CN108040216A - 一种高动态cmos像素单元及其信号采集和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态CMOS像素单元，包括：依次连接的感光二极管、第一MOS管、第五MOS管、第六MOS管；第三MOS管和第四MOS管，其一极分别连接在第一MOS管和第五MOS管之间，第四MOS管的另一极连接电容；第二MOS管，其一极连接在感光二极管和第一MOS管之间，另一极连接在第四MOS管和电容之间；电流源，其一极连接在第六MOS管的输出端。本发明能够同时输出低光照信号和高光照信号，并可通过对低光照信号和高光照信号进行信号拼接处理，增大像素单元的饱和输出电压，从而可增大像素单元的有效感光范围，并因此提高图像传感器的动态范围。本发明还公开了一种高动态CMOS像素单元的信号采集和处理方法。

Description

一种高动态CMOS像素单元及其信号采集和处理方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种高动态CMOS图像传感器像素单元及其信号采集和处理方法。

背景技术

在经历了几十年的迅猛发展后，CMOS图像传感器技术已愈加成熟。凭借其低功耗、低成本、高性能的优点，CMOS图像传感器在各方面都获得了广泛应用。同时，随着科技的进步，以及应用领域要求的多样性，对CMOS图像传感器也提出了更高的要求。

高动态图像传感器可同时感知极低照度和高照度下的场景，并可感知在同一图像中。此类图像传感器在国防、工业、生活中应用广泛。一般而言，实现高动态图像的方法可包括以下两种：

1)针对传统图像传感器，通过改变曝光时间，获得一系列长短曝光时间下的图像，然后对这些图像进行拼接，获得高动态图像。

2)采用对数型像素单元，利用该架构可获得输出电压随光照强度呈对数特性的图像。

然而，上述方法都存在一定的局限性。例如，采用上述方法1)时，一方面其算法复杂，另一方面由于其需要进行多次曝光，因而并不适合视频应用。而采用上述方法2)时，虽然该架构可获得输出电压随光照强度呈对数特性的图像，但该架构也使得像素一致性很难得到保证，从而实现难度较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高动态CMOS像素单元及其信号采集和处理方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种高动态CMOS像素单元，包括：

依次连接的感光二极管、第一MOS管、第五MOS管、第六MOS管；

第三MOS管和第四MOS管，其一极分别连接在第一MOS管和第五MOS管之间，所述第四MOS管的另一极连接电容；

第二MOS管，其一极连接在感光二极管和第一MOS管之间，另一极连接在第四MOS管和电容之间；以及

电流源，其一极连接在第六MOS管的输出端。

优选地，所述感光二极管的阳极与电源负极相连；所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极以及所述感光二极管的阴极共同相连；所述第三MOS管的漏极与电源正极相连，所述第三MOS管的源极与所述第一MOS管的漏极、所述第四MOS管的漏极以及所述第五MOS管的栅极共同相连；所述第四MOS管的源极与所述第二MOS管的漏极以及所述电容的一端相连，所述电容的另一端与电源负极相连；所述第五MOS管的漏极与电源正极相连，所述第五MOS管的源极与所述第六MOS管的源极相连；所述第六MOS管的漏极与所述电流源的正极相连，并作为所述高动态CMOS像素单元的输出端，所述电流源的负极与电源负极相连。

优选地，所述第一MOS管的栅极连接第一控制信号，所述第二MOS管的栅极连接第二控制信号，所述第三MOS管的栅极连接第三控制信号，所述第四MOS管的栅极连接第四控制信号，所述第六MOS管的栅极连接第五控制信号。

优选地，各所述MOS管采用源极与漏极可互换的形式设置。

本发明还提供了一种上述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法，包括以下步骤：

步骤1：使感光二极管曝光，曝光之后，保持第一MOS管、第二MOS管关断，打开第三MOS管，并在一段时间后将第三MOS管关断，之后，打开第六MOS管并保持，此时输出第一信号；

步骤2：打开第二MOS管，并在一段时间后将第二MOS管关断，随后输出第二信号；

步骤3：打开第三MOS管、第四MOS管，并在一段时间后将第三MOS管、第四MOS管关断，随后输出第三信号；

步骤4：打开第二MOS管，并在一段时间后将第二MOS管关断，随后输出第四信号；

步骤5：将第一MOS管至第六MOS管关断，等待下一次曝光。

优选地，所述第一MOS管至第六MOS管为NMOS管。

本发明还提供了一种高动态CMOS像素单元的信号处理方法，用于对采用上述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法得到的第一信号至第四信号进行处理，包括：

