DE202013004374U1

DE202013004374U1 - Optoelectronic surface scanner

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Publication number: DE202013004374U1
Application number: DE201320004374
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2023-05-14

Abstract

Optoelektronischer Oberflächen- und Spurenscanner für die Aufnahme von Oberflächenmerkmalen und Spuren, insbesondere von daktyloskopischen Spuren auf der Oberfläche von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probentisch 1 und eine optoelektronische Bildaufnahmekamera 2 an einem gemeinsamen stabilen Rahmengestell 3 befestigt sind, wobei der Probentisch mit einem motorischen Präzisions-Drehantrieb 4 und/oder mit einem motorischen Präzisions-Linearantrieb 5 ausgestattet ist.Optoelectronic surface and trace scanner for the recording of surface features and traces, in particular of dactyloscopic traces on the surface of objects, characterized in that a sample table 1 and an optoelectronic image recording camera 2 are attached to a common stable frame 3, the sample table with a motorized Precision rotary drive 4 and / or is equipped with a motorized precision linear drive 5.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Oberflächen- und Spurenscanner nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to an optoelectronic surface and track scanner according to the preamble of the main claim.

Das Einsatzgebiet der Erfindung umfasst alle optoelektronischen Aufnahmeverfahren, bei denen Strukturen oder Texturen auf ebenen oder gekrümmten Objektflächen zu gewinnen sind. Insbesondere stellt die Erfassung forensischer Formspuren wie bei der Daktyloskopie ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung dar, sie findet aber auch bei ähnlich gelagerten Aufgabenstellungen, wie beispielsweise für archäologische oder kunstgeschichtliche Analysen, ihre Anwendung.The field of application of the invention comprises all optoelectronic recording methods in which structures or textures can be obtained on flat or curved object surfaces. In particular, the detection of forensic form traces as in the case of dactyloscopy is a main field of application of the invention, but it is also used in similarly stored tasks, such as for archaeological or art historical analyzes, their application.

Bisher sind zwei Verfahren bekannt Strukturen oder Texturen auf insbesondere gekrümmten Oberflächen bildgebend zu erfassen:

1. Die Struktur wird unter Benutzung eines farblosen Hilfsträgers vom Beweisstück abgenommen, eben auf einen farblich geeigneten Untergrund gebracht und mit einem Dokumenten-Flachbettscanner bekannter Bauart aufgenommen und digitalisiert. Die Vorteile dieses Verfahrens sind eine völlige Unabhängigkeit vom Objektmaterial und Objektfarbe sowie eine hohe geometrische Treue der Spur, da die Abnahme in jedem Fall parallel zur Oberfläche erfolgt. Der große Nachteil und Ursache für eine geringe Akzeptanz dieser Methode liegt in der Veränderung bzw. Zerstörung der Struktur, die weitere, insbesondere forensische Analysen wie DNA-Analyse, schwierig bzw. unmöglich macht.
2. Die Oberflächenstruktur wird mit den bekannten Verfahren der Fotografie in Einzelbildern berührungslos aufgenommen und digitalisiert. Neben dem Vorteil der unangetasteten Oberfläche birgt dieses Verfahren mehrere Nachteile: Da die Spur nicht vom Objekt getrennt wird, ist es Aufgabe der Beleuchtung und/oder der Kameraeinstellung einen möglichst hohen Kontrast zwischen diesen herauszuarbeiten. Besonders schwierig sind in diesem Zusammenhang stark reflektierende Oberflächen wie z. B. Glas, Spiegel oder Compact Disc's, vor allem immer dann, wenn sich an den Oberflächen Mehrfachreflexionen der Struktur bilden. Sehr häufig befinden sich zu analysierende Strukturen auf zylindrischen Gegenständen wie beispielsweise Flaschen, Gefäßen oder Patronenhülsen, bei denen sich eine fotografische Abbildung aus einer Aufnahmeposition verbietet, da die gesamte Oberflächenstruktur durch die Krümmung nicht zu erfassen ist, oder zumindest eine geometrische Verzerrung durch die Krümmung bei der Aufnahme erfolgt. In diesen Fällen behilft man sich bisher mit mehreren Einzelaufnahmen um das Objekt herum, die zu einem Gesamtbild montiert werden. Neben dem erheblichen Arbeitsaufwand sind hierbei auch die verbleibenden geometrischen Verzerrungen problematisch, da diese zu unkontrollierbaren lokalen Verzeichnungen führen. Gekrümmte reflektierende Oberflächen, wie sie beispielsweise bei Glas- oder Porzellangefäßen vorhanden sind, stellen bei der herkömmlichen fotografischen Aufnahme sehr hohe Anforderungen an eine gleichmäßige und reflexionsfreie Beleuchtung. Die Qualität der aufgenommenen Oberflächenstruktur hängt damit in hohem Maße von der Erfahrung und dem Ausbildungsstand der durchführenden Fachkraft ab und gestaltet sich in jedem Fall sehr zeitaufwendig.

