DE2602991A1 - Optische einrichtung zum fokussieren eines optischen strahlungsbuendels - Google Patents

Description

RCA 68804 27. Januar 1976

US-Ser.No. 572,006 7883-75 Dr.ν.B/E

Filed April 28, 1975

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Optische Einrichtung zum Fokussieren eines optischen Strahlungsbündels

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zum Fokussieren eines optischen Strahlungsbündels, das einen Bereich, in dem die Strahlen des Bündels nicht parallel sind, enthält, auf eine Oberfläche eines Objekts, die im Wege des Strahlungsbündels in einem beliebigen Abstand von einer Bezugsposition,, der in weiten Grenzen schwanken kann, angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich also allgemein gesprochen auf eine optische Einrichtung, bei der die Fokussierung eines Bündels optischer Strahlung verstellbar ist. Die Einrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für cptische Abtaster, bei denen die Lage einer abzutastenden Fläche bezüglich eines Punktes des optischen Systems unterschiedliche Werte haben kann.

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In der Optik tritt häufig die Aufgabe auf, ein optisches Strahlungsbündel auf eine Fläche zu fokussieren, deren Abstand von einem Bezugspunkt des optischen.Systems innerhalb eines weiten Abstandsbereiches liegen kann. Dies geschieht gewöhnlich, z.B. bei einem Dia- oder Filmprojektor mittels einer Reihe verstellbarer Linsen. Für solche optischen Systeme werden jedoch Linsen mit sehr engen Toleranzen und ein kompliziertes mechanisches System zur Verstellung der Linsen in bezug aufeinander und zur Halterung der Linsen in der vorgesehenen Einstellung benötigt. Die Anforderungen an die Mechanik sind besonders hoch, wenn die Fokussierung des Systems schnell und/oder häufig verstellt werden muß. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Optik auf die Oberfläche einer Reihe von Gegenständen unterschiedlicher Größe fokussiert werden muß, die eine Lesestation, in der die einzelnen Gegenstände optisch abgetastet werden, mit hoher Geschwindigkeit durchlaufen.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine optische Einrichtung und ein optisches System angegeben werden, mit dem ein optisches Strahlungsbündel schnell und einwandfrei, betriebssicher und mit geringem Aufwand auf die Oberfläche eines Objekts fokussiert werden kann, das sich im Wege des Strahlungsbündels in irgend einer von mehreren Abständen von einer Bezugsposition befinden kann. Das Strahlungsbündel enthält einen Bereich, in der die Strahlen des Bündels nicht parallel sind. Gemäß der Erfindung enthält eine solche Einrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes der Oberfläche von der Referenzposition bzw. einen Bezugspunkt. Im optischen Weg ist in dem Bereich, in dem die Strahlen des Bündels nicht parallel sind, eine Platte aus optisch transparentem Material angeordnet, die entgegengesetzte, parallele Flächen hat, deren Abstand voneinander eine Funktion des gemessenen Abstandes ist. Die parallelen Flächen der Platte

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verlaufen im allgemeinen senkrecht zur Achse des Strahlungsbündels, so daß dieses in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den parallelen Oberflächen geändert und auf die Oberfläche des Objekts fokussiert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen Abtasteinrichtung, die eine optische Fokussiereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispxel der Erfindung enthält;

Fig. 2a und 2b Beispiele von Etiketten, wie sie in der Praxis bei einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung zur Kennzeichnung von Gegenständen verwendet und durch eine Abtasteinrichtung gemäß Fig.l abgetastet werden können;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Strahlenganges der optischen Einrichtung gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein z.B. aus einer Packung oder einem Behälter bestehender Gegenstand 10 dargestellt, der auf einem im Querschnitt dargestellten Förderband 12 ruht. Der Gegenstand 10 wird durch eine Andrückvorrichtung 16 seitlich gegen einen Bezugsanschlag 14 gedrückt. Das Andrücken kann andererseits beispielsweise auch dadurch geschehen, daß man das Förderband schrägstellt, so daß der Gegenstand 10 durch die Schwerkraft gegen den Bezugsanschlag 14 gedrückt wird.

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Das Förderband 12 wird über eine Antriebsrolle 24 angetrieben, deren Welle 22 mit einem Motor 20 gekoppelt ist, so daß der Gegenstand 10 in Längsrichtung des Förderbandes transportiert wird. Der Gegenstand 10 wird an einer Höhenmeßstation vorbeigeführt, welche eine konventionelle Lichtquelle 30 und eine Reihe beabstandeteter Photodetektoren 32 enthält und die Höhe einer Oberfläche 36 des Gegenstandes 10 über einem Bezugspunkt, wie der Oberfläche des Förderbandes 12 zu bestimmen gestattet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind acht Photodetektoren 32 vorgesehen.

