JPH10136273A - Ccdセンサのs/n比改善方法 - Google Patents

Ccdセンサのs/n比改善方法

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JPH10136273A
JPH10136273A JP9276753A JP27675397A JPH10136273A JP H10136273 A JPH10136273 A JP H10136273A JP 9276753 A JP9276753 A JP 9276753A JP 27675397 A JP27675397 A JP 27675397A JP H10136273 A JPH10136273 A JP H10136273A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】カラー結像装置における各カラー毎にS/N比
を最高にするための方法を提供する。 【解決手段】本発明の一実施例によれば、S/N比を改
善するために、各カラーチャネルに対する露光時間が調
整される。全サイクル時間は最も弱い信号を有するチャ
ネルによって決定される。最も弱い信号がフルスケール
出力を確実に生じるようにするため、十分な数のシフト
・パルスが加えられる。サイクル毎のシフト・パルスの全
数が一旦決定されると、残りのチャネルの露光時間が、
最も弱い信号に必要な露光時間の一部として決定され
る。各列は個別の転送ゲート制御入力を有する。次に、
転送ゲート・パルスのタイミングが決定され、望ましく
は、露光時間がセンタリングされて、カラー位置決めの
ずれが低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の技術分野】本発明は、一般に、複写機、ファ
クシミリ機、デジタル・カメラ、及び、イメージ・セン
サといったデジタル結像装置に関するものであり、とり
わけ、こうした結像装置に用いられる電荷結合素子(C
CD)に関連した電子装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】複写機、ファクシミリ機、及び、イメー
ジ・スキャナは、画像を、印刷、記憶、伝送、または、
その他のコンピュータ及び電子機器用途に適した形態に
変換する。システムには、一般に、光源、フォトセンサ
・アレイ、及び、アナログ・フォトセンサ出力をデジタ
ル・データに変換するための電子装置が含まれている。
光は、不透明な画像媒体から反射されるか、あるいは、
透明な画像媒体を透過して、フォトセンサに集束する。
カラー装置は、それぞれ、波長帯域の異なる複数の光源
を備えることができるし、あるいは、色分解器によっ
て、スペクトルの広い光を複数帯域に分割することもで
きるし、あるいは、フィルタを用いることも可能であ
る。
【0003】カラー結像の場合、フォトセンサの一般的
構成は、3つ以上の線形列をなすCCD素子である。典
型的な構成の場合、1つの列で、赤の波長帯域の光を受
け、1つの列で、青の波長帯域の光を受け、1つの列
で、緑の波長帯域の光を受ける。一般に、CCD列は、
全て、一定時間期間にわたって露光され、その後、電荷
が、アナログ・シフト・レジスタに並列に転送される。
さらに、電荷は、バケツ・リレー・スタイルで、電荷検
出器に順次シフトされる。電荷検出器は、電圧を発生
し、結果生じた電圧は、増幅され、結果生じた増幅器出
力電圧は、アナログ・デジタル変換器(ADC)によっ
てデジタル・データ・ストリームに変換される。
【0004】各光測定チャネル(CCD、増幅器、AD
C)の各素子は、有限範囲を備えている。最大S/N比
の場合に、各素子がその全範囲で動作するのが理想であ
る。すなわち、CCDにおける予想最高光強度の場合、
CCDがほぼ飽和し、増幅器がほぼ飽和し、結果生じる
ADC出力がほぼ最大デジタル値になる。同様に、CC
Dにおける予想最低光強度の場合、CCD、増幅器出
力、及び、ADC出力は、全て、最強光条件における値
に対して逆の動作極値になる。一般に、光強度とCCD
感度は、システム毎に異なる可能性があり、また、時間
