專利名稱：圖像傳感器、攝像裝置及圖像數(shù)據(jù)生成方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，特別地，涉及一種圖像傳感器、攝像裝置及圖像數(shù)據(jù)生成方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，在數(shù)字電視和可視通信市場中有著廣泛的應用。60年代末期，美國貝爾實臉室發(fā)現(xiàn)電荷通過半導體勢阱發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，因而提出了固態(tài)成像這一新概念和一維電荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)模型。到 90年代初期，CCD技術(shù)已發(fā)展得比較成熱，得到非常廣泛的應用。但是，隨著CCD應用范圍的擴大，其缺點逐漸暴露出來。首先，CCD技術(shù)芯片工藝復雜，不能與標準工藝兼容；其次， CCD技術(shù)芯片需要的電壓功耗大，因此CCD技術(shù)芯片價格昂貴且使用不便。
目前，最引人注目、最有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴藴实幕パa金屬氧化物場效應管 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)技術(shù)來生產(chǎn)圖像傳感器，即，CMOS 圖像傳感器。CMOS圖像傳感器芯片采用CMOS工藝，將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上。20世紀80年代，英國愛丁堡大學成功地制造出了世界上第一塊單片CMOS圖像傳感器件。目前，CMOS圖像傳感器正得到廣泛的應用，具有很強的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。
與CXD技術(shù)相比，CMOS的制作工藝更容易實現(xiàn)高分辨率，因此現(xiàn)在市場上的高分辨率彩色攝像機和手機相機上的圖像傳感器大多采用CMOS。但是，常規(guī)的CMOS圖像傳感器在低照度及頻譜響應寬度上均不如CCD。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種圖像傳感器、攝像裝置及圖像數(shù)據(jù)生成方法，能夠有效適應低照度的工作環(huán)境。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種圖像傳感器，包括多個像素陣列，用于根據(jù)分辨率大小設置在成像靶面的感光材料上，每個像素陣列的每個像素上設置有多個感光元器件，每個感光元器件對應一個子像素；多個讀出單元，每個讀出單元分別與每個像素陣列相連，用于按順序讀取每個感光元器件進行光電轉(zhuǎn)換后的電信號；多個子像素合并單元，每個子像素合并單元分別與每個讀出單元相連，用于將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號；一個以上的輸出單元，與多個子像素合并單元相連，用于輸出每個像素的電信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出了一種攝像裝置，包括前述實施例中的圖像傳感ο
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提出了一種圖像數(shù)據(jù)生成方法，包括設置在多個像素陣列中的每個像素陣列的每個像素上的多個感光元器件采集光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中，每個感光元器件對應一個子像素；按順序讀取與每個子像素對應的電信號；將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號；輸出與每個像素對應的電信號。
本發(fā)明提供的圖像傳感器與圖像數(shù)據(jù)生成方法，將多個子像素合并為一個像素輸出，增大了每個像素的感光電荷量，從而使得本發(fā)明能夠適用于低照度的工作環(huán)境。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分。在附圖中
圖1是本發(fā)明圖像傳感器的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖加是本發(fā)明成像靶面的一個實例的示意圖。
圖2b是本發(fā)明像素陣列的一個實例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明圖像傳感器的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)生成方法的一個實施例的流程示意圖。
圖5是本發(fā)明利用圖像傳感器生成圖像數(shù)據(jù)的一個實施例的流程示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖對本發(fā)明進行更全面的描述，其中說明本發(fā)明的示例性實施例。本發(fā)明的示例性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。
以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應用或使用的任何限制。
圖1是本發(fā)明圖像傳感器的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，該實施例的圖像傳感器100可以包括
多個像素陣列110，用于根據(jù)分辨率大小設置在成像靶面的感光材料上，每個像素陣列的每個像素上設置有多個感光元器件，每個感光元器件對應一個子像素，可選地，多個感光元器件為CMOS感光元器件或CCD感光元器件；
