CN103546729A - 灰度彩色双模式tdi-cmos图像传感器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CMOS图像传感器领域，为提供一种利用时间延迟积分的能同时获取彩色和灰度图像的TDI-CMOS图像传感器，为此，本发明采用的技术方案是，灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器结构为，TDI-CMOS图像传感器像素阵列尺寸为M×N，M为TDI级数，N为TDI-CMOS图像传感器线列方向长度；在像素阵列的第1行覆盖红色滤波片（R），第2行覆盖绿色滤波片（G），第3行覆盖蓝色滤波片（B），从第4行到第M行不覆盖滤波片，仍为普通灰度像素单元（PH）；TDI级数M大于3；此外，还包括有像素阵列外的存储器。本发明主要应用于CMOS图像传感器的设计制造。

Description

灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器及控制方法

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器及控制方法。

技术背景

时间延迟积分（Time-Delay-Integration，TDI）基本原理是使用面阵排布的像素阵列以线阵推扫的方式工作，通过相对移动实现多级像素单元对同一目标多次曝光，并将多次曝光结果进行累加，等效延长曝光积分时间来实现足够的光电灵敏度和信噪比。因此，TDI技术在高速相对运动成像和低光照成像等领域有广泛的应用。TDI技术最早是通过CCD(ChargeCoupled Device,电荷耦合器件)图像传感器实现的。随着CMOS图像传感器技术日渐成熟，由于其具有功耗低、集成度高、成本低、抗辐照性好等特点，已逐渐取代CCD图像传感器。

常见的CCD、CMOS图像传感器又可分为灰度和彩色两种类型。两种传感器在成像技术上,具有各自的优势,灰度图像传感器只采集亮度信息,没有色度信息,所以采集的亮度信息与彩色传感器相比,更加真实、准确；彩色传感器采集的图像信息中则包含灰度传感器没有的色度信息，图像表现更为丰富。

在图像传感器获取的全彩色图像中，每个像素值由R、G、B三个颜色值组成，理论上就需要三个不同的图像传感器来分别获取R、G、B中的一种颜色数据。但是在实际应用中，为了减小体积、降低成本、简化三个通道的同步和矫正步骤，通常都在一个图像传感器之前覆盖上一个颜色滤波阵列，这种彩色图像的成像方法目前被大多数产品所使用。一般采用Bayer模型的彩色滤波阵列（如图1的（1）所示），这种彩色滤波阵列把输入光信号分为RGB（红绿蓝）三基色，图像传感器的每一个像素点只采集一种颜色的光亮度信号，然后要对采集到的图像信息进行数字信号图像处理，一般来讲，就是根据周边的像素值得到每个像素所缺失的另外两个色彩值，经过颜色插补后得到完整的图像信息（如图1的（2）所示）。

TDI-CMOS图像传感器一般为灰度图像传感器，传感器结构（如图2所示）一般包含像素阵列、信号放大处理电路、ADC和控制电路等。而目前已有的彩色TDI技术一般有两种方法。一种方法是采用三个分立的图像传感器，每个图像传感器的像素阵列上分别遮盖R、G、B中的一种颜色的遮光片，将三个分立CCD图像传感器采集到的RGB三色信息进行后续融合处理得到一幅TDI彩色图像。另一种方法是在单个图像传感器的像素阵列上按行循环覆盖R、G、B中的中的一种颜色滤波片，此后对各行采集到的图像信息进行融合处理，得到一幅TDI彩色图像。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种利用时间延迟积分的能同时获取彩色和灰度图像的TDI-CMOS图像传感器，为此，本发明采用的技术方案是，灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器结构为，TDI-CMOS图像传感器像素阵列尺寸为M×N，M为TDI级数，N为TDI-CMOS图像传感器线列方向长度；在像素阵列的第1行覆盖红色滤波片（R），第2行覆盖绿色滤波片（G），第3行覆盖蓝色滤波片（B），从第4行到第M行不覆盖滤波片，仍为普通灰度像素单元（PH）；TDI级数M大于3；此外，还包括有像素阵列外的存储器。

灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器控制方法，借助于灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器实现，包括下列步骤：

