JP2004126721A - 画像読取装置及びその駆動制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画像読取装置は、フォトセンサアレイ100の背面側に配置されたバックライトBLと、フォトセンサアレイ100による被写体画像の読み取り動作制御や、画像データの照合、加工等の所定の処理を実行する外部機能部200とのデータのやり取り等を行うとともに、フォトセンサアレイ100における受光時間最適化動作、及び、バックライト用電源180を制御してバックライトBLにおける発光輝度調整動作を実行する機能を備えたコントローラ150と、を備えた構成を有している。
【選択図】 図6
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像読取装置及びその駆動制御方法に関し、特に、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色からなる光源を順次発光させて、被写体を各発光色で照射して、R、G、Bの各発光色ごとの画像データとして時系列的に取り込み、該画像データに基づいて、カラー画像からなる被写体画像を読み取る画像読取装置及びその駆動制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、印刷物や写真等の被写体画像を読み取る画像読取装置として、例えば、CCD(Charge Coupled Device)等の光電変換素子(フォトセンサ)をライン状又はマトリクス状に配列して構成されるフォトセンサアレイを備え、該フォトセンサアレイ上の検知面に載置された被写体に対して、照射光を照射し、その反射光を各フォトセンサにより読み取り電気信号に変換することにより、被写体画像を読み取る構造が知られている。
【0003】
ここで、被写体をカラー画像として読み取る(撮像する)技術としては、例えば、被写体画像の明暗成分(明度階調)のみを検出する単一のモノクローム型フォトセンサアレイと、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色の光を発光可能な光源とを備え、光源をR、G、Bの各色で順次切り換えて発光させ、赤色、緑色、青色からなる照射光を被写体に照射して撮像した場合に得られる信号レベルに基づいて、各色ごとの画像データを時系列的に読み取り、該画像データを合成することにより、カラー画像からなる被写体画像を生成する方式が知られている。
【0004】
しかしながら、このような構成を有する画像読取装置においては、フォトセンサアレイを構成するCCD等からなるフォトセンサにおける、R、G、Bの各色に対する受光感度特性は一定ではなく、大きく異なる。図13は、CCDにおける入射光の波長に対する受光感度特性の一例を示す。同図に示すように、R、G、Bの各色を規定するピーク波長は、青色光で概ね400〜450nm程度、緑色光で概ね500〜550nm程度、赤色光で概ね600〜650nm程度であるのに対して、フォトセンサの受光感度は、概ね500nm前後の波長域において最大感度を示し、それよりも波長が短くなるほど、また、波長が長くなるほど、受光感度が低下する傾向を示す。そのため、被写体に照射される照射光の色ごとに上記撮像信号レベルが変化してしまい、カラー画像生成時の色バランスが悪化するという問題を有していた。
【0005】
そこで、従来においては、このような問題を抑制するために、光源におけるR、G、Bの各色ごとの発光時間を調整することにより、R、G、Bの各色に対するフォトセンサの受光感度を揃える(均一化する)方式が適用されている。具体的には、図13に示した受光感度特性に対応するように、例えば、赤色光の発光時間を最も長くし、緑色光の発光時間を最も短くするように制御する駆動制御方法が知られている。(例えば、特許文献1参照)
【0006】
【特許文献1】
特開平10−32681号公報 (第3−4頁、第3図)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の画像読取装置においては、R、G、Bの各発光色ごとの撮像信号レベルが均一になるように、光源の発光時間を細かく調整制御する必要があるうえ、該発光時間に同期してフォトセンサの受光動作のタイミングを切り換え制御しなければならないため、画像読取装置の光源部及び受光部の双方において複雑な駆動制御を行わなければならならず、装置の制御負担が増大するという問題を有していた。
【0008】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、R、G、Bの3原色からなる光源を順次発光させて、R、G、Bの各発光色ごとの画像データを取り込み、カラー画像からなる被写体画像を生成する画像読取装置において、装置の制御負担の軽減を図ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の画像読取装置は、複数のセンサが配列されたセンサアレイと、該センサアレイ上に設けられた検知面に載置された被写体に、互いに異なる波長を有する複数の照射光を時系列的に照射する光源と、を備え、前記異なる波長の照射光ごとに、該照射光が前記被写体に反射し、所定の受光時間において前記複数のセンサの各々に個別に入射する入射光の量に基づく前記複数のセンサからの出力信号を、前記被写体の前記異なる波長の照射光ごとの画像成分として順次読み込む画像読取装置において、前記異なる波長の照射光のうちの、前記被写体に適した照射光に対して、前記複数のセンサにおける最適な受光時間を設定する受光時間最適化手段と、前記光源における前記異なる波長ごとの発光輝度を個別に制御して、前記最適な受光時間において、前記複数のセンサの各々における、前記異なる波長の照射光に対する受光感度を均一化する発光輝度調整手段を備えることを特徴としている。
【0010】
請求項2記載の画像読取装置は、請求項1記載の画像読取装置において、前記受光時間最適化手段における、前記照射光は、前記入射光における入射光の量が最も多い波長に対応する、前記異なる波長の照射光のうちの一つの照射光であることを特徴としている。
請求項3記載の画像読取装置は、請求項1記載の画像読取装置において、前記画像成分を合成して、前記被写体のカラー画像を生成する手段を備えていることを特徴としている。
【0011】
請求項4記載の画像読取装置は、請求項1乃至3記載の画像読取装置において、前記受光時間最適化手段は、第1の基準パターンに対して、前記所定の照射光を照射し、前記複数のセンサにおける電荷蓄積時間を複数段階に変化させて前記第1の基準パターンの画像データを読み取り、該画像データに含まれる明度階調のダイナミックレンジが最大となる最適電荷蓄積時間を求め、最適電荷蓄積時間を前記受光時間として設定する受光時間最適化手段、を備えていることを特徴としている。
請求項5記載の画像読取装置は、請求項4記載の画像読取装置において、前記第1の基準パターンは、明暗模様を有する対象物であることを特徴としている。
【0012】
請求項6記載の画像読取装置は、請求項1乃至5記載の画像読取装置において、前記発光輝度調整手段は、第2の基準パターンに対して、前記異なる波長の照射光を時系列的に照射し、前記複数のセンサにより前記受光時間において、前記異なる波長の照射光ごとに前記第2の基準パターンの画像成分を読み取り、前記異なる波長の照射光ごとの前記画像成分に含まれる明度階調が均一となるように、前記光源における前記異なる波長の照射光ごとの発光輝度を個別に制御する手段、を備えていることを特徴としている。
【0013】
請求項7記載の画像読取装置は、請求項6記載の画像読取装置において、前記第2の基準パターンは、均一な白色を有する対象物であることを特徴としている。
請求項8記載の画像読取装置は、請求項1乃至7のいずれかに記載の画像読取装置において、前記光源は、前記異なる波長ごとに個別の発光源を備えていることを特徴としている。
請求項9記載の画像読取装置は、請求項8記載の画像読取装置において、前記光源は、前記個別の発光源により、少なくとも、赤色光、緑色光、青色光を所定のタイミングで時系列的に発光するように構成されていることを特徴としている。
【0014】
請求項10記載の画像読取装置は、請求項9記載の画像読取装置において、前記光源は、前記赤色光、緑色光、青色光を前記複数のセンサにおける前記入射光の受光時間と同期するタイミングで時系列的に発光するように構成されていることを特徴としている。
請求項11記載の画像読取装置は、請求項9又は10記載の画像読取装置において、前記光源は、前記個別の発光源として、前記赤色光、緑色光、青色光を発光する個別の発光ダイオードを備えていることを特徴としている。
【0015】
請求項12記載の画像読取装置は、請求項1乃至11のいずれかに記載の画像読取装置において、前記センサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の情報及び下方に各々絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、を有し、前記第1のゲート電極にリセットパルスを印加して前記センサを初期化し、前記ドレイン電極にプリチャージパルスを印加した後、前記第2のゲート電極に読み出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間を前記受光時間として、前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応する電圧を出力電圧として出力し、前記画像読取装置は、前記プリチャージパルスに係る信号電圧と前記出力電圧との差分を、明暗信号として観測することを特徴としている。
