(57)【要約】【課題】空間解像度の向上されたイメージャ装置および方法を提供する。【解決手段】イメージャ装置は、画素１１５と、画素１１５の一部分に対する入射光経路に位置し、画素の一部分への入射光の透過および低減を交互に行うように動作可能な第１のフィルタ１００と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの画素と、
前記画素の一部分Ａに対する入射光経路に位置し、前記画素の一部分Ａへの入射光の透過および低減を交互に行うように動作可能な第１のフィルタと、
を備えているイメージャ装置。
【請求項２】
前記フィルタが、前記画素の一部分Ａへのほぼ全ての入射光を遮断するように作動可能である、請求項１に記載のイメージャ装置。
【請求項３】
前記フィルタが、強誘電性液晶フィルタを含む、請求項２に記載のイメージャ装置。
【請求項４】
各画素の一部分Ｂに対する入射光経路に位置し、前記各画素の一部分Ｂへの入射光の透過および低減を交互に行うように動作可能な少なくとも１つの追加のフィルタをさらに備えている、請求項１に記載のイメージャ装置。
【請求項５】
前記追加の各フィルタが、前記各画素の一部分Ｂへのほぼ全ての入射光を遮断するように作動可能である、請求項４に記載のイメージャ装置。
【請求項６】
画素のアレイと、
対象物からの光を前記画素に誘導するように位置する光ディレクタと、
前記画素の各々と関連する複数のフィルタであって、該フィルタの各々は、関連する画素のそれぞれの一部分に対する前記光の透過およびフィルタリングを交互に行うように動作可能であり、前記それぞれの一部分は、同じ画素に関連する他の各フィルタに対する画素の一部分とは異なっている、複数のフィルタと、
前記フィルタを用いないときよりも高い画像空間解像度を与えるように、所定のシーケンスで前記各画素に関連する前記フィルタを動作させるように接続された操作システムと、
を備えているイメージャシステム。
【請求項７】
前記各フィルタが、関連する画素の一部分からのほぼ全ての光を遮断するように動作可能である、請求項６に記載のイメージャシステム。
【請求項８】
前記各フィルタが、関連する画素の一部分からのほぼ全ての光よりも少ない光を遮断するように動作可能である、請求項６に記載のイメージャシステム。
【請求項９】
画像からイメージャ内の画素の第１の部分Ａへの入射光をフィルタリングするステップと、
前記画素から第１の光の示度を読み出すステップと、
前記画像から前記画素の第２の部分Ｂへの入射光をフィルタリングするステップと、
前記画素が前記画像上の２つの空間領域を区別できるようにして、前記画素からの第２の光の示度を読み出すステップと、
を含む、解像度の向上方法。
【請求項１０】
前記フィルタリングするステップが、前記光をほぼ遮断するステップを含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、イメージャに関し、特に、空間解像度が向上されたイメージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な民生用および科学機器は、デジタル撮像および後処理を用いて、静止画および動画を取り込んで記録する。平面スキャナ、コピー機、デジタルカメラ、およびハッブル宇宙望遠鏡はすべて、電磁放射線（ＥＲ）に感度のある画素を有するイメージャを用いて対象物の画像を取り込む。ＣＣＤ（電荷結合素子）およびＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）イメージャはともに、光誘導光学部品と組み合わせた、一次元または二次元アレイに配置された画素を有する。イメージャにおける画素のアレイの空間分解能は、撮像される文書上の寸法を分解するアレイの能力を指す。分解能は、撮像される対象物上で識別できる分解可能な画像単位（ＲＩＵ）の数として定義することができる。イメージャの空間分解能は、ミラーおよびレンズの品質によって制限される場合があるが、図解されたシステムにおける固定された相対位置のために一定である。
【０００３】
