CN104135632B - 非线性cmos图像传感器像素及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性CMOS图像传感器像素及其工作方法，包括光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管、选择晶体管、反相器、开关晶体管和电容，复位晶体管的源极端与光电二极管的电荷收集端连接，反相器的栅极端与光电二极管的电荷收集端相连，所关晶体管的栅极端与反相器的输出端相连，开关晶体管的源极端外接电势，开关晶体管的漏极端与电容的正极板端相连，源跟随晶体管的栅极端与开关晶体管的漏极端相连。提高了弱光像素的灵敏度，同时压缩了强光像素的灵敏度，有效提升了图像传感器输出的图像品质。

Description

非线性CMOS图像传感器像素及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，尤其涉及一种非线性CMOS图像传感器像素及其工作方法。

背景技术

图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。

在现有技术中，CMOS图像传感器一般采用线性光电响应功能的像素结构。如图1所示，是采用CMOS图像传感器四晶体管的有源像素，在本领域中也称为4T有源像素。4T有源像素的元器件包括：光电二极管101、电荷传输晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104和选择晶体管105；VTX为晶体管102的栅极端，VRX为晶体管103的栅极端，VSX为晶体管105的栅极端，FD为漂浮有源区，Vdd为电源电压，Output为信号输出端。光电二极管101接收外界入射的光线，产生光电信号；开启晶体管102，将光电二极管中的光电信号转移至FD区后，由晶体管104所探测到的FD势阱内电势变化信号经Output输出端读取并保存。其中，在FD区内的光电电荷量与入射光照量成正比，FD势阱内光电电荷量的变化被晶体管104探测到并转换为电势变化，此电势变化量，即信号量与光照量成正比关系。该类图像传感器的光电响应是线性的，在本领域内被称为线性传感器。

在自然界中，人的眼睛对弱光敏感，即感知弱光时灵敏度高；而对强光不敏感，即感知强光时灵敏度低。人眼睛对光线的感知特征为对数曲线关系，这种关系有效提高了眼睛感知图像的能力。由此可见，上述线性图像传感器采集图像的能力显然不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出的图像品质高的非线性CMOS图像传感器像素及其工作方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的非线性CMOS图像传感器像素，包括光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管，所述选择晶体管的漏极端与所述源跟随晶体管的源极端相连，其特征在于，还包括反相器、开关晶体管和电容，所述复位晶体管的源极端与所述光电二极管的电荷收集端连接，所述反相器包括两个并联的晶体管；

所述反相器的栅极端与所述光电二极管的电荷收集端相连，所述开关晶体管的栅极端与所述反相器的输出端相连，所述开关晶体管的源极端外接电势，所述开关晶体管的漏极端与所述电容的正极板端相连，所述源跟随晶体管的栅极端与所述开关晶体管的漏极端相连。

本发明的上述的非线性CMOS图像传感器像素的工作方法，包括步骤：

a.像素积分开始前，开启复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后，关闭复位晶体管，像素开始积分；

b.像素积分周期期间，开关晶体管的外接电势以对数的曲线方式从电源电压降低到源跟随晶体管的阈值电压，或从源跟随晶体管的阈值电压上升到电源电压；

c.像素积分结束时，开启选择晶体管，读取像素的电势信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的非线性CMOS图像传感器像素及其工作方法，由于在传统像素的基础上，添加了一组反相器，一个开关晶体管和一个电容，使像素采集信号的位置从光电二极管转移到可控的电容位置，电容端的电势与光电二极管端的电势成非线性关系，像素读取的电势信号不直接是光电电荷，而读取的是由光电信号控制的间接电势信号，此间接电势信号与光电电势信号成对数关系，从而提高了弱光像素的灵敏度，同时压缩了强光像素的灵敏度，有效提升了图像传感器输出的图像品质。

附图说明

图1是现有技术的CMOS图像传感器像素的电路示意图。

图2是本发明实施例中的非线性CMOS图像传感器像素的电路示意图。

图3是本发明实施例中的非线性CMOS图像传感器像素工作时所使用的外接电势产生器件示意图。

图4是本发明实施例中的非线性CMOS图像传感器像素的工作示意图。

图5是本发明实施例中的非线性CMOS图像传感器像素的光电响应示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的非线性CMOS图像传感器像素，其较佳的具体实施方式是：

包括光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管，所述选择晶体管的漏极端与所述源跟随晶体管的源极端相连，还包括反相器、开关晶体管和电容，所述复位晶体管的源极端与所述光电二极管的电荷收集端连接，所述反相器包括两个并联的晶体管；

