图像传感器、深度数据测量头、测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种图像传感器、深度数据测量头、测量装置和方法。该图像传感器包括：像素阵列，所述像素阵列包括多个像素单元，并且每个像素单元包括感光部件和存储部件；控制单元，用于控制像素单元的曝光；读取单元，用于读取存储部件内的曝光信号；以及重置单元，用于将所述存储部件内的信号进行重置，其中，所述控制单元控制所述像素单元在预定时间段的至少部分时间段内的曝光，所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的累积的曝光信号进行N次读取，其中，N是大于等于2的整数，并且所述重置单元使得所述存储部件在所述预定时间段内不被重置。由此，提升高动态范围数据的获取效率。

【技术实现步骤摘要】
图像传感器、深度数据测量头、测量装置和方法
本专利技术涉及成像领域，尤其涉及一种图像传感器，以及使用图像传感器的深度数据测量头、测量装置和方法。
技术介绍
相比普通图像，高动态范围(High-DynamicRange，简称HDR)图像可以提供更多的动态范围和图像细节。在现有技术中，通过拍摄多张不同的曝光时间的常规图像(常规的LDR(Low-DynamicRange)图像)，并利用每个曝光时间相对应最佳细节的LDR图像来合成最终HDR图像。HDR图像能够更好的反映出真实环境中的视觉效果。图1示出了使用多张图片合成一幅HDR图像的例子。图下部示出了曝光时间不同的三幅图像。通过从三幅图像中提取各个区域最佳细节，最终合成图上部所示的HDR图像。图2示出了图像传感器拍摄一幅HDR图像的时序图。在需要n幅图像合成HDR图像的情况下，需要对图像传感器进行n次曝光，在每次曝光后读取相应帧。即，读取帧1、帧2、帧3…帧N。在每次读取后使用重置装置将像素内的存储值清零。上述N个帧可被用于一幅HDR图像的合成。在现有技术中，需要经历多个完整的图像帧才能实现图像动态范围的扩大。因此，需要一种更为高效的图像获取技术。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术结合一种新的图像传感器，提出了一种更为高效的HDR图像获取技术。该技术通过在累积曝光时间内对曝光值的多次读取，复用了曝光时间，提升了高动态范围数据的获取效率。另外，本专利技术的图像传感器可以与深度成像技术相结合，尤其是主动扫描投射条纹图像的方案相结合，通过列同步，获取高信噪比的深度数据。在本专利技术的一个方面，提出了一种图像传感器，包括：像素阵列，所述像素阵列包括多个像素单元，并且每个像素单元包括感光部件和存储部件；控制单元，用于控制像素单元的曝光；读取单元，用于读取存储部件内的曝光信号；以及重置单元，用于将所述存储部件内的信号进行重置，其中，所述控制单元控制所述像素单元在预定时间段的至少部分时间段内的曝光，所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的累积的曝光信号进行N次读取，其中，N是大于等于2的整数，并且所述重置单元使得所述存储部件在所述预定时间段内不被重置。由此，通过累积曝光和多次读取，能够有效复用曝光时间，提升成帧效率，并且有利于对动态目标的准确捕捉。在不同的应用场景中，控制单元可以控制所述像素单元在预定时间段内持续曝光，并且读取单元对存储部件在所述预定时间段内的曝光信号进行相同或不同间隔的多次读取；或者控制单元可以控制所述像素单元在预定时间段内的多次曝光，并且所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的曝光信号进行相应的多次读取。优选地，预定时间段是一个图像帧周期，所述图像帧周期包括N个成像阶段，并且所述控制单元控制所述像素单元在每个成像阶段中的至少部分时间段内曝光，以使得所述存储部件累积在所述N个成像阶段中的曝光信号；所述读取单元针对每个成像阶段进行一次所述存储部件内的曝光信号读取。进一步地，读取单元在每个成像阶段中读取所述存储部件内的信号所获取的N组像素阵列的曝光信号被用于合成一幅图像帧。由此，通过在一个图像帧内的分阶段曝光和多次读取，能够更全面地获取每个像素所反映的拍摄对象信息。针对每个像素单元，从N个像素信号中选择亮度符合预定规则的一个或多个像素信号用于所述图像帧的合成。