DE2853712A1

DE2853712A1 - Einrichtung zur umsetzung eines optisch abgetasteten bildes in binaersignale

Info

Publication number: DE2853712A1
Application number: DE19782853712
Authority: DE
Inventors: James Merrill White
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1978-12-13
Publication date: 1979-07-12
Also published as: GB2011755A; JPS5935066B2; FR2413725A1; IT7831085A0; JPS5494837A; US4173772A; IT1160380B; GB2011755B

Description

jAnmelderin: International Business Machines

I Corporation, Armonk, N.Y. 10504

.I jo/se

Einrichtung zur Umsetzung eines optisch abgetasteten Bildes lin Binärsignale

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Einrichtung zur Umsetzung eines optisch abgetasteten Bildes in Binärsignale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Um ein Bild für die Ausgabe auf Benutzungsgeräten mit zwei Kontrastwerten, wie Bildschirmen und Druckern oder für die digitale Verdichtung/Übertragung solcher nichtcodierter Information in Binärwerte umzusetzen, wurden bisher viele Algorithmen verwendet. Diese Algorithmen arbeiten mit einem verschiebbaren Schwellwert, der mittels eines Durchschnittswertes von Bildelementen bestimmt wird, die dicht an dem Bildelement liegen, für das der laufende Schwellwert zu bestimmen ist. Mit anderen Worten, der Wert eines jeden Bildelementes wird mit dem Durchschnittswert der benachbarten Bildelemente verglichen, den man durch Defokussierung des Bildes oder digitale Summierung der Werte von umgebenden Bildelementen erhält. Oft wurde eine Vielzahl von Störungen bei der Nachbarschafts-Schwellwerttechnik durch die verwendete Maschinenausrüstung oder durch andere systembedingte Einschränkungen eingeführt. Diese Algorithmen erwiesen sich vor allem dort sehr nützlich, wo eine Kante betont wurde, beispielsweise bei gedruckten Unterlagen und Linienzeichnungen.

Herkömmliche Geräte zur Erzeugung von Nachbarschaftsschwellwerten können in drei Gruppen unterteilt werden: (1) Geräte, in denen jedes einzelne Bildelement in einer Zeile abwechselnd fokussiert und defokussiert durch mechanische Änderung

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'des optischen Systems über einen vibrierenden oder rotierenden j Spiegel, eine Linse/ ein Prisma, eine Scheibe oder ein Rad [ abgetastet wird. (2) Einen Kathodenstrahlröhren-Abtaster j mit elektronisch regelbarer Punktgröße. (3) Geräte, in denen ; Daten in einem Analog/Digitalwandler digitalisiert und mehrerei Datenzeilen gespeichert werden und in denen die Durchschnitts-> werte der Nachbarschaft digital für jedes Bildelement aus den i umgebenden Werten der gespeicherten Daten errechnet werden. j

_:Für Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 Bildele- | menten pro Sekunde, läßt sich das unter (1) genannte Schema schwer realisieren, weil für die Abtastung eines jeden einzel-i

ι :nen Bildelementes eine sehr schnelle mechanische Bewegung er-'forderlich ist. Das unter (2) genannte Schema mit der Kathodenstrahlröhre hat den Nachteil, daß es nicht panchromatisch anspricht, nicht zuverlässig ist, nicht linear abgetastet wer- !den kann und daß bei hohen Geschwindigkeiten die Defokussierung ungenügend ist. Die unter (3) genannte Technik hat Probleme bei der sehr schnellen Umwandlung vieler Bits, sowie I den Kosten und der zu geringen Geschwindigkeit digitaler \Zeilenpuffer und der zahlreichen Zusätze, die für jede Ausigabeentscheidung erforderlich ist.

!Mit dem allgemeinen Konzept der Bildabtastung befassen sich ι viele Vorschläge, so auch die US-Patentschrift Nr. 4 012 587. In dieser Patentschrift wird ein Festkörper-Bildfühler beschri ben, der ein Bildgerät mit Ladungsverschiebung zwischen den Zeilen verwendet und in dem die Elektroden der vertikalen Schieberegister so vergrößert sind, daß sie Stellen erreichen, die zwischen den in vertikaler Richtung des Gerätes ausgerichteten Bildabgriffsteilen liegen. Jeder Bildabgriffsteil umfaßt einen Bildabfühlbereich und ein übertragungstor. Vorzugsweise wird jeder zweite Bildabgriffsteil eines herkömmlichen Bildgerätes mit Ladungsverschiebeelementen (CCD) entfernt, um zwischen den Bildabgriffsteilen einen Abstand in

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vertikaler Richtung zu schaffen. In der US-Patentschrift ^! Nr. 3 932 775 wird die in einem Ladungsverschiebungs-Bild- j j fühler gespeicherte Ladung verschachtelt ausgelesen. Wei- j

i j

|terhin wird die Speicherung verschiedener Ladungen in CCDs ^: j in unterschiedlichen Zeitabschnitten sowie die interne
jKombination von gespeicherten Ladungen während vorhergehender Zeitabschnitte beschrieben. In der US-Patentschrift
JNr. 3 993 897 ist ein Festkörper-Bildgerät beschrieben, das
aus einer Gruppe von Ladungsspeicherelementen besteht. Die in
j einer Elementenzeile gespeicherten Ladungen werden über die . Differenz von Signalpaaren ausgelesen, von denen eines auf
der Zeilenleitung ausgelesen wird, die die ausgewählte EIe- · jinentenzeile verbindet und das andere auf der Zeilenleitung, ; i die die benachbarte Elementenzeile verbindet, in der keine ;

ι t

Ladung gespeichert ist. In der US-Patentschrift Nr. 3 937 942 ! I ist ein zweidimensionales mehrkanaliges optisches Korrela- \ tionssystem beschrieben das mit einer Lichtquelle eine Maske , mit mehreren linear versetzten Kanälen beleuchtet, von denen i jeder aufgezeichnete Information enthält, die durch Schwan- j kungen in der Lichtdurchlässigkeit längs ihrer linearen Länge ; definiert ist. Die Lichtquelle wird als Funktion eines
wohlbekannten Eingangssignales moduliert. Mehrere Elemente
eines CCD sind in linear versetzten Gruppen auf einer Achse
parallel zu den linear versetzten Kanälen der beleuchteten
Maske zum Empfang der durch die beleuchtete Maske übertragene
Lichtenergie angeordnet, um eine Ladung in jedem derartigen
Element zu erzeugen, die der an der diskreten Position
empfangenen Lichtenergie entspricht. In der US-Patentschrift
Nr. 3 940 602 ist ein zweidimensionales Signalverarbeitungs-Bildgerät beschrieben, das nach dem Prinzip der Ladungsverschiebung arbeitet. Das System mißt gleichzeitig das einfallenjde optische Signal und übernimmt die lineare Transformation
dieses Signales. Zwei CCD-Register sind auf jeder Seite
einer Photodiodengruppe angeordnet. Die Ladungsdifferenz in
den beiden Registern wird als Ausgabe für eine positive bzw.

negative Gewichtung eines zu korrelierenden Datenmusters !verwendet.

Allen diesen bekannten Lösungen sind folgende Nachteile !gemeinsam:

; 1. Sie sind für die meisten praktischen Anwendungen zu langsam,

2. sie arbeiten zu ungenau, da es ihnen an einer ausreichenden Kompensation unerwünschter, durch thermische , Energie entstandener Ladungen mangelt und ; 3. sie sind für viele Anwendungen zu teuer.

IEs ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zur Umsetzung optisch abgetasteter Bilder in Binär- ;signale anzugeben, die schnell genug ist, um allen Erfordernissen der Praxis zu genügen, die eine zuverlässige Umsetzung des abgetasteten Bildes in Binärsignale erlaubt und außerdem jnicht zu teuer ist.

I Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird für eine Einrichtung zur Umsetzung eines optisch abgetasteten Bildes in Binärsignale durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst1 Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unte^r ansprächen zu entnehmen.

