CN106454148B - 分块独立曝光cmos图像传感器像素结构及其控制方法 - Google Patents

分块独立曝光cmos图像传感器像素结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固态图像传感器领域，为克服现有技术不足，获取大动态范围，本发明：分块独立曝光CMOS图像传感器像素结构及其控制方法，由像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路构成，像素阵列分割为大小相同的矩形像素块，每个像素单元除包括一个5管全局曝光像素之外还包括，一个逻辑单元、一条行选曝光控制信号SEL_H_x、一条列选曝光控制信号SEL_V_y，输入到像素的光电二极管PD复位信号RSTPD_mult，其中x和y分别代表像素块的行号和列号，x范围是0到A‑1，y范围是0到B‑1，其中A和B是像素块的总行数和总列数。本发明主要应用于固态图像传感器设计制造。

Description

分块独立曝光CMOS图像传感器像素结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及固态图像传感器领域，尤其涉及一种采用分块独立曝光方法来实现大动态范围的CMOS图像传感器。
背景技术
动态范围是CMOS图像传感器的一项重要指标，这一指标衡量传感器在一定场景中能够拍摄的光强范围，具体定义是最大可分辨光强和最小可探测光强的比值，通常以dB的单位来表示，计算方法如下：
DR＝20log(Pmax/Pmin)
在自然环境中同一场景的动态范围可以达到100dB以上，而普通的图像传感器动态范围在60-70dB，无法在这一场景中同时捕获亮部和暗部的细节。因此有很多动态范围扩展技术来提升传感器的动态范围，如多次曝光技术、阱容量调整技术、对数传感器技术等。
采用5管像素的全局曝光CMOS图像传感器由像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路等外围电路构成。其中5管像素由5个晶体管构成和一个光电二极管构成，如图1，具体结构为：光电二极管(photodiode，PD)的正端接地，负端连接到PD复位管MRSTPD的漏极，MRSTPD源级连接电源电压VDD，栅极由RSTPD控制光电二极管的复位，PD的负端还与传输管MTX的源级相连，MTX的漏极的寄生电容称做浮空扩散区(floatingdiffusion，FD)，传输管的栅极由TX信号控制电荷从PD向FD的转移，另有一个FD复位管源极与FD节点相连，漏极连接电源电压VDD，栅极由RSTFD控制FD的复位，FD节点与源极跟随器晶体管MSF的栅极相连，MSF漏极连接电源电压VDD，MSF的源极通过一个用作开关的选通晶体管MSEL连接到像素输出节点，即MSF的源极与MSEL的漏极相连，MSEL的源极作为像素输出OUT，而MSEL的栅极由行选信号SEL控制。将上述的5管全局曝光像素作为一个像素单元的话，该像素单元与外面交互的端口有：PD复位信号RSTPD、FD复位信号RSTFD、转移信号TX、行选读出控制信号SEL，像素列级输出总线OUT，如图2所示。其中RSTPD、RSTFD和TX为全局信号，每个像素相同；SEL是行级信号，行内像素相同；OUT是列级总线，列内像素共用。按照上述信号和总线共用方式将像素连接成为阵列。信号RSTPD、RSTFD和TX由时序电路直接产生后通过行驱动电路来全局控制所有像素的复位和电荷转移；信号SEL由时序电路和行驱动电路共同产生，每行像素的SEL独立产生；在SEL的控制下像素信号通过列总线OUT传输到列处理电路，列处理电路对像素数据进行转换和处理之后送入到数据寄存器中，再由时序控制将数据寄存器内的数据依次传输到芯片外；各个模块的偏置由偏置电路产生。传感器工作时序如下：首先PD复位管在RSTPD的控制下对PD复位，复位结束后曝光开始，达到一定曝光时间之后FD复位管在RSTFD的控制下对FD进行复位，复位结束后，电荷传输控制信号TX的控制下PD内的信号转移到FD中，接着PD再次进行复位，重复之前的过程；同时由于PD内的信号已经转移到了FD中，各行像素在每行SEL的控制下依次将像素数据读出到列级电路，再经由数据寄存器输出到芯片外，这一读出过程与像素的曝光过程并行。
