CCD图像检测装置以及加速 检测图像的方法 本发明涉及CCD图像检测装置及其加速检测图像的方法。
由于使用电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称为CCD)可以制作得到密度极高的移位寄存器或是顺序存储器，故而CCD被广泛地应用在图像处理系统和数字信号处理系统中。例如，在扫描器、数字相机、传真机、影印机…等电子装置中，均必须使用到CCD图像检测装置。
就传统扫描器、或是使用CIS(Contact Image Sensor)的扫描器而言，其图像检测处理部分均可能会使用到CCD图像检测装置。图1为概要显示CCD图像检测装置内部结构的示意图。一般CCD图像检测装置，至少包括：一列(row)图像感应单元(P1～Pn)，用以检测图像并产生对应光线强度大小的电荷包(charge packets)；一CCD模拟移位寄存器10，具有多个暂存单元(SH1～SH2n)，用以并列接收、寄存上述感应电荷包；以及，一输出放大器(OP)，用以将电荷转换为对应的电压电平Vim；其中，上述CCD模拟移位寄存器20由时钟脉冲信号Φ1、Φ2的控制，而依序将各寄存单元中所存的电荷串列输出给上述输出放大器(OP)。
图2(a)～(f)是显示图1所示CCD模拟移位寄存器中，寄存电荷包的移转情形示意图，以及时钟脉冲信号Φ1、Φ2的波形；其中，上述时钟脉冲信号Φ1、Φ2分别耦接至移位控制电极G2a-1和G2a(1≤a≤n)。
CCD寄存器的结构如图2(a)所示，在此为图示简单起见，仅显示5个寄存单元(SH1～SH5)、及其对应的5个移位控制电极(G1～G5)。另外，假设阈值电压(Threshold voltage)为0。
当t=t1时，Φ1=0而Φ2=V，所以电极G1、G3和G5下方没有产生势垒(potential barrier)，但在电极G2和G4下方形成阶梯形位垒(step barrier)，如图2(b)所示。假定电极G2和G4下方存了代表逻辑1的电荷(以虚线表示)。
当t=t2时，Φ1=Φ2=V/2，此时每个电极(G1～G5)下方的势垒分布的轮廓具有相同的形状，如图2(c)所示。轮廓图上的箭头表示当时间从t1往t2及t3增加时，奇数电极(G1、G3、G5)下方的势垒升高而偶数电极(G2、G4)下方的势垒下降。
在t=t3时，出现如图2(d)所示的电位轮廓。因此，存在G2和G4电极下方的电荷就分别被转移至G1和G3电极位置的下方。
最后，当t=t4时，Φ1=V而Φ2=0，结果即如图2(e)所示的电位能分布轮廓。由t1到t4这一期间，电荷向右移动一个电极；同理，t5到t6和当t7到t8的期间，均会有电荷向右移动一个电极的情形产生。
目前扫描器地解析度规格大多为600 dpi(dot/inch)或更高；以600 dpi解析度而言，以扫描A4尺寸的文件(宽21cm，长29.7cm)为例，扫描器所使用的CCD图像检测装置中，至少需要约有7016个(29.7/2.54×600个)图像感应单元，以及14032(7016×2)个寄存单元用以并列接收、存储图像的感应电荷。
就目前厂商所提供的CCD检测装置，其每一个标准产品的规格，一般均包括10000个以上的图像感应单元。以具有12800个图像感应单元的CCD检测装置标准品为例(即具有SH1～SH25600共25600个寄存单元)，将其应用于A4尺寸，解析度600 dpi的扫描器中，则仅有寄存单元SH1～SH14032所接收、存储的感应电荷包是真正地对应于扫描的图像，而其他寄存单元SH14033～SH25600将永远不会对应到任何感应图像信号，只有些微因漏光或其他因素所产生的残留电荷包会在每次扫描感应中呈现出来，然而这些残留电荷并无真正对应的扫描图像。
