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Die
Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem zur zeilenförmigen Beleuchtung
eines Objektes mit mehreren in einer Reihe angeordneten Leuchtdioden
und einem optischen System, das das Licht der Leuchtdioden auf einen
streifenförmigen
Bereich zum Beleuchten des Objektes und somit quer zur Längserstreckung
des Beleuchtungssystems bündelt.
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Derartige
Beleuchtungssysteme sind bekannt, wobei sie als optisches System
zum Bündeln des
Lichtes quer zur Längserstreckung
des Beleuchtungssystems entweder eine langgestreckte Linse mit in
Längsrichtung
konstantem Querschnitt (=Stablinse) oder einen langgestreckten Hohlspiegel
mit in Längsrichtung
konstantem Querschnitt (
DE
101 08 075 A1 ) aufweisen.
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Es
gibt Scannersysteme, die mit Zeilenkameras, wie zum Beispiel CCD-
oder CMOS-Zeilenkameras,
arbeiten, mit welchen ein schmaler Streifen eines Objektes abgetastet
wird. In solchen Scannersystem ist es zweckmäßig, den abzutastenden Bereich
mit einem möglichst
homogenen Lichtstreifen auszuleuchten. Als Beleuchtungsmittel werden
zunehmend Leuchtdioden verwendet, da diese aufgrund ihrer hohen
Effizienz und Lebensdauer Vorteile gegenüber herkömmlichen Glüh- und Leuchtstofflampen besitzen.
Die Kameras haben die Eigenschaft, dass in Abhängigkeit von ihren optischen
Parametern der Abbildung, die Randbereiche des Bildfeldes grundsätzlich etwas
dunkler abgebildet werden. Daher wäre es von Vorteil, wenn das
Beleuch tungssystem den streifenförmigen
Bereich an den Randbereichen heller als im mittigen Bereich ausleuchten
würde.
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Zeilenförmige Beleuchtungen
auf der Basis von Leuchtdioden werden dadurch realisiert, dass mehrere
Leuchtdioden in einer Reihe auf einer Leiterplatte angeordnet sind.
Diese Leuchtdiodenreihe leuchtet dann auf ein abzutastendes Objekt
und erzeugt dort einen Lichtstreifen. Da die Leuchtdioden in der
Regel ihr Licht breit abstrahlen, aber auf der Vorlage nur ein schmaler
Lichtstreifen erzeugt werden soll, wird zwischen den Leuchtdioden
und dem Objekt ein optisches System in Form einer Stablinse oder
eines langgestreckten Hohlspiegels eingefügt, das das Licht quer zur
Zeilenrichtung bzw. zur Längserstreckung
der Leuchtdiodenreihe bündelt.
Sind die Leuchtdioden mit konstantem Abstand zueinander angeordnet,
so ergibt sich eine Helligkeitsverteilung, bei der die Helligkeit
in der Mitte am höchsten
ist und zum Rand auf 50% der Mittenhelligkeit abfällt. Bei Leuchtdioden
mit breiter Abstrahlcharakteristik ist der Abfall noch störender,
da die Helligkeit bereits von der Bildmitte zum Rand abfällt. Diese
Eigenschaft von Leuchtdiodenreihen ist exakt konträr zum Bedarf von
Zeilenkameras, für
welche eine stärkere
Ausleuchtung am Randbereich gegenüber dem Mittenbereich von Vorteil
wäre.
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Um
das gewünschte
Helligkeitsprofil zu erhalten, hat man in der Mitte des Beleuchtungssystems
eine Blende vorgesehen, die einen Teil des Lichtes abschattet, so
dass die Helligkeit im mittleren Bereich abgesenkt wird. Dies führt zwar
zu der gewünschten
Helligkeitsverteilung, verursacht aber einen erheblichen Lichtverlust.
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Alternativ
wird versucht, dieses Problem dadurch abzumildern, dass die Leuchtdioden
an den Randbereichen des Beleuchtungssystems enger als im mittigen
Bereich angeordnet werden. Abhängig von
den Abmessungen und der Abstrahlcharakteristik der Leuchtdioden
wird der Randabfall der Helligkeit tatsächlich verringert. Das Maximum
der Helligkeit tritt aber nicht am Rand der Zeile auf, sondern es ergibt
sich eine Helligkeitsverteilung mit zwei Maxima innerhalb der Zeile.
