JP2008508804A

JP2008508804A - 拡張ダイナミック・レンジを有する撮像方法および装置

Info

Publication number: JP2008508804A
Application number: JP2007523804A
Authority: JP
Inventors: タワー，ジョン，ロバートソン; レヴァイン，ピーター，アラン
Original assignee: サーノフコーポレーション
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2008-03-21
Also published as: WO2006015114A2; WO2006015114A3; US20060022113A1; US7378634B2

Abstract

光を撮像する方法および装置が開示される。光を収集し、収集した光を電荷信号に変換し、電荷信号を増倍して、関連するレベルの利得を有する複数の電荷信号を生成し、電荷信号を電圧信号に変換し、収集した光を表す電圧信号のうちの１つまたは複数から出力信号を発生させることによって光が撮像される。電荷信号は、複数のタップに関連付けられた電子増倍装置を使用して増倍することができ、異なるレベルの利得を有する電荷信号が生成される。

Description

本発明は撮像システムに関し、より詳細には、画像装置のダイナミック・レンジを拡張することに関する。

本願は、参照により本明細書にその内容が組み込まれる２００４年７月２７日出願の米国仮出願第６０／５９１２８９号の特典を主張するものである。

画像装置は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）アレイなどの撮像デバイスを使用して、イメージから光電荷を収集する。典型的なＣＣＤアレイは、行および列に配列された感光性デバイスを組み込んで光電荷を収集する。感光性デバイスは、収集した光電荷を電荷に変換する。次いで、電荷が複数の感光性デバイスにわたって、例えば行または列ごとに蓄積され、イメージが取り込まれる。
米国特許第３９５３７３３号米国特許第６４７２６５３号米国特許出願第１１／０７０４１８号米国特許出願第５３３７３４０号

撮像デバイスは、その設計に応じた光電荷の範囲を処理することができる。撮像デバイスの表面に入射する光電荷がこの範囲外である場合、イメージに関連する細部が失われる。イメージ細部の損失を回避するために光電荷範囲が向上した画像装置が常に求められている。本発明はとりわけこの要望に対処する。

本発明は、光を撮像する方法および装置として実施される。光を収集し、収集した光を電荷信号に変換し、電荷信号を増倍して、関連するレベルの利得を有する複数の電荷信号を生成し、電荷信号を電圧信号に変換し、収集した光を表す電圧信号のうちの１つまたは複数から出力信号を発生させることによって光が撮像される。電荷信号は、複数のタップに関連付けられた電子増倍装置を使用して増倍することができ、異なるレベルの利得を有する電荷信号が生成される。

以下の詳細な説明を、同様の要素が同一の参照番号を有する添付の図面と共に読むときに、本発明を最良に理解することができる。複数の同様の要素が存在するとき、その複数の同様の要素に対して、特定の要素を指す小文字の指定と共に単一の参照番号を割り当てることがある。要素を集合的に参照するとき、または要素のうちの不特定の１つまたは複数を参照するとき、小文字指定を省略することがある。文字「ｎ」は不特定の番号の要素を表すことがある。このことは、一般的な慣例に従って、図面の様々な特徴が原寸に比例しないことを強調している。一方、様々な特徴の寸法は、図が見やすいように任意に拡大または縮小される。

図１に、光源１０４からの光１０２を撮像する例示的撮像装置１００を示す。光源１０４は、監視カメラからの光景、望遠鏡からのイメージ、またはスキャンした文書のイメージでよい。本明細書の説明から、例示的撮像装置１００で撮像することのできる光１０２を生成する他の適切な光源１０４を当業者は理解されよう。

画像装置１０１の光子変換器１０６は、光１０２を収集し、収集した光１０２を電荷に変換する。例示的実施形態では、光子変換器１０６は、光子変換器１０６の表面１０８に入射する光１０２の光子を電荷に変換する電荷結合デバイス（ＣＣＤ）である。光子変換器１０６は、単一ピクセル、ライン・アレイ、エリア・アレイ、スター型アレイ、または時間遅延積分（ＴＤＩ）アレイでよい。例示的スター型アレイは、ＬｅｖｉｎｅのＭＥＴＨＯＤＯＦＯＰＥＲＡＴＩＮＧＩＭＡＧＥＲＳという名称の米国特許第３９５３７３３号に記載されている。

