CN1464737A - 具有多种像素尺寸的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种具有多种像素尺寸的图像传感器,应用在一图像撷取设备如扫描器中,图像传感器至少包括一红色传感阵列、一绿色传感阵列、及一蓝色传感阵列,分别由n个红、绿、蓝色传感格点线性排列而成。其中,红色传感阵列的总长等于绿色传感阵列的总长等于蓝色传感阵列的总长。为了补偿边缘感光不足的缺点,使每一传感阵列中的传感格点面积自中心向两侧渐渐增加。为了平衡红、蓝、绿三色之间敏锐度的差异,则使敏锐度较好的绿色传感格点面积略减,或是使敏锐度较差的蓝色传感格点面积略增。
Description
(1)技术领域
本发明有关一种具有多种像素尺寸(pixel size)的图像传感器,且特别是有关于一种应用于彩色扫描器内的多种尺寸图像传感器。
(2)背景技术
扫描器是一种捕获图像的装置,用以扫描照片、文字页、图形和插画等,甚至硬币或纺织品等三维物件,并将之转换为电脑可显示、编辑、储存和输出的数字格式。扫描器可以完成的工作非常多,例如:在文件中结合美术图形和照片;将文字扫描输入到文书处理软件中,节省重新打字的时间;将传真文件扫描输入到数据库或文书处理软件中储存;在多媒体中加入活泼生动的图像;在简报中整合图像的数据使其能更有效地表达主题,等等。众多优点使得扫描器对一般个人电脑使用者或者是公司行号而言,成为不可欠缺的辅助设备。
请参照图1,它是传统的反射式平台扫描器的侧视图。传统的反射式平台式扫描器100,由掀盖102和底座104组成,底座104上方有一玻璃平台106用以放置待扫描文件108,底座104内部的主要构件包括光机(chassis)110及传动装置(未图示)。其中,具有图像接收的功能的光机110包括光源(lightsource)112、反射镜(reflector)114、透镜(lens)116及光电感应元件(photoelectric-sensing device)118。光源112通常为管状日光灯,其产生的光线照射至待扫描文件108经反射后得到一反射光信号,此反射光信号可经过反射镜114的多次反射而到达透镜116。接着,经由透镜116的聚焦作用,反射光信号可被光电感应元件118接收。然后,光电感应元件118可将所接收到的反射光信号转换成电信号处理,且读出所传感到的图像数据。
当光电感应元件118读出反射光信号后,可藉由传动装置(未图示)驱动光机110朝向尚未扫描的区域略微移动,并再度藉由光电感应元件118传感文件108的图像后,将图像数据读出。重复施行上述步骤,即可逐步将文件108扫描完毕。其中,光电感应元件118,例如是电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)、接触图像感应器(Contact Image Sensor,CIS)、互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensor)、或是其他可将光信号转换成电信号的感应元件。
对于穿透式扫描器而言,虽然位于掀盖处的光源直接通过待扫描文件(例如扫描透明的底片),但也是利用相同原理,借着光电感应元件接收光信号再转换成电信号处理,以完成扫描动作。
光电感应元件118(例如CCD或CMOS)的结构,是在个别的传感格点(cells)加上色罩(color mask)以调整格点对图像的色彩成分的感应能力。例如一些格点被罩上红色罩(red mask),称为红色传感格点(red sensor cells),可检测图像中的红色成分;另一些格点被罩上绿色罩,称为绿色传感格点,可检测图像中的绿色成分;剩下的格点被罩上蓝色罩,称为蓝色传感格点,可检测图像中的蓝色成分。以下即以传统的线性CCD作说明。
请参照图2,它是传统的一组线性CCD的示意图。一组线性CCD200至少包括一红色传感阵列(red sensor array)202、一绿色传感阵列(green sensorarray)204、及一蓝色传感阵列(blue sensor array)206,且分别由等数且等面积的多个红色传感格点(red sensor cells)212、绿色传感格点(green sensorcells)214、与蓝色传感格点(blue sensor cells)216排列而成。其中,三色的传感阵列总长(T)均相等。
