專利名稱：局部自適應(yīng)光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)記錄大動態(tài)范圍景像的“局部自適應(yīng)法”制備的圖像傳感器的一種操作方法。
電子圖像傳感器已為人知并可采用多種工藝技術(shù)制作出來。設(shè)計出這樣的傳感器，就可以將許多圖像元素(即像素)以適當(dāng)方式排列起來，通常采用的是單行或以縱行橫排構(gòu)成的矩陣方式。投射到圖像傳感器上的圖像經(jīng)像素轉(zhuǎn)換成與像素位點處入射光量多少成正比的電信號，各比例系數(shù)就叫作傳感器的轉(zhuǎn)換靈敏度(靈敏度)。在廣為使用的一種圖像傳感器即“積分圖像傳感器”中，像素通過將光電流產(chǎn)生的電荷載體對一定的時間間隔(積分時間)積分的方法產(chǎn)生出通向一個電容器的輸出信號。此電信號由施于像素和從像素引出的讀出線路上的適當(dāng)控制信號(時鐘信號或讀出信號)來讀出，并以適當(dāng)方式送往圖像分析儀或者如錄像設(shè)備等圖像使用設(shè)備。
圖像傳感器的一個重要特點是它的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍由像素位點處的最大和最小圖像亮度來決定，它可導(dǎo)致產(chǎn)生一個供圖像傳感器輸出端使用的信號。動態(tài)范圍的下限由輸出信號的電噪聲限定，即不能使用小于電噪聲的像素信號，其上限由用于信號轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)牟考娘柡统潭认薅ā?br> 圖像傳感器的另一個已知問題是它們的動態(tài)范圍還不足以完全再現(xiàn)出在許多使用輸出信號時所出現(xiàn)的亮度反差。因此，或者是圖像的黑暗部份被噪聲所吸收，或者是圖像的明亮部份處于飽和狀態(tài)，這些都會造成圖像模糊不清的不良結(jié)果。為了消除動態(tài)范圍有限所帶來的問題，已經(jīng)知到了幾種方法。
在有關(guān)應(yīng)用“對偶讀出”原理而增大圖像傳感器系統(tǒng)的有效動態(tài)范圍的大量專利和出版物中，美國專利第5168523號頗具代表性。為達(dá)到解決以上問題的目的，該專利中的圖像傳感器系統(tǒng)具備了選擇變更已知靈敏度的能力，具體方法是諸如選擇積分圖像傳感器的積分時間，或者更簡單的方法是加配可變光闌。然后圖像傳感器輸出兩個圖像，一個在低靈敏度上，另一個在高靈敏度上，再將這兩個圖像以適當(dāng)方法合成為一個完整的圖像。由于不僅每個圖像，就是多個不同靈敏度的圖像也可以進行記錄、存儲和合成，所以，“多重讀出”法也以各種各樣的形式進入專利和出版物之中(例如美國專利第5638118號)，并附以“對偶讀出”法。這兩種方法都有圖像傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的嚴(yán)重缺陷，除了圖像傳感器自身以外，還要包括諸如畫面抓取器等存儲、處理圖像數(shù)據(jù)的裝置。
增大傳感器的動態(tài)范圍的第二套方法是在像素產(chǎn)生信號過程中壓縮圖像信號。使用對數(shù)壓縮的普通壓縮方法，通過利用二極管或金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的對數(shù)電壓-電流特性曲線，可在低于閾電壓的工作過程中，將取決于光的光電流轉(zhuǎn)換成取決于對數(shù)的信號電壓。例如，N．Ricqier和B．