TWI481256B - 應用於具多重資料讀出機制之影像感測器的處理器以及影像系統 - Google Patents

應用於具多重資料讀出機制之影像感測器的處理器以及影像系統 Download PDF

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Description

應用於具多重資料讀出機制之影像感測器的處理器以及影像系統
本發明係與影像感測器有關，尤指可提供具有較佳動態範圍之影像系統的方法以及其相關裝置，其中這些影像系統係具有內建有類比數位轉換器之處理器。
數位相機逐步取代了傳統的底片相機。一般而言，數位相機內具有至少一影像感測器以將入射(incident)光轉換成電荷，其中影像感測器係由以偵測器(detector)組成的陣列所構成，而在陣列中的各個偵測器係依據入射光的強度來各自產生一電子訊號。
在數位相機的技術領域中，互補金氧半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)影像感測器為一種被廣泛使用的感測器。對於一互補金氧半導體影像感測器而言，經由光偵測器(photo detector)得到的訊號會以行讀出線(column read line)的方式，每次讀出一列，而在每一資料讀出流程當中，像素與像素之間並不會有電荷遞移的情況發生。由於互補金氧半導體影像感測器係相容於一般的互補金氧半導體製程，這使得在設計上可於配置有感測器陣列的同一基底(substrate)上加設額外的訊號處理電路。
普遍來說，傳統的互補金氧半導體影像感測器可具有一主動像素感測器(active-pixel sensor,APS)，而所謂像素係指在影像感測器中用以隨著不同入射光強度來產生不同強度之輸出訊號的元件。影像感測器中的每個像素係用以對訊號進行偵測、儲存以及取樣。
然而，傳統的影像感測器存在一些令人詬病的缺陷，比方說，對傳統的互補金氧半導體影像感測器而言，其動態範圍並不佳；而所謂的動態範圍意指一影像感測器對於一單一影像中所能捕捉到之最大光強度與雜訊基準(noise floor)間的範圍。動態範圍可以下列之等式表示之：
在前述等式(1)中，HL表示最大的未飽和光通量(optical flux)，而LL則表示最低的可測得知光通量(亦即雜訊基準)。
請參閱第1圖，第1圖所示為習知影像感測器之一像素陣列中五個不同的像素P1-P5其分別於不同光線強度下之轉換曲線的示意圖。如第1圖所示，像素陣列以一圖框積分時間(frame integration time)t 0 之一全積分時間(full integration time)來感測一影像，其中P n 表示一像素n，而I n 表示像素n所感測到的光線強度。而像素P1 -P5 所分別對應到的光線強度I1 -I5 彼此並不相同，且可以下列算式(2)來加以表示；
I 5 >I 4 >I 3 >I 2 >I 1 　(2)
積分時間係表示影像感測器內的像素蒐集光致(photo-generated)電荷的時間長度。如第1圖所示，若像素P1 -P5 皆於一全積分時間t 0 之後進行讀出運作，則此時除了像素P1 輸出一非飽和的輸出V o1 之外，其餘的像素P2 -P5 都將輸出相同強度的飽和輸出值Vsat ，而此時像素P1 -P5 所輸出的電壓強度可表示如下；
V out 1 =V o 1 　(3)
V out 2 =V out 3 =V out 4 =V out 5 =V sat 　(4)
由前述說明中可知，在這樣的讀出運作中，像素P 2- P 5 所讀出的值皆為無實質意義的飽和輸出值。為避免前述的飽和狀況，當影像感測器的像素讀出運作為非毀壞性(non-destructive)運作時，可採用一多重讀出運作的機制來增進感測影像的動態範圍。
如第1圖所示，相較於前述之單一讀出運作，像素P2 -P5 於時間以及時進行讀出運作，以藉由此一多重讀出運作來得到相對應的非飽和性輸出。此外，若前述多重讀出運作所對應到的讀出電壓於一較長的積分時間下仍處於非飽和狀態，則此時訊號將可得到一更佳的訊雜比(signal-to-noise ratio，SNR)。
如第1圖所示，五個像素P1 -P5 的讀出電壓值於前述範例之下可列表如下：
由於像素之完整讀出電壓係與入射光成線性關係，因此像素的最終輸出電壓將可表示為：
在前述之多重讀出運作機制中，所對應的飽和度可被提升到八倍之多，也就是說，在雜訊基準不變的情況下，相對應的動態範圍將可提升為八倍之多。換言之，若多重讀出運作的最小積分時間為圖框積分時間的1/m，則表示動態範圍可因此而增進了m倍。