Die Photodetektoren 32 sind bezüglich des Anschlages 14 so angeordnet, daß der Gegenstand, dessen Höhe zu bestimmen ist, nahe an den Photodetektoren 32 vorbeiwandert. Die Lichtquelle 30, die eine entsprechende Linsenanordnung enthalten kann, ist vorzugsweise so ausgebildet, daß das von ihr ausgehende Lichtbündel einen verhältnismäßig scharfen Schatten eines oberen Randes 34 des Gegenstandes 10 auf die Photodetektoren 32 wirft. Die Lichtquelle 30 ist außerdem unter einem kleinen Winkel bezüglich der Senkrechten zu der die Photodetektoren 32 enthaltenden Ebene geneigt, so daß Verschnürungen, Bänder und dgl., mit denen der Gegenstand 10 versehen sein kann, die Messung nicht verfälschen. Die verschiedenen Photodetektoren 32 liefern unterschiedliche elektrische Ausgangssignale je nachdem ob Licht auf sie fällt oder nicht und diese Ausgangssignale werden einer Diodenmatrix 38 zugeführt, welche binäre Signale liefert, welche die Höhe des Gegenstandes 10 angeben.

Längs des Förderbandes 10 hinter der Höhenmeßstation" (gerechnet in der Bewegungsrichtung des Gegenstandes 10) ist ein optisches Abtastsystem 39 angeordnet. Das optische Abtastsystem enthält eine Strahlungsquelle 40, wie einen Laser, die ein Bündel kohärenter kollimierter Strahlung (Licht) lie-

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fert, eine optische Einrichtung 42, der die Signale von der Diodenmatrix 38 zugeführt werden, einen rotierenden, mehrflächigen (prismatischen) Abtastspiegel 44 und einen Strahlungsfühler 46,z.B. eine Photosekundärelektronenvervielfacherröhre. Der Abtastspiegel 44 ist so angeordnet, daß ein von der optischen Einrichtung 42 austretendes optisches Strahlungsbündel 48a auf ihn fällt und als abgelenktes Strahlungsbündel 48b die die obere Seite bildende Oberfläche 36 des Gegenstandes 10 abtastet. Das abtastende Strahlungsbündel 48b überstreicht einen etwaigen Aufdruck auf der Oberfläche 36 sowie auf dieser angeordnete Codeetiketten, die gemäß Fig. 2a oder 2b ausgebildet sein können. Die Codeetiketten können, wie Fig. 2a zeigt, beispielsweise mehrere konzentrische Ringe enthalten, die eine von zwei verschiedenen optischen Eigenschaften haben können. Die Codeetiketten können auch gemäß Fig. 2 parallele Streifen enthalten, die zwei verschiedene optische Eigenschaften haben können. Die Codeetiketten können z.B. Angaben über eine Teilenummer, einen Preis oder eine Postleitzahl enthalten. Das von der Oberfläche 36 reflektierte Licht fällt auf den S trah lungs fühler 46, der an seiner Ausgangsklemme 52 ein entsprechendes elektrisches Signal abgibt. An die Ausgangsklemme 52 kann eine Decodiervorrichtung bekannter Bauart angeschlossen sein, wie sie z.B. in der US-PS 3 708 655 beschrieben ist.

Die optische Einrichtung 42 ist in Fig. 3 genauer dargestellt. Sie enthält Leistungsverstärker 61, 64, 67, deren Eingangsklemmen jeweils mit einem von drei Ausgängen der Diodenmatrix 38 gekoppelt sind. Die Ausgangsleitungen der drei Leistungsverstärker sind mit entsprechenden Triebspulen von Drehmagnetsystemen 62, 65 bzw. 68 gekoppelt. Die Drehmagnetsysteme oder Solenoide sind jeweils magnetisch mit einem von drei optisch transparenten Platten 63, 66 bzw. 69 ge-

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koppelt. Die Platten haben jeweils entgegengesetzte planparallele Oberflächen und können aus Glas, Quarz oder entsprechenden Werkstoffen bestehen. Wenn z.B. die Spule 65 erregt wird, bewegt sie die zugehörige Platte 66 in den Strahlengang, d.h. den Weg 48 des Strahlungsbündels. Die Platten 63 und 69, die mit den nicht erregten Triebspulen 62 und 68 gekoppelt sind, bleiben außerhalb des Strahlenganges. Wenn die Dicke der planparallelen Platte 63, gemessen längs der Achse des Strahlenganges 48, den Wert t hat, ist vorzugsweise die Dicke der Platte 66 gleich 2t und die Dicke der Platte 69 ist 4t. Die Dicken der Platten bilden also eine binäre Progression oder Reihe. Eine solche Anordnung ermöglicht eine maximale Änderung des Fokussierungsbereiches mit einer minimalen Anzahl an planparallelen Platten.

