DE102005004393A1 - Zweidimensionales CMOS-Sensorarray zur Abbildung von Dokumenten und anderen flachen Objekten - Google Patents

Zweidimensionales CMOS-Sensorarray zur Abbildung von Dokumenten und anderen flachen Objekten Download PDF

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Abstract

Ein Flachbettscanner umfasst ein Gehäuse, eine transparente Platte auf dem Gehäuse zum Aufnehmen eines zu scannenden Objekts und einen Wagen, der wirksam ist, um sich entlang einer horizontalen Richtung und einer vertikalen Richtung zu bewegen. Der Wagen umfasst eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objekts und ein rechteckiges Fotodetektorarray zum gleichzeitigen Erfassen der Lichtintensität mehrerer Scanlinien.

Description

  • Wenn ein herkömmlicher Flachbettscanner verwendet wird, wird das Dokument auf die Glasplatte gelegt und die Abdeckung wird geschlossen. Eine Lichtquelle (z. B. Kaltkathodenfluoreszenzlampe, Xenonlampe oder Licht emittierende Dioden) wird zur Beleuchtung des Dokuments verwendet. Ein Scan- bzw. Abtastkopf (z. B. bestehend aus Spiegeln, Linse, Filter und Bildsensorarray) wird langsam an dem Dokument entlang bewegt (z. B. durch einen Riemen, der an einem Schrittgebermotor befestigt ist, oder einen Zahnradsatz, der mit einem Gleichstrommotor verbunden ist). Der Scankopf ist an einer Stabilisiererstange befestigt, um sicherzustellen, dass bei dem Durchlauf kein Wackeln oder keine Abweichung auftritt (d. h. eine einzelne vollständige Abtastung des Dokuments).
  • Das Bild des Dokuments wird durch gewinkelte Spiegel reflektiert, um einen geknickten Lichtpfad zu bilden. Der letzte Spiegel reflektiert das Bild auf eine Linse. Die Linse fokussiert das Bild auf einen Bildsensor. Ein typischer Ladungskopplungsbauelement- (CCD-) Bildsensor weist drei lineare CCD-Sensorarrays auf. Jedes lineare Array weist ein unterschiedliches Farbfilter (z. B. Rot, Grün und Blau) auf, das direkt auf dem CCD-Sensoren platziert ist. Der Scanner kombiniert dann die Daten von den linearen CCD-Sensorarrays in ein einzelnes Vollfarbbild. Im Vergleich hierzu weist ein typischer Kontaktbildsensor (CIS) ein lineares Komplementär-Metalloxidhalbleiter- (CMOS-) Sensorarray auf, das ein Bild erfasst, das nacheinander durch eine Rot-, Grün- und Blaulichtquelle (z. B. Licht emittierende Dioden) beleuchtet wird. Der Scanner kombiniert dann die Daten von dem linearen CMOS-Sensorarray in ein einzelnes Vollfarbbild.
  • Scanner variieren in Auflösung und Schärfe. Die meisten Flachbettscanner weisen eine echte Hardwareauflösung von zumindest 600 × 600 Punkten pro Zoll (dpi) auf. Die dpi-Zahl des Scanners wird bestimmt durch die Anzahl von Sensoren in einer einzelnen Reihe (x-Richtung-Abtastrate) des Sensorarrays und durch die Genauigkeit des Schrittgebermotors (y-Richtung-Abtastrate). Wenn z. B. die Auflösung 600 600 dpi beträgt und der Scanner in der Lage ist, ein Dokument in Letter-Größe abzutasten, würde der CCD-Bildsensor drei lineare Arrays mit jeweils 5100 Sensoren aufweisen, während ein CIS ein lineares Array mit 5100 Sensoren aufweisen würde. Der Schrittgebermotor bei diesem Beispiel kann sich in Inkrementen von einem sechshundertstel eines Zolls bewegen.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Scanner oder ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Scanner gemäß Anspruch 1, 13 oder 18 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Scanner bzw. eine Abtastvorrichtung ein Gehäuse, eine transparente Platte auf dem Gehäuse zum Aufnehmen eines zu scannenden Objekts und einen Wagen, der wirksam ist, um sich entlang einer horizontalen Richtung und einer vertikalen Richtung zu bewegen. Der Wagen umfasst eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objekts und ein rechteckiges Fotodetektorarray zum gleichzeitigen Erfassen der Lichtintensität mehrerer Abtastlinien.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei die Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren gleiche oder identische Elemente anzeigt. Es zeigen:
  • 1 eine Draufsicht eines Flachbettscanners bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 und 3 Querschnittseitenansichten des Flachbettscanners aus 1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 und 5 eine Bewegung eines rechteckigen Fotodetektorarrays bei Ausführungsbeispielen der Erfindung;
  • 6 eine Querschnittseitenansicht eines Blattzuführerscanners bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 7 eine Querschnittseitenansicht eines Flachbettscanners bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1 stellt einen Flachbettscanner 10 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Scanner 10 umfasst ein Gehäuse 12, eine Abdeckung 14, die schwenkmäßig an dem Gehäuse 12 angebracht ist, eine transparente (z. B. Glas-) Platte 16 auf dem Gehäuse 12 und einem Wagen 18 innerhalb des Gehäuses 12. Der Wagen 18 bewegt sich innerhalb des Gehäuses 12 auf einer vertikalen Zahnradspur 20 und einer horizontalen Zahnradspur 22. Der Wagen 18 umfasst ein rechteckiges Fotodetektorarray 24 und einen Beleuchtungsring 26.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Fotodetektorarray 24 mehrere (z. B. mehr als drei) Reihen von Komplementär-Metalloxidhalbleiter- (CMOS-) Sensoren auf. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Fotodetektorarray 24 aus einer Vielzahl roter, blauer und grüner Fotodioden und die tatsächliche Farbe an dem Ort jeder Fotodiode wird aus den Farben der benachbarten Fotodioden interpoliert. Bei einem einfachen Scanner mit einem langsameren Durchsatz könnte das Fotodetektorarray 24 eine Auflösung von 352 × 288 Pi xeln aufweisen. Bei einem höherwertigen Scanner mit einem schnelleren Durchsatz könnte das Fotodetektorarray 24 eine Auflösung von 1,3 Megapixeln aufweisen, um ein schnelleres Scannen der gesamten Seite zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel bilden Licht emittierende Dioden (LEDs), die um das Fotodetektorarray 24 auf dem gleichen Chip gebildet sind, den Beleuchtungsring 26.
  • 2 stellt eine Querschnittsansicht eines Wagens 18 entlang einer Linie A (1) bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Das Fotodetektorarray 24 und der Beleuchtungsring 26 sind auf einer Platte 32 montiert. Die Befestigungsplatte 32 umfasst eine horizontale Führung 34. Ein Motor 36 und ein zugeordnetes Zahnradsystem 38 sind an der Platte 32 befestigt. Eine horizontale Wagenstange 40 definiert eine horizontale Führungsspur 42, die die Führung 34 aufnimmt. Die horizontale Wagenstange 40 definiert ferner eine Zahnradspur 22, die ein Zahnrad aus dem Zahnradsystem 38 aufnimmt. Die Zahnradspur 22 umfasst Zähne, die das Zahnradsystem 38 in Eingriff nehmen. In Betrieb treibt der Motor 36 das Zahnradsystem 38 an, um den Wagen 18 horizontal über das zu scannende Objekt zu bewegen. Ein flexibles Kabel 50 (3) bewegt die Bilddaten von dem Fotodetektorarray 24 zu der horizontalen Wagenstange 40.
  • 3 stellt eine Querschnittansicht des Wagens 18 entlang einer Linie B (1) bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die horizontale Wagenstange 40 umfasst vertikale Führungen 44A und 44B. Ein Motor 46 und ein zugeordnetes Zahnradsystem 48 sind an der horizontalen Wagenstange 40 befestigt. Das Gehäuse 12 definiert vertikale Führungsspuren 52A und 52B, die entsprechende Führungen 44A und 44B aufnehmen. Das Gehäuse 12 definiert ferner eine Zahnradspur 20, die ein Zahnrad aus dem Zahnradsystem 48 aufnimmt. Die Zahnradspur 48 umfasst Zähne, die das Zahnradsystem 48 in Eingriff nehmen. In Betrieb treibt der Motor 46 das Zahnradsystem 48 an, um den Wagen 18 vertikal an dem zu scannenden Objekt entlang zu bewegen. Ein flexibles Kabel 52 bewegt die Bilddaten von der horizontalen Wagenstange 40 zu der Scannerbasis, damit die Daten durch die Scannerelektronik verarbeitet werden.
