DE4411023C2 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Kontrastmarken und Verfahren zur Reduktion von Signalverzerrungen für eine optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Kontrastmarken - Google Patents
Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Kontrastmarken und Verfahren zur Reduktion von Signalverzerrungen für eine optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von KontrastmarkenInfo
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- DE4411023C2 DE4411023C2 DE4411023A DE4411023A DE4411023C2 DE 4411023 C2 DE4411023 C2 DE 4411023C2 DE 4411023 A DE4411023 A DE 4411023A DE 4411023 A DE4411023 A DE 4411023A DE 4411023 C2 DE4411023 C2 DE 4411023C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der EP 0 433 593 A2 bekannt. Die Vorrichtung
ist als Barcode-Lesegerät zum Abtasten von Barcode-Symbolen ausge
bildet.
Die Barcode-Symbole bestehen aus einer Folge von hellen und dunklen Linien
elementen vorgegebener Breite. Die Barcode-Symbole werden von der Vorrich
tung mittels eines Sendelichtstrahls, vorzugsweise eines Laserstrahls, abgetastet.
Der Sendelichtstrahl weist einen mittleren Durchmesser entsprechend
seiner räumlichen Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
auf. Bei Laserstrahlen entspricht die räumliche Intensitätsverteilung idealerweise
einer Gaußverteilung.
Der Durchmesser des Sendelichtstrahls variiert mit dem Abstand zur Vorrich
tung entsprechend der Sendeoptik, die dem Sendeelement vorgeschaltet ist. In
der Brennebene des Sendelichtstrahls ist der Durchmesser des Sendelichtstrahls
üblicherweise erheblich kleiner als die Breite der Linienelemente.
Demzufolge ist die Amplitudenmodulation des Empfangssignals nahezu identisch
mit den Breiten der Linienelemente des Barcode-Symbols, so daß dieses von
der Vorrichtung sicher erkannt werden kann.
Mit zunehmender Entfernung des Barcode-Symbols von der Brennebene des
Sendelichtstrahls wird der Durchmesser des Sendelichtstrahls rasch größer.
Sobald der Durchmesser des Sendelichtstrahls von gleicher Größenordnung wie die
Breiten der Linienelemente der Barcode-Symbole ist, wird die Modulation des
Empfangssignals durch die Breite des Sendelichtstrahls so beeinflußt, daß eine
sichere Detektion des Barcode-Symbols erschwert wird oder nicht mehr möglich
ist.
Wie in der EP 0 433 593 A2 ausgeführt wird, werden mit größer werdendem
Durchmesser des Sendelichtstrahls die hochfrequenten Anteile des modulierten
Empfangssignals, die von den schmalen Linienelementen des Barcode-Symbols
stammen, zunehmend unterdrückt.
Werden die Amplituden der hochfrequenten Anteile des Empfangssignals im
Verhältnis zu den Amplituden der niederfrequenten Anteile des Empfangssignals
zu stark unterdrückt, kann das Barcode-Symbol von der Vorrichtung nicht mehr
gelesen werden.
Um diesen Effekt zu kompensieren, ist in der Vorrichtung gemäß der
EP 0 433 593 A2 ein analoges Filter vorgesehen, mit dem das analoge Emp
fangssignal so gefiltert wird, daß die hochfrequenten Komponenten stärker als
die niederfrequenten Komponenten verstärkt werden.
Zur Festlegung der Übertragungscharakteristik des Filters werden vier Frequen
zen f₀, f₁, f₂ und f₃ definiert.
In den Bereichen zwischen zwei benachbarten Frequenzen wird jeweils ein be
stimmter Verstärkungsfaktor gewählt, wobei die Verstärkungsfaktoren mit zuneh
mender Frequenz größer werden. Die Übertragungscharakteristik des Filters
kann für einen bestimmten Durchmesser des Sendelichtstrahls fest eingestellt
werden. Alternativ kann die Übertragungsfunktion des Filters durch Verschieben
der Frequenzen f₀, f₁, f₂ und f₃ verändert werden.
