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Dokumentenidentifikation DE10165011B4 13.12.2007
Titel Photosensoranordnung
Anmelder Hewlett-Packard Development Co., L.P., Houston, Tex., US
Erfinder Spears, Kurt E., Fort Collins, Col., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 30.10.2001
DE-Aktenzeichen 10165011
File number of basic patent 10153378.0
Offenlegungstag 16.05.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H04N 1/193(2006.01)A, F, I, 20070105, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04N 1/48(2006.01)A, L, I, 20070105, B, H, DE   H04N 3/15(2006.01)A, L, I, 20070105, B, H, DE   H01L 27/146(2006.01)A, L, I, 20070105, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Photosensoranordnung umfasst ein erstes versetztes Zeilenarray aus Photosensoren, die auf jeder Seite einer Mittellinie in einem versetzten Muster als erste Reihe und als zweite Reihe angeordnet sind, so dass ein erster Photosensor in der ersten Reihe entlang der Mittellinie bezüglich eines ersten Photosensors in der zweiten Reihe versetzt ist; ein zweites versetztes Zeilenarray aus Photosensoren, die auf jeder Seite einer zweiten Mittellinie in einem versetzten Muster als dritte Reihe und als vierte Reihe angeordnet sind, so dass ein erster Photosensor in der dritten Reihe entlang der zweiten Mittellinie bezüglich eines ersten Photosensors in der vierten Reihe versetzt ist; und ein Ladungsschieberegister, das angeordnet ist, um Ladungen von der zweiten Reihe und von der dritten Reihe zu empfangen.

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Photosensorarrays, die für Optikbildscanner und -kameras verwendet werden, und spezieller auf Zeilenarrays, die üblicherweise für Optikbildscanner verwendet werden.

Bildscanner wandeln ein sichtbares Bild auf einem Dokument oder einer Photographie, oder ein Bild in einem transparenten Medium, in eine elektronische Form um, die für ein Kopieren, Speichern oder Verarbeiten durch einen Computer geeignet ist. Ein Bildscanner kann eine separate Vorrichtung sein, oder auch ein Teil eines Kopiergeräts, ein Teil eines Faxgeräts oder ein Teil einer Mehrzweckvorrichtung. Reflektivbildscanner weisen in der Regel eine gesteuerte Lichtquelle auf, und es wird Licht von der Oberfläche eines Dokuments durch ein Optiksystem auf ein Array lichtempfindlicher Vorrichtungen reflektiert. Die lichtempfindlichen Vorrichtungen wandeln eine empfangene Lichtintensität in ein elektronisches Signal um. Transparenzbildscanner leiten Licht durch ein transparentes Bild, beispielsweise ein photographisches Positivdia, durch ein Optiksystem, und daraufhin auf ein Array lichtempfindlicher Vorrichtungen.

Übliche Photosensortechnologien umfassen ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD – charge coupled devices), Ladungsinjektionsbauelemente (CID – charge injection devices), Komplementär-Metalloxid-Bauelemente (CMOS – complementary-metaloxide) und Solarzellen. Für ein CID- oder ein CMOS-Array ist in der Regel jedes lichtempfindliche Element adressierbar. Im Gegensatz dazu übertragen CCD-Zeilenarrays üblicherweise alle Ladungen im Eimerkettenstil seriell von jeder Zeile lichtempfindlicher Elemente zu einer kleinen Anzahl von Erfassungsknoten für eine Umwandlung von Ladung in eine meßbare Spannung. Die vorliegende Patentschrift befaßt sich hauptsächlich mit Photosensorarrays, die Serienladungsschieberegister, auch Serienablesungsregister genannt, aufweisen.

Im allgemeinen besteht eine stete Nachfrage nach erhöhter Auflösung und Geschwindigkeit, verbesserter Farbqualität und Bildqualität und verringerten Kosten, Forderungen, die oft direkt miteinander im Widerspruch stehen und Kompromisse erfordern. Der folgende Hintergrund stellt einige der Faktoren dar, die die Auflösung, Geschwindigkeit, Farbqualität, Bildqualität und Kosten beeinflussen.

Im allgemeinen verwenden Bildscanner ein Optiklinsensystem, um ein Bild auf ein Array von Photosensoren zu fokussieren. Photosensorarrays weisen in der Regel Tausende von einzelnen lichtempfindlichen Elementen auf. Jedes lichtempfindliche Element mißt, in Verbindung mit dem Scanneroptiksystem, eine Lichtintensität von einem effektiven Bereich auf dem Dokument, der ein Bildelement (Pixel) auf dem Bild, das gerade gescannt wird, definiert. Die optische Abtastrate wird oft als Pixel pro Zoll (oder mm), die auf dem Dokument (oder Objekt oder Transparent), das gerade gescannt wird, gemessen werden, ausgedrückt. Die optische Abtastrate, wie sie an dem Dokument, das gerade gescannt wird, gemessen wird, wird auch als die Eingabeabtastrate bezeichnet.

Photosensoranordnungen für Bildscanner weisen üblicherweise drei oder vier Zeilenarrays aus Sensoren auf, wobei jedes Zeilenarray ein unterschiedliches Wellenlängenband an Licht empfängt, zum Beispiel rot, grün und blau. Jedes Zeilenarray kann gefiltert werden, oder weißes Licht kann durch einen Strahlteiler in unterschiedliche Wellenlängenbänder geteilt werden. In der Regel ist der Abstand (Entfernung einzelner Photosensorelemente) für jedes Zeilenarray der gleiche, und in der Regel ist der Abstand eingestellt, um eine festgelegte systemeigene Eingabeabtastrate zu liefern.

