DE60131318T2

DE60131318T2 - Digitale Postwertzeichenfrankierung mit einer Geschwindigkeitsmessung mittels kohärentem Licht

Info

Publication number: DE60131318T2
Application number: DE60131318T
Authority: DE
Inventors: Eric Zimmermann; Christian Moy
Original assignee: Ascom Hasler Mailing Systems AG
Current assignee: Ascom Hasler Mailing Systems AG
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2021-05-19
Also published as: ATE378653T1; CA2348246A1; EP1156456A1; US6409294B1; DE60131318D1; EP1156456B1; CA2348246C

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Drucken digitaler Postfreimachungsvermerke und betrifft insbesondere Ansätze für die berührungsfreie Messung der Geschwindigkeit eines Poststücks unter Verwendung von Interferenzmustern, welche durch Strahlen kohärenten Lichts erzeugt werden.
HINTERGRUND
Viele Jahrzehnte lang war es Routine, Postfreimachungsvermerke mittels Hochdruckformen zu drucken. Mit "Hochdruckformen" sind Formen gemeint, bei welchen die erhöhten Stellen Druckfarbe aufnehmen, welche auf ein Poststück übertragen wird. Im Gegensatz dazu stehen Tiefdruckelemente, bei welchen Druckfarbe auf die gesamte Druckplatte aufgetragen und von den erhöhten Stellen entfernt wird, wobei nur in den vertieften Stellen Druckfarbe belassen wird, welche auf das Papier zu übertragen ist. Die Hochdruckform bietet zahlreiche Vorteile, darunter den, daß die Bildqualität auf Grund des Drucks, welcher durch die Form auf das Poststück angewendet wird und dazu neigt, das Poststück festzuhalten und die Möglichkeit ungewollter oder unbeabsichtigter Bewegung des Poststücks relativ zu der Druckform zu verringern, sehr gut ist. Eine Person, die versuchen könnte, Postfreimachungsvermerke zu drucken, ohne dafür zu bezahlen, wäre dann mit der Aufgabe konfrontiert, eine gefälschte Druckform zu erzeugen, oder mit der Aufgabe, an einer Frankiermaschine (Freistempelmaschine) zu manipulieren, um zu erzwingen, daß ihre Druckform verwendet wird, um Postfreimachungsvermerke zu drucken, welche nicht gezählt werden. Der letztere Ansatz ist nicht erfolgversprechend, da die Gestaltung der Frankiermaschine so ist, daß Manipulation leicht durch visuelle Prüfung der Maschine festzustellen ist.
Bei einer derartigen Frankiermaschine gibt es Zählregister, welche Postfreimachungsvermerke zählen, die zu drucken sind oder die gedruckt worden sind. Zum Beispiel finden sich in einigen Ländern ein "absteigendes Register" und ein "aufsteigendes Register". Ersteres verfolgt den Portowert, welcher vorausbezahlt worden ist, und wenn das absteigende Register auf ein vorbestimmtes Niveau absinkt, verweigert die Maschine ein Drucken weiterer Portos. Letzteres verfolgt den Gesamtbetrag an Porto, welcher jemals an der Frankiermaschine gedruckt worden ist. Die Zählregister und der Druckmechanismus befinden sich alle in einem einzigen sicheren Gehäuse, und dies bietet ein Vertrauensniveau, daß, wenn ein Portofreimachungsvermerk gedruckt worden ist, er auch in den Zählregistern gezählt worden ist. Die Kommunikationen zwischen den Zählregistern und dem Druckmechanismus sind wegen des sicheren Gehäuses sichere Kommunikationen.
Das Formdrucken wird mit fluoreszierender Druckfarbe ausgeführt, was noch ein weiteres Vertrauensniveau gegen gefälschte Postfreimachungsvermerke bietet.
In den letzten Jahren wird seitens einiger Postbehörden vorgeschlagen, Postfreimachungsvermerke mittels digitaler Druckverfahren zu drucken, wie etwa Tintenstrahl- und Thermotransferverfahren, und unter Verwendung gemeinhin verfügbarer Druckfarben und übertragener Pigmente. Bei einem derartigen digitalen Druckverfahren liegt der Druckbereich typischerweise als Bitmap vor, und das Poststück bewegt sich typischerweise relativ zu dem Druckkopf. Während sich das Poststück relativ zu dem Druckkopf bewegt, wird ein Bitmap-Datenstrom an den Druckkopf kommuniziert, und Druckfarbe oder übertragene Pigmente werden auf das Poststück in Antwort auf den Bitmap-Datenstrom aufgebracht. Bei zahlreichen derartiger vorgeschlagener Systeme gibt es keinen physikalisch sicheren Kommunikationskanal zwischen den Zählregistern und dem Drucker.
