CN110099231B - 一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质，该有源像素图像传感器包括：光电二极管PD柱；与PD柱连接的场效应管；其中，PD柱，用于吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；场效应管，用于读出电信号并复位。
Description
技术领域
本申请涉及图像处理领域，尤其涉及一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质。
背景技术
CMOS图像传感器的像素电路可分为无源像素传感器(Passive Pixel Sensor，PPS)和有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)两类，在APS中每个像素具有3个以上的晶体管，用于实现像素内信号的放大读出和复位，如图1所示，以4T像素图像传感器为例，APS的工作流程为：光照射产生的电子-空穴对由于光电二极管(PD，Photo Diode)电场而分开，使得电子移向n区，空穴移向p区；激活复位管，将读出区复位到高电平，并读出复位电平；之后，激活传输门，将电荷从感光区转移到n+区并从n+区读出信号电平；通过对复位电平和信号电平进行相关双采样，得到信号电平对应的实际有效幅值。
然而，现有的APS需要三个以上的晶体管，且晶体管所占的面积大，使得有源像素传感器尺寸很大，当需要缩小有源像素传感器的尺寸时，增大了对晶体管的加工要求。
发明内容
本申请实施例提供一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质，能够缩小有源像素图像传感器的尺寸。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种有源像素图像传感器，所述有源像素图像传感器包括：
光电二极管PD柱；
与所述PD柱连接的场效应管；
其中，所述PD柱，用于吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；
所述场效应管，用于读出所述电信号并复位。
在上述有源像素图像传感器中，PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
在上述有源像素图像传感器中，所述PD柱的形状至少包括长方形、圆形、平行四边形和菱形。
在上述有源像素图像传感器中，所述场效应管包括控制门和浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接。
在上述有源像素图像传感器中，所述控制门，用于通过加正向偏压将所述电信号聚集到n+区；当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述浮栅中，所述第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压，记录所述控制门的电压；当所述控制门的电压高于所述浮栅的阈值电压时，读出所述电信号的信号电平，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
在上述有源像素图像传感器中，所述控制门，还用于加反向偏压，当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
在上述有源像素图像传感器中，所述场效应管为浮栅金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
在上述有源像素图像传感器中，所述PD柱的n区和场效应管的p型衬底连接。
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于有源像素图像传感器，所述有源像素图像传感器包括PD柱和与所述PD柱连接的场效应管，所述方法包括：
利用所述PD柱吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；
利用所述场效应管读出所述电信号，并利用所述场效应管进行复位操作，以对所述电信号进行图像处理，得到对应的图像，所述场效应管用于读出所述电信号并复位。
在上述方法中，所述场效应管包括控制门和浮栅，所述利用所述场效应管读出所述电信号，包括：
通过为所述控制门加正向偏压，将所述电信号聚集到n+区；
当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述浮栅中，所述第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；
在漏极加正向偏压，记录所述控制门的电压；
当所述控制门的电压高于所述浮栅的阈值电压时，读出所述电信号的信号电平，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
在上述方法中，所述利用所述场效应管进行复位操作，包括：
向所述控制门加反向偏压；
当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于有源像素图像传感器，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的方法。
本申请实施例提供了一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质，该有源像素图像传感器包括：光电二极管PD柱；与PD柱连接的场效应管；其中，PD柱，用于吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；场效应管，用于读出电信号并复位。采用上述实现方案，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括一个PD柱和与该PD柱垂直连接的场效应管，利用该PD柱和场效应管实现对采集到的RGB单色光进行图像处理的过程，进而能够缩小有源像素图像传感器的尺寸。
附图说明
图1为现有技术提出的一种4T有源像素图像传感器的电路结构图；
图2为本申请实施例提供的一种有源像素图像传感器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种示例性的有源像素图像传感器的结构组成图；
图4(a)为本申请实施例提供的一种示例性的有源像素图像传感器的单个像素的俯视图；
图4(b)为现有技术提出的一种示例性的有源像素图像传感器的单个像素的俯视图；
图5为本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请。并不用于限定本申请。
实施例一
本申请实施例提供一种有源像素图像传感器，如图2所示，该有源像素图像传感器包括：
光电二极管PD柱；
与所述PD柱连接的场效应管；
其中，所述PD柱，用于吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；
所述场效应管，用于读出所述电信号并复位。
本申请实施例提供的一种有源像素图像传感器适用于对采集到的光信号进行图像处理，得到光信号对应的图像的场景下。
