改進型成像設備的製作方法
2023-05-19 08:35:26
專利名稱：改進型成像設備的製作方法
改進型成像設備
相關申請的交叉引用
本申請按35U.S.C Sll9(e)要求2007年2月22日遞交的美國臨 時專利申請No.60/卯2，728和2007年2月9日遞交的美國臨時專利申 請No. 60/900,588的優先權。這些臨時專利申請的公開內容的全部通 過引用^皮包含於此。
背景技術：
在許多領域內正在流行使用包括CMOS和CCD型的成像驅動 器。本發明提供了 一種具有大動態範圍的改進型成像設備和裝有這種 大動態範圍成像設備的各種裝置。
圖l和2示出了復位和行讀出調度的模式；
圖3示出了定時序列；
圖4示出了一個示範性方案的框圖5示出了與成像陣列內 一列像素關聯的電路的簡圖6示出了自動車輛裝備控制系統；
圖7示出了帶有各種裝備的受控車輛；
圖8a和8b示出了車輛內部後視鏡組合；
圖9示出了車輛的附件和後視鏡安裝組合的分解透視圖；以及
圖10示出了數位照相機的輪廊圖。
具體實施例方式
諸如數位照相機、數字錄像機、可視電話機之類的消費型電子設 備越來越普及。這些設備隨著許多住宅、商業、工業和車輛的視覺系統已經使基於CCD和CMOS的圖像傳感器得到普及。已知的設計成 能自動控制車輛對外燈光的系統例如應用了前視數字成像系統來獲取 通常在受控車輛前方和/或後方的景象圖像，通過對圖像的分析來檢測 迎面而來的車輛的前燈和前面行駛的車輛的後燈。保安相機遍及住宅、 商業和工業設施，以及所關聯的停車區域。這些已知的應用中有許多 導致需要大的動態範圍；景象內的光源包括激烈改變的相對亮度，使 得在強光源還沒有引起飽和的情況下給定的像素爆光可能不允許檢測 到弱的光源。所希望的是應用 一種可以在環境照明很寬的範圍內提供 足夠的對比度的數字成像系統，例如來檢測夜間的光源，而且能區分 白天在給定景象內的各個物體。在白天，景象內的物體主要是受到太 陽的照射，而這些物體本身並不是光源(即不是前燈、後燈、路標之 類)。本發明提供了一種能精確檢測和用數字表示弱光源、強光源和 受同一景象內其他光源照射的物體的大動態範圍圖像傳感器。
在現有技術中已知有不少成像技術可以提供大動態範圍圖像。這 些技術包括以各種組合方式將一些像素選擇性復位(selective reset)。 美國專利6，175，383內的一個實施例包括選擇一些可用積分周期 (available integration period )，對於這些可用積分周期來說，第二 個可用積分周期為第一個可用積分周期的二分之一，而第三個可用積 分周期為第二個可用積分周期的二分之一，諸如此類。也就是說，對 於相繼的可用積分周期的列表，每個可用積分周期為上一個可用積分 周期的二分之一。這個專利還注意到，可以用非破壞性讀出來確定所 關心區域的最佳曝光時間。該專利示出了用常規讀出 一行像素再通過
視。然而，該專利沒有詳細說明在對給定圖像進行順序讀出中確定為 圖像的每個像素選擇積分周期的快速響應的自動化方法。另一種現有 技術的設備採用周期性的採樣周期(sample period )，在每個採樣周 期期間對成像器內的每個像素進行掃描，採用對每個相繼陣列掃描上 的每個像素進行條件復位(conditional reset)的機制。這種設備具有 一個存儲器，用來記錄復位任務(reset task)和整個成像陣列按順序
10給它的要傳送給單個比較器的每個模擬像素值一個的模擬輸出。這種 解決途徑的固有周期性、根據復位個數和最終像素讀出重建有用光強
度值(useful light level value )的困難和對必需按順序歷經即使是中等 尺寸的成像器陣列的所有像素的掃描的重複頻率的嚴格限制，使得將 這種解決途徑應用於美國專利6,175,383中所揭示的寬量程、越來越短 的積分周期是不實際的。此外，在該專利發明的優選實施例中，優選 的是判斷是否對一個像素復位是根據這個像素的當前所積累的電荷 量，甚至對於次最短的積分周期也是這樣。在本發明的一個示範性設 計中，在上個復位後只有6微秒需要完成累積足以適當指示當前積分 周期是否適當的電荷、判斷是否開始最短的積分周期的復位再對像素 條件復位。詞"示範性的"或任何類似的派生詞在這裡用來指本發明 的具體實施例，而不是意味著將本發明的範圍局限於任何標為示範性 的具體實施例。採用由行內許多像素共享的比較功能，串行地將一行
的像素移入一個放大器和串行地將一個個像素輸出與門限值相比較所 需的附加時間，對於如由具有串行化行比較功能的設備的擴展所蘊涵 的典型行長度為100或更多個像素的情況來說，需要快到不現實的電 路。而且，採用由行內許多像素共享的比較功能，歷經成像陣列循環 進行最終的條件復位和再次歷經陣列循環讀出這些值的能力對於最短 的積分周期(在一個示範性設計中僅為2 p)的情況更是不現實的。 這些就是在整個圖像陣列共享一個所關聯的復位比較器的現有技術設 備內對條件復位採用等間隔採樣的原因。
在本發明的一個優選方案中，為了克服現有技術的限制，採用行 並行處理(row parallel processing )來讀表示行每個像素的光感應
電荷的信號；將縮指示的光感應電荷量與行每個像素的門限量相比較； 向存儲器記錄查詢行每個像素的復位狀況；根據比較結果、存儲器指 示和讀出順序內的階段確定行每個像素是否需復位；根據需要存儲經 更新的行每個像素的局部復位歷史記錄；最後根據各個像素的以上信 息對行每個像素進行條件復位。作為一個任選方案，在像素積分時間 i殳置順序(pixel integration time setting sequence )內先前的條件復位已經確定了 一個特定像素的積分時間時，可以在讀出這個像素的值前 繞過有些甚至所有剩下的以上所指出的步驟。通常，在以上步驟中任 何一個確定結果使得在順序的特定步驟使用其他確定結果成為不必要
時，可以任選地不用確定不需要的信息。可以理解，"行並行(row parallel)"只是本發明的一個實施例。在本說明別處使用術語"並行 可尋址像素組(parallel addressable group of pixels )，，,作為是包括 "行並行"在內的。在本發明範圍內"並行可尋址像素組，，的另一個 實例適用於具有bayer模式的成像器。並行可尋址像素組為構成給定 的經光鐠過濾的組的像素(即行內經經紅色濾光的像素或行內經藍色 濾光的像素或行內經綠色濾光的像素)的集合。在與特定的像素值讀 出關聯的行並行條件復位任務的規定順序結束時，與所積累的電荷關 聯的像素值優選的是以常規方式讀出和變換成數字形式。優選的是， 從像素行讀出模擬值以行並行方式執行，然後將所讀出的和為行暫時 存儲的值優選地變換成數字形式。優選的是，將為每個像素選擇的積 分周期的數字記錄與本像素的像素讀出值組合在一起，以確定指示該 像素接收到的光強度的值。這個值優選的是呈現為直接可用的形式， 因此就不必再保留用來將光強度積分以得到像素讀出的積分周期的記 錄。對這個值的編碼可以用許多格式中的任何格式，例如，值可以呈 現為線性或對數形式。優選的是使經處理的像素值可用作在此的讀出。 任選的是，這些步驟中的一個或多個步驟可以由不屬於成像陣列的處 理器執行。
相繼被復位的像素開始較短的積分周期，每個相繼復位使像素具 有近似與順序的每個復位任務的像素積分周期的縮短成比例的相繼減 小的有效光靈敏度。優選的是將條件復位邏輯配置成一旦跳過了對一 個給定像素的條件復位，在讀出這個像素前就不再對這個像素復位。 指示所積累的光感應電荷的像素信號是像素在部分而不是整個積分時 間期間積累起來的。優選的是將所指示的在部分積分後的像素電荷所 比較的比較門限選擇成使它高到足以在積分時間結束時可以積累起足 夠的電荷以合理利用像素的讀出範圍。另一方面，優選的是，不將門
12限設置成高到使像素在積分周期結束前就會飽和。這些優先選擇表明 需要可以隨應用、隨具體成像器的模擬質量和隨進行復位判斷的順序 的特定積分周期的持續時間而改變的平衡。因此，優選的是，根據所 應用的在可用積分周期組中的具體可用積分周期調整比較門限和/或 使比較門限設置的一個或多個屬性作為給成像器的設置指令部分成為 可選或可編程的。
電路優選地配置成確立用於讀出每個像素的積分，為每個行執行
行並行復位(row parallel reset)的規定順序。優選的是，行讀出順序 (row read sequence)的第一個行並行復位任務(row parallel reset task)是無條件復位任務(unconditional reset task),並且將與每個 像素關聯的存儲器更新成反映這個初始復位狀態。對於所規定的每個 行的復位順序來說，第一個無條件復位之後，相繼的對行的復位優選 的是如以上所概述的條件復位。優選的是，由每個相繼的行並行條件 復4立4壬務(row parallel conditional reset task)啟動的積分周期的光 增益成比例地小於由上個行並行復位任務啟動的積分周期的光學增 益。光增益通常與積分周期成正比，所以在這個示範性設計中所需的 比例將直接應用於積分周期。
剛才所概述的新穎的讀出和積分周期確定順序(readout and integration period determining sequence )有著許多優點。首先，由於 將快速行並行處理用於條件像素復位(conditional pixel reset)，實際 上在得到《象素讀出的曝光順序(exposure sequence)期間為每個l象素 設置積分周期。其次，每個像素的曝光被分為頗為接近的等級，例如 在這個示範性實施例中調整為4: l的增量，因此如果使用IO比特的 讀出，讀出可以從標稱滿刻度的四分之一擴展到標稱滿刻度，在整個 非常大的光強度範圍內給出標稱250: l的讀出解析度，甚至更好。這 是理想的，還可以提供某些額外的使像素飽和的可能性減到最小的容 限。即使非常保守地選擇復位門限(reset threshold )，可以在這個示 範性實施例的整個16，000: 1的積分範圍內保持例如為100: 1左右的 最小解析度，這會給出大於100,000: l的光強度範圍，在這個整個範圍內可以保持100: 1的解析度。實際上，在給定圖像內可用的光強度 測量範圍往往受到光組件內散射的光的限制。儘管如此，這在沒有任 何曝光調整的情況下是完全可能的，往往可以不用爆光調整在比較大 的環境光強度範圍內工作。這與具有同樣的IO比特A/D、對於任何給 定圖像的100: l或更好的解析度只是在10: l的光強度範圍內可得到 的常用傳感器形成明顯的對比。採用以多個步驟在大範圍內選擇的積 分周期，在所選擇的已知的和精確確定的積分周期上仍然可實現A/D 的完滿精度，因此可以實現顯著增大的測量範圍而不用犧牲A/D的讀 出精度。與以傳統方式獲取的圖像相比，在陰影區域內的噪聲、條紋 和全黑區域應該如飽和的高亮度區域那樣有顯著減少。有一些折衷需 做，但有許多為靜止圖像或視頻相機應用作出重大改進的可能性。
非破壞性讀出(nondestructive readout) 4支術許多並不為讀出提 供完滿的精度。例如，像素對於非破壞性讀出來說通常不是可復位的， 因此，採用這些成像器，對於確定條件復位的中間讀數來說，復位後 所取得的參考讀數不能用來改善讀出精度。這意味著往往需要根據可 能不是最佳精度的測量作出對像素復位的判斷。與有些竟爭性技術相 比，條件復位的補償優點是，對復位的判斷是確定所選擇的讀出量程 的判斷，而作為量程選擇依據的值的誤差並不直接添加給用所選擇的 量程進行讀出的誤差。例如，如果一個儀表具有1伏的滿刻度量程和 下一個較大的4伏滿刻度讀出量程，估計為0.8伏的輸入如果預計0.8 伏的估計在實際值的10%之內就可能用l伏的量程讀出，但是如果只 預計0，8伏的估計在實際值的30%之內就要用4伏的量程讀出。採用 不大精確的估計，就可能有較大風險選擇一個讀出被飽和的讀出量程， 而這可以造成偏向選擇不大精確的較大讀出量程；但是在這個例子中， 仍然可以期望讀出具有比10%或30%還小的誤差。
在最後這個方面，與為了增大測量範圍使用響應特性有多個斜率 的大動態範圍傳感器相比，這個示範性系統還具有一些固有的優點。 首先，對於這些非線性設備來說，每個像素的非線性通常至少部分由 每個像素內的組件決定，所以除了在處理讀出中分段線性讀出帶來的
14困難之外，由於拐點和斜率確定機制的像素級特性的失配，斜率和拐 點不大會匹配得好。其次，由於斜率改變通常用於模擬域，因此整個
值必須由A/D讀出，對於一個給定解析度的A/D來說讀出精度有進一
步的損失。第三，數據的分段線性定標不易處理，因為除了由以上因
素所引起的讀出精度之外，分段線性格式需要計算強度較強的處理來
將它變換成計算更為容易的諸如線性或對數之類的形式。
以上指出了由於每個像素多個積分範圍而引起的在整個非常大
的光強度範圍內保持讀出解析度的優點。有許多方式將這個優點用於
平衡一個設計的一些特性。為了記錄每個像素積分周期設置的指示所
增添的存儲器要求需要用較大形體尺寸製造工藝而不是較小形體尺寸
製造工藝製造的較大矽面積；但是，較小形體尺寸矽工藝在較低電壓
下操作，這給可以從像素得到的動態範圍增添了限制。在許多利用對
於給定圖像具有單個積分周期的成像器的應用中，較大的動態範圍主
要用來在整個較大的光量範圍內獲得適當的解析度。釆用使用本發明 的甚至在單個圖像內在非常大的動態範圍內保持良好分辯率的成像器
逐像素選擇的積分周期，最大動態範圍常常可以降低，換取得到擴展 的在各個圖像內進行的多個積分周期採集所提供的動態範圍。
在這個示範性實施例中，在對於任何給定行由對行內像素執行無 條件並行復位以開始用於讀出行內每個像素的最長可用積分周期(所 給定的成像器設置)作為開始的順序內，應用為傳感陣列內每個像素 選擇積分周期的行並行復位過程。然後，在即將過去這個積分周期的 3/4時，執行如上所述的對行內每個像素的條件復位，以有條件地復位 由於當前的積分周期設置而飽和或很可能飽和的像素。這個過程重複 6次或更多次，像素被條件復位的每個後繼積分周期的長度定成使得 讀出靈敏度為上個量程的讀出靈敏度的四分之一。對於這個示範性設 計來說，結果是積分周期可以以4: l的增量排列，從最長可選積分周 期的大約32,768微秒到最短可選積分的2微秒，得到最長與最短的積 分周期之比為16,384: 1，這些積分周期是自動和逐個為幀內每個像素 設置的。復位和讀出過程的定時節奏(timing cadence)優選的是基於歷經與掃描行各個像素——相應的列掃描計數的逐列增量掃描
