灰度彩色雙模式tdi-cmos圖像傳感器的製造方法
2023-06-25 23:01:16
灰度彩色雙模式tdi-cmos圖像傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及CMOS圖像傳感器領域，為提供一種利用時間延遲積分的能同時獲取彩色和灰度圖像的TDI-CMOS圖像傳感器，為此，本實用新型採用的技術方案是，灰度彩色雙模式TDI-CMOS圖像傳感器結構為，TDI-CMOS圖像傳感器像素陣列尺寸為M×N，M為TDI級數，N為TDI-CMOS圖像傳感器線列方向長度；在像素陣列的第1行覆蓋紅色濾波片（R），第2行覆蓋綠色濾波片（G），第3行覆蓋藍色濾波片（B），從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元（PH）；TDI級數M大於3；此外，還包括有像素陣列外的存儲器。本實用新型主要應用於CMOS圖像傳感器的設計製造。
【專利說明】灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及CMOS圖像傳感器領域，尤其涉及一種灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器。
技術背景
[0002]時間延遲積分(Time-Delay-1ntegration, TDI)基本原理是使用面陣排布的像素陣列以線陣推掃的方式工作，通過相對移動實現多級像素單元對同一目標多次曝光，並將多次曝光結果進行累加，等效延長曝光積分時間來實現足夠的光電靈敏度和信噪比。因此，TDI技術在高速相對運動成像和低光照成像等領域有廣泛的應用。TDI技術最早是通過CCD(Charge Coupled Device,電荷I禹合器件)圖像傳感器實現的。隨著CMOS圖像傳感器技術日漸成熟，由於其具有功耗低、集成度高、成本低、抗輻照性好等特點，已逐漸取代CCD圖像傳感器。
[0003]常見的(XD、CMOS圖像傳感器又可分為灰度和彩色兩種類型。兩種傳感器在成像技術上，具有各自的優勢，灰度圖像傳感器只採集亮度信息，沒有色度信息，所以採集的亮度信息與彩色傳感器相比，更加真實、準確；彩色傳感器採集的圖像信息中則包含灰度傳感器沒有的色度信息，圖像表現更為豐富。
[0004]在圖像傳感器獲取的全彩色圖像中，每個像素值由R、G、B三個顏色值組成，理論上就需要三個不同的圖像傳感器來分別獲取R、G、B中的一種顏色數據。但是在實際應用中，為了減小體積、降低成本、簡化三個通道的同步和矯正步驟，通常都在一個圖像傳感器之前覆蓋上一個顏色濾波陣列，這種彩色圖像的成像方法目前被大多數產品所使用。一般採用Bayer模型的彩色濾波陣列(如圖1的(I)所示)，這種彩色濾波陣列把輸入光信號分為RGB (紅綠藍)三基色，圖像傳感器的每一個像素點只採集一種顏色的光亮度信號，然後要對採集到的圖像信息進行數位訊號圖像處理，一般來講，就是根據周邊的像素值得到每個像素所缺失的另外兩個色彩值，經過顏色插補後得到完整的圖像信息(如圖1的(2)所示)。
[0005]TD1-CMOS圖像傳感器一般為灰度圖像傳感器，傳感器結構(如圖2所示)一般包含像素陣列、信號放大處理電路、ADC和控制電路等。而目前已有的彩色TDI技術一般有兩種方法。一種方法是採用三個分立的圖像傳感器，每個圖像傳感器的像素陣列上分別遮蓋R、G、B中的一種顏色的遮光片，將三個分立CCD圖像傳感器採集到的RGB三色信息進行後續融合處理得到一幅TDI彩色圖像。另一種方法是在單個圖像傳感器的像素陣列上按行循環覆蓋R、G、B中的中的一種顏色濾波片，此後對各行採集到的圖像信息進行融合處理，得到一幅TDI彩色圖像。
【發明內容】
[0006]為克服現有技術的不足，本發明旨在提供一種利用時間延遲積分的能同時獲取彩色和灰度圖像的TD1-CMOS圖像傳感器，為此，本發明採用的技術方案是，灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器結構為，TD1-CMOS圖像傳感器像素陣列尺寸為MXN，M為TDI級數，N為TD1-CMOS圖像傳感器線列方向長度；在像素陣列的第I行覆蓋紅色濾波片(R)，第2行覆蓋綠色濾波片(G)，第3行覆蓋藍色濾波片(B)，從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元(PH) ；TDI級數M大於3 ;此外，還包括有像素陣列外的存儲器。
[0007]灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器控制方法，藉助於灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器實現，包括下列步驟:
[0008]TD1-CMOS圖像傳感器陣列對場景曝光累加後輸出並存儲R、G、B三基色信號和普通灰度圖像信號，以單列像素為例，在第I個時間周期，單列的第I個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片R過濾後的紅色圖像信息並存入像素陣列外的存儲器的PR單元中，第2個時間周期，單列的第2個像素對場景元素進行曝光，輸出綠色濾波片G過濾後的綠色圖像信息並存入像素陣列外的存儲器的PG單元中，第3個時間周期，單列的第3個像素對場景元素進行曝光，輸出藍色濾波片B過濾後的藍色圖像信息並存入像素陣列外的存儲器的PB單元中，第4個時間周期，單列的第4個像素對場景元素進行曝光，輸出普通灰度圖像信息並送入累加寄存器Adder，此後直到第M個時間周期均輸出普通灰度圖像信息送入累加寄存器Adder，把從第4到第M個像素採集到的灰度信息進行累加後輸出TDI累加後的灰度信息存入存儲器PHtl ;這樣經過M次曝光就得到該場景元素的R、G、B三基色信號值PR、PG、PB和累加灰度信號值PHtl ；TD1-CMOS圖像傳感器所有列均按照上述方式同步並行工作；