Selbstverständlich wird man verstehen, daß, wenn ein gemeinhin verfügbarer Drucker (und gemeinhin verfügbare Druckerfarbe oder gemeinhin verfügbares Pigment) verwendet wird, ein wesentliches Risiko besteht, daß einige Personen versucht sein werden, es durch den Schritt des Druckens gefälschter Postfreimachungsvermerke auf Poststücke zu vermeiden, für Porto bezahlen zu müssen. Das kann besonders leicht getan werden, da der gedruckte Freimachungsvermerk in einen gemeinhin üblichen Bildscanner gescannt werden könnte, um in ein Bitmap-Bild zu gelangen, welches, wenn gedruckt, dem Original ziemlich ähnlich wäre. Ferner sei daran erinnert, daß bei zahlreichen derartiger Systeme der Kommunikationskanal zwischen den Zählregistern und dem Drucker per Definition unsicher ist. So kann der angehende Fälscher einfach das Bit-Bild des Postfreimachungsvermerks auf seinem Weg von den Zählregistern zu dem Drucker abfangen. Dieses Abfangen kann über Software (zum Beispiel durch das Betriebssystem) oder über Hardware (zum Beispiel durch Einfangen des elektrischen Signals, welches durch das Centronics-Standard-Paralleldruckerkabel hindurchgeht) geschehen.
Die eine Maßnahme, welche vorgeschlagen worden ist, um ein gewisses Niveau an Schutz gegen gefälschte Postfreimachungsvermerke zu bieten, wenn gemeinhin verfügbare Drucker eingesetzt werden, ist das Verwenden von kryptographischer Authentisierung. Die Annahme ist, daß es ein sicheres Gehäuse irgendwo in dem System gibt, und daß sich innerhalb dieses Gehäuses die Zählregister und auch eine Kryptographiemaschine befinden. Die Kryptographiemaschine wird zum Beispiel verwendet, um den Postfreimachungsvermerk kryptographisch zu "signieren". Das Postamt kann dann die kryptographische Signatur auf dem Poststück prüfen und bestimmen, ob der Freimachungsvermerk echt oder gefälscht ist.
Während der Ansatz des Verwendens kryptographischer Signaturen und gemeinhin verfügbarer Drucker vom theoretischen Standpunkt aus attraktiv ist, gibt es praktische Nachteile. Es ist ziemlich leicht zu sagen, daß der Freimachungsvermerk Information enthalten wird, welche von dem Postamt zu prüfen ist, doch auf der praktischen Ebene wird das nur funktionieren, wenn der Freimachungsvermerk, welcher die kryptographische Signatur enthält, maschinenlesbar ist. Es wäre möglich, Zeichen für OCR (optische Zeichenerkennung) zu verwenden, die für Scannen und Erkennung optimiert sind, oder einen Barcode zu verwenden, zum Beispiel einen zweidimensionalen Barcode. Der US Postal Service hat das Verwenden eines zweidimensionalen Barcodes vorgeschlagen. Die Annahme ist, daß nahezu alle Poststücke gescannt und ihre Freimachungsvermerke authentisiert würden. Das würde Konsistenzprüfung für jeden Freimachungsvermerk erfordern (z. B. ob die kryptographische Signatur mit der Information, die "signiert" ist, konsistent ist, wie etwa mit dem Datum und der ID-Nummer der Frankiermaschine). Das würde auch Duplikatprüfung erfordern, um sicher zu stellen, daß ein bestimmter Freimachungsvermerk nicht mehr als einmal verwendet worden ist, da vermutlich das System so aufgebaut ist, daß davon auszugehen ist, daß jeder Freimachungsvermerk einmalig ist. Die Information, die vorgeschlagen worden ist, mittels des zweidimensionalen Barcodes zu kommunizieren, macht mehrere hundert Bits an Daten aus. Der Postfreimachungsvermerk würde so einen sehr großen Barcode umfassen, sowie menschenlesbare Information, welche einem Postfreimachungsvermerk des Typs nahe kommt, der historisch vertraut ist.
