CN108141575B - 半全局快门成像器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种图像传感器。所述图像传感器包括被划分为多个块的二维像素阵列，所述多个块中的每一个包括布置在至少两个不同行和两个不同列中的像素，以及快门机构，所述快门机构顺序地曝光所述多个块，其中，每个块中的所有像素都被同时曝光。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月19日提交的标题为“半全局快门成像器”(“SEMI-GLOBALSHUTTER IMAGER”)的美国临时专利申请No.62/163,730的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及数字成像领域，并且特别地涉及一种半全局快门成像器，其可以顺序地捕捉多个像素块，但同时捕捉每个块中的像素。
背景技术
图像传感器(或成像器)通常是指可以检测和转换形成图像所需的信息的图像捕获设备(例如，相机)的部分。在数码相机中，图像传感器通常可以是其上捕获图像的硅半导体。在结构上，传感器可以由捕获光子并将其转换成电子的光敏二极管(即感光点(photosites))阵列组成。可以将每个感光点中的电子的累积转换成电子信号(例如电压)，该电子信号又可以转换为表示图片元素或像素的数字数据。然后可以使用这些元素或像素来组装最终图像。最终的图像可以存储在相机的存储器中，并被取回以在显示器上观看和/或进一步操纵。
理想地，设计良好的图像传感器允许相机具有相对高速的帧速率，使得相机能够在短时间内捕获更多数量的图像，同时通过最小化结果图像中诸如运动伪影之类的不希望的效果的量来维持图像质量。
发明内容
本公开总体涉及一种半全局快门成像器和机构，其能够顺序地捕获和处理多个像素块，而同时捕获每个块中的像素。图像传感器的传感器元素(或像素)可以被分成多个像素块。同一块中的所有像素可以同时曝光。之后，当来自曝光的像素块的数据仍被读出时，另一像素块可被曝光。这个过程可以重复，直到所有的像素被曝光和读出。这可以显著减少像素的曝光和分析像素中捕获的信息之间的延迟，由此增加帧速率(或速度)或相机。另外，通过为给定半全局快门图像传感器设置最佳数量的像素块并同时曝光每个像素块中的所有像素，半全局成像器还可以减少可能由像素块的顺序曝光引起的结果图像的某些形式的不希望的失真(例如，运动伪像)。
通常，图像传感器可以包括被划分为多个块的二维像素阵列，所述多个块中的每一个包括被布置在至少两个不同的行和两个不同的列中的像素；以及顺序地曝光多个块的快门，其中，每个块中的所有像素被同时曝光。快门可以例如是电子控制的。像素阵列可以具有各种配置。例如，像素阵列可以包括具有M行像素的矩形阵列，其中M不小于100，并且其中每个块的高度为M行的组合高度的至少二十分之一，但不超过M行的组合高度的五分之一。作为另一示例，像素阵列可以包括具有N列的矩形阵列，其中N不小于100，并且其中每个块的宽度是N列像素的组合宽度的至少二十分之一，但是不超过N列的组合宽度的五分之一。在其他合适的布置和几何形状中一些块可以包括不同数量的像素，而一些块可以包括相同数量的像素。
在一些变型中，图像传感器可以包括或被配置为与定时控制模块一起使用，定时控制模块向每个块发送定时信号，其中定时信号启动块的曝光序列。此外，图像传感器可以包括或者被配置成与用于多个块中的每一个块的独立的读出电子器件一起使用，其中读出电子器件能够接收和处理来自相应块中的像素的电子信号。例如，这种独立的读出电子器件可以包括放大电子信号的放大器和将电子信号转换成数字数据的模拟-数字转换器。此外，在图像传感器的一个变型中，读出电子器件可以在第一块的曝光完成之后立即从像素的第一块中读出电子信号，并且在完成从第一块读出电子信号之前开始第二块的曝光。在另一变型中，在第二块的曝光和第一块的曝光之间可以存在延迟，其中该延迟足够大以允许在第二块完成其曝光之前读取第一块。
