CN103037176A - 用于改善图像传感器的动态范围的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示用于改善图像传感器中的动态范围的方法和装置。图像感测装置包括具有多行像素的图像传感器和用于控制每一行像素的曝光的控制器。所述控制器经编程以对所述多行像素中的一行像素执行快门操作，且在执行快门操作之后的预定持续时间之后对所述多行中的所述一行进行取样。所述预定持续时间不同于所述图像感测装置的行时间周期的倍数。

Description

用于改善图像传感器的动态范围的方法和装置

技术领域

本发明大体涉及图像感测装置,且更具体地说,涉及改善CMOS图像传感器中的动态范围。

背景技术

图像传感器将可见光转换成电信号。图像传感器是由像素的阵列形成，每一像素将从光源接收的光转换成电信号。常规图像传感器主要用于数码相机中，且可属于两种类别中的一者：电荷耦合装置(CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。图像传感器的许多应用需要比常规CMOS图像传感器所能实现的动态范围高的动态范围(即，较高的明度差别)。因此，需要改善图像传感器的动态范围。

发明内容

在一个方面中，本发明提供一种用于用图像感测装置感测图像的方法，所述图像感测装置包括具有多行像素的图像传感器，所述方法包括：对所述多行像素中的一行执行快门操作；在执行所述快门操作之后的预定持续时间之后对所述多行中的所述一行进行取样，所述预定持续时间不同于所述图像感测装置的行时间周期的倍数。

在另一方面中，本发明提供一种图像感测装置，其包括：具有多行像素的图像传感器；用于控制每一行像素的曝光的控制器，所述控制器经编程以：对所述多行像素中的一行执行快门操作；在执行所述快门操作之后的预定持续时间之后对所述多行中的所述一行进行取样，所述预定持续时间不同于所述图像感测装置的行时间周期的倍数。

附图说明

在结合附图阅读时可从以下详细描述最佳地理解本发明，在附图中，相同元件具有相同参考数字。当存在多个类似元件时，单一参考数字可指派给所述多个类似元件，小写字母标记指代特定元件。当共同提及所述元件或提及所述元件中的非特定的一者或一者以上时，可舍弃所述小写字母标记。根据常识，除非另外指出，否则图式的各种特征未按比例绘制。相反，各种特征的尺寸可能为了清楚起见而扩大或减小。图式中包含下图：

图1是根据本发明的方面的实例图像感测装置的图；

图2是说明根据本发明的方面的实例图像感测操作的时序图；以及

图3是根据本发明的方面的用于感测图像的实例方法的流程图。

具体实施方式

本文中所述的本发明的方面可用于多种电子装置中，所述电子装置包含例如数码相机。所揭示的装置和方法在图像传感器的动态范围方面实现改善。

图像传感器的动态范围取决于图像传感器的像素的最长积分时间(或曝光时间)与最短积分时间的比率。典型地，图像传感器的最长积分时间受到可用于帧中的行数的限制，且最短积分时间受到行时间周期的持续时间的限制。如本文所使用，术语“行时间周期”指代图像感测装置的快门速度(即，1/60秒)除以在帧中曝光的图像传感器的行数。本发明的方面涉及实施具有可变积分时间的图像传感器，所述可变积分时间可小于行时间周期。所揭示的装置和方法可由如本文将描述的具有共享和非共享像素阵列的图像传感器使用。

本文所揭示的实例实施例尤其适合结合互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器来使用。常规上，CMOS图像传感器在将像素曝光于光源期间执行“滚动快门”操作。在滚动快门操作中，图像传感器中的所有像素行并不同时曝光。而是，图像传感器中的所有像素行通过跨越图像传感器扫描快门操作而逐行依次曝光。尽管本文在CMOS图像传感器的情况下描述本发明的实例实施例，但所属领域的技术人员将理解，本发明不限于此。

现在参看图式，图1说明根据本发明的方面的实例图像感测装置100。图像感测装置100可为例如数码相机等电子装置。作为一般概述，图像感测装置100包含图像传感器120和控制器140。下文描述图像感测装置100的额外细节。

图像传感器120包含多行像素122。像素122将由图像传感器120接收的光转换成电信号。每一像素122包含光检测器、浮动扩散区、转移晶体管、复位晶体管，和行选择晶体管(所述晶体管中的每一者具有相应命名的栅极)。所述光检测器可包括例如钉扎半导体p-n结二极管(即，光电二极管)。简要地说，p-n结常用于检测光信号。p-n结典型地被反向偏置，从而在围绕p-n结的体积中产生耗尽区。由此，照射p-n结的光引起半导体材料的价带中的电子过渡到导带，从而在耗尽区中产生电洞-电子对，所述电洞-电子对在相反方向上被扫出耗尽区。结电位的由于耗尽区的崩溃而引起的改变被检测为指示由像素122吸收的光的强度的信号。本文稍后将更详细地描述像素122的进一步操作。

