CN1096788C

CN1096788C - 图象读取装置和图象读取系统

Info

Publication number: CN1096788C
Application number: CN97115310.8A
Authority: CN
Inventors: 田端雅己; 川合达人
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2002-12-18
Anticipated expiration: 2017-08-01
Also published as: TW442760B; EP0822706A2; CN1173005A; EP0822706A3; JPH1098581A; US6055072A

Abstract

本发明公开了一种图象传感器，包括一传感器阵列(1)，用于在传感器阵列(1)上映射原始图象的透镜阵列(2)，一个采用LED(具有发射颜色R、G和B)的照明装置(3)和一顶盖玻璃(4)及框架(5)。设置透镜阵列(2)的共轭长度，使其落在B光的发射波长和G光的发射波长之间。紧邻顶盖玻璃(4)的原始图象经过照明装置(3)照明，由传感器阵列(1)将原始图象的反射光线转换为电子信号，从而读取原始图象。

Description

图象读取装置和图象读取系统

本发明涉及主要用于读取彩色原始图象的图象读取装置和使用该装置的图象读取系统。

图13是说明图象传感器范例的剖面图。该传感器由传感器阵列1、透镜阵列2、具有三种不同LED构件301、302和303(作为原始图象照明光源)的LED阵列6、顶盖玻璃4以及固定以上构件就位的框架5组成，其中传感器阵列1是由安装在传感器板102上的传感器IC 101制成的。

通过在板上安装多组三种不同类型的LED构件301、302和303组成LED阵列6，例如在每条线上安装20或更多构件，以便在读取A4尺寸的原始图象时，获得原始图象的均匀照明分布。

三种不同类型的LED构件301、302和30 3的发射峰值波长分别为430(nm)(对应蓝色)、570(nm)(对应绿色)和660(nm)(对应红色)。

通过将多个圆柱状的透镜构件安装在一条线上组成透镜阵列2，从而通过在边缘部分和中心部分之间逐渐设置不同的折射率而提供透镜功能。

同时，由于某些彩色原始图象与图画粘贴并且其表面为三维模式，因九选择较小的孔径角，并要求透镜阵列2的焦距大约为0.5(mm)。另外，选择具有较小色差的透镜阵列2，从而使在相应传感器上获得的R、G、B光束的分辨率大致相等。

通常，使用孔径角大约为12°的透镜阵列，并且要求其共轭长度(原始图象与传感器之间的距离)TC为18.3(mm)。

然而，由于上述常规图象传感器采用具有较小孔径角的透镜阵列，因此，光量传输效率较低，并且限制了原始图象读取速度的提高。

另外，在具有较小孔径角的透镜阵列中，由于从原始图象表面到传感器的距离较长，所以采用该透镜阵列的图象传感器的尺寸较大。

再者，在上述常规图象传感器中，由于透镜阵列把R、G、B光束均匀地输入到传感器阵列，因此出现莫阿现象，即原始读取图象中的非常细线，在输出图象中变为粗糙线。在彩色原始输出图象中，这种现象是非常明显的。

本发明的目的在于提供一种图象读取装置和系统，以在较短时间内完成图象读取。

本发明的另一目的在于提供一种小型的、廉价的图象读取装置和系统。

本发明的再一目的在于消除读取彩色图象时产生的莫阿噪声。

为实现以上目的，根据本发明的一种实施方式，一图象读取装置包括：一种图象读取装置，包括：

一光电转换部件；

一具有第一和第二颜色的光源照明装置，其中，第二颜色的发射波长比第一颜色的发射波长长；

一成象部件，利用经过所述照明装置照明的原始图象的反射光在所述光电转换部件上生成图象；和

一用于支持原始图象的支持部件，

其中，从所述成象部件中心至所述光电转换部件的光学距离被设置为第二颜色光源的发射波长的共轭长度的1/2，并且，从所述成象部件中心至由所述支持部件支持的原始图象表面的光学距离被设置为第一颜色光源的发射波长的共轭长度的1/2。