Wer Erfahrung mit Frankiermaschinen hat, wird leicht verstehen, daß ein Postfreimachungsvermerk, welcher die Bilder eines historisch vertrauten Freimachungsvermerks enthält und der auch einen zweidimensionalen Barcode aus mehreren hundert Bits enthält, ziemlich groß ist und, was wesentlich ist, Gefahr läuft, verschmiert oder auf andere Weise beschädigt zu werden. Wenn ein Tintenstrahldrucker verwendet wird, besteht Sorge, daß der Freimachungsvermerk berührt oder verschmiert würde, bevor die Tinte getrocknet ist. Es besteht die weitere Sorge, daß, wenn der Freimachungsvermerk naß wird (zum Beispiel, wenn der Briefumschlag Regen oder anderer Feuchtigkeit ausgesetzt ist), die Tinte dann verschmiert werden kann. In dem Fall eines Thermotransferbilds besteht die Sorge, daß das thermisch übertragene Pigment durch Abreiben oder andere Gefährdungen entfernt werden kann. Es besteht auch die Sorge, daß es sein kann, daß das Poststück in der Dicke nicht perfekt konstant ist, zum Beispiel, wenn die Inhalte des Briefumschlags den Briefumschlag nicht vollständig ausfüllen oder wenn sich eine Heftklammer oder Büroklammer in dem Bereich befindet, in welchem der Freimachungsvermerk gedruckt wird. Alle diese Faktoren wirken der Möglichkeit entgegen, daß der zweidimensionale Barcode von dem Postamt zwecks Authentisierung gelesen werden kann.
Selbst wenn keine dieser Gefährdungen zutrifft – keine Feuchtigkeit, kein Verschmieren, kein Abreiben, keine Büroklammer oder Heftklammer – besteht immer noch das Problem, daß der zweidimensionale Barcode erst einmal getreu gedruckt werden muß. Der horizontale und der vertikale Abstand der Pixel, die den Barcode ausmachen, muß exakt eingehalten werden. Diese Anforderung gilt für jedes Pixel einzeln, und es besteht die damit verbundene Anforderung, daß die Pixel in der Größe über die vertikale und die horizontale Ausdehnung des Barcodes konsistent sind.
Wie man verstehen wird, wäre es sehr günstig, wenn der Konstrukteur der Digitaldruck-Frankiermaschine davon ausgehen könnte, daß sich das Poststück immer mit einer exakten und sehr vorhersagbaren Geschwindigkeit relativ zu dem Druckkopf bewegen würde. In einem derartigen Fall könnte der Datenstrom, welcher an den Druckkopf kommuniziert wird, einer bestimmten fixen Taktrate folgen, was ein Bild ergeben würde, in welchem alles unter Kontrolle ist, und wobei das Bild alle gewünschten Eigenschaften aufweist.
Im allgemeinen kann der Designer der Digital-Frankiermaschine allerdings nicht davon ausgehen, daß sich das Poststück immer mit einer exakten und sehr vorhersagbaren Geschwindigkeit relativ zu dem Druckkopf bewegt. Es kann Geschwindigkeitsschwankungen für Poststücke in dem Papierweg geben, abhängig von der Anzahl an und den Typen von Poststücken und von ihrer Größe. Zahlreiche Faktoren können zu den Schwankungen beitragen, wie etwa die Dicke bestimmter Poststücke und Änderungen in der Gesamtmasse an Poststücken, welche sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in dem Papierweg befinden. Eine Geschwindigkeitsschwankung, über ein relativ langes Zeitintervall, relativ zu einer gewünschten Geschwindigkeit, kann zu einem Postfreimachungsvermerk führen, welcher im ganzen, entlang der Achse, parallel zu der Bewegungsrichtung des Poststücks, zusammengeschoben oder auseinandergezogen ist. In einem derartigen Fall würde ein gedrucktes Muster, das beabsichtigt ist, einen Kreis zu bilden, statt dessen eine Ellipse bilden. Andererseits können Geschwindigkeitsschwankungen über relativ kurze Zeitintervalle zu einem Postfreimachungsvermerk führen, der in seiner Pixelabmessung entlang der Bewegungsrichtung unregelmäßig ist. Jede dieser Verzerrungen des Barcodes läuft Gefahr, den Barcode für Authentisierungszwecke unlesbar zu machen.
Ein gemeinhin verwendeter Ansatz zum Messen der Geschwindigkeit eines Poststücks besteht darin, eine Rolle in Reibekontakt mit dem Poststück anzuordnen. Die Rolle ist mit einem Drehmelder oder mit einem anderen Sensor gekoppelt, und die Drehmelderausgabe wird verwendet, um die Druckbitmap in den Druckkopf zu takten. Dieser Ansatz ist allerdings nicht völlig zufriedenstellend. Die Rolle kann relativ zu dem Poststück rutschen. Die Rolle und andere damit gekoppelte bewegliche Teile stellen ein Massenträgheitsmoment dar, welches es für die Rolle schwierig macht, mit plötzlichen Äderungen in der Geschwindigkeit des Poststücks mitzugehen. Zudem ist die Rolle ein Teil, das gewartet werden muß, und der Druck, mit welchem sie zu dem Poststück vorgespannt ist, kann von Zeit zu Zeit eingestellt werden müssen.
Es ist wünschenswert, über eine zuverlässige Art und Weise des Messens der Geschwindigkeit eines Postücks zu verfügen, die ausreichend genau ist, die die Nachteile des Rollenansatzes nicht aufweist und die nicht zu teuer ist.
