CN103531603B - 一种cmos图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器，包括多个像素单元和控制单元，每一所述像素单元包括多个像素，每一所述像素由多个子像素组成；读出电路，与每一所述像素对应相连，根据所述控制单元发出的控制信号读出所述像素的各子像素的合并输出信号或分别依次读出该像素的各子像素的输出信号。本发明的优点在于图像传感器能够在分裂、合并模式下切换，以满足不同需求，应用范围更广。

Description

一种CMOS图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。

其中，CMOS图像传感器重要的性能指标之一的像素灵敏度主要由填充因子（感光面积与整个像素面积之比）与量子效率（由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量）的乘积来决定。在CMOS图像传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，在CMOS图像传感器中应用了有源像素。如何使得有源像素实现更加高的灵敏度和动态范围是CMOS图像传感器领域的一个重要课题。

传统的CMOS图像传感器采用的前感光式（FSI，Front Side Illumination）技术，即前照技术。前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联以及光管孔。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；导光管（Light pipe）填充材料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。

随着像素尺寸的变小，提高填充因子所来越困难，目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式（BSI，Back Side Illumination），即背照技术。背照技术的主要特点是首先在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联，然后对硅片背面进行减薄（通常需要减薄至20um以下），并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术将感光二极管进行互联引出。由于互联电路置于背部，前部全部留给光电二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。然而，硅通孔技术难度较高，对设备的要求较高，其成本也相对较高。而且由于对于超薄硅片的减薄工艺的限制，通常背照技术应用于小像素的图像传感器中（目前应用于智能手机的中小像素摄像头普遍采用背照技术）。

一般来说，对于一个像素单元来说，如果该像素单元的面积越大，则对应更加优秀的灵敏度和动态范围。在目前的单反、微单、高清监控等高端CMOS图像传感器的应用领域中，通常采用具有较大像素的前照技术来实现。另一方面，为了使图像传感器的尺寸变小，设计人员通常希望采用更加小的像素单元。因此，上述两方面的需求就形成了一对矛盾。

为了解决上述矛盾，本专利提出一种基于像素分裂的图像传感器。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于像素分裂的CMOS图像传感器，可根据需求控制像素单元的合并与分裂，以切换CMOS图像传感器的分辨率。

为达成上述目的，本发明提供一种图像传感器，包括：

多个像素单元，其中每一所述像素单元包括多个像素，每一所述像素由多个子像素组成；以及多个读出电路，与每一所述像素对应相连，其根据控制信号读出该像素的各个子像素的合并输出信号或分别依次读出该像素的各个子像素的输出信号；以及

控制单元，发出所述控制信号。

优选的，所述控制单元包括条件设定模块，判断模块及执行模块；其中所述判断模块根据所述条件设定模块设定的条件及所述图像传感器获取的实时信息进行判断，所述执行模块相应输出所述控制信号。

优选的，所述条件设定模块设定的条件为环境光强度的阈值；所述图像传感器获取的实时信息为其所接收的环境光强度；所述判断模块判断所述环境光强度大于等于所述阈值时，所述执行模块发出所述控制信号使得每一所述读出电路分别依次读出其对应像素的各个子像素的输出信号；当判断所述环境光强度小于所述阈值时，所述执行模块发出所述控制信号使得每一所述读出电路读出其对应像素的各个子像素的合并输出信号。

优选的，所述条件设定模块设定的条件为所述图像传感器获取的图像信息中包含一特定影像信息；所述图像传感器获取的实时信息为其所获取的图像信息；所述判断模块判断所述图像信息包含该特定影像信息时，所述执行模块控制每一所述读出电路分别依次读出其对应像素的各个子像素的输出信号；当判断不包含该特定影像信息时，所述执行模块发出所述控制信号使得每一所述读出电路读出其对应像素的各个子像素的合并输出信号。

优选的，当每一所述读出电路分别依次读出其对应像素的各个子像素的输出信号时，所述图像传感器的分辨率为其读出该对应像素的各个子像素的合并输出信号的N倍，其中N为组成该对应像素的子像素的个数。

