DE19813714A1

DE19813714A1 - Optischer Scanner mit veränderlicher Vergrößerung

Info

Publication number: DE19813714A1
Application number: DE19813714A
Authority: DE
Inventors: Jinn-Chou Yoo; Chun-Ming Chang; Han-Ping Shieh; Der-Rong Hsu
Original assignee: Acer Peripherals Inc
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: JP3118563B2; US6124952A; JPH1175018A; DE19813714B4; TW421283U

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Scanner und insbesondere einen optischen Scanner mit veränderlicher Vergrößerung, der eine zweistufige, mehrstufige oder stufenlose Vergrößerung zur Verfügung stellt.

Mit dem Fortschreiten der Informationstechnologie wird auch die Nachfrage nach Multimediainformationen immer grö ßer. Es werden nun in Dokumenten, die früher reine Text dokumente waren, auch Bilder eingefügt. Zur Aufnahme der großen Bilddatenmengen verwendet man allgemein einen Bild aufnehmer als Dateneingabevorrichtung. Aufgrund seiner Leistung und seines Preises ist der optische Scanner in letzter Zeit zum bevorzugten Bildaufnehmer geworden. Die Abtastqualität des optischen Scanners unterliegt jedoch einigen Beschränkungen. Die Auflösung, die zuerst gefordert wird, wenn man einen optischen Scanner in Betracht zieht, ist durch einen Bilddetektor im Scanner bestimmt. Der Bild detektor ist im allgemeinen ein Ladungsspeicherelement (CCD, CCD = Charge-Coupled Device).

Wird die Objektoberfläche in einem bestimmten Bereich abgetastet, so ist zum Erfüllen der Auflösungsanforderung eine CCD-Vorrichtung mit einer ausreichenden Pixelanzahl erforderlich. Für eine höhere Abtastauflösung sind somit mehr CCD-Pixel erforderlich. Mehr CCD-Pixel sind jedoch teuer und erfordern eine längere Abtastzeit. Die Auflösung ist auch durch das Verändern der Vergrößerung zu ver bessern. Dabei bleibt die Abtastzeit unverändert, der ab getastete Bereich verringert sich jedoch, d. h., die Objektoberfläche wird kleiner. Daher verändert man mit Rücksicht auf die Kosten in den meisten herkömmlichen Systemen die Vergrößerung, will man die Auflösung von bei spielsweise 600 dpi auf 1200 dpi verbessern.

Die Vergrößerung erfolgt in einem herkömmlichen optischen System im allgemeinen mit einer Zoomlinse. Eine Zoomlinse ist schwierig zu entwerfen und hat einen sehr komplizierten Aufbau. Man kann daher die Vergrößerung eines optischen Systems nur schwierig mit einer Zoomlinse zu ver ändern; auch werden dadurch die Herstellungskosten erhöht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige und qualitative hochwertige Lösung für dieses Problem bereit zustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine technische Lehre nach Anspruch l. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsge mäßen Scannersystems sind in den Unteransprüchen beschrie ben. Die erfindungsgemäße Lehre umfaßt auch das Verfahren, wie in einem Scanner oder anderen optischen Abtastsystem eine veränderliche Vergrößerung bereitgestellt werden kann.

Die Erfindung stellt ein optisches Scannersystem be reit, bei dem die Systembrennweite unverändert bleibt, zum Wechseln der Vergrößerung die Objektentfernung und die Bildentfernung aber verändert werden. Dadurch ändert sich auch die Auflösung.

In der Erfindung verändert man zum Wechseln der Ver größerung des optischen Scannersystems den optischen Weg zwischen einem abgetasteten Objekt und einer Objektlinse und zwischen der Objektlinse und einer CCD-Vorrichtung. Dadurch ändert sich die Auflösung. Das wesentliche Konzept der Erfindung ist in einem optischen Scannersystem verwend bar, dessen Vergrößerung zweistufig, mehrstufig oder stufenlos veränderbar ist.

