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2.1 Einleitung
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Im
Bereich des Fotofinishing, wie z. B. zur Herstellung von Abzügen
(Prints), hat sich für Laborgeräte gezeigt, dass
die konkurrenzfähige Entwicklung und Vermarktung solcher
Maschinen mit stetig wachsenden Anforderungen verbunden ist. Diese Anforderungen
sind z. B. immer kürzere Prozesszeiten und niedrigere Gesamtkosten
bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung des Endprodukts.
Aus Sicht der Hersteller erfordert dies bei der Entwicklung und
Realisierung von Fotolaborgeräten neue Technologien und
Methoden, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. In diesem Zusammenhang
spielen die digitale Bilderfassung und Bildverarbeitung eine tragende
Rolle. Insbesondere im Bereich der Bilderfassung haben sich im letzten
Jahrzehnt auf dem globalen Markt drastische Veränderungen
vollzogen. Gemäß aktuellen Trends wird die analoge
Fototechnik aufgrund der ungebrochenen Nachfrage nach digitalen Kompakt-
und Spiegelreflexkameras mittel- bis langfristig eine sekundäre
Rolle im Bereich Consumer Imaging spielen. Gemäß einem
Bericht des Photoindustrie-Verbands e. V. wurden im Jahr 2007 etwa
42 Millionen Filme verkauft, was einem Rückgang um rund
34% entspricht. Diese Entwicklung hat entsprechende Auswirkungen
auf die Zahl der für den deutschen Markt geprinteten Colorpapierbilder.
Bei einem Minus von 4% gegenüber dem Vorjahr wurden 2007 insgesamt
rund 4,8 Milliarden Colorpapierbilder für den deutschen
Markt ausgedruckt. Rund 69% davon wurden von Photogroßlaboratorien
gefertigt, etwa 17% in Minilabs oder mit Hilfe von Photo-Kiosken
und rund 14% als Homeprints.
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Aus
technischer Sicht bewirkt die Entwicklung der digitalen Fotografie
zum Haupterzeuger von Bildinformationen des Fotomarktes, dass herkömmliche
Scanner-Systeme immer mehr zu hochleistungsfähigen digitalen
Informationssystemen umgestaltet werden. Da sich jedoch aus historischen
Gründen ein gewichtiger Anteil der bestehenden Bildinformationen
immer noch in analogen Speichermedien wie z. B. 135 mm-Filmnegativen
befindet, und der Markt nach wie vor eine umfassende Verarbeitung
unterschiedlicher Medien erfordert, sind Systeme zur Digitalisierung
von analogen Filmmedien in Laborgeräten zur Herstellung
von Filmabzügen unabdingbar.
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Da
eine zufriedenstellende Abtastung solcher Medien immer noch eine
erhebliche Prozesszeit in Anspruch nimmt, besteht hier ein erheblicher
Innovationsbedarf.
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Im
Wesentlichen können hier wirksame Vorteile durch eine Verkürzung
der Prozesszeiten bei der Bild-Akquisition erreicht werden. Dies
kann auf zwei unterschiedliche Wege umgesetzt werden:
- – Verkürzung der Integrationszeiten im Aufnahmedetektor
- – Erhöhung der optischen Leistung des Beleuchtungssystems
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Die
Grenzen zur Verminderung der Integrationszeit werden nicht nur seitens
des technologischen Standes (kürzeste Integrationszeit)
der Detektoren gesetzt, sondern auch vom Signal-Rausch-Verhältnis,
das sich bei niedrigen Integrationszeiten erheblich verschlechtert.
Aufgrund der hohen Anforderungen an die Qualität des digitalisierten
Inhalts wird daher deutlich, dass eine Verkürzung der Prozesszeiten
nicht nur durch Verminderung der Integrationszeiten im Aufnahmesensor
bewerkstelligt werden kann.