EP-A-0 926 631 offenbart eine Laser-Speckle-Geschwindigkeitsmessung für ein Portodruckgerät.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Frankiermaschine (Freistempelmaschine) verwendet einen Digitaldruckkopf, wie etwa einen Tintenstrahl- oder Thermotransfer- oder Matrixdruckkopf, für welchen es nötig ist, die Geschwindigkeit des Poststücks, welches an dem Druckkopf vorbeigeht, zu kennen. Zwei parallel gerichtete monochromatische Strahlen treffen das Poststück, einer unter einem der Geschwindigkeit des Poststücks vorlaufenden Winkel, der andere unter einem der Geschwindigkeit des Poststücks nachlaufenden Winkel. Die Strahlen konvergieren, was einen Abtastbereich ergibt, welcher mit einem Beugungsbild ausgefüllt ist. Das Poststück, von welchem angenommen wird, daß es in einem Maße, das für die Geschwindigkeitsmessung geeignet ist, rauh ist, bewegt sich mit einer Geschwindigkeit. Ein Detektor detektiert Lichtintensität (Photonenstrom) in einem kleinen Bereich innerhalb des Abtastbereichs, und das Intensitätssignal weist eine Frequenz auf, die zu der Poststückgeschwindigkeit proportional ist. Die Frequenz wird detektiert oder gemessen, die augenblickliche Geschwindigkeit wird von derselben hergeleitet, und die Geschwindigkeit wird verwendet, um den Druckkopf zu steuern. Auf diese Weise wird ein zweidimensionales Druckbild (ein zweidimensionaler Portofreimachungsvermerk) getreu auf das Poststück gedruckt, bei minimaler Verzerrung, selbst im Fall nicht konstanter Geschwindigkeit des Poststücks.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt im Querschnitt ein System gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine Lichtquelle für das System gemäß der Erfindung;
3 zeigt einen optischen Detektionsweg für das System gemäß der Erfindung;
4a, 4b und 4c zeigen alternative Lichtquellen für das System, gemäß der Erfindung;
5 zeigt ein typisches detektiertes Signal bei einer variierenden Umhüllenden;
6 zeigt eine beispielhafte Signalverarbeitungsschaltung für das detektierte Signal;
7 zeigt eine alternative Signalverarbeitungsschaltung für das detektierte Signal;
8 zeigt eine weitere alternative Signalverarbeitungsschaltung für das detektierte Signal;
9 zeigt das Erfassungsvolumen für das System, gemäß der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt ein System gemäß der Erfindung. Ein Poststück 21 bewegt sich in 1 mit einer Geschwindigkeit v entlang einer definierten Achse x entlang eines Papierwegs, welcher durch ein Lager 20 definiert ist, nach rechts. Die Geschwindigkeit v kann auf Grund zahlreicher Faktoren von Zeit zu Zeit variieren. Rechtwinklig auf dem Lager 20 steht eine z-Achse. Ein Druckkopf 22 ist so positioniert, daß er in der Lage ist, auf das Poststück 21 zu drucken. Der Druckkopf 22 ist jeglicher Druckmechanismus, der von sorgfältigem Messen der Position und Geschwindigkeit des Poststücks 21 profitiert, und er könnte daher eine Tintenstrahl-, Thermotransfer- oder eine andere Digitalbilddruck-Technologie darstellen. Das Poststück ist nicht vollkommen glatt, sondern es weist statt dessen eine Rauheit auf, wenn es mit einer ausreichend feinen Auflösung betrachtet wird. Das Poststück 21 wird von Licht aus zwei Richtungen getroffen, wie durch die Strahlen 23 und die Strahlen 24 gezeigt. Die Strahlen 23 kommen auf das Poststück von hinten zu, das heißt das Poststück bewegt sich von den Strahlen 23 weg. Die Strahlen 24 kommen auf das Poststück von vorne zu, das heißt das Poststück bewegt sich auf die Strahlen 24 zu. Die Strahlen 23 und 24 sind vorzugsweise monochromatisch, gegenseitig kohärent und jeweils parallel gerichtet. Die Strahlen 23 und 24 erzeugen ein Interferenzmuster auf dem Poststück 21.
1 zeigt auch einen Sensor 28 und eine Fokussierlinse 26. Licht ist in der Lage, von einem Abtastbereich 25 auf dem Poststück aus durch die Linse 26 eingeschränkt durch eine Blende 27 zu einer optischen Öffnung, welche für die Linse 26 geeignet groß ist, hindurchzugehen. Die Lichtstrahlen 29 zeigen Licht, welches von dem Abtastbereich 25 zu dem Sensor 28 geht. Die Signalverarbeitungsschaltung 50, die unten ausführlich erläutert wird, empfängt das Signal von dem Sensor 28 und leitet Geschwindigkeitsinformation ab, welche verwendet wird, um Bildinformation in den Druckkopf 22 zu takten. Auf diese Weise ist der Druckkopf 22 in der Lage, ein sauber ausgebildetes Bild auf das Poststück 21 zu drucken. Der Sensor 28 ist ein Photodetektor, wie etwa ein Phototransistor. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor keine räumliche oder lineare Anordnung, sondern er mißt einfach Lichtintensität (proportional zum Photonenstrom).
