DE69816560T2

DE69816560T2 - Eichung eines Kantenausrichtsystems

Info

Publication number: DE69816560T2
Application number: DE69816560T
Authority: DE
Inventors: Ned J. Penfield Seachman; Joseph P. Pittsford Taillie; Kevin M. Webster Carolan; Leroy A. Rochester Baldwin; Robert Penfield Brutovski; Alain E. Rochester Perregaux; jr. John D. Fairport Hower
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2018-10-15
Also published as: EP0911701B1; US6271535B1; EP0911701A3; DE69816560D1; JPH11243474A; EP0911701A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein reprografisches System. Konkret betrifft die Erfindung ein System zum elektronischen Positionieren der Kante eines Kopiesubstrats, sodass eine Ausrichtung von vorn nach hinten entsteht, die besonders nützlich in einem Duplex-Modus ist.
Ein konventionelles reprografisches System stellt der Bürokopierer dar. Traditionell betrifft der Kopierer im Kontext der Büroausstattung einen xerografischen Lichtlinsen-Kopierer, bei dem Originale aus Papier fotografiert werden. Die Bilder werden dann auf einen Bereich eines Fotorezeptors fokussiert, der anschließend mit Toner entwickelt wird. Daraufhin wird das entwickelte Bild auf dem Fotorezeptor auf ein Kopieblatt übertragen, das wiederum zum Erzeugen einer dauerhaften Kopie des Originals verwendet wird.
Im Hinblick auf die grundlegendsten Funktionen führt ein digitaler Kopierer dieselben Funktionen wie ein Lichtlinsen-Kopierer aus, außer dass das Originalbild, das kopiert wird, nicht direkt auf einen Fotorezeptor fokussiert wird. Anstatt dessen wird bei einem digitalen Kopierer das Originalbild mit einer Vorrichtung gescannt, die allgemein als Rastereingabescanner (RIS) bekannt ist, und meist die Form einer linearen Anordnung aus kleinen Fotosensoren hat.
Das Originalbild wird auf die Fotosensoren im RIS fokussiert. Die Fotosensoren wandeln die einzelnen Licht- und Dunkelbereiche des Originalbildes in einen Satz digitaler Signale um. Diese digitalen Signale werden vorübergehend in einem Speicher festgehalten und schließlich dazu verwendet, ein digitales Druckgerät in Gang zu setzen, wenn gewünscht wird, Kopien des Originals auszudrucken. Ebenso können die digitalen Signale direkt zu der Druckvorrichtung gesandt werden, ohne in einem Speicher gespeichert zu werden.
Bei dem digitalen Druckgerät kann es sich um jede bekannte Art eines Drucksystems handeln, das auf digitale Daten anspricht, wie beispielsweise ein modulierender Abtastlaser, der bildweise Abschnitte eines Fotorezeptors entlädt, oder um eines mit Tintenstrahldruckkopf.
Mit dem Anbruch der Digitalisierung von Bürokopierern sind darüber hinaus digitale Multifunktionsgeräte auf den Markt gekommen. Bei dem digitalen Muttifunktionsgerät handelt es sich um ein Einzelgerät, das einem Benutzer mehr als eine Funktion zur Verfü gung stellt. Ein Beispiel für ein typisches Multifunktionsgerät umfasst eine digitale Faxfunktion, eine digitale Druckfunktion und eine digitale Kopierfunktion.
Konkret kann ein Benutzer dieses digitale Multifunktionsgerät dazu verwenden, ein Fax eines Originalsdokuments zu einem Fernempfangsgerät zu senden, ein Originalbild einzuscannen und davon Kopien auszudrucken und/oder Dokumente entweder von einer Netzquelle, einer lokal angeschlossenen Quelle oder aber von einem tragbaren Speichergerät auszudrucken, das in das Multifunktionsgerät eingesetzt wurde.
In 2 ist ein Beispiel der Grundarchitektur eines digitalen Multifunktionsgerätes abgebildet. Wie aus 2 hervorgeht, schließt die Architektur des digitalen Multifunktionsgerätes einen Scanner 3 ein, der ein Originalbild in einen Satz digitaler Signale umwandelt, die entweder gespeichert oder reproduziert werden können. Der Scanner 3 ist an ein zentrales Bussystem 1 angeschlossen, bei dem es sich entweder um einen einzelnen Bus oder um eine Vielzahl von Bussen handelt, der/die zwischen den einzelnen Modulen und Vorrichtungen eines digitalen Multifunktionsgerätes wechselseitige Verbindungen und einen wechselseitigen Datenaustausch herstellt.
Zu dem digitalen Multifunktionsgerät aus 2 gehört weiterhin eine digitale Druckckvorrichtung 23, welche ein Bild darstellende digitale Signale in eine Paperkopie jenes Bildes auf einem Aufzeichnungsmedium, ungeachtet dessen, ob es sich bei dem Aufzeichnungsmedium um Papier, eine Folie oder eine andere Art eines Zeichnungsmediums handelt, umwandelt. Weiterhin umfasst das digitale Multifunktionsgerät einen Speicher 21 zum Speichern einer Vielzahl von Arten digitaler Informationen, wir z. B. Informationen über Gerätefehler, über Geräteereignisse, zu einem späteren Zeitpunkt zu verarbeitende digitale Bilder, Befehlssätze für das Gerät, Auftragsanweisungssätze, etc.
Zusätzlich zu dem Speicher 21 schließt ein typisches digitales Multifunktionsgerät einen elektronischen Präkollations-Speicherabschnitt ein, der die digitale Darstellung des Bildes speichern kann, das gerade von der digitalen Druckvorrichtung 23 erzeugt wird. In dem elektronischen Präkollationsspeicher 7 wird das digitale Bild bereits in seiner Seitenstruktur angeordnet, sodass es problemlos von der digitalen Druckvorrichtung 23 ausgegeben werden kann.