(column by column incremental scan )。對於一個給定行計數，完成 了歷經列計數或列地址值的增量掃描後，優選的是導致使行掃描計數 增量前進到下一個掃描行，直到覆蓋了這個圖像掃描幀內所有的行， 此時可以暫停圖像獲取或者前進到另一個列和行掃描順序。通常，在 像素/行掃描幀內兩個像素位置之間的時間間隔表示為從第一個像素 的(列、行)位置前進到第二個像素的(列、行)位置的增量像素時 間(incremental pixel time)的個數。開始與結束的^f象素位置之間的 這些增量像素時間可以用定義為第二個像素的列地址減去開始像素的 列地址的增量列偏移(incremental column offset)來表示。它在開始 像素的列地址大於結束像素的列地址時是負的，否則就是非負的。行 偏移(row offset)可以定義為從含有開始像素的行增加到含有結束像 素的行所需的增量行偏移(incremental row offset)。在這個示範性 設計中，行讀出在規定的列時間執行，而8個相應的積分周期各在各 自的積分周期所關聯的列時間啟動，使得復位剛完成的點到行讀出的 點之間的時間間隔幾乎等於所預期的積分時間。在這個示範性設計中， 掃描幀內的列和行的數目選擇為626列和420行，像素掃描率(pixel scan rate)為每微秒8個像素。採用行數、列數和像素時間數這個組 合，積分時間和可用積分行數可以是和被選擇成使得行讀出任務(row read task)和8個可用積分時間周期的8個^象素復位任務(pixel reset task)中的每個像素復位任務在行列時間間隔的不相重疊的範圍內出 現。這樣，行選擇電路(row select circuit)、陣列讀出列線(array read-out column line )、歹'J並4亍復位逆輯4亍(row of column parallel reset logic )和復位歷史存儲器訪問(reset history memory access )就 可以被共享，而在8個復位任務和行讀出任務之間不會有沖突。8個 積分時間專用行復位或條件行復位任務中的每個復位任務和行讀出優 選的是在所規定的列計數時啟動。在本說明中別處將更為深入地涉及 到這個問題。在這個示範性實施例中，通常，行長度等被選擇成使得 行讀出和8個各啟動一個特定持續時間的積分周期的復位任務中的每個復位任務落在特定的不相重疊的列時間間隔內。優選的是，所規定 的列計數值被用來啟動這些順序中的每個順序，而且被預先選擇成按 照定時提供適當的列偏移，以便為每個積分周期建立適當的時間間隔。 在這個優選配置中，優選的是，對行計數器指向的行執行讀出，對行 偏移值的可能修改用來提供讀出窗口的起點。於是，對於為行復位或 條件行復位任務選擇的這些行中的每個行，將與正予以復位或條件復 位的積分周期相應的附加積分周期專用行偏移值加到行計數上(優選
的是用模運算)，以選擇要施加復位任務的行。所加的積分周期專用 行偏移用來設置在復位任務與復位任務當前所施加的行的行讀出任務 之間的行時間間隔。
對於大動態範圍傳感器來說，所希望的是自動在大到例如
16,000: l甚至更大的範圍內選擇積分時間周期。對於這樣的傳感器， 積分周期可以例如在從32 ms左右到2 ns左右的範圍內。更為優選的 是行內像素的啄光幾乎同時進行。可以說， 一種方式是行內像素的曝 光周期按時共享至少一個共同的瞬間。
還希望的是，將這些積分周期選擇成使得以不同的積分周期所取 得的像素值容易合乎單個普通廣泛使用的數字表示格式。由於像素值 通常用線性或對數加權的二進位形式表示，因此所希望的是將相繼積 分周期選擇成使得從任何一個積分周期得到的成像器靈敏度與下個較 短的積分周期的成像器靈敏度之比近似等於2的整數冪。光增益或靈 敏度具有較為合意的作為這個比例的基礎的屬性。然而，大多數成像 器的光靈敏度幾乎與積分周期成正比改變。因此，在這個示範性設計 中，將積分周期的比例選擇成使得它們一個為下一個的2的整數冪。 可以理解，如果傳感器的光靈敏度與積分周期之間有系統性的非線性 關係，那麼優選的是將積分周期調整成使得光增益從一個量程到下一 個較小的量程的比例近似等於2的整數冪。還應該理解的是，即使這 對於本發明的許多應用來說是一個良好的選擇，但本發明並不局限於 按照以上所說明的那樣來選擇相繼的增益量程。此外，可以對一個或 多個較長的積分周期的周期作一些小百分比的調整，以消除在使用共享組件中的一些衝突，這使系統精度有些損失，但很小。
如上面所指出的那樣，即使採用行並行復位任務(條件和無條件 復位任務)，也要求體系結構提供時間來交叉需執行的所有復位和行 讀出任務、保證使用諸如行選擇電路、列讀出線、復位存儲器記錄訪 問和條件復位比較器及所關聯的邏輯之類的共享組件的要求不會衝
突。在圖1至3中用以上已經引用的示範性實施例來例示可以用不衝 突的方式來組織順序的情況。在這個示範性設計中，用普通的巻簾式 快門順序(rolling shutter sequence )來推行復位、積分和讀出順序。 掃描是一個重複順序，對於每個行從列0至列625循環，在完成每個 列循環時進到下一行，從行0至行419，對於在讀出順序中需獲取許 多圖像幀的來說，再回到行0，如此等等。如採用傳統的只用來讀出 一個或幾個幀或許採用還連續讀出的任選方案的巻簾式快門操作那 樣，掃過圖像幀的第一個掃描或者也許是部分掃描通常用來初始化積 分周期，在為行提供了積分周期之前行讀出是被遏止的。這意味著需 要一個初始幀(或部分幀)來執行第一個復位任務，因此為了讀出n 個幀，對於讀出順序來i兌需要n個幀再加上初始復位所需的幀的部分。 對於有些應用，感興趣的可以主要是以連續方式讀出一系列圖像，而 在這種情況下可以不必遏止對啟動幀的讀出。對於這些應用，正如採 集第一幀後的一系列後繼幀的情況，積分與讀出交叉，使得幀重複時 間只需比為像素提供的最長的積分時間稍長一些。對於只是用於獲取 一些非連續的幀的設計，同步可以通過對像素計數來建立。對於為連 續或長系列幀採集設計的成像器，或者甚至為了在只獲取一個或幾個 幀時增加穩固性，包括建立行和幀同步的信令的讀出格式是合乎需要 的。
參見圖1，圖中例示了對於使用420個掃描行、626個掃描列的 示範性方案的成像器所獲得的大動態範圍圖像的情況對行O內的像素 進行復位的復位順序(reset sequence )。所謂掃描在這裡用來指在掃 描順序(scan sequence )內定序歷經的行和列。不是需要用定序歷經 的每個值來訪問有效行或列，通常只需要具有足夠的在掃描順序列內的行和列來訪問在適當順序實際讀出的行和列，或許還需要具有足夠 的附加掃描行和/或列來為大動態範圍傳感器的多個積分周期提供無 交疊或不衝突的對讀出和復位任務的任務調度。實際的成像陣列可以 具有比在掃描順序內循環歷經的少一些的行和/或列(或者在有些情況
下多一些的行和/或列)。在圖1至3中，例示了用掃描順序產生復位 和讀出順序的情況。在圖1中只是例示了啟動用於行0內像素的復位 或條件復位任務情況。這個示範性設計包括大動態範圍掃描順序(high dynamic range scan sequence)， 歹寸和4亍計數歷經每4亍626歹'J (歹寸0 至625)的相繼列計數和歷經一幀420行(行0至419)的行計數。這 個順序是對於每個行從列0至625，在從列625循環回列0時指向下 一行，再從行419循環回行0。這個順序一直重複到讀出了所需數量 的幀。在這個示範性設計中，列計數的速率是每秒8百萬個計數，因 此在32.865亳秒內順序歷經幀的262,920個像素，所提供的幀速率稍 稍超過每秒30幀。
對行O的行讀出順序(101)在行O (121)的列l啟動，而有效 讀出發生在列14。優選的是，這個讀出在掃描歷經初始幀期間是被遏 止的，因此復位順序可以在這個幀期間啟動，優選的是對在讀出順序 內所包括的所有的後繼幀執行。例如，在只讀出一個幀時，提供2個 掃描幀，第一個開始啟動積分周期，而第二個開始讀出和繼續處理復 位和條件復位，以為所讀出的每個行的每個像素提供適當的復位順序。
32.768 ms的對行0 (121)的無條件復位順序(102 )在行1 (122 ) 的列132啟動。需復位的行通過將32.768毫秒積分周期的為419的行 偏移加上執行復位的行1計算，得到420的模420，為0，因此行0 在順序(102)中被復位。在列164 (112)，復位解除，積分周期開 始，因此從積分開始(列164)到行讀出(列14)的列偏移為
14-164 = -150
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加
率,
19(419*626畫150)/8 = 32.768毫秒
提供標準的動態範圍模式的一個選項是在剛才所說明的初始復
聯的行和列偏移的積分時間編程的靈活性，以在設置積分周期中給出 一些使範圍增寬的選項。這種圖像控制可以提供調整掃描幀和讀出圖 像數據的子幀的幀尺寸的靈活性。
8.192 ms的對行0 (121)的逐像素條件復位順序(103 )在行315 (123)的列176啟動。需復位的行通過將8.192亳秒積分周期的為105 的行偏移加上執行復位的行315計算，得到420的模420，為0，因此 行O在順序103中被復位。在列208 ( 113)，復位解除，積分周期開 始，因此從積分開始(列208)到行讀出(列14)的列偏移為
14-208 = -194
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加率。
(176*626國194)/8 = 8.192毫秒
2.048 ms的對行0 (121)的逐像素條件復位順序(104 )在行393
(124) 的列500啟動。需復位的行通過將2.048毫秒積分周期的為27 的行偏移加上執行復位的行393計算，得到420的模420，為0，因此 行O在順序104中被復位。在列532 ( 117)，復位解除、積分周期開 始，因此從積分開始(列532)到行讀出(列14)的列偏移為
14 532 = -518
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描率。
(27*626-518)/8 = 2.048毫秒
512 iis的對行O (121)的逐像素條件復位順序(105)在行413
(125) 的列268啟動。需復位的行通過將512微秒積分周期的為7 的行偏移加上執行復位的行413計算，得到420的模420，為0，因此行0在順序105中被復位。在列300 ( 115)，復位解除、積分周期開 始，因此從積分開始(列300)到行讀出(列14)的列偏移為 14-300 = -286
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(7*626陽286)/8 = 512微秒.
128 ps的對行0 (121)的逐像素條件復位順序(106 )在行418 (126)的列210啟動。需復位的行通過將128微秒積分周期的為2 的行偏移加上執行復位的行418計算，得到420的才莫420，為0,因此 行0在順序106中被復位。在列242 ( 114)，復位解除、積分周期開 始，因此從積分開始(列242)到行讀出(列14)的列偏移為
14-242 = -228.
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(2*626國228)/8 = 128微秒.
32 ps的對行0( 121 )的逐像素條件復位順序(107 )在行419( 127) 的列352啟動。需復位的行通過將32微秒積分周期的為1的行偏移加 上執行復位的行419計算，得到420的模420，為0，因此行0在順序 107中^皮復位。在列384,復位解除、積分周期開始(116)，因此從 積分開始(列384)到行讀出(列14)的列偏移為
14-384 = -370
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加率。
(1*626陽370)/8 = 32微秒
8 |iis的對行0( 121)的逐像素條件復位順序(108 )在行419( 127) 的列544啟動。需復位的行通過將8微秒積分周期的為1的行偏移加上執行復位的行419計算，得到420的模420，為0，因此行0在順序 108中被復位。在列576 ( 118)，復位解除、積分周期開始，因此從 積分開始(列576)到行讀出(列14)的列偏移為 14-576 = -562
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加率。
(1*626-562)/8 = 8微秒
2 ns的對行0( 121)的逐像素條件復位順序(109 )在行419( 127 ) 的列592啟動。需復位的行通過將2微秒積分周期的為1的行偏移加 上執行復位的行419計算，得到420的模420，為0，因此行0在順序 109中被復位。在列624 ( 119),復位解除、積分周期開始，因此從 積分開始(列624)到行讀出(列14)的列偏移為
14-624 = -610
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加率。
(1*626畫610)/8 = 2微秒
對於圖像掃描幀內其餘419行的每個行，執行與圖l詳細示出的 對於行0的復位和讀出順序類似的順序。在圖2中，用在圖l中所示 的同一個成像陣列例示了對行50內的像素復位的復位順序。在圖2 中只例示了啟動用於行50內像素的復位或條件復位任務的情況。
對行50的行讀出順序(201)在行50 ( 221 )的列l啟動，而有 效讀出發生在列14。優選的是，這個讀出在掃描歷經初始幀期間是被 遏止的，因此復位順序可以在這個幀期間啟動，優選的是對在讀出順 序內所包括的所有的後繼幀執行。例如，在只讀出一個幀時，提供2 個掃描幀，第一個開始啟動積分周期，而第二個開始讀出和繼續處理 復位和條件復位，以為所讀出的每個行的每個像素提供適當的復位順 序。
2232.768 ms的對行50( 221 )的無條件復位順序(202 )在行51( 222 ) 的列132啟動。需復位的行通過將32.768毫秒積分周期的為419的行 偏移加上執行復位的行51計算，得到470的模420，為50，因此行 50在順序(202)中被復位。在列164 (212)，復位解除、積分周期 開始，因此從積分開始(列164)到行讀出(列14)的列偏移為
14-64 = -150.