Dierickx在1995年4月20～22日于加利福尼亞州由電氣與電子工程師協(xié)會舉辦的關(guān)于電荷耦合器件和先進的圖像傳感器學(xué)術(shù)研討會上發(fā)表的“配有在片非均勻修正的有源像素CMOS圖像傳感器”論文，討論的就是這種方法。這些及所有其他壓縮傳感器都因動態(tài)范圍被壓縮而造成圖像細(xì)節(jié)的失真，不僅如此，由于諸如晶體管閾電壓或電容量等部份參數(shù)的局部起伏變化，使像素和信號線路中出現(xiàn)的固定干擾(又稱固定式噪聲或FPN)被按指數(shù)規(guī)律放大，因而必須采取高價措施予以修正。其他方法(如美國專利第5572074號或T．Delbrück和C．A．Mead發(fā)表于1994年加利福尼亞技術(shù)學(xué)院CNS備忘錄第30卷的“因連續(xù)時間、自適應(yīng)和對數(shù)光接受器電路而引起的模擬式VLSI光放大”)則通過使用復(fù)雜的像素電路使像素自身產(chǎn)生輸出信號來局部地控制像素的靈敏度，然而，這種方法的使用效果也同壓縮方法一樣，其自身帶來同樣的弊端。
局部自適應(yīng)方法是使用動態(tài)范圍大的圖像傳感器的較好方法，其中一種方法的特點在于圖像傳感器的靈敏度不需要針對所有像素同時進行調(diào)整(即全部適應(yīng))，而只需針對像素小組進行調(diào)整即可，針對各像素分別調(diào)整(局部適應(yīng))則更是理想。根據(jù)這種圖像傳感器的如此特點，就可以在信號線路的不同點實施連接。
美國專利第5532743號(經(jīng)LCD像素衰減)、第55410705號(經(jīng)極化器衰減)、第5218485號等介紹了逐個地削減輻射到像素上的光量的方法，然而，所有這些方法都要以更加復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)和高價的用于控制衰減部份的外部系統(tǒng)為先決條件。
采用局部自適應(yīng)法逐個控制各像素的積分時間可以得到動態(tài)范圍大而結(jié)構(gòu)簡單的系統(tǒng)。單個像素裝定和IPR等是局部自適應(yīng)積分時間采用的普通方法。O．Yadid-Pecht、B．Pain、C．Staller、C．Clark和E．Fossum共同撰寫的“配有局部電子快門的有源CMOS像素傳感器恒星跟蹤儀”(見IEEE“固態(tài)電路叢刊”1997年2月號、第32卷第2期)和“大動態(tài)范圍APS恒星跟蹤儀”(見SPIE會議錄第2654卷(1996年)固態(tài)傳感器系列和CCD攝像機部份第82-93頁)以及S．Chen、R．Ginosar撰寫的“自適應(yīng)靈敏度CCD圖像傳感器”(見SPIE會議錄第2415卷(1995年)第303-309頁)等論文都討論了這種方法。使用這里介紹的傳感器，其像素電路是已經(jīng)過改進的，所以它們的積分電容器可以隨時在各像素中被逐個地復(fù)位?；谌绱饲闆r，在一定限度內(nèi)，各像素可以得到單獨的積分時間，進而使像素靈敏度可自適應(yīng)于射到各像素位點上的光的靈敏度。這里介紹的方法的特點在于像素電路的額外開支費用較低，同時動態(tài)范圍較大。
具備了Siegen大學(xué)半導(dǎo)體電子工程研究所開發(fā)的這種局部自適應(yīng)圖像傳感器(LAS)，可在實施積分階段之前，將各像素的積分時間以模擬電壓的形式逐個編程并裝入像素(見T．Lule．H．Fischer、S．Benthien、H．Keuer、M．Sommer、J．Schulte、P．Rieve、M．Bohm撰寫的“TFA技術(shù)中帶有各像素可編程靈敏度的圖像傳感器”和H．Reichl、A．Heuberger編著的《1996年微系統(tǒng)技術(shù)》一書的第675頁)。
