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Diese Erfindung betrifft einen Flachbettscanner vom Typ xy, der konfiguriert ist, um die Stereophotometrietechnik zu implementieren.
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Insbesondere findet diese Erfindung umfassende Anwendung im Bereich der Bilderfassung.
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Bekanntermaßen ermöglicht die Stereophotometrietechnik die Gewinnung von 3D-Informationen aus einer Reihe von Farb- oder Grauskalabildern. Da diese Technik besonders geeignet ist, um feine Details von tendenziell zweidimensionalen Oberflächen (wie beispielsweise einem Gemälde, einem Basrelief, einer Marmorplatte und dergleichen) zu erfassen, und dagegen nicht in der Lage ist, die Form komplexer dreidimensionaler Objekte (wie beispielsweise einem Gefäß) zu erfassen, eignet sie sich, um in einem Flachbettscanner implementiert zu werden, um Materialien und Oberflächen zu scannen und gleichzeitig digitale Informationen über Farbe und 3D-Erhöhung wiederzugeben. Bekanntermaßen wird die Stereophotometrietechnik implementiert, indem ein auf einer Scanebene befindliches Objekt mittels einer Vielzahl von Leuchtquellen, die wahlweise aktivierbar sind, beleuchtet wird, und indem bei jeder Aktivierung ein Bild erfasst wird, das repräsentativ für dieses Objekt ist.
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Für die Implementierung der Stereophotometrietechnik werden in der Regel Flachbettscanner genutzt, die eine Scanebene umfassen, auf der das Objekt angeordnet wird, und die zudem einen Bilderfassungssensor umfassen, der konfiguriert ist, um ein Bild bezüglich des Objekts zu erfassen. Derartige Scanner umfassen zudem ein optisches System, das zwischen dem Bilderfassungssensor und der Scanebene eingesetzt und zum Bilderfassungssensor entlang einer vertikalen Achse, die senkrecht zur Scanebene verläuft, ausgerichtet ist.
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Bei Flachbettscannern des Stands der Technik werden die Leuchtquellen daher jeweils einzeln eingeschaltet, und bei jeder Einschaltung werden ein Bild des Objekts und/oder ein Bild eines Abschnitts davon vom Bilderfassungssensor erfasst.
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Obgleich die Stereophotometrietechnik im Unterschied zu den anderen 3D-Bilderfassungstechniken die Nutzung von entsprechenden 3D-Vorrichtungen (wie beispielsweise Lasern, konfokalen Einrichtungen und dergleichen) nicht erfordert, ist es zwar möglich, detaillierte Farb- und Erhöhungsinformationen zu gewinnen, jedoch müssen die Leuchtquellen im Scanner angeordnet werden, sodass Beleuchtungsrichtungen erzielt werden, die in einem ausreichenden Maß voneinander verschieden sind, sodass das von jeder Leuchtquelle erzeugte Licht das zu scannende Objekt gleichmäßig beleuchtet.
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Es ist darüber hinaus bekannt, dass das Ergebnis desto besser ist, je höher die Zahl der Lichtquellen ist. Diesbezüglich sind Flachbett- oder Planetenscanner bekannt, umfassend ein erstes und ein zweites Paar Leuchtquellen, ein optisches System und einen linearen Bildsensor, d. h. einen Sensor, der in der Lage ist, ein Bild bezüglich eines entlang einer auf der Scanebene definierten Scanlinie liegenden Abschnitts des Objekts zu erfassen. In dieser Situation werden die Leuchtquellen jeweils einzeln eingeschaltet, und bei jeder Einschaltung wird ein Bild des entlang der Scanlinie liegenden Abschnitts des Objekts erfasst. Anschließend wird das Objekt (oder die aus dem optischen System, dem Bildsensor und den Leuchtquellen bestehende Einheit) so bewegt, dass die angrenzenden Abschnitte progressiv entlang der Scanlinie liegen und somit erfasst werden.
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Bei derartigen Scannern des Stands der Technik befinden sich die Leuchtquellen des ersten Paars in der Regel an den Seiten der Scanlinie und entwickeln sich parallel zu dieser, während sich die Leuchtquellen des zweiten Paars an den Enden der Scanlinie befinden und sich entlang einer Richtung entwickeln, die quer zu dieser verläuft. Nachteiligerweise sind in einer solchen Situation die Leuchtquellen des zweiten Paars nicht in der Lage, die Scanlinie mit einem Lichtbündel, das Strahlen aufweist, die einheitliche Einfallswinkel auf der Scanlinie und somit auf dem darauf liegenden Objektabschnitt besitzen, zu beleuchten. Die Strahlen, die auf das Ende der Scanlinie treffen, das der eingeschalteten Leuchtquelle am nächsten ist, weisen einen größeren Einfallswinkel als die Strahlen auf, die auf das Ende der Scanlinie treffen, das gegenständig zur Leuchtquelle angeordnet ist.
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Dies beinhaltet eine mindere Qualität der erfassten Bilder und somit eine mangelhafte Präzision bei der Abtastung sowie bei der digitalen Rekonstruktion des gescannten Objekts.
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Bekannt sind zudem Flachbettscanner, die lineare Bilderfassungssensoren umfassen, bei denen das zweite Paar Leuchtquellen so positioniert ist, dass eine jede Leuchtquelle entlang der Richtung liegt, die durch die Scanlinie definiert ist, und so angeordnet ist, dass kollimierte Lichtstrahlen im Scanbereich ausgesendet werden.
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In dieser Situation sind die vier Leuchtquellen daher alle parallel zur Scanlinie kreuzweise angeordnet, und da eine jede Leuchtquelle des zweiten Paars kollimiert ist, wird garantiert, dass die Leuchtstrahlen, was die Einfallswinkel betrifft und auch was die Lichtstärke der ausgestrahlten Lichtbündel angeht, einheitlich sind.
