DE3145952C2

DE3145952C2 - Anordnung zur Beleuchtung und Abbildung einer Bildvorlage für ein Bildsensorarray

Info

Publication number: DE3145952C2
Application number: DE3145952A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl.-Phys. Dr. 6370 Oberursel Engemann; Dieter Dipl.-Phys. Dr. 6000 Frankfurt Fischer; Heinz Dipl.-Phys. 8500 Nürnberg Kleeberg
Original assignee: Triumph Adler AG Fuer Buero und Informationstechnik 8500 Nuernberg; TA Triumph Adler AG
Current assignee: TA Triumph Adler AG
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1984-05-03
Also published as: US4531062A; DE3145952A1; JPS5943869B2; JPS5894267A

Abstract

Bei einer 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, werden zwischen Vor lagenebene und Ebene des Bildsensorarrays lichtundurchlässige Blenden eingefügt. Die Blenden werden so angeordnet, daß für das von einem Bildpunkt zurückgestreute Licht nur der zugehörige Bildsensor erreichbar ist.

Description

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Die Erfindung betrifft eine 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, wobei die Lichtstreuung von den Bildpunkten einer Vorlage in andere als zugehörige Bildsensoren durch Blenden unterdrückt wird.

Die zeilenweise Abtastung einer Bildvorlage kann 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. 12μιη. Für eine DlN 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. V10mm, 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 30 07 439 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 Verarbeitung der Glasfasern, zum anderen im präzisen Einbau der Fasern in die Glaszwischenschicht

Eine andere Möglichkeit, Streulichteinflüsse zu mindern ist aus der US-PS 41 49 197 sowie der DE-AS 26 33 450 bekannt Dort wird vorgeschlagen, Sensoren durch Zwischenschalten von Blenden vor unerwünschten Einflüssen durch das von der Vorlage zurückgestreuto Licht zu schützen.

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, obwohl die Dicke" des Mediums zwischen Vorlage und dem die Detektoren tragenden linearen Bildsensorarray zum Erzeugen einer höheren mechanischen Festigkeit größer als die lineare Abmessung eines Sensors ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei der zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays lichtundurchlässige Blenden in einer Ebene angeordnet sind, die sich im halben Abstand zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays befinden, bei der die Abmessungen der Blenden gleich sind den Abmessungen der Flächen zwischen den Bildsensoren, und bei der der Abstand zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays doppelt so groß ist, wie die lineare Ausdehnung eines einzelnen Bildsensors, so daß das von einem Bildpunkt ß, zurückgestreute Licht nur den zugeordneten Bildsensor 5,(4) erreicht.

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 vorzugsweise photolitographisch auf einer der Glasplatten hergestellt. Die Glasplatten werden dann mittels eines Klebers miteinander verbunden. Die Blenden befinden sich vorzugsweise oberhalb der Flächen zwischen den einzelnen Bildsensoren.

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

F i g. 1 das Verhältnis der Intensitäten /, der Nachbarbildpunkte der Vorlage bezogen auf die Intensität /₀ des zugeordneten Bildpunktes als Funktion des Verhältnisses aus Sensorgröße b und Vorlagenabstand d;

F i g. 2 schematisch Anordnung der Bildpunkte S, und

der Sensorpunkte 5; im Abstand d;

Fig.3 erfindungsgemäße Blendenanordnung in der Zwischenschicht zwischen Bildvorlage und Bildsensorarray und

Fig.4 den Verlauf des Beleuchtungslichtbündels in der Zwischenschicht

In F i g. 1 wird IJh als Funktion von b/d dargestellt Dabei ist /o die Beleuchtungsintensität, mit der ein Sensorpunkt So vom zugeordneten Bildpunkt fib bestrahlt wird, /,die Beleuchtungsintensität, mit der der κι Sensorpunkt 5b von einem dem Bildpunkt Bo benachbarten Bildpunkt B₁ bestrahlt wird, </der Abstand zwischen dem Bildpunkt Bo und dem Sensorpunkt 5b der Mittenabstand zwischen zwei benachbarten Sensorpunkten, z. B. dem Sensorpunkt 5b und dem Sensorpunkt Si. Die Beleuchtungsintensität, mit der ein Sensorpunkt 5, von einem Bildpunkt 5, bestrahlt wird, folgt der Beziehung