然而,传统的扫描器中,作为光源112的日光灯其发光量并不十分均匀,靠近灯管中间的光线强度较强,而靠近灯管两侧的光线强度较弱。导致日光灯投射至原稿108的光线并不均匀,所以待扫描文件108所产生的反射光信号也不均匀,亦即文件108表面的辉度(luminance)不均匀。
除此之外,透镜聚焦时,待扫描文件两侧的反射光信号也会衰减(decay),如图3所示,它是光信号自待扫描文件传送至CCD的示意图。以待扫描文件308边缘的b点为例,其反射光信号经过透镜316聚焦再由CCD318上对应的b’点接收,会有cos4θ的效应,而待扫描文件308的中间点c,其反射光信号则不会衰减。也就是说,即使文件308表面具有均匀的辉度L,CCD318所检测到文件308的中间亮度为L,但最外侧亮度则衰减为L×cos4θ(<L)。
从上述可知,光源与透镜的效应均会影响CCD传感的效能(performance),使得CCD的传感曲线如图4所示,两侧呈现衰减现象。习知的解决方法是利用一硬件(hard wave)自动将衰减的两侧乘上相关系数(gain),以补平两侧曲线。但是此种做法的缺点是:两侧光信号的杂信(noise)也同时被放大,而使相对应的图像失真。另外,加入用以乘上相关系数的元件于扫描器内,也会使成本提高。
另一个常见于图像感应器的问题是各色之间敏锐度(sensitivity)的差异。由于红色传感阵列202、绿色传感阵列204、及蓝色传感阵列206的敏锐度(或称反应度)(response)不同,一般而言,格点对于绿色光的敏锐度略优于对红色光的敏锐度,而对于蓝色光则最不敏锐。因此,供应相同的能量给各色传感阵列中等面积的格点,其所反映出来的波形也会不同。也就是说,红色传感阵列202、绿色传感阵列204、及蓝色传感阵列206的反应原稿的对比能力(Modulation Transfer function,MTF)并不相同,而使扫描后所得到的图像无法忠实地呈现原稿色彩。即使调整灯源的色座标,也无法补偿红(R)、绿(G)、蓝(B)三色之间敏锐度的差异。
(3)发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种具有多种像素尺寸的图像传感器,它应用在一图像撷取设备如扫描器中可补偿边缘感光不足并平衡红、蓝、绿三色之间敏锐度的差异。
根据本发明一方面的图像传感器,装设在一图像撷取设备中,该图像传感器至少包括一红色传感阵列(red sensor array)、一绿色传感阵列(green sensorarray)、及一蓝色传感阵列(blue sensor array);其中,红色传感阵列包括n个线性排列的红色传感格点(red sensor cells),且两侧的这些红色传感格点的面积大于中心的这些红色传感格点的面积;绿色传感阵列包括n个线性排列的绿色传感格点(green sensor cells),且两侧的这些绿色传感格点的面积大于中心的这些绿色传感格点的面积;而蓝色传感阵列包括n个线性排列的蓝色传感格点(blue sensor cells),且两侧的这些蓝色传感格点的面积大于中心的这些蓝色传感格点的面积;其中,红色传感阵列的总长等于绿色传感阵列的总长并等于蓝色传感阵列的总长。
根据本发明另一方面的图像传感器,装设在一图像撷取设备中,该图像传感器至少包括一红色传感阵列、一绿色传感阵列、及一蓝色传感阵列,分别由n个红色传感格点、绿色传感格点、及蓝色传感格点线性排列而成。其中,红色传感阵列的总长等于绿色传感阵列的总长并等于蓝色传感阵列的总长,且这些蓝色传感格点的面积大于对应的这些红色传感格点的面积,亦大于对应的这些绿色传感格点的面积。
