CN103686007A - 单次拍摄生成高动态范围图像的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单次拍摄生成高动态范围图像的图像传感器，包括：多个像素单元，每个所述像素单元包括多个像素组，每个所述像素组包括至少一个第一像素以及数量大于所述第一像素的多个第二像素；多个开关控制电路，与所述多个像素组一一对应相连，所述开关控制电路用于在同一曝光时间下，将选中的所述像素组的第一像素的感光单元的信号和第二像素的感光单元的信号依次输出，以在同一曝光时间下分别生成低感光图像和高感光图像。本发明能够通过单次拍摄生成高动态范围图像，节省了***资源。

Description

单次拍摄生成高动态范围图像的图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种通过单次拍摄可获得高动态范围图像的图像传感器。

背景技术

图像传感器是相机的重要组成部分。传统相机中图像传感器是通过胶片来实现的，而现代数码相机中，图像传感器是通过CMOS或者CCD图像传感器来实现的。

对于胶片传感器来说，由于胶片卤化银感光颗粒的随机性，因此，当采用胶卷传感器拍摄物体时，即是物体是由规则线条或图形组成的，但是不会发生莫尔条纹。一般来说，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。

值得注意的是，对于数字图像传感器来说，无论CMOS图像传感器还是CCD图像传感器，其光感像素通常采用规则排列构成，因此在拍摄由规则条纹或者图形构成的物体时，通常会出现莫尔条纹。莫尔条纹现象是由于信号取样频率接近感光器分辨率所致，通常解决方法用一个低通滤镜把高于感光器分辨率的信号挡住，其副作用就是降低成像分辨率。因此在设计低通滤镜时设计师要在分辨率和莫尔条纹之间做一个妥协选择。

目前一些高端相机和手机（如iPhone）都提供HDR的拍摄模式，传统的高动态范围图像（High-Dynamic Range，简称HDR），相比普通的图像，可以提供更多的动态范围和图像细节，根据不同的曝光时间的LDR(Low-Dynamic Range)图像，利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像，能够更好的反映人真实环境中的视觉效果。

传统的HDR拍摄模式主要通过改变曝光时间，通常通过3幅不同曝光时间的照片来合成一张HDR的照片。在各个曝光时间下，分别拍摄高感光状态、中感光状态、低感光状态等三种状态的照片。当拍摄完这三张照片，相机或手机的数字处理***（DSP***）接收到这三张照片后，将会对这三张照片进行处理。从每张照片中分别选出最佳的成像区域合成最终的一张优秀照片。

然而需要通过多次拍摄，将获取的多幅照片来合成一张HDR的照片，因此不可避免地需要较长时间以及较多***资源来完成。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种通过单次拍摄即可生成高动态范围图像的图像传感器，不仅加快了拍摄照片的时间，并且节省了***资源。

为达成上述目的，本发明提供一种单次拍摄生成高动态范围图像的图像传感器，包括多个像素单元，每个所述像素单元包括多个像素组，每个所述像素组包括至少一个第一像素以及数量大于所述第一像素的多个第二像素；多个开关控制电路，与所述多个像素组一一对应相连，所述开关控制电路用于在同一曝光时间下，将选中的所述像素组的第一像素的感光单元的信号和第二像素的感光单元的信号依次输出，以在同一曝光时间下分别生成低感光图像和高感光图像。

优选的，每一所述开关控制电路包括多个传输管、悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管，所述多个传输管与所述像素组的每一个像素的感光单元对应相连；所述多个传输管的漏极、所述源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述行选通管用于选中所述像素组，且将所述像素组的第一像素和第二像素的输出信号依次输出至***电路进行处理，以将所述低感光图像和高感光图像合并。

优选的，所述多个传输管具有各自独立的选通信号，用以在所述曝光时间的第一时间段内将所述第一像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点；之后在所述曝光时间的第二时间段内将所述第二像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点。

优选的，在所述传输管由所述选通信号开启之前，所述复位管对所述悬浮节点进行电荷清空和复位。

优选的，所述像素单元的排布采用bayer模式，每个所述像素单元包括一个红色像素组、两个绿色像素组、一个蓝色像素组。

优选的，所述多个像素单元的各第一像素和各第二像素组成像素阵列，所述像素阵列中相邻行的像素在列方向上交错排列。

本发明还提供了一种利用上述图像传感器在单次拍摄下生成高动态范围图像的方法，其在同一曝光时间下进行如下步骤：步骤S1，选中所述像素组；步骤S2，输出选中的所述像素组中的第一像素的感光单元的信号，以获得低感光度图像；步骤S3，输出选中的所述像素组中的第二像素的感光单元的信号，以获得高感光度图像；所述低感光度图像和高感光度图像用以生成所述高动态范围图像。