Zu dem digitalen Multifunktionsgerät aus 2 gehört weiterhin eine Benutzeroberfläche 5, die es dem Benutzer ermöglicht, die einzelnen Funktionen des Multifunktionsgerätes auszuwählen, genauso wie Auftragsattribute für die speziell ausgebildete Funktion zu programmieren, andere Eingaben für das Multifunktionsgerät vorzunehmen und Informationsdaten aus dem digitalen Multifunktionsgerät anzuzeigen.
Wenn das digitale Multifunktionsgerät an ein Netzwerk angeschlossen ist, würde es eine Netzwerkoberfläche 19 und eine elektronische Teilsystem-(ESS)-Steuerung 9, die die Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Modulen bzw. Einrichtungen des digitalen Multifunktionsgerätes und des Netzwerkes steuert, aufweisen.
Zur Ermöglichung einer Faxfunktion würde das digitale Multifunktionsgerät im typischen Fall ein Sprach-/Datenmodem 11 und eine Telefon-Leiterplatte 13 umfassen. Darüber hinaus kann das digitale Multifunktionsgerät Eingabe-/Ausgabe-Laufwerke 17 aufweisen, z. B. ein Diskettenlaufwerk, ein CD-ROM-Laufwerk, ein Bandlaufwerk oder ein anderes Laufwerk, welches eine tragbare Speichervorrichtung akzeptieren kann.
Bei einigen digitalen Multifunktionsgeräten ist weiterhin eine Endbearbeitungseinheit 29 vorgesehen, die bestimmte Operationen an dem Ausdruck aus der Druckvorrichtung 23 vornehmen kann. Schließlich umfasst das digitale Multifunktionsgerät eine Steuerung 15, die sämtliche Funktionen innerhalb des Multifunktionsgerätes steuert, sodass alle Interaktionen zwischen den verschiedenen Modulen und Vorrichtungen koordiniert werden. 1 zeigt den gesamten Aufbau eines digitalen Multifunktionsgerätes. Das digitale Multifunktionsgerät aus 1 umfasst eine Abtaststation 35, eine Druckstation 55 und eine Benutzeroberfläche 50. Weiterhin kann das digitale Multifunktionsgerät eine Endbearbeitungsvorrichtung 45 aufweisen, bei der es sich um einen Sortierer, eine Tower-Mailbox, eine Hefteinrichtung, etc. handeln kann. Die Druckstation 55 kann eine Vielzahl von Papierkassetten 40 aufweisen, in denen das Papier für den Druckprozess aufbewahrt wird. Schließlich kann das digitale Multifunktionsgerät einen Papiereinzug 30 mit hohem Fassungsvermögen aufweisen, der in der Lage ist, große Mengen an von dem Gerät verwendetem Papier zu halten.
Bei einer typischen Abtastfunktion würde der Bediener die Abtaststation 35 dazu verwenden, Bilder von den Originaldokumenten einzuscannen. Diese Abtaststation 35 kann ein Scanner mit Vorlagenglas sein oder aber ein Transportsystem mit konstanter Geschwindigkeit einschließen, welches die Originaldokumente quer über eine stationäre Abtastvorrichtung bewegt. Darüber hinaus kann die Abtaststation 35 ein Dokumenttransportsystem aufweisen, das imstande ist, die Originaldokumente zum Einscannen automatisch auf das Vorlagenglas aufzulegen.
Im Hinblick auf die Druckfunktionen würde die Druckstation 55 das richtige Papier aus einer der Papierkassetten oder aus dem Einzug mit hohem Fassungsvermögen aufnehmen, das gewünschte Bild auf dem aufgenommenen Papier erzeugen und das gedruckte Bild zur weiteren Verarbeitung an die Endverarbeitungsvorrichtung 45 ausgeben.
Die Benutzeroberfläche 50 ermöglicht es dem Benutzer, die verschiedenen Funktionen des digitalen Multifunktionsgerätes zu steuern, indem verschiedene Bildschirme angezeigt werden, die dem Benutzer die Möglichkeit bieten, bestimmte Auftragseigenschaften oder Funktionseigenschaften zu programmieren.
Eine wichtige Funktion eines digitalen reprografischen Systems, sei es ein digitales Multifunktionsgerät, ein digitaler Kopierer oder ein digitaler Scanner, besteht in jedem Fall in der Positionierung der obersten Kante bzw. Vorderkante eines Kopiesubstrates, auf dem gedruckt werden soll. Denn dies ist bedeutsam für das ordnungsgemäße Ausrichten des Bildes auf dem Kopiesubstrat. Besonders entscheidend ist die Anordnung der obersten Kante bzw. der Vorderkante des Kopiesubstrates, welches bedruckt wird, wenn das Drucken im Duplex-Modus erfolgt, sodass eine ordnungsgemäße Ausrichtung von vorn nach hinten auf dem Kopiesubstrat erfolgt, da der Duplex-Weg gewöhnlich länger ist als der Simplex-Weg. Genauso wichtig ist die Ausrichtung der obersten Kante bzw. Vorderkante des Kopiesubstrats aber auch auf einem Simplex-Weg, und zwar wegen der vielen Aspekte, die den Transport des Kopiesubstrates von der Kopieausgabekassette zu einer Bildübertragungsstation beeinträchtigen können. Es gab Versuche, eine Vorrichtung zum Positionieren einer obersten Kante bzw. Vorderkante eines zu bedruckenden Kopiesubstrates zu schaffen, allerdings ist es bei diesen Versuchen nicht gelungen, die korrekte Ausrichtung herzustellen, die benötigt wird, um das Bild genau auf dem Kopiesubstrat auszudrucken.