采用本发明的上述方案可改善边缘视场(boundary field)的图像品质(imagequality),亦可补偿图像传感器中敏锐度(sensitivity)的不足。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果,以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1是传统的反射式平台扫描器的侧视图;
图2是传统的一组线性CCD的示意图;
图3是光信号自待扫描文件传送至CCD的示意图;
图4是图3中CCD的辉度曲线图;
图5是依照本发明第一较佳实施例的具有多种像素尺寸的图像传感器的示意图;及
图6绘示依照本发明第二较佳实施例的具有多种像素尺寸的图像传感器的示意图。
(5)具体实施方式
本发明的具有多种像素尺寸的图像传感器,其一主要技术特点为:同一原色传感阵列中,边缘视场的像素尺寸大于中间视场的像素尺寸,以提高边缘视场的图像品质(image quality)。其另一主要技术特点为:敏锐度较差的蓝色传感阵列,略放大其像素尺寸,或是敏锐度较好的绿色传感阵列,略缩小其像素尺寸,以平衡红、绿、蓝三色之间的敏略度。
本发明可适用于多种光电感应元件,例如是电荷耦合元件(Charge CoupledDevice,CCD)、互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensor)、或是其他可将光信号转换成电信号的感应元件等。以下则以线性CCD为例,针对本发明的理论推导及实施例说明。并且,图示与说明书中的传感格点是以长方形为例进行说明,然而本发明并不限于此。
理论推导
在理想状况下,供给同样的光能量给一线性CCD,对应于边缘视场的CCD格点(cell)与对应于中间视场的CCD格点应累积有相同的光能量,以使边缘视场与中间视场具有相同的图像品质。以数学式表示为:
FB∶FC=rB/rC≈1 (1)
F代表能量接受度,
符号B代表边缘视场(boundary field),
符号C代表中间视场(center field)。(然而,在实际情况下,FB/FC≥0.6,不足的部分是乘上一相关数值(gain),但此种做法会同时将杂信放大。)
若将能量接受度的数学式(1)进一步作推论:
FB/FC=(EB×AB)/(EC×AC) (2)
其中,E代表格点中单位面积所接受的能量强度,
A代表格点面积。
(AB/AC)此项,是由于CCD格点面积大小的不同而产生接受能量的差异(习知的格点面积均一样大,使AB/AC=1)。
(EB/EC)此项,则受到光学系统中透镜(Lens)的半画角θ(见图3)的影响,而产生中心与边缘的差异。因此,
(EB/EC)=cos4θB/cos4θC (3)
请参照图3,θB与θC随着线性CCD上格点的实际位置,及透镜到文件、CCD的距离而改变。但在一般应用状况下,透镜到文件、CCD的距离为定值,使得被选定的格点所对应的半画角θ为某定值,因此(EB/EC)亦为一定值。欲使FB/FC达到理想状况值1时,可变动方程式(2)中的面积比,使得
(AB/AC)=1/(EB/EC) (4)
因此,由上述推论可知,藉由调整格点大小,亦即改变像素尺寸,可弥补半画角的影响,进而使边缘视场的能量接受度近似于中间视场的能量接受度。
实施例一
比较位于CCD正中央的中心格点(即θC=0)与位于最外侧的边缘格点,假设半画角θB=45,则方程式(3)为:
(EB/EC)=cos4θB/cos4θC=1/4 (5)
代入方程式(4),得到:
(AB/AC)=1/(1/4)=4 因此,若将最外侧边缘格点的面积增加为中心格点面积的4倍,则位置不同的两个格点会具有同样的能量接受度。
至于其他格点的面积,由于愈靠近中心的格点其对应的半画角越小,使得方程式(4)所得的面积比越小。因此格点面积(像素尺寸)的变化是以位于中心的格点最小,越向外侧的格点面积越大。
如图5所示,它是依照本发明第一实施例的具有多种像素尺寸的图像传感器的示意图。本发明的一组线性CCD500至少包括一红色传感阵列(red sensorarray)502、一绿色传感阵列(green sensor array)504、及一蓝色传感阵列(bluesensor array)506,且分别由等数的多个红色、绿色、和蓝色传感格点(sensor cells)排列而成。其中,红色传感阵列502中的传感格点面积是由中心传感格点512向两侧渐渐增加,使边缘传感格点522的面积最大。同理,绿色传感阵列504与蓝色传感阵列506中的传感格点面积是由中心传感格点514、516向两侧渐渐增加,使边缘传感格点524、526的面积最大。
