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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Bilderfassungsvorrichtungen und insbesondere auf das Verbessern des Dynamikbereichs in CMOS-Bildsensoren.
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Bildsensoren wandeln optisches Licht in ein elektrisches Signal um. Bildsensoren sind aus einem Array von Pixeln gebildet, von denen jedes Licht, das von einer Lichtquelle empfangen wird, in ein elektrisches Signal umwandelt. Herkömmliche Bildsensoren werden hauptsächlich in Digitalkameras verwendet und können in eine von zwei Kategorien fallen: CCD- Bildsensoren (CCD = charge coupled device = ladungsgekoppeltes Bauelement) und CMOS-Bildsensoren (CMOS = complementary metal oxide semiconductor = Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter). Viele Anwendungen für Bildsensoren erfordern einen höheren Dynamikbereich (d.h. eine höhere Differenzierung der Luminanz) als mit herkömmlichen CMOS-Bildsensoren erreicht werden kann. Somit sind Verbesserungen des Dynamikbereichs von Bildsensoren gewünscht.
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Aus
US 7 554 588 B2 ist eine Methode zur Aufnahme eines Bildes bekannt, bei der unterschiedliche Belichtungszeiten für Reihen von Pixeln angewendet werden können.
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WO 2009/014 598 A1 zeigt ein Bilderfassungsverfahren, bei dem eine Rollverschluss-Operation unter Nutzung von gemeinschaftlich verwendeten Floating-Diffusionen angewandt wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen von Bildern mit einer Bilderfassungsvorrichtung sowie eine Bilderfassungsvorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Bilderfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 6.
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Die Erfindung ist am besten verständlich von der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen haben. Wenn eine Mehrzahl ähnlicher Elemente vorliegt, kann ein einzelnes Bezugszeichen der Mehrzahl von ähnlichen Elementen zugewiesen werden, wobei eine Kleinbuchstabenbezeichnung spezifische Elemente bezeichnet. Wenn die Elemente zusammen oder ein oder mehrere nicht-spezifische der Elemente bezeichnet werden, kann die Kleinbuchstabenbezeichnung weggelassen werden. Gemäß üblicher Praxis sind die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen nicht maßstabsgerecht gezeigt, es sei denn, es ist anderweitig angezeigt. Im Gegenteil, die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können für Klarheitszwecke ausgedehnt oder reduziert werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Diagramm einer beispielhaften Bilderfassungsvorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Zeitdiagramm, das eine beispielhafte Bilderfassungsoperation gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung darstellt; und
- 3 ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Erfassen von Bildern gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung, die hierin beschrieben werden, können für eine Vielzahl elektronischer Geräte genutzt werden, einschließlich beispielsweise Digitalkameras. Die offenbarten Vorrichtungen und Verfahren erreichen Verbesserungen bei dem Dynamikbereich von Bildsensoren.
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Der Dynamikbereich eines Bildsensors hängt von dem Verhältnis der längsten zu der kürzesten Integrationszeit (oder Belichtungszeit) der Pixel des Bildsensors ab. Typischerweise ist die längste Integrationszeit eines Bildsensors begrenzt durch die Anzahl von Zeilen, die in einem Rahmen verfügbar sind, und die kürzeste Integrationszeit ist begrenzt durch die Dauer einer Zeilenzeitperiode. Wie hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Zeilenzeitperiode“ auf die Verschlussgeschwindigkeit der Bilderfassungsvorrichtung (d.h. 1/60 einer Sekunde) geteilt durch die Anzahl von Zeilen eines Bildsensors, die in dem Rahmen belichtet werden. Aspekte der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf die Implementierung von Bildsensoren mit variablen Integrationszeiten, die kürzer sein können als die Zeilenzeitperiode. Die offenbarten Vorrichtungen und Verfahren können verwendet werden durch Bildsensoren mit gemeinschaftlich verwendeten und nicht gemeinschaftlich verwendeten Pixelarrays, wie es hierin beschrieben wird.
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Die hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsbeispiele sind besonders geeignet für die Verwendung in Verbindung mit Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter- (CMOS-) Bildsensoren. Herkömmlicherweise führen CMOS-Bildsensoren eine „Rollverschluss“- Operation durch während der Belichtung der Pixel durch eine Lichtquelle. Bei einer Rollverschlussoperation werden nicht alle Zeilen von Pixeln in einem Bildsensor gleichzeitig belichtet. Stattdessen werden die Zeilen von Pixeln in dem Bildsensor hintereinander oder auf einer Zeile-um-Zeile-Basis belichtet, durch Bewegen der Verschlussoperation über den Bildsensor. Obwohl die beispielhaften Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hierin im Zusammenhang von CMOS-Bildsensoren beschrieben werden, ist es für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet klar, dass die Erfindung nicht darauf begrenzt ist.
