[发明专利]一种提高小尺寸像素图像传感器动态范围的工作方式

说明书

一种提高小尺寸像素图像传感器动态范围的工作方式，图像传感器采用时间过采样技术，即对图像传感器中的每个像素进行多次采样读出；像素采用条件复位，即当像素进行曝光时，按一定的采样间隔对像素进行采样，当像素达到所设阈值时，则在下一个采样到来时对像素进行复位操作，若未达到阈值时，像素继续进行光信号积累；像素的每次采样时间是不同的，并且像素每次采样时比较的阈值是可调；本发明中采用条件复位和时间过采样技术相结合的工作方式，像素每次的采样阈值和采样时间可调，保证了图像传感器动态范围中最大非饱和光强不再受满阱容量的限制，仅取决于过采样策略，从而实现高动态范围的图像。

技术领域

本发明专利属于CMOS图像传感器领域，涉及一种小尺寸像素，满阱容量受限的图像传感器，尤其涉及一种提高小尺寸像素动态范围的工作方式。

背景技术

近年来根据摩尔定律，CMOS工艺技术得到不断改善，使得图像传感器领域的像素尺寸在不断缩小，与CCD图像传感器相比较，CMOS图像传感器在集成度，功耗等方面优势越来越明显。

CMOS图像传感器的动态范围，由最大非饱和信号与最小可探测光强的比值确定，一般的CMOS图像传感器中每个像素仅进行一次曝光采样，因此最大非饱和光强受到像素满阱容量的限制；最小可探测光强与图像传感器的噪声有关。随着小尺寸像素的发展，导致满阱容量不断下降，从而引起CMOS图像传感器的动态范围较低，光灵敏度较低。

针对小尺寸像素，为了克服满阱容量过小的限制，提高图像传感器的动态范围，目前提出的主流解决方案有对目标场景进行长短不同曝光时间的多次曝光技术，该方案中像素复位后进行长曝光，长曝光信号读出后开始短曝光，在短曝光读出阶段进行更短时间曝光，以此方式完成所有曝光操作，最终通过融合不同曝光时间下的输出来提高动态范围。因此这样做的代价是需要复杂的读出信号链，包括列级放大器、相关多次采样、列级ADC等，造成功耗过大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明一种提高小尺寸像素图像传感器动态范围的工作方式，基于条件复位和时间过采样的工作方式，目的在于突破小尺寸像素满阱容量的限制，克服现有技术的不足，旨在提高图像传感器的动态范围。

一种提高小尺寸像素图像传感器动态范围的工作方式，其主要技术方案包括：

1）图像传感器采用时间过采样技术，即对图像传感器中的每个像素进行多次采样读出，此处每次采样的像素称为子像素，最终的图像根据每次采样结果进行重构，因此最终图像中，每个等效像素的满阱容量取决于时间过采样次数m以及每次采样时设定的阈值大小Uth_i，其最终的等效满阱容量为：；

2）像素采用条件复位，即当像素进行曝光时，按一定的采样间隔对像素进行采样，当像素达到所设阈值时，则在下一个采样到来时对像素进行复位操作，若未达到阈值时，像素继续进行光信号积累；该方法中采样间隔的时间固定，由于阈值的设定不同，其每次采样时间由采样间隔的数目来决定；对于极低的光强下，像素在未达到阈值前，每次采样间隔后不进行复位，直到采集的像素信号达到阈值才进行复位，此情况下采样间隔的数目较大；对于较强光照下，在不改变采样间隔大小的情况下其采样间隔的数量较小；

3）像素的每次采样时间是不同的，并且像素每次采样时比较的阈值是可调。

图1所示是小尺寸像素的图像传感器的整体架构。图像传感器的工作方式如下：首先像素阵列，由小尺寸像素构成，满阱容量较小，用于光电转换；转换后的信号通过行选通电路、列选通电路，选通特定像素并读出到列级；之后列级判定电路，用于判断每个采样间隔下像素内的光电信号是否达到阈值，并产生像素的复位信号，其中采样间隔是可调的，像素的阈值通过阈值调节电路进行设定；接着列级数字缓冲器，将并行读出的二进制数字输出转为串行数据；高速接口电路，用于将串行数字码输出到图像传感器外；逻辑控制，用于控制像素数字信号的读出。