DE2200094C3 - Abtastvorrichtung für optisch erkennbare Zeichen - Google Patents
Abtastvorrichtung für optisch erkennbare ZeichenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Abta·.-.vorrichtung für
optisch erkennbare, insbesondere einer Ware zugeordnete und an dieser angebrachte Zeichen, mit einem
Sendestrahl, der aufgrund einer Dreh- oder Schwingbewegung eines einen Lichtstrahl erzeugenden oder
weiterleitenden Teiles einer Strahlablenkvorrichtung um eine Achse eine Bezugsebene abtastet, wobei
zwischen der Bezugsebene und dem Dreh- oder Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung eine sich in
Abtastrichtung erstreckende erste Zylinderlinse angeordnet ist.
Es ist bereits eine photoelektrische Oberflächenabtastvorrichtung für laufende Bahnen bekannt (DT-PS
54 656), bei der eine zu prüfende Oberfläche einer Materialbahn mittels eines Lichtflecks abgetastet wird.
Dieser Lichtfleck wird durch Abbildung eines von einer Lichtquelle beleuchteten Spaltes mittels einer Optik und
nach Umlenkung des Spaltbildes über ein rotierendes vierflächiges Spiegelrad über einen Planspiegel, einen
Parabolspiegel und mittels einer Zylinderlinse erzeugt. Das rotierende Spiegelrad bewirkt dabei, daß der
Lichtfleck periodisch mit großer Geschwindigkeit quer zur Laufrichtung der Materialbahn über die zu prüfende
Oberfläche wandert. Durch entsprechende Anordnung der optischen Bauelemente wird erreicht, daß der
Lichtfleck an allen Stellen der Oberfläche mit konstanter Intensität und Schärfe auftritt.
Die bekannten Strahlablenkvorrichtungen arbeiten jedoch nicht fehlerfrei. Trotz konstanter Drehzahl bzw.
Schwingfrequenz und gleichförmig vorbeibewegten Zeichen treten nicht parallele Abtastspuren auf, oder die
22 OO
Abtastspur von einander folgenden Abtastungen weisen ungleiche Abstände oder eine falsche Reihenfolge auf.
Derartige Abweichungen sind vor allen Dingen auf den sogenannten Pyramidalfehler des mechanischen Drehoder
Schwingteiles zurückzuführen, Unter dem Pyramidalfehler versteht man die auch bei Anwendung größter
Präzision in der Herstellung nicht ganz zu vermeidenden Nichtparalleütäten der spiegelnden Flächen eines
Spiegelrades relativ zu dessen Rotationsachse bzw. die nicht ganz zu vermeidenden Schwingbewegungen eines
mechanischen Schwingtciles um eine oder mehrere andere Achsen als die Hauptschwingachse des Systems.
Der Pyramidalfehler führt dazu, daß der vom das Zeichen abtastenden Sendestrahl erzeugte Lichtfleck
von seiner Soll-Abtastspur abweicht, was zu Fehlern bei der Ablesung des Zeichens führen kann.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu
schaffen, bei der der Pyramidalfehler optisch weitgehend behoben ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Zylinderlinse die den Sendestrahl abgebende
Fläche der Strahlablenkvorrichtung mindestens bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls auf die
Abtastspur innerhalb eines die Bezugsebene enthaltenden Tiefenbereiches abbildet. Aufgrund dieser Ausbildung
wird der Abtastlichtfleck auch beim Vorliegen eines Pyramidalfehlers praktisch stets an der gleichen
Stelle der Abtastspur erzeugt, so daß sich der betreffende Fehler in der Abtastspur nicht mehr
bemerkbar macht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung sind durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; in dieser
zeigt
Fig.! ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer, stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung,
F i g. 2 einen Grundriß der Abtastvorrichtung und
Fig.3 einen Aufriß der Abtastvorrichtung, gesehen
aus der Ebene ΛΊη Richtung des Pfeiles X'\n Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer,
stark vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung. Einzelne Teile sind der besseren Übersicht
wegen nur angedeutet oder nur teilweise gezeichnet.
