RU2670586C1 - Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона - Google Patents
Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона Download PDFInfo
- Publication number
- RU2670586C1 RU2670586C1 RU2017141943A RU2017141943A RU2670586C1 RU 2670586 C1 RU2670586 C1 RU 2670586C1 RU 2017141943 A RU2017141943 A RU 2017141943A RU 2017141943 A RU2017141943 A RU 2017141943A RU 2670586 C1 RU2670586 C1 RU 2670586C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accumulation time
- dynamic range
- level
- duration
- photodetector array
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 20
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 13
- 210000000352 storage cell Anatomy 0.000 claims description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 101000823316 Homo sapiens Tyrosine-protein kinase ABL1 Proteins 0.000 description 7
- 102100022596 Tyrosine-protein kinase ABL1 Human genes 0.000 description 7
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 6
- 101000823271 Homo sapiens Tyrosine-protein kinase ABL2 Proteins 0.000 description 4
- 102100022651 Tyrosine-protein kinase ABL2 Human genes 0.000 description 4
- 101100083446 Danio rerio plekhh1 gene Proteins 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 101100129500 Caenorhabditis elegans max-2 gene Proteins 0.000 description 1
- 235000000177 Indigofera tinctoria Nutrition 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000009432 framing Methods 0.000 description 1
- 229940097275 indigo Drugs 0.000 description 1
- COHYTHOBJLSHDF-UHFFFAOYSA-N indigo powder Natural products N1C2=CC=CC=C2C(=O)C1=C1C(=O)C2=CC=CC=C2N1 COHYTHOBJLSHDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области приема и обработки оптической информации и касается способа увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона. Способ включает в себя индивидуальную автоподстройку времени накопления для каждого пикселя фотоприемной матрицы. На вход антиблюминга накопительной ячейки схемы считывания сигнала подают ступенчатое напряжение антиблюминга с периодом кадра, содержащее несколько последовательно увеличивающихся уровней. Длительность каждого следующего уровня короче, чем длительность предыдущего уровня. В результате для пикселей с низким уровнем освещенности время накопления остается постоянным, а для пикселей с высоким уровнем освещенности время накопления уменьшается обратно пропорционально величине фотоэлектрического сигнала. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона и повышении информативности получаемого изображения. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области приема и обработки оптической информации матричными преобразователями изображений (МПИ) в условиях высокого контраста наблюдаемых объектов.
Известен способ расширения динамического диапазона (multi-framing), основанный на суперпозиции подкадров с различным временем накопления программно-аппаратными средствами за пределами МПИ [A. Richards and В. Cromwell, Superframing: Scene Dynamic Range Extension of Infrared Cameras. FLIR Systems, Indigo Operations]. В этом способе предполагается запоминание подкадров изображения с изменяемым временем накопления, например, по закону Tn=T02n, где n - порядковый номер подкадра (0, 1, 2, …). При этом синтезируется изображение с широким динамическим диапазоном и с передаточной характеристикой, близкой к логарифмической. Существенным недостатком этого способа является снижение кадровой частоты МПИ в n раз, что допустимо только при наблюдении статических или малоподвижных объектов.
Известен способ расширения динамического диапазона (solar-cell mode), основанный на логарифмической зависимости фото-ЭДС на p-n переходе от освещенности фоточувствительного элемента, т.е. режим «солнечного элемента» [Yang Ni, et al. A 768×576 Logarithmic Image Sensor. New Image Technologies SA]. Притом что динамический диапазон в этом варианте расширяется до 120-140 дБ, существует ряд следующих недостатков: низкая чувствительность, порядка 60-90 мВ на декаду изменения фототока; низкая скорость стекания фотогенерированного заряда при слабых уровнях освещенности; большой уровень геометрического шума, связанный с температурной зависимостью ВАХ p-n переходов. Кроме того, для режима «солнечного элемента» требуется специально разработанная технология изготовления фоточувствительной матрицы для исключения межэлементной взаимосвязи при прямом смещении фотодетекторов, характерном для этого режима.
Известен способ расширения динамического диапазона (multi-reset), основанный на дополнительном сбросе накопительной емкости в течение кадра [SypressSemiconductor. «LUPA1300-2». Available at htpp//:www.supress.com, 2008]. Этот способ наиболее близок к заявляемому техническому решению и принят за прототип. К недостаткам прототипа можно отнести то, что он эффективен только в накопительных ячейках с интегрированием фототока на собственной емкости фотодетектора, применяемых в МПИ видимого диапазона. В МПИ коротковолнового ИК диапазона накопительные ячейки преимущественно строятся по схеме с емкостным трансимпедансным усилителем (CTIA - capacitance trans impedance amplifier), которая позволяет стабилизировать рабочий режим фотодетектора в широком диапазоне освещенностей, а также реализовать режим snap-shot (мгновенная фотография) с высокой кадровой частотой.