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h ~

wenn man annimmt, daß die Vorlage das Licht gleichmäßig über den gesamten Raumwinkel zurückstreut In der Formel bedeuten rden Abstand zwischen Bildpunkt B-, und Sensorpunkt 5b und φ den Winkel zwischen der Verbindungslinie zwischen den zugeordneten Punkten Bo und 5b und der Verbindungslinie jo zwischen B, und 5b (F i g. 2). Der Index / bezeichnet die verschiedenen Nachbarn.

Den Kurven kann entnommen werden, daß bei einem Verhältnis von b/d=*\l\ die nächsten Nachbarpunkte (i=\) 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 1/1 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 ίΟΟμίτι sein. Eine solche Glasplatte hat aber eine geringe mechanische Stabilität.

Aus F i g. 2 geht hervor, daß ein Vorlagenbilcipunkt Bj im Abstand r, unter dem Winkel φ von einem Sensor 5b gesehen wird. Dabei sind die Bildsensoren 5, und Bildpunkte ß, mit dem Abstand d voneinander angeordnet. Die relative Intensität des Streulichts IiIIo, das am Ort des Sensors /=0 von benachbarten Bildpunkten /=1—3 empfangen wird, hängt von dem Verhältnis Sensorbreite b zum Vorlagenabstand d ab (Fig. 1). Der größtmögliche Einfallswinkel von der Vorlage her ist der streifende Einfall. Bei einem Brechungsindex des Glases von n= 1,5 wird dieses Licht unter einem Winkel von 42° zur Normalen ins Glas hinein gebrochen. Bei einem Verhältnis b/d=\l\ 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 F i g. 1. Das heißt etwa 40% der Intensität am jeweiligen Sensor startimt 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 F i g. 3 gezeigt Hier befinden sich die Blenden 1 zwischen der Vorlage, die durch Bildpunkte Bi beschrieben ist, und der Ebene der Bildsensoren Si, 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=\60 μπη 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 μίτι 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 Reflexionsverluste möglichst gering zu halten. So bewirkt bei /7= 1,5 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 des 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 damit 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.

F i g. 4 zeigt die Blendenanordnung gegenüber F i g. 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 4. 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 Lesearrays beträgt dann etwa 50 μιη.

Hierzu 3 Blatl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, wobei die Lichtstreuung von den Bildpunkten einer Vorlage in andere als zugehörige Bildsensoren durch Blenden unterdrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vorlagenebene und Ebene des Bildsensorarrays lichtundurchlässige Blenden (1) in einer Ebene angeordnet sind, die sich im halben Abstand zwischen Vorlagenebene (3) und Ebene des Bildsensorarrays (4) befinden, daß die Abmessungen der Blenden (1) gleich sind den Abmessungen der Flächen zwischen den Bildsensoren, und daß der Abstand zwischen Vorlagenebene (3) und Ebene des Bildsensorarrays (4) doppelt so groß ist, wie die lineare Ausdehnung eines einzelnen Bildsensors, so daß das von einem Bildpunkt B, (3) zurückgestreute Licht nur den zugeordneten Bildsensor 5, (4) erreicht

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (1) oberhalb der Flächen zwischen den einzelnen Bildsensoren angeordnet sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Vorlagenebene (3) und Ebene des Bildsensorarrays (4) durch zwei miteinander verbundene, gleich dicke Glasplatten (2) gebildet wird, zwischen denen die Blenden (1) angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (1) photolithographisch auf Glasplatten (2) hergestellt und die Glasplatten (2) mittels eines Klebers miteinander verbunden sind.