成像系统及像素合并方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种成像系统及其像素合并方法。

背景技术

图像获取装置一般包括图像传感器和镜头。镜头将光聚焦到图像传感器上以形成图像，图像传感器将光信号转化成电信号。电信号从图像获取装置输出到电子系统的其他组件。图像获取装置和电子系统的其他组件构成了成像系统。图像传感器已经应用普遍，在各种电子系统中均可见，例如，手机、数码相机、医疗设备、以及计算机等。

典型的图像传感器包括布置在二维阵列中的多个光敏图像单元(“像素”)。通过在像素上形成色彩色滤光片阵列(CFA)，使图像传感器能够形成彩色图像。通常，每个像素都被一个单色滤光片覆盖，而这个滤光片又被一个微透镜覆盖以将光聚焦到一个光电二极管上。重复像素模块组成一个像素阵列，其中像素模块是由四个像素组成的2×2阵列，四个像素覆盖有一个红色、一个蓝色和两个绿色滤光片，组成一个众所周知的拜尔模式CFA。用于制造图像传感器，尤其是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的技术持续不断向前发展。例如，更高的分辨率和低功耗的需求进一步促进了这些图像传感器的小型化和集成化。然而，小型化会伴随像素的光感灵敏度和动态范围的降低，需要新的方法来解决这些问题。在许多应用中，传感器分辨率已经超过了光学分辨率，这意味着增加像素密度不一定会导致图像质量的提高。

随着像素尺寸的减小，像素内光吸收总光量减少，一些高级的特征受到挑战。通常，相机系统的输出分辨率低于图像传感器的分辨率，届时增加收集的光量以表示图像传感器中一个点的一种方法是对来自相邻或者附近像素的信号进行求和，这些像素共享相同颜色的彩色滤光片。这被称为像素组合(pixe l binn ing)，用来在低照度下获取图像时提高灵敏度。

一种高分辨率的图像传感器中，当环境光线非常弱时，需要进行像素合并。如图1所示，通常是将某个区域的相邻的同一颜色对应的像素合并。然而，这样的合并方式会有部分像素重叠合并，从而造成图像清晰度下降，如果要保证不重叠，则又会有部分像素缺失，造成信噪比降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种图像清晰且信噪比较高的成像系统及其像素合并方法。

本发明提供一种成像系统，包括：

多个像素单元构成的像素阵列，每个所述像素单元包括四个像素：第一像素、第二像素、第三像素和第四像素，每个所述像素单元内的像素以2*2的形式设置，且所述第一像素和所述第四像素对角相邻设置，所述第二像素和所述第三像素对角相邻设置；其中，所述像素还组成多个像素单元块，相邻三列中的三个相邻所述像素单元中的所述第一像素组成一个所述像素单元块，相邻三列中的三个相邻所述像素单元中的所述第四像素组成一个所述像素单元块，第m行中最靠近的三个所述第二像素或所述第三像素、第m+1行和第m-1行中与第m行中该三个所述第二像素或所述第三像素中的中间一个像素均对角相邻的所述第二像素或所述第三像素、第m+2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的所述第二像素或所述第三像素以及第m-2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的所述第二像素或所述第三像素组成一个所述像素单元块，其中，m为大于或等于3的正整数；

控制电路，耦合到所述像素阵列，以控制所述像素阵列中的像素输出像素值；

读出电路，耦合到所述像素阵列，以读取所述像素阵列输出的像素值；以及

功能逻辑控制单元，耦合到所述读出电路，以分别根据所述像素单元块将所述像素阵列中的所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素和所述第四像素的像素值进行合并后输出合并图像。

本发明还提供一种像素合并方法，包括：

读取像素阵列输出的像素值，所述像素阵列包括多个像素单元，每个所述像素单元包括四个像素：第一像素、第二像素、第三像素和第四像素，每个所述像素单元内的像素以2*2的形式设置，且所述第一像素和所述第四像素对角相邻设置，所述第二像素和所述第三像素对角相邻设置，所述像素还组成多个像素单元块；

接受像素合并指令，将相邻三列中的三个相邻所述像素单元中的所述第一像素合并成一个所述像素单元块，将相邻三列中的三个相邻所述像素单元中的所述第四像素合并成一个所述像素单元块，将第m行中最靠近的三个所述第二像素或所述第三像素、第m+1行和第m-1行中与第m行中该三个所述第二像素或所述第三像素中的中间一个像素均对角相邻的所述第二像素或所述第三像素、第m+2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的所述第二像素或所述第三像素以及第m-2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的所述第二像素或所述第三像素合并成一个所述像素单元块，并将各所述像素单元块内的所有像素的输出信号合并，从而得到较低像素的图像；

