DE102005004393B4 - Zweidimensionales CMOS-Sensorarray zur Abbildung von Dokumenten und anderen flachen Objekten - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Flachbettscanners (10), mit folgenden Schritten: Erfassen eines ersten Bildes eines auf einer transparenten Platte (16) des Scanners platzierten Objekts mit einem rechteckigen Fotodetektorarray (24), wobei das rechteckige Fotodetektorarray mehr als drei Reihen von Fotodetektoren (64), eine erste Abmessung, die kleiner als eine erste Abmessung der transparenten Platte (16) ist, und eine zweite Abmessung, die kleiner als eine zweite Abmessung der transparenten Platte (16) ist, aufweist; Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24) in einem ersten kleinen Inkrement entlang einer ersten Richtung und einem zweiten kleinen Inkrement entlang einer zweiten Richtung, wobei das erste Inkrement kleiner ist als eine erste Beabstandung zwischen benachbarten Fotodetektoren (64) auf dem Fotodetektorarray (24) entlang der ersten Richtung, und wobei das zweite Inkrement kleiner ist als eine zweite Beabstandung zwischen benachbarten Fotodetektoren (64) auf dem Fotodetektorarray (24) entlang der zweiten Richtung; Erfassen eines zweiten Bildes des Objekts; Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24) in einem großen Inkrement entlang der ersten Richtung, wobei das große Inkrement zumindest der ersten Abmessung des rechteckigen Fotodetektorarrays (24) entspricht; Erfassen eines dritten Bildes des Objekts: Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24) in dem ersten kleinen Inkrement entlang der ersten Richtung und dem zweiten kleinen Inkrement entlang der zweiten Richtung; Erfassen eines vierten Bildes des Objekts; und Kombinieren des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Bildes, um ein gescanntes Bild des Objekts zu erzeugen.
Description
- Wenn ein herkömmlicher Flachbettscanner verwendet wird, wird das Dokument auf die Glasplatte gelegt und die Abdeckung wird geschlossen. Eine Lichtquelle (z. B. Kaltkathodenfluoreszenzlampe, Xenonlampe oder Licht emittierende Dioden) wird zur Beleuchtung des Dokuments verwendet. Ein Scan- bzw. Abtastkopf (z. B. bestehend aus Spiegeln, Linse, Filter und Bildsensorarray) wird langsam an dem Dokument entlang bewegt (z. B. durch einen Riemen, der an einem Schrittgebermotor befestigt ist, oder einen Zahnradsatz, der mit einem Gleichstrommotor verbunden ist). Der Scankopf ist an einer Stabilisiererstange befestigt, um sicherzustellen, dass bei dem Durchlauf kein Wackeln oder keine Abweichung auftritt (d. h. eine einzelne vollständige Abtastung des Dokuments).
- Das Bild des Dokuments wird durch gewinkelte Spiegel reflektiert, um einen geknickten Lichtpfad zu bilden. Der letzte Spiegel reflektiert das Bild auf eine Linse. Die Linse fokussiert das Bild auf einen Bildsensor. Ein typischer Ladungskopplungsbauelement-(CCD-)Bildsensor weist drei lineare CCD-Sensorarrays auf. Jedes lineare Array weist ein unterschiedliches Farbfilter (z. B. Rot, Grün und Blau) auf, das direkt auf dem CCD-Sensoren platziert ist. Der Scanner kombiniert dann die Daten von den linearen CCD-Sensorarrays in ein einzelnes Vollfarbbild. Im Vergleich hierzu weist ein typischer Kontaktbildsensor (CIS) ein lineares Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS-)Sensorarray auf, das ein Bild erfasst, das nacheinander durch eine Rot-, Grün- und Blaulichtquelle (z. B. Licht emittierende Dioden) beleuchtet wird. Der Scanner kombiniert dann die Daten von dem linearen CMOS-Sensorarray in ein einzelnes Vollfarbbild.
- Scanner variieren in Auflösung und Schärfe. Die meisten Flachbettscanner weisen eine echte Hardwareauflösung von zumindest 600×600 Punkten pro Zoll (dpi) auf. Die dpi-Zahl des Scanners wird bestimmt durch die Anzahl von Sensoren in einer einzelnen Reihe (x-Richtung-Abtastrate) des Sensorarrays und durch die Genauigkeit des Schrittgebermotors (y-Richtung-Abtastrate). Wenn z. B. die Auflösung 600× 600 dpi beträgt und der Scanner in der Lage ist, ein Dokument in Letter-Größe abzutasten, würde der CCD-Bildsensor drei lineare Arrays mit jeweils 5100 Sensoren aufweisen, während ein CIS ein lineares Array mit 5100 Sensoren aufweisen würde. Der Schrittgebermotor bei diesem Beispiel kann sich in Inkrementen von einem sechshundertstel eines Zolls bewegen.