利用以上装置，能够提供一种小型的、廉价的图象读取装置和图象读取系统，并且能够消除读取彩色图象时产生的波纹。

根据以下说明和附图，本发明的其他目的和优点将是显而易见的。

图1是一图象传感器装置的剖面图；

图2是一图象传感器装置的上视图；

图3是图1所示照明装置的放大剖面图；

图4是图1所示照明装置的放大侧视图；

图5是一个图形，说明照明装置中各个光源的频谱特征；

图6是一个解释图，说明图1所示透镜阵列的成象范围；

图7是一个说明透镜阵列色差的图形；

图8是一个解释图，说明透镜阵列中共轭长度变动与MTF之间的关系；

图9是一个解释图，说明透镜阵列的焦深特性；

图10是一个解释图，说明R、G、B焦深特性；

图11是一个示意剖面图，说明采用该图象传感器的信息处理装置的结构；

图12是一个框图，说明说明采用该图象传感器的信息处理系统的结构；和

图13是一个剖面图，说明图象传感器的结构。

以下参照附图说明本发明的一种实施方式。

图1和图2分别为根据本发明的图象传感器装置的剖面图和上视图。该传感器由一个传感器阵列1，一个利用原始图象的反射光在传感器阵列1上生成图象的透镜阵列2，一个用于将光线扩散到原始图象的照明装置3，一个由透明光线传输构件组成用于支持原始图象的顶盖玻璃4，以及一个固定以上构件就位的由诸如铝或类似的金属构成或由诸如聚碳酸酯或类似的树脂构成的框架5组成，其中，传感器阵列1是由精确安装在诸如环氧玻璃传感器板102(其长度与将要读取的原始图象的长度相应)上的多个传感器IC 101(每个IC有一组线性排列的多个光电转换部件)制成的。

具有上述结构的传感器的工作机制如下所述。即，照明装置3从大约45°的倾斜方向依次选择发射三种R、G、B光束到紧贴顶盖玻璃4并由顶盖玻璃4支持的原始图象，透镜阵列2利用原始图象反射的三种R、G、B光学信息信号在传感器IC 101上生成图象。传感器IC 101将三种R、G、B光学信息信号光电转换为电子信号并且将其提供给一个系统。该系统处理三种R、G、B电子信号以再现彩色图象。

正如图3和图4的放大视图所示，照明装置3由三种颜色的RGB LED芯片31和光线引导构件32组成，其中芯片31以单独组件的形式包括R、G和B LED构件311、312和313，光线引导构件32引导以上构件发射的光束，将其输出到所需方向，并采用具有较高光线传输特性的构件，诸如聚丙烯树脂。同时，在图3和图4中，引导针314连接到芯片31，并且光线引导构件32具有一个锯齿部分321和一个突出部分322。

R、G和B LED构件的峰值发射波长分别选择为620(nm)、530(nm)和470(nm)，以便尽可能提高彩色的可再现性，同时尽可能降低色差。注意以上峰值发射波长只需分别落在590至630(nm)、510至550(nm)和450至490(nm)的范围内。

安装LED芯片31，以便将光线从光线引导构件32的纵向的一边缘部分输入到光线引导构件32，同时输入光线在光线引导构件32内发射，同时，在光线引导构件32与空气之间的界面重复进行完全反射。

如图3和图4所示，在光线引导构件32上制作沿其纵向扩展的小间隔的锯齿部分321。在光线引导构件内传输的光线分量中，与其他表面的反射不同，只有进入锯齿部分321的光线分量被大部分折射到原始图象表面，并且在光线引导构件32与空气之间的下一界面不再满足完全反射条件。如此，这些光线分量被输出到所需方向。

通过反射表面能够制作以上锯齿部分321，所述反向表面可通过镀铝或者印刷银墨、白墨等、或通过在锯齿形状和空气之间的界面形成完全反射来形成。

另一方面，可通过印刷白墨或者粗糙化表面以取代锯齿形状来提供同样的效果。

为了容易地获得原始图象表面的均匀照明，当离光源的距离较远时，可以使锯齿部分321变宽，或者在只用白墨印刷的情况下，逐渐加宽印刷区域。

同时，光线引导构件32可以用对除去面向原始图象的光线输出部分之外的光具有较高光线反射效率的白色构件覆盖，从而增加了对原始图象的照明。

图5显示了照明装置3的光源频谱特征，即R、G、B波长(nm)和相对发射强度之间的关系。

本实施方式中采用的透镜阵列2是通过用以较高的精度线性校准的多个柱状透镜构件(直径为0.6mm)制成的，从而通过利用诸如离子交换沿边缘部分到中心部分增大折射率来提供透镜效能。

