CN106684105B - 图像传感器及其像素单元的灵敏度控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器及其像素单元的灵敏度控制方法和装置，所述方法包括：控制像素单元的传输门管和复位管同时导通以对像素单元进行复位；控制像素单元的传输门管和复位管截止，以对像素单元进行曝光；在曝光过程中，控制复位管先导通再截止以对浮置扩散节点进行复位，且在复位管截止后采集像素单元的第一输出信号；控制传输门管导通，并采集像素单元的第二输出信号；控制传输门管截止，并采集像素单元的第三输出信号；根据第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号获取像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。本发明实施例的方法实现了低灵敏度的效果，且无需增加额外的MOS管和走线，该方法简单易行，且节约了成本。

Description

图像传感器及其像素单元的灵敏度控制方法和装置

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其像素单元的灵敏度控制方法和装置。

背景技术

图像传感器电路包含像素单元阵列,其中，一个像素单元包含了3-4个MOS晶体管和一个光电二极管PD(如图1A所示)。CMOS图像传感器发展迅速,于是就要求图像传感器在小尺寸像素下要实现高动态范围，高灵敏度等特性。由于现在对高动态范围的要求越来越严格,相关技术中采用通过一种新的高低灵敏度的操作来实现高低灵敏度，然后运用高低灵敏度的图像可以合成宽动态图像。例如，在相关技术中，有通过增加电容的方式来实现低灵敏度的方案,如图1B的版图结构示意图所示(图1B中版图结构对应的电路图如图1C所示)，通过额外在浮置扩散节点(简称为FD)处连接一个可控的MOS电容来实现高低灵敏度转换。当光线强度超过一个较高值时,光电二极管的电子由于太多而传输到FD时会超出FD的最大容量,此时MOS电容开始起作用，FD上多余的电子就会存储到MOS电容中,相当于增大了FD的电容，从而就实现了低灵敏度的效果。

上述相关技术中的方案是额外增加了一个MOS电容来实现低灵敏度的,但是当像素面积固定时,额外增加了一个MOS电容后会占据原本的一些面积,以及增加MOS电容就需要增加走线进行控制,进一步的增加了所需面积，这样导致版图的构造更难，会影响光电二极管的面积，像素的采光面积会有所缩小，电路中的其他MOS管布局走线都要有所改进。因此，高低灵敏度的实现方案有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，该方法利用传输门管的开关/闭合来实现电容的增加/减少进而实现高低灵敏度，无需增加额外的MOS管和走线，简单易行，且节约了成本。

本发明的第二个目的在于提出一种图像传感器像素单元的灵敏度控制装置。

本发明的第三个目的在于提出一种图像传感器。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，所述像素单元包括光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管、行选通管和浮置扩散节点，所述灵敏度控制方法，包括以下步骤：控制所述像素单元的传输门管和复位管同时导通以对所述像素单元进行复位；控制所述像素单元的传输门管和复位管截止，以对所述像素单元进行曝光；在曝光过程中，控制所述复位管先导通再截止以对所述浮置扩散节点进行复位，且在所述复位管截止后采集所述像素单元的第一输出信号；控制所述传输门管导通，并采集所述像素单元的第二输出信号；控制所述传输门管截止，并采集所述像素单元的第三输出信号；根据所述第一输出信号、所述第二输出信号和所述第三输出信号获取所述像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。

根据本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，在获得第一输出信号后，控制传输门管导通并采集像素单元的第二输出信号，相当于增大了浮置扩散节点的电容，从而实现了低灵敏度的效果，无需增加额外的MOS管和走线，该方法简单易行，且节约了成本。

为了实现上述目的，本发明第二方面实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，所述像素单元包括光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管、行选通管和浮置扩散节点，所述灵敏度控制装置包括：复位控制模块，用于控制所述像素单元的传输门管和复位管同时导通以对所述像素单元进行复位；曝光控制模块，用于控制所述像素单元的传输门管和复位管截止，以对所述像素单元进行曝光；第一采集模块，用于在曝光过程中控制所述复位管先导通再截止以对所述浮置扩散节点进行复位，且在所述复位管截止后采集所述像素单元的第一输出信号；第二采集模块，用于控制所述传输门管导通，并采集所述像素单元的第二输出信号；第三采集模块，用于控制所述传输门管截止，并采集所述像素单元的第三输出信号；获取模块，用于根据所述第一输出信号、所述第二输出信号和所述第三输出信号获取所述像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。

根据本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，在第一采集模块获得第一输出信号后，第二采集模块控制传输门管导通并采集像素单元的第二输出信号，相当于增大了浮置扩散节点的电容，从而实现了低灵敏度的效果，且像素单元中无需增加额外的MOS管和走线，节约了成本。

