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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum
Scannen und insbesondere auf Photosensorarrays, die für optische
Bildscanner und Kameras verwendet werden, und auf Linienarrays,
die häufig
für optische
Bildscanner verwendet werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bildscanner
wandeln ein sichtbares Bild auf einem Dokument oder einer Photographie
oder ein Bild in einem transparenten Medium in eine elektronische
Form um, die geeignet zum Kopieren, Speichern oder Verarbeiten durch
einen Computer ist. Ein Bildscanner könnte eine separate Vorrichtung
sein oder ein Bildscanner könnte
Teil eines Kopierers, Teil eines Faxgeräts oder Teil einer Mehrzweckvorrichtung
sein. Reflektierende Bildscanner weisen üblicherweise eine gesteuerte
Lichtquelle auf und Licht wird von der Oberfläche eines Dokumentes, durch ein
Optiksystem und auf ein Array photoempfindlicher Bauelemente reflektiert.
Die photoempfindlichen Bauelemente wandeln eine empfangene Lichtintensität in ein
elektronisches Signal um. Transparenzbildscanner leiten Licht durch
ein transparentes Bild, wie z. B. ein Photographie-Diapositiv, durch
ein Optiksystem und dann auf ein Array photoempfindlicher Bauelemente.
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Photosensorarrays
weisen üblicherweise drei
oder vier Zeilen von Sensoren auf, wobei jede Zeile ein unterschiedliches
Band von Wellenlängen von
Licht empfängt,
z. B. Rot, Grün
und Blau. Jede Zeile könnte
gefiltert werden oder Weißlicht
könnte durch
einen Strahlteiler in unterschiedliche Bänder von Wellenlängen getrennt
werden. Üblicherweise
ist die Teilung (Abstand einzelner Photosensorelemente) für jede Zeile
die gleiche und üblicherweise
ist die Teilung eingestellt, um eine spezifizierte systemspezifische
Eingangsabtastrate bereitzustellen.
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Allgemein
besteht fortlaufend Bedarf nach einer erhöhten Auflösung und Geschwindigkeit, einer verbesserten
Farbqualität
und Bildqualität
und reduzierten Kosten, Bedarfe, die oft direkt in Konflikt miteinander
stehen und Kompromisse erforderlich machen. Der folgende Hintergrund
stellt einige der Faktoren vor, die Auflösung, Geschwindigkeit, Farbqualität, Bildqualität und Kosten
beeinflussen.
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Allgemein
verwenden Bildscanner ein optisches Linsensystem, um ein Bild auf
ein Array von Photosensoren zu fokussieren. Photosensorarrays weisen üblicherweise
tausende einzelne photoempfindliche Elemente auf. Jedes photoempfindliche
Element misst in Verbindung mit der Scanneroptiksystem eine Lichtintensität von einer
Wirkfläche
auf dem Dokument, die ein Bildelement (Pixel) auf dem gerade gescannten
Bild definiert. Eine optische Abtastrate wird oft als Pixel pro
Zoll (oder mm) ausgedrückt, gemessen
auf dem gerade gescannten Dokument (oder Objekt oder Transparenzfolie).
Die optische Abtastrate, gemessen auf dem gerade gescannten Dokument,
wird auch die Eingangsabtastrate genannt. Die systemspezifische
Eingangsabtastrate wird durch die Optik und die Teilung der einzelnen Sensoren
bestimmt. Ein Scannerbediener könnte eine
Abtastrate auswählen,
die kleiner ist als die systemspezifische Eingangsabtastrate, indem
einfach ausgewählte
Pixel fallengelassen werden oder indem digitale Wiederabtasttechniken
verwendet werden. Alternativ könnte
ein Scannerbediener eine Abtastrate auswählen, die größer ist
als die systemspezifische Eingangsabtastrate, wobei Zwischenwerte durch
Interpolation berechnet werden. Üblicherweise werden
alle Ladungen oder Spannungen von dem Photosensorarray gelesen und
werden dann digitalisiert und dann wird eine Unterabtastung oder
Interpolation bei den resultierenden digitalen Pixeldaten durchgeführt.