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Abhilfe
schafft der Einsatz von Beleuchtung mit hoher Lichtleistung. Dies
ermöglicht eine Verkürzung der Integrationszeiten
bei gutem SNR. Dabei ist nach dem heutigen Stand der Technik die
Erzeugung von ausreichender optischer Leistung auf geringen Flächen
durchaus möglich. Jedoch liegt die Herausforderung für
die oben genannten Systeme im verlustlosen Transport, der Durchmischung
bzw. Homogenität und Abstimmung der Farbanteile des erzeugten
Lichts. Zusammenfassend bedeutet dies, dass bei der Auslegung der
Scannerbeleuchtung vor allem die Beschaffenheit des zu durchleuchtenden
Filmmediums und des Detektors zu berücksichtigen sind. Auch
die Anordnung im Erfassungssystem spielt eine wichtige Rolle. Eine
ideale Lösung ist erfahrungsgemäß durch
eine Lichtquelle gegeben, die
- – das
erzeugte Licht verlustlos in das Filmmedium einleitet
- – die für die gesamte zu durchleuchtende Filmfläche
Licht von konstanter Intensität bereitstellt.
- – die es erlaubt, die Intensitäten bestimmter
Wellenlängenbereiche zur bestmöglichen Aussteuerung
des Detektors anzupassen.
- – deren Abstrahlwinkel des austretenden Lichts den
strukturellen Eigenschaften des Filmmaterials beliebig anpassbar
ist, sodass das vom Filmmedium austretende Licht nur in den Detektor
gelangt, und somit keine Intensitätsverluste verursacht
werden und kein Kontrast verminderndes Fremdlicht rückreflektiert
wird.
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Eine
Reduktion der Kosten- und Systemkomplexität kann im Laborgerätebereich
durch den Einsatz einer Zeilenabtastung des Filmmediums erreicht
werden. Die Fertigung von Zeilensensoren ist wesentlich günstiger
als die von Flächensensoren.
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Deren
Systemeinbindung ist ebenfalls deutlich einfacher als die von Flächensensoren.
Da diese einen geringen Bauraum erfordern, unterstützen
diese eine kompaktere Bauweise von Foto-Laborgeräten. Desweiteren
ist eine zeilenweise Digitalisierung der Bildinformation nicht nur
für den Datentransfer (Busauslastung ist geringer und gleichförmiger),
sondern auch für die Datenverarbeitung, wie z. B. lineare Filterung,
von Vorteil. Hiermit wird deutlich, dass die Verbesserung von Hochgeschwindigkeitsscannern für
Laborgeräte gerade durch die Entwicklung von effizienten
Zeilenbeleuchtungen vorangetrieben werden kann.
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2.2 Stand der Technik
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Die
Erfindung gehört zur Familie der LED-Zeilenbeleuchtungen.
Obwohl der Stand der Technik sich durch eine Vielzahl von Ausführungen auszeichnet,
unterliegen bereits veröffentlichte Lichtquellen für
Hochleistungsscanner immer noch hinderlichen Begrenzungen unterschiedlicher
Eigenschaften wie z. B. Bauraum, Kosten und optische Leistungsdichte.
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Eine
weite Verbreitung finden Standard 5 mm LEDs mit zeilenförmiger
Anordnung, die in einer Vielzahl an Wellenlängen und optischen
Leistungen erhältlich sind. Diese können innerhalb
von unterschiedlichen zweckangepassten Gehäusen untergebracht
sein.
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Es
werden jedoch auch andere LED-Bauformen wie z. B. SMD verwendet,
wenn einer höhere Packungsdichte und ein geringerer Bauraum
erwünscht ist. Eine weitere Bauart von LED-Zeilenbeleuchtungen
besteht aus einer Aneinanderreihung von LED-Chips [
DE102004042339A1 ].
Die LED-Chips werden auf einem speziell präparierten Substrat
durch Lötungen und Bonddrähte mit den auf dem
Substrat befindlichen Leiterbahnen kontaktiert. Eine beachtliche
Packungsdichte wird durch Anwendung von Glasfaser-Zeilenbeleuchtungen
erreicht [
US5087937A ].
