DE69723542T2

DE69723542T2 - Bildsensor

Info

Publication number: DE69723542T2
Application number: DE69723542T
Authority: DE
Inventors: Alfred John CLARKE; James Arthur JENKINS; Christopher Neil BIRD
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-09-07
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: DE69723542D1; WO1998010371A3; US5956163A; WO1998010371A2; EP0859992B1; EP0859992A2; KR20000064347A; JP2000500951A; EP0859992A3; GB9708020D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor, zum Beispiel zur Verwendung in einem Telefaxgerät oder Dokumentenscanner, wobei insbesondere eine Lichtquelle zur Beleuchtung eines abzutastenden Bildes in die Struktur des Bildsensors integriert ist.
Normalerweise weist ein Bildscanner oder ein Telefaxgerät eine Lichtquelle, eine Bildsensoranordnung sowie ein optisches System auf, um ein Bild eines Originals auf dem Bildsensor zu erzeugen. Zur Reduzierung der Gesamtgröße dieser Komponenten ist es ebenfalls bekannt, ein Licht emittierendes Elektrolumineszenzelement sowie einen Kontaktbildsensor als Einzeleinheit zu integrieren.
Zum Beispiel offenbart JP-59-028756 einen optischen Sensor, bei welchem eine Licht emittierende Platte auf einer Seite eines Substrats und ein Fotodetektorelement auf der anderen Seite des Substrats angebracht ist. Die Licht emittierende Platte weist Öffnungen auf, welche zu den Fotodetektorelementen ausgerichtet sind, wodurch der Durchgang des Lichts zu den Detektorelementen nach Reflexion durch das abzubildende Dokument ermöglicht wird. Dieses System weist den Nachteil auf, dass die optische Anordnung keine signifikante Fokustiefe bei dem abzubildenden Dokument vorsieht, und Faserplatten, welche in das Substrat integriert und jedem Detektorelement zugeordnet sind, die Kosten der optischen Sensoranordnung erhöhen. In US-A-5266828 wird ein Bildsensor beschrieben, bei welchem ein Sensorchip mit einer linearen Anordnung von Fotosensoren auf der Oberseite eines transparenten Substrats befestigt ist, wobei die Fotosensoranordnung unmittelbar über einer faseroptischen Anordnung, welche sich durch das Substrat erstreckt, vorgesehen ist. Auf der Oberseite des Substrats ist eine, von dem Sensorchip und der faseroptischen Anordnung lateral beabstandete Anordnung von LEDs vorgesehen, um durch das transparente Substrat ein an der Unterseite des Substrats anliegendes Original zu beleuchten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Bildsensor vorgesehen, welcher eine Bilderfassungsvorrichtung, um ein Bild auf einer Bilderzeugungsebene der Vorrichtung zu erfassen, sowie eine Linsenanordnung aufweist, wobei die Linsenanordnung zwi schen einer abzubildenden Fläche und der Bilderzeugungsebene angeordnet ist, die Linsenanordnung eine oder mehrere Anordnungen von Linsenelementen aufweist, welche jeweils Licht von einem Teil der abzubildenden Fläche zu einem Teil der Bilderzeugungsebene übertragen sollen, und jedes Linsenelement von benachbarten Linsenelementen durch einen Zwischenraum gleichermaßen beabstandet ist, der Bildsensor weiterhin Licht emittierende Mittel aufweist, welche zwischen der abzubildenden Fläche und der Bilderzeugungsebene angeordnet sind und die abzubildende Fläche beleuchten sollen, und die Licht emittierenden Mittel in oder über dem Zwischenraum zwischen aneinander grenzenden Linsenelementen angeordnet sind.
Die Verwendung einer Linsenanordnung ermöglicht ein Fokussieren der abzubildenden Fläche, so dass ein abzutastendes Dokument entsprechend der Fokustiefe der Linsenanordnung innerhalb eines ausgewählten Bereichs positioniert werden kann. Durch das Positionieren der Licht emittierenden Mittel zwischen den Linsenelementen oder über dem Zwischenraum zwischen den Linsenelementen wird eine kompakte Anordnung bei dem kompletten, optischen System ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Linsenelemente durch Mikrolinsen dargestellt, wobei mehr als eine Mikrolinsenanordnung vorgesehen werden kann, welche so angeordnet sind, dass jede Mikrolinse in einer Anordnung sich auf der gleichen optischen Achse wie eine entsprechende Mikrolinse jeder weiteren Anordnung befindet. Die Linsenanordnung überträgt ein nicht umgekehrtes Bild der abzubildenden Fläche auf die Bilderzeugungsebene.
Vorzugsweise ist ein ausreichender Abstand zwischen der Linsenanordnung und der abzubildenden Fläche vorgesehen, um eine Ausbreitung des von den Licht emittierenden Mitteln erzeugten Lichts vor Beleuchten der abzubildenden Fläche zu ermöglichen.
Die Bilderfassungsvorrichtung weist vorzugsweise eine große Anzahl Bildabtastpixel auf, und jedes Linsenelement ist einer Unteranordnung von einem oder mehreren Pixeln zugeordnet. Vorzugsweise ist jedes Linsenelement einer großen Anzahl Pixel zugeordnet.
Der Winkelbereich, aus welchem von jedem Linsenelement Licht empfangen werden kann, diktiert den möglichen Abstand zwischen Linsenelementen, wobei dieser Abstand so vorgesehen wird, dass er ausreicht, um entsprechende, Licht emittierende Mittel zu realisieren.