Техническим результатом является значительное (более чем на 2 порядка) расширение динамического диапазона МПИ, вследствие чего повышается информативность получаемого изображения.
Технический результат достигается за счет применения в МПИ способа расширения динамического диапазона интегральной схемы считывания, состоящего в том, что в течение каждого кадра на вход антиблюминга накопительной ячейки интегральной схемы считывания сигнала подается не постоянное, а ступенчатое напряжение антиблюминга, содержащее несколько последовательно увеличивающихся уровней, первый из которых имеет длительность, превышающую длительность второго уровня, второй имеет длительность, превышающую длительность третьего уровня и т.д., в результате чего, для пикселей с низким уровнем освещенности время накопления остается постоянным и равным периоду кадра, а для пикселей с высоким уровнем освещенности время накопления уменьшается обратно пропорционально величине фотоэлектрического сигнала, что приводит к формированию линейно-логарифмической передаточной характеристики.
Особенностью функционирования МПИ в коротковолновом ИК диапазоне является необходимость регистрации изменений освещенности на четыре-пять порядков в пределах наблюдаемой сцены. Накопительные ячейки интегральных схем считывания фотосигнала с линейной передаточной характеристикой не в состоянии обеспечить детальную передачу столь высококонтрастного изображения. В связи с этим к накопительным ячейкам предъявляются повышенные требования по величине динамического диапазона.
Суть заявляемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена элементарная схема устройства.
На фиг. 2, 3 приведены диаграммы работы устройства.
На фиг. 4 приведены фотографии применения данного устройства.
Суть предлагаемого способа расширения динамического диапазона можно охарактеризовать как введение в накопительные ячейки МПИ функции «динамического антиблюминга». Обычно транзистор антиблюминга стоит в каждой накопительной ячейке и ограничивает накопленное напряжение при больших засветках, снижая при этом взаимосвязь между ячейками, но не расширяя динамический диапазон. Типичная накопительная ячейка со схемой CTIA и с p-канальным транзистором антиблюминга PMOS приведена на фиг. 1. Рост напряжения на накопительной емкости Cint происходит пропорционально фототоку Ip и времени накопления tint до заданного уровня ограничения Vmax:
где VABL - напряжение антиблюминга, VT - пороговое напряжение р-МОП транзистора антиблюминга.
В предлагаемом способе вместо статического напряжения на вход антиблюминга подается ступенчатое напряжение с двумя уровнями: VABL1 (интервал 0-1), VABL2 (интервал 1-2) (фиг. 2). В соответствии с выражением (1), максимальные значения накопленного напряжения Vmax на каждом из интервалов будут заданы уровнями (VABL1+VT) и (VABL2+VT).
Если напряжение заряда накопительного конденсатора Vint(t) достигает уровня Vmax1, то оно перестает дальше расти и процесс накопления останавливается до включения следующего уровня антиблюминга. При фототоке Ip1 напряжение Vint(t) не достигает первого уровня ограничения, равного Vmax1=VABL1+VT, поэтому накопление идет в течение полного кадра, т.е. время накопления равно tint(Ip1)=t0-1-2. При фототоке Ip2>Ip1 напряжение Vint(t) достигает первого уровня ограничения и до момента окончания интервала 0-1 не меняется. При переключении напряжения антиблюминга VABL на уровень VABL2 растет уровень второго ограничения Vmax2=VABL2+VT и, соответственно, напряжение Vint(t) снова начинает расти на интервале 1-2 до конца кадра. Моментом начала накопления в этом случае будет «плавающая» точка 0', а время накопления при этом снижается до значения:
Аналогично, при фототоке Iр3>Ip2 время накопления будет еще ниже:
Таким образом, время накопления в ячейке автоматически снижается при увеличении уровня фототока. На фиг. 3 приведены зависимости времени накопления tint в ячейке и соответствующего выходного сигнала Vint от величины фототока Ip при двух уровнях напряжения VABL. Следует отметить, что вид функции tint=f(Ip), определяющей ширину динамического диапазона, может оптимизироваться за счет выбора параметров напряжения VABL в зависимости от распределения и соотношения яркостей фрагментов наблюдаемой сцены.
