CN100456811C - 具有宽动态范围的图像感应装置和使用其的图像拾取设备 - Google Patents

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Abstract

一种通过使用光学限制器具有宽动态范围的图像感应装置，和使用其的图像拾取设备。所述图像感应装置包括：光学限制器，在强度大于阈值强度时，将输入图像转换为非线性图像；和图像传感器，将非线性输入图像转换为电信号。通过将能够输出相对于光的强度的非线性图像的光学限制器形成于所述图像传感器的图像拾取表面，可在不使用分立装置的情况下扩展所述图像感应装置的动态范围。

Description

具有宽动态范围的图像感应装置和使用其的图像拾取设备
技术领域
本发明涉及一种使用非线性光学限制器的具有宽动态范围的图像感应装置，和使用其的图像拾取设备。
背景技术
动态范围是确定图像传感器的性能的因素之一，它指示可变量最小和最大可能值之间的比(例如，将被处理为图像的光学信号的强度范围)。具体地讲，图像感应装置的动态范围(DR)被定义为像素的饱和电平(即，有效的最大可测信号电平)相对于噪声电平的比。这显示在等式1中。
[等式1]
Figure C20051013245900041
其中‘D’表示图像传感器的动态范围；‘噪声电平’指像素的噪声电平；‘饱和电平’指像素的饱和电平。
例如，如果饱和时图像传感器感应到大约200,000个电子，而在噪声存在时感应到大约40个电子，那么图像传感器的动态范围大约是5,000，dB大约为75dB。
同时，如果暗区和亮区在屏幕上是混合的，则通常通过调节输入光的曝光时间来区分每个区。然而，由于调节曝光时间并不足以区分所有的区域，所以有必要扩展图像传感器的动态范围。
有几个扩展图像传感器的动态范围的示例，其包括输出饱和时间、按像素区分曝光时间、以及输出信号电荷的增长率。
在相关领域中，输出饱和时间的方法涉及输出曝光时间，而不涉及读取像素的电荷或电压。更具体地讲，使用比较电路而非A/D转换器(模数转换器)通过计数器输出到达时间或到达前刻的时间，所述到达时间是表示光接收元件的输出信号准时到达用于指定图像传感器的光电二极管的电位势的阈值电压的时间。换句话说，比较器电路，而非A/D转换器，检查输出信号到达阈值电压的时间，并对存储的电荷的离散值进行数字转换。这些处理仅通过比较器电路来实现。
另一方面，按像素区分曝光时间的方法已经被广泛地用于以下面所述的方式来保持信号电平并实现宽动态范围，即对于高强度的光照射的像素缩短曝光时间，而对于弱强度的光照射的像素(例如，暗视频信号)延长曝光时间。尽管这些优点，但是因为本方法需要基于像素调节曝光时间的附加电路，所以它不是优选的。
发明内容
本发明提供了一种具有宽动态范围的图像感应装置和使用其的图像拾取设备，所述图像感应装置能够通过光学限制器使输入到图像传感器的图像相对于光的强度为非线性。
根据本发明的一方面，还提供了一种图像感应装置，包括：光学限制器(optical limiter)，在强度大于阈值强度时，将输入图像转换为非线性图像；和图像传感器，将非线性输入图像转换为电信号。
所述图像传感器包括：微透镜，聚集输入光；滤色镜，在从微透镜输入的信号中提取特定的颜色信号；和基底，将提取的颜色信号转换为电信号。
所述光学限制器形成于距所述图像传感器的图像拾取表面阈值距离处。
在另一示例性实施例中，所述光学限制器被置于所述图像传感器的图像拾取表面的上部。
所述图像传感器是CCD(电荷耦合装置)或CMOS(互补金属氧化物半导体)。
在示例性实施例中，所述阈值强度小于在不用光学限制器的情况下图像传感器的饱和输出强度。
本发明的另一方面提供了一种使用具有宽动态范围的图像感应装置的图像拾取设备，所述设备包括：光学限制器，在强度大于阈值强度时，将输入图像转换为非线性图像并将其输出；图像传感器，对光学限制器输出的图像进行光电转换；转换器，将来自图像传感器的图像转换为数字信号并将其输出；和信号处理器，执行为显示从转换器输入的图像所需的信号处理。
所述图像传感器包括：微透镜，聚集输入光；滤色镜，在从微透镜输入的信号中提取特定的颜色信号；和基底，将提取的颜色信号转换为电信号。
所述光学限制器形成于距所述图像传感器的图像拾取表面阈值距离处。
在另一示例性实施例中，所述光学限制器被置于所述图像传感器的图像拾取表面的上部。
所述图像传感器是CCD(电荷耦合装置)或CMOS(互补金属氧化物半导体)。
