DE69330175T2 - Optischer Abtaster mit einem Axicon und einer Blende zur Herstellung eines aspherischen Strahls - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf optische Abtastvorrichtungen wie beispielsweise Bar - oder Strichcodeabtaster und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Laserabbildsystem zur Erzeugung eines Laserstrahlabtastungsmusters mit einer erweiterten Brennweite oder einem erweiterten Arbeitsbereich, und zwar wirksam zur Abtastung von Symbolen mit einem großen Bereich von Dichten.
Stand der Technik
• Optisch-codierte Information wie beispielsweise Bar- oder Strichcodes sind außerordentlich üblich geworden. Ein Strichcodesymbol besteht aus einer Reihe von hellen und dunklen Regionen, und zwar typischerweise in der Form von Rechtecken. Die Breiten der dunklen Regionen, die Striche, und/oder die Breiten der hellen Räumen zwischen den Strichen zeigen die codierte Information an. Eine bestimmte Anzahl und eine bestimmte Anordnung dieser Elemente repräsentieren ein Zeichen. Genormte Codierschemata spezifizieren die Anordnungen für jedes Zeichen, die akzeptablen Breiten und Abstände der Elemente, die Zahl der Zeichen die ein Symbol enthalten kann und ob die Symbollänge variabel ist usw. Die bekannten Symbologien umfassen beispielsweise UPC/EAN, Code 128, Codabar, und Interleaved 2 von 5.
• Leser und Abtastsysteme decodieren elektro-optisch jedes Symbol um eine Vielzahl von alphanumerischen Zeichen vorzusehen, die typischerweise den Artikel beschreiben an dem das Symbol angebracht ist oder irgendeine andere Charakteristik dieses Artikels. Solche Zeichen sind typischerweise in digitaler Form repräsentiert, und zwar als eine Eingangsgröße zu einem Datenverarbeitungssystem für Anwendungen bei Kassen, der Lagerhaltungskontrolle und dergleichen. Systeme dieser allgemeinen Art sind beispielsweise in den folgenden US-Patenten der Firma Symbol Technologies, Inc. beschrieben: 4,251,798; 4,360,798; 4,369,361; 4,387,297; 4,409,470 und 4,460,120.
• Um ein Strichcodesymbol zu decodieren und eine legitime Botschaft unter Verwendung solcher optischen Abtastvorrichtungen zu extrahieren, tastet ein Bar- oder Strichcodelaser das Symbol ab, um ein analoges elektrisches Signal welches für das abgetastete Symbol repräsentativ ist zu erzeugen. Unterschiedliche Abtastvorrichtungen sind bekannt. Die Abtastvorrichtung könnte ein in der Hand zu haltender Leser der sogenannten Stab- oder Wand-Bauart sein, und zwar einschließlich eines Emitters und eines Detektors fest angebracht an dem "Wand"-Laser in welchem Falle der Benutzer den "Wand" über das Symbol hinweg bewegt. Alternativ tastet eine optische Abtastvorrichtung einen Lichtstrahl, wie beispielsweise einen Laserstrahl, über das Symbol hinweg und ein Detektor fühlt das vom Symbol reflektierte Licht ab. In jedem Falle fühlt der Detektor reflektiertes Licht von einem Punkt ab, der über das Symbol getastet wird, und der Detektor liefert ein analoges Abtastsignal welches die codierte Information repräsentiert.
• Eine Digitalisierungsvorrichtung verarbeitet das Analogsignal und erzeugt ein Impulssignal wobei die Breiten und Abstände zwischen den Impulsen den Breiten der Striche und Abstände zwischen den Strichen entsprechen. Der Digitalisierer gilt als ein Kantendetektor oder eine Wellenformschaltung und der durch den Digitalisierer gesetzte Schwellenwert bestimmt welche Punkte des Analogsignals die Strichkanten repräsentieren. Der Schwellenpegel definiert in effektiver Weise welche Teile eines Signals der Leser als einen Strich oder einen Zwischenraum erkennt.
• Das Impulssignal von dem Digitalisierer wird an einen Decoder angelegt. Der Decoder bestimmt als erstes die Impulsbreiten und die Abstände des Signals von der Digitalisierungsvorrichtung. Sodann analysiert der Decodierer die Breiten und die Abstände um eine legitimierte Strichcodenachricht zu finden und zu decodieren. Dazu gehört die Analyse zur Erkennung von legitimen Zeichen und Sequenzen, wie dies durch den entsprechenden Code-Standard definiert ist. Dies kann auch die anfängliche Erkennung von dem bestimmten Standard oder bestimmten Normen umfassen, zu dem das abgetastete Symbol gehört. Diese Erkennung des Standards wird typischerweise als eine Autodiskriminierung bezeichnet.
• Unterschiedliche Strichcodes haben unterschiedliche Informationsdichten und enthalten eine unterschiedliche Anzahl von Elementen in einer gegebenen Fläche oder einem gegebenen Bereich, was unterschiedliche Mengen von codierten Daten repräsentiert. Um so dichter der Code ist, um so kleiner sind die Elemente und die Abstände oder Beabstandungen. Das Drucken von dichteren Symbolen auf einem geeigneten Medium bedarf der Genauigkeit und ist somit teuerer als das Drucken von Symbolen mit niedriger Auflösung. Die Dichte eines Strichcodesymbols kann ausgedrückt werden mit Ausdrücken der minimalen Strich-/Abstandsbreite was auch als "Modulgröße" oder als "Raumfrequenz" des Codes bezeichnet wird, wobei es sich hier um das inverse des doppelten der Strich-/Zwischenraumbreite handelt.
• Typischerweise hat ein Strichcodeleser eine bestimmte oder spezifizierte Auflösung die oftmals ausgedrückt wird durch die Modulgröße die durch den effektiven Abfühlpunkt detektierbar ist. Für optische Abtaster könnte beispielsweise die Strahlpunktgröße größer sein als annähernd die minimale Breite zwischen Regionen unterschiedlicher Lichtreflektivitäten, d. h. den Strichen und Abständen des Symbols. Die Auflösung des Lasers wird durch Parameter des Emitters oder des Detektors gegeben, durch Linsen oder Öffnungen (Aperturen) assoziiert mit entweder dem Emitter oder dem Detektor durch einen Winkel der Strahlneigung, durch den Schwellenpegel des Digitalisierers, durch Programmieren des Decodierers oder durch eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Elemente. In einem Laserstrahlabtaster entspricht der effektive Abfühlpunkt typischerweise eng der Größe des Strahls an dem Punkt wo er auf den Barcode oder Strichcode auftrifft. Der Fotodetektor wird in effektiver Weise das über das Gebiet oder die Fläche des Abfühlpunktes detektierte Licht mitteln.
• Die Region innerhalb der der Barcodeabtaster in der Lage ist einen Barcode zu decodieren wird der effektive Arbeitsbereich des Abtasters genannt. Innerhalb dieses Bereiches ist die Punktgröße derart vorgesehen, daß genaue Ablesungen der Strichcodes für eine gegebene Strichcodeliniendichte erzeugt werden. Der Arbeitsbereich bezieht sich direkt auf die Brennweitencharakteristika der Abtastkomponenten und auf die Modulgröße des Strichcodes.
• Typischerweise weist eine optische Abtastvorrichtung eine Lichtquelle auf, wie beispielsweise einen Gaslaser oder einen Halbleiterlaser der den Lichtstrahl erzeugt. Die Verwendung von Halbleiterlasern als Lichtquelle in Abtastsystemen ist besonders erwünscht, wegen deren kleiner Größe, geringen Kosten und geringen Leistungsanforderungen. Der Lichtstrahl wird optisch modifiziert typischerweise durch eine Linse um einen Strahlpunkt einer bestimmten Größe an einem vorbestimmten Abstand zu bilden. Die optische Abtastvorrichtung weist ferner eine Abtastkomponente auf und einen Fotodetektor. Die Abtastkomponente kann entweder den Strahlenpunkt über das Symbol hinweg streichen und eine Abtastlinie über das Symbol hinweg ziehen oder das Gesichtsfeld des Abtasters abtasten oder beides. Der Fotodetektor besitzt ein Gesichtsfeld welches sich über und etwas jenseits des Symbols erstreckt und funktioniert um Licht reflektiert vom Symbol zu detektieren. Das elektrische Signal des Symbols vom Fotodetektor wird in ein pulsbreitenmoduliertes digitales Signal umgewandelt, sodann in eine Binärdarstellung der codierten Daten im Symbol und sodann in alphanumerische Zeichen, die so wie oben diskutiert, repräsentiert sind.
• Viele bekannte Abtastsysteme kollimieren oder fokussieren den Laserstrahl unter Verwendung eines Linsensystems, um einen Strahlenpunkt mit einem gegeben Durchmesser an einem vorgeschriebenen Abstand zu erzeugen. Die Intensität des Laserstrahls an diesem Punkt, in einer Ebene senkrecht zum Strahl, (d. h., parallel zum Symbol) wird üblicherweise charakterisiert durch eine "Gaussche Verteilung" mit einer hohen Mittelspitze. Der Arbeitsbereich wird als die Region definiert innerhalb der der intensiv helle Strahlenpunkt den Code decodieren kann, nachdem er über das Barcodesignal getastet wurde. Wenn sich aber der Abstand zwischen dem Abtaster und dem Symbol aus dem Arbeitsbereich des Abtasters herausbewegt, der typischerweise nur einige wenige Zoll Länge besitzt, so erweitert sich die Gaussche Verteilung des Strahlenpunktes sehr stark, was eine genaue Lesung eines Barcodes verhindert. Derzeitige Abtastsysteme müssen daher in einem relativ schmalen Bereich von Abständen und ein Symbol positioniert werden, um das Symbol richtig zu lesen.
