DE69514874T2

DE69514874T2 - Sensoranordnung für einen optischen Bildabtaster die Grauwert- und Farbsignale liefert

Info

Publication number: DE69514874T2
Application number: DE69514874T
Authority: DE
Inventors: Kenneth D. Gennetten; Paul M. Hubel; Wayne G. Phillips
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: EP0698994B1; DE69514874D1; EP0698994A1; JPH0879443A; US5773814A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Bildscanner (Bildabtastvorrichtungen) und Lichtsensoranordnungen für optische Bildscanner und insbesondere auf das Abtasten von sowohl Graustufen- als auch Farbbildern mit einem Farbscanner.
Optische Bildscanner wandeln gedruckte Seiten, Photographien, transparente Bilder und andere Bilder von einem Papier oder einem Film in eine digitale Form um, die für eine Analyse und eine Verarbeitung durch einen Computer geeignet ist. Sowohl optische Farb- als auch Graustufen- Bildscanner sind verfügbar. Es besteht eine Notwendigkeit für eine Verbesserung beim Abtasten von Graustufenbildern mit einem Farbscanner, wie es im folgenden beschrieben wird.
Bei einem optischen Farbscanner wird eine Lichtquelle von einem Dokument reflektiert oder wird durch ein transparentes Bild auf ein Array von optischen Sensoren durchgelassen, wobei jeder Sensor die Intensität des Lichts mißt, das durch diesen Sensor empfangen wird. Die Graustufenscanner messen die reflektierte oder durchgelassene Lichtintensität, unterscheiden aber nicht zwischem Farben. Bei eigens vorgesehenen Graustufenscannern kann es sein, daß lediglich eine einzige Breitspektrumlichtquelle auf die Sensoren projiziert wird, aber typischerweise verwenden Graustufenscanner eine Lichtquelle mit einem relativ schmalen Spektrum, die ein Gelb- Grün-Spektrum aufweist. Bei Farbscannern wird das Licht typischerweise in zumindest drei spektrale Bänder aufgeteilt, beispielsweise in ein rotes, grünes und blaues Band. Bei einigen Farbscannern wird die Farbeinteilung durch die Verwendung von mehreren Lichtquellen durchgeführt, wobei jede ein unterschiedliches schmales Farbspektrum aufweist. Bei einigen Farbscannern wird eine einzige Weißlichtquelle verwendet, wobei die Lichtaufteilung durch die Verwendung von mehreren Farbfiltern durchgeführt wird, wobei jedes das Spek trum, das durch die optischen Sensoren empfangen wird, begrenzt. Bei dieser Anwendung wird eine Kombination von Vorrichtungen, um einen schmalen Abschnitt des sichtbaren spektralen Bereichs zu erfassen, als ein Kanal bezeichnet. Die meisten Farbscanner weisen beispielsweise einen roten Kanal, einen blauen Kanal und einen grünen Kanal auf, wobei ein Kanal als eine Schmalspektrumlichtquelle und ein Sensor oder als ein Filter und ein Sensor implementiert sein kann.
Bei einigen Farbscannern wird ein einziges Sensorarray verwendet, wobei die Erfassung der verschiedenen Farbbänder sequentiell ist. Bei sequentiell arbeitenden Scannern mit mehreren Schmalspektrumlichtquellen werden die Lichtquellen sequentiell an- und daraufhin ausgeschaltet. Bei sequentiell arbeitenden Scannern mit mehreren Farbfiltern werden die Filter sequentiell zwischen die Lichtquelle und die Sensoren plaziert. Bei anderen Farbscannern geschieht die Erfassung der verschiedenen Farbbänder parallel, indem typischerweise mehrere Sensorarrays verwendet werden, um die verschiedenen Farbbänder gleichzeitig zu empfangen. Strahlteilerfilter können beispielsweise verwendet werden, um eine Farbkomponente zu einem Sensorarray zu richten, während die anderen Farbkomponenten zu anderen Sensorarrays gerichtet werden. Alternativ kann jedes Sensorarray ein einzelnes Filter aufweisen, so daß unterschiedliche Farbkomponenten gleichzeitig, aber typischerweise von unterschiedlichen Teilen des abgetasteten Bildes, erhalten werden können. Für einen allgemeinen Hintergrund und ein Beispiel eines Farbbildscanners mit einer parallelen Erfassung der verschiedenen Farbbänder siehe "Designing a Scanner with Color Vision" von K. Douglas Gennetten und Michael J. Steinle, Hewlett-Packard Journal, 44, Nr. 4 (August 1993), S. 52-58.
