CN107580185A - 图像传感器及操作方法以及成像装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及图像传感器及其操作方法以及成像装置。提供了一种图像传感器，包括：半导体衬底上的图像感测阵列，用于进行图像感测，其包括以阵列形式布置的多个第一光感测单元；所述衬底上的第一光传感器，用于感测环境光并将环境光转换为第一电信号，其包括以阵列形式布置的多个第二光感测单元，所述第二光感测单元在所述第一光感测单元的阵列的外部；以及处理模块，配置为基于所述第一电信号确定环境光的强度，并基于所确定的强度控制所述图像传感器的操作。
Description
技术领域
本公开涉及图像传感器、用于图像传感器的操作方法以及成像装置。
背景技术
近年来，随着半导体设计制造技术的不断提高，图像传感器芯片朝着更加集成化和多样化的方向发展，意图在保证便于实现的同时，实现更为丰富的功能和更为优越的图像感测性能。
CMOS图像传感器(CMOS IMAGE SENSOR)芯片是一类使用有源像素感测单元的传感器芯片，因其功耗低、运行速度快等优势而广泛应用于摄像、照相设备等等之中。
图1示出了一种传统的成像装置(或系统)。该成像装置包括：CMOS图像传感器芯片10和微控制器单元(MCU)/图像信号处理器(ISP)芯片12。两者可以设置在印刷电路板(PCB)上。CMOS图像传感器芯片10可以感测图像，并提供图像信号到MCU/ISP芯片12供其处理。MCU/ISP芯片12可以作为系统的主控制器来控制整个系统；因此，MCU/ISP芯片12有时也可以被称为CMOS图像传感器芯片10的上位机芯片。
MCU/ISP芯片12可以接收CMOS图像传感器芯片10发送的图像信号来进行图像信号处理，并将图像提供到显示器18以进行显示。MCU/ISP芯片12还可以发送控制信号到CMOS图像传感器芯片10。MCU/ISP芯片12还可以控制其他的各种驱动器16。
该成像系统还可以包括光敏电阻14，以检测外界环境光。MCU/ISP芯片12可以根据光敏电阻14提供的信号，对红外滤镜(IR-CUT)20进行切换，并控制CMOS图像传感器芯片10，从而使成像系统在彩色图像模式和黑白图像模式之间切换。同时，MCU/ISP芯片12控制光源(例如LED)22来进行补光，以改善成像质量。
该系统增加了额外的用于检测光强的分立元器件(例如光敏电阻CdS)和用于辅助该分立元器件运行的相关板级电路，而这会导致制造成本上升和功耗增加，还会带来由于分立化、复杂化所引起的其它额外成本。
另一方面，环境光闪烁(例如，以50Hz/60Hz频率的公用事业提供的电力等导致的灯光闪烁)对成像质量带来不利的影响。尽管这样的闪烁对于人眼可能不是问题，但对于图像传感器成像则会带来问题，比如在所形成的图像中形成波纹等。在现有技术中，大多采用对CMOS图像传感器芯片采集的图像数据进行分析的方法来检测闪烁。然而，这样的传统方法的缺点在于，需要使用多帧数据来进行评估，要处理的数据量十分庞大，极大地增加了上位机MCU或ISP芯片的工作负担，也引起了更多的资源耗费。随着图像传感器芯片解析度的增加，使用传统方法检测环境光闪烁时所需处理的数据量也随之大幅增加，更是凸显了传统方法的劣势。另外，图像传感器芯片的图像感测单元的曝光时间会不断变化，增加闪烁检测的难度和复杂度。
尽管在现有技术中，某些芯片将闪烁检测功能集成到CMOS图像传感器芯片中，但是基本方法类似，需要处理多帧数据，前述问题仍然存在。这意味着电路设计更加复杂，在增加芯片面积的同时增加了整体成本。
此外，对于环境光强和环境光闪烁，传统的成像系统通常采用相互独立的方式进行检测，更多的依赖于板级上的分立器件和上位机芯片来实现功能。这会造成检测的低效率和高成本。
因此，存在对改进的图像传感器以及成像装置的需求。
发明内容
本发明的一些实施例的目的之一在于，提供改进的图像传感器及其操作方法以及成像装置。
根据本发明的实施例的图像传感器具有新颖的结构，其能够更成本有效地检测环境光强度(，以及检测环境光闪烁，例如交变的电力等造成的灯光闪烁。
本发明的一些实施例还可以提供到外部的光传感器的接口，从而提供设计的灵活性。
根据本发明的实施例，可以简化成像系统，降低对图像传感器处理能力的要求，而不会显著增加芯片面积。从而，可以降低系统成本，提高检测效率高，简化处理方式，并且带来更为高效和准确的检测结果。
