-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Photosensorarrays, die für Optikbildscanner
verwendet werden.
-
Bildscanner
wandeln ein sichtbares Bild auf einem Dokument oder einer Photographie
oder ein Bild in einem transparenten Medium in eine elektronische
Form um, die für
ein Kopieren, Speichern oder Verarbeiten durch einen Computer geeignet
ist. Ein Bildscanner kann eine getrennte Vorrichtung oder ein Teil
eines Kopierers, Teil eines Faksimilegeräts oder Teil einer Mehrzweckvorrichtung
sein. Reflektierende Bildscanner weisen in der Regel eine gesteuerte Lichtquelle
auf, und Licht wird von der Oberfläche eines Dokuments durch ein
Optiksystem hindurch auf ein Array von photoempfindlichen Bauelementen
abreflektiert. Die photoempfindlichen Bauelemente wandeln eine empfangene
Lichtintensität
in ein elektronisches Signal um. Transparentfolienbildscanner schicken
Licht durch ein transparentes Bild, z. B. ein photographisches Diapositiv,
durch ein Optiksystem hindurch und anschließend auf ein Array aus photoempfindlichen
Bauelementen.
-
Herkömmliche
Photosensortechniken umfassen ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD),
Ladungsinjektionsbauelemente (CID), Komplementärmetalloxid-(CMOS)-Bauelemente
und Solarzellen. In der Regel ist bei einem CID- oder CMOS-Array
jedes photoempfindliche Element adressierbar. Im Gegensatz dazu übertragen
CCD-Arrays Ladungen meistens zu Ladungstransferregistern, wo Ladungen
seriell in einem Eimerkettenstil zu einer kleinen Anzahl von Erfassungsknoten
zur Umwandlung von Ladung in eine meßbare Spannung übertragen
werden. Das vorliegende Patentdokument befaßt sich hauptsächlich mit
Photosensorarrays mit seriellen Ladungstransferregistern, die auch
als serielle Ausleseregister bezeichnet werden.
-
Photosensorarrays
für Bildscanner
weisen in der Regel zumindest drei Linienarrays aus Photosensoren
auf, wobei jedes Linienarray ein unterschiedliches Lichtwellenlängenband
empfängt,
z. B. rot, grün und
blau. Jedes Linienarray kann gefiltert sein, oder es kann weißes Licht
durch einen Strahlteiler in unterschiedliche Wellenlängenbänder getrennt
sein.
-
Bei
einem Linienarray empfängt
eine Linie aus photoempfindlichen Bauelementen Licht von einer Zeile
auf dem Dokument, die als Abtastzeile bezeichnet wird. Jedes photoempfindliche
Bauelement, in Verbindung mit dem Scanneroptiksystem, mißt eine
Lichtintensität
von einer Wirkfläche
auf dem Dokument, die ein Bildelement (Pixel) auf dem gerade gescannten
bzw. abgetasteten Bild definiert. Die optische Abtastrate wird oft
als Pixel pro Zoll (oder mm) ausgedrückt, wie sie auf dem gerade
abgetasteten Dokument (oder Gegenstand oder Transparentfolie) gemessen
wurden. Die optische Abtastrate, wie auf dem gerade abgetasteten
Dokument gemessen, wird auch als Eingabeabtastrate bezeichnet. Die
systemeigene Eingabeabtastrate wird bestimmt durch die Optik und
den Abstand der einzelnen Sensoren. Manche Photosensoranordnungen
weisen mehrere Sätze
aus Linienarrays auf, wobei jeder Satz eine unterschiedliche optische
Abtastrate liefert. Das vorliegende Patentdokument befaßt sich
hauptsächlich
mit Photosensorarrays, die mehrere optische Abtastraten liefern.
