(57)【要約】  画像センサは、複数の画素と、少なくとも画素の一部にわたるカラーフィルタパターンであって、所定の配列のカラーを有するカラーフィルタ核を形成するカラーフィルタパターンと、画素の集積時間を制御する機構とを備え、複数の画素の集積時間が、カラーフィルタアレイ核に相関するパターン中で空間的に異なっている。
2007504770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）複数の画素と、
（ｂ）少なくとも該画素の一部にわたるカラーフィルタパターンであって、所定の配列で配されたカラーを有するカラーフィルタ核を形成するカラーフィルタパターンと、
（ｃ）前記画素の集積時間を制御する機構と
を備えた画像センサであって、
前記カラーフィルタアレイ核に相関するパターン中で前記複数の画素の前記集積時間が空間的に異なることを特徴とする画像センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の画像センサであって、前記カラーフィルタパターンがバイエルカラーフィルタパターンであることを特徴とする画像センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の画像センサであって、前記カラーフィルタパターンが２×２核であることを特徴とする画像センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の画像センサであって、前記集積時間パターンが、一の集積時間における２本と、第２の集積時間における隣接する２本とが交番するパターンであることを特徴とする画像センサ。
【請求項５】
請求項３に記載の画像センサであって、第一の核に関連する２×２画素の第一の組に対する前記集積時間が第一の集積時間にあり、同じ２本の線の組中の隣接する２×２核の前記集積時間が第二の集積時間にあることを特徴とする画像センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の画像センサであって、隣接する２本線の組の前記集積時間パターンは、２画素ずれていることを特徴とする画像センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の画像センサであって、前記集積時間パターンは、前記カラーフィルタ核の倍数であることを特徴とする画像センサ。
【請求項８】
（ａ）行と列とから成るアレイ中に配列された複数の画素と、
（ｂ）行又は行の所望の部分中の多数の画素に対応する多数のデータ信号値を有する行同期信号に関連する一連の出力信号値を提供する読み出し機構と
を備えたことを特徴とする画像センサであって、
前記出力信号値は、前記アレイ中の少なくとも２つの物理的に分離した行の中の画素から生成された信号を有することを特徴とする画像センサ。
【請求項９】
（ａ１）複数の画素と、
（ａ２）少なくとも前記画素の一部にわたるカラーフィルタパターンであって、所定の配列のカラーを有するカラーフィルタ核を形成するカラーフィルタパターンと、
（ａ３）前記画素の集積時間を制御する機構と、
を備えた（ａ）画像センサであって、
該複数の画素の集積時間が、前記カラーフィルタアレイ核に相関するパターン中で空間的に異なる画像センサ、
を備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項１０】
請求項９に記載のカメラであって、前記カラーフィルタパターンは、バイエルカラーフィルタパターンであることを特徴とするカメラ。
【請求項１１】
請求項９に記載のカメラであって、前記カラーフィルタパターンは、２×２核であることを特徴とするカメラ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のカメラであって、前記集積時間パターンが、一の集積時間における２本と、第２の集積時間における隣接する２本とが交番するパターンであることを特徴とするカメラ。
【請求項１３】
請求項１１に記載のカメラであって、第一の核に関連する２×２画素の第一の組に対する前記集積時間が第一の集積時間にあり、同じ２本の線の組中の隣接する２×２核の前記集積時間は第二の集積時間にあることを特徴とするカメラ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のカメラであって、隣接する２本線の組の前記集積時間パターンは、２画素ずれていることを特徴とするカメラ。
