DE102014202679A1

DE102014202679A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand

Info

Publication number: DE102014202679A1
Application number: DE102014202679.2A
Authority: DE
Inventors: Hans Hümöller
Original assignee: Wirth Grafische Technik & Co KG Dr GmbH; Dr Wirth Grafische Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Wirth Grafische Technik & Co KG Dr GmbH; Dr Wirth Grafische Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-27
Also published as: EP2987115A1; US20160337634A1; CA2935606A1; AU2015218067A1; CN105992972A; WO2015120852A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. plastischem Effekt, umfassend eine Bilderfassungseinrichtung zur Erzeugung von zweidimensionalen Bildinformationen durch Abtasten des Gegenstands über einen betrachtenden Strahlengang und eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Gegenstands über einen beleuchtenden Strahlengang, wobei die Bilderfassungseinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung derart gekoppelt sind, dass der betrachtende Strahlengang und der beleuchtende Strahlengang synchron über den Gegenstand bewegt werden, wobei die Bilderfassungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie, vorzugsweise mit vorgebbarer Überlappung, nacheinander einen Teilbereich des Gegenstands abtastet, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Reflektor mit einer, vorzugsweise diffus, reflektierenden Reflexionsfläche aufweist, und wobei die Reflexionsfläche derart angeordnet ist, dass der Teilbereich bei der Abtastung durch die mit Licht angestrahlte Reflexionsfläche indirekt beleuchtet wird. Des Weiteren ist ein entsprechendes Verfahren angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt.
Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichsten Ausführungsformen und Ausprägungen. So wird beispielsweise im Dekorbereich versucht, durch zweidimensionale Scan-Fotografie möglichst naturgetreu Formen und Oberflächenstrukturen abzubilden, wobei man die bei entsprechender Beleuchtung der Strukturen entstehende Schattenbildung ausnutzt, um einen dreidimensionalen Eindruck der Oberflächenstruktur im Rahmen der zweidimensionalen Abbildung zu vermitteln. Die Erfassung von Oberflächenstrukturen nach dieser Methode ist jedoch äußerst schwierig und aufwendig. Insbesondere gestaltet es sich problematisch den Gegenstand insgesamt so auszuleuchten bzw. so zu beleuchten, dass über die ganze Oberfläche des zu scannenden Gegenstandes eine möglichst ideale und plastische Beleuchtung realisierbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand derart auszugestalten und weiterzubilden, dass sich ein Original-Gegenstand möglichst realitätsgetreu nachbilden lässt, und zwar mit einer zweidimensionalen Abbildung mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt, wobei die zweidimensionalen Bildinformationen mit einfachen konstruktiven Mitteln auf effiziente Weise erzeugbar sind.
Erfindungsgemäß ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand angegeben, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt, wobei die Vorrichtung eine Bilderfassungseinrichtung zur Erzeugung von zweidimensionalen Bildinformationen durch Abtasten des Gegenstands über einen betrachtenden Strahlengang und eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Gegenstands über einen beleuchtenden Strahlengang umfasst, wobei die Bilderfassungseinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung derart gekoppelt sind, dass der betrachtende Strahlengang und der beleuchtende Strahlengang synchron über den Gegenstand bewegt werden, wobei die Bilderfassungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie, vorzugsweise mit vorgebbarer Überlappung, nacheinander einen Teilbereich des Gegenstands abtastet, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Reflektor mit einer, vorzugsweise im Wesentlichen diffus, reflektierenden Reflexionsfläche aufweist, und wobei die Reflexionsfläche derart angeordnet ist, dass der Teilbereich bei der Abtastung durch die mit Licht angestrahlte Reflexionsfläche indirekt beleuchtet wird.
