本發(fā)明涉及傳感器，并且更特別地，涉及最大化數(shù)據(jù)使用的可變靈敏度傳感器。

背景技術(shù)：

無(wú)論數(shù)字或模擬傳感器都傾向以線性的方式測(cè)量和記錄物理現(xiàn)象(例如聲音或光)。例如，當(dāng)多個(gè)光子入射到成像傳感器的傳感元件上時(shí)，傳感元件存儲(chǔ)一定量的電荷(例如，在電容器中)，以及例如，當(dāng)光子的數(shù)量加倍后，傳感器上存儲(chǔ)的電荷量也會(huì)加倍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了以類似于數(shù)據(jù)將如何被使用的變化密度記錄數(shù)據(jù)的傳感元件。在一個(gè)實(shí)施方式中，例如以對(duì)數(shù)形式記錄數(shù)據(jù)。

在一個(gè)實(shí)施方式中，公開(kāi)了一種傳感元件。該傳感元件包括：傳感器，構(gòu)造為以變化的密度記錄入射到傳感器上的光子，其中通過(guò)關(guān)于光子非線性地存儲(chǔ)電子以變化的密度記錄光子。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，公開(kāi)了一種方法。該方法包括：記錄入射到成像傳感器上的光子；以變化的密度在成像傳感器上存儲(chǔ)所記錄的光子，其中通過(guò)關(guān)于光子非線性地存儲(chǔ)電子以變化的密度記錄光子。

在另一個(gè)實(shí)施方式中，公開(kāi)了一種設(shè)備。該設(shè)備包括：用于記錄光子的裝置；以及用于將所記錄的光子存儲(chǔ)到用于以變化的密度記錄光子的裝置上的裝置，其中通過(guò)關(guān)于光子非線性地存儲(chǔ)電子以變化的密度記錄光子。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)從通過(guò)例子示例本發(fā)明各方面的本說(shuō)明書應(yīng)當(dāng)是明顯的。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的關(guān)于結(jié)構(gòu)和操作的細(xì)節(jié)部分，可通過(guò)進(jìn)一步附圖的說(shuō)明來(lái)部分地?cái)⑹觯渲邢嗤母綀D標(biāo)記代表相同的部件，并且其中：

圖1以圖示的方式示出了常規(guī)的傳感元件(例如，相機(jī)的傳感元件)，其在捕捉電子時(shí)以14檔線性地存儲(chǔ)電子；

圖2以圖示的方式示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的對(duì)數(shù)傳感元件，其在捕捉電子時(shí)以40檔對(duì)數(shù)地存儲(chǔ)電子；

圖3示出的圖表示出了非線性傳感器的靈敏度隨著累積的電子數(shù)量的增加而降低；

圖4A是示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的用于捕捉圖像并將其記錄到傳感元件上的方法的流程圖；

圖4B是示出了用于非線性存儲(chǔ)所捕捉和記錄的圖像的方法的一實(shí)施方式的另一流程圖；以及

圖4C是示出了用于非線性存儲(chǔ)所捕捉和記錄的圖像的方法的另一實(shí)施方式的另一流程圖。

具體實(shí)施方式

然而，由于最終的使用可能不在這樣的線性空間中，所以上述的以線性方式測(cè)量和記錄物理現(xiàn)象(例如聲音或光)的配置是低效的。例如，對(duì)于聲音或光來(lái)說(shuō)，人類系統(tǒng)(例如，人眼)以對(duì)數(shù)形式處理這些數(shù)據(jù)。對(duì)于光，數(shù)據(jù)的每一次加倍(例如，光子數(shù)量的加倍)被感知為所察覺(jué)亮度的線性增加。例如，如果1個(gè)單元的輸入按一定方式被感知，那么2個(gè)單元(即，增加1)的輸入將被感知為更多的輸入，但是對(duì)于刺激的類似增加將需要4個(gè)單元的輸入(即，需要增加2而非先前的增加1)。但是，由于與有用信息的輸入的指數(shù)增量形成對(duì)照的傳感器的數(shù)據(jù)記錄的線性，傳感器很快就達(dá)到了飽和，并限制了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。但是，對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，更期望的是能夠記錄更寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)。

