CN110809883B - 电子装置、图像传感器及其像素阵列和操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种图像传感器的像素阵列、图像传感器、操作图像传感器的方法及电子装置。所述像素阵列包括有源像素和暗像素。所述有源像素包括第一传输晶体管及第一复位晶体管。所述第一传输晶体管耦接于第一光电转换单元与第一浮动扩散节点之间。所述第一复位晶体管耦接于复位电压与所述第一浮动扩散节点之间。所述暗像素包括第二传输晶体管及第二复位晶体管。所述第二传输晶体管耦接于第二光电转换单元与第二浮动扩散节点之间。所述第二复位晶体管耦接于所述复位电压与所述第二浮动扩散节点之间。所述第二复位晶体管的控制端与所述第二传输晶体管的控制端彼此耦接。所述像素阵列可减少受到暗电流和电荷注入的影响所产生的固定模式噪声和随机噪声。

Description

电子装置、图像传感器及其像素阵列和操作方法

技术领域

本公开涉及图像传感技术，尤其涉及一种采用主动降噪的图像传感器、图像传感器的像素阵列、电子装置，以及操作图像传感器的方法。

背景技术

除了有源像素(active pixel)，图像传感器可设置暗像素(dark pixel)以减少传感输出包括的噪声成分，其来自像素阵列受到的噪声干扰。暗像素的输出可反映出在未受光照射下的暗电流特性。图像传感器通常会将有源像素的输出扣除暗像素的输出以产生传感输出。然而，由于受到工艺波动的影响，暗像素仍存在像素结构不匹配的问题，造成图像传感器的成像质量难以进一步提升。

因此，需要一种创新的图像传感结构，其可进一步减少传感输出包括的噪声成分。

发明内容

本公开的目的之一在于提供一种采用主动降噪的图像传感器、图像传感器的像素阵列、电子装置，以及操作图像传感器的方法，来解决上述问题。

本公开的一实施例提供了一种图像传感器的像素阵列。所述像素阵列包括有源像素和暗像素。所述有源像素用以产生第一像素信号。所述暗像素用以产生第二像素信号，所述第二像素信号用于校正所述第一像素信号。所述有源像素包括第一光电转换单元、第一浮动扩散节点、第一传输晶体管以及第一复位晶体管。所述第一传输晶体管耦接于所述第一光电转换单元与所述第一浮动扩散节点之间。所述第一复位晶体管耦接于复位电压与所述第一浮动扩散节点之间。所述暗像素包括第二光电转换单元、第二浮动扩散节点、第二传输晶体管以及第二复位晶体管。所述第二传输晶体管耦接于所述第二光电转换单元与所述第二浮动扩散节点之间。所述第二复位晶体管耦接于所述复位电压与所述第二浮动扩散节点之间，其中，所述第二复位晶体管的控制端与所述第二传输晶体管的控制端彼此耦接。

本公开的一实施例提供了一种图像传感器。所述图像传感器包括像素阵列以及处理电路。所述像素阵列具有排列为多行与多列的多个像素。所述多个像素包括有源像素以及暗像素。所述有源像素包括第一传输晶体管、第一传输晶体管、第一放大晶体管以及第一信号输出端。所述第一传输晶体管耦接于第一光电转换单元与第一浮动扩散节点之间。所述第一复位晶体管耦接于复位电压与所述第一浮动扩散节点之间。所述第一放大晶体管的控制端耦接到所述第一浮动扩散节点，所述第一放大晶体管用以放大所述第一浮动扩散节点上的第一电信号以产生第一像素信号。所述第一信号输出端耦接到所述第一放大晶体管，用以输出所述第一像素信号。所述暗像素包括第二传输晶体管、第二复位晶体管、第二放大晶体管以及第二信号输出端。所述第二传输晶体管耦接于第二光电转换单元与第二浮动扩散节点之间。所述第二复位晶体管耦接于所述复位电压与所述第二浮动扩散节点之间，其中所述第二复位晶体管的控制端与所述第二传输晶体管的控制端彼此耦接。所述第二放大晶体管的控制端耦接到所述第二浮动扩散节点，所述第二放大晶体管用以放大所述第二浮动扩散节点上的第二电信号以产生第二像素信号。所述第二信号输出端耦接到所述第二放大晶体管，用以输出所述第二像素信号。所述处理电路耦接到所述第一信号输出端和所述第二信号输出端，用以根据所述第二像素信号校正所述第一像素信号。

本公开的一实施例提供了一种操作图像传感器的方法。所述图像传感器包括有源像素和暗像素。所述有源像素和所述暗像素分别产生第一像素信号和第二像素信号。所述方法包括：在所述图像传感器的曝光阶段与第一采样阶段之间，复位所述有源像素的浮动扩散节点，以及根据第一控制信号，复位所述暗像素的浮动扩散节点并同时将所述暗像素的光电转换单元耦接到所述暗像素的浮动扩散节点；在所述第一采样阶段与所述图像传感器的第二采样阶段之间，将所述有源像素的光电转换单元耦接到所述有源像素的浮动扩散节点，以及根据所述第一控制信号使所述暗像素的光电转换单元未耦接到所述暗像素的浮动扩散节点；以及在所述第一采样阶段和所述第二采样阶段分别对有源像素产生的第一像素信号进行采样，以及分别对暗像素产生的第二像素信号进行采样，以产生传感输出。

