CN109951657B - 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；第一电压比较器，第一电压比较器的输入正端与光电二极管的阴极连接，用于输入光电二极管的感光电压，第一电压比较器的输入负端用于输入设定饱和电压，第一电压比较器用于当感光电压大于设定饱和电压时，输出高电平信号，当感光电压等于或者小于设定饱和电压时，输出低电平信号；第一计时器，第一计时器与第一电压比较器的输出端连接，用于对接收到低电平信号的时间进行计时，得到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，第一计时器对第一电压比较器输出的低电平信号的时间进行计时，得到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；

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，用于输入所述光电二极管的感光电压，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；

第一计时器，所述第一计时器与所述第一电压比较器的输出端连接，用于对接收到所述低电平信号的时间进行计时，得到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；第一电压比较器的输入正端与光电二极管的阴极连接，用于输入光电二极管的感光电压，第一电压比较器的输入负端用于输入设定饱和电压，第一电压比较器用于当感光电压大于设定饱和电压时，输出高电平信号，当感光电压等于或者小于设定饱和电压时，输出低电平信号；第一计时器与第一电压比较器的输出端连接，用于对接收到低电平信号的时间进行计时，得到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第一计时器连接，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，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；恒流电流器，所述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第一计时器连接，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，所述二选一输出开关的控制端与所述第一电压比较器的输出端连接。

根据本申请的一个实施例，该像素电路还包括：第一开关，所述第一计时器通过所述第一开关与所述二选一输出开关的第一输入端连接。

根据本申请的一个实施例，所述强度检测电路包括：第二电压比较器，所述第二电压比较器的输入负端与所述第四晶体管的第二端连接，所述第二电压比较器的输入正端用于输入设定爬坡电压，所述第二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二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；

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，用于输入光电二极管PD的感光电压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；

第一计时器Tcounter，第一计时器Tcounter与第一电压比较器CMP1的输出端连接，用于对接收到低电平信号的时间进行计时，得到像素的饱和曝光时间T。

本申请实施例中，像素的饱和曝光时间T即光电二极管的感光电压OUT0达到设定饱和电压Ref的时间。第一比较器CMP1在OUT0＞Ref时输出高电平信号，在OUT0≤Ref时输出低电平信号，第一计时器Tcounter对接收到的低电平信号的时间进行计时，即记录OUT0达到Ref所需的时间，得到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位为饱和曝光时间T的信息(时钟周期数)。开始曝光时，感光电压OUT0从0逐渐增加，第一比较器CMP1输出低电平信号，第一计时器Tcounter开始计时，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，第一计时器Tcounter停止计时，得到像素的饱和曝光时间T。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11，乘法电路11与第一计时器Tcounter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；第一电压比较器的输入正端与光电二极管的阴极连接，用于输入光电二极管的感光电压，第一电压比较器的输入负端用于输入设定饱和电压，第一电压比较器用于当感光电压大于设定饱和电压时，输出高电平信号，当感光电压等于或者小于设定饱和电压时，输出低电平信号；第一计时器与第一电压比较器的输出端连接，用于对接收到低电平信号的时间进行计时，得到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即Ghost问题。

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；

恒流电流器A，恒流电流器A的输入端与第四晶体管Q4的第二端连接，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S2，二选一输出开关S2的第一输入端与第一计时器Tcounter连接，二选一输出开关S2的第二输入端与强度检测电路12连接，二选一输出开关S2的控制端与第一电压比较器CMP1的输出端连接。

第一开关S1，第一计时器Tcounter通过第一开关S1与二选一输出开关S2的第一输入端连接。

其中，强度检测电路12具体可包括：

第二电压比较器CMP2，第二电压比较器CMP2的输入负端与第四晶体管Q4的第二端连接，第二电压比较器CMP2的输入正端用于输入设定爬坡电压Ramp，第二电压比较器CMP2用于当第四晶体管Q4的第二端的电压OUT等于或者小于设定爬坡电压Ramp时，输出高电平信号，当第四晶体管Q4的第二端的电压OUT大于设定爬坡电压Ramp时，输出低电平信号；

第二计时器Counter，第二计时器Counter与第二电压比较器CMP2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。

本申请实施例中，第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3及第四晶体管Q4具体可为如图3所示的金属-氧化物-半导体晶体管(Metal Oxide Semiconductor，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。

本申请实施例的像素电路的工作原理如下：

第一比较器CMP1在OUT0＞Ref时输出高电平信号，在OUT0≤Ref时输出低电平信号，第一计时器Tcounter对接收到的低电平信号的时间进行计时，得到饱和曝光时间T。第一开关S1由行选信号SEL控制。

第二比较器CMP2在OUT≤Ramp时输出高电平信号，在OUT＞Ramp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。

二选一输出开关S2与第一比较器CMP1的输出端连接，当CMP1输出高电平，即饱和曝光时，SEL为高电平，S2选择输出饱和曝光时间T；当CMP1输出低电平，即未饱和曝光时，SEL为低电平，S2选择输出第二感光能量信号强度。即S2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，第一比较器CMP1和第二比较器CMP2也可合并，采用强度检测电路12的采样饱和电压作为设定饱和电压Ref。

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；第一电压比较器的输入正端与光电二极管的阴极连接，用于输入光电二极管的感光电压，第一电压比较器的输入负端用于输入设定饱和电压，第一电压比较器用于当感光电压大于设定饱和电压时，输出高电平信号，当感光电压等于或者小于设定饱和电压时，输出低电平信号；第一计时器与第一电压比较器的输出端连接，用于对接收到低电平信号的时间进行计时，得到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即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20，如图4所示，包括如上述实施例所示的像素电路21。

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 (9)

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；

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，用于输入所述光电二极管的感光电压，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；

第一计时器，所述第一计时器与所述第一电压比较器的输出端连接，用于对接收到所述低电平信号的时间进行计时，得到像素的饱和曝光时间；

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。

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第一计时器连接，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，还包括：

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

第二晶体管，所述第二晶体管的控制端用于输入所述传输栅极信号，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。

5.根据权利要求4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；

恒流电流器，所述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。

6.根据权利要求5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第一计时器连接，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，所述二选一输出开关的控制端与所述第一电压比较器的输出端连接。

7.根据权利要求6所述的像素电路，其特征在于，还包括：

第一开关，所述第一计时器通过所述第一开关与所述二选一输出开关的第一输入端连接。

8.根据权利要求5所述的像素电路，其特征在于，所述强度检测电路包括：

第二电压比较器，所述第二电压比较器的输入负端与所述第四晶体管的第二端连接，所述第二电压比较器的输入正端用于输入设定爬坡电压，所述第二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二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。

9.一种图像传感器，其特征在于，包括：多个如权利要求1-8任一项所述的像素电路。

Images