CN115623341A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器具有在行方向上和在列方向上布置的多个像素。每个像素包括：彩色滤光片，拥有具有低透射率的部分和具有高透射率的部分；以及光电转换元件，包含接收通过彩色滤光片的具有低透射率的部分透射的光的第一光电转换单元和接收通过彩色滤光片的具有高透射率的部分透射的光的第二光电转换单元。多个像素布置成使得对于一种色彩的像素具有低透射率的部分的位置在多个像素当中相同，且具有低透射率的部分仅在行方向上邻近于彼此定位在不同色彩的相邻像素之间。

Description

图像传感器
技术领域
本发明涉及一种高动态范围图像传感器，确切地说，一种具有减少的串扰和锯齿的高动态范围图像传感器。
背景技术
在图像传感器中，针对每个像素提供彩色滤光片，且获取对应色彩的图像信号。作为彩色滤光片阵列，已知存在拜耳(Bayer)滤光片等。
提出一种高动态范围(high dynamic range；HDR)成像，其中针对每个像素改变曝光周期，改变彩色滤光片的透射率，或改变模拟增益和/或数字增益以便获取对于一个像素具有不同灵敏度的图像信号，且由此改进动态范围。
当彩色滤光片的透射率改变时，接收具有高透射率的透射光的单元处的光接收量变大，产生由光电转换引起的大量电荷，且因此，产生归因于电荷溢出的串扰问题。
发明内容
本发明的一种图像传感器，具有在行方向上和在列方向上布置的多个像素，且产生图像信号，所述图像传感器包括：彩色滤光片，提供为对应于每个像素，允许一种色彩的光穿过，且拥有具有低透射率的部分和具有高透射率的部分；以及光电转换元件，提供为对应于每个像素，且包含接收通过所述彩色滤光片的具有所述低透射率的所述部分透射的光的第一光电转换单元和接收通过所述彩色滤光片的具有所述高透射率的所述部分透射的光的第二光电转换单元；其中所述多个像素布置成使得对于一种色彩的像素具有所述低透射率的所述部分的位置在所述多个像素当中相同，且具有所述低透射率的所述部分仅在所述行方向上邻近于彼此定位在不同色彩的相邻像素之间；且每个像素包括至少2×2子像素。
在本发明的示范实施例中，其中对于所述色彩中的每一个的所述像素具有低透射率的所述部分的所述行方向和所述列方向上的间隔为均匀间隔。
在本发明的示范实施例中，其中所述彩色滤光片包含三种类型，包含R、G以及B，且一个R像素、一个B像素以及两个G像素设置在邻近于彼此的四个像素中，且在一个行中，所述B像素和所述G像素交替地布置，且在下一行中，所述G像素和所述R像素交替地布置。
在本发明的示范实施例中，其中所述第一光电转换单元在一个像素中的采样位置通过插值处理来校正。
在本发明的示范实施例中，其中所述第二光电转换单元在一个像素中的采样位置通过插值处理来校正以匹配所述第一光电转换单元的所述采样位置。
在本发明的示范实施例中，其中所述插值处理包含双三次插值和双线性插值。
在本发明的示范实施例中，其中具有2×2光电转换单元的像素的三个第二光电转换单元以两个或三个不同曝光条件驱动。
在本发明的示范实施例中，其中以三个或四个不同曝光条件捕获图像。
在本发明的示范实施例中，其中将色调映射应用于所获取的多重曝光图像。
在本发明的示范实施例中，其中每个像素包括一个第一光电转换单元和三个第二光电转换单元。
在本发明的示范实施例中，其中每个像素包括一个第一光电转换单元和一个第二光电转换单元。
在本发明的示范实施例中，其中所述第二光电转换单元的电荷对电压转换增益具有两个电平，包含高电平和低电平。
在本发明的示范实施例中，其中每个像素包括3×3光电转换单元，所述第一光电转换单元放置在所述G像素的右下方，且放置在所述R像素和所述B像素的左下方。
在本发明的示范实施例中，其中每个像素包括3×3光电转换单元，所述第一光电转换单元放置在所述G像素的右侧中间处，且放置在所述R像素和所述B像素的左侧中间处。
在本发明的示范实施例中，其中每个像素包括3×3光电转换单元，所述第一光电转换单元放置在所述G像素的右侧中间和右下方，且放置在所述R像素和所述B像素的中间左侧和左下方。
附图说明
参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷尽性的实施例，其中除非另外指定，否则贯穿各视图中类似的附图标号指代类似的部分。
图1为示出根据本发明的实施例的图像传感器的结构的框图。
图2为示意性地示出像素阵列的一部分的图。
