CN102547159B - 高动态范围图像传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像传感器领域，公开了一种高动态范围图像传感器及其控制方法。本发明中，在每一个像元中设置多个感光器件和转移晶体管，每个积分周期内分别按预定时序先后打开各感光器件与浮空扩散区之间的连接，对各感光器件先后进行读取，在读取某个感光器件的过程中，其他的感光器件仍在积分，并行的积分能够减少操作总时间，可以提升高动态范围工作模式下图像传感器的工作速度。还采用了两层微透镜的结构，可以使同一个像元中的各感光器件采样同一点的光信号，提高了图像传感器对光信号检测的准确度。

Description

高动态范围图像传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及高动态范围图像传感器。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。

现有的CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素单元电路阵列。

根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称“PPS”)、有源式像素传感器(ActivePixel Sensor，简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。

根据一个像素单元电路所包含的晶体管的数目，现有的CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。

如图1所示，为一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括：一个光电二极管10(Photo Diode，简称“PD”)，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。

一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1中，所述复位晶体管M1选用一个N型金属-氧化物-半导体(N Metal-Oxide-Semiconductor，简称“NMOS”)管，所述复位晶体管M1的源极和所述光电二极管10的N型区相连，所述复位晶体管M1的源极同时也为一感应节点N1，又称为浮空扩散区(FloatingDiffusion，简称“FD”)；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。

一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图1中，所述放大晶体管M2选用一NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。

一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

如图2所示，为一种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图2中，所述转移晶体管M4选用一NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M 1的源极即所述感应节点N1。

图像传感器的动态范围(Dynamic Range，简称“DR”)定义为图像传感器能够感知到的最小信号和最大信号之间的比值，它表示了图像传感器对于弱信号和强信号的感知能力。由于CMOS图像传感器(APS)采用电荷积分的感光方式，有限的阱容量必然会导致动态范围，一般来说CMOS图像传感器的动态范围在70dB左右，而一般户外图像的动态范围都在100dB以上，人眼的动态范围可以达到200dB以上。为了实现高动态范围画面的拍摄，现有的CMOS图像传感器使用对一幅图像采用不同曝光时间来多次拍摄，将多次拍摄的结果中暗细节与亮细节合成得到完整的高动态范围画面。多次曝光采样技术是在一个积分周期内对同一场景进行多次曝光，每次曝光时间不同，长曝光时间主要针对弱光强区域，短曝光时间针对强曝光区域，生成的多幅图像通过后端电路或软件算法进行合成，在不损失信噪比的基础上可以获得高动态的图像。

但是本发明的发明人发现，现有的采用不同曝光时间多次拍摄的技术处理的数据量大，需要多幅图像进行缓存，需要用到大量的存储单元，而且速度受到限制。同时，在多次曝光期间，要求场景必须保持静止，否则合成后的图像质量大大下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高动态范围图像传感器及其控制方法，可以提升高动态范围工作模式下图像传感器的工作速度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种高动态范围图像传感器，包括控制单元和多个像元，其中每个像元中包括：

N个感光器件，用于将光信号转换成电信号，其中N为大于1的整数；

一个浮空扩散区，用于作为一个电容存储来自N个感光器件的电荷；

N个转移晶体管，与N个感光器件一一对应，分别连接在对应的感光器件与浮空扩散区之间，用于根据该转移晶体管栅极上的控制信号打开或关闭对应的感光器件与浮空扩散区之间的连接；

一个复位晶体管，与浮空扩散区连接，用于对浮空扩散区进行复位；

一个放大晶体管，其栅极与浮空扩散区连接，用于对来自浮空扩散区的电信号进行放大后通过源极或漏极输出；

控制单元用于提供N个转移晶体管栅极上的控制信号，在每个积分周期内分别按预定时序先后打开N个感光器件与浮空扩散区之间的连接。

本发明的实施方式还公开了一种高动态范围图像传感器的控制方法，用于如上文所述图像传感器，该方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与浮空扩散区之间的连接，持续预定时长后关闭该连接，对放大晶体管输出的电信号进行第i次读取，通过复位晶体管对浮空扩散区进行第i次复位。

本发明的实施方式还公开了一种高动态范围图像传感器的控制方法，用于如上文所述的图像传感器，该方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与浮空扩散区之间的连接，持续预定时长后关闭该连接，对放大晶体管输出的电信号进行第i次读取；

在完成对放大晶体管输出的电信号的第N次读取后，通过复位晶体管对浮空扩散区进行复位。

本发明的实施方式还公开了一种高动态范围图像传感器的控制方法，用于如上文所述的图像传感器，该方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与浮空扩散区之间的连接，对放大晶体管输出的电信号进行第i次读取；

