(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
行および列に配列された複数のピクセルのピクセルアレイを有するＣＭＯＳ撮像素子にブルーミング保護を提供する方法であって、
前記ＣＭＯＳ撮像素子はローリングシャッターを使用してハイダイナミックレンジ画像を取り込むように動作可能であり、
ピクセルの読み出し行を選択する工程と、
前記読み出し行における前記ピクセルの第１の積分時間を開始する工程と、
前記読み出し行における前記ピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第１の読み出しを取得する工程と、
読み出しおよびリセットを少なくとも１つの後続の行で実行するのに十分なリセット時間の間、前記読み出し行にリセットを適用する工程と、
前記リセットを除去し、前記読み出し行における前記ピクセルの第２の積分時間を開始する工程であって、前記第２の積分時間は、前記第１の積分時間より短く、前記少なくとも１つの後続の行は、組み合わせられたリセットを行うために十分な数の行であり、前記第２の積分時間中の前記読み出し行のピクセルアレイからブルーミング効果を少なくとも実質的に排除するものである、前記開始する工程と、
前記読み出し行における前記ピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第２の読み出しを取得する工程と
を有する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、さらに、
少なくとも１つの後続の行で請求項１に記載の方法を繰り返す工程を有するものである方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記少なくとも１つの後続の行は前記ピクセルアレイにおける少なくとも実質的にすべてのピクセル行である方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、当該方法は少なくとも実質的にすべてのピクセル行で連続的な順序で繰り返されるものである方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法において、当該方法は少なくとも実質的にすべてのピクセル行で連続的でない順序で繰り返されるものである方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記第１の読み出しおよび前記第２の読み出しは合成されてハイダイナミックレンジ画像を形成するものである方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、さらに、
読み出しおよびリセットを少なくとも１つの後続の行で実行するのに十分なリセット時間の間、前記第２の読み出しに続いて前記読み出し行に前記リセットを適用する工程と、
前記リセットを除去し、前記読み出し行における前記ピクセルの第３の積分時間を開始する工程であって、前記第３の積分時間は、前記第２の積分時間より短く、前記少なくとも１つの後続の行は、組み合わせられたリセットを行うために十分な数の行であり、前記第３の積分時間中の前記読み出し行の前記ピクセルアレイからのブルーミング効果を少なくとも実質的に排除するものである、前記開始する工程と、
前記読み出し行における前記ピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第３の読み出しを取得する工程と
を有するものである方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、当該方法は第４若しくはそれ以上の積分時間のために繰り返されるものである方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、前記第１の積分時間を開始する工程は、さらに、前記読み出し行に前記リセットを適用する工程と、前記読み出し行から前記リセットを解除する工程とを含むものである方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分な前記リセット時間にわたって前記読み出し行に前記リセットを適用する工程は、前記リセット時間の持続時間全体を通して連続電圧レベルで前記リセットを適用する工程を含む、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、前記読み出しおよびリセットを少なくとも１つの後続の行で実行するのに十分なリセット時間の間、前記読み出し行にリセットを適用する工程は、前記リセット時間の持続時間全体を通して可変電圧レベルで前記リセットを適用する工程を含むものである方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、前記リセットは、少なくとも２つの後続の行および前記読み出し行が同時にリセットされるのに十分なリセット時間にわたって適用されるものである方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記リセットは、少なくとも３つの後続の行および前記読み出し行が同時にリセットされるのに十分なリセット時間にわたって適用されるものである方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記読み出し行および前記少なくとも３つの後続の行は連続的に隣接するものである方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記読み出し行および前記少なくとも３つの後続の行は連続的に隣接しないものである方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、前記読み出しおよびリセットを少なくとも１つの後続の行で実行するのに十分なリセット時間は、約１０ナノ秒〜約５０マイクロ秒である方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法において、前記第１の積分時間は、約１ミリ秒〜約１秒であり、前記第２の積分時間は、約１０ナノ秒〜約１００ミリ秒である方法。
【請求項１８】
ハイダイナミックレンジモードの、行および列に配列された複数のピクセルのピクセルアレイを有するＣＭＯＳ撮像素子に、ローリングシャッターを使用してブルーミング保護を提供する方法であって、
第１の積分時間を有する前記ピクセルアレイにおいて第１の画像を取り込む工程と、
前記第１の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的に前記ピクセルアレイから前記第１の画像を読み出す工程と、
前記第１の画像の前記少なくとも１つの読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程と、
第２の積分時間を有する前記ピクセルアレイにおいて第２の画像を取り込む工程であって、前記第２の積分時間は、前記第１の積分時間より短く、前記第２の画像は、前記第１の画像の前記読み出し行の近傍の前記複数の行をハードリセットする工程により、前記第１の画像によって引き起こされるブルーミングから保護されるものである、前記取り込む工程と、
前記第２の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的に前記ピクセルアレイから前記第２の画像を読み出す工程と
を有する方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記第１の画像および前記第２の画像は合成されてハイダイナミックレンジ画像を形成するものである方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法において、さらに、
前記第２の画像の前記少なくとも１つの読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程と、
第３の積分時間を有する前記ピクセルアレイにおいて第３の画像を取り込む工程であって、前記第３の積分時間は、前記第２の積分時間より短く、前記第３の画像は、前記第２の画像の前記読み出し行の近傍の前記複数の行の前記ハードリセット工程により、前記第１または前記第２の画像によって引き起こされるブルーミングから保護されるものである、前記取り込む工程と、
前記第３の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的に前記ピクセルアレイから前記第３の画像を読み出す工程と
を有するものである方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法において、前記第１の画像、前記第２の画像、および前記第３の画像は合成されてハイダイナミックレンジ画像を形成するものである方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
一般的に、ＣＭＯＳ画像センサは、ウェルキャパシティの制限に起因する、制限されたダイナミックレンジを有する傾向がある。たとえば、そのようなセンサを使用する際のダイナミックレンジを改善するために、複数の露出、横型オーバーフロー、対数ピクセル、ピクセル内デルタシグマＡＤＣ、複数サイズフォトダイオードを有するピクセル、異なる減光フィルタを有するピクセルアレイ、デュアルコンバージョンゲイン、等といったさまざまなアプローチが試みられてきた。複数の露出のアプローチは、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）撮像のための一般的な技法の１つである。
【０００２】