值得注意的是,虽然本发明系以变化传感格点的面积大小来补偿半画角对能量接受度的影响,但是,三色的传感阵列总长须维持相等(T1),三色的传感格点数目需相等。至于传感格点数目则与解析度(resolution)有关。举例来说,以解析度为600dpi的扫描器对长度8.5inch的文件进行扫描,所需要的格点数目为5100点(8.5(in)×600(dot/in)=5100(dot))。因此,红、绿、蓝三个传感阵列各需要5100个传感格点。
实施例二
实施例一中,是将每一格点的面积都依照着对应的半画角作变化。然而实际的CCD格点面积非常的小,即使相邻数十个格点,半画角的改变也非常的小。因此在实际应用上,可将全部格点分成几部份,即可达到补偿半画角的效果。此实施例中,即将全部格点分成对应的三个视场,说明如下。
请参照图6,它是依照本发明第二实施例的具有多种像素尺寸的图像传感器的示意图。图6中的一组线性CCD 600亦包括一红色传感阵列602、一绿色传感阵列604、及一蓝色传感阵列606,且每一传感阵列均由等数的红色、绿色、和蓝色传感格点排列而成。其中,每一传感阵列又可以中心线O为光学中心分成三个对应的视场范围。
对红色传感阵列602而言,当视场范围大于H视场时,红色传感格点的长边为a,宽边为b。当视场范围小于H视场且大于G视场时,红色传感格点的长边为a’,宽边为b’。当视场范围小于G视场时,红色传感格点的长边为a″,宽边为b″。
同样,对绿色传感阵列604而言,当视场范围大于H视场时,绿色传感格点的长边为c,宽边为d。当视场范围小于H视场且大于G视场时,绿色传感格点的长边为c’,宽边为d’。当视场范围小于G视场时,绿色传感格点的长边为c″,宽边为d″。对蓝色传感阵列606而言,当视场范围大于H视场时,蓝色传感格点的长边为e,宽边为f。当视场范围小于H视场且大于G视场时,蓝色传感格点的长边为e’,宽边为f’。当视场范围小于G视场时,蓝色传感格点的长边为e″,宽边为f″。
在此实施例中,位于传感阵列外侧的传感格点面积较大,位于传感阵列中心的传感格点面积较小,如图所示。以红色传感阵列602为例,面积的变化可固定宽边,使长边变化,即令b=b’=b″,a>a’>a″。或者是固定长边,使短边做变化,即令a=a’=a″,b>b’>b″。也可以长短边同时作变化,使得ab>a’b’>a″b″。值得注意的是,红色、绿色、和蓝色传感格点之间维持着a=c=e, a’=c’=e’,a″=c″=e″的相互关系。
当然,本发明并不限制于只在对应的3个视场中作像素尺寸的改变,对应的视场可以是2个、5个、….甚至更多。只要在对应的n(n为≥2的正整数)个视场中,传感格点面积由中心向外侧渐渐增加,以补偿边缘图像感光不足,即为本发明的技述特点。
另外,如何利用本发明的像素尺寸变化来平衡红色、绿色、和蓝色传感阵列之间敏锐度的差异,其细节叙述如下。
实施例三
由于绿、红、蓝色光罩对光传送度的差异,使得传感格点对绿色光线的敏感度略优于对红色和蓝色光线的敏感度,而传感格点对蓝色光线的敏感度为最低。因此,感应器中绿色传感阵列的格点可产生较强的电子输出信号(electrical output signal)。本发明即是调整三色阵列中传感格点的面积来平衡三色敏锐度的差异。
以图6为例,若先不考虑边缘图像感光不足的问题,而令组成同一色的传感格点面积都一样,亦即a=a’=a″,b=b’=b″,c=c’=c″,d=d’=d″,e=e’=e″,f=f’=f″,则为解决敏锐度不同的问题,本发明可将敏锐度较差的蓝色传感阵列,略放大其传感格点的尺寸,而敏锐度较好的绿色传感阵列,则略缩小其传感格点的尺寸,亦即ef>ab>cd。当然也可固定长边,只做短边的变化,亦即a=c=e,f>b>d。
实施例四
除了实施例三中针对三色敏锐度作像素之间的尺寸变化外,也可同时改善边缘图像感光不足与三色敏锐度不同的问题。
