DE69022443T2 - Bildlesevorrichtung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Lesen eines Farbbildes unter Verwendung einer Festkörper- Bildsensorvorrichtung oder dergleichen und insbesondere auf eine Farbbildlesevorrichtung, in der das Licht von einem Objekt zu einem Sensor wie beispielsweise einem Festkörper- Bildsensor durch ein optisches Abbildungssystem und eine Farb-Trenneinrichtung geführt wird.
• Herkömmlich ist eine Vorrichtung wie in Fig. 1 gezeigt bereits zum zeilenweisen Abtasten eines Objekts wie beispielsweise eines Originaldokuments und zum Lesen des Farbbildes des Originaldokuments mit einer Festkörper- Bildsensoranordnung wie beispielsweise einem CCD-Sensor bekannt.
• Die Information auf einem Teil einer Originaloberfläche 1 wird mit dem Licht von einer Beleuchtungs-Lichtquelle (nicht gezeigt) beleuchtet und wird mit dem reflektierten Licht gelesen, das durch ein optisches Abbildungssystem geführt wird, das dann durch ein dreistückiges (3P) Prisma 20 in drei Farben getrennt wird, wobei die entsprechenden Strahlen auf drei CCD-Zeilensensoren 21, 22, 23 fokussiert werden.
• Solch eine herkömmliche Struktur ist jedoch unvermeidbar teuer, da für sie drei unabhängige Sensoren erforderlich sind und das 3P Prisma eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung erfordert. Sie ist auch mit der Schwierigkeit bei der Herstellung verbunden, da die Lichtstrahlen mit den Sensoren 21, 22, 23 unabhängig ausgerichtet werden müssen.
• Es ist daher vorstellbar, drei Zeilensensoren auf demselben Substrat mit einem bestimmten Abstand zwischen den Zeilensensoren herzustellen, womit man einen monolithischen Drei-Zeilensensor 24, der in Fig. 2 gezeigt wird, erhält. In solch einem monolithischen Sensor sind die Abstände s&sub1;, s&sub2; zwischen drei Zeilen 25, 26 und 27 in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm in Abhängigkeit von zahlreichen Herstellungsbedingungen, und die Abmessungen w&sub1; x w&sub2; von jedem einzelnen Photosensor 28 ist in der Größenordnung von 7 x 7 um bis 10 x 10 um. Fig. 3 zeigt einen Aufbau einer Farbbildlesevorrichtung, wie in EP-A-0240000 beschrieben, unter Verwendung von solch einem monolithischen Drei- Zeilenssensor als Bildsensor, in der beim Abtasten der Information auf einer Originaloberfläche 1 in der Neben- Abtastrichtung das Licht von der Oberfläche 1 durch ein optisches Abbildungssystem 29 geführt wird, dann in drei Lichtstrahlen mit drei Farben durch farbtrennende Strahlteiler 30, 31 mit einem dichroitisch selektiven Transmissionsfilm getrennt wird, und in der dann die drei Lichtstrahlen auf jeweils entsprechende Zeilensensoren des monolithischen 3-Zeilensensors 32 fokussiert werden.
• Wie in Fig. 3 gezeigt, stellt jedoch eine Plattendicke t der Strahlteiler 30, 31 einen Zeilenabstand 2 2t auf dem Sensor 32 bereit. Wenn der Abstand in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm wie vorstehend erkärt ausgewählt wird, ist die Plattendicke t ungefähr 35 bis 70 um, was bei der Herstellung unter Berücksichtigung der erforderlichen Oberflächenflachheit schwer zu erreichen ist.
• Es ist auch eine Farbbildlesevorrichtung unter Verwendung eines Beugungsgitters mit bevorzugter Beugungsordnung ("blazed diffraction grating") anstelle des dichroitischen Spiegels bekannt, wie in US-A-4277138 und in "Applied Optics", Bd. 17, Nr. 15, S. 2273 bis 2279 (1. August 1987) beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird ein optisches System verwendet, das ein Beugungsgitter mit bevorzugter Beugungsordnung für die Farbtrennung enthält.
• Bei solch einer Struktur wird jedoch nur das Licht berücksichtigt, das von einem Punkt in dem Objektfeld kommt, aber die sogenannte Bild-Winkel-Charakteristik, die sich aus der Anwesenheit einer bestimmten Bildbreite in der Haupt- Abtastrichtung in dem Objektfeld ergibt, wird nicht berücksichtigt.
• Insbesondere kann ein Beugungsgitter mit bevorzugter Beugungsordnung zu Wellenlängen-Aberrationen und daher zu Farb-Aberrationen entlang der Länge des Vielzeilen-Sensors führen und kann zusätzlich zu Fokussierfehlern entlang der Länge des Vielzeilen-Sensors führen.
• Eine Bildlesevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist aus EP-A-0240000 bekannt.
• Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die Bildlesevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 zu verbessern, so daß ein ausreichender Abstand zwischen den eindimensionalen Anordnungen des Vielzeilen-Sensors erreicht werden kann, ohne daß sehr dünne Glasplatten in der Farbtrennvorrichtung erforderlich sind. Zusätzlich sollen die mehreren farbgetrennten Lichtstrahlen, die zu den entsprechenden Zeilen des Vielzeilen-Sensors gerichtet werden, frei von bildwinkelabhängiger Farbtrennung und bildwinkelabhängigen Fokussierfehlern sein.
• Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Patentanspruch 1 definierte Bildlesevorrichtung gelöst.
• Figs. 1 und 3 sind Ansichten, die eine herkömmliche Farbbildlesevorrichtung zeigen;
• Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines monolithischen 3- Zeilensensors;
• Fig. 4 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der Bildlesevorrichtung der vorliegenden Erfindung, entlang der Hauptabtastebene;
• Fig. 5 ist eine Ansicht der in Fig. 4 gezeigten ersten Ausführungsform, entlang einer Neben-Abtastebene senkrecht zu der Haupt-Abtastebene;
• Fig. 6 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von Fig. 5;
• Fig. 7 ist eine Ansicht eines eindimensionalen Beugungsgitters mit bevorzugter Beugungsordnung vom Transmissionstyp;
• Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die Bilderzeugung in einem nicht-telezentrischen optischen Abbildungssystem zeigt;
• Fig. 9 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform unter Verwendung eines eindimensionalen Beugungsgitters mit bevorzugter Beugungsordnung vom Reflexionstyp; und
• Figs. 10A und 10B sind Querschnitts-Ansicht einer dritten Ausführungsform der Bildlesevorrichtung der vorliegenden Erfindung, jeweils entlang einer Haupt-Abtastebene und entlang einer Neben-Abtastebene.
• Fig. 4 und 5 sind Querschnitts-Ansichten einer ersten Ausführungsform der Bildlesevorrichtung der vorliegenden Erfindung entlang einer Haupt-Abtastebene bzw. entlang einer Neben-Abtastebene senkrecht zu der Haupt-Abtastebene. Bildinformation auf einer Originaloberfläche 1, die das Objekt darstellt, wird in einer Neben-Abtastrichtung Z durch einen Spiegel (nicht gezeigt) oder dergleichen abgetastet, der sich zwischen der Originaloberfläche 1 und einem telezentrischen optischen Abbildungssystem 2 befindet, und das Licht, das die Bildinformation enthält, wird durch das telezentrische optische Abbildungssystem 2 zu einem nach drei Farben trennenden eindimensionalen Beugungsgitter 3 mit bevorzugter Beugungsordnung geleitet. Die Bildinformation auf der Originaloberfläche 1 wird durch die relative Bewegung in der Neben-Abtastrichtung zwischen der Originaloberfläche 1 und einer Bildleseeinheit (optisches Abbildungssystem 2, Beugungsgitter 3 und Sensor 4) gelesen. Der Lichtstrahl, der Information enthält, wird in der Z-Richtung in Lichtstrahlen 5, 6, 7 der drei primären Farben zum Bildlesen geteilt, beispielsweise rot (R), grün (G) und blau (B), die jeweils auf Sensoranordnungen 8, 9, 10 auf einem monolithischen 3- Zeilensensor 4 fokusssiert werden. Die Sensor-aufnehmende Fläche des Sensors 4 ist parallel zu der Neben- Abtastrichtung.
• Jede der Sensoranordnungen 8, 9, 10 des Sensors erstreckt sich parallel zu der Haupt-Abtastrichtung, die in der Zeichnung als Y dargestellt ist. Der Sensor 4 ist ein monolithischer 3-Zeilensensor, der auf demselben Substrat mit drei eindimensionalen Sensoranordnungen angeordnet ist, die voneinander um einen vorbestimmten Abstand in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Anordnungen auseinanderliegen.
• Das eindimensionale Beugungsgitter 3 mit bevorzugter Beugungsordnung ist zwischen dem optischen Abbildungssystem 2 und dem Sensor 4 bereitgestellt, um das Licht von dem Objekt in mehrere Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Farben zu trennen und die Lichtstrahlen zu jeweils entsprechenden Sensoranordnungen zu führen.
• Die Originaloberfläche 1 wird von einer nicht dargestellten Lichtquelle beleuchtet.
• Das eindimensionale Beugungsgitter mit bevorzugter Beugungsordnung hat einen konstanten Gitterabstand in der Neben-Abtastrichtung und eine konstante Gitterdicke in der Haupt-Abtastrichtung.