根据本公开一个方面，提供了一种图像传感器，包括：半导体衬底上的图像感测阵列，用于进行图像感测，其包括以阵列形式布置的多个第一光感测单元；所述衬底上的第一光传感器，用于感测环境光并将环境光转换为第一电信号，其包括以阵列形式布置的多个第二光感测单元，所述第二光感测单元在所述第一光感测单元的阵列的外部；以及处理模块，配置为基于所述第一电信号确定环境光的强度，并基于所确定的强度控制所述图像传感器的操作。
在一个实施例中，所述图像传感器可以还包括接口，用于从外部连接的第二光传感器接收第二电信号，其中所述处理模块配置为基于所述第一电信号和所述第二电信号确定环境光的强度。
在一个实施例中，所述处理模块可以包括数模转换器(ADC)，用于将电信号转换为数字信号以用于确定环境光的强度。
在一个实施例中，所述处理模块可以包括图像信号处理模块(ISP)，用于对所述图像感测阵列所感测的图像信号进行处理。
在一个实施例中，控制所述图像传感器的操作可以包括：当所述强度小于或等于阈值时，所述处理模块以黑白模式处理所述图像感测阵列所感测的图像信号；当所述强度高于阈值时，所述处理模块以彩色模式处理所述图像感测阵列所感测的图像信号。
在一个实施例中，控制所述图像传感器的操作可以包括下列中的一个或多个：根据所述强度，所述处理模块通过第一控制信号来关闭或开启红外滤镜(IR-CUT)；根据所述强度，所述处理模块通过第二控制信号来开启/关闭用于进行补光的外部光源；以及根据所述强度，通过自动曝光控制来调整图像感测阵列的曝光时间。
在一个实施例中，所述第二感测单元可以被配置为其光感测能力高于所述第一感测单元的光感测能力。
在一个实施例中，所述第一感测单元上还可以形成有滤色器(color filter)，而所述第二感测单元上不形成滤色器。
在一个实施例中，所述处理模块可以包括闪烁检测器，所述闪烁检测器被配置为基于所述第一电信号确定环境光的闪烁。
在一个实施例中，所述第一光传感器的采样频率可以被设置为使得能够检测目标环境下的环境光的闪烁。
在一个实施例中，所述处理模块还可以被配置为：根据所确定的闪烁，通过自动曝光控制来调整图像感测阵列的曝光时间。
在一个实施例中，所述第一光传感器可以被设置为位于所述衬底上、在与所述图像传感器协作的光学件的成像范围内。所述图像传感器还包括：在所述第一光感测单元上的第一微透镜；在所述第二光感测单元上的第二微透镜。所述第二微透镜可以被根据所述第一光传感器在成像范围中的位置而偏移，使得入射到第二光感测单元的光被汇聚到第二光感测单元中的感光元件。
根据本公开一个方面，提供了一种用于图像传感器的操作方法。所述图像传感器可以包括：在半导体衬底上的图像感测阵列，所述图像感测阵列用于进行图像感测，其包括以阵列形式布置的多个第一光感测单元；在所述衬底上的第一光传感器，其包括以阵列形成布置的多个第二光感测单元，所述第二光感测单元在所述第一光感测单元的阵列的外部。所述方法可以包括：通过所述第一光传感器感测环境光并将环境光转换为第一电信号；基于所述第一电信号确定环境光的强度，以及基于所确定的强度控制所述图像传感器的操作。
在一个实施例中，所述图像传感器可以还包括：接口，用于从外部连接的第二光传感器接收第二电信号。
在一个实施例中，所述方法可以还包括：基于所述第一电信号和所述第二电信号确定环境光的强度。
在一个实施例中，控制所述图像传感器的操作可以包括：当所述强度小于或等于阈值时，以黑白模式处理所述图像感测阵列所感测的图像信号；当所述强度高于阈值时，以彩色模式处理所述图像感测阵列所感测的图像信号。
在一个实施例中，控制所述图像传感器的操作可以包括下列中的一个或多个：根据所述强度，来关闭/开启红外滤镜；根据所述强度，来开启/关闭用于进行补光的外部光源；以及根据所述强度，通过自动曝光控制来调整图像感测阵列的曝光时间。
在一个实施例中，所述第二感测单元的光感测能力可以高于所述第一感测单元的光感测能力。
在一个实施例中，所述第一感测单元上可以形成有滤色器，而所述第二感测单元上不形成滤色器。
在一个实施例中，所述方法可以还包括：基于所述第一电信号确定环境光的闪烁；以及根据检测到的闪烁，通过自动曝光控制来调整图像感测阵列的曝光时间。
在一个实施例中，所述第一光传感器的采样频率可以被设置为使得能够检测目标环境下的环境光的闪烁。
在一个实施例中，所述第一光传感器可以被设置为位于所述衬底上、在与所述图像传感器协作的镜头的成像范围内。所述图像传感器还包括：在所述第一光感测单元上的第一微透镜；在所述第二光感测单元上的第二微透镜。所述第二微透镜可以被根据所述第一光传感器在成像范围中的位置而偏移，使得入射到第二光感测单元的光被汇聚到第二光感测单元中的感光元件。
