CN108881747B - 图像传感器及多重hdr的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像传感器，所述图像传感器具有共享结构，其包括多个光电二极管以及多个传输晶体管，每个光电二极管分别连接到各自的传输晶体管；双转换增益控制单元，包括双转换增益晶体管及电容，所述多个光电二极管及其连接的所述传输晶体管共享所述双转换增益控制单元；所述多个光电二极管组合设置分为两组，第一组光电二极管在低转换增益模式读取操作，第二组光电二极管在高转换增益模式读取操作。本发明还提供一种图像传感器多重HDR的实现方法。

Description

图像传感器及多重HDR的实现方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种采用混合方式实现多重HDR的图像传感器及方法。

背景技术

图像传感器设计中采用多组光电二极管和传输晶体管以共享像素电路中复位电路和输出电路是通用的设计方式，例如两组光电二极管和传输晶体管的共享结构，四组光电二极管和传输晶体管的共享结构，共享结构设计能进一步提高像素电路的性能并降低像素电路的设计面积，使得图像传感器设备满足小型化的设计应用。

提高图像传感器输出图像质量，如输出HDR(High Dynamic Range高动态范围)像素图像是当前图像传感器设计考虑的因素。提高图像传感器输出高动态范围的设计方式有多种，比如在电路中设置双转换增益控制单元(DCG)以高转换增益和低转换增益读取模式实现输出高动态范围的图像。

本发明在现有图像传感器电路设计基础上进一步提高输出图像的高动态范围，在不增加额外的电路设计的情形下进一步改进图像传感器装置的输出图像质量。

发明内容

本发明目的提供一种图像传感器，采用共享设计结构及混合方式实现HDR图像输出，所述图像传感器包括：

多个光电二极管以及多个传输晶体管，每个光电二极管分别连接到各自的传输晶体管，构成多个光电转换及传输电路；所述多个光电转换及传输电路连接并共享浮动扩散点FD(floating diffusion)；所述多个传输晶体管分别将所述多个光电二极管光电效应累积的电荷传输/转移到所述浮动扩散点FD；

复位晶体管，其漏极连接到电压源，对所述浮动扩散点FD进行复位；

双转换增益控制单元(DCG，Dual Conversion Gain)，连接到所述复位晶体管和所述浮动扩散点FD之间，包括双转换增益晶体管及电容，所述电容为器件电容，或为所述复位晶体管和双转换增益晶体管的连接点对地的寄生电容；

源极跟随晶体管，连接到所述浮动扩散点FD，对所述浮动扩散点的电压信号放大输出；

行选择晶体管，根据行选择控制信号，输出像素信号到列线；

其中，所述多个光电二极管组合(binning)设置分为两组，第一组光电二极管及其相应的传输晶体管用于在低转换增益LCG模式时读取像素信号；第二组光电二极管及其相应的传输晶体管用于在高转换增益HCG模式时读取像素信号；

可选地，所述多个光电二极管为四个，以2×2结构设置，四个光电二极管分为两组，一个光电二极管设置为第一组；三个光电二极管组合(binning)设置为第二组；

可选地，所述多个光电二极管为四个，以2×2结构设置，四个光电二极管分为两组，两个光电二极管设置为第一组；另两个光电二极管组合(binning)设置为第二组；

可选地，所述多个光电二极管为四个，以2×2结构设置，四个光电二极管分为两组，三个光电二极管组合(binning)设置为第一组；一个光电二极管设置为第二组；

所述双转换增益控制单元分别处于低转换增益模式和高转换增益模式时，两组光电二极管交替工作；

本发明还提供一种图像传感器多重HDR实现方法，包含以下步骤：

将多个光电二极管分为两组，每个光电二极管分别对应各自传输晶体管；

第一组光电二极管在低转换增益模式下读取操作；

获取低转换增益模式下的一帧图像信号；

第二组光电二极管在高转换增益模式下读取操作；

获取高转换增益模式下的一帧图像信号；

对低转换增益模式的图像信号和高转换增益模式的图像信号进行运算，得到一帧HDR图像。

其中，所述图像传感器具有共享结构，包括双转换增益控制单元，所述双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管和电容，以实现低转换增益模式和高转换增益模式；所述多个光电二极管及其各自对应连接的传输晶体管共享所述双转换增益控制单元。