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Nachteiligerweise ist ein solcher Scanner, obwohl er den durch die Stereophotometrietechnik vorgeschriebenen Einheitlichkeitsbeschränkungen gerecht wird, nicht in der Lage, an die Einführung eines Matrixbildsensors und nicht eines linearen Bildsensors angepasst zu werden. Aufgrund der Anordnung der Leuchtquellen ist ein derartiger Scanner insbesondere nicht in der Lage, eine zweidimensionale Oberfläche angemessen einheitlich zu beleuchten.
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Ein derartiger Scanner des Stands der Technik besitzt daher nur ein geringes Maß an Flexibilität und Vielseitigkeit, da der Scanner bei der Änderung der Positionierung der Leuchtquellen oder der Art des eingesetzten Bilderfassungssensors nicht mehr in der Lage ist, die Ausrichtung und die korrekte Leuchteinheitlichkeit zu garantieren, die für eine korrekte und optimale Implementierung der Stereophotometrietechnik erforderlich ist.
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Um eine akzeptable Implementierung der Stereophotometrietechnik zu erzielen, müssen die Leuchtquellen bei einem derartigen Scanner mit anderen Worten unbedingt wie oben beschrieben positioniert und angeordnet werden, und der Bilderfassungssensor muss unbedingt linear sein. Zudem weist der Scanner zahlreiche Einschränkungen (wie beispielsweise diejenige in Bezug auf die Tatsache, dass die Leuchtquellen auch eine erhöhte Einheitlichkeit der Lichtstärke und nicht nur eine erhöhte Einheitlichkeit der Lichteinfallswinkel bieten müssen) und zahlreiche Grenzen auf, aufgrund derer er beispielsweise nicht für das Scannen des Objekts nach Flächen und nicht mehr nach Linien anpassbar ist.
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Die technische Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, einen Flachbettscanner vom Typ xy bereitzustellen, der in der Lage ist, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
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Das Ziel dieser Erfindung ist es daher, einen Flachbettscanner vom Typ xy bereitzustellen, der in der Lage ist, das Problem hinsichtlich der Positionierung und Anordnung der Leuchtquellen zu vereinfachen, und der gleichzeitig in der Lage ist, mithilfe der Stereophotometrietechnik Scans von guter Qualität zu liefern.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen kompakten und preiswerten Flachbettscanner vom Typ xy bereitzustellen.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es somit, einen Flachbettscanner vom Typ xy bereitzustellen, der strikte bauliche Einschränkungen aufweist, um einen guten Scan zu erhalten, der jedoch gleichzeitig flexibel ist, sodass der Scanner verschiedenen Bedürfnissen angepasst werden kann.
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Die angegebene technische Aufgabe und die angegebenen Ziele werden im Wesentlichen durch einen Flachbettscanner vom Typ xy, der die Merkmale nach einem oder mehreren der beigefügten Patentansprüche aufweist, erfüllt bzw. erreicht. Die abhängigen Ansprüche entsprechen möglichen Ausführungsformen der Erfindung.
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Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich deutlicher aus der ungefähren und daher nicht einschränkenden Beschreibung einer Ausführungsform eines Flachbettscanners vom Typ xy.
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Diese Beschreibung wird hier im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausgeführt, die ausschließlich als Richtangaben dienen und daher nicht einschränkend sind. Es zeigt:
- - 1 ein beispielhaftes Diagramm für eine Positionierung einer Leuchtquelle in einem erfindungsgegenständlichen Scanner;
- - 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgegenständlichen Flachbettscanners vom Typ xy;
- - 3 eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgegenständlichen Flachbettscanners vom Typ xy;
- - 4 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgegenständlichen Flachbettscanners vom Typ xy;
- - 5 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgegenständlichen Flachbettscanners vom Typ xy;
- - 6 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgegenständlichen Flachbettscanners vom Typ xy.
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ist mit dem Bezugszeichen 100 ein Flachbettscanner vom Typ xy angegeben, der konfiguriert ist, um die Stereophotometrietechnik zu implementieren.
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Der Scanner 100 umfasst eine Scanebene ɤ, auf der ein zu scannendes Objekt „O“ positionierbar ist.
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Unter dem Begriff „Flachbettscanner vom Typ xy“ ist ein Scanner zu verstehen, bei dem die Erfassung von Bildern, die das Objekt „O“ repräsentieren, erfolgt, indem verschiedene diskrete Abschnitte der Scanebene ɤ gescannt werden.
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Der erfindungsgegenständliche Scanner 100 umfasst zudem eine Erfassungsvorrichtung 1, die entlang einer vertikalen optischen Achse „A“ und senkrecht zur Scanebene ɤ angeordnet ist. Die Erfassungsvorrichtung 1 ist konfiguriert, um mindestens ein Bild des zu scannenden Objekts „O“ oder ein Bild eines Teils dieses Objekts „O“ zu erfassen, insbesondere des Teils, der in einem Abschnitt der Scanebene ɤ unterhalb der Erfassungsvorrichtung 1 liegt (3).
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Vorzugsweise ist die Erfassungsvorrichtung 1 konfiguriert, um eine Abfolge von Bildern zu erfassen, die repräsentativ für das zu scannende Objekt „O“ sind, sodass eine digitale Rekonstruktion dieses Objekts „O“ erzielt wird, die nach einem im Folgenden detailliert beschriebenen Verfahren getreu und vollständig ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfassungsvorrichtung 1 ein telezentrisches optisches System 1a. Das telezentrische optische System 1a ist konfiguriert, um ein Lichtbündel von der Scanebene ɤ zur Erfassungsvorrichtung 1 zu leiten, sodass die Lichtstrahlen gegenseitig im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
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Unter dem Begriff „telezentrisches optisches System“ ist somit ein System zu verstehen, das eine telezentrische Linse (3) umfasst, oder ein System, das eine Linse umfasst, die in der Lage ist, als eine telezentrische Linse zu arbeiten, wenn sie in einem ausreichend großen Abstand von der Scanebene ɤ befindlich ist (4).
