CN1354441A - 一种高分辨率资料文档快速数字化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率资料文档(包括图书、杂志、图纸、绘画等以模拟方式存在的各种资料文档信息)快速数字化的装置。该装置采用专门设计的光学系统进行成像,采用“物面分割”或“像面分割”的方法,把待数字化的资料文档划分为若干区域,每个区域则采用了高分辨率的面阵CCD图像器件作为图像信息获取的传感器,通过一定的处理电路把所采集的图像送入计算机重新合成为一幅图像。该装置与传统的数字化装置,如扫描仪相比,具有分辨率高、数字化速度快、实时预览功能、像质好等优点。

Description

一种高分辨率资料文档快速数字化装置

本发明涉及一种高分辨率资料文档快速数字化装置，用来实现图书、杂志、档案、票据、缩微胶片、图纸、图画等以模拟方式存在于某种介质上的文字、符号、图形、图像等资料文档的数字化功能。

人类社会发展到今天可以说已经进入了数字化、信息化的时代，信息的快速获取与传输，成为时代发展的一个典型特征。数字技术、网络技术的飞速发展极大地促进了信息的快速传播与获取，而通过计算机、网络进行信息的快速获取与传输的前提条件是信息以数字的的形式来表示。人类在漫长的进化过程中创造和积累了大量的知识和信息，而这些知识和信息却大量地以模拟的方式存在的，这给信息的获取、传输及存储带来了极大的不便。因此，需要有能完成资料信息快速数字化的装置。

目前完成模拟资料文档数字化的方法，不管是国内还是国外，主要是采用扫描仪，其次是采用数码相机。扫描仪的基本原理是采用一维的线阵CCD器件或其它光电转换器件实现一个方向的光电转换，再加上一维的机械扫描运动，共同完成了二维信息的转换。但扫描仪的最大缺点是速度慢，尤其是彩色图像的扫描，一般以分钟来计算，大型图纸扫描仪速度更慢。有些专用扫描仪的扫描速度较快，但价格昂贵，难以推广。因此，以扫描仪作为工具完成大批量资料信息的数字化工作显然是不合适的，这一点，已被各行各业的人士所认同。数码相机主要由物镜、面阵光电图像传感器及处理电路组成，用数码相机实现资料文档的数字化工作在实际中应用的并不多，其主要原因是数码相机主要用来拍摄风景建筑、人物等实物，如用来拍摄资料文档，图像质量容易受到周围光线的影响，其光学放大倍数也不一定适合资料文档拍摄的要求，另外，其分辨率较低，一般很难满足资料文档拍摄的要求，而且，现有的数码相机拍摄一幅图像并传输到计算机中的速度较慢，也不适合大量的资料文档的数字化工作。专利文献“使用光纤耦合激光二极管的胶片图像数字化装置”(申请号为96194243.6)提供了一种胶片数字化的装置，该专利仅适用于胶片的数字化工作，而不适合其它资料文档的数字化工作。

本装置发明的目的就是提供一种高分辨率的资料文档快速数字化装置，解决现有的资料文档数字化装置存在的速度慢、分辨率低、像质易受周围环境影响等问题。

为实现本发明的目的，首先利用光源照明被摄的资料文档，把被摄资料文档的幅面划分为若干矩形区域，利用光学成像系统对被摄的资料文档进行成像。在像面上，利用面阵光电图像传感器接收所成的像并进行光电转换，一个面阵光电图像传感器只接收被摄资料幅面的被划分的一个矩形区域的像，把所划分的被摄资料文档的各个区域均用面阵光电图像传感器进行接收。处理电路对面阵图像传感器所输出的信号进行处理，转换为数字信号，并送入缓冲存储器。采用高速计算机总线接口把缓冲存储器中所采集到的数字图像数据传输到计算机中。在计算机中，利用软件把所得到的被摄资料文档的各个局部区域的图像重新合成为一幅完整的被摄资料文档的像。

