[发明专利]CMOS图像传感器和用压缩实施相关双采样的成像方法

说明书

本发明公开了CMOS图像传感器和用压缩实施相关双采样的成像方法。本文描述了图像感测装置和图像感测方法。通过实例的方式，成像感测装置包括：二维的光感测元件阵列，每个光感测元件被配置为生成指示照射到光感测元件上的光的强度水平的输出信号；一个或多个模拟数字转换器，被配置为将从光感测元件阵列读取的输出信号数字化，以生成数字输出像素值；控制电路，被配置为生成数字像素复位值；以及压缩模块，被配置为接收数字像素复位值，并且生成对应于每个数字像素复位值的压缩数字像素复位值。

技术领域

本发明涉及图像传感器系统，并且特别地，涉及用像素复位值的压缩实施相关双采样的有源像素COMS图像传感器。

背景技术

数字图像捕获装置使用图像传感器将入射光能量转换成电信号。区域图像传感器(area image sensor，面型图像传感器)包括称为像素的光感测元件的二维阵列。阵列中的每个像素与镜头系统(lens system)一起工作，以响应场景(scene)的局部区域中的入射光，并且产生描述场景的局部特征的电信号。来自光感测元件的输出被转换成数字形式并且被数字化地存储，以形成表示该场景的原始数据。该原始数据可以被图像处理器处理，以产生渲染的数字图像。

相关双采样(CDS)是使用每个像素的复位值(reset value)和复位加光依赖值(reset plus light dependent value)来消除图像传感器的像素响应中的噪声和非均匀性的方法。在以下的描述中，将使用术语“光依赖像素值”来指代像素的“复位加光依赖值”。CDS的使用使得图像传感器实现了更好的信噪比性能。为了执行CDS，将像素复位或者测量复位电压值或相应数字值，产生第一采样值。第一采样值存储在存储器缓冲区中。然后，像素曝光于光下达预定时间量，并且像素整合(integrates)来自入射光的光子，以生成依赖于入射光水平的电压值。测量光依赖的电压值(包括复位电压值)或相应数字值，产生第二采样值。在像素的第一采样值存储在存储器缓冲区的传感器中，这对于像素的选定图像区域重复进行。选定图像区域可以是整个图像，或者是其裁剪区域。

在一些情况下，从像素位置的第二采样值减去同一像素位置的第一采样值，以生成该像素位置的CDS校正输出像素值。在其他情况下，同一像素的复位值和光依赖的像素值可以认为是表示作为时间的函数的光感测元件的电压的线上的两个点，其中，可以基于沿线的内插或外插来计算CDS校正输出像素值。在各种情况下，目标是计算选定图像区中的每个像素的输出像素值，在上述选定图像区域中，消除了由复位值表示的像素值变化。可以使用模拟或数字方法实施CDS，此外，其可以被设计为在连续(例如，逐行)的基础上、部分帧或全帧的基础上工作。为了实施全帧数字CDS，要求存储器至少存储整个图像传感器的第一采样值的阵列。

图像传感器设计包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化硅(CMOS)图像传感器、以及数字像素系统(DPS)传感器。图像传感器可以设计为支持滚动快门或全局快门曝光方法。滚动快门和全局快门之间的差异在于阵列中的像素被复位并曝光的定时。具体地，滚动快门是指其中传感器中的像素一次一行地被复位并曝光并因此在每对连续行之间产生复位和曝光时间的延迟的曝光方法。全局快门是指其中阵列中的所有像素基本上同时被复位和曝光的曝光方法。在2012年3月20日提交的标题为“COMS image sensors implementingfull frame correlated double sampling with global shutter”，且具有至少一个共同发明人的共同待决和共同转让的美国专利申请序列号13/435,071中，公开了具有全局快门和全帧CDS支持的CMOS图像传感器的实例，通过引用将该专利申请的全部内容结合于本文中。

实施全帧或部分帧CDS的图像传感器的一个优点在于，图像传感器需要存储器缓冲区(memory buffer)来存储选定区域中的所有像素的复位值。所需的存储器缓冲区大小与像素的数量乘以表示该CDS值所需的位数成比例。特别是当实际图像传感器中的像素计数保持增大时，存储器缓冲区的大小通常会增大系统成本。

发明内容