TDI-CMOS图像传感器阵列对场景曝光累加后输出并存储R、G、B三基色信号和普通灰度图像信号，以单列像素为例，在第1个时间周期，单列的第1个像素对场景元素进行曝光，输出滤波片R过滤后的红色图像信息并存入像素阵列外的存储器的PR单元中，第2个时间周期，单列的第2个像素对场景元素进行曝光，输出绿色滤波片G过滤后的绿色图像信息并存入像素阵列外的存储器的PG单元中，第3个时间周期，单列的第3个像素对场景元素进行曝光，输出蓝色滤波片B过滤后的蓝色图像信息并存入像素阵列外的存储器的PB单元中，第4个时间周期，单列的第4个像素对场景元素进行曝光，输出普通灰度图像信息并送入累加寄存器Adder，此后直到第M个时间周期均输出普通灰度图像信息送入累加寄存器Adder，把从第4到第M个像素采集到的灰度信息进行累加后输出TDI累加后的灰度信息存入存储器PH₀；这样经过M次曝光就得到该场景元素的R、G、B三基色信号值PR、PG、PB和累加灰度信号值PH₀；TDI-CMOS图像传感器所有列均按照上述方式同步并行工作；

阵列对目标场景进行扫描，最后仅输出灰度信号Ph₀，而不输出前三行的彩色信息，完整输出即为目标场景的一幅M-3级的TDI灰度图像-灰度模式；

从像素阵列外的存储器中提取由图像传感器前3级像素单元得到的某一场景元素的R、G、B三基色图像信息PR、PG、PB，并进行归一化处理，就得到该场景元素的三色分量相互间的比例关系，并与该场景元素TDI累加灰度信号值PH₀融合处理，即可获得相应场景元素的彩色TDI图像信号，对目标场景的每个场景元素进行如此操作，完整输出即为彩色TDI图像-彩色模式。

本发明具备下列技术效果：

采用TDI技术对同一场景元素的多次曝光得到该场景元素的三基色信号和TDI累加后的灰度信号，单独输出累加灰度信号则得到普通TDI灰度图像，对三基色信号和累加灰度信号融合处理即可得到彩色TDI图像。本发明采用单个图像传感器且只在像素阵列的前3行覆盖三基色单色滤波片，即可同时获取灰度和彩色图像。

附图说明

图1Bayer彩色滤波和颜色插值。

图2TDI-CMOS图像传感器结构

图3前3级覆盖单色滤波片的图像传感器像素阵列。

图4单列像素的曝光累加存储过程。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是，

（1）TDI-CMOS图像传感器像素阵列（如图3所示）尺寸为M×N，M为TDI级数，N为TDI-CMOS图像传感器线列方向长度。在像素阵列的第1行覆盖红色滤波片（R），第2行覆盖绿色滤波片（G），第3行覆盖蓝色滤波片（B），从第4行到第M行不覆盖滤波片，仍为普通灰度像素单元（PH）。TDI级数M大于3。

（2）TDI-CMOS图像传感器阵列对场景曝光累加后输出并存储R、G、B三基色信号和普通灰度图像信号。以单列像素为例，如图3所示。在第1个时间周期，单列的第1个像素对场景元素进行曝光，输出滤波片R过滤后的红色图像信息并存入像素阵列外的存储器PR中，第2个时间周期，单列的第2个像素对场景元素进行曝光，输出滤波片G过滤后的绿色图像信息并存入像素阵列外的存储器PG中，第3个时间周期，单列的第3个像素对场景元素进行曝光，输出滤波片B过滤后的蓝色图像信息并存入像素阵列外的存储器PB中，第4个时间周期，单列的第4个像素对场景元素进行曝光，输出普通灰度图像信息并送入累加寄存器Adder，此后直到第M个时间周期均输出普通灰度图像信息送入累加寄存器Adder，把从第4到第M个像素采集到的灰度信息进行累加后输出TDI累加后的灰度信息存入存储器PH₀。这样经过M次曝光就得到该场景元素的R、G、B三基色信号值PR、PG、PB和累加灰度信号值PH₀。TDI-CMOS图像传感器所有列均按照上述方式同步并行工作。

