JPH11505100A - 局部自動適応光学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 通常の画像センサのダイナミックスは、多くの状況での輝度コントラストを処理するのに十分ではない。過去に開示されたダイナミックスを増大する方法は、実用上かなりの欠点がある。新しい方法による画像センサは、高度のダイナミックスを持ち、また簡単に適用できるものでなければならない。高い画像コントラストを持つピクセルの、過度の露出および露出不足を避けるために、各ピクセルは局部自動適応制御を含む。この制御の力を借りて、各ピクセルは、十分な光電電流を積分するとすぐに、自動的にその積分周期を終了する。アナログ信号は、ピクセルが選択した積分周期の長さを表わす。積分したピクセル信号と一緒に、前記アナログ信号は、個々の信号のダイナミックスに関する高いダイナミックスと低い要件を持つ輝度情報を示す。その局部自動適応により、画像センサは、高速道路を走行している車両の案内、自然フィルムおよび天文学のような、高い輝度のコントラストを処理しなければならないすべての用途に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 局部自動適応光学センサ 技術分野 本発明は、高度に動的な画像シーンを記録するための画像センサを「局部自動 適応法」により作動させる方法に関する。 背景技術 電子画像センサは周知であり、さまざまな技術分野で製造されている。このよ うなセンサは、多数の画素（ピクセル）が、通常、一本のラインまたは行列の形 をしているマトリックスのような適当な形で配列されるように設計される。画像 センサ上に投影された画像は、ピクセルにより、ピクセルの軌跡への入射光の量 に比例する電子信号に変換される。各比例定数は、センサの変換感度（感度）と 呼ばれる。非常に横に広いタイプの画像センサ、すなわち、「積分画像センサ」 の場合には、ピクセルは、光電電流、すなわち、コンデンサへの、ある時間的間 隔（積分時間）の間に発生した電荷キャリアを、積分することにより、出力信号 を発生する。上記電気信号は、ピクセルおよびピクセルから延びている読取り経 路に加えられた適当な制御信号（クロック信号または読取り信号）により読取ら れ、適当な手段により、記録装置のような画像分析装置または画像利用装置に送 られる。 画像センサの主な特徴は、画像センサの出力のところで、適当に使用すること ができる信号に接続している、ピクセル軌跡の最小および最大輝度により定義さ れる、そのダイナミックスである。上記ダイナミックスは、出力信号の電気的ノ イズの下限のところで制限される。上記電気的ノイズのより弱いピクセル信号は 、使用することができない。上記ダイナミックスは、信号変換および信号伝送に 使用される構成部材の飽和により上限のところで制限される。 画像センサのもう一つの周知の問題は、そのダイナミックスが、多くの用途の 場合の輝度コントラストを、出力信号に完全に描き出すのに十分でないというこ とである。それ故、画像の暗い部分はノイズに陰に隠れてしまうか、および／ま たは画像の明るい部分が飽和してしまい、その結果、スミアまたは曇りのような 別の干渉を起こす恐れがある。ダイナミックスが限定されているという問題を解 決するには、いくつかの方法が知られている。 「二重読取り」原理による、画像センサ・システムの有効ダイナミックスの増 大に関する多数の特許および公報の代表的なものとしては、米国特許第５，１６ ８，５３２号がある。この目的のために、画像センサ・システムに、例えば、積 分画像センサの積分時間を選択することにより、またはもっと簡単な方法として は、アイリス絞りを使用することにより、既知の感度を変化させるオプションが 付加されている。その後、画像センサは二つの画像を出力するが、一方の画像は 低感度のものであり、他方の画像は高感度のものである。これら二つの画像は、 その後、完全な画像を形成するために適当な方法により結合される。（例えば、 米国特許第５，６３８，１１８号のような）様々な形態で過去に特許され又は公 開された「多重読取り」法は、二つだけの画像の代わりに、異なる感度を持つも っと多くの画像を記録、記憶および結合する。