横型オーバーフローＨＤＲスキームでは、ピクセルの積分時間が２若しくはそれ以上のセグメントに分割される。各々のセグメントにおいて、実効ピクセルウェルキャパシティは多様である。積分の終わりに、合計蓄積電荷が読み出される。しかしながら、このアプローチは通常、信号応答曲線上の各々のニーポイント（ｋｎｅｅ  ｐｏｉｎｔ）（中間リセット電圧が印加される時点）で固定パターン雑音を有する。横型オーバーフローアプローチはまた、ダイナミックレンジの範囲に関しフレキシブルな傾向がある。
【０００３】
デルタシグマＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）は、アナログ信号をデジタル信号に符号化するための、または、高い分解能の信号をより低い分解能の信号に符号化するための方法である。ピクセル内デルタシグマＡＤＣスキームでは、各々のピクセルの積分時間が個々に制御される。このアプローチでは、理論上、最良のＨＤＲシーン取り込みを提供することができ、最高のハイダイナミックレンジを最もフレキシブルに達成することが可能である。しかしながら、ピクセルサイズが大きく、複雑であり、消費者向けの適用に対してほとんど訴求力がない。
【０００４】
複数ダイオードピクセルシステムでは、各々のピクセルが複数のフォトダイオードを有する。従って、２つのフォトダイオードの実効感度を設計によって異ならせることができ、ＨＤＲシーンの複数露出が同時に達成され得る。しかしながら、向上したダイナミックレンジは設計上固定され、フレキシブルではない。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１）  米国特許出願公開第２００８／０１７４６８５号明細書
（特許文献２）  米国特許出願公開第２００８／０１９８２５１号明細書
（特許文献３）  米国特許出願公開第２００９／０００２５２８号明細書
（特許文献４）  米国特許出願公開第２０１４／０２４７３７８号明細書
（特許文献５）  米国特許出願公開第２００８／０１９２１３３号明細書
（特許文献６）  米国特許出願公開第２００８／０１５８３９８号明細書
（特許文献７）  米国特許出願公開第２００８／０２８４８８４号明細書
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の性質および利点のより完全な理解のために、好ましい実施形態の以下の詳細な説明が添付図面に関連して参照される。
【図１】図１は、本開示の一態様に係る４トランジスタＣＭＯＳ画像センサピクセルの模式図である。
【図２】図２は、本開示の別の態様に係るブルーミング保護を提供する方法の図である。
【図３】図３は、本開示の別の態様に係るブルーミング保護を提供する方法の図である。
【図４】図４は、本開示の別の態様に係る、２ポインタＨＤＲ画像センサ読み出しおよびシャッタータイミングスキームの図形表現である。
【図５】図５は、本開示の別の態様に係る、２ポインタＨＤＲ画像センサ読み出しおよびシャッタータイミングスキームの図形表現である。
【図６】図６は、本開示の別の態様に係る、ローリングシャッター読み出しスキームのためのタイミング図の図形表現である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本開示が本明細書において説明される前に、本開示が、本明細書に開示される特定の構造、プロセスステップ、または材料に限定されず、当業者によって認識されるであろうその均等物に拡張される、ということが理解されるべきである。本明細書において用いられる専門用語が、特定の実施形態を説明する目的のために使用されるにすぎず、限定的であるように意図されていないこともまた、理解されるべきである。
【０００７】
定義
以下の専門用語は、以下に説明される定義に従って使用されるであろう。
【０００８】
本明細書および添付の請求項において使用される場合、単数形の「１つの（ａ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈がそうでないと明確に規定しない限り、複数の指示物を含む、ということに注意すべきである。かくして、たとえば、「ピクセル（ａ  ｐｉｘｅｌ）」への言及は、そのようなピクセルの１若しくはそれ以上を含み、「シャッター（ｔｈｅ  ｓｈｕｔｔｅｒ）」への言及は、そのようなシャッターの１若しくはそれ以上への言及を含む。
【０００９】
本願において、「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、等は、米国特許法においてそれらに与えられた意味を有し、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、等を意味し、一般的にオープンエンドな用語であると解釈される。「〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ若しくはｃｏｎｓｉｓｔｓ  ｏｆ）」という用語は、クローズドな用語であり、そのような用語と共に特に列記された、コンポーネント、構造、ステップ、等、ならびに米国特許法に従うもののみを含む。「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ若しくはｃｏｎｓｉｓｔｓ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、米国特許法によってそれらに一般的に与えられた意味を有する。特に、そのような用語は一般的に、クローズドな用語であり、それに関連して使用されるアイテム（単数または複数）の基本的で新規な特徴または機能に実質的に影響を及ぼさない追加のアイテム、材料、コンポーネント、ステップ、または要素の包含を認める例外を伴う。たとえば、組成物中に存在するが組成物の性質または特徴に影響を及ぼさない微量元素は、「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という言語の下に存在する場合、たとえそのような専門用語に続くアイテムのリストに明示的に列挙されていなくても許容され得るであろう。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ若しくはｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」のようなオープンエンドな用語を使用する場合、直接的なサポートが、明示的に述べられているかのごとく、「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という言語だけでなく、「〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」という言語にも与えられるべきであり、逆もまた同様である、ということが理解される。さらに、グループにおけるコンポーネント、種、等の列記は、簡便さのためになされているということ、そのようなグループは、文脈がそうでないと規定しない限り、それら全体においてだけでなく、グループの各々の個々のメンバーがグループの他のメンバーなしに別個かつ個々に表現されているかのようにも解釈されるべきであるということが、理解されるべきである。これは、本願の明細書および請求項に含まれるグループの両方について言える。加えて、グループの個々のメンバーは、ただ単に共通のグループにおけるそれらの提示に基づいて、それと反対の指示なしに、同一のグループの任意の他のメンバーの事実上の均等物として解釈されるべきではない。
【００１０】
本明細書において使用される場合、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、完全なまたはほぼ完全な程度または度合いの、アクション、特徴、特性、状態、構造、アイテム、または結果のことを言う。たとえば、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」密閉された物体は、物体が完全に密閉されているかまたはほぼ完全に密閉されているかのいずれかであることを意味するであろう。絶対的な完全さからのずれの許容できる厳密な度合いは、いくつかのケースにおいて特定の文脈に依存し得る。しかしながら、一般的に言えば、完成に近いことは、絶対的で完全な完成が得られたかのごとく、同一の結果全体を有するようになるであろう。「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」の使用は、アクション、特徴、特性、状態、構造、アイテム、または結果の完全なまたはほぼ完全な欠如のことを言うために否定的な意味合いで使用される場合にも同様に適用可能である。たとえば、粒子が「実質的に無（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｆｒｅｅ  ｏｆ）」である組成物は、粒子を完全に欠いているか、または、粒子をあまりにもほぼ完全に欠いているがゆえに効果がそれが粒子を完全に欠いているかのごとく同一であるか、のいずれかであるであろう。すなわち、成分または元素が「実質的に無（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｆｒｅｅ  ｏｆ）」である組成物はさらに、その測定可能な効果が存在しない限り、実際にはそのようなアイテムを含み得る。
【００１１】
本明細書において使用される場合、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、所与の値が数値の範囲の終了点を「少し上回り」得るかまたは「少し下回り」得ることを規定することにより、終了点にフレキシビリティを提供するために使用される。
【００１２】
