WO2007134473A1 - Bildaufnehmer mit lokaler adaptiver belichtungsregelung - Google Patents

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Stephan Voltz
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
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    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53—Control of the integration time
    • H04N25/533—Control of the integration time by using differing integration times for different sensor regions

Definitions

  • the aim of the disclosed invention is to propose an image recorder, which does not globally regulate the exposure and dynamic parameters, but has the ability to perform a complete independent control in partial image areas. These partial image areas can be adjusted dynamically from image to image in size and position and thus enable different, independent applications to be realized with a single sensor.
  • the disclosed invention relates to an imager which can be preferably integrated in CMOS technology.
  • the principles disclosed can easily be applied to other opto-electronic technologies.
  • CMOS technology For example, on bipolar technology or on electro-optical technologies based on organic starting materials.
  • circuit blocks and principles specific to the CMOS technology these are to be understood as exemplary explanations of the application in this technology, but not as limiting the transferability to other electro-optical technologies.
  • the realization of the disclosed invention will be explained with reference to a 4-transistor pixel with synchronous electronic shutter.
  • the invention is also easy to apply to other pixel cells and shutter principles (Rollign Shutter, Global Shutter, etc.) as the skilled reader can easily understand.
  • reset refers to an operation that, on the one hand, enables the pixels to be initialized prior to image capture.
  • reset refers to all the operations known in the literature which affect the pixel characteristics by complete reset to the initial state during image capture, or by partial resets during a portion of the image capture. (Clamping, Well Adjustment, Multy Slope Technology, Linlog Technology etc.)
  • Shutter when used in the context of this disclosure, refers to an operation that enables electronic imaging to terminate the image acquisition (signal integration) of a pixel, wherein the signal value can be stored both at the pixel and at a later time point to read out, or else immediately with the "shutter” operation should be read.
  • Shuttering includes known operations in the literature which influence the pixel characteristic by using the Sampel and Hold step. (eg Direc Injection, Skimming, Common Gate Amplifier etc.)
  • the sensor according to the invention comprises at least the functional blocks shown in FIG. 1:
  • a matrix of photosensitive elements consisting of small rectangular or square subregions of several elements which are linked to each other such that in each case the control for the pixel reset operation (eg gate contact of the reset transistor), and / or the control of the integration control circuit (eg gate Contacts of the shutter transistors) are interconnected
  • a drive circuit and logic that allows these subregions independently to control each other with respect to reset time and / or shutter time and also realized a flexible summary of several small subregions to one or more larger regions
  • a control circuit which enables the sequential readout of the photosensitive elements (1).
  • Figure 2 illustrates how regions are linked using a 4T pixel cell with synchronous electronic shutter (Global Shutter). Shown.
  • Global Shutter synchronous electronic shutter
  • the image sensor includes at least 2 mutually independent control units which can control the exposure time of the photosensitive elements in different areas of the matrix. (Shutter circuit, in the simplest case, designed so that the corresponding Shuttertransistoren open and thus end the integration).
  • the charge integrated in the individual elements can then be read out sequentially line by line and transmitted via an interface to a further processing system.
  • the control units which can set the different exposure times are connected to the individual shutter circuits of the pixels so that a flexible, user-selectable range can be set, on which the respective exposure time should act.
  • different areas of the matrix can be defined which have a different exposure time of the respective pixels. These areas can be firmly defined or even flexibly set by the user in a variation.
  • the individual control of the exposure time in each area can be made of the matrix so that the start chtblien the exposure of h ' Elements does not happen simultaneously, but with the help of at least two independent control units different.
  • the opening of the shutter transistors can be done at the same time.
  • the matrix of photodetectors (1) is designed in a known technique as a CMOS image sensor.
  • the photodetectors are known in the art as a "global shutter pixel" ( Figure 2) designed, which means that the pixel cell next to the photosensitive photodiode has a Shuttertransistor and a light-protected storage capacity, so that all the photodetectors exposed simultaneously, and the integrated voltage values then in the storage capacity
  • the gate terminals of the reset transistors and / or the shutter transistors of the matrix are not all connected to each other but only within small areas such as 20x20 pixel cells
  • the control logic is to be attached to the longitudinal sides of the matrix in order to drive as few control lines through the matrix as possible is a control of the subregions of one side of the matrix or of several.
  • Figure 1 shows an embodiment of the control of the subregions.
  • the imager has at least 2 independent units which can perform the exposure control in different sub-ranges. Appropriately, with the help of a logical connection of the individual subregions to group together several of these and thus jointly regulate larger subregions of the matrix.
  • control lines are advantageously implemented by at least two opposite sides, such that only one control line is led per pixel column, and that the two separately controlled properties of a subgroup in one and the same column. (See Figure 3) This allows the layout of the pixels of all subgroups to be designed approximately identically, and to minimize the shading of the optically active hatching of the pixels.