Das Prinzip der Erfindung wird nun anhand von Fig. 1 erklärt. In Fig. 1 hat eine Linse (oder eine Linsenanord nung) 1 eine Brennweite f', eine Objektentfernung l und eine Bildentfernung l'. In einer Optik erster Ordnung, d. h. in einer Gaußschen Dioptrik, gilt

Setzt man

so erhält man

Daher ergibt sich:

l' = f'(1-M), (1)

und

Differenziert man die Gleichungen (1), (2) und (3) nach M, so erhält man:

und

Die Gleichungen zeigen, daß man bei fester Brennweite f' der Linse 1 den Wert M durch Abwandeln von l und l' all mählich verändern kann. Damit erfüllt man die Aufgaben der Erfindung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:

Fig. 1 eine zeichnerische Darstellung eines einfachen bildgebenden Systems;

Fig. 2A eine zeichnerische Darstellung der Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2B eine zeichnerische Darstellung der Anordnung der bevorzugten Ausführungsform beim Verändern der Auflösung;

Fig. 3 eine zeichnerische Darstellung der Anordnung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4A den Zusammenhang zwischen der Auflösung und der Objektentfernung;

Fig. 4B den Zusammenhang zwischen der Auflösung und der Gesamtentfernung;

Fig. 4C den Zusammenhang zwischen der Auflösung und dem Aperturwinkel; und

Fig. 4D den Zusammenhang zwischen der Auflösung und der relativen Helligkeit.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.

Sie umfaßt eine Lichtquelle 10, die das Licht zum Abtasten einer Objektoberfläche 5 liefert, eine Objektlinse 15 zum Erzeugen eines Bilds aus Strahlen, die die Objektoberfläche 5 reflektiert, einen Bilddetektor 20, der eine CCD-Vorrich tung ist und das Bild aufnimmt, das die Objektlinse 15 darauf projiziert, einen Halter 25 zum Tragen der Objekt linse 15, einen optischen Verzögerungspfad 30 und einen Antrieb 35. Den optischen Verzögerungspfad 30 kann man mittig im Lichtweg zwischen der Lichtquelle 10 und der Ob jektlinse 15 anordnen; dadurch wird der Lichtweg zwischen der Objektoberfläche 5 und der Objektlinse 15 verändert. Begleitend zur Bewegung der Objektlinse 15 sind die Abmes sungen des Bilds veränderbar, die auf den Bilddetektor projiziert werden. Dadurch ändert sich die Auflösung. Der Antrieb 35 verbindet den Halter 25 und den optischen Ver zögerungspfad 30. Da der Antrieb 35 die Bewegungen des Halters 25 und des optischen Verzögerungspfads 30 steuert, kann der optische Pfad von der Objektoberfläche 5 zur Objektlinse 15 und der Pfad von der Objektlinse 15 zum Bilddetektor 20 gleichzeitig verändert werden.

Der Scanner in dieser Ausführungsform bietet die Mög lichkeit, Bilder mit zwei Auflösungen abzutasten, beispielsweise mit 600 dpi und 1200 dpi. D.h., die Ausführungsform ist die Anwendung eines Scanners mit zweistufiger Änderung der Vergrößerung. Es wird nun Bezug auf Fig. 2A genommen. Dort ist der optische Verzögerungspfad 30 aus dem Lichtweg entfernt. Die Objektlinse 15 befindet sich in einer vorbestimmten Stellung, und die Scannerauflösung beträgt 1200 dpi. In Fig. 2B bewegt der Antrieb 35 den optischen Verzögerungs pfad 30 in die Mitte des Lichtwegs und die Objektlinse 15 hin zum Bilddetektor 20 in eine weitere vorbestimmte Po sition. Der optische Pfad von der Objektoberfläche 5 zur Objektlinse 15 wird stark verlängert, und die Scan nerauflösung dadurch von 1200 dpi auf 600 dpi umgeschaltet. Da der Antrieb 35 den optischen Verzögerungspfad 30 und die Objektlinse 15 nur zwischen zwei vorbestimmten Stellungen bewegt, kann er aus einem Schrittmotor mit gewissen mechanischen Bauteilen oder einfach aus einigen mecha nischen Teilen bestehen. Da Fachleuten der Aufbau des An triebs bekannt ist, wird er nicht beschrieben.

Der optische Verzögerungspfad 30 der Ausführungsform enthält drei reflektierende Linsen 31, 32 und 33. Ordnet man den optischen Verzögerungspfad 30 mittig im Lichtweg an, siehe Fig. 2A und 2B, so wird ein längerer optischer Pfad bereitgestellt. Die reflektierende Linse 6 ist zum Ändern der Richtung des Lichtwegs bereitgestellt.