Es gibt mehrere Gründe zum. Erzeugen von digitalisierten Graustufenbildern unter Verwendung eines Farbscanners. Eine Hauptverwendung der Graustufenbilder besteht darin, Seiten eines Schwarz-und-Weiß-Textes für eine optische Zeichenerkennung abzutasten. Selbst für Bilder kann es sein, daß das ursprüngliche Bild lediglich ein Graustufenbild ist, so daß ein zusätzlicher Speicher für Farbe nicht notwendig ist. Selbst falls ein ursprüngliches Bild in Farbe vorliegt, kann es wünschenswert sein, das Bild als ein Graustufenbild zu digitalisieren, beispielsweise um den Speicher zu reduzieren, der erforderlich ist, um das Bild zu speichern, um das Bild unter Verwendung eines Druckers zu drucken, der lediglich Schwarz/Weiß-Drucken aufweist, oder um eine Bildanalyse durchzuführen, die vielleicht keine Farbinformationen verwendet. Typischerweise beträgt die Datenmenge, die für ein digitalisiertes Farbbild gespeichert wird, das Dreifache der Daten, die für ein digitalisiertes Graustufenbild erforderlich sind (wobei angenommen wird, daß das Licht in drei Bänder aufgeteilt wird).
Zusätzlich zu den Speicherbetrachtungen erfordert das Abtasten eines Graustufenbildes als ein Farbbild bei einem Farbscanner im allgemeinen mehr Zeit als das Abtasten des Graustufenbildes unter Verwendung eines eigens vorgesehenen Graustufenscanners. Folglich ist es ferner wünschenswert, direkt mit einem Farbscanner in Graustufen abzutasten, um die Abtastgeschwindigkeit zu verbessern. Bei einigen Farbscannerentwürfen ist jedoch das Graustufenabtasten bei einem Farbscanner inhärenterweise langsamer als die Graustufenabtastung unter Verwendung eines eigens vorgesehenen Graustufenscanners. Es gibt mehrere Lösungsansätze, um ein digitalisiertes Graustufenbild unter Verwendung eines Farbscanners zu erzeugen. Für Scanner beispielsweise, die mehrere Schmalspektrumlichtquellen verwenden, können alle Lichtquellen gleichzeitig angeschaltet sein. Für Scanner, die Filter verwenden, kann es sein, daß der Scanner lediglich ein Farbfilter verwendet (beispielsweise das grüne). Alternativ können für Scanner, die Filter und mehrere Sensoren verwenden, die Signale von allen Sensoren elektronisch (oder arithmetisch) kombiniert werden, um eine Darstellung des gesamten sichtbaren Lichts zu erhalten, das auf die Sensoren fällt. Filter reduzieren jedoch notwendigerweise die Intensität des Lichts, das auf die optischen Sensoren fällt. Bei gefiltertem Licht sind längere Belichtungszeiten erforderlich, um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten, das gleich zu demjenigen ist, das unter Verwendung eines ungefilterten Lichts erhalten wird.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 20, Nr. 1, Juni 1977, S. 436 bis 437, bezieht sich auf einen Festkörper-Silizium- FET-Farbscanner. Dieser Farbscanner wird auf einem einzigen Siliziumchip mit getrennten Blau-, Grün- und Rotvideoausgängen hergestellt. Die einzelne Photozelleneinheit der Vorrichtung besteht aus drei ununterbrochenen Photodetektoren, wobei jeder seine entsprechende spektrale Antwort aufweist, wie z. B. Blau, Rot und Leuchtdichte oder Weiß. Diese Photozelleneinheiten sind in einer Linie angeordnet.
Die JP-A-4 053 344 betrifft eine Bildleseeinrichtung, die zwei Frequenztaktsignale, einen schnellen Takt und einen langsamen Takt verwendet, um die Signale von dem CCD auszulesen.
Die US-A-5,105,264 betrifft einen Farbbildsensor mit einer optimalen Belichtungszeit für jede Farbe, wobei die Belichtung für die jeweiligen Farbsensoren zu unterschiedlichen Zeitpunkten beginnt.
Beginnend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Farbbildscanner und ein Verfahren zu schaffen, der bzw. das die Fähigkeit besitzt, Graustufenbildsignale mit der Geschwindigkeit eines eigens vorgesehenen Graustufenscanners zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch einen optischen Bildscanner gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.
Es wird eine Sensoranordnung mit drei Kanälen geschaffen. Zwei der Kanäle weisen Farbfilter auf. Der dritte Kanal ist auf den gesamten sichtbaren Farbbereich (weißes Licht) empfindlich. Für das Graustufenabtasten wird lediglich der weiße Kanal verwendet. Das Verwenden eines weißen Kanals zum graustufenmäßigen Abtasten maximiert die Intensität des Lichts, das auf die optischen Sensoren fällt, wodurch die Abtastgeschwindigkeit bei einem beliebigen speziellen Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximiert wird. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist jedes Farbfilter ein Bandpaßfilter, das eines von zwei schmalen Farbbändern durchläßt. Für das farbmäßige Abtasten werden drei Zahlen, die die digitalisierten Intensitäten von jedem der drei Kanäle darstellen, linear in drei interessierende Farben transformiert. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Puffern für das farbmäßige Abtasten erforderlich. Für das farbmäßige Abtasten wird die Ladezeit pro Abtastlinie für den weißen Kanal relativ zu der Ladezeit für die Farbkanäle reduziert, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ohne eine Sättigung der Sensoren des weißen Kanals zu maximieren. Ein optisches Bandpaßfilter, das den sichtbaren Bereich der Wellenlängen zu dem weißen Kanal durchläßt, liefert eine bessere Genauigkeit, wenn eine Lichtquelle verwendet wird, die eine erhebliche Intensität außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs aufweist.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes Mechanikblockdiagramm, das drei Linien eines Bildes darstellt, die auf drei Zeilen einer Sensoranordnung fokussiert werden.