优选的，每一所述开关控制电路包括多个传输管、悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管，所述多个传输管与所述像素组的每一个像素的感光单元对应相连；所述多个传输管的漏极、所述源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述步骤S1中通过所述行选通管选中所述像素组。

优选的，步骤S2包括：步骤S21，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；步骤S22，并行开启与所述像素组的第一像素的感光单元对应相连的传输管，关断与所述第二像素的感光单元对应相连的传输管，以将所述第一像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点；之后关断与所述第一像素的感光单元对应相连的传输管；步骤S23，通过所述源跟随器和行选通管将所述第一像素的感光单元的信号输出至***电路进行处理，以形成所述低感光度图像。

优选的，步骤S3包括：步骤S31，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；步骤S32，并行开启与所述像素组的第二像素的感光单元对应相连的传输管，以将所述第二像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点；之后关断与所述第二像素的感光单元对应相连的传输管；步骤S33，通过所述源跟随器和行选通管将所述第二像素的感光单元的信号输出至***电路进行处理，以形成所述高感光度图像。

相较于现有技术，本发明的优点在于通过在同一曝光时间内对像素单元感光面积的切换，只需要进行一次拍摄即可获得至少2幅照片感光状态不同的图像，从而可实现较好的成像效果。另外，通过将像素进行不规则排列，可以有效消除莫尔条纹的产生。

附图说明

图1所示为本发明一实施例的图像传感器的像素分布示意图；

图2所示为本发明一实施例的图像传感器的一个像素组的电路示意图；

图3所示为本发明一实施例的图像传感器生成低感光图像时的示意图；

图4所示为本发明一实施例的图像传感器生成高感光图像时的示意图；

图5所示为本发明一实施例的图像传感器在单次拍摄下的时序图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图1为本发明实施例一中图像传感器的平面示意图。如图1所示，图像传感器包括多个具有合并和***模式的像素单元101，每个像素单元包括多个像素组，每个像素组包括多个像素。

本实施例中，图1中像素单元101的排布采用bayer模式为例，每个像素单元101包括一个红色子像素组111、两个绿色子像素组121、一个蓝色子像素组131。可替代地，像素单元101也不局限于bayer模式，也可以采用其他模式。另外，像素单元101也不局限于基于RGB三原色，也可以采用其他如CMMY四色，详细不再赘述。

本实施例中，红色像素组111包括三个红色像素R1、R2、R3，每个绿色子像素组121包括三个绿色像素G1、G2、G3或G4、G5、G6，蓝色像素组131中包括三个蓝色像素B1、B2、B3。因此，一个像素单元101包括3个红色像素、6个绿色像素、3个蓝色像素，共计12个像素。对于每个像素组来说，其具有像素的合并与***功能。

这里所说的像素的合并与***功能，是指通过每个像素组中像素的组合，以在不同光照条件下实现不同的感光面积。具体来说，在强光条件下，红色像素组（R1/R2/R3）、绿色像素组（G1/G2/G3）、绿色像素（G4/G5/G6）、蓝色像素组（B1/B2/B3）的每个像素组可以分别作为3个像素来使用。如果每个像素的感光面积为s，那么在强光下，该图像传感器的一个像素单元101具有12个像素点，感光面积可达12s，此时图像传感器切换为***模式，具有更高的像素点和分辨率。在弱光条件下，红色像素组（R1/R2/R3）可以作为1个红色像素R来使用，绿色像素组（G1/G2/G3）作为1个绿色像素Ga来使用，绿色像素组（G4/G5/G6）可以作为1个绿色像素Gb来使用，蓝色字像素组（B1/B2/B3）作为1个蓝色像素B来使用。如果每个像素面积为s，那么在弱光下，具有4个像素点，每个像素点的感光面积为3s，是强光条件下一个像素点面积的3倍，此时图像传感器切换为合并模式，其信号强度是***模式下的3倍，具有更加优秀的动态范围和灵敏度。因此，这种具有合并和***功能的像素单元与现有技术中的像素单元相比，具有较高的动态范围和灵敏度，以及在弱光下具有更好的图像表现力。可替代地，每个像素组中的像素个数不局限于三个，也可以多于三个，只要可以实现本发明的***和合并模式即可。