在完成对放大晶体管输出的电信号的第N次读取后，分别通过N个转移晶体管关闭与转移晶体管相对应的感光器件与浮空扩散区之间的连接；通过复位晶体管对浮空扩散区进行复位。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在每一个像元中设置多个感光器件和转移晶体管，每个积分周期内分别按预定时序先后打开各感光器件与浮空扩散区之间的连接，对各感光器件先后进行读取，在读取某个感光器件的过程中，其他的感光器件仍在积分(累积电荷)，并行的积分能够减少操作总时间，可以提升高动态范围工作模式下图像传感器的工作速度。

有三种控制和读取的方式：

方式一是每次只读取来自一个感光器件的信号，读完后复位，每次采样的信号来源比较简单，可以简化多次采样计算单元的算法。

方式二是依次打开和关闭各个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接，在读取完来自所有感光器件的信号后，再进行复位，相对于方式一，从第2次读取开始，所读取的电信号不仅包括了最近打开的感光器件的贡献，还包括了同一积分周期中之前打开的各感光器件的贡献，对于同样的光强度可以读取到更强的电信号，提高了检测弱光的能力，进一步扩大了图像传感器的动态范围。

方式三是依次打开各个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接，打开后不关闭也不复位，在读取完来自所有感光器件的信号后，再进行关闭和复位，相对于方式一和方式二，从第2次读取开始，所读取的电信号不仅包括了最近打开的感光器件的贡献，还包括了同一积分周期中之前打开的各感光器件的贡献，更重要的是，之前打开的各感光器件在打开之后还在持续地向浮空扩散区提供光生电荷。在一个积分周期最后一次读取时，得到的信号是全部N个感光器件在整个积分周期内的贡献值，对于同样的光强度可以读取到的电信号比方式一和方式二都要更强，进一步提高了检测弱光的能力，扩大了图像传感器的动态范围。

进一步地，两层微透镜的结构，可以将同一点上的光信号分配到属于同一个像元的各个感光器件，保证同一像元的各个感光器件接收到的光信号是相同的，提高了传感器对光信号检测的准确度。如果不使用微透镜的话，因为多个感光器件感光的位置不同，各感光器件所检测到的光信号可能是不同的。

进一步地，采用不同灵敏度的感光器件，越早被读取的感光器件采用越低的光强灵敏度，在强光下不容易发生饱和，越晚被读取的感光器件采用越高的光强灵敏度，对同样的弱光可以产生更强的电信号，从而进一步提高图像传感器的动态范围。当然，在同一像元中使用不同灵敏度的感光器件后，在利用多次曝光图像融合的算法计算光强度时要考虑灵敏度的因素，例如，如果要对各次读取的数据进行加权求和的话，权重因子要考虑灵敏度的因素，原则上灵敏度越低的感光器件对应的权重因子应当越大。

进一步地，对不同强弱的光，不仅在曝光时间上区别对待，而且在感光面积上也可以进一步区别对待，对强光不但适用短时间，而且适用小面积的感光器件，使相同的强光下产生的电信号更弱，对弱光不但适用长时间，而且适用大面积的感光器件，对同样的弱光可以产生更强的电信号，从而进一步提高图像传感器的动态范围。当然，在同一像元中使用不同面积的感光器件后，在利用多次曝光图像融合的算法计算光强度时要考虑面积的因素，例如，如果要对各次读取的数据进行加权求和的话，权重因子要考虑面积的因素，原则上面积越小的感光器对应的权重因子应当越大。

附图说明

图1是现有技术中一种3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图；

图2是现有技术中一种4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图；

图3是本发明第一实施方式中一种高动态范围图像传感器的电路结构图；

图4是本发明第一实施方式中一种两层微透镜结构的高动态范围图像传感器的俯视图；

图5是本发明第一实施方式中一种高动态范围图像传感器的微透镜结构截面图；

图6是本发明第二实施方式中一种高动态范围图像传感器的控制方法的时序图；

图7是本发明第三实施方式中一种高动态范围图像传感器的控制方法的时序图；

图8是本发明第四实施方式中一种高动态范围图像传感器的控制方法的时序图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种高动态范围图像传感器。图3是该高动态范围图像传感器的电路结构图。

