DE19829974A1 - Vorrichtung zur Vorlagenabtastung - Google Patents

Vorrichtung zur Vorlagenabtastung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen, die aus einer Lichtquelle (3) zur Beleuchtung der abzutastenden Vorlage (1), einem optoelektronischen Wandler (9) zur Umwandlung des von der Vorlage (1) kommenden und mit dem Inhalt der Vorlage (1) modulierten Abtastlichts (4) in ein elektrisches Signal und aus einem Objektiv (8) und mindestens einem Spiegel im Strahlengang des Abtastlichts (4) zwischen Vorlage (1) und optoelektronischem Wandler (9) besteht. Zur Änderung des Abbildungsmaßstabes, mit dem die Vorlage (1) auf den optoelektronischen Wandler (9) abgebildet wird, und zur Fokussierung der Vorlage (1) auf den optoelektronischen Wandler (9) sind das Objektiv (5) und mindestens ein Spiegel (5, 14) entlang des Strahlenganges des Abtastlichts (4) verschiebbar angeordnet. Das Objektiv (8) und der Spiegel (5, 14) sind mittels eines Kopplungselements (10) derart miteinander starr gekoppelt, daß eine gemeinsame gleichzeitige und relativ zueinander äquidistante Verschiebung entlang des Strahlenganges des Abtastlichts (4) realisiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Reproduktionstech­ nik und betrifft eine Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen.
In einer Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen, nachfolgend Scanner genannt, ist die abzutastende Vorlage für den Fall, daß es sich um einen Flachbettscanner handelt, auf einem ebenen Vorla­ genträger angeordnet, die sich senkrecht zur Richtung der Abtastzeilen relativ zu einem Abtastorgan bewegt. Das Abtastorgan weist im wesentlichen eine Licht­ quelle zur zeilenweisen Beleuchtung der Vorlage, einen optoelektronischen Wandler, beispielsweise eine Fotodiodenzeile (CCD-Zeile), zur Umwandlung des von der Vorlage kommenden Abtastlichts in die Bildwerte sowie ein Abtastobjektiv zur Einstellung des Abbildungsmaßstabes bei Vorlagen unterschiedlicher Größe auf. Ein derartiger Scanner ist beispielsweise aus DE-A-195 34 334 bekannt.
Die Abtastfeinheit oder Abtastauflösung (Pixel/cm) in Richtung der Abtastzeilen ist von der Anzahl Sensorelemente der Fotodiodenzeile und von der jeweiligen Vor­ lagen breite in Richtung der Abtastzeilen abhängig. Die Abtastfeinheit in Richtung der Abtastzeilen läßt sich durch den Abbildungsmaßstab variieren, mit dem das Abtastobjektiv die jeweilige Vorlagenbreite auf die Fotodiodenzeile abbildet. Dabei wird die Einstellung des Abbildungsmaßstabes derart vorgenommen, daß die Vor­ lagen breite möglichst vollständig und mit optimaler Bildschärfe auf die Fotodi­ odenzeile abgebildet wird. Die Abtastfeinheit senkrecht zur Abtastzeilen wird durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Vorlage und Abtastorgan bestimmt.
Eine Änderung der Abtastfeinheit in Zeilenrichtung erfolgt bei herkömmlichen Scannern meistens durch Einstellung der Bildweite (Abstand zwischen Fotodi­ odenzeile und Abtastobjektiv) und der Gegenstandsweite (Abstand zwischen Ab­ tastobjektiv und Vorlage) nach der bekannten Abbildungsgleichung für Linsen, in­ dem das Abtastobjektiv mit einer festen Brennweite und/oder die Fotodiodenzeile verschoben wird oder Abtastobjektive mit unterschiedlichen Brennweiten in den Strahlengang eingeschwenkt werden.
Um dabei auch eine optimale Einstellung einer optimalen Bildschärfe zu errei­ chen, müssen aufgrund des nicht linearen Zusammenhanges zwischen der Bild­ weite und der Gegenstandsweite sowohl die Gegenstandsweite auch als die Bild­ weite geändert werden, denn nur bei Erfüllung der Abbildungsgleichung ist eine optimale Bildschärfe garantiert. Die stufenlose Verschiebung der einzelnen opti­ schen Komponenten gegenüber der meistens ortsfesten Vorlage erfolgt in der Regel mittels unabhängiger mechanischer Verstelleinrichtungen in Form von Schlitten oder Wagen, die, um genaue Einstellungen zu gewährleisten, aufwendig und teuer sind und den Preis der Scanner erhöhen.
