DE2353299A1 - Kompensationsschaltung - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: RO 972 016

!Compensations schaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kompensation von Empfindlichkeitsänderungen und BeleuchtungsSchwankungen von Photodioden in einer Abtastvorrichtung und insbesondere eine Schaltungsanordnung, bei der Schwankungen in der Empfindlichkeit und Ausleuchtung der Photodioden der Abtastvorrichtung während einer Betriebspause gesammelt und abgespeichert werden, worauf die so abgespeicherte Information während des Betriebes zur Korrektur der Videoinformation benutzt werden kann.

Die Erfindung eignet sich besonders bei Datenerfassungssystemen, in denen eine selbstabtastende Photodiodenanordnung zur Abtastung großer Bereiche oder vollständiger Dokumente benutzt wird. Die durch die Photodiodenanordnung erzeugte Videoinformation wird ~ dann durch Informationserkennungs- oder Wiedergabeeinrichtungen weiterverarbeitet. Das Arbeiten von Erkennungs- und Wiedergabeeinrichtungen hängt u.a. auch von der Gültigkeit der Videoinformation ab. Auf Schwankungen der Empfindlichkeit und der Ausleuchtung der Photodiode zurückgehende Amplitudenfehler der Videoinformatiori können bis zu + 8% betragen und sind in aiesem Maße unzulässig. Ein Hochleistungssystem zur Erkennung und Wiedergabe von Viäeoinformation erfordert, daß für die durch eine selbstabtastende Photodiodenanordnung erzeugte Information eine Kompen-

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in der Empfindlichkeit der Photodiode oder der Ausleuchtungsschwankungen kompensiert.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Empfindlichkeitsprofil der eine selbstabtastende Photodiodenanordnung bildenden Photodioden während einer Betriebspause oder eines Schreibvorganges gesammelt wird. Dieses Empfindlichkeitsprofil wird in digitaler Form abgespeichert und dann im Betrieb von seiner digitalen Form in eine Analogform umgewandelt und zur Korrektur des Videoinformationssignals benutzt, um damit Unterschiede in den Empfindlichkeiten der Photodiode und der Ausleuchtung zu kompensieren.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Ausführungs

form der Erfindung;

Fig. 2 ein Impulsdiagramm der Signale während des Schrei

bens und

Fig. 3 ein Impulsdiagramm der Signale während des Betriebs.

Das in Figur 1 dargestellte Abtastsystem enthält zwei Lichtquellen 1O und 11 mit ihren zugeordneten.Reflektoren 12 und 13 zum Ausleuchten eines Dokumentes 14, das sich relativ zu den Lichtquellen bewegt. Das von dem Dokument 14 reflektierte Licht wird über eine Sammellinse 20 auf die Photodiodenanordnung 25 gerichtet. Die hier benutzten Lichtquellen, optischen Systeme und Vorrichtungen zum Bewegen des Dokumentes sind für die vorliegende Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung und sind daher nur schematisch dargestellt. Das Dokument 11 könnte selbst stationär sein und die Photodiodenanordnung 25 könnte für die Abtastung bewegt werden,

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sation vorgesehen wird.

Bisher bekannte Verfahren zur dynamischen Kompensation von Schwankungen in der Empfindlichkeit von Photodioden liefern keineKompensation für Beleuchtungsschwankungen und benötigen relativ genaue Analogschaltungen für das gesamte Kompensationssystem. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung insoweit dar, daß sie eine Kompensation für Schwankungen der Empfindlichkeit der Photodioden und auch für BeleuehtungsSchwankungen liefert und mit wesentlich weniger auf wendigen digitalen Schaltungen für einzelne Teile des Kompensationssystems auskommt. Das Prinzip der Erfin- · dung unterscheidet sich grundsätzlich von bisher bekannten Kompensationssystemen, indem gemäß der Erfindung zunächst ein Kompensationsprofil des Äbtastsystems gesammelt und abgespeichert wird. Im Betrieb wird das abgespeicherte Kompensationssignal abgerufen , und dynamisch einer Korrekturschaltung synchron mit der Zufuhr des unkompensierten serialen Videoinformationssignals zugeführt. Ein bekanntes dynamisches Kompensationssystem verwendet eine zusatzliehe Lichtquelle zur Erzeugung des Kompensationssignals gleichzeitig mit der Erzeugung des unkompensierten Videoinformationssignals. Die beiden Signale werden getrennt und anschließend einer Korrekturschaltung zugeführt. Man sieht daher, daß die Arbeitsweisen der beiden Einrichtungen grundsätzlich verschieden sind. Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Kompensationsprofil periodisch auf den neuesten Stand gebracht werden, um jede Verschiebung der Schwankungen der Empfindlichkeit der Photodiode und der Ausleuchtung zu korrigieren. Änderungen in den Schwankungen der Ausleuchtung kommen von der Alterung oder dem Auswechseln der Lichtquelle.

