DE69217347T2

DE69217347T2 - Bildleser

Info

Publication number: DE69217347T2
Application number: DE69217347T
Authority: DE
Inventors: Shuuichi Ichinose
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: EP0559913A1; JPH05189601A; EP0559913B1; DE69217347D1; EP0559913A4; SG48004A1; US5596360A; WO1993006687A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildleseeinrichtung zur Verwendung mit einem Bildscanner, einem digitalen Kopiergerät, einem Faxgerät etc., hauptsächlich um Bilder in einen Computer einzulesen.
Die Bildleseeinrichtung besteht im allgemeinen aus einer Beleuchtungseinheit, einem Bildformungssystem, wie einer Linse, und Licht-Elektrizitäts-Wandlerelementen. Die Grundelemente, welche zum Lesen eines Bildes benötigt werden, sind in dem Bildscanner, dem digitalen Kopiergerät und dem Faxgerät im wesentlichen gleich, daher werden diese Elemente, aus denen ein solches Gerät zusammengesetzt ist, hier am Beispiel eines Bildscanners beschrieben.
Bei der normalen Bildleseeinrichtung wird eine lineare Lichtquelle, wie eine Quecksilberfluoreszenzlampe oder eine Halogenlampe, als die Beleuchtungseinheit verwendet; eine Linse mit einem Verkleinerungsverhältnis von ungefähr 7 zu 1 wird als Bildformungssystem verwendet; und geradlinig angeordnete CCDs werden als Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente verwendet. Ein Beispiel der Bildleseeinrichtung nach dem Stand der Technik ist in der ungeprüften Japanischen Patentauslegeschrift JP-A-60 148 269 offenbart. Figur 9 ist eine Schnittdarstellung dieser Bildleseeinrichtung des Standes der Technik, bei der das Licht, welches von einem mit einer Beleuchtungseinheit 22 beleuchteten Bild 20 reflektiert wird, auf den CCDs 25 der Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente durch einen Spiegel 23 und eine Linse 24 abgebildet wird, welche ein Bildformungssystem bilden. Bei dem oben beschriebenen Bildformungssystem wurden zum Erhöhen der Bildlesegeschwindigkeit bisher die folgenden vier Verfahren angewendet: (1) die Empfindlichkeit der Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente 25 wurde erhöht; (2) es wurde eine helle Linse verwendet, indem das Aperturverhältnis (F-Zahl) des Bildformungssystems 24 erhöht wurde; (3) die Menge des Lichtes von der Beleuchtungseinheit 22 wurde erhöht; und (4) die Menge des auf die Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente 25 aufgebrachten Lichtes wurde vermindert, um die Lesegeschwindigkeit zu erhöhen, wobei sich der Störabstand verkleinert, d.h. auf Kosten einer Verschlechterung der Bildqualität. Üblicherweise wurde die Lesegeschwindigkeit bisher hauptsächlich dadurch verbessert, daß die Menge des von de Beleuchtungseinheit 22 abgegebenen Lichtes erhöht wurde, wie oben unter Punkt (3) beschrieben.
Wenn die Bildlesegeschwindigkeit jedoch noch soweit verbessert werden soll, daß zwanzig Bilder auf DIN A 4 Papier pro Minute gelesen werden können, wie dies z.B. bei einem analogen Kopiergerät der Fall ist, würde eine einfache Erhöhung der Lichtmenge von der Beleuchtungseinheit zwangsweise zu eine Vergrößerung der Bildleseeinrichtung führen. Der Grund hierfür ist, daß zusätzlich eine Wärmestrahlerplatte oder ein Abwärme- Gebläse notwendig sind, um die von der Beleuchtungseinheit erzeugte Wärme abzuführen, und daß ferner ein zusätzlicher Luftströmungspfad zum Abführen der Wärme notwendig wird.
Bei dem optischen System des Standes der Technik ist der Wirkungsgrad des Lichtes, welches von der Beleuchtungseinheit ausgesendet wird, sehr niedrig. Die Bezeichnung "Beleuchtungswirkungsgrad" oder "Beleuchtungseffizienz" kann durch das Verhältnis der Lichtmenge zum Beleuchten eines Gegenstandes, dessen Bild gelesen werden soll, zu der Lichtmenge zum Beleuchten eines Bereiches auf dem Gegenstand, der zum tatsächlichen Lesen des Bildes verwendet wird, definiert werden. Figur 10 zeigt eine Verteilung der Lichtmenge zum Beleuchten des Gegenstandes 20 im Verhältnis zu dem gelesenen Bild. Wie in Figur 10 gezeigt, beleuchtet die normale Beleuchtungseinheit der Bildleseeinrichtung eine Breite von etwa 10 bis 30 mm in der sekundären Scanrichtung auf dem Gegenstand 20, dessen Bild gelesen werden soll. Wenn der Fall betrachtet wird, daß die Lesebreite 300 dpi beträgt, wird das Licht maximal auf eine Breite von 30 mm aufgebracht, um ein Bild eines Gegenstandes 20 mit einer Breite von etwa 85 µm zu lesen. D.h. der Beleuchtungswirkungsgrad beträgt gemäß der folgenden Gleichung etwa 0,85% bis 0,28%:
Beleuchtungswirkunsgrad = Lesebreite / Beleuchtungsbreite x 100