• US-Patent Nr. 5,080,456 von Katz und anderen schlägt einen Strichcodeleser vor, unter Verwendung eines Laserstrahlabtastsystems, welches einen stark erweiterten Arbeitsbereich oder eine stark erweiterte Brenntiefe aufweist, und zwar unter Verwendung eines Axicons und eines Schlitzes in Kombination. Im allgemeinen weist das Abtastsystem eine Laserquelle auf, optische Mittel zur Erzeugung eines Brechungsmusters mit einem erweiterten Mittelstrahlpunkt von vorgeschriebenem Durchmesser, und Tastmittel zum Abtasten des modifizierten Laserstrahls über ein Symbol. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugte die Laserquelle einen regulären optischen Strahl des Gausschen Typs der durch ein optisches Element modifiziert wurde, wie beispielsweise durch ein Axicon. Dieses optisches Element erzeugt einen Strahl, der wesentlich weniger bricht in der Richtung parallel zum Strichcodemuster. Speziell wird ein Axicon Licht von einer Punktquelle auf der optischen Achse derart biegen oder auslenken, um so die der Achse entlang einer kontinuierlichen Linie von Punkten entlang eines wesentlichen Teils der Achse zu kreuzen. Die Intensität und der Durchmesser des Strahlenpunktes der dadurch geschaffen wird ändert sich signifikant entlang des Abstandes dieser Linie. Ein Axicon erzeugt auch Beugungsringe des Lichtes, und zwar konzentrisch mit dem Mittelpunkt. Ein Schlitz kann in dem Lichtpfad angeordnet werden, und zwar parallel zur Abtastlinie und senkrecht zu den Strichen und Abständen des Strichcodesymbols, welches abgetastet wird. Der Schlitz entfernt die Teile der Beugung, die senkrecht zur Abtastrichtung verlaufen, beispielsweise parallel zu den Strichen und Zwischenräumen des Symbols. Der Schlitz entfernt jedoch nicht Teile der Ringe die sich in Gebieten parallel zu der Abtastung befinden, oder senkrecht zu den Strichen oder Zwischenräumen. Obwohl das System von Katz et al Verbesserungen gegenüber den konventionellen Linsen vorsah, die zuvor in Strichcodescannern verwendet wurden, ist eine weitere Verfeinerung des Axicondesigns erforderlich, um die Arbeitsgüte für Strichcodeabtastanwendungsfälle zu optimieren. Beispielsweise zog Katz et al nicht in Betracht wie viele Beugungsringe in dem Beugungsmuster verbleiben sollten, um optimale Detektion innerhalb eines maximalen Arbeitsbereichs zu erhalten. Zusätzliche Probleme beziehen sich auf die Positionierung des Lasers und der Linse innerhalb der Abtastvorrichtung um so die gewünschte Strahlenfokussierung einzustellen und beizubehalten. Eine Möglichkeit war es, die Laserquelle und die Linse in ein Modul zu inkorporieren, das derart dimensioniert ist, daß es die erforderliche Strahlungsfokussierung erzeugt. Ein Laserdiodenfokussiermodul dieser Bauart weist typischerweise eine Laserdiode auf, mindestens ein Linsenelement zum Fokussieren des Lichts von der Diode und Mittel zum Befestigen des Linsenelements mit einem gewünschten Abstand von der Laserdiode, um so das Licht von der Diode an dem Punkt einen vorbestimmten Abstand vor dem Modul zu fokussieren. Krichever und andere lehren beispielsweise in ihrem US-Patent 4,923,281 eine Teleskopbewegung von zwei Haltegliedern eines emittierenden und fokussierenden Moduls gegenüber einer Vorspannkraft einer Feder positioniert zwischen der Laserdiode und der Linsenanordnung um die Fokussierung des durch das Modul emittierten Lichtes einzustellen. Ein Halteglied ist an der Laserdiode befestigt und das andere Glied hält die Linsenanordnung zur Fokussierung des Lichtes der Laserdiode. Der zweite Halter sieht auch eine elipsoidförmige Öffnung (Apertur) für das durch die Linse laufende Licht vor. Während der tatsächlichen Fokussierung wird das Fokussiermodul in einem Halter gehalten, der Rast- oder Klemmelemente enthält, um mit Nuten oder Führungsbahnen in Eingriff kommen, die die Orientierung des Laserstrahls und auch der Linse und der Öffnung (Apertur) definieren wenn die zwei Halteglieder allmählich teleskopartig zusammengeführt werden. Sobald der gewünschte Brennpunkt erreicht ist, werden die zwei Halter permanent relativ zueinander fixiert, und zwar unter Verwendung von Klebemitteln, beispielsweise einem Kleber oder Epoxydharz oder durch Befestigung beispielsweise durch Verrasten, Punktschweißen, Ultraschallschweißen oder dergleichen. Eine solche Fokussierung benötigt einen beträchtlichen Arbeitseinsatz durch einen gelernten Techniker.
• Das für die unterschiedlichen Abtastanwendungen erforderliche Fokussieren ist variabel; unterschiedliches Fokussieren erzeugt eine unterschiedliche Strahlengröße an unterschiedlichen, Abständen vom Modul. Dies erzeugt einen unterschiedlichen Arbeitsbereich und Empfindlichkeit für den Abtaster, der so gewählt werden muß, daß er der Symboldichte entspricht, die der Abtaster erwartungsgemäß lesen soll und/oder dem bevorzugten Arbeitsbereich mit dem der Abtaster positioniert wird. Wenn ein Hersteller Abtaster mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen und unterschiedlichen Punktgrößenempfindlichkeiten herstellt, so muß er ein Lager aufrechterhalten, welches die oben erwähnte Laserdiode und die voreingestellten Fokussiermodule enthält, damit er jedes Abtasterprodukt warten kann; die voreingestellten Fokussiermodule sind dabei auf die entsprechende Abtastanwendung fokussiert. Es ist teuer ein solches Lager vorzusehen, insbesondere deshalb, weil das arbeitsintensive Verfahren zum Fokussieren jedes Moduls vorgesehen sein muß.
Offenbarung der Erfindung
• Ziele:
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bildung von Strahlen, welche die Brennweite oder Brenntiefe erweitern, die für die Abtastung verwendet werden kann, beispielsweise zur Abtastung von Strichcodes.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin Mittel vorzusehen, um die Arbeitsabstände und dem Bereich der codierbaren Strichcodedichten zu erweitern, und zwar mit einer Performance die der Performance überlegen ist, wie sie durch auf Linsen basierende Scanner oder Abtastvorrichtungen erreichbar ist.
• Ein spezielleres Ziel besteht darin Konstruktionsregeln vorzusehen für Axicons und dergleichen verwendete Scanner die eine optimale Performance zum Abasten von Strichcodes vorsehen.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Lichtemitter herzustellen, sowie eine zugehörige Optikpackung die leicht an einen großen Bereich von Abtastanwendungsfällen angepaßt werden kann, beispielsweise hinsichtlich des Arbeitsbereichs und/oder der Informationsdichten.
Zusammenfassung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 1 und eine optische Vorrichtung gemäß Anspruch 12 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen beansprucht.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Abtaster oder Scanner vorgesehen, wobei die optischen Komponenten derart gewählt sind, daß die Performance beim Abtasten optisch codierter Information von unterschiedlicher Lichtreflektivität optimiert wird. Dieser Abtaster weist eine Lichtquelle auf, um einen kollimierten Lichtstrahl in einem Pfad zu abzutastender Information zu leiten, und ferner Mittel, um zu bewirken, daß der Lichtstrahl sich entlang einer Abtastlinie bewegt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle ein Laser und ein oszillierender Spiegel erzeugt die Abtastbewegung. Optische in dem Pfad vorgesehene Mittel erzeugen einen Lichtpunkt definiert durch den Strahl mit einer Größe die in Beziehung steht mit der Größe der Informationsmerkmale die abgetastet werden sollen. Der Lichtstrahl besitzt diese Punktgröße über einen beträchtlichen Abstand entlang der Strahlachse hinweg. Ein Lichtdetektor empfängt von abgetasteter Information reflektiertes Licht und erzeugt ein die Reflektivitätsveränderungen der Information repräsentierendes Signal zur darauffolgenden Decodierung und Verarbeitung.
• Gemäß diesem ersten Aspekt der Erfindung weisen die optischen Mittel ein optisches Element auf, und zwar mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche senkrecht zur Achse der optischen Mittel, und ferner mit einer zweiten Oberfläche definiert durch eine Rotationsfigur im Winkel bezüglich der ersten Oberfläche, und zwar gedreht um die Achse der optischen Mittel. Ein optisches Element dieser Bauart bewirkt eine Phasenkippung des kollimierten Lichtstrahles nach innen zur Achse der optischen Mittel hin. Die Erfindung verwendet ein lineares Axicon als dieses optische Element (wo die Figur eine Linie ist). Die optischen Mittel weisen auch Mittel zur Bildung einer Öffnung oder Apertur auf. Die Apertur begrenzt die Größe und/oder Form des kollimierten Lichtstrahls der durch das optische Element läuft. Die begrenzte Erstreckung des kollimierten Lichtstrahls der durch das optische Element läuft sieht einen vorbestimmten Arbeitsbereich für den Abtaster vor, und zwar für ein optisches Element konstruiert zu Erzeugung einer bestimmten Phasenkippung oder Phasenverschiebung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele verwenden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele verwenden kreisförmige Aperturen, welche den Radius des durch das optische Element laufenden Lichtes begrenzen; jedoch können auch andere Aperturformen verwendet werden.