-
In
der Regel werden bei CCD-Linienarrays mit Ladungstransferregistern
Ladungen aus einer Belichtung zu einem Ladungstransferregister übertragen,
und während
die Ladungen in dem Ladungstransferregister verschoben und umgewandelt
werden, werden die Photosensoren wieder dem Licht ausgesetzt. In
der Regel ist die Belichtungszeit für jede Abtastzeile im wesentlichen
die gleiche wie die Zeit, die erforderlich ist, um Ladungen aus
dem Ladungstransferregister zu verschieben und umzuwandeln. In der
Regel ist die Abtastgeschwindigkeit hauptsächlich durch die Ana log/Digital-Umwandlungszeit
begrenzt. Bei einer Photosensoranordnung mit mehreren optischen
Abtastraten (was zu Ladungstransferregistern mit unterschiedlichen
Anzahlen von Stufen führt)
ist eine Belichtungszeit, die für eine
optische Abtastrate optimiert ist, nicht für eine unterschiedliche optische
Abtastrate optimiert. Insbesondere ist die Zeit, die erforderlich
ist, um Ladungen aus einem Ladungstransferregister für eine niedrige optische
Abtastrate zu verschieben und umzuwandeln, kürzer als die Zeit, die erforderlich
ist, um Ladungen aus einem Ladungstransferregister für eine hohe
optische Abtastrate zu verschieben und umzuwandeln. Als Beispiel
sei eine Photosensoranordnung mit zwei Linienarrays betrachtet,
wobei ein Linienarray mit 1.000 Photosensoren eine optische Abtastrate
(in Verbindung mit einem Optiksystem) von 25 Pixel pro Millimeter
liefert und ein zweites Linienarray mit 4.000 Photosensoren eine
optische Abtastrate von 100 Pixel pro mm liefert. Für das erste
Linienarray kann die Lichtintensität und die Verschiebungsrate
des Ladungstransferregisters so eingestellt sein, daß in der
Zeit, die benötigt
wird, um 1.000 Ladungen zu verschieben und umzuwandeln, ein Photosensor, der
einem weißen
Dokument ausgesetzt wird, beinahe seinen Sättigungswert erreicht. Das
zweite Linienarray und Ladungstransferregister müssen jedoch viermal so viele
Ladungen verschieben und umwandeln, was zu einer viermal längeren Belichtungszeit führt. Ist
die Lampenintensität
für die
Zeit optimiert, die erforderlich ist, um 1.000 Ladungen zu verschieben
und umzuwandeln, erreichen Photosensoren in beiden Linienarrays
ihren Sättigungswert,
während sie
während
der Zeit, die benötigt
wird, um 4.000 Ladungen zu verschieben und umzuwandeln, ausgesetzt
werden. Ist die Lampenintensität
für die
Zeit optimiert, die erforderlich ist, um 4.000 Ladungen zu verschieben
und umzuwandeln, sind Abtastvorgänge,
die das erste Linienarray verwenden, viermal langsamer als optimal,
da die Belichtungszeiten viermal länger sind als die Zeit, die
erforderlich ist, um 1.000 Ladungen zu verschieben und umzuwandeln.
-
Bei
einem im Handel erhältlichen
Scanner sind die Lampenintensität
und die Verschiebungsraten des Ladungstransferregisters für die niedrigste optische
Abtastrate optimiert, um minimale Abtastzeiten zu liefern. Werden
die höheren
optischen Abtastraten verwendet, so erfordert jede Abtastzeile mehrere
Belichtungen, wobei jede der Belichtungen gleich lang andauert und
bei jeder Belichtung ein Bruchteil der Ladungen verschoben und umgewandelt
und ein Bruchteil der Ladungen verworfen wird. So erfordert z. B.,
unter Verwendung des Beispiels des obigen zweiten Linienarrays,
eine einzelne Abtastzeile vier Belichtungen. Bei der ersten Belichtung werden
die ersten 1.000 Ladungen verschoben und umgewandelt, und die verbleibenden
3.000 Ladungen werden rasch hinausgeschoben und verworfen. Bei der
zweiten Belichtung werden die ersten 1.000 Ladungen rasch hinausgeschoben
und verworfen, die zweiten 1.000 Ladungen verschoben und umgewandelt
und die letzten 2.000 Ladungen rasch hinausgeschoben und verworfen
usw.