Merkmale des Verfahrens sind in den Ansprüchen 10 und 11 gekennzeichnet.

Die Einrichtung zur Umsetzung eines optisch abgetasteten Bildes in Binärwerte nach der Erfindung verfügt über den Vorteil, daß sie ein kompaktes und relativ preiswertes Gerät darstellt, das im Gegensatz zu den heute bekannten Abtastgeräten Schwankungen im Dunkelstrom und in der Empfindlichkeit automatisch aufhebt und außerdem schnell genug ist, um den Anwendungen in der Praxis voll gerecht zu werden.

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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben. |

Es zeigen: i

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm des Bildabtastsystems , :

Fign. 2A und eine schematische Darstellung eines Änderungs- ; 2B elementes für die optische Bahnlänge, bei- j

spielsweise eine Schlitzscheibe, \

! Fign. 3A bis eine Darstellung der abwechselnden Fokussie- j 3C rung und Defokussierung eines Bildes durch ι

eine Schlitzscheibe, i

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Änderungseinrichtung für die optische Bahnlänge mit
einer Strichplatte,

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Bildabfühlsystems,

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines weiteren Bildabfühlsystems ,

Fig. 7 eine Darstellung einer physikalischen Auslegung des integrierten Schaltungsteiles des
Bildabtastsystems,

Fign. 7A und Schnittansichten der integrierten Schaltung
7B der Fig. 7 entlang den Linien 7A-7A bzw.
7B-7B,

Fig. 8 ein Impuls-/Zeitdiagramm der Signale in dem
in den Fign. 6 und 7 dargestellten Systeme
und

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Fign. 9Α bis Schwellwertdiagramme zur Darstellung von unter-9C schiedlichen Vorspannmöglichkeiten des in den Fign. 5 und 6 gezeigten Ausgabevergleichers.

Fig. 1 zeigt ein Bildabtastsystem 2 nach der Erfindung. Eine Btrahlungsenergiequelle wie die Lichtquelle 4, beleuchtet eine Bildelementenzeile 6 auf einem Dokument 8. Das Licht Wird vom Dokument 8 reflektiert und durch eine Linse 10 auf eine Einrichtung zur Änderung der optischen Bahnlänge, wie pine Schlitzscheibe 12, geworfen, die abwechselnd transparente dielektrische Abschnitte und Luftabschnitte enthält, wie es deutlicher aus den Fign. 2A und 2B zu sehen ist. Durch die (Schutzscheibe 12 fallendes Licht wird auf eine Zeile von !Photoelementen 14 auf einem Abtaster chip 16 geworfen, das laus einer integrierten Schaltung mit Ladungsverschiebeelementen Wie Ladungsverschiebe- oder Eimerkettenschaltungen (CCDs oder I

¹ I

BBDs) besteht. Ein Taktsignalgenerator 18 liefert Taktimpulse , über eine Leitung 20 an einen Motor 22, der die Drehung der ! jSchlitzscheibe 12 steuert. Taktimpulse werden auch über die (Leitung 24 an das Abtasterchip 16 gegeben, um dessen Zeitpfolge izu steuern. Schematische Darstellungen und Blockdiagramme !zur Erläuterung der Arbeitsweise des Abtasterchips 16 sind !in den Fign. 5 bis 7 enthalten.

[Die Fign. 2A und 2B zeigen die Positionen der Schlitzscheibe

112 relativ zur Linse 10 in der fokussierten bzw. defokussier-Iten Stellung. Die Schlitzscheibe 12 besteht aus dielektrischen transparenten Abschnitten 26 und Schlitzabschnitten 28, deren !Medium Luft ist. Der transparente Abschnitt 26 kann aus Glas 'oder optischem Plastikmaterial bestehen. Wenn gemäß Darstellung in Fig. 2A Licht durch die Linse 10 und einen Schlitzabsch|nitt |28 fällt, wird die Länge der optischen Bahn nicht verändert,

so daß ein fokussiertes Bild der Linie auf dem Dokument auf die

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iPhotoelemente 14 geworfen wird. Wenn gemäß Darstellung in

'Fig. 2B Licht von der Linse 10 durch einen transparenten i
Abschnitt 26 fällt, verändert das dielektrische Element in ;diesem transparenten Abschnitt die Länge der optischen Bahn 'und dadurch den Brennpunkt, was zu einem defokussierten Bild 'der Linie im Dokument auf den Photoelementen 14 führt.

!Fig. 3A zeigt, wie der Objektpunkt 30 auf dem Diagramm, der ', ein Bildelement auf der Bildelementenzeile 6 des Dokumentes j8 ist, in einer Entfernung JU durch die Linse 10 mit einem j Durchmesser d auf einem Originalbildungspunkt 32 auf der Linie; !der Photoelemente 14 abgebildet wird. Der Originalbildungspunkt I 32 hat vom Brennpunkt bis zur Mitte der Linse 10 den Abstand ', 1^₁. in Fig. 3B ist vertikal vergrößert dargestellt, wie die j Linse 10 ein fokussiertes Bild auf den Originalbildungspunkt !wirft, wenn die Länge der optischen Bahn unverändert ist, da I das Licht durch einen Luftschlitzabschnitt in der Schlitzscheibe fällt. Fig. 3C zeigt, wie der Originalbildungspunkt 32 auf den Bildpunkt 34 versetzt wird, weil die Länge der '-. optischen Bahn dadurch verändert wird, daß das Licht durch ι einen transparenten Abschnitt 26 in der Schlitzscheibe 12 : fällt. Diese Versetzung des Originalbildungspunktes resultiert, in einem sog. Unscharfekreis des Radius r, dessen Mittelpunkt | j der Originalbildungspunkt 32 ist, d.h., der defokussierte j Originalbildungspunkt 32 ist jetzt von benachbarten Bildwerten umgeben. Mit anderen Worten, für jedes Element in der abgetasteten Bildzeile stehen für den Originalbildungspunkt 32 jetzt Elemente zur Verfügung, die neben jedem Element in der abgetasteten Zeile liegen. Das bedeutet, daß Elemente in benachbarten Zeilen am Originalbildungspunkt 32 abgefühlt werden, so daß der Nachbarschafts-Durchschnittswert der Lichthelligkeit für jedes Element bestimmt werden kann.

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Die Längen ü. und £_ der optischen Bahn und die anderen, in den; Fign. 3A bis 3C gezeigten Parameter hängen von den Abmessungen i der Gruppe der Photoelemente 14 auf dem Abtasterchip 16 ab. ; Abtaster mit einer Länge in der Größenordnung von 2000 Bildelementen sind jetzt im Handel verfügbar. Die Länge der optischen Öffnung im Defokussiersystem, also der Schlitze in der Schlitzscheibe, müssen zur Länge des Bildgerätes passen. Für j ein typisches Bildgerät, d.h., für eine selbstabtastende An- ι Ordnung von Photoelementen mit einem Mittenabstand der Sensor- ' elemente von 12,5 Jim beträgt die Länge eines Bildgerätes für , 2000 Bildelemente 25 mm. Der Abstand der Schlitze um die i Scheibe ist durch die numerische Apertur der Linse 10 und ΐ den Abstand der Schlitzscheibe von den Photoelementen 14 bestimmt. Mit einer numerischen Apertur von 0,16 und einem [Abstand der Schlitzscheibe von 2 mm von der Photoelementengruppje müssen die Schlitze, die Luft als Dielektrikum haben und ebenso die Bereiche zwischen den Schlitzen, die transparent sind, breiter als 0,64 mm sein. Um die radialen Positionstoleranzen der Scheibe weiter fassen zu können, kann man mit breiteren Schlitzen und Zwischenbereichen arbeiten. Einfache

geometrische Berechnungen liefern die Beziehungen zwischen der erforderlichen Umdrehungsgeschwindigkeit, der Anzahl der Schlitze am Scheibenumfang und dem Radius der Scheibe und

der Zeilenabtastrate.

