JP3881039B2 - 超鋭敏センサアレー - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、イメージセンシングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ほとんどのイメージセンシングは、走査されるべきイメージを、離散的イメージセンサ素子のアレー（通常、ｐｉｎダイオード）に投影することによって動作する。投影されたイメージは、次に、センサアレー素子の条件（condition ）を問い合わせることによって決定される。例えば、図１は、エッジ１２を有するイメージが投影されるアレー１０の４×５素子部分を示す。ここで、エッジという用語は、光照明領域と周囲条件下の領域によって規定された境界を意味すべく用いられる。エッジ１２上方のアレー１０の領域は、照明され、エッジ下方の領域は、暗いと想定される。
２０個の正方形１４として示される、２０個の素子は、ＡからＤの行とＲからＶの列に編成される。イメージを走査するために、素子のそれぞれの照明状態は、マトリクスアドレス指定技術（matrix addressing techniques）を用いて決定される。もし特定の素子、例えば行Ａ、列Ｒの素子が十分に照明されるならば、素子は、第１の状態（ＯＮ）であるとして検知される。もし特定の素子、例えば行Ｄ、列Ｖの素子が十分に照明されていないならば、素子は、第２の状態（ＯＦＦ）であるとして検知される。もし特定の素子が部分的に照明されているならば、その状態は、素子が照明されている程度及びその照明の強度に依存する。アレー１０の示された素子の全ての問い合わせは、ＯＮ状態素子が白そしてＯＦＦ状態素子が斜交平行線で図１に示したイメージに対してやや粗い近似を結果として生じる。この斜交平行線表示は、画素（センサ素子）値の２進しきい値処理（binary thresholding ）から生ずる。代替の従来技術の実行は、各画素に対する連続的な値を提供する（グレイ・スケール）。これら従来技術の実行の両方において、画素内のエッジ位置情報は、空間的平均（spatial average ）に変換される。
【０００３】
上述したようにイメージングスキャナを用いるときに、イメージ近似の正確さの増大は、さらに小さい多くのセンサ素子を必要とする。しかしながら、密接しているが、分離しているセンサ素子を製作することの困難性は、非常に高い鋭敏性（例えば、人間の視覚システムのそれに近づく鋭敏性）を有するページ幅イメージング装置を製作することを試みるときに、禁止的になる。
上述した離散的センサ素子に加えて、位置感知検出器と呼ばれる、別の形式の光感知素子が存在する。位置感知検出器の一例は、図２に示す検出器２００である。この検出器は、照明スポット２１０のセントロイドの位置を決定するために用いることができる、光発生アナログ電流２０２、２０４、２０６、及び２０８を出力する。ｘ方向（水平方向）の光スポットのセントロイドは、数量（Ｉ₂₀₆ −Ｉ₂₀₈ ）／（Ｉ₂₀₆ ＋Ｉ₂₀₈ ）から計算することができ、ｙ方向（垂直方向）の光スポットのセントロイドは、（Ｉ₂₀₂ −Ｉ₂₀₄ ）／（Ｉ₂₀₂ ＋Ｉ₂₀₄ ）から計算することができる。ここで、Ｉ_20x は、横方向素子の一つからの電流である。少なくとも部分的に、位置感知検出器は、一般的に大きい（約１ｃｍ×１ｃｍから５ｃｍ×５ｃｍまで）のでそれらはイメージングアレーに用いられない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
理想的には、イメージング装置は、エッジ位置、エッジ鋭敏性として知られたケイパビリティを決定するために人間の視覚システムの能力と一致することが可能であるべきである。画素密度を増大することにより高い空間解像度を達成することの困難性のゆえに、現行のイメージスキャナは、人間の知覚の高度なエッジ鋭敏性と一致することができない。それゆえに、新しいイメージング及びスキャニング技術が必要である。そのような新しい技術は、もしそれらが相互画素間隔の何分の一までエッジの位置を識別することができるならば、特に価値がある。相互画素間隔よりも微細にエッジ間隔を解像することの能力は、超鋭敏と称される。
本発明の目的は、上記従来の技術における問題点に鑑み、人間の知覚にほぼ一致する高度なエッジ鋭敏性を有する超鋭敏センサアレーを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、イメージをセンシングする装置であって、複数の第１のセンサ素子を備え、第１のセンサ素子のそれぞれは、その境界内に位置している入射放射強度分布の空間的変化にセンシティブであり、第１のセンサ素子は、イメージの近似を表わす信号出力を有するアレーに間隔を置いて配置され、信号出力は、アレーの前記第１のセンサの中心−中心間距離よりも優れた解像度でイメージの部分を少なくとも測定するために用いることができる装置によって達成される。