本公开的实施例提供了一种电子装置，包括上述中任意一项所述的图像传感器。

附图说明

图1是本公开的图像传感器的一实施例的功能方框示意图。

图2是图1所示的多个有源像素中至少一有源像素和多个暗像素中的至少一暗像素的一实施例的示意图。

图3是图2所示的暗像素所涉及的操作时序的一实施例的示意图。

图4绘示了与图2所示的有源像素相邻的一有源像素的一实施例的示意图。

图5绘示了与图2所示的暗像素相邻的一暗像素的一实施例的示意图。

图6是图1所示的多个有源像素中至少一有源像素和多个暗像素中的至少一暗像素的另一实施例的示意图。

图7是图1所示的多个有源像素中至少一有源像素和多个暗像素中的至少一暗像素的另一实施例的示意图。

图8是本公开的操作图像传感器的方法的一实施例的流程图。

其中，附图标记说明如下：

100 图像传感器

110 像素阵列

120 处理电路

130 控制电路

201、401、601、701、P_1,1-P_M,N 有源像素

202、502、602、702、P_1,N+1-P_M,N+Q 暗像素

211 第一光电转换单元

212 第二光电转换单元

411 第三光电转换单元

512 第四光电转换单元

802、804、806 步骤

PD1 第一光电二极管

PD2 第二光电二极管

PD11 第三光电二极管

PD21 第四光电二极管

IS1 第一电流源

IS2 第二电流源

MR1 第一复位晶体管

MR2 第二复位晶体管

MR3 第三复位晶体管

MT1 第一传输晶体管

MT2 第二传输晶体管

MT11 第三传输晶体管

MT21 第四传输晶体管

MF1 第一放大晶体管

MF2 第二放大晶体管

MF3 第三放大晶体管

MS1 第一选择晶体管

MS2 第二选择晶体管

MS3 第三选择晶体管

TO1 第一信号输出端

TO2 第二信号输出端

TO3 第三信号输出端

FD1 第一浮动扩散节点

FD2 第二浮动扩散节点

FD3 第三浮动扩散节点

TR1、TR2、TR3、TT1、TT2、TT3、TF1、 控制端

TF2、TF3、TS1、TS2、TS3

RST 第一控制信号

TX 第二控制信号

RSEL 第三控制信号

TX11 第四控制信号

LS 光信号

PR1、PR2 光电转换结果

VDD 复位电压

VFD1 第一电信号

VFD2 第二电信号

VPD、VFD2’ 电信号

PO1 第一像素输出

PO2 第二像素输出

APS 第一像素信号

DPS 第二像素信号

APS0 第三像素信号

DPS0 第四像素信号

SS 传感输出

PHR 复位电平采样阶段

PHS 信号电平采样阶段

PHE1、PHE2 曝光阶段

T1-T7 时间点

RSR1、RSR2 复位电平采样结果

SSR1、SSR2 信号电平采样结果

具体实施方式

在说明书及之前的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及之前的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及之前的权利要求书当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接和间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电连接到所述第二装置。

图1是本公开的图像传感器的一实施例的功能方框示意图。图像传感器100可包括有源像素和暗像素以进行主动降噪(active noise cancellation，ANC)。图像传感器100可包括(但不限于)一像素阵列110、一处理电路120以及一控制电路130，其中像素阵列110包括排列成M行与N列的多个有源像素(亦可称作有源像素单元或有源像素电路)P_1,1-P_M,N以及排列成M行与Q列的多个暗像素(亦可称作暗像素单元或暗像素电路)P_1,N+1-P_M,N+Q，其中M和N均是大于1的正整数，Q是大于或等于1的正整数。N个有源像素列可分别产生N个第一像素信号APS₁-APS_N，以及N个暗像素列可分别产生Q个第二像素信号DPS₁-DPS_Q。

在此实施例中，多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q可设置在像素阵列110的一侧(诸如多个有源像素P_1,1-P_M,N的右侧)，然而，本公开并不以此为限。例如，多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q可设置在像素阵列110的另一侧(诸如多个有源像素P_1,1-P_M,N的左侧)。又例如，多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q的一部分可设置在像素阵列110的一侧，多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q的另一部分可设置在像素阵列110的另一侧。

处理电路120耦接到多个有源像素P_1,N+1-P_M,N+Q和多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q，用以根据一个或多个暗像素输出的第二像素信号，来校正(或补偿)一个或多个有源像素输出的第一像素信号，并产生一传感输出。举例来说，处理电路120可根据位于某一行的多个暗像素各自的第二像素信号的平均信号电平，来校正(或补偿)位于所述行的一个或多个有源像素的第一像素信号。