Hier wird das von einer örtlich entfernten Lichtquelle
erzeugte Licht in einzelne Glasfasern eingekoppelt, die an der Abstrahlfläche
zeilenförmig gebündelt werden.
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Der
geringe Durchmesser von Glasfasern erlaubt beliebige geometrische
Ausprägungen der Abstrahlflächen. Jedoch darf
man hier Biegungs- und Ein- und Auskopplungsverluste sowie die Empfindlichkeit
gegen mechanische (wie z. B.
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Schwingungen)
sowie thermische Einflüsse nicht vernachlässigen.
Auch ist die Realisierung solcher Lichtquellen mit erheblichen Kosten
verbunden.
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Zur
Homogenisierung der Lichtverteilung vor der Eintrittsfläche
des Filmmediums können unterschiedliche Diffusoren verwendet
werden. Häufige Verwendung finden strukturierte Streuscheiben.
Diese Strukturen können sowohl von makroskopischer als
auch mikroskopischer Beschaffenheit sein. Diffusoren werden aus
unterschiedlichen Materialien und in unterschiedlicher Form gefertigt.
Diese gehen von weit bekannten Milchscheiben, die bis zu einigen
Millimeter dick sein können, bis zu den unter einem Millimeter
dünnen Light Shaping Diffusers
® [
US5365354A ] aus
Policarbonat. Ein weiterer Vorteil der Light Shaping Diffusers
® ist, dass sie parallel gerichtetes
Licht um eine Vielzahl von festen Winkeln zweidimensional streuen
können. Auch nichtparalleles Licht wird entsprechend seiner
Strahlcharakteristik vorwiegend in eine erwünschte Raumrichtung
gestreut.
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Der
Abstrahlwinkel des aus der Beleuchtung austretenden Lichts ist gerade
bei Hochleistungs-Filmscannern aufgrund der erforderlichen Lichtleistungen
von besonderer Bedeutung. Erfahrungsgemäß kann
eine bessere Destrukturierung der Beleuchtungsstrukturen durch eher
große Abstrahlwinkel erreicht werden. Diess hat jedoch
einen starken Abfall des Intensitätsmaximums zur Folge,
da ein Großteil des informationstragenden Lichts nicht
mehr in den Detekor gelangt. Ein weiters Problem ist dadurch gegeben,
dass sich rückgestreutes Fremdlicht, das bei geschlossenen
Systemen hauptsächlich durch den Verlust von Lichtanteilen
verursacht wird, kontrastmindernd auf die Aufnahme auswirkt, falls
es wieder zum Filmmedium gelangt. Eine Vermeidung von Intensitätsverlusten
und deren unerwünschten Nebeneffekten lässt sich
durch eine Verringerung des Abstrahlwinkels erreichen, der aber
eine geringere Homogenisierung des Lichts zur Folge hat.
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Lichtquellen,
die einen variablen Abstrahlwinkel des austretenden Lichts erzeugen,
beanspruchen einen größeren Bauraum, und deren
Realisierung ist aufgrund ihrer Komplexität mit hohen Kosten verbunden
[
WO2006071397A1 ].
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Zur
Erhaltung der erzeugten Lichtleistung ist auch der Abstand der Austrittsfläche
der Beleuchtung zum Filmmedium von Bedeutung. Dieser sollte möglichst
gering sein und ergibt sich idealerweise aus dem Ausschlag senkrecht
zur Filmebene, den das Filmmedium aufgrund seiner elastischen Eigenschaften
und der Beschaffenheit des Filmlaufs hat. Bei Einhaltung dieses
Abstandes darf keine Berührung des Films mit der Beleuchtungsaustrittsfläche erfolgen.
Da die Bauart von Filmläufen und Lichterzeugungssystemen
nach dem aktuellen Stand der Technik den oben genannten Mindestabstand
auch nicht näherungsweise erlauben, werden dazwischen Lichtleiter
angebracht. Hierdurch entsteht zwar die Möglichkeit einer
akzeptablen Verbindung zwischen Lichterzeuger und Filmmedium, jedoch
treten mehrfache Verluste durch Ein- und Auskoppelung und durch
Streu- bzw. Absorptionsverluste im Lichtleiter auf.
