DE2245177A1

DE2245177A1 - Verfahren und vorrichtung zum gleichfoermigen abtasten einer ebenen flaeche

Info

Publication number: DE2245177A1
Application number: DE2245177A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Maeno; Jasuo Shiragai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-09-16
Filing date: 1972-09-14
Publication date: 1973-03-29
Also published as: JPS4838023A; DE2245177B2; JPS514862B2; DE2245177C3; US3814494A

Description

Patentanwalt·
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81-19.382P(19.383H) 14. 9- 1972

HITACHI LTD., Tokio (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zum gleichförmigen Abtasten einer ebenen Fläche

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gleichförmigen Abtasten einer ebenen Fläche mit einem von einer feststehenden Lichtquelle ausgehenden und an einem rotierenden Spiegel umgelenkten Lichtstrahl sowie' auf Vorrichtungen, die sich insbesondere zum Durchführen eines solchen Verfahrens eignen.

Das wesentliche Anwendungsgebiet der Erfindung ist in einem Einsatz in Verbindung mit optischen Einrichtungen für die Zeichenerkennung bzw. Zeichenauslesung zu sehen.

Für die gleichförmige Abtastung der Oberfläche beispielsweise eines Blattes Papier sind bisher Leseeinrichtungen üblich, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht sind und bei denen ein abtastender Lichtstrahl verwendet

von einer

wird, der durch Umlenkung eines/relativ zu einer kreis-

bogenförmig gekrümmten abzutastenden Fläche 5 feststehenden Lichtquelle 2 ausgehenden Lichtstrahls mittels eines mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden Spiegels gewonnen wird. Als Alternative dazu ist eine gleichförmige Abtastung einer eben angeordneten Fläche 5 mit Hilfe eines mit gleichförmiger Geschwindigkeit rotierenden Spiegels 1 für die Abtastung dieser Fläehe 5 und anschließenderelektrischerKorrektur der so durch eine nicht gleichförmige Abtastung erhaltenen Informationen im Sinne einer gleichförmigen Periode für die Übertragung an die Leseeinrichtungen erhalten worden. Es liegt dabei auf der Hand, daß eine gleichförmige Abtastung einer Fläche unter dem Gesichtspunkt der Kostspieligkeit und der Zuverlässigkeit für die Zeichenerkennung den Vorzug verdient. Bei den Üblichen Zeichenerkennungseinrichtungen wird daher nach dem ersten Verfahren gearbeitet, d.h. nach dem Verfahren, bei dem die abzutastende Fläche kreisförmig durchgebogen und durch einen gleichförmig rotierenden Spiegel abgetastet wird, der sich im Krümmungsmittelpunkt der gebogenen Fläche befindet. Diese Abtastmethode hat jedoch den Nachteil, daß es nur sehr schwer gelingt, die abzutastende Fläche in der passenden Krümmung durchzubiegen. Außerdem ergibt sich bei Leseeinrichtungen mit automatischer Zuführung von auszulesenden Papierbögen die Notwendigkeit sehr langer Abschnitte für die Korrektur einer Schräglage der Papierbögen, und dies führt zu unvorteilhaft großen Gesamtabmessungen der Leseeinrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen die Möglichkeit zu schaffen, eine ebene Fläche ohne die Notwendigkeit einer nachträglichen elektrischen Korrektur in gleichförmiger Weise mit einem Lichtstrahl

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unter dessen Umlenkung an einem rotierenden Spiegel abzutasten.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der rotierende Spiegel mit einer Winkelgeschwindigkeit -irr- umläuft, die der Gesetzmäßigkeit cos²

folgt, in der S³ den Drehwinkel des rotierenden Spiegels gegenüber einer Bezugslage, 1 die Länge einer Senkrechten vom Zentrum des rotierenden Spiegels auf die abzutastende Fläche und ν die Abtastgeschwindigkeit für einen die abzutastende Fläche überstreichenden Lichtpunkt bedeuten.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet durch eine nicht gleichförmige Rotation des rotierenden Spiegels eine Abtastung einer ebenen Fläche ohne die Notwendigkeit einer nachträglichen elektrischen Korrektur der erhaltenen Daten.

Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Vorrichtung zum gleichförmigen Abtasten einer ebenen Fläche mit einem an einem rotierenden Spiegel umgelenkten Lichtstrahl, die sich insbesondere zur Durchführung des oben erwähnten Verfahrens eignet und dadurch gekennzeichnet ist, daß ein den rotierenden Spiegel antreibendes erstes Koppelglied auf einer ersten Zentralachse drehbar gelagert ist und an einem Ende mit einem Abschnitt eines zweiten Koppelgliedes in Berührung steht, das auf einer zweiten Zentral-

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achse drehbar gelagert ist und mit einem Ende an einem eine lineare Bewegung mit konstanter 'Geschwindigkeit ausführenden Schleifer anliegt, und daß der Abstand zwischen den beiden Zentralachsen gleich dem Abstand ' zwischen der zweiten Zentralachse einerseits und der Berührungsstelle der beiden Koppelglieder andererseits ist.