濃度、量、および他の数値データは、本明細書では範囲の形式で表現または提示され得る。そのような範囲の形式は、単に簡便さおよび簡潔さのために使用されるので、範囲の限度として明示的に記載された数値を含むだけでなく、その範囲内に含まれる各々の数値および部分範囲があたかも明示的に記載されているかのごとく、個々の数値または部分範囲をすべて含むようにフレキシブルに解釈されるべきである、ということが理解されるべきである。例示のごとく、「約１〜約５」の数値の範囲は、明示的に記載された値である約１〜約５を含むだけでなく、示された範囲内の個々の値および部分範囲をも含むように解釈されるべきである。かくして、この数値の範囲に含まれるのは、２、３、および４といった個々の値と、１〜３、２〜４、および３〜５といった部分範囲、等だけでなく、個々に、１、２、３、４、および５である。
この同一の原理は、最小または最大としての１つの数値のみを記載する範囲に適用される。さらに、そのような解釈は、説明されている範囲または特徴の幅広さに関わらず適用されるべきである。
【００１３】
開示
本願で開示される技術は、ＣＭＯＳ撮像素子を用いたハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）画像の取り込みに使用するシステム、方法、およびデバイスを提供する。より具体的には、シャッタリング（ｓｈｕｔｔｅｒｉｎｇ）を戦略的に利用することにより、特に、異なる積分時間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ）に取り込まれた画像間におけるブルーミング保護を提供する。これらの新規な技法は、たとえば、ローリングシャッター方式のＣＭＯＳ撮像素子のような任意の行方向におけるＨＤＲ  ＣＭＯＳ撮像素子にあてはまるブルーミングの問題を減じることができる。
【００１４】
ＣＭＯＳ画像センサは一般的に、行および列に配列されたピクセルのアレイを含む。各々のピクセルは一般的に、フォトダイオードおよび転送ゲートを含み、それは、画像読み出しにおいてフォトダイオードから集められた電荷の転送を制御するために使用される。撮像素子はさらに、とりわけ、複数のピクセル（すなわち、いくつかの態様ではピクセルの１若しくはそれ以上の行）をリセットまたはシャッタリングするために使用されるリセットゲート、行選択トランジスタを含み得る。ＣＭＯＳ撮像素子が当該技術で周知であること、そのようなものとして、行方向読み出しスキームを使用する撮像素子に組み込まれた任意の公知のコンポーネントまたは設計が本願の範囲内とみなされるべきであることに注意されたい。例として、４トランジスタ（４Ｔ）、５Ｔ、若しくはそれ以上を有するＣＭＯＳ撮像素子を利用することができる。４Ｔ  ＣＭＯＳ撮像素子の１つの非限定的な例が、図１に示される。当該デバイスは、フォトダイオード１０２、転送トランジスタ１０４、浮動拡散領域１０６、リセット１０８、ソースフォロワ１１０、行選択１１２、ピクセルアレイのための電源電圧１１４、および電圧出力１１６を含む。
【００１５】
ローリングシャッターとしても知られている行方向の読み出しは、しばしば、ＣＭＯＳ撮像において入射光に対するピクセルの露出時間を制御するためのメカニズムとして使用される。ローリングシャッターは、ピクセルのレベルで動作し、ピクセルアレイに沿って行ごとにローリングする電子シャッターである。シャッタリングされる行が選択されると、リセット電圧がリセットトランジスタを介してピクセルに印加され、電圧が転送ゲートに印加され、かくして、ピクセルのフォトダイオードのコンテンツが排除されてピクセルがリセット状態になる。リセット状態の間、ピクセルには、入射光子からの電荷は蓄積されない。リセット電圧および転送ゲート電圧が除去されると、ピクセルは、入射光子を吸収することができ、結果として生じる電荷を蓄積することができる。典型的なローリングシャッタープロセスの１つの非限定的な例において、撮像素子におけるピクセルの行は、たとえば、アレイの最上部から始まって行ごとに進みアレイの最下部まで、順々にリセットされる。しかしながら、ローリングシャッタープロセスがアレイにおける任意のポイントから別のポイントへと移動し得ること、上記は単なる例示であることに注意されたい。リセット動作が所与のピクセルの行において終了すると、電荷の積分が開始される。デバイスまたはユーザによって設定された所与の積分時間の後、読み出し動作が開始される。行は、各々の行について一定の積分時間を維持するためにローリングシャッターの進行順序に従ってピクセルアレイから行を読み出すことが可能である。かくして、ピクセルアレイの露出時間は、ローリングシャッターの通過とアレイの行の読み出しとの間のタイミング差によって制御される。この露出時間はしばしば、積分時間と呼ばれる。積分時間を増大させることにより、ピクセルが電荷を蓄積する持続時間が増大し、その一方積分時間を減少させることにより、電荷の蓄積が減少する。
【００１６】
特に長い積分時間を伴う画像の取り込み時に起こり得る１つの一般的な問題は、「ブルーミング」と呼ばれる。ピクセルは、限られた電荷ウェルキャパシティを有するので、固定量の電荷を蓄積することしかできない。このウェルが満杯である場合であって、特に、ピクセルが光子を電荷に変換し続ける場合、超過電荷が近接ピクセルに溢れ出すことがあり、それによって近接ピクセルにおける電荷集中が破損され得る。この負の効果はまた、ブルーミングの原因と影響を及ぼされた行との間の相対的な電荷、ピクセルサイズ、エピタクシー層の厚さ、等に依存して、複数行離れたピクセルへと溢れ出すことがある。これは、たとえば、暗闇の中の車のヘッドライトといった、暗い背景上の明るい光を有するシーンの撮像にとって特に問題である。そのようなブルーミングはかくして拡散し、画像の少なくとも一部全体を通して望ましくない雑音を引き起こす。
【００１７】
説明してきたように、複数露出撮像は、ＣＭＯＳ技術によってハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）画像を生成するための１つの技法である。ＨＤＲ画像は、標準的な撮像技術と比較すると、所与のシーンの最も明るい領域と最も暗い領域との間のより大きなダイナミックレンジを取り込む。一般的なＨＤＲシーンは、夜間の車のヘッドライトの照明のように、シーンにおける対象物間の光強度の大きなコントラストが存在する場合に生じる。複数露出ＨＤＲスキームでは、複数の画像が、同一のシーンのために各々のフレームについて異なる積分時間で撮影される。その後、複数の画像が、最終画像を再構成するために合成される。典型的には、複数露出ＨＤＲスキームは、フレーム方向または行方向である。フレーム方向のＨＤＲスキームでは、２（若しくはそれ以上の）フレームが連続的に読み出され、それは、焦平面アレイ全体が少なくとも二度読み出され、ＨＤＲ画像を作成するために合成されることを意味する。第１のフレームは、露出時間としても知られる所定の積分時間を有するであろうし、第２のフレームは、所定の積分時間を有するであろう。典型的には、シーンにおける低い照度を取り込むためのフレームは、所与のシーンの普通の照度または高い照度を取り込むフレームより長い露出時間または積分時間を有するであろう。２つのフレームからの生の画像データが読み出されると、それらはＨＤＲ画像を作成するために合成される。一方、行方向のＨＤＲ撮像では、全行が、単一フレーム画像において複数回読み出され、各々の読み出しが、いくつかのケースでは異なる積分時間でありる積分時間を有する。たとえば、３回の露出ＨＤＲ読み出しスキームでは、各々の行が、異なる積分時間で３回読み出される。最終ＨＤＲ画像を再構成するために、行方向のＨＤＲからの生の画像データがまず、個々のフレームデータに分離される。フレーム方向および行方向のＨＤＲアプローチは両方とも、拡張されたダイナミックレンジに関しフレキシブルであり、最小の設計変更によって大半のＣＭＯＳ撮像素子に適用され得る。しかしながら、両方の設計は、最終画像の再構成の前に画像データを記憶するためにオンチップまたはオフチップメモリを利用し得る。
【００１８】
行方向のＨＤＲ撮像スキームの１つの実現は、ローリングシャッターを使用して、より長い積分時間の露出を有する第１の画像処理を開始し、より短い積分時間を有する第２の画像処理が第１の画像の読み出しに続いて開始される。ブルーミングがより長い積分時間の画像において生じる状況では、そのようなブルーミング電荷がリセットされたピクセルを越えて、より短い積分時間を有する第２の画像に侵入し、望ましくない雑音を引き起こす。一例として、１行の幅を有するローリングシャッターがにピクセルアレイにわたってローリングし、積分が開始されることを想定する。１００行の積分時間の終わりに、各々の行が読み出され、同様に１行の幅を有する第２のローリングシャッターによりリセットされてより短い３行の積分時間の間のピクセルの積分を開始する。この場合、これから長い積分時間の間に読み出される必要がある行が、ウェルにブルーミングの発生に十分な電荷を有する可能性があるため、行の読み出しの前に第２のローリングシャッターを越えて短い積分が行われているピクセルにおいて電荷の破損を引き起こすことがある。
【００１９】
