[發明專利]一種提高小尺寸像素圖像傳感器動態范圍的工作方式

在審

• 申請號: 201910752457.0
• 申請日: 2019-08-15
• 公開（公告）號: CN112399115A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 徐江濤;徐亮;高靜;趙彤;查萬斌
• 申請（專利權）人: 天津大學青島海洋技術研究院
• 主分類號: H04N5/378
• 分類號: H04N5/378;H04N5/374;H04N5/355
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種提高小尺寸像素圖像傳感器動態范圍的工作方式，圖像傳感器采用時間過采樣技術，即對圖像傳感器中的每個像素進行多次采樣讀出；像素采用條件復位，即當像素進行曝光時，按一定的采樣間隔對像素進行采樣，當像素達到所設閾值時，則在下一個采樣到來時對像素進行復位操作，若未達到閾值時，像素繼續進行光信號積累；像素的每次采樣時間是不同的，并且像素每次采樣時比較的閾值是可調；本發明中采用條件復位和時間過采樣技術相結合的工作方式，像素每次的采樣閾值和采樣時間可調，保證了圖像傳感器動態范圍中最大非飽和光強不再受滿阱容量的限制，僅取決于過采樣策略，從而實現高動態范圍的圖像。

技術領域

本發明專利屬于CMOS圖像傳感器領域，涉及一種小尺寸像素，滿阱容量受限的圖像傳感器，尤其涉及一種提高小尺寸像素動態范圍的工作方式。

背景技術

近年來根據摩爾定律，CMOS工藝技術得到不斷改善，使得圖像傳感器領域的像素尺寸在不斷縮小，與CCD圖像傳感器相比較，CMOS圖像傳感器在集成度，功耗等方面優勢越來越明顯。

CMOS圖像傳感器的動態范圍，由最大非飽和信號與最小可探測光強的比值確定，一般的CMOS圖像傳感器中每個像素僅進行一次曝光采樣，因此最大非飽和光強受到像素滿阱容量的限制；最小可探測光強與圖像傳感器的噪聲有關。隨著小尺寸像素的發展，導致滿阱容量不斷下降，從而引起CMOS圖像傳感器的動態范圍較低，光靈敏度較低。

針對小尺寸像素，為了克服滿阱容量過小的限制，提高圖像傳感器的動態范圍，目前提出的主流解決方案有對目標場景進行長短不同曝光時間的多次曝光技術，該方案中像素復位后進行長曝光，長曝光信號讀出后開始短曝光，在短曝光讀出階段進行更短時間曝光，以此方式完成所有曝光操作，最終通過融合不同曝光時間下的輸出來提高動態范圍。因此這樣做的代價是需要復雜的讀出信號鏈，包括列級放大器、相關多次采樣、列級ADC等，造成功耗過大。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明一種提高小尺寸像素圖像傳感器動態范圍的工作方式，基于條件復位和時間過采樣的工作方式，目的在于突破小尺寸像素滿阱容量的限制，克服現有技術的不足，旨在提高圖像傳感器的動態范圍。

一種提高小尺寸像素圖像傳感器動態范圍的工作方式，其主要技術方案包括：

1）圖像傳感器采用時間過采樣技術，即對圖像傳感器中的每個像素進行多次采樣讀出，此處每次采樣的像素稱為子像素，最終的圖像根據每次采樣結果進行重構，因此最終圖像中，每個等效像素的滿阱容量取決于時間過采樣次數m以及每次采樣時設定的閾值大小Uth_i，其最終的等效滿阱容量為：；

2）像素采用條件復位，即當像素進行曝光時，按一定的采樣間隔對像素進行采樣，當像素達到所設閾值時，則在下一個采樣到來時對像素進行復位操作，若未達到閾值時，像素繼續進行光信號積累；該方法中采樣間隔的時間固定，由于閾值的設定不同，其每次采樣時間由采樣間隔的數目來決定；對于極低的光強下，像素在未達到閾值前，每次采樣間隔后不進行復位，直到采集的像素信號達到閾值才進行復位，此情況下采樣間隔的數目較大；對于較強光照下，在不改變采樣間隔大小的情況下其采樣間隔的數量較小；

3）像素的每次采樣時間是不同的，并且像素每次采樣時比較的閾值是可調。

圖1所示是小尺寸像素的圖像傳感器的整體架構。圖像傳感器的工作方式如下：首先像素陣列，由小尺寸像素構成，滿阱容量較小，用于光電轉換；轉換后的信號通過行選通電路、列選通電路，選通特定像素并讀出到列級；之后列級判定電路，用于判斷每個采樣間隔下像素內的光電信號是否達到閾值，并產生像素的復位信號，其中采樣間隔是可調的，像素的閾值通過閾值調節電路進行設定；接著列級數字緩沖器，將并行讀出的二進制數字輸出轉為串行數據；高速接口電路，用于將串行數字碼輸出到圖像傳感器外；邏輯控制，用于控制像素數字信號的讀出。