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Da die Scanner vom Typ xy normalerweise einen Scanbereich 3 von reduzierter Größe im Vergleich zum größtmöglichen Scanformat aufweisen, besteht durch die Positionierung einer Linse in einem ausreichend großen Abstand vom Scanbereich 3 die Möglichkeit, eine beliebige Linse zu berücksichtigen, die in der Lage ist, als eine telezentrische Linse zu arbeiten.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Erfassungsvorrichtung 1 zudem einen Bilderfassungssensor vom linearen Typ 1b oder einen Matrixsensor 1b'. Insbesondere handelt es sich beim linearen Sensor 1b um einen Sensor, der in der Lage ist, ein Bild des Objekts „O“ in Bezug auf einen Abschnitt des Objekts „O“ zu erfassen, der entlang einer Scanlinie 3 auf der Scanebene ɤ liegt. Mit anderen Worten führt der lineare Sensor 1b einen Scan des Objekts „O“ durch und erfasst progressiv Bilder in Bezug auf dessen Abschnitte, die entlang der Scanlinie 3 liegen (6).
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Der Matrixsensor 1b' dagegen ist ein Sensor, der in der Lage ist, ein Bild des Objekts „O“ in Bezug auf einen Abschnitt des Objekts „O“ zu erfassen, der unter dem Matrixsensor 1b' innerhalb eines Scanbereichs 3 der Scanebene ɤ liegt (3, 4 und 5).
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Gemäß den Darstellungen in den beigefügten Figuren sind das telezentrische optische System 1a und der Bildsensor 1b, 1b' entlang der vertikalen Achse „A“ ausgerichtet, sodass das telezentrische optische System 1a zwischen der Scanebene ɤ und dem Sensor 1b, 1b' eingesetzt ist. In dieser Situation arbeitet das telezentrische optische System 1a so, dass ein von der Scanebene ɤ kommendes Lichtbündel zum Bildsensor 1b, 1b' gemäß der nachfolgenden detaillierten Beschreibung gelenkt und „gerade gerichtet“ wird.
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Der erfindungsgegenständliche Scanner 100 vom Typ xy umfasst zudem mindestens drei Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, die wahlweise aktivierbar sind, um ein Bündel kollimierten Lichts auf die Scanebene ɤ auszustrahlen.
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Vorzugsweise kann die Scanebene 100 eine beliebige Anzahl von Leuchtquellen 2a, 2b, 2c umfassen, die wahlweise aktivierbar sind, vorausgesetzt, ihre Zahl ist höher als drei.
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In der bevorzugten Ausführungsform sind die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c wählbar aus: LED-Lichtfeldern, LED-Lichtmatrizes, telezentrischen Beleuchtungskörpern. Alternativ umfassen die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c jeweilige mechanische Ableiter, die konfiguriert sind, um das jeweilige Bündel kollimierten Lichts auf die Scanebene ɤ zu lenken.
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Da die Scanner vom Typ xy in der Regel einen Scanbereich 3 von reduzierter Größe aufweisen, können nach einer weiteren Ausführungsform auch diffuse Leuchtquellen (wie beispielsweise punktförmige Quellen) 2a, 2b, 2c, die in einem großen Abstand zur Scanebene ɤ befindlich sind, als in der Lage erachtet werden, ein Bündel kollimierten Lichts auszustrahlen (2).
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Eine jede Leuchtquelle 2a, 2b, 2c definiert einen Kippwinkel δ, eingeschlossen zwischen einer Projektion der Leuchtquelle 2a, 2b, 2c auf die Scanebene ɤ und einer Referenzachse „B“, liegend auf der Scanebene ɤ. Eine jede Leuchtquelle definiert zudem einen Neigungswinkel θ, eingeschlossen zwischen der Leuchtquelle 2a, 2b, 2c und der optischen Achse „A“.
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Gemäß den Darstellungen in den beigefügten Figuren sind die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c winkelig rund um die optische Achse „A“ so verteilt, dass eine jede Leuchtquelle 2a, 2b, 2c einen Neigungswinkel θ aufweist, der zwischen 20° und 80° eingeschlossen ist, und einen Kippwinkel δ, der so beschaffen ist, dass er von den Kippwinkeln δ der anderen Leuchtquellen 2a, 2b, 2c um einen Wert von größer oder gleich 180°/n abweicht, wobei n der Zahl der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c entspricht.
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Die Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c nach den oben genannten Winkeln θ, δ ermöglicht es, ausreichend unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen für eine optimale Implementierung der Stereophotometrietechnik zu garantieren.
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Insbesondere sind es die höchst unterschiedlichen Kippwinkel δ, die die besten Scanergebnisse herbeiführen. Dank der Tatsache, dass die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c unterschiedliche Kippwinkel δ (und in einigen Fällen solche, die jeweils das Mehrfache voneinander sind) aufweisen, wird eine einheitliche Verteilung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c rund um die optische Achse „A“ garantiert, ebenso wie eine Beleuchtung des zu scannenden Objekts „O“ nach ausreichend voneinander verschiedenen Beleuchtungsrichtungen garantiert wird.
