[发明专利]组合滚筒式曝光控制方法及图像传感器有效

专利信息
申请号: 200810184056.1 申请日: 2008-12-15
公开(公告)号: CN101764958A 公开(公告)日: 2010-06-30
发明(设计)人: 黄碧珍;郑炜;曹庆红 申请(专利权)人: 昆山锐芯微电子有限公司
主分类号: H04N5/335 分类号: H04N5/335
代理公司: 北京集佳知识产权代理有限公司 11227 代理人: 李丽
地址: 215300 江苏省昆山市开发*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 组合 滚筒 曝光 控制 方法 图像传感器
【说明书】:

技术领域

本申请涉及CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器领域,尤其涉及 一种组合滚筒式曝光控制方法及图像传感器。

背景技术

CMOS图像传感器(CIS)是将光学图像从光信号转换成电信号的半导体 装置,其采用开关模式(switching mode),通过向各像素提供预定数量的MOS 晶体管来顺序检测像素输出。

公开号为CN101212580A的中国专利公开了一种典型的四管结构的 CMOS图像传感器,该传感器的像素单元电路图如图1所示。其中主要包括 光电检测器PDD,传输管T1,复位管T2,源跟随器T3,以及选择管T4。光 电检测器PDD包括从光能生成电荷的光电二极管并在A点积分电荷,传输管 T1在栅极接收使能/读取信号tck,将A处的电荷运送到浮动扩散区B。复位 管T2则通过其栅极接收复位信号rst,设置A以及B处的电压回复到期望电 平(如VDD)并排除B处的电荷,以此来复位。晶体管T3在其栅极接收B 处的电压,并因此用作源跟随器,且选择管T4的栅极接收行选择信号row_sel (其可在CMOS图像传感器的其他地方生成或执行),输出来自源跟随器T3 的电压。

滚筒式曝光多被CMOS图像传感器所采用,以上述四管结构的CMOS图 像传感器为基础,简要说明其原理。图2为4行像素图像的滚筒式曝光时序, 假设频帧为fps,则一次帧间隔时间为1/fps,每一幅完整的图像包括0、1、2、 3四行像素。

首先,row_idx2指定曝光第0行(此处的“0”从次序来说相当于第一行), 按照图1中的电路,先将传输管T1和复位管T2同时开启(图2时序中tck2 和rst2输入高电平),使得积分节点A以及浮动扩散区B的电压复位到VDD, 然后再同时关闭传输管T1和复位管T2使A点开始积分电荷(tck2和rst2恢 复低电平);经过一段时间的电荷积累后(相当于曝光时间texp),同时开启 复位管T2和选择管T4,(rst1和row_sel为高电平,此时的选择管T4选择的 是第0行输出),通过源跟随器T3,选择管T4的输出端先读出复位电压值 VDD,然后关闭复位管T2(rst1恢复低电平),保持选择管T4导通,再开启 传输管T1(tck1为高电平),通过源跟随器T3,选择管T4的输出端读出信号 的绝对值并与先前的复位电压值相减得到信号的真实值,如row_idx1显示, 也就是将第0行的曝光信号读出。类似的,再以同样方式曝光读取第1行像 素,逐行进行直到全部处理完毕,相邻行开始曝光读取的间隔时间为Trow。

在上述过程中,tck2、tck1信号均输入T1管的栅极,为区分不同含义的 导通动作,便于理解,而在时序图中分成两个独立的时序,rst2、rst1也同理 表征。

从时序原理可知,tck1、tck2、rst1、rst2、row_sel的周期均为一行像素的 行处理间隔时间Trow,每行像素的曝光时间均为texp。各行像素按顺序进行 曝光并读取处理,并以单行像素为曝光信号的读取对象,即在前一行像素的 曝光信号读出完成后再进行下一行的读取,这种逐行曝光并读取方式即称为 滚筒式曝光。在需要多次成像同一张图像时,重复以上过程即可。

在图2所示时序中,因为一个帧间隔时间内只输出一张曝光图像,图像 的曝光时间参数是不变的,这样单帧图像内只包含一次成像所得到的图像。 其帧、行同步示意图如图3所示。很显然,整张图像每次成像的时间间隔等 于帧间隔时间。

现有的CMOS图像传感器普遍采用光电二极管线性有源像素,其动态响 应范围较小,远小于人眼100dB~120dB的动态范围。在拍摄一些动态范围较 广的场景时,由于这些场景的亮度差异远远超过感光元件的宽容度,因此对 于某一指定时间长度的单次成像下,得到的图像很难包含所有细节。比如在 亮度较暗的地方可能曝光不足,而较亮的区域又曝光过度,难以满足大动态 范围下获取图像信息的要求。目前一种可行的获取大动态范围图像的方法是, 针对场景中不同的亮暗部分,采用几幅曝光时间参数不同的图像进行重叠, 获取一幅图像。即使用短曝光获取较亮像素,使用长曝光获取较暗像素,多 幅组合以弥补单次成像无法展示所有细节的缺陷。

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