用于通過多個圖像感測元件俘獲圖像的系統及方法
【技術領域】
[0001] 本申請案大體上涉及數字成像，且更確切地說，涉及用于可見圖像傳感器的系統、 方法及裝置，所述可見圖像傳感器包含用于擴展動態范圍的多個圖像感測元件。
【背景技術】
[0002] 在數字成像中，互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器的動態范圍有時可能不足以 準確地表示戶外場景。這一點在可用于例如移動電話上的相機等的移動裝置中的更緊湊的 傳感器中可能尤其正確。舉例來說，用于移動裝置相機中的典型傳感器可具有大致60dB至 70dB的動態范圍。然而，典型的自然戶外場景可容易覆蓋光照區與陰影之間的100dB的對比 度范圍。因為此動態范圍大于用于移動裝置中的典型傳感器的動態范圍，所以可能在通過 移動裝置俘獲的圖像中丟失細節。
[0003] 對擴展圖像傳感器的動態范圍的先前嘗試各自具有其自身的優點及缺點。舉例來 說，一些先前方法涉及組合兩個幀，一個具有更短曝光時間且一個具有更長曝光時間。在此 方法中，具有更長曝光時間的幀可用于展示暗區域中的細節，而具有更短曝光時間的幀可 用于展示亮區域中的細節。此方法對于靜止的物體可產生良好結果，并且可產生極佳的寬 動態范圍（WDR)圖片。不利的是，當為移動物體拍照時，用于產生此圖像的兩個不同幀之間 的時間差可產生運動疊影效果。此方法還可能需要此裝置中的全幀存儲器。
[0004] 為了減少此運動偽影，另一方法是在讀出長曝光幀之后即刻起始短曝光幀的整 合。為了說明此方案如何起作用，假設短曝光時間是S線-時間且長曝光時間是L線-時間。通 過典型的滾動快門操作，成像器將在時間〇處起始第一行的整合且隨后稍后在一個線-時間 處起始第二行的整合等等。在時間L線-時間處，將讀出長曝光幀的第一行且立即起始第二 短曝光幀的整合，接著稍后在一個線時間處讀出及復位第二行等等。因此，舉例來說，在時 間L+S線-時間處將發生行1的短曝光幀的讀出，而在時間L+S+1處將發生短曝光幀行2的讀 出。這將持續直到完全讀出兩個幀為止。盡管與前述方法相比運動偽影可減少，但是此方法 仍將需要存儲緩沖器的S線以重構完整的WDR幀。
[0005] 為了使來自雙幀方法的運動偽影減到最少且為了減少所需線緩沖器的量，可使用 其中在同一讀出幀內實施不同整合次數的不同方案。舉例來說，一個可能方案是具有具備 更長整合時間。^的兩個行及具備更短整合時間Tshcirt的另外兩個行。此方案可用于顏色感 測成像器，其中濾色片子圖案通常成對出現，例如，眾所周知的拜耳圖案，其具有含有一個 對角線中的兩個綠色像素及另一對角線上的紅色及藍色像素的2X2子圖案，如圖1中所說 明。
[0006] 類似于其它方法，具有心^的行用于展示暗區域中的細節，而具有1^。^的行用于 展示亮區域中的細節。通過此方法，運動偽影被減到最少且不需要線緩沖器。然而，此方法 將導致垂直方向上的分辨率損失。在美國專利8,059,174中提出另一改進的方法，其中長整 合時間及短整合時間緊密交錯，即，某一行中的一些像素將具有更長整合時間而同一行中 的其它像素將具有更短整合時間，從而導致垂直方向上的分辨率高得多。然而，這仍將導致 垂直及水平兩個方向上的一些分辨率損失。在類似方案中，可使用具有長整合時間的一行 像素且下一行像素可具有短整合時間，其中兩個像素具有相同濾色片。然而，此方法導致不 同高寬比及垂直分辨率損耗。
[0007]此問題的又另一個方法可為使用非線性響應像素，例如，對數像素。盡管此類像素 提供非常高的自然動態范圍，但使用這些像素產生的圖像具有例如較高固定圖案噪聲 (FPN)等的其它問題。
[0008] 除了不同整合時間之外，還可以實施例如像素內操縱等的其它技術來實現WDR。舉 例來說，在所謂的橫向溢流集成電容器(L0FIC)方案中，在每一像素中添加小電容器以在特 定像素接近飽和時積累電荷。在此方案中，可以更復雜布局為代價實現較高動態范圍。
[0009]在這些方案中的每一者中，每一像素具有一個光感測元件且像素通常在水平和垂 直兩個方向上以相同增量布置成正方形圖案。