Mit anderen Worten, das Licht von 99,15% bis 99,72% wird nicht nur verschwendet, sondern es beleuchtet auch unnötigerweise einen größeren Bereich, als zum Lesen des Bildes benötigt wird, wodurch Streulicht erzeugt wird. Als ein Resultat ergibt sich das Problem, daß die Qualität des Gradienten in dem gelesenen Bild deutlich verschlechtert wird.
Der Grund, warum die Beleuchtungsbreite bei der Bildleseeinrichtung des Standes der Technik auf bis zu 10 bis 30 mm eingestellt wird, ist, daß die Menge des Beleuchtungslichtes bei der Bildleseposition auf einem konstanten Niveau gehalten werden soll, selbst wenn der Gegenstand 20 gegenüber der Grundposition etwas höher liegt, oder schwebt. Figur 11 ist eine Darstellung welche bei der Erklärung des oben genannten Grundes behilflich ist, die eine vergrößerte Ansicht der in Figur 9 gezeigten Bildleseposition ist. Der zentrale Lichtstrahl La zum Beleuchten eines Gegenstandes 20 kann z.B. mit einem Winkel von 45 Grad auf den Gegenstand 20 auftreffen. Hierbei wird angenommen, daß der Gegenstand 20 eine Strecke Δh über einer Glasunterlage 21 schwebt, wobei die Position P1, bei welcher der zentrale, von der Beleuchtungseinheit 22 ausgesendete Lichtstrahl La den Gegenstand 20 beleuchtet, zur Position P2 verschoben ist. Da in diesem Fall jedoch das optische Bildlesesystem auf der optischen Achse Lb liegt, ist die Position für das Lesen des Bildes des Gegenstande 20 gleichwohl noch bei der Position P1'. Mit anderen Worten, es gibt einen Offset Δy zwischen der zentralen Position P2 des Beleuchtungslichtes und der Bildleseposition P1'.
Um das Bild des Gegenstandes 20 zu lesen, welcher z.B. 20 mm über der Glasunterlage 21 schwebt, ist es somit notwendig, eine Breite des Beleuchtungslichtes sicherzustellen, welche dem o.g. Abstand des Gegenstandes 20 von der Glasunterlage 21 in der sekundären Scanrichtung (in Bezug auf die Bildleseeinrichtung) oder in der Pfeilrichtung (in der Mitte der Figur 11 gezeigt) entspricht. Die Beleuchtungseffizienz wird aus dem obigen Grund verschlechtert.
Die JP-A-62 149 252 offenbart eine Bildeingabevorrichtung mit einer Lichtquelle, welche linear polarisiertes Licht vorsieht, das in einer schrägen Richtung auf einen zu beleuchtenden Gegenstand auftrifft, d.h. mit einem Einfallwinkel, der deutlich größer als 0º ist. Ein Lichtwandler, welcher das von dem Gegenstand reflektierte Licht empfängt, ist mit einem Polarisator ausgestattet, um regelmäßig reflektiertes Licht auszublenden. Diese Vorrichtung schafft keine Verbesserung der Beleuchtungseffizienz. Vielmehr wird die Beleuchtungseffizienz wegen der Polarisatoren noch verschlechtert.
Die JP-A-51 112 132 offenbart eine optische Zeichenlesevorrichtung mit einer Lichtquelle, welche nicht polarisiertes Licht vorsieht, das von einem Halbspiegel reflektiert wird, so daß es vertikal auf den Gegenstand auftrifft, dessen Bild gelesen werden soll. Das von dem Gegenstand reflektierte Licht geht durch den Halbspiegel und wird von einem Lichtwandler empfangen, ohne zwischen regelmäßig reflektiertem Licht und gestreutem Licht zu unterscheiden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Bildleseeinrichtung vorzusehen, die eine höhere Beleuchtungseffizienz hat, um eine Bildleseeinrichtung zu erhalten, deren Lichtausgangsleistung der Beleuchtungseinheit niedrig ist, die eine hohe Bildlesegeschwindigkeit hat und die einen kompakten Aufbau hat.
Diese Aufgabe wird durch eine Bildleseeinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Figur 1 ist eine Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils einer ersten Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine Darstellung eines wesentlichen Teils einer zweiten Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 ist eine Stirnansicht eines teilweise reflektierenden Spiegels, der bei der in Figur 2 gezeigten Bildleseeinrichtung eingesetzt wird;
Figur 4 ist ein perspektivische Darstellung einer Beleuchtungseinheit welche bei der in Figur 2 gezeigten Bildleseeinrichtung verwendet wird;
Figur 5 ist eine Schnittdarstellung der Bildleseeinrichtung längs der Linie B-B' in Figur 4;
Figur 6 ist eine Schnittdarstellung eines optischen Lesesystems, welches bei einer dritten Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
Figur 7 ist eine Schnittdarstellung eines optischen Lesesystems einer vierten Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 8 ist eine Schnittdarstellung eines optischen Lesesystems einer vierten Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 9 ist eine Darstellung einer Bildleseeinrichtung nach dem Stand der Technik;
Figur 10 ist eine graphische Darstellung der Verteilung einer Lichtmenge zum Beleuchten eines Gegenstandes, dessen Bild gelesen werden soll, bei der Bildleseeinrichtung des Standes der Technik; und