Die voranstehende Aufgabe ist des Weiteren durch die Merkmale des Patentanspruchs 20 gelöst. Danach ist ein Verfahren zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand angegeben, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt, wobei zur Abtastung des Gegenstands ein betrachtender Strahlengang einer Bilderfassungseinrichtung und ein beleuchtender Strahlengang einer Beleuchtungseinrichtung synchron über den Gegenstand bewegt werden, wobei die Bilderfassungseinrichtung, vorzugsweise mit vorgebbarer Überlappung, nacheinander einen Teilbereich des Gegenstands abtastet, wobei die abgetasteten Teilbereiche zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Reflektor mit einer, vorzugsweise im Wesentlichen diffus, reflektierenden Reflexionsfläche umfasst, und wobei der Teilbereich bei der Abtastung durch die mit Licht angestrahlte Reflexionsfläche indirekt beleuchtet wird.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass es für die Erzeugung von Bildinformationen mit möglichst hoher Plastizität von ganz besonderem Vorteil ist, wenn eine möglichst einheitliche Beleuchtung über die gesamte Oberfläche des zu scannenden Gegenstands realisierbar ist. Dazu sind eine Bilderfassungseinrichtung zur Erzeugung von zweidimensionalen Bildinformationen und eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Gegenstands vorgesehen. Erfindungsgemäß sind die Bilderfassungseinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung derart miteinander gekoppelt, dass der betrachtende Strahlengang zum Abtasten des Gegenstands und der beleuchtende Strahlengang zum Beleuchten des Gegenstands synchron und damit gemeinsam und gleichlaufend, insbesondere unter Beibehaltung der Ausrichtung der Strahlengänge, über den Gegenstand bewegt werden. Dabei ist die Bilderfassungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie über den betrachtenden Strahlengang nacheinander einen Teilbereich des Gegenstands, vorzugsweise mit vorgebbarer Überlappung, abtastet. D.h. die Bilderfassungseinrichtung tastet sukzessive jeweils einen anderen bzw. einen weiteren Teilbereich des Gegenstands ab. Die einzelnen abgetasteten bzw. gescannten Teilbereiche können zu einem Gesamtscan und damit zu einer zweidimensionalen Abbildung als Gesamtbild des zu erfassenden Gegenstands zusammengesetzt werden.
Somit kann beim Scannen des Gegenstands jeder Teilbereich hinsichtlich der Beleuchtung und hinsichtlich der Betrachtung völlig gleich behandelt werden, da die Verteilung der Lichtintensität einmal für den abzutastenden Teilbereich einstellbar ist und anschließend durch die synchrone Kopplung des betrachtenden Strahlengangs und des beleuchtenden Strahlengangs für die komplette Abtastung des Gegenstandes beibehalten wird.
Des Weiteren weist die Beleuchtungseinrichtung erfindungsgemäß einen Reflektor mit einer vorzugsweise diffus reflektierenden Reflexionsfläche auf, wobei die Reflexionsfläche derart angeordnet ist, dass die Reflexionsfläche, die mit Licht angestrahlt wird, den jeweils abzutastenden Teilbereich indirekt beleuchtet. Durch die indirekte Beleuchtung des abzutastenden Teilbereichs mittels angestrahlter im Wesentlichen diffus reflektierender Reflexionsfläche sind diskrete Lichtquellen auf der Oberfläche spiegelnder Gegenstände nicht erkennbar. Zum Beispiel wird man bei Beleuchtung von stark spiegelndem Goldschmuck keine einzelnen Lichtquellen sehen, sondern lediglich eine diffus reflektierende Wand. Des Weiteren sei angemerkt, dass in diesem Zusammenhang unter diffus absolut diffus oder mit schwach ausgeprägter Keule zu verstehen ist.
Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, wonach mit einfachen konstruktiven Mitteln auf effiziente Weise eine zweidimensionale Abbildung des Original-Gegenstands erzeugbar ist, wobei die Abbildung eine hohe Plastizität, d.h. eine 3D-Anmutung, aufweist.
Mit dem Begriff Gegenstand ist in diesem Zusammenhang ein allgemeines geometrisches dreidimensionales Gebilde zu verstehen. Ein Gegenstand kann hier eine oder mehre Oberflächen, einen oder mehrere Körper und/oder einen Raum bezeichnen. Wesentlich ist lediglich, dass ein Gegenstand durch Oberflächen begrenzt ist, die abtastbar sind. Diese Oberflächen können eben, gekrümmt, strukturiert, opak, transparent oder in sonstiger Art und Weise ausgestaltet sein.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter einem abzutastenden Teilbereich des Gegenstands eine abzutastende Teiloberfläche des Gegenstands verstanden werden kann oder umfasst sein kann, wobei die Teiloberfläche beispielsweise aufgrund ihrer Krümmung oder Strukturierung eine räumliche bzw. dreidimensionale Ausdehnung/Ausgestaltung aufweisen kann.
In vorteilhafterweise kann zumindest ein Teil der Bilderfassungseinrichtung und/oder des betrachtenden Strahlengangs der Bilderfassungseinrichtung, vorzugsweise zentral bzw. mittig, innerhalb des Reflektors angeordnet sein. Somit könnte der abzutastende Teilbereich des Gegenstands auf allen Seiten rundherum beleuchtet werden.