空間解像度は、コストおよび光感受性と同様に、イメージャ設計者にとって特に関心事となっており、これらはすべて、画素サイズによって影響される。スキャナなどのイメージャの解像度は、部分的には、画素のサイズによって固定される。画素寸法を半分にしてイメージャにおける画素数を２倍にすると、システムの空間解像度は、それに比例して増加させることができる。半導体処理の進歩により、製造業者は、画素サイズを小さくし、イメージャにおける単位面積当たりにより多くの画素数を得ることが可能になった。残念なことに、画素サイズを減少させることにより空間解像度は向上するが、その向上は、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が下がるという犠牲を払っている。画素サイズの減少はまた、光感受性を減少させ、不適切なシャッター操作によって引き起こされる画素のブルーミングを受け易くしてしまう。
【０００４】
効果的なシャッター操作は、減少した画素サイズによって引き起こされるブルーミングの受け易さを幾分か緩和する。このようなシャッター操作は、（ＣＭＯＳイメージャの場合）画素の読出しおよびリセットの頻度を変更することによって電子的に、またはイメージャに到達する光の量を制御することによって機械的に成し遂げることができる。残念なことに、シャッターを用いることによりブルーミングの問題の解決には役立つが、ＳＮＲの減少など、画素サイズが小さくなることによって生じる他の問題をなくすのに役立たない。
【０００５】
イメージャのＳＮＲを犠牲にせずに、より高い空間解像度を得るための一手法は、画素サイズを増加することである。しかし、この手法はシステムのサイズおよびコストを増加させる。他の手法は、対象物上の複数の点を同じ画素にマッピングし、複数のスキャンを行って、後にプロセッサにより再結合して完全な画像にするための点を取り込むことである。別個のスキャンが実施され、画像は再結合されて、完全な画像が形成される。残念なことに、このような解決法は、製造コストおよびシステムの複雑さを増加させる傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
システムのコスト、画素カウントを増加させずに、または画素サイズを減少させずに、空間解像度を向上させることが依然として求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの実施形態では、イメージャ装置および方法は、１つの画素と、この画素の一部分に対する入射光経路に位置し、この画素の一部分への入射光の透過および低減を交互に行うように動作可能な第１のフィルタと、を有する。
【０００８】
１つの実施形態では、方法は、対象物上の異なる位置からの光を、１つの画素上の異なる部分に導くものとして記載され、この画素上の異なる部分に対して、順次、光の透過と光の少なくとも部分的な遮断とを交互に行い、この画素上の異なる位置への光の透過に対応する異なる時間において、この画素を読み出す。
【０００９】
図面に示される構成要素は、必ずしも一律の縮尺に従っておらず、本発明の原理を示すためにむしろ強調がなされる。さらに、図面では、同様の参照符号は、異なる図全体にわたって対応する部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態によるイメージャは、各画素の部分部分に関連した複数の放射低減機構（「フィルタ」）を有するＥＲ検知画素のアレイを有する。実施形態は、可視スペクトルにおけるＥＲに関して述べられているが、用いられるＥＲの波長は、その波長に対するイメージャの感度および画素上でＥＲを低減させるフィルタの能力によって決まる。したがって、「光」という用語は、画素のアレイがそれに対して感度がある任意のＥＲを意味する。フィルタは、画素と、撮像される対象物との間に配置される。好ましくは、フィルタは、画素にすぐ隣接して、または撮像される対象物にすぐ隣接して配置される。各画素のエリアは、撮像される対象物上の特定のエリアに対応するため、撮像される対象物上の点を区別するプロセッサの能力は、複数のスキャンにおいて各画素上でフィルタを順次作動させることによって増え、複数のスキャンは、単一の画像に組み合わせられる。実際、順次作動および複数のスキャンにより、スキャンごとの、撮像される対象物に対する画素の並行移動なしに、アレイ内の画素数が増加する。本発明の実施形態は、各画素に関連するフィルタの数を増加させることによって、より高い空間解像度へ拡張することができ、だんだん小さくなるフィルタを製造し、各画素上の照明のだんだん小さくなるレベルを区別する能力においてのみ制限される。
