CN101909158A - 在图像传感器中获得高动态范围图像的方法及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的在图像传感器中获得高动态范围图像的方法及图像传感器，通过对图像传感器中感光像素阵列每行分配长曝光时间和短曝光时间，并重复利用同样的存储空间分别对各行的长曝光时间信号和短曝光时间信号进行合成处理，与现有技术相比节约了较多的存储资源。

Description

在图像传感器中获得高动态范围图像的方法及图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，具体为在图像传感器中获得高动态范围图像的方法及图像传感器。

背景技术

目前获取高动态范围图像的方法基本上是基于图像数据处理获取静态的高动态范围图像。方法是：对感光像素阵列的所有行进行长时间曝光，获得整帧的长时间曝光信号，并将获得的长时间曝光信号存储到特定的存储空间；对感光像素阵列的所有行进行短时间曝光，获得整帧的短时间曝光信号；将获得的短时间曝光信号与存储于特定的存储空间中的长时间曝光信号进行合成，采基于此的高动态范围图像获取方式需要存取整帧的曝光信号，耗费较多的存储资源。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：现有的获取高动态范围图像的方法，要存储多帧的图像信息，耗费较多的存储资源。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：

在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，所述图像传感器包括排列为行和列的感光像素阵列，该方法包括：

在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，所述图像传感器包括排列为行和列的感光像素阵列，该方法包括：

A、对感光像素阵列每行分配长曝光时间和短曝光时间，其中所有行内感光像素的长曝光时间或短曝光时间相同；

B、以长曝光时间对当前行进行长时间曝光；采样当前行长时间曝光信号；对当前行进行复位，开始以短曝光时间对当前行进行短时间曝光；将采样的当前行长时间曝光信号进行逐列读取并转换为数字当前行长时间曝光信号存储至相应的存储空间，并覆盖存储于存储空间的前行数据；

C、终止当前行短时间曝光，采样当前行短时间曝光信号，将采样的当前行短时间曝光信号进行逐列读取并转换为数字当前行短时间曝光信号，将数字当前行短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的数字当前行长时间曝光信号进行合成并输出；

D、以步骤B、C对整个感光像素阵列进行逐行处理。

进一步地，所述感光像素阵列每一行长时间曝光信号的读取与每一行短时间曝光信号的读取时间相同；所述感光像素阵列每一行的短曝光时间，为每一行长时间曝光信号或短时间曝光信号的采样和读取所用时间之和。

进一步地，所述将长时间曝光信号和短时间曝光信号进行合成的方法满足下列公式：

Z_i，j＝A*X_i，j+B*Y_i，j，其中A+B＝1且A≥0，B≥0，A、B为权重系数，X_i，j为位于第i行第j列感光像素的数字长时间曝光信号，Y_i，j为位于第i行第j列感光像素的数字短时间曝光信号。

优选地，权重系数A＝B＝0.5。

图像传感器，包括：

排列为行和列的感光像素阵列，根据曝光控制信号，以长曝光时间对当前行进行长时间曝光；根据长时间曝光采样信号，采样当前行长时间曝光信号；根据复位信号，对当前行进行复位；以短曝光时间对当前行进行短时间曝光，根据短时间曝光采样信号，采样当前行短时间曝光信号；

曝光信号读取单元，在对当前行进行短时间曝光的期间内，根据曝光读取控制信号逐列读取采样的当前行长时间曝光信号并输出；根据曝光读取控制信号逐列读取采样的当前行短时间曝光信号并输出；

模数转换单元，将逐列读取后的当前行长时间曝光信号和当前行短时间曝光信号转换为数字当前行长时间曝光信号和数字当前行短时间曝光信号，并输出；

存储单元，用以将当前行数字长时间曝光信号存储至相应的存储空间，并覆盖存储于存储空间的前行数据；

合成单元，用以将当前行数字短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的当前行数字长时间曝光信号进行合成并输出；

时序控制单元，用以产生曝光控制信号，曝光读取控制信号，复位信号，长时间曝光采样信号，短时间曝光采样信号；

行/列译码单元，用以对时序控制单元产生的曝光控制信号，曝光读取控制信号，复位信号，长时间曝光采样信号，短时间曝光采样信号进行行/列译码并输出至感光像素阵列。

进一步地，将当前行的数字短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的当前行数字长时间曝光信号进行合成满足下列公式：

Z_i，j＝A*X_i，j+B*Y_i，j，其中A+B＝1且A≥0，B≥0，A、B为权重系数，X_i，j为位于第i行第j列感光像素的长时间曝光信号，Y_i，j为位于第i行第j列感光像素的短时间曝光信号。