此外，根据本发明的图像传感器，每个像素组中的像素划分为第一像素和第二像素，其中第一像素至少为一个，第二像素的数量要多于第一像素。例如在本实施例中，将红色像素组中的像素R1设为第一像素，将另两个像素R2和R3设为第二像素。类似的，绿色像素G1和G4为第一像素，绿色像素G2、G3、G5、G6为第二像素；蓝色像素B1为第一像素，另两个像素B2和B3为第二像素。

本实施例中，以第一像素和第二像素像素为最小单位所形成的像素阵列中，像素阵列的相邻行之间采用了错位的排列方式，即相邻行的像素在列方向上交错排列，比如错位1/2个像素距离，由此避免了图像传感器中像素的规则排列。当拍摄规则线条或图形时，规则线条或图形无法与图像传感器中规则排列的像素阵列产生干涉效应，从而有效消除了莫尔条纹的产生。

下面仅以光照为强光和弱光的条件，对本发明图像传感器中某一单个像素单元的感光面积与现有技术的感光面积做一简单比较，以说明本发明图像传感器由于可在同一曝光时间内，利用较大的感光面积和较小的感光面积，来实现高动态范围图像的拍摄。

在强光条件下，红色像素R1、绿色像素G1、绿色像素G4、蓝色像素B1分别作为红色像素R、绿色像素Ga、绿色像素Gb和蓝色像素B来使用，由于每个像素组中只有一个像素在感光，感光面积较小，具有较低的感光效果，适合于捕捉较亮场景的图像。

在弱光条件下，红色像素R2、R3作为1个红色像素R来使用，绿色像素G2、G3作为1个绿色像素Ga来使用，绿色像素G5、G6作为1个绿色像素Gb来使用，蓝色像素B2、B3也作为1个蓝色像素B来使用。由于每一个像素组中有两个像素在感光，感光面积较大，具有较好的感光效果，适合于捕捉较暗场景的图像。

为了实现本实施例中图像传感器在同一曝光时间下，实现高低感光，针对每个像素组101，需配置如图2所示的开关控制电路，用于在同一曝光时间下，将对应的像素组的第一像素的感光单元的信号和第二像素的感光单元的信号依次输出，进而在该曝光时间下分别生成低感光度图像和高感光度图像，并据此生成高动态范围图像。

具体来说，请参见图2，开关控制电路包括传输管201、行选通管202、复位管203、源跟随器204，悬浮节点P。其中，传输管201与像素组中每个像素的感光单元205连接，用于读取感光单元205的信号并输出至悬浮节点P。源跟随器204的源极将从悬浮节点读出的信号输出到行选通管202。复位管203用于对悬浮节点P的电荷进行清空和复位。行选通管202用于选中该开关控制电路所对应的像素组，并将该像素组中第一像素的信号和第二像素的信号分别输出到***电路进行处理。

由于每个像素组比如红色像素组包括三个红色像素，对应的就存在三个感光单元205如感光二极管。为了实现单独对每个感光单元205进行操作，每个感光单元205均连接有一传输管201，每个传输管201的栅极连接有一选通信号TXi，当选通信号TXi置高时，该传输管201开启，输出对应感光单元205的信号至悬浮节点P。为了实现选中某一像素组，行选通管202的栅极连接有一选中信号ROW，当该选中信号ROW置高时，选中该开关控制电路所对应的像素组。为了实现悬浮节点P的电荷清空和复位，复位管203的栅极连接有一复位信号RX，当该复位信号RX置高时，复位管203开启，使得悬浮节点P的电位被拉高到Vdd，从而对P点的电荷进行清空，实现复位。

开关控制电路各个部件的连接关系如下：

传输管201的源极与感光单元205的输出端连接，栅极与选通信号TXi连接，漏极与复位管203的源极连接于悬浮节点P。

行选通管202的栅极连接有一选中信号ROW，漏极与源跟随器204的源极连接，源极作为输出端OUT；行选通管202的源极连接有一尾电流Vs。

复位管203的栅极连接有一复位信号RX，源极与源跟随器204的栅极连接于悬浮节点P，漏极连接有电源电压Vdd。

源跟随器204的栅极与复位管203的源极连接，源极与行选通管202的漏极连接，漏极连接有电源电压VDD。

在版图结构布局中，对于红色像素组（R1、R2、R3）区域，每个红色像素对应一个感光单元，开关控制电路中的所有晶体管都位于这三个红色像素的区域中心部位，如图1中的黑点区域所示。绿色像素组（G1、G2、G3，G4、G5、G6），蓝色像素组（B1、B2、B3）的版图布局与红色像素组版图布局一致，在此不再赘述。