Obgleich der Scanner mit zweistufiger Vergrößerungsän derung in der Ausführungsform die Objektlinse und den opti schen Verzögerungspfad zwischen zwei vorbestimmten Stel lungen verändert, genügen der optische Pfad von der Objekt oberfläche 5 zur Objektlinse 15 und der Pfad von der Ob jektlinse 15 zum Bilddetektor 20 nach wie vor den folgenden Gleichungen, damit das Bild korrekt auf den Bilddetektor 20 abgebildet wird:

l' = f'(1-M), (1)

und

Dabei bezeichnet T den Gesamtabstand von der Objektoberflä che zum Bilddetektor, die Objektentfernung 1 ist der opti sche Pfad zwischen der Objektoberfläche und der Objekt linse, der Bildabstand l' ist der optische Pfad von der Objektlinse zum Bilddetektor, f' ist die Brennweite und M das Vergrößerungsverhältnis.

In der Ausführungsform kann die Linse 15 ein Lin sensatz sein, der eine konstante Brennweite von ungefähr 43,9 mm hat. Für einen Scanner mit Auflösungsumschaltung zwischen 600 dpi und 1200 dpi hat sie die folgenden Eigen schaften:

Es wird nun Bezug auf Fig. 3 genommen. Eine zweite Aus führungsform der Erfindung enthält eine Lichtquelle 10, die das Licht zum Abtasten einer Objektoberfläche 5 liefert, eine Objektlinse 15 zum Erzeugen eines Bilds aus Strahlen, die die Objektoberfläche 5 reflektiert, einen Bilddetektor 20, der das Bild aufnimmt, das die Objektlinse 15 darauf projiziert, einen Halter 25 zum Tragen der Objektlinse 15, einen optischen Verzögerungspfad 40 und einen Antrieb 36. Der optische Verzögerungspfad 40 ist mittig im Lichtweg zwischen der Lichtquelle 10 und der Objektlinse 15 angeordnet; dadurch wird der Lichtweg zwischen der Objekt oberfläche 5 und der Objektlinse 15 verändert. Begleitend zur Bewegung der Objektlinse 15 sind die Abmessungen des Bilds veränderbar, die auf den Bilddetektor projiziert werden. Dadurch ändert sich die Auflösung. Der Antrieb 36 verbindet den Halter 25 und den optischen Verzögerungspfad 40. Da der Antrieb 36 die Bewegungen des Halters 25 und des optischen Verzögerungspfads 40 steuert, kann der optische Pfad von der Objektoberfläche 5 zur Objektlinse 15 und der Pfad von der Objektlinse 15 zum Bilddetektor 20 gleichzei tig gemäß den Gleichungen (1), (2) und (3) verändert werden.

Der Scanner in dieser Ausführungsform kann den Abtast vorgang in aufeinanderfolgend geänderten Auflösungen aus führen. Der Antrieb enthält einen Motor, Getriebe und Füh rungsrohre, die Fachleuten bekannt sind. Da der optische Pfad zwischen der Objektlinse 15 und dem Bilddetektor 20 durch die Bewegung der Objektlinse 15 bestimmt ist und der optische Pfad zwischen der Objektoberfläche und der Objekt linse durch die Bewegung des optischen Verzögerungspfads bestimmt ist, muß man das Führungsrohr so entwerfen, daß die Bewegungen der Objektlinse 15 und des optischen Verzö gerungspfads den folgenden Gleichungen genügen:

dl' = -f'dM (4)

und

wobei dT eine kleine Änderung im Gesamtabstand von der Ob jektoberfläche zum Bilddetektor ist, dl eine kleine Änderung im optischen Pfad von der Objektoberfläche zur Objektlinse und dl' eine kleine Änderung im optischen Pfad von der Objektoberfläche zum Bilddetektor.

In Fig. 3 enthält der optische Verzögerungspfad 40 der Ausführungsform vier reflektierende Linsen 41, 42, 43 und 44, wobei die Linsen 43 und 44 feststehen, die Linsen 41 und 42 dagegen beweglich sind. Bewegt der Antrieb 36 den optischen Verzögerungspfad 40, so ändern die Linsen 41 und 42 ihre Stellungen und verändern den optischen Pfad.

