DE4136461C2 - Vorrichtung und Verfahren zur großflächigen Bildinspektion - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur großflächigen BildinspektionInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der DE 32 48 928 C2 bekannt, und ein Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtung
gemäß Anspruch 7.
Stand der Technik sind Verfahren und in eine Druckmaschine
integrierte Vorrichtungen zur Druckbildinspektion, um damit z. B. Farbregister zu
regeln oder die Druckerzeugnisse auf Fehler hin zu untersuchen. Als
Aufnahmeelement wird entweder ein flächiger Sensor, wie z. B. eine Videokamera,
oder ein zeilenförmiger Sensor, wie z. B. eine Zeilenkamera, verwendet. Der Nachteil
von flächigen Sensoren liegt in der Tatsache begründet, daß zum einen das Bild
mittels einer Blitzeinrichtung eingefroren werden muß, um durch das bewegte Objekt
bedingte Bewegungsunschärfen zu vermeiden, zum anderen sich die gesamte
aufzuzeichnende Fläche innerhalb des Schärfentiefebereichs des Flächensensors
befinden muß. Dies erfordert entweder sehr große Abstände zwischen
Druckerzeugnis und Aufnahmeelement oder erlaubt nur die Aufnahme eines relativ
kleinen Ausschnitts des Druckbogens. Aus diesen Gründen wird diese Technik nur
für makroskopische Aufnahmen eines relativ kleinen Bildausschnittes verwendet. Bei
dieser bekannten Technik geht es dementsprechend, wie z. B. die DE 36 25 449 A1
offenbart, darum, den Passer aus mehreren gedruckten Strichelementen in
definierten Abständen zueinander zu ermitteln.
Die US 4,488,808 offenbart eine Vorrichtung und ein daraus ableitbares
Verfahren, die Qualitätsbeurteilung von Druckerzeugnissen während des
Druckbetriebes durchzuführen. Die Messung der Remission der in Bildelemente
unterteilten Druckerzeugnisse wird zeilenweise durchgeführt und die Meßwerte mit
vorgegebenen Remissions-Sollwerten der Bildelemente verglichen. Die Aufnahme
kann kontinuierlich erfolgen und es ist nur zu fordern, daß der schmale Bereich, den
die Zeile gerade aufnimmt, scharf abgebildet wird. Eine hohe Geschwindigkeit des
Druckerzeugnisses bedingt jedoch sehr kurze Aufnahmezeiten. Zum einen muß
deshalb die Beleuchtung sehr leistungsfähig sein, um die für die Aussteuerung des
Sensors geforderte Lichtmenge zu liefern. Zum anderen muß die Sensorzeile, da sie
nur die Information einer Zeile zwischenspeichern kann, mit dem Ende der
Belichtung einer Aufnahmezeile so lange warten, bis die vorhergehende Zeile
vollständig ausgelesen wurde. Da die Auslesefrequenz begrenzt ist, ist damit auch
die maximale Zeilenfrequenz beschränkt. Dies bedeutet eine Limitierung der
Auflösung auf dem Druckerzeugnis, da eine Vorschubgeschwindigkeit vorgegeben
ist. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß erfahrungsgemäß bei einer hohen
Geschwindigkeit des Druckerzeugnisses die Digitalisierung der Meßwerte mit
höchstens 256 Stufen (8 Bit) erfolgen kann, was für eine lichtmeßtechnische
Auswertung zu gering ist.
Aus der gattungsbildenden DE 32 48 928 C2 ist eine Vorrichtung zum Lesen bzw.
Erkennen gedruckter Bildmuster bekannt, bei der Vergleichsdaten mit Prüfdaten
verglichen und daraus Folgeoperationen abgeleitet werden, indem die Differenz
zwischen der Geschwindigkeit des Vergleichsdruckes beim Ableiten der
Vergleichsdaten und der Geschwindigkeit des zu prüfenden Drucks beim Ableiten
der Bilddaten ermittelt wird. Die zu prüfenden Druckerzeugnisse werden an einer
optischen Abtastvorrichtung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit vorbeibewegt.