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Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt 1 eine beispielhafte Bilderfassungsvorrichtung 100 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung dar. Die Bilderfassungsvorrichtung 100 kann ein Elektronikgerät sein, wie zum Beispiel eine Digitalkamera. Als eine allgemeine Übersicht umfasst die Bilderfassungsvorrichtung 100 einen Bildsensor 120 und eine Steuerung 140. Zusätzliche Einzelheiten der Bilderfassungsvorrichtung 100 sind nachfolgend beschrieben.
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Der Bildsensor 120 umfasst eine Mehrzahl von Zeilen von Pixeln 122. Pixel 122 wandeln Licht, das durch den Bildsensor 120 empfangen wird, in ein elektrisches Signal um. Jedes Pixel 122 umfasst einen Photodetektor, eine Floating-Diffusion-Region, einen Transfer- bzw.- Übertragungstransistor, einen Rücksetztransistor und einen Zeilenauswahltransistor (jeder der Transistoren hat ein entsprechend bezeichnetes Gate). Der Photodetektor kann beispielsweise eine gepinnte bzw. festgelegte Halbleiter p-n-Übergangsdiode (d.h. eine Photodiode) aufweisen. Kurz gesagt, ein p-n-Übergang wird häufig für die Erfassung von Lichtsignalen verwendet. Der p-n-Übergang ist typischerweise in Sperrrichtung gepolt, was eine Verarmungsregion erzeugt in einem Volumen, das den p-n-Übergang umgibt. Daher verursacht Licht, das den p-n-Übergang beleuchtet, dass Elektronen in dem Valenzband des Halbleitermaterials in das Leiterband übergehen, wodurch Loch-Elektronen-Paare in der Verarmungsregion erzeugt werden, die in entgegengesetzten Richtungen aus der Verarmungsregion gefegt werden. Eine Änderung beim Übergangspotential aufgrund des Zusammenfalls der Verarmungsregion wird erfasst als das Signal, das die Intensität des Lichts anzeigt, das durch die Pixel 122 absorbiert wird. Die weitere Operation der Pixel 122 wird hierin nachfolgend näher erörtert.
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Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Bildsensor 120 ein Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter- (CMOS-) Bildsensor. Die Herstellung eines solchen Bildsensors 120 ist für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet von der Beschreibung hierin klar.
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Die Steuerung 140 steuert die Belichtung des Bildsensors 120. Insbesondere ist die Steuerung 140 programmiert, um eine Verschlussoperation für jede Zeile von Pixeln in dem Bildsensor durchzuführen. Die Steuerung 140 kann beispielsweise eine Rollverschlussoperation durchführen, wie es oben beschrieben ist. Zusätzlich ist die Steuerung 140 programmiert, um jede Zeile von Pixeln nach der Durchführung der Verschlussoperation abzutasten. Insbesondere ist die Steuerung 140 programmiert, um nach einer vorbestimmten Dauer im Anschluss an die Durchführung der Verschlussoperation jede Zeile abzutasten. Bei herkömmlichen Bilderfassungsvorrichtungen tritt ein solches Abtasten auf, nachdem ein oder mehrere Zeilenzeitperioden seit der Verschlussoperation verstrichen sind. Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung tastet die Steuerung 140 jede Zeile nach einer vorbestimmten Dauer ab, die sich von der Zeilenzeitperiode der Bilderfassungsvorrichtung 100 unterscheidet, und insbesondere die sich von jedem ganzzahligen Mehrfachen der Zeilenzeitperiode der Bilderfassungsvorrichtung 100 unterscheidet. Der weitere Betrieb der Steuerung 140 in der Bilderfassungsvorrichtung 100 wird nachfolgend beschrieben.
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Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel besteht die Steuerung 140 aus einem Mikroprozessor. Der Mikroprozessor kann herkömmliche elektronische Logikkomponenten verwenden, um die hierin beschriebenen beispielhaften Operationen durchzuführen. Eine geeignete Steuerung 140 für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung wird durch einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet von der Beschreibung hierin verständlich.
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Der Betrieb der Bilderfassungsvorrichtung 100 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Bei einer beispielhaften Operation oder einem beispielhaften Betrieb empfängt die Bilderfassungsvorrichtung 100 ein Signal, um ein Bild mit dem Bildsensor 120 zu erhalten. Die Bilderfassungsvorrichtung 100 empfängt solch ein Signal beispielsweise von einem Nutzer, oder ein solches Signal kann automatisch erzeugt werden. Auf das Empfangen des Signals hin setzt die Steuerung 140 der Bilderfassungsvorrichtung 100 jede Zeile von Pixeln 122 in dem Bildsensor 120 gegenüber einer Lichtquelle aus (d.h. der Szene, die abzubilden ist).