根据本公开一个方面，提供了一种成像装置，包括：光学件，以及如前所述的图像传感器，用于感测通过光学件的光。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理，在附图中：
图1示出了一种传统的成像系统的示意性结构框图；
图2示出了根据本公开一个实施例的图像传感器的示意框图；
图3示出了根据本公开一个实施例的图像感测阵列的示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的光传感器的布局位置示意图；
图5示出了根据本发明的另一实施例的光传感器的布局位置示意图；
图6示出了根据本发明的一个实施例的光传感器的光感测单元的电路图；
图7示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意图；
图8示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意图；
图9示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意图；
图10示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意图；
图11示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意图；以及
图12A和12B示出了根据本公开实施例的图像传感器在成像装置中的设置的示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
以下结合附图详细地描述本公开的具体实施例。但应理解，对实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不是对本申请所要求保护的发明的限制。除非另有具体说明或者上下文或其原理明示或者暗示，在示例性实施例中的组件和步骤的相对布置、表达式和数值等不作为对本申请所要保护的发明的限制。在本说明书中，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限制本公开。应理解的是，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本发明的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
在本公开中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数词是为了避免构成要素的混淆而标记的，而不用于在任何方面上的优先次序。
在下文中，有时使用CMOS图像传感器芯片作为示例来对本发明的某些实施例进行描述，但本发明并不限于此。
图2示出了根据本公开一个实施例的图像传感器的示意图。如图2所示，图像传感器100可以包括图像感测阵列110、光传感器120以及处理模块130。图像感测阵列110可以用来感测图像并将感测到的图像转化为图像信号IS。光传感器120可以用来感测环境光并将感测到的环境光强度转化为电信号(第一电信号)LS。处理模块130可以用于基于光传感器120输出的电信号确定环境光强度，并基于所确定的强度控制图像传感器的操作。
图像感测阵列110可以形成或设置在半导体衬底上。图像感测阵列110可以包括以阵列形式布置的多个光感测单元(例如，感光元件(光电二极管)或包含感光元件的像素单元)。这里，术语“光”包括但不限于可见光、红外线、紫外线等。图像感测阵列110还可以包括与光感测单元的阵列相关联的电路系统。
图3示出了根据本公开一个实施例的图像感测阵列的一种可能的实现方式，其中光感测单元以像素单元PIXEL表示。如图3所示，图像感测阵列110包括排列成阵列形式的多个像素单元。图像感测阵列110包括设置在像素单元阵列的一侧的用于进行行选择的行译码器112，以及设置在像素单元阵列的另一侧的用于进行列选择的列译码器116。图像感测阵列110还可以包括用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器ADC 114。