Dabei wird eine Zeilenkamera verwendet.
In dem Dokument US-Z: SMPTE Journal, May 1988, Seite 378 bis 387 ist ein
Flächensensor des CCD-Typs mit einem matrixförmig adressierbaren Bild- und
Speicherbereich beschrieben, bei dem die Information takt- und zeilenmäßig
verschiebbar und aus einem Ausleseregister seriell auslesbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine großflächige Bildinspektion trotz
hoher Laufgeschwindigkeit der Druckerzeugnisse eine feine Auflösung bei geringem
Platzbedarf und eine befriedigende lichtmeßtechnische Auswertung bei geringem
Energiebedarf der Lichtquelle zu erreichen.
Dadurch, daß die bildhaften Informationen eines Ausschnittes des zu
untersuchenden Druckerzeugnisses pro Aufnahmezyklus in Form von Bildelementen
konstanter Größe einer zweidimensionalen Matrix mit n Spalten und m Zeilen parallel
aufgenommen werden, die Information eines jeden Bildelementes mittels eines
taktmäßig wiederholbaren, mit der Vorschubgeschwindigkeit des Druckerzeugnisses
synchronisierten Zeilentransferimpulses bei jedem Zeilentransferimpuls um eine
Bildzeile verschoben wird, wobei die n Bildelemente der m-ten Zeile nach m
Zeilentransferimpuls in die erste Zeile eines folgenden Speicherbereichs mit
ebenfalls n Spalten und m Zeilen verschoben wird, pro Aufnahmezyklus mindestens
ein Zeilentransferimpuls erfolgt und die Informationen der Bildelemente aus der
Speichermatrix seriell ausgelesen werden. So ist eine großflächige Aufnahme
möglich, ohne daß eine durch das bewegte Objekt bedingte Bewegungsunschärfe
auftritt. Es wird außerdem eine hohe Auflösung in Umfangsrichtung erreicht. Die
Taktfrequenz des Zeilentransferimpulses ist sehr hoch (bis 4 Mhz) und der Befehl für
einen Zeilentransferimpuls kann willkürlich zu jedem Zeitpunkt gegeben werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten
Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Diese Maßnahmen ergeben eine relativ störungssichere Anordnung mit geringem
Platz- und Energiebedarf für die Beleuchtung der einzelnen Matrixelemente.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen schematisch:
Fig. 1 einen Flächensensor in Form einer zweidimensionalen Matrix mit n Spalten
und zweimal m Zeilen, aufgeteilt in Aufnahmebereich (Zeilen 1 - m) und
Speicherbereich (Zeilen m + 1 - 2m);
Fig. 2 eine erste Vorrichtung zur großflächigen
Druckbildinspektion;
Fig. 3 die Aufnahme des Druckerzeugnisses in
verfahrensmäßigen Schritten;
Fig. 4 einen Flächensensor mit mehreren quer zum
Druckerzeugnis parallel betreibbaren CCD-Sensorchips;
Fig. 5 einen Flächensensor mit mehreren in Laufrichtung
des Druckerzeugnisses hintereinander angeordenten
CCD-Sensorchips;
Fig. 6 eine zweite Vorrichtung zur großflächigen
Druckbildinspektion, die mit einer Glasfaseroptik
zusammenwirkt;
Fig. 7 eine dritte Vorrichtung zur großflächigen
Druckbildinspektion mit mehreren parallel betreibbaren
CCD-Sensorschips, die mit einer Glasfaseroptik
zusammenwirken;
Fig. 8 eine weitere Vorrichtung zur großflächigen
Druckbildinspektion mit einer sujetkorrelierten
Glasfaseranordnung;
Fig. 9 eine fünfte Vorrichtung zur großflächigen
Druckbildinspektion mit einer Anordnung zur Erfassung
des Druckbildes in mehreren Filterauszügen.
