DE19626595A1 - Eintakten der Beleuchtung bei einem Abtastgerät zur Verbesserung der Bildschärfe und des Leistungsverbrauchs - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf opti­ sche Abtastgeräte und insbesondere auf batteriebetriebene, tragbare optische Abtastgeräte, bei denen die Lichtquelle eingetaktet (gestrobt) wird, um die Bildschärfe zu verbes­ sern und um Batterieleistung zu sparen.

Optische Abtastgeräte werden verwendet, um Maschinen-lesbare Daten zu erzeugen, welche ein abgetastetes Objekt, wie z. B. eine Seite eines gedruckten Textes, darstellen. Optische Ab­ tastgeräte verwenden Linienfokussysteme, um abgetastete Ob­ jekte abzubilden. Bei einem Linienfokussystem wird ein Lichtstrahl von einem beleuchteten Linienobjekt durch eine Linse auf ein lineares Photosensorarray abgebildet, welches von dem Linienobjekt entfernt positioniert ist. Bei einem optischen Abtastgerät wird das von dem Linienfokussystem be­ leuchtete Linienobjekt allgemein als eine "Abtastlinie" be­ zeichnet. Das lineare Photosensorarray ist ein eindimensio­ nales Array von Photoelementen, welche kleinen Flächenposi­ tionen entlang des Linienobjekts entsprechen. Diese kleinen Flächenpositionen auf dem Linienobjekt werden allgemein als "Bildelemente" oder "Pixel" bezeichnet. Als Reaktion auf Licht von seiner entsprechenden Pixelposition auf dem Li­ nienobjekt erzeugt jedes Photoelement ein Datensignal, wel­ ches die Intensität des Lichts darstellt, welches auf das­ selbe aufgetroffen ist. Alle Datensignale der Photoelemente werden empfangen und durch ein geeignetes Datenverarbei­ tungssystem verarbeitet, welches anschließend die Daten auf einem geeigneten Medium speichern kann, um ein Anzeigesignal aus denselben zu erzeugen, um ein Bild des Objekts mit einem Anzeigegerät, wie z. B. einer CRT (CRT = Cathode Ray Tube = Kathodenstrahlröhre) oder einem Drucker, zu reproduzieren.

Ein tragbares optisches Abtastgerät ist ein optisches Ab­ tastgerät, welches von Hand über ein abgetastetes Objekt, wie z. B. eine Textseite, bewegt wird. Die meisten tragbaren Abtastgeräte wurden bisher durch eine externe Leistungsquel­ le, wie z. B. eine Leistungseinheit, die mit einem Wandauslaß verbunden ist und ihrerseits mit dem tragbaren Abtastgerät durch ein elektrisches Kabel verbunden ist, mit Leistung versorgt. Derartige externe Leistungsquellen wurden aufgrund der wesentlichen benötigten elektrischen Energie, um die verschiedenen Abtastgerätekomponenten zu betreiben, für nö­ tig gehalten. Die optische Abbildungsanordnung eines Abtast­ geräts weist beispielsweise typischerweise eine Beleuch­ tungsquelle, wie z. B. eine Fluoreszenzlampe, auf. Weitere Abtastgeräte-Teilanordnungen, die Energie benötigen, umfas­ sen die photoelektrische Umwandlungsanordnung des Abtastge­ räts (typischerweise ein CCD (CCD = Charge Coupled Device = Ladungs-gekoppeltes Babelement)), welches ebenfalls wie die Geschwindigkeitserfassungs-Schaltungsanordnung des Abtast­ geräts und die zentrale Verarbeitungseinheit des Abtastge­ räts Energie benötigt. Bei dem tragbaren Abtastgerät des be­ vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird ein geräteseitiges Speicherbauelement verwendet, wel­ ches zum Betrieb ebenfalls elektrische Energie benötigt.

Es würde allgemein wünschenswert sein, ein tragbares Abtast­ gerät mit einer geräteseitigen Leistungsversorgung zu schaf­ fen, um die Notwendigkeit nach einer externen Leistungsver­ sorgungsverbindung oder anderer Verbindungskabel zu beseiti­ gen, welche das Abtastgerät an einer festen Position "hal­ ten". Eine derartige Anordnung würde die Mobilität und mög­ liche Gebrauchsanwendungen für ein tragbares Abtastgerät we­ sentlich verbessern. Das wesentliche Hindernis, das jedoch überwunden werden muß, ist die relativ kurze Betriebsdauer, die aus der Verwendung einer geräteseitigen Leistungsversor­ gung resultiert.