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(419*626-150)/8 = 32.768毫秒
8.192 ms的對行50 (221)的逐像素條件復位順序(203)在行 365 ( 223)的列176啟動。需復位的行通過將8.192毫秒積分周期的 為105的行偏移加上執行復位的行365計算，得到470的模420,為 50，因此行50在順序203中被復位。在列208 (213),復位解除、 積分周期開始，因此從積分開始(列208)到行讀出(列14)的列偏 移為
14-208 = -194
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加率。
(176*626畫194)/8 = 8.192毫秒
2.048 ms的對行50 (221 )的逐像素條件復位順序(204)在行 23 (224)的列500啟動。需復位的行通過將2.048毫秒積分周期的為 27的行偏移加上執行復位的行23計算，得到50的模420，為50,因 此行50在順序204中被復位。在列532 (217)，復位解除、積分周 期開始，因此從積分開始(列532)到行讀出(列14)的列偏移為
14-532 = -518
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間的帶符號的列偏移再除以掃描率
(27*626-518)/8 = 2.048亳秒
512 ps的對行50 (221 )的逐像素條件復位順序(205)在行43
(225) 的列268啟動。需復位的行通過將512微秒積分周期的為7 的行偏移加上執行復位的行43計算，得到50的模420，為50，因此 行50在順序205中被復位。在列300 (215)，復位解除、積分周期 開始，因此從積分開始(列300)到行讀出(列14)的列偏移為
14-300 = -286
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(7*626-286)/8 = 512微秒
128 ps的對行50 (221)的逐像素條件復位順序(206)在行48
(226) 的列210啟動。需復位的行通過將128微秒積分周期的為2 的行偏移加上執行復位的行48計算，得到50的模420，為50，因此 行50在順序206中被復位。在列242 (214)，復位解除、積分周期 開始，因此從積分開始(列242)到行讀出(列14)的列偏移為
14-242 = -228.
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加
率。… — '9 ' 、
(2*626國228)/8 = 128微秒.
32 ps的對行50( 221 )的逐像素條件復位順序(207 )在行49( 227) 的列352啟動。需復位的行通過將32微秒積分周期的為1的行偏移加 上執行復位的行49計算，得到50的模410，為50，因此行50在順序 207中被復位。在列384 (216)，復位解除、積分周期開始，因此從 積分開始(列384)到行讀出(列14)的列偏移為
14-384 = -370
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(1*626國370)/8 = 32微秒
8 ns的對行50( 221 )的逐像素條件復位順序(208 )在行49( 227) 的列544啟動。需復位的行通過將8微秒積分周期的為1的行偏移加 上執行復位的行49計算，得到50的模420，為50，因此行50在順序 208中被復位。在列576 (218)，復位解除、積分周期開始，因此從 積分開始(列576)到行讀出(列14)的列偏移為
14-576 = -562
上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(1*626國562)/8 = 8微秒
2 ps的對行50( 221 )的逐像素條件復位順序(209 )在行49( 227 ) 的列592啟動。需復位的行通過將2微秒積分周期的為1的行偏移加 上執行復位的行49計算，得到50的模420，為50，因此行50在順序 209中被復位。在列624 ( 219),復位解除、積分周期開始，因此從 積分開始(列624)到行讀出(列14)的列偏移為
14-624 = -610
從解除復位到讀出的時間是行偏移乘以每個掃描行的像素數加 上在積分周期開始與結束時的像素之間帶符號的列偏移再除以掃描 率。
(1*626-610)/8 = 2微秒
圖1和2組合在一起例示了所選擇的復位和行讀出調度的模式。 行50為行0後來的第50行。用模運算表示，在行序號表示為以掃描 幀內的行數求模的最小非負整數，圖2中的復位和行讀出任務都出現 在行O的相應行讀出或復位任務後50行。同樣的對應關係適用於成像 陣列內任何一對行。也就是說，對於成像陣列內任何一對行，在為這 對獨立的行執行相應任務的間隔之間有恆定的行偏移(經模運算)。圖3例示了這個性質在與行讀出和每個行復位任務在相互不衝突和為 特定的大動態範圍成像器讀出順序預先確定的增列計數值或列時間的 範圍內執行的性質結合時的意義。在這個示範性設計中，這個性質通 過較強的對特定的大動態範圍讀出順序的限制滿足，使得每個行讀出 和與積分時間有關的復位任務的處理間隔與優先為讀出順序預先選擇 的、安排成在不相重疊的列定時值的範圍內出現的列時間間隔有關。 此外，優選的是將列間隔均勻地用於對成像器在特定的圖像讀出順序 中讀出的每個行的行讀出和復位任務的定序。在這個優選設計中，優 選的是為特定的讀出任務預先選擇為每個行執行行讀出的列範圍。然 後，優選的是，將執行與一個特定積分周期關聯的復位任務的列計數 範圍選擇成提供與這個特定積分周期關聯的所需列偏移，而將行偏移 選擇成提供與這個特定積分周期關聯的所需行偏移。這樣，將列和行 偏移與掃描順序的定時節奏結合起來就可以提供所需積分周期。對於 在這裡所說明的用途，在處理優選的是至少部分行並行進行的情況下， 列計數用來提供逐行定時，還用作與行定序任務同步的處理的時基。 作為 一個任選方案，這定時不必直接與 一行內的像素個數或列有關。 將列計數與像素的實際列聯繫在一起只是為了方便，因為這樣時基就 可以方便地用來對通常直接與逐像素歷經圖像幀的定序有關的像素 A/D變換以及像素格式處理和讀出任務定序。
參見圖3，掃描幀從303處的列0延伸至304處的列625和從301 處的行0延伸至302處的行419。在有些實施例中，可以將總的行或 列偏移加到在這裡所標出的行和/或列計數上，以有效地調整成像幀的 起點。這種任選方案被認為是本發明的一部分，但是為了簡化說明， 將不包括在對圖3的說明內。
每個行的行讀出應用於所尋址的行，在由粗線305表示的從列1 延伸至列34的時間間隔期間執行。有效讀出在列周期14 (300)開始 時進行。
32.768毫秒的對每個行的行復位應用於地址通過將419 (32.768 毫秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描幀的行數)計算得到的行上。復位在由粗線306表示的從列132延伸到列165 的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周期164 (314)開始時開始。這為在列14執行的對於32.768亳秒積分周期的 行讀出任務提供了為-150列的所需列偏移。
8.192毫秒的對每個行的像素級條件行復位應用於地址通過將 105 (8.192毫秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器 掃描幀的行數)計算得出的行上。復位在由粗線307表示的從列176 延伸到列209的整個列時間間隔內執行，復位解除成使得積分周期從 列周期208 (315)開始時開始。這為在列14執行的對於8.192亳秒積 分周期的行讀出任務提供了為-194列的所需列偏移。
2.048毫秒的對每個行的像素級條件行復位應用於地址通過將27 (2.048毫秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描 幀的行數)計算得出的行上。復位在由粗線311表示的從列500延伸 到列533的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周 期532 (319)開始時開始。這為在列14執行的對於2.048亳秒積分周 期的行讀出任務提供了為-518列的所需列偏移。
512微秒的對每個行的像素級條件行復位應用於地址通過將7 (512微秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描幀 的行數)計算得出的行上。復位在由粗線309表示的從列268延伸到 列301的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周期 300 (317)開始時開始。這為在列14執行的對於512微秒積分周期的 行讀出任務提供了為-286列的所需列偏移。
128微秒的對每個行的像素級條件行復位應用於地址通過將2 (128微秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描幀 的行數)計算得出的行上。復位在由粗線308表示的從列210延伸到 列243的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周期 242 (316)開始時開始。這為在列14執行的對於128微秒積分周期的 行讀出任務提供了為-228列的所需列偏移。
32微秒的對每個行的像素級條件行復位應用於地址通過將1 ( 32
27微秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描幀的行 數)計算得出的行上。復位在由粗線310表示的從列352延伸到列385 的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周期384 (318)開始時開始。這為在列14執行的對於32^L秒積分周期的行讀 出任務提供了為-370列的所需列偏移。
8微秒的對每個行的像素級條件行復位應用於地址通過將1 (8 微秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描幀的行 數)計算得出的行上。復位在由粗線312表示的從列544延伸到列577 的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周期576
(320) 開始時開始。這為在列14執行的對於8微秒積分周期的行讀 出任務提供了為-562列的所需列偏移。
2微秒的對每個行的像素級條件行復位施加到地址通過將1 (2 微秒積分周期的行偏移)加上行地址再求模420 (成像器掃描幀的行 數)計算得出的行上。復位在由粗線313表示的從列592延伸到列625 的整個列時間間隔內執行。復位解除成使得積分周期從列周期624
(321) 開始時開始。這為在列14執行的對於2微秒積分周期的行讀 出任務提供了為-610列的所需列偏移。
對於圖3中覆蓋總面積一半的這些陰影區，要執行處理強度較強 的至少部分行並行任務。這表示，在這個示範性實施例中，已將曝光 控制處理分配成使得與曝光控制和圖像獲取有關的至少部分行並行任 務共享行並行處理組件、行選擇和列讀出選擇邏輯、行列交叉點像素 可選復位邏輯和積分周期設置存儲器訪問而不會衝突，而這些任務佔 用圖像獲取期間50%左右的時間。通過將積分周期專用復位任務和行 讀出任務劃分成對於每個所關聯的積分周期這些任務在一些預先選擇 的通常不與與其他積分周期關聯的列時間交疊的列時間期間執行，以 及通過為每個積分周期專用復位任務提供適當的行偏移，對於在給定 的列時間範圍內對相同的積分周期進行的所有復位，施加相同的行偏 移，使得每個復位任務仍然具有它自身的行和它自身的在它可予以執 行的行內的專用列範圍內的不衝突時隙。圖4示出了大動態範圍成像設備的示範性設計的框圖。這個成像 設備優選的是基於常規的巻簾式快門CMOS設計，增強成具有本發明 的動態範圍改進能力。該圖作了簡化，特別是結合了一些從常規的巻 簾式快門設計引伸的功能。圖中的方框410至415都是以某種方式對 與成像器內的像素列有關的信號進行操作。因此，假設與列有關的信 號可以通過其中一些方框而不一定在每個方框內都使用，每個方框可 以訪問適當的與列有關的信號。積分和行讀出定時基於掃描列計數器 403，在這個示範性設計中掃描列計數器403從零遞增地計數到它的最 大值(在這個示範性設計中為625)，下一個計數轉為零，再從零遞 增地計數到最大值，諸如此類。每當掃描列計數循環回零時，掃描行 計數器就遞增為它的下一個值。在這個示範性設計中，掃描行計數器 從零開始計數，遞增地計數到它的最大值(在這個示範性設計中為 419)，在下一個計數時轉為零，再遞增地計數到它的最大值，諸如此 類。
為了適應自動選擇可能的積分周期(在這個示範性設計中總共為 8個)中的一個積分周期，優選的是在這些積分周期的最長的積分周 期開始時將一行的像素全部復位，然後在每個後繼的較短積分周期即 將開始前查詢每個像素和它所關聯的復位記錄，再對這行的每個像素 根據當前像素值與門限值的比較結果和該像素的復位歷史進行條件復 位。每當一個像素沒有被復位，優選的是這個像素在讀出前不再被復 位而允許它繼續積分，以完成由它的上個復位啟動的積分周期。每當 一個像素被復位(優選的是包括最初的無條件復位)，與這個像素關 聯的存儲器(每個像素3比特，用來標識8個可能的可選復位狀態中 的一個復位狀態)就被更新成指示它被復位的積分周期。優選的是， 一個像素的存儲器值在這個像素不復位的條件復位任務期間不改變。 在積分周期結束時，與像素關聯的值指出這些積分周期中哪個積分周 期用於讀出。這信息優選的是以與對行內像素的讀出和A/D變換同步 的方式讀出，優選的是用來對最終的讀出值進行適當定標。在這個優 選設計中， 一行內的這些積分周期優選的是啟動成使它們同時結束，(就疋卞兄口J " w ^ 時力化矛w加* *a厶 無論每個像素的實際積分周期是多長。在積分周期結束時，進行行讀 出，優選的是通過一個順序，將所選行內的像素值傳送給一排採樣電 容器以及優選的是還將復位電壓傳送給第二排採樣電容器，再將這些 值數位化後調整成反映所用的積分周期的記錄。這值通常是從成像器 輸出的。