Aufgabe der Erfindung ist es .also, eine wesentlich verbesserte Kompensationsschaltung für ein Abtastsystem mit einer Lichtquelle und einer selbstabtastenden Photodiodenanordnung zu schaffen, die sowohl Schwankungen in der Empfindlichkeit der Photodiode, als auch der Ausleuchtung kompensiert, damit eine genaue Kompensation liefert, relativ billig ist und ein Auswandern der Schwankungen

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Die Photodiodenaxiordnung 25 ist eine selbstabtastende Anordnung wie sie im Handel erhältlich ist. Selbstabtastende Photodiodenanordnungen benötigen eine Takt- und Abtasts teuer stufe 26, die einen Startimpuls an die Diodenanordnung 25 über eine Leitung 27 abgibt sowie Taktimpulse über Leitung 28 liefert. Der Taktgenerator kann entweder von außen gesteuert werden, oder aber freischwingend sein. Seine Taktfrequenz wird dabei entsprechend der gewünschten Abtast- oder Bitfrequenz gewählt. Die-Abtastung wird durch einen mit einem Taktimpuls zusammenfallenden Startimpuls eingeleitet. Das Serienausgangssignal der Photodiodenanordnung tritt auf der Leitung 29 auf. Man kann hier beispielsweise noch einen gesonderten Verstärker benutzen, der nicht dargestellt ist, oder der Verstärker könnte zusammen mit der Photodiodenanordnung in integrierter Schaltung hergestellt sein.

Die Photodioden der selbstabtastenden Photodiodenanordnung 25 arbeiten mit Ladungsspeicherung. Dabei arbeitet die Anordnung bei Ladungsspeicherung in der Weise, daß bei Abtastung der Anordnung jede Diode nacheinander adressiert und über die gemeinsame Videoleitung auf eine Einheitsspannung aufgeladen wird. Während der Abtastperiode werden die Dioden durch den vom auffallenden Licht erzeugten Photostrom entladen. Die Ladung, die zur Wiederherstellung der Nennspannung auf jeder Diode nacheinander erforderlich ist, ist gleichzeitig das Videoausgangssignal.

Das Empfindlichkeitsprofil wird während eines Schreibvorganges gesammelt, wenn die Anordnung 25 einen Standardhintergrund oder Weißpegel abtastet, der die Form eines Dokumentes oder einer Auflageplatte haben kann. Das serielle Ausgangssignal der Photodiödenanordnung bei Abtastung eines Standardhintergrundes oder eines Weißpegels ist in Figur 2 bei A gezeigt. Die Unterschiede in den Ladungen, die erforderlich sind, um die Dioden wieder auf ihre Nennspannung zu bringen, sind auf Nichtgleichförmigkeit in der Empfindlichkeit und Ausleuchtung der Dioden zurückzuführen. Diese Schwankungen sind als Pegel anzusehen, die am Ausgang des Integrators 30 auftreten, der, gesteuert durch die Taktsignale