（3）如步骤（2）所述，阵列对目标场景进行扫描，最后仅输出灰度信号Ph₀，而不输出前三行的彩色信息。完整输出即为目标场景的一幅M-3级的TDI灰度图像（灰度模式）。

（4）从外部寄存器中提取由图像传感器前3级像素单元得到的某一场景元素的R、G、B三基色图像信息PR、PG、PB，并进行归一化处理，就得到该场景元素的三色分量相互间的比例关系，并与该场景元素TDI累加灰度信号值PH₀融合处理，即可获得相应场景元素的彩色TDI图像信号，对目标场景的每个场景元素进行如此操作，完整输出即为彩色TDI图像（彩色模式）。

在TDI-CMOS图像传感器前3级的像素单元上分别覆盖R、G、B单色滤波片，其余各级仍保持原有的像素结构。像素阵列外采用存储器阵列存储R、G、B三基色色彩分量和灰度累加信号。在灰度TDI图像模式下，输出TDI累加后的灰度信号构成完整的灰度TDI图像。在彩色TDI图像模式下，根据前3级采集场景元素的RGB三色色彩分量计算该场景元素的RGB三色构成比例，并与此后各级累加得到的灰度信号进行按比例融合，输出构成完整的彩色TDI图像

Claims (3)

1.一种灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器，其特征是，结构为：TDI-CMOS图像传感器像素阵列尺寸为M×N，M为TDI级数，N为TDI-CMOS图像传感器线列方向长度；在像素阵列的第1行覆盖红色滤波片（R），第2行覆盖绿色滤波片（G），第3行覆盖蓝色滤波片（B），从第4行到第M行不覆盖滤波片，仍为普通灰度像素单元（PH）；TDI级数M大于3；此外，还包括有像素阵列外的存储器。

2.如权利要求1所述的灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器，其特征是，像素阵列外的存储器设置有PR、PG、PB和PH₀单元，分别用于存储红、绿、蓝绿色滤波片绿波后的图像信息，以及普通灰度图像信息。

3.一种灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器控制方法，其特征是，借助于灰度彩色双模式TDI-CMOS图像传感器实现，包括下列步骤：

TDI-CMOS图像传感器阵列对场景曝光累加后输出并存储R、G、B三基色信号和普通灰度图像信号，以单列像素为例，在第1个时间周期，单列的第1个像素对场景元素进行曝光，输出滤波片R过滤后的红色图像信息并存入像素阵列外的存储器的PR单元中，第2个时间周期，单列的第2个像素对场景元素进行曝光，输出绿色滤波片G过滤后的绿色图像信息并存入像素阵列外的存储器的PG单元中，第3个时间周期，单列的第3个像素对场景元素进行曝光，输出蓝色滤波片B过滤后的蓝色图像信息并存入像素阵列外的存储器的PB单元中，第4个时间周期，单列的第4个像素对场景元素进行曝光，输出普通灰度图像信息并送入累加寄存器Adder，此后直到第M个时间周期均输出普通灰度图像信息送入累加寄存器Adder，把从第4到第M个像素采集到的灰度信息进行累加后输出TDI累加后的灰度信息存入存储器PH₀；这样经过M次曝光就得到该场景元素的R、G、B三基色信号值PR、PG、PB和累加灰度信号值PH₀；TDI-CMOS图像传感器所有列均按照上述方式同步并行工作；

阵列对目标场景进行扫描，最后仅输出灰度信号Ph₀，而不输出前三行的彩色信息，完整输出即为目标场景的一幅M-3级的TDI灰度图像-灰度模式；

从像素阵列外的存储器中提取由图像传感器前3级像素单元得到的某一场景元素的R、G、B三基色图像信息PR、PG、PB，并进行归一化处理，就得到该场景元素的三色分量相互间的比例关系，并与该场景元素TDI累加灰度信号值PH₀融合处理，即可获得相应场景元素的彩色TDI图像信号，对目标场景的每个场景元素进行如此操作，完整输出即为彩色TDI图像-彩色模式。

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