图3为示出像素P和子像素p的图。
图4为示出SPD子像素在R、G以及B的像素中的每一个中的实例放置的图。
图5为示出彩色滤光片CF的实例结构的示意图。
图6为示出其中SPD子像素彼此相邻放置的实例放置的图。
图7为示出其中SPD子像素以隔离方式放置的实例放置的图。
图8为示出SPD子像素在3×3像素中的实例放置的图。
对应参考标号贯穿附图的数个视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图中的元件为简单和清晰起见进行说明且不必按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件加以放大以有助于改进对本发明的各种实施例的理解。
附图标号说明
10：像素阵列；
12：控制电路；
14：读出电路；
16：功能逻辑；
100：图像传感器；
CF：彩色滤光片；
P：像素；
p：子像素。
具体实施方式
在以下描述中，阐述许多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于所属领域的技术人员将显而易见的是，不需要采用特定细节来实践本发明。在其它情况下，未详细地描述众所周知的材料或方法以便避免混淆本发明。
贯穿本说明书提到“一个实施例”或“一实施例”意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在不同位置处出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必都是参考同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适的组合和/或子组合组合在一个或多个实施例中。
图1为示出根据本发明的实施例的图像传感器的结构的框图。此实例配置的图像传感器100包括像素阵列10、读出电路14以及功能逻辑16。
像素阵列10为二维阵列，其中像素P以行和列布置。每个像素P包含光电转换元件，其输出对应于每个像素的所接收光的量的图像信号，且形成CMOS成像元件或成像传感器，例如CCD。
每个像素P在光入射侧上具有彩色滤光片，且已穿过彩色滤光片的特定色彩的光入射在像素P上。在所示出的实例配置中，使用R、G以及B三种色彩的彩色滤光片，且每个像素获取对应于R、G以及B色彩中的一个的入射光的图像信号。
控制电路12控制像素阵列10的操作。举例来说，控制电路12控制每个像素P的曝光周期、每个像素P的图像信号的输出等。
读出电路14单独地读出每个像素P的图像信号，A/D转换读取信号以获取数字数据，且将所述数字数据供应到功能逻辑16。每个像素P由多个子像素形成，且可单独地获取来自这些子像素的信号。
功能逻辑16对来自每个像素P的数据应用例如去马赛克处理的处理，以获取用于屏幕显示的视频信号，且输出所获取的视频信号。视频信号可供应到显示器。由图像传感器100获取的图像可显示在显示器上或经进一步处理。
图2为示意性地示出图1的像素阵列10的一部分的图。图2示出优选实施例。在图2中，显示为“R”的像素P为其中提供红色的彩色滤光片CF的像素P，显示为“G”的像素P为其中提供绿色的彩色滤光片CF的像素P，且显示为“B”的像素P为其中提供蓝色的彩色滤光片CF的像素P。
如图3中所示出，一个像素P被划分成四个子像素p。光电二极管设置在四个子像素p中的每一个中作为光电转换单元，且获取对应于入射光量的图像信号。像素阵列10的每个像素包括至少2×2子像素。
如图4中所示出，一个像素P中的三个子像素形成为第二光电转换单元(在下文中，也称为“大光电二极管”(Large Photo-Diode；LPD))，且在这些子像素中执行具有高灵敏度的感测。一个像素P中的一个子像素形成为第一光电转换单元(在下文中，也称为“小光电二极管”(Small Photo-Diode；SPD))，且在此子像素中执行具有低灵敏度的感测。
光电转换元件提供为对应于每个像素，且包含接收通过彩色滤光片的具有低透射率的部分透射的光的第一光电转换单元和接收通过彩色滤光片的具有高透射率的部分透射的光的第二光电转换单元。
举例来说，在图4中，在红色的像素P中，四个子像素p当中的左下子像素p为SPD，在绿色的像素P中，四个子像素p当中的右下子像素p为SPD，且在蓝色的像素P中，四个子像素p当中的左下子像素p为SPD。