Fig. 1 zeigt einen Flächensensor 1 in Form eines CCD-Sensorchips, der
nach dem Frame-Transfer-Prinzip arbeitet. Er ist wie eine
zweidimensionale Matrix mit n Spalten 4 und zweimal m Zeilen 5
angelegt, wobei jedes Matrixelement vorzugsweise als quadratische
Sensorzelle 2 ausgeführt ist und ein Bildelement 3 repräsentiert.
Die ersten m Zeilen, der Aufnahmebereich 11, sind lichtempfindlich
und bilden eine erste Matrix zur Aufnahme der Bildinformation, die
(m + 1) bis 2m Zeilen dienen als Speicher 12 in Form einer auf die
erste folgenden Matrix und sind gegen Lichteinfall geschützt. Bei
der Aufnahme der Remissions-Istwerte eines Bildes wird der
Flächensensor 1 in bekannter Weise und deshalb nicht gesondert
dargestellt mittels z. B. einer Halogenleuchte (6 in Fig. 2) so
beleuchtet, daß die Photonen gemäß der Flächendeckung des zu
untersuchenden Auschnitts 7 des Druckerzeugnisses 8 die Sensorzellen
2 über eine in Fig. 2 und 6 bis 9 dargestellte Optik 9, 10
bildelementmäßig innerhalb einer festgelegten Integrationszeit
erreichen können. Jede Sensorzelle 2 ist mit einer umgreifenden
Potentialschwelle von anderen getrennt, so daß die Ladungen nicht
ineinanderlaufen können. Am Ende der Aufnahme- bzw. Integrationszeit
wird nun die Information einer jeden Sensorzelle 2 über einen
Zeilentransferimpuls, in der Fig. 1 mittels Pfeilen dargestellten
Weise in die ihr benachbarte darunter liegende Sensorzelle
verschoben. Damit sind alle Informationen einer Zeile 5 nach unten
verschoben worden, die letzte lichtempfindliche m-te Zeile hat
ihre Informationen in die erste (m + 1)-te Speicherzeile
weitergegeben und die erste Zeile des Aufnahmebereichs 11 ist
vollständig geleert.
Es können nun zwischen zwei Aufnahmezyklen jeweils
m Zeilentransferbefehle in Folge generiert werden, so daß das gesamte
aufgenommene Bild in den Speicher 12 wandert. Von dort kann es dann
zeilenweise seriell ausgelesen werden, mit einer Geschwindigkeit,
die von den Zeiten mit dem das Bild aufgenommen und in den Speicher
12 geschoben wird nur insofern abhängt, daß der Flächensensor 1 nur
ein Bild im Speicher 12 halten kann und dafür gesorgt werden muß,
daß die bildmäßige Information nicht überschrieben wird, solange sie
nicht ausgelesen wurde.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, daß pro
Aufnahmezyklus ein Zeilentransferimpuls generiert wird und der
Aufnahmezyklus in der Weise mit der Bahngeschwindigkeit des
Druckerzeugnisses 8 synchronisiert wird, daß das Druckerzeugnis 8
sich pro Aufnahmezyklus um eine Strecke, die der Höhe multipliziert
mit einem Vergrößerungsmaßstab einer Matrixzeile 5 entspricht,
weiterbewegt und jedes Bildelement 3 eines folgenden Aufnahmezyklus
bis auf die einer hinzugekommenen Matrixzeile genau auf die
entsprechenden Bildelemente 3 des vorangegangenen Aufnahmezyklus
abgebildet wird und somit eine Mehrfachbelichtung eines jeden
Bildelementes 3 vorgenommen wird. Die virtuell erzeugten Zeilen Z1
bis Z5 des Ausschnittes 7 des Druckerzeugnisses 8 (Fig. 3) werden zu
einem Aufnahmezeitpunkt t1 auf die Zeilen Z1' bis Z5' der