【0016】
請求項13記載の画像読取装置の駆動制御方法は、複数のセンサが配列されたセンサアレイと、該センサアレイ上に設けられた検知面に載置された被写体に、互いに異なる波長を有する複数の照射光を時系列的に照射する光源と、を備え、前記異なる波長の照射光ごとに、該照射光が前記被写体に反射し、所定の受光時間において前記複数のセンサに入射する入射光の量に基づく出力信号を、前記被写体の前記異なる波長の照射光ごとの画像成分として順次読み込む画像読取装置の駆動制御方法において、前記異なる波長の照射光のうちの、前記被写体に適した照射光に対して、前記複数のセンサにおける最適な受光時間を求める手順と、前記最適な受光時間を、前記複数のセンサにおける、前記異なる波長の照射光の各々に対する前記受光時間に設定する手順と、前記異なる波長の照射光に対して、前記最適な受光時間において、前記複数のセンサの各々における受光感度が均一となるように、前記光源における前記異なる波長ごとの発光輝度を個別に制御する手順と、を含むことを特徴としている。
【0017】
請求項14記載の画像読取装置の駆動制御方法は、請求項13記載の画像読取装置において、前記受光時間を設定する手順における、前記照射光は、前記入射光における入射光の量が最も多い波長に対応する、前記異なる波長の照射光のうちの一つの照射光であることを特徴とする。
請求項15記載の画像読取装置の駆動制御方法は、請求項13又は14記載の画像読取装置の駆動制御方法において、前記発光輝度を制御する手順は、均一な白色が施された基準パターンに対して、前記異なる波長の照射光を照射して、前記複数のセンサにより、前記受光時間において、前記異なる波長の照射光ごとの前記画像成分を取得する第1の手順と、前記異なる波長の照射光ごとの前記画像成分から、最小又は最大の明度階調に対応する照射光を特定する第2の手順と、前記光源における前記第2の手順において特定された照射光の発光輝度を、前記光源の各波長の照射光に対する明度階調の差が減少する方向に所定量補正させる第3の手順と、を含み、前記第1及び第3の手順を繰り返し実行して、前記異なる波長の照射光ごとの明度階調が均一となるように設定することを特徴としている。
【0018】
請求項16記載の画像読取装置の駆動制御方法は、請求項15記載の画像読取装置の駆動制御方法において、前記発光輝度を制御する手順は、少なくとも、赤色光、緑色光、青色光を、前記複数のセンサにおける前記入射光の受光時間と同期するタイミングで時系列的に発光することを特徴としている。
請求項17記載の画像読取装置の駆動制御方法は、請求項13乃至16のいずれかに記載の画像読取装置の駆動制御方法において、前記最適な受光時間を求める手順は、明暗模様が施された基準パターンに対して、前記所定の照射光を照射し、前記複数のセンサにおける電荷蓄積時間を複数段階に変化させて前記基準パターンの画像データを読み取る手順と、前記電荷蓄積時間ごとの前記画像データに含まれる明度階調のダイナミックレンジに基づいて、最適電荷蓄積時間を求める手順と、前記最適電荷蓄積時間を前記受光時間として設定する手順と、を含むことを特徴としている。
【0019】
すなわち、本発明に係る画像読取装置及びその駆動制御方法においては、明度階調(明度データ)のみを検出するモノクローム型のフォトセンサからなるセンサアレイ上に設けられた検知面に載置された被写体に、R、G、Bの各色の照射光を個別に照射して、該被写体のカラー画像を読み取る画像読取装置において、フォトセンサにおける、被写体に応じた最適な受光時間を設定するとともに、R、G、Bの各色の照射光を被写体に照射して、上記最適な受光時間で画像読取動作を行った場合における、フォトセンサにおける受光感度の色依存性に起因する差を抑制して、受光感度を均一化するように、R、G、Bの各色の照射光の発光輝度を個別に調整制御するように構成されている。
【0020】
ここで、フォトセンサのR、G、Bの各色の照射光に対する受光感度を均一化する手法としては、均一な白色が施された基準パターンに対して、R、G、Bの各色の照射光を照射して、各色ごとの画像データ(明度データ)を取得し、各色相互の画像データの大小関係に基づいて、各色ごとの画像データの値が揃うように各色の照射光の発光輝度を個別に補正して、再度各色ごとの画像データを取得する処理手順を繰り返し実行することにより、フォトセンサのR、G、Bの各色に対する受光感度を均一化することができる。
【0021】
また、フォトセンサにおける最適な受光時間を設定する手法としては、明暗模様を有する被写体に対して、被写体に反射してフォトセンサに入射する入射光における、入射光の量が最も多い波長に対応する色(例えば、赤色)の照射光を照射するとともに、フォトセンサの電荷蓄積時間を複数段階に変化させて上記基準パターンの画像データを読み取り、該画像データに含まれる明度データのダイナミックレンジの最大値を抽出することにより、該最大値のダイナミックレンジに対応する電荷蓄積時間を最適電荷蓄積時間として、これを画像読取動作の際の受光時間に設定することができる。
【0022】
これにより、被写体画像の明暗パターンを良好なコントラストで読み取ることができる最適な受光時間を設定して、被写体画像をR、G、Bの各色の照射光を用いて時系列的に読み取る画像読取動作において、各色での受光時間を一定に設定することができるとともに、R、G、Bの各色の発光素子の発光輝度を個別に制御することにより、上記最適な受光感度で画像読取動作を行った場合における、フォトセンサの色依存性に基づく明度階調のバラツキを均一化することができるので、画像読取動作における各色の発光素子の発光時間及びフォトセンサの受光時間を同一の駆動タイミングに設定することができ、駆動制御を簡素化して装置の制御負担を軽減しつつ、被写体のカラー画像を良好に読み取ることができる。
【0023】
また、被写体画像をカラー画像として読み取る場合であっても、被写体に適した色の照射光を用いた受光時間最適化動作により設定された受光感度の最適値を、他の色の照射光による画像読取動作の際にそのまま適用することができるので、受光時間最適化動作に要する処理負担を軽減して、所要時間を短縮することができる。
さらに、上記画像読取装置を構成するフォトセンサとして、半導体層からなるチャネル領域の上方及び下方にトップゲート電極及びボトムゲート電極を備え、トップゲート電極にリセットパルスを印加してセンサを初期化した後、ボトムゲート電極に読み出しパルスを印加することにより、初期化終了から読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間に、チャネル領域に蓄積された電荷に対応する電圧を出力する、いわゆる、ダブルゲート型フォトセンサを適用することにより、フォトセンサデバイスを構成する各フォトセンサを小型薄型化して、読取画素を高密度化することができ、被検出体の画像パターンを高精細な画像として読み取ることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る画像読取装置の実施の形態について、詳しく説明する。
まず、本発明に係る画像読取装置に適用して良好なフォトセンサの構成について説明する。
本発明に係る画像読取装置に適用可能なフォトセンサとしては、上述したようなCCD等の固体撮像デバイスを良好に用いることができる。
【0025】
CCDは、周知の通り、フォトダイオードや薄膜トランジスタ(TFT:ThinFilm Transistor)等のフォトセンサをライン状又はマトリクス状に配列した構成を有し、各フォトセンサの受光部に照射された光量に対応して発生する電子−正孔対の量(電荷量)を、水平走査回路及び垂直走査回路により検出し、照射光の輝度を検知するものであり、デジタルビデオカメラや複写機等、様々な撮像装置や画像読取装置に適用されている。
ところで、このようなCCDを用いたフォトセンサシステムにおいては、走査された各フォトセンサを選択状態にするための選択トランジスタを各フォトセンサごとに個別に設ける必要があるため、検出精度の向上等に伴って検出画素数を増大させると、システム自体が大型化するという問題を有している。
【0026】
そこで、近年、このような問題を解決するための構成として、フォトセンサ自体にフォトセンス機能と選択トランジスタ機能とを持たせた、いわゆる、ダブルゲート構造を有する薄膜トランジスタ(ダブルゲート型トランジスタ)が開発され、システムの小型化、及び、画素の高密度化を図る試みがなされている。本発明における画像読取装置においても、このダブルゲート型トランジスタを良好に適用することができる。
ダブルゲート型トランジスタやこれを適用したフォトセンサシステムの具体的な構造や動作については、概ね、以下に示す通りである。
【0027】
<ダブルゲート型フォトセンサ>