Abstract

Ziel der offen gelegten Erfindung ist es einen Bildaufnehmer vorzuschlagen, welcher es ermöglicht innerhalb fester oder einstellbarer, voneinander unabhängiger Unterregionen, eine Regelung der Parameter Belichtungszeit, Verstärkung und Dynamik vornehmen zu können. Dies ist insbesondere bei Applikationen hilfreich welche eine hohe Lichtdynamik erfordern oder welche eine hohe Bewegungsdynamik aufweisen wie zum Beispiel der Einsatz im Bereich Fahrerassistenzfunktionen für Automobile. Der vorgestellte Bildsensor verfügt über eine Ansteuerung der Unterregionen, die in einfacher Weise zu realisieren ist und welche die Grundeigenschaften des Bildaufhehmers nicht negativ beeinflusst.

Description

Patentanmeldung
Titel: Büdaufhehmer mit lokaler adaptiver Belichtungsregelung
Beschreibung der Erfindung
Einleitung
In modernen Kraftfahrzeugen kommen zunehmend so genannte Kamerabasierende Fahrerassistenzsysteme zum Einsatz. Die wichtigsten Anwendungen sind hierbei Systeme, welche den Bereich vor dem Fahrzeug überwachen um Kollisionen, oder ein Verlassen der Spur zu verhindern, und den Fahrer zu unterstützen sicherer zu fahren. Neben der Anwendung einer Fahrspurverlassenswarnung sind Applikationen wie eine Nachtsichtfunktion, Verkehrszeichenerkennung oder Stauassistent denkbar. Um dem Kunden einen höheren Nutzen zu bieten bei annähernd gleichen Kosten wird angedacht mit einer einzigen Kamera im Frontbereich alle denkbaren Aufgaben zu lösen und somit Bauraum und Kosten zu sparen. An ein Kamerasystem, welches den Bereich vor dem Fahrzeug überwacht, und welches verschiedene Anwendungen gleichzeitig bedienen muss, werden vielfältige Anforderungen gestellt. In verschiedenen Regionen des Bildfeldes muss die Regelung der Belichtung und des Dynamikumfangs ganz unterschiedlich geregelt werden. So ist zum Beispiel für eine Nachtsichtanwendung welche Objekte in der Ferne gut abbilden soll eine relativ lange Belichtungszeit nötig und auch möglich, wobei dagegen bei einer Erkennung von Verkehrszeichen, gerade bei Nacht, vor allem bei hohen Relativgeschwindigkeiten und der guten Reflexion des Schildes eine sehr kurze Belichtungszeit zu wählen um Bewegungsunschärfe und Überbelichtung zu vermeiden.
Herkömmliche Bildaufnehmer haben aber nur eine globale Regelung der Belichtungsparameter und der Verstärkung, so dass oft keine Einstellung gefunden werden kann, welche alle relevante Bildteile ausreichend gut abbildet. Durch den Einsatz von logarithmischen Bildaufhehmern, oder Aufnehmern welche eine Anpassung der Übertragungskennlinie mit mehreren Steigungen ermöglichen wird ein höherer Dynamikumfang erreicht, der aber dazu führt dass der Kontrast in bestimmten Fällen nicht mehr ausreicht um eine ausreichende Auswertesicherheit zu gewährleisten.
Ziel der offen gelegten Erfindung ist es einen Bildaufnehmer vorzuschlagen, welcher die Regelung der Belichtungs- und Dynamikparameter nicht global vornimmt, sondern die Möglichkeit besitzt in partiellen Bildbereichen eine komplette eigenständige Regelung durchzuführen. Diese partiellen Bildbereiche können dynamisch von Bild zu Bild in Grosse und Position angepasst werden und ermöglichen somit verschiedene, voneinander unabhängige Anwendungen mit einem einzigen Sensor zu realisieren.
Beschreibung der Erfindung
Die offen gelegte Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer der vorzugsweise in CMOS Technologie integriert werden kann. Die offen gelegten Prinzipien lassen sich allerdings leicht auf andere opto-elektronische Technologien zu übertragen. So zum Beispiel auf Bipolar-technologie oder auf Elektro-optische Technologien die auf organischen Ausgangsmaterialien beruhen. Soweit die folgende Beschreibung der Erfindung Schaltungsblöcke und Prinzipien spezifisch für die CMOS Technologie beschreibt, sind diese als beispielhafte Erläuterungen der Anwendung in dieser Technologie zu verstehen, nicht jedoch als Einschränkung der Übertragbarkeit auf andere elektro-optische Technologien. Weiter wird zur Erläuterung der Schaltungsprinzipien die Realisierung der offengelegten Erfindung anhand eines 4 Transistor Bildpunktes mit synchronem elektronischem Verschluss erläutert. Die Erfindung lässt sich aber einfach auch auf andere Pixel Zellen und Verschluss Prinzipien anwenden, (Rollign Shutter, Global Shutter, etc.) wie der fachkundigen Leser einfach nachvollziehen kann.
