DE4416804A1

DE4416804A1 - High resolution image reading device

Info

Publication number: DE4416804A1
Application number: DE4416804A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dipl Ing Mekiffer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 1995-11-16

Abstract

The image reading device provides high resolution sampling of images. It includes a reading device (4) with several read elements (5) arranged linearly in one direction (1). Two sampling devices (6,7) move linearly in different directions (2,3) independently of each other. These devices (6,7) move the reading device (4) relative to the image (9). The three directions of movement (1,2,3) are not exactly parallel to each other.A processor (8) transforms the output signal of the reader device (4) from the coordinate system of the reader, which is defined by three directions (1,2,3), to a two dimensional coordinate system (13) of the image (9). Preferably, the direction (1) of the reader (4) differs from the directions (2,3) of the scanners (6,7) by an angle of more than 5 degrees.

Description

Bei dem jetzigen Stand der Technik können hochauflösende Bildleseeinrichtungen mit beispiels weise 30000 × 50000 Sensorelementen nicht mit einfachen Anordnungen wie monolithischen CCD- Arrays hergestellt werden. Zusätzlich sind die erreichbaren Auflösungen durch das verwendete Abbildungssystem begrenzt. Obwohl in der letzten Zeit schnelle Entwicklungsfortschritte auf dem Gebiet von Bildsensoren zu verzeichnen sind, wer den auch in absehbarer Zeit hochauflösende Bildle seeinrichtungen durch Mehrfachanordnungen von ein- beziehungsweise zweidimensionalen Sensor- Arrays, durch Relativbewegungen zwischen Sensor und Bild, durch Relativbewegung zwischen Strah lungsquelle und Bild oder durch Kombination mehrerer dieser Methoden realisiert. Anordnungen, bei denen ein einzelner Punktsensor oder ein Sensor- Array mit zwei mechanischen Freiheitsgraden relativ zum Bild bewegbar ist, haben den Vorteil, daß die begrenzte Anzahl von Sensorelementen nicht zwingend die erreichbare Auflösung der Bild leseeineichtung bestimmt. Deshalb sind diese Anordnungen zur Erzielung sehr hoher Auflösungen geeignet. Besonders Ausführungen mit zwei mechanischen Freiheitsgraden und einem zweidi mensionalen Sensor-Array haben den Vorteil, daß die maximale Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sensor und dem abzutastendem Bild mit etwa 1 bis 100 mm/s auch bei hoher Lesegeschwindigkeit gering gehalten werden kann. Das hat im Unter schied zu Geräten mit Punktsensor den Vorteil, daß sich gut Anordnungen realisieren lassen, bei denen das Bild nicht bewegt werden muß.With the current state of the art high resolution image reading devices with example do not have 30000 × 50000 sensor elements simple arrangements like monolithic CCD Arrays are made. In addition, they are achievable resolutions through the used Imaging system limited. Although in the last Time rapid development progress on the Area of image sensors are who the high-resolution image in the foreseeable future se devices by multiple arrangements of one- or two-dimensional sensor Arrays, by relative movements between sensor and image, by relative movement between beam source and image or by combination realized several of these methods. Orders, where a single point sensor or a sensor Array with two mechanical degrees of freedom can be moved relative to the image have the advantage that the limited number of sensor elements not necessarily the achievable resolution of the picture reading device determined. That is why they are Arrangements to achieve very high resolutions suitable. Especially versions with two mechanical degrees of freedom and a two dimensional sensor array have the advantage that the maximum relative speed between the Sensor and the image to be scanned with about 1 to 100 mm / s even at high reading speeds can be kept low. That has in the sub differed to devices with point sensor the advantage that arrangements can be easily implemented in which the picture does not have to be moved.

