[发明专利]图像传感器以及像素级曝光控制方法

说明书

本发明提供了图像传感器以及像素级曝光控制方法，其中，图像传感器包括：二维像素阵列，包括多个传感器像素，传感器像素被配置为根据可调曝光时间采集目标场景的图像数据；图像分割模块，对二维像素阵列采集的图像数据进行图像分析，提取图像特征，并基于具有相同的图像特征的传感器像素建立若干像素分区；预测曝光模块，根据像素分区的图像特征分别获得一预测曝光时间；区域曝光控制模块，基于预测曝光时间生成曝光时序控制信号，并发送给预测曝光时间对应的像素分区中的传感器像素。本发明能够实现单帧超高动态范围成像，有效减少运动伪影，适用于高速摄像应用，并且，无须牺牲传感器分辨率，在同样分辨率下可以降低芯片成本。

技术领域

本发明涉及光敏图像传感器领域，具体地说，涉及图像传感器以及像素级曝光控制方法。

背景技术

动态范围(Dynamic Range，DR)定义了图像传感器在同一帧图像中可同时探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围，是CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)最重要的参数之一。

普通的CIS，由于受到像素满阱容量、曝光时间和噪声的限制，动态范围一般在60-70dB。在一些特定领域，例如安防监控、自动驾驶等环境光线复杂的应用，往往要求图像传感器具备大于100dB的高动态范围(High Dynamic Range，HDR)成像能力。

图1是现有技术的图像传感器的像素架构示意图。图2是现有技术的图像传感器的曝光相关的时序控制示意图。如图1、2所示，现有技术的图像传感器主要包含如下器件：光电二极管32(Photodiode，PD)，用于累积光电效应产生的电子。传输门31(transfer gate，TX)，用于将PD内产生的电子转移至浮动扩散区33(floating diffusion，FD)。复位(Reset，RST)晶体管34，用于清空PD和FD内存储的电子。源跟随(Source follower，SF)晶体管35，用于将FD产生的电压信号放大。选择(Select，SEL)晶体管36，用于选取需要读出信号的像素。对于传统CIS，由于第一像素P1和第二像素P2的曝光时间受到同一个TX信号控制，因此两个像素的曝光时间相同，无法进行像素级的调控。

目前，现有技术已经产生了一些动态范围扩展技术的技术方案，但各有功能性、使用场景或是成本等方面的缺点，例如：

(1)时域多次曝光，是常见的动态范围扩展技术之一。对同一目标场景进行时间长短不同的多次曝光，再将多次曝光得到的多帧图像进行融合。这种方法的缺点在于多次曝光时被摄景物不能移动，否则会造成运动伪影，因此不适合车载摄像头等高速摄像场景。

(2)采用单帧空间域多重曝光的方案可以减少运动伪影。典型的方法是将像素阵列划分为行，并以两行间隔设置长曝光和短曝光。当按下快门时，长曝光和短曝光同时开始。这种技术可以一次拍摄长曝光和短曝光图像，并最终获得一张HDR图像。由于需要将长、短曝光的像素获得的数据融合，此类方案的缺点是需要牺牲传感器的空间分辨率。

(3)还有一种拓展动态范围的方法是在CIS像素单元中使用两个对光响应率不同的光电二极管。其中，对光响应率高的光电二极管工作负责对场景中暗的部分成像，对光响应率低的光电二极管工作负责对场景中亮的部分成像。此类方法无法实现小像素图像传感器(每个像素单元实际包含两个像素)。

现有HDR技术的缺点：

(1)容易造成运动伪影，和/或，需要牺牲CIS分辨率

(2)可达到的动态范围有限(大约120-130dB)，难以满足自动驾驶等应用(要求大于140dB)

有鉴于此，本发明提出了图像传感器以及像素级曝光控制方法

需要说明的是，上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容