Das Beleuchtungssystem wird deshalb länger als der zu erfassende
Bildausschnitt ausgebildet, wodurch innerhalb des Bildausschnittes die
gewünschte
Lichtverteilung erzielt wird. Wenn das Beleuchtungssystem aber aus
technischen Gründen
nicht länger
als der Bildaus schnitt bzw. die Bildzeile sein kann, dann ist es
nicht möglich,
durch das Verdichten der Leuchtdioden am Randbereich die gewünschte Lichtverteilung
zu erhalten. Zudem können
die Leuchtdioden aufgrund ihrer Baugröße nicht beliebig eng nebeneinander
angeordnet werden, so dass ein gewisser Mindestabstand einzuhalten
ist. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf nach einem zeilenförmigen Beleuchtungssystem
mit Leuchtdioden, das einen möglichst
steilen Randabfall aufweist, damit ein möglichst großer Teil des Ausleuchtungsbereichs
nutzbar ist.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem
zur zeilenförmigen Beleuchtung
eines Objektes mit mehreren in einer Reihe angeordneten Leuchtdioden
derart weiterzubilden, dass eine langgestreckte Bildzeile in den Randbereichen
homogener ausgeleuchtet werden kann, wobei es nicht notwendig ist,
dass die Länge des
Beleuchtungssystems wesentlich länger
als die Bildzeile ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Beleuchtungssystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungssystem
zur zeilenförmigen
Beleuchtung eines Objektes umfasst
- – mehrere
in einer Reihe angeordnete Leuchtdioden, und
- – ein
optisches System, das das Licht der Leuchtdioden auf eine langgestreckte
Bildzeile zum Beleuchten des Objektes und somit quer zur Zeilenrichtung
bündelt.
Dieses Beleuchtungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass das optische System
Mittel zum Bündeln
des von den Leuchtdioden am Randbereich des optischen Systems abgestrahlten
Lichtes in Zeilenrichtung des optischen Systems aufweist.
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Dadurch,
dass am Randbereich des optischen Systems das Licht nicht nur quer
zur Zeilenrichtung sondern auch in Zeilenrichtung gebündelt wird,
wird bewirkt, dass von dem am Randbereich angeordneten Leuchtdioden
kaum Licht auf den Bereich außerhalb
der Bildzeile gerichtet wird und auch von dem am Randbereich angeordneten
Leuchtdioden weniger Licht in den mittigen Bereich der Bildzeile
gerichtet wird. Hierdurch wird die Helligkeit im Vergleich zu herkömmlichen
Beleuchtungssystemen im mittigen Bereich abgesenkt und im Randbereich
erhöht,
ohne dass die Lichtausbeute verringert wird.
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Leuchtdioden
haben eine geringere Licht-Leistungsdichte als herkömmliche
Glühlampen und
Leuchtstoffröhren,
weshalb es sehr wichtig ist, dass durch die erfindungsgemäße Bündelung
und Lenkung des Lichtes keine Lichtverluste auftreten. Dies gilt
insbesondere für
polychromatische Leuchtdioden, deren Licht-Leistungsdichte noch geringer ist als
die von monochromatischen Leuchtdioden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das optische System zum Bündeln des Lichtes einen langgestreckten
Umlenkspiegel auf, der an seinen Randbereichen jeweils eine oder mehrere
quer zu seiner Längserstreckung
verlaufende Rinnen aufweist. Mit diesen Rinnen wird das Licht im
Randbereich in Zeilenrichtung gebündelt. Alternativ kann auch
eine entsprechend langgestreckte Linse verwendet werden, die im
Randbereich an der Oberfläche
eine Krümmung
um eine Achse quer zu ihrer Längserstreckung
aufweist. Das Vorsehen eines Spiegels bietet gegenüber einer
Linse jedoch den Vorteil, dass keine chromatischen Abbildungsfehler
durch die zusätzliche
Bündelung
des Lichtes verursacht werden.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
wird ein Spiegel verwendet, der in mehrere Segmente unterteilt ist,
wobei die Segmente des Spiegels derart gekippt sind, dass Licht
aus dem mittigen Bereich in den Randbereich gelenkt wird und Licht vom
Randbereich nicht über
die Enden der Bildzeile hinaus gelenkt wird. Diese Ausführungsform
kann auch mit den oben beschriebenen Rinnen kombiniert werden, wobei
dann eine jede Rinne ein solches Segment darstellt, das gekippt
angeordnet ist. Anstelle des Kippens der rinnenförmigen Segmente können die
rinnenförmigen
Segmente auch etwas in Längsrichtung
des Spiegels verschoben angeordnet sein, so dass die jeweiligen,
den Rinnen zugeordneten Leuchtdioden exzentrisch bezüglich der
Rinnen angeordnet sind. Dies bewirkt einen fast gleichwirkenden
Effekt wie das Kippen der rinnenförmigen Spiegelsegmente.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungssystem
ist vorzugsweise Bestandteil eines Scanners, der eine Zeilenkamera
zum Abtasten des vom Beleuchtungssystem ausgeleuchteten Objektes
aufweist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Die Zeichnungen zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem
in einem schematisch vereinfachten Querschnitt,
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2 einen
Umlenkspiegel, wie er in dem Beleuchtungssystem gemäß 1 verwendet
wird in einer perspektivischen Darstellung,
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3 das
Beleuchtungssystem aus 1 in einem Längsschnitt,
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4 ein
Diagramm, das die Lichtintensität des
erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
nach 1 und 3 und eines herkömmlichen
Beleuchtungssystems innerhalb der Bildzeile zeigt,
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5 ein
Diagramm, das die Lichtintensität eines
weiteren Beleuchtungssystems zeigt, und
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6 eine
alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem
in einem schematisch vereinfachten Längsschnitt.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungssystem 1 weist
ein schmales, langgestrecktes Gehäuse 2 auf (1, 3).
