專利名稱：用于改善圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及圖像感測(cè)裝置，且更具體地說(shuō)，涉及改善CMOS圖像傳感器中的動(dòng)態(tài)范圍。
背景技術(shù)：
圖像傳感器將可見光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。圖像傳感器是由像素的陣列形成，每一像素將從光源接收的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常規(guī)圖像傳感器主要用于數(shù)碼相機(jī)中，且可屬于兩種類別中的一者電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。圖像傳感器的許多應(yīng)用需要比常規(guī)CMOS圖像傳感器所能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍高的動(dòng)態(tài)范圍(即，較高的明度差別)。因此，需要改善圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種用于用圖像感測(cè)裝置感測(cè)圖像的方法，所述圖像感測(cè)裝置包括具有多行像素的圖像傳感器，所述方法包括對(duì)所述多行像素中的一行執(zhí)行快門操作；在執(zhí)行所述快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣，所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于所述圖像感測(cè)裝置的行時(shí)間周期的倍數(shù)。在另一方面中，本發(fā)明提供一種圖像感測(cè)裝置，其包括具有多行像素的圖像傳感器；用于控制每一行像素的曝光的控制器，所述控制器經(jīng)編程以對(duì)所述多行像素中的一行執(zhí)行快門操作；在執(zhí)行所述快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣，所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于所述圖像感測(cè)裝置的行時(shí)間周期的倍數(shù)。


在結(jié)合附圖閱讀時(shí)可從以下詳細(xì)描述最佳地理解本發(fā)明，在附圖中，相同元件具有相同參考數(shù)字。當(dāng)存在多個(gè)類似元件時(shí)，單一參考數(shù)字可指派給所述多個(gè)類似元件，小寫字母標(biāo)記指代特定元件。當(dāng)共同提及所述元件或提及所述元件中的非特定的一者或一者以上時(shí)，可舍棄所述小寫字母標(biāo)記。根據(jù)常識(shí)，除非另外指出，否則圖式的各種特征未按比例繪制。相反，各種特征的尺寸可能為了清楚起見而擴(kuò)大或減小。圖式中包含下圖圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的實(shí)例圖像感測(cè)裝置的圖；圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方面的實(shí)例圖像感測(cè)操作的時(shí)序圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面的用于感測(cè)圖像的實(shí)例方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本文中所述的本發(fā)明的方面可用于多種電子裝置中，所述電子裝置包含例如數(shù)碼相機(jī)。所揭示的裝置和方法在圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍方面實(shí)現(xiàn)改善。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍取決于圖像傳感器的像素的最長(zhǎng)積分時(shí)間(或曝光時(shí)間)與最短積分時(shí)間的比率。典型地，圖像傳感器的最長(zhǎng)積分時(shí)間受到可用于幀中的行數(shù)的限制，且最短積分時(shí)間受到行時(shí)間周期的持續(xù)時(shí)間的限制。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“行時(shí)間周期”指代圖像感測(cè)裝置的快門速度(即，1/60秒)除以在幀中曝光的圖像傳感器的行數(shù)。本發(fā)明的方面涉及實(shí)施具有可變積分時(shí)間的圖像傳感器，所述可變積分時(shí)間可小于行時(shí)間周期。所揭示的裝置和方法可由如本文將描述的具有共享和非共享像素陣列的圖像傳感器使用。本文所揭示的實(shí)例實(shí)施例尤其適合結(jié)合互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器來(lái)使用。常規(guī)上，CMOS圖像傳感器在將像素曝光于光源期間執(zhí)行“滾動(dòng)快門”操作。