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Eine
Bittiefe ist die Anzahl erfasster Bits pro Pixel. Üblicherweise
ist ein Pixel in einem dreidimensionalen Farbraum mit einer festen
Anzahl von Bits in jeder Dimension spezifiziert. Ein Pixel könnte z.
B. in einem Rot-Grün-Blau- (RGB-) Farbraum
spezifiziert sein, mit 8 Bits Rot-Informationen, 8 Bits Grün-Informationen
und 8 Bits Blau-Informationen,
für insgesamt
24 Bits pro Pixel. Alternativ könnte
ein Pixel in einem zylindrischen Farbraum spezifiziert sein, in dem
die Dimensionen Leuchtdichte, Farbwert und Sättigung sind. Alternativ könnte ein
dreidimensionaler CIE-Farbraum verwendet werden, wie z. B. CIELAB
oder CIELUV, wobei eine Dimension die Leuchtdichte ist. Bei dieser
Anmeldung bedeutet „hohe" Bittiefe, dass alle
Bits genau sind, was Genauigkeit von einer einfachen Auflösung unterscheidet. Dies
bedeutet, dass ein Scanner viele Bits an Informationen bereitstellen,
jedoch einen Rauschpegel aufweisen könnte, der einen Großteil der
Bits niedrigerer Ordnung bedeutungslos macht.
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Selbst
wenn ein Sensor kein Licht empfängt, könnte ein
bestimmtes thermisches Rauschen auftreten (Dunkelrauschen genannt).
Das thermische Rauschen (Dunkelrauschen) ist proportional zu der Zeit.
Während
einer Belichtung ist die primäre Rauschquelle
(Schrotrauschen genannt) auf eine Umwandlung von Photonen in Elektronen
bezogen und das Rauschen nimmt mit der Quadratwurzel des Signals
zu. Kleine Sensoren neigen dazu, ein niedrigeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufzuweisen
als große
Sensoren, insbesondere für
Flächen
eines Dokuments mit geringem Reflexionsvermögen oder geringer Durchlässigkeit.
Kleinere Sensorflächen
können
höhere
Eingangsabtastraten bereitstellen, andere Maße einer Bildqualität jedoch,
und insbesondere die Farbqualität,
gemessen durch Signal-zu-Rauschen, könnten reduziert werden.
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Wenn
eine Eingangsabtastrate ausgewählt ist,
die niedriger ist als die systemspezifische Eingangsabtastrate,
könnte
das Signal-zu-Rauschen durch ein Mitteln von Abtastwerten verbessert
werden. Analoge Signale von benachbarten Sensorbereichen könnten addiert
werden oder digitale Werte könnten
nach einer Analog-Digital-Umwandlung gemittelt werden. Ein Addieren
von N Abtastwerten verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um die Quadratwurzel
von N. Üblicherweise
erfordert ein Addieren analoger Signale, dass die Signalpegel relativ
klein sind, bevor sie addiert werden, um ein Sättigen eines Ladungselements
zu vermeiden, so dass ein Analogmitteln üblicherweise für eine Geschwindigkeit
(weniger Verschiebungen), jedoch nicht für eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
verwendet wird.
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Die
Scanngeschwindigkeit wird durch mehrere Faktoren beeinflusst: Belichtungszeit,
Verschiebungszeit der Register, multipliziert mit einer Anzahl von
gerade verschobenen Pixeln, und Ausgangsverstärkergeschwindigkeit. Üblicherweise
ist für
niedrige systemspezifische Eingangsabtastraten die Hauptbeschränkung die
Belichtungszeit, d. h. die Zeit, die erforderlich ist, um ein Signal
zu erzeugen, das ein annehmbares Signal-zu-Rausch-Verhältnis bereitstellt.
Wenn jedoch die Anzahl gerade verschobener Pixel sehr groß wird,
könnte
die Zeit, die erforderlich ist, um die einzelnen Pixelsignale zu
einem Verstärker
zu verschieben, der einschränkende
Faktor werden.
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Bereiche
eines Bildes mit leicht variierender Farbe, insbesondere dunklen
Farben, erfordern eine hohe Bittiefe und ein hohes Signal-zu-Rauschen,
um den glatten Ton und die Textur des Originals genau wiederzugeben.