Diese Verschiebung erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Frequenz
die den schmalen Linienelementen des Barcode-Symbols entspricht.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht in der groben Einteilung
des Frequenzspektrums des Empfangssignals. Dadurch kann der Einfluß des
Sendelichtstrahldurchmessers auf die Modulation des Empfangssignals nur un
vollständig erfaßt werden. Entsprechend kann das Empfangssignal mittels des
analogen Filters nur begrenzt optimiert werden.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Übertragungs
funktion des analogen Filters nur für einen bestimmten Abstand optimiert
werden kann. Bei verschiedenen Leseabständen müssen die Frequenzen f₀, f₁, f₂
und f₃ verändert werden, wobei die Änderung der Frequenzen mittels eines zusätzlichen
Sensorsystems erfolgt, das beispielsweise die Signal-Frequenzen der
von den schmalen Linien stammenden Empfangssignale mißt. Dies bedeutet
einen beträchtlichen zusätzlichen Schaltungsaufwand.
Aus der US 43 23 772 ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Barcode-Symbolen
bekannt, deren Empfangselement von einer Zeilenkamera, bestehend aus
einer linearen Anordnung von Photodioden, gebildet ist.
Das von der Zeilenkamera registrierte analoge Empfangssignal wird mittels
einer Schwellwerteeinheit digitalisiert. Dieser Schwellwerteeinheit ist ein digitales
Filter nachgeschaltet. Mit dem digitalen Filter wird eine Bewertung der
Signale derart durchgeführt, daß ein bestimmter Zustand, d. h. ein schwarzes
oder weißes Strichelement eines Barcode-Symbols, nur dann als erkannt gilt,
wenn wenigstens zwei benachbarte Photodioden dasselbe Empfangssignal
liefern. Auf diese Weise können Ausfälle einzelner Photodioden kompensiert
werden oder kleine Fehler in den Barcode-Symbolen unterdrückt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Marken innerhalb eines
großen Lesebereichs sicher erkannt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 vorgese
hen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Ansprüchen 2-8 sowie 10-16 beschrieben.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Störungen des Empfangssignals,
die insbesondere durch das Empfangselement und durch den endlichen
Durchmesser des Sendelichtstrahls verursacht werden, systematisch und voll
ständig zu erfassen und mittels des digitalen Filters zu kompensieren.
Hierfür ist dem Empfangselement ein n-bit Analog-Wandler nachgeschaltet,
der das analoge Empfangssignal in ein digitales Signal umwandelt. Die Auflösung
des Analog-Digitalwandlers d. h. dessen Wortbreite ist zweckmäßigerweise
möglichst groß zu wählen. Dadurch wird ein Informationsverlust bei der Wandlung
des Analogsignals in ein Digitalsignal weitgehend vermieden.
Die Kompensation der Verzerrungen des Empfangssignals erfolgt durch eine
geeignete Wahl der Übertragungsfunktion des digitalen Filters, dem das digitali
sierte Empfangssignal zugeführt wird.
Bei der Bestimmung der Übertragungsfunktion des digitalen Filters werden die
Übertragungsfunktionen der signalverzerrenden Bauelemente, insbesondere des
Empfangselements, sowie das Frequenzspektrum der räumlichen Intensitätsver
teilung des Sendelichtstrahls berücksichtigt. Dadurch können die Störeinflüsse
über den gesamten Frequenzbereich genau erfaßt und kompensiert werden, wo
durch die Geometrie der Hell-Dunkelflächen der Marken sehr präzise aus den
Amplitudenverlauf des Empfangssignals rekonstruiert werden kann.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einstellbaren Koeffizien
ten des digitalen Filters über ein zweckmäßigerweise rechnergestütztes Varia
tionsverfahren erhalten. Dabei erfolgt die Variation der Koeffizienten des Filters
bis das Empfangssignal innerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit mit dem tat
sächlichen Kontrastmuster der Marken übereinstimmt.