• Das eindimensionale Beugungsgitter mit bevorzugter Beugungsordnung ist in "Applied Optics", Bd. 17, Nr. 15, S. 2273 bis 2279 (1. August 1978) offenbart und hat einen wie in Fig. 6, welche eine teilweise vergrößerte Ansicht von Fig. 5 ist, und einen wie in Fig. 7, welche den Aufbau eines eindimensionalen Beugungsgitters mit bevorzugter Beugungsordnung vom Transmissionstyp zeigt, gezeigten Aufbau.
• In der vorliegenden Ausführungsform tritt aufgrund der Verwendung eines telezentrischen optischen Abbildungssystems 2 der Hauptstrahl in das Beugungsgitter 3 mit bevorzugter Beugungsordnung immer senkrecht ein, wie in Fig. 4 gezeigt, selbst in dem Lichtstrahl, der von einer Randfläche der endlichen Bildlesebreite y herkommt, so daß der Nachteil in Bezug auf die Bild-Winkel-Charakteristik nicht länger vorhanden ist. Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die Bilderzeugung in einem herkömmlichen nicht-telezentrischen Abbildungssystem zeigt.
• Der vorstehend erwähnte Punkt wird im folgenden detaillierter erklärt. In der Praxis ist eine bestimmte Bildlesebreite y erforderlich, wie in Fig. 4 gezeigt, so daß ein bestimmter Bildwinkel α in Bezug auf das optische Abbildungssystem gebildet wird. Folglich tritt in der Haupt-Abtastebene der Hauptstrahl eines Lichtstrahls, der von einem achsenentfernten Punkt kommt, in das optische Abbildungssystem mit einem Winkel α dazu ein und tritt in einem gewöhnlichen optischen Abbildungssystem mit einem Winkel α' von seiner Austrittspupille 33 wie in Fig. 8 gezeigt aus. Folglich ist der Abstand von dem Beugungsgitter 3 mit bevorzugter Beugungsordnung zu der Fläche des 3- Zeilensensors 4, der Anordnungen enthält, wie in Fig. 8 gezeigt, l&sub0; für einen axialen Strahl, aber ist l&sub1; = l&sub0;/cosα' für einen achsenentfernten Strahl mit einem Einfallswinkel α und einem Austrittswinkel α' von der Austrittspupille 33. In einem gewöhnlichen optischen System ist α' ungefähr gleich α.
• Andererseits ist in dem Beugungsgitter 3 mit bevorzugter Beugungsordnung mit einem wie in Fig. 7 gezeigten Aufbau der Beugungswinkel Θ erster Ordnung durch eine Gleichung PsinΘ = λ gegeben, worin P der Gitterabstand ist und λ die Wellenlänge ist. In einem gewöhnlichen nicht-telezentrischen optischen Abbildungssystem ist der Auflösungsabstand z&sub1; auf der Sensoroberfläche, wie in Fig. 6 gezeigt, z&sub1; = l&sub0;tanΘ für einen axialen Strahl oder z&sub1; = l&sub1; tanΘ= l&sub0;tanΘ/cosα für einen achsenentfernten Strahl, die voneinander verschieden sind. Folglich können die Lichtstrahlen mit drei Farben nicht richtig auflineare Sensor-Anordnungen 8, 9, 10 fokussiert werden.
• Als ein Beispiel wird in einem Fall, in dem P = 60 um, λ = 540 nm (grün) und ein Bildwinkel α α' = 20º die Aberration zwischen dem axialen Strahl und dem achsenentfernten Strahl in der Z-Richtung so groß wie ungefähr 12 um, was offensichtlich die vorstehend erwähnte Elementgröße von 7 x 7 bis 10 x 10 um des Sensors 4 übersteigt. Die Aberration kann theoretisch verringert werden, indem man den Bildwinkel α verringert, aber sie kann nicht leicht verringert werden, wenn man die gesamte Vorrichtung kompakter machen will.
• Es gibt einen weiteren Nachteil, der sich aus der Beziehung α α' ergibt. Wenn ein Hauptstrahl in das Beugungsgitter 3 mit Dicken d&sub1;, d&sub2;, wie in Fig. 7 gezeigt, mit einem Winkel α' in der Haupt-Abtastrichtung eintritt, die senkrecht zu der Zeichenebene ist, wird die effektive optische Weglänge für solch einen schrägen Hauptstrahl unterschiedlich von der eines senkrecht eintretenden Hauptstrahls, so daß die gebeugte Wellenlänge in diesen Hauptstrahlen unterschiedlich wird.
• Dieses Phänomen beruht auf der Tatsache, daß die sich aus den Dicken d&sub1;, d&sub2; des Beugungsgitters 3 ergebende Phasendifferenz von der folgenden Beziehung beherrscht wird:
• worin Φi die Phasendifferenz (rad) und nλ der Brechungsindex des Materials, das das Gitter aufbaut, für Licht der Wellenlänge λ ist. Somit variiert die Wellenlänge λ, die eine erwünschte Phasendifferenz Φi in einer bestimmten Beugungsordnung bereitstellt, mit dem Einfallswinkel α' für eine gegebene Gitterdicke di. Das heißt, daß beim Lesen von Bildinformation auf einer Zeile die Wellenlängenverteilung des Lichts, das in jeden Zeilen-Sensor eintritt, verschoben wird, wenn sich das Licht von der axialen Position zu der achsenentfernten Position bewegt, womit eventuell eine Aberration in der Farbe verursacht wird.
