[发明专利]数字照相机的基于传感器的γ校正

说明书

发明背景

本发明一般涉及利用成像传感器的成像系统，更具体地涉及这样 的成像系统，其具有周期性地重设照相位置的能力并在相同场景内要 求较宽的动态范围的能力。应用的领域可以覆盖较宽范围的领域，包 括但不限于使用成像的检查和测试、数字X射线系统、监控成像应用、 胶片扫描、夜视以及汽车应用。

通过照相机观察的典型场景可具有跨越图像的较宽范围的照明条 件。也就是说，该场景可能具有需要分辨的光照较暗区域中的细节， 同时需要分辨该场景的非常亮的区域，而并不使图像传感器和照相机 系统饱和。传统的基于胶片的照相机由于胶片乳胶的非线性响应，因 而能够同时对场景的光照较暗区域以及该场景的光照较亮区域中的细 节进行分辨。然而，数字照相机具有对光的高度线性响应。这既是有 利的又是不利的。在科学成像应用中，常常需要数字照相机的线性响 应，这是因为后处理算法假定了对光的线性响应，但是在具有光照非 常暗和光照非常亮的区域的场景中的信息范围可能会超过图像传感器 芯片本身的线性范围，或者会超过用来将该信息转换为计算机可读信 息的模拟数字转换器(A/D)的线性范围。如果降低传感器的增益以避免 高亮度区域中的饱和，则光照较暗区域中的细节会丢失。相反，如果 增加增益以捕获光照较暗区域中的细节，则图像的较亮区域将会饱和， 并丢失图像内容。

为了获得与诸如基于胶片的照相机的非线性成像装置类似的性 能，数字成像装置的线性性质因而必须被转换为非线性性质。能够校 正数字装置线性性质的转换曲线或传递函数接近遵循指数函数。成像 工业已经用符号γ来表示该指数值，因此，该转换曲线通常称为“γ 校正”。

通常，通过在捕获图像后对其进行后处理而得到改进的图像显示。 后处理方法通常增加较暗区域(较暗的光照)中的增益并降低较亮区 域中的增益，同时在这两个极端之间的区域中应用中等增益。一个公 知的方法是在A/D转换器将模拟数据转换为数字数据之后使用软件γ 校正。虽然这在较低光级增加了所显示图像的增益，但也降低了在较 低光级的信噪比。因为照度更高处的散粒噪声导致了更不可用的非常 小的灰度级分辨率，因此该方法压缩了较亮光级并损失了信息。例如， 采用该方法，具有12位A/D转换器和12位传感器的成像系统可能实 际上只产生10位有用的数据。

在第二种公知的方法中，在A/D转换器之前包括自动增益控制 (AGC)电路。虽然该方法对于较亮场景和较暗场景之间的转换是有用 的，但它不能有效地处理同时具有较亮和较暗区域的场景。

第三种方法处理对于对数响应的像素输出。虽然这扩大了动态范 围，但响应曲线中的任何特定点处的信噪比(SNR)水平都保持受限， 这是因为在每个光级捕获的光子数量基本不变。SNR的提高需要增加 捕获光子的数量。此外，因为该方法需要基于像素至像素的调整，因 此，由于像素至像素的非线性，可能会出现不期望的伪像。更具体地， 由于装置制造的变化(例如，注入物变化、氧化物厚度变化、偏置线 路电阻变化等)和/或由于非线性区域中像素晶体管的操作，上述非线 性由像素至像素发生变化。

第四种方法首先采用较短的累积时间捕获图像，并采用相对更长 的累积时间捕获第二图像。这两个图像然后通过软件的帮助累积相结 合，该软件从采用较短的累积图像获得的图像获得较亮数据，并采用 相对更长的累积图像获得较暗数据。该方法应用更长时间来捕获图像， 并且有效地累积结合这两个图像的程序较难并容易出错。

图1A示出了典型CCD 100的两个像素10和12。每个像素均为 金属氧化物半导体(MOS)结构，该结构部分地包括传导性的掺杂多晶 硅层116，多晶硅层116在硅衬底118上形成并通过诸如二氧化硅的 绝缘材料114与该衬底分开。当对绝缘材料114上沉积的电极124施 加电压106时，形成了存储区或势阱108(以使用水模拟)。当光撞击 CCD像素(传感器)时，冲击光子产生了电子-空穴对，并且所产生 的电子112存储在阱108中。在电极124下电子112被限制在具有势 垒高度120的势阱108内。在图1A的示例中，示出的像素10和12 暴露于相同的光密度。

参照图1B，示出的像素10暴露于比像素12相对更亮的光。因此， 在阱108填充满电子之后，过量的电子132开始溢出到相邻的、像素 12的阱134中。过量电子的溢出导致图像中的白条纹，并称为晕。