專利名稱：具有降低的照明要求的圖像傳感器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于胃腸(GI)道成像的可吞咽膠嚢相機。具體地，本發(fā)明 涉及適用于膠嚢相機應(yīng)用的光傳感器陣列。
背景技術(shù)：
用于成像活體中的體腔或通道的設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且包括 內(nèi)窺鏡和自動嚢封相機。內(nèi)窺鏡是柔性的或剛性的管，其通過孔或手術(shù)開口 進入身體，典型地經(jīng)嘴進入食道或經(jīng)直腸進入結(jié)腸。圖像在遠端使用透鏡采集，并通過透鏡中繼系統(tǒng)或通過相干光纖束傳輸?shù)缴眢w外的近端。概念上相
似的儀器可以例如使用CCD或CMOS陣列在遠端電記錄圖像，并通過電纜 將圖像數(shù)據(jù)作為電信號傳送到近端。內(nèi)窺鏡允許醫(yī)師進行視場控制，并且是 廣泛接受的診斷工具。然而，它們有很多限制，對病人有風(fēng)險，并且對病人 是侵入式和不舒服的。這些操作的成本限制了它們作為健康普查工具的應(yīng)用。 因為穿過旋繞通道的困難，所以內(nèi)窺鏡不能到達小腸的大多數(shù)部分，并 且需要增加成本的特殊技術(shù)和防范來到達全部結(jié)腸。內(nèi)窺鏡風(fēng)險包括所穿過 的身體器官的可能穿孔以及由于麻醉引起的并發(fā)癥。此外，在操作期間的病 人疼痛和健康風(fēng)險以及與麻醉相關(guān)聯(lián)的操作后的不能工作時間(down time ) 之間必需做出平衡。內(nèi)窺鏡是病人需要住院的服務(wù)，其涉及臨床醫(yī)生的大量 時間，因此昂貴。
處理許多這些問題的活體中圖像傳感器的替代是膠嚢內(nèi)窺鏡檢查。將相 機與無線電發(fā)射機一起裝在可吞咽膠嚢中，該無線電發(fā)射機用于將主要包括 由數(shù)字相機記錄的圖像的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴眢w外的基站接收機或收發(fā)機和數(shù)據(jù)記 錄儀。膠嚢還可以包括無線電接收機，用于從基站發(fā)射機接受指令或其他數(shù) 據(jù)。代替射頻傳輸，可以使用低頻電磁信號。能量可以從外部電感器到膠嚢 內(nèi)部電感器感應(yīng)地提供、或從膠嚢內(nèi)的電池提供。
在授予以色列國防部、序列號5,604,531的美國專利中描述了可吞咽膠嚢 中的相機的早期示例。授予給Given Imaging的許多專利描述了這種系統(tǒng)的更 多細節(jié)，該系統(tǒng)使用發(fā)射機來發(fā)送相機圖像到外部接收機。示例是序列號 6,709,387和6,428,469的美國專利。還有許多給Olympus公司的、描述了類 似技術(shù)的專利。例如，美國專利第4,278,077號顯示了具有用于胃的相機的膠 嚢，其在相機中包括膠片。美國專利第6,800,060號顯示了將圖像數(shù)據(jù)存儲在 原子解析度存儲(atomic resolution storage, ARS )設(shè)備中的膠嚢。
具有內(nèi)部電池的自主嚢封相機的優(yōu)點是可以在醫(yī)院外在病人走動的情 況下以及在只有適中的活動限制的情況下進行測量?；景ò鼑信d趣的 身體區(qū)域的天線陣列，并且該陣列能夠暫時附連到皮膚上或合并到可穿戴的 背心中。將數(shù)據(jù)記錄器附接到帶上，而且其包括電池電源和數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，
該介質(zhì)用于保存所記錄的圖像和其他數(shù)據(jù)以隨后上載到診斷計算機系統(tǒng)上。
典型的操作包括住院病人在早上就診，在此期間臨床醫(yī)生將基站裝置 附接到病人，并且病人吞下膠嚢。系統(tǒng)在吞咽之前就開始記錄圖像，并記錄GI道的圖像直到其電池完全放電。蠕動推動膠嚢通過GI道。通過速率依賴于運動程度。通常，在4到8小時內(nèi)穿過小腸。在規(guī)定時間段之后，病人將 數(shù)據(jù)記錄器還給臨床醫(yī)生，醫(yī)生然后將數(shù)據(jù)上載到計算機上，用于隨后的察 看和分析。膠嚢及時穿過直腸，并且不需要回收。盡管其不是最佳用于檢測胃中的異常，但是膠嚢相機允許從食管到小腸 末端的GI道被全部成像。捕獲彩色照相圖像使得異常只需要檢測小的視覺可 分辨的特性，而不是局部解剖(topography )。該操作是無痛的并且不需要麻 醉。與膠嚢穿過身體相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險最小，當(dāng)然穿孔的風(fēng)險相對于傳統(tǒng)的內(nèi)窺 鏡診斷也大大降低。由于減少使用臨床醫(yī)生時間和臨床工具以及不用麻醉劑， 手術(shù)的成本少于傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡診斷。