專利名稱：一種提高cmos圖像傳感器動態(tài)范圍的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器，特別涉及一種提高CMOS 圖像傳感器動態(tài)范圍的裝置和方法。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器主要包括像素單元陣列、時序控制電路、雙采樣電路、模擬前端處 理電路、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器以及存儲單元，其中，像素單元陣列是CMOS圖像傳感器中 比較重要的組成部分。按照像素單元陣列中像素單元結(jié)構(gòu)的不同，也即在像素單元中包含 的晶體管數(shù)量的不同，可分為1T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器、3T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器和4T 結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器等。圖1為現(xiàn)有CMOS圖像傳感器中像素單元陣列的平面示意圖。如圖1所示，像素單 元陣列實際上是由若干行和若干列的像素單元組成的一個矩陣，圖中僅以8*8的矩陣示例 說明了像素單元陣列的平面結(jié)構(gòu)，矩陣實際大小是由CMOS圖像傳感器的分辨率決定的，如 果CMOS圖像傳感器的分辨率為三十萬像素，那么圖像陣列單元則為至少包含了三十萬個 像素單元的矩陣，且矩陣中每個像素單元的結(jié)構(gòu)都是相同的。圖2為現(xiàn)有4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖，在這種結(jié)構(gòu)的 CMOS圖像傳感器中，每個像素單元中都包含了 4個晶體管。如圖2所示，每個像素單元中不 僅包含了傳輸門管(TX)、復(fù)位管(RESET)、源跟隨管(SOURCE FOLLOW)以及行選通管(ROW SELECT)這4個晶體管，而且還包含了一個光電二極管(PD)和一個浮動的擴(kuò)散節(jié)點(FD)， 此外，時序控制電路是為像素單元工作提供時序控制信號的，VDD為外部提供給整個像素單 元的工作電壓，OUT為單個像素單元工作后的輸出信號，并進(jìn)一步地供雙采樣電路來采集該 信號。其中，PD用于采集圖像光信號并將采集到的圖像光信號轉(zhuǎn)換為圖像電信號；FD實際 上是由于TX和RESET的存在而形成的一個PN結(jié)構(gòu)成的，因此，它在像素單元中的作用也就 相當(dāng)于電容，用于將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，在后面的描述中都稱其為FD區(qū)域；時序控 制電路提供的時序控制信號分別用于控制RESET、TX和ROW SELECT的導(dǎo)通與截止；雙采樣 電路則用于采集OUT端的輸出信號。圖2所述的像素單元工作流程如圖3所示，該流程主要包括以下步驟步驟301 清空PD上的殘留電子。在采集新的圖像信號之前，PD上可能殘留了之前處理的圖像信號的電子，這些殘 留的電子會對新的圖像信號產(chǎn)生影響，因此，為了不影響新的圖像信號，需要將這些殘留的 電子進(jìn)行清空，具體的操作為由CMOS圖像傳感器中時序控制電路產(chǎn)生的時序控制信號控 制RESET和TX處于導(dǎo)通狀態(tài)，也即對PD進(jìn)行復(fù)位操作，PD上的殘留電子被清空，且清空只 是在一瞬間發(fā)生的。需要說明的是，在執(zhí)行該步驟操作之前，由于要使得該像素單元處于工作狀態(tài)，因 此，首先應(yīng)該使得CMOS圖像傳感器中時序控制電路提供的時序控制信號控制ROW SELECT 處于導(dǎo)通狀態(tài)，也即使得該像素單元處于工作狀態(tài)。
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還需說明的是，RESET、TX和ROW SELECT分別是由CMOS圖像傳感器中時序控制電 路提供的不同的時序控制信號來控制的。步驟302 :PD采集圖像光信號并將其轉(zhuǎn)換為圖像電信號。當(dāng)PD上的殘留電子被清空后，CMOS圖像傳感器中時序控制電路產(chǎn)生的時序控制 信號會控制RESET和TX處于截至狀態(tài)，這時PD開始采集圖像光信號，并將采集到的圖像光 信號轉(zhuǎn)換為圖像電信號，這里圖像光信號的采集過程實際上就是一個積分過程。步驟303 采集FD區(qū)域上的電壓信號。當(dāng)PD積分過程進(jìn)行一段時間后，也即PD采集圖像光信號一段時間但圖像光信號 采集還未結(jié)束時，利用時序控制電路提供的時序控制信號控制RESET再次處于導(dǎo)通狀態(tài)， 并在RESET導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束后一小段時間內(nèi)利用CMOS圖像傳感器中的雙采樣電路對FD區(qū)域 上的電壓信號進(jìn)行采集，這時采集到的FD區(qū)域上的電壓信號實際上就是VDD與RESET導(dǎo)通 時在RESET上產(chǎn)生的壓降的差值，進(jìn)一步地雙采樣電路會將采集到的電壓信號存儲起來。