例示的実施形態では、光子変換器１０６は、拡張ダイナミック・レンジ（ＸＤＲ）を有するＴＤＩ−ＣＣＤエリア・アレイである。適切なＸＤＲＴＤＩ−ＣＣＤエリア・アレイは、Ｌｅｖｉｎ等のＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＴＯＥＸＴＥＮＤＤＹＮＡＭＩＣＲＡＮＧＥＯＦＴＩＭＥＤＥＬＡＹＡＮＤＩＮＴＥＧＲＡＴＥＣＨＡＲＧＥＣＯＵＰＬＥＤＤＥＶＩＣＥＳという名称の米国特許第６４７２６５３号と、Ｌｅｖｉｎ等のＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹＩＭＡＧＥＲＭＥＴＨＯＤＳＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＨＡＶＩＮＧＥＸＴＥＮＤＥＤＤＹＮＡＭＩＣＲＡＮＧＥという名称の米国特許出願第１１／０７０４１８号に記載されている。

図２に、光子変換器１０６として使用される例示的ＴＤＩ−ＣＣＤエリア・アレイ２００の一部を示す。ＴＤＩ−ＣＣＤエリア・アレイ２００は複数の電荷結合デバイス（本明細書ではセルと呼ぶ）２０２を含む。図示する実施形態では、セル２０２は複数の垂直レジスタ（垂直レジスタ２０４ａ〜ｄとして表される）および水平レジスタ２０６として配列される。各垂直レジスタは複数のセル２０２（すなわち、図示する実施形態では６個）を含み水平レジスタは複数のセル２０２（すなわち、図示する実施形態では４個）を含む。図示する実施形態の垂直レジスタ２０４ａ〜ｄ内のセル２０２は、光子を電荷に変換し、電荷を水平レジスタ２０６のセル２０２に系統的に移送する感光性デバイスである。水平レジスタ２０６内のセル２０２は、垂直レジスタ２０４ａ〜ｄからの電荷を、光子変換器１０６の外の画像装置１０１（図１）の電子増倍装置１１０に系統的に移送する。例えば、電荷を各垂直レジスタ２０４の頂部から底部までセルごとに水平レジスタ２０６に移送し、水平レジスタ２０６の左側から右側に、水平レジスタ２０６の外に移送することができる。

図１に戻ると、電子増倍装置１１０は光子変換器１０６に結合され、光子変換器１０６によって供給された電荷を増倍する。電子増倍装置１１０は、関連する利得をそれぞれ有する１つまたは複数の電子増倍セグメント（電子増倍「ＥＭ」セグメント１１２ａ〜ｎで表される）を含む。さらに、１つまたは複数の電子増倍セグメント１１２のそれぞれは、１つまたは複数の電子増倍器（図示せず）を含む。本発明で使用するのに適した電子増倍器が、衝撃イオン化を用いて電荷を増倍するＨｙｎｅｃｅｋのＣＨＡＲＧＥＭＵＬＴＩＰＬＹＩＮＧＤＥＴＥＣＴＯＲ（ＣＭＤ）ＳＵＩＴＡＢＬＥＦＯＲＳＭＡＬＬＰＩＸＥＬＣＣＤＩＭＡＧＥＳＥＮＳＯＲＳという名称の米国特許第５３３７３４０号に記載されている。例示的実施形態では、各電子増倍セグメントは、電子増倍セグメントの利得を設定する、関連する増倍利得制御機構を有する。

