CN107707845A - 用于图像传感器的方法、图像传感器以及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于图像传感器的方法、图像传感器以及成像装置。本发明公开了一种在图像传感器中实现信号非线性转换的方法。该方法包括：获取来自图像传感器中的像素的像素信号电压；以及基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，在像素信号电压‑数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

Description

用于图像传感器的方法、图像传感器以及成像装置

技术领域

本发明涉及用于图像传感器的方法、图像传感器以及成像装置。具体来说，涉及在图像传感器中实现信号非线性转换的方法、实现信号非线性转换的图像传感器以及包括上述图像传感器的成像装置。

背景技术

图像传感器是一种将光学图像信号转换成电信号的设备，它广泛地应用在诸如成像装置、电子光学设备等的诸多领域中并扮演着重要的角色。随着设计和制造技术的不断发展，图像传感器的性能不断提升。但同时，市场对图像传感器的期待和要求也越来越高。这对图像传感器的成像性能、成本控制等提出了愈发严峻的挑战。

在图像传感器的成像过程中，通常需要如下两个步骤：1)通过光感测单元将光信号转换为模拟电信号；2)通过模数转换单元将模拟电信号转换为量化的数字信号。这两个步骤很大程度上决定着成像质量的优劣。

举例来说，CMOS图像传感器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ImageSensor)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示出了一种现有的CMOS图像传感器。

如图1所示，图像传感器10包括：以阵列形式排列的多个像素单元PIXEL；设置在像素阵列的一侧的用于进行行选择的行译码器12，以及设置在像素阵列的另一侧的用于进行列选择的列译码器16。图像传感器10还包括用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器ADC 14。

在图像传感器10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)。图像传感器10的工作的方式可以是多样的。作为示例，可以通过行译码器12选择特定的行，将所选定的行中的像素单元所形成的电信号输入到模数转换器ADC14，以将其从模拟信号转换为数字信号。可以通过列译码器16将所选定的行中的每个像素单元PIXEL所对应的数字信号逐个输出。

在现有技术中，模数转换器ADC 14基于各种不同的响应曲线将模拟信号转换为数字信号，例如线性转换响应曲线、完全非线性转换响应曲线等等。

图2例示了一种现有的用于图像传感器的信号转换响应曲线20。在该响应曲线20中，横坐标轴表示图像传感器中的像素所感测到的照度乘以时间(lx·s)，即曝光量。纵坐标轴表示量化数据，通常为数字信号，其单位为最低有效位LSB。

在图2所示的信号转换响应曲线20中，曝光量饱和值与数字信号的最大值相对应，其中，曝光量饱和值通常指的是有效范围内的曝光量饱和值。在小于或等于曝光量饱和值的范围内，曝光量与数字信号呈线性对应关系。即，在该范围内，响应曲线可以呈直线，直线的斜率为数字信号最大值与曝光量饱和值之比。在大于曝光量饱和值的范围内，所有曝光量都对应于数字信号的最大值，响应曲线20可以呈水平直线。对于图2中所示的信号转换响应曲线20，由于曝光量饱和值范围内的曝光量与数字信号呈斜率单一的线性对应关系，因此该曲线又称为线性转换响应曲线。

在采用线性转换响应曲线进行图像传感器中的图像信号转换的情况下，由于响应曲线的斜率维持恒定，因此硬件设计易于实现。但是在斜率固定的情况下，在所有曝光量范围内的信号转换性能都依赖于像素感测单元的灵敏度。

图3例示了一种现有的用于图像传感器的信号转换响应曲线30。在该曲线中，横坐标轴表示图像传感器中的像素所感测到的曝光量。纵坐标轴表示数字信号。在图3所示的响应曲线30中，曝光量与数字信号呈完全非线性的对应关系，即，该曲线的各点的切线斜率都不同，呈逐渐减小的趋势。