- Die
DE 100 65 359 A1 beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise eines wie oben beschriebenen Flachbettscanners. - Die
DE 103 00 689 A1 offenbart ein bewegliches Fotosensorarray, das in zwei Dimensionen in einer Ebene bewegt werden kann. Das Fotosensorarray weist weniger Fotosensoren auf, als für das Abtasten einer vollständigen Abtastlinie notwendig wäre. Beispielsweise wird vorgeschlagen, dass das Fotosensorarray ungefähr die Hälfte der Länge aufweist, die notwendig wäre, die gesamte Abtastlinie abzutasten. Eine Abtastung der gesamten Abtastlinie wird dadurch erreicht, dass in einem ersten Abtastvorgang die erste Hälfte der Abtastlinie und in einem zweiten Abtastvorgang die zweite Hälfte der Abtastlinie abgetastet wird. Anschließend werden die Abtastwerte für die vollständige Abtastlinie durch eine Kombination der Abtastwerte des ersten Abtastvorgangs mit den Abtastwerten des zweiten Abtastvorgangs ermittelt. - Die
US 5,734,178 A beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung eines Abbildungssystems, das einen Flächensensor aufweist, der sich über die gesamte Fläche eines abzutastenden Dokumentes erstreckt. - Aus der
US 6,147,780 A ist ein Scanner bekannt, bei dem eine Erhöhung der Auflösung mittels leichten Versetzens des verwendeten Photosensors erreicht wird. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Scanner sowie ein Scan-Verfahren mit verbesserten Charakteristika zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie einen Scanner gemäß Anspruch 2 gelöst.
- Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Scanner bzw. eine Abtastvorrichtung ein Gehäuse, eine transparente Platte auf dem Gehäuse zum Aufnehmen eines zu scannenden Objekts und einen Wagen, der wirksam ist, um sich entlang einer horizontalen Richtung und einer vertikalen Richtung zu bewegen. Der Wagen umfasst eine Lichtquelle zum Beleuchten des Objekts und ein rechteckiges Fotodetektorarray zum gleichzeitigen Erfassen der Lichtintensität mehrerer Abtastlinien.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen naher erläutert, wobei die Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren gleiche oder identische Elemente anzeigt. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht eines Flachbettscanners bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 und3 Querschnittseitenansichten des Flachbettscanners aus1 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 und5 eine Bewegung eines rechteckigen Fotodetektorarrays bei Ausführungsbeispielen der Erfindung; -
6 eine Querschnittseitenansicht eines Blattzuführerscanners bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
7 eine Querschnittseitenansicht eines Flachbettscanners bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
1 stellt einen Flachbettscanner10 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Scanner10 umfasst ein Gehäuse12 , eine Abdeckung14 , die schwenkmäßig an dem Gehäuse12 angebracht ist, eine transparente (z. B. Glas-)Platte16 auf dem Gehäuse12 und einem Wagen18 innerhalb des Gehäuses12 . Der Wagen18 bewegt sich innerhalb des Gehäuses12 auf einer vertikalen Zahnradspur20 und einer horizontalen Zahnradspur22 . Der Wagen18 umfasst ein rechteckiges Fotodetektorarray24 und einen Beleuchtungsring26 . - Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Fotodetektorarray