上記二つの方法は、センサ・シス テムが複雑になるという大きな欠点を持ち、画像センサの他に、フレーム・グラ バのような画像データを記憶および処理するための手段を含む。 センサのダイナミックスを増大するための第二のいくつかの方法は、ピクセル 内で信号発生の際に、画像信号を圧縮するものである。対数圧縮という従来の圧 縮方法を使用した場合には、光により変化する光電電流が、例えば、１９９５年 ４月２０〜２２日付のカリフォルニアのＣＣＤおよび高度画像センサに関するＩ ＥＥＥワークショプの、Ｎ．リキアおよびＢ．ディリクスによる「チップ上の非 均等修正を行う能動ピクセルＣＭＯＳ画像センサ」に記載されているように、閾 値電圧以下で作動しているダイオードまたはＭＯＳ トランジスタの対数電圧−電流特性により、対数的に変化する信号電圧に変換さ れる。これらおよびすべての他の圧縮センサを使用した場合には、動的圧縮によ り画像の細かい部分が失われてしまう。その上、トランジスタの閾値電圧または キャパシタンスのような、部品パラメータの局部的変動により、ピクセルおよび 信号経路で発生する固定干渉（いわゆる固定パターンノイズ、またはＦＰＮ）は 、指数的に増幅され、それを修正するには高価な手段を使用しなければならない 。他の方法（例えば、米国特許第５，５７２，０７４号またはカリフォルニア州 、パサデナ、カリフォルニア・インスティチュート・オブ・テクノロジー社の、 １９９４年の技術レポート、ＣＮＳメモランダム３０号の１〜２３ページ掲載の 、計算および神経システム・プログラムの、Ｔ．デルブルックおよびＣ．Ａ．ミ ードによる「継続、適応対数光受容回路によるアナログＶＬＳＩ光導入」）は、 複雑なピクセル回路の助けを借りて、ピクセル自身が発生した出力信号により、 ピクセルの感度を局部的に制御する。しかし、この方法も、上記圧縮方法と同じ 欠点を持つ。 局部的適応方法は、高度のダイナミックスを持つ画像センサを操作するより優 れた方法である。局部的適応方法は、すべてのピクセルの画像センサの感度を同 時に（全体として）調整するのではなく、もっと小さいサブグループ、好適には 、（局部的に）各ピクセル個々の感度を調整することを特徴とする。この画像セ ンサの性質からいって、信号経路内のくつかの点を接続することができる。 例えば、米国特許第５，５３２，７４３号（ＬＣＤピクセルによる減衰）、米 国特許第５５，４１０，７０５号（偏光装置による減衰）および米国特許第５， ２１８，４８５号は、各ピクセルに入射する光を個々に弱くする方法を開示して いる。これらすべての方法は、より複雑な光学的構造と、減衰素子を制御するた めの高価な外部システムを必要とする。 個々のピクセルの積分時間を制御する上記局部的適応方法により、もっと高い ダイナミックスを持つ、もっと簡単なシステムを作ることができる。局 部適応積分時間を使用する従来の方法は、１９９７年２月付のソリッドステート 回路に関するＩＥＥＥジャーナル掲載の、「局部的電子シャッタを持つＣＭＯＳ 能動ピクセル・センサ・スター・トラッカ」内で、Ｏ．ヤディド−ペチット、Ｂ ．ペイン、Ｃ．スタラ、Ｃ．クラークおよびＥ．フォサムが報告しているような 、またＳＰＩＥ議事録２６５４巻（１９９６年）の８２〜９３ページ掲載の、カ リフォルニア、サンホセの「半導体センサ・アレイおよびＣＣＤカメラ」形成の 「広いダイナミク・レンジを持つＡＰＳスタートラッカ」に報告されているよう な、また（１９９５年の）ＳＰＩＥ議事録２４１５巻の３０３〜３０９ページ掲 載の「適応感度ＣＣＤ画像センサ」にＳ．チェンおよびＲ．ギノサが報告してい るような、個々のピクセル・リセット、ＩＰＲを使用するものが知られている。 上記のセンサの場合には、ピクセル回路は、任意の時間に、各ピクセルにおいて 、その積分コンデンサを、個々にリセットすることができるように、ピクセル回 路が修正されている。それにより、ある制限内で各ピクセルの個々の積分時間を 達成することができ、それによりピクセル感度を、各ピクセル軌跡に入射する光 感度に適応させることができる。