CN202455446U - 图像传感器和摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种图像传感器和摄像装置。图像传感器包括多个像素阵列，用于根据分辨率大小设置在成像靶面的感光材料上，每个像素阵列的每个像素上设置有多个感光元器件，每个感光元器件对应一个子像素；多个读出单元，每个读出单元分别与每个像素阵列相连，用于按顺序读取每个感光元器件进行光电转换后的电信号；多个子像素合并单元，每个子像素合并单元分别与每个读出单元相连，用于将每个像素上多个子像素的电信号合并为一个像素的电信号；一个以上的输出单元，与多个子像素合并单元相连，用于输出每个像素的电信号。本实用新型将多个子像素合并为一个像素输出增大了每个像素的感光电荷量，从而使得本实用新型能够适用于低照度的工作环境。
Description
技术领域
本实用新型涉及图像传感器，特别地，涉及一种图像传感器和摄像装置。
背景技术
图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视和可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，因而提出了固态成像这一新概念和一维电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)模型。到90年代初期，CCD技术已发展得比较成热，得到非常广泛的应用。但是，随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片工艺复杂，不能与标准工艺兼容；其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。
目前，最引人注目、最有发展潜力的是采用标准的互补金属氧化物场效应管(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)技术来生产图像传感器，即，CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用CMOS工艺，将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正得到广泛的应用，具有很强的市场竞争力和广阔的发展前景。
与CCD技术相比，CMOS的制作工艺更容易实现高分辨率，因此现在市场上的高分辨率彩色摄像机和手机相机上的图像传感器大多采用CMOS。但是，常规的CMOS图像传感器在低照度及频谱响应宽度上均不如CCD。
实用新型内容
本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种图像传感器，能够有效适应低照度的工作环境。
根据本实用新型的一方面，提出了一种图像传感器，包括多个像素阵列，用于根据分辨率大小设置在成像靶面的感光材料上，每个像素阵列的每个像素上设置有多个感光元器件，每个感光元器件对应一个子像素；多个读出单元，每个读出单元分别与每个像素阵列相连，用于按顺序读取每个感光元器件进行光电转换后的电信号；多个子像素合并单元，每个子像素合并单元分别与每个读出单元相连，用于将每个像素上多个子像素的电信号合并为一个像素的电信号；一个以上的输出单元，与多个子像素合并单元相连，用于输出每个像素的电信号。
根据本实用新型的另一方面，还提出了一种摄像装置，包括前述实施例的图像传感器。
本实用新型提供的图像传感器和摄像装置，将多个子像素合并为一个像素输出，增大了每个像素的感光电荷量，从而使得本实用新型能够适用于低照度的工作环境。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：
图1是本实用新型图像传感器的一个实施例的结构示意图。
图2a是本实用新型成像靶面的一个实例的示意图。
图2b是本实用新型像素阵列的一个实例的结构示意图。
图3是本实用新型图像传感器的另一实施例的结构示意图。
图4是利用本实用新型的一个实施例生成图像数据的工作原理示意图。
图5是利用本实用新型的另一实施例生成图像数据的工作原理示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。本实用新型的示例性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的不当限定。
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，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
图1是本实用新型图像传感器的一个实施例的结构示意图。
如图1所示，该实施例的图像传感器100可以包括：
多个像素阵列110，用于根据分辨率大小设置在成像靶面的感光材料上，每个像素阵列的每个像素上设置有多个感光元器件，每个感光元器件对应一个子像素，可选地，多个感光元器件为CMOS感光元器件或CCD感光元器件；