Das gegenwärtige praktizierte Verfahren beim Abtasten weist eine konstante Lichtquelle auf, die über das abzutastende Gerät gewobbelt wird. Gleichzeitig wird eine photoelektri­ sche Umwandlungsanordnung, welche Photosensoren vom Ladungs­ gekoppelten Bauelementtyp (CCD-Typ) verwendet, von dem be­ leuchteten Dokument durch eine Reduktionsoptik belichtet. Alle Photoelemente in einem linearen CCD-Array weisen das gleiche feste Betriebsintervall (Abtastintervall) von bei­ spielsweise einer Millisekunde auf. Von jedem Element wird am Ende eines Betriebsintervalls ein Datensignal erzeugt, welches ein Mittel der Lichtintensität darstellt, welche das Element während des Betriebsintervalls erfahren hat. Auf­ grund der Mittelung der Lichtintensität und ebenfalls auf­ grund der Tatsache, daß das Abtastgerät während des Be­ triebsintervalls bezüglich des Dokuments in Bewegung ist, wird das reproduzierte Bild des Dokuments verschmiert er­ scheinen. Dieses Problem kann bei einem tragbaren Abtastge­ rät verstärkt werden, wenn der Betreiber durchgehend die Rate verändert, mit der das Abtastgerät über das Dokument bewegt wird. Es würde wünschenswert sein, ein Abtastgerät, und besonders ein tragbares Abtastgerät, mit einem schärfe­ ren Bild als den traditionell verschmierten Bildern, die Ab­ tastgeräte heute erzeugen, zu schaffen.

Es würde ein weiterer Vorteil sein, ein Abtastgerät und ins­ besondere ein tragbares Abtastgerät mit einer verbesserten Bildregistrierung durch Synchronisieren der Beleuchtung mit einer exakten Abtastposition auf dem Dokument zu schaffen. Eine Bildregistrierung ist besonders bei tragbaren Abtastge­ räten in dem Anhalten-Starten-Modus angemessen, bei dem die Abtastbewegung unterbrochen wird und eine Bildverschlechte­ rung daraus resultieren kann, daß nicht zu genau der Posi­ tion zurückgekehrt wird, bei der das Abtasten unterbrochen wurde.

Tragbare optische Abtastgeräte und verschiedene Komponenten und Systeme derselben sind in dem U.S. Patent Nr. 5,381,020 mit dem Titel "Hand-held optical scanner without onboard battery recharging assembly" von Richard L. Kochis und Eric F. Aas und in dem U.S. Patent Nr. 5,306,908 mit dem Titel "Manually operated hand-held optical scanner with tactile speed control assembly" von Charles H. McConica, Eric F. Aas, Richard L. Kochis, Dan L. Dalton und Eugene A. Miksch offenbart, welche bezüglich ihrer gesamten Offenbarung hier­ in durch Bezugnahme aufgenommen sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Abtastgerät mit hoher Bildqualität und niedrigem Leistungs­ verbrauch zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches Abtastgerät gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein tragbares optisches Abtastgerät gerichtet, welches eine gepulste Lichtquelle verwendet, die mit der Abtastposition über eine Positions­ kodiervorrichtung und ein Pulssteuerungssystem synchroni­ siert ist. Ein Abtastgerät der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Bildschärfe und eine verbesserte Bildregi­ strierung haben. Ferner wird eine gepulste Lichtquelle in einem Abtastgerät der vorliegenden Erfindung effizienter sein und weniger Leistung benötigen, was in verschiedenen Kosten- und Leistungs-Einsparungen resultiert. Ein derarti­ ges Abtastgerät ist in der Lage, mit einer kleinen Lei­ stungsquelle (Batterie) zu arbeiten und dasselbe ist ferner in der Lage, länger Zeit zu laufen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Grundblockdiagramm, das die Grundlichtelemente eines Abtastgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 einen Graph, der einen Lichtquellenbetrieb als Funktion der Zeit bezüglich der CCD-Abtastrate zeigt; und