进行信号处理时，将第一信号和第二信号做差，以获得低光照的第五信号；

将第三信号和第四信号做差，以获得高光照的第六信号；

对第五信号和第六信号进行信号拼接处理，以增大像素单元的饱和输出电压，提高像素输出信号的动态范围。

本发明能够同时输出低光照信号和高光照信号，并可通过对低光照信号和高光照信号进行信号拼接处理，增大像素单元的饱和输出电压，从而可增大像素单元的有效感光范围，并因此提高了图像传感器的动态范围。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种高动态CMOS像素单元电路结构示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种高动态CMOS像素单元的信号采集方法时序图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种高动态CMOS像素单元电路结构示意图。如图1所示，本发明的一种高动态CMOS像素单元，可包括：感光二极管PD，第一MOS管至第六MOS管M1至M6，电容C1，电流源I1等器件。其中，各器件的数量可为一个或者多个；第一MOS管至第六MOS管例如可为NMOS管(以下以第一NMOS管至第六NMOS管为例)。

请参阅图1。本发明的高动态CMOS像素单元中，感光二极管、第一NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管依次进行连接。第三NMOS管和第四NMOS管各自的其中一极分别连接在第一NMOS管和第五NMOS管之间。第四NMOS管的另一极连接电容。第二NMOS管的其中一极连接在感光二极管和第一NMOS管之间，第二NMOS管的另外一极连接在第四NMOS管和电容之间。电流源的其中一极连接在第六NMOS管的输出端。

上述的高动态CMOS像素单元的各器件之间可以采用以下的具体连接形式：

感光二极管PD的阳极与电源负极VSS相连。

第一NMOS管M1的源极与第二NMOS管M2的源极以及感光二极管PD的阴极共同相连，并相连于节点N1。

第三NMOS管M3的漏极与电源正极VDD相连，第三NMOS管M3的源极与第一NMOS管M1的漏极、第四NMOS管M4的漏极以及第五NMOS管M5的栅极共同相连，并相连于节点N2。

第四NMOS管M4的源极与第二NMOS管M2的漏极以及电容C1的一端相连，并相连于节点N3。电容C1的另一端与电源负极VSS相连。

第五NMOS管M5的漏极与电源正极VDD相连，第五NMOS管M5的源极与第六NMOS管M6的源极相连。第六NMOS管M6的漏极(即输出端)与电流源I1的正极相连，并同时作为高动态CNMOS像素单元的输出端VOUT，以输出光照信号。电流源I1的负极与电源负极VSS相连。

请继续参阅图1。第一NMOS管M1的栅极连接第一控制信号TX1，所述第二NMOS管M2的栅极连接第二控制信号TX2，所述第三NMOS管M3的栅极连接第三控制信号RST，所述第四NMOS管M4的栅极连接第四控制信号SX，所述第六NMOS管M6的栅极连接第五控制信号RS。

上述各NMOS管采用源极与漏极可互换的形式进行设置，即对第一NMOS管至第六NMOS管的源极与漏极进行互换时，不会影响电路功能。

以下结合具体实施方式及附图，对本发明的一种高动态CMOS像素单元的信号采集方法和信号处理方法进行详细说明。

请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种高动态CMOS像素单元的信号采集方法时序图；同时，请参阅图1。如图2所示，本发明的一种采用上述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法，包括以下步骤：

步骤1：首先，使感光二极管PD曝光；在感光二极管PD曝光之后，各控制信号TX1、TX2、RST、SX及RS均置为低电平；保持第一NMOS管M1、第二NMOS管M2关断，第三控制信号RST变为高电平，打开第三NMOS管M3，并在打开一段时间后，第三控制信号RST变为低电平，将第三NMOS管关断；之后，第五控制信号RS变为高电平，打开第六NMOS管并保持，此时输出第一信号V1；第一信号V1可为电压信号(以下第二信号V2至第四信号V4也为电压信号)。

步骤2：之后，第一控制信号TX1变为高电平，打开第二NMOS管M2，并在打开一段时间后，第一控制信号TX1变为低电平，将第二NMOS管M2关断，随后输出第二信号V2。