In weiter vorteilhafter Weise kann der betrachtende Strahlengang der Bilderfassungseinrichtung neigbar oder geneigt zur Gegenstandsebene ausgebildet sein. Somit ermöglicht der betrachtende Strahlengang der Bilderfassungseinrichtung eine Schrägabtastung des Gegenstands. Dabei ist es denkbar, dass zumindest ein Teil der Bilderfassungseinrichtung derart innerhalb des Reflektors angeordnet oder ausgerichtet werden kann, dass die einzelnen abzutastenden Teilbereiche des Gegenstands mittels Schrägabtastung gescannt werden. Die Bilderfassungseinrichtung kann konkret derart ausgestaltet sein, dass der betrachtende Strahlengang von einer senkrechten Ausrichtung zur Gegenstandsebene zu einer schrägen Ausrichtung neigbar und fixierbar ist. In vorteilhafter Weise bleibt dabei der betrachtende Strahlengang senkrecht zur Scanrichtung der Vorrichtung bzw. der Bilderfassungseinrichtung. Somit kann durch das schräge Abtasten der einzelnen Teilbereiche des Gegenstands die laterale Sensorfläche eines Abtastsensors zur Messung der Höhe bzw. zur Messung von Höheninformationen mitbenutzt werden. Damit kann auf vorteilhafte Weise ein zu scannender Gegenstand in der Höhe gestreckt werden und erscheint durch die Verzerrung der Geometrie in der zweidimensionalen Abbildung erheblich plastischer als bei einer senkrechten Abtastung.
Des Weiteren ist es denkbar, dass der Reflektor die Bilderfassungseinrichtung und/oder den betrachtenden Strahlengang der Bilderfassungseinrichtung zumindest teilweise umgibt bzw. umschließt. Somit ist eine besonders variable und umfassende Beleuchtung bzw. Ausleuchtung des abzutastenden Teilbereichs möglich.
In ganz besonders vorteilhafter Weise kann die Reflexionsfläche des Reflektors im dreidimensionalen Schnitt in Richtung des abzutastenden Teilbereichs des zu erfassenden Gegenstands eine im Wesentlichen konvexe Krümmung aufweisen. Somit kann durch Bestrahlung der Reflexionsfläche mit Licht, vorzugsweise mittels unterhalb der Reflexionsfläche angeordneten Lichtquellen, eine besonders geeignete Verteilung der Lichtintensität, die auf den abzutastenden Teilbereich gelenkt wird, erreicht werden. Die konvexe Krümmung der Reflexionsfläche schert auf der Reflexionsfläche auftreffende Lichtstrahlen nach oben hin weg. Auf der Reflexionsfläche nach unten hin leuchten die von den vorgesehenen Lichtquellen ausgehenden Raumwinkel, bedingt durch die konvexe Krümmung, immer kleiner werdende Flächen auf der Reflexionsfläche aus, wodurch die Reflexionsfläche zunehmend heller wird, um irgendwann die höchste Lichtintensität auf der Reflexionsfläche zu erreichen. Danach müssen die Raumwinkel wieder größere Flächen auf der Reflexionsfläche ausleuchten, so dass die Reflexionsfläche wieder dunkler wird.
In weiter vorteilhafter Weise kann die Krümmung der Reflexionsfläche zumindest teilweise kreisförmig, elliptisch und/oder gerade ausgebildet sein. Somit kann abhängig von der gewählten Krümmung der Reflexionsfläche beeinflusst werden, mit welcher Intensität und aus welchem Höhenwinkel, zum Beispiel mehr steil oder mehr flach, die Lichtstrahlen des beleuchtenden Strahlengangs nach ihrer Ablenkung durch die Reflexionsfläche auf den abzutastenden Teilbereich treffen sollen. Die Schnittform des Reflektors bestimmt damit wesentlich die Beleuchtung des Teilbereichs als Funktion des Höhenwinkels aus Richtung des Teilbereichs betrachtet.
Im Hinblick auf eine geeignete Beleuchtung des Gegenstands, beispielsweise eine Beleuchtung, die gezielt auf eine strukturelle Beschaffenheit der Oberfläche des zu scannenden Gegenstands ausgerichtet ist, kann der Reflektor derart ausgestaltet sein, dass die Querschnittsfläche des Reflektors kreisförmig, elliptisch oder gerade extrudiert ist. So kann für eine strenge und klare Linienmaserung eines Holzes eine gerade Form des Reflektors, d.h. die Querschnittsfläche des Reflektors ist gerade extrudiert, besonders geeignet zur Bilderzeugung sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Reflektor in Form eines eine Rotationsfläche aufweisenden Rotationskörpers ausgestaltet sein, wobei die Reflexionsfläche des Reflektors als Begrenzung der Rotationsfläche in Richtung des abzutastenden Teilbereichs bzw. in Richtung des zu erfassenden Gegenstands eine im Wesentlichen konvexe Krümmung aufweist. Somit ist der Reflektor eine Art Kuppel die eine flexible und vielseitige Beleuchtung ermöglicht, ggf. rundherum um den abzutastenden Teilbereich.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Rotationskörpers kann in vorteilhafter Weise bei einer senkrechten Ausrichtung des betrachtenden Strahlengangs zur Gegenstandsebene, d.h. bei senkrechter Abtastung des Gegenstands, die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung die Rotationsachse des Rotationskörpers bilden.