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Einige
Lichtleiterbauarten tragen auch zur Durchmischung von Licht von
unterschiedlichen Wellenlängen nach dem Köhler'schen
Superpositionsprinzip bei.
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Solche
Lichtleiter haben innerhalb von Beleuchtungen für Hochleistungsscanner
hauptsächlich drei Ausprägungen:
- – Spiegelschächte
- – Glas- oder Kunststoffstäbe
- – Glasfasern
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Spiegelschächte
sind sehr verlustarm, auch wenn sie aus Kostengründen nicht
aus Spiegeln, sondern aus Materialien mit bedampften glatten Oberflächen
gefertigt werden. Ihre Bauform lässt sich jedoch nur erschwert
miniaturisieren, so dass z. B. sehr schmale Ausleuchtungslinien
nicht erzeugt werden können. Der Austrittswinkel hängt
von der geometrischen Beschaffenheit des Schachtes ab. In Lichtstäben
wird das Licht nach dem Prinzip der Totalreflexion transportiert.
Die Verluste hängen hier von der Beschaffenheit der Lichteintrittsfläche
und der Rauhigkeit der reflektierenden Grenzflächen ab, die
zu Gunsten einer effizienten Reflektion möglichst gering
sein sollte. Diese lassen sich sehr kostengünstig aus Glas,
Transparenten und polierbaren Kunstoffen herstellen, und der Grad
der Lichtdurchmischung kann durchaus die Güte von herkömmlichen
Spiegelschächten erreichen. Glasfaser-Lichtleiter werden
besonders bei komplexeren Transportwegen oder bei größeren Bauräumen
des Lichterzeugers verwendet. Hier ist eine Durchmischung unterschiedlicher
Lichtwellen aufgrund der Einkopplungsschwierigkeiten sehr aufwendig
und im Sinne einer kosteneffizienten Technik nicht anwendbar.
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Wie
schon erwähnt können zum Transport und zur Destrukturierung
von Lichtwellen mit unterschiedlichen Spektren Glasplatten verwendet
werden, deren Oberflächen, an denen das Licht reflektiert
werden soll, poliert sind. Dabei kann das Licht einseitig [
DE202004014555U1 ]
oder auch mehrseitig [
JP2002270022AA ]
eingeleitet werden. Bei einseitiger Lichteinkoppelung wird oft auf
Lichtleiter zurückgegriffen, die sich mit zunehmender Entfernung
von der Lichtquelle verjüngen [
WO2006116518A2 ].
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Desweiteren
werden durch Lichtschächte nichtlineare wie z. B. Lambert'sche
Strahlungsverteilungen in eine lineare Form gebracht [
US5442533A ]. Dies gelingt
hinsichtlich einer möglichst homogenen Leuchtdichteverteilung
an der Austrittsfläche allerdings nur bedingt.
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Auch
spezielle lineare Anordnungen von Reflektoren [
DE10208441A1 ] oder geometrische
Strukturen [
JP2004312753A ]
können eine Abstrahlung mit guter homogener Leuchtdichte
ermöglichen. Deren Umsetzung ist jedoch auf kleinen Bauräumen
kompliziert und daher kostenintensiv.
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Zur
linearen Ausleuchtung von Farb-Filmmedien gibt es unterschiedliche
Ansätze. Einige bedienen sich komplexer optischer Abbildungssysteme [
DE69922758T2 ].
Bei anderen wird das austretende Licht einzelner Farbzeilen (z.
B. RGB) in einem Lichtschacht und überwiegend senkrecht
zur Filmebene abgestrahlt [
DE10313250A1 ].
Oft bestehen optische Abbildungssysteme zur Erzeugung einer linearen Strahlungscharakteristik
aus mindestens einer Zylinderlinse [
JP2000307805 ].