In US-A-4827436 ist ein Gerät zum optischen Erkennen der Kante eines Werkstücks, z. B. des vorderen Endes einer Leiterplatte, offen gelegt. Das Gerät umfasst eine lineare Lichtquelle, ein Abschirmschild mit einer Öffnung und einen Detektor zum Erkennen des Schattens der Werkstückkante. Die Position der Werkstückkante wird ermittelt, indem zwei simultane Gleichungen gelöst werden, die Kurven darstellen, welche beide die Kante schneiden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektronischen Kalibrieren einer räumlichen Beziehung zwischen einer linearen Lichtquelle und einer linearen Sensoranwendung, welches die folgenden Schritte umfasst:

(a) Einsetzen eines Kalibrierwerkzeugs mit einem Spalt, der zwei Kanten aufweist, oder mit zwei Schlitzen zwischen die lineare Lichtquelle und die lineare Sensoranordnung auf einer ersten Höhe (h₁) von der linearen Sensoranordnung, wobei die Spaltkanten bzw. die Schlitze um einen vorgegebenen Abstand Δx voneinander getrennt und weitgehend parallel zu der linearen Sensoranordnung ausgerichtet sind,
(b) Beleuchten eines Lichtsegments der linearen Lichtquelle, wobei sich der vorgegebene Abstand Δx vollständig in dem Beleuchtungsbereich des Lichtsegments befindet,
(c) Messen jeder Kantenposition x_a1, x_b1 von Schatten, die von dem Spalt bzw. den Schlitzen erzeugt werden, die einen Lichtweg zwischen dem beleuchteten Lichtsegment und der linearen Sensoranordnung kreuzen,
(d) Berechnen jeder Position x_e der Spaltkanten bzw. der Schlitze auf der Grundlage der gemessenen Schattenpositionen x_a1, x_b1
(e) Bewegen des Kalibrierwerkzeugs auf eine Höhe (h₂) von der linearen Sensoranordnung, wobei die Position der Spaltkanten bzw. der Schlitze x_e auf der gesamten linearen Sensoranordnung aufrechterhalten wird,
(f) Beleuchten des Lichtsegments der linearen Lichtquelle ,
(g) Messen jeder Kantenposition x_a2, x_b2 von Schatten, die von dem Spalt bzw. den Schlitzen erzeugt werden, die einen Lichtweg zwischen dem beleuchteten Lichtsegment und der linearen Sensoranordnung kreuzen,
(h) Berechnen jeder Position x_e der Spaltkanten bzw. der Schlitze auf der Grundlage der gemessenen Schattenpositionen x_a ₂, xb₂,
(i) Berechnen eines Mittelpunktes x_s des beleuchteten Lichtsegments auf der Grundlage der berechneten Kantenpositionen x_a1, x_a2, x_b1, x_b2 aus den Schritten (d) und (h), und
(j) Ermitteln der Position x_e einer Spaltkante bzw. des ersten Schlitzes mit einer Sensorposition auf der Grundlage des berechneten Mittelpunktes x_s des beleuchteten Lichtsegments.

Spezielle Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 den Gesamtaufbau eines digitalen Multifunktionsgerätes darstellt,
2 eine Grundarchitektur eines digitalen Multifunktionsgerätes veranschaulicht, 3 ein Kantenerfassungssystem zeigt,
4 eine grafische Darstellung der Fehlerergebnisse unter Verwendung adaptiver Kantenerfassungsverfahren ist,
5 ein Kalibrierverfahren gemäß den erfindungsgemäßen Konzepten darstellt und 6 die fehlerhaften Ergebnisse beim Kalibierverfahren im Hinblick auf die berechnete Quellenposition im Vergleich zu der tatsächlichen Quellenposition zeigt.
In der nachstehenden Beschreibung wird der Begriff „Kopiesubstrat" zum Bezeichnen eines beliebigen Aufzeichnungsmediums verwendet, welches ein bedrucktes Bild darauf aufnimmt und einen messbaren Schatten wirft. Darüber hinaus bezeichnen die Begriffe „Vorderkante" und „oberste Kante" jene Kante, die zur korrekten Ausrichtung ermittelt werden muss. Diese fragliche Kante kann von System zu System verschieden sein.
Wie bereits erwähnt, besteht eine wichtige Funktion eines digitalen reprografischen Systems im Anordnen der Vorderkante bzw. der obersten Kante des Kopiesubstrats zum Zwecke der Ausrichtung. Das folgende Beispiel schafft ein Mittel zum elektronischen Anordnen der Vorderkante bzw. der obersten Kante des Kopiesubstrates, sodass eine korrekte Ausrichtung speziell von vorn nach hinten in einem Duplex-Druckmodus erreicht wird.
Wie in 3 abgebildet, umfasst ein Kantenpositioniersystem eine lineare Lichtquelle 700 aus periodisch beabstandeten Lichtquellen, z. B. LEDs (Leuchtdioden). Eine derartige periodisch beabstandete Quelle bzw. LED ist als Element 701 abgebildet. Die LEDs werden zum Beleuchten einer linearen Sensoranordnung 712 verwendet, mit der die Kantenposition eines Blattes eines Kopiesubstrats 710 lokalisiert wird, welche die Beleuchtung an der Sensoranordnung kreuzt. Diese beiden Vorrichtungen befinden sich an einem Kopiesubstratweg zwischen einer Kopiesubstratkassette und einer Bildübertragungsstation in dem Drucksystem, vorzugsweise sind diese Vorrichtungen so dicht wie möglich an der Übertragungsstation angeordnet, um die Effekte auf die Bestimmung zu minimieren.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird zum elektronischen Bestimmen der Kante des Kopiesubstrats die Position des Schattens gemessen, der von dem Kopiesubstrat 710 geworfen wird, das den optischen Weg (Lichtweg) zwischen der linearen Lichtquellenanordnung 700 und der linearen Sensoranordnung 712 kreuzt. Die von der linearen Sensoranordnung gemessenen Lichtintensitäten werden in elektrische Signale umgewandelt, die in eine Steuerung oder eine andere Verarbeitungseinrichtung eingegeben werden, welche die nachstehend beschriebenen Berechnungen zum elektronischen Bestimmen der Kante des Kopiesubstrats ausführt.