Eine Lesevorrichtung 1 ist unterhalb einer Fördereinrichtung
2 angeordnet und enthält eine Abtastvorrichtung IA Die Fördereinrichtung 2 besteht aus einem
Förderband 24, welches über eine Walze IB läuft, sowie
aus einem weiteren Förderband 2C, welches über eine Walze 2Dläufi:. Zwischen den beiden Walzen 2flund ID
bzw. zwischen den darüber laufenden Förderbändern 2A und IC befindet sich ein Spalt 3, der in der
Förderrichtung die Breite Bund quer dazu die Länge L
hat. Die Länge L ist der Breite der Förderbänder angepaßt. Durch den Spalt 3 hindurch wirkt die
Lesevorrichtung 1 auf ein auf einer Ware 4 unten angebrachtes Speichen 5.
Anstelle der Fördereinrichtung 2 könnte aber auch !ediglich eine auf der Höhe der Förderbänder 2/4 und 2C
angebrachte Platte vorgesehen sein, in welcher ein entsprechender Spalt 3 angeordnet ist. Die Ware 4 kann
dann automatisch oder von Hand über den Spalt 3 bewegt werden.
Im Idealfall bewegt si :'i das Zeichen 5 in einer
Bezugsebene 6 über den Spalt 3 hinweg. Die Bezugsebene 6· ist in Fig. I durch eine strichpunktierte
Umrandung angedeutet.
Der Sendestrahl 7 tritt aus einer Fläche 17Λ einer
ersten Zylinderlinse 17 aus, welche zwischen der Bezugsebene 6 und dem Dreh- oder Schwingteil einer
Strahlablenkvorrichtung 16 liegt Die erste Zylinderlinse 17 erstreckt sich in der Abtastrichtung gemäß dem Pfeil
7/4 und bildet die den Sendestrahl 7 abgebende Fläche 16/4 der Strahlablenkvorrichtung 16 zumindest bei
senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls 7 auf die Abtastspur innerhalb eines die Bezugsebene 6 enthaltenden
Tiefenbereiches Tab.
Die erste Zylinderlinse 17 ist parallel zur Bezugsebene 6 angeordnet, und ihre Länge ist der Länge L des
Spaltes 3 derart angepaßt, daß der von der den Sendestrahl 7 abgebenden Fläche 16/4 kommende
Lichtstrahl auch dann noch von der Zylinderlinse 17 erfaßt wird, wenn der vom Sendestrahl erzeugte
Lichtfleck dia Endlagen der Abtastspur erreicht hat.
Die Fig.2 zeigt einen Grundriß d .· Abtastvorrichtung
IA Von der Fläche 164 der Strahlablcnkvorrichtung
16 fällt ein in der Ablenkfläche konvergentes Strahlenbündel 11"' auf die der Strahlenablenkvorrichtung
16 zugekehrte Fläche 17Sder Zylinderlinse 17. Der Sendestn»hl 7 verläßt die Zylinderlinse 17 durch die der
Bezugsebene 6 zugekehrten Fläche 17A In einem Punkt F wird das der Abtastung dienende Strahlenbündel
fokussiert. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel führt das Strahlenbündel 1Γ", welches schließlich den
Sendestrahl 7 bildet, eine Schwenkbewegung aus. Es ist aus F i g. 2 ersichtlich, daß hierbei der Fokussierpunkt F
im Verlauf einer vollen Schwenkbewegung einen Bogen durchläuft und somit nicht stets in der Bezugsebene 6
liegt. Der Tiefenschärfebereich ist in F i g. 2 mit T bezeichnet und erstreckt sich über die Tiefe 71
außerhalb der Bezugsebene 6 und über die Tiefe T7
zwischen Bezugsebene 6 und Zylinderlinse 17. Um trotz bogenförmigen Verlaufs des Fokussierurgspu: ktes
über den ganzen Tiefenschärfebereich T eine scharfe Abtastung des Zeichens zu erreichen, ist es bei
schw. nkendem Strahlenbündel 11'" zweckmäßig, die Abbildung der Fläche 16/4 in der Mittellage nicht in die
Bezugsebene 6 vorzunehmen, sondern in dem von der Zylinderlinse 17 abgewendeten Teil Tj des Tietenbereiches
T. Es ist insbesondere vorteilhaft, in der Mittellage des Abtaststrahles 7 die Abbildung in der von der ersten
Zylinderlinse 17 am weitesten entfernten Ebene 6' des Tiefenbereiches Terfolgen zu lassen.