需要說明的是，由于SOURCE FOLLOW具有電壓跟隨的作用，也即SOURCE FOLLOW源 極上的電壓會跟隨FD區(qū)域電壓的變化而變化，又加上ROW SELECT在像素單元工作期間一 直處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此，對FD區(qū)域上的電壓進(jìn)行采集實際上就是采集OUT。而且，在RESET導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束后一小段時間再進(jìn)行采集是為了使輸出信號處于穩(wěn) 定狀態(tài)，具體采集時間可根據(jù)實際情況而定。步驟304 再次采集FD區(qū)域上的電壓信號。在時序控制電路提供的時序控制信號的控制下，TX再次處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時，PD 積分過程結(jié)束，也就是說PD采集圖像光信號過程結(jié)束。這時，PD上產(chǎn)生的圖像電信號會以 電荷的形式通過導(dǎo)通的TX流向FD區(qū)域，F(xiàn)D區(qū)域進(jìn)一步地會將該電荷形式的圖像電信號轉(zhuǎn) 換為一種圖像電壓信號。同樣地，在TX導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束后一段時間內(nèi)利用CMOS圖像傳感器 中的雙采樣電路對FD區(qū)域上的電壓信號進(jìn)行再次采集，這時采集到的FD區(qū)域上的電壓信 號是VDD與RESET截止時的電壓以及轉(zhuǎn)換后得到的圖像電壓信號兩者的差值，本步驟采集 到的電壓信號相應(yīng)地也被存儲到雙采樣電路中。在本步驟中，對FD區(qū)域上的電壓信號進(jìn)行采集的具體過程同步驟303是一樣的， 這里不再贅述。且在TX導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束后一段時間進(jìn)行采集也是為了使輸出信號穩(wěn)定，具體 采集時間也是根據(jù)實際情況而定的。至此，即完成了單個像素單元的工作流程，此后，雙采樣電路進(jìn)一步地會將步驟 303采集到的電壓信號減去步驟304采集到的電壓信號，從而得到PD采集到的圖像電壓信 號，由于每一個像素單元都會得到步驟303與步驟304中的這兩個電壓信號，也即雙采樣電 路會將每一個像素單元中得到的這樣兩個電壓信號進(jìn)行相減，并由CMOS圖像傳感器中的 模擬前端處理電路和A/D轉(zhuǎn)換器分別對相減后的兩個電壓信號進(jìn)行處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，即 得到了最終所需的數(shù)字形式的圖像，進(jìn)一步地可以對得到的數(shù)字形式的圖像進(jìn)行存儲或輸 出o圖4給出了現(xiàn)有單個像素單元工作時的波形示意圖。在圖4中，reset和transfer 分別為CMOS圖像傳感器中時序控制電路加在RESET和TX上的時序控制信號，fd和pd分別 為FD和PD上產(chǎn)生的電壓信號。在對新的圖像光信號進(jìn)行采集之前，PD中可能存有之前圖像 信號的殘留電子，所以需要對PD進(jìn)行復(fù)位以清空PD中的殘留電子，當(dāng)reset和transfer同
4時為高電平時，即進(jìn)行對PD復(fù)位的操作；復(fù)位結(jié)束后，將reset和transfer同時置為低電 平，PD開始感知圖像光信號，也即該過程是一個積分的過程；當(dāng)積分過程進(jìn)行一段時間后， 再次將reset置為高電平，也即對FD區(qū)域進(jìn)行充電，之后再將reset置為低電平，并在1處 采集FD區(qū)域上的電壓信號，此時積分過程仍在進(jìn)行；當(dāng)將transfer再次置為高電平時，積 分過程結(jié)束，此時，PD上轉(zhuǎn)換得到的圖像電信號會通過TX流向FD區(qū)域，之后再將transfer 置為低電平，并在2處再次對FD區(qū)域上的電壓信號進(jìn)行采集；PD采集到的圖像電信號即為 這兩次采集到的電壓信號的差值。需要說明的是，圖4僅僅對一個像素單元的工作波形進(jìn)行了描述，在CMOS圖像傳 感器中，像素單元陣列是根據(jù)ROW SELECT來決定哪行處于工作狀態(tài)的，且一次只能有一行 的像素單元在工作，具體工作過程同單個像素單元的工作過程，這里不再對其進(jìn)行贅述。動態(tài)范圍是衡量一種CMOS圖像傳感器性能的指標(biāo)之一，在其它指標(biāo)相同的情況 下，動態(tài)范圍越大，CMOS圖像傳感器的性能越高；反之，動態(tài)范圍越小，其性能也就越低。