Als ein numerisches Beispiel für die Parameter der optischen !Bahn für das in den Fign. 1 und 2 dargestellte Schlitzscheiben- ^!system kann das Diagramm in den Fign. 3A bis 3C dienen. Wenn eine 1Ofache Verkleinerung von der Objektgröße auf die Abbil-Idungsgröße angenommen wird, werden die Bildelemente, die auf 'dem Dokument einen Abstand von 0,125 mm haben, auf den ,Photoelementen des Abtasters zu Elementen mit einem Abstand (von 12,5 pm. Für die Linse wird eine Lichtstärke f = 2,8 und !eine Brennweite f.. von 5 mm angenommen. Der effektive Durchmesser d der Linse errechnet sich aus diesen beiden Werten wie folgt:

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d β f₁/2,8 = 17,9 ran (1) j

Der Abbildungsabstand 1_Λ und der Objektabstand £» lassen sich ! aus dem Vergrößerungsverhältnis wie folgt bestimmen: j

= 1OxJl₁ (2) j

Die Gleichung für die Brennweite ist:

"¹

f₁ ' = A₁ ' + A₂ ' (3)

woraus sich ergeben:

Jl₁ = 55 mm und θ - arcta,n(d/2i₁) - 0,16 rad.

Für einen Brechungsindex von h = 1,45 und einen defokussieren Unschärfekreis mit einem Bildelementenradius von 2,5 (r=31,3 unit) ergibt sich eine Dicke der Platte von w - 630 um. Die Größe des Unscharfekreises wird für eine gegebene Anwendung gewählt. Im gewählten Beispiel wird ein visuell ansprechendes Ergebnis bezüglich der Prüfdokumente für eine Faximilianwendung geliefert, das von der Charakteristik des menschlichen Auges und den Grenzen seiner Auflösungsfähigkeit abhängt. Der Durchmesser des Unschärfekreises bestimmt die Breite der Schwarz/ Weiß-Kantenübergänge, die im ausgegebenen Dokument erscheinen.

Für lange Gruppen, beispielsweise aus 2000 Bildelementen muß die optische Platte durch eine gebogene Platte ersetzt werden (zylindrischer Linsenteil), um die konstante Vergrößerung des Bildes bei seiner Defokussierung beizubehalten.

Fig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit zur Veränderung der optischen Bahnlänge zwischen dem Dokument und dem Abtaster. Ein optisches System liefert abwechselnd fokussierte und defokussierte Bilder einer Zeile A auf einem Dokument 36 an eine

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Zeile C von Photoelementen auf dem Abtasterchip 38. D.h. mit
anderen Worten, erst wird eine fokussierte Version der Zeile A Und dann eine defokussierte Version durch das Abtasterchip ; 38 abgetastet. Die defokussierte Version wird verzögert und
ftiit der fokussierten Version verglichen und dann auf der ; feasis von einzelnen Elementen pro Zeile in Binärwerte umge- i [setzt. i

Das System enthält eine Strichplatte 40, die relativ zum
Dokument 36 fixiert ist. Das Abtasterchip 38 und die anderen optischen Bauteile, wie die Linsen 42, 44, 46 und das
Prisma 48, sind als eine Einheit montiert und bewegen sich _t zusammen gleichförmig parallel zur Strichplatte 40 und dem
Dokument 36. Die Linse 44, der Spiegel JYI3 und die Strichplatte j J40 wirken als Verschluß und schalten abwechselnd das fokus- ! sierte Bild ein und aus. F ist die Brennweite der Linse 44. ι (Strahlen von einem Punkt auf der Strichplatte 4Q laufen daher durch die Linse 44 und werden parallel. Diese parallelen l Strahlen werden durch die Linse 44 vom Spiegel M3 reflektiert ^! iund wieder in der Ebene der Strichplatte fokussiert. Wenn , (die Strichplatte 40, wie dargestellt, steht, wird der Punkt I E zu einem Punkt K, der Punkt E1 zum Punkt K1 usw. fokussiert. ' Durch die Strichplatte auf der linken Seite fallendes Licht j 'passiert sie auch auf der rechten Seite. Während sich die ! .Strichplatte jedoch relativ zu den anderen optischen Bau- ! teilen in einer Richtung bewegt, bewegt sich das Bild der ι IStrichplatte in der entgegengesetzten Richtung. Nachdem eine | ,Strecke L/4 (1/4 der Strichplattenperiode) zurückgelegt ist,
!werden die dunklen Linien der Strichplatte (Di) (die öffnungen K. in der Strichplatte) abgebildet. Ebenso werden die
öffnungen E. auf den dunklen Linien zwischen K. abgebildet.
Auf diese Weise wird also der "Verschluß für das fokussierte
Bild" zugemacht. Dieser "Verschluß für das fokussierte Bild"
öffnet sich wieder voll bei L/2, 2L/2, 3L/2, usw. Die Linsen
42 und 46 lassen Licht vom Brennpunkt A zum Brenn-

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jpunkt J und auf den Brennpunkt C fallen. Da die Linse 44 im j .Brennpunkt des Dokumentenbildes liegt, hat sie keinen Einfluß ' :auf das Bild bei der Annäherung der dünnen Linse.

:Die Brennweite der Linse 44 ist wegen ihrer Benutzung im j yerschlußsystem beschränkt. Die Linsen 42 und 46 können je- , 'doch verändert werden, um die notwendige Verkleinerung und \ [huflösung zwischen Dokument und Abtasterelementen zu bekommen. Tatsächlich braucht J kein Brennpunkt des Bildes zu

, j

jsein, und auch die Linsen 42 und 46 müssen nicht genau dort , Istehen, wo sie abgebildet sind. Die wichtige Einschränkung
,liegt nur darin, daß das optische System der Linsen 42 und/ode^ ^:46 zusammen mit der Linse 44 den Punkt A, wie gewünscht, nach , ¹C fokussiert. Das hier gezeigte System stellt ein sehr ein-

Ifaches Konzept dar. '

Der Spiegel M₃ ist teilweise reflektierend mit einem solchen
j Reflexionsgrad daß sich eine gleiche Ausgabe von der ersten
!Reflexion und von dem Licht ergibt, das durch M₃ fällt, dann
'von den Spiegeln M_Q, M-, M₂ reflektiert wird und wieder ! j durch M₃ fällt. Das Bild der Strichplatte wird, wie erwähnt, j in parallele Strahlen umgewandelt, wenn das Licht durch die
Linse 44 fällt. Die Winkel α^ und a₂ werden so gewählt, daß } diese Strahlen so geneigt werden, daß bei der Refokussierung
durch die Linse 44 die Position des Strichplattenbildes um
180° gegenüber dem Bild phasenverschoben ist, das von der
Vorderseite des Spiegels M₃ reflektiert wird. Das bedeutet,
daß der Detektor abwechselnd das von der Oberfläche des
Spiegels M₃ reflektierte Licht (das fokussierte Bild) und
Licht empfängt, das durch M₃ hindurchgetreten ist und von
Prisma 48, gebildet durch die Spiegel M_Q, M₁ und M₂# reflektiert wurde. Dieses letztere Bild ist defokussiert, weil es zusätzlich durch das Prisma 48 gelaufen ist.