【００１１】
図１は、画素アレイ１２０における個々の画素１１５の上方に配置されたフィルタアレイ１１０における第１および第２のフィルタ（１００、１０５）を示す。両アレイ（１１０、１２０）は、プロセッサ１２５と通信する。プロセッサ１２５は、タイミングおよび制御セクション１３０に結合され、タイミングおよび制御セクション１３０は、画素読出し用に画素アレイ１２０に、ならびにフィルタアレイ１１０の作動用に垂直および水平フィルタドライバ（１３５、１４０）の両方に、調整された制御信号を供給する。垂直フィルタドライバは、第１および第２の各フィルタ（１００、１０５）にそれぞれ結合された第１および第２の垂直出力（１３６、１３８）を有する。水平ドライバは、第１から第５の水平出力（１４１、１４２、１４３、１４４、１４５）を有し、それぞれ、別個の第１および第２のフィルタ（１００、１０５）に接続される。特定のフィルタは、２つのドライバ（１３５、１４０）からの正または負の電圧の垂直および水平の作動信号を受け取ると作動する。各画素１１５は、タイミングおよび制御セクション１３０から読出し制御信号を受け取ると、読出しデータを供給する。
【００１２】
読出しデータは、アナログ信号を、メモリ１５０に保存されるデジタルデータに変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１４７に伝達される。メモリ１５０は、好ましくは、フラッシュメモリであるが、読出しデータの一時的なバッファリングまたは永久的な格納を成し遂げるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）またはＲＯＭ（読出し専用メモリ）を含むことができる。メモリ１５０は、画像の処理および／または取り出しのため、プロセッサ１２５と通信する。ユーザインターフェース１５５は、プロセッサ１２５と通信して、ユーザに、「電源投入」および「準備完了」などのステータス情報へのアクセスを提供する。ユーザインターフェース１５５は、可視ディスプレイまたは音声出力を含むことができる。
【００１３】
画素アレイ１２０は、入射光に応答して読出しデータを供給し、たとえば、画素の一次元または二次元アレイを有するＣＣＤイメージャまたはＣＭＯＳイメージャであることができる。プロセッサ１２５は、汎用デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）または特定用途向けプロセッサ（ＡＳＩＣ）であることができる。画素アレイ１２０がＣＭＯＳイメージャである場合、プロセッサ１２５は、必要な画素１１５ならびにタイミングおよび制御要素１３０を有する単一の基板上で画素アレイ１２０と一体化されることができる。図１に示される実施形態では、フィルタアレイ１１０は、画素アレイ１２０の真上に配置され、これら２つのアレイ間に導入される迷光を低減する。Ａ／Ｄ変換器１４７は、画素アレイ１２０のアナログ出力を、メモリ１５０に格納するためのデジタル形式に変換する、シグマ−デルタまたはデュアルスロープ変換器であることができる。画素アレイ１２０がＣＭＯＳイメージャである場合、Ａ／Ｄ変換器１４７は、アレイ１２０およびプロセッサ１２５と共通のチップ上で一体化されることができる。導電経路を間に挟んだ様々な構成要素が示されているが、光バスなどの他の信号搬送機構を用いてもよい。
【００１４】