Figur 11 ist eine vergrößerte Ansicht der Bildleseposition bei der in Figur 9 gezeigten Bildleseeinrichtung des Standes der Technik.
Eine erste Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine Beleuchtungseinheit 1 eine Linearlichtquelle, wie eine Halogenlampe. Das von der Beleuchtungseinheit 1 ausgesendete Licht L1 wird in einem XYZ-Koordinatensystem in polarisiertes Licht L2 der X-Achsenrichtung (eine zur Zeichenebene vertikale Richtung) mit einem Polarisator 2 (erstes Polarisationselement) polarisiert. Nachdem es von einem Halbspiegel 4 reflektiert wurde, beleuchtet das Licht L2 einen Gegenstand 20, dessen Bild gelesen werden soll. Das von dem Gegenstand 20 reflektierte Licht L3 geht durch den Halbspiegel 4, wird von einem Spiegel 5 reflektiert und geht dann durch eine Analysevorrichtung 3 (zweites Polarisationselemet). Die Polarisationsrichtung dieser Analysevorrichtung 3 ist die Z-Achsenrichtung. Das Licht L4, welches durch die Analysevorrichtung 3 gegangen ist, wird auf Licht-Elektrizitäts- Wandlerelementen 7 durch ein Bildformungssystem 6, das aus einer Gruppe Linsen besteht, als ein Bild abgebildet. Das Bildformungssystem 6 ist so angeordnet, daß ein Bild des Gegenstandes 20 als Bild auf den Licht-Elektrizitäts-Wandlerelementen 7 mit einem Verkleinerungsverhältnis von z.B. 7 zu 1 abgebildet werden kann.
Bei der in Figur 1 gezeigten Bildleseeinrichtung wird die X- Achse als die Hauptscanrichtung bezeichnet, und die Y-Achse wird als die sekundäre- oder Nebenscanrichtung bezeichnet.
Im folgenden sind die Funktionen von zwei Polarisationselementen des Polarisators 2 und der Analysevorrichtung 3 beschrieben. Bei dem Entwurf eines Scanners des Standes der Technik als ein Beispiel einer konventionellen Bildlesevorrichtung, wird der optische Pfad des Lichtes, welches zum Beleuchten eines Gegenstandes von der Beleuchtungseinheit ausgesendet wird, üblicherweise mit einem Winkel von etwa 45º in Bezug auf den optischen Pfad des von dem Gegenstand reflektierten Lichtes ausgerichtet und dann zu den Licht-Elektrizitäts-Wandlerelementen 7 geführt. Der Grund hierfür ist, daß dann, wenn das Bild eines leuchtenden Gegenstandes, wie eine Photographie, gelesen wird, das gelesene Bild durch das Licht der regelmäßigen Reflexionskomponente gestört wird. Das Licht der regelmäßigen Reflexionskomponente verschlechtert nicht nur die Genauigkeit der photographischen Dichte erheblich, sondern sie führt auch zu einem unscharfen Bild.
Im Gegensatz dazu liegen bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Beleuchtungslicht L2 und das reflektierte Licht L3 beide im wesentlichen in derselben Ebene. Das in Figur 1 gezeigte, von dem Gegenstand 20 reflektierte Licht L3 ist somit mit dem Licht der regelmäßigen Reflexionskomponente vermischt. Die regelmäßige Reflexionslichtkomponente ist jedoch das polarisierte Licht, welches dieselbe Richtung (X-Achsenrichtung) wie der Polarisator 2 hat, so daß die regelmäßige Reflexionslichtkomponente von der Analysevorrichtung 3, welche in der zur Polarisationsrichtung (X-Achsenrichtung) des Polarisators 2 senkrechten Richtung (Z-Achsenrichtung) angeordnet ist, fast vollständig ausgeblendet wird. Das von dem Gegenstand 20 reflektierte Licht, welches nicht der regelmäßigen Reflexionslichtkomponente entspricht, d.h. das gestreute Reflexionslicht, enthält jedoch andererseits Polarisationskomponenten mit verschiedenen Richtungen, welche sich abhängig von der Form des Gegenstandes 20 ergeben. Das von dem Gegenstand 20 reflektierte Licht kann daher durch die Analysevorrichtung 3 gehen. Auf der Basis der oben erläuterten Funktion, welche hier mit dem Polarisator 2 und der Analysevorrichtung 3 in Kombination erhalten wird, ist es möglich, das Licht der von dem Gegenstand 20 reflektierten regelmäßigen Reflexionskomponente zu eliminieren, um zu verhindern, daß sich die Bildqualität verschlechtert.
Im folgenden ist der Lesebetrieb beschrieben. Das oben erörterte optische System ist auf einem Schlitten 10 montiert und beleuchtet einen Teil der Zeilen S (welche sich in der X-Achsenrichtung oder der Hauptscanrichtung erstrecken) auf einem Gegenstand 20, dessen Bild gelesen werden soll und der auf einem Glassockel oder einer Glasunterlage 21 liegt. Weiterhin wird das Bild des reflektierten Lichtes auf den Licht-Elektrizitäts-Wandlerelementen 7 abgebildet. Die Licht-Elektrizitäts- Wandlerelemente 7 sind lineare Bildsensoren, wie CCDs. Es ist daher möglich, die Bilddaten, welche einem Spaltenabschnitt der Teilzeile S auf dem Gegenstand 20 entsprechen, mit einer elektronischen Schaltung (nicht gezeigt) zu lesen. Danach wird der Schlitten 10 in der Y-Achsenrichtung in Figur 1 von einer Antriebsvorrichtung 30 über einen Zeitsteuer-Riemen 32 ein Stück weiter bewegt, welches der Auflösungsleistung entspricht. Durch Wiederholen der oben erörterten Operation ist es möglich, das Bild über den gesamte Gegenstand 20, dessen Bild gelesen werden soll, zu lesen.
