CN112887572A - 图像传感器、摄像模组和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种图像传感器、摄像模组及电子设备，该图像传感器包括多个像素单元，像素单元包括：感光组件，感光组件包括感光元件、第一开关和所感应颜色的滤光片，感光元件和第一开关串联连接在信号端与接地端之间，滤光片的出光面朝向感光元件；重置电路，重置电路连接在电源端与接地端之间，重置电路包括电压比较模块和重置开关，电压比较模块的第一输入端与感光元件的第一端连接，电压比较模块的第二输入端与感光元件的第二端连接，电压比较模块的输出端与重置开关连接；电能存储电路，电能存储电路连接在信号端与接地端之间；计数模块，计数模块与电压比较模块的输出端连接。

Description

图像传感器、摄像模组和电子设备

技术领域

本申请属于光电技术领域，具体涉及一种图像传感器、摄像模组和电子设备。

背景技术

高动态范围(High-Dynamic Range，HDR)是高动态光照渲染，相比普通的图像，HDR可以提供更多的动态范围和图像细节，和人眼看到的图像比较接近。

相关技术中，其根据不同的曝光时间的低动态范围图像，结合曝光融合(exposurefusion)算法来合成最终的HDR图像，使得最终合成的HDR图像更好的反映出真实环境中的视觉效果。然而，移动终端用户在大光比场景下拍照过程中，HDR模式由于抓取的帧曝光差异太大，exposure fusion算法难度大，多帧对齐不容易做好，导致图像失真问题。

发明内容

本申请旨在提供一种图像传感器、摄像模组和电子设备，至少解决背景技术中提到的问题之一。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提出了一种图像传感器，其包括多个像素单元，所述像素单元包括：

感光组件，所述感光组件包括感光元件、第一开关和所感应颜色的滤光片，所述感光元件和所述第一开关串联连接在信号端与接地端之间，所述滤光片的出光面朝向所述感光元件；

重置电路，所述重置电路连接在电源端与所述接地端之间，所述重置电路包括电压比较模块和重置开关，所述电压比较模块的第一输入端与所述感光元件的第一端连接，所述电压比较模块的第二输入端与所述感光元件的第二端连接，所述电压比较模块的输出端与所述重置开关连接；

电能存储电路，所述电能存储电路连接在所述信号端与所述接地端之间；

计数模块，所述计数模块与所述电压比较模块的输出端连接；

其中，对于第一曝光时长内的每一采样时刻，在所述感光元件两端的电压达到预设电压阈值的情况下，所述电压比较模块控制所述重置开关导通以使所述感光元件处于清空状态，以及，所述电压比较模块控制所述计数模块进行一次计数，以由摄像模组的信号处理单元根据所述感光元件在所述第一曝光时长结束时的感光数字值和所述计数模块在所述第一曝光时长结束时的计数结果，获得所述感光元件在所述第一曝光时长内的感光数字值。

第二方面，本申请实施例提出了一种摄像模组，其包括：

电路板；

图像传感器，所述图像传感器与所述电路板电连接，所述图像传感器为根据第二方面所述的图像传感器；以及，

镜头，所述镜头设置在所述图像传感器的远离所述电路板的一侧。

第三方面，本申请实施例提出了一种电子设备，其包括摄像模组，所述摄像模组为根据第三方面所述的摄像模组。

在本申请的实施例中，图像传感器的像素单元包括重置电路，该重置电路包括电压比较模块和重置开关，对于第一曝光时长内的每一采样时刻，在感光元件两端的电压达到预设电压阈值的情况下，电压比较模块会控制重置开关导通以使感光元件处于清空状态并重新开始曝光，以及，电压比较模块会控制计数模块进行一次计数，以由摄像模组的信号处理单元根据感光元件在第一曝光时长结束时的感光数字值和计数模块在第一曝光时长结束时的计数结果，获得感光元件在第一曝光时长内的感光数字值。即，本实施例仅通过一次曝光，就可获取大光比场景的所有信息，无需多帧合成，将能够有效提升拍照画质水平，进而改善图像质量。

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例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的像素单元的结构示意图；

图2为图1中一种像素单元的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图像传感器的像素单元的排列结构示意图；

图4为图1中像素单元的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的摄像模组的排列结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种摄像模组的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