在此实例配置中，如图5中影线所示出，彩色滤光片CF的透射率在对应于SPD的区域处设定为相对较低，且在对应于LPD的区域处设定为相对较高。因为这一点，即使在相同曝光周期下，LPD子像素p的输出较大，且SPD子像素p的输出较小。
如所描述，改变彩色滤光片CF的透射率以形成SPD子像素p和LPD子像素p。因此，针对每个子像素等控制曝光周期不是必要的，且不需要过量的切换。因此，可抑制运动伪影和闪烁的发生。
再次参考图2，在一行(在实例配置中，奇数行1、3、5……)上，蓝色像素和绿色像素交替地放置，且在另一行(在实例配置中，偶数行2、4、6……)上，绿色像素和红色像素交替地放置。提供红色滤光片的像素称为R像素，提供绿色滤光片的像素称为G像素，且提供蓝色滤光片的像素称为B像素。
因为B像素和R像素分别每隔一行放置，且G像素放置于每一行中，所以像素的比率为B像素为25％，R像素为25％，且G像素为50％。
在G像素中，SPD放置在右下方，且在R像素和B像素中，SPD放置在左下方。对于像素阵列中的相同色彩像素，SPD的位置是相同的。因此，在每一行中，相邻像素的PD彼此相邻布置。另外，因为G像素提供有针对每一行移位的在行方向上的位置，所以实现整体棋盘式旗标放置。在行和列方向上按均匀间隔放置G像素。另外，R像素和B像素在行方向上和在列方向上每隔一行和每隔一列定位，且因此也在行和列方向上按均匀间隔放置。
因此，相同色彩的像素的SPD在行和列方向上按均匀间隔放置。换句话说，对于色彩中的每一个的像素具有低透射率的部分在行方向和列方向上的间隔为均匀间隔。
在优选实施例中，多个子像素形成在一个像素中，且一个像素的信号由子像素的信号形成。因此，子像素的采样位置通过插值计算来理想地校正。也就是说，通过重新采样，可匹配SPD子像素的采样位置和LPD子像素的采样位置，以由此防止HDR组合处理之后图像中的高频边缘的位置偏移。举例来说，相同色彩的周边像素的数据可用于执行插值计算，以由此校正采样位置。
一个像素中的SPD子像素的采样位置可通过插值处理来校正。作为实例，图2中的SPD的插值位置可设定为2×2子像素的中心以形成网格点形状，以使得SPD的采样位置可大致与三个LPD子像素的重心位置匹配。
在优选实施例中，在2×2像素中的SPD子像素的位置在G像素的情况与R像素和B像素的情况之间是不同的。也就是说，在G像素中，SPD为2×2像素的右下方子像素，且在R像素和B像素中，SPD为2×2像素的左下方子像素。因为这一点，一种色彩的2×2像素中三个LPD子像素的重心位置在G像素与R像素和B像素之间是不同的。此差异也可通过应用对包含周边像素的相同色彩的LPD的数据的插值计算的重新采样处理来校正以将采样位置设定在像素的中心处且将采样位置与SPD的重新采样位置匹配。因此，LPD的采样位置通过插值处理来校正以匹配SPD的采样位置。
此处，可使用已知插值方法，例如双三次插值(bicubic interpolation)、双线性插值(bilinear interpolation)等执行二维插值计算。在优选实施例中，使用相同色彩的LPD的数据和相同色彩的SPD的数据执行插值计算。
如所描述，在优选实施例中，在2×2像素P的四个子像素p中，仅SPD子像素具有较低透射率的彩色滤光片。2×2像素P具有与具有2×2子像素p的像素P相同的含义。在三个其余LPD子像素中，放置具有高透射率的彩色滤光片。可在两个或三个不同曝光条件下驱动三个LPD子像素。因此，通过在2×2像素P中包含三个LPD子像素和一个SPD子像素的四个子像素，可在三个或四个不同曝光条件下捕获图像。
以此方式，可获取以不同曝光条件捕获的多重曝光图像。在下游的功能逻辑16中，可将组合和例如色调映射等其它处理应用于所获取的多重曝光图像，以获取HDR图像。
在HDR成像的情况下，动态范围可被加宽，且在没有阻挡阴影或过曝高亮的情况下，有可能捕获其中在单一条件下可阻挡暗部或明部以白色饱和(过曝高亮)的场景的图像，且在显示器上显示所捕获图像。
在优选实施例中，对应于LPD子像素的彩色滤光片的透射率高。因为这一点，在LPD子像素处由光电转换产生的电荷量很大，且从这些子像素溢出的电荷容易流入到相邻SPD子像素中，这导致串扰发生的倾向。
在许多情况下，相同色彩的像素之间的串扰可通过后续信号处理来校正。然而，在许多情况下，难以校正不同色彩的信号之间的串扰。这是因为当不同色彩之间发生串扰时，色彩相位改变和白平衡改变，导致校正困难。