  • Während des Scannens ist das zu scannende Objekt auf der Glasplatte 16 platziert. Der Beleuchtungsring 26 beleuchtet dann einen Abschnitt des Objekts. Licht wird von diesem Abschnitt des Objekts reflektiert und gleichzeitig als mehrere (z. B. mehr als drei) Abtastlinien durch das rechteckige Fotodetektorarray 24 erfasst. Das Fotodetektorarray 24 wandelt die Lichtintensität dieses Abschnitts in elektrische Signale um. 4 stellt dar, dass statt eines langsamen Bewegens von Scanlinie um Scanlinie wie in herkömmlichen Flachbettscannern, der Wagen 18 sich bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung horizontal oder vertikal in großen Inkrementen, die größer oder gleich der entsprechenden Breite und Höhe des Fotodetektorarrays 24 sind, bewegt (z. B. dargestellt durch eine Bewegung 62 des Sensors 64). Dies ermöglicht einen schnelleren Scanvorgang. Nachdem das gesamte Objekt gescannt wurde, wird eine Software zur Interpolation von Pixelfarben und zum Zusammenheften der gescannten Abschnitte in ein einzelnes Farbbild des Objektes verwendet. Eine Software kann außerdem zur Korrektur uneinheitlicher Belichtung verwendet werden.
  • 5 stellt dar, dass die Auflösung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch ein Mikrostufen des rechteckigen Fotodetektorarrays 24 sowohl horizontal als auch vertikal in kleinen Inkrementen erhöht werden kann (z. B. dargestellt durch eine Bewegung 66 des Sensors 64). Das horizontale Inkrement ist kleiner als die horizontale Beabstandung zwischen benachbarten Sensoren, während das vertikale Inkrement kleiner als die vertikale Beabstandung zwischen benachbarten Sensoren ist. Wenn z. B. das Fotodetektorarray 24 300 × 300 dpi erzeugt, kann die Auflösung auf 600 × 600 dpi verdoppelt werden, indem (1) ein Bild des Objektes erfasst wird, (2) das Fotodetektorarray 24 um die Hälfte einer dpi-Zahl in der horizontalen und in der verti kalen Richtung bewegt wird, und (3) ein weiteres Bild des Objekts erfasst wird. Eine Software wird dann verwendet, um die beiden Bilder zu kombinieren, um ein 600 × 600 dpi-Bild des Objekts zu bilden. Nach einem Mikroschritt kann sich der Wagen 18 horizontal oder vertikal in einem großen Inkrement bewegen, um den nächsten Bereich auf dem Objekt zu scannen, gefolgt durch einen weiteren Mikroschritt.
  • 6 stellt eine Seitenquerschnittansicht eines Blattzuführerscanners 100 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Scanner 100 umfasst ein Gehäuse 102, einen Blattzuführer 104, Zufuhrrollen 106 und einen Wagen 108 innerhalb des Gehäuses 102. Der Blattzuführer 104 ergreift ein einzelnes Blatt 110 eines Dokuments von einem Stapel 112 und bewegt dasselbe vertikal zu den Zufuhrrollen 106. Die Zufuhrrollen 106 bewegen das Blatt 110 an dem Wagen 108 entlang. Der Wagen 108 umfasst ein rechteckiges Fotodetektorarray 24 und einen Beleuchtungsring 26. Zum Scannen des Blatts 110 bewegt sich der Wagen 108 horizontal innerhalb des Gehäuses 102 auf einer horizontalen Zahnradspur 22 und einer horizontalen Führungsspur 42. Der Wagen 108 ähnelt dem Wagen 18, ist jedoch ohne die vertikalen Bewegungskomponenten, da die Zuführrollen 106 wirken, um das Papier vertikal an dem Wagen 108 entlang zu bewegen. Statt eines langsamen Bewegens des Papiers Scanlinie um Scanlinie wie in herkömmlichen Blattzuführerscannern, bewegen die Zuführrollen 106 das einzelne Blatt 110 vertikal in großen Inkrementen, die größer oder gleich der Höhe der Fotodetektorarrays 24 sind. Wieder erlaubt dies einen schnelleren Scanvorgang, da Abschnitte der Dokumente gleichzeitig als mehrere Scanlinien durch das rechteckige Fotodetektorarray 24 erfasst werden.
