專利名稱：在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法及圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領域，具體為在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法 及圖像傳感器。
背景技術：
目前獲取高動態(tài)范圍圖像的方法基本上是基于圖像數據處理獲取靜態(tài)的高動態(tài) 范圍圖像。方法是對感光像素陣列的所有行進行長時間曝光，獲得整幀的長時間曝光信 號，并將獲得的長時間曝光信號存儲到特定的存儲空間；對感光像素陣列的所有行進行短 時間曝光，獲得整幀的短時間曝光信號；將獲得的短時間曝光信號與存儲于特定的存儲空 間中的長時間曝光信號進行合成，采基于此的高動態(tài)范圍圖像獲取方式需要存取整幀的曝 光信號，耗費較多的存儲資源。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題為現有的獲取高動態(tài)范圍圖像的方法，要存儲多幀的 圖像信息，耗費較多的存儲資源。為解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供如下技術方案在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，所述圖像傳感器包括排列為行和列 的感光像素陣列，該方法包括在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，所述圖像傳感器包括排列為行和列 的感光像素陣列，該方法包括A、對感光像素陣列每行分配長曝光時間和短曝光時間，其中所有行內感光像素的 長曝光時間或短曝光時間相同；B、以長曝光時間對當前行進行長時間曝光；采樣當前行長時間曝光信號；對當前 行進行復位，開始以短曝光時間對當前行進行短時間曝光；將采樣的當前行長時間曝光信 號進行逐列讀取并轉換為數字當前行長時間曝光信號存儲至相應的存儲空間，并覆蓋存儲 于存儲空間的前行數據；C、終止當前行短時間曝光，采樣當前行短時間曝光信號，將采樣的當前行短時間 曝光信號進行逐列讀取并轉換為數字當前行短時間曝光信號，將數字當前行短時間曝光信 號與存儲于存儲空間中相應的數字當前行長時間曝光信號進行合成并輸出；D、以步驟B、C對整個感光像素陣列進行逐行處理。進一步地，所述感光像素陣列每一行長時間曝光信號的讀取與每一行短時間曝光 信號的讀取時間相同；所述感光像素陣列每一行的短曝光時間，為每一行長時間曝光信號 或短時間曝光信號的采樣和讀取所用時間之和。進一步地，所述將長時間曝光信號和短時間曝光信號進行合成的方法滿足下列公 式Zi,」=A+Xy+B^i,」，其中Α+Β = 1且A彡0，B彡0，A、B為權重系數，Xijj為位于第i行第j列感光像素的數字長時間曝光信號，Yi, j為位于第i行第j列感光像素的數字 短時間曝光信號。優(yōu)選地，權重系數A = B = 0.5。圖像傳感器，包括排列為行和列的感光像素陣列，根據曝光控制信號，以長曝光時間對當前行進行 長時間曝光；根據長時間曝光采樣信號，采樣當前行長時間曝光信號；根據復位信號，對當 前行進行復位；以短曝光時間對當前行進行短時間曝光，根據短時間曝光采樣信號，采樣當 前行短時間曝光信號；曝光信號讀取單元，在對當前行進行短時間曝光的期間內，根據曝光讀取控制信 號逐列讀取采樣的當前行長時間曝光信號并輸出；根據曝光讀取控制信號逐列讀取采樣的 當前行短時間曝光信號并輸出；模數轉換單元，將逐列讀取后的當前行長時間曝光信號和當前行短時間曝光信號 轉換為數字當前行長時間曝光信號和數字當前行短時間曝光信號，并輸出；存儲單元，用以將當前行數字長時間曝光信號存儲至相應的存儲空間，并覆蓋存 儲于存儲空間的前行數據；合成單元，用以將當前行數字短時間曝光信號與存儲于存儲空間中相應的當前行 數字長時間曝光信號進行合成并輸出；時序控制單元，用以產生曝光控制信號，曝光讀取控制信號，復位信號，長時間曝 光采樣信號，短時間曝光采樣信號；行/列譯碼單元，用以對時序控制單元產生的曝光控制信號，曝光讀取控制信號， 復位信號，長時間曝光采樣信號，短時間曝光采樣信號進行行/列譯碼并輸出至感光像素 陣列。