CN107995446B - 脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构 - Google Patents

脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构。该曝光方法，进行曝光操作时，先将光电二极管进行初始复位；在光照下将所述光电二极管的节点电压与比较器的参考电压进行比较，当所述光电二极管的节点电压达到或小于所述参考电压时，使所述比较器的输出信号开始发生反转；将所述比较器的输出信号整形为脉冲序列信号；将所述脉冲序列信号延时反馈为复位信号，使所述光电二极管在曝光时间内不断复位；获取所述光电二极管复位到所述比较器输出跳变的时间以及曝光时间内所述光电二极管的复位次数，作为表示光强的信号输出。本发明采用简单的电路结构实现了适用于PWM脉冲宽度调制像素的条件重置方式，达到了动态范围提升的效果。

Description

脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构。
背景技术
目前市场上常用的图像传感器主要分为CMOS图像传感器和CCD图像传感器两种。而CMOS图像传感器由于其高度集成化，低功耗等优点，使其拥有更广泛的应用。并且在如今传感器智能化，便携化的流行趋势下，如何保持并优化CMOS图像传感器的低功耗的特点，就更加具有研究的意义。但由于CMOS工艺的不断提高，MOS管尺寸越来越小，电源电压相应降低，集成程度也越来越高。从而更多的功能模块将会被集成到芯片内部，使芯片具有更复杂的功能。相对的，在这个复杂的系统中，功耗的控制和优化的难度也会越来越高。所以超低功耗成为了如今CMOS图像传感器的迫切要求和主要挑战。
常见的一种超低功耗的CMOS图像传感器的实现方式是采用脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)像素。不同于传统的像素结构，PWM像素是将复位后的电压信号，利用比较器，与其参考电压进行比较，从而实现模拟信号向数字信号的转变。将与光强成反比的电压信号转化为与时间成正比的时间信号。此种像素的最大优点是可以实现超低功耗。例如，比较器采用反相器比较器结构。这种比较器结构中的MOS管是可以工作在亚阈值状态下，所以只需提供1V以下的工作电压，从而降低了功耗。并且PWM像素在像素内部就实现了数模转换，数字信号因为只有高低两个电平，所以在处理信号上，数字信号功耗较低。采用PWM像素，可以使CMOS图像传感器的功耗低于1mW，甚至使像素级功耗达到μW级。
PWM像素的功耗较低，但是由于其在像素内部进行了数模转化，从而在光强较强和较弱时，分辨率较低。强光时，复位后的电压信号会快速下降。从而在极短的时间内达到阈值。再加上计数器位数的限制，使得强光的强度级别无法被区分。而在弱光部分，由于复位后的电压信号会缓慢下降，甚至如果光照低于一定强度，电压信号在计数器周期结束，还没有达到阈值，从而只能将计数器的周期时间当作脉冲宽度，从而较弱的光也无法被识别。这两点就导致了PWM像素的动态范围性能较差。
PWM像素具有较低的功耗，但是动态范围性能较差，这导致该像素很难应用于手机等一些需要得到高清图像的设备，限制了其应用范围。因此，如何提高脉冲宽度调制像素的动态范围已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术，本发明的目的在于提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，用于解决现有技术中脉冲宽度调制像素的动态范围性能较差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法，所述脉冲宽度调制像素包括光电二极管和比较器，所述方法包括如下步骤：
进行曝光操作时，先将光电二极管进行初始复位；
在光照下将所述光电二极管的节点电压与比较器的参考电压进行比较，当所述光电二极管的节点电压达到或小于所述参考电压时，使所述比较器的输出信号开始发生反转；
将所述比较器的输出信号整形为脉冲序列信号；
将所述脉冲序列信号延时反馈为复位信号，使所述光电二极管在曝光时间内不断复位；
