DE102008017125A1

DE102008017125A1 - Lichtabtastsystem mit langem Zeilensensor

Info

Publication number: DE102008017125A1
Application number: DE200810017125
Authority: DE
Inventors: Rudi Schael; Harald Dr. Schmalfuss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Bei Lichtabtastsystemen hängt die Auflösung direkt von der Abtastbreite ab, die auf einen Zeilensensor mit gegebener Pixelzahl abgebildet wird. Mehrere solcher Systeme in Modulbauweise aneinader gereiht, ergeben entsprechend größere Abtastbreite, bei hoher Auflösung. Infolge natürlicher Bilddrehung der einzelnen Objektive, sind deren partielle Bildanteile jedoch verdreht. Bei Abbildung auf einen langen zeilensensor ist eine sequentille Auslesung dann nicht mehr möglich. Die Erfindungsaufgabe bestand in der Entwicklung von Objektiven, welche diese Bilddrehung eliminieren. Diese Aufgabenstellung wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Objektive bevorzugt als Spiegellinsen-Objektive mit er Blendenebene ausgeführt sind. Dabei erfolgt eine einseitige Bilddrehung in Abtastrichtung. Die Erfindung bezieht sich auf Lichtabtastsysteme mit langen Zeilensensoren und Reihenanordnung mehrerer baugleicher 1 : 1 Objektive. Man erhält erfindungsgemäß eine exakte 1 : 1 Kopie einer langen Objektzeile, die sequentiell aus langem Zeilensensor ausgelesen werden kann.

