Ccd圖像檢測裝置以及加速檢測圖像的方法

2023-09-18 20:21:30 4

專利名稱：Ccd圖像檢測裝置以及加速檢測圖像的方法
技術領域：
本發明涉及CCD圖像檢測裝置及其加速檢測圖像的方法。
由於使用電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，簡稱為CCD)可以製作得到密度極高的移位寄存器或是順序存儲器，故而CCD被廣泛地應用在圖像處理系統和數位訊號處理系統中。例如，在掃描器、數字相機、傳真機、影印機…等電子裝置中，均必須使用到CCD圖像檢測裝置。
就傳統掃描器、或是使用CIS(Contact Image Sensor)的掃描器而言，其圖像檢測處理部分均可能會使用到CCD圖像檢測裝置。

圖1為概要顯示CCD圖像檢測裝置內部結構的示意圖。一般CCD圖像檢測裝置，至少包括一列(row)圖像感應單元(P1～Pn)，用以檢測圖像並產生對應光線強度大小的電荷包(charge packets)；一CCD模擬移位寄存器10，具有多個暫存單元(SH1～SH2n)，用以並列接收、寄存上述感應電荷包；以及，一輸出放大器(OP)，用以將電荷轉換為對應的電壓電平Vim；其中，上述CCD模擬移位寄存器20由時鐘脈衝信號Φ1、Φ2的控制，而依序將各寄存單元中所存的電荷串列輸出給上述輸出放大器(OP)。
圖2(a)～(f)是顯示圖1所示CCD模擬移位寄存器中，寄存電荷包的移轉情形示意圖，以及時鐘脈衝信號Φ1、Φ2的波形；其中，上述時鐘脈衝信號Φ1、Φ2分別耦接至移位控制電極G2a-1和G2a(1≤a≤n)。
CCD寄存器的結構如圖2(a)所示，在此為圖示簡單起見，僅顯示5個寄存單元(SH1～SH5)、及其對應的5個移位控制電極(G1～G5)。另外，假設閾值電壓(Threshold voltage)為0。
當t=t1時，Φ1=0而Φ2=V，所以電極G1、G3和G5下方沒有產生勢壘(potential barrier)，但在電極G2和G4下方形成階梯形位壘(step barrier)，如圖2(b)所示。假定電極G2和G4下方存了代表邏輯1的電荷(以虛線表示)。
當t=t2時，Φ1=Φ2=V/2，此時每個電極(G1～G5)下方的勢壘分布的輪廓具有相同的形狀，如圖2(c)所示。輪廓圖上的箭頭表示當時間從t1往t2及t3增加時，奇數電極(G1、G3、G5)下方的勢壘升高而偶數電極(G2、G4)下方的勢壘下降。
在t=t3時，出現如圖2(d)所示的電位輪廓。因此，存在G2和G4電極下方的電荷就分別被轉移至G1和G3電極位置的下方。
最後，當t=t4時，Φ1=V而Φ2=0，結果即如圖2(e)所示的電位能分布輪廓。由t1到t4這一期間，電荷向右移動一個電極；同理，t5到t6和當t7到t8的期間，均會有電荷向右移動一個電極的情形產生。
目前掃描器的解析度規格大多為600 dpi(dot/inch)或更高；以600 dpi解析度而言，以掃描A4尺寸的文件(寬21cm，長29.7cm)為例，掃描器所使用的CCD圖像檢測裝置中，至少需要約有7016個(29.7/2.54×600個)圖像感應單元，以及14032(7016×2)個寄存單元用以並列接收、存儲圖像的感應電荷。
就目前廠商所提供的CCD檢測裝置，其每一個標準產品的規格，一般均包括10000個以上的圖像感應單元。以具有12800個圖像感應單元的CCD檢測裝置標準品為例(即具有SH1～SH25600共25600個寄存單元)，將其應用於A4尺寸，解析度600 dpi的掃描器中，則僅有寄存單元SH1～SH14032所接收、存儲的感應電荷包是真正地對應於掃描的圖像，而其他寄存單元SH14033～SH25600將永遠不會對應到任何感應圖像信號，只有些微因漏光或其他因素所產生的殘留電荷包會在每次掃描感應中呈現出來，然而這些殘留電荷並無真正對應的掃描圖像。
依據圖2(a)～(e)所述的傳統方式將寄存單元中的電荷依序予以串列輸出並轉換為對應的電壓；當寄存單元SH1～SH14032的電荷完成輸出後；寄存器單元SH14033～SH25600中的殘留電荷包也分別向輸出端(即輸出放大器OP)位移了14032個寄存單元，而寄存於原先的SH1～SH11568寄存單元的位置上。對於移往寄存單元SH1～SH11568中的殘留電荷，則必須耗費額外時間。先行將11568個殘留電荷包一一予以串列輸出。否則，再掃描下一組圖像時，上述11568個殘留電荷將會分別累加至寄存單元SH1～SH11568新接收的圖像感應電荷上，而造成掃描圖像失真。