在一個實例中，如圖加所示，可以將成像靶面分為4個像素陣列1、2、3和4，對于每個像素陣列，如圖2b所示，可以由IKX IK個像素構(gòu)成，每個像素又可以由4個子像素構(gòu)成。從圖加和圖2b可以看出，該實例的分辨率為1678萬像素，使得圖像傳感器的輸出可以達到千萬級像素。該實例僅用作示例性說明，并不夠成對本發(fā)明的限制。其中，成像靶面中像素陣列的數(shù)目可以根據(jù)工藝實現(xiàn)難度和運算量等因素綜合確定，每個像素中包含的子像素數(shù)目可以根據(jù)環(huán)境照度設置，在像素陣列數(shù)確定的情況下，每個像素陣列中的像素數(shù)目可以根據(jù)分辨率和每個像素中的子像素數(shù)目確定。
在另一實例中，還可以通過半導體制造工藝提升紅外線的吸收能力，例如，可以通過特殊工藝在感光材料表面增加一層膜，這個膜層可以增強對紅外波段光線的吸收能力， 即，增大了光電轉(zhuǎn)換后的電荷量，在夜視和透霧的情況下，紅外線增強了光電轉(zhuǎn)換的電荷量，也就增強了成像的效果，因此，可以使感光光譜變寬，感光響應曲線將圖像傳感器頻譜響應峰值提升至近紅外波段，使傳感器頻譜范圍延伸至短波紅外(例如，400nm-1100nm，其涵蓋了可見光、近紅外及部分短波紅外)，從而提高了透霧及夜視能力。
多個讀出單元120，每個讀出單元分別與每個像素陣列相連，用于按順序讀取每個感光元器件進行光電轉(zhuǎn)換后的電信號，其中，該電信號可以為電荷量；
具體地，讀出單元的個數(shù)與像素陣列的個數(shù)相對應，將每個讀出單元分別與對應的像素陣列相連，在進行讀取操作時可以按列讀取與每個子像素對應的電信號。
多個子像素合并單元130，每個子像素合并單元分別與每個讀出單元相連，用于將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號，其中，子像素合并單元的個數(shù)與讀出單元的個數(shù)相同，并且一一對應。
—個以上的輸出單元140，與多個子像素合并單元相連，用于輸出每個像素的電信號，在輸出單元為一個時，多個子像素合并單元通過并聯(lián)方式連接至輸出單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出以提高圖像傳感器的數(shù)據(jù)吞吐量，在輸出單元為多個時，根據(jù)分組情況將每個子像素合并單元連接至對應的輸出單元，例如，在輸出單元為兩個，子像素合并單元為四個的情況下，可以將任意兩個子像素合并單元連接至一個輸出單元，將另兩個子像素合并單元連接至另一個輸出單元。
該實施例的圖像傳感器可以將電信號輸出至DSP，由DSP中的后臺程序?qū)@些電信號進行分析與處理，根據(jù)處理結(jié)果對成像參數(shù)進行調(diào)整，再由執(zhí)行單元對成像參數(shù)調(diào)整后的感光器件重新成像，其中，成像參數(shù)可以包括電子快門速度、電荷自動增益調(diào)整級別以及控制模式，這些參數(shù)均可以通過圖像的灰度分布和統(tǒng)計特征確定。經(jīng)DSP處理后可以將多個像素陣列的圖像合成為一幅圖像。
該實施例將多個子像素合并為一個像素輸出，增大了每個像素的感光電荷量，從而使得本發(fā)明能夠適用于低照度的工作環(huán)境，例如，能夠在星光、0. OOOIIux或更低照度的環(huán)境下工作。
一般情況下，像素陣列的數(shù)目和每個像素陣列中的像素數(shù)目越多分辨率越高。例如，如果像素陣列的數(shù)目為四個，每個像素陣列中包括IOMX IOM個像素，每個像素中子像素的數(shù)目為四個，則所采集圖像的分辨率可以達到1677萬像素，并且該像素數(shù)為物理有效像素數(shù)，由此可見，該實例可以實現(xiàn)千萬級像素的分辨率。與普通分辨率的圖像傳感器相比，前者分辨率為4 XIX 2K，后者為720 X 526左右，因此前者的成像視場要比后者大得多，也就是看到的范圍要大得多。在遠程探測成像的時候，移動目標在大視場上移動的范圍就比較大，不會很快從視場中消失(也就是移出視場)。
但是，像素陣列的數(shù)目和每個像素陣列中像素的數(shù)目在一定程度上還與顯示設備的分辨能力相關(guān)，即，雖然感光元器件的分辨率很高，但是如果顯示設備的分辨率較低，同樣也不能實現(xiàn)高分辨率的顯示效果。
圖3是本發(fā)明圖像傳感器的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖3所示，與圖1中的實施例相比，該實施例的圖像傳感器300還可以包括
多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器310，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別與每個子像素合并單元相連、與一個以上的輸出單元相連，用于對每個像素的電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、并將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號傳送至一個以上的輸出單元。
類似地，在輸出單元為一個時，多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器均連接至輸出單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出以提高圖像傳感器的數(shù)據(jù)吞吐量，在輸出單元為多個時，根據(jù)分組情況將每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至對應的輸出單元。
可選地，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)由電信號的動態(tài)范圍確定，例如，可以為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
上述實例經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由于提高了與每個像素對應的電信號的動態(tài)范圍，所以提高了圖像的明暗對比度范圍，從而在很大程度上改善了圖像成像的質(zhì)量和對比度。