通常，利用图像传感器捕获图像的方法可以包括将图像传感器的二维像素阵列图像区域划分为多个块，多个块中的每一个包括布置在至少两个不同行和两个不同的列中的像素；以及顺序地曝光多个块，其中，每个块中的所有像素被同时曝光。该方法可以与各种配置的图像传感器一起使用，诸如，具有包括M行像素的二维像素阵列的图像传感器，其中M不小于100，并且其中每个块的高度是M行像素的组合高度的至少二十分之一，但是不超过M行的组合高度的五分之一。作为另一示例，该方法可以与具有包括N列的二维像素阵列的图像传感器一起使用，其中N不小于100，并且每个块的宽度是N列像素的组合宽度的至少二十分之一，但不超过N列的组合宽度的五分之一。
该方法可以包括向每个块发送定时信号，其中定时信号启动块的曝光序列。该方法还可以包括顺序读出布置在多个块中的至少第一块和第二块中的电子信号。在一个变型中，可以在第一块的曝光完成之后立即读出来自像素的第一块的电子信号，并且可以在完成从第一块读出电子信号之前开始第二块的曝光。此外，在第二块的曝光和第一块的曝光之间可以存在延迟，其中该延迟足够大以允许在第二块的曝光完成之前读取第一块。
通常，数码相机可以包括图像传感器，该图像传感器包括被分成多个块的二维像素阵列，多个块中的每一个包括布置在至少两个不同行和至少两个不同列中的像素；将光引导至图像传感器的透镜；顺序曝光多个块的快门，每个块中的所有像素被同时曝光；以及控制所述块的曝光序列的定时的定时控制模块；用于多个块中的每一个的读出电子器件，其中，读出电子器件能够接收和/或处理来自相应块中的像素的电子信号；以及组装来自读出电子器件的输出的图像的相机专用集成电路(ASIC)。
附图说明
图1是示出根据本公开的实施例的数码相机100的示例性组件的框图。
图2a是示出具有全局快门的CCD图像传感器200的示例性组件的框图。
图2b是示出具有卷帘快门的CMOS图像传感器210的示例性组件的框图。
图3是示出根据本公开的实施例的具有半全局快门的图像传感器300的示例性组件的框图。
图4示出了根据本公开实施例的图3的半全局快门成像器中的三个块的曝光和读出的示例性时间线。
图5a-5c示出了根据本公开实施例的适用于各种半全局快门成像器的各种像素块配置。
具体实施方式
在以下对优选实施例的描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践的具体实施例。应该理解的是，可以使用其它实施例并且可以进行结构改变而不偏离本公开的实施例的范围。
如本文所使用的，术语“数码相机”可以指具有图像传感器的任何数字图像/视频捕获设备。术语“图像传感器”和“成像器”可以互换使用来描述数码相机中的可以检测和转换形成一个或多个图像的信息的一个或多个组件。图像传感器可以包括由诸如感光点的传感器元件阵列组成的图像区域。术语“感光点”、“光敏二极管”和“光电二极管”在本文件中可互换使用。每个传感器元件也可以被称为图像传感器的“像素”。术语“块”和“像素块”可以指包括图像传感器的多个像素的图像区域中的区域。应该注意，根据本公开的实施例，每个像素块可以具有任何尺寸和几何形状。在优选实施例中，块可以是连续的和/或具有最大的面积与边界的实际比率。术语“图像”、“结果图像”和“最终图像”可以互换使用，以表示由数码相机的图像传感器捕获的数字图像。图像可以是独立的图像或视频的帧。
本公开总体上涉及一种半全局快门成像器和机构，其能够顺序地捕获和处理多个像素块，而同时捕获每个块中的像素。图像传感器的传感器元件(或像素)可以被划分(或分组)成多个像素块。同一块中的所有像素可以同时暴露于光。曝光可以通过对积分元件进行任何合适的电控制来实现。例如，它可以涉及将电荷表面与地面连接并且关闭从元件到读出锁存器的CMOS晶体管的组合。之后，当来自曝光的像素块的数据仍被读出时，另一块像素可被曝光。这个过程可以重复，直到所有的像素被曝光和读出。这可以显著减少像素的曝光和分析像素中所捕获的信息之间的延迟。另外，通过为给定的图像传感器设置最佳数量的像素块并同时曝光每个像素块中的所有像素，半全局成像器也可以减少可能由像素块的连续曝光引起的对结果图像的某些形式的不希望的失真(例如，运动伪影)。