Die Licht emittierenden Mittel können diskrete, Licht emittierende Segmente in oder über den Abständen zwischen den Linsenelementen aufweisen. Dieses ist zur ausreichenden Beleuchtung der abzubildenden Fläche, was durch einen Teil der Licht emittierenden Segmente möglich ist, vorzuziehen. Vorzugsweise wird jedes Licht emittierende Segment aus einer Gruppe von roten, grünen und blauen Lichtquellen ausgewählt. Die Licht emittierenden Segmente können Streifen aus Licht emittierendem Elektrolumineszenzmaterial aufweisen, welche sich zwischen den Linsenelementen einer Anordnung erstrecken. Die Streifen können in sich wiederholender Folge der drei Farben angeordnet sein. Dadurch kann die abzubildende Fläche durch Aktivieren der entsprechenden, Licht emittierenden Streifen mit einer bestimmten Farbe beleuchtet und durch die Ausbreitung innerhalb des Zwischenraums zwischen der Linsenanordnung und der abzubildenden Fläche ein gleichmäßig beleuchtetes Farbbild aufgenommen werden.
Alternativ können die Licht emittierenden Mittel eine Lichtquelle, welche an einem peripheren Rand der Linsenanordnung vorgesehen ist, sowie Lichtablenkabschnitte in oder über dem Zwischenraum zwischen den Linsenelementen aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – eine schematische Explosionsansicht eines möglichen Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 – eine mögliche Anordnung der Licht emittierenden Mittel des Bildsensors;
3 – eine erste alternative Anordnung der Licht emittierenden Mittel des Bildsensors;
4 – eine zweite, alternative Anordnung der Licht emittierenden Mittel des Bildsensors;
5 – eine dritte, alternative Anordnung der Licht emittierenden Mittel des Bildsensors;
6 – eine vierte, alternative Anordnung der Licht emittierenden Mittel des Bildsensors;
7 – eine mögliche, detaillierte, optische Anordnung für den Bildsensor der vorliegenden Erfindung;
8 – eine erste alternative, optische Anordnung; sowie
9 – eine zweite alternative, optische Anordnung.
1 zeigt ein Beispiel eines Bildsensors gemäß der Erfindung, welcher eine zweidimensionale Bildabtastanordnung 10 mit einer Anordnung von Pixeln 12 auf weist. Der Bildsensor sieht weiterhin drei Linsenanordnungen 20, 30, 40 vor, welche zusammen ein Bild auf die Bildabtastanordnung 10 fokussieren. Die Linsenanordnung 40, die der abzubildenden Fläche am nächsten ist, weist Licht emittierende Segmente 46 auf, welche zwischen Linsenelementen 42 der Linsenanordnung 40 angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung sieht ein kompaktes, optisches System vor, um ein abzubildendes Dokument zu fokussieren und zu beleuchten.
Die in 1 dargestellte Bildabtastanordnung 10 weist eine zweidimensionale Anordnung von Pixeln 12 auf. Die Bildabtastanordnung 10 kann einen bekannten Aufbau aufweisen und zum Beispiel ein Substrat vorsehen, auf welchem Dünnschicht-Halbleiterschichten in entsprechenden Strukturen aufgebracht werden, um eine Anordnung von Pixeln 12 zu definieren. Jedes Pixel weist vorzugsweise eine Fotodiode auf, wobei Fachkundigen verschiedene Photodioden-Pixelanordnungen bekannt sind. Im Allgemeinen weist ein Bildsensorpixel eine Fotodiode in Reihe mit einem Schaltelement, zum Beispiel einer Diode oder einem Transistor, auf.
Alternativ kann die Bildabtastanordnung 10 Teil eines elektrostatischen Abbildungssystems, wie üblicherweise in Fotokopierern verwendet, sein.
Die Bildabtastanordnung 10 kann, als weitere Alternative, eine Anordnung von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs) aufweisen, welche ebenfalls normalerweise in Telefaxgeräten und elektronischen Kameras eingesetzt werden.
Es kann jede der obigen Bildabtastanordnungen verwendet werden, wobei die Bildabtastanordnung 10 zum Zwecke der Erfindung so angesehen werden kann, dass diese lediglich eine Oberfläche darstellt, auf welcher das aufzunehmende Bild fokussiert werden muss.
Das Fokussieren wird durch die drei Linsenanordnungen 22, 32, 42 vorgesehen, welche jeweils eine Anordnung von konvergierenden Linsenelementen 22, 32, 42 aufweisen, die so angeordnet sind, dass sich Linsen in jeder Anordnung auf der gleichen optischen Achse wie eine entsprechende Linse in jeder weiteren Anordnung befinden.
Jede Linsenanordnung kann eine Mikrolinsenanordnung aufweisen. Solche Anordnungen sind bekannt, und die in der vorliegenden Erfindung verwendete Mikrolinsenanordnung kann unter Anwendung bekannter Techniken vorgesehen werden. Die genaue, anzuwendende Technik ist von der Größe der erforderlichen Mikrolinsenelemente abhängig.
Soll jedem Pixel ein Mikrolinsenelement zugeordnet werden, sind sehr kleine Mikrolinsen erforderlich. In solch einem Fall ist es bekannt, Formlinsenelemente eines so geringen Durchmessers wie 50 μm aus umgeformtem, thermoplastischem Harz vorzusehen. Zu diesem Zweck wird ein Substrat der Anordnung 40 (in der Regel Glas) mit einer Schicht aus thermoplastischem Harz versehen, welche durch Aufschleudern aufgebracht werden kann. Das anschließende Strukturieren des thermoplastischen Harzes kann mittels Fotolithografie durchgeführt werden. Hierdurch entsteht eine Schicht aus thermoplastischem Harz mit diskreten Segmenten in den gewünschten Positionen, wobei jedes Segment einer einzelnen Mikrolinse 42 entspricht. Ein Wärmerückfluss der Harzschicht bei einer vorgegebenen Temperatur bewirkt, dass das thermoplastische Harz in eine konvexe Linsenform umgebildet wird.