为了实现上述目的，本发明第三方面实施例的图像传感器，包括本发明第二方面实施例提出的灵敏度控制装置。

根据本发明实施例的图像传感器，由于具有了该灵敏度控制装置，实现了低灵敏度的效果，且像素单元中无需增加额外的MOS管和走线，节约了成本。

附图说明

图1A是传统的4T像素结构示意图；

图1B是相关技术中像素单元的版图结构示意图；

图1C是相关技术中像素单元的电路结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的像素单元的电路结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的时序示意图；

图5是MOS器件的电容-电压特性关系示意图；

图6是根据本发明一个实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置的方框示意图。

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。

下面参考附图描述本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法、装置和图像传感器。

图2是根据本发明一个实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法的流程图。

其中，本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法中，所采用的像素单元的结构为传统的4T像素单元结构，如图3所示，每个像素单元结构都包含传输门管(TX)、复位管(RST)、源跟随管(SF)、行选通管(ROW SELECT)、用于感受光信号的光电二极管(PD)和浮置扩散节点(FD)。其中，VDDP是外部提供给整个像素单元的工作电压，控制电路提供信号分别控制RST、TX、ROW SELECT的导通与截止来实现后端电路对(VOUT)的采集。

在本发明的一个实施例中，所述传输门管、复位管、源跟随管、行选通管为NMOS晶体管。

如图2所示，本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，包括以下步骤：

S1，控制像素单元的传输门管和复位管同时导通以对像素单元进行复位。

具体地，将TX管和RST管同时打开，对pixel(像素)进行一次复位。

S2，控制像素单元的传输门管和复位管截止，以对像素单元进行曝光。

具体地，在对像素单元进行复位后，闭合TX管和RST管，对pixel进行曝光。

S3，在曝光过程中，控制复位管先导通再截止以对浮置扩散节点进行复位，且在复位管截止后采集像素单元的第一输出信号。

具体地，在曝光过程中，PD处由于光电效应会产生电子，这一过程中对FD处进行复位(即打开RST管后再闭合)，其中，在RST管闭合后，输出的电压信号SHR记为V1，即第一输出信号。

S4，控制传输门管导通，并采集像素单元的第二输出信号。

具体地，在电压信号SHR输出后打开TX管，将PD处产生的电子导入到FD处。其中，在PD处收集好电子后，TX管在打开的时候额外增加一次电压信号SHS1记为V2的输出，即第二输出信号。

S5，控制传输门管截止，并采集像素单元的第三输出信号。

具体地，在闭合TX管后输出电压信号SHS记为V3，即第三输出信号。

S6，根据第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号获取像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。

在本发明的一个实施例中，根据第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号获取像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据，具体包括：获取第二输出信号与第一输出信号的差值，以作为低灵敏度数据；获取第三输出信号与第一输出信号的差值，以作为高灵敏度数据。

在本发明的一个实施例中，还包括：根据高灵敏度数据和低灵敏度数据生成高动态范围的图像。

具体地，在相关技术中，由于没有第二输出信号的输出，那么V3-V1的差值△V即为最终的输出信号。而在本发明的实施例中，如图4所示，在TX管在打开的时候额外增加了一次电压信号SHS1记为V2的输出，在最后的有效信号输出采用的就是△V1＝V2-V1。因为在打开TX管的时候，由于TX管本身就是带有电容的，在TX管导通的时候，电容值会增加，达到一个稳定值，在此时FD处的电容就不仅仅是FD的结电容了，而是要加上TX管处的栅极电容，这样就达到了增加了FD处实际电容减小灵敏度的效果。在高动态模式的时候就一直采用这种即采用低灵敏度像素输出，又要高灵敏度像素输出。最后图像信息的采集就是通过这样高低灵敏的数据合成高的动态范围图像。

更具体地，TX管是一种MOS管，其电压-电容特性关系如图5所示。MOS管的VGS在没有达到阈值电压VTH前，MOS管的电容会随着VGS的上升而不断增加，当VGS超过VTH时，MOS管中的氧化硅—硅界面就会形成沟道，之后电容值就会稳定在某一范围内。我们就是运用MOS这一电容电压特性在TX管打开的时候就是加上了一个电压值，而此时的TX管电容值就会稳定在一定范围，C_FD为FD处的结电容与TX的栅极电容之和，这就实现了高电容低灵敏度的转换。