【請求項１５】
請求項１に記載のカメラであって、前記集積時間パターンは、前記カラーフィルタ核の倍数であることを特徴とするカメラ。
【請求項１６】
請求項９に記載のカメラであって、少なくとも前記複数の画素の部分集合を読み出し、該読み出しにより得た信号値を用いて前記複数の画素の前記集積時間を決定する機構を更に備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項１７】
（ｂ）行と列とから成るアレイ中に配列される複数の画素と、
（ｃ）行中又は行の所望の部分中の多数の画素に対応する多数のデータ信号値を有する行同期信号に関連する一連の出力信号値を提供する読み出し機構と、
を備えた（ａ）画像センサであって、
前記出力信号値は、前記アレイ中の少なくとも２つの物理的に分離された列内の画素から生成される信号を有する画像センサ、
を備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のカメラであって、前記データ値は前記カメラのメモリ中で再構成されることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増大したダイナミックレンジを有する画像センサであって、半導体に基づく画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体画像センサが、現在多くのタイプの撮像用途に拡張的に用いられている。利用されている二つの主な画像センサ技術は、電荷結合素子（ＣＣＤ）とＣＭＯＳのｘ−ｙアドレス指定可能な素子である。ＣＭＯＳｘ−ｙアドレス指定可能素子に対する能動画素センサ（ＡＰＳ）と受動画素センサ（ＰＰＳ）を含め、現在、双方の技術について多くの異なった固有の実施形態が存在する。これらのすべてが基本的には一組のあるいは一アレイの光検出器を備えており、この光検出器は、読み出すことができる電気信号であって、かつ入射光パターンに相関する画像を構成するために用いることのできる電気信号に、入射光を変換する。この一アレイの光検出器の露光時間ないしは集積時間は、周知の機構により制御できる。この信号は、画素フォトサイトに入射する光の量を表す。撮像検出素子のダイナミックレンジ（ＤＲ）は、センサの二乗平均雑音レベル（σｎｏｉｓｅ）に対する、典型的には飽和信号（Ｖｓａｔ）と称する有効最大検出可能信号レベルの比として定義される。これは、式１で示される。
式１：ダイナミックレンジ＝Ｖｓａｔ／σｎｏｉｓｅ
【０００３】
入射光子により生成された電荷を集積する電荷結合素子（ＣＣＤ）等の画像センサ素子は、所与のフォトサイト中に集めて保持することのできる電荷量（Ｖｓａｔ）により制限されるダイナミックレンジを有する。例えば、全ての所与のＣＣＤに対して、ある画素中に集めて検出できる電荷量は、画素の面積に比例する。したがって、メガ画素デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）中に使用される市販用の素子に対して、飽和信号（Ｖｓａｔ）を表す電子数は、１３，０００個ないし２０，０００個のオーダである。入射光が極めて明るく、画素ないしは光検出器中に保持できる以上の電子を生成した場合には、これらの過剰な電子は、画素中の抗ブルーミング機構により取り出し、増加した飽和信号に寄与しない。したがって、最大検出可能信号レベルは、光検出器ないしは画素に保持できる電荷量に制限される。ダイナミックレンジ（ＤＲ）は、センサの雑音レベルσｎｏｉｓｅによっても制限される。飽和信号（Ｖｓａｔ）に関する制限により、雑音レベル（σｎｏｉｓｅ）を非常に低いレベルまで減少させるためにＣＣＤ中に多くの加工がなされた。代表的には、市販用のメガ画素ＤＳＣ素子は、１０００：１以下のダイナミックレンジ（ＤＲ）を有している。
【０００４】