上記の方法は、同時に高ダイナミックスを持つ ピクセル回路の追加コストが、すくなくてすむという特徴を持つ。 シーゲン大学の半導体エレクトロニクス学科で開発した、局部適応画像センサ （ＬＡＳ）を使用した場合には、各ピクセルの積分時間を、実際の積分段階の前 にアナログ電圧の形で、ピクセル内で個々にプログラムすることができる。（Ｔ ．ルレ、Ｈ．フィッシャー、Ｓ．ベンチアン、Ｈ．ケラー、Ｍ．ソマ、Ｊ．シュ ルツ、Ｐ．リーブ、Ｍ．ベームの「ＴＦＡ技術における、ピクセル毎にプログラ ム可能な感度を持つ画像センサ」；Ｈ．ライクル、Ａ．ヒューバーガーのベルリ ン、オッフェンバッハＶＤＥバーラグの１９９６年版の６７５ページ以下の「マ イクロ・システム技術 １９９６年参照。） しかし、ＩＰＲ法およびＬＡＳ法の欠点は、ピクセル毎に次の積分サイクルに 必要な露出時間、および最後に読取った画像から駆動クロック・パルス を発生するために必要な追加回路のコストがかなり高いということである。ＩＰ Ｒ法の他の欠点は、積分プロセス中に必要な順序ですべてのピクセルをリセット しなければならず、そのため、結果として、感度を持つピクセル・エレクトロニ クス上で、クロック・パルスが衝突し、非確定パルスが重なりあうことである。 さらに、上記すべての適応方法は、時間的遅れを生じるという欠点を持つ。積分 プロセスのためにセットする感度は、先行する積分プロセスのピクセル信号から 入手され、その結果、状況によるピクセル感度の正しい設定が信頼できる程度に は保証されない。 発明の開示 請求項１に記載の特徴を持つ本発明は、画像センサのピクセルの感度を、最小 の回路で、時間的遅れを起こさず適応させ、ピクセル軌跡の輝度に合わせ、それ により画像センサの有効ダイナミックスを増大させることに基づいている。 上記目的は、ピクセル回路自身による、ピクセルの軌跡における輝度への適応 により達成される。この場合、ピクセルは局部的に自動適応する。 局部自動適応法の原理は、Ｏ．ヤディド・ペクトが、ＳＩＤ９３、国際シンボ ジウム、ダイジェスト（１９９３年）４９５〜４９８ページ掲載の「自動広域ダ イナミク・レンジ・センサ」で発表している。この場合、積分された信号が閾値 を越えた場合に、ピクセルが自分自身をリセットすることができるので、局部自 動適応を行うことができる。原則的に、この局部自動適応により、ピクセルの飽 和を防止するが、積分時間は、ピクセルに入射する光の輝度に信頼できる程度に は適応しない。何故なら、例えば、弱い光により照らされたピクセルが、積分段 階が終了する直前に再びリセットされ、残りの非常に短い積分時間内に、予測不 能な信号電圧が積分されるという事態が、起こる場合があるからである。 さらに、ピクセル軌跡の輝度を、二つのパラメータ、すなわち、積分時間およ び積分したピクセル信号から再度入手することができるように、ピクセ ルが選択した積分時間を、適当な方法により、次の画像分析段階に報告しなけれ ばならない。ヤディド・ペクトは、この問題にほとんど手をつけず、積分時間を 四つのフリップ・フロップ内に局部的に記憶すべきであり、そうすると、ピクセ ル回路および追加制御ラインにかなりの費用が掛かると述べているに過ぎない。 （ＳＰＩＥ議事録１６５６巻（１９９２年）３７４〜３８２ページ掲載の、カリ フォルニア、サンホセの高解像度センサおよびハイブリッド・システムの「画像 のダイナミク・レンジの拡大」参照。）ピクセル領域の有効サイズが、完全に非 経済的にならないようにするために、上記文献の著者は、例えば、８ｘ８ピクセ ルのピクセルブロック単位を、一度だけ局部的に局部自動適応制御する方法を提 案する。しかし、そうすると局部自動適応の利点は直ちに失われる。何故なら、 このピクセル・ブロック内での強い明暗の遷移により、全体的適応センサの場合 と同じ制限が、ダイナミックスに掛かることになるからである。 本発明の問題の解決方法は、出力信号が飽和するほど多くの光により発生した 電荷が積分される以前に、その積分時間が単独で、自動的に終了するよう局部自 動適応ピクセルを、積分するという方法である。それ故、この方法は、ピクセル それ自身が積分期間の開始ではなく、終了時間を決定するという点で、上記方法 とは異なる。 