宽动态范围感光元件或阵列系统和方法技术方案

一种宽动态范围感光元件或阵列，其使用相域积分技术来精确获取高低亮度图像。本发明专利技术感光元件不限于现有固态像素结构显示的动态范围特性，因此能获取全电磁辐射波谱而生成高质量输出图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及电子成像领域，特别涉及一种使用光度测量和传送提高 图像拍摄的方法和装置。
技术介绍
照相是靠光的作用的成像过程。光是通常被使用的条件，其在电磁辐射 中的频率是在人眼可见的范围内。从物体反射或发出的光型经一定时间的曝光由一图像传感器记录。图像传感器在性质上可是化学的，例如照相底片； 也可是固态的，例如数码相机和摄像机使用的CCD和CMOS图像传感器。 数字相机具有一系列聚焦光而生成现场图像的透镜。但不是像传统照相 机那样把光聚焦在底片上而是把光聚焦在图像传感器上，图像传感器把光的 电磁辐射转换成电荷。该图像传感器被称为图形元素即"像素"。电荷表示 图像传感器受到的电磁辐射的相对强度， 一般用来把光强值与像素联系起 来。图1为典型的数字图像处理系统10的部件方框图。系统IO包括一信号 源100和由积分器110、模数转换器(ADC) 120和DSP 130构成的信号处 理链。信号源100比方说可为一传感器，例如一响应电磁辐射，诸如照射其 上的光生成电响应的光强传感器。积分器110的输出Vout是対ADC 120的输入。ADC 120进行模数转换。 模数转换功能在本领域是公知的。出现在ADC 120输入端的模拟信号VouT 转换成可取一组分立电平之一的信号VD。该信号的质量由对信号Vw进行积分的积分器110进行提升的特征。图2示出该信号提升。波形200为由信号源100生成的一常值信号和破坏该常 值信号的附加噪声的组合。波形210为响应输入信号波形200生成的积分器 输出。不难看出，噪声造成的信号波动在波形210中降低。信号源100可为一使用在时控场合，例如数字相机场合中的光强传感器， 此时传感器在通常称为曝光时间的一定时间中受光的照射。积分器110还起 着把曝光时间中接收的所有光子造成的传感器100的响应积分成一值，例如 一电压在曝光时间结束时读出的功能之作用。图3示出一典型的图像传感器电路。信号源1000为一光传感器，例如 一光电二极管。，电容1040为一简单积分器。积分器的输入为、信号源1000的 输出。电容1040由在开始积分过程前处于闭合位置的开关1050复位。积分 过程开始时开关1050打开，电容器1040上的电压开始响应从信号源1000 输入的信号作改变。积分过程结束时开关1030闭合，对积分器输出1060Vour 取样。图3为原理图。功能相同的其它类似积分器的原理在本领域的技术人 员是公知的。积分器输出1060 VouT通常无法超过由可用电源电压所加的上限。电源 电压在现有技术中由于功率消耗的必要需求而下降。积分器输出1060无法 超过电源电压，如积分器输出信号在达到电源电压后继续增加就会饱和。图 4A示出该饱和状态。饱和出现在输出电压达到可用电源电压而^法响应输 入信号作进一步的提升之时。信号饱和造成系统性能下降。图4A-4C示出由 感光元件结构、确切说积分器结构的动态范围不足造成的由光传感器100和 积分器110构成的像素结构的输出的潜在失真。图4A的线段(a)示出积分器110响应一不同电平的恒定输入信号的输 出的线性增加。该图像传感器结构在输入光强造成线段(a)的线性输出的 范围内性能良好；该图像传感器结构在输入光强造成线段(b)的饱和输出 的范围内性能不好。该积分器输出响应表明动态范围不足。如图4A所示，该图像传感器能 显示图像暗部清晰度但不能显示亮部清晰度。可如图4B和4C所示移动该响应。在图4B和4C中该图像传感器的动态范围不变，但响应特性移位。 图4B的响应特性的暗部和亮部清晰度显示不佳，但不明不暗部的中间范围 响应良好。图4C的响应特性为保持亮部清晰度显示良好而牺牲暗部清晰度 和 一部分不明不暗部的中间范围清晰度。