在优选实施例中，在行方向上和在列方向上彼此相邻的像素具有彼此不同的色彩。另外，像素的在行方向上与一个像素的SPD子像素相邻的子像素始终是SPD子像素。然而，像素的在列方向上与一个像素的SPD子像素相邻的子像素不是SPD子像素。换句话说，一个像素的SPD子像素仅与在行方向上相邻的另一像素的SPD子像素相邻。因此，可抑制一种色彩的SPD子像素与另一色彩的LPD子像素之间的串扰的发生。
作为对上文所描述的串扰的对策，可考虑其中针对2×2像素的每个组以集体方式放置SPD子像素的配置，如图6中所示出。通过此放置，一个像素的SPD子像素与行方向和列方向两者上的另一色彩的像素的SPD子像素相邻，而不与另一色彩的LPD子像素相邻。
当采用图6的结构时，可减小相对于SPD子像素的串扰。然而，在此放置中，G像素的SPD子像素的间隔不均匀。通过此配置，可产生在去马赛克处理的色彩图像中出现锯齿的问题。
另一方面，为了实现SPD子像素的位置的均匀间隔，例如，如图7中所示出，可采用将像素中的SPD子像素的位置设定在相同位置处的配置。然而，在此放置中，在行方向上和在列方向上与一个像素的SPD子像素相邻的子像素为其它色彩的LPD子像素。因此，串扰问题变得更显著。
在优选实施例中，在行方向上与一个像素的SPD子像素相邻的子像素为SPD子像素。此外，如上文所描述，执行插值计算以校正SPD子像素的采样位置。
通过此配置(例如，图2)，与隔离的SPD子像素放置(例如，图7)相比，可以抑制串扰的影响，且可抑制当SPD放置于2×2布置(例如，图6)中的四个像素的相邻单元中时由G子像素的非均匀采样引起的锯齿。因此，归因于串扰的图像质量降级和归因于锯齿的图像质量降级可同时减少。
在实施例中，2×2像素的子像素可放置于一种色彩的彩色滤光片下，且可提供对应于每个子像素的光电二极管。因此，每个像素包括一个第一光电转换单元和三个第二光电转换单元。在另一实施例中，为SPD子像素提供一个光电二极管，为三个LPD子像素提供一个光电二极管。在此情况下，每个像素包括一个第一光电转换单元和一个第二光电转换单元。两个光电二极管的入射光量分别地进行光电转换和检测。
以此方式，由于曝光条件在SPD子像素与LPD子像素之间彼此不同，因此可加宽动态范围，且因此可输入入射光量的不同范围的图像，所述入射光量可在不引起过曝高亮和阻挡的阴影的情况下进行光电转换。
确切地说，因为LPD子像素的彩色滤光片具有比SPD子像素的彩色滤光片更高的透射率，所以可从LPD子像素获取比从SPD子像素获取具有更高灵敏度(对于相同成像主题累积更大量的电荷的信号)的图像。此外，对于LPD子像素，可在水平回溯周期期间执行电快门的短周期曝光，使得可获取比来自SPD子像素的灵敏度低(对于相同成像主题累积较小量的电荷的信号)的图像。
此外，通过例如将LPD子像素的电荷对电压转换增益改变为具有包含高电平和低电平的两个电平，可增加曝光条件的数目。此配置允许使用SPD子像素的信号和LPD子像素的短周期曝光的信号以三个或多于三个曝光条件进行成像。
取决于曝光周期的长度，由LPD子像素的短周期曝光获取的图像信号的灵敏度可设定为高于或低于由SPD子像素获取的图像信号的灵敏度。此外，可采用通过调整SPD子像素的曝光周期来获取具有比由LPD子像素获取的多个图像信号中的任一个高的灵敏度的图像信号的配置。
如所描述，可通过以多种方式改变子像素中的曝光条件来加宽动态范围。
图8示出当一个像素由3×3子像素形成时SPD子像素的实例放置。在图8中，用影线显示的子像素p为SPD子像素。
在左侧的实例配置中，将SPD子像素放置在G像素的右下方，且放置在R像素和B像素的左下方。在中间的实例配置中，SPD子像素放置在G像素的右侧中间处，且放置在R像素和B像素的左侧中间处。在右侧的实例配置中，SPD子像素放置在G像素的右侧中间处和右下方，且放置在R像素和B像素的左侧中间处和左下方。
通过这些放置，还可实现类似于上文所描述的优点。此外，在这些放置中，可切换上和下位置和左和右位置等。此外，根据本发明的原理，各种修改是可能的。
虽然本文中已经相对于示例性实施例和用于实践本发明的最佳模式描述了本发明，但是对于所属领域的技术人员将显而易见的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对本发明作出各种实施例的许多修改、改进和子组合、调适以及变化。
