DE69314833T2

DE69314833T2 - Korrektur der optischen Defokussierung eines Bildes

Info

Publication number: DE69314833T2
Application number: DE69314833T
Authority: DE
Inventors: Ned J Seachman
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-23
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-03-24
Also published as: EP0562814B1; DE69314833D1; EP0562814A1; JPH0654182A; US5307175A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Bildsysteme in elektronischen Reprografigeräten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System für die Korrektur einer optischen Defokussierung und ähnlicher Fehler eines optischen Bildsystems durch die Korrektur von elektrischen, die optisch erzeugten Bilddaten repräsentierenden Signalen.
Elektronische Reprografiegeräte und Faksimileübertragungsgeräte verwenden Scanner, um ein Bild, wie ein Dokument, optisch zu scannen und die optische Information in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Mehrere Typen von optischen Systemen werden verwendet, um das Rasterscannen von Eingabedokumenten vorzunehmen und die repräsentativen elektrischen Signale zu erzeugen. Fig. 1 stellt eine von mehreren Konfigurationen dar, die häufig zusammen mit optischen Systemen für eine Verkleinerung verwendet wird, um ein Dokument zu scannen und ein verkleinertes Bild auf einer linearen Anordnung von Fotosensoren zu erzeugen. Diese Konfiguration weist eine relative Toleranz gegenüber Fehlern in der Objektkonjugation der Linse auf, d.h. gegenüber Fehlern in der optischen Pfadlänge von der Linse durch die Spiegel zum Originaldokument. Variationen in dieser Pfadlänge von ±1 mm verursachen eine bemerkbare Änderung der Vergrößerung, verursachen aber gewöhnlich einen geringen Degradationseffekt bezüglich der Fokussierung oder der Schärfe des auf der Fotosensoranordnung gebildeten optischen Bildes. Da nur ein Linsensystem verwendet wird, kann eine Variation in der Bildqualität entlang des linearen Teils des von der Fotosensoranordnung abgelesenen Bildes auftreten. Variationen in der Bildqualität vom Ende zur Mitte einer derartigen gescannten Bildzeile treten häufig mit einem beträchtlichen Grad an Symmetrie um das Zentrum des gescannten Bildes auf. Diese Qualitätsvariationen können zum Beispiel durch die Krümmung der Oberfläche der besten Fokussierung der Linse oder durch andere Linsenaberrationen verursacht werden, von denen bekannt ist, daß sie mit dem Abstand vom Zentrum des optischen Feldes variieren. Die mathematische Beschreibung dieser Aberrationen kann annähernd aus den Konstruktionsdaten der Linsen bestimmt werden, es treten jedoch weitere Aberrationen aufgrund von kleinen Fehlern auf, die während bei der Herstellung der Linsen verursacht werden. Andere optische Systeme mit nur einer Linse, wie diejenigen, die häufig als "Full Rate-Scanner/Half Rate-Scanner" bezeichnet werden, weisen ähnliche optische Eigenschaften auf. Das hat zur Folge, daß bei Scannern, die ein optisches System mit nur einer Linse für eine Verkleinerung verwenden, eine Abnahme der Bildqualität an den Kanten der Scanzeile auch dann auftreten kann, wenn das Scanzentrum in gutem Fokus ist.
Eine zweite Klasse von optischen Systemen, die häufig für das Scannen von Dokumenten in elektronischen Reprografiegeräten verwendet wird, ist ein in Fig. 2 gezeigter Vollbreitenscanner. Hier erstreckt sich eine Anordnung von Linsen über die gesamte Breite der Zeile auf dem Eingabedokument, das mit einer Einvergrößerung auf die Vollbreiten-Fotosensoranordnung abgebildet wird. Es sind Vollbreitenscanner entwickelt worden, die amorphe oder kristalline Silizium-Fotosensoranordnungen verwenden, die als Vorteile eine hohe Ansprechempfindlichkeit (was einehohe Scangeschwindigkeiten bietet), einen geringen Bedarf an Beleuchtung (was den Energieverbrauch herabsetzt) und eine Kompaktheit bietet. Diese Scanner benötigen kompakte Vollbreiten-Lisenanordnungen, um diese Leistungsvorteile zu erzielen. Die am häufigsten verwendeten Linsen für diesen Zweck sind Gradientenfaser- Linsenanordnungen, wie in Fig. 3 gezeigt. Während kommerziell erhältliche Gradientenfaser-Linsenanordnungen eine gute optische Leistung und eine hervorragenden Steuerung der Einvergrößerungsanforderungen bieten, weisen sie im Vergleich zu beispielsweise Verkinerungsoptiken schlechte Fähigkeiten bezüglich einer Tiefenschärfe auf. Das heißt, daß sie erheblich stärker empfindlich sind für Fehler in der Objektkonjugation als Verkleinerungsoptiken. Gewöhnlich liegt die Tiefenschärfe von Gradientenfaser-Linsenanordnungen bei ungefähr ± 0,25 bis ± 0,50 mm.
Fig. 4 stellt die Tiefenschärfeeigenschaften einer typischen Gradientenfaser- Linsenanordnung dar. Das Kurvendiagramm in Fig. 4 trägt die mit der Linsenanordnung erzielbare Modulationsübertragungsfunktion (MTF = Modulation Transfer Function) als eine Funktion des Defokussierungsabstands bei einer vorbestimmten räumlichen Frequenz auf; Fig. 4 zum Beispiel zeigt diese Eigenschaften für eine kommerziell erhältliche Linse mit 6 Zyklen pro Millimeter. Der MTF-Wert hängt direkt mit dem Grad der Bildwiedergabetreue der Linsenanordnung zusammen. Wenn eine gewünschte MTF-Stufe (und damit eine Wiedergabetreue) gewählt wird, zeigen die Kurven die Defokussierungsabstände (oder die Tiefenschärfe) der Linsenanordnung, die nötig ist, um die gewünschte MTF zu erhalten. Die Null in der Abszisse gibt die beste Fokusposition wieder, wobei die kleinen Unterteilungen entlang der Abszisse jeweils einem Zehntelmillimeter entsprechen. Die Kurve M gibt die Eigenschaften der Linse in der Hauptscanrichtung entlang einer Zeile an, die mit der Zeile der Fotosensoren komzident ist, und die Kurve S gibt die Eigenschaften der Linse in der Nebenscanrichtung an, d.h. in der zu der Hauptscanrichtung senkrechten Scanrichtung. Aus Fig. 4 wird deutlich, daß bei hohen Stufen der Wiedergabetreue (MTF) kleine Variationen im Defokussierungsabstand eine unannehmbare Unschärfe verursachen können und daß der Grad der Unschärfe mit der Scanrichtung variiert (d.h. die Linse wird bei diesem Qualitätsverlust zunehmend amorph, wenn der Fokussierungsfehler größer wird). Das hat zur Folge, daß Optiklsensor-Architekturen, die derartige vollbreite Linsenanordnungen verwendeen, häufig keine ausreichende Bildqualität oder Auflösung bieten, die die Anforderungen der wiedergabetreue erfüllen, wodurch die Verwendung derartiger Scan nerkonstruktionen eingeschränkt wird.
EP-A-0 439 357 gibt einen Dokumentseanner an, bei dem eine Nicht-Konformität der Empfindlichkeit einzelner Sensorzellen kompensiert wird, wobei sowohl eine dunkle (keine Beleuchtung) und eine helle (Beleuchtung) Empfindlichkeitsvariation kompensiert wird. Die für jede Zelle festgestellten Variationen werden in einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) gespeichert und bei den Ausgabesignalen angewendet, wenn die Zellen ein Bild scannen.
EP-A-89/11196 gibt ein elektronisches Fokuskorrektursystem für ein elektronisches Bildsystem an, wobei Fokusaberrationen korrigiert werden, indem ein Satz von Gewichtungskoeffizienten an einem Fenster in und um jedes Pixel von Bilddaten angewendet und das Ergebnis für jedes Pixel summiert wird, um ihm einen neuen kompensierten Wert zuzuweisen. Die Gewichtungskoeffizienten werden gewählt, um ein Ausgabebild zu erzeugen, das eine Leistungsspektrumdichte aufweist, die ausreichend nahe an einer idealen oder gewählten Funktionsbeziehung liegt. Die Koeffizienten werden erzeugt und gespeichert, um eine Maske zu schaffen, die eine Verteilungsfunktion für die räumliche Dichte in der Form (2-B) aufweist, wobei B die Verteilung der räumlichen Dichte der Unschärfedaten für das System ist, das einem bestimmten Unschärfegrad entspricht. Für jeden Unschärfegrad ist eine separate Maske gespeichert. Das Korrektursystem wendet automatisch aufeinander folgende Masken an, um ein optimales Leistungsmerkmal zum Validieren der optimalen Gültigkeit zu bieten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System anzugeben, das die Wiedergabetreue in optischenlelektrischen Bildsystemen verbessert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bilddefokussierungskorrektur in Systemen anzugeben, die Optiken mit einer begrenzten Tiefenschärfe verwenden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Korrektur für andere vorhersehbare optische Fehler anzugeben, die mit varuerender Größe über das gesamte Feld des Bildsystems auftreten können.
