CN106550197B - 调制入射在成像传感器上的光 - Google Patents

Abstract

本公开的一个方面涉及调制入射在成像传感器上的光，一种图像传感器，包括：具有多个感测元件的感测层，每个感测元件被配置为记录撞击光子；以及耦接到该感测层的衰减层，该衰减层配置有多个衰减元件以调制入射在该感测层上的光。关键词包括感测层和衰减层。

Description

调制入射在成像传感器上的光

技术领域

本发明涉及传感器，并且更具体地，涉及一种与衰减层耦接的传感器。

背景技术

成像系统依赖于图像传感器来生成视觉图像的电子表示。图像传感器的示例包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器和有源像素传感器(APS)器件。通常，这些成像传感器包括按规则的行和列模式布置的多个光敏感像素(或感测元件)。

在成像传感器上俘获的图像的质量部分取决于由传感器所记录的光的动态范围。因此，能够提供比常规图像传感器所提供的动态范围更宽的动态范围的图像传感器是期望的。例如，当俘获包括宽范围的亮度(诸如，从直射的太阳光到深阴影)的场景以及使图像曝光以便在黑暗区域中获取良好的信号时，明亮区域中更强的光将使感测元件饱和，并且不能获取实际的光辐射。因此，为了俘获包括这种宽范围的亮度的场景，需要高动态范围传感器。

发明内容

本发明提供为具有耦接到图像传感器的感测层的衰减层以调制入射在图像传感器上的光量。

在一种实现中，公开了一种图像传感器。该图像传感器包括：具有多个感测元件的感测层，每个感测元件被配置为记录撞击光子；以及耦接到感测层的衰减层，所述衰减层配置有多个衰减元件以调制入射在感测层上的光。

在另一种实现中，公开了一种方法。该方法包括：记录入射在具有多个感测元件的感测层上的光子；将具有多个衰减元件的衰减层耦接到所述感测层，所述衰减层被配置为调制入射在所述感测层上的光子的强度；以及存储所记录的光子。

在另一种实现中，公开了一种设备。该设备包括：用于感测和记录光子的装置，用于感测和记录的装置包括多个感测元件；用于衰减入射在用于感测和记录的装置上的光子的强度的装置，用于衰减的装置包括多个衰减元件，每个衰减元件被配置为衰减入射在对应的感测元件上的光子的强度；以及用于存储由用于感测和记录的装置所感测和记录的光子的装置。

从本说明书，本发明的其它特征和优点应该明显，本说明书通过示例的方式例示了本发明的各个方面。

附图说明

通过研究随附附图，可以部分收集本发明的细节(关于其结构和操作两者)，其中相同附图标记指相同部分，并且附图中：

图1是例示根据本公开内容的一种实现的图像俘获器件的功能框图；

图2是作为图1中所示的配置有感测层和衰减层的图像传感器的一种实现的图像传感器200的功能图；以及

图3是例示根据本公开内容的一种实现的用于配置包括衰减层的图像传感器以调制入射在图像传感器上的光量的方法的流程图。

具体实施方式

如本文所公开的多个实现提供为具有耦接到图像传感器的感测层的衰减层以调制入射在图像传感器上的光量。因此，在一种实现中，衰减层使用具有可调透明度的衰减元件的层调制入射在感测层上的光。在一种实现中，图像传感器被配置有包括多个感测元件(或传感器)的感测层，而衰减层被配置有放置在感测元件的顶部上的多个衰减元件。在一种实现中，衰减层被配置有与感测层中的感测元件相同或较少数目的衰减元件。因此，衰减元件衰减到达放置在衰减元件下方的对应传感器的光量。每个衰减元件都被配置有可以衰减光量的材料。在一种实现中，衰减元件被配置有液晶，如在液晶显示器中进行的。在另一种实现中，衰减元件被配置有智能玻璃(包括电致变色、光致变色、热致变色、悬浮颗粒、微盲(micro blind)和聚合物分散型液晶器件)，其当电压、光或热被应用时改变光透射性能。一般来说，智能玻璃从半透明变为透明，从阻挡光的一些或全部波长变为让光穿过。

在阅读本说明书之后，如何在各种实现和应用中实现本公开内容将变得明显。然而，尽管本文将描述本公开内容的各种实现，但是理解的是这些实现仅通过示例的方式来呈现，而非限制。同样地，各种实现的具体实施方式不应被解释为限制本公开内容的范围或宽度。

图1是例示根据本公开内容的一种实现的图像俘获器件100的功能框图。在一种实现中，图像俘获器件100被配置为数码相机。在其它实现中，图像俘获器件100被配置为其它类型的图像俘获器件。在所例示的图1的实现中，图像俘获器件100包括镜头110、成像级120、包括传感层130和衰减层132的图像传感器以及控制器/处理器140。