積分時間を終了する有利な方法は、検出装置から積分コンデンサへの光電電流 の経路にループ状に接続していて、積分時間を終了されるために、検出装置から コンデンサへの電流経路を中断している、電子スイッチを使用する方法である。 上記と同じ方法としては、全積分プロセス中、光に比例する光電電流が流れる第 一の積分コンデンサと、各ピクセルの積分時間が終了する時点で、積分プロセス が終了した後、保持コンデンサ上の電圧が、上記時間の積分コンデンサ上の電圧 に比例するようにする、第二の保持コンデンサとの間に、導通接続を行う電子ス イッチを用いる方法である。上記電子スイッチを含むピクセル回路は周知であり 、積分時間を全体的に制御するための、 ほとんどすべての積分画像センサで使用されている。 上記問題の上記解決方法の特別な利点は、このように作動するセンサは、従来 のセンサと比較すると、より安いコストではるかに広いダイナミックスを持つこ とであり、そのためこのセンサは、はるかに高いコントラストで、すべての画像 セグメント内で評価することができる出力信号を供給する。さらに、出力信号は 、いつでも、非常に拡大した画像輝度に対して、上部の制御範囲に位置していて 、そのため、自動的に信号／雑音比が改善され、画像の品質が向上する。 この方法の利点は、積分時間の長さについての情報を供給し、積分ピクセル信 号と一緒に画像センサから読取られるピクセルに、情報（以後、積分信号と呼ぶ ）を記憶することである。その結果、各ピクセル軌跡内の輝度を、積分信号およ びピクセル信号からハッキリと決定することができる。アナログの形、例えば、 電圧、電流または電荷の形でピクセル内に積分信号を記憶するには有利である。 コンデンサのようなアナログ情報記憶装置または電流レベル記憶装置は周知であ り、例えば、Ｏ．ヤディド・ペクトが提案したと同じ情報内容を含むデジタル装 置よりも小さな、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳまたはＴＦＴのような従来の画像セン サ技術内に設置することができる。しかし、積分信号をデジタル信号として記憶 するのも、有利な選択である。何故なら、干渉をうける可能性がはるかに低くな るからである。 さらに、ピクセルでこの積分信号を単独で発生し、その信号を外部からピクセ ルに入力したり、または積分信号を外部からピクセルに入力される信号の助けを 借りて発生するという方法もある。積分信号は、好適には、完全に外部からピク セルへの入力であることが好ましい。何故なら、そうすれば、ピクセルで信号を 発生するための、追加構成部品が必要なくなり、ピクセルは、外部からの信号だ けを記憶すればいいからである。外部からの入力信号は、適当にすべてのピクセ ルに供給されるか、または少なくともピクセルの全列または行のような、ピクセ ルの大きなグループに同時に供給される。そ の結果、この信号用に設置しなければならない発生装置の数は、センサが含むピ クセルの数より少なくすることができる。その後、上記発生装置は、電圧ランプ のようなすでに経過した積分時間に対して、好適には、単調である電圧または電 流またはデジタル語のような信号を供給する。ピクセルの積分時間が終了すると すぐに、ピクセルは露出コンデンサで、上記時間中積分されたピクセル信号ばか りでなく、各発生装置が外部から供給した積分信号も、その内部積分信号メモリ に記憶する。 上記問題の解決方法の特別な利点は、輝度情報を二つの信号パラメータ、すな わち、第一の信号パラメータであるピクセル信号、および第二の信号パラメータ である積分時間に関する情報を供給する積分信号に分割することである。これら 二つの信号に分割された場合、一つの信号を使用する場合より遥かに大きい輝度 ダイナミックスを得ることができる。何故なら、積分信号がいわば大体のスケー リングを供給し、一方ピクセル信号が詳細な情報を供給するからである。特に、 多数の電気干渉源が送信経路に存在する商業分野においては、ダイナミックスを このように分割することが、非常に大きいダイナミックス（１００ｄＢ以上）で 画像を処理する唯一の方法である。 