DE2503038A1 - Optisches informationslesesystem - Google Patents

Optisches informationslesesystem

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DE2503038A1 DE19752503038 DE2503038A DE2503038A1 DE 2503038 A1 DE2503038 A1 DE 2503038A1 DE 19752503038 DE19752503038 DE 19752503038 DE 2503038 A DE2503038 A DE 2503038A DE 2503038 A1 DE2503038 A1 DE 2503038A1
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Description

NCR CORPORATION Dayton, Ohio (V.St.A.)
Unser Az.: 1877/
OPTISCHES INFORMATIONSLESESYSTEM
Die Erfindung betrifft ein optisches Informationslesesystem.
Solche Systeme können zum automatischen Lesen von Warenetiketten verwendet werden, die auf zu verkaufenden Artikeln in Einzelhandelsgeschäften angebracht sind. Eine andere Anwendung bietet das automatische Lesen von Informationen auf Kreditkarten.
Die Erfindung ist gekennzeichnet, durch einen Aufzeichnungsträger, auf dem Informationen in Form einer Vielzahl von Beugungsgitterelementen aufgezeichnet sind, und durch Strahlungselemente zum Betrahlen des Aufzeichnungsträgers und durch retroreflektive Mittel, die so angeordnet sind, daß das die Beugungsgitterelemente durchsetzende Licht konzentriert auf eine Lesevorrichtung geleitet wird.
Es wird bemerkt, daß in optischen Lesesystemen gemäß der Erfindung Informationen auf einem Aufzeichnungsträger in codierter Form aufgezeichnet werden, indem auf diesen die Linienabstände und/oder Orientierungen von Beugungsgittern aufgebracht werden. Solche Aufzeichnungsträger können gelesen werden, indem diese zur Bildung von Beugungsmustern bestrahlt werden. Die Beugungsmuster können direkt betrachtet werden oder zuerst in elektrische Signale umgewandelt werden, die zur Steuerung eines Displays verwendbar sind. Ein besonderes Beugungsmuster auf dem
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Aufzeichnungsmedium kann als Referenzmuster verwendet werden und die Information wird durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein anderer Muster repräsentiert und durch überdrucken oder Nichtdrucken spezieller Muster aufgezeichnet.
Die Verwendung von retroreflektiven Materialien, das heißt Materialien die sehr stark reflektieren, zur Lichtkonzentration haben den Vorteil, daß das System gegen unnötige Empfindlichkeit in bezug auf den Einfallswinkel zwischen der Strahlungsquelle und dem Aufzeichnungsmedium geschützt wird.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei Bezug auf Zeichnungen genommen wird. In diesen zeigen
Fig. 1 eine Darstellung von einigen möglichen Orientierungen von Beugungsgittern, die auf einem Etikett verwendet werden;
Fig. 2 eine Darstellung von Beugungsmustern, die von den Beugungsgittern der Fig. 1 erhalten werden können;
Fig. 3 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine mit öffnungen versehene Scheibe, die einen Teil der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 5 eine Photozellenanordnung, die in der ersten und in der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 6 ein Kennzeichnungsetikett, das in der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann und
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt ein Blatt aus Beugungsgittermaterial 10, auf dem eine Vielzahl von Gittern 11 bis 14 vorhanden ist. Jedes Gitter hat einen Linienabstand, der ein spezielles Code-Element definiert, zum Beispiel eine Binärinformation (Bit). Die Winkelorientierung des Gitters lokalisiert eindeutig die Position des Bits in dem Beugungsmuster. Die in Fig. 2 gezeigten Beugungsmuster 15 werden durch Bestrahlung der Beugungsgitter von Fig. 1 mit parallelem monochromatischen Licht erzeugt. Die erzeugten Bildmuster entstehen symmetrisch um einen Punkt (0), der übereinstimmt mit der Interferenz nullter Ordnung. Bekanntlich wird beim Passieren von koherentem Licht durch ein Beugungsgitter ein zentrales Bild zusammen mit weiteren Interferenzbildern höherer Ordnung erzeugt. Der Abstand zwischen den Interferenzordnungen ist abhängig von der Frequenz des Lichtes und dem Abstand der Linien in dem Beugungsgitter. Wenn angenommen wird, daß die Strahlungsquelle eine Strahlung mit konstanter Frequenz erzeugt, werden bei kleiner werdendem Gitterintervall die Interferenzordnungen auseinandergehen, das heißt divergent.