In dem Artikel „Microlens Arrays" in Physics World, Juli 1991, Seiten 27– 32, sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsenanordnungen, ob Stufenindex- oder diffraktive Form, beschrieben. Fachkundige sind mit den Verfahren, durch welche Mikrolinsenanordnungen hergestellt werden können, vertraut.
Wird jeder Mikrolinse eine Pixelgruppe zugeordnet (wie im Folgenden erörtert), besteht die Möglichkeit, die Größe jeder Mikrolinse zu erhöhen, um weniger kostspielige Herstellungstechniken zu ermöglichen. In diesem Falle kann die Formmikrolinsenanordnung unter Anwendung bekannter Pressformtechniken vorgesehen werden. Zum Beispiel kann eine Form durch Erzeugen von Vertiefungen in einer Metallplatte vorgesehen werden, wobei diese Form zur Herstellung von Kunststofflinsen, entweder auf einem Glassubstrat oder einem Kunststofffilm, verwendet werden kann.
Wird jedem Pixel eine Mikrolinse zugeordnet, ist es akzeptabel, ein umgekehrtes Bild auf der Sensoranordnung zu erzeugen, wobei jedoch zwischen den Mikrolinsen und den Sensorpixeln eine präzise Ausrichtung erforderlich ist. Wird jeder Mikrolinse eine Pixelgruppe zugeordnet, treten an der Grenze zwischen einer Gruppe und der nächsten Gruppe Diskontinuitäten auf, wenn von jeder Mikrolinse ein umgekehrtes Bild erzeugt wird. Dieses Problem wird durch Verwendung eines Nicht-Umkehrmikrolinsensystems überwunden. Zur Herstellung eines Nicht-Umkehrbildes weist der optische Weg von der abzubildenden Fläche zu der Bilderzeugungsebene zwei oder mehrere hitzebeständige Oberflächen in Reihe auf. Hierdurch ist es erforderlich, mindestens zwei Linsenanordnungen entlang dieses optischen Weges vorzusehen, wobei diese entweder auf gegenüberliegenden Seiten eines Einzelsubstrats oder -films oder auf zwei oder mehreren Substraten oder Filmen ausgebildet werden können. Damit werden zwei oder mehrere Linsenanordnungen bevorzugt, wobei Linsen in jeder Anordnung auf der gleichen optischen Achse wie eine entsprechende Linse in jeder weiteren Anordnung vorgesehen werden.
In dem Beispiel von 1 erzeugen drei Linsenanordnungen 20, 30, 40 zusammen ein nicht umgekehrtes Bild des aufzunehmenden Originals. Ein umgekehrtes Bild wird durch eine Anordnung erzeugt, und dieses Bild wird durch eine nachfolgende Anordnung wieder abgebildet, um ein nicht umgekehrtes Bild zu erzeugen. Der Zweck der zentralen Linsenanordnung wird weiter unten beschrieben. Hinsichtlich eines bestimmten Abstands der Linsenanordnungen muss eine assoziierte, erforderliche Positionierung des Objekts und des Bildes zur Fokussierung stattfinden, und Objekt und Bild müssen die gleiche Größe aufweisen. Dieses liegt für Fachkundige auf der Hand. Infolgedessen werden der Abstand des abzubildenden Dokuments von der Linsenanordnung, der Abstand zwischen den Linsenanordnungen und der Abstand der Bildsensorebene von der Linsenanordnung jeweils zusammen ausgewählt, um eine praktische Durchführung der Erfindung vornehmen zu können.
Wie oben beschrieben, sind die Linsenelemente 22, 32, 42 jeder Linsenanordnung 20, 30, 40 vorzugsweise einer Pixelgruppe zugeordnet, und es wird von dem erforderlichen optischen Nicht-Umkehrsystem Gebrauch gemacht. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind einzelne Linsenelemente 22A, 32A, 42A einer Gruppe 12A von neun Pixeln 12 zugeordnet dargestellt. In der Praxis kann jedes Mikrolinsenelement einer wesentlich größeren Anzahl Bildsensorpixeln, zum Beispiel in der Größenordnung von Einhundert oder mehr, zugeordnet werden, so dass die Herstellung der Mikrolinsenanordnung weniger kompliziert ist. Bei den Mikrolinsenelementen wird ein typischer Rasterabstand von 1 mm bis 2 mm vorgesehen, und die Auflösung der Bildabtastanordnung 10 bestimmt dann die Anzahl der einer einzelnen Mikrolinse jeder Anordnung zugeordneten Bildabtastpixel. Die Abstände, welche zwischen den Linsenanordnungen und dem Original und zwischen den Linsenanordnungen und der Bildabtastanordnung erwünscht sind, können ebenfalls die erforderliche Größe jedes Linsenelements beeinflussen, da die Größe jedes Linsenelements die möglichen Bereiche für die Leistung und die Brennweite bestimmt.
Der Bildsensor weist ebenfalls Licht emittierende Mittel auf, welche der Linsenanordnung zugeordnet sind. Die Anordnungen der 1 bis 3 weisen Licht emittierende Segmente auf, welche in oder über dem Zwischenraum zwischen Linsenelementen angeordnet sind. In 1 ist die Linsenanordnung 40, welche der abzubildenden Fläche am nächsten ist, mit Licht emittierenden Segmenten 46 versehen, welche sich zwischen den Linsenelementen befinden und auf dem Substrat der Linsenanordnung 40 vorgesehen sind. Alternativ können diese auf einem getrennten Substrat unmittelbar neben der Linsenanordnung 40 vorgesehen sein. In beiden Fällen sind die Licht emittierenden Segmente zwischen den, den Linsenelementen zugeordneten Lichtwegen vorgesehen, so dass sie den gewünschten Durchgang des Lichts durch die Linsenelemente nicht blockieren.