Einem Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechend, ist eine Bildscannervorrichtung angegeben, welche umfaßt: eine Bildauflagefläche, einen Scanner zum Scannen eines Bildes auf der Bildaulagefläche, wobei der Scanner ein optisches Element zum Empfangen der optischen Daten eines Bildes auf der Bildauflagefläche und einen Fotorezeptor zum Empfangen der optischen Bilddaten aus dem optischen Element und zum Konvertieren der optischen Daten zu einem elektrischen Datensignal umfaßt, eine Einrichtung zum Bereitstellen mehrerer Sätze von Bildwiederherstellungsdaten, wobei jeder Satz von Bildwiederherstellungsdaten eine andere von mehreren Defokussierungsstufen der optischen Bllddaten repräsentiert, die durch den Fotorezeptor von den optischen Elementen empfangen wurden, eine Einrichtung zum Auswählen eines der Sätze von Bildwiederherstellungsdaten, die durch die Bereitstellungseinrichtung bereitgestellt sind, und eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Empfangen des elektrischen Datensignals aus dem Fotorezeptor und eines Satzes von Bildwiederherstellungsdaten aus der Bereitstellungseinrichtung und zum Modifizieren des elektrischen Datensignals in Übereinstimmung mit den Bildwiederherstellungsdaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Defokussierungsstufe der optischen Bilddaten auf dem Fotorezeptor enthält, wobei die Bestimmungseinrichtung wenigstens eine Fokusmarke aufweist und betrieben werden kann, um eine Defokussierungsstufe der Vorrichtung zu bestimmen, indem aus der Fokusmarke erhaltene Bilddaten verwendet werden.
Einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechend ist ein Verfahren angegeben zum Korrigieren der Defokussierung einer Bildscannervorrichtung mit einem optischen Element zum Bereitstellen von optischer Bildinformation für einen Fotorezeptor, der ein elektrisches Signal ausgibt, das der optischen Bildinformation entspricht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist; a) Bestimmen der Defokussierungseigenschaften des optischen Elements bei mehreren Defokussierungsstufen über einen erwarteten Bereich von fokalen Fehlern, b) Konvertieren der Defokussierungseigenschaften des optischen Elements bei jeder Defokussierungsstufe zu einem Satz von Korrekturdaten und Speichern der Korrekturdaten, c) Auswählen eines Satzes von Korrekturdaten, und d) Korrigieren des elektrischen Bildsignals aus dem Fotorezeptor in Übereinstimmung mit den ausgewählten Korrekturdaten, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt c) das Bestimmen einer Defokussierungsstufe für die Bildscannervorrichtung umfaßt, indem wenigstens eine Fokusmarke gescannt wird und eine Defokussierungsstufe aus den elektrischen Bilddaten, die jede der Fokusmarken repräsentieren, bestimmt wird, wobei der Satz der Korrekturdaten in Übereinstimmung mit der bestimmten Defokussierungsstufe ausgewählt wird.
Diese Aufgaben werden mit einem System gelöst, bei dem die Eigenschaften der optischen Buddaten, die mehrere Zustände der Defokussierung oder der optischen Feldposition des Systems repräsentieren, vorbestimmt sind, und Filterkoeffizienten für die Korrektur dieser Zustände in dem Scannersystem gespeichert sind. Der defokussierte oder degradierte Zustand eines bestimmten Scannersystems wird dann unter Verwendung eines oder mehrerer Standardbezugsmarken bestimmt. Die elektrischen Buddaten aus der Fotosensoranordnung werden dann mit einem fixierten oder in der Zeit variierenden Bildwiederherstellungsfilter gefiltert, der die Korrekturkoeffizienten verwendet, die für den zuvor bestimmten Zustand der Systemdefokussierung oder -degradation passend ausgewählt wurden.
Im folgenden wird ein der vorliegenden Erfindung entsprechendes optisches Bildsystem beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines verkleinernden optischen Systems ist, das in einem Dokumentscannersystem verwendet wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines einvergrößernden optischen Systems mit Vollbreite ist, das in einem Dokumentscannersystem verwendet wird,
Fig. 3 eine Darstellung einer typischen zweireihigen Linsenanordnung ist, die für die Einvergrößerung ausgebildet ist,
Fig. 4 ein Graf ist, der die Modulationsübertragungsfunktionen einer typischen Gradientenfaser-Linsenanordnung relativ zum Defokussierungsabstand zeigt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Bildscannersystems ist, die die Schaltfunktionen zeigt, die verwendet werden können, um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen,
Fig. 6 eine Darstellung eines Teils des zu seannenden Dokuments ist, die den Pixelkontext zeigt, der von dem digitalen Bildverarbeitungsfilter verwendet wird,
Fig. 7 eine Darstellung der optischen Punktstreufunktion einer kommerziellen Gradientenfaser-Linsenanordnung ist, wenn ein Defokussierungsfehler von 0,5 mm eingeführt wird,
Fig. 8 ist eine Darstellung der zweidimensionalen Modulationsübertragungsfunktion, die aus der in Fig. 7 darstellten Punktstreufunktion abgeleitet ist,
Fig. 9 ist eine Darstellung der Frequenzantwort eines Bildwiederherstellungsfilters, der dafür ausgebildet ist, die Defokussierungsunschärfe einer kommerziellen Gradientenfaser-Linsenanordnung mit den in Fig. 7 und 8 gezeigten Eigenschaften zu beseitigen,
Fig. 10 ist eine Darstellung eines Fokufmeßstreifens, der mehrere Fokusmeßmarken enthält.
Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein Bildeingabeterminal zeigt, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 angegeben ist und eine Auflagefläche 12 aufweist. Das beispielhafte Bildeingabeterminal 10 ist ein Mehrmodus-Eingabeterminal, in diesem Fall ein Zweimodus-Eingabeterminal, das im ersten Modus ein Originaldokument 11, das mit der Vorderseite nach unten auf der Auflagefläche 12 liegt, Zeile für Zeile an der ersten Scanstation 13 scan nt, und das im zweiten Modus ein sich bewegendes Dokument an einer zweiten Scanstation 14 scannt. Wie im folgenden verdeutlicht wird, konvertiert das Eingabeterminal 10 das gescannte Dokumentbild zu Videobildsignalen oder Pixeln, die an eine geeignete Einrichtung (nicht gezeigt) wie einen Speicher, einen Kommunikationskanal, einen Rasterausgabescanner usw. ausgegeben werden.
Das Bildeingabeterminal 10 weist einen geeigneten Rahmen oder ein Gehäuse 18 mit einem Basisteil 20, Seitenteilen (nicht gezeigt), Endteilen 24 und 25, und einem Oberteil 26 auf, die mit der Auflageflächel2 zusammenarbeiten, um einen Innenraum 27 zu bilden, in dem ein Scanwagen 32 beweglich angeordnet ist. Die aus einem geeigneten transparenten Material, gewöhnlich Glas, hergestellte Auflagefläche 12 ist gewöhnlich rechteckig und mit einer Länge und einer Breite ausgebildet, die für das größte durch das Eingabeterminal 10 im ersten Modus zu scannende Dokument und für den im zweiten Modus benötigten Auflagebereich ausreicht.