在圖4這個框圖中，掃描行計數器402、掃描列計數器403、總
列偏移加法器404、總行偏移加法器405、行選擇電路409、行讀出採 樣保持器411、放大器416和模-數變換器417可以與在常規的現有 技術成像陣列內所用的類似。由於有著從現有技術成像器保留下來的 所有這些功能部件，因此合理地在本發明的成像器的一個實現中直接 提供了靈活性，除了能以一種或多種大動態範圍方式工作外，還提供 了以標準動態範圍方式工作的選項。控制電路400接收傳送給成像器 的指令，並對下面所說明的指令序列進行控制。
為了獲得大動態範圍圖像，掃描列計數器403對於每個行循環都 歷經整個列範圍，而掃描行計數器402按掃描列計數器403完成一個 歷經列計數的循環的指示遞增，指向一個新的行。像素復位和行讀出 功能選擇電路407對列計數值解碼，產生啟動和控制行讀出和各個復 位功能的信號。像素復位門限產生器408產生任選地取決於有效復位 任務所啟動的特定積分周期的門限值。將這個門限值與所選行的每個 像素的所積電荷量相比較，以局部確定對行的每個像素是否需予以復 位。優選的是，這種確定逐像素進行。像素復位行偏移產生器406接 收來自像素復位行讀出功能選擇電路407的指示行讀出和復位任務 (如果有的話)中哪個任務是有效任務的信號，並且為行復位任務產 生適合需由復位啟動的積分周期的持續時間的行偏移。復位行偏移模 加法器401將適合與要處理的復位關聯的積分周期的持續時間的偏移 值添加到行地址上，優選的是使用模運算，以使所產生的行地址保持 在從掃描幀的底循環回頂的範圍內。總行和列偏移在方框404和405 內可任選地加到行和列值上，以提供附加的控制成像陣列410內圖像
30幀的原點的靈活性。行選擇電路409對供所選行的行處理使用的行選 擇地址和選通控制信號進行解碼。成像陣列410具有單獨像素復位能 力，優選的是通過在每個像素內各提供一個功能部件來實現，從而通 過將給每個需復位的像素的行和列信號同時置為有效完成復位。在使
用中，為了有選擇地復位一行的像素，將所選行的行復位置為有效， 而僅將行內選定要復位的像素的列復位線置為有效。行讀出釆樣保持 電路411優選的是包括一些分別對成像器內各列像素的模擬值進行採 樣的採樣電容器。這個電路與通常所使用的類似，優選的是包括順序 對每根列讀出線上的讀出值和復位基準電平兩者採樣。該電路還響應 來自列選擇電路412的信號將所選列的模擬值選通給輸出放大器416。 經放大器416放大優選的是還得到偏移校正的值由模-數變換器417 轉換成數字形式。像素處理電路418調節來自模-數變換器417的數 字值，將這數字值與取得從列可尋址像素行緩衝存儲器413得到的讀 數所用的積分周期的存儲器指示組合在一起，以便考慮取得如由存儲 在存儲器內的值所指示的讀數所用的積分周期，將輸出值定標成正確 指示像素接收到的光強度。對於這個操作來說，優選的是像素讀出列 選擇電路412選擇來自行讀出採樣保持電路411和列可尋址像素行緩 衝存儲器413的相應值。在使用的是流水線式的模-數變換電路時， 採用尋址方案內的相應流水線或適當偏移，以便像素處理電路418將 經數位化的讀出與對本像素所用的積分周期的相應指示組合在一起。 列可尋址像素行緩衝存儲器優選的是在行讀出任務期間訪問像素復位 存儲器415，將本行的復位信息緩存在存儲寄存器413內。在這個示 範性設計中，像素復位存儲器415優選的是含有每像素三個比特。存 儲器優選的是組織成用供行選擇使用的同一個信號可任選地在施加一 般行偏移前對存儲器進行尋址。優選的是，每像素三個比特對於所選 行的每個像素或與像素有關的列是可並行得到的。這個訪問優選的是 具有讀、寫能力。像素門限比較和條件復位塊414可以訪問來自電路
408的像素復位門限產生器輸出的像素復位門限、用來自成像陣列410 的指示陣列的所選行的每個像素上所積電荷量的信號驅動的列線、對像素復位存儲器415的與所尋址的列有關的字的讀和寫訪問、接至成
像陣列410的列復位線和來自像素復位和行讀出功能選擇電路407的
控制信號。這個電路優選的是含有執行用於正在處理的行的一些有效
部分的並行任務的邏輯，它響應控制信號結合所選行的每個像素(或
者行內有效部分像素)的像素復位存儲器登錄項對所積光感應電荷的
指示進行操作，以確定是否對行的每個有效像素或有效數目的有效像
素進行復位。電路有選擇地輸出有選擇地復位行的像素的列復位信號， 並根據需要更新行的像素的復位存儲器。這更新優選的是包括寫入為
被有選擇地復位的像素確立的新的積分周期的持續時間的指示。
圖5示出了與成像陣列內一列像素關聯的電路的簡化電路圖。在 圖5這個電路圖中，列(例如，在這個示範性設計中含有420個像素) 的一個像素示為方框501內的像素516。在一個優選設計中，像素處 理通常在噪聲抑制特別關鍵的行讀出任務期間是受遏止的，而在這期
素處理前完成，從而消除了在這兩個任務之間的定時衝突。因此，優 選的是不實現成像器的前36個左右的列，所提供的是590個左右的可 讀列。優選的是成像器像素陣列只是那些實際讀出的行，圍著這個有 效成像區域周邊的是任意添加的一些保護行和一些受到光屏蔽的暗參 考像素的潛在行和列。只需為要讀出的列配置列處理電路。因此，對 於完全實現這個示範性電路來說，陣列就具有590個列，每列具有420 個分別屬於這個示範性成像器的420個行的像素。電路的其餘部分要 複製590次，對於626個像素掃描行內的590個有效像素，每個複製 一次。在這裡，作為旁註，這個示範性成像器是簡化了的，以便很好 地例示提供特別大的動態範圍的復位過程。也認為是在本專利的範圍 內的成像器的實現可以包括現有技術成像器提供的幾乎任何功能部 件。例如， 一些功能部件可以包括在讀出結構內，以遏止對掃描過程 所覆蓋的幀的一些比只是可能與行讀出任務的並行部分衝突的那些大 的部分的讀出。成像器指令集可以包括不使用大動態範圍能力、因此 可以提供附加的諸如高許多的幀重複率的能力的指令。在基於圖像的控制應用中，所希望的往往是用 一 些可以在較快的順序內用覆蓋整個視場的較小部分的較小掃描幀取得的圖像補充對大動態範圍圖像的讀出。對於這些圖像，曝光例如可以至少部分基於在大動態範圍圖像內觀察到的光強度。對於這樣的應用，較為傳統的普通動態範圍成像，或許結合大動態範圍功能部件的靈活設置能力，是可以與本發明的大動態範圍功能部件結合使用的常規成像技術的有用結合。掃描幀的大小、每個復位的行和列偏移的選擇甚至每個讀出的條件復位的個數按需要可以是可編程的。從一個復位到下一個復位的積分周期的比例不
必如在這個示範性設計中的那樣為4，也不必對於每個相繼的積分周期是不變的。例如，成像器可以具有一些從一個到下一個的周期的比例為4而另一個到下一個的比例為8，甚至有些為非整數或者不是2的整數冪。有若干在邏輯上等效的實現行和列計數和尋址電路的方式。計數範圍可以在低的與高的值之間延伸，低的值可以是非零的，甚至可以是負的。計數指示可以是後退的，從高到低。如果採用這樣的一些改變，必須將模運算的概念擴展成使得將計數值定序保持在預定的幀的界限內和覆蓋預定的範圍。讀出甚至不必是以嚴格單調的順序，但是將非標準的掃描順序用於諸如施加建立積分時間的行偏移之類的功能部件必須謹慎地予以規劃，以提供適當操作。還必須將計算掃描時間的公式擴展成適當指示對於經修改的幀掃描結構的積分時間。
在這個示範性設計中，在啟動標稱32毫秒積分周期的第一個復位與啟動標稱8毫秒積分周期的下個復位之間有24毫秒的間隔。較靠近的復位連同通常在像素內使用的抗光暈電路一起有助於使從曝光過度的像素溢入鄰近像素的電荷減至最少。作為一個任選方案，為了縮短復位之間的長的間隔，可以將第二積分周期選為2: 1的16.384毫秒而不是4: l的8.192亳秒。於是，後繼的積分周期可以延長為2: 1或者可以將一個周期改為8: 1，或者可以用額外的比特來對積分周期的標誌編碼，從而可以使用超過8個的積分周期。需要為在大動態範圍工作模式中使用的每組積分周期評估和適當選擇行偏移與行長度之間的平衡和對積分周期的可能調整，以為每個積分周期提供不衝突的列周期間隔。
優選的是，行復位線515 (每行一根)、行讀出允許線520 (每行一根)、列地址總線521、像素讀出總線523、像素復位基準值524、行緩衝存儲器寫入允許526、積分時間輸出總線506、無條件像素復位允許529、復位指示觸發時鐘530、積分周期標誌總線513、標誌存儲器更新允許531和行地址總線534布至每個有效列的相應電路，由這些電路共享。優選的是，列復位線503和列讀出線519由列內每個有效像素共享。通過將行選擇線520上的選擇信號置為有效選定代表性的像素501。將行選擇線520上的選擇信號置為有效使電晶體電路518可以將列讀出線519驅動到表示像素的光收集區517內所收集的電荷的電壓電平。復位電路502在行復位線515和列復位線503同時被置為有效時使像素復位。以大大簡化的形式示出的電路504含有包括響應列選擇地址和控制總線521上的信號的列採樣電容器和列選擇電路522，列選擇電路522響應總線521上的控制信號對列讀出線519上的信號進行採樣，並響應匹配列選擇地址置為有效和總線521上的適當控制信號將所採樣的像素讀出信號加到讀出總線523上。在這個示範性實施例中，在列由於列地址在總線521上置為有效而選定時選擇線535上的信號被置為有效。如將要成說明的那樣，選擇信號535用來將指示讀出所選像素所用的積分周期的存儲器記錄選通給總線506，
與讀出從一些信號得出的模擬像素值並將模擬值選通給總線523同步。
比較電路525將列讀出線519上的指示所選像素上的光感應電荷的信號電平與線524上的門限基準電平相比較。在信號519指出像素上的光感應電荷超過信號524所指示的基準電平時，在輸出536上將邏輯真信號置為有效。(注意，光感應電荷是指由於曝光而引起的電
荷量的改變，無論是初始電荷量的實際增加還是減少。)
總線513用來傳送標識積分周期的存儲器標誌的數字積分周期。這個數字存儲器標誌可以用若干方式編碼。在這個示範性設計中，為最長至最短的積分周期分別指配0至7的標識數字存儲器標誌。在這個優選實施例中，對於讀出程序中最長的積分周期將對像素進行無條件復位，而對於在讀出程序中的相繼較短的積分周期，若且唯若像素
的比較輸出536被置為有效、指出在像素上光感應所積電荷超過524
素復位時才對像素復位。為了滿足這個停止對錯過」次i位的像素再
復位的要求，只要檢驗像素的積分周期標識存儲器標誌登錄項，看看對於上個積分周期像素是否被復位就足夠了。如果沒有，無論比較輸出536的狀態如何都禁止對像素的當前復位。如果對於像素的標誌指出對於上個積分周期像素已被復位並且如比較輸出536所示像素上的所積電荷超過門限值，就將像素復位，並且將像素積分周期的積分周期標識存儲器標誌更新成標識這個像素復位所確立的積分周期。存儲器電路533優選的是具有列每個像素一個的登錄項，對於讀和寫任務，當前像素由傳送到總線534上的用作給存儲器電路533的地址輸入的所選行的行地址選定。比較電路528執行為像素保存的積分周期標識數字標誌與在總線513上置為有效的標誌值的逐比特匹配比較。"與"門510若且唯若三個逐比特匹配比較都匹配、表示像素的存儲器標誌值與總線513上傳播的標誌值匹配並且比較輸出536被置為有效、表示列內所選行的像素上光感應所積電荷超過門限值時才將真輸出置為有效。"D，，型觸發器512在被線530上的時鐘信號觸發時寄存像素的復位指示。對於初始的最長積分周期設置來說，線529在適當時間被置為有效，以迫使像素復位。"或"門511將無條件復位命令與剛才所說明的來自"與"門510的條件復位指示組合在一起。觸發器512的輸出驅動選定列的列復位線503，列復位線503在被置為有效時而行復位線515在一段重疊時間期間也被置為有效時使像素516復位。復位線515在行處理程序內固有時間被置為有效，以有選擇地將也被置為有效的列復位線503所關聯的像素復位。作為一個任選方案，可以增添附加的選通邏輯，使得只有在復位任務需置為有效時才將垂直復位線503置為有效。於是，可以任選地將行選擇線520和行復位線515的功能合併成單根線，以便在將選擇線520和列復位線503同時
35置為有效時可以使像素復位。在存儲器更新允許線531被置為有效時，可以更新存儲器533內的正在處理的像素的積分周期標識標誌。更新在存儲器更新線531被置為有效時對由在地址總線534上置為有效的行地址選定的存儲單元執行，而像素在列復位線503被置為有效時被復位。對更新線531和像素列復位線503進行與操作的"與"門514的輸出538用作給存儲器533的寫允許。在寫允許538被置為有效時，在總線513上傳送的積分周期的數字積分周期標識存儲器標誌值就寫入存儲器533內的該像素的登錄項。在條件復位任務中，總線513用
志。i順序開始處，將上個積分周期J標誌傳送到總線5"上，"比較電路528使用。靠順序結束處，將當前積分周期的標誌值傳送到總線513上，以更新存儲器指示，如剛才對將像素復位以啟動新的、較短的積分周期所說明的那樣。