Description

Zur berührungslosen Abtastung beliebiger Objekte auf einen Zeilensensor, benötigt man bevorzugt optische Übertragungselemente, die ein maßstäbliches Abbild einer Objektzeile auf dem Zeilensensor erzeugen. Die Pixel des Zeilensensors werden dann der Reihe nach elektronisch ausgelesen und gespeichert, wobei sich dieser Prozeß mit definierter Frequenz ständig wiederholt. Synchron zu dieser Frequenz wird vorzugsweise auch das abzutastende Objekt quer zur Objektzeile gleichmäßig bewegt. Jede Folgezeile der Objektabtastung erzeugt damit auch eine Folgezeile in einem Speicher. Dadurch entsteht im Speicher ein digitales Abbild der abgetasteten Oberfläche. Mit Verfahren der Bildverarbeitung lassen sich so Auswertungen nach verschiedenen Kriterien, wie z. B. Oberflächendefekte, Farbdifferenzen, geometrische Maßhaltigkeit und vieles mehr, durchführen.
Normalerweise bildete man bisher die Abtastlinie des Objektes auf einen Zeilensensor mit einem Objektiv ab. Für große Abtastbreite benötigt man demnach ein Objektiv mit großem Arbeitsabstand. Andernfalls wäre die Winkelbeanspruchung des Objektivs zu groß, was zur Minderung der Abbildungsleistung und zu Verzeichnung insbesondere am Bildrand führt. Der große Arbeitsabstand führt jedoch zu entsprechend großer Bauweise der gesamten Abtasteinrichtung. Als Beispiel für eine Abtastbreite von einem Meter benötigt man ebenfalls ca. einen Meter für den Arbeitsabstand und weiteren Platz für die Baugröße des Objektivs und den Abbildungsraum bis zum Zeilensensor, einschließlich Leiterplatte und Elektronik.
Gleichzeitig ergibt sich zu geringe Objektauflösung. Wenn beispielsweise die Abtastbreite von einem Meter auf einen Zeilensensor mit 2000 Pixel abgebildet werden soll, entsprechen objektseitig 0,5 mm einem Pixel des Zeilensensors. Zur Auflösung sind jedoch mindestens 2 Pixel erforderlich, was einer objektseitigen Auflösung von 1 mm entspricht. Diese Auflösung kann infolge von Abbildungsmängeln des Objektivs noch weiter sinken.
In einer weiteren Ausgestaltung werden solche Abtasteinrichtungen für kleine Abtastbreiten mit entsprechend höherer Auflösung in Modulbauweise mit jeweils eigenem Gehäuse ausgelegt. Dabei werden mehrere Module so aneinander gereiht, daß der Übergang der einzelnen Module objektseitig nahtlos, oder in anderen Fällen mit Überlappung erfolgt und insgesamt eine große Gesamtabtastbreite ergibt. Infolge der natürlichen Bilddrehung durch die Objektive ergibt sich eine geänderte Reihenfolge der Bildpixel gegenüber den entsprechenden Ob jektpixel. Deshalb sind die Abbildungsmaßstäbe eines jeden Moduls verkleinert und die Zeilensensoren räumlich so getrennt, daß ein Übersprechen der Bildstrahlen eines jeden Objektivs auf benachbarte Zeilensensoren ausgeschlossen ist. Für die Auswertung müssen die Bildanteile von jedem Zeilensensor in ihrer Reihenfolge elektronisch gedreht werden, um über mehrere Module hinweg wieder alle Bildpunkte in der Reihenfolge der Objektpunkte zu erhalten und damit ein digitales Abbild des Objekts.
Eine besonders interessante Lösung der Aufgabenstellung besteht in der Verwendung sogenannter GRIN-Linsen in Verbindung mit Kontaktzeilen.
Die Kontaktzeilen bestehen aus Zeilensensoren, welche in beliebiger Länge ohne Zwischenabstände unmittelbar aneinander gereiht und elektronisch gekoppelt werden können. Damit können beispielsweise Kopiervorlagen in direktem Kontakt optisch abgetastet werden.
Die GRIN-Linsen bestehen aus zylindrischen Glasstäben mit radial kontinuierlich verlaufender Brechzahländerung in der Weise, die einer Linsenwirkung entspricht. Bei geeigneter Stablänge wird für definierten Objektabstand ein Zwischenbild noch innerhalb des Stabes mit entsprechender Bildumkehr erzeugt und mit der restlichen Stablänge eine weitere Abbildung außerhalb des Stabes mit weiterer Bildumkehr und im Gesamtmaßstab 1:1 zur Objektgröße. Man erhält so infolge zweifacher Bildumkehr mit 1:1 Abbildung ein dem Objekt völlig identisches Bild aus einem symmetrischen System. Durch diese Glasstäbe lassen sich jedoch nur schlanke Lichtbüschel mit kleinen Bildwinkeln übertragen. Dieser Nachteil wird durch eine dicht gepackte Anzahl solcher GRIN-Linsen in häufig 2-reihiger Zeilenanordnung ausgeglichen, wobei sich die Bilder benachbarter Stäbe überlagern und infolge gleicher Orientierung und Größe decken.
Bildet man eine Objektzeile mit einem solchen GRIN-Linsen-Array auf eine Kontaktzeile ab, so kann man bei geringer Bauhöhe und guter Ortsauflösung beinahe beliebige Abtastbreite erreichen.
Ein entscheidender Nachteil solcher GRIN-Linsen-Arrays liegt in sehr kurzem Objektabstand. Dieser erschwert die Benutzung von Auflichtbeleuchtungen, oder läßt sie nur unter sehr flachem und ungünstigem Winkel zu. Der kurze Objektabstand verhindert auch die Abtastung von Objekten die nicht hinreichend plan liegen oder sich werfen, beispielsweise Naturprodukten wie Leder.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtabtastsystem mit langem Zeilensensor und mit einer Reihenanordnung von baugleichen Objektiven zu entwickeln, welche ihre jeweiligen Anteile der Abtastlinie vorzugsweise im Maßstab 1:1 mit genauem Bildanschluß oder überlappendem Bildanschluß auf den Zeilensensor abbilden. Dabei soll eine große Abtastbreite mit hoher Objektauflösung erreicht werden und gleichzeitig ein großer Arbeitsabstand möglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einzelnen Objektive in der Reihenanordnung des erfindungsgemäßen Lichtabtastsystems mit einem Bauteil ausgestattet sind, welches neben der natürlichen Bilddrehung eine weitere zusätzliche Bilddrehung erzeugt, bei der sowohl die Teilabbildungen wie auch die Gesamtabbildung ein seitenrichtiges und identisches Abbild der aufgenommenen Abtastlinie zeigen und die Objektive gleichzeitig großen Arbeitsabstand und/oder großen Bildwinkel aufweisen können.