Die Variation der Koeffizienten des digitalen Filters kann für einen vorgegebe
nen Leseabstand der Marken zur Vorrichtung und für ein vorgegebenes Kon
trastmuster einer Marke erfolgen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Varia
tion der Koeffizienten des digitalen Filters für einen vorgegebenen Bereich des
Leseabstands durchgeführt. Zusätzlich wird die Variation auf verschiedene Kon
trastmuster der Marken ausgedehnt.
Dadurch wird erreicht, daß verschiedene Marken nicht nur bei einem Leseab
stand sondern in einem ausgedehnten Lesebereich sicher erkannt werden kön
nen. Dadurch wird die Verfügbarkeit der Vorrichtung ohne Erhöhung des Schal
tungsaufwands beträchtlich erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die
Übertragungsfunktionen des Empfangselements oder ggf. weiterer signalverzer
render Bauelemente innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite bei der Variation
der Koeffizienten der signalverzerrenden Bauelemente vorgegeben.
Diese Bandbreiten entsprechen zweckmäßigerweise den Exemplarstreuungen der
Bauelemente. Auf diese Weise braucht die Variation der Koeffizienten des
digitalen Filters nicht für jede Vorrichtung einzeln durchgeführt werden, sondern
nur einmal für eine gesamte Serie von Vorrichtungen.
Auf diese Weise wird der Aufwand bei der Prüfung und Einstellung der Vor
richtung erheblich gesenkt, wodurch der Kostenaufwand für die Vorrichtung re
duziert werden kann.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 einen Prinzipaufbau der optoelektronischen Vorrichtung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Auswerteeinheit der optoelektronischen
Vorrichtung,
Fig. 3 ein Impulsdiagramm der Signalauswertung in der Schwellwertein
heit mit:
- a) Darstellung eines Barcode-Symbols,
- b) Empfangssignal am Eingang der Schwellwerteinheit,
- c) differenziertes Empfangssignal,
- d) binäre Empfangssignalfolge am Ausgang der Schwell werteinheit,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines FIR-Filters,
Fig. 5 Ablaufschema zur Bestimmung der Koeffizienten des digitalen Filters,
Fig. 6 Zeitabhängigkeit der Koeffizienten des digitalen Filters während
der Variation der Koeffizienten,
Fig. 7 Koeffizienten des digitalen Filters nach Ablauf der Variation der
Koeffizienten,
Fig. 8 Übertragungsfunktion des optimierten digitalen Filters,
Fig. 9 Dekodiersicherheit der Vorrichtung mit bzw. ohne optimiertem di
gitalen Filter.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum
Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken dargestellt.
Prinzipiell können die Marken beliebige Folgen und Formen von einander an
grenzenden Hell-Dunkelflächen, vorzugsweise Schwarz-Weiß-Flächen, aufwei
sen. Im folgenden soll die Erfindung für den Fall erläutert werden, daß die
Marken von Barcode-Symbolen 2 gebildet sind. Die Barcode-Symbole 2 bestehen
im wesentlichen aus einer Folge von schwarzen und weißen Linienelementen
2a, b definierter Länge und Breite.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sende
element 3, einem Empfangselement 4 sowie einer Auswerteeinheit 5. Das Sen
deelement 3 besteht aus einem Sender 6, vorzugsweise einer Laserdiode, sowie
aus einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des
Sendelichts 8. Das fokussierte Sendelicht 8 wird über eine Ablenkeinheit
9, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden
Polygonspiegelrad gebildet ist, abgelenkt und über das zu detektierende Barcode-Symbol
2 geführt. Die Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur
in Fig. 1 dargestellten Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.