隨著膠嚢相機變?yōu)橛糜跈z查胃腸道的可行技術(shù)，已經(jīng)出現(xiàn)各種用于存儲 圖像數(shù)據(jù)的方法。例如，美國專利第4,278,077號公開了一種將圖像數(shù)據(jù)存儲 在化學(xué)膠片中的膠嚢相機。美國專利第5,604,531號公開了一種膠嚢相機，其 通過無線將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇拥缴眢w的、或在由病人穿戴的背心內(nèi)提供的 天線陣列。美國專利第6,800,060號公開了一種將圖像數(shù)據(jù)存儲在昂貴的原子 解析度存儲(ARS)設(shè)備中的膠嚢相機。然后將所存儲的數(shù)據(jù)下載到工作站， 其通常是用于分析和處理的個人計算機。結(jié)果然后可以由醫(yī)師使用友好的用 戶界面察看。然而，這些方法在數(shù)據(jù)傳送處理期間都要求物理介質(zhì)轉(zhuǎn)換。例如，要求將化學(xué)膠片上的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由個人計算機可讀的物理數(shù)字介質(zhì)。 通過電磁信號的無線傳輸要求通過天線和射頻電子電路的昂貴處理，以產(chǎn)生 能夠存儲在計算機上的圖像。此外，ARS設(shè)備中的讀和寫操作都依賴于充電 粒子束。使用半導(dǎo)體存儲器設(shè)備(無論易失性或非易失性)的膠嚢相機，具有能 夠與捕獲圖像的CMOS或CCD圖像傳感器、以及可以分析圖像的個人計算 機直接對接的優(yōu)點。近年來實現(xiàn)的高密度和低制造成本使得半導(dǎo)體存儲器成 為用于膠嚢相機中的圖像存儲的最有前途的技術(shù)。根據(jù)至今仍被認(rèn)為有效的 摩爾定律，集成電路的密度每24個月加倍。同時，CMOS或CCD傳感器分 辨率持續(xù)改進，每幾年就加倍。電子學(xué)的新進步也幫助膠嚢相機技術(shù)的發(fā)展。 例如(a)發(fā)光二極管(LED)的尺寸和功率減小促進使用LED作為膠嚢相 機的光源；(b)新的CMOS圖像傳感器也減少功率和組件數(shù)；、(c)集成電路 的持續(xù)小型化允許將許多功能集成到單個硅基底(即，芯片上系統(tǒng)或"SOC")上，導(dǎo)致尺寸和功率減少。對于膠嚢相機通過無線傳輸來傳輸其圖像來說，數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。膠嚢相機必需在FCC批準(zhǔn)的醫(yī)療植入物通信服務(wù)(MICS)頻 帶內(nèi)傳輸其圖像，該頻帶被分配為402-405 MHZ。將該頻帶分配給醫(yī)療設(shè)備 是因為在這些頻率，無線信號的身體吸收的不良作用是可管理的。然而， 在該頻帶中可用的數(shù)據(jù)帶寬限制了圖像分辨率和幀速率。事實上，利用該數(shù) 據(jù)帶寬，難以實現(xiàn)合理的圖像分辨率以及膠嚢相機希望的每秒幾幀的幀速率。另一個技術(shù)挑戰(zhàn)是避免偽影。在傳統(tǒng)CMOS傳感器陣列中，每行像素單 元被曝光直到讀出。對每行的讀出被順序地進行(即，在不同的時間點讀取 每行)以共享共同的一組感應(yīng)電路。因為要求每行被曝光基本上相同的時間 長度，所以讀出時間的交錯要求每行像素單元在不同時間點開始曝光。然而， 如果成像的對象正相對于相機以平行傳感器陣列的各行的方向移動，則視場 中垂直該方向的線將看起來是斜線(即，對象的角定向沒有被正確地保存)。 如果對象以不一致的速度移動，則該線將看起來是彎曲的線。為了避免這種 偽影，傳感器陣列中的各像素必需在大約50ms內(nèi)被讀取，即使只需要采集每 秒幾幀也是如此。即使MICS頻帶被加寬幾Mhz,帶寬的增加未必是有幫助 的，這是因為還有對更高圖像分辨率的要求，假設(shè)傳感器陣列技術(shù)的優(yōu)點使 得這樣的更高分辨率可用。因為試圖將膠嚢相機排他地使用在GI道中，所以其操作環(huán)境與通用相機 的操作環(huán)境非常不同。因此，應(yīng)該針對其特殊的操作環(huán)境來優(yōu)化膠嚢相機的 設(shè)計。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個實施例， 一種膠嚢相機包括像素單元陣列的像素單 元，像素單元從視場中曝光；照明系統(tǒng)，其照明視場；信號處理器，接收和 處理來自像素單元陣列的數(shù)據(jù)；以及控制模塊，其使得像素單元陣列使用改 進的掃描方法被讀出。所述掃描方法包括預(yù)充電像素單元陣列中的各像素 單元；將各像素單元的視場照明預(yù)定曝光時間；以及只有在視場的照明完成 后才從各像素單元讀出數(shù)據(jù)。在一個實施例中，在所述^f見場被照明之前將各像素單元的預(yù)充電進行預(yù) 定時間段。各行像素單元可以在不同時間預(yù)充電。在一個實施例中，每行中的各像素單元的預(yù)充電和讀出之間的時間間隔可以基本相同。在一個實例中， 將像素單元陣列的讀出展開為基本上捕獲圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)各幀之間的時間。