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind diese Objektive als Spiegellinsen-Objektive mit mindestens einfach gefaltetem Strahlengang ausgeführt. Dabei ergibt sich eine vorteilhafte Verkürzung der Abbildungslänge und infolge des doppelten Strahldurchganges eine Halbierung der benötigten Linsenzahl.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Lichtabtastsystems wird die zusätzliche Bilddrehung im Blendenbereich der Objektive durch ein Prisma, vorzugsweise durch ein Dachkantprisma erzeugt. Die zusätzliche Bilddrehung kann aber auch durch ein oder mehrere Bauteile erzeugt werden, welche aus einer Kombination von Linse und Prisma bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Zeichnungen nachfolgend näher beschrieben:
1 zeigt eine Reihenanordnung herkömmlicher Objektive O1, O2, O3, ... welche jeweils ein Teilstück einer breiten Objektzeile Z1, Z2, Z3, ... auf Zeilensensoren S1, S2, S3, ... abbilden. Infolge natürlicher Bilddrehung der Objektive ergibt sich auf den Zeilensensoren eine andere Reihenfolge der Pixelbelegung, als der ursprünglichen Reihenfolge der entsprechenden Objektpunkte entspricht. Im Beispiel der 1 befinden sich die von einander entfernten Objektpunkte 1 und 4000 in der Sensorebene nebeneinander, dagegen sind die nebeneinander liegenden Objektpunkte 2000 und 2001 in der Sensorebene weit entfernt. Die abgebildeten Teilbilder lassen aneinandergereiht, keine sequentielle Auslesung zum Beispiel eines langen Kontaktsensors zu. Besonders überlappende Abbildung würde im überlappenden Bereich zu Doppelbelichtung mit unterschiedlichen Objektpunkten führen.
2 zeigt dagegen das erfindungsgemäße Lichtabtastsystem mit einer Reihenanordnung der Objektive E1, E2, E3, ... mit den Erfindungsmerkmalen, welche jeweils ein Teilstück einer breiten Objektzeile Z1, Z2, Z3, ... auf Zeilensensoren S1, S2, S3, ... abbilden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Objektive E1, E2, E3, ... wird deren natürliche Bilddrehung eliminiert und die Abbildung in der Sensorebene entspricht wieder der ursprünglichen Reihenfolge in der Objektzeile. Es ist einleuchtend, daß bei exakter 1:1 Abbildung auf einen langen Zeilensensor, eine ununterbrochene Bildzeile entsteht, welche mit der betreffenden Objektzeile völlig übereinstimmt und sequentiell ausgelesen, ein digitales Bild der Objektzeile ergibt.
3 zeigt das erfindungsgemäße Lichtabtastsystem mit langem Zeilensensor in bevorzugter Ausführung mit Spiegellinsenobjektiven Sp1, Sp2, Sp3, ... Dabei wird das Objekt in Pfeilrichtung bewegt und die abgetastete Objektzeile Z1, Z2, Z3, ... wird im Beispiel der 3 unter einem Winkel von 8° zur Objektivachse vom Objektiv aufgenommen und symmetrisch unter gleichem Winkel wieder abgestrahlt, wobei das Licht zwecks weiterer Faltung des Strahlenganges noch über einen Spiegel M gelenkt wird und dann das Bild auf der Sensorzeile erzeugt.
4a und 4b zeigen als konstruktives Detail einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Lichtabtastsystems, ein Spiegellinsenobjektiv, bei dem die zusätzliche Bilddrehung im Blendenbereich durch ein Prisma, hier vorzugsweise durch ein Dachkantprisma in Kombination mit einer Linsenfläche erfolgt. Die beiden Darstellungen sind in zwei unter 90° zueinander gedrehten Linsenschnitten gezeigt. Das Strahlbüschel tritt nach der Brechung der Linsen L1 und L2 in das Linsenprisma P ein, wird an den Dachflächen reflektiert und um 180° gedreht, so daß es nur in der Richtung die der Dachkante folgt abgelenkt wird und dabei die ursprüngliche Orientierung aufweist. Nach dem zweiten Durchgang durch die Linsen ist das Strahlbüschel so geformt, daß auf dem Zeilensensor ein 1:1 Bild in gleicher Orientierung wie in der Objektzeile entsteht.
Die Anzahl der Linsen, sowie deren geometrische Form und optische Dichte haben lediglich Einfluß auf die erreichbare Abbildungsleistung, nicht jedoch auf das Erfindungsmerkmal der zusätzlichen Bilddrehung. Die hier gezeigte Linsenzahl ist deshalb nur als mögliches Ausführungsbeispiel anzusehen.
5 zeigt das erfindungsgemäße Lichtabtastsystem mit langem Zeilensensor beispielhaft mit drei Modulen in perspektivischer Darstellung, wobei das System entsprechend gewünschter Abtastlänge mit beliebiger Anzahl weiterer Module erweitert werden kann. Die Abschnitte der Objektzeile Z1, Z2, Z3, ... werden von den Spiegellinsenobjektiven Sp1, Sp2, Sp3, ... über die Spiegel M1, M2, M3, ... auf die Sensorabschnitte S1, S2, S3, ... abgebildet. Infolge genauer 1:1 Abbildung und der erfindungsgemäßen Bilddrehung weisen die Bildabschnitte gleichgerichtete Orientierung auf, wie die entsprechenden Abschnitte der Objektzeile. Dadurch läßt sich der Sensor sequentiell auslesen und erzeugt ein digitales Abbild der Objektzeile. Ohne am Erfindungsmerkmal etwas zu ändern, lassen sich die Spiegel M1, M2, M3, ... auch als gemeinsamer und durchgehender Spiegelstreifen für mehrere Module ausführen, wodurch sich der Justier- und Montageaufwand verringert.