Kennzeichnend für eine solche Vorrichtung ist auch, daß der rotierende Spiegel auf dem zentralen Teil einer Zentralachse drehbar gelagert ist, um die ein Hebel drehbar ist, an dessen einem Ende ein Nocken anliegt, dessen Profil der Bedingung

1- / £J

ν 2 » /cut· —2

(D _r . r_n + -2- j 1 - = ( j*> O)

* 1.

O __ / / η „t- 2

1 oder

/ 2 . v" _r 2

/ l/

genügt, in der r den Radius des Nockens für eine Bezugslage des rotierenden Spiegels, 1, den Abstand von der Zentralachse für den Hebel bis zur AnIageflache am Nocken, J^K den Drehwinkel für den Nocken, 60 die Winkelgeschwindigkeit für

3 0 9 8 U/ 0 8 3 *

OAlOlNAL INSPECTED

die Rotation des Nockens und 1- die Länge der Senkrechten vom Zentrum des rotierenden Spiegels auf die abzutastende ■ Fläche bedeuten.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung für den optischen Aufbau bisher bekannter Abtasteinrichtungen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Grundprinzips . für das erfindungsgemäß geführte Abtastverfahren und

Fig. 3 bis 6 Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtungen zum Abtasten einer ebenen Fläche mit einem an einem rotierenden Spiegel umgelenkten Lichtstrahl.

In der Darstellung in Fig. 2 sendet eine stationäre Lichtquelle 2 einen Lichtstrahl 3 aus, der eine gleichförmige Abtastung einer ebenen Fläche 5, beispielsweise eines Blattes Papier, bewirkt, wenn die Spiegelachee 4 mit einer Winkelgeschwindigkeit -^- rotiert, die durch

d*-P ν 2
den Ausdruck -jr- = -^— cos 2 ^Y gegeben ist, in dem τ den Drehwinkel für den Spiegel 1 gegenüber einer Ausgangslage O( für diesen Spiegel relativ zum Lichtstrahl 3.und die konstante Größe ν die Abtastgeschwindigkeit für den Lichtstrahl auf der abzutastenden Fläche 5 bedeuten.

9813/0833.

Bezeichnet weiter θ den Winkel zwischen dem reflektierten Lichtstrahl und der Senkrechten 1. vom Zentrum der Spiegelachse 4 zur abzutastenden Pläche 5, dann gilt weiter die Beziehung θ = 2ψ . Die Lage χ des Lichtflecks 7 auf der Pläche 5 ergibt sich dann entsprechend der Darstellung in Pig. 2 zu

χ - I₁ · tgf -I₁* tg 2f.

Daraus folgt für die Verschiebungsgeschwindigkeit dx/dt für den Lichtfleck 7 die Beziehung:

(a) M_ _m J „AU. _β ν (konstant)

dt cos 2f dt

die sich wiederum umrechnen läßt zu:

(b) £t - -JL- cos² 2f . dt 2 I₁

Damit versteht sich, daß die Rotation der Spiegelachse k mit einer durch den obigen Ausdruck gegebenen Winkelgeschwindigkeit eine gleichförmige Abtastung der ebenen Pläche 5 ermöglicht. Der Anfangswert 0( für die

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Winkellage des reflektierenden Spiegels 1 bezieht sich auf den Winkel zwischen der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 1 und der Senkrechten 6' vom Zentrum der Spiegelachse 4 auf die Oberfläche 5> wenn der reflektierte Lichtstrahl mit dieser Senkrechten 6 zusammenfällt.

In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Abtastvorrichtung mit einem Koppelmechanismus veranschaulicht, bei dem ein ebener Spiegel 1 das Zentrum 4a einer Spiegelachse 4 enthält und mit einem Koppelglied 10 verbunden ist, das drehbar auf der Achse 4 gelagert ist. Ein weiteres Koppelglied 11 ist auf einer Achse 12 drehbar gelagert. Die beiden Koppelglieder 10 und 11 sind über eine Zugfeder 13 miteinander verbunden, deren Zugkraft ausreicht, um einen Vorsprung 14 an dem Koppelglied 11 in konstanter Anlage an einer ebenen Fläche 10b am unteren Teil des Koppelgliedes 10 zu halten. Ein Schieber 15 weist eine Spitze 15a auf, die sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit längs einer Geraden 21 bewegt und dabei ständig an einer ebenen Fläche 11b auf der Unterseite des Koppelgliedes 11 anliegt. Das Koppelglied ist so gebaut, daß die die ebene Fläche 11b enthaltende Ebene durch das Zentrum 12a der Achse 12 hindurchgeht. In ähnlicher Weise ist das Koppelglied 10 so gebaut/ daß die, die ebene Fläche 10b enthaltende Ebene durch das Zentrum 4a der Achse 4 hindurchgeht. Weiter ist der Koppelmechanismus so angeordnet, daß vier Punkte, nämlich das Zentrum 4a der Achse 4, das Zentrum 12a der Achse 12, der die ebene Fläche 10b berührende ,Punkt des Vorsprungs l4 und die an der ebenen Fläche.1Ib anliegende Spitze 15a des Schiebers 15 in einem best.immten Zeitpunkt während der Bewegung: des am