本発明の方法のもう一つの有利な改善は、積分を、外部からピクセルに供給さ れたクロック信号により定義される、ピクセルにより示される時間の外側のいく つかの時間のところだけで終了することができるという点である。時間をこのよ うに打ち切ることによる利点は、ピクセルにより選択することができる積分周期 をより正確に制御することができることである。特に、照明レベルで指定された 非常に短い積分時間を、不正確さが、積分時間それ自身より遥かに短い周期に対 応するような高い精度で設定し、積分信号により検出しなければならない。この ことは、積分時間のクロック制御された打ち切りにより、特に有利に行うことが できる。 特に、積分周期の打ち切りおよびアナログ積分信号を使用する、本発明の方法 の有利なもう一つの実施形態は、積分信号を単なる個々の振幅と見なす ことができるような、振幅打ち切りアナログ積分信号を使用することである。積 分信号の振幅打ち切りは、次の画像分析段をのところで、閾値を形成することに よって、選択した積分周期を正確に再度組立てることができ、複数の打ち切り段 の間に十分な距離がある場合には、アナログ回路には不可避のノイズおよびＦＰ Ｎにような干渉が、閾値の形成に何の影響も与えず、そのため、再構成された積 分時間に影響を与えないことである。 積分信号をデジタル的に記憶する場合には、当然、アナログ信号の上記振幅打 ち切りに対応する数値の打ち切りを含む。さらに、デジタル的な記憶は、上記時 間の打ち切りと一緒に使用した場合、最も有利に使用することができる。何故な ら、デジタル数値は、この方法で、各積分時間にハッキリと割り当てることがで きるからである。全体的に振幅打ち切りを行ったアナログ信号に対する最新のメ モリ技術内で、どのようにしたらうまく多重レベル・デジタル信号することがで きるかという観点から見た場合、純粋な二進デジタル信号から振幅打ち切りアナ ログ信号への遷移は、流動的であり変化に富む。 本発明の方法の有利な改善は、打ち切り積分周期の指数的分布の使用である。 指数的分布は、積分周期が、固定係数だけ、選択可能な次のより短い周期より長 くなるように、ピクセルにより選択することができる、予め定めた積分周期の選 択に関連する。この指数的分布は、例えば、１０の可能な光輝度の数乗を、確実 に均等にカバーするカメラのシャッタ速度のような他の用途から分かる分布であ る。 本方法の有利な実施形態は、例えば、１９９５年に、インドのルールキーＵ． Ｐ．のルールキー大学での人工頭脳センサに関する特別講義、すなわち、例えば 、「ＴＦＡ（ＡＳＩＣ上の薄いフィルム）の人工頭脳画像センサ・システム」で ベーム教授が述べているように、シーゲン大学の半導体エレクトロニクス学科の ベーム教授および彼の同僚が開発した、ＴＦＡ技術の局部自動適応画像センサを 技術的に実行したものである。本明細書中の信号処理ＡＳＩＣ上の、電気光学検 出装置の垂直積分の利点は、特に局部自動適応セン サと一緒に使用した場合に発揮される。何故なら、ピクセル・エレクトロニクス および検出装置は、例えば、純粋なＣＭＯＳ技術の場合のように、相互に置き換 えることはできないが、その代わり、同時に幾分高価なピクセル・エレクトロニ クスが占有しているチップ上の場所の上に検出装置を設置することができる。そ うすることにより、上記検出装置の感度がさらに向上する。 本発明の方法の他の有利ないくつかの実施形態は、追加のサブクレイムに記載 してある。 本発明の一実施形態、すなわち、上記方法を実行するための好適な装置を図示 し、以下に詳細に説明する。この実施形態は、９０ｄＢのダイナミックスを持つ 本発明のＴＦＡ技術内で実行した画像センサである。 図面の簡単な説明 図１は、自動積分切捨ておよび積分信号記憶を持つ、局部自動適応ピクセル・ エレクトロニクスのブロック図である。 図２は、積分段階中、図１のピクセルの作動用制御信号である。 図３は、上記ピクセル上での光輝度の関数として描いた、積分段につづく読取 り段内で出力される積分信号およびピクセル信号である。 図４は、画像センサ・チップ上の周辺回路と面積センサのピクセルとの関連を 示す略図である。 