本发明提出的图像传感器及多重HDR实现方法，将共享结构的像素电路中的多个光电二极管设置为两组，每组光电二极管分别工作在低转换增益模式或高转换增益模式的实现方式，每组光电二极管间的组合(binning)能增加/提高图像传感器像素电路中光电二极管的有效面积，有效提高像素的满阱电荷量，从而进一步提高图像传感器输出的动态范围。

附图说明

图1为现有技术中HDR像素电路结构图；

图2为本发明提出的实施例一像素电路中光电二极管的分组示意图；

图3为本发明提出的实施例一像素电路时序图；

图4为本发明提出的实施例二像素电路中光电二极管的分组示意图；

图5为本发明提出的实施例三像素电路中光电二极管的分组示意图；

图6为本发明提出的多重HDR实现方法流程图。

具体实施方式

以下根据各附图对本发明给出的内容进行详细的说明。图1是现有技术中包含双转换增益控制单元DCG的像素电路，双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管DCG和电容Cdcg，电容Cdcg可以是器件电容的形式，或电路中寄生电容的形式。像素电路分别工作在低转换增益模式和高转换增益模式，实现输出高动态范围像素图像。

图2是图1中给出的像素电路结构中光电二极管的分组/组合(binning)示意图。如图2中所示，具有共享结构的像素电路包含四个光电二极管PD0，PD1，PD2，PD3，四个光电二极管分成两组：PD0为第一组，PD1，PD2和PD3组合(binning)设置为第二组。第一组光电二极管PD0在像素电路低转换增益模式下读取操作，第二组光电二极管PD1，PD2及PD3在高转换增益模式下读取操作。结合图3给出的时序图，本发明提出的图像传感器像素电路读取过程如下：

a.控制信号row_sel置为高电平，晶体管RSW导通；rst，dcg置为高电平，晶体管RST、DCG导通，初始化浮动扩散点FD；

b.rst置为低电平，晶体管RST关闭，读取低转换增益模式LCG的初始电压VL0；

c.控制信号tx0置为高电平，传输晶体管TX0导通，光电二极管PD0累积的电荷转移到浮动扩散点FD；

d.tx0置为低电平，传输晶体管TX0关闭，读取低转换增益模式LCG的信号电压VL1；

e.控制信号rst置为高电平，晶体管RST和DCG导通，再次初始化浮动扩散点FD；

f.rst和dcg置为低电平，读取高转换增益模式HCG的初始电压Vh0；

g.控制信号tx1，tx2及tx3同时置为高电平，晶体管TX1，TX2和TX3导通，光电二极管PD1，PD2和PD3累积的电荷转移到浮动扩散点FD；

h.tx1，tx2及tx3置为低电平，读取高增益转换模式HCG的信号电压Vh1；

分别对VL1和VL0，Vh1和Vh0进行相关运算，可得VL＝VL1-VL0，Vh＝Vh1-Vh0，则低转换增益模式和高转换增益模式的两帧图像信号可合成为一帧HDR图像输出。

本发明实施例一所提供的图像传感器结合了双转换增益控制和光电二极管组合(binning)设置的实现方式，通过对像素电路的光电二极管间的组合设置以增加光电二极管的有效面积，从而提高像素的满阱电荷量，并进一步实现图像传感器HDR。

图4为本发明实施例二中给出的光电二极管的设置分组示意图。如图中所示，仍以像素电路中包含四个光电二极管的共享结构为例，光电二极管PD0和PD3组合设为第一组，PD1和PD2组合设置为第二组。PD0和PD3在像素电路低转换增益模式时读取操作，PD1和PD2在高转换增益模式时读取操作。分别对低转换增益模式输出的图像信号和高转换增益模式输出的图像信号进行相关运算，得到多重HDR输出图像。本实施例中，图像传感器的具体实施过程不再另行赘述，其过程可参考实施例一中的实现过程。与实施例一不同之处是PD0和PD3同时读取操作，PD1和PD2同时读取操作。

