DE3145952A1 - Anordnung zur beleuchtung und abbildung einer bildvorlage fuer ein bildsensorarray - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aur Beleuchtung und Abtastung einer Bildvorlage für ein Bildsensorarray, bei der die Beleuchtung durch ein Lichtbündel erfolgt, das die Vorlage von der gleichen Seite beleuchtet, von der sie gelesen wird.

Die zeilenweise Abtastung einer Bildvorlage lcann mit Hilfe eines linearen Bildsensorarrays geschehen. Solche linearen Bildsensoren existieren in Form von CCDs (charge coupled devices). Diese Bauelemente besitzen bis zu 1728 bzw. 2048 Bildpunkte mit einer Größe von ca. 12 .um. Für eine DIN A4 - Seite ergibt sich damit eine Auflösung von 8-10 Punkten pro Millimeter. Man benötigt allerdings ein optisches Abbildungssystem, das die Vorlage verkleinert, um mit diesen Sensoren eine DIN A4 - Seite aufnehmen zu können. Dieses optische System muß sehr gute Abbildungseigenschaften haben, Randunschärfen dürfen nicht auftreten.

Ein Objektiv mit diesen Eigenschaften ist relativ aufwendig und kostspielig. Außerdem ist ein System, das mit einer optischen Abbildung arbeitet, wegen des notwendigen Abstandes zwischen Vorlage und Objektiv sowie zwischen Objektiv und Bildsensor relativ voluminös.

Baut man den Bildsensor so, daß die einzelnen Sensorpunkte so groß wie die einzelnen Bildpunkte sind, d.h. 1/10 mm, so kann auf die Abbildung durch ein optisches System verzichtet werden. Man muß allerdings Vorlage und Sensor in Kontakt miteinander bringen, da sonst der Kontrast der Vorlage verloren geht, weil ein Sensorpunkt auch Streulicht benachbarter Bildpunkte erhält.

In der DE-OS 3007 ^39 wird eine Anordnung beschrieben, bei der eine eindeutige Zuordnung zwischen Bildpunkt und Sensorpunkt bei endlichem Abstand durch den Einbau von Glasfaserlichtleitern erzielt wird. In einer Zwischenschicht zwischen Vorlage und Sensorarray werden Lichtleiter eingebaut, die das Licht eines Bildpunktes zu dem entsprechenden Detektor führen. Eine solche Lichtleiteranordnung, die in einer Glasplatte eingebettet wird, welche den Abstand zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays definiert, bringt fertigungstechnische Schwierigkeiten mit sich. Sie liegen

zum einen in der Vej&rbeitung der Glasfasern, zum anderen im präzisen Einbau der Fasern in die Glaszwischenschicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, in der die Lichtstreuung von den Bildpunkten einer Vorlage in andere als zugehörige Detektoren auf einfache Weise unterdrückt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei der zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays lichtundurchlässige Blenden derart eingefügt sind, daß für das von einem Bildpunkt zurückgestreute Licht nur der zugeordnete Bildsensor erreichbar ist.

Der Abstand zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays ist vorzugsweise erfindungsgemäß doppelt so groß wie die lineare Ausdehnung eines einzelnen Bildsensors. Die Blenden werden in einer Ebene angeordnet, die sich im halben Abstand zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays befindet. Dies läßt sich erzielen, wenn der Abstand zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays durch zwei miteinander verbundene, gleich dicke Glasplatten gebildet wird, zwischen denen die Blenden angeordnet sind. Die Blenden werden

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vorzugsweise photolxtographisch auf einer der Glasplatten hergestellt. Die Glasplatten werden dann mittels eines Klebers miteinander verbunden. Die Blenden befinden sich erfindungsgemäß oberhalb der Flächen zwischen den einzelnen Bildsensoren. Die Abmessungen der Blenden sind ferner gleich den Abmessungen der Flächen zwischen den Bildsensoren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1

das Verhältnis der Intensitäten I. der Nachbarbildpunkte der Vorlage bezogen auf die Intensität I des zugeordneten Bildpunktes als Funktion des Verhältnisses aus Sensorgröße b und Vorlagenabstand d;

Fig. 2

schematisch Anordnung der Bildpunkte B. und der Sensorpunkte S. im Abstand d;

Fig. 3

erfindungsgemäße Blendenanordnung in der Zwischenschicht zwischen Bildvorlage und Bildsensorarray und

Fig. 4

den Verlauf des Beleuchtungslichtbündeis in der Zwischenschicht.