依据图2(a)～(e)所述的传统方式将寄存单元中的电荷依序予以串列输出并转换为对应的电压；当寄存单元SH1～SH14032的电荷完成输出后；寄存器单元SH14033～SH25600中的残留电荷包也分别向输出端(即输出放大器OP)位移了14032个寄存单元，而寄存于原先的SH1～SH11568寄存单元的位置上。对于移往寄存单元SH1～SH11568中的残留电荷，则必须耗费额外时间。先行将11568个残留电荷包一一予以串列输出。否则，再扫描下一组图像时，上述11568个残留电荷将会分别累加至寄存单元SH1～SH11568新接收的图像感应电荷上，而造成扫描图像失真。
每一次图像扫描后，寄存单元SH14033～SH25600中的残留电荷包，对于扫描图像的处理完全无作用，但又为了避免造成扫描图像失真，又必须使用额外的时间将11568个残留电荷包予以输出，如此造成处理时间的浪费，也降低扫描器的处理速度。为了减少处理残留电荷包的时间。目前所使用的解决方案，是在将11568个残留电荷包移出CCD模拟移位寄存器时，将信号Φ1和Φ2的频率提高，以加速将残留电荷包的移出动作。然而，在移出寄存单元SH1～SH14032的电荷时，信号Φ1和Φ2是以正常频率运作；在移出残留电荷包时，又必需将信号Φ1和Φ2切换至高频率，如此会造成控制上的困难、及增加电路的复杂度，相对成本也增加，而且实际上所能够减少的处理时间也不是很多。因此，若能够提出一种方法和机制，使CCD模拟移位寄存器不需将上述残留电荷包一一移出，而能够使扫描图像不会有失真的问题产生，如此不仅可以加速图像检测的时间(亦即加速扫描器的处理时间)，同时也可以降低电路的复杂度。
有鉴于此，本发明的一目的为提出一种加速检测图像的方法，使CCD图像检测装置无须将残留的电荷包予以移出，即可以再次检测图像进而加速处理速度。
本发明方法适用的CCD图像检测装置包括：多个图像感应单元(P1～Pn)；以及，由多个寄存单元(SH1～SH2n)、和多个移位控制电极(G1～G2n)构成的CCD位移寄存器；所述方法包括如下步骤：
(a)假设寄存单元SH1～SH2j-2为实际上会对应到扫描图像的寄存单元，则可将所述多个移位控制电极中的G2j-1、G2j控制电极分别耦接第一电位、及第二电位，使所述多个寄存单元中的SH2j-1、SH2j寄存单元构成阻隔单元；其中j＜n；
(b)将所述移位控制电极的奇数电极G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一时钟脉冲信号；
(c)将所述移位控制电极的偶数电极G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二时钟脉冲信号；
(d)令所述多个图像感应单元(P1～Pn)分别感应图像并产生对比于光线强度的电荷包；
(f)将所述电荷包寄存于所述多个寄存单元(SH1～SH2n)；
(g)在所述第一、第二时钟脉冲信号的控制下，使所述寄存单元SH1～SH2j-2中的所述电荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出；其中，所述寄存单元SH2j+1～SH2n中寄存的残留电荷包，由于所述阻隔单元的作用而不会移入所述寄存单元(SH1～SH2j-2)中；
(h)再令所述多个图像感应单元(P1～Pn)分别感应图像并产生对比于光线强度的电荷包，并重复上述步骤(d)～(g)将电荷包寄存、及移出所述CCD位移寄存器的步骤。
基于所述加速检测图像的方法，本发明另一目的为提出一种新颖的CCD图像检测装置，具有优于传统CCD图像检测装置的处理速度。
本发明的CCD图像检测装置，包括：多个图像感应单元(P1～Pn)，用以分别感应光线并产生对比于光线强度的电荷包；以及，CCD位移寄存器。
