專利名稱：用于改善圖像傳感器的動態范圍的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及圖像感測裝置，且更具體地說，涉及改善CMOS圖像傳感器中的動態范圍。
背景技術：
圖像傳感器將可見光轉換成電信號。圖像傳感器是由像素的陣列形成，每一像素將從光源接收的光轉換成電信號。常規圖像傳感器主要用于數碼相機中，且可屬于兩種類別中的一者電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。圖像傳感器的許多應用需要比常規CMOS圖像傳感器所能實現的動態范圍高的動態范圍(即，較高的明度差別)。因此，需要改善圖像傳感器的動態范圍。
發明內容
在一個方面中，本發明提供一種用于用圖像感測裝置感測圖像的方法，所述圖像感測裝置包括具有多行像素的圖像傳感器，所述方法包括對所述多行像素中的一行執行快門操作；在執行所述快門操作之后的預定持續時間之后對所述多行中的所述一行進行取樣，所述預定持續時間不同于所述圖像感測裝置的行時間周期的倍數。在另一方面中，本發明提供一種圖像感測裝置，其包括具有多行像素的圖像傳感器；用于控制每一行像素的曝光的控制器，所述控制器經編程以對所述多行像素中的一行執行快門操作；在執行所述快門操作之后的預定持續時間之后對所述多行中的所述一行進行取樣，所述預定持續時間不同于所述圖像感測裝置的行時間周期的倍數。
在結合附圖閱讀時可從以下詳細描述最佳地理解本發明，在附圖中，相同元件具有相同參考數字。當存在多個類似元件時，單一參考數字可指派給所述多個類似元件，小寫字母標記指代特定元件。當共同提及所述元件或提及所述元件中的非特定的一者或一者以上時，可舍棄所述小寫字母標記。根據常識，除非另外指出，否則圖式的各種特征未按比例繪制。相反，各種特征的尺寸可能為了清楚起見而擴大或減小。圖式中包含下圖圖1是根據本發明的方面的實例圖像感測裝置的圖；圖2是說明根據本發明的方面的實例圖像感測操作的時序圖；以及圖3是根據本發明的方面的用于感測圖像的實例方法的流程圖。
具體實施例方式本文中所述的本發明的方面可用于多種電子裝置中，所述電子裝置包含例如數碼相機。所揭示的裝置和方法在圖像傳感器的動態范圍方面實現改善。圖像傳感器的動態范圍取決于圖像傳感器的像素的最長積分時間(或曝光時間)與最短積分時間的比率。典型地，圖像傳感器的最長積分時間受到可用于幀中的行數的限制，且最短積分時間受到行時間周期的持續時間的限制。如本文所使用，術語“行時間周期”指代圖像感測裝置的快門速度(即，1/60秒)除以在幀中曝光的圖像傳感器的行數。本發明的方面涉及實施具有可變積分時間的圖像傳感器，所述可變積分時間可小于行時間周期。所揭示的裝置和方法可由如本文將描述的具有共享和非共享像素陣列的圖像傳感器使用。本文所揭示的實例實施例尤其適合結合互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器來使用。常規上，CMOS圖像傳感器在將像素曝光于光源期間執行“滾動快門”操作。在滾動快門操作中，圖像傳感器中的所有像素行并不同時曝光。而是，圖像傳感器中的所有像素行通過跨越圖像傳感器掃描快門操作而逐行依次曝光。盡管本文在CMOS圖像傳感器的情況下描述本發明的實例實施例，但所屬領域的技術人員將理解，本發明不限于此。現在參看圖式，圖1說明根據本發明的方面的實例圖像感測裝置100。圖像感測裝置100可為例如數碼相機等電子裝置。作為一般概述，圖像感測裝置100包含圖像傳感器120和控制器140。下文描述圖像感測裝置100的額外細節。圖像傳感器120包含多行像素122。像素122將由圖像傳感器120接收的光轉換成電信號。