[0009]陣列對目標場景進行掃描，最後僅輸出灰度信號Phtl,而不輸出前三行的彩色信息，完整輸出即為目標場景的一幅M-3級的TDI灰度圖像-灰度模式；
[0010]從像素陣列外的存儲器中提取由圖像傳感器前3級像素單元得到的某一場景元素的R、G、B三基色圖像信息PR、PG、PB,並進行歸一化處理，就得到該場景元素的三色分量相互間的比例關係，並與該場景元素TDI累加灰度信號值PHtl融合處理，即可獲得相應場景元素的彩色TDI圖像信號，對目標場景的每個場景元素進行如此操作，完整輸出即為彩色TDI圖像-彩色模式。
[0011]本發明具備下列技術效果:
[0012]採用TDI技術對同一場景元素的多次曝光得到該場景元素的三基色信號和TDI累加後的灰度信號，單獨輸出累加灰度信號則得到普通TDI灰度圖像，對三基色信號和累加灰度信號融合處理即可得到彩色TDI圖像。本發明採用單個圖像傳感器且只在像素陣列的前3行覆蓋三基色單色濾波片，即可同時獲取灰度和彩色圖像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1Bayer彩色濾波和顏色插值。
[0014]圖2TD1-CM0S圖像傳感器結構
[0015]圖3前3級覆蓋單色濾波片的圖像傳感器像素陣列。
[0016]圖4單列像素的曝光累加存儲過程。
【具體實施方式】
[0017]本發明採用的技術方案是，
[0018](I)TD1-CMOS圖像傳感器像素陣列(如圖3所示)尺寸為MXN，M為TDI級數，N為TD1-CMOS圖像傳感器線列方向長度。在像素陣列的第I行覆蓋紅色濾波片(R)，第2行覆蓋綠色濾波片(G)，第3行覆蓋藍色濾波片(B)，從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元(PH)。TDI級數M大於3。
[0019](2) TD1-CMOS圖像傳感器陣列對場景曝光累加後輸出並存儲R、G、B三基色信號和普通灰度圖像信號。以單列像素為例，如圖3所示。在第I個時間周期，單列的第I個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片R過濾後的紅色圖像信息並存入像素陣列外的存儲器PR中，第2個時間周期，單列的第2個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片G過濾後的綠色圖像信息並存入像素陣列外的存儲器PG中，第3個時間周期，單列的第3個像素對場景元素進行曝光，輸出濾波片B過濾後的藍色圖像信息並存入像素陣列外的存儲器PB中，第4個時間周期，單列的第4個像素對場景元素進行曝光，輸出普通灰度圖像信息並送入累加寄存器Adder，此後直到第M個時間周期均輸出普通灰度圖像信息送入累加寄存器Adder，把從第4到第M個像素採集到的灰度信息進行累加後輸出TDI累加後的灰度信息存入存儲器PiV這樣經過M次曝光就得到該場景元素的R、G、B三基色信號值PR、PG、PB和累加灰度信號值PiV TD1-CMOS圖像傳感器所有列均按照上述方式同步並行工作。
[0020](3)如步驟(2)所述，陣列對目標場景進行掃描，最後僅輸出灰度信號Phtl,而不輸出前三行的彩色信息。完整輸出即為目標場景的一幅M-3級的TDI灰度圖像(灰度模式)。
[0021](4)從外部寄存器中提取由圖像傳感器前3級像素單元得到的某一場景元素的R、G、B三基色圖像信息PR、PG、PB,並進行歸一化處理，就得到該場景元素的三色分量相互間的比例關係，並與該場景元素TDI累加灰度信號值PHtl融合處理，即可獲得相應場景元素的彩色TDI圖像信號，對目標場景的每個場景元素進行如此操作，完整輸出即為彩色TDI圖像(彩色模式)。
[0022]在TD1-CMOS圖像傳感器前3級的像素單元上分別覆蓋R、G、B單色濾波片，其餘各級仍保持原有的像素結構。像素陣列外採用存儲器陣列存儲R、G、B三基色色彩分量和灰度累加信號。在灰度TDI圖像模式下，輸出TDI累加後的灰度信號構成完整的灰度TDI圖像。在彩色TDI圖像模式下，根據前3級採集場景元素的RGB三色色彩分量計算該場景元素的RGB三色構成比例，並與此後各級累加得到的灰度信號進行按比例融合，輸出構成完整的彩色TDI圖像。
【權利要求】
1.一種灰度彩色雙模式TD1-CMOS圖像傳感器，其特徵是，結構為:TD1-CM0S圖像傳感器像素陣列尺寸為MXN，M為TDI級數，N為TD1-CMOS圖像傳感器線列方向長度；在像素陣列的第I行覆蓋紅色濾波片(R)，第2行覆蓋綠色濾波片(G)，第3行覆蓋藍色濾波片(B)，從第4行到第M行不覆蓋濾波片，仍為普通灰度像素單元(PH) ；TDI級數M大於3 ;此外，還包括有像素陣列外的存儲器。
【文檔編號】H04N5/378GK203722755SQ201320660261
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】姚素英, 李林, 史再峰, 徐江濤, 高靜 申請人:天津大學