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die Grundbetriebskomponenten eines Abtastgeräts gemäß der vorliegenden Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt ein Grundblockdiagramm der Lichtelemente eines Abtastgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere befindet sich in dieser Fig. eine Lichtquelle 190, welche an einer gedruckten Schaltungsplatine 200 angebracht ist und Licht durch eine Linse 210 und auf eine Abtastlinie 220 auf einem Dokument 100 sendet. Die Lichtquelle 190 ist vorzugs­ weise eine Reihe von LEDs (LED = Light Emitting Diode = Licht-emittierende Diode). Sobald das Licht von der Licht­ quelle 190 von dem Dokument 100 reflektiert wird, läuft es entlang eines Wegs 240 zu einer Linse 250, welche das Licht 260 auf ein photoelektrisches Umwandlungsbauelement fokus­ siert. Das photoelektrische Umwandlungsbauelement ist vor­ zugsweise ein Photosensor vom CCD-Typ. Sobald sich das Ab­ tastgerät über das Dokument 100 vorwärts bewegt, wird die Lichtquelle 190 auf eine mit der Position des Abtastgeräts bezüglich des Dokuments 100 und bezüglich der Abtastrate des CCD synchronisierten Art und Weise eingetaktet.

Fig. 2 ist ein Graph, der darstellt, wie die Lichtquelle synchronisiert wird, um während der CCD-Abtastzeit einge­ taktet zu werden. Vorzugsweise wird die Lichtquelle für 10% der CCD-Abtastzeit eingetaktet. Dies weist den Effekt des Anhaltens der Bewegung des Abtastgeräts auf, was ähnlich zu einem elektronischen Blitz den Effekt des Anhaltens der Be­ wegung des Objekts in dem Bild aufweist, wenn eine Photogra­ phie aufgenommen wird. Wenn die Lichtquelle somit eingetak­ tet wird, wird ein schärferes Bild und nicht das üblicher­ weise verschmierte Bild aufgrund einer Mittelung über mehre­ re Abtastlinien erzeugt, was dagegen bei einem bekannten Ab­ tastgerät während des Abtastprozesses auftritt. Es sollte angemerkt werden, daß die Verwendung von LEDs außerordent­ lich wichtig ist, um das schärfere Bild zu erhalten, da LEDs im Gegensatz zu den Lichtquellen (den Fluoreszenzlampen) be­ kannter Abtastgeräte sofort ein- und ausgeschaltet werden können, wogegen die Lichtquellen bekannter Abtastgeräte ein Nachglühen aufweisen, das zu einem verschmierten Bild bei­ trägt. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von LEDs besteht darin, daß LEDs, wenn sie gepulst werden, effizienter sind, wodurch sich Leistungseinsparungen von mehr als 30-40% erge­ ben. LEDs können ferner mit größeren Lichtintensitäten ge­ pulst werden, als es der Fall wäre, wenn sie den gesamten Abtastzyklus lang eingeschaltet wären. Daher kann eine größere Intensität für eine kürzere Zeitdauer (10% des Ab­ tastzyklus) eingestellt werden, um die gleiche Belichtung zu ergeben, wie es der Fall wäre, wenn die LEDs den gesamten Abtastzyklus lang eingeschaltet gewesen wären. Es sollte ferner angemerkt werden, daß die LEDs basierend auf der Po­ sition der Abtastlinie bezüglich des Dokuments eingeschaltet werden, derart, daß, wenn das Einschalten zeitlich zu nahe an dem Rand der CCD-Abtastperiode auftritt, die Steuerung das Einschalten der LEDs bis zum unmittelbaren Beginn der CCD-Abtastperiode anhält. Je kürzer die Einschaltzeit der LEDs ist, umso näher können sie an dem Rand der Abtastperio­ de eingeschaltet werden, ohne auf die nächste Abtastperiode warten zu müssen, was in einer besseren Bildregistrierung resultiert.

Fig. 3 zeigt ein Grundblockdiagramm des Abtastgerätsystems der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist eine Antriebs­ anordnung 162 wirksam an dem Abtastgerät befestigt und ver­ setzt das Abtastgerät in die Lage, über ein abzutastendes Objekt (d. h. ein Dokument 100) in einer vorbestimmten Rich­ tung 230 verschoben zu werden. Ein Verschiebungserfassungs­ gerät, wie z. B. eine Positionskodiervorrichtung 150, erfaßt die winklige Verschiebung der Antriebsrollen (nicht gezeigt) und erzeugt ein Signal, das dieselbe darstellt. Eine Steue­ rung 160 betätigt die Antriebsanordnung 162 zum Beschleuni­ gen und Abbremsen der Antriebsrollen, um eine Tastrückkopp­ lung zu schaffen, um einen Betreiber zu drängen, von Hand das Abtastgerät über das abgetastete Dokument 100 innerhalb eines vorbestimmten Geschwindigkeitsbereich, welcher für das Abtasten optimal ist, zu verschieben. Der Geschwindigkeits­ bereich wird vorzugsweise ausgewählt, um ein relativ kleiner Geschwindigkeitsbereich gerade unter der maximalen Abtastge­ schwindigkeit zu sein, bei der das Abtastgerät basierend auf dem Betriebsintervall des photoelektrischen Umwandlungsge­ räts 100 korrekt arbeiten kann.