每一像素122包含光檢測器、浮動擴散區、轉移晶體管、復位晶體管，和行選擇晶體管(所述晶體管中的每一者具有相應命名的柵極)。所述光檢測器可包括例如釘扎半導體p-n結二極管(即，光電二極管)。簡要地說，p-n結常用于檢測光信號。p-n結典型地被反向偏置，從而在圍繞p-n結的體積中產生耗盡區。由此，照射P-n結的光引起半導體材料的價帶中的電子過渡到導帶，從而在耗盡區中產生電洞-電子對，所述電洞-電子對在相反方向上被掃出耗盡區。結電位的由于耗盡區的崩潰而引起的改變被檢測為指示由像素122吸收的光的強度的信號。本文稍后將更詳細地描述像素122的進一步操作。在一實例實施例中，圖像傳感器120為互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。所屬領域的技術人員將從本文的描述中理解此種圖像傳感器120的制造。控制器140控制圖 像傳感器120的曝光。具體地說，控制器140經編程以對圖像傳感器120中的每一行像素執行快門操作。控制器140可執行例如如上文所述的滾動快門操作。此外，控制器140經編程以在執行快門操作之后對每一行像素進行取樣。具體地說，控制器140經編程以在執行快門操作之后的預定持續時間之后對每一行進行取樣。在常規圖像感測裝置中，此種取樣在從快門操作起已過去或以上行時間周期之后發生。根據本發明的方面，控制器140在與圖像感測裝置100的行時間周期不同，且更具體地說，與圖像感測裝置100的行時間周期的任何整數倍不同的預定持續時間之后對每一行進行取樣。下文將描述圖像感測裝置100中的控制器140的進一步操作。在一實例實施例中，控制器140由微處理器組成。微處理器可利用常規電子邏輯組件來執行本文所述的實例操作。所屬領域的技術人員將從本文的描述中理解用于供本發明使用的適當控制器140。現在將描述根據本發明的方面的圖像感測裝置100的操作。在實例操作中，圖像感測裝置100用圖像傳感器120接收信號以獲得圖像。圖像感測裝置100從例如用戶接收此種信號，或可自動產生此種信號。在接收到信號時，圖像感測裝置100的控制器140隨即將圖像傳感器120中的每一行像素122曝光于光源(即，待成像的場景)。為了曝光一行像素122，控制器140經編程以對所述行執行快門操作。所述快門操作可為跨越圖像傳感器120中的每一行像素的滾動快門操作。在實例操作中，控制器通過針對行中的每一像素122接通和斷開復位柵極和轉移柵極以使所述像素復位來執行快門操作。每一像素122的積分(或曝光)時間在執行快門操作之后開始。在此積分時間期間，每一像素122的光檢測器從光源接收光子。光子的此接收如上所述在光檢測器中產生電荷。在預定持續時間(對應于所需積分時間)之后，控制器140經編程以對所述行像素122進行取樣。控制器140在對每一行像素執行快門操作之后的相同預定持續時間之后對那一行進行取樣。所述預定持續時間可小于行時間周期，或可大于行時間周期。利用小于圖像傳感器的行時間周期的積分時間會增加最長積分時間與最短積分時間之間的比率，且由此合意地改善圖像傳感器120的動態范圍。在一個實例實施例中，每一像素122包括非共享浮動擴散。在此實施例中，控制器140通過針對行中的每一像素122接通轉移柵極來對每一像素122進行取樣。接通轉移柵極會將在曝光期間于光檢測器中產生的電荷轉移到浮動擴散。一旦電荷已轉移到浮動擴散，控制器140就可接通行選擇柵極以將電荷從浮動擴散轉移到像素122的相關聯的列線。光檢測器和浮動擴散可接著通過接通像素122的復位柵極而復位。在此轉移操作之前，可作為相關雙取樣操作的一部分對浮動擴散進行復位和取樣。在一替代實施例中，像素122的多個行包括多個浮動擴散。