在此实施例中,除了同一颜色的传感格点面积自中心向两侧渐渐扩大外,绿色传感格点的面积亦小于对应的红色传感格点面积,而对应的蓝色传感格点面积最大。以图6为例,亦即ab>a’b’>a″b″,cd>c’d’>c″d″ef>e’f’>e″f″,且ef>ab>cd。像素尺寸经过调整后,不但可改善边缘的图像品质,亦可平衡红色、绿色、蓝色传感阵列的敏锐度,使三色传感阵列的反应原稿的对比能力(Modulation Transfer function,MTF)大约相等,因此扫描所得的图像可忠实地呈现。
在实施例一~四中,系举一线性CCD包括红(R)、绿(G)、蓝(B)三色传感阵列为例作说明。然而本发明还可应用在具有多条传感阵列的图像传感器中,例如,线性CCD中还包括有一第四传感阵列,亦由多个传感格点组成,其格点的数目和面积变化均如实施例一~四中红、绿、蓝三色传感阵列所述。例如,此第四传感阵列可以是一白色传感阵列,为进行灰阶扫描时所用。或者是一紫(红)外线传感阵列,用以接收紫(红)外线照射的光信号,将RGB的扫描结果与紫(红)外线的扫描结果相结合,可补偿原稿的小刮痕或灰尘沾染处。
本发明上述实施例所揭示的具有多种像素尺寸的图像传感器,是应用在图像撷取设备如扫描器中,其优点是藉由调整格点大小,亦即改变像素尺寸,可解决下述两个主要问题:
1.可弥补半画角的影响,而使位于边缘视场的传感格点的能量接受度近似于中间视场的传感格点的能量接受度。
2.可平衡红色、绿色、蓝色传感阵列的敏锐度,使三种颜色的反应原稿对比能力大致相等,而使扫描后所得的图像忠实地呈现原稿的色彩。
当然,本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (23)
1.一种图像传感器,装设在一图像撷取设备中,其特征在于,该图像传感器至少包括:
一第一传感阵列,包括n个线性排列的第一传感格点,且两侧的这些第一传感格点的面积大于中心的这些第一传感格点的面积;
一第二传感阵列,包括n个线性排列的第二传感格点,且两侧的这些第二传感格点的面积大于中心的这些第二传感格点的面积;
一第三传感阵列,包括n个线性排列的第三传感格点,且两侧的这些第三传感格点的面积大于中心的这些第三传感格点的面积;
其中,该第一传感阵列的总长等于该第二传感阵列的总长并等于该第三传感阵列的总长。
2.如权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,该第一传感阵列为一红色传感阵列,由n个红色传感格点所组成,该第二传感阵列为一绿色传感阵列,由n个绿色传感格点所组成,该第三传感阵列为一蓝色传感阵列,由n个蓝色传感格点所组成。
3.如权利要求2所述的图像传感器,其特征在于,这些红色传感格点、绿色传感格点、与蓝色传感格点的形状均为长方形,且这些格点的长边为X,宽边为Y,并沿着X方向排列成该红色传感阵列、该绿色传感阵列、与该蓝色传感阵列。
4.如权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,这些红色传感格点的宽边Y为定值,而两侧的这些红色传感格点的长边XBr大于中心的这些红色传感格点的长边XOr。
5.如权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,这些绿色传感格点的宽边Y为定值,而两侧的这些绿色传感格点的长边XBg大于中心的这些绿色传感格点的长边XOg。
6.如权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,这些蓝色传感格点的宽边Y为定值,而两侧的这些蓝色传感格点的长边XBb大于中心的这些蓝色传感格点的长边XOb。
7.如权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,这些红色传感格点的长边X为定值,而两侧的这些红色传感格点的宽边YBr大于中心的这些红色传感格点的宽边YOr。
8.如权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,这些绿色传感格点的长边X为定值,而两侧的这些绿色传感格点的宽边YBg大于中心的这些绿色传感格点的宽边YOg。