图1是示出根据本公开的实施例的数码相机100的示例性组件的框图。数码相机100可以包括镜头102、图像传感器104、模拟-数字(A/D)转换器106、相机专用集成电路(ASIC)108、存储设备110以及一个或多个输入/输出(I/O)设备112。当相机100上的快门按钮(图1中未示出)被按下时，光可以穿过镜头102并到达图像传感器104。图像传感器104可以包括能够捕获光的传感器元件(例如，感光点)114的二维阵列。在某些类型的图像传感器(例如，CCD传感器)中，基于所捕获的光量，电荷可以在每个感光点中累积。然后累积的电荷可以通过A/D转换器106转换成数字信号(例如，数字序号)。在其他类型的图像传感器(例如，CMOS传感器)中，每个感光点可以读出多少光在曝光时撞击像素，并将其转换成电子信号而不存储任何电荷。然后电子信号可以通过模拟/数字(A/D)转换器106数字化，并且然后由相机专用集成电路(ASIC)108处理以形成图像元素。
当相机ASIC 108完成处理体现由图像传感器104的每个感光点114所捕获的数据的数字信号时，可以组装最终图像。形成图像的过程可以包括从结果图像去除背景噪声的可选步骤。图像可以存储在存储器110中和/或经由I/O设备112输出。存储设备110可以是任何合适的存储设备，包括但不限于存储卡、硬盘驱动器、内部存储器和外部存储空间，诸如如云存储服务。I/O设备112可以将图像输出到数码相机100的显示器(图1中未示出)，或者通过网络将其传输到另一个设备。
应当理解的是，图1仅示出了数码相机100的一些示例性组件，其可以包括图1中未示出的其他组件。例如，数码相机100还可以包括闪光灯、变焦和聚焦模块、抗混叠滤波器、电池和数码相机中常见的其他组件。相机ASIC 108可以连接到被设计为执行数码相机的不由相机ASIC 108处理的操作的中央处理单元(CPU)。
本公开的实施例总体上涉及图1中所示的图像传感器104以及与图像传感器104相关联的快门机构。数码相机100中的快门机构在由相机100拍摄图像时可以控制图像传感器104的传感器阵列的曝光。快门机构可以是电子的、机械的或两者的组合。定时机构可以内置在相机中以控制用于图像传感器的像素的曝光时间，以及根据快门机构，控制像素的曝光顺序。目前，大多数数码相机采用两种类型的快门机构之一，全局快门或卷帘快门。如以下段落所描述的，这两种快门机构各有其优点和缺点。
全局快门通常可以在具有电荷耦合器件(CCD)图像传感器的相机中找到。图2a是示出具有全局快门的CCD图像传感器200的示例性组件的简化框图。为了说明的目的，CCD图像传感器200被示出为包括4×4的二维像素阵列202，但是应当理解，图像传感器可以包括在任何配置中对准的任意数量的像素列和行，或者以任何合适的配置布置的像素。实际上，CCD图像传感器具有数百或者甚至数千像素行和/或像素列并不罕见。每个像素可以对应于图像传感器200的感光点，并且能够捕获光子。像素202可以连接到电子传送寄存器204，电子传输寄存器204又可以连接到读出电子设备206，读出电子设备206可以包括但不限于放大器和A/D转换器。还应该理解，为了清楚的目的，CCD图像传感器200可以包括从图2a中省略的其他组件。
图2a的成像器200的全局快门可以操作，使得当快门“打开”时，光可以到达成像器200的整个传感器阵列达预定的时间段(快门时间或曝光时间)。在此时间期间，图像传感器200的所有像素202可以并行地捕获光(例如，累积电荷)。当快门被阻挡时，光线不再到达传感器，并且像素可能变得不活跃。CCD数码相机中的全局快门可以被电控制以控制曝光。
在捕捉完成之后，像素中所收集的信号可以例如一次一个像素地传送到电子传送寄存器204，它们可以从电子传送寄存器204被读出并由读出电子器件206处理。该处理可以包括放大信号和/或将它们转换成可以形成结果图像的数字格式(例如，数字序号)。