附图标记：

10、610－图像传感器；11、11a、11b、11c－像素单元；111－感光组件；1111－感光元件；1112－滤光片；1113－分光镜；1114－第一开关；1115－电压判断模块；1116－重置开关；1117－计数模块；112－电能存储电路；Vs－信号端；VDD－电源端；GND－接地端；RST－复位开关；SF－源跟随器；SET－选择开关；Vout－信号输出端；600－摄像模组；620－镜头；630－电路板；640－滤光片；650－马达；660－底座；670－保护膜；700－电子设备。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“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该特征。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“行向”、“列向”、“上”、“下”、“外周”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。

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“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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例涉及一种图像传感器，该图像传感器作为摄像模组的组成部分，用于感应光信号，并将光信号转换为电信号输出，以形成图像数据。

下面结合图1至图5描述根据本发明实施例的图像传感器的结构。

如图1所示，根据本发明一些实施例的图像传感器10包括多个像素单元11。这些像素单元11按照设定的规则排列，形成像素阵列，例如，像素阵列中依次包括像素单元11a、像素单元11b、像素单元11c等等。本实施例中，图像传感器10的一个像素单元11对应所采集图像的一个像素点，例如，像素单元11a对应所采集图像的一个像素点，像素单元11b对应所采集图像的一个像素点，以及，像素单元11c对应所采集图像的一个像素点。

下面结合图2，以图像传感器10的一像素单元11为例，说明该像素单元11的基本结构。

如图2所示，该像素单元11包括感光组件111，该感光组件11可以为红色感光组件、绿色感光组件和蓝色感光组件中的任意一个。该红色感光组件用于感应红色(Red，R)光信号，该绿色感光组件用于感应绿色(Green，G)光信号，该蓝色感光组件用于感应蓝色(Blue，B)光信号。其中，红色感光组件R包括感光二极管和覆盖在感光二极管外部的红色光滤光片，绿色感光组件Gb包括感光二极管和覆盖在感光二极管外部的绿色光滤光片，蓝色感光单元B包括感光二极管和覆盖在感光二极管外部的蓝色光滤光片

例如，如图3和图5所示，像素单元11按照设定的规则排列，形成常规的RGB像素阵列，其中，一个像素单元11包括一个感光组件111，也就是说，RGB像素阵列中的感光组件111可以包括红色感光组件R、绿色感光组件Gb、蓝色感光组件B，一个感光组件111可以是红色感光组件R、绿色感光组件Gb、蓝色感光组件B中的任意一个。RGB像素阵列可以为图3和图5所示的拜耳像素阵列。

图5所示的摄像模组为CMOS摄像模组，该摄像模组为CMOS摄像模组。CMOS摄像模组的大致工作流程是：通过大量的感光二极管感知光信号转换成电信号，该电信号通过放大电路进行放大、模数转换电路进行模数转换后，形成数字信号矩阵(即图像)。在本申请实施例中，该摄像模组采用卷帘式曝光，即对像素阵列采用逐行扫描方式进行曝光，直至所有像素点都被曝光。

下面结合图2和图4，以像素单元11的一感光组件111为例，说明感光组件的基本结构。

如图2和图4所示，该感光组件111包括感光元件1111、第一开关1114和所感应颜色的滤光片1112。该感光元件1111和第一开关1114串联连接在信号端Vs与接地端GND之间。该滤光片1112的出光面朝向该感光元件1111，以使得透过该滤光片1112的光能够入射至该感光元件1111上，实现光信号至电信号的转换。

该感光元件1111例如可以是感光二极管。

如图4所示，该像素单元11还包括重置电路，该重置电路连接在电源端VDD2与接地端GND之间，重置电路包括电压比较模块1115和重置开关1116，电压比较模块1115的第一输入端与感光元件1111的第一端连接，电压比较模块1115的第二输入端与感光元件1111的第二端连接，电压比较模块1115的输出端与重置开关1116连接。

该重置开关1116可以是CMOS开关。

如图4所示，该感光元件11还包括计数模块1117，计数模块1117与电压比较模块1115的输出端连接。

在本实施例中，可以是像素阵列中的每一个像素单元11中的感光组件111均设置有重置电路和计数模块，也可以是像素阵列中的任意一个或多个像素单元11中的感光组件设置有重置电路和计数模块。例如，图5中的灰色框表示的像素单元11中的感光组件111设置有重置电路和计数模块，而除灰色框表示的像素单元11之外的其他像素单元11中的感光组件111中不设置重置电路和计数模块。当然，还可以是图5中的所有像素单元11中的感光元件111均设置有重置电路和计数模块。