因此，經(jīng)過基本上大于50ms的時間段，從各像素單元讀出圖像數(shù)據(jù)。在一個實施例中，發(fā)射機可以以基本上落入FCC MISC頻帶下允許的傳 輸帶寬內(nèi)的平均數(shù)據(jù)傳輸率傳輸經(jīng)處理的圖像數(shù)據(jù)。在一個實例中，在照明系統(tǒng)打開的整個持續(xù)時間將每行像素單元曝光。 在一個實例中，在像素單元或傳感器陣列的外邊緣通過不透明材料遮光 提供一組像素單元。從視場外的該組像素讀取的數(shù)據(jù)可以用于補償視場內(nèi)的 數(shù)據(jù)中的熱和系統(tǒng)噪聲。在本發(fā)明的一個實例中，利用傳感器陣列中的希望的漏電流用于膠嚢相 機。漏電流存在于所有的半導(dǎo)體器件中，并且構(gòu)成CMOS圖像傳感器性能的 主要因素。因為膠嚢相機的工作溫度主要由體溫確定，所以對其CMOS圖像 傳感器中的漏電流的規(guī)范為小于為通用相機規(guī)定的漏電流的幅度的數(shù)量級 (order )。結(jié)果，對膠嚢相機中的像素單元的預(yù)充電、曝光和讀出的時序要求 相對更寬松，因為希望該像素單元中的電荷比通用相機更緩和地泄漏。此外， 不同于必需滿足外部強加的、變化的照明狀況的通用相機，膠嚢相機的照明 狀況主要由膠嚢相機自身的LED控制。在膠嚢相機的設(shè)計中本發(fā)明利用這些 和其他因素，提供了改進性能的以及更少總系統(tǒng)成本的專用CMOS傳感器?，F(xiàn)有技術(shù)CMOS設(shè)計要求LED在傳感器陣列的曝光時間和讀出時間都 一致地保持發(fā)光。本發(fā)明的一個實施例縮短了該LED發(fā)光的時間，由此提供 電池能量的節(jié)省。本發(fā)明的一個實施例提供新的CMOS傳感器設(shè)計，適合用于膠嚢相機或 內(nèi)窺鏡專用的應(yīng)用中，其通過縮短LED發(fā)光的持續(xù)時間要求節(jié)省能量，并避 免了 "傾斜"偽影。此外，該CMOS傳感器允許在FCC分配的、用于醫(yī)療 應(yīng)用的MISC頻帶內(nèi)傳輸圖像。在結(jié)合附圖考慮以下的詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明。


圖1示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的GI道中的膠囊系統(tǒng)01,示 出體腔中的膠嚢。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可吞咽膠嚢系統(tǒng)02。圖3A是CMOS像素單元的電路示意圖。圖3B是圖3A的CMOS像素單元的電路符號。圖4顯示由CMOS像素單元(如圖3A和圖3B中所示的那些)構(gòu)成的 傳統(tǒng)的CMOS傳感器陣列。圖5顯示傳統(tǒng)的CMOS傳感器陣列的操作。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的改進的掃描方案，其中像素單元的所有行基本上在LED照明打開的同時或之前^L預(yù)充電。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的另 一個實施例的另 一個掃描方案。 圖8比較圖6-7的傳統(tǒng)方法和改進方法的圖像讀出時間。 圖9A和9B比較分別使用傳統(tǒng)掃描方法和使用本發(fā)明的改進的方法的無線膠嚢相機系統(tǒng)的操作。為了便利在各圖中交叉引用，提供各圖中相同的元件給相同的參照標(biāo)號。
具體實施方式
共同未決專利申請公開了膠嚢相機，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點。本 發(fā)明提供膠嚢相機，其最佳用于其特定的搡作環(huán)境。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的身體內(nèi)腔00內(nèi)的膠嚢系統(tǒng)01。內(nèi) 腔00可以是例如結(jié)腸、小腸、食道或胃。膠嚢系統(tǒng)01在體內(nèi)時是完全自主 的，并且其全部元件都封裝在膠嚢外殼10中，該膠嚢外殼提供防水屏障，保 護各內(nèi)部組件不被體液損壞。膠嚢外殼10是透明的，以便允許來自照明系統(tǒng) 12的發(fā)光二極管(LED)的光通過膠囊外殼10的壁到達內(nèi)腔00壁，并且允 許來自內(nèi)腔00壁的散射光被收集并在膠嚢內(nèi)成像。膠嚢外殼10還保護內(nèi)腔 OO不與膠嚢外殼10內(nèi)的異質(zhì)材料直接接觸。給膠嚢外殼IO提供這樣的形狀， 其使得該膠嚢外殼IO容易吞咽并且之后通過GI道。通常，膠嚢外殼10是無 菌的、由無毒材料制成，并且足夠光滑以最小化留在內(nèi)腔中的可能性。如圖1所示，膠嚢系統(tǒng)Ol包括照明系統(tǒng)12和包括光學(xué)系統(tǒng)14和圖像傳 感器16的相機。