优选地，权重系数A＝B＝0.5。

进一步地，所述感光像素阵列包括排列成行和列的感光像素单元，所述像素单元包括：

用于产生光电荷的光检测元件；

用于存储所述光电荷的存储装置；

采样晶体管；采样晶体管的源极与所述存储装置电连接；采样晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；在采样晶体管的栅极接收长时间曝光采样信号或短时间曝光采样信号时，响应于接收到的采样信号，将由光检测元件产生的光电荷转移到所述存储装置；

复位晶体管；复位晶体管的漏极与电源电相连，复位晶体管与采样晶体管的源极以及存储装置电连接；复位晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；在复位晶体管的栅极接收复位信号时，响应于所接收的复位信号将所述存储装置的电荷设置到期望值以及将存储在存储装置中的电荷放电以复位存储装置；

驱动晶体管；驱动晶体管的漏极与电源电连接；驱动晶体管的栅极与复位晶体管的源极电连接；驱动晶体管响应于加载至其栅极的信号作为源跟随缓冲放大器；

选通晶体管；选通晶体管的漏极与驱动晶体管的源极电连接；选通晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；选通晶体管，响应于加载至其栅极的选通信号，输出长时间曝光信号或短时间曝光信号。

本发明公开的在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，通过对图像传感器中感光像素阵列分配长曝光时间和短曝光时间，并重复利用同样的存储空间分别对各行的长曝光时间信号和短曝光时间信号进行合成处理，与现有技术相比节约了较多的存储资源。

附图说明

图1为本发明实施例图像传感器的原理图；

图2为本发明实施例感光像素阵列的结构示意图；

图3为本发明实施例存储单元的结构示意图；

图4为本发明实施例感光像素阵列中感光像素的电路图；

图5为本发明实施例感光像素控制时序图；

图6为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图2为本发明实施例感光像素阵列的结构示意图；图3为本发明实施例存储单元的结构示意图；图5为本发明实施例感光像素控制时序图；图6为本发明实施例的流程图；如图2、图3、图5和图6所示，在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，所述图像传感器包括排列为m行和n列的感光像素阵列，该方法包括：

对感光像素阵列每行分配长曝光时间T1和短曝光时间T2，其中特定行内感光像素的长曝光时间或短曝光时间相同；感光像素阵列每一行的短曝光时间，为每一行长时间曝光信号或短时间曝光信号的采样和读取所用时间之和。

如图2、图3、图5所示，在此假感光像素阵列的第1行已操作完毕，设当前行为第2行，以长曝光时间T1对第2行进行长时间曝光；采样第2行长时间曝光信号X₂₁，X₂₂…X_2n，其中n≥1；对第2行进行复位；开始以短曝光时间T2对第2行进行短时间曝光；以时间T3将采样的第2行长时间曝光信号逐列读取并转换为数字第2行长时间曝光信号X₂₁，X₂₂…X_2n存储至相应的存储空间即S₁₁，S₁₂…S_1n，即依次将长时间曝光信号X₂₁读取至存储空间S₁₁，将数字长时间曝光信号X₂₂读取至存储空间S₁₂，将数字长时间曝光信号X_2n读取至存储空间S_1n，并覆盖存储于存储空间的第1行的数据；上述的存储空间由存储单元提供，在本发明的实施例中可以是SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存储器)；

终止第2行短时间曝光，采样第2行短时间曝光信号Y₂₁，Y₂₂…Y_2n，以时间T4将采样的第2行短时间曝光信号进行逐列读取并转换为数字当前行短时间曝光信号Y₂₁，Y₂₂…Y_2n，将数字第2行短时间曝光信号Y₂₁，Y₂₂…Y_2n与存储于存储空间中相应的数字第2行长时间曝光信号X₂₁，X₂₂…X_2n进行合成，即X₂₁与Y₂₁合成，X₂₂与Y₂₂合成…X_2n与Y_2n合成，并将合成后的信号输出至下一级的数字信号处理单元进行数字信号处理，最后获得高动态范围图像，在本实施例中T3＝T4。

当前行如果是感光像素阵列的第1行，则其读取至存储空间中覆盖的数据为空数据。上述数字信号处理单元的部分为现有技术，在此不做赘述。

在本发明实施例中，长时间曝光信号和短时间曝光信号的合成满足下列公式：

Z_i，j＝A*X_i，j+B*Y_i，j，其中A+B＝1且A≥0，B≥0，A、B为权重系数，X_i，j为位于第i行第j列感光像素的长时间曝光信号，Y_i，j为位于第i行第j列感光像素的短时间曝光信号，优选地，权重系数A＝B＝0.5；在本实施例中，第2行的长时间曝光信号和短时间曝光信号合成后的结果为：Z₂₁＝0.5X₂₁+0.5Y₂₁；Z_22＝0.5X₂₂+0.5Y₂₂；…Z_2n＝0.5X₂₂+0.5Y₂₂。