但是，IPR和LAS方法的一個缺點是為了給逐個像素形成下一個積分周期所要求的曝光時間，并從上一次圖像讀出中得到驅(qū)動時鐘脈沖，需要增加電路，因此使開支費用大增。IPR方法還有一個缺點，這就是在積分階段所有像素必須按指定的順序復(fù)位，這將導(dǎo)致在敏感的像素電子器件上會出現(xiàn)碰撞和非決定性時鐘脈沖的過度耦合。至此所介紹的所有自適應(yīng)方法還有一個時間滯后的缺陷，即為積分階段裝入的靈敏度是從上一個積分階段的像素信號中得到的。因此，不可能確保針對具體情況適當(dāng)設(shè)定像素靈敏度。
具有本專利權(quán)利要求1所述特點的發(fā)明，是基于這樣一個問題而提出的，即使配有最少電路的圖像傳感器的像素靈敏度也能夠毫不延遲地自適應(yīng)于覆蓋像素位點的亮度，從而增大圖像傳感器的有效動態(tài)范圍。
這一目的是利用局部自適應(yīng)像素的電路自身自適應(yīng)于覆蓋在像素位點的亮度來實現(xiàn)的。
局部自適應(yīng)原理是由O．Yadid-Pecht在“大動態(tài)范圍的自動傳感器”一文(見1993年SID國際研討會論文摘要匯編第495-498頁)中首先提出的。其中，局部自適應(yīng)是利用像素具備在積分信號超過閾值時自身復(fù)位的能力而實現(xiàn)的。從理論上說，這樣可以防止像素飽和，但是，積分時間卻不能可靠地自適應(yīng)于射在像素上的光強度，因為可能出現(xiàn)這樣情況，例如，弱光照射的像素剛好在積分階段終止前被再次復(fù)位，在余下的非常短暫的積分時間內(nèi)已不能再對所提及的信號電壓進行積分了。
此外，像素所選定的積分時間還必須以適當(dāng)方法報知給后續(xù)的圖像分析階段，以便根據(jù)積分時間和經(jīng)過積分的像素信號這兩個參數(shù)重新形成像素位點的亮度。O．Yadid-Pecht對此問題基本上未作回答，只是提出了應(yīng)將積分時間局部地存儲于4個觸發(fā)器上，為此，要花費相當(dāng)可觀的開支用于像素電路和附加的控制線路(見SPIE會議錄第1656卷(1992年)第374～382頁，高分辨率傳感器和二合一系統(tǒng)部份中的“增大圖像的動態(tài)范圍”一文)。為了不使制作像素面積的有效范圍過于費錢，作者還提出對每個8×8個像素組成的像素組可只實施一次局部自適應(yīng)控制，但如此會立即破壞了局部自適應(yīng)性的優(yōu)點，因為在這樣像素組中的明暗迅速轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致出現(xiàn)相同于全部自適應(yīng)傳感器所出現(xiàn)的對動態(tài)范圍的制約。
根據(jù)本發(fā)明解決這一問題的方法是使用一個積分的局部自適應(yīng)像素，該像素甚至可以在許多光生電荷被積分因而輸出信號呈飽和狀態(tài)之前獨自自動地終止積分時間。這種方法有別于上述方法，因為像素自身確定的是積分階段的終止時間而不是起始時間。
終止積分時間的簡便方法是使用一個電子開關(guān)，將此開關(guān)插入自探測器至積分電容器的光電流線路上，便可以切斷自探測器至積分電容器的電流線路，從而終止積分時間。另一種類似的方法是使用一個電子開關(guān)，此開關(guān)將在各像素的積分時間即將結(jié)束時在第一個積分電容器和第2保持電容器之間建立連通關(guān)系，因此，積分階段結(jié)束之后的保持電容器上的電壓與積分階段即將結(jié)束時積分電容器上的電壓成正比。第一個積分電容器在整個積分階段都有與光成正比的光電流通過。帶有這種電開關(guān)的像素電路已為人熟知，并已在幾乎所有的積分圖像傳感器上用于全面控制積分時間。