• Die Erfindung sieht ferner eine Reihe von speziellen Konstruktionsregeln vor, und zwar zur Auswahl optimaler Parameter für das optische Element und die Dimensionen der Apertur. Beispielsweise sollte der Wert des Verhältnisses Roβ/λ kleiner als 3 sein und vorzugsweise größer als 1. Der Wert β in diesem Verhältnis ist die Phasenkippung erzeugt durch das optische Element. Ro ist der Radius des kollimierten Lichtstrahls der durch das optische Element läuft, und zwar begrenzt durch die Apertur, und ferner ist λ die Wellenlänge des durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abtastung eines Symbols vorgesehen. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte des Erzeugens eines kollimierten Lichtstrahles, des Bewegens des Lichtstrahls zur Erzeugung einer Abtastlinie über das zu lesende Symbol hinweg und das Modifizieren des Lichtstrahles in einem Pfad zu dem Symbol hin. Speziell erzeugt die Modifikation einen Lichtpunkt mit einer Größe die in Korrelation steht allgemein mit der Größe der Merkmale des Symbols was eine im wesentlichen konstante Größe für sich verändernde Abstände vom Symbol aufrecht erhält, und zwar über einen beträchtlichen Bereich von Abständen entlang der optischen Achse. Diese Charakteristik ist ein Ergebnis der Phasenkippung die durch ein Axiconelement und eine Begrenzungsapertur eingeführt in den durchlaufenden Strahl eingeführt wurde. Der sich ergebende Strahl besitzt eine Intensitätsverteilung die gekennzeichnet ist durch eine zentrale oder mittige Keule umgeben von Ringen wie dies durch eine Besselfunktionsverteilung beschrieben wird. Der Durchgang durch die Öffnung begrenzt auch die Anzahl der Ringe, welche die Mittelkeule des Abtastlichtstrahles umgeben.
• In bevorzugten Ausführungsbeispielen dieses Verfahrens wird der Schritt des Erzeugens der Phasenkippung dadurch erhalten, daß man einen kollimierten Lichtstrahl durch ein festes oder solides optisches Element leitet. Das optische Element wiederum hat eine im wesentlichen flache erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche definiert durch eine Rotationsfigur gedreht um die optische Achse. Diese Rotationsfigur bildet einen Winkel bezüglich der ersten Oberfläche. Die Rotationsfigur wird derart gewählt, daß ein aspherisches optisches Element vorgesehen wird, welches den notwendigen Lichtpunkt erzeugt, der eine im wesentliche konstante Größe besitzt, und zwar für unterschiedliche Abstände vom Symbol. Wenn die Rotationsfigur quadratisch ( kreisförmig, parabolförmig) wäre, so würde das sich ergebende Objekte eine Linse sein, die keine im wesentliche konstante Punktgröße für unterschiedliche Abstände vom Symbol erzeugen würde. Die Rotationsfigur kann eine Linie sein, in welchem Falle das sich ergebende optische Element ein lineares Axicon ist. Die Drehfigur kann auch in einen Bereich zwischen einer Linie und einer quadratischen Figur fallen. Die aspherischen optischen Elemente der Erfindung erzeugen einen Strahlpunkt der Besselringe enthält.
• Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren weist die Schritte des Erzeugens eines im wesentlichen monochromatischen Strahles aus kollimiertem Licht auf und die Modifikation des Lichtstrahles zur Erzeugung eines Strahlenpunktes mit einem im wesentlichen konstanten Durchmesser, und zwar sich entlang eines vorbestimmten Abstandes entlang des Strahlpfades erstreckend. Der Strahlpunkt zeigt auch ein vorbestimmtes Beugungsmuster mit einer Mittelkeule und einer Vielzahl die Mittelkeule umgebenden Ringen. Ein solches Beugungsmuster könnte einer Besselfunktion wie oben beschrieben entsprechen. Das Verfahren weist ferner den Schritt des Begrenzens des Ausmaßes des Strahlbeugungsmusters auf um die Anzahl der die Mittelkeule umgebenden Ringe zu reduzieren. Der beschränkte oder eingegrenzte Strahl wird auf das Symbol welches gelesen werden soff gerichtet und über das Symbol hinweg bewegt.
• In bevorzugten Ausführungsbeispielen dieses zweiten Verfahrens weist der Schritt des Modifizierens des Lichtstrahles das hindurchleiten des Lichtstrahles durch ein optisches Element auf, welches eine Phasenkippung des kollimierten Lichtstrahles nach innen zu einer Achse des optischen Elements hin erzeugt. Auch weist der Schritt des Begrenzens des Ausmaßes des Strahlbrechungsmusters die Begrenzung des Radius des kollimierten Lichtstrahles auf, der durch das optische Element läuft, beispielsweise durch Hindurchlaufen des Strahls durch eine kreisförmige Apertur oder Öffnung zur Begrenzung des Strahls auf einen vorbestimmten Radius.
• Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine modulare Lichtemittiervorrichtung vor, und zwar zur Verwendung in einem System zum Lesen optisch codierter Information, wobei folgendes vorgesehen ist: ein universelles Lichtemittiermodul und eine optische Anordnung angebracht auf dem Modul um die optischen Charakteristika des Lichtes vom Modul zu adaptieren um den Erfordernissen eines bestimmten Abtastanwendungsfalles zu entsprechen. Das universelle Modul erfordert keine spezielle Brennlängen- oder Brennweiteneinstellung. Infolgedessen können solche Module in großen Mengen hergestellt werden und auf Lager gelegt werden, und zwar mit geringen Kosten, da die manuelle Fokussiereinstellung während des Herstellungsverfahrens eliminiert wird. Optische Elemente und Aperturen können nach Bedarf an spezielle Anwendungsfälle angepaßt werden und an dem universellen Modul angebracht sein. Wenn die Befestigungsanordnung die leichte Entfernung gestattet, so kann der Hersteller das optische Element und die Apertur entfernen und ersetzen um die modulare Vorrichtung für einen unterschiedlichen Abtastanwendungsfall neu auszustatten.
• Insbesondere besitzt das lichtemittierende Modul einen vorderen Endteil von dem Licht emittiert wird. Das lichtemittierende Modul weist ein lichtemittierendes Element wie beispielsweise einen Laser auf, der Licht in eine Richtung zu dem vorderen Ende des lichtemittierenden Moduls hin emittiert. Ein erstes optisches Element kollimiert und fokussiert das Licht von dem ersten lichtemittierenden Element im wesentlichen bei unendlich. Erste Befestigungsmittel positionieren das erste optische Element entlang einer Achse des Lichts welches von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, und zwar an einem Punkt benachbart zum vorderen Ende des lichtemittierenden Moduls.
• Eine optische Anordnung wird über den vorderen Endteil des lichtemittierenden Moduls von dem das Licht emittiert wird angebracht. Die Anordnung weist ein zweites optisches Element auf, das den kollimierten Lichtstrahl vom ersten optischen Element derart ablenkt, daß er die Achse entlang einer kontinuierlichen Linie von Punkten entlang einer distanziellen Erstreckung der Achse kreuzt. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das zweite optische Element ein lineares Axicon. Eine Apertur begrenzt das Ausmaß des Lichtstrahls der durch das zweite optische Element läuft.
• Das zweite optische Element ist geformt und die Apertur ist dimensioniert derart, daß zusammen das zweite optische Element und die Apertur einen Lichtpunkt schaffen, und zwar mit einer Größe die in Korrelation allgemein mit dem Dimensionen der Merkmale der abzutastenden Information steht. Diese Dimensionen halten auch den Punkt auf einer im wesentlichen konstanten Größe für unterschiedliche Abstände zwischen der Vorrichtung und dem Symbol über einen distanziellen Bereich der Abstände auf der optischen Achse hinweg.
• In einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung aus einem optischen Abtaster der die oben diskutierte modulare lichtemittierende Vorrichtung inkorporiert.
• In bevorzugten Ausführungsbeispielen der modularen lichtemittierenden Vorrichtung ist das optische Element ein solides optisches Element mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche und einer zweiten Oberfläche definiert durch eine Rotationsfigur gedreht um eine Achse senkrecht zur ersten Oberfläche. Die Rotationsfigur bildet einen Winkel bezüglich der lichtaufnehmenden Oberfläche. Ein lineares Axicon ist ein typisches Beispiel für ein solches solides oder festes optisches Element. Optische Elemente dieser Bauart erzeugen ein Beugungsmuster, welches eine Mittelkeule und eine Anzahl von die Mittelkeule umgebenden Ringen besitzt. Die Öffnung begrenzt die Anzahl der Ringe im Muster welche tatsächlich das Symbol während des Abtastens erreichen. Die Apertur kann zwischen den ersten und zweiten optischen Elementen plaziert werden. Alternativ kann das zweite optische Element zwischen dem ersten optischen Element und der Apertur angeordnet werden, wobei die Apertur benachbart zu einer Oberfläche des zweiten optischen Elements positioniert ist, von dem das Licht austritt.
• Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich zum Teil aus der folgenden Beschreibung und zum Teil ergeben sie sich für den Fachmann bei der Prüfung der folgenden Verwendung der Erfindung. Die Ziele und Vorteile der Erfindung können durch die Maßnahmen und Kombinationen erzielt und erreicht werden, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene isomerische Ansicht eines in der Hand zu haltenden optischen Abtasters gemäß der Erfindung, und zwar gezeigt in der Position zur Abtastung eines Strichcodesymbols;
• Fig. 2A ist ein Schnitt eines Laseremitters und eines Optikmoduls;