Zur Lichterzeugung für den beleuchtenden Strahlengang kann die Beleuchtungseinrichtung einen Beleuchtungskopf mit einer oder mehreren Lichtquellen umfassen, wobei die Lichtquellen im Wesentlichen in Richtung der Reflexionsfläche abstrahlen, so dass die Reflexionsfläche das von den Lichtquellen emittierte Licht auf den zu scannenden Gegenstand bzw. auf den abzutastenden Teilbereich des zu erfassenden Gegenstands umlenken. Zum Beispiel eigenen sich LEDs (light emitting diodes) als Lichtquellen zum Anstrahlen der Reflexionsfläche.
In vorteilhafter Weise kann der Beleuchtungskopf einen Träger für die Anordnung der Lichtquellen umfassen, der vorzugsweise in Form einer Platte oder einer Scheibe ausgebildet ist, und wobei der Träger mittig derart offen ausgebildet ist, dass der abzutastende Teilbereich des Gegenstands für den betrachtenden Strahlengang und für den beleuchtenden Strahlengang, vorzugsweise durch eine entsprechende Öffnung, frei zugänglich ist.
Zur Abstrahlung des Lichts in Richtung der Reflexionsfläche des Reflektors können die Lichtquellen auf dem Träger im Wesentlichen in Form von einem oder mehreren konzentrischen Kreisen, Kreisbögen und/oder Ellipsen auf dem Träger angeordnet sein.
Hinsichtlich einer flexiblen Beleuchtung können die Lichtquellen einzeln und/oder gruppenweise schalt- und/oder steuerbar sein. Somit kann je nach Ansteuerung der Lichtquellen beeinflusst werden, aus welchen Seitenwinkeln und/oder Höhenwinkeln der abzutastende Teilbereich, insbesondere mit maximaler Lichtintensität, beleuchtet wird.
In vorteilhafter Weise kann der Beleuchtungskopf unterhalb des Reflektors angeordnet sein.
Hinsichtlich einer besonders einfachen Einstellung der Beleuchtung des abzutastenden Teilbereichs aus einer bestimmten Richtung können der Beleuchtungskopf und/oder der Reflektor bei senkrechter Ausrichtung des betrachtenden Strahlengangs zur Gegenstandsebene des Gegenstands um die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung drehbar sein. Somit kann der Seitenwinkel für den beleuchtenden Strahlengang – vom abzutastenden Teilbereich aus betrachtet – direkt eingestellt werden.
Im Hinblick auf einen variablen Einsatzzweck können die Beleuchtungseinrichtung, der Beleuchtungskopf und/oder der Reflektor wechselbar bzw. leicht austauschbar in der Vorrichtung installiert sein. Dabei ist es in besonderes vorteilhafter Weise denkbar, dass die Beleuchtungseinrichtung, der Beleuchtungskopf und/oder der Reflektor mittels Klipp-, Rast-, Steck-, Klemm- und/oder Schraubmechanismus in der Vorrichtung fixiert oder eingesetzt wird.
In besonders vorteilhafter Weise kann über die Form der Reflexionsfläche und die Position der Licht emittierenden Lichtquellen die Helligkeitsbeleuchtung des abzutastenden Teilbereichs beeinflusst bzw. gesteuert werden.
Hinsichtlich der Abtastung des zu erfassenden Gegenstands kann die Bilderfassungseinrichtung eine Kamera, zum Beispiel eine Farbkamera, mit einem Abtastsensor umfassen. Dabei kann als Abtastsensor zum Beispiel ein Flächensensor, Zeilensensor oder Punktsensor zum Einsatz kommen. In vorteilhafter Weise kann jeder durch den Abtastsensor abgetastete Teilbereich gleichartig beleuchtet und betrachtet werden.
In Bezug auf eine geeignete Bilderzeugung kann die Bilderfassungseinrichtung bzw. die Kamera eine, vorzugsweise in einem Tubus angeordnete, telezentrische Optik umfassen.