在本实施例中，以设置有重置电路的感光单元11为例，对于第一曝光时长内的每一采样时刻，在感光元件111两端的电压达到预设电压阈值的情况下，电压比较模块1115控制重置开关11116导通以使感光元件1111处于清空状态，以及，电压比较模块1115控制计数模块进行一次计数，以由摄像模组的信号处理单元根据感光元件在第一曝光时长结束时的感光数字值和计数模块在第一曝光时长结束时的计数结果，获得感光元件1111在第一曝光时长内的感光数字值。

以上预设电压阈值可以是感光元件1111所能承载的最大电压，也可以是感光元件1111所能承载的最大电压的一半，还可以是其他数值，本实施例在此不做限定。例如，曝光参数为1000勒克斯的光曝光1ms，其感光元件1111所能承载的最大电压为10V，此时，该预设电压阈值可以为10V，也可以是小于10V的任意数值，例如可以预设电压阈值可以为5V。

示例性地，以曝光参数为：将1000勒克斯的光曝光1ms，感光元件1111所能承载的最大电压为10V，预设电压阈值为5V为例，即，第一曝光时长为1ms，此时，如果环境的光强度为2000勒克斯，例如可以是在第一曝光时长内的第0.25ms时刻，感光元件1111两端的电压达到预设电压阈值，即，感光元件1111两端的电压为5V，此时，电压比较模块1115会控制重置开关1116导通并清空感光元件1111内的感光电子，重新开始曝光，同时电压比较模块1115会控制计数模块1117进行一次计数，此时i＝0+1。

在第一曝光时长内的第0.5ms时刻，感光元件1111两端的电压又达到预设电压阈值，即，感光元件1111两端的电压为5V，此时，电压比较模块1115会控制重置开关1116导通并清空感光元件1111内的感光电子，重新开始曝光，同时电压比较模块1115会控制计数模块1117进行一次计数，此时i＝0+1+1＝2。

在第一曝光时长内的第0.75ms时刻，感光元件1111两端的电压又达到预设电压阈值，即，感光元件1111两端的电压为5V，此时，电压比较模块1115会控制重置开关1116导通并清空感光元件1111内的感光电子，重新开始曝光，同时电压比较模块1115会控制计数模块1117进行一次计数，此时i＝0+1+1+1＝3。

在第一曝光时长1ms结束时刻，摄像模组的信号处理单元根据感光元件在第一曝光时长1ms结束时的感光数字值500和计数模块1117在第一曝光时长结束1ms结束时的计数结果3＊500，可以获得感光元件在第一曝光时长1ms内的感光数字值即为2000。即，通过第一曝光时长这一次曝光，便可获取大光比场景的所有信息，无需多帧合成，通过后期简单处理便可得到高动态范围图像，相比于多次曝光的方式可以有效的避免图像错位，运动物体ghost等现象，提升最终拍照画质水平和用户体验。

在一些实施例中，如图2所示，该感光组件111还可以包括分光镜1113，该分光镜1113设置在对应的滤光片1112的入光面，该分光镜1113可以汇聚光线，以使得光线投射至对应的滤光片1112上，进而增加能够入射至感光元件111上的光能量。

如图4所示，该像素单元11还可以包括电能存储电路112，该电能存储电路112同样连接在信号端Vs与接地端GND之间。该电能存储电路112包括电容，该电容能够存储感光元件1111释放的电能，以供读取。

本实施例中，以图像传感器10的一像素单元11为例，该像素单元11的感光组件111经过一次曝光获得所感应颜色的光能，并将光能转换为电能存储在感光元件1111中，在选中该像素单元11以读取该像素单元的电信号时，可以控制这些感光组件111的第一开关1114导通，进而使得对应感光元件111将电能释放至电能存储电路112进行存储，以供读取。

例如，以图像传感器10的一像素单元11a为例，在图像传感器完成一次曝光，并选中读取该像素单元的情况下，可以控制与感光组件111a串联的第一开关1114导通，此时，感光组件111a转换红色光能获得电能便可以转移至电能储能电路112，以供读取。