如图1、图2、图3所示本发明实施例还公开了一种图像传感器，包括

排列为行和列的感光像素阵列100，根据曝光控制信号，以长曝光时间对当前行进行长时间曝光；根据长时间曝光采样信号，采样当前行长时间曝光信号；根据复位信号，对当前行进行复位；以短曝光时间对当前行进行短时间曝光，根据短时间曝光采样信号，采样当前行短时间曝光信号；

曝光信号读取单元101，根据曝光读取控制信号逐列读取采样的当前行长时间曝光信号并输出；根据曝光读取控制信号逐列读取采样的当前行短时间曝光信号并输出；

模数转换单元102，将逐列读取后的当前行长时间曝光信号和当前行短时间曝光信号转换为数字当前行长时间曝光信号和数字当前行短时间曝光信号，并输出；

存储单元103，用以将当前行数字长时间曝光信号存储至相应的存储空间，并覆盖存储于存储空间的前行数据；

合成单元104，用以将当前行数字短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的当前行数字长时间曝光信号进行合成并输出；合成单元104可以为加权求和单元。

时序控制单元105，用以产生曝光控制信号，曝光读取控制信号，复位信号，长时间曝光采样信号，短时间曝光采样信号；

行/列译码单元106，用以对时序控制单元105产生的曝光控制信号，曝光读取控制信号，复位信号，长时间曝光采样信号，短时间曝光采样信号进行行/列译码并输出至感光像素阵列。

本实施例公开的图像传感器的工作过程，与上述在图像传感器中获得高动态范围图像的方法基本相同，在此不再赘述。

图4为本发明实施例感光像素阵列中感光像素单元的电路图；如图4，所述感光像素单元包括：

用于产生光电荷的光检测元件PD；

用于存储所述光电荷的存储装置FD；

采样晶体管M2；采样晶体管的源极与所述存储装置电连接；采样晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；在采样晶体管的栅极接收长时间曝光采样信号或短时间曝光采样信号时，响应于接收到的采样信号Tx，将由光检测元件产生的光电荷转移到所述存储装置；

复位晶体管M1；复位晶体管的漏极与电源VDD_Pixel电相连，复位晶体管与采样晶体管的源极以及存储装置电连接；复位晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；在复位晶体管的栅极接收复位信号Reset时，响应于所接收的复位信号将所述存储装置的电荷设置到期望值以及将存储在存储装置中的电荷放电以复位存储装置；

驱动晶体管M3；驱动晶体管的漏极与电源电连接；驱动晶体管的栅极与复位晶体管的源极，存储装置，采样晶体管的源极电连接；驱动晶体管响应于加载至其栅极的信号作为源跟随缓冲放大器；

选通晶体管M4；选通晶体管的漏极与驱动晶体管的源极电连接；选通晶体管的栅极通过行/列译码单元与时序控制单元电连接；选通晶体管，响应于加载至其栅极的选通信号Sel，输出长时间曝光信号或短时间曝光信号。

感光像素单元产生长时间曝光信号和短时间曝光信号的具体步骤为：

控制所述复位晶体管M1的栅极电压及采样晶体管M2，对所述光检测元件PD进行复位，所述选通晶体管M4不导通。

中断所述复位晶体管M1及采样晶体管M2的导通以开始光检测元件PD的长曝光时间，在所述感光像素单元累积光生载流子产生长时间曝光信号。

控制所述复位晶体管M1导通及选通晶体管的导通，复位存储装置FD，对FD的复位信号进行采样。

控制所述采样晶体管M2及选通晶体管M4，将光检测元件PD的长时间曝光信号X_ij读出至存储装置FD，对FD的曝光信号进行采样。

在对所述感光像素单元长时间曝光信号读取后，控制所述复位晶体管M1的栅极电压及采样晶体管M2的栅极，对所述光检测元件PD进行复位，所述选通晶体管M4不导通。

中断所述复位晶体管M1及采样晶体管M2的导通以开始光检测元件PD的短曝光时间，在所述像素单元累积光生载流子产生短时间曝光信号。

对所述长曝光时间的曝光信号进行读取并进行模数转换，存储至存储单元。

控制所述复位晶体管M1导通及选通晶体管的导通，复位存储装置FD，对FD的复位信号进行采样。

控制所述采样晶体管M2及选通晶体管M4，将光检测元件PD的短时间曝光信号Y_ij读出至存储装置FD，对FD的曝光信号进行采样。

本发明公开的在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，通过对图像传感器中感光像素阵列分配长曝光时间和短曝光时间，并重复利用同样的存储空间分别对各行的长曝光时间信号和短曝光时间信号进行合成处理，与现有技术相比节约了较多的存储资源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，所述图像传感器包括排列为行和列的感光像素阵列，其特征在于，该方法包括：