Im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens können einzelne zusammenhängende Teilbereiche oder Teiloberflächen eines Gegenstands mit einer wählbaren Überlappung gescannt und beleuchtet werden. Die Teilbereiche bzw. Teiloberflächen können dabei, je nach Abtastsensor, kleine Flächen oder kleine Zeilen quer zur Scanrichtung sein, die zu einer großen Zeile zusammengefasst werden. Bei einem Flächenchip als Abtastsensor erfolgt eine Überlappung in vorteilhafter Weise in x und in y-Richtung des Scans. Bei einem Zeilenchip als Abtastsensor wird in vorteilhafter Weise nur die Gesamtfläche der kontinuierlich gescannten großen Zeile in y-Richtung überlappt.
Die Überlappung kann zum Ausgleich der Nachteile dienen, die mit der Bayermatrix einhergehen, sofern keine nicht-interpolierende Kamera verwendet wird. Ansonsten erhöht jede Überlappung den Dichteumfang des Gesamtbildes, das aus den einzelnen, flächendeckenden Teilbereichen zusammengesetzt wird.
Ein weiterer Vorteil einer Überlappung ist der Ausgleich eines grundsätzlichen Nachteils von Flächen- oder Zeilenchips als Abtastsensor. Flächige Sensorelemente sind stets nebeneinander angeordnet. Dadurch entsteht regelmäßig ein Undersampling bei der Abtastung. Setzt man den Überlappungsscan nicht genau auf die Bildpunkte des ersten Scans, sondern in die Mitte zwischen den vorherigen Bildpunkten, so wird die Vorlage vollständiger und genauer abgetastet.
Scannt man bei Verwendung eines Flächenchips ohne Überlappung, so stoßen die Abtastflächen stumpf aneinander und bilden eine durchgehende Fläche. Soll eine 50-prozentige Überlappung erreicht werden, so startet man nicht nur am Anfang und zum Ende eines abzutastenden Teilbereichs eine Abtastung, sondern zusätzlich genau in der Mitte des Teilbereichs. Die in der Mitte des Teilbereichs gestarteten Abtastflächen passen genauso nahtlos aneinander. Unter Berücksichtigung einer halben Teilbereichslänge Vorlauf und Nachlauf am Anfang und Ende einer Abtastflächenzeile passen die erste und zweite Abtastflächenzeile genau aufeinander. Des Weiteren ist es möglich, beliebig oft zu überlappen. Startet man alle 10 Prozent der Teilbereichslänge einen neuen Teilbereichsstrang, so beträgt die Überlappung 90 Prozent. Da der Start der Nachfolgeabtastung frei wählbar einstellbar ist, entsteht somit auch eine frei wählbare Überlappung.
Hinsichtlich der Farbe des Lichtspektrums der Lichtquellen ist anzumerken, dass die Farbe Weiß aus unterschiedlichen Weißlichtquellen zusammengesetzt werden kann. LEDs haben beispielsweise meist wellenlängenabhängige Einbrüche des weißen Spektrums. Durch Mischen von LEDs, bei denen der Einbruch in anderen Bereichen des Spektrums stattfindet, können extreme Einbrüche des Gesamtspektrums vermieden werden. Um ggf. restliche Unregelmäßigkeiten zu kompensieren kann eine Profilersoftware im Rahmen eines klassischen Colormanagements verwendet werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 in einer schematischen Schnittdarstellung eine vereinfachte Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 mit einem eingezeichneten Höhenwinkel,
3 in einer schematischen Draufsicht einen Beleuchtungskopf des Ausführungsbeispiels aus 1 bzw. aus 2,
4 in einer schematischen Draufsicht den Beleuchtungskopf des Ausführungsbeispiels aus 3 mit einem eingezeichneten Seitenwinkel, und
5 in einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem neigbaren betrachtenden Strahlengang.
1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung 1 und einer zentral angeordneten Bildererfassungseinrichtung 2. Die Bilderfassungseinrichtung 2 umfasst einen Tubus 3 mit betrachtender telezentrischer Optik und einem Abtastsensor 4 zum Abtasten eines Gegenstands 5 mit einer Gegenstandsebene 6. Der Gegenstand 5 weist eine strukturierte Oberfläche auf. Die Bilderfassungseinrichtung 2 tastet über den Abtastsensor 4 und die betrachtende Optik nacheinander jeweils einen Teilbereich 7 des Gegenstands 5 ab. Der Gesamtscan wird aus flächendeckenden Teilbereichen zusammengesetzt, wobei starke Überlappung oder sogar mehrfache Überlappungen möglich sind.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst einen Reflektor 8 mit einer zum Gegenstand 5 bzw. zum Teilbereich 7 konvex gekrümmten und im Wesentlichen diffus reflektierenden Reflexionsfläche 9. Der in 1 im Schnitt dargestellte Reflektor 8 ist in Form eines eine Rotationsfläche aufweisenden Rotationskörpers ausgestaltet, wobei die Reflexionsfläche 9 des Reflektors 8 als Begrenzung der Rotationsfläche in Richtung des abzutastenden Teilbereichs 7 die konvexe Krümmung aufweist. Bei senkrechter Stellung des Tubus 3 der Bilderfassungseinrichtung 2 bildet die optische Achse 10 der Bilderfassungseinrichtung 2 die Rotationsachse des Rotationskörpers bzw. des Reflektors 8.