Da bei der oben erörterten Bildleseeinrichtung das Beleuchtungslicht L2 und das von dem Gegenstand 20 reflektierte Licht L3 in einer Ebene liegen, welche die Z-Achse und die X-Achse enthält, selbst wenn der Gegenstand 20 über seiner Unterlage schwebt, ist es möglich, dieselbe Stelle des Gegenstandes 20 zu beleuchten. Es kann somit verhindert werden, daß die Menge des Beleuchtungslichtes reduziert wird, wenn der Gegenstand 20 über einer Unterlage schwebt, anders als im Falle der Bildleseeinrichtung des Standes der Technik. Da nur eine Beleuchtungsbreite entsprechend der Breite des zu lesenden Bildes vorgesehen wird, ist es zusätzlich möglich, die Menge des Beleuchtungslichtes im Vergleich zu der Beleuchtungseinheit des Standes der Technik deutlich zu reduzieren.
Die erforderlichen Mengen des Beleuchtungslichtes für die Vorrichtung des Standes der Technik und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sollen nun verglichen werden. Wenn bei einer Bildleseeinrichtung des Standes der Technik die Intensität des Beleuchtungslichtes auf einem Gegenstand 20 2000 Lux war und der beleuchtete Bereich 22 cm lang und 3 cm breit war, betrug die erforderliche Große des Lichtstromes 13,2 Lumen. Wenn andererseits im Fall der vorliegenden Ausführungsform die Intensität des Beleuchtungslichtes 2000 Lux beträgt und der beleuchtete Bereich 22 cm lang und 0,0085 cm (= 300 dpi) breit ist, beträgt die erforderliche Größe des Lichtstroms 37,4 Millilumen. Da die Lichtdurchlässigkeit des Polarisators 2 und der Analysevorrichtung 3 im Falle der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 10% ist, wird eine zusätzliche Lichtmenge von der Beleuchtungseinheit 1 benötigt, wenn man die Lichtmenge berücksichtigt, welche durch diese Polarisationselemente ausgeblendet wird. Wenn man annimmt, daß die 10-fach Menge erforderlich ist, ist in de Praxis die erforderliche Größe des Lichtstromes ungefähr 0,4 Lumen.
Wie man aus dem obigen Vergleich sieht, hat die Bildleseeinrichtung der vorliegenden Erfindung den Vorteil, daß die erforderliche Menge des Beleuchtungslichtes etwa ein Dreißigstel (1/30) des Maximums des Beleuchtungslichtes gemäß dem Stand der Technik ist.
Der oben erörterte Vorteil führt dazu, daß die Leistung der Beleuchtungseinheit reduziert werden kann; die Größe der Beleuchtungseinheit kann vermindert werden; und gleichzeitig kann die Bildlesegeschwindigkeit um einen Faktor 30 erhöht werden, wenn eine Beleuchtungseinheit verwendet wird, deren Lichtausgangsleistung gleich der der Beleuchtungseinheit des Standes der Technik ist.
Da das Beleuchtungslicht L2 und das reflektierte Licht L3 in derselben Ebene liege, ist es bei er Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich möglich, eine Bildleseeinrichtung vorzusehen, die Bilder dreidimensionaler Gegenstände lesen kann, ohne irgendwelche Abschnitte mit Schattierungseffekt zu erzeugen, z.B. von Früchten wie Kirschen, zwei Lagen Photographien, welch mit Klebstoff zusammengeklebt wurden und daher gestufte Bereiche aufweisen, Bücher oder Zeitschriften, welche geöffnet sind und daher geneigte Oberflächen haben, etc.
Wenn ferner eine Blende 61 für das Bildformungssystem 6 verwendet wird, deren Durchmesser einstellbar ist, um das Öffnungsverhältnis (dem Blendenwert) des Bildformungssystems zu vergrößern, ist es möglich, den Tiefenschärfenbereich in der Richtung zu erweitern, in welcher sich der Gegenstand 20 von der Oberfläche der Glasunterlage weg bewegt hat. In diesem Fall ist z.B. die Blende 61 so aufgebaut, daß sie abhängig von einem Steuersignal einstellbar ist, welches von einem Host- Rechner (nicht gezeigt) an ein Blendenansteuersystem 62 angelegt wird. Der Benutzer wählt ferner nach Bedarf irgendeine gegebene, zusätzliche Schwebehöhe eines Gegenstandes über der Glasunterlage, so daß das Bild innerhalb des Bereiches zwischen 30 und 3000 mm in der Z-Achsenrichtung, von der Glasunterlage 21 weg, in den Fokus gelegt werden kann. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, ein Bild eines dreidimensionalen Gegenstandes 20, wie einer Armbanduhr, einem Edelstein, einer ausgestopften Puppe, etc. zusätzlich zu einem blattartigen Gegenstand zu lesen, ohne daß unscharfe Bilder erzeugt werden.