优选的，每一所述像素单元包括四个像素。

优选的，所述四个像素排列为拜耳分布。

优选的，每一所述像素的各子像素排列为正方形。

优选的，所述所述子像素的个数为4。

本发明的优点在于图像传感器能够依据特定条件或需求，调节图像传感器的分辨率，通过分裂、合并图像传感器的像素实现不同条件下图像质量的优化，并且使得此图像传感器更加智能，应用范围更广。

附图说明

图1所示为现有技术中图像传感器的像素单元结构示意图；

图2所示为本发明一实施例的图像传感器的结构示意图；

图3所示为本发明一实施例的图像传感器的一个像素单元的示意图；

图4所示为本发明一实施例的图像传感器的方块图。

图5所示为本发明一实施例的图像传感器的控制单元的方块图。

图6所示为本发明一实施例的图像传感器的进行像素切换的流程图。

图7所示为本发明另一实施例的图形传感器的进行像素切换的流程图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2和图3是本发明的CMOS图像传感器的像素结构的示意图。

如图2所示，CMOS图像传感器1包括像素阵列10，其具有多个像素单元100，每一个像素单元100包括多个像素。

请参照图3，在本实施例中，每一个像素单元100包括4个像素110，这4个像素排列为拜耳分布。其中每一个像素110又由4个子像素组成，这4个子像素形成正方形。具体来说，4个红色子像素R1，R2，R3，R4组成位于像素单元100左上角的红色像素，4个第一绿色子像素G1，G2，G3，G4组成位于像素单元100右上角的第一绿色像素，4个第二绿色子像素G5，G6，G7，G8组成位于像素单元100左下角的第二绿色像素，而4个蓝色子像素B1，B2，B3，B4组成位于像素单元右下角的蓝色像素。当然，在其他实施例中，每一个像素单元100所包含的像素个数可不限于4个，这些像素的分布也并不限于拜耳分布。此外，每个像素所包含的子像素个数也不限于4个，呈正方形分布。

然后，请参照图4，CMOS图像传感器包括多个像素单元，与每一像素单元中的多个像素110一一对应的多个读出电路210，以及控制单元310。其中，每个读出电路210与其对应的像素相连，其包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管等，该读出电路210可根据控制单元310发出的控制信号读出其对应像素110（如红色像素）的4个子像素（如子像素R1，R2，R3，R4）的合并输出信号或分别读出其对应像素的4个子像素的输出信号，从而可使得CMOS图像传感器在分裂模式和合并模式下切换。其中，当CMOS图像传感器在分裂模式下时，4个子像素依次进行信号输出，也即是一个像素将输出4个信号；当CMOS图像传感器在合并模式下时，4个子像素合并作为一个像素进行信号输出，也即是一个像素将输出1个信号。由此，在分裂模式下时，CMOS图像传感器的分辨率相较于合并模式倍增；而在合并模式下时，像素面积和信号强度相较于分裂模式倍增。

接着，请参照图5，将对本发明的控制单元310做进一步说明。在本实施例中，控制单元310包括条件设定模块311，判断模块312及执行模块313；其中判断模块312根据条件设定模块311设定的条件及图像传感器所获取的实时信息进行判断，执行模块313则根据判断结果输出相应的控制信号。

在本发明的一较佳的实施例中，CMOS图像传感器用作汽车摄像头，以下将结合图6说明CMOS图像传感器根据不同环境光强度条件进行像素切换的过程。在本实施例中，条件设定模块311设定的条件为环境光强度的阈值；图像传感器获取的实时信息为其所接收的环境光的强度；判断模块312将图像传感器接收的环境光强度与阈值进行比较，而执行模块313则根据比较结果输出控制信号。具体来说，当汽车行驶于白天强光下时，由于室外光线充足，判断模块312判断环境光强度要大于设定的阈值，由此执行模块313发出控制信号，使得每一个读出电路210均分别读出其对应像素110的各子像素的输出信号，则此时图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数和分辨率。而当汽车行驶至隧道或地下车库，或者在阴天、晚间情况下行驶时，由于环境光线强度较弱，判断模块312判断环境光强度小于设定的阈值，此时执行模块313发出另一控制信号使得每一读出电路210读出其对应像素110的各子像素的合并输出信号。如此一来，图像传感器切换到合并模式，在该合并模式下，虽然每一读出电路所读取的像素信号数量为分裂模式下的四分之一造成分辨率下降，但其像素面积和信号强度均是分裂模式下的四倍，具有更加优秀的动态范围和灵敏度，因此在弱光下具有非常好的图像表现力。其中，控制单元的环境光强度的判定以及控制信号的输出等功能可通过片上图像处理电路来达成。