請同時參照第1圖來看第2圖，第2圖所示為習知技術為了增進動態範圍而具有多重讀出機制之像素的運作示意圖。如圖所示，傳統的運作機制有一個致命的缺陷，也就是說，在這樣的機制之下，每個具有動態範圍強化功能的像素都需要一個相對應的記憶體，而且這樣的影像感測器更需具有優異的能力來判別每個動態範圍強化之像素的每個輸出電壓值是否已達飽和，如此一來，這些具有多重讀出機制以強化動態範圍的影像感測器不僅龐雜且所費不貲。
而另一種實現影像感測器的方法為在像素階段(pixel level)即對訊號進行數位化之運作。請參閱第3圖，第3圖所示為習知技術之像素陣列及其內之像素結構的方塊示意圖。對大多數的應用而言，像素301的使用實在有限，這是因為僅有一部份的動態範圍可被使用。如第3圖之附圖(A)所示，像素陣列300包含有複數個像素301。請參考第3圖之附圖(B)，像素301包含有一偵測裝置302(其包含有一光感測器以及一緩衝器等等)、一類比數位轉換器303以及一處理裝置304，而處理裝置304內可包含有一處理電路(processing logic)以及一記憶體等等。同樣地，前述之影像感測器暨像素亦非常複雜而且昂貴。尤有甚者，由於像素301的結構非常複雜，這使得像素尺寸亦隨之擴大而將導致固定圖樣雜訊(fixed-pattern noise，FPN)將更為嚴重，而前述之固定圖樣雜訊係指與像素陣列中的(像素)實際位置相關的雜訊。
因此，亟需提供一種新的影像感測器及其相關方法以於增進動態範圍的同時顧及整體的電路複雜度以及硬體成本。
因此本發明之一設計目的即在於考量整體電路複雜度以及生產成本的前提之下提供具有較佳動態範圍之裝置。本發明係提供一裝置其藉由於一曝光運作下進行多重讀出運作以有效提升影像感測器之動態範圍，其中本發明的讀出處理電路係包含有一類比數位轉換器。此外，本發明亦揭露了可使用部分的位元數來進行部分數位化的裝置以減低所需的資料處理量而因此更提升了讀出速率，減少所需的功率消耗，並同時減少了所需使用的記憶體面積。
根據本發明之一實施例，其係揭露一種具有多重讀出運作功能的處理器。該處理器係包含有一類比數位轉換器，用以將由該影像感測器輸出之一類比資料轉換成一數位資料，其容許於一曝光運作(exposure)中執行複數個次圖框讀出(sub-frame readout)以增進該影像感測器之一動態範圍；其中該類比數位轉換器對該類比資料進行部分數位化(partially digitizing)運作以產生該類比資料。
根據本發明之另一實施例，其係揭露一種影像系統。本發明之影像系統係包含有一影像感測器以及至少一行處理器。影像感測器係用以感測一光線以產生一類比資料。該至少一行處理器(column processor)，其耦接至該影像感測器，該行處理器具有一多重資料讀出功能(multiple data readout scheme)，其中該行處理器包含有：一行(column level)類比數位轉換器，用以將由該影像感測器輸出之該類比資料轉換成一數位資料，並容許於一曝光運作(exposure)中執行複數個次圖框讀出(sub-frame readout)以增進該影像感測器之一動態範圍；其中該類比數位轉換器對該類比資料進行部分數位化(partially digitizing)運作以產生該類比資料。
藉由本發明所提供之實施例(其包含有本發明之發明內容所揭露的一些電路與其內部電路元件的電路圖)，先前技術所遭遇的問題可順利解決或避免且可獲得技術上的或好處。
在本專利說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
為使讀者對本發明之實施例具有更具體而全面的瞭解，在後續的說明之中，將對一數位相機系統的一般架構暨運作稍做說明。而本發明較佳實施例之特定架構暨運作將會參考數位相機系統的一般架構來加以詳述。
請參閱第第4圖，第4圖所示為根據本發明之一實施例之一數位相機系統400的方塊示意圖。在本實施例中，數位相機系統(影像系統)400包含有(但不限定於)：一影像擷取單元402、一影像處理單元以及一壓縮單元406，這裡的影像擷取單元402包含有至少一影像感測器403以接收入射光。影像擷取單元402內的影像感測器403擷取出複數個分別對應於每個影像的初步像素感測值(raw pixel values)，而這些類比形式的初步像素感測值係表示為DATA_A，稍後這些類比像素感測值便經由位於影像處理單元405內的類比數位轉換器404而轉成相對應的數位資料DATA_D。本實施例中的影像處理單元405係包含有一類比數位轉換器404以及一決定電路407。影像處理單元405係依據所接收之類比資料(初步像素感測值)DATA_A而動態地執行次取樣(sub-sampling)運作及/或部分數位化(partial digitalization)運作，以產生相對應的數位資料DATA_D。