在数字成像中，结果图像可以包括多个关键点，该多个关键点可以由图像的一小部分(例如，5×5或10×10的像素块)来限定，该图像的一小部分包括图像的一个或多个高度可定位和可识别的特征。关键点可以通过处理一个或多个原始像素来产生。每个关键点可以包括描述该关键点的描述符，以使得其可以在连续拍摄的一系列图像的不同帧中识别。相机的移动和它所指向的方向可以通过匹配来自不同帧的各个关键点来确定。这种方法通常在实现SLAM(同时定位和映射)算法时使用。
由全局快门成像器采用的对电子传送寄存器204和读出电子器件206的这种顺序电荷传送方法可能是耗时的，尤其是如果图像传感器包括大量像素时，因为来自成像器的每个像素的数据必须顺序的读出。这可能意味着在最后像素(与全局快门成像器中的所有其他像素一起)的曝光和在这些像素可以被分析时(即，在所有其他像素已被分析之后)之间的延迟可能是显著的。换句话说，当从这些最后的像素读出的信息被最终处理时，如果相机与场景之间存在相对移动，则可能不一定精确地反映相机相对于场景的当前位置。例如，如果典型的全局快门CCD成像器需要花费在曝光之间大约15毫秒来读出所有像素值并计算图像的关键点，则在分析来自最后像素的信息之前可能存在15毫秒的延迟，这可能影响例如相机的运动(或正被捕捉的场景中的运动)的确定。这是全球快门成像器的主要缺点之一。
因为全局快门允许CCD图像传感器通过同时曝光所有像素来在完全相同的时刻捕捉整个图像，所以全局快门的优点之一是结果图像通常可以具有相对较高的质量并且避免诸如运动伪影的明显不希望的效果。所有关键点(例如，小像素块)可以保持完整并且容易在一系列连续的图像中被识别。
通常可以在具有互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的数码相机中找到第二种类型的快门机构，即卷帘快门。与全局快门相反，卷帘快门可以允许单独的像素或者单独的像素列/像素行被顺序地曝光，使得在下一像素(或下一像素行/列)正被曝光时在第一像素(或者第一像素列/行)处的信息可以被读出。CMOS图像传感器可以通过以预定顺序系统地打开/关闭像素(或者像素的列/行)来实现该滚动效果。
图2b是示出具有卷帘快门的CMOS图像传感器210的示例性组件的框图。为了说明的目的，CMOS图像传感器210被示出为包括4×4的二维像素阵列，但是应当理解的是，图像传感器可以具有任何数量的像素列和行，其在任何配置中对准，或者以任何合适的配置来布置。图2b的二维像素阵列的每个像素211、212、213可以是能够将光转换为电子信号的光电二极管。覆盖图像传感器210的导电互连214、218的栅格可以按行和列连接像素以施加定时和读出信号。特别地，互连可以包括用于将来自时钟和定时控制模块216的定时信号传输到每个像素(或每个像素行/像素列)的行信号线(统称为214)。定时信号可以控制每个单独像素或像素行何时曝光以及何时从每个像素读取电子信号。互连还可以包括垂直输出线(统称为218)，用于从像素中读出信号并将其传输到读出电子器件(统称为220)以供进一步处理。如图2b所示，每条输出线可以连接到独立的读出电子器件220。用于每条输出线的读出电子器件220可以包括例如放大器和A/D转换器，其可以将信号放大并且转换成数字格式(例如数字序号)。数字信息可以用来组装最终图像。在一些CMOS传感器中，至少一些读出电子器件220可以被嵌入在图像传感器的各个像素中。还应该理解，为了清楚的目的，图2b的CMOS图像传感器210可以包括从图中省略的其他组件。