在图像感测阵列110工作时，由多个像素单元PIXEL构成的像素阵列将透过镜头入射到其的光转化为电信号(图像信号)。图像感测阵列110工作的方式可以是多样的。作为示例，可以通过列译码器116选择特定的行，将所选定的行中的像素所形成的电信号输入到模数转换器114，以将其从模拟信号转换为数字信号。可以通过列译码器116将所选定的行中的每个像素PIXEL所对应的数字信号逐个输出。
应理解，图3所示的结构仅仅是示例性的，而不是对本发明的限制。根据本发明的不同实施例的图像传感器的图像感测阵列的布置不限于此，而是可以采用任何合适的布置方式、可以包括任何合适的相关联电路系统和任意数量的光感测单元。
另外，ADC 114和列译码器116的布置方式和连接关系也仅仅是示例性的，而不是限制性的。
回到图2，光传感器120可以与图像感测阵列110设置在同一衬底上。光传感器120可以包括多个光感测单元(例如，像素单元)，以感测环境光。光传感器120的多个光感测单元可以以阵列形式布置，例如以1*10或2*10的阵列规格布置。这能够保证充足的光信息采集，使得判断结果更为准确。
光传感器120的光感测单元设置在所述第一光感测单元的阵列的外部。在版图设计中，在不影响图像感测阵列110的整体性能的情况下，可以将光传感器120布置得尽量靠近图像感测阵列110，以保证能够采集充足的光信息。
图4示出了根据本发明的一个实施例的光传感器的布局位置示意图。如图4所示，光传感器可以布置在由多个像素P组成的像素阵列的外围，例如像素阵列的一个侧边或者多个侧边处。如图4所示，光传感器可以设置为环绕像素阵列。
在图像传感器的实际设计中，靠近图像感测阵列处可以设置有模拟采样电路或者模拟数字转换模块，而水平方向可以设置有行译码器和行信号驱动电路。图5示出了在这种情况下可以采用的光传感器的布局位置。如图5所示，行译码器和列ADC布置在矩形像素阵列的两侧，而光传感器可以布置在矩形像素阵列的另外两侧。
尽管图4和图5示出了光传感器在芯片版图中的可能的布置位置，但是根据本发明的实施例的光传感器在图像传感器芯片中的布置位置不限于此。光传感器120可以适当地布置在能够保证其采集到充足的环境光信息的任何合适的位置。例如，光传感器120可以靠近图像感测阵列放置，也可以放置在图像感测阵列以外的电路区域。在一些实施例中，光传感器120只要设置在与图像传感器协作的光学件(例如，镜头)的成像范围(也称作光场)内即可(如图12A所示)。
总体来说，光传感器120在版图中的布置位置非常灵活，可以由设计者根据芯片的具体情况进行选择和调节，在确保光传感器120的性能的前提下实现更好的版图布置。
另外，优选地，光传感器120的光感测单元的光感测能力被设置为高于图像感测阵列110的光感测单元的光感测能力，以增强对环境光检测的灵敏度和动态范围。表征光感测单元的光感测能力的参数可以多样的。典型地，光感测单元的光感测能力可以被表征为光感测单元将光(诸如光)转换为电信号的能力。例如，光电转换效率高的光感测单元的光感测能力高于光电转换效率低的光感测单元。一般地说，对于同样强度同样频率的光照，在其他条件相同的情况下，接收的光多的感测单元被认为其光感测能力高于接收的光少的感测单元。
因此，优选地，可以将光传感器120的光感测单元的有效尺寸设计为大于图像感测阵列110的光感测单元的或者设计为充分大(例如是后者的数倍)，以保证采集足够的光信息。
另外，如上文所述的，光传感器120一般摆放在图像感测阵列的外围，因此距离镜头主光轴较远时，即布置在镜头成像范围中靠近外围的位置处。此时，可以进行微透镜偏移(LENS SHIFT)来对微透镜进行调整，以提高光传感器120的受光量。具体而言，可以根据所使用的镜头的主光线角度CRA(CHIEF RAY ANGEL)参数来设置透镜偏移的具体参数。
另外地或者替代地，在根据本发明的实施例的光传感器上方不覆盖遮光层和/或不使用滤色器阵列，以使得用于采集环境光的光传感器能够更多或者更充分地采集光信息。
在一些实施例中，光传感器120的光感测单元与图像感测阵列110的光感测单元可以相同也可以不同。当两者的光感测单元采用相同或类似的结构时，能够降低设计的复杂度。而当两者采用不同结构的光感测单元时，能够带来更灵活的配置和更优越的性能。通过优化光传感器120的光感测单元的性能，尤其是灵敏度和动态范围，能够确保光传感器120在较大的光照范围内都能够得到有效的数据信息。