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Zur
Sättigung der einzelnen fotoempfindlichen Sensorflächen
werden Licht emittierende Halbleiter mit Wellenlängen der
Primärfarben Rot, Grün und Blau miteinander in
einem Anteil kombiniert, der den wellenlängenspezifischen
Transmissionen des zu durchleuchtenden Mediums entspricht [
WO1998034397A2 ].
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Um
eine Staub- und Kratzerkorrektur zu ermöglichen, werden
solche Zeilen auch mit LEDs bestückt, die im infraroten
Bereich emittieren.
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Die
Veröffentlichung [
EP0959609A2 ],
deren geometrische Ausprägung Gemeinsamkeiten mit der in
dieser Erfindungsmeldung beschriebenen Lichtquelle aufweist, soll
hier ausführlicher beschrieben werden. Dadurch soll eine
Vereinfachung zum Verständnis und zur Abgrenzung der in
dieser Erfindungsmeldung beschriebenen Lichtquelle ermöglicht werden.
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Die
oben genannte Veröffentlichung umschreibt eine Zeilenbeleuchtung
eines Filmscanners für den Hausbereich, die eine Beleuchtung
beinhaltet, die aus einer Zeile von Beleuchtungselementen von unterschiedlicher
spektraler Abstrahlcharakterisitik besteht, die auf einem Hauptelement
angebracht sind. Das Hauptelement befestigt einen Lichtleiter, der
wiederum in einem Lichtschacht geführt ist. Im Lichtleiter
befinden sich Streuzentren aus Bariumsulfat, die zur Lichtmischung
beitragen. Die Beleuchtung ist ausschließlich zur Durchleuchtung
von Negativfilmen im APS-Format vorgesehen. Das APS-Medium wird
direkt über die Austrittsseite des Lichtleiter/Lichtschacht-Elements
bestrahlt. Das informationstragende Licht wird über einen
Spiegel und einen weiteren Lichtleiter, der näherungsweise
rechtwinklig mit dem o. g. Lichtleiterkomplex verbunden ist, über eine
Abbildungslinse auf einen zeilenförmigen CCD-Detektor projeziert.
Die in der Veröffentlichung gestellten Patentansprüche,
die für diese Erfindungsmeldung relevant sind, beinhalten
eine Beleuchtung für fotografische Medien mit einer linienförmigen Lichtquelle,
die kollinear mit einem mit Streuzentren präparierten Lichtleiter
in Verbindung steht. Im Wesentlichen wird die Verteilung, Beschaffenheit
und das Gewicht der Streuzentren beansprucht. Desweiteren bestehen
auch Ansprüche auf die kollineare Anordnung der lichtemittierenden
Elemente mit dem Diffusor. Die Halbleiter sind zumindest auf der
Länge des gesamten Lichtleiters angeordnet. In der Veröffentlichung
befindet sich keine deutliche Beschreibung über die Ankopplung
des Lichtleiters mit Streuzentren an die lichterzeugende Halbleiterzeile.
Im Weiteren liegt keine Charakteristik der Intensitätsverteilung
des Austrittslichts über die gesamte linienförmige
Ausleuchtungsbreite vor. Somit ist die homogenisierende Wirkung
der Streuzentren unbekannt und auch eine zumindest qualitative Einschätzung
der Strahlungscharakteristik ist nicht möglich. Es liegen vielmehr
keinerlei Leistungswerte vor, die die beschriebene Beleuchtung in
Relation zu den Leistungswerten des Standes der Technik stellen.
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2.3 Aufgabe
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein besonders leistungsfähiges
lineares Beleuchtungssystem zur definierten linienförmigen
Durchleuchtung von zu digitalisierenden Filmmedien aus unterschiedlichen
Formaten anzugeben. Die Leistungsmerkmale liegen im Bereich der
Beleuchtungen für Digitalisierungsscanner von Laborgeräten
zur industriellen Herstellung von Bildabzügen. Zur Sicherstellung
des Durchsatzes solcher Geräte ist eine robuste, zuverlässige
und leistungsfähige Beleuchtung erforderlich.