对于上述全局曝光的图像传感器，所有像素的积分时间相同。如果积分时间短，可以有效获得亮出的信息，而暗处信息由于积分时间太短而无法分辨；如果积分时间长，可以清晰获取暗部的信息，而亮出的信息由于像素饱和而无法分辨。因此固定的积分时间限制了图像传感器对目标场景中亮暗信息的获取。
发明内容
为克服现有技术的不足，获取大动态范围，本发明旨在提出一种分块独立曝光CMOS图像传感器结构及其工作方法。本发明采用的技术方案是，一种分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构，由像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路构成，像素阵列分割为大小相同的矩形像素块，每个像素单元除包括一个5管全局曝光像素之外还包括，一个逻辑单元、一条行选曝光控制信号SEL_H_x、一条列选曝光控制信号SEL_V_y，输入到像素的光电二极管PD复位信号RSTPD_mult，其中x和y分别代表像素块的行号和列号，x范围是0到A-1，y范围是0到B-1，其中A和B是像素块的总行数和总列数；SEL_H_x、SEL_V_y和RSTPD_mult输入逻辑单元，逻辑单元通过对上述三个信号进行逻辑操作后产生每个像素所需要的PD复位信号RST_PD_x_y,RST_PD_x_y连接到普通全局曝光像素的RSTPD端；上述逻辑单元的作用是在SEL_H_x和SEL_V_y都有效的条件下，将RSTPD_mult的信号传输到RST_PD_x_y，若SEL_H_x和SEL_V_y中任一信号为无效状态，则RST_PD_x_y输出使RSTPD无效的电平；RSTPD_mult在整个曝光时间内为K个脉冲，脉冲位置根据需要配置，外部控制电路根据当前分块所需的曝光时间，在需要复位的时间点将该块像素的SEL_H_x和SEL_V_y同时置为有效，则由逻辑单元在该时刻产生出一个RSTPD_x_y的脉冲，给PD复位，脉冲结束后，PD开始积分直到读出阶段开始。
在像素工作时，RSTPD_mult产生K个复位脉冲，根据时序电路的控制，第m行第n列像素块在需要复位的时刻产生SEL_H_m和SEL_V_n的有效电平，与RSTPD_mult的复位脉冲共同对该块像素进行复位，各个像素会在这K个复位脉冲时刻中的某一个时刻产生有效的SEL_H和SEL_V信号，从而复位，具体复位时刻由时序电路控制；在达到预定的曝光时间之后，RSTFD信号对所有像素的FD进行复位，接着传输管控制信号TX控制所有像素的PD电荷传输到FD中，接着开始下一次曝光的复位，同时各行像素在行选读出信号控制下，逐行选通将像素数据经过列处理电路和数据寄存器读出到芯片外。
分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构控制方法，在像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路构成的分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构基础上，增加一个逻辑单元、一条行选曝光控制信号SEL_H_x、一条列选曝光控制信号SEL_V_y，将输入到像素的PD复位信号RSTPD修改为RSTPD_mult，其中x和y分别代表像素块的行号和列号，x范围是0到A-1，y范围时0到B-1，其中A和B是像素块的总行数和总列数；SEL_H_x、SEL_V_y和RSTPD_mult输入逻辑单元，逻辑单元通过对上述三个信号进行逻辑操作后产生每个像素所需要的PD复位信号RST_PD_x_y,RST_PD_x_y连接到普通全局曝光像素的RSTPD端；上述逻辑单元的作用是在SEL_H_x和SEL_V_y都有效的条件下，将RSTPD_mult的信号传输到RST_PD_x_y，若SEL_H_x和SEL_V_y中任一信号为无效状态，则RST_PD_x_y输出使RSTPD无效的电平；RSTPD_mult在整个曝光时间内为K个脉冲，脉冲位置根据需要配置，外部控制电路根据当前分块所需的曝光时间，在需要复位的时间点将该块像素的SEL_H_x和SEL_V_y同时置为有效，则由逻辑单元在该时刻产生出一个RSTPD_x_y的脉冲，给PD复位，脉冲结束后，PD开始积分知道读出阶段开始。