尽管在图4和图5中以P来表示图像感测阵列中的像素，但应理解，图像感测阵列中的像素可以用于感测不同颜色的光。在一些实施例中，图像感测阵列中的像素的结构可以是相同的，但像素上可以形成有不同的滤色器，例如红色、绿色或蓝色的滤色器，从而使得像素可以分别用于感测不同颜色的光。图像感测阵列中的像素可以以不同的图案(pattern)来分组，例如，每个图案(或者，每个像素组)可以包括两个用于感测绿色光的像素、一个用于感测红色光的像素、以及一个用于感测蓝色光的像素。图案或像素组的方式可以是多种多样的。对于光传感器120的光感测单元，可以不设置滤色器。这样既能够提高光感测能力又能够简化光感测单元的结构。
另外，像素上还可以设置有微透镜，以将光汇聚到像素中的感光元件。在本公开的一个实施例中，在光传感器的像素上也可以设置有微透镜。
在一些实现方式中，可以考虑光传感器被设置在成像范围中的位置，对其像素上所设置的微透镜进行调整，以使得光更佳地进入像素中的光传感器。例如，由于光传感器设置在图像感测阵列的外侧(例如，来开图像感测阵列一定距离的位置)，入射到光传感器的某些光的角度相对于入射到图像感测阵列的光的角度有一定的差。而一般地，微透镜可能会是根据图像感测阵列的像素接收光的需求而调教的。因此，在这种情况下，前述入射光线的角度之差可能会造成入射到光传感器的像素的光不能被完全汇聚到像素中的感光元件，从而使得一部分(较少的一部分)的环境光未被收集，从而可能会降低感测的精度和灵敏度。对此情况，本发明的发明人还构思了将光传感器的像素上的微透镜进行偏移，以使得光更好地汇聚到光传感器的像素中的感光元件，例如光电二极管。
图6示出了根据本发明一个实施例的用于光传感器的光感测单元的电路图。光传感器120的光感测单元122为采用4T(4晶体管)结构的有源像素传感器。应当理解，根据本发明的实施例的光传感器所采用的光感测单元的结构不限于此，可以使用任何已知且适合的光感测单元结构。
如图6所示，光感测单元122包括：传输晶体管TG，复位晶体管RS，源极跟随器晶体管SF，选择晶体管SEL，电容FD以及感光元件(光电二极管)PD。在图6所示的示例中，四个晶体管TG、RS、SF以及SEL均被示出为N型晶体管。复位晶体管RS的栅极连接到复位输入端RST，漏极连接到电源VDD，并且源极连接到电容FD的一个极板。电容FD的另一个极板连接到接地。传输晶体管TG的栅极连接到传输控制输入端TGT，漏极连接到复位晶体管RS的源极，并且源极连接到光电二极管PD的阴极。光电二极管PD的阳极连接到接地。源极跟随器晶体管SF的栅极也连接到复位晶体管RS的源极，漏极连接到电源电压VDD，而源极连接到选择晶体管SEL的源极。选择晶体管SEL的栅极连接到选择输入端SELT，漏极连接到感测信号输出端OUT。
再次回到图2，处理模块130可以与图像感测阵列110以及光传感器120设置在同一衬底上。然而本发明并不限于此。处理模块130可以基于信号LS确定环境光的强度，并基于所确定的强度控制所述图像传感器的操作。例如，当所确定的光强度小于或等于阈值时，处理模块130可以控制图像传感器100以黑白模式处理图像感测阵列110所感测的图像信号IS。而当所述强度高于阈值时，处理模块130可以控制图像传感器100以彩色模式处理图像感测阵列110所感测的图像信号。在一些实施例中，阈值可以通过寄存器配置来设定。
例如，在环境光强度小于或等于阈值的情况下，处理模块130可以控制来关闭红外截止器，从而使得图像感测阵列还接收红外信息，以所谓的“黑白模式”来感测和呈现图像(如稍后将更详细说明的)，从而增强整体接收信息。
图7示出了根据本公开另一个实施例的图像传感器的示意图。为了简化描述，以下在描述根据本发明的各实施例中，仅针对各实施例之间的不同之处进行详细描述，而省略对相同或相似的部分的重复说明。
如图7所示，图像传感器200包括图像感测阵列210、光传感器220和处理模块230，其中图像感测阵列210和光传感器220与图2所示的图像传感器100的相应部件类似，因此这里省略对其说明。
图像传感器200的处理模块230被配置为，基于从光传感器220接收的电信号LS对环境光强度进行判断，并基于对环境光强度的判断结果控制图像传感器200的操作。处理模块230包括数模转换器(ADC)232和控制器(或控制部)234。ADC 232将来自光传感器220的电信号LS转化为数字信号。控制器234基于该数字信号判断环境光的强度，并基于判断结果输出控制信号Ctr1以控制外部的红外滤镜250(例如外部的滤镜)启用或关闭(不启用)。