図1は、本発明に係る画像読取装置に適用可能なダブルゲート型トランジスタによるフォトセンサ(以下、「ダブルゲート型フォトセンサ」と記す)の概略構成を示す断面構造図である。
図1(a)に示すように、ダブルゲート型フォトセンサ10は、概略、励起光(ここでは、可視光)が入射されると、電子−正孔対が生成されるアモルファスシリコン等の半導体層(チャネル層)11と、半導体層11の両端に、各々n+シリコンからなる不純物層17、18を介して形成され、クロム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択された導電性材料からなり、可視光に対して不透明なドレイン電極12及びソース電極13と、半導体層11の上方(図面上方)にブロック絶縁膜14及び上部(トップ)ゲート絶縁膜15を介して形成された酸化スズ膜やITO膜(インジウム−スズ酸化膜)等の透明電極層からなり、可視光に対して透過性を示すトップゲート電極(第1のゲート電極)21と、半導体層11の下方(図面下方)に下部(ボトム)ゲート絶縁膜16を介して形成されたクロム、クロム合金、アルミ、アルミ合金等から選択された導電性材料からなり、可視光に対して不透明なボトムゲート電極(第2のゲート電極)22と、を有して構成されている。そして、このような構成を有するダブルゲート型フォトセンサ10は、図1(a)に示すように、ガラス基板等の透明な絶縁性基板19上に形成されている。
【0028】
なお、図1(a)において、トップゲート絶縁膜15、ブロック絶縁膜14、ボトムゲート絶縁膜16を構成する絶縁膜、及び、トップゲート電極21上に設けられる保護絶縁膜20は、いずれも半導体層11を励起する可視光に対して高い透過率を有する材質、例えば、窒化シリコンや酸化シリコン等により構成されていることにより、図面下方に設けられた光源(図示を省略)からの照射光を図面上方に透過させるとともに、保護絶縁膜20の上方に設けられた検知面に載置された被写体に反射して、図面上方からダブルゲート型フォトセンサ10(詳しくは、半導体層11)に入射する光のみを検知する構造を有している。
【0029】
なお、このようなダブルゲート型フォトセンサ10は、一般に、図1(b)に示すような等価回路により表される。ここで、TGはトップゲート電極21に電気的に接続されたトップゲート端子、BGはボトムゲート電極22に電気的に接続されたボトムゲート端子、Sはソース電極13に電気的に接続されたソース端子、Dはドレイン電極12に電気的に接続されたドレイン端子である。
【0030】
<フォトセンサシステム>
図2は、上述したダブルゲート型フォトセンサを絶縁性基板上に2次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの概略構成図である。なお、ここでは、複数のダブルゲート型フォトセンサを2次元配列して構成されるフォトセンサアレイを示して説明するが、複数のダブルゲート型フォトセンサを、例えば、X方向に1次元配列してラインセンサアレイを構成し、該ラインセンサアレイをX方向に直交するY方向に移動させて2次元領域を走査(スキャン)するものであってもよい。
【0031】
図2に示すように、フォトセンサシステムは、大別して、多数のダブルゲート型フォトセンサ10を、例えば、n行×m列(n、mは任意の自然数)のマトリクス状に配列したフォトセンサアレイ100と、各ダブルゲート型フォトセンサ10のトップゲート端子TG(トップゲート電極21)を行方向に接続して伸延するトップゲートライン101と、各ダブルゲート型フォトセンサ10のボトムゲート端子BG(ボトムゲート電極22)を行方向に接続して伸延するボトムゲートライン102と、各ダブルゲート型フォトセンサ10のドレイン端子D(ドレイン電極12)を列方向に接続して伸延するドレインライン(データライン)103と、ソース端子S(ソース電極13)を接地電位に共通に接続するソースライン(コモンライン)104と、トップゲートライン101に接続されたトップゲートドライバ110と、ボトムゲートライン102に接続されたボトムゲートドライバ120と、ドレインライン103に接続され、コラムスイッチ131、プリチャージスイッチ132、出力アンプ133等を備えてなるドレインドライバ130と、を有して構成されている。
【0032】
なお、図2において、φtgは、リセット電圧(リセットパルス)及びキャリア蓄積電圧のいずれかとして選択的に出力される信号φT1、φT2、…φTi、…φTnを生成するための制御信号であり、φbgは、読み出し電圧及び非読み出し電圧のいずれかとして選択的に出力される信号φB1、φB2、…φBi、…φBnを生成するための制御信号、φpgは、プリチャージ電圧Vpgを印加するタイミングを制御するプリチャージ信号である。
【0033】
図3は、上述したフォトセンサシステムにおける基本的な駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
図3に示すように、まず、リセット動作(初期化動作)においては、トップゲートドライバ110によりトップゲートライン101を介して、i行目(iは任意の自然数;i=1、2、・・・n)のダブルゲート型フォトセンサ10のトップゲート端子TGにリセットパルス(例えば、Vtg=+15Vのハイレベル)φTiを印加して、半導体層11、及び、ブロック絶縁膜14における半導体層11との界面近傍に蓄積されているキャリヤ(ここでは、正孔)を放出する(リセット期間Trst)。
【0034】
次いで、電荷蓄積動作(キャリヤ蓄積動作)においては、トップゲートドライバ110によりトップゲート端子TGにローレベル(例えば、Vtg=−15V)のバイアス電圧φTiを印加することにより、リセット動作を終了し、キャリヤ蓄積動作による電荷蓄積期間Taがスタートする。電荷蓄積期間Taにおいては、トップゲート電極21側から入射した光量に応じて半導体層11の入射有効領域(キャリヤ発生領域)で電子−正孔対が生成され、半導体層11、及び、ブロック絶縁膜14における半導体層11との界面近傍(チャネル領域周辺)に正孔が蓄積される。
【0035】
そして、プリチャージ動作においては、上記電荷蓄積期間Taに並行して、ドレインドライバ130によりプリチャージ信号φpgに基づいてドレインライン103を介して、ドレイン端子Dにプリチャージパルス(プリチャージ電圧)Vpgを印加し、ドレイン電極12に電荷を保持させる(プリチャージ期間Tprch)。
次いで、読み出し動作においては、上記プリチャージ期間Tprchを経過した後、ボトムゲートドライバ120によりボトムゲートライン102を介して、ボトムゲート端子BGにハイレベル(例えば、Vbg=+10V)の読み出しパルスφBiを印加することにより、電荷蓄積期間Taにチャネル領域に蓄積されたキャリヤ(正孔)に応じたドレイン電圧VDがドレインドライバ130(コラムスイッチ131)により読み出される(読み出し期間Tread)。
【0036】
ここで、ドレイン電圧VDの変化傾向は、電荷蓄積期間Taに受光した光量に密接に関連し、電荷蓄積期間Taに蓄積されたキャリヤが多い場合(明状態)には、ドレイン電圧VDが急峻に低下する傾向を示し、一方、蓄積されたキャリヤが少ない場合(暗状態)には緩やかに低下する傾向を示すので、例えば、読み出し期間Treadの開始から所定の時間経過後のドレイン電圧VD(=Vrd)を検出することにより、ダブルゲート型フォトセンサ110に入射した光の量、すなわち、被写体の明暗パターンに対応した明度データを検出することができる。
【0037】
すなわち、トップゲートドライバ210からトップゲートライン101を介して、トップゲート端子TGに信号φTiを印加することにより、フォトセンス機能が実現され、ボトムゲートドライバ220からボトムゲートライン102を介して、ボトムゲート端子BGに信号φBiを印加し、ドレインライン103を介してドレイン電圧をドレインドライバ230に取り込んで、シリアルデータ又はパラレルデータの出力電圧Voutとして出力することにより、選択読み出し機能が実現される。
そして、このような特定の行(i行目)に対する一連の画像読取動作を1サイクルとして、上述したフォトセンサアレイ100の各行(i、i+1、・・・)に対して、同等の処理手順を繰り返すことにより、ダブルゲート型フォトセンサを用いたフォトセンサシステムを、被写体の2次元画像を明度データとして読み取るモノクローム型の画像読取装置として動作させることができる。
【0038】
<画像読取装置>
次に、本発明に係る画像読取装置の全体構成について、一実施形態を示して説明する。なお、以下に示す実施形態においては、フォトセンサとして、上述したダブルゲート型フォトセンサを適用した場合を示し、適宜、その構成及び駆動制御方法を参照するものとする。
図4は、本発明に係る画像読取装置の全体構成の一実施形態を示すブロック図である。なお、図2に示したフォトセンサシステムと同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。
【0039】