24 mehrere (z. B. mehr als drei) Reihen von Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS-)Sensoren auf. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Fotodetektorarray24 aus einer Vielzahl roter, blauer und grüner Fotodioden und die tatsächliche Farbe an dem Ort jeder Fotodiode wird aus den Farben der benachbarten Fotodioden interpoliert. Bei einem einfachen Scanner mit einem langsameren Durchsatz könnte das Fotodetektorarray24 eine Auflösung von 352×288 Pixeln aufweisen. Bei einem höherwertigen Scanner mit einem schnelleren Durchsatz könnte das Fotodetektorarray24 eine Auflösung von 1,3 Megapixeln aufweisen, um ein schnelleres Scannen der gesamten Seite zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel bilden Licht emittierende Dioden (LEDs), die um das Fotodetektorarray24 auf dem gleichen Chip gebildet sind, den Beleuchtungsring26 . -
2 stellt eine Querschnittsansicht eines Wagens18 entlang einer Linie A (1 ) bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Das Fotodetektorarray24 und der Beleuchtungsring26 sind auf einer Platte32 montiert. Die Befestigungsplatte32 umfasst eine horizontale Führung34 . Ein Motor36 und ein zugeordnetes Zahnradsystem38 sind an der Platte32 befestigt. Eine horizontale Wagenstange40 definiert eine horizontale Führungsspur42 , die die Führung34 aufnimmt. Die horizontale Wagenstange40 definiert ferner eine Zahnradspur22 , die ein Zahnrad aus dem Zahnradsystem38 aufnimmt. Die Zahnradspur22 umfasst Zähne, die das Zahnradsystem38 in Eingriff nehmen. In Betrieb treibt der Motor36 das Zahnradsystem38 an, um den Wagen18 horizontal über das zu scannende Objekt zu bewegen. Ein flexibles Kabel50 (3 ) bewegt die Bilddaten von dem Fotodetektorarray24 zu der horizontalen Wagenstange40 . -
3 stellt eine Querschnittansicht des Wagens18 entlang einer Linie B (1 ) bei einem Ausführungsbeispiel. der Erfindung dar. Die horizontale Wagenstange40 umfasst vertikale Führungen44A und44B . Ein Motor46 und ein zugeordnetes Zahnradsystem48 sind an der horizontalen Wagenstange40 befestigt. Das Gehäuse12 definiert vertikale Führungsspuren52A und52B , die entsprechende Führungen44A und44B aufnehmen. Das Gehäuse12 definiert ferner eine Zahnradspur20 , die ein Zahnrad aus dem Zahnradsystem48 aufnimmt. Die Zahnradspur48 umfasst Zähne, die das Zahnradsystem48 in Eingriff nehmen. In Betrieb treibt der Motor46 das Zahnradsystem48 an, um den Wagen18 vertikal an dem zu scannenden Objekt entlang zu bewegen. Ein flexibles Kabel52 bewegt die Bilddaten von der horizontalen Wagenstange40 zu der Scannerbasis, damit die Daten durch die Scannerelektronik verarbeitet werden. - Während des Scannens ist das zu scannende Objekt auf der Glasplatte
16 platziert. Der Beleuchtungsring26 beleuchtet dann einen Abschnitt des Objekts. Licht wird von diesem Abschnitt des Objekts reflektiert und gleichzeitig als mehrere (z. B. mehr als drei) Abtastlinien durch das rechteckige Fotodetektorarray24 erfasst. Das Fotodetektorarray24 wandelt die Lichtintensität dieses Abschnitts in elektrische Signale um.4 stellt dar, dass statt eines langsamen Bewegens von Scanlinie um Scanlinie wie in herkömmlichen Flachbettscannern, der Wagen18 sich bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung horizontal oder vertikal in großen Inkrementen, die größer oder gleich der entsprechenden Breite und Höhe des Fotodetektorarrays24 sind, bewegt (z. B. dargestellt durch eine Bewegung62 des Sensors64 ). Dies ermöglicht einen schnelleren Scanvorgang. Nachdem das gesamte Objekt gescannt wurde, wird eine Software zur Interpolation von Pixelfarben und zum Zusammenheften der gescannten Abschnitte in ein einzelnes Farbbild des Objektes verwendet. Eine Software kann außerdem zur Korrektur uneinheitlicher Belichtung verwendet werden. -