响应曲线30的这种设计能够实现较好的暗光灵敏度，但是由于曲线是完全非线性的，导致用于实现这种转换的硬件需要极为复杂的电路设计和成本消耗，相应地也会带来更多电路性能方面的问题。另外，这种完全非线性转换的引入，会使得在系统的后级(例如图像信号处理器ISP)中难以实现颜色还原，带来新的困扰。

总结来说，在现有的这些响应曲线中，或者实现成本低、资源消耗少，但难以满足实际应用中对成像性能的要求；或者成像性能好但设计复杂且消耗巨大，难以满足实际应用对于图像传感器的性价比的期待。

因此，需要提出一种新的技术来解决上述现有技术中的一个或多个问题。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供改进的用于图像传感器的方法、改进的图像传感器以及改进的成像装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种在图像传感器中实现信号非线性转换的方法。该方法包括：获取来自所述图像传感器中的像素的像素信号电压；以及基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，在所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；所述像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

根据本发明的第二方面，提供了一种图像传感器。该图像传感器包括：像素阵列，包括至少一个像素感测单元，所述像素感测单元配置为获取像素信号电压；模数转换器ADC，配置为基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，在所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；所述像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

根据本发明的第三方面，提供一种成像装置，所述成像装置包括：镜头，以及根据本发明的图像传感器。

根据本发明的实施例的一个优点在于，根据本发明的实施例的方法或装置实现了像素信号电压的非线性转换。这种方法或装置不仅能选择性地增强某些重点关注的区间的信号转换灵敏度(例如，增强暗光成像性能)从而提高成像性能，而且对电路设计要求与传统的设计相比差别不大，对于后续处理中的颜色还原影响也很小，能够以极低的资源成本消耗获得更好的成像性能，例如，能够提升暗光成像性能。

根据本发明的实施例的另一个优点在于，根据本发明的实施例的方法或装置在实现像素信号电压的非线性转换时，具有更好的噪声抑制作用，因此信息受到噪声干扰更小、转换精度更高、成像质量更优越。具体而言，在传统的信号非线性转换方法中，后期数字信号处理通常会使用数字GAMMA校正，这个处理是在ADC将模拟信号量化为数字信号之后进行的，处理空间有限。而在本发明中，改进暗光图像信息的处理在靠近信息源头处进行，且通过模拟转换数字过程细化了暗光区间的信号，比数字GAMMA校正记录信息更多，且模拟电路具有更好的噪声抑制作用，信息受到噪声干扰也更小，另外，两者也可以配合使用，达到更好的效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1例示了一种现有的CMOS图像传感器。

图2例示了一种现有的用于图像传感器的信号转换响应曲线。

图3例示了一种现有的用于图像传感器的信号转换响应曲线。

图4A例示了根据本发明的一个实施例的在图像传感器中实现信号非线性转换的方法。

图4B例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的曝光量-数字信号的非线性响应曲线。

图4C例示了与图4B中的曝光量-数字信号的非线性响应曲线相对应的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线。

图4D例示了与图4C中的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线相对应的阶梯状曲线。

图4E是图4D中第一分段内的阶梯状曲线的放大示意图。

图5A例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线。

图5B例示了与图5A所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线相对应的阶梯状曲线。

图6A例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线。

图6B例示了与图6A所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线相对应的阶梯曲线。

图6C例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线。

图7例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线。

图8例示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的示意图。

图9例示了根据本发明的一个实施例的图像传感器的示意图。

图10例示了根据本发明一个实施例的图像传感器的示意图。

图11例示了图6A所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线和与其相对应的时间-像素信号电压的非线性响应曲线的对应关系。

图12例示了图7所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线和与其相对应的时间-像素信号电压的非线性响应曲线的对应关系。

图13例示了根据本发明一个实施例的图像传感器的示意图。

图14例示了根据本发明的一个实施例的采用相关双采样CDS的时间-像素信号电压的非线性响应曲线。

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

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

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授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