  • 7 stellt eine Seitenquerschnittansicht eines Flachbettscanners 200 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Scanner 200 umfasst ein Gehäuse 212, eine Glasplatte 216 auf dem Gehäuse 212, ein feststehendes rechteckiges Fotodetektorarray 218 mit Optik 220 und Lichtquellen 222.
  • Während des Scannens wird das zu scannende Objekt (z. B. Objekt 224) auf der Glasplatte 16 platziert. Die Lichtquellen 222 beleuchten dann das gesamte Objekt durch ein Lenken von Licht auf das Objekt 224 oder ein Abprallen des Lichts von den Seitenwänden des Gehäuses 212 und ein darauffolgendes Prallen auf das Objekt 224. Licht wird von dem Objekt 224 reflektiert und durch die Optik 220 auf das rechteckige Fotodetektorarray 218 gelenkt. Das Fotodetektorarray 218 wandelt die Lichtintensität des gescannten Objekts in elektrische Signale um. Statt eines Bewegens eines Wagens wie in herkömmlichen Scannern bleibt das Fotodetektorarray 218 feststehend und scannt das gesamte Objekt auf einmal. Wieder erlaubt dies einen schnelleren Scanvorgang, da mehrere Scanlinien gleichzeitig durch das Fotodetektorarray 218 erfasst werden. Eine Software kann zur Interpolation von Pixelfarben und zur Korrektur uneinheitlicher Belichtung verwendet werden.
  • Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele sind innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Zahlreiche Ausführungsbeispiele sind durch die folgenden Ansprüche eingeschlossen.

Claims (18)

  1. Flachbettscanner (10) mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse (12); einer transparenten Platte (16) auf dem Gehäuse zum Aufnehmen eines zu scannenden Objekts; einem Wagen (18), der wirksam ist, um sich entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung zu bewegen, wobei der Wagen folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (26) zum Beleuchten des Objekts; und ein rechteckiges Fotodetektorarray (24) zum gleichzeitigen Erfassen einer Lichtintensität mehrerer Abtastlinien, wobei das rechteckige Fotodetektorarray mehr als drei Reihen von Fotodetektoren (64) aufweist.
  2. Scanner gemäß Anspruch 1, bei dem der Wagen (18) ferner folgende Merkmale aufweist: eine Befestigungsplatte (32), wobei eine horizontale Führung (34), die Lichtquelle (26) und das rechteckige Fotodetektorarray (24) an der Befestigungsplatte befestigt sind; einen ersten Motor (36), der mit einem ersten Zahnrad (38) verbunden ist; und eine horizontale Wagenstange (40), die eine horizontale Führungsspur (42) zum Aufnehmen der horizontalen Führung und eine horizontale Zahnradspur (22) zum Aufnehmen des ersten Zahnrads definiert, wobei der erste Motor wirksam ist, um das erste Zahnrad anzutreiben, um den Wagen entlang der horizontalen Richtung zu bewegen.
  3. Scanner gemäß Anspruch 2, bei dem: die horizontale Wagenstange (40) vertikale Führungen (44A, 44B) aufweist; der Wagen ferner einen zweiten Motor (46) aufweist, der mit einem zweiten Zahnrad (48) verbunden ist; und das Gehäuse (12) vertikale Führungsspuren (52A, 52B) zum Aufnehmen der vertikalen Führungen und eine vertikale Zahnradspur zum Aufnehmen des zweiten Zahnrads definiert, wobei der zweite Motor wirksam ist, um das zweite Zahnrad anzutreiben, um den Wagen entlang der vertikalen Richtung zu bewegen.
  4. Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Lichtquelle (26) einen Ring Licht emittierender Dioden, der um das rechteckige Fotodetektorarray (24) herum gebildet ist, aufweist.
  5. Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das rechteckige Fotodetektorarray ein Komplementär-Metalloxidhalbleiter- (CMOS-) Bildsensorarray aufweist.
  6. Scanner gemäß Anspruch 5, bei dem die Lichtquelle (26) Licht emittierende Dioden aufweist, die sich auf dem gleichen Chip befinden wie das rechteckige Fotodetektorarray (24).