Die Intensität der Strahlung in den verschiedenen Ordnungen ist abhängig von den Eigenschaften der Gitter. Es ist allgemein bekannt, daß Gitter erzeugt werden können, in denen eine bestimmte Ordnung vorherrscht. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Ordnung, die am meisten interessiert, die Interferenz erster Ordnung. Beim Vergleich der Gitter von Fig. 1 mit den erzeugten Mustern in Fig. 2 auf einer 1:1 Basis kann festgestellt werden, daß die Linien des Gitters 11 im wesentlichen vertikal verlaufen,
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das heißt sie laufen entlang einer imaginären Y-Achse. Das von dem Gitter 11 abgeleitete Bild enthält im Fraunhofergebiet eine Interferenz nullter Ordnung und zwei gleiche und symmetrisch beabstandete Interferenzen erster Ordnung Intensitätsflecke II1 und II11, die entlang der X-Achse positioniert sind. Das Gitter 12, dessen Linien im wesentlichen entlang der Y-Achse verlaufen, erzeugt ein Bild nullter Ordnungfentlang den Bildern 12'. und 1211 erster Ordnung, die von der Interferenz nullter Ordnung weiter entfernt sind als die Bilder II1 und 11". Dies beruht darauf, daß das Gitter 12 eine höhere Frequenz aufweist als das Gitter 11, das heißt, daß die Linien eine höhere Dichte aufweisen.
Die Linien des Gitters 13 in Fig. 1 weisen eine Winkellage in bezug auf die Linien der Gitter 11, 12 und 14 auf. Die Bilder 13* und 13" von erster Ordnung erscheinen in der Fraunhoferebene entlang einer Achse, die rechteckig zu den Linien des Gitters 13 verläuft.
Die Linien des Gitters 14 verlaufen im wesentlichen horizontal, wodurch bewirkt wird, daß die Bilder 14' und 14" von erster Ordnung entlang einer vertikalen Linie (Y-Achse) in Fig. 2 erzeugt werden. Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß eine eindeutig bestimmte Gruppe von Bildern erzeugt werden kann, die eine eindeutig bestimmte Gruppe von Informationsbits definieren.
In Fig. 3 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben, in dem eine monochromatische punktförmige Lichtquelle 20 verwendet wird, die aus einem Laser mit einer in dem Lichtstrahl
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angeordneten Divergierungslinse bestehen kann. Des weiteren ist dargestellt ein Strahlenteiler 21, eine Kollektivlinse 22, ein Erkennungsetikett 23, eine rotierende Scheibe 37 und ein Photodetektor 24. Die Kollektivlinse 22 ist mit einem Abstand f2 von der Ebene der rotierenden Scheibe 37 entfernt angeordnet. Dieser Abstand entspricht der Brennpunktweite der Linse 22. Die punktförmige Strahlungsquelle 20 ist mit einem Abstand f, im optischen Pfad der Linse 22 angeordnet. Wenn die verwendete Linse symmetrisch ist, kann der Abstand f, gleich dem Abstand f~ gemacht werden. Während einer Operation erzeugt die punktförmige Strahlenquelle 20 einen monochromatischen Lichtstrahl 30, der durch einen Strahlenteiler 21 auf die Kollektiv!inse 22 gelenkt wird. Als Strahlenteiler kann ein versilberter Spiegel verwendet werden. Der durch den Strahlenteiler reflektierte Strahlenteil gelangt durch die Kollektiv!inse zu einem Erkennungsetikett 23. Das Etikett 23 ist in Fig. 6 vergrößert dargestellt und enthält eine Schicht aus retroreflektivem Material 33,auf dem eine Schicht 10 mit den entsprechenden Gittern angeordnet ist. Ober der die Gitter enthaltenden Schicht kann eine durchsichtige Schicht 35 aus plastischem Material angeordnet sein, die das Gittermuster vor Abrieb und Beschädigung schützt. Das retroreflektive Material 33 kann eine Trägerschicht 38 enthalten, auf der eine reflektierende Schicht 39 angeordnet ist. Auf der Schicht können Glaskugeln oder Stäbchen 41 aufgebracht werden, die durch ein Bindematerial 40 fixiert sind. Retroreflektive Materialien haben die Eigenschaft, daß sie das auf sie gerichtete Licht parallel reflektieren. Das heißt der Winkel des reflektierten Lichtstrahls verläuft parallel zu dem Winkel des einfallenden Lichtstrahls.