Das vom Barcode-Symbol 2 reflektierte Empfangslicht 10 wird über das Polygonspiegelrad
zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht
aus einer Fotodiode 11, in der das Empfangslicht 10 in ein elektronisches
Empfangssignal gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker
12. Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement 4
eine Empfangsoptik 13 vorgeschaltet.
Das am Ausgang des Empfangselements 4 anstehende Empfangssignal wird der
Auswerteeinheit 5 zugeführt.
Aus Fig. 3 ist das Prinzip der Auswertung der Empfangssignale ersichtlich. In
Fig. 3a ist ein Barcode-Symbol 2 mit einer Folge von schwarzen und weißen Linienelementen
2a, b dargestellt. Falls der Durchmesser des Sendelichtstrahls
8 auf dem Barcode-Symbol 2 wesentlich kleiner als die kleinste Breite eines
Linienelements 2a, b ist, wird das Sendelicht 8 durch die Reflexion von
dem Barcode-Symbol 2 wie in Fig. 3b dargestellt amplitudenmoduliert.
Falls im Empfangselement 4 keine Verzerrungen oder Verfälschungen des Emp
fangssignals erfolgt, entspricht der in Fig. 3b dargestellte Kurvenverlauf dem
am Ausgang des Empfangselements 4 anstehenden Empfangssignal.
Die Bestimmung der Breite der einzelnen Linienelemente 2a, b des Barcode-Symbols
2 in der Auswerteeinheit 5 erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Wendepunktverfahren.
In einem ersten Schritt wird das Empfangssignal differenziert (Fig. 3c). Anschließend
werden die Extrema des differenzierten Empfangssignals bestimmt,
die den Wendepunkten des Empfangssignals entsprechen. Diese Wendepunkte
wiederum definieren die Übergänge von einem schwarzen zu einem weißen Linienelement
2a, b bzw. umgekehrt.
Zur Bestimmung der Wendepunkte des Empfangssignals wird das differenzierte
Empfangssignal mit vorzugsweise zwei Schaltschwellen S₁ und S₂ (Fig. 3c) in
eine binäre Signalfolge (Fig. 3d) umgewandelt. Die Dauer der Zustände "0" und
"1" der binären Signalfolge ist ein Maß für die Breite der Linienelemente 2a, b
des Barcode-Symbols 2. Die Dauer der Zustände "0" und "1" kann über einen
taktgesteuerten Zähler einfach erfaßt werden.
Mit größer werdendem Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 bzw. zunehmenden
Signalverzerrungen im Empfangselement 4 werden auch die Kantenfehler größer,
d. h. die Wendepunkte des Empfangssignals fallen mit den Ortskoordinaten
der Schwarz-Weiß-Übergänge des Barcode-Symbols 2 nicht mehr zusammen.
Im Extremfall kann dadurch ein Barcode-Symbol 2 nicht mehr erkannt werden.
Ein Maß für die Abweichung des Empfangssignals vom tatsächlichen Kontrast
muster bildet die sogenannte Dekodiersicherheit DS.
Bei einem idealen Barcode-Lesegerät ohne signalverzerrende Bauelemente und
mit einem unendlich scharf fokussierten Sendelichtstrahl 8 ergibt sich eine voll
kommene Übereinstimmung der Lagen der Wendepunkte des Empfangssignals
und der Lagen der Schwarz-Weiß-Übergänge des Barcode-Symbols 2. Dies ent
spricht dem Wert DS = 1. Ein Barcode-Symbol 2 kann von der Vorrichtung 1
mit Sicherheit erkannt werden.
Mit größer werdenden Störeinflüssen werden die Unterschiede zwischen den La
gen der Wendepunkte des Empfangssignals und den Lagen der Schwarz-Weiß-Über
gänge des Barcode-Symbols 2 größer, d. h. die Dekodiersicherheit DS wird
kleiner.