Claims (1)
- Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона, включающий индивидуальную автоподстройку времени накопления для каждого пиксела фотоприемной матрицы, отличающийся тем, что на вход антиблюминга накопительной ячейки схемы считывания сигнала подают не постоянное, а ступенчатое напряжение антиблюминга с периодом кадра, содержащее несколько последовательно увеличивающихся уровней, первый из которых имеет длительность, превышающую длительность второго уровня, второй имеет длительность, превышающую длительность третьего уровня, и т.д., в результате чего для пикселей с низким уровнем освещенности время накопления остается постоянным, а для пикселей с высоким уровнем освещенности время накопления уменьшается обратно пропорционально величине фотоэлектрического сигнала.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141943A RU2670586C1 (ru) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141943A RU2670586C1 (ru) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2670586C1 true RU2670586C1 (ru) | 2018-10-23 |
Family
ID=63923565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017141943A RU2670586C1 (ru) | 2017-12-01 | 2017-12-01 | Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2670586C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07298141A (ja) * | 1994-04-22 | 1995-11-10 | Lg Semicon Co Ltd | 自動可変アンチ−ブルーミングバイアス回路 |
| US5978024A (en) * | 1994-04-15 | 1999-11-02 | Lg Semicon Co., Ltd. | Auto variable anti-blooming bias control circuit and method |
| US20040085466A1 (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-06 | Herold Barry W. | Digital pixel sensor with anti-blooming control |
| WO2017050633A1 (en) * | 2015-09-21 | 2017-03-30 | Photonic Vision Limited | Time of flight distance sensor |
-
2017
- 2017-12-01 RU RU2017141943A patent/RU2670586C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5978024A (en) * | 1994-04-15 | 1999-11-02 | Lg Semicon Co., Ltd. | Auto variable anti-blooming bias control circuit and method |
| JPH07298141A (ja) * | 1994-04-22 | 1995-11-10 | Lg Semicon Co Ltd | 自動可変アンチ−ブルーミングバイアス回路 |
| US20040085466A1 (en) * | 2002-10-31 | 2004-05-06 | Herold Barry W. | Digital pixel sensor with anti-blooming control |
| WO2017050633A1 (en) * | 2015-09-21 | 2017-03-30 | Photonic Vision Limited | Time of flight distance sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10250826B2 (en) | Image sensors having extended dynamic range | |
| CN102970493B (zh) | 多重转换增益图像传感器的多电平复位电压 | |
| KR100379017B1 (ko) | 다수의 저장 캐패시터를 구비한 능동 픽셀 시모스 센서 | |
| TWI516123B (zh) | 具有複數個放大器電晶體之高動態範圍像素 | |
| CN109819184B (zh) | 图像传感器及减少图像传感器固定图像噪声的方法 | |
| KR101885093B1 (ko) | 다이나믹 비전 센서 내의 시간 미분 광-센싱 시스템을 위한 저-부정합-임팩트 및 저-소비성 트랜스임피던스 이득 회로 | |
| CN100380933C (zh) | 固态摄像装置 | |
| US8749665B2 (en) | Dynamic range extension for CMOS image sensors for mobile applications | |
| JPH08149376A (ja) | 固体撮像装置 | |
| US6323479B1 (en) | Sensor pixel with linear and logarithmic response | |
| US20060192888A1 (en) | System and method for automatic exposure control and white balancing for cmos sensors | |
| US20120194722A1 (en) | Dynamic range extension for cmos image sensors for mobile applications | |
| US20020182788A1 (en) | Photodiode CMOS imager with column-feedback soft-reset for imaging under ultra-low illumination and with high dynamic range | |
| US20060170491A1 (en) | Optoelectronic sensor | |
| CN111669525A (zh) | 像素电压调节器 | |
| US7224388B2 (en) | Wide dynamic range active pixel with knee response | |
| US7417678B2 (en) | Precise CMOS imager transfer function control for expanded dynamic range imaging using variable-height multiple reset pulses | |
| TW201731283A (zh) | 具有可變頻寬之影像感測器全域快門供應電路 | |
| RU2670586C1 (ru) | Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона | |
| JP2006287343A (ja) | 固体撮像装置 | |
| TWI683577B (zh) | 具有電流鏡之緩衝直接注入讀出中的影像滯後緩解 | |
| US20040183933A1 (en) | Image-processing device and processing method thereof | |
| TW201733342A (zh) | 具有降低驅動需求之全域快門控制信號產生器 | |
| US20180359400A1 (en) | Image capturing apparatus and control method thereof | |
| WO2024066421A1 (zh) | 光敏处理装置和方法 |