-
Eine
Ladung in der Eingangsleitung zu dem Verstärker muß nach einer Umwandlung entladen werden,
so daß Verstärker für Linienarrays
meistens über
einen Schalter verfügen,
der als Rückstellschalter
bezeichnet wird und nach jeder Umwandlung die Eingangsleitung entlädt. Der
Rückstellschalter
kann dazu verwendet werden, Ladungen während eines raschen Verschiebens
zu verwerfen.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Abtasten mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4 sowie eine
Vorrichtung gemäß Anspruch
7 oder 9 gelöst.
-
Ein
Linienarray wird für
jede Abtastzeile zweimal ausgesetzt. Bei der ersten Belichtung werden
Ladungen nach einer geeigneten Belichtungszeit, die die Photosensoren
nicht sättigt,
von dem Linienarray zu dem Ladungstransferregister übertragen.
Während
die resultierenden Ladungen verschoben und umgewandelt werden, wird
das Linienarray erneut für
eine relativ lange Dauer ausgesetzt, was möglicherweise zu einem Überlauf
führt.
Die Ladungen in dem Linienarray aus der zweiten Belichtung (während der
Verschiebung und Umwandlung) werden verworfen.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm eines
beispielhaften Ausführungsbeispiels
eines Photosensorarrays.
-
2 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
eines Zeitdiagramms.
-
3 ein Flußdiagramm
eines beispielhaften Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens.
-
1 stellt ein beispielhaftes
Ausführungsbeispiel
einer Photosensoranordnung mit Linienarrays dar, die mehrere Abstände aufweisen,
was zu mehreren optischen Abtastraten führt. Ein erstes Linienarray
aus Photosensoren 100 liefert eine erste optische Abtastrate.
Zwei versetzte Linienarrays aus Photosensoren 102 und 104,
wenn kombiniert, liefern eine optische Abtastrate, die höher als
die optische Abtastrate des ersten Linienarrays ist. Ladungen aus
dem ersten Linienarray aus Photosensoren werden durch ein Ladungstransfergatter 106 hindurch
zu einem ersten Ladungstransferregister 108 übertragen.
Ladungen aus dem Linienarray 102 werden durch ein Ladungstransfergatter 110 hindurch
zu einem Ladungsschieberegister 112 übertragen, und Ladungen aus
dem Linienarray 104 werden durch ein Ladungstransfergatter 114 hindurch
zu einem Ladungstransferregister 116 übertragen. Ladungen aus den
Ladungstransferregistern 108, 112 und 116 werden
seriell zu einem Verstärker 118 verscho ben
und dann durch einen Analog-/Digital-Wandler 120 umgewandelt.
Einzelne Stufen in dem Ladungstransferregister 108 sind
physisch größer als
einzelne Stufen in den Ladungstransferregistern 112 und 116 und
können
daher mehr Ladung halten. Dementsprechend wird der Gewinn des Verstärkers vorzugsweise
auf eine niedrigere Verstärkung
relativ zu der Verstärkung,
die für
die Ladungstransferregister 112 und 116 verwendet
wird, eingestellt, wenn das Ladungstransferregister 108 verwendet
wird.
-
Bei
intensivem Licht oder langen Belichtungen können Photosensorladungstöpfe ihren
Sättigungswert
erreichen, und überschüssige Ladung kann
in benachbarte Photosensorladungstöpfe überlaufen, was zu einer Ausblühung bzw.
Leuchtüberhellung
(die resultierenden hellen Bereiche in dem digitalisierten Bild
sind größer als
die tatsächlichen
hellen Bereiche) führt.
Bei CCD-Arrays ist es üblich, Überlaufabflüsse (auch
Antiausblühungsabflüsse genannt)
bereitzustellen, um jegliche überschüssigen Ladungen
abzuführen,
um eine Ausblühung
zu verhindern. Ein Überlaufabfluß kann unter
den Ladungstöpfen
(ein sogenannter vertikaler Überlaufabfluß) oder
benachbart zu Photodetektoren (ein sogenannter seitlicher Überlaufabfluß) hergestellt
sein. In 1 führt ein
seitlicher Überlaufabfluß 120 überschüssige Ladungen
aus dem Linienarray 100 und ein seitlicher Überlaufabfluß 122 überschüssige Ladungen
aus den Linienarrays 102 und 104 ab.