以上所述解決方法的明顯優(yōu)點是與廉價的傳統(tǒng)傳感器相比，以這種方式工作的傳感器有更大的動態(tài)范圍，因此，這種傳感器提供的輸出信號能以更大的對比度在圖像的所有部位進行評定。此外，由于圖像亮度范圍大為擴大，此輸出信號始終處于較高控制范圍，這自然會導(dǎo)致信噪比的改善，進而確保圖像質(zhì)量的提高。
這種方法的進一步完善是在像素內(nèi)存儲信息(以下稱為積分信號)，這樣，像素即可提供出有關(guān)像素積分時間長短的信息，此信息連同經(jīng)過積分的像素信號一并從圖像傳感器上讀出，再根據(jù)積分信號和像素信號便可確切地得出覆蓋于各像素位點的亮度。
以模擬方式在像素內(nèi)存儲積分信號較為有利，諸如電壓、電流和電荷等形式。這些用作電容器或電流電平存儲器的模擬信息存儲裝置已為人所熟知，而且，正如O．Yadid-Pecht所預(yù)見的，它們在CMOS、BiCMOS和TFT普通圖像傳感器上所占用的面積比含有同樣信息內(nèi)容的數(shù)字式存儲裝置還要小。然而，將積分信號以數(shù)字形式存儲起來也不失為一個良好的選擇，因為它具有更強的抗干擾能力。
再者，還有幾種選擇可用來在像素內(nèi)獨立自主地形成積分信號，或是從外部將積分信號輸入像素，或是利用自外部輸入像素的信號產(chǎn)生積分信號。信號最好是從外部完整地輸入像素，因為這樣就不需要為在像素內(nèi)產(chǎn)生信號而附加任何部件了，像素只要存儲外來的信號就行了。即將被輸入像素的外部信號最好能施用于所有的像素，或至少能同時施用于大組像素，如整列或在行的像素，這樣，為這種信號而必須準(zhǔn)備的發(fā)生器的數(shù)量就可以少于傳感器所具有的像素數(shù)量。然后，這些發(fā)生器將提供一個諸如電壓、電流或數(shù)字字的信號，這一信號最好是與已經(jīng)過的積分時間無關(guān)的單一信號，如電壓斜坡信號。當(dāng)某一像素的積分時間結(jié)束之時，該像素的曝光電容器中存儲的不僅僅是至此時經(jīng)積分的像素信號，在其內(nèi)部積分信號存儲器中還存儲有經(jīng)各發(fā)生器從外部提供的積分信號。
上述解決方法的明顯優(yōu)點是亮度信息被分解成兩個信號參量，一個是像素信號，另一個是可提供有關(guān)積分時間信息的積分信號。具備這兩個信號，再生的亮度范圍要比單一信號大得多，這是因為積分信號提供的只能說是一個概略的等級信息，而像素信號提供的才是詳盡的信息。特別是在商業(yè)領(lǐng)域，大量的電子干擾源多限于作用在傳輸線路上，而動態(tài)范圍的這種分解看來是處理特大信號動態(tài)范圍(大于100分貝)圖像的唯一可行方法。
對上述方法的進一步改進是可以在像素指定時間之外的幾個時間終止積分，這幾個時間可以用作用于像素的時鐘信號從外部確定。這種時間離散化的優(yōu)點是可以對能經(jīng)像素選擇的積分階段進行更精確的控制，特別是在大照度條件下確定的非常短暫的時間，必須由高精度的積分信號來裝定和探測，這種高精度是指其精確度要與比積分時間自身短得多的時間階段相一致，如此高精度可通過積分時間的時鐘離散化以特別簡便的方式達(dá)到。
上述方法的一個更有利的實施例，尤其是在結(jié)合積分階段時間離散化和使用模擬式積分信號條件下的實施例，是使用一個幅度離散化的模擬式積分信號，這樣，該信號能只用于承擔(dān)離散的幅度。積分信號實現(xiàn)幅度離散化有以下優(yōu)點爾后的圖像階段能通過形成一個閾值來準(zhǔn)確重建被選定的積分期間；如果離散階段之間的間隔充分，那么，諸如噪聲和FPN等這些模擬電路中不可避免的干擾就不會影響閾值的形成，因而也不會影響重建的積分時間。
