CN1173548C - 彩色图象传感器中光检测器的改进排列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有光检测器改进排列的彩色图象传感器。按照一个实施例，一种公开的彩色图象传感器包含一个光检测器阵列，这些光检测器中，每隔一个具有一第一型光谱特性，而每隔另外一个则交替地具有一第二和一第三型光谱特性。该阵列可以是单排和两排。在单排中，第一型光检测器交替地与第二和第三型光检测器相嵌合。在两排中，第一排包含第一型光检测器，而第二排则包含第二和第三型光检测器。来自各光检测器的信号随后经适当合成，使由于在各光检测器之间的物理间隙所引发的对正配齐问题减至最小，从而使为重组这些信号所需的存储缓冲器大量减少或消除。

Description

彩色图象传感器中光检测器的改进排列

技术领域

本发明通常涉及图象传感系统，具体涉及在彩色图象传感器中光检测器的改进排列，以使其中存储缓冲器的数目减至最少，从而降低图象传感器的成本。

背景技术

有许多应用场合需要采用图象扫描系统来将扫描物体转换成一种电子格式，以便可以随后进行分析、打印、分送和归档。电子格式通常是扫描物体的一幅图象。图象扫描系统的一个典型的例子就是扫描仪，而扫描物体就是一本书或一篇文章中的一张纸。通过扫描仪，这张纸的一幅电子的或数字的图象便产生了。

图象扫描系统一般包含一传感组件，用以将目标光学地转换成一幅图象。在传感组件中，用以将目标光学地转换成一幅图象的关键元件是图象传感器。图象传感器包括一个光检测器阵列，这些光检测器能对照射到图象传感器上的光发生响应。每一个光检测器都会产生一个代表了从目标反射的光的强度的电子(电荷)信号。对来自各光检测器的电子信号进行读出，然后通过一模拟量到数字量的A/D转换器进行数字化，以产生目标的数字信号或图象。

图象扫描系统中所用的图象传感器之一是一种线性传感器，它包含三排光检测器，其上分别叠置以与每一个光检测器对正配齐的具有选择性透光的滤光片。图1A示出了一个示例性的线性图象传感器100，它包含三排光检测器102，104，106。每一排前面均置有一种对某一特定的光谱区敏感的透光的滤光片。例如，在排号102，104和106中所有的光检测器上均分别叠置了红色、绿色和蓝色的滤光片。因而，当图象传感器100中的各光检测器暴露于一个由白色照明光源所照亮的扫描物体时，图象传感器100会同时产生三个电子信号。

与图象传感器100有关的值得注意的问题之一是需要一些辅助的存储缓冲器和处理装置来重新组装电子信号，以精确再现每一个对正配齐的图象象素。参见图1B，示出了一个简化的成像模型，其中，扫描物体110通过透镜114由彩色图象传感器112形成图象。彩色图象传感器112与图象传感器100相似，具有三排光检测器。图中所示的光径表明，三排光检测器由于在各排之间的物理间隔，它们在物理上并没有对正配齐于扫描物体110中的一条扫描线。换言之，三排光检测器看起来不是在扫描物体110中的同一条扫描线，这就是一个典型的对正配齐问题。在两排光检测器之间的间隔必须保留，以供读出电路从毗连的一排中的光检测器读出电子信号。最后，必须要将来自各排的光检测器的一个电子信号阵列贮存起来。这个阵列的大小正比于两排光检测器之间的间隔距离D。如果假定距离D为100urn(微米)，而光检测器的高度d＝10urn，且电子信号为8毕特的数据精度，则对于一个彩色象素的存储容量估计为：

        8(3D)/d＝240毕特；

实际上，将一个彩色图象传感器设计为用于扫描规则的8×11英寸的标准尺寸的纸张并不少见，因而，如果图象传感器的分辨率为600dpi(每英寸600点)的话，这种传感器一排就要包含600×8＝4800个光检测器。换句话说，就是必须有一种容量为240×4800＝1.152MegabitS(兆毕特)的存储缓冲器来重新组装这些电子信号，以产生对正配齐的彩色象素信号。此外，为了保持一个合理的扫描速度，通常要求存储缓冲器具有高的性能。从而给图象传感器添加了可观的成本。

