JP2004328737A - 画像センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】低分解能の彩度情報と高分解能の輝度情報とを処理することによって、優れた高分解能の色を得ることができる、光センサを用いた、画像センサアレイを提供する
【解決手段】 アレイ方向Ｗに沿って延伸する、フォトサイト１４のリニアレイ１２を備える、画像センサアレイ。各フォトサイト１４は、少なくとも二つの幅の広い光センサ２２と、少なくとも二つの幅の狭い光センサ２０とを含む。幅の広い光センサ２２の各々は、アレイ方向Ｗに沿って光センササイト１４の略幅方向に延伸する。幅の狭い光センサ２０は、アレイ方向Ｗに沿ってフォトサイト１４内に配置されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、たとえば、デジタルコピー機において見出される、デジタル信号のようなハードコピーの画像を記録するために有用な、フルカラーラスタ入力スキャナ、すなわち、画像センサアレイ、に関する。

ラスタ入力スキャナは、一般的には、画像を有するドキュメントをラスタ走査すると共に、各光センサによって捉えられた微視的な画像領域を画像信号電荷に変換する、光センサの一つ以上のリニアアレイを備える。統合時間の後に、画像信号電荷は増幅され、連続的に起動された多重化トランジジスタを通じて、アナログビデオ信号として、共通の出力線又はバスに伝達される。フルカラーのラスタ入力スキャナでは、一般的には、３つのリニアアレイがあり、各アレイは半透明の原色（ＲＧＢのような）フィルタを伴っており、原色でフィルタ処理された各アレイは、フルカラー画像の色分解として連続的に結合されうる。高性能の画像センサについては、一般に復元する光学（ｒｅｄｕｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ）を使用しない一対一の結像を可能にするために、走査されるページの幅に相当する幅の光センサのアレイを含むように設計することが好ましい。ある周知の設計では、一つのアレイは、２０個のシリコンチップから作られ、終端が接合され、各チップが能動光センサを有し、リニアアレイ１個につき、１インチ当り４００個の光センサが配置される。

デジタル複写機については、原稿の最初の入力走査に関連した光学的条件がプリント品質の欠陥を引き起こすことがありうる。また、たとえば、最初に走査された画像データから作られたカラーコピーアーティファクトを生じる。これらの可能性のある有害な光学的条件の多くは、ラスタ入力スキャナの、基本的な光センサの構造（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）又は光センサの構成（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に、密接に関連している。人間の目は、彩度（色）における高い空間周波数の変化を検知することが出来ないが、輝度における（暗色から明色まで）高い周波数変化を検知することができる。このため、より高い分解能の輝度検知とより低い分解能の彩度検知とを有する光センサを有することが望ましい。このことは、特に、人間の視覚画像品質の所与のレベルについてのデータ帯域を最小限に抑えようとする場合に、当てはまる。他の考察では、信号対雑音比（ＳＮＲ）がすべての色分離信号について同程度であるように、ほとんど同一のレベルであるすべての検出する感光領域からの信号がある。

さらに、光センサアレイの感光領域のいくつか又はすべてに置かれている半透明のフィルタ層は、本来の色の所与の明るさに対する信号レベルを変化させる。バイヤー（Ｂａｙｅｒ）のパターン中のように色をサブサンプルすることも、エイリアジング又はモアレ（Ｍｏｉｒｅ）効果のゆえ、望ましくない。多重分解能の装置のレイアウトと読出のために一般的に用いられる方法が用いられている場合には、上記の目的はすべて、ある程度まで対立する。

下記の特許文献１〜３は、フルカラーの光センサアレイ内のそれぞれにフィルタ処理されたフォトサイト（ｐｈｏｔｏｓｉｔｅ）について使用可能な、多数の考えられる幾何学的配置を開示している。

米国特許５，１１９，１８１号 米国特許６，１３７，１００号 米国特許６，１８４，９２９号 米国特許５，１０５，２７７号 米国特許５，５４３，８３８号

本発明は、低分解能の彩度情報と高分解能の輝度情報とを処理することによって、優れた高分解能の色を得ることができる、光センサを用いた、画像センサアレイを提供する。

本発明の一つの態様によると、アレイ方向に沿って延伸する、フォトサイトのリニアレイを備える、画像センサアレイが提供される。各フォトサイトは、少なくとも二つの幅の広い光センサと、少なくとも二つの幅の狭い光センサと、を含み、幅の広い光センサの各々は、アレイ方向に沿って光センササイトの略幅方向に延伸する。幅の狭い光センサは、アレイ方向に沿って光センサ内に配置されている。

