JP6693971B2 - インターライン電荷結合素子 - Google Patents
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Description
本出願は、「DUAL VERTICAL CHARGED−COUPLED DEVICE」と題され2015年5月18日に出願された米国仮特許出願第62/163,139号、ならびに「INTERLINE CHARGE−COUPLED DEVICES」と題され2016年2月2日に出願された米国特許出願第15/012,912号の利益および優先権を主張し、それらのその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
図1は、代表的な飛行時間(TOF)画像取得システム、または飛行時間カメラを示す。飛行時間カメラは、概して、照明器104(能動照明パルスまたは光パルスを放つ)、および電子シャッタを有する画像センサ102を含む。図示されないが、飛行時間カメラは、カメラの視野において物体(例えば、野球選手、野球バット等)の距離を計算可能な構成要素を含むことになる。通常、飛行時間カメラは、シーンにおける物体に反射する照明104を使用する能動照明パルスを生成することによって、および反射した光を画像センサ102において取り込むことによって、シーンの深度を測定する。例えば、照明器104は、シーンにおける物体に赤外光をパルス照射可能である発光ダイオードまたはレーザーダイオードを含み得、反射した光は、画像センサ102、例えば、電荷結合素子(CCD)画像センサ配列または他の形式の画像センサ配列によって取り込まれ得る。照明器104は、照明器104を点滅させる電気パルスによって駆動される。画像センサ102のシャッタドライバは、画像が取り込まれるかおよび/または画像信号が生成されることを許容するためにシャッタを開かせる電気パルスによって駆動される。
高性能カメラは、そこに用いられるCCDセンサアーキテクチャ、例えば、フルフレームCCD、フレーム転送CCD、またはインターライン転送CCDに基づいて区別され得る。1つの長い露出に対して複数サンプルを蓄積する(つまり、フォトダイオード上における複数の短い露出から生成された電荷を蓄積する)ために、インターライン転送CCD(「インターラインCCD」とも一般に呼ばれる)が使用され得る。インターラインCCDセンサは、通常、光子を検出しそれらを電荷に変換する光検出素子、例えば、フォトダイオードの列と、遮光体によって遮蔽された列とを交互に有する。以下により詳細に説明されるように、遮蔽された列は、光子を検出せず、それ自体の上に電荷を生成しない。その代わりに遮蔽された列は、画像フレーム取得中に光検出素子が入射光子を吸収することの結果として光検出素子によって生成された電荷の記憶のために使用される記憶ユニットを備える。遮蔽された列は、垂直CCD、[垂直]CCDシフトレジスタ、電荷転送チャネル、またはインターラインマスクと一般に呼ばれる。一度、画像フレームの取得が終わると、遮蔽された列に記憶された電荷が読み出される。
異なる位相の取り込み(例えば、異なる長い露出)の間の時間を最小化することによって、画像取り込みシステム、特にTOFアプリケーションにおいて使用されるマルチ露出画像フレームシステムのエラーおよび乱れが最小化され得る。本開示の種々の実施形態は、連続する画像フレームの取り込みの間の遅延を低減するように設計されたインターラインCCDセンサ構造を有する画像取り込みシステムを提供する。提案されるインターラインCCDセンサは、与えられた光検出素子のセットと関連付けられた2つ以上の記憶ユニットのセットを含み、各光検出素子は、特定の画像フレームの取得中(つまり、特定の露出期間中)に光検出素子によって生成された電荷が、読み出し前にこれらの記憶ユニットのうちの任意の1つに記憶され得るという点で、2つ以上の記憶ユニットのセットのうちの各々の1つの記憶ユニットと関連付けられる。単一の光検出素子のセットに対して複数の記憶ユニットのセットを提供することは、別の記憶ユニットのセットにおける別の画像フレームに対応する電荷を蓄積している間に、1つの記憶ユニットのセットに記憶された1つの画像フレームに対応する電荷の読み出しを許容し、したがって異なる画像フレームの取り込みの間の遅延を低減し、フレームレートを向上する。結果として、画像取り込みシステムのエラーおよび乱れが最小化され得る。
本開示の一実施形態による、二重CCDセンサ構造の一例が、図4A〜Cに例示される。
図4A〜C、5および6を参照して上述された、実施例Aの改善されたインターラインCCDセンサは、各光検出素子の単一側面上に提供された2つの記憶素子、例えば、光検出素子の列の一方の面における2つの垂直CCDを備える。このような構成は、単一インターラインV−CCDを既に使用する既存のフォトダイオード設計と容易に組み合わせられ得るので、好都合であり得る。しかしながら、他の配置がまた可能である。実施例Bは、いくつかの実施形態において、光検出素子と関連付けられた2つの記憶素子が、光検出素子の2つ以上の異なる側面上に提供され得る、例えば、2つの垂直CCDが、フォトダイオードの列の2つの異なる面上に提供され得ることを例示する。したがって、CCDの1つの代表的なフォトダイオード(画素)は、2つの記憶ユニット(例えば、電荷を記憶するためのレジスタまたはポテンシャル井戸)である、転送ゲートTG1を有する第1の記憶ユニットおよび転送ゲートTG2を有する第2の記憶ユニットを有する。多くの第1の記憶ユニットを有する1つの垂直チャネルおよび多くの第2の記憶ユニットを有する別の垂直チャネルが、フォトダイオードの列に対して提供される(2つの別個の垂直チャネル(二重垂直CCD)として)。2つの異なる垂直チャネルがフォトダイオードの列に対して提供されるので、1つの垂直チャネルは、他の1つが別の露出に対する電荷を蓄積している間に読み出されることができる。これは、一例を示す図7A〜Cに例示され、2つの垂直CCDである、VCCD1およびVCCD2は、フォトダイオードの反対の面に提供される。
