CN102695003A - 用于图像传感器的图像获取方法及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于图像传感器的图像获取方法及图像传感器。其中，用于图像传感器的图像获取方法包括以下步骤：设置图像传感器的感光像素阵列的每行的曝光时间，并将所述曝光时间划分成多个时间段，其中，相邻时间段之间的时间节点为分段时间点；对所述感光像素阵列的进行逐行曝光，并在各个时间段的分段时间点上根据像素电压控制曝光电荷进行电荷泄放；和在所述感光像素阵列的每行的曝光时间结束后，采样当前行的曝光信号。本发明通过对图像传感器中的感光像素阵列进行不完全的电荷泄放，完成感光像素对光照的非线性响应以获得图像，无需存储整帧的曝光信号，节约了存储资源。

Description

用于图像传感器的图像获取方法及图像传感器

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种用于图像传感器的图像获取方法及图像传感器。

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。具体地，首先对感光像素阵列的所有行进行长时间曝光以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；再对感光像素阵列的所有行进行短时间曝光以获得整帧的短时间曝光信号；最后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，获得高动态范围图像。

现有技术存在的问题是，需要存储整帧的曝光信号，耗费较多的存储资源。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种用于图像传感器的图像获取方法，包括以下步骤：设置图像传感器的感光像素阵列的每行的曝光时间，并将所述曝光时间划分成多个时间段，其中，相邻时间段之间的时间节点为分段时间点；对所述感光像素阵列进行逐行曝光，并在各个时间段的分段时间点上根据像素电压控制曝光电荷进行电荷泄放；和在所述感光像素阵列的当前行的曝光时间结束后，采样当前行的曝光信号。

本发明另一方面还提出一种图像传感器，包括：时序控制单元，用于在曝光之前产生复位信号、并在复位后产生曝光控制信号以控制曝光时间且产生电荷泄放控制信号以控制曝光电荷进行电荷泄放，以及在曝光结束后产生曝光读取控制信号，其中，在一个曝光时间周期里包含一个曝光控制信号和多个电荷泄放控制信号；译码单元，用于对所述时序控制单元产生的复位信号、曝光控制信号、电荷泄放控制信号和曝光读取控制信号进行译码；感光像素阵列，用于根据所述译码单元输出的已译码的复位信号进行复位，并在复位后根据所述曝光控制信号逐行进行曝光且根据所述电荷泄放控制信号控制曝光电荷进行电荷泄放，以及在每行的曝光时间结束后采样曝光信号；曝光信号读取单元，用于根据所述曝光读取控制信号读取采样到的曝光信号；和模数转换单元，用于将读取的曝光信号转换为数字信号输出。

本发明通过对图像传感器中的感光像素阵列进行不完全的电荷泄放，完成感光像素对光照的非线性响应以获得图像，无需存储整帧的曝光信号，节约了存储资源。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的用于图像传感器的图像获取方法的流程图；

图2a为本发明一个实施例的电荷泄放通道关闭的示意图；

图2b为本发明一个实施例的电荷泄放通道打开的示意图；

图3为本发明实施例的图像传感器的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的感光像素单元的示意图；以及

图5为本发明一个实施例的感光像素控制时序图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示为本发明实施例的用于图像传感器的图像获取方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S101，设置图像传感器的感光像素阵列的每行的曝光时间，并将曝光时间划分成多个时间段。

在本发明中，将图像传感器的感光像素阵列的每行的曝光时间划分成多个时间段，相邻时间段之间的时间节点称为分段时间点。

在本发明的一个实施例中，感光像素阵列的各个行的总曝光时间相同。在本发明的另一个实施例中，感光像素阵列的各个行的各个时间段的分段时间点相同，即感光像素阵列的各个行的时间划分完全相同。

此外，曝光时间的划分可以有多种方式，例如，可以划分成时间长度相同的多个时间段，也可以划分成时间长度成等差序列的多个时间段。在本发明的一个实施例中，将曝光时间划分成时间长度成等比序列的多个时间段，即：