例如，当判断环境光强度小于或者等于阈值时，意味着此时图像传感器200周围的环境光较暗(例如工作于夜间时)，因此处理模块230的控制器234输出控制信号Ctr1来关闭红外滤镜250，使得图像感测阵列210接收红外光，从而以黑白图像模式成像，以提高成像质量。而当判断环境光强度大于阈值时，意味着此时图像传感器200周围的环境光充足(例如工作于白天时)，此时红外光会对彩色图像成像造成干扰，因此打开红外滤镜250以屏蔽红外线。
处理模块230的控制器234还可以基于所确定的光强度，输出控制信号Ctr2，以控制外部的补光光源252关闭或打开。例如，当判断环境光强度小于或者等于阈值时，意味着此时图像传感器200周围的环境光较暗(例如工作于夜间时)，因此打开外部的补光光源252(例如LED)进行补光，以改善成像。而当判断环境光强度大于阈值时，意味着此时图像传感器周围的环境光充足例如(例如工作于白天时)，因此关闭外部补光光源252以减少不必要的消耗。在图7中，示出了包括开关、电阻R和LED的光源，作为光源252的示例。应理解，对于光源没有特别的限制。
还应理解，尽管在图7以及下面的某些图中示出了控制器(控制部)来进行相关的控制，但应理解，控制器还可以进行其他控制或者处理，例如图像信息处理等。
图8示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器300的示意图。
如图8所示，图像传感器300包括图像感测阵列310、光传感器320、处理模块330和接口340。图像感测阵列310和光传感器320与图2所示的图像传感器100的相应部件类似，因此这里省略对其说明。
接口340可以用于从图像传感器300外部的外部光传感器(第二光传感器)354接收信号输入LS2。外部光传感器354可以包括例如光敏电阻。图像传感器300的处理模块330可以基于从光传感器320输出的电信号LS1和/或通过接口340接收的电信号LS2确定环境光强度，并基于所确定的环境光强度控制图像传感器300的操作。
在一个示例中，如图8所示，处理模块330可以包括多路选择器336、数模转换器(ADC)332和控制器334。多路选择器336可以根据例如用户的设置来选择光传感器320输出的电信号LS1或通过接口340接收的电信号LS2。ADC 332可以将选定的电信号转化为数字信号。控制器334可以基于该数字信号确定环境光强度，并基于所确定的强度输出控制信号Ctr1和Ctr2。控制信号Ctr1可以用来控制外部的红外滤镜350关闭或启用。控制信号Ctr2可以控制外部的补光光源352关闭或打开(启用)。
这样的接口设置增加了图像传感器300在使用中的兼容性和灵活性。
在图8中，示出了包括电阻R和光敏电阻的感光元件，作为外部光传感器354的示例。应理解，对于外部光传感器没有特别的限制。还应理解，图8所示的实施例仅仅是示例性的。在其他的实现方式中，处理模块330还可以配置为基于来自光传感器320的电信号LS1和通过接口340接收的电信号LS2两者，来进行环境光强度的判定，以得到更为准确的结果。
图9示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器400的示意图。如图9所示，图像传感器400包括图像感测阵列410、光传感器420和处理模块430。图像感测阵列410和光传感器420与图2所示的图像传感器100的相应部件类似，因此这里省略对其说明。
图像传感器400的处理模块430被配置为，基于从光传感器420输出的电信号LS确定环境光强度，并基于对环境光强度的确定控制图像传感器400的操作。
处理模块430可以包括数模转换器(ADC)432、控制器434和图像信号处理器(处理部)438。其中，ADC 432可以将来自光传感器420的电信号LS转化为数字信号，图像信号处理器438可以对图像感测阵列410所感测的图像信号IS进行处理。控制器434可以基于来自ADC432的数字信号确定环境光的强度，并基于确定结果输出控制信号Ctr1和Ctr2。控制信号Ctr1可以用来控制外部的红外滤镜450关闭或打开(启用)。控制信号Ctr2可以控制外部的补光光源452关闭或打开(启用)。
图像信号处理器438配置为对图像感测阵列410所感测的图像信号IS进行处理。处理模块430还可以包括自动曝光控制(AEC)单元。在一些实施方式中，自动曝光控制单元AEC可以设置在图像信号处理器438中，如图9所示；但本发明不限于此。在一些实施例中，自动曝光控制单元AEC可以根据像素阵列提供的图像信号的明暗，提供额外的指示信号到控制器。控制器可以基于该额外的指示信号和光传感器提供的LS信号来进行控制。