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Der von dem Strahlenteiler 21 reflektierte Strahl verläuft durch die transparente Schicht 35 und durch die die Gitter enthaltende Schicht 10. Die retroreflektierende Schicht wirft das einfallende Licht zurück durch die Gitter»und zwar im wesentlichen entlang eines Pfades, der parallel zum Pfad des einfallenden Lichtstrahles verläuft.
Das reflektierende Licht wird dann durch die Linse 22 fokussiert und gelangt auf die rotierende Scheibe 37, die in der Fraunhoferebene mit dem Abstand fp von der Linse 22 entfernt angeordnet ist. Die Scheibe wird durch einen Motor 45 angetrieben, der mit den von einer Taktquelle 47 erzeugten Taktsignalen synchronisiert wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist," enthält die Scheibe zwei Öffnungspaare 51' - 51" und 52' - 52". Wenn die Scheibe rotiert, zeigt sie alle Bilder, die in der Fraunhoferebene mit einem radialen Abstand entstehen, der mit dem radialen Abstand der einzelnen öffnungen identisch ist. Die auf der Scheibe bzw. durch die öffnungen der Scheibe sichtbaren Bilder werden dann von dem Photodetektor 24 erfaßt. Infolge der Fouriertransformationsverhältnisse der Linsenanordnung sind die Muster auf der Ebene der rotierenden Scheibe unveränderlich, wenn das nicht gezeigte Etikett in einer quer zur optischen Achse des Systems verlaufenden Richtung bewegt wird. Dies ist so lange der Fall, solange die Diffraktionsordnungen innerhalb der öffnungen der Scheibe zu liegen kommen. Parallel zur optischen Achse des Systems verlaufende Bewegungen innerhalb dieser Grenzen verändern ebenfalls nicht das Informationsmuster.·
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In Fig. 5 wird ein Photodetektor dargestellt, der fähig ist, die in Fig. 2 gezeigten Bilder zu erkennen. Andere Konfigurationen und Kombinationen von Photodetektoren und Linsen können zur Erzeugung von gewünschten anderen Lesemustern verwendet werden. Der Photodetektor besteht aus einem Ring 53 und einer inneren Scheibe 54. Die Scheibe 54 und der Ring 53 können jeweils eine transparente leitende Schicht enthalten, die mit Masse verbunden ist und halbleiter-photoleitende Körper sowie leitende Schichten, die mit einer Ausgangsklemme verbunden sind. Die öffnungen 511 - 51" der Scheibe 37 sind so angeordnet, daß ihr Radius identisch ist mit den Radien der Bilder 12* - 12", 13' - 13" und 14' - 14", so daß das Licht von den Bildern auf den Ring 53 fallen kann. Die Öffnungen 52' - 52" weisen einen Radius auf, der gleich ist mit dem Radius der öffnungen II1 - 11", so daß das Licht der letztgenannten Bilder auf die Scheibe 54 fallen kann. Die Anzahl der unterschiedlichen Interferenzordnungen, die erkannt werden sollen, bestimmen die Anzahl der öffnungen in der Scheibe und deren radiale Position auf der Scheibe sowie die Anzahl der Photodetektorringe und deren Position innerhalb der Scheibe. Die öffnungen werden paarweise dargestellt, da eine Erhöhung der Signalstärke durch Verwendung beider Beugungsbilder zur Aktivierung der entsprechenden Photozellen erreicht wird. Eine einzige öffnung für jeden gewünschten Radius kann ebenso wirksam verwendet werden. Der Detektor würde dann zwei separate Anzeigen bei der Abtastung eines Bildes statt einer erzeugen, da jedes Bild von einem Paar statt gleichzeitig sequentiell abgetastet würde. Die elektrischen Signale von den Photodetektorelementen 53 und 54 werden zu Verstärkerelementen 48 und 50 geleitet.
