CN109040631A - 多采样cmos图像传感器像元结构及其超高速图像获取方法 - Google Patents

Abstract

为解决采用现有技术实现CMOS图像传感器数十纳秒级的超高速成像能力时，成本高、成像性能不佳、工艺复杂的技术问题，本发明提供了一种多采样CMOS图像传感器像元结构及其超高速图像获取方法。每个像元结构包括一个光电二极管；光电二极管的n个输出端口均连接有一个控制开关管；每个控制开关管输出端均连接一个浮置扩散区电容；n个浮置扩散区电容共用一个控制晶体管电路；每个浮置扩散区电容与控制晶体管电路间均设置有电荷输出选通开关；n≥2。本发明多帧缓存图像间的帧间隔由图像信号从光电二极管到浮置扩散区电容的转移时间决定，在现代CMOS工艺下该转移时间能够达到百纳秒量级，能实现CMOS图像传感器数百纳秒时间分辨条件下的超高速连续多帧成像。

Description

多采样CMOS图像传感器像元结构及其超高速图像获取方法

技术领域

本发明涉及高速成像领域和光学图像传感器领域，具体涉及一种多采样CMOS图像传感器像元结构及其超高速图像获取方法。

背景技术

超高速成像系统能够获取微秒级甚至纳秒级超快反应过程的瞬态图像，对超快过程的机理研究有着重要的意义，而图像传感器芯片作为成像系统的核心器件发挥着关键作用。

传统的图像传感器主要有两种：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有成本低、功耗低、开发难度小、片内能集成各种模拟或数字电路等优点，随着现代CMOS工艺的不断进步，CMOS图像传感器已发展为市场上的主流图像传感器。如图1所示，传统CMOS图像传感器像元主要由光电二极管、栅阀门、浮置扩散区电容和控制晶体管电路组成，光电二极管将光信号转换为电信号，浮置扩散区电容用于电信号缓存，控制晶体管电路则控制电信号转移至外部读出电路。

现代CMOS图像传感器内部集成的像元数达到百万级甚至千万级，而信号的读出电路是有限的，因此需由控制晶体管电路控制各像元产生的信号依次读出，全部像元电荷的读出时间限制了CMOS图像传感器能够达到的最大帧频率。目前，CMOS图像传感器在百万像素分辨条件下的时间分辨最快能达到百微秒量级，无法实现数十纳秒时间分辨条件下的连续成像。

CMOS相机配合像增强器组成ICMOS相机，利用像增强器的超快门控开关，能够将CMOS图像传感器应用于纳秒级的超快反应过程，但是这只能够获取一幅曝光图像。为了获取超快过程的系列多幅图像，一种有效的方法是利用分幅镜头进行光路均分，后端采用多个ICMOS相机进行分时曝光来实现，但是这种方法造成成本上的成倍增加，而且分光的不均匀性会对成像性能带来影响。原位存储方法通过在像元内部集成数十个存储单元，能够实现百纳秒级时间分辨、数十幅图像连续获取的成像能力，但是这种方法工艺非常复杂，实现难度较大。

发明内容

为解决采用现有技术实现CMOS图像传感器数十纳秒级的超高速成像能力时，成本高、成像性能不佳、工艺复杂的技术问题，本发明提供了一种多采样CMOS图像传感器像元结构及其超高速图像获取方法。

本发明的发明构思：

本发明突破传统CMOS图像传感器光电二极管配备单个采样电容的模式，为一个光电二极管配备多个浮置扩散区电容，通过控制晶体管电路的时序控制，将光电二极管分时曝光产生的图像数据分别缓存至多个浮置扩散区电容，最后将各个浮置扩散区电容上的缓存数据先后读出至像元外部的外部读出电路并输出，从而能够在全分辨条件下获取高时间分辨的系列多幅图像。

本发明的技术解决方案为：

多采样CMOS图像传感器像元结构，其特殊之处在于：每个像元包括一个光电二极管；光电二极管的n个输出端口均连接有一个控制开关管；每个控制开关管的输出端均连接有一个浮置扩散区电容；n个浮置扩散区电容共用一个控制晶体管电路；每个浮置扩散区电容与控制晶体管电路之间均设置有电荷输出选通开关；n≥2。

进一步地，控制晶体管电路包括一个光电二极管复位晶体管、一个浮置扩散区电容复位晶体管、一个源极跟随器、一个行选通晶体管；

光电二极管复位晶体管用于对所述光电二极管进行复位；

浮置扩散区电容复位晶体管用于对所述n个浮置扩散区电容进行复位；

n个浮置扩散区电容共用所述源极跟随器和所述行选通晶体管，n个浮置扩散区电容在所述电荷输出选通开关的控制下，分时将其存储的缓存数据依次经源极跟随器和行选通晶体管后，输出至像元外部的信号读出电路。