为实现“一个面阵光电图像传感器只接收被摄资料幅面的被划分的一个矩形区域的像”思想，第一种方法可以采用“物面分割”法来实现：把被划分开的被摄资料文档的各个区域采用彼此独立的或共用的光学成像系统进行成像，当采用共用的光学成像系统进行成像时，光学成像系统包括了成像物镜和一套物方视场切换光路，物方视场切换光路位于成像物镜与被摄资料文档之间，在一调整部件的作用下，物方视场切换光路完成物方视场的切换，这样被划分的被摄幅面的各个区域顺序通过光学成像镜头进行成像，此时仅采用一个面阵光电图像传感器接收所成的像；当采用独立的光学成像系统对被摄幅面进行成像时，每个区域都采用一套彼此独立的光学成像系统对该区域进行成像，并分别用面阵光电图像传感器进行接收。

为实现“一个面阵光电图像传感器只接收被摄资料幅面的被划分的一个矩形区域的像”设计思想，第二种方法可以采用“像面分割”法来实现：利用光学成像物镜对被摄的资料文档进行成像，在成像物镜和面阵光电图像传感器之间利用若干分光元件对成像光束进行一次或多次分光，成像光束被分为若干路光束，每路光束均可成一个完整的被摄资料文档的像，每路光均用一个位于成像面上的面阵光电图像传感器进行接收，每个光电图像传感器的感光面垂直于光轴方向的位置满足：它只接收被划分的被摄幅面的一个矩形区域所对应的像，各个光电图像传感器所接收的像合起来为一幅完整的被摄资料文档的像。

第一种采用“物面分割”法的高分辨率资料文档快速数字化装置，包括光源、光学成像物镜、面阵光电图像传感器。在被摄资料文档和光学成像物镜之间有一个物方视场切换部件，该部件可以实现物方视场的中心在所划分的被摄幅面的各个区域的对称中心之间进行切换，以获得各个区域的图像。被摄资料文档位于光学成像物镜的物面上。面阵光电图像传感器位于光学成像物镜的像面上，其感光面垂直于光轴，以实现像的光电转换。处理电路接收面阵光电图像传感器的输出信号，处理电路与计算机相连，在计算机中把各个区域的像合成为一幅图像。

上述的物方视场切换部件可以由一对主截面互相垂直的光楔对和一个调整部件组成，每个光楔对的两个光楔相邻工作面互相平行，并且可以在调整部件的作用下相对转动任意的角度，两个光楔对顺序排布于成像光路中，一个调整部件与光楔相连。

上边所述的物方视场切换部件还可以由若干个全反射直角棱镜、若干个两对角线镀有半透半反膜的立方体棱镜以及调整部件组成，全反射直角棱镜位于被摄资料文档被划分的某个区域的正上方，成像光束首先经过全反射直角棱镜并进行转向，若干个全反射直角棱镜向一个立方体棱镜汇聚，若干个立方体棱镜的出射光束亦用一个立方体棱镜进行汇聚，调整部件的不同状态可实现对物方视场光束的遮挡与通过。调整部件可以由一个遮光板和一个步进电机组成，步进电机与遮光板固定连接，遮光板有一个透光区域，该区域大小满足成像光路视场的需要。

第二种采用“物面分割”法的高分辨率资料文档快速数字化装置，包括光源、多个光学成像物镜及若干个面阵光电图像传感器。被摄资料文档的幅面被划分为若干个矩形区域，每个区域均用一个独立的光学成像物镜对该区域的被摄幅面进行成像，每个物镜的物方视场范围对应于一个所划分的区域，各个面阵光电图像传感器分别位于各个的像面上实现光电转换，光电传感器的感光面垂直于光轴，处理电路接收面阵光电图像传感器的输出信号，处理电路与计算机相连，在计算机中把各个传感器所接收的图像合成为一幅图像。