2 zeigt eine Lichtquelle, welche zur Verwendung in dem System gemäß der Erfindung geeignet ist. Poststück 21 ist mit einer (in einem geeigneten Maße) rauhen Oberfläche gezeigt. Ein eng gebündelter Strahl 35 ist vorzugsweise monochromatisch und parallel gerichtet, zum Beispiel von einer Laserdiode emittiert, welche der Klarheit halber aus 2 weggelassen ist. Der Strahl 35 geht durch ein optisches Element 34 hindurch, was zu den Teilstrahlen 32 und 33 führt. Das optische Element 34 kann ein Phasengitter sein. Allgemeiner ist das optische Element 34 jegliches diffraktive optische Element (DOE). Ein DOE ist ein kostengünstiges optisches Bauteil, welches auf Grund von Beugung durch Mikrostrukturen funktioniert. DOEs sind entweder interferometrisch hergestellt oder durch Direktschreiben oder mit Hilfe von lithographischen Verfahren und Ätzverfahren, welche aus der Technologie der Mikroelektronik hergeleitet sind.
Die Teilstrahlen 32, 33 werden durch die Linse 31 gebrochen, was die auch in 1 zusammen mit dem Poststück 21 gezeigten Strahlen 23, 24 ergibt. Die beiden Strahlen 23, 24 treffen das Poststück 21, wobei sie einen Winkel 2α definieren.
3 zeigt das Poststück 21 in einem feinen Maßstab mit illustrativer Rauheit. Die Strahlen 23, 24 treffen die Oberfläche mit Winkel 2α zwischen denselben. Die Strahlen erzeugen ein in 3 gezeigtes Beugungsbild 30. Die Lichtstrahlen 29 gehen in 3 aus einem Abtastbereich auf dem Poststück 21 nach oben, gehen durch eine durch die Blende 27 definierte Öffnung hindurch und werden durch die Linse 26 gebrochen, um auf den Sensor 28 fokussiert zu werden.
Zusätzlich zu der in 2 gezeigten optischen Struktur gibt es andere Arten, die gegenseitig kohärenten parallel gerichteten Strahlen 23, 24 zu erzeugen. Zum Beispiel trifft in 4a ein Strahl 35 ein Prisma 40 und erreicht eine teilreflektierende Fläche 41, wodurch der Strahl 35 geteilt wird. Ein resultierender Strahl 45 wird von den Spiegeln 43 und 44 reflektiert. Der andere resultierende Strahl 46 wird von dem Spiegel 42 reflektiert. Die Strahlen 45, 46 werden von der Linse 31 gebrochen, um die Strahlen 23, 24 zu ergeben, welche das Poststück 21 treffen und einen Schnittwinkel 2α definieren. In 4b trifft der Strahl 35 eine teilreflektierende Fläche 38 innerhalb des Prismas 39, was zwei Strahlen ergibt. Der Strahl 45 wird durch die Fläche 38 hindurchgelassen. Der Strahl 46 wird von der Fläche 38 und von dem Spiegel 40 reflektiert. Die Strahlen 45 und 46 werden von der Linse 31 gebrochen und ergeben die Strahlen 23, 24, welche das Poststück 21 treffen und einen Schnittwinkel 2α definieren. Bei einer anderen Anordnung trifft der Strahl 35 die teilreflektierende Fläche 37, was die Strahlen 23, 24 ergibt, welche von den Spiegeln 36 reflektiert werden. Sie treffen das Poststück 21 und definieren einen Schnittwinkel 2α. Die Anordnungen in 4a, 4b und 4c werden als weniger bevorzugt als jene in 2 erachtet, da die beiden Strahlen für die besten Resultate hoch symmetrisch sein sollten. Ein Wahren einer derartigen Symmetrie erfordert, daß die Spiegel bei engen Toleranzen exakt positioniert sind. Die teilverspiegelte strahlenteilende Fläche muß außerdem auf eine solche Art beschichtet sein, daß sie für beide Strahlen gleiche Lichtintensität vorsieht, um den Streifenbild-(Interferenzmuster-)Kontrast zu maximieren.
