CN110312088B - 一种像素单元电路及图像处理方法、存储介质 - Google Patents

一种像素单元电路及图像处理方法、存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种像素单元电路及图像处理方法、存储介质，应用于CMOS图像传感器，该像素单元电路包括：光电二极管PD柱，PD柱包括RGB对应的三种尺寸，用于分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；与PD柱连接的CMOS像素读出电路，用于放大电信号，并读出电信号。

Description

一种像素单元电路及图像处理方法、存储介质
技术领域
本申请涉及图像处理领域，尤其涉及一种像素单元电路及图像处理方法、存储介质。
背景技术
拜耳滤色镜是一种将RGB滤色器排列在光传感组件方格之上所形成的马赛克彩色绿色阵列。数字相机、录影器、扫描仪等实用的单片机数字图像传感器大多使用这种特定排列的绿色阵列来制作彩色影像，如图1所示，这种滤色器的排列有50％是绿色，25％是红色，另外25％是蓝色，因此也称作RGBG，GRGB或者RGGB。
现有的CMOS图像传感器的通过选择不同颜色的滤色片来吸收不同颜色，需要在光电二极管(PD，Photo Diode)结构上增加滤光片，进而增大了像素尺寸，且每种像素只能吸收单色光，极大的浪费了入射光的使用率。
发明内容
本申请实施例提供一种像素单元电路及图像处理方法、存储介质，能够缩小像素尺寸，并增加入射光的使用率。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种像素单元电路，应用于CMOS图像传感器，其特征在于，所述像素单元电路包括：
光电二极管PD柱，所述PD柱包括RGB对应的三种尺寸，用于分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；
与所述PD柱连接的CMOS像素读出电路，用于放大所述电信号，并读出所述电信号。
在上述像素单元电路中，所述RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光；所述PD柱包括：组合PD柱；
利用所述组合PD柱吸收所述RGB组合光，并将所述RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号，所述组合PD柱由至少两个PD柱组成，所述至少两个PD柱的尺寸与所述至少两种色光一一对应。
在上述像素单元电路中，所述组合PD柱包括一个n区，所述组合电信号集中到所述组合PD柱的n区；
所述CMOS像素读出电路，还用于对所述组合电信号累加读出。
在上述像素单元电路中，所述CMOS像素读出电路包括：与所述PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；
所述转移晶体管，用于将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区，以从所述读出区读取所述电信号；
所述放大管，用于将所述读出区的电信号放大。
在上述像素单元电路中，所述CMOS像素读出电路还包括：与所述读出区和所述放大管连接的复位晶体管；
所述读出区，还用于读出所述复位晶体管中的复位电平；
所述放大管，还用于对所述复位电平进行放大。
在上述像素单元电路中，所述PD柱对应的三种尺寸分别是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
在上述像素单元电路中，所述PD柱的形状至少包括长方形、圆形、平行四边形和菱形。
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于由像素单元电路组成的CMOS图像传感器，所述像素单元电路包括PD柱和与所述PD柱连接的CMOS像素读出电路，所述方法包括：
利用PD柱分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；
利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号。
在上述方法中，所述PD柱包括：组合PD柱，所述组合PD柱由至少两个PD柱组成，所述利用PD柱吸收RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号，包括：
利用所述组合PD柱吸收RGB组合光，所述RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光，所述至少两个PD柱的尺寸与所述至少两种色光一一对应；
将所述RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号。
在上述方法中，所述CMOS像素读出电路包括：与所述PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；所述利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号，包括：
利用所述转移晶体管将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区；
从所述读出区读取所述电信号；
利用放大管将所述读出区的电信号放大。
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于像素单元电路，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像素单元电路及图像处理方法、存储介质，应用于CMOS图像传感器，该像素单元电路包括：光电二极管PD柱，PD柱包括RGB对应的三种尺寸，用于分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；与PD柱连接的CMOS像素读出电路，用于放大电信号，并读出电信号。采用上述实现方案，像素单元电路内部可以排列RGB对应的三种尺寸的PD柱，像素单元电路利用多个三种尺寸的PD柱吸收RGB单色光和RGB组合光，无需使用滤色片来吸收不同颜色，进而缩小了像素尺寸，并在一个像素单元电路中实现了多个颜色的吸收，进而实现了更大的进光量，能够增加入射光的使用率。