目前，消費(fèi)數(shù)字相機(jī)傳感器中使用的好的成像傳感器捕捉大約14檔的動(dòng)態(tài)范圍，在其到達(dá)飽和之前以2倍于0(即沒(méi)有輸入的值)和可記錄的最黑暗值(最低的非0輸入的值)之間的距離被測(cè)量。檔是用于量化光或曝光的比率的單元，每增加一檔意味著兩倍，每減去一檔意味著二分之一倍。我們眼睛所看到的真實(shí)世界從星光變化到明亮太陽(yáng)跨越了大約40檔的動(dòng)態(tài)范圍(比率為1∶160000000000)。盡管目前的紙張打印和典型的計(jì)算機(jī)顯示器僅示出約8檔的動(dòng)態(tài)范圍，但未來(lái)的高動(dòng)態(tài)范圍的顯示器件可能能夠顯示甚至我們最好的消費(fèi)相機(jī)的限制。

數(shù)字成像的傳統(tǒng)解決方案使用通過(guò)以線性方式存儲(chǔ)電子來(lái)記錄入射光子的量的傳感元件。在這樣的傳感器中，當(dāng)一個(gè)光子撞擊到其上，光電二極管可釋放一個(gè)電子，施加的電場(chǎng)推動(dòng)電子移動(dòng)，并且該電子被存儲(chǔ)在電容器中。在曝光結(jié)束后，讀取機(jī)構(gòu)測(cè)量電容器的電壓，這樣，可以得出入射到傳感元件上的光的量(或者入射光子的數(shù)量)。這樣，所存儲(chǔ)的電子的數(shù)量與入射的光子的數(shù)量成比例，入射的光子的數(shù)量與電容器上的電壓成比例，且傳感元件登記的相當(dāng)于場(chǎng)景-線性信息。

在這些方面，當(dāng)考慮傳感元件電容器內(nèi)的電子時(shí)，最亮的檔由所有累積的電子的一半表示。下一最亮的檔由該量的一半的電子表示，以此類推。但是線性傳感器上的最亮檔，當(dāng)用盡傳感元件上可存儲(chǔ)的記錄數(shù)據(jù)的一半時(shí)，僅對(duì)應(yīng)于價(jià)值為單一檔的信息。最上面的兩檔占據(jù)了所記錄數(shù)據(jù)的四分之三，諸如此類。反之，處于底部的檔僅分配給它們非常少的數(shù)據(jù)，以至于它們充滿噪聲。對(duì)于人類觀看目的來(lái)說(shuō)這是一種低效的技術(shù)。

例如，圖1以圖示的方式示出了常規(guī)傳感元件100(例如，相機(jī)的傳感元件)，其當(dāng)捕獲電子時(shí)以14檔線性地存儲(chǔ)電子。在圖1中，由于常規(guī)傳感元件100被示出為以線性方式存儲(chǔ)電子，從最亮的1檔(110)開(kāi)始到最暗的14檔(116)，1檔(110)用盡了傳感元件100上可存儲(chǔ)的記錄數(shù)據(jù)的一半，而它對(duì)應(yīng)的僅是價(jià)值單一檔的信息。接著2檔(112)用盡了剩余記錄數(shù)據(jù)的一半，并且3檔(114)用盡了2檔(112)之后的剩余記錄數(shù)據(jù)的一半，以此類推。例如，如果入射到傳感元件100上的電子總數(shù)是45,000，那么1檔(110)用盡一半或22,500個(gè)電子，2檔(112)用盡剩余的22,500的一半或11,250個(gè)電子，3檔(114)用盡剩余的11,250的一半或5,625個(gè)，直到14檔(116)僅使用了(1/2¹⁴))＊45,000＝(1/16,384)＊45,000＝2.75個(gè)電子。需要說(shuō)明的是，該段落中使用的術(shù)語(yǔ)“檔”表示一個(gè)單元，該單元用于量化光的比率，且并不是相機(jī)的一個(gè)物理元件。

為了解決具有上述傳感元件的常規(guī)相機(jī)的缺點(diǎn)，本文公開(kāi)的若干實(shí)施方式提供了以變化的密度而非場(chǎng)景線性地(如上面關(guān)于圖1所描述的)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的傳感元件。在一個(gè)實(shí)施方式中，公開(kāi)了以對(duì)數(shù)形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的傳感元件。在另一個(gè)實(shí)施方式中，所有的傳感元件都覆蓋有變化的中性密度濾波器(或者某其他的提供可變靈敏度的架構(gòu))，其減少到達(dá)傳感元件的光的量。通過(guò)使用具有不同曝光的傳感元件來(lái)重新產(chǎn)生圖像，可以重新產(chǎn)生更高動(dòng)態(tài)范圍的圖像。因此，總體上來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)整到達(dá)傳感器的光的量，例如，使用變化的中性密度濾波器，可產(chǎn)生更高動(dòng)態(tài)范圍的圖像。