采用“像面分割”法的高分辨率资料文档快速数字化装置，包括光源、光学成像物镜及若干个面阵光电图像传感器。在光学成像物镜和像面之间的光路中有若干个分光元件，以进行一次或若干此分光，各个面阵光电图像传感器分别置于每个分光光路的像面上，并且其感光面垂直于光轴，感光面垂直于光轴方向的位置满足：每个光电图像传感器只接收所成资料文档的像的一部分，而各个传感器所接收的像合起来成为一个完整的资料文档的图像。处理电路接收各个面阵光电图像传感器的输出信号，处理电路与计算机相连，利用软件在计算机中将各个图像传感器所接收到的图像合成为一幅图像。

由于本发明采用了“物面分割”法或“像面分割”法，可以提高光学成像系统的放大倍数，从而可以提高整个数字化装置的图像分辨率，达到能够分辨资料文档细节的目的，同时由于图像的数据量较大，本发明的处理电路采用了高速计算机总线接口，如PCI总线、SUB总线、SCSI总线等，可把图像数据快速传到计算机中，最终达到资料文档高分辨率图像的快速获取的目的。另外，由于本发明采用高速接口，可以实现对被摄资料文档的实时预览功能。最后，由于本发明没有像扫描仪那样必须通过一维的机械扫描才能获得二维的图像，而是完全采用电子扫描的方法获得图像，因此，获得的图像稳定、像质好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明采用“物面分割”法设计的第一个方案的结构示意图。

图2是本发明采用“物面分割”法设计的第二个方案的结构示意图。

图3是本发明采用“物面分割”法设计的第三个方案的结构示意图。

图4是本发明采用“物面分割”法设计的第三个方案中区域视场光线会聚部件结构俯视图。

图5是本发明采用“物面分割”法设计的第三个方案中区域视场光线会聚部件结构正视图。

图6是本发明采用“物面分割”法设计的第三个方案中遮光板示意图。

图7是本发明采用“物面分割”法设计的第四个方案的结构正视图。

图8是本发明采用“物面分割”法设计的第四个方案的结构A-A剖视图。

图9是本发明采用“像面分割”法设计的第一个方案的结构示意图。

图10是本发明采用“像面分割”法设计的第二个方案的结构示意图。

图11是本发明采用“像面分割”法设计的第三个方案的结构示意图。

图12是本发明采用“物面分割”法第三个方案中光源面板结构示意图。

图13是本发明其它方案采用光源面板结构示意图。

图14是本发明采用一个个面阵图像传感器时的处理电路。

图15是本发明采用多个面阵图像传感器时的处理电路。

图1是“物面分割”法设计的第一个方案，包括被摄资料文档26、光源面板8、漫反射玻璃10、一对光楔对4、一个调整部件2、一个全反射直角棱镜11、光学成像物镜9、面阵CCD图像传感器3及处理电路6。光源面板8上除成像用的透光区域外，均匀排布着光源1，光源面板发出的光透过漫反射玻璃10形成均匀照明光照射到被摄资料文档26上。图中的两个光楔对的主截面互相垂直，它们的作用是通过每个光楔对的互相平行的两个邻近工作面的相对转动，实现对入射的光线进行偏折，根据光路可逆原理，相应于物面的视场也就发生了变化。具体来说，光楔对I产生弧矢面内(垂直于纸面)的光线的偏折，光楔对II产生子午面内(纸面内)的光线偏折。我们可以把被摄资料文档26的幅面当作一个矩形区域，首先把整个幅面人为地划分为若干个矩形区域，调整部件2控制每个光楔对4中的相对角度就可以使成像光线的主光线在各个被摄区域中心间切换，从而实现视场的变化。这样被摄资料文档26的各个区域可以顺次经过两光楔对4、光学成像物镜9进行成像。在像面上放置一面阵CCD图像传感器3，其感光面垂直于光轴，整个物方视场恰好对应于其感光面。图像传感器3把像面上的像进行光电转换，输出信号送入处理电路6进行处理，处理电路6输出的数字图像信号送入到计算机中进行图像处理处理，并重新把被摄幅面的各个区域的图像合成为一幅完整的图像。

