CN108366213B - 像素及其成像方法和成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及像素及其成像方法和成像装置。该像素包括第一像素子部分及第二像素子部分，所述第一像素子部分及第二像素子部分分别包括：一个或多个光电二极管；一个或多个转移晶体管，分别耦合至浮动扩散区域，将所述一个或多个光电二极管产生的电荷分别转移至浮动扩散区域；复位晶体管，耦合至浮动扩散区域，根据复位控制信号重置浮动扩散区域的电位；以及源极跟随晶体管，耦合至浮动扩散区域，对浮动扩散区域的像素信号放大并输出。

Description

像素及其成像方法和成像装置
技术领域
本发明涉及成像领域，特别地涉及一种像素及其成像方法和成像装置。
背景技术
对于图像质量的要求一直以来不断地提高。特别是不借助结构复杂的硬件而获取高质量的图像更是成为目前成像领域研发工作的努力方向。例如，在如卡片式相机的便携式成像装置上获取高分辨率高质量的照片。
成像装置一般具有像素阵列。像素阵列中的每一个像素包括感光器件，例如光电二极管等。感光器件的感光面积决定了感光器件的感光能力。本领域中的很多努力都在致力于提高成像装置中感光面积的比例。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提出一种成像装置，包括：像素阵列，其包括排列成行和列的多个像素，其中至少一个所述像素包括第一像素子部分和第二像素子部分；其中，所述第一和第二像素子部分分别包括：光电二极管；转移晶体管，其经控制将光电二极管的电荷传输至浮动扩散区域；复位晶体管，其耦合至浮动扩散区域，并经控制以根据复位信号重置浮动扩散区域的电位；以及源极跟随晶体管，其耦合至浮动扩散区域；以及控制电路，其控制所述像素阵列；其中，第一像素子部分和第二像素子部分中各自的复位晶体管共用复位信号。
如上所述的成像装置，其中，所述第一和第二像素子部分分别包括一行选择晶体管；所述第一像素子部分和第二像素子部分各自的行选择晶体管共用行选择控制信号。
如上所述的成像装置，其中，所述第一像素子部分和第二像素子部分耦合到同一列A/D转换单元。
如上所述的成像装置，其中第一和第二像素子部分分别包括多个光电二极管和多个转移晶体管。
根据本发明的另一个方面，提出一种像素，包括：第一像素子部分，包括：第一光电二极管；第一转移晶体管，其经控制将第一光电二极管产生的电荷传输至第一浮动扩散区域；第一复位晶体管，耦合至第一浮动扩散区域，并经控制根据复位信号重置第一浮动扩散区域的电位；以及第一源极跟随晶体管，耦合至浮动扩散区域；以及第二像素子部分，包括：第二光电二极管；第二转移晶体管，其经控制将第二光电二极管产生的电荷传输至第二浮动扩散区域；第二复位晶体管，耦合至第二浮动扩散区域，并经控制根据复位信号重置第二浮动扩散区域的电位；以及第二源极跟随晶体管，耦合至浮动扩散区域；其中，所述第一复位晶体管和所述第二复位晶体管共用复位信号。
如上所述的像素，其特征在于，所述第一像素子部分包括第一行选择晶体管，其耦合至第一源极跟随晶体管；第二像素子部分包括第二行选择晶体管，其耦合至第二源极跟随晶体管；其中，所述第一行选择晶体管和第二行选择晶体管共用行选择控制信号。
如上所述的像素，其特征在于，所述第一和第二像素子部分的输出信号分别耦合到同一个列A/D转换单元。
如上所述的像素，其中第一像素子部分和第二像素子部分分别包括多个光电二极管和多个转移晶体管。
如上所述的像素，其特征在于，所述第一像素子部分和第二像素子部分分别耦合到不同的列A/D转换单元。
根据本发明的另一个方面，提出在以上成像装置或像素中的成像方法，包括：获得来自第一像素子部分的浮动扩散区域的第一复位电压；获得来自第一像素子部分的浮动扩散区域的第一信号电压；基于所述第一复位电压，确定第一像素信号；获得来自第二像素子部分的浮动扩散区域的第二复位电压；获得来自第二像素子部分的浮动扩散区域的第二信号电压；基于所述第二复位电压，确定第二像素信号。
如上所述的方法，进一步包括：在同一列A/D转换单元对所述第一像素信号和第二像素信号进行数模转换。
本发明的上述发明内容，通过采用偶数列像素输出和奇数列像素输出的电路结构，可降低外围控制电路设计结构，在降低电路功耗的同时能有效减少芯片的面积。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1是一种成像装置的结构的示意图；
图2是根据本发明第一实施例的像素单元电路的示意图；
图3是根据本发明第一实施例的像素读取控制时序示意图；
图4是根据本发明第二实施例的像素单元电路的示意图；