Bei preiswerten Scannern wird aus diesem Grunde oft auf eine variable Einstel­ lung des Abbildungsmaßstabes verzichtet, so daß bei Abtastung von kleinen Vor­ lagen die Abtastqualität durch eine nur teilweise Ausnutzung der möglichen Auflö­ sung der Fotodiodenzeile verschlechtert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen derart zu verbessern, daß auch bei einem geringen gerätetechnischen Aufwand eine Veränderung des Abbbildungsmaßstabes möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Strahlengang in einem Scanner, in dem zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe im Verhältnis 1 : 2 einge­ stellt werden können, in einer schematische Darstellung,
Fig. 2 die optische Abbildungsgleichung für Linsen in einer grafischen Darstellung und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für den Strahlengang in einem Scanner, in dem zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe im Verhältnis 1 : 3 einge­ stellt werden können, in einer schematische Darstellung.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel für den Strahlengang in einem Scanner, in dem zwei unterschiedliche Abbildungs­ maßstäbe im Verhältnis 1 : 2 eingestellt werden können.
Der Scanner möge als Schwarz/Weiß-Scanner vom Flachbett-Typ zur Abtastung von Durchsichtsvorlagen ausgebildet sein.
In dem Scanner befindet sich eine abzutastende transparente Vorlage (1) auf ei­ nem ortsfesten Vorlagenträger (2). Die Vorlage (1) wird von einer Lichtquelle (3) zeilenweise beleuchtet. Das mit dem Bildinhalt der Vorlage (1) modulierte und durch die Vorlage (1) transmittierte Abtastlicht (4) wird durch drei Spiegel (5, 6, 7) mehrfach umgelenkt und fällt dann durch ein Abtastobjektiv (8) mit fester Brenn­ weite f auf einen optoelektronischen Wandler (9), der beispielsweise als Fotodi­ odenzeile (CCD-Zeile) ausgebildet ist.
Der eingangsseitige erste Spiegel (5) und das Abtastobjektiv (8) sind starr mitein­ ander gekoppelt und gemeinsam auf einem Optikwagen (10) oder Optikschlitten als Kopplungselement montiert, das im ersten Ausführungsbeispiel parallel zur Ebene des Vorlagenträgers (2) mittels einer Führung (10') verschiebbar gelagert ist. Der zweite und dritte Spiegel (6, 7) sind ortsfest montiert. Jeder Spiegel (5, 6, 7) ist mit einem Winkel von 45° zur jeweiligen Einfallsrichtung des Abtastlichts (4) ausgerichtet, so daß an jedem Spiegel (5, 6, 7) eine Umlenkung des Abtastlichts (4) um 90° erfolgt.
Durch die gewählte Positionierung der drei Spiegel (5, 6, 7) wird erreicht, daß das Abtastlicht (4) im Bereich zwischen dem ersten Spiegel (5) und dem zweiten Spie­ gel (6) sowie im Bereich zwischen dem driften Spiegel (7) und dem Abtastobjektiv (8) parallel zueinander verläuft, wobei die Richtung des von der Vorlage (1) kom­ mende Abtastlicht (4) mit der Richtung des auf den optoelektronischen Wandler (9) fallenden Abtastlichts einen Winkel von 90° einschließt.
Durch die Verschiebung des Optikwagens (10) parallel zum Vorlagenträger (2) wird somit die Länge des Strahlenganges des Abtastlichts (4) zwischen dem Ab­ tastobjektiv (8) und dem ersten Spiegel (5) in einem doppelten Ausmaß wie der Abstand zwischen dem optoelektronischen Wandler (9) und dem Abtastobjektiv (8) verändert, wodurch zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe im Verhältnis 1 : 2 bei optimaler Bildschärfe eingestellt werden können. Dadurch lassen sich bei­ spielsweise Diapositive mit zwei unterschiedlichen Standardformaten mit optimaler Abtastauflösung und Bildschärfe abtasten.
Fig. 2 zeigt in einer grafischen Darstellung die optische Abbildungsgleichung für ein Objektiv als Kurvenschar mit der Brennweite f des Objektivs als Parameter in einem Koordinatensystem. Die Abbildungsgleichung, welche den funktionsmäßi­ gen Zusammenhang zwischen der Gegenstandsweite G und der Bildweite B wie­ dergibt, lautet:
1/G + 1/B = 1/f
mit
G = Gegenstandsweite (Abstand zwischen Vorlage und Abtastobjektiv),
B = Bildweite (Abstand zwischen Abtastobjektiv und Wandler) und
f = Brennweite des Objektivs.
Wird die Abbildungsgleichung unter Einführung des Abbildungsmaßstabes β je­ weils nach G und B aufgelöst, ergeben sich folgende Gleichungen
G = f (1 + 1/β) und
B = f (1 + β).