So far, two methods are known to image structures or textures on especially curved surfaces:

1. The structure is removed from the piece of evidence using a colorless subcarrier, placed just on a suitable color base and recorded and digitized with a document flatbed scanner of known design. The advantages of this method are a complete independence of the object material and object color as well as a high geometric fidelity of the track, since the decrease takes place in each case parallel to the surface. The big disadvantage and cause for a low acceptance of this method lies in the change or destruction of the structure, which makes further, in particular forensic analyzes such as DNA analysis, difficult or impossible.
2. The surface structure is photographically recorded and digitized in single images using the known methods of photography. In addition to the advantage of untouched surface this method has several disadvantages: Since the track is not separated from the object, it is the task of the lighting and / or the camera setting to work out the highest possible contrast between them. Particularly difficult in this context are highly reflective surfaces such. As glass, mirrors or compact discs, especially whenever it forms multiple reflections of the structure on the surfaces. Very often, structures to be analyzed on cylindrical objects such as bottles, jars or cartridge cases where a photographic image is out of a pickup position because the entire surface structure is undetectable by the curvature, or at least a geometric distortion due to the curvature, are present the recording takes place. In these cases, you have been hitherto with several individual shots around the object around, which are assembled into an overall picture. In addition to the considerable amount of work, the remaining geometrical distortions are problematic, since they lead to uncontrollable local distortions. Curved reflective surfaces, such as those found in glass or porcelain containers, place very high demands on uniform and reflection-free illumination in conventional photographic recording. The quality of the recorded surface structure thus largely depends on the experience and the level of training of the executing specialist and in any case is very time-consuming.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht Oberflächenstrukturen oder -texturen auf ebenen und zylindrischen Objekten rationell und nach festen geometrischen Regeln bildgebend zu erfassen. Die Aufnahme soll dabei berührungslos erfolgen und jeden Einfluss auf die Struktur ausschließen. Durch die Automatisierung des Aufnahmeprozesses und eine starke Vereinfachung der Beleuchtungsproblematik, vor allem bei reflektierenden Oberflächen, soll der Aufnahmeprozess für die durchführende Fachkraft möglichst einfach und nach wiederkehrenden Regeln mit reproduzierbaren und qualitativ hochwertigen Ergebnissen ausfallen. Die so erreichte Rationalisierung soll sich auch in einer hohen Produktivitätssteigerung niederschlagen.The invention is based on the object to provide an arrangement which allows surface structures or textures on flat and cylindrical objects to capture rationally and according to fixed geometric rules. The recording should be done without contact and exclude any influence on the structure. By automating the recording process and greatly simplifying the lighting problem, especially in reflective surfaces, the recording process for the performing professional should be as simple as possible and repeatable with reproducible and high-quality results. The achieved rationalization should also be reflected in a high productivity increase.

Die Aufgabenstellung wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Anordnung gelöst. Die Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wieder. Die 1...6 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung mit Details und Ausgestaltungsmerkmalen.The task is solved by the arrangement described in the main claim. The subclaims give further advantageous embodiments again. The 1 ... 6 show an embodiment of the invention with details and design features.