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Gegenüber
herkömmlichen Flächenscannern ergeben sich verschiedene
Vorteile durch den Einsatz eines Zeilenakquisitionssystems. Neben
der geringeren Systemkomplexität und reduzierten Komponentenkosten
führt dessen Einsatz auch zu einem verbesserten Datenhandling
und Datentransfer sowie einer vereinfachten Bildnachbearbeitung.
Dabei muss stets auf folgende Anforderungen geachtet werden:
- – geringe optische Leistungsverluste
bei der Lichttransport
- – Anpassbarkeit der unterschiedlichen Spektralanteile
zur optimalen Sättigung der Photoelemente des Bildsensors
- – gering abweichende Leuchtdichte über die
gesamte auszuleuchtende Filmfläche
- – Vermeidung von Fremdlicht und Intensitätsverlusten
durch optimale Auslegung des Austrittswinkels
- – selbsttätige Anpassung der Beleuchtung an
unterschiedliche Filmmedien
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Dabei
spielt auch der erforderliche Bauraum der Scannerbeleuchtung eine
fundamentale Rolle. Dieser soll stets gering gehalten werden, um
die Realisierung möglichst kompakter Laborgeräte
zu ermöglichen. Eine einfache und robuste Bauweise ist wegen
der einfachen Herstellungsverfahren und Robustheit der Beleuchtungen
für die wirtschaftliche Seite von Vorteil. Diese Aufgabe
wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 sowie de
Unteransprüche 2 bis 5 gelöst.
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2.4 Lösung
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Die
lineare Beleuchtung ist in 1 dargestellt
und ist auf einem aus Kupfer bestehenden Träger 106,
an dem einseitig Kühlrippen 102 angebracht sind,
aufgebaut. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich
ein Keramik-Substrat 105, das thermisch leitend mit dem
Träger 106 verbunden ist. Auf dem Substrat sind
zur verlustarmen elektrischen Kontaktierung der Licht emittierenden
Halbleiter mehrere Leiterbahnen aus Gold angebracht, und ein Bereich
ist für eine optimale thermische Kontaktierung der Halbleiter
vorgesehen. Die Beleuchtungszeile 119 besteht aus mehreren
zeilenförmig aneinander gereihten Hochleistungs-LED-Powerchips
mit unterschiedlichen Wellenlängen der drei Primärfarben
Rot, Grün und Blau, die entlang der Zeile jeweils nach
dem Gesamtverhältnis 1:2:3 (Rot:Grün:Blau) gleich
verteilt angebracht sind. Das Verhältnis berücksichtigt
die unterschiedlichen optischen Dichten der einzelnen fotoempfindlichen
Schichten von gängigen Farbfilmen. Jeder LED-Chip ist stets
mit einer Kathoden-Leiterbahn und entsprechend der Emissionswellenlänge
mit einer Anoden-Leiterbahn elektrisch leitend über Bonddrähte
verbunden. Das Substrat 105 befindet sich innerhalb der
optisch reflektierenden Wanne 107, deren Zweck es ist,
eine transparente Kunststoffmasse zum Schutz der Halbleiter aufzunehmen
und deren Verbindungen vor Verunreinigungen und mechanischen Belastungen
zu bewahren. Der Brechungsindex dieser Schutzmasse entspricht dem
von handelsüblichem Glas. Die Masse verschließt
das Substrat und die Halbleiterzeile gänzlich und bietet
eine Kontaktierungsfläche mit guter Ebenheit. An dieser
Kontaktierungsfläche befindet zur optimalen Lichteinkopplung
ein Diffusor 109, der aus einer sehr dünnen Polycarbonat-LSD-Folie® besteht. Dieser Diffusor wird
mechanisch durch einen plattenförmigen Lichtleiter 111 befestigt.