[0010]另一可能的方案通過第7,019,274號美國專利說明，其展示其中小光感測元件及 大光感測元件并入每一像素中的方案。通過調整像素頂部上的遮光罩以允許更多地暴露于 較大單元且更少地暴露于小單元，組合的圖片可具有較高動態范圍。然而，對于此種方法， 在制造成像器后動態范圍延伸部分是固定的，因為動態范圍延伸部分僅取決于小元件及大 元件的比率及其孔徑比。然而，實際上，針對不同場景需要不同動態范圍。舉例來說，在低光 情況下，可能優選的是不使用任何高動態范圍的圖像信息，替代地可能需要將每一像素暴 露于盡可能多的光以實現較高信噪比（SNR)。然而，用于第7,019,274號美國專利中的方案 可不被優化用于此類不同方案。
【發明內容】
[0011]本文中論述的系統、方法、裝置及計算機程序產品各自具有若干方面，所述若干方 面中的單個方面不僅僅負責其所需屬性。在不限制如通過以下權利要求書表達的本發明的 范圍的情況下，下文將簡要地論述一些特征。在考慮此論述之后，且確切地說，在讀取標題 為"【具體實施方式】"的部分之后，將理解本發明的有利特征如何包含通過多個光感測元件俘 獲圖像。
[0012] 在一些方面中，揭示一種通過圖像傳感器俘獲圖像的方法，所述圖像傳感器包含 具有第一阱容量的至少一個第一光感測元件及具有第二阱容量的至少一個第二光感測元 件，其中所述第二阱容量大于所述第一阱容量。所述方法包括:確定用于至少一個第一光感 測元件中的每一者的第一整合時間;及確定用于至少一個第二光感測元件中的每一者的第 二整合時間，其中所述第二整合時間不同于所述第一整合時間。
[0013] 在一個方面中，揭示一種電子裝置。所述裝置包括:CMOS可見圖像傳感器，其包含 具有第一阱容量的至少一個第一光感測元件及具有第二阱容量的至少一個第二光感測元 件，其中所述第二阱容量大于所述第一阱容量;及處理器，其經配置以確定將用于所述至少 一個第一光感測元件中的每一者的第一整合時間；及確定將用于所述至少一個第二光感測 元件中的每一者的第二整合時間，其中所述第二整合時間不同于所述第一整合時間。
[0014]在一個方面中，揭示一種電子裝置。所述裝置包括用于確定用于CMOS可見圖像傳 感器中包含的具有第一阱容量的至少一個第一光感測元件中的每一者的第一整合時間的 裝置;及用于確定用于所述CMOS可見圖像傳感器中包含的具有第二阱容量的至少一個第二 光感測元件中的每一者的第二整合時間的裝置，其中所述第二整合時間不同于所述第一整 合時間并且其中所述第二阱容量大于所述第一阱容量。
[0015] 在一個方面中，揭示一種非暫時性計算機可讀媒體，其包括當執行時致使裝置中 的處理器執行使用CMOS可見圖像傳感器獲取圖像的方法的指令，所述CMOS可見圖像傳感器 包含具有第一阱容量的至少一個第一光感測元件及具有第二阱容量的至少一個第二光感 測元件，所述第二阱容量大于所述第一阱容量。所述方法包括:確定用于所述至少一個第一 光感測元件中的每一者的第一整合時間；及確定用于所述至少一個第二光感測元件中的每 一者的第二整合時間，其中所述第二整合時間不同于所述第一整合時間。
【附圖說明】
[0016] 圖1是拜耳濾色片圖案的圖解說明。
[0017] 圖2是雙二極管像素的示范性示意圖。
[0018] 圖3是用于啟用動態范圍延伸部分的雙二極管像素的示范性時序圖。
[0019] 圖4A及4B是動態范圍延伸部分的原理的圖解說明。
[0020] 圖5是說明用于組合來自兩個光電二極管的讀出值的函數的a(x，y)的曲線。
[0021] 圖6是可用于低光情況中的雙二極管像素的示范性時序圖。
[0022] 圖7是在同一行或同一列中的總共具有共享一組通用晶體管的4個光電二極管的 兩個相鄰像素的示意圖。
[0023] 圖8描繪具有用于組合來自光電二極管的讀出值的一組組件的裝置的高級框圖。
[0024] 圖9是使用雙二極管裝置的方法的圖解說明。
【具體實施方式】
[0025] 實施例涉及用于延伸可見圖像傳感器的動態范圍的方法及系統。一個實施例包含 基于CMOS的可見圖像傳感器，所述傳感器并入有具有不同整合時間的雙二極管像素以擴展 圖像傳感器的動態范圍。延伸可見圖像傳感器的動態范圍是非常重要的，因為用于典型移 動裝置上的傳感器可能具有不足以俘獲室外圖像的全動態范圍的動態范圍。在一些實施例 中，CMOS傳感器可通過并入有雙二極管設計來增加動態范圍。舉例來說，此設計可包含具有 較大阱容量以吸收更多光且提供圖像的暗區域中的更多細節的較大光電二極管及具有較 小阱容量以提供圖像的亮區域中的更多細節的較小光電二極管。
[0026] 例如光電二極管等的光感測元件可保存