CN109889735B - 像素电路及图像传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种像素电路及图像传感器，该像素电路包括：光电二极管，光电二极管的阳极接地；时间检测模块，时间检测模块与光电二极管的阴极连接，用于根据光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间。本申请的像素电路及图像传感器，通过饱和曝光时间可得到该像素有效的光强信息，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

Description

像素电路及图像传感器

技术领域

本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种像素电路及图像传感器。

背景技术

高动态图像相比普通的图像，可以提供更多的动态范围和图像细节。相关技术中，通常经过多次曝光，然后将多次曝光的图像进行融合或者通过不同像素的长短曝光来得到高动态图像，然而，多帧融合存在伪边和重影(Ghost)问题，长短曝光也存在伪边问题。

发明内容

本申请的第一个目的在于提出一种像素电路，时间检测模块根据光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间，通过饱和曝光时间可得到该像素有效的光强信息，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

本申请的第二个目的在于提出一种图像传感器。

本申请第一方面实施例提出了一种像素电路，包括：

光电二极管，所述光电二极管的阳极接地；

时间检测模块，所述时间检测模块与所述光电二极管的阴极连接，用于根据所述光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间。

根据本申请实施例提出的像素电路，光电二极管的阳极接地；时间检测模块与光电二极管的阴极连接，用于根据光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间，通过饱和曝光时间可得到该像素有效的光强信息，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

根据本申请的一个实施例，该像素电路还包括：乘法电路，所述乘法电路与所述时间检测模块连接，用于根据所述饱和曝光时间得到所述像素在设定曝光时间下的第一感光能量信号强度。

根据本申请的一个实施例，所述乘法电路具体用于：计算所述设定曝光时间和所述饱和曝光时间的比值；计算所述比值与预设的饱和信号强度的乘积，得到所述第一感光能量信号强度。

根据本申请的一个实施例，所述时间检测模块包括：第一电压比较器，所述第一电压比较器的输入正端与所述光电二极管的阴极连接，用于输入所述感光电压，所述第一电压比较器的输入负端用于输入设定饱和电压，所述第一电压比较器用于当所述感光电压大于所述设定饱和电压时，输出高电平信号，当所述感光电压等于或者小于所述设定饱和电压时，输出低电平信号；第一恒流电流器，所述第一恒流电流器的输出端接地；第一开关，所述第一开关的第一端与所述第一恒流电流器的输入端连接，所述第一开关的控制端与所述第一电压比较器的输出端连接，用于当接收到所述高电平信号时断开；电容，所述电容的第一端接地，所述电容的第二端与所述第一开关的第二端连接；第二开关，所述第二开关的第一端与直流电压源连接，所述第二开关的第二端与所述电容的第二端连接；第三开关，所述第三开关的第一端与所述电容的第二端连接；时间检测电路，所述时间检测电路与所述第三开关的第二端连接，用于根据所述第三开关的第二端的电压生成所述饱和曝光时间。

根据本申请的一个实施例，所述时间检测电路包括：第二电压比较器，所述第二电压比较器的输入正端与所述第三开关的第二端连接，所述第二电压比较器的输入负端用于输入设定滑坡电压，所述第二电压比较器用于当所述第三开关的第二端的电压等于或者小于所述设定滑坡电压时，输出低电平信号，当所述第三开关的第二端的电压大于所述设定滑坡电压时，输出高电平信号；第一计时器，所述第一计时器与所述第二电压比较器的输出端连接，用于对接收到所述高电平信号的时间进行计时，得到所述饱和曝光时间。

根据本申请的一个实施例，该像素电路还包括：二极管，所述二极管的阳极与所述第一电压比较器的输出端连接，所述二极管的阴极用于输入传输栅极信号或重置栅极信号。

根据本申请的一个实施例，该像素电路还包括：第一晶体管，所述第一晶体管的控制端用于输入重置栅极信号，所述第一晶体管的第一端与所述直流电压源连接；第二晶体管，所述第二晶体管的控制端用于输入传输栅极信号，所述第二晶体管的第一端与所述第一晶体管的第二端连接，所述第二晶体管的第二端与所述光电二极管的阴极连接。

