[发明专利]宽动态范围感光元件或阵列系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及电子成像领域，特别涉及一种使用光度测量和传送提高图像拍摄的方法和装置。

背景技术

照相是靠光的作用的成像过程。光是通常被使用的条件，其在电磁辐射中的频率是在人眼可见的范围内。从物体反射或发出的光型经一定时间的曝光由一图像传感器记录。图像传感器在性质上可是化学的，例如照相底片；也可是固态的，例如数码相机和摄像机使用的CCD和CMOS图像传感器。

数字相机具有一系列聚焦光而生成现场图像的透镜。但不是像传统照相机那样把光聚焦在底片上而是把光聚焦在图像传感器上，图像传感器把光的电磁辐射转换成电荷。该图像传感器被称为图形元素即“像素”。电荷表示图像传感器受到的电磁辐射的相对强度，一般用来把光强值与像素联系起来。

图1为典型的数字图像处理系统10的部件方框图。系统10包括一信号源100和由积分器110、模数转换器(ADC)120和DSP 130构成的信号处理链。信号源100比方说可为一传感器，例如一响应电磁辐射，诸如照射其上的光生成电响应的光强传感器。

积分器110的输出V_OUT是对ADC 120的输入。ADC 120进行模数转换。模数转换功能在本领域是公知的。出现在ADC 120输入端的模拟信号V_OUT转换成可取一组分立电平之一的信号V_D。

该信号的质量由对信号V_IN进行积分的积分器110进行提升的特征。图2示出该信号提升。波形200为由信号源100生成的一常值信号和破坏该常值信号的附加噪声的组合。波形210为响应输入信号波形200生成的积分器输出。不难看出，噪声造成的信号波动在波形210中降低。

信号源100可为一使用在时控场合，例如数字相机场合中的光强传感器，此时传感器在通常称为曝光时间的一定时间中受光的照射。积分器110还起着把曝光时间中接收的所有光子造成的传感器100的响应积分成一值，例如一电压在曝光时间结束时读出的功能之作用。

图3示出一典型的图像传感器电路。信号源1000为一光传感器，例如一光电二极管。电容1040为一简单积分器。积分器的输入为信号源1000的输出。电容1040由在开始积分过程前处于闭合位置的开关1050复位。积分过程开始时开关1050打开，电容器1040上的电压开始响应从信号源1000输入的信号作改变。积分过程结束时开关1030闭合，对积分器输出1060V_OUT取样。图3为原理图。功能相同的其它类似积分器的原理在本领域的技术人员是公知的。

积分器输出1060V_OUT通常无法超过由可用电源电压所加的上限。电源电压在现有技术中由于功率消耗的必要需求而下降。积分器输出1060无法超过电源电压，如积分器输出信号在达到电源电压后继续增加就会饱和。图4A示出该饱和状态。饱和出现在输出电压达到可用电源电压而无法响应输入信号作进一步的提升之时。信号饱和造成系统性能下降。图4A-4C示出由感光元件结构、确切说积分器结构的动态范围不足造成的由光传感器100和积分器110构成的像素结构的输出的潜在失真。

图4A的线段(a)示出积分器110响应一不同电平的恒定输入信号的输出的线性增加。该图像传感器结构在输入光强造成线段(a)的线性输出的范围内性能良好；该图像传感器结构在输入光强造成线段(b)的饱和输出的范围内性能不好。

该积分器输出响应表明动态范围不足。如图4A所示，该图像传感器能显示图像暗部清晰度但不能显示亮部清晰度。可如图4B和4C所示移动该响应。在图4B和4C中该图像传感器的动态范围不变，但响应特性移位。图4B的响应特性的暗部和亮部清晰度显示不佳，但不明不暗部的中间范围响应良好。图4C的响应特性为保持亮部清晰度显示良好而牺牲暗部清晰度和一部分不明不暗部的中间范围清晰度。

图5A为许多像素如图4A中那样被驱动成饱和时曝光过度图像的像素亮度的直方图。如图5A所示，像素结构最大输出值为‘255’，所使用单位为与像素输出电压对应的ADC 120输出码。该光强随着曝光时间中曝光的进行造成许多光传感器100输出一个使得积分器110饱和的值。积分器110输出的该最大(饱和)值造成ADC生成对8位ADC来说是最大输出码的输出码‘255’。该图像的拍摄由于须接受高强度光输入的这些像素无法获得足够高的输出电平而无法达到最佳质量。积分器110的低增益造成须接受高强度光输入的光图像传感器输出以记录低于255的输出而防止高端失真。