图2是“物面分割”法设计的第二个方案，该方案的原理同上面的方案原理类似，只是增加了光路转折元件12，以增加物距，使装置的结构更加紧凑。

图3所示的资料文档数字化装置包括被摄资料文档26、漫反射玻璃10、光源面板8、调整部件2、区域视场光线汇聚部件25，光学成像物镜9、面阵光电图像传感器3。调整部件2由步进电机13、遮光板14组成，步进电机与遮光板14固定连接。这种方案的基本原理是把被拍摄的资料文档人为地划分为若干矩形区域，各个区域均可以通过区域视场光线汇聚部件25及光学成像物镜9后进行成像，在调整部件2的作用下，只有一个区域的光束进行成像，把每个区域的像“分时”用同一个面阵CCD图像传感器进行光电转换，并送入到计算机中进行处理，重新合成为一幅图像。区域视场光线汇聚部件25的结构如图4、图5所示。在图4中各个区域的光线首先经过四个直角棱镜11汇聚到两个对角线镀有半透半反膜的立方棱镜15处，两个立方体棱镜的出射光线再用另外一个立方体棱镜进行光线汇聚，最终使得各个区域的光束均可以汇聚到一个光路中。在图3中，光源面板8形成的均匀照明光照射在被摄资料文档26上，区域视场光线汇聚部件25有四个成像光路可对人为所划分的物面进行成像，遮光板14在步进电机13的驱动下转动，分别使被摄资料文档26的一个区域通过遮光板14，进行成像，再利用CCD传感器进行光电转换，完成一个区域物面的图像的获取，然后再控制步进电机转动遮光板，分别让其它区域进行成像，从而实现整个被摄资料文档图像的获取。该结构的光源面板的示意图如图12所示。图中的四个孔为通光孔。遮光板的示意图如图6所示。两对角线镀有半透半反膜的立方棱镜15的非对角工作面都要镀增透膜，以防止杂散光线对成像光路的影响。

图7、图8所示的资料文档数字化装置包括被摄资料文档26、光源面板8、漫反射玻璃10、四个光学成像物镜9、四个直角棱镜11、四个面阵光电图像传感器(面阵CCD)3。它的基本原理是把被摄资料文档的幅面人为地分为四个相同的矩形区域，每个区域分别用一套彼此独立的光学成像物镜进行成像并用高分辨率面阵CCD传感器进行光电转换，再通过一定的处理电路送到计算机中，合成为一个完整的图像，每个其处理电路如图14所示。四套独立的光学成像的位置除满足成像的要求外，还应满足：每个光学成像物镜的物方视场对应于被划分的被摄资料文档的一个矩形区域，所有光学成像物镜的的物方视场合起来组成被摄资料文档的整个幅面。图中加了四个用于光路转折的全反射直角棱镜，使结构更加紧凑。

图9所示的资料文档数字化装置包括被摄资料文档26、漫反射玻璃10、光源面板8、光学成像物镜9、三个半透半反分光棱镜7、四个面阵CCD图像传感器3、处理电路6。光源面板8发出的光透过漫反射玻璃10照射到被拍摄资料文档26上，光学成像物镜9首先对被摄资料文档26成像。在像方，成像光线首先被第一个分光棱镜7分成两部分光，一部分是透射光，一部分是反射光，这两部分光又分别被另外两个分光棱镜7进一步进行分光，这样，成像光线一共被分成四部分。在每一路光束的成像面上放置一高分辨率的面阵CCD图像传感器，把投射其上的像转换为电信号，通过处理电路6对各个面阵CCD图像传感器的输出信号进行处理，通过高速接口送入计算机进行图像处理，最后在计算机中重新合成为一幅图像。该装置是把整个资料文档的像分散成若干个完整的资料的像，每个像分别用面阵图像传感器接收转换，每个面阵图像传感器只接收对应于被摄资料文档的一个矩形区域的像，从而实现高分辨率图像的获得。

图9中的第一块分光棱镜在镀膜时，做一些特殊处理，使得分光后的两部分光不是偏振光，以利于后续分光的均匀性。经过两次分光后，每部分的光强都是相等的，这样可使分开的图像再进一步合成。为了保证被拍摄的的资料得到较均匀的照明，本装置采用了光源面板13作为装置的照明系统。