获取所述光电二极管复位到所述比较器输出对应跳变的时间长度以及曝光时间内所述光电二极管的复位次数，作为表示光强的信号输出。
优选地，获取所述光电二极管初始复位到所述比较器第一次输出跳变的时间长度以及曝光时间内所述光电二极管的复位次数，作为表示光强的输出。
优选地，将所述比较器的输出信号通过多个反相器整形为脉冲序列信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种脉冲宽度调制像素结构，包括：
光电二极管、初始复位晶体管、反馈复位晶体管、比较器、选行开关、信号整形电路、延时反馈电路、列级计数器、开关模块以及全局计数器；其中，
所述初始复位晶体管的一端连接电源，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极接入初始复位信号；
所述反馈复位晶体管的一端连接电源，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极连接所述延时反馈电路接入反馈复位信号；
所述光电二极管的正向输入端接地；
所述比较器的输入端分别接入所述光电二极管的节点电压和参考电压，所述比较器的输出端经由所述选行开关接入所述信号整形电路；
所述信号整形电路将所述比较器的输出信号整形为脉冲序列信号输出至所述延时反馈电路以及所述列级计数器；
所述延时反馈电路接收所述脉冲序列信号延时反馈给所述反馈复位晶体管作为反馈复位信号；
所述开关模块一端与所述信号整形电路连接，另一端与所述全局计数器连接，根据控制信号接通或断开；
所述全局计数器和所述列级计数器的输出信号作为表示光强的信号输出。
优选地，所述信号转换电路包括多个串联的反相器。
优选地，所述开关模块初始状态为接通，根据控制信号在接收到所述信号整形电路输出信号的第一个上升沿后断开。
进一步优选地，所述开关模块的控制信号由所述列级计数器输出。
进一步优选地，当所述列级计数器开始计数后，向所述开关模块发送控制信号。
进一步优选地，所述开关模块为一个PMOS管，栅极接入所述控制信号，源极连接电源电压，漏极连接所述全局计数器。
优选地，所述选行开关根据选行信号实现接通和断开。
进一步优选地，所述选行开关为晶体管，栅极接入选行信号，源极和漏极分别与所述比较器的输出端和所述信号整形电路连接。
优选地，所述比较器的输出信号经由所述选行开关后接入列线。
如上所述，本发明的脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，具有以下有益效果：
本发明针对PWM像素中像素级数模转化的特点，采用简单的电路结构实现了适用于PWM脉冲宽度调制像素的条件重置方式。本发明的脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，可以识别更多的强光的细节，并且也能识别更大的光强，从而达到动态范围提升的效果。
附图说明
图1显示为本发明实施例提供的脉冲宽度调制像素结构示意图。
图2显示为本发明实施例提供的脉冲宽度调制像素的工作时序示意图。
图3显示为本发明实施例提供的脉冲宽度调制像素在强光与弱光下的复位后电压示意图。
图4显示为本发明实施例提供的脉冲宽度调制像素的动态范围的验证模型示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
针对于传统的有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)，提高动态范围的方式有很多种，如二次曝光、条件重置等。而条件重置是一种变向的多次采样方式，它主要针对的就是强光部分。它是在像素中，添加比较器模块。对复位的电压信号进行周期采样，并与比较器的参考电压进行比较。如果采样时，输出值低于比较器的参考电压，则会通过反馈电路对其重新复位，然后重复这个过程。从而可以得到重复的次数N，以及最后一次采样的电压值V，并将它们通过N*V或者其他方式进行结合，从而可以提高APS像素的动态范围。
而在PWM脉冲宽度调制像素中，本身就含有一个比较器进行模拟信号向数字信号的转化。因此，本发明提出在PWM像素中通过将原来的数模转化的比较器的功能进行扩充，来实现条件重置方式。