由 于現(xiàn)有每種結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中均采用了相同的像素單元，即在一種結(jié)構(gòu)的CMOS圖 像傳感器中所有像素單元結(jié)構(gòu)都是相同的，從而每個像素單元感知光強(qiáng)弱的能力是相同 的，這樣現(xiàn)有CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍就可以根據(jù)CMOS圖像傳感器工作時單個像素單元 中PD產(chǎn)生的飽和信號(Saturated signal)和暗噪聲(Dark noise)來進(jìn)行計算，公式如 下其中，所述Dynamic range即為CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍，所述Saturated signal為PD能夠感知的最大的圖像光信號，所述Dark noise為PD在沒有感知任何光信號 的情況下所輸出的信號。由上述分析可見，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器由于采用了相同的像素單元，所以它能 感知到的光的強(qiáng)弱由相同的像素單元來決定，而相同的像素單元能感知到光的強(qiáng)弱能力是 有限的，從而也就使得圖像的動態(tài)范圍偏小，也即CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍偏小。進(jìn)一 步地，我們考慮在CMOS圖像傳感器中采用不同的像素單元來解決其動態(tài)范圍小的問題。目前，采用了大小像素技術(shù)來解決CMOS圖像傳感器小動態(tài)范圍的問題，其原理 是CM0S圖像傳感器中的像素單元陣列是由大小兩種像素單元組成，由于大像素單元的面 積大于小像素單元的面積，從而可以使得在單位時間內(nèi)大像素單元可以感知到更多的光信 號，也就使得感知光的能力更強(qiáng)，而小像素單元感知光的能力會弱些，這樣，最終得到的合 成后的圖像動態(tài)范圍會提高，從而能夠提高CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍。此外，由于大小 像素單元感知光強(qiáng)弱的能力不同，為了使得合成后的圖像不會有很大的失真，需要將兩兩 大小像素單元分別進(jìn)行合并后再進(jìn)行合成，也就降低了最終得到的圖像的分辨率?，F(xiàn)有采用大小像素技術(shù)來提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍需要大小兩種像素單元 的尺寸差距越大越好，然而，現(xiàn)有生產(chǎn)成本及布局對稱性等方面的要求制約了采用大小像 素技術(shù)來提高CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的裝
Saturated signal Dark noise置，能夠使得CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍得到顯著的提高，而且實現(xiàn)簡單。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的方法，能夠 使得CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍得到顯著的提高，而且實現(xiàn)簡單。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實現(xiàn)的一種提高互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的裝置，該裝置包括 像素單元陣列、時序控制電路、雙采樣電路、模擬前端處理電路、模擬/數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器以及 存儲單元，所述像素單元陣列用于在所述時序控制電路的控制下采集圖像光信號、并輸出不 同的電壓信號供所述雙采樣電路進(jìn)行采集以得到圖像電壓信號，所述圖像電壓信號發(fā)送給 所述模擬前端處理電路和所述A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換、得到數(shù)字形式的圖像電壓信 號，其中，所述像素單元陣列中具有多種類型的像素單元，每種類型的像素單元的FD區(qū)域 的面積是不同的，且每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在所述像素單元陣列中是間隔分 布的。一種提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的方法，該方法包括在所述CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中采用多種FD區(qū)域的面積不同的像素 單元，由CMOS圖像傳感器對每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元得到的電壓信號分別進(jìn)行 采集以得到圖像電壓信號，將所述圖像電壓信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換、得到數(shù)字形式的圖像電 壓信號，其中，所述多種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在所述像素單元陣列中是間隔分布 的。