图4A例示了根据本发明的一个实施例的在图像传感器中实现信号非线性转换的方法40。所述在图像传感器中实现信号非线性转换的方法40包括如下步骤：获取来自图像传感器中的像素的像素信号电压(步骤42)；以及，基于像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号(步骤44)。

在上述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应。即，有效范围内的像素信号电压的最大值与数字信号的最大值相对应。该像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段内的像素信号电压与数字信号呈线性对应关系。每个分段内的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比。所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

分段的数量可以是大于或等于2的任意正整数。每个分段的斜率可以根据需要来灵活设置。对于要提高灵敏度的分段，可以将相应的分段的斜率设置得高于其它分段。例如，对于曝光量较小的暗光区间，图像传感器的成像性能通常不够好。为了改善这一区域内的成像质量，可以将暗光区间内的分段的斜率设置的较高，以提升暗光转换性能。当然，也可以将其它区域内的斜率设置的较高，以提升相应区域内的转换性能，或者说成像质量。

通过根据本发明的实施例的在图像传感器中实现信号非线性转换的方法40，能够依据应用需要合理配置图像传感器的转换资源，有效改善图像传感器在不同区域内的成像性能，同时便于后期的颜色恢复，在改善总体成像性能的同时不引入复杂的修改或额外的消耗。

图4B例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的曝光量-数字信号的非线性响应曲线46。在响应曲线46中，横坐标轴表示图像传感器中的像素所感测到的曝光量。由于曝光量指的是照度乘以时间，因此，在照度固定的情况下，横坐标轴可以表示在该特定照度下的曝光时间，而在曝光时间固定的情况下，横坐标轴可以表示在该特定曝光时间下的照度。在图像传感器中，像素将所感测到的曝光量转化为像素信号电压，且像素信号电压与图像传感器所感测到的曝光量成正比。因此，横坐标轴也可以表示为像素信号电压。在下文中，一般采用像素信号电压作为横坐标轴的变量。但本领域的技术人员将会理解，横坐标轴也可以表示为曝光量、照度或曝光时间。图4C例示了与图4B中的曝光量-数字信号的非线性响应曲线46相对应的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线47。

在本文中，饱和电压通常指的是有效范围内的像素信号电压。由于在各种图像传感器中，通常都将大于有效范围的饱和电压的像素信号电压转化为数字信号最大值，因此本发明重点关注有效范围内的像素信号电压到数字信号的转换。

响应曲线47包括n个线性分段，其中n为大于等于2的任意正整数。每个分段内的像素信号电压与数字信号呈线性对应关系。每个分段内的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比。第1分段的斜率与第n分段的斜率不同。

由于横坐标轴所表示的像素信号电压是连续的模拟变量，而纵坐标轴所表示的数字信号是离散的数字变量，因此图4C中所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线47实际上并不是绝对光滑的曲线，而是通过使用阶梯状的曲线进行拟合而得到的。图4D例示了与响应曲线47相对应的阶梯状曲线48。本领域的技术人员将会理解，图4D中所例示的多个分段中的阶梯级数仅仅是例示性的，多个分段中每个分段中的阶梯级数都可以大于、等于或小于图中所例示的该分段的阶梯级数。

图4E是图4D中第一分段的阶梯状曲线的放大示意图。在图4E所例示的阶梯状曲线49中，第一分段内的像素信号电压范围被划分为多级阶梯。每个阶梯的横步长对应相同的像素信号电压范围，纵步长对应数字信号的一个最低有效位，即1LSB。换言之，每个阶梯范围内的像素信号电压对应于某一个相应的数字信号。例如，第m个阶梯的横步长L范围内的像素信号电压对应于数字信号值m。

