JP4439651B2

JP4439651B2 - Ｃｍｏｓイメージセンサにおける露出時間を調節するための装置及び方法

Info

Publication number: JP4439651B2
Application number: JP37722199A
Authority: JP
Inventors: 錫中李
Original assignee: クロステック・キャピタル，リミテッド・ライアビリティ・カンパニー
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2019-12-29
Also published as: KR20000044546A; US6757017B1; TW448682B; FR2788189B1; NL1013983C2; KR100321701B1; FR2788189A1; NL1013983A1; JP2000224483A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒ）に関し、特にソフトウェア及びハードウェアの負担を減らしイメージセンサの性能向上のために所定範囲によって緑色画素をカウントするカウンタを利用して露出時間を調節するための装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来にはイメージセンサで取ったイメージ（ｃａｐｔｕｒｅｄｉｍａｇｅ）値からソフトウェア的な手段を利用して現在の明るさを先に求めて、その得られた明るさがあまりに明るいか暗いと判定される時イメージセンサ外部の明るさの調節装置を介して再調節した後また読み出して判定した。
しかし、上記のように行われる従来のこのような明るさの調節はソフトウェアーを介して行われる明るさに対する実際の判定が既にイメージセンサ内部的に２画面以上が進行された状態で起きるため問題が発生する可能性があり、ソフトウェアの計算量が増加してソフトウェアに大きい負担（ｂｕｒｄｅｎ）を与える。そして、計算した結果を利用してプログラミングインターフェースを介してまたプログラミングし、そのプログラミングされた結果をまたイメージで取る過程に反映される場合、相当の遅延時間（ｄｅｌａｙ）が要求される問題も有することになる。また、ＣＣＴＶ（ＣｌｏｓｅｄＣｉｒｃｕｉｔＴｅｌｅＶｉｓｉｏｎ）のようにソフトウェアで明るさの調節をすることが難しい分野では画面の明るさ調節に大きな問題点を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたもので、その目的はイメージセンサにおける緑色画素値をカウントするカウンタを利用してソフトウェア及びハードウェアの負担を減らし、自動に画面の明るさを調節することによってイメージセンサの性能を向上させることのできる画面の明るさ調節装置及び方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサにおける露出時間調節装置において、所定の範囲によって緑色画素値を判定し緑色画素をカウントしてカウント制御信号を出力するデータ判定手段と、所定の基準範囲内の画素値を有する緑色画素をカウントする第１カウンタと、上記所定の基準範囲より大きい画素値を有する緑色画素を上記所定の範囲によってカウントする多数の第２カウンタと、及び上記所定の基準範囲より小さい画素値を有する緑色画素を上記所定の範囲によってカウントする多数の第３カウンタとを含むカウンティング手段と、上記多数の第２カウンタのカウント値を加算及び比較して第１最終和及び第１最大カウント値を出力する第１手段と、上記多数の第３カウンタのカウント値を加算及び比較して第２最終和及び第２最大カウント値を出力する第２手段と、上記第１カウンタと、上記多数の第２カウンタ及び上記多数の第３カウンタの各カウント値を比較して更新制御信号及び露出調節率を出力する制御手段と、露出調節モード及び上記更新制御信号に応答して次の露出時間制御信号を出力する露出時間制御信号発生手段とを含んでなる。