图3和图4分别为本发明实施例中图像传感器生成低感光图像和高感光图像时的平面示意图，图5为本发明实施例中图像长安汽车在单次拍摄时的控制时序图。下面将结合图2～图5对利用上述开关控制电路实现图像传感器在同一曝光时间下生成低感光图像和高感光图像进行详细说明：

本实施例中，定义每个像素组中第一像素的个数为1个（如红色像素R1/绿色像素G1/绿色像素G4/蓝色像素B1），当进行第一像素的信号输出时，图像传感器处于低感光模式，用于生成低感光图像。每个像素组中第二像素的个数为2个（红色像素R2、R3/绿色像素G2、G3/绿色像素G5、G6/蓝色像素B2、B3），当进行第二像素的信号的合并输出时，图像传感器处于高感光模式，用于生成高感光图像。

如图5所示，首先，选中信号ROW置高，行选通管202开启，选中某一像素组。

接着，在T1时间段内，输出选中的像素组中的第一像素的感光单元PD1的信号，以获得低感光度图像。具体来说，先对悬浮节点进行电荷清空和复位，其包括将复位管203的栅极信号RX置高，复位管开启，悬浮节点P与VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，然后将复位管203的栅极信号RX置低。然后将选通信号TX1置高，选通信号TX2/TX3保持低电平，由此将第一像素的感光单元PD1的信号通过对应的传输管201传输到悬浮节点P；之后将选通信号TX1置低，关断与第一像素对应的传输管。如此，在悬浮节点P处的由第一像素的感光单元PD1所输出的信号经源跟随器204和行选通管202输出。

其中，RX信号置于高电平的时间为1us～64us，优选4us；

TX1信号置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；

ROW上升沿与RX信号上升沿时间间隔为1us～5us，优选2us；

RX下降沿与TX1信号上升沿时间间隔为1us～20us，优选5us。

然后，在T2时间段内，输出选中的像素组中的第二像素的感光单元PD2和PD3的信号，以获得高感光度图像。具体来说，再次对悬浮节点进行电荷清空和复位，其包括将复位管203的栅极信号RX再次置高，悬浮节点P与VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，将复位管203的栅极信号RX再次置低。然后将选通信号TX2和TX3置高，选通信号TX1保持低电平，由此将第二像素的感光单元PD2和PD3的信号通过各自对应的传输管201并行传输到悬浮节点P；然后将选通信号TX2和TX3置低，关断与第二像素对应的传输管。如此，在悬浮节点P处的由2个第二像素的感光单元PD2和PD3输出的信号合并，并经源跟随器204和行选通管202输出。

其中，RX信号再次置于高电平的时间为1us～64us，优选4us；

TX2、TX3信号置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；

TX1信号下降沿与RX再次上升的上升沿时间间隔为5～40us，优选15us；

RX第二次下降沿与TX2、TX3信号上升沿时间间隔为1us～20us，优选5us。

在完成第一像素和两个第二像素的感光单元PD1、PD2、PD3信号输出以后，行选通管202的栅极信号ROW置为低电平。其中，TX2、TX3信号下降沿与ROW下降沿时间间隔为5～40us，优选15us。

在单次拍摄的同一个曝光时间下，第一时间段T1内感光单元PD2和PD3对应的传输管的选通信号TX2、选通信号TX3始终为低电平，而在第二时间段T2内感光单元PD1对应的传输管的选通信号TX1始终为低电平，保证了同一曝光时间下，低感光度图像和高感光度图像的依次形成。

需要说明的是，上述实施例是对图像传感器的工作模式进行的示意性说明。当然，在其他实施例中，一个像素组中第一像素和第二像素可以任意调整，例如以红色像素组为例，也可以是红色像素R2为第一像素实现低感光度图像的生成，红色像素R1和R3作为第二像素实现高感光度图像的生成。此外，像素组中第一像素的个数也可以是多个，当第一像素的个数为多个时，同样是通过选通信号的控制将对应于各个第一像素的感光单元的传输管开启，以将各个第一像素的信号并行输出至悬浮节点，之后再合并输出。此外，在同一曝光时间下，也可以按照先输出第二像素感光单元的信号，再输出第一像素感光单元的信号的顺序依次输出信号，也即是先生成高感光度图像，再生成低感光度图像。

