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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine automatisch fokusierende optische
Abtastvorrichtung und Verfahren. Insbesondere betrifft diese Erfindung
eine automatisch fokusierende Vorrichtung und Verfahren mit 2-D
oder 3-D Kompensation, um kodierte Symbole auf einer Packung auf
einem Transportband abzutasten, ungeachtet der Ausrichtung der Packungen.
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HINTERGRUND
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Um
Verarbeitungsautomatisierung von Packungen zu erreichen, ist es
wünschenswert
imstande zu sein, kodierte Symbole auf einer Packung abzutasten,
wenn die Packung entlang einer Oberfläche, wie einem Transportband,
transportiert wird. Die Notwendigkeit für Effizienz bei Bearbeitung
eines großen
Volumens von Packungen ist mit Zunahmen im internationalen Versand
aufgrund des Internethandels deutlicher geworden.
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Ältere bekannte
optische Abtastsysteme benutzen einen optischen Sensor, um die auf
der Packung angebrachten kodierten Symbole zu erfassen. Im allgemeinen
gleichen die bekannten Systeme die Lage des Linsensystems in Bezug
auf den Bildsensor ab, um das Bild der kodierten Symbole auf den Bildsensor
zu fokusieren. Aber auch wenn das Abtastsystem ein kodiertes Symbol
auf einer Packung feststellt, ist der Bildsensor möglicherweise
nicht in der Lage, das gesamte kodierte Symbol zu fokusieren, wenn
die Packung hinsichtlich des Abtastsystems schräg ist. Daraus können höhere Kosten
für die
Verarbeitung entstehen. Zum Beispiel offenbart die US Patentanmeldung
5,872,354A ein
Barcodelesegerät
mit Autofokusmöglichkeit
zur Beleuchtung einer kompletten Bildlinie über einen beträchtlichen Bereich
von Entfernungen.
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Es
ist wünschenswert
ein schnelles, genaues und kostengünstiges System bereitzustellen,
um automatisch auf kodierte Symbole auf einer auf einem Transportband
transportierten Packung zu fokusieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
optische Abtastvorrichtung und ein Verfahren zum Abtasten einer
Oberfläche
eines Gegenstands wird bereitgestellt. Der Abtaster hat einen Bildsensor,
der eine Sensorebene und einen Bilddatenausgang aufweist. Ein optisches
System definiert einen optischen Weg, das eine Achse und eine erste Seite,
an der die Abtastoberfläche
des Gegenstands zum Abtasten angeordnet werden kann, und eine zweite
Seite auf der Sensorebene aufweist. Das optische System schließt ein Linsenteilsystem
ein und kann einen beweglichen Spiegel zum Einstellen der Länge des
optischen Wegs umfassen. Ein lineares Steuerelement ist mit dem
Spiegel verbunden, so dass eine Bewegung des Spiegels den Fokus
eines optischen Bilds auf den Bildsensor einstellt. [0009] Ein weiteres
lineares Steuerelement steht ebenfalls in Wirkverbindung mit dem
Bildsensor, um die Ausrichtung der Ebene des Bildsensors in Bezug
auf die Achse des optischen Wegs zu steuern. Wenn eine Abtastoberfläche eines
Gegenstands auf der ersten Seite des optischen Wegs in einer Ausrichtung, schräg zu einer
rechtwinklig zur Achse des optischen Wegs auf der ersten Seite des
Wegs angeordneten Ebene, angeordnet ist, bringt das lineare Steuerelement
die Sensorebene in eine entsprechende schräge Ausrichtung in Bezug auf
eine Ebene, die rechtwinklig zur Achse des optischen Wegs auf der
zweiten Seite des Wegs angeordnet ist.
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Vorzugsweise
dreht das lineare Sensorsteuerelement die Bildsensorebene um eine
Mittelachse der Bildsensorebene und der optische Weg ist so angeordnet,
dass die Achse des optischen Wegs durch die Mittelachse läuft.
