[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/参考文件的合并

本申请引用于2011年1月31日提交的美国专利申请第13/018,100号。

上述申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明的某些实施例总体上涉及图像处理，更具体地，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，光穿过相机镜头以曝光在具有光电二极管的像素阵列上，使得每个像素中捕获的光量可以被转换为模拟电信号。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为数字信号。数字信号随后可用于进一步的数字处理以产生捕获的图像。

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处理。因此，图像传感器在用于确定最终图像质量的数字图像系统中是重要的部件。CMOS图像传感器广泛地用在需要高速度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图像传感器还可以被形成在低功耗的、尺寸极为紧凑的芯片中，并且被用在各种应用中的数码相机实现中，这些应用诸如移动电话、个人数字助理、便携式计算机等。

然而，CMOS图像传感器可能受到高读取噪声(即，低信噪比(SNR))和高固定模式噪声(即，低动态范围(DR))的困扰。较之电荷耦合器件，CMOS图像传感器提供较低的信噪比(SNR)和较小的动态范围(DR)。

动态范围是可测量量(诸如光)的最小可能值和最大可能值之间的比，其被表述为以10为底的对数值(分贝，dB)。动态范围量化了使场景中的高光和暗影两者均充分成像的能力。例如，人类视觉具有极高的动态范围，因为人眼可以在明亮日光下看到物体，也可以在没有月亮的黑夜看到物体。人眼具有约200dB的动态范围。

由于典型的移动传感器的动态范围通常约为60dB，因此对于现今的电子数字成像设备，几乎不可能再现人眼体验的全动态范围。然而，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，动态范围可以通过以下方法扩展：在芯片上添加更多的硬件以在模拟域或数字域中储存更多的光信息，诸如在每个像素中添加更多的器件以增加电荷收集能力；或者添加更多的帧和/或线存储器以保存曝光不同的图像；或者添加光掩模以改变不同像素的灵敏度。这些类型的硬件解决方案在移动式应用中具有严重的限制，因为像素尺寸极小以至于不能允许像素中具有更多的晶体管，并且移动设备的小模块尺寸也限制了芯片上的额外的存储器的尺寸，并且像素的小尺寸还限制了光掩模的性能和均匀性。

更具体地，已提出了如下技术，包括多重积分、对数传感器、双灵敏度像素和空间变化灵敏度像素，以改进图像传感器的动态范围。然而，所有这些技术都被认为不能胜任。

多重积分方法需要额外的存储器以在处理图像之前储存不同积分的全部或部分图像。对数传感器方法具有高的像素响应不均匀性，从而其色彩响应差。双灵敏度像素方法需要像素内部有额外的晶体管和/或存储，因此像素尺寸难于缩小。

空间变化灵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阵列上对光信息进行二次采样，并且每个像素的灵敏度不能在不同的照明条件下变化。此外，像素响应是非线性的。因此，像素响应技术需要完全校准传感器的光响应并且创建查找表。额外的滤波器也增加了成本。

通过将这些系统与如本申请的以下部分中参照附图阐述的本发明的一些方面相比较，惯用的和传统的方法的另外的限制和缺点对于本领域技术人员将变得明显。

发明内容

本发明的特定实施例提供了用于移动式应用的CMOS图像传感器的动态范围扩展。本发明的一个实施例可以包括针对像素阵列中的每个像素设定多个积分时间中的一个以及多个信号增益中的一个。可以针对像素阵列中的每个像素生成相应的数字数据。可以从被分组为像素组的像素的所述相应的数字数据生成经内插的输出数据，其中，像素组包括目标像素和同一彩色平面中的相邻像素。

一种用于处理图像的系统可以包括像素配置电路，其能够针对像素阵列中的每个像素设定多个积分时间中的一个以及多个信号增益中的一个。列模数转换器可以被使能为针对像素阵列中的像素生成相应的数字数据，并且数字处理电路可以被使能为从被分组为像素组的像素的所述相应的数字数据对输出数据进行内插，其中，像素组包括目标像素和同一彩色平面中的相邻像素。