DE19829974C2 - Vorrichtung zur Vorlagenabtastung - Google Patents

Vorrichtung zur Vorlagenabtastung

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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 195 34 334 A bekannt.
Die Abtastfeinheit oder Abtastauflösung (Pixel/cm) in Richtung der Abtastzeilen ist von der Anzahl Sensorelemente der Fotodiodenzeile und von der jeweiligen Vor­ lagenbreite 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 lagenbreite möglichst vollständig und mit optimaler Bildschärfe auf die Foto­ diodenzeile 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 Foto­ diodenzeile und Abtastobjektiv) und der Gegenstandsweite (Abstand zwischen Abtastobjektiv und Vorlage) nach der bekannten Abbildungsgleichung für Linsen, indem 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 als auch 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.
Ein solcher Scanner ist aus der JP 5-56217 A bekannt, bei dem ein Objektiv und ein Spiegel auf einem gemeinsamen Kopplungselement angeordnet sind. Zur Einstellung unterschiedlicher Abbildungsmaßstäbe ist das Kopplungselement mit Objektiv und Spiegel parallel zur abzutastenden Vorlage auf definierte axiale Po­ sitionen verschiebbar. In den axialen Positionen des Kopplungselements sind am Transport des Abtastlichts von der Vorlage zu einem optoelektronischen Abtastor­ gan jeweils andere und/oder zusätzliche Spiegel beteiligt, so daß sich in den ein­ zelnen axialen Positionen unterschiedliche Strahlengänge ergeben, die in nachtei­ liger Weise die Abtastqualität mindern können.
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 unter Beibehaltung einer guten Abtastqualität möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen 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 dritten 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 β 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 dritten 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 (7)

1. Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen, bestehend aus
  • - einer Lichtquelle (3) zur Beleuchtung einer abzutastenden Vorlage (1),
  • - einem optoelektronischen Wandler (9) zur Umwandlung des mit dem Inhalt der Vorlage (1) modulierten Abtastlichts (4) in ein elektrisches Signal,
  • - einem Objektiv (8) und Spiegeln (5, 6, 7) im Strahlengang des Abtastlichts (4) zwischen Vorlage (1) und optoelektronischem Wandler (9),
  • - einem verschiebbar gelagerten Kopplungselement (10) zur starren Verbin­ dung des Objektivs (8) mit mindestens einem der Spiegel zur gemeinsamen gleichzeitigen und relativ zueinander äquidistanten Verschiebung, wobei
  • - die Spiegel (5, 6, 7) relativ zur Richtung des Strahlenganges des Ab­ tastlichts (4) derart ausgerichtet sind, daß das Abtastlicht (4) in mindestens zwei Bereiche des Strahlenganges parallel verläuft und
  • - das Kopplungselement (10) zur Einstellung von unterschiedlichen Abbil­ dungsmaßstäben, mit denen die Vorlage (1) auf den optoelektronischen Wandler (9) abgebildet wird, auf definierte Positionen verschiebbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß
  • - das Kopplungselement (10) das Objektiv (8) und einen der Spiegel (5) trägt,
  • - zwei ortsfeste Umlenkspiegel (6, 7) vorgesehen sind,
  • - das Kopplungselement (10) zur Einstellung von zwei Abbildungsmaßstäben parallel zur Vorlage (1) auf zwei definierte Positionen verschiebbar ist,
  • - das Objektiv (8) und die Spiegel (5, 6, 7) derart zueinander angeordnet sind, daß
  • - das Abtastlicht (4) im Bereich des optoelektronischen Wandlers (9) eine um 90° gedrehte Orientierung als im Bereich der Vorlage (1) aufweist,
  • - das von der Vorlage (1) kommende Abtastlicht (4) in beiden Positionen des Kopplungselement (10) direkt auf den Spiegel (5) des Kopplungselements (10) fällt und
  • - das von dem Spiegel (5) des Kopplungselement (10) reflektierte Abtastlicht (4) mittels der Umlenkspiegel (6, 7) in beiden Positionen des Kopplungselements (10) direkt durch das Objektiv (8) auf den optoelektronischen Wandler (9) gelenkt wird, wodurch in beiden Positionen des Kopplungselements (10) alle Spiegel (5, 6, 7) am Transport des Abtastlichts (4) zwischen Vorlage (1) und optolektronischem Wandler (9) beteiligt sind und der Strahlengang des Abtastlichts (4) erhalten bleibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Posi­ tionen des Kopplungselements (10) ein Verhältnis der Bildweite B zur Gegen­ standsweite G von 1 : 2 realisiert ist.
3. Vorrichtung zur pixel- und zeilenweisen optoelektronischen Abtastung von Vorlagen, bestehend aus
  • - einer Lichtquelle (3) zur Beleuchtung einer abzutastenden Vorlage (1),
  • - einem optoelektronischen Wandler (9) zur Umwandlung des mit dem Inhalt der Vorlage (1) modulierten Abtastlichts (4) in ein elektrisches Signal,
  • - einem Objektiv (8) und Spiegeln (5, 6, 7, 14) im Strahlengang des Ab­ tastlichts (4) zwischen Vorlage (1) und optoelektronischem Wandler (9),
  • - einem verschiebbar gelagerten Kopplungselement (10) zur starren Verbin­ dung des Objektivs (8) mit mindestens einem der Spiegel zur gemeinsamen gleichzeitigen und relativ zueinander äquidistanten Verschiebung, wobei
  • - die Spiegel (5, 6, 7, 14) relativ zur Richtung des Strahlenganges des Ab­ tastlichts (4) derart ausgerichtet sind, daß das Abtastlicht (4) in mindestens zwei Bereiche des Strahlenganges parallel verläuft und
  • - das Kopplungselement (10) zur Einstellung von unterschiedlichen Abbil­ dungsmaßstäben, mit denen die Vorlage (1) auf den optoelektronischen Wandler (9) abgebildet wird, auf definierte Positionen verschiebbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß
  • - das Kopplungselement (10) das Objektiv (8) und zwei Spiegel (5, 14) trägt, die jeweils eine das Abtastlicht (4) um 90° umlenkende Orientierung aufwei­ sen,
  • - zwei ortsfeste Umlenkspiegel (6, 7) vorgesehen sind,
  • - das Kopplungselement (10) zur Einstellung von zwei Abbildungsmaßstäben senkrecht zur Vorlage (1) auf zwei definierte Positionen verschiebbar ist,
  • - das Objektiv (8) und die Spiegel (5, 6, 7, 14) derart zueinander angeordnet sind, daß
  • - das Abtastlicht (4) im Bereich des optoelektronischen Wandlers (9) die glei­ che Orientierung wie im Bereich der Vorlage (5) aufweist,
  • - das von der Vorlage (1) kommende Abtastlicht (4) in beiden Positionen des Kopplungselement (10) direkt auf den einen Spiegel (5) des Kopplungsele­ lements (10) fällt und auf den anderen Spiegel (14) des Kopplungselements (10) gelenkt wird,
  • - das von dem anderen Spiegel (14) des Kopplungselements (10) reflektierte Abtastlicht (4) mittels der Umlenkspiegel (6, 7) in beiden Positionen des Kopplungselements (10) direkt durch das Objektiv (8) auf den optoelektroni­ schen Wandler (9) gelenkt wird, wodurch in beiden Positionen des Kopplungselements (10) alle Spiegel (5, 6, 7, 14) am Transport des Abtastlichts (4) zwischen Vorlage (1) und optolektroni­ schem Wandler (9) beteiligt sind und der Strahlengang des Abtastlichts (4) erhalten bleibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, 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.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung als Flachbettscanner ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der optoelektronische Wandler (9) eine Fotodiodenzeile (CCD- Zeile) ist.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kopplungselement (10) als Optikwagen oder Optikschlitten ausgebildet ist, der mittels Führungen (10') verschiebbar ist.
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