每一次圖像掃描後，寄存單元SH14033～SH25600中的殘留電荷包，對於掃描圖像的處理完全無作用，但又為了避免造成掃描圖像失真，又必須使用額外的時間將11568個殘留電荷包予以輸出，如此造成處理時間的浪費，也降低掃描器的處理速度。為了減少處理殘留電荷包的時間。目前所使用的解決方案，是在將11568個殘留電荷包移出CCD模擬移位寄存器時，將信號Φ1和Φ2的頻率提高，以加速將殘留電荷包的移出動作。然而，在移出寄存單元SH1～SH14032的電荷時，信號Φ1和Φ2是以正常頻率運作；在移出殘留電荷包時，又必需將信號Φ1和Φ2切換至高頻率，如此會造成控制上的困難、及增加電路的複雜度，相對成本也增加，而且實際上所能夠減少的處理時間也不是很多。因此，若能夠提出一種方法和機制，使CCD模擬移位寄存器不需將上述殘留電荷包一一移出，而能夠使掃描圖像不會有失真的問題產生，如此不僅可以加速圖像檢測的時間(亦即加速掃描器的處理時間)，同時也可以降低電路的複雜度。
有鑑於此，本發明的一目的為提出一種加速檢測圖像的方法，使CCD圖像檢測裝置無須將殘留的電荷包予以移出，即可以再次檢測圖像進而加速處理速度。
本發明方法適用的CCD圖像檢測裝置包括多個圖像感應單元(P1～Pn)；以及，由多個寄存單元(SH1～SH2n)、和多個移位控制電極(G1～G2n)構成的CCD位移寄存器；所述方法包括如下步驟(a)假設寄存單元SH1～SH2j-2為實際上會對應到掃描圖像的寄存單元，則可將所述多個移位控制電極中的G2j-1、G2j控制電極分別耦接第一電位、及第二電位，使所述多個寄存單元中的SH2j-1、SH2j寄存單元構成阻隔單元；其中j＜n；(b)將所述移位控制電極的奇數電極G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一時鐘脈衝信號；(c)將所述移位控制電極的偶數電極G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二時鐘脈衝信號；(d)令所述多個圖像感應單元(P1～Pn)分別感應圖像並產生對比於光線強度的電荷包；(f)將所述電荷包寄存於所述多個寄存單元(SH1～SH2n)；(g)在所述第一、第二時鐘脈衝信號的控制下，使所述寄存單元SH1～SH2j-2中的所述電荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出；其中，所述寄存單元SH2j+1～SH2n中寄存的殘留電荷包，由於所述阻隔單元的作用而不會移入所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中；(h)再令所述多個圖像感應單元(P1～Pn)分別感應圖像並產生對比於光線強度的電荷包，並重複上述步驟(d)～(g)將電荷包寄存、及移出所述CCD位移寄存器的步驟。
基於所述加速檢測圖像的方法，本發明另一目的為提出一種新穎的CCD圖像檢測裝置，具有優於傳統CCD圖像檢測裝置的處理速度。
本發明的CCD圖像檢測裝置，包括多個圖像感應單元(P1～Pn)，用以分別感應光線並產生對比於光線強度的電荷包；以及，CCD位移寄存器。
上述CCD位移寄存器包括多個寄存單元(SH1～SH2n)，用以寄存所述電荷包；以及，多個移位控制電極(G1～G2n)。所述移位控制電極的G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一時鐘脈衝信號，所述移位控制電極的G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二時鐘脈中信號；由所述第一、第二時鐘脈衝信號的控制，使上述寄存單元(SH1～SH2j-2)中的所述電荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出。