在本發(fā)明圖像傳感器的另一實例中，每個輸出單元還用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號進行歸一化處理。
此外，還可以將上述實施例中的圖像傳感器應用于攝像裝置或攝像系統(tǒng)中，從而使得該攝像裝置或攝像系統(tǒng)能夠在低照度環(huán)境下工作。
圖4是本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)生成方法的一個實施例的流程示意圖。
如圖4所示，該實施例可以包括以下步驟
S402，設置在多個像素陣列中的每個像素陣列的每個像素上的多個感光元器件采集光信號，并將采集到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中，每個感光元器件對應一個子像素；在一個實例中，每個感光元器件可以為CMOS感光元器件或CCD感光元器件；
S404，按順序讀取與每個子像素對應的電信號；
S406，將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號；
S408，輸出與每個像素對應的電信號。
該實施例將多個子像素合并為一個像素輸出，增大了每個像素的感光電荷量，從而使得本發(fā)明能夠適用于低照度的工作環(huán)境。
在本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)生成方法的一個實例中，在輸出與每個像素對應的電信號之前，可以利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對所述電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可選地，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以為12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)生成方法的另一實例中，在對電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，可以對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號進行歸一化處理。
在本發(fā)明圖像數(shù)據(jù)生成方法的又一實例中，像素陣列的數(shù)目和每個像素中像素的數(shù)目與顯示設備的分辨能力相關(guān)。例如，像素陣列的數(shù)目可以為四個，每個像素陣列中可以包括IOMX IOM個像素，每個像素中子像素的數(shù)目可以為四個。
此外，上述實施例中的電信號可以為電壓信號，也可以為感應到的電荷量。
圖5是本發(fā)明利用圖像傳感器生成圖像數(shù)據(jù)的一個實施例的流程示意圖。
如圖5所示，該實施例可以包括以下步驟
S502，將成像靶面分為4個相對獨立的像素陣列輸出，針對每個像素陣列，均進行 S504-S510 的處理；
S504，讀出單元按列讀取成像靶面中每個像素陣列中的每個像素的電信號，其中每個像素又包含4個子像素；
S506，子像素合并單元將每個像素中的4個子像素復合為1個像素；
S508，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對每個像素的電信號進行12位模數(shù)轉(zhuǎn)換；
S510，按照時序?qū)⒛?shù)轉(zhuǎn)換后的每個像素的電信號值輸出，其中，4個相對獨立的部分可以同時并行輸出或逐一串行輸出。
本領域普通技術(shù)人員可以理解，實現(xiàn)上述方法實施例的全部和部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算設備可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟，二前述的存儲介質(zhì)可以包括ROM、RAM、磁碟和光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
本說明書中各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同和相似的部分可以相互參見。
本發(fā)明的上述實施例具有以下有益效果
(1)分辨率可以達到千萬級像素的輸出，視場范圍大，提高遠程探測能力；
(2)將每個像素中的所有個子像素通過芯片電路實時積分輸出，可以實現(xiàn)低照度 (即，提高了夜視能力)、提高信噪比、減少信號輸出量，并且將顯著提升夜視監(jiān)控系統(tǒng)的水平；
(3)將圖像傳感器頻譜響應峰值提升到近紅外波段，使傳感器頻譜范圍延伸至短波紅外，進一步提高透霧及夜視能力；
(4)采用12位A/D轉(zhuǎn)換，可以擴大像素的動態(tài)范圍，從而提高圖像成像的質(zhì)量和對比度；
(5)根據(jù)圖像質(zhì)量動態(tài)調(diào)整積分時間，進一步提高夜視能力，同時還能抑制圖像飽和。
綜上所述，本發(fā)明獨特的圖像傳感器設計結(jié)構(gòu)可以顯著提升感光器件的夜視能力和千萬級像素的輸出能力、可以提高遠程探測能力，在低照度的條件下優(yōu)化圖像質(zhì)量和改善圖像對比度，實現(xiàn)視場角大，并且有很高的圖像分辨率，因此可以實現(xiàn)惡劣條件下遠程目標探測的需求?？梢栽诖藞D像傳感器的基礎上可開發(fā)出功能強大的遠程晝夜視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