進一步地，將當前行的數字短時間曝光信號與存儲于存儲空間中相應的當前行數 字長時間曝光信號進行合成滿足下列公式Zi, j = A*Xi, j+B*Yi,」，其中A+B = 1且A彡0，B彡0，A、B為權重系數，Xi,」為位于 第i行第j列感光像素的長時間曝光信號，Yi, j為位于第i行第j列感光像素的短時間曝 光信號。優(yōu)選地，權重系數A = B = 0. 5。進一步地，所述感光像素陣列包括排列成行和列的感光像素單元，所述像素單元 包括用于產生光電荷的光檢測元件；用于存儲所述光電荷的存儲裝置；采樣晶體管；采樣晶體管的源極與所述存儲裝置電連接；采樣晶體管的柵極與行 /列譯碼單元匹配電連接；在采樣晶體管的柵極接收長時間曝光采樣信號或短時間曝光 采樣信號時，響應于接收到的采樣信號，將由光檢測元件產生的光電荷轉移到所述存儲裝 置；復位晶體管；復位晶體管的漏極與電源電相連，復位晶體管與采樣晶體管的源極 以及存儲裝置電連接；復位晶體管的柵極與行/列譯碼單元匹配電連接；在復位晶體管的 柵極接收復位信號時，響應于所接收的復位信號將所述存儲裝置的電荷設置到期望值以及將存儲在存儲裝置中的電荷放電以復位存儲裝置；驅動晶體管；驅動晶體管的漏極與電源電連接；驅動晶體管的柵極與復位晶體管 的源極電連接；驅動晶體管響應于加載至其柵極的信號作為源跟隨緩沖放大器；選通晶體管；選通晶體管的漏極與驅動晶體管的源極電連接；選通晶體管的柵極 與行/列譯碼單元匹配電連接；選通晶體管，響應于加載至其柵極的選通信號，輸出長時間 曝光信號或短時間曝光信號。本發(fā)明公開的在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，通過對圖像傳感器中 感光像素陣列分配長曝光時間和短曝光時間，并重復利用同樣的存儲空間分別對各行的長 曝光時間信號和短曝光時間信號進行合成處理，與現有技術相比節(jié)約了較多的存儲資源。


圖1為本發(fā)明實施例圖像傳感器的原理圖；圖2為本發(fā)明實施例感光像素陣列的結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例存儲單元的結構示意圖；圖4為本發(fā)明實施例感光像素陣列中感光像素的電路圖；圖5為本發(fā)明實施例感光像素控制時序圖；圖6為本發(fā)明實施例的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對 本發(fā)明進一步詳細說明。圖2為本發(fā)明實施例感光像素陣列的結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例存儲單元 的結構示意圖；圖5為本發(fā)明實施例感光像素控制時序圖；圖6為本發(fā)明實施例的流程圖； 如圖2、圖3、圖5和圖6所示，在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，所述圖像傳感 器包括排列為m行和η列的感光像素陣列，該方法包括對感光像素陣列每行分配長曝光時間Tl和短曝光時間Τ2，其中特定行內感光像 素的長曝光時間或短曝光時間相同；感光像素陣列每一行的短曝光時間，為每一行長時間 曝光信號或短時間曝光信號的采樣和讀取所用時間之和。