图5是本发明实施例三中给出的光电二极管的设置分组示意图。如图中所示，仍以像素电路中包含四个光电二极管的共享结构为例，光电二极管PD0，PD1和PD3组合设置设为第一组，PD2设置为第二组。第一组光电二极管PD0，PD1和PD3在低转换增益模式时读取操作，PD2在高转换增益模式时读取操作。分别对低转换增益模式输出的图像信号和高转换增益模式输出的图像信号进行相关运算，获取多重HDR输出图像。本实施例中，图像传感器的具体实施过程不再另行赘述，其过程可参考实施例一中的实现过程。与实施例一不同之处是本实施例中PD0，PD1和PD3同时读取操作，另一组PD2再读取操作。

图6是本发明给出的多重HDR实现方法流程图，其具体实施步骤如下：

将图像传感器共享结构中多个光电二极管分为两组，每个光电二极管分别对应连接各自的传输晶体管；以将光电二极管光电效应累积的电荷信号转移到浮动扩散点FD；

第一组光电二极管在像素电路的低转换增益模式下读取操作；

获取低转换增益模式下的一帧图像信号；

第二组光电二极管在像素电路的高转换增益模式下读取操作；

获取高转换增益模式下的一帧图像信号；

对低转换增益模式下的图像信号和高转换增益模式下的图像信号进行相关运算，得到一帧多重HDR图像。

本发明给出的多个实施例及附图，是为了说明的目的，在不背离本发明更广泛的主旨和范围下，不同形式的等效修改是可能的。根据上述详细的说明可对本发明实施例进行修改。用于权利要求中的术语不应解释为限定于本发明具体实施内容和权利要求部分中所揭露的具体实施例。相反地，权利要求中完整确定的范围应解释为根据权利要求解释确立的声明。本发明的说明书和附图应被看作是解释性的，而不是约束性的。

Claims (12)

1.一种图像传感器，具有共享结构，所述图像传感器包括：

多个光电二极管，每个光电二极管分别连接到各自的传输晶体管；

双转换增益控制单元，包括双转换增益晶体管及电容，所述多个光电二极管及其连接的所述传输晶体管共享所述双转换增益控制单元；

其中，所述多个光电二极管组合设置分为两组，第一组光电二极管所对应的传输晶体管同时导通以在所述双转换增益控制单元的低转换增益模式下进行读取操作，第二组光电二极管所对应的传输晶体管同时导通以在所述双转换增益控制单元的高转换增益模式下进行读取操作。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多个光电二极管为四个，以2×2结构设置。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述四个光电二极管中的一个光电二极管设置为第一组；三个光电二极管组合设置为第二组。

4.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述四个光电二极管中的两个光电二极管组合设置为第一组；其余两个光电二极管组合设置为第二组。

5.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述四个光电二极管中的三个光电二极管组合设置为第一组；一个光电二极管设置为第二组。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述电容为器件电容或寄生电容。

7.一种图像传感器多重HDR的实现方法，所述图像传感器包含多个光电二极管，每个光电二极管对应连接到各自的传输晶体管，所述多个光电二极管及其连接的传输晶体管共享双转换增益控制单元，其特征在于，包含以下步骤：

将所述多个光电二极管组合设置，分为两组；

第一组光电二极管所对应的传输晶体管同时导通以在低转换增益模式下进行读取操作；

获取低转换增益模式下的一帧图像信号；

第二组光电二极管所对应的传输晶体管同时导通以在高转换增益模式下进行读取操作；

获取高转换增益模式下的一帧图像信号；

对低转换增益模式的图像信号和高转换增益模式的图像信号进行运算，得到一帧HDR图像。

8.根据权利要求7所述的图像传感器多重HDR的实现方法，其特征在于，所述多个光电二极管为四个，以2×2结构设置。

9.根据权利要求8所述的图像传感器多重HDR的实现方法，其特征在于，所述四个光电二极管中的一个光电二极管设置为第一组，三个光电二极管组合设置为第二组。

10.根据权利要求8所述的图像传感器多重HDR的实现方法，其特征在于，所述四个光电二极管中的两个光电二极管组合设置为第一组，其余两个光电二极管组合设置为第二组。

11.根据权利要求8所述的图像传感器多重HDR的实现方法，其特征在于，所述四个光电二极管中的三个光电二极管组合设置为第一组，一个光电二极管设置为第二组。

12.根据权利要求7所述的图像传感器多重HDR的实现方法，其特征在于，所述双转换增益控制单元包括双转换增益晶体管和电容，所述电容为器件电容或寄生电容。

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