专利名称：图像传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及图像传感器领域。
背景技术：
图像传感器经常被用于同时具有非常明亮的景象和非常黑暗的景象的场景，例如背光的场景。对于这些场景，常规的图像传感器的图像阵列中的所有像素采用相同的曝光方式，使得捕捉的图像要么在暗处曝光不足、从而丢失暗处细节，要么在亮处曝光过度、从而丢失亮处细节，很难同时兼顾同一场景 中明亮和黑暗的部分。随着图像传感器分辨率的不断提升，感光像素单元的面积将进一步的减小，这一问题表现得更为突出。因此，需要一些技术改进，来获取高动态范围的图像。目如获取闻动态范围图像的方法主要有两种 一种是基于图像的数据处理获取静态的高动态范围图像，具体为对感光像素阵列的所有行进行长时间曝光，获得整帧的长时间曝光信号，并将这些信号存储到特定的存储空间；对感光像素阵列的所有行进行短时间曝光，并将获得的短时间曝光信号与存储于特定存储空间的长时间曝光信号进行合成，典型的合成方法为y = a*xl+b*x2，其中y为最终输出像素值，xl为该像素的长曝光值，x2为该像素的短曝光值，a和b为权重系数，且满足a+b = 1，a和b可以为常数，也可以随像素的明暗程度自动调节，最简单的是y =0. 5*xl+0. 5*x2。从而，形成具有高动态范围的图像。这种方法需要存取整帧的像素单元数据，耗费较多的存储资源及处理时间，而且对同一场景不同时段的前后两次曝光，最终图像容易产生拖影，适用于软件方法处理静态图像。 另一种获取高动态范围图像的方法则是基于行方向的向下采样(subsample)，对感光像素阵列中的某些行进行长时间曝光，对其它行进行短时间曝光。如图1中所示，其中灰色行为短曝光，白色行为长曝光，R、G、B分别代表红色、绿色和蓝色像素。在曝光之后，通过插值获得每个像素的长曝光和短曝光值，然后在长时间曝光行或短时间曝光行中选择或合成。选择策略一般是根据当前像素的明暗程度，暗处优先选择长曝光值，亮处优先选择短曝光值，中间处则长短曝光结合。这种方法不需要额外的存储空间，并且处理速度快。但是，行与列方向采样不同，数据恢复的难度由采样率低的方向决定。这里所提的这种现有方法，长曝光行和短曝光行交替，但是同一行内的所有像素采取的都是同一个曝光时间，这样列方向的长短曝光像素的采样率为0，恢复时只能利用同一列中上下行的数据，如图1中左部所示；或者利用斜方向的数据，如图2中右部所示。它的缺点是由于基于向下采样，像素阵列的行方向和列方向采样率不一致，全尺寸图像输出时数据很难完美恢复，适用于在向下采样过程中输出较小尺寸的高动态范围图像。
实用新型内容现有的向下采样的技术中，对于采用上下行的方式，如图1中左部所示，为了恢复长曝光像素B1的短曝光值，采用上下行的两个短曝光值进行插值，左右列的信息为0，恢复出的数据很容易与实际产生较大的偏差。而对于采用斜方向的方式时，例如恢复长曝光像素民的短曝光值时，如图1中右部所示，采用四个对角的像素的值来插值，而恢复相邻的长曝光像素B3的短曝光值时，也采用四个对角的像素的值来插值，空间位置会发生交错，即前一列的像素用来恢复后一列，后一列的像素用来恢复前一列，并且长曝光像素B2和B3所用的插值像素没有相同的，容易出现锯齿等图像缺陷。为了解决这些技术问题，本实用新型的构思在于，在像素阵列中，同一行内的感光像素被间隔的分配不同的曝光时间，同一列内的感光像素也被间隔的分配不同的曝光时间。这样允许在插值时，在一种曝光时间像素位置处获取其另一种曝光的像素值时，能够同时使用与其同一行和同一列的另一种曝光时间像素的像素值，插值的维度扩大为行向和列向，提高了采样率；并且不存在交错，减少了图像缺陷。根据本实用新型的第一个方面，提供了一种图像传感器，含有像素阵列，其特征在于，在该像素阵列的同一行中，含有交替间隔分布的、具有不同曝光特性的相同色彩类型像素，且，在该像素阵列的同一列中，含有交替间隔分布的、具有不同曝光特性的该相同色彩类型像素交替。 相应地，还提供了一种对本实用新型的第一个方面的图像传感器所获的像素值进行处理的装置，其特征在于，对某第一曝光特性的色彩类型像素，获取该像素对应的第二曝光特性的数据时，该装置使用与该像素处于同一行的、具有第二曝光特性的该色彩类型像素提供的像素值，和与该像素处于同一列的、具有第二曝光特性的该色彩类型像素提供的像素值。进一步地，对该种曝光特性的第一色彩类型像素，获取该像素对应的该另一种曝光特性的数据时，使用与该像素相邻的、不同行和/或不同列的、具有该另一种曝光特性的相同第一色彩类型像素提供的像素值。以上方案的优点在于,在插值时，能够同时使用与其同一行和同一列的另一种曝光时间像素的像素值，插值的维度扩大为行向和列向，并且不存在交错，减少了图像缺陷。根据一个优选的实施方式，所述像素阵列中的同一行和同一列的相同色彩类型像素元件本身能够被配置具有不同的曝光特性。该实施方式是对像素元件本身进行改进，使其具有不同的曝光特性。