CN102970496B - 一种浮栅型图像传感器的大动态范围曝光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种浮栅型图像传感器的大动态范围曝光方法，曝光时对像素单元的栅极加正压，衬底加负压，漏端浮空，源端加正压或者浮空，其特征在于：当光强较弱时，提高栅极电压或者降低衬底电压；或者，当光强较强时，降低栅极电压或者提高衬底电压。本发明可以对不同光强进行响应，具有大动态范围，具有操作简单的优点。

Description

一种浮栅型图像传感器的大动态范围曝光方法
技术领域
本发明属于图像传感器设计技术领域，尤其涉及一种浮栅型图像传感器的大动态范围曝光方法。
背景技术
快闪存储器有着广泛的应用，比如照相机、MP3等便携式电子设备。快闪存储器是通过其浮栅结构来实现数据的存储，通过编程操作注入电子到浮栅以提高存储单元的阈值电压来实现数据1的存储，通过擦除操作拉出浮栅上的电子以降低存储单元的阈值电压来实现数据0的存储。为了提高快闪存储器的存储容量，一个常用的方法是采用多位存储的方式，即通过控制浮栅上电子的数量和分布来实现2位以上数据的存储。显然，通过无限细分浮栅上电子的数量和分布可以用快闪存储器来实现模拟值的存储。更进一步的，可以将快闪存储器作为图像传感器使用，即图像传感器每个像素单元由一个浮栅结构的像素单元构成，通过将每个像素单元感应到的光信号的强弱转换为注入到像素单元浮栅上电子数量的多少，可以实现对光信号的连续检测和成像。图1是通用NOR构架快闪存储器的阵列结构图，所有存储单元的源端连接到一起构成源线SL，其中每一行存储单元的栅极连接到一起构成字线WL，每一列存储单元的漏端连接到一起构成位线BL，所有存储单元放置在同一个衬底SUB上（图中衬底SUB未画出）。
CMOS图像传感器的动态范围一般在70dB左右，而一般户外图像的动态范围都在100dB以上，人眼的动态范围甚至可以达到200dB。有限的动态范围使得CMOS图像传感器的应用领域大大受限，目前常用的动态范围扩展技术有多次采样、条件重置、对数扩展、线性对数复合响应、势阱容量调节、局部曝光等方法，但这些方法的实现都需要在原有设计基础上进行较大的改变，对像素填充率、操作速度和功耗等都有一定的影响。
发明内容
针对上述背景技术中提到的快闪存储器的操作原理，本发明提出一种浮栅型图像传感器的曝光方法，可以对不同光强进行响应，具有大动态范围，且本发明提出的曝光方法还具有操作简单的优点。
本发明的一种浮栅型图像传感器的大动态范围曝光方法，曝光时，对像素单元的栅极加正压，衬底加负压，漏端浮空，源端加正压或者浮空，该方法包括：当光强较弱时，提高栅极电压或者降低衬底电压；当光强较强时，降低栅极电压或者提高衬底电压。
本发明提出的浮栅型图像传感器曝光操作只需要根据光强改变操作电压，不需要修改像素单元结构和电路结构，在实现大动态范围成像的情况下还具有操作简单的优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为通用NOR构架快闪存储器的阵列结构图。
图2为本发明提出的像素单元曝光操作加压示意图。
图3为本发明提出的基于NOR构架像素阵列的曝光操作加压方法的实施例。
图4为本发明提出的基于NOR构架像素阵列的曝光操作加压方法的又一实施例。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明提出了一种浮栅型图像传感器的曝光方法，可以对不同光强进行响应，具有大动态范围，且本发明提出的曝光方法还具有操作简单的优点。
图1为通用NOR构架快闪存储器的阵列结构图。
如图2所示是本发明提出的像素单元曝光操作加压示意图。曝光时，对像素单元的栅极加正压VWL（比如5V），衬底加负压VSUB（比如-3V），漏端浮空，源端加正压VSL（比如1V）或者浮空。曝光结束后，浮栅上的电子数和光的强度成正比关系，即光越强会导致有更多的电子进入浮栅，进而导致像素单元的阈值电压更高，信号读取电路通过判断像素单元的阈值电压变化即可得到光强的信号，进而可以成像。一般地，电子不能无限制进入像素单元的浮栅，会存在饱和现象，即对光强的响应范围有限，或者说动态范围有限。另一方面，在相同的光强度下，更改加载到像素单元栅极、衬底和源端的电压也会影响进入浮栅的电子数，增加字线电压VWL（比如由5V增加到6V）或者降低衬底电压VSUB（比如由-3V降低到-4V）都会增加进入浮栅的电子数。