下面通过具体的实例来详细说明本发明的技术方案。
实施例一
本实施例提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法，所述脉冲宽度调制像素包括光电二极管和比较器，所述方法包括如下步骤：
进行曝光操作时，先将光电二极管进行初始复位；
在光照下将所述光电二极管的节点电压与比较器的参考电压进行比较，当所述光电二极管的节点电压达到或小于所述参考电压时，使所述比较器的输出信号开始发生反转；
将所述比较器的输出信号整形为脉冲序列信号；
将所述脉冲序列信号延时反馈为复位信号，使所述光电二极管在曝光时间内不断复位；
获取所述光电二极管复位到所述比较器输出对应跳变的时间长度以及曝光时间内所述光电二极管的复位次数，作为表示光强的信号输出。
作为本发明的优选方案，可以获取所述光电二极管初始复位到所述比较器第一次输出跳变的时间长度以及曝光时间内所述光电二极管的复位次数，作为表示光强的信号输出。
作为本发明的优选方案，可以将所述比较器的输出信号通过多个反相器整形为脉冲序列信号。
实施例二
本实施例提供一种可以实现上述曝光方法的脉冲宽度调制像素结构。
与传统的PWM脉冲宽度调制像素相比，本实施例提出的像素具有两个复位管，其控制信号分别为Rst和Rst_repeat。其中Rst信号是曝光开始时的复位信号，而Rst_repeat信号则是由反馈电路传来的，用来实现条件重置方式，对像素进行不断复位。并在整个阵列的列线上添加了列共享的条件重置功能模块和开关模块。其中条件重置功能模块包括若干个反相器对输出的信号进行整形，一个列级计数器对像素中脉冲个数进行计数，和一个延时反馈电路。
请参阅图1，该结构包括：光电二极管、初始复位晶体管M1、反馈复位晶体管M2、比较器、选行开关K1、信号整形电路、延时反馈电路、列级计数器、开关模块K2以及全局计数器。
其中，所述初始复位晶体管M1的一端连接电源VDD，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极接入初始复位信号Rst；所述反馈复位晶体管M2的一端连接电源VDD，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极连接所述延时反馈电路接入反馈复位信号Rst_repeat；所述光电二极管的正向输入端接地；所述比较器的输入端分别接入所述光电二极管的节点电压PD和参考电压REF，所述比较器的输出端经由所述选行开关K1接入所述信号整形电路；所述信号整形电路将所述比较器的输出信号Col整形为脉冲序列信号Col_N输出至所述延时反馈电路以及所述列级计数器；所述延时反馈电路接收所述脉冲序列信号Col_N延时反馈给所述反馈复位晶体管作为反馈复位信号Rst_repeat；所述开关模块K2一端与所述信号整形电路连接，另一端与所述全局计数器连接，根据控制信号Flag接通或断开；所述全局计数器的输出信号T(t bit)和所述列级计数器的输出信号N(n bit)作为表示光强的信号输出。
作为本发明的一个优选实施方案，所述信号转换电路包括多个串联的反相器，如图1所示。
本发明中所述开关模块K2和全局计数器的设计用于获取所述光电二极管复位到所述比较器输出对应跳变的时间长度。具体地，可通过控制开关模块K2的开合来使所述全局计数器记录需要的时长。
作为本发明的一个优选实施方案，通过控制开关模块K2的开合来记录所述光电二极管初始复位到比较器第一次跳变的时长。具体地，所述开关模块K2的初始状态为接通，接收到所述控制信号Flag之后，使之在接收到所述信号整形电路输出信号Col_N的第一个上升沿后断开，全局计数器停止计时，即保持输出电平不变，使得后续的复位不会传入全局计数器。这样，所述开关模块K2在像素曝光开始时是闭合的，将初始复位后所得到的脉冲宽度信号传出后，则断开。
作为本发明的一个优选实施方案，所述开关模块K2的控制信号Flag由所述列级计数器输出。优选地，当所述列级计数器开始计数后，向所述开关模块K2发送控制信号Flag。具体地，所述开关模块可以是一个PMOS管，栅极接入所述控制信号，源极连接电源电压，漏极连接所述全局计数器。
具体地，所述选行开关K1根据选行信号Sel实现接通和断开。