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein lineares Polarisationselement 2 zwischen einem teilweise reflektierenden Spiegel 251 und einer Beleuchtungseinheit 211 eingefügt ist. Ferner zeigt Figur 3 den teilweise reflektierenden Spiegel oder Teilreflexionsspiegel 251. Dieser Teilreflexionsspiegel 251 wird durch Vakuumablagerung von Aluminium gebildet, welches nicht auf einen mittleren Bereich aufgebracht wird, der sich entlang der Längsrichtung des Spiegels erstreckt. Ferner ist ein lineares Polarisationselement 3 mit einer Polarisationskomponente in der Z-Achsenrichtung zwischen das Bildformungssystem 6 und die CCDs 7 der Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente eingefügt.
Das Licht L21, welches von der Beleuchtungseinheit 211 durchgelassen wird, wird von dem linearen Polarisationselement 2 in linear polarisiertes Licht der x-Achsenrichtung umgewandelt, geht durch einen Schlitz 254, der in dem Teilreflexionsspiegel 251 ausgebildet ist, und wird dann auf eine Leseposition S eines Gegenstandes 20 gebracht. Die Komponente des regelmäßigen Reflexionslichtes, gemischt mit dem von dem Gegenstand 20 reflektierten Licht L22, wird von einem äußeren Perimeterabschnitt 255 des Teilreflexionsspiegels 251 reflektiert, weiterhin von zwei Spiegeln 252 und 253 reflektiert und dann durch das Bildformungssystem 6 durchgelassen. Da die Richtung des linear polarisierten Lichtes die X-Achsenrichtung ist, kann jedoch in diesem Fall das reflektierte Licht nicht durch das Polarisationselement 3 der Z-Achsenrichtung gehen.
Das von dem Gegenstand 20 reflektierte Diffusionslicht andererseits wird von dem äußeren Perimeterabschnitt des Teilreflexionsspiegels 251 reflektiert, von den Spiegeln 252 und 253 reflektiert und geht dann durch das Bildformungssystem 6. Das lineare Streulicht in der Z-Achsenrichtung des gestreuten Reflexionslichtes kann ferner durch das lineare Polarisationselement 3 hindurchgehen. Als Resultat wird das Reflexionslicht L22 des Gegenstandes 20 als Bild auf den CCDs 7 abgebildet, so daß das Bild gelesen werden kann.
Bei dieser Ausführungsform ist das Beleuchtungslicht L21, welches von der Beleuchtungseinheit 211 ausgesendet wird, sehr stark gerichtet, so daß das Beleuchtungslicht die Leseposition S des Gegenstandes 20, welcher auf der Glasunterlage 21 montiert ist, effektiv von einer Position aus beleuchten kann, welche 50 mm oder mehr von dem Gegenstand 20 entfernt ist.
Der Grund, warum ein stark gerichteter Lichtstrom von der Beleuchtungseinheit 211 ausgesendet wird, ist folgender: Figur 4 ist eine perspektivische Darstellung der Beleuchtungseinheit 211, und Figur 5 ist eine Schnittdarstellung längs der Linie B-B' in Figur 4. Die Beleuchtungseinheit 211 wird hergestellt, indem ein luftdicht geschlossenes Glasgefäß gebildet wird, wie in Figur 4 gezeigt, das Glasgefäß mit einem Evakuierrohr 212 aus Glas bis zu einem Wert von 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup9; Pascal in Grad Vakuum evakuiert wird, und indem das Glas durch Gasverbrennung erhitzt wird, um das Rohr zu schmelzen und das Gefäß zu verschließen. Ein Lichtbündelungsbauteil 213 wird mit zylindrischer Form aus Glas hergestellt. Bei einem Teil der Innenseite der Beleuchtungseinheit 211 wird eine fluoreszierende Substanz 215 für die Kathodenluminiszenz zwischen 0,1 und 100 mg/cm² und vorzugsweise mit 4 mg/cm² in Streifenform entlang der Längsrichtung der Beleuchtungseinheit aufgebracht, und die aufgebrachte fluoreszierende Substanz 215 wird dann mit einer Anode 214 abgedeckt, welche eine Dicke zwischen 0,1 und 0,4 µm hat und mittels Vakuumaufdampfung aus Aluminium hergestellt wird, wie in Figur 5 gezeigt. Ein Beispiel für die fluoreszierende Substanz aus der Praxis ist ZnS:Cu, Al.
Wie weiter in Figur 4 gezeigt, ist ein Kathodendraht 216 vorgesehen, welcher sich entlang und über einer inneren Rückwand 217 erstreckt. Der Kathodendraht 216 ist ein dünner Draht aus Wolfram und hat einen Durchmesser von 5 bis 100 µm, welcher mit einer elektronenemittierenden Substanz bedeckt ist, wie Bariumoxid (nicht gezeigt), um z.B. den Wirkungsgrad der thermischen Elektronenemission zu erhöhen. Weiterhin ist ein Gitter 218 zwischen der Anode 214 und der Kathode 216 angeordnet. Das Gitter ist eine netzartige dünne Metallplatte aus rostfreiem Stahl, Nickel, Aluminium, etc., und sie ist mit Löchern ausgebildet, welche durch Ausstanzen oder Elektroformung hergestellte sind. Ferner ist eine U-förmige Rückwandelektrode 232 zwischen den Kathodendraht 216 und die Rückwand 217 eingefügt.