$\frac{T_1}{T_2}=\frac{T_2}{T_3}=......=\frac{T_{n-1}}{T_n}=k,$

其中，T₁、T₂......T_n为各个时间段的时间长度，k为常数，n为时间段的序号。

优选地，k＝10。

进一步，在本发明的一个实施例中，可取n＝2，即将曝光时间划分成两个时间段T₁和T₂。

步骤S102，对感光像素阵列进行逐行曝光，并在各个时间段的分段时间点上根据像素电压对感光像素阵列曝光电荷进行电荷泄放。

在本发明的一个实施例中，通过采样像素电压，然后将所述像素电压与预先设定的电荷泄放控制电压进行比较以控制曝光电荷的电荷泄放。

如图2a和图2b所示分别为本发明一个实施例的电荷泄放通道关闭和打开的示意图，当V_pixel＜V_ctrl-V_th时，电荷泄放通道打开，进行电荷泄放；当V_pixel≥V_ctrl-V_th时，电荷泄放通道关断，终止电荷泄放，其中，V_pixel为像素电压，V_ctrl为电荷泄放控制电压，V_th为阈值电压。

根据步骤S101和步骤S102，具体的曝光过程可以为：在感光像素阵列的第一行的曝光时间内，首先进行曝光；到达时间T₁后，比较当时的像素电压与电荷泄放控制电压，如果V_pixel＜V_ctrl-V_th，则进行电荷泄放，直至V_pixel≥V_ctrl-V_th终止电荷泄放；然后，继续曝光；到达时间T₂后，继续比较当时的像素电压与电荷泄放控制电压，如果V_pixel＜V_ctrl-V_th，则进行电荷泄放，直至V_pixel≥V_ctrl-V_th终止电荷泄放；如此进行，直至曝光时间结束；在第二行的曝光时间内也进行如第一行的曝光时间内的操作，如此进行，直至整帧图像曝光结束。

步骤S103，在感光像素阵列的每行的曝光时间结束后，采样当前行的曝光信号。

具体地，在当前行的曝光结束后，对当前行曝光信号进行逐列读取；然后进行下一行的曝光，下一行的曝光结束后，采样下一行曝光信息；如此进行，直至采样所有行的曝光信号，由此可获得高动态范围图像。

为实现上述实施例，本发明还提出一种图像传感器。

图3为本发明实施例的图像传感器的结构示意图。如图3所示，图像传感器包括：时序控制单元100、译码单元200、感光像素阵列300、曝光信号读取单元400和模数转换单元500。

其中，时序控制单元100用于在曝光之前产生复位信号，并在复位后产生曝光控制信号以控制曝光时间且产生电荷泄放控制信号以控制曝光电荷进行电荷泄放，以及在曝光结束后产生曝光读取控制信号。其中，在一个曝光时间周期里包含一个曝光控制信号和多个电荷泄放控制信号。

译码单元200用于对时序控制单元100产生的复位信号、曝光控制信号、电荷泄放控制信号和曝光读取控制信号进行译码。感光像素阵列300用于根据译码单元200输出的已译码的复位信号进行复位，并在复位后根据曝光控制信号逐行进行曝光且根据电荷泄放控制信号控制曝光电荷进行电荷泄放，以及在每行的曝光时间结束后采样曝光信号。曝光信号读取单元400用于根据曝光读取控制信号读取感光像素阵列300采样到的曝光信号。模数转换单元500用于将曝光信号读取单元400读取的曝光信号转换为数字信号输出。

在本发明的一个实施例中，感光像素阵列300的各个行的总曝光时间相同。而且，感光像素阵列300的各个行的各个时间段的分段时间点也可以相同。多个电荷泄放控制信号之间的时间长度可以满足以下的公式，

$\frac{T_1}{T_2}=\frac{T_2}{T_3}=......=\frac{T_{n-1}}{T_n}=k,$

其中，k为长度，n为时间段的序号，T_m为第m-1个电荷泄放控制信号与第m个电荷泄放控制信号之间的时间长度，2≤m≤n-1，T₁为曝光开始时间与第一个电荷泄放控制信号之间的时间长度，T_n与第n-1个电荷泄放控制信号与曝光结束时间之间的时间长度。也就是说，在一个曝光时间内可以包括n-1个电荷泄放控制信号(进行n-1次的电荷泄放)，从而将一个曝光时间分成n个时间段。进一步地，在一个曝光时间内最少可以只进行一次电荷泄放，将曝光时间分成两段。