本願の技術は、長い積分時間を要する画像の読み出しに続いてリセットまたはシャッタリングされている行にわたるブルーミングを制限するためのシャッタリングの戦略的な使用により、そのような望ましくないブルーミングを低減または解消する。そのような戦略的なシャッタリングは、たとえば、シャッタリングされる行の数の変化させる、シャッタリングされる行のパターンを変化させる、シャッタリング電圧を時間変化させる等のさまざまな手法で達成することができる。一態様では、互いに直接的に隣接するシャッタリングされる行の数を増加することができる。この場合、長い積分時間の読み出しの後に、２行、３行、４行、若しくはそれ以上の行方向のシャッタリングが続く。この拡張されたシャッターに続いて、リセットが除去され、短い積分時間にピクセルを積算（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）することが可能となる。長い積分時間の領域においてまだ読み出されていない、満杯の電荷ウェルを有するピクセルからの電荷はかくして、複数行のシャッター、すなわち、リセット状態にある複数の行を越えることから排除または制限される。４行のシャッターのケースでは、たとえば、所与の行が、長い積分時間の画像のために読み出され、その後に、次の３行の読み出しのために存在するリセットが続く。所与の行のリセットが続いて解除され、短い積分時間が開始される。読み出される最後続の行がシャッタリングされ、４行ローリングシャッターが行方向にピクセルアレイにわたり移動するので、より短い積分時間の領域に対するブルーミング保護が提供される。短い積分時間の始まりは、リセットの幅に起因して、従来のローリングシャッターと比較すると遅延し得る、ということに注意されたい。
【００２０】
さらに、本願の技術は、２つの積分時間のみを有するＨＤＲ画像を撮像に限定されず、同一のまたは同様の撮像処理が、異なる積分時間を有する第３、第４、若しくはそれ以上の画像のために適用され得る、ということに注意されたい。かくして、上記例において、第２の積分時間のための所与の行が読み出されると、行が、第３の積分画像（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｉｍａｇｅ）に対するブルーミング保護を提供するための特徴を有するシャッターによりリセットされ得る、といった具合である。
【００２１】
さまざまなシャッター構成およびシャッター挙動が意図され、ＨＤＲ画像に対するブルーミング保護を提供する任意のシャッタースキームを含み得る。一般的に、シャッターは、ブルーミング保護を提供するために同時にシャッタリングされるピクセルの少なくとも２つの行を有する。一態様では、説明してきたように、シャッターは、２、３、４、５、若しくはそれ以上の直接的に隣接する行にわたって適用され得る。別の態様において、シャッターは、同一のシャッターにおいて、直接的に隣接しないか、または直接的に隣接する行と直接的に隣接しない行とを含む、２、３、４、５、若しくはそれ以上の行にわたって適用され得る。たとえば、４行シャッターが、行１０、１１、１２、および１３に適用され得るか、または、４行シャッターが、行１０、１２、１４、および１６に適用され得るか、若しくは行１０、１３、１４、および１７に、若しくはブルーミング保護を容易にする任意の他の組み合わせに適用され得る。
【００２２】
説明してきたように、ブルーミングの確率は、ブルーミングの原因と影響を及ぼされた行との間の相対的な電荷、ピクセルサイズ、エピタクシー層の厚さ、等に依存して、変化し得る。そのようなものとして、シャッター構成は、そのようなファクターを考慮するように設計され得る。一態様において、本願の技術は、非限定的なほんの数例を挙げると、約１〜約１０ミクロンのエピタクシー層の厚さを利用することができ、約０．９ミクロン〜約３０ミクロン、または約０．９ミクロン〜約６ミクロン、または約０．９ミクロン〜約３ミクロンのピクセルサイズを有する。ピクセルのサイズが減少するにつれ、ブルーミングを防止または低減するためにシャッタリングされる行の数の増加量が、増加させられる必要があり得る。たとえば、０．９ミクロンのピクセルでは、シャッターはいくつかのケースにおいて、最大３０行、若しくはそれ以上であり得る。しかしながら、本開示を把握すると、これらの変化を考慮するために必要なシャッター持続時間を容易に計算することは、当業者の知識内である。
【００２３】
さらに、さまざまなシャッター挙動が意図され、デバイスの設計および／または複雑性に依存して変化し得る。一態様において、デバイスは、固定シャッタースキームを有し得る。たとえば、シャッターは、たとえどのような撮像条件であっても、デバイスにおいて４行の幅で固定され得る。別の態様において、デバイスにおけるシャッターは、所与の画像または画像条件のためにユーザにより手動で設定され得る。他の態様において、デバイスは、シャッター特徴が照明条件に一致するように自動で設定される、自動モードを含み得る。加えて、ユーザが、所望の通りに挙動するようデバイスを設定し、デバイスが、ユーザによって設定されたパラメータ内で最適なまたはほぼ最適な条件にシャッター特徴を自動で設定するかまたは変化させる、ハイブリッドなアプローチが意図される。
【００２４】
シャッターは加えて、所与のフレームまたは画像処理内で変化させられ得る。たとえば、一態様において、デバイスは、長い積分時間の処理と中くらいの積分時間の処理との間でシャッターの持続時間を増大させ得るが、中くらいの積分時間の処理とより短い積分時間の処理との間でシャッターの持続時間を減少させ得る。かくして、シャッターの持続時間は、ブルーミングの問題を有し得る画像セクション間のＨＤＲ画像取り込み中には増加することができ、ブルーミングを経験しそうにない画像セクション間では減少することができる。いくつかのデバイスではそのような挙動が固定される一方で、他の態様において、デバイスは、ブルーミングが検出された場合またはブルーミングが生じるシーンが検出された場合にシャッター持続時間を動的に増加させるかまたは所与のシャッターパターンを適用するための論理を含み得る。よって、論理により、積分時間画像間において、または、いくつかの態様では所与の積分時間のための所与のローリングシャッター動作中に、シャッターを動的に調節し得る。たとえば、画像がより長い積分時間のために読み出されていて、ブルーミングの可能性が検出される場合、論理により、ブルーミングが生じることを制限または排除するようにシャッターを調節し得る。
【００２５】
加えて、いくつかの態様では、リセットの強度（すなわち、印加される電圧）が所与のシャッターの持続時間全体を通して一定であり得る一方で、他の態様では、シャッター強度が可変であり得る。たとえば、１つのエネルギー節約技法は、シャッターの適用時に行をハードリセットし、シャッターの最中にはリセット電圧を下げ、次の積分サイクルの開始直前に再び行をハードリセットすることであり得る。シャッター強度の変化は、デバイスで固定され、ユーザにより設定され、および／またはデバイスにより動的に制御され得る。動的に制御されるケースでは、デバイスの論理が、ブルーミングまたはブルーミングの可能性を検出するために利用され得、かくして、そのようなブルーミング期間中にリセットの強度を増大させ得、ブルーミングの可能性がより低い場合には強度を低下させ得る。
【００２６】
図２に示されているように、１つの例示的な方法は、行および列に配列された複数のピクセルのピクセルアレイを有するＣＭＯＳ撮像素子にブルーミング保護を提供し、ＣＭＯＳ撮像素子は、ローリングシャッターを使用してハイダイナミックレンジ画像を取り込むように動作可能である。前記方法は、ピクセルの読み出し行を選択する工程２０２と、読み出し行におけるピクセルの第１の積分時間を開始する工程２０４と、読み出し行におけるピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第１の読み出しを取得する工程２０６とを含む。前記方法はまた、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行で実行するのに十分なリセット時間の間前記読み出し行にリセットを適用する工程２０８と、リセットを除去し、前記読み出し行におけるピクセルの第２の積分時間を開始する工程であって、第２の積分時間は、第１の積分時間より短く、前記少なくとも１つの後続の行は組み合わせられたリセットを有するのに十分な数の行であり、それにより、第２の積分時間中の読み出し行におけるピクセルアレイからのブルーミング効果を少なくとも実質的に排除するものである、前記開始する工程２１０と、読み出し行におけるピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第２の読み出しを取得する工程２１２とを含む。後続の行は、読み出し行に続いて読み出されるかまたはそうでなければ処理される行である、ということに注意されたい。そのようなものとして、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間にわたって読み出し行にリセットを適用する工程は、少なくとも１つの後続の行が読み出され、リセットされるのに十分な時間を少なくとも与えるように行をリセットし続けることをリセットに可能にさせる工程を含む。かくして、読み出し行のリセットが２つの後続の行の読み出しおよびリセットに十分な時間にわたって維持されることを可能にすることにより、３行シャッターが実現される。したがって、一態様において、リセットは、少なくとも２つの後続の行および読み出し行が同時にリセットされるかまたはリセット状態にあるのに十分なリセット時間にわたって印加され得る。別の態様において、リセットは、少なくとも３つの後続の行および読み出し行が同時にリセットされるかまたはリセット状態にあるのに十分なリセット時間にわたって印加され得る。
【００２７】
行のタイミングの観点でリセットおよび積分時間を説明することは簡便であるが、それはまた、実際のタイミングレンジを説明するのにも有用であり得る。たとえば、一態様において、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間は、約１０ナノ秒から約５０マイクロ秒であり得る。別の態様において、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間は、約０．５マイクロ秒から約２マイクロ秒であり得る。理解可能であるように、これらのリセット時間は、積分の持続時間およびアレイにおける潜在的なブルーミングの度合いに依存して変化し得る。別の態様において、第１の積分時間は、約１ミリ秒から約１秒であり得、第２の積分時間は、約１０ナノ秒から約１００ミリ秒であり得る。さらなる別の態様において、第１の積分時間は、約２０マイクロ秒から約３３ミリ秒であり得、第２の積分時間は、約１マイクロ秒から約１６ミリ秒であり得る。
