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Optische Bildscanner, auch als Dokumentscanner
bekannt, wandeln ein sichtbares Bild (z.B. auf einem Dokument oder
auf einer Photographie, oder ein Bild in einem transparenten Medium
usw.) in eine elektronische Form um, die zum Kopieren, Speichern oder
Verarbeiten durch einen Computer geeignet ist. Ein optischer Bildscanner
kann eine separate Vorrichtung sein, oder ein Bildscanner kann ein
Bestandteil eines Kopiergerätes,
ein Bestandteil eines Faxgerätes
oder ein Bestandteil einer Mehrzweckvorrichtung sein. Reflektierende
Bildscanner weisen üblicherweise
eine gesteuerte Lichtquelle auf, und es wird Licht von der Oberfläche eines
Dokuments durch ein Optiksystem und auf ein Array aus lichtempfindlichen
Vorrichtungen (z.B. eine ladungsgekoppelte Vorrichtung, einen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)
usw.) reflektiert. Transparentbildscanner leiten Licht durch ein
transparentes Bild, beispielsweise ein photographisches Positivdia,
durch ein Optiksystem und daraufhin auf ein Array aus lichtempfindlichen
Vorrichtungen. Das Optiksystem fokussiert mindestens eine Linie,
Abtastlinie genannt, des gerade gescannten Bildes auf das Array
aus lichtempfindlichen Vorrichtungen. Die lichtempfindlichen Vorrichtungen
wandeln empfangene Lichtintensität
in ein elektronisches Signal um. Ein Analog/Digital-Wandler wandelt
das elektronische Signal in computerlesbare Binärzahlen um, wobei jede Binärzahl einen
Intensitätswert
darstellt.
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Es gibt zwei übliche Typen von Bildscannern. Bei
einem ersten Typ wird üblicherweise
ein einzelnes Kugelreduktionslinsensystem verwendet, um die Abtastlinie
auf das Photosensorarray zu fokussieren, und die Länge des
Photosensorarrays ist viel geringer als die Länge der Abtastlinie. Bei einem
zweiten Typ wird ein Array aus vielen Linsen verwendet, um die Abtastlinie
auf das Photosensorarray zu fokussieren, und die Länge des
Photosensorarrays ist gleich der Länge der Abtastlinie. Es ist üblich, als
zweiten Typ Selfoc®-Linsenarrays (SLA) (von
Nippon Sheet Glass Co. erhältlich)
zu verwenden, bei denen ein Array aus stabförmigen Linsen verwendet wird,
in der Regel mit mehreren Photosensoren, die Licht durch jede einzelne
Linse empfangen.
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Tiefenschärfe bezieht sich auf die maximale Entfernung,
um die die Objektposition verändert
werden kann, während
eine gewisse Bildauflösung
aufrechterhalten wird (d.h. der Betrag, um den eine Objektebene
entlang des optischen Weges in Bezug auf eine bestimmte Referenzebene
verschoben werden kann und nicht mehr als eine vorgegebene akzeptable
Unschärfe
mit sich bringt). Die Tiefenschärfe
für Linsenarrays
ist im Vergleich mit Scannern, die ein einzelnes Kugelreduktionslinsensystem
verwenden, üblicherweise
relativ kurz. Üblicherweise
werden flache Dokumente durch eine Abdeckung zum Zwecke des Scanners
gegen eine transparente Platte bzw. Auflage gedrückt, so daß Tiefenschärfe kein Problem darstellt.