进一步，所述像素被配置为以下任一项-同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素具有不同的曝光时长；-同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素具有不同的敏感度；-同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素具有不同的增益。该实施方式提供了多种配置像素元件具有不同曝光特性的实施方式。进一步，该图像传感器还包括控制电路，用于配置同一行和同一列的相同色彩类型像素具有不同或相同的曝光特性；分析模块，用于分析待传感的图像的反差度当反差度高于一定条件时，所述控制电路提供不同的曝光特性；否则所述控制电路提供相同的曝光特性。该实施方式能够根据图像的反差度来针对性地选择使用本实用新型的方案或现有方案，具有很强的灵活性和适应性，能够提供更优的成像质量。进一步，当所述控制电路为同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素配置不同的曝光时长时，分别对于该像素阵列的依次各行，所述控制电路在第一时刻复位一行中第一曝光特性的像素，在之后的第二时刻复位该行中第二曝光特性的像素，随后在之后的第三时刻读出整行像素的像素值；或在第三时刻读出第一曝光特性的像素的像素值，并在不同的第四时刻读出第二曝光特性的像素的像素值；并且，所述控制电路控制各行像素的曝光时间至少部分重叠。 该实施方式提供了一种滚动曝光的图像传感方式，各行的曝光时间至少部分地重叠，能够缩短整个像素阵列的曝光时间，提高帧率。在一个优选的实施方式中，该图像传感器还包括透光滤镜阵列，位于该像素阵列之上，每个透光滤镜用于允许入射光穿过并照射在相应的像素上，并且，同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素分别对应的透光滤镜具有不同的透光率，从而使间隔分布的各像素具有不同的曝光特性。该实施方式通过为各个像素提供不同的透光率的滤镜进行光强衰减，来为提供不同曝光特性的像素。在一个优选的实施方式中，该像素阵列具有多种色彩类型像素，一一对应于至少二种颜色，分别对于各种色彩类型，该色彩类型所在行和所在列中，具有间隔分布的不同曝光特性的该种色彩类型像素。该实施方式适用于多色彩通道的像素阵列，能够分别支持像素阵列中的各种色彩类型。进一步，所述像素阵列和多种色彩类型像素对应以下任一项-RGGB像素组阵列，红、绿、蓝像素；-CYYM像素组阵列，青、黄、洋红像素；-RGffB像素组阵列，红、绿、白、蓝像素；-CYWM像素组阵列，青、黄、白、洋红像素；-RGEB像素组阵列，红、绿、翠绿、蓝像素；-CYGM像素组阵列，青、黄、绿、洋红像素。该实施方式举出了若干种具体的、本实用新型可适用的多色彩通道的像素阵列。进一步，所述曝光特性包括强和弱两种曝光特性，在该像素阵列中，包括所有色彩类型像素的2x2像素组具有相同曝光特性，在像素阵列的行/列方向交替分布强和弱曝光特性的像素组。该方式提供了优选的棋盘式的布局，具有较好的图像合成和恢复性能。本实用新型的其它优点将在下文中描述，或者通过下文的说明而由本领域的技术人员所理解。
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更加明显图1示出了现有的用于提高动态范围的图像传感器的像素阵列以及像素插值方式；图2示出了根据本实用新型的一个实施方式的图像传感器的像素阵列；图3示出了图2所示的像素阵列的曝光和读取时序；图4示出了适用于本实用新型的几种常见的色彩滤镜阵列图样；图5示出了对图2所示的像素阵列进行像素插值的方式；附图中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的步骤特征或部件(模块)特征。
具体实施方式
本实用新型提供了一种图像传感器，含有像素阵列，其特征在于，在该像素阵列的同一行中，具有不同曝光特性的相同色彩类型像素交替间隔分布，且，在该像素阵列的同一列中，具有不同曝光特性的该相同色彩类型像素交替间隔分布。在图像传感器领域中，多种色彩滤镜阵列图样被施加到感光像素阵列，以产生彩色图像。优选地，对于各该色彩类型所在的行和所在列，排列交替间隔的不同曝光特性的该种色彩类型像素。图2所示为一种适用于Bayer色彩滤镜阵列的感光像素曝光特性分配排列示意图，该Bayer色彩滤镜阵列采用RGB三原色像素，其图样是RGGB (红-绿-绿-蓝)阵列图样。曝光特性包括强和弱两种曝光特性，在该像素阵列中，各2x2像素组(RGGB)具有相同曝光特性，在像素阵列的行/列方向交替分布强和弱曝光特性的RGGB像素组，图中灰色表示该感光像素对应为弱曝光，白色表示该感光像素对应强曝光。在一个更加具体的实施方式中，为像素阵列中同一行和同一列的相同色彩类型像素元件本身配置不同的曝光特性。配置像素元件本身具有不同的曝光特性可以由很多方法来实现，例如为同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素配置不同的曝光时长。