更に、本発明の上記目的は、センサ素子のアレーに投射したイメージを近似する方法であって、（ａ）第１のセンサ素子にふりかかる放射強度分布の空間的変化に対するパラメトリックモデルを形成し、（ｂ）第１のセンサ素子のそれぞれにふりかかる放射強度分布の空間的変化に応じて第１のセンサ素子のアレーから信号を出力し、（ｃ）出力信号から第１のセンサ素子のそれぞれに対するモデルのパラメータを決定し、（ｄ）アレーへの放射の強度分布を、第１のセンサ素子内で、近似すべくステップ（ａ）のパラメトリックモデル及びステップ（ｃ）で得られたパラメータを使用する段階を具備する方法によっても達成される。
【０００６】
【作用】
本願発明は、超鋭敏センシングを実行する。超鋭敏センシングは、その出力信号が入射光の内部強度分布に依存するセンサのアレーを用いて実行される。出力信号は、超鋭敏イメージを生成するために用いられるセンサ内強度分布を決定すべく処理される。そのような超鋭敏イメージは、エッジの精細度（definition）を向上し、そしてぎざぎざ（jaggies ）及びモアレ効果のような望ましくないアーチファクトを縮小する。
本発明の他のアスペクトは、以下の説明及び添付した図面を参照することにより明らかになるであろう。
【０００７】
【実施例】
上述したように、従来技術のイメージングスキャナの鋭敏性は、（所与のイメージ拡大に対する）スキャナのセンサアレーの個々の素子の分離によって制限される。この制限は、位置センサを照明している光のエッジを近似する超鋭敏技術を用いて本発明で克服される。
図３は、超鋭敏センシングの使用に適するセンサ３００を示す。センサ３００は、インチ当たり約４００スポットで光強度の空間分布を検出するために十分に小さく製作されるアモルファスシリコン位置感知検出器である。センサ３００は、その上に一対の低部電極３０４及び３０６が配置される基板３０１を有する。より低い、微結晶抵抗層３０８は、低部電極３０４及び３０６の上に形成される。抵抗層３０８の上は、酸化錫インジウムのような材料の上部の透明な、抵抗層３１２によって覆われている垂直ｐｉｎダイオード３１０である。抵抗層３１２の上は、透明絶縁層３１３である。抵抗層３１２まで絶縁層３１２を通り抜ける開口部は、標準フォトリソグラフィック方法を用いて形成される。抵抗層３１２に電気的に接続する頂部電極（top electrodes）３１４及び３１６は、形成された開口部の上に配置される。材料及び寸法における種々の強調を除いて、センサ３００は、図２に示したセンサ２００に類似する。
【０００８】
電極３０４、３０６、３１４、及び３１６からの電流、センサ３００に投射された光３２０の強度分布による電流Ｉ₂ 、Ｉ₄ 、Ｉ₁ 、及びＩ₃ のそれぞれは、外部増幅器（図５参照）に印加される。電流は、センサを照明する光の分布に対する超鋭敏近似（hyperacuity approximation ）を決定すべく下記のように分析される。副画素の正確性は、セル全体にわたって平均化される強度から識別されるようにセンサセル内の空間強度分布を識別する能力に関連する。このセル内空間感知度は、続いてあるものにイメージを同様な副画素の正確性にさせる。
センサ内の照明されている光分布を近似するために、センサ内の光の分布に対するパラメトリックモデルがまず決定され、そして次に、電流Ｉ₁ からＩ₄ を用いて、モデルに対するパラメータが決定されてモデルに印加される。その結果は、照明している光分布の超鋭敏近似である。超鋭敏センシングに対して特に有用なモデルは、エッジモデルである。
エッジモデルでは、入射する光の強度は、ブラック領域３２４とセンサ３００の作用面積の範囲を定める均等グレーレベル領域３２６との間の直線エッジ３２２によって正確に叙述されることが想定される。直線近似を用いて、直線でないかもしれない、照明している光のエッジを近似することは、最初は受け入れられないと思われるかもしれないが、センサ３００の大きさが、興味のある最も小さい曲線と比較可能であるか或いはそれよりも小さいので、そのような線形近似は、非常によい。エッジ近似がセンサの境界と同様にグレーレベルと交差する位置は、素子３００からの４つの電流から決定されうる（下記参照）。従って、イメージのエッジは、センサ３００の大きさよりもさらに小さな空間寸法（より正確に決定される）に割り当てられうる。