以上討論主要集中在與列有關的在所關聯的列的所選行內的像素的條件和無條件復位任務上。在復位任務的順序所確立的積分周期結束時，讀行的像素。行讀出任務以兩個階段完成。第一個階段優選的是行並行任務，優選的是在與用於任何復位任務的列計數範圍不交疊的列計數範圍期間執行。第二個階段優選的是逐像素或逐小像素組處理階段，優選的是配置成使這個階段不需要訪問正在進行的復位任務所需要的行選擇線、行讀出線、列讀出線或列復位線。於是，在第二個階段內的像素處理可以與正在進行的復位任務交疊，並且可以任選地用若干組織方式中的任何一個方式執行。例如，處理可以是逐像素操作或者也許是使用對行內一些像素小組進行流水線或並行處理的順序操作。對於第一個優選的是並行操作階段來說，需處理的像素行的讀出選擇線520被置為有效，將像素值選通給列讀出線519。執行可以與在現有技術的成像器內所使用的非常類似的讀出順序，從而在列線519上置為有效的像素值由像素讀出處理電路522內的電容器或其他電路採樣。這個順序可以包括對像素的無條件復位和對在最終讀出任務內用作像素的零基準的復位值的附加採樣。在這個優選實施例中，要讀出的行的行地址在地址總線534上被置為有效，因此要讀出 的像素的積分周期標識標誌出現在存儲器533的輸出線532上。作為 行讀出過程的一部分，允許寫入線526被置為有效，以將要讀出的像 素的積分周期標識標誌存儲在標誌緩衝存儲器507內。任務優選的是 對於行的所有有效像素並行執行，因此行的每個像素的積分周期是在 重複的列邏輯電路的所關聯的緩衝存儲器507內可得到的。
在這個示範性實施例中，對於讀出順序的第二階段來說，列地址 在列地址總線521上傳送給像素讀出電路522。這個依次遞增的列地 址在電路522內解碼後，用來依次選擇對所採樣的像素值進行模-數 變換和對像素進行處理的列採樣電容器以及將用於該像素的積分周期 選通到總線506上。像素的最終讀出值調整成表示在給定用來獲得這 讀數的積分周期時的適當光強度讀數。用於像素讀出的積分周期的記 錄緩存在存儲器507內。電路522內的列地址解碼邏輯在列被選定時 將輸出線535置為有效，從而使總線驅動器527將存儲在存儲器507 內的積分周期標識標誌選通到總線506上。在電路522內採樣保持的 像素讀出信息選通給讀出總線523，優選的是用來自選通像素的積分 周期標識標誌所用的同 一個列選擇解碼電路的選擇輸出進行選通。在 這個示範性設計中，由於就在完成模-數變換和調整成反映所用的積 分周期後依次讀出，因此給出的是調整成反映積分周期的像素值。
在範圍檢測與讀出同時執行時，有益的是非破壞性讀出所積電荷 的指示，以確定什麼時侯需進行復位。如果採用插針和/或埋入型光電 二極體結構或光選通結構， 一個任選方案是在最終讀出前將電荷傳送 給讀出節點，但是這可能干擾復位和讀出讀出節點的復位值再傳送所 積電荷和在相關的雙重採樣模式中所用的二次讀出。對於這些結構來 說，優選的可以是執行縮短的讀出順序來確定要使用的積分周期。對 於這個任務，可以在讀出的積分開始前增添一個範圍確定周期，並且 可以用 一 系列優選的是與對組合條件復位範圍所說明的類似的行並行 比較任務(也許包括在一個比較任務內的多個門限比較以處理確定多 於一個的復位周期選項)來確定要使用的範圍。所確定的積分周期可
37以分別保存在與相應像素關聯的積分周期存儲器內。這個存儲器值於 是可以在讀出階段期間用來設置每個像素的適當積分周期以及在讀出 時用來讀出像素以適當對讀出值定標。
為了分別確定需使用的專用積分周期，優選的可以是，將確定積 分周期的比較和/或讀出任務安排成使用最短的積分周期的選項首先 確定而使用相繼較長的積分周期的決策再依次確定。然後，用於實際 讀出的這些積分周期優選的是按最長的積分周期首先設置的次序設 置，使得讀出優選地以行並行或部分行並行任務的形式實現，如採用 組合的讀出和積分周期確定順序那樣。如果採用剛才所說明的順序， 需要像素選擇性復位在適當時間啟動積分周期，使得組內像素的所有 積分周期優選地在適當時間結束。採用這個順序，有選擇地將電荷傳 送給讀出節點可以代替對讀出節點的選擇性復位。
在至少 一 個實施例中，成像設備配置成在單個讀出幀的正常圖像
獲取周期期間動態地為每個所需像素分別選擇一個積分周期，這個 積分周期是自動從一個包括有限個各具有一個標識附標的可選周期的
可選積分周期組中選擇的；將給定像素的積分周期設置為所選積分周
期並且將為像素選擇的積分周期的標識附標的指示記錄在與給定像素
關聯的存儲器內；執行積分；在預定時間讀出和數位化像素讀出；以 及將數位化讀出的指示與所選積分周期的指示一起輸出。
在至少一個實施例中，成像設備包括排列成一些各由可並行尋址 的像素組成的組的成像像素陣列，以及包括對當前所尋址的並行可尋 址組內的像素執行各個並行任務的電路。所有像素讀出和復位任務， 包括執行條件選擇性復位任務的任務，都是要對正被訪問的並行可尋
址像素組(parallel addressable group of pixels)的所有有效像素進行 操作。對於所有這些任務，優選的是為在所尋址的並行可尋址組內任 務中受操作的有效像素並行或至少部分並行執行所有以下任務或至少
以下任務的實質性部分像素讀出；像素復位；條件選擇性像素復位; 將部分積分後的像素值與門限相比較；讀和寫與像素關聯的存儲器； 邏輯確定什麼時侯對像素選擇性復位，以及在最終像素讀出時讀出與每個像素關聯的積分周期。在至少一個在這裡所說明的實施例中，可 並行尋址的像素組排列成行，讀出以控制像素變換率和為時鐘和順序 邏輯功能提供較細的定時增量的像素時鐘執行， 一次一行。在這個討
論中，術語"行(row)"替換為更為廣義的術語"並行可尋址組(parallel addressable group)，，。術語"行時間(row time)，，替換為表示用
的復位和選擇性復位任務的'M壬務定序間隔(task sequencing interval)"。術語"像素時鐘(pixel clock)"替換為更為功能描述 性術語"定序時鐘(sequencing clock)"。可以理解，本發明的原理 不局限於讀出以一次一行方式執行或時鐘直接依賴於像素率的設備， 而是可以擴展到由"並行可尋址組"、"所關聯的任務定序間隔"和 "定序時鐘，，所蘊涵的更為廣義的範圍。並行可尋址組的每個像素根 據它對所曝光的光的響應設置積分周期，而並行可尋址組內的每個像 素在所關聯的任務定序間隔期間在部分並行讀出任務中被讀出。陣列 的像素具有選擇性復位能力，從而可以逐像素選擇每個並行可尋址組 的像素，予以復位。像素優選的是還包括提供在部分積分後優選的是 非破壞性讀出所積電荷的優選的是模擬的指示。為了獲取特定的圖像， 成像設備優選的是配置成可以通過使用選擇性復位能力為每個有效像 素從一個優選的是預定的可用積分周期組中選擇一些越來越短的積分 周期。可用積分周期組的每個可用積分周期優選的是各用 一個所關聯 的積分周期標識附標(integration period identifying index )標識。陣 列中的每個有效像素各有一個存儲單元，用來存儲本像素進行積分的 積分周期的積分周期標識附標的指示。為了開始新的讀出，每個像素 無條件復位成開始它的最長的可用積分周期，而它所關聯的存儲單元 初始化成指示最長的可用積分周期的積分周期標識附標。在給定像素 的最長的可用積分周期期間，在這個周期期間的一組預定時間中的每 個預定時間，像素經受有條件地啟動可用積分周期中一個較短周期的 條件選擇性復位任務。 一般意向是提供一些條件復位準則，這些條件 復位準則可以很好利用每個像素的滿標量程，而使積分周期短到足以使每個像素會飽和的概率低到可以接受。如在本說明中別處詳細說明 的那樣，有選擇地復位每個像素的每個判斷部分取決於在部分積分後 (即在部分完成像素的當前有效的積分周期後)所讀出(優選的是以 模擬形式)的所積電荷的指示與預定的門限量(預定的門限量可以是 恆定的，也可以取決於施加到像素上的積分周期或許還有像素在陣列 內的位置或其他變量)的比較結果。每個選擇性復位任務用來有條件 地啟動可選積分周期組內 一個依次較短的積分周期。每當 一個像素被 復位、開始一個較短的積分周期時，與這個像素關聯的存儲器內的對 於所關聯的像素的當前有效積分周期的標識附標就被更新成指示正啟 動的積分周期的標識附標。最終的像素復位確立了用來讀出像素的積 分周期。在這個對於給定讀出周期的對給定像素的相繼復位任務的優 選順序中， 一旦由於部分根據比較任務的結果得出的判斷而繞過一個 對一個像素的條件復位，在讀出這個像素前就不再對這個像素執行復 位。為了貫徹這個準則，根據需要檢驗像素的存儲器指示，如果一個 像素在對它執行的上個條件復位任務中沒有被復位，就禁止再對這個 像素進行條件復位。對於一個條件復位任務，如果像素在對它執行的 上個復位任務中被復位，優選的是這個像素若且唯若對它執行的比較 任務的結果指出像素上所積光感應電荷量超過作為所關聯的可選積分 周期的條件復位任務的一部分與之比較的門限值時才被復位。在對一 個給定像素的積分周期結束時，從與這個像素關聯的存儲單元讀出為
素上所存儲的光i應所積電、荷，優選的是經數位化成數字^像素電荷 量讀出。將優選經數位化的像素電荷量的讀出與來自與像素關聯的存 儲器的用於像素的積分周期的指示配成對。數位化像素電荷量讀出與 為像素所選的積分周期一起指示了像素受到曝光的光強度。這信息通 常被彙編成相關的方便形式，從成像設備傳送給外部設備，或者任選 地傳送給成像設備本身內的另 一個存儲器或圖像處理功能。
在一個示範性設計中，將這些可選積分周期選擇成按規定比例依 次一個比一個短。在至少一個實施例中，每個後繼可選積分周期為上個較長可選積分周期的四分之一，因此在任何兩個相繼可選積分周期
之比標稱為4: 1。這使得8個可選積分周期的最長的積分周期與最短 的積分周期之比標稱為16，384: 1。可以選擇4之外的其他比例，而且 不是所有的相繼可選積分周期必須與前個或後個積分周期相差同樣的 比例，也可以提供多一些或少一些的可選積分周期。在至少一個實施 例中，從最長的到最短的積分周期的大約16,384: 1的範圍使通過數 字化像素上的光感應所積電荷提供的通常大於50dB的動態範圍增加 84dB。這提供了大於134dB的動態範圍，而對於所獲得的每個圖像的 每個像素幾乎都是獨立線性輸出。這些是保守的估計，採用這種設計 的一些變型可達到大大超過l40dB的動態範圍。此外，如在本說明中
別處所詳細說明的那樣，採用10比特的A/D，最小解析度可以好於 100分之一，理論上在大部分總光強度範圍內好於250分之一。如果 採用較高解析度的A/D和/或在可選積分周期內較大範圍的積分時間， 可以擴展動態範圍，而採用較高的A/D解析度或者較靠近的可選積分 周期，可以在整個大光強度範圍內保持大於250: l的最小解析度。
與某些其他大動態範圍成像器相比，在存儲器電路內只需記錄所 選積分周期的附標。在至少一個實施例中，用一個3比特的存儲器項 來存儲它所關聯的像素的當前有效的積分周期的標識附標。與需要存 儲一個完整的或幾乎完整的圖像幀的大動態範圍設計相比較，3比特 的項需要比存儲完整的13比特值所需的四分之一還少的存儲器，從而 節約了相當大的存儲空間。用來標識每個像素的積分周期的存儲器電 路優選的是與成像陣列被製造在同 一個矽基底上，可以任選地由 一些 動態存儲單元構成。每個像素的值只需要被存儲所關聯的像素的整個 積分和讀出周期的持續時間。在實際曝光順序期間所需的有限存儲時 間限制了值需要保持存儲的時間周期，而在條件復位任務期間重複的 存儲器訪問和寫任務提供了附加的自然刷新任務，這些自然刷新任務 限制甚至消除了在使用動態存儲單元時可能需要的附加刷新任務。在 一個示範性設計中，在初始的無條件復位與第一個條件復位之間的 24ms周期是在為存儲器內特定位置提供刷新的相繼存儲器讀寫任務
41之間最長的間隔。對於一些動態存儲器設計來說，可以不需要更為頻 繁的刷新周期。如果需要更為靠近的刷新周期，可以在每個任務定序
間的 一些空閒周期期間插入一些附加的存儲器訪問周期，以按需要提 供 一 些附加的刷新周期。可以通過指配任務定序間隔時間周期中適合 定時要求的這些任務定序間隔時間周期和指配一個定序時鐘計數值 (任務定序間隔和定序時鐘計數在下面定義)啟動執行所增添的刷新 周期的訪問和重寫(根據需要)存儲器單元的刷新任務，將這些刷新 任務結構和調度為在每個任務定序間隔期間的一個或幾個非常像所增 添的條件復位任務的刷新任務。由於不同的對定序時鐘計數值的選擇
間周期是非常小的，所以可以選擇定序時鐘計數時間中不幹擾並行可 尋址組讀出的可用間隔或已經安排在任務定序間隔期間的這些復位間 隔之一來提供所增添的存儲器刷新周期。
選擇一些按比例一個比一個短的積分周期允許在任何兩個相鄰
積分周期之比比較小(在至少一個實施例中為4)但仍可以適當少量 的可選積分周期提供非常大的積分時間範圍(在以上引用的示範性設 計中以8個可選積分周期提供16,384: 1的積分時間範圍)。有一種 著眼於8個可用積分周期和標稱最長積分周期為32ms的傾向，推斷 處理每個積分範圍可用的是標稱32ms/8或4ms。帶著這個觀點，容易 忽視在由啟動次最短可選積分周期與最短可選積分周期之間的非常短 的時間間隔(在至少一個實施例中為6 ps)給出的可用處理時間上所 增添的定時限制以及為了使成像器能在這樣短的時間間隔內對多個像 素執行所要求的操作而形成的對調度和硬體性能的要求。在本發明的 至少 一個實施例中，用巻簾式快門作為出發點再增添一些功能部件的 新穎組合，來提供在不同的可用時間周期(包括那些非常短的可用時 間周期)期間執行必需的任務的必需設備功能，以得到特別寬的逐像 素動態範圍。像素被劃分成一些讀出和復位任務的並行可尋址組，而 並行可尋址像素組的讀出是按在用來讀出圖像幀的所有並行可尋址像素組的時間周期內由任務定序間隔提供的均勻時間增量分配，優選的 是逐任務定序間隔和所關聯的並行可尋址組分配。為每個像素選擇和 確立適當的積分周期也在任務定序間隔內調度和組織。優選的是，讀 出 一個並行可尋址組內的像素至少部分並行執行，在相繼的任務定序 間隔期間一次一個並行可尋址組，將所選的並行可尋址組的一些像素 值傳送給一組採樣電路。然後，優選的是將在採樣電路組內的與像素 有關的值調整和數位化(可任選的是按順序)成反映指示所採樣的並 行可尋址組的每個像素的光感應所積電荷的數位化讀出。對於每個像