Für den ersten Modus wird der Scanwagen 32 nach vorne und nach hinten oder in einer sich hin und her bewegenden Bewegung (in der durch den durchgezogenen Pfeil von Fig. 1 gezeigten Richtung) im inneren 27 des Bildausgabeterminais 10 durch ein Paar paralleler Trägerstangen 34 bewegt. Die Trägerstangen 34 sind in geeigneter Weise an dem Rahmen 18 mit einem vorbestimmten Abstand unter der Auflageflächel2 angebracht, wobei der Wagen 32 für eine Gleitbewegung auf den Stangen 34 mittels geeigneter Lager (nicht gezeigt) getragen wird.
Um die kontrollierte Scanbewegung auf den Wagen 32 zu übertragen, ist eine Antriebsschraube 37 über ein Gewinde mit dem Wagen 32 verbunden. Ein umkehrbarer Motor 39 dreht die Schraube 37 entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, um den Wagen nach vorne und nach hinten entlang der Trägerstangen 34 für den Wagen zu bewegen.
Eine lineare Scanner- oder Bildablesefotosensoranordnung 40, die zum Beispiel einen Toshiba TCD 141C CCD-Chip enthalten kann, ist auf dem Träger 32 befestigt. Die Anordnung 40 weist eine Reihe (d.h. 5000) individuelle lichtempfindliche Elemente auf, die dafür ausgebildet sind, Signale mit einem Potential zu erzeugen, das dem Reflexionsgrad der durch die Anordnung 40 abgelesenen Objektzeile proportional ist. Die Signalausgabe der Anordnung 40 wird danach in eine geeignete Signalverabeitungsschaltung (weiter unten beschrieben) eingegeben, um Videobildsignale oder Pixel bereitzustellen, die das gescannte Bild repräsentieren.
Ein optisches System mit der Bildlinse 55 und den Faltspiegeln 56, 57, 58 bildet einen optischen Bildpfad 54, durch den die Anordnung 40 die Auflageflächel2 und einen zeilenförmigen Teil des zu scannenden Dokuments abliest, wobei die durch das Dokument reflektierten Lichtstrahlen nach unten durch die Auflagefläche12 zu dem Spiegel 56 und von dem Spiegel 56 durch die Spiegel 57, 58 zu der Linse 55 und der Anordnung 40 hindurchgehen. Um die zu scannende Zeile des Dokuments zu beleuchten, ist eine Beleuchtungsanordnung 64 mit einer länglichen Belichtungslampe 65 vorgesehen, die mit dem Reflektor 70 auf dem Wagen 32 neben der Unterseite der Auflagefläche12 zusammenarbeitet. Die Lampe 56 und der Reflektor 70 erstrecken sich in einer Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Scanbewegung des Scanwagens 32 ist. Dabei ist zu beachten, daß der Reflektor 70 dazu dient, das durch die Lampe 56 auf die Auflagefläche12 emittierte Licht an der durch die Anordnung 40 zu scannenden Dokumentzeile zu verstärken und zu konzentrieren.
Im ersten Scanmodus wird der Scanwagen 32 durch den Motor 34 von einer Scanstartposition 72 an einem Ende der Auflagefläche12 zu einer Scanendposition 73 und zurück zu der Scanstartposition 72 bewegt. Die Anordnung 40, die Bildlinse 55, die Faltspiegel 56, 57, 58 und der Beleuchtungssensor 64 sind fest auf dem Scanwagen 32 befestigt und bewegen sich zusammen mit dem Wagen 32. Die Scanendposition 73, die zusammen mit der Scanstartposition 72 die erste Scanstation 13 definiert, ist etwas vor der Auflagefläche angeordnet, um Raum für eine zweite Scanstation 14 zu lassen. Dabei ist zu beachten, daß der Abstand zwischen der Scanstartposition 72 und der Scanendposition 73 derart gewählt ist, daß er für das größte an der Scanstation 13 zu scan nende Dokument ausreicht.
Im zweiten Seanmodus wird der Scanwagen 32 über die Scanendposition 73 hinaus zu einer vorbestimmten fixierten Scanposition 74 bewegt. Während des Scannens in diesem Modus bleibt der Scanwagen 32 stationär und das zu scan nende Dokument wird an der fixierten Scanposition 74 vorbei bewegt.
Um das zu scan nende Dokument 11 an der fixierten Scanposition 74 vorbei zu bewegen, ist eine Transporteinrichtung 80 mit konstanter Geschwindigkeit vorgesehen. Die Transporteinrichtung 80 weist mehrere Transportwalzen 81 auf, die voneinander beabstandet gegenüber der Scanposition 74 angeordnet sind, wobei die Walzen 81 mit der gegenüberliegenden Oberfläche 15 der Auflagefläche12 zusammenarbeiten, um zwischen sich einen Dokumentwalzenspalt 83 zu bilden.
Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 90 angegebenes Bildeingabeterminal zeigt, das eine Scanneranordnung in Vollbreite zeigt. Elemente des Bildeingabeterminals, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion den entsprechenden Elementen des mit Bezug auf Fig. 1 erläuterten Bildeingabeterminals ähnlich sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen angegeben. Das Bildeingabeterminal 90 ist ebenfalls ein Mehrmodus-Eingabeterminal, das in einem ersten Modus ein Originaldokument 11, das mit seiner Vorderseite nach unten auf der Auflagefläche 12 liegt, Zeile für Zeile an einer ersten Scanstation 13 scannt, und das in einem zweiten Modus ein sich bewegendes Dokument an einer zweiten Scanstation 14 scannt. Ebenso wie das Bildeingabeterminal 10 konvertiert das Bildeingabeterminal 90 das zu scan nende Dokument zu Videobildsignalen oder Pixeln, die in eine geeignete Einrichtung (nicht gezeigt) wie einen Speicher, einen Kommunikationskanal, einen Rasterausgabescanner usw. eingegeben werden.
Das Bildeingabeterminal 90 weist einen geeigneten Rahmen oder ein Gehäuse 18 mit einem Basisteil 20, Endteilen 24, 25 und einem Oberteil 26 auf, die zusammen mit der Auflagefläche12 einen Innenraum 27 bilden, in dem ein Scanwagen 33 beweglich angeordnet ist. Ein auf die Auflagefläche 12 gelegtes Dokument 12 wird gescannt, wie es mit Bezug auf das Terminal von Fig. 1 beschrieben wurde. In dem ersten sich hin und her bewegenden Scanmodus wird die kontrollierte Scanbewegung mittels der Antriebsschraube 37, die über ein Gewinde mit dem Wagen 33 verbunden ist, auf den Wagen 33 übertragen. Ein umkehrbarer Motor 39 dreht die Schraube 37 vor oder zurück, wodurch der Wagen 22 entlang der Trägerstangen 34 für den Wagen nach vorne und nach hinten bewegt wird.
Bei diesem Scanner ist auf dem Wagen 33 eine Fotosensoranordnung 82 angeordnet, die sich über den Wagen 33 in einer zu der Ebene der Zeichnung normalen Richtung erstreckt. Die Breite der Fotosensoranordnung 82 entspricht der maximalen Breite des auf der Auflagefläche 12 zu scannenden Dokuments. Die Beleuchtungsanordnung 64 umfaßt die Belichtungslampe 65 und den Reflektor 70, die auf dem Wagen 33 mittels einer geeigneten Befestigungsanordnung (nicht gezeigt) angeordnet sind. Eine Gradientenfaser-Linsenanordnung 85 ist ebenfalls auf dem Wagen 33 befestigt. Die optische Achse der Linsenanordnung 85 ist mit der optischen Achse zwischen der Auflagefläche 12 und der Fotosensoranordnung 82 koinzident, die in der Ausführungsform von Fig. 2 im wesentlichen vertikal ist. Die Gradientenfaser-Linsenanordnung 85 erstreckt sich quer über den Wagen 33 in einer Richtung, die zu der maximalen Breite des auf der Auflagefläche 12 zu scannenden Dokuments normal ist und deshalb allgemein der Breite der Fotosensoranordnung 82 entspricht.
Alternativ dazu kann ein Bildeingabeterminal eine Anordnung einzelner Fotosensoren in einem zweidimensionalen Bereich enthalten. Bei einer derartigen Anordnung können sich die lichtempfindlichen Elemente entlang einer Richtung des abgebildeten Teils der Auflageflächel2 erstrecken, zum Beispiel in der Breite, wie bei den Scannern in Fig. 1 und 2, und auch entlang der gesamten Länge oder eines Teils der Länge des abgebildeten Teils der Auflagefläche 12. Auf diese Weise kann der gesamte Bereich oder ein wichtiger Teil des Bereichs eines Dokuments elektronisch gescannt werden.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht einer typischen Scanneranordnung mit einer Gradientenfaser-Linsenanordnung 85 zeigt. Aufeinander folgende Zeilen L&sub0; des Dokuments 11 werden gescannt, wenn die Linsenanordnung 85 in der Richtung des Pfeils S1 bewegt wird, die der Nebenscanrichtung entspricht. Die Zeile L&sub0; wird in einer Querrichtung des Pfeils S2 (Hauptscanrichtung) durch aufeinander folgendes Scannen der Fotosensoranordnung 82 elektronisch gescannt, die zum Beispiel mehrere CDD-Chips enthält, die jeweils eine Reihe einzelner lichtempfindlicher Elemente enthalten, die dafür ausgebildet sind, Signale mit einem Potential zu erzeugen, das dem Reflexionsgrad der durch die Anordnung 82 abgelesenen Objektzeile proportional ist. Wie zuvor beschrieben, werden die von der Anordnung ausgegebenen Signale danach in eine geeignete Signalverarbeitungsschaltung (weiter unten beschrieben) eingegeben, um Videobildsignale oder Pixel bereitzustellen, die das gescannte Bild repräsentieren.