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Um eine Zeile von Pixeln 122 zu belichten, ist die Steuerung 140 programmiert, um eine Verschlussoperation für die Zeile durchzuführen. Die Verschlussoperation kann eine Rollverschlussoperation über jede der Zeilen von Pixeln in dem Bildsensor 120 sein. Bei einem beispielhaften Betrieb führt die Steuerung die Verschlussoperation durch durch Ein- und Ausschalten des Rücksetz-Gates und des Transfer-Gates für jedes Pixel 122 in der Zeile, um die Pixel zurückzusetzen. Die Integrations- (oder Belichtungs-) Zeit für jedes Pixel 122 beginnt, nachdem die Verschlussoperation durchgeführt wurde. Während dieser Integrationszeit empfangen die Photodetektoren jedes Pixels 122 Photonen von der Lichtquelle. Dieser Empfang von Photonen erzeugt eine Ladung in dem Photodetektor, wie es oben beschrieben ist.
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Nach einer vorbestimmten Dauer (entsprechend einer gewünschten Integrationszeit) wird die Steuerung 140 programmiert, um die Zeile von Pixeln 122 abzutasten. Die Steuerung 140 tastet jede Zeile von Pixeln nach der gleichen vorbestimmten Dauer im Anschluss an die Durchführung der Verschlussoperation für diese Zeile ab. Die vorbestimmte Dauer kann geringer sein als eine Zeilenzeitperiode oder kann länger bzw. größer sein als eine Zeilenzeitperiode. Das Verwenden einer Integrationszeit, die geringer ist als eine Zeilenzeitperiode des Bildsensors, erhöht das Verhältnis zwischen längster und kürzester Integrationszeit und verbessert dadurch wünschenswerterweise den Dynamikbereich des Bildsensors 120.
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Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weist jedes Pixel 122 eine nicht gemeinschaftlich verwendete Floating-Diffusion auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel tastet die Steuerung 140 jedes Pixel 122 ab durch Einschalten des Transfer-Gates für jedes Pixel 122 in der Zeile. Das Einschalten des Transfer-Gates überträgt die Ladung, die in dem Photodetektor während der Belichtung erzeugt wird, zu der Floating-Diffusion. Sobald die Ladung zu der Floating-Diffusion übertragen wurde, kann die Steuerung 140 das Zeilenauswahl-Gate auswählen, um die Ladung von der Floating-Diffusion zu einer zugeordneten Spaltenleitung für das Pixel 122 zu übertragen. Der Photodetektor und die Floating-Diffusion können dann zurückgesetzt werden durch Einschalten des Rücksetz-Gates für das Pixel 122. Vor dieser Transferoperation kann die Floating-Diffusion zurückgesetzt und abgetastet werden als ein Teil einer korrelierten Doppelabtastoperation.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Mehrzahl von Zeilen von Pixeln 122 eine Mehrzahl von gemeinschaftlich verwendeten Floating-Diffusionen auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel tastet die Steuerung 140 jedes Pixel 122 ab durch sequenzielles Einschalten der Transfer-Gates für eine Zeile von Pixeln mit gemeinschaftlich verwendeten Floating-Diffusionen, Einschalten der Zeilenauswahl- und Transfer-Gates für die gemeinschaftlich verwendete Floating-Diffusion, und dann Einschalten des Rücksetz-Gates ist für die gemeinschaftlich verwendete Floating-Diffusion vor dem Einschalten der Transfer-Gates für die nächste Zeile von Pixeln mit den gemeinschaftlich verwendeten Floating-Diffusionen. Auf diese Weise kann die Ladung von jeder Zeile von Photodetektoren getrennt übertragen werden unter Verwendung der gemeinschaftlich verwendeten Floating-Diffusion.
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2 ist ein Zeitdiagramm 200, das die Beziehung zwischen den oben beschriebenen Verschluss- und Abtastoperationen über mehrere Zeilenzeitperioden der Bilderfassungsvorrichtung 100 darstellt. Mehrere Zeilenzeitperioden 202 sind in 2 dargestellt. Während jeder Zeilenzeitperiode 202 führt die Steuerung 140 eine Verschlussoperation durch (wie oben beschrieben), gezeigt als Blöcke 204. Außerdem führt die Steuerung 140 während jeder Zeilenzeitperiode 202 eine Abtastoperation (wie oben beschrieben) durch, gezeigt als Blöcke 206.
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Wie es in 2 gezeigt ist, ist die vorbestimmte Dauer (oder Integrationszeit) zwischen jeder Verschlussoperation und der folgenden Abtastoperation geringer als die Zeilenzeitperiode 202 der Bilderfassungsvorrichtung 100. Für die Verschlussoperation 204a ist die Länge der Integrationszeit durch die Linie 208 dargestellt. Für die Verschlussoperation 204b ist die Länge der Integrationszeit durch die Linie 210 dargestellt. Für die Verschlussoperation 204c ist die Länge der Integrationszeit durch die Linie 212 dargestellt. Es ist anzumerken, dass keine der Integrationszeiten 208, 210, 212 in der Dauer gleich ist zu der Zeilenzeitperiode 202 oder einem ganzzahligen Mehrfachen der Zeilenzeitperiode.
