专利名称：运动同步的二维线性图像传感器阵列的制作方法
技术领域：
本发明概括而言涉及彩色文档扫描系统，更具体地说，涉及一种全宽度图像传感器，包括多个沿文档移动方向设置的光检测器阵列，其中该多个光检测器阵列顺序曝光于该文档，从而产生高保真度及强度的扫描信号。
结构上，光学扫描器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)。通常，图像读出模块包括照明系统、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。该输出电路用于放大——如果必要的话——并转换这些像素信号，使其成为恰当的数字图像格式以便进一步处理。
该图像传感器及其相应的信号处理电路一般以互补氧化物半导体(CMOS)或CCD半导体片加工技术制造并配置为一维或二维阵列。那些一维阵列通常用于包括复印机和传真机在内的光学扫描器，而二维阵列通常用于即时图像捕获器件(亦即数字照相机和摄像机)。
图像传感器的操作包括两个过程，第一个是光累积(light integration)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，使得不再捕获其它光子。然后光电探测器即开始信号读出过程，在该过程中，经由读出电路而将对象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。
为节省成本，许多平板或单张馈纸扫描器使用一维阵列的图像传感器。由于所要扫描的图像是二维的，这就要求文档与图像传感器之间相对和逐行的移动而由图像传感器同时进行图像捕获，从而捕获整个文档的图像。此外，在扫描器能够将信息从彩色文档中捕获出来的情况下，对于一个彩色图像，通常有三组要加以捕获的显著不同的组分色彩信息(component color information)。尽管如此，对于每一个这样的组分色彩，捕获对应的色彩分立的文档图像的方式与文档仅具有黑白类型的情况是相同的。
除捕获图像高保真度的要求以外，对图像扫描器的另一要求是其速度，或扫描通量(scanning throughput)。即扫描器要用于扫描整页文档的时间。捕获时间越短，则扫描器越有效率，从而也就越符合用户需要。
一般都理解，这里文中“逐行移动”的“行”一词指的是像素行或扫描行，对应于通常以每英寸上的行或像素表示的扫描器分辨率。自然，扫描器的分辨率越高，则捕获图像的保真度就越好。对于一个标准的图像扫描器，希望每英寸有300像素(PPI)的最低分辨率，而在许多情况下则需要600PPI。因此，为了在300PPI分辨率下扫描一个典型的8.5″×11″信纸尺寸文档，就必须对以下总扫描行数进行成像11英寸×300行/英寸＝3300行在一台典型的复印(静电复印)机中，扫描这些行仅要数秒钟，因为复印机可提供非常强的照明，从而使得光电探测器的累积时间非常短。但事实上对于一台小型光学扫描器中的光电探测器来说，由于该扫描器不能提供强照明源，所以该累积时间通常较长，则每页不得不扫描这样大数目的扫描行，就会需要引人注目的长时间。
因此，需要一种图像传感器，当将其用于扫描器时，可提供高扫描速度而无需额外的更强照明。
该图像传感器可便利地用在便携式扫描器中，用于扫描文档。通常一台便携式扫描器配备有一个低度照明源。借助本发明的图像传感器，扫描通量即可显著提高，而且与此同时扫描质量有显著改善。
因此，本发明的一个目的即是提供一种图像传感器，该图像传感器输出具有高保真度和低噪声的扫描信号。
其它目的，与上述目的一起，在以下描述的本发明实际运用中得以实现，并产生了附图所示的实施例。
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发明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，也不意味着本发明的任何限制。
现在参看附图，全部附图中，同样标号指的是同样部件。
图1是具体实施应用图像扫描器的示意图。扫描器100通过一个通信电缆112连接到一台计算设备102，该设备可为一台IBM PC或PC兼容计算机，运行于一种图形操作系统下，例如微软Windows 2000。
扫描器100扫描一份扫描文档110，例如像一份带有文字和印于其上的图形图像的文件。扫描结果——通常是捕获的数字图像——通过通信电缆112而传送到计算设备102。该捕获的数字图像可通过计算机程序来加以处理以取得各种所需视觉效果。其后，该扫描过的或处理过的图像即可显示在显示器104上。
计算设备102配有显示器104，用户可在该显示器上展现该扫描或处理过的图像以便观看。该计算设备102还配有软盘驱动器114和硬盘驱动器116，通过它们，所有种类的图像文件及应用程序都可传送到可卸软盘媒体或固定硬盘媒体，或自其传送过来。另外，该计算设备102还有一个让用户为捕获的数字图像文件输入像标题或名称这样的文字数据的键盘106，以及一个像鼠标之类的定位器件108，用于导航或执行命令——例如在显示器104上显示扫描或处理过的图像。