Die Gradientenfaser-Linsenanordnung 85 kann zum Beispiel zwei miteinander ausgerichtete Reihen von Gradientenfaserlinsen 88 aufweisen. Ein Beispiel für eine derartige Linsenanordnung 85 ist der Typ SLA09, der unter der Handelsbezeichnung SELFOC von Nippon Sheet Glass verkauft wird. Aufeinander folgenden Zeilen L werden durch die Linsenanordnung 85 abgelesen, um die Bildzeile Li auf der Fotosensoranordnung 82 zu bilden. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann die optische Bildinformation von einem gegebenen Punkt (Pixellokation) auf der Zeile L&sub0; durch eine oder mehrere der individuellen Faserlinsen 88 hindurchgehen, um auf der Fotosensoranordnung 82 abgebildet zu werden.
Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die die Basisfunktionen eines typischen Rerprografiescanners darstellt, mit dem die vorliegende Erfindung realisiert werden kann. Das Rasterscannen des Dokuments 11 auf der Auflagefläche 12 wird aufgrund des elektronischen Scannens der linearen Fotosensoranordnung 82 zusammen mit der mechanischen Bewegung des Linse 85 und des Sensors 82 in der Nebenscanrichtung vollzogen. Bei jeder Position in der Nebenscanrichtung ist die Ausgabe der linearen Fotosensoranordnung 82 ein elektronisches Signal, das die Information bezüglich des Reflexionsgrades entlang der einzelnen Zeile auf dem Dokument repräsentiert, das die Linse 85 auf die Sensoranordung 82 abgebildet hat. Das Signal repräsentiert also die Information in einer Reihe von Bildelementen oder Pixeln, die in der elektronischen oder Hauptscanrichtung abgelesen wurden. Die Abtastdichte in dieser Richtung des Dokuments 11 liegt häufig zwischen 12 und 24 Abtastpunkten pro mm, was durch die Vergrößerung der Linse 85 und den Abstand der einzelnen Sensoren in der linearen Fotosensoranordnung 82 bestimmt wird. Die mechanische Bewegung des Sensors 82 und der Linse 85 in der Nebenscanrichtung erlaubt, daß eine Folge von Pixelreihen abgelesen wird, wobei die Dichte in der Nebenscanrichtung oder die Abstände durch die Distanz bestimmt werden, die die optische Anordnung vom Anfang einer elektronischen Scanzeile bis zum Beginn der nächsten elektronischen Scanzeile hinter sich gebracht hat. Diese Dichte in der Nebenscanrichtung oder der Abstand zwischen den Pixelreihen liegt typischerweise ebenfalls im Bereich von 12 bis 24 Reihen pro mm, obwohl sie nicht notwendigerweise mit der Pixeldichte innerhalb einer Reihe identisch ist.
Die Sensorsteuertaktgeber 91 stellen die notwendige Taktinformation für die Fotosensoranordnung 82 bereit, um die Rate zu bestimmen, mit der Pixel aus einer einzigen Reihe in einen Analogsignalpuffer getaktet werden, und um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem jede Scanzeile in der Sequenz von elektronischen Scanzeilen zu initialisieren ist. Der Analogsignalpuffer 92 empfängt diese Sequenz von Pixeln zeilenweise und leistet die notwendige Signalformung (wie die Verstärkung und Verschiebung des Signals), um die Analog-Digital-(ND)- Umsetzerstufe 93 richtig zu betreiben. Im ND-Umsetzer 93 wird jedes Pixesignal in einen digitalen Wert umgesetzt, so daß es darauffolgend gespeichert und mit digitalen elektronischen Verfahren weiter verarbeitet werden kann. Analoge Pixelsignale können zum Beispiel umgeformt werden, um zwischen 0 Volt (was einen Punkt repräsentiert, für den im Dokument ein Reflexionsgrad von 0 % abgelesen wurde) und einem Wert von 1 Volt (was einen Punkt repräsentiert, für den im Dokument ein Reflexionsgrad von 95% abgelesen wurde) zu variieren. Der ND-Umsetzer 93 konvertiert diesen kontinuierlichen analogen Spannungsbereich dann in einen diskreten Satz von digitalen Zahlen. Wenn zum Beispiel eine binäre Zahl mit 8 Bit verwendet wird, wird das Signal in eine von 2&sup8; = 256 Stufen umgesetzt, die durch eine binäre Zahl mit 8 Bit repräsentiert werden können. Das derart repräsentierte Signal kann mittels herkömmlicher digitaler Elektronik manipuliert werden.
Es ist auch üblich, eine Möglichkeit für die Pixelkorrektur in die Signalverarbeitung einzubauen, wie in Fig. 5 gezeigt. Eine lineare Fotosensoranordnung 82 enthält häufig zwischen 2000 und 8000 einzelne Fotosensorplätze, die die Zeileninformation auf dem Dokument 11 in der elektronischen Scanrichtung scannen, wie zuvor beschrieben wurde. Wegen kleiner Variationen in der Größe und anderen damit verbundenen Parametern, variiert jeder dieser Fotosensorplätze leicht bezüglich seiner Lichtantwort- und seiner Dunkelverschiebungsspannung. In Reprografiesystemen mit hoher Qualität ist es notwendig, diese Variationen zu kompensieren, um Bilddefekte, wie Streifen in dem abgelesenen Bild, zu vermeiden. Eine Technik, um eine derartige Kalibrierung zu erhalten, verwendet einen Kalibrierungsstreifen 101, der auf der Auflagefläche12 und außerhalb des durch das Dokument 11 eingenommenen Bereichs lokalisiert ist. Eine übliche Position für den Kalibrierungsstreifen 101 liegt zwischen der Oberseite der Plattenoberfläche 15 und der unteren Oberfläche der Dokumentregistrierungsführung 100. Der Kalibrierungsstreifen 101 kann aus einer einheitlichen stark reflektierenden Fläche, die ungefähr 6 bis 10 mm breit ist und sich über die gesamte durch eine Zeile der Fotosensoranordnung 82 abgelesene Distanz erstreckt, und aus einer benachbarten gering reflektierenden Fläche derselben Größe bestehen, wobei beide Flächen auf die Linse 85 im Scanner gerichtet sind. Unter Kontrolle der System-CPU 99 werden die Linse 85 und die Fotosensoranordnung 82 derart positioniert, daß die lineare Fotosensoranordnung 82 nur auf die einheitliche, stark reflektierende Fläche dieses Streifens 101 blickt. Die Multiplikationsfaktoren, die benötigt werden, um jedes Pixel auf eine konstante Ausgabespannung einzustellen, werden berechnet und in dem Pixelkalibrierungs- RAM 96 gespeichert, wobei jeweils ein Faktor für jeden Platz in der Fotosensoranordnung 82 vorgesehen ist. Die Linse 85 und die Fotosensoranordnung 82 werden darauf zu einer Position bewegt, die es der Fotosensoranordnung 82 erlaubt, die benachbarte gering reflektierende oder schwarze Fläche des Kalibrierungsstreifens 101 abzulesen. Hier wird ein additiver Faktor für jedes Pixel berechnet, was veranlaßt, daß alle Pixel dasselbe Ausgabesignal beim Vorhandensein von Licht oder beim Nicht-Vorhandensein von Licht erzeugen. Der additive Korrekturfaktor für jeden einzelnen Sensorplatz in der. Fotosensoranordnung 82 wird ebenfalls in dem Pixelkorrektur-RAM 96 gespeichert. Wenn während des darauffolgenden Scannens das Signal für jedes Pixel durch die Pixelkorrekturschaltung 94 hindurchgeht, werden die multiplikativen und die additiven Korrekturfaktoren für das individuelle Sensorelement, das das Pixel abgelesen hat, aus dem Pixelkalibrierungs-RAM 96 ausgelesen und für das aktuelle Pixelsignal angewendet. Auf diese Weise wird jedes Pixel bezüglich kleiner Abweichungen in Verstärkung und Verschiebung korrigiert, die durch Variationen in den Eigenschaften einzelner Sensorelemente in der Fotosensoranordnung 85 gegeben sind. Die Kalibrierungstechnik kompensiert auch Variationen in der Beleuchtung entlang der Fotosensoranordnung 82, die durch die Eigenschaften der Linse 85 und der Lampe 65 verursacht werden.