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Alternativ
dazu werden zwei lineare Steuerelemente mit dem optischen Sensor
zur Zusammenarbeit verbunden, um die Bildsensorebene entlang einer
senkrechten Bildachse und einer waagrechten Bildachse zu drehen.
Vorzugsweise ist eine der Drehachsen der Bildsensorebene eine Mittelachse
der Bildsensorebene und der optische Weg ist so angeordnet, dass
die Achse des optischen Wegs durch die Mittelachse läuft.
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Vorzugsweise
wird das Antriebssystem jedes linearen Steuerelements mit einem
Lagerückführungsmechanismus
verbunden, welcher Daten ausgibt, um die Steuerung des linearen
Steuerelements zu unterstützen.
Der optische Sensor ist vorzugsweise ein linearer CCD/CMOS Flächen- oder
Bildsensor.
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Andere
Aufgaben und Vorteile werden für
einen Fachmann aus der folgenden Beschreibung der aktuell bevorzugten
Ausführungsformen
ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht einer
Abtastidentifikationseinheit mit Gegenständen zum Abtasten, die entlang
einer Transportbandoberfläche
transportiert werden.
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2 ist eine schematische
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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3 ist eine perspektivische
schematische Ansicht eines lagegesteuerten Bildsensors für die Vorrichtung
von 2.
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4 ist eine perspektivische
schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines lagegesteuerten
Bildsensors für
die Vorrichtung.
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5 ist eine perspektivische
schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines lagegesteuerten
Bildsensors für
die Vorrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, worin gleiche Ziffern durchwegs gleiche Elemente
bezeichnen, zeigt 1 eine
Draufsicht von einem Gesamtlayout eines Abtastsystems, wobei die
abzutastenden Gegenstände 2, 3 auf
einer Transportbandoberfläche 4 durch
einen Abtastbereich 5 transportiert werden. Vorzugsweise überwachen
mehrere Abtaster 6–9 den
Abtastbereich 5. Vorder- und Rückseitenabtaster 6, 7 sind
vorzugsweise nach unten auf die Abtastoberfläche geneigt, um Vorder-, Rück- und Oberseiten
abzutasten. Seitenabtaster sind vorzugsweise direkt auf die linke
und rechte Seite des Abtastbereichs 5 gerichtet. Kodierte
Symbole auf Gegenständen,
die durch das Abtastgebiet laufen, können von jedem der angebrachten
Abtaster 6–9 abgetastet werden,
so dass Symbole auf allen Seiten der Gegenstände gelesen werden können. Jedoch
kann auch ein einzelner Abtaster bereitgestellt werden, insbesondere
für Systeme,
bei denen Symbole nur von einer vorgegebenen Seite der durch das
Abtastgebiet 5 laufenden Packung zu lesen sind.
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Vorzugsweise
ist das System so angelegt, dass Kästen mit flachen, rechtwinkligen
Seiten abgetastet werden können,
insbesondere Gegenstände 2, 3,
mit kodierten Symbolen auf zumindest einer Seite, aber möglichst
nicht auf der Unterseite. Es ist jedoch möglich einen Abtaster zum Abtasten
der Unterseite bereitzustellen. Wenn der jeweilige Gegenstand 2, 3 in
das Abtastgebiet 5 eintritt, steht seine entsprechende
Vorderseitenoberfläche 10 und 11 oft
nicht senkrecht zu der Transportrichtung des Transportbands 4.
Wenn die Vorderseitenoberflächenebene 10, 11 eines
Gegenstands 2, 3 weniger als 45° von der
Senkrechten zu der Transportrichtung aufweist, tastet der Vorder-
oder Rückseitenabtaster 6, 7 die kodierten
Symbole des Gegenstands, die auf den Vorder- oder Rückseiten
erscheinen. Wenn zum Beispiel, wie mittels Gegenstand 3 gezeigt,
die Vorderseitenoberflächenebene
eines Gegenstands nahezu 45° von
der Senkrechten zu der Transportrichtung aufweist, tastet der rechts-
oder linksseitige Abtaster 8, 9 die kodierten
Symbole auf den vorderseitigen, rückseitigen, linken oder rechten
Seiten des Gegenstands und der Vorder- und Rückseitenabtaster 6, 7 tastet
die kodierten Symbole auf der Oberseite des Gegenstands ab.