CMOS传感器210的这种结构允许其像素212中的每一个(或像素的每个行/列)独立地打开/关闭，并且来自像素(或像素的行/列)的信号被顺序读出。在操作中，时钟和定时控制模块216可以将定时信号发送到各个像素(或者像素的各个行/列)以控制它们的曝光的时间。只要一个像素曝光，它的值可以被读出。曝光和读取之间几乎没有延迟。另外，关于每个像素(或者像素的行/列)的快门效果可以被编程为在滚动的基础上横跨所有像素发生。例如，当第一像素211的像素值正被读出时，第二像素212可以结束其捕捉过程。类似地，当第二像素212的像素值正被读出时，第三像素213可以捕获光。类似地，如果一行像素被曝光并一起读出，则在前一行完成其读出之前，下一行可以开始捕获光。本质上，每个像素(或像素行)比每个其他像素(或下一行像素)稍晚一点读出。每个像素(或行)的读出可以相对于其邻居偏离例如微秒的几分之一。因此，几乎总是有至少一个像素被曝光，并且对于任何单独的像素在曝光和读出之间几乎没有延迟。这允许具有卷帘快门成像器的相机对于至少一些像素减少像素的曝光和从像素读出的信息的分析之间的延迟。对于最后曝光和读出的像素，与由全局快门成像器处理的像素相比，这种降低可能尤其显著。
然而，因为卷帘快门错开了各个像素(或者各个像素行/列)的曝光时间，所以由不同像素捕获的信息将在不同时刻被捕获。如果在被捕获的场景中的物体和相机之间存在相对运动，则由于不同像素的错开曝光，结果图像可能具有明显的运动伪影，诸如抖动、歪斜、拖尾等。这是卷帘成像器的缺点之一。另外，由于不是关键点中的所有像素同时被曝光，一个或多个关键点可能失真得超出识别范围。失真的关键点可能不再能够识别一系列连续帧中的对应特征，从而影响相机跟踪其自身移动或捕捉的对象的移动的能力。
简而言之，上述快门机构都具有明显的缺陷：全局快门成像器可能导致像素曝光和分析之间的延迟，并且卷帘快门成像器可能导致对所得图像的不期望的效果(例如，失真)。为了使这些缺点最小化，下面的实施例公开了具有第三种快门机构的图像传感器，这里称为“半全局快门”。半全局快门可以减少像素曝光和分析之间的延迟，同时减少某些形式的不希望的失真。
具体而言，具有半全局快门的图像传感器可以将其二维像素阵列划分(或分组)成多个像素块，每个块包括图像区域的区域中的多个像素。半全局快门可以允许同一块中的所有像素同时曝光并作为一组读出。这样，至少在每个像素块内，半全局快门能够捕捉没有运动伪影的图像。块可以在滚动的基础上显示和读出。也就是说，当来自一个像素块的数据被读出和处理时，下一个像素块可以被曝光。这可以允许块以重叠或顺序的方式被曝光，这可以显著减少或消除全局快门成像器通常遭受的连续曝光之间的延迟。这可以提供速度优势。
另外，半全局快门可以减少通常可能与利用卷帘快门成像器拍摄的图像相关联的运动伪影的量。在各种实施例中，这可以通过根据相机的要求和/或预期用途将像素划分成最佳数量的像素块来实现。如上所讨论的，通常对卷帘快门进行编程以一次曝光和读出一个像素或一行/一列像素。对于具有大量像素(或像素行)的图像传感器，由滚动曝光引起的每个像素或像素行的曝光时间的差异可能是相当大的，从而导致在最终图像中容易察觉的运动伪影。半全局快门一次可以滚动多行/多列像素块。举例来说，如果每个块具有10行，则与一次滚动一行像素的卷帘快门相比，潜在运动伪影的量可以有效地减少到大约十分之一。理想情况下，可以限定像素块，以实现具有半全局快门图像的任何特定相机的帧速率和图像质量之间的平衡。
图3是示出了具有半全局快门的图像传感器300的示例性组件的框图。传感器300的图像区域可以被划分成3×3布局的9个像素块。例如，顶行可以包括像素块301、302、303。每个块可以包括多个像素。块303的放大视图示出块303包括4×4的像素阵列。在该实施例中，每个块可以包括以相同形式布置的相同数量的像素。然而，本公开不限于此，并且在其他实施例中，块可以包括不同数量的像素和/或像素布置。块中的每个像素312可以是能够将光转换为电信号的传感器元件(即，感光点)。