Es gibt jedoch einige Situationen, bei denen die gescannte Oberfläche nicht
direkt auf einer Auflage plaziert werden kann. Ein Beispiel ist
das Scannen von 35-mm-Dias. Ein typischer Rahmen für ein 35-mm-Dia
hält die
Oberfläche
des Films ca. 0,7-1,5 mm über
der Oberfläche
der Auflage. Folglich können
Dias etwas defokussiert sein, wenn Linsenarrays verwendet werden,
die auf die Oberfläche
der Auflage fokussiert sind. Ein weiteres Beispiel ist ein Scannen
von Büchern
oder Zeitschriften, bei denen sich ein Teil einer gescannten Seite
zu einer Einbandnut krümmt,
was dazu führt,
daß ein
Teil der gescannten Oberfläche über der
transparenten Auflage positioniert wird. Eine hohe Tiefenschärfe wird
benötigt,
um die Einbandnut scharf abzubilden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Systeme und Verfahren zum optischen Scannen mehrerer
Objektebenen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System
gemäß Anspruch
1 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel ist ein System
für ein
optisches Bildscannen, das eine Auflage und einen optischen Kopf
zum Scannen aufweist. Der optische Kopf umfaßt ein erstes Linsenarray,
das positioniert ist, um eine erste Objektebene auf ein erstes optisches
Sensorarray zu fokussieren, und ein zweites Linsenarray, das positioniert
ist, um eine zweite Objektebene auf ein zweites optisches Sensorarray zu
fokussieren.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren
zum Bereitstellen mehrerer Objektebenen in einem optischen Bildscanner.
Ein derartiges Verfahren umfaßt
ein Positionieren eines optischen Kopfes in einer vorbestimmten
Entfernung von einer Auflage, ein Fokussieren einer ersten Objektebene,
die in einer ersten Entfernung von der Auflage angeordnet ist, auf
ein erstes optisches Sensorarray und Fokussieren einer zweiten Objektebene,
die in einer zweiten Entfernung von der Auflage angeordnet ist,
auf ein zweites optisches Sensorarray.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen, die nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und bei denen
das Hauptaugenmerk statt dessen darauf gelegt wird, die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung deutlich zu veranschaulichen, und bei
denen ferner gleiche Bezugszeichen in allen Ansichten entsprechende
Teile bezeichnen, näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Querschnittsansicht einer optischen Bildscanumgebung,
bei der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann;
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2 ein
Blockdiagramm einer Querschnittsansicht einer weiteren optischen
Bildscanumgebung, bei der die vorliegende Erfindung implementiert
werden kann;
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3 ein
Blockdiagramm einer Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels
eines optischen Bildscanners gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Bereitstellen mehrerer zu scannender Objektebenen; und
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4 ein
Blockdiagramm einer Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines optischen Bildscanners gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Bereitstellen mehrerer zu scannender Objektebenen.
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Querschnittsansicht einer optischen Bildscanumgebung 100,
bei der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann. Die
relativen Größen verschiedener Objekte
in 1 sind übertrieben
dargestellt, um die Veranschaulichung zu erleichtern. Wie in 1 gezeigt ist, weist die
optische Bildscanumgebung 100 einen optischen Kopf 104 (auch
als Wagen bekannt) auf, der relativ zu einer transparenten Auflage 102 positioniert
ist. Wie in der Technik bekannt ist, kann ein Dokument 106 zum
Scannen auf der oberen Oberfläche
der Auflage 102 plaziert sein. Die optische Scanumgebung 100 kann
in einem optischen Bildscanner (z. B. einem niedrigen Flachbettscanner),
einem Faxgerät,
einem Kopierer usw. enthalten sein.
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Wie ferner in 1 veranschaulicht ist, weist der optische
Kopf 104 eine erste reflektierende Oberfläche 108 (z.
B. Spiegel usw.), ein Linsenarray 110, eine zweite reflektierende
Oberfläche 108 und
ein Bildsensormodul 114 auf. Das Bildsensormodul 114 kann
beispielsweise eine gedruckte Schaltungsanordnung oder eine beliebige
andere Halbleitervorrichtung umfassen. Das Bildsensormodul 114 umfaßt ferner
ein Photosensorarray 112, das eine beliebige Art von Vorrichtung
sein kann, die konfiguriert ist, um optische Si gnale zu empfangen
und die Lichtintensität
in ein elektronisches Signal umzuwandeln. Wie in der Technik bekannt
ist, kann das Photosensorarray 112 beispielsweise eine
ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD – charge-coupled device), einen
Komplementär-Metalloxid-Halbleiter
(CMOS – complementary
metal-oxide semiconductor) usw. umfassen.