总之，曝光时像素单元的加压大小和光强大小都对最终进入浮栅的电数子，即最终的成像效果起作用。因此系统可以根据光强大小调节像素单元的加压大小来提高动态范围。在中等光强下，对像素单元的栅极加正压VWL（比如5V），衬底加负压VSUB（比如-3V），漏端浮空，源端加正压VSL（比如1V）或者浮空，曝光结束后，浮栅上的电子数num和光的强度成正比关系，且分布在一个合适的范围内（比如k<num<l，其中k和l为系统预设值）。在光强较弱的情况下，为了提高对光的响应，提高图像暗部的细节，可以增加字线电压VWL（比如由5V增加到6V）或者降低衬底电压VSUB（比如由-3V降低到-4V）,且光强越弱，字线电压VWL增加越多或者衬底电压VSUB降低越多，使得最终进入浮栅的电子数num分布在一个合适的范围内（比如k<num<l，其中k和l为系统预设值）。在光强较强的情况下，为了降低对光的响应，避免出现图像饱和现象，提高图像亮部的细节，可以降低字线电压VWL（比如由5V降低到4V）或者提高衬底电压VSUB（比如由-3V提高到-2V）,且光强越强，字线电压VWL降低越多或者衬底电压VSUB增加越多，使得最终进入浮栅的电子数num分布在一个合适的范围内（比如k<num<l，其中k和l为系统预设值）。通过以上调节像素单元成像时操作电压的方法，像素单元可以对不同强度的光进行相应，提高了对光强的相应范围，即提高了动态范围。
图3是本发明提出的基于NOR构架像素阵列的曝光操作加压方法的实施例。所有像素单元的源端连接到一起构成源线SL，其中每一行m个像素单元的栅极连接到一起构成字线WL，每一列n个像素单元的漏端连接到一起构成位线BL，所有像素单元放置在同一个衬底SUB上（图中衬底SUB未画出）。在曝光操作时，所有字线加正压VWL，衬底加负压VSUB，所有位线BL浮空，源线SL加正压VSL或者浮空。在中等光强下，对所有字线加正压VWL（比如5V），衬底加负压VSUB（比如-3V），所有位线BL浮空，源线SL加正压VSL（比如1V）或者浮空。在光强较弱的情况下，增加所有字线电压VWL（比如由5V增加到6V）或者降低衬底电压VSUB（比如由-3V降低到-4V）。在光强较强的情况下，降低所有字线电压VWL（比如由5V降低到4V）或者提高衬底电压VSUB（比如由-3V提高到-2V）。通过以上调节像素单元成像时操作电压的方法，像素单元可以对不同强度的光进行相应，提高了对光强的相应范围，即提高了动态范围。
图4是本发明提出的基于NOR构架像素阵列的曝光操作加压方法的又一实施例。所有像素单元的源端连接到一起构成源线SL，其中每一行m个像素单元的栅极连接到一起构成字线WL，每一列n个像素单元的漏端连接到一起构成位线BL，所有像素单元放置在同一个衬底SUB上（图中衬底SUB未画出）。在曝光操作时，衬底加负压VSUB（比如-3V），所有位线BL浮空，源线SL加正压VSL（比如1V）或者浮空，奇数行字线加正压VWL1，偶数行字线加正压VWL2。其中正压VWL1（比如6V）大于正压VWL2（比如4V），因此奇数行的像素单元对一定范围内的弱光敏感，能正常成像，而对强光出现饱和现象，不能正常成像。其中偶数行的像素单元对一定范围内的强光敏感，能正常成像，而对弱光反应小，不能正常成像。采用通用的插值算法对奇数行和偶数行的像素单元进行插值计算，最终获得完整的大动态范围的成像。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种浮栅型图像传感器的大动态范围曝光方法，其特征在于，每个像素单元仅包括一个浮栅型晶体管，曝光时对所述浮栅型晶体管的栅极加正压，衬底加负压，漏端浮空，源端加正压或者浮空，其特征在于：
当光强较弱时，提高栅极电压或者降低衬底电压；或者
当光强较强时，降低栅极电压或者提高衬底电压。
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一种适用于NOR结构快闪存储器的快速页编程算法;伍冬 等;《电路与系统学报》;20080831;第13卷(第4期);第116-119页 *

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