镜头110接收和聚焦来自被摄体场景的光102以在图像传感器的感测层130上形成图像。针对每个像素，图像传感器将入射光转换成电信号。在一种实现中，图像传感器是电荷耦合器件(CCD)型。在另一种实现中，图像传感器是有源像素传感器(APS)型，其由于使用CMOS制造过程来制造它们的能力，而经常被称为互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。

在一个示例中，图像传感器(例如，APS)的操作按三个步骤执行：重置步骤，其中传感器被从先前的积分周期重置；图像积分步骤，其中光能被收集并转换成电信号；以及信号读出步骤，其中信号被读出。在图像积分步骤期间，以光子形式的光能碰撞传感器中的光电二极管，从而创建多个电子空穴对。光电二极管被设计为限制新形成的电子空穴对之间的重新组合。因此，空穴被附接到光电二极管的接地端子，而电子被附接到光电二极管的正端子，其中每个附加的电子均减少光电二极管上的电压。在积分时间段的末尾处，由光电二极管在图像积分时间段期间吸收的光子的数目可以通过从积分时间段开始处的电压中减去积分时间段末尾处的电压来确定。

成像级120可以包括元件，诸如中性密度(ND)滤光器、光圈、快门、曝光控制器、亮度传感器和/或配置为调节到达图像传感器的光量的其它单元。例如，ND滤光器可以用于均等地减少或修改光的全部波长或颜色的强度，其减少了进入镜头的光量。因此，ND滤光器的存在容许摄影者选择光阑、曝光时间以及传感器灵敏度的组合以产生具有较少过曝光的照片。光圈和快门可以被配置为通过控制光阑和快门打开的持续时间来调节到达图像传感器的光量。曝光控制器可以对如由亮度传感器所计量的场景中可获得的光量进行响应以及控制包括中性密度(ND)滤光器、光圈和/或快门的其它元件。

动态范围是由在不使传感器饱和(即，不超过传感器的容量)的情况下传感器在积分时间段期间可以收集的光子的最大数目，以及在噪声本底之上可以检测到的传感器在积分时间段期间可以收集的光子的最小数目来确定的。如上所述，处理具有急剧照明变化的图像对于具有有限动态范围的图像俘获器件而言是一种挑战。因此，如果传感器的积分时间段被缩短到其中没有亮光信息丢失(即，其中在积分时间段期间所收集的光子的数目将不超过传感器的容量)的点，则大部分(如果不是全部)低光信息将会丢失(导致图像中被压成(crush to)黑色的区域)，因为所收集的光子在噪声水平之上将是不可区分的。相反，如果传感器的积分时间段被增加以俘获低光信息，即，其中所收集的光子的数目在噪声本底之上是可检测的，则亮光信息的重要部分丢失(导致图像中曝光过度成白色的区域)，因为所收集的光子的数目将超过传感器的容量。

在一种实现中，图像传感器被配置有感测层130和耦接到感测层130的衰减层132，以调制入射在感测层130上的光量。如上所述，衰减层132包括多个衰减元件，其可以通过控制器/处理器140选择性地控制以调整衰减元件的透明度。接着，通过控制器/处理器140处理由图像传感器所俘获的数据，以重新创建传感器上的光的原始强度以形成具有比传感器在没有衰减层的情况下可以拍摄的更高动态范围的输出图像142。在一些实现中，衰减层132替换组成成像级120的元件中的一些或全部，诸如中性密度(ND)滤光器、光圈、快门、曝光控制器、亮度传感器和/或配置为调节到达图像传感器的光量的其它单元。

图2是作为图1中示出的配置有感测层130和衰减层132的图像传感器的一种实现的图像传感器200的功能图。在图2中，图像传感器200的单个像素210被在椭圆220中详细例示。如图所示，像素210包括耦接到传感器214的衰减元件212。

在图像传感器200的一种实现中，衰减层202被配置为使得衰减元件的衰减值被在图像传感器200的感测层204之上均匀地调整。因此，在这种实现中，衰减层202充当变化强度的中性密度滤光器。此外，使用如上所述的配置，可以通过感测层204以多个衰减值顺序地俘获多个图像，其接着可以被组合以产生至少一个高动态范围图像。在一个变化例中，衰减层202可以被用作全局快门(global shutter)。在另一变化例中，衰减层202可以被用于通过容许光随着时间逐行通过衰减层来在视频中模拟滚动快门效应。

在另一种实现中，将变化密度的模式应用在衰减层202上以均衡图像的帧的获取。例如，镜头经常“晕映(vignette)”为变化程度，其中它所创建的图像具有通常从图像的中心径向增加的变暗。相反的“晕映”模式可以被应用以获取具有贯穿帧的均匀曝光的图像的帧，贯穿帧的均匀曝光优化了曝光。因此，使用衰减层202应用该模式提供了比通过在增益其中区域变暗的图像的过程期间不减少信噪比来在后期制作处理中进行这种改变(即，晕映)优越的优点。