在阶梯状曲线中，通过将每个阶梯设置为纵步长与横步长之比等于所要拟合的光滑曲线的斜率，可以实现拟合。在阶梯状曲线49中，阶梯的纵步长与横步长之比等于响应曲线47中的第一分段内的曲线的斜率，即，第一分段所对应的数字信号的变化量与第一分段所对应的像素信号电压的变化量之比。通过这样的设置，阶梯状的曲线49能够拟合出响应曲线47的第一分段内的曲线。所拟合的曲线可以通过将各个阶梯的上升沿的中点相连来得到，也可以通过将各个阶梯的上升沿的顶点相连得到，还可以通过将各个阶梯的上升沿的底点相连得到，或者以其它适宜的方式得到。顺便提及，为了方便起见，在本申请中，将信号转换响应曲线的斜率定义为所拟合的光滑曲线的斜率。尽管图4E中的阶梯状曲线例示性地示出了有限多个阶梯，但本领域的技术人员将会理解，阶梯状曲线可以包括大于、等于或小于该数量的任意数量的阶梯，这取决于所要转换成的数字信号的数量。

考虑到消除复位噪声，在信号转换过程中，可以采用相关双采样CDS方式来消除复位噪声，提高性能。

图5A例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线50。如图5A所示，该像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线50包括第一分段和第二分段。第一分段对应的像素信号电压小于第二分段对应的像素信号电压，并且第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率。图中还以虚线示出了针对该有效范围的单一斜率线性转换响应曲线52作为对比。

第一分段对应于信号的暗光区间，第二分段对应于信号的高光区间。将第一分段的斜率设置为高于第二分段，能够有效提升暗光区间的转换精度，从而有效改善图像传感器的暗光成像性能，同时不会带来复杂的修改或过多的资源消耗。

图5B例示了与图5A所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线相对应的阶梯状曲线54。因为第一分段的斜率大于第二分段的斜率，所以第一分段中的阶梯的横步长小于第二分段中的阶梯的横步长。注意，图5B中所例示的两个分段中的阶梯级数仅仅是例示性的，第一分段中的阶梯级数可以大于、等于或小于图中所例示的第一分段的阶梯级数，并且第二分段中的阶梯级数也可以大于、等于或小于图中所例示的第二分段的阶梯级数。

图6A例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线60。如图6A所示，响应曲线60包括第一分段、第二分段和第三分段。第一分段对应的像素信号电压小于第二分段对应的像素信号电压，第二分段对应的像素信号电压小于第三分段对应的像素信号电压。并且，第一分段的斜率大于第二分段的斜率和第三分段的斜率。图中还以虚线示出了针对该有效范围的单一斜率线性转换响应曲线62作为对比。

其中，第一分段、第二分段和第三分段，依次对应于暗光区间、中间区间和高光区间。将第一分段的斜率设置为高于第二分段和第三分段，意味着在暗光区间，响应曲线的斜率高于单一斜率线性响应曲线的斜率。这能够有效提升暗光区间的转换精度，从而有效改善图像传感器的暗光成像性能，同时不会带来复杂的修改或过多的资源成本消耗。

图6B例示了与图6A所示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线60相对应的阶梯状曲线64。因为第一分段的斜率大于第二分段的斜率和第三分段的斜率，所以第一分段中的阶梯的横步长小于第二分段中的阶梯的横步长和第三分段中的阶梯的横步长。注意，图6B中所例示的三个分段中的阶梯级数仅仅是例示性的，三个分段中每个分段的阶梯级数都可以大于、等于或小于图中所例示的该分段的阶梯级数。

对于图6A所示的非线性响应曲线的三个分段，还可以将与暗光区间相对应的第一分段的斜率设计为高于单一斜率线性响应曲线62的斜率，将与中间区间相对应的第二分段的斜率设计为略高于单一斜率线性响应曲线62的斜率，以及将与高光区间相对应的第三分段的斜率设计成低于单一斜率线性响应曲线62的斜率。