Claims

Lichtabtastsystem mit langem Zeilensensor und Reihenanordnung von baugleichen Objektiven, welche ihre jeweiligen Anteile der Abtastlinie vorzugsweise im Maßstab 1:1 mit genauem Bildanschluß oder überlappendem Bildanschluß auf den Zeilensensor abbilden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Objektive mit einem Bauteil ausgestattet sind, welches neben der natürlichen Bilddrehung normaler Objektive eine weitere zusätzliche Bilddrehung erzeugt, bei der sowohl die Teilabbildungen wie auch die Gesamtabbildung aus einem seitenrichtigen und identischen Abbild der aufgenommenen Abtastlinie bestehen und die Objektive gleichzeitig großen Arbeitsabstand und/oder großen Bildwinkel aufweisen.
Lichtabtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektive als Spiegellinsen-Objektive ausgeführt sind und einen mindestens einfach gefalteten Strahlengang aufweisen.
Lichtabtastsystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Bilddrehung durch wenigstens ein Prisma erzeugt wird.
Lichtabtastsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bilddrehende Prisma aus einem Dachkantprisma besteht.
Lichtabtastsystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Bilddrehung mit einer Spiegelanordnung erzeugt wird.
Lichtabtastsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Bilddrehung durch mindestens ein Bauteil erzeugt wird, welches aus einer Kombination von Linse und Prisma besteht.
Lichtabtastsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Objektive nahezu oder vollständig verzeichnungsfrei abbilden.