【０００５】
また、ＣＭＯＳイメージセンサにおける露出時間を調節するための方法において、所定の範囲によって緑色画素からの緑色画素値を判定して緑色画素をカウンティングする第１ステップと、所定の基準範囲より大きい画素値を有する緑色画素から第１最終和及び第１最大カウント値及び上記所定の基準範囲より小さい画素値を有する緑色画素から第２最終和及び第２最大カウント値を求める第２ステップと、上記第１最終和と上記第２最終和とを比較する第３ステップと、上記第３ステップの比較結果、上記第１最終和が上記第２最終合より大きい場合、上記所定の基準範囲内に画素値を有する緑色画素の第３最終和と上記第１最大カウント値とを比較し、上記第２最終和が上記第１最終和より大きい場合は、上記第３最終和と上記第２最大カウント値とを比較する第４ステップと、上記第４ステップの比較結果、上記第３最終和が大きい場合現在の露出時間制御信号を使用して次のイメージを捕獲し、上記第３最終和が小さい場合露出調節率及び次の露出時間制御信号を求めて、得られた次の露出時間制御信号によって次のイメージを捕獲しイメージ捕獲が終了される時まで上記第１ステップから繰り返す第５ステップとを含んでなる。
【０００６】
以下、添附した図面を参照し本発明の好ましい実施例を説明する。
【０００７】
図１は本発明を適用するための一般的なバイヤー（Ｂａｙｅｒ）パターン形態の画素アレイ（ｐｉｘｅｌａｒｒａｙ）を示した構成図であって、ＭｘＮ行列で配列された画素アレイは第１ラインのＲＧＲＧ形態、第２ラインのＧＢＧＢ形態で繰り返し構成される。ここで、”Ｒ”は赤色（ｒｅｄｃｏｌｏｒ）のみ透過させる赤色画素を、”Ｇ”は緑色（ｇｒｅｅｎｃｏｌｏｒ）のみ透過させる緑色画素を、”Ｂ”は青色（ｂｌｕｅｃｏｌｏｒ）のみ透過させる青色画素を示す。
【０００８】
上記図１に示したように、バイヤーパターンで緑色画素や青色画素に比べて緑色画素が２倍多い理由は、光の３元素（赤色、緑色、青色）から明るさ（Ｙ、ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ）を求める下記数式１に示したように、緑色が明るさ（Ｙ）に最も大きい影響を与えるためである。
【０００９】
（数式１）
Ｙ＝０．３０Ｒ＋０．５９Ｇ＋０．１１Ｂ
ここで、Ｙは画面の明るさ（ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ）を、Ｒは赤色画素の画素値、Ｇは緑色画素の画素値、Ｂは青色画素の画素値を各々示す。
【００１０】
ここで、上記式１によってイメージセンサから明るさを求めるためにはＲ、Ｇ及びＢの全ての画素値を使用すべきであるが、このような場合計算量が多くなる。
【００１１】
したがって、本発明では上記図１に示したことのように毎２個の画素ごとにチェック形態で配列されている緑色画素の画素値だけを利用して明るさを求めることによって、計算量を効果的に減らすことができる。
【００１２】
図２は上記図１の画素アレイを構成する各単位画素の一般的な構成図であって、物体から反射される光の光子（ｐｈｏｔｏｎ）によって生じた光電荷（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒｇｅ）を蓄積するフォトダイオード２００、伝達制御信号Ｔｘに応答して上記フォトダイオード２００に生成された電荷をセンシングノードＮに伝達するためのトランスファートランジスターＭＴ、リセット制御信号Ｒｘに応答して上記センシングノードＮを介して上記フォトダイオード２００及び出力バッファー２１０にリセット電圧レベル（ｒｅｓｅｔｖｏｌｔａｇｅｌｅｖｅｌ）を出力するためのリセットトランジスターＭＲ及びバッファー制御信号Ｂｘに応答して上記フォトダイオード２００及び上記リセットトランジスターＭＲからの出力信号を出力する出力バッファー２１０でなる。