图6C例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线66。如图6C所示，数字信号的位长是10位，因此转换的数字信号在0～1023范围内。第一分段对应于像素信号电压的有效范围的前1/4(0到1/4V_MAX)，并对应于数字信号的有效范围的前1/2(0-511)。第二分段对应于像素信号电压的有效范围的1/4到1/2(1/4V_MAX到1/2V_MAX)，并对应于数字信号的有效范围的1/2到3/4(512-767)。以及，第三分段对应于像素信号电压的有效范围的后1/2(1/2V_MAX到V_MAX)，并对应于数字信号的有效范围的后1/4(768-1023)。

在像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线66中，将像素信号电压响应范围的前1/4转换为1/2的数值响应空间，即对应512个LSB。因此在外部条件相同的情况下，暗光区间内的响应曲线的斜率是单一斜率线性响应曲线的斜率的两倍。而对于高光区间，即图像细节较少区域，分配较少的转换范围，将像素电压响应范围的后1/2转换为1/4的数值响应空间，即对应256个LSB。通过这样的设计，能够有效提升暗光区间的转换精度，从而有效改善图像传感器的暗光成像性能，同时不会带来复杂的修改或过多的资源成本消耗。

注意，图6C仅仅是例示了一种可能的分段区间与斜率设置。实际设计中，可以根据实际应用情况和图像传感器特性分配各分段的比重以及斜率。

图7例示了根据本发明的一个实施例的图4A的方法中所采用的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线70。如图7所示，响应曲线70包括第一分段、第二分段和第三分段。第一分段对应的像素信号电压小于第二分段对应的像素信号电压，第二分段对应的像素信号电压小于第三分段对应的像素信号电压。并且，第二分段的斜率大于第一分段的斜率和第三分段的斜率。图中还以虚线示出了针对该有效范围的单一斜率线性转换响应曲线72作为对比。

其中，第一分段、第二分段和第三分段，依次对应于暗光区间、中间区间和高光区间。将第二分段的斜率设置为高于第一分段和第三分段，意味着在中间区间，响应曲线的斜率高于单一斜率线性响应曲线的斜率。这能够有效提升中间区间的转换精度，从而有效改善图像传感器的中间区间的成像性能，同时不会带来复杂的修改或过多的资源成本消耗。

根据本发明的实施例的方法实现了像素信号电压的非线性转换。这种方法不仅能选择性地增强某些重点关注的区间的信号转换灵敏度(例如，提高暗光区间的信号转换灵敏度)从而提高成像性能，而且对电路设计要求与传统的设计相比差别不大，对于后续处理中的颜色还原影响也很小，能够以极低的资源成本消耗获得更好的成像性能，例如，暗光成像性能的提升。

另外，在传统的信号非线性转换方法中，后期数字信号处理通常会使用数字GAMMA校正来提高暗光图像成像性能。但这个处理是在将模拟信号量化为数字信号之后进行的一种非线性变换，处理空间有限。而在本发明中，提高暗光图像成像性能的方法是在靠近信息源头处完成的。具体而言，是通过在模数转换过程中细化暗光区间的信号从而记录更多信息，最终实现暗光成像性能的提升。相对于需要校正大量记录信息的数字GAMMA校正，根据本发明的方法具有更好的噪声抑制作用，因此信息受到的噪声干扰更小、转换精度更高、成像质量更优越。另外，两者也可以配合使用，从而达到更好的效果。

图8例示了根据本发明的一个实施例的图像传感器100的示意图。如图8所示，图像传感器100包括像素阵列110和模数转换器ADC 120。像素阵列110包括至少一个像素感测单元，并且像素感测单元配置为获取像素信号电压PSV。模数转换器ADC被配置为基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压PSV转换为像素数字信号DS。

在上述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应。即有效范围内的像素信号电压的最大值与数字信号的最大值相对应。该像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段内的像素信号电压与数字信号呈线性对应关系。每个分段内的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比。所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