可以根据环境光强度，通过自动曝光控制单元AEC来调整成像。例如，在环境光较弱的情况下，可以通过自动曝光控制来增加图像感测阵列的曝光时间；而在环境光较强的情况下，可以通过自动曝光控制来减小图像感测阵列的曝光时间。从而，可以提高成像质量。
图10示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器500的示意图。如图10所示，图像传感器500包括图像感测阵列510、光传感器520和处理模块530。图像感测阵列510和光传感器520与图2所示的图像传感器100的相应部件类似，因此这里省略了对其说明。
图像传感器500的处理模块530配置为，基于从光传感器520输出的电信号LS对环境光强度和环境光闪烁进行判断(确定)，并基于对环境光强度和环境光闪烁的判断(确定)结果控制图像传感器500的操作。
在另一种实现方式，处理模块530可以将判断(确定)的结果发送给外部的处理器，由外部处理器来进行相应的操作，如关闭红外滤镜和/或开启LED补光。
与图7中的处理模块230的类似，处理模块530也包括数模转换器(ADC)532和控制器534。不同之处在于，处理模块530还包括可以对环境光闪烁进行检测的闪烁检测器(检测部)539。闪烁检测器539从ADC 532接收通过将光传感器520输出的电信号LS模数转换得到的数字信号，并基于该数字信号检测环境光的闪烁。
在处理模块530中，闪烁检测可以与强度检测同时进行，这能够优化图像传感器的功能集成，提高运行效率并减少资源消耗。
可以将光传感器520的采样时间设置为独立于图像感测阵列510的曝光时间(或者对应的采样时间)。例如，可以将光传感器520的采样时间(或者频率)固定设置，以便于针对特定频率的闪烁进行检测，例如针对公用事业提供的电力的频率(例如，50Hz或60Hz)下的灯光闪烁进行检测。
相较于传统的闪烁检测，本申请的环境光闪烁检测有诸多优点。根据本发明的一些实施例，由于光传感器所采集的数据量远小于图像感测阵列所采集的数据，因此要处理的数据量大幅降低，从而使得设计复杂度和难度大幅降低。另外，由于光传感器的采样时间独立于图像感测阵列地进行设置，因此采样时间可以灵活控制，从而扩展了应用范围。数据处理量和设计复杂度的下降，使得相应的设计电路占用面积相对减少，极大地提高了检测效率。
在图像传感器500中，还可以通过例如配置寄存器设置来针对不同频率下的闪烁进行检测。例如，可以通过配置寄存器来针对特定频率(例如50Hz、60Hz或更高频率)下的环境光闪烁进行检测，以进一步优化整体性能。
当闪烁检测器539检测到环境光闪烁现象，处理模块530可以依据检测的结果控制自动曝光单元AEC进行闪烁消除。例如，闪烁检测器539可以将检测到的闪烁结果直接反馈给图像信号处理部或AEC模块，然后依据检测结果来对感测的图像信号进行补偿，例如通过调整曝光时间来减轻或者消除闪烁。
替代地，闪烁检测器539也可以将检测结果写入内部状态寄存器，以供上位机MCU或ISP芯片查询。或者，可以将检测结果输出到专门的IO管脚FLICKER，通知上位机MCU或ISP芯片。
图11示出了根据本公开的一个实施例的图像传感器600的示意图。图像传感器600包括图像感测阵列610、光传感器620、接口640和处理模块630。处理模块630被配置为，基于从光传感器620输出的电信号LS对环境光强度和环境光闪烁进行判断，并基于对环境光强度和环境光闪烁的判断结果控制图像传感器600的操作。
处理模块630可以包括多路选择器636，数模转换器(ADC)632、控制器634、图像信号处理器638和闪烁检测器639。多路选择器636可以根据设置选择光传感器620输出的电信号LS1或通过接口640从外部光传感器654接收的电信号LS2。ADC 632可以将选定的电信号转化为数字信号。图像信号处理器638可以对图像感测阵列610所感测的图像信号IS进行处理，并且在某些实现方式中能够辅助控制器634判断环境光强度。控制器634可以基于数字信号(和图像信号处理器638的辅助)对环境光强度进行判断(确定)，并基于判断(确定)结果输出控制信号Ctr1和Ctr2，以控制外部的红外滤镜650和补光光源652。闪烁检测器639可以基于从ADC 632接收到的数字信号检测环境光的闪烁。上面就其它实施例的对应部件的说明可以类似地适用于本实施例的对应部件，因此这里省略了对其说明。