Die optische Anordnung weist eine Lichtquelle 190 auf, wel­ che einen gegenwärtigen Abtastlinienabschnitt des Dokuments, welches abgetastet wird, erleuchtet. Die gegenwärtige Ab­ tastlinie wird dann auf die Bildebene des photoelektrischen Umwandlungsgeräts 100, wie z. B. eines herkömmlichen CCD-Ar­ rays, abgebildet. Das CCD erzeugt ein Datensignal, das opti­ sche Bilder darstellt, welche während aufeinanderfolgende Betriebsintervalle auf dasselbe aufgetroffen sind. Somit wird ein "Bild" eines kleinen Abschnitts eines abgetasteten Dokuments 100 (einer Abtastlinie) während jedes CCD-Be­ triebsintervalls aufgenommen. Das Datensignal stellt daher eine Serie von Bildern von Abtastlinienabschnitten eines Dokuments dar, welche erzeugt werden, während das Abtastge­ rät über das Dokument 100 bewegt wird. Das von dem CCD 110 erzeugte Signal wird dann durch einen Analog/Digital-Wandler 120 in ein digitales Signal umgewandelt und zu einem Daten­ handhabungssystem 130 gesendet, das die Daten für eine spä­ tere Übertragung speichert oder das Signal zu verbundenen Geräten, wie z. B. zu einem Personalcomputer (nicht gezeigt), zur Weiterverarbeitung (z. B. für eine optische Zeichener­ kennung), oder zu geeigneten Medien, wie z. B. zu einer Fest­ platte, zu einer Floppydiskette oder zu einem ROM (ROM = Read Only Memory = Nur-Lese-Speicher) zur Speicherung oder zum Liefern einer visuellen Anzeige, wie z. B. mittels einer angeschlossenen CRT oder eines Druckers, sendet. Das Daten­ signal wird durch eine Datenausgabe 104 ausgegeben.

Ein typisches CCD-Bilderfassungsgerät nimmt etwa jede Milli­ sekunde ein "Bild" des Dokuments auf. Es ist ohne weiterhin offensichtlich, daß die Geschwindigkeit, bei der das trag­ bare Abtastgerät über das Dokument 100 bewegt wird, wesent­ lich ist, da sie die effektive Breite jeder Abtastlinie, für welche Daten erzeugt werden, bestimmt. Wenn das Abtastgerät zu schnell, zu ungleichmäßig oder umgekehrt bewegt wird, werden Informationen von dem Dokument verloren. Wenn das Ab­ tastgerät zu langsam bewegt wird, werden überflüssige Infor­ mationen erfaßt, was einen Verlust an Abtastgerätleistung zur Folge hat. Daher muß die Antriebsanordnung an dem trag­ baren Abtastgerät den Betreiber drängen, eine optimale Vor­ wärtsgeschwindigkeit beizubehalten. Dafür muß die Steuerung die Geschwindigkeit des Abtastgeräts und die Position des Abtastgeräts mit Hilfe von Informationen, die von der An­ triebsanordnung und der Positionskodiervorrichtung der Steuerung rückkopplungsmäßig zugeführt werden, durchgehend überwachen.