其中，所述多個移位控制電極中的G2j-1、G2j控制電極分別耦接第一電位、及第二電位，使所述多個寄存單元中的SH2j-1、SH2j寄存單元構成阻隔單元，使所述寄存單元SH2j+1～SH2n中寄存的電荷包不會移入所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中；j＜n。
所述第一時鐘脈衝信號和第二時鐘脈衝信號彼此為互補信號。所述第一電位的電壓小於第二電位的電壓。
為使本發明的上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並結合附圖，做詳細說明如下圖1概要顯示CCD圖像檢測裝置內部結構的示意圖；圖2(a)～(e)概要顯示圖1中，本發明CCD模擬移位寄存器的電荷移轉情形的示意圖；圖2(f)是顯示時鐘脈衝信號Φ1、Φ2的波形圖；圖3顯示本發明CCD圖像檢測裝置內部結構的示意圖；圖4(a)～(e)概要顯示本發明CCD模擬移位寄存器的電荷移轉情形的示意圖。
圖3顯示本發明CCD圖像檢測裝置內部結構的示意圖。參照圖3，本發明的CCD圖像檢測裝置，包括多個圖像感應單元(P1～Pn)，用以分別感應光線並產生對比於光線強度的電荷包；CCD位移寄存器30，包括多個寄存單元(SH1～SH2n)，用以寄存所述電荷包；多個移位控制電極(G1～G2n)；以及，輸出放大器(OP)。
所述移位控制電極的奇數電極G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一時鐘脈衝信號Φ1，所述移位控制電極的偶數電極G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二時鐘脈衝信號Φ2；所述移位控制電極G2j+1、G2j+3、…G2n-3、G2n-1也可耦接第一時鐘脈衝信號Φ1，所述移位控制電極的G2j+2、G2j+4、…G2n-2、G2n也可耦接第二時鐘脈衝信號Φ2。所述第一、第二時鐘脈衝信號(Φ1、Φ2)的波形如圖2(f)所示。
所述多個移位控制電極中的G2j-1、G2j控制電極分別耦接第一電位V1、及第二電位V2，使SH2j-1、SH2j寄存單元構成阻隔單元。
由所述第一、第二時鐘脈衝信號(Φ1、Φ2)的控制，使所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中的所述電荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出給所述輸出放大器OP。然而，所述寄存單元SH2j+1～SH2n中寄存的電荷包，由於所述阻隔單元的作用，故不會移入上述寄存單元(SH1～SH2j+2)中。
以解析度600dpi(dot/inch)為例，所使用的CCD圖像檢測裝置中，至少需要約有7016個(j-1個)圖像感應單元，亦即14032個寄存單元。故在製作具有12800個(n個)圖像感應單元的CCD檢測裝置標準品時，即可以選擇將移位控制電極G14033和G14034(G2j-1、G2j)分別耦接第一電位V1(電壓0)和第2電位V2(正電壓V)，以形成阻隔單元。如此，寄存單元SH1～SH14032中的電荷包，可由第一時鐘脈衝信號Φ1和第二時鐘脈衝信號Φ2的控制而移出CCD位移寄存器30，然而SH14035～SH25600中的殘留電荷不會被移入寄存單元SH1～SH14032中。
圖4(a)-(e)概要顯示本發明CCD模擬移位寄存器的電荷移轉情形的示意圖。圖4(a)-(e)僅圖示部分的寄存單元、和移位控制電極。
本發明的加速檢測圖像的方法，可讓CCD圖像檢測裝置無須將殘留的電荷包予以移出，即可以再次檢測圖像進而加速處理速度。參照圖3、4(a)-(e)，所述加速檢測圖像的方法包括以下步驟。
首先，將所述多個移位控制電極中的G14033、G14034(即G2j-1、G2j；j=7017)控制電極分別耦接第一電位V1(電壓0)、及第二電位V2(正電壓V)，使所述多個寄存單元中的SH14033、SH14034(即SH2j-1、SH2j)寄存單元構成阻隔單元。
將所述移位控制電極的G1、G3、G5…G14029、G14031(G2j-5、G2j-3)耦接第一時鐘脈衝信號Φ1；以及，將所述移位控制電極的G2、G4、G6…G140302、G14032(G2j-4、G2j-2)均耦接第二時鐘脈衝信號Φ2；如圖4(a)所示。