Mehrere Scanzeilen von korrigierten Pixeln werden dann in dem Pixelzeilen-Puffer 95 gespeichert. Das ist für die darauffolgende Bildverarbeitung erforderlich, die Signale für die Pixel verwenden kann, die dem gerade zu verarbeitenden Pixel sowohl in der Hauptscanrichtung wie in der Nebenscanrichtung benachbart sind. Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Der Pixelkontext 102 für die Bildverarbeitung kann durch die Anzahl der benachbarten Reihen und die Anzahl der benachbarten Pixel in jeder Reihe, die für die Verarbeitung des aktuellen Pixels benötigt werden, angegeben werden. Ein 3 × 5 Pixelkontext 102 bedeutet zum Beispiel, daß drei benachbarte Scanzeilen (oder Pixelreihen) und jeweils 5 Pixel in jeder Reihe für die Bildverarbeitung benötigt werden. Die Position der Pixel kann wie in Fig. 6 gezeigt wiedergegeben werden. Dabei werden die Pixel mit zwei Indices durchgezählt. Der erste Index gibt die Pixelposition relativ zu der Scanzeile des aktuellen Pixels an. Der zweite Index gibt die Pixelposition entlang derselben Scanzeile relativ zu dem aktuellen Pixel an. Wenn das aktuell verarbeitete Pixel mit P0,0 angegeben wird, dann ist das Pixel in der Scanzeile direkt über P0,0 gleich P1,0 und das Pixel direkt rechts neben dem aktuellen Pixel P0,1 usw. Wenn ein neues Pixel verarbeitet wird, wird das neue Pixel mit P0,0 angegeben und der 3 × 5 Pixelkontext 102 verschiebt sich zu der entsprechenden relativen Position um das neue Pixel. Bei diesem Beispiel ist es natürlich notwendig, daß Pixelsignalinformation für 3 benachbarte Scanzeilen verfügbar ist. Diese Information ist in dem Pixelzeilen-Puffer 95 gespeichert.
Diese mehreren Zeilen mit Pixelsignalinformation werden als nächstes für die digitale Bildverarbeitungsschaltung 97 verfügbar gemacht. In dieser Schaltung wird jedes Pixel in dem ausgewählten Pixelkontext 102 mit einem vorbestimmten Koeffizienten multipliziert, der in dem Filterkoeffizienten-ROM 98 gespeichert ist, und die resultierenden Produkte werden summiert, um einen neuen Wert für jedes Pixel zu erzeugen. Dieser Prozeß wird für jedes Pixel wiederholt, wobei der ausgewählte Satz von Koeffizienten für jedes neue Pixel und die umgebenden Pixel in dem neuen Pixelkontext angewendet wird. Bei dem zuvor genannten 3 × 5 Kontext 102 zum Beispiel ist ein Satz von 15 Koeffizienten in dem Filterkoeffizienten-ROM 98 gespeichert. Wenn diese folgendermaßen wiedergegeben werden:
a-1,-2 a-1,-1 a-1,0 -1,1 a-1,2
a0,-2 a0,-1 a0,0 a0,1 a0,2
a1,-2 a1,-1 a1,0 a1,1 a1,2
um den entsprechenden Pixeln in dem 3 × 5 Kontext 102 zu entsprechen, konvertiert die digitale Bildverarbeitungsschaltung das aktuelle Pixel P0,0 zu einem neuen Wert Pnew wie folgt:
Wenn das nächste Pixel verarbeitet wird, kann der neue Kontext ähnlich mit diesem Satz von Koeffizienten verarbeitet werden, um einen neuen Wert für dieses Pixel zu erzeugen. Mehrere Koeffizientensätze können in dem Filterkoeffizienten- ROM gespeichert sein, wobei jeder Satz dafür vorbestimmt ist, einen bestimmten Bildtyp zu verarbeiten. Ein Satz ist für Halbtonbilder vorteilhaft, ein anderer für Textbilder. Der richtige Satz von Koeffizienten kann manuell durch den Bediener des Scanners oder automatisch durch eine Schaltung (nicht gezeigt) ausgewählt werden, die eine besondere Klasse von Bildern erkennt. Der Koeffizientensatz, der für ein aktuelles Pixel angewendet wird, kann rasch gewechselt werden, d.h., er kann auf einer pixelweisen Basis gewechselt werden, wenn dies erforderlich sein sollte. Dabei ist zu beachten, daß die System-CPU 99 allgemein die Schaltungen und die oben beschriebenen Aktionen koordiniert, wobei sie auf der Basis eines Computercodes operiert, der in dem entsprechenden ROM (nicht gezeigt) gespeichert ist.
Um die Qualität der Bilddaten zu verbessern, die von der Fotosensoranordnung 82 mit durch die Linse 85 verursachten Defokussierungsfehlern ausgegeben werden, wird ein Bildwiederherstellungsverfahren mit drei Schritten angewendet:
(1) Bestimmen mittels Messen und/oder Berechnen der Eigenschaften der Defokussierungsabbildung der Linse 85 bei mehreren Stufen der Defokusierung über den erwarteten Bereich fokaler Fehler, und Berechnen der entsprechenden Bildwiederherstellungsfilter für jede Stufe;
(2) Aktivieren des Bildeingabeterminals, damit dieses den aktuellen Zustand der Defokussierung mißt, indem sie entsprechend lokalisierte Fokusmeßmarken scannt, wodurch die Stufe der für die Kompensierung der Komponenenten- und Anordnungsfehler erforderliche Defokussierungskorrektur festgestellt wird; und
(3) Verwenden digitaler Bildverarbeitungsschaltungen, Auswählen des Satzes von Filterkoeffizienten für die Bildwiederherstellung, der durch den aktuellen Zustand der Defokussierung angegeben wird, und Anwenden dieser Koeffizienten für das Bildsignal.
Dieses Verfahren wird mit Bezug auf ein Scannersystem mit Vollbreite, wie das in Fig. 2 gezeigte, beschrieben, von dem angenommen wird, daß es die funktionellen Möglichkeiten des in Fig. 5 dargestellten Scanners aufweist. Die weitere Anwendbarkeit dieses Verfahrens bei Scannern mit nur einer Linse, wie dem in Fig. 1 gezeigten, wird durch die folgende Beschreibung verdeutlicht.
In einem ersten Schritt werden die Defokussierungseigenschaften der Linse 85 in mehreren Schritten oder Stufen der Defokussierung über einen erwarteten Bereich fokaler Fehler gemessen und/oder berechnet, um die entsprechenden Bildwiederherstellungsfilter für jeden Schritt zu bestimmen. Um dies zu tun, wird eine Punktstreuung oder eine Streufunktion der ausgewählten Linsenkonstruktion als eine Funktion des Defokussierungsfehlers bei mehreren Stufen über einen Bereich von bis 4 mm der Defokussierung bestimmt. Die Anzahl der Schritte oder Stufen innerhalb des erwarteten Bereichs der Defokussierung, bei der die Punktstreufunktion bestimmt wird, hängt von dem Typ der Linse, dem voreingeschätzten Anordnungsfehler des Scannersystems und den möglichen Dokumentpositionsfehlern ab. Die Anzahl der Stufen, bei der die Punkt. oder Zeilenstreufunktion bestimmt wird, ist dabei vorzugsweise größer als 2 und kleiner als 10.
Wegen der anamorphen Natur der Eigenschaften der Linsenanordnung, die zuvor mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben wurde, werden diese Linsen vorzugsweise unter Verwendung der zweidimensionalen Punktstreufuntkion charakterisiert, wodurch die Bilddegradationseigenschaften für alle Richtungen in diesem Dokument erfaßt werden. Im folgenden wird auf Fig. 7 Bezug genommen, die eine typischen Punktstreufunktion zeigt, die in grünem Licht für eine Nippon Sheet Glass SLA09 Linsenanordnung gemessen wurde, wenn ein Fehler von 0,5 mm eingeführt wurde. Diese Abbildung zeigt, daß ein Lichtpunkt auf dem Dokument 11 nicht auf der Fotosensoranordnung als ein entsprechender Punkt abgebildet wird, sondern eine defokussierte Intensitätsverteilung aufweist, die über einen x-Positionsbereich von ungefähr 0,15 mm und einen y-Positionsbereich von ungefähr 0,10 mm an der Fotosensoranordnung 82 unscharf ist. Die mehrfachen Gipfel in dieser Punktstreufunktion werden durch das Unvermögen benachbarter Linsen in der Anordnung verursacht, auf demselben Punkt in der defokussierten Bildebene zusammenzutreffen. Die Punktstreufunktionen des in Fig. 7 gezeigten Typs werden auf deshalb berechnet oder gemessen und für verschiedene Defokussierungspositionen über den Bereich der erwarteten Defokussierungsfehler aufgezeichnet. Sie können zum Beispiel für die Schritte 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0 3,5 und 4,0 mm der Defokussierung aufgezeichnet werden, was einen Satz von acht Beschreibungen der Defokussierungsunschärfe ergibt. Wenn der Scanner in einem Farbauszugsmodus arbeitet, kann es auch notwendig sein, diesen Satz von acht Punktstreufunktionen in jeder der Belichtungsfarben zu erfassen, wenn das Verhalten der Linse sich stark mit den spektralen Eigenschaften der Belichtung verändert. Auf diese Weise können die chromatischen Aberrationen der Linse 85 berücksichtigt werden, wenn die Defokussierungseigenschaften des optischen Systems bestimmt werden.