图6显示了透镜阵列2的成象范围。由于常规彩色图象传感器是由容许较小色差的玻璃材料组成的，所以其最大孔径角为θ＝12°。然而，由于选择了具有合适色差的玻璃材料，所以本实施方式中采用的透镜阵列2的孔径角能够达到θ＝20°或更大。

随孔径角变大，透镜获得的光线总量增加。由此，提高了光线总量传输效率，同时，孔径角θ＝20°的透镜阵列2提供的亮度大约为常规传感器(其孔径角θ＝12°)提供亮度的4倍。

另一方面，在孔径角θ＝12°的透镜阵列中，共轭长度TC(从原始图象表面到传感器表面的距离)为18.3(mm)，而在孔径角θ＝20°的透镜阵列中，共轭长度TC为9(mm)。

图7显示了透镜阵列2的色差。正如图7所示，相应于光源的波长改变共轭长度TC(从原始图象表面到传感器表面的距离)以便得到最大分辨率。

在本实施方式中，分别选择峰值波长λ＝620(nm)的R LED构件、峰值波长λ＝530(nm)的G LED构件和峰值波长λ＝470(nm)的B LED构件作为光源。由此，相应于这些构件的最大分辨率的共轭长度分别为9.4(mm)、8.8(mm)和8.2(mm)。

在本实施方式中，调整框架5和顶盖玻璃4的尺寸，使传感器与透镜中心之间的光学距离TC/2被设置为G光共轭长度的一半，即4.4(mm)，顶盖玻璃表面与透镜中心之间的光学距离TC′/2被设置为B光共轭长度的一半，即4.1(mm)，并且总共轭长度TC被设置为8.5(mm)，大约等于R光和G光共轭长度之间的中间长度。

然而，以上尺寸是在如下假设下选择的，即根据空气计算透镜的光路长度。但是，若在光路中出现的是玻璃(折射率n＝1.51)而非空气，则必须将光路长度与玻璃的折射率相乘来设置玻璃的厚度。

图8显示了当TC变动时，200 DPI的MTF(％)的变化，作为本发明透镜阵列特性。同样，图9显示了由于从传感器到透镜中心的光学距离TC/2与从原始图象表面到透镜中心的光学距离TC′/2之间的差别，200 DPI的MTF(％)的变化。正如在图8和图9中所看到的，当以上光学距离彼此相等时，能够获得最大的MTF值。

图10显示了从图8和图9导出的R、G、B焦深特性，其中图8和图9是假设本发明的顶盖玻璃表面为0时得到的。

G和B焦深能够在0到0.5(mm)的宽的原始图象表面位置范围内确保20％或更高的MTF值，而对于R，在原始图象表面位置0处，很难获得200 DPI的分辨率。

当采用三种颜色的LED构件读取彩色原始图象时，由三种颜色的平均值确定分割图象的对比度。因此，用R适当地模糊非常细的线的边缘部分，能够得到没有任何波纹的最佳彩色输出图象。

在读取包含许多字符等的单色原始图象时，当接通G部件和B部件两者之一或者同时接通两者，而关闭R部件时，即使原始图象在顶盖玻璃4上有轻微漂移，也能够得到具有所需高分辨率的图象。

在本实施方式中，将共轭长度TC调整到G和B的共轭长度的中心。同时，当调整共轭长度TC以使其落在G和B的共轭长度TC之间的范围内时，即满足(G的TC)≥TC≥(B的TC)，也能获得上述相同效果。

以下说明生产上述图象传感器的方法。

将透镜阵列2和照明装置3分别插入到图1所示框架5的预定位置。插入照明装置3，使光线引导构件32的三个侧面分别紧靠框架5的水平和垂直表面。如此，能够精确实现绕光轴旋转方向的定位。

随后，例如利用粘合剂，将顶盖玻璃4粘结到框架5沿纵向的两个表面上，该表面大约设置在突起部分322(形成在光线引导构件32的上表面部分)的上表面和透镜阵列2的上表面的相同平面上，并且设置为将照明装置3和透镜阵列2夹在中间。