図4に示すように、本実施形態に係る画像読取装置は、大別して、図2に示したフォトセンサシステムと同様の構成を有するフォトセンサアレイ100と、トップゲートドライバ110と、ボトムゲートドライバ120と、コラムスイッチ131、プリチャージスイッチ132、アンプ133からなるドレインドライバ130と、に加え、ドレインドライバ130を介して読み出されたドレイン電圧(アナログ信号)をデジタル信号からなる画像出力信号(画像データ)に変換するアナログ−デジタル変換器(以下、「A/Dコンバータ」と記す)140と、フォトセンサアレイ100が形成されたガラス基板19の背面側に配置され、フォトセンサアレイ100上に載置された被写体に所定の照射光を照射するバックライト(光源)BLと、フォトセンサアレイ100による被写体画像の読み取り動作制御や、画像データの照合、加工等の所定の処理を実行する外部機能部200とのデータのやり取り等を行うとともに、後述するフォトセンサアレイ100における受光時間最適化動作、及び、バックライト用電源180を制御してバックライトBLにおける発光輝度調整動作を実行する機能を備えたコントローラ(受光時間最適化手段、発光輝度調整手段)150と、コントローラ150のワークエリアとして用いられ、取得した画像データやフォトセンサアレイ100の画像読取感度(受光感度)、バックライトBLの発光輝度の設定等に関連する処理データ等を一時的に保存(記憶)するRAM160と、コントローラ150の制御プログラムや制御用各種データを保持するROM170と、を有して構成されている。
【0040】
バックライトBLは、例えば、異なる波長を有する単色光を発光する複数の発光素子(発光源)と、透明なアクリル等の合成樹脂板により構成され、各発光から発せられて入射した光を板内部で均一に散乱させ、フォトセンサアレイ100の背面側(図1に示したダブルゲート型フォトセンサ10の絶縁性基板19側)から上面側(図1に示したダブルゲート型フォトセンサ10の保護絶縁膜20側)に設けられた検知面に載置された被写体に略均一に照射光を照射する導光板と、を有して構成される面光源である。ここで、上記発光素子としては、例えば、光の3原色である赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の光を単独で発光することができる電流駆動型(又は、電流制御型)の発光素子、具体的には、発光ダイオード(LED)や有機EL素子等を良好に適用することができる。
【0041】
バックライトBLは、後述するコントローラ150からの発光色切換信号Scに基づいて、複数の発光素子のうち、所定の発光色の発光素子を選択する制御回路を備え、該発光色切換信号Scに同期して、コントローラ150から出力される発光輝度制御信号Sbに基づいて、バックライト用電源180によりバックライトBL(各発光素子)に供給される駆動電流の電流値が設定され、該駆動電流により、各発光素子が所定の発光輝度で発光動作する。ここで、バックライト用電源180は、例えば、デジタル信号からなる上記発光輝度制御信号Sbを、デジタル−アナログ変換することによりアナログ電圧に変換し、該アナログ電圧に基づいて、上記電流駆動型の発光素子に供給する駆動電流の電流値を設定するように構成されている。したがって、コントローラ150により発光輝度制御信号Sbのデジタル値を変更制御することにより、上記基準電圧を任意に変更して駆動電流の電流値を可変的に制御することができる。
【0042】
コントローラ150は、トップゲートドライバ110及びボトムゲートドライバ120に制御信号φtg、φbgを出力することにより、図3に示したように、トップゲートドライバ110及びボトムゲートドライバ120の各々から、所定のタイミングで各ダブルゲート型フォトセンサ10のトップゲート端子TG及びボトムゲート端子BGに所定の信号電圧(リセットパルスφTi、読み出しパルスφBi)を印加するとともに、電荷蓄積期間Taに、プリチャージスイッチ132にプリチャージパルスφpgを出力することにより、各ダブルゲート型フォトセンサ10のドレイン端子Dにプリチャージ電圧Vpgを印加する動作を制御する。
【0043】
これにより、コントローラ150には、被写体の画像パターンに対応して各ダブルゲート型フォトセンサ10に蓄積された電荷量に応じたドレイン電圧VDがコラムスイッチ131により検出され、アンプ133及びA/Dコンバータ140を介してデジタル信号に変換されて、画像データとして入力される。コントローラ150は、この画像データに対して、所定の画像処理を施したり、RAM160への書き込み、読み出しを行うとともに、画像データの照合や加工等の所定の処理を実行する外部機能部200に対するインターフェースとしての機能をも備えている。なお、外部機能部200としては、任意の画像処理や画像表示を行うことができる機器であればよく、近年急速に普及し、高性能化が著しいパーソナルコンピュータ等を良好に適用することができる。
【0044】
さらに、コントローラ150は、後述するように、トップゲートドライバ110及びボトムゲートドライバ120に出力する制御信号を変更制御することにより、正規の画像読み取り動作に先立って、又は、任意のタイミングで独立して、受光時間調整用の基準パターン(第1の基準パターン)を読み取る動作を実行して、明暗パターンからなる被写体画像を最適に読み込むことができる受光時間、すなわち、ダブルゲート型フォトセンサ10の最適な電荷蓄積時間Taを設定する機能(受光時間最適化動作)、及び、該受光時間最適化動作により設定された電荷蓄積期間Taにおいて、受光感度均一化用の基準パターン(第2の基準パターン)を上記バックライトBLから発光される、異なる波長の光(R、G、Bの各色の照射光)により読み取る動作を実行して、ダブルゲート型フォトセンサ10における受光感度の波長(色)依存性に基づく明度階調の差を補正して均一化するように、バックライトBLの各発光素子の発光輝度を調整する機能(発光輝度調整動作)を有している。
【0045】
<コントローラ>
次に、本実施形態に係るフォトセンサシステムに適用されるコントローラの具体的な構成及び動作について、図面を参照して、さらに詳しく説明する。
まず、コントローラの具体的な構成について説明する。
図5は、本実施形態に係るフォトセンサシステムに適用されるコントローラの一構成例を示す概念的なブロック図である。
【0046】
図5に示すように、本実施形態におけるコントローラ150は、大別して、トップゲートドライバ110やボトムゲートドライバ120、プリチャージスイッチ132における動作を制御するデバイスコントローラ151と、RAM160やROM170との間でデータ等の書き込み/読み出し等を行い、各種データを管理するデータコントローラ152と、これらのコントローラ151、152を所定の制御プログラムにしたがって統括するとともに、外部機能部200等とのインターフェースを担い、制御信号のやり取りを行うメインコントローラ153と、を有している。
また、コントローラ150は、演算処理部として、データ比較器154、加算器155及びデータセレクタ156を備え、また、デバイス制御補助部として、感度設定レジスタ157及びバックライト発光制御部158を備えている。
【0047】
データ比較器154は、受光時間最適化動作において、受光時間を変化させつつ読み取った基準パターン(第1の基準パターン)の画像データに基づいて、該画像データに含まれる、各受光時間におけるダブルゲート型フォトセンサの明度データ(明度階調)相互の大小関係を比較して、飽和値を除く最大値及び最小値を抽出するとともに、加算器155により各受光時間ごとに算出されるダイナミックレンジ(明度データ群のデータ範囲)から最大値を抽出する。
また、発光輝度調整動作においては、上記受光時間最適化動作において、ダイナミックレンジの最大値に基づいて設定される受光時間の最適値(最適受光時間)を用いて、異なる色の照射光を照射して読み取った基準パターン(第2の基準パターン)の各色ごとの画像データ(画像成分)に基づいて、該画像データに含まれる明度データ(明度階調)相互の大小関係を比較して、例えば、最小値を抽出して該最小値の発光色を抽出する。
【0048】
加算器155は、データ比較器154により抽出された明度データの最大値及び最小値の差分からダイナミックレンジを算出する。
データセレクタ156は、A/Dコンバータ140、データ比較器154、加算器155を介して処理された画像データ及び処理済みデータを入力とし、これらのデータを必要に応じてRAM160への書き込みや読み出し、あるいは、データ比較器154や加算器155への再入力、データコントローラ152を介して外部機能部200への出力等を切換制御する。
【0049】
また、感度設定レジスタ157は、データコントローラ152からの制御信号に基づいて、フォトセンサアレイ100の受光時間を最適化するように、デバイスコントローラ151からトップゲートドライバ110及びボトムゲートドライバ120に出力する制御信号φtg、φbgのタイミングを設定制御する。
バックライト発光制御部158は、データコントローラ152からの制御信号に基づいて、受光時間の最適値(最適受光時間)に応じたタイミングで、バックライトBLに備えられたR、G、Bの3色の発光素子を選択的に順次発光動作させるように切り換え制御を行う。この状態で、バックライト用電源180から所定の電流値を有する駆動電流が各発光素子に個別に供給されることにより、選択状態にある発光素子が、駆動電流の電流値に応じた所定の発光輝度で発光する。
【0050】