Der oben genannte Kathodendraht 216 und die Rückwandelektrode 232 sind elektrisch über in Figur 4 gezeigte Anschlußleitungen 219 mit externen Anschlüssen verbunden, welche entfernt von der Beleuchtungseinheit 211 vorgesehen sind.
Im folgenden wird der Ablauf der Lichtemission beschrieben. Wenn von einer Leistungsquelle (nicht gezeigt) Strom durch den Kathodendraht 216 geschickt wird, werden aufgrund der Jouleschen Wärme Thermoelektronen 226 an der Oberfläche des Kathodendrahtes 216 erzeugt. Die erzeugten Thermoelektronen werden in Richtung auf die Anode 214 beschleunigt, an welche eine Hochspannung von etwa 8 kV angelegt wird. Die in Richtung der Anode 214 ausgesendeten Thermoelektronen gehen durch die Anode 214, welche aus einem Aluminium-Dünnfilm besteht, und regen die fluoreszierende Substanz 215 an, damit diese gemäß den Prinzipien der Kathodenluminiszenz-Lichtemission sichtbare Strahlung L5 von der Beleuchtungseinheit 211 nach außen abgibt.
Im folgenden wird das Bauteil 213 zum Konvergieren oder Bündeln des Lichtes (Lichtbündelungsbauteil) beschrieben. Wie bereits gesagt, besteht dieses Lichtbündelungsbauteil 213 aus einem Glaszylinder, auf welchen eine fluoreszierende Substanz 215 in Streifenform aufgebracht ist. Die Breite eines Streifens liegt zwischen 0,1 und 10 mm, und sie wird abhängig vom Umfang des emittierten Lichtes eingestellt. Die Stromdichte der ausströmenden Thermoelektronen 226 wird durch die Helligkeitssättigung der fluoreszierenden Substanz bestimmt, und sie beträgt daher maximal etwa 200 µA/cm². Die sichtbare Strahlung L5, welche bei dem unteren Endabschnitt P5 des Lichtbündelungsbauteils 213 erzeugt wird, wird durch die Funktion der optogeometrischen Linse des Lichtbündelungsbauteils 213 als ein planarer Lichtstrahl mit hoher Richtwirkung ausgesendet.
Um eine Beleuchtungseinheit mit hoher Richtwirkung zu erhalten, ist es möglich, andere Verfahren zu übernehmen, welche eine LED-Anordnung verwenden und Licht durch ein Lichtbündelungselement aussenden, daß ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform ist, oder die Laserlicht, welches in einem elektrophotographischen Drucker verwendet wird, mit Hilfe eines Drehspiegels scannen.
Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Teiler für polarisierte Strahle 301 und ein Lambda-Viertel-Element 302 zwischen den Teilreflexionsspiegel 251 und den Gegenstand 20 eingefügt sind.
Im folgenden wird das Verhalten des Lichtes entlang des Lichtweges beschrieben. Das von der Beleuchtungseinheit 1 ausgesendete Licht L31 wird in linear polarisiertes Licht der Z- Achsenrichtung (in Figur 6 gezeigt) mit Hilfe eines linear polarisierenden Elementes 331 umgewandelt und dann von einem Teilreflexionsspiegel 251 entlang eines Lichtweges in Richtung auf einen Gegenstand 20 reflektiert, wobei der Lichtweg ungefähr senkrecht zu dem Gegenstand 20 verläuft. Ein Strahlenteiler 301 für polarisiertes Licht hat hier die Funktion, alles Licht durchzulassen, welches nicht das linear polarisierte Licht der X-Achsenrichtung ist, so daß das Licht L31 vollständig durch den Strahlenteiler 301 für polarisiertes Licht, mit einer Durchlässigkeit von etwa 100%, hindurchgelassen wird.
Das Lambda-Viertel-Element 302 hat die Funktion, das linear polarisierte Licht in kreispolarisiertes Licht umzuwandeln, so daß das Licht L32 zum Beleuchten des Gegenstandes 20 kreispolarisiertes Licht ist. Das regelmäßige oder gerichtete Reflexionslicht des von dem Gegenstand 20 reflektierten Lichtes ist kreispolarisiertes Licht, es wird jedoch in linear polarisiertes Licht umgewandelt, nachdem es durch das Lambda-Viertel- Element 302 gegangen ist. Wenn es zweimal durch das Lambda- Viertel-Element 302 gegangen ist, wird das gerichtete Reflexionslicht, welches von dem Gegenstand 20 reflektiert wird und auf den Strahlenteiler 301 für polarisiertes Licht auftrifft, zu linear polarisiertem Licht L3 mit der Schwingungskomponente in der X-Achsenrichtung, weil das linear polarisierte Licht relativ zu der Polarisationsrichtung um 90º gedreht wurde. Das linear polarisierte Licht wird von dem Strahlenteiler 301 für polarisiertes Licht mit einem rechten Winkel reflektiert, ohne daß es durch diesen hindurch geht. Das gestreute Reflexionslicht L34 (im Gegensatz zu dem gerichteten Reflexionslicht) des von dem Gegenstand 20 reflektierten Lichtes geht durch den Strahlenteiler 301 für polarisiertes Licht, geht durch den Schlitz 254 des Teilreflexionsspiegels 251, wird von dem Spiegel 5 reflektiert und wird dann durch das Bildformungssystem 6 als Bild auf den CCDs 7 der Licht-Elektrizitäts- Wandlerelemente abgebildet.