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Koppelglied 11 anliegenden Schiebers 15 auf einer gemeinsamen Geraden 20 liegen. Diese Gerade 20 verläuft senkrecht zur Geraden 2I₁ auf der sich der Schieber" 15 bewegt, und der Abstand m zwischen den Zentren 4a und 12a ist gleich dem Abstand m' zwischen dem Zentrum 12a und dem Vorsprung 14. Bei dieser Anordnung beträgt das Verhältnis zwischen dem

dem

Drehwinkel für die Drehung des Koppelgliedes 10 und/Drehwinkel für die Drehung des Koppelgliedes 11 stets 1 : 2. Das Verhältnis zwischen der Drehung des Koppelgliedes 10 - also dem Drehwinkel für den Spiegel 1 - und dem reflektierten Lichtstrahl 8 beträgt also stets 1 : 2, da der; Drehwinkel für den reflektierten Lichtstrahl 8 stets gleich dem Drehwinkel für das Koppelglied 11 ist. Daraus ergibt sich, daß das Dreieck OMN dem Dreieck PQR ähnlich ist, und die gleichförmige Bewegung des Schiebers 15 führt damit aufgrund des Prinzips der homologen Dreiecke zu einer gleichförmigen Bewegung des Lichtflecks auf der abzutasten*- den Fläche 5· Bezeichnet man die Verschiebung des Schiebers 15 mit y, so folgt daraus die Beziehung

(c) y = I₂ tg θ

= I₂ tg 2 f ,

die sich wiederum umrechnen läßt zu

(d) g- - 2 I₂ ^-— ·■&£. - u (konstant)

cos 2 T _und. df u

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Dies steht in Übereinstimmung mit dem oben angegebenen Ausdruck für die Winkelgeschwindigkeit für die Drehung des Spiegels 1.

Bei,dem Äusführungsbeispiel nach Fig. 3 steht das Koppelglied 11 in Punktberührung mit der Spitze 15a des Schiebers 15* woraus sieh ein rascher Verschleiß für diese Spitze 15a ergeben kann. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist dieser mögliche Nachteil dadurch vermieden, daß das Koppelglied 11 in rollender Berührung mit der Spitze des Schiebers 15 steht.

In Fig. 5 ist ein Mechanismus für die' gleichförmige Durchführung einer linearen Bewegung für den Schieber 15 veranschaulichtj, zu dem ein Kolben 40 und ein Dämpferzylinder 4l gehören. Der Kolben 40 ist mit einem Tau 42 verbunden, das über eine Laufrolle 4^5 läuft und auf einer Trommel 44 mit einer Klauenkupplung aufgewickelt wird. Auf dem Kolben 4o ist weiter eine Rolle 45 angebracht, die mit einem Koppelglied 11 in Berührung steht. Eine gleichförmige Drehung der Trommel 44 mit der Klauenkupplung in der Richtung des Pfeiles 46 führt zu einer gleichförmigen linearen Bewegung des über das Tau 42 mitgenommenen Kolbens 40 in der Richtung des Pfeiles 4?» wodurch das Koppelglied 11 über die Rolle 45 in gleichförmige Drehung versetzt wird. Bei Verschiebung des Kolbens 4o bis zu einer vorgebbaren Lage spricht ein Detektor 48 an und läßt die Klauenkupplung für die Trommel 44 ausrücken, wodurch das Aufwickeln des Taus 42 aufhört und der Kolben 40 unter der Einwirkung einer Feder 49 in Richtung des Pfeiles 50 in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt.

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In Pig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das mit einem Nockenmechanismus arbeitet, wobei ein um eine Achse 4 drehbarer Spiegel 1 mit einer reflektierenden Oberfläche an einem Hebel 25 befestigt ist. Außerdem gehören zu dem Nockenmechanismus ein Nocken 30 und ein Nockenfolger 26 für die Umwandlung der Bewegung des Nockens 30 In eine Verschiebung längs einer Geraden 36. Zur Vereinfachung der Darstellung sind ein am Nockenfolger 26 anliegender Punkt 31 des Nockens 30 bzw. ein am Hebel 25 anliegender Punkt 27 des Nockenfolgers 26 als Messerschneide ausgebildet, so daß sich eine Punktberührung ergibt.