由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明通過在CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中采用 了面積大小不同的FD區(qū)域的像素單元，并充分利用了面積大的FD區(qū)域的像素單元對光的 敏感度較低、面積小的FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較高的原理，使得當(dāng)采用CMOS圖像 傳感器拍攝圖像時，面積大的FD區(qū)域的像素單元能夠感知到圖像中強(qiáng)光的部分、而面積小 的FD區(qū)域的像素單元則能夠感知到弱光的部分，這樣合成后得到的圖像中既擁有圖像中 強(qiáng)光的部分又擁有圖像中弱光的部分，而不像在只有一種面積的FD區(qū)域的像素單元的情 況下只能得到一種光強(qiáng)度的圖像，從而使得得到的圖像動態(tài)范圍較大，也即使得CMOS圖像 傳感器動態(tài)范圍得到顯著的提高，而且實現(xiàn)簡單。


圖1為現(xiàn)有CMOS圖像傳感器中像素單元陣列的平面示意圖。圖2為現(xiàn)有4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為單個像素單元工作流程圖。圖4為現(xiàn)有單個像素單元工作時的波形示意圖。圖5為本實施例所采用的4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素單元陣列的結(jié)構(gòu)示意 圖。圖6為本發(fā)明所采用的彩色濾鏡陣列(color filter)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本實施例彩色CMOS圖像傳感器中像素陣列單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種全新的提高CMOS圖像傳感 器動態(tài)范圍的方法，即通過在CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中采用了面積大小不同的 FD區(qū)域的像素單元，并充分利用了面積大的FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較低、面積小 的FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較高的原理，使得當(dāng)采用CMOS圖像傳感器拍攝圖像時， 面積大的FD區(qū)域的像素單元能夠感知到圖像中光強(qiáng)的部分、而面積小的FD區(qū)域的像素單 元則能夠感知到光弱的部分，這樣合成后得到的圖像中既擁有圖像中光強(qiáng)的部分又擁有圖 像中光弱的部分，而不像在只有一種面積的FD區(qū)域的像素單元的情況下只能得到一種光 強(qiáng)度的圖像，從而使得得到的圖像動態(tài)范圍較大，也即使得CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍得到 顯著的提高，而且實現(xiàn)簡單?；谏鲜鼋榻B，本發(fā)明所述方案的具體實現(xiàn)包括在所述CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中采用多種FD區(qū)域的面積不同的像素 單元，由CMOS圖像傳感器對每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元得到的電壓信號分別進(jìn)行 采集以得到圖像電壓信號，將所述圖像電壓信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換、得到數(shù)字形式的圖像電 壓信號，其中，所述多種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在所述像素單元陣列中是間隔分布 的。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對 本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。首先，本發(fā)明所采用的CMOS圖像傳感器同現(xiàn)有CMOS圖像傳感器一樣，也包括像素 單元陣列、時序控制電路、雙采樣電路、模擬前端處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及存儲單元，其中，所述像素單元陣列用于采集圖像光信號、將采集到的圖像光信號轉(zhuǎn)換為圖像電信 號，并用于輸出不同的電壓信號，具體的采集圖像光信號以及轉(zhuǎn)換的過程在前面已經(jīng)詳細(xì) 描述過，這里不再贅述。所述時序控制電路用于給所述像素單元陣列提供時序控制信號，具體的時序控制 信號的形式是多種多樣的，依據(jù)接受時序控制信號的對象的不同而不同，也即對像素單元 陣列中的RESET、TX以及ROW SELECT分別采用了不同的時序控制信號。所述雙采樣電路用于對所述像素單元陣列中輸出的不同的電壓信號進(jìn)行采集、以 得到圖像電壓信號，采集的具體過程同現(xiàn)有技術(shù)中的描述。