図示する実施形態では、電子増倍セグメント１１２は直列に接続され、光子変換器１０６からの電荷を漸進的に増倍する。例えば、第１電子増倍セグメント１１２ａは第１レベルの利得だけ電荷を増倍し、第２電子増倍セグメント１１２ｂは第１電子増倍セグメント１１２ａで増倍された電荷を第２レベルの利得だけ増倍し、以下同様である。したがって、各電子増倍セグメント１１２の利得が１以上であると仮定すると、電子増倍装置１１０の入力端子（言い換えれば光子変換器１０６の出力端子）での電荷は最小量の利得（例えば単位利得）を有し、最終電子増倍セグメント１１２ｎで増倍された後の電荷は最大レベルの利得を有し、それらの間（例えば、複数の電子増倍セグメント１１２が存在する場合、電子増倍セグメント１１２の間）で任意選択の中間レベルの利得を有する。１つまたは複数の任意選択の横方向ブルーミング・ドレイン１１３を電子増倍セグメント１１２に沿って配置して、電荷の増倍中にある地点で電荷が電子増倍セグメント１１２内の電子増倍器の容量を超えた場合に、セグメントの１つからの過剰電荷がセグメントの別の１つに流れるのを防止する。

複数のタップが電子増倍装置１１０に関連付けられ、光子変換器１０６によって供給される電荷が様々なレベルの利得で生成される。例示的実施形態では、単位利得タップ１１４が電子増倍装置１１０の入力端子に結合される。単位利得タップ１１４は増倍なしで電荷を生成する。さらに、電子増倍タップ（電子増倍タップ１１６ａ〜ｎで表される）が各電子増倍セグメント１１２の出力端子に結合される。例えば、第１電子増倍タップ１１６ａが第１電子増倍セグメント１１２ａの出力端子に結合され、第２電子増倍タップ１１６ｂが第２電子増倍セグメント１１２ｂの出力端子に結合され、以下同様である。代替の例示的実施形態では、単位利得タップ１１４および電子増倍タップ１１６のうちの１つまたは複数を省略することができる。

単位利得タップ１１４は利得なしに電荷を供給するので、その出力信号は、画像装置１００の全ダイナミック・レンジをカバーする。各漸進的電子増倍タップ１１６は、電子利得が高く、読取り雑音が低く、ダイナミック・レンジが狭い電荷信号を供給する。本発明者等は、最終タップ１１６ｎの出力信号を使用して個々の電子（または光子）をカウントできることを発見した。

複数の電圧変換器（電圧変換器「ＶＣ」１１５ａ〜ｎで表される）がタップ１１４／１１６に結合され、タップ１１４／１１６の電荷信号が電圧信号に変換される。各電圧変換器１１５がタップ１１４／１１６にそれぞれ結合される。電圧変換器１１５は、電子増倍装置１１０の入力端子および各電子増倍セグメント１１２の出力端子に配置された非破壊読出し装置１１５でよい。例示的実施形態では、非破壊読出し装置は、電荷信号を減少させることなく電荷信号を電圧信号に変換する。非破壊読出し装置は浮遊ゲート増幅器でよい。本明細書の説明から、電荷信号を電圧信号に変換する他の適切な技法を当業者は理解されよう。

例示的実施形態では、最終電圧変換１１５ｎは浮動拡散電位計でよい。例示的実施形態では、浮動拡散電位計は、電子増倍装置１１０によって導入される利得が、選択された浮動拡散電位計に関連する雑音に勝るように選択される。

任意選択のセレクタ１１８は、電圧変換器１１５のうちの１つまたは複数からの電圧信号を選択し、収集した光１０２を表す出力信号を発生させる際に使用するために、選択した電圧信号をプロセッサ１２０に結合する。例示的実施形態では、電圧変換器１１５からの電圧信号は、出力信号を発生させる際に使用するために、一度に１つ選択される。代替の例示的実施形態では、単一の出力信号を発生させる際に使用するために、２つ以上の電圧変換器１１５からの電圧信号を同時に選択することができる。セレクタ１１８は、プロセッサ１２０から受け取った制御信号に応答して、電圧変換器１１５のうちの１つまたは複数から電圧信号を選択するマルチプレクサを含むことができる。本明細書の説明から、電圧変換器１１５のうちの１つまたは複数から電圧信号を選択するのに適した方法を当業者は理解されよう。代替の例示的実施形態では、セレクタ１１８を省略することができ、電圧変換器１１５の２つ以上をプロセッサ１２０に直接結合することができる。セレクタ１１８を画像装置１０１に一体化することができ、またはセレクタ１１８は別々の構成要素でよい。