Die Licht emittierenden Segmente 46 können durch diskrete Lampen, wie zum Beispiel Licht emittierende Dioden (LEDs), oder aber durch Elektrolumineszenzlampen oder einige andere Lichtquellen dargestellt sein. Sollte es sich um Elektrolumineszenzlampen handeln, können diese die gleiche Farbe aufweisen und die gesamte Fläche zwischen den Linsenelementen 32 einnehmen oder können, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise in Streifen unterschiedlicher Farben vorgesehen sein.
Die Licht emittierenden Segmente 46 von 1 weisen Streifen aus Elektrolumineszenzmaterial auf, welche durch Aufbringen einer leitenden Elektrode auf dem Substrat der Linsenanordnung 40 und anschließendem Aufbringen einer Phosphorschicht über der leitenden Elektrode sowie einer transparenten Elektrode über der Phosphorschicht hergestellt werden. Für die Streifen werden entlang lateralen Rändern der Linsenanordnung elektrische Verbindungen vorgesehen.
2 zeigt die Mikrolinsenanordnung 40, welche eine erste Anordnung der Licht emittierenden Segmente 46 vorsieht, in detaillierterer Darstellung, wobei die Segmente 46 Elektrolumineszenzlampen aufweisen, die auf dem Substrat 41, zum Beispiel einem Glassubstrat, der Mikrolinsenanordnung 40 angeordnet sind. Die Lampen weisen eine erste, lichtundurchlässige Elektrode 43 in Angrenzung an das Substrat, eine Phosphorschicht 44, welche über der ersten Elektrode 43 vorgesehen ist, sowie eine zweite, lichtdurchlässige Elektrode 45, welche über der Phosphorschicht 44 vorgesehen ist, auf. Die Segmente 46 sind in dem Zwischenraum zwischen Linsenelementen 42 vorgesehen.
3 zeigt eine alternative Anordnung der Licht emittierenden Segmente, in welcher die Segmente 46 auf einem getrennten Substrat 47, vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff, mit Elektroden 43, 45 sowie einer Phosphorschicht 44 entsprechend den in 2 dargestellten Schichten versehen sind. In diesem Falle sind die Segmente über dem Zwischenraum zwischen Linsenelementen positioniert, blockieren jedoch auch hier nicht den Durchgang des Lichts von den gewünschten Flächen der abzubildenden Fläche zu den Linsenelementen 42. Je nach Ausrichten der Mikrolinsenanordnungen kann es erforderlich sein, dass die Licht emittierenden Segmente Licht entweder durch deren jeweiliges Substrat übertragen oder von diesem Substrat weg leiten. Dieses wird durch entsprechende Wahl lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger Elektroden erreicht. So ist zum Beispiel in 3 die Elektrode in Angrenzung an das Substrat 47 die lichtdurchlässige Elektrode. Der Durchgang des Lichts durch das Substrat 47 vor Erreichen des Originals kann ebenfalls die Lichtausbreitung vor Beleuchten des Originals erhöhen.
Die Licht emittierenden Mittel können alternativ eine oder mehrere Lichtquellen (oder drei Gruppen von einer oder mehreren farbigen Lichtquellen) aufweisen, welche um den Rand der Linsenanordnung vorgesehen sind, und die Licht emittierenden Mittel können dann noch zusätzlich Lichtablenkungssegmente aufweisen, welche in oder über Zwischenräumen zwischen Linsenelementen angeordnet sind.
4 zeigt eine erste Anordnung dieser Art, bei welcher die Ablenkungssegmente reflektierende Prismen 72 aufweisen, welche zwischen Linsenelementen 42 der Mikrolinsenanordnung 40 angeordnet sind. Diese Prismen 72 sind außerhalb der den Mikrolinsen zugeordneten Lichthüllen positioniert und wirken sich daher nicht nachteilig auf den Bildabtastungsbetrieb aus. Die Prismen 72 können zur Erhöhung der Streuung eine raue, Licht reflektierende Oberfläche aufweisen, um eine gleichmäßige Beleuchtung des Dokuments vorzusehen. Die Größe und Form der Prismen sowie das Maß der Rauigkeit kann über die Linsenanordnung variieren, um eine gleichmäßige Beleuchtung des Dokuments zu erreichen. Die Form der Prismen wird ebenfalls nach den Beleuchtungsanforderungen ausgewählt, und die Prismen können eine beliebige Anzahl Flächen, regelmäßig oder unregelmäßig, oder sogar Teile einer Kugel aufweisen, wobei ein Krümmungsradius und die Höhe über die Mikrolinsenanordnung variieren. Jedes Prisma 72 kann zudem über das Substrat der Mikrolinsenanordnung hinaus erhöht werden, so dass die Prismen 72 in einer Ebene über den Linsenelementen 42 vorgesehen sind. Auf diese Weise können sich die Linsenelemente jeweils im Schatten eines angrenzenden Prismas 72 befinden, so dass Licht von der peripheren Lichtquelle 70 nicht in das Linsenelement 41 eintreten kann.
Die Prismen 72 können während des gleichen Verfahrens geformt werden, um die zugeordnete Linsenanordnung, wie oben beschrieben, zu bilden.
5 zeigt eine alternative Anordnung, bei welcher die reflektierenden Prismen auf einem anderen Substrat als dem Substrat der Linsenanordnung 40 ausgebildet sind. Die Prismen können zum Beispiel als Vertiefungen in einem Fenster 74, welches zwischen der Linsenanordnung und dem Dokument 50 vorgesehen ist, ausgebildet sein und dienen dazu, das Dokument in die richtige Position gegenüber der Linsenanordnung zu bringen. Diese Vertiefungen könnten in das Fenster 74 geschnitten oder geformt oder, wie in 5 dargestellt, als getrennte Schicht oder Film 78 aufgebracht werden. Auch in diesem Falle wird die Form der Vertiefungen 76 entsprechend der gewünschten Reflexionsempfindlichkeit des Lichts von der peripheren Lichtquelle 70 ausgewählt. Die reflektierenden Vertiefungen 76 sind über dem Zwischenraum zwischen den Linsenelementen vorgesehen, wobei über den Linsenelementen 42 farblose Teile des Fensters 74 oder der Schicht 78 angeordnet sind.
