CN104980669B - 一种基于图像传感器优化像素结构的像素阵列 - Google Patents
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Abstract
一种固态集成电路领域的具有一致性的图像传感器优化像素结构，该双像素共享转置结构包括：水平设置的双像素单元、分别与双像素单元相连的共享输出节点以及一对用于读取像素值的像素选择线；双像素单元包括：两个光电二极管及其对应的传输开关，其中：两个传输开关的输出端均与共享输出节点相连，控制端分别与对应像素选择线相连。本发明优化晶体管共享的方法，提高了几何和时域非均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种固态集成电路领域的技术，具体是一种具有一致性的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器及其双像素共享转置结构。
背景技术
有源像素CMOS图像传感器是一个关键的部件。为了获得更高的灵敏度，追求更大的光电二极管区域。要做到这一点，常规的像素内读取晶体管一般通过多像素共享晶体管的方式来降低晶体管/每像素的个数。如图1和图2所示，为通常应用在许多产品上的双像素共享结构或四像素共享结构。然而，这些类型的共享结构由于布图限制，将导致非均匀性。最典型的非均匀性是像素中的Gb(蓝色行中的绿色显示)、Gr(红色行中的绿色显示)差异。今天使用Bayer型彩色格式的成像系统，它是由四个彩色板构成，即B(蓝色)，Gb，R(红色)，Gr。最终图像密度和每个像素的颜色是通过从附近的Bayer模式像素组中插值得到。而Gb、Gr的不同会在插值过程中导致奇偶错误，从而大大降低有效的图像分辨率。
如图1所示，为一个典型双像素共享的像素结构。光电二极管B和Gr垂直设置，并共享同一个读取输出节点FD0。光电二极管R和Gb垂直设置，并共享同一个读取输出节点FD1。TG0、TG1、TG2和TG3组成CMOS传输开关以控制相关的光电二极管和读取共享输出节点之间的电流传输链路。控制信号TX0控制在第一排的TG0和TG1的开/关。控制信号TX1控制在第二排的TG2和TG3的开/关。另外还设有一些晶体管与FD0和FD1相连以控制像素的复位和读出(如图1中未示出)。在上述结构中存在两种类型的不均匀性：
首先是几何不均匀性：对于像素Gr和Gb的读取分别通过CMOS传输开关TG0和TG3控制。根据垂直双像素共享结构，TG0和TG3以不同的方向布局设置。不巧的是，半导体制造工艺中的一些步骤是布局方向敏感的，这可能会导致设备参数不匹配。另一个需要考虑的特殊因素是阴影效应。在图像传感器中，入射光可能具有较大入射角。由于不同的布局方向，被TG0、TG3及其金属布线挡住或反射的光将会不同。
其次是时域非均匀性：为了读出像素电荷共享FD节点，必须逐个打开每个TG。在图1中所示的双像素共享结构，由于TX0用于控制TG0和TG1，TX1用于控制TG2和TG3，因此必然Gb和Gr中的两个像素被先后依次读到。例如先读出Gb而再读出Gr。不巧的是，当先读出Gb时，共享的共享输出节点FD及其金属布线上的电压会发生变化，这可能会导致寄生电容耦合并影响后续Gr的读出信号。最终导致Gb像素相比Gr像素可能具有不同的噪声以及固定模式。
上述非均匀性导致在相同的入射光条件下Gb和Gr像素的不同反应，从而减少了有效的图像分辨率。如图2所示，为一个典型的四像素共享结构。它具有每像素晶体管少但仍具有相同的非均匀性问题，和上面所讨论的一个典型的双像素共享像素类似。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有一致性的图像传感器优化像素结构，能够优化晶体管共享的方法提高了几何和时域的非均匀性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种TS2S(Transpose‐shifted 2‐share，双像素共享转置)结构，该结构包括：水平设置的双像素单元、分别与双像素单元相连的共享输出节点以及一对用于读取像素值的像素选择线。
所述的双像素单元包括：两个光电二极管及其对应的传输开关，其中：两个传输开关的输出端均与共享输出节点相连，控制端分别与对应像素选择线相连。
所述的TS2S结构中设有用于提高像素输出精度的复位电路，该复位电路通过输入端与高电平信号线相连、控制端与复位信号线相连的复位开关得以实现。
所述的TS2S结构中设有用于提高输出电流的缓冲电路，该缓冲电路通过输入端与高电平信号线相连、控制端与共享输出节点相连的反相器实现。
本发明涉及一种基于TS2S结构的像素阵列，包括至少两条像素行，每个像素行由若干个所述TS2S结构组成，该像素阵列中各个共享输出节点在列方向上交错设置。
所述的TS2S结构中设有用于实现像素点选择的行选择电路，该行选择电路包括：行选信号线、行选开关和输出信号线，其中：行选开关的控制端与行选信号线相连，输入端与TS2S结构的输出端相连，输出端与输出位线相连。