在滾動(dòng)快門操作中，圖像傳感器中的所有像素行并不同時(shí)曝光。而是，圖像傳感器中的所有像素行通過(guò)跨越圖像傳感器掃描快門操作而逐行依次曝光。盡管本文在CMOS圖像傳感器的情況下描述本發(fā)明的實(shí)例實(shí)施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明不限于此?，F(xiàn)在參看圖式，圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方面的實(shí)例圖像感測(cè)裝置100。圖像感測(cè)裝置100可為例如數(shù)碼相機(jī)等電子裝置。作為一般概述，圖像感測(cè)裝置100包含圖像傳感器120和控制器140。下文描述圖像感測(cè)裝置100的額外細(xì)節(jié)。圖像傳感器120包含多行像素122。像素122將由圖像傳感器120接收的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。每一像素122包含光檢測(cè)器、浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)、轉(zhuǎn)移晶體管、復(fù)位晶體管，和行選擇晶體管(所述晶體管中的每一者具有相應(yīng)命名的柵極)。所述光檢測(cè)器可包括例如釘扎半導(dǎo)體p-n結(jié)二極管(即，光電二極管)。簡(jiǎn)要地說(shuō)，p-n結(jié)常用于檢測(cè)光信號(hào)。p-n結(jié)典型地被反向偏置，從而在圍繞p-n結(jié)的體積中產(chǎn)生耗盡區(qū)。由此，照射P-n結(jié)的光引起半導(dǎo)體材料的價(jià)帶中的電子過(guò)渡到導(dǎo)帶，從而在耗盡區(qū)中產(chǎn)生電洞-電子對(duì)，所述電洞-電子對(duì)在相反方向上被掃出耗盡區(qū)。結(jié)電位的由于耗盡區(qū)的崩潰而引起的改變被檢測(cè)為指示由像素122吸收的光的強(qiáng)度的信號(hào)。本文稍后將更詳細(xì)地描述像素122的進(jìn)一步操作。在一實(shí)例實(shí)施例中，圖像傳感器120為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將從本文的描述中理解此種圖像傳感器120的制造。控制器140控制圖 像傳感器120的曝光。具體地說(shuō)，控制器140經(jīng)編程以對(duì)圖像傳感器120中的每一行像素執(zhí)行快門操作?？刂破?40可執(zhí)行例如如上文所述的滾動(dòng)快門操作。此外，控制器140經(jīng)編程以在執(zhí)行快門操作之后對(duì)每一行像素進(jìn)行取樣。具體地說(shuō)，控制器140經(jīng)編程以在執(zhí)行快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)每一行進(jìn)行取樣。在常規(guī)圖像感測(cè)裝置中，此種取樣在從快門操作起已過(guò)去或以上行時(shí)間周期之后發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的方面，控制器140在與圖像感測(cè)裝置100的行時(shí)間周期不同，且更具體地說(shuō)，與圖像感測(cè)裝置100的行時(shí)間周期的任何整數(shù)倍不同的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)每一行進(jìn)行取樣。下文將描述圖像感測(cè)裝置100中的控制器140的進(jìn)一步操作。在一實(shí)例實(shí)施例中，控制器140由微處理器組成。微處理器可利用常規(guī)電子邏輯組件來(lái)執(zhí)行本文所述的實(shí)例操作。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將從本文的描述中理解用于供本發(fā)明使用的適當(dāng)控制器140?，F(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的方面的圖像感測(cè)裝置100的操作。在實(shí)例操作中，圖像感測(cè)裝置100用圖像傳感器120接收信號(hào)以獲得圖像。圖像感測(cè)裝置100從例如用戶接收此種信號(hào)，或可自動(dòng)產(chǎn)生此種信號(hào)。在接收到信號(hào)時(shí)，圖像感測(cè)裝置100的控制器140隨即將圖像傳感器120中的每一行像素122曝光于光源(即，待成像的場(chǎng)景)。為了曝光一行像素122，控制器140經(jīng)編程以對(duì)所述行執(zhí)行快門操作。所述快門操作可為跨越圖像傳感器120中的每一行像素的滾動(dòng)快門操作。在實(shí)例操作中，控制器通過(guò)針對(duì)行中的每一像素122接通和斷開復(fù)位柵極和轉(zhuǎn)移柵極以使所述像素復(fù)位來(lái)執(zhí)行快門操作。