以數(shù)字方式存儲積分信號自然要包含上述模擬信號幅度離散化所相應(yīng)的數(shù)值的離散化，不僅如此，數(shù)字式存儲與上述時間離散化并用更為有利，因為這樣可以針對每一個積分時間單獨地指定一個數(shù)字式數(shù)值。在當(dāng)前最新的存儲器技術(shù)中，從將一個幅度整體離散化的模擬信號用作多極數(shù)字信號的觀點來看，將一個純二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成幅度離散化的模擬信號的方法正在不斷改變且不乏實例。
上述方法的一種改進是使用一種離散化積分期間的指數(shù)分布。所謂指數(shù)分布是指在預(yù)定的積分期間中進行選擇，而這些期間可由像素選擇，使一個積分期間較下一個可選擇的較短期間長一個固定比值。這種分布是從其他方面的應(yīng)用而得來的，例如，攝相機快門的速度可確保均勻收容十的數(shù)次冪的光強度。
上述方法的一個實施例，是利用由Bohm教授和他的Siegen大學(xué)半導(dǎo)體電子工程研究所的同事們共同開發(fā)的TFA(即Thin Film on ASIC)技術(shù)制作的局部自適應(yīng)圖像傳感器，這種傳感器已由Bohm教授本人在印度Roorkee大學(xué)的智能傳感器專業(yè)講座上所作的題為“應(yīng)用TFA技術(shù)的智能圖像傳感器系統(tǒng)”講課中作了介紹(1995年)。光電探測器垂直集成到現(xiàn)有的信號處理ASIC上的優(yōu)點在局部自適應(yīng)傳感器上尤其得到了證明，這是因為同應(yīng)用純CMOS技術(shù)一樣，像素電子部件與探測器并不相互搶占地盤，已被較廣泛的像素電子部件占據(jù)的基片區(qū)域，同時仍有余地在其上安裝探測器，因此這種傳感器的靈敏度更高。
上述方法的其他實施例是從后附的各項從屬權(quán)利要求中演變而來的。
本發(fā)明的一個實施例，即實施上述方法的最佳裝置，如以下各圖所示，并詳盡說明如下。該實施例是根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用TFA技術(shù)而制成的一個圖像傳感器，其動態(tài)范圍為90分貝。


圖1是具備積分自動截止和存儲積分信號能力的局部自適應(yīng)像素電子部件的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是圖1所示像素在積分階段操作的控制信號。
圖3是繼積分階段之后的讀出階段輸出的積分信號和像素信號，并標(biāo)出了這些信號與出現(xiàn)在這一像素上的光強度的函數(shù)關(guān)系。
圖4是在圖像傳感器基片上配有外設(shè)電路的區(qū)域傳感器的各像素的相互作用示意圖。
圖5顯示了像素的布局，說明一種局部自適應(yīng)像素的中等復(fù)雜程度。
圖1是用TFA技術(shù)完成的局部自適應(yīng)像素的結(jié)構(gòu)框圖。像素電路上有用非晶硅制作的光敏探測器(01)，其陰極與像素電路內(nèi)的探測器電路(02)相連接。探測器電路是TFA技術(shù)的具體化，對像素的局部自適應(yīng)沒有重要意義，它將探測器(01)陰極上的電壓保持在恒定不變的水平，可防止鄰近探測器間TFA技術(shù)特有的電路連接。
