Bezug auf die unterschiedlichen Ausführungsformen der Vorrichtung 1 angegebenen
Anmerkungen sind vollständig
auf die oben beschriebene Vorrichtung 101 anwendbar (mit
besonderer Bezugnahme auf das Vorhandensein einer Blende und/oder
einer Fokussierungslinse, die in das Gehäuse 60 integriert
sein können).