につれてシステム内においても変動する可能性がある。
さらに、CCDにおける最高の光強度と最低の光強度
は、カラー帯域によって異なる可能性がある。さらに、
CCDにおける最高の光強度と最低の光強度は、光が不
透明な画像から反射されるか、あるいは、透明な画像を
透過するかによって左右される可能性がある。従って、
一般に、各光測定チャネル毎に、S/N比が最高になる
ように、各種パラメータの調整を行うことが必要にな
る。調整の可能性のある領域には、光強度、CCD露光
時間、及び、増幅器の利得がある。
【0005】各種パラメータの調整を行うアプローチ
は、多数存在する。米国特許第4,408,231号
(Bushawその他)の場合、露光時間を二倍にする
能力によって、露光粗調整が施され、灯火強度を調整す
ることによって、露光微調整が施される。米国特許第
4,839,739号(Tachiuchiその他)の
場合、シフト・クロックの周波数を変更することによっ
て、露光時間が調整される。米国特許第5,182,6
58号(Ishizaki)の場合、所定の条件が満た
される場合、露光を早めに終了することによって、ある
範囲の画像コントラストについて、露光時間がほぼ一定
になる。米国特許第5,479,207号(Degiそ
の他)及び欧州特許出願EP 0 401 567 A
2(Nagano)の場合、シフト・クロックは固定周
波数であり、全ての電荷のシフト及び変換に必要な時間
は、CCD露光時間より短く、CCD露光時間は、最後
の有効電荷の変換後に、シフト・パルス数を変更するこ
とによって調整される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、S/
N比を最高にするための調整にいっそうの改良を加える
ことにある。従って、本発明の目的は、各カラー毎にS
/N比を最高にするため、カラー結像装置における各カ
ラー毎に個別の調整を施すことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】各カラー・チャネル毎
に、画像ラインのCCD露光時間は、どのカラーチャネ
ルについても同じである全サイクル時間内において可変
である。全サイクル時間は、最長の露光時間を必要とす
るチャネルによって決まる。第1の実施例の場合、全て
の露光は、同じ時間に開始されるが、終了時間は可変で
ある。第2の実施例の場合、全ての露光が、同時に終了
するが、開始時間が可変である。第3の実施例の場合、
カラー位置決めを改善するため、露光時間の中央点のア
ライメントがとられ、開始時間及び終了時間は、必要に
応じて調整される。
【0008】各CCD列は、各CCD素子の電荷をアナ
ログ・シフト・レジスタに転送させる独立した個別の転
送ゲート信号を受ける。全てのアナログ・シフト・レジ
スタに対して、共通クロックが用いられる。アナログ・
シフト・レジスタをクリアするのに必要なクロック・サ
イクル数は、最長露光時間中のクロック・サイクル数よ
り少ない。
【0009】
【実施例】図1には、デジタル結像システムが示されて
いる。画像100は、不透明な画像用の光源102また
は透明な画像用の光源104によって照射される。色分
解システム106によって、複数の波長帯域がフォトセ
ンサ・アレイ108に送られる。色分解システム106
には、集束光学素子を含めることも可能である。図1に
は、フォトセンサ・アレイ108の複数列に集束する画
像100の単一ラインが示されている。例えば、フィル
タを用いるシステムのように、システムによっては、フ
ォトセンサ・アレイの各列が、画像の異なるラインから
光を受けるものもある。チャネル電子システム110
は、フォトセンサ・アレイ108に対する個々の信号の
タイミングを制御する。さらに、チャネル電子システム
は、フォトセンサ・アレイからアナログ信号を受信し、
該アナログ信号をプロセッサ112のためのデジタル・
データ・ストリームに変換する。次に、画像100の最
終デジタル表現を印刷し、表示し、あるいは、別のプロ
セッサに伝送することが可能になる。
【0010】図2には、フォトセンサ・アレイ108及
びチャネル電子システム110の諸部についてさらに詳