In den genannten ersten und zweiten Ausführungsformen sind der Halter und der optische Verzögerungspfad jeweils über Schienen angeordnet, so daß sie gleichmäßig bewegt werden können.

Verwendet man in den zweiten Ausführungsformen die gleichen Linsen wie in der ersten Ausführungsform, wenn die Auflösung 600 dpi beträgt, und beträgt die Gesamtentfernung des optischen Pfads von der Objektoberfläche 5 zum Bildde tektor 20 360 mm, so hat die Vergrößerung den Wert -0.16535, der Bildabstand beträgt 51 mm, der Aperturwinkel 0,730 und der Feldwinkel 19,3°. Die weiteren Merkmale beim Umschalten der Auflösung auf 1200 dpi, 1800 dpi und 2400 dpi sind jeweils in der folgenden Tabelle dargestellt.

Ausführlichere Daten kann man Fig. 4A bis 4D ent nehmen. Fig. 4A erläutert den Zusammenhang zwischen der Auflösung und dem Bildabstand. Fig. 4B erläutert den Zusammenhang zwischen der Auflösung und dem Gesamtabstand.

Fig. 4C erläutert den Zusammenhang zwischen der Auflösung und dem Aperturwinkel. Fig. 4D erläutert den Zusammenhang zwischen der Auflösung und der relativen Helligkeit. Fig. 4A zeigt, daß die Auflösung proportional zum Bildab stand ist. Fig. 4B zeigt, daß die Auflösung umso größer ist, je kürzer der Gesamtabstand wird. Fig. 4C zeigt die positive Korrelation zwischen der Auflösung und dem Aperturwinkel. Fig. 4D kann man entnehmen, daß eine höhere Auflösung zu einer geringeren relativen Helligkeit führt. Man kann jedoch noch eine relative Helligkeit von ungefähr 50% erzielen, obwohl die Auflösung von 600 dpi auf 2400 dpi zugenommen hat. D.h., daß die relative Helligkeit für ei nen Normalbetrieb des Bilddetektors immer noch ausreichend groß ist.

Claims

1. Scanner mit veränderlicher Auflösung, umfassend:
eine Lichtquelle (10), die Licht zum Abtasten einer Objektoberfläche (5) liefert;
eine Objektlinse (15) zum Erzeugen eines Bilds mit Strahlen, die die Objektoberfläche (5) reflektiert;
einen Bilddetektor (20) zum Aufnehmen des von der Objektlinse (15) darauf projizierten Bilds;
einen Halter (25) zum Tragen der Objektlinse (15); und
einen optischen Verzögerungspfad (30), der mittig im Lichtweg zwischen der Lichtquelle (10) und der Objektlinse (15) angeordnet werden kann, um den Licht weg zwischen der Objektoberfläche (5) und der Objekt linse (15) abzuwandeln und damit die Abmessungen des Bilds zu verändern, das auf den Bilddetektor (20) projiziert wird.

2. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 1, zudem umfassend einen Antrieb (35), der den Halter (25) und den optischen Verzögerungspfad (30) verbindet und dazu dient, die Bewegungen des Halters (25) und des optischen Verzögerungspfads (30) zu steuern, wo durch der optische Pfad von der Objektoberfläche (5) zur Objektlinse (15) und von der Objektlinse (15) zum Bilddetektor (20) gemäß den Gleichungen
l' = f'(1-M),
und
T = l'-l,
verändert wird, wobei T den Gesamtabstand von der Ob jektoberfläche (5) zum Bilddetektor (20) bezeichnet, l der optische Pfad von der Objektoberfläche (5) zur Objektlinse (15) ist, l' der optische Pfad von der Objektoberfläche (5) zum Bilddetektor (20), f' die Brennweite und M die Vergrößerung.

3. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 2, wobei der Antrieb (35) die Bewegungen des optischen Verzögerungspfads (30) und des Halters (25) gemäß den Gleichungen
dl '= -f'dM,
und
steuert und dT eine kleine Änderung im Gesamtabstand von der Objektoberfläche (5) zum Bilddetektor (20) ist, dl eine kleine Änderung im optischen Pfad von der Objektoberfläche (5) zur Objektlinse (15), dl' eine kleine Änderung im optischen Pfad von der Objektober fläche (5) zum Bilddetektor (20), f' die Brennweite und M die Vergrößerung.

4. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 1, zudem umfassend eine plane Linse (6) zum Ändern der Richtung des Lichtwegs.

5. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 1, wobei der optische Verzögerungspfad (30) ein Satz planer Linsen ist.

6. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 1, wobei der optische Verzögerungspfad (30) drei reflek tierende Linsen (31, 32 und 33) enthält.

7. Scanner mit veränderlicher Auflösung, umfassend:
eine Lichtquelle (10), die Licht zum Abtasten einer Objektoberfläche (5) liefert;
eine Objektlinse (15) zum Erzeugen eines Bilds mit Strahlen, die die Objektoberfläche (5) reflektiert;
einen Bilddetektor (20) zum Aufnehmen des von der Objektlinse (15) darauf projizierten Bilds;
einen Halter (25) zum Tragen der Objektlinse (15); und
einen optischen Verzögerungspfad (40) in der Mitte des Lichtwegs von der Lichtquelle (10) zur Objektlinse (15), um den Lichtweg zwischen der Objekt oberfläche (5) und der Objektlinse (15) abzuwandeln und damit die Abmessungen des Bilds zu verändern, das auf den Bilddetektor (20) projiziert wird.

8. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 7, zudem umfassend einen Antrieb (36), der den Halter (25) und den optischen Verzögerungspfad (40) verbindet und dazu dient, die Bewegungen des Halters (25) und des optischen Verzögerungspfads (40) zu steuern, wo durch der optische Pfad von der Objektoberfläche (5) zur Objektlinse (15) und von der Objektlinse (15) zum Bilddetektor (20) gemäß den Gleichungen
l' = f'(1-M),
und
T = l'-l,
verändert wird, wobei T den Gesamtabstand von der Ob jektoberfläche (5) zum Bilddetektor (20) bezeichnet, 1 der optische Pfad von der Objektoberfläche (5) zur Objektlinse (15) ist, l' der optische Pfad von der Objektoberfläche (5) zum Bilddetektor (20), f' die Brennweite und M die Vergrößerung.

9. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 8, wobei der Antrieb (36) die Bewegungen des optischen Verzögerungspfads (40) und des Halters (25) gemäß den Gleichungen
dl ' = -f'dM,
und
steuert und dT eine kleine Änderung im Gesamtabstand von der Objektoberfläche (5) zum Bilddetektor (20) ist, dl eine kleine Änderung im optischen Pfad von der Objektoberfläche (5) zur Objektlinse (15), dl' eine kleine Änderung im optischen Pfad von der Objektober fläche (5) zum Bilddetektor (20), f' die Brennweite und M die Vergrößerung.

10. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 8, zudem umfassend eine plane Linse (6) zum Ändern der Richtung des Lichtwegs.

11. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 7, wobei der optische Verzögerungspfad (40) ein Satz planer Linsen ist.

12. Scanner mit veränderlicher Auflösung nach Anspruch 7, wobei der optische Verzögerungspfad (40) zwei feste reflektierende Linsen (43, 44) und zwei bewegliche reflektierende Linsen (41, 42) enthält.

13. Verfahren zur Veränderung der Vergrößerung in einem optischen Scannersystem, umfassend:
eine Lichtquelle (10), die Licht zum Abtasten einer Objektoberfläche (5) liefert;
eine Objektlinse (15) zum Erzeugen eines Bilds mit Strahlen, die die Objektoberfläche (5) reflektiert;
einen Bilddetektor (20) zum Aufnehmen des von der Objektlinse (15) darauf projizierten Bilds;
einen Halter (25) zum Tragen der Objektlinse (15); dadurch gekennzeichnet, daß man einen optischen Verzögerungspfad (30) vorsieht, der mittig im Lichtweg zwischen der Lichtquelle (10) und der Objektlinse (15) angeordnet werden kann, so daß der Lichtweg zwischen der Objektoberfläche (5) und der Objektlinse (15) ab gewandelt und damit die Abmessungen des Bildes, das auf den Bilddetektor (20) projiziert wird, verändert wird.