CN2560965Y

CN2560965Y - 使用多个线性图像传感器阵列的扫描成像装置

Info

Publication number: CN2560965Y
Application number: CN 02241949
Authority: CN
Inventors: 侯兰忠; 胡大文
Original assignee: Silicon Technology Shenzhen Co ltd
Current assignee: Wuhan Syscan Digital Co., Ltd.
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: TW583875B

Abstract

本实用新型涉及使用多个线性图像传感器阵列的扫描成像装置，包括：一个光学透镜、一个光源、和一个光学传感器；光学传感器包括多个光电检测器阵列；每一个光电检测器通过光学透镜、从被光源照亮的、和光电检测器阵列相对移动的被扫描文件的扫描行上顺序接受反射光。每一个光电检测器阵列中相对同一个扫描行生成的信号被累积起来，产生合成扫描信号。由于使用了二维线性传感器，本实用新型可使用低成本LED导光棒和简单透镜，无须高亮度光源和全宽度柱状透镜阵列；具有较高信噪比。通过对透镜焦距的适当调整，同一种尺寸的二维线性传感器可适用于各种幅面的扫描成像装置。本实用新型可应用于台式或单张馈纸扫描仪、影印机、传真机等。

Description

使用多个线性图像传感器阵列的扫描成像装置

技术领域本实用新型涉及彩色文档扫描系统，具体地说，涉及一种采用多个光电检测器、或者多个光电检测器线性阵列的图像传感器扫描成像装置，该多个光检测器阵列顺序曝光于被扫描文档，从而产生高强度和高保真度的扫描信号。

背景技术在许多实际应用中，人们使用扫描成像装置来将文字和图形转换为可进行分析、分配及存档的电子格式。最通用的光学扫描成像装置是平板扫描仪，它能将图片和文件等扫描对象转换为图像，这些图像可用于建立网页及光学字符识别。另一种通用的光学扫描仪是单张馈纸扫描仪，其外型小巧，可置于键盘和计算机显示器之间，甚至结合到键盘中。大部分光学扫描仪被称为图像扫描仪，这是由于其输出通常为数字图像格式。

结构上，光学扫描成像装置一般包括将文档图像光学地转换为其对应电子信号的图像读出模块(photo-sensing module)。图像读出模块一般包括照明系统、光学系统、图像传感器以及输出电路。该照明系统用于照明被扫描的文档图像。该光学系统用于将从文档图像反射的图像光导向并聚焦到图像传感器上。该图像传感器物理地包括多个光电二极管、光电晶体管或电荷耦合器件(CCD)，这里在后面称之为光电探测器，它们对入射光敏感并产生电子信号，这些信号被称为各个光电探测器的像素或电荷信号。一般像素信号与入射光强度成比例，而且入射光越亮，则像素信号越强。该输出电路用于转换并在必要时放大这些像素信号，使其成为恰当的数字图像格式以便进一步处理。

图像传感器的操作包括两个过程，第一个是光累积(lightintegration)过程，第二个是信号读出过程。在光累积过程期间，各光电探测器捕获从某个正在进行成像或扫描的文档所反射光的入射光子，并将入射光子的总数转换为相应量的电荷或等效像素信号。当光累积过程结束时，遮蔽光电探测器，使其不再捕获其它光子。然后光电探测器即开始信号读出过程，通过读出电路将所述光电探测器单元中的像素信号读出到数据总线或视频总线上。

图1A是一种图象扫描系统100内部结构的示意图。被扫描文件101被光源102照亮。被扫描文件101的扫描面经过全宽度光学透镜系统104，全宽度光学透镜系统104收集来自被扫描文件101的扫描面的反射光并聚焦于图象传感器106。在底版108上有各种电路，用于读出图象传感器的电荷信号并输出所需要的信号。全宽度光学透镜系统104和全宽度图象传感器106的使用，使得图象扫描系统100可以全宽度扫描被扫描文件101。换句话说，如果被扫描文件101的宽度是8.5英寸，全宽度光学透镜系统104和全宽度图象传感器106的宽度也至少是8.5英寸。目前这种光学透镜系统使用光学柱状透镜阵列，而图像传感器是一组“通常尺寸”的线性传感器。

图1B是光学透镜阵列120与图1A中的全宽度图象传感器106示意图。两者都必须适合扫描仪的尺寸。当被扫描文件101的宽度增加时，图象传感器的数量也增加(如图中106-1，106-2，…106-N)。如果需要的图象传感器的宽度是L，则图象传感器的数量N＝[L/n]，[]运算取大于L/n的整数，n是常用线性传感器的通常尺寸。众所周知从一组相互连接的线性传感器中获得信号需要解决的问题包括排列传感器、传感器的灵敏度不均匀等。使用一组线性传感器的固有的复杂性使扫描成像装置的成本无法下降。