在示例性实施例中，所述阈值强度小于在不使用光学限制器的情况下图像传感器的饱和输出强度。
附图说明
通过参照附图对某些示例性实施例进行的描述，本发明的上述和/或其他方面将会变得更清楚，其中：
图1表示根据示例性实施例的具有宽动态范围的图像感应装置；
图2A和图2B分别表示根据另一示例性实施例的具有宽动态范围的图像感应装置；
图3是根据示例性实施例的使用具有宽动态范围的图像感应装置的图像拾取设备的示意性的方框图；和
图4是解释也根据另一示例性实施例的图像感应装置的动态范围的扩展的示图。
具体实施方式
以下将参照附图在此描述示例性实施例。
图1是根据本发明示例性实施例的具有宽动态范围的图像感应装置。具有宽动态范围的图像感应装置100包括光学限制器20和图像传感器30。
光学限制器20将通过透镜10传输的输入图像转换为相对于光的强度的非线性图像，并将转换的图像输出到图像传感器30。光学限制器20在距图像传感器30的图像拾取表面阈值距离处被安装。如图1中所能看到的，所述阈值距离是对于已经通过透镜10传输的每一输入图像经过光学限制器20被输入到图像传感器30的距离。如果光学限制器20被安装在距图像传感器30的图像拾取表面超过阈值距离处，则通过光学限制器20的部分图像被散射，并没被输入到图像传感器30，导致图像的损失。
因为光学限制器20输出相对于光的强度的非线性图像，所以图像传感器30(从光学限制器20输出的图像输入的地方)也输出非线性图像。换句话说，光学限制器20给图像传感器30相对于强度的非线性的特性，以便具有比阈值强度大的强度的图像可被输出为具有充分相同的亮度的清晰的图像。以这种方式可充分防止分辨率的退化。总之，光学限制器20对于输出亮度的饱和度扩展输入强度的范围。
一从光学限制器20接收非线性图像，图像传感器30就将输入的图像转换为电信号。所述图像传感器30包括微透镜、滤色镜和基底(substrate)。
微透镜以这样的方式改善光学效率，即通过将用于接收被输入到非像素化的区域中的光学信号的输入光聚集为像素。滤色镜在从微透镜输入的很多信号之中提取特定的颜色信号。最后，基底由光电二极管和传送电极(transferelectrode)形成，用于将从滤色镜输入的信号光电转换为电信号，并将该信号传送到外面。
图像传感器30的示例包括：CCD(电荷耦合装置)图像传感器，用于将输入光产生的电子传送到使用门脉冲的输出单元；和CMOS图像传感器，用于将输入光产生的电子转换为每个像素内的电压并通过多个CMOS(互补金属氧化物半导体)开关输出该电压。
而且，图像传感器30基于光的强度累积电荷并输出与累积的电荷的量相应的电压，从而确定图像的亮度。然而，由于图像传感器30不能按照比阈值强度高的强度累积电荷，所以对于那些高于阈值强度的强度给予图像相同的亮度。
图2A和图2B分别表示根据本发明另一示例性实施例的具有宽动态范围的图像感应装置100。在本实施例中，图像感应装置100不同于图1，因为光限制器被置于图像传感器30的图像拾取表面上。
参照图2A和图2B，图像感应装置10包括图像传感器30和在图像传感器30的表面形成的光学限制器20。图像传感器30包括微透镜31、滤色镜33和基底35。
图2A和图2B是透视图和剖面图，其中，在图像感应装置100的图像拾取表面的上部没有玻璃。然而，玻璃能可选地形成在光学限制器20的上部，从而光学限制器20被形成于图像传感器30和玻璃之间。在这种情况下，玻璃以像素为单位而被形成以增加图像感应装置100的光学效率。
图像传感器30的微透镜31、滤色镜33和基底35的功能与图1中所示的那些部件的功能实质相同。更具体地讲，微透镜31通过将用于接收被输入到非像素化的区域中的光学信号的输入光聚集为像素来改善光学效率。滤色镜33在从微透镜输入的很多信号之中提取特定的颜色信号。最后，基底由光电二极管和传送电极形成，用于将从滤色镜输入的信号光电转换为电信号，并将该信号传送到外面。
在上述实施例中，光学限制器20通过涂层形成于图像传感器30的微透镜31的上部。然而，本发明并不限于此。
图3是根据本发明示例性实施例的使用具有宽动态范围的图像感应装置的图像拾取设备的示意性方框图。
参照图3，图像拾取设备包括透镜10、光学限制器20、图像传感器30、转换器40和信号处理器50。这里，光学限制器20和图像传感器30构成图像感应装置100。
透镜10聚集输入光并将光输出到光学限制器20。
通过光学限制器20，从透镜10输入的图像随后被转换为相对于光的强度的非线性图像。结果，图像传感器30输出显示对于光的强度的非线性特性的值，其中，图像从光学限制器20被输入到所述图像传感器。