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von der Takt- und Abtaststeuerstufe 26, das von der Photodiodenanordnung 25 kommende serielle Videosignal integriert. Das durch den Impulszug B in Figur 2 dargestellte Empfindlichkeitsprofil wird in digitale Form umgewandelt. Um jedoch die Auflösung des Änalog-Digitalwandlers 40 ausnutzen zu können, wird nur der Teil des Signals, der durch die Empfindlichkeitsschwankung und Ausleuchtung sSchwankung beeinträchtigt wird, in digitale Form überführt. Dieser Teil des Signals wird dadurch isoliert, daß man das Ausgangssignal des Integrators 30 über eine Leitung 31 einem Differentialverstärker 35 zuführt. Aus der Spannungsquelle 32 wird ferner ein feststehender Graupegel Vg über Leitung 33 dem Differentialverstärker 35 zugeführt. Im Differentialverstärker 35 wird der feststehende Graupegel Vg vom Ausgangssignal des Integrators 30 abgezogen. Das während des Schreibvorganges vom Integrator 30 kommende Signal ist ein Signal Vjw von der weißen Oberfläche mit der Reflexionsfähigkeit Rw, wobei j sich auf die jte Photodiode und w auf die weiße Oberfläche derReflexion bezieht.

Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 35 wird über Leitung 36 dem Änalog-Digitalwandler 40 zugeführt und ist als Impulsfolge G in Figur 2 gezeigt. In diesem Beispiel .setzt der Änalog-Digitalwandler 4O das vom Differentiälverstärker 35 kommende Signal auf vier binäre Bitpegel um. Der Differenzwert, der durch die vier Bits dargestellt ist, stellt ein Nichtgleichförmigkeitsprofil dar. Die am Ausgang des Änalog-Digitalwandlers 40 auftretende digitale Information wird über logische UND-Torschaltungen 47, gesteuert durch Signale von der Schreibsteuerlogik 46 und der Speichersteuerschaltung 48, in den Speicher 50 eingespeichert. Die Schreibsteuerlogik 46 erhält ein Schreibsignäl über Leitung 45 und Äbtast-, Start- und Taktsignale von der Takt- und Abtaststeuerstufe 26. Die von den UND-Torschaltungen 47 durchgelassenen digitalen Daten werden, gesteuert durch die Speichersteuerung 48, in den Speicher 50 eingegeben. Die Speichersteuerung 48 synchronisiert das Einspeichern und Auslesen der Daten vom Speicher 50 mit dem Abtasten der Photodiodenänordnung 25. Somit nimmt also die Speichersteuerung 48 Takt- und Abtaststartsi-

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gnale von der Takt- und Abtaststeuerstufe 26 auf.

Die digitalen Ausgangssignale des Speichers 50 werden einem Digital-Änalogumwanäler 55 zugeleitet. Das Äusgangssignal des Digital-Änalogwandlers 55 ist ein Analogsignal, das zusammen mit dem festen Graupegel Vg von der Spannungsquelle 32 dem Summierverstärker 60 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 6O ist in Zeile B in Figur 2 gezeigt und wird über Leitung 61 dem Differentialverstärker 65 und einer Divisionsschaltung 70 zugeführt. Das Äusgangssignal des Differentialverstärkers 65 liegt ebenfalls an der Division.sschaltung 70. Man muß darauf hinweisen, daß die eben beschriebenen logischen Schaltkreise von üblicher Bauart sind,-so daß deren Einzelbeschreibung hier nicht für erforderlich gehalten wird. Der Speicher 50 kann von beliebiger Ausführungsform sein und.könnte beispielsweise als Schieberegister aufgebaut sein, bei dem das Einspeichern und Auslesen von Daten durch die Speichersteuerung 48 gesteuert wird. Die Divisionsschaltung 70 kann an sich bekannter Bauart sein, vorzugsweise soll hier jedoch eine Schaltung verwendet werden, wie sie in der US-Patentschrift 3 626 O92 vom 7. Dezember 1971 für einen Videoverstärker für optische Abtaster beschrieben ist. Die Division wird in der Weise durchgeführt, daß die Signale zunächst in logarithmische Form umgewandelt und dann die logarithmischen Darstellungen mit Hilfe eines Differentialverstärkers voneinander subtrahiert werden.