Zur Erzielung eines möglichst großen Tiefenschärfebereiches Tist es vorteilhaft, den Abstand zwischen der
ersten Zylinderlinse 17 und der Strahlablenkvorrichtung
so groß zu machen, wie es die räumlichen Verhältnisse der Abtastvorrichtung erlauben, d. h. es ist vorteilhaft,
die erste Zylinderlinse 17 beispielsweise an einem Ende der Abtastvorrichtung 1/4 anzuordnen und die Strahlablenkvorrichtung
16 am entgegengesetzten Ende.
Die Dreh- bzw. Schwingachse 16öder Strahlablenkvorrichtung
16 steht wenigstens annähernd senkrecht zu der Längsachse der e.sten Zylinderlinse 17.
Das von der Fläche 16/4 der Strahlablenkvorrichtung
16 weggehende Strahlenbündel 1Γ" wird durch ein auf die Fläche 16-4 auftreffendes Strahlenbündel 11"
erzeugt, welches aus einer zweiten Zylinderlinse 15 kommt. Die Achse 15/4 der zweiten Zylinderlinse 15
steht senkrecht zur Längsachse der ersten Zylinderlinse
17. Das von einem schwach geneigten Umlenkspiegel 14
durch die zweite Zylinderlinse 15 kommende Strahlenbündel 11" schließt vorzugsweise mit der Dreh- bzw.
Schwingachse 16ß der Strahlablenkverrichtune 16
22 OO
einen etwas von 90° abweichenden Winkel γ ein
Derselbe Winkel γ liegt dann auch zwischen dem abgehenden Strahlenbündel 11'" und der Dreh- bzw.
Schwingachse 16ß. Hierdurch wird erreicht, daß das schwenkende Strahlenbündel 11'" oberhalb der Zylinderlinse
15 hin- und herschwenkt, ohne von der Zylinderlinse 15 beeinträchtigt zu werden. Die Abweichung
des Winkels von 90° wird vorteilhafterweise etwa 0,5° gewählt (F ig. 3).
Die zweite Zylinderlinse 15 wirft ein in der Ablenkrichtung gemäß Pfeil TA konvergentes Strahlenbündel
11" gegen die Strahlablenkvornehtung 16. Nach Spiegelung an der Fläche 16/4 setzt sich das
Strahlenbündel weiterhin konvergent als Strahlenbündel 1 Γ" fort (F i g. J). κ
Dadurch, daß die Achse der ersten und der /weiten Zylinderlinse 17 bzw. 15 senkrecht aufeinander stehen,
ist der Abtaststrahl 7 senkrecht /ur Richtung 74 konvergent und erzeugt nicht einen strichförmigen.
sondern einen punktförmigen Lichtfleck im Fokus.
F.in erster Vorteil der Anwendung von Zylindcrlinsen liegt darin, daß diese fabrikatorisch leichter mit der
geforderten Genauigkeit herzustellen sind als sphärische Linsen. Außerdem stellen sie in Richtung ihrer
Achse weniger hohe Anforderungen in bezug auf ihre i$
Justierung. Fin weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung der ersten Zylinderlinse 17 liegt darin, daß mit
ihrer Hilfe der Pyramidalfehler der Strahlablenkvorrichtung 16 praktisch ausreichend behoben wird.
Infolge des erwähnten Pyramidalfehlers der Ablenkvorrichtung 16 erhält das von ihr weggehende
Strahlenbündel 11'" einen Schlag, d h. die von sich aufeinanderfolgenden spiegelnden Flächen 16,4 stammenden
Strahlenbündel W" durchlaufen nicht alle die gleiche Ablenkfläche. Demzufolge überstreichen diese
Strahlenbündel verschiedene Stellen der Fläche 17ßder ersten Zylinderlinse 17. Die erste Zylinderlinse 17 hat
nun die Figenschaft, unabhängig von diesen Schwankungen
des auf sie treffenden Strahlenbündels 11'" diese stets im gleichen Punkt Fzu fokussieren. Dadurch ist der
sonst schädliche Pyramidalfehler mit optischen Mitteln behoben.