在一实例实施例中，图像传感器120为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。所属领域的技术人员将从本文的描述中理解此种图像传感器120的制造。

控制器140控制图像传感器120的曝光。具体地说，控制器140经编程以对图像传感器120中的每一行像素执行快门操作。控制器140可执行例如如上文所述的滚动快门操作。此外，控制器140经编程以在执行快门操作之后对每一行像素进行取样。具体地说，控制器140经编程以在执行快门操作之后的预定持续时间之后对每一行进行取样。在常规图像感测装置中，此种取样在从快门操作起已过去或以上行时间周期之后发生。根据本发明的方面，控制器140在与图像感测装置100的行时间周期不同，且更具体地说，与图像感测装置100的行时间周期的任何整数倍不同的预定持续时间之后对每一行进行取样。下文将描述图像感测装置100中的控制器140的进一步操作。

在一实例实施例中，控制器140由微处理器组成。微处理器可利用常规电子逻辑组件来执行本文所述的实例操作。所属领域的技术人员将从本文的描述中理解用于供本发明使用的适当控制器140。

现在将描述根据本发明的方面的图像感测装置100的操作。在实例操作中，图像感测装置100用图像传感器120接收信号以获得图像。图像感测装置100从例如用户接收此种信号，或可自动产生此种信号。在接收到信号时，图像感测装置100的控制器140随即将图像传感器120中的每一行像素122曝光于光源(即，待成像的场景)。

为了曝光一行像素122，控制器140经编程以对所述行执行快门操作。所述快门操作可为跨越图像传感器120中的每一行像素的滚动快门操作。在实例操作中，控制器通过针对行中的每一像素122接通和断开复位栅极和转移栅极以使所述像素复位来执行快门操作。每一像素122的积分(或曝光)时间在执行快门操作之后开始。在此积分时间期间，每一像素122的光检测器从光源接收光子。光子的此接收如上所述在光检测器中产生电荷。

在预定持续时间(对应于所需积分时间)之后，控制器140经编程以对所述行像素122进行取样。控制器140在对每一行像素执行快门操作之后的相同预定持续时间之后对那一行进行取样。所述预定持续时间可小于行时间周期，或可大于行时间周期。利用小于图像传感器的行时间周期的积分时间会增加最长积分时间与最短积分时间之间的比率，且由此合意地改善图像传感器120的动态范围。

在一个实例实施例中，每一像素122包括非共享浮动扩散。在此实施例中，控制器140通过针对行中的每一像素122接通转移栅极来对每一像素122进行取样。接通转移栅极会将在曝光期间于光检测器中产生的电荷转移到浮动扩散。一旦电荷已转移到浮动扩散，控制器140就可接通行选择栅极以将电荷从浮动扩散转移到像素122的相关联的列线。光检测器和浮动扩散可接着通过接通像素122的复位栅极而复位。在此转移操作之前，可作为相关双取样操作的一部分对浮动扩散进行复位和取样。

在一替代实施例中，像素122的多个行包括多个浮动扩散。在此实施例中，控制器140通过针对共享浮动扩散的像素行依序接通转移栅极、针对共享浮动扩散接通行选择和转移栅极，且接着针对共享浮动扩散接通复位栅极，随后针对共享浮动扩散的下一行像素接通转移栅极来对每一像素122进行取样。以此方式，可使用共享浮动扩散单独转移来自光检测器的每一行的电荷。

图2是说明图像感测装置100的多个行时间周期内的上述快门操作与取样操作之间的关系的时序图200。多个行时间周期202说明于图2中。在每一行时间周期202期间，控制器140执行展示为框204的快门操作(如上所述)。此外，在每一行时间周期202期间，控制器140执行展示为框206的取样操作(如上所述)。

如图2所示，每一快门操作与随后取样操作之间的预定持续时间(或积分时间)小于图像感测装置100的行时间周期202。对于快门操作204a，积分时间的长度由线208说明。对于快门操作204b，积分时间的长度由线210说明。对于快门操作204c，积分时间的长度由线212说明。显然，积分时间208、210、212中无一者在持续时间上等于行时间周期202或行时间周期的整数倍。

如图2所示，图像感测装置100可经配置以在每一行时间周期202期间在不同时间执行快门操作。不同操作模式214展示于图2中。当图像感测装置100在第一操作模式214a中操作时，控制器140将信号发送到图像传感器120以在曝光期间执行快门操作204a；在第二操作模式214b中，控制器140将信号发送到图像传感器120以在曝光期间执行快门操作204b；且在第三操作模式214c中，控制器140将信号发送到图像传感器120以在曝光期间执行快门操作204c。