Unterhalb der Reflexionsfläche 9 ist ein Beleuchtungskopf angeordnet, der einen als Scheibe ausgebildeten Träger 11 aufweist. Der Träger 11 weist mittig eine Öffnung auf, so dass der abzutastenden Teilbereich 7 sowohl für die betrachtende Optik, und damit für den betrachtenden Strahlengang, als auch für den beleuchtenden Strahlengang frei zugänglich ist. In 1 sind auf dem Träger 11 zwei exemplarische Positionen L und R einer Lichtquelle zu erkennen. Die Lichtquelle an der Position R des Trägers 11 ist mehr zum Rand hin positioniert. Die Lichtquelle an der Position L auf dem Träger 11 ist mehr zur Mitte des Trägers 11 orientiert.
Von beiden Lichtquellen ausgehend sind Strahlen mit gleichabständigem Raumwinkel dargestellt. Bei der Lichtquelle an der Position R auf dem Träger 11 ist in 1 zu erkennen, dass der obere Teil der Reflexionsfläche 9 an der Innenseite des Reflektors 8 nicht mehr ausgeleuchtet wird. Die konvexe Krümmung der Reflexionsfläche 9 des Reflektors 8 schert die Strahlen, die von der Lichtquelle an der Position R ausgehen, nach oben weg.
Auf der Reflexionsfläche 9 nach unten hin leuchten die von der Lichtquelle an der Position R ausgehenden Raumwinkel, bedingt durch die konvexe Krümmung, immer kleiner werdende Flächen auf der Reflexionsfläche 9 aus, wodurch die Reflexionsfläche 9 zunehmend heller wird, um in einem bestimmten Bereich 12 die höchste Lichtintensität auf der Reflexionsfläche 9 zu erreichen. Danach müssen die Raumwinkel wieder größere Flächen auf der Reflexionsfläche 9 ausleuchten, so dass die Reflexionsfläche 9 zum Rand hin wieder dunkler wird.
Ist die Lichtquelle mehr zur Mitte angeordnet, nämlich entsprechend der Lichtquelle an der Position L auf dem Träger 11, so werden noch weiter oben liegende Flächen der Reflexionsfläche 9 des Reflektors 8 beleuchtet und das Maximum der Beleuchtungsintensität schiebt sich mehr nach oben, nämlich in einen Bereich 13. Somit kann die Beleuchtungsstruktur (Höhenwinkel und Verteilung) durch die Form des austauschbaren Reflektors 8 und durch die Position der Lichtquellen oder Gruppen von Lichtquellen auf dem Träger 11, die mehr oder weniger nach außen oder innen positioniert sind, beeinflusst und gesteuert werden.
Positionen und Verteilung der Lichtquellen auf dem Träger 11 in Verbindung mit der Form der reflektierenden Reflexionsfläche 9 des Reflektors 8 führen zu einer Aufhellung des abzutastenden Teilbereichs 7. Aus der Richtung des Teilbereichs 7 betrachtet gibt es einen hellsten Punkt, beispielsweise für einen Raumwinkel (Seitenwinkel 135°, Höhenwinkel 45°). Für größere oder kleinere Seiten- und Höhenwinkel nimmt die Helligkeit der Beleuchtung ab. Zeigt die Normale eines Teilbereichs bzw. einer Teiloberfläche in Richtung 135° Seitenwinkel und 45° Höhenwinkel, so wird dieser Teilbereich bzw. diese Teiloberfläche maximal aufgehellt. Oberflächen mit anderer Winkelung werden weniger aufgehellt und erscheinen dunkler. Der winkelabhängige Verlauf der Helligkeit wird somit durch die Form des Reflektors und die Anordnung der Lichtquellen und/oder deren Schaltbarkeit gesteuert.
Die massierte Einschaltung von Lichtquellen für den Raumwinkel (Seitenwinkel 135°, Höhenwinkel 45°) – aus Richtung des Teilbereichs 7 betrachtet – führt beispielsweise zu klassischer plastischer Beleuchtung aus einer Richtung mit passendem Verlauf der Abnahme von Helligkeit zu anderen Winkeln.