分段的数量可以是大于等于2的任意正整数。在保证每个分段单调递增且依次首尾相连的情况下，可以根据需要来灵活设置每个分段的斜率。对于要提高灵敏度的分段，可以将相应的分段的斜率设置得高于其它分段。例如，对于曝光量较小的暗光区间，图像传感器的成像性能通常不够好。为了改善这一区域内的成像质量，可以将暗光区间内的分段的斜率设置的较高，以提升暗光转换性能。当然，也可以将其它区域内的斜率设置的较高，以提升相应区域内的转换性能，或者说成像质量。

该像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线包括但不限于如图4C、图5A、图6A、图6C或图7所示的非线性转换响应曲线。

根据本发明的实施例的图像传感器100实现了像素信号电压的非线性转换。图像传感器100不仅能选择性地增强某些重点关注的区间的信号转换灵敏度(例如，提高暗光区间的信号转换灵敏度)从而提高成像性能，而且对电路设计的要求与传统的设计相比差别不大，对于后续处理中的颜色还原影响也很小，能够以极低的资源成本消耗获得更好的成像性能，例如，暗光成像性能的提升。

图9示出了根据本发明的一个实施例的图像传感器200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9所示，图像传感器200包括像素阵列210、模数转换器ADC220和斜坡信号发生器230。像素阵列210包括至少一个像素感测单元，并且像素感测单元配置为获取像素信号电压PSV。斜坡信号发生器230配置为依据时间-像素信号电压的非线性响应曲线生成斜坡基准电压RS。而模数转换器ADC 220被配置为基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压PSV转换为像素数字信号DS。具体而言，模数转换器ADC 220利用来自斜坡信号发生器230的斜坡基准电压RS将所获取的像素信号电压PSV转换为像素数字信号DS。

在时间-像素信号电压的非线性响应曲线中，时间的有效范围与像素信号电压的有效范围相对应。该曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的像素信号电压的变化量与对应于该分段的时间的变化量之比。并且所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

斜坡信号发生器230所依据的时间-像素信号电压的非线性响应曲线与ADC 220所依据的像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线呈对应关系，稍后的实施例中将更为详细的描述。

图10示出了根据本发明一个实施例的图像传感器300的示意图。如图10所示，图像传感器300包括像素阵列310、模数转换器ADC320和斜坡信号发生器330。其中像素阵列310和斜坡信号发生器330与图9所示的图像传感器200的相应部件类似，因此这里省略对其说明。

模数转换器ADC 320可以包括比较器322和计数器324。比较器322包括非反相输入、反相输入以及比较输出。其中非反相输入用于接收来自像素阵列的像素信号电压PSV，反相输入用于接收来自斜坡信号发生器的斜坡基准电压RS，而比较输出连接到计数器324。计数器324配置为在比较输出为正时进行计数，并将计数结果作为像素数字信号DS输出。

在模数转换器ADC 320采取上述结构的情况下，时间-像素信号电压的非线性响应曲线可以通过将像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中的数字信号与计数器324的计数间隔时间相乘得到。在这种情况下，图6A所例示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线60和与其相对应的时间-像素信号电压的非线性响应曲线的对应关系如图11所示。图7所例示的像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线70和与其相对应的时间-像素信号电压的非线性响应曲线的对应关系如图12所示。

图13例示了根据本发明一个实施例的图像传感器400的示意图。如图13所示，图像传感器400包括像素阵列410、模数转换器ADC420和斜坡信号发生器430。其中像素阵列410与图10所示的图像传感器300的相应部件类似，因此这里省略对其说明。模数转换器ADC420被配置为基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压PSV转换为像素数字信号DS。具体而言，模数转换器ADC 420利用来自斜坡信号发生器430的斜坡基准电压RS将所获取的像素信号电压PSV转换为像素数字信号DS。

模数转换器ADC 420可以包括比较器422和计数器424。比较器422包括用于接收来自像素阵列的像素信号电压PSV的非反相输入、用于接收来自斜坡信号发生器的斜坡信号RS的反相输入，以及连接到计数器424的比较输出。计数器424配置为在所述比较输出为正时进行计数，并将计数结果作为像素数字信号输出。

