[发明专利]通过时间－索引方法实现宽动态范围的多次取样

说明书

本发明涉及图象传感器系统。更具体地，本发明涉及一种图象传感器结构以及通过采用时间-索引方法实现宽动态范围促进图象多次取样的相关方法。

数字照相术是二十世纪出现的最令人激动的技术之一。用适当的硬件和软件(及一点知识)，任何人可以将数字照相的原理用于实践。比如，数字照相机就处于数字照相术的前沿。随着电子信函和环球网的出现，近来的产品介绍、技术发展和价格下降使得数字照相机成为消费者消费的最热门电子产品之一。

但是，数字照相机与传统的胶卷照相机工作方式不同。实际上，它们与计算机扫描仪、复印机或传真机更接近。大多数数字照相机用一个图象传感器或感光装置比如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)来读出某一景物。感光装置与从景物反射过来的光反应并将该反应的强度转换为一个数值当量。例如，让光经过红、绿、和蓝滤光器，可以为每个独立色谱测量该反应。当通过软件对该读数组合和求值时，照相机可以确定每个图象元素的具体颜色。因为图象实际上是一个数据集合，所以容易被下载到计算机并做更好艺术效果的处理。

然而，由于现有数字照相机中的图象传感器的分辨率有限，所以许多情况下不能简单地使用数字照相机。以胶卷为基础的照片具有不可测量的比数字照相机高的分辨率。传统的以胶卷为基础的技术通常有数千万个象素的分辨率，但现在可以按消费者能接受的价格来生产的数字照相机中的图象传感器有略多于百万个的象素。

动态范围是用于数字照相机图象传感器优点的另一个决定性特征。一个图象传感器的动态范围时常不宽到足以捕获既有亮区又有暗影的景物。这一点尤其适合动态范围一般比CCDs低的CMOS传感器的情形。

以前建议的扩大这些装置动态范围的解决方案可以分为以下三类：

·压缩感应特性曲线；

·多次取样；和

·控制积分时间。

用一个具有对数响应的传感器压缩感应特性曲线。

它由两个方法实现：

·第一个方法是用一个CMOS传感器，它以一个瞬时电流读出模式工作。在该模式下，光电探测器产生的光电流被馈入一个有对数响应的装置里以压缩传感器转换曲线，该装置比如是一个连接MOS晶体管的二极管。虽然这种配置可以实现很宽的动态范围，但是作为结果的图象质量因低信噪比(SNR)而一般较差。

·压缩感应曲线的第二种方法是用一种参照井容量(well capacity)调节的技术。这里，通过在暴光时间内一次或多次增加井容量(well capacity)来增加动态范围。积分期间井容量(well capacity)单调地增加到它的最大值。多余的光生电荷通过一个溢流门排出。但是，这种方法遭受大的固定图象噪声和信噪比降低。

在多次取样中，景物在不同暴光时期成像几次并且将数据结合起来构成一个高动态范围图象。对于这种在合理的捕获次数下工作的方法，读出过程必须在比普通的活动象素传感器(APS)高得多的速度下完成。这种多次取样方案有效地实现了宽动态范围。事实上，需要读出许多的数据，这对于许多类型的传感器特别难以承担。

控制积分时间是相比其他方法具有一些有前途特点的第三种方法。大体上，每个象素的暴光时间被单独调整以便它们在每个积分周期结束时不会饱和。有许多途径来实现该方法。

一个途径是在每个象素上安放一个设置-复位触发器和一个与门来控制积分起始时间，以实现本地暴光控制。但是，这种方法受到下面的限制：

·每个象素因触发器和与门的包含而太大。

·需要一个大的“时标”存储器存储所有象素的暴光时间。每个象素的暴光时间可以通过试验各种暴光时间确定。当捕获移动景物时，暴光时间改变，因此必须更新“时标”存储器，这不仅难承受而且引起图象滞后。

·另外，除了用于象素读出的列和行解码器，还需要其他的列和行解码器控制触发器。

已知第二种途径是用于单独象素复位(IPR)以实现当地暴光控制，即将一个第二复位晶体管加在标准三-晶极管APS上以便可以从外部控制每个象素的积分起始时间。该第二途径保持象素的小尺寸，但需要大的外部存储器存储所有象素的暴光时间，并且还需要存储器刷新和附加的列和行解码器。另外，可能需要将多个复位脉冲在整个复位周期加在每个象素上。为复位脉冲的时间控制可以很复杂。

因此，非常需要一个克服某些上述缺陷的宽动态范围的图象传感器，尤其是，有宽动态范围的输出图象数据。还有，传感器不需要一个外部时标存储器和控制逻辑来更新暴光时间。