Aufnahme-Matrix 11 des Flächensensors 1 abgebildet. Beim nächsten
Aufnahmezeitpunkt t2 ist das Druckerzeugnis um eine virtuell
erzeugte Zeile auf dem Ausschnitt 7 weitergerückt. Die Zeilen Z1 bis
Z5 scheinen in entgegengesetzter Richtung (Pfeil a) zur Richtung
(Pfeil b) der Zeilen Z1' bis Z5' zu laufen. Durch diese k-fache
Mehrfachbelichtung reduziert sich die benötigte Lichtmenge pro
Aufnahme auf ein k-tel, im Beispiel der Fig. 3 um ein Fünftel. Ein
weiterer Vorteil dieser Maßnahme ist die bessere Stabilität der
Meßergebnisse bezüglich kurzzeitiger Geschwindigkeitsschwankungen
des Druckerzeugnisses 8. Durch die Mehrfachbelichtung wird inhärent
eine örtliche und zeitliche Mittelung durchgeführt, die sich bei
Geschwindigkeitsschwankungen zu einer Summation über leicht
unterschiedliche, überlappende Bildstellen wandelt bzw. über leicht
unterschiedliche Belichtungszeiten summiert. Dies verringert zwar
einerseits die Bildschärfe, andererseits wird aber verhindert, daß
eine zu große örtliche Differenz von Soll-/Istwert auftritt, die
einen direkten Vergleich erschwert bzw. verhindert. Dies bedeutet
außerdem einen vereinfachten Ablauf der Datenverarbeitung bei einem
Soll-/Istvergleich, da aus dem Stand der Technik bekannte
Filterfunktionen, wie z. B. die gleitende Mittelwertbildung,
eingespart werden.
Nach der Aufnahme von m Zeilen 5 ist der Speicher 12 des Sensors 1
voll. Nun kann je nach gewünschter Auslesegeschwindigkeit und
Auswertegenauigkeit entweder mit so hoher Rate ausgelesen werden,
daß eine Zeile 5 ausgelesen ist, bevor der nächste
Zeilentransferimpuls kommt. Damit ist ein kontinuierlicher Betrieb
möglich, d. h. die Anzahl der aufgenommenen Zeilen ist nicht durch
die Speicherkapazität der Speichermatrix 12 begrenzt. Oder der
Aufnahmezyklus wird gestoppt und die Daten asynchron langsamer mit
evtl. höherer Genauigkeit (12 Bit = 4.096 Stufe oder 16 Bit =
65.536 Stufen) ausgewertet. Damit kann dann mit einem Flächensensor 1
eine durch die Anzahl m der Speicherzeilen begrenzter Bildbereich
aufgenommen werden, der ausgelesen werden muß, bevor ein neuer
Aufnahmezyklus starten kann.
Fig. 2 zeigt eine erste Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung weist einen
Flächensensor 1 in Form eines CCD-Sensorchips wie in Fig. 1
beschrieben, auf, der mit einer Ansteuer- und Meßelektronikeinheit 13
und mit einer Rechen- und Auswerteeinheit 14 verbunden ist. Parallel
zum Flächensensor 1 ist in der dargestellten Weise ein zu
untersuchendes Druckerzeugnis 8 in Form einer Bedruckstoffbahn
geführt. Die Ansteuer- und Meßelektronikeinheit 13 ist mittels an
einem Bahnführungsmittel 15 angeordneten Winkelencoders 16 mit der
Geschwindigkeit des Druckerzeugnisses 8 synchronisierbar. Zwischen
dem Flächensensor 1 und dem Druckerzeugnis 8 ist eine Optik 9 zur
Abbildung der Bildinformationen zum Druckerzeugnis 8 angeordnet. In
der Verbindungslinie von Flächensensor 1, Optik 9 und Druckerzeugnis
8 ist unterhalb des Druckerzeugnisses eine Lichtquelle 6 zur
Beleuchtung des Ausschnittes 7 vorgesehen.