接下來，數位資料DATA_D在數位化之後會送至影像處理單元405內的其他電路進行處理，並在之後傳送至壓縮單元406以進行其他的資料處理流程。
比方說，影像處理單元405會決定對應到各個次讀出運作的數位資料DATA_D是否飽和，並使用決定電路407來在多重讀出運作中的多個讀出時間中選擇一恰當的讀出時間來得到輸出資料。在一特定實施例中，壓縮單元406可使用一處理器或以特定的應用導向積體電路(application-specific integrated circuit，ASIC)來加以實施，以壓縮由影像處理單元405所輸出的數位資料DATA_D。由壓縮單元406所輸出的壓縮後資料DATA_C稍後將傳送至一處理系統(未顯示)以供檢視及/或進行其他的處理運作。由於壓縮單元406之結構及其運作細節實為熟悉本項技藝之人士所熟知，故在此便省略而不贅述。
然而，前述說明僅為對於本發明所對應的數位影像系統提供一全面的概略性瞭解之用，如熟悉本項技藝之人士所知，亦可在數位相機系統內另設置記憶體以供影像資料的儲存之用。此外，在本發明之另一實施例中，亦可將第4圖中的數位相機系統整合在一單一晶片或一嵌入式微處理器之中。前述這些相關的設計變化均隸屬於本發明的保護範疇之中。
請參閱第5圖，第5圖所示為根據本發明之一實施例之具有複數個行處理器(column processor)之一數位相機系統500的方塊示意圖。數位相機系統(影像系統)500包含有(但不限定於)：一像素陣列510、複數個多工器(MUX)505_1、505_2、505_3以及505_4、複數個行處理器502_1、502_2、502_3以及502_4，其中每個行處理器內分別具有至少一類比數位轉換器以及一決定電路；此外，數位相機系統(影像系統)500更具有一像素記憶體501。請注意到，在圖示中僅繪出四個行處理器以及四個多工器以作範例說明之用，並不為本發明的限制條件之一，也就是說，影像系統500之行處理器以及多工器之數目可隨設計需求來加以選擇。而在本實施例中，像素記憶體501(如一記憶庫(memory bank))係設置於像素陣列510的每個像素511之外。在本實施例中，像素511中並不具有類比數位轉換器及/或記憶體。
如前所述，每個行處理器502之中包含有一類比數位轉換器以及一決定電路，且經由相對應的多工器進行切換，單一行處理器可被複數個像素行(pixel column)共用(如第5圖所示)。如此一來，將可更進一步地降低整體的晶片面積以及生產成本。然而，前述之敘述僅為說明之用，並不為本發明的限制條件之一，比方說，多工器505可為選擇性(optional)的元件，經由恰當的設計調整以降低行處理器的尺寸之後，像素陣列500的每一行亦可有一相對應的行處理器。前述相關設計變化均隸屬於本發明的保護範疇之中。
請一併參照第5圖與第6圖，第6圖為第5圖所示之行處理器502_1之一實施例的方塊示意圖。由於第5圖中的每個行處理器502_1-502_4彼此的架構相同，故在此僅以行處理器502_1的架構來說明。行處理器502_1包含(但不限定於)一相關性雙取樣(correlated-doubled sampling，CDS)單元610、一增益放大器(gain amplifier)620以及一類比數位轉換器(ADC)630。如第6圖所示，經由多工器505_1所處理的像素輸出DATA_P係傳送至相關性雙取樣單元610，而後傳送至增益放大器620進行處理。除此之外，經由增益放大器620輸出的訊號會傳送至類比數位轉換器630以產生數位資料DATA_D，此一數位資料DATA_D稍後會被送至像素記憶體501(見第5圖)。也就是說，本發明的行處理器502可提供相關性雙取樣功能或更可具有額外的決定電路，以控制次取樣運作及/或根據所處理的資料來調整類比數位轉換器630的解析度。這樣一來，所得到的數位資料不僅具有較佳的動態範圍，亦可擁有較小的資料量以進一步地降低成本並增進讀出速率。