図9は、本開示のいくつかの実施形態による、インターラインCCDセンサの改善された画像取得および読み出し技術を実装するように構成された代用的な画像取得装置900のシステム図を例示する。示されるように、このような装置は、各光検出画素、例えば、インターラインCCDセンサ400またはインターラインCCDセンサ700ごとに2つ以上のCCD記憶素子を実装するインターラインCCDセンサ902を少なくとも含む。1つのインターラインCCDセンサのみが図9において示されるが、画像取得システム900は、任意に、複数のこのようなインターラインCCDセンサを含み得る。画像取得システム900は、本明細書において説明される改善されたインターラインCCD技術によって、別の画像フレームを読み出している間に、1つの画像フレームの取得を可能にするために本明細書において説明される様式で、少なくとも、制御信号を生成するかおよび/またはインターラインCCDセンサ902の素子のうちの1つ以上(例えば、インターラインCCDセンサ902の光検出素子、インターラインCCDセンサ902の光検出素子の各々と関連付けられた第1の記憶素子、インターラインCCDセンサ902の光検出素子の各々と関連付けられた記憶素子に電荷を転送可能にする転送ゲート、インターラインCCDセンサ902の光検出素子の各々と関連付けられた第2の記憶素子、およびインターラインCCDセンサ902の光検出素子の各々と関連付けられた第2の記憶素子に電荷を転送可能にする転送ゲート、のうちの1つ以上)におけるESポテンシャルレベルを修正するように構成されたコントローラ904をさらに含み得る。そのためにも、いくつかの実施形態において、コントローラ904は、図9に示されるように、本明細書において説明された種々の改善された画像取得および読み出し技術を実装するように構成された、プロセッサ906およびメモリ908を少なくとも含み得る。
図10は、本開示の一実施形態による、代表的なデータプロセッシングシステム10を例示するブロック図を図示する。このようなデータプロセッシングシステムは、例えば、本明細書において説明されたコントローラ904としてか、または本明細書において説明される種々の改善されたインターラインCCD画像取得および読み出し技術を実装するように構成された任意の他のシステムとして、機能するように構成され得る。
実施例1は、例えば、TOFシステムにおいて、またはTOFシステムとして使用される、画像取得システムを提供する。画像取得システムは、インターラインCCDセンサおよびインターラインCCDセンサの動作を制御するコントローラを含む。インターラインCCDセンサは、複数の光検出素子、複数の光検出素子とは別の(つまり、同一ではない)複数の第1のCCD記憶ユニット、ならびに複数の光検出素子および複数の第1のCCD記憶ユニットとは別の(つまり、同一ではない)複数の第2のCCD記憶ユニットを含む。複数の第1のCCD記憶ユニットは、複数露出を含む1つの画像フレームの取得中に複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するために構成され、複数の第2のCCD記憶ユニットは、複数露出を含む別の画像フレームの取得中に複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するために構成されている。したがって、1つの画像フレームの取得と別の画像フレームの取得との各々は、マルチ露出(またはマルチシャッタ)取得である。言い換えると、複数の第1のCCD記憶ユニットと複数の第2のCCD記憶ユニットとの各々は、その画像フレームの複数露出の各々の間に複数の光検出素子によって記憶された電荷の合計として、単一の複数露出画像フレームに対する総電荷を記憶するために構成される(第1のCCDユニットおよび第2のCCDユニットは、異なるマルチ露出画像フレームに対する総電荷を記憶する)。コントローラは、1つの画像フレームの取得中に蓄積された電荷の少なくとも一部が、別の画像フレームの取得中に読み出されることを確実にするように構成されている。
図における例示は、実際のCCDの正確なレイアウト、向き、サイズ、および/または幾何形状を表現する必要はないことが留意される。他のチャネルが別の露出に対する電荷を蓄積している間に1つのCCDチャネルが読み出されることができる、各光検出素子のセットと関連付けられた複数CCDチャネルを有するインターラインCCDセンサのために、種々の適切なレイアウトが設計され実装され得ることが本開示によって想到される。上述された説明に基づき、当業者は、インターラインCCDセンサの各単一光検出素子と関連付けられた2つ以上のCCD記憶素子を使用する、種々の更なる実施形態および構成を容易に想到することができ、これらの全ては、本開示の範囲内である。
202,402,702 インターラインCCDセンサ素子
204,404,704 光検出素子
206,406,408 記憶素子
214,414,714 光検出素子の列
216,416 記憶素子の列、垂直CCD
418 記憶素子の第2の列、第2の垂直CCD
706 第1の記憶素子
708 第2の記憶素子
716 第1の記憶素子のセットの列、第1の垂直CCD
718 第2の記憶素子のセットの列、第2の垂直CCD
900 画像取得装置
902 インターラインCCDセンサ
904 コントローラ
906 プロセッサ
908 メモリ
1000 データプロセッシングシステム
1002 プロセッサ
1004 メモリ素子
1006 システムバス
1008 ローカルメモリ
1010 大容量記憶装置
1012 入力機器
1014 出力機器
1016 ネットワークアダプタ
1018 アプリケーション
Claims (19)
- 画像取得システムであって、
インターライン電荷結合素子(CCD)センサであって、
複数の光検出素子と、
複数露出を含む1つの画像フレームの取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するための複数の第1のCCD記憶ユニットと、