-
Wenn
die Photosensoranordnung aus 1 in
einem Bildscanner verwendet wird und Photosensoren in dem Linienarray 100 Licht
von der Lampe empfangen, das von einem weißen Bereich auf einem Dokument
gestreut wird, kann die Lampenintensität so eingestellt werden, daß das Zeitintervall,
das erforderlich ist, um Ladungen aus dem Ladungstransferregister 108 zu
verschieben und umzuwandeln, zu einer nahezu vollständigen Sättigung
von Photosensoren in dem Linienarray 100 führt. Dies
ermöglicht
schnelle Abtastvorgänge
bei der niedrigeren optischen Abtastrate. Die Photosensoren in den Linienarrays 102 und 104 werden
der gleichen Lichtintensität
wie die Photosensoren in dem Linienarray 100 ausgesetzt.
Für die
Linienarrays 102 und 104 werden zwei Belichtungen
pro Abtastzeile verwendet. Während
einer ersten Belichtung mit relativ kurzer Dauer werden gewünschte Ladungen
akkumuliert. Während
die gewünschten
Ladungen dann umgewandelt werden, werden die Photosensoren unvermeidlich
für eine
relativ lange Belichtungszeit ausgesetzt, während der manche Photosensoren
ihren Sättigungswert
erreichen oder überlaufen
können. Die
resultierenden unerwünschten
Ladungen werden verworfen. Der Prozeß wiederholt sich dann mit
einer relativ kurzen Belichtungszeit, wobei die resultierenden Ladungen
umgewandelt werden, gefolgt von einer relativ langen Belichtungszeit,
wobei die resultierenden Ladungen verworfen werden.
-
Zum
Abziehen von unerwünschten
Ladungen stehen mehrere Optionen zur Verfügung. Eine Option besteht darin,
eine variable Schwelle auf den Überlaufabflüssen bereitzustellen
und alle Ladungen vor der gewünschten
Belichtung vollständig
abzuleiten. Ein variabler Schwellenüberlaufabfluß, der die Photosensoren
vollständig
entladen kann, wird manchmal als elektronischer Verschluß bezeichnet. Allgemein
bringen elektronische Verschlüsse
zusätzliche
Kosten und zusätzlichen
Schaltungsbereich relativ zu einem Überlaufabfluß mit einer
festen Schwelle mit sich. Eine alternative Option besteht darin,
eine feste Schwelle auf den Überlaufabflüssen zu haben,
die Ladungen zu dem Ladungstransferregister zu übertragen und rasch ohne eine
Umwandlung während
der kurzen Belichtungszeit zu verschieben. Der Rückstellschalter kann verwendet
werden, um Ladungen gegen Masse zu entladen, wenn keine Umwandlung
benötigt
wird.
-
2 ist ein Beispiel eines
Zeitdiagramms, das die zweite Option darstellt. Ein Signal SH öffnet die
Ladungstransfergatter und ermöglicht
so, daß Ladung
von den Linienarrays zu den Ladungstransferregistern übertragen
wird. Die Signale Φ1
und Φ2 zeigen
Steuersignale zum Verschieben von Ladungen in einem Zweiphasenladungstransferregister. Ein
Signal RS ist ein Steuersignal für
einen Rückstellschalter,
an dem Eingang des Verstärkers,
der Ladung abzieht, wenn das Signal wie in 2 dargestellt in seiner invertierten
Form niedrig ist. Die Anzahl von Verschiebungen in 2 dienen lediglich der Erläuterung,
und in einem typischen Photosensorarray gäbe es Tausende von Verschiebungen.