來自探測器(01)并經(jīng)過探測器電路(02)中繼的光電流(03)，在積分階段通過閉合的光電流開關(guān)(04)被積分至積分電容器(05)之中，在積分電容器(05)上形成的像素電壓(06)與從外部輸入像素的比較電壓(08)進行比較，比較的結(jié)果只有在時鐘脈沖(09)的時鐘信號之后才出現(xiàn)在像素比較器(07)的輸出信號中(10)。如果在時鐘信號出現(xiàn)時像素電壓(06)已超過比較電壓(08)，則控制輸出信號(10)將斷開光電流開關(guān)(04)，從而終止電流積分階段的積分周期。與此同時，由于時鐘脈沖(09)上的時鐘信號的作用，一個遞升步進的電壓斜坡信號加到積分信號輸入斜坡信號(11)上，并通過閉合的積分信號開關(guān)(12)被送往積分信號電容器(13)。在控制輸出信號(10)通過開關(guān)(04)終止光電流積分時，此控制輸出信號(10)還將斷開積分信號開關(guān)(12)，因此，積分信號電容器(13)上的積分信號電壓(14)保持在斷開開關(guān)時加在積分信號輸入斜坡信號(11)上的電壓等級。
在爾后的讀出階段，讀出輸入端(15)的一個讀出信號會使像素信號緩沖器(16)和積分信號緩沖器(17)在像素信號單一列線(18)或積分信號單一列線(19)上輸出經(jīng)過積分的像素信號(06)和固定的積分信號(14)。
在下一個積分階段之前，復(fù)位輸入端(20)上的復(fù)位信號使復(fù)位開關(guān)(21)閉合，從而清除掉經(jīng)過積分的像素信號(06)。隨著時鐘輸入端(09)出現(xiàn)下一個時鐘信號，光電流開關(guān)(04)和積分信號開關(guān)(12)再次閉合，即開始下一個積分階段。
圖2顯示的是時鐘(09)和斜坡信號(11)的控制脈沖外加積分信號(14)和像素信號(06)，每個信號表示兩個像素，一個是強照射的像素(Pix1 30和Int1 31)，另一個是弱照射的像素(Pix2 34和Int2 35)。其上的信號示意圖顯示的實施例是帶有6個可選擇指數(shù)分布的積分時間(39～44)，其中的時間軸標(biāo)有相對時間單位。
積分階段自時鐘脈沖(09)的第一個上升沿(38)開始，其后，經(jīng)積分的像素電壓(Pix1 30和Pix2 34)增大，隨著時鐘脈沖(09)的各個后續(xù)的上升沿，達(dá)到足夠高像素電壓的像素即可終止它的積分階段。例如，如果位于時鐘脈沖沿(39)的像素要終止積分階段，則積分階段將持續(xù)進行一個時間單位；位于時鐘脈沖沿(40)時，持續(xù)2個時間單位；位于時鐘脈沖沿(41)時，持續(xù)4個時間單位；位于時鐘脈沖沿(42)時，持續(xù)8個時間單位；位于時鐘脈沖沿(43)時，持續(xù)16個時間單位。如果像素在時鐘脈沖沿(44)時要終止它的積分階段，則積分階段要持續(xù)32個時間單位。本實施例中的可選擇的時間單位是以2為底數(shù)用指數(shù)法選定了。
根據(jù)時間單位的如此分布，比較電壓Ucomp(08)應(yīng)設(shè)在半個信號幅度(33或37)。如果一個像素信號(05)在一個積分期間中未超過半個信號幅度，則在下一個2倍時間長的較長積分期間，也不會超過整個信號幅度，這時假定像素位點的亮度在后續(xù)的積分期間中不發(fā)生大的變化，還可對該像素信號進一步積分。然而，如果一個像素信號(06)在一個積分期間內(nèi)已超過了半個信號幅度，則在下一個2倍時間長的較長積分期間，便會超過整個信號幅度，因此這時必須結(jié)束積分期間。由于可選擇的積分時間結(jié)合了比較電壓，因此可確保經(jīng)積分的像素電壓始終在整個信號幅度的上半段。如果選擇的是較低的比較電壓，則說明積分階段過程中亮度的起伏變化不大，因而可以在積分過程中將像素亮度提高到一定程度，而像素不致變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。