附图说明
图1为现有技术提出的拜耳滤色镜的阵列排布示意图；
图2为本申请实施例提供的一种像素单元电路的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种示例性的RYB的像素排布图；
图4为本申请实施例提供的一种示例性的RYB像素的电路结构示意图；
图5(a)为本申请实施例提供的一种示例性的Y通道的电路结构示意图；
图5(b)为本申请实施例提供的一种示例性的R通道和B通道的电路结构示意图；
图6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像素单元电路，应用于CMOS图像传感器，如图2所示，该像素单元电路包括：
光电二极管PD柱，所述PD柱包括RGB对应的三种尺寸，用于分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；
与所述PD柱连接的CMOS像素读出电路，用于放大所述电信号，并读出所述电信号。
本申请实施例提供的一种像素单元电路适用于利用CMOS图像传感器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，CMOS图像传感器由像素单元电路和CMOS电路组成，其中，像素单元电路用于将采集到的光信号转换成电信号，并将电信号读出，CMOS电路用于对电信号进行图像处理，得到光信号对应的图像。
本申请实施例中，每个像素单元电路由PD柱和CMOS像素读出电路组成，PD柱包括三种尺寸，分别对应吸收三种RGB单色光，还可以将至少两种尺寸的PD柱进行组合，来吸收RGB组合光。
本申请实施例中，像素单元电路的尺寸由排布的PD柱的个数与尺寸决定，示例性的，在RYB彩色亚波长CIS中，像素单元电路的像素单元电路为方形结构，其边长小于等于400nm。
本申请实施例中，PD柱的材料为硅材料。
本申请实施例中，像素单元电路利用PD柱的光学共振原理吸收RGB单色光和RGB组合光，其吸收率高达95％，且光学共振使得圆柱形的PD结构内的光学态密度高于传统PD结构，进而提高了CMOS图像传感器的量子效率和信噪比，进一步缩小了像素尺寸。
可选的，所述RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光；所述PD柱包括：组合PD柱；
利用所述组合PD柱吸收所述RGB组合光，并将所述RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号，所述组合PD柱由至少两个PD柱组成，所述至少两个PD柱的尺寸与所述至少两种色光一一对应。
本申请实施例中，组合PD柱可以由两种尺寸的PD柱组成，也可以由三种尺寸的PD柱组成，具体的根据组合PD柱对应吸收的RGB组合光决定，本申请实施例不做具体的限定。
示例性的，如图3所示，对于RYB彩色亚波长CIS而言，每个像素单元电路中排布4根百纳米级别的PD柱，其中，直径为60nm的PD柱用于吸收蓝光，直径为120nm的PD柱用于吸收红光，由于黄光为绿光和红光的叠加，故，直径为90nm的PD柱和直径为120nm的PD柱混合排列，共同作用吸收黄光，其中，直径为90nm的PD柱用于吸收绿光，其R、Y、B三个通道的像素截面如图4所示，对于R和B而言，对应的PD柱直接与金属布线连接；对于Y而言，将R和G对应的PD柱进行组合，形成一个“凹”结构，与金属布线连接。
可选的，所述组合PD柱包括一个n区，所述组合电信号集中到所述组合PD柱的n区；
所述CMOS像素读出电路，还用于对所述组合电信号累加读出。
本申请实施例中，对于Y通道的PD柱而言，其CMOS像素读出电路的电路结构如图5(a)所示，包括两个PD柱，两个PD柱吸收的光信号经过光电转换，将对应的电信号集中到n区中，合成组合电信号；对于R和B通道的PD柱而言，其CMOS像素读出电路的电路结构如图5(b)所示，每一个PD柱对应一个n区，PD柱将吸收的光信号经过光电转换之后，将对应的电信号集中到n区。
可选的，所述CMOS像素读出电路包括：与所述PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；
所述转移晶体管，用于将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区，以从所述读出区读取所述电信号；
所述放大管，用于将所述读出区的电信号放大。
本申请实施例中，转移晶体管的源极与PD柱的n区连接；所述转移晶体管的漏极与FD连接；PD柱将电信号聚焦到转移晶体管的n+区，并经过转移晶体管转移到FD。
本申请实施例中，光线在PD柱的耗尽区发生光电转换，将光信号转换成电信号，之后转移晶体管将电信号聚集到转移晶体管的n+区沟道中；并将n+区沟道中的电信号转移到FD。
可选的，所述CMOS像素读出电路还包括：与所述读出区和所述放大管连接的复位晶体管；
所述读出区，还用于读出所述复位晶体管中的复位电平；
所述放大管，还用于对所述复位电平进行放大。
本申请实施例中，复位管的源极和电源连接；复位管的漏极和FD连接，其中，复位管中存储有复位电平，通过FD读出复位电平。
本申请实施例中，分别从复位管读出复位电平、从转移晶体管读出电信号，之后，对复位电平和电信号进行放大之后，对放大的电信号和放大的复位电平进行相关双采样，从而降低读出电信号的噪声。
如图5(a)和5(b)所示，为单个像素单元电路的简化示意图，其中，PD柱的n区和转移晶体管的源极连接，转移晶体管的漏极与FD连接；FD还与复位管的漏极连接，复位管的源极和电源连接；FD还与BSF的栅极连接，BSF的源极和电源连接，BSF的漏极与选通管的源极连接，选通管的漏极和输出端连接。