在所附权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限制于说明书和权利要求中所公开的特定实施例。实际上，范围将完全由所附权利要求确定，所附权利要求应根据已确立的权利要求解释原则进行解释。本说明书和图因此应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种图像传感器，具有在行方向上和在列方向上布置的多个像素，且产生图像信号，其特征在于，所述图像传感器包括：
彩色滤光片，提供为对应于每个像素，允许一种色彩的光穿过，且拥有具有低透射率的部分和具有高透射率的部分；以及
光电转换元件，提供为对应于每个像素，且包含接收通过所述彩色滤光片的具有所述低透射率的所述部分透射的光的第一光电转换单元和接收通过所述彩色滤光片的具有所述高透射率的所述部分透射的光的第二光电转换单元；其中
所述多个像素布置成使得对于一种色彩的像素具有所述低透射率的所述部分的位置在所述多个像素当中相同，且具有所述低透射率的所述部分仅在所述行方向上邻近于彼此定位在不同色彩的相邻像素之间；且
每个像素包括至少2×2子像素。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中对于所述色彩中的每一个的所述像素具有低透射率的所述部分的所述行方向和所述列方向上的间隔为均匀间隔。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中所述彩色滤光片包含三种类型，包含R、G以及B，且一个R像素、一个B像素以及两个G像素设置在邻近于彼此的四个像素中，且在一个行中，所述B像素和所述G像素交替地布置，且在下一行中，所述G像素和所述R像素交替地布置。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中所述第一光电转换单元在一个像素中的采样位置通过插值处理来校正。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，其中所述第二光电转换单元在一个像素中的采样位置通过插值处理来校正以匹配所述第一光电转换单元的所述采样位置。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，其中所述插值处理包含双三次插值和双线性插值。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中具有2×2光电转换单元的像素的三个第二光电转换单元以两个或三个不同曝光条件驱动。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，其中以三个或四个不同曝光条件捕获图像。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，其中将色调映射应用于所获取的多重曝光图像。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中每个像素包括一个第一光电转换单元和三个第二光电转换单元。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中每个像素包括一个第一光电转换单元和一个第二光电转换单元。
12.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，其中所述第二光电转换单元的电荷对电压转换增益具有两个电平，包含高电平和低电平。
13.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，其中每个像素包括3×3光电转换单元，所述第一光电转换单元放置在所述G像素的右下方，且放置在所述R像素和所述B像素的左下方。
14.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，其中每个像素包括3×3光电转换单元，所述第一光电转换单元放置在所述G像素的右侧中间处，且放置在所述R像素和所述B像素的左侧中间处。
15.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，其中每个像素包括3×3光电转换单元，所述第一光电转换单元放置在所述G像素的右侧中间和右下方，且放置在所述R像素和所述B像素的中间左侧和左下方。
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