事实上，被扫描文件的尺寸是不同的，可以是标准ISO A0，A1，A2，A3，A4，A5，A6，B4，B5，B6，C4，C5和C6，每一种尺寸的扫描仪都需要相应尺寸的图象传感器。不同尺寸的要求使得图像传感器的设计和制造复杂化。因此需要可适合不同尺寸扫描仪的图像传感器的设计方案。

发明内容本实用新型的目的在于设计一种使用多个线性图像传感器阵列的扫描成像装置，可适合不同尺寸扫描仪。

本实用新型公开了一种扫描成像装置，采用二维线性传感器，包括相互并联的多线性传感器、或光电探测器阵列。多线性传感器的工作方法为传输延迟集成法(TDI，Transfer Delay Integration)。各个阵列中的光电探测器串联连接，即每个阵列中的第i个光电探测器相互串联。对被扫描文档的反射光的响应在一个阵列中生成电荷信号，这些电荷信号被移动给下一个相邻阵列。当该被扫描文档从该下一个相邻阵列上移过时，光电探测器即在已移动过来的电荷信号上面再生成电荷信号。在该下一个相邻阵列中所生成的合成电荷信号继续移动到再下一个阵列、直至最后一个阵列，该最后阵列产生一个具有高保真度和低噪声的扫描信号。

本实用新型公开了一种使用多个线性图像传感器阵列的扫描成像装置，包括：一个光学透镜、一个光源、和一个光学传感器；所述光学传感器包括若干光电检测器阵列；每一个光电检测器通过光学透镜、从被所述光源照亮的、和所述光电检测器阵列相对移动的被扫描文件的扫描行上顺序接受反射光或透射光。每一个光电检测器阵列中生成的信号被累积起来，产生合成扫描信号。所述多个光电检测器阵列相互并联，各个阵列中的光电检测器串联连接。其中每一个所述光电探测器阵列都相隔一个由扫描分辨率确定的距离；所述光源至少采用一个发光二极管(LED)，该光源可以是LED导光棒。所述光学透镜采用折射率均匀的透明材料。

本实用新型公开的扫描成像装置由于使用了二维线性传感器，可使用低成本LED的导光棒和简单透镜，而无须高亮度照明光源和全宽度柱状透镜阵列。由于二维线性传感器中每一路阵列的相应传感器中所生成的合成电荷信号相互累加，而白噪声在累加中被抵消，所以能产生高信噪比的扫描信号。而且，通过对透镜焦距的适当调整，同一种尺寸的二维线性传感器可用于各种尺寸规格的扫描成像装置。本实用新型可应用于平板式或单张馈纸扫描仪、影印机、传真机等。

附图说明本实用新型的这些特性及其它特性、方面和优点，根据下面的描述、所附权利要求书以及附图即可更好地理解，其中：

图1A是一种典型图象扫描仪的内部结构；

图1B是全宽度图象传感器和全宽度光学柱状透镜阵列示意图；

图2是使用本实用新型的二维线性传感器(CIM)的扫描成像装置的内部结构；

图3是带有相应图像信号处理电路的传感器元件的示范性线路图；

图4是应用了多个光电探测器阵列的图像传感器的示范性线路图；

图5是带有电荷移动说明的本实用新型示范性线路图中传感器元件第一排的局部视图；

图6表示了应用4个光电探测器阵列的图像传感器的操作；

图7说明了使用M个光电探测器阵列的效率。

具体实施方法在以下的本实用新型详细描述中，提供了许多特定细节以便透彻理解本实用新型。然而对本领域技术人员来说，显而易见的是可运用本实用新型而无需这些特定细节。在其它示例中，未详细描述为人所熟知的方法、步骤、元件及电路，以免不必要地使本实用新型各方面含混不清。这里的详细描述主要依照步骤、逻辑块、处理以及其它符号表示法——它们直接或间接地类似于与网络相连数据处理器件的操作——而进行。这些过程描述和表示法是本领域有经验的或熟练的技术人员所使用的方法，用于向本领域其他熟练技术人员最有效地表达其工作实例。

此处“一个实施例”或“一实施例”意为与该实施例联系描述的某个特定性能、结构或特征可包括在本实用新型的至少一个实施例中。本描述中出现多处“在一个实施例中”一词，它并非一定是指同一个实施例，也并非指与其它实施例不相容的独立或备选的实施例。另外，在处理流程图或示意图中的各块次序并非内在地表示了任何特定次序，也不意味着本实用新型的任何限制。

