CN105516696A - 图像传感器、成像方法、成像装置和电子装置 - Google Patents

图像传感器、成像方法、成像装置和电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种图像传感器、成像方法、成像装置和电子装置，该图像传感器包括：像素单元阵列(包括多个像素单元)，每个像素单元包括多个相邻的像素子单元和分别与多个像素子单元相连的模数转换器，每个像素子单元包括：多个相邻的感光器件；多个传输管，每一个传输管其中一端电极被连接到对应感光器件的阴极电极；源极跟随器，每一个传输管其中另一端电极被共同连接至源极跟随器；各像素子单元通过其源极跟随器连接至模数转换器；设置在像素单元阵列上的滤光片，滤光片包括滤光单元阵列，每一个滤光单元对应覆盖一个像素单元。该图像传感器通过将多个像素合并成一个像素，提高了像素的感光度，减少了拍照时的曝光时间，且提高了信噪比。

Description

图像传感器、成像方法、成像装置和电子装置
技术领域
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种图像传感器、成像方法、成像装置和电子装置。
背景技术
目前，手机拍照功能的多样化赢得了广大用户的喜爱，很多手机在拍照时采用了多帧合成技术来提升拍照效果。当前主流的多帧合成技术几乎都是采用连拍多幅图像合成一幅图像的方案，多帧合成技术不仅能够克服单帧拍照得到的图像有缺陷的缺点，也可以增加细节的像素点从而达到获得高分辨率图像的目的。但是，从多帧合成技术的原理上来看，多帧合成需要连拍多幅图像来合成一张图像，因此拍照时间成倍的增加，给用户带来了很不好的体验！
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种图像传感器，该图像传感器通过将多个像素合并成一个像素，提高了像素的感光度，减少了拍照时的曝光时间，且提高了信噪比，从而提升了用户体验。
本发明的第二个目的在于提出一种图像传感器的成像方法。
本发明的第三个目的在于提出一种成像装置。
本发明的第四个目的在于提出一种电子装置。
为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的图像传感器，包括：像素单元阵列，其中，所述像素单元阵列包括多个像素单元，所述每个像素单元包括多个相邻的像素子单元和分别与所述多个像素子单元相连的模数转换器，所述每个像素子单元包括：多个相邻的感光器件；多个传输管，每一个传输管其中一端电极被连接到对应感光器件的阴极电极；源极跟随器，每一个传输管其中另一端电极被共同连接至所述源极跟随器；其中，各像素子单元通过其源极跟随器连接至所述模数转换器；设置在所述像素单元阵列上方的滤光片，所述滤光片包括具有多个滤光单元的滤光单元阵列，每一个滤光单元对应覆盖一个所述像素单元。
根据本发明实施例的图像传感器，通过将多个像素合并成一个像素，提高了像素的感光度，从而大大减少了拍照时的曝光时间，且提高了信噪比，提升了用户体验。
在本发明的一个实施例中，所述每个像素单元包括两个相邻的像素子单元和与该两个相邻的像素子单元相连的模数转换器，所述每个像素子单元包括：两个相邻的感光器件；两个传输管，所述每一个传输管其中一端电极被连接到对应感光器件的阴极电极；源极跟随器，每一个传输管其中另一端电极被共同连接至所述源极跟随器；其中，所述两个相邻的像素子单元通过各自的源极跟随器连接至所述模数转换器。
在本发明的一个实施例中，所述每个像素单元中的四个感光器件呈2行*2列排布，其中，所述每个像素子单元中的两个感光器件处于所述2行*2列排布中的同一列。
在本发明的一个实施例中，所述每个像素单元中的四个感光器件呈2行*2列排布，其中，所述每个像素子单元中的两个感光器件处于所述2行*2列排布中的同一行。
在本发明的一个实施例中，所述感光器件为光电二级管。
在本发明的一个实施例中，所述传输管和所述源极跟随器均为MOS晶体管。
在本发明的一个实施例中，所述滤光单元阵列包括拜耳阵列。
在本发明的一个实施例中，还包括：设置在所述滤光单元阵列上方的透镜阵列，所述透镜阵列用于将光线汇聚到所述滤光单元阵列下方的所述感光器件上。
在本发明的一个实施例中，所述透镜阵列包括多个微透镜，每个微透镜与一个所述感光器件对应设置。
为了实现上述目的，基于本发明第一方面实施例的图像传感器，本发明第二方面实施例的图像传感器的成像方法，包括以下步骤：读取所述图像传感器的多帧输出；对所述图像传感器的多帧输出进行合成。