【００１３】
図２を参照し、単位画素の動作を簡単に説明すれば次の通りである。
【００１４】
トランスファートランジスターＭＴ及びリセットトランジスターＭＲをターンーオンさせ上記フォトダイオード２００内に完全空乏領域を形成する。次に、上記リセットトランジスターがターンーオン状態を維持する間、上記トランスファートランジスターＭＴをターンーオフさせて上記フォトダイオード２００で光電荷を蓄積する。次に、また上記トランスファートランジスターＭＴをターンーオンさせて上記フォトダイオード２００に蓄積された光電荷を、上記バッファー制御信号Ｂｘに応答して上記出力バッファー２１０を介して画素値で出力する。ここで、上記バッファー制御信号Ｂｘは通常のメモリーのように、各画素が画素アレイのライン別にビットラインを共有するため、ライン別に同時にイネーブルされる。
【００１５】
一方、フォトダイオード２００に蓄積される光電荷量は入力された光子数及び上記トランスファー制御信号Ｔｘを”ロー（ｌｏｗ）”にして上記トランスファートランジスターＭＴがターンーオフされた状態にある時間に比例する。したがって、暗い所でイメージを取る場合には上記トランスファートランジスターＭＴのターンーオフ時間を長くすべきであるし、明るい所では上記ターンーオフ時間を短くすべきである。この場合、上記トランスファートランジスターＭＴがターンーオフされた状態の時間を露出時間（ｅｘｐｏｓｕｒｅｔｉｍｅ）または集積時間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｉｍｅ）と呼ぶ。
【００１６】
イメージセンサでのイメージ捕獲及び捕獲されたイメージの読み出し動作は、光学的写真機のように一つのフレーム（ｏｎｅｆｒａｍｅ）ずつ遂行されるが、フィン（ｐｉｎ）またはバス（ｂｕｓ）のような処理手段の制限によって一つのラインずつなされる。すなわち、上記トランスファー制御信号Ｔｘ及び上記バッファー制御信号Ｂｘは一つのラインずつ制御する。
【００１７】
図３は上記図１のＭｘＮ画素アレイと制御信号発生部の連結関係を示したブロック図であって、露出時間に応答してＮ個の上記トランスファー制御信号Ｔｘ、Ｎ個の上記リセット制御信号Ｒｘ及びＮ個の上記バッファー制御信号Ｂｘを各々発生する制御信号発生部３００と、上記トランスファー制御信号Ｔｘ、上記リセット制御信号Ｒｘ及び上記バッファー制御信号Ｂｘに応答してＭ個の画素値を出力するＭｘＮ画素アレイ３１０により構成されている。
【００１８】
図３を参照し、画素アレイの全体動作を説明する。
【００１９】
まず、各画素の初期化段階として、上記トランスファー制御信号Ｔｘ及び上記リセット制御信号Ｒｘを”ハイ（ｈｉｇｈ）”にイネーブルさせ各画素のフォトダイオード（図２の２００）を完全空乏させる。次に、一つのラインを読み出す時間ほどの間隔の第１所定時間ほどラインのトランスファー制御信号Ｔｘをディセーブルさせる。次に、第２所定時間後に上記トランスファー制御信号Ｔｘをイネーブルさせて、該当ラインの上記バッファー制御信号Ｂｘをイネーブルさせ出力バッファー（図２の２１０）を介して各画素のフォトダイオード２００で蓄積した光電荷量に該当する電気的信号を画素値として出力する。次に、その次のラインに対して上記の過程を繰り返す。この場合、上記トランスファー制御信号Ｔｘがディセーブル状態にある時間が露出時間となる。
【００２０】
このように読み出した画素値はアナログ値として、アナログ−デジタル変換器によってデジタル値に変換されて外部回路に出力される。上記画素値は取る対象と上記露出時間によって変わり、取る対象が同じである場合上記画素値または画面の明るさは上記露出時間のみによって決定される。すなわち、露出時間が長くほど画面の明るさは明るくなって、短いほど暗くなる。したがって、現在の画面の明るさがあまりに明るい場合露出時間を減らし、あまりに暗い場合は露出時間を増やす方法でイメージの明るさの調節が可能となる。