在本发明的另一较佳的实施例中，该CMOS图像传感器用作门禁系统的监控摄像头，以下将结合图7说明CMOS图像传感器根据特定条件进行像素切换的过程。在本实施例中，条件设定模块311设定的条件为图像传感器获取的实时信息中包含一特定影像信息；图像传感器获取的实时信息为其所获取的图像信息；判断模块312将图像传感器获取的图像信息与特定影像信息进行比较，而执行模块313则根据比较结果输出控制信号。具体来说，该特定影像信息为人像信息，当有人员通过该监控摄像头时，判断模块312会判断摄像头获取的实时图像信息包含一人像信息，由此执行模块313发出控制信号使得每一个读出电路210分别读出其对应像素110的4个子像素的输出信号，则此时图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数和分辨率，从而更加有利于对人员影像细节的捕捉和记录。当无人员通过监控摄像头时，不需要通过高像素分辨率的摄像头进行监控，判断模块312判断摄像头获取的实时的图像信息不包含人像信息，则执行模块313发出控制信号使得得每一读出电路210读出其对应像素110的各子像素的合并输出信号。如此一来，图像传感器切换到合并模式，节省了无人员通过时系统存储容量的负担，可以较小的数据率存储监控视频。其中，控制单元对于人像信息的判定，及控制信号的输出等功能均可通过片外数字信号处理器来完成，也可通过其他软件或固件来达成。在实际应用时，当有人员通过监控摄像头时，此时摄像头可实时切换至520万像素的高清模式；当无人员通过监控摄像头时，则实时切换至130万低像素模式。

此外，在上述实施例中，CMOS图像传感器是根据条件（包括外部条件及用户自定义的条件）变化自动进行分裂模式与合并模式的切换，在其他实施例中控制单元也可以由外部信号的触发（如按钮触发）发出控制信号，使图像传感器在分裂模式与合并模式间切换。

综上所述，本发明的CMOS图像传感器能够在分裂模式和合并模式间切换，以相应调节图像传感器的分辨率和信号强度，以满足不同条件下图像质量的需求，应用范围更为广泛。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (6)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器用作监控摄像头，其包括：

多个像素单元，其中每一所述像素单元包括：

多个像素，每一所述像素由多个子像素组成；以及

多个读出电路，与每一所述像素对应相连，其根据控制信号读出该像素的各个子像素的合并输出信号或分别依次读出该像素的各个子像素的输出信号；以及

控制单元，发出所述控制信号；

其中，所述控制单元包括条件设定模块，判断模块及执行模块；所述判断模块根据所述条件设定模块设定的条件及所述图像传感器获取的实时信息进行判断，所述执行模块相应输出所述控制信号；

所述条件设定模块设定的条件为所述图像传感器获取的图像信息中包含一特定影像信息；所述图像传感器获取的实时信息为其所获取的图像信息；所述判断模块判断所述图像信息包含该特定影像信息时，所述执行模块控制每一所述读出电路分别依次读出其对应像素的各个子像素的输出信号；当判断不包含该特定影像信息时，所述执行模块发出所述控制信号使得每一所述读出电路读出其对应像素的各个子像素的合并输出信号。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，当每一所述读出电路分别依次读出其对应像素的各个子像素的输出信号时，所述图像传感器的分辨率为其读出该对应像素的各个子像素的合并输出信号的N倍，其中N为组成该对应像素的子像素的个数。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每一所述像素单元包括四个像素。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述四个像素排列为拜耳分布。

5.根据权利要求1或3所述的图像传感器，其特征在于，每一所述像素的各子像素排列为正方形。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述子像素的个数为4。