Im Schreibbetrieb werden die digitalen Daten aus dem Speicher 50 ausgespeichert und an den Digital-Analogumwaridler 55 übertragen. Das vom Digital-Analogumwandler 55 kommende Signal wird dem Summierverstärker 60 zugeführt, dessen Ausgangssignal das gleiche ist, wie es bei B in Figur 2 dargestellt ist. Dieses Signal wird dem Differentialverstärker 65 und der Divisions schaltung 70 zugeleitet. Der Differentialverstärker 65 subtrahiert die vom Integrator 30 und vom Summierverstärker 60 kommenden Signale voneinander. Im Schreibbetrieb sind diese Signale die gleichen. Wie man jedoch sofort erkennt _r findet die Kompensation während des eigent-

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lichen Betriebs statt'. Es muß darauf hingewiesen werden, daß eben im Betrieb keine digitalen Daten in den Speicher 50 eingespeichert werden, daß aber die Kompensationsdaten ständig aus dem Speicher 50 synchron mit der Abtastung der Photodiodenanordnung 25 ausgelesen werden.

Die Ausgangssignale der Photodiodenanordnung 25 und des Integrators 30 sind im Betrieb durch die Impulsfolgen A bzw. B in Figur 3 dargestellt. Der Signalpegel jeder Photodiode hängt von der Ladung ab, die erforderlich ist, um die Diode wieder auf ihre Nennspannung aufzuladen. Somit ist das Äusgangssignal des Integrators 30 das unkompensierte, serielle Videoinformationssignal Vjx, das sich aus der Abtastung einer Fläche mit dem Reflexionsfaktor Rx und einem Kontrast Cx ergibt, der irgendwo zwischen weiß und schwarz liegt, wobei j die j te Photodiode darstellt und χ den Betriebszustand kennzeichnet. Während des Betriebszustands liefert die Steuerlogik 26 kein Signal zum Entsperren der UND-Torschaltungen 27. Obgleich also das unkorapensierte Videoinformationssignal am Differentialverstärker 35 anliegt und dessen Äusgangssignal durch den Analog-Digitalumwandler 40 umgewandelt wird, wird die daraus entstehende digitale Information nicht im Speicher 50 eingespeichert. Die aus dem Speicher 5O ausgelesenen digitalen Daten werden jedoch, gesteuert durch die Speichersteuerung 48, im Digital-Analogwandler 55 in ein Analogsignal umgewandelt. Der Suinmierverstärker 60 liefert das bei G in Figur 3 gezeigte Signal. Dies ist das Empfindlichkeitskompensationssignal, das dem Differentialverstärker 65 zugeleitet wird und ist das gleiche Signal wie bei B in Figur 2. .Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 65 wird im Betrieb durch den Impulszug bei D in Figur 3 dargestellt und entspricht Vjw-Vjx. Dieses Ausgangssignal wird dann durch das Äusgangssignal Vjw des Summierverstärkers geteilt. Diese Division wird durch die Divisionsschaltung 70 durchgeführt und das Ausgangssignal der Divisionsschaltung 70 ist das kompensierte serielle Videoinformationssignal, wie es an der Ausgangsklemme 75 aufcritt und bei E in Figur 3 gezeigt ist. Dieses kompensierte, serielle Videoinforma-

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tionssignal ist ein Analogsignal und wird dann zu einer Auswerteeinrichtung abgegeben. Eine Auswerteeinrichtung kann beispielsweise eine Schwellwertschaltung für eine Quantisierung des Videokontras tsignals für schwarz-weiß oder mehrfache Graupegel enthalten, kann ein Erkennungs-, Wiedergabe- oder Verarbeitungssystem sein und stellt keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar.

Aus der vorangegangenen Beschreibung ersieht man, daß im Schreibbetrieb die serielle Videoinformation, von der Photodiodenanordnung 25 kommend, zur Bildung eines Kompensationssignals benutzt wird, das in digitaler Form abgespeichert wird. Dieses Kompensationssignal wird dann während des Betriebs aus dem Speicher abgerufen und kompensiert die Empfindlichkeits- und Ausleuchtungsschwankungen für Photodiode und Beleuchtung im unkorr!gierten, seriellen Videoinformationssignal. Der Empfindlichkeitsfaktor wird dadurch ausgeschaltet, daß die verschiedenen Empfindlichkeiten herausdividiert werden.