図１を参照すると、一般に数字１０２によって表され、走査アレイ１０すなわちセンサバー１０を使用するのに適したタイプである、ラスタ入力スキャナの部品が、例として示されている。センサバー１０は、速い走査方向での走査幅が、最大の原稿１０３又は他の走査対象の幅と略等しいか又はわずかに広い、線形の全幅アレイを備えている。走査される原稿は、おおむね矩形の透明プラテン１０４上に支持されている。プラテンは、一般的にガラスであり、走査される最大の原稿１０３に適した大きさである。走査されるべき原稿１０３は、手動又は適切な自動原稿ハンドラ又はフィーダ（図示せず）のいずれかによって、走査用のプラテン１０４の上に置かれる。アレイ１０が、可動走査キャリッジ（図示せず）によって、プラテン１０４の下側の矢印１０５によって示された走査方向への往復走査動作のために、支持されている。レンズ１０６は、プラテン１０４の幅方向に延伸する線状の領域の上にアレイ１０を集光させる。一つ以上のランプと反射器部品１０７が、その上にアレイ１０が集光されている、線状の領域を照射するために、設けられている。

図２を参照すると、細長くかつおおむね矩形の、固定した基板１３上に、終端間（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ）に組み立てられた、複数のさらに小さいセンサチップ１２（個別のチップは、数字１２ａ、１２ｂ、．．．、１２ｎで示される）から成る、長いか又は全幅のセンサバー１０が示されている。

チップ１２は、たとえば、荷電結合素子（ＣＣＤ）又はＭＯＳセンサアレイであってもよく、おおむね矩形の比較的薄いシリコンのダイである。フォトサイト１４の列１６は、チップの縦軸と平行である。フォトサイト１４の単一の列１６が示されているが、複数のフォトサイト領域列が意図されていてもよい。シフトレジスタ、ゲート、ピクセルクロック等の他の能動素子がチップ１２と一体的に形成されていることが望ましい。適切なコネクタ（図示せず）が、チップ１２を関連する外部回路に電気的に結合するために、設けられている。

センサバー１０は、たとえば、原稿をラスタ走査するために用いられてもよく、その場合、原稿とセンサアレイ１０は、アレイ１０の線形軸に垂直な、ゆっくりとした走査方向に、互いに相対的に移動又は進行させられる。同時に、アレイは、原稿を、アレイの線形軸に平行な速い走査方向に、線毎に、走査する。走査される画像線は光を照射され、原稿からの光は、ここではフォトサイト１４と呼ぶ、光センサの上に集光される。各フォトサイト１４は、下記のように、複数の光センサを含んでいてもよい。統合時間の間に、各光センサによって観察された画像領域の反射率に比例して、電荷は各光センサ上で現像される。画像信号の電荷は、その後、先行技術で一般に知られているように、時系列で出力バスに伝達される。

図３は、チップ１２上に存在する、フォトサイト１４を示す平面図である。本実施の形態では、各フォトサイト１４は、６つの個別の、略独立して操作可能な光センサを含む。光センサは、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃとして示された３つの「狭い」光センサと２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂとして示された３つの「広い」光センサである。３つの狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、幅の次元Ｗに沿った幅が狭く、幅の次元Ｗに沿って、これらの光センサと他の光センササイトにある他の狭い光センサは、リニアアレイを形成し、チップ１２全体に渡って延びており、ある実施の形態では、多重チップセンサバー全体に渡って延びている。３つの広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、Ｗ（アレイ）次元に沿ってさらに広く、各広い光センサは３つの狭い光センサにおおむね対応し、それらは、処理方向Ｐに沿って、各フォトサイト１４内に配置されており、記録すべき画像を有するシートは処理方向Ｐに沿ってセンサバーと相対的に動く（図１のように）。