本发明的特点及有益效果是：
采用分块式的像素曝光控制，可以根据场景调整像素阵列不同位置的积分时间，使其能够适应不同位置的光照强度，从而在整幅图像中获得较好的动态范围。
附图说明：
图1普通5管全局曝光像素单元示意图。
图2普通全局曝光像素工作方式简图。
图3分块式曝光像素框图。
图4分块式曝光像素工作方式简图。
具体实施方式
本发明提出分块独立曝光CMOS图像传感器与普通全局曝光图像传感器结构类似，由像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路等外围电路构成。其中阵列由M行N列的像素构成，M行按照A行为单位进行行分割，其中A是M的一个因数；N列按照B列为单位进行列分割，其中B是N的一个因数。这样M行N列的阵列就被分割为了M/A行N/B列的单元阵列，每个单元包含A行B列的像素。
在本发明中每个像素在5管全局曝光像素的基础上增加了一个逻辑单元、一条行选曝光控制信号SEL_H_x、一条列选曝光控制信号SEL_V_y，输入到像素的RSTPD修改为RSTPD_mult，其中x和y分别代表像素块的行号和列号，x范围是0到A-1，y范围时0到B-1。那么本发明中的分块独立曝光像素单元具有列级公用控制信号SEL_V_y和SEL、行级公用控制信号SEL_H_x、全阵列公用控制信号RSTFD、TX和RSTPD_mult，以及一个列级公用输出信号线OUT。SEL_H_x、SEL_V_y和RSTPD_mult作为逻辑单元的输入，逻辑单元通过对上述三个信号进行逻辑操作(例如，与操作、或操作、非操作等)后产生每个像素所需要的PD复位信号RST_PD_x_y(连接到普通全局曝光像素的RSTPD端)。上述逻辑单元的作用是在SEL_H_x和SEL_V_y都有效的条件下，将RSTPD_mult的信号传输到RST_PD_x_y，若SEL_H_x和SEL_V_y中任一信号为无效状态，则RST_PD_x_y输出高电平(RSTPD低有效)或低电平(RSTPD高有效)，即输出与RSTPD有效电平相反的电平。与普通全局曝光像素时序控制类似，曝光和读出操作可以同步进行，并且读出操作中的RSTFD和TX信号控制方式与普通全局曝光方式相同。为了实现不同的曝光时间，RSTPD_mult在整个曝光时间内存在K个脉冲，脉冲位置根据需要配置，外部控制电路根据当前分块所需的曝光时间，在需要复位的时间点将该块像素的SEL_H_x和SEL_V_y同时置为有效，则由逻辑单元在该时刻产生出一个RSTPD_x_y的脉冲，给PD复位，脉冲结束后，PD开始积分知道读出阶段开始。那么不同的像素块配置不同的SEL_H_x和SEL_V_y选通时间，就会产生不同的积分时间。时序具体描述如下：在像素工作时，RSTPD_mult产生K个复位脉冲，根据时序电路的控制，第m行第n列像素块在需要复位的时刻产生SEL_H_m和SEL_V_n的有效电平，与RSTPD_mult的复位脉冲共同对该块像素进行复位，各个像素会在这K个复位脉冲时刻中的某一个时刻产生有效的SEL_H和SEL_V信号，从而复位。具体复位时刻由时序电路控制。在达到预定的曝光时间之后，RSTFD信号对所有像素的FD进行复位，接着传输管控制信号TX控制所有像素的PD电荷传输到FD中，接着开始下一次曝光的复位，同时各行像素在行选读出信号控制下，逐行选通将像素数据经过列处理电路和数据寄存器读出到芯片外。
由于各个像素的复位时间不同，像素积分时间可以定义为PD复位结束到向FD传输结束这段时间，那么各个像素的复位时间独立控制，那么每一块像素的积分时间也就是独立控制的。在时序电路的控制下，在强光区域，选用较短的积分时间；在弱光区域，选用较长的积分时间，这样就可以在同一场景中同时捕获高光强和低光强的信息。
图2是时序控制方式的一个例子，第0行第0列像素块在较早的时间点配置了SEL_H_0和SEL_V_0，曝光时间较长，第1行第1列像素块在较晚的时间点配置了SEL_H_1和SEL_V_1，曝光时间较短。