Die erfindungsgemäße Anordnung, im Folgenden als Oberflächenscanner bezeichnet, besteht aus einem Probentisch 1 und einer optoelektronischen Bildaufnahmekamera 2, die gemeinsam an einem stabilen Rahmengestell 3 befestigt sind. Der Probentisch 2 kann dabei wahlweise von einem Präzisions-Drehantrieb 4 oder von einem Präzisions-Linearantrieb 5 bewegt werden. Während dieser Bewegung tastet die Bildaufnahmekamera 2 die Oberfläche zeilenweise auf die Bewegung synchronisiert ab.The arrangement according to the invention, referred to below as a surface scanner, consists of a sample table 1 and an optoelectronic imaging camera 2 working together on a sturdy frame 3 are attached. The sample table 2 can either choose from a precision rotary drive 4 or from a precision linear drive 5 to be moved. During this movement, the imaging camera is scanning 2 the surface is synchronized line by line on the movement.

Die Bildaufnahmekamera 2 lässt sich in drei geometrisch voneinander unabhängigen Achsen 7, 8, 18 relativ zum Probentisch 1, vorteilhaft mit drei spielfreien Gewindetrieben, fein positionieren. Auf diese Weise lässt sich der Bildausschnitt und die Fokussierebene der Kamera der zu analysierenden Struktur genau anpassen. Für das einfache und schnelle Wiederfinden bestimmter Kamerapositionen ist eine Ausgestaltung der Achsen mit Positionsanzeigen vorgesehen. Die Kamera ist zusätzlich mit einer Justagemöglichkeit 10 des Kamerarollwinkels ausgestattet, die eine orthogonale Lage der Aufnahmezeile zur Bewegungsrichtung mit hoher Präzision ermöglicht. Obwohl erfindungsgemäß eine zeilenweise Aufnahme durch die optoelektronische Kamera 2 erfolgt, ist die Verwendung einer flächigen Aufnahmekamera, insbesondere während der Einstellung der Aufnahmeparameter, vorteilhaft. Dadurch sind Vorschaubilder bereits ohne die Bewegung des Objektes möglich, was die Einstellung von Aufnahmeparametern wie Fokussierung und Belichtung vereinfacht. Während des eigentlichen Aufnahmevorganges wird dann nur die durch die optische Achse 9 verlaufende Zeile der optoelektronischen Fläche aktiv.The picture-taking camera 2 can be divided into three geometrically independent axes 7 . 8th . 18 relative to the sample table 1 , advantageous with three play-free screw drives, fine positioning. In this way, the image detail and the focusing plane of the camera can be adapted exactly to the structure to be analyzed. For the easy and quick retrieval of certain camera positions, an embodiment of the axes is provided with position indicators. The camera is also with an adjustment option 10 equipped with the camera roll angle, which allows an orthogonal position of the recording line to the direction of movement with high precision. Although according to the invention a line by line recording by the optoelectronic camera 2 takes place, the use of a flat recording camera, especially during the adjustment of the recording parameters, is advantageous. As a result, thumbnails are possible without moving the subject, making it easy to set shooting parameters such as focus and exposure. During the actual recording process then only the through the optical axis 9 extending line of the optoelectronic surface active.

Objekte mit zylindrisch gekrümmter Oberfläche werden auf dem Probentisch 1, 12 platziert, vom Präzisions-Drehantrieb 4 in Rotation versetzt und dabei synchron zur Drehbewegung, parallel zur Drehachse 21 zeilenweise von der optoelektronischen Bildaufnahmekamera abgetastet. Auf diese Weise findet eine zylindrische Abwicklung der Oberfläche statt und es steht direkt nach dem Aufnahmevorgang ein, bei zylindrischen Oberflächen verzerrungsfreies, Gesamtbild der Oberflächenstruktur zur Verfügung.Objects with a cylindrically curved surface are placed on the sample table 1 . 12 placed, by the precision rotary drive 4 set in rotation while synchronous to the rotational movement, parallel to the axis of rotation 21 Scanned line by line by the optoelectronic imaging camera. In this way, a cylindrical development of the surface takes place and it is directly after the recording process, with cylindrical surfaces distortion-free, overall appearance of the surface structure available.