第１および第２のフィルタ（１００、１０５）は、好ましくは、垂直および水平フィルタドライバ（１３５、１４０）の両方から正の電圧を印加すると光に対して不透明になり、垂直および水平フィルタドライバ（１３５、１４０）のそれぞれによって負の電圧が印加されると半透明になる、ＦＬＣ（強誘電性液晶）ガラスから形成されている。または、フィルタ（１００、１０５）は、反対の極性の電圧が不透明および半透明状態を生じさせるように構築されることができる。いずれにしても、ＦＬＣガラスでは、フィルタは、電圧が除去された後も、不透明または半透明のままであり、反対の極性電圧が印加されるまで変化しない。図１では、タイミングおよび制御セクション１３０は、垂直ドライバ１３５が、正の電圧でその第２の垂直出力１３８を駆動し、水平フィルタドライバ１４０の第１から第５の水平出力部（１４１から１４５）が、同様に正の電圧を駆動してすべての第２のフィルタ１０５をそれぞれの不透明状態にするようにさせる。第１のフィルタ１００が、まだ半透明状態にないとき、水平および垂直フィルタドライバ（１４０、１３５）は、負の電圧で第１のフィルタ１００を駆動するようにさせられる。画素部分Ｂは、大幅に減少した入射光を受け、画素部分Ａは、半透明の第１のフィルタ１００からほぼ全入射光を受ける。タイミングおよび制御セクション１３０は、第２のフィルタ１０５が不透明であり、第１のフィルタ１００が半透明であるとき、第１の画素読出しを引き起こす。第２の画素読出しは、第１および第２のフィルタ（１００、１０５）の状態が反転されたとき引き起こされ、プロセッサ１２５は、２セットのフィルタに対応する対象物の空間座標を区別することができる。事実上、画素数は２倍になり、各フィルタは、別個の画素に対応する。
【００１５】
１つの実施形態では、第１および第２のフィルタ（１００、１０５）は、正の電圧が印加されると不透明にはならず、むしろ半不透明になり、画素１１５の部分ＡおよびＢに入射する光をフィルタリングする。既知の所定のフィルタ不透明度では、不透明フィルタ状態について記載した実施形態よりもより良好な光感受性を維持しつつ、投影された画像の２空間座標に対する輝度値が得られる。また、二次元の態様では、フィルタアレイは、アレイ内の各画素の各部分ＡおよびＢに対するフィルタ適用範囲を提供する。それぞれの個々のフィルタを次々にアドレス指定する、一度にすべてのＡフィルタをアドレス指定し、別のときにＢフィルタのすべてをアドレス指定する、またはフィルタを行、列もしくはアドレス指定のための他の幾何学形状でグループ分けするなどの様々な技法が、フィルタをアドレス指定して制御するために用いられることができる。
【００１６】
ＣＭＯＳイメージャの実施態様では、第１および第２のフィルタ（１００、１０５）は、画素１１５全体の上方、または画素の光電部分の上方に配置されることができる。図２は、ＣＭＯＳにおいて製造される画素（「ＣＭＯＳ画素２１５」）のほぼ光電部分２１０のみにわたって配置された第１および第２のアクティブエリアフィルタ（２００、２０５）を示す。非光電部分２２０は、入射光に著しく応答せず、フィルタリングを必要としない制御回路を含む。たとえば、１４％（光電部分２１０として構成される、画素エリア全体の１４％）のフィルファクタ（fill-factor）を有するＣＭＯＳイメージャでは、第１および第２のアクティブエリアフィルタ（２００、２０５）は、それぞれ、画素エリア全体の少なくとも各７％を覆い、ＣＭＯＳ画素２１５の光電部分２１０の真上に配置される。第１および第２のフィルタ（２００、２０５）はまた、画素部分ＡおよびＢに対して入射光を遮断または透過させるように作動するアレイ微小電子機械要素、フィルタ、またはシャッターとして実施されることができる。
【００１７】
図３Ａから図３Ｄは、それぞれ、各画素１１５の部分Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄにわたって、４つのフィルタ（３０５、３１０、３１５、３２０）を備えるフィルタアレイ３００を有する実施形態を示す。図１に示される２フィルタ実施態様と同様に、４つのフィルタ（３０５、３１０、３１５、３２０）のそれぞれは、画素１１５の各順次読出しに対応して順次作動する。図３Ａは、入射光３０７を各画素１１５の部分Ａに伝達する透明状態にある第１のフィルタ３０５を示す。第２、第３および第４のフィルタは、不透明状態に置かれる。画素１１５は、読み出され、部分Ａに入射した光３０７の量の示度（indication）を供給する。図３Ｂ、図３Ｃ、または図３Ｄは、プロセッサ１２５による４フィルタセットにおける他のフィルタの作動を示し、これは、所望のシーケンスで起こるようにプログラムすることができる。１画素当たり２つのフィルタを有する実施態様では、フィルタは、別個に、または同様の垂直および水平ドライバセットのグループでアドレス指定および作動されることができる。