【００２１】
図４は本発明にかかる露出時間調節装置の一実施ブロック図である。
【００２２】
図面に示したことのように、露出時間調節装置はデータ判定部４００、カウンタ部４１０、加算及び比較部４０２、制御部４５０及び露出時間制御信号発生部４６０により構成されている。
【００２３】
上記データ判定部４００はライン番号、緑色画素値、所定の臨界値及び所定の基準値を入力されて、上記ライン番号は奇数ラインと偶数ラインとの緑色画素情報が異なるためライン情報を提供するためのものである。この場合、上記基準値は全体画面の明るさを調節するためのものであり、上記臨界値は緑色画素値の分布を流動的に調節するためのものであって、ユーザがプログラミングすることができる。さらに、上記データ判定部４００は緑色画素値を判定して各範囲によって該当するカウント制御信号ＩＮＣＰ（１）ないしＩＮＣＰ（Ｎ）、ＩＮＣＲ、及びＩＮＣＭ（１）ないしＩＮＣＭ（Ｎ）を出力する。
【００２４】
上記カウント制御信号の出力は次の（数式２）の通りである。
【００２５】
（数式２）
（ＲＶ＋（Ｐ−１）×ＣＶ）≦ＧＶ＜（ＲＶ＋Ｐ×ＣＶ）
である時、該当制御信号ＩＮＣＲ、ＩＮＣＰ（Ｐ）及びＩＮＣＭ（Ｐ）が出力され、ここでＲＶは基準電圧を、ＧＶは緑色画素値を、ＣＶは臨界値を、Ｐは整数を示す。上記で、もしＰが”０”である場合、基準カウンタ制御信号ＩＮＣＲを出力し、もしＰが”２”以上である場合制御信号ＩＮＣＰ（Ｐ）を出力し、もしＰが”−１”以下である場合は制御信号ＩＮＣＭ（Ｐ）を各々出力する。
【００２６】
上記カウンタ部４１０は（２Ｎ＋１）個のカウンタＣｎｔＰ（１）ないしＣｎｔＰ（Ｎ）、ＣｎｔＲ、及びＣｎｔＭ（１）ないしＣｎｔＭ（Ｎ）で構成されており、各カウンタのカウント値は各々のカウント制御信号ＩＮＣＰ（１）ないしＩＮＣＰ（Ｎ）、ＩＮＣＲ、及びＩＮＣＭ（１）ないしＩＮＣＭ（Ｎ）に応答して１ずつ増加される。
【００２７】
上記加算及び比較部４２０は、上記カウンタＣｎｔＰ（１）ないしＣｎｔＰ（Ｎ）のカウント値を各々加算及び比較して第１最終和ＴＯＴ１及び第１最大カウント値ＭＡＸ１を出力する第１加算及び比較器４３０と、上記カウンタＣｎｔＭ（１）ないしＣｎｔＭ（Ｎ）のカウント値を各々加算及び比較して第２最終和ＴＯＴ２及び第２最大カウント値ＭＡＸ２を出力する第２加算及び比較器４４０により構成されている。この場合、上記第１加算及び比較器４３０は緑色画素が正の分布を有したことを示し、上記第２加算及び比較器４４０は緑色画素が負の分布を有したことを示す。すなわち、もし、上記第１最終和ＴＯＴ１が上記第２最終和ＴＯＴ２より大きい場合、現在の明るさが基準の明るさより明るいということを意味し、もし上記第２最終和ＴＯＴ２が上記第１最終和ＴＯＴ１より大きい場合は、現在の明るさが基準の明るさより暗いということを意味する。
【００２８】
上記制御部４５０は上記第１最終和ＴＯＴ１と上記第２最終和ＴＯＴ２とを比較して露出調節率ＲＡＴＥを求める。例えば、上記第１最終和ＴＯＴ１が上記第２最終和ＴＯＴ２より大きい場合、上記第１最大カウント値ＭＡＸ１と基準カウンタＣｎｔＭのカウント値とを比較する。反対に、上記第２最終和ＴＯＴ２が上記第１最終和ＴＯＴ１より大きい場合は、上記第２最大カウント値ＭＡＸ２と上記基準カウンタＣｎｔＭのカウント値とを比較する。比較の結果、上記第１または第２最大カウント値が上記基準カウンタＣｎｔＭのカウント値より大きい場合、上記制御部４５０は更新制御信号ＵＰＤＡＴＥ及び露出調節率ＲＡＴＥを出力する。上記露出調節率は次の（数式３）の通りである。
【００２９】
（数式３）
露出調節率ＲＡＴＥ＝（基準値）÷［（基準値）＋Ｎ×（臨界値）］