Objekte mit ebener Oberfläche werden auf dem Probentisch 1, 22 platziert, vom Präzisions-Linearantrieb 5 in eine Translation versetzt und dabei synchron zur Linearbewegung, orthogonal zur Verschiebeachse zeilenweise von der optoelektronischen Bildaufnahmekamera 2 abgetastet. Die Lage der optoelektronisch aktiven Zeile der Aufnahmekamera soll dabei parallel zur Objektoberfläche liegen, der Winkel zwischen optischer Achse 9 der Aufnahmekamera 2 und Bewegungsrichtung ist aber frei wählbar, was für die Auslegung der Beleuchtung besondere Vorteile bietet. Mittels beschriebener Anordnung entsteht direkt ein verzerrungs- und blendfreies Gesamtbild der ebenen Oberflächenstruktur.Objects with a flat surface will be on the sample table 1 . 22 placed by the precision linear actuator 5 offset in a translation and synchronous to the linear movement, orthogonal to the displacement axis line by line of the optoelectronic imaging camera 2 sampled. The position of the opto-electronically active line of the recording camera should be parallel to the object surface, the angle between the optical axis 9 the recording camera 2 and direction of movement is however freely selectable, which offers special advantages for the design of the lighting. By means of the arrangement described directly creates a distortion-free and glare-free overall picture of the planar surface structure.

Um Objekte mit zylindrischer Oberfläche möglichst exakt auf dem Objekttisch zu platzieren, so dass Drehachse und Mittelachse der Oberfläche deckungsgleich sind, befinden sich auf dem Probentisch ringförmige konzentrische Markierungen 13.In order to place objects with a cylindrical surface as exactly as possible on the stage, so that the axis of rotation and center axis of the surface are congruent, are on the sample table annular concentric markings 13 ,

Vorteilhaft ist auch zu diesem Zweck eine sichtbare Punktlaserquelle 17 so über dem Probentisch angebracht, dass deren Laserstrahl 21 entlang der Drehachse verläuft.Also advantageous for this purpose is a visible point laser source 17 so attached above the sample table that its laser beam 21 runs along the axis of rotation.

Für lange zylindrische Objekte ohne geeignete Standfläche wird der Probentisch 1 gegen eine zentrische Spannvorrichtung 1, 20 ausgetauscht. Die Fixierung der Objekte erfolgt dann vorzugweise in einer zylindrischen Spannzange oder zwischen drei zentrisch spannenden Spannbacken.For long cylindrical objects without suitable footprint is the sample table 1 against a centric clamping device 1 . 20 replaced. The fixation of the objects is then preferably in a cylindrical collet or between three centrally exciting jaws.

Objekte mit zylindrisch gekrümmter Oberfläche, bei denen weder die Platzierung auf dem Probentisch noch eine Fixierung in der zentrischen Spannvorrichtung 20 möglich ist, können mit Hilfe einer zentralen Klemmvorrichtung, bestehend aus zwei zylindrischen oder kegelförmigen Zentrierstücken 14, 15, aufgenommen werden. Eines dieser Zentrierstücke 14 wird anstelle des Probentisches 1 im Drehzentrum des Präzisions-Drehantriebes 4 montiert und von diesem angetrieben. Das zweite Zentrierstück 15 befindet sich, dem ersten gegenüber, an einer axial verstellbaren, drehbar gelagerten und fest mit dem Rahmengestell verbundenen Zentrierlanze, die in Verlängerung der Drehachse verläuft. Die Höhenverstellung der Zentrierlanze ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass neben dem Abstand auch die Haltekraft der Zentrierstücke zueinander einstellbar ist. Eine Kombination der Zentrierlanze nebst montierten Zentrierstück 15 mit dem Probentisch 12 oder der zentrischen Spannvorrichtung 20 ist ebenfalls möglich.Objects with a cylindrically curved surface, where neither the placement on the sample table nor a fixation in the centric clamping device 20 is possible, by means of a central clamping device consisting of two cylindrical or conical centering pieces 14 . 15 to be recorded. One of these centering pieces 14 will be used instead of the sample table 1 in the turning center of the precision rotary drive 4 mounted and driven by this. The second centering piece 15 is located, the first opposite, on an axially adjustable, rotatably mounted and fixedly connected to the frame centering lance extending in extension of the axis of rotation. The height adjustment of the centering lance is preferably designed so that in addition to the distance and the holding force of the centering pieces is adjustable to each other. A combination of the centering lance and assembled centering piece 15 with the sample table 12 or the centric clamping device 20 is also possible.