具体地说，该高动态范围图像传感器包括控制单元和多个像元，其中每个像元中包括：

N个感光器件，用于将光信号转换成电信号，其中N为大于1的整数。

在这里，感光器件优选为感光二极管，N优选为4。如图3中1、2、3和4所示。

当然，在本发明的其它某些实施方式中，感光器件也可以不限于感光二极管，个数也可以不是4个，而可以是2个、3个、5个或6个等等。

一个浮空扩散区FD，用于作为一个电容存储来自N个感光器件的电荷。浮空扩散区是一个掺杂区，图3中的电容FD以虚线表示，是因这个电容并不是一个独立的电容，而是该掺杂区的PN结电容。

N个转移晶体管，与N个感光器件一一对应，分别连接在对应的感光器件与浮空扩散区之间，用于根据该转移晶体管栅极上的控制信号打开或关闭对应的感光器件与浮空扩散区之间的连接。

相应地，N的个数也优选为4个，如图3中TX1、TX2、TX3和TX4所示。

一个复位晶体管RST，与浮空扩散区FD连接，用于对浮空扩散区FD进行复位。

一个放大晶体管Amp，其栅极与浮空扩散区FD连接，用于对来自浮空扩散区FD的电信号进行放大后通过源极或漏极输出。

控制单元，用于提供N个转移晶体管栅极上的控制信号，在每个积分周期内分别按预定时序先后打开N个感光器件与浮空扩散区FD之间的连接。

在本实施方式中，N个感光器件对光强度的灵敏度不同，按预定时序越早被打开的转移晶体管所对应的感光器件对光强度的灵敏度越低。按预定时序越早被打开的转移晶体管所对应的感光器件就是越早被读取的感光器件。

感光器件对光强度的灵敏度指相同的光强度可以得到的电信号大小，如果相同的光强度得到的电信号越大，则灵敏度越高。

采用不同灵敏度的感光器件，越早被读取的感光器件采用越低的光强灵敏度，在强光下不容易发生饱和，越晚被读取的感光器件采用越高的光强灵敏度，对同样的弱光可以产生更强的电信号，从而进一步提高图像传感器的动态范围。当然，在同一像元中使用不同灵敏度的感光器件后，在利用多次曝光图像融合的算法计算光强度时要考虑灵敏度的因素，例如，如果要对各次读取的数据进行加权求和的话，权重因子要考虑灵敏度的因素，原则上灵敏度越低的感光器件对应的权重因子应当越大。

在本发明的其它某些实施方式中，各感光器件对光强度的灵敏度也可以是相同的，这种情况下制造会比较容易。

在本实施方式中，N个感光器件的感光面积不同，按预定时序越早被打开的转移晶体管所对应的感光器件的感光面积越小。

此外，可以理解，用于读取强光信号的感光器件(越早被读取的感光器件)可以通过提高掺杂浓度等方式增加感光器件的阱容量，以减少饱和的机会。

对不同强弱的光，不仅在曝光时间上区别对待，而且在感光面积上也可以进一步区别对待，对强光不但适用短时间，而且适用小面积的感光器件，使相同的强光下产生的电信号更弱，对弱光不但适用长时间，而且适用大面积的感光器件，对同样的弱光可以产生更强的电信号，从而进一步提高图像传感器的动态范围。当然，在同一像元中使用不同面积的感光器件后，在利用多次曝光图像融合的算法计算光强度时要考虑面积的因素，例如，如果要对各次读取的数据进行加权求和的话，权重因子要考虑面积的因素，原则上面积越小的感光器对应的权重因子应当越大。

在本发明的其它某些实施方式中，各感光器件的感光面积也可以是相同的，这种情况下制造会比较容易。

预定时序的规定没有特别的限制，对于N＝4的情况，可以设置1T、2T、4T和8T四个时间点对各感光器件进行读取(包括打开相应的转移晶体管和读取浮空扩散区中的电信号)，T为基本时长。当然也可以是其它的时序，例如1T、4T、8T和16T，又如对于N＝3的情况，可以设置1T、3T和9T三个时间点，等等。

如图3中所示，M1、M2、M3、M4和M5为行或列的选择晶体管，晶体管M6和M7相当于读取电路的电流源，虚线表示总线。

此外，还包括多次采样计算单元，用于在一个积分周期内根据预定时序多次读取放大晶体管输出的电信号，按多次曝光图像融合的算法计算得到光强度，多次曝光图像融合的算法可以提高图像传感器的动态范围。