由圖像傳感器16捕獲的圖像可以由圖像處理器18處理。圖 像處理器18可以以運行在數(shù)字信號處理器(DSP)或中央處理單元(CPU) 上的軟件、或以硬件、或軟件和硬件的組合來實現(xiàn)。經(jīng)處理的圖像可以由圖 像壓縮子系統(tǒng)19 (在一些實施例中，其也可以由DSP 18以軟件實現(xiàn))壓縮。 壓縮的數(shù)據(jù)可以存儲在檔案系統(tǒng)20中。系統(tǒng)Ol包括電池電源21和輸出端口26。膠囊系統(tǒng)Ol可以通過蠕動被推進通過GI道。照明系統(tǒng)12可以由LED實現(xiàn)。在圖1中，各LED位于鄰近相機的光圈(aperture),盡管其他配置也是可能的。還可以例如在光圈后面提供光源。 其他光源(如激光二極管)也可以使用。或者，白光源或兩種或更多窄波長 頻帶源的組合也可以使用。白色LED是可用的，其可以包括藍色LED或紫 色LED以及磷光材料，該磷光材料其被LED光激發(fā)以在更長波長發(fā)光。允 許光通過的膠嚢外殼10的部分可以由生物兼容的玻璃或高分子材料制成?？梢园ǘ鄠€折射、衍射、或反射透鏡元件的光學(xué)系統(tǒng)14提供圖像傳感 器16上的內(nèi)腔壁的圖像。圖像傳感器16可以由將接收的光強度轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 的電信號的電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)提供。 圖像傳感器16可以具有單色響應(yīng)或包括濾色鏡陣列，使得可以捕獲彩色圖像(例如，使用RGB或CYM表示)。來自圖像傳感器16的模擬信號優(yōu)選被轉(zhuǎn) 換為數(shù)字形式，以允許以數(shù)字形式處理。這樣的轉(zhuǎn)換可以使用模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器完成，該A/D轉(zhuǎn)換器可以提供在傳感器內(nèi)(如在當(dāng)前情況下)、 或在膠嚢外殼10內(nèi)的另一部分中。A/D單元可以提供在圖像傳感器16和系 統(tǒng)的其余部分之間。照明系統(tǒng)12中的各LED與圖像傳感器16的操作同步。 控制模塊22的一個功能是在圖像捕獲操作期間控制各LED。圖1所示的輸出端口 26在活體內(nèi)是不工作的，但是其在膠嚢已經(jīng)通過身 體被收回后將數(shù)據(jù)上載到工作站。在膠嚢通過身體后，它被回收。膠嚢外殼 IO打開，并且輸出端口 26連接到上載設(shè)備，以將數(shù)據(jù)傳送到計算機工作站 用于存儲和分析。對板上(on-board)存儲數(shù)據(jù)的期望的替代是通過無線鏈接傳輸圖像。在 本發(fā)明的一個實施例中，數(shù)據(jù)通過無線數(shù)字傳輸發(fā)出到具有記錄器的基站。 因為在這樣的實現(xiàn)中可用的存儲器空間是次要問題，所以更高的圖像分辨率 可以用于實現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量。此外，使用協(xié)議編碼方案，例如，數(shù)據(jù)可以 以更強壯和抗噪聲的方式傳輸?shù)交?。更高分辨率的一個缺點是更高的功率 和帶寬要求。下述的本發(fā)明的一個實施例基本上要求更少的帶寬來實現(xiàn)圖像 傳輸。以這種方式，實現(xiàn)了更低的數(shù)據(jù)速率，使得得到的數(shù)字無線傳輸落入 規(guī)章批準(zhǔn)的醫(yī)療植入物服務(wù)通信(MISC)頻帶的窄帶寬限制內(nèi)。因此，在身 體外傳輸更遠的距離(例如，6英尺)是可行的，使得不要求將用于拾取傳 輸?shù)奶炀€放在不方便的背心中或附接到身體。假設(shè)信號遵從MISC要求，則這樣的傳輸可以在開發(fā)空間(open air)中而不違反FCC或其他法規(guī)。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可吞咽膠嚢系統(tǒng)02。除了不再需要 檔案存儲器系統(tǒng)20和輸出端口 26以外，膠嚢系統(tǒng)02可以構(gòu)造為與圖1的膠 嚢系統(tǒng)01基本相同。膠嚢系統(tǒng)02還可以包括通信協(xié)議編碼器1320以及發(fā)射 機1326，其用于無線傳輸。膠嚢Ol和膠嚢02的各元件基本上相同，因此提 供相同的參照標(biāo)號。因此它們的構(gòu)造和功能這里不再描述。通信協(xié)議編碼器 1320可以以在DSP或CPU上運行的軟件、以硬件、或以軟件和硬件的結(jié)合 來實現(xiàn)。發(fā)射機1326包括用于傳輸捕獲的數(shù)字圖像的天線系統(tǒng)。本發(fā)明提供時序和控制方案來操作CMOS傳感器陣列。圖3A是三個晶 體管(3T)像素單元的示意電路。提供該示意電路只用于說明目的，本發(fā)明 的時序和控制方案能夠結(jié)合這種和其他單元設(shè)計使用，所述其他單元設(shè)計的 一些可以在像素單元中具有與圖3A所示的不同數(shù)量的晶體管。