Für Bereiche
mit langsam variierender Farbe wird keine hohe Eingangsabtastrate
benötigt,
da keine Hochfrequenzinformationen in dem Bild vorliegen. Bereiche
eines Bildes, die schnell eine Farbe verändern, wie z. B. eine Waldszene
oder eine Nahaufnahmenphotographie eines mehrfarbigen Stoffs, benötigen eine
hohe Eingangsabtastrate, um die Hochfrequenzinformationen zu erfassen,
eine hohe Bittiefe und ein hohes Signal-zu-Rauschen jedoch werden nicht benötigt. Dies
bedeutet, dass für Hochfrequenzinformationen
die Farbgenauigkeit jedes einzelnen Pixels weniger wichtig ist.
Hohe Eingangsabtastraten erfordern kleine Sensorbereiche, die wiederum
relativ niedrige Signal-zu-Rausch-Verhältnisse, eine relativ geringe
Bittiefe und eine relativ langsame Scanngeschwindigkeit aufweisen.
Große Sensorbereiche
liefern ein hohes Signal-zu-Rauschen, eine hohe Bittiefe und eine
hohe Geschwindigkeit, können
jedoch keine hohen Eingangsabtastraten bereitstellen.
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Die
US-A-5,045,932 offenbart ein lineares Photosensorarray, das Zeilen
von Photosensoren aufweist, wobei die Photosensoren einer Zeile
eine unterschiedliche aktive Fläche
verglichen mit den Photosensoren einer anderen Zeile aufweisen.
Bilddaten mit hohem Signal-zu-Rauschen werden durch eine Intensitätsmessung
von einer Zeile erster Photosensoren erhalten. Bilddaten mit hoher
Eingangsabtastrate werden durch Intensitätsmessungen von einer Zeile
zweiter Photosensoren erhalten.
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Die
US-A-5,345,319 offenbart ein Photosensorarray, das Zeilen von Photosensoren
aufweist, die unterschiedliche aktive Flächen aufweisen. Die Zeilen
von Photosensoren sind jeweils selektiv für eine Spektralbandbreite,
die kleiner ist als die Bandbreite des menschlichen Sehsystems.
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Die
Erfindung basiert auf der Aufgabe eines Bereitstellens eines Verfahrens
zum Scannen, das sowohl eine hohe Farbqualität als auch eine hohe Scanngeschwindigkeit
liefert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Blockdiagramm-Draufsicht eines Mehrzeilen-Photosensorarrays
gemäß einem ersten
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 ist
eine Blockdiagramm-Draufsicht eines Mehrzeilen-Photosensorarrays
gemäß einem zweiten
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 stellt
ein Photosensorarray mit drei Zeilen mit relativ großen Sensorflächen (100, 102 und 104)
plus einer Doppelzeile mit relativ kleiner Sensorflächen (106)
dar. Die Fläche
jedes Sensorelements in den Zeilen 100 bis 104 ist
als in etwa 4 mal die Fläche
jedes Sensorelements in der Doppelzeile 106 dargestellt
(was unten noch detaillierter erläutert wird). Die Sensorflächen 106 könnten wahlweise
in einer versetzten Doppelzeile sein, wie dargestellt ist, könnten wahlweise überlappend
sein, wie dargestellt ist, oder könnten wahlweise nicht überlappend
sein. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung jedoch ist das wichtige
Merkmal der Sensorflächen 106 die Größe und nicht,
ob dieselben in einer Doppelzeile angeordnet oder überlappend
oder nicht überlappend
sind. Zur Bequemlichkeit der Erläuterung
werden kleine CCDs, die eine Fokussierungslinse benötigen, verwendet,
um bestimmte Punkte darzustellen. Zur Bequemlichkeit der Darstellung
stellt jede einzelne Zeile (100 bis 104) in 1 sechs
Sensoren dar und die Doppelzeile (106) stellt 24 Sensoren
dar, wohingegen in einem tatsächlichen
Photosensorarray, das beim Scannen eingesetzt wird, jede Zeile mehrere
tausend Sensoren aufweisen könnte.
