CN103686103A

CN103686103A - 具有合并和分裂模式的图像传感器、像素单元

Info

Publication number: CN103686103A
Application number: CN201310753984.6A
Authority: CN
Inventors: 李琛; 陈嘉胤
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103686103B

Abstract

本发明公开了一种具有合并和分裂模式的图像传感器、像素单元，属于图像传感器领域。图像传感器包括：若干个具有合并和分裂模式的像素单元和开关控制电路；其中，每个像素单元包括不规则排列的若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一所述开关控制电路，用于根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；或者并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。本发明避免了消除莫尔条纹时与分辨率存在矛盾。

Description

具有合并和分裂模式的图像传感器、像素单元

技术领域

本发明属于图像传感器领域，具体地说，涉及一种具有合并和分裂模式的图像传感器、像素单元。

背景技术

图像传感器是相机的重要组成部分。传统相机与现代数码相机使用不同的图像传感器。传统相机使用的图像传感器是通过胶片来实现，而现代数码相机使用的图像传感器是通过CMOS图像传感器（CMOS IMAGE SENSOR，以下简称CIS）或者充电耦合器件（Charge-coupled Device，以下简称CCD）来实现。

对于传统相机来说，胶片可分为黑白胶片和彩色胶片。但是，无论哪种类型的胶片，其一般情况下都包括两个基本组成部分：一个单层或多层的感光乳剂层、一个感光乳剂层的支持体即片基。感光乳剂层由乳剂制成，而乳剂实际上是通过在明胶介质中随机悬浮对光敏感的微细颗粒形成。通常，对光敏感的微细颗粒的材质为卤化银颗粒。

对于使用CCD器件作为图像传感器的数码相机来说，在专业的科研和工业领域，具有高信噪比的CCD成为首选；在高端摄影摄像领域，能提供高图像质量的CCD也颇受青睐。对于使用CIS器件作为图像传感器的数码相机来说，在网络摄像头和手机拍照模块得到了广泛应用。在图像质量方面CCD可能会优于CIS。但是，随着CIS技术的不断提高，一部分CIS的图像质量已经接近于同规格的CCD。

但是，基于CMOS的现代数码相机中，存在如下技术问题：

（1）灵敏度和较动态范围、图像传感器之间存在矛盾

对于一个像素单元来说，如果该像元的面积越大，就会具有较为优秀的灵敏度和较高的动态范围。因此，在目前的单反、微单、高清监控等使用高端CMOS图像传感器的设备中，通常采用具有较大像素的前照技术来实现。但是，为了使图像传感器的尺寸变小，又必须采尽可能小的像素单元。因此，灵敏度和较动态范围、图像传感器像素大小之间存在矛盾。

（2）无论是CIS还是CCD，均会出现莫尔条纹，莫尔条纹和分辨率存在矛盾

莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。人眼无法分辨这两条线或两个物体，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。

传统相机中，由于光敏感微细颗粒悬浮的随机性，因此，当采用胶卷传感器拍摄物体时，即使物体是由规则线条或图形组成的，也不会发生莫尔条纹。

图5为现有技术中CIS或CCD图像传感器的平面排列方式示意图；图6为现有技术中出现的莫尔条纹示意图；如图5所示，由于其像素通常采用规则排列构成，因此在拍摄由规则条纹或者图形构成的物体时，通常会出现莫尔条纹，如图6所示。

分析莫尔条纹出现的原因，其实质上是由于信号取样频率接近感光器分辨率所致。因此，为了避免莫尔条纹，通常采用的方法是用一个低通滤镜把高于感光器分辨率的信号过滤掉。但是，低通滤镜的存在又降低图像传感器成像的分辨率。因此，分辨率和莫尔条纹之间通常存在矛盾。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有合并和分裂模式的图像传感器、像素单元及开关控制电路，用以解决现有技术的上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有合并和分裂模式的图像传感器，其包括若干个具有合并和分裂模式的像素单元和开关控制电路；其中，每个像素单元包括不规则排列的若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一所述开关控制电路，用于根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；或者并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

优选地，在本发明的一实施例中，所述像素单元的排布采用bayer模式，每个像素单元包括一个红色子像素组、两个绿色子像素组、一个蓝色子像素组。

优选地，在本发明的一实施例中，所述开关控制电路包括信号读取晶体管、选择晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管，其中，信号读取晶体管与所述子像素组中每个子像素对应的感光单元连接，用于读取每个感光单元的输出信号；选择晶体管用于选中一像素单元，复位晶体管用于对读出的输出信号进行复位，跟随晶体管用于将读出的输出信号输出到选择晶体管，当所述选择晶体管选通时，将输出信号输出到外围电路进行处理。