本發明的方法主要適用具有圖3所示結構的CCD圖像檢測裝置。在此實施例中，所述移位控制電極G14035、G14037…～G25599也可以選擇耦接第一時鐘脈衝信號Φ1；而所述移位控制電極G14036、G14038…～G25600也可選擇耦接第二時鐘脈衝信號Φ2。
當CCD圖像檢測裝置檢測圖像時，所述多個圖像感應單元(P1～P12800)分別產生對比於光線強度的電荷包(以虛線表示)；並分別寄存於耦數寄存單元中(SH2j；j=1～12800)，如圖4(b)所示。存儲於SH14033之前的電荷包為正確的圖像感應電荷，存儲於SH14033之後的電荷包則為殘留電荷。
在所述第一、第二時鐘脈衝信號Φ1、Φ2的控制下，所述寄存單元SH1～SH14032中的所述電荷包依序地由所述CCD位移寄存器30中移出；詳細過程如下文所述。
當t=t1時，Φ1=0而Φ2=V，所以奇數電極G14029～G14037下方沒有產生勢壘(potential barrier)，但在偶數電極G14028～G14036下方形成階梯形位壘(step barrier)，如圖4(b)所示。假定在偶數電極G14028～G14036下方存了代表邏輯1的電荷(以虛線表示)。
當t=t2時，Φ1=Φ2=V/2，此時除了電極G14033和G14034之外，每個電極(G1～G25600)下方的勢壘分布的輪廓具有相同的形狀，如圖4(c)所示。輪廓圖上的箭頭表示當時間從t1向t2及t3增加時，奇數電極(G14029、G14031…等)下方的勢壘升高而偶數電極(G14030、G14032…等)下方的勢壘下降。
在t=t3時，Φ1=3V/4，Φ2=V/4，出現如圖4(d)所示的電位輪廓。因此，存在G14030和G14032電極下方的電荷就分別被轉移至G14029和G14031電極位置的下方。
最後，當t=t4時，Φ1=V而Φ2=0，結果即如圖4(e)所示的電位能分布輪廓。由t1到t4這一期間，電荷向右移動一個電極；同理，t5到t6和當t7到t8的期間，均會有電荷向右移動一個電極的情形產生。依照此一方式，存儲於SH14033之前的電荷包會一一地被移出CCD位移寄存器30；而存儲於SH14033之後的殘留電荷，由於在電極G14033和G14034下方的勢壘不會隨著第一、第二時鐘脈衝信號Φ1、Φ2變化，故而不會被移入SH14033之前的寄存單元中。
當所有存儲於寄存單元SH14033之前的電荷包完全移出所述CCD位移寄存器30之後，即令上述多個圖像感應單元(P1～Pn)再分別感應圖像並產生對比於光線強度的電荷包，並重複所述步驟將電荷包寄存、及移出所述CCD位移寄存器30的步驟。
由本發明提出的方法可知，當所有存儲於寄存單元SH14033之前的電荷包移出所述CCD位移寄存器30之後，應用上述加速方法之CCD圖像檢測裝置即可以再進行圖像掃描；然而，傳統CCD圖像檢測裝置，仍必須將殘留的電荷包移出CCD位移寄存器，故傳統CCD圖像檢測裝置的處理效率遠低於本發明提出的CCD圖像檢測裝置。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明；例如，本發明調整改變能階位壘的信號波形，並不限定於所述實施例中所提出信號波形。所以，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動和潤飾，因此本發明的保護範圍應以權利要求範圍所界定者為準。
權利要求
1．一種CCD圖像檢測裝置，包括多個圖像感應單元(P1～Pn)，用以分別感應光線並產生對比於光線強度的電荷包；CCD位移寄存器，包括多個寄存單元(SH1～SH2n)，用以寄存所述電荷包，其中的寄存單元(SH1～SH2j-2,j＜n)實際上對應於一待檢測圖像的寄存單元；以及分別對應於所述多個寄存單元(SH1～SH2n)的多個移位控制電極(G1～G2n)；所述移位控制電極的G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一時鐘脈衝信號；所述移位控制電極的G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