Falls eine geringere örtliche Auflösung ausreicht als die, die durch
die Abbildung auf ein Sensorelement 2 erreicht wird, kann eine
Gruppierung von Bildelementen 3 sowohl in Zeilen- als auch in
Spaltenrichtung erfolgen. Dies kann auf dem CCD-Sensorchip 1
geschehen, was die Lichtempfindlichkeit um einen Faktor erhöht, der
mit der Anzahl der zusammengefaßten Bildelemente 3 übereinstimmt.
Zugleich wird die Auslesegeschwindigkeit bei gleicher
Auslesefrequenz erhöht, da nur noch ein Wert pro Gruppe gewonnen
werden muß. Andererseits kann die Gruppierung softwaremäßig nach dem
Digitalisieren geschehen, was statt der Lichtempfindlichkeit und
Auslesegeschwindigkeit die Genauigkeit der Werte über statistische
Mittelung erhöht. Beide Gruppierungsverfahren können auch kombiniert
werden.
Wie in Fig. 4 zu sehen ist, können zur Erhöhung der Auflösung quer
zum Druckerzeugnis 8 mehrere CCD-Sensorchips 17, 18, 19 in der
dargestellten Weise parallel betrieben werden. Werden mehrere
Sensorchips 20, 21, 22 wie in Fig. 5 gezeigt hintereinander
angeordnet und wird zeitverschoben aufgenommen, so kann im
asynchronen Modus (Aufnehmen und dann erst Auslesen) entweder der
Ausschnitt in Laufrichtung des Druckerzeugnisses 8 vergrößert oder
die Auflösung in Bahnrichtung erhöht werden, oder unter Verwendung
von verschiedenen Farbfiltern ein Ausschnitt 7 des Druckexemplars 8
in mehreren Filterbereichen aufgenommen werden.
Wie Fig. 6, 7, 8 und 9 zeigen, besteht eine andere bevorzugte
Anordnung in der Verwendung einer Glasfaseroptik 10 anstelle der
oben beschriebenen herkömmlichen Optik 9. Die Glasfasereingänge 23
sind zeilenförmig in z. B. äquidistanten Schritten oder in
sujetorientierter Anordnung (Fig. 8) über die Breite des
Druckerzeugnisses 8 verteilt und die Fasern 25 werden auf einem
(Fig. 6) oder mehreren (Fig. 7) CCD-Sensorchips 24 geordnet
zeilenförmig zusammengeführt. Zwischen dem Sensorchip 24 und den
Faserausgängen 23 können ein oder mehrere Filter liegen, die z. B.
Infrarotfilter, Farbauszugsfilter für Standardfarbräume oder Filter
zur Adaption an die visuelle Empfindlichkeit sind. In dieser
Anordnung wird das Gruppieren der Bildelemente von den Dimensionen
der Glasfasern 25 vorgegeben, die deshalb für verschiedene Aufgaben
verschieden geformt werden müssen. Im Extremfall maximaler Auflösung
werden die Fasern so fein gewählt, daß pro Bildelement 3 des
Flächensensors 24 eine Faser 25 verwendet wird. Im anderen
Extremfall wird eine sehr dicke Faser oder mehrere dünnere in einem
Bündel verwandt um auf eine große Fläche des Sensors abzubilden, so
daß hohe Lichtempfindlichkeit oder sehr hohe Meßgenauigkeit erreicht
werden kann.