本申请实施例中，PD柱吸收的RGB单色光在PD柱耗尽区发生光电转换，将对应的光信号转换成电信号，之后，场效应管将该电信号转移并读出，在读出电信号之后，再进行复位操作。
可选的，PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
本申请实施例中，有源像素图像传感器的每个像素中包含一种直径的PD柱，该PD柱的直径是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定的，或者通过光学模拟得到的，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
本申请实施例中，利用公式(1)确定PD柱的尺寸
PD柱的尺寸＝(共振波长-预设常数)/折射率(1)
示例性的，PD柱的直径为70nm，其对蓝光的吸收率最高，吸收率高达95％以上；PD柱的直径为90nm，其对绿光的吸收率最高；PD柱的直径为120nm，其对红光的吸收率最高。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用PD柱的光学共振，实现了对RGB单色光的共振吸收。
可选的，所述PD柱的形状至少包括长方形、圆形、平行四边形和菱形，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
可选的，所述场效应管包括控制门和浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接。
可选的，所述PD柱的n区和场效应管的p型衬底连接。
本申请实施例中，如图3所示，为有源像素图像传感器的结构示意图，其中，PD柱的n区和和场效应管的p型衬底连接，控制门与浮栅之间通过隔离带进行隔离，且控制门和场效应管的栅极连接。
可选的，所述控制门，用于通过加正向偏压将所述电信号聚集到n+区；当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述浮栅中，所述第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压，记录所述控制门的电压；当所述控制门的电压高于所述浮栅的阈值电压时，读出所述电信号的信号电平，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
本申请实施例中，通过向场效应管的控制门加正向偏压，将电信号聚集在n+区沟道，当正向偏压高于浮栅和n+区之间隧穿时的第一电压时，n+区的电信号转移到浮栅中，此时浮栅中的阈值电压会增高，其中，浮栅中的阈值电压和光信号的信号强度成正比。
本申请实施例中，当将电信号转移到浮栅中之后，场效应管的源极接地，漏极加正向偏压，并实时记录控制门的电压，当控制门的电压高于浮栅的阈值电压时，漏极流出电流，此时，通过放大器读出电信号的信号电平。
可选的，所述控制门，还用于加反向偏压，当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
本申请实施例中，在读出电信号的信号电平之后，需要对浮栅进行复位操作，具体的，为控制门加反向偏压，当反向偏压大于预设电压阈值时，浮栅中的电信号会隧穿而出，与n+区的空穴中和，导致浮栅中的阈值电压降低，此时，完成对浮栅的复位操作。
可选的，所述场效应管为浮栅金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等具备读出电信号和复位的功能的器件，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
由此生成了一个垂直电荷转移的有源像素图像传感器，如图4(a)所示，为该有源像素图像传感器的单个像素的俯视图，每个像素在垂直方向只包含一个PD柱，而目前的有源像素图像传感器的单个像素的俯视图如图4(b)所示，每个像素在垂直方向包含了4个晶体管，增加了整个有源像素图像传感器的面积，而本申请中的有源像素图像传感器在垂直方向只占用一个PD柱的空间，进而缩小了有源像素图像传感器的尺寸。
可以理解的是，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括一个PD柱和与该PD柱垂直连接的场效应管，利用该PD柱和场效应管实现对采集到的RGB单色光进行图像处理的过程，进而能够缩小有源像素图像传感器的尺寸。
实施例二
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于有源像素图像传感器，该有源像素图像传感器包括PD柱和与PD柱连接的场效应管，如图5所示，该方法可以包括：
S101、利用PD柱吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号。
本申请实施例提供的一种图像处理方法适用于对采集到的光信号进行图像处理，得到光信号对应的图像的场景下。
本申请实施例中，PD柱吸收的RGB单色光在PD柱耗尽区发生光电转换，将对应的光信号转换成电信号。
本申请实施例中，有源像素图像传感器的每个像素中包含一种直径的PD柱，该PD柱的直径是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定的，或者通过光学模拟得到的，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
本申请实施例中，利用公式(1)确定PD柱的尺寸
PD柱的尺寸＝(共振波长-预设常数)/折射率 (1)
示例性的，PD柱的直径为70nm，其对蓝光的吸收率最高，吸收率高达95％以上；PD柱的直径为90nm，其对绿光的吸收率最高；PD柱的直径为120nm，其对红光的吸收率最高。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用PD柱的光学共振，实现了对RGB单色光的共振吸收。
可选的，所述PD柱的形状至少包括长方形、圆形、平行四边形和菱形，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
S102、利用场效应管读出电信号，并利用场效应管进行复位操作，以对电信号进行图像处理，得到对应的图像，场效应管用于读出电信号并复位。
当有源像素图像传感器利用PD柱将光信号转换成电信号之后，有源像素图像传感器利用场效应管读出电信号，并利用场效应管进行复位操作，以对电信号进行图像处理，得到对应的图像。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用场效应管读出电信号的过程具体包括：有源像素图像传感器通过为控制门加正向偏压，将电信号聚集到n+区；当正向偏压高于第一电压时，有源像素图像传感器将n+区的电信号转移到浮栅中，其中，第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；并在漏极加正向偏压，记录控制门的电压；当控制门的电压高于浮栅的阈值电压时，有源像素图像传感器读出电信号的信号电平，其中，阈值电压由光信号的信号强度确定。
本申请实施例中，浮栅中的阈值电压和光信号的信号强度成正比。