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Ein
herkömmliches
Packungslage-Sensorsystem 12 wird vor dem Symbolabtastgebiet 5 bereitgestellt.
Das Packungslage-Sensorsystem bestimmt Abmessungen der Gegenstände 2, 3 und
die Lage und Winkelausrichtung der Gegenstände 2, 3 auf dem
Transportband 9. Die Daten der Größe, Lage und Ausrichtung eines
Objekts 2, 3 werden von dem Sensorsystem 12 an
die Abtaster 6-9 zur Verwendung beim Abtasten des Gegenstands 2, 3 in
dem Abtastgebiet 5 geliefert.
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Wenn
die Vorderseitenoberflächenebenen 10, 11 eines
Gegenstands 2, 3 nicht senkrecht zu der Transportrichtung
stehen, wird das Abtasten der kodierten Symbole kein vollständig fokusiertes
Bild der kodierten Symbole ergeben bei Verwendung herkömmlicher
Fokusierung des optischen Wegs.
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Wie
am besten aus 2 ersichtlich,
wird ein automatisches System zur Fokusierung einer optischen Abtastvorrichtung,
wie Abtaster 6–9,
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Das automatische Fokusierungssystem umfasst
einen Bildsensor 26 und ein Linsensystem 22, das
eine Linse 24 mit einer Gegenstandsseite 24a und
einer Bildseite 24b aufweist. Der Bildsensor ist vorzugsweise
ein linearer CCD oder CMOS Flächen-
oder Bildsensor.
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Das
Linsensystem 22 ist in einer festen Position relativ zu
einer optischen Achse 21 angeordnet, welche rechtwinklig
zu der Referenzebene des Abtasters steht. Obwohl das Linsensystem 22 mit
einer einzelnen Objektivlinse 24 dargestellt ist, wird
von einem Fachmann erkannt werden, dass das Linsensystem 22 auch
mehrere Linsen enthalten kann, abhängig von der speziellen Anwendung.
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Ein
oder mehrere Spiegel 25, 27 sind auf der Bildseite 24b des
Linsensystems 22 angebracht. Die Spiegel 25, 27 sind
so angeordnet, dass ein Bild, das entlang der optischen Achse 21 angeordnet
ist, von dem Spiegel auf den Bildsensor 26, wie dargestellt, reflektiert
wird, wie zum Beispiel in 2 generell entlang
eines Wegs lotrecht zu der Fläche 26a des Bildsensors.
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Ein
linearer Steuermechanismus 30 wird bereitgestellt, um den
Spiegel 25 in Bezug auf das Linsensystem 22 rückwärts oder
vorwärts
zu bewegen, um den Abstand des optischen Weges zu der Bildebene 26a in
Bezug auf das Linsensystem 22 zu verändern, um das Bild des Gegenstands 2 zu
fokusieren. Das lineare Steuerelement 30 ist mit dem Spiegel 25 über einen
Arm 32 verbunden, welcher von einem Linear-Motor 34 gesteuert
wird. In der bevorzugten Ausführungsform
wird der lineare Steuerarm 32 von einem Aufhängungssystem 35 festgehalten.
Jedoch wird ein Fachmann verstehen, dass das lineare Steuerelement 30 auch
als ein Magnet- oder ein Schrittmotor mit einer Führungsschraube
aufgebaut sein kann oder irgend ein anderes passendes steuerbares
Verlagerungsmittel verwendet werden kann.
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Ein
linearer variabler Differential-Transformer (LVDT) 36 oder
eine äquivalente
Vorrichtung liefert eine Rückmeldung
der Position für
das lineare Steuerelement 30, damit eine geschlossene Regelung
der Position des fokusierenden Spiegels 25 möglich ist.