Fig. 2A ist eine vereinfachte Vorderseitenansicht einer Sensoranordnung.
Fig. 2B ist eine vereinfachte Seitenansicht der Sensoranordnung von Fig. 2A.
Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm der Sensoranordnung in Verbindung mit einem Speicher und arithmetischen Einheiten.
Fig. 4 ist ein Zeiteinteilungsdiagramm, das die veränderbaren Ladezeiten für die unterschiedlichen Sensor zeilen darstellt, wenn Farbbilder abgetastet werden.
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das das Verfahren der Erfindung darstellt.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes Mechanikblockdiagramm, das eine grundlegende Scannerkonfiguration darstellt. In Fig. 1 wird ein Bild 100 durch ein Linsensystem 102 auf eine Sensoranordnung 104 fokussiert. Insbesondere werden drei getrennte Bildabtastlinien (106, 108 und 110) auf drei Sensorarrayzeilen (112, 114 bzw. 116) fokussiert. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist die Sensoranordnung drei Zeilen von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD; CCD = charge coupled device) als die Lichterfassungsvorrichtungen auf. Als ein Größenordnungsbeispiel liegt die Breite der Sensorarrayzeilen 112, 114 und 116 für typische kommerziell verfügbare Sensorarrays bei etwa 10 um bei einer Beabstandung zwischen den Zeilen von 100 um, wobei die Breite der Bildabtastlinien 106, 108 und 110 etwa 40 um bei einer Beabstandung zwischen den Linien von 400 um beträgt. Bei typischen Scannern ist die Länge des optischen Wegs von dem Bild 100 zu der Sensoranordnung 104 länger als die Länge des Scanners, sodaß der optische Weg über mehrere Spiegel umgelenkt wird. Die Linsenanordnung 102 ist typischerweise eine komplexe Anordnung von mehreren Linsen.
Fig. 2A ist eine vereinfachte Vorderansicht der Sensoranordnung 104, die in Fig. 1 dargestellt ist. Wie es in Fig. 2A dargestellt ist, weist die Sensoranordnung drei Zeilen von einzelnen Sensorelementen auf. Die Zeile 112 besteht aus einzelnen Sensorelementen 200, die Zeile 114 besteht aus einzelnen Sensorelementen 202 und die Zeile 116 besteht aus einzelnen Sensorelementen 204. Zur Einfachheit der Darstellung sind lediglich 16 Sensorelemente pro Zeile dargestellt. Bei kommerziell verfügbaren CCD-Sensoranordnungen liegt die Anzahl der Sensorelemente pro Zeile typischerweise in dem Bereich von 2.000 bis 7.000. Fig. 2A stellt ferner drei Paare von Signalanschlußleitungen 210, 212 und 214 dar. Bei der CCD-Anordnung, die in Fig. 2A dargestellt ist, wird eine aufgeladene Ladung von jedem einzelnen photoempfindlichen Element für eine serielle Ausgabe zu einem entsprechenden Kondensator übertragen. Die Kondensatorspannungen werden aus den Signalanschlußleitungen seriell herausgeschoben, so daß für jeden Verschiebezyklus eine Spannung an der Signalanschlußleitung einer Messung der Lichtintensität entspricht, die zuvor durch ein photoempfindliches Element empfangen wurde.
Bei einem typischen Scanner, der drei Sensorzeilen verwendet, wie es in Fig. 2A dargestellt ist, weisen alle drei Sensorzeilen einen Filter auf, und zwar entweder auf der Oberfläche der Sensoren oder über eine externe Strahlteilung. Typischerweise wird eine Zeile gefiltert, um Licht in einem roten Wellenlängenband zu erfassen, eine zweite Zeile gefiltert, um Licht in einem grünen Wellenlängenband zu erfassen, und die dritte Zeile gefiltert, um Licht in einem blauen Wellenlängenband zu erfassen.
Bei der Erfindung werden zwei Sensorzeilen gefiltert, wobei die dritte Sensorzeile ungefiltertes (weißes) Licht empfängt (oder vielleicht gefiltertes, um Licht außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs auszuschließen, wie es weiter im folgenden erörtert werden wird). Bei der Erfindung wird für ein graustufenmäßiges Abtasten lediglich das Signal des ungefilterten (weißen) Lichts verwendet. Wie es im folgenden erörtert werden wird, ermöglicht es das Verwenden des Signals des ungefilterten Lichts, daß das graustufenmäßige Abtasten schneller als das farbmäßige Abtasten ist. Für die farbmäßige Abtastung bei der Erfindung werden drei Zahlen, die das weiße und die zwei Farbbänder darstellen, linear in drei Farbintensitäten transformiert.