多条块信号线(统称为304)可以将来自时钟和定时控制模块308的定时信号发传输九个像素块中的每一个。定时信号可以控制每个像素块何时被曝光以及何时从像素块读出电子信号。尽管在图3中仅示出了三条块信号线，但应该理解，每个像素块可以单独地连接到时钟和定时控制模块308，并且可以被独立触发。多条输出线306可以将来自每个像素块中的像素的电子信号传输到读出电子器件316以进行处理。为了清楚的目的，在图3中只有三条垂直线被标记为输出线306。然而，应该理解，每个像素块可以单独地连接到读出电子器件316，并且可以并行读出来自每个像素块的信号。本实施例中的读出电子器件316可以被设计成并行处理从九个像素块中的每一个接收的信号。如图所示，读出电子器件316可以包括九个独立的子模块，每个子模块负责处理来自九个像素块中的一个像素块的信号。例如，子模块321、322、323可以分别从像素块301、302、303中读出信号。每个子模块可以包括例如放大器和A/D转换器，分别用于将信号放大和转换成数字格式(例如数字序号)。数字信息可以被处理以组装最终的图像。还应该理解，图3的半全局快门成像器300可以包括为了清楚的目的从图中省略的其他部件。图3中示意性示出的示例性布置可以针对任何合适数量的像素块及其相应的子模块进行扩展。
在操作中，可以对半全局快门进行编程以在滚动的基础上曝光像素块。例如，在相同的像素块内，可以同时曝光所有的像素，并且可以一次一个像素地从像素块中的每个像素读出信号，并通过其中一条输出线将其传送到读出电子器件316中的相应子模块。直到读出完成每个像素块可以不再被曝光。然而，在读出第一像素块301的同时，可以曝光第二像素块302。类似地，当正在读出来自第二像素块302中的像素的信号时，可以曝光第三像素块303。不同块的曝光和读出的这种重叠可以最小化或消除全局快门成像器中曝光之间通常发生的延迟。
图4示出了图3的半全局快门成像器300中的三个像素块301、302、303的的曝光(顶部)和读出(底部)的示例性时间线。如图所示，每个块301、302、303的曝光和读出可以是顺序的，但是连续块的触发可以重叠。每个像素块可以略微在其之前的像素块之后曝光，其中曝光延迟允许在当前像素块完成其曝光之前对一个或多个先前曝光的像素块的读出。作为示例，可以在前一个像素块(例如，像素块301)的读出时间完成之前触发在序列中的像素块302的曝光。类似地，可以在块302的读出时间完成之前触发块像素303的曝光。这可以增加来自成像器的输出数字传送带宽的使用。当所有像素块(包括在图4的时间线中未示出的六个)完成曝光和读出的循环时，第一块(即，块301)可以再次曝光而没有任何延迟。
或者，可以顺序地触发像素块，其中每个块只有在先前的像素块已经完成其曝光之后才能开始其曝光。例如，这可以适用于计算机视觉应用，因为来自运动的模糊效果可能不包括相同的积分时间的子窗口。无论是实现重叠触发还是顺序触发，都可以在其曝光时间结束后立即读取像素块。
因为在像素块的曝光和由像素块中的像素所捕获的信息的分析之间存在较少的延迟，所以由半全局快门成像器生成的信息比相同像素分辨率的全局快门成像器可以更准确地反映相机和正在捕获的场景的位置和/或移动，全局快门成像器将需要在可以分析来自像素的信息之前读出整个图像。当来自同一块中的各个像素的信号被读出时，半全局快门成像器中的一个潜在延迟可能发生。然而，这种延迟可能比可比较的全局快门成像器中的延迟短得多。例如，如果全局快门成像器上的延迟对于最后读出的像素是15毫秒，则如果半全局快门成像器被分成十个相同大小的像素块，对于相同像素(或每个块中的任何最后像素)半全局快门成像器上的延迟仅为1.5毫秒。因此，利用半全局快门成像器捕获的图像对于机器可读图像可能是优越的，诸如用于跟踪图像中的关键点的那些。
尽管半全局快门和卷帘快门都可以通过跨场景扫描而不是通过拍摄整个场景的快照来捕捉图像，但是，当对于一些应用在相机和场景之间具有相对移动时，半全局快门可以实现比卷帘快门更好的图像质量。这是因为半全局快门成像器中的像素块的数量可能比卷帘快门成像器中的像素或行的数量低得多。通过将像素划分为更少的像素块，可以限制最终图像中的运动伪像。可能受像素块的顺序曝光影响的图像中的唯一区域是块之间的边界。相反，由于卷帘快门一次一行地滚过像素，所以运动伪影可以出现在由卷帘快门成像器拍摄的图像上的任何位置。然而，这些图像可以适用于机器可读的图像，诸如用于跟踪图像中的关键点的那些。