Die erfindungsgemäße Anordnung sieht eine der zeilenweisen optoelektronischen Aufnahme angepasste Beleuchtung 19 vor. Diese besteht aus einer stabförmigen Lichtquelle und vorteilhaft aus einem Reflektor und einer auf eine Linie fokussierenden also zylindrischen Optik. Die stabförmige Lichtquelle muss über ihre gesamte Ausdehnung eine hohe Helligkeits-Kontinuität aufweisen und entweder paralleles oder vollkommen diffuses Licht erzeugen.The arrangement according to the invention provides a lighting adapted to the line-by-line optoelectronic recording 19 in front. This consists of a rod-shaped light source and advantageously of a reflector and focusing on a line so cylindrical optics. The rod-shaped light source must have a high brightness continuity over its entire extent and generate either parallel or completely diffused light.

Die Lichtquelle wird vorteilhaft durch eine Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre oder eine Niederdruck-Gasentladungsröhre gebildet. Das emittierte Lichtspektrum wird durch die Wahl der Lichtquelle und vorteilhaft durch zusätzliche Filter dem Einsatzzweck angepasst. Die Beleuchtung wird an einem in allen Richtungen frei beweglichen und arretierbaren Stativarm befestigt, der fest mit dem Rahmengestell verbunden ist. Es können auch mehrere Beleuchtungen gleichzeitig verwendet werden.The light source is advantageously formed by a cold cathode fluorescent tube or a low pressure gas discharge tube. The emitted light spectrum is adapted to the intended purpose by the choice of the light source and advantageously by additional filters. The lighting is fixed to a freely movable and lockable in all directions tripod arm, which is firmly connected to the frame. You can also use several lights at the same time.

Claims

Optoelectronic surface and track scanner for recording surface features and traces, in particular dactyloscopic traces on the surface of objects, characterized in that a sample table 1 and an opto-electronic imaging camera 2 on a common stable frame 3 attached, wherein the sample table with a precision motorized rotary drive 4 and / or with a motor-driven precision linear drive 5 Is provided.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the optoelectronic image recording camera 2 so structured with a matrix Image sensor is equipped that either flat image information as a total or partial images or even line-shaped image structures are readable as a subset of the overall picture.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the image pickup camera 2 so at a precision cross table 6 It is fixed in two mutually perpendicular directions 7 . 8th both perpendicular to the optical axis 9 the camera are aligned, can be moved.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the image pickup camera 2 on a rotary adjustment device 10 is fixed, whose axis of rotation 11 parallel to the optical axis 9 the image pickup camera, preferably also congruent to this, is aligned.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the precision rotary drive 4 with a horizontal platform 12 connected as a turntable level.

Arrangement according to claims 1 and 5, characterized in that the platform annular concentric markings 13 wearing.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the precision rotary drive 4 with a preferably conical or cylindrical centering piece 14 is connected and that in the extension of its axis of rotation on the frame a similarly executed centering 15 as an axially adjustable, preferably nachfederndes, follower clamping counterpart in a rotary bearing 16 is attached so that both centering pieces 14 and 15 form a tensioning device for the sample.

Arrangement according to claim 1, characterized in that on the frame 3 in extension of the axis of rotation of the precision rotary drive 4 a visible point laser source 17 is fixed so that its exiting laser beam 21 exactly in the axis of rotation to the precision rotary drive runs.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the precision linear drive 5 with an L-shaped platform 22 is connected, on which an object is mounted both on the horizontal portion, as well as attached to the vertical portion hanging and that this on the precision rotary actuator 4 is mounted and can be twisted by this.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the frame 3 consists of two parts, which have a linear guide 18 are mutually displaceable so that the distance between the image pickup camera 2 and the sample table 1 can be changed and adjusted.

Arrangement according to claim 1, characterized in that for the image recording at least one linear, or rod-shaped light source 19 is available.