本发明涉及一种基于上述像素阵列的光学传感器，包括：所述像素阵列、与该像素阵列的输出信号线相连的存储模块、用于选择像素行的行列选择电路。
附图说明
图1为现有典型的双像素共享结构示意图。
图2为现有典型的四像素共享结构示意图。
图3为本发明原理示意图。
图4为本发明结构示意图。
图5为本发明光学传感器示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图3所示，本实施例涉及一种双像素共享转置(TS2S)结构，该结构包括至少一个水平的双像素结构作为基本单位，该双像素结构300包括：两个像素单元、分别与两个像素单元相连的共享输出节点以及用于读取像素值的像素选择线。
所述的像素单元包括：光电二极管及其对应的传输开关。
所述的像素选择线通常可以由金属布线和/或通孔连接实现。
所述的TS2S结构为由若干个双像素结构300组成的像素阵列，该像素阵列中包括若干重复排列的像素行，每个像素行由若干个双像素结构300组成，如图3中从R0、Gr0、R1到Gr1即为两个双像素结构300构成的简单像素行。
如图3所示，当所述的像素行为偶数时，整个像素行左移一个像素位，而在处于奇数行时则保留不移位，即在像素列方向(垂直于像素行的方向)上共享输出节点交错设置。以图3为例，为一个2x4阵列下的像素布局，该像素布局能够用于显示之前用于典型双像素共享或四像素共享的同样的Bayer模式彩色滤光片，并得到完整的Bayer模式彩色四像素阵列310。
在像素阵列310中，可以看出Gb0和Gr0像素具有完全相同的几何布局，包括相同的形状、面积及其所有的内部图块的方向；该内部图块通常包括但不局限于：一个光电二极管、一个传送门以及所有相关的用于控制以及读取信号的电路。
此外，当依次通过TX0，TX1，TX2和TX3进行像素读取时，Gr0像素先于R0像素被读取到，而Gb0像素也先于B0像素被读取到，由于上述共享输出节点的交错设置，使得Gr0的时域响应与Gb0相近，而R0的时域响应则与B0相近。因此，Gb和Gr的像素响应能够对以下因素不再敏感：
1)G像素、B像素和R像素之间的布局和布线不匹配
2)带有角度的制造工艺
3)入射光的角度
并且Gb/Gr像素之间的读取时间顺序与B/R像素之间的读取时间顺序相一致。从而使得几何方面和时域方面的非均匀性均有了很大程度的减少。
如图4所示，为2x2像素的TS2S结构的晶体管级具体实现示意，图中的光电二极管和晶体管的设置方式与其对应的布图具有相同的拓扑结构。
与图3相对应，图4中的TS2S结构400包括：两个由光电二极管pd1/pd2及其对应的传输开关m1/m2组成的像素单元以及用于读取像素值的像素选择线tx2、tx3，其中：传输开关m1、m2的控制端分别与控制线路tx2、tx3相连，传输开关m1、m2的输出端对接即作为 共享输出节点FD，通过像素选择线tx2、tx3的电平控制即可实现传输开关m1、m2的导通截止，从而实现共享输出节点FD对光电二极管pd1或pd2的电流输出。
所述的传输开关m1、m2在本实施例中通过MOS晶体管实现，该MOS晶体管的栅极与控制线路tx2或tx3相连，根据mos管类型，源极或漏极与光电二极管pd1或pd2的输出端相连，漏极或源极作为传输开关的输出连接至共享输出节点。
所述的TS2S结构400优选设有用于提高像素输出精度的复位电路，该复位电路通过输入端与高电平信号线Vdd相连、控制端与复位信号线reset2相连的复位开关m3得以实现。
当复位信号线reset2中产生复位信号时，复位开关m3能够将共享输出节点FD拉至高电平Vdd，从而抹去先前由于TS2S结构400中任一光电二极管pd1或pd2输出的结果(如残留的电荷)。从而进一步提高后续光电二极管的输出精度。
所述的TS2S结构400优选设有用于提高输出电流的缓冲电路，该缓冲电路通过输入端与高电平信号线Vdd相连、控制端与共享输出节点FD相连的反相器m4实现。
当共享输出节点FD电压发生微弱变化时，反相器m4的输出端上将产生相应幅度的电压变化以适配大负载。
当多个TS2S结构400组成像素行以及像素阵列时，在所述的TS2S结构400中优选设有用于实现像素点选择的行选择电路，该行选择电路包括：行选信号线row_select2、行选开关m5和输出信号线OUT1，其中：行选开关m5的控制端与行选信号线相连，行选开关m5的输入端与TS2S结构400的输出端相连，行选开关m5的输出端与输出位线相连。
当行选信号线上产生选择信号时，行选开关m5导通，从而将TS2S结构400的像素值通过输出位线输出。当行选信号线与像素选择线tx2、tx3配合设置时，可以实现像素阵列中任意一个光点二极管数值的读取。
当所述的像素阵列中的边缘像素无法完整构成一列时，这些像素可以作为最终图像检测窗口外部的虚设像素，通过行选择电路规避。