上述CCD位移寄存器包括：多个寄存单元(SH1～SH2n)，用以寄存所述电荷包；以及，多个移位控制电极(G1～G2n)。所述移位控制电极的G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一时钟脉冲信号，所述移位控制电极的G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二时钟脉中信号；由所述第一、第二时钟脉冲信号的控制，使上述寄存单元(SH1～SH2j-2)中的所述电荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出。
其中，所述多个移位控制电极中的G2j-1、G2j控制电极分别耦接第一电位、及第二电位，使所述多个寄存单元中的SH2j-1、SH2j寄存单元构成阻隔单元，使所述寄存单元SH2j+1～SH2n中寄存的电荷包不会移入所述寄存单元(SH1～SH2j-2)中；j＜n。
所述第一时钟脉冲信号和第二时钟脉冲信号彼此为互补信号。所述第一电位的电压小于第二电位的电压。
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并结合附图，做详细说明如下：
图1概要显示CCD图像检测装置内部结构的示意图；
图2(a)～(e)概要显示图1中，本发明CCD模拟移位寄存器的电荷移转情形的示意图；
图2(f)是显示时钟脉冲信号Φ1、Φ2的波形图；
图3显示本发明CCD图像检测装置内部结构的示意图；
图4(a)～(e)概要显示本发明CCD模拟移位寄存器的电荷移转情形的示意图。
图3显示本发明CCD图像检测装置内部结构的示意图。参照图3，本发明的CCD图像检测装置，包括：多个图像感应单元(P1～Pn)，用以分别感应光线并产生对比于光线强度的电荷包；CCD位移寄存器30，包括：多个寄存单元(SH1～SH2n)，用以寄存所述电荷包；多个移位控制电极(G1～G2n)；以及，输出放大器(OP)。
所述移位控制电极的奇数电极G1、G3、G5…G2j-5、G2j-3均耦接第一时钟脉冲信号Φ1，所述移位控制电极的偶数电极G2、G4、G6…G2j-4、G2j-2均耦接第二时钟脉冲信号Φ2；所述移位控制电极G2j+1、G2j+3、…G2n-3、G2n-1也可耦接第一时钟脉冲信号Φ1，所述移位控制电极的G2j+2、G2j+4、…G2n-2、G2n也可耦接第二时钟脉冲信号Φ2。所述第一、第二时钟脉冲信号(Φ1、Φ2)的波形如图2(f)所示。
所述多个移位控制电极中的G2j-1、G2j控制电极分别耦接第一电位V1、及第二电位V2，使SH2j-1、SH2j寄存单元构成阻隔单元。
由所述第一、第二时钟脉冲信号(Φ1、Φ2)的控制，使所述寄存单元(SH1～SH2j-2)中的所述电荷包依序地由所述CCD位移寄存器中移出给所述输出放大器OP。然而，所述寄存单元SH2j+1～SH2n中寄存的电荷包，由于所述阻隔单元的作用，故不会移入上述寄存单元(SH1～SH2j+2)中。
以解析度600dpi(dot/inch)为例，所使用的CCD图像检测装置中，至少需要约有7016个(j-1个)图像感应单元，亦即14032个寄存单元。故在制作具有12800个(n个)图像感应单元的CCD检测装置标准品时，即可以选择将移位控制电极G14033和G14034(G2j-1、G2j)分别耦接第一电位V1(电压0)和第2电位V2(正电压V)，以形成阻隔单元。如此，寄存单元SH1～SH14032中的电荷包，可由第一时钟脉冲信号Φ1和第二时钟脉冲信号Φ2的控制而移出CCD位移寄存器30，然而SH14035～SH25600中的残留电荷不会被移入寄存单元SH1～SH14032中。
图4(a)-(e)概要显示本发明CCD模拟移位寄存器的电荷移转情形的示意图。图4(a)-(e)仅图示部分的寄存单元、和移位控制电极。
本发明的加速检测图像的方法，可让CCD图像检测装置无须将残留的电荷包予以移出，即可以再次检测图像进而加速处理速度。参照图3、4(a)-(e)，所述加速检测图像的方法包括以下步骤。
首先，将所述多个移位控制电极中的G14033、G14034(即G2j-1、G2j；j=7017)控制电极分别耦接第一电位V1(电压0)、及第二电位V2(正电压V)，使所述多个寄存单元中的SH14033、SH14034(即SH2j-1、SH2j)寄存单元构成阻隔单元。