【００１８】
図４は、各フィルタが、画素のアレイ１２０における２つの隣接した画素に対する入射光経路４０２に配置された、複数画素フィルタ４００のアレイを有する実施形態の斜視図である。図示されるように、「奇数」および「偶数」番目の複数画素フィルタ（４０５、４１０）はそれぞれ、画素１１５の部分ＢおよびＡに対する入射光経路にある。したがって、各フィルタが１つの画素のみに関連する図３Ａから図３Ｄに示されるフィルタとは違って、図４に示される複数画素フィルタアレイ４００は、各フィルタに対して、２つの画素１１５の等しい半分に関連するように構成される。図１に示される２フィルタの実施態様と同様に、例示される奇数および偶数番目の複数画素フィルタ（４０５、４１０）のそれぞれは、各画素読出し中、フィルタリングおよび透明状態に順次置かれ、部分ＡおよびＢに入射する光４０２の量の示度を供給する。本発明の実施形態は、単一のフィルタが複数の画素の一部を覆って、各画素の各部分に対する入射光の量を区別する、二次元アレイに拡張することができる。
【００１９】
図５は、第１のフィルタ１００が不透明状態にあり、第２のフィルタ１０５が透明状態にある、第１および第２のフィルタ（１００、１０５）の実施態様の分解斜視図である。各フィルタ（１００、１０５）は、それぞれの入力偏光子（５０５、５０７）とクロス偏光子（５１０、５１２）との間に配置された、それぞれの薄いＦＬＣ層（５００、５０２）を有する。クロス偏光子（５１０、５１２）のそれぞれは、第１の偏光子（５０５、５０７）から＋９０度だけ光学的に回転している。元の状態では、ＦＬＣ層（５００、５０２）は、それらのそれぞれの第１の偏光子（５０５、５０７）の光軸から＋４５度回転した光軸を有する。
【００２０】
第１のフィルタ１００では、ＦＬＣ層５００の光軸は、正のＤＣ電圧が印加されると−４５度だけ回転し、層５００を第１の偏光子５０５の光軸と位置合わせする。第１の偏光子５０５に導入された偏光されていない光５１５は、垂直に偏光され、ＦＬＣ層５００は、透過光の偏光軸の向きを変えない。その結果、第１のフィルタ１００のクロス偏光子５１０は偏光５２０を遮断し、フィルタは不透明状態にあると考えられる。
【００２１】
第２のフィルタ１０５は、負のＤＣ電圧が印加されるとＦＬＣ層５０２の光軸が元の＋４５度の回転から＋４５度回転され、層５０２が、クロス偏光子５１２の光軸と位置合わせされる様子が示される。第１の偏光子５０７によって偏光された光は、ＦＬＣ層５０２によって＋９０度回転され、光は、第２の偏光子５１０を通過することができる。
【００２２】
図６は、フィルタアレイが、画素アレイ上に直接配置された実施形態を示す。断面は、アレイ（１１０、１２０）を保持し、それらを損傷から保護するための、剛性なプラスチック、金属、または複合成形品で形成されることができる剛性なパッケージ６００に配置されたフィルタおよび画素アレイ（１１０、１２０）を示す。
【００２３】
図７は、文書スキャナにおける本発明の実施形態を示す。対象物７００は、光源７０５で照明され、対象物の画像は、光ディレクタ７２５を有するスキャナキャリッジ７０７に誘導される。光ディレクタ７２５は、１つの実施態様では、フィルタアレイ１１０を通して画素アレイ１２０に画像をフォーカスするためのレンズである。システム構成要素の物理的な構成に応じて、画像を画素アレイに誘導するために、様々な光ディレクタ方式を用いることができる。図７の例示では、３つのミラー７１０、７１５および７２０、ならびにレンズ７２５は、スキャナキャリッジ７０７において用いられる。ＣＭＯＳおよびＣＣＤイメージャでは、光源７０５は、可視スペクトル（３８０ナノメートル乃至７８０ナノメートル）における蛍光または白熱ＥＲを生成することができる。レンズ７２５は、画像をフィルタおよび画素アレイ（１１０、１２０）に縮小するための集束レンズである。レンズ７２５は、画素アレイ１２０への迷光または反射光の透過を低減するためのコーティングを含むことができる。キャリッジ７０７は、複数のスキャン中、対象物７００に対して移動され、画像の後処理において対象物７００全体の画像が取り込まれる。