Es ist allgemein üblich und vorteilhaft, bei der Erstellung der digitalen Filter, jede der Defokussierungspunktstreufunktionen in einem zweidimensionalen räumlichen Frequenzbereich zu beschreiben. Das wird bewerkstelligt, indem die zweidimensionale Fourier-Transformation der Punktstreufunktion berechnet wird und das Ergebnis am Null-Frequenzursprung normiert wird. Das ist eine auf dem Gebiet optischer Systemanalyse und der Erstellung digitaler Filter wohlbekannte Vorgehensweise. Die resultierende Funktion wird als zweidimensionale Modulationsübertragungsfunktion oder 2-D MTF bezeichnet. Fig. 8 stellt zum Beispiel einen Plot der 2-D MTF dar, die derartig aus der Punktstreufunktion der Defokussierung in Fig. 7 berechnet wurde. Auf diese Weise wird jede der aufgezeichneten Punktstreufunktionen über den fokalen Bereich transformiert, um einen entsprechenden Satz von 2-D-MTFs zu erzeugen.
Um die unerwünschte Unschärfe des Signals zu korrigieren, muß ein digitaler Bildwiederherstellungsfilter für jede der aufgezeichneten Unschärfefunktionen erstellt werden, wobei die in dem Satz der 2-D MTFs berechnete Information verwendet wird. Ein Ansatz bei der Erstellung eines Kompensationsfilters ist die Verwendung eines Umkehrfllters. Wenn die 2-D MTF-Oberfläche für eine bestimmte Bedingung der Unschärfe eines Bildes, wie die in Fig. 8 gezeigte, durch das Symbol H(fx, fy) repräsentiert wird, dann kann der umgekehrte Wiederherstellungsfilter wie folgt berechnet werden:
wobei HI(fx,fy) die Frequenzantwort des Filters in dem zweidimensionalen räumlichen Frequenzbereich, und fx und fy jeweils die Frequenzachsenvariablen in der Hauptscanrichtung und in der Nebenscanrichtung repräsentieren. Da die ursprüngliche unscharfe 2-D MTF H(fx,fy) sehr kleine Werte annehmen kann, die sich Null nähern, kann die umgekehrte Wiederherstellungfilterfrequenzantwort HI(fx,fy) sehr hohe Werte (relativ zu Eins) bei den höheren räumlichen Frequenzen annehmen. Das führt zu einer beachtlichen Reduzierung eines Rauschens in dem ursprünglich erfaßten Bild während des restlichen Wiederherstellungsvorgangs, der im folgenden beschrieben wird. Eine alternative Formel für die Berechnung eines gewünschten Wiederherstellungsfilters für die 2-D MTF-Funktion H(fx,fy) ist der folgendermaßen ausgedrückte Filter des Wienertyps:
wobei Hw(fx,fy) die Frequenzantwort des Filters in dem zweidimensionalen räumlichen Frequenzbereich beschreibt, Sn(fx,fy) das Rauschleistungsspektrum und Sf(fx,fy) das Signalleistungsspektrum ist. Eine übliche Variante zu der Wiener-Formel besteht darin, das Verhältnis der Leistungsspektren im Nenner der oben stehenden Gleichung durch eine einfache Konstante zu ersetzen, die dem Verhältnis zwischen der Rauschleistung und der Signalleistung des Systems nahekommt. Die Umkehrformel und die Wiener-Formel sind zwei von mehreren Wiederherstellungsfilterformeln, die bei der digitalen Filtererstellung verwendet werden. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gegeben, daß eine dieser allgemein bekannten Techniken für die Berechnung der entsprechenden Wiederherstellungsfilterfrequenzantwort für jede der aufgezeichneten Defokussierungsunschärfeantworten verwendet wird, d.h., daß ein besonderer Wiederherstellungsfiltertyp für jeden Schritt vorgesehen ist, bei dem eine Unschärfeantwort aufgezeichnet wurde. Während das Symbol H(fx,fy) oben verwendet wurde, um die 2-D MTF zu beschreiben, die durch die Unschärfeeigenschaften der Linse 85 an jeder Stufe der Defokussierung bedingt ist, ist zu beachten, daß andere vorhersehbare Unschärfefehler, wie eine durch die endliche Größe der Scanneröffnung an jedem Fotoplatz der Fotosensoranordnung 82 gegebene Unschärfe, optionell in H(fx,fy) enthalten sein können.
Als letzter Teil des Filtererstellungsvorgangs, werden die für den aktuellen Pixelkontext anzuwendenden Pixelkoeffizienten, die zuvor als ai,j beschrieben wurden, aus der berechneten Wiederherstellungsfilterfrequenzantwort erhalten, indem eine umgekehrte Fourier-Transformation auf der Frequenzantwort Hw(fx,fy) oder H,((fx,fy) des Wiederherstellungsfilters ausgeführt wird. Während dies theoretisch einen unendlichen Satz von Pixelkoeffizienten ergibt, können alle bis auf einige wenige der a0,0 umgebenden Koeffizienten ausgeschieden werden, wobei trotzdem eine gute Annäherung an die Wiederherstellungseigenschaften des berechneten Wiederherstellungsfilters erhalten wird. Als ein Beispiel für diese letzte Operation zeigt Fig. 9 eine Wiederherstellungsfilter-Frequenzantwort H,(fx,fy), die unter Verwendung der oben stehenden umgekehrten Filterformel für die Wiederherstellung eines durch einen 0,5 mm Defokussierungsfehler unscharf gemachten Bildes berechnet wurde, wie durch H(fx,fy) in Fig. 8 dargestellt. Die umgekehrte Fourier-Transformation der in Fig. 9 gezeigten Frequenzantwort ergibt nach dem Weglassen der weniger wichtigen Werte einen Satz von Koeffizienten ai,j, der, wie oben beschrieben, für das aktuelle Pixel angewendet werden kann, um das unscharfe Bild in einer Qualität wiederherzustellen, die dem Originalbild nahekommt. Die resultierenden ai,j in diesem Beispiel verwenden einen 5 × 5 Pixelkontext, der wie folgt gegeben ist:
Auf diese Weise ist für jede der Defokussierungsstufen für die Linse 85 mit bekannten Techniken ein entsprechender Satz von Wiederherstellungskoeffizienten abgeleitet worden. Die Berechnung dieser Wiederherstellungskoeffizienten schließt den ersten Schritt der vorliegenden Erfindung ab. Diese Wiederherstellungskoeffizienten werden verwendet, um die nachteiligen Effekte einer Defokussierungsunschärfe und die damit verbundenen Bildfehler auf dem digital verarbeiteten Bildsignal zu reduzieren.
In einem zweiten Schritt wird der tatsächliche Zustand der Fokussierung des in einem bestimmten Gerät eingebauten optischen Systems bestimmt. Um den Zustand der Defokussierung in einer bestimmten Scannerstruktur dynamisch zu messen, wird ein Ziel auf dem Glas der Auflagefläche 12 oder auf einer anderen geeigneten Struktur plaziert, um die Stufe der Defokussierungskorrektur festzustellen, die erforderlich ist, um die durch die Anordnung oder durch einzelne Komponenten bedingten Fehler in einer bestimmten Anordnung zu kompensieren. Die Testmarke kann eine isolierte Linie oder ein kleines Testobjekt mit mehreren Linien und einer bekannten Modulation enthalten, wobei die Testmarke eine räumliche Frequenz aufweist, die ausreichend hoch ist, um für Defokussierungsfehler empfindlich zu sein. Idealerweise sollte die Testmarke in einer Ebene lokalisiert sein, die die Position (d.h. die Objektkonjugation) des zu scannenden Dokuments oder Bildes repräsentiert. Die Testmarke kann zum Beispiel in einem Bereich der Auflagefläche, der häufig für Kalibrierungstestmarken 101 verwendet wird, oder unter einem seitlichen Registrierungsstreifen lokalisiert sein, wo sie periodisch während des Scannens abgelesen werden kann. Das optische System mit der Linse 85, der Fotosensoranordnung 82 und der Beleuchtung 64 wird unter Kontrolle der System-CPU 99 unter der bekannten Lokation der Fokusmeßtestmarke positioniert. Das Bild des Testmarke wird dann auf die Fotosensoranordnung 82 projiziert, wobei dieses Bild einen Grad an optischer Unschärfe enthält, der demjenigen entspricht, der auftritt, wenn das Dokument 11 abgebildet wird. Das digitale Signal aus der Fotosensoranordnung 82 kann dann unter der Kontrolle