第7圖所示為根據本發明之一實施例之訊雜比與入射光之間的關係示意圖。在一典型的影像系統中，當入射光的強度增加時，將使得相對應的訊雜比亦隨之增加，如第7圖之曲線CV1所示。一般而言，最大訊雜比(maximum SNR)為訊號品質的重要參考指標之一，然而，在某些實際情況下，訊雜比在達到一定的數值/程度之後就不再有實際上的指標意義，在這些情況之中，放棄這些多餘的訊雜比來進一步地提升訊號的動態範圍，可提升整體的影像品質，而本發明之經由多重讀出運作以提升動態範圍的裝置即符合此一精神。
第7圖中的特性曲線CV2即表示在量子效率(quantum efficiency，QE)=50%、讀出雜訊為40個電子以及採用10位元數位化之下所得到的訊雜比。既然在一影像中，較亮的光點會比較暗的光點擁有更高的訊雜比，且經由本發明的次圖框讀出運作可提升對於這些較亮光點的動態範圍，這些相對的讀出運作將可使用較少的位元數來進行數位化運作。倘若在一實施例中，全數位化運作所對應到的位元數為10位元，則特性曲線CV3在這裡則表示當次圖框讀出運作僅採用部分數位化運作(如採用5位元來進行數位化)。而這裡，特性曲線CV3的訊雜比將下降至34分貝，亦即採用部分數位化運作將使得訊雜比由全數位化之特性曲線CV2的41分貝下降了7分貝。然而，進行部分數位化運作之特性曲線CV3的訊雜比仍在可接受的範圍之內，而此時對於進行次圖框讀出運作的輸出資料進行部分數位化運作，將可大幅地減輕輸出訊號的資料量。如此一來，當像素輸出DATA_P對應到較亮的入射光線時，比方說其亮度高於一臨界值時，則行處理器可同時採用次圖框讀出運作以及部分數位化運作，以於提供較佳動態範圍的同時減少所需的資料量。而在前述實施例中，對應於特性曲線CV3之次圖框讀出運作之資料量僅有對應於特性曲線CV2之資料量的一半，且對應於特性曲線CV3的所需記憶體容量亦為對應於特性曲線CV2之所需記憶體容量的一半。再者，這亦隱含了對應於特性曲線CV3的所需讀取時間亦可同樣被減半。
請參閱第8圖，第8圖所示為根據本發明之一實施例之具有多重讀出功能之行處理器的讀出序列示意圖。在本實施例中，一像素陣列係具有L x M個像素，而其中每個像素係讀出n次。舉例來說，第一列的像素1即進行n次讀出運作，在本實施例中，最後的讀出運作係較佳地為一全數位化讀出(比方說其進行了10位元的數位化運作)，而其他次圖框讀出運作可能只進行部分數位化運作(比方說5位元的數位化運作或其他小於10位元的部分數位化運作)。請參閱第9圖，第9圖所示為本發明之一實施例中資料量與相對應之部分數位化讀出運作的關係表。
如第9圖所示，假設狀況1代表習知不進行部分數位化運作時數位資料的資料量；狀況2則表示在本發明之一實施例中，相較於全數位化的10位元解析度，採取8位元之解析度的部分數位化讀出運作後所得到的資料量；而狀況3則代表了選擇6位元之解析度的部分數位化讀出運作時所得到的資料量。處理器係控制決定電路依據所接收的資料，而選擇性地調整類比數位轉換器的解析度，故處理器因此可依據對應到接收資料的入射光線之強度來調整類比數位轉換器的解析度(亦即選擇性地執行部分數位化運作)；如此一來，經由處理器所輸出的數位資料將可具有最佳的動態範圍暨較少的資料量。於第9圖所示的範例中，當處理器採用了8位元的解析度來進行部分數位化運作時，則資料量將為傳統所需資料量的80%。然而請注意到，部分積分時間的比例(如其為全積分時間的1/2、1/4、1/8)僅為說明之用而不為本發明的限制條件之一。此外，處理器中類比數位轉換器所調整的解析度亦不為本發明的限制條件之一。比方說，假設類比數位轉換器的最高解析度為20位元，則處理器可根據入射光線的強度來調整進行部分數位化運作時所對應到的解析度，例如對應到部分數位化運作時的類比數位轉換器的解析度可根據決定電路的控制而落在1位元到19位元之中。前述的相關設計變化均隸屬於本發明的保護範疇之中。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
300、510．．．像素陣列
301、511．．．像素
302．．．偵測裝置
303、404、630．．．類比數位轉換器
304．．．處理電路
400、500．．．數位相機系統
402．．．影像擷取單元
403．．．影像感測器
405．．．影像處理單元
406．．．壓縮單元
407．．．決定電路
501．．．像素記憶體
502_1~502_4．．．行處理器
505_1~505_5．．．多工器
610．．．相關性雙取樣單元
620．．．增益放大器
第1圖所示為習知影像感測器之一像素陣列中五個不同的像素其分別於不同光線強度下之轉換曲線的示意圖。
第2圖所示為習知技術為了增進動態範圍而具有多重讀出機制之像素的運作示意圖。
第3圖所示為習知像素陣列以及其內之像素結構的方塊示意圖。