Soweit in der Beschreibung dieser Erfindung verwendet, bezieht sich "Reset" auf eine Operation die es einerseits ermöglicht, die Pixel Zellen vor beginn einer Bildaufnahme in einen Initialzustand zu bringen. Ausserdem bezieht siech "Reset" auf sämtliche in der Literatur bekanten Operationen die die Pixel Kennlienie mittels kompletter Rücksetzung in den Initialzustand während der Bild Aufnahme, oder mittels teilweisen Rücksetzungen während einem Teil der Bildaufnahme beeinflussen. (Clamping; Well Adjustment; Multy Slope Technology; Linlog Technology etc..)
"Shutter" bezieht sich wenn im Kontext dieser Offenlegung verwendet, auf eine Operation die es Ermöglicht mittels elektronischer Ansteuerung die Bildaufnahme (Signal Integration) eines Bildpunktes zu beenden, wobei der der Signalwert sowohl im Bildpunkt zwischen gespeichert werden kann, um diesen zu einem späteren Zeitpunk auszulesen, oder aber unmittelbar mit der "Shutter" Operation ausgelesen werden soll. Unter Shutter miteinbezogen sind in der Literatur bekannte Operationen die mittels Verwendung der im Bildpuntke Sampel and Hold Stufe die Pixle Kennlinie beeinflussen. (z.B. Direc Injection; Skimming; Common Gate Amplifyer etc..)
Der erfindungsgemässe Sensor umfasst mindestens die in Abbildung 1 dargestellten Funktionsblöcke:
1. Eine Matrix von lichtempfindlichen Elementen welche aus kleinen rechteckigen oder quadratischen Unterregionen mehrerer Elemente bestehend die so miteinander verknüpft sind, dass jeweils die Ansteuerung für die Bildpunkt Reset Operation (z.B. Gatekontakt der Reset Transistors), und/oder die Ansteuerung der Integrationskontrolschaltung (z.B. Gate Kontakte der Shuttertransistoren) miteinander verbunden sind
2. Eine Ansteuerschaltung und Logik die es ermöglicht diese Subregionen unabhängig voneinander hinsichtlich Resetzeitpunkt und/oder Shutterzeit anzusteuern und die auch eine flexible Zusammenfassung mehrerer kleiner Subregionen zu einer oder mehrerer grosseren Regionen realisiert
3. Mehrere, mindestens aber 2 voneinander unabhängige Blöcke welche jeweils eine eigene Regelung des Reset- und/oder Shutterzeitpunkts für die verknüpften Regionen ermöglichen
4. Eine Steuerungsschaltung die das sequentielle auslesen der lichtempfindlichen Elemente (1) ermöglicht.
In Abbildung 2 wird die Realisierung der Verknüpfung der Regionen anhand einer 4T Pixel Zelle mit synchronem elektronischem Verschluss (Global Shutter). Dargestellt. Grösstmögliche Flexibilität wird erreicht, wenn sowohl die Reset Ansteuerung wie auch die Shutter Ansteuerung der Subregionen einzeln, respektive verbunden zu mindestens 2 Regionen des Bildsensors ausgestaltet wird. Aus praktischen Gründen kann es jedoch vorteilhaft sein, nur die Ansteuerung der Reset Operation oder der Shutter Operation in den Subblöcken getrennt auszulegen.
In der einfachsten Ausführung des erfindungsgemässen Bildaufnehmers ist die Funktionsweise wie folgt:
Sobald der erfindungsgemässe Bildsensor mit Energie versorgt wird und durch einen intern oder extern erzeugten Auslöseimpuls dazu veranlasst wird ein Bild aufzunehmen, werden die Ladungen aller lichtempfindlichen Elemente (Pixel) gleichzeitig zurückgesetzt und starten damit Ladung abhängig vom einfallenden Licht zu integrieren. Der Bildsensor beinhaltet mindestens 2 voneinander unabhängige Steuerungseinheiten welche die Belichtungszeit der lichtempfindlichen Elemente in verschiedenen Bereichen der Matrix regeln können. (Shutter Schaltung, im einfachsten fall so ausgelegt, dass die entsprechenden Shuttertransistoren öffnen und somit die Integration beenden). Die in den einzelnen Elementen aufintegrierte Ladung kann anschliessend sequenziell Zeile für Zeile ausgelesen werden und über eine Schnittstelle an ein weiterverarbeitendes System übermittelt werden. Die Steuereinheiten welche die verschiedenen Belichtungszeiten einstellen können sind so mit den einzelnen Shutter Schaltungen der Pixel verbunden dass ein flexibler, von dem Benutzer wählbarer Bereich eingestellt werden kann, auf welchen die jeweilige Belichtungszeit wirken soll. Somit lassen sich verschiede Bereiche der Matrix definieren welche eine unterschiedliche Belichtungszeit der jeweiligen Pixel habe. Diese Bereiche können fest definiert sein, oder auch in einer Variation flexibel von dem Benutzer eingestellt werden.
In einer Variation kann auch die individuelle Regelung der Belichtungszeit in einzelnen Bereichen der Matrix so erfolgen, dass der Start den Belichtung der h'chtempfindlichen Elemente nicht gleichzeitig geschieht, sondern mit Hilfe von mindesten 2 voneinander unabhängigen Steuereinheiten unterschiedlich. Ih diesem Fall kann das Öffnen der Shuttertransistoren zum gleichen Zeitpunkt erfolgen.
Im Folgenden wird die Realisierung des erfindungsgemässen Bildaufnehmers in einer CMOS Technologie Beispielhaft näher erläutert. Siehe dazu Abbildung 2.
Die Matrix von Photodetektoren (1) wird in bekannter Technik als CMOS Bildsensor ausgelegt. Die Photodetektoren sind in bekannter Technik als „Global Shutter Pixel" (Figur 2) ausgelegt, was bedeutet dass die Pixelzelle neben der lichtempfindlichen Photodiode einen Shuttertransistor und eine lichtgeschützte Speicherkapazität hat, so dass alle Photodektoren gleichzeitig belichtet, und die aufintegrierten Spannungswerte anschliessend in der Speicherkapazität zum Auslesen zur Verfügung stehen. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik werden bei dem erfindungsgemässen Sensor die Gatetanschlüsse der Resettransistoren und/oder der Shutter Transistoren der Matrix nicht alle miteinander verbunden sondern lediglich innerhalb kleiner Bereiche wie zum Beispiel 20x20 Pixelzellen. Zu diesen so miteinander verbundenen Unterregionen wird von ausserhalb der Pixelmatrix liegenden Ansteuerlogik jeweils eine Leitung geführt. Vorteilhaft ist die Ansteuerlogik an den Längsseiten der Matrix anzubringen um möglichst wenige Ansteuerleitungen durch die Matrix fuhren zu müssen. Möglich ist eine Ansteuerung der Unterregionen von einer Seite der Matrix oder von mehreren. Vorteilhaft ist es die Anzahl der Steuerleitungen soweit zu reduzieren, dass pro Spalte nur eine Leitung durchgeführt werden muss, da die lichtempfindliche Fläche und somit der Füllfaktor und die Empfindlichkeit so wenig beeinträchtigt ist. Abbildung 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung der Subregionen. Der Bildaufnehmer besitzt mindestens 2 voneinander unabhängige Einheiten welche die Belichtungsregelung in verschiedenen Unterbereichen vornehmen kann. Zweckmässig ist, mit Hilfe einer logischen Verknüpfung der einzelnen Unterregionen mehrere von diesen zusammenzufassen und somit grossere Unterregionen der Matrix gemeinsam regeln zu können.
Werden mehrere Eigenschaften des Bildpunktes in Untergruppen zusammengefasst und je Untergruppe angesteuert, (z.B. Shutter und Reset) , so werden die Steuerleitungen mit Vorteil von mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten ausgeführt, und zwar so dass je Pixel spalte nur eine Steuerleitung geführt wird, und dass die Beiden getrennt gesteuerten Eigenschaften einer Untergruppe in ein und derselben spalte geführt werden. (Siehe Abbildung 3) Die ermöglicht das layout der Bildpunkte aller Untergruppen annähernd identisch auszugestalten, und die Abschattung der optisch aktiven Hache der Bildpunkte minimal zu halten.