在另一种实现中，图像传感器200的每个衰减元件212都被配置为可以单独控制的每传感器中性密度滤光器。因此，在这种实现中，图像被俘获以确定哪些传感器是饱和的。接着，可以利用与饱和的传感器对应的变暗以避免饱和的衰减元件来俘获随后的图像(一个或多个)。因此，在先前的图像中饱和的传感器可以记录更高的光值并且增加图像传感器的动态范围。

在又一实现中，如上所述的过程可以被迭代以为衰减层202中的每个衰减元件212找到适当的衰减值，直到不再有传感器饱和为止。例如，每个衰减元件212的衰减值增加预定量(例如，固定量或逐渐增加固定量)，直到对应的传感器214不再饱和为止。然而，当最后的图像输出时，衰减元件的衰减值被记录，使得可以重构真实的图像值。在另一种实现中，首先进行重构计算，并随后记录。

在另一种实现中，衰减层202被配置为具有多个衰减层，以增加调制量。在另一种实现中，衰减层可以具有充当蔽光框(mask)的模式。在另一种实现中，衰减模式可以随着曝光的持续时间而改变以创建图像。例如，在快门打开时，针对整个图像的总体衰减可以从完全不透明开始，并且随时间下降。这将创建淡入效果。使用的另一示例将是只在某些时间间隔将衰减层配置为不透明，有助于将模拟频闪照明的图像。这种效果可以按更复杂的方式组合以创建都是淡入的图像(诸如看起来像频闪图像的合成的图像)。这种时间变化特征可以与如在前面的实现中描述的衰减的模式组合。

在另一种实现中，如上所述的实现中的一些或全部被组合以产生用于图像传感器200的整体调制。例如，对于与成像元件对应的每个衰减元件，对于预先实现中描述的特征(或任意其它)每个衰减元件针对任意给定的衰减模式(无论在空间和/或时间中)将具有的透射率的乘积将产生用于容许一次拍摄图像而同时具有全部预期特征的衰减元件的值。

图3是例示根据本公开内容的一种实现的用于配置包括衰减层的图像传感器以调制入射在图像传感器上的光量的方法300的流程图。在例示的图3的实现中，在框310处，配置有多个衰减元件的衰减层被耦接到图像传感器的感测层。

接着，在框320处，衰减元件被控制，以调整衰减值。在一种实现中，衰减元件的衰减值被在感测层204的全部多个传感器之上均匀地调整。因此，衰减层202充当用于成像传感器200的感测层204的变化强度的中性密度滤光器。可以以多个衰减值顺序地俘获图像，其接着可以被组合以产生高动态范围图像(一个或多个)。在一种变化例中，衰减层202可以被用作全局快门。在另一种变化例中，衰减层202可以被用于在视频中提供滚动快门效应。在另一种实现中，将变化密度的模式应用在衰减层202上以使图像的获取空间地均等。例如，相反的“晕映”模式可以被应用于获取具有贯穿帧的均匀曝光的图像，贯穿帧的均匀曝光优化了曝光。因此，使用衰减层202应用该模式提供了比通过不减少其中区域变暗的信噪比来在后期制作处理中进行这种改变(即，晕映)优越的优点。在另一种实现中，图像传感器200的每个衰减元件212被配置为可以单独控制的每传感器中性密度滤光器。因此，在这种实现中，图像被俘获以确定哪些传感器是饱和的。接着，可以利用与饱和的传感器对应的变暗的衰减元件来俘获随后的图像(一个或多个)。在又一实现中，如上所述的过程可以被迭代以为衰减层202中的每个衰减元件212找到适当的衰减值，直到不再有传感器饱和为止。例如，每个衰减元件212的衰减值增加或减少预定量(例如，固定量或逐渐增加/减少固定量)，直到对应的传感器214不饱和为止。然而，当最后的图像输出时，衰减元件的衰减值被记录，使得可以重构真实的图像值。在另一种实现中，代替地，重构值被记录。在另一种实现中，衰减模式在暴露期间可以随时间改变以创建感兴趣的效果，诸如(但不限于)频闪和淡入/出。

方法300还包括，在框330处，以多个衰减值顺序地俘获多个图像。在框340处，图像接着被组合以产生高动态范围图像。在另一种实现中，组合如上所述的过程中的一些或全部。

前述方法和设备易于接受许多变化。另外，为了清楚且简洁的描述，方法和设备的许多描述已经被简化。许多描述使用具体标准的术语和结构。然而，所公开的方法和设备是更广泛可应用的。