• Beispielsweise ist in dem Fall eines Beugungsgitters mit bevorzugter Beugungsordnung mit zweistufiger Struktur, das in Fig. 7 gezeigt wird, mit d&sub1; = 3100 nm, d&sub2; = 6200 nm, nλ = 1,5; Φ&sub1; = 6 π und Φ2 = 12 π, die Wellenlänge für das gebeugte Licht 0. Ordnung 516,7 nm für einen axialen Strahl (α' = 0º) aber ist 492,3 nm fur einen achsenentfernten Strahl (α' = 20º), womit eine Verschiebung von ungefähr 24 nm verursacht wird.
• Das telezentrische optische Abbildungssystem 2 wird verwendet, um den vorstehend erwähnten Nachteil zu vermeiden, der sich aus dem Bildwinkel ergibt. Das telezentrische optische Abbildungssystem hat die Eintrittspupille auf der vorderen Brennebene, wie in Fig. 4 gezeigt, so daß die Austrittspupille bei einem unendlichen Abstand vorhanden ist. Somit treten alle Hauptstrahlen, einschließlich derer, die dem Bildwinkel a entsprechen, parallel zu der optischen Achse aus. Folglich ist der Austrittswinkel α' von der Austrittspupille immer Null, unabhängig von dem Bildwinkel α. Der Abstand von dem Beugungsgitter 3 mit bevorzugter Beugungsordnung zu der Fläche des 3-Zeilensensors 4 ist immer l&sub0;, unabhängig von dem Bildwinkel α, und Φ&sub1; bleibt immer konstant, da der Austrittswinkel α' Null ist. Es ist daher möglich, die Aberration in der Bildposition in der Z-Richtung und in der gebeugten Wellenlänge zu verhindern.
• In der vorstehenden Erklärung ist angenommen worden, daß das optische Abbildungssystem 2 vollständig telezentrisch ist, aber ein im wesentlichen telezentrisches System kann in der Praxis ohne Schwierigkeiten verwendet werden.
• Zum Beispiel ist in einem Beugungsgitter mit zweistufiger Struktur, das in Fig. 7 gezeigt wird, mit d&sub1; = 3100 nm, d&sub2; = 6200 nm, nλ = 1,5, Φ&sub1; = 6 π und Φ&sub2; = 12 π die Wellenlänge des gebeugten Lichts 0. Ordnung 516,7 nm für einen axialen Strahl (α' = 0º), aber sie ist 511,2 nm, 503,8 nm oder 492,3 nm jeweils für einen achsenentfernten Strahl mit α' = 10º, 15º oder 20º.
• Somit ist die Verschiebung in der Wellenlänge in Bezug auf den axialen Strahl (α' = 0º) ungefähr 5 nm oder weniger innerhalb des Bereichs des Austrittswinkels von ± 10º, und die Verschiebung ist in solch einem Maße in Hinblick auf die Farb-Reproduzierbarkeit tolerabel. Anders ausgedrückt kann ein optisches Abbildungssystem, das telezentrische Eigenschaften innerhalb eines Austrittswinkelbereich von ± 10º zeigt, ohne praktischen Nachteil verwendet werden.
• Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform entlang der Neben-Abtastebene, in der ein eindimensionales Beugungsgitter 31 mit bevorzugter Beugungsordnung vom Reflexionstyp verwendet wird, um eine Phasendifferenz des vierfachen oder mehr (für nλ = 1,5) zu erhalten, im Vergleich mit dem vorstehend erwähnten Beugungsgitter vom Transmissionstyp. Folglich können die Filme des Beugungsgitters dünner und leichter herzustellen gemacht werden.
• Das in den vorstehenden Ausführungsformen verwendete telezentrische optische Abbildungssystem ist ein optisches Reduktionssystem, aber derselbe Vorteil kann mit einem optischen System derselben Größe erzielt werden.
• Zum Beispiel stellt eine Selfoc-Linsenanordnung (Handelsname) 11, die in Fig. 10 gezeigt wird, ein telezentrisches optisches System dar, das die Fähigkeit hat, ein aufrechtes Bild mit derselben Größe bereitzustellen, und kann denselben Vorteil wie in der ersten Ausführungsform bereitstellen, wenn als das optische Abbildungssystem verwendet. Figs. 10a und 10b zeigen eine dritte Ausführungsform der Bildlesevorrichtung der vorliegenden Erfindung, das jeweils in einer Haupt-Abtastebene und in einer Neben-Abtastebene gezeigt werden.
• Wie im vorstehenden erklärt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bildlesevorrichtung bereitgestellt, die dafür geeignet ist, ein kompaktes und preiswertes Farbbild- Lesegerät zu realisieren, das jeweils auflinearen Sensoranordnungen eines Sensors Bilder erzeugt, die zufriedenstellend in Position und in Farbe ohne Aberrationen in den Bildpositionen oder in der gebeugten Wellenlänge selbst für eine breite Bildlesebreite getrennt sind.

