一種實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的圖像傳感器結(jié)構(gòu)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的圖像傳感器結(jié)構(gòu)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器是相機(jī)的重要組成部分。傳統(tǒng)相機(jī)中圖像傳感器是通過膠片來實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)中，圖像傳感器是通過CMOS或者CCD圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)的，同理，數(shù)碼攝像機(jī)中也采用CMOS或者CCD圖像傳感器來攝取視頻。
[0003]常規(guī)的CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實(shí)現(xiàn)感光的核心器件，通常包括:實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的感光單元光電二極管和一系列作用為傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大、控制的外圍電路。
[0004]對(duì)于一個(gè)像素單元來說，如果該像素單元的面積越大，則對(duì)應(yīng)更加優(yōu)秀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。在目前的單反、微單、高清監(jiān)控等高端CMOS圖像傳感器和攝像機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域中，通常采用具有較大像素的前照技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。最重要的是，為了能在強(qiáng)光與弱光下均能得到優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，研宄人員采用了一切可能的技術(shù)來提高圖像傳感器像素的動(dòng)態(tài)范圍。
[0005]已經(jīng)有專利提出了像素合并與分裂結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，這主要是指:當(dāng)傳感器在白天強(qiáng)光下拍攝時(shí)，由于室外光線較足，圖像傳感器切換到分裂模式，具有更高的像素?cái)?shù)；而傳感器在陰天、晚間情況下拍攝時(shí)，由于環(huán)境光線較弱，圖像傳感器切換到合并模式，通過犧牲像素的數(shù)目，來實(shí)現(xiàn)更加高的暗光表現(xiàn)力。但是，這種方式在不同模式下會(huì)有不同的分辨率。
[0006]目前一些高端相機(jī)和手機(jī)(如iPhone)都可以提供HDR (High-Dynamic Range)的拍攝模式?，F(xiàn)有技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像HDR，相比普通的圖像，可以提供更多的動(dòng)態(tài)范圍和圖像細(xì)節(jié)，其方法是通過，先基于不同的曝光時(shí)間攝取LDR(Low-Dynamic Range)的圖像，再利用每個(gè)LDR圖像的曝光時(shí)間所對(duì)應(yīng)的最佳細(xì)節(jié)進(jìn)行合成，最終產(chǎn)生一個(gè)HDR的圖像。這樣的優(yōu)點(diǎn)是能夠更好的反映人在真實(shí)環(huán)境中的視覺效果，缺點(diǎn)是需要拍攝多張(通常是3張)照片來合成一張高動(dòng)態(tài)范圍的圖像。而且，這種技術(shù)更多的是利用軟件進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，并不是圖像傳感器件這一硬件上的進(jìn)步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是不改變分辨率，也不需要拍攝多張照片再進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理，卻大幅提高拍攝圖像的動(dòng)態(tài)范圍，提升圖像質(zhì)量。
[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種圖像傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述高動(dòng)態(tài)范圍像素由像素感光單元和控制模塊構(gòu)成；
[0009]可選的，所述控制模塊包含模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)ADC模塊、數(shù)字處理模塊、轉(zhuǎn)換增益控制電路模塊，與像素感光單元循環(huán)反饋連接；
[0010]優(yōu)選的，控制模塊中數(shù)字信號(hào)ADC模塊為輸入端，接收像素感光單元的信號(hào)，轉(zhuǎn)換增益控制電路模塊為輸出端，反饋信號(hào)回像素感光單元；
[0011]優(yōu)選的，所述像素感光單元在控制模塊作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換增益可變；
[0012]可選的，所述圖像傳感器是由m行、η列的高動(dòng)態(tài)范圍像素組成，m和η均大于等于I ;