通常情况下，一个画面中是会有亮的地方也有暗的区域，大的动态范围的图像传感器 就是能够让高低灵敏度都呈现在一幅画面中。如图4所示，pixel out1是全黑区域的信号输出，pixel out 2是强光照下pixel达到过饱和区域的信号输出，pixel out3是一般亮度区域下的信号输出。在全黑和一般区域下的信号输出其电压差值是在规定范围内，最后能转换为图像信息，但是在光照过强的地方，可以看到pixel out2输出地信号中电压差值比较大，超出了一定的范围，此时的最后输出地图像区域就会表现为白色，没有细节信息，这就是由于此时的灵敏度过高导致的。然而在这个时候，通过本发明实施例的方法，我们选择输出信号SHS1，实现低灵敏度，这样采集到的图像就可呈现出来。

本发明实施例提出的方法不需要增加任何额外的MOS管和走线，利用TX管的开关闭合来实现电容的增加、减少进而实现高低灵敏度。通常情况下C_FD就是FD处的结电容，而在本发明的实施例中，利用TX的栅极电容，即C_FD为FD处的结电容与TX的栅极电容之和，以此来增加电容值，从而实现低灵敏度。再进一步通过高低灵敏度数据相合成便可达到更大的动态范围。

本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，在获得第一输出信号后，控制传输门管导通并采集像素单元的第二输出信号，相当于增大了浮置扩散节点的电容，从而实现了低灵敏度的效果，无需增加额外的MOS管和走线，该方法简单易行，且节约了成本。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种图像传感器像素单元的灵敏度控制装置。

图6是根据本发明一个实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置的方框示意图。

其中，在本发明的实施例中，像素单元的结构为传统的4T像素单元结构，如图3所示，每个像素单元结构都包含传输门管(TX)、复位管(RST)、源跟随管(SF)、行选通管(ROWSELECT)、用于感受光信号的光电二极管(PD)和浮置扩散节点(FD)。其中，VDDP是外部提供给整个像素单元的工作电压，控制电路提供信号分别控制RST、TX、ROW SELECT的导通与截止来实现后端电路对(VOUT)的采集。

在本发明的一个实施例中，所述传输门管、复位管、源跟随管、行选通管为NMOS晶体管。

如图6所示，本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，包括：复位控制模块10、曝光控制模块20、第一采集模块30、第二采集模块40、第三采集模块50和获取模块60。

其中，复位控制模块10用于控制像素单元的传输门管和复位管同时导通以对像素单元进行复位。

具体地，复位控制模块10控制TX管和RST管同时打开，对pixel(像素)进行一次 复位。

曝光控制模块20用于控制像素单元的传输门管和复位管截止，以对像素单元进行曝光。

具体地，在复位控制模块10对像素单元进行复位后，曝光控制模块20控制闭合TX管和RST管，对pixel进行曝光。

第一采集模块30用于在曝光过程中控制复位管先导通再截止以对浮置扩散节点进行复位，且在复位管截止后采集像素单元的第一输出信号。

具体地，在曝光过程中，PD处由于光电效应会产生电子，这一过程中第一采集模块30对FD处进行复位(即控制打开RST管后再闭合)，其中，在RST管闭合后，输出的电压信号SHR记为V1，即第一采集模块30采集到的信号为第一输出信号V1。

第二采集模块40用于控制传输门管导通，并采集像素单元的第二输出信号。

具体地，在电压信号SHR输出后，第二采集模块40控制打开TX管，将PD处产生的电子导入到FD处。其中，在PD处收集好电子后，TX管在打开的时候额外增加一次电压信号SHS1记为V2的输出，即第二采集模块40采集到的信号为第二输出信号V2。

第三采集模块50用于控制传输门管截止，并采集像素单元的第三输出信号。

具体地，第三采集模块50在控制闭合TX管后，输出的电压信号SHS记为V3，即第三采集模块50采集到的信号为第三输出信号V3。

获取模块60用于根据第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号获取像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。

在本发明的一个实施例中，获取模块60，具体用于：获取第二输出信号与第一输出信号的差值，以作为低灵敏度数据，获取第三输出信号与第一输出信号的差值，以作为高灵敏度数据。

在本发明的一个实施例中，获取模块60还用于：根据高灵敏度数据和低灵敏度数据生成高动态范围的图像。

具体地，在相关技术中，由于没有第二输出信号的输出，那么V3-V1的差值△V即为最终的输出信号。而在本发明的实施例中，如图4所示，在TX管在打开的时候额外增加了一次电压信号SHS1记为V2的输出，在最后的有效信号输出采用的就是△V1＝V2-V1。因为在打开TX管的时候，由于TX管本身就是带有电容的，在TX管导通的时候，电容值会增加，达到一个稳定值，在此时FD处的电容就不仅仅是FD的结电容了，而是要加上TX管处的栅极电容，这样就达到了增加了FD处实际电容减小灵敏度的效果。在高动态模式的时候就一直采用这种即采用低灵敏度像素输出，又要高灵敏度像素输出。最后图像信息的采集就是通过这样高低灵敏的数据合成高的动态范围图像。