斜坡信号发生器430可以包括数模转换器DAC 432。在数模转换器DAC 432内部设计有控制电路434，作为数字部分来控制斜坡基准电压的产生。

数模转换器DAC 432可以采用的结构包括但不限于电阻型DAC或电流舵型DAC。电阻型DAC的控制电路部分包括电阻网络，结构相对简单且易于根据使用需要进行设计和修改，有利于实现能够产生非线性的斜坡基准电压的斜坡信号发生器。电流舵型DAC使用依据权重设计的电流源所组成的电流源网络，虽然结构更为复杂，但是稳定性强且速度较快，有利于产生更高精度的斜坡基准电压。而且由于电流源的权重比例设置相对灵活，也更适合于实现所需的非线性的斜坡基准电压。

在传统DAC电路的基础上，本发明可以通过重新设计数字控制电路来产生非线性的斜坡信号，即只需要在原有的线性斜坡发生器的基础上，增加相应的数字控制电路的功能即可。换言之，本发明能够仅仅修改DAC电路中的数字控制电路设计，而无需重新设计整个模块电路(包括模拟电路部分)，因此改动较小、难度较小且易于实现。另外，根据实际应用需求，可以固定或者通过寄存器灵活控制非线性转换中的分段拐点位置和不同分段内的线性斜率，以达到想要的效果。

考虑到消除复位噪声，可以采取相关双采样CDS的方式来消除复位噪声，提高性能。图14例示了根据本发明的一个实施例的采用相关双采样CDS的时间-像素信号电压的非线性响应曲线。如图14中所示，通过该曲线中斜坡基准电压的两次斜坡，能够消除复位噪声，提高性能。

根据本发明的一个方面，提供一种在图像传感器中实现信号非线性转换的方法，所述方法包括：获取来自所述图像传感器中的像素的像素信号电压；以及基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，在所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；所述像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

在一种实施方式中，所述多个分段包括第一分段和第二分段；所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压；以及所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率。

在一种实施方式中，所述多个分段包括第一分段、第二分段和第三分段；所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压，并且所述第二分段对应的像素信号电压小于所述第三分段对应的像素信号电压；以及所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率和所述第三分段的斜率。

在一种实施方式中，所述第一分段对应于所述像素信号电压的有效范围的前1/4，并对应于所述数字信号的有效范围的前1/2；所述第二分段对应于所述像素信号电压的有效范围的1/4到1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的1/2到3/4；并且所述第三分段对应于所述像素信号电压的有效范围的后1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的后1/4。

在一种实施方式中，利用双相关采样CDS获取来自所述图像传感器中的像素的像素信号电压。

根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器，所述图像传感器包括：像素阵列，包括至少一个像素感测单元，所述像素感测单元配置为获取像素信号电压；模数转换器ADC，配置为基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，在所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；所述像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

在一种实施方式中，所述多个分段包括第一分段和第二分段；所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压；以及所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率。

在一种实施方式中，所述多个分段包括第一分段、第二分段和第三分段；所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压，并且所述第二分段对应的像素信号电压小于所述第三分段对应的像素信号电压；以及所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率和所述第三分段的斜率。

在一种实施方式中，所述第一分段对应于所述像素信号电压的有效范围的前1/4，并对应于所述数字信号的有效范围的前1/2；所述第二分段对应于所述像素信号电压的有效范围的1/4到1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的1/2到3/4；并且所述第三分段对应于所述像素信号电压的有效范围的后1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的后1/4。

在一种实施方式中，所述图像传感器还包括：斜坡信号发生器，配置为依据时间-像素信号电压的非线性响应曲线生成斜坡基准电压，其中，所述模数转换器ADC利用所述斜坡基准电压将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，以及其中，在所述时间-像素信号电压的非线性响应曲线中：时间的有效范围与像素信号电压的有效范围相对应；所述时间-像素信号电压的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的像素信号电压的变化量与对应于该分段的时间的变化量之比；并且所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