【００２８】
説明してきたように、本願の範囲はまた、連続的な、非連続的な、隣接する、および隣接しないシャッタリングまたはリセットスキームを含むべきである。たとえば、１つの特定の態様において、読み出し行および少なくとも３つの後続の行は連続的に隣接し得る。別の態様において、読み出し行および少なくとも３つの後続の行は連続的に隣接し得ない。同一のことがかくして、また、１より多い任意の数の後続の行（すなわち、２より多い行、読み出し行および少なくとも１つの後続の行）に適用されるであろう。
【００２９】
加えて、方法は、後続の行のために繰り返され得る。一態様において、たとえば、方法は、少なくとも１つの後続の行、少なくとも２つの後続の行、少なくとも３つの後続の行、等について繰り返され得る。いくつかの態様において、少なくとも１つの後続の行は、ピクセルアレイにおける少なくとも実質的にすべてのピクセル行である。さらに、デバイスの設計に依存して、行は、さまざまな順序で読み出され得る。たとえば、方法は、ピクセルアレイにおける少なくとも実質的にすべてのピクセル行で連続的な順序で繰り返される。そのような順序は、一連の直接的に隣接する行、一連の１つおきの行、等を含み得る。あるいは、方法は、ピクセルアレイにおける少なくとも実質的にすべてのピクセル行で連続的でない順序で繰り返され得る。
【００３０】
第１および第２の積分時間に加えて、本願の技術は、ＨＤＲ画像を生成するために利用される、第３、第４、若しくはそれ以上の積分時間を含む、ということが加えて意図される。そのようなものとして、一態様において、方法はさらに、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間にわたって第２の読み出しに続いて読み出し行にリセットを適用する工程と、リセットを除去し、読み出し行におけるピクセルの第３の積分時間を開始する工程であって、第３の積分時間は、第２の積分時間より短く、少なくとも１つの後続の行は、第３の積分時間中の読み出し行におけるピクセルアレイからのブルーミング効果を少なくとも実質的に排除するために組み合わせられたリセットを有するのに十分な数の行である、開始する工程と、第３の読み出しを得るために読み出し行におけるピクセルにより蓄積された電荷を読み出す工程とを含み得る。同様のステップが、第４若しくはそれ以上の積分時間のために達成され得る。
【００３１】
しかしながら、「第１」、「第２」、「第３」、等の用語は、撮影されたＨＤＲ画像の第１の積分、第２の積分、等を意味するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、単に積分時間の実行の順序を説明するように意図されている、ということが理解されるべきである。かくして、上述された方法において、たとえば、「第１」および「第２」といった用語は単に、時間的に第１および第２の順序のタイミングである２つの積分時間を説明している。よって、ＨＤＲ撮像処理において、第１の積分時間および第２の積分時間は、画像の第１および第２の積分を表わすか、またはそれらは、ブルーミング保護が適用される、第３および第４の、または第２および第３の、または任意の他のペアの積分の動作を表し得る。かくして、第１の積分時間がＨＤＲ画像の第１の積分に対応するケースでは、第１の積分時間を開始する工程は、特に、読み出し行にリセットを適用する工程と、読み出し行からリセットを解除する工程とを含む。方法において説明された第１の積分時間がＨＤＲ画像の第１の積分に対応しないケースでは、積分は、以前の積分からの読み出し行の読み出しおよびリセットにより開始される。
【００３２】
説明してきたように、一態様において、方法はまた、リセット時間の持続時間全体を通して連続電圧レベルでリセットを適用する工程を含み得る。別の態様において、リセットは、リセット時間の持続時間全体を通して可変電圧レベルで印加され得る。さらに、複数行シャッターリセットを説明するに際し、各々の後の読み出しおよびリセットのために、シャッターの各々の行へのリセット電圧が維持され得るか、または、リセット電圧が各々の処理サイクルのために印加し直され得ることが理解されるべきである。非限定的な例として、行５、６、７、および８にわたるシャッターのために、行９が読み出されると、シャッターが、行６、７、８、および９に移動し、次の画像部分の積分を開始するために行５から解除される。そのようなケースにおいて、リセットは、行６、７、８において維持され得、続いて９に印加され得るか、またはリセットは、行６、７、８に印加し直され得、続いて９に印加され得る。かくして、ブルーミングによるシャッターにわたる破損を防止または制限するのに十分なシャッターが整っていることを条件として、どのようにシャッターが適用および／または維持されるかについては限定されない。
【００３３】
方法は加えて、いくつかの態様において、いくつかのケースでは異なる積分時間で異なる積分から導出された個々の画像からのＨＤＲ画像の形成をさらに含み得る。たとえば、一態様において、第１の読み出しおよび第２の読み出しは、ハイダイナミックレンジ画像を形成するために合成される。かくして、行レベルで、各々の行のためのさまざまな積分時間が、結果として生じる画像を形成するために合成される。画像レベルで、さまざまな積分時間からの行データが、離散画像または画像データセットへと形成され、続いて、各々の積分からの画像または画像データセットが、ＨＤＲ画像を形成するために合成される。かくして、２つの積分画像、３つの積分画像、４つの積分画像、若しくはそれ以上が、ＨＤＲ画像へと合成される。いくつかのケースではすべての積分画像が合成される一方で、他のケースでは積分画像のサブセットのみが合成される。
【００３４】
本開示の別の態様では、図３に示されているように、ハイダイナミックレンジモードにおける、行および列に配列された複数のピクセルのピクセルアレイを有する、ＣＭＯＳ撮像素子においてブルーミング保護を提供するためにローリングシャッターを使用する方法が提供される。そのような方法は、第１の積分時間を有するピクセルアレイにおいて第１の画像を取り込む工程３０２と、前記第１の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的にピクセルアレイから第１の画像を読み出す工程３０４と、前記第１の画像の少なくとも１つの読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程３０６とを含む。方法はまた、第２の積分時間を有するピクセルアレイにおける第２の画像を取り込む工程３０８であって、前記第２の積分時間は、第１の積分時間より短く、前記第２の画像は、前記第１の画像の読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程により、第１の画像によって引き起こされるブルーミングから保護されるものである、前記取り込む工程３０８と、前記第２の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して、行ごとに連続的にピクセルアレイから第２の画像を読み出す工程と３１０を含む。
【００３５】
前の方法の態様によるように、本願の方法は２つの画像に限定されるわけではなく、「第１」および「第２」といった用語もまた、必ずしも撮影された第１および第２の画像として解釈されるべきでなく、むしろ、画像が取り込まれた順序を説明している。そのようなものとして、いくつかの態様において、方法はさらに、第２の画像の少なくとも１つの読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程と、第３の積分時間を有するピクセルアレイにおいて第３の画像を取り込む工程であって、前記第３の積分時間は、第２の積分時間より短く、前記第３の画像は、第２の画像の読み出し行の近傍の複数の行のハードリセット工程により、第１または第２の画像によって引き起こされるブルーミングから保護されるものである、前記Ｋ取り込む工程と、前記第３の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的にピクセルアレイから前記第３の画像を読み出す工程とを含む。さらなる他の態様において、同様の処理が、ＨＤＲ目的のために第４、第５、第６、若しくはそれ以上の画像を生成するために利用される。
【００３６】
加えて、いくつかの態様において、第１の画像および第２の画像が合成されて、ＨＤＲ画像を形成する。他の態様において、第１の画像、第２の画像、および第３の画像が合成されて、ＨＤＲ画像が形成される。かくして、撮影された任意の数の画像が、すべて一緒にまたはその特定のサブセットのいずれかの形態で合成されてＨＤＲ画像が形成される。
【００３７】
以下は、本願の技術の実現および／または実装において有用であり得る、ＣＭＯＳ処理、コンポーネント、および方法のより詳細な説明である。使用される特定のＣＭＯＳ技術、所望のＨＤＲケイパビリティ、ＨＤＲが利用される照明シーンの特定のタイプ、さまざまな設計の選好、デバイスのコスト、等に少なくとも部分的に依存し得る、デバイス、デバイスアーキテクチャ、デバイス設計、および方法の実現における幅広い変形例が意図されることが理解されるべきである。そのようなものとして、本願の範囲は、それに応じて限定されるべきではない。当業者が、本開示を把握すると、本願の技術を組み込んだシステムおよびデバイスを容易に設計および生成し得ることもまた、理解されるべきである。いくつかのケースにおいて、この技術は、最小行ドライバデジタル設計変更を使用して現在のＨＤＲ撮像素子に実装され得る。