Dieser besteht wiederum aus handelsüblichem Schottglas®, dessen beide großen
Flächen eine sehr geringe Rauheit aufweisen. Die vier kleinen
Flächen besitzen eine höhere Rauheit, wie sie üblicherweise
bei den Oberflächen von geschnittenen Glaskanten auftritt. Der
Lichtleiter 111 wird mechanisch über zwei LSD-Folien 110 und 112 und
zwei Seitenelemente 103 und 104 an dem Trägerelement 106 befestigt. Das
Licht der Beleuchtungszeile 119 wird somit von oben in
den plattenförmigen Lichtleitereingekoppelt. Die Seitenelemente
besitzen entlang der gesamten Kontaktfläche des Lichtleiters
Reflexions-Nuten (2). Zur Gestaltung des Abstrahlwinkels
ist an der Austrittsfläche des Lichtleiters und an den
Stirnseiten der Seitenelemente eine weitere LSD-Folie 117 mit
dem variablen Diffusor-Blendenelement 118 befestigt. Die
veränderliche Blendenbreite dieses Elements wird durch
die Position der Blendenplatten 113 und 114 bestimmt.
Diese werden jeweils in x-Richtung durch die Linearantriebe 115 und 116 positioniert.
Das variable Diffusor-Blendenelement ist deutlicher in 3 beschrieben.
Die von den Kühlrippen aufgenommene Wärme wird
mittels des Luftdurchsatzes des Lüfters 101 abtransportiert.
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Das
von der Halbleiterzeile 119 erzeugte Licht hat näherungsweise
eine Strahlungscharakteristik, die aus der Überlagerung
mehrere einzelner und zeilenförmig angeordneter Lambert'scher
Punktstrahler erzeugt wird. Auch wenn die Intensitätsmaxima
senkrecht zur Abstrahlfläche des Halbleiters liegen, wird
Licht über den gesamten Halbraum abgestrahlt. Diese Strahlungscharakteristik
führt zu Intensitätsverlusten, falls das Licht
in einen stabförmigen Lichtleiter nach dem Prinzip der
Totalreflexion geleitet werden soll. Dieses Prinzip besagt, dass
ein Lichtstrahl, wenn er unter dem Winkel Φ1 auf
die Grenzschicht zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Brechzahl
n1 und n2 trifft,
nach dem Brechungsgesetz von Snellius gebrochen wird. Der Winkel Φ2 des gebrochenen Strahls berechnet sich
demnach als: sinΦ1n2 = sinΦ2n1
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Für
den Fall, dass der Übergang vom optisch dichteren in das
optisch dünnere Medium (geringerer Brechungsindex) stattfindet,
kommt es für einen bestimmen Grenzwinkel zur Totalreflexion.
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Bei
Einfallswinkeln über dem kritischen Winkel Φ
1 = Φ
c,
bei dem Φ
2 = 90° ist,
tritt Totalreflexion ein, und es gilt Φ
1 = Φ
2. Dies hat zur Folge, dass die Lichtstrahlen
das optisch dichtere Medium nicht mehr verlassen können.
Voraussetzung für geringe Verluste bei diesen internen
Reflexionen sind möglichst glatt polierte Flächen.
Der kritische Winkel Φ
c berechnet
sich aus:
-
Innerhalb
der beschriebenen Beleuchtung wird ein Lichtleiter aus Glas (n =
1,54) eingesetzt, der von Luft (n = 1,0) umgeben ist. Für
diese Konfiguration beträgt der Grenzwinkel der Totalreflexion Φc = 41,81°. Dies bedeutet, dass
abgesehen von Interferenzeffekten ein Strahl, der innerhalb des
Akzeptanzwinkels Φa > 41,81
(Φa < 90°)
in den Lichtleiter einfällt, bis zu der Abstrahlfläche
des Lichtleiters reflektiert wird. Wenn man diese Überlegungen
auf den Streuwinkel der LSD Folie 109 abbildet, darf diese mit
bis zu einem Halbwinkel von 40° in den Lichtleiter streuen.
Für die Beleuchtungseinheit des Scanners erfüllt
der Lichtleiter eine zusätzliche Funktion zum Lichttransport.
Es werden Lichtanteile verschiedener Farben nach dem Köhler'schen
Superpositionsprinzip überlagert. Dies hat eine additive
Farbmischung innerhalb des Lichtleiters zur Folge. Zusätzlich
wird durch unterschiedliche Brechung eines Teilbereiches der Strahlung
eine homogenere Strahlungsverteilung im Lichtleitervolumen bewirkt.