der System-CPU 99 verwendet werden, um die reduzierte Modulation der Testmarke zu berechnen, indem zum Beispiel die maximalen und minimalen Signalwerte gespeichert werden, die während des Scannens über der Testmarke mit mehreren Strichen erhalten wurden, und indem die Modulation als das Verhältnis zwischen der Differenz dieser maximalen und minimalen Werte und der Summe dieser maximalen und minimalen Werte berechnet wird. Da die Unschärfeeigenschaften der Linse 85 zuvor bestimmt wurden und die Fokustestmarke eine bekannte räumliche Frequenz und Modulation aufweist, kann die Reduktion in der Modulation dieser Testmarke direkt mit einem der zuvor gemessenen Zustände der Defokussierung korreliert werden. Zu diesem Zweck ist eine Nachschlagtabelle, die einen der zuvor gemessenen Zustände der Defokussierung mit der gerade bestimmten Reduktion in der Modulation der Fokustestmarke identifiziert, in einem ROM (nicht gezeigt) der System-CPU 99 gespeichert. Auf diese Weise wird der bestimmte Zustand der Defokussierung des optischen Systems mit der Auflagefläche 12, der Linse 85 und der Fotosensoranordnung 82 bestimmt, wobei dieser Zustand mit einer der zuvor bewerteten Stufen der Defokussierung und dem damit verbundenen digitalen Filterkoeffizienten identifiziert werden kann, der für die Korrektur dieser Defokussierungsstufe erforderlich ist.
Die Häufigkeit, mit der eine Defokussierungsbestimmung gemacht wird, ist variabel. Die Testmarke kann zum Beispiel einmal nach abgeschlossener Montage und Ausrichtung abgelesen werden, wobei eine bewegliche Testmarke auf der Auflagefläche verwendet wird, und die erforderliche Stufe der Defokussierungskorrektur kann für die gesamte Lebenszeit der Maschine gespeichert werden. Alternativ dazu kann eine Testmarke in der Maschine eingebaut sein und nach jedem Start der Maschine abgelesen werden, damit jegliche Änderungen in den optischen Komponenten (die zum Beispiel durch Feldersetzungen verursacht werden) kompensiert werden können. Alternativ dazu kann die Testmarke mehrere Male während des Scannens eines einzigen Bildes abgelesen werden, um Objektkonjugationsfehler während des Scanvorgangs zu kompensieren. Bei Farbdokumentscannern kann die Testmarke in jeder Farbe abgelesen werden, um eine Defokussierung festzustellen und zu korrigieren, die durch chromatische Differenzen der Fokussierung verursacht werden. Auf diese Weise kann der Satz von Wiederherstellungsfilterkoeffizienten, der in der digitalen Bildverarbeitungsschaltung 97 verwendet wird, für jede Farbe modifiziert werden, wodurch die chromatischen Aberrationen der Linse 85 kompensiert werden.
Im letzten Schritt wird die Wiederherstellung des unscharfen Bildes in der digitalen Bildverarbeitungsschaltung 97 unter Verwendung der im Filterkoeffizienten- ROM 98 gespeicherten Filterkoeffizienten vorgenommen. Alle Sätze von Bildwiederherstellungskoeffizienten, die für mehrere Stufen einer möglichen optischen Defokussierung bestimmt wurden, sind in dem Filterkoeffizienten-ROM 98 gespeichert. Dies wird vorzugsweise vor der Montage des Bildeingabeterminals durchgeführt, kann aber auch danach vorgenommen werden, indem die ROM-Chips durch RAMs ersetzt werden, in die die Koeffizienten jederzeit dynamisch geladen werden können. Nachdem der aktuelle Zustand der Defokussierung des Bildeingabeterminais dem oben beschriebenen Verfahren entsprechend bestimmt ist, stellt die System-CPU 99 Information für die digitale Bildverarbeitungsschaltung 97 zur Verfügung, die angibt, welche der vorbestimmten Stufen der Defokussierung den aktuellen Zustand der Defokussierung in der Maschine am besten wiedergibt. Die digitale Bildverarbeitungsschaltung wird auf diese Weise aktiviert, um den für den aktuellen Zustand der Defokussierung der Maschine am besten geeigneten Satz der Bildwiederherstellungsfilterkoeffizienten zu lesen und für die Pixelsignale anzuwenden.
Die automatische Feststellung des Fokuszustands und die darauf folgende Auswahl des optimalen Wiederherstellungsfilterkoeffizienten ist zwar der bevorzugte Betriebsmodus, es kann jedoch unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein, diese Auswahl manuell zu übergehen. Wenn zum Beispiel ein verrauschtes Dokument abzubilden ist, kann der automatisch ausgewählte Wiederherstellungsfilter eine übermäßige Steigerung des hochfrequenten Rauschens erzeugen. In derartigen Fällen ist es vorteilhaft, dem Bediener zu gestatten, Informationen über eine Benutzerschnittstelle (nicht gezeigt) einzugeben, die der System-CPU signalisiert, eine durch den Bediener angegebene Wahl des Filters anstatt der automatisch vorgenommenen Auswahl zu verwenden.
In der vorausgegangenen Beschreibung wurde angenommen, daß ein einziger Defokussierungszustand festgestellt und ein richtig ausgewählte Satz von Bildwiederherstellungsfiltekoeffizienten für alle Pixel in dem Bildsignal des gescannten Dokuments angewendet werden kann. Es ist jedoch auch möglich, daß der Zustand der Fokussierung in verschiedenen Teilen des Dokuments variiert. Das kann auftreten, wenn die Gradientenfaser-Linsenanordnung 85 nicht absolut parallel zu der Glasauflagefläche ausgerichtet ist. Es kann auch aufgrund der natürlichen Zunahme der Unschärfe auftreten, die auftritt, wenn die Enden der Scanzeile, wie zuvor mit Bezug auf die optische Architektur für eine Verkinerung in Fig. 1 beschrieben wurde, mit einer einzigen Linse 55 abgelesen werden. In diesen Fällen können mehrere verschiedene Defokussierungszustände entlang derselben Hauptscanzeile auftreten. Derartige mehrfache Defokussierungszustände entlang einer Scanzeile können festgestellt und korrigiert werden, indem mehrere Testmarken zur Feststellung der Fokussierung in einer Lokation verwendet werden, die von der Scanzeile abgelesen werden kann. Fig. 10 zeigt zum Beispiel einen auf der Auflageflächel 2 befestigten Materiatreifen 104 mit gegenüber der Vollbreitenlinse 85 oder einer einzigen Linse 55 angeordneten Testmarken 105 für das Messen der Fokussierung. Ein derartiges mechanisches Plazieren des optischen Systems, daß die Testmarken 105, wie angegeben, von einer Zeile in der Hauptscanrichtung entlang der Zeile L&sub0; abgelesen werden, gestattet es, daß der Zustand der Fokussierung an mehreren Positionen entlang einer einzigen Scanzeile festgestellt wird. Derartige mehrfache Zustände werden berechnet und an die digitale Bildverarbeitungsschaltung 97 vor dem Start des Scannens des Dokuments 11 geleitet. Auf diese Weise werden während des Scannens des Dokuments 11 die Wiederherstellungsfilterkoeffizienten für die entsprechende aktuelle Position des Pixels entlang des Scanzeile richtig identifiziert und angewendet. Dieser Ansatz für die Korrektur mehrerer Zustände der Defokussierung in einem Dokument kann in ähnlicher Weise auf Fokusvariationen in der Nebenscanrichtung ausgedehnt werden, indem ein Streifen mit mehreren Testmarken des in Fig. 10 gezeigten Typs entlang der senkrecht zu der Hauptscanrichtung ausgerichteten Kante eines Dokuments befestigt und abgelesen wird. Bei dieser letztgenannten Anordnung kann es vorteilhaft sein, die einzelnen Testmarken 105 für die Messung der Fokussierung um 90º zu drehen oder Testmarken mit einer Rotation von 0º und 90º vorzusehen, um eine Messung der Defokussierung in beiden Scanrichtungen zu gestatten.
Aus der vorangegangenen Beschreibung ist deutlich geworden, daß die Tiefenschärfe eines Scannersystems elektronisch auf additive Weise gesteigert werden kann, um die Bildwiedergabetreue zu maximieren. Das System kompensiert Fokussierungsfehler, die durch die Toleranzen optischer Komponenten und deren Ausrichtung verursacht werden. Das System erlaubt die Abschwächung dieser Toleranzen, wobei gleichzeitig die Bildqualität beibehalten wird.