Um Farbbilder zu erhalten, sind einzelne Lichtquellen jeder Farbe vorgesehen, und es wird jeweils lediglich eine Farbe eingeschaltet. Idealerweise sollten die Prismen oder Vertiefungen ein gleichmäßiges Bild der Lichtquelle auf dem Dokument erzeugen. Zu diesem Zweck kann die Schicht 78 in dem Beispiel von 5 diffraktives Material aufweisen, um eine Streuung von Auflicht von der Lichtquelle 70 auf dem Dokument 50 vorzusehen. Die Schicht 78 kann mit Bereichen verschiedener diffraktiver Eigenschaften entsprechend den Wellenlängen der verschiedenen Lichtquellen, welche zur Farbbilderzeugung erforderlich sind, versehen sein. Als weiteres Beispiel kann die Streuschicht 78 eine holografische Struktur, um das Licht von der Lampe über dem Dokument zu streuen oder abzubilden, oder einen Block mit, auf einer Fläche (in Positionen entsprechend dem Zwischenraum zwischen den Linsenelementen) vorgesehenen Markierungen aufweisen, welche die innere Totalreflexion in dem Block unterbrechen und Licht zu dem Original hin streuen.
Vorteil der reflektierenden Vertiefungen, welche in dem Fenster 74 oder unmittelbar in Angrenzung an das Fenster 74 vorgesehen sind, ist, dass Reflexionen in Richtung Sensor, weg von der Rückseite des Fensters, vermieden werden können. Reflexionen in Richtung Sensor von der Vorderseite des Fensters sollten ebenfalls vermieden werden, und es kann zu diesem Zweck ein Antireflexbelag auf der Außenseite des Fensters 74 vorgesehen sein.
Auf den abgewinkelten Flächen der Prismen kann eine Spiegelschicht aufgebracht sein, um die Ablenkung des Lichts von den peripheren Lichtquellen vorzusehen. Es wird jedoch vorgezogen, dass die Prismen einfach aus einer farblosen Platte oder die Vertiefungen aus einem Teil eines farblosen Fensters geformt werden, so dass das Ausmaß der Streuung eine Funktion der Winkel der Struktur der Prismen bzw. Vertiefungen darstellt. Die Vertiefungen können diese Streuung durch Unterbrechen der inneren Totalreflexion in dem Fenster erzeugen. Bei Nichtvorhandensein einer Spiegelschicht weist die Basis jeder Vertiefung bzw. jedes Prismas vorzugsweise eine reflektierende und/oder Lichtabdeckschicht auf, um zu verhindern, dass Licht durch die Vertiefungen bzw. Prismen hindurch zu dem Sensor geleitet wird.
Die in den Beispielen der 4 und 5 dargestellten, peripheren Lampen können unterschiedlicher Art sein. So können zum Beispiel Kaltkatoden-Fluoreszenzlampen (CCFL) oder LED-Lampen geeignet sein. Es besteht die Möglichkeit, für jede Farbe eine getrennte Lampe oder alternativ eine Anzahl Lampen jeder gewünschten Farbe um den Rand der Linsenanordnung vorzusehen.
Ebenfalls ist es möglich, Lichtquellen der unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebenen Art mit Lichtquellen der unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschriebenen Art zu kombinieren. Insbesondere ist die Helligkeit zur Zeit erhältlicher, roter Elektrolumineszenzlampen im Vergleich zu der Helligkeit äquivalenter, grüner und blauer Lampen relativ gering. Jedoch sehen rote, Licht emittierende Dioden die erforderliche Helligkeitsstufe vor.
6 zeigt eine mögliche Ausf ührung einer Farbbeleuchtungsanordnung mit grünen und blauen Elektrolumineszenzstreifen sowie einem reflektierenden und streuenden Medium für Licht, welches von einer roten Lampe bzw. Lampen, die auf dem Rand der Linsenanordnung angeordnet sind, abgegeben wird.
Zwischen den Linsenelementen 42 sind, wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3, grüne und blaue Elektrolumineszenzstreifen 80, 82 vorgesehen. In dem in 6 dargestellten Beispiel sind die reflektierenden Teile in Streifen 84 angeordnet, welche von den Achsen der Elektrolumineszenzstreifen um 60° versetzt sind, wobei die Linsenelemente 42 in einem hexagonalen, wabenartigen Gitter angeordnet sind. Die reflektierenden Teile in Form von Streifen 84 sind über der Linsenanordnung 40 und über den grünen und blauen Elektrolumineszenzstreifen vorgesehen, so dass ein Teil des von den grünen und blauen Streifen 80, 82 emittierten Lichts durch die Licht reflektierenden/streuenden Streifen 84 hindurchgeht. Es kommt nicht in Betracht, dass diese lokale Streuung Beleuchtungsprobleme verursacht; sie könnte sogar die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung von der Elektrolumineszenzlampe verbessern.
Als Alternative zu der in 6 dargestellten Anordnung könnten reflektierende oder streuende Streifen 84 parallel zu den Streifen des Elektrolumineszenzmaterials angeordnet sein, welche dann einfach die von den in dem Beispiel von 1 dargestellten, roten Streifen eingenommene Position ersetzen könnten. Als weitere Alternative könnten die Streifen 80, 82 aus Elektrolumineszenzmaterial in einem Winkel von 60° mit der horizontalen oder vertikalen Achse der Bildsensoranordnung vorgesehen sein, und die reflektierenden/streuenden Streifen könnten sich dann komplett von einem Rand des Bildsensors zu dem gegenüber liegenden Rand (entweder horizontal oder vertikal) erstrecken. Dieses vereinfacht die Lichtquellenanordnung, da jeder Streifen aus reflektierendem oder streuendem Material die gleichen Lichtquellenanforderungen hat.