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Das Linsenarray 110 kann
ein Array aus stabförmigen
Linsen umfassen, die eine relativ geringe Tiefenschärfe aufweisen.
Beispielsweise kann das Linsenarray 110 ein Selfoc®-Linsenarray
(SLA) umfassen, daß von
Nippon Sheet Glass Co., Somerset, New Jersey, USA, hergestellt und
vertrieben wird. Ein Stablinsenarray kann zumindest eine Reihe von
Gradientenindex-Mikrolinsen umfassen, die gleiche Abmessungen und
optische Eigenschaften aufweisen können. Die Linsen können zwischen
zwei Platten aus Fiberglas-verstärktem
Kunststoff (FRP = fiberglass-reinforced plastic)) ausgerichtet sein.
Da FRP einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der gleich dem von Glas ist, sind die Auswirkungen einer
thermischen Verzerrung und Beanspruchung minimal. Das FRP erhöht ferner
die mechanische Festigkeit des SLA. Die Zwischenräume können mit
schwarzem Silikon gefüllt
sein, um eine Überstrahlung
(Übersprechen)
zwischen den Linsen zu verhindern und jede einzelne Linse zu schützen.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird, während ein
Dokument 106 durch den optischen Kopf 104 gescannt
wird, ein optisches Signal 116 von dem Dokument 106 weg
und zu der ersten reflektierenden Oberfläche 108 reflektiert.
Die erste reflektierende Oberfläche 108 lenkt
das optische Signal 116 durch das zu fokussierende Linsenarray 110.
Das optische Signal 116 kann auch durch eine zweite reflektierende
Oberfläche 108 zu
dem Bildsensormodul 114 hin reflektiert werden. Das optische
Signal 116 wird durch das Photosensorarray 112 empfangen und
in ein elektronisches Signal umgewandelt, das durch einen Analog/Digital-Wandler,
einen digitalen Signalprozessor usw. verarbeitet werden kann. Auf diese
Weise fokussiert die Optik in dem optischen Kopf 104 einen
Abschnitt eines Bildes des Dokuments 106 auf das Photosensorarray 112.
Wie in 2 veranschaulicht
ist, kann die zweite reflektierende Oberfläche 108 optional sein.
Um das Querschnittsprofil des optischen Kopfes 104 zu verändern, kann
die zweite reflektierende Oberfläche 108 beispielsweise
entfernt werden, und das Bildsensormodul 114 kann senkrecht
zu der optischen Achse des Linsenarrays 110 ausgerichtet
sein, um das optische Signal 116 zu empfangen. Alternativ
dazu kann die optische Achse des Linsenarrays 110 senkrecht zu
der Auflage 102 orientiert sein, um Licht durch das Linsenarray 110 und
auf das Photosensorarray 112 zu lenken. Die jeweilige Ausrichtung
des Linsenarrays 110 ist für die vorliegende Erfindung
nicht relevant.
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Die optischen Komponenten in dem
optischen Kopf 104 fokussieren zumindest eine Linie (d. h.
eine Abtastlinie) des gescannten Bildes auf das Photosensorarray 112.
Wie in der Technik bekannt ist, kann ein Scannen des gesamten Bildes
bewerkstelligt werden, indem der optische Kopf 104 relativ zu
dem Dokument 106 (z. B. unter Verwendung von Kabeln) verschoben
wird, wie durch das Bezugszeichen 118 angegeben ist.