A、对感光像素阵列每行分配长曝光时间和短曝光时间，其中所有行内感光像素的长曝光时间或短曝光时间相同；

B、以长曝光时间对当前行进行长时间曝光；采样当前行长时间曝光信号；对当前行进行复位，开始以短曝光时间对当前行进行短时间曝光；将采样的当前行长时间曝光信号进行逐列读取，并转换为数字当前行长时间曝光信号存储至相应的存储空间，并覆盖存储于存储空间的前行数据；

C、终止当前行短时间曝光，采样当前行短时间曝光信号，将采样的当前行短时间曝光信号进行逐列读取并转换为数字当前行短时间曝光信号，将数字当前行短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的数字当前行长时间曝光信号进行合成并输出；

D、以步骤B、C对整个感光像素阵列进行逐行处理。

2.根据权利要求1所述的在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，其特征在于，所述感光像素阵列每一行长时间曝光信号的读取与每一行短时间曝光信号的读取时间相同；所述感光像素阵列每一行的短曝光时间，为每一行长时间曝光信号或短时间曝光信号的采样和读取所用时间之和。

3.根据权利要求1所述的在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，其特征在于，所述将长时间曝光信号和短时间曝光信号进行合成的方法满足下列公式：

Z_i，j＝A*X_i，j+B*Y_i，j，其中A+B＝1且A≥0，B≥0，A、B为权重系数，X_i，j为位于第i行第j列感光像素的数字长时间曝光信号，Y_i，j为位于第i行第j列感光像素的数字短时间曝光信号。

4.根据权利要求3所述的在图像传感器中获得高动态范围图像的方法，其特征在于，权重系数A＝B＝0.5。

5.图像传感器，其特征在于，包括：

排列为行和列的感光像素阵列，根据曝光控制信号，以长曝光时间对当前行进行长时间曝光；根据长时间曝光采样信号，采样当前行长时间曝光信号；根据复位信号，对当前行进行复位；以短曝光时间对当前行进行短时间曝光，根据短时间曝光采样信号，采样当前行短时间曝光信号；

曝光信号读取单元，根据曝光读取控制信号逐列读取采样的当前行长时间曝光信号并输出；根据曝光读取控制信号逐列读取采样的当前行短时间曝光信号并输出；

模数转换单元，将逐列读取后的当前行长时间曝光信号和当前行短时间曝光信号转换为数字当前行长时间曝光信号和数字当前行短时间曝光信号，并输出；

存储单元，用以将当前行数字长时间曝光信号存储至相应的存储空间，并覆盖存储于存储空间的前行数据；

合成单元，用以将当前行数字短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的当前行数字长时间曝光信号进行合成并输出；

时序控制单元，用以产生曝光控制信号，曝光读取控制信号，复位信号，长时间曝光采样信号，短时间曝光采样信号；

行/列译码单元，用以对时序控制单元产生的曝光控制信号，曝光读取控制信号，复位信号，长时间曝光采样信号，短时间曝光采样信号进行行/列译码并输出至感光像素阵列。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，将当前行的数字短时间曝光信号与存储于存储空间中相应的当前行数字长时间曝光信号进行合成满足下列公式：

Z_i，j＝A*X_i，j+B*Y_i，j，其中A+B＝1且A≥0，B≥0，A、B为权重系数，X_i，j为位于第i行第j列感光像素的长时间曝光信号，Y_i，j为位于第i行第j列感光像素的短时间曝光信号。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，权重系数A＝B＝0.5。

8根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述感光像素阵列包括排列成行和列的感光像素单元，所述像素单元包括：

用于产生光电荷的光检测元件；

用于存储所述光电荷的存储装置；

采样晶体管；采样晶体管的源极与所述存储装置电连接；采样晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；在采样晶体管的栅极接收长时间曝光采样信号或短时间曝光采样信号时，响应于接收到的采样信号，将由光检测元件产生的光电荷转移到所述存储装置；

复位晶体管；复位晶体管的漏极与电源电相连，复位晶体管与采样晶体管的源极以及存储装置电连接；复位晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；在复位晶体管的栅极接收复位信号时，响应于所接收的复位信号将所述存储装置的电荷设置到期望值以及将存储在存储装置中的电荷放电以复位存储装置；

驱动晶体管；驱动晶体管的漏极与电源电连接；驱动晶体管的栅极与复位晶体管的源极电连接；驱动晶体管响应于加载至其栅极的信号作为源跟随缓冲放大器；

选通晶体管；选通晶体管的漏极与驱动晶体管的源极电连接；选通晶体管的栅极与行/列译码单元匹配电连接；选通晶体管，响应于加载至其栅极的选通信号，输出长时间曝光信号或短时间曝光信号。

Images