[發(fā)明專利]用于移動(dòng)式應(yīng)用的CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210021545.1
• 申請日: 2012-01-31
• 公開（公告）號: CN102625060A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杰夫·雷辛斯基;王洪規(guī);一兵·米歇爾·王
• 申請（專利權(quán)）人: 海力士半導(dǎo)體有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/378
• 代理公司: 北京弘權(quán)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11363
• 代理人: 郭放;許偉群

相關(guān)申請的交叉引用/參考文件的合并

本申請引用于2011年1月31日提交的美國專利申請第13/018,100號。

上述申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的某些實(shí)施例總體上涉及圖像處理，更具體地，涉及用于移動(dòng)式應(yīng)用的CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。

背景技術(shù)

在數(shù)碼相機(jī)中，光穿過相機(jī)鏡頭以曝光在具有光電二極管的像素陣列上，使得每個(gè)像素中捕獲的光量可以被轉(zhuǎn)換為模擬電信號。來自每個(gè)像素的模擬電信號被放大并且經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號隨后可用于進(jìn)一步的數(shù)字處理以產(chǎn)生捕獲的圖像。

數(shù)碼相機(jī)或者其他數(shù)字成像系統(tǒng)中的圖像傳感器執(zhí)行從像素捕獲光到數(shù)字圖像輸出的圖像產(chǎn)生處理。因此，圖像傳感器在用于確定最終圖像質(zhì)量的數(shù)字圖像系統(tǒng)中是重要的部件。CMOS圖像傳感器廣泛地用在需要高速度性能和低功耗的應(yīng)用中，因?yàn)镃MOS圖像傳感器通常比電荷耦合器件(CCD)提供更高的幀速率操作。CMOS圖像傳感器還可以被形成在低功耗的、尺寸極為緊湊的芯片中，并且被用在各種應(yīng)用中的數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)中，這些應(yīng)用諸如移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理、便攜式計(jì)算機(jī)等。

然而，CMOS圖像傳感器可能受到高讀取噪聲(即，低信噪比(SNR))和高固定模式噪聲(即，低動(dòng)態(tài)范圍(DR))的困擾。較之電荷耦合器件，CMOS圖像傳感器提供較低的信噪比(SNR)和較小的動(dòng)態(tài)范圍(DR)。

動(dòng)態(tài)范圍是可測量量(諸如光)的最小可能值和最大可能值之間的比，其被表述為以10為底的對數(shù)值(分貝，dB)。動(dòng)態(tài)范圍量化了使場景中的高光和暗影兩者均充分成像的能力。例如，人類視覺具有極高的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)槿搜劭梢栽诿髁寥展庀驴吹轿矬w，也可以在沒有月亮的黑夜看到物體。人眼具有約200dB的動(dòng)態(tài)范圍。

由于典型的移動(dòng)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍通常約為60dB，因此對于現(xiàn)今的電子數(shù)字成像設(shè)備，幾乎不可能再現(xiàn)人眼體驗(yàn)的全動(dòng)態(tài)范圍。然而，增強(qiáng)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍仍是業(yè)界的研究目標(biāo)之一。

通常，動(dòng)態(tài)范圍可以通過以下方法擴(kuò)展：在芯片上添加更多的硬件以在模擬域或數(shù)字域中儲存更多的光信息，諸如在每個(gè)像素中添加更多的器件以增加電荷收集能力；或者添加更多的幀和/或線存儲器以保存曝光不同的圖像；或者添加光掩模以改變不同像素的靈敏度。這些類型的硬件解決方案在移動(dòng)式應(yīng)用中具有嚴(yán)重的限制，因?yàn)橄袼爻叽鐦O小以至于不能允許像素中具有更多的晶體管，并且移動(dòng)設(shè)備的小模塊尺寸也限制了芯片上的額外的存儲器的尺寸，并且像素的小尺寸還限制了光掩模的性能和均勻性。

更具體地，已提出了如下技術(shù)，包括多重積分、對數(shù)傳感器、雙靈敏度像素和空間變化靈敏度像素，以改進(jìn)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。然而，所有這些技術(shù)都被認(rèn)為不能勝任。

多重積分方法需要額外的存儲器以在處理圖像之前儲存不同積分的全部或部分圖像。對數(shù)傳感器方法具有高的像素響應(yīng)不均勻性，從而其色彩響應(yīng)差。雙靈敏度像素方法需要像素內(nèi)部有額外的晶體管和/或存儲，因此像素尺寸難于縮小。

空間變化靈敏度像素方法在不同像素上使用不同的光掩模以在同一像素陣列上對光信息進(jìn)行二次采樣，并且每個(gè)像素的靈敏度不能在不同的照明條件下變化。此外，像素響應(yīng)是非線性的。因此，像素響應(yīng)技術(shù)需要完全校準(zhǔn)傳感器的光響應(yīng)并且創(chuàng)建查找表。額外的濾波器也增加了成本。

通過將這些系統(tǒng)與如本申請的以下部分中參照附圖闡述的本發(fā)明的一些方面相比較，慣用的和傳統(tǒng)的方法的另外的限制和缺點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的特定實(shí)施例提供了用于移動(dòng)式應(yīng)用的CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可以包括針對像素陣列中的每個(gè)像素設(shè)定多個(gè)積分時(shí)間中的一個(gè)以及多個(gè)信號增益中的一個(gè)?？梢葬槍ο袼仃嚵兄械拿總€(gè)像素生成相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。可以從被分組為像素組的像素的所述相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)生成經(jīng)內(nèi)插的輸出數(shù)據(jù)，其中，像素組包括目標(biāo)像素和同一彩色平面中的相鄰像素。

一種用于處理圖像的系統(tǒng)可以包括像素配置電路，其能夠針對像素陣列中的每個(gè)像素設(shè)定多個(gè)積分時(shí)間中的一個(gè)以及多個(gè)信號增益中的一個(gè)。列模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以被使能為針對像素陣列中的像素生成相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并且數(shù)字處理電路可以被使能為從被分組為像素組的像素的所述相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，其中，像素組包括目標(biāo)像素和同一彩色平面中的相鄰像素。