CN106303307B - 图像传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，控制所述图像传感器的像素进行长积分及短积分；及S2，在所述像素长积分的任一三原色值饱和时通过未饱和的所述原色值及短积分的所述三原色值之间的原色值比例来计算饱和的所述原色值的实际大小。本发明还提供一种图像传感器。因此，本发明实施方式的图像传感器及其控制方法在提升动态范围的同时避免暗电流增加及噪声变大。

Description

图像传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及成像技术，特别涉及一种图像传感器及其控制方法。

背景技术

互补型金属氧化物半导体场效应(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)图像传感器包括像素阵列(pixel array)、控制电路、模拟前端处理电路、A/D转换器、图像信号处理电路及相关存储器等。随着CMOS图像传感器的发展，像素尺寸越来越小，但较小尺寸的像素的动态范围受光电二极管饱和电子容量限制。

现有技术主要通过提高N型离子的注入能量和注入剂量来提高光电二极管的光电荷容纳能力，来提升光电二极管的感光能力；或增加光电二极管的深度来增加光电二极管对电子的收集能力来提高光电二极管的电荷容纳能力，提升光电二极管的感光能力。

但是，提高PDN离子的注入能量和注入剂量来提升光电二极管的电荷容纳能力，会增加升光电二极管的耗尽(Pinned)电压，另外，暗电流偏大。大剂量大能量的注入使晶格损伤加大等，造成暗电流增加及噪声变大。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种图像传感器及其控制方法。

本发明实施方式的图像传感器包括：

像素阵列；

控制器，用于控制所述像素阵列的像素短积分以获得三原色值之间的原色值比例，所述控制器还用于控制所述像素长积分；

处理器，用于在所述像素长积分的任一所述三原色值饱和时通过所述像素长积分的未饱和的原色值及所述原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

在某些实施方式中，所述处理器包括：

判断单元，用于判断所述像素长积分的任一所述三原色值是否饱和；及

计算单元，用于在任一所述三原色值饱和时计算所述原色值比例及根据所述未饱和的原色值及所述原色值比例来计算所述饱和的原色值的实际大小。

在某些实施方式中，所述判断单元还用于在所述像素的所述三原色值均未饱和时通知所述计算单元略过所述像素的计算。

在某些实施方式中，所述控制器还用于控制所述像素阵列逐行读出积分数据；所述图像传感器还包括存储器；所述存储器包括多行存储单元；每行所述存储单元用于存储一行所述积分数据；所述控制器用于控制所述像素阵列逐行长积分并逐行读出长积分数据，所述控制器用于将所述长积分数据依次存储到奇数行的所述存储单元后控制所述像素阵列复位开始短积分，所述控制器还用于控制所述像素阵列在读出第k行的长积分数据时逐行读出短积分数据，所述控制器用于将所述短积分数据依次存储到偶数行的所述存储单元。

本发明实施方式的图像传感器的控制方法，其包括以下步骤：

S1，控制所述图像传感器的像素进行长积分及短积分；

S2，在所述像素长积分的任一三原色值饱和时通过所述像素长积分的未饱和的原色值及所述像素短积分的三原色值之间的原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

在某些实施方式中，所述步骤S2包括：

S21：判断所述像素长积分的任一所述三原色值是否饱和；及

S22：在任一所述三原色值饱和时计算所述原色值比例及根据所述未饱和的原色值及所述原色值比例来计算所述饱和的原色值的实际大小。

在某些实施方式中，所述步骤S2包括：

在所述像素的所述三原色值均未饱和时通知所述图像传感器的计算单元略过所述像素的计算。

在某些实施方式中，所述步骤S1包括：

控制所述图像传感器的像素阵列逐行长积分并逐行读出长积分数据，将所述长积分数据依次存储到所述图像传感器的存储器的奇数行的所述存储单元后控制所述像素阵列复位开始短积分，控制所述像素阵列在读出第k行的长积分数据时逐行读出短积分数据，将所述短积分数据依次存储到偶数行的所述存储单元。

本发明实施方式的图像传感器及其控制方法在提升动态范围的同时避免暗电流增加及噪声变大。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的一个实施方式的图像传感器的功能模块示意图。

图2是本发明的一个实施方式的图像传感器的工作原理图。

图3是本发明的一个实施方式的图像传感器的另一个工作原理图。

图4是本发明的一个实施方式的图像传感器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语″中心″、″纵向″、″横向″、″长度″、″宽度″、″厚度″、″上″、″下″、″前″、″后″、″左″、″右″、″竖直″、″水平″、″顶″、″底″、″内″、″外″、″顺时针″、″逆时针″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有″第一″、″第二″的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，″多个″的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之″上″或之″下″可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征″之上″、″上方″和″上面″包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征″之下″、″下方″和″下面″包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明的实施方式图像传感器100包括像素阵列10、控制器20及处理器30。控制器20用于控制像素阵列10的像素11短积分以获得三原色值之间的原色值比例，控制器20还用于控制像素11长积分。处理器30用于在像素11长积分的任一三原色值饱和时通过未饱和的原色值及原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

