JP2002010021A - 走査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全ての画素についての熱雑音を低減する。 【解決手段】 フォトセンサ１０２のアレイ１００を画
像からの光に露出するステップと、電荷の第１の部分１
１２をフォトセンサ１０２のアレイ１００から増幅器１
０６にシフトするステップと、電荷の第２の部分１１４
をダンプするステップと、フォトセンサ１０２のアレイ
１００を画像からの光に再び露出するステップと、フォ
トセンサ１０２のアレイ１００から電荷の第１の部分１
１２をダンプするステップと、電荷の第２の部分１１４
をフォトセンサ１０２のアレイ１００から増幅器１０６
にシフトするステップとをそれぞれ含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、概して、光学画像
スキャナ及びカメラに使用されるフォトセンサアレイで
あって、特に一般に光学画像スキャナに使用されるライ
ンアレイを使用した走査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像スキャナは、文書又は写真上の可視
画像、或いは透明媒質の画像を、コンピュータによる複
製、格納又は処理に適した電子形態に変換する。画像ス
キャナは、別個の装置であったり、或いは、コピー機の
一部、ファクシミリ機の一部、又は多目的装置の一部で
あったりする。一般に、反射型画像スキャナは、制御さ
れた光源を有しており、光は、文書の表面から反射さ
れ、光学系を通過して、光電装置のアレイ上に到達す
る。光電装置は、受光した光の強度を電子信号に変換す
る。トランスペアレンシ画像（透明画）スキャナでは、
光が透明な画像、例えば写真ポジスライドを通過し、光
学系を通過した後、光電装置のアレイに到達する。

【０００３】一般に、フォトセンサアレイは、何千もの
個々の光電素子を有している。各光電素子は、スキャナ
光学系と共に、走査中の画像上の画素を規定する文書上
の有効な領域からの光強度を測定する。光学的なサンプ
リングレートは、しばしば、走査中の文書（又は、物体
或いは透明な物体）上で測定されるようにｍｍ（又はイ
ンチ）あたりの画素として表現される。

【０００４】画像スキャナ用のフォトセンサアレイは、
一般に、３列又は４列のセンサを有しており、各列が、
例えば赤色、緑色及び青色等、光の波長の異なる帯域を
受光する。各列は、フィルタリングされてもよく、或い
は、ビームスプリッタによって白色光が異なる波長の帯
域に分離されてもよい。

【０００５】一般に、フォトセンサアレイは、一定の時
間にわたり露光され、各センサ素子の電荷が１つ又は複
数の電荷シフトレジスタに転送される。そして、電荷
は、電荷シフトレジスタにおいてバケットブリゲード形
式で連続的に増幅器及びアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変
換器にシフトされる。

【０００６】ビット深さは、画素毎に捕捉されるビット
の数である。一般に、画素は、各次元において一定数の
ビットを有する３次元色空間で指定される。例えば、画
素あたり合計２４ビットに対し、８ビットの赤色情報、
８ビットの緑色情報及び８ビットの青色情報を有する、
赤、緑及び青（ＲＧＢ）の色空間で指定されてよい。代
替的に、画素は、次元が輝度、色度及び彩度である円筒
状の色空間で指定されてよい。代替的に、１次元が輝度
である、例えばＣＩＥＬＡＢ又はＣＩＥＬＵＶ等、３次
元ＣＩＥ色空間が使用されてよい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】露光中、１次雑音源
（ショット雑音と呼ばれる）が、光子の電子への変換に
関係し、雑音が信号の平方根で増大する。センサが光を
全く受信していない場合であっても、ある程度の熱雑音
（暗雑音と呼ばれる）が発生する可能性がある。熱雑音
（暗雑音）は、時間、温度及びフォトセンサ領域に応じ
て増大する。

【０００８】光の強度に対する人間の視覚系の感度は、
ほぼ対数的である。すなわち、人間の視覚系は、暗い領
域及び陰の領域において強度変化に対して非常に敏感で
あり、強度変化に対する感度は、強度が増大するに従っ
て低減する。従って、一定レベルの雑音は、画像の暗い
領域において視覚的に明白である。フォトセンサ信号
は、画像の暗い領域ほど小さく、そのため信号対雑音比
は画像の暗い領域に対して特に問題となる。徐々に変化
する色、特に暗色を含む画像の領域は、オリジナルの滑
らかな色調及びテクスチャーを正確に再現するために、
ビット深さの正確な低位ビットと高信号対雑音比とを必
要とする。従って、暗い領域における人間の視覚系の感
度のため、暗い領域における信号対雑音比のため、及
び、徐々に変化する色を含む領域における正確な低位ビ
ットが必要であるため、熱雑音を低減する必要がある。