Das Gehäuse 2 ist
aus einer Bodenwandung, zwei Längsseitenwandungen
und zwei Stirnseitenwandungen ausgebildet. Es ist nach oben hin
offen. Diese Öffnung
wird von einer Stablinse 3 vollständig abgedeckt, so dass das
gesamte Beleuchtungssystem ein geschlossener Körper ist. Das Beleuchtungssystem
ist ein sehr kompakter Körper mit
einer Breite b von 30 mm, einer Höhe h von 50 mm und einer Länge l von
ca. 325 mm. In einem Scanner soll dieses Beleuchtungssystem 1 zusammen
mit einem entsprechenden Sensorelement entlang einem abzutastenden
Objekt bewegt werden, weshalb das gesamte Beleuchtungssystem möglichst
klein ausgebildet sein sollte, damit keine großen Körper im Scanner zu bewegen
sind.
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An
der Innenfläche
einer der beiden Längsseitenwandungen
ist eine Leiterplatte 4 befestigt, auf welcher eine Reihe
von Leuchtdioden 5 angeordnet sind. Die Leuchtdioden sind
entlang einer Linie mit gleichem Abstand angeordnet. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind 40 Leuchtdioden 5 vorgesehen, die jeweils einen Mittenabstand
von 8 mm zueinander aufweisen.
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Benachbart
zu den Leuchtdioden ist ein langgestreckter Umlenkspiegel 6 angeordnet,
der mit seiner Spiegeloberfläche
einen Winkel von 45° mit
der Horizontalen einschließt.
Das von den Leuchtdioden 5 etwa horizontal ausgesandte
Licht wird vom Umlenkspiegel 6 nach oben in Richtung zur
Stablinse 3 abgelenkt. Da die Leuchtdioden Licht über einen
beträchtlichen
Winkelbereich von zum Beispiel 60° abstrahlen,
wird die Stablinse 3 entsprechend breit ausgeleuchtet.
Die Stablinse 3 fokussiert das von den Leuchtdioden 5 ausgesandte
Licht auf eine Brennlinie 7, die im Scanner an der Oberfläche oder
angrenzend zu der Oberfläche
des abzutastenden Objektes positioniert ist und eine Bildzeile 15 ausleuchtet,
die mit einem Sensorelement abgetastet werden kann. Diese Bildzeile
verläuft
somit entlang der Brennlinie 7 bzw. in Längsrichtung
des Beleuchtungssystems 1 bzw. senkrecht zur Schnittfläche der 1 (Doppelpfeil 12 in 3).
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Die
Stablinse 3 weist in Längsrichtung
einen konstanten Querschnitt auf und bündelt somit das Licht quer
zur Zeilenrichtung der Bildzeile bzw. quer zur Längsrichtung des Beleuchtungssystems 1.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungssystem 1 zeichnet
sich dadurch aus, dass das optische System umfassend die Stablinse 3 und
den Umlenkspiegel 6 derart ausgebildet ist, dass das von
den Leuchtdioden am Randbereich abgestrahlte Licht nicht nur quer
zur Zeilenrichtung 12, sondern auch in Zeilenrichtung 12 gebündelt wird.
Hierzu ist der Umlenkspiegel 6 an den Randbereichen 14 mit
Rinnen 8 ausgebildet, die quer zur Längsrichtung des Umlenkspiegels 6 und
somit auch quer zur Zeilen richtung 12 verlaufen (2, 3).