第4圖所示為本發明之一實施例之數位相機系統的方塊示意圖。
第5圖所示為根據本發明之一實施例而具有複數個行處理器之一數位相機系統(影像系統)的方塊示意圖。
第6圖為第5圖所示之行處理器的方塊示意圖。
第7圖所示為本發明之一實施例中訊雜比與入射光之間的關係示意圖。
第8圖所示為本發明之一實施例中具有多重讀出功能之行處理器的讀出序列示意圖。
第9圖所示為本發明之一實施例中資料量與相對應之部分數位化讀出運作的關係表。
500．．．數位相機系統
501．．．像素記憶體
502_1~502_4．．．行處理器
505_1~505_5．．．多工器
510．．．像素陣列
511．．．像素

Claims (13)

  1. 一種應用於具多重資料讀出機制之一影像感測器的處理器，其包含有：一類比數位轉換器，用以將由該影像感測器所產生之一類比資料轉換成一數位資料，並允許於一曝光運作(exposure)中執行複數個次圖框讀出(sub-frame readout)以增進該影像感測器之一動態範圍；其中該類比數位轉換器對該類比資料進行部分數位化(partially digitizing)運作以產生該類比資料，以及該處理器係獨立於該影像感測器之外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之處理器，其中該類比數位轉換器係為一行(column level)類比數位轉換器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之處理器，其中，於每一次圖框讀出時，該類比數位轉換器係將由該影像感測器所產生之一類比訊號轉換為一數位訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之處理器，其中分別對應到不同次圖框讀出之複數個數位訊號之相對應位元數(bit number)並不相同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之處理器，其中該複數個數位訊號之相對應位元數係基於一入射光之強度來決定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之處理器，其中當一入射光較明亮時，該複數個次圖框讀出運作會被致能(activated)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之處理器，其中該類比數位轉換器於一入射光較明亮時會執行該部分數位化運作。
  8. 一種影像系統，其包含有：一影像感測器，用以感測一光線以產生一類比資料；以及至少一行處理器(column processor)，耦接至該影像感測器且具有一多重資料讀出機制(multiple data readout scheme)，其中該行處理器包含有：一行(column level)類比數位轉換器，用以將由該影像感測器所產生之該類比資料轉換成一數位資料，並允許於一曝光運作(exposure)中執行複數個次圖框讀出(sub-frame readout)以增進該影像感測器之一動態範圍；其中該類比數位轉換器對該類比資料進行部分數位化(partially digitizing)運作以產生該類比資料，以及該行處理器係獨立於該影像感測器之外。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像系統，其中於每一次圖框讀出時，該類比數位轉換器係將由該影像感測器所產生之一類比訊號轉換為一數位訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之影像系統，其中對應不同次圖框讀出之複數個數位訊號之相對應位元數(bit number)並不相同。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之影像系統，其中該複數個數位訊號之相對應位元數係基於一入射光之強度來決定。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之影像系統，其中當一入射光較明亮時，該複數個次圖框讀出運作會被致能。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之影像系統，其中該類比數位轉換器於一入射光較明亮時會執行該部分數位化運作。
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