ダイナミックレンジ（ＤＲ）に関する制限と同一の制限が能動画素センサ（ＡＰＳ）及び受動画素センサ（ＰＰＳ）素子についても存在する。飽和信号（Ｖｓａｔ）は、光検出器中に保持することができ、分離できる電荷量により制限される。過剰な電荷は失われる。このことは、ＣＣＤに比べて能動画素センサ（ＡＰＳ）及び受動画素センサ（ＰＰＳ）についてはより問題となる可能性がある。その原因は、画素内の能動素子および受動素子が、光検出器が利用できる領域を制限することにあり、また、ＣＭＯＳ素子中に用いられる低電圧源とクロックとにある。更に、能動画素センサ（ＡＰＳ）素子はチップ上の画像センサシステムを提供するために用いられてきたため、ＣＣＤ上には存在しない、タイミング、制御及びアナログ−デジタル変換等の、能動画素センサ（ＡＰＳ）素子上で用いられるデジタル回路及びアナログ回路が、ＣＣＤに比べて、能動画素センサ（ＡＰＳ）素子上に極めて高い雑音フロアを提供する。これは、オンチップアナログ−デジタル変換器からの可能な量子化雑音と同じ程度に高い一時的な雑音によるものである。
【０００５】
本発明の譲受人と同一の譲受人に譲渡されたガイダッシュの米国特許第６，０６９，３７７号明細書は、能動画素センサ（ＡＰＳ）素子のダイナミックレンジの拡大への従来の手法と、ダイナミックレンジを拡大する新しい発明とを開示している。この方法は、画素当たり４個以上のトランジスタを必要とするという不都合を有しており、作ることのできる画素の大きさが制限される。ガイダッシュの米国特許第６，３０７，１９５号明細書及び第６，４８６，５０４号明細書は、光検出器からブルームする電荷を集め、光検出器の共集積と、単一画素内の浮動拡散とにより、ダイナミックレンジを拡大することを開示している。これらの方法には、センサ中の固定パターン雑音に寄与する光検出器の飽和レベルの空間変動という潜在的な不都合が存在し、センサの感度を増大させない。
【０００６】
従来の能動画素センサ（ＡＰＳ）素子は、光に対する感度が不十分であるという難点も有している。この難点は、能動素子の画素中への集積と、画素上に配置されたカラーフィルタ層を透過する入射光の損失とに起因する。
【０００７】
上述したことから、低固定パターン雑音、小画素及び高感度を維持しながら拡大したダイナミックレンジを維持する素子に対する要求が従来技術中に依然として存在していることが明らかであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、画像センサ上の全ての所与の空間パターン、特にＣＦＡパターン中の１ないし２次元の核と整合するパターン、の集積を個別に制御する手段を提供する。このことは、所与の行又は所与の組の行中の画素に分離したＴＧバス又はＲＧバスを設けることにより、又は画像センサアレイ中の画素の所与のパターンに集積時間を個別に制御する任意の手段を設けることにより、なされる。このようにすることにより、有効なデータが、画像の暗い領域と明るい領域に常に同時に利用できる。
【０００９】
本発明のこれら及び他の態様、目的、特徴及び利点は、望ましい実施の形態についての以下の詳細な説明及び添付した特許請求の範囲を検討し、添付した図面を参照することにより、より明確に理解でき、認識することができよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
典型的な従来の画素センサの画素アレイを図１ａ及び図１ｂに示す。図１ａの画像センサは、ＣＣＤやＣＭＯＳの能動画像センサ（ＡＰＳ）等の任意の技術タイプの画像センサであり得る。図１ａ中の画素アレイ１０は１組の光検出器を備えている。集積時間は各画素に対して一定であり、各画素は、全て同一の集積時間を有する領域１０ａ中の画素により代表される。この手法の欠点は、集積時間が長い場合、画像の明るい領域の画素が飽和して、この明るい領域の画像の細部が失われる場合があることである。集積時間を短く選択すると、画像の暗い領域の画質が、低信号高雑音により、不十分なものになってしまう場合がある。図１ｂの画像センサは、「プログラム可能なカラーバランスを備えた能動画素センサ」と題された、２００２年７月１７日にガイダッシュにより出願された米国特許出願第０８／９６０，４１８号に開示されている。この画像センサにおいて、ＣＦＡパターンに関連する画素アレイ２０の各カラーは個別の集積時間を有し、電荷領域のホワイトバランスを達成する。このことは、図１ｂにおいて、それぞれ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄで表わされる、緑−赤行中の緑画素、緑−赤行中の赤画素、緑−青行中の青画素、緑−青行中の緑画素の各領域により表される。これは、図１ａ中の画像センサの画素アレイに対して取り上げたのと同一の欠点を有している。