Die systemeigene Eingabeabtastrate wird durch die Optik und den Abstand der einzelnen Sensoren bestimmt. Eine Scanner-Bedienperson kann eine Abtastrate auswählen, die geringer ist als die systemeigene Eingabeabtastrate, indem sie einfach ausgewählte Pixel fallenläßt, oder indem sie digitale Neuabtasttechniken verwendet. Alternativ dazu kann eine Scanner-Bedienperson eine Abtastrate auswählen, die höher ist als die systemeigene Eingabeabtastrate, wenn Zwischenwerte durch eine Interpolation berechnet werden. In der Regel werden alle Ladungen oder Spannungen von dem Photosensorarray abgelesen und daraufhin digitalisiert, woraufhin an den sich ergebenden digitalen Pixeldaten ein Unterabtasten oder eine Interpolation durchgeführt wird.

Die Bittiefe ist die Anzahl von Bits, die pro Pixel erfaßt werden. In der Regel wird ein Pixel in einem dreidimensionalen Farbraum mit einer feststehenden Anzahl von Bits in jeder Dimension festgelegt. Zum Beispiel kann ein Pixel in einem roten, grünen, blauen (RGB-)Farbraum mit 8 Bits roter Informationen, 8 Bits grüner Informationen und 8 Bits blauer Informationen bei einer Summe von 24 Bits pro Pixel festgelegt sein. Alternativ dazu kann ein Pixel in einem zylindrischen Farbraum festgelegt sein, bei dem die Dimensionen Luminanz, Chrominanz und Sättigung sind. Alternativ dazu kann ein dreidimensionaler CIE-Farbraum, z. B. CIELAB oder CIELUV, verwendet werden, wobei eine Dimension Luminanz ist. Bei dieser Anwendung bedeutet „hohe" Bittiefe, daß alle Bits exakt sind, wobei Exaktheit von einfacher Auflösung unterschieden wird. Das heißt, ein Scanner könnte viele Bits an Informationen liefern, jedoch einen Störpegel aufweisen, der die meisten niedrigwertigen Bits bedeutungslos werden läßt.

Wenn ein Sensor kein Licht empfängt, kann ein gewisses thermisches Rauschen (Dunkel-Rauschen genannt) auftreten. Thermisches Rauschen (Dunkel-Rauschen) ist proportional zur Zeit. Während einer Belichtung bezieht sich die primäre Rauschquelle (Schrotrauschen genannt) auf die Wandlung von Photonen in Elektronen, und das Rauschen nimmt mit der Quadratwurzel des Signals zu. Kleine Sensoren weisen oft ein geringeres Signal/Rausch-Verhältnis auf als große Sensoren, insbesondere für Bereiche eines Dokuments, die ein geringes Reflexionsvermögen oder einen geringen Durchlässigkeitsgrad aufweisen. Kleinere Sensorflächen können höhere Eingabeabtastraten liefern, jedoch können andere Maßzahlen in bezug auf Bildqualität, und insbesondere der Farbqualität, wie sie durch Signal/Rauschen gemessen werden, verringert sein.

Wird eine Eingabeabtastrate gewählt, die geringer ist als die systemeigene Eingabeabtastrate, kann das Signal/Rausch-Verhältnis durch ein Bilden von Abtastwert-Mittelwerten verbessert werden. Es können analoge Signale von benachbarten Sensorflächen hinzugefügt werden, oder nach Analog/Digital-Wandlung kann ein Mittelwert aus digitalen Werten gebildet werden. Ein Hinzufügen von N Abtastwerten verbessert das Signal/Rausch-Verhältnis um die Quadratwurzel von N. In der Regel erfordert ein Hinzufügen von analogen Signalen, daß die Signalpegel vor dem Hinzufügen relativ gering sind, um ein Sättigen eines Ladeelements zu vermeiden, so daß ein Analog-Mittelwertbilden in der Regel aus Geschwindigkeitsgründen (weniger Wandlungen) und nicht zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses verwendet wird.

Die Scangeschwindigkeit wird durch viele Faktoren beeinflußt: Belichtungszeit, Verschiebungszeit von Registern multipliziert mit der Anzahl von Pixeln, die gerade verschoben werden, Ausgangsverstärkergeschwindigkeit und Analog/Digital-Wandlungszeit. In der Regel ist für geringe systemeigene Eingabeabtastraten der hauptsächliche begrenzende Faktor die Belichtungszeit, d. h. die Zeit, die erforderlich ist, um ein Signal zu erzeugen, das ein akzeptables Signal/Rausch-Verhältnis liefert. Wenn jedoch die Anzahl von Pixeln, die verschoben und gewandelt werden, sehr groß wird, kann eventuell die Zeit, die benötigt wird, um die einzelnen Pixelsignale zu verschieben und zu wandeln, zum begrenzenden Faktor werden.