尽管在缩短间隔距离方面存在着许多限制，但一直有人不断努力来使上述间隔的距离减至最小。减小两排光检测器之间的间隔距离的方法之一是减小各光检测器的尺寸，以使三排中每一排的相应的各探测器能相对更靠近些。可是光检测器尺寸的显著减小会带来图象灵敏度的问题。

发明内容

不论用什么方法来减小由于各排光检测器之间存在的物理间隔所造成的对正配齐的问题，用图1A所示的光检测器的现有排列都不能消除用辅助的存储缓冲器来重新组装电子信号的要求。因而，非常需要一种彩色图象传感器，它只需要最小量的存储缓冲器和处理装置就能输出一种令人满意类型的优质的彩色图象信号。随着在这种彩色图象传感器中存储缓冲器的减少，这种彩色图象传感器的成本便能够显著地降低。

本发明充分考虑了上述各个问题和需要，并且特别适合于扫描仪。传真机和光拷贝机中所用的图象传感器。由于下面所述的特征和优点，本发明很适合用于便携式和平板型扫描装置中的图象传感器。本发明的诸多优点和好处之一是显著地减少了对存储缓冲器的需要。在一个实施例中，存储缓冲器被减少至最小数量。本发明诸多优点和好处之二是当扫描目标是黑白色时，具有双倍的分辨率这一固有的特色。

按照本发明的一个方面，所公开的彩色图象传感器包含一个光检测器阵列。这些光检测器中每隔一个均具有一第一类型的光谱特性，而这些光检测器中另外的每隔一个则交替地具有一第二类型的光谱特性和具有一第三类型的光谱特性。通常，第一类型的光谱特性对绿色敏感(产生出“绿”信号)，第二类型的光谱特性对红色敏感(产生出“红”信号)，而第三类型的光谱特性对蓝色敏感(产生出“蓝”信号)。

每种彩色象素由一个绿色信号、一个红色信号和一个蓝色信号形成。然而，本发明特点之一是在两个相邻的彩色象素中有同样的红色信号，并且在另两个相邻的彩色象素中有同样的蓝色信号。于是，在水平方向的两光检测器之间的间隔被减至最小，并且在来自各彩色光检测器的信号被适当处理之后，灰度标尺图象的分辨率增加了一倍。

在下面所说明的本发明的实施和由附图所示的实施例中，上面所说明的目的和与之相伴的各项优点均得到了较好的体现。

附图说明

通过下面的说明，所附的权利要求、以及有关附图，可以更好地理解本发明的各特点、面貌和优点。

图1A示出了一个示例性的包含三排光检测器的彩色图象传感器。

图1B显示了一个简化的成像模型，其中，一个扫描物体通过一个透镜由一彩色图象传感器形成图象。

图2A示出了根据本发明的一个实施例，带有两排光检测器的一彩色图象传感器。

图2B示出了从光检测器的改进排列中采样是顺序的并且以重复的方式进行。

图2C示出了在传统的三排光检测器和现在实施例的两排光检测器之间的一个简化的比较。

图2D示出了各彩色象素是怎样由各彩色光检测器来的信号所形成的。

图3A示出了按照本发明的另一个实施例，具有一单排光检测器的彩色图象传感器。

图3B示出了按照本发明的又一个实施例，具有特殊形状的一单排光检测器的彩色图象传感器。

图4示出了来自各彩色光检测器的信号是如何被进行处理以形成灰度标尺图象中的各图象象素的。

图5A示出了一电路图，它可被用来读出本发明所公开的图象传感器的各光检测器所产生的电子信号。

图5B示出了用于图5A电路中的一组控制信号。

具体实施方式

在下面关于本发明的详细描述中，为了提供对本发明的透彻理解，介绍了许多具体的细节。然而，对于本技术领域中的那些熟练人员来说，显而易见的是本发明不用这些具体细节也可付诸实施。本文的描述和说明所用的手段是本技术领域有经验的或熟练的人员为了将他们工作的实质最有效地传达给本技术领域的其它熟练人员所用的普通的手段。在其它情况下，一些众所周知的方法、程序、部件和电路均未作详细描述，以避免不必要地遮盖本发明的面貌。