Wenn das Steuerelement 30 betätigt wird, bewegt der Arm 32 den
Spiegel 25 vor und zurück
in Reihe mit der optischen Achse 21 relativ zu dem Linsensystem 22 und
die Position wird von dem LVDT 36 abgetastet.
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Bezugnehmend
zu 3 wird ein ergänzender
fokusierender Steuerbetrieb mit dem Bildsensor 26 dargestellt.
Ein lineares Steuerelement 29 steuert die Drehung oder
den Abstand des Bildsensors 26 über eine senkrechte Bildachse 27.
Optional sind zwei lineare Steuerelemente 29 jeweils mit
einem sich erstreckenden Streifen 28a, 28b verbunden,
um die Sensoroberfläche 26a um
die fixierte Mittelachse 27 des Sensors 26 zu
drehen, wobei die Vertikalachse der Bilder zu der Mittelachse 27 des
Sensors 26 korrespondiert. Jedes Steuerelement 29 schließt vorzugsweise
einen LVDT 33 oder eine äquivalente Vorrichtung ein,
um genaue Lagerückführungsdaten
bereitzustellen. Wenn zwei Steuerelemente 29 bereitgestellt
werden, werden die Steuerelemente vorzugsweise in Reihe betrieben,
um eine gleiche und entgegengesetzte Bewegung der jeweiligen Streifen 28a, 28b zu
erzeugen, damit die Sensoroberfläche 26a genau
positioniert werden kann.
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Wenn
eine geschwenkte Oberfläche 10 eines
Gegenstands 2 abgetastet wird, gleicht das lineare Spiegelsteuerelement 30 den
Abstand des Spiegels 25 entlang der optischen Achse 21 an,
bis ein bestimmter Bereich des Gegenstandes 10, vorzugsweise
die naheliegende Mittelachse 27, im Brennpunkt auf der
Bildsensoroberfläche 26a liegt.
Das lineare Sensorsteuerelement 29 dreht die Bildsensorebene 26a entlang
der fixierten Mittelachse 27 durch Drücken oder Ziehen der drehbaren
Streifen 28b, um die Neigung des Gegenstands 2 anzupassen.
Dementsprechend wird die Ebene der Gegenstandsoberfläche 10,
auf der gesamten Sensoroberfläche 26a fokusiert.
Eine solche vollständige
Fokusierung tritt auf bei Benutzung der ergänzenden Fokusierungssteuerung,
um die Sensorebene 26a in einer Richtung zu positionieren,
welche schräg
ist, um der Schräge
der Gegenstandsoberfläche 10 von
den jeweiligen Ebenen zu entsprechen, die rechtwinklig zu der optischen
Achse auf gegenüberliegenden
Seiten des optischen Bildwegs stehen.
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Die
Steuerung der Betätigungs-
bzw. Steuerelemente basiert auf herkömmliche Weise in erster Linie
auf Daten, generiert durch das Packungslage-Sensorsystem 12 mit
den LVDT's oder äquivalenten
Vorrichtungen, die eine Rückmeldung
für eine
geschlossene Regelung bereitstellen.
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Bezugnehmend
auf 4 wird eine zweite Ausführungsform
der ergänzenden
automatischen Fokusierungssteuerung gezeigt. In dieser Ausführungsform
ist der Bildsensor 26 für
Drehbewegungen um zwei Achsen 59, 69 gelagert.
Dies ergibt eine Bildeinstellung sowohl für die waagrechte als auch vertikale
Achse der Bildneigung eines abgetasteten Bildes.
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In
der alternativen Ausführungsform
von 4 ist der Bildsensor 26 mit
zwei separaten linearen Steuerelementen 52, 54 zur
Bewegung und Drehung des Bildsensors 26 verbunden. Beide
linearen Steuerelemente 52, 54 schließen einen
zugehörigen LVDT 56, 58 oder
eine äquivalente
Vorrichtung zur Generierung von Rückmeldedaten der Position ein. Die
LVDTs 56, 58 können
auf einer der beiden Seiten ihrer zugehörigen Steuerelemente 52, 54 angeordnet werden.