多次曝光图像融合的算法是一个现有技术。例如一种典型的做法是，将在一个积分周期内先后读取的信号分别乘以不同的权重系数后相加，一般越早读取的信号对应的权重系数越大，具体的权重系数大小取决于信号所对应的积分时间、感光区域大小、感光器件灵敏度等因素。优选地，还可以对读取的各信号是否饱和分别进行判断，在发现某信号已饱和时进行修正处理。本专利的主要发明点并不在于如何改进多次曝光图像融合的算法，而是在于如何提供供多次曝光图像融合的算法使用的有效信号，所以这里对多次曝光图像融合的算法就不详述了。

在高动态范围图像传感器的芯片上，叠加了两层微透镜，离感光器件较远的第一层是一个微透镜，离感光器件较近的第二层是N个微透镜，分别对应N个感光器件，输入光通过第一层的微透镜进行采样后透过第二层N个微透镜照射到N个感光器件上。

图4是该两层微透镜结构的高动态范围图像传感器的俯视图。图5是该高动态范围图像传感器的微透镜结构截面图。

两层微透镜的结构，可以将同一点上的光信号分配到属于同一个像元的各个感光器件，保证同一像元的各个感光器件接收到的光信号是相同的，提高了传感器对光信号检测的准确度。如果不使用微透镜的话，因为多个感光器件感光的位置不同，各感光器件所检测到的光信号可能是不同的。

两层微透镜的制作是一个现有技术，不属于COMS工艺，是在封装过程中叠加在CMOS芯片上的。光通过第一层微透镜采样，然后通过第二层微透镜分别进入各个感光器件。

在本发明的其它某些实施方式中，两层微透镜可以是一层，也可以没有。

两层微透镜的形状优选为圆形。在本发明的其它某些实施方式中，微透镜的形状也可以为方形或椭圆形等等。

在每一个像元中设置多个感光器件和转移晶体管，每个积分周期内分别按预定时序先后打开各感光器件与浮空扩散区之间的连接，对各感光器件先后进行读取，在读取某个感光器件的过程中，其他的感光器件仍在积分，并行的积分能够减少操作总时间，可以提升高动态范围工作模式下图像传感器的工作速度。

本发明第二实施方式涉及一种高动态范围图像传感器的控制方法。图6是该高动态范围图像传感器的控制方法的时序图。该高动态范围图像传感器的控制方法用于如上文所述的图像传感器。

所述方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与浮空扩散区之间的连接，持续预定时长后关闭该连接，对放大晶体管输出的电信号进行第i次读取，通过复位晶体管对浮空扩散区进行第i次复位。

具体地说，对于N个感光器件，

先打开第一个感光器件与浮空扩散区之间的连接，然后再关闭第一个感光器件与浮空扩散区之间的连接，读出放大晶体管输出的电信号，最后再对浮空扩散区进行复位；

接下来，再打开第二个感光器件与浮空扩散区之间的连接，然后再关闭第二个感光器件与浮空扩散区之间的连接，读出放大晶体管输出的电信号，最后再对浮空扩散区进行复位；

依次类推，直到将来自N个感光器件的信号全部读完。

每次只读取来自一个感光器件的信号，读完后复位，每次采样的信号来源比较简单，可以简化多次采样计算单元的算法。

此外，可以理解，读取的放大晶体管输出的电信号，作为采样数据供多次采样单元计算光强度使用。

本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第三实施方式涉及一种高动态范围图像传感器的控制方法。图7是该高动态范围图像传感器的控制方法的时序图。该高动态范围图像传感器的控制方法用于如上文的图像传感器。

方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与浮空扩散区之间的连接，持续预定时长后关闭该连接，对放大晶体管输出的电信号进行第i次读取。

在完成对放大晶体管输出的电信号的第N次读取后，通过复位晶体管对浮空扩散区进行复位。

具体地说，对于N个感光器件，

先打开第一个感光器件与浮空扩散区之间的连接，然后再关闭第一个感光器件与浮空扩散区之间的连接，读出放大晶体管输出的电信号；

接下来，再打开第二个感光器件与浮空扩散区之间的连接，然后再关闭第二个感光器件与浮空扩散区之间的连接，读出放大晶体管输出的电信号；

依次类推，直到将来自N个感光器件的信号全部读完后，再对浮空扩散区进行复位。

在本实施方式中，依次打开和关闭各个感光器件与浮空扩散区之间的连接，在读取完来自所有感光器件的信号后，再进行复位，相对于第二实施方式，从第2次读取开始，所读取的电信号不仅包括了最近打开的感光器件的贡献，还包括了同一积分周期中之前打开的各感光器件的贡献，对于同样的光强度可以读取到更强的电信号，提高了检测弱光的能力，进一步扩大了图像传感器的动态范围。