为便于理解本发明，图2A展示了一个应用在扫描器中的图像读出模块内部功能块示意图。光源200包括一个红LED(发光二极管)212、一个绿LED210和一个蓝LED214，它们分别由连接器204、206和202处的“ON”信号所控制。为捕获一个文档扫描线的彩色图像，这三个LED212、210和214被分别并且顺序地导通，以照射该文档。对相应于被导通LED色彩的每种彩色成分，通过棒状透镜阵列208来收集从受扫描像素行所反射的光并聚焦到其下的光电探测器阵列250上。该光电探测器阵列250依次将扫描或像素行的彩色图像成分转换为对应的图像电子信号阵列，由下面包括读出电路的信号处理电子器件252加以处理。该图像处理电子器件252读出——也许放大——该图像电子信号，使之成为该像素行彩色成分的捕获图像数据流。从而对文档的每个像素行来说，对各不同的彩色成分要生成三(3)行捕获图像数据。
图2B展示了示范性图像读出模块260的剖面图。彩色光源262对透明板266下、面向上方的扫描对象264提供3种不同的照明，即红、绿及蓝光。通常图像读出模块260制成于模块管268中，而且扫描对象264的开口270最好用透明板266予以保护。当光源262通过开口270将光发射到扫描对象264上——如272所示，从扫描对象264反射的光还是通过开口270而射向光学透镜274。一般光学透镜274是一个直立的渐变折射率微型(圆柱型或棒状)透镜阵列。应理解本发明并不依赖于某种光学透镜及光源。本配置中使用特定的光源及透镜是为了方便本发明的描述，并不对其构成限制。在光学透镜274正上方有一个图像传感器276，它包括由CMOS或CCD传感器制成的光电探测器阵列。该光学透镜274将反射光收集到这些光电探测器上，而这些光电探测器将该反射光转换为成比例地代表反射光强度的电子信号。这些电子信号随后被传送到数据总线278，以便在图2A的图像信号处理电子器件252中——举例来说——进行读出或其它操作。
为使板266下的扫描对象264得到充分扫描，图像读出模块260必须在该扫描对象264上有相对运动，以扫描全部的扫描对象264。依具体实施方案而定，图像读出模块260或扫描对象264被一个运动机构(未示于图中)所移动，令其彼此跨越。该相对运动的速度与合成图像中的图像垂直分辨率相一致，并因此而由一个传感器时钟信号加以同步化，该时钟信号可由一个振荡电路生成。在本领域中这已为人熟知，在此不作进一步讨论。
图3表示了一个带有相应图像信号处理电子部件300的传感器元件的示范性线路图。光电探测器阵列302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。
对于图像扫描器更高分辨率和更高扫描通量的持续需求面临着图像读出物理学上电荷累积时间的基本较低的限制。也就是说，对于所需的电子信号输出水平，为图像扫描器捕获图像的时间部分必须不低于相应的电荷累积时间。实际上，对更高分辨率的需求确定了要使用更小的光电探测器元件，而这又需要甚至更长的电荷累积时间，同时对更高扫描通量的需求要求使用更大功率的照明。
考虑到上述需求及其相应技术困难，这里公布一种对分辨率进行了改进而基本不增加扫描器成本的图像扫描器。参见图4，该图展示了一个根据本发明的示范性传感器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。亦即作为本发明的一个特点，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。为便利本发明操作，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500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。
根据本发明一个实施例，文档移动速度增加多达M倍。应认识到，由于本发明的功效，该图像扫描器可产生一个信号，等值于从一个仅使用一个阵列光电探测器的图像扫描器所产生的信号。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器。
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(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。
影响图像扫描器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。但在本发明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，通过本发明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。本发明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)在本发明情况下，来自电荷放大器的各像素信号的最终输出等于S总＝S1+S2+…+SM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＝(N12+N22+…+Nn2)1/2因此，本发明中信噪比由下式给出S/N(本发明)＝S总/N总，或S/N(本发明)＝(S1+S2+…+SN)/(N12+N22+…+Nn2)1/2(2)很显然，S/N(本发明)远大于S/N(原有技术)，所以图像质量更高。