感光像素阵列300可以包括多个排列成行和列的感光像素单元310。图4为本发明一个实施例的感光像素单元310的示意图。如图4所示，每个感光像素单元310包括：光检测元件PD、存储元件FD、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第三晶体管M3和第四晶体管M4。

其中，光检测元件PD用于产生光电荷。存储元件FD用于存储光检测元件PD产生的光电荷。第一晶体管M1的漏极与电源V_DD电连接，第一晶体管M1的栅极与译码单元200电连接，第一晶体管的源极与存储元件FD电连接，第一晶体管M1可以作为复位晶体管，在接收到译码单元200的复位信号后，对存储元件FD进行放电以复位存储元件FD。第二晶体管M2的源极与存储元件FD电连接，第二晶体管M2的栅极与译码单元200电连接，第二晶体管M2的漏极与光检测元件PD电连接，第二晶体管M2可以作为采样晶体管。第三晶体管M3的漏极与电源V_DD电连接，第三晶体管M3的栅极与第一晶体管M1的源极电连接且与存储元件FD电连接，第三晶体管M3可以作为驱动晶体管，响应于加载至其栅极的信号作为源跟随缓冲放大器。第四晶体管M4的漏极与第三晶体管M3的源极电连接，第四晶体管M4的栅极与译码单元200电连接，第四晶体管M4的源极与曝光信号读取单元400电连接，第四晶体管M4可以作为选通晶体管。

图5为本发明一个实施例的感光像素控制时序图。下面结合图3-5说明图像传感器的图像获取过程。

译码单元200产生复位信号，控制第一晶体管M1和第二晶体管M2导通，对光检测元件PD和存储元件FD进行复位，第四晶体管M4不导通。

复位后，中断第二晶体管M2的导通以开始光检测元件PD的曝光时间。在曝光时间进行至

时，对第二晶体管M2进行泄放电荷控制，在高亮区域，V_pixel＜V_ctrl-V_th成立，电荷泄放通道打开，电荷部分从像素端传递至存储元件FD，直至V_pixel≥V_ctrl-V_th，电荷泄放通道断开，电荷不再向FD传递，继续进行曝光，在曝光时间进行至

时，即

时，对采样晶体管进行泄放电荷控制。同样的，在高亮区域，V_pixel＜V_ctrl-V_th成立，电荷泄放通道打开，电荷部分从像素端传递至存储元件FD，直至V_pixel≥V_ctrl-V_th，电荷泄放通道断开，电荷不再向存储元件FD传递，继续进行曝光，按照以上时间规律进行曝光，直至曝光时间T结束。

然后，译码单元200控制第一晶体管M1断开，采样存储元件FD的复位信号。接着，译码单元200控制第二晶体管M2和第四晶体管M4导通，将光检测元件PD的曝光信号读出至存储元件FD，并对存储元件FD的曝光信号进行采样，得到高动态范围图像。

本发明通过对图像传感器中的感光像素阵列进行不完全的电荷泄放，完成感光像素对光照的非线性响应以获得图像，无需存储整帧的曝光信号，节约了存储资源。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (16)

1.一种用于图像传感器的图像获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置图像传感器的感光像素阵列的每行的曝光时间，并将所述曝光时间划分成多个时间段，其中，相邻时间段之间的时间节点为分段时间点；

对所述感光像素阵列进行逐行曝光，并在各个时间段的分段时间点上根据像素电压控制所述感光像素阵列的曝光电荷进行电荷泄放；和

在所述感光像素阵列的每行的曝光时间结束后，采样当前行曝光信号。

2.根据权利要求1所述的用于图像传感器的图像获取方法，其特征在于，所述感光像素阵列的各个行的曝光时间相同。

3.根据权利要求2所述的用于图像传感器的图像获取方法，其特征在于，所述感光像素阵列的各个行的各个时间段的分段时间点相同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于图像传感器的图像获取方法，其特征在于，所述将所述曝光时间划分成多个时间段，进一步包括：

