JP5562949B2 - ハイダイナミックレンジのイメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサに関し、より詳細には、２つの感光性の領域を有するイメージセンサに関する。偏光子は、２つの部分の飽和が異なる照明条件を受け入れるために異なるようにこの感光性領域を覆う。

車両におけるカメラで使用されるイメージセンサは、標準的なイメージセンサの５倍を超えるダイナミックレンジを有することが必要である。これは、直接又は反射された太陽光が影における詳細を不明瞭にするためである。影における詳細及びハイライト条件における詳細を画像形成するため、幾つかの異なる手法が使用されている。米国特許第3919587号のような１つの手法は、非線形の光応答を有するフォトダイオードをもつピクセルを使用する。別の手法である米国特許第6777661号では、ハイライト及びロウライトの光応答をもつ２つの感光性の領域を有する画素を使用する。最終的に、米国特許第6069377号は、飽和に到達するのに要する時間を測定し、測定された電荷と共にタイムアウトを読み出すタイマを使用する。

従来技術の課題は、特に濡れた道路の表面からの反射された太陽光が余りに明るく、通常のダイナミックレンジの１０倍を超えるダイナミックレンジをもつイメージセンサは、反射された太陽光及び影における被写体を画像形成するためには不十分なことである。

図１は、道路表面から反射されている光を例示する。道路表面に入射する光の電場ベクトルは、ランダムに偏光される。光は、入射の道路の平面に平行及び垂直な近似的に等しい電場を有する。反射の後、光は、入射の平面（道路の表面）に平行な電場ベクトルとの強い偏光を有する。なお、道路表面に平行な電場ベクトルをもつ光を除去する偏光子をもつサングラスが設計される。

カメラは、イメージセンサの前に偏光子を配置するが、これは、余分なコストのために望まれないことであり、低い光の影からの光の５０％を除去する。

本発明は、道路の表面から反射された太陽光を選択的に阻止することができ、他の被写体からの光が画像形成されるのを可能にするイメージセンサを提供する。また、本発明は、偏光子をイメージセンサと統合するものである。

本発明の１態様によれば、本発明は、それぞれの画素が、光に応答して電荷を収集し、第一の感度を有する第一の感光性領域と、光に応答して電荷を収集し、第一の感光性領域の感度よりも低い第二の感度を有する第二の感光性領域とを有する複数の画素と、第二の感光性領域をスパニング（spanning）する偏光子とを有するイメージセンサを含む。

本発明のこれらの態様、目的、特徴及び利点、並びに他の態様、目的、特徴及び利点は、添付図面を参照しながら、好適な実施の形態の以下の詳細な説明を検討することで明確に理解されるであろう。

本発明は、太陽光を選択的に阻止するイメージセンサ、統合される偏光子とを有する利点を有し、コストを最小にするものである。
道路の表面から反射された太陽光を例示する図である。 本発明のイメージセンサの画素を示す図である。 図２の２つの感光性領域のそれぞれの飽和を例示するグラフである。 本発明の代替的な実施の形態である。 図４の断面図である。 本発明のイメージセンサの上面図である。 本発明のイメージセンサを有する画像捕捉システムである。

図２は、２つの感光性領域１１０及び１２０を有する本発明の画素１００を有するものであり、それぞれの感光性領域は、入射光に応答して電荷を収集する。一方の感光性領域１１０は、高い量子効率を有し、従って暗い影からの光を検出することができ、他方の感光性領域１２０は、低い量子効率を有する。光が余りに明るく且つ高い量子効率の感光性領域１１０を飽和する場合、低い感度の領域１２０から信号が測定される。

図３は、低い感度の領域３１０（感光性領域１２０）に比較して高い感度の領域３００（感光性領域１１０）の光応答を示す。なお、曲線３１０は、曲線３００よりも非常に高い光レベルで飽和に到達する。

図２を参照して、感光性領域１２０は、ダイナミックレンジを拡大する統合されたワイヤグリッドの偏光子１３０を含む。偏光子１３０は、極端に明るい、反射された道路の表面からの光が低い感度の領域１２０を飽和するのを防止する。１波長未満の間隔で配置されるワイヤは、ワイヤの長さに平行に偏光された電場を有する光を減衰する。ワイヤに垂直に偏光される電場を有する光は、より容易に通過することができる。ワイヤグリッドの偏光子１３０は、道路の表面からの反射が低い感度の領域１２０により検出されるのを防止するため、水平方向（道路の表面に平行又は実質的に平行）に指向される。