如圖2、圖3、圖5所示，在此假感光像素陣列的第1行已操作完畢，設當前行為第 2行，以長曝光時間Tl對第2行進行長時間曝光；采樣第2行長時間曝光信號Χ21，Χ22···Χ2η， 其中η > 1 ；對第2行進行復位；開始以短曝光時間Τ2對第2行進行短時間曝光；以時間Τ3 將采樣的第2行長時間曝光信號逐列讀取并轉換為數字第2行長時間曝光信號Χ21，Χ22···Χ2η 存儲至相應的存儲空間即S11, S12-Sln,即依次將長時間曝光信號X21讀取至存儲空間S11, 將數字長時間曝光信號X22讀取至存儲空間S12，將數字長時間曝光信號X2n讀取至存儲空間 Sln，并覆蓋存儲于存儲空間的第1行的數據；上述的存儲空間由存儲單元提供，在本發(fā)明的 實施例中可以是SRAM (Static Random Access Memory，靜態(tài)隨機存儲器)；終止第2行短時間曝光，采樣第2行短時間曝光信號Y21, Y22-Y2n，以時間T4將采 樣的第2行短時間曝光信號進行逐列讀取并轉換為數字當前行短時間曝光信號Y21，Y22-Y2n，將數字第2行短時間曝光信號Y21，Υ22···Υ2η與存儲于存儲空間中相應的數字第2行長時間曝光信號x21，X22…X2n進行合成，即X21與Y21合成，X22與Y22合成…X2n與Y2n合成，并將合 成后的信號輸出至下一級的數字信號處理單元進行數字信號處理，最后獲得高動態(tài)范圍圖 像，在本實施例中T3 = T4。當前行如果是感光像素陣列的第1行，則其讀取至存儲空間中覆蓋的數據為空數 據。上述數字信號處理單元的部分為現有技術，在此不做贅述。在本發(fā)明實施例中，長時間曝光信號和短時間曝光信號的合成滿足下列公式Zi, j = A*Xi, j+B*Yi,」，其中A+B = 1且A彡0，B彡0，A、B為權重系數，Xi,」為位于 第i行第j列感光像素的長時間曝光信號，Yi, j為位于第i行第j列感光像素的短時間曝 光信號，優(yōu)選地，權重系數A = B = 0.5 ；在本實施例中，第2行的長時間曝光信號和短時間 曝光信號合成后的結果為=Z21 = 0. 5X21+0. 5Y21 ；Z22 = O. 5X22+0. 5Y22 ； ...Ζ2η = 0· 5Χ22+0. 5Υ22。如圖1、圖2、圖3所示本發(fā)明實施例還公開了一種圖像傳感器，包括排列為行和列的感光像素陣列100，根據曝光控制信號，以長曝光時間對當前行進 行長時間曝光；根據長時間曝光采樣信號，采樣當前行長時間曝光信號；根據復位信號，對 當前行進行復位；以短曝光時間對當前行進行短時間曝光，根據短時間曝光采樣信號，采樣 當前行短時間曝光信號；曝光信號讀取單元101，根據曝光讀取控制信號逐列讀取采樣的當前行長時間曝 光信號并輸出；根據曝光讀取控制信號逐列讀取采樣的當前行短時間曝光信號并輸出；模數轉換單元102，將逐列讀取后的當前行長時間曝光信號和當前行短時間曝光 信號轉換為數字當前行長時間曝光信號和數字當前行短時間曝光信號，并輸出；存儲單元103，用以將當前行數字長時間曝光信號存儲至相應的存儲空間，并覆蓋 存儲于存儲空間的前行數據；合成單元104，用以將當前行數字短時間曝光信號與存儲于存儲空間中相應的當 前行數字長時間曝光信號進行合成并輸出；合成單元104可以為加權求和單元。時序控制單元105，用以產生曝光控制信號，曝光讀取控制信號，復位信號，長時間 曝光采樣信號，短時間曝光采樣信號；行/列譯碼單元106，用以對時序控制單元105產生的曝光控制信號，曝光讀取控 制信號，復位信號，長時間曝光采樣信號，短時間曝光采樣信號進行行/列譯碼并輸出至感 光像素陣列。本實施例公開的圖像傳感器的工作過程，與上述在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍 圖像的方法基本相同，在此不再贅述。圖4為本發(fā)明實施例感光像素陣列中感光像素單元的電路圖；如圖4，所述感光像 素單元包括用于產生光電荷的光檢測元件PD ；用于存儲所述光電荷的存儲裝置FD ；采樣晶體管Μ2 ；采樣晶體管的源極與所述存儲裝置電連接；采樣晶體管的柵極與 行/列譯碼單元匹配電連接；在采樣晶體管的柵極接收長時間曝光采樣信號或短時間曝光 采樣信號時，響應于接收到的采樣信號Τχ，將由光檢測元件產生的光電荷轉移到所述存儲 裝置；復位晶體管Ml ；復位晶體管的漏極與電源VDD_Pixel電相連，復位晶體管與采樣晶體管的源極以及存儲裝置電連接；復位晶體管的柵極與行/列譯碼單元匹配電連接；在 