Anschließend wird diese Information von dem Drucksystem dazu verwendet, das Bild korrekt zu dem Kopiesubstrat auszurichten. Zum besseren Verständnis des Prozesses der Kantenlokalisierung erfolgt eine kurze Beschreibung der Messungen und Berechnungen, die von drei verschiedenen Prozessen ausgeführt werden.
In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die x-Werte auf die Position entlang der linearen Sensoranordnung 712, die in Längeneinheiten bzw. Pixelschritten (typischerweise 0,050 Zoll) von einem vorher festgelegten absoluten Bezugswert aus gemessen werden kann. Zum Bestimmen der Kantenposition des Kopiesubstrats, welches bedruckt wird, werden die folgenden Parameter verwendet:
x_s– Position des Mittelpunkts des LED-Segments (auf die Sensorebene projiziert),
x_P – Position der Kante des Kopiesubstrats,
x_co– Position des Beleuchtungs-„Abschalt"-Punktes, d. h. der Kante des Schattens,
d – LED-Sensor-Abstand und
h – Höhe des Kopiesubstrats über dem Sensor.
In dem ersten Prozess wird eine einzelne LED 701 von der linearen Lichtquelle 700, die am nächsten an der erwarteten Kopiesubstratposition liegt, beleuchtet. Wie aus 3 hervorgeht, erfolgt eine Messung der Schattenposition x_co mittels der linearen Sensoranordnung 712, und es wird ein Schätzwert für die Kante des Kopiesubstrats X_p' von einer Steuereinheit bzw. einem Prozessor berechnet, der digitale Berechnungen ausführen kann und an die digitale Sensoranordnung angeschlossen ist. Nachfolgend wird diese Messung und Berechnung genauer erläutert.
Wie bereits angeführt, wird das LED-Segment 701 an dem Punkt x_s, der als der nächstgelegene an der erwarteten Kantenposition des Kopiesubstrats ermittelt wird, beleuchtet. Anschließend wird die Schattenposition x_co von der linearen Sensoranordnung 712 gemessen. Der Schatten entsteht durch die Kante des Kopiesubstrats, wenn das Kopiesubstrat den Lichtweg zwischen der LED 701 der linearen Lichtquelle 700 und der linearen Sensoranordnung kreuzt. Ausgehend von dieser Messung und mit Hilfe der Nominalhöhe h_n des Kopiesubstrats über der linearen Sensoranordnung 712 und des Quelle-Sensor-Abstands d wird der Schätzwert für die Kantenposition des Kopiesubstrats x_p ^' unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung berechnet:
In diesem ersten Prozess entsteht ein Fehler aus der Kopiesubstrathöhe, die um einen unbekannten Betrag Δh von der Nominalhöhe h_n abweicht, die bei der Korrektur für die Parallaxe angenommen wurde. Dieser einfache Ansatz ist nur dann sinnvoll, wenn die partielle Veränderung der Kopiesubstrathöhe Δ_h sehr klein gehalten werden kann.
In einem zweiten Prozess werden zwei verschiedene LED-Segmente x_s1, und x_s2 nacheinander beleuchtet und die entsprechenden Schattenpositionen x_co1, und x_co2 gemessen. Die Parallaxen-Korrekturgleichungen können gleichzeitig gelöst werden, um unabhängig von der ursprünglichen Kopiesubstrathöhe h₀ einen Schätzwert der Kopiesubstratposition x_p' zu bilden. Obwohl für dieses Herangehen die anfängliche Kopiesubstrathöhe h₀ nicht bekannt zu sein braucht, ist die Berechnung nur dann fehlerfrei, wenn keine Veränderung in der Kopiesubstrathöhe Δ_h zwischen aufeinander folgenden Messungen eintritt. Dabei sind die konkreten Schritte folgende: Ausgehend von der erwarteten Position des Kopiesubstrats werden zwei LED-Segmente der linearen Lichtquelle 700 beleuchtet, vorzugsweise an den Punkten x_s1 und x_s2 auf den gegenüberliegenden Seiten der erwarteten Position des Kopiesubstrats. Dabei wird speziell das LED-Segment am Punkt x_s1 beleuchtet und die entsprechende Schattenposition x_co1 von der linearen Sensoranordnung 712 gemessen. Anschließend wird die LED an dem Punkt x_s, ausgeschaltet und das LED-Segment am Punkt xs₂ beleuchtet, sodass die entsprechende Schattenposition x_co2 von der linearen Sensoranordnung 712 gemessen werden kann. Als Nächstes wird der Schätzwert der Position der Kopiesubstratkante x_p' von einer Steuereinheit unter Verwendung von den zwei LED-Segmentpositionen und den beiden gemessenen Schattenpositionen berechnet. Die Gleichung zur Berechnung der geschätzten Position lautet wie folgt:
Der obige Schätzwert ist dann fehlerfrei, wenn zwischen den Messungen keine Höhenveränderung des Kopiesubstrats eintrat.
Der dritte Prozess ist eine iterative Anwendung des zuerst beschriebenen Prozesses, wobei ein erster Schätzwert der Kopiesubstratposition zum Auswählen eines neuen LED-Segments mit geringerem Parallaxenfehler für einen zweiten Schätzwert der Kopiesubstratposition verwendet wird. Der Prozess kann wiederholt werden, indem der zweite Schätzwert zum Auswählen einer dritten LED-Position verwendet wird, etc. Diese Iteration ist lediglich durch die Präzision der einzelnen LED-Segmentpositionen an der linearen Lichtquelle begrenzt. Nachstehend sind die konkreten Schritte aufgelistet:
Ein LED-Segment der linearen Lichtquelle 700 an dem Punkt x_s1, das sich am nächsten an der erwarteten Kantenposition des Kopiesubstrats befindet, wird beleuchtet, und die entsprechende Position des Kantenschattens x_co1 wird von der linearen Sensoranordnung 712 gemessen. Die gemessene Schattenposition x_co1 wird zum Berechnen eines ersten Schätzwertes der Position des Kopiesubstrats x_p1' wie folgt verwendet:

wobei h_n die angenommene Nominalhöhe des Kopiesubstrats ist.