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Mit anderen Worten, die verschiedenen Beleuchtungsrichtungen werden zur optimalen Implementierung der Stereophotometrietechnik vorwiegend durch die Kippwinkel δ der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c bestimmt, die ihrerseits durch die Zahl der eingesetzten Leuchtquellen 2a, 2b, 2c bestimmt werden. In dieser Situation ist das Hinzufügen oder Entfernen von einer oder mehreren Leuchtquellen 2a, 2b, 2c weniger schwierig als bei den Scannern des Stands der Technik, da es ausreicht, die Differenz zwischen den Kippwinkeln δ der Leuchtquellen, die verwendet werden sollen, zu verändern (indem 180° durch die neue Zahl von Leuchtquellen 2a, 2b, 2c des Flachbettscanners 100 geteilt wird), um erneut einen Flachbettscanner 100 zu erhalten, der in der Lage ist, eine ausreichende Differenzierung der Beleuchtungsrichtungen des Objekts „O“ zu garantieren. Dank zahlreicher Prüfungen und praktischer Tests stellte der Anmelder fest, dass es für eine optimale Implementierung der Stereophotometrietechnik zwar ideal ist, die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c rund um die Achse „A“ nach Kippwinkeln δ gleich 360°/n zu verteilen (wobei n die Zahl der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c des Scanners 100 ist), diese Verteilung jedoch ziemlich steif und einschränkend ist. Beim Bau des Scanners 100 könnte es beispielsweise wünschenswert sein, Leuchtquellen 2a, 2b, 2c mit Kippwinkeln δ anzuordnen, die sich von Winkeln gleich 360°/n unterscheiden, um Platz für weitere Vorrichtungen zu schaffen, oder in jedem Fall, um technische Lösungen zu implementieren, die eine Abweichung der Kippwinkel δ von einer oder mehreren Leuchtquellen 2a, 2b, 2c gegenüber dem Idealwert erfordern würden.
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Mittels der Durchführung zahlreicher praktischer Tests stellte der Anmelder fest, dass voneinander um einen Wert von größer oder gleich 180°/n verschiedene Kippwinkel δ es ermöglichen, sehr gute Scanergebnisse zu erzielen (die sich den Ergebnissen mit Kippwinkeln δ gleich 360°/n äußerst nähern), und gleichzeitig eine erhöhte Flexibilität bei der Anordnung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c erlauben, da bei der Stereophotometrietechnik gilt: Je mehr Leuchtquellen 2a, 2b, 2c (mit jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen) eingesetzt werden, desto präziser ist der Scan.
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Mit anderen Worten, die Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c so, dass die jeweiligen Kippwinkel δ sich voneinander um einen Wert von größer oder gleich 180°/n unterscheiden, ermöglicht das Erzielen von Scanergebnissen, die denen ähneln, die mit optimalen Kippwinkeln δ (gleich 360°/n) erreicht werden, garantiert aber gleichzeitig eine gute bauliche Flexibilität des Scanners 100. Der Anmelder stellte fest, dass das Hinzufügen von einer oder mehreren Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d zudem die Wahl von nicht idealen Kippwinkeln δ umfassend ausgleicht. Werden beispielsweise vier Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d mit Kippwinkeln δ, die sich um einen Wert von größer oder gleich 180°/n unterscheiden, in den erfindungsgegenständlichen Scanner 100 eingeführt ( 2), wird ein besserer Scan als der erzielt, der mit drei Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, die an Kippwinkeln δ gleich 360°/n befindlich sind, erhalten werden würde (3). In der bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Kippwinkel δ einer jeden Leuchtquelle 2a, 2b, 2c, 2d voneinander, sodass sie um einen Wert von größer oder gleich 180°/n verschieden sind, wobei n für die Anzahl an Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d steht, die im Flachbettscanner 100 bereitgestellt sind, während ein Neigungswinkel θ für eine jede Leuchtquelle 2a, 2b, 2c, 2d fixiert ist. Vorzugsweise ist der Neigungswinkel θ auf 54,74° festgelegt. Dieser Wert wird normalerweise für dem Lambertschen Gesetz folgende Flächen verwendet. Alternativ kann sich der Neigungswinkel θ insbesondere durch die Veränderung des Neigungswinkels θ der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d verändern, und es besteht die Möglichkeit, die Digitalisierung von Materialien je nach deren unterschiedlichen Oberflächen zu optimieren (z. B. Glanz-, Hochglanz- oder im Gegenteil Supermattflächen).
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Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Kippwinkel einer jeden Leuchtquelle 2a, 2b, 2c voneinander um einen Wert von größer oder gleich 180°/n, wie sich auch die Neigungswinkel θ einer jeden Leuchtquelle 2a, 2b, 2c voneinander unterscheiden.
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Die Tatsache, dass sich die Kippwinkel δ um einen Wert von größer oder gleich 180°/n unterscheiden, garantiert vorteilhafterweise eine ausreichende Differenzierung zwischen den Beleuchtungsrichtungen und garantiert somit gute Ergebnisse bei der Implementierung der Stereophotometrietechnik und erlaubt gleichzeitig weitere und diversifizierte Bauformen des Scanners 100 sowie eine gute Flexibilität bei der Anordnung der Lichtquellen 2a, 2b, 2c.
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Obgleich die Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c nach dieser Beziehung der Kippwinkel δ strikt ist, ist sie mit anderen Worten dennoch ausreichend flexibel und erlaubt den Bau eines Scanners 100 mit einer beliebigen Anzahl von Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, wodurch die Konstruktion des Scanners 100 in erheblichem Maß vereinfacht wird und gleichzeitig umfassende Margen für dessen bauliche Flexibilität gelassen werden.
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Da eine jede Leuchtquelle 2a, 2b, 2c Bündel kollimierten Lichts ausstrahlt, wird die Scanebene ɤ und insbesondere der Scanbereich oder die Scanlinie 3 mit Lichtbündeln beleuchtet, deren Strahlen einen einheitlichen Einfallswinkel aufweisen.
