[發明專利]具有增益控制的寬動態范圍感光元件或陣列系統和方法

有效

• 申請號: 200680042141.3
• 申請日: 2006-09-21
• 公開（公告）號: CN101454901A
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發明（設計）人: 索林·達維多維奇
• 申請（專利權）人: RJS科技公司
• 主分類號: H01L27/00
• 分類號: H01L27/00
• 代理公司: 上海翰鴻律師事務所
• 代理人: 李佳銘

技術領域

本發明一般涉及電子成像領域，特別涉及一種使用光度測量和傳送提高圖像拍攝的方法和裝置。

背景技術

照相是靠光的作用的成像過程。光是通常被使用的條件，其在電磁輻射中的頻率是在人眼可見的范圍內。從物體反射或發出的光型經一定時間的曝光由一圖像傳感器記錄。圖像傳感器在性質上可是化學的、例如照相底片；也可是固態的、例如數碼相機和攝像機使用的CCD和CMOS圖像傳感器。

數字相機具有一系列聚焦光而生成現場圖像的透鏡。但不是象傳統照相機那樣把光聚焦在底片上而是把光聚焦在圖像傳感器上，圖像傳感器把光的電磁輻射轉換成電荷。該圖像傳感器被稱為圖形元素即“像素”。電荷表示圖像傳感器受到的電磁輻射的相對強度，一般用來關聯光強值與像素。

圖1為典型的數字圖像處理系統10的部件方框圖。系統10包括一信號源100和由積分器110、模數轉換器(ADC)120和DSP?130構成的信號處理鏈。信號源100比方說可為一傳感器，例如一響應電磁輻射，諸如照射其上的光生成電響應的光強傳感器。

積分器110的輸出V_OUT是對ADC?120的輸入。ADC?120進行模數轉換。模數轉換功能在本領域是公知的。出現在ADC?120輸入端的模擬信號V_OUT轉換成可取一組分立電平之一的信號V_D。

該信號的質量由對信號V_IN進行積分的積分器110進行提升的特征。圖2示出該信號提升。波形200為由信號源100生成的一常值信號和破壞該常值信號的附加噪聲的組合。波形210為響應輸入信號波形200生成的積分器輸出。不難看出，噪聲造成的信號波動在波形210中降低。

信號源100可為一使用在時控場合，例如數字相機場合中的光強傳感器，此時傳感器在通常稱為曝光時間的一定時間中受光的照射。積分器110還起著把曝光時間中接收的所有光子造成的傳感器100的響應積分成一值，例如一電壓在曝光時間結束時讀出的功能之作用。

圖3示出一典型的圖像傳感器電路。信號源1000為一光傳感器，例如一光電二極管。電容1040為一簡單積分器。積分器的輸入為信號源1000的輸出。電容1040由在開始積分過程前處于閉合位置的開關1050復位。積分過程開始時開關1050打開，電容器1040上的電壓開始響應從信號源1000輸入的信號作改變。積分過程結束時開關1030閉合，對積分器輸出1060V_OUT取樣。圖3為原理圖。功能相同的其它類似積分器的原理在本領域的技術人員是公知的。

積分器輸出1060V_OUT通常無法超過由可用電源電壓所加的上限。電源電壓在現有技術中由于功率消耗的必要需求而下降。積分器輸出1060無法超過電源電壓，如積分器輸出信號在達到電源電壓后繼續增加就會飽和。圖4A示出該飽和狀態。飽和出現在輸出電壓達到可用電源電壓而無法響應輸入信號作進一步的提升之時。信號飽和造成系統性能下降。圖4A-4C示出由感光元件結構、確切說積分器結構的動態范圍不足造成的由光傳感器100和積分器110構成的像素結構的輸出的潛在失真。

圖4A的線段(a)示出積分器110響應一不同電平的恒定輸入信號的輸出的線性增加。該圖像傳感器結構在輸入光強造成線段(a)的線性輸出的范圍內性能良好；該圖像傳感器結構在輸入光強造成線段(b)的飽和輸出的范圍內性能不好。

該積分器輸出響應表明動態范圍不足。如圖4A所示，該圖像傳感器能顯示圖像暗部清晰度但不能顯示亮部清晰度?？扇鐖D4B和4C所示移動該響應。在圖4B和4C中該圖像傳感器的動態范圍不變，但響應特性移位。圖4B的響應特性的暗部和亮部清晰度顯示不佳，但不明不暗部的中間范圍響應良好。圖4C的響應特性為保持亮部清晰度顯示良好而犧牲暗部清晰度和一部分不明不暗部的中間范圍清晰度。

圖5A為許多像素如圖4A中那樣被驅動成飽和時曝光過度圖像的像素亮度的直方圖。如圖5A所示，像素結構最大輸出值為‘255’，所使用單位為與像素輸出電壓對應的ADC?120輸出碼。該光強隨著曝光時間中曝光的進行造成許多光傳感器100輸出一個使得積分器110飽和的值。積分器110輸出的該最大(飽和)值造成ADC生成對8位ADC來說是最大輸出碼的輸出碼‘255’。該圖像的拍攝由于須接受高強度光輸入的這些像素無法獲得足夠高的輸出電平而無法達到最佳質量。積分器110的低增益造成須接受高強度光輸入的光圖像傳感器輸出以記錄低于255的輸出而防止高端失真。