由以上过程可知，通过具有像素合并与***功能的像素单元对像素感光面积进行切换，配合上述时序控制，只需要进行一次拍摄就可在同一曝光时间内获得2幅图像，一幅图像是较高感光度的照片、另一幅是较低感光度的照片。此外，这两幅图像都的像素点数量相同。具体来说，在用于形成低感光度图像时，每个像素组中的一个像素作为一个像素点来使用，因此对于一个像素单元来说具有4个像素点。而在用于形成高感光度图像时，每个像素组中的两个像素作为一个像素点来使用，对于一个像素单元来说仍然具有4个像素点，但像素点的感光面积增加了一倍。由于生成的2张图像的像素点相同，当拍摄完这2张图像后，相机或手机的数字处理***（DSP***）能够对其进行处理，例如，照片拍摄对象的暗场区域的成像将从较高感光度图像中的相应区域选出，照片拍摄对象的明亮区域的成像将从较低感光度图像中的相应区域选出，照片的每个区域将从较高感光状态、较低感光状态这两种状态的照片中选择最佳对应区域，并最终形成一张具有高动态范围、质量非常好的照片。

综上所述，本发明的图像传感器通过对像素的感光面积进行切换，在单次拍摄下分别生成能够合成为一张HDR照片的低感光度图像和高感光度图像，加快了拍摄照片的时间，并且节省了***资源。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种单次拍摄生成高动态范围图像的图像传感器，其特征在于，包括：

多个像素单元，每个所述像素单元包括多个像素组，每个所述像素组包括至少一个第一像素以及数量大于所述第一像素的多个第二像素；

多个开关控制电路，与所述多个像素组一一对应相连，所述开关控制电路用于在同一曝光时间下，将选中的所述像素组的第一像素的感光单元的信号和第二像素的感光单元的信号依次输出，以在同一曝光时间下分别生成低感光图像和高感光图像。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每一所述开关控制电路包括多个传输管、悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管，所述多个传输管与所述像素组的每一个像素的感光单元对应相连；所述多个传输管的漏极、所述源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述行选通管用于选中所述像素组，且将所述像素组的第一像素和第二像素的输出信号依次输出至***电路进行处理，以将所述低感光图像和高感光图像合并。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述多个传输管具有各自独立的选通信号，用以在所述曝光时间的第一时间段内将所述第一像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点；之后在所述曝光时间的第二时间段内将所述第二像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，在所述传输管由所述选通信号开启之前，所述复位管对所述悬浮节点进行电荷清空和复位。

5.根据权利要求1至4任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元的排布采用bayer模式，每个所述像素单元包括一个红色像素组、两个绿色像素组、一个蓝色像素组。

6.根据权利要求1至4任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述多个像素单元的各第一像素和各第二像素组成像素阵列，所述像素阵列中相邻行的像素在列方向上交错排列。

7.一种根据权利要求1所述的图像传感器在单次拍摄下生成高动态范围图像的方法，其特征在于，在同一曝光时间下进行如下步骤：

步骤S1，选中所述像素组；

步骤S2，输出选中的所述像素组中的第一像素的感光单元的信号，以获得低感光度图像；

步骤S3，输出选中的所述像素组中的第二像素的感光单元的信号，以获得高感光度图像；所述低感光度图像和高感光度图像用以生成所述高动态范围图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每一所述开关控制电路包括多个传输管、悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管，所述多个传输管与所述像素组的每一个像素的感光单元对应相连；所述多个传输管的漏极、所述源跟随器的栅极、所述复位管的源极连接于所述悬浮节点；所述步骤S1中通过所述行选通管选中所述像素组。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

步骤S21，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；

步骤S22，并行开启与所述像素组的第一像素的感光单元对应相连的传输管，关断与所述第二像素的感光单元对应相连的传输管，以将所述第一像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点；之后关断与所述第一像素的感光单元对应相连的传输管；

步骤S23，通过所述源跟随器和行选通管将所述第一像素的感光单元的信号输出至***电路进行处理，以形成所述低感光度图像。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：

步骤S31，对所述悬浮节点进行电荷清空和复位；

步骤S32，并行开启与所述像素组的第二像素的感光单元对应相连的传输管，以将所述第二像素的感光单元的信号并行输出至所述悬浮节点；之后关断与所述第二像素的感光单元对应相连的传输管；

步骤S33，通过所述源跟随器和行选通管将所述第二像素的感光单元的信号输出至***电路进行处理，以形成所述高感光度图像。

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