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Wie oben erwähnt wurde, können existierende
optische Bildscanner aufgrund der relativ geringen Tiefenschärfe des
Linsenarrays 110 unscharfe Bilder oder ein unscharfes Dokument 106 erzeugen, die
bzw. das eine geringe Entfernung über dem primären Brennpunkt
des Linsenarrays 110 positioniert sein können bzw.
kann. Beispielsweise können
existierende optische Bildscanner so konfiguriert sein, daß sich der
primäre
Brennpunkt in einer relativ kurzen Entfernung H0 über der
oberen Oberfläche
der Auflage 102 befindet. Wenn ein Dokument 106,
beispielsweise ein Blatt Papier usw., auf der Auflage 102 positioniert
wird, kann es ungefähr
in der Entfernung H0 über der oberen Oberfläche der
Auflage 102 oder innerhalb der relativ geringen Bandbreite
der Tiefenschärfe
angeordnet sein. Falls das Dokument 106 jedoch an einer
Objektebene positioniert ist, die sich au ßerhalb einer Bandbreite eines
akzeptablen Fokus befindet, können
existierende optische Bildscanner ein unscharfes Bild erzeugen.
Beispielsweise können verschiedene
Typen von Dokumenten (oder Abschnitte des Dokuments) an einer Objektebene,
die sich außerhalb
der Bandbreite eines akzeptablen Fokus befindet, angeordnet sein,
wenn sie auf der Auflage 102 positioniert sind (z. B. 35-mm-Dias,
Transparente, Photographien, Bücher,
Magazine usw.).
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Nachdem eine allgemeine Übersicht über eine
optische Bildscanumgebung beschrieben wurde, bei der die vorliegende
Erfindung implementiert werden kann, werden unter Bezugnahme auf 3 und 4 verschiedene Systeme und Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Bereitstellen mehrerer zu scannender Objektebenen
beschrieben. Allgemein liefert die vorliegende Erfindung eine Einrichtung
zum Scannen eines Bildes auf mehreren Objektebenen, ohne einen optischen
Kopf bezüglich
einer Auflage neu positionieren zu müssen, bereitstellen. Statt
den optischen Kopf 104 zu bewegen, liefern verschiedene
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung mehrere Objektebenen, indem sie die Innenoptik
des optischen Kopfes 104 modifizieren. Diesbezüglich kann
der optische Kopf 104 relativ zu der Auflage 102 ortsfest
bleiben, während
die Innenoptik konfiguriert ist, um mehrere Objektebenen (d.h. einen
primären
Brennpunkt bei verschiedenen Entfernungen über der oberen Oberfläche der
Auflage 102) bereitzustellen. Man sollte jedoch erkennen, daß der optische
Kopf 1Q4 bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung auch neu positioniert werden kann, um eine weitere Flexibilität beim Verschieben
von Objektebenen zu liefern.
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3 ist
ein Blockdiagramm einer Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels
eines optischen Bildscanners 300 gemäß der vorliegenden Erfindung
zum Bereitstellen mehrerer zu scannender Objektebenen. Der optische
Bildscanner 300 weist einen relativ zu einer transparenten
Auflage 102 positionierten optischen Kopf 104 auf.
Ferner kann der opti sche Kopf 104 eine erste reflektierende
Oberfläche 108 (z.B.
Spiegel usw.), zumindest zwei Linsenarrays 110, eine zweite
reflektierende Oberfläche 108 und
ein Bildsensormodul 114 aufweisen, das zumindest zwei Photosensorarrays 112 aufweist.
Wie in 3 veranschaulicht
ist, kann das Bildsensormodul 114 in einer parallelen Beziehung
zu der Auflage 102 positioniert sein. Die Photosensorarrays 112 sind
auf der Oberfläche
des Bildsensormoduls 114 angeordnet, so daß ein Photosensorarray 112 (entlang
eines optischen Wegs 306) ein optisches Signal empfängt, das
einer ersten Objektebene entspricht, die in einer ersten Entfernung
von der Auflage 102 (z.B. in der Nähe der oberen Oberfläche der
Auflage 102) angeordnet ist, und so daß ein anderes Photosensorarray 112 (entlang
eines optischen Wegs 304) ein optisches Signal empfangen
kann, das einer zweiten Objektebene entspricht, die in einer zweiten
Entfernung von der Auflage 102 (z.B. in einer Entfernung
H0 von der oberen Oberfläche der Auflage 102)
angeordnet ist.