[0013]推而廣之，本發(fā)明還提出一種實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的攝像頭結(jié)構(gòu)，包含由高動(dòng)態(tài)范圍像素組成的圖像傳感器和鏡頭，其特征在于，所述任意一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍像素通過鏡頭對(duì)應(yīng)其相應(yīng)位置的點(diǎn)環(huán)境光強(qiáng)；
[0014]為了解決上述問題，本發(fā)明提出實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像的方法，像素感光單元通過一定的轉(zhuǎn)換增益將外界光強(qiáng)與曝光時(shí)間乘積轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)圖像輸出，其特征在于，控制模塊將像素感光單元的增益轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行識(shí)別和判斷，再反饋到像素感光單元，動(dòng)態(tài)控制并調(diào)整像素感光單元的增益轉(zhuǎn)換，控制輸出電壓；
[0015]可選的，所述控制模塊中，ADC模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字處理模塊對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷外界光強(qiáng)信號(hào)的大小:在曝光時(shí)間一定情況下，當(dāng)處于小光強(qiáng)時(shí)，由轉(zhuǎn)換增益控制電路控制像素感光單元以較大的轉(zhuǎn)換增益進(jìn)行工作，當(dāng)處于大光強(qiáng)時(shí)，由轉(zhuǎn)換增益控制電路控制像素感光單元以較小的轉(zhuǎn)換增益進(jìn)行工作；
[0016]可選的，所述像素感光單元的增益轉(zhuǎn)換的調(diào)整在控制模塊處理信號(hào)完成的下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)；
[0017]推而廣之，本發(fā)明還提出一種實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍視頻的方法，像素感光單元通過一定的轉(zhuǎn)換增益將外界光強(qiáng)與曝光時(shí)間乘積轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出的同時(shí)輸送至控制模塊，其特征在于，控制模塊將像素感光單元的輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行識(shí)別和判斷，再反饋到像素感光單元，并按一定幀幅頻率連續(xù)地動(dòng)態(tài)控制像素感光單元的轉(zhuǎn)換增益，調(diào)整其輸出電壓，形成視頻。
[0018]現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器是指將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。
[0019]常規(guī)的CMOS圖像傳感器的像素單元是圖像傳感器實(shí)現(xiàn)感光的核心器件，通常包括:實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的感光單元光電二極管和一系列作用為傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大、控制的外圍電路。
[0020]清晰的，能夠更好的還原拍攝的人物、環(huán)境的圖像，是研宄人員一貫的追求目標(biāo)。這需要通過提高圖像傳感器像素的動(dòng)態(tài)范圍來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，已有技術(shù)包括:由像素合并與分裂，來實(shí)現(xiàn)更好的暗光表現(xiàn)力；由多次拍攝，獲取不同曝光時(shí)間的最佳細(xì)節(jié)合并高動(dòng)態(tài)范圍的圖像。
[0021]但是，明顯的我們發(fā)覺，像素合并與分裂的方法，在環(huán)境光線較弱的條件下，通過犧牲像素的數(shù)目增強(qiáng)暗光表現(xiàn)力，會(huì)造成拍攝的圖像在合并與分裂的不同模式下有不同的分辨率。而多次拍攝，合并輸出的方法會(huì)延遲成像時(shí)間，提高圖像傳感器的能耗。
[0022]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是不改變分辨率，也不需要拍攝多張照片再進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理，卻大幅提高拍攝圖像的動(dòng)態(tài)范圍，提升圖像質(zhì)量。
[0023]如圖1所示為一個(gè)圖像傳感器的像素光學(xué)響應(yīng)曲線。其中，橫坐標(biāo)為光強(qiáng)與曝光時(shí)間的乘積(光強(qiáng)的單位為Lux，曝光時(shí)間的單位為s)，縱坐標(biāo)為像素的輸出電壓(Vout，單位為V)。從像素光學(xué)響應(yīng)曲線可以看出，曝光時(shí)間一定情況下，隨著光強(qiáng)的增大，像素的輸出電壓也隨之增大；光強(qiáng)一定情況下，隨著曝光時(shí)間的增加，像素的輸出電壓也隨之增大。