プロセッサ１２０は、例えばセレクタ１１８を介して、電圧変換器１１５のうちの１つまたは複数に結合される。例示的実施形態では、プロセッサ１２０は、セレクタ１１８で選択された１つまたは複数の電圧変換器１１５の電圧信号から、収集した光を表す出力信号を発生させる。この実施形態によれば、プロセッサ１２０は、電圧変換器１１５のうちの１つまたは複数から電圧信号を選択するようにセレクタ１１８に命令する制御信号を生成することができる。プロセッサは、所望の信号対雑音比および／またはダイナミック・レンジに基づいて制御信号を生成することができる。代替の例示的実施形態では、プロセッサ１２０は、電圧変換器１１５から直接受け取った１つまたは複数の電圧信号から出力信号を発生させる。本明細書の説明から、本発明と共に使用するのに適したプロセッサ１２０を当業者は理解されよう。プロセッサ１２０を画像装置１０１に一体化することができ、またはプロセッサ１２０は別々の構成要素でよい。

図３に、光を撮像する例示的ステップのフロー・チャート３００を示す。図１の撮像装置１００を参照しながら以下で例示的ステップを説明する。ブロック３０２では、光子変換器１０８が光１０２を収集する。

ブロック３０４では、光子変換器１０６は、ブロック３０２のステップで収集した光を電荷信号に変換する。

ブロック３０６では、電子増倍装置１１０が電荷信号を増倍し、複数の電荷信号を生成する。電荷信号は、電荷信号を（例えば第１電子増倍セグメント１１２ａで）増倍して第１レベルの利得を有する電荷信号を生成し、第１レベルの利得を有する電荷信号を（例えば第２電子増倍装置１１２ｂで）増倍して第２レベルの利得を有する電荷信号を生成し、以下同様に行うことによって漸進的に増倍することができる。複数の電荷信号のうちの１つは、利得なしの元の電荷信号でよい。

ブロック３０８では、電圧変換器１１５が電荷信号を電圧信号に変換する。例示的実施形態では、各電圧変換器１１５が複数のタップ１１４／１１６にそれぞれ結合され、各タップ１１４／１１６で生成された電荷信号が、収集した光を表す電圧信号にそれぞれ変換される。

任意選択で、ブロック３１０では、プロセッサ１２０が、出力信号を発生させるために、電圧信号のうちの１つまたは複数を、例えばセレクタ１１８を介して選択する。例示的実施形態では、プロセッサは、電圧信号のうちの１つまたは複数を選択するようにセレクタ１１８に命令する制御信号を生成する。プロセッサ１２０は、所望の信号対雑音比および／または所望のダイナミック・レンジに基づいて制御信号を生成することができる。複数の電圧信号を選択して、微光性能が向上し、単一の電圧信号で可能なダイナミック・レンジよりも広いダイナミック・レンジを有する出力信号を発生させることができる。

ブロック３１２では、プロセッサ１２０は、電圧信号のうちの１つまたは複数から、収集した光を表す出力信号を発生させる。例示的実施形態では、プロセッサ１２０は、ブロック３１０のステップでセレクタ１１８によって選択された１つまたは複数の電圧信号から出力信号を発生させる。代替の例示的実施形態では、プロセッサ１２０は、電圧変換器１１５から直接受け取った１つまたは複数の電圧信号から出力信号を発生させる。