<画像読取装置の全体動作(第1の実施例)>
次に、上述した構成を有する画像読取装置における一連の画像読取動作について、図面を参照しながら説明する。
図6は、本発明に係る画像読取装置の全体動作の第1の実施例を示すフローチャートである。
【0051】
本実施形態に係る画像読取装置においては、概略、図6に示すように、所望の被写体に対する正規の画像読取動作に先立つ任意のタイミングで、もしくは、該正規の画像読み取り動作とは独立した任意のタイミング(例えば、製品出荷前の画像読取装置の初期設定工程等)で、フォトセンサアレイ100を構成するダブルゲート型フォトセンサ10の読取条件設定を最適化して、被写体画像を読み取る際の受光時間を最適な値に設定する受光時間最適化動作(S101)と、各ダブルゲート型フォトセンサ10における入射光の波長の違い(受光色)に対する依存性に起因する受光感度を均一化するように、バックライトBLの各色の発光素子における発光輝度を個別に制御する発光輝度調整動作(S102)と、所望の被写体に対して、R、G、Bの各色の照射光を時系列的に照射して、各色ごとの画像データを順次読み取り、パーソナルコンピュータ等の外部機能部200へ転送し、各色の画像データを合成することにより被写体のカラー画像を生成する正規の画像読取動作(S103〜S112)と、からなる一連の処理動作を順次実行される。ここで、上記一連の処理動作は、コントローラ150によって、例えば、ROM170にあらかじめ格納された制御プログラムがRAM160にロードされて実行されることにより実現される。
【0052】
以下、受光時間最適化動作、発光輝度調整動作及び正規の画像読取動作の各動作について、具体的に説明する。
<受光時間最適化動作>
図7は、本実施形態に係る画像読取装置の受光時間最適化動作の一例を示すフローチャートであり、図8は、本実施形態に係る受光時間最適化動作に適用可能な受光時間(電荷蓄積時間)の設定例を示すタイミングチャートである。
【0053】
図7に示すように、受光時間最適化動作においては、まず、メインコントローラ153により、データコントローラ152を介してROM170等に格納された調整用の受光時間に関するデータが読み出され、感度設定レジスタ157に異なる受光時間が順次設定されて、該受光時間によりフォトセンサアレイ100上に設けられた検知面に載置された基準パターン(第1の基準パターン)を読み取る動作(以下、便宜的に「感度調整用読取動作」と記す)を実行する(S11)。
【0054】
ここで、受光時間最適化動作に適用される基準パターン(第1の基準パターン)としては、少なくとも、明暗模様が鮮明に施された対象物であることが好ましく、被写体の画像パターンに含まれる明暗成分が鮮明な場合には、被写体をそのまま基準パターンとして適用することもできる。
また、このとき、メインコントローラ153により、バックライト発光制御部158を介して、バックライトBLから基準パターンに対して照射される光が、バックライトBLの発光色の何れかの単色光(例えば、赤色光)となるように、バックライトBLの発光色(発光可能な発光素子)を切り換え設定する。ここで、この受光時間最適化動作を行う際に設定するバックライトBLの発光色は、高い感度を得るため、フォトセンサ10に入射する入射光において、入射光の量が最も多い波長成分に対応する発光色とすることが好ましい。すなわち、例えば、本実施形態に係る画像読取装置を指紋読取装置に適用し、被写体として人の指を用いる場合、指は通常、赤みを帯びているため、赤色光が多く反射される特性を有する。従って、その場合、バックライトBLの発光色としては、赤色光を用いることが好ましい。
【0055】
感度設定レジスタ157に設定される受光時間(すなわち、フォトセンサアレイ100を構成する各フォトセンサ10に設定される電荷蓄積期間)は、例えば、フォトセンサアレイ100の行ごと、あるいは、所定の複数行ごと、もしくは、上記基準パターンの1画面ごとに、段階的に異なるように設定される。
具体的には、上述したフォトセンサシステム100(ダブルゲート型フォトセンサ10)における駆動制御方法(図3参照)を基本として、例えば、図8に示すように、まず、フォトセンサアレイ100を構成する全てのダブルゲート型フォトセンサ10に対して、一括して同時にリセットパルスφT1、φT2、…φTnを印加してリセット動作を実行することにより、電荷蓄積動作を開始した後、各行ごとのダブルゲート型フォトセンサ10に印加されるプリチャージ信号φpg及び読み出しパルスφB1、φB2、…φBnを所定の時間間隔(遅れ時間Tdelay)で段階的に変化させることにより、各行ごとのダブルゲート型フォトセンサ10におけるプリチャージ動作及び読み出し動作のタイミングを順次異ならせて、各行ごとに設定される電荷蓄積期間T1、T2、…Tn− 1、Tnを上記時間間隔(Tdelay)で相互に変化させるように制御して、基準パターンを読み取る動作を実行する。
【0056】
これにより、1回(1画面分)の画像読取動作により、基準パターンを複数の異なる受光時間で読み取った画像データを取得することができる。そして、このような感度調整用読取動作により得られた画像データは、例えば、一旦データセレクタ156を介してRAM160に保存されるか、もしくは、直接データ比較器154に入力される。なお、本発明に適用可能な受光時間(電荷蓄積時間)の設定方法は、図8に示したものに限定されるものではなく、他の手法を適用するものであってもよいことはいうまでもない。
【0057】
次いで、データコントローラ152によりデータセレクタ156を介して、上記ステップS11により得られた画像データから、各受光時間ごとの明度データを抽出してデータ比較器154に読み込む(S12)。データ比較器154は、例えば、読み込まれた明度データから、予め設定された飽和状態に該当する(例えば、予め想定される明度データの数値範囲を逸脱する)明度データを除去して明度データの適正化を行った後(S13)、残りの明度データの最大値及び最小値を抽出し(S14)、直接又はRAM160への一時保存後、加算器155に入力する。なお、前述のステップS13における明度データから飽和データを除去する処理は、フォトセンサアレイ100の欠陥画素や異物による異常値を除去するために行うものであって、必ず必要なものではなく、省略するようにしてもよい。
【0058】
加算器155は、各受光時間ごとに抽出された明度データの最大値と最小値の差分から明度データのデータ範囲、すなわち、ダイナミックレンジを算出し(S15)、その結果をデータセレクタ156を介して、RAM160に一旦保存する。このようなダイナミックレンジの算出処理を受光時間ごとの画像データについて実行する。
【0059】
次いで、RAM160に保存された各受光時間ごとのダイナミックレンジをデータセレクタ156を介して、データ比較器154に読み込み、受光時間に対するダイナミックレンジの変化傾向から、ダイナミックレンジが最大となる極大値を抽出する(S16)。メインコントローラ153は、極大値となるダイナミックレンジに対応する受光時間を、基準パターンに施された明暗模様を良好なコントラストで読み取ることができる最適な受光時間であると判断し、データコントローラ152を介して感度設定レジスタ157に所定の制御信号を出力し、上記最適な受光時間(電荷蓄積期間)を設定して(S17)、受光時間最適化動作を終了する。これにより、波長(発光色)の異なるいずれの照射光を用いて画像読取動作を行う場合であっても、上記最適な受光時間(電荷蓄積期間)が用いられる。
【0060】
<発光輝度調整動作>
図9は、本実施形態に係る画像読取装置の発光輝度調整動作の一例を示すフローチャートである。
図9に示すように、発光輝度調整動作においては、まず、メインコントローラ153により、上記受光時間最適化動作により得られた最適な受光時間(電荷蓄積期間)を感度設定レジスタ157に設定するとともに、バックライト発光制御部158にバックライトBLにおける発光色を規定する制御信号を出力して、バックライトBLに備えられた複数の発光素子のうち、指定された発光色(例えば、赤色)の発光素子を選択して発光可能な状態に設定する。また、メインコントローラ153により、画像読取装置の外部に設けられたバックライト用電源180に対して、初期値となる電流値を有する駆動電流をバックライトBLに供給するように基準電圧Vs(初期値)を設定する。
【0061】
ここで、初期値となる基準電圧Vsは、例えば、メインコントローラ153により、データコントローラ152を介してROM170等に格納された基準電圧の初期値に関するデータが読み出され、バックライト用電源180にデジタル信号からなる発光輝度制御信号Sbとして出力され、該発光輝度制御信号Sbをデジタル−アナログ変換することによりアナログ電圧として生成される。
これにより、検知面に載置された基準パターン(第2の基準パターン)を、最適な受光時間(電荷蓄積期間)で、赤色(R)の照射光により読み取る動作(以下、便宜的に「輝度調整用読取動作」と記す)を実行する(S21)。
【0062】
次いで、メインコントローラ153により、バックライト発光制御部158に上記輝度調整用読取動作(ステップS21)とは異なる発光色(例えば、緑色)を規定する制御信号を出力して緑色(G)の発光素子を選択し、上記と同等の輝度調整用読取動作を実行して、上記基準パターンを最適な受光時間で緑色の照射光により読み取る動作を実行する(S22)。