  7. Verfahren zum Betreiben eines Flachbettscanners (10), mit folgenden Schritten: Erfassen eines ersten Bildes eines auf einer transparenten Platte (16) des Scanners platzierten Objekts mit einem rechteckigen Fotodetektorarray (24), wobei das rechteckige Fotodetektorarray mehr als drei Reihen von Fotodetektoren (64) aufweist; Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays in einem ersten kleinen Inkrement entlang einer ersten Richtung und einem zweiten kleinen Inkrement entlang einer zweiten Richtung, wobei das erste Inkrement kleiner ist als eine erste Beabstandung zwischen benachbarten Fotodetektoren auf dem Fotodetektorarray entlang der ersten Richtung, und wobei das zweite Inkrement kleiner ist als eine zweite Beabstandung zwischen benachbarten Fotodetektoren auf dem Fotodetektorarray entlang der zweiten Richtung; und Erfassen eines zweiten Bildes des Objekts.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner ein Kombinieren des ersten und des zweiten Bildes, um ein gescanntes Bild des Objekts zu erzeugen, aufweist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, das ferner folgende Schritte aufweist: Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarray (24) in einem großen Inkrement entlang der ersten Richtung; und Erfassen eines dritten Bilds des Objekts.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das große Inkrement zumindest eine Abmessung des rechteckigen Fotodetektorarrays entlang der ersten Richtung ist.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, das ferner folgende Schritte aufweist: Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24) in dem ersten kleinen Inkrement entlang der ersten Rich tung und dem zweiten kleinen Inkrement entlang der zweiten Richtung; und Erfassen eines vierten Bilds des Objekts.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner ein Kombinieren des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Bildes, um ein gescanntes Bild des Objekts zu erzeugen, aufweist.
  13. Blattzuführerscanner (200) mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse (102); Zuführrollen (106), die ein Dokument (110) in einer ersten Richtung bewegen; einem Wagen (108), der wirksam ist, um sich entlang einer zweiten Richtung zu bewegen, wobei der Wagen folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (26) zum Beleuchten des Dokuments; und ein rechteckiges Fotodetektorarray (24) zum gleichzeitigen Erfassen einer Lichtintensität mehrerer Scanlinien, wobei das rechteckige Fotodetektorarray mehr als drei Reihen von Fotodetektoren (64) aufweist.
  14. Scanner gemäß Anspruch 13, bei dem der Wagen (18) ferner folgende Merkmale aufweist: eine Befestigungsplatte (32), wobei eine horizontale Führung (34), die Lichtquelle (26) und das rechteckige Fotodetektorarray (24) an der Befestigungsplatte befestigt sind; einen ersten Motor (36), der mit einem ersten Zahnrad (38) verbunden ist; und eine horizontale Wagenstange, die eine horizontale Führungsspur (42) zum Aufnehmen der horizontalen Führung und eine horizontale Zahnradspur (22) zum Aufnehmen des ersten Zahnrads definiert, wobei der erste Motor wirksam ist, um das erste Zahnrad anzutreiben, um den Wagen entlang der horizontalen Richtung zu bewegen.
  15. Scanner gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die Lichtquelle (26) einen Ring Licht emittierender Dioden, der um das rechteckige Fotodetektorarray (24) herum gebildet ist, aufweist.
  16. Scanner gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das rechteckige Fotodetektorarray (24) ein Komplementär-Metalloxidhalbleiter- (CMOS-) Fotodetektorarray aufweist.
  17. Scanner gemäß Anspruch 16, bei dem die Lichtquelle (26) Licht emittierende Dioden, die sich auf dem gleichen Chip befinden wie das rechteckige Fotodetektorarray, aufweist.
  18. Flachbettscanner (200) mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse (212); einer transparenten Platte (216) auf dem Gehäuse zum Aufnehmen eines zu scannenden Objekts (224); einer Lichtquelle (222) zum Beleuchten des gesamten Objekts; Optik (220) zum Lenken von Licht, das von dem gesamten Objekt reflektiert wird, auf ein rechteckiges Fotodetektorarray (218), und wobei das rechteckige Fotodetektorarray zum gleichzeitigen Erfassen einer Lichtintensität des gesamten Objekts dient, wobei das rechteckige Fotodetektorarray mehr als drei Reihen von Fotodetektoren aufweist.
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