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Die Signale werden verstärkt und an entsprechende Geräte 59, zum Beispiel an ein Oszilloskop angelegt. Die Taktsignale von der Taktquelle 47 werden ebenfalls an die Vorrichtung geführt. Wenn ein Oszilloskop als Vorrichtung 49 verwendet wird, können die Signale von dem Verstärker 50 an den Horizontalablenkungskreis des Oszilloskops geführt werden, so daß der Oszilloskopstrahl jeweils beim Auftreten eines Signals beim Erscheinen eines Bildes II1 - »11" in der üffnung 52' - 52" horizontal abgelenkt wird.
Der vertikale Eingang des Oszilloskop kann mit den Taktsignalen von der Taktquelle 47 und dem Ausgang des Verstärkers 48 verbunden werden. Während des Betriebes kann die Winkelposition des Etiketts 23 einen beliebigen Winkel um die Achse des Strahls 31 aufweisen, da immer eine Referenzposition gefunden werden kann von der Anzeigeposition eines ausgewählten Referenzbildes, zum Beispiel Bild II1 - 11". Das Signal auf dem Oszilloskop wird dann eine Vielzahl von gleich beabstandeten Vertikaltaktimpulsen erhalten, deren Anzahl identisch ist mit dem Betrag der Rotation der Scheibe 37 von der Indexposition. Das Auftreten eines Signals von dem Verstärker 48 wird dann zusätzliche vertikale Signale auf dem Oszilloskop erzeugen, die den Taktsignalen überlagert sind. Die Anzahl der Taktimpulse, die zwischen dem Start einer Horizontalauslenkung und dem Auftreten eines Signals von dem Verstärker 48 erscheinen, bestimmen eindeutig die Winkellage der Gitterlinien auf dem Etikett 10 in bezug auf die Orientierung der Referenzgitter. In dem hier beschriebenen Beispiel wurde ein Oszilloskop verwendet, um eine direkte Decodierung und Anzeige der decodierten Daten in einem digitalen Logiksystem offensichtlich zu machen.
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Das photoelektrische Erkennungsschema zeigt die Verwendung von Gittern unterschiedlicher Frequenzlinien, und Winkelpositionen. Ein Gitter stellt ein Referenzgitter und die anderen Gitter die Informationsgitter dar. Andere Cordierungsschemata sind unter Verwendung von Beugungsgitterabstandslinien und/oder Orientierungen der Gitterlinien möglich. Durch weitere Modifikationen kann die Anzahl der verwendbaren Gitter ausgedehnt werden. Solche Modifikationen würden die Größe der Informationen, die auf einem Etikett gespeichert werden können, erhöhen. Eine offensichtliche Modifikation kann durch Ersetzen der rotierenden Scheibe durch eine Platte aus geschliffenem Glas vorgenommen werden und durch Bewegen des Photodetektors 24, so daß die Bilder direkt sichtbar werden. Das auf einem Etikett erzeugte Bild der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration würde dann wie in Fig. 2 dargestellt erscheinen.
Im folgenden wird auf Fig. 7 Bezug genommen. In dieser wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel ist, ausgenommen daß das Warenetikett 60 unterschiedliche Gitter und eine reflektierende Beschichtung enthält und daß das retroreflektive Material hier ein Teil des Lesesystems ist und nicht mehr'Bestandtei1 des Etiketts. Jedes der Gitter auf dem Etikett kann aus einem reflektierenden Gittermaterial hergestellt sein, zum Beispiel aus Reflecting Replica Grating Film, das von der Edmund Scientific Co. unter der Nummer 50201 hergestellt wird. Eine Unterstutzungsschicht aus Plastik 61 kann zur zusätzlichen Stützung des Gi ttermaterials 62
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- ίο -
verwendet werden. Das retroreflektive Element 33 ist in dem optischen Pfad des von den Gittern 60 reflektierten Lichtes angeordnet, so daß das Licht parallel zu dem einfallenden Strahl zurückreflektiert wird. Durch die Entfernung des retroreflektiven Materials von dem Etikett und Anordnung desselben in dem optischen Pfad der Maschine wird erreicht, daß die Kosten der Etikette wesentlich verringert werden können. Ein verbessertes Ausgangsbild kann erreicht werden, wenn eine KoIlimationslinse 63 in den optischen Pfad zwischen das Etikett 60 und das retroreflektive Material 33 angeordnet wird,und zwar mit einer Brennweite f3 von der Oberfläche des retroreflektiven Materials 33 entfernt.