每一像素122的積分(或曝光)時(shí)間在執(zhí)行快門操作之后開始。在此積分時(shí)間期間，每一像素122的光檢測(cè)器從光源接收光子。光子的此接收如上所述在光檢測(cè)器中產(chǎn)生電荷。在預(yù)定持續(xù)時(shí)間(對(duì)應(yīng)于所需積分時(shí)間)之后，控制器140經(jīng)編程以對(duì)所述行像素122進(jìn)行取樣。控制器140在對(duì)每一行像素執(zhí)行快門操作之后的相同預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)那一行進(jìn)行取樣。所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間可小于行時(shí)間周期，或可大于行時(shí)間周期。利用小于圖像傳感器的行時(shí)間周期的積分時(shí)間會(huì)增加最長(zhǎng)積分時(shí)間與最短積分時(shí)間之間的比率，且由此合意地改善圖像傳感器120的動(dòng)態(tài)范圍。在一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，每一像素122包括非共享浮動(dòng)擴(kuò)散。在此實(shí)施例中，控制器140通過(guò)針對(duì)行中的每一像素122接通轉(zhuǎn)移柵極來(lái)對(duì)每一像素122進(jìn)行取樣。接通轉(zhuǎn)移柵極會(huì)將在曝光期間于光檢測(cè)器中產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散。一旦電荷已轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散，控制器140就可接通行選擇柵極以將電荷從浮動(dòng)擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到像素122的相關(guān)聯(lián)的列線。光檢測(cè)器和浮動(dòng)擴(kuò)散可接著通過(guò)接通像素122的復(fù)位柵極而復(fù)位。在此轉(zhuǎn)移操作之前，可作為相關(guān)雙取樣操作的一部分對(duì)浮動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)行復(fù)位和取樣。在一替代實(shí)施例中，像素122的多個(gè)行包括多個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散。在此實(shí)施例中，控制器140通過(guò)針對(duì)共享浮動(dòng)擴(kuò)散的像素行依序接通轉(zhuǎn)移柵極、針對(duì)共享浮動(dòng)擴(kuò)散接通行選擇和轉(zhuǎn)移柵極，且接著針對(duì)共享浮動(dòng)擴(kuò)散接通復(fù)位柵極，隨后針對(duì)共享浮動(dòng)擴(kuò)散的下一行像素接通轉(zhuǎn)移柵極來(lái)對(duì)每一像素122進(jìn)行取樣。以此方式，可使用共享浮動(dòng)擴(kuò)散單獨(dú)轉(zhuǎn)移來(lái)自光檢測(cè)器的每一行的電荷。圖2是說(shuō)明圖像感測(cè)裝置100的多個(gè)行時(shí)間周期內(nèi)的上述快門操作與取樣操作之間的關(guān)系的時(shí)序 圖200。多個(gè)行時(shí)間周期202說(shuō)明于圖2中。在每一行時(shí)間周期202期間，控制器140執(zhí)行展示為框204的快門操作(如上所述)。此外，在每一行時(shí)間周期202期間，控制器140執(zhí)行展示為框206的取樣操作(如上所述)。如圖2所示，每一快門操作與隨后取樣操作之間的預(yù)定持續(xù)時(shí)間(或積分時(shí)間)小于圖像感測(cè)裝置100的行時(shí)間周期202。對(duì)于快門操作204a，積分時(shí)間的長(zhǎng)度由線208說(shuō)明。對(duì)于快門操作204b，積分時(shí)間的長(zhǎng)度由線210說(shuō)明。對(duì)于快門操作204c，積分時(shí)間的長(zhǎng)度由線212說(shuō)明。顯然，積分時(shí)間208、210、212中無(wú)一者在持續(xù)時(shí)間上等于行時(shí)間周期202或行時(shí)間周期的整數(shù)倍。如圖2所示，圖像感測(cè)裝置100可經(jīng)配置以在每一行時(shí)間周期202期間在不同時(shí)間執(zhí)行快門操作。不同操作模式214展示于圖2中。當(dāng)圖像感測(cè)裝置100在第一操作模式214a中操作時(shí)，控制器140將信號(hào)發(fā)送到圖像傳感器120以在曝光期間執(zhí)行快門操作204a ;在第二操作模式214b中，控制器140將信號(hào)發(fā)送到圖像傳感器120以在曝光期間執(zhí)行快門操作204b ;且在第三操作模式214c中，控制器140將信號(hào)發(fā)送到圖像傳感器120以在曝光期間執(zhí)行快門操作204c。