Da nur ein Polarisationselement 331 vorgesehen ist, ist es möglich, eine Lichtdurchlässigkeit von mehr als 20% sicherzustellen. Es besteht daher der Vorteil, daß der Lichtnutz- Wirkungsgrad des gesamten optischen Systems stark verbessert werden kann. Als Resultat ist es möglich, eine Bildleseeinrichtung vorzusehen, welche eine hohe Lesegeschwindigkeit hat, obwohl die Beleuchtungseinheit 1 nur eine geringe Lichtmenge aus sendet.
Figur 7 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind eine Beleuchtungseinheit 411, ein erstes Polarisationselement 421, ein Teilreflexionsspiegel 451, ein zweites Polarisationselement 431 und CCDs 7 der Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente alle im Verhältnis zu dem Bildformungssystem 6 auf der Seite der CCDs 7 angeordnet, d.h. zwischen dem Bildformungssystem 6 und den CCDs 7. Das erste Polarisationselement 421 und das zweite Polarisationselement 431 sind so angeordnet, daß die linearen Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander sind, um die gerichtete Reflexionslichtkomponente des von dem Gegenstand 20 reflektierten Lichtes zu entfernen und nur das gestreute Reflexionslicht zu den CCDs 7 zu führen.
In dem Fall, daß die Lesebreite des Gegenstandes 20 22 cm in der Hauptscanrichtung beträgt (was der Größe von DIN A4 entspricht), ist die Größe des Bildes etwa 3 cm, wenn das Bild mit dem Bildformungssystem 6 mit einem Verkleinerungsvehältnis von einem Siebtel (1/7) auf den CCDs 7 abgebildet wird. Da die Beleuchtungseinheit 411 relativ zu dem Bildformungssystem 6 auf der Seite der CCDs 7 liegt, beträgt die Lichtemissionslänge der Beleuchtungseinheit 411 etwa 3 cm, so daß ein Gerät geringer Größe realisiert werden kann. Weiterhin könne die Längen des Teilreflexionsspiegels 451, des ersten Polarisationselementes 421 und des zweiten Polarisationselementes 431 auf etwa 3 cm reduziert werden, so daß es möglich ist, die Kosten für die Teile zu senken.
Figur 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird Laserlicht L51 mit großer Richtwirkung, welches von einem Laserlicht-emitierenden Element 511 ausgsendet wird, in linear polarisiertes Licht umgewandelt und von einem sich drehenden Polygonspiegel 512 gescannt. Das gescannte Licht L52 wird durch eine fθ-Linse 513 geschickt, von einem Spiegel 551 mit einem rechten Winkel reflektiert, durch eine Halbspiegel 541 hindurchgelassen und dann auf eine Lesezeile S eines Gegenstandes 20, dessen Bild gelesen werden soll, projiziert. Das reflektierte Licht wird von dem Halbspiegel 541 reflektiert, durch ein zweites Polarisationselement 531 hindurchgelassen, um das gerichtete Reflexionslicht zu entfernen, und dann von dem Bildformungssystem 6 als Bild auf den CCDs 7 abgebildet.
Da bei dieser Ausführungsform Laserlicht mit idealer Richtwirkung verwendet wird, ist es möglich, eine Bildleseeinrichtung mit hohem Beleuchtungswirkungsgrad vorzusehen und die Leistungsaufnahme durch die Beleuchtungseinheit weiter deutlich zu senken.
Wie oben beschrieben wird bei der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung linear polarisiertes Licht auf einen Gegenstand gestrahlt, dessen Bild gelesen werden soll; die gerichtete Reflexionslichtkomponente des Lichtes, welches von dem Gegenstand reflektiert wird und im wesentlichen in derselben Ebene liegt wie das linear polarisierte Licht, wird von dem Polarisationselement, welches in der zur Polarisationsebene der gerichteten Reflexionslichtkomponente senkrechten Richtung angeordnet ist, hin- und hergeschickt; und die gestreute Lichtkomponente des reflektierten Lichtes wird über das Polarisationselement als Bild auf den Licht-Elektrizitäts- Wandlerelementen abgebildet.
Wie oben beschrieben ist es bei der Bildleseeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche mit einer Beleuchtungseinheit zum Beleuchten eines Gegenstands, dessen Bild gelesen werden soll, und mit einem Bildformungssystem zum Abbilden des Bildes des von dem Gegenstand reflektierten Lichtes auf Licht- Elektrizitäts-Wandlerelementen ausgestattet ist, möglich, eine Bildleseeinrichtung mit hohem Beleuchtungswirkungsgrad vorzusehen, welche die Bildleseposition wirksam beleuchten kann, weil das Hauptbeleuchtungslicht, welches von der Beleuchtungseinheit ausgesendet wird, und das Licht, welches von dem Gegenstand reflektiert und auf die Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente gelenkt wird, beide in derselben Ebene liegen.
Da der Beleuchtungswirkungsgrad der Beleuchtungseinheit groß ist, kann ferner die Lichtausgangsleistung der Beleuchtungseinheit reduziert werden, wodurch es möglich ist, eine kompakte Bildleseeinrichtung mit hoher Bildlesegeschwindigkeit vorzusehen.