【００３８】
さらに、他の有益な技術がまたＨＤＲ撮像処理をさらに改善するために実現され得ることもまた意図される。読み出し処理中に利用され得るそのような技術の一例は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）である。ＣＤＳは、望ましくないオフセットおよび低周波時間雑音（たとえば、ＣＭＯＳピクセルのためのｋＴＣ雑音）の除去を可能にする信号を測定するための技法である。出力信号がかくして、一度は既知の条件において、一度は未知の条件において、二度測定される。既知の条件から測定された値が続いて、測定されている物理量との既知の関係を有する値を生成するために、未知の条件から減算される。一態様において、ＣＤＳ動作は、撮像素子から読み出されている行で実行され得る。
【００３９】
ローリングシャッターの一例において、読み出し動作が図６においてタイミング図として示されている。この例において、積分時間は１行である。信号を読み出すために、浮動拡散（ＦＤ）が、リセット信号（ＲＳＴ）によってリセットされ、ＦＤからの信号が、ＳＨＲ信号によってサンプリングされるであろう。次に、ＴＸが電荷転送のために活動化し、信号が続いてＳＨＳパルスによりサンプリングされるであろう。ＳＨＲ信号とＳＨＳ信号との間の差が、ＣＤＳモードであろう最終信号のために使用されるであろう。ＣＤＳに続いて、シャッター動作が実行され得、ＲＳＴおよびＴＸの両方が、シャッター行のために、またはいくつかのケースでは行のためにパルス化されるであろう。この読み出し動作は続いて、アレイにおける他の行のために繰り返され得る。
【００４０】
別の例として、ＣＤＳ動作は、読まれている行のリセット選択トランジスタを高状態に設定する工程と、浮動拡散領域を読まれている行における高電源設定に設定するために、電源を高電源設定に設定する工程とを含み得る。非限定的な例として、電源は、２．８Ｖから３．１Ｖの高電源設定へと増大させられ得る。浮動拡散領域における電気電荷が続いて、第１の電気電荷値を得るために読まれ得る。読まれている行の転送トランジスタが続いて、フォトダイオードにおける電気電荷を、読まれている行の浮動拡散領域へと転送するために、高状態に設定され得る。その後、浮動拡散領域における電気電荷が、第２の電気電荷値を得るために読まれ得る。第２の電荷値が続いて、ＣＤＳサンプリングされた出力を得るために、第１の電気電荷値から減算され得る。
【００４１】
以下の式および技法は、ＨＤＲ撮像においてローリングシャッターを使用してブルーミング保護を提供するためのさまざまな方法を表す。それは、例示であるように意図され、限定として理解されるべきではない。そのようなものとして、さまざまな数式がアンチブルーミング処理全体の理解に利用され得、それは、本願の技術の実現において有用であり得る。
【００４２】
いくつかの態様では１より多い行が同時にまたは重複して読み出され得るが、ローリングシャッターモードでは、ＣＭＯＳピクセルアレイが本質的には一度に一行読み出される。以下の式において、ｒｃは、読み出し行、すなわち、読み出し行へのポインタを表す。読み出しは、任意の読み出し技法によって達成され得る。上述されているように、１つの有益な読み出し技法は、ＣＤＳモード読み出しであり、それは、浮動拡散（ＦＤ）のリセットに関連づけられた望ましくないオフセットおよび／または時間雑音の除去を可能にする。ＣＤＳ読み出しモードは、以下の式において、ＣＤＳモードにおいて読み出されている読み出し行を表す項ｒＣＤＳにより示され得る。かくして、式（１）に示されているように、
【数１】
0006466346.tif 000002
【００４３】
のケースでは、物理行インデックスが、読み出されている行１に設定され、読み出しデータは、ＣＤＳ動作を有し、それに適用される。
【００４４】
【数２】
0006466346.tif 000003
【００４５】
「シャッター」という用語は、ピクセルのシャッター動作またはリセット動作のことを言う。そのようなものとして、「シャッター」および「リセット」という用語は、文脈がそうでないと明確に示さない限り、同義で使用され得る。リセットはかくして、「リセット状態」、すなわち、ピクセルが電荷蓄積状態または積分状態でない状態を生成するために、選択されたピクセル、またはピクセル行、または行において行われ得る。かくして、リセット状態は、ピクセルが撮像のための読み出しの目的のために電荷を蓄積していない状態である。一般的に、リセットは、蓄積された電荷を除去し、さらなる蓄積を防止または低減するためにピクセルに印加されるリセット電圧である。加えて、リセット電圧は、ピクセルにおいて印加および／または維持される電圧に依存して、異なるレベルで印加および／または維持され得る、ということが意図される。よって、たとえば、完全なリセットが、蓄積された電荷を少なくとも実質的に消去するためにピクセルに印加され得、ピクセルにおいて維持されると、さらなる電荷の蓄積を防止または有意に防止する。この最初の強いまたは激しい電圧の印加は、本明細書において「ハードリセット」と呼ばれ得る。他のケースにおいて、特に電力節約動作のために、より低い電圧が、所望された場合にピクセルにおいて印加および／または維持され得る。いくつかのケースにおいて、ピクセルは、リセット状態にある場合に電荷を蓄積し得るが、そのような電荷の蓄積は、画像の読み出しのための意図された電荷の蓄積ではない、ということに注意されたい。
【００４６】
したがって、シャッターがピクセルから除去された場合、ピクセルは、入射光子からの電荷を蓄積し始め得る。そのような電荷の蓄積の始まりからピクセルの読み出しまでは一般的に、ピクセルの積分時間と呼ばれる。かくして、ローリングシャッターモードにおいて、シャッターまたはリセット電圧は、行をリセット状態にするためにピクセルの行に印加され得る。リセット電圧が除去された場合、ピクセルの行は続いて、入来光からの電荷を蓄積し始め得、かくして、積分状態になる。本開示の目的のために、
【数３】
0006466346.tif 000004
【００４７】
が、ｉ番目のポインタ動作のためにシャッタリングされているピクセル行の物理行インデックスを指すために使用される。また、
【数４】
0006466346.tif 000005
【００４８】
は、行（単数または複数）の単位における第１のポインタの積分時間を指し、
【数５】
0006466346.tif 000006
【００４９】
は、行（単数または複数）の単位におけるｉ番目のポインタの積分時間を指す。たとえば、所与の行が、リセットされ、所与の積分時間にわたる電荷の積分が可能となる。かくして、読み出し行ｒｃは、シャッタリングまたはリセットされ、式（２）によって説明してきたように、複数の行
【数６】
0006466346.tif 000007
【００５０】
における積分時間に続いて読み出される。
【００５１】
【数７】
0006466346.tif 000008
【００５２】
ローリングシャッターモードにおけるいくつかの態様において、物理行ｒｃが読み出されているとき、行ｒｃ＋ｒｓｈｕｔｔｅｒはハードリセットされ得、ここで、ｒｓｈｕｔｔｅｒは、少なくとも１行であるが、撮像素子アレイにおける複数の行を含むこともできる。
【００５３】
説明してきたように、ブルーミング保護が、ＨＤＲ撮像処理において使用される画像の少なくとも２つの間におけるシャッターの戦略的な使用により、ＨＤＲ取り込みに提供され得る。そのようなブルーミング保護はかくして、アレイの１つの領域から別の領域への電荷のクロスオーバーまたはブルーミングを効果的に最小化または防止する。以下の式において、項「ｐ」は、この戦略的なシャッターにより提供される複数の行におけるブルーミング保護行カウント（またはパージ行カウント）を説明するために使用される。行が連続的であってもそうでなくてもよいこと、さまざまな数の行またはパターンの行がブルーミング保護として使用され得ること、そのような変形例が本願の範囲内であるように意図されることに注意されたい。当業者は、設計におけるそのような変形例を考慮するために、本明細書に開示された式および方法における適切な変形例を認識するであろう。しかしながら、一態様において、ｐは、１行より多いか、若しくはそれ以上であり得る。ブルーミングを低減または解消し得る任意の数の行またはパターンの行が意図され、本願の範囲に含まれる。
【００５４】
式（３）に示されているように、シャッターは、ブルーミングからの保護を提供するためにアレイの単数または複数の行に適用される。
【００５５】
【数８】
0006466346.tif 000009
【００５６】
この式の項は、行がＣＤＳモードにおいて読み出されることを示しているが、任意の読み出しモードが加えて意図されること、ＣＤＳの専門用語は単に簡便さのために使用されているにすぎないこともまた理解される。同一のことが、本明細書において示された他の式についても言える。
【００５７】
したがって、１より多い行のパージ行カウントが、ＨＤＲ撮像素子デバイスに低減されたブルーミング効果を有することを可能にさせ得る。このブルーミングパージカウントｐは、読み出しおよびシャッター行インデックスについて異なるポインタ動作間の追加のシフトを提供する。シフトは、特定のシーンを考慮して適切なアンチブルーミング特性を達成するために調節され得る。式（４）では、ｐ回の合計シャッターカウントが、可能にさせられ、このケースではブルーミング保護を提供する。たとえば、ＣＭＯＳ撮像素子設計での一態様において、（ｐ＋１）のシャッターがＣＤＳのような読み出しの後に連続的に実行され得る。
【００５８】
【数９】
0006466346.tif 000010