-
In 2 entspricht der Zeitraum
von Zeitpunkt „A" bis Zeitpunkt „B" der ersten Belichtung
in der obigen Erörterung
von 1, und der Zeitraum von
Zeitpunkt „B" bis Zeitpunkt „C" der zweiten Belichtung.
Zu dem Zeitpunkt „A" beginnt die Akkumulation
gewünschter
Ladungen. Während
des Zeitraums von Zeitpunkt „A" bis Zeitpunkt „B" werden unerwünschte Ladungen,
die während
der vorhergehenden Belichtung akkumuliert wurden, durch rasches Verschieben
derselben zu dem Rückstellschalter ohne
Umwandlung verworfen. Das Zeitintervall von Zeitpunkt „A" bis Zeitpunkt „B" (und daher die Verschiebungsrate
während
des Zeitintervalls von Zeitpunkt „A" bis Zeitpunkt „B") ist darauf ausgelegt, eine geeignete
Belichtungszeit für
die Linienarrays mit höherer
optischer Abtastrate (1, 102 und 104)
zu liefern. Zu dem Zeitpunkt „B" haben sich die gewünschten
Ladungen akkumuliert und alle unerwünschten Ladungen wurden verworfen.
Zu dem Zeitpunkt „B" bewirkt das Signal
SH, daß die
gewünschten
Ladungen, die während
des Zeitintervalls von Zeitpunkt „A" bis Zeitpunkt „B" akkumuliert wurden, zu Ladungstransferregistern übertragen
werden. Von Zeitpunkt „B" bis Zeitpunkt „C" werden die Ladungen,
die während
des Zeitraums von Zeitpunkt „A" bis Zeitpunkt „B" akkumuliert wurden,
zu dem Verstärker
verschoben und durch den Analog/Digital-Wandler umgewandelt. Das
Rückstellsignal
RS entlädt
nach jeder Umwandlung die Eingangsleitung zu dem Verstärker. Während des
Zeitraums von Zeitpunkt „B" bis Zeitpunkt „C" sammeln die Linienarrays Ladung
an, die einen Überlauf
zu den Überlaufabflüssen bewirken
kann. Zu dem Zeitpunkt „C" ist die Umwandlung
der gültigen
Ladungen abgeschlossen, und das Signal SH bewirkt, daß die uner wünschten Ladungen
in den Linienarrays zu den Ladungstransferregistern übertragen
werden. Die beiden Belichtungen wiederholen sich dann für eine neue
Abtastzeile.
-
3 stellt ein beispielhaftes
Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens dar. Bei Schritt 300 werden die Photosensoren
für eine
geeignete Belichtungszeit Licht ausgesetzt, und zu einem früheren Zeitpunkt
akkumulierte Ladungen werden verworfen (z. B. elektronischer Schalter
oder durch Verschieben ohne Umwandlung). Bei Schritt 302 werden
die Photosensoren ein zweites Mal Licht ausgesetzt, während Ladungen
aus der ersten Belichtung umgewandelt werden.
-
Die
Photosensoranordnung aus 1 dient lediglich
als Beispiel. Es kann ein einzelnes Linienarray für eine hohe
optische Abtastrate anstelle von zwei versetzten Arrays wie dargestellt
vorliegen. Es können
mehr als zwei optische Abtastraten vorliegen. Das Verhältnis der
optischen Abtastraten kann sich von dem dargestellten Verhältnis unterscheiden. Es
können
mehrere Linienarrays vorliegen, die dafür vorgesehen sind, unterschiedliche
Lichtwellenlängenbänder zu
empfangen. Mehrere Linienarrays können sich Strukturen wie z.
B. Überlaufabflüsse und
Ladungstransferregister teilen. Ladungstransferregister sind in
der Regel in mehrere Phasen aufgeteilt, so daß während des Verschiebens jede
Ladung in eine leere Stufe in einer gesteuerten Richtung verschoben
wird. Zwei-, Drei- und Vierphasenladungstransferregister sind bekannt.
Das Beispiel aus 1 ist
zum Zweck der Erläuterung
vereinfacht und zeigt für
jeden Photosensor nur eine Ladungstransferregisterstufe.