可选的，所述PD柱对应的三种尺寸分别是基于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，D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，吸收蓝光时对应的PD柱的直径为60nm左右；吸收绿光时对应的PD柱的直径为90nm；吸收红光时对应的PD柱的直径为120nm。
本申请实施例中，像素单元电路利用PD柱的光学共振，实现了对RGB单色光和RGB组合光的共振吸收。
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。
可以理解的是，像素单元电路内部可以排列RGB对应的三种尺寸的PD柱，像素单元电路利用多个三种尺寸的PD柱吸收RGB单色光和RGB组合光，无需使用滤色片来吸收不同颜色，进而缩小了像素尺寸，并在一个像素单元电路中实现了多个颜色的吸收，进而实现了更大的进光量，能够增加入射光的使用率。
实施例二
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于由像素单元电路组成的CMOS图像传感器，像素单元电路包括PD柱和与PD柱连接的CMOS像素读出电路，如图6所示，该方法包括：
S101、利用PD柱分别吸收RGB单色光和RGB组合光，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利用CMOS图像传感器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，CMOS图像传感器由像素单元电路和CMOS电路组成，其中，像素单元电路用于将采集到的光信号转换成电信号，并将电信号读出，CMOS电路用于对电信号进行图像处理，得到光信号对应的图像。
本申请实施例中，每个像素单元电路由PD柱和CMOS像素读出电路组成，PD柱包括三种尺寸，分别对应吸收三种RGB单色光，还可以将至少两种尺寸的PD柱进行组合，来吸收RGB组合光。
本申请实施例中，像素单元电路的尺寸由排布的PD柱的个数与尺寸决定，示例性的，在RYB彩色亚波长CIS中，像素单元电路的像素单元电路为方形结构，其边长小于等于400nm。
本申请实施例中，PD柱的材料为硅材料。
本申请实施例中，像素单元电路利用PD柱的光学共振原理吸收RGB单色光和RGB组合光，其吸收率高达95％，且光学共振使得圆柱形的PD结构内的光学态密度高于传统PD结构，进而提高了CMOS图像传感器的量子效率和信噪比，进一步缩小了像素尺寸。
可选的，PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和光信号的折射率确定。
本申请实施例中，PD柱的直径是基于RGB单色光的共振波长和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，吸收蓝光时对应的PD柱的直径为60nm左右；吸收绿光时对应的PD柱的直径为90nm；吸收红光时对应的PD柱的直径为120nm。
本申请实施例中，PD柱包括：组合PD柱，其中，组合PD柱由至少两个PD柱组成；像素单元电路利用组合PD柱吸收RGB组合光，RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光，至少两个PD柱的尺寸与至少两种色光一一对应；之后将RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号。
本申请实施例中，组合PD柱可以由两种尺寸的PD柱组成，也可以由三种尺寸的PD柱组成，具体的根据组合PD柱对应吸收的RGB组合光决定，本申请实施例不做具体的限定。
示例性的，如图3所示，对于RYB彩色亚波长CIS而言，每个像素单元电路中排布4根百纳米级别的PD柱，其中，直径为60nm的PD柱用于吸收蓝光，直径为120nm的PD柱用于吸收红光，由于黄光为绿光和红光的叠加，故，直径为90nm的PD柱和直径为120nm的PD柱混合排列，共同作用吸收黄光，其中，直径为90nm的PD柱用于吸收绿光，其R、Y、B三个通道的像素截面如图4所示，对于R和B而言，对应的PD柱直接与金属布线连接；对于Y而言，将R和G对应的PD柱进行组合，形成一个“凹”结构，与金属布线连接。
S102、利用CMOS像素读出电路放大电信号，并读出电信号。
当像素单元电路利用PD柱分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号之后，像素单元电路利用CMOS像素读出电路放大电信号，并读出该电信号。
本申请实施例中，CMOS像素读出电路包括：与PD柱连接的转移晶体管、与转移晶体管连接的读出区和与读出区连接的放大管；像素单元电路利用转移晶体管将电信号从PD柱中转移至读出区；之后，从读出区读取电信号；并利用放大管将读出区的电信号放大。
本申请实施例中，转移晶体管的源极与PD柱的n区连接；转移晶体管的漏极与FD连接；PD柱将电信号聚焦到转移晶体管的n+区，并经过转移晶体管转移到FD。
本申请实施例中，光线在PD柱的耗尽区发生光电转换，将光信号转换成电信号，之后转移晶体管将电信号聚集到转移晶体管的n+区沟道中；并将n+区沟道中的电信号转移到FD。
可选的，CMOS像素读出电路还包括：与读出区和放大管连接的复位晶体管；其中，读出区，还用于读出复位晶体管中的复位电平；放大管，还用于对复位电平进行放大。
本申请实施例中，复位管的源极和电源连接；复位管的漏极和FD连接，其中，复位管中存储有复位电平，通过FD读出复位电平。
本申请实施例中，分别从复位管读出复位电平、从转移晶体管读出电信号，之后，对复位电平和电信号进行放大之后，对放大的电信号和放大的复位电平进行相关双采样，从而降低读出电信号的噪声。
可以理解的是，像素单元电路内部可以排列RGB对应的三种尺寸的PD柱，像素单元电路利用多个三种尺寸的PD柱吸收RGB单色光和RGB组合光，无需使用滤色片来吸收不同颜色，进而缩小了像素尺寸，并在一个像素单元电路中实现了多个颜色的吸收，进而实现了更大的进光量，能够增加入射光的使用率。
