专利名称：光学影像扫描系统的提高输出影像解析度的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高光学影像扫描系统的输出影像解析度的方法。具体涉及一种提高平台式光学影像系统的输出影像解析度的方法。
早期的光学影像扫描系统将一个被扫描的单一像素数字化而成一比特值。对该像素而言，该值代表的不是亮就是暗。现在，大部分台式的电荷耦合装置传感器能够辨别256个灰度级或明亮层次。在扫描过程中，多数的光学影像扫描系统对有影像的图案或文件扫描，以获取影像的信息。
传统的扫描方式为每一像素区域在CCD传感器的一个像敏单元成像。在每一像素取样的时间期间，CCD传感器前进一像素的距离。由于扫描有运动以及每一传感器单元被覆盖的区域的关系，当此像素被读取时，被CCD传感器真正检测到的区域范畴，覆盖有该被扫描图案的一个像素的高度和两个像素的宽度。因此，在扫描的方向，CCD阵列里的每一传感器单元会检测到两个相邻的影像。
图1是一黑白相间的条图(bar chart)，它是经扫描装置扫描后，在一个像素高度范围，在理想的状况下所应得的输出影像。扫描的方向为沿着水平轴向右。如图所示，由于在垂直方向没有运动的关系，该影像仅有一个像素的高度，并且不会有两个相邻垂直的影像相互干扰。
图2是显示现有光学影像扫描系统读取一个像素期间，CCD传感器积分的强度。如上所述，扫描的方向为沿着水平轴向右。在一个像素的取样期间，该CCD传感器会超看了两个图案像素。换句话说，现有扫描光学系统，在每个像素的曝光期间，其CCD传感器从一个图案像素前进至下一个图案像素。所以，由于扫描运动的关系，在水平轴的方向有来自相邻影像的相互干扰。水平方向的解析度不会像该光学系统在垂直方向那样理想。
例如，对一理想的黑白相间的条图，现有扫描光学系统的输出影像就没有如图1所示的明显的黑白对比。而是原图案的“黑”像素所得的输出影像成为非全黑，且原图案的“白”像素所得的输出影像成为非全白。图3则是利用传统的方式，一黑白相间的条图经扫描后，在一个像素范围被扫描到的信号其黑与白的比例。由于该光学系统的水平方向有运动的关系，CCD阵列里的感光单元会感测到相邻的像素，排除一些噪声的含量，有前后各为八分之一的像素。如图2所示，对一个像素，被CCD传感器积分取样的信号仅能达到一个图案像素的真实信号的3/4。这样，当一黑白相间的条图经扫描后，将会产生非全黑或非全白的像素。假设全黑的像素其灰度级值为零，全白的像素其灰度级值为100，则所看到的非全黑像素的灰度级值为100*(1/8+1/8)，即25。而所看到的非全白像素的灰度级值为100*3/4，即75。图4就是积分图3的信号后的实际上的电压值。若一个CCD单元的电压值越高，所得到的输出影像明亮度也越高，其灰度级值也越高。所以，这种扫描方式在理想的情况下，一个非全白像素的灰度级值为一个非全黑像素的灰度级值的三倍。这种平滑效应使光学扫描系统在扫描方向产生模糊现象，降低了其所得到的影像的解析度和对比度。
本发明的主要目的在于通过使用一种改进的取样方式来减小上述光学影像扫描系统在扫描方向所造成的模糊效应，弥补造成的低影像解析度的缺点。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种光学影像扫描系统的提高输出影像品质的方法，其中该系统包括扫描用的步进马达及电荷耦合装置传感器，该方法包括下列步骤发出一马达控制脉冲以使该步进马达运转时间为一个像素宽的时段；及发出一传感器控制脉冲以开始该电荷耦合装置传感器的传感器积分；其中，该马达控制脉冲与该传感器控制脉冲重覆相继发出，当每一该传感器积分结束时，一个接下来的马达控制脉冲被发出，而当该马达停止运转后，一个传感器控制脉冲被发出，且该传感器积分的输出形成一个影像像素的信号。
本发明精心设计及处理影像扫描系统的步进马达的运转时序以及积分CCD传感器信号，从而提高该扫描系统的MTF值。根据本发明，马达运转的时间与CCD传感器曝光时间分开。换言之，当马达运转时，CCD传感器不被曝光，而当CCD传感器曝光时，该马达不运转。通过控制该扫描系统使用的步进马达操作模式，本发明所提供的光学影像扫描系统的新的影像扫描及取样方法，在每一次取样时间里，仅有一个图案的一个像素宽度被曝光到CCD传感器。因而在扫描的方向，没有如前所述的前后相邻像素图案所引起的干扰现象。
