JP2010520707A - 画像センサのダイナミックレンジを向上及び制御する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に、画像センサ(imaging sensors)に関し、特に、高いセンサ性能を維持しながら、ダイナミックレンジを拡大及び制御する撮像システムオンチップの解決法(imaging system-on-chip solution)に関する。
CMOS画像センサを用いて可視撮像装置(Visible imaging systems)を実現することにより、カメラのコスト及び消費電力を大幅に削減する一方で、分解能を向上させ、雑音を低減する。最新のカメラは、非常に競争力がある画像検出素子を、タイミングコントローラ、クロックドライバ、基準電圧回路、アナログ/デジタル変換器(以下、A/D変換器という。)、キー信号処理素子(key signal processing elements)を含む補助的な部品(ancillary components)と効率的に組み合わせたCMOS撮像システムオンチップ(CMOS imaging System-on-Chip、以下、iSoCという。)センサを用いている。したがって、高性能のビデオカメラを、レンズと電池によってのみサポートされる単一のCMOS集積回路を用いて構成することができる。これらの改良により、カメラのサイズはより小さくなり、電池寿命はより長くなり、静止画の撮影と高精細度映像(high definition video)の撮影を同時にサポートした新たなカメラへの適用が可能になっている。
2)固定パターン雑音は、最大信号の1LSBを大幅に下回る
3)非線形性<0.5%
4)3.3Vの電源において、信号振幅≧1.5V
5)同じくらい大きな線形電荷処理能力
6)ホストプロセッサへのデジタルインタフェースを介してフレーム毎に更新される簡単なシリアルインタフェースを用いた可変感度
7)標準的なA/D変換器によって提供される公称範囲を超えて拡大されたダイナミックレンジ
1)DREサブブロク102において第1のサンプルを処理し、
2)処理した12ビットデータを補助DREメモリ104に記憶するとともに、並行して、第2のサンプルをDREサブブロック102で処理し、
3)補助DREメモリ104から基本12ビットデータを呼び出し、DREサブブロック102において更なるDREデータ(additional DRE data)と組み合わせる。
あるいは、複数の更なるサンプルは、更なるDREデータを生成することによって、サポートできることは、当業者にとって明らかである。更なる露出は、一定のフレーム時間を維持するために、ライン時間の減少を必要とする。あるいは、更に、Nビットデータの2つ以上のセットを、必要に応じて画像センサから外部に送信して処理することができる。更にまた、Nビットデータに、有限インパルス応答の実行及び他の手段を用いた様々な周知のデジタルフィルタリングを適用することができる。
画素A=(3788−64)+1024×(68−64)=7818
画素B=(1024−64)+1024×(65−64)=1984
画素A=(4096−64)+1024×(72−64−4)=8128
画素B=(2048−64)+1024×(68−64−4)=1984
であり、4の更なる値が、DRE露出の計算値から減算されて、ガンマ操作を適用するニーポイントが設定される。なお、この第1の具体例では、ニーポイント以上の減衰はない。なお、DREフレームの値は、A/D変換器の量子化誤差を含む雑音に対して、よりロバストであり、より影響を受けにくい。6dBの減衰がDREデータに適用された場合、画素A及び画素Bの変更値は、以下のようになる。
画素A=(4096−64)+1024×(72−64−4)×1/2=6080
画素B=(2048−64)+1024×(68−64−4)×1/2=1984
画素Aの値の、前の値8128から変更レベル6080への線形補正は、損失がない圧縮である。画素Bの値は、ニーポイントの下にあるので、圧縮されない。DREフレーム露出を処理するときに用いられる係数1/2は、一定の−6dBの減衰に対応しており、いかなる情報をも失うことなく、2ビット圧縮を達成する。この係数は、本発明においてはプログラム可能であり、オンチップのプログラミング(programming)及び/又は非線形で単調な特性を有するルックアップテーブル(Look-Up Table、以下、LUTという。)によって、他の値に置換することができる。
Claims (27)
- 画素の行を有する電子画像センサのダイナミックレンジを拡大するダイナミックレンジ拡大方法において、
画素信号を第1の蓄積時間に亘って処理して、現在の行の各画素の第1の信号サンプルを生成するステップと、
上記現在の行の各画素の第1の信号サンプルを、行毎に読み出すステップと、
上記画像センサの現在の行からの上記第1の信号サンプルを、メモリに記憶するステップと、
上記現在の行の各画素の画素信号を、次の行の第1の信号サンプルを読み出す前に、第2の蓄積時間に亘って処理して、該現在の行の各画素の第2の信号サンプルを生成するステップと、
上記現在の行である第1の行の各画素の第1及び第2の信号サンプルを混合して拡張信号を生成することによって、上記画像センサのダイナミックレンジを拡大するステップとを有するダイナミックレンジ拡大方法。 - 上記第2の蓄積時間は、上記第1の蓄積時間よりも短いことを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記第2の蓄積時間は、該第2の蓄積時間が情報を第10有効ビット以上で効果的に加算するように、上記第1の蓄積時間の1/1000であることを特徴とする請求項2記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記メモリは、上記画像センサのチップに組み込まれていることを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 当該ダイナミックレンジ拡大方法は、標準読出タイミング信号を、上記画像センサの各行の2つの読出信号を含むように変更することによって、実行されることを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 当該ダイナミックレンジ拡大方法の各ステップは、上記画像センサの他の処理ブロックに対して透過的であることを特徴とする請求項5記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 