ここで、Ｎは最大カウント値を有するカウンタの係数である。例えば、最大カウント値を有するカウンタがＣｎｔＰ（３）である場合は、露出調節率ＲＡＴＥは（基準値）÷［（基準値＋３×（臨界値）］となる。
【００３０】
上記露出時間制御信号発生部４６０は上記更新制御信号ＵＰＤＡＴＥ及び自動調節モードに応答して現在の露出時間と上記露出調節率ＲＡＴＥとを乗じることによって次の露出時間を計算する。上記した次の露出時間制御信号によって次のイメージを捕獲する。
【００３１】
図５及び図６は、本発明にかかる次の露出時間を求めるためのフローチャートである。
【００３２】
まず、画素アレイ（図３の３１０）がイメージを捕獲して画素値を出力する５００。その後、緑色画素値を図４で説明したように、所定範囲によって判定した後各緑色画素をカウントする５０１。所定の基準範囲より大きい画素値を有した緑色画素を加算及び比較して第１最終和及び第１最大カウント値を出力し、上記所定の基準範囲より小さい画素値を有した緑色画素を加算及び比較して第２最終和及び第２最大カウント値を出力する５０２。上記第１最終和と上記第２最終和とを比較して５０３、第１最終和が大きい場合上記第１最大カウント値を選択し５０５、第２最終和が大きい場合は上記第２最大カウント値を選択する５０４。
【００３３】
その後、基準カウンタのカウント値と選択された最大カウント値とを比較し、上記基準カウンタのカウント値が大きい場合、次の露出時間は現在の露出時間と同じであり５０７、上記基準カウンタのカウント値が小さい場合は、上記（数式３）のように求める５０８。
【００３４】
その後、自動露出調節モードがイネーブルされたかを判断した後５０９、ディセーブルされていれば次の露出時間は現在の露出時間と同じであり５０７、イネーブルされていれば現在の露出時間と上記露出調節率とを乗じて次の露出時間を求める５１０。上記のようにして、得られた次の露出時間によって次のイメージを捕獲した後、イメージ捕獲が終了される時まで上記５０１ステップからまた繰り返す５１１。
【００３５】
上記の如きなされ緑色画素の平均値を利用した画面の明るさを調節するための装置はバイエルパターンのイメージセンサだけでなく、緑色画素が他の二つの画素に比べて明るさに大きい影響を及ぼすため、他のパターンの画素配列を有するイメージセンサにも本発明をそのまま適用することができる。
【００３６】
本発明の技術思想は、上記の好ましい実施例によって具体的に記述されたが、上記した実施例はその説明のためのものであって、本発明はこれに限定されないことに留意されるべきである。また、本発明の技術分野におけるの通常の専門家であるならば、本発明の技術思想の範囲内で種々の実施例が可能であることを理解されるべきである。
【００３７】
【発明の効果】
上述したとおり、本発明によれば、ＣＭＯＳイメージセンサにおける緑色画素値をカウントするカウンタを利用して自動に画面の明るさを調節するように構成することによって、ソフトウェア及びハードウェアの負担を減らし、イメージセンサの性能を向上させることのできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するための一般的なバイエルパターンの画素アレイを示した構成図である。
【図２】上記図１の画素アレイを構成する各単位画素の一般的な構成図である。
【図３】上記図１の画素アレイとその画素アレイを制御するための制御部の連結関係を示したブロック図である。
【図４】本発明にかかる画面の明るさ調節装置の一実施ブロック図である。
【図５】本発明にかかる画面の明るさ調節のために上記集積時間を計算する一実施フローチャートの一部である。
【図６】図５のフローチャートに続くフローチャートである。
【符号の説明】
４００データ判定部
４１０カウンタ部
４２０加算及び比較部
４５０制御部
４６０露出時間制御信号発生部

Claims

ＣＭＯＳイメージセンサにおける露出時間調節装置であって、