[0024]不同性能的像素對(duì)應(yīng)不同的光學(xué)響應(yīng)曲線，如圖1中，CGl曲線對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)換增益(Convers1n Gain)較小的像素性能，CG2曲線對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)換增益較大的像素性能。轉(zhuǎn)換增益表征了在一定光強(qiáng)與曝光時(shí)間的乘積下，像素輸出電壓的轉(zhuǎn)換率，也就是說，轉(zhuǎn)換增益越大，在一定光強(qiáng)與曝光時(shí)間的乘積下，像素輸出電壓也越大，轉(zhuǎn)換增益越小，在一定光強(qiáng)與曝光時(shí)間的乘積下，像素輸出電壓也越小。
[0025]由于像素輸出電壓受到像素工藝的限制，有最大像素輸出電壓Vout，max的限制。因此，對(duì)于較小轉(zhuǎn)換增益的像素來說，通常需要較大的光強(qiáng)與曝光時(shí)間的乘積才能使最大像素輸出電壓達(dá)到飽和，即對(duì)應(yīng)較大的動(dòng)態(tài)范圍；對(duì)于較大轉(zhuǎn)換增益的像素來說，通常較小的光強(qiáng)與曝光時(shí)間的乘積就能使最大像素輸出電壓達(dá)到飽和，即對(duì)應(yīng)較小的動(dòng)態(tài)范圍。
[0026]轉(zhuǎn)換增益并非簡(jiǎn)單地越大越好或者越小越好。對(duì)于低光照情況或者在低曝光時(shí)間情況下，通常需要較大的轉(zhuǎn)換增益，使得像素有盡可能大的輸出電壓，具有良好的低光表現(xiàn)力；對(duì)于高光照情況或者在長曝光時(shí)間情況下，通常需要較小的轉(zhuǎn)換增益，使得像素具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。
[0027]所以，一個(gè)像素的轉(zhuǎn)換增益如果可變，即在低光照情況或者在低曝光時(shí)間情況下具有較大的轉(zhuǎn)換增益、并且在高光照情況或者在長曝光時(shí)間情況下具有較小轉(zhuǎn)換增益，那么該像素即能具備良好的暗光表現(xiàn)力，又能具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。這就是本專利的核心，也即體現(xiàn)在圖2中。如圖2所示，轉(zhuǎn)換增益CG在低光照情況或者在低曝光時(shí)間情況下接近于CG2，在高光照情況或者在長曝光時(shí)間情況下接近CG1，這樣，該像素即能具備良好的暗光表現(xiàn)力，又能具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。
[0028]本發(fā)明提出的圖像傳感器結(jié)構(gòu)，由高動(dòng)態(tài)范圍像素Pixel構(gòu)成。每個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍像素包含像素感光單元:Pixel感光單元和控制模塊?？刂颇K的構(gòu)成如圖3所示，包含:模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)電路:ADC、數(shù)字處理電路:Digital Process和轉(zhuǎn)換增益控制電路:CG控制電路。
[0029]當(dāng)受到外界光照，在一定時(shí)間的曝光后，高動(dòng)態(tài)范圍像素中的Pixel感光單元會(huì)通過一定的轉(zhuǎn)換增益將外界光強(qiáng)與曝光時(shí)間乘積轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)-電壓信號(hào)，該轉(zhuǎn)換增益由控制模塊中的ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字處理的Digital Process對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷外界光強(qiáng)信號(hào)的大小，再由CG控制電路實(shí)施動(dòng)態(tài)控制:(在曝光時(shí)間一定情況下)，當(dāng)判斷處于小光強(qiáng)時(shí)，由轉(zhuǎn)換增益的CG控制電路會(huì)控制Pixel感光單元以較大的轉(zhuǎn)換增益進(jìn)行工作，當(dāng)判斷處于大光強(qiáng)時(shí)，由轉(zhuǎn)換增益的CG控制電路會(huì)控制Pixel感光單元以較小的轉(zhuǎn)換增益進(jìn)行工作。通過這種方法，利用高動(dòng)態(tài)范圍像素，可以根據(jù)外界光強(qiáng)信號(hào)的大小(在曝光的時(shí)間一定情況下)，動(dòng)態(tài)控制像素的轉(zhuǎn)換增益，從而使得該像素即能具備良好的暗光表現(xiàn)力，又能具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。
[0030]由上述高動(dòng)態(tài)像素以m行、η列的矩陣排列便可構(gòu)成高動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器，如圖4所示。
[0031]由上述高動(dòng)態(tài)像素和鏡頭便可組成，每一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍像素分別通過鏡頭對(duì)應(yīng)該位置的點(diǎn)環(huán)境光強(qiáng)。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)中犧牲像素的合并與分裂結(jié)構(gòu)的圖像傳感器和多次拍攝合成高動(dòng)態(tài)圖像的軟件處理方式比較，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):首先，本發(fā)明是器件結(jié)