細に示されている。図2に示すフォトセンサ・アレイ1
08は、A、B、及び、Cで示された、CCDセルの3
つの線形列(200、202、204)を備えている。
一般に、4つ以上の列を設けることも可能であり、セル
を互い違いにしたり、または、オーバラップさせること
も可能であり、光学歪みを補償するため、列を非線形に
することも可能である。しかし、一般に、1つのCCD
列に入射する光は、ある画像(図1の100)の単一ラ
インから生じたものである。図2に示すフォトセンサ・
アレイの場合、CCDセルの各列毎に、関連するバケツ
・リレー・アナログ・シフト・レジスタ(206〜21
6)が2つずつ設けられている。CCDセルの各列毎
に、関連する2つのアナログ・シフト・レジスタの一方
が、全ての奇数番号のセルに関する電荷を受信して、シ
フトし、もう一方の関連するアナログ・シフト・レジス
タが、全ての偶数番号のセルに関する電荷を受信して、
シフトする。代替案として、同じ時間量において、全て
の電荷をシフト・アウトするのに2倍のクロック周波数
しか必要としない単一シフト・レジスタを、全てのCC
Dセルに利用することが可能である。電荷は、増幅器
(218〜222)によってバッファリングが施され、
増幅される。増幅器の出力は、ADC(224〜22
8)によってデジタル化される。図2の場合、増幅器
は、フォトセンサ・アレイ108から独立したものとし
て描かれているが、市販のセンサ・アレイには、電荷検
出及び多少の増幅が含まれている場合もある。
【0011】CCDセルの各列は、DUMP(234〜
238)と呼ばれる転送ゲート信号を受信する。DUM
Pの立ち下がりエッジにおいて、各CCDセルの電荷
が、対応するアナログ・シフト・レジスタ・セルに転送
され、CCDセルの全てが、初期化される。後続の図に
おいて、CCD充電波形を例示する場合、CCDセル
は、初期化時に、放電させられて、光子を受ける結果、
充電の準備が整った状態になるものとして描かれてい
る。これは、単なる例示のためのものでしかない。CC
Dセルは、初期化時に、充電させられて、光子を受ける
結果、放電の準備が整った状態になる場合もある。
【0012】ADC(224〜228)は、それぞれ、
2つのアナログ・シフト・レジスタから交互に増幅され
た電圧信号を受信し、アナログ・シフト・レジスタのた
めのクロック信号と同期して、電圧を変換する。図2に
示すシステムの場合、ADC(224〜228)は、そ
れぞれ、クロック信号(CLK)230及びその反転信
号(バーCLK)232を受信する。奇数番号のセルの
アナログ・シフト・レジスタは、それぞれ、クロック信
号(CLK)230を受信し、偶数番号のセルのアナロ
グ・シフト・レジスタは、それぞれ、反転クロック信号
(バーCLK)232を受信する。例えば、CLK(2
30)の立ち下がりエッジにおいて、シフト・レジスタ
206は、デジタル化の準備が整った電荷を有してお
り、ADC224は、結果生じる増幅電圧のデジタル化
プロセスを開始し、(バーCLK)232の立ち下がり
エッジにおいて、シフト・レジスタ208は、デジタル
化の準備の整った電荷を有しており、ADC224は、
結果生じる増幅電圧のデジタル化プロセスを開始する。
代替案として、各ADCが、CLK230の2倍の周波
数のクロックを受信することができるが、重要な特徴
は、各ADCが、アナログ・シフト・レジスタからの交
互シフト・アウト時に、電荷をデジタル値に変換すると
いうことである。
【0013】一般に、各CCD列毎に、光強度とCCD
感度は、アナログ・デジタル変換に必要な時間が、CC
Dの飽和に必要な露光時間より短くなるようになってい
る。従って、各CCD列毎に、露光時間とアナログ・デ
ジタル変換時間は無関係にすることが可能である。De
giその他の教示によれば、アナログ・デジタル変換が
完了すると、システムは、アナログ・シフト・レジスタ
のシフトを続行し、N個の有効デジタル化結果以後のデ
ジタル化結果を無視する(ここで、Nは1列当たりのC
CDセル数である)。図3には、ある列に関する波形と
タイミングが示されている。ラインY−2、Y−1、及