Bereiche eines Bildes mit langsam variierender Farbe, insbesondere mit dunklen Farben, erfordern eine große Bittiefe und ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis, um den gleichmäßigen Ton und die gleichmäßige Textur des Originals genau zu reproduzieren. Für Bereiche von langsam variierender Farbe ist eine hohe Eingabeabtastrate nicht erforderlich, da in dem Bild keine Hochfrequenzinformationen vorliegen. Bereiche eines Bildes, die schnell Farbe wechseln, z. B. eine Waldszene, oder ein Großphoto eines mehrfarbigen Stoffes, erfordern eine hohe Eingabeabtastrate, um die Hochfrequenzinformationen zu erfassen, jedoch sind keine große Bittiefe und kein hohes Signal/Rausch-Verhältnis erforderlich. Dies bedeutet, daß für Hochfrequenzinformationen die Farbexaktheit jedes einzelnen Pixels weniger wichtig ist. Hohe Eingabeabtastraten erfordern kleine Sensorflächen, die wiederum relativ niedrige Signal/Rausch-Verhältnisse, eine relativ geringe Bittiefe und eine relativ geringe Scangeschwindigkeit aufweisen. Große Sensorflächen liefern hohe Signal/Rausch-Verhältnisse, eine große Bittiefe und eine hohe Geschwindigkeit, können jedoch keine hohen Eingabeabtastraten liefern.

Es besteht ein Bedarf an einem Scanner, der eine hohe Geschwindigkeit, eine hohe Farbqualität und eine hohe systemeigene Eingabeabtastrate bei minimalem Kostenanstieg liefert.

Die JP 02-192277 A beschreibt eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer Mehrzahl von Photodioden, die beidseitig eines Übertragungsregisters angeordnet sind, wobei die Photodioden die gleiche Breite aufweisen, jedoch haben Photodiode auf den verschiedenen Seiten unterschiedliche Tiefen und somit unterschiedliche Flächen.

Die US-A-5,345,319 beschreibt ein CCD-Element mit Sensorelementen mit unterschiedlicher Breite zeigt, wobei ein Array Sensorelemente mit kleinerer Breite aufweist, um abwechselnd Daten in eines von zwei benachbart angeordneten Schieberegistern zu übertragen.

Die EP 0 967 789 A2 betrifft eine Photosensoranordnung mit jeweils zwei Photosensorarrays, die zueinander versetzt sind, wobei jedem Array ein einzelnes Ladungsregister zugewiesen ist.

Die JP 62-155560 A beschreibt eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer Mehrzahl von Photodioden, die versetzt zueinander beidseitig eines Übertragungsregisters angeordnet sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photosensoranordnung zu schaffen, so daß die oben genannten Vorteile bei minimalem Kostenanstieg geliefert werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Photosensoranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Eine Photosensoranordnung umfaßt ein erstes versetztes Zeilenarray aus Photosensoren, die auf jeder Seite einer Mittellinie in einem versetzten Muster als erste Reihe und als zweite Reihe angeordnet sind, so daß ein erster Photosensor in der ersten Reihe entlang der Mittellinie bezüglich eines ersten Photosensors in der zweiten Reihe versetzt ist; ein zweites versetztes Zeilenarray aus Photosensoren, die auf jeder Seite einer zweiten Mittellinie in einem versetzten Muster als dritte Reihe und als vierte Reihe angeordnet sind, so daß ein erster Photosensor in der dritten Reihe entlang der zweiten Mittellinie bezüglich eines ersten Photosensors in der vierten Reihe versetzt ist; und ein Ladungsschieberegister, das angeordnet ist, um Ladungen von der zweiten Reihe und von der dritten Reihe zu empfangen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines ersten Beispiels einer Photosensoranordnung;

2A ein Blockdiagramm eines zweiten Beispiels einer Photosensoranordnung;

2B ein Blockdiagramm des Beispiels von 2A, wobei integrierte Verstärker unterschiedliche Verstärkungen aufweisen;

3A ein Blockdiagramm eines dritten Beispiels einer Photosensoranordnung;

3B ein Blockdiagramm des Beispiels von 3A, unter Hinzufügung von Überlauf-Abflüssen; und

4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das gemeinsam benutzte Strukturen mit Größe und abgestuften Photosensor-Arrays von identischer Größe aufweist.

1 veranschaulicht eine Photosensoranordnung mit Paaren von Zeilenarrays aus Photosensoren zum Erfassen von drei Farbbändern. In 1 erfassen Photosensor-Zeilenarrays 102 und 112 rotes Licht, Photosensor-Zeilenarrays 116 und 126 erfassen grünes Licht und Photosensor-Zeilenarrays 130 und 140 erfassen blaues Licht. Die Anzahl an Photosensor-Zeilenarrays, die Auswahl an Farben und die Anordnung der Farben dienen lediglich der Veranschaulichung. Beispielsweise kann ein Array gelbes, magentafarbenes und cyanfarbenes Licht erfassen. Alternativ dazu kann mindestens ein Photosensor-Zeilenarray weißes Licht erfassen. Alternativ dazu kann ein Zeilenarray aus Photosensoren unterschiedliche Farben mit unterschiedlichen Photosensoren erfassen; beispielsweise kann der erste Photosensor in dem Zeilenarray rotes Licht erfassen, kann der zweite Photosensor in dem Zeilenarray grünes Licht erfassen und kann der dritte Photosensor in dem Zeilenarray blaues Licht erfassen, wobei sich die Sequenz für Tausende von Photosensoren in dem Zeilenarray wiederholt. Es können weniger als sechs Zeilenarrays aus Photosensoren oder mehr als sechs Zeilenarrays vorliegen. Beispielsweise können sich die Zeilenarrays biegen, um eine Verzerrung in einem optischen System zu kompensieren. Es ist zu beachten, daß die Filterdurchlässigkeit oder die Strahlenteilereffizienz von Farbe zu Farbe variieren können. Deshalb kann die Belichtungszeit für jedes Photosensor-Zeilenarray unterschiedlich sein, um jeden Sensor in die Lage zu versetzen, ausreichende Elektronen zu erzeugen, um einen festgelegten Signalpegel an einer festgelegten maximalen Beleuchtungsintensität auf dem Dokument, das gerade gescannt wird, zu liefern.