优选地，在本发明的一实施例中，不同子像素对应的信号读取晶体管具有各自独立的选通信号，以根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；不同子像素对应的信号读取晶体管具有同一选通信号，以根据光照条件并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种具有合并和分裂模式的像素单元，每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一开关控制电路，用于根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使像素单元处于分裂工作模式，或者并行开启每个子像素组中的子像素，使像素单元处于合并工作模式。

为解决上述技术问题，本发明又提供了一种开关控制电路，其包括信号读取晶体管、选择晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管，其中，信号读取晶体管与所述子像素组中每个子像素对应的感光单元连接，用于从读取感光单元的输出信号；选择晶体管用于选中一像素单元，复位晶体管用于对读出的输出信号进行复位，跟随晶体管用于将读出的输出信号输出到选择晶体管，当所述选择晶体管选通时，将输出信号输出到外围电路进行处理。

与现有的方案相比，本发明中，由于每个像素单元包括不规则排列的若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一所述开关控制电路。在开关控制电路的不同工作状态下，根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；或者并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号，避免了莫尔条纹和分辨率之间存在的矛盾，实现了光线较足时，图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数；而阴天、晚间等环境光线较弱时，图像传感器切换到合并模式，通过牺牲像素的数目，来实现更加高的暗光表现力。

附图说明

图1为本发明实施例一中图像传感器的平面示意图；

图2为本发明实施例二中开关控制电路的结构示意图；

图3为本发明实施例中图像传感器处于分裂模式的控制时序；

图4为本发明实施例中图像传感器处于合并模式的控制时序；

图5为现有技术中CIS或CCD图像传感器的平面排列方式示意图；

图6为现有技术中出现的莫尔条纹示意图。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的下述实施例中，每个像素单元包括不规则排列的若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一所述开关控制电路。在开关控制电路的不同工作状态下，根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；或者并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号，避免莫尔条纹和分辨率之间存在的矛盾，实现了光线较足时，图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数；而阴天、晚间等环境光线较弱时，图像传感器切换到合并模式，通过牺牲像素的数目，来实现更加高的暗光表现力。

图1为本发明实施例一中图像传感器的平面示意图，如图1所示，其包括若干个具有合并和分裂模式的像素单元101，每个像素单元包括不规则排列的若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素。

本实施例中，以所述像素单元101的排布采用bayer模式为例，每个像素单元101包括一个红色子像素组111、两个绿色子像素组121、一个蓝色子像素组131。

可替代地，像素单元101也不局限于bayer模式，也可以采用其他模式。另外，像素单元101也不局限于基于RGB三原色，也可以采用其他如CMMY四色。详细不再赘述。

本实施例中，所述红色子像素组111包括三个红色子像素1111，每个绿色子像素组121包括三个绿色子像素，蓝色子像素组131中包括三个蓝色子像素1311。因此，一个像素单元101包括3个红色子像素、6个绿色子像素、3个蓝色子像素，共计12个子像素。

可替代地，每个子像素组中的子像素个数不局限于三个，也可以多于或少于三个，只要可以实现本发明的分裂和合并模式即可。

为了实现本实施例中图像传感器的分裂模式和合并模式，针对每个子像素组101设置一所述开关控制电路（图中未示出），用于根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；或者并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

由于一个像素单元包括一个红色子像素组111、两个绿色子像素组121、一个蓝色子像素组131，同时，所述红色子像素组111包括三个红色子像素1111（R1R2R3），每个绿色子像素组121包括三个绿色子像素（G1G2G3/G4G5G6），蓝色子像素组131包括三个蓝色子像素1311（B1B2B3）。因此，为了实现图像传感器的分裂和合并模式，给每一个子像素组即红色子像素组111、绿色子像素组121、蓝色子像素组131均需配置一个开关控制电路，以控制其中的某几个子像素开启或关闭。

图2为本发明实施例二中开关控制电路的结构示意图，如图2所示，开关控制电路包括信号读取晶体管201、选择晶体管202、复位晶体管203、跟随晶体管204，其中，信号读取晶体管201与所述子像素组中每个子像素对应的感光单元205连接，用于读取每个感光单元205的输出信号；选择晶体管202用于选中一像素单元，复位晶体管203用于对读出的输出信号进行复位，跟随晶体管204用于将读出的输出信号输出到选择晶体管202，当所述选择晶体管202选通时，将输出信号输出到外围电路进行处理。