圖3A的像素 單元可以由圖3B的符號來進行符號表示。如圖3A所示，3T像素單元包括通過晶體管302串聯(lián)連接到電源電壓 VREF的光電二極管301，該晶體管302由控制器或"重置"信號RST控制。 當(dāng)RST出現(xiàn)，晶體管302導(dǎo)通，由此將節(jié)點Cx (表示光電二極管301中的 PN結(jié)的電容)預(yù)充電到基本上為電壓VREF。當(dāng)光照明到光電二極管302時， 由在半導(dǎo)體中生成電荷載流子的光子的能量產(chǎn)生電流。該電流獲得的電荷量是光強度和光電二極管曝光的時間長度的函數(shù)。在Cx的電壓控制通過(pass) 晶體管303的柵極，其連接在電源電壓VREF和"讀"晶體管304之間。讀 晶體管304由控制信號RD控制。當(dāng)控制信號RD出現(xiàn)時，電流從電源電壓 VREF流到列數(shù)據(jù)線305。導(dǎo)通的晶體管303和304的有效電阻是在節(jié)點Cx 的電壓的函數(shù)。在列數(shù)據(jù)線305上的電壓由感測放大器感測。由于熱噪聲導(dǎo)致的漏電流存在于所有的半導(dǎo)體器件中，并且構(gòu)成CMOS 圖像傳感器性能的主要因素。漏電流量是溫度的函數(shù)。在通用相機的期望操 作范圍上，漏電流可能在幅度的若干數(shù)量級上變化。因此，在傳統(tǒng)的通用相 機中，在節(jié)點Cx的電壓不得不在曝光一結(jié)束就讀取，以避免由大的漏電流導(dǎo) 致的嚴(yán)重的不準(zhǔn)確，該漏電流可能耗盡在節(jié)點Cx的電荷。圖4顯示n行乘以m列的像素單元陣列。如圖4所示，像素單元陣列中 的每行像素單元接收重置信號RSTl-RSTn之一。RSTl-RSTn的每個在該行 的每個像素單元提供RST信號。此外，每行像素單元接收讀出信號RDl-RDn之一。RDl-RDn的每個在該行的每個像素單元上提供控制信號RD。像素單 元陣列的列中的各像素單元連接到共同的列數(shù)據(jù)線，列數(shù)據(jù)線305-1到305-n 之一。每個列數(shù)據(jù)線連接到恒流源，恒流源401-1到401-m之一。因為在恒 流源401-1到401-m的每個中電流基本恒定，所以當(dāng)只有讀出信號RDl-RDn 之一出現(xiàn)時，在每條列數(shù)據(jù)線上的電壓是像素單元中級聯(lián)的通過晶體管(即， 通過晶體管303和304 )的串聯(lián)電阻的函數(shù)。當(dāng)讀出信號RDl-RDn的相應(yīng)的 一個出現(xiàn)時，可以測量電壓。如上所述，該電壓基于該像素單元的節(jié)點Cx 的電壓。因此，通過讀出列數(shù)據(jù)線上的電壓，可以測量該像素單元的光電二 極管301的電容中的電荷，其表示照射在該像素單元的光電二極管上的光量。在(以圖4的像素單元陣列的方式組織的)傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器中， 如由圖5的信號時序圖所示，圖像通過滾動掃描方案來捕獲。如圖5所示， 各行像素分別在時間TS1到TSn通過重置信號RSTl-RSTn的脈沖重置(即， 預(yù)充電)，同時照明系統(tǒng)12的LED打開。脈沖RSTl-RSTn的每個都使得對 應(yīng)行中的像素單元的二極管電容電壓(即，在節(jié)點Cx的電壓)成為暗場(dark field)參照。在基本上相同的預(yù)定曝光時間Texp后，每行像素單元由對應(yīng)的 讀出信號(即，RDl-RDn的相應(yīng)的一個)讀取。當(dāng)像素單元的RST信號再次 出現(xiàn)時，在TRl-TRn的對應(yīng)的一個時間之前，每個像素單元的RD信號出現(xiàn) 足夠長的時間以感測在節(jié)點Cx的電壓。出現(xiàn)的RST信號將節(jié)點Cx向VREF 充電。然而，因為重置晶體管302的閾值電壓和其他因素，在Cx的電壓將不 會到達VREF。然后再次感測在節(jié)點Cx的電壓。作為在出現(xiàn)的RST信號之 前和之后感測的在節(jié)點Cx的電壓差的每個像素單元的電壓AV,指示由像素 單元接收的光。RST脈沖寬度典型地在幾納秒到幾十納秒的范圍內(nèi)，而曝光 時間Texp的范圍在十分之幾微秒到幾十微秒之間，因此RST脈沖長度對曝 光時間Texp起的作用能夠被忽略。如圖5所示，為了確保每行曝光基本上相同的曝光時間(Texp)，當(dāng)RD 出現(xiàn)時，LED基本上在時間TS1打開，并保持亮直到時間TRri。實際上，因 為LED發(fā)光要求有限時間量來達到穩(wěn)定以及關(guān)閉，所以提供余量來允許LED 在時間TS1之前充分穩(wěn)定，并且在時間TRn之后關(guān)閉。因此，總的LED發(fā) 光時間基本上等于(Texp+TRn-TRl )。該長的發(fā)光時間要求對膠嚢相機的LED 照明系統(tǒng)是不必要的，并且表示照明功率的無效使用。此外，隨著讀出時間 交錯，當(dāng)相機和視場中的對象之間的相對運動的速度足夠大時，將出現(xiàn)上述傾斜偽影。