【００５９】
一例として、図４は、何のブルーミング保護もなし（たとえば、ｐ＝０）の第１および第２のポインタの行方向のＨＤＲ  ＣＭＯＳ画像センサのタイミングスキームを有する例示的な実施形態を図で示す。このタイミングスキームにおいて、
【数１０】
0006466346.tif 000011
【００６０】
は、１００行であり、
【数１１】
0006466346.tif 000012
【００６１】
は、３行である。この態様において、有効な行アドレスは行１で開始し、行Ｎで終了するであろうと想定される。そのようなものとして、第１のポインタのために読み出される物理行は、行１で開始するであろう（ＣＤＳ：１）。第１の積分時間は１００行単位であるので、行１０１は、行１が読み出される際、シャッタリングされる（Ｓ：１０１）。タイミングスキームにおいて別の行（ＣＤＳ：−２）もまた読み出される、ということに注意されたい。物理行−２は存在しないので、行データは読み出されないであろう。読み出されると、行１は、第２の積分に備えてシャッタリングされる（Ｓ：１）。
【００６２】
次の時間フレームにおいて、第２の物理行（ＣＤＳ：２）がＣＤＳモードにおいて読み出される。積分時間は１００行であるので、行１０２はシャッタリングされ（Ｓ：１０２）、行１０１は積分を始める。行２は、行２の第２の積分に備えてシャッタリングされ（Ｓ：２）、シャッターが行１から除去され、それは、第２の積分、
【数１２】
0006466346.tif 000013
【００６３】
を始める。シャッターの幅は１行のみであるので、ブルーミングが第２の積分時間に侵入する可能性がある。
【００６４】
図４と同様であるが、３行のブルーミング保護またはブルーミングパージカウントを有する（ｐ＝３である）、タイミングスキームが図５に示される。この例において、積分時間は、
【数１３】
0006466346.tif 000014
【００６５】
が１００行、
【数１４】
0006466346.tif 000015
【００６６】
が３行のままである。これらの積分時間は単なる例示にすぎず、いくつかのケースでは光強度に依存して任意の所望の積分時間が使用され得ることに注意する。第１の積分または行１のための第１のポインタのための読み出しシーケンスは、ＣＤＳ：１、シャッター：１０１、ＣＤＳ：−５、シャッター：−２、−１、０、１である。物理行インデックスは１で開始するので、行−５のＣＤＳは、−５が有効な物理行アドレスではないがゆえに何のデータも生成しないであろう。第２のポインタシャッター動作のために、合計４行、すなわち、−２、−１、０、１がリセットされている。行７が第１のポインタのために読み出されると、そのＣＤＳおよびシャッターシーケンスが、たとえば、式（１）〜（４）についてｐ＝３を設定することにより、導出されるであろう。かくして、結果の項は、ＣＤＳ：７、シャッター：１０７、１０８、１０９、１１０、ＣＤＳ：１、シャッター：４、５、６、７であろう。第２のポインタシャッター動作のために、合計４行、すなわち、４、５、６、および７が、連続的にリセットされている。それらの４つの連続的なシャッター動作の中で、（行４のための）第１の動作が、第２のポインタのための行４の積分を開始するために使用される。追加のブルーミングパージシャッター５、６、７が、説明してきたように、ブルーミング保護を提供するために使用される。高強度の光が物理行５、６、および７に当たると、光スポットの強度が、５行の積分時間の後にピクセルを飽和に到達させ得る。行５、６、および７がシャッタリング（リセット）されると、それらは、飽和状態から不飽和状態へと変わる。図４の例において使用されたのと同一の光強度について、行５、６、および７は、第２のポインタのための行４の積分または第２の積分時間中に飽和およびブルーミングに到達しないであろう。かくして、行４のための積分は、ブルーミングによって破損させられないであろう。ブルーミングパージカウントは３に設定される（ｐ＝３である）ので、追加の連続的なシャッターカウントは、３を超えない。たとえば、連続的なシャッターは、このケースでは、４、５、または４、５、６を含み得る。特に、シーンに依存して、追加のブルーミングパージシャッターが、より良好なブルーミング保護を提供し得る。しかしながら、より長いシャッター持続時間を使用することの１つの注意は、いくつかのケースにおいて、撮像素子の読み出しアーキテクチャ、およびシャッター動作がどのように適用されるか、に依存した、フレームレートへの負の影響であり得る。シャッター動作がＡＤＣ変換およびデータ読み出し中にパラレルに適用される場合、追加のブルーミングパージシャッターはフレームレートに影響を及ぼし得ない。全行が平均複数回リセットされるであろうから、極めてホットなピクセルの信号レベルもまた、追加のブルーミングパージシャッターにより低減されるであろう。
【００６７】
ＣＭＯＳ撮像素子設計ではレジスタが追加のブルーミングパージシャッターカウントのために使用され得ることに注意されたい。このブルーミングパージカウントの値は、画像上のブルーミングの問題を検出する画像処理アルゴリズムにより、ユーザによって直接的に、またはその他によって制御され得る。行ドライバ制御論理がまた、上に示された式（１）〜（４）に基づいて設計され得る。
【００６８】
さらに、一態様では、追加のブルーミングパージシャッターが、各々のポインタのシャッター動作に連続的に適用され得る。しかしながら、追加のブルーミングパージシャッターの適用は、特定のポインタ動作にのみ適用されるべきである。これは、追加のブルーミングパージシャッターがフレームレートへの負の影響を有する場合に有益であり得る。たとえば、２ポインタの行方向のＨＤＲ画像センサのために、
【数１５】
0006466346.tif 000016
【００６９】
が、１００行であり、
【数１６】
0006466346.tif 000017
【００７０】
が、３行である場合、第１のポインタ動作のために追加のブルーミングパージシャッターを追加することは、積分時間がすでに１００行であるので不要であり得る。追加のパージシャッターが、シーンのより明るい部分を適切に露出させるために、第２のポインタに適用され得る。３ポインタの行方向のＨＤＲ画像センサにおいて、たとえば、
【数１７】
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【００７１】
が、１００行であり、
【数１８】
0006466346.tif 000019
【００７２】
が、２０行であり、
【数１９】
0006466346.tif 000020
【００７３】
が、２行であり、強烈な光スポットが、５行の積分時間によってピクセルを飽和させる場合、追加のブルーミングパージシャッターカウントの３が、第３のポインタシャッター動作にのみ適用され得る。
【００７４】
例として、第３の積分時間のための３ポインタの行方向の画像センサの読み出しおよびシャッターアルゴリズムが、式（５）〜（１０）において示される。同様の式が、それらから、第４、第５、およびより多くの積分時間のために容易に導出され得る。
【００７５】
【数２０】
0006466346.tif 000021
【００７６】
【数２１】
0006466346.tif 000022
【００７７】
【数２２】
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【００７８】
【数２３】
0006466346.tif 000024
【００７９】
【数２４】
0006466346.tif 000025
【００８０】
【数２５】
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【００８１】
別の例として、および、行４が第１のポインタのために読み出されるタイミングスキームに移動すると、上記式を使用して、ＣＤＳおよびシャッターシーケンスが、ｐ＝０に設定することにより計算され得る。結果のパラメータは、以下、すなわち、（ＣＤＳ：４、シャッター：１０４、ＣＤＳ：１、シャッター：４）である。行４からの生データが読み出され、続いてシャッターが行１０４、１０５、１０６、および１０７に適用され、行１からのデータが読み出され、ここで、行１のデータの読み出しは、３行の積分時間の後であることに注意し、その後、シャッター動作が行４、５、６、および７に適用される。行４は行７が読み出されるまで再び読み出されないであろう、ということが指摘されるべきである。式（１）〜（４）は、以下のごとく、上記例に適用され得、すなわち、行４が第１のポインタ動作のために読み出された後、シャッターが第１のポインタ動作のために、行１０４に適用され、すなわち、
【数２６】
0006466346.tif 000027
【００８２】
である。その後、行１が第２のポインタ動作のために読み出され、シャッターが第２のポインタ動作のために行４に適用され、すなわち、
【数２７】
0006466346.tif 000028