Claims (10)

1. Bildlesevorrichtung, umfassend:

ein optisches Abbildungssystem (2, 11) zum Erzeugen des Bildes von einem Objekt (1) ei einer Bildebene;

einen Vielzeilen-Sensor (4), der mehrere eindimensionale Anordnungen (8, 9, 10) enthält, die auf einem Substrat gebildet sind, wobei sich die Sensor-tragende Oberfläche des Vielzeilen-Sensors (4) bei der Bildebene befindet; und

eine Farbtrennvorrichtung, die sich in dem optischen Weg zwischen dem optischen Abbildungssystem (2, 11) und dem Sensor (4) befindet und dazu geeignet ist, das Licht von dem Objekt (1) in mehrere Farbkomponenten zu trennen;

wobei das Objekt (1) in einer Haupt-Abtastebene entlang einer endlichen Bildlesebreite (y) abgetastet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Farbtrennvorrichtung aus einem Beugungsgitter (3, 31) mit bevorzugter Beugungsordnung gebildet ist;

und das optische Abbildungssystem (2, 11) telezentrisch innerhalb der Haupt-Abtastebene ist, die die endliche Bildlesebreite (y) enthält, und die von dem Objekt (1) kommenden Hauptstrahlen, einschließlich solchen, die von den Randflächen der endlichen Bildlesebreite (y) kommen, so richtet, daß sie senkrecht in das Beugungsgitter (3, 31) mit bevorzugter Beugungsordnung eintreten.

2. Bildlesevorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Vielzeilensensor (4) ein monolithischer Dreizeilensensor mit drei eindimensionalen Sensoranordnungen (8, 9, 10) ist, die voneinander durch einen endlichen Abstand in einer Richtung senkrecht zu der Anordnungsrichtung der Sensoranordnungen (8, 9, 10) getrennt sind.

3. Bildlesevorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Objekt (1) auch in einer Neben-Abtastrichtung, die senkrecht zu den Anordnungsrichtungen der Sensoranordnungen (8, 9, 10) ist, abgetastet wird.

4. Bildlesevorrichtung nach Anspruch 3, bei der sich die Sensor-tragende Oberfläche des monolithischen 3-Zeilensensors (4) parallel zu der Neben-Abtastrichtung befindet.

5. Bildlesevorrichtung nach Anspruch 1, bei der das optische Abbildungssystem ein optisches Reduktionssystem (2) ist.

6. Bildlesevorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Beugungsgitter (3, 31) mit bevorzugter Beugungsordnung ein eindimensionales Beugungsgitter mit bevorzugter Beugungsordnung ist.

7. Bildlesevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Beugungsgitter (3) mit bevorzugter Beugungsordnung einen Transmissionstyp umfaßt.

8. Bildlesevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Beugungsgitter (31) mit bevorzugter Beugungsordnung einen Reflexionstyp umfaßt.

9. Bildlesevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 8, bei der das optische Abbildungssystem (11) ein mit derselben Größe aufgerichtetes Bild bereitstellt.

10. Bildlesevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das optische Abbildungssystem (2, 11) eine telezentrische Eigenschaft innerhalb eines Austrittswinkelbereichs von ± 10 % zeigt.