作为示例，半全局快门成像器的9×9像素阵列可以被划分成三个像素块，每个像素块包括三行像素，导致三个像素块之间的两个边界。如果使用卷帘快门逐行地读出相同的9×9像素阵列，则在这9行之间有8个边界。与使用半全局快门成像器拍摄的图像相比，这对应于用卷帘成像器拍摄的图像中可能受运动伪影影响的明显更多的区域。另外，半全局快门中的边界越少也意味着当快门滚动通过像素块时，越少的关键点将失真得超出识别范围。
半全局快门可以将图像阵列划分成任何合适数量的像素块，并且每个像素块可以具有任何合适数量的像素。在各种实施例中，像素块的任何布置是可能的，包括非相同尺寸、非紧凑或非连续配置中的一种。优选地，像素块的数量可以被设置为实现像素曝光和分析之间的比可比较的全局快门成像器更短的延迟，并且在结果图像中比可比较的卷帘式快门成像器更不容易出现某些形式的失真。例如，可能希望将半全局快门成像器的1000×1000像素图像区域划分成10个块(例如，每个是100×1000的块)。与具有相同的1000×1000像素图像区域的全局快门成像器相比，对于至少一些像素，其可以将像素曝光和分析之间的延迟减少10倍。此外，卷帘快门效应(例如，运动伪影)仅在像素块之间的边界处是个问题，而不是如滚动快门成像器中的情况那样贯穿整个图像区域。
对于在像素曝光和分析之间需要短暂延迟的相机，理想的是具有这样的半全局快门成像器，其具有划分成大量像素块的图像区域，每个像素块包括较少的像素。相反，对于在较短的延迟周期内有利于图像质量(例如，最小化某些形式的失真)的相机，具有少量像素块的半全局快门成像器可能是更期望的。
半全局成像器可以包括任何合适的几何形状和布置的像素块。尽管图3示出了示例性块是相同尺寸的正方形的一个实施例，但是图5a-5c示出了适用于各种半全局快门成像器的像素块的其他示例性划分。特别地，图5a示出了水平划分成五个(或N个)矩形像素块510的图像区域，每个像素块包括相同数量的像素行。图5b示出垂直划分成五个(或M个)像素块520的图像区域，每个像素块具有相同数量的像素列。图5c示出了具有不同形状和/或尺寸的五个像素块530的配置。如上所述，可以优化像素块的数量和/或几何形状，使得像素块之间的面积保持最小。与滚动快门成像器相比，这可以为半全局快门成像器的图像质量提供显著的优势。
在一个实施例中，代替将相对较大分辨率的图像传感器的图像区域划分为多个像素块(例如，如图3所示)，半全局快门可以通过在相同配置中将多个相对低分辨率的成像器组装来实现(例如，图3中的每个块被独立的低分辨率成像器替代)。这些相对低分辨率的成像器可以使它们的触发器在时间上交错并由中央控制器控制。每个成像器可以以像素时钟速率单独操作，使得每个像素块的传输是成像器的尺寸的反向的函数。在一个实施例中，当为低分辨率成像器切割晶片时，用于各个成像器的模具可能不被切割分开。
应该理解的是，本公开的应用不限于上述实施例。本领域技术人员可以根据上述描述进行修改或替换，所有这些修改或者替换都将落入本公开的所附权利要求的范围内。
Claims (15)
1.一种图像传感器，包括：
被划分成多个块的二维像素阵列，所述多个块中的每一个包括被布置在至少两个不同行和两个不同列中的像素，
曝光所述多个块的快门，其中，每个块中的所有像素被同时曝光，以及
包括多个子模块的读出电子器件，每个子模块对应于所述多个块中的一个，所述子模块中的每一个能够接收和处理来自每个对应块中的像素的信号，
其中，所述二维像素阵列包括M行像素，M不小于100，并且其中，每个块的高度是M行的组合高度的至少二十分之一，但不超过M行的所述组合高度的五分之一，
其中，所述二维像素阵列包括N列，N不小于100，并且每个块的宽度是N列像素的组合宽度的至少二十分之一，但是不超过N列的所述组合宽度的五分之一。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述块中的至少两个包括不同数量的像素。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述块中的至少两个具有不同的几何形状。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个块中的每一个包括相同数量的像素。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，包括：