当框架和顶盖玻璃4相互粘结时，同样能够以无堆塞状态方式固定透镜阵列2和照明装置3。

最后，例如利用焊接方式，将LED芯片31的4条引导针314电连接到传感器板。如此，完成了上述图象传感器。

图11是一个示意剖面图，说明采用上述图象传感器的信息处理装置的结构。图11用打印机作为例子，在记录介质P上记录原始图象PP。

在图11中，该装置包括一个操作面板20，一个传感器部件100，一个送纸辊104，压纸辊106和112，一个记录头110，一块控制电路板130，一分离片140和电源150。

安装在系统控制电路板上的微型计算机对以上装置进行总体控制。另外，该微型计算机还控制上述图象传感器，即，对照明装置3进行ON/OFF控制，对传感器1进行驱动控制。由传感器部件100读取的图象信号必须得到处理，以便在记录介质P上进行记录，或者经过系统控制电路板130上的信号处理电路进行图象处理，以便外部输出图象信号。微型计算机同时控制该信号处理电路。

图12显示了一信息处理装置实例，该装置采用每个上述实施方式中所述的图象传感器构成。在本例中，具有内置图象传感器200的图象读取装置150连接到个人计算机160，组成一个图象读取系统，并且所读取的图象信息被传送到一计算机或者一计算机网络。以下解释本例。

参照图12，图象读取装置150包括一CPU 170，作为第一控制装置，控制整个图象读取装置150；一彩色图象传感器200，由上述光源、CCD线传感器等组成，作为读取部件以将原始图象转换为图象信号；以及模拟信号处理电路116，对彩色图象传感器200输出的模拟图象信号进行模拟处理，如进行增益调整等等。

同时，装置150还包括一A/D转换器118(将模拟信号处理电路116的输出转换为数字信号)，一数字图象处理电路180(利用存储器122，对A/D转换器118的输出数据进行图象处理，如进行阴影校正，λ变换，变量放大处理等等)，以及接口124(将数字图象处理电路180处理的数字图象数据输出到外部装置)。接口124符合个人计算机中通常使用的接口标准，如SCSI、Bi-Centronics等等，并且连接到个人计算机160。以上信号处理电路116、A/D转换器118、数字图象处理电路180以及存储器122组成信号处理装置。

作为第二控制装置的个人计算机160装备有磁光盘驱动器、软盘驱动器等作为存储器(即辅助存储器132)。个人计算机160还包括一显示器134(用于显示个人计算机160的操作)、一鼠标/键盘133(用于的个人计算机输入命令)等。同时，个人计算机160还包括接口135，用于与图象读取装置交换图象读取装置的数据、命令以及状态信息。

个人计算机160的CPU 136允许用户利用鼠标/键盘133，将读取指令输入到图象读取装置的CPU 170。当利用鼠标/键盘133输入读取指令时，CPU 136经由接口135将读取命令传送到图象读取装置的CPU 170。个人计算机160的CPU 136根据ROM 137中存储的控制程序信息，控制图象读取装置的CPU 170，而CPU 170控制光源、CCD驱动以及信号处理装置。注意，可以将以上控制程序存储到装入辅助存储器132的诸如磁光盘、软盘等的存储介质，并且可以加载到个人计算机160，以便由CPU 136执行。

这样，当以上装置采用上述图象传感器时，能够提供一种可行的、有效的图象读取装置。

如上所述，在包括以下部件，即，一组用于接收光线的光电转换部件，一照明装置(从较短波长开始，依次发射第一、第二和第三颜色的三色光束)，一组透镜(利用原始图象的反射光，在光电转换部件组上生成图象)等的图象传感器中，透镜的共轭长度TC被设置为满足A≤TC≤B，其中A为第一颜色光源发射波长的共轭长度，B为第二颜色光源发射波长的共轭长度，其中在R光电转换部件组上成象的分辨率低于在G和B光电转换部件组上成象的分辨率，当读取超细线时，适当地模糊输出图象中的超细线的边缘部分，从而能够减少彩色输出图象中非常明显的波纹噪声，获得最佳色彩的高质量图象。

在读取需要高分辨率的字符等的单色原始图象时，接通G光电转换部件组和B光电转换部件组两者之一或者同时接通两者，而关闭R光电转换部件组，从而得到所需图象。另外，当同时接通G光电转换部件组和B光电转换部件组时，能够缩短读取时间。