二時鐘脈衝信號；由所述第一、第二時鐘脈衝信號的控制，使所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中的所述電荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出；其中，所述多個移位控制電極中的G2j-2、G2j控制電極分別耦接第一電位、及第二電位，使所述多個寄存單元中的SH2j-2、SH2j寄存單元構成阻隔單元，使所述寄存單元SH2j+1～SH2n中寄存的電荷包不會移入所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中。
2．如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一時鐘脈衝信號和所述第二時鐘脈衝信號彼此為互補信號。
3．如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一電位的電壓小於所述第二電位的電壓。
4．如權利要求3所述的裝置，其中，所述第一電位的電壓為0，上述第二電位的電壓為正電壓。
5．如權利要求1所述的裝置，其中，所述移位控制電極的G2j+1、G2j+3…G2n-1耦接所述第一時鐘脈衝信號，所述移位控制電極的G2j+2、G2j+4…G2n耦接所述第二時鐘脈衝信號。
6．一種加速檢測圖像的方法，適用於CCD圖像檢測裝置，所述CCD圖像檢測裝置包括多個圖像感應單元(P1～Pn)；以及，由多個寄存單元(SH1～SH2n)，其中的寄存單元(SH1～SH2j-2，j＜n)實際上對應於一待檢測圖像的寄存單元；和分別對應於所述多個寄存單元(SH1～SH2n)的多個移位控制電極(G1-G2n)構成的CCD位移寄存器；所述方法包括將所述多個移位控制電極中的G2j-1、G2j控制電極分別耦接第一電位、及第二電位，使所述多個寄存單元中的SH2j-1、SH2j寄存單元構成阻隔單元；將所述移位控制電極的G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一時鐘脈衝信號；將所述移位控制電極的G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二時鐘脈衝信號；令所述多個圖像感應單元(P1～Pn)分別感應圖像並產生對比於光線強度的電荷包；將所述電荷包寄存於所述多個寄存單元(SH1～SH2n)；在所述第一、第二時鐘脈衝信號的控制下，使所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中的所述電荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出；其中，所述寄存單元SH2j+1～SH2n中寄存的電荷包，由所述阻隔單元的作用而不會移入所述寄存單元(SH1～SH2j-2)中，故無須將所述寄存單元SH2j+1～SH2n中寄存的電荷包予以移出，所述CCD圖像檢測裝置即可以再次檢測圖像；再令所述多個圖像感應單元(P1～Pn)分別感應圖像並產生對比於光線強度的電荷包，並重複所述將電荷包寄存、及移出所述CCD位移寄存器的步驟。
7．如權利要求6所述的方法，其中，所述第一時鐘脈衝信號和所述第二時鐘脈衝信號彼此為互補信號。
8．如權利要求6所述的方法，其中，所述第一電位的電壓小於所述第二電位的電壓。
9．如權利要求8所述的裝置，其中，所述第一電位的電壓為0，所述第二電位的電壓為正電壓。
10．如權利要求6所述的方法，其中，進一步將所述移位控制電極的G2j+1、G2j+3…G2n-1耦接所述第一時鐘脈衝信號，以及將所述移位控制電極的G2j+2、G2j+4…G2n耦接所述第二時鐘脈衝信號。
全文摘要
一種加速檢測圖像的方法，以及應用上述方法的CCD圖像檢測裝置，使CCD圖像檢測裝置無須將殘留的電荷包予以移出，即可以再次檢測圖像進而加速處理速度。
文檔編號G06K9/03GK1317762SQ0010644
公開日2001年10月17日 申請日期2000年4月10日 優先權日2000年4月10日
發明者陳琰成, 吳永川 申請人:虹光精密工業股份有限公司