Bei einem realen Barcode-Lesegerät können die bauteilbedingten Störeinflüsse
oder der Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 so groß sein, daß Linienelemente
2a, b des Barcode-Symbols 2 mit unterschiedlichen Breitenverhältnissen zu
einem Empfangssignal mit äquidistanten Wendepunktabständen führen. In die
sem Fall können Linienelemente 2a, b unterschiedlicher Breite nicht mehr er
kannt werden. Die Dekodiersicherheit beträgt in diesem Fall DS = 0.
Zur Elimination dieser Signalverzerrungen d. h. zur Erhöhung der Dekodiersi
cherheit ist in der Auswerteeinheit 5 der Schwellwerteinheit 14 der Analog-Di
gitalwandler 15 und das digitale Filter 16 vorgeschaltet.
Der n-bit-Analog-Digitalwandler 15 weist eine Wortbreite im Bereich von
n = 8-12 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein 10-bit-Analog-Di
gitalwandler 15 verwendet. Dadurch kann das analoge Empfangssignal mit einer
hohen Auflösung in ein digitalisiertes Empfangssignal gewandelt werden.
Das digitale Filter 16 ist von einem nicht rekursiven FIR-Filter gebildet. Der
prinzipielle Aufbau eines FIR-Filters ist in Fig. 4 dargestellt. Die Ausgangs
größe yn des FIR-Filters hängt von der Eingangsgröße xm (m=n, n-1, n-2, . . .,
n-M) zu verschiedenen Zeitpunkten m ab.
Die in Fig. 4 dargestellte Variable z ist die zur Zeitvariablen n konjugierte Va
riable im Frequenzbereich. Die Größe z-1 stellt den Betrag der Verzögerung zwi
schen zwei Verknüpfungspunkten, z. B. xn und xn-1, dar. Die Symbole x bzw. Σ
charakterisieren eine multiplikative bzw. additive Verknüpfung.
Die Gewichtung der Eingangsgrößen xm erfolgt mit einstellbaren Koeffizienten
hm. Die Anzahl der Koeffizienten hm bestimmt den Grad des Filters. Im vorlie
genden Ausführungsbeispiel wird ein FIR-Filter 18. Grades verwendet.
Das digitalisierte und gefilterte Empfangssignal wird der Schwellwerteinheit 14
zugeführt und dort in eine binäre Signalfolge umgewandelt.
Erfindungsgemäß ist die Übertragungsfunktion des digitalen Filters 16 so ausge
staltet, daß Signalverzerrungen des Empfangssignals, die durch Bauelemente
oder durch den endlichen Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 hervorgerufen
werden, eliminiert werden können.
Diese Störgrößen sind jedoch keine Konstanten, sondern hängen von mehreren
externen Faktoren ab. Der Einfluß des Sendestrahldurchmessers 8 auf die Deko
diersicherheit hängt vom Verhältnis des Durchmessers zu den Breiten der Lini
enelemente 2a, b des Barcode-Symbols 2 ab. Ferner hängt der Durchmesser des
Sendelichtstrahls 8 vom Abstand d des Barcode-Symbols 2 zur Vorrichtung 1
ab. Schließlich beeinflußt die Ausbildung der signalverzerrenden Bauelemente
die Größe der Störsignale.
Bei der Bestimmung der Koeffizienten hm des digitalen Filters 16 sind diese
Einflußgrößen erfindungsgemäß im Rahmen eines Gesamtmodells für die Vor
richtung 1 berücksichtigt. Auf der Basis dieses Gesamtmodells werden die Ko
effizienten über eine systematische Variation ermittelt. Das Ablaufschema zur
Bestimmung der Koeffizienten hm des digitalen Filters 16 ist in Fig. 5 darge
stellt.
Das Barcode-Lesegerät ist an eine nicht dargestellte Rechnereinheit angeschlos
sen und detektiert in vorgegebenen Abständen d Barcode-Symbole 2, die Lini
enelemente 2a, b mit definierten Breitenverhältnissen aufweisen.