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Zur
Bequemlichkeit der Erläuterung
wird z. B. angenommen, dass die Zeile 100 rotes Licht empfängt, die
Zeile 102 grünes
Licht empfängt,
die Zeile 104 blaues Licht empfängt und die Doppelzeile 106 sichtbares
Weißlicht
aufnimmt (die Doppelzeile 106 könnte ein Filter aufweisen,
das Infrarotlicht unterdrückt).
Die tatsächliche
Farbreihenfolge ist nicht wichtig und die dargestellte Reihenfolge
ist nur ein Beispiel zur Erleichterung der Erläuterung. Es wird angemerkt,
dass die Belichtungszeit für
jede Sensorgröße unterschiedlich
sein könnte,
um es zu ermöglichen,
dass jeder Sensor ausreichend viele Elektronen erzeugt, um einen
spezifizierten Signalpegel bei einer spezifizierten maximalen Beleuchtungsintensität auf dem
gerade gescannten Dokument bereitzustellen, obwohl eine Filterdurchlässigkeit
oder Strahlteilungseffizienz von Farbe zu Farbe variieren könnte.
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Es
werden z. B. typische Sensorarrays des Stands der Technik betrachtet.
Für das
erste Beispiel wird ein Array betrachtet, das drei Linien aufweist,
die die Sensorflächen
der Zeilen 100 bis 104 aus 1 aufweisen.
Für ein
zweites Beispiel wird ein Array betrachtet, das drei Doppelzeilen
aufweist, die die Sensorflächen
der Doppelzeile 106 aus 1 aufweisen. Das
erste exemplarische Array liefert ein gutes Signal-zu-Rauschen,
jedoch mit einer relativ niedrigen systemspezifischen Eingangsabtastrate.
Das zweite exemplarische Array liefert eine hohe systemspezifische
Eingangsabtastrate, jedoch mit reduziertem Signal-zu-Rauschen, und könnte mehr
Daten bereitstellen als tatsächlich
benötigt
werden. Dies bedeutet, dass für
das zweite exemplarische Array die hohe Eingangsabtastrate für Rot und
Blau unter Umständen
nicht benötigt
wird.
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Natürlich könnte man
für das
zweite Beispiel die Daten von Sätzen
von vier Sensorflächen
mitteln, um in etwa die systemspezifische Eingangsabtastrate des
ersten Beispiels zu erzeugen. Es wird jedoch angemerkt, dass eine
Sensorfläche
mit vier mal der Fläche
ein zumindest zwei mal besseres Signal-zu-Rauschen aufweist, wohingegen
ein Mitteln von vier Abtastwerten, aufgrund kleinerer Signale, einer
A/D-Umwandlung und
anderen Faktoren, das Signal-zu-Rauschen um weniger als einen Faktor
2 verbessert. Zusätzlich
fügt ein
Mitteln digitalisierter Signale Komplexität hinzu und benötigt Zeit.
Zusätzlich
weisen vier der Sensoren in der Doppelzeile 106 aufgrund
der festen Größe nicht
empfindli cher Flächen
eine kleinere aktive Fläche
auf als ein Sensor in einer einzelnen Zeile (100 bis 104).
Wie in 1 dargestellt ist, muss der Abstand zwischen Sensorflächen für die Doppelzeile 106 etwa
der gleiche sein wie der Abstand zwischen Sensorflächen für die Zeilen 100 bis 104.
Für das
spezifische Beispiel aus 1 sind die Sensorflächen in
den Zeilen 100 bis 104, wenn der horizontale Raum
zwischen Sensorflächen
in den Zeilen 100 bis 104 eine Einheit ist, als sieben
Einheiten breit mal acht Einheiten hoch gezeichnet und die Sensorflächen in
der Doppelzeile 106 sind als drei Einheiten breit mal vier
Einheiten hoch gezeichnet. Als ein Ergebnis ist die Summe von vier
Flächen
von der Doppelzeile 106 angesichts der für 1 gewählten Größen 48/56
oder etwa 86 % der Fläche
einer Sensorfläche
von den Zeilen 100 bis 104. Deshalb liefert für die zwei
Beispiele selbst für die
gleichen Eingangsabtastraten das erste Beispiel ein besseres Signal-zu-Rauschen
als das zweite Beispiel.