Fig. 2B ist eine vereinfachte Seitenansicht der Sensoranordnung 104, wie sie bei der Erfindung konfiguriert ist. In Fig. 2B sind zwei Sensorzeilen (112 und 116) durch Farblichtfilter (206 bzw. 208) bedeckt. Eine Zeile (114) verbleibt unbedeckt. Die Wahl, welche der drei Farbbänder für die Sensorzeile 114 entfernt wird, ist willkürlich. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die Wahl, welche Sensorzeile (112, 114, 116) die ungefilterte Sensorzeile ist, willkürlich ist. Fig. 2B stellt die mittlere Sensorzeile 114 als die ungefilterte Zeile dar, wobei aber jede beliebige der drei Sensorzeilen (112, 114 und 116) die ungefilterte Zeile sein kann.
Die Rot-, Grün- und Blaufarbbandpaßfilter sind die allgemein üblichsten Filter, die bei optischen Farbbildscannern verwendet werden. Gelb-, Magenta- und Cyan-Bandsperrfilter können ebenfalls verwendet werden. Lediglich für exemplarische Zwecke sei erwähnt, daß die Sensoranordnung 104 annähernde Rot-, Weiß- und Blau-Intensitätsmessungen liefern könnte. Mit idealen Filtern ist Grün gleich Weiß minus der Summe aus Rot und Blau. Im allgemeinen jedoch sind die Filter nicht ideal, wobei eine allgemeine lineare Transformation erforderlich ist. Im allgemeinen können beinahe beliebige drei Filter verwendet werden, solange dieselben drei nicht-identische Bänder von sichtbaren Wellenlängen durchlassen oder sperren, vorausgesetzt, daß diese Bänder eine akzeptable Farbwiedergabe unter Verwendung bekannter Grundsätze der Farbwissenschaft gestatten. Wenn drei Zahlen, die die Intensitäten der drei Bänder darstellen, gegeben sind, können andere Farben durch Multiplizieren der drei gemessenen Werte durch eine 3 · 3-Transformationsmatrix erhalten werden. Wiederum die Beispielfarben verwendend kann Rot, Weiß und Blau, für Anzeigezwecke in Rot, Grün und Blau transformiert werden. Für Druckzwecke können Rot, Weiß und Blau, in Gelb, Magenta und Cyan transformiert werden.
Ein zusätzliches mögliches Problem kann eine zusätzliche Einschränkung der Farbfilter erforderlich machen, die in Fig. 2B dargestellt sind. Bei der typischen Anordnung, bei der alle drei Sensorzeilen Filter aufweisen und bei der die Filter Bandpaßfilter sind, werden Lichtwellenlängen außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs (Wellenlängen in dem Bereich von 400 bis 700 Nanometer) durch die Bandpaßfilter inhärent ausgeschlossen. Falls die Sensorzeile 114 kein Filter aufweist, kann Licht außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs, das sich aber innerhalb des Bereichs der Photoempfindlichkeit der Sensoren befindet, die Intensität, die durch die Sensoren gemessen wird, verfälschen. Falls die Lichtquelle, die durch den Scanner verwendet wird, eine erhebliche Intensität außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs aufweist, kann für die Sensorzeile 114 ein Weißbandpaßfilter erforderlich sein, der den Bereich von 400 bis 700 Nanometer durchläßt. Schließlich kann es ebenfalls wünschenswert sein, daß dieses Weißfilter ebenfalls einige sichtbare Wellenlängen unterdrückt, um die Farbwiedergabe durch bekannte Grundsätze der Farbwissenschaft zu verbessern. Beispielsweise könnte anstatt eines Filters für striktes Weiß ein Breitbandfilter für ein dominantes Grün verwendet werden, das ebenfalls wesentliche Beträge von rotem und blauem Licht durchläßt. Im allgemeinen muß das Weißfilter bezüglich der Bandbreite wesentlich breiter als ein typisches Farbfilter sein, um schnellere Graustufenabtastungen zu erzielen.
Bezugnehmend auf Fig. 1 muß sich das Bild 100 relativ zu der Sensoranordnung 104 bewegen, um das gesamte Bild 100 abzutasten. Es kommt nicht darauf an, ob sich das Bild 100 an einer stationären Sensoranordnung 104 vorbei bewegt, oder ob sich die Sensoranordnung 104 an einem stationären Bild 100 vorbei bewegt. Es wird darauf hingewiesen, daß für eine optische Anordnung, wie sie dargestellt ist, drei unterschiedliche Abtastlinien (106, 108 und 110) auf dem Bild 100 auf die Sensoranordnung 104 fokussiert werden. Für die Erörterung wird angenommen, daß die Richtung der Relativbewegung so ist, wie sie durch einen Pfeil 118 in Fig. 1 dargestellt ist. Bei der Relativbewegung, wie sie durch den Pfeil 118 angezeigt ist, wurde die Bildabtastlinie 106, die als augenblicklich auf die Sensorzeile 112 fokussiert dargestellt ist, vorher auf die Sensorzeile 114 fokussiert, und noch weiter vorher auf die Sensorzeile 116 fokussiert. Die Farbe eines speziellen Bildelements von der Bildabtastlinie 106 wird durch lineares Transformieren der Farbmessung an der Sensorzeile 112 zusammen mit Farbmessungen, die von den Sensorzeilen 116 und 114 vorher erhalten wurden, erhalten. Unter der Annahme, daß die Spannungsmessungen von den CCD-Elementen in computerlesbare Zahlen umgewandelt werden, sind numerische Speicherpuffer für Meßzahlen von den Sensorzeilen 114 und 116 notwendig.