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,Hierbei ist ein wichtiger Faktor zu beachten: Die Neigung idurch die Winkel α.., α₂ führt zu einer Versetzung der Mitte des defokussierten Bildpunktes in der Dokumentenebene, wie sie durch den Punkt B auf dem Dokument 36 dargestellt ist. Eine gewisse Versetzung ist erwünscht, weil sie zur Verschiebung einer Strecke L/4 relativ zu Strichplatte/Dokument erforderlich ist, um den Verschluß von der fokussierten in die defokussierte Stellung umzuschalten. Die übrige Versetzung ,kann durch Versetzen des Prismas 48 um einen Betrag d aus jder Symmetrielinie kompensiert werden. Der Wert von d hängt der Größe des Prismas ab und bestimmt außerdem das Ausmaß der Defokussierung und die Bahnlänge zwischen den ent-I sprechenden Linsen und dem Dokument. Der Strichplattenverschluß schließt nicht augenblicklich zwischen fokussierten und defokussiertem Bild, sondern wechselt linear zwischen :den beiden. !

i I

Die Strichplatte hat die Doppelfunktion erstens des Positions-! ;Schrittanzeigers und zweitens der Wirkung als Fokussier-/De- j

fokussierschalter. Da die Strichplatte nicht in einer Bild- ! • ebene des Dokumentes liegt, braucht sie nicht fehlerfrei zu I sein, da ihre Werte über einem großen Bereich der Strichplatte I gemittelt werden. Bei Verwendung einer Strichplatte sind

auch keine sich schnell bewegenden und schwingenden mechanischen Teile erforderlich.

! Der teilweise reflektierende Spiegel M₃ kann durch einen Zweil farbenspiegel ersetzt werden, und die Größe des Prismas 48 ist ¹ so gering bemessen, daß die Ausgabe der Abtaster zwischen Färb I bereichen anstatt zwischen fokussierten und defokussierten j Bildern wechselt. D.h., man kann Differenzen zwischen sicht-I barem und Infrarotlicht vergleichen.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung können natürlich auch andere Schemata als das Fokussieren und Defokus-

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sieren angewandt werden. Die mechanische Bewegung der Linse i oder des Abbildungsgerätes kann beispielsweise anstelle der Schlitzscheibe oder der Strichplatte treten. Anstelle der Schlitzscheibe oder der Strichplatte können reflektierende Scheiben, ein schwingender Spiegel, usw. benutzt werden.

Fig. 5 zeigt eine Darstellung des Systems in Form eines vereinfachten Blockdiagramms. Das Abtasterchip 16 enthält eine Gruppe von Photoelementen 14. Wie schon erläutert, liefert ein Taktsignalgenerator 18 ein Taktsignal auf der Leitung 20 an den Motor 22, um die Schlitzscheibe 12 zur Veränderung der optischen Bahnlänge zu steuern. Die Leitung 24 (Fig. 1) umfaßt; mehrere Steuersignalleitungen, die an das Abtasterchip 16 angeschlossen sind, um den Fluß der Signale in diesem Chip ^: und zu einem Vergleicher 50 zu steuern. Der Vergleicher 50 lie+ fert binäre Ausgangsdaten an eine Vergleicher-Ausgangsleitung 52, die jedes Bildelement in einer Zeile des Bildes darstellenκ !Das Abtasterchip 16 enthält mehrere Photoelemente, die nicht !dargestellt sind, und an die über eine Leitung 54 ein Photo-Leitsignal in Form einer konstanten Spannung angelegt wird, ; damit die Photoelemente 14 abwechselnd fokussierte und defokussierte Bilder abfühlen können. Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wird über eine Leitung 56 ein Übertragungssignal lan ein Übertragungstor auf dem Chip 16 angelegt, um Ladungspakete, die das abgefühlte Lichtsignal repräsentieren, an ein erstes Schieberegister zu übertragen, das nicht dargestellt und im Abtasterchip 16 untergebracht ist. Die Taktsignale φ1 und φ2 auf den Leitungen 58 und 60 schieben die Ladungspakete durch aufeinanderfolgende Stufen des ersten Schieberegisters und in eine Toreinrichtung, wie etwa einen Verteiler, der nicht dargestellt und ebenfalls auf dem Abtasterchip 16 angeordnet ist. Aufgrund des Taktsignales φΤ auf der Leitung 62 werden die fokussierte Daten darstellenden Ladungspakete an das Gate eines nicht dargestellten Feldeffekttransistors (FET) angelegt, det das Ladungspaket in ein Spannungssignal umwandelt, das auf eine Leitung 65

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gegeben wird, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 50 verbunden ist. Wenn das Taktsignal <f>1" auf die Leitung 64 gegeben wird, werden Daten eines defokussierten Bildes betreffende Ladungspakete in ein zweites Schieberegister geschoben, das ebenfalls nicht dargestellt und im Abtasterchip 16 vorhanden ist. Aufgrund der Taktsignale <f>1 und φ 2 werden diese zuletzt genannten Ladungspakete durch aufeinanderfolgende Stufen des zweiten Schieberegisters geschoben und an das Gate eines zweiten, nicht dargestellten !FET angelegt, der das Ladungspaket in ein Spannungssignal umwandelt. Dieses Spannungssignal wird auf eine Leitung 67 gegeben, die mit dem invertierenden Eingang des Vergleichers 50 verbunden ist. An die mit den oben beschriebenen Ausgangs-FETs verbundenen Ladungsverschiebeschaltungen wird ein Ausgabeleitsignal OG an eine Leitung 66 angelegt, um die Ladung an die Gates der Ausgabe-FETs anzulegen und so die Ausgabe-Spannungssignale auf die Leitungen 65 bzw. 67 zu geben. Ein Gate-Rückstellsignal RG wird auf eine Leitung 68 und eine Drain-Rückstellspannung auf eine Leitung 70 gegeiben, um am Ende eines jeden Vergleichszyklus die Ausgabe-IfeTs zurückzustellen. Die Betriebsspannung, mit der Bezeich-.nung +VDD, wird über die Leitungen 72 und 74 an die Drain ider betreffenden Ausgabe-FETs angelegt. Die Source-Ausgangsanschlüsse vom fokussierten bzw. defokussierten Ausgangs-FET Isind mit den Leitungen 65 bzw. 67 verbunden. Die FETs sind ^!als Sourcefolgerschaltung an die Ausgangslastwiderstände R_LF bzw. Rj-_D angeschlossen. Wie schon oben gesagt, wird'die IAusgangsspannung des fokussierten Bildes an den nicht inveritierenden Eingang des Vergleichers 50 und die Ausgangsspannung des defokussierten Bildes an den invertierenden Eingang I gegeben. Diese Polarität für die binären Ausgangssignale des IVergleichers läßt sich direkt an einen Drucker anlegen, der 'für das Ausgabebit mit dem hohen Signalpegel einen schwarzen I Punkt auf einem Ausgabedokument liefert. Die Ausgabepolarität i kann durch Umschalten der Eingangsanschlüsse des Vergleichers I auch umgekehrt gewählt werden. Mit einer Vorspannungs-Regel-YÖ" 977 019

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schaltung 78 wird der Vorspannpegel des Vergleichers 50 geregelt. Diese Schaltung besteht in einer Ausführungsform aus einem Regelwiderstand 76 sowie einer positiven (+V_ß) und einer negativen Steuerspannung (-V_n). Natürlich kann auch eine komplexere Vorspannungs-Regelschaltung verwendet werden.

Die Verwendung von N-Kanal-FETs des Anreicherungstyps in der Ausgabe-Source-Folgerschaltung und in den CCD-Schieberegistern führt zu einem negativen Aussschlag der Ausgabespannung bei höherem Lichteingang. Diese Inversion wird bei der Wahl der Vergleichereingänge berücksichtigt.