一幅彩色图象通常包含三种强度的图象，它们分别来源于一个彩色物体对三种主要颜色分量的曝光。对三种主要颜色分量曝光的通用方法之一是使用一种图象传感器，它包含多个光检测器，其上叠加有一种马赛克式的滤光装置。该滤光装置包含许多选择性透光的滤光片，并与各光检测器对正配齐，从而形成具有选择性的第一、第二和第三光检测器组，它们分别对可见光谱的红色、绿色和蓝色区敏感。因而，只有红色、绿色和蓝色三个分量能通过这些滤光片，从而可以获得三个各自强度的图象。

一般说来，每种强度的图象，或者更确切地说是它们的数字版本，都是许多象素的一个阵列或矩阵。如果它们是以8毕特的精度表示的话，那么这些象素的值在0至255之间。换句话说，在一幅彩色图象中的每一个彩色象素C(I，j)都是一个矢量象素，并可表示为：

$C(i,j)=\left[\begin{array}{c}R(i,j)\\ G(i,j)\\ B(i,j)\end{array}\right]$

式中，(i，j)为一个图象象素的坐标，而C为彩色图象。R、G和B则分别是彩色图象C中的三种强度的图象。上述表达式还表明：只有在三个强度分量R(i，j)，G(i，j)和B(i，j)配齐对准时，即它们全都来自在一彩色物体中的同一个点时，一个彩色象素才能被有效地表达。

如果在该三种强度图象中的每一种中对应于S点的各相应的象素具有相同的值，即R(i，j)＝G(i，j)＝B(i，j)，式中(i，j)在S之内，则在该彩色物体中对应于S点的那一点必定是非彩色的，看上去呈从暗至白色之间。反之，如果在三种强度图象中每一种中对应于S点的各象素具有不同的值，即R(i，j)≠G(i，j)≠B(i，j)，则该彩色物体上对应于S点的那一点看上去应当是彩色的。例如，一个纯红、纯绿或纯蓝的矢量象素被分别表达为C(i，j)＝[255 0 0]^T，C(i，j)＝[0 255 0]^T或C(i，j)＝[0 0 255]^T。为了确保彩色物体能在一幅彩色图象中准确地再现出来，必须对一彩色成像系统进行仔细地控制，以产生出三种强度的图象，保证它们组合起来后所生成的彩色图象能再现该彩色物体的各种颜色。

按照本发明的一个实施例，本文所述的图象传感器是一种直线阵列或线性传感器。这意味着每次这种图象传感器产生出一行彩色信号，所有这些彩色信号顺序合成便产生出一幅彩色图象。在不损失普遍性的情况下，这种图象传感器产生出三种颜色的信号，每种信号均未自于经过一种颜色滤光的曝光。

图2A示出了排成两排的各光检测器202的一种示例性的排列200(图象传感器)。第一排204的各光检测器叠加上交替颜色的滤光片，而第二排206的各光检测器则复盖以一种颜色的滤光片。按照产生传统的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)信号的一个实施例，在第一排204中，交替的带颜色的滤光片或为红色滤光片，或为蓝色滤光片，而在第二排206中的带颜色的滤光片则为清一色的绿色滤光片。因而，图象传感器200从各光检测器分别产生出RGB(红绿蓝)信号，这些光检测器，头20个分别标记为GI、R2、G3、B4、G5、R6、G7、B8、G9、R10、G11、B12、G13、R14、G15、R16、G17、R18、G19和B20。

更具体地说，在第一排204中各光检测器交替地分别复盖以或叠加上对“红色”或“蓝色”光谱区敏感的一种透光滤光片(本文中称之为红色或蓝色光检测器)；在第二排206中各光检测器则被复盖以或叠加上对“绿色”光谱区敏感的一种透光滤光片(本文中称之为绿色光检测器)。在图中，从各探测器的输出可以很清楚地看到，那些红色和蓝色的光检测器之间交替地插入了一个绿色的光检测器。