图5A为许多像素如图4A中那样被驱动成饱和时曝光过度图像的像素 亮度的直方图。如图5A所示，像素结构最大输出值为'255'，所使用单位为 与像素输出电压对应的ADC 120输出码。该光强随着曝光时间中曝光的进 行造成许多光传感器100输出一个使得积分器110饱和的值。积分器110输 出的该最大(饱和)值造成^DC生成对8位ADC来说是最大输出码的歸出 码'255'。该图像的拍摄由于须接受高强度光输入的这些像素无法获得足够高 的输出电平而无法达到最佳质量。积分器110的低增益造成须接受高强度光 输入的光图像传感器输出以记录低于255的输出而防止高端失真。图5B为许多像素光照不足以达到最小输出值时曝光不足图像的像素亮 度的直方图。如图5B所示，像素结构最小输出值为'O'，所使用单位为与像 素输出电压对应的ADC 120输出码。该光强随着曝光时间中曝光的进行造 成许多光传感器100输出的值无法造成积分器110输出一足以造成最小ADC 输出码的高值。该图像的质量由于须受到低强度光输入的这些像素无法达到足够高的 输出电平而无法达到最佳质量。图5B直方图所示的失真与图4C的单个像 素失真对应。积分器110的高增益造成须受到低强度光输入的光图像传感器 的输出以记录0以上输出而防止低端失真。图6示出使用双斜率技术确立的像素结构的响应曲线。图6所示动态范 围的非线性延伸防止了饱和效应，但是照射在传感器上的电磁能强度与传感 器输出之间的非线性关系在光强很高时造成被拍摄图像的分辨率降低。还公开了其它方案如多次曝光组合、条件斜率转换和对数响应像素结 构。多次曝光组合、条件斜率转换和对数响应像素结构表明性能下降而无法 获得高性能图像。积分器饱和是像素结构动态范围性能的限制因素。公开了解决积分器饱 和问题的种种办法。这些公开的办法的一个共同特征是监控积分器输出，检 测到积分器放电的饱和状态开始时记录该事件。这类办法由于模拟部件和进行非标准模拟的精度要求而在集成电路(ic)中很难有效执行。能在噪声环境下在积分器输出开始饱和的电源电压附近运行的精确比较器的实施是一 项过度消耗功率的困难任务，从而是一种不希望有的运行状态。模拟IC的设计困难且执行费时。最好使用己经过充分调试、并已使尺寸大小、功耗和性能最佳化的标准构件块。这类己公布的办法无法满足这一 要求。 ，
技术实现思路
按照本专利技术一个方面， 一种从一像素结构获得的宽动态范围读出信号的方法包括下列步骤生成一感光元件对入射电磁辐射的一响应积分值，其中 使用与通过该响应有关的相信息。按照本专利技术另 一个方面， 一像素结构包括用于响应电磁辐射生成一信号 的感光元件和一与感光元件连接的相积分器，用以对通过相信息经过一段曝 光时间的感光元件对于电磁辐射的响应进行积分。通过这样的设置，提供一不管照射在传感器上的电磁能量强度如何都能 可靠再现所拍摄图像的固态像素。下面结合附图说明本专利技术上述和其他优点。附图说明图1为一图像拍摄链中的部^^的方框图2为积分器输出的示意图3为一典型像素结构的方框图4A-4C为描述图3所示像素结构输出失真的转移曲线，示出动态范围 不足的影响；图5A和5B分别为曝光过度和曝光不足图像的像素亮度的直方图6为使用双斜率技术建立的像素结构的响应曲线；图7A为本专利技术像素结构的响应曲线；图7B为本专利技术所拍摄图像中像素亮度的直方图8为本专利技术根据ADC和DSP块的像素结构的方框图9为本专利技术相域积分器一实施例的方框图IOA和IOB为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于获得一像素结构的宽动态范围读出信号的方法，其特征在于，包括下列步骤：　生成一感光元件对入射的电磁辐射响应的一积分值，其中使用了与所述响应有关的相信息。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：索林达维多维奇，
申请(专利权)人：RJS科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]