所述模擬前端處理電路用于對所述雙采樣電路中的圖像電壓信號進(jìn)行各種處理， 并將所述處理后的圖像電壓信號提供給所述A/D轉(zhuǎn)換器。所述A/D轉(zhuǎn)換器用于對所述模擬前端處理電路提高的圖像電壓信號進(jìn)行模擬到 數(shù)字的轉(zhuǎn)換，以得到數(shù)字形式的圖像電壓信號。與現(xiàn)有不同之處在于，所述像素單元陣列中具有多種類型的像素單元，且每種類 型的像素單元的FD區(qū)域的面積是不同的，且其中每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在所 述像素單元陣列中是間隔分布的。這里的像素單元陣列中采用了兩種類型的像素單元，所 述兩種類型的像素單元是根據(jù)像素單元中FD區(qū)域的面積的大小來劃分的，面積大的FD區(qū) 域的像素單元被稱為擁有大FD區(qū)域的像素單元，面積小的FD區(qū)域的像素單元被稱為擁有 小FD區(qū)域的像素單元。需要說明的是，擁有大FD區(qū)域的像素單元與擁有小FD區(qū)域的像素單元中FD區(qū)域
7的面積的大小并沒有具體的規(guī)定，只要兩種擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元中FD區(qū)域的 面積的大小不一樣即可，而且，具體的FD區(qū)域的面積是根據(jù)實際情況來設(shè)定的。這樣，擁 有大FD區(qū)域的像素單元中由于FD區(qū)域面積大，也就可以說其電容大，從而電荷流向大FD 區(qū)域產(chǎn)生的壓降會比小FD區(qū)域時小，就使得采集到的兩次電壓信號差小，也即得到的圖像 電壓信號小，進(jìn)而可以說明其感知圖像光的能力差，對光的敏感度較低，從而使得擁有大FD 區(qū)域的像素單元探測到的是圖像的低光部分；反之，擁有小FD區(qū)域的像素單元探測到的則 是圖像的高光部分。兩部分進(jìn)行合成后的圖像信號既擁有了圖像的低光部分又擁有了圖像 的高光部分，這樣就可得到高動態(tài)范圍的圖像，從而也就說明了 CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍 變大了。圖5為本實施例所采用的4T結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器中像素單元陣列的結(jié)構(gòu)示意 圖。如圖5所示，與現(xiàn)有CMOS圖像傳感器相同的是，該像素單元陣列也是由若干行和若干 列像素單元組成的，與現(xiàn)有CMOS圖像傳感器中的像素單元陣列不同的是，該像素單元陣列 并不是由一種結(jié)構(gòu)的像素單元組成的，而是由兩種擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元組成， 也即這兩種擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元共同構(gòu)成了本發(fā)明所述的像素單元陣列。在本實施例中，不同大小FD區(qū)域的像素單元中FD區(qū)域的面積的大小并不是絕對 的，而是在一個像素單元陣列中的兩種像素單元中的FD區(qū)域的面積相對來說的，且兩種不 同大小FD區(qū)域的像素單元中FD區(qū)域的面積的比值越大，動態(tài)范圍提高越大；反之，動態(tài)范 圍提高會相對地減小。但是，考慮到實際生產(chǎn)條件和工藝條件等原因，在像素單元總尺寸一 定的條件下，大小FD區(qū)域的面積比例應(yīng)折中取值。在本實施例中，我們采用的大小FD區(qū)域 的面積的比值為10/1，實際中還可以針對不同的CMOS圖像傳感器作具體的調(diào)整，該比值并 不影響本發(fā)明實施例的實現(xiàn)。需要說明的是，同現(xiàn)有采用大小像素技術(shù)提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍一樣，為 了使得合成后的圖像不會有很大的失真，需要將多種不同類型的像素單元得到的電壓信號 分別進(jìn)行合并后再進(jìn)行合成，從而也就需要每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在像素單 元陣列中是間隔分布的，也就相對地降低了最終圖像的分辨率。在本實施例中，也即需要在 像素單元陣列中對兩種擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元進(jìn)行間隔分布。本實施例中的像素單元陣列的工作流程同現(xiàn)有技術(shù)基本是一樣的，故下面僅對本 實施例中CMOS圖像傳感器的工作過程進(jìn)行簡單地描述。