光学限制器20形成于图像传感器30的图像拾取表面的上部。更具体地讲，光学限制器20或者被置于图像传感器30的图像拾取表面上或者形成在距图形传感器30的图像拾取表面阈值距离处。所述阈值距离是对于已经通过透镜10传输的每一输入图像经过光学限制器20被输入到图像传感器30的距离。如果光学限制器20被安装在距图像传感器30的图像拾取表面超过阈值距离处，则通过光学限制器20的部分图像被散射，并没被输入到图像传感器30，导致图像的损失。
图像传感器30将从光学限制器20输入的图像转换为电信号。更具体地讲，图像传感器30将与输入到图像传感器30的光的强度成比例而产生的信号电荷感应为模拟电压。由于图像传感器30具有线性的特性，所以输入到图像传感器30的图像作为相对于输入光的强度的非线性图像被输出到转换器40。
从图像传感器30输出的值具有相对于比阈值强度高的强度的非线性特性。换句话说，与光学限制器20没有形成在图像传感器30的图像拾取表面的上部的情况相似，如果输入光的强度低于阈值强度，则图像传感器30的输出值具有相对于输入光强度的线性特性。这时，当光学限制器20没有形成于图像传感器30的图像拾取表面的上部时，阈值强度低于具有饱和输出值的输入强度。
当光学限制器不被使用时，图像传感器30的输出值具有非线性特性，其起始强度低于具有饱和输出值的输入强度。从而，使用光学限制器20时的具有饱和输出值的输入强度大于如果不使用光学限制器20时的具有饱和输出值的输入强度。
参照图1和图2A到图2C如上所讨论的，图像传感器30包括微透镜31、滤色镜33和基底35。
转换器40将从图像传感器30输入的电信号转换成数字信号。即，转换器40是A/转换器(模/数转换器)。
信号处理器50执行用于显示从转换器输入的图像所需的信号处理。
图4用图形来解释根据示例性实施例的图像感应装置100的动态范围的扩展。在图4中，X轴表示输入到图像感应装置100光的强度(即，输入强度)，Y轴表示图像传感器30的输出值。另外，曲线“I”显示当不使用光限制器20时的图像传感器30的输出值，而曲线“II”显示当使用光学限制器20时的图像传感器30的输出值。
在本曲线图中，Isat是图像传感器30的饱和输出值；ICCD是当不使用光学限制器20时具有饱和输出值的强度之中的最小强度；IOL是当使用光学限制器20时具有饱和输出值的强度之中的最小强度值。
区间A表示反映在曲线II上的图像传感器30的输出值具有线性特性；区间B表示反映在曲线II上的图像传感器30的输出值具有非线性特性。区间D显示了当使用光学限制器20时的图像传感器30的非线性输出值。在这种情况下，图像传感器30的动态范围扩展。
详细地，在不使用光学限制器20的曲线I的情况下，图像传感器30的输出值是线性的，直到到达具有饱和输出值的强度ICCD；但是当强度大于ICCD时，输出值保持常数(即，相同的饱和输出值)。
另一方面，在使用光学限制器20的曲线II的情况下，图像传感器30的输出值相对于强度是非线性的。这种非线性特性在阈值强度之后显示。更具体地讲，低于阈值强度时，即在区间A，图像传感器30的输出值是线性的，并充分相似于当光学限制器20没有形成于图像传感器30的图像拾取表面的上部时获得的值。
然而，超过阈值强度时，即在区间B，与当光学限制器20没有形成于图像传感器30的图像拾取表面的上部时获得的值相比，图像传感器30的输出值是非线性的。在具有非线性输出值的区间，输出值相对于强度的增长率与线性输出值的增长率相比相对小。
因此，在使用光学限制器20时的曲线II上具有饱和输出值的强度IOL大于在不使用光学限制器20时的曲线I上具有饱和输出值的强度ICCD。然而，如果如在曲线II中使用光学限制器20，则在比ICCD高的强度处图像传感器30的输出值不必要等于ICCD的输出值，而是小于ICCD的输出值。
因此，图像传感器30的输出值从强度ICCD(即，当不使用光学限制器20时的情况下的饱和输出值的强度)非线性地增长。另外，在强度IOL(即，当使用光学限制器20时的情况下的饱和输出值的强度)的输出值变得与饱和强度ICCD(即，当不使用光学限制器20时的情况下的饱和输出值的强度，请参照曲线I)的输出值相等。图像传感器30的输出值可从下面的等式获得。
[等式2]
fCCD(ICCD)＝fCCD(IOL)＝Isat
[等式3]
fOL-CCD(ICCD)＜fOL-CCD(IOL)＝Isat