本发明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。
本发明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，本发明实施例的公开仅作为示范，并且可在本发明各部分的安排及组合上采用许多变化而不偏离本发明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，然而本发明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，本发明的范围由所附权利要求书所界定，而非上述的实施例描述。
权利要求
1.一种图像传感器阵列，其特征在于包括若干光电探测器阵列，该阵列中每个都相隔由扫描分辨率所确定的一个距离；其中该光电探测器的各阵列顺序暴露于移动通过该光电探测器阵列的文档的一条扫描线；并且其中在每个所述光电探测器阵列中生成的信号被累积起来，以便当该扫描线顺序通过各个所述光电探测器阵列时，从该文档扫描线产生一个合成扫描信号。
2.如权利要求1的图像传感器，其特征在于预定该扫描分辨率并且控制该文档以何种速度来移动通过该光电探测器阵列。
3.如权利要求1的图像传感器，其特征在于所述光电探测器阵列的数目确定了，如果要该合成扫描信号与该光电探测器阵列中每个所生成的信号具有同样信号强度的话，该文档会以几倍的速度更快地移动通过该光电探测器阵列。
4.一种图像传感器阵列，其特征在于包括M个并联组成的线性传感器，所述M个线性传感器中每个都包括N个光电探测器，其中每个所述M个线性传感器中的第i个光电探测器是串联连接的，并且0＜i＜N；其中当所述图像传感器所扫描的一个文档与所述M个线性传感器之间有相对运动时，在所述M个线性传感器中的每个所述N个光电探测器中生成一个电子信号；并且其中来自每个所述M个线性传感器中第i个光电探测器的电子信号都被累积，以便根据该文档的一个扫描线来产生合成扫描信号。
5.如权利要求4的图像传感器，其特征在于当该扫描线顺序通过所述M个线性传感器的其中一个和其中另一个时，来自该M个线性传感器其中一个的第i个光电探测器的电子信号移动附加到来自所述M个线性传感器中另一个的第i个光电探测器的电子信号中。
6.如权利要求4的图像传感器，其特征在于被所述图像传感器所扫描的该文档与所述M个线性传感器之间的移动速度由扫描分辨率所确定。
7.如权利要求6的图像传感器，其特征在于每个所述M个线性传感器相隔由该扫描分辨率所确定的距离。
8.如权利要求7的图像传感器，其特征在于该扫描分辨率由在每个所述M个线性传感器中分隔各个所述光电探测器的一个空间所确定。
9.一种用于图像传感器的方法，其特征在于该方法包括提供图像传感器与一个扫描文档之间的相对运动；将并联的M个线性传感器暴露于该扫描文档，其中每个所述M个线性传感器都包括N个光电探测器，每个所述M个线性传感器中的第i个光电探测器都串联连接，并且0＜i＜N；响应从该扫描文档映射到该M个线性传感器上的光，在每个所述光电探测器中都生成一个电子信号；当该扫描文档顺序通过所述M个线性传感器的第一个和第二个传感器其中之一时，将来自该M个线性传感器中第一个的第i个光电探测器的电子信号移动到该M个线性传感器中第二个的第i个光电探测器。
10.如权利要求9的方法，其特征在于该M个线性传感器在空间上相隔一个相等距离，该距离由一个扫描分辨率来确定。
11.如权利要求10的方法，其特征在于预定该扫描分辨率并且控制该文档以何种速度来移动通过该M个线性传感器。
12.如权利要求11的方法，其特征在于每个所述M个线性传感器中光电探测器都相等地由所述距离空间分隔。
13.如权利要求9的图像传感器，其特征在于当一个合成扫描信号要与与来自该M个线性传感器每一个中的第i个光电探测器的信号具有同样信号强度的话，所述M个线性传感器将该文档移动通过该M个线性传感器的速度提高到M倍。
14.如权利要求9的图像传感器，其特征在于该M个线性传感器被集成地制成于一片半导体上。
全文摘要
所公开的是一种使用多个光电探测器阵列的图像传感器。根据本发明的一个方面,每个阵列中的光电探测器串联连接。当响应由扫描文档反射的光、在一个阵列中生成电荷信号时,这些电荷信号被移到下一个相邻阵列,而该相邻阵列阵列响应从扫描文档所反射的光(该扫描文档从一个阵列移动到下一个阵列),在移来的电荷信号之上生成电荷信号。结果由这些累积电荷信号形成的扫描信号得以大幅增强。
文档编号H04N3/14GK1373450SQ0210507
公开日2002年10月9日 申请日期2002年2月20日 优先权日2001年2月20日
发明者侯兰忠 申请人:矽感科技(深圳)有限公司