図４のピクセル・レイアウトは、やや複雑な局部自動適応ピクセルを示す。 発明を実施するための最良の形態 図１は、ＴＦＡ技術で実行した局部自動適応ピクセルのブロック図である。ピ クセル回路は、そのカソードが、ピクセル回路内に設置されている検出回路０２ に接続している、無定型シリコンの感光検出器０１を含む。この検出回路は、Ｔ ＦＡ技術特有なもので、ピクセルの局部自動適応にとっては重要なものではない 。検出回路は、検出器０１のカソード上の電圧を一定のレベルに保ち、隣接する 検出器の間のＴＦＡ特有の結合を抑制する。 検出器０１から流れ出て、検出回路０２により中継された光電電流０３は、 積分期間中、閉状態の光電電流スイッチ０４を介して、積分コンデンサ０５に積 分される。積分コンデンサ０５上の、結果として得られたピクセル電圧０６は、 外部からピクセルに供給された比較電圧０８と比較される。比較結果は、クロッ ク・パルス０９のクロック信号の後でだけ、ピクセル・コンパレータ０７の制御 出力１０に現れる。ピクセル電圧０６が、クロック信号の時点で比較電圧０８よ り高い場合には、制御出力１０は、感光電流スイッチ０４をオフにし、現在の積 分期間に対する積分周期を終了する。クロック・パルス０９の時の各クロック信 号と同時に、上昇ステップの電圧ランプが、積分信号入力ランプ１１に加えられ 、閉状態の積分信号スイッチ１２を介して、積分信号コンデンサ１３へ送られる 。制御出力１０がスイッチ０４を介しての光電電流の積分を終了した瞬間に、上 記制御出力１０は、積分信号スイッチ１２もオフにし、その結果、積分信号コン デンサ１３上の積分信号電圧１４は、カットオフ時に積分信号入力ランプ１１に 加えられた電圧レベルのまま変化しない。 以下の読取り段階で、読取り入力１５における読取り信号により、ピクセル信 号バッファ１６および積分信号バッファ１７は、ピクセル信号列ライン１８また は積分信号縦列ライン１９上に、積分したピクセル信号０６および固定積分信号 １４を出力する。 次の積分プロセスの前に、リセット入力２０のところのリセット信号が、スイ ッチ２１を閉じ、そのため積分されたピクセル信号０６が消却される。クロック 入力０９のところの次のクロック信号により、光電電流スイッチ０４および積分 信号スイッチ１２が再びオンになり、次の積分段階がスタートする。 図２は、クロック０９およびランプ１１制御パルスと、積分信号１４およびピ クセル信号０６を各二つのピクセルに加えたものを示す。一つは高い照明（Ｐｉ ｘ１ ３０およびＩｎｔ１ ３１）用ピクセル、他方は弱い照明（Ｐｉｘ２ ３ ４およびＩｎｔ２ ３５）である。信号の図は、六つの選択 可能な指数的に分布している積分時間３９〜４４を持つ実施形態を示す。この場 合、時間軸の単位は相対的なものである。 積分段階は、クロック・パルス０９の最初の立ち上がり縁部３８でスタートし 、その後で、積分されたピクセル電圧であるＰｉｘ１ ３０およびＰｉｘ２ ３ ４が増大する。クロック・パルス０９の追加の各立ち上がり縁部により、十分に 高いピクセル電圧のところのピクセルは、その積分周期を終了することができる 。例えば、クロック・パルスの縁部３９のピクセルが、その積分を終了させよう としている場合には、その積分周期は一単位の時間だけ継続し、クロック・パル スの縁部４０のところで、２単位の時間の間積分を継続し、クロック・パルスの 縁部４１のところで、４単位の時間の間積分を継続し、クロック・パルスの縁部 ４２ところで、８単位の時間の間積分を継続し、クロック・パルスの縁部４３と ころで、１６単位の時間の間積分を継続する。ピクセルがクロック・パルスの縁 部４４のところで、その積分を終了させようとしている場合には、その積分周期 は３２単位の時間だけ継続する。それ故、この実施形態の場合の時間の選択可能 な単位は、底２に対して指数的に選択された。 比較電圧Ｕｃｏｍｐ０８は、時間単位のこの分配に対して、信号振幅３３また は３７の半分に設定される。ピクセル信号０６が、一積分周期中に信号振幅の半 分を越えなかった場合には、二倍の長さの次のもっと長い積分周期中に、全信号 振幅を越えない。その結果、ピクセル軌跡の輝度が、次の追加積分時間中に有意 に変化しないと仮定した場合、それをさらに積分することができる。