將像素信號(46)和積分信號(47)對圖3中相對光強度積分，顯示了局部自適應(yīng)像素的這種極為有利的特性。由于水平軸上的光強度是用對數(shù)曲線描繪的，所以像素信號曲線呈彎曲狀，而以指數(shù)間隔分布的斜坡信號等級(11)是同寬的。
圖4所示的框圖是像素電路(50)在一個區(qū)域傳感器中與外設(shè)部件(53，55，58)相互作用的示意圖。在積分階段，積分控制器(55)向以行列排列的像素矩陣(51)上的像素(50)提供復(fù)位(20)、時鐘脈沖(09)、斜坡信號(11)和比較電壓(08)等需要的控制信號，而這些控制信號則是由積分控制器根據(jù)輸入的時鐘脈沖CLK(66)所產(chǎn)生的，并且是針對所有像素(50)同時產(chǎn)生的，所以，像素矩陣(51)上的所有像素(50)可以同步地開始各自的積分周期，且如上所述方法各自選擇終止積分周期的時間。
在就緒輸出端(67)出現(xiàn)一個信號，表明積分階段的結(jié)束由一個作用于基底外部部件電路的信號來實施。這時，這些部件可將一個行地址ZA(64)和行釋放信號ZEN(65)輸入行解碼器(53)，由行解碼器(53)控制所希望的行讀出線(52)。行讀出線(52)與該行內(nèi)所有像素(50)的像素讀出線的讀出端(20)相連，可以確保被選擇行的所有像素(50)在像素信號列線(18)和積分信號列線(19)上輸出經(jīng)過積分的像素信號(06)和固定的積分信號(14)。
在平行輸入縱行控制和讀出裝置(58)的所有像素信號和積分信號列線(56、57)中，縱行控制和讀出裝置(58)選擇的是由外部輸入的縱行地址SA(63)所選擇的縱行。通過輸入的縱行釋放信號SEN(62)，被選擇的像素信號(06)和被選擇的積分信號(14)即被送往像素輸出端Pixaus(59)和積分信號輸出端Intaus(60)。在所有像素(50)相繼被讀出后，通過啟動器(61)的信號在積分控制器(55)內(nèi)開始下一個積分階段。
權(quán)利要求
1．一種操作積分圖像傳感器的方法，包括a)光轉(zhuǎn)換像素的排列，每個像素包括aa)光敏元件(01)，用于將照射到其上的光強度轉(zhuǎn)換成光電流，此光電流取決于光強度的大?。籥b)積分裝置(04，05)，用于在積分階段中將上述光電流對一定的積分時間積分；ac)持續(xù)時間控制裝置(07-10)，用于決定積分時間的起止時間；ad)讀出裝置(15)，用于在讀出階段中繼像素信號，讀出階段的時間長短取決于所積分的光電流數(shù)量多少，b)處理裝置，用于處理像素所中繼的過去的已知信號并提供由其產(chǎn)生的輸出信號，c)像素控制器，用于向所有像素中具有的所有上述裝置提供控制信號，使上述輸出信號成為能反映出圖像傳感器拾取的光圖像的信號，其特征在于像素的持續(xù)時間控制裝置受所述像素的積分裝置的影響，使時間控制裝置選擇的積分時間的終止點作為射到像素上的光強度的函數(shù)，即光強度越大則積分時間越短，光強度越小則積分時間越長。
2．權(quán)利要求1所述方法，其特征在于時間階段控制裝置通過電子開關(guān)來控制積分時間的終止時間，其中，該電子開關(guān)的安裝位置有利它切斷通往積分裝置的光電流進而終止積分階段。
3．權(quán)利要求1所述方法，其特征在于時間階段控制裝置通過一個電子開關(guān)來控制積分時間的終止時間，其中，該電子開關(guān)的安裝位置在過去已知的積分裝置和另一個存儲裝置之間的線路上，這樣，電子開關(guān)便可在終止時間切斷積分裝置和存儲裝置之間的信號路徑，在積分階段終止之后，存儲裝置便已存儲了相關(guān)于積分裝置發(fā)出信號的上述終止時間的信號。
4．上述權(quán)利要求之一所述方法，其特征在于當(dāng)上述積分階段結(jié)束后，每個像素都已存儲了有關(guān)積分持續(xù)時間的信息，即各像素能提供出它的積分階段的時間長短的信息，并與上述像素信號一并讀出。