復位晶體管的柵極接收復位信號Reset時，響應于所接收的復位信號將所述存儲裝置的電 荷設置到期望值以及將存儲在存儲裝置中的電荷放電以復位存儲裝置；驅動晶體管M3 ；驅動晶體管的漏極與電源電連接；驅動晶體管的柵極與復位晶體 管的源極，存儲裝置，采樣晶體管的源極電連接；驅動晶體管響應于加載至其柵極的信號作 為源跟隨緩沖放大器；選通晶體管M4 ；選通晶體管的漏極與驅動晶體管的源極電連接；選通晶體管的柵 極通過行/列譯碼單元與時序控制單元電連接；選通晶體管，響應于加載至其柵極的選通 信號Sel，輸出長時間曝光信號或短時間曝光信號。感光像素單元產生長時間曝光信號和短時間曝光信號的具體步驟為控制所述復位晶體管Ml的柵極電壓及采樣晶體管M2，對所述光檢測元件PD進行 復位，所述選通晶體管M4不導通。中斷所述復位晶體管Ml及采樣晶體管M2的導通以開始光檢測元件PD的長曝光 時間，在所述感光像素單元累積光生載流子產生長時間曝光信號。控制所述復位晶體管Ml導通及選通晶體管的導通，復位存儲裝置FD，對FD的復位 信號進行采樣。控制所述采樣晶體管M2及選通晶體管M4，將光檢測元件PD的長時間曝光信號Xij 讀出至存儲裝置FDJf FD的曝光信號進行采樣。在對所述感光像素單元長時間曝光信號讀取后，控制所述復位晶體管Ml的柵極 電壓及采樣晶體管M2的柵極，對所述光檢測元件PD進行復位，所述選通晶體管M4不導通。中斷所述復位晶體管Ml及采樣晶體管M2的導通以開始光檢測元件PD的短曝光 時間，在所述像素單元累積光生載流子產生短時間曝光信號。對所述長曝光時間的曝光信號進行讀取并進行模數轉換，存儲至存儲單元?？刂扑鰪臀痪w管Ml導通及選通晶體管的導通，復位存儲裝置FD，對FD的復位 信號進行采樣?？刂扑霾蓸泳w管M2及選通晶體管M4，將光檢測元件PD的短時間曝光信號Yij 讀出至存儲裝置FDJf FD的曝光信號進行采樣。本發(fā)明公開的在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，通過對圖像傳感器中 感光像素陣列分配長曝光時間和短曝光時間，并重復利用同樣的存儲空間分別對各行的長 曝光時間信號和短曝光時間信號進行合成處理，與現有技術相比節(jié)約了較多的存儲資源。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換以及改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，所述圖像傳感器包括排列為行和列的感光像素陣列，其特征在于，該方法包括A、對感光像素陣列每行分配長曝光時間和短曝光時間，其中所有行內感光像素的長曝光時間或短曝光時間相同；B、以長曝光時間對當前行進行長時間曝光；采樣當前行長時間曝光信號；對當前行進行復位，開始以短曝光時間對當前行進行短時間曝光；將采樣的當前行長時間曝光信號進行逐列讀取，并轉換為數字當前行長時間曝光信號存儲至相應的存儲空間，并覆蓋存儲于存儲空間的前行數據；C、終止當前行短時間曝光，采樣當前行短時間曝光信號，將采樣的當前行短時間曝光信號進行逐列讀取并轉換為數字當前行短時間曝光信號，將數字當前行短時間曝光信號與存儲于存儲空間中相應的數字當前行長時間曝光信號進行合成并輸出；D、以步驟B、C對整個感光像素陣列進行逐行處理。
2.根據權利要求1所述的在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，其特征在于， 所述感光像素陣列每一行長時間曝光信號的讀取與每一行短時間曝光信號的讀取時間相 同；所述感光像素陣列每一行的短曝光時間，為每一行長時間曝光信號或短時間曝光信號 的采樣和讀取所用時間之和。
3.根據權利要求1所述的在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，其特征在于， 所述將長時間曝光信號和短時間曝光信號進行合成的方法滿足下列公式Zijj = A*Xi, j+B*Yi,」，其中A+B = 1且A彡0，B彡0，A、B為權重系數，Xijj為位于第i 行第j列感光像素的數字長時間曝光信號，Yi, j為位于第i行第j列感光像素的數字短時 間曝光信號。
