灰度彩色雙模式tdi-cmos圖像傳感器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器領域，為提供一種利用時間延遲積分的能同時獲取彩色和灰度圖像的TDI-CMOS圖像傳感器，為此，本發(fā)明采用的技術方案是，灰度彩色雙模式TDI-CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)為，TDI-CMOS圖像傳感器像素陣列尺寸為M×N，M為TDI級數(shù)，N為TDI-CMOS圖像傳感器線列方向長度；在像素陣列的第1行覆蓋紅色濾波片（R），第2行覆蓋綠色濾波片（G），第3行覆蓋藍色濾波片（B），從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元（PH）；TDI級數(shù)M大于3；此外，還包括有像素陣列外的存儲器。本發(fā)明主要應用于CMOS圖像傳感器的設計制造。
【專利說明】灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器及控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器領域，尤其涉及一種灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器及控制方法。
技術背景
[0002]時間延遲積分(Time-Delay-1ntegration, TDI)基本原理是使用面陣排布的像素陣列以線陣推掃的方式工作，通過相對移動實現(xiàn)多級像素單元對同一目標多次曝光，并將多次曝光結(jié)果進行累加，等效延長曝光積分時間來實現(xiàn)足夠的光電靈敏度和信噪比。因此，TDI技術在高速相對運動成像和低光照成像等領域有廣泛的應用。TDI技術最早是通過CCD(Charge Coupled Device,電荷I禹合器件)圖像傳感器實現(xiàn)的。隨著CMOS圖像傳感器技術日漸成熟，由于其具有功耗低、集成度高、成本低、抗輻照性好等特點，已逐漸取代CCD圖像傳感器。
[0003]常見的(XD、CMOS圖像傳感器又可分為灰度和彩色兩種類型。兩種傳感器在成像技術上，具有各自的優(yōu)勢，灰度圖像傳感器只采集亮度信息，沒有色度信息，所以采集的亮度信息與彩色傳感器相比，更加真實、準確；彩色傳感器采集的圖像信息中則包含灰度傳感器沒有的色度信息，圖像表現(xiàn)更為豐富。
[0004]在圖像傳感器獲取的全彩色圖像中，每個像素值由R、G、B三個顏色值組成，理論上就需要三個不同的圖像傳感器來分別獲取R、G、B中的一種顏色數(shù)據(jù)。但是在實際應用中，為了減小體積、降低成本、簡化三個通道的同步和矯正步驟，通常都在一個圖像傳感器之前覆蓋上一個顏色濾波陣列，這種彩色圖像的成像方法目前被大多數(shù)產(chǎn)品所使用。一般采用Bayer模型的彩色濾波陣列(如圖1的(I)所示)，這種彩色濾波陣列把輸入光信號分為RGB (紅綠藍)三基色，圖像傳感器的每一個像素點只采集一種顏色的光亮度信號，然后要對采集到的圖像信息進行數(shù)字信號圖像處理，一般來講，就是根據(jù)周邊的像素值得到每個像素所缺失的另外兩個色彩值，經(jīng)過顏色插補后得到完整的圖像信息(如圖1的(2)所示)。
[0005]TD1-CMOS圖像傳感器一般為灰度圖像傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)(如圖2所示)一般包含像素陣列、信號放大處理電路、ADC和控制電路等。而目前已有的彩色TDI技術一般有兩種方法。一種方法是采用三個分立的圖像傳感器，每個圖像傳感器的像素陣列上分別遮蓋R、G、B中的一種顏色的遮光片，將三個分立CCD圖像傳感器采集到的RGB三色信息進行后續(xù)融合處理得到一幅TDI彩色圖像。另一種方法是在單個圖像傳感器的像素陣列上按行循環(huán)覆蓋R、G、B中的中的一種顏色濾波片，此后對各行采集到的圖像信息進行融合處理，得到一幅TDI彩色圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種利用時間延遲積分的能同時獲取彩色和灰度圖像的TD1-CMOS圖像傳感器，為此，本發(fā)明采用的技術方案是，灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)為，TD1-CMOS圖像傳感器像素陣列尺寸為MXN，M為TDI級數(shù)，N為TD1-CMOS圖像傳感器線列方向長度；在像素陣列的第I行覆蓋紅色濾波片(R)，第2行覆蓋綠色濾波片(G)，第3行覆蓋藍色濾波片(B)，從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元(PH) ；TDI級數(shù)M大于3 ;此外，還包括有像素陣列外的存儲器。
