用于避免像素饱和的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高动态范围CMOS像素及相关联的传感器的邻域。具体来说，本发明涉及在像素对于入射光的稳健性方面或与之有关的通过检测和避免像素饱和而带来的改善。所称的稳健性，指的是像素实现它们的光量化函数的能力。
【背景技术】
[0002]图像传感器是一种捕捉碰撞的电磁福射(诸如光通量)并将其转换成电子信号的设备。在数字成像中，有源像素传感器(APS)被使用得最多。APS是由包含像素传感器阵列的集成电路组成的图像传感器，并且其中每个像素包含光电二极管和有源放大器。存在许多类型的有源像素传感器，包括互补金属氧化物半导体(CMOS)APS，这在例如蜂窝电话相机或网络相机中被使用得最为普遍。这类图像传感器已作为电荷耦合器件(CCD)图像传感器的替代而出现。
[0003]在APS中，光电二极管对于入射光敏感。更准确地，光电二极管将入射光转换成电荷，电荷在给定曝光时间期间被累积并随后被转换成像素中经放大的电压。这一电压是连续的模拟物理量，其受益于模数转换器可被转换成代表电压幅值的数字值。光电二极管的阴极的端子(被称为附连到阴极的节点)常被称为检测器节点。这一节点(20)被显示在解说APS像素的图1中。在这一节点处的电压经由用作放大器的晶体管被转化成像素输出。描述像素的一个重要的品质因素是它们的所谓填充因子。其指的是对光敏感的区域的部分在整个像素区域中的百分比。图2公开了一种典型的像素区域，该区域被分为光敏区域1和电路区域2。
[0004]标准像素的主要缺点之一是它们潜在的饱和，该饱和出现在过强的入射光和/或过长的曝光发生时。在使用飞行时间技术(ToF)的范围成像系统中(例如通过分析受控光源发射的、并被来自场景中的物体反射回的脉冲光信号的飞行时间和相位来提供距离信息的飞行时间相机系统)，饱和可能出现在具有标准反射属性的物体距针对其校准成像系统的距离范围更近时。物体在那时将所发射的光反射得过多，因而导致传感器的至少一些像素以它们的最大值来响应。饱和还可在物体表明在像素被设计成敏感的波长域中的波谱反射属性时(诸如当场景中的镜子将其接收的整个入射光反射到对场景成像的传感器上时)，或者当物体反射入射光并将其集中在传感器的一部分上时，或者当以与ToF相机被设计用于的相同波长域发射强照射的外部光源正对传感器照射时发生。当像素饱和时，关于场景的有意义的信息被丢失，因为所提供的响应在可被提供的最大电压值处是平的；这导致图像伪像或缺陷，诸如图像中的灼伤区域、光晕效应。此外，在某些应用中，例如以ToF技术计算深度信息，使用基于相移的计算来从多个捕捉中推导距离测量。如果像素饱和发生在积分时间期间，则检测器节点处的电压达到饱和电平，该饱和电平破坏了相应的捕捉。更具体地，这使得在不同的相位间的相对电压幅值确定变得不可能，并且因此，深度测量和对应的深度图不能再被确定，因为其一般是直接从这些相位差计算中推导的。
[0005]出于克服饱和问题的目的等，在使用若干个电子电路(例如，添加了寄存器和/或存储点的施密特触发器(如以下将限定的))的标准图像处理器中已提出了高动态范围(HDR)或宽动态范围(WDR)。传感器已被设计为具有诸如精细调整、多重捕捉或空间变化的曝光等技术。另外，已对每一个CMOS APS添加了额外的逻辑电路，但是这缩小了传感器的有效敏感区域，并导致不满足有效ToF成像要求的非常低的填充因子。另一种方案包括使用具有对数像素的电路。这类像素电路生成是碰撞像素的光量的对数函数的电压电平。这与使用线性型像素的大部分CMOS或CCD型图像传感器不同。然而，使用对数像素严重复杂化了用于计算所需数据(例如深度信息)的后续处理，因为它引入了公知的压缩问题并且还请求额外的处理计算。
