[发明专利]用于图像传感器的同心曝光序列

说明书

技术领域

本发明涉及电子图像捕获系统且更特定来说涉及一种用于具有可单独寻址的像素子集的图像传感器阵列的读出方法。

背景技术

例如电荷耦合装置(CCD)图像传感器及有源像素传感器(APS)装置的电子图像传感器在电子成像系统中用于产生视觉图像的电子表示。APS装置通常以互补金属氧化物半导体工艺来制作且因此还称作CMOS传感器。通常，这些图像传感器包含布置成规则的二维行及列图案或阵列的若干个光敏像素(即，图像元素)，其中每一个别像素基于场景图像的由镜头投射到所述像素上的部分的光级提供信号。

出于对紧凑性及成本的考虑，这些图像传感器通常包含比用以数字化其信号的模/数转换器(ADC)多得多的像素。为节省传感器芯片上的空间，普遍的做法是仅提供足够的存储装置来同时读出单个行的像素。因此，无法同时测量或读出完整的2维传感器的像素信号。而是，以串行方式读取像素传感器信号。举例来说，在具有单个ADC的CCD中，以光栅方式读出像素信号：在行内逐像素地，接着在像素阵列内逐行地。

图像传感器读出的串行性质直接控制可读取整个传感器的速率，其受到读出机制的带宽的限制。举例来说，如果图像传感器的读出机制可每秒测量5千万个像素，那么其将花费大约十分之一秒来读出5兆像素图像传感器。减少读取整个图像传感器的时间通常需要增加用于更快读出的功率消耗或增加图像传感器的大小以提供额外的读出通道。然而，增加的功率消耗及增加的大小均不为合意的。

由于其消除机械组件且减少成本及空间要求，因此设计不具有光阻挡快门的图像捕获系统是普遍的做法。此类系统替代地依赖于有效地提供电子快门的传感器定时。此定时方案通过以下步骤而操作：对每一光电传感器进行复位、对光电子(或另一选择为，空穴)进行积分且接着按有序序列读出光电传感器信号。可通过将残留电荷从光电二极管传送到相关联浮动扩散部电路且接着摈弃所述残留电荷来实现所述复位步骤。在曝光期间，光电子在所述光电二极管中积累达规定的积分时间，此时将电荷信号传送到浮动扩散部中。在CMOS装置中，将所述电荷信号转换成电压。接着将相关联电压存储于例如电容器的存储器装置中。

如果传感器对于浮动扩散部具有足够低的暗电流及足够良好的光遮蔽，那么不需要立即读出所传送的电荷。在这些条件下，将可能立刻从所有像素将电荷传送到其相应浮动扩散部中且接着在顺序读出序列逐行渐进地处理信号时等待短暂时间。当然，为使此全域传送工作，每一像素还需要具有其自身的经光遮蔽的浮动扩散部。

特别由APS图像传感器提供的替代图像传感器读出布置允许跨越所述图像传感器的行逐行渐进地发生所述图像传感器的曝光及读出。此“滚动快门”序列避免了CCD的隔行场中所展示出的差分曝光问题，从而使每一行的曝光均延伸达相同的时间长度。作为额外优点，滚动快门序列简化了传感器组件设计，因为并非每一像素均需要经遮蔽存储。然而，由于每一行的曝光独立于其它行的曝光且按顺序(或滚动)方式与其它行的曝光一起发生，因此每一连续行在比前一行稍后的时间捕获其场景图像的部分。因此，场景(或场景的元素)与图像传感器之间的相对运动致使所述场景内的对象在由所述图像传感器捕获的图像中显现为失真。此效应(称为图像“剪切”)是滚动快门布置的特性。举例来说，如果使用此所谓的滚动快门或电子焦面快门图像传感器来捕获水平移动的汽车的图像，那么在曝光并读出所捕获的图像的每一行时所述汽车相对于所述图像传感器移动，使得所捕获的图像的每一行显示处于不同位置的车辆。此可致使圆形小汽车轮胎显现为有点椭圆形且使矩形小汽车窗户失真而显现为平行四边形。因运动所致的此失真是读出图像传感器的所有行所需的时间量的直接结果。如果可以较快速率读取所述行，那么可减小此失真。然而，如先前所提及，增加所述读出速率通常需要图像传感器的成本及功率消耗的不合意增加。

对于基于硅的图像传感器，像素组件本身广泛地对可见光敏感，从而准许未经滤波的像素适合于捕获单色图像。为捕获彩色图像，通常在像素图案上制作二维滤波器图案，其中使用不同滤波器材料制作仅对可见光光谱的一部分敏感的个别像素。此滤波器图案的实例为众所周知的拜耳滤色器阵列(CFA)图案，如第3,971,065号美国专利中所描述。虽然所述拜耳CFA具有在典型的条件下获得全色彩图像的优点，然而，已发现此解决方案具有其缺点。虽然提供窄带光谱响应需要滤波器，但对入射光的任何滤波往往减少到达每一像素的光量，从而减小每一像素的有效光灵敏度且减小像素响应速度。