在此實施例中，控制器140通過針對共享浮動擴散的像素行依序接通轉移柵極、針對共享浮動擴散接通行選擇和轉移柵極，且接著針對共享浮動擴散接通復位柵極，隨后針對共享浮動擴散的下一行像素接通轉移柵極來對每一像素122進行取樣。以此方式，可使用共享浮動擴散單獨轉移來自光檢測器的每一行的電荷。圖2是說明圖像感測裝置100的多個行時間周期內的上述快門操作與取樣操作之間的關系的時序 圖200。多個行時間周期202說明于圖2中。在每一行時間周期202期間，控制器140執行展示為框204的快門操作(如上所述)。此外，在每一行時間周期202期間，控制器140執行展示為框206的取樣操作(如上所述)。如圖2所示，每一快門操作與隨后取樣操作之間的預定持續時間(或積分時間)小于圖像感測裝置100的行時間周期202。對于快門操作204a，積分時間的長度由線208說明。對于快門操作204b，積分時間的長度由線210說明。對于快門操作204c，積分時間的長度由線212說明。顯然，積分時間208、210、212中無一者在持續時間上等于行時間周期202或行時間周期的整數倍。如圖2所示，圖像感測裝置100可經配置以在每一行時間周期202期間在不同時間執行快門操作。不同操作模式214展示于圖2中。當圖像感測裝置100在第一操作模式214a中操作時，控制器140將信號發送到圖像傳感器120以在曝光期間執行快門操作204a ;在第二操作模式214b中，控制器140將信號發送到圖像傳感器120以在曝光期間執行快門操作204b ;且在第三操作模式214c中，控制器140將信號發送到圖像傳感器120以在曝光期間執行快門操作204c。盡管在圖2中展示短于行時間周期的積分時間，但將理解，本發明不限于此。為將積分時間延長到超出行時間周期(如線216和218所說明)，控制器140可經編程以延遲對必須執行快門或取樣操作的像素行的定址。如圖2所示，線218的積分時間可等于一個行時間周期加上線210的積分時間。如果需要，延遲可延長到多個行。圖3是說明根據本發明的方面用于用圖像感測裝置感測圖像的實例方法300的流程圖。所述圖像感測裝置可為例如數碼相機等電子裝置。作為一般概述，方法300包含對一行像素執行快門操作和對所述行像素進行取樣。本文關于圖像感測裝置100的組件描述方法300的額外細節。在步驟310中，對一行像素執行快門操作。在一實例實施例中，控制器140對于圖像傳感器120中的一行像素122執行快門操作。如上所述，所述快門操作可為跨越每一行像素122的滾動快門操作。在步驟320中，在執行快門操作之后的預定持續時間之后對像素行進行取樣。在一實例實施例中，控制器140在快門操作之后的預定持續時間之后對像素行進行取樣。所述預定持續時間不同于圖像感測裝置100的行時間周期，且更具體地說，不同于圖像感測裝置100的行時間周期的任何倍數。本發明的方面涉及用于改善圖像傳感器中的動態范圍的方法和裝置。根據本發明的一個方面，揭示一種用于用圖像感測裝置感測圖像的方法。所述圖像感測裝置包括具有多行像素的圖像傳感器。所述方法包括對多行像素的中的一行執行快門操作，且在執行快門操作之后的預定持續時間之后對所述多行中的所述一行進行取樣。所述預定持續時間不同于圖像感測裝置的行時間周期的倍數。根據本發明的另一方面，揭示一種圖像感測裝置。所述圖像感測裝置包括具有多行像素的圖像傳感器和用于控制每一行像素的曝光的控制器。所述控制器經編程以執行上述方法。盡管本文參考 特定實施例說明且描述了本發明，但不希望本發明限于所展示的細節。相反，可在權利要求書的等效物的范圍內在細節上進行各種修改，而不脫離本發明。
權利要求