在讀了本說(shuō)明書之后，對(duì)于如何在各種實(shí)施方式和應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明將會(huì)變得明顯。但是，雖然此處將描述本發(fā)明的各種實(shí)施方式，可以理解的是，這些實(shí)施方式僅是以示例性方式呈現(xiàn)的，并不作為限制。因此，各種實(shí)施方式的詳細(xì)描述不應(yīng)被理解為對(duì)于本發(fā)明的范圍和寬度的限制。

在一個(gè)實(shí)施方式中，公開(kāi)了傳感元件，其中通過(guò)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在與數(shù)據(jù)最終被使用的方式類似的空間中，數(shù)據(jù)以更高效的方式被記錄。在這種實(shí)施方式中，傳感元件是非線性傳感元件，其以變化的密度存儲(chǔ)或記錄數(shù)據(jù)。例如，圖2以圖示的方式示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的對(duì)數(shù)傳感元件或設(shè)備200，其當(dāng)捕獲電子時(shí)以40檔(210)對(duì)數(shù)地存儲(chǔ)電子。在圖2示出的實(shí)施方式中，與具有14檔的線性傳感元件100相比，對(duì)數(shù)傳感元件200被示出為具有40檔。可以看出，對(duì)數(shù)傳感元件200的每一檔(假定45,000個(gè)電子被感知，每一檔包括1125個(gè)電子)比線性傳感元件100的平均檔(假定45,000個(gè)電子被感知，每一檔包括從22,500到3個(gè)電子)包括更多的電子。

為了物理地實(shí)現(xiàn)諸如圖2示出的且在上面描述的對(duì)數(shù)傳感元件200的非線性傳感元件，可以使用若干不同的元件。一般而言，電子在存儲(chǔ)中累積的速率可通過(guò)改變被存儲(chǔ)的電子的量來(lái)減緩。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，產(chǎn)生電場(chǎng)的電場(chǎng)產(chǎn)生器(其用于將電子推到存儲(chǔ)單元(例如，電容器)中)被構(gòu)造為隨著更多電荷在電容器中累積而降低其電場(chǎng)的產(chǎn)生。在另一個(gè)實(shí)施方式中，電場(chǎng)產(chǎn)生器被構(gòu)造為產(chǎn)生隨著更多的電子在耦合到對(duì)數(shù)傳感元件200的存儲(chǔ)單元中累積而降低的電場(chǎng)。

當(dāng)電場(chǎng)被施加并且從光電二極管的半導(dǎo)體擊出電子時(shí)，產(chǎn)生的正空穴以及電子被推動(dòng)到電容器相對(duì)的兩極上。在這種情況下，光電二極管被構(gòu)造為改變正空穴被填充的速率。在另一個(gè)實(shí)施方式中，光電二極管被構(gòu)造為累積正空穴而非將其填充為中性。也即是，傳感元件中的光電二極管可以作為用于該傳感元件的電容器的正極。由于電子沒(méi)有被填充，隨著更多的電子被擊出，那么更多電子將要被擊出的可能性就降低。但是，不考慮精確的實(shí)施方式，對(duì)于意欲產(chǎn)生人類可觀看圖像的成像器件來(lái)說(shuō)，諸如對(duì)數(shù)記錄傳感器的非線性記錄傳感器比線性傳感器有效得多。并且，對(duì)數(shù)記錄傳感器將允許記錄目前不可能的動(dòng)態(tài)范圍。進(jìn)一步地，該實(shí)施方式可被推廣至對(duì)數(shù)以外的任何非線性曲線。

圖3示出的圖表300示出了非線性傳感器(例如，對(duì)數(shù)傳感元件200)的靈敏度隨著電子累積數(shù)量的增加而降低。在圖3示出的實(shí)施方式中，每次當(dāng)累積了一定數(shù)量的電子(對(duì)于總電子數(shù)為45,000的40檔來(lái)說(shuō)是1,125個(gè)電子)時(shí)，傳感器的靈敏度就降低一半。因此，圖表300展現(xiàn)出了與預(yù)期一樣的對(duì)數(shù)降低。但是，需要說(shuō)明的是，降低并非必須是精確對(duì)數(shù)的，而是可以是類似對(duì)數(shù)的，或者與數(shù)據(jù)將被使用的方式基本類似的任何非線性函數(shù)。例如，對(duì)于一定數(shù)量的電子的每一次累積，并非靈敏度降低一半(即，前一數(shù)量除以2)，它可以被編程為通過(guò)例如除以2.2，2.0，2.5，2.1等等被降低。該函數(shù)應(yīng)當(dāng)相對(duì)平滑并靈敏度降低。具有隨電子累積的上述靈敏度降低的傳感器相對(duì)于當(dāng)前傳感器中使用的簡(jiǎn)單線性靈敏度是一個(gè)改進(jìn)。相應(yīng)的，一旦靈敏度曲線是已知的并且是可復(fù)制的，那么相對(duì)于具有線性靈敏度曲線的傳感器來(lái)說(shuō)，使用該已知的靈敏度曲線可以高得多的動(dòng)態(tài)范圍重新存儲(chǔ)場(chǎng)景的實(shí)際數(shù)據(jù)。