Photosensoren in den Zeilenarrays 102, 116 und 130 weisen relativ große Bereiche auf. Photosensoren in den Zeilenarrays 112, 126 und 140 weisen relativ kleine Bereiche auf. Die Zeilenarrays mit relativ kleinen Sensorflächen werden für hohe systemeigene Eingabeabtastraten verwendet, und die Zeilenarrays mit relativ großen Sensorflächen werden für hohe Farbgenauigkeit und Geschwindigkeit verwendet. Im Verhältnis zu den kleinen Sensoren liefern die großen Sensorflächen ein relativ besseres Signal/Rausch-Verhältnis, jedoch bei einer relativ niedrigeren systemeigenen Eingabeabtastrate. Umgekehrt liefern die kleineren Sensorflächen eine relativ hohe systemeigene Eingabeabtastrate, jedoch bei einem verringerten Signal/Rausch-Verhältnis.

Wie oben erörtert wurde, ist es üblich, daß CCD-Arrays Ladungen zu einem Ladungsschieberegister übertragen und die Ladungen zu einigen wenigen Erfassungsknoten zur Analog-Digital-Wandlung seriell verschieben. Dementsprechend liegen in 1 drei Ladungsschieberegister (106, 120 und 134) vor. Ein Register 106 schiebt Ladungen zu dem Verstärker 108, ein Register 120 schiebt Ladungen zu dem Verstärker 122, und ein Register 134 schiebt Ladungen zu dem Verstärker 136. Übertragungstore (104, 110, 118, 124, 132 und 138) steuern die Übertragung von Ladung von den Photosensorflächen zu den Ladungsschieberegistern. Beispielsweise steuert das Übertragungstor 104 die Übertragung von Ladungen von Photosensoren 102 zum Ladungsschieberegister 106. Die Steuerleitung 150 steuert die Übertragung von Ladungen von den kleinen Sensorflächen zu den Ladungsschieberegistern, und die Steuerleitung 152 steuert die Übertragung von Ladungen von den großen Sensorflächen zu den Ladungsschieberegistern. Es ist zu beachten, daß sechs Steuerleitungen nötig sein können, falls für jedes Sensor-Array unabhängige Belichtungszeiten erforderlich sind.

Die Ladungsschieberegister werden gemeinsam benutzt. Bei dem in 1 veranschaulichten Beispiel benutzt jedes Zeilenarray aus Photosensoren mit großen Bereichen ein Ladungsschieberegister gemeinsam mit einem Zeilenarray aus Photosensoren mit kleinen Bereichen für dieselbe Farbe. Beispielsweise wird das Ladungsschieberegister 106 gemeinsam von den großen Rot-Photosensoren 102 und den kleinen Rot-Photosensoren 112 benutzt. Die überwiegenden Kosten einer integrierten Schaltung ergeben sich aus der Chipfläche auf einem Wafer. Bei CCD-Arrays sind die Ladungsschieberegister und zugehörigen Verstärker relativ große Strukturen. Durch ein gemeinsames Benutzen von Ladungsschieberegistern und Verstärkern, wie in 1 veranschaulicht, können weitere Zeilenarrays von Photosensoren gegen sehr geringe Zuwachskosten hinzugefügt werden, oder weitere Anordnungen können auf einem einzigen Wafer hergestellt werden.

Bei der exemplarischen Konfiguration von 1 ist zu beachten, daß die Konfiguration der Steuerleitungen 150 und 152 voraussetzt, daß man entweder die großen Photosensor-Zeilenarrays oder die kleinen Photosensor-Zeilenarrays verwenden möchte, jedoch nicht große und kleine Zeilenarrays gleichzeitig. Im allgemeinen kann es jedoch wünschenswert sein, bei manchen Farben unter Verwendung von großen Sensoren zu scannen und bei anderen Farben unter Verwendung von kleinen Sensoren. Beispielsweise kann es sein, daß man weißes Licht unter Verwendung von kleinen Sensorflächen und rotes/grünes/blaues Licht unter Verwendung von großen Sensorflächen scannen möchte. Dies liefert eine hohe Eingabeabtastrate bei einem relativ geringen Signal/Rausch-Verhältnis für die Luminanz, die die meisten Hochfrequenzinformationen trägt, und ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis bei einer geringeren Abtastrate für Farbe, wo eine Bittiefe wichtig ist. Große Weiß-Sensoren können jedoch auch für schnelle Schwarzweiß-Scanvorgänge, Fax- oder Kopiermodi gewünscht werden. Deshalb kann man im allgemeinen unter Verwendung von Photosensor-Zeilenarrays, die verschiedene Photosensorgrößen aufweisen, scannen.