现在参看附图，全部附图中，同样标号指的是同样部件。图2描述了扫描成像装置200的内部结构。与图1A不同，扫描成像装置200使用二维线性传感器206。通常一个线性传感器是指一个光电检测器阵列，而二维阵列是指光电检测器在一定区域上排列。这里二维线性传感器是指多路线性传感器阵列或者光电检测器的多路阵列，其中每一路都同时暴光于被扫描目标但顺序暴光于被扫描目标的特定扫描行。换句话说，多路线性传感器阵列与被扫描目标同步。根据本实用新型的一个实施例，二维线性传感器206用CMOS实现，相应于CMOS图像获取模组(CIS)。

与传统扫描仪中的线性传感器不同的是，二维线性传感器206同时获得被扫描文件101上的一个宽带的、或者多扫描行的图象。如图2所示，当被扫描文件101逐行移动时，其上的一个宽带、或者多扫描行210由二维线性传感器206同时成像。因此被扫描文件的几行同时成像而且每行通过二维线性传感器206上的每个线性传感器顺序成像。

在扫描仪中使用二维线性传感器206具有下述一种或多种优势和/或益处。首先，因为被扫描目标的一行被多路线性传感器阵列扫描多遍，所以所需的光源202的亮度较低，因而LED导光棒可用于只有光学透镜204(相当于全宽度柱状透镜阵列)的结构，而不需要柱状透镜阵列，也就是说，光学透镜204可以采用折射率均匀的透明材料。在采用单路线性传感器的传统的扫描仪中，通常使用阴极荧光冷灯做光源，常见于平板型扫描仪。阴极荧光冷灯的强光照明使得单路线性传感器接受到足够强的反射光以产生高信噪比的图象信号。使用了二维线性传感器206，需要的反射信号就不必如单路光电检测器需要的那么强，而且二维线性传感器206同样可获得高信噪比的图象信号。其次，由于使用了光学透镜204，可将被扫描文件上的全部扫描行聚焦于传感器，而不必为了适应被扫描文件的宽度串联更多的二维线性传感器。因此传统的扫描仪中必须使用串联线性传感器的问题不再出现。第三，从设计和制造的观点看，一种尺寸的二维线性传感器就够用了。总之，不需要生产各种尺寸的二维线性传感器以适应不同的被扫描文件宽度。除非图象分辨率要求，一个根据二维线性传感器调节的简单的缩小透镜即可适应于不同的扫描设备。从上述和下述描述中还能找到本实用新型的更多的优势和/或益处。

图3表示了一个带有相应图像信号处理电子部件300的传统的线性传感器阵列302的示范性线路图。传感器阵列302可以对应一个线形传感器或者如图1A或图1B中所示的串联线性传感器106之一，包括单独一列N个光电探测器，其中各光电探测器被标为#1、#2、…、#N。扫描操作期间，在累积阶段中，每个光电探测器收集投射其上的图像光并生成电子信号。当该累积阶段结束时，这些电子信号在一个放大器阵列304中被放大，并分别经由采样电路阵列306而进行采样。这些经过放大和采样的图像信号通过多路转换器308而顺序地作为最终的串行图像信号输出310而被读出，其中该多路转换器308的操作由一个寄存器阵列312所控制。还可选择令这些输出信号由放大器314进行放大。

参见图4，该图展示了一个根据本实用新型的示范性传感器400的线路图。该传感器400使用了多路光电探测器阵列或多个线性传感器而非仅使用单独一个光电探测器阵列。该阵列数量(M)大于2并有赖于恰当的具体实施方案。例如，M＝5，第一排光电探测器沿文档移动方向设置并分别标为#1a、#1b、#1c、#1d和#1e。对于第二排，类似地设置光电探测器并标为#2a、＃2b、＃2c、#2d和#2e，等等。就这样，对于第N排，光电探测器被标为#Na、#Nb、#Nc、#Nd和#Ne。亦即作为本实用新型的一个特点，在沿扫描文档移动方向上的每个像素位置，使用了多个光电探测器阵列而非单独一个光电探测器。这些光电探测器要同时暴露于从该文档所反射的图像光，而且它们各自生成的图像电子信号串行移位。每个这种移位信号都以一种协调方式而叠加，从而增强了捕获图像的质量和保真度，取得带有高扫描通量的高分辨率扫描操作。

操作中，沿文档移动方向，相邻光电探测器元件之间的中心到中心距离——或等值地说，光电探测器间距——设置成与扫描分辨率相对应。例如，600DPI扫描分辨率就意味着光电探测器间距是25.4毫米/600＝42.333微毫米。