In Fig. 1 wird I. / I , d.h. das Intensitätsverhältnis der Nachbarpunkte und des zugeordneten Bildpunktes, als Funktion von b/d, d.h. das Verhältnis aus Detektorgröße und Vorlagenabstand, aufgetragen, wie es sich nach der Formel

2 *
_T _ cos ψ

ergibt, wenn man annimmt, daß die Vorlage das Licht gleichmäßig über den gesamten Raumwinkel zurückstreut. In der Formel bedeuten r den Abstand zwischen Bildpunkt B. und Sensorpunkt S und Q den Winkel zwischen der Verbindungslinie zwischen den zugeordneten Punkten B und S und der Verbindungslinie zwischen B. und S (Fig. 2). Der Index i bezeichnet die verschiedenen Nachbarn.

Den Kurven kann entnommen werden, daß bei einem Verhältnis von b/d = 1/1 die nächsten Nachbarpunkte (i=l) noch jeweils 25 % zur Intensität am jeweiligen Sensorpunkt beitragen, zusammen also 50 %. Wenn also der zugehörige Bildpunkt dunkel ist und die Nachbarpunkte sind hell,

ergibt sich am Ort des Sensors eine Helligkeit von etwa 50 % des Maximalwertes. Graustufen bis etwa 50 % können also nicht aufgelöst werden. Selbst wenn man nur starke schwarz-weiß-Kontraste wiedergeben möchte, können schon geringe Intensitätsfluktuationen dazu führen, daß kleine Strukturen nicht wiedergegeben werden.

Um die Kontrastverhältnisse zu verbessern, muß nach der obigen Gleichung b/d größer als l/l sein, d.h. die Dicke der Zwischenschicht muß geringer sein als die Abmessungen des Sensors. Verwendet man eine Glasplatte als Abstandhalter, so muß bei Auflösung von 10 Punkten pro Millimeter die Glasplatte dünner als 100 /um sein. Eine solche Glasplatte hat aber eine geringe mechanische Stabilität.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß ein Vorlagenbildpunkt B.

im Abstand r. unter dem Winkel (Q von einem Sensor S 1 7 ο

gesehen wird. Dabei sind die Bildsensoren S. und Bildpunkte B. mit dem Abstand d voneinander angeordnet. Die relative Intensität des Streulichts I. / I , das am Ort des Sensors i=o von benachbarten Bildpunkten i = 1-3 empfangen wird, hängt von dem Verhältnis Sensorbreite b zum Vorlagenabstand d ab (Fig. l). Der größtmögliche Einfallswinkel von der Vorlage her ist der

streifende Einfall. Bei einem Brechungsindex des Glases von n=l,5 wird dieses Licht unter einem Winkel von 42 zur Normalen ins Glas hinein gebrochen. Bei einem Verhältnis b/d = 1/1 erscheint aber bereits der zweitnächste Nachbar von einem bestimmten Sensorpunkt aus gesehen unter einem Winkel von mehr als 42 . Damit kann unter Berücksichtigung der Lichtbrechung an der Grenzfläche Glas/Vorlage nur vom nächsten Nachbarn kommendes Licht den Sensor erreichen.

Berücksichtigt man die Lichtbrechung auch beim ersten Nachbarn, so erhält man einen um 20 % geringeren Anteil des Streulichtes am Sensor, verglichen mit den Werten aus Fig. 1. D.h. etwa 40 % der Intensität am jeweiligen Sensor stammt von dem nächsten Nachbar. Eine Grauwertwiedergabe ist also auch unter Berücksichtigung der Lichtbrechung nicht möglich.

Die Lichtstreuung von Nachbarpunkten der Vorlage in den jeweiligen Sensor läßt sich auf einfache Weise erfindungsgemäß dadurch weitgehend unterdrücken, daß lichtundurchläßige Blenden zwischen Vorlage und Lesearray eingebaut werden. Eine mögliche Anordnung wird in Fig. 3 gezeigt. Hier befinden sich die Blenden 1 zwischen der Vorlage, die durch Bildpunkte B. beschrieben

- ιθ -:

"" " '-" -· 3U5952

ist, lind der Ebene der Bildsensoren S.. Außerdem sind die Blenden 1 im halben Abstand zu den Sensoren S. eingebaut. Diese Blenden 1 sorgen dafür, daß Licht, das vom nächsten Nachbarn ausgeht, absorbiert wird. Bei einem Abstand d=l60 /um erscheinen die zweitnächsten Nachbarn unter einem so großen Winkel, daß das Streulicht wegen der Lichtbrechung den Sensor nicht erreichen kann.