Ein typisches Ausgabesignal von Sensor 28 ist in 5 gezeigt. Die Frequenz des Signals innerhalb der Umhüllenden ist proportional zu der augenblicklichen Geschwindigkeit. Die Modulationstiefe der Umfüllenden variiert von Signalfolge zu Signalfolge, und es kann sein, daß das Signal nicht zu allen Zeiten vorhanden ist, das heißt es kann ausfallen. Es ist hilfreich, eine Ausfallsrate zu definieren, welche das Verhältnis darstellt, zwischen den Zeiten, während derer kein Signal verarbeitet wird, und der gesamten Zeit des Signals.
Mit Bezug auf 1 sei daran erinnert, daß die Signalverarbeitungsschaltung 50 vorgesehen ist, das (zum Beispiel das in 5 gezeigte) Signal zu verarbeiten, um Geschwindigkeitsinformation abzuleiten. Machbare Signalverarbeitungsverfahren umfassen Signalfolgenzählung, Frequenznachführung und schnelle Fourieranalyse (FFT).
Eine Art, Signalfolgenzählung auszuführen, besteht darin, das Signal von dem Sensor 28 wie bei einer Ausführungsform in 6 gezeigt vorzugsweise hochpaßzufiltern und das Signal durch einen Schmitt-Trigger 62 zu führen. Es kann optional mit einem lokalen Oszillator gemischt werden, um eine günstige Arbeitsfrequenz vorzusehen. Danach wird eine fixe Gateöffnungszeit vorgesetzt, die Anzahl an Nulldurchgängen in diesem Intervall wird gezählt und die Frequenz wird berechnet. Alternativ wird, wie in den Blöcken 63, 64 in 6 gezeigt, die Zeit, welche für eine fixe Anzahl an Nulldurchgängen benötigt wird, gemessen.
Es gibt viele Fehlerquellen, und dafür muß nach Möglichkeit vorgesorgt sein. Zum Beispiel können die Nulldurchgänge durch ungleiche Zeitintervalle getrennt sein. Unerwünschte Nulldurchgänge können auf Grund von Rauschen auftreten, wenngleich zu hoffen ist, daß der Schmitt-Trigger und andere Maßnahmen das reduzieren werden. Einige Nulldurchgänge können auf Grund eines schlechten Signal-Rauschverhältnisses fehlen. Aus diesen Gründen sind verschiedene elektronische Schemen entwickelt worden, um inkorrekte Signalfolgen zu verwerfen, zum Beispiel durch Anstellen eines Vergleichs zwischen Zyklen N₁ = 5 und N₂ = 8, wie jeweils in den Blöcken 63 und 64 in 6 gezeigt.
Ein Signalfolgenzähler erfordert ein höheres Signal-Rauschverhältnis als einige andere Signalverarbeitungstechniken. Jedoch erfordert der Signalfolgenzähleransatz kein kontinuierliches Signal und kann selbst bei hohen Ausfallswerten gut funktionieren.
Ein weiterer Ansatz ist die Frequenznachführung in 7. Die analoge Ausgabe von dem Detektor 28 (der Klarheit halber in 7 weggelassen) wird bei 67 mit einem sinusförmigen Signal von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 71, welcher in einer Rückführschleife ist, gemischt. Das gemischte Signal wird durch einen Schmalbandfilter 68 und einen Frequenzdiskriminator 69 geführt. Dieses Signal wird bei 70 integriert, und die Ausgabe steuert den VCO 71. Das Integrierglied 70 reguliert das Einschwingverhalten und die Stabilität der Rückführschleife. Die VCO-Frequenz (bei Linie 73) folgt so der Frequenz des eingehenden analogen Signals (bei Linie 76) von dem Detektor 28. Das Eingabesignal (bei Linie 74) des VCO 71 ist proportional zu der augenblicklichen Eingabefrequenz.
Wie in 7 gezeigt kann ein Frequenz-Spannungs-Wandler 72 optional verwendet werden, um eine Spannung herzuleiten (bei Linie 75), die proportional zu der Eingabefrequenz ist. Das ergibt eine bessere Linearität als das Messen des Signals bei 74.
Der Hauptnachteil des in 7 gezeigten Ansatzes besteht darin, daß er ein nahezu kontinuierliches Eingabesignal bei 76 erfordert. In dem Fall, in dem das Eingabesignal 76 nicht kontinuierlich ist, muß ein Lock-on-Lock-off-Mechanismus vorgesehen sein, um die letzte bekannte gemessene Frequenz zu halten, bis ein neues Signal ankommt.
Noch ein weiterer Ansatz ist das Durchführen einer schnellen Fouriertransformation (FFT) in Echtzeit unter Verwendung digitaler Signalverarbeitungstechnologie (DSP). Bei einer typischen Ausführungsform wird das Rohsignal von dem Detektor 28 (siehe 8) zu einem Analog-Digital-(A/D-)Wandler 80 geführt. Das digitale Signal wird zu einem DSP 81 geführt. Der DSP-FFT-Ansatz ist recht effizient beim Unterscheiden des Geschwindigkeitssignals vom Hintergrundrauschen.