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Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Bilderfassungsvorrichtung 100 konfiguriert sein, um eine Verschlussoperation zu unterschiedlichen Zeiten während jeder Zeilenzeitperiode 202 durchzuführen. Unterschiedliche Betriebsweisen 214 sind in 2 gezeigt. Wenn die Bilderfassungsvorrichtung 100 in einer ersten Betriebsweise 214a arbeitet, sendet die Steuerung 140 Signale an den Bildsensor 120, um Verschlussoperationen 204a während der Belichtung durchzuführen; in einer zweiten Betriebsweise 214b sendet die Steuerung 140 Signale an den Bildsensor 120, um Verschlussoperationen 204b während der Belichtung durchzuführen; und in einer dritten Betriebsweise 214c sendet die Steuerung 140 Signale an den Bildsensor 120, um Verschlussoperationen 204c während der Belichtung durchzuführen.
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Obwohl in 2 Integrationszeiten gezeigt sind, die kürzer als eine Zeilenzeitperiode sind, ist klar, dass die Erfindung nicht darauf begrenzt ist. Um die Integrationszeit über eine Zeilenzeitperiode hinaus zu erweitern (wie es durch die Linien 216 und 218 dargestellt ist), kann die Steuerung 140 programmiert werden, um das Adressieren der Zeile von Pixeln zu verzögern, für die eine Verschluss- oder Abschlussoperation durchgeführt werden muss. Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Integrationszeit für die Linie 218 gleich einer Zeilenzeitperiode plus der Integrationszeit für die Linie 210 sein. Falls gewünscht, kann die Verzögerung auf mehrere Zeilen erweitert werden.
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Erfassen von Bildem mit einer Bilderfassungsvorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Bilderfassungsvorrichtung kann ein elektronisches Gerät sein, wie zum Beispiel eine Digitalkamera. Als eine allgemeine Übersicht umfasst das Verfahren 300 das Durchführen einer Verschlussoperation für eine Zeile von Pixeln und das Abtasten der Zeile von Pixeln. Zusätzliche Einzelheiten des Verfahrens 300 sind hierin beschrieben mit Bezugnahme auf die Komponenten der Bilderfassungsvorrichtung 100.
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Bei Schritt 310 wird eine Verschlussoperation für eine Zeile von Pixeln durchgeführt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel führt die Steuerung 140 eine Verschlussoperation für eine Zeile von Pixeln 122 in dem Bildsensor 120 durch. Die Verschlussoperation kann eine Rollverschlussoperation sein über jede der Zeilen von Pixeln 122, wie es oben beschrieben ist.
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Bei Schritt 320 wird die Zeile von Pixeln abgetastet nach einer vorbestimmten Dauer im Anschluss an die Durchführung der Verschlussoperation. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel tastet die Steuerung 140 die Zeile von Pixeln ab nach einer vorbestimmten Dauer im Anschluss an die Verschlussoperation. Die vorbestimmte Dauer unterscheidet sich von der Zeilenzeitperiode der Bilderfassungsvorrichtung 100 und unterscheidet sich insbesondere von jedem Mehrfachen der Zeilenzeitperiode der Bilderfassungsvorrichtung 100.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Verbessern des Dynamikbereichs in Bildsensoren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Bildem mit einer Bilderfassungsvorrichtung offenbart. Die Bilderfassungsvorrichtung weist einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Zeilen von Pixeln auf. Das Verfahren weist das Durchführen einer Verschlussoperation für eine der Mehrzahl von Zeilen von Pixeln auf, und das Abtasten der einen der Mehrzahl von Zeilen nach einer vorbestimmten Dauer im Anschluss an die Durchführung der Verschlussoperation. Die vorbestimmte Dauer unterscheidet sich von einem Mehrfachen einer Zeilenzeitperiode der Bilderfassungsvorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Bilderfassungsvorrichtung offenbart. Die Bilderfassungsvorrichtung weist einen Bildsensor auf mit einer Mehrzahl von Zeilen von Pixeln, und eine Steuerung zum Steuern der Belichtung von jeder Zeile von Pixeln. Die Steuerung ist programmiert, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Obwohl die Erfindung hierin dargestellt und beschrieben ist mit Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nicht durch die gezeigten Einzelheiten begrenzt sein. Stattdessen können verschiedene Modifikationen an den Einzelheiten durchgeführt werden innerhalb des Schutzbereichs und Umfangs von Äquivalenten der Ansprüche und ohne von der Erfindung abzuweichen.