所述反相器的栅极端与所述光电二极管的电荷收集端相连，所述开关晶体管的栅极端与所述反相器的输出端相连，所述开关晶体管的源极端外接电势，所述开关晶体管的漏极端与所述电容的正极板端相连，所述源跟随晶体管的栅极端与所述开关晶体管的漏极端相连。

所述光电二极管为N型光电二极管，所述开关晶体管为P型晶体管，所述复位晶体管为N型晶体管；

所述开关晶体管为低阈值晶体管，阈值范围为-0.3V～0V。

所述光电二极管为P型光电二极管，所述开关晶体管为N型晶体管，所述复位晶体管为P型晶体管；

所述开关晶体管为低阈值晶体管，阈值范围为0V～0.3V。

所述开关晶体管的外接电势端的电势与像素积分时间成对数关系。

所述开关晶体管的外接电势端的电势最高为电源电压，最低为所述源跟随晶体管的阈值电压。

所述源跟随晶体管的阈值电压小于或等于0.3V。

所述电容为晶体管电容或金属电容。

本发明的上述的非线性CMOS图像传感器像素的工作方法，包括步骤：

a.像素积分开始前，开启复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后，关闭复位晶体管，像素开始积分；

b.像素积分周期期间，开关晶体管的外接电势以对数的曲线方式从电源电压降低到源跟随晶体管的阈值电压，或从源跟随晶体管的阈值电压上升到电源电压；

c.像素积分结束时，开启选择晶体管，读取像素的电势信号。

本发明的非线性CMOS图像传感器像素，采集图像信号的特征为非线性对数关系，提高了暗光像素的灵敏度，压缩了强光像素的灵敏度，从而有效提升了图像传感器输出的图像品质。

本发明的非线性CMOS图像传感器像素的工作方法中，像素读取的电势信号不直接是光电电荷，而读取的是由光电信号控制的间接电势信号，此间接电势信号与光电电势信号成对数关系，从而提高了弱光像素的灵敏度，同时压缩了强光像素的灵敏度。

因此，本发明的图像传感器像素，有效提升了图像传感器输出的图像品质。

在CMOS图像传感器中，为了获得高品质的图像，本发明从改善像素的光电响应性质入手，降低高照明环境时的感光灵敏度，提高低照明环境时的感光灵敏度，从而使暗光环境时的传感器采集的图像更清晰，以便符合自然界人眼对图像的感知特征，从而提升传感器输出的图像品质。

本发明的图像传感器像素，在传统像素的基础上，添加了一组反相器，一个开关晶体管和一个电容，使像素采集信号的位置从光电二极管转移到可控的电容位置，电容端的电势与光电二极管端的电势成非线性关系，以便达到制作非线性传感器的目的。

具体实施例：

下面结合实施例进行详细地说明本发明的优势，本发明的图像传感器像素可以采用两种组合结构：第一种是N型光电二极管和P型开关晶体管组合，第二种是P型光电二极管和N型开关晶体管组合。在具体实施例中，本发明以第一种组合加以详细描述，实施例中所述的技术方案同样适用于第二种组合的实际应用中。

实施例一：

如图2所示，为本发明的图像传感器像素电路示意图。图2中，201为光电二极管，202为复位晶体管，203和204组合为反相器，205为开关晶体管，206为电容，207为源跟随晶体管，208为选择晶体管；其中，VRX为202栅极端，PD为201的电荷收集端，CD为反相器的输出端，FD为电容正极板端，VSX为208栅极端，Vdd为电源电压，GND为地电位，Output为像素输出端，Vct为205的源极端并外接电势。图2所示，202的源极端与201的PD端相连，203和204的栅极端与PD端相连，205的栅极端与CD端相连，205的漏极端与FD相连，207的栅极端与FD相连，207的源极端与208的漏极端相连，208的源极端为Output输出端，Vdd电源分别与202的漏极端、203的源极端和207的漏极端相连，GND地电位分别与201的正向端、204的源极端和206的负极板相连。图2所示，201为N型光电二极管，202、204、207和208为N型晶体管，203和205为P型晶体管，并且206可以为晶体管电容，也可以是金属电容。

本发明的图像传感器像素，图2中的Vct电势曲线与积分时间的关系为对数关系，目的是给采集信号的像素提供非线性响应的电势；从图2中，可以看出，源跟随晶体管207不采集201产生的光电电荷，而直接采集FD端的电势信号。FD端电势是由Vct通过205开关传入的，FD端电势的高低取决于205在积分周期内哪个时间点关闭，即反相器何时翻转，此时间点受反相器的输出端控制，而PD端控制着反相器的输入端，并且201接受到的光照量决定了PD电势从高降到低所使用的时间，此时间决定了反相器的翻转时间点。由此可见，光电二极管的电势下降所用的时间信号被电容的正极板检测到，所检测到的电势信号正是对数曲线关系的Vct电势。