Im Strahlengang 58 ist eine Bündelerweiterungsvorrichtung angeordnet, die zwei Konvexlinsen 72 und 74 enthält, von denen die eine Linse 72 vor und die andere Linse 74 hinter der Plattenanordnung im Strahlengang angeordnet ist. Zwischen eine gemeinsame Rückleitung für alle Triebspulen 62, 65 und 68 und die Diodenmatrix 38 ist eine Leistungsquelle 76 zur Speisung der Drehmagnetsysteme geschaltet.

In Fig. 4 ist der Strahlengang der anhand von Fig. 3 erläuterten optischen Einrichtung genauer dargestellt. Wenn sich keine Platte P im Strahlengang befindet, verlaufen die Strahlen des Bündels so, wie durch die ausgezogenen Linien 81a, 81b, 82a, 82b, 83a und 83b dargestellt ist. Die Linien 81a und 81b stellen also die Begrenzungen des Strahlungs- oder Lichtbündels von der aus einem Laser bestehenden Strahlungsquelle 40 dar. Das Strahlungsbündel

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fällt auf die Konvexlinse 72, deren optische Achse parallel zu den Strahlen des durch die Linien 81a und 81b dargestellten Strahlungsbündels verläuft und fokussiert letzteres im Abstand ihrer Brennweite f- im Brennpunkt F^, der sich in Fig. 4 rechts von der Konvexlinse 72 befindet. Ein bei F₁ angeordnetes reelles Objekt, das im Abstand x.. + f₂ links von der zweiten Sammellinse 74 liegt, wird in einen Punkt im Abstand f₂ + Y₁ rechts von der Sammellinse 74 abgebildet oder fokussiert, wobei

ist. Der Abtastspiegel 44 (Fig. 1), der zur Vereinfachung der Zeichnungen in Fig. 3 und 4 nicht dargestellt ist, würde vorzugsweise im Abstand der Brennweite f₂ rechts von der Sammellinse 74 liegen, wo der Bündeldurchmesser unabhängig von der jeweiligen Plattenkombination konstant ist, wie methematisch oder graphisch gezeigt werden kann.

Wenn eine Plattenkombination P mit der Dicke t

in den Strahlengang eingesetzt wird (wobei t die Summe der Dicken der jeweiligen Kombination von Platten 63, 66 und 69 ist, die in den Strahlengang eingeschaltet und der Einfachheit halber in Fig. 4 als eine einzige Platte P dargestellt ist), verlaufen die Strahlen wie durch die ausgezogenen Linien 81a, 81b, 82a, 82b und durch die gestrichelten Linien 91a, 91b, 92a, 92b und 93a, 93b dargestellt ist. Wenn also die dargestellte Plattenkombination P in den Strahlengang eingeschaltet ist, befindet sich ein virtuelles Objekt im Abstand f₂ + x_n links von der Konvexlinse 74. Dabei gilt:

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x_n = X₁ - Δχ (2)

Δχ - N=I . t (3)

Cix = 0,33 t_n (4)

In diesen Gleichungen ist N der Brechungsindex des Materials der Platten, also etwa 1,5 für Glas.

Die Gleichung (1) läßt sich wie folgt verallgemeinern:

2
Y_n =—*— (5)

^xn

(Die Winkel der Strahlen 82b und 92a sowie der Strahlen 82a und 92 b mit der Oberfläche 99 der Plattenanordnung P wird durch Snellius'sehe Gesetz bestimmt). Setzt man die Gleichungen (2) und (3) in die Gleichung (5) ein, so erhält man:

f ²

y = —- dabei ist (6)

ⁿ X₁ - K · t_n N

Da f , X₁ und K für ein vorgegebenes System Konstante sind, ist y , dessen Wert addiert zu f₂ die Bildweite eines Bündels rechts von der Konvexlinse 34 ergibt, eine inverse Funktion von-t , also der Dicke der Plattenkombination P.