In den Fign. 6 und 7 sind das Abtasterchip und die zugehörigen Bauelemente in Form von Blockdiagrammen dargestellt. Die Gruppe der Photodioden 14 umfaßt die Photoelemente 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92 und 94, die auf dem Chip in Festkörpertechnik so ausgebildet sind, wie es in den Fign. 7, 7A und 7B im einzelnen gezeigt ist. In der Praxis werden allerdings mehr Photoelemente verwendet. Der Stand der Technik gestattet heute₍ ^!die Anordnung von etwa 2000 Photoelementen auf einem Chip. Mit; ',zunehmender Verbesserung der Technik steigt die Anzahl der ! IPhotoelemente auf dem Chip weiter an. Über eine Leitung 54 j !wird an jedes Photoelement eine Photoleitspannung angelegt, ί j so daß bei Beaufschlagung mit Licht bei der Abfühlung in dem j !betreffenden Photoelement ein Ladungspaket erzeugt wird, das , 'wiederum von den Ausgängen der Photoelemente an ein über- ι tragungstor 96 geleitet wird» An die Übertragungstore 96 •wird über eine Leitung 56 in vorgewählten Zeitabständen 'gemäß Darstellung bei 97 in Fig» 8A ein übertragungsleitimpulsι FER angelegt, um die betreffenden Ladungspakete an ein erstes ISchieberegister 98 zu übertragen, das aus Ladungsverschiebe- !elementen, wie etwa CCD-Elementen besteht. Der übertragungsleitimpuls wird auch an einen Dokumententransportmechanismus I angelegt (nicht dargestellt), um das Dokument vorzuschieben oder weiterzutransportieren, so daß die nächste Zeile abge-

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tastet werden kann. Wenn die Impulse <j>1 und φ2 auf die
Leitungen 58 bzw. 60 gegeben werden, wie es in den Fign. 8B
und 8C dargestellt ist, werden die Ladungspakete von einer
Stufe des ersten Schieberegisters 98 in die nächste und von ; dort wiederum auf den ersten Eingang 100 einer Leiteinrichtung, wie etwa eines Verteilers 102 übertragen, die auf
dem integrierten Schaltungschip ausgebildet ist. ^;

Zur Darstellung des Betriebsablaufes sei angenommen, daß ein !

defokussiertes Bild auf den Photoelementen 14 abgebildet und _: die vom Licht erzeugten Ladungspakete entsprechend den be- i treffenden Nachbarschaftswerten am Phototor integriert werden, bis diese gesammelte Ladung, gemäß Darstellung bei 99 , in Fig. 8A, durch das Übertragungstor 96 in das erste Schieberegister 98 übertragen wird. Zum Übertragungszeitpunkt fokus- [ siert die Einrichtung zur Veränderung der optischen Bahnlänge . das Bild, und die fokussierten Bildelemente werden integriert,: bis der nächste Übertragungsimpuls 101 auftritt und das Dokument auf die Zeile J+1 vorgeschoben wird und die Bildladungsin- , j formation in das erste Schieberegister übertragen wird.
ι

Während der Integrationszeiten werden die Ladungspakete in den| ! Schieberegistern in die Ausgabe geschoben, so daß das erste
Schieberegister 98 rechtzeitig für jede Ladungsübertragung ! ' von den Photoelementen in das erste Schieberegister leer ist. j ι Die Taktimpulse φ1 und φ2 leiten das Ladungspaket im Schiebe- ■ ! register in der angegebenen Richtung weiter, wie es oben schonj ' gesagt wurde. Bei zweiphasigen Takten ist eine eingebaute j ι Asymmetrie erforderlich, um die Bewegungsrichtung der La- j ι dungspakete festzulegen. Bei noch mehr Phasen wird die
Richtung des Flusses der Ladungspakete durch die Reihenfolge
j gesteuert, in der die Phasen getaktet werden. Die Takte
müssen eine begrenzte Anstiegs- und Abfallzeit mit ent-
! sprechender Überlappung aufweisen.

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J defokussierten Ladungspakete vom ersten Schieberegister
!werden über den Verteiler 102 in das zweite Schieberegister
,104 geleitet, wenn die Impulse Φ1" (Fig. 8D) auf der Leitung
164 dann auf der Leitung 58 liegen (Fig. 8B). Die fokussier-Iten Daten werden vom Ausgang des Verteilers 102 auf eine Leijtung 106 und die defokussierten Daten vom zweiten Register
104 auf eine Leitung 108 gegeben. Die Signale des defokus-

'sierten Bildes werden an den invertierenden Eingang 110 und

ί i

Idie Signale des fokussierten Bildes an den nicht invertie-

srenden Eingang 112 des Vergleichers 50 gegeben, dessen binäre
!Ausgangssignale auf die Vergleicherausgangsleitung 52 ge-■ langen.

'Eine Vospannungs-Regelschaltung 78" und eine Schwarz/Weiß- ,

Geschichtsschaltung 114 können die Signale des fokussierten ■ bzw. defokussierten Bildes an entsprechenden Eingängen empfan-'

'gen. Die Schwarz/Weiß-Geschichtsschaltung 114 kann aus ,

iDioden-Kondensator-Spitzenfolgeschaltungen bestehen, die j die Vorspannungsamplitude, basierend auf vorhergehenden Schwärt/ Weiß-Spitzenwerten des fokussierten und/oder defokussierten

Bildes normalisieren. Mit anderen Worten, Neigung, Position ι

und auch Form der Teilerlinie im Schwellwert-Verzeichnis- '

diagramm kann sich während der Abtastung des Dokumentes ,

ändern. Typische derartige Diagramme sind in den Fign. 9A \

bis 9C gezeigt. Die Ausgabe der Schwarz/Weiß-Geschichts- I

schaltung 114 geht über die Leitung 116 an die Vorspan- ₍

nungs-Regelschaltung 78', die wiederum den Vorspannungspegel j

des Vergleichers 50 regelt. '

ι Eine Einschränkung der LadungsverSchiebeelemente resultiert j

aus einer möglichen Ineffektivität der Ladungsverschiebung, !

die zu einer Unscharfe der Bilddaten im zweiten Schiebere- j

gister, auf dem längeren Weg also, für die defokussierten i

Daten führt, die bereits unscharf sind. Dieses Problem fügt j jedoch keinen zusätzlichen wesentlichen Fehler zur Ausgabe

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wesentlichen Fehler zur Ausgabe des Bildgrundgerätes hinzu, d.h., zur Ausgabe vom ersten Schieberegister.

Fig. 7 zeigt schematisch die Schichtstruktur eines CCD-Chips, das als Abtasterchip 16 dient. Auf einem Siliciumsubstrat 122 wird in bekannter Technik, wie beispielsweise Photolithographie, ein erstes Muster zur Ausbildung eines Kanales aufgetragen. Dadurch soll die Bewegung der Ladungen innerhalb bestimmter Bereiche der Chipfläche eingegrenzt werden. Die Kanäle sind in Fig. 7A als Kanäle 124 und 126 dargestellt und werden auf einer dünnen Oxidschicht 128 bzw. 130 zwischen den dicken Oxidschichten 132, 134 und 136 ausgebildet. In Fig. 7B ist auch auf einer dünnen Oxidschicht 140 zwischen den dicken Oxidschichten 142 und 144 ein Kanal 138 ausgebildet. Die Ausbildung solcher Kanäle ist allgemein bekannt.

Anschließend werden in Mustern auf der Oberfläche des Chip zwei Schichten aus Polysilicium, einem amorphen leitenden ,Silicium, aufgetragen. Die erste Schicht wird Poly 1 und 'die zweite Poly 2 genannt. Jede Polysiliciumschicht wird mit ,einem oxidierenden Isolierflächenüberzug, wie SiO^/ versehen. :In Fig. 7A sind die beiden Schichten Poly 1 und Poly 2 mit ¹146 bzw. 148 bezeichnet und beide sind mit der Isolier-ι schicht 150 überzogen.

'wenn die Ladungspakete in einem zweiphasigen CCD-Schieberejgister verschoben werden, ist eine eingebaute Asymmetrie zur !Bestimmung der Ladungsflußrichtung erforderlich. Diese Asymmetrie erreicht man durch Veränderung der Dicke des dünnen Kanaloxides oder durch implantierte Sperren. I

Bereiche des dünnen Kanales, die nicht von Polysilicium überzogen sind, werden diffundierte Sources und Drains für die ! Ruckstell-FETs 152 bzw. 154 sowie für die Ausgabe-FETs 156

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und 158 in Fig. 7B. Die FETs 156 und 158 wandeln die Ladungspakete an ihren Gates 160 bzw. 162 in Spannungen an den Source-Elektroden 64 bzw. 66 um.