步骤3：之后，第三控制信号RST和第四控制信号SX相继变为高电平，打开第三NMOS管M3、第四NMOS管M4，并在打开一段时间后将第三NMOS管M3、第四NMOS管M4关断，随后输出第三信号V3。

步骤4：之后，第二控制信号TX2变为高电平，打开第二NMOS管M2，并在打开一段时间后将第二NMOS管M2关断，随后输出第四信号V4。

步骤5：所有的控制信号TX1、TX2、RST、SX及RS都变为低电平，将第一NMOS管至第六MOS管M1至M6关断，等待下一次曝光。

本发明的一种高动态CMOS像素单元的信号处理方法，用于对采用上述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法得到的第一信号V1至第四信号V4进行处理。在进行信号处理时，将第一信号V1和第二信号V2做差，以获得低光照的第五信号S1(即低光照信号S1)；并且，将第三信号V3和第四信号V4做差，以获得高光照的第六信号S2(即高光照信号S2)。然后，对同时输出的低光照信号S1(第五信号)和高光照信号S2(第六信号)进行信号拼接处理，就可以增大像素单元的饱和输出电压，从而可增大像素单元的有效感光范围，因此提高了图像传感器像素输出信号的动态范围。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高动态CMOS像素单元，其特征在于，包括：

依次连接的感光二极管、第一MOS管、第五MOS管、第六MOS管；

第三MOS管和第四MOS管，其一极分别连接在第一MOS管和第五MOS管之间，所述第四MOS管的另一极连接电容；

第二MOS管，其一极连接在感光二极管和第一MOS管之间，另一极连接在第四MOS管和电容之间；以及

电流源，其一极连接在第六MOS管的输出端。

2.根据权利要求1所述的高动态CMOS像素单元，其特征在于，所述感光二极管的阳极与电源负极相连；所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极以及所述感光二极管的阴极共同相连；所述第三MOS管的漏极与电源正极相连，所述第三MOS管的源极与所述第一MOS管的漏极、所述第四MOS管的漏极以及所述第五MOS管的栅极共同相连；所述第四MOS管的源极与所述第二MOS管的漏极以及所述电容的一端相连，所述电容的另一端与电源负极相连；所述第五MOS管的漏极与电源正极相连，所述第五MOS管的源极与所述第六MOS管的源极相连；所述第六MOS管的漏极与所述电流源的正极相连，并作为所述高动态CMOS像素单元的输出端，所述电流源的负极与电源负极相连。

3.根据权利要求2所述的高动态CMOS像素单元，其特征在于，所述第一MOS管的栅极连接第一控制信号，所述第二MOS管的栅极连接第二控制信号，所述第三MOS管的栅极连接第三控制信号，所述第四MOS管的栅极连接第四控制信号，所述第六MOS管的栅极连接第五控制信号。

4.根据权利要求2所述的高动态CMOS像素单元，其特征在于，各所述MOS管采用源极与漏极可互换的形式设置。

5.一种如权利要求3或4所述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使感光二极管曝光，曝光之后，保持第一MOS管、第二MOS管关断，打开第三MOS管，并在一段时间后将第三MOS管关断，之后，打开第六MOS管并保持，此时输出第一信号；

步骤2：打开第二MOS管，并在一段时间后将第二MOS管关断，随后输出第二信号；

步骤3：打开第三MOS管、第四MOS管，并在一段时间后将第三MOS管、第四MOS管关断，随后输出第三信号；

步骤4：打开第二MOS管，并在一段时间后将第二MOS管关断，随后输出第四信号；

步骤5：将第一MOS管至第六MOS管关断，等待下一次曝光。

6.根据权利要求5所述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法，其特征在于，所述第一MOS管至第六MOS管为NMOS管。

7.一种高动态CMOS像素单元的信号处理方法，用于对采用权利要求5所述的高动态CMOS像素单元的信号采集方法得到的第一信号至第四信号进行处理，其特征在于，包括：

进行信号处理时，将第一信号和第二信号做差，以获得低光照的第五信号；

将第三信号和第四信号做差，以获得高光照的第六信号；

对第五信号和第六信号进行信号拼接处理，以增大像素单元的饱和输出电压，提高像素输出信号的动态范围。