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Der erfindungsgegenständliche Scanner 100 ist vielseitig, zuverlässig und somit in der Lage, die Implementierung der Stereophotometrietechnik zu optimieren. Bei diesem Flachbettscanner 100 vereinfachen die reduzierten Abmessungen des Scanbereichs 3, die typisch für xy-Scanner sind, das Problem der einheitlichen Beleuchtung erheblich, da sie gewährleisten, dass die von jeder Leuchtquelle 2a, 2b, 2c erzeugten Lichtbündel beim Einsatz eines Matrixsensors 1b' auf eine im Wesentlichen einheitliche Weise auf den Scanbereich 3 einfallen.
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Beim erfindungsgegenständlichen Flachbettscanner 100 ist das Problem der Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c somit erheblich vereinfacht, da sowohl eine unterschiedliche Ausrichtung der von einer jeden Leuchtquelle 2a, 2b, 2c ausgestrahlten Leuchtbündel durch den Unterschied der Werte der Kippwinkel δ gewährleistet wird und es darüber hinaus einfach wird, weitere Leuchtquellen 2a, 2b, 2c hinzuzufügen. Beim erfindungsgegenständlichen Flachbettscanner 100 besteht zudem die Möglichkeit, sowohl einen linearen Bildsensor 1b als auch einen Matrixsensor 1b' zu verwenden, ohne dass wesentliche Veränderungen am Scanner 100 erforderlich sind, was dagegen beim Stand der Technik notwendig ist.
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Ein weiterer Vorteil basiert auf der Tatsache, dass im Unterschied zu den Scannern des Stands der Technik keine Notwendigkeit besteht, besonders komplexe und kostspielige Lösungen zu entwickeln, um die Probleme in Bezug auf die einheitliche Beleuchtung im Scanbereich 3 zu lösen.
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Was die Einheitlichkeit der Einfallswinkel der von den Leuchtquellen 2a, 2b, 2c im Scanbereich 3 ausgestrahlten Lichtbündel betrifft, wird das Problem durch die Verwendung von Leuchtquellen 2a, 2b, 2c gelöst, die in der Lage sind, Bündel von Licht auszusenden, das kollimiert ist oder, wie oben erwähnt, im Wesentlichen kollimiert ist.
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Was dagegen die einheitliche Stärke der von den Leuchtquellen 2a, 2b, 2c im Scanbereich 3 ausgestrahlten Lichtbündel betrifft, kann das Problem mit einer per Software herbeigeführten Kompensation und somit gelöst werden, ohne weitere Einschränkungen für die Anordnung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c vorzuschreiben, wie es dagegen beim Stand der Technik der Fall ist. In der praktischen Erfahrung hat es sich als offensichtlich herausgestellt, dass die Differenzen bei der Beleuchtungsstärke im Scanbereich 3, wenn diese nicht besonders stark sind, mit einem „Flat-Field-Vorgang“ mittels einer Erfassungssoftware oder direkt durch das optische System 1a perfekt ausgeglichen werden können. Die reduzierten Abmessungen des Scanbereichs 3, die typisch für einen xy-Scanner sind, garantieren nämlich, dass die Differenzen bei der Beleuchtungsstärke in jedem Fall begrenzt sind.
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Die Tatsache, dass der Scanner 100 vom Typ xy ist, und die Tatsache, dass ein telezentrisches optisches System 1a oder eins, das im Wesentlichen telezentrisch ist, eingesetzt wird, ermöglichen, die Probleme in Bezug auf die Einheitlichkeit des Lichts zusätzlich zu reduzieren, da ein reduzierter Scanbereich, der einfacher zu beleuchten ist, garantiert wird und darüber hinaus die Lichtstrahlen des Scanbereichs 3 am Bilderfassungssensor 1b, 1b' kollimiert sind.
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Mit anderen Worten strahlen die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c des Scanners 100 im Wesentlichen kollimierte Lichtstrahlen im Scanbereich 3 aus, und das telezentrische optische System 1a garantiert, dass die Lichtstrahlen auch im Wesentlichen durch den Scanbereich am Bilderfassungssensor 1b, 1b' kollimiert werden und die Bedingungen für eine optimale Implementierung der Stereophotometrietechnik liefern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Flachbettscanner 100 zudem mindestens eine Hilfsleuchtquelle umfassen, die konfiguriert ist, um die Scanebene ɤ zu beleuchten. Diese Hilfsquelle kann mit einem beliebigen Winkel zur Scanebene ɤ und zur optischen Achse „A“ positioniert werden.
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Um eine Rekonstruktion eines Objekts „O“ mittels der Nutzung eines erfindungsgegenständlichen Scanners 100 vom Typ xy zu erzielen, sind in Verwendung somit mindestens drei Leuchtquellen 2a, 2b, 2c rund um die optische Achse „A“ im Einklang mit den oben beschriebenen Winkeln positioniert. Infolge der Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c wird ein zu scannendes Objekt „O“ auf der Scanebene ɤ unterhalb der Erfassungsvorrichtung 1 platziert. Anschließend wird eine erste Leuchtquelle 2a aktiviert, sodass das Objekt „O“ beleuchtet wird. In dieser Situation trifft das Bündel kollimierten Lichts, das von der aktivierten Leuchtquelle 2a ausgestrahlt wird, auf die Scanebene ɤ und dann auf den Objektabschnitt „O“, der entlang der Linie oder des Scanbereichs 3 liegt, und wird anschließend hinführend zum telezentrischen optischen System 1a reflektiert. In dieser Situation sorgt das telezentrische optische System 1a dafür, die Leuchtstrahlen des von der Scanebene ɤ kommenden Lichtbündels hinführend zum Sensor 1b, 1b', der eine richtige Erfassung des Bilds durchführt, abzulenken. Bei einem linearen Sensor 1b entspricht das erfasste Bild einem Bild, das repräsentativ für einen Streifen des Objekts „O“ ist, während das erfasste Bild bei einem Matrixsensor 1b' einem Oberflächenabschnitt des Objekts „O“ entspricht. Anschließend wird die erste Leuchtquelle 2a zugunsten der Aktivierung einer zweiten Leuchtquelle 2b ausgeschaltet, die einen Kippwinkel δ (und eventuell einen Neigungswinkel θ) aufweist, der sich von dem der ersten Leuchtquelle 2a unterscheidet, und das Objekt „O“ aus einer anderen Richtung beleuchtet. In dieser Situation trifft das Bündel kollimierten Lichts, das von der aktivierten Leuchtquelle 2b ausgestrahlt wird, auf die Scanebene ɤ und dann auf den Objektabschnitt „O“, der entlang der Linie oder des Scanbereichs 3 liegt, und wird anschließend hinführend zum telezentrischen optischen System 1a reflektiert, das die Leuchtstrahlen des von der Scanebene ɤ kommenden Lichtbündels hinführend zum Bilderfassungssensor 1b, 1b' reflektiert.