图10和图11所示的装置与图9所示的资料文档数字化装置结构及原理相似，只是加了光路转折器件一全反射直角棱镜11。这样可是装置的结构尺寸更加紧凑。

图14是本发明采用一个面阵CCD图像传感器时的处理电路，包括时序产生电路17、面阵CCD图像传感器3、箝位双采样及放大电路18、模数转换电路19、缓冲器20、高速PCI总线接口电路21、控制电路22。时序产生电路17产生的时序送给面阵CCD图像传感器3进行驱动，使之工作，面阵CCD图像传感器3输出的信号经过箝位双采样及放大电路及模数转换电路19变为数字信号，暂存在缓冲器20里，在控制电路的控制下，缓冲器20里的图像数据通过高速PCI总线接口21被传输到计算机中进行处理。控制电路同时还负责时序产生电路17的初始化及图像数据的存储。

图15是本发明采用多个面阵CCD图像传感器时的处理电路，它的工作原理与图14所示的电路相似，只是图像信号源信号由原来的一路变为四路，外加一个切换电路24。四路图像信号源在切换电路的控制下，只允许一路工作，并进入到下一级电路一箝位双采样及放大电路18，进行处理。

Claims (14)

1.一种高分辨率资料文档快速数字化方法，包括以下步骤：

(1)利用光源照明被摄的资料文档；

(2)把被摄资料文档的幅面划分为若干矩形区域；

(3)利用光学成像系统对被摄的资料文档进行成像，在像面上，利用面阵光电图像传感器接收所成的像并进行光电转换，一个面阵光电图像传感器只接收被摄资料幅面的被划分的一个矩形区域的像，把所划分的被摄资料文档的各个区域均用面阵光电图像传感器进行接收；

(4)处理电路对面阵图像传感器所输出的信号进行处理，转换为数字信号，并送入缓冲存储器；

(5)采用高速计算机总线接口把缓冲存储器中所采集到的数字图像数据传输到计算机中；

(6)在计算机中，利用软件把所得到的被摄资料文档的各个局部区域的图像重新合成为一幅完整的被摄资料文档的像。

2.按照权利要求1所述方法的步骤(3)可以采用“物面分割”法来实现：把被划分开的被摄资料文档的各个区域采用彼此独立的或共用的光学成像系统进行成像，当采用共用的光学成像系统进行成像时，光学成像系统包括了成像物镜和一套物方视场切换光路，物方视场切换光路位于成像物镜与被摄资料文档之间，在一调整部件的作用下，物方视场切换光路完成物方视场的切换，这样被划分的被摄幅面的各个区域顺序通过光学成像镜头进行成像，此时仅采用一个面阵光电图像传感器接收所成的像；当采用独立的光学成像系统对被摄幅面进行成像时，每个区域都采用一套彼此独立的光学成像系统对该区域进行成像，并分别用面阵光电图像传感器进行接收。

3.按照权利要求1所述方法的步骤(3)可以采用“像面分割”法来实现：利用光学成像物镜对被摄的资料文档进行成像，在成像物镜和面阵光电图像传感器之间利用若干分光元件对成像光束进行一次或多次分光，成像光束被分为若干路光束，每路光束均可成一个完整的被摄资料文档的像，每路光均用一个位于成像面上的面阵光电图像传感器进行接收，每个光电图像传感器的感光面垂直于光轴方向的位置满足：它只接收被划分的被摄幅面的一个矩形区域所对应的像，各个光电图像传感器所接收的像合起来为一幅完整的被摄资料文档的像。

4.一种采用权利要求1所述方法的高分辨率资料文档快速数字化装置，包括光源(1)、光学成像物镜(9)、面阵光电图像传感器(3)，其特征在于，在被摄资料文档(26)和光学成像物镜(9)之间有一个物方视场切换部件(16)，该部件可以实现物方视场的中心在所划分的被摄幅面的各个区域的对称中心之间进行切换，以获得各个区域的图像；被摄资料文档(26)位于光学成像物镜(9)的物面上，面阵光电图像传感器(3)位于光学成像物镜(9)的像面上，其感光面垂直于光轴，以实现像的光电转换；处理电路(6)接收面阵光电图像传感器(3)的输出信号，处理电路与计算机相连，在计算机中把各个区域的像合成为一幅图像。