根据本领域技术人员的认知，上述复位电路、缓冲电路以及行选择电路并不必须同时采用，在不同的场合下上述电路可以单独/组合使用。
如图5所示，为本实施例涉及的一种光学传感器100，包括：上述结构的像素阵列102、与上述像素阵列102的输出信号线相连的存储模块105、用于选择像素行的行列选择电路103。
所述的行列选择电路103优选设有控制模块109从而实现复位、缓冲以及具体像素选择的功能。
所述的存储模块105优选采用多位输入的存储器，其位数与上述像素阵列102中的行选开关数目相同。
所述的存储模块105和像素阵列102之间优选设有比较器104，通过该比较器104实现数字信号的输出。
结合图4～图5所示，为上述光学传感器100的优选读取方法示例，实际应用时可根据所需要读取的像素以及顺序对以下步骤进行调整。
该方法具体包括以下步骤：
步骤602，控制模块109通过行列选择电路103对像素阵列102中的第一条复位信号线输出复位信号，将所需的共享输出节点FD复位。
步骤604，控制模块109通过行列选择电路103对像素阵列102输出行选择信号，导通所需的行选开关。
步骤606，控制模块109通过行列选择电路103对像素阵列102的像素选择线tx2、tx3输出一组像素选择信号，实现传输开关m1(以及与该像素选择线相连的其他传输开关)或m2的导通。使得光电二极管Gb输出的电流通过比较器104转化为像素值的数字信号并存储于存储模块105中。
步骤608，与步骤606相似地，控制模块109也可以采集到与光电二极管Gb相邻的另一个光电二极管B输出的电流。至此，TS2S结构400中的两个光电二极管信息均被保存于存储模块105中。
步骤610，控制模块109通过类似步骤602～608的操作依次获得像素阵列102各个像素行中各个TS2S结构400中的光电二极管电流值。
Claims (7)
1.一种基于图像传感器优化像素结构的像素阵列，其特征在于，包括：至少两条像素行，每个像素行由若干个双像素共享转置结构组成，每个双像素共享转置结构包括：水平设置的双像素单元、分别与双像素单元相连的共享输出节点以及一对用于读取像素值的像素选择线；
所述的双像素单元包括：两个光电二极管及其对应的传输开关，其中：两个传输开关的输出端均与共享输出节点相连，控制端分别与对应像素选择线相连，像素阵列中的共享输出节点在列方向上交错设置。
2.根据权利要求1所述的基于图像传感器优化像素结构的像素阵列，其特征是，所述的双像素共享转置结构中设有用于提高像素输出精度的复位电路，该复位电路通过输入端与高电平信号线相连、控制端与复位信号线相连的复位开关得以实现。
3.根据权利要求1所述的基于图像传感器优化像素结构的像素阵列，其特征是，所述的双像素共享转置结构中设有用于提高输出电流的缓冲电路，该缓冲电路通过输入端与高电平信号线相连、控制端与共享输出节点相连的反相器实现。
4.根据权利要求1所述的基于图像传感器优化像素结构的像素阵列，其特征是，所述的双像素共享转置结构具体包括：两个由光电二极管及其对应的作为传输开关的MOS管组成的双像素单元以及用于读取像素值的一对像素选择线，其中：两个MOS晶体管的栅极分别连接各自的像素选择线，两个MOS晶体管的漏极或源极分别连接各自的光电二极管的输出端，源极或漏极对接作为共享输出节点，通过像素选择线的电平控制实现传输开关的导通截止，从而实现共享输出节点对光电二极管的电流读出。
5.根据权利要求1所述的基于图像传感器优化像素结构的像素阵列，其特征是，所述的双像素共享转置结构中设有用于实现像素点选择的行选择电路，该行选择电路包括：行选信号线、行选开关和输出信号线，其中：行选开关的控制端与行选信号线相连，输入端与双像素共享转置结构的输出端相连，输出端与输出位线相连。
6.一种光学传感器，其特征在于，包括：如权利要求1~5中任一所述的像素阵列、与该像素阵列的输出信号线相连的存储模块、用于选择像素行的行列选择电路。
7.一种对权利要求6所述光学传感器的读取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤602，控制模块通过行列选择电路对像素阵列中的第一条复位信号线输出复位信号，将所需的共享输出节点复位；
步骤604，控制模块通过行列选择电路对像素阵列输出行选择信号，导通所需的行选开关；
步骤606，控制模块通过行列选择电路对像素阵列的像素选择线输出一组像素选择信号，实现传输开关以及与该像素选择线相连的其他传输开关的导通；使得光电二极管输出的电流通过比较器转化为像素值的数字信号并存储于存储模块中；
步骤608，控制模块通过与步骤606相同的方式采集到相邻的另一个光电二极管输出的电流；至此，双像素共享转置结构中的两个光电二极管信息均被保存于存储模块中；
步骤610，控制模块通过重复步骤602~608的操作依次获得像素阵列各个像素行中各个双像素共享转置结构中的光电二极管电流值。
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