根据本实施例的图像传感器600能够基于片上集成的光传感器同时检测环境光强度和环境光闪烁，又能够基于通过接口从外接的光传感器(如，光敏电阻)接收的信号来检测环境光强度和环境光闪烁。
图12A和12B示出了根据本公开实施例的图像传感器在成像装置中的设置的示意图。图12A示出了光学件(例如，镜头)1201以及图像传感器1209的用于成像的像素阵列1203和光传感器1205的布置。如前所述的光传感器1205只要设置在与图像传感器1207协作的镜头1201的成像范围内即可，优选尽量靠近成像用的像素阵列1203。图12B示意性地示出了成像装置中协作的镜头1201和图像传感器1209的布置。图像传感器1209可以感测通过镜头的光，如图中箭头线所示。
本发明可以广泛地适用于多种应用领域，包括但不限于照相/摄像、安防、监控等应用领域。
以上已经描述了本公开的各种实施例，但是上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且本发明也不限于所公开的各种实施例。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本发明的精神和范围。根据本发明在此的教导，相关技术领域的普通技术人员可以容易地想到许多修改和变化，这些修改和变化也被涵盖在本发明的精神和范围内。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种图像传感器，包括：
半导体衬底上的图像感测阵列，用于进行图像感测，其包括以阵列形式布置的多个第一光感测单元；
所述衬底上的第一光传感器，用于感测环境光并将环境光转换为第一电信号，其包括以阵列形式布置的多个第二光感测单元，所述第二光感测单元在所述第一光感测单元的阵列的外部；以及
处理模块，配置为基于所述第一电信号确定环境光的强度，并基于所确定的强度控制所述图像传感器的操作。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括接口，用于从外部连接的第二光传感器接收第二电信号，其中所述处理模块配置为基于所述第一电信号和所述第二电信号确定环境光的强度。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中所述处理模块包括数模转换器(ADC)，用于将电信号转换为数字信号以用于确定环境光的强度。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述处理模块包括图像信号处理模块(ISP)，用于对所述图像感测阵列所感测的图像信号进行处理。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，控制所述图像传感器的操作包括：
当所述强度小于或等于阈值时，所述处理模块以黑白模式处理所述图像感测阵列所感测的图像信号；以及
当所述强度高于阈值时，所述处理模块以彩色模式处理所述图像感测阵列所感测的图像信号。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，控制所述图像传感器的操作包括下列中的一个或多个：
根据所述强度，所述处理模块通过第一控制信号来关闭或开启红外滤镜(IR-CUT)；
根据所述强度，所述处理模块通过第二控制信号来开启/关闭用于进行补光的外部光源；以及
根据所述强度，通过自动曝光控制来调整图像感测阵列的曝光时间。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述第二感测单元被配置为其光感测能力高于所述第一感测单元的光感测能力。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述第一感测单元上还形成有滤色器，而所述第二感测单元上不形成滤色器。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
所述处理模块包括闪烁检测器，所述闪烁检测器被配置为基于所述第一电信号确定环境光的闪烁。
10.根据权利要求1或9所述的图像传感器，其中所述第一光传感器的采样频率被设置为使得能够检测目标环境下的环境光的闪烁。
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