Claims

1. Bildleseeinrichtung, mit

- einer Beleuchtungsvorrichtung (1, 2; 211, 2; 1, 331; 411; 421; 511), um einen Gegenstand (20), dessen Bild gelesen werden soll, im wesentlichen vertikal mit linear polarisiertem Licht (L2; L21; L31; L51) zu beleuchten, das eine Beleuchtungsbereichsbreite hat, die im wesentlichen gleich der Breite des Bereiches des Gegenstandes ist, dessen Bild gelesen werden soll,

- einer Lichtkomponenten-Trennvorrichtung (3; 301, 302; 431; 531) zum Verhindern, daß die in dem Licht enthaltene regelmäßig reflektierte Lichtkomponente, welche im wesentlichen vertikal von dem Gegenstand reflektiert wird (L3; L22; L32), durch sie hindurch geht, und zum Hindurchlassen einer in dem reflektierten Licht enthaltenen Komponente (L4; L34), welche nicht die regelmäßig reflektierte Lichtkomponente ist,

- eine Licht-Elektrizitäts-Wandlervorrichtung (7) zum Umwandeln der reflektierten Lichtkomponente, welche durch die Lichtkomponenten-Trennvorrichtung (3; 301, 302; 431; 531) hindurchgeht, in elektrische Signale.

2. Bildleseeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Beleuchtungsvorrichtung eine Lichtquelle zum Erzeugen von unregelmäßigem polarisiertem Licht und ein erstes Polarisierungselement zum Erzeugen des linear polarisierten Lichtes aus dem unregelmäßigen polarisierten Licht aufweist.

3. Bildleseeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtkomponenten-Trennvorrichtung ein zweites Polarisierungselement zum Durchlassen des linear polarisierten Lichtes aufweist, das eine Polarisierungsebene hat, die senkrecht zu der Polarisierungsebene der regelmäßigen Reflexionslichtkomponente ist.

4. Bildleseeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Licht- Elektrizitäts-Wandlervorrichtung mehrere eindimensional angeordnete Licht-Elektrizitäts-Wandlerelemente aufweist; und mit den folgenden weiteren Merkmalen:

ein Bildformungssystem zum Formen eines Bildes aus der Reflexionslichtkomponente auf mehreren der Licht- Elektrizitäts-Wandlerelemente und

eine Membran zum Verändern der Brennweite des Bildformungssystems.

5. Bildleseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtkomponenten-Trennvorrichtung folgende Merkmale aufweist:

- ein Lambda-Viertel-Element (302) zum Transformieren des linear polarisierten Lichtes (L31) zum Beleuchten des Gegenstandes in erstes kreispolarisiertes Licht (L32) und zum Transformieren der regelmäßigen Reflexionslichtkomponente, die von dem Gegenstand als zweites kreispolarisiertes Licht reflektiert wird, in linearpolarisiertes, regelmäßiges Reflexionslicht mit einer Polarisierungsebene, die senkrecht zu der des linear polarisierten Lichtes (L31) ist, und

- einen polarisierten Strahlenteiler (301) zum Durchlassen des linear polarisierten, regelmäßigen Reflexionslichtes in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der Richtung des reflektierten Lichtes ist, das auf diesen auftrifft, und zum Durchlassen einer Komponente des von dem Gegenstand (20) reflektierten Lichtes, die nicht die regelmäßige Reflexionslichtkomponente ist.