Fig. 3 stellt die Speicherpuffer und die arithmetischen Elemente dar, die für das farbmäßige Abtasten erforderlich sind. In Fig. 3 werden analoge Spannungen von den CCD-Zeilen durch Analog-zu-Digital- (A/D-) Wandler 300 in numerische Werte umgewandelt. Die numerischen Werte von allen CCD-Elementen in der Sensorzeile 116 werden sequentiell in den Speicherpuffer 306 gespeichert. Um die Erörterung zu erleichtern, ist der Speicherpuffer 306 so dargestellt, als ob derselbe in einem Array von Zeilen und Spalten konfiguriert ist, aber derselbe kann alternativ auf eine Serpentinenzeilenweise als ein FIFO-Stapelpuffer (FIFO = first-in-first- out = zuerst-hinein-zuerst-hinaus), konfiguriert sein oder wirksam in Zeilen und Spalten unter Verwendung eines Direktzugriffspeichers konfiguriert sein. Wenn sich das Bild 100 (Fig. 1) relativ zu der Sensoranordnung 104 bewegt, so daß die Sensorzeile 116 auf eine neue Abtastlinie fokussiert wird, wird die gespeicherte Zeile von Zahlen in dem Speicherpuffer 306 effektiv von Zeile i (320) zu Zeile i + 1 (322) verschoben (in Fig. 3 nach oben). Wenn das Bild 100 (Fig. 1) um einen Abstand relativ zu der Sensoranordnung 104 bewegt worden ist, der dem Abstand zwischen den Bildabtastlinien 106 und 110 (Fig. 1) entspricht, dann enthält die obere Zeile i + 8 (324) des Speicherpuffers 306 zu demselben Zeitpunkt, bei dem die Sensorzeile 112 Licht von der Abtastlinie 106 empfängt, die numerischen Werte von einer vorhergehenden Abtastung der Abtastlinie 106.
In Fig. 3 ist der Speicherpuffer 306 so dargestellt, als ob derselbe einer Beabstandung von acht Bildabtastlinien zwischen den Bildabtastlinien 106 und 110 entspricht. Die Anzahl von Pufferlinien, die erforderlich sind, hängt von den Optiken und der Beabstandung der Sensorzeilen ab. Für die Abmessungen, die bei dem ersten Paragraph der Beschreibung gegeben wurden, befinden sich 20 Bildabtastlinien zwischen den Bildabtastlinien 106 und 116, wodurch entsprechende 20 Zeilen eines Pufferspeichers in dem Speicherpuffer 306 erforderlich sind. Entsprechend müssen numerische Informationen von der Sensorzeile 114 in einem Speicherpuffer 304 gepuffert werden. Schließlich erfordern in Fig. 3 die numerischen Informationen von der Sensorzeile 112 lediglich eine einzige Zeile eines Speichers 302, falls überhaupt irgendeine.
Wie es ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist, sind die arithmetischen Elemente erforderlich, um drei Farben in einer Farbabtastung zu erhalten. Für ein Bildelement zu einem Zeitpunkt bilden eine gepufferte Zahl 312 von der Sensorzeile 116, eine entsprechende Zahl 310 von der Sensorzeile 114 und eine entsprechende Zahl 308 von der Sensorzeile 112 eine 3 · 1-Matrix 314. Die Matrix 314 wird mit einer vorbestimmten 3 · 3-Matrix 316 multipliziert, um ein Tripel von numerischen Werten 318 zu erzeugen. Die numerischen Werte 318 können je nach Eignung direkt für eine Anzeige oder das Drucken, wie es notwendig ist, verwendet werden.
Der Lichteinfall auf den photoempfindlichen Abschnitt eines CCD-Elements ergibt eine Ladung, die sich auf einem Kondensator auflädt, wodurch sich eine Spannung an dem Kondensator ergibt. Typischerweise wird der Kondensator anfänglich entladen, wobei es daraufhin wird ermöglicht wird, daß sich derselbe auflädt, wenn derselbe dem Licht ausgesetzt wird. Je länger die Belichtung, desto besser ist das Signal-zu- Rausch-Verhältnis. Es gibt jedoch eine endliche Spannungsgrenze (Sättigung).