び、Yは、画像状のライン(図1の100)を表してい
る。図3の場合、信号DUMP(300)には、時間T
0(306)において立ち下がりエッジが生じる。T0
において、CCDセル(302)は、放電させられ、受
けた光子に応答して、変化を開始する。やはり時間T0
において、ADCは、先行露光からの充電を変換し始め
る(高である波形304によって表されている)。時間
T1(308)において、N個のアナログ電荷が、デジ
タル値に変換されている。アナログ・シフト・レジスタ
及びADCに関するクロックが引き続き発生し、結果生
じるデジタル値は、時間T2(310)まで無視される
(低である波形304によって表されている)。時間T
2において、信号DUMPによって、もう1度CCD電
荷がアナログ・シフト・レジスタに転送され、プロセス
・サイクルが再開される。
【0014】図3の概念は、多色チャネルを備えたカラ
ー結像装置に適用することが可能である。T0(30
6)〜T2(310)のタイミングは、最初に飽和する
チャネルによって決めることが可能である。しかし、他
のチャネルの光強度がかなり低いか、あるいは、感度が
かなり低い場合、ノイズは同じであるが、他のチャネル
の信号が弱くなるので、他のチャネルに関するS/N比
が、最初に飽和するチャネルより大幅に悪くなる。例え
ば、カラー・ネガ・フィルム・ストリップの場合、スペ
クトル応答は、透過される青の光量が、透過される赤の
光量の約半分にあたる、透過される緑の光量の約半分に
なる。この結果、透過される青の光と透過される赤の光
を比べると4対1の比になる。大きさの不均衡は、各カ
ラー・チャネルの利得を調整することによって補正可能
である。しかし、これは、S/N比の問題を取り扱うも
のではない。全チャネルにわたってS/N比を同様に維
持するためには、各CCD列から生じる信号を最大化す
べきである。
【0015】図4には、各チャネル毎にS/N比を最大
にする改良の第1の実施例が示されている。図4の波形
の場合、CCDセルの各列は、図2に示すように独立し
たDUMP信号を受け取る。次に、図3に示すように、
1つのDUMPパルスによって各サイクルが開始され、
終了するのではなく、1サイクル当たり2つのDUMP
パルス、すなわち、サイクルを開始するパルスと、サイ
クルを終了させるパルスを発することが可能である。図
4におけるラインY−2、Y−1、及び、Yに対する言
及は、1つの画像ラインからの光が分割され、複数セン
サ列に集束させられる、図1の場合のような画像のライ
ンに対する言及である。例えば、画像ラインY−1に対
応する信号について考察する。時間T0(420)にお
いて、全ての列の全てのCCDセルが、初期化される。
時間T1(422)においては、仮にC列に関して予想
される最大光強度が与えられた場合に、C列のCCDセ
ル414には最大値に到達するのに十分な時間であり、
第2のDUMP C(412)パルスが発せられる。そ
の時点において、チャネルCに関するADC(416)
によって、アナログ電圧の変換が開始される。さらに、
CCDセル414は、電荷の蓄積を続行する。時間T2
(424)においては、仮にB列に関して予想される最
大光強度が与えられた場合に、B列のCCDセル(40
8)には最大値に到達するのに十分な時間であり、第2
のDUMP B(406)パルスが発せられる。時間T
3(426)において、チャネルCのADC(波形41
6)がチャネルCからのN個の有効電圧の変換を完了
し、ADCからの後続出力値は無視される(波形416
は低)。図4において、チャネルAは、露光時間が最長
の、従って、{T4(428)−T0(420)}の全
サイクル時間を決定する、チャネルである。図4におい
て、CCDは、それぞれ、T0(420)において同時
に初期化されるが、有効電荷は、異なる時間に転送され
る。CCD波形408及び414の斜影線領域は、デジ
タル化されるが、その結果得られる値は、無視される。
【0016】図5には、CCD露光が異なる時間に開始
され、同時に終了する、第2の実施例が示されている。
やはり、ラインY−1について考察する。全チャネルの