Bei dem in 1 veranschaulichten Beispiel ist zu beachten, daß die Anzahl an Stufen bei jedem Ladungsschieberegister mindestens so hoch ist wie die Anzahl an Photosensorflächen bei einem Zeilenarray aus kleinen Photosensoren. Beispielsweise ist die Anzahl an Stufen in dem Schieberegister 106 mindestens so hoch wie die Anzahl an Photosensoren bei dem Zeilenarray 112. Bei 1 überträgt jede kleine Photosensorfläche eine Ladung in eine Ladungsschieberegisterstufe, und jede große Photosensorfläche überträgt eine Ladung in zwei Ladungsschieberegisterstufen. Beim Scannen mit den großen Photosensorflächen werden vor der Wandlung die Ladungen aus Paaren von Ladungsschieberegisterstufen hinzugefügt. Es gibt viele geeignete Variationen, und insbesondere kann die Anzahl an Stufen in den Ladungsschieberegistern größer sein als die Anzahl an zugehörigen Photosensoren, und Schieberegisterstufen können verflochten sein.

Bei intensivem Licht oder langen Belichtungszeiten können sich Photosensorladungstöpfe sättigen, und eine überschüssige Ladung kann in benachbarte Photosensorladungstöpfe überlaufen, was zu Überstrahlen führt (entstehende helle Bereiche in dem digitalisierten Bild sind größer als die tatsächlichen hellen Bereiche). Bei CCD-Arrays ist es üblich, Überlauf-Abflüsse (auch Antiüberstrahl-Drainanschlüsse genannt) vorzusehen, um etwaige überschüssige Ladungen abzuführen, um ein Überstrahlen zu verhindern. Barrierenhöhen von Überlauf-Abflüssen können durch eine externe Spannung gesteuert werden, um variable Integrationszeiten zu liefern. Überlauf-Abflüsse können unterhalb der Ladungstöpfe (vertikaler Überlauf-Abfluß genannt) oder benachbart zu Photosensoren (lateraler Überlauf-Abfluß genannt) gefertigt sein. Laterale Überlauf-Abflüsse nehmen Chipfläche auf dem Halbleitersubstrat in Anspruch. In 1 stellen Bereiche 100, 114, 128 und 148 laterale Überlauf-Abflüsse dar. Es ist zu beachten, daß die Photosensor-Zeilenarrays 112 und 116 den Überlauf-Abfluß 114 gemeinsam benutzen, und daß die Zeilenarrays 126 und 130 den Überlauf-Abfluß 128 gemeinsam benutzen.

Die Photosensoren in 1, z. B. Zeilenarray 112, sind ohne Zwischenraum zwischen benachbarten Photosensoren dargestellt. Bei tatsächlichen CCD-Konfigurationen ist ein Zwischenraum zwischen benachbarten Photosensoren erforderlich, um ein Ladungsblockieren und andere wesentliche Strukturen integrierter Schaltungen zu liefern. Mit zunehmender Größe der Ladungstöpfe wird der Abstand zwischen Ladungstöpfen zu einem größeren Anteil des CCD-Bereichs, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis reduziert wird (da die Lichtauffangkapazität verringert wird) und vielleicht die effektive Modulationsübertragungsfunktion (Fähigkeit, Hochfrequenzinformationen zu erfassen) reduziert wird. Es ist bekannt, CCD-Photosensoren zu versetzen (abwechselnde Photosensorelemente sind in gegenüberliegenden Richtungen von einer Mittellinie aus verschoben), um den Flächenverlust zwischen benachbarten Photosensoren teilweise zu kompensieren. Versetzte Photosensoren erfordern in der Regel doppelseitige Ladungsschieberegister (ein Ladungsschieberegister auf jeder Seite des versetzten Zeilenarrays). Wenn bei einer herkömmlichen CCD-Konfiguration drei Zeilenarrays aus großen Photosensoren und drei versetzte Zeilenarrays aus kleinen Photosensoren als eine Baugruppe hergestellt würden, wären für die drei Zeilenarrays aus großen Photosensoren drei Ladungsschieberegister erforderlich, und für die drei versetzten Zeilenarrays aus kleinen Photosensoren wären weitere sechs Ladungsschieberegister erforderlich.

2A und 2B veranschaulichen ein Beispiel mit drei Zeilenarrays aus Photosensoren und drei versetzten Zeilenarrays aus Photosensoren (in folgenden versetzte Zeilenarrays), bei dem die gemeinsame Benutzung von Ladungsschieberegistern die Anzahl der Ladungsschieberegister von neun (wie bei einer herkömmlichen CCD-Architektur erforderlich) auf sieben verringert.

In 2A sind drei Zeilenarrays aus großen Photosensoren (204, 220 und 236) und drei versetzte Zeilenarrays aus kleinen Photosensoren (212, 228, 244) gezeigt. Es liegen sieben Ladungsschieberegister (200, 208, 216, 224, 232, 240, 248) vor. Es liegen zwölf Ladungsübertragungstore (202, 206, 210, 214, 218, 222, 226, 230, 234, 238, 242, 246) vor. Fünf der sieben Ladungsschieberegister (208, 216, 224, 232 und 240) werden von Paaren von Zeilenarrays aus Photosensoren gemeinsam benutzt.

