[发明专利]用于移动式应用的CMOS图像传感器的动态范围扩展

说明书

相关申请的交叉引用/引入作为参考

本申请引用于2011年1月31日提交的序列号为No.13/017,468的美国专利申请。

上述申请全部引入作为参考。

技术领域

本发明的某些实施例涉及图像处理。更确切地说，本发明的某些实施例涉及用于移动式应用的CMOS图像传感器的动态范围扩展。

背景技术

在数码相机中，光穿过相机镜头而曝光在具有光电二极管的像素阵列上，使得每个像素中所捕获的光量可被转换成模拟电信号。来自每个像素的模拟电信号被放大并且经由模数转换被转换成数字信号。数字信号随后可用于进一步的数字处理，以产生所捕获的图像。

数码相机或者其他数字成像系统中的图像传感器执行从像素捕获光到数字图像输出的图像产生过程。因此，图像传感器是数字图像系统中用于确定最终图像质量的重要部件。CMOS图像传感器广泛地使用于要求高速性能和低功耗的应用中，因为CMOS图像传感器通常比电荷耦合器件(CCD)提供更高的帧速率操作。CMOS图像传感器也可被形成在尺寸非常紧凑的低功耗芯片中，并且被用在诸如移动电话、个人数字助理、便携式计算机等的不同应用中的数码相机实施方案中。

然而，CMOS图像传感器可能遭受高读取噪声、即低信噪比(SNR)和高固定模式噪声、即低动态范围(DR)。CMOS图像传感器提供比电荷耦合器件更低的信噪比(SNR)和更小的动态范围(DR)。

动态范围是诸如光的可测量量的最小可能值与最大可能值之比，被表达为以10为底的对数值(分贝，dB)。该动态范围量化了使在场景中高光和暗影两者均充分成像的能力。例如，人类视觉具有非常高的动态范围，因为人眼可在明亮日光下并且也可在无月光的黑晚看到物体。人眼具有约200dB的动态范围。

由于典型的移动式传感器的动态范围通常约60dB，所以对于现今的电子数字成像设备而言似乎几乎不可能再现人眼体验的全部动态范围。尽管如此，增强图像传感器的动态范围仍是业界的研究目标之一。

通常，可以通过在芯片上添加更多硬件以在模拟域或者数字域中储存更多的光信息来扩展动态范围，诸如在每个像素中添加更多器件以增加电荷收集能力，或者添加更多帧和/或线存储器以保存曝光不同的图像，或者添加光学掩模以改变不同像素的灵敏度。这些种类的硬件解决方案在移动应用中具有严重的局限性，因为像素尺寸太小以至于不能允许在该像素中更多的晶体管，并且移动器件的小模块尺寸也限制芯片上的额外存储器的尺寸，而且像素的小尺寸也限制光学掩模的性能和均匀性。

更确切地说，已提出如下的包括多重积分、对数传感器、双重灵敏度像素和空间变化灵敏度像素的技术来改善图像传感器的动态范围。然而，所有这些技术被认为还不足够。

多重积分方法需要额外的存储器以在处理不同积分的所有或部分图像之前对其进行储存。对数传感器方案具有高像素响应非均匀性，使得其彩色响应差。双重灵敏度像素方案在像素内部需要额外的晶体管和/或储存，因此像素尺寸难以变小。

空间变化灵敏度像素方法在不同像素上使用不同光学掩模，以对同一像素阵列上的光信息进行二次采样，并且每个像素的灵敏度不能在不同照明条件下变化。而且，像素响应是非线性的。因此，像素响应是非线性的，而且出于这个原因，像素响应技术要求传感器的光响应被完全校准并且创建查找表。额外的滤波器也增加成本。

通过将这些系统与本发明的如在本发明的其余部分参考附图阐述的某些方面进行比较，常规的和传统的方法的其他局限性和缺点对于本领域技术人员将变得明显。

发明内容

本发明的某些实施例提供用于移动式应用的CMOS图像传感器的动态范围扩展。本发明的实施例可包括针对像素阵列中的每个像素设置多个积分时间之一和多个信号增益之一，其中该设置可被用来针对像素阵列中的每个像素生成相应的数字数据。同一彩色平面的相邻像素的相应的数字数据随后可被分组成超级像素，其中每个像素使其与积分时间和信号增益的不同组合相关联。

一种用于处理图像的系统可包括：像素配置电路，所述像素配置电路被使能为针对像素阵列中的每个像素设置多个积分时间之一和多个信号增益之一。该系统也可包括多个列模数转换器，所述多个列模数转换器被使能为针对像素阵列中的每个像素生成相应的数字数据。也可有数字处理电路，所述数字处理电路被使能为将同一彩色平面的相邻像素的相对应的数字数据分组成超级像素，其中每个像素使其与积分时间和信号增益的不同组合相关联。