Fig. 7 zeigt zur Erläuterung an der Stelle 164 Lücken zwischen Poly 1 und Poly 2 im Photosensor- und Schieberegisterbereich, um die aufeinanderfolgenden Schichten der Struktur darzustellen. In der Praxis überlappen sich die Bereiche von Poly 1 und Poly 2, wie es in den Fign. 7A bzw. 7B bei 166 und 168 dargestellt ist.

In Fig. 7B ist gezeigt, wie die Kontaktausschnitte durch die dünne Oxidschicht 140 über den Diffusionen 152 und 154 geätzt werden und Metall 170 und 172 diese Ausschnitte so überlagert, daß die elektrischen Verbindungen zu externen Elementen hergestellt werden können. Kontaktausschnitte können ebenfalls dort im Polysilicium eingeätzt werden, wo sie gebraucht werden.

;Wie zuvor schon erwähnt, werden durch das beschriebene Abtastgerät Schwankungen im Dunkelstrom und in der Empfindlichkeit aufgehoben. In Silicium-Photosensoren, wie beispielsweise dem CCD-Photo-Gate-Detektor, dem CCD mit Photo- !diodendetektor, BBD mit Photodiodendetektor usw. erzeugt, j liegt ein Elektronenlochpaar. Das Paar wird über dem Verarmungsbereich des Elementes getrennt und es werden entweder ' die Löcher oder die Elektronen als Informationssignal gesammelt, das bestimmt, wieviel Licht auf ein gegebenes Photoelement fiel. Im Photosensor existiert insofern eine !Ungleichgewichtsbedingung, als thermisch erzeugte Elektro- : ; nenlochpaare genauso eingeschlossen sind, wie die durch j ι Licht erzeugten Ladungen. Dieser Leckstrom schwankt von ' ' einem Photoelement zum anderen wegen der lokal auftretenden ■ Defekte oder Schwankungen im Material oder der Konstruktion \

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der Photoelemente. Am Ausgang des Abtasters gibt es jedoch keine Möglichkeit, zwischen thermischen oder durch Licht erzeugten Ladungen zu unterscheiden. Ein Photoelement mit übermäßigem Leckstrom erscheint als heller Punkt an der entsprechenden Stelle im Bild. Dieser Fehlerterm ist besonders wichtig, wenn man Bildpunkte mit ihrer Nachbarschaft vergleicht, um die Laplacefunktion zu errechnen und so die adaptive Schwelle zu bestimmen. Im vorliegenden Gerät, das mit fokussiertem und defokussiertem Bild arbeitet, wird jedoch dasselbe Photoelement zur Sammlung der Information für einen Bildpunkt und seine entsprechende Nachbarschaft verwendet, d.h., dasselbe Photoelement sammelt Information für denselben fokussierten und defokussieren Bildpunkt. Wenn Punkte also verglichen werden, d.h., die fokussierten und defokussierten Punkte, heben sich die zusätzlichen Leckstromkomponenten auf.

Als Beispiel für die Dunkelstromaufhebung soll das Licht von dem fokussierten Bildpunkt in der η-ten Zelle mit x-r (n) und das entsprechende Ladungspaket vom CCD-Ausgang als y^(n) dargestellt werden. Wenn die Ansprache oder der Licht-Ladungsumwandlungsgrad der η-ten Zelle a(n) und der Leckstrom 'dieser Zelle b(n) ist, dann ist die Ausgabe vom fokussierten Bildschieberegister auf die Leitung 106 gegeben durch:

y_f(n) = [a(n)] [x_f(n)] +b(n) (1)

Die defokussierten Bildwerte x_d(n) unterliegen denselben An-.Sprachebedingungen a(n) und Leckbedingungen b(n), weil die !Nachbarschaftswerte oder defokussierten Wege in denselben ^!Photoelementen gesammelt werden, wie die Werte der entsprechen·)-,den fokussierten Bildpunkte. Die defokussierten Werte werden !jedoch alle in das zweite Schieberegister 104 übertragen und 'nehmen auch dort ein gewisses Maß an Leckstrom in der Zeit auf

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in der sie im zweiten Schieberegister stehen. Weil jedes deifokussierte Signal vollständig durch das zweite Schieberegister läuft und daher dort die gleiche Zeit verweilt, hat jdieser Leckstrom einen Wert c, der zu allen Ausgängen, !unabhängig vom Eingangspunkt n, addiert wird. Der Leckstrom 'vom ersten Schieberegister ist in den η-abhängigen Werten '■ 'jb(n) enthalten, die zu der fokussierten und zur def okussierten I lAugabe addiert werden.

Die Ausgabe der defokussierten Werte aus dem Schieberegister . 1104 auf der Leitung 108 ist somit gegeben durch ■

+ b(n) +c (2)

Weil sich der Ausdruck c nicht ändert, kann er durch den ^: jVorspannungseingang zum Vergleicher 50 von der Vorspannungs-IRegelschaltung 78' aufgehoben werden. Die Differenz zwischen : dem abgefühlten fokussierten und defokussierten Bild ist somitt

y_f (n) - y_d(n) = a(n) [x_f(n) - x_d(n) 1 (3)

Der fokussierte Bildpunkt ist somit größer (heller) als seine Nachbarschaft (defokussierter Bildwert) und damit:

[x_f(n) - x_d(n)l > 0
Daher ist a(n) positiv und man erhält

[y_f(n) - y_d(n)] > 0 (5)

unabhängig von den Leckstromwerten b(n). Beide Differenzen sind kleiner als 0 für einen Bildpunkt, der dunkler ist als seine Nachbarschaft. Durch diese dem Prinzip inhärente Aufhebung erübrigt sich die Leckstromkompensation, basierend auf einigen Speichertypen, zur Bestimmung des Fehlerbetrages b(n) in jedem Ausgangssignal. Somit kann trotz der Schwankungen

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im Dunkelstrom und der Empfindlichkeit des Systems festgestellt werden, ob der abgebildete Bildpunkt heller ist als der defokussierte Nachbarschaftswert- Es wird also eine adaptive Schwelle (der Nachbarschaftswert) abgeleitet, die festlegt, ob der binäre Ausgabewert weiß oder schwarz ist. Für unser Beispiel wird eine binäre Null, d.h., eine weiße Ausgabe, gegeben, wenn y_f(n) > Y_d(n) ist und eine binäre Eins, d.h., ein schwarzes Signal, wenn y_f(n) < y,(n) ist. Für die Gleichheitsbedingung ist die Ausgabe unbestimmt, sie kann schwarz oder weiß sein.

Nach Darstellung in Fig. 5 wird von der Vorspannungs-Regelschaltung 78 eine feste Vorspannung an den Vergleicher 50 angelegt. Die in Fig. 6 gezeigte Vorspannungs-Regelschaltung , 78' liefert eine variable Vorspannung an den Vergleicher, basierend auf den gegenwärtigen Signaleingängen des fokussierten und des defokussierten Bildes und einer Schwarz/Weiß- , Eingangsgeschichte, die von früheren Dateneingängen des fokussierten und des defokussierten Bildes abhängig ist. Die feste Vorspannung kann zur Aufhebung des oben beschriebenen konstanten Dunkelstromes c benutzt werden. Das führt .zu einem Schwellwertdiagramm, wie es in Fig. 9A gezeigt ist. Die Abszisse des Diagrammes stellt den fokussierten Wert , zwischen 0 für absolut schwarz (B) und 255 für volles weiß (W) dar. In ähnlicher Weise stellt die Ordinate den de- | ^!fokussierten Wert für das betrachtete Bildelement dar. Der , .Ausgabezustand des Vergleichers ist mit weiß gewählt, wenn i ,der fokussierte Wert größer ist als der defokussierte Wert J 'und mit schwarz, wenn der fokussierte Wert kleiner ist als ₍ der defokussierte Wert. Bei Gleichheit der Werte ist die i !Ausgabe des Vergleichers unbestimmt, sie kann schwarz oder 'weiß sein. Die Bereiche der Ordinaten-Abszissenpaare, die zu | einer schwarzen bzw. weißen Ausgabe führen, sind durch die I I entsprechenden Buchstaben B und W auf jeder Seite der Tei- j ¹lungslinie 120 bezeichnet, die den Schwellenwert darstellt. ι

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Diese Schaltung mit fester Vorspannung ist die einfachste der möglichen Schaltungen, wobei die feste Vorspannung von den fokussierten und defokussieren Werten und der Schwarz/Weiß-Geschichte unabhängig ist.