Bei der Anordnung, die in Fig. 2B dargestellt ist, ist die Intensität des ungefilterten Lichts, die auf die Sensorzeile 114 fällt, im allgemeinen größer als die Intensität des Lichts, die durch die Filter auf den Zeilen 112 und 116 läuft. In dem Fall von weißem Licht und unter der Annahme von idealen Filtern beträgt die Intensität des Lichts, das auf die Sensorzeile 114 fällt, beispielsweise das Dreifache der Intensität des Lichts, das durch die Filter auf den Zeilen 112 und 116 läuft. Wenn eine feste Belichtungszeit gegeben ist, die die gefilterten Zeilen 112 und 116 in die Lage versetzt, maximale Signal-zu-Rausch-Verhältnisse zu erreichen, kann es sein, daß die Sensoren in der ungefilterten Sensorzeile 114 gesättigt werden. Um daher das Signal-zu- Rausch-Verhältnis zu maximieren, ohne die ungefilterten Sensoren zu sättigen, ist es notwendig, die ungefilterte Sensorzeile 114 für eine kürzere Zeitdauer als die zwei gefilterten Sensorzeilen 112 und 116 zu belichten. Falls die Filter 206 und 208 ideal und die Laderate der Sensoren in den Zeilen 112, 114 und 116 linear wären, sollte die Ladezeit der ungefilterten Sensorzeile 114 ein Drittel der Ladezeit der zwei gefilterten Sensorzeilen 112 und 116 betragen. Typische kommerziell verfügbare farbstoffbasierte Filter sind jedoch nicht ideal. Farbstoffbasierte Filter, die blaue Wellenlängen durchlassen, reduzieren beispielsweise typischerweise die Lichtintensität innerhalb des Paßbands mehr als Filter, die rote oder grüne Wellenlängen durchlassen. Um daher das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu maximieren, muß die Ladezeit von zwei der drei Sensorzeilen relativ zu der Ladezeit der Sensorzeile, die die Lichtintensität am meisten einschränkt, reduziert werden. Bei typischen kommerziell verfügbaren CCD-Arrays kann jede Sensorzeile unabhängig entladen werden. Eine unkomplizierte Lösung für die Einstellung der Ladezeiten besteht darin, die Entladezeitpunkte für jede Zeile so einzustellen, daß alle Zeilen an dem Ende der Ladezeit gleichzeitig abgetastet werden (effektives Einstellen des Ladungsstartzeitpunktes jeder Zeile).
Fig. 4 stellt die relative Zeiteinteilung für die Entladung und das Auslesen der drei Sensorzeilen dar, wenn Farbbilder abgetastet werden. Der Signalverlauf 400 stellt die Spannung an einem Sensorelement (Kondensator) einer Zeile dar, die blaues Licht empfängt. Der Signalverlauf 402 stellt die Spannung an einem Sensorelement einer Zeile dar, die rotes Licht empfängt. Der Signalverlauf 404 stellt die Spannung an einem Sensorelement einer Zeile dar, die weißes Licht empfängt. Zu dem Zeitpunkt t&sub1; (406) wird der blaue Sensor entladen. Der blaue Senor empfängt die geringste Lichtintensität und wird folglich als erstes entladen. Zu dem Zeitpunkt t&sub2; (408) wird der rote Sensor entladen. Der weiße Senor wird als letztes zu dem Zeitpunkt t&sub3; (410) entladen. Alle drei Sensorspannungen werden daraufhin gleichzeitig zu dem Zeitpunkt t&sub4; (412) zum Digitalisieren ausgelesen.
Wenn ein Graustufenbild abgetastet wird, ist die vorhergehende Erörterung des Pufferns und der Ladezeiteinstellung zwischen den Sensorzeilen irrelevant. Wenn ein Graustufenbild abgetastet wird, wird lediglich die ungefilterte Sensorzeile 114 verwendet, wobei die Ladezeiten auf das Minimum reduziert werden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die ungefilterte Sensorzeile 114 zu maximieren. In Fig. 4 kann beispielsweise für ein graustufenmäßiges Abtasten die Zeit von t&sub1; (406) bis t&sub3; (410) beseitigt werden. Zusätzlich ist keine Pufferung der numerischen Daten erforderlich. Folglich kann das graustufenmäßige Abtasten im wesentlichen schneller als das farbmäßige Abtasten durchgeführt werden.
Fig. 5 stellt das Verfahren der Erfindung dar. Die Sensoranordnung empfängt Licht von dem Bild (500). Für eine Zeile wird der Schritt des Filterns (502) als ein gestrichelter Kasten dargestellt, um darzustellen, daß vorzugsweise kein Filter erforderlich ist, aber ein Bandpaßfilter für ein sichtbares Spektrum (ein Weißbandpaßfiler) erforderlich sein kann, falls die Lichtquelle erhebliches Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums aufweist. Das Licht für die ungefilterte Zeile wird über eine endliche Zeitdauer gemessen (504) und in einen ersten numerischen Wert digitalisiert (506).
Zum graustufenmäßigen Abtasten ist der erste numerische Wert die Sensorsystemausgabe (510).
Zum farbmäßigen Abtasten läuft das Licht für die zwei farbgefilterten Zeilen durch Farbfilter (512, 514), wird über eine Zeitperiode (516, 518) gemessen und wird in einen zweiten und einen dritten digitalen Wert digitalisiert. Die digitalen Werte von zumindest zwei Zeilen werden gepuffert (524, 526 und 528) (es wird daran erinnert, daß es sein kann, daß ein Puffer nicht notwendig ist, wie es durch den Kasten 528 dargestellt ist). Daraufhin wird eine lineare Transformation berechnet (530) (wie in Fig. 3 bei 314, 316 und 318), wobei drei transformierte Zahlen (532) erzeugt werden. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, sind weniger Schritte für das graustufenmäßige Abtasten notwendig.