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Anschließend wird die zweite Leuchtquelle 2b zugunsten der Aktivierung einer dritten Leuchtquelle 2c ausgeschaltet, sodass das Objekt „O“ aus einer weiteren Richtung beleuchtet wird und auch in diesem Fall ein Bild des Objekts „O“ während dieses Beleuchtungszustands erfasst wird. Der Ein- und Ausschaltprozess der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c wird für eine jede der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, die im Flachbettscanner 100 bereitgestellt sind, wiederholt.
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Nachdem alle Leuchtquellen 2a, 2b, 2c eingeschaltet wurden und der Bildsensor 1b, 1b' bei jeder Einschaltung ein Bild erfasst hat, das repräsentativ für das Objekt „O“ ist, wird das Objekt „O“ oder die Erfassungsvorrichtung 1 bewegt, sodass eine progressive Beleuchtung und eine Erfassung eines weiteren Abschnitts des Objekts „O“ ermöglicht werden.
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In einer möglichen Ausführungsform umfasst der Scanner 100 ein Bewegungssystem (nicht dargestellt), das konfiguriert ist, um die Erfassungsvorrichtung 1 zu bewegen, während die Scanebene ɤ stillsteht. In dieser Situation wird die Erfassungsvorrichtung 1 nach diskreten Positionen bewegt, sodass ein Bild des Objekts „O“ für jede diskrete Position erfasst wird.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst der Scanner 100 ein Bewegungssystem (nicht dargestellt), das konfiguriert ist, um die Scanebene ɤ im Vergleich zur Erfassungsvorrichtung 1 zu bewegen.
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Vorzugsweise bewegt das Bewegungssystem die Scanebene ɤ entlang horizontaler kartesischer Richtungen.
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Noch besser bewegt das Bewegungssystem das Objekt „O“ in eine Vielzahl von diskreten Positionen, sodass die Erfassungsvorrichtung 1 und insbesondere der Sensor 1b, 1b' ein Bild für jede diskrete Position erfassen.
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Noch besser sind die Bilder aneinander angrenzend oder zumindest teilweise übereinandergelagert.
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Alternativ ist das Bewegungssystem in der Lage, gleichzeitig die Scanebene ɤ und die Erfassungsvorrichtung 1 zu bewegen.
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Mit anderen Worten sorgt das Bewegungssystem, nachdem für jede einzelne Aktivierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c die Bilder in Bezug auf einen Abschnitt des Objekts „O“ erfasst wurden, dafür, dass ein neuer Abschnitt des Objekts „O“ gescannt werden kann. In dieser Situation werden die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c erneut wahlweise aktiviert, sodass auch in diesem Fall ein Bild in Bezug auf einen weiteren Abschnitt des Objekts „O“ während einer jeden Aktivierung der Quellen erfasst wird.
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Die Vorgänge zur Betätigung des Bewegungssystems, zur Aktivierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c und zur Erfassung der Bilder werden nacheinander wiederholt, bis alle Abschnitte des Objekts „O“ gescannt wurden.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Flachbettscanner 100 zudem eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, um Daten in Bezug auf aufeinanderfolgende Scans des Objekts „O“ zu erfassen und zu verarbeiten. Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinheit zudem konfiguriert, um eine Korrektur vom Flat-Field-Typ an den erfassten Bildern mittels der Erfassungsvorrichtung 1 anzuwenden. Wie bereits vorausgeschickt, besteht die Möglichkeit, dass die Leuchtstärke der von einer jeden Leuchtquelle 2a, 2b, 2c ausgestrahlten Lichtbündel beim Flachbettscanner 100 auf dem Scanbereich 3 uneinheitlich ist und die Bilder, die für das Objekt „O“ repräsentativ sind, somit Fehler aufweisen, die auf die Beleuchtungsstärke zurückzuführen sind. Diese Fehler sind in der Regel begrenzt und somit leicht mit der Flat-Field-Korrektur behebbar und kompensierbar.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die Anwendung der Korrektur vom Flat-Field-Typ somit, Uneinheitlichkeiten bei der Stärke der verschiedenen Leuchtquellen per Software zu beseitigen und zwar so, dass keine Notwendigkeit besteht, das Problem unter Anwendung komplexer Anordnungs- und Positionierungslösungen der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c zu lösen, wie es dagegen beim Stand der Technik der Fall war.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungs- und Steuereinheit zudem konfiguriert, um wahlweise die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c jeweils einzeln zu aktivieren, um die Erfassungsvorrichtung 1 zu aktivieren, um ein Bild für jede Aktivierung der einzelnen Leuchtquellen 2a, 2b, 2c zu erfassen und um die erfassten Bilder zu verarbeiten und ein Bild zu definieren, das repräsentativ für das zu scannende Objekt „O“ ist, das auf der Scanebene ɤ angeordnet ist.