按照这样排列的结果是从图象传感器200采样得到的一行信号是按顺序的，并且是均匀一致的，这一点可由图2B中的210很方便地看出来。对各种颜色的光检测器来说，绿色光检测器是按重复的212图案排列的，而对红色光检测器和蓝色光检测器则分别按重复的214和重复的216图案排列。尤为重要的是，这种排列显著地减少了为了重组来自这些光检测器的电子信号所需的存储缓冲器的数量。图2C示出了在传统的三排光检测器和本实施例的两排光检测器之间的一个简化的比较。假定在两排光检测器之间的物理间隙只是由各光检测器的高度所造成。因而，带有传统的三排光检测器的一个图象传感器220只有在三次扫描都完成后才会输出一个彩色信号。换言之，图象传感器220必须提供存储缓冲器来贮存来自头两次扫描的各光检测器的信号，并且在第三次扫描开始时输出信号。更具体地说，为了对一个扫描目标中的一个扫描行222成像，在第一次扫描后，来自蓝色光检测器的信号必须贮存起来。在第二次扫描中，在扫描行222时，各红色和蓝色光检测器不予考虑，而只考察绿色光检测器。因而，来自各绿色光检测器的信号必须贮存起来。当第三次扫描开始时，来自各红色光检测器的各信号与在第一次扫描中来自各蓝色光检测器的各信号和在第二次扫描中来自各绿色光检测器的各信号相合成。考虑到要扫描整个目标并产生出对正配齐的彩色信号，必须有三行存储缓冲器可供使用。而对图象传感器230而言，只需要一行存储缓冲器来贮存来自前一扫描的各个信号。因为在第二行中，对扫描行222的各RGB(红绿蓝)信号均可供给输出对正配齐的彩色信号之用。虽然图2C示出了一个简化的比较，但对于本技术领域中的熟练技术人员可以理解到，在存储缓冲器需要方面的显著减少是得益于本实施例中所公开的各光检测器的这种独特的排列。

为了说明各矢量象素(彩色信号)，图2D示出了一个彩色象素是如何由这种独特的排列所形成而且没有在水平方向带来象素对正配齐的问题，并且应当与图2A和图2B结合起来理解。表240中列出了由图2A的图象传感器200所产生的10个示例性的彩色象素。排242列出了10个象素：PI，P2……P10。排244、246和248分别示出了各个彩色象素中每一个的绿色、红色和蓝色分量。

更具体地说，来自每一个绿色光检测器的信号代表了一个彩色象素的一个分量，而来自每一红色和蓝色光检测器的相应的信号则成为在两个相邻的彩色象素中一个相应的共同分量。例如，彩色矢量象素P2和P3各具有一个来自两个不同的绿色光检测器的绿色分量，但却与其它象素共享来自同一个红色和同一个蓝色光检测器的同一个红色和同一个蓝色信号。这样一来，在两个彩色象素之间的水平间隙被减至最小而又没有造成图象分辨率的损失。

应当指出，有关本发明的上述描述是以实现使用红色、绿色和蓝色光检测器为基础的。本技术领域中的熟练技术人员可以理解，上面的说明在使用其它的原色或互补色滤光片时也是同样适用的。例如，品红色。黄色和蓝绿色就是一组普通的可替代的互补色，它们可用于产生彩色图象。此外，使一套绿色光检测器用红色和蓝色光检测器交错地安插在其间并不是实施本发明的要求。然而，在实际中，这是一个较好的实施办法，因为人类的视觉系统对在彩色光谱的绿色区域中各颜色更为敏感。

图3A示出了另一个示例性的图象传感器300，它包含排列成单排的各光检测器302。如图中所示，每隔一个光检测器交替地并分别地复盖以或叠加上一个对“绿色”光谱区敏感的透光滤光片，而每隔另外一个光检测器则交替地并分别地复盖以或叠加上一个对“红色”或“蓝色”光谱区敏感的透光滤光片。这些彩色象素是由如图2D所建议的彩色光检测器所形成的。采用这种单排排列的光检测器的优点之一是取消了为重组来自各光检测器的电子信号所需的存储缓冲器。这些信号现在可以被很简便地读出而不需要重组。