盡管在圖2中展示短于行時(shí)間周期的積分時(shí)間，但將理解，本發(fā)明不限于此。為將積分時(shí)間延長(zhǎng)到超出行時(shí)間周期(如線216和218所說(shuō)明)，控制器140可經(jīng)編程以延遲對(duì)必須執(zhí)行快門或取樣操作的像素行的定址。如圖2所示，線218的積分時(shí)間可等于一個(gè)行時(shí)間周期加上線210的積分時(shí)間。如果需要，延遲可延長(zhǎng)到多個(gè)行。圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的方面用于用圖像感測(cè)裝置感測(cè)圖像的實(shí)例方法300的流程圖。所述圖像感測(cè)裝置可為例如數(shù)碼相機(jī)等電子裝置。作為一般概述，方法300包含對(duì)一行像素執(zhí)行快門操作和對(duì)所述行像素進(jìn)行取樣。本文關(guān)于圖像感測(cè)裝置100的組件描述方法300的額外細(xì)節(jié)。在步驟310中，對(duì)一行像素執(zhí)行快門操作。在一實(shí)例實(shí)施例中，控制器140對(duì)于圖像傳感器120中的一行像素122執(zhí)行快門操作。如上所述，所述快門操作可為跨越每一行像素122的滾動(dòng)快門操作。在步驟320中，在執(zhí)行快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)像素行進(jìn)行取樣。在一實(shí)例實(shí)施例中，控制器140在快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)像素行進(jìn)行取樣。所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于圖像感測(cè)裝置100的行時(shí)間周期，且更具體地說(shuō)，不同于圖像感測(cè)裝置100的行時(shí)間周期的任何倍數(shù)。本發(fā)明的方面涉及用于改善圖像傳感器中的動(dòng)態(tài)范圍的方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，揭示一種用于用圖像感測(cè)裝置感測(cè)圖像的方法。所述圖像感測(cè)裝置包括具有多行像素的圖像傳感器。所述方法包括對(duì)多行像素的中的一行執(zhí)行快門操作，且在執(zhí)行快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣。所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于圖像感測(cè)裝置的行時(shí)間周期的倍數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，揭示一種圖像感測(cè)裝置。所述圖像感測(cè)裝置包括具有多行像素的圖像傳感器和用于控制每一行像素的曝光的控制器。所述控制器經(jīng)編程以執(zhí)行上述方法。盡管本文參考 特定實(shí)施例說(shuō)明且描述了本發(fā)明，但不希望本發(fā)明限于所展示的細(xì)節(jié)。相反，可在權(quán)利要求書的等效物的范圍內(nèi)在細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種修改，而不脫離本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于用圖像感測(cè)裝置感測(cè)圖像的方法，所述圖像感測(cè)裝置包括具有多行像素的圖像傳感器，所述方法包括 對(duì)所述多行像素中的一行執(zhí)行快門操作； 在執(zhí)行所述快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣，所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于所述圖像感測(cè)裝置的行時(shí)間周期的倍數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述執(zhí)行步驟包括對(duì)所述多行像素執(zhí)行滾動(dòng)快門操作；且 所述取樣步驟包括在所述執(zhí)行相關(guān)聯(lián)的快門操作之后的所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的每一行進(jìn)行取樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述執(zhí)行步驟包括針對(duì)所述行中的每一像素接通和斷開復(fù)位柵極和轉(zhuǎn)移柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中 每一像素包括非共享浮動(dòng)擴(kuò)散；且 所述取樣步驟包括針對(duì)所述行中的每一像素接通轉(zhuǎn)移柵極和行選擇柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中 