5．權(quán)利要求4所述方法，其特征在于上述積分持續(xù)時間信息是用數(shù)字式信號表示的。
6．權(quán)利要求4所述方法，其特征在于上述積分持續(xù)時間信息是模擬式信號表示的。
7．權(quán)利要求6所述方法，其特征在于上述積分持續(xù)時間信息是以幅度離散化的模擬信號表示的。
8．權(quán)利要求4所述方法的特征在于上述信號是在像素內(nèi)自主產(chǎn)生的。
9．權(quán)利要求4所述方法，其特征在于上述信號是利用從外部施加到像素上的信號而在像素內(nèi)產(chǎn)生的。
10．權(quán)利要求4所述方法，其特征在于上述信號是在積分每次終止以適當(dāng)方式從外部輸入給像素的，而且像素必須在適當(dāng)時間保持該信號。
11．上述權(quán)利要求之一所述方法，其特征在于上述時間階段控制裝置只能在一個積分階段的幾個離散時間上決定終止像素信號的積分，而這幾個離散時間則取決于從外部施加給像素的信號。
12．權(quán)利要求11所述方法，其特征在于上述外定時間具有指數(shù)分布特性，即可通過選擇終止時間的方法而選定的積分持續(xù)時間要比下一個可選擇的較短積分持續(xù)時間長一個固定的比值。
13．權(quán)利要求11所述方法，其特征在于上述外定時間具有對偶指數(shù)分布特性，即可通過選擇終止時間的方法而選定的積分持續(xù)時間要比下一個可選擇的較短積分持續(xù)時間長一倍。
14．一種控制圖像傳感器的裝置，包括多個像素信號處理單元，每個處理單元包括像素接收裝置(01，02)，通過它可將射到光敏元件(01)上的入射光轉(zhuǎn)換成取決于光強度的光電流，積分裝置(05)，它在預(yù)定的積分期間積分光電流，讀出裝置，用于在讀出階段讀出相應(yīng)于經(jīng)過積分的光電流的像素信號，其中，由像素信號處理裝置讀出的像素信號可用普通的處理裝置處理，然后合成一個可反映圖像傳感器所接收的光像的信號，其特征在于像素接收裝置上具有預(yù)定積分終止時間的裝置，使得考慮到入射光強度，在積分裝置(05)進入飽和狀態(tài)前，終止積分時間。
全文摘要
常用圖像傳感器的動態(tài)范圍尚不足以處理許多情況下出現(xiàn)的亮度反差,過去公布的增大動態(tài)范圍的方法在實際應(yīng)用中出現(xiàn)諸多弊端,按照本發(fā)明提供的新方法制作的圖像傳感器則可綜合動態(tài)范圍大和應(yīng)用簡便的特點。為了防止圖像反差較大時出現(xiàn)的像素曝光過分或曝光不足的情況,每個像素都包括一個局部自適應(yīng)控制器。借助這種控制器,當(dāng)各像素已積分充足的光電流時便自動地終止積分階段。使用一個模擬信號表示像素選擇的積分期間的時間長短,當(dāng)與經(jīng)過積分的像素信號在一起時,則該模擬信號表示的是在動態(tài)范圍大和單個信號對動態(tài)范圍要求不高的亮度信息。由于具備局部自適應(yīng)能力,這種圖像傳感器適宜應(yīng)用在所有那些必須對大的亮度反差進行處理的領(lǐng)域,諸如在公路干線上引導(dǎo)機動車輛以及自然景物攝影和天文學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號H04N5/355GK1205150SQ97191334
公開日1999年1月13日 申請日期1997年9月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
發(fā)明者馬庫斯·伯姆, 塔萊克·魯勒 申請人:馬庫斯·伯姆