素來說，再將指示光感應所積電荷的數位化讀出與從本像素所關聯的 存儲器項讀出的本像素的積分周期的指示配成對。像素讀出和讀出的 積分周期一起表示像素所檢測到的光強度，像素所讀出這個光強度指 示從成像設備輸出。
在一個具有8個可選積分周期的示範性設計的圖像獲取序列中， 為每個可尋址組的像素調度9個任務，以完成對可尋址組的像素的積 分和讀出。這些任務包括無條件復位和多個條件復位(在第一個可選 積分周期後的每個可選積分一個條件復位)，以便在任務定序間隔內 根據順序計數通過在適當的任務定序間隔內適當時間調度和執行每個 所需任務在適當時間有條件地啟動可選積分周期。最後，在給定並行 可尋址組的像素的這些積分周期結束時，調度對可尋址組內的像素的 讀出。在所引用的這個示範性設計中，必須為每個並行可尋址像素組 調度8個分開的任務(每個可選積分周期一個任務)，以啟動或者有 條件地啟動並行可尋址組的每個有效像素的每個可選積分周期。在將 對於給定可選組的像素的所有可選積分周期啟動成無論所選的具體積 分周期是哪個都使它們同時結束的優選結構中，啟動給定並行可尋址 組內的像素的各個可選積分周期通常不是發生在同一個任務定序間 隔。在所引用的具有8個可選積分周期的這個示範性設計中，對於一 個給定並行可尋址組的三個最短的積分周期在同一個任務定序間隔內 不同的定序時鐘計數處啟動，而對於給定並行可尋址組的其餘五個可
43動，因此對於所引用的這個示範性設計來說，對於一個給定並行可尋
址組的各個任務由總共7個不同的任務定序間隔定序。可以具有與在 一個幀讀出順序內的任務定序間隔一樣多的有效並行可尋址像素組， 因此通常在每個任務定序間隔期間為某個可尋址像素組(為是有效的 每個所尋址的可尋址像素組)執行讀出任務和一個分開的啟動或有條 件地啟動每個可選積分周期的任務。對於以上所引用的這個示範性設 計，在每個任務定序間隔期間調度讀出任務加上8個復位或條件復位 任務，通常在一個給定任務定序間隔內執行的9個任務選擇7個不同 的可尋址組，這7個不同的並行可尋址組包括在所關聯的任務定序間 隔期間為條件啟動三個最短的積分周期中每個積分周期調度的一個並 行可尋址組。如果所尋址的是沒有配備的或者是非有效的並行可尋址 組，硬體就配置成使這些任務是無害的或者使這些任務是受禁止的。 在以上說明中，在一個給定任務定序周期內所調度的任務包括各自對 不同的並行可尋址組操作的任務。
任務定序時間間隔被分成一些稱為定序時鐘周期的任務定序時 間間隔子增量，而定序時鐘周期的計數通常在每個任務定序間隔開始 時初始化後逐漸遞進，以提供任務定序時間間隔內的時基。對於應用 串行數位化和/或輸出像素的設計來說，將定序時鐘周期方便地選擇成 與像素處理率有關。在傳統的術語中，像素行與並行可尋址組相應， 行處理時間間隔與任務定序時間間隔相應，而列或像素時鐘計數時間 間隔與定序時鐘計數時間間隔相應。並行可尋址組內的像素的讀出優 選的是至少部分以並行方式執行，為讀出以及為任務的調度和執行指 配所關聯的任務定序間隔，以便在任務定序間隔期間為無條件復位或
中的一個正確的積分周期。啟動一個給定可尋址像素組的像素的可選 積分周期中一個給定可選積分周期的每個無條件和條件復位任務在一 個任務定序間隔內和在這個任務定序間隔內的一個定序時鐘計數範圍 內調度和執行，這提供了適當個插入任務定序間隔和小數任務定序間 隔(定序時鐘偏移計數)，以提供特定的可選積分周期的正確持續時間。 一個特定的積分周期內的整任務定序間隔的個數用作粗時間增量 而附加的定序時鐘計數偏移值用來提供細時間增量，以確定特定的可 選積分周期的持續時間。在任務定序間隔期間，完成對可尋址組的讀 出和所關聯的對像素的數位化和輸出。優選的是，整個行讀出任務的 並行部分只佔整個任務定序間隔時間的比較小的部分。在任務定序間 隔的其餘部分期間，在一些特定時間，優選的是基於定序時鐘計數， 並行可尋址像素組中各個像素的各自可選積分周期經受所調度的復位 或條件復位任務，以在所調度的時間啟動或條件啟動可選積分周期，
序任務期間讀出的像素確立了積分時間。在分配給任務定序間隔的這 些定序時鐘計數結束時，用定序時鐘計數來將任務定序間隔標識附標 定序成指向下一個任務定序間隔和所關聯的並行可尋址組，並且開始 一個新的任務定序時間間隔。
各個具有任務定序間隔和它們所關聯的並行可尋址組和具有它 們的定序時鐘時間單元的圖像幀通常以 一種重複的逐幀、逐任務定序 間隔和所關聯的並行可尋址組和逐定序時鐘計數的節奏定序。每個任 務定序間隔賦予一個標識它在圖像幀截獲順序內的位置的標識附標。 任務定序間隔內的定序時鐘計數值(或者相應的像素位置)賦予數字 附標值，使得在這個幀的圖像截獲順序內坐標可以用包括任務定序間 隔標識附標和定序時鐘計數值或序號的坐標值對表示。這些任務定序
的電路內的硬體寄存器內，以對圖像獲取序列內的各個事件，包括積 分周期時間間隔的控制、並行可尋址組的選擇、組內像素的選擇、硬 件組件的選擇和圖像獲取序列內事件的啟動，進行定序。
通過圖像幀、通過幀的相繼任務定序間隔和通過任務定序間隔的 定序時鐘計數範圍依次累進有些類似於一個時鐘， 一個小時可以與一
個具有60分鐘的圖像幀掃描時間相比擬，各分鐘可以與具有60秒的 任務定序間隔相比擬，而每秒可以與定序時鐘計數時間相比擬。這是 不嚴謹的比擬，因為在一個示範性設計中圖像幀獲取時間大約為32毫秒，分成419個任務定序間隔和所關聯的並行可尋址組，每個分成 626個定序時鐘周期或像素時間，每個像素時間大約持續0.125微秒 (在上面引用的這個示範性設計中，行掃描時間用作任務定序間隔， 而像素時鐘用作定序時鐘)。
時間間隔，諸如積分時間之類，方便地通過對作為粗時間增量的 任務定序間隔的計數和附加的作為細時間增量的出現在任務定序節奏 的起點與終點之間的定序時鐘計數偏移確定。 一個任務可以從在掃描 順序內一個具有其標識附標的定序間隔和在開始任務定序間隔內的開 始定序時鐘計數處開始和在掃描順序內一個具有其標識附標的任務定 序間隔和在結束任務定序間隔內結束定序時鐘計數處結束。使用任務 定序間隔和定序時鐘計數作為時基，時間間隔可以用表示時間增量的 粗部的任務定序間隔的個數和表示時間增量的細部的定序時鐘計數偏 移來表示。優選的是，時間增量的細部表示為間隔在結束任務定序間 隔內結束的定序時鐘計數減去間隔在開始任務定序間隔內開始的時鐘 計數所得到的帶符號的差。為了表示積分周期的時間間隔，優選的是 使用模運算取進行讀出的結束任務定序間隔的標識附標減去進行復位 以開始積分周期的開始任務定序間隔的標識附標所得到的差。結束積 分，通常出現讀出，在任務定序間隔周期內早些的低定序時鐘計數處， 而積分周期通常在它們各自的任務定序間隔內遲些的較高定序時鐘計 數處開始，從而積分周期的定序時鐘計數偏移計算為積分周期結束時 的定序時鐘計數(在任務定序間隔內)減去積分周期開始時的定序時 鍾計數(在任務定序間隔內)。這個結果是帶符號的，因此可以是負 的。在至少一個實施例中，優選的是在一個任務定序間隔內將讀出像 素的定序時鐘計數時間的範圍選擇成使得在這個範圍內讀出前有效積 分結束的定序時鐘計數對於每個任務定序間隔是相同的，從而可以標 為一個已知的積分周期結束的定序時鐘計數值。在以下說明中，將給 定任務定序間隔的標識附標指定為等於在給定任務定序間隔期間要讀 出的並行可尋址組的地址。作為又一個任選方案，可以加上對讀出幀 的起始地址的偏移來計算物理像素位置。此外，將相繼的定序任務周期標識附標值指定為一些從與幀掃描順序開始相應的值逐漸遞增到與 幀掃描順序結束相應的值的相繼整數。這便於硬體實現，因為可以用 任務定序間隔標識附標直接選擇要讀出的並行可尋址組，而選擇並行
一個積分周期的"前瞻(look ahead)"功能通過用適當的模運算將 積分周期的任務定序間隔的個數加上用來選擇要讀出的並行可尋址組 的並行可尋址組地址來實現。於是，在復位或條件復位任務後，隨著 掃描節奏的繼續，施加了復位任務的並行可尋址組在經過了由以所加
的任務定序間隔的個數表示積分周期的值確定的任務定序間隔的個數 後將被讀出。此外，如果將復位或選擇性復位並行可尋址組的定序時 鍾計數範圍選擇成使得復位在相對積分周期結束時的定序時鐘計數的 所規定的、帶符號的定序時鐘計數偏移處出現，復位將以正確的任務 定序間隔數和正確的定序時鐘計數偏移間隔執行，以在將得到所需的 積分周期的時刻啟動積分周期。因此，通過使用模運算將積分周期內 的任務定序間隔個數與任務定序間隔標識附標相加、在為啟動復位預 先選定的提供相對為結束積分周期所選的定序時鐘計數時間有所需帶
位任務，結合選擇所需積分時間的所需帶符號的定序時鐘計數偏移， 提供在所需個數任務定序間隔上的積分。
並行讀出的像素組的積分間隔，優選的是使用與對讀出分組相同 的對這些任務分組方式，並行予以復位或條件復位。在至少一個實施 例中，提供了適當的執行並行條件像素選擇性復位任務的並行比較、 邏輯和存儲器訪問功能。許多組件，包括並行可尋址組選擇、任務定
序間隔偏移加法器、列讀出線、像素所關聯的存儲器訪問和並行條件 復位比較設置和邏輯電路，由各個積分周期專用無條件或選擇性復位 任務和由並行可尋址組讀出功能可能還由附加的存儲器刷新功能共 享。為了避免在使用硬體資源中的衝突，並行可尋址組讀出、每個啟 動專用可選積分周期和附加存儲器刷新操作在預先指定的表徵為防止 在每個任務定序間隔期間爭用共享資源的基本上不相重疊的時間間隔內(或者根據需要在指定為共享資源可用的時間間隔期間)執行。在 一個優選實現中，這個目的是通過提供一些基於硬體的任務調度功能 來達到的，這些任務調度功能將並行可尋址組讀出、無條件復位和各 個條件復位任務(每個條件可選積分周期一個)定序成使得這些任務 分別在任務定序間隔期間基本上不相重疊的定序時鐘計數範圍內執 行。此外，如果需要，還可以將存儲器刷新任務添加到在基本上不相 重疊的定序時鐘計數範圍上執行的任務的列表內。為了以避免資源使 用衝突的方式進行這種調度，每個特定任務優選的是在每個任務定序 間隔期間達到預定的定序時鐘計數時啟動，這些預定的定序時鐘計數 被選擇成使得會衝突的任務不相交疊。優選的是，為歷經相繼幀的並 行可尋址組地址中的每個任務定序間隔執行剛才所說明的順序。每當 施加適當偏移後選擇一個具有處在有效區域內的像素的並行可尋址組 時，執行所定序的任務，但是在一個所尋址的並行可尋址組不在有效 成像區域內時遏止或者以沒有不良影響的方式執行所定序的任務。通 過每當所尋址的是一個具有處在有效圖像區域內的像素的並行可尋址 組時執行並行可尋址組讀出和每個復位和條件復位任務，就為每個具 有有效像素的並行可尋址組執行了所有任務。
有兩組可能衝突準則，用來為並行可尋址組讀出和啟動各個積分 周期的復位任務選擇定序時鐘計數範圍。第 一準則是為任務定序間隔 內任務指派提供定序時鐘計數範圍，以便以共享資源在需要時可得到 的方式執行不交疊或至少部分不交疊的並行可尋址組讀出和復位任 務。可能衝突的第二準則是為任務定序間隔內任務指派提供定序時鐘 計數範圍，以便執行提供相應的定序時鐘計數偏移的並行可尋址組讀 出和復位任務，確立每個可選積分周期的所需積分周期。在一個示範 性設計中，示出了滿足這些準則的組合的範例。通過將任務定序間隔 內的定序時鐘計數範圍選擇成適當設置積分時間周期和檢查任務指派 的交疊的定序時鐘計數範圍和/或在使用資源中的衝突可以發現衝突。 由於較短的積分周期而出現的衝突往往通過在設計中的小調整，諸如 將所有的積分周期都用一個小的因子定標或者在每個任務定序間隔的
48定序時鐘周期數上作小的改變之類，來解決。對於較長的積分周期， 定序時鐘偏移的改變相對在這些積分周期內數量很多的任務定序間隔 內的時間來說對積分周期的影響可以非常小，因此往往可以將這些任 務的定序時鐘範圍調整成在使用資源中避免爭用5而對最終得到的積 分周期影響極小。
可以將積分周期選擇成(如在一個示範性設計中那樣)使得一個 比一個短的積分周期提供像素對每個積分周期的有效靈敏度與像素對 下一個依次較短的積分周期的有效靈敏度之比等於用來表示讀出的記 數制的指數的底。例如，在一個示範性設計中，將每個依次較短的積 分周期選擇成為所緊接的較長的積分周期的四分之一 ，得到對每個依
次較短的積分周期的靈敏度相應減小為標稱4: 1。此外，將指配給積 分周期的標識附標(標為i)在一個示範性設計中選擇成將0指配給最 長的積分周期而對於7個依次較短的積分周期所指配的附標逐漸增大 到7。設a表示在像素上的光感應積分電荷的A/D讀出。設b表示對 於優選的是以近似線性形式表示光強度的讀出的數字表示的指數的 底。於是，光量v可以表示為
v = a.b'
或者表示為
v = a.4'
其中，a為像素的A/D讀出，i為用來得到讀出的積分周期的附 標，而4為底b，通過將相繼的積分周期選擇成每個標稱為上個較長 的積分周期的四分之一確定，因此靈敏度減小的相應因子為4。這也 可以表示為
v = a.221
在二進位格式中，對於i從0至7的值，可以通過將O指配給二 進位數的比特0和將i的比特0至2分別指配給二進位數的比特1至3 來得到。可以用包括剛才所概述的示範性過程的各種過程將數v方便 地映射成浮點格式。在以指數記數給出的讀出中，優選的是將以上的 a直接映射或任選地定標和映射成尾數，而將i或2i根據底酌情用任選的偏移和/或比例因子映射成指數。
作為一個任選方案，可以使用以上的像素值的指數表示，以便變 換成對數形式。為了將像素值變換成對數形式，優選的是首先將值標 準化，以將二進位或小數點置於優選位置(類似於調整指數和尾數，
對於科學記數法為非零值提供值大於或等於1而小於10的尾數)。然
;。可以將指數^適當定標i添加給尾數的對數:、以提供像素的對數 值。適當選擇可選積分周期的輻射測量間隔，比例因子可以是允許直
接將指數插入尾數的對數的2的整數冪，以提供像素讀出的對數值。