在一种实施方式中，所述模数转换器ADC包括:比较器，包括接收所获取的像素信号电压的非反相输入、接收所述斜坡基准电压的反相输入以及比较输出，计数器，配置在所述比较输出为正时进行计数，并得到计数结果作为所述像素数字信号，其中，所述时间-像素信号电压的非线性响应曲线通过将所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中的数字信号与所述计数器的计数间隔时间相乘得到。

在一种实施方式中，所述斜坡信号发生器包括：数模转换器DAC，以及控制电路，配置为控制所述数模转换器DAC以生成依据所述时间-像素信号电压的非线性响应曲线的所述斜坡基准电压。

在一种实施方式中，所述数模转换器DAC为电流舵型数模转换器或电阻型数模转换器。

在一种实施方式中，利用双相关采样CDS获取来自所述图像传感器中的像素的像素信号电压。

根据本发明的又一方面，提供一种成像装置，所述成像装置包括：镜头，以及上述图像传感器。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本发明不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“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。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。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。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本发明的范围和精神。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种在图像传感器中实现信号非线性转换的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取来自所述图像传感器中的像素的像素信号电压；以及

基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，

在所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；

所述像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且

所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多个分段包括第一分段和第二分段；

所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压；以及

所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多个分段包括第一分段、第二分段和第三分段；

所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压，并且所述第二分段对应的像素信号电压小于所述第三分段对应的像素信号电压；以及

所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率和所述第三分段的斜率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述第一分段对应于所述像素信号电压的有效范围的前1/4，并对应于所述数字信号的有效范围的前1/2；

所述第二分段对应于所述像素信号电压的有效范围的1/4到1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的1/2到3/4；并且

所述第三分段对应于所述像素信号电压的有效范围的后1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的后1/4。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，利用双相关采样CDS获取来自所述图像传感器中的像素的像素信号电压。

6.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

像素阵列，包括至少一个像素感测单元，所述像素感测单元配置为获取像素信号电压；

模数转换器ADC，配置为基于像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线，将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，其中，

在所述像素信号电压-数字信号的非线性响应曲线中，像素信号电压的有效范围与数字信号的有效范围相对应；

所述像素信号电压－数字信号的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的数字信号的变化量与对应于该分段的像素信号电压的变化量之比；并且

所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，

所述多个分段包括第一分段和第二分段；

所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压；以及

所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率。

8.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，

所述多个分段包括第一分段、第二分段和第三分段；

所述第一分段对应的像素信号电压小于所述第二分段对应的像素信号电压，并且所述第二分段对应的像素信号电压小于所述第三分段对应的像素信号电压；以及

所述第一分段的斜率大于所述第二分段的斜率和所述第三分段的斜率。

9.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，

所述第一分段对应于所述像素信号电压的有效范围的前1/4，并对应于所述数字信号的有效范围的前1/2；

所述第二分段对应于所述像素信号电压的有效范围的1/4到1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的1/2到3/4；并且

所述第三分段对应于所述像素信号电压的有效范围的后1/2，并对应于所述数字信号的有效范围的后1/4。

10.根据权利要求6-9中的任意一项所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括：

斜坡信号发生器，配置为依据时间-像素信号电压的非线性响应曲线生成斜坡基准电压，

其中，所述模数转换器ADC利用所述斜坡基准电压将所获取的像素信号电压转换为像素数字信号，以及

其中，在所述时间-像素信号电压的非线性响应曲线中：

时间的有效范围与像素信号电压的有效范围相对应；

所述时间-像素信号电压的非线性响应曲线包括多个分段，每个分段的斜率被定义为对应于该分段的像素信号电压的变化量与对应于该分段的时间的变化量之比；并且

所述多个分段中的至少一个分段的斜率与其它分段中的至少一个分段的斜率不同。