図４は、代替的な実施の形態による画素２００を示す。画素２００は、２つの異なる高い感度の領域２１０及び２つの異なる低い感度の領域２２０を含む、これらの領域２１０及び２２０のそれぞれは、入射光に応答して電荷を収集する。ワイヤグリッドの偏光子２３０は、等しいか又は実質的に等しい感度をそれぞれが有する両方の低感度の領域２２０を覆う。高い感度の領域２１０は、等しいか又は実質的に等しい感度を有する。２つの領域２１０及び２２０は、垂直ラインが画素上に画像形成される場合にイメージアーチファクトを低減するように、互いに斜め方向に配置される。

図５は、図４の画素２００の断面図を示す。マイクロレンズ２６０は、高い感度の領域２１０を覆い、２つの低い感度の領域２２０のそれぞれを部分的に覆う。なお、低い感度の領域２２０のうちの１つは、隣接する画素からのものであることを留意されたい。これは、光２５０の大部分を高い感度の領域２１０に向け、光２４０のほんの僅かが低い感度の領域２２０に到達するのを可能にする。これにより、低い感度の領域２２０により少ない感度をもたせる。さらに、ワイヤグリッドの偏光子２３０は、道路の表面からの反射により変更された光２４０を除去する。高い感度の領域を覆い、低い感度の領域を部分的に覆うマイクロレンズの構成は、図２の実施の形態に適用される。この実施の形態では、代替的な実施の形態として、低い感度の領域１２０のうちの１つは、隣接する画素からの領域である。

図６は、複数の画素１００／２００を有する本発明のイメージセンサ３０５の上面図である。画素１００及び／又は２００は、２次元アレイで配列されるが、１次元アレイ（すなわちリニアアレイ）で配列される場合もある。イメージセンサ３０５は、電荷結合素子のイメージセンサ又はCMOSイメージセンサの何れかである場合ああリ、これらの両者は、当該技術分野で知られている。

図７は、本発明のイメージセンサ３０５と共に使用される画像形成システムのブロック図である。画像形成システム１２００は、デジタルカメラフォン１２０２及びコンピュータ装置１２０４を含む。デジタルカメラフォン１２０２は、本発明を盛り込んだイメージセンサを使用する画像捕捉装置の例である。たとえばデジタルスチルカメラ及びデジタルビデオカムコーダのような、他のタイプの画像捕捉装置は、本発明と共に使用することができる。

デジタルカメラフォン１２０２は、本発明に係る実施の形態では、ポータブル、ハンドヘルド、バッテリ駆動型の装置である。デジタルカメラフォン１２０２は、たとえば内部のFlashEPROMメモリ又は取り外し可能なメモリカードであるメモリ１２０６に記憶されるデジタル画像を生成する。磁気カードドライブ、磁気テープ又は光ディスクのような他のタイプのデジタル画像記憶媒体は、メモリ１２０６を実現するために代替的に使用することができる。

デジタルカメラフォン１２０２は、レンズ１２０８を使用して、あるシーン（図示せず）からの光の焦点を画像形成集積回路１２１２のイメージセンサ３０５に合わせる。イメージセンサ３０５は、本発明に係る実施の形態では、Bayerカラーフィルタパターンを使用してカラー画像の情報を提供する。イメージセンサ３０５は、タイミングジェネレータ１２１４により制御され、このタイミングジェネレータは、周囲の照明が低いときにシーンを照明するフラッシュ１２１６を制御する。

イメージセンサアレイ３０５から出力されるアナログ出力信号は、増幅されて、アナログ−デジタル（A/D）変換回路１２１８によりデジタルデータに変換される。デジタルデータは、バッファメモリ１２２０に記憶され、デジタルプロセッサ１２２２により処理される。デジタルプロセッサ１２２２は、フラッシュEPROMとすることができるファームメモリ１２２４に記憶されるファームウェアにより制御される。デジタルプロセッサ１２２２は、リアルタイムクロック１２２６を含み、このリアルタイムクロックは、デジタルカメラフォン１２０２及びデジタルプロセッサ１２２２が低電力状態にあるときでさえ日時を保持する。処理されたデジタル画像ファイルは、メモリ１２０６に記憶される。また、メモリ１２０６は、たとえば音楽ファイル（たとえばMP3ファイル）、リングトーン、電話番号、カレンダー及びやることリストのような他のタイプのデータを記憶する。

本発明に係る１実施の形態では、デジタルカメラフォン１２０２は、静止画像を捕捉する。デジタルプロセッサ１２２２は、レンダリングされたsRGB画像データを生成するため、色及びトーン補正により後続される色補間を実行する。次いで、レンダリングされたsRGB画像データは、圧縮され、メモリ１２０６に画像ファイルとして記憶される。例示により、画像データは、知られている“Exif”画像フォーマットを使用するJPEGフォーマットに従って圧縮することができる。このフォーマットは、様々なTIFFタグを使用して特定のメタデータを記憶するExifアプリケーションセグメントを含む。個別のTIFFタグは、たとえば画像が捕捉された日付及び時間、レンズのｆ／ｎｕｍｂｅｒ及び他のカメラ設定及び画像の見出しを記憶するために使用することができる。