Das durch die Abtastung des Barcode-Symbols 2 auf das Empfangselement 4
auftreffende Empfangslicht 10 wird dort in das Empfangssignal gewandelt. Die
ses Empfangssignal weist Signalverzerrungen auf, die durch das Empfangsele
ment 4 und durch den endlichen Durchmesser des Sendelichtstrahls 8 verursacht
werden.
Dadurch enthält das Empfangssignal nicht nur Informationen über die Ausge
staltung des Barcode-Symbols 2 welches abgetastet wurde, sondern auch Informationen
über den Sendelichtstrahl 8 und das Empfangselement 4. Dieses Emp
fangssignal wird im Analog-Digitalwandler 15 digitalisiert, dem FIR-Filter und
schließlich der Rechnereinheit zugeführt. Zudem ist das Kontrastmuster des
Barcode-Symbols 2 in der Rechnereinheit gespeichert.
In der Rechnereinheit werden die Lagen der Wendepunkte des Empfangssignals
ermittelt und mit den Positionen der Übergänge von schwarzen zu weißen Lini
enelementen 2a, b verglichen. Aus der Abweichung dieser Positionen wird die
Dekodiersicherheit der Vorrichtung 1 ermittelt.
Dieses Verfahren wird für verschiedene Leseabstände wiederholt, so daß die
Dekodiersicherheit in Abhängigkeit des Leseabstands d in der Rechnereinheit
vorliegt. Ein Beispiel für die so ermittelte Dekodiersicherheit in Abhängigkeit
des Leseabstands ist in Fig. 9 (untere Kurve) dargestellt.
Die Koeffizienten hm des Filters 16 sind auf vorgegebene Werte eingestellt, die
die Anfangsbedingung für das nachfolgende Variationsverfahren bilden. Zweck
mäßigerweise wird als Anfangsbedingung der Wert eines der Koeffizienten hm
des Filters 16 auf 1 gesetzt, während die restlichen Koeffizienten hm den Wert
0 annehmen.
Die Variation der Koeffizienten hm des FIR-Filters erfolgt in der Rechnereinheit
nach dem Verfahren der Entwurfszentrierung (DCA = design centering analy
sis). Die zuvor ermittelte Dekodiersicherheit in Abhängigkeit des Abstands d
wird als Eingangsgröße verwendet. Mit dieser Information werden die Koeffizi
enten hm des FIR-Filters nach dem Zufallsprinzip geändert. Dann werden dieje
nigen Parametersätze gespeichert, die zu einer Dekodiersicherheit führen, die
einen vorgegebenen Mindestwert überschreiten.
Dieses Verfahren wird in mehreren Iterationsschritten wiederholt, wobei jeweils
die in der Rechnereinheit ermittelte Dekodiersicherheit des vorher gehenden Ite
rationsschrittes für den aktuellen Iterationsschritt verwendet wird. Die Iteration
wird dann abgebrochen, wenn die Dekodiersicherheit einen vorgegebenen Soll
wert überschreitet. Die zeitliche Veränderung der Koeffizienten des FIR-Filters
während der einzelnen Iterationsschritte ist in Fig. 6 dargestellt.
Zweckmäßigerweise wird die Optimierung der Koeffizienten des Filters nicht
nur für einen Leseabstand, sondern für einen vorgegebenen Abstandsbereich
durchgeführt, wobei der Sollwert für die Dekodiersicherheit für jeden Lese
abstand erreicht werden muß.
Auf diese Weise kann das digitale Filter 16 so dimensioniert werden, daß die
Dekodiersicherheit in einem vorgegebenen Lese-Abstandsbereich verbessert
wird. Die Ergebnisse einer solchen Variation sind in Fig. 9 (obere Kurve) dar
gestellt. Alternativ kann die Dekodiersicherheit nur für einen bestimmten Lese
abstand optimiert werden. In diesem Fall können höhere Dekodiersicherheiten
von nahezu DS = 1 erzielt werden, da die Dekodiersicherheit nur für einen Le
seabstand d optimiert werden muß.