由于每个子像素组比如红色子像素组包括三个红色子像素，对应的就存在三个感光单元205如感光二极管。为了单独对每个感光单元204进行操作，每个感光单元204均连接有一信号读取晶体管201，每个信号读取晶体管201的栅端连接有一选通信号TXi，当选通信号TXi置高时，该信号读取晶体管201开通，输出对应感光单元205的输出信号。为了选中某一像素单元，选择晶体管202的栅端连接有一选中信号ROW，当该选中信号ROW置高时，选中对应的像素单元。为了实现复位，复位晶体管203的栅端连接有一复位信号RX，当该复位信号RX置高时，复位晶体管203导通，使得P点的电位被拉高到Vdd，从而对P点的电荷进行清空复位。跟随晶体管204用于将感光单元205的输出信号从其栅端输出到源端。

开关控制电路各个部件的连接关系如下：

信号读取晶体管201的源端与感光单元205的输出端连接；信号读取晶体管201的栅端与选通信号TXi连接；信号读取晶体管201的漏端与复位晶体管203的源端连接。

选择晶体管202的栅端连接有一选中信号ROW，漏端与跟随晶体管204的源端204连接，源端作为输出端；选择晶体管202的源端还连接有一尾电流Vs。

复位晶体管203的栅端连接有一复位信号RX，源端与跟随晶体管204的栅端连接，漏端连接有电压Vdd。

跟随晶体管204的栅端与复位晶体管203的源端连接，源端与选中晶体管202的漏端连接，漏端连接有电压VDD。

下面将对利用上述开关控制电路实现图像传感器的分裂和合并模式进行简要说明：

当不同子像素对应的信号读取晶体管201具有各自独立的选通信号时，可根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；

当不同子像素对应的信号读取晶体管201具有同一选通信号时，可根据光照条件并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

本实施例的应用场景假如是：当传感器在白天强光下拍摄时，由于室外光线较足，图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数；而传感器在阴天、晚间情况下拍摄时，由于环境光线较弱，图像传感器切换到合并模式，通过牺牲像素的数目，来实现更加高的暗光表现力。

下面将对利用上述开关控制电路实现图像传感器的分裂和合并模式进行详细说明：

（1）使图像传感器工作于分裂模式

如图2所示，选中信号ROW置高，选择晶体管202开通，选中某一像素单元。

通过控制选通信号TXi的置高，将信号读取晶体管201对应连接的感光单元205的输出信号传输到P点。比如，当TX1置高而TX2/TX3置低时，第一个感光单元205的输出信号被传输至P点。同样，当TX2置高而TX1/TX3/置低时，第二个感光单元205的输出信号被传输至P点；当TX3置高而TX1/TX2置低时，第三个感光单元205的输出信号被传输至P点。

复位信号RX置高时，复位晶体管203导通，P点与VDD相连，对P点电荷进行清空和复位；跟随晶体管204导通，将P点的信号从其栅端输出到源端，并经选通晶体管202输出到OUT。

图3为本发明实施例中图像传感器处于分裂模式的控制时序，结合图3以及图2所示具体电路来说明，如何依次输出每个感光单元205的输出信号：

在T1时段，输出第一个感光单元205的输出信号：复位信号RX置高，复位晶体管203开通，P点与VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，然后复位信号RX置低，第一个选通信号TX1置高/第二个选通信号TX2和第三个选通信号TX3置低，此时第一个感光单元205的输出信号传输至P点；

在T2时段，输出第二个感光单元205的输出信号：复位信号RX置高，复位晶体管203开通，P点与VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，然后复位信号RX置低，第二个选通信号TX2置高/第一个选通信号TX1和第三个选通信号TX3置低，此时第二个感光单元205的输出信号传输至P点；

在T3时段，输出第三个感光单元205的输出信号：复位信号RX置高，复位晶体管203开通，P点与VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，然后复位信号RX置低，第三个选通信号TX3置高/第一个选通信号TX1和第二个选通信号TX2置低，此时第三个感光单元205的输出信号传输至P点。