Der Abstand d wird erfindungsgemäß durch zwei dünne Glasplättchen mit einer Dicke von 80 ,um gebildet. Die Blendenanordnung wird so realisiert, daß die Blendenstrukturen auf dünnen Glasplättchen photolitographisch hergestellt werden. Die Plättchen werden anschließend verklebt. Das Verkleben der Glasplättchen hat den Vorteil, daß das so entstandene Laminat mechanisch erheblich stabiler ist, als eine Glasplatte gleicher Dicke. Beim Verkleben muß allerdings darauf geachtet werden, daß sich der Brechungsindex des Klebers nicht allzusehr von dem der Glasplatte unterscheidet, um Reflex ionsverluste möglichst gering zu halten. So bewirkt bei n=l,5 ein Brechungsindex-Unterschied von 0,1 bei senkrechtem Einfall eine Reflexion von 0,12 % pro Grenzfläche. Dieser Wert erhöht sich nur unwesentlich auf 0,13 % bei Einfallswinkeln bis zu 30 .

Mit Hilfe der Blendenstruktur ist es also möglich, ein lineares Lesearray zusammen mit der Abbildung der Vorlage und ihrer Beleuchtung auf kleinem Raum unterzubringen.

Für die Beleuchtung der Vorlage steht bei einem linearen Sensorarray nur ein begrenzter Winkelbereich zur Verfügung. Zum einen ist er durch die Totalreflektion an der Grenzfläche der Glaszwischenschicht zur Vorlage hin begrenzt, zum anderen durch das Verhältnis Ausdehnung der Sensoren zum Abstand der Vorlage, da das Licht seitlich an den Sensoren vorbeigeführt werden muß.

Hier bietet die Blendenstruktur Vorteile, da sie es ermöglicht, die Zwischenschicht relativ dick zu machen. Das führt zu einer Verkleinerung des Einfallswinkels an der Grenzfläche Glas/Vorlage und da-nit zu einer Verringerung der Reflexionsverluste an dieser Stelle. Da die Blenden in Bezug auf die Bildpunkte bzw. Sensorpunkte versetzt angeordnet sind, beeinträchtigen sie die Beleuchtung der Vorlage nicht.

Fig. 4 zeigt die Blendenanordnung gegenüber Fig. 3 um 90 % gedreht. Hier sind unten die Sensoren 4 zu erkennen und in der Mitte die Blenden 1. Der Verlauf

eines Lichtstrahlbündels 5 zur Beleuchtung ist ebenfalls eingezeichnet. Die Glasplatten 2 definieren den Abstand zwischen Bildpunkten 3 und Sensorpunkten h. In dem hier gezeigten Beispiel trifft das Lichtbündel die Grenzfläche unter einem Winkel von etwa 32 . Der Abstand der Randstrahlen zu den einzelnen Sensoren in der Ebene des

j Lesearrays "beträgt dann etwa 50 /um. =

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Anordnung zur Beleuchtung und Abbildung einer Bildvorlage für ein Bildsensorarray, bei der die Beleuchtung
   durch ein Lichtbündel erfolgt, das die Vorlage von der gleichen Seite beleuchtet, von der sie gelesen wird,
   dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays lichtundurchlässige Blenden (l) derart eingefügt sind, daß für das -von einem BxIdpunkt B. (3) zurückgestreute Licht mir der zugeordnete Bildsensor S. (4) erreichbar ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß der Abstand zwischen Vorlagenebene (3) und Ebene des
   Bildsensorarrays (4) doppelt so groß ist, wie die
   lineare Ausdehnung eines einzelnen Bildsensors_o
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (l) in einer Ebene angeordnet sind, die sich im halben Abstand zwischen Vorlagenebene (3) und Ebene des Bxldsensorarrays (4) befindet.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (l) oberhalb der Flächen zwischen den einzelnen Bildsensoren angeordnet sind.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Blenden (l) gleich sind den Abmessungen der Flächen zwischen den Bildsensoren.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Vorlagenebene (3) und Ebene des Bxldsensorarrays (4) durch zwei miteinander verbundene, gleich dicke Glasplatten (2) gebildet wird, zwischen denen die Blenden (l) angeordnet sind.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (l) photolithographisch auf Glasplatten (2) hergestellt und die Glasplatten (2) mittels eines Klebers miteinander verbunden sind.