Desweiteren können in die Variation unterschiedliche Barcode-Symbole 2 einge
hen.
Schließlich können anstelle einer experimentellen Bestimmung der Sendelicht
strahldurchmesser und die Übertragungsfunktion des Empfangselements 4 in
einem Simulationsmodell als Modellgrößen vorgegeben werden.
Damit können die Koeffizienten des digitalen Filters 16 bestimmt werden, ohne
daß eine reale Abtastung des Barcode-Symbols 2 zu erfolgen braucht.
Ferner ist vorteilhaft, daß die Übertragungsfunktion des Empfangselements 4 im
Gesamtmodell innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite vorgegeben werden
können. Damit können Einflüsse von Exemplarstreuungen auf die Dekodiersi
cherheit kompensiert werden.
In Fig. 7 ist ein Beispiel eines optimierten Satzes der Koeffizienten hm des digi
talen Filters 16 dargestellt. Die Koeffizienten sind bezüglich des Mittelpunkts
bzw. der Mittelsenkrechten asymmetrisch ausgebildet. Durch den asymmetri
schen Anteil der Koeffizienten hm werden Phasenverzerrungen des Empfangssig
nals die durch das Empfangselement 4 bewirkt werden, eliminiert.
Durch den symmetrischen Anteil der Koeffizienten hm werden Amplitudenver
zerrungen des Empfangssignals, die durch den endlichen Durchmesser des Sen
delichtstrahls 8 und das Empfangselement 4 hervorgerufen werden, eliminiert.
In Fig. 8 ist die Übertragungsfunktion des digitalen Filters 16 dargestellt, die
sich aus der Fouriertransformierten der Koeffizienten des digitalen Filters 16 ge
mäß Fig. 7 ergibt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Frequenz
fa = 10 MHz.
Die Übertragungsfunktion entspricht im wesentlichen dem Inversen des Fre
quenzspektrums der räumlichen Verteilung des Sendelichtstrahls 8, die im we
sentlichen eine Gaußcharakteristik aufweist. Abweichungen hiervon rühren von
den Signalverzerrungen durch das Empfangselement 4.
Dies bedeutet, daß durch die experimentelle Erfassung aller externer System
größen im gesamten Frequenzbereich deren Einfluß auf das Empfangssignal ge
nau erfaßt und durch das Variationsverfahren eliminiert werden kann.
Nach erfolgter Optimierung der Koeffizienten hm des digitalen Filters 16 wird
die Rechnereinheit von der Vorrichtung 1 getrennt. Während des Betriebs der
Vorrichtung 1 wird der optimierte Koeffizientensatz hm des digitalen Filters 16
beibehalten. Eine Nachregelung der Koeffizienten hm des digitalen Filters 16
und damit der Übertragungsfunktion ist insbesondere dann nicht notwendig,
wenn die Koeffizienten hm für verschiedene Leseabstände d und Barcode-Sym
bole 2 optimiert werden.
