DE3605286A1 - Kontaktbild-sensorzeile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktbild-Sensorzeile zum Lesen einer optischen Information mit einer Reihe von lichtelektrischen Sensoren und einer nachgeschalteten Signalaufbereitungsschaltung mit einem A/D-Wandler für jeden Sensor.

Kontaktbildsensorzeilen ermöglichen das Lesen einer optischen Information, eines Textes oder einer Graphik, das Wandeln in eine analoge elektrische Information, die anschließende Wandlung in eine digitale elektrische Information und damit das Sortieren und Speichern der Information. Die digital geordnete und gespeicherte Information kann dann in bekannter Weise für alle Formen der Bildverarbeitung und Bildwiedergabe (z. B. Fernkopierer, Bildschirmwiedergabe) nutzbar gemacht werden.

Bisher wurde dieses Problem durch Zeilensensoren mit Vorschub senkrecht zur Zeilenachse gemäß den folgenden Funktionsprinzipien gelöst:

• a) durch Abbildung einer Vorlage mit einer Verkleinerungsoptik auf CCD-Zeilen mit einer Länge von z. B. 22,5 mm. Nachteile sind dabei die geringe Schärfentiefe des Abbildungsstrahlenganges, dadurch extreme Justieranforderungen an das Gerät und hoher Raumbedarf für den Strahlengang.
• b) durch 1 : 1-Abbildung mittels Grin (gradient index)-Faseroptiken auf eine Anordnung von CCD-Zeilen mit jeweils etwa 6 cm Länge. Dabei ergeben sich folgende Nachteile: Die CCD's müssen mit möglichst großer Länge und damit großer Fläche hergestellt werden, um die Vorteile des CCD-Prinzips nutzen zu können. Durch das Schieben der elektrischen Ladungen in den CCD's über Distanzen von 6 cm entstehen jedoch hohe Ladungsverluste. Außerdem können CCD-Chips mit einer derart großen Fläche (z. B. 65 × 5 mm² = 325 mm²) nicht in absehbarer Zeit mit genügend hoher Ausbeute, d. h. zu vertretbaren Preisen hergestellt werden, zumal es keine Möglichkeit der Ausbeuteverbesserung durch Einbau von Redundanzen gibt.
• c) durch 1 : 1-Abbildung mittels Grinfaseroptiken auf Sensorzeilen aus einem Photoleitermaterial, z. B. a-Si:H. Die bisher verwendeten Sensorzeilen bestehen aus einer linearen Anordnung von Photoleiterzellen z. B. auf der Basis von a-Si:H, mit 8, 12 oder 16 Bildpunkten/mm und einer Anordnung von Auslese- und Signalaufbereitungselementen. Die Auslese- und Signalaufbereitungselemente sind in monokristalliner Technik ausgeführt.
• Für die Ansteuerung der einzelnen Sensoren und die Signalaufbereitung werden die beiden folgenden Prinzipien angewandt:
  Auslesen nach dem Vidiconprinzip (siehe Fig. 1).
  Messung der Spannung an der lichtempfindlichen Zelle (siehe Fig. 2).
• Bei beiden Prinzipien wird mit Hilfe eines Schieberegisters 1 seriell jeder einzelne Sensor 2, 3, 4 angesteuert. Ein einzelner, einem Bildpunkt zugeordneter Sensor stellt eine Stromquelle mit lichtelektrischem Wandler 2 a, 3 a, 4 a und Parallelkapazität dar. Bei der Anordnung mit der Auslesung nach dem Vidiconprinzip (Fig. 1) ist eine Elektrode E allen lichtempfindlichen Sensoren 2, 3, 4 gemeinsam. Durch das Schließen eines Schalters 5, 6, 7 nach einer Integrationszeit wird der entsprechende Sensor 2, 3, 4 in den Ausgangszustand zurückgesetzt. Der Strom, der in der gemeinsamen Elektrode E fließt, ist ein Maß für die vom entsprechenden Sensor absorbierte Lichtmenge. Danach beginnt durch Öffnen des Schalters 5, 6, 7 die nächste Integrationsphase des Sensors 2, 3, 4. Durch die Parallelschaltung aller Wandler 2 a, 3 a, 4 a wegen der gemeinsamen Elektrode E ist dem jeweils ausgelesenen Wandler 2 a, 3 a, 4 a eine große Kapazität 8, 9, 10 parallel zugeordnet. Es erfolgt eine kapazitive Signalteilung, die eine sehr hohe Nachverstärkung erfordert. Hierdurch wird ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt.
• Günstiger sind die Verhältnisse bei dem Prinzip der Messung der Spannung an den einzelnen lichtempfindlichen Sensoren 2, 3, 4 (analoge Signalaufbereitung). Mit Hilfe des Schieberegisters 1 wird gemäß Fig. 2 der Entladezustand eines Sensors 2, 3, 4 nach der Integrationszeit an den gemeinsamen Signalausgang von Verstärkern 11, 12, 13, von denen für jeden Sensor 2, 3, 4 (Bildpunkt) jeweils einer vorhanden ist, weitergegeben. Sobald der Verstärker 11, 12, 13 des nächsten lichtempfindlichen Sensors 2, 3, 4 an den Ausgang angeschaltet wird, erfolgt die Rücksetzung des vorhergehenden Sensors in den Ausgangszustand und es beginnt eine neue Integrationsphase. Während dieser Zeit ändert sich die Spannung entsprechend t: Integrationszeit
  i: Strom im Sensor (proportional zur Beleuchtungsstärke)
  C: Kapazität des Sensors plus der sonstigen Komponenten wie Verbindungsleitungen und Eingangskapazität des Verstärkers (Kapazitäten 8, 9, 10)
  U _o : Anfangsspannung.
• Die Größe des Signalhubs ist neben der Beleuchtungsstärke und der Integrationszeit in starkem Maße von der Kapazität C abhängig. Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, wird der Signalhub mit geringerer Kapazität bei sonst unveränderten Parametern größer. Ein Ziel bei der Entwicklung einer Sensorzeile muß also die Minimierung der den einzelnen Sensoren parallel geschalteten Zusatzkapazitäten sein, die durch Leiterbahnen, Kontaktflächen, Eingang zur Signalauswertung, usw. verursacht werden.