• Fig. 2B ist ein Schnitt einer Apertur und einer Axiconanordnung;
• Fig. 3 ist ein Schnitt eines Emitters und Fokussiermoduls gebildet durch die Kombination des Emitter- und Optikmoduls der Fig. 2A mit der Apertur und Axiconanordnung der Fig. 2B;
• Fig. 4A und 4B sind eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht eines optischen Brechungselements einer linearen Axiconbauart zur Verwendung gemäß der Erfindung und bekannt aus US-Patent 5,080,458;
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Lichtverteilung erzeugt durch einen kollimierten Lichtstrahl der durch ein lineares Axicon und eine kreisförmige Begrenzungsapertur läuft;
• Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Modulations-Transferfunktion bezüglich der Raumfrequenz der abgetasteten Symbole für einen Abtaster unter Verwendung eines Axicons;
• Fig. 7 und 8 sind graphische Darstellungen welche den Arbeitsbereich als Funktion der Beleuchtungsbreite für unterschiedliche Raumfrequenzen von Codes zeigen, und zwar abgetastet unter Verwendung der Erfindung;
• Fig. 9 bis 12 sind Tabellen welche die tatsächlichen Arbeitsbereiche zeigen, und zwar erhalten in Computersimulationen der Abtastvorrichtungen gemäß der Erfindung.
• Von diesen Zeichnungen zeigt die Fig. 11 auch experimentelle Resultate.
Beste Möglichkeit der Ausführung der Erfindung
• Die Verwendung des Ausdruckes "Symbol" in dieser Beschreibung und den Ansprüchen soll breit verstanden sein und nicht nur Symbolmuster umfassen, die aus abwechselnden Strichen und Zwischenräumen verschiedener Breiten, wie sie üblicherweise als Barcodesymbole bezeichnet werden, umfassen sondern der Ausdruck soll auch andere ein- oder zweidimensionale graphische Muster sowie auch alphanumerische Zeichen umfassen. Im allgemeinen kann sich der Ausdruck "Symbol" auf irgendeine Art eines Musters oder von Indizien oder Anzeigemitteln beziehen, die durch Abtasten mit einem Lichtstrahl erkannt und identifiziert werden können, und wobei das reflektierte oder gestreute Licht detektiert wird als eine Repräsentation der Änderungen der Lichtreflektivität an verschiedenen Punkten des Musters oder der Anzeigemittel. Fig. 1 zeigt einen Strichcode 15 als ein Beispiel eines "Symbols" das die vorliegende Erfindung abtasten kann.
• Fig. 1 zeigt eine in der Hand zu haltende Laserabtastvorrichtung 10 zum Lesen von Symbolen. Die Laserabtastvorrichtung 10 weist ein Gehäuse auf, das im allgemeinen von der Bauart ist, wie es in den oben genannten Patenten beschrieben ist, und besitzt insofern einen Trommelteil 11 und einen Handgriff 12. Obwohl die Zeichnung ein in der Hand zu haltendes pistolenförmiges Gehäuse zeigt, kann die Erfindung auch bei anderen Arten von Abtastgehäusen implementiert werden, wie beispielsweise bei einer auf einem Tisch stehenden Arbeitsstation oder bei einem stationären Abtaster. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Trommelteil 11 des Gehäuses eine Austrittsöffnung oder ein Fenster 13 auf, durch den ein austretender Laserlichtstrahl 14 läuft, um auf einem Strichcodesymbol 15 angeordnet mit einigem Abstand vom Gehäuse aufzutreffen und dieses abzutasten.
• Der Laserstrahl 14 bewegt sich über das Symbol 15 hinweg, um ein Abtastmuster zu erzeugen. Typischerweise ist das Abtastmuster eindimensional oder linear wie dies durch die Linie 16 gezeigt ist. Diese lineare Abtastbewegung des Laserstrahles 14 wird durch einen Oszillationsspiegel 17 erzeugt, der mit einem Schrittmotor 18 angetrieben wird. Wenn gewünscht, können Mittel vorgesehen sein, um den Strahl 14 durch ein zweidimensionales Abtastmuster abzutreiben, um so das Lesen von zweidimensionalen optisch codierten Symbolen zu gestatten. Auch können anstelle des Oszillationsspiegels Mittel vorgesehen sein, um die Laserquelle 20 und/oder das Axicon 22 zur Erzeugung des gewünschten Strahlabtastmusters zu bewegen.
• Ein manuell betätigter Auslöser 19 oder ähnliche Mittel gestatten dem Benutzer den Abtastvorgang in Gang zu setzen, wenn der Benutzer die Vorrichtung 10 auf das Symbol 15 richtet. Die Verwendung des Auslöseschalters reduziert den Leistungsverbrauch der Komponenten, wie beispielsweise der Laserlichtquelle, des Abtastmotors 18, und des Fotodetektors und des Decoders, wobei diese für begrenzte Perioden der tatsächlichen Abtastung eines Symbols aktiviert werden können und nicht ständig aktiviert sind.
• Die Abtastvorrichtung 10 weist eine Laserquelle 20 auf, beispielsweise ein Gaslaserrohr oder eine Halbleiterlaserdiode, und zwar angebracht innerhalb des Gehäuses. Die Laserquelle 20 erzeugt den Laserstrahl 14. Ein Fotodetektor 21 ist innerhalb des Gehäuses positioniert, um mindestens einen Teil des von dem Strichcodesymbol 15 reflektierten Lichtes zu empfangen. Der Fotodetektor 21 kann zu einem Fenster 13 hinweisen. Alternativ kann ein konvexer Teil des Abtastspiegels 17 reflektiertes Licht auf den Fotodetektor 21 fokussieren, in welchem Falle der Fotodetektor zu dem Abtastspiegel hinweist. Wenn der Strahl 14 das Symbol 15 überstreicht, so detektiert der Fotodetektor 21 das von dem Symbol 15 reflektierte Licht und erzeugt ein analoges elektrisches Signal proportional zum reflektierten Licht. Ein (nicht gezeigter) Digitalisierer wandelt typischerweise das Analogsignal in ein impulsbreitenmoduliertes Digitalsignal um, wobei die Impulsbreiten und/oder Abstände den physikalischen Breiten der Striche und Zwischenräume des abgetasteten Symbols 15 entsprechen. Ein (nicht gezeigter) Decodierer, der typischerweise einen programmierten Mikroprozessor mit zugehörigem RAM und ROM umfaßt, decodiert das impulsbreitenmodulierte Digitalsignal entsprechend der speziellen Symbologie um eine binäre Repräsentation der im Symbol codierten Daten und der alphanumerischen Zeichen repräsentiert durch das Symbol abzuleiten.
• Die Laserquelle 20 leitet den Laserstrahl durch optische Mittel die das Axicon 22 und die Öffnung 23 aufweisen, um den Laserstrahl zu modifizieren und auf den Drehspiegel 17 zu leiten. Der Spiegel 17 ist an einer vertikalen Länge angebracht und wird durch den Motorantrieb 18 um eine Vertikalachse gedreht, reflektiert den Strahl und leitet ihn durch den Austrittsport oder die Austrittsöffnung 13 zum Symbol 15. Die dargestellte Apertur oder Öffnung 23 ist elliptisch obwohl auch andere Aperturformen verwendet werden können. Die Apertur begrenzt das Ausmaß des durch das Axicon laufenden Strahles und reduziert die Anzahl der Ringe die in dem sich ergebenden Eleugungsmuster vorhanden sind, was weiter unten im einzelnen diskutiert wird.
• Um die Abtastvorrichtung 10 zu betreiben drückt der Benutzer den Auslöser 19 und aktiviert die Laserquelle 20 und den Schrittmotor 18 usw. Die Laserquelle 20 erzeugt einen Laserstrahl der durch die Kombination aus Axicon und Apertur 23 läuft. Das Axicon 22 und die Apertur 23 modifizieren den Strahl um einen intensiven Strahlpunkt mit einem gegebenen Durchmesser zu erzeugen, der sich kontinuierlich erstreckt und sich nicht wesentlich über einen Abstand 24 hinweg verändert (wie dies im einzelnen im US-Patent 5,080,456 von Katz et al. beschrieben ist). Die Kombination aus Axicon und Apertur leiten den Strahl auf den Drehspiegel 17, der den modifizierten Laserstrahl nach außen vom Abtastgehäuse 11 und zu dem Strichcodesymbol 15 in einem überstreichenden Muster leitet, d. h. entlang einer Abtastlinie 16. Ein Strichcodesymbol 15 welches an irgendeinem Punkt innerhalb des Abstandes 24 und im wesentlichen senkrecht zum Laserstrahl 14 positioniert ist, reflektiert einen Teil des Laserlichtes. Der Fotodetektor 21 angebracht im Abtastergehäuse 11 detektiert das reflektierte Licht und wandelt die empfangene Lichteingangsgröße in ein analoges elektrisches Signal um. Die Systemschaltung wandelt dann das Analogsignal in ein impulsbreitenmoduliertes Digitalsignal um, welches der auf einem Mikroprozessor basierende Decodierer entsprechend den Charakteristika der Strichcodesymbologieregeln decodiert.
• Ein Axicon ist eine Rotationsfigur die durch Reflexion, Beugung oder beides Licht von einer Punktquelle auf der Achse der Rotationsfigur derart ablenkt, daß die Achse entlang einer kontinuierlichen Linie von Punkten entlang einer wesentlichen Erstreckung der Achse gekreuzt wird. Ein Axicon fokussiert das Licht somit nicht an einem einzigen Punkt oder einer schmalen Region oder Zone entlang der Achse, wie es bei einer Linse der Fall wäre. Ein durch einen kollimierten Strahl beleuchtetes Axicon erzeugt eine Wellenfontkippung eines solchen Strahles nach innen zur Achse des Axicons. Der sich ergebende Strahl enthält Beugungsringe des Lichtes konzentrisch zu dem Mittelpunkt. Die Apertur die im Lichtpfad begrenzt ist, begrenzt die Anzahl solcher Beugungsringe. Die Apertur 23 eliminiert sowohl Teile dieser Ringe in Gebieten davon, die parallel zur Richtung der Abtastung verlaufen und Teile der Beugungs- oder Brechungsringen in Gebieten davon die senkrecht zur Abtastrichtung verlaufen.