【０００９】
エッジモデルを用いて、測定された電流による、エッジ位置の決定は、次のように達成されうる。まず、電流比ｘ’＝Ｉ₃ ／（Ｉ₁ ＋Ｉ₃ ）及びｙ’＝Ｉ₄ ／（Ｉ₂ ＋Ｉ₄ ）が計算される。そして、電流比から、センサ境界を有する近似されたエッジのインタセプト（intercept ）が、３つの分離条件（separate conditions ）を用いて独自に決定されうる。まずはじめに、もし点（ｘ’，ｙ’）が、図４の下方の、左パネルのブラック正方形によって規定された領域内に位置するならば、エッジ近似は、ｗ＝３Ｌｘ’でｘ軸とインタセプトし、かつｈ＝３Ｌｙ’でｙ軸とインタセプトする。ここで、Ｌは、センサの大きさである。図４の上方の、左パネルに示された照明条件に対応する、この条件は、形式１条件と称される。
第２の条件は、もし（ｘ’，ｙ’）が、図４の下方の、中央パネルのブラック領域内に位置するときに生起する。その場合、エッジ近似インタセプトｈ₁ 及びｈ₂ は、（２−３ｘ’）ｙ’Ｌ／（１−３ｘ’（１−ｘ’））及び（−１＋３ｘ’）ｙ’Ｌ／（１−３ｘ’（１−ｘ’））によってそれぞれ与えられる。図４の上方の、中央パネルの照明条件に対応する、この条件は、形式２条件と称される。最後に、もし（ｘ’，ｙ’）が、図４の下方の、右パネルに示されたブラック領域内に位置するならば、エッジ近似インタセプトｈ及びｗは、関係式ｈ＝（ｘ’−１／２）Ｌ² ／（ｘ’ｗ／２−ｗ² ／６Ｌ）及びｗ＝（ｙ’−１／２）Ｌ² ／（ｙ’ｈ／２−ｈ² ／６Ｌ）から見出される。図４の上方の、右パネルに示された照明条件に対応する、この条件は、形式３条件と称される。（ｘ’，ｙ’）の他の値は、種々の回転鏡映によるセンサ境界を有するエッジ近似インタセプトをもたらす。エッジに対する線形近似の決定は、従って独特である。
【００１０】
上述した超鋭敏センシングは、エッジモデルを用いた。他のセンサ内強度モデルは、可能である。例えば、超鋭敏センシングに有用や第２のモデルは、照明している光に対するグレイスケール近似を説明する。そのモデルは、ｘ及びｙが空間次元でありΦが光強度である３次元（ｘ，ｙ，Φ）空間の平面であるべくセンサ内の強度が取られるパラメータ化を含む。もし画素内の光強度、Φ（ｘ，ｙ）が、セルの中心に原点を有するΦ（ｘ，ｙ）＝Ｃ＋Ａｘ＋Ｂｙによって表されるならば、Ｃ＝Ｉ_T ／Ｌ² である。ここで、Ｉ_T ＝Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ＋Ｉ₃ ＋Ｉ₄ 、Ａ＝ｘ’Ｉ_T ／Ｌ⁴ 、Ｂ＝３ｙ’Ｉ_T ／Ｌ⁴ である。それゆえに、センサ内の強度に対する区分的線形モデルを容易に構築しうる。
上述した超鋭敏センサは、イメージング装置において有用である。超鋭敏センサのアレーを用いるイメージング装置は、超鋭敏イメージングアレーと称される。図５は、超鋭敏センサ５０２のアレーの２×３部分５００を示す。各センサ５０２は、電流増幅器５１２（４つだけが示されている）に接続する４つの電極５１０を有する。各センサ５０２からの電流は、各センサ５０２の入射光のエッジの近似を形成すべく上述したように分解される。
【００１１】
例えば、図５は、照明された領域と暗い領域の間の境界によって規定されたエッジ５２０を示す。各センサ５０２のエッジ５２０の位置は、上述したモデルを用いて近似される。部分５００の全体のエッジの位置は、各センサ５０２からの近似を一緒に区分的に適合することによって決定される。エッジ５２０の近似の正確性は、本センサ５０２と類似な距離で分離される離散的センサ素子を用いる従来技術のイメージングセンサで生成されたものよりも優れている。
図６は、図１で用いたものと同じ照明に適用した本発明の使用から生じるイメージ鋭敏性における改善を示す。アレー６００は、この例では、位置感知検出器である、個々の画素センサ６１４からなる。エッジモデルに関連する出力は、線６１６によって示されるような副画素エッジ位置を決定するために用いられた。照明している境界６１２に対する近似における改善された正確性は、明らかである。
超鋭敏センサを用いるアレーは、組み込んでいる画素の同等なアレーの４倍の出力を有するが、光エッジの位置の決定の向上は、二桁の大きさよりもかなり大きく。
【００１２】