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Allgemein stellt der optische Bildscanner 300 relativ
zu der Auflage 102 mehrere Objektebenen, die gescannt werden
sollen, bereit, indem er zumindest zwei Linsenarrays 110 und
entsprechende Photosensorarrays 112 bereitstellt. Jedes
Linsenarray 110 und entsprechendes Photosensorarray 112 (d.h.
jedes Paar aus Linsenarray 110/Photosensorarray 112) ist so
in dem optischen Kopf 104 angeordnet, daß jedes Photosensorarray 112 an
einer eindeutigen Objektebene relativ zu der Auflage 102 angeordnet
ist. Unter Bezugnahme auf 3 kann
ein Linsenarray 110 beispielsweise in dem optischen Kopf 104 angeordnet
sein, um ein optisches Signal entlang dem Weg 306 (das
einer Objektebene entspricht, die in einer Entfernung H0 von
der oberen Oberfläche
der Auflage 102 angeordnet ist) auf ein erstes Photosensorarray
zu fokussieren. Ein zweites Linsenarray 110 kann angeordnet
sein, um ein optisches Signal entlang dem optischen Weg 304 (das
einer Objektebene entspricht, die in der Nähe der oberen Oberfläche der Auflage 102 angeordnet
ist) auf ein zweites Photosensorarray zu fokussieren. Auf diese
Weise kann das Paar aus Photosensoren 112/Linsenarrays 110 die
mehreren Objektebenen gleichzeitig scannen.
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Während
des Scanvorgangs kann eine gesteuerte Lichtquelle von der Oberfläche des
Dokuments 106 weg, in den optischen Kopf 104 durch
eine Apertur und auf das Bildsensormodul 114 reflektiert werden.
Man sollte erkennen, daß das
Paar aus Photosensoren 112/Linsenarrays 110 ermöglicht,
daß optische
Signale von mehreren Objektebenen (z.B. dem optischen Weg 306 und 304)
fokussiert, erfaßt und
in elektronische Signale umgewandelt werden usw. Falls das Dokument 106 beispielsweise
ein Buch, Magazin usw. ist, bei dem sich ein Teil einer zu scannenden
Seite zu einer Einbandnut krümmt,
kann der optische Bildscanner 300 gleichzeitig jede Objektebene
scannen und bestimmen, welche Objektebene ein stärker fokussiertes Bild erzeugt.
Während also
der optische Kopf 104 relativ zu der Auflage 102 verschoben
wird, können
stärker
fokussierte Bilder erzeugt werden, während sich die Objektebene
entlang der gekrümmten
Nut verschiebt.
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Ferner sollte man erkennen, daß der optische
Bildscanner 300 auf viele verschiedene Arten konfiguriert
sein kann, um ein Scannen von mehreren Objektebenen zu liefern.
Beispielsweise können
die Paare aus Linsenarrays 110/Photosensorarrays 112 auf
verschiedene Arten angeordnet sein, um mehrere Objektebenen zu fokussieren.
Bei dem in 3 veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
können
die Linsenarrays 110 relativ zueinander angeordnet sein, so
daß die
optischen Entfernungen (d1 und d2) zwischen jeder Kombination aus Linsenarray
110/Photosensorarray 112 gleich sind. Bei einer Betrachtung
im Querschnitt wie bei 3 können die
Linsenarrays 110 beispielsweise so positioniert sein, daß kein Versatz
entlang der optischen Achse vorliegt (d.h. d1=d2). Ein Linsenarray 110 kann mit
einer Brennweite konfiguriert sein, die einer Objektebene entspricht, und
das andere Linsenarray 110 kann mit einer Brennweite konfiguriert
sein, die einer anderen Objektebene entspricht.