根据本发明实施例的图像传感器的成像方法，读取图像传感器的多帧输出，并对图像传感器的多帧输出进行合成，以生成高动态范围的图像，该方法通过使用该图像传感器，减少了拍照时的曝光时间，大大提升了多帧合成的速度，同时也提高了图像的信噪比，从而提升了用户的拍照体验。
为了实现上述目的，本发明第三方面实施例的成像装置，包括本发明第一方面实施例的图像传感器和与所述图像传感器相连的图像处理模块，所述图像处理模块用于读取所述图像传感器的多帧输出，并对所述图像传感器的多帧输出进行合成。
根据本发明实施例的成像装置，由于具有了该图像传感器，减少了拍照时的曝光时间，大大提升了多帧合成的速度，同时也提高了图像的信噪比，从而提升了用户的拍照体验。
为了实现上述目的，本发明第四方面实施例的电子装置，包括本发明第三方面实施例的成像装置。
根据本发明实施例的电子装置，大大提升了拍照时的多帧合成速度，同时也提高了图像的信噪比，从而提升了用户的拍照体验。
在本发明的一个实施例中，所述电子装置包括手机。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的图像传感器的方框示意图；
图2是根据本发明一个具体实施例的一个像素单元的电路连接示意图；
图3A是根据本发明一个具体实施例的滤光单元阵列的示意图；
图3B是根据本发明一个具体实施例的图像传感器的结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的图像传感器的成像方法的流程图；
图5是根据本发明一个实施例的成像装置的方框示意图。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的图像传感器、成像方法、成像装置和电子装置。
图1是根据本发明一个实施例的图像传感器的方框示意图。如图1所示，本发明实施例的图像传感器10，包括：像素单元阵列11和设置在像素单元阵列11上方的滤光片12。
其中，像素单元阵列11包括结构如图2所示的多个像素单元111，所述每个像素单元111包括多个相邻的像素子单元1111和分别与所述多个像素子单元1111相连的模数转换器13。每个像素子单元1111包括：多个相邻的感光器件14、多个传输管15和源极跟随器16。每一个传输管15其中一端电极被连接到对应感光器件14的阴极电极，每一个传输管15其中另一端电极被共同连接至源极跟随器16的闸极电极。各像素子单元1111通过其源极跟随器16连接至模数转换器13。
请一并参阅图3A和图3B，滤光片12包括具有多个滤光单元1211的滤光单元阵列121，每一个所述滤光单元1211对应覆盖一个像素单元111。
在本发明的一个实施例中，滤光单元阵列121包括拜耳阵列。也就是说，相邻的四个滤光单元1211分别为一个红色滤光单元、一个蓝色滤光单元和两个绿色滤光单元。
具体地，一个像素单元111对应一个颜色的滤光单元1211。其中，假设一个像素单元111中一共包括n个相邻的感光器件14，那么使用一个滤光单元1211覆盖一个像素单元111中的n个感光器件14，该滤光单元1211可以为一体构造，也可以由n个独立的滤光片组装连接在一起。优选地，本发明实施例中滤光单元1211为一体构造。
在本发明的一个实施例中，感光器件14为光电二级管。
在本发明的一个实施例中，传输管15和源极跟随器16均为MOS晶体管。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，每个像素单元111包括两个相邻的像素子单元1111和与该两个像素子单元1111相连的模数转换器13。其中，每个像素子单元1111包括两个相邻的感光器件14、与该两个相邻的感光器件14对应相连的传输管15和源极跟随器16。每一个传输管15其中一端电极被连接到对应感光器件14的阴极电极，每一个传输管15其中另一端电极被共同连接至源极跟随器16的闸极电极。两个像素子单元1111通过各自的源极跟随器16连接至所述模数转换器13。其中，对应的滤光单元阵列121如图3A所示，图3A中的R用于标识红色的滤光单元1211，B用于标识蓝色的滤光单元1211，Gr、Gb用于标识绿色的滤光单元1211。
也就是说，在本发明实施例的图像传感器的一个像素单元111中，相邻的四个感光器件14共用一个同颜色的滤光单元1211，每个感光器件14对应连接一个传输管15，相邻的两个感光器件14共用一个源极跟随器16，相邻的四个感光器件14共用一个模数转换器13。