• Wo das Axicon ein gesondertes optisches Element ist, wie dies in den Zeichnungen gezeigt ist, hat das Axicon eine erste im wesentlichen flache Oberfläche. Eine zweite Oberfläche des Axicon besitzt eine durch eine Drehfigur definierte Form, und zwar unter einem Winkel bezüglich der ersten Oberfläche gedreht um die Mittelachse des Axicons. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines linearen Axicons ist die Rotationsfigur eine Linie oder ist die zweite Oberfläche konisch. Das lineare Axicon kann so orientiert sein, daß es Licht durch seine konische Oberfläche empfängt und Licht von der flachen Oberfläche emittiert. Alternativ kann das Axicon einfallendes Licht durch die flache Oberfläche empfangen und Licht durch die konische Oberfläche emittieren, wie dies deutlicher in den Fig. 3 und 5 gezeigt ist. Das optische Element kann alternative Formen haben und/oder kann durch ein reflektierendes Element ersetzt werden, solange das Element die Phasenkippung oder - neigung das weiter unten im einzelnen diskutierte Beugungsmuster erzeugt.
• Die Fig. 2A, 2B und 3 zeigen ein Laseremitter- und Fokussiermodul welches die Laserquelle 20 und Axicon 22 in der Laserabtastvorrichtung 10 der Fig. 1 ersetzen kann. Fig. 2A zeigt ein "universelles" Laser- und Optikmodul 40. Das Universalmodul 40 weist eine Laserdiode 41 kleiner Größe auf, ferner einen Halter 43 und eine Fokussierlinse 45. Das Laserdiodenmodul 41 kann von einer Bauart sein, die einen Lichtstrahl im sichtbaren Teil des Spektrums emittiert. Elektrische Verbindungsleiter erstrecken sich von der hinteren Oberfläche der Basis der Laserdiode 41. Der zylindrische vordere Endteil der Laserdiode 41 sitzt innerhalb des Rückabschnitts des Halters 43, der typischerweise aus Messing geformt ist. Das Messing des Laserhalters dient als eine Wärmefalle um durch die Laserdiode 41 erzeugte Wärme abzuleiten. Der Halter 43 kann derart bemessen sein, daß er durch Preßpassung über dem zylindrischen Vorderendteil der Laserdiode 41 sitzt, oder der Halter 43 kann mit dem vorderen Endteil und/oder der Basis der Laserdiode 41 beispielsweise durch Schweißen oder Kleben verbunden sein.
• Das vordere Ende des Halters 43 dient als ein Sitz für die Linse 45. Die Linse kann an ihrem Platz durch eine Anzahl von Mitteln gehalten werden. Beispielsweise kann die Linse 45 an den Halter 43 angeklebt sein oder an ihrem Platz durch irgendeine Form eines Schnapprings gehalten werden. Alternativ kann das Universalmodul 40 eine Feder aufweisen, die zwischen der Laserdiode 41 und der Linse 45 zusammengedrückt ist. Die durch eine solche Feder vorgesehene Ausdehnungskraft würde die Linse 45 gegen die vordere Lippe drücken die am Vorderendteil des Halters 43 gebildet ist. Der Halter 43 positioniert die Fokussierlinse 45 mit einem Abstand gegenüber der lichtemittierenden Vorderoberfläche der Laserdiode 41 entlang der Achse des Lichtstrahles der von der Laserdiode 41 emittiert wird. Die an dem vorderen Endteil des Halters 32 geformte Vorderlippe sieht eine große Öffnung 47 vor, durch die das Modul 40 den Lichtstrahl emittiert.
• Das Universalmodul 40 kann eine Anzahl von unterschiedlichen Formen besitzen. Beispielsweise könnte das Modul anstelle des in Fig. 2A gezeigten Halters 43 eine Gehäusestruktur verwenden ähnlich zu der die in US-Patent 4,923,281 an Krichever und andere offenbart ist.
• Das Modul 40 dient als ein "Universalmodul", da Linse 45 und Öffnung 47 derart gewählt und so positioniert sind, daß der Strahl von der Laserdiode 41 auf unendlich fokussiert ist. Um eine solche Einheit zum Vorsehen einer bestimmten Strahlenpunktgröße mit einem gewünschten Abstand vor dem Modul zu gestatten und um einen gewünschten Abtastvorrichtungsarbeitsbereich vorzusehen wird ein Axicon und eine Apertur dimensioniert zur Refokussierung des Strahls nach Notwendigkeit am vorderen Ende des Halters 43 angebracht. Fig. 2B veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axicons und der Aperturkappenanordnung.
• Die Kappe 42 umschließt ein Axiconelement 44. Die Vorderlippe der Kappe 42 bildet auch eine kreisförmige Öffnung oder Apertur 46 kleiner als die Öffnung 47. Fig. 3 zeigt ein vollständiges Laseremitter- und Fokussiermodul 50, welches das Universalmodul 40, die Kappe 42 und das Axicon 44 umfaßt. Wie gezeigt ist die Kappe 42 derart bemessen, daß sie durch Presspassung über dem vorderen Endteil des Universalmoduls 40 sitzt. Bei einer derartigen Anordnungskonfiguration kann die Kappe 42 entfernt und durch eine andere Anordnung ersetzt werden, die eine unterschiedliche Aperturgröße und/oder Axiconwinkel besitzt, um ein Modul mit unterschiedlicher Punktgröße und Arbeitsbereich vorzusehen. Alternativ kann die Kappe 42 mit dem Vorderendteil des Halters 43 verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben. Auch ist die für die Kappe 42 gezeigte Struktur in ihrer Natur beispielhaft. Die Kappe 42 kann unterschiedliche alternative Formen besitzen. Es sei besonders darauf hingewiesen, daß die Kappe 42 umkonstruiert sein könnte, um die Öffnung 46 zwischen der hinteren Oberflächen des Axicons und der vorderen Oberfläche des Universalmoduls zu plazieren.
• Die Apertur 46 begrenzt den Radius des durch das Modul 50 emittierten Lichtstrahles. Die Apertur 46 definiert zusammen mit dem Winkel der konischen Vorderoberfläche des linearen Axiconelements 44 die nicht-spreizende Querschnittsverteilung des sich ergebenden Lichtstrahles. Die Konstruktionsregeln für die Wahl des richtigen Aperturradius und des Axiconwinkels für einen gegebenen Abtastanwendungsfall werden unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 diskutiert. Da die Apertur und das Axicon als Elemente einer gesonderten Einheit (Fig. 2B) geformt sind, kann der Strahlradius und der Axiconwinkel gewählt werden, um eine gewünschte Strahlpunktgröße und einen Nicht-Spreiz-Verteilungsbereich zu wählen, und zwar um jedem erwarteten Anwendungsfall (Bar- oder Strichcodedichte, Arbeitsbereich usw.) zu entsprechen. Das Fokussieren des Universalmoduls muss sich nicht zwischen unterschiedlichen Anwendungsfällen ändern. Der Hersteller würde einfach eine unterschiedliche Kappen- und Axiconanordnung für jeden Abtastanwendungsfall verwenden.
• Die Fig. 4A und 4B zeigen ein optisches Element der linearen Axiconbauart im Schnitt bzw. Vorderansicht. Das in diesen Zeichnungen gezeigte Axicon entspricht dem Axicon 22 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und dem Axicon 44 des Modularausführungsbeispiels der Fig. 3 und wurde in US 5,080,458 offenbart. Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, ist das Axicon 22 (44) ein kreisförmiges Element mit einem Radius R. Eine erste Oberfläche ist im wesentlichen flach. Die zweite Oberfläche wird durch eine Linie definiert, die um eine Mittelachse des Axicons rotiert ist. Die Linie bildet einen Winkel α bezüglich der ersten flachen Oberfläche gezeigt an der Rückseite des Axicons. Fig. 5 veranschaulicht die, durch einen kollimierten Lichtstrahl, der durch eine Öffnung 46 und das lineare Axicon 22 oder 44 läuft, erzeugte Lichtverteilung.
• Die optische Element- und Aperturanordnung der vorliegenden Erfindung erzeugt Lichtstrahlen mit erweiterter Brennweite oder Fokaltiefe die besonders für die optische Abtastung, beispielsweise für die Abtastung von Strichcodes geeignet sind. Axicons können bei der Bildung solcher Strahlen verwendet werden, obwohl andere aspherische Profile die sich mit &rho;K (K< 2 wobei &rho; ein Radialabstand ist) variieren, auch verwendet werden können. Es wurde nun gefunden, daß die Apertur (Strahlendurchmesser) und der Neigungs- oder Kippwinkel den Arbeitsbereich bestimmen, und daß es möglich ist Werte für diese Parameter auszuwählen um die Abtastperformance zu optimieren.
• Die folgende mathematische Analyse behandelt lineare Axicons als eine private Klasse von aspherischen Elementen, die Ergebnisse ändern sich nicht wesentlich für aspherische Profile, die sehr wenig von der Linearform vorgesehen durch die Axicons sich unterscheiden. Es wurde erkannt, daß Axicons Strukturen sind, die einen Strahl erzeugen, der entlang signifikanter Abstände eng verbleibt mit begrenztem Spreizen um die Fortpflanzungsachse. Es ist zweckmäßig eine geometrische Approximationsannäherung zu verwenden, um die Grenzen dieser aktiven Region zu identifizieren, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
• Die folgende Beziehung der geometrischen aktiven Region (Feldtiefe) zu einem Radius R, der der Radius des Axiconelements war, ist von Katz et al in US-Patent 5,080,456 offenbart:
• Dabei ist n der Brechungsindex des Axicons und a ist der Kippwinkel der konischen Oberfläche des Axicons. Katz und andere haben jedoch nicht speziell vorgeschlagen den Radiusstrahl des kollimierten Strahls der durch das Axicon läuft zu begrenzen, und zwar durch das Vorsehen einer Apertur um so den Arbeitsbereich einzustellen. Es wurde nunmehr gefunden, daß das Vorsehen einer Apertur geeigneter Größe zusammen mit der Auswahl des Axiconwinkels eine gewünschte Feldtiefe oder Brennweite und einen entsprechenden Arbeitsbereich für einen optischen Abtaster vorsehen kann. Die spezielle Geometrie und die entsprechende mathematische Analyse zum Vorsehen der optimalen Abtastvorrichtungsperformance für gegebene Symboldichten wird nun im einzelnen unten beschrieben. Um die Analyse zu vereinfachen wird angenommen, daß die Öffnung 16 kreisförmig ist und den effektiven Radius des kollimierten Strahls begrenzt, während er durch das optische Element läuft; ähnliche Prinzipien gelten auch für Öffnungen von unterschiedlichen Formen. Obwohl die Fig. 5 zeigt, daß das Axicon Licht durch eine flache Oberfläche empfängt und Licht durch seine konische Oberfläche emittiert, gilt auch die folgende Analyse wenn die Orientierung des Axicons umgekehrt wird, d. h., wenn das ankommende Licht auf die konische Oberfläche auftrifft und Licht durch die flache Oberfläche austritt.