[0007]灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器控制方法，借助于灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器實現(xiàn)，包括下列步驟:
[0008]TD1-CMOS圖像傳感器陣列對場景曝光累加后輸出并存儲R、G、B三基色信號和普通灰度圖像信號，以單列像素為例，在第I個時間周期，單列的第I個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片R過濾后的紅色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器的PR單元中，第2個時間周期，單列的第2個像素對場景元素進行曝光，輸出綠色濾波片G過濾后的綠色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器的PG單元中，第3個時間周期，單列的第3個像素對場景元素進行曝光，輸出藍色濾波片B過濾后的藍色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器的PB單元中，第4個時間周期，單列的第4個像素對場景元素進行曝光，輸出普通灰度圖像信息并送入累加寄存器Adder，此后直到第M個時間周期均輸出普通灰度圖像信息送入累加寄存器Adder，把從第4到第M個像素采集到的灰度信息進行累加后輸出TDI累加后的灰度信息存入存儲器PHtl ;這樣經(jīng)過M次曝光就得到該場景元素的R、G、B三基色信號值PR、PG、PB和累加灰度信號值PHtl ；TD1-CMOS圖像傳感器所有列均按照上述方式同步并行工作；
[0009]陣列對目標場景進行掃描，最后僅輸出灰度信號Phtl,而不輸出前三行的彩色信息，完整輸出即為目標場景的一幅M-3級的TDI灰度圖像-灰度模式；
[0010]從像素陣列外的存儲器中提取由圖像傳感器前3級像素單元得到的某一場景元素的R、G、B三基色圖像信息PR、PG、PB,并進行歸一化處理，就得到該場景元素的三色分量相互間的比例關系，并與該場景元素TDI累加灰度信號值PHtl融合處理，即可獲得相應場景元素的彩色TDI圖像信號，對目標場景的每個場景元素進行如此操作，完整輸出即為彩色TDI圖像-彩色模式。
[0011]本發(fā)明具備下列技術效果:
[0012]采用TDI技術對同一場景元素的多次曝光得到該場景元素的三基色信號和TDI累加后的灰度信號，單獨輸出累加灰度信號則得到普通TDI灰度圖像，對三基色信號和累加灰度信號融合處理即可得到彩色TDI圖像。本發(fā)明采用單個圖像傳感器且只在像素陣列的前3行覆蓋三基色單色濾波片，即可同時獲取灰度和彩色圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1Bayer彩色濾波和顏色插值。
[0014]圖2TD1-CM0S圖像傳感器結(jié)構(gòu)
[0015]圖3前3級覆蓋單色濾波片的圖像傳感器像素陣列。
[0016]圖4單列像素的曝光累加存儲過程。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明采用的技術方案是，
[0018](I)TD1-CMOS圖像傳感器像素陣列(如圖3所示)尺寸為MXN，M為TDI級數(shù)，N為TD1-CMOS圖像傳感器線列方向長度。在像素陣列的第I行覆蓋紅色濾波片(R)，第2行覆蓋綠色濾波片(G)，第3行覆蓋藍色濾波片(B)，從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元(PH)。TDI級數(shù)M大于3。
[0019](2) TD1-CMOS圖像傳感器陣列對場景曝光累加后輸出并存儲R、G、B三基色信號和普通灰度圖像信號。以單列像素為例，如圖3所示。在第I個時間周期，單列的第I個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片R過濾后的紅色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器PR中，第2個時間周期，單列的第2個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片G過濾后的綠色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器PG中，第3個時間周期，單列的第3個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片B過濾后的藍色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器PB中，第4個時間周期，單列的第4個像素對場景元素進行曝光，輸出普通灰度圖像信息并送入累加寄存器Adder，此后直到第M個時間周期均輸出普通灰度圖像信息送入累加寄存器Adder，把從第4到第M個像素采集到的灰度信息進行累加后輸出TDI累加后的灰度信息存入存儲器PiV這樣經(jīng)過M次曝光就得到該場景元素的R、G、B三基色信號值PR、PG、PB和累加灰度信號值PiV TD1-CMOS圖像傳感器所有列均按照上述方式同步并行工作。