Ein Mangel bei bekannten Ausführungen (DE 35 40 875) mit zwei mechanischen Freiheitsgraden und einem eindimensionalen Sensor-Array besteht darin, daß die Anforderungen an die mechanische Präzision des Gesamtsystems sehr hoch sind und das Bild beim Lesevorgang nicht in einzelne Linien, sondern in einzelne Flächen geometrisch exakt geteilt werden muß. Diese Konstruktionen erfordern eine präzise Justierung der Richtungen der Lesevor richtung und der Abtasteinrichtungen. In Abhän gigkeit von der Anzahl der Leseelemente und der angestrebten Auflösung des Bildlesesystems können Winkelabweichungen von mehr als etwa +/- 0.001 Grad zu erheblichen geometrischen Fehlern führen. Daraus resultiert entweder ein hoher Herstellungs- und Wartungsaufwand oder eine relativ begrenzte Auflösung für Bildlesevorrichtungen, die dieses Prinzip nutzten. Das ist ein Grund dafür, daß Bildle sevorrichtungen mit mehrfachen Sensor-Arrays und einem mechanischen Freiheitsgrad erheblich häufi ger eingesetzt werden (z. B. DE 28 19 266, DE 36 34 355, EP 0295105). Ein weiterer Mangel bei bekannten Anordnungen besteht darin, daß ohne zusätzliche Hilfsmittel - wie beispielsweise durch Zoomobjektive - die physikalische Auflösung der Bildlesevorrichtung nur in einer Richtung variiert werden kann, da die zweite Richtung durch den festen Abstand der Leseelemente des Sensor-Arrays bestimmt ist.A deficiency in known designs (DE 35 40 875) with two mechanical degrees of freedom and a one-dimensional sensor array in that the requirements for mechanical Precision of the overall system are very high and that Picture in the reading process not in individual lines, but geometrically exact in individual areas must be shared. These constructions require a precise adjustment of the directions of the reading direction and the scanning devices. Depending the number of reading elements and the desired resolution of the image reading system can Angular deviations of more than approximately +/- 0.001 Degrees lead to significant geometric errors. This results in either a high manufacturing and maintenance or a relatively limited Resolution for image readers using this Principle. That is one reason why Bildle devices with multiple sensor arrays and a mechanical degree of freedom considerably ger can be used (e.g. DE 28 19 266, DE 36 34 355, EP 0295105). Another shortcoming known arrangements is that without additional aids - such as through Zoom lenses - the physical resolution of the Image reading device only varies in one direction can be because the second direction is through the fixed distance of the reading elements of the sensor array is determined.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine hochauflösende Bildlesevorrich tung konstruktiv so aufzubauen, daß das Bild wäh rend des Lesevorgangs nicht bewegt werden muß und daß im Vergleich zu bekannten Ausführungen erstens das Verhältnis zwischen dem Aufwand für das mechanische Bewegungssystem sowie der erreichbaren Auflösung wesentlich verbessert wird und zweitens die Auflösung ohne zusätzliche Hilfsmittel in zwei Richtungen variabel ist.The object underlying the invention consists of a high resolution image reading device to construct constructively so that the picture selected does not have to be moved during the reading process and that compared to known designs first, the relationship between the effort for the mechanical movement system as well as the achievable resolution is significantly improved and second, the resolution without additional Aid is variable in two directions.

Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 durch eine Bildlesevorrichtung, bestehend aus einer Lese vorrichtung (4) zum Lesen eines Bildes (9) mit einer Vielzahl von linear in einer Richtung (1) angeordne ten Leseelementen (5), zwei voneinander unabhän gigen in der Richtung (2) und der Richtung (3) linear bewegbaren Abtasteinrichtungen (6, 7) zum Bewegen der Lesevorrichtung in Bezug auf das Bild (9), realisiert. Diese Anordnung bewirkt, daß während des Lesevorgangs nur die Lesevorrichtung (4), jedoch nicht das Bild (9) bewegt werden muß. Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß die mechanisch bestimmten Winkel der Bildlesevor richtung sich von denen des rechtwinkligen Koordi natensystems des Bildes unterscheiden dürfen, sofern diese Winkel konstant sind und gemessen werden können. Erfindungsgemäß wird als Bestand teil der Bildlesevorrichtung eine Verarbeitungsein heit eingesetzt, die Signale der Leseelemente (5) von einem dreidimensionalen Koordinatensystem in das rechtwinklige zweidimensionale Koordinatensystem (13) des Bildes (9) transformiert. Eine exakte Justie rung der Richtung (1) der Leseelemente (5) und der Richtungen (2, 3) der Abtasteinrichtungen (6, 7) ist deshalb nicht notwendig. Bei der Fixierung der Richtungen einer beliebigen konstruktiv geeigneten Position führen Abweichungen in der Größenord nung von +/- 1 Grad zu vernachlässigbaren geome trischen Fehlern. Die Vergrößerung des Toleranzbe reiches von diesen drei Parametern um den Faktor 1000 ermöglicht eine erheblich vereinfachte Konstruktion des mechanischen Bewegungssystems.The object is achieved according to claim 1 by an image reading device, consisting of a reading device ( 4 ) for reading an image ( 9 ) with a plurality of linearly arranged in one direction ( 1 ) th reading elements ( 5 ), two mutually independent in the direction ( 2 ) and the direction ( 3 ) linearly movable scanning devices ( 6 , 7 ) for moving the reading device in relation to the image ( 9 ). This arrangement means that only the reading device ( 4 ), but not the image ( 9 ), has to be moved during the reading process. The basic idea of the invention is that the mechanically determined angle of the image reading device may differ from that of the right-angled coordinate system of the image, provided that these angles are constant and can be measured. According to the invention, a processing unit is used as part of the image reading device, which transforms the signals of the reading elements ( 5 ) from a three-dimensional coordinate system into the right-angled two-dimensional coordinate system ( 13 ) of the image ( 9 ). An exact adjustment of the direction ( 1 ) of the reading elements ( 5 ) and the directions ( 2, 3 ) of the scanning devices ( 6 , 7 ) is therefore not necessary. When fixing the directions of any structurally suitable position, deviations of the order of +/- 1 degree lead to negligible geometric errors. The increase in the tolerance range of these three parameters by a factor of 1000 enables a considerably simplified construction of the mechanical movement system.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Richtung (1) der Leseelemente (5) wird nicht - wie bei bekannten Ausführungen - möglichst parallel zu einer der Abtasteinrichtungen (6, 7), sondern in einem Winkel von beispielsweise 20 Grad bezüglich der Abtastein richtung (7) angeordnet. Diese Drehung erlaubt eine variable Steuerung der Auflösung der Bildlesevor richtung in beide vorbestimmten Richtungen des Koordinatensystems (13) des Bildes (9), ohne die Benutzung einer zusätzlichen mechanischen oder optischen Einrichtung. An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 2. The direction ( 1 ) of the reading elements ( 5 ) is not - as in known designs - as parallel as possible to one of the scanning devices ( 6 , 7 ), but at an angle of, for example, 20 degrees with respect to the scanning device ( 7 ). This rotation allows variable control of the resolution of the image reading device in both predetermined directions of the coordinate system ( 13 ) of the image ( 9 ) without the use of an additional mechanical or optical device.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bildlesevorrichtung im Vergleich zu bekannten Anordnungen wesentliche Vereinfachungen in der mechanischen Gestaltung zuläßt und eine sehr hohe sowie in beide Bildrich tungen variable Auflösung ermöglicht.The advantages achieved with the invention exist in particular in that the image reading device in Compared to known arrangements essential Simplifications in the mechanical design admits and a very high as well as in both picture rich variable resolution.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Schema der Bildlesevorrichtung, Fig. 1 diagram of the image reading apparatus,

Fig. 2 Ausführungsbeispiel, Fig. 2 embodiment,

Fig. 3 Bewegungsablauf zur Erzielung niedriger Auflösungen, Fig. 3 of motion for achieving low resolutions,