图5是根据本发明第三实施例的像素单元电路的示意图；以及
图6是根据本发明的一个实施例的系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
术语“像素”一词指含有感光器件或用于将电磁信号转换成电信号的其他器件的电子元件。为了说明的目的，图1描述了一种代表性成像装置，其包含一个像素阵列。
图1表示了一种成像装置的结构的示意图。图1所示的成像装置100，例如CMOS成像装置，包括像素阵列110。像素阵列110包含排列成行和列的多个像素。像素阵列110中每一列像素由列选择线选择性地接通，且每一行像素分别由行选择线选择性地输出。具体而言，每个像素包括位于偶数列的第一部分和位于奇数列的第二部分，当对该像素进行读取时，将对该两个部分分别进行读取。逻辑控制单元140对各功能单元进行逻辑控制，行驱动单元120和列驱动单元130分别对所第一像素子部分和第二像素子部分读取的像素的行和列进行控制。所读取的第一像素子部分像素和第二像素子部分像素共用一个列A/D转换单元150。经列A/D转换单元150输出的像素信息传输到图像处理单元160进行信号处理，输出图像信息。
图2是依据本发明第一实施例的像素单元电路的示意图。图2中的像素单元200包括电路结构相同且位于分别位于偶数列和奇数列的第一像素子部分200a和第二像素子部分200b。下面对位于偶数列的第一像素子部分200a进行阐述。
如图2所示，位于偶数列的第一像素子部分200a包括复位晶体管201a、转移晶体管203a、光电二极管PD1、源极跟随晶体管205a和行选择晶体管207a。光电二极管PD1连接到转移晶体管203a的源极。结合本发明附图3提供的实施例一的像素读取时序图，行选择控制信号Row_sel置于高电平，行选择晶体管207a导通。复位信号RSTE置于高电平，复位晶体管201a导通，重置浮动扩散区域FD的电位至PIXVDD。复位信号RSTE置于低电平，复位晶体管201a关闭。浮动扩散区域FD的电位PIXVDD通过源极跟随晶体管205a进行信号放大，经行选择晶体管207a输出复位电压Ve0。转移晶体管203a的控制信号TXE置于高电平，转移晶体管203a导通，光电二极管PD1产生的电子经转移晶体管203a传输至浮动扩散区域FD；转移晶体管203a控制端置于低电平，转移晶体管203a关闭，源极跟随晶体管205a对浮动扩散区域FD的信号进行放大，经行选择晶体管207a输出电压信号值Ve1。复位电压Ve0与输出电压信号值Ve1的差值为第一像素子部分偶数列像素输出pixout_e的像素信号。
在本实施例中，位于奇数列的第二像素子部分200b的结构与第一像素子部分200a相同，奇数列像素读取pixout_o的实现过程在此不做赘述。
在图2所示的图像传感器电路中，所述行选择晶体管207a和行选择晶体管207b共用同一行选择控制信号。所述复位晶体管201a和复位晶体管201b共用同一复位信号。
本实施例中，第一像素子部分和第二像素子部分的输出分别通过行选择晶体管207a和207b输出像素信号，在实际应用中，可采用像素信号不经过选择晶体管，直接从源极跟随晶体管205a和205b输出像素信号的实现方式。
根据本发明的一个实施例，第一像素子部分200a及第二像素子部分200b的输出耦合到同一列A/D转换单元。
图4是依据本发明第二实施例的像素单元电路的示意图。图像传感装置400包括电路结构相同且位于分别位于偶数列和奇数列的第一像素子部分400a和第二像素子部分400b。
如图4中所示，第一像素子部分400a包括第一光电二极管PD1a以及耦合到该第一光电二极管PD1a的第一转移晶体管402a；第二光电二极管PD2a以及耦合到该第二光电二极管PD2a的第二转移晶体管403a。第一转移晶体管402a与第二转移晶体管403a共同耦合到同一浮动扩散区域FD。在此部分电路结构中，共用一个复位晶体管401a，一个源极跟随晶体管405a，以及一个行选择晶体管407a。在不同的应用中，可以选择省略行选择晶体管407a而直接从源极跟随晶体管405a输出像素信号的实现方式。电路具体的实施过程可参考实施例一，此处不再赘述。
在图4所示的电路结构中，第一像素子部分400a输出的像素共用同一列A/D转换单元，第二像素子部分400b输出的像素共用同一列A/D转换单元。
根据本发明提出的多个实施例，可以有效减少像素单元电路中的控制电路部分的电路设计，在降低电路设计功耗的同时，大大缩减芯片面积。