Als nächstes ermittelt die Steuereinheit die Position des LED-Segments, das dem obigen Schätzwert am nächsten kommt, unter Verwendung von x_s2 = x_s1 + p_LED INT(((x_P1 – x_s1)/p_LED) + 0,5), wobei p_LED der Mittenabstand der LED-Segmente ist, und die „INT"-Funktion eine beliebige geeignete Funktion zum Ermitteln der nächsten ganzen Zahl von LED-Segmenten zwischen dem Schätzwert der ersten Kopiesubstratposition x_p1' und der ersten LED-Position x_s, sein kann. Nach dem Bestimmen des nächsten LED-Segments x_s2 wird das LED-Segment am Punkt xs₂ beleuchtet und die Schattenposition x_c02 von der linearen Sensoranordnung 712 gemessen. Ausgehend von dieser zweiten Messung wird ein neuer Schätzwert der Kantenposition des Kopiesubstrats x_P2' von einem Prozessor mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet:
Wenn der Fehler in der ersten Iteration den LED-Abstand p_LED überschreitet, ist es wahrscheinlich, dass eine weitere Iteration die Genauigkeit verbessert. Wenn der Fehler aus der ersten Messung klein genug ist, d. h. (x_P1' – x_s1) < 0,5 p_LED, kann die zweite Messung weggelassen werden.
Darüber hinaus können auch der zweite und dritte oben beschriebene Prozess adaptiv gestaltet werden, wobei die Information aus der ersten Berechnung der Kopiesubstrat- kante dazu verwendet wird, die LED für die zweite Messung auszuwählen. Dies gestattet die Auswahl einer zweiten LED, die näher an der tatsächlichen Kante des Kopiesubstrats angeordnet ist, wodurch ein höherer Störabstand entsteht und die Wahrscheinlichkeit geringer wird, dass die zweite Messung mit einer LED mit unzureichendem Leuchtbereich versucht wird. Die „Abschalt"- bzw. Schattenwerte aus den beiden aufeinander folgenden Messungen werden zum Berechnen der tatsächlichen Kantenposition des Kopiesubstrats verwendet. Nachfolgend werden die adaptiven Prozesse beschrieben.
Bei den nachstehend beschriebenen adaptiven Prozessen handelt es sich um Varianten des oben beschriebenen zweiten und dritten Prozesses. Bei diesen adaptiven Prozessen werden zwei LED-Segmente an den Punkten x_s1 und x_s2 nacheinander beleuchtet, allerdings wird die Information aus der LED an dem Punkt x_s, dazu verwendet, die zweite LED-Position mit einem der beiden Verfahren auszuwählen. Die konkreten Schritte sind folgende:
Es wird eine erste LED am Punkt x_s1 als Element ausgewählt, das sich am nächsten an der erwarteten Kantenposition des Kopiesubstrats befindet. Wesentlich ist dabei, dass der gesamte Bereich von Kopiesubstratpositionen innerhalb des Leuchtbereichs dieser ersten LED angeordnet ist. Als Nächstes wird die von der Kopiesubstratkante erzeugte Schattenposition x_co1 aufgezeichnet. Die zweite LED-Position wird mit einem der nachfolgenden beiden Verfahren ausgewählt.
Verfahren 1 wählt die zweite LED so aus, dass es eine festgelegte Nummer von Elementen N in derselben Richtung ist, in der sich auch die Kopiesubstratkante von der ersten LED befindet, d. h. x_s2 = x_s1 + N p_LED für x_co1 ⩾ x_s1 oder X_s2 = x_s1 – N p_LED für x_co1 < x_s1, wobei N eine positive Ganzzahl (ungleich Null) ist und typischerweise im Bereich von 1 bis 4 liegt, und p_LED der Elementabstand der LEDs ist. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die zweite LED auf derselben Seite von der Nominalposition befindet wie die Kopiesubstratkante, und ein besserer Störabstand der Messung in der Nähe der Schattenposition gewährleistet.
Als Alternative dazu wird bei Verfahren 2 der Abstand der Kopiesubstratkante von x_s, geschätzt und die Position der LED, die sich am nächsten an der Kopiesubstratkante befindet, für die zweite Messung ausgewählt. Der Abstand zwischen der geschätzten Position der Kopiesubstratkante und der ersten LED-Position x_p1' – x_s1 kann aus der ersten Messung ermittelt werden. Wenn man diese Entfernung durch den LED-Abstand dividiert und das Ergebnis auf die nächste Ganzzahl rundet, entsteht der beste Schätzwert der Stelle, an der, die zweite LED ausgewählt werden sollte. Die Position der zweiten LED sollte daher berechnet werden aus x_s2 = x_s1 + p_LED INT(((x_P1 – x_s1)/p_LED) + 0,5) genau wie im obigen Prozess 2 oder aus der äquivalenten mathematischen Form x_s2 = x_s1 + p_LED INT(((x_co1 – x_s1)(1 – h/d)))/p_LED) + 0,5, wobei die Nominalwerte von h und d verwendet werden können. Die INT-Funktion ist eine beliebige Funktion, die die Ganzzahl zu der Bruchzahl in diesem Argument bereitstellt. Wenn aus der INT-Funktion Null entsteht (d. h. die Kante des Kopiesubstrats befindet sich innerhalb von 0,5 p_LED von x_s1), dann muss x_s2 mit einem anderen Verfahren ausgewählt werden. Eine Möglichkeit des Herangehens besteht darin, das oben beschriebene erste Verfahren zum Einsatz zu bringen, wobei N = 1 oder 2 ist. Eine Weitere besteht darin, x_P direkt aus der ersten Messung zu berechnen und die zweite Messung zu ignorieren.