しかし、ピ クセル信号０６が、積分周期中に信号振幅の半分を越えた場合には、二倍の長さ の次のもっと長い積分周期中に、全信号振幅を越え、その結果、積分周期を終了 しなければならない。選択可能な積分時間と、比較電圧とのこの組み合わせによ り、積分したピクセル電圧を常に全信号振幅の上部半分内に確実に位置させるこ とができる。より低い比較電圧を選択した場合には、積分プロセス中の輝度の変 動が改善される。その場合、それ により積分プロセス中、ピクセルを飽和させないで、ピクセル輝度を限界一杯ま で増大することができる。 図３の相対的照明輝度で積分されるピクセル信号４６および積分信号４７は、 局部自動適応ピクセルのこの非常に有利な特性を示す。水平軸上の輝度の対数曲 線により、ピクセル信号曲線はカーブを描き、一方、指数的間隔で分布している ランプ部分１１は等しい幅を持つ。 図４のブロック図は、面積センサ内の周辺構成部品５３、５５および５８とピ クセル回路５０との相互作用を示す略図である。積分プロセス中、積分制御回路 ５５は、縦列および横列内に配置されたピクセル・マトリックス５１のピクセル ５０に、入力クロック・パルスＣｌｋ６６から積分制御回路５５が生成するリセ ット信号２０、制御パルス０９、ランプ１１およびＵｃｏｍｐ０８のような必要 な制御信号を供給する。これら信号は、すべてのピクセル５０に対して一緒に生 成され、そのため、ピクセル・マトリックス５１のすべてのピクセル５０は、同 期状態でその積分周期をスタートし、一方、すべてのピクセルは、上記のように それ自身で終了時間を選択する。 準備出力６７の信号は、チップ外部の回路の部品に、信号により積分プロセス の終了を表示する。これら信号は、ライン・デコーダ５３に、ライン・アドレス ＺＡ６４およびライン解放信号ＺＥＮ６５を送ることができ、ライン・デコーダ は必要なライン読取りライン５２を制御する。ライン読取りライン５２は、ライ ン内のすべてのピクセル５０のピクセル読取りラインＲＥＡＤ２０に接続してい て、選択したラインのすべてのピクセル５０が、その積分したピクセル信号０６ 、およびピクセル信号列ライン１８上の固定積分信号１４および積分信号多遷移 列ライン１９を確実に出力する。 列制御および読取り５８に平行に配列されたすべての固定信号および積分信号 列ライン５６、５７の中、列制御および読取り５８は、外部から供給される列ア ドレスＳＡ６３により選択された列を選択する。供給された列解放信号ＳＥＮ６ ２により、選択したピクセル信号０６および選択した積分信号 １４は、ピクセル出力Ｐｉｘａｕｓ５９および積分信号出力Ｉｎｔａｕｓ６０に 出力される。すべてのピクセル５０の読取りに成功した後で、次の積分プロセス が、スタート時６１の信号により、積分制御回路５５内でスタートする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルクス ヴェーム ドイツ ジーヘン Ｄ−57068 ヘルダー リンストラッセ ３ ウニヴェルズィテー ト−ゲザムトホークシュール ジーヘン インスティテュート フューア ハルプラ イターエレクトロニック ファクスバライ ッヒ 12−エレクトロニック ユー．イン フォーマティック (72)発明者 タレク ルーレ ドイツ ジーヘン Ｄ―57076 アム ア イヘンハンク 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 画像積分センサの操作方法であって、 ａ）光変換ピクセル配列と、 ｂ）ピクセルにより中継された既知信号を処理し、それから発生した出力信号 を供給するための装置と、 ｃ）すべてのピクセル内に存在するすべての装置に、前記出力信号が、画像セ ンサが感知した光画像を反映する信号になるように、制御信号を供給するピクセ ル制御装置とを備え、 前記光変換ピクセル配列のそれぞれが、 ａａ）光の輝度によって変化する光電電流内で、その上に入射する光の輝度を 光電変換するための感光素子と、 ａｂ）積分プロセス中、ある積分時間の間、前記光電電流を積分するための積 分装置と、 ａｃ）積分周期のスタート時および終了時を決定するための持続制御装置と、 ａｄ）積分された光電電流の量に対応する読取りプロセス中のピクセル信号を 中継するための読取り装置とからなり、 光の輝度が高ければ高いほど積分周期が短くなり、一方、光の輝度が低ければ 低いほど積分周期が長くなるように、前記持続制御装置が、積分時間の終点をピ クセルに照射する光の輝度の関数として選択することにより、前記積分装置によ り前記ピクセルの前記持続制御装置が影響を受けることを特徴とする方法。 ２． 請求項１に記載の方法において、前記周期制御装置が、電子スイッチの 助けを借りて積分周期の終了時間に影響を与え、前記電子スイッチは積分時間を 終了させるために、前記積分装置への光電電流の流れを中断するように、前記ス イッチが設置されていることを特徴とする方法。 ３． 請求項１に記載の方法において、前記周期制御装置が、電子スイッチの 助けを借りて積分周期の終了時間に影響を与え、積分プロセスの終了後に、前記 記憶装置が、前記積分装置が供給した信号の、前記終了時に関連する信号を記憶 するような方法で、前記終了時に、前記積分装置と前記記憶装置との間の信号経 路を中断するように、前記電子スイッチが前記積分装置と他の記憶装置との間に ループを形成するように設置されている方法。 ４． 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、各ピクセルが、前記 積分プロセスの終了後に積分持続情報を記憶し、各ピクセルの前記持続時間の長 さに関する情報を供給し、前記情報が前記ピクセル信号と一緒に読取られること を特徴とする方法。 ５． 請求項４に記載の方法において、前記積分持続情報が、デジタル信号に より表示されることを特徴とする方法。 ６． 請求項４に記載の方法において、前記積分持続情報が、アナログ信号に より表示されることを特徴とする方法。 ７． 請求項６に記載の方法において、前記積分持続情報が、振幅打ち切りア ナログ信号により表示されることを特徴とする方法。 ８． 請求項４に記載の方法において、前記信号が、ピクセル内で独立して生 成される方法。 ９． 請求項４に記載の方法において、前記信号が、外部からピクセルに供給 された信号の助けを借りて、ピクセル内で生成されることを特徴とする方法。 １０． 請求項４に記載の方法において、前記信号が、各終了時に、外部から ピクセルに適当に供給され、適当な時点でピクセルにより保持されなければなら ないことを特徴とする方法。 １１． 請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法において、前記周期制御装 置が、積分プロセス中のいくつかの個々の時点でだけ、ピクセルの積分の終了を 決定することができ、前記個々の時点が、外部からピクセルに供給 される信号により定義されることを特徴とする方法。 １２． 請求項１１に記載の方法において、前記外部定義時点が、終点を選択 することにより選択することができる積分周期が、次のもっと短い選択可能な積 分周期より固定係数だけ長くなるように、指数的に分布していることを特徴とす る方法。 １３． 請求項１１に記載の方法において、前記外部定義時点が、終了時を選 択することにより選択することができる積分周期が、次のもっと短い選択可能な 積分周期に二倍になるように、二重指数的に分布していることを特徴とする方法 。 １４． 複数のピクセル信号処理装置を備える画像センサを制御するための装 置であって、それぞれが、 感光素子への入射光を、光の輝度により変化する光電電流に変換することがで きるピクセル受信装置と、 予め定めた積分周期の間、光電電流を積分するための積分装置と、 ピクセル信号処理装置を、共通の処理装置により処理することができ、画像セ ンサが受信した光画像を反映する信号に結合する場合に、読取りプロセス中、積 分した光電電流に対応するピクセル信号を読取りための読取り装置とを備え、 前記ピクセル受信装置が、前記積分装置が飽和状態になる前に、入射光の輝度 を考慮して、積分時間が終了するように、積分時間の終了を予め決定するための 手段を備えることを特徴とする装置。