5 stellt dar, dass die Auflösung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch ein Mikrostufen des rechteckigen Fotodetektorarrays24 sowohl horizontal als auch vertikal in kleinen Inkrementen erhöht werden kann (z. B. dargestellt durch eine Bewegung66 des Sensors64 ). Das horizontale Inkrement ist kleiner als die horizontale Beabstandung zwischen benachbarten Sensoren, während das vertikale Inkrement kleiner als die vertikale Beabstandung zwischen benachbarten Sensoren ist. Wenn z. B. das Fotodetektorarray24 300×300 dpi erzeugt, kann die Auflösung auf 600×600 dpi verdoppelt werden, indem (1) ein Bild des Objektes erfasst wird, (2) das Fotodetektorarray24 um die Hälfte einer dpi-Zahl in der horizontalen und in der vertikalen Richtung bewegt wird, und (3) ein weiteres Bild des Objekts erfasst wird. Eine Software wird dann verwendet, um die beiden Bilder zu kombinieren, um ein 600×600 dpi-Bild des Objekts zu bilden. Nach einem Mikroschritt kann sich der Wagen18 horizontal oder vertikal in einem großen Inkrement bewegen, um den nächsten Bereich auf dem Objekt zu scannen, gefolgt durch einen weiteren Mikroschritt. -
6 stellt eine Seitenquerschnittansicht eines Blattzuführerscanners100 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Scanner100 umfasst ein Gehäuse102 , einen Blattzuführer104 , Zufuhrrollen106 und einen Wagen108 innerhalb des Gehäuses102 . Der Blattzuführer104 ergreift ein einzelnes Blatt110 eines Dokuments von einem Stapel112 und bewegt dasselbe vertikal zu den Zufuhrrollen106 . Die Zufuhrrollen106 bewegen das Blatt110 an dem Wagen108 entlang. Der Wagen108 umfasst ein rechteckiges Fotodetektorarray24 und einen Beleuchtungsring26 . Zum Scannen des Blatts110 bewegt sich der Wagen108 horizontal innerhalb des Gehäuses102 auf einer horizontalen Zahnradspur22 und einer horizontalen Führungsspur42 . Der Wagen108 ähnelt dem Wagen18 , ist jedoch ohne die vertikalen Bewegungskomponenten, da die Zufuhrrollen106 wirken, um das Papier vertikal an dem Wagen108 entlang zu bewegen. Statt eines langsamen Bewegens des Papiers Scanlinie um Scanlinie wie in herkömmlichen Blattzuführerscannern, bewegen die Zufuhrrollen106 das einzelne Blatt110 vertikal in großen Inkrementen, die größer oder gleich der Höhe der Fotodetektorarrays24 sind. Wieder erlaubt dies einen schnelleren Scanvorgang, da Abschnitte der Dokumente gleichzeitig als mehrere Scanlinien durch das rechteckige Fotodetektorarray24 erfasst werden. -
7 stellt eine Seitenquerschnittansicht eines Flachbettscanners200 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Scanner200 umfasst ein Gehäuse212 , eine Glasplatte216 auf dem Gehäuse212 , ein feststehendes rechteckiges Fotodetektorarray218 mit Optik220 und Lichtquellen222 . - Während des Scannens wird das zu scannende Objekt (z. B. Objekt
224 ) auf der Glasplatte16 platziert. Die Lichtquellen222 beleuchten dann das gesamte Objekt durch ein Lenken von Licht auf das Objekt224 oder ein Abprallen des Lichts von den Seitenwänden des Gehäuses212 und ein darauffolgendes Prallen auf das Objekt224 . Licht wird von dem Objekt224 reflektiert und durch die Optik220 auf das rechteckige Fotodetektorarray218 gelenkt. Das Fotodetektorarray218 wandelt die Lichtintensität des gescannten Objekts in elektrische Signale um. Statt eines Bewegens eines Wagens wie in herkömmlichen Scannern bleibt das Fotodetektorarray218 feststehend und scannt das gesamte Objekt auf einmal. Wieder erlaubt dies einen schnelleren Scanvorgang, da mehrere Scanlinien gleichzeitig durch das Fotodetektorarray218 erfasst werden. Eine Software kann zur Interpolation von Pixelfarben und zur Korrektur uneinheitlicher Belichtung verwendet werden. - Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele sind innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Zahlreiche Ausführungsbeispiele sind durch die folgenden Ansprüche eingeschlossen.