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Unter Bezugnahme auf die in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsformen ist in 2 ein Diagramm eines erfindungsgemäßen Scanners 100 dargestellt. Insbesondere umfasst dieser Scanner 100 die vier Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d. Diese Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d sind schematisch als Punkte dargestellt, können aber auch diffuse Leuchtquellen (beispielsweise punktförmig) sein, die sich in einem Abstand von der Scanebene ɤ befinden, sodass sie als im Wesentlichen kollimiert berücksichtigt werden, oder Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d, die in der Lage sind, kollimiertes Licht auszustrahlen.
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Diese Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d weisen Kippwinkel δ auf, die sich voneinander um einen Wert von größer oder gleich 180°/n unterscheiden.
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Insbesondere weisen die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d in dieser Ausführungsform jeweils Kippwinkel δ gleich 115°, 55°, 120° und 70° auf.
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In dieser Ausführungsform ermöglicht die Verteilung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d nach den oben genannten Kippwinkeln δ es, sowohl einen Scan ausgezeichneter Qualität nach der Stereophotometrietechnik zu erhalten als auch gleichzeitig eine gewisse bauliche Flexibilität des Scanners 100 aufrechtzuerhalten, wobei es beispielsweise möglich wird, zwischen die Leuchtquellen 2a und 2b eine etwaige Zusatzvorrichtung einzufügen. Gemäß der Darstellung ist es insbesondere möglich, zwischen den Quellen 2a und 2b auch eine besonders sperrige Vorrichtung einzufügen, was dem großen Kippwinkel (gleich 120°) zu verdanken ist. Bei einer Verteilung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d nach idealen Kippwinkeln δ, somit gleich 90° (360°/n), könnte diese Einführung eventuell nicht möglich sein.
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In Verwendung wird daher die erste Leuchtquelle 2a aktiviert, und die Leuchtstrahlen des kollimierten Bündels beleuchten den Scanbereich 3 mit dem gleichen Einfallswinkel. Diese Strahlen werden anschließend hinführend zum telezentrischen optischen System 1a und somit hinführend zum Sensor reflektiert, der das Bild in Bezug auf den Abschnitt des Objekts „O“ erfasst, der im Scanbereich 3 liegt. Der Prozess zur Aktivierung und Erfassung des Bilds wird für die zweite, dritte und vierte Leuchtquelle 2b, 2c, 2d wiederholt. Nach Abschluss dieser Vorgänge wird das Bewegungssystem betätigt, sodass ein weiterer Abschnitt des Objekts „O“ im Scanbereich 3 liegt und abwechselnd von den Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d beleuchtet wird. Die Phasen betreffend die Bewegung, die Beleuchtung und die Erfassung der Bilder werden weitergeführt, bis das gesamte Objekt „O“ gescannt wurde.
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In 3 ist ein Flachbettscanner 100 dargestellt, der eine Erfassungsvorrichtung 1 aufweist, umfassend einen Matrixsensor 1b', d. h. einen Sensor, der einen Scanbereich 3 definiert, in dem Bilder in Bezug auf einen Abschnitt des Objekts „O“ erfasst werden, der in diesem Scanbereich 3 liegt, sowie ein telezentrisches optisches System 1a, sodass die Zusammenfügbarkeit der vom Matrixsensor 1b' erfassten Bilder erleichtert wird. Da es sich beim Flachbettscanner 100 um einen Scanner vom Typ xy handelt, sind die Abmessungen des Scanbereichs 3 reduziert, und daher wurde beschlossen, in den Flachbettscanner 100 drei punktförmige (und somit diffuse) Leuchtquellen 2a, 2b, 2c einzufügen, die in einem ausreichend großen Abstand vom Scanbereich 3 platziert sind, sodass das von einer jeden ausgestrahlte Lichtbündel als auf den Scanbereich 3 kollimiert gelten kann. Mit anderen Worten sind die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c gegenüber dem Scanbereich 3 beabstandet, sodass eine ausreichende Parallelität der Lichtstrahlen und somit eine ausreichende Einheitlichkeit der Einfallswinkel des Lichtstrahls im Scanbereich 3 garantiert werden. Insbesondere weisen die drei Leuchtquellen 2a, 2b, 2c jeweils einen Neigungswinkel θ von 55° auf. In dieser Situation ist der Flachbettscanner 100 für Lambertsche Flächen optimiert. Die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c weisen zudem Kippwinkel δ vom optimalen Typ für die Implementierung der Stereophotometrietechnik auf, d. h., diese Winkel unterscheiden sich voneinander um 120° (360°/n, wobei n gleich drei ist).
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In dieser Ausführungsform sind die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c im Unterschied zur in 2 dargestellten Ausführungsform nur drei an der Zahl und nach optimalen Kippwinkeln δ verteilt. In dieser Situation ist die mittels des Scanners 100 erzielte Scanqualität geringer als die, die mit dem Scanner aus 2 erzielt wird, bei dem vier Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d bereitgestellt waren, obgleich Kippwinkel δ aufweisend, die sich von den optimalen unterscheiden.
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Nach einer Reihe von Prüfungen stellte der Anmelder, wie bereits oben erwähnt, fest, dass eine erhöhte Anzahl von Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2c, auch wenn diese voneinander unterschiedliche Kippwinkel δ von einem Wert von größer oder gleich 180°/n (und somit einem nicht optimalen Wert) aufweisen, das Erzielen von noch sehr guten Scanergebnissen ermöglichen (die sich den Ergebnissen äußerst annähern, die mit optimalen Kippwinkeln δ gleich 360°/n erzielt werden), die über denen eines Scanners 100 mit einer geringeren Anzahl von Leuchtquellen 2a, 2b, 2c liegen, die jedoch nach optimalen Kippwinkeln δ positioniert sind, da bei der Stereophotometrietechnik gilt: Je größer die Zahl an Leuchtquellen 2a, 2b, 2c (jeweils eine voneinander unterschiedliche Beleuchtungsrichtung aufweisend) ist, desto präziser ist der Scan.