所定の範囲によって緑色画素値を判定してカウント制御信号を出力するデータ判定手段と、
第１カウンタ、多数の第２カウンタ及び多数の第３カウンタを有し、それらが上記カウント制御信号に応答して緑色画素をカウントするカウンティング手段と、
上記多数の第２カウンタのカウント値を加算及び比較して第１最終和及び第１最大カウント値を出力する第１手段と、
上記多数の第３カウンタのカウント値を加算及び比較して第２最終和及び第２最大カウント値を出力する第２手段と、
上記第１カウンタと、上記多数の第２カウンタ及び上記多数の第３カウンタの各カウント値を比較して更新制御信号及び露出調節率を出力する制御手段と、
露出調節モード及び上記更新制御信号に応答して次の露出時間制御信号を出力する露出時間制御信号発生手段と
を備えてなる装置。
上記第１カウンタは、所定の基準範囲内の画素値を有する緑色画素をカウントし、
上記多数の第２カウンタは、上記所定の基準範囲より大きい画素値を有する緑色画素を上記所定の範囲によってカウントし、
上記多数の第３カウンタは、上記所定の基準範囲より小さい画素値を有する緑色画素を上記所定の範囲によってカウントする、
ことを特徴とする請求項１記載の装置。
上記所定の基準範囲は、
上記データ判定手段で入力されてユーザによってプログラミングされた基準値及び臨界値の差よりは大きく和よりは小さい範囲であることを特徴とする請求項２記載の装置。
上記露出調節率は、
露出調節率＝（基準値）÷［（基準値）＋Ｎ×（臨界値）］（ここでＮは最大カウント値を有するカウンタの係数）
であることを特徴とする請求項３記載の装置。
上記次の露出時間制御信号は、
現在の露出時間と上記露出調節率とを乗じた値であることを特徴とする請求項４記載の装置。
ＣＭＯＳイメージセンサにおける露出時間調節方法であって、
ａ）所定の範囲によって緑色画素値を判定して緑色画素をカウンティングするステップと、
ｂ）所定の基準範囲より大きい画素値を有する緑色画素の第１最終和及び第１最大カウント値と、上記所定の基準範囲より小さい画素値を有する緑色画素の第２最終和及び第２最大カウント値とを求めるステップと、
ｃ）上記第１最終和を上記第２最終和と比較するステップと、
ｄ）上記第１最終和が上記第２最終合より大きい場合に、第３最終和を上記第１最大カウント値と比較し、上記第２最終和が上記第１最終和より大きい場合に、上記第３最終和を上記第２最大カウント値と比較するステップであって、上記第３最終和は上記所定の基準範囲内に画素値を有する緑色画素の最終和であるステップと、
ｅ）上記ステップｄ）における比較の結果、上記第３最終和が大きい場合に、現在の露出時間制御信号を使用して次のイメージを捕獲し、上記第３最終和が小さい場合に、露出調節率及び次の露出時間制御信号を求めて、この次の露出時間制御信号によって次のイメージを捕獲するステップと、
ｆ）イメージ捕獲が終了される時まで上記ステップａ）からｅ）を繰り返すステップと、
を含んでなる方法。
上記ステップｅ）は、
ｅ１）自動露出調節モードがイネーブルされたかどうかを判断するステップと、
ｅ２）ディセーブル状態である場合に、現在の露出時間制御信号を使用して次のイメージを捕獲し、イネーブル状態である場合に、上記次の露出時間制御信号を使用して次のイメージを捕獲するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
上記所定の基準範囲は、
ユーザによってプログラミングされた基準値及び臨界値の差よりは大きく和よりは小さい範囲であることを特徴とする請求項６記載の方法。
上記露出調節率は、
露出調節率＝（基準値）÷［（基準値）＋Ｎ×（臨界値）］（ここでＮは最大カウント値を有するカウンタの係数）
であることを特徴とする請求項８記載の方法。
上記次の露出時間制御信号は、
上記現在の露出時間制御信号に上記露出調節率を乗じた値であることを特徴とする請求項９記載の方法。