當(dāng)CMOS圖像傳感器拍攝圖像時，首先某個ROW SELECT在時序控制信號的控制下 被導(dǎo)通，使得該行中的像素單元處于工作狀態(tài)，之后像素單元陣列就可以對圖像光信號進(jìn) 行采集，并經(jīng)過像素單元陣列中其它單元的各種處理操作后，由雙采樣電路對像素單元陣 列的輸出進(jìn)行兩次采集，從而可以采集到圖像電壓信號；由于像素單元陣列中采用了兩種 擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元，因此，在本實施例中可以得到光強(qiáng)弱不同的兩種圖像電 壓信號，這兩種不同的圖像電壓信號經(jīng)過模擬前端處理電路的處理后被發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器 中，由A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的圖像電壓信號并合成為一個圖像信號，從而可以 使得到的圖像信號的動態(tài)范圍得到提高，也即提高了 CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍，合成后 的圖像信號最后會由存儲單元對其進(jìn)行存儲或者直接提供給其它電路使用。需要說明的是，在本實施例中，單個圖像單元采集圖像的具體過程以及工作時的 波形示意圖與現(xiàn)有技術(shù)是一樣的，這里不再對其進(jìn)行贅述。不同之處在于本實施例中的像素單元陣列有兩種擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元，由它們分別得到的圖像電壓信號是 不同的，因此，對這兩種不同的圖像信號進(jìn)行處理后會使得得到的圖像動態(tài)范圍提高，也就 使得整個CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍得到提高。還需指出的是，在本實施例中，像素單元陣列采用了一行大FD區(qū)域的像素單元、 一行小FD區(qū)域的像素單元這種大小FD區(qū)域的像素單元按行間隔分布的形式，實際中，也可 以采用其它形式，如一列大FD區(qū)域的像素單元、一列小FD區(qū)域的像素單元這種大小FD區(qū) 域的像素單元按列間隔分布等，只要所采用的像素單元陣列中大FD區(qū)域的像素單元的個 數(shù)與小FD區(qū)域的像素單元的個數(shù)相等即可，擁有不同大小FD區(qū)域的像素單元分布不同只 會影響CMOS圖像處理器中的時序控制電路部分以及將圖像電壓信號進(jìn)行處理的模擬前端 處理電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并不影響本發(fā)明實施例的實現(xiàn)。圖5所述的CMOS圖像傳感器僅僅是一種CMOS圖像傳感器，較佳地，可以將圖6所 述的color filter應(yīng)用到圖5中，即可得到一種彩色CMOS圖像傳感器。圖6為本發(fā)明所采用的color filter的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖6中可以看出，color filter是由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種色彩組成的，它的作用是用來進(jìn)行濾光。需要說明的是，RGB色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過對R、G、B三個顏色通 道進(jìn)行變化以及對它們相互之間進(jìn)行疊加來得到各種各樣的顏色，所以，對于圖像中的每 一個像素點，均可用R、G、B三個分量來表示(通常，每個分量的取值范圍為0 255)。圖7即為本實施例彩色CMOS圖像傳感器中像素陣列單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7 所示，該CMOS圖像傳感器是在原來圖5所述的CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中添加了 一個color filter，且一個像素單元上方對應(yīng)著一個color filter中的像素。同樣地，圖7中所述的像素單元陣列中擁有大FD區(qū)域的像素單元與擁有小FD區(qū) 域的像素單元這種按行排列的形式也僅僅是本實施例的一種實現(xiàn)方法，其它能夠使得像素 單元陣列中擁有大FD區(qū)域的像素單元的個數(shù)與擁有小FD區(qū)域的像素單元的個數(shù)一致的排 列方式都是可以的，并不影響本發(fā)明實施例的實現(xiàn)。圖7所述彩色CMOS圖像傳感器的具體工作流程同圖5所述的CMOS圖像傳感器， 這里不再贅述。最后需要說明的是，上述實施例在CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中均采用了 兩種類型的像素單元，也即采用了兩種面積大小不同的FD區(qū)域的像素單元。在實際應(yīng)用 中，CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中還可以采用多種類型的像素單元，且每種類型的像 素單元的FD區(qū)域的面積大小都是不同的，這并不影響本發(fā)明實施例的實現(xiàn)。