现在参看图5，那里展示了一排4个光电探测器p1、p2、p3和p4的示意图，每个光电探测器都处于不同的光电探测器阵列。根据一个实施例，一个图像传感器包括并联结合的M个光电探测器阵列。每个阵列都包括N个光电探测器，各阵列中的第i个光电探测器(例如在M＝4时的p1、p2、p3和p4)都这样串联连接，其中0＜i＜N。实际上，依所需扫描分辨率而定，对于标准尺寸的文档，N处于以千来计数的范围。为便利本实用新型操作，该M个光电探测器阵列同等地分别以距离D分隔开，该距离受扫描分辨率支配。

图5中，文档500以受控速度从光电探测器p1、p2、p3和p4上压过。假定该文档在图中从左到右移动并因此而首先暴露给光电探测器p4。当该文档5 0的一条扫描线跨过光电探测器p4时，亦即在其一个累积结束时，光电探测器p4中即响应从该扫描线(例如对应于一个光电探测器的扫描点)所反射的光而生成一个电子信号E4。当该文档500的该扫描线行进到光电探测器p3时，电子信号E4首先移位到光电探测器p3。当该文档500的该扫描线跨过光电探测器p3时，即在已存储于光电探测器p3内的、移位的E4之上，又在光电探测器p3中附加生成了一个电子信号E3。在光电探测器p2响应从该同一条扫描线(点)所反射的光而生成E2之前，合成的E4和E3即从光电探测器p3移到光电探测器p2。在该同一条扫描线(点)通过了光电探测器p1之后，即在光电探测器p1中有了一个合成的信号E1、E2、E3和E4，而且可在放大器502中放大以产生一个累积信号504。本领域熟练技术人员会理解，一旦一个电子信号从某个当前光电探测器移到下一个光电探测器，则该当前光电探测器即可响应新到达的扫描点而生成一个新的电子信号。相应地，正是这最后一个光电探测器即有了从先前光电探测器累积的电子信号。结果，从该累积电子信号所导出的扫描信号的信号强度就增加了许多量级而无需改变文档移动速度。特别当M＝10，则扫描信号即可增至10倍。如下所示，信噪比也大为改善。

根据本实用新型一个实施例，文档移动速度增加多达M倍。应认识到，由于本实用新型的功效，该图像扫描仪可产生一个信号，等值于从一个仅使用一个阵列光电探测器的图像扫描仪所产生的信号。依实际的具体实施方案而定，在所需扫描速度与所需信号强度之间进行应用调整即可取得一种具有较高扫描通量和大幅改善的扫描信号的图像扫描仪。

图6表示了应用4个光电探测器阵列的图像传感器600的操作。光电探测器p1、p2、p3和p4是各阵列中的第i个光电探测器。当一份扫描文档(图中未示)从左到右行进或该传感器600从右到左行进时，光电探测器p4、p3、p2和p1顺序暴露于该文档。初始情况下，令光电探测器p4、p3、p2和p1复位，每个光电探测器都不存有电子信号。在该图像传感器与该文档之间第一个相对运动604之后，光电探测器p4、p3、p2和p1中每个都生成一个电子信号，分别标为E41、E31、E21和E11。E41、E31和E21随后串行移到下一个相邻光电探测器，而E11则通过一个放大器被输出。现在该电子信号分布为610。在该图像传感器与该文档之间第二个相对运动608之后，光电探测器p4、p3、p2和p1中每个都生成一个电子信号，分别标为E42、E32、E22和E12，如612所示。各个光电探测器中的电荷又一次移到下一个相邻光电探测器。这种移动的结果是电子信号分布为614，现在输出是E21+E12。

在该图像传感器与该文档之间第三个相对运动618之后，光电探测器p4、p3、p2和p1中每个都生成一个电子信号，分别标为E43、E33、E23和E13，如620所示。各个光电探测器中的电荷再一次移到下一个相邻光电探测器。这种移动的结果是电子信号分布为622，现在输出是E31+E22+E13。

在该图像传感器与该文档之间第四个相对运动624之后，光电探测器p4、p3、p2和p1中每个都生成一个电子信号，分别标为E44、E34、E24和E14，如626所示。各个光电探测器中的电荷又是再一次移到下一个相邻光电探测器。这种移动的结果是电子信号分布为622，现在输出是E41+E32+E23+E14，它最初来自这一相对运动624之前的光电探测器p1。