图2所示的实例中，每行中的感光像素按照曝光时间的不同被划分为两组，其中白色表示的强曝光像素具有长的曝光时间，而灰色表示的弱曝光像素具有短的曝光时间。例如，第I行和第2行的第1、2、5、6、9、10、13、14等感光像素具有短的曝光时间 ’第I行和第2行的第3、4、7、8、11、12、15、16等感光像素具有长的曝光时间；第3行和第4行的第1、2、5、6、9、10、13、14等感光像素具有长的曝光时间；第3行和第4行的第3、4、7、8、11、12、15、16等感光像素具有短的曝光时间；其它行依此规律交替重复。这样每帧图像将均匀的分配有长时间曝光像素和短时间的曝光像素，并且行和列方向的交替规律相同。图3为图2所示的像素阵列的各行以及每行中的强曝光像素和弱曝光像素的读出时序示意图。其中在t1(l时刻，第I行内所有长曝光感光像素被复位；在tn时刻，第I行内所有短曝光的像素被复位；在t12时刻，所有长曝光像素值被读出，在t13时刻，所有短曝光像素被读出。在t2(l时刻第2行内所有长曝光感光像素被复位；在t21时刻，第2行内所有短曝光的像素被复位；在t22时刻和t23时刻，第2行的长曝光和短曝光像素分别被读出。第3行及后续行依此规律类推。可以理解，图2所示读出时序示意图中，t12时刻和t13时刻可以为同一时刻，即长曝光和短曝光像素也可以被同时读出。优选地，各行的曝光时间与前一行至少部分地重叠，这样实现了滚动曝光，提高了整个像素阵列的曝光速率和帧率。在其他变化的实施方式中，为像素元件本身提供不同的曝光特性还可以实现为-为同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素配置不同的敏感度；-为同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素配置不同的增益。以上的配置能够在图像传感器制造时固定下来。或者，替代地，像素元件被制造为能够被实时地配置曝光特性，一个控制电路能够用于为这些像素元件配置曝光特性。
·析反差度的方法是已有的，例如分析图像的直方图，当亮区与暗区过多时，能够认为反差度过高；或者分析两个色温区都有灰阶分布时，能够认为反差度过高。当反差度高于一定条件时，以上控制电路配置同一行和同一列的相同色彩类型像素具有不同或相同的曝光特性，例如控制各像素具有不同的曝光时间；否则控制电路为相同色彩类型的像素提供相同的曝光特性，例如具有相同的曝光时间。在另一个实施方式中，为了向像素阵列提供不同的曝光特性，该图像传感器在像素阵列的上方，还包括透光滤镜阵列，每个透光滤镜用于允许入射光穿过并照射在相应的像素上，并且，同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素分别对应的透光滤镜具有不同的透光率，从而使间隔分布的各像素具有不同的曝光特性。例如，图2所示实例的另一种实现方式可以是通过在各感光像素上分配具有不同的透光率的滤镜。例如，第I行和第2行的第1、2、5、6、9、10、13、14等感光像素分配具有低透光率的滤镜；第I行和第2行的第3、4、7、8、11、12、15、16等感光像素分配具有高透光率的滤镜；第3行和第4行的第1、2、5、6、9、10、13、14等感光像素分配具有高透光率的滤镜；第3行和第4行的第3、4、7、8、11、12、15、16等感光像素分配具有低透光率的滤镜；其它行依此规律交替重复。以上描述了像素阵列的排列方法及构造，下面针对该像素阵列的插值方法。在对某强/弱曝光像素插值恢复出其对应于弱/强曝光特性的像素值时，利用四周均匀分布的、即同一行和同一列的弱/强曝光特性的像素值进行。具体的，如图5所示，对于长曝光像素B1，利用同一行和同一列分布的四个短曝光像素值进行插值，得到该点对应的短曝光值。类似地，对于长曝光像素B2，也使用利用同一行和同一列分布的四个短曝光像素值进行插值。经过这样的插值之后，每个像素都将同时具有长曝光值和短曝光值，再利用前述的合成方法得到该点的最终值。特别地，如图5中所指出，这两个相邻的长曝光像素插值使用了共同的短曝光像素，不存在数据交错，这样恢复出的图像不易产生缺陷。当然，在插值时，还可以进一步使用与该像素B1相邻的、不同行和/或不同列(斜方向)的短曝光的蓝色通道像素提供的像素值。以上描述的是在三色RGB通道下本实用新型的应用方式，本实用新型还适用于其他色彩通道下。图4上部从左至右和下部从左至右分别给出了本实用新型为三色RGB、三色CYM(青、黄、洋红)、四色RGWB (红、绿、白、蓝)、四色CYWM(青、黄、白、洋红)、四色RGEB (红、绿、翠绿、蓝)、和四色CYGM(青、黄、绿、洋红)通道中为这些色彩配置在同一行和同一列配置交替间隔的不同曝光特性。[0073]尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本实用新型，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本实用新型不限于上述实施方式。例如，以上使用强和弱两种曝光特性进行说明，而实际上，曝光特性并不限于两种，两种以上曝光特性也是可行的，而且可以提高曝光特性的细化程度，从而提高成像质量。那些本技术领域的一般技术人员能够通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在本实用新型的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个 ”不排除复数。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。