本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种高动态范围图像传感器的控制方法。图8是该高动态范围图像传感器的控制方法的时序图。该高动态范围图像传感器的控制方法用于如上文的图像传感器。

方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与浮空扩散区之间的连接，对放大晶体管输出的电信号进行第i次读取。

在完成对放大晶体管输出的电信号的第N次读取后，分别通过N个转移晶体管关闭与转移晶体管相对应的感光器件与浮空扩散区之间的连接；通过复位晶体管对浮空扩散区进行复位。

具体地说，对于N个感光器件，

先打开第一个感光器件与浮空扩散区之间的连接，读出放大晶体管输出的电信号；

接下来，再打开第二个感光器件与浮空扩散区之间的连接，读出放大晶体管输出的电信号；

依次类推，直到将来自N个感光器件的信号全部读完后，再关闭N个感光器件与浮空扩散区之间的连接，最后对浮空扩散区进行复位。

在本实施方式中，依次打开各个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接，打开后不关闭也不复位，在读取完来自所有感光器件的信号后，再进行关闭和复位，相对于第二实施方式和第三实施方式，从第2次读取开始，所读取的电信号不仅包括了最近打开的感光器件的贡献，还包括了同一积分周期中之前打开的各感光器件的贡献，更重要的是，之前打开的各感光器件在打开之后还在持续地向浮空扩散区提供光生电荷。在一个积分周期最后一次读取时，得到的信号是全部N个感光器件在整个积分周期内的贡献值，对于同样的光强度可以读取到的电信号比方式一和方式二都要更强，进一步提高了检测弱光的能力，扩大了图像传感器的动态范围。

本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高动态范围图像传感器，其特征在于，包括控制单元和多个像元，其中每个像元中包括：

N个感光器件，用于将光信号转换成电信号，其中N为大于1的整数；

一个浮空扩散区，用于作为一个电容存储来自所述N个感光器件的电荷；

N个转移晶体管，与所述N个感光器件一一对应，分别连接在对应的感光器件与所述浮空扩散区之间，用于根据该转移晶体管栅极上的控制信号打开或关闭对应的感光器件与所述浮空扩散区之间的连接；

一个复位晶体管，与所述浮空扩散区连接，用于对所述浮空扩散区进行复位；

一个放大晶体管，其栅极与所述浮空扩散区连接，用于对来自所述浮空扩散区的电信号进行放大后通过源极或漏极输出；

所述控制单元用于提供所述N个转移晶体管栅极上的控制信号，在每个积分周期内分别按预定时序先后打开所述N个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接。

2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，在所述高动态范围图像传感器的芯片上，叠加了两层微透镜，离感光器件较远的第一层是一个微透镜，离感光器件较近的第二层是N个微透镜，分别对应N个感光器件，输入光通过第一层的微透镜进行采样后透过第二层N个微透镜照射到N个感光器件上。

3.根据权利要求2所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，还包括多次采样计算单元，用于在一个积分周期内根据预定时序多次读取放大晶体管输出的电信号，按多次曝光图像融合的算法计算得到光强度。

4.根据权利要求3所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，两层微透镜的形状为圆形。

5.根据权利要求4所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述感光器件的个数为4个。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述N个感光器件对光强度的灵敏度不同，按所述预定时序越早被打开的转移晶体管所对应的感光器件对光强度的灵敏度越低。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的高动态范围图像传感器，其特征在于，所述N个感光器件的感光面积不同，按所述预定时序越早被打开的转移晶体管所对应的感光器件的感光面积越小。

8.一种高动态范围图像传感器的控制方法，用于如权利要求1至7中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接，持续预定时长后关闭该连接，对所述放大晶体管输出的电信号进行第i次读取，通过所述复位晶体管对所述浮空扩散区进行第i次复位。

9.一种高动态范围图像传感器的控制方法，用于如权利要求1至7中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接，持续预定时长后关闭该连接，对所述放大晶体管输出的电信号进行第i次读取；

在完成对所述放大晶体管输出的电信号的第N次读取后，通过所述复位晶体管对所述浮空扩散区进行复位。

10.一种高动态范围图像传感器的控制方法，用于如权利要求1至7中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在一个积分周期内，根据预定时序，按照i从1到N依次递增的顺序，反复执行以下步骤：

通过与第i个感光器件对应的转移晶体管打开第i个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接，对所述放大晶体管输出的电信号进行第i次读取；

在完成对所述放大晶体管输出的电信号的第N次读取后，分别通过N个转移晶体管关闭对应的N个感光器件与所述浮空扩散区之间的连接；通过所述复位晶体管对所述浮空扩散区进行复位。

Images