Die Fig. 3 zeigt für eine Kontaktbild-Sensorzeile der in der Fig. 1 oder 2 beschriebenen Art den Verlauf der Spannung an den Kondensatoren 8, 9, 10 usw.. Die Kondensatoren 8, 9, 10 werden im Zeitpunkt t 0 auf eine Anfangsspannung U 1 aufgeladen und im Zeitpunkt t 1, dem Beginn eines Integrationsintervalles, das ein Meßintervall darstellt, entladen. Die Steilheit des Abfalles der Kondensatorspannung hängt dabei von der Beleuchtungsstärke des Sensors ab. Im Zeitpunkt ti erfolgt dann eine Erfassung der Kondensatorspannung, die ein Maß für die Beleuchtungsstärke des Sensors ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Kontaktbild-Sensorzeile der eingangs genannten Art bei einer direkten digitalen Auswertung des Sensorsignales mit einem einzigen Komparator je Bildpunkt ein Maximum an Auflösung des Signales durch optimale Ausnutzung der Integrationszeit zu erzielen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Analog/Digital-Wandler einen einzigen Komparator pro Sensor für die Sensorspannung und eine Referenzspannung aufweist, daß Mittel zur stufenweisen Umschaltung der Referenzspannung bis zum Erreichen der Sensorspannung vorhanden sind, und daß der Komparator bei jeder Umschaltung der Referenzspannung einem Zähler einen Zählimpuls zuführt. Dabei erfolgt mit einem einzigen Komparator eine schrittweise Annäherung der Sensorspannung von einem Anfangswert der Referenzspannung aus. Die Anzahl der für die Erreichung der Sensorspannung erforderlichen Schritte ist dabei ein Maß für die Beleuchtungsstärke. Eine entsprechende Impulsanzahl wird im Zähler gespeichert, so daß der Zählerstand die Beleuchtungsstärke wiedergibt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Fig. 4 und 5 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Erfindungsgedankens, und

Fig. 5 die wesentlichen Teile einer Kontaktbild-Sensorzeile nach der Erfindung.

Für das beschriebene Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, daß 13 Graustufen für die digitale Wandlung des Sensorsignales vorgesehen sind. In der Fig. 4 ist eine Vielzahl von Verläufen a bis m des Sensorsignales dargestellt. In einem Zeitpunkt tA, der bei dem Beispiel um den Wert 13 × Δ t vor dem Zeitpunkt ti liegt, wird eine Komparatorspannung stufenweise von einem Anfangswert, der gleich der Anfangsspannung U 1 des Sensorsignales ist, abgesenkt. Die Anzahl der Stufen, die die Komparatorspannung durchläuft, bis sie die Sensorspannung erreicht, ist ein Maß für die Beleuchtungsstärke des Sensors. Bei jeder Stufe der Komparatorspannung wird einem Zähler ein Zählimpuls zugeführt, so daß der Zählerinhalt beim Erreichen der Sensorspannung ein Maß für die Beleuchtungsstärke ist.

Fällt beispielsweise die Sensorspannung entsprechend der Geraden e ab, so durchläuft die Komparatorspannung vom Zeitpunkt tA ab fünf Stufen, so daß einem Zähler fünf Zählimpulse zugeführt werden. Die Anzahl der dem Zähler zugeführten Zählimpulse variiert dabei zwischen 0 und 13 entsprechend den 13 gewählten Graustufen. Der Zählerstand wird während der nachfolgenden Integrationsperiode seriell abgefragt. Die Variation der Spannung für die Komparatorschwelle kann in positiver und in negativer Richtung erfolgen, d. h., daß sich die Vergleichsspannung der Sensorspannung in positiver oder negativer Richtung nähern kann.