图5是根据本发明一个实施例的成像方法的流程图，其可以应用于如图2所述的像素中。如图所示，成像方法500包括：在步骤510，获得来自第一像素子部分的浮动扩散区域的第一复位电压。在步骤520，获得来自第一像素子部分的浮动扩散区域的第一信号电压。在步骤530，基于所述第一复位电压，确定第一像素信号。在步骤540，获得来自第二像素子部分的浮动扩散区域的第二复位电压。在步骤550，获得来自第二像素子部分的浮动扩散区域的第二信号电压。在步骤560，基于所述第二复位电压，确定第二像素信号。
根据本发明的一个实施例，第一像素子部分及第二像素子部分输出的像素耦合到同一列A/D转换单元。
图6是根据本发明的一个实施例的系统的示意图。图6说明了一个包含图像传感器610的处理器系统600。其中，图像传感器610如本发明所描述的图像传感器。所述处理器系统600示范说明具有可包含图像传感器装置的数字电路的系统。在不加限制的情况下，此系统可包含计算机系统、相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动对焦系统、星体追踪仪系统、运动检测系统、图像稳定化系统和数据压缩系统。
处理器系统600(例如，相机系统)通常包括中央处理单元(CPU)640(例如微处理器)，其经由总线601而与输入/输出(I/O)装置620通信。图像传感器610也经由总线601而与CPU 640通信。基于处理器的系统600还包含随机存取存储器(RAM)630，且可包含可移除存储器650(例如快闪存储器)，其也经由总线601而与CPU 640通信。图像传感器610可与处理器(例如CPU、数字信号处理器或微处理器)组合，单个集成电路或不同于所述处理器的芯片上可有或没有存储器存储装置。图像组合和处理的计算可由图像传感器610或由CPU 640执行。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (9)

1.一种像素，包括第一像素子部分及第二像素子部分，所述第一像素子部分及第二像素子部分分别包括：
一个或多个光电二极管；
一个或多个转移晶体管，分别
耦合至浮动扩散区域，将所述一个或多个光电二极管产生的电荷分别转移至浮动扩散区域；
复位晶体管，耦合至浮动扩散区域，根据复位控制信号重置浮动扩散区域的电位；以及
源极跟随晶体管，耦合至浮动扩散区域，对浮动扩散区域的像素信号放大并输出；
其中，所述第一像素子部分及第二像素子部分输出的信号耦合到同一列A/D转换单元。
2.根据权利要求1所述的像素，其特征在于，所述第一像素子部分及第二像素子部分进一步分别包括一行选择晶体管，经行选择控制信号控制像素行输出。
3.根据权利要求2所述的像素，其特征在于，所述第一像素子部分及第二像素子部分的行选择晶体管共用同一行选择控制信号。
4.根据权利要求1所述的像素，其特征在于，所述第一像素子部分及第二像素子部分的复位晶体管共用同一复位控制信号。
5.一种成像装置，包括：
像素阵列，其包括排列成行和列的多个像素，其中每个像素包括第一像素子部分和第二像素子部分；所述第一和第二像素子部分分别包括：一个或多个光电二极管；
一个或多个转移晶体管，分别耦合至浮动扩散区域，将所述一个或多个光电二极管产生的电荷分别转移至浮动扩散区域；
复位晶体管，耦合至浮动扩散区域，根据复位控制信号重置浮动扩散区域的电位；以及
源极跟随晶体管，耦合至浮动扩散区域，对浮动扩散区域的像素信号放大并输出；以及，
控制电路，其控制所述像素阵列,
所述控制电路包括一列A/D转换单元，所述第一像素子部分及第二像素子部分输出的信号耦合到同一列A/D转换单元。
6.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，所述第一像素子部分及第二像素子部分进一步分别包括一行选择晶体管，经行选择控制信号控制像素行输出。
7.根据权利要求6所述的成像装置，其特征在于，所述第一像素子部分的行选择晶体管及第二像素子部分的行选择晶体管共用同一行选择控制信号。
8.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，第一像素子部分及第二像素子部分的复位晶体管共用同一复位控制信号。
9.一种如权利要求1～4任一项所述的像素的成像方法，包括：
获得来自第一像素子部分的浮动扩散区域的第一复位电压；
获得来自第一像素子部分的浮动扩散区域的第一信号电压；
基于所述第一复位电压，确定第一像素信号；
获得来自第二像素子部分的浮动扩散区域的第二复位电压；
获得来自第二像素子部分的浮动扩散区域的第二信号电压；
基于所述第二复位电压，确定第二像素信号。
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