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，应用于像素单元电路中，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PD柱分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；
利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号。
在本发明的实施例中，进一步地，所述PD柱包括：组合PD柱，所述组合PD柱由至少两个PD柱组成，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，还实现以下步骤：
利用所述组合PD柱吸收RGB组合光，所述RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光，所述至少两个PD柱的尺寸与所述至少两种色光一一对应；
将所述RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号。
在本发明的实施例中，进一步地，所述CMOS像素读出电路包括：与所述PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，还实现以下步骤：
利用所述转移晶体管将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区；
从所述读出区读取所述电信号；
利用放大管将所述读出区的电信号放大。
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 (8)

1.一种像素单元电路，应用于CMOS图像传感器，其特征在于，所述像素单元电路包括：
光电二极管PD柱，所述PD柱包括RGB对应的三种尺寸，用于分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；所述PD柱对应的三种尺寸分别是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定，所述PD柱的尺寸为所述PD柱的直径；
与所述PD柱连接的CMOS像素读出电路，用于放大所述电信号，并读出所述电信号；
其中，所述RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光；所述PD柱包括：组合PD柱；
利用所述组合PD柱吸收所述RGB组合光，并将所述RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号，所述组合PD柱由至少两个PD柱组成，所述至少两个PD柱的尺寸与所述至少两种色光一一对应；
所述CMOS像素读出电路，还用于对所述组合电信号累加读出。
2.根据权利要求1所述的像素单元电路，其特征在于，所述组合PD柱包括一个n区，所述组合电信号集中到所述组合PD柱的n区；
所述CMOS像素读出电路，还用于对所述组合电信号累加读出。
3.根据权利要求1所述的像素单元电路，其特征在于，所述CMOS像素读出电路包括：与所述PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；
所述转移晶体管，用于将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区，以从所述读出区读取所述电信号；
所述放大管，用于将所述读出区的电信号放大。
4.根据权利要求3所述的像素单元电路，其特征在于，所述CMOS像素读出电路还包括：与所述读出区和所述放大管连接的复位晶体管；
所述读出区，还用于读出所述复位晶体管中的复位电平；
所述放大管，还用于对所述复位电平进行放大。
5.根据权利要求1所述的像素单元电路，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。
6.一种图像处理方法，应用于由像素单元电路组成的CMOS图像传感器，所述像素单元电路包括PD柱和与所述PD柱连接的CMOS像素读出电路，其特征在于，所述方法包括：
利用PD柱分别吸收RGB单色光和RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号；所述PD柱对应的三种尺寸分别是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定，所述PD柱的尺寸为所述PD柱的直径；
利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号；
其中，所述PD柱包括：组合PD柱，所述组合PD柱由至少两个PD柱组成，所述利用PD柱吸收RGB组合光，并将对应的光信号转换成电信号，包括：
利用所述组合PD柱吸收RGB组合光，所述RGB组合光为至少两种RGB单色光组合得到的色光，所述至少两个PD柱的尺寸与所述至少两种色光一一对应；
将所述RGB组合光对应的组合光信号转换成组合电信号，并累加读出所述组合电信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述CMOS像素读出电路包括：与所述PD柱连接的转移晶体管、与所述转移晶体管连接的读出区和与所述读出区连接的放大管；所述利用所述CMOS像素读出电路放大所述电信号，并读出所述电信号，包括：
利用所述转移晶体管将所述电信号从所述PD柱中转移至读出区；
从所述读出区读取所述电信号；
利用放大管将所述读出区的电信号放大。
8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于像素单元电路，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6-7任一项所述的方法。
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