优选地，预定规则可以包括如下至少一项：从N个像素信号中选择亮度值位于预定亮度取值范围内的像素信号；从N个像素信号中选择亮度值最接近中间亮度值的像素信号；从N个像素信号中选择亮度值最接近但尚未进入亮度饱和区的亮度信号。由此，可以基于不同的应用场景，获取能够更好反映拍摄对象信息的图像。优选地，控制单元控制所述像素阵列中的每个像素列或像素行在每个成像阶段中的固定时间段内开启曝光。由此，使得本专利技术的图像传感器尤其适用于需要与拍摄对象进行列或行同步的应用场景。优选地，每个像素单元可以包括M个存储部件，每个存储部件都用于存储M个图像帧周期中的一个图像帧周期的曝光信号，其中，M是大于等于2的整数。由此，使得本专利技术的图像传感器能够同时存储多幅图像帧。优选地，每个像素单元包括一个附加的环境光存储部件，并且，所述控制单元控制所述像素阵列中的每个像素列或像素行的环境光存储部件在N个成像阶段的至少两个成像阶段中的所述固定时间段之外的时间段内开启对曝光信号的累积存储。由此，使得本专利技术的图像传感器适用于同时存储环境光和非环境光图像帧信息。优选地，控制单元和读取单元可由固定的曝光读取执行模块实现，例如，可以将曝光和读取实现为流水线，以提升操作效率。根据本专利技术的另一个方面，提出了一种深度数据测量头，包括：投影装置，用于向拍摄区域投射结构光；以及如上所述的图像传感器，用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的图像帧。通过引入本专利技术的上述图像传感器，能够获取更为清晰的深度数据图像。优选地，所述预定时间段是一个图像帧周期，所述图像帧周期包括N个成像阶段，并且所述投影装置在每个成像阶段向拍摄区域扫描投射一次图案相同的结构光，或者所述投影装置在一个图像帧周期内持续投射相同的结构光。由此，方便各个像素在相同场景下对曝光的累积。优选地，投影装置向拍摄区域扫描投射具有条纹编码的结构光；并且，所述测量头还包括：同步装置，用于使得所述投影装置当前投射的条纹位置与所述图像传感器当前开启像素列或像素行的成像位置至少部分重叠。由此，通过主动投射的条纹光和开启像素列(或行)的同步，能够滤除环境光的影响，提升信噪比。优选地，所述同步装置包括用于测量所述投影装置的扫描位置的测量装置，并且基于所述测量装置的测量结果，进行所述像素列成像的同步开启。由此，能够进一步提升同步效果。优选地，投影装置可以包括：发光装置，用于产生线型光；以及反射装置，用于反射线型光，以向拍摄区域投射在所述条纹方向的垂直方向上移动的线型光，所述反射装置包括如下之一：以预定频率往复运动的机械转镜，用于以所述预定频率向所述拍摄区域扫描投射所述线型光，其中，所述线型光的长度方向是所述投射条纹的长度方向；以预定频率往复振动的微镜器件，用于以所述预定频率向所述拍摄区域扫描投射所述线型光，其中，所述线型光的长度方向是所述投射条纹的长度方向。优选地，投影装置可以在M个图像帧周期内依次投射不同图案的条纹编码结构光，每个图案被投射N次，以使得所述图像传感器生成针对不同图案的一组M个图像帧，其中，所述一组M个图像帧被用于进行一次深度数据计算，其中，M是大于等于2的整数。进一步地，图像传感器的每个像素单元可以包括M个存储部件，每个存储部件都用于存储M个图像帧周期中的一个图像帧周期的曝光信号，并且所述测量头还包括数字运算模块，所述数字运算模块在生成所述一组M个图像帧之后，直接对每个像素单元中存储的M个曝光信号进行数字运算以进行像素匹配。根据本专利技术的再一个方面，提出了一种深度数据测量装置，包括：如上所述的深度数据测量头，以及与所述深度数据测量头相连接的处理器，用于根据所述图像传感器的对所述结构光成像得到的图像帧，确定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图像传感器，包括：/n像素阵列，所述像素阵列包括多个像素单元，并且每个像素单元包括感光部件和存储部件；/n控制单元，用于控制像素单元的曝光；/n读取单元，用于读取存储部件内的曝光信号；以及/n重置单元，用于将所述存储部件内的信号进行重置，/n其中，所述控制单元控制所述像素单元在预定时间段的至少部分时间段内的曝光，所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的累积的曝光信号进行N次读取，其中，N是大于等于2的整数，并且所述重置单元使得所述存储部件在所述预定时间段内不被重置。/n