4.根據權利要求3所述的在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法，其特征在于， 權重系數A = B = 0. 5。
5.圖像傳感器，其特征在于，包括排列為行和列的感光像素陣列，根據曝光控制信號，以長曝光時間對當前行進行長時 間曝光；根據長時間曝光采樣信號，采樣當前行長時間曝光信號；根據復位信號，對當前行 進行復位；以短曝光時間對當前行進行短時間曝光，根據短時間曝光采樣信號，采樣當前行 短時間曝光信號；曝光信號讀取單元，根據曝光讀取控制信號逐列讀取采樣的當前行長時間曝光信號并 輸出；根據曝光讀取控制信號逐列讀取采樣的當前行短時間曝光信號并輸出；模數轉換單元，將逐列讀取后的當前行長時間曝光信號和當前行短時間曝光信號轉換 為數字當前行長時間曝光信號和數字當前行短時間曝光信號，并輸出；存儲單元，用以將當前行數字長時間曝光信號存儲至相應的存儲空間，并覆蓋存儲于 存儲空間的前行數據；合成單元，用以將當前行數字短時間曝光信號與存儲于存儲空間中相應的當前行數字 長時間曝光信號進行合成并輸出；時序控制單元，用以產生曝光控制信號，曝光讀取控制信號，復位信號，長時間曝光采 樣信號，短時間曝光采樣信號；行/列譯碼單元，用以對時序控制單元產生的曝光控制信號，曝光讀取控制信號，復位信號，長時間曝光采樣信號，短時間曝光采樣信號進行行/列譯碼并輸出至感光像素陣列。
6.根據權利要求5所述的圖像傳感器，其特征在于，將當前行的數字短時間曝光信號 與存儲于存儲空間中相應的當前行數字長時間曝光信號進行合成滿足下列公式Zijj = A*Xi, j+B*Yi,」，其中A+B = 1且A彡0，B彡0，A、B為權重系數，Xijj為位于第i 行第j列感光像素的長時間曝光信號，Yi, j為位于第i行第j列感光像素的短時間曝光信 號。
7.根據權利要求6所述的圖像傳感器，其特征在于，權重系數A= B = 0. 5。
8.根據權利要求5所述的圖像傳感器，其特征在于，所述感光像素陣列包括排列成行和 列的感光像素單元，所述像素單元包括 用于產生光電荷的光檢測元件； 用于存儲所述光電荷的存儲裝置；采樣晶體管；采樣晶體管的源極與所述存儲裝置電連接；采樣晶體管的柵極與行/列 譯碼單元匹配電連接；在采樣晶體管的柵極接收長時間曝光采樣信號或短時間曝光采樣信 號時，響應于接收到的采樣信號，將由光檢測元件產生的光電荷轉移到所述存儲裝置；復位晶體管；復位晶體管的漏極與電源電相連，復位晶體管與采樣晶體管的源極以及 存儲裝置電連接；復位晶體管的柵極與行/列譯碼單元匹配電連接；在復位晶體管的柵極 接收復位信號時，響應于所接收的復位信號將所述存儲裝置的電荷設置到期望值以及將存 儲在存儲裝置中的電荷放電以復位存儲裝置；驅動晶體管；驅動晶體管的漏極與電源電連接；驅動晶體管的柵極與復位晶體管的源 極電連接；驅動晶體管響應于加載至其柵極的信號作為源跟隨緩沖放大器；選通晶體管；選通晶體管的漏極與驅動晶體管的源極電連接；選通晶體管的柵極與行 /列譯碼單元匹配電連接；選通晶體管，響應于加載至其柵極的選通信號，輸出長時間曝光 信號或短時間曝光信號。
全文摘要
本發(fā)明公開的在圖像傳感器中獲得高動態(tài)范圍圖像的方法及圖像傳感器，通過對圖像傳感器中感光像素陣列每行分配長曝光時間和短曝光時間，并重復利用同樣的存儲空間分別對各行的長曝光時間信號和短曝光時間信號進行合成處理，與現有技術相比節(jié)約了較多的存儲資源。
文檔編號H04N5/235GK101909158SQ20091010781
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權日2009年6月5日
發(fā)明者付璟軍, 馮衛(wèi), 張小軍, 彭茂, 胡文閣, 齊良頡 申請人:比亞迪股份有限公司