• Die Feldtiefe für die Apertur und Axiconanordnung der Fig. 5 kann wie folgt ausgedrückt werden:
• wobei &beta; = (n-1)&alpha; (1.1)
• dabei ist n der Brechungsindex des Axicons, &alpha; ist der Neigungs- oder Kippwinkel der konischen Oberfläche des Axicons und &beta; ist die sich ergebende Phasenkippung (Phasenverschiebung, Phasenneigung). Diese Formulierung verwendet jedoch den Radius Ro des kollimierten Strahls der tatsächlich durch das Axicon läuft. Erfindungsgemäß ist der Strahlradius Ro durch irgendwelche Mittel, wie beispielsweise Apertur 46 begrenzt. In einer solchen Anordnung entspricht der Strahlradius Ro dem Radius der Apertur.
• Die Apertur 46 begrenzt den effektiven Radius des durch das Axicon laufenden Lichtes unabhängig davon ob die Apertur zwischen der Laserquelle und dem Axicon wie in Fig. 5 angeordnet ist oder ob sich die Apertur benachbart zur geneigten vorderen Oberfläche des Axicons wie in -Fig. 3 gezeigt, befindet. Wenn die Apertur zwischen der Laserquelle und dem Axicon sich befindet, so begrenzt die Apertur den Radius des Strahles der tatsächlich die flache hintere Oberfläche des Axicons beleuchtet. Wenn die Apertur benachbart zu der geneigten vorderen Oberfläche des Axicons vorgesehen ist, so begrenzt die Apertur den Radius des aus dem Axicon austretenden Lichtes. Die Geometrie des sich ergebenden Strahls ist jedoch annähernd die gleiche für jede Position der Apertur.
• Es kann gezeigt werden, daß innerhalb des in Fig. 5 gestrichelt gezeigten Gebietes der Strahl eine minimale Spreizung bei
• erreicht.
• Die Spot- oder Punktgröße wird durch die Strahlneigung bestimmt, die durch die von der Vorrichtung eingeführte Phasenverschiebung definiert wird. Der Durchmesser des zentralen oder mittleren Punktes wie im 5,080,456 Patent angegeben folgendes ist.
• wo &lambda; die Wellenlänge des von der Laserquelle emittierten Lichtstrahles ist und da die Strich-/Zwischenraumbreite "m" nicht kleiner als d/2 sein kann, damit Kontrastpegel noch immer vernünftig (d. h.,> 15%) ist, ergibt sich als Resultat folgendes:
• Unter Verwendung der Nomenklatur der spatiellen oder Raumfrequenz wird da fX = n112m, das Resultat wie folgt:
• Unter Verwendung der Formel (1.1) zur Definition des Kippwinkels &beta; abhängig vom Axiconswinkel, werden die Formeln (4) und (5):
• und
• Die Detektion von Barcodes vertraut auf die Sammlung des von einer Anzahl von Strichen und Zwischenräumen reflektierten Lichtes. Insofern, ist die "Zeilen- oder Linienspreizfunktion" ein wichtiges Merkmal im Gegensatz zu der Punktspreizfunktion die verwendet wird, wenn willkürliche Ziele oder Targets abgetastet werden. Die Linienspreizfunktion von Besselartigen Strahlen (wie sie durch Axicons oder ähnliche aspherische Elemente vorgesehen werden) erzeugen eine Modulationstransferfunktion (MTF) welche niedrige Werte über einen großen Bereich von spatiallen oder Raumfrequenzen (Barcodedichten) zeigt, wie dies beispielsweise in Fig. 6 gezeigt ist. Speziell zeigt Fig. 6 die MTF die sich aus der Verwendung eines Axicons ergibt, welches eine Phasenfrontkippung von &beta; gleich von 0,625 mRad erzeugt. Die MTF der Linienspreizfunktion wurde bei einem Abstand Z = 1,4 m gemessen. Diese Messung wurde unter Verwendung eines gleichförmigen Eingangsbeleuchtungsradius von Ro = 2mm ausgeführt, und die Laserquelle lieferte einen Eingangslichtstrahl der Wellenlänge &lambda; = 670 nm. Die elektronischen Schaltungen sollten derart ausgelegt sein, daß Signale mit niedrigem Kontrast gehandhabt werden können. Dies ermöglicht eine Erweiterung des Betriebs über den gesamten Bereich, wo die Modulationstransferfunktion MTF einen bestimmten niedrigen Wert, beispielsweise 15% (0,15 in Fig. 6) übersteigt. Die graphische Darstellung der Fig. 6 veranschaulicht den erweiterten Bereich der Codedichten, die der Abtaster der vorliegenden Erfindung effektiv lesen kann.
• Die äquivalenten Formeln (4) und (5) zeigen, daß die Strich- /Zwischenraumbreite und Lichtwellenlänge das notwendige Axicon bestimmen, das eine bestimmte Phasenfrontkippung (&beta;) erzeugt. Die Formeln (1) und (2) zeigen auch daß der Radius des Beleuchtungsstrahls (oder die Apertur die ihn definiert) sowohl den Arbeitsbereich als auch die Position der nächsten Stelle (bei 2zd/3)des Strahles bestimmen.
• Wenn Gaussche Strahlen zum Beleuchten des Axicons verwendet werden, wirkt die Eingangsstrahleinschnürung (1/e² Intensitätspunkte) als die Strahlgröße. In den oberen Teilen der Fig. 7 und 8 sind einige typische Kurven dargestellt, die den Arbeitsbereich (working range = wr) als Funktion der Beleuchtungseinschnürung (w = waist) für unterschiedliche Raumfrequenzmuster (d. h., Barcodes) zeigen. Die Liniendarstellungen in dem unteren Teil jeder dieser Zeichnungen veranschaulichen die Stelle unterschiedlicher Arbeitsbereiche entlang der optischen Achse zum Lesen eines 13 mil Barcodes unter Verwendung unterschiedlicher Werte für die Einschnürung des Gausschen Beleuchtungsstrahles entsprechen unterschiedlichen Aperturgrößen.
• Obwohl die oben diskutierten Ableitung für Axicons gelten, für die einige analytische Ausdrücke abgeleitet werden können, gelten sie auch allgemein gesagt für aspherische Oberflächen mit optischen Charakteristika, die sich etwas von der linearen Phasenverschiebung vorgesehen durch die Axicons unterscheiden und für die Lösungen in geschlossener Form derzeit nicht verfügbar sind. Wo beispielsweise das optische Element für die Erzeugung der Phasenkippung in enger Nähe oder angebracht an einem anderen optischen Element ist, könnte die lichtaufnehmende Oberfläche der Form der lichtemittierenden Oberfläche des andren Elements entsprechen. Wenn das andere Elemente eine Linse ist, würde die lichtempfangende Oberfläche eine Form entsprechend der Form der Linse besitzen. Die zweite Oberfläche des optischen Elements zur Erzeugung der Phasenkippung würde sodann eine aspherische Kontur besitzen, und zwar derart gewählt, daß die Differenz zwischen den zwei Oberflächen dieses Elements der Differenz zwischen den Oberflächen des linearen Axicons entsprechen würden, was oben diskutiert wurde.
• Es wurde gezeigt, daß Axicons "erweiterte Abstände" mit konstanter Strahlspreizung zeigen. Der konische Winkel des Axicons und die optische Apertur definieren in einzigartiger Weise den Arbeitsbereich, die tote Zone und die Strahlfähigkeit um Strichcodes gegebener Dichte zu detektieren. Es wurde nunmehr festgestellt, daß eine optimale Konfiguration für Abtastzwecke einen Wert für den Ausdruck Ro&beta;/&lambda; zeigt, der zwischen den Werten 1 und 3 liegt. Dieses Erfordernis stellt im wesentlichen fest, daß die Zahl der zulässigen Ringe in dem Beugungsmuster begrenzt sein sollte, so daß die Punktspreizfunktion für Abtastzwecke akzeptabel ist. Eine Anzahl von theoretischen Abschätzungen, Computersimulationen und experimentellen Ergebnissen, die zeigen daß optimale Abtastperformance für diesen Wert erreicht ist, werden unten im einzelnen diskutiert. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, daß da &beta; basierend auf der gewünschten Punktspreizfunktion (die schmäler - somit größer als &beta; -- für hochdichte Barcodes und breiter - (somit schmäler als &beta; -- für niedrig dichte Barcodes) ist, man keine unabhängige Kontrolle oder Steuerung für die tote Zone besitzt, die annähernd durch 0,3 R/&beta; gegeben ist. Man kann jedoch den Bereich der Werte finden, die akzeptable Performance für alle Parameter liefern, beispielsweise &beta; = 0,002 Rad und R = 1 (Fig. 10) sehen Werte vor, die sehr adäquat sind.
• Axicone sind die einfachsten Mittel zur Erzeugung von "beugungsfreien" Strahlen, im Hinblick auf ihre Fähigkeit eine ankommende planare Wellenfront in eine konische Wellenfront umzuwandeln, die eine Besselfunktionstransversal- oder Querverteilung erzeugt, und zwar in einer gewissen Region hinter der Stelle der Vorrichtung. Ein Satz von nicht-beschränkten ebenen Wellen, die ihren Fortpflanzungs-k-Vektor entlang einer konischen Oberfläche besitzen, erzeugen in der Tat eine Bessel Jo Verteilung:
• Jo(k&rho;sin&beta;) (6)
• Mit k = 2&pi;/&lambda; wobei &lambda; die Wellenlänge und &pi; der Radialabstand ist.
• Ein Axicon ist eine abgeschnittene oder "truncated" Version einer derartigen konischen optischen Oberfläche und sieht insoweit eine "unvollkommende" Besselverteilung" vor. Nichts desto weniger ist dieses Merkmal von Vorteil, da es die Anzahl der seitlichen Keulen begrenzt, was ein erwünschtes Merkmal für Abtaster ist. Axicons haben das Potential einen erweiterten fokussierten Strahl zu liefern, und zwar in einer Region Zd wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, wodurch