16比特的浮點格式是特別適當的，因為它只需要比在這個示範性 設計中得到的13比特的像素讀出多出3個比特。在開放的圖形格式的 版本中使用的稱為半浮點的16比特浮點格式OpenGL，這個格式對於 一定的圖形處理功能是已經得到承認的16比特浮點格式的一個例子。 半浮點格式將一個比特用於符號、5個比特用於指數和IO個比特用於 尾數。作為一個例子，可以通過將符號比特和指數的最高有效比特和 最低有效比特設置為零以及將3比特的指數i(如以上所說明的那樣指 配的積分周期標識附標)映射成指數的3個中間比特和將表示像素的 光感應所積電荷讀出的10比特A/D值映射成尾數的IO個比特，將以 上的光讀出值v映射成半浮點格式。這個值可以任選地標準化和/或定 標。如果需要的話，可以將這些任選方案留給圖像數據所傳送到的處 理電路來實現。因此，作為本發明的示範性設備的像素級讀出結構一 部分的這種新穎的極大動態範圍的指數格式可以以標準化的浮點格式 或者任選地以可以方便地映射成如剛才所例示的標準浮點格式的格式 輸出。對於許多應用來說，用基於指數和尾數的像素值輸出格式可以 自動化和簡化對在非常大的甚至是全動態範圍內的圖像像素值的處 理，以便使用這些大部分甚至完全消除了幾乎所有現有技術的成像系 統所固有的為了使圖像合乎積分範圍而獨立執行的曝光量跟蹤和調整 的示範性成像設備。
現在，從任務、資源和調度的角度來看成像陣列。成像陣列具有
50一系列組織成多個並行可尋址像素組(在一個示範性設計中為像素行) 的像素。可以將每個並行可尋址組的像素編址成作為一個組來選擇， 以對它們執行，優選的是以至少部分並行的方式執行作為圖像獲取序 列部分的基於硬體的任務。對於要獲取的每個圖像幀，需為成像陣列 中的每個像素執行的個別調度的任務包括讀出、數位化和輸出的任務， 或者任選地對像素執行的其他任務，以及在為像素啟動每個可選積分 周期時執行的啟動積分周期或條件啟動新的積分周期的任務。在一個
示範性設計中包括8個可選積分周期。因此，對於一個示範性設計來 說，對於每個像素有9個任務需調度和執行，以獲取本像素的讀出。 作為一個任選方案(並非優選方案)，可以用作為上個對給定像素的 讀出任務的一部分的復位來啟動這個像素的可選積分周期中最長的可 選積分周期，而作為第二個任選方案，可以將積分周期中最短的組合 為像素的加長讀出任務部分。無論是哪個任選方案都應是本發明的一 部分，但是並不是優選的，因為每個都對靈活性有所限制。在任何情 況下，對於這個示範性設計來說，對於每個像素，有7個至9個用於 讀出和像素復位的任務加上一些用於諸如存儲器刷新之類的可能附加 任務需分別調度和執行，以確立適當的可選積分周期和讀出像素。可 以將這個例子方便地擴展到用於其他數量的可選積分周期，而這樣的 擴展也應是本發明的一部分。為所獲取的每個圖像幀的每個有效像素 執行這些分別調度的任務。此外，依次縮短的積分周期的積分時間如 果成比例或按幾何級數減小，那些較短的周期就非常靠近，如在別處 所提示的那樣。在保證在所需時間完成必需任務的優選成像設備中 執行基於並行硬體的條件復位任務；確立(優選的是以逐個像素的方
式)所獲取的每個圖像的每個像素積分周期；部分根據部分積分後所
指示的像素值(優選的是以模擬形式)與門限值的比較結果為每個像
素選擇較短的可選積分周期；通過在按原來預定的調度完成積分的正 確時刻執行對像素的選擇性復位啟動新的較短的積分周期；在圖像獲 取周期期間和在完成積分周期和最終讀出以及像素值數位化前為像素 的最長可選積分周期分配的時間期間確定用來讀出每個像素的可選積分周期；對於所獲取的每個圖像，像素值只數位化一次；每個像素當
前進行積分的積分周期的指示隨著每個為本像素啟動的新的條件可選 積分周期的啟動予以記錄。
釆用以上筒要說明的任務和資源，主要焦點在這裡是給定圖像獲 取序列的組織和調度。優選的是，成像設備具有調整諸如選擇復位任 務的"比較門限，，以及包括在一個幀內的任務定序間隔個數、在一個 任務定序間隔內的定序時鐘周期個數和定序時鐘周期的數字持續時間 的有效"圖像幀大小"之類的許多參數的靈活性。可選積分周期的使 用和可選積分周期的個數優選的是也是可編程的。像素被組織成一些 並行可尋址組，組內的像素是以至少部分並行方式可訪問的，從而可 以通過發布並行可尋址組的地址來執行任務。帶有有效像素的並行可 尋址組優選的是在每個並行可尋址組內含有同樣數量的有效像素。圖 像獲取間隔將是在以連續截獲模式工作時在截獲一個圖像與截獲下一 個圖像之間的間隔。圖像獲取間隔被分成一系列任務定序間隔，這些 任務定序間隔優選的是具有同樣的持續時間，而且優選的是充滿了圖 像截獲間隔。優選的是，存在至少與帶有有效像素的並行可尋址組一 樣多的任務定序間隔。任務定序間隔被分成優選的是數量固定的計數 定序時鐘周期。優選的是，在一個任務定序間隔內存在至少與在一個 可尋址組內的有效像素一樣多的定序時鐘周期。優選的是，指配同樣
隔的附標，而更為優選的是在一個任務定序間隔有效時調度對同樣編 號的並行可尋址組中的像素的讀出。還優選的是按與任務定序間隔成 為有效相同的相繼次序將地址指配為相繼的整數。這樣，可以與加法 或減法一起使用模運算，以在硬體中和在積分周期的計算中處理地址 偏移，其中，定時控制優選的是基於任務定序間隔的個數和根據定序 時鐘周期的個數得出的任務定序間隔的小數部分。
採用以上規定和術語對每個可尋址組的讀出在相應的任務定序 間隔期間調度。讀出任務優選的是含有對並行可尋址組的有效像素基 本上並行執行的部分。在讀出的這個基本上並行執行部分期間，積分周期在預定的定序時鐘計數時結束，來自每個像素的模擬信息被傳送 給所關聯的採樣電路。讀出任務的基本上並行執行部分優選的是在定 序時鐘周期的預定範圍內定序。讀出的並行執行部分佔用任務定序間 隔的 一個比較小的部分，而這間隔的其餘部分可用於包括復位和選擇 性復位任務的其他一些任務。對於調度復位任務來說，有一些可以觀
察調度安排的有利視角。在與一個示範性設計有關的圖l和2中，可 以對這兩個圖中和有關說明中的行和列或像素值作如下比擬行時間
組；以及像素時鐘或計數比擬為更為廣義的定序時鐘計數。圖1和2
各示出了對陣列的僅一個行的行讀出任務，並且示出了對示為要讀出
的這個行內的像素執行的無條件行復位和7個條件復位的行和列偏
移，用以確定和選擇行的每個像素的適當可選積分周期，使行為讀出
作好準備。在這個觀察中，我們從被讀出的行開始，回顧使這行為讀
出作好準備而執行的復位和條件復位任務。每個並行可尋址組的有效
像素在超過一個任務定序間隔期間經受條件復位任務。
現在從著眼於為在特定的任務定序間隔期間執行而調度的任務
的列表的角度來觀察任務調度的情況。在一個給定的任務定序間隔內，
調度一個讀出一個所關聯的並行可尋址組的有效像素的任務，以及調 度一些各與可選積分周期之一關聯的復位任務。在這個任務定序間隔
期間，調度一個對並行可尋址組的像素進行無條件復位的無條件復位 任務，為這些像素啟動最長的積分周期。其餘的復位任務各與較短的 可選積分周期中的一個特定的可選積分周期關聯，被配置成逐像素地 對像素進行選擇性復位，以有選擇地啟動所關聯的被選擇性復位的像 素的較短的積分周期。在任務定序間隔期間，配置了與每個可選積分 周期關聯的復位任務。與讀出一個並行可尋址組的有效像素關聯的這 些並行任務在任務定序間隔內的一些定序時鐘時間範圍內調度，而行 讀出的不需要使用與復位任務共享的資源的部分，諸如對在行讀出任 務的並行部分採樣的像素值數位化，通過任務定序間隔的其餘部分調 度。每個可選積分周期一個的復位任務優選的是在讀出任務的並行任
53務後通過任務定序間隔的其餘部分調度，調度安排成防止對共享資源 的爭用和在任務定序間隔內提供啟動具有所需持續時間的可選積分周 期的定序時鐘計數處按需要無條件或有選擇地啟動一個個像素的積分 周期。對於每個所調度的復位任務，根據與復位關聯的可選積分周期
行可尋址組(在一個示範性設計中為"行")，從而提供所需的積分 周期。通過在每個任務定序間隔內對所選擇的可尋址組內的有效像素 按同樣的定序時鐘間隔重複地執行同 一個任務列表內的這些任務，所 有的像素讀出任務按預定調度的預定次序執行，而所有的無條件和條 件復位對每個有效像素執行，以為像素選擇可選積分周期中的適當可 選積分周期。
對於每個並行可尋址組， 一旦為完成一個圖像讀出了像素，就可 以開始為截獲下一個圖像的積分。隨著漸進性地逐任務定序間隔所關 聯的並行可尋址組讀出圖像的像素，以上所述意味著，對於逐個截獲 相繼圖像的工作模式，截獲下個圖像幀的圖像的積分周期可以在上個 幀的所有像素的積分和讀出完成前就開始。此外，隨著依次逐任務定 序間隔所關聯的並行可尋址組讀出處理，像素值依次按預定順序讀出， 對於每個所獲取的圖像，正好從每個像素得出一個像素值。可選積分 周期調度和安排成使得讀出根據不取決於為各個像素所選擇的個別積 分的預定調度進行。這樣，經數位化的像素值對於每個圖像的每個有 效像素來說恰好獲取一次，以已知的預定次序給出，供直接輸出或進 一步處理，而不必在圖像獲取過程中為一個像素獲取多個讀出時或者 在為大部分陣列上的像素逐步進行和有效散布獲取數位化像素值時將 圖像的主要部分緩存起來以便對像素重新排序或供值選擇用。對於陣
列中的每個像素像素的積分周期從可選積分周期的有限集合中選擇； 記錄所選積分周期的指示；調度使得在圖像截獲順序內的預定時間結 束所選積分周期以及讀出和數位化像素值。
首先參見圖6，為了例示起見，自動車輛設備控制系統606示為安裝在受控車輛605內。雖然控制系統606示為與內部後視鏡組件整合在一起，但可以理解，控制系統或其任何獨立組件可以安裝在受控車輛605內部或外表任何適當位置。術語"受控車輛"在這裡是指包括自動車輛對外燈控制系統的車輛。安裝所關聯的圖像傳感器的適當
位置是那些可以對通常在受控車輛605前方的景像進行自由觀察的位置，從而允許圖像傳感器檢測在與受控車輛關聯的眩目區域608內迎面而來的車輛615的前燈616和在前面行-駛的車輛610的後燈611。
圖7示出了包括裝有自動車輛對外燈控制系統的內部後視鏡組件706的受控車輛705。處理和控制系統的功能有向成像器發送配置數據、從成像器接收圖像數據、處理圖像和產生對外燈控制信號的功能。這樣的自動車輛對外燈控制系統的詳細說明可參見共同轉讓的美國專利No. 5,837,994， 5,990,469， 6,008,486， 6,130,448， 6,130,421， 6，049，171，6,465,963， 6,403,942， 6,587,573， 6,611,610, 6,621,616, 6,631,316和美國專利申請No. 10/208,142, 09/799,310， 60/404,879， 60/394,583，10/235,476， 10/783,431， 10/777,468和09/800,460，這些專利文件在這裡全部列為參考予以引用。受控車輛還示為包括駕駛員外側後視鏡組件710a、乘客外側後視鏡組件710b、中央高安裝停車燈(CHMSL)745、 A-柱燈750a和750b、B-柱燈755a和755b和C-燈柱760a、760b;可以理解，這些位置中任何一個位置都可以用來安裝一個、幾個圖像傳感器或者有關的處理和/或控制組件。可以理解，任何或所有的後視鏡可以是自動消光的電光鏡。受控車輛示為包括許多對外燈，其中有前燈720a和720b、氣象燈730a和730b、前轉彎指示/障礙燈735a和735b、後燈725a和725b、後轉彎指示燈726a和726b、後障礙燈727a和727b以及倒車燈740a和740b。可以理解，可以配置附加的對外燈，諸如獨立的低光束和高光束前燈、包括多用照明的綜合燈之類。還可以理解，任何對外燈可以配有調整給定的對外燈所關聯的主光軸的位置控制器(未示出)。可以理解，圖7的受控車輛通常只是例示性的，
可以將諸如在這裡列為參考予以引用的專利和專利申請中所揭示的那t匕適當的自動車輛對夕卜燈控制系統與在這裡所說曰/考予以引用的公開內所揭示的其他功能部件一起使用。
現在來看圖8a和8b,圖中示出了內部後視鏡組件800a、 800b的一個實施例。反光鏡組件包括封在前外殼885a、 885b和後外殼8卯a、890b內的固定附件組合。前外殼包括給定圖像傳感器可視開口的孔徑886b。固定的附件組合與後視鏡一起由連接件855a、 855b承栽。後視鏡包括反射鏡外軍860a和860b、座圏861a和861b以及反光鏡862a。線蓋894a、 894b用來遮蓋有關的接線815b。後視鏡組合800a、800b還裝有環境光傳感器865b、至少一個麥克風866b、眩目光傳感器865a、操作員接口 863a、指示燈864a和至少一個信息顯示器870。
現在來看圖9，圖中示出了附件和後視鏡安裝組合905的分解透視圖。在一個優選實施例中，附件和後視鏡安裝組合提供將可重新定位安裝的內部後視鏡與精確對準的如在共同轉讓的美國專利申請No.10/783,273 ( 7606 )內詳細說明的那樣固定安裝的或者如在共同轉讓的美國專利申請No. 10/645,801中所說明的那樣自動重新定位的圖像傳感器一起安裝的剛性結構，這兩個美國專利申請因此在這裡全部整體列為參考予以引用。優選的附件和後視鏡安裝組合便於讓組合解脫，又保證可重複地使有關組件可靠和精確對準。在至少一個實施例中，將所關聯的成像器用於自動對外車燈控制，為此優選的是將圖像傳感器精確對準。可以理解，除了汽車和消費電子設備應用之外，本發明通常還可以廣泛地應用於光傳感的光學設備。
成像器板910裝有帶透鏡911的圖像傳感器。在一個優選實施例中，成像器板還包括圖像傳感器控制邏輯和定時電路、通信線路驅動器和線束插座913。任選的是，成像器板可以包括接收和至少部分處理從圖像傳感器得到的圖像的處理器。在一個優選實施例中，圖像傳感器和至少一個其他組件集成在一個共同的ASIC內，最好集成在一個共同的矽片上，這些其他組件是從包括l)圖像傳感器控制邏輯、2)A/D變換器、3)低壓差動信號線驅動器、4)溫度傳感器、5)控制輸出線、6)電壓調整器、7)第二圖像傳感器、8)微處理器、9)溼度傳感器和10)指南針的組中選擇的。在至少一個實施例中，帶有透鏡911的圖像傳感器包括透鏡蓋鉤扣部912，用來咬接透鏡蓋920的鉤扣卡921。透鏡蓋有與圖像傳感器和透鏡的光軸對準的孔徑922。可以使用各種適當的光學系統，諸如在共同轉讓的美國專利5，990，469、 6，008，486、6，"0，421、 6,130,448、 6,049,171和6,403,942以及美國專利申請No.60/495,906 (2880)中所示出和說明的那些，這些專利和專利申請在這裡全部整體列為參考予以引用。可以理解，按照本發明的光學裝置可以省去透鏡蓋920，如在這裡詳細說明的那樣。可以理解，使用按照本發明的光學元件就可以不用透鏡蓋鉤扣部、透鏡蓋和鉤扣卡。在至少一個實施例中，"透鏡蓋"如在這裡詳細說明的那樣在模製的有機材料的光學件上用雷射形成。