图3B示出了一个单排光检测器的实施例，这些光检测器是制成三角形的。应该指出这里三角形的定义是包含所有类似三角形的形状，诸如圆角的三角形。如图所示，所有的(朝上的)三角形光检测器，诸如G1，G3，G5，G7，G9，G11，G13，G15，G17和G19都复盖以或叠加上一个对“绿色”光谱区敏感的滤光片(本文中称之为绿色光检测器)，而所有倒置的三角形光检测器，诸如R2，B4，R6，B8，R10，B12，R14，B16，R18和B20则交替地并分别地复盖以或叠加上一个对“红色”或“蓝色”光谱区敏感的滤光片。由于这样排列的结果，在水平方向上的两个光检测器之间的物理间隔被减至最小。

在许多应用中，常用一个彩色图象传感器来扫描一个非彩色的物体或简单地就是一个黑白物体，诸如一本教科书中的一页，并产生出一幅黑白(灰色或单色)图象。这是一幅仅反映亮度的图象。为了确保每一种颜色的光检测器能对来自该黑白扫描物体的反射产生同等响应的信号，一组如下所述的加权系数被用来平衡来自各颜色探测器的不同的光谱的响应：

              KG

         1.967KR

         5.360KB

式中，K是一个调节系数，通常设定为1。换句话说，来自绿色光检测器的信号可以被直接地绘制到所产生的灰色图象上，而来自红色和蓝色光检测器的信号则被适当地添加绘制到所产生的灰色图象上去。这样一来，该图象传感器对于黑白扫描物体的分辨率被固有地翻了一番，如图4所示，其中来自每一光检测器的单个信号被相应地进行处理。如图中所示的一个特定的实施例中，K被设定为1，因而r＝1.967且b＝5.360。所产生的灰度图象具有象一个传统的彩色图象传感器所能产生的分辨率的双倍的分辨率。

现在请参见图5A，其中示出了一个简化了的电路图500，该电路被用于读出图象传感器502中各光检测器所产生的信号。图象传感器502可相当于图2A中的图象传感器200，或是图3A和图3B中的300和310。多路转换开关504包含许多二极管开关508，开关508中的每一个均与光检测器中的一个相连。二极管开关508由一个开关信号集体控制。当各光检测器被曝光干一个照亮了的扫描物体之后，图中未示出的一个控制信号使各光检测器不再积聚光子，产生出电荷信号至各个存储电容器(图中未示)，并且其间，开关508顺序开通。来自各光检测器的各存储电容器中的电子信号然后被顺序地读出至放大器511。这一读出过程是通过移位寄存器510来实现的，移位寄存器510通常包含与光检测器数目相同的存储单元。例如，一个脉冲Di馈送到移位寄存器510，且Di通过时钟脉冲信号CLK从一个存储单元移至另一个。当一存储单元接收到Di时，二极管开关508中的一个相连的开关被接通(即“导通”)，且在相应的存储电容器中一个相应的电子信号便被从中读出。随着Di的通过，在各存储电容器中的电子信号便被顺序地移出，随后由一A/D(模拟量/数字量)转换器512进行数字化。图5B示出了一时钟脉冲信号520，从其中可以获取许多控制信号，而S1，S2，S3和S4都是一些示例性的控制信号(经移位的Di)，它们可接通4个顺序的开关。从A/D转换器512来的数字信号530示于图5B。

上面已经对本发明作了相当详细的说明，并具有某种程度的特殊性。本技术领域的熟练技术人员应当理解，所揭示的各实施例只是通过一些例子进行的，而另件的排列组合中的种种变化又是可能的，而且不脱离本发明权利要求的精神和范围。例如，光检测器较佳的形状是三角形，本技术领域的熟练技术人员可以认为其它形状的光检测器也可以这样设计，以使各彩色光检测器能紧靠地交替排列，使对正配齐的问题减至最小。因而，本发明的范围是由所附的权利要求而不是由前面所描述的各

实施例来限定的。

Claims (11)

1、一种彩色图象传感器，包含：

一对第一光谱区敏感的第一型光检测器；

一对第二光谱区敏感的第二型光检测器；

一对第三光谱区敏感的第三型光检测器；所述第二型光检测器和所述第三型光检测器交替地并分别地与各第一型光检测器交错；各光检测器当被驱动对一目标成像时，会分别产生一个电子信号；以及