作为本发明的一个优选实施方案，所述选行开关K1可以是一个晶体管，栅极接入选行信号Sel，源极和漏极分别与所述比较器的输出端和所述信号整形电路连接。
具体地，所述比较器的输出信号Col经由所述选行开关K1后接入列线。
选行开关接通后，比较器的输出信号才可以传到后面的列线上，输出端输出信号Col给列线。在一个阵列里，一般是一行一行曝光，当某一行曝光时，这一行的所有Sel全部闭合。
本实施例提出的PWM像素结构的工作模式如图2所示。
(1)首先像素在Rst信号的控制下开始复位，此时光电二极管上的电压PD为高电平，而由于比较器一般采用反相器类的结构，从而以PD信号为输入的比较器的输出Col信号为与PD电压的相反电平，即低电平；
(2)打开选行信号Sel，像素开始进行曝光，电压PD以固定斜率(此斜率与光强成正比)减少，并将信号PD电压传输给列线，比较器的输出信号Col开始输出；
(3)当电压PD达到或小于比较器的参考电压REF，比较器的输出信号Col开始发生反转，从复位到反转的时间代表的就是光的强度，即像素值，但此时的Col信号并不是标准的数字信号，需要对其进行处理，才能进行下一步操作；
(4)Col信号通过若干个反相器，使其得到一个标准的脉冲序列Col_N信号。Col_N信号作为输入传给列级计数器和延时反馈电路；
(5)当信号Col_N第一个上升沿到来时，列级计数器开始对曝光时间内脉冲的个数进行计数，即复位的次数。同时当列级计数器开始计数后，会向开关模块K2传入一个Flag信号，控制开关模块K2；
(6)Col_N信号通过延时反馈电路，形成Rst_repeat信号，对光电二极管再次复位，从而PD电压变成高电平，并重复上述过程，在曝光时间内，比较器的输出就会形成一个个脉冲，而列级计数器会对其脉冲的个数进行计数；
(7)Flag信号是在列级计数器开始计数时，传入开关模块K2，使Col_N信号的第一个上升沿传入开关模块K2后，输出保持电平不变，即Col_Final信号，即保持该像素在曝光时间内的第一次复位到比较器跳转的时间，因为该次对脉冲时间的记录是最准确的。实现方式可以将Flag信号控制一个PMOS管的栅电压，源端连接电源电压，漏端连接Col_Final信号，则当Flag信号变为低电平，无论开关模块K2的输入信号Col_N是高电平还是低电平，开关模块K2的输出信号Col_Final一直保持高电平；
(8)Col_Final信号的上升沿通过全局计数器，得到像素复位到比较器输出跳变的时间脉冲宽度T(t bit)，而列级计数器的输出N(n bit)记录的是曝光时间内的脉冲个数，即复位的次数，也可以反应像素所受的光强。
脉冲时间宽度T和脉冲个数N都可以表示光强，从而可以相对于传统的PWM像素，利用脉冲个数N反应更多的强光细节。
在本发明中，脉冲时间宽度T和脉冲个数N都可以用来反应像素所接受光强。其中脉冲时间宽度T和光强成反比，脉冲个数N与光强成正比。如图3所示，强光时，脉冲时间宽度T较小，但是脉冲个数N较多。弱光时，脉冲时间宽度T较大，但是脉冲个数N较少。
本发明主要提高了像素所能采集的强光细节，从而来提高动态范围。如图4所示，L1、L2、L3是像素在三种不同的强光照射后的，复位电压下降的曲线，它们达到比较器的参考电压的时间为t1、t2、t3。而T0，T1是计数器计数的两个相邻的时间点，即T1-T0＝1。虽然L1、L2、L3光强不相同，但是由于它们都属于强光，在复位后都是快速下降，致使达到比较器的参考电压的时间为t1、t2、t3都在T0、T1之间。则按照传统的PWM脉冲宽度调制像素的工作模式，判断L1、L2、L3到达时间为T0，从而像素是不能识别L1、L2、L3之间光强的不同。而在本发明中，虽然像素对于L1、L2、L3的脉冲宽度时间(复位到达到阈值的时间)都为T0，但是在曝光时间内，像素不停地复位，由于t1、t2、t3的不同，从而L1、L2、L3所对应的脉冲个数N也不同，则在本发明中就可以对L1、L2、L3进行区分。以此类推，该像素相对于传统的PWM脉冲宽度调制，可以识别更多的强光的细节，并且也能识别更大的光强，从而达到动态范围提升的效果。
本发明得到关于所采集的图像的数据，既有脉冲时间宽度T和脉冲个数N，两者都可以用来反应像素值，即光的强度，两者结合能更好的反应强光的细节，所以如果将本发明应用于图像强光对比度的处理，将会更加的便利。