當(dāng)相對運動的速度不一致時，該傾斜偽影將使得垂直線看起來象 扭曲的曲線。該立即讀出要求對無線膠嚢相機施加了非常高的傳輸帶寬要求。例如，對于大約75k個像素分辨率的CIF圖像，如果以每秒2幀的幀速率、 每像素只有一個字節(jié)被傳輸，則需要傳輸150KB的數(shù)據(jù)。對總的幀讀出時間 有一個上限(典型地為50ms左右)以避免傾斜偽影。然而，以每秒兩幀、并 且數(shù)據(jù)必需作為突發(fā)經(jīng)過總共不超過100ms被傳輸，要求的帶寬大約為3MB 每秒。即使利用高頻譜效率傳輸方案，在MICS頻帶內(nèi)也不能實現(xiàn)該帶寬。 一種解決方案要求幀緩沖器或高的圖像壓縮。所要求的幀緩沖器在600k比特 的數(shù)量級，其對于膠嚢相機應(yīng)用在材料和功率上非常昂貴。至于數(shù)據(jù)壓縮，對于422顏色格式圖像，數(shù)據(jù)為150k字節(jié)或1.2M比特。 在硅區(qū)(estate)和功率消耗方面的膠嚢相機的限制內(nèi)，可實現(xiàn)的實際壓縮率 有限。除了 240k比特的緩沖器存儲外，對于彩色圖像的為5的壓縮率可能要 求100k個門的功率和硅面積用于壓縮模塊。為了實現(xiàn)VGA分辨率，4倍CIF 圖像優(yōu)選用于實現(xiàn)期望的臨床檢測率。對于這樣的VGA圖像，成本估計為在 硅中100k個門加上約1M比特'的緩沖存儲器以及大約CIF圖像的4倍功率消 耗。然而，不同于通用相機的CMOS圖像傳感器，在暗環(huán)境下(例如用于成 像GI道的膠嚢相機)使用的CMOS圖像傳感器，導(dǎo)致漏電流的主要噪聲源 為暗電流噪聲和系統(tǒng)背景噪聲。對于這種環(huán)境，本發(fā)明提供一種結(jié)合受控LED 光源操作的改進的掃描方案；該方法實現(xiàn)了功率節(jié)省并避免了傾斜偽影。本發(fā)明利用這樣的事實膠嚢相機被設(shè)計為在體溫工作，在體溫工作時 CMOS像素單元中的漏電流基本上小于為通用相機指定的最大漏電流。因此， 不同于通用相機中的像素單元，膠嚢相機中的像素單元的預(yù)充電、曝光和讀 出的定時要求相對不太嚴(yán)格，因為期望該像素單元中的電荷比通用相機中可 能期望的可能的高泄漏率更緩慢地泄漏。此外，不同于必須滿足外部施加的 變化的照明條件的通用相機，膠嚢相機工作的照明條件主要由膠嚢相機自身 的LED控制。在膠嚢相機的設(shè)計中本發(fā)明利用這些和其他因素，提供了一種 改進性能的以及更少總系統(tǒng)成本的專用CMOS傳感器。因此，根據(jù)由圖6的掃描方案所示的本發(fā)明的一個實施例，改進的掃描 方案在LED發(fā)光打開時或稍微在其之前，在基本上相同的時間TS1預(yù)充電所 有行的像素單元。在曝光時間Tekp之后，LED發(fā)光在時間TR1關(guān)閉，通過出現(xiàn)分別在時間TRl-TRn出現(xiàn)的讀出信號RDl-RDn，各行像素單元被順序 地讀取。在該掃描方案下，所有像素單元基本上同時曝光，因此避免了傾斜 偽影。該掃描方案是可能的，這是因為由于膠嚢相機應(yīng)用中使用的每個像素 單元的熱噪聲導(dǎo)致的希望的漏電流，處于比通用相機應(yīng)用中指定的漏電流小 兩個十的數(shù)量級。此外，通過不透明材料遮光(即，永遠保持暗)特別地提 供像素單元陣列中的許多像素單元以提供參照暗電流。參照暗電流能夠用于 補償在不同像素的光強度變化，該變化由于不同像素在不同時間測量而導(dǎo)致。 該補償避免了另 一 種由于不同行像素單元在不同時間感測導(dǎo)致的偽影，其遍 及圖像顯示為不一致的陰影。此外，因為LED發(fā)光只在曝光時間的持續(xù)時間 中打開，所以相比上面結(jié)合圖5討論的傳統(tǒng)的掃描方案，節(jié)省了顯著的能量 (因此實現(xiàn)了更長的電池壽命)。期望該電池在(用于膠嚢相機通過GI道的) 至少幾個小時中供電。在其使用期限內(nèi)提供均勻能量的健康電池對提供高質(zhì) 量圖像是重要的，該高質(zhì)量圖像對增加臨床診斷率以及避免錯誤判斷是基本 的。圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的另一掃描方案。圖7的掃描方案承認(rèn) 光電二極管結(jié)電容(即，節(jié)點Cx的電容)可以為10ff。對于包括約300k個 像素單元的用于VGA圖像的像素單元陣列，總的電容可以達到3nF。對于 3.0伏特的VREF,經(jīng)過IO ns預(yù)充電持續(xù)時間，如果所有像素同時預(yù)充電， 則可以得到數(shù)量級為0.9安培的電流。這樣的電流遠大于典型的膠嚢相機的 電源系統(tǒng)能夠提供的電流。因此，在圖7中，在LED發(fā)光打開之前，每行像 素單元在時間TS1到TSn之一的不同時間預(yù)充電。在時間TSn之后，LED發(fā) 光打開Texp的曝光時間。當(dāng)在行1中每個像素單元的節(jié)點Cx的電壓被讀取 時，時間TR1可以在LED發(fā)光關(guān)閉后的任何時間到來。