5.按照权利要求4所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于：所述的物方视场切换部件(16)由一对主截面互相垂直的光楔对(4)和调整部件(2)组成，每个光楔对的两个光楔相邻工作面互相平行，并且可以在调整部件(2)的作用下相对转动任意的角度，两个光楔对顺序排布于成像光路中，一个调整部件(2)与光楔相连。

6.按照权利要求4所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，所述的物方视场切换部件(16)由若干个全反射直角棱镜(11)、若干个两对角线镀有半透半反膜的立方体棱镜(15)以及调整部件(2)组成，全反射直角棱镜(11)位于被摄资料文档(26)被划分的区域的正上方，成像光束首先经过全反射直角棱镜(11)并进行转向，若干个全反射直角棱镜(11)向一个立方体棱镜(15)汇聚，若干个立方体棱镜的出射光束亦用一个立方体棱镜进行汇聚，调整部件(2)的不同状态可实现对物方视场光束的遮挡与通过。

7.按照权利要求6所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，所述的物方视场切换部件(16)由四个全反射直角棱镜(11)和三个两对角线镀有半透半反膜的立方体棱镜(15)及调整部件(2)组成。

8.按照权利要求6或7所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，所述的调整部件(2)由一个遮光板(14)和一个步进电机(13)组成，步进电机(13)与遮光板(14)固定连接，遮光板(14)有一个透光区域，该区域大小满足成像光路视场的需要。

9.一种采用权利要求1所述方法的高分辨率资料文档快速数字化装置，包括光源(1)、多个光学成像物镜(9)、若干个面阵光电图像传感器(3)，其特征在于，被摄资料文档(26)的幅面被划分为若干个矩形区域，每个区域均用一个独立的光学成像物镜(9)对该区域的被摄幅面进行成像，每个物镜的物方视场范围对应于一个所划分的区域，各个面阵光电图像传感器(3)分别位于各个的像面上实现光电转换，光电传感器(3)的感光面垂直于光轴，处理电路(6)接收面阵光电图像传感器(3)的输出信号，处理电路与计算机相连，在计算机中把各个传感器(3)所接收的图像合成为一幅图像。

10.一种采用权利要求1所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，包括光源(1)、光学成像物镜(9)、若干个面阵光电图像传感器(3)，其特征在于，在光学成像物镜(9)和像面之间的光路中有若干个分光元件(5)，以进行一次或若干此分光，各个面阵光电图像传感器(3)分别置于每个分光光路的像面上，并且其感光面垂直于光轴，感光面垂直于光轴方向的位置满足：每个光电图像传感器只接收所成资料文档的像的一部分，而各个传感器所接收的像合起来成为一个完整的资料文档的图像，处理电路(6)接收各个面阵光电图像传感器(3)的输出信号，处理电路与计算机相连，利用软件在计算机中将各个图像传感器(3)所接收到的图像合成为一幅图像。

11.按照权利要求10所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，所述的分光元件(5)为对角线镀有半透半反膜的分光棱镜，共有三个分光元件，采用四个面阵光电图像传感器(3)进行光电转换。

12.按照权利要求4至11任何一项所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，光源(1)为一光源面板(8)，光源面板(8)上除成像用的透光区域外，其余区域都均匀排布着等间距的照明灯泡，灯泡的光线透过漫反射玻璃(10)形成均匀的照明光。

13.按照权利要求4至12任何一项所述的所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，被摄资料文档(26)与光源(1)之间有一漫反射玻璃(10)，漫反射玻璃(10)上除成像所需的透光区域外，其余区域均为漫反射面。

14.按照权利要求4至13任何一项所述的高分辨率资料文档快速数字化装置，其特征在于，在像面和被摄幅面(26)之间的光路中加入了若干光路转折元件(12)，进行光路转折。

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