全サイクル時間が、DUMP信号(500、506、5
12)が、全て、同時に低になる時間T0(520)に
おいて開始される。C列(波形514)及びB列(波形
508)に関するCCDによって、後で無視される電荷
の蓄積が開始される。時間T1(522)において、信
号DUMP B(506)が、CCDのB列について発
せられて、B列のCCD(波形508)が放電し、B列
のCCDが再び充電を開始する。同様に、時間T2(5
24)において、信号DUMP C(512)が、CC
DのC列について発せられ、C列のCCD(波形51
4)が放電し、C列のCCDが再び充電を開始する。時
間T3(526)において、全てのDUMP信号(50
0、506、512)は、同時に低になり、全てのAD
C(波形504、510、及び、516)は、ラインY
−1に関する有効電圧の変換を開始する。時間T4(5
28)において、全てのチャネルからのN個の有効電圧
が、ラインY−1について変換を終えている。
【0017】もう1度図1を参照すると、画像100の
走査は、画像を移動させて、固定フォトセンサ・アレイ
108を通過させるか、あるいは、フォトセンサ・アレ
イ108を移動させて、固定画像100を通過させるこ
とによって行われる。いずれにせよ、フォトセンサ・ア
レイ108の列に対する画像100上のラインの移動が
行われる。相対的移動が連続する場合、図4及び5に示
す各センサ列の露光は、画像100のわずかに異なる部
分に対応する。例えば、図5の場合、A列のCCDセル
(波形502)は、C列のCCDセル(波形514の非
斜影線部分)に比較すると、画像100の比較的幅広の
ストライプに露光させられる。従って、カラー位置決め
にある程度のずれが生じる。例えば、C列が赤に対応
し、A列が青に対応する場合、画像のデジタル化された
赤部分は、画像のデジタル化された青部分からわずかに
オフセットすることになる。さらに正確に云えば、デジ
タル化された赤のストライプは、青のストライプの一部
になり、青のストライプの一方のエッジとアライメント
がとれる。カラー位置決めは、露光の中央点のアライメ
ントがとれると、改善される。
【0018】図6には、露光の中央点のアライメントが
とれた第3の実施例が示されている。チャネルA(波形
602)の有効露光時間は、時間T0(620)におい
て開始され、時間T6(632)において終了する。チ
ャネルB(波形608の非斜影線部分)の有効露光時間
は、時間T1(622)において開始され、時間T5
(630)において終了する。チャネルC(波形614
の非斜影線部分)の有効露光時間は、時間T2(62
4)において開始され、時間T4(628)において終
了する。全ての有効露光時間の中央点は、時間T3(6
26)(及び、時間T7(634)等)である。各チャ
ネル内において、DUMP信号(600、606、61
2)は、適宜、露光を開始し、終了する。
【0019】図4、5、及び、6において、露光時間が
全サイクル時間より短い各チャネル(チャネルB及び
C)毎に、アナログ・デジタル変換(ADC波形が高)
が、無視することが可能な充電中に生じる点に留意され
たい。アナログ・デジタル変換時間は、無視することが
可能な最短露光時間以下でなければならない。特に、図
4の波形408及び410、図5の波形508及び51
0、及び、図6の波形608及び610について考察す
る。これらのそれぞれについて、アナログ・デジタル変
換の終了は、全CCDの初期化を行うダンプ・パルスと
一致するように示されている(変換時間の短縮は可能で
あるが、延長はできない)。例えば、あるチャネルが全
サイクル時間の10分の9の有効充電時間を必要とし、
全サイクル時間の10分の1が無視されることになる場
合、アナログ・デジタル変換は、全サイクル時間の10
分の1以内に完了しなければならない。
【0020】実際の実施例の場合、画像の低解像度のプ
レビュー走査が実施される。プレビュー走査を検分し
て、各チャネル毎に補正露光を決定する。全サイクル時
間は、最弱の信号を有するチャネルによって決まる。最
弱の信号によって、なおかつ、フル・スケールの出力の
発生を可能にするという保証を与えるのに十分な数のク