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器，包括：
像素阵列，所述像素阵列包括多个像素单元，并且每个像素单元包括感光部件和存储部件；
控制单元，用于控制像素单元的曝光；
读取单元，用于读取存储部件内的曝光信号；以及
重置单元，用于将所述存储部件内的信号进行重置，
其中，所述控制单元控制所述像素单元在预定时间段的至少部分时间段内的曝光，所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的累积的曝光信号进行N次读取，其中，N是大于等于2的整数，并且所述重置单元使得所述存储部件在所述预定时间段内不被重置。


2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述控制单元控制所述像素单元在预定时间段内持续曝光，并且所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的曝光信号进行相同或不同间隔的多次读取；或者
所述控制单元控制所述像素单元在预定时间段内的多次曝光，并且所述读取单元对存储部件在所述预定时间段内的曝光信号进行相应的多次读取。


3.如权利要求2所述的图像传感器，其中，所述预定时间段是一个图像帧周期，所述图像帧周期包括N个成像阶段，并且
所述控制单元控制所述像素单元在每个成像阶段中的至少部分时间段内曝光，以使得所述存储部件累积在所述N个成像阶段中的曝光信号；
所述读取单元针对每个成像阶段进行一次所述存储部件内的曝光信号读取。


4.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述读取单元在每个成像阶段中读取所述存储部件内的信号所获取的N组像素阵列的曝光信号被用于合成一幅图像帧。


5.如权利要求4所述的图像传感器，其中，针对每个像素单元，从N个像素信号中选择亮度值符合预定规则的一个或多个像素信号用于所述图像帧的合成。


6.如权利要求5所述的图像传感器，其中，所述预定规则包括如下至少一项：
从N个像素信号中选择亮度值位于预定亮度取值范围内的像素信号；
从N个像素信号中选择亮度值最接近中间亮度值的像素信号；
从N个像素信号中选择亮度值最接近但未进入亮度饱和区的亮度信号。


7.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述控制单元控制所述像素阵列中的每个像素列或像素行在每个成像阶段中的固定时间段内开启曝光。


8.如权利要求7所述的图像传感器，其中，每个像素单元包括M个存储部件，每个存储部件都用于存储M个图像帧周期中的一个图像帧周期的曝光信号，其中，M是大于等于2的整数。


9.如权利要求7所述的图像传感器，其中，每个像素单元包括一个附加的环境光存储部件，并且，所述控制单元控制所述像素阵列中的每个像素列或像素行的环境光存储部件在N个成像阶段的至少两个成像阶段中的所述固定时间段之外的时间段内开启对曝光信号的累积存储。


10.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述控制单元和所述读取单元由固定的曝光读取执行模块实现。


11.一种深度数据测量头，包括：
投影装置，用于向拍摄区域投射结构光；
如权利要求1-10中任一项所述的图像传感器，用于对所述拍摄区域进行拍摄以获得在所述结构光照射下的图像帧。


12.如权利要求11所述的测量头，其中，所述预定时间段是一个图像帧周期，所述图像帧周期包括N个成像阶段，并且
所述投影装置在每个成像阶段向拍摄区域扫描投射一次图案相同的结构光，或者
所述投影装置在一个图像帧周期内持续投射相同的结构光。


13.如权利要求12所述的测量头，其中，所述投影装置向拍摄区域扫描投射具有条纹编码的结构光；
并且，所述测量头还包括：
同步装置，用于使得所述投影装置当前投射的条纹位置与所述图像传感器当前开启像素列或像素行的成像位置至少部分重叠。


14.如权利要求13所述的测量头，其中，所述同步装置包括用于测量所述投影装置的扫描位置的测量装置，并且基于所述测量装置的测量结果，进行所述像素列成像的同步开启。


15.如权利要求14所述的测量头，其中，所述投影装置包括：
发光装置，用于产生线型光；以及
反射装置，用于反射线型光，以向拍摄区域投射在所述条纹方向的垂直方向上移动的线型光，所述反射装置包括如下之一：
以预定频率往复运动的机械转镜，用于以所述预定频率向所述拍摄区域扫描投射所述线型光，其中，所述线型光的长度方向是所述投射条纹的长度方向；
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【专利技术属性】
技术研发人员：王敏捷，梁雨时，
申请(专利权)人：上海图漾信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31