Der Spiegel 1 ist so angeordnet, daß ein an seiner reflektierenden Oberfläche reflektierter Lichtstrahl mit der Senkrechten 6 auf die abzutastende Fläche 5 zusammenfällt, wenn der Nockenmechanismus die in Pig. 6 dargestellte Lage einnimmt. Unter der Annahme, daß in dieser Lage der Drehwinkel Jf für den Nocken 30 gleich 0 ist, der Radius des Nockens 30 r beträgt und der Winkel \ positiv ist, wenn er entgegen der durch den Pfeil 37 angedeuteten Drehrichtung gemessen wird, so ergibt sich für den Drehwinkel T für den Spiegel 1 die Beziehung

(e) °- , sin f .

Durch Integration des früher erhaltenen Ausdrucks ν 2 η

-k—% cos 2 τ erhält man die Beziehung

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(f) tg 2f = ^-

I₁

und unter der Annahme einer gleichförmigen Rotation des Nockens 30 mit einer Winkelgeschwindigkeit Oü gilt außerdem

Durch Eliminieren von ^f und t aus den obigen Beziehungen zur Gewinnung einer Funktion f(r,V^)=O erhält man

l-

_x .

Wird der Hebel 25 über den Nockenfolger 26 durch einen Nocken 30 angetrieben, dessen Profil sich aus den vorstehenden Beziehungen ergibt, dann erfolgt der Antrieb des Spiegels in Übereinstimmung mit dem oben angegebenen Ausdruck für die Definition der Winkelgeschwindigkeit für- die Rotation. Zu beachten ist, daß der Nocken ^O eine kontinuierlich gekrümmte Form und einen kontinuierlichen Gradienten aufweist.

Wie bereits erwähnt, ermöglichen Verfahren und Vorrichtiing gemäß der Erfindung eine gleichförmige Abtastung

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einer ebenen Fläche,beispielsweise eines Blattes Papier, ohne dessen Durchbiegung und ohne die Vornahme einer elektrischen Korrektur der erhaltenen' Daten.

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Claims

Patentansprüche

(\J Verfahren zum gleichförmigen Abtasten einer ebenen Fläche mit einem von einer feststehenden Lichtquelle ausgehenden und an einem rotierenden Spiegel umgelenkten Lichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Spiegel mit einer Winkelgeschwindigkeit -^J umläuft, die der Gesetzmäßigkeit

Ut

Si ~-^a

folgt, in der ^f den Drehwinkel des rotierenden Spiegels gegenüber einer Bezugslage, 1 die Länge einer Senkrechten vom Zentrum des rotierenden Spiegels auf die abzutastende Fläche und ν die Abtastgeschwindigkeit für einen die abzutastende Fläche überstreichenden Lichtpunkt bedeuten.
2. Vorrichtung zum gleichförmigen Abtasten einer ebenen Fläche mit einem an einem rotierenden Spiegel umgelenkten Lichtstrahl, insbesondere in Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den rotierenden Spiegel (1) antreibendes erstes Koppelglied (10) auf einer ersten Zentralachse (4) drehbar gelagert ist und an einem Ende mit einem Abschnitt eines zweiten Koppelgliedes (11) in Berührung steht, das auf einer zweiten Zentralachse (12) drehbar gelagert ist und mit einem Ende an einem eine lineare Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit ausführenden Schleifer (15) anliegt, und

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daß der Abstand zwischen den beiden Zentralachsen (4 und 12) gleich dem Abstand zwischen der zweiten Zentralachse (12) einerseits und der Berührungsstelle der beiden Koppelglieder (10 und 11) andererseits ist.
3. Vorrichtung zum gleichförmigen Abtasten einer ebenen Fläche mit einem an einem rotierenden Spiegel umgelenkten Lichtstrahl, insbesondere in Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Spiegel (1) auf dem zentralen Teil einer Zentralachse (4) drehbar gelagert ist, um die ein Hebel (25) drehbar ist, an dessen einem Ende ein Nocken (30) anliegt, dessen Profil der Bedingung

(2) r-r_o-h /l-

^ν ./Oo + —ο S

genügt, in der r_Q den Radius des Nockens für eine Bezugslage des rotierenden Spiegels, 1, den Abstand von der Zentralachse für den Hebel bis zur Anlagefläche am Nocken, Ψ den Drehwinkel für den Nocken, OJ die Winkelgeschwindigkeit für die Rotation des Nockens und 1. die Länge der Senkrechten vom Zentrum des rotierenden Spiegels auf die abzutastende Fläche bedeuten.

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