本领域技术人员将理解的是，结合本文所公开的实现所描述的各种示例性逻辑块、模块、单元和算法步骤通常可以作为电子硬件、计算机软件或两者的组合实现。为了清楚地例示硬件和软件的这一可互换性，以上已经按照各种示例性部件、块、模块和步骤的功能性对其进行了一般地描述。这种功能性是作为硬件实现还是作为软件实现取决于施加在整体系统上的具体约束。针对每个具体的系统，技术人员可以按变化的方式实现所描述的功能性，但是这种实现决定不应当解释为导致从本发明的范围脱离。此外，单元、模块、块或步骤内的功能的组合是为了便于描述。在不脱离本发明的情况下，可以从一个单元、模块或块中移除具体的功能或步骤。

所公开的实现的以上描述被提供以使得本领域技术人员能够制作或使用本发明。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，对这些实现的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文所描述的一般原则可以被应用于其它实现。例如，尽管以上描述聚焦于成像传感器，但是如上所述的方法和设备可以应用于任意类型的传感器，包括音频传感器、视频传感器以及其它类似配置的传感器(诸如温度传感器)。相应地，本技术不限于如上所述的具体示例。因此，将理解的是，本文所呈现的描述和附图代表本发明当前优选的实现，并且因此是本发明所广泛预期的主题的代表。还要理解的是，本发明的范围完全包含可以对本领域技术人员变得明显的其它实现，并且因此本发明的范围仅仅受随附权利要求限制。

Claims (13)

1.一种图像传感器，包括：

具有多个感测元件的感测层，每个感测元件被配置为记录入射在每个感测元件上的光；

耦接到所述感测层的衰减层，所述衰减层配置有多个衰减元件并且被放置在光与所述感测层之间，其中每个衰减元件被配置为调制入射在每个对应的感测元件上的光；以及

控制器，所述控制器耦接到所述衰减层并且配置为单独控制所述多个衰减元件中的每个衰减元件以及调整所述多个衰减元件的透明度的衰减值，所述控制器被配置为通过如下方式顺序地俘获来自所述感测层的包括第一图像和第二图像的多个图像：(1)俘获第一图像以确定哪个感测元件饱和，(2)通过仅针对与饱和的感测元件对应的多个衰减元件，将衰减值增加预定量来改变与饱和的感测元件对应的多个衰减元件的衰减值，以及(3)俘获在所述第一图像之后的至少一个图像。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述控制器在所述感测层之上均匀地调整所述衰减值。

3.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述控制器被配置为组合所述多个图像以输出高动态范围图像。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述控制器被配置为将变化密度的模式应用在所述衰减层上。

5.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述衰减层被按单独控制衰减的多个层配置。

6.如权利要求1所述的图像传感器，其中所述控制器随时间应用不同的衰减模式。

7.一种用于调制入射在图像传感器上的光的方法，包括：

记录入射在感测层的多个感测元件上的光；

耦接放置在光与所述感测层之间、具有多个衰减元件的衰减层，其中所述多个衰减元件中的每个衰减元件调制入射在所述多个感测元件中的每个对应的感测元件上的光；以及

单独控制所述多个衰减元件中的每个衰减元件和调整所述多个衰减元件的透明度的衰减值；

通过如下方式俘获来自所述感测层的包括第一图像和第二图像的多个图像：

俘获第一图像以确定哪个感测元件饱和；

通过仅针对与饱和的感测元件对应的多个衰减元件，将衰减值增加预定量来改变与饱和的感测元件对应的多个衰减元件的衰减值；以及

俘获在所述第一图像之后的至少一个图像。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述透明度的所述衰减值被在所述多个衰减元件之上均匀地调整。

9.如权利要求7所述的方法，还包括：

以衰减值顺序地俘获多个图像。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

组合所述多个图像以产生至少一个高动态范围图像。

11.如权利要求7所述的方法，还包括：

将变化密度的模式应用在所述衰减层上。

12.如权利要求7所述的方法，还包括：

随时间应用不同的衰减模式。

13.一种用于调制入射在图像传感器上的光的设备，包括：

用于感测和记录入射在多个感测元件上的光的装置；

放置在光与用于感测和记录的装置之间、用于衰减入射在用于感测和记录的装置上的光的装置，用于衰减的装置包括多个衰减元件，其中每个衰减元件被配置为衰减入射在所述多个感测元件中的每个对应的感测元件上的光；以及

用于单独控制所述多个衰减元件中的每个衰减元件的装置，用于单独控制的装置被配置为调整所述多个衰减元件的透明度的衰减值；

用于顺序地俘获来自用于感测和记录的装置的包括第一图像和第二图像的多个图像的装置，包括：

用于俘获第一图像以确定哪个感测元件饱和的装置；

用于通过仅针对与饱和的感测元件对应的多个衰减元件，将衰减值增加预定量来改变与饱和的感测元件对应的多个衰减元件的衰减值的装置；以及

用于俘获在所述第一图像之后的至少一个图像的装置。