Mit der Brennweite f des Objektivs als Parameter ist erkennbar, daß zu jeder Bildweite B bzw. zu jeder Gegenstandsweite G ein eindeutiger Abbildungsmaß­ stab 13 gehört. Die obigen Gleichungen können nochmals wie folgt umgewandelt werden:
B = fG/(G - f) und
G = fB/(B - f).
In dem optisch interessierenden Bereich liegt somit ein hyperbelartiger Kurven­ verlauf vor. Wird dem hyperbelartigen Kurvenverlauf ein linearer Zusammenhang zwischen der Gegenstandsweite G und der Bildweite B überlagert, der in Fig. 2 als gestrichelte Einstellgerade (11) eingezeichnet ist, ergeben sich bei einem aus­ reichenden Abstand der Einstellgeraden (11) vom Ursprung des Koordinatensy­ stems zwei Schnittpunkte (12, 13) mit dem hyperbelartigen Kurvenverlauf. Im Be­ reich der beiden Schnittpunkte (12, 13) ist jeweils eine scharfe Abbildung der Vorlage (1) auf dem optoelektronischen Wandler (8) gewährleistet, wobei jedem Schnittpunkt (12, 13) ein unterschiedlicher Abbildungsmaßstab β zugeordnet ist. Durch Verschieben des Optikwagens (10) auf zwei definierte Positionen derart, daß entweder eine erste Position entsprechend dem einen Schnittpunkt (12) oder eine zweite Position entsprechend dem anderen Schnittpunkt (13) erfolgt, können somit zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe β bei optimaler Bildschärfe rea­ lisiert werden. Die Lage der Schnittpunkte (12, 13) läßt sich durch die Steigung der Einstellgeraden (11) sowie durch den Abstand der Einstellgeraden (11) zum Ursprung des Koordinatensystems festlegen.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für den Strahlengang in einem Scan­ ner, in dem zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe im Verhältnis 1 : 3 einge­ stellt werden können, in einer schematische Darstellung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem Strahlengang des Abtastlichts (4) ein vierter Spiegel (14) angeordnet, der gemeinsam mit dem Abtastobjektiv (8) und dem ersten Spiegel (5) auf dem Optikwagen (10) montiert ist. Der Optikwagen (10) ist bei diesem Ausführungsbeispiel mittels der Führung (10') senkrecht zur Ebene des Vorlagenträgers (2) verschiebbar gelagert.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind alle Spiegel (5, 6, 7, 14) in einem Win­ kel von 45° zur jeweiligen Einfallsrichtung des Abtastlichts (4) ausgerichtet. Da­ durch wird erreicht, daß der Strahlengang des Abtastlichts (4) zwischen der Vor­ lage (1) und dem ersten Spiegel (2), zwischen dem zweiten Spiegel (11) und dem driften Spiegel (3) sowie zwischen dem vierten Spiegel (14) und dem Abtastobjek­ tiv (8) jeweils parallel zueinander verläuft, wobei die Richtung des von der Vorlage (1) kommende Abtastlicht (4) mit der Richtung des auf den optoelektronischen Wandler (9) fallenden Abtastlichts (4) übereinstimmt.
Durch die gewählte Orientierung der Spiegel (5, 6, 7, 14) wird erreicht, daß sich die Länge des Strahlenganges des Abtastlichts (4) zwischen dem Abtastobjektiv (8) und der Vorlage (1) dreimal so stark verändert wie der Abstand zwischen dem Abtastobjektiv (8) und dem optoelektronischen Wandler (9).
Zur weiteren Veranschaulichung der optischen Zusammenhänge sollen im folgen­ den zwei Beispiele betrachtet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 soll angenommen werden, daß bei dem realisierten Verhältnis von Bildweite B zu Gegenstandsweite G von 1 : 2 das Abtastobjektiv (8) eine Brennweite von f = 100 mm haben möge. Es ergeben sich dabei die Abbildungsmaßstäbe β1 = 0,5 und β2 = 1. Hierzu korrespondieren bei einer angenommenen Länge der Fotodiodenzeile von 72 mm Vorlagenbreiten von 144 mm und 72 mm. Eine typische Anwendung für diese Ausführungsform wäre zum Beispiel die Abtastung von Vorlagen im Format von 10 cm × 13 cm oder von 6 cm × 7 cm.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 soll angenommen werden, daß bei dem realisierten Verhältnis von Bildweite B zu Gegenstandsweite G von 1 : 3 das Abtastobjektiv (8) eine Brennweite von f = 120 mm haben möge. In diesem Fall er­ geben sich die Abbildungsmaßstäbe β1 = 0,25 und β2 = 1,33. Bei einer Fotodi­ odenzeile mit einer Länge von wiederum 72 mm ergeben sich hierbei Vorlagen­ breite von 288 mm oder 54 mm.
