HDR 成像技术学习（三）—

HDR 成像技术学习（一）

HDR 成像技术学习（二）

我们拍摄的照片来自传感器上的像素，它们将光处理为电信号，组合起来输出画面。当捕捉对象亮度过强，大量电荷挤在单个像素内，生成的图像就会过曝。

LOFIC（Lateral Overflow Integration Capacitor，横向溢出集合电容）的基本思想在于，当电荷超过像素原本能承载的最大限度（最大阱容），多余的电荷就会流到相邻的电容里，而不至于溢出来。这样，高亮画面就能清晰显示了。简单示意如下：

其像素结构如下所示：

像素电路由全耗尽光电二极管（PD）、转换开关（T）、将电荷转换为电压的浮动扩散（FD）、复位开关（R）、源极跟随放大器（SF）、像素选择开关（X）、横向溢出积分电容器（ $C_{s}$ ）和FD与CS之间的连接开关（S）。高满阱容量是通过横向溢出积分电容器 $C_{s}$ 实现的，该电容器在积分时间内对从 PD 溢出的光电子进行积分。较低的输入相关噪声是通过更高的转换增益和最小化 FD 电容来实现的。因为抑制了附加电路元件，所以可以实现小像素尺寸。

曝光时只要PD达到饱和阱容的一半（Skim level）就会触发相关电路动作把电荷转移到CS电容上。读出时，首先读取PD信号，随即再读取PD和CS电容和总信号。英文skim 常用语描述在水上撇油脂的动作，所以LOFIC 又称为 Skimming pixel。

其工作时序如下：

t1：在曝光之前，开关T、R和S导通，以复位FD和 $C_{s}$ 。
t2：此时，复位噪声N2保持在 $C_{FD}$ + $C_{s}$ 。噪声N2还包括由SF的阈值电压变化引起的固定模式噪声。
t3：在积分周期期间，信号电荷在 PD 处积分直至达到饱和，然后溢出电荷通过开关 T 在 $C_{FD}$ + $C_{s}$ 处积分。此操作使来自 PD 的溢出电荷能够用于信号。
t4：积分后，通过关闭开关 S 将 FD 与 LOFIC 电容器隔离。分配给FD的电荷作为信号N1读出。N1包含FD LOFIC 暗电流、热噪声和 SF 晶体管阈值电压变化引起的固定模式噪声。
t5：通过打开开关 T 将信号电荷从 PD 转移到 FD。
t6：从 PD 转移到 FD的信号电荷作为信号 S1 + N1 读出。
t7：通过打开开关 S，在 PD、FD 和 CS 处积分的所有信号电荷在 $C_{FD}$ + $C_{s}$ 处混合，然后作为信号 S2 + N2读出。
t1’： $C_{FD}$ + $C_{s}$ 通过打开开关 T 和 R 进行复位。
t2‘：在关闭开关 R 和 T后读出下一场的复位噪声 N2’。噪声 N2’还包括由 SF 阈值电压变化引起的固定模式噪声。
从每个像素读出信号 N1、S1+N1、S2+N2 和 N2’。

这里读出了两次信号，可以看做是两次曝光下的数据，就此完成HDR模式。

为了更形象地说明读出过程，见下图：

LOFIC光电转换特性如下图。高灵敏度信号 S1 在小 FD 电容处被转换。 FD+LOFIC电容实现了高满阱容量信号S2。由于 S1 和 S2 信号对入射光都具有线性响应，因此通过将 S2 信号替换为饱和 S1 信号，可以简单地再现高满阱容量信号。

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