根据本申请的一个实施例，该像素电路还包括：第三晶体管，所述第三晶体管的控制端与所述第一晶体管的第二端连接，所述第三晶体管的第一端与所述直流电压源连接；第四晶体管，所述第四晶体管的控制端用于输入行选信号，所述第四晶体管的第一端与所述第三晶体管的第二端连接；第二恒流电流器，所述第二恒流电流器的输入端与所述第四晶体管的第二端连接，所述第二恒流电流器的输出端接地；强度检测电路，所述强度检测电路与所述第四晶体管的第二端连接，用于根据所述第四晶体管的第二端的电压输出第二感光能量信号强度。

根据本申请的一个实施例，该像素电路还包括：二选一输出开关，所述二选一输出开关的第一输入端与所述时间检测电路连接，所述二选一输出开关的第二输入端与所述强度检测电路连接；第五晶体管，所述第五晶体管的控制端用于输入所述行选信号，所述第五晶体管的第一端与所述第三开关的第二端连接；放大器，所述第五晶体管的第二端通过所述放大器与所述二选一输出开关的控制端连接。

根据本申请的一个实施例，所述强度检测电路包括：第三电压比较器，所述第三电压比较器的输入负端与所述第四晶体管的第二端连接，所述第三电压比较器的输入正端用于输入设定爬坡电压，所述第三电压比较器用于当所述第四晶体管的第二端的电压等于或者小于所述设定爬坡电压时，输出高电平信号，当所述第四晶体管的第二端的电压大于所述设定爬坡电压时，输出低电平信号；第二计时器，所述第二计时器与所述第三电压比较器的输出端连接，用于根据所述高电平信号和所述低电平信号，得到所述第二感光能量信号强度。

本申请第二方面实施例提出了一种图像传感器，包括：多个如本申请第一方面实施例所述的像素电路。

附图说明

图1是根据本申请一个实施例的像素电路的结构图；

图2是感光电压与曝光时间关系图；

图3是根据本申请另一个实施例的像素电路的结构图；

图4是电容电压与放电时间关系图；

图5是根据本申请另一个实施例的图像传感器的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面结合附图来描述本申请实施例的像素电路及图像传感器。

图1是根据本申请一个实施例的像素电路的结构图，如图1所示，该像素电路包括：

光电二极管PD，光电二极管PD的阳极接地；

时间检测模块11，时间检测模块11与光电二极管PD的阴极连接，用于根据光电二极管的感光电压OUT0生成像素的饱和曝光时间T。

本申请实施例中，时间检测模块11根据光电二极管的感光电压OUT0生成像素的饱和曝光时间T，其中，饱和曝光时间T的格式可为最高位为1，其余n位为所饱和曝光时间T的信息(时钟周期数)。光电二极管PD在非饱和状态下，如图2所示，其感光强度(体现在感光电压上)与曝光时间成线性关系，因此，获取该像素的曝光时间，即可根据饱和曝光时间T可得到该像素有效的光强信息，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

进一步的，如图1所示，该像素电路还可包括：乘法电路12，乘法电路12与时间检测模块11连接，用于根据饱和曝光时间T得到像素在设定曝光时间Ts下的第一感光能量信号强度S。

具体的，由于光电二极管PD在非饱和状态下感光强度与曝光时间成线性关系，因此，乘法电路11可计算设定曝光时间Ts和饱和曝光时间T的比值；计算比值与预设的饱和信号强度Sat的乘积，得到第一感光能量信号强度S，即S＝(Ts/T)*Sat，其中，Sat是光电二极管PD饱和状态下的最大感光能量信号强度。

根据本申请实施例提出的像素电路，光电二极管的阳极接地；时间检测模块与光电二极管的阴极连接，用于根据光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间，通过饱和曝光时间可得到该像素有效的光强信息，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