【０００９】一般に、製品の各世代で、光学的サンプリ
ングレートが増大し、センササイズがより小さくなるこ
とが要求される。また、サンプリングレートが増大する
ことにより、センサが収集する光が少なくなり、指定の
信号対雑音比が要求された場合に、光強度を増大させる
等、他の変更が行われる必要が生じる可能性がある。そ
れにより、光学系のレンズが大きくなるか、又は露光時
間が増大し、それらは各々コスト又は性能に影響を与え
る。高い光学的サンプリングレートと共に、ビット深さ
における正確な低位ビットと高信号対雑音比とを提供す
るスキャナが必要とされている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】信号電荷は、電荷が電荷
シフトレジスタにおいてシフトされている際に熱雑音に
晒される。例としての実施の形態においては、電荷が電
荷シフトレジスタに存在している合計時間が低減される
ことにより、電荷シフトレジスタにおける熱雑音の影響
が低減される。各走査線に対し複数の露光が使用され、
各露光には各走査線における画素の一部のみが使用され
る。例えば、露光が２回行なわれる場合、画素の半分が
第１の露光に対して使用され、その半分が第２の露光に
対して使用されてよい。第１の露光では、Ａ／Ｄ変換時
間を待つことなく、電荷の第２の半分が迅速にシフトア
ウトされて破棄される。第２の露光では、Ａ／Ｄ変換時
間を待つことなく、電荷の第１の半分が迅速にシフトア
ウトされて破棄される。その結果、各露光に対し、シフ
トレジスタセルが熱雑音に晒される時間が低減される。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明で使用するのに適
したフォトセンサアレイ１００の一例を示す。図１に示
す普通の配列は、１次元ＣＣＤアレイとして一般的であ
る。しかしながら、本発明は、ＣＭＯＳセンサ、密着型
イメージセンサ（Contact Imaging Sensor（ＣＩ
Ｓ））、太陽電池、又はＡ／Ｄ変換前の電荷の連続シフ
トを伴う他のあらゆるフォトセンサアレイテクノロジー
に対して、等しく適用可能である。図１に示す例では、
１列のフォトセンサ１０２と、１つの電荷シフトレジス
タ１０４と、この電荷シフトレジスタ１０４から電荷を
受取る増幅器１０６と、この増幅器１０６の出力を受取
るアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１０８とが備え
られている。図１のフォトセンサアレイ１００は、説明
を容易にするために、１つの電荷シフトレジスタ１０４
を有している。しかしながら、２つの電荷シフトレジス
タを備えること、及び、複数のフォトセンサと２つの電
荷シフトレジスタとの間の接続を互い違いにすることも
また一般的であり、この場合には、第１のフォトセンサ
が第１の電荷シフトレジスタに電荷を転送し、第２のフ
ォトセンサが第２の電荷シフトレジスタに電荷を転送す
る等の如き構成となる。電荷シフトレジスタが２つある
場合には、各電荷シフトレジスタがそれ自身の増幅器と
Ａ／Ｄ変換器とを有してもよく、或いは、それらの電荷
シフトレジスタが１つの増幅器及び１つのＡ／Ｄ変換器
を共有してもよい。

【００１２】本発明が提言している１つの基本的な問題
は、他の全ての条件が同じである場合に、電荷シフトレ
ジスタ１０４の全ステージに対する熱雑音が増大するこ
とにより、電荷シフトレジスタ１０４から全ての電荷を
除去するために必要な合計時間が増大する、ということ
である。例えば、図１において、ステージ１１８からの
電荷が１つのステージから右へシフトされた時、ステー
ジ１１８は空になる（ヌル信号）。ステージ１１８で発
生した電荷が更に右へシフトすると、ヌル信号はその後
に右へシフトし、そしてこのヌル信号は熱雑音を蓄積し
ている。ステージ１１８で発生した電荷は、最終的に、
ステージ１１６からシフトアウトされ、増幅器１０６に
入る。なお、上述の電荷は、電荷シフトレジスタ１０４
を空にするために必要な全時間にわたって蓄積されかつ
シフトされた熱雑音から成る残留電荷と共に、ステージ
１１６からシフトアウトされる。信号電荷がフォトセン
サ１０２から電荷シフトレジスタ１０４に転送される次
の時点で、信号電荷が、先に行われた露光で残された残
留雑音電荷に付加される。一例としての実施の形態にお
いては、電荷シフトレジスタ１０４を空にするために必
要な時間を低減する。それによって、電荷シフトレジス
タ１０４における全ての残留電荷に対する熱雑音が低減
され、第１の露光の後のデジタル化された強度値の全て
に対して信号対雑音比が向上する。