さらに、メインコントローラ153により、バックライト発光制御部158に上記輝度調整用読取動作(ステップS21、S22)とは異なる発光色(例えば、青色)を規定する制御信号を出力して青色(B)の発光素子を選択し、上記と同等の輝度調整用読取動作を実行して、上記基準パターンを最適な受光時間で青色の照射光により読み取る動作を実行する(S23)。
【0063】
ここで、上記輝度調整用読取動作に適用される基準パターン(第2の基準パターン)としては、少なくとも、明暗模様が施されていない白色の均一な対象物であることが好ましい。また、輝度調整用読取動作は、上述したフォトセンサシステム100(ダブルゲート型フォトセンサ10)における駆動制御方法(図3参照)を基本として、各発光色ごとに基準パターンを複数回(R、G、Bの場合には3回)繰り返し読み取るものであればよい。具体的なタイミングチャートについては図示を省略するが、後述する正規の画像読取動作におけるタイミングチャート(図11参照)と同等の動作制御を適用することができる。
【0064】
これにより、単一の白色の基準パターンを複数の異なる発光色の光で照射して読み取った画像データを取得することができる。そして、このような輝度調整用読取動作により得られた画像データは、例えば、一旦データセレクタ156を介してRAM160に保存されるか、もしくは、直接データ比較器154に入力される。
【0065】
次いで、データコントローラ152によりデータセレクタ156を介して、上記ステップS21〜S23により得られた画像データから、各発光色ごとの明度データを抽出してデータ比較器154に読み込み、各明度データ相互を比較して(S24)、その大小関係を判別する(S25)。そして、各発光色ごとの明度データが均一でなかった場合、例えば、各発光色ごとの明度データから最小値を抽出し、データコントローラ152により該最小となる明度データの発光色を特定する(S26)。
【0066】
次いで、メインコントローラ153は、上記最小となる明度データの発光色に対する発光輝度制御信号Sbのデジタル値を所定値だけ増加させて、当該発光色の発光素子に供給される駆動電流の電流値を一定値だけ増加させ、当該発光色の発光輝度を上昇補正する(S27)。
次いで、上述した輝度調整用読取動作(ステップS21〜S23)を再度繰り返し実行する。
【0067】
そして、このような発光色ごとの発光輝度を調整して再度読み取った基準パターンの画像データ(明度データ)に基づいて、各発光色ごとの明度データの比較(均一であるか否かの判断)、及び、(均一でない場合の)最小明度となる発光色の特定、発光輝度制御信号Sbの変更設定、基準パターンの再読み取り時における発光輝度の補正からなる一連の処理手順(ステップS24〜S27)を繰り返し実行することにより、図13に示したような、発光素子の発光色に対する受光感度特性の相違が補正されて、均一化される。該補正後の発光輝度制御信号Sbのデジタル値(すなわち、各発光色の発光素子に供給される駆動電流の電流値に対応する設定値)は、メインコントローラ153によりデータコントローラ152を介して、RAM160等に保存され(S28)、発光輝度調整動作が終了する。これにより、フォトセンサアレイ100(ダブルゲート型フォトセンサ10)における受光色に対する感度特性が均一化されるので、上記基準パターンを正常に白色として読み取ることができるようにフォトセンサアレイ100及びバックライトBLの双方が設定されたことになる。
【0068】
なお、上記構成においては、基準パターンに対する明度データが最小となる発光色を抽出して、その発光色の発光輝度を高く補正するようにしており、すなわち、明度データの最大値に全部の発光色の明度データを揃えるようにしている。しかし、本発明はこれに限るものではなく、要するに、バックライトBLの各発光色に対する明度データの値が均一になるように、各発光色の発光輝度が設定されればよいものである。そこで、例えば、各発光色ごとの明度データから、最大値を抽出し、対応する発光色を特定し、この発光色の発光素子の発光輝度を低下補正させるようにして、明度データの最小値に全部の発光色の明度データを揃えるようにしてもよい。
【0069】
ここで、バックライトBLを構成する発光素子として発光ダイオードを適用した場合の発光輝度の補正制御について具体的に説明する。
図10は、本実施形態に係る画像読取装置のバックライトに適用可能な発光素子の印加電流と発光輝度(放射強度)との関係を示す図である。
図10に示すように、赤色、緑色、青色の各発光ダイオードにおける印加電流と発光輝度(放射強度)との関係は、いずれの発光色においても、印加電流を指数関数的に増加させると、発光輝度も指数関数的に増加する特性を示す。このことから、上記発光輝度調整動作において、各発光色ごとの発光素子(発光ダイオード)の発光輝度を補正する際に、メインコントローラ153からバックライト用電源180に出力する発光輝度制御信号Sbのデジタル値を、等間隔となる一定値ずつ変化させて、発光素子に供給される駆動電流の電流値を等間隔で変更設定することにより、発光素子の発光輝度を略等間隔で変更制御することができる。なお、このような発光ダイオードを発光素子に適用し、上述したような一連の発光輝度調整動作を行った場合の赤色、緑色、青色の各発光ダイオードにおける発光輝度の比は、一例として、R:G:B=10:6:1に設定される。
【0070】
<正規の画像読取動作>
図11は、本実施形態に係る画像読取装置の正規の画像読取動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、ここでは、図6に示した画像読取装置の全体動作のフローチャートを参照しながら説明する。
図6に示すように、正規の画像読取動作においては、上述したフォトセンサシステム100(ダブルゲート型フォトセンサ10)における駆動制御方法(図3参照)を基本として、フォトセンサアレイ100上の検知面に載置された所望の被写体に対して、R、G、Bの各色の照射光を個別に照射して、各色ごとの画像データを読み取る動作を時系列的に実行する。
【0071】
具体的には、図11に示すように、まず、トップゲートドライバ110から各行ごとのダブルゲート型フォトセンサ10に、リセットパルスφT1、φT2、…φTnを順次印加して初期化するとともに(リセット期間Trst)、該リセットパルスφT1、φT2、…φTnが順次立ち下がりと同時に、メインコントローラ153によりバックライト発光制御部158を介して切り換え設定された所定の発光色(例えば、赤色)の発光素子が、上述した発光輝度調整動作により設定された発光輝度で発光動作して、赤色の照射光を検知面に載置された被写体に照射するとともに(S103)、上述した受光時間最適化動作により設定された電荷蓄積期間Taがスタートする。これにより、被写体の明暗パターンに応じて反射し、各行ごとのダブルゲート型フォトセンサ10のチャネル領域(半導体層11)に入射する光量に応じた電荷(正孔)が発生し、蓄積される。
【0072】
そして、各行ごとのダブルゲート型フォトセンサ10に対して、電荷蓄積期間Ta内であって読み出し期間Treadの直前に、ドレインドライバ130から全てのドレインライン103にプリチャージ電圧Vpgを印加して各行ごとのダブルゲート型フォトセンサ10のドレイン電極に所定の電圧を保持させるプリチャージ動作を行い(プリチャージ期間Tprch)、電荷蓄積期間Ta及びプリチャージ期間Tprchが終了した行のダブルゲート型フォトセンサ10に対して、ボトムゲートドライバ120からボトムゲートライン102を介して、読み出しパルスφB1、φB2、…φBnを順次印加して、各ダブルゲート型フォトセンサ10に蓄積された電荷に対応するドレイン電圧VDの変化を、ドレインドライバ130により検出し、出力電圧Voutとして読み出す(読み出し期間Tread)。
【0073】
このような所定の行に対する一連の処理手順をフォトセンサアレイ100の全ての行に対して、順次繰り返し実行することにより、被写体全体の画像が画像データとして取得される(S104)。
そして、上述したような画像読取動作により赤色の照射光を用いて読み取られた被写体の画像データ(明度データ)は、例えば、データセレクタ156を介して直接、もしくは、一旦データセレクタ156を介してRAM160に保存された後、パーソナルコンピュータ等の外部機能部200へ転送される(S105)。
【0074】
ここで、読み出しパルスφB1、φB2、…φBnの印加タイミングは、図11に示すように、他の行におけるリセット動作、プリチャージ動作及び読み出し動作のための各信号の印加タイミングと時間的に重ならないタイミングになるように設定する。すなわち、行ごとのリセットパルスφT1、φT2、φT3、…φTn、読み出しパルスφB1、φB2、φB3、…φBn、及び、プリチャージパルスφpgの印加タイミングの間隔(Tdelay)を、次の(1)式に示すように、リセットパルスによるリセット期間Trstと、読み出しパルスによる読み出し期間Treadと、プリチャージパルスによるプリチャージ期間Tprchとの合計時間、又は、それ以上に設定する。
Tdelay=Trst+Tprch+Tread ・・・(1)