Claims

1. Bildscannervorrichtung (10, 90) mit

einer Bildauflagefläche (12)

einem Scanner zum Scannen eines Bildes (11) auf der Bildauflagefläche (12), wobei der Scanner ein optisches Element (55, 85) für das Empfangen optischer Bilddaten von einem Bild (11) auf der Bildauflagefläche (12) und einen Fotorezeptor (40, 82) für das Empfangen optischer Bilddaten aus dem optischen Element (55, 85) und für das Konvertieren der optischen Daten zu einem elektrischen Datensignal aufweist,

einer Bereitstellungseinrichtung (98) zum Bereitstellen eines Satzes von Bildwiederherstellungsdaten, wobei jeder Satz der Bildwiederherstellungsdaten eine andere von mehreren Defokussierungsstufen des optischen Systems (55, 85) über einen erwarteten Bereich von fokalen Fehlern repräsentiert, die den aus dem Fotorezeptor (40, 82) empfangenen optischen Bilddaten entspricht,

einer Auswahleinrichtung zum Auswählen eines der Sätze der Bildwiederherstellungsdaten, die durch die Bereitstellungseinrichtung (98) bereitgestellt sind, und

einer Verarbeitungseinrichtung (97) zum Empfangen des elektrischen Datensignals aus dem Fotorezeptor (40, 82) und eines Satzes von Bildwiederherstellungsdaten aus der Bereitstellungseinrichtung (98) und zum Modifizieren des elektrischen Datensignals in Übereinstimmung mit den Bildwiederherstellungsdaten,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10, 90) weiterhin eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des aktuellen Zustands der Defokussierung der Bildscannervorrichtung in Übereinstimmung mit den optischen Bilddaten auf dem Fotorezeptor (40, 82) aufweist, wobei die Bestimmungseinrichtung wenigstens eine entsprechend lokalisierte Meßtestmarke (105) aufweist und betrieben werden kann, um eine Defokussierungsstufe für die Vorrichtung (19, 90) unter Verwendung der von der Meßtestmarke (105) erhaltenen Buddaten zu bestimmen, wobei der Satz der Wiederherstellungsdaten in Übereinstimmung mit der bestimmten Defokussierungsstufe ausgewählt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellungseinrichtung (98) einen Speicher zum Speichern der Vielzahl von Wiederherstellungsdaten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bereitstellungseinrichtung (98) einen Wiener-Filter verwendet, um die Bildwiederherstellungsdaten für jede Defokussierungsstufe zu berechnen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiterhin eine Einrichtung zum Bereitstellen von Bildqualitätsdaten für die Verarbeitungseinrichtung (97) aufweist, die die Qualität des Bildes (11) auf der Bildauflagefläche (12) angeben.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element eine Linse (55) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das optische Element eine Linsensanordnung oder eine Gradientenfaser-Linsenanordnung (85) ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Fotorezeptor (40, 82) eine lineare Anordnung von lichtempfindlichen Elementen aufweist.

8. Verfahren zum Korrigieren der Defokussierung einer Bildscannervorrichtung (10, 90) mit einem optischen Element (55, 85) zum Bereitstellen optischer Bildinformation für einen Fotorezeptor (40, 82), der ein der optischen Bildinformation entsprechendes elektrisches Datensignal ausgibt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Bestimmen der Defokussierungseigenschaften des optischen Elements (55, 85) für eine Vielzahl von Defokussierungsstufen über einen erwarteten Bereich von fokalen Fehlern,

b) Konvertieren der Defokussierungseigenschaften des optischen Elements (55, 85) für jede Defokussierungsstufe zu einem Satz von Korrekturdaten und Speichern der Korrekturdaten,

c) Auswählen eines Satzes von Korrekturdaten, und

d) Korrigieren des elektrischen Bildsignals aus dem Fotorezeptor (40, 82) in Übereinstimmung mit den ausgewählten Korrekturdaten,

dadurch gekennzeichnet, daß Schritt c) das Bestimmen des aktuellen Zustands der Defokussierung der Bildscannervorrichtung (10, 90) durch Scannen wenigstens einer entsprechend lokalisierten Meßtestmarke (105) und das Bestimmen einer Defokussierungsstufe der Vorrichtung aus den elektrischen Signaldaten, die die Meßfokusmarke (105) repräsentieren umfaßt, wobei der Satz der ausgewählten Korrekturdaten der bestimmten Defokussierungsstufe entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt a) das Bestimmen der Defokussierungeigenschaften für Licht mit einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen und Schritt c) das Bestimmen der durch das optische Element (55, 85) empfangenen Lichtwellenlänge während der Bestimmung der Defokussierungsstufe umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das weiterhin einen Schritt zum Bestimmen der Korrekturfaktoren für jedes Pixel des Fotorezeptors (40, 82) umfaßt.