画素毎に3つ以上の信号サンプルを処理するステップを更に有する請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記第1及び第2の信号サンプルは、上記画像センサの外部で混合されることを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記混合するステップは、上記第1及び第2の信号サンプルをそれぞれの蓄積時間の比によってスケーリングした後、該スケーリングされたサンプルを加算することを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記画像センサの信号パス内のA/D変換器は、上記第2の蓄積時間中に、上記画素信号のより小さな部分をより細かくデジタル化するように調整され、該第2の蓄積時間中に細かくデジタル化された信号サンプルを、上記第1の信号サンプルに加算することを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記混合するステップは、上記第2の信号サンプルを、上記蓄積時間の比と測定された補正係数の積によってスケーリングした後、該スケーリングされた信号を上記第1の信号サンプルに加算することを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記混合するステップは、上記第2の信号サンプルを上記蓄積時間の加重比によってスケーリングした後、該スケーリングされた信号を上記第1の信号サンプルに加算することを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記混合するステップは、上記第1及び第2の信号サンプルを、sin(x)/x関数を用いてフィルタリングした後、スケーリングして加算することを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 上記混合するステップは、上記第1及び第2の信号サンプルを、有限インパルス応答関数を用いてフィルタリングした後、スケーリングして加算することを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- グローバルシャッタを用いた画像センサの動作においては、上記第1の信号サンプルは、グローバルシャッタを用いた主露出の間に上記画像センサの各画素毎に形成され、各行の各画素は、各行の信号読出の間に上記第2の信号サンプルを形成することによって拡大されることを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- ビデオ処理においては、上記第1の信号サンプルは、ビデオ転送特性の第1の領域の期間中に処理され、上記第2の信号サンプルは、明るく照明された画素のポストニー領域から処理されることを特徴とする請求項1記載のダイナミックレンジ拡大方法。
- 複数の行に配列された複数の画素と、
上記各画素からの信号の読出を行毎に制御するタイミングコントローラと、
上記画素の各行から読み出された信号が供給されるダイナミックレンジ拡大回路と、
上記ダイナミックレンジ拡大回路に接続されたダイナミックレンジ拡大メモリ回路とを備え、
上記タイミングコントローラは、現在の行の各画素からの第1の信号及び第2の信号の読出を制御し、該第1の信号及び第2の信号は、次の行からの信号の読出の前に、読み出され、
上記ダイナミックレンジ拡大メモリ回路は、行の各画素の上記第1の信号を記憶し、上記第2の信号は、該行から読み出され、
上記ダイナミックレンジ拡大回路は、上記第1及び第2の信号を混合することを特徴とする電子画像センサ。 - 上記第2の信号の期間は、上記第1の信号の期間よりも短いことを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- 上記第2の信号の蓄積時間は、該第2の信号が情報を第10有効ビット以上で効果的に加算するように、上記第1の信号の蓄積時間の1/1000であることを特徴とする請求項18記載の電子画像センサ。
- 上記ダイナミックレンジ拡大回路は、上記第1及び第2の信号をそれぞれの蓄積時間の比に基づいてスケーリングすることによって、該第1及び第2の信号を混合し、該スケーリングされた信号を加算することを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- 当該電子画像センサは、画像センサの信号パス内にA/D変換器を更に備え、
上記A/D変換器は、上記第2の信号の読出中に該第2の信号のより小さな部分をより細かくデジタル化するように、調整されることを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。 - 上記ダイナミックレンジ拡大回路は、上記第2の信号を上記蓄積時間の比と測定された補正係数の積によってスケーリングした後、該スケーリングされた第2の信号を該第1の信号に加算することによって、該第1及び第2の信号を混合することを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- 上記ダイナミックレンジ拡大回路は、上記第2の信号を上記蓄積時間の加重比を用いてスケーリングした後、該スケーリングされた信号を上記第1の信号に加算することによって、該第1及び第2の信号を混合することを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- 上記ダイナミックレンジ拡大回路は、上記第1及び第2の信号をsin(x)/x関数を用いてフィルタリングした後、該第1及び第2の信号をスケーリングして加算することによって、該第1及び第2の信号を混合することを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- 上記ダイナミックレンジ拡大回路は、上記第1及び第2の信号を、有限インパルス応答関数を用いてフィルタリングした後、該第1及び第2の信号をスケーリングして加算することによって、該第1及び第2の信号を混合することを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- グローバルシャッタを用いた画像センサの動作においては、上記第1の信号は、グローバルシャッタを用いた主露出の間に上記画像センサの各画素毎に形成され、各行の各画素は、各行の信号読出の間に上記第2の信号を形成することによって拡大されることを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
- ビデオ処理においては、上記第1の信号は、ビデオ転送特性の第1の領域の期間中に処理され、上記第2の信号は、明るく照明された画素のポストニー領域から処理されることを特徴とする請求項17記載の電子画像センサ。
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