尽管在图2中展示短于行时间周期的积分时间，但将理解，本发明不限于此。为将积分时间延长到超出行时间周期(如线216和218所说明)，控制器140可经编程以延迟对必须执行快门或取样操作的像素行的定址。如图2所示，线218的积分时间可等于一个行时间周期加上线210的积分时间。如果需要，延迟可延长到多个行。

图3是说明根据本发明的方面用于用图像感测装置感测图像的实例方法300的流程图。所述图像感测装置可为例如数码相机等电子装置。作为一般概述，方法300包含对一行像素执行快门操作和对所述行像素进行取样。本文关于图像感测装置100的组件描述方法300的额外细节。

在步骤310中，对一行像素执行快门操作。在一实例实施例中，控制器140对于图像传感器120中的一行像素122执行快门操作。如上所述，所述快门操作可为跨越每一行像素122的滚动快门操作。

在步骤320中，在执行快门操作之后的预定持续时间之后对像素行进行取样。在一实例实施例中，控制器140在快门操作之后的预定持续时间之后对像素行进行取样。所述预定持续时间不同于图像感测装置100的行时间周期，且更具体地说，不同于图像感测装置100的行时间周期的任何倍数。

本发明的方面涉及用于改善图像传感器中的动态范围的方法和装置。

根据本发明的一个方面，揭示一种用于用图像感测装置感测图像的方法。所述图像感测装置包括具有多行像素的图像传感器。所述方法包括对多行像素的中的一行执行快门操作，且在执行快门操作之后的预定持续时间之后对所述多行中的所述一行进行取样。所述预定持续时间不同于图像感测装置的行时间周期的倍数。

根据本发明的另一方面，揭示一种图像感测装置。所述图像感测装置包括具有多行像素的图像传感器和用于控制每一行像素的曝光的控制器。所述控制器经编程以执行上述方法。

尽管本文参考特定实施例说明且描述了本发明，但不希望本发明限于所展示的细节。相反，可在权利要求书的等效物的范围内在细节上进行各种修改，而不脱离本发明。

Claims (14)

1.一种用于用图像感测装置感测图像的方法，所述图像感测装置包括具有多行像素的图像传感器，所述方法包括：

对所述多行像素中的一行执行快门操作；

在执行所述快门操作之后的预定持续时间之后对所述多行中的所述一行进行取样，所述预定持续时间不同于所述图像感测装置的行时间周期的倍数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

所述执行步骤包括对所述多行像素执行滚动快门操作；且

所述取样步骤包括在所述执行相关联的快门操作之后的所述预定持续时间之后对所述多行中的每一行进行取样。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述执行步骤包括针对所述行中的每一像素接通和断开复位栅极和转移栅极。

4.根据权利要求3所述的方法，其中

每一像素包括非共享浮动扩散；且

所述取样步骤包括针对所述行中的每一像素接通转移栅极和行选择栅极。

5.根据权利要求3所述的方法，其中

所述多行像素包括多个共享浮动扩散，所述多个共享浮动扩散跨越多个行而被共享；且

所述取样步骤包括针对共享浮动扩散的第一行像素依序接通所述转移栅极、针对所述第一行接通所述行选择栅极，且接着针对所述共享浮动扩散接通所述复位栅极，随后针对所述共享浮动扩散的第二行像素接通转移栅极。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定持续时间小于一个行时间周期。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定持续时间大于一个行时间周期。

8.一种图像感测装置，其包括：

具有多行像素的图像传感器；

用于控制每一行像素的曝光的控制器，所述控制器经编程以：

对所述多行像素中的一行执行快门操作；

在执行所述快门操作之后的预定持续时间之后对所述多行中的所述一行进行取样，所述预定持续时间不同于所述图像感测装置的行时间周期的倍数。

9.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中

所述控制器经编程以对所述多行像素执行滚动快门操作；且

所述控制器经编程以在所述执行相关联的快门操作之后的所述预定持续时间之后对所述多行中的每一行进行取样。

10.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中

所述控制器通过针对所述行中的每一像素接通和断开复位栅极和转移栅极来执行所述快门操作。

11.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中

每一像素包括非共享浮动扩散；且

所述控制器通过针对所述行中的每一像素接通转移栅极和行选择栅极来对所述多行中的所述一行进行取样。

12.根据权利要求10所述的图像感测装置，其中

所述多行像素包括多个共享浮动扩散，所述多个共享浮动扩散跨越多个行而被共享；且

所述控制器通过针对共享浮动扩散的像素的第一行依序接通所述转移栅极、针对所述第一行接通所述行选择栅极一且接着针对所述共享浮动扩散接通所述复位栅极，随后针对所述共享浮动扩散的像素的第二行接通转移栅极来对所述多行中的所述一行进行取样。

13.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中所述预定持续时间小于一个行时间周期。

14.根据权利要求8所述的图像感测装置，其中所述预定持续时间大于一个行时间周期。

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