Entscheidend ist daher auch die Anzahl der Reflektionen im Lichtleiter,
die wiederum mit dem Reflektionshalbwinkel steigt. Der Diffusor 109 wurde
daher mit einem Abstrahlwinkel von 40° gewählt.
Diese Wahl bringt auch unter Verwendung von kurzen Lichtleitern
eine hervorragende Durchmischung in yz-Richtung. Im Gegensatz dazu ist
eine effektive Durchmischung in xy-Richtung aufgrund der wenigen
Reflektionen nicht möglich. Dieses Problem wird in der
beschriebenen Beleuchtung durch Reflektionsnuten in den Seitenelementen 103 und 104 gelöst. 2 zeigt
anhand des dargestellten Strahlengangs, dass das Licht über
LSD-Folien mit einem Vorzugswinkel, der dem größtmöglichen
realisierbaren Halbwinkel entspricht, in die rechteckige Nutenkammer 201 streut.
Das reflektierte Licht streut dann mit einem höheren Intensitätsanteil
im gleichen Winkel in die Glasplatte zurück. Hier ist zu
beachten, dass bei höheren Winkeln als 40° das
Licht in z-Vorzugsrichtung aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Daher
sind die Diffusoren 110 und 112 zweidimensional
diffundierende Elemente, die 40° in z-Richtung und 80° in
xy-Richtung streuen. Neben der guten Durchmischung in z-Richtung
wird ein Teil des Lichts zurück zur Quelle geführt,
wodurch insgesamt ein bessere Homogenität erreicht wird,
da das Licht hier wieder gebrochen wird und einen erneuten Durchlauf durch
den Lichtleiter nimmt.
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Von
Bedeutung ist gerade im Falle von zusätzlichen Wärmeanteilen
von rückreflektierendem Licht ein optimaler Abtransport
der von den Halbleitern erzeugten Wärme, um einer hierdurch
bedingte Verringerung der Lebensdauer zu vermeiden.
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Dies
ist in der Beleuchtungsquelle durch die Elemente 106, 102 und 101 durch
eine Anordnung gelöst, die erfolgreich zur Kühlung
von Halbleiterprozessoren eingesetzt wird.
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Zur
Vermeidung von Intensitätsverlusten, die aufgrund der großwinkligen
Lichtanteile am Austrittspunkt der Beleuchtung verursacht werden,
und die gleichzeitig auch Fremdlichtprobleme verursachen können,
wird der Austrittswinkel mit der LSD-Folie® 117 auf
einen optimalen Winkel unter Berücksichtigung der Eigenschaften
und Anordnung des Aufnahmesystems angepasst. Dieser darf erfahrungsgemäß bei
kompakten Anordnungen einen Halbwinkel von 30° nicht überschreiten.
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Zur
Steuerung der Ausleuchtungsbreite in x-Richtung und zur Anpassbarkeit
der Beleuchtungsintensität bei der Durchleuchtung von verschiedenen Filmformaten
wird die variable Blendenvorrichtung 118 verwendet. Hier
kann die Ausleuchtungsbreite über zwei Linear-Aktoren 113 und 144 positionierbare
Blendenplatten 115 und 116 eingestellt werden.
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Die
Funktionalität zur Ansteuerung der Ströme zu den
Halbleitergruppen mit unterschiedlicher Wellenlänge wird
einzeln und/oder gemeinsam durch ein Steuerungsprogramm selbsttätig
eingestellt. Dabei wird eine Anpassung der optischen Intensitäten und
der Blendenöffnung nach dem Format des zu verarbeitenden
Filmmediums vorgenommen. Desweiteren werden im gleichen Programm
alterungsbedingte und temperaturbedingte Leistungsschwankungen der
Beleuchtung abgeglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0011]
- - US 5087937 A [0011]
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- - WO 2006071397 A1 [0016]
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