【００１３】電荷シフトレジスタ１０４は、論理的に複
数のセクションに分割されている。例えば、図１におい
て、電荷シフトレジスタ１０４は、２分割（セクション
１１２，１１４）されている。２分割を選択したのは例
示のためだけであり、論理的分割は、３分割、４分割等
であってもよい。更に、各セクションは同じサイズでな
くてもよい。シフト・クロック１１０は、少なくとも標
準スピードと高速スピードとをそれぞれ有している。第
１の露光において、電荷シフトレジスタの第１のセクシ
ョン（第１の部分）１１２が標準スピードで増幅器１０
６にシフトされ、第２のセクション（第２の部分）１１
４の全ての電荷が高速スピードでシフトアウトされる。
高速スピードでシフトされる電荷に対しては、いかなる
Ａ／Ｄ変換も実行されない。すなわち、電荷シフトレジ
スタ１０４の第２のセクション１１４の電荷は、単にダ
ンプされるのみである。代替的に、いくつかのフォトセ
ンサアレイは、全てのシフトレジスタステージを同時に
放電する能力を有している。フォトセンサアレイ１００
が放電能力を有している場合には、シフトレジスタステ
ージは、前記第１の半分が増幅器１０６にシフウトされ
た後に単純に放電されてよい。

【００１４】そして、フォトセンサ１０２の列に対して
２度目の露光が行われる。第２の露光では、電荷シフト
レジスタ１０４の第１のセクション１１２の電荷は、高
速スピードでシフトアウトされ、Ａ／Ｄ変換は行われな
い。第２のセクション１１４の電荷は、標準スピードで
シフトアウトされてＡ／Ｄ変換される。

【００１５】ここで、特定の例を考えることとする。例
えば、フォトセンサ１０２の列が２０，０００個のフォ
トセンサを有していると仮定する。標準クロックスピー
ドは、増幅器１０６に対して２００万シフト／秒であ
る。高速クロックスピードは、増幅器に対し１６００万
シフト／秒である。システムが走査線毎に１回の露光の
みを行い、かつ、標準シフトスピードのみしかない場合
には、電荷シフトレジスタ１０４における残留電荷は、
１０ミリ秒間にわたり熱雑音に晒される。本発明によれ
ば、走査線毎に２回の露光が行われ、かつ、高速シフト
スピードでシフトアウトが行われることにより、１０，
０００個のフォトセンサからの電荷が１６００万シフト
／秒でシフトされ、それに伴って１０，０００の電荷を
ダンプするために必要な時間は０．６３ミリ秒だけとな
り、当該信号電荷が標準シフトスピードで増幅器１０６
に到達するために更に５ミリ秒が必要であって、合計が
１０ミリ秒ではなく５．６３ミリ秒となる。従って、シ
フト中に暗雑音を受ける可能性のある時間は、約半分に
低減されることとなる。電荷シフトレジスタ１０４を更
に小さい部分に分割することにより、例えば、電荷シフ
トレジスタ１０４を３分割して３回の露光を行なうこと
により、シフトに費やされる時間を更に低減してもよ
い。

【００１６】一般に、スキャナは、走査ヘッド（光源、
光学系及びフォトセンサアレイを含む）と、走査中の文
書又は他の画像とを相対的に移動させる。上述したよう
な複数の露光に対して、１つの走査線に対する全露光が
完了するまで相対的な移動を停止するように選択しても
よい。代替的に、連続する相対移動のスピードを、各走
査線に対して複数の露光に適合すべくより低速にしても
よい。この場合、各露光は、先行する露光に対して僅か
にずらされる。

【００１７】なお、一例において、２回の露光のための
合計シフト時間は、露光が１回である場合の１０ミリ秒
に比較して約１１．２ミリ秒であり、そのため各走査線
は約１２％だけ多く時間を要する。しかしながら、露光
時間を増大させることにより信号対雑音比を向上させる
ためには、更に多くの時間が必要である可能性があり、
光の強度を増大するか或いはレンズのサイズを増大する
ことは、より高速なシフトスピードを提供するよりも高
価となる可能性がある。