[0006]发明概述
[0007]本发明的目的在于通过避免像素的饱和来改善像素对于入射光的稳健性。为此，本发明首先涉及一种根据权利要求1所述的方法。
[0008]本发明还特别适用于飞行时间成像的上下文，其中有源红外调制光照明是以高频驱动的，并且其中要被测量的照明信号可能遭受场景中的共存的环境光的影响，或者遭受场景中的物体的变化的反射性和距离的影响。
[0009]因此优点在于，由于使用了同步复位像素，饱和在一组像素中被避免，这避免了图像伪像。
[0010]进一步的优点是通过避免了积分时间期间的像素饱和，本发明通过迀移电荷和相关联的光晕缺陷伪像而避免了已被证明在不复位情况下将饱和的像素的相邻像素被破坏。
[0011]此外，通过避免像素饱和，本发明进一步使得能够避免传感器遭受光晕效应和相关联的图像伪像的影响。
[0012]进一步的优点是由于饱和电路在若干个像素中共享，填充因子被保持为高，并且附加电路是有限的。
[0013]进一步的优点是由于同步复位像素的使用，像素检测器节点处的电压幅值所携带的信息不会被饱和破坏，这使得能够计算各节点间的相对幅值和/或相位差。因此，在T0F成像上下文中，数据测量被节省并且使得能够确定距离信息。
[0014]有利地，所有像素的复位在给定积分时间TINT期间通过使能信号被授权至少一次，该使能信号可以是脉冲、时钟、或具有可调节的周期和/或占空比的脉冲波。
[0015]优选地，绝对值高动态范围测量可被估计。根据每一次积分时间期间可能已被触发的同步复位的次数，或者根据已被触发的最后一次同步复位的时间以及来自各个像素节点的不饱和的检测器节点电压，可估计对应于在整个积分时间期间接收到的入射光的总的绝对电压。
[0016]本发明还涉及根据权利要求18所述的同步复位像素设备和根据权利要求19所述的成像器。
[0017]本发明的其它优点和新特征将从以下详细描述并结合伴随的附图而变得更为明显。
【附图说明】
[0018]通过以下的描述和伴随的附图将会更好地理解本发明。
[0019]-图1描绘了标准的3—晶体管有源像素传感器，其由光电二极管3、复位晶体管4、用作为放大器5的晶体管以及像素选择晶体管6组成；
[0020]-图2示出了一种典型的像素区域，该区域被分为光敏区域1和电路区域2;
[0021]-图3示出了在没有入射光的情况下在一组4个像素的各节点处的典型的压降；
[0022]-图4示出了在强入射光下在图3中介绍的相同的像素的各节点处的压降示例；
[0023]-图5将标准比较器(A)对输入信号(U)的影响与施密特触发器(B)对输入信号(U)的影响进行比较；
[0024]-图6示出了同步复位像素的框图，该同步复位像素由4个三晶体管有源像素传感器(7、8、9、10)、最低检测器块11、比较器12以及被分别添加到每一个3 — T APS的一个额外的晶体管13组成；
[0025]-图7描绘了具有如图6中之前展示的比较器的同步复位像素的时序图；
[0026]-图8示出了与图6中的相同的同步复位像素的框图，但是其中添加了连接到比较器的ENCOMP引脚14 ;
[0027]-图9显示了关于图8所表示的同步复位像素的时序图，其中有效积分时间为
Τ?ΝΤ_ΤΕΝ；
[0028]-图10显示了关于图8所表示的同步复位像素的时序图，其中积分时间为TINT;
[0029]-图11示出了与图6中的相同的同步复位像素的框图，但是其中添加了连接到比较器以及最低电压检测器两者的ENCOMP引脚14 ;
[0030]-图12显示了关于图11所表示的同步复位像素的时序图，其中有效积分时间为
Τ?ΝΤ_ΤΕΝ；
[0031]-图13示出了图11所表示的同步复位像素的时序图，但是其中将ENCOMP引脚14的脉冲替换为时钟，其中