Claims

Patentansprüche
1. Ein Bildaufnehmer welcher mehrere, voneinander unabhängige Unterregionen aufweist, welche bezüglich Belichtungszeit, Verstärkung und Dynamik einzeln oder in Gruppen geregelt werden können
2. Ein Bildaufnehmer nach Anspruch 1 der in einer CMOS Technologie integriert ist.
3. Ein Bildaumehmer nach Anspruch 1 der in einer CCD Technologie Integriert ist.
4. Ein Bildaufnehmer nach Anspruch 1 der mit organischen Halbleiterelementen aufgebaut ist.
5. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei welchem die einzelnen Unterregionen innerhalb der Matrix festgelegt sind
6. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei welchem die Position der einzelnen Unterregionen flexibel während des Betriebs eingestellt und verändert werden können
7. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei welchem lichtempfindliche Elemente fest zu einer Unterregion zusammengefasst sind
8. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 4, bei welchem lichtempfindliche Elemente zu mehreren, (mindestens 3) kleinen Unterregionen zusammengefasst sind, deren Ansteuerung wieder zu mehreren Gruppen von Elementen Unterregionen (mindestens 2) zusammengefasst werden können.
9. Ein Bildsensor nach Anspruch 8 bei dem besagte Zusammenfassung der Unterregionen von Elementen zu Gruppen während dem Betrieb verändert werden kann.
10. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 8, bei welchem mindestens die die Ansteuerung der Kontrolle von 2 der folgenden Bildpunkte Eigenschaften zu Gruppen von Elementen zusammengefasst ist: Belichtungszeit Anfang, Belichtungszeit Ende, Bildpunkt Kennlinie, Bildpunkt Sättigung, Bildpunkt Gain.
11. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 11 bei welchem besagte Steuerleitungen zur Ansteuerung der Eigenschaften einer Unterregion von Elementen von Einer Seite der Matrix ausgeführt sind.
12. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 11 bei welchem besagte Steuerleitungen zur Ansteuerung der Eigenschaften einer Unterregion von Elementen von mehreren Seiten der Matrix ausgeführt sind.
13. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 11 bei welchem besagte Steuerleitungen zur Ansteuerung der Eigenschaften einer Unterregion von Elementen je Eigenschaft von einer Seite der Matrix ausgeführt sind (Z.B. Anfang der Integrationszeit von der oberen Längsseite, ende der Integrationszeit von der Unteren Längsseite)
14. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 13 bei welchem besagte Steuerleitungen zur Ansteuerung der Eigenschaften einer Unterregion von Elementen so ausgelegt sind dass pro Zeile oder pro Spalte jeweils eine Steuerleitung ausgeführt ist.
15. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 13 bei welchem besagte Steuerleitungen zur Ansteuerung der Eigenschaften einer Unterregion von Elementen so ausgelegt sind dass pro Zeile oder pro Spalte jeweils eine Steuerleitung je Eigenschaft (z.B. Belichtungszeit Anfang, Belichtungszeit Ende, Bildpunkt Kennlinie, Bildpunkt Sättigung, Bildpunkt Gain) welche in der Unterregion getrennt angesteuert werden kann ausgeführt ist.
16. Ein Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 - 15 bei welchem die besagten Steuerleitungen zur Ansteuerung der Eigenschaften einer Unterregion so ausgelegt sind, dass in einer Kolonne jeweils von zwei gegenüberliegenden Seiten zwei Ansteuerungsleitungen, für zwei unterschiedliche Eigenschaften (z.B. Belichtungszeit Anfang, Belichtungszeit Ende, Bildpunkt Kennlinie, Bildpunkt Sättigung, Bildpunkt Gain) welche in der Unterregion getrennt angesteuert werden, angebracht sind, und dass diese Steuerleitungen in ein und derselben Kolonne oder Spalte diese Eigenschaft in ein und derselben Unterregion ansteuern.
17. Ein System zur Erhöhung von Komfort und / oder Verkehrssicherheit von Kraftfahrzeugen, welches Erkennung von Verkehrsschildern und/oder Erkennung von Fussgängern und / oder Erkennung der Fahrspur und/oder Erkennung von Hindernissen mit einem Bildsensor noch einem der Ansprüche 1 - 16 und geeigneter auswerte und Kontrollalgorithmik löst.
PCT/CH2007/000253 2006-05-22 2007-05-18 Bildaufnehmer mit lokaler adaptiver belichtungsregelung WO2007134473A1 (de)

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CH8232006 2006-05-22

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