在本申请的实施例中，图像传感器的像素单元包括重置电路，该重置电路包括电压比较模块和重置开关，对于第一曝光时长内的每一采样时刻，在感光元件两端的电压达到预设电压阈值的情况下，电压比较模块会控制重置开关导通以使感光元件处于清空状态并重新开始曝光，以及，电压比较模块会控制计数模块进行一次计数，以由摄像模组的信号处理单元根据感光元件在第一曝光时长结束时的感光数字值和计数模块在第一曝光时长结束时的计数结果，获得感光元件在第一曝光时长内的感光数字值。即，本实施例仅通过一次曝光，就可获取大光比场景的所有信息，无需多帧合成，将能够有效提升拍照画质水平，进而改善图像质量。

在一些实施例中，对于同一像素单元11而言，为了方便分时读取不同感光组件111转换得到的电信号，如图4所示，该像素单元11还可以包括复位开关RST1，该复位开关RST1连接在电源端VDD与信号端Vs之间。该实施例中，控制复位开关RST1截止，可以读取像素单元11的感光组件1111，再完成对该感光组件1111的读取后，控制复位开关RST1导通，便可复位该像素单元11。

在一些实施例中，如图4所示，该像素单元11还可以源跟随器SF和选择开关SET，该源跟随器SF的栅极与信号端Vs连接，源跟随器SF的漏极与电源端VDD3连接，选择开关SET连接在源跟随器SF的源极与像素单元11的输出端Vout之间。该实施例中，源跟随器SF可以对信号端Vs的电信号进行放大处理，以提高信号采集精度。该实施例中，选择开关SET可以在扫描图像传感器10时，选取每次扫描的像素单元11，该选择开关SET根据需要可以是行选择开关，也可以列选择开关，在此不做限定。

例如，如图5所示，该选择开关SET为行选择开关，该行选择开关可以选取每次扫描的像素单元11。

以上实施例中的开关，包括第一开关1114、重置开关1116、选择开关SET，源跟随器SF等，可以是互补金属氧化物半导体CMOS开关，也可以是其他类型的开关，在此不做限定。

接下来以图4为例，根据本申请实施例提供的曝光过程为：

步骤S202、开关管RST1和开关管TG导通，向感光二极管PD的负极和电容FD施加电压，感光二极管PD反向偏置，感光二极管PD和电容FD里面的电子清空归零。

步骤S204、开关管RST1和开关管TG断开，感光二极管PD开始感光储能(对应于曝光开始时间)，两端开始产生压差。

步骤S205、电压判断模块向开关管RST2的控制端发送重置信号，开关管RST2导通一次，感光二极管PD内的光电子被重置，从零重新开始感光储能(对应于重置时间)，两端开始产生压差；同时，电压判断模块向计数模块发送计数信号，计数模块进行一次计数。

步骤S206、开关管RST1导通，再次清空电容FD，以避免电子线路中产生的电流电子导致的干扰/耦合。

步骤S208、开关管RST1断开，开关管TG导通，开关管SET导通(对应于曝光结束时间)，感光二极管PD能量存储到电容FD中，Vout端输出电压信号到像素单元所对应的列放大器。

最终，Vout端输出的电压为从重置时间到曝光结束时间，感光二极管PD感知到的光信号转换出的电压信号。

如图6所示，本发明实施例还提供了一种摄像模组600，该摄像模组600包括图像传感器610，该图像传感器610可以是以上任意实施例的图像传感器10，该摄像模组600还包括镜头620和电路板630，该图像传感器610与电路板630电连接，该电路板630上可以设置信号处理单元和模数转换器等，以通过模数转换器将图像传感器610输出的模拟电信号转换成数字信号，并将数字信号输出至信号处理单元进行信号处理，进而获得图像数据。该镜头620设置在该图像传感器610的远离电路板630的一侧，即，图像传感器610的入光面朝向镜头620。

为了提升摄像模组600的拍摄性能，该摄像模组600还可以包括滤光片640，该滤光片640设置在图像传感器610与镜头620之间，用于在白天拍摄时，滤除人眼不可见的红外光等，以提高所采集图像的有效分辨率和对于色彩的还原性，进而进一步提高所采集图像的质量。