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Die Verteilung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d nach den in dieser Erfindung beanspruchten Kippwinkeln δ ermöglicht somit vorteilhafterweise, eine gute Scanqualität zu erzielen, und erlaubt gleichzeitig eine erhöhte Flexibilität bei der Anordnung und/oder beim Hinzufügen der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c.
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Unter Bezugnahme auf 4 zeigt diese einen Flachbettscanner 100 vom Typ xy, umfassend vier Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d, die jeweils mit einer LED-Matrix realisiert sind, versehen mit Linsen, die geeignet sind, das Licht im Scanbereich 3 zu konzentrieren und zu kollimieren, um eine optimale Parallelität der Lichtstrahlen und somit eine optimale Einheitlichkeit der Einfallswinkel des Lichts im Scanbereich 3 zu garantieren. In dieser Ausführungsform weisen die Leuchtquellen 2b, 2c, 2d, 2d einen Neigungswinkel θ gleich 55° auf, während sie Kippwinkel δ aufweisen, die einen Wertunterschied von größer oder gleich 180°/n aufweisen, wobei n gleich vier ist (z.B. 120°, 55°, 115°, 70°). In dieser Ausführungsform umfasst der Flachbettscanner 100 einen Bildsensor vom Matrixtyp 1b' und ein herkömmliches optisches System 1a, bei dem die Linse in einem solchen Abstand von der Scanebene ɤ platziert ist, dass sie als eine telezentrische Linse wirkt und somit eine gute Zusammenfügbarkeit der erfassten Bilder garantiert.
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Um die Gesamtabmessungen des Scanners 100 gegenüber denen zu reduzieren, die in 3 oder 4 dargestellt sind, in denen entweder die Leuchtquellen 2a, 2b, 2c oder die Erfassungsvorrichtung 1 in einem großen Abstand vom Scanbereich 3 platziert waren, um eine Kollimation des Lichts zu garantieren oder um als telezentrische Optik zu fungieren, wurden beim Flachbettscanner 100 aus 5 sowohl Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d, die mit Kollimationselementen versehen sind, als auch ein optisches System 1a eingeführt, das mit einer telezentrischen Linse ausgestattet ist.
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Beim Scanner aus 5 wurden insbesondere vier Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d eingeführt, die jeweils mit einer LED-Matrix realisiert sind, versehen mit Linsen, die geeignet sind, das Licht im Scanbereich 3 zu konzentrieren und zu kollimieren, um eine optimale Parallelität der Lichtstrahlen und somit eine optimale Einheitlichkeit der Einfallswinkel des Lichts im Scanbereich 3 zu garantieren.
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In der Ausführungsform aus 6 ist dagegen ein Flachbettscanner 100 dargestellt, dessen Erfassungsvorrichtung 1 einen linearen Sensor 1b umfasst, d. h. einen Sensor, der in der Lage ist, Bilder in Bezug auf einen Streifen des Objekts „O“ zu erfassen, der entlang einer Scanlinie 3 liegt, sowie ein telezentrisches optisches System 1a, sodass die Zusammenfügbarkeit der vom linearen Sensor 1b erfassten Bilder erleichtert wird. Der Flachscanner 100 umfasst zudem vier Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d, die jeweils mit einer LED-Matrix realisiert sind, versehen mit Linsen, die geeignet sind, um das Licht in der Scanlinie 3 zu konzentrieren und zu kollimieren.
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Insbesondere weisen die Leuchtquellen in dieser Ausführungsform optimale Kippwinkel δ oder in jedem Fall solche auf, die untereinander eine Differenz von größer oder gleich 180°/n aufweisen, wobei n die Anzahl an Leuchtquellen 2a, 2b, 2c, 2d ist. Was dagegen die Neigungswinkel θ betrifft, weisen zwei der Leuchtquellen 2a, 2b einen Neigungswinkel θ gleich 60°, während die anderen beiden einen Neigungswinkel θ gleich 45° aufweisen.
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Diese Erfindung erreicht die vorgegebenen Ziele und beseitigt die Nachteile des Stands der Technik.
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Insbesondere ist der Flachbettscanner 100 durch die Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c vielseitig, optimiert für die Implementierung der Stereophotometrietechnik und in der Lage, sowohl mit linearen Sensoren 1b als auch mit Matrixsensoren 1b' verwendet zu werden.
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Mit anderen Worten beseitigt der Flachbettscanner 100 die Nachteile in Bezug auf die Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c und garantiert Einheitlichkeit auf Ebene der Einfallswinkel der Lichtbündel und eine reduzierte Uneinheitlichkeit auf Ebene der Stärke der Lichtbündel im Scanbereich, die leicht per „Flat Field“ kompensierbar ist.
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Die beanspruchte Positionierung der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c ermöglicht es, einen Scanner 100 zu erhalten, bei dem die Einführung von einer oder mehreren weiteren Leuchtquellen, deren Anordnung und Positionierung präzise, jedoch gleichzeitig einfach sind, sodass die Konstruktion eines derartigen Scanners 100 erheblich vereinfacht wird und gleichzeitig umfassende Margen für die bauliche Flexibilität gelassen werden.
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Diese Erfindung ermöglicht es, eine allgemeine Lösung für das Problem der Platzierung und Anordnung der Leuchtquellen in einem Scanner 100 zu finden, der geeignet ist, um die Stereophotometrietechnik zu implementieren. Insbesondere führt diese Erfindung eine Formel ein, die es ermöglicht, einen Scanner 100 mit einer beliebigen Anzahl an Leuchtquellen zu bauen und die Winkel (Kippwinkel δ und Neigungswinkel θ) der Leuchtquellen 2a, 2b, 2c und die entsprechenden Beschränkungen in Bezug auf Anordnung und Positionierung ausreichend präzise zu definieren.