Claims

1. Eine optische Bildabtastvorrichtung zum Erzeugen von Graustufen- oder Farbbild-Signalen, mit

einer Sensoranordnung (104) mit

einer Zeile (114) von ersten Sensorelementen (202), wobei jedes erste Sensorelement Licht empfängt, das ungefiltert ist, und ein analoges Ausgangssignal aufweist, das proportional zu dem empfangenen Licht ist, wobei die erste Zeile von ersten Sensorelementen eine erste Ladezeit aufweist; und

einer Mehrzahl von Zeilen (112, 116) von zweiten Sensorelementen (200, 204), wobei jedes zweite Sensorelement Licht empfängt, das gefiltert ist, und ein analoges Ausgangssignal aufweist, das proportional zu dem empfangenen Licht ist, wobei jede Zeile von zweiten Sensorelementen zweite Ladezeiten aufweist;

wobei die Sensoranordnung (104) steuerbar ist, um in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden;

wobei in dem ersten Betriebsmodus die optische Bildabtastvorrichtung die Graustufenbildsignale lediglich aus dem Ausgangssignal der ersten Sensorelemente (202) ableitet, wobei der erste Betriebsmodus eine Ladezeit für die Zeilen der ersten und zweiten Sensorelemente aufweist, die auf die erste Ladezeit reduziert ist; und

wobei in dem zweiten Betriebsmodus die optische Bildabtastvorrichtung die Farbbildsignale aus dem Ausgangssignal von sowohl den ersten als auch den zweiten Sensorelementen (202, 200, 204) ableitet, wobei der zweite Betriebsmodus sowohl die erste Ladezeit als auch die zweiten Ladezeiten aufweist, wobei die erste Ladezeit kürzer als die zweiten Ladezeiten ist.