本実施の形態では、狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々は、可視光スペクトルに対しては、実質的に「フィルタ処理されていない（ｕｎｆｉｌｔｅｒｅｄ）」又は「クリア（通過させる）（ｃｌｅａｒ）」である。「広い」光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの各々には、赤（２２Ｒ）、緑（２２Ｇ）、青（２２Ｂ）用のような、原色フィルタ（図示せず）が設けられている。半透明のフィルタを、画像センサアレイ内の個別の光センサ又は光センサのセットに用いることは、当該技術分野において一般に知られている。このような原色フィルタを用いた結果、各原色フィルタ処理された光センサによって発生された画像ベースの信号は、その次にフルカラー画像を組み立てるのに使用できる、使用可能な色分離に対応する。

このようにして、各フォトサイト１４が、それの３つの狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを通じて、高空間分解能の「クリアな」又は「輝度」出力を与えることが、また、比較的低い空間分解能の色分解又は「彩度」出力を、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを通じて、与えることが分かる。そこで、装置が白黒走査用に用いられる場合には、狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのクリアな列のみが読み出され、装置は優れた高分解能品質を提供する。すべての光センサを各フォトサイト１４内に設けて、本装置をカラー走査に使用する場合には、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂからの比較的低分解能の彩度情報と高分解能の狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃからの高分解能の輝度情報とを慎重に処理することによって、優れた高分解能の色を得ることができる。彩度情報は、クリアな感光性の出力からの正確な輝度情報を取り出すために、使用できる。

クリアにフィルタ処理された高分解能の狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを有するようにする一つの実際的な利点は、先行技術で知られているような緑色光の代わりに、白色光を用いたスキャナで、４倍の信号レベルを得ることができるということである。装置が（１２００ＳＰＩ走査の場合の）比較的低い信号レベルで動作している場合には、暗信号が本センサでは支配的であり、これにより、４倍高い信号対雑音比をもたらす。また、狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、緑色でフィルタ処理された高分解能の列によって生じることのある、マジェンタハーフトーンスクリーニングのモアレ効果に、あまり敏感でない。

本実施例の一つの態様では、感光領域の各タイプのレイアウトと統合時間とを、フォトサイト１４内のすべての光センサについて同じレベルの信号が得られるように、設定している。図３に示された設計の１２００／４００ＳＰＩ Ｃ／Ｍ（カラー／白黒）センサの場合には、輝度／彩度分解能比が３である。それゆえ、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂがフルサイズの領域（４００ＳＰＩ、６３．５ｕｍ ｘ ６３．５ｕｍ）である場合には、それは、狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ（１２００ＳＰＩ、２１．１７ｕｍ ｘ ２１．１７ｕｍ）のほぼ９倍の応答を有する。カラー光センサが４００ＳＰＩのタイミング間隔で読み出される場合には、彩度についての統合を、輝度検出器についての統合の３倍にし、これによって、彩度画素の応答を、輝度画素よりも２７倍にする。しかしながら、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの全体のカラーフィルタが、クリア（ｃｌｅａｒ）領域に比べて約４倍の信号減衰をもたらす。各信号を一致させるために、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの寸法は、４／２７にまで減らす必要がある。チップ領域及びエイリアジング（ハーフトーンドットのような原稿上の周期的なパターンとぶつかる画素の穴）を最小限に抑えるために、これを行なうための最良の方法は、光センサを方向Ｐに沿ってもっと短くすることである。等速走査の間に、カラー画素は、低速走査方向で、４００ＳＰＩの距離全体にわたってさらに掃引する。このため、方向Ｐに沿ったエイリアシングは発生しない。

図４は、図３の光センサのレイアウトと共に用いることができる回路の一つの実施の形態の概略図である。特に、図３に示される各光センサが、図４の概略図中で示されるような光ダイオードの形をしている、ＣＭＯＳ技術を用いている場合である。各フォトサイト１４には、図４中の光ダイオードのように示される、３つの広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、各々、２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂで示される、隣接するスイッチ素子と関連付けられている。この実施の形態中の各スイッチ素子はＭＯＳ素子であり、ドリフト電流動作のために線形領域内で動作し、実際には、デジタルスイッチとしてのみ動作し、光ダイオード２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ上の電圧レベルは、素子２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂによって決定又は制限されることはない。各スイッチ素子は、ドレインコンダクタンス及びゲート長が重要となる「バケツリレー（ｂｕｃｋｅｔ ｂｒｉｇａｄｅ）」伝達素子ではないため、スイッチ素子を非常に小さくすることができ、スペース、熱雑音、及び寄生容量の観点からは有利である。さらに、図３に戻ると、スイッチ素子２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを、上述の特性のゆえに、それぞれの光センサに物理的に近接した位置に置くことができる。広い光センサ各々の光に関連した出力は、共通のノード２６（制御システムによる、図示せず）に、連続して切り替えられる。共通のノード２６は、それに関連したあらかじめ定められた容量を有する。