デジタルプロセッサ１２２２は、本発明に係る実施の形態においてユーザにより選択される異なる画像のサイズを生成する。１つの係るサイズは、低解像度の「サムネイル」サイズの画像である。サムネイルサイズの画像を生成することは、Kuchta等による“Electronic Still Camera Providing Multi-Format Storage of Full and Reduced Resolution Images”と題された同一出願による米国特許第5164831号において記載されている。サムネイル画像は、RAMメモリ１２２８に記憶され、カラーディスプレイ１２３０に供給され、このカラーディスプレイは、アクティブマトリクス型LCD又は有機発光ダイオード（OLED）とすることができる。サムネイルサイズの画像を生成することは、捕捉された画像がカラーディスプレイ１２３０で迅速に見直すのを可能にする。

本発明に係る別の実施の形態では、デジタルカメラフォン１２０２は、ビデオクリップを生成及び記憶する。ビデオクリップは、低解像度のビデオ画像フレームを生成するため、（たとえばイメージセンサアレイ３０５のそれぞれ４行×４列の領域における同じ色の画素を合計するといった）イメージセンサ３０５の多数の画素を互いに合計することで生成される。ビデオ画像のフレームは、たとえば毎秒１５フレームの読み出し速度を使用して、規則的な間隔でイメージセンサアレイ３０５から読み出される。

オーディオコーデック１２３２は、デジタルプロセッサ１２２２に接続され、マイクロフォン（Mic）１２３４からのオーディオ信号を受信する。また、オーディオコーデック１２３２は、オーディオ信号をスピーカ１２３６に供給する。これらの成分は、ビデオ系列又は静止画像と共に、オーディオトラックを記録及び再生するため、電話会話向けに使用される。

また、スピーカ１２３６は、本発明に係る実施の形態において、到来する電話の呼び出しをユーザに通知するために使用される。これは、ファームウェアメモリ１２２４に記憶される標準的なリングトーンを使用するか、又はモバイルフォンネットワーク１２３８からダウンロードされてメモリ１２０６に記憶されるカスタムリングトーンを使用して行われる。さらに、バイブレーション装置（図示せず）は、到来する電話の呼び出しのサイレントな（たとえば音を立てない）通知を提供するために使用される。

デジタルプロセッサ１２２２は、ワイヤレスモデム１２４０に接続され、このワイヤレスモデムは、デジタルカメラフォン１２０２が無線周波（RF）チャネル１２４２を介して情報を送信及び受信するのを可能にする。ワイヤレスモデム１２４０は、3GSMネットワークのような別のRFリンク（図示せず）を使用して移動電話網１２３８と通信する。移動電話網１２３８は、フォトサービスプロバイダ１２４４と通信し、このフォトサービスプロバイダは、デジタルカメラフォン１２０２からアップロードされたデジタル画像を記憶する。コンピュータ装置１２０４を含む他の装置は、インターネット１２４６を介してこれらの画像にアクセスする。また、移動電話網１２３８は、本発明に係る実施の形態において通常の電話サービスを提供するため、標準的な電話網（図示せず）に接続する。

グラフィカルユーザインタフェース（図示せず）は、カラーディスプレイ１２３０に表示され、ユーザコントロール１２４８により制御される。ユーザコントロール１２４８は、本発明に係る実施の形態において、電話番号をダイヤルするための専用のプッシュボタン（たとえば電話キーパッド）、モード（たとえば「電話」モード、「カレンダー」モード、「カメラ」モード）を設定する制御、４方向制御（上、下、左及び右）を含むジョイスティックコントローラ、プッシュボタンの中央“OK”又は“選択”スイッチを含む。

Dock１２５０は、デジタルカメラフォン１２０２においてバッテリ（図示せず）を充電する。Dock１２５０は、Dockインタフェース１２５２を介してコンピュータ装置１２０４にデジタルカメラフォン１２０２を接続する。Dockインタフェース１２５２は、本発明に係る実施の形態では、USBインタフェースのような有線インタフェースとして実現される。代替的に、本発明に係る他の実施の形態では、Dockインタフェース１２５２は、Bluetooth又はIEEE802.11bワイヤレスインタフェースのようなワイヤレスインタフェースとして実現される。Dockインタフェース１２５２は、メモリ１２０６からコンピュータ装置１２０４に画像をダウンロードするために使用される。Dockインタフェース１２５２は、コンピュータ装置１２０４からデジタルカメラフォン１２０２におけるメモリ１２０６にカレンダー情報を転送するために使用される。