【0075】
これにより、リセット動作、プリチャージ動作、読み出し動作が時間的に重なって実行されることがなく、さらに、各行ごとの処理サイクルの一部を時間的にオーバーラップさせることができるので、全ての行におけるリセット動作が終了する前に読み出し動作を行うことができ、被写体画像の読取動作に要する時間が大幅に短縮される。
【0076】
次いで、メインコントローラ153によりバックライト発光制御部158を介して切り換え設定された所定の発光色(例えば、緑色)の発光素子を、上述した発光輝度調整動作により設定された発光輝度で発光動作させて(S106)、上述した赤色の照射光を用いた被写体画像の読取動作と同様にして、緑色の照射光を用いて被写体を読み取り(S107)、読み取られた被写体の画像データを外部機能部200に転送する(S108)。
【0077】
さらに、メインコントローラ153により切り換え設定された所定の発光色(例えば、青色)の発光素子を、上述した発光輝度調整動作により設定された発光輝度で発光動作させて(S109)、青色の照射光を用いて被写体を読み取り(S110)、読み取られた被写体の画像データを外部機能部200に転送する(S111)。
次いで、外部機能部200は、画像読取装置から転送されたR、G、Bの各色の画像データを色データに関連付けて合成することにより、被写体のカラー画像を生成する(S112)。該カラー画像は、例えば、モニタ等の表示装置に表示したり、参照画像との照合や複写等の所望の画像処理に用いられる。
【0078】
このように、本実施形態に係る画像読取装置及びその駆動制御方法によれば、受光時間最適化動作により、明暗パターンを良好なコントラストで読み取ることができる最適な受光時間(フォトセンサの電荷蓄積時間)を設定するとともに、発光輝度調整動作により、該受光時間で画像読取動作を行った場合に、フォトセンサの波長依存性に基づく明度階調の相違を補正して均一化するように、R、G、Bの各色の発光素子の発光輝度を制御することにより、R、G、Bの各色の照射光を用いて単一の被写体画像を読み取り、カラー画像を生成する場合であっても、各色での画像読取動作における電荷蓄積期間が一定になるように設定され、かつ、各色での受光感度が均一化されるので、被写体画像を読み取る正規の画像読取動作における各色でのバックライト(発光素子)の発光時間及びフォトセンサの受光時間を同一の駆動タイミングに設定することができ、駆動制御を簡素化して装置の制御負担を軽減することができる。
【0079】
また、被写体画像をカラー画像として読み取る場合であっても、被写体に適した色の照射光を用いた受光時間最適化動作により設定された受光時間の最適値を、他の色の照射光による画像読取動作の際にそのまま適用することができるので、発光素子の発光色の各々についてフォトセンサの受光時間を調整する場合に比較して、該受光時間調整動作(受光時間最適化動作)に要する時間を大幅に短縮することができる。
【0080】
なお、上述した実施形態においては、バックライトに備えられる各色の発光素子の発光輝度を調整、設定する構成として、画像読取装置の内部に、メインコントローラ153から出力される発光輝度制御信号Sbをデジタル−アナログ変換して、アナログ電圧からなる基準電圧に基づいて、各色の発光素子に供給する駆動電流の電流値を設定するバックライト用電源180と、各色の照射光を用いて輝度調整用読取動作を行って取得した画像データに含まれる明度データ相互の比較を行うデータ比較器154等を設けた場合について説明した。このような構成によれば、画像読取装置の製品出荷後の環境変化等により、製品出荷前に予め設定した受光時間(電荷蓄積期間)や発光輝度制御信号のデジタル値(発光素子の発光輝度)が妥当な状態でなくなった場合であっても、画像読取装置単独で上述したような一連の受光時間最適化動作や発光輝度調整動作を実行して、自立的に最適な画像読取動作を実現することができる利点を有している。
【0081】
また、一方で、本発明に係る画像読取装置の他の構成として、上述したような発光輝度調整動作に係る構成を、画像読取装置とは別個に設けたものであってもよく、この場合、必要に応じて上記構成を接続するようにして、受光時間最適化動作や発光輝度調整動作を実行して、最適な画像読取動作を実現することができる。したがって、このような構成によれば、画像読取装置の装置規模の小型化や製品コストの低減を図ることができる利点を有している。
【0082】
<画像読取装置の全体動作(第2の実施例)>
次に、本実施形態に係る画像読取装置の画像読取動作の第2の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図12は、本発明に係る画像読取装置の全体動作の第2の実施例を示すフローチャートである。なお、上述した第1の実施例と同等の処理手順については、その説明を簡略化又は省略する。
【0083】
上述した第1の実施例に係る画像読取動作においては、図6に示したように、被写体に照射される照射光の色ごとに画像データを読み取り、パーソナルコンピュータ等の外部機能部200へ転送する処理手順を有する場合について説明したが、本実施例においては、R、G、Bの各色ごとの画像データを、画像読取装置内のメモリ(RAM)に保存した後、これらの画像データを一括して外部機能部に転送するように処理手順を有している。
【0084】
本実施例に係る画像読取動作においては、概略、図12に示すように、上述した第1の実施例と同様の受光時間最適化動作(S201)及び発光輝度調整動作(S202)を行った後、上記発光輝度調整動作により設定された発光輝度で、まず、バックライト(発光素子)から赤色の照射光が被写体に照射されて(S203)、上記受光時間最適化動作により設定された最適な受光時間(電荷蓄積期間)で被写体画像が読み取られ、該赤色の照射光を用いて読み取られた画像データ(明度データ)がデータセレクタ156を介してRAM160に保存される(S204)。
【0085】
次いで、バックライトから緑色の照射光が被写体に照射されて(S205)、上記最適な受光時間で再度被写体画像が読み取られ、該緑色の照射光を用いて読み取られた画像データがRAM160に保存される(S206)。その後、さらに、バックライトから青色の照射光が被写体に照射されて(S207)、上記最適な受光時間で再度被写体画像が読み取られ、該青色の照射光を用いて読み取られた画像データがRAM160に保存される(S208)。
そして、上記R、G、Bの各色による一連の画像読取動作によりRAM160に保存された画像データは、一括して外部機能部200に転送され(S209)、外部機能部200により、R、G、Bの各色の画像データに色データを関連付けて合成することにより、被写体のカラー画像を生成する(S210)。
【0086】
このような画像読取動作によれば、画像読取装置とパーソナルコンピュータ等の外部機能部とのデータ転送処理の実行頻度(回数)を削減することができるとともに、R、G、Bの各色の画像データ(明度データ)を一体かつ一括的に取り扱うことができるので、画像読取装置及び外部機能部双方の処理負担を軽減することができる。なお、本実施例に係る画像読取動作においては、R、G、Bの各色の画像データを一旦RAM160に保存する処理手順を有しているので、画像読取装置に設けられるRAM160の記憶容量を、上述した第1の実施例における場合の概ね3倍程度に設定する必要がある。
【0087】
なお、上述した実施形態においては、フォトセンサシステムに適用するセンサとしてダブルゲート型フォトセンサを適用した場合について示したが、本発明に適用されるセンサは、これに限定されるものではなく、フォトダイオードやTFT等、他の構成のフォトセンサを用いたフォトセンサシステムに対しても同様に適用することができることはいうまでもない。
【0088】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る画像読取装置及びその駆動制御方法によれば、明度階調(明度データ)のみを検出するモノクローム型のフォトセンサからなるセンサアレイ上に設けられた検知面に載置された被写体に、R、G、Bの各色の照射光を個別に照射して、該被写体のカラー画像を読み取る画像読取装置において、被写体画像の明暗パターンを良好なコントラストで読み取ることができる最適な受光時間を設定して、被写体画像をR、G、Bの各色の照射光を用いて時系列的に読み取る画像読取動作において、各色での受光時間を一定に設定することができるとともに、R、G、Bの各色の発光素子の発光輝度を個別に制御することにより、上記最適な受光時間で画像読取動作を行った場合における、フォトセンサの色依存性に基づく明度階調の差を均一化することができるので、画像読取動作における各色の発光素子の発光時間及びフォトセンサの受光時間を同一の駆動タイミングに設定することができ、駆動制御を簡素化して装置の制御負担を軽減しつつ、被写体のカラー画像を良好に読み取ることができる。
また、被写体画像をカラー画像として読み取る場合であっても、被写体に適した色の照射光を用いた受光時間最適化動作により設定された受光時間の最適値を、他の色の照射光による画像読取動作の際にそのまま適用することができるので、受光時間最適化動作に要する処理負担を軽減して、所要時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る画像読取装置に適用可能なダブルゲート型トランジスタによるフォトセンサの概略構成を示す断面構造図である。