各フォトサイト１４内の狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、それぞれ、二段階のファットゼロ（ｆａｔ−ｚｅｒｏ）伝達回路２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃと関連付けられている。このような伝達回路とその動作は、上述の参照された特許文献４で詳細に述べられている。各伝達回路内には、二つのＭＯＳ素子があり、それらの間には「ファットゼロ」ノードがあり、ファットゼロ電荷を、外部電源（図示せず）を通して、ファットゼロノードの上に供給することができる。各伝達回路の下流には、電圧信号をビデオ出力線に読み出す増幅器（ＡＭＰ）３０の前に、リセットノードがあり、外部リセット信号を受け入れている。ファットゼロ注入の基本的な目的は、各伝達回路を通して、電荷伝達の「ポンプに迎え水を差す（ｐｒｉｍｅ ｔｈｅ ｐｕｍｐ）」ことであり、その結果、関連付けられた光ダイオードが、その上にぶつかっている光に関連した応答の線形の範囲内で信号電荷を出力する。同時に、各伝達回路内にある直列に接続した二つの素子は、「フィルアンドスピル（ｆｉｌｌ ａｎｄ ｓｐｉｌｌ）」すなわち「バケツリレー」の方式で動作し、二段階を通じて慎重に保持された電荷を伝達し、その結果、増幅器３０から生じた電圧出力は、一定の統合時間の間に，関連付けられた光センサに当たる光に関連した正確な信号である。

本実施の形態では、特許文献４で記述されているように、「バケツリレー」すなわち「フィルアンドスピル」伝達を可能にするために、各伝達回路内の直列接続された素子が、拡散電流動作のために、サブスレッショルド領域内で動作する。これは、ドリフト電流動作のために線形領域内で動作する、上述したスイッチ素子２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと対照的である。

３つの広いすなわちカラーの光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの出力を接続している、中間のノード２６は、本実施の形態では狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに接続されている他の伝達回路２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃと実質的に同一である、もう一つの二段階の伝達回路２８Ｄに接続されている。この構造により、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの出力を、関連付けられたスイッチ素子２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを操作することによって、任意の順序又は任意の時間に、所望の読出ルーチンに基づいて、伝達回路２８Ｄに送ることができる。この動作は、一連の出力をビデオ線の上にあらかじめ定められた順番で増幅器３０に引き起こさせるために、要望通りに、狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの出力と統合することができる。装置からのカラー読出がないことが要望される場合には、伝達回路２８Ｄが読出において使用されないことになるだけである。スイッチ素子２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと伝達回路２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄの制御は、多数のフォトサイト１４内全体で、制御システム（図示せず）によって、実行可能である。制御システムは、本技術分野において一般に周知の方法で、マイクロプロセッサによって制御されても良い。

カラー及び白黒用の二段階のバケツリレー伝達素子２８Ａ〜Ｄが電荷を４０として示された中間の蓄積ノードに伝達し、最終的に、増幅器３０を通じてビデオ出力線まで伝達する。すべての白黒の光ダイオード２０Ａ〜Ｃからの電荷が、各伝達素子２８Ａ〜Ｃを通じて同時に伝達されるため、各白黒の光センサ２０Ａ〜Ｃについての走査された領域は、異なる白黒の光ダイオードの信号が異なる時間で画素増幅器３０から読み出されるとしても、次に走査された領域と完全にアライメント（位置合わせ）される。カラーの列（光センサ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ）と白黒の列（光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）との間隔は、これらの列もまた全体的に整列するようにされている。素子３４Ａ〜３４Ｄは、蓄積コンデンサ上に蓄積されている任意の白黒又はカラー信号を適切な時間に読み出すために、使用される。たとえば、素子３４Ａがスイッチとして線形領域内で起動されている場合には、チップ上のすべての白黒の光センサ２０Ａからの電荷は、一つ以上の増幅器３０の入力に伝達される。増幅器３０は連続して読み出され、次の白黒又はカラーの画素電荷が、同様の方法で、増幅器のリセットノードに伝達されて読み出され、以下同様である。３４Ａ〜Ｄの素子が、バケツリレー伝達ではなく、線形領域で動作するので、この実施例は特許文献５の実施例とは異なる。