Es gibt mehrere Auswahlmöglichkeiten für die Positionierung der Geschwindigkeitssensoroptik (1, Punkte 28, 26, und Lichtquellen, welche die Strahlen 23, 24 in 1 ergeben) relativ zu dem Druckkopf 22 (1). Der Einfachheit der Darstellung halber ist die Optik in 1 in der Bewegungsrichtung gesehen vor dem Druckkopf 22 gezeigt. Jedoch erfordert nichts an der Erfindung diese relative Positionierung. Zum Beispiel kann es sich als wünschenswert erweisen, daß die Optik weder in der Bewegungsrichtung gesehen vorne noch in der Bewegungsrichtung gesehen hinten, sondern statt dessen in 1 auf der y-Achse relativ zu dem Druckkopf 22 positioniert ist. Es könnte sich auch als wünschenswert erweisen, die Optik von dem Druckkopf aus gesehen an der gegenüberliegenden Seite des Postücks, optional auch gegenüber dem Druckkopf 22, zu positionieren.
Die zugrundeliegende optische Theorie wird nun beschrieben. Eine Art, das Meßverfahren zu beschreiben, besteht darin, eine Verschiebung des Poststücks in der x-Richtung u_x zu definieren, was in einer optischen Phasendifferenz zwischen den beiden interferierenden Strahlen resultiert, die gegeben ist durch: Δφ = 4 π π sinαλ sinαux = 4 π π sinαλ sinαvt
In dieser Gleichung steht die Verschiebung u_x in Beziehung zu der Poststückgeschwindigkeit durch u_x = vt. Aus dieser Gleichung wird die Frequenz des Interferenzsignals ausgedrückt durch: ν = 12πddt (Δφ) = 2 sinαλ sinαv
Eine weitere Art, die Geschwindigkeitsmessung zu beschreiben, gibt es in Form des klassischen Dopplereffekts. In 1 ist der Strahl 24 gestreut, mit einer positiven Doppler-Frequenzverschiebung, während der Strahl 23 eine Frequenzabnahme nach Streuung erfährt. Daher erfährt das Licht, welches von der rauhen Oberfläche gestreut wird, eine Intensitätsmodulation, mit einer Frequenz ν_D, die proportional zu der Geschwindigkeit v der Oberfläche in der x-Richtung ist, nämlich: νD = 2 sinαλ sinαv
Es sollte sich verstehen, daß v sin α die Projektion der Geschwindigkeit v in der Richtung eines der Laserstrahlen ist. Die detektierte Frequenz hängt auf diese Weise nicht von der Richtung der Beobachtung (oder Detektion) ab. Das ist ein großer Vorteil für die Gestaltung des Sensorkopfs.
Es ist von Vorteil, über ein Erfassungsvolumen zu verfügen, welches mit Streifen gefüllt ist, welche wie in 9 gezeigt durch exakt dieselbe Entfernung d getrennt sind. Schwankungen in dem periodischen Abstand d werden zu Fehlern in der gemessenen Poststückgeschwindigkeit führen. Ein derartiges Problem kann auftreten, wenn die beiden Strahlen nicht an derselben Stelle einander schneiden und auftreffen, was in einer Streifendivergenz resultiert.
Angenommen, zwei identische Strahlen 23 und 24 beleuchten die rauhe Oberfläche, so ist es möglich, den Abtastbereich (das Erfassungsvolumen) mit Abmessungen Δx_m, Δy_m und Δz_m zu definieren, gegeben durch:
wobei 2α wie zuvor der gegenseitige Winkel der Beleuchtungsrichtungen (2) ist und wobei w₀ die Strahlbreite (der Radius) ist. Es ist zu erwähnen, daß Δz_m annähernd der Feldtiefe des Meßsystems entspricht. Anders ausgedrückt nennt die Größe von Δz_m eine annähernde Angabe des Ausmaßes, bis zu welchem ein Poststück relativ zu dem Lager 20 leicht höher oder niedriger sein und noch die erfolgreiche Geschwindigkeitsmessungen bringen könnte.
Die Anzahl an Interferenzstreifen in dem Erfassungsvolumen beträgt annähernd:
In einer beispielhaften Anordnung könnte die Strahlbreite w₀ = 2 mm betragen, die Wellenlänge könnte λ = 780 nm betragen. Für α = 45 Grad betragen die Abmessungen des Erfassungsvolumens etwa Δx_m = 5 mm, Δy_m = 2 mm und Δz_m = 5 mm, und die Anzahl der Streifen beträgt etwa zehntausend.