超鋭敏アレーは、次のようにガラス基板上に製作されうる。まず、クロム／モリブデン金属層がスパッタリングによって基板上に堆積される。そして、クロム／モリブデン金属層が低部電極対（図３の電極３０４及び３０６に対応する）を形成すべくパターン化される。次に、ドーピングされた微結晶シリコンの横方向抵抗性薄膜（抵抗層３０８に対応する）が基板及び低部電極にわたり均等に堆積される。ドーピングされない、約３００ｎｍの厚みの水素化されたアモルファスシリコン層と、薄いｐ型アモルファスシリコン接触層がプラズマ成長を用いて抵抗薄膜上に覆われる。酸化錫インジウム（ＩＴＯ）の透明な導電層が水素化されたアモルファスシリコン層上に堆積される。次に、窒化シリコンの絶縁層が酸化錫インジウム上に覆われる。その絶縁層が酸化錫インジウム層までのトレンチを開くべくパターン化される。そしてアルミニウムが露出した頂部表面上に堆積される。そのアルミニウムが頂部電極接触、バイアス（vias）、及び接触パッド或いは薄膜パストランジスタへ電流信号を印加するリードを形成するためにパターン化される。もちろん、上述した製作処理の多くの変形が可能である。半導体処理の技術分野で訓練されたものにとって自明であるような変形は、基本的発明を変えない。
【００１３】
上述から、本発明の原理の多くの変更及び変形は、当業者にとって自明であろう。特に、センサ素子の形状及び構成は、特定のアプリケーションに適合すべく変えられうる。従って、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲によって規定される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の装置は、イメージをセンシングする装置であって、複数の第１のセンサ素子を備え、第１のセンサ素子のそれぞれは、その境界内に位置している入射放射強度分布の空間的変化にセンシティブであり、第１のセンサ素子は、イメージの近似を表わす信号出力を有するアレーに間隔を置いて配置され、信号出力は、アレーの前記第１のセンサの中心−中心間距離よりも優れた解像度でイメージの部分を少なくとも測定するために用いることができるので、超鋭敏センシングを実行することができる。
また、本発明の方法は、センサ素子のアレーに投射したイメージを近似する方法であって、（ａ）第１のセンサ素子にふりかかる放射強度分布の空間的変化に対するパラメトリックモデルを形成し、（ｂ）第１のセンサ素子のそれぞれにふりかかる放射強度分布の空間的変化に応じて第１のセンサ素子のアレーから信号を出力し、（ｃ）出力信号から第１のセンサ素子のそれぞれに対するモデルのパラメータを決定し、（ｄ）アレーへの放射の強度分布を、第１のセンサ素子内で、近似すべくステップ（ａ）のパラメトリックモデル及びステップ（ｃ）で得られたパラメータを使用する段階を具備するので、超鋭敏センシングを実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のイメージングアレーの４素子対５素子部分の略図である。
【図２】従来技術の位置感知検出器の簡易図である。
【図３】画素内の光分布情報を抽出するのに適するセンサの図である。
【図４】エッジ情報を抽出するために位置検知検出器を用いる方法の説明図である。
【図５】本発明の原理によるイメージングアレーの２素子対３素子部分の略図である。
【図６】本発明の原理による強度分布感知画素のアレーを用いて得られた強度情報を示す図である。
【符号の説明】
３００ センサ
３０１ 基板
３０４、３０６ 低部電極
３０８ 微結晶抵抗層
３１０ 垂直ｐｉｎダイオード
３１２ 抵抗層
３１３ 透明絶縁層
３１４、３１６ 頂部電極
Ｉ₁ 〜Ｉ₄ 電流

Claims (2)

1. 複数の第１のセンサ素子を備え、前記第１のセンサ素子のそれぞれは、該センサ素子の境界に含まれる入射放射強度分布の空間的変化に関する情報を供給する四つの信号出力を有し、
   前記第１のセンサ素子は、アレーに間隔を置いて配置され、かつ
   前記入射放射強度分布の前記空間的変化に関する前記情報は、前記アレーにおける前記第１のセンサ素子の中心間の間隔よりも優れた解像度を有するイメージを取得するために用いられることを特徴とするイメージを感知する装置。
2. （ａ）第１のセンサ素子にかかる入射放射強度分布の空間的変化を該第１のセンサ素子のそれぞれからの前記四つの出力信号に関連付けるパラメトリックモデルを形成する段階と、
   （ｂ）前記四つの出力信号から前記第１のセンサ素子のそれぞれに対する前記パラメトリックモデルのパラメータを決定する段階と、
   （ｃ）前記アレーにおける前記第１のセンサ素子の中心間の間隔よりも優れた解像度を有する前記イメージを計算するために前記パラメータを用いる段階と
   により前記イメージを計算することを特徴とする請求項１に記載の装置。

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