进一步地，光电二极管为全pinned光电二极管。

进一步地，控制开关管为栅阀门。

本发明同时提供了一种利用上述多采样CMOS图像传感器像元结构进行超高速图像获取的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】对光电二极管和n个浮置扩散区电容进行复位；

2】对光电二极管的光敏区进行曝光，光电二极管累积光生电荷，生成第1帧图像数据；

3】打开第一个控制开关管，将光电二极管第1帧累积光生电荷转移至与之对应的浮置扩散区电容进行缓存；

4】对光电二极管进行复位；

5】对光电二极管的光敏区进行第二次曝光，光电二极管累积光生电荷，形成第2帧图像数据；

6】打开第二个控制开关管，将光电二极管第2帧累积光生电荷转移至与之对应的浮置扩散区电容进行缓存；

以此类推；

7】对光电二极管的光敏区进行第n次曝光，光电二极管累积光生电荷，形成第n帧图像数据；

8】打开第n个控制开关管，将光电二极管第n帧累积光生电荷转移至与之对应的浮置扩散区电容进行缓存；

9】将n个浮置扩散区电容缓存的光生电荷，按由第一个到第n个的顺序，依次转移至像元结构外部的信号读出电路进行读出。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的多采样CMOS图像传感器像元结构中单个光电二极管连接多个输出栅阀门和多个浮置扩散区电容，外部时序控制多路栅阀门和浮置扩散区电容分时采样并缓存图像信号，多帧缓存图像之间的帧间隔由图像信号从光电二极管到浮置扩散区电容的转移时间决定，在现代CMOS工艺下该转移时间能够达到百纳秒量级，这样就能够实现CMOS图像传感器数百纳秒时间分辨条件下的超高速成像能力，并能够连续获取多帧图像。

2.本发明提供的多采样CMOS图像传感器结构，基于现有的CMOS图像传感器工艺即可实现，实现难度相对较小。

3.采用本发明多采样CMOS图像传感器像元结构实现的CMOS图像传感器时，对现有CMOS图像传感器工艺改动较小，极大地降低了现有超高速连续成像设备的研制成本，能够在快物理过程研究领域发挥重要作用。

附图说明

图1是传统CMOS图像传感器像元结构内部模型图。

图2是本发明多采样CMOS图像传感器像元结构实施例的内部模型图(四端口采样)。

图3是图2所示多采样像元结构对应的像元内部电路结构图。

图4是本发明多采样CMOS图像传感器内部控制时序关系图。

具体实施方式

本发明提供的多采样CMOS图像传感器像元结构，与图1所示传统CMOS图像传感器像元结构不同的是，本发明一个光电二极管连接多个控制开关管和多个浮置扩散区电容，能够分时对光电二极管产生的图像信号进行采样并缓存，以获取多幅高时间分辨的图像数据。

下面以四端口采样CMOS图像传感器像元结构模型为例，对本发明进行详述：

如图2所示，四个栅阀门均匀地分布在光电二极管周围，每个栅阀门均连接一个浮置扩散区电容，四个浮置扩散区电容共用一个控制晶体管电路，通过四个电荷输出选通开关控制浮置扩散区电容缓存信号的分时传输，最后与像元外的外部读出电路相连。

图3是图2所示多采样CMOS图像传感器像元结构对应的像元内部电路结构图，其中M1为光电二极管复位晶体管，M2、M3、M4、M5为四个栅阀门结构的控制开关管，M6、M7、M8、M9为四个电容缓存数据的电荷输出选通开关，M10为浮置扩散区电容复位晶体管，M11为源极跟随器，M12为行选通晶体管，C1、C2、C3、C4为四个浮置扩散区电容。PRST为光电二极管复位信号，TX1、TX2、TX3、TX4为栅阀门开关信号，TC1、TC2、TC3、TC4为缓存数据输出控制信号，CRST为电容复位信号，SEL为行选择信号。