根据如626移动的这些信号可认识到，现在由于图像传感器与文档之间的相对运动被同步化以确保同一个扫描点为p4、p3、p2和p1所顺序扫描，该图像传感器600的输出现在增加到4倍。图7说明了使用M个光电探测器阵列的效率。当文档700从左到右移动时，扫描点S在其光累积过程中短时间(例如10毫秒)暴露给光电探测器pM。在扫描点S在其光累积过程中暴露给光电探测器p(M-1)之前，该电荷信号移到光电探测器p(M-1)中。如图所示，光电探测器p(M-1)已存储了从光电探测器pM移来的电荷信号，因此光电探测器p(M-1)被移来的电荷信号充电，并且因此而导致新的电荷信号两倍于光电探测器pM中的电荷信号。当扫描点S移动经过最后的光电探测器p1时，p1中累积的电荷产生一个扫描信号，该信号增加倍数为扫描点S通过的光电探测器数目。

影响图像扫描仪质量的一个重要因素是光电探测器噪声，这种噪声是光电探测器输出的固有成分。相应的质量因数在本领域中被称为信噪比，或S/N。该S/N越高，相关图像质量就越好。但在本实用新型使用多个光电探测器阵列情况下，从一个电荷放大器对一个扫描点的最后输出等于M个单独光电探测器输出的总和。因为来自这M个单独光电探测器元件中每一个的光电探测器噪声是统计意义上互不相关的，在实际图像像素信号持续线性增加时，这些噪声成分趋向平均减少。因此，通过本实用新型传感器所捕获的图像与原有技术传感器所捕获的图像相比，就显示出更高的图像质量。本实用新型传感器的噪声减少还可进一步解释如下：

假定在M个光电探测器阵列的每个阵列中，第i个光电探测器所生成的每个电荷或电子信号为：

S1，S2，…，SM并且对应的来自相应光电探测器元件的光电探测器噪声为：

N1，N2，…，NM在原有技术、使用单独一排光电探测器元件的情况下，信噪比由下式给出：

S/N(原有技术)＝S₁/N₁ (1)在本实用新型情况下，来自电荷放大器的各像素信号的最终输出等于：

S_总＝S₁+S₂+…+S_M由于来自各个阵列第i个光电探测器的光电探测器噪声是统计意义上互不相关的，从电荷放大器最后输出的噪声等于：

N_总＝(N₁ ²+N₂ ²+…+N_n ²)^1/2因此，本实用新型中信噪比由下式给出：

S/N(本实用新型)＝S_总/_N，或

S/N(本实用新型)

＝(S₁+S₂+…+S_N)/(N₁ ²+N₂ ²+…+N_n ²)^1/2 (2)(2)的结论很显然，S/N(本实用新型)远大于S/N(原有技术)，所以图像质量更高。

本实用新型可具体实施成为一种装置、一个系统或一种方法，不同的具体实施方案一个或多个以下益处或优点。其中之一是图像传感器的低成本，该图像传感器提供了具有低噪声的强扫描信号。其中另一优点是能够提供更高的扫描通量而无需增加照明。其它益处或优点可在前面描述中认识到。

本实用新型已经以某种程度的特殊性而充分详细地进行了描述。本领域熟练技术人员会理解，本实用新型实施例的公开仅作为示范，并且可在本实用新型各部分的安排及组合上采用许多变化而不偏离本实用新型所声明的精神和范围。尽管这里所讨论的实施例显得从格式和配置上讲，包括了某些类似对信息元件形式的限制，然而本实用新型具有远超出这类实施例的适用性，这点可为本领域熟练技术人员认识到。相应地，本实用新型的范围由所附权利要求书所界定，而非上述的实施例描述。

Claims

1、一种使用多个线性图像传感器阵列的扫描成像装置，包括：一个光学透镜、一个光源、和一个光学传感器；其特征在于：所述光学传感器包括多个光电检测器阵列；每一个光电检测器通过光学透镜、从被所述光源照亮的、与所述光电检测器阵列相对移动的被扫描文件的扫描行上顺序接受反射光或透射光。

2、如权利要求1所述的成像装置，其特征在于：每一个所述光电检测器阵列中生成的信号被累积起来，产生一个来源于所述被扫描文档的一个扫描行的合成扫描信号。

3、如权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于：所述多个光电检测器阵列相互并联，各个阵列中的光电探测器串联连接。

4、如权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于：每一个所述光电检测器阵列都相隔一个由扫描分辨率确定的距离。

5、如权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于：所述光源采用至少一个发光二极管(LED)。

6、如权利要求4所述的成像装置，其特征在于：所述光学透镜采用折射率均匀的透明材料。

7、如权利要求4或5所述的成像装置，其特征在于：所述光源是LED导光棒。