9.如权利要求3所述的图像传感器,其特征在于,这些蓝色传感格点的长边X为定值,而两侧的这些蓝色传感格点的宽边YBb大于中心的这些蓝色传感格点的宽边YOb。
10.如权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,该图像传感器还包括一第四传感阵列,包括n个线性排列的第四传感格点,且这些第四传感格点的面积由中心向两侧渐增。
11.如权利要求10所述的图像传感器,其特征在于,该第四传感阵列为一白色传感阵列,由n个白色传感格点所组成。
12.如权利要求10所述的图像传感器,其特征在于,该第四传感阵列为一紫外线传感阵列。
13.如权利要求10所述的图像传感器,其特征在于,该第四传感阵列为一红外线传感阵列。
14.如权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,该图像传感器为一电荷耦合元件。
15.如权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,该图像传感器为一互补金属氧化物半导体图像传感器。
16.如权利要求1所述的图像传感器,其特征在于,该图像撷取设备为一扫描器。
17.一种图像传感器,装设在一图像撷取设备中,其特征在于,该图像传感器至少包括:
一红色传感阵列,包括n个线性排列的红色传感格点;
一绿色传感阵列,包括n个线性排列的绿色传感格点;
一蓝色传感阵列,包括n个线性排列的蓝色传感格点;
其中,该红色传感阵列的总长等于该绿色传感阵列的总长并等于该蓝色传感阵列的总长,且这些蓝色传感格点的面积大于对应的这些红色传感格点的面积,亦大于对应的这些绿色传感格点的面积。
18.如权利要求17所述的图像传感器,其特征在于,这些红色传感格点、绿色传感格点、与蓝色传感格点的形状均为长方形,且这些格点的长边为X,宽边为Y,并沿着X方向排列成该红色传感阵列、该绿色传感阵列、与该蓝色传感阵列。
19.如权利要求18所述的图像传感器,其特征在于,这些红色传感格点、这些绿色传感格点、与这些蓝色传感格点的长边X均为定值,而这些蓝色传感格点的宽边Yb大于对应的这些红色传感格点的宽边Yr,亦大于对应的这些绿色传感格点的宽边Yg。
20.一种图像传感器,装设在一图像撷取设备中,其特征在于,该图像传感器至少包括:
一红色传感阵列,包括n个线性排列的红色传感格点;
一绿色传感阵列,包括n个线性排列的绿色传感格点;
一蓝色传感阵列,包括n个线性排列的蓝色传感格点;
其中,该红色传感阵列的总长等于该绿色传感阵列的总长并等于该蓝色传感阵列的总长,且这些绿色传感格点的面积小于对应的这些红色传感格点的面积,亦小于对应的这些蓝色传感格点的面积。
21.如权利要求20所述的图像传感器,其特征在于,这些红色传感格点、这些绿色传感格点、与这些蓝色传感格点的长边X均为定值,而这些绿色传感格点的宽边Yg小于对应的这些红色传感格点的宽边Yr,亦小于对应的这些蓝色传感格点的宽边Yb。
22.一种图像传感器,装设在一图像撷取设备中,其特征在于,该图像传感器至少包括:
一红色传感阵列,包括n个线性排列的红色传感格点,且两侧的这些红色传感格点的面积大于中心的这些红色传感格点的面积;
一绿色传感阵列,包括n个线性排列的绿色传感格点,且两侧的这些绿色传感格点的面积大于中心的这些绿色传感格点的面积;
一蓝色传感阵列,包括n个线性排列的蓝色传感格点,且两侧的这些蓝色传感格点的面积大于中心的这些蓝色传感格点的面积;
其中,该红色传感阵列的总长等于该绿色传感阵列的总长并等于该蓝色传感阵列的总长,且这些蓝色传感格点的面积大于对应的这些红色传感格点的面积,亦大于对应的这些绿色传感格点的面积。
23.一种图像传感器,装设在一图像撷取设备中,其特征在于,该图像传感器至少包括:
一传感阵列,由多个传感格点线性排列而成,且这些传感格点的面积自中心向两侧渐增。
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