本实施方式中，像素阵列10具有拜耳(Bayer)结构，即红色像素(设有红色带通滤光片，使得仅有红色光能通过被感测)11r、绿色像素(设有绿色带通滤光片，使得仅有绿色光能通过被感测)11gb、11gr及蓝色像素(设有蓝色带通滤光片，使得仅有蓝色光能通过被感测)11b构成拜耳单元12。拜耳单元12里的每个像素11r、11gb、11gr或11b的像素值(颜色值)均由三原色值表示(根据色彩理论，每个颜色值均可以分解成红色、绿色及蓝色三原色值，即可以由红色、绿色及蓝色三原色值表示)，即红色值R(即红色像素11r的像素值)、绿色值G(即绿色像素11gb、11gr的像素值均值)及蓝色值B(即蓝色像素11b的像素值)。

也即是说，在本实施方式中，三原色为光学三原色(RGB)。当然，在其他实施方式中，所述三原色还可以是印刷三原色(光学三原色的补色)：青(C)、品红(M)、黄(Y)。

请一并参阅图2，控制器20通过曝光时间T可以控制像素阵列10的每个像素11r、11gb、11gr或11b的电荷积分时间(例如为曝光时间T)从而可以确定每个像素11r、11gb、11gr或11b的三原色值R、G、B。然而，在实际使用过程中，某些场景的明暗对比过于强烈，使得为了得到某些暗部的特性就需采用较长的曝光时间T，而在这种情况下，限于像素阵列10自身的动态范围，某些亮部的某些原色值可能会发生过曝，超出像素阵列10的动态范围之外，例如图2所示，在积分时间(为曝光时间T)后，绿色像素11gb、11gr及蓝色像素11b过曝(电荷溢出)，无法表示每个像素11r、11gb、11gr或11b真实的原色值G、B。

然而，对于每个像素11r、11gb、11gr或11b来说，在一定时间内，颜色值是固定的，即是说，三原色值的比例(即R∶G∶B，称为原色值比例)是固定的，因此，在整个积分过程中，原色值比例不会发生改变。

如此，可以利用每个像素11r、11gb、11gr或11b的短积分来获得原色值比例(积分时间远小于曝光时间T，此时每个像素11r、11gb、11gr或11b均不会过曝，因此，原色值比例是真实的)，然后，在长积分时若有任一原色值R、G、B饱和，则通过未饱和的原色值及原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

例如，在图2中，通过短积分(积分时间为T′远小于曝光时间T)可以得到三原色值R′、G′、B′，并因此得到原色值比例R′∶G′∶B′。而在长积分(积分时间为曝光时间T)时，原色值G、B饱和，即绿色像素11gb、11gr及蓝色像素11b过曝。然而，原色值G、B的实际大小可以通过下面计算得到：

G＝(G′＊R)/R′；及

B＝(B′＊R)/R′。

因此，本发明实施方式的图像传感器10在未采用通过提高N型离子的注入能量和注入剂量来提高光电二极管的光电荷容纳能力来提升像素阵列的动态范围，避免暗电流增加及噪声变大。

在本实施方式中，处理器包括判断单元31及计算单元32。判断单元31用于判断长积分的任一三原色值R、G、B是否饱和。计算单元32用于在任一三原色值R、G、B饱和时计算原色值比例R′∶G′∶B′及根据未饱和的原色值及原色值比例R′∶G′∶B′来计算饱和的原色值的实际大小。

请参阅图3，对于某些暗部像素11r、11gb、11gr或11b，在长积分时，三原色值R、G、B均未饱和，因此，无需计算，如此，通过判断单元31先判断后来通知计算单元32略去像素11r、11gb、11gr或11b的原色值比例的计算，可以减少计算量。

控制器10还用于控制像素阵列10逐行读出积分数据(即整行的像素值)。图像传感器10还包括有存储器40。存储器40划分成多行存储单元，例如十行存储单元41-4a。每行存储单元用于存储(缓存)一行积分数据。

本实施方式中，控制器20控制像素阵列10逐行长积分并逐行读出积分数据依次存储到奇数行存储单元后复位进行短积分，并在读出k行的积分数据时逐行读出短积分数据依次存储到偶数行存储单元。复位是指对像素进行电荷清零(k为自然数)。