2. Die optische Bildabtastvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der

die Zeile von ersten Sensorelementen (202) dahingehend modifiziert ist, daß jedes erste Sensorelement Licht empfängt, das durch ein Bandpaßlichtfilter gefiltert ist, das im wesentlichen das gesamte menschlich sichtbare Lichtspektrum durchläßt, wobei das menschlich sichtbare Lichtspektrum von 400 bis 700 Nanometer reicht;

in einer ersten Zeile der Mehrzahl von zweiten Sensorelementen jedes zweite Sensorelement Licht empfängt, das durch ein Blaubandpaßfilter 206 gefiltert ist; und

in einer zweiten Zeile der Mehrzahl von zweiten Sensorelementen jedes zweite Sensorelement Licht empfängt, das durch ein Rotbandpaßfilter 206 gefiltert ist.

3. Die optische Bildabtastvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der

jedes erste Sensorelement ein analoges Ausgangssignal aufweist;

ein erster Analog-zu-Digital-Wandler vorgesehen ist, der eines der analogen Ausgangssignale von den ersten Sensorelementen empfängt und einen ersten numerischen Wert ausgibt, der eine Amplitude des empfangenen ana logen Signals darstellt;

jedes zweite Sensorelement ein analoges Ausgangssignal aufweist;

eine Mehrzahl von zweiten Analog-zu-Digital-Wandlern vorgesehen ist, wobei jeder einer Zeile von der Mehrzahl von Zeilen von zweiten Sensorelementen entspricht, wobei jeder ein analoges Ausgangssignal von der entsprechenden Zeile von zweiten Sensorelementen desselben empfängt und einen zweiten numerischen Wert ausgibt, der eine Amplitude des empfangenen analogen Signals darstellt; und

eine arithmetische Einheit vorgesehen ist, die den ersten numerischen Wert und die zweiten numerischen Werte empfängt und eine lineare Transformation an den empfangenen Werten durchführt.

4. Die optische Bildabtastvorrichtung gemäß Anspruch 3 mit

einem ersten Speicherpuffer (302), der den ersten numerischen Wert empfängt und den empfangenen numerischen Wert auf einer Zuerst-Hinein-Zuerst-Hinaus-Basis an die arithmetische Einheit ausgibt; und

einer Mehrzahl von zweiten Speicherpuffern (304, 306), wobei ein zweiter Speicherpuffer für jede Zeile der Mehrzahl von Zeilen von zweiten Sensorelementen vorhanden ist, wobei jeder zweite Speicherpuffer die zweiten numerischen Werte von der entsprechenden Zeile von zweiten Sensorelementen desselben empfängt und die empfangenen zweiten numerischen Werte auf einer Zuerst-Hinein-Zuerst-Hinaus-Basis an die arithmetische Einheit ausgibt.

5. Ein Verfahren zum Messen einer Lichtintensität inner halb eines speziellen Spektralbandes bei einer optischen Farbbildabtastvorrichtung, das folgende Schritte aufweist:

(a) Belichten eines ersten Sensorelements mit ungefiltertem Licht, wobei das erste Sensorelement eine erste Ladezeit aufweist;

(b) Digitalisieren (506) eines analogen Ausgangssignals von dem ersten Sensorelement in einen ersten numerischen Wert;

(c) Filtern (512) des Lichts durch ein erstes Bandpaßlichtfilter für ein zweites Sensorelement, wobei das zweite Sensorelement eine zweite Ladezeit aufweist, wobei die erste Ladezeit kürzer als die zweite Ladezeit ist;

(d) Filtern (514) des Lichts durch ein zweites Bandpaßlichtfilter für ein drittes Sensorelement, wobei das dritte Sensorelement eine dritte Ladezeit aufweist, wobei die erste und die zweite Ladezeit kürzer als die dritte Ladezeit sind;

(e) Digitalisieren (520, 522) eines analogen Ausgangssignals von dem zweiten und dem dritten Sensorelement in einen zweiten bzw. einen dritten numerischen Wert;

(f) Berechnen (530) der Lichtintensität innerhalb des speziellen Spektralbandes als eine lineare Transformation des ersten, zweiten und dritten numerischen Werts;

(g) Abtasten (510) eines Graustufenbilds durch Reduzieren der zweiten und der dritten Ladezeit auf die erste Ladezeit und durch Wiederholen der Schritte (a) und (b); oder

(h) Abtasten (532) eines Farbbilds durch Wiederholen der Schritte (a) bis (f).

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner folgende Modifikationen aufweist:

Schritt (a), der durch das Filtern (502) des Lichts durch ein Weißlichtfilter modifiziert ist, wobei das Weißlichtfilter im wesentlichen das gesamte menschlich sichtbare Lichtspektrum hindurch läßt, wobei das menschlich sichtbare Lichtspektrum von 400 bis 700 Nanometer reicht;

das erste Bandpaßfilter von Schritt (b) ein Blaubandpaßfilter ist; und

das zweite Bandpaßfilter von Schritt (c) ein Rotbandpaßfilter ist.