図４は、画像装置１０１（図１）の様々な増倍セグメントで発生した出力電圧信号と入力光子信号との関係を示すグラフ４００である。第１直線４０２ａは、第１タップ１１４からの電荷から発生した出力電圧信号を表す（すなわち、増倍なし）。第２直線４０２ｂは、第２タップ１１６ａからの電荷から発生した出力電圧信号を表す（すなわち、１つの電子増倍セグメントによる増倍）。第３直線４０２ｃは、第３タップ１１６ｂからの電荷から発生した出力電圧信号を表す（すなわち、２つの電子増倍セグメントによる増倍）。第４直線４０２ｎは、最終タップ１１６ｎからの電荷から発生した出力電圧信号を表し（すなわち、各電子増倍セグメントによる増倍）、これは、非セグメント化電子増倍装置を有する画像装置から予想される結果である。

図５は、撮像装置１００（図１）の出力信号と入力光子信号との関係を示すグラフ５００である。第１線分５０２ａは、第１タップ１１４からの電荷から発生した出力信号を表す（すなわち、増倍なし）。第２線分５０２ｂは、第２タップ１１６ａ（すなわち、１つの電子増倍セグメントによる増倍）および第３タップ１１６ｂ（すなわち、２つの電子増倍セグメントによる増倍）からの組合せ電荷から発生した出力信号を表す。第３線分５０２ｎは、最終タップ１１６ｎからの電荷から発生した出力信号を表す（すなわち、各電子増倍セグメントによる増倍）。図５からわかるように、複数のタップを使用することにより、非セグメント化電子増倍装置を有する画像装置と同じ微光レベル検出能力を維持しながら、より広いダイナミック・レンジを達成することが可能となる。

本発明は、画像装置のダイナミック・レンジを改善するのに使用することができる。電荷を増倍し、タップで様々なレベルの利得を有する電荷を生成することにより、画像装置が、最小の信号劣化で比較的低いレベルの光から比較的高いレベルの光まで撮像することが可能となる。例えば、比較的低いレベルの光（例えば単一の光子または電子）を仮定すると、比較的高いレベルの利得を電荷に与えるタップを選択することができる。逆に、高レベルの利得でクリッピングする比較的高いレベルの光では、低い利得を電荷に与えるタップ、または利得なしのタップを選択することができる。したがって、本発明を使用して、比較的低い光レベルおよび比較的高い光レベルを有する環境で動作することのできる画像装置を設計することができる。この漸進的増倍を拡張ダイナミック・レンジを有する光子カウンタと組み合わせることにより、画像装置で達成可能なダイナミック・レンジがさらに向上する。さらに、ダイナミック・レンジ全体にわたる信号対雑音比が、すべての信号レベルで向上する。例えば、本発明を空中監視および検閲システムで使用することができる。

本明細書では特定の実施形態を参照しながら本発明を図示し、説明したが、本発明は、図示した詳細に限定されないものとする。むしろ、特許請求の範囲の均等物の範囲内で、本発明から逸脱することなく細部に様々な修正を行うことができる。

本発明の一態様による例示的撮像装置のブロック図である。図１の画像装置で使用される例示的光子変換器の概念図である。本発明の態様による光源からの光を撮像する例示的ステップのフロー・チャートである。図１の撮像装置内の画像装置に関する信号電圧と入力光子信号の関係を示すグラフである。図１の撮像装置に関する出力信号と入力光子信号の関係を示すグラフである。