在一些实施例中，该摄像模组600还可以包括马达650，该马达650与镜头620连接，用于驱动镜头620移动。

该摄像模组600可以通过控制马达650驱动镜头620移动，实现自动变焦。

在一些实施例中，该摄像模组600还可以包括用于安装马达650的底座660，以方便进行马达650的安装。

在一些实施例中，该摄像模组600还可以包括设置在镜头620上的保护膜670，以保护镜头620不受损坏。

对于该实施例的摄像模组600，图像传感器的像素单元包括重置电路，该重置电路包括电压比较模块和重置开关，对于第一曝光时长内的每一采样时刻，在感光元件两端的电压达到预设电压阈值的情况下，电压比较模块会控制重置开关导通以使感光元件处于清空状态并重新开始曝光，以及，电压比较模块会控制计数模块进行一次计数，以由摄像模组的信号处理单元根据感光元件在第一曝光时长结束时的感光数字值和计数模块在第一曝光时长结束时的计数结果，获得感光元件在第一曝光时长内的感光数字值。即，本实施例仅通过一次曝光，就可获取大光比场景的所有信息，无需多帧合成，将能够有效提升拍照画质水平，进而改善图像质量。

如图7所示，本发明实施例还提供了一种电子设备700，该电子设备包括根据以上任意实施例的摄像模组600。

例如，该电子设备700包括壳体，该壳体具有透光部。该摄像模组600可以设置在电子设备壳体中，且摄像模组600的镜头610朝向该透光部，以可以通过该透光部进行图像采集。

该电子设备可以是具有摄像功能的任意设备，例如可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备等等，在此不做限定。

以上各实施例重点描述对应实施例与其他实施例间的不同之处，各实施例的相同或者相似部分可以相互参见。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例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例或示例中。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例或示例。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例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例，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例进行多种变化、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 (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，包括多个像素单元，所述像素单元包括：

感光组件，所述感光组件包括感光元件、第一开关和与所感应颜色对应的滤光片，所述感光元件和所述第一开关串联连接在信号端与接地端之间，所述滤光片的出光面朝向所述感光元件；

重置电路，所述重置电路连接在电源端与所述接地端之间，所述重置电路包括电压比较模块和重置开关，所述电压比较模块的第一输入端与所述感光元件的第一端连接，所述电压比较模块的第二输入端与所述感光元件的第二端连接，所述电压比较模块的输出端与所述重置开关连接；

电能存储电路，所述电能存储电路连接在所述信号端与所述接地端之间；

计数模块，所述计数模块与所述电压比较模块的输出端连接；

其中，对于第一曝光时长内的每一采样时刻，在所述感光元件两端的电压达到预设电压阈值的情况下，所述电压比较模块控制所述重置开关导通以使所述感光元件处于清空状态，以及，所述电压比较模块控制所述计数模块进行一次计数，以由摄像模组的信号处理单元根据所述感光元件在所述第一曝光时长结束时的感光数字值和所述计数模块在所述第一曝光时长结束时的计数结果，获得所述感光元件在所述第一曝光时长内的感光数字值。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述电能存储电路包括电容。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括复位开关，所述复位开关连接在所述电源端与所述信号端之间。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素单元还包括源跟随器和选择开关，所述源跟随器的栅极与所述信号端连接，所述源跟随器的漏极与所述电源端连接，所述选择开关连接在所述源跟随器的源极与所述图像传感器的输出端之间。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光组件还包括分光镜，所述分光镜设置在对应的所述滤光片的入光面。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光组件为红色感光组件、绿色感光组件和蓝色感光组件中的任意一个。

7.根据权利要求1－6中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述感光元件为感光二极管。

8.一种摄像模组，其特征在于，包括：

电路板；

图像传感器，所述图像传感器与所述电路板电连接，所述图像传感器为根据权利要求1－7中任一项所述的图像传感器；以及，

镜头，所述镜头设置在所述图像传感器的远离所述电路板的一侧。

9.根据权利要求8所述的摄像模组，其特征在于，所述摄像模组的电路板上设置有信号处理单元和模数转换器。

10.一种电子设备，其特征在于，包括摄像模组，所述摄像模组为根据权利要求8或9所述的摄像模组。

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