以下结合附图详细描述本发明，其中图1是一黑白相间的条图，经扫描装置扫描后，在一个像素高度范围，理想的状况下所应得到的输出影像。
图2是现有光学影像扫描系统，在读取一个像素期间，CCD传感器的积分强度。
图3是黑白相间的条图经传统方式扫描后，在一个像素高度范围扫描到的信号的其黑与白的比例。
图4是黑白相间的条图经传统扫描方式后，在一个像素高度范围扫描到的信号的电压值图表。
图5是根据本发明，在读取一个像素期间，CCD传感器的积分强度。
图6是根据本发明，一个光学影像扫描系统的步进马达运转模式及传感器曝光的时间轨迹。
图7是利用步进马达的影像扫描系统的扫描过程的流程图。
图8是现有光学影像扫描系统的步进马达的马达控制脉冲与数据写入的控制信号的时序图。
图9是利用本发明的光学影像扫描系统的步进马达的马达控制脉冲与数据写入的控制信号的时序图。
根据本发明的操作模式，只有当步进马达不运转时，CCD传感器才曝光。图5为利用本发明的技术，在读取一个像素期间，CCD传感器的积分强度，其中扫描方向沿着水平轴向右。在CCD传感器积分的每一取样周期的期间，仅看到一个像素的宽度。如图所示，只看到该取样图案像素本身的影像。
图6是根据本发明，一个光学影像扫描系统的步进马达运转模式及传感器曝光的时间轨迹。步进马达运转期间与CCD阵列传感器曝光期间分开。如图所示，在步进马达移动然后停在一个像素位置之后，CCD阵列传感器曝光以感测来自一个像素图案的反射光。条图中一方格表示一个像素的大小。
本发明的扫描器中，使用一个由约8000个感光单元的阵列组成的CCD传感器。扫描器中的光源照明一个将被扫描的图案。CCD传感器的阵列感应到来自被扫描的图案的反射光。每个感光单元对反射光曝光并且产生与反射光积分强度成正比的电子信号。该电子信号代表相对于被扫描图案的一个元素的像素。
图7是利用步进马达的影像扫描系统的扫描过程的流程图。当扫描器启动(步骤100)后，由一硬件控制决定一扫描线的数字数据是否略过，而不写入电脑系统(步骤101)。如果是略过的话，则设定写入遮蔽(write mash)(步骤102)，即不能写入到电脑系统存储器缓冲区中。在此情况下，继续运转步进马达(步骤104)，等待下一个同步信号(步骤106)，然后判断整个待扫图是否已经全部扫描(步骤109)，如果是的话，则结束扫描过程(步骤110)，否则的话，回至步骤101，并且重复下一条扫描线的操作。
如果一扫描线的数字数据没略过，而要写入电脑系统，则清除写入遮蔽(步骤103)，从而使数据写入到电脑系统缓冲区。步进马达继续运转(步骤105)，等待下一个同步的信号(步骤107)，然后增加缓冲区线地址(步骤108)，接下来，判断整个待扫图是否已经全部扫描(步骤109)，如果是的话，则结束扫描过程(步骤110)，否则的话，回至步骤101，并且重复下一条扫描线的操作。
图8是说明现有光学影像扫描系统的马达控制信号与数据写入信号的时序图。系统的CCD传感器与步进马达同步。由扫描系统的控制电路中的一硬件来控制数据写入到电脑系统缓冲区。如图8所示，有三种步进马达模式。在一个运转马达的一个像素距离的脉冲周期里，接收一个控制脉冲称为全梯级(full-step)马达模式，接收两个控制脉冲称为1/2梯级(half-step)马达模式及接收四个控制脉冲称为1/4梯级(quarter-step)马达模式。同时，CCD传感器被一个数据控制脉冲激发以检测及积分来自被扫描目标的反射光。如图所示，数据写入到电脑系统缓冲区的时间脉冲与运转马达的第一个控制脉冲的发生在同一时候，所以，马达运转的时间与传感器曝光时间重叠。
图9是利用本发明的扫描光学系统的马达控制信号与数据写入信号的时序图。如图所示，本发明的运转马达使用一个脉冲周期，且数据写入也使用一个脉冲周期。同样地，本图中，在一个运转马达的一个像素距离的第一个脉冲周期里，分别使用一个控制脉冲、两个控制脉冲及四个控制脉冲来运转全梯级马达模式、1/2梯级马达模式及1/4梯级马达模式。在第一个脉冲周期期间，CCD传感器不被激发来检测和积分反射光信号。在第二个脉冲周期期间，CCD传感器被激发来积分反射光信号，然后将被扫描的数据写入存储器缓冲区。