Bei einer von den in den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen abwei­ chenden Orientierungen der Spiegel (5, 6, 7, 14) im Strahlengang des Abtastlichts (4), beispielsweise derart, daß Bereiche des Strahlenganges des Abtastlichts (4) nicht parallel zueinander angeordnet sind, lassen sich grundsätzlich auch unge­ radzahlige Verhältnisse zwischen Bildweite B und Gegenstandsweite G erreichen. Die jeweilige Orientierung der Spiegel (5, 6, 7, 14) kann auf einfache Weise ent­ sprechend den zu realisierenden Anwendungsanforderungen gewählt werden.
Die Erfindung ist nicht auf einen Schwarz/Weiß-Scanner oder auf die Abtastung von Durchsichtsvorlagen beschränkt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Scanner als Farbscanner oder zur Abtastung von Aufsichtsvorlagen auszubilden.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen, bestehend aus
  • - einer Lichtquelle (3) zur Beleuchtung der abzutastenden Vorlage (1),
  • - einem optoelektronischen Wandler (9) zur Umwandlung des von der Vorla­ ge (1) kommenden und mit dem Inhalt der Vorlage (1) modulierten Ab­ tastlichts (4) in ein elektrisches Signal und
  • - einem Objektiv (8) und mindestens einem Spiegel im Strahlengang des Abtastlichts (4) zwischen Vorlage (1) und optoelektronischem Wandler (9), dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Abbildungsmaßstabes, mit dem die Vorlage (1) auf den optoelektronischen Wandler (9) abgebildet wird, und zur Fokussierung der Vorlage (1) auf den optoelektronischen Wandler (9)
  • - das Objektiv (5) und mindestens ein Spiegel (5,14) entlang des Strahlen­ ganges des Abtastlichts (4) verschiebbar angeordnet sind und
  • - Objektiv (8) und Spiegel (5,14) mittels eines Kopplungselements (10) derart miteinander starr gekoppelt sind, daß eine gemeinsame gleichzeitige und relativ zueinander äquidistante Verschiebung entlang des Strahlenganges des Abtastlichts (4) realisiert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Spiegel (5, 6, 7) im Strahlengang des Abtastlichts (4) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (5, 6, 7) relativ zur Richtung des Strahlenganges des Abtastlichts (4) derart ausgerichtet sind, daß das Abtastlicht (4) in mindestens zwei Bereiche des Strahlenganges parallel verläuft.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • - das Objektiv (8) durch das Kopplungselement (10) mit einem Spiegel (5) starr verbunden ist und
  • - das Kopplungselement (10) parallel zur Ebene der Vorlage (1) verschiebbar gelagert ist (Fig. 1).
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • - das Objektiv (8) durch das Kopplungselement (10) mit zwei Spiegeln (5, 14) starr verbunden ist und
  • - das Kopplungselement (10) senkrecht zur Ebene der Vorlage (1) verschieb­ bar gelagert ist (Fig. 3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Kopplungselement (10) verbundenen Spiegel (5, 14) jeweils eine das Ab­ tastlicht (4) um 90° umlenkende Orientierung aufweisen.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spiegel (5, 6, 8) im Strahlengang des Abtastlichts (4) derart orientiert sind, daß das Abtastlicht (4) im Bereich der Vorlage (1) eine um 90° gedrehte Orientierung als im Bereich des optoelektronischen Wandlers (9) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (5, 6, 14) im Strahlengang des Abtastlichts (4) derart orientiert sind, daß das Abtastlicht (4) im Bereich der Vorlage (1) die gleiche Orientie­ rung wie im Bereich des optoelektronischen Wandlers (9) aufweist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Koppelungselement (10) auf zwei definierte Positionen ver­ schiebbar angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verschie­ bung des Kopplungselements (10) in den Bereich der zwei definierten Positio­ nen die Vorlage (1) jeweils mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben und optimaler Bildschärfe auf den optoelektronischen Wandler (9) abgebildet wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden definierten Positionen des Kopplungselements (10) ein Verhältnis der Bild­ weite B zur Gegenstandsweite G von 1 : 2 realisiert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden definierten Positionen des Kopplungselements (10) ein Verhältnis der Bild­ weite B zur Gegenstandsweite G von 1 : 3 realisiert ist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung als Flachbettscanner ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler (9) eine Fotodiodenzeile (CCD-Zeile) ist.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kopplungselement (10) als Optikwagen oder Optik­ schlitten ausgebildet ist, der mittels Führungen (10') verschiebbar ist.
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