[发明专利]成像系统及像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法

说明书

本发明提供一种成像系统，其包括像素单元块组构成的像素阵列。每个像素单元块具有2×2设置的四个像素单元，其具有相同的微透镜及彩色滤光片读出对角线相邻对的像素单元的组合信号后，接着读取反向对角线相邻对的像素单元的信号并进行组合，以降低正交组合方式中的空间色彩伪影问题，以及最小化像素阵列中像素单元读出过程中由于光学中心的间隙或不规则间距的问题。本发明还提供一种像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法。

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及包括配置为多个像素组合的像素阵列的CMOS图像传感器成像系统。像素组合将来自多个像素的信号组合成一个信号，用以在低照度条件下获取图像时提高灵敏度或者用以提高动态范围。该图像传感器可应用于数码相机中。

背景技术

图像获取装置一般包括图像传感器和镜头。镜头将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转化成电信号。电信号从图像获取装置输出到电子系统的其他组件。图像获取装置和电子系统的其他组件构成了成像系统。图像传感器已经应用普遍，在各种电子系统中均可见，例如，手机、数码相机、医疗设备、以及计算机等。

典型的图像传感器包括布置在二维阵列中的多个光敏图像单元(“像素”)。通过在像素上形成色彩色滤光片阵列(CFA)，使图像传感器能够形成彩色图像。通常，每个像素都被一个单色滤光片覆盖，而这个滤光片又被一个微透镜覆盖以将光聚焦到一个光电二极管上。重复像素模块组成一个像素阵列，其中像素模块是由四个像素组成的2×2阵列，四个像素覆盖有一个红色、一个蓝色和两个绿色滤光片，组成一个众所周知的拜尔模式CFA。用于制造图像传感器，尤其是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的技术持续不断向前发展。例如，更高的分辨率和低功耗的需求进一步促进了这些图像传感器的小型化和集成化。然而，小型化会伴随像素的光感灵敏度和动态范围的降低，需要新的方法来解决这些问题。在许多应用中，传感器分辨率已经超过了光学分辨率，这意味着增加像素密度不一定会导致图像质量的提高。

随着像素尺寸的减小，像素内光吸收总光量减少，一些高级的特征受到挑战。通常，相机系统的输出分辨率低于图像传感器的分辨率，届时增加收集的光量以表示图像传感器中一个点的一种方法是对来自相邻或者附近像素的信号进行求和，这些像素共享相同颜色的彩色滤光片。这被称为像素组合(pixel binning)，用来在低照度下获取图像时提高灵敏度。

像素也可以被组合或者相加在一起，以降低图像传感器的读出时间。可以在像素阵列中执行组合，或者在从像素阵列读出信号之后进行组合。在已经从像素阵列读出信号之后对像素求和不会减少读出时间，因为所有像素都必须读出。另外，读出电路产生的噪声与像素信号相加，其由于降低信噪比而可能降低图像质量。在像素被读出之前对像素阵列中的像素求和可以减少读出时间，但可能导致在光学中心之间的缝隙或者不规则的间隔。光学中心之间的不规则的间隔可在图像中产生参差不齐的线条，用户会注意到这些不期望出现的锯齿状线条。与被组合的像素的数量相同的数字缩小的图像相比，光学中心之间的不规则间隔还可导致最终图像整体分辨率更低。

在一些光学配置中，有时会使用组合来提供物理上较大的像素。此外，有时会使用组合来为传感器的像素提供更大的满阱容量。

除像素阵列外，典型的图像传感器基底或者芯片还包括读出电路。根据特定设计的要求，读出电路的某些部分可能位于每个像素内部。用于读出在图像传感器芯片上生成的图像信号的最常用的两种方式为滚动曝光模式和全局曝光模式。滚动曝光模式包括在不同的时间曝光传感器阵列不同行，并按照选定的时序读出这些行。全局曝光模式包括同时曝光所有像素，并持续相同的时间长度。类似于在以前的“快照”相机上操作机械快门。现有的数字成像系统已经实现了滚动曝光或全局曝光的读出模式。

当在图像读出期间使用特定的组合配置时，提供了利用组合提高图像传感器中图像质量的可能。本发明满足了这些需求，并提供了以下发明内容中描述的进一步的优点。

发明内容

以下发明内容描述给出了本发明所做出的贡献。