定时控制模块，其将定时信号发送到所述块中的每一个，所述定时信号启动所述块的曝光序列。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述读出电子器件包括放大所述信号的放大器以及将所述信号转换成数字数据的模拟-数字转换器。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个块包括第一块和第二块，
其中，所述读出电子器件在所述第一块的曝光完成之后立即从像素的所述第一块读出所述信号，
其中，在完成从所述第一块读出所述信号之前开始所述第二块的曝光。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个块包括第一块和第二块，
其中，在所述第二块的曝光和所述第一块的曝光之间存在延迟，所述延迟足够大以允许在所述第二块完成其曝光之前读取所述第一块。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述快门是电子控制的。
10.一种用图像传感器捕获图像的方法，包括：
将所述图像传感器的二维像素阵列图像区域划分为多个块，所述多个块中的每一个包括布置在至少两个不同行和两个不同列中的像素，
顺序地曝光所述多个块，其中，每个块中的所有像素被同时曝光，以及
采用读出电子器件的多个独立的子模块读出所述多个块中的每一个，每个子模块对应于所述多个块中的一个，
其中，所述二维像素阵列包括M行像素，M不小于100，并且其中，每个块的高度是M行像素的组合高度的至少二十分之一，但是不超过M行的所述组合高度的五分之一，
其中，所述二维像素阵列包括N列，N不小于100，并且每个块的宽度是N列像素的组合宽度的至少二十分之一，但是不超过N列的所述组合宽度的五分之一。
11.如权利要求10所述的方法，包括：
将定时信号发送到所述块中的每一个，所述定时信号启动所述块的曝光序列。
12.如权利要求10所述的方法，包括：
从所述多个块中的至少第一块和第二块顺序地读出信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述第一块的曝光完成之后，立即读出来自像素的所述第一块的所述信号，并且
其中，在完成从所述第一块读出所述信号之前开始所述第二块的曝光。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述第二块的曝光与所述第一块的曝光之间存在延迟，所述延迟足够大以允许在所述第二块完成其曝光之前读取所述第一块。
15.一种数码相机，包括：
图像传感器，其包括被划分成多个块的二维像素阵列，所述多个块中的每一个包括布置在至少两个不同行和两个不同列中的像素；
镜头，其将光引导至所述图像传感器；
快门，其顺序地曝光所述多个块，其中，每个块中的所有像素被同时曝光；
定时控制模块，其控制所述块的曝光序列的定时；
包括多个子模块的读出电子器件，每个子模块对应于所述多个块中的一个，所述子模块中的每一个能够接收和处理来自每个对应块中的像素的信号，
其中，所述二维像素阵列包括M行像素，M不小于100，并且其中，每个块的高度是M行的组合高度的至少二十分之一，但不超过M行的所述组合高度的五分之一，
其中，所述二维像素阵列包括N列，N不小于100，并且每个块的宽度是N列像素的组合宽度的至少二十分之一，但是不超过N列的所述组合宽度的五分之一；以及
相机ASIC，其从所述读出电子器件的输出组装图像。
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