Ebenfalls kann es wünschenswert sein, sowohl rotes als auch grünes Licht von den peripheren Lichtquellen zu empfangen. In diesem Falle könnten die gleichen Streuflächen von beiden Lichtquellen verwendet werden, und es wäre eine einzige Elektrolumineszenz-Farblichtquelle erforderlich. Diese Lichtquelle könnte dann durch jede geeignete Form dargestellt und müsste nicht in Streifen angeordnet sein.
Da zur Farbbilderzeugung jeweils eine der Farben eingeschaltet wird, könnte das streuende Medium durch ein umschaltbares Medium, wie zum Beispiel polymerdispergiertes Flüssigkristall (PDLC), dargestellt sein. Ein solches Material kann so vorgesehen werden, dass es bei eingeschalteter Elektrolumineszenzlampe im Wesentlichen optisch klar ist, um die lokale Lichtstreuung von den oben beschriebenen Elektrolumineszenzstreifen zu verhindern. Alternativ könnten diffraktive Elemente verwendet werden, um Licht von den peripheren Lichtquellen zu streuen. Solche diffraktiven Elemente können so konstruiert sein, dass sie ausschließlich auf eine spezifische Lichtwellenlänge ansprechen und können daher so vorgesehen sein, dass sie für andere Farben praktisch transparent sind. Auf diese Weise würden die diffraktiven Elemente nicht mit dem Licht von den Elektrolumineszenzstreifen interferieren.
7 dient dazu, den Betrieb der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen, optischen Linsenanordnung zu erläutern.
Zu Erläuterungszwecken ist die Bildabtastanordnung 10 als Ebene dargestellt und, wie zuvor erklärt, stellt diese Ebene eine Oberfläche eines geeigneten Bilderfassungssystems dar, auf welche das Bild zu fokussieren ist. Die Bildabtastvorrichtung kann eine lineare Pixelanordnung, zum Beispiel eine lineare Anordnung von ladungsgekoppelten Bauelementen, wie diese üblicherweise in Telefaxgeräten eingesetzt wird, oder eine zweidimensionale Anordnung aufweisen. Die annähernden Positionen von sieben Pixeln 12₁ bis 12₇ sind in 4 dargestellt. Die abzubildende Fläche ist durch eine Ebene 50, welche ein Tablett oder Fenster darstellen kann, auf welchem ein zu kopierendes Dokument positioniert wird, ebenfalls dargestellt. Zu Erläuterungszwecken wurde die Fläche in sieben dis krete Flächen 52₁ bis 52₇ geteilt, welche so vorgesehen sind, dass sie von der Größe her den Pixeln der Bilderzeugungsanordnung 10 entsprechen.
In dem in 7 dargestellten Beispiel ist jedes Linsenelement 22, 32, 42 so dargestellt, dass es Signale von drei angrenzenden Flächen des abzubildenden Dokuments empfängt. Selbstverständlich ist jedes Linsenelement in zwei Dimensionen somit neun Pixeln, in der 3 × 3 Teilanordnung von 1, zugeordnet. Wie oben beschrieben, kann jedes Linsenelement faktisch einer wesentlich größeren Anzahl Pixel zugeordnet sein. Obgleich als Quadrat beschrieben, könnte die Pixel-Teilanordnung rechteckig oder hexagonal sein oder aber eine andere Form aufweisen.
Bei Betrieb des Bildsensors empfängt jedes Linsenelement 42, welches der abzubildenden Fläche am nächsten ist, Licht von drei ausgerichteten Flächen, zum Beispiel 52₁, 52₂, 52₃ in 4. Die Linsenanordnung 40 von Linsenelementen 42 erzeugt ein umgekehrtes Bild dieser Flächen nahe der Linsenanordnung 30. Jedes Linsenelement 22 der Linsenanordnung 20 erzeugt dann ein nicht umgekehrtes Bild auf der Abtastebene der Bildabtastanordnung 10. Zweck des Linsenelements 32 der Linsenanordnung 30 ist, die Lichtausbreitung zu verhindern. Bei Weglassen der Linsenanordnung 30 könnte Licht von den Linsenelementen 42 mehrere Linsenelemente 22 erreichen.
In dem dargestellten Beispiel bilden Linsenelemente 32 die Linsenelemente 42 auf den Linsenelementen 22 ab, so dass praktisch das gesamte nutzbare, von einem der Linsenelemente 42 empfangene Licht zu dem entsprechenden Linsenelement 22 übertragen wird. Weitere Linsenanordnungen sind für Fachkundige selbstverständlich.
Beleuchtungsflächen 100 sind so dargestellt, dass sie der Linsenanordnung, welche dem abzubildenden Dokument am nächsten ist, zugeordnet sind. Diese Beleuchtungsflächen können durch die Streifen der 1 bis 3 oder die reflektierenden Teile der 4 und 5 bzw. Kombinationen aus diesen dargestellt sein. Selbstverständlich können diese Beleuchtungsflächen einer anderen Linsenanordnung zugeordnet sein. Das Beleuchtungslicht muss dann durch mindestens eine Linsenanordnung hindurchgeleitet werden, bevor es das Original beleuchtet, wodurch die Lichtausbreitung erhöht und folglich die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung des Originals verbessert werden kann.
Die Linsenanordnungen 20, 30, 30 sind auf getrennten Substraten dargestellt. Es liegt auf der Hand, dass Anordnungen 20 und 30 auf gegenüberliegenden Seiten eines einzelnen Substrats entsprechender Dicke vorgesehen werden könnten. Alternativ könnten durch Umkehren der Anordnung 30 die Anordnungen 30 und 40 auf einem einzelnen Substrat ausgebildet werden.