2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine vereinfachte Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 mit einem eingezeichneten Höhenwinkel 17 von 45° im Verhältnis zur optischen Achse 10 der Bilderfassungseinrichtung 2. Der Schnittpunkt der optischen Achse 10 der Bilderfassungseinrichtung 2 mit der Gegenstandsebene 6 des Gegenstands 5 im abzutastenden Teilbereich 7 bildet den Scheitelpunkt des Höhenwinkels 17 von 45°.
3 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Beleuchtungskopf des Ausführungsbeispiels aus 1 bzw. aus 2. Der Beleuchtungskopf umfasst einen als Scheibe ausgebildeten Träger 11, der in der Mitte eine Öffnung 14 aufweist. Des Weiteren zeigt 3 schematisch die Anordnung von Lichtquellen 15, z.B. LEDs, in konzentrischen Ringen. Dabei ist es auch denkbar, dass die Lichtquellen in Ellipsen angeordnet sind oder freie Formen bilden. Innere Ringe auf dem Träger 11 erzeugen Reflexionslicht aus steileren bzw. größeren Höhenwinkeln, äußere Ringe hingegen erzeugen bevorzugt Reflexionslicht aus flacheren bzw. kleineren Höhenwinkeln. Die Lichtquellen können einzeln, in Gruppen oder in beliebigen Kombinationen geschaltet werden. Die Helligkeit wird dabei gesteuert durch Pulsbreite und Pulshöhe, wobei auch Dauerlicht möglich ist.
4 zeigt in einer schematischen Draufsicht den Beleuchtungskopf des Ausführungsbeispiels aus 3 mit einem eingezeichneten Seitenwinkel 18 von 135°.
5 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem neigbaren betrachtenden Strahlengang. Die Bilderfassungseinrichtung 2 umfasst einen Tubus 3, wobei der Tubus 3 und damit der betrachtende Strahlengang über ein Außengelenk 16 schräg gestellt werden kann. Somit kann der Tubus 3 zwischen einer senkrechten Stellung zur senkrechten Abtastung und einer schrägen Stellung zur schrägen Abtastung des Gegenstands variabel eingestellt und fixiert werden. Durch den Einsatz einer telezentrischen Optik werden in unterschiedlicher Entfernung, beispielsweise in größerer oder in kleinerer Entfernung, vorhandene Strukturen des Teilbereichs 7 gleich groß abgebildet. Somit werden bei der sukzessiven Abtastung des Gegenstands 5 die Strukturen des abzutastenden Gegenstands 5 mit gleicher Größe und Schärfe abgebildet.
Im Bereich des Teilbereichs 7 ist zu erkennen, dass durch die Winkelstellung in der Schnittebene der abzutastende Teilbereich 7 größer wird im Vergleich zu einer senkrechten Abtastung. Somit wird der erzeugte Abtastfleck asymmetrisch. Soll der Abtastfleck wieder nicht verzerrt sein, so muss man auf der Bildseite so stark asymmetrisch vergrößern, bis das Nutzfeld wieder maßstabsgetreu abgebildet wird. Die notwendige Vergrößerung wird aus Winkel und mit Winkelfunktion berechnet. Die mittels Schrägabtastung gescannten Teilbereiche passen nahtlos aneinander zur Erzeugung des Gesamtbilds. Die gesamte Fläche einer lateralen Schicht bleibt unverzerrt. Wird zum Beispiel eine runde Münze flach auf eine Scanfläche gelegt, so wird sie nach wie vor, rund wie ein Kreis abgebildet. Die Höhe des senkrechten Randes wird z.B. verdoppelt und die Gravur auf der Oberfläche wird in der Höhe deutlich gestreckt und erscheint durch Verzerrung der Geometrie erheblich plastischer.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Beleuchtungseinrichtung
2: Bildererfassungseinrichtung
3: Tubus
4: Abtastsensor
5: Gegenstand
6: Gegenstandsebene
7: Teilbereich
8: Reflektor
9: Reflexionsfläche
10: Optische Achse
11: Träger
12: Bereich höchster Lichtintensität
13: Bereich höchster Lichtintensität
14: Öffnung
15: Lichtquelle
16: Außengelenk
17: Höhenwinkel
18: Seitenwinkel
L: Position L einer Lichtquelle
R: Position R einer Lichtquelle

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt, umfassend eine Bilderfassungseinrichtung zur Erzeugung von zweidimensionalen Bildinformationen durch Abtasten des Gegenstands über einen betrachtenden Strahlengang und eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Gegenstands über einen beleuchtenden Strahlengang, wobei die Bilderfassungseinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung derart gekoppelt sind, dass der betrachtende Strahlengang und der beleuchtende Strahlengang synchron über den Gegenstand bewegt werden, wobei die Bilderfassungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie, vorzugsweise mit vorgebbarer Überlappung, nacheinander einen Teilbereich des Gegenstands abtastet, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Reflektor mit einer, vorzugsweise diffus, reflektierenden