此后，如上面在圖6 所示的情況中所述，每行像素單元可以在時間TRl-TRn讀出。再次，由于不 同的預(yù)充電時間和讀出時間導(dǎo)致的電壓讀出中的變化能夠通過參照暗電流被 補償?；蛘?，對于每行可以使得預(yù)充電時間到讀出時間間隔(即，對于第i 行，時間TSi和Tri之間的時間間隔)基本上相同，以進一步避免不一致陰影 偽影。圖8比較圖6-7的傳統(tǒng)方法和改進方法的圖像讀出時間。如圖8所示， 盡管傳統(tǒng)掃描方法要求圖像在30毫秒內(nèi)被讀出，即使圖像以每秒2幀被捕獲， 圖6-7的方法也能在超過每幀0.5秒上將讀出間隔展開。這是因為由于上面已經(jīng)討論的原因，本發(fā)明改進的方法不需要遵守對于讀出間隔的大約50 ms的 實際上限，該上限被施加來避免傾斜偽影。不同于傳統(tǒng)掃描方案，本發(fā)明改 進的方案讀出像素單元而沒有嚴(yán)格的定時約束，不會導(dǎo)致傾斜偽影。此外， 在讀出間隔期間(即，在時間TR1到TRn之間)LED照明系統(tǒng)(即，圖1 的LED照明系統(tǒng)12)不要求打開。此外，通過展開讀出間隔，圖像數(shù)據(jù)能夠 通過在FCC強制的402到405Mhz的MICS頻帶內(nèi)無線傳輸，而不再需要50 ms或更少持續(xù)時間的突發(fā)傳輸。在使用非易失性檔案存儲器的膠嚢相機中，圖9A和9B比較分別使用傳統(tǒng)掃描方法和使用本發(fā)明的改進的方法的無 線膠嚢相機系統(tǒng)的操作。如圖9A所示，傳統(tǒng)的無線膠嚢系統(tǒng)900包括成像 光學(xué)系統(tǒng)901(例如，圖2的光學(xué)系統(tǒng)14),其給圖像傳感器902 (例如，圖 2的圖像傳感器16)提供圖像。由圖像傳感器902捕獲的圖像與由輔助傳感 器卯4捕獲的任何其他數(shù)據(jù)(例如，溫度、pH)，在數(shù)字信號處理模塊和緩 沖存儲器903 (例如，圖2的圖像處理器18)中處理。執(zhí)行的數(shù)字信號處理 功能可以包括例如運動檢測、圖像補償和數(shù)據(jù)壓縮。處理的數(shù)據(jù)然后由發(fā)射 機卯5 (例如，圖2的發(fā)射機1326)傳輸。控制模塊906A (對應(yīng)于圖2的控 制模塊22)和傳感器內(nèi)置電路應(yīng)用傳統(tǒng)的掃描方法，以將圖像傳感器卯2上 的圖像帶到數(shù)字信號處理模塊和緩沖存儲器903中。為了避免大的隨機存取 存儲器的成本(例如，材料和功率成本)，通常將模塊卯l-903和905流水線 化。如圖9A所示，在吞吐時間或流水線延遲的短的延遲之后，來自成像光 學(xué)系統(tǒng)901的單個圖像的所有數(shù)據(jù)到達發(fā)射機905,因為在成像光學(xué)系統(tǒng)901 和發(fā)射機905之間沒有顯著的緩沖，所以該單個圖像的所有經(jīng)處理的圖像數(shù) 據(jù)必須傳輸超過30 ms的持續(xù)時間。相反，圖9B顯示無線膠嚢相機系統(tǒng)950，其中控制模塊906B執(zhí)行本發(fā) 明的方法之一。因為單個圖像的圖像數(shù)據(jù)被展開超過0.49秒，所以即使存在 流水線延遲并且缺乏緩沖，發(fā)射機905也能夠在分配用于圖像數(shù)據(jù)從曝光到 傳輸?shù)乃刑幚淼?.5秒之前使得全部圖像被傳輸。在一些實施例中，圖像 傳感器902可以包括內(nèi)置控制電路，其提供預(yù)充電和從像素單元讀出數(shù)據(jù)的 局部控制。提供上面的詳細描述用于解釋本發(fā)明的特定實施例，并且意圖不在于限 制。本發(fā)明范圍內(nèi)的眾多修改和變化是可能的。本發(fā)明在權(quán)利要求中提出。
權(quán)利要求
1. 一種用于讀出在像素單元陣列中的多個像素單元上捕獲的圖像的方法，包括預(yù)充電像素單元陣列中的各像素單元；將各像素單元的視場照明預(yù)定曝光時間；以及只有在視場的照明完成后才從各像素單元讀出數(shù)據(jù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述視場被照明之前將各像素單元 的預(yù)充電進行預(yù)定時間段。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中各像素單元的第一部分和各像素單元 的第二部分在不同時間預(yù)充電。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中第一部分中的各像素單元的預(yù)充電和 讀出之間的時間間隔基本上是第二部分中的各像素單元的預(yù)充電和讀出之間 的時間間隔。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出進行預(yù)定 時間段，該預(yù)定時間段大于預(yù)定曝光時間的三倍。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出進行預(yù)定 時間段，該預(yù)定時間段基本上是在像素單元陣列捕獲圖像的幀速率的倒數(shù)。