Eine weitere Alternative besteht darin, dass die Brechkraft der Linsenanordnung 30 zwischen zwei Anordnungen, von denen jede dann auf der anderen Seite von entweder der Anordnung 20 oder der Anordnung 40, wie in 8 dargestellt, vorgesehen ist, geteilt wird.
Obgleich in den 7 und 8 der Abstand von der abzubildenden Fläche zu der Linsenanordnung 40 so dargestellt ist, dass er diesem zwischen der Linsenanordnung 20 und der Bildabtastanordnung annähernd entspricht, ist dieses nicht zwingend erforderlich. Es besteht lediglich die Notwendigkeit, dass das nicht umgekehrte Bild die gleiche Größe wie das zu kopierende Objekt aufweist.
Gemäß einer weiteren Alternative wird, wie in 9 dargestellt, eine zusätzliche Mikrolinsenanordnung 60 zwischen der abzubildenden Fläche und der Linsenanordnung 40 verwendet. Zweck der Linsen 62 in dieser Anordnung ist, die außeraxialen Lichtstrahlen von Objektpunkten, wie zum Beispiel 52₁, 52₂, 52₃ usw., zu beugen, so dass sich diese nahezu parallel zu der optischen Achse befinden. Sollte das zu kopierende Dokument dann geringfügig defokussiert sein, wird der Fehler in seiner scheinbaren Position minimiert.
Obgleich in den 7 bis 9 als konvex geformte Linsen gezeigt, könnten die Mikrolinsenanordnungen durch andere Formen planarer Linsenanordnungen, wie zum Beispiel Stufenindexlinsen, durch Ionendiffusion vorgesehen, oder Fresnel-Linsen oder aber holografische oder diffraktive Linsen dargestellt sein.
Eine weitere Alternative ist die Verwendung einer Anordnung von Stufenindexstablinsen an Stelle konventioneller Linsen. In diesem Falle muss lediglich eine Anordnung verwendet werden, um ein nicht umgekehrtes Bild zu erhalten, da Stufenindexstablinsen die Funktion der Linsen 22, 32, 42 ausführen können. Die Licht emittierenden Segmente würden dann in Zwischenräumen zwischen den Stablinsen angeordnet sein. Eine zweidimensionale Anordnung von Stablinsen ist jedoch kostenaufwendiger in der Herstellung als konventionelle Mikrolinsen.
Um den Empfang von Signalen von den erforderlichen Flächen zu ermöglichen und zu verhindern, dass Licht die jeweiligen Bildabtastelemente aus einem größeren Bildwinkel erreicht, können Lichtabdeckanordnungen, wie zum Beispiel Anordnungen aus absorbierendem Material 29, 39, mit Öffnungen versehen, (in den 7 bis 9 darge stellt) oder andere Lichtleitanordnungen erforderlich sein. Die Beleuchtungsflächen 100 können, ganz gleich, ob es sich um Elektrolumineszenzstreifen oder Reflektoren auf einer Lichtabdeckbasis handelt, als Lichtsperre für Licht, welches sich zu dem Zwischenraum zwischen Linsen 42 in der Linsenanordnung 40 der 4 bis 6 hin ausbreitet, wirken. Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass jedes Bildabtastelement Licht von ausschließlich den gewünschten Flächen des abzubildenden Dokuments empfängt, liegen für Fachkundige auf der Hand.
Die Linsenanordnung 20, 30, 40 oder 20, 30, 40, 60 wirken zusammen als Nicht-Umkehrsystem mit Vergrößerung von 1 : 1. Es besteht jedoch die Möglichkeit, eine Einzellinsenanordnung zu verwenden, welche mit den Licht emittierenden Segmenten versehen ist, wobei eine solche Anordnung jedoch ein umgekehrtes Bild des abzubildenden Dokuments erzeugt. Wie oben erörtert, ist dieses nicht mit Schwierigkeiten verbunden, wenn jedes Mikrolinsenelement lediglich einem Pixel zugeordnet ist; sollte jedoch jedes Linsenelement, was vorgezogen wird, einer Pixel-Teilanordnung zugeordnet sein, tritt eine lokale Umkehr von Teilen des abzubildenden Dokuments auf. Dieses macht eine Signalverarbeitung des empfangenen Bildes erforderlich; ebenso besteht die Notwendigkeit, zu wissen, welche Pixel jedem Linsenelement zugeordnet sind. Infolgedessen ist die Positionierung der Linsenanordnung in diesem Fall sehr kritisch, und es wird die Verwendung einer Nicht-Umkehr-Linsenanordnung, wie oben beschrieben, vorgezogen.
Die Nicht-Umkehr-Linsenanordnung der 7 bis 9 sieht einen Abstand der abzubildenden Fläche 50 von der Linsenanordnung 40 bzw. 60 vor. In sämtlichen Beispielen kann das Fenster 74, welches lediglich in den 4 und 5 dargestellt ist, zwischen der abzubildenden Fläche 50 und der Linsenanordnung 40 oder 60, welche dieser Fläche am nächsten ist, vorgesehen werden, um die Linsenanordnung zu schützen und eine Auflagefläche für ein abzubildendes Dokument zu bilden. Es sind weitere Anordnungen möglich, was für Fachkundige auf der Hand liegt.
Typischerweise wird der Abstand der abzubildenden Fläche 50 und der Bildabtastanordnung 10 von dem jeweiligen nächsten Teil der Linsenanordnung so ausgewählt, dass er in der Größenordnung von 2 bis 4 nun liegt; dieses bestimmt das Verhältnis zwischen der Brennweite jedes Mikrolinsenelements 22, 32, 42 und dem Abstand der Mikrolinsenanordnungen (da zwischen den Linsenanordnungen 20, 40 ein umgekehrtes, fokussiertes Bild erzeugt werden muss). Um eine Überdeckung des umgekehrten Zwischenbildes mit umgekehrten Bildern von angrenzenden Linsenelementen zu verhindern, muss die Größe des umgekehrten Bildes geringer als diese des Originalobjekts sein. Eine Reduzierung auf die Hälfte des Originals ermöglicht eine adequate Sperrung durch absorbierendes Material 39.