Es ist zu beachten, daß die Photosensorflächen in den versetzten Zeilenarrays aus Photosensoren (212, 228 und 244) überlappend dargestellt sind. Dies bedeutet, daß eine vertikale Linie durch 2A zwei Photosensoren in dem versetzten Zeilenarray 212 kreuzen könnte. Die versetzten Photosensoren können auch kleiner und wie bei einem Schachbrett versetzt ausgeführt sein, so daß keine Überlappung stattfindet (so daß eine vertikale Linie durch 2A lediglich einen Photosensor in dem versetzten Zeilenarray 212 kreuzen würde).

Bei der in 2A veranschaulichten Konfiguration benutzen Sätze von drei Ladungsschieberegistern gemeinsam einen Verstärker, wobei die drei Ladungsschieberegister alle einer Farbe zugeordnet sind. Für jede einzelne Belichtung werden für jede Farbe lediglich zwei der drei Ladungsschieberegister verwendet. Zum Beispiel werden für das große Photosensor-Zeilenarray 204 die Register 200 und 208 verwendet, und für das versetzte Zeilenarray 212 werden die Register 208 und 216 verwendet. Ladungsübertragungsregister (250, 254, 256, 260, 262, 266) steuern die Übertragung von Ladungen von zwei Ladungsschieberegistern zu einem Verstärker. Die Ladungsübertragungsregister können Ladungen hinzufügen, sie können Ladungen unverändert übertragen und sie können auch die beiden Eingänge multiplexieren und Ladungen abwechselnd zu einem Verstärker übertragen. Für die großen Photosensoren werden Ladungen zwischen zwei Ladungsschieberegistern aufgeteilt. Beispielsweise werden Ladungen von dem Photosensor-Zeilenarray 204 unter den Ladungsschieberegistern 200 und 208 verteilt (Ladung von einem Photosensor fließt zu vier Ladungsschieberegisterstufen, zwei Stufen im Register 200 und zwei Stufen im Register 208), werden daraufhin durch das Ladungsübertragungsregister 250 rekombiniert (hinzugefügt), bevor sie an den Verstärker 252 übertragen werden. Für die versetzten kleinen Photosensoren werden Ladungen von einem Photosensor zu einer Ladungsschieberegisterstufe übertragen. Beispielsweise werden Ladungen von dem versetzten Zeilenarray 212 zu Ladungsschieberegistern 208 und 216 übertragen (Ladung von einem Photosensor fließt zu einer Schieberegisterstufe). Das Ladungsübertragungsregister 254 kann beispielsweise mehrere Ladungen hinzufügen (falls eine niedrigere Auflösung gefordert wird, die durch das Großsensor-Zeilenarray 204 nicht besser erfüllt werden kann), oder das Ladungsübertragungsregister 254 kann Ladungen von den Schieberegistern 208 und 216 multiplexieren und die Ladungen abwechselnd zu dem Verstärker 252 übertragen.

Ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis erfordert Belichtungszeiten, die dazu führen, daß einige Photosensoren Ladungspegel erreichen, die an Sättigungsgrenzen heranreichen. Jedoch erfordern nicht alle Scananwendungen ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis. Zum Beispiel kann das akzeptable Signal/Rausch-Verhältnis für ein Scannen für Schwarzweiß-Kopieren, ein Scannen für optische Zeichenerkennung und ein Scannen für Faxzwecke in Vergleich zu dem Signal/Rausch-Verhältnis, das für ein Scannen von Farbphotographien erforderlich ist, relativ niedrig sein. Falls ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis nicht benötigt wird, können die Belichtungszeiten reduziert werden, und die Scangeschwindigkeit kann erhöht werden. Verringerte Belichtungszeiten führen zu kleineren Spannungen an den bzw. dem Analog-Digital-Wandler(n). Es ist bekannt, einen externen Verstärker mit variabler Verstärkung zu verwenden, um an dem bzw. den Analog-Digital-Wandler(n) Vollbereichs-Eingangssignal-Spannungspegel aufrechtzuerhalten. 2B veranschaulicht ein alternatives Beispiel mit integrierten Verstärkern, die unterschiedliche Verstärkungen aufweisen, was einen alternativen Hochgeschwindigkeits-Scanmodus für die Konfiguration gemeinsam benutzter Register der 2A ermöglicht.

In 2A ist zu beachten, daß vier Ladungsschieberegisterstufen verwendet werden, um eine Ladung von einer Großphotosensorfläche zu speichern, und daß eine Ladungsschieberegisterstufe verwendet wird, um eine Ladung von einer Kleinphotosensorfläche zu speichern. Dementsprechend betragen Vollsättigungssignale von den großen Photosensoren zirka viermal die Amplitude von Vollsättigungssignalen von den kleinen Photosensoren. Dementsprechend sollte eine Verstärkung der Signale von den kleinen Photosensoren zirka viermal so hoch sein wie die Verstärkung der Signale von den großen Photosensoren, um dem bzw. den Analog-Digital-Wandler(n) ein Vollbereich-Eingangssignal aufrechtzuerhalten. In 2B verstärken die Verstärker 268, 272 und 276 Signale von den großen Photosensoren und sind als Verstärker bezeichnet, die eine relativ geringe Verstärkung aufweisen. Die Verstärker 270 , 274 und 278 verstärken Signale von den kleinen Photosensoren und sind als Verstärker bezeichnet, die eine relativ hohe Verstärkung aufweisen.