Nachdem das zweite LED-Segment mittels eines der oben beschriebenen Verfahren bestimmt worden ist, wird das zweite LED-Segment x_s2 beleuchtet und die Schattenposition x_co2 aufgezeichnet. Anschließend wird ein Schätzwert x_p der Kantenposition des Kopiesubstrats mit einem Prozessor oder einer Steuereinheit unter Verwendung der beiden Quellenpositionen x_s1 und x_s2 und der beiden Schattenpositionen x_co1, x_co2 wie folgt berechnet:
Der obige Schätzwert enthält einen Fehler, der durch die Bewegung der Kopiesubstrathöhe zwischen den Messungen von
hervorgerufen wird.
Wenn die folgenden Werte angenommen werden, führen die oben beschriebenen adaptiven Ansätze zu den Fehlerergebnissen, wie in 4 abgebildet:
x_s1 = 10,0 mm (erwartete Position des Kopiesubstrats und Mittelpunkt der ersten LED),
h = 4,7 mm (Höhe des Kopiesubstrats über dem Sensor), Δh = 1,5 mm (Veränderung der Höhe zwischen Sensor und Kopiesubstrat zwischen den einzelnen Messungen) und
p_LED = 2,54 mm (Abstand der LED-Anordnung).
4 zeigt den Fehler in der berechneten Kantenposition des Kopiesubstrats als Funktion der tatsächlichen Kantenposition des Kopiesubstrats. Darin sind die Ergebnisse für die feststehenden Δ_N = 1, 2 und 3 abgebildet (Verfahren 1) sowie die Ergebnisse für den Fall „adaptives Δ_N" (Verfahren 2). Bei dem adaptiven Fall Δ_N wird der Algorithmus auf ein feststehendes Δ_N = +2 zurückgesetzt, wenn der adaptive Algorithmus eine zweite LED-Position vorhersagt, die identisch ist mit der ersten.
Die Ergebnisse legen die Schlussfolgerung nahe, dass entweder der adaptive Δ_N-Algorithmus oder der Algorithmus Δ_N = +2 günstiger ist. Obwohl kleinere Fehler für feststehende Δ_N > 2 auftreten, sei angemerkt, dass während der zweiten Messung Kopiesubstratkanten nahe der erwarteten Position (10 mm in 4) von LED-Segmenten beleuchtet werden, die mehr als zwei LED-Abstände von der Kante entfernt sind. Dies liegt wahrscheinlich außerhalb des Erfassungsbereiches für die zweite Messung.
Um genaue Berechnungen in jedem der oben beschriebenen Prozesse zu gewährleisten, muss das System räumlich zwischen der linearen Lichtquelle und der linearen Sensoranordnung kalibriert werden. Diese notwendige räumliche Kalibrierung zwischen den LEDs und den Sensoranordnungen ergibt sich bei der bevorzugten Ausführungsform, da zur Korrektur der Parallaxe in der Berechnung der Kopiesubstratkante sowohl die Position des Schattens am Sensor als auch die Quellenposition, die den Schatten erzeugt, bekannt sein müssen. Diese Positionen müssen auf einer gemeinsamen Achse, vorzugsweise der Sensorachse, ausgedrückt werden, auf der beide in Pixeln von einem gemeinsamen Ursprung gemessen werden können. Im Idealfall können die separaten Baugruppen, die die beiden Anordnungen halten, so ausgelegt sein, dass eine zuverlässige mechanische Ausrichtung ohne Einstellungen im Anschluss an die Montage möglich werden, sodass die Position eines beliebigen LED-Quellenelementes in den Sensorkoordinaten bekannt ist und einen Fehler von weniger als 1,0 mm aufweist.
Wenn dies nicht praktikabel ist, kann man ein bekanntes LED-Segment aus der Messung seines Profils an der Sensoranordnung lokalisieren. Wenn beispielsweise die Grenzen des Lichtprofils einer LED an vier verschiedenen Schwellenwerten gemessen werden, kann der Durchschnitt dieser Grenzwerte zur Berechnung der Profilspitze verwendet werden, also der Position. des LED-Mittelpunkts. Dieses Verfahren hängt von der Symmetrie des LED-Beleuchtungsprofils und von der Ungleichmäßigkeit der Lichtreaktion der Sensoranordnung ab.
Wenn die obigen Verfahren nicht genau genug sind, kommt erfindungsgemäß ein drittes Verfahren unter Verwendung eines Kalibrierwerkzeugs 800, abgebildet in 5, zum Einsatz, um den Quellenabschnitt auf der Sensorachse zu lokalisieren. Es wird davon ausgegangen, dass das Werkzeug 800 einen Spalt der Breite Δ_x (bzw. zwei Schlitze mit dem Abstand Δ_x) nahe eines LED-Segments aufweisen, dessen Position zu ermitteln ist. Das Bestimmen der Position eines LED-Segments sowie die vorherige Kenntnis des periodischen Abstands zwischen den Elementen der LED-Anordnung reicht aus, um sämtliche Elemente der Quellenanordnung zu lokalisieren. Die Spaltkanten (bzw. Schlitze) müssen offensichtlich gleichzeitig innerhalb des Beleuchtungsbereiches des LED-Segmentes liegen.
Dieses dritte Kalibrierverfahren macht zwei separate Schattenmessungen erforderlich, jede an einer anderen Höhe des Spalts. Es sei angemerkt, dass zwei Messungen mit einer Spaltverschiebung parallel zur Sensorachse nicht das äquivalente Ergebnis hervorbringt, daher muss die Verschiebung eine Komponente aufweisen, die senkrecht zur Sensorachse verläuft.