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Das
Sensorarray aus 1 liefert die Vorteile beider
Beispiele, was eine hohe Eingangsabtastrate mit einem relativ niedrigen
Signal-zu-Rausch-Verhältnis
für eine
Leuchtdichte bereitstellt, was einen Großteil der Hochfrequenzinformationen
trägt,
und ein hohes Signal-zu-Rauschen bei einer niedrigeren Abtastrate
für eine
Farbe, wo die Bittiefe wichtig ist. Wenn die Zeile 106 sichtbares
Weißlicht
empfängt, wie
oben zur Darstellung angenommen wird, liefert das Array aus 1 Leuchtdichteinformationen
mit vier mal der systemspezifischen Eingangsabtastrate von Rot oder
Grün oder
Blau. Die Rot-, Grün-
und Blau-Kanäle
jedoch liefern ein besseres Signal-zu-Rauschen, was eine genauere
Bittiefe erlaubt, um eine Auflösung
kleiner Inkrementalschritte der Intensität zu ermöglichen. Die Rot-, Grün- und Blau-Daten
könnten
z. B. in einen CIELAB- oder CIELUV-Farbraum umgewandelt werden und dann könnten die
Leuchtdichtedaten von der Doppelzeile für die Leuchtdichtedimension
verwendet werden anstelle der Leuchtdichtedaten von den Rot-, Grün- und Blau-Sensoren.
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2 stellt
ein alternatives exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar. In 2 weist ein Sensorarray eine
Zeile relativ großer
Sensoren für
jede der drei Farben auf (200, 202 und 204) und
eine Doppelzeile relativ kleiner Sensoren für jede der drei Farben (206, 208, 210)
auf. Wenn ein Scannerbediener eine hohe Eingangsabtastrate auswählt, könnten die
Doppelzeilen (206, 208, 210) verwendet werden.
Wenn der Scannerbediener eine niedrige Eingangsabastrate auswählt, könnten die
einzelnen Zeilen (200, 202, 204) verwendet
werden.
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Alle
Zeilen in 2 könnten eine eingeschränkte Bandbreite
von Wellenlängen
empfangen, wie z. B. Rot, Grün
und Blau, wie dargestellt ist. Wieder ist die Reihenfolge der Farben
lediglich ein Beispiel. Alternativ könnten eine einzelne Zeile und
eine Doppelzeile Weißlicht
empfangen und eine Farbe könnte
berechnet werden. Wenn z. B. die Zeilen Rot, Blau und Weiß empfangen,
könnte
Grün berechnet werden
als: Grün
= Weiß – (Rot +
Blau). Wenn eine einzelne Zeile und eine Doppelzeile weiß sind,
könnten
Kombinationen von Größen für eine Scanvorgang
verwendet werden, wie für 1 erläutert ist. Zusätzlich könnten, wenn
eine einzelne Zeile und eine Doppelzeile weiß sind, Schwarz-und-Weiß-Scanvorgänge (z.
B. Text oder Zeichnung) unter Verwendung nur eines Weiß-Kanals,
der allgemein schneller ist, durchgeführt werden. Dies bedeutet,
dass unter einem Verglich eines Weiß-Kanals mit hoher Auflösung (1, 106)
mit dem Farbkanal der gleichen Auflösung (2, 202) der
Weiß-Kanal ungefiltertes
Licht mit höherer
Intensität
empfängt
und deshalb schneller ist (siehe z. B. U.S.-Patent Nr. 5,773,814).
Schließlich
erfordern große
Sensoren weniger Belichtungszeit als kleine Sensoren, so dass die
Zeile großer
Sensoren allein für schnellere
Scanvorgänge
verwendet werden könnte.
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Das
Ausführungsbeispiel
aus 2 liefert abhängig
von den Bedürfnissen
des Scannerbedieners eine hohe Auflösung für alle Farben oder ein hohes
Signal-zu-Rauschen für
alle Farben. Das Ausführungsbeispiel
aus 2 könnte
mehr Verstärker benötigen (sechs
Verstärker
für 2 gegenüber vier
Verstärkern
für 1).