である。行１は有効な行アドレスであるので、そのデータが撮像素子から出力される。第１のポインタのための行４の読み出しの後、画像データは、奇数行が１つの積分時間に関連づけられ、偶数行が異なる積分時間に関連づけられる、行方向のインタレースされたパターンであるということに注意すべきである。上記動作の後、行４は、その第２の積分時間のために積分を開始する。高強度の光スポットが行５、６、および７で積分されている場合、この光スポットの強度が、約５つの（５）行の積分時間の後にピクセルを飽和に到達させ得る。行５、６、および７はまだ、（１００行の積分時間を有する）それらの第１のポインタ動作中であるので、（それらの行は、それぞれ、物理行５、６、７のためにすでに以前に９９、９８、９７行を積分しているので）それらすべての行が飽和させられ、それらの近接行へのブルーミングを開始する。したがって、第２のポインタのための行４の積分信号は、（ピクセルサイズおよびドーピング条件に依存して）行５、６、および７からのブルーミングから破損させられそうであろう。特に、本願の技術のピクセルは、たとえ画像センサが真の「アンチブルーミング」タイミングを実行していたとしても、行５、６、および７がアイドルでないので、近接行にブルーミングし得る。典型的ないわゆる「アンチブルーミング」タイミングにおいて、アイドル行のリセット（ＲＳＴ）および転送（ＴＸ）ゲートは、高に設定され、ブルーミング保護を提供するために全アイドル期間中、高のままである。アイドル行は、積分またはシャッター動作中でないセンサアレイにおける物理行のことを言う。加えて、アイドル行は、アドレス指定された画像出力窓の外のすべてのそのような行を含み得る。たとえば、１００行を有し、画像出力窓が中心の５０行である、センサアレイでは、上２５行および下２５行が、アイドル行の動作またはモード中であるとみなされ得る。「アンチブルーミング」タイミングを実現するために、ラッチベースの行デコーダ設計が典型的には必要とされる。したがって、そのような「アンチブルーミング」タイミングを実行する画像センサは、ブルーミング破損から第２のポインタにおける行を保護することができない。
【００８３】
本願の技術のさまざまな利点は、とりわけ、２ポインタ、３ポインタ、若しくはそれ以上のポインタの行ワイズＨＤＲ動作に対処するのにフレキシブルなラッチベース行ドライバを必要としないことによるチップサイズの低減、ピクセルが平均複数回リセットされるがゆえの最終画像へのホットピクセルの影響の低減を含む。
【００８４】
本願の範囲は加えて、本願の技術を利用するシステムおよびデバイスを含む。そのようなものは、ローリングシャッターを使用したＨＤＲ撮像を可能にする、任意のＣＭＯＳデバイス、システム、アーキテクチャ、および／または設計を含むべきである。説明してきたように、当業者は、本開示を把握すると、本願の技術を組み込んだシステムおよびデバイスを容易に設計および生成し得る。いくつかのケースにおいて、この技術は、最小行ドライバデジタル設計変更を使用して現在のＨＤＲ撮像素子に実装され得る。
【００８５】
以下は、本開示のさまざまな態様の例である。例１において、行および列に配列された複数のピクセルのピクセルアレイを有するＣＭＯＳ撮像素子にブルーミング保護を提供する方法であって、ＣＭＯＳ撮像素子はローリングシャッターを使用してハイダイナミックレンジ画像を取り込むように動作可能である方法が提供される。そのような方法は、ピクセルの読み出し行を選択する工程と、読み出し行におけるピクセルの第１の積分時間を開始する工程と、読み出し行におけるピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第１の読み出しを取得する工程と、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において実行するのに十分なリセット時間の間、読み出し行にリセットを適用する工程と、リセットを除去し、読み出し行におけるピクセルの第２の積分時間を開始する工程であって、第２の積分時間は、第１の積分時間より短く、前記少なくとも１つの後続の行は、組み合わせられたリセットを行うために十分な数の行であり、前記第２の積分時間中の読み出し行におけるピクセルアレイからのブルーミング効果を少なくとも実質的に排除するものである、前記開始する工程と、読み出し行におけるピクセルにより蓄積された電荷を読み出して第２の読み出しを取得する工程とを含み得る。
【００８６】
別の例において、例１の方法は、少なくとも１つの後続の行で繰り返され得る。
【００８７】
別の例において、少なくとも１つの後続の行は、ピクセルアレイにおける少なくとも実質的にすべてのピクセル行である。
【００８８】
別の例において、例１の方法は、少なくとも実質的にすべてのピクセル行で連続的な順序で繰り返され得る。
【００８９】
別の例において、例１の方法は、少なくとも実質的にすべてのピクセル行で連続的でない順序で繰り返され得る。
【００９０】
別の例において、第１の読み出しおよび第２の読み出しは、ハイダイナミックレンジ画像を形成するために合成される。
【００９１】
別の例において、例１の方法はさらに、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間にわたって第２の読み出しに続いて読み出し行にリセットを適用する工程と、リセットを除去し、読み出し行におけるピクセルの第３の積分時間を開始する工程であって、第３の積分時間は、第２の積分時間より短く、少なくとも１つの後続の行は、第３の積分時間中の読み出し行におけるピクセルアレイからのブルーミング効果を少なくとも実質的に排除するために組み合わせられたリセットを有するのに十分な数の行である、開始する工程と、第３の読み出しを得るために読み出し行におけるピクセルにより蓄積された電荷を読み出す工程とを含み得る。
【００９２】
別の例において、方法は、第４若しくはそれ以上の積分時間のために繰り返され得る。
【００９３】
別の例において、第１の積分時間を開始する工程は、読み出し行にリセットを適用する工程と、読み出し行からリセットを解除する工程とをさらに含む。
【００９４】
別の例において、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間にわたって読み出し行にリセットを適用する工程は、リセット時間の持続時間全体を通して連続電圧レベルでリセットを適用する工程を含む。
【００９５】
別の例において、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間にわたって読み出し行にリセットを適用する工程は、リセット時間の持続時間全体を通して可変電圧レベルでリセットを適用する工程を含む。
【００９６】
別の例において、リセットは、少なくとも２つの後続の行および読み出し行が同時にリセットされるのに十分なリセット時間にわたって印加される。
【００９７】
別の例において、リセットは、少なくとも３つの後続の行および読み出し行が同時にリセットされるのに十分なリセット時間にわたって印加される。
【００９８】
別の例において、読み出し行および少なくとも３つの後続の行は、連続的に隣接する。
【００９９】
別の例において、読み出し行および少なくとも３つの後続の行は連続的に隣接しない。
【０１００】
別の例において、読み出しおよびリセットが少なくとも１つの後続の行において行われることを可能にするのに十分なリセット時間は、約１０ナノ秒から約５０マイクロ秒である。
【０１０１】
別の例において、第１の積分時間は、約１ミリ秒から約１秒であり、第２の積分時間は、約１０ナノ秒から約１００ミリ秒である。
【０１０２】
別の例において、ハイダイナミックレンジモードの、行および列に配列された複数のピクセルのピクセルアレイを有するＣＭＯＳ撮像素子に、ローリングシャッターを使用してブルーミング保護を提供する方法は、第１の積分時間を有する前記ピクセルアレイにおいて第１の画像を取り込む工程と、前記第１の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的にピクセルアレイから前記第１の画像を読み出す工程と、前記第１の画像の少なくとも１つの読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程と、第２の積分時間を有するピクセルアレイにおける第２の画像を取り込む工程であって、前記第２の積分時間は、第１の積分時間より短く、第２の画像は、第１の画像の読み出し行の近傍の複数の行のハードリセット工程により、第１の画像によって引き起こされるブルーミングから保護されるものである、前記取り込む工程と、前記第２の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的にピクセルアレイから第２の画像を読み出す工程とを含む。
【０１０３】
別の例において、第１の画像および第２の画像は合成されてハイダイナミックレンジ画像が形成される。
【０１０４】
別の例において、方法はさらに、第２の画像の少なくとも１つの読み出し行の近傍の複数の行をハードリセットする工程と、第３の積分時間を有するピクセルアレイにおける第３の画像を取り込む工程であって、前記第３の積分時間は、第２の積分時間より短く、第３の画像は、第２の画像の読み出し行の近傍の複数の行のハードリセット工程により、第１または第２の画像によって引き起こされるブルーミングから保護されるものである、取り込む工程と、第３の画像の少なくとも１つの読み出し行を使用して行ごとに連続的にピクセルアレイから第３の画像を読み出す工程とを含み得る。
【０１０５】
別の例において、第１の画像、第２の画像、および第３の画像は合成されて、ハイダイナミックレンジ画像が形成される。
【０１０６】
当然のことながら、上述されている配列は、本開示の原理の適用を例示したものにすぎない、ということが理解されるべきである。数多くの変更および代替の配列が、本開示の精神および範囲から逸脱せずに当業者により考案され得、添付の請求項は、そのような変更および配列をカバーするように意図される。かくして、本開示は、本願において本開示の最も実際的な実施形態であるとみなされるものに関連して入念かつ詳細に上述されているが、サイズ、材料、形状、機能、ならびに、動作、組み立て、および使用の手法の変化を含むがこれに限定されない数多くの変更が、本明細書において説明された原理および概念から逸脱せずになされ得ることが当業者に明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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