• wobei Ro der Radius des Beleuchtungsstrahls ist und &beta; die Neigung des k- Vektors bezüglich der Longitudinal-(z)-Richtung) wie oben diskutiert. Darüber hinaus wurde durch Formel (4) gezeigt, daß es eine direkte Beziehung zwischen &beta; und dem Raumfrequenzansprechen des axiconerzeugten Strahls gibt, und zwar gegeben annähernd durch die folgende Formel:
• &beta; = 0.38 &lambda;/m (
• wobei m die Breite des schmalsten Elements des Bar- oder Strichcodes ist. Der Axicon erzeugte Strahl hat seine höchste Konzentration, d. h. "besten Punkt" oder Spot bei einem Abstand von 2Zd/3. Die obigen Formeln zeigen daher an, daß es einen Parameter Ro gibt, durch den man den besten Punkt zu irgendeiner Position verschieben kann. Als eine grobe Regel gilt daß der Arbeitsbereich für das Strichcodedecodieren sich zwischen 4/3 ± Zd/4 erstreckt, und daß Zd erweitert (oder vermindert werden kann) durch vergrößern (oder reduzieren) von Ro.
• Es ist jedoch sehr wichtig zu realisieren, was unten gezeigt wird, daß Ro kein vollständig unabhängiger Parameter ist.
• Die Oszillations- oder Schwingungsnatur einer Bessel- Verteilungspunktspreizfunktion ist recht ungeeignet für Abtastzwecke, wenn zu viele Besselringe in dem Muster enthalten sind. In der Tat zeigt die aus linearer Integration der Besselpunktsspreizfunktion erhaltende Zeilen- oder Linienspreizfunktion (LSF) eine signifikante Verringerung der Modulationstransferfunktion wenn der Radius des "Bessel beuigungsfreien Strahls" vergrößert wird.
• Die Zahl der in dem geometrischen "besten Punkt" untergebrachten Besselringe wird nunmehr ausgewertet, wobei der "beste Punkt" einen Radius von Ro/3 (vgl. Fig. 5) besitzt. Es ist bekannt, daß die Besselfunktion (Gleichung 6) Ringe besitzt, begrenzt durch die Nullen der Besselfunktion.
• Da Jo(z) = 0 für z = 2,4, 5, 6, 8,7... oder annähernd z 2,4 + &pi;t< = (0,76+t)&pi;, ergibt sich aus Gleichung 6 daß
• oder
• &rho; = (0.76+t)&lambda;/2&beta; t = 0,1,2...
• Da somit p gleich 1/3 des Beleuchtungsradius an der schmalsten Punktstelle ist wird
• Ro/3 = (0.76 - t))&lambda;/2&beta;
• eine Schätzung "t" vorsehen, wobei die Zahl der Besselringe um die Mittelkeule herum "am besten Punkt" enthalten sind. Es gilt daher folgendes: Wenn immer die Menge M, definiert als gleich Rop/X unterhalb 1,14 ( = 3/2 · 0,76) liegt, enthält der "beste Punkt" kaum die zentrale Besselkeulenregion (t &le; 0). Wenn M 2,64 ist, umgibt nur ein Ring den besten Punkt (t = 1), für 4,14 zwei Ringe (t = 2) und so weiter.
• Computersimulationen für eine Anzahl von Kippwinkeln (&beta; = 0,625, 1, 2,5 mRad) und eine Anzahl von Radien (R = 2,1,0.5,0.25) werden in den Tabellen in Fig. 9 bis 12 summiert. Aus diesen Simulationen kann, wie unten diskutiert, eine Anzahl von Schlüssen gezogen werden.
• Der wichtigste Schluß aus den Simulationsergebnissen besteht darin, daß man die besten Ergebnisse (größer Arbeitsbereich) erhalten kann, wenn der Faktor M kleiner 3 ist. Betrachte dazu die Tabelle der Fig. 10 als ein Beispiel welches für einen Modulationsindex oder Kontrast C = 0,12 abgeleitet wurde. Wie in dem unteren Teil der Tabelle gezeigt, liegt MTF für einen 4 mil Strichcode und einen 5 mil Strichcode unterhalb des 0,12 Werts der als notwendig angenommen wurde, um ein genaues Lesen solcher Codes vorzusehen, wenn der Wert von M = Roß/&lambda; 6 (Spalte der Daten) ist. Infolge dessen gibt es überhaupt keinen Arbeitsbereich für solche Strichcodedichten. Auch für den Fall M = 6 sind die erreichten Arbeitsbereiche für die Codes niedriger Dichte von 10, 15, und 20 mil relativ kurz und weit weg vom Axiconelement. Wenn das Axicon und die Apertur derart gewählt sind, daß ein Wert von Ro&beta;/&lambda; oder M von 3 oder 1,5 (mittlere Spalten) erzeugt wird, werden die Arbeitsbereiche viel länger und die Abtastvorrichtung kann in effektiver Weise alle Größen der Strichcodes lesen, ohne daß der MTF-Wert unterhalb den 0,12 Abschneidpunkt fällt. Auch treten die Arbeitsbereiche an Punkten auf, die dichter zum Axiconelement liegen, was die Positionierung der Abtastvorrichtung erleichtert, so daß der abgetastete Code relativ dicht zur Vorderseite der Vorrichtung liegt. Obwohl die rechte Spalte zeigt, daß dann, wenn der Wert von M 0,75 ist, der Abtaster alle gelisteten Codegrößen lesen kann, sind die erreichten Arbeitsbereiche tatsächlich kleiner als für die Situationen wo M 3 oder 1,5 war. Die anderen Tabellen zeigen in den Fig. 9 und 11 sowie 12 ähnlich vorteilhafte Ergebnisse, wenn M zwischen 1 und 3 liegt.
• Die in Fig. 11 gezeigten experimentellen Ergebnisse bestätigen die aus den Computersimulationen gezogenen Schlüsse. Die experimentellen Ergebnisse für eine 1mm Apertur entspricht einem Wert von M von 1,5. Diese Ergebnisse zeigen lange Arbeitsbereiche für alle vier Strichcodedichten. Auch starten alle diese Arbeitsbereiche an annähernd dem gleichen Abstand von 14 oder 15 Zoll. Die Verwendung einer 0,5 mm Apertur (M 0,75) erzeugte Arbeitsbereiche dichter zum Axiconelement; mehrere der Arbeitsbereiche insbesondere der Bereich für einen 10 mil Barcode sind jedoch kürzer als die unter Verwendung der 1 mil Apertur in Fig. 11 erzeugten Bereiche.
• Durch Substitution des Wertes von &beta; aus Gleichung (7) in die Ausdrücke für WR und M erhält man nunmehr folgendes:
• und M sollte wie durch Computersimulation gezeigt zwischen 1 und 3 liegen mit dem Resultat, daß folgendes gilt:
• oder
• Die Substitution von Ro aus Gleichung (10) in Gleichung (9) führt zu
• Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß für einen "besten Gausschen Strahl" man
• erhält mit dem daraus resultierenden Arbeitsbereich
• wobei C der Kontrast oder "Modulationsindex" des detektierten Musters ist.
• Die durch die Axiconstruktur vorgesehene Verbesserung verglichen mit der "besten Gausschen" kann dadurch ausgewertet werden, daß man die Gleichung (11) durch die Gleichung (12) dividiert:
• Die nunmehr für mehrere Werte von M und C wie unten gezeigt ausgewertet werden kann.
• Der Koeffizient von m²/&lambda; ist (3,5 = 10,5)für den Axiconfall und nur ungefähr (5,4 = 6,4) für den Gausschen Fall (angenommen daß C = 0,12 oder 0,08 ist), was anzeigt, daß theoretisch das Axicon den Arbeitsbereich um einen Faktor von 1,3 = 1,65 (30-65%) für die Nominalkonstruktionsdichte vergrößern kann, vorausgesetzt daß M = 2 = 3 ist. Dies zeigt auch an, daß wenn M < 2 ein Gausscher Strahl von vergleichbarer Qualität vorhanden wäre.
• Die tatsächlichen erhalten Arbeitsbereiche in der Computersimulation sind in den Tabellen der Fig. 9 bis 12 zusammengefaßt.
• Wenn somit ein Beleuchtungsstrahl mit einem Radius Ro, vorgesehen durch den Radius der Öffnung 46, auf ein Axicon auftrifft, das eine konische Welle mit einer Phasenfrontkippung von &beta; Rad erzeugt, so wird der resultierende Strahl eine nicht-spreizende Querschnittsverteilung über Abstände im Bereich von annähernd von 0,3 bis 0,9 Ro/&beta; beibehalten. Für Abtastzwecke sind Strahlen mit breitem Querschnitt jedoch unerwünscht und somit sollten die einfallenden Strahlen der folgenden Bedingung genügen:
• Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 verwendet eine Anzahl von austauschbaren Axicon- und Aperturkappeneinheiten, deren jede ein Axicon mit einem Kippwinkel &beta; ·(definiert durch (n-1)&alpha;) und einer Apertur mit Radius Ro enthält, welche in Verbindung mit den kollimierten Laseranordnungen verwendet werden könnten. Die Wahl von &beta; und Ro für jede Kappe hängt von dem beabsichtigten Anwendungsfall ab (Barcodedichte, Arbeitsbereich usw.). Auch könnten die Anordnungen 50 (durch Ersetzen der Axiconkappen) umgerüstet werden, wenn die Abtaster für unterschiedliche Barcodedichte besitzende Symbole verwendet werden.
• Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele verwenden ein Axicon der Beugungsbauart als optisches Element, d. h., der Lichtstrahl läuft hindurch und wird durch das Element modifiziert um die erforderliche Phasenkippung oder -Neigung zu erzeugen. Es ist auch möglich ein optisches Element entsprechender Kontur der reflektierenden Bauart zu verwenden. Beispielsweise könnte das optische Element die Form eines konisch geformten Spiegels annehmen. Ein solcher Spiegel würde eine reflektierende Oberfläche aufweisen, und zwar definiert durch eine Rotationslinie oder eine ähnliche Rotationsfigur, und zwar mit der Rotation um die Mittelachse des Spiegels erfolgen.
• Auch kann die erfindungsgemäß verwendete Apertur oder Öffnung verschiedene Formen besitzen. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Apertur 23 elliptisch und die Apertur 46 der Fig. 2A bis 5 wurde als eine kreisförmige Apertur mit einem bestimmten Radius beschrieben. Die Apertur oder Öffnung könnte aber auch quadratisch oder rechteckig usw. sein. In jedem Fall beschränkt die Apertur das Ausmaß des kollimierten Strahls modifiziert durch das optische Element, wodurch das Ausmaß des Beugungsmusters begrenzt wird, und die Anzahl der im Beugungsmuster vorhandenen Ringe reduziert wird.