请一并参阅图2和图3A，图3A中的数字标号1、2、3、4用于标识一个滤光单元1211下所覆盖的相邻四个感光器件14的位置，该四个感光器件14呈两行两列排布。
其中，一个像素子单元111中的两个感光器件14可以处于同一列，例如，这两个感光器件14为Gr1和Gr3对应覆盖的两个感光器件14；当然，一个像素子单元111中的两个感光器件14也可以处于同一行，例如，这两个感光器件14为Gr1和Gr2对应覆盖的两个感光器件14。
需要说明的是，同一个滤光单元下覆盖的四个感光器件14需要同时曝光。
具体地，感光器件14用于将光照转化为电荷，且产生的电荷与光照强度成比例关系。传输管15用于根据控制信号来控制电路的导通或断开。当电路导通时，源极跟随器16用于将感光器件14经光照产生的电荷信号转化为电压信号。模数转换器13用于将电压信号转换为数字信号，以供与图像传感器10相连的图像处理模块处理。
需要说明的是，相邻的四个感光器件14所共用的滤光单元1211可以为一体构造，或者由四个独立的滤光片组装连接在一起。优选地，本发明实施例中的滤光单元1211为一体构造(请参阅图3B)。
以16M的图像传感器举例来说，本发明实施例的图像传感器可以将16M的像素合成4M的像素。将16M的像素变到4M的像素后，像素的大小相当于变成了原来像素大小的4倍，从而达到了提升像素感光度的目的，进而使得拍照的时候曝光时间可以大大降低。
另外，由于图像传感器中的噪声大部分是随机噪声，对于合并之前的像素来说，有可能其中一个或两个像素中有噪点，而本发明实施例的图像传感器通过将4个像素合成一个大的像素，则减小了噪点对该大的像素的影响，相当于减弱了噪声，提高了信噪比。
在本发明的一个实施例中，图像传感器10还包括：设置在滤光单元阵列121上方的透镜阵列17，透镜阵列17用于将光线汇聚到滤光单元阵列121下方的感光器件上。其中，透镜阵列17包括多个微透镜171，每个微透镜171与一个感光器件14对应设置，包括形状、大小、位置的对应。
具体地，图3B所示以一个滤光单元1211对应相邻的2*2个感光器件14及2*2个微透镜171为例，微透镜171用于将光线汇聚到对应的感光器件14上，以提升感光器件14的受光强度，从而改善图像画质。
本发明实施例的图像传感器，通过将多个像素合并成一个像素，提高了像素的感光度，从而大大减少了拍照时的曝光时间，且提高了信噪比，提升了用户体验。
基于上述实施例中的图像传感器，本发明还提出了一种图像传感器的成像方法。
图4是根据本发明一个实施例的图像传感器的成像方法，如图4所示，本发明实施例的成像方法，包括以下步骤：
S1，读取图像传感器的多帧输出。
具体地，在进行多帧合成时，需要连续拍摄多幅图像。
S2，对图像传感器的多帧输出进行合成。
具体地，将所获得的图像传感器的多帧输出进行合成，以生成高动态范围的图像。
在本发明的一个实施例中，成像方法还包括：控制像素单元阵列中相邻的两行感光器件同时曝光。
请一并参阅图2和图3A，以被同一滤光单元1211覆盖、呈两行两列排布的四个感光器件14为例，同一行(或同一列)的两个感光器件14组成一个像素子单元，也就是这两个感光器15件共用一个源极跟随器16，以将这两个感光器件14输出的电荷相加，而两个像素子单元1111则共用一个模数转换器13，则是将两个像素子单元1111的输出求平均后再输出。那么，在对像素单元阵列进行曝光控制时，被同一滤光单元1211覆盖的四个感光器件14就需要同时进行曝光，因此，就需要控制像素单元阵列中相邻的两行感光器件14进行同时曝光。
由于本发明实施例的图像传感器将多个像素合并成一个像素，提高了像素的感光度，从而大大减少了拍照时的曝光时间，因而大幅度减少了多帧合成的时间，实现了高帧率的输出。
本发明实施例的图像传感器的成像方法，读取图像传感器的多帧输出，并对图像传感器的多帧输出进行合成，以生成高动态范围的图像，该方法通过使用该图像传感器，减少了拍照时的曝光时间，大大提升了多帧合成的速度，同时也提高了图像的信噪比，从而提升了用户的拍照体验。
基于上述实施例中的图像传感器，本发明还提出了一种成像装置。
图5是根据本发明一个实施例的成像装置的方框示意图。如图5所示，本发明实施例的成像装置100，包括本发明提出的图像传感器10和与图像传感器10相连的图像处理模块20。
其中，图像处理模块20用于读取图像传感器10的多帧输出，并对图像传感器10的多帧输出进行合成。