実際の実施例において重要な見地は、処理方向Ｐに沿った光センサの列の間隔であり、種々のフォトサイト１４の狭い光センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが一つの列を形成し、広い光センサ２２Ｒ、２２Ｇ，２２Ｂがフォトサイト１４の間にそれぞれの列を形成する。各カラー光センサの列を集中させ、高分解能の走査線の整数を高分解能の白黒の列の中心から離れて設けることが望ましい（すなわち、図３の実施の形態の狭い光センサである）。さらに、カラーモードでは、白黒の列が読み出されない時には、各列をＸ＋１／Ｎの低い分解能の列に離して集中させる。ここで、Ｘは任意の整数であり、Ｎは読み出された色の数である。上述の２つの要求事項は、カラーとカラー／白黒の結合との両方のモードでセンサを動作させるためには、低い分解能のピッチの高い分解能のピッチに対する比率がカラーの列の数と等しくなければならないことを意味する。図３のレイアウトは、この要求事項を満たしている。他の可能性は、高分解能の列のために、２つのカラーの列（たとえば、赤色と青色）と緑色のフィルタを備え、各フォトサイトについて複数の光センサを定義することである。

感光領域の間の暗いムラを最小限に抑えるための配慮は、このタイプの伝達の仕組みでは、フォトサイト１４内のすべての感光領域の実効的な容量を等しくすることである。図示された実施の形態では、光収集領域はダイオードであり、感光領域は、各フォトサイト１４の周囲にある、フォトサイトを定義する金属層内の開口全体である。それゆえ、ダイオード領域は、必ずしも感光領域と同じ寸法である必要はないが、容量が他のダイオードと合うようにすべきである。

例として示されたラスタ入力スキャナの部品の正面図である。 ラスタ入力スキャナと共に用いられるセンサバーの平面図である。 チップ上にある光センサ領域の例を示す、平面図である。 光センサ領域を形成している、複数の光センサに関連付けられた、回路の概略図である。

符号の説明

１４：フォトサイト
２０：狭い光センサ
２２：広い光センサ（光ダイオード）
２４：スイッチ素子（スイッチ、半導体素子）
Ｗ：幅（アレイ方向）

Claims (8)

1. フォトサイトのリニアアレイを備え、該リニアアレイはアレイ方向に沿って延伸し、
   各フォトサイトは、少なくとも二つの幅の広い光センサと、少なくとも二つの幅の狭い光センサと、を含み、前記幅の広い光センサの各々は、前記アレイ方向に沿って光センササイトの略幅方向に延伸し、該幅の狭い光センサは、前記アレイ方向に沿ってフォトサイト内に配置されている、
   画像センサアレイ。
2. 前記少なくとも二つの幅の広い光センサの各々が、あらかじめ定められた色に感光性がある、請求項１に記載の画像センサアレイ。
3. 前記少なくとも二つの幅の広い光センサの各々が、これに関連付けられた半透明のフィルタを有する、請求項１に記載の画像センサアレイ。
4. 請求項１に記載の画像センサアレイであって、三つの幅の広い光センサがあり、該幅の広い光センサの各々が可視スペクトルのあらかじめ定められた原色に感光性がある、画像センサアレイ。
5. 前記幅の狭い光センサの各々が、可視スペクトルに関し略通過させる、請求項４に記載の画像センサアレイ。
6. 前記幅の広い光センサの各々が光ダイオードを含んでいる、請求項１に記載の画像センサアレイ。
7. 前記幅の広い光センサの各々が、それに関連付けられたスイッチを有する、請求項１に記載の画像センサアレイ。
8. 前記スイッチが線形領域で動作する半導体素子を備えている、請求項７に記載の画像センサアレイ。

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