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Claims (1)

  1. - li -
    Patentansprüche:
    IJ Optisches Informationslesesystem, gekennzeichnet furch einen Aufzeichnungsträger (10)s auf dem Informationen in Form einer Vielzahl von Beugungsgitterelementen (11-14) aufgezeichnet sind, und durch Strahlungselemente (20, 21) zum Bestrahlen des Aufzeichnungsträgers (10) und durch retroreflektive Mittel (33), die so angeordnet sind, daß das die Beugungsgitterelemente (11 - 14) durchsetzende Licht konzentriert auf eine Lesevorrichtung (37, 24, 49) geleitet wird.
    2. Optisches Informationslesesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lesevorrichtung (37, 24, 49) ein photoelektrisches Element (24) enthält, das während einer Operation elektrische Signale erzeugt, die die Information auf dem Aufzeichnungsträger (10) repräsentieren.
    3. Optisches Informationslesesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (24) eine rotierbare Scheibe (37) enthält, in der öffnungen (511, 51", 52', 52") vorgesehen sind, deren radialer Abstand identisch ist mit den radialen Abständen der zu erwartenden Positionen der Beugungsbilder, die von den Beugungsgitterelementen (11 - 14) abgeleitet werden und daß das Element (24) Licht von den genannten Beugungsbildern empfängt, das durch die öffnungen (511 usw.) fällt und daß das photoelektrische Element (24) entsprechend diesem Licht elektrische Signale erzeugt.
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    4. Optisches Informationslesesystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Linse (22), die in dem optischen Pfad zwischen dem Aufzeichnungsträger (10) und dem photoelektrischen Element (24) angeordnet ist, wobei deren Abstand von der rotierbaren Scheibe (37) gleich der Brennweite der Linse (22) ist.
    5. Optisches Informationslesesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Information durch Veränderung des Linienabstandes und/oder Orientierung der Beugungslinien, die in den genannten Beugungsgitterelementen (11 - 14) enthalten sind, codiert wind.
    6. Optisches Informationslesesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der genannten Beugungsgitterelemente (11) einen charakteristischen Beugungslinienabstand aufweist und daß das von diesem abgeleitete Beugungsbild als Referenzbild (II1) für die Bilder, die von den Informationsbeugungsgitterelementen (12 - 14) abgeleitet werden, dient.
    7. Optisches Informationslesesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungsträger (10) eine Schicht enthält, in der die Beugungsgitterelemente (11 - 14) enthalten sind.und daß diese Schicht auf einer weiteren Schicht (33) aus retroreflektivem Material angeordnet ist.
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    8. Optisches Informationslesesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet* daß der Aufzeichnungsträger (10) eine Schicht (62) aus reflektierendem Material enthält, auf der Beugungsgitterelemente (11 - 14) enthalten sind, wobei das retroreflektive Element (33, Fig. 7) so angeordnet ist,daß es das auftreffende Licht vom Aufzeichnungsträger (10) zurück auf die Schicht (62) und von da in Richtung zur Lesevorrichtung (Fig. 7) reflektiert.
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DE2503038A 1974-02-01 1975-01-25 Optisches Informationslesesystem Expired DE2503038C3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

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DE2503038A1 true DE2503038A1 (de) 1975-08-14
DE2503038B2 DE2503038B2 (de) 1981-07-02
DE2503038C3 DE2503038C3 (de) 1982-03-18

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DE2503038A Expired DE2503038C3 (de) 1974-02-01 1975-01-25 Optisches Informationslesesystem

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