一个处理电路的阵列，每一电路连接到所述光检测器中的一个上去并接收来自所述光检测器的所述电子信号中的一个；其特征在于：

所述各光检测器均排列在单一的一排中，从而不需要存储缓冲器来重组来自所述各光检测器的所述电子信号以输出对正配齐了的彩色信号。

2、如权利要求1所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述各第二型光检测器和所述各第三型光检测器均为倒置的三角形，而所述各第一型光检测器则为朝上的三角形，从而所述每一个第一型光检测器交错地与一个所述第二型光检测器和一个所述第三型光检测器相互嵌合。

3、一种彩色图象传感器，包括：

一个光检测器阵列；

由若干单个滤光元件组成的一滤光器，所述各滤光元件以一对一的对正配齐方式叠加在所述各光检测器上；以及

一具有多个输入端的读出电路，每一个输入端连接到所述诸光检测器之一，并且当所述彩色图象传感器被驱动对一目标成像时，接收一电子信号；

其特征在于，所述各光检测器排列成一直线的形式；所述各滤光元件中，每隔一个均具有一第一光谱透光特性，而每隔另外一个则交替地具有一第二光谱透光特性和一第三光谱透光特性。

4、如权利要求3所述的彩色图象传感器，其特征在于，它还包括一处理电路，该电路连接于所述读出电路，并接收从它所来的所述电子信号，恰当地产生出供灰度标尺图象用的信号。

5、如权利要求4所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述各电子信号按照一组参数被分别加以调整，以使每一电子信号均可直接用于所述灰度标尺图象中。

6、如权利要求3所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述直线形式包括一个单排的第一、第二和第三传感器，所述第一传感器交替地嵌合于一所述第二和第三传感器；以及

其中，所述第一传感器是外形为三角形的所述光检测器叠加上具有所述第一光谱透光特性的所述滤光元件，而所述第二和第三传感器是外形为倒置的三角形的所述光检测器、且分别叠加上具有所述第二和第三光谱透光特性的所述滤光元件。

7、如权利要求6所述的彩色图象传感器，其特征在于，所述第一传感器的外形是类似三角形的形状；并且每一个所述第一传感器均能与每一个外形为倒置的类似三角形的形状的所述第二和第三传感器相嵌合。

8、一种彩色图象传感器，包括：

一个光检测器阵列；

由若干单个滤光元件组成的一滤光器，所述各滤光元件以一对一的对正配齐方式叠加在所述各光检测器上；以及

一具有多个输入端的读出电路，每一个输入端连接到所述诸光检测器之一，并且当所述彩色图象传感器被驱动对一目标成像时，接收一电子信号；其特征在于：

所述各光检测器排列成两排，包括一排第一传感器和另一排交替出现的第二传感器和第三传感器；以及

其中，所述第一传感器是所述光检测器叠加上具有第一光谱透光特性的所述滤光元件，而所述第二和第三传感器分别为所述光检测器叠加上具有第二和第三光谱透光特性的所述滤光元件。

9、一种用于使一彩色图象传感器产生对正配齐的彩色信号的方法，所述方法包括：

产生一第一、第二和第三型的电子信号；所述第一、第二和第三型的电子信号来自于若干第一、第二和第三光检测器；其中，所述第一、第二和第三光检测器分别对第一、第二和第三颜色敏感，并且所述第一光检测器外形是类似三角形的形状，所述第二、第三光检测器外形为倒置的类似三角形的形状；所述第二和第三光检测器交替排列成一个单排；所述第一光检测器交替地与所述第二和第三光检测器嵌合；

分别从所述第一、第二和第三光检测器中读出所述第一、第二和第三型电子信号；以及

从所述第一、第二和第三型电子信号中产生所述对正配齐的彩色信号。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，每一个所述对正配齐的彩色信号均包括一个所述第一型的电子信号。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，每相邻两个所述对正配齐的彩色信号共享一个所述第二型的电子信号、或者一个所述第三型的电子信号。

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