Reflexionsfläche aufweist, und wobei die Reflexionsfläche derart angeordnet ist, dass der Teilbereich bei der Abtastung durch die mit Licht angestrahlte Reflexionsfläche indirekt beleuchtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung und/oder der betrachtende Strahlengang der Bilderfassungseinrichtung zumindest teilweise innerhalb des Reflektors angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der betrachtende Strahlengang der Bilderfassungseinrichtung neigbar oder geneigt zur Gegenstandsebene ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor die Bilderfassungseinrichtung und/oder den betrachtenden Strahlengang der Bilderfassungseinrichtung zumindest teilweise umgibt bzw. umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche in Richtung des abzutastenden Teilbereichs eine im Wesentlichen konvexe Krümmung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Reflexionsfläche zumindest teilweise kreisförmig, elliptisch und/oder gerade ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor derart ausgestaltet ist, dass die Querschnittsfläche des Reflektors kreisförmig, elliptisch oder gerade extrudiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor in Form eines eine Rotationsfläche aufweisenden Rotationskörper ausgestaltet ist, wobei die Reflexionsfläche des Reflektors als Begrenzung der Rotationsfläche in Richtung des abzutastenden Teilbereichs eine/die im Wesentlichen konvexe Krümmung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung, insbesondere bei senkrechter Ausrichtung des betrachtenden Strahlengangs zur Gegenstandsebene, die Rotationsachse des Rotationskörpers bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung einen Beleuchtungskopf mit einer oder mehreren Lichtquellen, insbesondere LEDs, umfasst, wobei die Lichtquellen im Wesentlichen in Richtung der Reflexionsfläche abstrahlen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungskopf einen Träger für die Anordnung der Lichtquellen umfasst, der vorzugsweise in Form einer Platte oder einer Scheibe ausgebildet ist, wobei der Träger mittig derart offen ausgebildet ist, dass der abzutastende Teilbereich für den betrachtenden Strahlengang und für den beleuchtenden Strahlengang zugänglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen auf dem Träger im Wesentlichen in Form von einem oder mehreren konzentrischen Kreisen, Kreisbögen und/oder Ellipsen auf dem Träger angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen einzeln und/oder gruppenweise schalt- und/oder steuerbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungskopf unterhalb des Reflektors angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungskopf und/oder der Reflektor um die optische Achse der Bilderfassungseinrichtung, insbesondere bei senkrechter Ausrichtung des betrachtenden Strahlengangs zur Gegenstandsebene, drehbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung, der Beleuchtungskopf und/oder der Reflektor, vorzugsweise mittels Klipp-, Rast-, Steck-, Klemm- und/oder Schraubmechanismus, wechselbar in der Vorrichtung installiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass über die Form der Reflexionsfläche und die Position der Lichtquellen die Helligkeitsbeleuchtung des abzutastenden Teilbereichs gesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung eine Kamera, insbesondere eine Farbkamera, mit einem Abtastsensor umfasst, wobei der Abtastsensor als Flächensensor, Zeilensensor oder Punktsensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung bzw. die Kamera eine, vorzugsweise in einem Tubus angeordnete, telezentrische Optik umfasst.
Verfahren zum Erzeugen von Bildinformationen aus einem zu erfassenden Gegenstand, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, insbesondere zum zweidimensionalen Nachbilden des Gegenstands mit 3D-Anmutung bzw. mit plastischem Effekt, wobei zur Abtastung des Gegenstands ein betrachtender Strahlengang einer Bilderfassungseinrichtung und ein beleuchtender Strahlengang einer Beleuchtungseinrichtung synchron über den Gegenstand bewegt werden, wobei die Bilderfassungseinrichtung, vorzugsweise mit vorgebbarer Überlappung, nacheinander einen Teilbereich des Gegenstands abtastet, wobei die abgetasteten Teilbereiche zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen Reflektor mit einer, vorzugsweise diffus, reflektierenden Reflexionsfläche umfasst, und wobei der Teilbereich bei der Abtastung durch die mit Licht angestrahlte Reflexionsfläche indirekt beleuchtet wird.