【００１８】図２は、本発明による方法を示している。
ステップ２００において、フォトセンサ１０２の列に対
し１回目の露光が行われる。ステップ２０２において、
第１の部分（例えば、１／２部分、１／３部分等）が標
準スピードでシフトされる。ステップ２０４において、
高速スピードでシフトすることによるか或いは適当なシ
フトステージを同時に放電することにより、残りの電荷
がダンプされる。ステップ２０６において、フォトセン
サ１０２の列に対して２回目の露光が行われる。ステッ
プ２０８において、電荷の第１の部分がＡ／Ｄ変換され
ることなく高速度でシフトされ、電荷の第２の部分が電
荷シフトレジスタ１０４の第１の部分にもたらされる。
ステップ２１０において、電荷の第２の部分が標準速度
でシフトされる。適当な場合は、プロセスは追加の部分
に対して繰返されてよい。

【００１９】以上において本発明を説明したが、本発明
を要約すると次の通りである。すなわち、本発明の走査
方法は、熱雑音を低減するために複数の露光を使用する
フォトセンサアレイを利用している。画像スキャナ又は
カメラにおいて、各走査線に対して複数回の露光が行わ
れ、各走査線の画素のみが露光毎に使用される。例え
ば、２回の露光を行なう場合には、画素の半分部分１１
２が第１の露光のために使用され、そして残りの半分部
分１１４が第２の露光のために使用される。各露光にお
いて、電荷の半分が、Ａ／Ｄ変換時間を待つことなく、
高速度でシフトアウトされて廃棄される。その結果、各
露光において、電荷シフトレジスタ１０４を空にするの
に要する時間が著しく短くなり、これに起因して全ての
画素についての熱雑音が低減される。

【００２０】本発明の上述した説明は、例示及び説明の
目的のために提示されたものである。それは、排他的で
あるように、又は発明を開示した正確な形態に限定する
ようには意図されておらず、上記教示に鑑みて他の変更
態様及び変形態様も可能である。発明の原理とその実際
的な適用を最もよく説明することにより、当業者が企図
された特定の用途に適するよう、種々の実施の形態及び
種々の変更態様で発明を最もよく利用することができる
ように、実施の形態を選択し説明した。添付の特許請求
の範囲は、従来技術によって限定されることを除いて、
発明の他の代替的な実施の形態を含むよう解釈されるこ
とが意図されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査方法を施行するために用いられる
センサアレイシステムのブロック図である。

【図２】本発明の走査方法を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１０２ フォトセンサ １０４ 電荷シフトレジスタ １０６ 増幅器 １１２ 第１の部分（セクション） １１４ 第２の部分（セクション）

フロントページの続き (72)発明者 エドワード・エス・ビーマン アメリカ合衆国コロラド州80550，ウィン ザー，クリフ・ロード 33766 (72)発明者 ジェームス・シー・アルブリットン・マッ クドナルド アメリカ合衆国コロラド州80512，ベルビ ュー，デイビス・ランチ・ロード 3805 Ｆターム(参考） 5C024 CX03 CX32 EX01 EX18 GY01 GZ04 HX17 JX05 5C051 AA01 BA02 DA03 DB01 DE01 DE13 FA01 FA04 5C072 AA01 BA11 FA03 FB03 FB16 XA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ） フォトセンサのアレイを画像から
   の光に露出するステップと、（ｂ） 電荷の第１の部分
   を前記フォトセンサのアレイから増幅器にシフトするス
   テップと、（ｃ） 電荷の第２の部分をダンプするステ
   ップと、（ｄ） 前記フォトセンサのアレイを前記画像
   からの光に再び露出するステップと、（ｅ） 前記フォ
   トセンサのアレイから前記電荷の第１の部分をダンプす
   るステップと、（ｆ） 前記電荷の第２の部分を前記フ
   ォトセンサのアレイから前記増幅器にシフトするステッ
   プと、をそれぞれ含むことを特徴とする走査方法。
2. 【請求項２】 前記ダンプするステップは、前記フォト
   センサのアレイから標準シフト速度より高速のシフト速
   度で電荷をシフトするステップを更に含むことを特徴と
   する請求項１に記載の走査方法。
3. 【請求項３】 前記ダンプするステップは、前記フォト
   センサのアレイから電荷の一部を同時に放電するステッ
   プを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の走査方
   法。
4. 【請求項４】 前記露光するステップの間に、前記フォ
   トセンサのアレイと前記画像との間の相対的な移動が無
   いことを特徴とする請求項１に記載の走査方法。
5. 【請求項５】 前記露光するステップの間に、前記フォ
   トセンサのアレイと前記画像との間の相対的な移動があ
   ることを特徴とする請求項１に記載の走査方法。