Signale könnten
jedoch gemultiplext werden, so dass z. B. in 2 die Zeile 200 einen
Verstärker
gemeinschaftlich mit der Zeile 206 verwenden könnte, die
Zeile 202 einen Verstärker
gemeinschaftlich mit der Zeile 208 verwenden könnte und
die Zeile 214 einen Verstärker gemeinschaftlich mit der
Zeile 210 verwenden könnte,
was nur drei Verstärker
und drei Multiplexer erforderlich macht. Für einige Anwendungen könnte das
Ausführungsbeispiel
aus 1 eine geeignete Eingangsabtastrate und ein geeignetes
Signal-zu-Rauschen mit etwas niedrigeren Kosten als bei dem Ausführungsbeispiel
aus 2 liefern. Wenn das Ausführungsbeispiel aus 1 einen
Weiß-Kanal
mit hoher Auflösung
aufweist, wie dargestellt ist, und wenn das Ausführungsbeispiel aus 2 alle
Farbkanäle
aufweist, wie dargestellt ist, weist das Ausführungsbeispiel aus 1 auch
den Vorteil schnellerer Schwarz-und-Weiß-Scanvorgänge auf, wie oben erläutert wurde.
Beide Ausführungsbeispiele
liefern entweder eine höhere
Eingangsabtastrate oder ein höheres
Signal-zu-Rauschen relativ zu einem Sensorarray, das nur Sensorflächen einer
Größe aufweist.
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Die
Photosensorarrays, die in den 1 und 2 dargestellt
sind, könnten
z. B. CCDs, CMOS-Sensoren, Photodioden, Solarzellen oder andere
Sensoren aufweisen, die geeignet zum Umwandeln einer Lichtintensität in ein
elektrisches Signals sind. Die Photosensorarrays, die in den 1 und 2 dargestellt
sind, könnten
alternativ Kontaktbilderzeugungssensoren (CIS) aufweisen, die auch CCDs
oder CMOS oder andere Technologien verwenden könnten. Es wird angemerkt, dass
CIS-Module üblicherweise
keine Filter oder Strahlteiler verwenden, sonder stattdessen eine
einzelne Sensorzeile verwenden und nachfolgend die Zeile mit Lichtquellen
unterschiedlicher Farben beleuchten, wie z. B. Rot-, Grün- und Blau-Leuchtdioden
(-LEDs). Deshalb könnte
für CIS-Module
die Konfiguration eine einzelne Zeile, die relativ große Sensorflächen aufweist,
und eine einzelne Zeile, die relativ kleine Sensorflächen aufweist,
ohne Farbfilterung bei beiden Zeilen aufweisen. Beide Zeilen könnten gleichzeitig verwendet
werden, unter Verwendung der kleinen Sensoren für eine hohe Eingangsabtastrate,
einen Leuchtdichtekanal mit hohem Rauschen und der größeren Sensoren
für eine
niedrige Eingangsabtastrate, eine Farbe mit niedrigem Rauschen.
Es könnte auch
eine Zeile verwendet werden. Dies bedeutet, dass die Zeile mit relativ
kleinen Sensorflächen
für hohe
systemspezifische Eingangsabtastraten verwendet werden könnte oder
die Zeile mit relativ großen
Sensorflächen
für eine
hohe Farbgenauigkeit verwendet werden könnte. Alternativ könnte die
Zeile mit großen
Sensoren alleine für
ein schnelleres Scannen verwendet werden.
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Die
vorangegangene Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu
Zwecken einer Darstellung und Beschreibung vorgelegt. Sie soll nicht erschöpfend sein
oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form einschränken und
andere Modifizierungen und Variationen könnten angesichts der obigen
Lehren möglich
sein. Das Ausführungsbeispiel wurde
ausgewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische
Anwendung am besten zu erklären,
um es dadurch anderen Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und verschiedenen
Modifizierungen am besten einzusetzen, wie diese für die bestimmte
betrachtete Verwendung geeignet sind.