其中，等式2中的fCCD指示当不使用光学限制器20时的输出特性，等式3中的fOL-CCD指示当使用光学限制器20时的输出特性。
如等式2中所示，如果不使用光学限制器20，则在ICCD和IOL处输出值(即，饱和输出值)等于输出值Isat。然而，如等式3所示，如果使用光学限制器20，则在ICCD处的输出值(即，不使用光学限制器时的饱和输出值)小于在IOL处的输出值(即。使用光学限制器时的饱和输出值)。尽管在IOL处的输出值等于当不使用光学限制器20时在ICCD处的输出值，但是在ICCD处的输出值小于在IOL处的输出值，这意味着它还是不饱和的。
因此，通过在范围从强度ICCD(即，不使用光学限制器20时的饱和输出值)到强度IOL(即，使用光学限制器20时的饱和输出值)的区间D中使用光学限制器20，图像传感器30的输出值变得多样化。
通过使图像传感器30的输出值相对于区间D中的强度多样化，甚至在区间D中的强度处也可用不同亮度的水平显示图像。即，扩展了图像感应装置100的动态范围(即，指示可被使用的最小光学信号和最大光学信号之间的范围的指标(index))。
这时，非线性特性区间一定包括具有饱和输出值(即，不具有光学限制器20的图像感应装置100产生强度的饱和的值)的强度ICCD，在所述非线性区间中，输出值相对于输入强度的改变率下降。即，非线性特性应该从强度水平低于具有当不使用光学限制器20时的饱和输出值ICCD的强度水平出现。这是因为，如果使用光学限制器20，则只有当在显示非线性特性的区间B的起点处的强度小于ICCD时，ICCD的输出值才小于输出值Isat。如此，饱和发生在大于ICCD的IOL处，这导致图像感应装置的动态范围的扩展。
同时，图像感应装置100的动态范围的扩展比可通过下面的等式4获得。
[等式4]
DR = I OL - I CCD I OL
其中，DR是动态范围的扩展比，ICCD是当不使用光学限制器20时具有的饱和值的强度；IOL是当使用光学限制器20时具有的饱和值的强度。
因此，形成在图像传感器的图像拾取表面上的光学限制器输出相对于输入光的强度的非线性图像，从而扩展了图像感应装置的动态范围。
通过使用由相对于光的强度具有非线性特性的材料制成的光学限制器来扩展图像感应装置的动态范围，在不用分立装置的情况下更易于来扩展图像感应装置的动态范围。
上述实施例和优点只是示例性的，并不被解释为限制本发明。本教导可被容易地应用到其他类型的设备。另外，本发明的实施例的描述只用来说明而不限制权利要求的范围，很多替换物、修改和改变对本领域的那些技术人员是显而易见的。

Claims (12)

1、一种图像感应装置，包括：
光学限制器，在光的强度大于阈值强度时，将输入图像转换为非线性图像；和
图像传感器，将非线性输入图像转换为电信号。
2、如权利要求1所述的装置，其中，所述图像传感器包括：
微透镜，聚集输入光；
滤色镜，在从微透镜输入的多个信号中提取颜色信号；和
基底，将提取的颜色信号转换为电信号。
3、如权利要求1所述的装置，其中，所述光学限制器形成于距所述图像传感器的图像拾取表面阈值距离处。
4、如权利要求1所述的装置，其中，所述光学限制器被置于所述图像传感器的图像拾取表面的上部。
5、如权利要求1所述的装置，其中，所述图像传感器是CCD和CMOS之一。
6、如权利要求1所述的装置，其中，所述阈值强度小于在不用光学限制器的情况下图像传感器的饱和输出强度。
7、一种使用图像感应装置的图像拾取设备，所述设备包括：
光学限制器，在光的强度大于阈值强度时，将输入图像转换为非线性图像并将其输出；
图像传感器，对光学限制器输出的图像进行光电转换；
转换器，将来自图像传感器的图像转换为数字信号并将其输出；和
信号处理器，执行信号处理以显示由转换器输出的输入图像。
8、如权利要求7所述的设备，其中，所述图像传感器包括：
微透镜，聚集输入光；
滤色镜，在从微透镜输入的多个信号中提取颜色信号；和
基底，将提取的颜色信号转换为电信号。
9、如权利要求7所述的设备，其中，所述光学限制器形成于距所述图像传感器的图像拾取表面阈值距离处。
10、如权利要求7所述的设备，其中，所述光学限制器被置于所述图像传感器的图像拾取表面的上部。
11、如权利要求7所述的设备，其中，所述图像传感器是CCD和CMOS之一。
12、如权利要求7所述的设备，其中，所述阈值强度小于在不用光学限制器的情况下图像传感器的饱和输出强度。
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