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Bei einer Anzahl alternativer Ausführungsbeispiele
können
die Linsenarrays 110 mit im wesentlichen denselben Fokuseigenschaften
(z.B. Brennweite usw.) konfiguriert sein. Man sollte erkennen, daß dort,
wo die Linsenarrays 110 im wesentlichen dieselben Fokuseigenschaften
aufweisen, ein Linsenarray 110 entlang einer gemeinsamen
optischen Achse relativ zu dem anderen Linsenarray um eine Entfernung
L1 verschoben sein kann. Bei einer Betrachtung im Querschnitt wie
bei 4 können die Linsenarrays 110 beispielsweise
so positioniert sein, daß entlang
der optischen Achse ein Versatz vorliegt (d.h. d1<d2).
Man sollte ferner erkennen, daß der
relative Versatz zwischen den Linsenarrays 110 aufgrund
der Eigenschaften der Linsenarrays 110 eine Verschiebung
der relativen Objektebenen liefert. Mit anderen Worten erhöht der Versatz
die Entfernung zwischen dem Linsenarray 110 und dem Photosensorarray 112 (d.h.
d2=d1+Ll). Auf der
Basis der Eigenschaften des Linsenarrays 110 führt die
Erhöhung der
Entfernung zwischen dem Linsenarray 110 und dem Photosensorarray 112 zu
einer gleichen Zunahme der Entfernung zwischen den Linsenarray 110 und
der Position der entsprechenden Objektebene (d.h. d2=d2). Bei diesem Ausführungsbeispiel sollte man erkennen,
daß der
Unterschied bei den Objektebenenpositionen (H0)
zweimal so groß ist
wie der Versatz (L1).
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Somit kann ein Linsenarray 110 ein
optisches Signal entlang dem Weg 306 (das einer Objektebene
entspricht, die in einer Entfernung H0 von
der oberen Oberfläche
der Auflage 102 angeordnet ist) auf ein erstes Photosensorarray
fokussieren. Ein zweites Linsenarray 110 kann ein optisches
Signal entlang dem Weg 304 (das einer Objektebene entspricht,
die in der Nähe
der oberen Oberfläche
der Auflage 102 angeordnet ist) auf ein zweites Photosensorarray
fokussieren. Auf diese Weise kann das Paar aus Photosensoren 112/Linsenarrays 110 die mehreren
Objektebenen gleichzeitig scannen.
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Das Paar von Linsenarrays 110 muß nicht die
gleichen Charakteristika (z.B. Abmessungen, Fokuseigenschaften usw.) aufweisen.
Wenn beispielsweise unterschiedliche Linsenarrays 110 verwendet werden,
können
die in 4 gezeigten räumlichen Variablen
für jegliche
Konfiguration auf der Basis der Gleichung 1 entworfen sein.
KONJUGIERT
GESAMT 1 = d1 + z1 +
d'1 (OPTISCHER
WEG 306)
KONJUGIERT GESAMT 2 = d2 +
z2 + d'2 (OPTISCHER WEG 304)
KONJUGIERT GESAMT
1 + H0 = KONJUGIERT GESAMT 2
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Gleichung 1
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Fachleute werden erkennen, daß der optische
Bildscanner 300 auf verschiedene Arten konfiguriert sein
kann. Beispielsweise kann die zweite reflektierende Oberfläche 108 weggelassen
werden, und das Bildsensormodul 114 kann positioniert sein, um
optische Signale 404 und 406 zu empfangen, ohne
daß dieselben
reflektiert werden (2).
Zusätzliche
reflektierende Oberflächen 108 können ferner
hinzugefügt
werden, um dieselbe Funktion zu erzielen. Ferner können reflektierende
Oberflächen 108 weggelassen
werden, und die Linsenarrays 110 können so angeordnet sein, daß eine gemeinsame optische
Achse zu der Oberfläche
der Auflage 102 senkrecht ist.