以下结合图3，对本发明像元结构的工作原理和成像过程进行说明：

1、PRST和CRST信号分别控制打开光电二极管复位晶体管M1和浮置扩散区电容复位晶体管M10，分别对光电二极管和浮置扩散区电容C1～C4进行复位；

2、对光电二极管的光敏区进行第一次曝光，光电二极管累积光生电荷，产生第1帧图像数据；

3、TX1信号控制打开控制开关管M2，将光电二极管第1帧累积光生电荷(图像数据)转移至浮置扩散区电容C1进行缓存；

4、PRST信号控制打开光电二极管复位晶体管M1，对光电二极管进行复位；

5、对光电二极管的光敏区进行第二次曝光，光电二极管累积光生电荷，产生第2帧图像数据；

6、TX2信号控制打开控制开关管M3，将光电二极管第2帧累积光生电荷转移至浮置扩散区电容C2进行缓存；

7、PRST信号控制打开光电二极管复位晶体管M1，对光电二极管进行复位；

8、对光电二极管的光敏区进行第三次曝光，光电二极管累积光生电荷，产生第3帧图像数据；

9、TX3信号控制打开控制开关管M4，将光电二极管第3帧累积光生电荷转移至浮置扩散区电容C3进行缓存；

10、PRST信号控制打开光电二极管复位晶体管M1，对光电二极管进行复位；

11、对光电二极管的光敏区进行第四次曝光，光电二极管累积光生电荷，产生第4帧图像数据；

12、TX4信号控制打开控制开关管M5，将光电二极管第4帧累积光生电荷转移至浮置扩散区电容C4进行缓存；

13、TC1信号打开电荷输出选通开关M6，将浮置扩散区电容C1中缓存数据输出，经过源极跟随器M11和行选择晶体管M12后，输出至像元外部的信号读出电路；

14、在像元产生的第一帧图像数据全部读出后，TC2信号打开电荷输出选通开关M7，将浮置扩散区电容C2中缓存数据输出，经过源极跟随器M11和行选择晶体管M12后，输出至像元外部的信号读出电路；

15、在像元产生的第二帧图像数据全部读出后，TC3信号打开电荷输出选通开关M8，将浮置扩散区电容C3中缓存数据输出，经过源极跟随器M11和行选择晶体管M12后，输出至像元外部的信号读出电路；

16、在像元产生的第三帧图像数据全部读出后，TC4信号打开电荷输出选通开关M9，将浮置扩散区电容C4中缓存数据输出，经过源极跟随器M11和行选择晶体管M12后，输出至像元外部的信号读出电路；

17、在像元产生的第四帧图像数据全部读出后，整个成像过程结束，这样就形成了四幅全分辨图像数据。

这四幅图像数据的最小时间间隔(或最大帧频率)由电荷从光电二极管转移至浮置扩散区电容的最小转移时间，以及光电二极管的最小复位时间共同决定。各控制信号之间的时序关系如图4所示，这里假设所有信号都是高电平有效，其中t1是光电二极管复位时间，t2是电容复位时间，t3是一帧图像曝光时间，t4是电荷由光电二极管至电容的转移时间，t5是一帧全部图像数据的读出时间，图像之间的最小时间间隔由t4决定。

Claims (5)

1.多采样CMOS图像传感器像元结构，其特征在于：每个像元包括一个光电二极管；光电二极管的n个输出端口均连接有一个控制开关管；每个控制开关管的输出端均连接有一个浮置扩散区电容；n个浮置扩散区电容共用一个控制晶体管电路；每个浮置扩散区电容与控制晶体管电路之间均设置有电荷输出选通开关；n≥2。

2.根据权利要求1所述的多采样CMOS图像传感器像元结构，其特征在于：控制晶体管电路包括一个光电二极管复位晶体管、一个浮置扩散区电容复位晶体管、一个源极跟随器、一个行选通晶体管；

光电二极管复位晶体管用于对所述光电二极管进行复位；

浮置扩散区电容复位晶体管用于对所述n个浮置扩散区电容进行复位；

n个浮置扩散区电容共用所述源极跟随器和所述行选通晶体管，n个浮置扩散区电容在所述电荷输出选通开关的控制下，分时将其存储的缓存数据依次经源极跟随器和行选通晶体管后，输出至像元外部的信号读出电路。

3.根据权利要求1所述的多采样CMOS图像传感器像元结构，其特征在于：光电二极管为全pinned光电二极管。

4.根据权利要求1所述的多采样CMOS图像传感器像元结构，其特征在于：控制开关管为栅阀门。

5.利用权利要求1-4任一所述的多采样CMOS图像传感器像元结构进行超高速图像获取的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】对光电二极管和n个浮置扩散区电容进行复位；

2】对光电二极管的光敏区进行曝光，光电二极管累积光生电荷，生成第1帧图像数据；

3】打开第一个控制开关管，将光电二极管第1帧累积光生电荷转移至与之对应的浮置扩散区电容进行缓存；

4】对光电二极管进行复位；

5】对光电二极管的光敏区进行第二次曝光，光电二极管累积光生电荷，形成第2帧图像数据；

6】打开第二个控制开关管，将光电二极管第2帧累积光生电荷转移至与之对应的浮置扩散区电容进行缓存；

以此类推；

7】对光电二极管的光敏区进行第n次曝光，光电二极管累积光生电荷，形成第n帧图像数据；

8】打开第n个控制开关管，将光电二极管第n帧累积光生电荷转移至与之对应的浮置扩散区电容进行缓存；

9】将n个浮置扩散区电容缓存的光生电荷，按由第一个到第n个的顺序，依次转移至像元结构外部的信号读出电路进行读出。