[0020](3)如步驟(2)所述，陣列對目標場景進行掃描，最后僅輸出灰度信號Phtl,而不輸出前三行的彩色信息。完整輸出即為目標場景的一幅M-3級的TDI灰度圖像(灰度模式)。
[0021](4)從外部寄存器中提取由圖像傳感器前3級像素單元得到的某一場景元素的R、G、B三基色圖像信息PR、PG、PB,并進行歸一化處理，就得到該場景元素的三色分量相互間的比例關系，并與該場景元素TDI累加灰度信號值PHtl融合處理，即可獲得相應場景元素的彩色TDI圖像信號，對目標場景的每個場景元素進行如此操作，完整輸出即為彩色TDI圖像(彩色模式)。
[0022]在TD1-CMOS圖像傳感器前3級的像素單元上分別覆蓋R、G、B單色濾波片，其余各級仍保持原有的像素結(jié)構(gòu)。像素陣列外采用存儲器陣列存儲R、G、B三基色色彩分量和灰度累加信號。在灰度TDI圖像模式下，輸出TDI累加后的灰度信號構(gòu)成完整的灰度TDI圖像。在彩色TDI圖像模式下，根據(jù)前3級采集場景元素的RGB三色色彩分量計算該場景元素的RGB三色構(gòu)成比例，并與此后各級累加得到的灰度信號進行按比例融合，輸出構(gòu)成完整的彩色TDI圖像
【權(quán)利要求】
1.一種灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器，其特征是，結(jié)構(gòu)為:TD1-CM0S圖像傳感器像素陣列尺寸為MXN，M為TDI級數(shù)，N為TD1-CMOS圖像傳感器線列方向長度；在像素陣列的第I行覆蓋紅色濾波片(R)，第2行覆蓋綠色濾波片(G)，第3行覆蓋藍色濾波片(B)，從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元(PH) ；TDI級數(shù)M大于3 ;此外，還包括有像素陣列外的存儲器。
2.如權(quán)利要求1所述的灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器，其特征是，像素陣列外的存儲器設置有PR、PG、PB和PH0單元，分別用于存儲紅、綠、藍綠色濾波片綠波后的圖像信息，以及普通灰度圖像信息。
3.一種灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器控制方法，其特征是，借助于灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器實現(xiàn)，包括下列步驟: TD1-CMOS圖像傳感器陣列對場景曝光累加后輸出并存儲R、G、B三基色信號和普通灰度圖像信號，以單列像素為例，在第I個時間周期，單列的第I個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片R過濾后的紅色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器的PR單元中，第2個時間周期，單列的第2個像素對場景元素進行曝光，輸出綠色濾波片G過濾后的綠色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器的PG單元中，第3個時間周期，單列的第3個像素對場景元素進行曝光，輸出藍色濾波片B過濾后的藍色圖像信息并存入像素陣列外的存儲器的PB單元中，第4個時間周期，單列的第4個像素對場景元素進行曝光，輸出普通灰度圖像信息并送入累加寄存器Adder，此后直到第M個時間周期均輸出普通灰度圖像信息送入累加寄存器Adder，把從第4到第M個像素采集到的灰度信息進行累加后輸出TDI累加后的灰度信息存入存儲器PHtl ;這樣經(jīng)過M次曝光就得到該場景元素的R、G、B三基色信號值PR、PG、PB和累加灰度信號值PHtl ；TD1-CMOS圖像傳感器所有列均按照上述方式同步并行工作； 陣列對目標場景進行掃描，最后僅輸出灰度信號Phtl,而不輸出前三行的彩色信息，完整輸出即為目標場景的一幅M-3級的TDI灰度圖像-灰度模式； 從像素陣列外的存儲器中提取由圖像傳感器前3級像素單元得到的某一場景元素的R、G、B三基色圖像信息PR、PG、PB,并進行歸一化處理，就得到該場景元素的三色分量相互間的比例關系，并與該場景元素TDI累加灰度信號值PHtl融合處理，即可獲得相應場景元素的彩色TDI圖像信號，對目標場景的每個場景元素進行如此操作，完整輸出即為彩色TDI圖像_彩色模式。
【文檔編號】H04N9/04GK103546729SQ201310507506
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】姚素英, 李林, 史再峰, 徐江濤, 高靜 申請人:天津大學