Claims

光を撮像する撮像装置であって、
光を収集し、収集した光を電荷に変換する光子変換器と、
光子変換器に結合された、電荷を増倍する電子増倍装置であって、複数のタップに関連付けられ、各タップが、関連するレベルの利得を有する電荷を生成する電子増倍装置と、
前記電子増倍装置に関連付けられた前記複数のタップに結合された複数の電圧変換器であって、各電圧変換器が、前記複数のタップの１つにそれぞれ結合され、収集した光を表す電圧信号をそれぞれ生成する複数の電圧変換器と
を備える装置。
前記複数の電圧変換器のうちの１つまたは複数に結合され、前記１つまたは複数の電圧変換器のそれぞれの電圧信号から、収集した光を表す出力信号を発生させるプロセッサをさらに備える請求項１に記載の装置。
１つまたは複数の電圧変換器を選択し、選択した前記１つまたは複数の電圧変換器を前記プロセッサに結合するセレクタをさらに備える請求項２に記載の装置。
前記セレクタが、制御信号に応答して前記１つまたは複数の電圧変換器を選択し、前記プロセッサが、所望の信号対雑音比に基づいて制御信号を生成する請求項３に記載の装置。
前記セレクタが、制御信号に応答して前記１つまたは複数の電圧変換器を選択し、前記プロセッサが、所望のダイナミック・レンジに基づいて前記制御信号を生成する請求項３に記載の装置。
前記電子増倍装置が入力端子を含み、前記複数のタップのうちの１つが前記入力端子に結合され、前記複数のタップのうちの前記１つに関連する利得が１である請求項１に記載の装置。
前記電子増倍装置が複数の電子増倍セグメントを備える請求項１に記載の装置。
前記複数の電子増倍セグメントが直列に接続され、前記複数の電圧変換器のうちの１つまたは複数で分離され、前記１つまたは複数の電圧変換器が非破壊読出し装置である請求項７に記載の装置。
前記電子増倍装置が、
入力端子および出力端子を有する第１電子増倍セグメントであって、第１電子増倍セグメントの前記入力端子が前記光子変換器に結合される第１電子増倍セグメントと、
入力端子および出力端子を有する第２電子増倍セグメントであって、第２電子増倍セグメントの入力端子が前記第１電子増倍セグメントの前記出力端子に結合される第２電子増倍セグメントと
を備える請求項１に記載の装置。
前記第１電子増倍セグメントが１つまたは複数の電子増倍器を含み、前記第２電子増倍セグメントが１つまたは複数の電子増倍器を含む請求項９に記載の装置。
前記光子変換器の出力端子、前記第１電子増倍セグメントの前記出力端子、または前記第２電子増倍セグメントの出力端子のうちの少なくとも２つが、前記複数のタップの１つにそれぞれ関連付けられる請求項９に記載の装置。
前記光子変換器が時間遅延積分（ＴＤＩ）アレイである請求項１に記載の装置。
前記ＴＤＩアレイが拡張ダイナミック・レンジ（ＸＤＲ）装置である請求項１２に記載の装置。
前記光子変換器がスター型アレイである請求項１に記載の装置。
光を撮像する方法であって、
光を収集するステップと、
収集した光を電荷信号に変換するステップと、
前記電荷信号を増倍して、関連するレベルの利得を有する複数の電荷信号を生成するステップと、
前記複数の電荷信号をそれぞれの電圧信号に変換するステップと、
前記電圧信号のうちの１つまたは複数から、前記収集した光を表す出力信号を発生させるステップと
を含む方法。
前記電圧信号のうちの１つまたは複数を前記出力信号として発生させるために選択するステップをさらに含む請求項１５に記載の方法。
前記選択するステップが、信号対雑音比に基づいて前記電圧信号のうちの前記１つまたは複数を選択することを含む請求項１６に記載の方法。
前記選択するステップが、ダイナミック・レンジに基づいて前記電圧信号のうちの前記１つまたは複数を選択することを含む請求項１６に記載の方法。
前記増倍するステップが、
前記電荷信号を増倍して、第１レベルの利得を有する第１電荷信号を生成するステップと、
前記第１電荷信号を増倍して、第２レベルの利得を有する第２電荷信号を生成するステップと
を含む請求項１５に記載の方法。
前記複数の電荷信号をそれぞれの電圧信号に変換するステップが、
前記電荷信号、前記第１電荷信号、および前記第２電荷信号のうちの１つまたは複数を、それぞれの電圧信号に変換することを含む請求項１９に記載の方法。