本申请实施例中，当将电信号转移到浮栅中之后，场效应管的源极接地，漏极加正向偏压，并实时记录控制门的电压，当控制门的电压高于浮栅的阈值电压时，漏极流出电流，此时，通过放大器读出电信号的信号电平。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用场效应管进行复位操作的过程具体包括：有源像素图像传感器向控制门加反向偏压；当反向偏压大于预设电压阈值时，有源像素图像传感器将电信号从浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
本申请实施例中，在读出电信号的信号电平之后，需要对浮栅进行复位操作，具体的，为控制门加反向偏压，当反向偏压大于预设电压阈值时，浮栅中的电信号会隧穿而出，与n+区的空穴中和，导致浮栅中的阈值电压降低，此时，完成对浮栅的复位操作。
本申请实施例中，当有源像素图像传感器利用场效应管读出电信号之后，有源像素图像传感器对电信号进行图像处理，得到对应的图像。
可以理解的是，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括一个PD柱和与该PD柱垂直连接的场效应管，利用该PD柱和场效应管实现对采集到的RGB单色光进行图像处理的过程，进而能够缩小有源像素图像传感器的尺寸。
实施例三
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，上述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，应用于有源像素图像传感器中，该计算机程序实现如实施例二所述的图像处理方法。
具体来讲，本实施例中的一种图像处理方法对应的程序指令被一电子设备读取或被执行时，包括如下步骤：
利用所述PD柱吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；
利用所述场效应管读出所述电信号，并利用所述场效应管进行复位操作，以对所述电信号进行图像处理，得到对应的图像，所述场效应管用于读出所述电信号并复位。
在本发明的实施例中，进一步地，场效应管包括控制门和浮栅，所述利用所述场效应管读出所述电信号，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，具体实现以下步骤：
通过为所述控制门加正向偏压，将所述电信号聚集到n+区；
当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述浮栅中，所述第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；
在漏极加正向偏压，记录所述控制门的电压；
当所述控制门的电压高于所述浮栅的阈值电压时，读出所述电信号的信号电平，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
在本发明的实施例中，进一步地，基板类型包括折射率大于预设折射率的介质材料或者金属薄膜。
在本发明的实施例中，进一步地，利用所述场效应管进行复位操作，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，具体实现以下步骤：
向所述控制门加反向偏压；
当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。
Claims (11)
1.一种有源像素图像传感器，其特征在于，所述有源像素图像传感器包括：
光电二极管PD柱；
与所述PD柱连接的场效应管；
其中，所述PD柱，用于吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；
所述场效应管，用于读出所述电信号并复位；
其中，PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
2.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述PD柱的形状至少包括长方形、圆形、平行四边形和菱形。
3.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述场效应管包括控制门和浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的有源像素图像传感器，其特征在于，
所述控制门，用于通过加正向偏压将所述电信号聚集到n+区；当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述浮栅中，所述第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压，记录所述控制门的电压；当所述控制门的电压高于所述浮栅的阈值电压时，读出所述电信号的信号电平，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
5.根据权利要求3所述的有源像素图像传感器，其特征在于，
所述控制门，还用于加反向偏压，当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
6.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述场效应管为浮栅金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
7.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述PD柱的n区和场效应管的p型衬底连接。
8.一种图像处理方法，其特征在于，应用于有源像素图像传感器，所述有源像素图像传感器包括PD柱和与所述PD柱连接的场效应管，所述方法包括：
利用所述PD柱吸收RGB单色光，并将对应的光信号转换成电信号；
利用所述场效应管读出所述电信号，并利用所述场效应管进行复位操作，以对所述电信号进行图像处理，得到对应的图像，所述场效应管用于读出所述电信号并复位；
其中，PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述场效应管包括控制门和浮栅，所述利用所述场效应管读出所述电信号，包括：
通过为所述控制门加正向偏压，将所述电信号聚集到n+区；
当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述浮栅中，所述第一电压为n+区和浮栅之间隧穿时的电压；
在漏极加正向偏压，记录所述控制门的电压；
当所述控制门的电压高于所述浮栅的阈值电压时，读出所述电信号的信号电平，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述利用所述场效应管进行复位操作，包括：
向所述控制门加反向偏压；
当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述浮栅中转移到n+区，以进行复位操作。
11.一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于有源像素图像传感器，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8-10任一项所述的方法。
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