由于并未接通R光电转换部件组，因此能够清晰看到具有红色印章的图象，拓宽了能够处理的文件的范围。

由于可采用具有色差的透镜材料，所以能够选择具有20°或者更大孔径角的明亮透镜。由于这一原因，能够增加光电转换部件组的照度，提高S/N比率和读取速度，从而获得较高的性能。

另外，由于照明装置由光源和光线引导构件(用于聚集光源发射的光线，并在所需方向输出聚光)组成，通过少量光线发射部件就能够得到原始图象表面的均匀照度，因此，大大缩减了费用。

同时，在包括以下部件，即，一组用于接收光线的光电转换部件，一照明装置(从较短波长开始，依次发射第一、第二和第三颜色的三色光束)，一组透镜(利用原始图象的反射光，在光电转换部件组上生成图象)等的图象传感器中，在光电转换部件组和透镜中心之间的光学距离被设置为其波长小于第三颜色光源发射波长峰值的光的共轭长度(TC)的1/2，并且，在顶盖部件的原始图象支持表面和透镜中心之间的光学距离被设置为共轭长度小于TC的光的共轭长度(TC′)的一半，从而即使使用短焦点等量放大类型的透镜阵列(其孔径角为20°或更大，并具有较短焦深)作为透镜组，对于每种颜色，也能够得到大约等于常规透镜组(其孔径角为12°)焦深的焦深，事实上，当读取贴有图画的原始图象时(通常在彩色图象读取中使用)，也能获得满意的输出图象。

由于采用了短焦点、等量放大类型的透镜阵列(其孔径角为20°)作为透镜组，所以能够提高从原始图象到光电转换部件组的引导光线的光量传输效率，这样，能够提高原始图象的读取速度。另外，由于共轭长度变短，因此能够减小图象传感器以及采用该图象传感器的信息处理装置的尺寸。

另外，由于照明装置由光源和光线引导构件(用于聚集光源发射的光线，并在所需方向上输出聚光)组成，通过少量光线发射部件就能够得到原始图象表面的均匀照度，因此，大大缩减了费用。

对于本发明，不背离其实质和范围，可以作出许多大不相同的实施方式。应该理解的是，除附属权利要求书中的限定之外，本发明并不限制于详细说明中所述的特定实施方式。

Claims

1.一种图象读取装置，包括：

一光电转换部件；

一用于支持原始图象的支持部件，

其特征在于，从所述成象部件中心至所述光电转换部件的光学距离被设置为第二颜色光源的发射波长的共轭长度的1/2，并且，从所述成象部件中心至由所述支持部件支持的原始图象表面的光学距离被设置为第一颜色光源的发射波长的共轭长度的1/2。

2.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，通过顺序选择接通第一和第二颜色的双色光束来读取彩色原始图象。

3.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，所述照明装置还具有第三颜色的光源，所述第三颜色的发射波长比所述第二颜色的发射波长长，在读取单色原始图象时，不使用第三颜色的光线或者基于第三颜色光线的信息。

4.根据权利要求3的图象读取装置，其特征在于，在读取单色原始图象时，至少接通第一和第二颜色发射波长的光源之一。

5.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，所述成象部件包括一组孔径角不小于20°的短焦点、等量放大类型的柱状透镜。

6.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，所述照明装置包括一光线引导部件，用于引导来自光源的光线，并在所需方向上输出该光线。

7.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，光源采用两种不同颜色的LED以便分别发射第一和第二光束。

8.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，第一颜色的发射峰值波长落在对应于蓝色的450到490nm的范围内，第二颜色的发射峰值波长落在对应于绿色的510到550nm的范围内。

9.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，还包括用于控制所述光电转换部件和所述照明装置的控制单元。

10.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，从所示成象部件中心至所述光电转换部件的光学距离被设置为上述共轭长度的1/2，以获得用于第二颜色光源的发射波长的最高分辨率，以及从所述成象部件中心至由所述支持部件支持的原始图象的光学距离被设置为上述共轭长度的1/2，以获得用于第一颜色光源的发射波长的最高分辨率。

11.根据权利要求1的图象读取装置，其特征在于，还包括一个用于改变所述原始图象和所述光电转换部件之间相对位置的移动单元。