在一个实例中，如图2a所示，可以将成像靶面分为4个像素阵列1、2、3和4，对于每个像素阵列，如图2b所示，可以由1K×1K个像素构成，每个像素又可以由4个子像素构成。从图2a和图2b可以看出，该实例的分辨率为1678万像素，使得图像传感器的输出可以达到千万级像素。该实例仅用作示例性说明，并不够成对本实用新型的限制。其中，成像靶面中像素阵列的数目可以根据工艺实现难度和运算量等因素综合确定，每个像素中包含的子像素数目可以根据环境照度设置，在像素阵列数确定的情况下，每个像素阵列中的像素数目可以根据分辨率和每个像素中的子像素数目确定。
在另一实例中，还可以通过半导体制造工艺提升红外线的吸收能力，例如，可以通过特殊工艺在感光材料表面增加一层膜，这个膜层可以增强对红外波段光线的吸收能力，即，增大了光电转换后的电荷量，在夜视和透雾的情况下，红外线增强了光电转换的电荷量，也就增强了成像的效果，因此，可以使感光光谱变宽，感光响应曲线将图像传感器频谱响应峰值提升至近红外波段，使传感器频谱范围延伸至短波红外(例如，400nm-1100nm，其涵盖了可见光、近红外及部分短波红外)，从而提高了透雾及夜视能力。
多个读出单元120，每个读出单元分别与每个像素阵列相连，用于按顺序读取每个感光元器件进行光电转换后的电信号，其中，该电信号可以为电荷量；
具体地，读出单元的个数与像素阵列的个数相对应，将每个读出单元分别与对应的像素阵列相连，在进行读取操作时可以按列读取与每个子像素对应的电信号。
多个子像素合并单元130，每个子像素合并单元分别与每个读出单元相连，用于将每个像素上多个子像素的电信号合并为一个像素的电信号，其中，子像素合并单元的个数与读出单元的个数相同，并且一一对应。
一个以上的输出单元140，与多个子像素合并单元相连，用于输出每个像素的电信号，在输出单元为一个时，多个子像素合并单元通过并联方式连接至输出单元，实现数据的并行输出以提高图像传感器的数据吞吐量，在输出单元为多个时，根据分组情况将每个子像素合并单元连接至对应的输出单元，例如，在输出单元为两个，子像素合并单元为四个的情况下，可以将任意两个子像素合并单元连接至一个输出单元，将另两个子像素合并单元连接至另一个输出单元。
该实施例的图像传感器可以将电信号输出至DSP，由DSP中的后台程序对这些电信号进行分析与处理，根据处理结果对成像参数进行调整，再由执行单元对成像参数调整后的感光器件重新成像，其中，成像参数可以包括电子快门速度、电荷自动增益调整级别以及控制模式，这些参数均可以通过图像的灰度分布和统计特征确定。经DSP处理后可以将多个像素阵列的图像合成为一幅图像。
该实施例将多个子像素合并为一个像素输出，增大了每个像素的感光电荷量，从而使得本实用新型能够适用于低照度的工作环境，例如，能够在星光、0.0001lux或更低照度的环境下工作。
一般情况下，像素阵列的数目和每个像素阵列中的像素数目越多分辨率越高。例如，如果像素阵列的数目为四个，每个像素阵列中包括1024×1024个像素，每个像素中子像素的数目为四个，则所采集图像的分辨率可以达到1677万像素，并且该像素数为物理有效像素数，由此可见，该实例可以实现千万级像素的分辨率。与普通分辨率的图像传感器相比，前者分辨率为4×2K×2K，后者为720×526左右，因此前者的成像视场要比后者大得多，也就是看到的范围要大得多。在远程探测成像的时候，移动目标在大视场上移动的范围就比较大，不会很快从视场中消失(也就是移出视场)。
但是，像素阵列的数目和每个像素阵列中像素的数目在一定程度上还与显示设备的分辨能力相关，即，虽然感光元器件的分辨率很高，但是如果显示设备的分辨率较低，同样也不能实现高分辨率的显示效果。
图3是本实用新型图像传感器的另一实施例的结构示意图。
如图3所示，与图1中的实施例相比，该实施例的图像传感器300还可以包括：
多个模数转换器310，每个模数转换器分别与每个子像素合并单元相连、与一个以上的输出单元相连，用于对每个像素的电信号进行模数转换、并将模数转换后的电信号传送至一个以上的输出单元。
类似地，在输出单元为一个时，多个模数转换器均连接至输出单元，实现数据的并行输出以提高图像传感器的数据吞吐量，在输出单元为多个时，根据分组情况将每个模数转换器连接至对应的输出单元。
可选地，每个模数转换器的位数由电信号的动态范围确定，例如，可以为12位模数转换器。
上述实例经过模数转换后，由于提高了与每个像素对应的电信号的动态范围，所以提高了图像的明暗对比度范围，从而在很大程度上改善了图像成像的质量和对比度。
在本实用新型图像传感器的另一实例中，每个输出单元还用于对模数转换后的电信号进行归一化处理。
此外，还可以将上述实施例中的图像传感器应用于摄像装置或摄像系统中，从而使得该摄像装置或摄像系统能够在低照度环境下工作。
图4是利用本实用新型的一个实施例生成图像数据的工作原理示意图。
如图4所示，该实施例可以包括以下步骤：
S402，设置在多个像素阵列中的每个像素阵列的每个像素上的多个感光元器件采集光信号，并将采集到的光信号转换为电信号，其中，每个感光元器件对应一个子像素；在一个实例中，每个感光元器件可以为CMOS感光元器件或CCD感光元器件；
S404，按顺序读取与每个子像素对应的电信号；
S406，将每个像素上多个子像素的电信号合并为一个像素的电信号；
S408，输出与每个像素对应的电信号。
该实施例将多个子像素合并为一个像素输出，增大了每个像素的感光电荷量，从而使得本实用新型能够适用于低照度的工作环境。
其中，在输出与每个像素对应的电信号之前，可以利用模数转换器对所述电信号进行模数转换，可选地，模数转换器可以为12位的模数转换器。