複数露出を含む別の画像フレームの取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶する複数の第2のCCD記憶ユニットと、を備える、インターラインCCDセンサと、
1つの画像フレームの前記取得中に蓄積された前記電荷の少なくとも一部が、別の画像フレームの前記取得中に読み出されることを確実にするように構成されたコントローラと、を備え、
前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの取得中に複数の光検出素子によって蓄積された電荷は、前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの取得中、前記複数の光検出素子の各々のための転送ゲートを開いたままにして、前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの各々の複数露出の間、基板電圧を変化させ、前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷の一部を前記複数の光検出素子から排出することによって、前記複数の光検出素子から転送される、
画像取得システム。 - 前記複数の光検出素子の各光検出素子は、前記複数の第1のCCD記憶ユニットのうちの1つの第1のCCD記憶ユニットおよび前記複数の第2のCCD記憶ユニットのうちの1つの第2のCCD記憶ユニットと関連付けられている、請求項1に記載の画像取得システム。
- 前記光検出素子と関連付けられた前記第1のCCD記憶ユニットは、前記光検出素子と関連付けられた前記第2のCCD記憶ユニットと同一の、前記光検出素子の側面上に提供される、請求項2に記載の画像取得システム。
- 前記1つの画像フレームは、第2の画像フレームであり、前記別の画像フレームは、第1の画像フレームであり、前記コントローラは、
前記複数の光検出素子が、前記第1の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することと、
前記複数の第1のCCD記憶ユニットが、前記第1の画像フレームの前記取得中に蓄積され、かつ前記複数の光検出素子から得られた前記電荷を前記複数の第2のCCD記憶ユニットに転送することと、
前記複数の第1のCCD記憶ユニットから前記複数の第2のCCD記憶ユニットへの前記転送に続いて、前記複数の光検出素子が、前記第2の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することと、を確実にするように構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の画像取得システム。 - 前記光検出素子と関連付けられた前記第1のCCD記憶ユニットは、前記光検出素子と関連付けられた前記第2のCCD記憶ユニットとは異なる、前記光検出素子の側面上に提供されている、請求項2に記載の画像取得システム。
- 前記1つの画像フレームは、第1の画像フレームであり、前記別の画像フレームは、第2の画像フレームであり、前記コントローラは、
前記複数の光検出素子が、前記第1の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することと、
前記複数の光検出素子が、前記第2の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第2のCCD記憶ユニットに転送することと、を確実にするように構成されている、請求項1、2および5のいずれか1項に記載の画像取得システム。 - 前記複数の第1のCCD記憶ユニットは、垂直CCDを備え、一方で前記複数の第2のCCD記憶ユニットは、水平CCDを備えるか、またはその逆である、請求項5に記載の画像取得システム。
- 前記複数の第1のCCD記憶ユニットおよび前記複数の第2のCCD記憶ユニットの各々は、垂直CCDを備えるか、または前記複数の第1のCCD記憶ユニットおよび前記複数の第2のCCD記憶ユニットの各々は、水平CCDを備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の画像取得システム。
- 前記複数の光検出素子によって検出される光を提供するように構成された照明光源をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の画像取得システム。
- 前記照明光源によって提供される前記光は、パルス光を含む、請求項9に記載の画像取得システム。
- 前記画像取得システムは、飛行時間システムであり、前記取得された画像フレームに基づいて1つ以上の物体までの距離を判定するように構成された1つ以上のプロセッサをさらに備える、請求項10に記載の画像取得システム。
- 複数の光検出素子と、1つの画像フレームの取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するための複数の第1のCCD記憶ユニットと、別の画像フレームの取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するための複数の第2のCCD記憶ユニットと、を備えるインターライン電荷結合素子(CCD)センサを制御するコンピュータ実施方法であって、前記方法は、
複数露出を含む1つの画像フレームの前記取得中に蓄積された前記電荷の少なくとも一部が、複数露出を含む別の画像フレームの前記取得中に読み出されることを確実にすることを含み、
前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの取得中に複数の光検出素子によって蓄積された電荷は、前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの取得中、前記複数の光検出素子の各々のための転送ゲートを開いたままにして、前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの各々の複数露出の間、基板電圧を変化させ、前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷の一部を前記複数の光検出素子から排出することによって、前記複数の光検出素子から転送される、