光学扫描系统本身可视为一个转换系统，将平面的影像转换成数字的信号。而MTF函数为测量此转换系统性能的方法之一。因此，MTF的函数值常用来测量光学扫描系统输出影像的品质。一般常用的度量方法是以200dpi(点/英寸)的黑白相间条状图案来测试解析度为其两倍，即400dpi解析度的光学扫描系统。当查看扫描图案的灰度级特性分布图时，常将灰度级特性分布图上的99.7％分布点设为a值，0.3％分布点设为b值(排除一些噪声的成分)，而常用的MTF定量的定义为a-b，当a-b值越大时，该光学扫描系统的MTF值越好。所产生的影像的对比度越高，影像品质也就越好。对于MTF值，另外也有一种归一化的定义，即MTF值等于(a-b)/(a+b)；而0≤MTF≤1。归一化的MTF值愈接近1，该系统产生的输出影像的品质就愈好。
表一为在1/2梯级步进马达模式下的实验结果，现有光学扫描系统将一图案扫描后，经镜面反射至CCD的光的三原色红、绿、蓝的归一化的MTF值。可以看出，蓝色的归一化的MTF值较绿色的归一化的MTF值高，绿色的归一化的MTF值又较红色的归一化的MTF值高。因此，蓝色的对比度最高，其次为绿色，红色为对比度最低的。同样的图案在1/2梯级步进马达模式下的实验结果，利用本发明的光学扫描系统，对三原色红、绿、蓝的归一化的MTF值如表二所列。与表一的现有光学扫描系统相比，红、绿、蓝的归一化的MTF值有显著的提高。红、绿及蓝光皆提高约0.05。
表一
表二
类似地，表三为在1/2梯级下的实验结果，现有扫描用光学系统扫描另一图案后，三原色红、绿、蓝的归一化的MTF值。可以看出，蓝色的归一化的MTF值较绿色的归一化的MTF值高，绿色的归一化的MTF值又较红色的归一化的MTF值高。因此，蓝色的对比度最高，其次为绿色，红色对比度最低。同样的图案在1/2梯级步进马达模式下的实验结果，利用本发明的光学扫描系统，对CCD的光的三原色红、绿、蓝的归一化的MTF值如表四所列。与表三的现有扫描用光学系统相比较，红、绿、蓝的归一化的MTF值有显著的提高。红光高约0.03，绿光高约0.04，蓝光高约0.04。
表三
表四
由此，可以看出利用本发明的马达控制与传感器曝光的方法较之传统的方法可得到较高的归一化的MTF值。而愈高的归一化的MTF值，该输出影像的解析度就愈好。因此，利用本发明的光学影像系统的平台式扫描器所产生的影像的品质优于利用传统方式的光学影像系统的平台式扫描器所产生的影像的品质。
权利要求
1．一种光学影像扫描系统的提高输出影像品质的方法，其中该系统包括扫描用的步进马达及电荷耦合装置传感器，该方法包括下列步骤发出一马达控制脉冲以使该步进马达运转时间为一个像素宽的时段；及发出一传感器控制脉冲以开始该电荷耦合装置传感器的传感器积分；其中，该马达控制脉冲与该传感器控制脉冲重覆相继发出，当每一该传感器积分结束时，一个接下来的马达控制脉冲被发出，而当该马达停止运转后，一个传感器控制脉冲被发出，且该传感器积分的输出形成一个影像像素的信号。
2．如权利要求1所述的光学影像扫描系统的提高输出影像品质的方法，其中发出该马达控制脉冲与发出该传感器控制脉冲是由该扫描系统的一个控制电路里的硬件来控制。
3．如权利要求1所述的光学影像扫描系统的提高输出影像品质的方法，其中该马达控制脉冲包括多个次脉冲来使该马达运转一个像素宽的时段。
4．如权利要求3所述的光学影像扫描系统的提高输出影像品质的方法，其中发出该马达控制脉冲与发出该传感器控制脉冲是由该扫描系统的一个控制电路里的硬件来控制。
全文摘要
一种提高光学影像扫描系统的输出影像解析度的方法。步进马达与电荷耦合装置传感器阵列用来扫描和获得影像。通过仔细控制步进马达运转的时间与电荷耦合装置传感器曝光,使得当步进马达不运转的时候,传感器对一扫描物的反射光曝光。而当步进马达运转时,关掉电荷耦合装置传感器,而不曝光。从而减小在扫描方向所造成的模糊效应,增进光学传递函数的函数值。
文档编号H04N1/191GK1210278SQ9711775
公开日1999年3月10日 申请日期1997年8月28日 优先权日1997年8月28日
发明者郭士正 申请人:力捷电脑股份有限公司