此外，在对电信号进行模数转换后，可以对模数转换后的电信号进行归一化处理。
进一步地，像素阵列的数目和每个像素中像素的数目与显示设备的分辨能力相关。例如，像素阵列的数目可以为四个，每个像素阵列中可以包括1024×1024个像素，每个像素中子像素的数目可以为四个。
此外，上述实施例中的电信号可以为电压信号，也可以为感应到的电荷量。
图5是利用本实用新型的另一实施例生成图像数据的工作原理示意图。
如图5所示，该实施例可以包括以下步骤：
S502，将成像靶面分为4个相对独立的像素阵列输出，针对每个像素阵列，均进行S504-S510的处理；
S504，读出单元按列读取成像靶面中每个像素阵列中的每个像素的电信号，其中每个像素又包含4个子像素；
S506，子像素合并单元将每个像素中的4个子像素复合为1个像素；
S508，模数转换器对每个像素的电信号进行12位模数转换；
S510，按照时序将模数转换后的每个像素的电信号值输出，其中，4个相对独立的部分可以同时并行输出或逐一串行输出。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部和部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算设备可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤，二前述的存储介质可以包括ROM、RAM、磁碟和光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分可以相互参见。
本实用新型的上述实施例具有以下有益效果：
(1)分辨率可以达到千万级像素的输出，视场范围大，提高远程探测能力；
(2)将每个像素中的所有个子像素通过芯片电路实时积分输出，可以实现低照度(即，提高了夜视能力)、提高信噪比、减少信号输出量，并且将显著提升夜视监控系统的水平；
(3)将图像传感器频谱响应峰值提升到近红外波段，使传感器频谱范围延伸至短波红外，进一步提高透雾及夜视能力；
(4)采用12位A/D转换，可以扩大像素的动态范围，从而提高图像成像的质量和对比度；
(5)根据图像质量动态调整积分时间，进一步提高夜视能力，同时还能抑制图像饱和。
综上所述，本实用新型独特的图像传感器设计结构可以显著提升感光器件的夜视能力和千万级像素的输出能力、可以提高远程探测能力，在低照度的条件下优化图像质量和改善图像对比度，实现视场角大，并且有很高的图像分辨率，因此可以实现恶劣条件下远程目标探测的需求。可以在此图像传感器的基础上可开发出功能强大的远程昼夜视频监控系统。
虽然已经通过示例对本实用新型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，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
多个像素阵列，用于根据分辨率大小设置在成像靶面的感光材料上，每个像素阵列的每个像素上设置有多个感光元器件，每个感光元器件对应一个子像素；
多个读出单元，每个读出单元分别与每个像素阵列相连，用于按顺序读取每个感光元器件进行光电转换后的电信号；
多个子像素合并单元，每个子像素合并单元分别与每个读出单元相连，用于将每个像素上多个子像素的电信号合并为一个像素的电信号；
一个以上的输出单元，与所述多个子像素合并单元相连，用于输出每个像素的电信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括：
多个模数转换器，每个模数转换器分别与每个子像素合并单元相连、与所述一个以上输出单元相连，用于对每个像素的电信号进行模数转换、将模数转换后的电信号传送至所述一个以上输出单元。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述一个以上的输出单元还用于对模数转换后的电信号进行归一化处理。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，每个模数转换器为12位模数转换器。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多个感光元器件为CMOS感光元器件或CCD感光元器件。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列的数目为四个。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，每个像素阵列中包括1024×1024个像素。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个像素中子像素的数目为四个。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述电信号为电压信号。
10.一种摄像装置，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的图像传感器。
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