Die Steuerung erzeugt ferner über einen Pulsgenerator 170 einen Puls, der die Lichtquelle 190 mittels eines Schalters 108, welcher vorzugsweise ein FET-Schalter (FET = Feldef­ fekttransistor) ist, an- und ausschaltet. Der Puls, der er­ zeugt wird, muß die Position und die Geschwindigkeit des Ab­ tastgeräts und die Abtastrate des CCDs 110 berücksichtigen, derart, daß keine Daten über das Dokument 100 verloren wer­ den, und daß keine überflüssigen Daten erzeugt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung für ein tragbares optisches Abtastgerät beschrieben worden ist, sollte es für Fachleute ohne weiterhin offensichtlich sein, daß es möglich ist, die Erfindung bei einem automatischen Dokumentenzuführungsab­ tastgerät (auch "document feed scanner" genannt) oder bei einem Flachbettabtastgerät (auch "flat bed scanner" genannt) mit einer sich bewegenden Lichtquelle zu implementieren. So­ lange die Position der sich bewegenden Elemente verfolgt werden kann, und solange die Lichtquelle eingetaktet werden kann, kann das Abtastgerät irgendein bekanntes Abtastgerät, wie z. B. ein OCR-Gerät (OCR = Optical Character Recognition = optische Zeichenerkennung) oder ein Faxgerät sein. Da die Erfindung ferner eine verbesserte Registrierung erlaubt, welche es der Steuerung ermöglicht, genau die Position auf dem Dokument zu wissen, bei der eine Abtastung des Bildes auftritt, kann die Steuerung, wenn der Speicher bei einem automatischen Dokumentenzuführungsabtastgerät während des Abtastverfahrens voll wird, das Abtastverfahren anhalten, es dem Speicher ermöglichen, sich zu entladen, das Dokument ei­ ne vorbestimmte Anzahl von Abtastlinien zurückhalten, das Abtastverfahren neu starten, und sobald sich das Dokument auf der geeigneten Geschwindigkeit befindet, die Lichtquelle in exakt der Position der nächsten Abtastlinie eintakten, welche hinter der liegt, in der das Abtastverfahren angehal­ ten worden ist.

Ein typisches Abtastgerät könnte die letzte Abtastlinie vor dem Anhalten des Abtastverfahrens und die Abtastlinie unmit­ telbar nach dem Neustart des Abtastprozesses verschmieren, wobei es nicht erwähnt werden muß, daß ein typisches Abtast­ gerät die genaue Position nicht kennt, bei der das Abtasten angehalten worden ist, um zu wissen, wo das Abtastverfahren wieder aufgenommen werden soll. Da das typische Abtastgerät ferner das Dokument stauen muß, um das Dokument auf Ge­ schwindigkeit zu bringen, bevor das Abtastverfahren neu ge­ startet werden kann, existiert die Möglichkeit eines ver­ schmierten Bildes, eines verlorenen Bildes oder eines über­ flüssigen Bildes.

Claims (5)

1. Optisches Abtastgerät mit folgenden Merkmalen:

• a) einer Lichtquelle (190) zum Erzeugen von Licht, das auf ein abzutastendes Objekt (100) gerichtet ist;
• b) einer Schalteinrichtung (180) zum Ein- und Ausschal­ ten der Lichtquelle (190);
• c) einem optischen Sensor (110) mit einer vorbestimmten Abtastrate, wobei der optische Sensor (110) ein Da­ tensignal erzeugt, das ein abgetastetes Objekt (100) darstellt;
• d) einer Antriebsanordnung (162) zum Ermöglichen einer Verschiebung des optischen Abtastgeräts über ein ab­ getastetes Objekt (100) in einer vorbestimmten Ab­ tastrichtung;
• e) einer Positionskodiervorrichtung (150) zum Erfassen der Verschiebung des optischen Abtastgeräts und zum Erzeugen eines Verschiebungssignals, das dieselbe darstellt; und
• f) einer Steuerung (160) zum Betätigen der Antriebsan­ ordnung (162) während eines Abtastbetriebs, wobei die Steuerung (160) ferner die Schalteinrichtung (180) für die Lichtquelle (190) als Reaktion auf die Ab­ tastrate des optischen Sensors (110) und als Reaktion auf das Verschiebungssignal der Positionskodiervor­ richtung (150) betätigt.

2. Optisches Abtastgerät gemäß Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle (190) eine Mehrzahl von Licht­ emittierenden Dioden aufweist.

3. Optisches Abtastgerät gemäß Anspruch 2, bei dem das optische Abtastgerät ein tragbares, opti­ sches Abtastgerät aufweist.

4. Optisches Abtastgerät gemäß Anspruch 2, bei dem das optische Abtastgerät ein automatisches Do­ kumentenzuführungsabtastgerät aufweist.

5. Optisches Abtastgerät gemäß Anspruch 2, bei dem das optische Abtastgerät ein Flachbett-Abtast­ gerät mit einer sich bewegenden Lichtquelle aufweist.