【００２４】
フィルタアレイをイメージャ上に配置する代わりに、フィルタアレイ７３０を、撮像される対象物７００のすぐ隣に配置してもよい。対象物（スキャナプラテン）にマッピングされる各画素は、フィルタアレイ７３０上の少なくとも２つの隣接したフィルタに関連するであろう。フィルタアレイ７３０外からの、光７０５の反射は、画像の後処理において除去され、対象物７００上のフィルタリングされていないマッピングされた空間から反射される光のみが残る。たとえば、サンプル画像は、その不透明な状態におけるすべてのフィルタからの光の反射を取り込むように取得される（taken）。次に、このサンプル画像は、後処理において対象物画像から取り去られ、撮像された対象物の真の画像が完成する。上記のように、様々なフィルタシーケンス処理を用いることができる。
【００２５】
本発明の様々な実施形態について記載したが、さらに多くの実施形態および実施態様が可能であることは当業者に明白となるであろう。たとえば、対象物を照明する光源を有するものとしてイメージャシステムを記載したが、本発明はまた、赤外線撮像におけるように、それ自体の放射を発する対象物の撮像にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】画素のアレイの真上に配置されたフィルタアレイを有し、両アレイがプロセッサによって制御される実施形態を示すブロック図である。
【図２】第１および第２のフィルタがＣＭＯＳイメージャにおける画素の光感受性部分にわたって配置された実施形態を示すブロック図である。
【図３Ａ】フィルタのフィルタリングおよび透明状態を表す、画素のアレイにおける各画素の上方に配置された第１乃至第４のフィルタを有する実施形態の斜視図である。
【図３Ｂ】フィルタのフィルタリングおよび透明状態を表す、画素のアレイにおける各画素の上方に配置された第１乃至第４のフィルタを有する実施形態の斜視図である。
【図３Ｃ】フィルタのフィルタリングおよび透明状態を表す、画素のアレイにおける各画素の上方に配置された第１乃至第４のフィルタを有する実施形態の斜視図である。
【図３Ｄ】フィルタのフィルタリングおよび透明状態を表す、画素のアレイにおける各画素の上方に配置された第１乃至第４のフィルタを有する実施形態の斜視図である。
【図４】奇数番目および偶数番目の複数画素フィルタを有し、奇数番目のフィルタがフィルタリング状態にあり、偶数番目のフィルタが透明状態にある実施形態の斜視図である。
【図５】図３Ａから図４に示される実施形態において用いられる、強誘電性液晶（ＦＬＣ）セルを用いた、光学シャッターの分解斜視図である。
【図６】フィルタおよび画素アレイがパッケージング構造に配置された実施形態の断面図である。
【図７】空間解像度を向上させるためのイメージャの前に配置されたフィルタアレイを有する文書スキャナのブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００：第１のフィルタ
１０５：第２のフィルタ
１１０：フィルタアレイ
１１５：画素
１２０：画素アレイ
１２５：プロセッサ
１３０：タイミングおよび制御セクション
１３５：垂直フィルタドライバ
１４０：水平フィルタドライバ
１４７：Ａ／Ｄ変換器
１５０：メモリ
１５５：ユーザインターフェース
【図１】
2005100374.tif 000003
【図２】
2005100374.tif 000004
【図３Ａ】
2005100374.tif 000005
【図３Ｂ】
2005100374.tif 000006
【図３Ｃ】
2005100374.tif 000007
【図３Ｄ】
2005100374.tif 000008
【図４】
2005100374.tif 000009
【図５】
2005100374.tif 000010
【図６】
2005100374.tif 000011
【図７】
2005100374.tif 000012