コンピュータ実施方法。 - 前記1つの画像フレームは、第2の画像フレームであり、前記別の画像フレームは、第1の画像フレームであり、前記方法は、
前記複数の光検出素子が、前記第1の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、
前記複数の第1のCCD記憶ユニットが、前記第1の画像フレームの前記取得中に蓄積され、かつ前記複数の光検出素子から得られた前記電荷を前記複数の第2のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、
前記複数の第1のCCD記憶ユニットから前記複数の第2のCCD記憶ユニットへの前記転送に続いて、前記複数の光検出素子が、前記第2の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、をさらに含む、請求項12に記載のコンピュータ実施方法。 - 前記1つの画像フレームは、第2の画像フレームであり、前記別の画像フレームは、第1の画像フレームであり、前記方法は、
前記複数の光検出素子が、前記第1の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、
前記複数の光検出素子が、前記第2の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第2のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、をさらに含む、請求項12に記載のコンピュータ実施方法。 - 前記取得された画像フレームに基づいて1つ以上の物体までの距離を判定するために飛行時間計算を行うことをさらに含む、請求項12〜14のいずれか1項に記載のコンピュータ実施方法。
- プロセッサによって実行されたときに、複数の光検出素子と、1つの画像フレームの取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するための複数の第1のCCD記憶ユニットと、別の画像フレームの取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷を記憶するための複数の第2のCCD記憶ユニットと、を備える、インターライン電荷結合素子(CCD)センサを制御する方法を実施するために構成されたソフトウェアコード部分を記憶している非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、前記方法は、
複数露出を含む1つの画像フレームの前記取得中に蓄積された前記電荷の少なくとも一部が、複数露出を含む別の画像フレームの前記取得中に読み出されることを確実にすることを含み、
前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの取得中に複数の光検出素子によって蓄積された電荷は、前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの取得中、前記複数の光検出素子の各々のための転送ゲートを開いたままにして、前記1つの画像フレームおよび別の画像フレームの各々の複数露出の間、基板電圧を変化させ、前記複数の光検出素子によって蓄積された電荷の一部を前記複数の光検出素子から排出することによって、前記複数の光検出素子から転送される、
非一時的コンピュータ可読記憶媒体。 - 前記1つの画像フレームは、第2の画像フレームであり、前記別の画像フレームは、第1の画像フレームであり、前記ソフトウェアコード部分は、
前記複数の光検出素子が、前記第1の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、
前記複数の第1のCCD記憶ユニットが、前記第1の画像フレームの前記取得中に蓄積され、かつ前記複数の光検出素子から得られた前記電荷を前記複数の第2のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、
前記複数の第1のCCD記憶ユニットから前記複数の第2のCCD記憶ユニットへの前記転送に続いて、前記複数の光検出素子が、前記第2の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、のためにさらに構成されている、請求項16に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。 - 前記1つの画像フレームは、第2の画像フレームであり、前記別の画像フレームは、第1の画像フレームであり、前記ソフトウェアコード部分は、
前記複数の光検出素子が、前記第1の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第1のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、
前記複数の光検出素子が、前記第2の画像フレームの前記取得中に前記複数の光検出素子によって蓄積された前記電荷を前記複数の第2のCCD記憶ユニットに転送することを確実にすることと、のために構成されている、請求項16に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。 - 前記ソフトウェアコード部分は、
前記取得された画像フレームに基づいて1つ以上の物体までの距離を判定するために飛行時間計算を行うことのためにさらに構成されている、請求項16〜18のいずれか1項に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
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