Der Signalpegel ist Vjx = K.SjRx, wobei Sj die Empfindlichkeit der jten Photodiode und k ein Proportionalitätsfaktor ist. In gleicher Weise ist der Signalpegel Vjw = k.SjRw, wobei Sj die Empfindlichkeit der jten Photodiode und k eine Proportionalitätskonstante

ist Der Kontrast ist Cx - YJ^zZi*- kSjRw-kSjRx ₌ Rw-Rx _Di ist. Der Kontrast xst Cx - _vjw kSjRw Rw * ^Diese

Formel gilt unter der Annahme, daß die von der, Anordnung abgegebenen vollständigen Schwarzpegel in vernachlässigbarer Weise durch Leckströme der Photodiode beeinflußt sind. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß die Äusführungsform der Erfindung noch dahingehend erweitert werden kann, daß eine Ungleichförmigkeit durch Leckströme dadurch kompensiert werden kann, daß man den Ausdruck für den Kontrast abwandelt zu Cx = ~—^r-. In diesem Fall

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gäbe es einen zweiten Schreibvorgang, währenddessen die Photodiodenanordnung 25 einen Schwarzpegel abtasten würde und ein Ungleichförmigkeitsprofil für schwarz und auch für weiß eingespeichert würde. Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, daß ein analoges Schieberegister statt dem Speicher 50 und den Analog-Digitalbzw. Digital-Analogwandlern 40 bzw. 50 verwendet werden könnte.

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Claims (9)

1. PA TE HTA N S P R Ü G H E

   Schaltungsanordnung zur Kompensation von Empfindlichkeitsänderungen und BeleuchtungsSchwankungen von Photodioden einer Abtastvorrichtung, die ein Videoausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (30, 32, 35, 40) zur Erzeugung eines Empfindlichkeitsprofilsignals für die Photodioden der Abtastvorrichtung (25) und Speichermittel (50) zum Einspeichern dieses Profilsignals vorgesehen sind, wobei dieses Profilsignal bei Erzeugung eines Videoausgangssignals der Photodiodenanordnung ausspeicherbar ist und daß Korrekturschaltmittel (60, 65, 70, 32) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von dem ausgespeicherten Profilsignal und dem Videoausgangssignal ein korrigiertes Videoausgangssignal (E in Figur 3) zu erzeugen in der Lage sind,
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 _r dadurch gekennzeichnet, daß das Empfindlichkeitsprofilsignal während einer vorbestimmten Betriebsart einspeicherbar ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Empfindlichkeitsprofilsignals ein Integrator (30) mit der Abtastvorrichtung (25) zur Integration des Videbausgangssignals dieser Vorrichtung verbunden ist, weiches sich aus der Abtastung einer Fläche mit bekanntem Reflexionsfaktor ergibt und daß zur Digitalisierung des Ausgangssignals des Integrators (30) ein Analog-Digitalwandler (40) vorgesehen ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeicherung des Empfindlichkeitsprofils in die Speichereinrichtung (50) über eine Speichersteuerschaltung (48) selektiv steuerbar ist.

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5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Subtraktion eines vorbestimmten Bezugswertes (Vg) von dem Ausgangssignal des Integrators (30) ein Differentialverstärker (35) vorgesehen ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerschaltung für die Einspeicherung des vom Integrator gelieferten, digitalisierten Empfindlichkeitsprofilsignals zwischen dem Analog-Digitalwandler (40) und dem Speicher (50) mehrere UND-Torschaltungen (47) eingeschaltet sind, die durch die Speichersteuerschaltung (48) selektiv betätigbar sind.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermittel ein digitaler Speicher (50) dient.
8. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des unkompensierten Video-Ausgangssignals eine Subtrahierschaltung (65) vorgesehen ist, mit deren Hilfe das unkorrigierte Video-Ausgangssignal von dem Empfindlichkeitsprofilsignal subtrahierbar ist und daß eine Divisionsschaltung (70) vorhanden ist, die der Division des Ausgangssignals der Subtrahierschaltung (65) durch das Empfindlichkeitsprofilsignal zur Ermittlung des korrigierten Video-Ausgangssignals dient.
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Subtrahierschaltung (65) ein Differentialverstärker dient.

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