Bei der beschriebenen Digitalisierung entsteht bei gleichmäßiger Unterteilung der Referenzspannung des Komparators eine Nichtlinearität zwischen Beleuchtungsstärke und Ausgangssignal, da für jede Stufe eine andere Integrationszeit gilt. So fällt z. B. die Sensorspannung im Falle der Geraden e nach dem Erreichen dieser Geraden durch die Referenzspannung noch etwas weiter ab. Die dadurch hervorgerufene Nichtlinearität macht sich besonders bei höherer Auflösung und einem kleinen Verhältnis von Integrationszeit und Detektionszeit störend bemerkbar. Eine Linearisierung kann durch nichtlineare Änderung der Vergleichsspannung von Detektionsinterval zu Detektionsintervall erfolgen.

Die Fig. 5 zeigt schematisch zwei Sensoren 14, 15, die den Sensoren 2, 3, 4 entsprechen. Die Ausgangsspannungen der Sensoren 14, 15 sind Komparatoren 16, 17 zugeführt, deren zweite Eingänge gemeinsam an einer Spannung Uref liegen, die von einem festen Teiler 18 erzeugt wird. Die Spannung Uref wird demgemäß in der geschilderten Weise stufenweise reduziert. Jedem der Sensoren 14, 15 ist je ein Zähler 19, 20 zugeordnet. Die Zähler 19, 20 werden über UND-Gatter 21, 22 angesteuert, deren eine Eingänge an den Ausgängen der Komparatoren 16, 17 und deren andere Eingänge an einem Zählerimpulsgenerator 23 liegen.

Immer dann, wenn die Spannung Uref die Sensorspannung noch nicht erreicht hat, wird beim Absenken der Spannung Uref ein Zählimpuls über das jeweilige UND-Gatter 21, 22 auf den nachgeschalteten Zähler 19, 20 weitergegeben.

Die Oberspannung U 0 des Teilers 18 ist einstellbar. Durch Variation dieser Oberspannung U 0 kann eine Anpassung des Aussteuerbereiches an die jeweiligen Beleuchtungsstärken auf den lichtelektrischen Wandlern erfolgen.

Aus der Fig. 5 ergibt sich, daß die Wandlung der Spannung der Sensoren 14, 15 in n Graustufen mittels jeweils eines einzigen Komparators 16, 17 pro Sensor 14, 15 erfolgt. Der Komparatorausgang steuert eine Torschaltung für Zählimpulse, die in einem Zähler 19, 20 gespeichert werden. Der jeweilige Zählerstand ist demgemäß ein Maß für die Beleuchtungsstärke. Die Umschaltung der Referenzspannung Uref kann zweckmäßigerweise in etwa gleichen Zeitabständen Δ t erfolgen. Zur Linearisierung können die Schaltsprünge der Referenzspannung Uref unterschiedliche Amplituden haben. Durch Variation der Oberspannung U 0, aus der durch feste Teile die Referenzspannung Uref gewonnen wird, kann eine Anpassung an den Beleuchtungsstärkeumfang durchgeführt werden.

Claims (5)

1. Kontaktbild-Sensorzeile zum Lesen einer optischen Information mit einer Reihe von lichtelektrischen Sensoren (14, 15) und einer nachgeschalteten Signalaufbereitungsschaltung (16 bis 22) mit einem Analog/Digital-Wandler (16, 19, 21; 17, 20, 22) für jeden Sensor (14, 15), dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler (16, 19, 21; 17, 20, 22) einen einzigen Komparator (16, 17) pro Sensor (14, 15) für die Sensorspannung und eine Referenzspannung (Uref) aufweist, daß Mittel (18) zur stufenweisen Umschaltung der Referenzspannung (Uref) bis zum Erreichen der Sensorspannung vorhanden sind, und daß der Komparator (16, 17) bei jeder Umschaltung der Referenzspannung (Uref) einem Zähler (19, 20) einen Zählimpuls zuführt.

2. Kontaktbild-Sensorzeile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung der Referenzspannung (Uref) ein fester Teiler (18) vorhanden ist.

3. Kontaktbild-Sensorzeile nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberspannung (U 0) des Teilers (18) einstellbar ist.

4. Kontaktbild-Sensorzeile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (Uref) in etwa gleichen Zeitabständen (Δ t) umgeschaltet wird.

5. Kontaktbild-Sensorzeile nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spannungssprünge der Referenzspannung (Uref) unterschiedliche Amplituden aufweisen.