1.一種用于用圖像感測裝置感測圖像的方法，所述圖像感測裝置包括具有多行像素的圖像傳感器，所述方法包括 對所述多行像素中的一行執行快門操作； 在執行所述快門操作之后的預定持續時間之后對所述多行中的所述一行進行取樣，所述預定持續時間不同于所述圖像感測裝置的行時間周期的倍數。
2.根據權利要求1所述的方法，其中 所述執行步驟包括對所述多行像素執行滾動快門操作；且 所述取樣步驟包括在所述執行相關聯的快門操作之后的所述預定持續時間之后對所述多行中的每一行進行取樣。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述執行步驟包括針對所述行中的每一像素接通和斷開復位柵極和轉移柵極。
4.根據權利要求3所述的方法，其中 每一像素包括非共享浮動擴散；且 所述取樣步驟包括針對所述行中的每一像素接通轉移柵極和行選擇柵極。
5.根據權利要求3所述的方法，其中 所述多行像素包括多個共享浮動擴散，所述多個共享浮動擴散跨越多個行而被共享；且 所述取樣步驟包括針對共享浮動擴散的第一行像素依序接通所述轉移柵極、針對所述第一行接通所述行選擇柵極，且接著針對所述共享浮動擴散接通所述復位柵極，隨后針對所述共享浮動擴散的第二行像素接通轉移柵極。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述預定持續時間小于一個行時間周期。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述預定持續時間大于一個行時間周期。
8.一種圖像感測裝置，其包括 具有多行像素的圖像傳感器； 用于控制每一行像素的曝光的控制器，所述控制器經編程以 對所述多行像素中的一行執行快門操作； 在執行所述快門操作之后的預定持續時間之后對所述多行中的所述一行進行取樣，所述預定持續時間不同于所述圖像感測裝置的行時間周期的倍數。
9.根據權利要求8所述的圖像感測裝置，其中 所述控制器經編程以對所述多行像素執行滾動快門操作；且 所述控制器經編程以在所述執行相關聯的快門操作之后的所述預定持續時間之后對所述多行中的每一行進行取樣。
10.根據權利要求8所述的圖像感測裝置，其中 所述控制器通過針對所述行中的每一像素接通和斷開復位柵極和轉移柵極來執行所述快門操作。
11.根據權利要求10所述的圖像感測裝置，其中 每一像素包括非共享浮動擴散；且 所述控制器通過針對所述行中的每一像素接通轉移柵極和行選擇柵極來對所述多行中的所述一行進行取樣。
12.根據權利要求10所述的圖像感測裝置，其中 所述多行像素包括多個共享浮動擴散，所述多個共享浮動擴散跨越多個行而被共享；且 所述控制器通過針對共享浮動擴散的像素的第一行依序接通所述轉移柵極、針對所述第一行接通所述行選擇柵極一且接著針對所述共享浮動擴散接通所述復位柵極，隨后針對所述共享浮動擴散的像素的第二行接通轉移柵極來對所述多行中的所述一行進行取樣。
13.根據權利要求8所述的圖像感測裝置，其中所述預定持續時間小于一個行時間周期。
14.根據權利要求8所述的圖像感測裝置，其中所述預定持續時間大于一個行時間周期。
全文摘要
本發明揭示用于改善圖像傳感器中的動態范圍的方法和裝置。圖像感測裝置包括具有多行像素的圖像傳感器和用于控制每一行像素的曝光的控制器。所述控制器經編程以對所述多行像素中的一行像素執行快門操作，且在執行快門操作之后的預定持續時間之后對所述多行中的所述一行進行取樣。所述預定持續時間不同于所述圖像感測裝置的行時間周期的倍數。
文檔編號H04N5/355GK103037176SQ20121037074
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年9月30日
發明者索拉博·雅格麥 申請人:普廷數碼影像控股公司