本発明は、本発明の所定の好適な実施の形態を参照して詳細に記載されたが、本発明の精神及び範囲において変形及び変更が行われることを理解されるであろう。

１００：画素
１１０，１２０：感光性領域
１３０：偏光子
２００：画素
２１０：高い感度の領域
２２０：低い感度の領域
２３０：偏光子
２４０，２５０：光
２６０：マイクロレンズ
３００：高い感度の領域
３０５：イメージセンサ
３１０：低い感度の領域
１２００：画像形成システム
１２０２：デジタルカメラフォン
１２０４：コンピュータ装置
１２０６：メモリ
１２０８：レンズ
１２１２：画像形成集積回路
１２１４：タイミングジェネレータ
１２１６：フラッシュ
１２１８：A/D変換回路
１２２０：バッファメモリ
１２２２：デジタルプロセッサ
１２２４：ファームウェアメモリ
１２２６：クロック
１２２８：RAMメモリ
１２３０：カラーディスプレイ
１２３２：オーディオコーデック
１２３４：マイクロフォン
１２３６：スピーカ
１２３８：モバイルフォンネットワーク
１２４０：ワイヤレスモデム
１２４２：RFチャネル
１２４４：フォトサービスプロバイダ
１２４６：インターネット
１２４８：ユーザコントロール
１２５０：Dock
１２５２：Dockインタフェース

Claims (17)

1. 複数の画素を備えるイメージセンサであって、
   それぞれの画素は、
   光に応答して電荷を収集し、第一の感度を有する第一の感光性領域と、
   光の応答して電荷を収集し、前記第一の感光性領域の感度よりも低い第二の感度を有する第二の感光性領域と、
   前記第二の感光性領域をスパニングするが前記第一の感光性領域をスパニングしない偏光子と、
   前記第一の感光性領域を覆うように位置され、前記第二の感光性領域を部分的に覆うように位置されるマイクロレンズ、
   を有し、
   前記偏光子は、表面反射により偏光される光を阻止するように配向される、
   ことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記偏光子は、ワイヤグリッド型偏光子である、
   請求項１記載のイメージセンサ。
3. 前記第一の感度に等しいか又は実質的に等しい感度を有する第三の感光性領域と、前記第二の感度に等しいか又は実質的に等しい感度を有する第四の感光性領域とを更に備える、
   請求項１記載のイメージセンサ。
4. 前記第四の感光性領域をスパニングする第二の偏光子を更に備える、
   請求項３記載のイメージセンサ。
5. 前記第二の偏光子は、ワイヤグリッド型偏光子である、
   請求項４記載のイメージセンサ。
6. 前記第二の偏光子は、表面反射により偏光された光を阻止するように配向される、
   請求項５記載のイメージセンサ。
7. 前記第一の感光性領域を覆うように位置され、前記第二の感光性領域と前記第四の感光性領域を部分的に覆うように位置されるマイクロレンズを更に備える、
   請求項４記載のイメージセンサ。
8. 前記第三の感光性領域を覆うように位置され、前記第四の感光性領域を部分的に覆うように位置されるマイクロレンズを更に備える、
   請求項７記載のイメージセンサ。
9. 複数の画素を有するイメージセンサを備える画像捕捉装置であって、
   それぞれの画素は、
   光に応答して電荷を収集し、第一の感度を有する第一の感光性領域と、
   光の応答して電荷を収集し、前記第一の感光性領域の感度よりも低い第二の感度を有する第二の感光性領域と、
   前記第二の感光性領域をスパニングするが前記第一の感光性領域をスパニングしない偏光子と、
   前記第一の感光性領域を覆うように位置され、前記第二の感光性領域を部分的に覆うように位置されるマイクロレンズと、
   を含むことを特徴とする画像捕捉装置。
10. 前記偏光子は、ワイヤグリッド型偏光子である、
    請求項９記載の画像捕捉装置。
11. 前記偏光子は、表面反射により偏光される光を阻止するように配向される、
    請求項９記載の画像捕捉装置。
12. 前記第一の感度に等しいか又は実質的に等しい感度を有する第三の感光性領域と、前記第二の感度に等しいか又は実質的に等しい感度を有する第四の感光性領域とを更に含む、
    請求項９記載の画像捕捉装置。
13. 前記第四の感光性領域をスパニングする第二の偏光子を更に含む、
    請求項１２記載の画像捕捉装置。
14. 前記第二の偏光子は、ワイヤグリッド型偏光子である、
    請求項１３記載の画像捕捉装置。
15. 前記第二の偏光子は、表面反射により偏光された光を阻止するように配向される、
    請求項１４記載の画像捕捉装置。
16. 前記第一の感光性領域を覆うように位置され、前記第二の感光性領域と前記第四の感光性領域を部分的に覆うように位置されるマイクロレンズを更に含む、
    請求項１３記載の画像捕捉装置。
17. 前記第三の感光性領域を覆うように位置され、前記第四の感光性領域を部分的に覆うように位置されるマイクロレンズを更に含む、
    請求項１６記載の画像捕捉装置。

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