Fig. 4 Bewegungsablauf zur Erzielung hoher Auflösungen. Fig. 4 sequence of movements to achieve high resolutions.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 2 schema tisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Ein transparenter Bildträger (16) ist starr mit der Abtasteinrichtung (7) verbunden. Diese ist als Linearführungsschiene ausgeführt bestehend aus einem geschlossenen Aluminiumstrangpreß profil mit zwei Linearführungen. Die Linearführun gen sind aus geschliffenen Stahlwellen gefertigt. Dadurch entsteht eine äußerst präzise und verdrehsi chere Linearführung. Ein Schrittmotor (12) treibt über eine Spindel (15) eine Schlittenplatte (10) an. Der maximale Hub beträgt 1200 mm, die Positio niergenauigkeit beträgt +/- 3 µm. Mit der Schlittenplatte (10) wird eine zweite Abtasteinrich tung (6) fest verbunden. Der Schrittmotor (11) bewegt über die Spindel (14) die Lesevorrichtung (4) mit einem maximalen Hub von 900 mm und einer Positioniergenauigkeit von +/- 3 µm. Die Wider standsmomente der gesamten Konstruktion sind so dimensioniert, daß äußere Kräfte - wie beispielswei se die Belastung des Bildträgers (16) - zu Verfor mungen von maximal +/- 100 nm/N Last führen. Die Leseelemente (5) werden durch eine CCD-Zeile realisiert, dem ein Objektiv mit fester Brennweite und eine Beleuchtungseinrichtung vorgeschaltet ist. Die CCD-Zeile wird mit der Leseeinrichtung (4) in Winkel einem von ca. 63 Grad bezüglich der Rich tung (2) der Abtasteinrichtung (7) fest verbunden. Nach der Montage des gesamten Systems werden die Winkel der Richtungen (1, 2, 3) bezüglich dem Koordinatensystem (13) des Bildes (9) mit einer Genauigkeit von +/- 0.001 Grad vermessen. Auf der Grundlage dieser Meßwerte führt die Verarbei tungseinrichtung (8) die Transformation von dem Koordinatensystem des Bildlesegerätes (1, 2, 3) in das System (13) des Bildes (9) durch. Die Verarbei tungseinrichtung (8) benutzt einen Mikroprozessor mit 120 _* 10⁶ Operationen/s und einen Speicher mit einer Kapazität von 1.3 _* 10¹⁰ Bit. Die Steuerung der physikalischen Auflösung der Bildlesevorrich tung erfolgt über den Bewegungsablauf und den Auslesetakt der Leseelemente (5). Bei dem Bewe gungsablauf entsprechend Fig. 3 wird die Lesevor richtung (4) mit einer Geschwindigkeit von 8,466 mm/s bewegt und mit einem Zeittakt von 6.0 ms zeilenweise ausgelesen. Es entsteht eine Abbildung mit einer Auflösung von 500 × 500 Pixel pro Zoll. Bei dem hochauflösenden Bewegungsablauf (Fig. 4) wird die Lesevorrichtung (4) mit einer Geschwin digkeit von 4,233 mm/s bewegt und mit einem Zeittakt von 6.0 ms zeilenweise ausgelesen. Dabei entsteht eine Abbildung mit einer Auflösung von 1000 × 1000 Pixel pro Zoll.An embodiment is shown schematically in Fig. 2 and will be described in more detail below. A transparent image carrier ( 16 ) is rigidly connected to the scanning device ( 7 ). This is designed as a linear guide rail consisting of a closed extruded aluminum profile with two linear guides. The linear guides are made of ground steel shafts. This creates an extremely precise and rotatable linear guide. A stepper motor ( 12 ) drives a slide plate ( 10 ) via a spindle ( 15 ). The maximum stroke is 1200 mm, the positioning accuracy is +/- 3 µm. With the slide plate ( 10 ), a second scanning device ( 6 ) is firmly connected. The stepper motor ( 11 ) moves the reading device ( 4 ) over the spindle ( 14 ) with a maximum stroke of 900 mm and a positioning accuracy of +/- 3 µm. The resistance moments of the entire construction are dimensioned such that external forces - such as the load on the image carrier ( 16 ) - lead to deformations of a maximum of +/- 100 nm / N load. The reading elements ( 5 ) are realized by a CCD line, which is preceded by a lens with a fixed focal length and an illumination device. The CCD line is firmly connected to the reading device ( 4 ) at an angle of approximately 63 degrees with respect to the direction ( 2 ) of the scanning device ( 7 ). After assembly of the entire system, the angles of the directions ( 1 , 2 , 3 ) with respect to the coordinate system ( 13 ) of the image ( 9 ) are measured with an accuracy of +/- 0.001 degrees. On the basis of these measured values, the processing device ( 8 ) carries out the transformation from the coordinate system of the image reading device ( 1 , 2 , 3 ) into the system ( 13 ) of the image ( 9 ). The processing device ( 8 ) uses a microprocessor with 120 _* 10⁶ operations / s and a memory with a capacity of 1.3 _* 10¹⁰ bits. The physical resolution of the image reading device is controlled via the movement sequence and the reading cycle of the reading elements ( 5 ). In the BEWE supply flow corresponding to FIG. 3, the Lesevor will direction (4) line by line at a speed of 8,466 mm / s and moved with a clock of 6.0 ms. An image is created with a resolution of 500 × 500 pixels per inch. In the high-resolution motion sequence ( Fig. 4), the reading device ( 4 ) is moved at a speed of 4.233 mm / s and read out line by line with a time cycle of 6.0 ms. This creates an image with a resolution of 1000 × 1000 pixels per inch.

Claims

1. Image reading device for high-resolution scanning of images, characterized by

a) a reading device ( 4 ) for reading an image ( 9 ) with a plurality of reading elements ( 5 ) arranged linearly in one direction ( 1 ),
b) two mutually independent in the direction ( 2 ) and the direction ( 3 ) linearly movable scanning devices ( 6 , 7 ) for moving the reading device with respect to the image ( 9 ), wherein all three directions ( 1 , 2 , 3 ) to each other are not exactly parallel,
c) a processing device ( 8 ) which transfor the output signal of the reading device ( 4 ) from the coordinate system of the image reading device, which is determined by three directions ( 1 , 2 , 3 ), in a two-dimensional coordinate system ( 13 ) of the image ( 9 ) lubricated.

2. Image reading device according to claim 1, characterized in that the direction ( 1 ) of the reading elements ( 5 ) by an angle of more than 5 degrees from the directions ( 2 , 3 ) of the scanner lines ( 6 , 7 ) differs.