ロック・パルスが、付加される。1サイクル当たりの全
クロック・パルス数が決まると、残りのチャネルの露光
時間が、最弱の信号が必要とする露光時間の何分の一か
になるように決定される(可能であれば)。次に、DU
MPパルスのタイミングが決定され、カラー位置決めの
ずれを軽減するため、露光時間のセンタリングが行われ
る。
【0021】本発明に関する以上の説明は、例証及び解
説を目的として提示されたものである。余すところのな
いようにしようとか、あるいは、本発明を開示の形態そ
のままに制限しようとする意図するものではなく、以上
の教示に鑑みて、他の修正及び変更を加えることも可能
である。実施例の選択及び解説は、本発明の原理及びそ
の実際の応用について最も明確に説明することによっ
て、当該技術の他の熟練者が、企図される特定の用途に
適合する、各種実施例及び各種修正において本発明を最
も有効に活用できるように行われている。
【0022】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【0023】[実施態様1]電荷結合素子セルの複数列を
有するフォトセンサ・アレイを用いて画像形成を行う方
法であって、第1列(200、202、204)の電荷
結合素子セルを第1の露光時間にわたって露光させるス
テップと、第2列(200、202、204)の電荷結
合素子セルを第2の露光時間にわたって露光させるステ
ップと、を備えて成り、前記第1の露光時間と前記第2
の露光時間とが異なることを特徴とする方法。
【0024】[実施態様2]前記第1及び第2の露光時間
が、同じ時間(420、428)に開始することを特徴
とする、実施態様1に記載の方法。
【0025】[実施態様3]前記第1及び第2の露光時間
が、同じ時間(526)に終了することを特徴とする、
実施態様1に記載の方法。
【0026】[実施態様4]前記第1及び第2の露光時間
が、同じ時間(626、634)に中央点を有すること
を特徴とする、実施態様1に記載の方法。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、カラー結像装置における各カラー毎にS/N
比をほぼ最高にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるカラー結像システムの略ブロック
図である。
【図2】図1の結像システムのフォトセンサ及び関連電
子回路の略ブロック図である。
【図3】全てのチャネルについて露光時間の開始時間と
終了時間が同じである波形の時間プロット図である。
【図4】全てのチャネルについて露光時間の開始時間は
同じであるが、終了時間が異なる波形の時間プロット図
である。
【図5】全てのチャネルについて露光時間の終了時間は
同じであるが、開始時間が異なる波形の時間プロット図
である。
【図6】全てのチャネルについて露光時間の中央点がほ
ぼ同じである波形の時間プロット図である。
【符号の説明】
100:画像 102:光源 104:光源 106:色分解システム 108:フォトセンサ・アレイ 110:チャネル電子システム 112:プロセッサ 206:アナログ・シフト・レジスタ 208:アナログ・シフト・レジスタ 210:アナログ・シフト・レジスタ 212:アナログ・シフト・レジスタ 214:アナログ・シフト・レジスタ 216:アナログ・シフト・レジスタ 218:増幅器 220:増幅器 222:増幅器 224:ADC 226:ADC 228:ADC

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電荷結合素子セルの複数列を有するフォト
    センサ・アレイを用いて画像形成を行う方法であって、 第1列の電荷結合素子セルを第1の露光時間にわたって
    露光させるステップと、 第2列の電荷結合素子セルを第2の露光時間にわたって
    露光させるステップと、 を備えて成り、前記第1の露光時間と前記第2の露光時
    間とが異なることを特徴とする方法。
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