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Diese Eigenschaft des optischen Systems hängt auch nicht davon ab, wo sich die Plattenkombination P befindet, solange die Strahlen des auf die Plattenkombination auffallenden Bündels nicht parallel sind. Die Plattenkombination P kann also entweder, wie dargestellt, zwischen den Konvexlinsen 72 und 74 angeordnet werden oder auch rechts von der Konvexlinse 74. Man beachte jedoch, daß bei der Anordnung der Plattenkombination P an der dargestellten Stelle relativ dünne Platten, also Platten mit relativ kleinen Dicken t , relativ große Brennweiteänderungen bewirken. Eine in Fig. 4 rechts von der Konvexlinse 74 angeordnete Plattenkombination P ergibt dagegen bei einer relativ großen Änderung von P nur eine relativ kleine Brennweitenänderung. Wenn man also Platten auf beiden Seiten der Konvexlinse 74 anordnet, kann man eine Art von Feineinstelleffekt erreichen. Die optische Einrichtung 42 und der Abtastspiegel 44 (Fig.l) sind so angeordnet, daß das Strahlungsbündel auf die Oberfläche 36 des größten Gegenstandes 10, der zu erwarten ist, fokussiert wird, wenn sich keine Platte im Strahlengang befindet, d.h. auf einen Gegenstand der gerade den Photodetektor 32a abdunkelt. Die Gesamtdicke der Platten 63, 66 und 69 ist so gewählt, daß der optische Strahlengang auf einen Gegenstand 10, dessen Oberseite unterhalb des Photodetektors 32b liegt, fokussiert wird, wenn alle Platten in den optischen Strahlengang eingeschaltet sind.

Wenn im Betrieb ein Gegenstand 10, der eine Codeetikett der in den Figuren 2a oder 2b dargestellten Art trägt, an den Photodetektoren 32 vorbeitransportiert wird, tritt am Ausgang der Diodenmatrix 38 eine binäre Signalkombination auf, die die Höhe des betreffenden Gegenstandes angibt. Als Folge davon werden keine, bestimmt^jedoch nicht

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alle oder alle Platten 63, 66 und 69 durch die entsprechenden Drehmagnetsysteme mit den Triebspulen 62, 65 und 68 in den optischen Strahlengang bewegt. Bei Fig. 3 ist z.B. die planparallele Platte 6 in den Strahlengang eingeschwenkt worden. Bei der Drehung des Abtastspiegels 44 streicht das fokussierte Bündel über die Oberfläche 36 und die resultierenden optischen Signale werden vom Strahlungsfühler 46 in entsprechende elektrische Signale umgesetzt, die dann in der gewünschten Weise wexterverarbeitet werden.

Die Anzahl der Photodetektoren 32 und die Anzahl sowie Dicke der planparallelen Platten in der Einrichtung hängen selbstverständlich von dem Größenbereich der abzutastenden Gegenstände und von der gewünschten Auflösung ab. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden fünf planparallele Platten aus Quarz verwendet, die 32 Brennweite- oder Einstellzonen ergaben, mit denen ein Gegenstands-Höhenbereich von etwa 50 cm erfaßt werden konnte. In den Brennweitezonen war der Durchmesser des fokussierten Strahlungsfleckes jeweils kleiner als 0,25 mm. Die dünnste Platte hatte eine Nenndicke von 0,648 mm und die dickste Platte eine Nenndicke von 10,36 mm, sie war also 16 mal dicker als die dünnste Platte.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Optische Einrichtung zum Fokussieren eines optischen Strahlungsbündels, das einen Bereich, in dem die Strahlen des Bündels nicht parallel sind, enthält, auf eine Oberfläche eines Objekts, die im Wege des Strahlungsbündels in irgend einem von mehreren Abständen von einem Bezugspunkt angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32, 38) zum Erzeugen eines Signales entsprechend dem Abstand der Oberfläche (36) von dem Bezugspunkt (12); eine transparente optische Anordnung (P, 63, 66, 69), die in dem Bereich, in dem die Strahlen des Bündels nicht parallel sind, im Wege des Strahlungsbündels angeord- et ist und entgegengesetzte parallele Oberflächen (99) , hat, die im Abstand voneinander senkrecht zur Achse des Bündels verlaufen; und eine Vorrichtung (62, 65, 69) zur Verstellung des Abstandes der Oberflächen der optischen Anordnung (P).
2. 2. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente optische Anordnung mehrere transparente Platten (63, 65, 69) verschiedener Dicke mit jeweils planparallelen Oberflächen enthält und daß die signalgesteuerte Vorrichtung entsprechend dem Abstand der Oberfläche (36) des Gegenstandes (10) vom Bezugspunkt, der durch das Signal angezeigt wird, eine oder mehrere Platten in den Weg des Strahlungsbündels bringt, wobei die gesamte Dicke aller im Strahlungsgang angeordneter Platten entsprechend dem Abstand zwischen der Gegenstandsoberfläche und dem Bezugspunkt bestimmt ist.

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3. 3. Optische Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, daß die Dicken der Platten proportional zu 2 ist, wobei N die Anzahl der Platten und i die laufende Nummer der jeweiligen Platte bedeuten.
4. 4. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente optische Anordnung (P) in einer Anordnung (72, 74) zur Strahlungsbündelerweiterung angeordnet ist.
5. 5. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Strahlungsbündels eine kollimierte Strahlungsquelle (40) vorgesehen ist.

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