进一步的，如图3所示，时间检测模块11包括：

第一电压比较器CMP1，第一电压比较器CMP1的输入正端与光电二极管PD的阴极连接，用于输入感光电压OUT0，第一电压比较器CMP1的输入负端用于输入设定饱和电压Ref，第一电压比较器CMP1用于当感光电压OUT0大于设定饱和电压Ref时，输出高电平信号，当感光电压OUT0等于或者小于设定饱和电压Ref时，输出低电平信号；

第一恒流电流器I，第一恒流电流器I的输出端接地；

第一开关S1，第一开关S1的第一端与第一恒流电流器I的输入端连接，第一开关S1的控制端与第一电压比较器CMP1的输出端连接，用于当接收到高电平信号时断开；

电容C，电容C的第一端接地，电容C的第二端与第一开关S1的第二端连接；

第二开关S0，第二开关S0的第一端与直流电压源连接，第二开关S0的第二端与电容C的第二端连接；

第三开关S2，第三开关S2的第一端与电容C的第二端连接；

时间检测电路21，时间检测电路21与第三开关S2的第二端连接，用于根据第三开关S2的第二端的电压生成饱和曝光时间T。

本申请实施例中，在开始曝光之前，进行复位操作，即设置设定饱和电压Ref及第一恒流电流器I的电流I1，同时断开S1、S2，闭合S0，VPIX为电容C充电。开始曝光时，S0断开，S1闭合，电容C开始以I1电流进行放电，同时，感光电压OUT0从0逐渐增加，当感光电压OUT0达到设定饱和电压Ref后，第一比较器CMP1输出高电平信号，S1断开，电容C停止放电，电容C放电的时间即饱和曝光时间T。由于电容C、电流I1确定，因此如图4所示，饱和曝光时间T＝ΔV*C/I1，其中，ΔV为电容C的压降，即可根据电容的压降ΔV换算得到饱和曝光时间T。其中，S2由行选信号SEL控制，第一恒流电流器I的电流I1可通过编程设置，在已经曝光时间的情况下可通过调整I1确保在不饱和情况下电容C全部放电。

具体的，如图3所示，时间检测电路21可包括，

第二电压比较器CMP2，第二电压比较器CMP2的输入正端与第三开关S2的第二端连接，第二电压比较器CMP2的输入负端用于输入设定滑坡电压Ramp2，第二电压比较器CMP2用于当第三开关S2的第二端的电压OUT1等于或者小于设定滑坡电压Ramp2时，输出低电平信号，当第三开关S2的第二端的电压OUT1大于设定滑坡电压Ramp2时，输出高电平信号；

第一计时器TCounter，第一计时器TCounter与第二电压比较器CMP2的输出端连接，用于对接收到高电平信号的时间进行计时，得到饱和曝光时间T。

进一步的，如图3所示，该像素电路还可包括：

二极管D1，二极管D1的阳极与第一电压比较器CMP1的输出端连接，二极管D1的阴极用于输入传输栅极信号TG或重置栅极信号RG。

第一晶体管Q1，第一晶体管Q1的控制端用于输入重置栅极信号RG，第一晶体管Q1的第一端与直流电压源VPIX连接；

第二晶体管Q2，第二晶体管Q2的控制端用于输入传输栅极信号TG，第二晶体管Q2的第一端与第一晶体管Q1的第二端连接，第二晶体管Q2的第二端与光电二极管PD的阴极连接。