Das erste lineare Steuerelement 54 ist mit der oberen linken
Ecke des Bildsensors 26 verbunden und das zweite lineare
Steuerelement 52 ist mit der oberen rechten Ecke des Bildsensors 26 verbunden.
Vorzugsweise arbeiten beide linearen Steuerelemente 52, 54 zusammen,
um den Bildsensor 26 um die beiden Achsen 59, 69 zu
bewegen; wobei sie in derselben Richtung arbeiten bei einer Drehung
um die waagrechte Achse 69 der Sensoroberfläche 26a und
in verschiedener Richtung bei Drehung um die vertikale Achse 59.
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In
Betrieb läuft
ein reflektiertes Bild von der Oberfläche 10 eines Gegenstands 2 durch
das Linsensystem 22 entlang eines optischen Wegs, der durch
das Bezugszeichen 55 in 4 markiert
ist. Wenn ein Flächenbildsensor
verwendet wird, wird die Länge
des optischen Wegs über
ein Spiegelsystem verlängert
oder verkürzt,
wie oben in Verbindung mit 2 beschrieben,
um das Bild in der Mitte der Sensoroberfläche 26a zu fokusieren.
Das bewegliche Spiegelsystem ist nicht notwendig, wenn ein linearer Bildsensor
verwendet wird, wie unten in Verbindung mit 5 beschrieben.
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Vertikale
Achsenneigung wird eingestellt durch Verstellen der Steuerelemente 52, 54 in
entgegengesetzte Richtungen, um die Sensoroberfläche 26a entlang der
vertikalen Achse 59 zu kippen. Waagrechte Achsenneigung
des Bildes wird eingestellt durch Steuerung der Steuerelemente 52, 54 in Reihe,
um die Sensoroberfläche 26a um
die waagrechte Achse 69 zu drehen. Die LVDTs, verbunden mit beiden,
dem Spiegelsteuerelement und dem Sensorsteuerelement, stellen Rückführungsdaten
bereit, um eine genaue Fokusierung des Bildes auf der Sensoroberfläche 26a sicherzustellen.
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Mit
Bezug auf 5 wird eine
zusätzliche Ausführungsform
der ergänzenden
automatischen Fokusierungssteuerung gezeigt, ähnlich der in 4 beschriebenen Ausführungsform, aber speziell auf die
Verwendung eines linearen Bildsensors gerichtet. Wie in der in 4 beschriebenen Ausführungsform, werden
zwei lineare Steuerelemente 52, 54 mit verbundenen
LVDTs 56, 58 für
die operative Verstellung der Sensoroberfläche 26a entlang einer
vertikal gerichteten Achse 59 und einer waagrecht gerichteten Achse 69 bereitgestellt.
Der Sensor 26 weist einen zentrisch angebrachten linearen
Bildsensor 68 auf, durch welchen die optische Achse läuft. Wenn
ein linearer Bildsensor verwendet wird, ist es nicht notwendig einen
beweglichen Spiegel in dem optischen Weg 55 anzuordnen,
da die Fokusierung der optischen Weglänge durch die Drehung um die
waagrechte Achse 69 erreicht werden kann.
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Während des
Betriebs wird die Sensoroberfläche 26a durch
die Steuerelemente 52 und 54 verlagert, wie oben
in Verbindung mit 4 beschrieben.
Der optische Weg 55 wird durch den Betrieb der Steuerelemente 52, 54 in
der gleichen Richtung verlängert
und verkürzt.
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Während die
Ausführungsformen
der Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht
beschränkt
auf die vorher beschriebenen spezifischen Ausführungsformen, welche lediglich
exemplarisch betrachtet werden sollten. Weitere Modifikationen und
Erweiterungen der vorliegenden Erfindung können entwickelt werden und
alle diese Modifikationen sind innerhalb des beanspruchten Rahmens
der vorliegenden Erfindung zu erachten.