成像器板配線束(未示出)優選的是在它的各端上配有插頭。成像器板優選的是配有接納成像器板配線束(未示出)的插頭的插座。
圖IO示出了按照本發明的具有帶透鏡1011的成像器的數位照相機1006的輪廓圖。可以理解，按照本發明的光學裝置可以併入許多組合，包括但不限於光傳感、圖像獲取、溼度傳感、後視系統、車道偏離檢測系統、自適應罐控制系統、佔位檢測系統、安全防範系統、視覺系統、測色系統、前燈控制系統、可變反射率後視鏡控制系統、數字錄像機和數位照相機。
應該理解，提供以上詳細說明以使一般熟悉本技術領域的人員能夠實現和使用如在所附權利要求書中所述的本發明。本說明不應被解釋為將本發明的範圍限制在任何所給出的實施例，因此所附權利要求書旨在涵蓋在相應範圍內的所有等效結構和等效功能。
權利要求
1.一種成像設備，包括像素陣列，其中，所述像素陣列中的每個有效像素各自經受包括下列任務的一系列任務為給定像素選擇和啟動可用積分周期並記錄為所述給定像素啟動的積分周期的指示；在至少部分處在所述像素陣列外的場所取得使用所選積分周期在所述給定像素上所積電荷的單個數位化讀出；以及根據所述數位化讀出和所述所選積分周期輸出表示所述給定像素的光強度讀出的信號。
2. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，用像素復位任務 來啟動可選積分周期。
3. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，執行為給定像素 選擇積分周期的任務被限制在對於所述像素可以進行最長的積分的周 期。
4. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，並行可尋址像素 組構成所述像素陣列內像素行的實質部分。
5. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中， 一個或多個可用 積分周期與下一個較短的積分周期之比大約為2的整數冪，所述整數 冪大於1。
6. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，在存儲器內為每 個像素存儲4個或少於4個比特的數據。
7. 如在權利要求6中所述的成像設備，其中，所述存儲器與所 述像素陣列被製造在同 一個集成電路基底上。
8. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，對於每個像素只 取得所積電荷量的一個數位化讀出，對於各像素按預定次序取得數字 化讀出。
9. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，為不同的圖像獲 取序列提供不同的可選積分周期組。
10. 如在權利要求9中所述的成像設備，其中，所述可選積分周 期組中的第 一個可選積分周期用於高於門限的環境光線條件，而所述可選積分周期組中的第二個可選積分周期用於低於門限的環境光線條 件。
11. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，可為一個像素選 擇的所有積分周期同時結束。
12. 如在權利要求2中所述的成像設備，其中，確定對給定像素 復位以啟動一個較短的積分周期至少部分基於將部分積分後在所述給 定像素上積累的電荷的指示與門限量相比較的比較任務的結果。
13. 如在權利要求12中所述的成像設備，其中，比較任務是模 擬的，並且在通常處在所述像素陣列之外的至少一個位置執行。
14. 如在權利要求2中所述的成像設備，其中，如果所記錄的對 於一個像素的有效積分周期的指示表明所述像素沒有在對於所述像素 的前一條件復位任務期間被復位，就為所述像素繞過開始 一 個較短積 分周期的復位。
15. 如在權利要求6中所述的成像設備，其中，動態存儲器被用 於與每個像素關聯的存儲器。
16. 如在權利要求15中所述的成像設備，其中，所述動態存儲 器含有存儲比特值的電容性元件。
17. 如在權利要求15中所述的成像設備，其中，對所述動態存 儲器的刷新任務與其他圖像獲取任務一起被調度。
18. 如在權利要求l中所述的成像設備，其中，並行可尋址像素 組的讀出在圖像獲取序列期間以周期性間隔執行。
19. 如在權利要求l中所述的成像設備，其中，最長的可用積分 周期與最短的可用積分周期之比大於3500。
20. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，除最短的可用積 分周期之外的任何可用積分周期與下一個較短的可用積分周期之比小 於10。
21. 如在權利要求l中所述的成像設備，其中，所述可用積分周 期成比例減小。
22. 如在權利要求1中所述的成像設備，其中，所述可用積分周期按幾何級數減小。
23. —種成像設備，包括劃分成至少16個並行可尋址像素組 的像素陣列，被配置成可以獨立選擇在所述像素陣列內的任何給定並 行可尋址像素組和使所述所選並行可尋址像素組中的有效像素經受至 少一個所規定的任務，其中，至少一個任務是作為對所述所選並行可 尋址像素組中的有效像素的至少一個實質子集同時起作用的單個任務 執行的選擇性復位任務，以確定要選擇性復位的有效像素並且按照確 定結果有選擇地執行所述復位和記錄對每個被復位的像素的復位的指 示，所述任務對所述所選並行可尋址像素組內的像素的至少一個實質 子集並行執行。
24. 如在權利要求23中所述的成像設備，其中， 一個所述並行 可尋址像素組定義了所述像素陣列內像素行的實質部分。
25. 如在權利要求23中所述的成像設備，其中， 一系列Bayer 模式排列的濾光器像素的經共同濾光的像素組定義了並行可尋址像素 組。
26，如在權利要求24中所述的成像設備，還包括復位控制電路 行，行中每個復位控制電路通過所關聯的通信路徑與所述所選並行可 尋址像素組內的一個相應像素連結。
27. 如在權利要求26中所述的成像設備，其中，所述復位控制 電路行配置成以基本上並行的操作方式執行對所述所選並行可尋址像 素組內的像素的選擇性復位。
28. 如在權利要求23中所述的成像設備，其中，有一些比較器 和邏輯電路執行選擇性復位功能，這些比較器和邏輯電路被劃分成一 些類似的功能塊，每個功能塊對所述所選並行可尋址像素組的一個或 多個像素進行操作，而這些功能塊內的邏輯從一個功能塊到下 一 個功 能塊至少部分是相同的。
29. 如在權利要求23中所述的成像設備，其中，並行可尋址組 的像素用與選擇性復位任務部分交疊的順序任務至少部分並行採樣和 數位化。
30. 如在權利要求23中所述的成像設備，其中，第一個並行可 尋址像素組的像素首先被復位，以開始最長的積分周期，接著受到一 系列條件復位的作用，逐像素地對像素條件復位和啟動較短的積分周 期。
31. 如在權利要求30中所述的成像設備，其中，確定對像素復 位以啟動一個較短的積分周期至少部分基於將部分積分後在任何給定 像素上積累的電荷的指示與門限量相比較的結果。
32. 如在權利要求30中所述的成像設備，其中，指示任何給定 像素的當前積分周期的記錄保存在每個像素的相應存儲器內。
33. 如在權利要求32中所述的成像設備，其中，所述存儲器與 所述像素陣列被製造在同 一 個集成電路基底上。
34. 如在權利要求32中所述的成像設備，其中，所述與可尋址 組的像素關聯的存儲器是基本上可以並行訪問的。
35. 如在權利要求30中所述的成像設備，其中，如果在所述存 儲器內對於像素所記錄的值表明所述像素在上個對所述像素的復位任 務期間沒有被復位，就繞過對所述像素的開始較短的積分周期的條件 復位。
36. 如在權利要求30中所述的成像設備，其中，對於每個被讀 出的像素在像素上的所積電荷只數位化一次。
37. 如在權利要求32中所述的成像設備，其中，用動態存儲器 作為與每個像素關聯的所述存儲器。
38. 如在權利要求37中所述的成像設備，其中，所述動態存儲 器含有存儲比特值的電容性元件。
39. 如在權利要求37中所述的成像設備，其中，對所述動態存 儲器的刷新任務與其他圖像獲取任務一起調度。
40. —種成像設備，包括劃分成並行可尋址像素組的像素陣列； 讀出所尋址的並行可尋址像素組中的有效像素的像素讀出任務；以及 多個積分周期啟動任務，各個積分周期啟動任務用來為各個所尋址的 並行可尋址像素組內的所選像素啟動一組可用積分周期中的不同的可用積分周期，所述讀出任務和每個所述積分周期啟動任務在任務定序 間隔內的預定時間啟動，每個任務被繞過或被指配一個具有要對其執 行給定任務的像素的可尋址像素組。
41. 如在權利要求40中所述的成像設備，被配置成提供重複執 行所述任務定序間隔內的任務，以及將不同的並行可尋址像素組指配 給每個任務定序間隔的相應任務，使得基本上所有的任務都對每個並 行可尋址像素組執行，以完成圖像獲取序列。
42. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，確立最長的可條件復位，而每個啟動其餘較短的可選積分周期之一的任務首先逐像 擇性復位啟動所述較短的;分周期。、 ''\ ' … ''
43. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，每個像素的當 前積分周期的指示記錄在存儲器內。
44. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，由特定的任務的時間確立而部分由選來供任務操作的並行可尋址^泉素組的選擇確 立。
45. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，並行可尋址像 素組構成成像幀內的像素行的實質部分。
46. 如在權利要求41中所述的成像設備，其中，在單個圖像獲 取序列期間執行任務定序間隔的這些任務的總次數等於或大於具有有 效像素的並行可尋址組的組數。
47. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，任務定序間隔 內的這些任務調度成使得由所述任務共享的組件一時僅由一個任務使 用。
48. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，在一個圖像獲 取序列內讀出的像素中至少有一些像素的積分周期在讀出上個圖像獲 取序列的所有像素前開始。
49. 如在權利要求40中所述的成像設備，其中，用動態存儲器 作為與每個像素關聯的存儲器。
50. 如在權利要求49中所述的成像設備，其中，刷新所述動態 存儲器的任務在所述任務定序間隔期間提供和調度。
51. —種成像設備，包括像素陣列；可用積分周期組；為基本 上每個像素選擇所述可用積分周期組中的 一個可用積分周期並將所選 擇的可用積分周期記錄在存儲器內；以及在積分周期結束時，將每個 像素上所積電荷量的讀出數位化後以可以直接映射成浮點表示的尾數 的形式輸出，同時將用來讀出所述像素的所述積分周期的相應指示以 可以映射成像素值的浮點表示的指數的形式輸出。
52. 如在權利要求51中所述的成像設備，其中，像素的使用第 一個可用積分周期的靈敏度與使用所述可用積分周期中另 一個可用積 分周期的第二靈敏度之比大約為2的整數冪。
53. —種成像設備，包括至少一個並行可尋址像素組，包括在圖像獲取序列內動態確定的 對於在所述並行可尋址像素組內的每個像素的積分周期的起點；以及對於在所述並行可尋址像素組內的所有像素基本上是同時的、對 於在所述並行可尋址像素組內的每個像素的積分的終點。
54. 如在權利要求53中所述的成像設備，其中，在所述並行可 尋址像素組內的任何給定像素的積分的起點與在所述並行可尋址像素 組內的任何其他像素無關。
55. 如在權利要求53中所述的成像設備，其中，至少一個積分 起點是從可用積分周期組中選擇的。
56. 如在權利要求55中所述的成像設備，其中，所述可用積分 周期組根據圖像獲取序列前的指令得出。
57. —種成像設備，包括二維像素陣列，以及與所述二維像素陣列中的每個像素關聯的用 來存儲為給定像素所選擇的積分周期的指示的存儲寄存器，其中，所 述所選積分周期是根據在圖像獲取周期期間的至少一個比較結果從一組至少4個可用積分周期中選擇的。
58. 如在權利要求57中所述的成像設備，其中，所述存儲寄存 器至少部分在由所述二維像素陣列給定的區域之外。
59. —種成像設備，包括 二維像素陣列；以及圖像獲取序列，包括至少 一個條件像素復位任務； 至少一個積分周期選擇任務；以及 至少一個像素讀出任務。
60. 如在權利要求59中所述的成像設備，其中，所述圖像獲取 序列還包括至少一個無條件像素復位任務。
61. 如在權利要求59中所述的成像設備，其中，所述至少一個 條件像素復位任務、所述至少一個無條件像素復位任務和所述至少一 個積分周期選擇任務是按照在所述圖像獲取序列內的任務定序間隔調 度的。
62. 如在權利要求60中所述的成像設備，其中，所述至少一個 條件像素復位任務、所述至少一個條件像素復位任務、所述至少一個 積分周期選擇任務和所述至少一個無條件像素復位任務是按照在所述 圖像獲取序列內的任務定序間隔調度的。
全文摘要
本發明涉及具有大動態範圍的改進型成像設備和裝有這種改進型成像設備的監視和自動控制系統。
文檔編號H04N5/376GK101637030SQ200780052272
公開日2010年1月27日 申請日期2007年12月14日 優先權日2007年2月9日
發明者J·C·安德勒斯, J·H·貝克特爾 申請人:金泰克斯公司