Claims (3)

1.一种分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构，其特征是，由像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路构成，像素阵列分割为大小相同的矩形像素块，每个像素块除包括一个5管全局曝光像素之外还包括，一个逻辑单元、一条行选曝光控制信号SEL_H_x、一条列选曝光控制信号SEL_V_y，输入到像素的光电二极管PD复位信号RSTPD_mult，其中x和y分别代表像素块的行号和列号，x范围是0到A-1，y范围是0到B-1，其中A和B是像素块的总行数和总列数；SEL_H_x、SEL_V_y和RSTPD_mult输入逻辑单元，逻辑单元通过对上述三个信号进行逻辑操作后产生每个像素所需要的PD复位信号RST_PD_x_y,RST_PD_x_y连接到普通全局曝光像素的RSTPD端；上述逻辑单元的作用是在SEL_H_x和SEL_V_y都有效的条件下，将RSTPD_mult的信号传输到RST_PD_x_y，若SEL_H_x和SEL_V_y中任一信号为无效状态，则RST_PD_x_y输出使RSTPD无效的电平；RSTPD_mult在整个曝光时间内为K个脉冲，脉冲位置根据需要配置，外部控制电路根据当前分块所需的曝光时间，在需要复位的时间点将该块像素的SEL_H_x和SEL_V_y同时置为有效，则由逻辑单元在该时刻产生出一个RSTPD_x_y的脉冲，给PD复位，脉冲结束后，PD开始积分直到读出阶段开始。
2.如权利要求1所述的分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构，其特征是，在像素工作时，RSTPD_mult产生K个复位脉冲，根据时序电路的控制，第m行第n列像素块在需要复位的时刻产生SEL_H_m和SEL_V_n的有效电平，与RSTPD_mult的复位脉冲共同对该块像素进行复位，各个像素会在这K个复位脉冲时刻中的某一个时刻产生有效的SEL_H和SEL_V信号，从而复位，具体复位时刻由时序电路控制；在达到预定的曝光时间之后，RSTFD信号对所有像素的FD进行复位，接着传输管控制信号TX控制所有像素的PD电荷传输到FD中，接着开始下一次曝光的复位，同时各行像素在行选读出信号控制下，逐行选通将像素数据经过列处理电路和数据寄存器读出到芯片外。
3.一种分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构控制方法，其特征是，在像素阵列、行驱动电路、列处理电路、数据寄存器、时序控制以及偏置电路构成的分块独立曝光的CMOS图像传感器像素结构基础上，增加一个逻辑单元、一条行选曝光控制信号SEL_H_x、一条列选曝光控制信号SEL_V_y，将输入到像素的PD复位信号RSTPD修改为RSTPD_mult，其中x和y分别代表像素块的行号和列号，x范围是0到A-1，y范围时0到B-1，其中A和B是像素块的总行数和总列数；SEL_H_x、SEL_V_y和RSTPD_mult输入逻辑单元，逻辑单元通过对上述三个信号进行逻辑操作后产生每个像素所需要的PD复位信号RST_PD_x_y,RST_PD_x_y连接到普通全局曝光像素的RSTPD端；上述逻辑单元的作用是在SEL_H_x和SEL_V_y都有效的条件下，将RSTPD_mult的信号传输到RST_PD_x_y，若SEL_H_x和SEL_V_y中任一信号为无效状态，则RST_PD_x_y输出使RSTPD无效的电平；RSTPD_mult在整个曝光时间内为K个脉冲，脉冲位置根据需要配置，外部控制电路根据当前分块所需的曝光时间，在需要复位的时间点将该块像素的SEL_H_x和SEL_V_y同时置为有效，则由逻辑单元在该时刻产生出一个RSTPD_x_y的脉冲，给PD复位，脉冲结束后，PD开始积分直到读出阶段开始。
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