In 2 und 3 sind zur Vereinfachung lediglich
drei Rinnen an den beiden Randbereichen 14 des Umlenkspiegels 6 vorgesehen.
Im tatsächlichen
Ausführungsbeispiel
sind an den beiden Randbereichen 14 jeweils acht derartige Rinnen 8 vorgesehen.
Im mittigen Bereich 13 zwischen den Rinnen 8 bildet
der Umlenkspiegel 6 einen ebenflächigen Planspiegel. Der Umlenkspiegel 6 weist
eine Länge
L von 320 mm auf. Die Rinnen sind mit einer Breite B von etwa 8
mm ausgebildet, die dem Mittenabstand zweiter benachbarter Leuchtdioden 5 entspricht.
Jeder Rinne 8 ist exakt eine Leuchtdiode 5 zugeordnet,
die mittig zu den jeweiligen Rinnen positioniert sind. Die Rinnen 8 sind
mit einem Radius R von 19 mm ausgebildet und bilden jeweils einen
Hohlspiegel, der das Licht der der jeweiligen Rinne zugeordneten
Leuchtdiode in der Richtung der Bildzeile bündelt. Hierdurch wird sichergestellt,
dass der überwiegende
Anteil des im Randbereich von den Leuchtdioden 5 abgestrahlten
Lichtes auch im Randbereich verbleibt und weder in den mittigen
Bereich eintritt, noch seitlich aus dem Bereich der abzutastenden
Bildzeile austritt.
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Der
mit dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
erzielte Verlauf der Lichtintensität ist in 3 mit
dem Graphen I dargestellt. Er weist an den beiden Randbereichen
jeweils ein Maximum 9 und im mittigen Bereich eine geringfügige Erhöhung auf.
In diesem Diagramm ist auch der Verlauf der Lichtintensität eines
herkömmlichen
Beleuchtungssystems mit gleich beabstandeten Leuchtdioden im Graphen
II dargestellt. Bei diesem Verlauf ist im Randbereich ein deutlicher
Abfall der Lichtintensität
gegenüber
dem mittigen Bereich erkennbar.
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Dieses
Diagramm zeigt deutlich, dass mit der Erfindung in den Randbereichen
durch die Maxima 9 eine erheblich bessere Ausleuchtung
der Bildzeile als im Stand der Technik erzielt wird. Angrenzend
an den beiden Maxima 9 in Richtung zum mittigen Bereich
sind zwei kleine Minima 10. Diese Minima können geglättet werden,
indem die Radien der Rinnen 8 des Umlenkspiegels 6 von
außen
nach innen vergrößert werden,
d.h., dass die Krümmung
verringert wird, so dass die Bündelung
der Rinnen von außen nach
innen sukzessiv abnimmt. Vorzugsweise wird der Radius der am weitesten äußeren Rinnen
noch etwas gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
verringert, wodurch die Maxima 9 um ein Stück nach
außen
verschoben werden.
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In 5 zeigt
ein weiteres Diagramm den Graphen II aus 3 des Verlaufes
der Lichtintensität
eines herkömmlichen
Beleuchtungssystems mit gleich beabstandeten Leuchtdioden und einen
Graphen III, der die Lichtverteilung mit einem Umlenkspiegel zeigt,
bei dem die Krümmung
der Rinnen von außen
nach innen sukzessiv abnimmt. Wie man anhand von 5 erkennen
kann, wird hierdurch zum einem der mittige Bereich 13 geglättet und
zum anderem in den Randbereichen 14 ein noch steilerer
Abfall erzielt, wodurch die Ausleuchtung verbessert wird.
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Nach
einer zweckmäßigen Weiterbildung
der Erfindung ist der Umlenkspiegel 6 um eine Achse in Richtung
seiner Längserstreckung
gekrümmt,
so dass das Licht durch den Umlenkspiegel 6 auch quer zur
Zeilenrichtung 12 gebündelt
wird. Hierdurch ist es möglich,
eine Stablinse 3 mit geringerer Krümmung vorzusehen oder die Stablinse 3 sogar
vollständig durch
eine ebene Scheibe zu ersetzen.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Rinnen im Querschnitt kreissegmentförmig ausgebildet. Da die Lichtstrahlen
jedoch schräg
in die Rinnen einfallen (im Mittel mit einem Winkel von 45°), wirken
diese Rinnen als elliptische Hohlspiegel, wobei die Elipsensegmentform
sich durch den Schnitt der Einfallsebene der Lichtstrahlen mit der
jeweiligen Rinne 8 ergibt. Im Rahmen der Erfindung kann
es auch zweckmäßig sein,
die Rinnen mit der Form eines beliebigen anderen Elipsensegmentes
auszubilden. Das Kreissegment stellt ein spezielles Elipsensegment
dar. In gleicher Weise kann es auch sinnvoll sein, die Rinne in
Form eines Parabelsegmentes auszubilden.