根据以下的公式将所述曝光时间划分成多个时间段，

其中，T₁、T₂......T_n为各个时间段的时间长度，k为常数，n为时间段的序号。

5.根据权利要求4所述的用于图像传感器的图像获取方法，其特征在于，n＝2。

6.根据权利要求1所述的用于图像传感器的图像获取方法，其特征在于，还包括：

采样像素电压；

将所述像素电压与预先设定的电荷泄放控制电压进行比较；

如果V_pixel＜V_ctrl-V_th，则进行电荷泄放；

如果V_pixel≥V_ctrl-V_th，则终止电荷泄放，

其中，V_pixel为所述像素电压，V_ctrl为所述预先设定的电荷泄放控制电压，V_th为阈值电压。

7.一种图像传感器，其特征在于，包括：

时序控制单元，用于在曝光之前产生复位信号，并在复位后产生曝光控制信号以控制曝光时间且产生电荷泄放控制信号以控制曝光电荷进行电荷泄放，以及在曝光结束后产生曝光读取控制信号，其中，在一个曝光时间周期里包含一个曝光控制信号和多个电荷泄放控制信号；

译码单元，用于对所述时序控制单元产生的复位信号、曝光控制信号、电荷泄放控制信号和曝光读取控制信号进行译码；

感光像素阵列，用于根据所述译码单元输出的已译码的复位信号进行复位，并在复位后根据所述曝光控制信号逐行进行曝光且根据所述电荷泄放控制信号控制曝光电荷进行电荷泄放，以及在每行的曝光时间结束后采样曝光信号；

曝光信号读取单元，用于根据所述曝光读取控制信号读取采样到的曝光信号；和

模数转换单元，用于将读取的曝光信号转换为数字信号输出。

8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述感光像素阵列的各个行的曝光时间相同。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述感光像素阵列的各个行的各个时间段的分段时间点相同。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述多个电荷泄放控制信号之间的时间长度满足以下的关系式，

$\frac{T_1}{T_2}=\frac{T_2}{T_3}=......=\frac{T_{n-1}}{T_n}=k,$

其中，k为常数，n为时间段的序号，T_m为第m-1个电荷泄放控制信号与第m个电荷泄放控制信号之间的时间长度，2≤m≤n-1，T₁为曝光开始时间与第一个电荷泄放控制信号之间的时间长度，T_n为第n-1个电荷泄放控制信号与曝光结束时间之间的时间长度。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其特征在于，n＝2。

12.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述感光像素阵列包括多个感光像素单元，其中，每个感光像素单元包括：

光检测元件，用于产生光电荷；

存储元件，用于存储所述光检测元件产生的光电荷；

第一晶体管，所述第一晶体管的漏极与电源电连接，所述第一晶体管的栅极与所述译码单元电连接，所述第一晶体管的源极与所述存储元件电连接；

第二晶体管，所述第二晶体管的源极与所述存储元件电连接，所述第二晶体管的栅极与所述译码单元电连接，所述第二晶体管的漏极与所述光检测元件电连接；

第三晶体管，所述第三晶体管的漏极与所述电源电连接，所述第三晶体管的栅极与所述第一晶体管的源极电连接且与所述存储元件电连接；和

第四晶体管，所述第四晶体管的漏极与所述第三晶体管的源极电连接，所述第四晶体管的栅极与所述译码单元电连接，所述第四晶体管的源极与所述曝光信号读取单元连接。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，其中，所述第一晶体管接收所述译码单元输出的复位信号，对所述存储元件进行放电以复位所述存储元件。

14.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，其中，所述第二晶体管接收到所述曝光控制信号后，所述第二晶体管断开且所述光检测元件产生光电荷，在所述第二晶体管接收到所述电荷泄放控制信号后，所述第二晶体管控制所述光检测元件进行电荷泄放。

15.根据权利要求14所述的图像传感器，其特征在于，

当V_pixel＜V_ctrl-V_th时，所述第二晶体管控制所述光检测元件进行电荷泄放；以及

当V_pixel≥V_ctrl-V_th时，所述第二晶体管控制所述光检测元件终止电荷泄放，

其中，V_pixel为像素电压，V_ctrl为预先设定的电荷泄放控制电压，V_th为所述第二晶体管的阈值电压。

16.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述第二晶体管在所述曝光控制信号的周期结束后，控制所述光检测元件与所述存储元件，以使所述存储元件获取所述光检测元件产生的光电荷，并将其作为曝光信号存储，且在所述第四晶体管接收到选通信号后，所述第四晶体管导通以对所述存储元件中存储的曝光信号进行采样。

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