第三晶体管Q3，第三晶体管Q3的控制端与第一晶体管Q1的第二端连接，第三晶体管Q3的第一端与直流电压源VPIX连接；

第四晶体管Q4，第四晶体管Q4的控制端用于输入行选信号SEL，第四晶体管Q4的第一端与第三晶体管Q3的第二端连接；

第二恒流电流器A，第二恒流电流器A的输入端与第四晶体管Q4的第二端连接，第二恒流电流器A的输出端接地；

强度检测电路12，强度检测电路12与第四晶体管Q4的第二端连接，用于根据第四晶体管Q4的第二端的电压输出第二感光能量信号强度。

二选一输出开关S3，二选一输出开关S3的第一输入端与时间检测电路21连接，二选一输出开关S3的第二输入端与强度检测电路12连接；

第五晶体管Q5，第五晶体管Q5的控制端用于输入行选信号SEL，第五晶体管Q5的第一端与第三开关S2的第二端连接；

放大器OP，第五晶体管Q5的第二端通过放大器OP与二选一输出开关S3的控制端连接。

本申请实施例中，第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4及第五晶体管Q5具体可为如图3所示的金属-氧化物-半导体晶体管(Metal OxideSemiconductor，简称MOS管)，其控制端为MOS管的栅极。二极管D1用于传输栅极信号TG和重置栅极信号RG的选择，可确保在饱和曝光的像素不影响到其他周围的像素。

具体的，如图3所示，强度检测电路12可包括：

第三电压比较器CMP3，第三电压比较器CMP3的输入负端与第四晶体管Q4的第二端连接，第三电压比较器CMP3的输入正端用于输入设定爬坡电压Ramp1，第三电压比较器CMP3用于当第四晶体管Q4的第二端的电压等于或者小于设定爬坡电压Ramp1时，输出高电平信号，当第四晶体管Q4的第二端的电压大于设定爬坡电压Ramp1时，输出低电平信号；

第二计时器Counter，第二计时器Counter与第三电压比较器CMP3的输出端连接，用于根据高电平信号和低电平信号，得到第二感光能量信号强度。

本申请实施例的像素电路的工作原理如下：

第二电压比较器CMP2在OUT1≤Ramp2时，输出低电平信号，当OUT1＞Ramp2时，输出高电平信号，第一计时器Tcounter对接收到的高电平信号的时间计时，得到饱和曝光时间T。

第三电压比较器CMP3在OUT≤Ramp1时输出高电平信号，在OUT＞Ramp1时输出低电平信号，第二计时器Counter用于根据高电平信号和低电平信号，得到第二感光能量信号强度。

行选信号有效时，如果Q5的第二端仍有电压经过放大器OP，即电容C未全部放电，则饱和曝光，此时S3选择输出饱和曝光时间T；如果Q5的第二端不存在电压经过放大器OP，即电容C全部放电，则未饱和曝光，此时S3选择输出第二感光能量信号强度。即S3输出的为可以换算得到像素有效光强信息的饱和曝光时间T或可直接表达像素有效光强信息的第二感光能量信号强度，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

此外，作为另一种可行的实施方式，可将强度检测电路12与时间检测电路21合并，通过OUT1选择信号类型，OUT1有输出则为滑坡电压，OUT1没有输出则为爬坡电压。

根据本申请实施例提出的像素电路，光电二极管的阳极接地；时间检测模块与光电二极管的阴极连接，用于根据光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间，通过饱和曝光时间可得到该像素有效的光强信息，无需通过多次曝光进行场景恢复，可以有效的解决多次曝光存在的伪边问题及Ghost问题。

为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种图像传感器30，如图5所示，包括如上述实施例所示的像素电路31。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种像素电路，其特征在于，包括：

光电二极管，所述光电二极管的阳极接地；

时间检测模块，所述时间检测模块与所述光电二极管的阴极连接，用于根据所述光电二极管的感光电压生成像素的饱和曝光时间；

所述时间检测模块包括：

第一电压比较器，所述第一电压比较器的输入正端与所述光电二极管的阴极连接，用于输入所述感光电压，所述第一电压比较器的输入负端用于输入设定饱和电压，所述第一电压比较器用于当所述感光电压大于所述设定饱和电压时，输出高电平信号，当所述感光电压等于或者小于所述设定饱和电压时，输出低电平信号；