Für manche Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Vorspannung nach oben zu verschieben, wie es in Fig. 9B dargestellt ist. Hier wurde die Vorspannung zu Gunsten von Weiß-Entscheidungen verschoben. Das ist nützlich bei Anwendungen wie der optischen Zeichenerkennung, wo man die isolierten Linien, die Zeichen darstellen, als schwarz ausgegeben haben will und größere gleichmäßige Bereiche als weiß. Dadurch sind die schrittweisen Schwankungen im grauen Hintergrundspegel ausgeschaltet. Große gleichmäßige Bildbereiche haben genügend gleiche Bildpunkte und Nachbarschaftswerte. Gemäß Darstellung in Fig. 9A sind Schwarz/Weiß-Entscheidungen sehr empfindlich gegen Papierfehler, Schmutz, Fliegendreck usw. \ Die zusätzliche, in Fig. 9B dargestellte Vorspannung erzwingt eine weiße Wiedergabe dieser nominell gleichförmigen Bereiche.

^: Für Faximili-Anwendungen, in denen große gleichmäßige dunkle ; Bereiche als schwarz wiedergegeben werden sollten, ist das in : Fig. 9C gezeigte Diagramm für die Vorspannungsschwelle besser ' geeignet. In diesem Diagramm ist die Vorspannung linear pro- ' , portional zu dem gegenwärtig fokussierten Bildwert. Dunklere ^; Bereiche werden zur Schwarz-Entscheidung vorgespannt, hellere Bereiche zur Weiß-Entscheidung. Zeichenkanten und andere Bild-i grenzen haben noch einen angemessenen Schwarz/Weiß-Übergang. . . Die Steuerung solcher Schwarz/Weiß-Entscheidungen wird durch ι ^! eine Vorspannungs-Regelschaltung 78' und eine Schwarz/Weiß- I Geschichtsschaltung 114 implementiert, wie sie in Fig. 7 ge- j zeigt sind. Mit anderen Worten, Neigung, Lage und auch Form | ' der Schwellwertdiagramm-Teilungslinie können während der Ab- I ! tastung des Dokumentes verändert werden. :

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Der Vorteil des Betriebes mit fokussiertem und defokussiertem Bild auf Zeilenbasis und nicht auf Elementenbasis leitet sich von der Fähigkeit des CCD-Abtasters her, die Bild-Photoelektronen für die Dauer einer ganzen Zeilenabtastung zu integrieren. Damit wird die Empfindlichkeit des Abtasters erhöht und die für eine gegebene Seitenabtastrate erforderliche Be- ' leuchtung reduziert. Außerdem braucht das Bild vom fokussierten auf den defokussierten Zustand und wieder zurück, nur einmal pro Zeile und nicht pro Bildelement umgeschaltet zu werden. Die mechanischen Teile des Abtasters können daher langsamer arbeiten.

Die Integration der photoempfindlichen Elemente, des ersten analogen Schieberegisters, des Verteilers und des zweiten | analogen Schieberegisters in ein Chip in CCD-Technik bietet [ Vorteile gegenüber anderen Lösungen. Es ergibt sich eine höhere Genauigkeit, weil das Signal in Form diskreter La- : dungspakete aufrechterhalten wird, die auch erhalten bleiben, ! jährend sich die Ladung auf dem Chip bewegt. Wenn die Ladung | durch Umwandlung in eine Spannung aus einem Schieberegister heraus und vom Chip abgenommen wird und dann wieder über eine [ Umwandlung von Spannung in Ladung in ein zweites Schiebere- ; gisterchip gegeben wird, wie es bisher üblich ist, werden die ! Daten im zweiten Schieberegister durch die Umwandlungen nicht- { ^Linear und es werden auf diese Weise im Vergleich zur Datenaus-i gäbe direkt vom ersten Schieberegister Diskripanzen erzeugt. ! Das Problem der Nichtlinearität kann durch Einsatz eines Analog!/ pigital-Wandlers umgangen werden, indem man die Daten aus dem \ ersten Register herausnimmt und sie in Digitaldaten z.B. ein I Byte pro Bildelement, umwandelt, die defokussierten Daten in einem Digitalpuffer speichert und die fokussierten und defokuspierten Bilder auf digitale Weise vergleicht. Dieses Digitalver-[frahren bringt jedoch weitere Probleme bei den Kosten und der Geschwindigkeit bei den heute verfügbaren Analog/Digital-Wandlecn Jnit sich.

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L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Einrichtung zur Umsetzung eines optisch abgetasteten Bildes aus η Elementenzeilen (n ganzzahlig) in Binärsignale, gekennzeichnet durch einen Abtaster (4, 10, 16; Fig. 1), der eine Elementenzeile auf einmal abtastet, ferner durch eine Anordnung (12, 18, 22) zur abwechselnden Fokussierung und Defokussierung der Abbildung der jeweils abgetasteten Elementenzeile auf dem lichtempfindlichen Element (14) des Abtasters und durch einen Vergleicher (50; Fig. 5), der für jede Elementenzeile separat die Ausgangssignale der lichtempfindlichen Elemente bei Beaufschlagung mit der fokussierten Abbildung mit denen bei Beaufschlagung mit der defokussierten Abbildung vergleicht und daraus binäre Ausgangssignale erzeugt, die insgesamt dem abgetasteten Bild entsprechen.

2„ Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein

: erstes Schieberegister (98; Fig. 6), das die Ausgangs-

: signale jeder fokussierten und defokussierten Elementen-

I zeile aufnimmt, durch ein zweites Schieberegister (104),

• das eine von jeder fokussierten und defokussierten EIe-

; mentenzeile aus dem ersten Schieberegister aufnimmt und i

¹ durch einen Vergleicher (50) , der die Signale der genanntein

' einen von jeder fokussierten und defokussierten Elementen-

; zeile im zweiten Schieberegister mit derjenigen der ande- j

i ren fokussierten und defokussierten Elementenzeilen im ;

' ersten Schieberegister vergleicht und hieraus ein binäres ;

• Ausgangssignal erzeugt. !