In 5 sind die angenommenen Komponentenpositionen abgebildet. Die linke Kante xe und deren Schatten x_a1 stehen zu der Position der Quelle x_s1 zur Höhe der Kante h, und zum Sensor-LED-Abstand d im Verhältnis ((x_a – x_a1) / (x_s – x_a1)) = h₁/d. Aus dieser Beziehung ergibt sich x_e = x_a1 (1 – (h₁/d)) + (h₁*x₁)/d. Genauso ergibt die Kante (bzw. der Schlitz) an dem Punkt x_e + Δx mit einem Schatten an dem Punkt x_b1: x_e + Δx = x_a1 (1 – (h₁ /d)) + (h₁*x_s) /d.
Durch Subtraktion der beiden vorherigen Gleichungen entsteht eine dritte nützliche Beziehung für das Verhältnis h/d, (h₁/d) = 1 – (Δx/(x_b1 – x_a1)). Wenn das Ausrichtwerkzeug 800 auf eine neue Höhe h₂ = h, + Δh oberhalb der Sensoranordnung bewegt wird, wobei dieselben Kantenkoordinaten beibehalten werden, entsteht am Sensor ein zweiter Satz von Schatten x_a2, x_b2 Auf der neuen Höhe werden drei ähnliche Gleichungen erzeugt: x_e = x_a2 (1-(h₂/d)) + (h₂*x_s)/d; x_e + Δx = x_b1(1 – (h₂/d)) + (h₂*x_s) /d und (h₂/d) = 1 –(Δx/(x_b2 – x_a2)). Die obigen Gleichungen können gleichzeitig gelöst werden, indem x_e und die beiden Verhältnisse h/d eliminiert werden, woraus
entsteht.
Somit kann die Position des Quellenmittelpunkts auf der Sensorachse aus vier Schattenmessungen, zwei für jede Höhe, ermittelt werden.
Weiterhin kann es sich als nützlich erweisen, eine Funktion an der Sensoranordnung zu einer externen Gerätefunktion, wie z. B. dem Duplex-Papiertransportmechanismus, zu lokalisieren. Wenn das Kalibrierwerkzeug 800 die Kante des Schlitzes in einem bekannten Abstand zu einer externen Duplex-Transportfunktion lokalisiert, ermöglicht die Lösung der obigen Gleichungen für die Kantenposition x_e, dass der bekannte Abstand genau auf der Sensorachse lokalisiert werden kann.
Somit beträt unter Verwendung des Lösungswertes für x_s die Kantenposition in den Sensorkoordinaten
Es können verschiedene mechanische Lösungsansätze zur Herstellung eines Kalibrier-Werkzeuges 800 zum Einsatz kommen, um die obigen Bedingungen zu erfüllen. Ein Werkzeug, das aus einem länglichen, flachen Element besteht und einen Spalt bekannter Breite enthält, kann zwischen die LED- und die Sensoranordnung eingefügt werden, nachdem die Anordnungen an dem Duplex-Papiertransport angebracht wurden. Die Breite des Spalts sollte innerhalb des Beleuchtungsbereichs einer LED liegen. Das Werkzeug kann direkt auf eine neue Höhe angehoben werden, um die beiden zweiten Schatten zu erzeugen, oder aber es kann entfernt und auf einer neuen Höhe erneut eingesetzt werden. Es ist lediglich erforderlich, dass die Kantenposition x_e genau beibehalten wird.
Ebenso ist es möglich, ein einziges Kalibrierwerkzeug mit zwei Schlitzen auf verschiedenen Höhen zu verwenden. Die Schlitze sind in x-Richtung so voneinander getrennt, dass jeder unter eine andere LED fällt. Wenn die Schlitze um Δx_e (z. B. von einer linken Kante zur anderen linken Kante) voneinander getrennt, die LEDs um Δx_S voneinander getrennt und beide Abstände vorher festgelegt sind, können die Gleichungen für den zweiten Satz von Messungen abgewandelt werden, indem x_e durch x_e +Δx_B und x_s durch x_s+Δx_s ersetzt werden. Die gleichzeitige Lösung für die beiden Gleichungssätze führt anschließend zu ähnlichen Ergebnissen bei x_s und x_e, mit Ausnahme der Tatsache, dass es Korrekturterme gibt, die die ausgewählten Δx_s und Δx_e einschließen. Eine willkürliche Auswahl Δx_s = Δx_e vereinfach die Korrekturterme beträchtlich.
Die Präzision, mit der x_s berechnet werden kann, ist vor allem durch die Genauigkeit der Schattenmessungen am Sensor begrenzt. Die einzelnen Sensorpositionen bringen einen bestimmten Fehler mit sich, abhängig vom gewählten Δx, Δh, etc. In 6 ist ein einfaches Ergebnis bei angemessenen Werten von Werkzeugparametern abgebildet, d. h.:
h₁ = 2,0 mm (Höhe der ersten Messung),
h₂ = 6,0 mm (Höhe der zweiten Messung),
Δx = 9,0 mm (Spaltbreite),
d = 25,0 mm (Abstand Sensor-LED) und
x_e = 30,0 mm (Position der Spaltkante in den Sensorkoordinaten, anfangs unbekannt).