Claims (7)
- Verfahren zum Betreiben eines Flachbettscanners (
10 ), mit folgenden Schritten: Erfassen eines ersten Bildes eines auf einer transparenten Platte (16 ) des Scanners platzierten Objekts mit einem rechteckigen Fotodetektorarray (24 ), wobei das rechteckige Fotodetektorarray mehr als drei Reihen von Fotodetektoren (64 ), eine erste Abmessung, die kleiner als eine erste Abmessung der transparenten Platte (16 ) ist, und eine zweite Abmessung, die kleiner als eine zweite Abmessung der transparenten Platte (16 ) ist, aufweist; Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24 ) in einem ersten kleinen Inkrement entlang einer ersten Richtung und einem zweiten kleinen Inkrement entlang einer zweiten Richtung, wobei das erste Inkrement kleiner ist als eine erste Beabstandung zwischen benachbarten Fotodetektoren (64 ) auf dem Fotodetektorarray (24 ) entlang der ersten Richtung, und wobei das zweite Inkrement kleiner ist als eine zweite Beabstandung zwischen benachbarten Fotodetektoren (64 ) auf dem Fotodetektorarray (24 ) entlang der zweiten Richtung; Erfassen eines zweiten Bildes des Objekts; Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24 ) in einem großen Inkrement entlang der ersten Richtung, wobei das große Inkrement zumindest der ersten Abmessung des rechteckigen Fotodetektorarrays (24 ) entspricht; Erfassen eines dritten Bildes des Objekts: Bewegen des rechteckigen Fotodetektorarrays (24 ) in dem ersten kleinen Inkrement entlang der ersten Richtung und dem zweiten kleinen Inkrement entlang der zweiten Richtung; Erfassen eines vierten Bildes des Objekts; und Kombinieren des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten Bildes, um ein gescanntes Bild des Objekts zu erzeugen. - Flachbettscanner (
10 ) mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse (12 ); einer transparenten Platte (16 ) auf dem Gehäuse (12 ) zum Aufnehmen eines zu scannenden Objekts; einem Wagen (18 ), der wirksam ist, um sich entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung zu bewegen, wobei der Wagen (18 ) folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (26 ) zum Beleuchten des Objekts; und ein rechteckiges Fotodetektorarray (24 ) zum gleichzeitigen Erfassen einer Lichtintensität mehrerer Abtastlinien, wobei das rechteckige Fotodetektorarray (24 ) mehr als drei Reihen von Fotodetektoren (64 ), eine erste Abmessung, die kleiner als eine erste Abmessung der transparenten Platte (16 ) ist, und eine zweite Abmessung, die kleiner als eine zweite Abmessung der transparenten Platte (16 ) ist, aufweist, wobei der Flachbettscanner eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß Anspruch 1 auszuführen. - Scanner (
10 ) gemäß Anspruch 2, bei dem der Wagen (18 ) ferner folgende Merkmale auf weist: eine Befestigungsplatte (32 ), wobei eine horizontale Führung (34 ), die Lichtquelle (26 ) und das rechteckige Fotodetektorarray (24 ) an der Befestigungsplatte (32 ) befestigt sind; einen ersten Motor (36 ), der mit einem ersten Zahnrad (38 ) verbunden ist; und eine horizontale Wagenstange (40 ), die eine horizontale Führungsspur (42 ) zum Aufnehmen der horizontalen Führung und eine horizontale Zahnradspur (22 ) zum Aufnehmen des ersten Zahnrads (38 ) definiert, wobei der erste Motor (36 ) wirksam ist, um das erste Zahnrad (38 ) anzutreiben, um den Wagen (18 ) entlang der horizontalen Richtung zu bewegen. - Scanner (
10 ) gemäß Anspruch 3, bei dem: die horizontale Wagenstange (40 ) vertikale Führungen (44A ,44B ) aufweist; der Wagen (18 ) ferner einen zweiten Motor (46 ) aufweist, der mit einem zweiten Zahnrad (48 ) verbunden ist; und das Gehäuse (12 ) vertikale Führungsspuren (52A ,52B ) zum Aufnehmen der vertikalen Führungen und eine vertikale Zahnradspur zum Aufnehmen des zweiten Zahnrads (48 ) definiert, wobei der zweite Motor (46 ) wirksam ist, um das zweite Zahnrad (48 ) anzutreiben, um den Wagen (18 ) entlang der vertikalen Richtung zu bewegen. - Scanner (
10 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Lichtquelle (26 ) einen Ring Licht emittierender Dioden, der um das rechteckige Fotodetektorarray (24 ) herum gebildet ist, aufweist. - Scanner (
10 ) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das rechteckige Fotodetektorarray (24 ) ein Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS-)Bildsensorarray aufweist. - Scanner (
10 ) gemäß Anspruch 6, bei dem die Lichtquelle (26 ) Licht emittierende Dioden aufweist, die sich auf dem gleichen Chip befinden wie das rechteckige Fotodetektorarray (24 ).
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