圖4A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的用于捕捉圖像并將其記錄到傳感元件上的方法400的流程圖。在圖4A示出的實(shí)施方式中，在步驟410，圖像被捕捉并存儲(chǔ)到傳感元件上，其以變化的密度存儲(chǔ)電子。在一個(gè)例子中，通過(guò)構(gòu)造傳感元件來(lái)操縱電子以使得每一檔存儲(chǔ)相同數(shù)量的電子，圖像被捕捉并以40檔對(duì)數(shù)地存儲(chǔ)。

圖4B是示出了用于非線性存儲(chǔ)圖像的步驟410的實(shí)施方式的另一流程圖。為了物理地實(shí)現(xiàn)非線性地存儲(chǔ)圖像，在一個(gè)實(shí)施方式中，在步驟420中，用于將電子推到電容器中的電場(chǎng)被構(gòu)造為隨著更多的電子在電容器中累積而以非線性的方式降低。如上所述，當(dāng)施加電場(chǎng)并且電子從光電二極管的半導(dǎo)體中被擊出時(shí)，產(chǎn)生的正空穴以及電子被推到電容器的相對(duì)極上。

圖4C是示出了用于非線性存儲(chǔ)圖像的步驟410的另一實(shí)施方式的另一流程圖。為了物理地實(shí)現(xiàn)非線性的存儲(chǔ)圖像，在步驟430中，光電二極管被構(gòu)造成累積正空穴而非將它們填充至中性。也即是，傳感元件中的光電二極管可以是用于該傳感元件的電容器的正極。由于電子沒(méi)有被填充，隨著更多的電子被擊出，更多的電子將要被擊出的可能性就降低。

上述的方法和設(shè)備可易于進(jìn)行很多改變。此外，為了清楚和簡(jiǎn)要的描述，對(duì)于方法和設(shè)備的許多描述都被簡(jiǎn)化了。很多描述使用了專門術(shù)語(yǔ)和特定標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。但是，所公開(kāi)的方法和設(shè)備可應(yīng)用于更寬的范圍。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到與所公開(kāi)的實(shí)施方式相關(guān)的各種說(shuō)明性的邏輯塊、模塊、單元、以及算法步驟通常可被實(shí)現(xiàn)為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者兩者的組合。為了清楚地描述軟件和硬件的可互換性，各種說(shuō)明性組件、塊、模塊、以及步驟在上面關(guān)于它們的功能性一般性地進(jìn)行了說(shuō)明。至于這種功能性被實(shí)現(xiàn)為硬件還是軟件取決于施加于整個(gè)系統(tǒng)的特定限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)每一特定系統(tǒng)可以不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的功能性，但是這些實(shí)施方式的決策不應(yīng)解讀為導(dǎo)致本發(fā)明范圍的偏離。另外，單元、模塊、塊或步驟內(nèi)的功能的組群是為了便于說(shuō)明。具體的功能或步驟在不脫離本發(fā)明的情況下可從一個(gè)單元、模塊或塊中移出。

與此處公開(kāi)的實(shí)施方式相關(guān)描述的方法或算法的步驟，以及組塊或模塊的過(guò)程，可直接以硬件實(shí)現(xiàn)，或者以處理器執(zhí)行的軟件模塊實(shí)現(xiàn)，或者兩者的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

提供所公開(kāi)的實(shí)施方式的上述描述以使得本領(lǐng)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用。對(duì)于這些實(shí)施方式的各種變形對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是非常明顯的，并且在不脫離本發(fā)明精神和范圍的基礎(chǔ)上，此處所描述的一般原則可應(yīng)用于其他實(shí)施方式。例如，雖然上述描述關(guān)注成像傳感器，上文描述的方法和設(shè)備可應(yīng)用于任何類型的傳感器，包括音頻傳感器、視頻傳感器以及其他類似構(gòu)造的傳感器，例如溫度傳感器。相應(yīng)地，該技術(shù)并不限于上述的具體例子。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所呈現(xiàn)的說(shuō)明書和附圖代表本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方式，并因此表示由本發(fā)明廣泛預(yù)期的主題。進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的范圍完全包括對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的其他實(shí)施方式，并且本發(fā)明的范圍相應(yīng)地僅由所附權(quán)利要求書所限定。