Der Abstand von 2 bis 4 mm wird gewählt, da dieser ausreichend Raum vorsieht, damit sich das Licht von den Beleuchtungsflächen 100 gleichmäßig über die abzubildende Fläche 50 ausbreitet. Dieser Abstand wird auch durch die zu erreichende Fokustiefe bestimmt. Typischerweise ist eine Fokustiefe von 1 bis 2 mm geeignet, damit Dokumente, welche nicht vollkommen eben sind, erfolgreich abgebildet werden können.
Auf Grund der oben angegebenen Dimensionen können die Linsenelemente einen Durchmesser von 0,25 bis 1 mm aufweisen. Sollten die Linsenelemente in einer der Anordnungen mit einem regelmäßigen Abstand von 1 bis 2 mm (so dass die Dimension einer Fläche des durch ein Einzellinsenelement abzubildenden Dokuments 1 bis 2 mm beträgt) angeordnet sein, sind Streifen aus Licht emittierendem Material in einer Breite von 0,5 bis 1 mm zwischen Linsen möglich. Sollte jedem Linsenelement eine Teilanordnung von ungefähr 30 mal 30 Pixeln der Bildabtastanordnung 10 zugeordnet sein, kann eine Auflösung, welche sich zur Dokumentenabtastung eignet, erreicht werden. Um zum Beispiel 600 dpi (Bildpunkte pro Zoll) zu erzielen, ist ein regelmäßiger Pixelabstand von etwa 42 Mikrometer erforderlich.
Durch den Abstand von 2 bis 4 mm zwischen dem abzubildenden Dokument und der Linsenanordnung 40 kann ebenfalls eine genügend gleichmäßige Beleuchtung des zu erzeugenden Dokuments ermöglicht werden, indem lediglich eine der drei Lichtquellen arbeitet, da in dem Zwischenraum zwischen der Linsenanordnung und dem Dokument eine Ausbreitung erfolgt. Dadurch können die oben beschriebenen, verschiedenen Farbbilderzeugungssysteme realisiert werden.
Bei Lesen der vorliegenden Offenbarung ergeben sich für Fachkundige weitere Modifikationen. Solche Modifikationen können weitere Merkmale umfassen, welche von der Konstruktion sowie dem Einsatz von elektrischen oder elektronischen Schaltkreisen und Bauelementteilen derselben her bekannt sind und an Stelle der hier bereits beschriebenen Merkmale oder zusätzlich zu diesen verwendet werden können.

Claims

Bildsensor, welcher eine Bilderfassungsvorrichtung (10), um ein Bild auf einer Bilderzeugungsebene der Vorrichtung zu erfassen, sowie eine Linsenanordnung aufweist, wobei die Linsenanordnung zwischen einer abzubildenden Fläche und der Bilderzeugungsebene angeordnet ist, die Linsenanordnung eine oder mehrere Anordnungen (20, 30, 40) von Linsenelementen (22, 32, 42) aufweist, um jeweils Licht von einem Teil der abzubildenden Fläche (50) zu einem Teil der Bilderzeugungsebene (10) zu übertragen, und jedes Linsenelement von benachbarten Linsenelementen durch einen Zwischenraum gleichermaßen beabstandet ist, der Bildsensor weiterhin Licht emittierende Mittel (46) aufweist, welche zwischen der abzubildenden Fläche und der Bilderzeugungsebene angeordnet sind und die abzubildende Fläche beleuchten sollen, und die Licht emittierenden Mittel in oder über dem Zwischenraum zwischen aneinander grenzenden Linsenelementen angeordnet sind.
Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Linsenelemente Mikrolinsen aufweisen.
Bildsensor nach Anspruch 2, wobei die Linsenanordnung mindestens zwei Mikrolinsenanordnungen aufweist, wobei jede Mikrolinse in einer Anordnung im Wesentlichen die gleiche optische Achse wie eine entsprechende Mikrolinse in jeder weiteren Anordnung aufweist.
Bildsensor nach Anspruch 3, wobei die Linsenanordnung ein nicht umgekehrtes Bild der auf der Bilderzeugungsebene abzubildenden Fläche erzeugt.
Bildsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bilderfassungsvorrichtung eine große Anzahl Bildabtastpixel (12) aufweist, wobei jedes Linsenelement einer Pixel-Teilanordnung zugeordnet ist.
Bildsensor nach Anspruch 5, wobei jedes Pixel eine Fotodiode aufweist.
Bildsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Licht emittierenden Mittel Licht emittierende Segmente aufweisen und die abzubildende Fläche von der Linsenanordnung beabstandet ist, um eine Beleuchtung der abzubildenden Fläche durch einen Teil der Licht emittierenden Segmente zu ermöglichen.
Bildsensor nach Anspruch 7, wobei jedes Licht emittierende Segment aus einer Gruppe von roten, grünen und blauen Lichtquellen ausgewählt wird.
Bildsensor nach Anspruch 8, wobei die Lichtquellen Streifen aus Licht emittierendem Elektrolumineszenzmaterial aufweisen, welches sich zwischen den Linsenelementen einer Anordnung erstreckt und in einer sich wiederholenden Folge roter, grüner und blauer Lichtquellen vorgesehen ist.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Licht emittierenden Mittel eine Lichtquelle (70), welche an einem peripheren Rand der Linsenanordnung vorgesehen ist, sowie Lichtablenkabschnitte (72, 76), welche in oder über dem Zwischenraum zwischen Linsenelementen angeordnet sind, aufweist.
Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die Lichtablenkabschnitte reflektierende oder diffraktive Elemente aufweisen.