根据所述像素单元块内将所述像素阵列中的所述第一像素、所述第二像素、所述第三像素和所述第四像素的像素值合并后输出合并图像。

本发明提供的成像系统及像素合并方法中，由于像素单元块的这种合并方式，使得所有像素都参与合并并没有缺失，又保证像素合并没有重叠，从而既保证了图像的清晰度，又提高了图像的信噪比。

附图说明

图1为现有技术中的一种像素合并布局示意图。

图2为本发明一种实施例中的成像系统的电路结构示意图。

图3为本发明一种实施例中的成像系统的像素合并布局示意图。

图4A及图4B为本发明一种实施例中成像系统的不同像素合并的示意图。

图5为本发明一种实施例中的成像系统的像素合并方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术方式及功效，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本实施例中，如图2所示，本发明成像系统包括控制电路15、状态寄存器16、读出电路17、像素阵列18和功能逻辑单元19，像素阵列18耦合到控制电路15和读出电路17，读出电路17耦合到状态寄存器16和功能逻辑单元19。控制电路15耦合到状态寄存器16和像素阵列18。控制电路15可包括行解码器和具有所需时序电路的行驱动器，读出电路17可包括列解码器和具有所需时序电路的列驱动器以及放大电路、模数转换电路(ADC)等。在一个示例中，读出电路17可以沿读出列线逐行读出图像数据，或者可采用其他技术读出图像数据，例如，串行读出或者完全并行读出所有的像素。状态寄存器16可包括一个数字编程的选择系统，例如配置，用以确定读出模式是通过滚动曝光还是通过全局曝光，以及确定在每种模式下施加的时序和信号电平。

在一个示例中，像素阵列18包含排列成行和列的多个像素构成的二维(2D)阵列。像素阵列18中每一列像素由列选择线选择性接通，且每一行像素分别由行选择线全部同时地输出。每一像素具有行地址和列地址。像素的列地址对应于由列解码和驱动电路驱动的行选择线，而像素的行地址对应于由行解码和驱动电路驱动的行选择线。控制电路15控制列解码和驱动电路和行解码和驱动电路以选择性地读出像素阵列中适当的行和列对应的像素输出信号。在每个像素获取其图像数据或者图像电荷之后，图像数据根据状态寄存器16设置的读出模式由读出电路17读出，然后传输到功能逻辑单元19。功能逻辑单元19可以仅存储图像数据，或者可以根据后期的图像效果处理图像数据(例如，裁剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或者其他方式)。

请参图3，本发明一实施例的成像系统中，所述像素阵列18包括多个像素单元11，每个像素单元11包括四个像素：第一像素112、第二像素114、第三像素116和第四像素118，每个像素单元11内的像素以2*2的形式设置，且第一像素112和第四像素118对角相邻设置，第二像素114和第三像素116对角相邻设置。像素还组成多个像素单元块13，相邻三列中的三个相邻像素单元11中的第一像素112组成一个像素单元块13，相邻三列中的三个相邻像素单元11中的第四像素118组成一个像素单元块13，第m行中最靠近的三个第二像素114或第三像素116、第m+1行和第m-1行中与第m行中该三个第二像素114或第三像素116中的中间一个像素均对角相邻的第二像素114或第三像素116、第m+2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的第二像素114或第三像素116以及第m-2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的第二像素114或第三像素116组成一个像素单元块13。其中，m为大于或等于3的正整数。

本实施例中，成像系统还包括彩色滤光片，每个像素单元块13对应的像素上设置相同颜色的彩色滤光片。具体地，彩色滤光片包括蓝色滤光片、红色滤光片和绿色滤光片，蓝色滤光片设于第一像素112上，红色滤光片设于第四像素118上，绿色滤光片设于第二像素114和第三像素116上。如图3所示，第一像素112覆盖蓝色滤光片B以形成蓝色像素，第四像素118覆盖红色滤光片R以形成红色像素，第二像素114覆盖绿色滤光片Gr以形成绿色像素，第三像素116覆盖绿色滤光片Gb以形成绿色像素，从而组成拜尔模式彩色滤光片阵列。

具体地，在本发明实施例中，如图4A所示，蓝色像素即所述第一像素112和红色像素即第四像素118组成的像素单元块13为3*3的形式设置，并呈现为矩形；如图4B所示，绿色像素即第二像素114、第三像素116组成的像素单元块13为3*3的形式设置，并呈现为菱形分布。在本发明实施例中，控制电路15根据状态寄存器16的配置控制所述像素阵列18中的像素进行曝光，曝光结束后，读出电路17读取所述像素阵列18输出的像素值，所述功能逻辑单元19接收读出电路17输出的像素阵列的像素值，并根据所述像素单元块13将所述像素阵列中的所述第一像素112、第二像素114、第三像素116和第四像素118的像素值进行合并以输出合并图像。在一个实施例中，所述功能逻辑单元19所述成像系统根据所述像素单元块13将所述像素阵列中的所述第一像素112、第二像素114、第三像素116和第四像素118的像素值进行合并是以求加权平均值的形式进行合并。所述求加权平均值的加权系数可存储在所述状态寄存器16中，所述加权系数可以是相同的，也可以是不同的。