雖然已經(jīng)通過示例對本發(fā)明的一些特定實施例進行了詳細說明，但是本領域的技術(shù)人員應該理解，以上示例僅是為了進行說明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。本領域的技術(shù)人員應該理解，可在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，對以上實施例進行修改。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種圖像傳感器，其特征在于，包括多個像素陣列，用于根據(jù)分辨率大小設置在成像靶面的感光材料上，每個像素陣列的每個像素上設置有多個感光元器件，每個感光元器件對應一個子像素；多個讀出單元，每個讀出單元分別與每個像素陣列相連，用于按順序讀取每個感光元器件進行光電轉(zhuǎn)換后的電信號；多個子像素合并單元，每個子像素合并單元分別與每個讀出單元相連，用于將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號；一個以上的輸出單元，與所述多個子像素合并單元相連，用于輸出每個像素的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器還包括多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別與每個子像素合并單元相連、與所述一個以上輸出單元相連，用于對每個像素的電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號傳送至所述一個以上輸出單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于，所述一個以上的輸出單元還用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號進行歸一化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述多個感光元器件為CMOS感光元器件或CCD感光元器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述像素陣列的數(shù)目和每個像素陣列中像素的數(shù)目與顯示設備的分辨能力相關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器，其特征在于，所述像素陣列的數(shù)目為四個。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器，其特征在于，每個像素陣列中包括IOMXIOM 個像素。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器，其特征在于，每個像素中子像素的數(shù)目為四個。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述電信號為電壓信號。
11.一種攝像裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求1-10中任一項所述的圖像傳感器。
12.—種圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，包括設置在多個像素陣列中的每個像素陣列的每個像素上的多個感光元器件采集光信號， 并將所述光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中，每個感光元器件對應一個子像素； 按順序讀取與每個子像素對應的電信號； 將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號； 輸出與每個像素對應的電信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述方法還包括在所述輸出與每個像素對應的電信號之前，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對所述電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述方法還包括 在對所述電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電信號進行歸一化處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述多個感光元器件為 CMOS感光元器件或CCD感光元器件。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述像素陣列的數(shù)目和每個像素陣列中像素的數(shù)目與顯示設備的分辨能力相關(guān)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述像素陣列的數(shù)目為四個。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，每個像素陣列中包括 1024X1024 個像素。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，每個像素中子像素的數(shù)目為四個。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像數(shù)據(jù)生成方法，其特征在于，所述電信號為電壓信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖像傳感器、攝像裝置及圖像數(shù)據(jù)生成方法。該圖像傳感器包括多個像素陣列，用于根據(jù)分辨率大小設置在成像靶面的感光材料上，每個像素陣列的每個像素上設置有多個感光元器件，每個感光元器件對應一個子像素；多個讀出單元，每個讀出單元分別與每個像素陣列相連，用于按順序讀取每個感光元器件進行光電轉(zhuǎn)換后的電信號；多個子像素合并單元，每個子像素合并單元分別與每個讀出單元相連，用于將每個像素上多個子像素的電信號合并為一個像素的電信號；一個以上的輸出單元，與多個子像素合并單元相連，用于輸出每個像素的電信號。本發(fā)明將多個子像素合并為一個像素輸出增大了每個像素的感光電荷量，使得本發(fā)明能適用于低照度工作環(huán)境。
文檔編號H04N5/369GK102510450SQ201110313129
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者劉中華, 羅紅玉, 陳建國 申請人:北京瑞瀾聯(lián)合通信技術(shù)有限公司