Claims (19)

1. Abtaster (10) zum Abtasten von Anzeigemitteln (15), wobei der Abtaster folgendes aufweist:

eine zur Erzeugung eines Lichtstrahls geeignete Lichtquelle (20), optische Elementmittel (Optikelementmittel) (22, 44) wie ein Axikon im Lichtstrahl angeordnet zur Bewirkung einer Phasenfrontkippung des Lichtstrahls zur Strahlachse hin,

Öffnungs- oder Aperturmittel (23, 46) im Strahl vor oder nach den optischen Elementmitteln,

Abtastmittel (17, 18) angeordnet zur Bewirkung der Abtastung des Strahls über Anzeigemittel (15) und

ein Lichtdetektor (21) positioniert zum Detektieren von den Anzeigemitteln reflektierten Lichtes;

dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturmittel (23, 46) das Ausmaß des Lichtstrahls emittiert von der Abtastvorrichtung in allen Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse begrenzen, wobei das sich ergebende begrenzte Ausmaß einen vorbestimmten Arbeitsbereich des Abtasters für eine gegebene Phasenfrontkippung vorherbestimmt und ferner gekennzeichnet durch die angenäherte Ungleichung

wobei &beta; durch die Optikelementmittel (22, 44) bewirkte Phasenkippung ist, Ä die Wellenlänge des Lichtstrahls ist und 2Ro die Breite oder der Durchmesser des Lichtstrahls ist, und zwar begrenzt durch die Aperturmittel (23, 46), wenn dieser durch die Optikelementmittel läuft.

2. Abtaster nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch die zusätzliche angenäherte Ungleichung

3. Abtaster nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Öffnungs- oder Aperturmittel eine kreisförmige Öffnung mit dem Radius Ro aufweisen.

4. Abtaster nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, wobei die Öffnungsmittel eine elliptische Öffnung aufweisen mit einer Haupt- oder Nebenachse 2Ro, oder mit einem Schlitz einer Breite 2Ro

5. Abtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Elementmittel (22, 44) ein brechendes optisches Element sind, und zwar mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche und einer Oberfläche die eine Figur der Drehung (Drehfigur) ist, wobei die Phasenfrontkippung &beta; definiert ist durch

&beta; = (n-1)&alpha;

wobei n der Brechungsindex des optischen Elements ist und a der Winkel ist zwischen der Drehfigur und der flachen Oberfläche.

6. Abtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optischen Elementmittel (22, 44) ein Brechen des Linear-Axikon sind.

7. Abtaster nach einem der vorherigen Ansprüche, geeignet zur Lesung von Anzeigemitteln mit einer minimalen Symbolgröße von m; wobei

ist.

8. Abtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 7, geeignet zum Lesen von Anzeigemitteln, wobei die Information der Raumfrequenz fx wiederholt wird, wobei

ist.

9. Abtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Kollimier- oder Sammelmitteln angeordnet zum Sammeln des Lichtstrahls, bevor er auf die tischen Elementmittel (22, 44) auftrifft.

10. Abtaster nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optischen Elementmittel abnehmbar und ersetzbar sind mit optischen Elementmitteln von unterschiedlichen Werten von &beta;; und/oder wobei die Öffnungsmittel (23, 46) abnehmbar und ersetzbar sind mit Aperturmitteln, die unterschiedliche Werte von Ro vorsehen.

11. Abtaster nach Anspruch 1, wobei die optischen Elementmittel den Lichtstrahl modifizieren, um ein Brechungsmuster zu schaffen mit einer mittigen Keule und einer Vielzahl von die mittige Keule umgebenden Ringen, wobei die Öffnungsmittel mindestens einige der äußersten Ringe des modifizierten Strahles herausschneiden.

12. Optische Vorrichtung (40) mit einem Licht emittierenden Modul (41) geeignet zum Emittieren eines Lichtstrahls von einem Ende davon, ferner mit einem ersten optischen Element (45), angebracht an dem erwähnten Ende und angeordnet zur Fokussierung des Lichtstrahls im wesentlichen im Unendlichen; ferner mit einem zweiten optischen Element (44), angebracht in dem Lichtstrahl nach dem ersten optischen Element, wobei das zweite optische Element eine Phasenfrontkippung des Strahles bewirkt, wodurch das Licht die Strahlenachse entlang einer kontinuierlich verlängerten Länge der Achse kreuzt; und schließlich mit einer Öffnung (46) im Strahl, welche das Ausmaß des Lichtstrahls in sämtlichen Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Strahlenachse begrenzt, wobei die angenäherte Ungleichung

erfüllt ist, wobei &beta; die durch die optischen Elementmittel (22, 44) bewirkte Phasenkippung ist, &lambda; die Wellenlänge des Lichtstrahls ist; und 2Ro die Breite oder der Durchmesser des Lichtstrahls ist, und zwar begrenzt durch die Apertur- oder Öffnungsmittel (23, 46), wenn der Strahl durch die optischen Elementmittel läuft.

13. Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das zweite optische Element (44) ein lineares Axikon ist.

14. Optische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das zweite optische Element (44) ein festes brechendes optisches Element ist mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche und einer Oberfläche, die eine Drehfigur um die Strahlachse ist.

15. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, wobei die Öffnung oder Apertur (46) zwischen dem erwähnten Ende und dem ersten optischen Element positioniert ist.

16. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, wobei die Öffnung oder Apertur zwischen den ersten und zweiten optischen Elementen positioniert ist.

17. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Apertur (46) nach dem zweiten optischen Element (44) positioniert ist.

18. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das zweite optische Element und die Apertur zusammen eine abnehmbare und ersetzbare Struktur bilden.

19. Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die erwähnte Struktur ein Rohr ist, welches zur Aufnahme über dem erwähnten Ende des Licht emittierenden Moduls angeordnet ist.