权利要求1.一种图像传感器，含有像素阵列，其特征在于，在该像素阵列的同一行中，含有交替间隔分布的、具有不同曝光特性的相同色彩类型像素，且，在该像素阵列的同一列中，含有交替间隔分布的、具有不同曝光特性的该相同色彩类型像素。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列中的同一行和同一列的相同色彩类型像素元件本身能够被配置具有不同的曝光特性。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述像素被配置为以下任一项-同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素具有不同的曝光时长；-同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素具有不同的敏感度；-同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素具有不同的增益。
4.根据权利要求2或3所述的图像传感器，其特征在于，还包括控制电路，用于配置同一行和同一列的相同色彩类型像素具有不同或相同的曝光特分析模块，用于分析待传感的图像的反差度当反差度高于一定条件时，所述控制电路提供不同的曝光特性；否则所述控制电路提供相同的曝光特性。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，当所述控制电路为同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素配置不同的曝光时长时，分别对于该像素阵列的依次各行，所述控制电路在第一时刻复位一行中第一曝光特性的像素，在之后的第二时刻复位该行中第二曝光特性的像素，随后在之后的第三时刻读出整行像素的像素值；或在第三时刻读出第一曝光特性的像素的像素值，并在不同的第四时刻读出第二曝光特性的像素的像素值；并且，所述控制电路控制各行像素的曝光时间至少部分重叠。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括透光滤镜阵列，位于该像素阵列之上，每个透光滤镜用于允许入射光穿过并照射在相应的像素上，并且，同一行和同一列中的间隔分布的该相同色彩类型像素分别对应的透光滤镜具有不同的透光率，从而使间隔分布的各像素具有不同的曝光特性。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，该像素阵列具有多种色彩类型像素， 对应于至少三种颜色，分别对于各种色彩类型，该色彩类型所在行和所在列中，具有间隔分布的不同曝光特性的该种色彩类型像素。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述像素阵列和多种色彩类型像素对应以下任一项-RGGB像素组阵列，红、绿、蓝像素；-CYYM像素组阵列，青、黄、洋红像素；-RGffB像素组阵列，红、绿、白、蓝像素；-CYWM像素组阵列，青、黄、白、洋红像素；-RGEB像素组阵列，红、绿、翠绿、蓝像素；-CYGM像素组阵列，青、黄、绿、洋红像素。
9.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述曝光特性包括强和弱两种曝光特性，在该像素阵列中，包括所有色彩类型像素的2x2像素组具有相同曝光特性，在像素阵列的行/列方向交替分布强和弱曝光特性的像素组。
专利摘要为了提高图像传感器的图像动态范围，现有图像传感器按各行配置不同曝光特性，插值恢复数据时会出现采样率低、交错偏差等问题。本实用新型提出了一种图像传感器，该传感器含有像素阵列，在该像素阵列的同一行中，含有交替间隔分布的、具有不同曝光特性的相同色彩类型像素，且，在该像素阵列的同一列中，含有交替间隔分布的、具有不同曝光特性的该相同色彩类型像素。在对某一种曝光特性的像素(B1、B2)插值恢复其另一种曝光特性的像素值时，该装置使用与该像素处于同一行的和同一列的具有该另一种曝光特性的该色彩类型像素提供的像素值。本实用新型提高了采样率，避免了交错偏差，同时实现了较高的动态范围和较好的图像质量。
文档编号H04N5/359GK202856877SQ20122016745
公开日2013年4月3日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者孟庆, 康明, 姚烁, 赵立新 申请人:格科微电子(上海)有限公司