所述多行像素包括多個(gè)共享浮動(dòng)擴(kuò)散，所述多個(gè)共享浮動(dòng)擴(kuò)散跨越多個(gè)行而被共享；且 所述取樣步驟包括針對(duì)共享浮動(dòng)擴(kuò)散的第一行像素依序接通所述轉(zhuǎn)移柵極、針對(duì)所述第一行接通所述行選擇柵極，且接著針對(duì)所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散接通所述復(fù)位柵極，隨后針對(duì)所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散的第二行像素接通轉(zhuǎn)移柵極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間小于一個(gè)行時(shí)間周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間大于一個(gè)行時(shí)間周期。
8.一種圖像感測(cè)裝置，其包括 具有多行像素的圖像傳感器； 用于控制每一行像素的曝光的控制器，所述控制器經(jīng)編程以 對(duì)所述多行像素中的一行執(zhí)行快門操作； 在執(zhí)行所述快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣，所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于所述圖像感測(cè)裝置的行時(shí)間周期的倍數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像感測(cè)裝置，其中 所述控制器經(jīng)編程以對(duì)所述多行像素執(zhí)行滾動(dòng)快門操作；且 所述控制器經(jīng)編程以在所述執(zhí)行相關(guān)聯(lián)的快門操作之后的所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的每一行進(jìn)行取樣。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像感測(cè)裝置，其中 所述控制器通過(guò)針對(duì)所述行中的每一像素接通和斷開復(fù)位柵極和轉(zhuǎn)移柵極來(lái)執(zhí)行所述快門操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像感測(cè)裝置，其中 每一像素包括非共享浮動(dòng)擴(kuò)散；且 所述控制器通過(guò)針對(duì)所述行中的每一像素接通轉(zhuǎn)移柵極和行選擇柵極來(lái)對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像感測(cè)裝置，其中 所述多行像素包括多個(gè)共享浮動(dòng)擴(kuò)散，所述多個(gè)共享浮動(dòng)擴(kuò)散跨越多個(gè)行而被共享；且 所述控制器通過(guò)針對(duì)共享浮動(dòng)擴(kuò)散的像素的第一行依序接通所述轉(zhuǎn)移柵極、針對(duì)所述第一行接通所述行選擇柵極一且接著針對(duì)所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散接通所述復(fù)位柵極，隨后針對(duì)所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散的像素的第二行接通轉(zhuǎn)移柵極來(lái)對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像感測(cè)裝置，其中所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間小于一個(gè)行時(shí)間周期。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像感測(cè)裝置，其中所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間大于一個(gè)行時(shí)間周期。
全文摘要
本發(fā)明揭示用于改善圖像傳感器中的動(dòng)態(tài)范圍的方法和裝置。圖像感測(cè)裝置包括具有多行像素的圖像傳感器和用于控制每一行像素的曝光的控制器。所述控制器經(jīng)編程以對(duì)所述多行像素中的一行像素執(zhí)行快門操作，且在執(zhí)行快門操作之后的預(yù)定持續(xù)時(shí)間之后對(duì)所述多行中的所述一行進(jìn)行取樣。所述預(yù)定持續(xù)時(shí)間不同于所述圖像感測(cè)裝置的行時(shí)間周期的倍數(shù)。
文檔編號(hào)H04N5/355GK103037176SQ20121037074
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者索拉博·雅格麥 申請(qǐng)人:普廷數(shù)碼影像控股公司