Bei unterschiedlichen Verstärkerverstärkungen, wie in 2B veranschaulicht, kann die Konfiguration der 2B für ein Hochgeschwindigkeits-Niedrigauflösungs-Scannen (mit einem niedrigeren Signal/Rausch-Verhältnis) verwendet werden, während ein Vollbereichssignal, das in den bzw. in die Analog-Digital-Wandler eingegeben wird, aufrechterhalten wird. Für hohe Geschwindigkeiten kann die Belichtungszeit für die großen Photosensoren um ein Viertel verringert werden, und die großen Photosensoren können daraufhin eine Ladung zu einer (oder zwei) Ladungsschieberegisterstufe(n) übertragen. Beispielsweise kann die Belichtungszeit für Photosensoren 204 verringert werden, und die Ladungen können zu dem Ladungsschieberegister 208 übertragen werden, ohne das Ladungsschieberegister 200 zu verwenden. Jeder große Photosensor 208 kann seine Ladung zu einer Stufe in dem Ladungsschieberegister 208 oder zu zwei Stufen übertragen. Falls eine Stufe verwendet wird (angenommen, daß Ladungsübertragungstore eine aufgeteilte Steuerung übernehmen), sendet das Ladungsübertragungsregister 254 eine Ladung von jeder anderen Ladungsschieberegisterstufe zum Verstärker 270. Wenn zwei Stufen verwendet werden, fügt das Ladungsübertragungsregister 254 Ladungen von Stufenpaaren hinzu, bevor es Ladungen an den Verstärker 270 überträgt. Der Verstärker 270 stellt daraufhin für die relativ niedrigen Signalpegel eine relativ hohe Verstärkung bereit.

3A und 3B veranschaulichen ein alternatives Beispiel mit versetzten Zeilenarrays und mit einer bezüglich der Beispiele der 2A und 2B vereinfachten Struktur, aber vielleicht mit einem bezüglich der Beispiele der 2A und 2B niedrigeren Signal/Rausch-Verhältnis. Es liegen drei Zeilenarrays aus großen Photosensoren (300, 308 und 316) und drei versetzte Zeilenarrays aus kleinen Photosensoren (304, 312 und 320) vor. In den 3A und 3B sind lediglich sechs Ladungsübertragungsregister (302, 306, 310, 314, 318 und 322) erforderlich, obwohl drei Zeilenarrays aus großen Photosensoren und drei versetzte Zeilenarrays aus kleinen Photosensoren vorliegen. Jedes Zeilenarray aus großen Photosensoren überträgt Ladungen zu einem einzigen Ladungsschieberegister (Zeilenarray 300 zu Register 302, Zeilenarray 308 zu Register 310, und Zeilenarray 316 zu Register 318), das mit einem versetzten Zeilenarray aus Photosensoren gemeinsam benutzt wird. Jedes versetzte Zeilenarray überträgt Ladungen zu zwei Ladungsschieberegistern (versetztes Zeilenarray 304 zu Registern 302 und 306, versetztes Zeilenarray 312 zu Registern 310 und 314, und versetztes Zeilenarray 320 zu Registern 318 und 322), von denen eines mit einem Zeilenarray aus großen Photosensoren gemeinsam benutzt wird. Wenn die großen Photosensoren verwendet werden, übertragen Ladungsübertragungsregister (324, 328 und 332) eine Ladung zu ihren jeweiligen Verstärkern (326, 330, 334). Wenn die kleinen Photosensoren verwendet werden, multiplexieren die Ladungsübertragungsregister Ladungen zu den Verstärkern. 3B veranschaulicht dieselbe Konfiguration wie 3A unter der Hinzufügung von lateralen Überlauf-Abflüssen (334, 336, 338, 340, 342, 344).

Wie in Verbindung mit den 2A und 2B erörtert wurde, werden in 2A vier Ladungsschieberegisterstufen verwendet, um eine Ladung von einer Großphotosensorfläche zu speichern, und eine Ladungsschieberegisterstufe wird verwendet, um eine Ladung von einer Kleinphotosensorfläche zu speichern. Bei den 1, 3A und 3B ist zu beachten, daß zwei Ladungsschieberegisterstufen verwendet werden, um eine Ladung von einer Großphotosensorfläche zu speichern, und daß eine Ladungsschieberegisterstufe verwendet wird, um eine Ladung von einer Kleinphotosensorfläche zu speichern. Dementsprechend kann in den 1, 3A und 3B der Niedrigauflösungs-(Großphotosensor-)Modus zweimal so viel Ladung pro Pixel akkumulieren wie der Hochauflösungsmodus, und in 2A kann der Niedrigauflösungsmodus viermal so viel Ladung pro Pixel ansammeln wie der Hochauflösungsmodus, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis für den Niedrigauflösungsmodus im Vergleich zu dem Hochauflösungsmodus verbessert wird. Alternativ dazu kann die Konfiguration von 2B verwendet werden, um einen Hochgeschwindigkeitsmodus mit einem niedrigeren Signal/Rausch-Verhältnis zu liefern.