【図2】ダブルゲート型フォトセンサを2次元配列して構成されるフォトセンサアレイを備えたフォトセンサシステムの概略構成図である。
【図3】フォトセンサシステムにおける基本的な駆動制御方法を示すタイミングチャートである。
【図4】本発明に係る画像読取装置の全体構成の一実施形態を示すブロック図である。
【図5】本実施形態に係るフォトセンサシステムに適用されるコントローラの一構成例を示す概念的なブロック図である。
【図6】本発明に係る画像読取装置の全体動作の第1の実施例を示すフローチャートである。
【図7】本実施形態に係る画像読取装置の受光時間最適化動作の一例を示すフローチャートである。
【図8】本実施形態に係る受光時間最適化動作に適用可能な受光時間(電荷蓄積時間)の設定例を示すタイミングチャートである。
【図9】本実施形態に係る画像読取装置の発光輝度調整動作の一例を示すフローチャートである。
【図10】本実施形態に係る画像読取装置のバックライトに適用可能な発光素子の印加電流と発光輝度(放射強度)との関係を示す図である。
【図11】本実施形態に係る画像読取装置の正規の画像読取動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図12】本発明に係る画像読取装置の全体動作の第2の実施例を示すフローチャートである。
【図13】フォトセンサにおける受光感度の波長(色)依存性を示す図である。
【符号の説明】
10 ダブルゲート型フォトセンサ
100 フォトセンサアレイ
150 コントローラ
152 データコントローラ
153 メインコントローラ
154 データ比較器
158 バックライト発光制御部
180 バックライト用電源
200 外部機能部
BL バックライト
Claims (17)
- 複数のセンサが配列されたセンサアレイと、該センサアレイ上に設けられた検知面に載置された被写体に、互いに異なる波長を有する複数の照射光を時系列的に照射する光源と、を備え、
前記異なる波長の照射光ごとに、該照射光が前記被写体に反射し、所定の受光時間において前記複数のセンサの各々に個別に入射する入射光の量に基づく前記複数のセンサからの出力信号を、前記被写体の前記異なる波長の照射光ごとの画像成分として順次読み込む画像読取装置において、
前記異なる波長の照射光のうちの、前記被写体に適した照射光に対して、前記複数のセンサにおける最適な受光時間を設定する受光時間最適化手段と、
前記光源における前記異なる波長ごとの発光輝度を個別に制御して、前記最適な受光時間において、前記複数のセンサの各々における、前記異なる波長の照射光に対する受光感度を均一化する発光輝度調整手段と、
を備えることを特徴とする画像読取装置。 - 前記受光時間最適化手段における、前記照射光は、前記入射光における入射光の量が最も多い波長に対応する、前記異なる波長の照射光のうちの一つの照射光であることを特徴とする請求項1記載の画像読取装置。
- 前記画像読取装置は、前記画像成分を合成して、前記被写体のカラー画像を生成する手段を備えていることを特徴とする請求項1記載の画像読取装置。
- 前記受光時間最適化手段は、第1の基準パターンに対して、前記所定の照射光を照射し、前記複数のセンサにおける電荷蓄積時間を複数段階に変化させて前記第1の基準パターンの画像データを読み取り、該画像データに含まれる明度階調のダイナミックレンジが最大となる最適電荷蓄積時間を求め、最適電荷蓄積時間を前記受光時間として設定する手段、を備えていることを特徴とする請求項1乃至3記載の画像読取装置。
- 前記第1の基準パターンは、明暗模様を有する対象物であることを特徴とする請求項4記載の画像読取装置。
- 前記発光輝度調整手段は、第2の基準パターンに対して、前記異なる波長の照射光を時系列的に照射し、前記複数のセンサにより前記受光時間において、前記異なる波長の照射光ごとに前記第2の基準パターンの画像成分を読み取り、前記異なる波長の照射光ごとの前記画像成分に含まれる明度階調が均一となるように、前記光源における前記異なる波長の照射光ごとの発光輝度を個別に制御する手段、を備えていることを特徴とする請求項1乃至5記載の画像読取装置。
- 前記第2の基準パターンは、均一な白色を有する対象物であることを特徴とする請求項6記載の画像読取装置。
- 前記光源は、前記異なる波長ごとに個別の発光源を備えていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の画像読取装置。
- 前記光源は、前記個別の発光源により、少なくとも、赤色光、緑色光、青色光を所定のタイミングで時系列的に発光するように構成されていることを特徴とする請求項8記載の画像読取装置。
- 前記光源は、前記赤色光、緑色光、青色光を前記複数のセンサにおける前記入射光の受光時間と同期するタイミングで時系列的に発光するように構成されていることを特徴とする請求項9記載の画像読取装置。
- 前記光源は、前記個別の発光源として、前記赤色光、緑色光、青色光を発光する個別の発光ダイオードを備えていることを特徴とする請求項9又は10記載の画像読取装置。
- 前記センサは、半導体層からなるチャネル領域を挟んで形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも前記チャネル領域の情報及び下方に各々絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極及び第2のゲート電極と、を有し、
前記第1のゲート電極にリセットパルスを印加して前記センサを初期化し、前記ドレイン電極にプリチャージパルスを印加した後、前記第2のゲート電極に読み出しパルスを印加することにより、前記初期化終了から前記読み出しパルスの印加までの電荷蓄積期間を前記受光時間として、前記チャネル領域に蓄積された電荷に対応する電圧を出力電圧として出力し、
前記画像読取装置は、前記プリチャージパルスに係る信号電圧と前記出力電圧との差分を、明暗信号として観測することを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の画像読取装置。 - 複数のセンサが配列されたセンサアレイと、該センサアレイ上に設けられた検知面に載置された被写体に、互いに異なる波長を有する複数の照射光を時系列的に照射する光源と、を備え、
前記異なる波長の照射光ごとに、該照射光が前記被写体に反射し、所定の受光時間において前記複数のセンサに入射する入射光の量に基づく出力信号を、前記被写体の前記異なる波長の照射光ごとの画像成分として順次読み込む画像読取装置の駆動制御方法において、
前記異なる波長の照射光のうちの、前記被写体に適した照射光に対して、前記複数のセンサにおける最適な受光時間を求める手順と、
前記最適な受光時間を、前記複数のセンサにおける、前記異なる波長の照射光の各々に対する前記受光時間に設定する手順と、
前記異なる波長の照射光に対して、前記最適な受光時間において、前記複数のセンサの各々における受光感度が均一となるように、前記光源における前記異なる波長ごとの発光輝度を個別に制御する手順と、
を含むことを特徴とする画像読取装置の駆動制御方法。 - 前記受光時間を設定する手順における、前記照射光は、前記入射光における入射光の量が最も多い波長に対応する、前記異なる波長の照射光のうちの一つの照射光であることを特徴とする請求項13記載の画像読取装置の駆動制御方法。
- 前記発光輝度を制御する手順は、
均一な白色が施された基準パターンに対して、前記異なる波長の照射光を照射して、前記複数のセンサにより、前記受光時間において、前記異なる波長の照射光ごとの前記画像成分を取得する第1の手順と、
前記異なる波長の照射光ごとの前記画像成分から、最小又は最大の明度階調に対応する照射光を特定する第2の手順と、
前記光源における前記第2の手順において特定された照射光の発光輝度を、前記光源の各波長の照射光に対する明度階調の差が減少する方向に所定量補正させる第3の手順と、
を含み、前記第1乃至第3の手順を繰り返し実行して、前記異なる波長の照射光ごとの明度階調が均一となるように設定することを特徴とする請求項13又は14記載の画像読取装置の駆動制御方法。 - 前記発光輝度を制御する手順は、少なくとも、赤色光、緑色光、青色光を、前記複数のセンサにおける前記入射光の受光時間と同期するタイミングで時系列的に発光することを特徴とする請求項15記載の画像読取装置の駆動制御方法。
- 前記最適な受光時間を求める手順は、
明暗模様が施された基準パターンに対して、前記所定の照射光を照射し、前記複数のセンサにおける電荷蓄積時間を複数段階に変化させて前記基準パターンの画像データを読み取る手順と、
前記電荷蓄積時間ごとの前記画像データに含まれる明度階調のダイナミックレンジに基づいて、最適電荷蓄積時間を求める手順と、
前記最適電荷蓄積時間を前記受光時間として設定する手順と、
を含むことを特徴とする請求項13乃至16のいずれかに記載の画像読取装置の駆動制御方法。
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