更具体地，TX管是一种MOS管，其电压-电容特性关系如图5所示。MOS管的VGS在没有达到阈值电压VTH前，MOS管的电容会随着VGS的上升而不断增加，当VGS超过VTH时，MOS管中的氧化硅—硅界面就会形成沟道，之后电容值就会稳定在某一范围内。我们就是运用MOS这一电容电压特性在TX管打开的时候就是加上了一个电压值，而此时的TX管电容值就会稳定在一定范围，C_FD为FD处的结电容与TX的栅极电容之和，这就实现了高电容低灵敏度的转换。

本发明实施例的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，在第一采集模块获得第一输出信号后，第二采集模块控制传输门管导通并采集像素单元的第二输出信号，相当于增大了浮置扩散节点的电容，从而实现了低灵敏度的效果，且像素单元中无需增加额外的MOS管和走线，节约了成本。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种图像传感器，该图像传感器包括上述实施例提出的灵敏度控制装置。

本发明实施例的图像传感器，由于具有了该灵敏度控制装置，实现了低灵敏度的效果，且像素单元中无需增加额外的MOS管和走线，节约了成本。

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”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或 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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (11)

1.一种图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，其特征在于，所述像素单元包括光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管、行选通管和浮置扩散节点，所述灵敏度控制方法，包括以下步骤：

控制所述像素单元的传输门管和复位管同时导通以对所述像素单元进行复位；

控制所述像素单元的传输门管和复位管截止，以对所述像素单元进行曝光；

在曝光过程中，控制所述复位管先导通再截止以对所述浮置扩散节点进行复位，且在所述复位管截止后采集所述像素单元的第一输出信号；

控制所述传输门管导通，并采集所述像素单元的第二输出信号；

控制所述传输门管截止，并采集所述像素单元的第三输出信号；

根据所述第一输出信号、所述第二输出信号和所述第三输出信号获取所述像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。

2.如权利要求1所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，其特征在于，所述根据所述第一输出信号、所述第二输出信号和所述第三输出信号获取所述像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据，具体包括：

获取所述第二输出信号与所述第一输出信号的差值，以作为所述低灵敏度数据；

获取所述第三输出信号与所述第一输出信号的差值，以作为所述高灵敏度数据。

3.如权利要求2所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述高灵敏度数据和所述低灵敏度数据生成高动态范围的图像。

4.如权利要求1所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，其特征在于，其中，所述传输门管、复位管、源跟随管、行选通管为NMOS晶体管。

5.如权利要求1所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制方法，其特征在于，其中，在所述控制所述传输门管导通时，所述浮置扩散节点处的电容值等于所述浮置扩散节点的结电容与所述传输门管的栅极电容之和。

6.一种图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，其特征在于，所述像素单元包括光电二极管、传输门管、复位管、源跟随管、行选通管和浮置扩散节点，所述灵敏度控制装置包括：

复位控制模块，用于控制所述像素单元的传输门管和复位管同时导通以对所述像素单元进行复位；

曝光控制模块，用于控制所述像素单元的传输门管和复位管截止，以对所述像素单元进行曝光；

第一采集模块，用于在曝光过程中控制所述复位管先导通再截止以对所述浮置扩散节点进行复位，且在所述复位管截止后采集所述像素单元的第一输出信号；

第二采集模块，用于控制所述传输门管导通，并采集所述像素单元的第二输出信号；

第三采集模块，用于控制所述传输门管截止，并采集所述像素单元的第三输出信号；

获取模块，用于根据所述第一输出信号、所述第二输出信号和所述第三输出信号获取所述像素单元的低灵敏度数据和高灵敏度数据。

7.如权利要求6所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，其特征在于，所述获取模块，具体用于：获取所述第二输出信号与所述第一输出信号的差值，以作为所述低灵敏度数据，获取所述第三输出信号与所述第一输出信号的差值，以作为所述高灵敏度数据。

8.如权利要求7所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，其特征在于，所述获取模块，还用于：

根据所述高灵敏度数据和所述低灵敏度数据生成高动态范围的图像。

9.如权利要求6所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，其特征在于，其中，所述传输门管、复位管、源跟随管、行选通管为NMOS晶体管。

10.如权利要求6所述的图像传感器像素单元的灵敏度控制装置，其特征在于，其中，在所述第二采集模块控制所述传输门管导通时，所述浮置扩散节点处的电容值等于所述浮置扩散节点的结电容与所述传输门管的栅极电容之和。

11.一种图像传感器，其特征在于，包括如权利要求6-10中任一项所述的灵敏度控制装置。