總之，本發(fā)明通過在CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中采用了面積大小不同的 FD區(qū)域的像素單元，并充分利用面積大的FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較低、面積小的 FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較高的原理，使得當(dāng)采用CMOS圖像傳感器拍攝圖像時，面 積大的FD區(qū)域的像素單元能夠感知到圖像中光強(qiáng)的部分、而面積小的FD區(qū)域的像素單元 則能夠感知到光弱的部分，這樣合成后得到的圖像中既擁有了光強(qiáng)的部分又擁有了光弱的 部分，而不像在只有一種面積的FD區(qū)域的像素單元的情況下只能得到一種光強(qiáng)度的圖像， 從而使得得到的圖像動態(tài)范圍較大，也即使得CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍得到顯著的提高， 而且實現(xiàn)簡單。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
9凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種提高互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的裝置，該裝置包括像素單元陣列、時序控制電路、雙采樣電路、模擬前端處理電路、模擬/數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器以及存儲單元，其中，所述像素單元陣列用于在所述時序控制電路的控制下采集圖像光信號、并輸出不同的電壓信號供所述雙采樣電路進(jìn)行采集以得到圖像電壓信號，所述圖像電壓信號發(fā)送給所述模擬前端處理電路和所述A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換、得到數(shù)字形式的圖像電壓信號，其特征在于，所述像素單元陣列中具有多種類型的像素單元，每種類型的像素單元的FD區(qū)域的面積是不同的，且每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在所述像素單元陣列中是間隔分布的。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述像素單元陣列中具有兩種類型的像素單元。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述兩種類型的像素單元是按行或按列間 隔分布的。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述兩種類型的像素單元的FD區(qū)域的面積 的大小比值為10/1。
5.一種提高CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的方法，其特征在于，該方法包括在所述CMOS圖像傳感器的像素單元陣列中采用多種FD區(qū)域的面積不同的像素單元， 由CMOS圖像傳感器對每種FD區(qū)域的面積不同的像素單元得到的電壓信號分別進(jìn)行采集以 得到圖像電壓信號，將所述圖像電壓信號進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換、得到數(shù)字形式的圖像電壓信號， 其中，所述多種FD區(qū)域的面積不同的像素單元在所述像素單元陣列中是間隔分布的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述FD區(qū)域的面積不同的像素單元有兩種。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述兩種FD區(qū)域的面積不同的像素單元是 按行或按列間隔分布的。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述兩種FD區(qū)域的面積不同的像素單元的 FD區(qū)域的面積的大小比值為10/1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器動態(tài)范圍的裝置和方法，包括像素單元陣列、時序控制電路、雙采樣電路、模擬前端處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器以及存儲單元，其中，所述像素單元陣列中具有多種類型的像素單元，每種類型的像素單元的FD區(qū)域的面積是不同的。當(dāng)采用CMOS圖像傳感器拍攝圖像時，利用面積大的FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較低、面積小的FD區(qū)域的像素單元對光的敏感度較高的原理，面積大的FD區(qū)域的像素單元能夠感知圖像中光強(qiáng)的部分、而面積小的FD區(qū)域的像素單元則能夠感知光弱的部分，從而使得合成后的圖像動態(tài)范圍較大，也即使得CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍得到顯著的提高，而且實現(xiàn)簡單。
文檔編號H04N5/335GK101931756SQ200910146320
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者劉坤, 汪立, 胡文閣 申請人:比亞迪股份有限公司