每个感光单元205的输出信号传输到P点后，跟随晶体管204导通，因选中信号ROW置高，晶体管202也导通，因此，即可将对应的输出信号传输到OUT端。

在上述图3所示的控制时序中：

RX信号置于高电平的时间为1us～64us，优选4us；

TX1信号置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；

TX2信号置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；

TX3信号置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；

ROW上升沿与第一个RX信号上升沿时间间隔为1us～5us，优选2us；

第一个RX下降沿与TX1信号上升沿时间间隔为1us～20us，优选5us；

TX1信号下降沿与第二个RX上升沿时间间隔为5～40us，优选15us；

第二个RX下降沿与TX2信号上升沿时间间隔为1us～20us，优选5us；

TX2信号下降沿与第三个RX上升沿时间间隔为5～40us，优选15us；

第三个RX下降沿与TX3信号上升沿时间间隔为1us～20us，优选5us；

TX3信号下降沿与ROW下降沿时间间隔为5～40us，优选15us。

（2）使图像传感器工作于合并模式

与分裂模式不同的是，子像素组的3个小像素合并成为1个大像素使用。

在T1时段，选通信号TX1/TX2/TX3信号合并成一个信号TX来使用，即选通信号TX1/TX2/TX3同时置高，三个感光单元205的输出信号同时传输至P点。此时，如图4所示，为本发明实施例中图像传感器处于合并模式的控制时序。

在上述图4所示的控制时序中：

RX信号置于高电平的时间为1us～64us，优选4us；

TX（TX1、TX2、TX3）信号置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；

ROW上升沿与RX信号上升沿时间间隔为1us～5us，优选2us；

RX下降沿与TX（TX1、TX2、TX3）信号上升沿时间间隔为1us～20us，优选5us;

TX（TX1、TX2、TX3）信号下降沿与ROW下降沿时间间隔为5～40us，优选15us。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种具有合并和分裂模式的图像传感器，其特征在于，包括若干个具有合并和分裂模式的像素单元和开关控制电路；其中，每个像素单元包括不规则排列的若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一所述开关控制电路，用于根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；或者并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元的排布采用bayer模式，每个像素单元包括一个红色子像素组、两个绿色子像素组、一个蓝色子像素组。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述开关控制电路包括信号读取晶体管、选择晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管，其中，信号读取晶体管与所述子像素组中每个子像素对应的感光单元连接，用于读取每个感光单元的输出信号；选择晶体管用于选中一像素单元，复位晶体管用于对读出的输出信号进行复位，跟随晶体管用于将读出的输出信号输出到选择晶体管，当所述选择晶体管选通时，将输出信号输出到外围电路进行处理。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，不同子像素对应的信号读取晶体管具有各自独立的选通信号，以根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；不同子像素对应的信号读取晶体管具有同一选通信号，以根据光照条件并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

5.一种具有合并和分裂模式的像素单元，其特征在于，每个像素单元包括若干个子像素组，每个子像素组包括若干个子像素；针对每个子像素组设置一开关控制电路，用于根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使像素单元处于分裂工作模式，或者并行开启每个子像素组中的子像素，使像素单元处于合并工作模式。

6.根据权利要求5所述的像素单元，其特征在于，所述开关控制电路包括信号读取晶体管、选择晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管，其中，信号读取晶体管与所述子像素组中每个子像素对应的感光单元连接，用于读取每个感光单元的输出信号；选择晶体管用于选中一像素单元，复位晶体管用于对读出的输出信号进行复位，跟随晶体管用于将读出的输出信号输出到选择晶体管，当所述选择晶体管选通时，将输出信号输出到外围电路进行处理。

7.根据权利要求5所述的像素单元，其特征在于，不同子像素对应的信号读取晶体管具有各自独立的选通信号，以根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；不同子像素对应的信号读取晶体管具有同一选通信号，以根据光照条件并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。

8.一种开关控制电路，其特征在于，所述开关控制电路包括信号读取晶体管、选择晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管，其中，信号读取晶体管与所述子像素组中每个子像素对应的感光单元连接，用于从读取感光单元的输出信号；选择晶体管用于选中一像素单元，复位晶体管用于对读出的输出信号进行复位，跟随晶体管用于将读出的输出信号输出到选择晶体管，当所述选择晶体管选通时，将输出信号输出到外围电路进行处理。

9.根据权利要求8所述的开关控制电路，其特征在于，不同子像素对应的信号读取晶体管具有各自独立的选通信号，以根据光照条件串行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器或者像素单元处于分裂工作模式，依次输出每个子像素中感光单元的输出信号；不同子像素对应的信号读取晶体管具有同一选通信号，以根据光照条件并行开启每个子像素组中的子像素，使图像传感器或者像素单元处于合并工作模式，同时输出每个子像素中感光单元的输出信号。