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出還被處理， 并通過無線傳輸?shù)浇邮諜C，平均數(shù)據(jù)傳輸率基本上落入FCC MISC頻帶下允 許的傳輸帶寬內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中將數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出進行預(yù)定 時間段，該預(yù)定時間段大于50ms。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括 在像素單元陣列中提供被遮光的像素單元；以及通過從被遮光的像素單元讀出的數(shù)據(jù)，調(diào)整從視場內(nèi)的像素單元讀出的數(shù)據(jù)。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中照明視場的時間基本上是在每個像 素單元曝光的時間。
11. 一種膠囊相機，包括像素單元陣列，具有從視場中曝光的多個像素單元； 照明系統(tǒng)，其照明4見場；信號處理器，接收和處理來自像素單元陣列的數(shù)據(jù)；以及控制模塊，其執(zhí)行預(yù)充電像素單元陣列中的各像素單元；將各像素單元的視場照明預(yù)定曝光時間；以及只有在視場的照明完成后才從各像素單元讀出數(shù)據(jù)。
12. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，其中在所述視場被照明之前將各像 素單元的預(yù)充電進行預(yù)定時間段。
13. 如權(quán)利要求12所述的膠嚢相機，其中將各像素單元的第一部分和各 像素單元的第二部分在不同時間預(yù)充電。
14. 如權(quán)利要求13所述的膠嚢相機，其中像素單元陣列包括多行像素單 元，其中在各像素的不同行上提供各像素單元的第一和第二部分。
15. 如權(quán)利要求12所述的膠嚢相機，其中第一部分中的各像素單元的預(yù) 充電和讀出之間的時間間隔基本上是第二部分中的各像素單元的預(yù)充電和讀 出之間的時間間隔。
16. 如權(quán)利要求11所迷的膠嚢相機，其中將數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出進 行預(yù)定時間段，該預(yù)定時間段大于預(yù)定曝光時間的三倍。
17. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，其中將數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出進 行預(yù)定時間段，該預(yù)定時間段基本上是在像素單元陣列捕獲圖像的幀速率的 倒數(shù)。
18. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，還包括將經(jīng)處理的數(shù)據(jù)從信號處理 器進行發(fā)送的發(fā)射機，其中在基本上落入FCC MISC頻帶下允許的傳輸帶寬 內(nèi)的平均數(shù)據(jù)速率上發(fā)送經(jīng)處理的數(shù)據(jù)。
19. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，其中將數(shù)據(jù)從各像素單元的讀出進 行預(yù)定時間段，該預(yù)定時間段大于50ms。
20. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，還包括在視場外的一組像素單元； 以及其中數(shù)字信號處理器通過從視場外的像素單元讀出的數(shù)據(jù)，調(diào)整從視場 內(nèi)的像素單元讀出的數(shù)據(jù)。
21. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，其中，視場的照明時間基本上等于 每個像素單元的曝光時間。
22. 如權(quán)利要求11所述的膠嚢相機，還包括內(nèi)置在控制電路中的傳感器， 其結(jié)合控制模塊執(zhí)行預(yù)充電和讀出。
全文摘要
一種膠囊相機，包括像素單元的像素單元陣列，像素單元從視場中曝光；照明系統(tǒng)，其照明視場；信號處理器，接收和處理來自像素單元陣列的數(shù)據(jù)；以及控制模塊，其使得像素單元陣列使用改進的掃描方法被讀出。所述掃描方法包括預(yù)充電像素單元陣列中的各像素單元；將各像素單元的視場照明預(yù)定曝光時間；以及只有在視場的照明完成后才從各像素單元讀出數(shù)據(jù)。
文檔編號A61B1/06GK101305613SQ200680042089
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者王康懷 申請人:卡普索影像股份有限公司