Es wird davon ausgegangen, dass im vorliegenden Beispiel der LED-Abstand 2,54 mm (0,1 Zoll) und der Sensorabstand 0,127 mm (1/200 Zoll) betragen. In der Darstellung aus 6 ist die berechnete Position der Quelle im Vergleich zu der tatsächlichen Position der Quelle abgebildet. Es sei angemerkt, dass bei Quellen nahe der Spaltkante (x_s ~ 30 mm) die Genauigkeit für x_s bei ~ ± 0,5 mm liegt. Die entsprechende Kantenposition x_e wird mit einer Genauigkeit berechnet, die besser ist als ± 0,1 mm.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein System bzw. einen Prozess zum elektronischen Auffinden der Kante eines Kopiesubstrats durch Messen von einem oder mehreren Schatten, die durch das Kreuzen des Kopiesubstrats mit einem Lichtweg zwischen einer linearen Lichtquellenanordnung und einer linearen Sensoranordnung erzeugt werden. Des Weiteren vetwendet die Erfindung ein Kalibrierwerkzeug und ein Verfahren zum Kalibrieren der Position der einzelnen Lichtquellen in der linearen Lichtquellenanordnung im Hinblick auf einzelne Sensorpositionen in der linearen Sensoranordnung.
Obwohl die Erfindung oben genau beschrieben worden ist, lassen sich verschiedene Abwandlungen vornehmen. So wurde beispielsweise die bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform im Hinblick auf ein allgemeines Drucksystem beschrieben, dennoch können diese Verfahren auch problemlos in einem analogen bzw. „Lichtlinsen"-Kopiersystem oder einem digitalen Druck- oder Kopiersystem zur Anwendung kommen.
Darüber hinaus kann das elektronische Kantenbestimmungssystem ohne weiteres an einem allgemeinen Computer, einem Personalcomputer oder einer Workstation implementiert werden. Ebenso kann das elektronische Kantenbestimmungssystem problemlos an einem ASIC oder in Software implementiert werden.
Wenngleich die Erfindung im Hinblick auf eine LED-Anordnung als lineare Lichtquelle beschrieben worden ist, so sei schließlich angeführt, dass die Erfindung ohne weiteres mit einer beliebigen linearen Lichtquelle ausgeführt werden kann, die segmentiert und deren Beleuchtung einzeln gesteuert werden kann.

Claims

Verfahren zum elektronischen Kalibrieren einer räumlichen Beziehung zwischen einer linearen Lichtquelle (700) und einer linearen Sensoranordnung (712), welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Einsetzen eines Kalibrierwerkzeugs (800) mit einem Spalt, der zwei Kanten aufweist, oder mit zwei Schlitzen zwischen die lineare Lichtquelle (700) und die lineare Sensoranordnung (712) auf einer ersten Höhe (h,) von der linearen Sensoranordnung (712), wobei die Spaltkanten bzw. die Schlitze um einen vorgegebenen Abstand Δx voneinander getrennt und weitgehend parallel zu der linearen Sensoranordnung (712) ausgerichtet sind, (b) Beleuchten eines Lichtsegments (701) der linearen Lichtquelle (700), wobei sich der vorgegebene Abstand Δx vollständig in dem Beleuchtungsbereich des Lichtsegments (701) befindet, (c) Messen jeder Kantenposition x_a1, x_b1 von Schatten, die von dem Spalt bzw. den Schlitzen erzeugt werden, die einen Lichtweg zwischen dem beleuchteten Lichtsegment (701) und der linearen Sensoranordnung (712) kreuzen, (d) Berechnen jeder Position x_e der Spaltkanten bzw. der Schlitze auf der Grundlage der gemessenen Schattenpositionen x_a1, x_b1 (e) Bewegen des Kalibrierwerkzeugs (800) auf eine Höhe (h₂) von der linearen Sensoranordnung (712), wobei die Position der Spaltkanten bzw. der Schlitze x_e auf der gesamten linearen Sensoranordnung (712) aufrechterhalten wird, (f) Beleuchten des Lichtsegments (701) der linearen Lichtquelle (700) , (g) Messen jeder Kantenposition x_a2, x_b ₂ von Schatten, die von dem Spalt bzw. den Schlitzen erzeugt werden, die einen Lichtweg zwischen dem beleuchteten Lichtsegment (701) und der linearen Sensoranordnung (712) kreuzen, (h) Berechnen jeder Position x_e der Spaltkanten bzw. der Schlitze auf der Grundlage der gemessenen Schattenpositionen x_a ₂, x_b ₂, (i) Berechnen eines Mittelpunktes x_s des beleuchteten Lichtsegments (701) auf der Grundlage der berechneten Kantenpositionen (x_a, x_a2, x_b1, x_b2) aus den Schritten (d) und (h), und (j) Ermitteln der Position x_e einer Spaltkante bzw. des ersten Schlitzes mit einer Sensorposition auf der Grundlage des berechneten Mittelpunktes x_s des beleuchteten Lichtsegments (701).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (i) eine Position des Mittelpunktes x_s des beleuchteten Lichtsegments (701) mit Hilfe der Formel xs = (xa1(xb2 – xa2)– xa2 (xb1 – xa1))/((xb2 – xa2) – (xb1 – xa1)) berechnet, wobei x_a1, die Position des gemessenen Schattens einer ersten Spaltkante oder des ersten Schlitzes auf der ersten Höhe (h,) ist, x_a2 die Position des gemessenen Schattens der ersten Spaltkante bzw. des ersten Schlitzes auf der zweiten Höhe (h₂) ist, x_b1 die Position des gemessenen Schattens einer zweiten Spaltkante bzw. eines zweiten Schlitzes auf der ersten Höhe (h,) ist und x_b2 die Position des gemessenen Schattens der zweiten Spaltkante bzw. des zweiten Schlitzes auf der zweiten Höhe (h₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei Schritt (j) eine Position x_e einer Spaltkante bzw. des ersten Schlitzes mit Hilfe der Formel xe = xs + (Δx/(xb1 – Xa1))*(Xa1 – xs) berechnet, wobei x_a1, die Position des gemessenen Schattens einer ersten Spaltkante bzw. des ersten Schlitzes auf der ersten Höhe (h,) ist, x_b1 die Position des gemessenen Schattens einer zweiten Spaltkante bzw. eines zweiten Schlitzes auf der ersten Höhe (h₁) ist und x_s die berechnete Position des beleuchteten Lichtsegments (701) ist.