【００１１】
図２ａを参照して、本発明の画像センサの画素アレイ３０は、プログラム可能な集積時間を異ならせることを容易にするが、それは、図１ｂに示した空間パターンとは異なる空間パターンにおいてである。ｘ−ｙアドレス指定可能なＣＭＯＳ画像センサについては、このことは、分離した転送ゲート又はリセットゲートを備えることにより達成される。ＣＣＤ画像センサについては、このことは、分離した転送ゲートを有することにより達成できる。図２ａ中の画像センサの画素アレイ３０は、カラーフィルタアレイのパターンピッチ又は核に相関する、組み合わされた行４０ａ及び４０ｂに対して２つの異なる集積時間を有する画素を有するように構成されている。長い集積時間を有する画素は、高速画素と称し、短い集積時間を有する画素は、低速画素と称する。バイエルＣＦＡパターンの場合、これは２行のピッチである。このパターン中に個別の集積時間を有することにより、図３に示すように、画像センサの有効なダイナミックレンジが拡大される。低い光レベルの領域である領域１では、センサの低速画素及び高速画素の双方とも飽和していない。高速画素は、雑音フロアより十分に上の信号レベルを有するであろう。低速画素は、センサの雑音フロアに比べて、所定の比率内にある信号レベルを有するであろう。領域２では、低速画素及び高速画素の双方とも飽和しておらず、双方とも適切な信号対雑音比を有する。高い光レベルの領域である領域３では、高速画素は飽和状態ないしクリップ状態になり、有効な信号レベル情報を有しない。低速画素は、飽和状態になっておらず、適切な信号対雑音比を有する有効な信号レベル情報を有している。有効な情報はＣＦＡパターンに相関するので、高速画素から失われた情報は、低速画素を補間することにより決定することができる。図３に示す個別の集積時間構造を用いて、単一のフレームの撮像が行われ、空間的に適合的な画像処理が行われる。領域２においては、標準的な従来のカラー画像処理方法が採用され、画像を描画する。領域３に納まる撮像における画素の領域に対しては、低速画素による補間が用いられ、高速画素中で失われた信号情報を決定する。これは、極端に明るい画像領域中の真のＭＴＦの損失に帰するが、有効な高い飽和照明レベルＩｓａｔが得られる。これにより、画像センサの画面内ダイナミックレンジが有効に拡大される。極端に明るい領域では真の空間解像度は低下するが、撮像により失われる画像内容は保持される。
【００１２】
図２ａのセンサ構造は、第一の集積時間の２行と、第二の集積時間を有する隣接する２行とを備えた集積時間パターンを提供するように設計されている。このことは、このパターンの集積時間に対する多重又は分離制御をなすことにより、任意のタイプの画像センサを用いて達成することができる。ＣＭＯＳ及び他のｘ−ｙアドレス指定可能な画像センサに対しては、このことは、集積時間を制御する交番する行信号線対に印加される２組の分離した集積ポインタを用いて画像センサタイミングを配列することにより簡単に達成できる。これは、各行における転送ゲート線、各行におけるリセットゲート線、その行の集積時間を制御するのに用いられる全ての他の行当たりの信号であり得る。ＣＣＤ画像センサの場合は、このことは、少なくとも交番する行の対に対して、転送ゲート線に対する分離した個別の接続が存在するように、転送ゲートの配線が構成されることを必要とする。
【００１３】
本発明の第２の実施の形態を図２ｂのアレイ中に示す。本実施の形態において、センサアレイ５０は、２×２の画素パターン６０ａ及び６０ｂ中に２個の個別のプログラム可能な集積時間を有するように構成される。ｘ−ｙアドレス指定可能な画像センサ技術の場合、転送ゲート又はリセットゲートのように、集積時間を制御するために用いられる、行当たりの多数の信号線を備えることにより、このことが達成される。これらの行当たりの多数の信号線は、交番する画素対に接続され、図２ｂに示す集積時間パターンの生成に寄与する。
【００１４】