综上所述，本发明针对PWM像素中像素级数模转化的特点，采用简单的电路结构实现了适用于PWM脉冲宽度调制像素的条件重置方式。本发明的脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，可以识别更多的强光的细节，并且也能识别更大的光强，从而达到动态范围提升的效果。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种脉冲宽度调制像素结构，其特征在于，包括：
光电二极管、初始复位晶体管、反馈复位晶体管、比较器、选行开关、信号整形电路、延时反馈电路、列级计数器、开关模块以及全局计数器；其中，
所述初始复位晶体管的一端连接电源，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极接入初始复位信号；
所述反馈复位晶体管的一端连接电源，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极连接所述延时反馈电路接入反馈复位信号；
所述光电二极管的正向输入端接地；
所述比较器的输入端分别接入所述光电二极管的节点电压和参考电压，所述比较器的输出端经由所述选行开关接入所述信号整形电路；
所述信号整形电路将所述比较器的输出信号整形为脉冲序列信号输出至所述延时反馈电路以及所述列级计数器；
所述延时反馈电路接收所述脉冲序列信号延时反馈给所述反馈复位晶体管作为反馈复位信号；
所述开关模块一端与所述信号整形电路连接，另一端与所述全局计数器连接，根据控制信号接通或断开；具体为：所述开关模块初始状态为接通，根据控制信号在接收到所述信号整形电路输出信号的第一个上升沿后断开，以通过所述开关模块的开合来使所述全局计数器获取所述光电二极管初始复位到所述比较器第一次输出跳变的时间长度，其中所述控制信号由所述列级计数器开始计数后向所述开关模块发送；
所述全局计数器和所述列级计数器的输出信号作为表示光强的信号输出。
2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素结构，其特征在于：所述信号转换电路包括多个串联的反相器。
3.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素结构，其特征在于：所述开关模块为一个PMOS管，栅极接入所述控制信号，源极连接电源电压，漏极连接所述全局计数器。
4.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素结构，其特征在于：所述选行开关根据选行信号实现接通和断开。
5.根据权利要求4所述的脉冲宽度调制像素结构，其特征在于：所述选行开关为晶体管，栅极接入选行信号，源极和漏极分别与所述比较器的输出端和所述信号整形电路连接。
6.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素结构，其特征在于：所述比较器的输出信号经由所述选行开关后接入列线。
7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的脉冲宽度调制像素结构实现的脉冲宽度调制像素曝光方法，所述脉冲宽度调制像素包括光电二极管和比较器，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
进行曝光操作时，先将光电二极管进行初始复位；
在光照下将所述光电二极管的节点电压与比较器的参考电压进行比较，当所述光电二极管的节点电压达到或小于所述参考电压时，使所述比较器的输出信号开始发生反转；
将所述比较器的输出信号整形为脉冲序列信号；
将所述脉冲序列信号延时反馈为复位信号，使所述光电二极管在曝光时间内不断复位；
获取所述光电二极管初始复位到所述比较器第一次输出跳变的时间长度以及曝光时间内所述光电二极管的复位次数，作为表示光强的输出。
8.根据权利要求7所述的脉冲宽度调制像素曝光方法，其特征在于：将所述比较器的输出信号通过多个反相器整形为脉冲序列信号。
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