本成像系统中，由于像素单元块13的这种合并方式，使得所有像素都参与合并并没有缺失，又保证像素合并没有重叠，从而既保证了图像的清晰度，又提高了图像的信噪比。

本实施例中，成像系统还可包括控制器20以及检测元件21，控制器20连接于功能逻辑单元19，检测元件21连接于控制器20。控制器20用于控制功能逻辑单元19的工作模式，检测元件21用于检测环境光线的强弱。检测元件21在环境光线较弱时(例如低于一预设值时)输出第一指示信号给控制器20，控制器20提供像素合并指令给功能逻辑单元19使得功能逻辑单元19进入像素合并工作模式，以将各像素单元块13内的所有像素的输出信号合并，从而得到较低像素的图像。当然，当环境光线较强时，检测元件21输出第二指示信号给控制器20，控制器20提供正常工作指令给功能逻辑单元19使得功能逻辑单元19进入正常工作模式，从而使得每个像素的输出信号单独输出，得到较高像素的图像。也就是说，通过检测元件21和控制器20，可根据检测元件21的检测结果自动控制功能逻辑单元19是否对像素阵列18输出的像素进行合并。在另一个实施例中，成像系统还可包括控制开关22，控制开关22连接于功能逻辑控制单元19，用于手动设置功能逻辑控制单元19的工作模式，以在环境光线比较弱时，手动打开控制开关22，从而提供像素合并指令给功能逻辑单元19以对像素阵列18输出的像素信号进行合并。

请参图5，本发明还提供一种上述成像系统的像素合并方法，包括以下步骤：

步骤S11，读取像素阵列18输出的像素值，像素阵列18包括多个像素单元11，每个像素单元11包括四个像素：第一像素112、第二像素114、第三像素116和第四像素118，每个像素单元11内的像素以2*2的形式设置，且第一像素112和第四像素118对角相邻设置，第二像素114和第三像素116对角相邻设置。像素还组成多个像素单元块13。具体地，第一像素112为蓝色B，第四像素118为红色R，第二像素114为绿色Gr，第三像素116为绿色Gb。

步骤S13，接受像素合并指令，将相邻三列中的三个相邻像素单元11中的第一像素112合并成一个像素单元块13，将相邻三列中的三个相邻像素单元11中的第四像素118合并成一个像素单元块13，将第m行中最靠近的三个第二像素114或第三像素116、第m+1行和第m-1行中与第m行中该三个第二像素114或第三像素116中的中间一个像素均对角相邻的第二像素114或第三像素116、第m+2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的第二像素114或第三像素116以及第m-2行中与第m+1行和第m-1行的该两个像素均对角相邻的第二像素114或第三像素116合并成一个像素单元块13，并将各像素单元块13内的所有像素的输出信号合并。其中，m为大于或等于3的正整数。

具体地，步骤S13中，还包括在每个所述像素单元块13的所有像素上设置相同颜色的所述彩色滤光片。所述彩色滤光片包括蓝色滤光片、红色滤光片和绿色滤光片，所述蓝色滤光片设于所述第一像素112上，所述红色滤光片设于所述第四像素118上，所述绿色滤光片设于所述第二像素114和所述第三像素116上。

所述第一像素112和第四像素118组成的所述像素单元块13为3*3的形式设置，并呈现为矩形分布。第二像素114、第三像素116组成的所述像素单元块13为3*3的形式设置，并呈现为菱形分布。

接受像素合并指令具体可为：接受控制开关的指令；或者，检测环境光强弱，并根据环境光的强弱发出的控制指令，当环境光大于预设值时，控制指令为像素合并指令。

步骤S15，根据所述像素单元块13内将所述第一像素112、第二像素114、第三像素116和第四像素118的像素值合并以输出合并图像。所述根据所述像素单元块13将所述像素阵列中的所述第一像素112、第二像素114、第三像素116和第四像素118的像素值进行合并是以求加权平均值的形式进行合并。所述求加权平均值的加权系数可存储在所述状态寄存器16中，所述加权系数可以是相同的，也可以是不同的。

本像素合并方法中，由于像素单元块13的这种合并方式，使得所有像素都参与合并并没有缺失，又保证像素合并没有重叠，从而既保证了图像的清晰度，又提高了图像的信噪比。

以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。