Eine andere Variante gemäß Fig. 8 nützt die vorhandene Sensorfläche
eines oder mehrerer CCD-Sensorchips 24 effektiver aus, in dem die
Fasern 25 so plaziert sind, daß sie an bildwichtigen Stellen 29, 30
enger angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Variante davon zeigt Fig. 9. Werden jeder Stelle,
die von dem Druckerzeugnis aufgenommen wird, statt einer mehrere,
z. B. drei Fasern örtlich versetzt zugeordnet und jeweils zu einem
anderen von mehreren CCD-Sensorchips 25, 26, 27, 28 geführt, wobei
sie jeweils identisch jedoch mit unterschiedlicher
Transmissionscharakteristik eines Filters im Strahlengang angeordnet
sind, so erhält man mehrere Filterauszüge gleichzeitig.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion von Druckerzeugnissen in einer
Druckmaschine während des Druckbetriebes, umfassend eine optische
Abtasteinrichtung mit einer Lichtquelle und einem Aufnahmeelement, das so
angeordnet ist, daß zwischen demselben und der Lichtquelle eine
Bedruckstoffbahn führbar ist, wobei das Aufnahmeelement mit einer Ansteuer-
und Meßelektronikeinheit und einer Rechen- und Auswerteeinheit
zusammenarbeitet, die Ansteuer- und Meßelektronik mittels eines
Winkelencoders mit der Laufgeschwindigkeit des Druckerzeugnisses
synchronisierbar ist, so daß die Zeitenfolge der Aufnahmezyklen in
Abhängigkeit der Bahngeschwindigkeit steuerbar ist und die Rechen- und
Auswerteeinheit in Abhängigkeit eines Ist-Sollwert-Vergleichs eine
Stelleinrichtung für die Farbführung der Druckmaschine steuern kann, dadurch
gekennzeichnet, daß das Aufnahmeelement aus mehreren parallel
betriebenen Flächensensoren (1; 17, 18, 19; 20, 21, 22) des CCD-Typs, der
nach dem Frame-Transfer-Prinzip arbeitet, mit jeweils einem matrixförmig
adressierbaren Bildaufnahme- (11) und Speicherbereich (12) mit Zeilenrichtung
quer zur Druckrichtung aufgebaut ist, bei jedem Flächensensor (1; 17, 18, 19;
20, 21, 22) die Informationen takt- und zeilenmäßig verschiebbar und seriell
auslesbar sind und pro Aufnahmezyklus mindestens ein Zeilentransferimpuls
erfolgt.
2. Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flächensensoren (17, 18, 19) quer zum
Druckerzeugnis (8) angeordnet sind.
3. Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flächensensoren (20, 21, 22) in Laufrichtung des
Druckerzeugnisses (8) hintereinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufnahmeoptik eine Glasfaseroptik (10) ist, die
Glasfasereingänge (23) der Glasfaseroptik (10) in äquidistanten Schritten über
die Breite des Druckerzeugnisses (8) verteilt und die Fasern (25) auf den
Flächensensor (24, 26, 27, 28) geordnet zeilenförmig zusammengeführt sind.
5. Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufnahmeoptik eine Glasfaseroptik (10) ist, die
Glasfasereingänge (23) der Glasfaseroptik (10) in sujetorientierter Anordnung
über die Breite des Druckerzeugnisses verteilt und auf den Flächensensor (24)
geordnet zeilenförmig zusammengeführt sind.
6. Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Aufnahmestelle vom
Druckerzeugnis (8) mehrere Glasfasern (25) zugeordnet sind und jede
zugeordnete Glasfaser (25) jeweils zu einem anderen von mehreren CCD-
Flächensensoren (26, 27, 28) geführt ist.
7. Verfahren zur Anwendung einer Vorrichtung zur großflächigen Bildinspektion
nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem pro Aufnahmezyklus ein
großer Ausschnitt in Form von matrixförmig adressierten Bildelementen
momentan im Bildbereich der Flächensensoren aufgenommen wird, die
Informationen einer jeden Bildzeile nach einer mit der Bahngeschwindigkeit des
Druckerzeugnisses synchronisierten, taktmäßig wiederholbaren
Zeilentransferimpuls um eine Bildzeile in Richtung des Speicherbereichs der
Flächensensoren verschoben werden, wobei pro Aufnahmezyklus mindestens
ein Zeilentransferimpuls erfolgt, und eine
Gruppierung von Bildelementen (3) sowohl in Zeilen- als auch in
Spaltenrichtung erfolgt.
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