将所述移位控制电极的G1、G3、G5…G14029、G14031(G2j-5、G2j-3)耦接第一时钟脉冲信号Φ1；以及，将所述移位控制电极的G2、G4、G6…G140302、G14032(G2j-4、G2j-2)均耦接第二时钟脉冲信号Φ2；如图4(a)所示。
本发明的方法主要适用具有图3所示结构的CCD图像检测装置。在此实施例中，所述移位控制电极G14035、G14037…～G25599也可以选择耦接第一时钟脉冲信号Φ1；而所述移位控制电极G14036、G14038…～G25600也可选择耦接第二时钟脉冲信号Φ2。
当CCD图像检测装置检测图像时，所述多个图像感应单元(P1～P12800)分别产生对比于光线强度的电荷包(以虚线表示)；并分别寄存于耦数寄存单元中(SH2j；j=1～12800)，如图4(b)所示。存储于SH14033之前的电荷包为正确的图像感应电荷，存储于SH14033之后的电荷包则为残留电荷。
在所述第一、第二时钟脉冲信号Φ1、Φ2的控制下，所述寄存单元SH1～SH14032中的所述电荷包依序地由所述CCD位移寄存器30中移出；详细过程如下文所述。
当t=t1时，Φ1=0而Φ2=V，所以奇数电极G14029～G14037下方没有产生势垒(potential barrier)，但在偶数电极G14028～G14036下方形成阶梯形位垒(step barrier)，如图4(b)所示。假定在偶数电极G14028～G14036下方存了代表逻辑1的电荷(以虚线表示)。
当t=t2时，Φ1=Φ2=V/2，此时除了电极G14033和G14034之外，每个电极(G1～G25600)下方的势垒分布的轮廓具有相同的形状，如图4(c)所示。轮廓图上的箭头表示当时间从t1向t2及t3增加时，奇数电极(G14029、G14031…等)下方的势垒升高而偶数电极(G14030、G14032…等)下方的势垒下降。
在t=t3时，Φ1=3V/4，Φ2=V/4，出现如图4(d)所示的电位轮廓。因此，存在G14030和G14032电极下方的电荷就分别被转移至G14029和G14031电极位置的下方。
最后，当t=t4时，Φ1=V而Φ2=0，结果即如图4(e)所示的电位能分布轮廓。由t1到t4这一期间，电荷向右移动一个电极；同理，t5到t6和当t7到t8的期间，均会有电荷向右移动一个电极的情形产生。依照此一方式，存储于SH14033之前的电荷包会一一地被移出CCD位移寄存器30；而存储于SH14033之后的残留电荷，由于在电极G14033和G14034下方的势垒不会随着第一、第二时钟脉冲信号Φ1、Φ2变化，故而不会被移入SH14033之前的寄存单元中。
当所有存储于寄存单元SH14033之前的电荷包完全移出所述CCD位移寄存器30之后，即令上述多个图像感应单元(P1～Pn)再分别感应图像并产生对比于光线强度的电荷包，并重复所述步骤将电荷包寄存、及移出所述CCD位移寄存器30的步骤。
由本发明提出的方法可知，当所有存储于寄存单元SH14033之前的电荷包移出所述CCD位移寄存器30之后，应用上述加速方法之CCD图像检测装置即可以再进行图像扫描；然而，传统CCD图像检测装置，仍必须将残留的电荷包移出CCD位移寄存器，故传统CCD图像检测装置的处理效率远低于本发明提出的CCD图像检测装置。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明；例如，本发明调整改变能阶位垒的信号波形，并不限定于所述实施例中所提出信号波形。所以，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动和润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求范围所界定者为准。