Claims (16)
1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kontrast
mustern versehenen Marken, mit einem einen Sendelichtstrahl emittierenden
Sendeelement und einem Empfangselement, wobei der Sendelichtstrahl
über die Marken geführt wird und der von einer Marke reflektierte Empfangslichtstrahl
eine durch den Kontrast der Marke aufgeprägte und vom
räumlichen Intensitätsverlauf des Sendelichtstrahls abhängige Amplitudenmodulation
aufweist, und wobei das Empfangslicht im Empfangselement in
ein analoges Empfangssignal umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Reduktion von Signalverzerrungen das analoge Empfangssignal in einem
n-bit-Analog-Digitalwandler (15), dessen Wortbreite n größer als eins ist,
in ein digitales Empfangssignal umgesetzt wird, welches einem digitalen
Filter (16) zugeführt wird, dessen Übertragungscharakteristik innerhalb
eines vorgegebenen Toleranzbereichs dem Inversen des Frequenzspektrums
der räumlichen Intensitätsverteilung des Sendelichtstrahls (8) am Ort der
Marke entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra
gungscharakteristik des digitalen Filters (16) innerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbereichs dem Inversen des Frequenzspektrums der räumlichen Intensitätsverteilung
des Sendelichtstrahls (8) für einen vorgegebenen Bereich
des Abstands der Marke von der Vorrichtung (1) entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Übertragungscharakteristik des digitalen Filters (16) zur Kompensation
bauteilbedingter Störungen des Empfangssignals vom Inversen des Frequenzspektrums
der räumlichen Intensitätsverteilung des Sendelichtstrahls
(8) definierte Abweichungen aufweist, die den Umkehrfunktionen der Übertragungsfunktionen
der Bauteile entsprechen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das signalver
zerrende Bauteil vom Empfangselement (4) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß
das digitale Filter (16) von einem FIR-Filter mit einstellbaren Koeffizienten
gebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das FIR-Filter
als Filter 18. Grades ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wortbreite des n-bit Analog-Digitalwandlers (15) im Bereich 8 n 12
liegt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß
diese als Barcode-Lesegerät ausgebildet ist, dessen Sendeelement (3) einen
als Laser ausgebildeten Sender (6) aufweist, dessen Sendelichtstrahl (8) über
eine Ablenkeinheit (9) abgelenkt wird, und dessen Empfangselement (4) eine
Fotodiode (11) und einen Verstärker (12) zur Verstärkung des Empfangssignals
aufweist.
9. Verfahren zur Reduktion von Signalverzerrungen für eine optoelektronische
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte:
- - Modellierung des Gesamtsystems der optoelektronischen Vorrich tung (1) bestehend aus dem Frequenzspektrum der räumlichen In tensitätsverteilung des Sendelichtstrahls (8) sowie der Übertra gungsfunktionen der signalverzerrenden Bauelemente und des digi talen Filters (16),
- - einer experimentellen Bestimmung der Dekodiersicherheit der Vor richtung (1) in Abhängigkeit des Leseabstands d der Marken von der Vorrichtung (1) für eine bestimmte Voreinstellung des digitalen Filters (16), wobei die Dekodiersicherheit der Grad der Überein stimmung der Amplitudenmodulation des Empfangssignals mit dem Kontrastmuster der Marken ist.
- - Variation der einstellbaren Koeffizienten des digitalen Filters (16) bei vorgegebener Übertragungsfunktion der signalverzerrenden Bauelemente und vorgegebenem Frequenzspektrum der räumlichen Intensitätsverteilung des Sendelichtstrahls (8) bis die Dekodiersicherheit einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Anfangsbe
dingung einer der Koeffizienten des digitalen Filters (16) auf den Wert eins
und die restlichen Koeffizienten auf den Wert null gesetzt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Va
riation der Koeffizienten nach dem Verfahren der Entwurfszentrierung erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Variation der Koeffizienten des digitalen Filters (16) für einen vorgegebenen
Abstand d der Marke zur Vorrichtung (1) und für ein vorgegebenes
Kontrastmuster der Marke erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Variation der Koeffizienten des digitalen Filters (16) für mehrere, in
nerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegende Abstände d und für ver
schiedene Kontrastmuster der Marken erfolgt, bis für jeden der Abstands
werte und jedes Kontrastmuster die Dekodiersicherheit einen vorgegebenen
Schwellwert überschritten hat.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bestimmung der Werte für die Dekodiersicherheit in der Vorrichtung
(1) erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Übertragungsfunktion der signalverzerrenden Bauelemente experimen
tell ermittelt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Übertragungsfunktion der signalverzerrenden Bauelemente innerhalb
einer vorgegebenen Bandbreite im Modell des Gesamtsystems vorgegeben
ist, wobei die Bandbreite den Exemplarstreuungen der Bauelemente entspricht.
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