図４ａを参照すると、集積時間を制御する多数の信号線７０の経路指定が示されている。各行に対する集積時間を制御するために、多数の信号線７０の経路を指定することに関する一つの不利益は、画素ピッチ中に余分の信号線を適合させるために、充填率が減少し、あるいは画素サイズが大きくなることである。このことは、図４ｂに示す信号線経路指定構造により克服できる。この場合、単一の集積時間制御線８０が行毎に用いられるが、実際には、２つの隣接する行中の画素への経路が定められる。隣接する行中の信号線８０は、同様な方法で経路が定められ、図２ｂに示す集積時間のパターンの生成に寄与する。この手法を用いて、一時にデータの単一行がセンサから読み出されるが、データの流れの中に含まれる画素は、アレイ中の物理的に隣接する行からのものである。画像を適当に再構成するために、インターレースデータをカメラの画像メモリ中で補正しなければならない。これも本発明の特徴である。オンチップメモリ又はインカメラメモリの何れかが複数行の位置にデータを書き込むように設定することができるので、センサに、物理的行から同時に全ての画素カラーを読み出させる必要がない。
【００１５】
前述したように、このことにより、広い画面内ダイナミックレンジ及び広い露光寛容度を有する画像センサ及び撮像システムが提供される。一回の撮像により、画像の高い光領域中の信号情報をクリップすることなく、低い光レベルに対する集積時間を最適化して、画像情報の全範囲を描画することができる。このことにより、露光又は集積時間の選択が非常に正確である必要が無いため、露光制御システムと、撮像システム中のアルゴリズムとを極めて単純化できる。
【００１６】
このようなセンサを用いる撮像システムは、ある場面のダイナミックレンジを測定ないし決定し、２つの集積時間を適切に設定するために使用できることにも注意すべきである。カメラシステムの位相を計測している間、２つの異なる集積時間によって、場面の最大光レベルと最小光レベルとを決定することができる。これらの２つの集積時間は、場面中の照明範囲をカバーするように調節できる。例えば、撮像する場面のダイナミックレンジが画像センサの固有のダイナミックレンジ内である場合は、これらの２つの集積時間は、同一の値に設定できる。場面が、センサの真のダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する場合は、２つの集積時間は、場面のダイナミックレンジに一致させるか、場面のダイナミックレンジを最適にカバーするように設定することができる。
【００１７】
図５を参照すると、多くの消費者志向の市販用の実施形態のひとつである、本発明の画像センサを具体化するカメラ９０が示されている。
【００１８】
本発明は、望ましい実施の形態について説明した。しかし、本発明の範囲から外れることなく、当業者により変形と修正が有効になされ得ることを認識できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】従来の画素アレイを示す図である。
【図１ｂ】図１ａに示したものとは別の従来の画素アレイを示す図である。
【図２ａ】本発明の画素アレイを示す図である。
【図２ｂ】本発明の別の実施の形態を示す図である。
【図３】図２ａ及び図２ｂの実施の形態を図式的に説明するグラフである。
【図４ａ】行毎の２本の集積制御線を説明する図である。
【図４ｂ】行毎の集積時間信号線を説明する図である。
【図５】図２ａ及び図２ｂの画素アレイを望ましい市販用の実施の形態中に実現するカメラを示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０  画素アレイ、２０  画素アレイ、２０ａ  緑−赤行中の緑画素、２０ｂ  緑−赤行中の赤画素、２０ｃ  緑−青行中の青画素、２０ｄ  緑−青行中の緑画素、３０  画素アレイ、４０ａ  組み合わされた行、４０ｂ  組み合わされた行、５０  センサアレイ、６０ａ  ２×２の画素パターン、６０ｂ  ２×２の画素パターン、７０  多数の信号線、８０  単一の集積時間制御線、９０  カメラ。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
2007504770.tif 000008
【図４ｂ】
2007504770.tif 000009
【図５】
2007504770.tif 000010
【国際調査報告】
2007504770.tif 000011
2007504770.tif 000012
2007504770.tif 000013
2007504770.tif 000014