在本发明的一个实施例中，成像装置100还包括控制模块(图中未示出)，控制模块用于对图像传感器10的像素单元阵列11进行曝光控制。
具体地，以一个滤光单元覆盖相邻的四个感光器件为例，控制模块控制像素单元阵列中相邻的两行感光器件14同时曝光。
本发明实施例的成像装置，由于具有了该图像传感器，减少了拍照时的曝光时间，大大提升了多帧合成的速度，同时也提高了图像的信噪比，从而提升了用户的拍照体验。
为了实现上述实施例，本发明还提出了一种电子装置。该电子装置包括上述实施例中的成像装置100。
在本发明的一个实施例中，电子装置包括手机。
本发明实施例的电子装置，大大提升了拍照时的多帧合成速度，同时也提高了图像的信噪比，从而提升了用户的拍照体验。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
像素单元阵列，其中，所述像素单元阵列包括多个像素单元，所述每个像素单元包括多个相邻的像素子单元和分别与所述多个像素子单元相连的模数转换器，所述每个像素子单元包括：
多个相邻的感光器件；
多个传输管，每一个传输管其中一端电极被连接到对应感光器件的阴极电极；
源极跟随器，每一个传输管其中另一端电极被共同连接至所述源极跟随器；
其中，各像素子单元通过其源极跟随器连接至所述模数转换器；
设置在所述像素单元阵列上方的滤光片，所述滤光片包括具有多个滤光单元的滤光单元阵列，每一个滤光单元对应覆盖一个所述像素单元。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述每个像素单元包括两个相邻的像素子单元和与该两个相邻的像素子单元相连的模数转换器，所述每个像素子单元包括：
两个相邻的感光器件；
两个传输管，所述每一个传输管其中一端电极被连接到对应感光器件的阴极电极；
源极跟随器，每一个传输管其中另一端电极被共同连接至所述源极跟随器；
其中，所述两个相邻的像素子单元通过各自的源极跟随器连接至所述模数转换器。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述每个像素单元中的四个感光器件呈2行*2列排布，其中，
所述每个像素子单元中的两个感光器件处于所述2行*2列排布中的同一列。
4.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述每个像素单元中的四个感光器件呈2行*2列排布，其中，
所述每个像素子单元中的两个感光器件处于所述2行*2列排布中的同一行。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光器件为光电二级管。
6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述传输管和所述源极跟随器均为MOS晶体管。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述滤光单元阵列包括拜耳阵列。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括：设置在所述滤光单元阵列上方的透镜阵列，所述透镜阵列用于将光线汇聚到所述滤光单元阵列下方的所述感光器件上。
9.如权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述透镜阵列包括多个微透镜，每个微透镜与一个所述感光器件对应设置。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的图像传感器的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取所述图像传感器的多帧输出；
对所述图像传感器的多帧输出进行合成。
11.一种成像装置，其特征在于，包括：
如权利要求1-9中任一项所述的图像传感器；以及
与所述图像传感器相连的图像处理模块，所述图像处理模块用于读取所述图像传感器的多帧输出，并对所述图像传感器的多帧输出进行合成。
12.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求11所述的成像装置。
13.如权利要求12所述的电子装置，其特征在于，所述电子装置包括手机。
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