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4 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
dieses erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems 1,
bei dem der Umlenkspiegel 6 aus mehreren Segmenten 11 ausgebildet
ist. Die Segmente sind zur Bündelung
des Lichtes in Zeilenrichtung (Doppelpfeil 12) gegenüber der
Längserstreckung
des Spiegels bzw. gegenüber
der Zeilenrichtung zumindest teilweise etwas verkippt, so dass Licht
aus dem mittigen Bereich 13 in die Randbereiche 14 gelenkt
wird und nur ein geringer Anteil an Licht über die Enden der Bildzeile 15 hinausgelenkt
wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann die gewünschte
Lichtverteilung allein durch das Kippen der Segmente 11 des
Umlenkspiegels 6 erzielt werden. Vorzugsweise wird diese
Ausführungsform
mit einer rinnenförmigen
Ausbildung der Umlenkspiegel im Randbereich 14 bzw. mit
einer in Zeilenrichtung innerhalb des Randbereichs 14 fokussierenden
Linse 3 kombiniert. Hierdurch kann die Intensitätsverteilung noch
besser an die ideal gewünschte
Intensitätsverteilung
angepasst werden.
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Gleichwirkend
mit dem Kippen eines rinnenförmigen
Spiegels ist das Verschieben des rinnenförmigen Spiegelsegmentes bezüglich der
korrespondierenden Leuchtdiode. In den obigen Ausführungsbeispielen
sind die Leuchtdioden mittig bzw. zentrisch zu den jeweiligen Rinnen 8 angeordnet
sind. Bei einer exzentrischen Anordnung der Leuchtdioden ergibt
sich eine Umlenkung des Lichtstrahlbündels, die gezielt zur Einstellung
der Intensitätsverteilung genutzt
werden kann.
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Mit
den oben beschriebenen Beleuchtungssystemen ist es möglich, ohne
nennenswerten Lichtverlust eine zum Abtasten einer Bildzeile mittels CCD-Zeilenkamera
bzw. CMOS-Zeilenkamera optimale oder nahezu optimale Intensitätsverteilung
zu erhalten.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungssystem
ist vorzugsweise Bestandteil eines Scanners, der auch eine entsprechende
Zeilenkamera zum Abtasten der vom Beleuchtungssystem beleuchteten Bildzeile
aufweist. Die beiden Komponenten – Beleuchtungssystem und Zeilenkamera – sind ortsfest zueinander
angeordnet, so dass die vom Beleuchtungssystem erzeugte Beleuchtungslinie
mit der von der Zeilenkamera betrachteten Beobachtungslinie zusammenfällt. Diese
Baueinheit aus Beleuchtungssystem und Zeilenkamera ist relativ zum
abzutastenden Objekt zu bewegen.
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Die
Erfindung kann folgendermaßen
kurz zusammengefasst werden:
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem
zur zeilenförmigen
Beleuchtung eines Objektes. Bei bekannten Beleuchtungssystemen zur
zeilenförmigen Beleuchtung
eines Objektes wird das Licht in Richtung quer zur Bildzeile gebündelt. Bei
der Erfin dung wird das Licht an den Randbereichen des Beleuchtungssystems
auch in Zeilenrichtung gebündelt,
wodurch die Lichtintensität
im Randbereich erhöht
wird, was für
eine Abtastung mit einer CCD-Zeilenkamera bzw. CMOS-Zeilenkamera
von Vorteil ist. Die zusätzliche
Bündelung
kann durch Vorsehen von Rinnen in einem Umlenkspiegel, Kippen von
entsprechenden Spiegelsegmenten oder durch Vorsehen entsprechender
Linsen realisiert werden.
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- 1
- Beleuchtungssystem
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stablinse
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Leuchtdiode
- 6
- Umlenkspiegel
- 7
- Brennlinie
- 8
- Rinne
- 9
- Maximum
- 10
- Minimum
- 11
- Segment
- 12
- Doppelpfeil
für Zeilenrichtung
- 13
- Mittiger
Bereich
- 14
- Randbereich
- 15
- Bildzeile