实施例二：

在实施例二中，将详细阐述本发明图像传感器像素的工作方法。图3所示为本发明图像传感器像素中所使用的对数曲线电势关系的电势产生器件示意图。图3中，301表征生成Vct电势的半导体器件组合，301受到积分周期T的控制，Vct曲线周期与积分周期T同步。图3中，302为301所生成的Vct曲线示意图。图3中302所示，横轴为积分时间，竖轴为电势；Vct曲线在积分时间为0时的电势值最高，为电源电压Vdd，随着积分时间增加，Vct以对数关系下降；在积分周期T结束时，Vct下降到最低点电势Vmin，Vmin电势为像素可探测的最低电势。其中，A点表示受到强光照射时的像素，在t1时刻，电势V1被钳位在FD端；B点表示受到弱光照射时的像素，在t2时刻，电势V2被钳位在FD端。

图4所示，为本发明的非线性CMOS图像传感器像素的工作示意图。图4中，401为光电二极管201做复位操作，即开启图2中的202晶体管，清除光电二极管中的电荷，然后关闭202，在t0时刻结束，则像素积分开始；受到强光照射的像素，在t1时刻，反相器发生翻转，开关晶体管关闭，电势V1被钳位于FD端；受到弱光照射的像素，在t2时刻，反相器发生翻转，开关晶体管关闭，电势V2被钳位于FD端；402为读取FD端电势的操作，即开启图2中的选择晶体管208，由Output端读出，读出结束时关闭208，则像素积分结束，积分周期为T。

上述像素所读取到的电势信号不是真实的图像信号，需要做减法处理，即真实的图像信号为Vsignal＝Vct-Vmin，Vsignal曲线仍为对数曲线，如图5所示。图5所示为本发明的非线性CMOS图像传感器像素的光电响应示意图，横轴为曝光量，竖轴为电势信号量；像素在曝光量为E时饱和，饱和信号量为Vdd-Vmin。其中图3和图4中所述的A点和B点如图5中所示，B点的信号量为V2-Vmin，B点所在光电响应曲线的位置距0点近，灵敏度高；A点的信号量为V1-Vmin，A点所在光电响应曲线的位置距0点远，灵敏度低。由此可见，本发明的图像传感器提高了弱光像素的灵敏度，同时压缩了强光像素的灵敏度，有效提升了图像传感器输出的图像品质。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种非线性CMOS图像传感器像素，包括光电二极管、复位晶体管、源跟随晶体管和选择晶体管，所述选择晶体管的漏极端与所述源跟随晶体管的源极端相连，其特征在于，还包括反相器、开关晶体管和电容，所述复位晶体管的源极端与所述光电二极管的电荷收集端连接，所述反相器包括两个并联的晶体管；

所述反相器的栅极端与所述光电二极管的电荷收集端相连，所述开关晶体管的栅极端与所述反相器的输出端相连，所述开关晶体管的源极端外接电势，所述开关晶体管的漏极端与所述电容的正极板端相连，所述源跟随晶体管的栅极端与所述开关晶体管的漏极端相连；

所述开关晶体管的外接电势端的电势与像素积分时间成对数关系。

2.根据权利要求1所述的非线性CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述光电二极管为N型光电二极管，所述开关晶体管为P型晶体管，所述复位晶体管为N型晶体管；

所述开关晶体管为低阈值晶体管，阈值范围为-0.3V～0V。

3.根据权利要求1所述的非线性CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述光电二极管为P型光电二极管，所述开关晶体管为N型晶体管，所述复位晶体管为P型晶体管；

所述开关晶体管为低阈值晶体管，阈值范围为0V～0.3V。

4.根据权利要求3所述的非线性CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述开关晶体管的外接电势端的电势最高为电源电压，最低为所述源跟随晶体管的阈值电压。

5.根据权利要求4所述的非线性CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述源跟随晶体管的阈值电压小于或等于0.3V。

6.根据权利要求1所述的非线性CMOS图像传感器像素，其特征在于，所述电容为晶体管电容或金属电容。

7.一种权利要求1至6任一项所述的非线性CMOS图像传感器像素的工作方法，其特征在于，包括步骤：

a.像素积分开始前，开启复位晶体管，清除光电二极管中的电荷，清除完毕后，关闭复位晶体管，像素开始积分；

b.像素积分周期期间，开关晶体管的外接电势以对数的曲线方式从电源电压降低到源跟随晶体管的阈值电压，或从源跟随晶体管的阈值电压上升到电源电压；

c.像素积分结束时，开启选择晶体管，读取像素的电势信号。