Unter Verwendung der in dieser Schrift beschriebenen Optik und der damit verbundenen Schaltungen ist die Meßgenauigkeit allein von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und von dem Winkel (2α) abhängig, in welchem die Strahlen das Poststück treffen. Die Meßgenauigkeit ist nicht gegenüber Vibrationen oder Staub oder Temperaturschwankungen oder Feuchtigkeit empfindlich. Der Bewegungssensorkopf kann kompakt sein. Das optische System ist ganz einfach – eine Linse, eine Photodiode, eine Leuchtdiode und ein Beugungsgitter oder ein anderes optisches Beugungselement. Die Messung ist berührungsfrei, was ein Vorteil ist.
ÜBERSETZUNG DES TEXTES IN DEN ZEICHNUNGEN

Figur 6

detector	Detektor
highpass filter	Hochpaßfilter
Schmitt trigger	Schmitt-Trigger
pulse counter N₁ = 5	Impulszähler N₁ = 5
clock 500 MHz	Takt 500 MHz
pulse counter N₂ = 8	Impulszähler N₂ = 8
comparator	Komparator

Figur 7

mixer	Mischer
bandpass filter (IF filter)	Bandpaßfilter (ZF-Filter)
frequency discriminator	Frequenzdiskriminator
VCO	VCO
integrator	Integrierglied
frequency-to-voltage converter	Frequenz-Spannungs-Wandler
voltage ∞ ν_D	Spannung ∞ ν_D

Claims

Frankiermaschine umfassend einen digitalen Druckkopf und einen Geschwindigkeitssensor mit einer Ausgabe, wobei die Frankiermaschine ein Lager hat, das einen Papierweg mit einer Richtung definiert, wobei der digitale Druckkopf und der Geschwindigkeitssensor entlang des Papierweges positioniert sind, wobei der Geschwindigkeitssensor eine Lichtquelle und einen Lichtsensor umfaßt, wobei die Lichtquelle erste und zweite parallel gerichtete monochromatische Strahlen umfaßt, wobei der erste Strahl auf den Papierweg unter einem ersten Winkel der genannten Richtung vorlaufend auftrifft und einen Abtastbereich definiert, wobei der zweite Strahl auf den Abtastbereich unter dem ersten Winkel der genannten Richtung nachlaufend auftrifft, wobei die ersten und zweiten Strahlen ein Beugungsbild in dem Abtastbereich ergeben, wobei der Lichtsensor die Lichtintensität in einem Bereich innerhalb des Abtastbereiches erfaßt, wobei der Geschwindigkeitssensor ferner einen Frequenzdetektor erfaßt, der auf die erfaßte Lichtintensität anspricht und ein Signal ergibt, das die gemessene Frequenz anzeigt, wobei das Signal die Ausgabe des Geschwindigkeitssensors umfaßt, wobei der Druckkopf operativ mit der Ausgabe des Geschwindigkeitssensors gekoppelt ist.
Frankiermaschine nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle ferner ein optisches Beugungselement, eine konvexe Linse und eine Laserdiode umfaßt, wobei das von der Laserdiode emittierte Licht das optische Beugungselement passiert und dabei in zwei divergente Strahlen geteilt wird, wobei die beiden divergenten Strahlen die Linse passieren und dabei derart gebrochen werden, daß sie in dem Abtastbereich konvergieren.
Frankiermaschine nach Anspruch 1, wobei der Lichtsensor eine konkave Linse umfaßt, die Licht aus dem Bereich innerhalb des Abtastbereiches auf eine Fotodiode oder einen Fototransistor fokussiert.
Verfahren zum Drucken eines Portofreimachungsvermerkes auf ein Poststück, das sich mit einer Geschwindigkeit in einer Richtung bewegt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Hervorrufen des Auftreffens erster und zweiter parallel gerichteter monochromatischer Strahlen auf das Poststück, wobei der erste Strahl auf das Poststück unter einem ersten Winkel der genannten Richtung vorauslaufend auftrifft und einen Abtastbereich definiert, wobei der zweite Strahl auf den Abtastbereich unter dem ersten Winkel der genannten Richtung nachlaufend auftrifft, wobei die ersten und zweiten Strahlen ein Beugungsbild in dem Abtastbereich ergeben, Erfassen einer Lichtintensität in einem Bereich innerhalb des Abtastbereiches, Messen der Frequenz der Lichtintensität und Betreiben eines Druckkopfes in Antwort auf die gemessene Frequenz, um einen Portofreimachungsvermerk auf das Poststück zu drucken.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend das Erzeugen des ersten und zweiten Strahls durch Hindurchleiten von Licht durch ein optisches Beugungselement, das zwei divergente Strahlen ergibt und Hindurchleiten der beiden divergenten Strahlen durch eine konvexe Linse.