Diese Überlegungen gelten sinngemäß auch bei Anwendung eines Schwingspiegels in der Strahlablenkvorrichtung.
Der zweiten Zylinderlinse 15 wird ein über den Umlenkspiegel 14 um 90" abgelenktes Strahlenbündel
11' aus einer dritten Zylinderlinse 13 zugeführt. Anstelle der Zylinderlinse 13 könnte auch eine sphärische Linse
verwendet werden.
Der Zylinderlinse 13 wird über einen weiteren Umlenkspiegel 12 ein von einer Lichtquelle 10.
vorzugsweise einem Laser, z. B. Heliumgaslaser, stammendes Strahlenbündel 11 zugeführt.
Vermittels des optischen Systems, bestehend aus der dritten Zylinderlinse 13, Umlenkspiegel 14 und /weiter
Zylinderlinse 15, wird der .Strahldurchmesser des ursprünglichen Sirahlenbündels 11 so weit reduziert,
daß zusammen mit der Fokussierung durch die zweite und erste Zylinderlinse ein im Hinblick auf die Struktur
des abzulesenden Zeichens 5 hinreichend feiner Lichtfleck auf der Abtastspur entsteht.
Die Brennweite der ersten Zylinderlinse 17 wird vorteilhafterweise zwischen 50 und 150 mm gewählt.
Die Abtastvorrichtung \A wird vorteilhaft so ausgeführt bzw. angeordnet, daß der Sendestrahl 7
unter einem schiefen Winkel * gegen die Bezugsebene-Normale 8 auf die Bezugsebene auftrifft, weil hierdurch
spiegelnde Reflexionen in den Empfangsteil der Lesevorrichtung 1 weitgehend unterdrückt werden
können. Der Winkel liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 45°. Ein Winkel von 15° hat sich für die
Unterdrückung der spiegelnden Reflexion als ausreichend und besonders vorteilhaft erwiesen. Der Winkel λ
kann aber noch größer gewählt werden, beispielsweise 45°, wodurch sich als weiterer Vorteil ergibt, daß auch
auf einer Seitenfläche 4,4 der Ware 4 (vgl. Fig. I) angeordnete Zeichen, beispielsweise ein Balkencode,
abgelesen werden können.
Gibt die Lichtquelle 10, beispielsweise als Laser, bereits ein hinreichend feines, vorzugsweise paralleles.
Strahlenbündel 11 ab, dessen Querschnitt genügend klein ist, so kann, namentlich bei verhältnismäßig grober
Struktur des Zeichens 5, auf das optische System, bestehend aus den Linsen 13 und 15, verzichtet werden.
Infolge des fächerförmigen Ablenkens des Strahlenbündel
1 Γ" bzw. des Sendestrahls 7 ist die Auslenkung des Abtastpunktes längs der Abtastspur, insbesondere
gegen die beiden Endlagen hin, nicht mehr streng linear proportional zum seitlichen Ablenkwinkel durch die
Strahlablenkvorrichtung 16. Dieser Linearitätsfehler längs der Abtastspur wird durch den Strahlenversatzwinkel
ß. welcher zwischen dem Hauptstrahl des Strahlenbündels W" und dem Hauptstrahl des Sendestrahles
7 zufolge des schiefen Durchtritts durch die erste Zylinderlinse 17 auftritt, gemildert.
Die Lesevorrichtung 1 enthält weiter einen Empfangsteil mit einer weiteren Zylinderlinse 20 (Fig. 1),
welche ein Empfangsstrahlenbündel 19 aus dem an der Ware 4 bzw. an dem Zeichen 5 diffus reflektierten Licht
vorzugsweise durch eine blendenartige Vorrichtung 21 und ein Abbildungssystem 22 auf einen photoelektrischen
Wandler 23 wirft. Das elektrische Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers 23 kann vorteilhafterweise
über einen Verstärker 24 einem Computer zugeführt werden. Das Empfangsstrahlenbündel 19
verläuft unter einem Winkel ό, welcher größer ist als der Winkel a. zur Bezugsebene-Normale 8.
Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen
Claims (16)
1. Abiastvorrichtung für optisch erkennbare, insbesondere einer Ware zugeordnete und an dieser
angebrachte Zeichen, mit einem Sendestrahl, der S aufgrund einer Dreh- oder Schwingbewegung eines
einen Lichtstrahl erzeugenden oder weiterleitenden Teiles einer Strahlablenkvorrichtung um eine Achse
eine Bezugsebene abtastet, wobei zwischen der Bezugsebene und dem Dreh- oder Schwingteil der
Strahlablenkvorrichtung eine sich in Abtastrichtung erstreckende erste Zylinderlinse angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinse (17) die den Sendestrahl (7) abgebende
Räche (!ΘΑ; der Strahlablenkvorrichtung (16)
mindestens bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls (7) auf die Abtastspur innerhalb eines die
Bezugsebene (6) enthaltenden Tiefenbereiches (T) abbildet.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung in dem von der
ersten Zylinderlinse (17) abgewandten Teil (T1) des
Tiefenbereiches (T) erfolgt.
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung in der
von der ersten Zylinderlinse (17) am weitesten entfernten Ebene (6') des Tiefenbereichs f7?erfolgt.
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkvorrichtung
(16) ein Spiegelrad oder einen Schwingspiegel jo enthält, dessen Dreh- bzw. Schwingachse (\6B)
wenigstens annähernd senkrecht zu der Längsachse der ersten Zylinderlinse (17) sieht.
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkvorrichtung
(16) an einem Ende der Vorrichtung angeordnet ist, an deren anderem Ende die erste Zylinderlinse (17)
vorgesehen ist.
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Dreh- oder
Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung (16) auftreffende bzw. von ihm abgehende Lichtstrahl mit
der Dreh- bzw. Schwingachse (16Sjeinen etwas von
90° abweichenden Winkel (γ) einschließt.
7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 6, 4s
dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Winkels (y) von 90° etwa 0,5° beträgt.
8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Dreh- oder Schwingteil
der Abtastvorrichtung (16) ein in der Abtastrichtung (7/^konvergentes Strahlenbündel (H") auffällt.
9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungspunkt (F)des
Strahlenbündels (H'"), welches vom Dreh- oder Schwingten der Abtastvorrichtung (16) abgestrahlt
wird, wenigstens bei senkrechtem Auftreffen des Sendestrahls (7) auf die Abtastspur oberhalb der
Bezugsebene (6) liegt
10. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Dreh- oder
Schwingteil der Strahlablenkvorrichtung (16) auftreffende Strahlenbündel (H") von einer zweiten
Zylinderlinse (15) gebildet ist, deren Achse (15,4j
senkrecht zur Achse dir ersten Zylinderlinse (17) steht. ftfi
11. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten
Zylinderlinse (17) zwischen 50 und 150 mm beträgt.
12. Abtastvorrichtung nach Anspruch I oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zylinderlinse (15) mit einer dritten Zylinderlinse (13) ein
Abbildungssystem bildet, das einen Laserstrahl (11) im Bereich der Bezugsebene (6) zu einem Punkt
zusammenzieht.
13. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sendestrahl (17)
überstrichene Fläche mit der Bezugsebene-Normale (8) einen von 0° verschiedenen Winkel (λ)
einschließt
14. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α)
zwischen 10° und 45° beträgt.
15. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (λ) 15°
beträgt.
16. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Grundplatte (9)
vorzugsweise parallel zu einer Kante der Grundplatte
(9) als Lichtquelle (10) ein Laser vorgesehen ist, sowie ein 90°-Umlenkspiegel (12) eine dritte
Zylinderlinse (13) mit im wesentlichen senkrecht auf der Grundplatte (9) stehender Achse, ein weiterer
90°-Umlenkspiegel (14), eine zweite Zylinderlinse (15) mit parallel zur dritten Zylinderlinse (13)
verlaufender Achse (ISA) und die Strahlablenkvorrichtung
(16) mit einem Spiegelrad oder Schwingspiegel angeordnet sind, und daß die erste
Zylinderlinse (17) an der senkrecht zur Laserachse verlaufenden, entgegengesetzt der Strahlablenkvorrichtung
(16) befindlichen Kante der Grundplatte (9) befestigt ist.
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