第一恒流电流器，所述第一恒流电流器的输出端接地；

第一开关，所述第一开关的第一端与所述第一恒流电流器的输入端连接，所述第一开关的控制端与所述第一电压比较器的输出端连接，用于当接收到所述高电平信号时断开；

电容，所述电容的第一端接地，所述电容的第二端与所述第一开关的第二端连接；

第二开关，所述第二开关的第一端与直流电压源连接，所述第二开关的第二端与所述电容的第二端连接；

第三开关，所述第三开关的第一端与所述电容的第二端连接；

时间检测电路，所述时间检测电路与所述第三开关的第二端连接，用于根据所述第三开关的第二端的电压生成所述饱和曝光时间。

2.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，还包括：

乘法电路，所述乘法电路与所述时间检测模块连接，用于根据所述饱和曝光时间得到所述像素在设定曝光时间下的第一感光能量信号强度。

3.根据权利要求2所述的像素电路，其特征在于，所述乘法电路具体用于：

计算所述设定曝光时间和所述饱和曝光时间的比值；

计算所述比值与预设的饱和信号强度的乘积，得到所述第一感光能量信号强度。

4.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，所述时间检测电路包括：

第二电压比较器，所述第二电压比较器的输入正端与所述第三开关的第二端连接，所述第二电压比较器的输入负端用于输入设定滑坡电压，所述第二电压比较器用于当所述第三开关的第二端的电压等于或者小于所述设定滑坡电压时，输出低电平信号，当所述第三开关的第二端的电压大于所述设定滑坡电压时，输出高电平信号；

第一计时器，所述第一计时器与所述第二电压比较器的输出端连接，用于对接收到所述高电平信号的时间进行计时，得到所述饱和曝光时间。

5.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，还包括：

二极管，所述二极管的阳极与所述第一电压比较器的输出端连接，所述二极管的阴极用于输入传输栅极信号或重置栅极信号。

6.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，还包括：

第一晶体管，所述第一晶体管的控制端用于输入重置栅极信号，所述第一晶体管的第一端与所述直流电压源连接；

第二晶体管，所述第二晶体管的控制端用于输入传输栅极信号，所述第二晶体管的第一端与所述第一晶体管的第二端连接，所述第二晶体管的第二端与所述光电二极管的阴极连接。

7.根据权利要求6所述的像素电路，其特征在于，还包括：

第三晶体管，所述第三晶体管的控制端与所述第一晶体管的第二端连接，所述第三晶体管的第一端与所述直流电压源连接；

第四晶体管，所述第四晶体管的控制端用于输入行选信号，所述第四晶体管的第一端与所述第三晶体管的第二端连接；

第二恒流电流器，所述第二恒流电流器的输入端与所述第四晶体管的第二端连接，所述第二恒流电流器的输出端接地；

强度检测电路，所述强度检测电路与所述第四晶体管的第二端连接，用于根据所述第四晶体管的第二端的电压输出第二感光能量信号强度。

8.根据权利要求7所述的像素电路，其特征在于，还包括：

二选一输出开关，所述二选一输出开关的第一输入端与所述时间检测电路连接，所述二选一输出开关的第二输入端与所述强度检测电路连接；

第五晶体管，所述第五晶体管的控制端用于输入所述行选信号，所述第五晶体管的第一端与所述第三开关的第二端连接；

放大器，所述第五晶体管的第二端通过所述放大器与所述二选一输出开关的控制端连接。

9.根据权利要求7所述的像素电路，其特征在于，所述强度检测电路包括：

第三电压比较器，所述第三电压比较器的输入负端与所述第四晶体管的第二端连接，所述第三电压比较器的输入正端用于输入设定爬坡电压，所述第三电压比较器用于当所述第四晶体管的第二端的电压等于或者小于所述设定爬坡电压时，输出高电平信号，当所述第四晶体管的第二端的电压大于所述设定爬坡电压时，输出低电平信号；

第二计时器，所述第二计时器与所述第三电压比较器的输出端连接，用于根据所述高电平信号和所述低电平信号，得到所述第二感光能量信号强度。

10.一种图像传感器，其特征在于，包括：多个如权利要求1-9任一项所述的像素电路。

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