Es gibt zwei übliche Lösungsansätze dafür, Reihen von Photosensoren unterschiedliche Lichtwellenlängenbänder bereitzustellen. Bei einem Lösungsansatz wird das Licht durch einen Farbseparator spektral aufgetrennt, und mehreren Reihen von Photosensoren werden gleichzeitig mehrere Wellenlängenbänder präsentiert. Bei einem zweiten Lösungsansatz werden auf jeder Reihe von Photosensoren Farbfilter verwendet. Mit einem Farbseparator bilden alle Photosensorarrays gleichzeitig eine Scanlinie ab. Mit Farbfiltern werden durch jede Reihe von Photosensoren Scanlinien abgebildet. Zum Beispiel bildet in 1 mit Farbfiltern die Rotreihe 102 eine andere Scanlinie auf dem Dokument ab als die Grünreihe 116. Mit Farbfiltern ist für jede Scanlinie ein Pufferspeicher erforderlich, um früher gescannte Daten zu speichern, bis alle Farben gescannt worden sind. Es können gemeinsam benutzte Ladungsschieberegister verwendet werden, um den Abstand zwischen Reihen von Photosensoren zu reduzieren, wodurch die Menge an Pufferspeicher reduziert wird. Dies ist in 4 veranschaulicht.

Bei den in den 1, 2A, 2B, 3A und 3B bereitgestellten Beispielen benutzen Photosensoren unterschiedlicher Größe Ladungsschieberegister gemeinsam. Eine gemeinsame Benutzung von Ladungsschieberegistern ist auch für Photosensoren identischer Größe nützlich, um die Chipfläche auf dem Halbleitersubstrat zu verringern und um die Menge an Pufferspeicher zu verringern, die bei der Verwendung von Farbfiltern benötigt wird. In 4 liegen drei Sätze von versetzten Photosensoren identischer Größe (404, 408, 416, 420, 428 und 432) vor. Die Elemente 400, 412, 424 und 436 sind Ladungsschieberegister. Die Elemente 406, 418 und 430 sind Lateral-Überlauf-Abflüsse. Die Elemente 438, 442 und 446 sind Ladungsübertragungsregister. Zwei Ladungsschieberegister (412 und 424) werden durch Reihen von Photosensoren identischer Größe gemeinsam benutzt. Insbesondere wird das Ladungsschieberegister 412 durch die Photosensorreihen 408 und 416 gemeinsam benutzt, und das Ladungsschieberegister 424 wird durch die Photosensorreihen 420 und 428 gemeinsam benutzt. Durch ein gemeinsames Benutzen des Ladungsschieberegisters 412 können die Photosensorreihen 908und 416 physisch näher beieinander plaziert werden, wodurch die Chipgröße verringert und der Pufferspeicher reduziert wird.

Bei der in 4 veranschaulichten Konfiguration können Niedrigauflösungsdaten dadurch erhalten werden, daß lediglich eine Reihe von jedem Paar von Reihen von versetzten Photosensoren verwendet wird. Beispielsweise kann unter Verwendung der Photosensorreihen 404, 416 und 428 ein Niedrigauflösungs-Scanresultat erhalten werden. Im Niedrigauflösungsmodus können nicht benutzte Ladungen zu den Lateral-Überlauf-Abflüssen geleitet werden. Falls eine hohe Auflösung benötigt wird, erfordert die Konfiguration in 4, daß einige Photosensorreihen gemeinsam benutzte Ladungsschieberegister und Verstärker zu getrennten Zeiten verwenden. Beispielsweise können die Grün-Photosensoren 404 zunächst das Ladungsschieberegister 400, das Übertragungstor 438 und den Verstärker 440 verwenden. Gleichzeitig können die Rot-Photosensoren 416 das Ladungsschieberegister 412, das Übertragungstor 442 und den Verstärker 444 verwenden. Nachdem diese Daten gelesen wurden, können Grün-Photosensoren 408 das Ladungsschieberegister 412, das Übertragungstor 438 und den Verstärker 440 verwenden. Zwei identisch gefärbte Reihen von Photosensoren, z. B. Reihen 404 und 408, können um eine zusätzliche halbe Zeile vertikal voneinander beabstandet positioniert sein, um die Zeitverschiebung, die mit der Sammlung und der Ablesung von Ladung zusammenhängt, zu kompensieren.


Anspruch[de]
Photosensoranordnung mit folgenden Merkmalen:

einem ersten versetzten Zeilenarray aus Photosensoren, die auf jeder Seite einer Mittellinie in einem versetzten Muster als erste Reihe und als zweite Reihe (404, 408) angeordnet sind, so daß ein erster Photosensor in der ersten Reihe entlang der Mittellinie bezüglich eines ersten Photosensors in der zweiten Reihe versetzt ist;

einem zweiten versetzten Zeilenarray aus Photosensoren, die auf jeder Seite einer zweiten Mittellinie in einem versetzten Muster als dritte Reihe und als vierte Reihe (416, 420) angeordnet sind, so daß ein erster Photosensor in der dritten Reihe entlang der zweiten Mittellinie bezüglich eines ersten Photosensors in der vierten Reihe versetzt ist; und

einem Ladungsschieberegister (412), das angeordnet ist, um Ladungen von der zweiten Reihe und von der dritten Reihe zu empfangen.






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