例如，以k＝4为例，曝光开始时，控制器20控制像素阵列10的第1行至第N行(N为像素阵列10的总行数，每行的时间间隙为t)逐行长积分，并在第n行(n为自然数，一般为几十或几百)开始长积分时读出第1行的长积分数据(即曝光时间T＝(n-1)＊t)，然后第1行复位进行短积分；在第n+1行开始长积分时，读出第2行的长积分数据，然后第2行复位进行短积分，依次类推。

在读出第4行(k＝4)的长积分数据4并存储到存储单元41后读出第1行的短积分数据1′并存储到存储单元42；在读出第5行的长积分数据5并存储到存储单元42后读出第2行的短积分数据2′，依次类推，直至读出第8行的长积分数据8并存储到存储单元49后读出第5行的短积分数据5′后，存储器40满。读出第9行的长积分数据9将存储于存储单元1而第6行的短积分数据6′将存储于存储单元42，开始新的循环。而第4行的长积分数据4及第1行的短积分数据1′已经读出到处理器30进行处理，例如判断或计算。

如此，一来可以利用后面行的像素长积分时，利用长积分完成后的前面行进行短积分，从而使整个曝光过程更加紧凑。另外，还可以提高存储器40的利用率。

请参阅图4，本发明的实施方式的图像传感器的控制方法包括：

S1，控制像素11r、11gb、11gr或11b进行长积分及短积分；

S2，在像素11r、11gb、11gr或11b长积分的任一三原色值R、G、B饱和时通过未饱和的原色值R、G或B及短积分的三原色值R′、G′、B′之间的原色值比例R′∶G′∶B′来计算饱和的原色值的实际大小。

在某些实施方式中，步骤S2包括：

S21：判断像素11r、11gb、11gr或11b长积分的任一三原色值R、G、B是否饱和；及

S22：在任一三原色值饱和时计算原色值比例R′、G′、B′及根据未饱和的原色值及原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

在某些实施方式中，步骤S2包括：

在像素的三原色值R、G、B均未饱和时通知计算单元32略过像素11r、11gb、11gr或11b的计算。

在某些实施方式中，步骤S1包括：

控制像素阵列10逐行长积分并逐行读出长积分数据依次存储到存储器40的奇数行存储单元后复位开始短积分，并在读出第k行的长积分数据时逐行读出短积分数据依次存储到存储器40的偶数行存储单元。

在本说明书的描述中，参考术语″一个实施方式″、″一些实施方式″、″示意性实施方式″、″示例″、″具体示例″、或″一些示例″等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括：

像素阵列；

控制器，用于控制所述像素阵列的像素短积分以获得三原色值之间的原色值比例，所述控制器还用于控制所述像素长积分；

处理器，用于在所述像素长积分的任一所述三原色值饱和时通过所述像素长积分的未饱和的原色值及所述原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述处理器包括：

判断单元，用于判断所述像素长积分的任一所述三原色值是否饱和；及

计算单元，用于在任一所述三原色值饱和时计算所述原色值比例及根据所述未饱和的原色值及所述原色值比例来计算所述饱和的原色值的实际大小。

3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述判断单元还用于在所述像素的所述三原色值均未饱和时通知所述计算单元略过所述像素的计算。

4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述控制器还用于控制所述像素阵列逐行读出积分数据；所述图像传感器还包括存储器；所述存储器包括多行存储单元；每行所述存储单元用于存储一行所述积分数据；所述控制器用于控制所述像素阵列逐行长积分并逐行读出长积分数据，所述控制器用于将所述长积分数据依次存储到奇数行的所述存储单元后控制所述像素阵列复位开始短积分，所述控制器还用于控制所述像素阵列在读出第k行的长积分数据时逐行读出短积分数据，所述控制器用于将所述短积分数据依次存储到偶数行的所述存储单元。

5.一种图像传感器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，控制所述图像传感器的像素进行长积分及短积分；及

S2，在所述像素长积分的任一三原色值饱和时通过所述像素长积分的未饱和的原色值及所述像素短积分的三原色值之间的原色值比例来计算饱和的原色值的实际大小。

6.如权利要求5所述的图像传感器的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21：判断所述像素长积分的任一所述三原色值是否饱和；及

S22：在任一所述三原色值饱和时计算所述原色值比例及根据所述未饱和的原色值及所述原色值比例来计算所述饱和的原色值的实际大小。

7.如权利要求6所述的图像传感器的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

在所述像素的所述三原色值均未饱和时通知所述图像传感器的计算单元略过所述像素的计算。

8.如权利要求6所述的图像传感器的控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

控制所述图像传感器的像素阵列逐行长积分并逐行读出长积分数据，将所述长积分数据依次存储到所述图像传感器的存储器的奇数行的所述存储单元后控制所述像素阵列复位开始短积分，控制所述像素阵列在读出第k行的长积分数据时逐行读出短积分数据，将所述短积分数据依次存储到偶数行的所述存储单元。