ι ι

J3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet!, j daß die Anordnung (12, 18, 22; Flg. 1 bzw. 40, 44, 48; I Fig. 4) zur Fokussierung und Defokussierung der Abbildung der jeweils abgetasteten Elementenzeile die Länge des opti^L schen Abbildungspfades zwischen zwei festen Längenwerten

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^SPECTED

verändert, daß ferner eine erste Durchschalteanordnung (96; Fig. 6) vorgesehen ist, um die aus der fokussierten und defokussierten Abbildung resultierenden Signale abwechselnd zu dem ersten Schieberegister (98) zu übertragen, daß ferner eine zweite Durchschalteeinrichtung, welche die ersten und zweiten Signale vom ersten Schieberegister empfängt und jeweils die ersten Signale an einem ersten Ausgang und die zweiten Signale an einem zweiten Ausgang bereitstellt, ferner ein zweites Schieberegister (104), das eines der ersten und zweiten Signale von entweder dem ersten oder dem zweiten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung empfängt und daß schließlich ein Vergleicher (50) vorgesehen sind, der über erste und zweite Ein- und Ausgänge verfügt, wobei das genannte erste Signal vom ersten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung zu dem ersten Eingang des Vergleichers und das genannte zweite Signal vom zweiten Schieberegister an den zweiten Eingang des Vergleichers angelegt wird, wenn das zweite Schieberegister das zweite Signal vom zweiten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung empfängt, wobei das genannte erste Signal vom zweiten Schieberegister an den zweiten Eingang des Vergleichers und das zweite Signal, vom zweiten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung an den ersten Eingang des Vergleichers angelegt wird, wenn an das zweite Schieberegister das erste Signal vom

ersten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung ι

empfängt, wobei dann der Vergleicher ein binärgewandeltes Signal am Ausgang abgibt, das für das abge- ; tastete Bild repräsentativ ist.

|4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (50) einen Vorspannungseingang aufweist, über den er eine Vorspannung empfängt, sowie das Ausgangssignal eines Speichers (114), der nacheinander erste und zweite Signale von der zweiten Torschaltung und dem zwei-

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ten Schieberegister aufnimmt, um die Vergangenheit der Werte, die sich auf die fokussierte und defokussierte Abbildung beziehen, zusammenzustellen, wobei der Vor- ! Spannungserzeuger (78') Eingangssignale vom ersten Aus- \ gang der zweiten Durchschalteeinrichtung, dem zweiten Schieberegister und dem Ausgang des Speichers empfängt, i um hieraus ein Signal zu erzeugen, das die Ansprech- ' schwelle des Vergleichers einstellt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ' daß die Einrichtung zur abwechselnden Umschaltung der Länge des optischen Pfades aus einer Schlitzscheibe besteht, deren Schlitze abwechselnd offen und dann mit ·

einem transparenten dielektrischen Medium ausgefüllt sindt

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ; daß die Einrichtung zur alternierenden Änderung der i Länge des optischen Pfades aus einem Lichtverschlußsystem' besteht, das als eine linear verschiebbare Strichplatte ^; aufgebaut ist und abwechselnd den Strahlengang für die ' fokussierte Abbildung unterbricht und dafür denjenigen j für die defokussierte Abbildung und umgekehrt durchläßt, j

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildungseinrichtung gleichzeitig eine gesamte Elementenzeile auf eine Zeile lichtempfindlicher Ladeverschiebeelemente abbildet, wobei jedes dieser Ladeverschiebeelemente ein Ladungspaket erzeugt, dessen Ladung aus Licht- und Wärmeenergie gebildet wird, daß ferne|r die Einrichtung zur Veränderung der Länge des optischen Pfades zwischen zwei Werten alternierend ein fokussiertes und dann ein defokussiertes Bild der abgetasteten Zeile abbildet, daß weiter eine erste Durchschalteeinrichtung für die Ladeverschiebung vorgesehen ist, welche die Ladungspakete empfängt, die für die abwechselnd fokussierte

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und dann defokussierte Abbildung der abgetasteten Zeile auf den lichtempfindlichen Ladeverschiebeelementen indikativ ist, daß weiterhin ein erstes Ladungsverschiebe-Schieberegister vorgesehen ist, das Ladungspakete aufnimmt, die ebenfalls für die fokussierte und dann defokussierte Abbildung repräsentativ sind und alternierend von der Durchschalteeinrichtung zu vorgegebenen Zeitpunkten an das Schieberegister angelegt werden, daß weiterhin eine zweite Ladungsverschiebe-Durchschalteein- · richtung vorgesehen ist, die ebenfalls Ladungspakete empfängt, die für die alternierend fokussierte und defokussierte Abbildung repräsentativ sind und von dem ersten Ladungsverschiebe-Schieberegister her übertragen werden, wobei die zweite Ladungsverschiebungs-Durchschalteeinrichtung die Ladungspakete aus einer fokussierten Abbildung an einem ersten Ausgang und die Ladungspakete aus einer defokussierten Abbildung an einem zweiten Ausgang bereitstellt, daß ferner ein zweites ' Ladungsverschiebe-Schieberegister, das die Ladungspakete aus der fokussierten und defokussierten Abbildung entweder von dem genannten ersten oder zweiten Ausgang übernimmt und weiter ein Konverter die Ladungspakete aus der fokussierten und defokussierten Abbildung an einem, dem genannten ersten oder zweiten Ausgang der zweiten Ladungsverschiebe-Durchschalteeinrichtung und dem Ausgang des zweiten Ladungsverschiebe-Schieberegister jeweils in eine erste und eine zweite Spannung umsetzt und schließlich ein Vergleicher vorgesehen sind, dessen erster Eingang mit der ersten Spannung und dessen zweiter Eingang mit der zweiten Spannung beaufschlagt wird und dessen Ausgang ein Ausgangssignal führt, das als Binärsignal die Spannungsdifferenz der ersten und zweiten Spannung darstellt, wobei die erste und zweite Spannung vor der Differenzbildung von der thermischen Komponente befreit wurden.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleiterchip gebildet sind: Eine Zeile mit m (m ganzzahlig) lichtempfindlichen Elementen,

m TorSchaltungen, von denen jede zwei Eingänge und einen Ausgang derart aufweist, daß der eine Eingang jeweils mit einem anderen lichtempfindlichen Element und der andere Eingang mit einer Steuersignalquelle verbunden ist,

Ein erstes Schieberegister mit m Stufen, von denen : jede zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, von denen der eine Eingang mit jeweils einem Ausgang einer Torschaltung und der andere Eingang mit einer : Steuersignalquelle verbunden sind,

i Eine zweite Durchschalteeinrichtung, ausgebildet als ^: Umleitungsschalter, dessen Eingang mit dem Ausgang

einer der m Stufen des ersten Schieberegisters ver- . ! bunden ist, wobei die zweite Durchschalteeinrichtung ' mindestens zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist,

ι Ein zweites Schieberegister mit m Stufen, von denen ' '; jede einen Eingang, einen Ausgang und mindestens i einen Steuereingang aufweist, und der Eingang der \ ersten Stufe mit dem zweiten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung verbunden ist,

i und schließlich

\ ι

ι Ein Vergleicher, dessen einer Eingang mit dem \ ι ersten Ausgang der zweiten Durchschalteeinrichtung i und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang der > ι η-ten Stufe des zweiten Schieberegisters verbunden !

S ist und der auch über einen Ausgang verfügt. \

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente, die Tor- und Durch-

' Schaltungen, das erste und das zweite Schieberegister aus ladungsgekoppelten Elementen aufgebaut sind.

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10. Verfahren zum Betrieb der in den Ansprüchen 1 bis 9 gekennzeichneten Einrichtung, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:

Gleichzeitige Abtastung einer Zeile des Bildes,

Alternierende Änderung der optischen Länge des Abtastpfades zur Erzeugung einer fokussierten und einer defokussierten Abbildung der abgetasteten Zeile des Bildes auf einer Zeile von lichtempfindlichen Elementen,

Vergleich der Ausgangssignale der lichtempfindlichen Elemente bei fokussierter und defokussierter Abbildung, zur Erzeugung eines binären Ausgangssignals, das für das abgetastete Bild repräsentativ ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende; weitere Schritte:

Alternierende Verschiebung der ersten und zweiten Signale, die eine fokussierte und eine defokussierte Abbildung repräsentieren, jeweils in ein erstes , Schieberegister, ;

Verschiebung eines der ersten und zweiten Signale j vom ersten Schieberegister zum zweiten Schiebe- >

register und I

ι Vergleich des ersten Signals im ersten Schiebere- ι gister mit dem zweiten Signal im zweiten Schiebere- ^! gister, wenn das zweite Schieberegister das zweite j Signal empfangen hat oder I

Vergleich des zweiten Signals im ersten Schiebere- , gister mit dem ersten Signal im zweiten Schieberegister, wenn das zweite Schieberegister das erste Signal empfangen hat, um auf diese Weise ein Binärsignal zu erzeugen, das für das abgetastete Bild repräsentativ ist.

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