控制电路130耦接到像素阵列110，用以控制像素阵列110中各像素电路的操作(诸如电荷转移、信号复位、信号放大和/或读出操作)，以产生相应的像素信号(即第一像素信号或第二像素信号)。值得注意的是，控制电路130可采用相同的控制信号来控制暗像素的电荷转移和信号复位操作，以减少暗像素输出的第二像素信号所携带的噪声干扰。

为方便理解，下文搭配互补式金属氧化物半导体图像传感器(CMOS imagesensor)的四个晶体管(4T)像素结构来说明本公开的图像传感方案。然而，本公开并不以此为限。请参阅图2。图2是图1所示的多个有源像素P_1,1-P_M,N中至少一有源像素和多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q中的至少一暗像素的一实施例的示意图。也就是说，图1所示的多个有源像素P_1,1-P_M,N中至少一有源像素可由有源像素201来实施，以及图1所示的多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q中的至少一暗像素可由暗像素202来实施。此外，处理电路120可根据暗像素202输出的第二像素信号DPS来校正有源像素201输出的第一像素信号APS，以产生一传感输出SS。

在此实施例中，有源像素201可包括(但不限于)一第一光电转换单元211、一第一浮动扩散节点(floating diffusion node)FD1、一第一复位晶体管MR1、一第一传输晶体管MT1、一第一放大晶体管MF1、一第一选择晶体管MS1以及一第一信号输出端TO1。

第一光电转换单元211用以进行光电转换。在此实施例中，第一光电转换单元211可由(但不限于)一第一光电二极管PD1来实施，其中第一光电二极管PD1用以传感一光信号LS以产生一光电转换结果PR1。第一复位晶体管MR1耦接于一复位电压与第一浮动扩散节点FD1之间，用以根据一第一控制信号RST(或可称作复位信号)将第一浮动扩散节点FD1复位至所述复位电压。在此实施例中，第一复位晶体管MR1的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)和第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)分别耦接到所述复位电压和第一浮动扩散节点FD1，而第一复位晶体管MR1的控制端TR1(诸如栅极)用以接收第一控制信号RST。此外，所述复位电压可由一电源电压VDD来实施。然而，本公开并不以此为限。

第一传输晶体管MT1耦接于第一光电转换单元211与第一浮动扩散节点FD1之间，用以根据不同于第一控制信号RST的一第二控制信号TX(或可称作传输信号)，将第一光电转换单元211产生的光电转换结果PR1传递到第一浮动扩散节点FD1。在此实施例中，第一传输晶体管MT1的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)和第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)分别耦接到第一浮动扩散节点FD1和第一光电转换单元211，而第一传输晶体管MT1的控制端TT1(诸如栅极)用以接收第二控制信号TX。

第一放大晶体管MF1的控制端TF1(诸如栅极)耦接到第一浮动扩散节点FD1以接收第一电信号VFD1，并用以放大第一浮动扩散节点FD1上的第一电信号VFD1以产生第一像素信号APS。此外，第一放大晶体管MF1还用以缓冲第一电信号VFD1，以输出经缓冲处理后的第一电信号VFD1(第一像素信号APS)。举例来说(但本公开不限于此)，第一放大晶体管MF1可由源极跟随器(source follower)来实施。

第一选择晶体管MS1耦接于第一放大晶体管MF1与第一信号输出端TO1之间，用以根据一第三控制信号RSEL(或可称作选择信号)将第一像素信号APS从第一信号输出端TO1输出。在此实施例中，第一放大晶体管MF1的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)和第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)分别耦接到电源电压VDD和第一选择晶体管MS1的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)，第一选择晶体管MS1的第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)则是耦接到第一信号输出端TO1。此外，第一选择晶体管MS1的控制端TS1(诸如栅极)用以接收第三控制信号RSEL。在某些实施例中，第一控制信号RST、第二控制信号TX和第三控制信号RSEL均可由图1所示的控制电路130来产生。此外，有源像素201还可包括一第一电流源IS1，其可提供用于有源像素201的操作的电流信号。

暗像素202的电路结构和有源像素201的电路结构可大致相似。在此实施例中，暗像素202可包括(但不限于)一第二光电转换单元212、一第二浮动扩散节点FD2、一第二复位晶体管MR2、一第二传输晶体管MT2、一第二放大晶体管MF2、一第二选择晶体管MS2以及一第二信号输出端TO2。

第二光电转换单元212用以进行光电转换。在此实施例中，第二光电转换单元212可由(但不限于)一第二光电二极管PD2来实施，其中第二光电二极管PD2上方可设置一遮光层(图2未示)。因此，第二光电转换单元212可产生未受光照射下的光电转换结果PR2。

第二复位晶体管MR2耦接于电源电压VDD(上述复位电压)与第二浮动扩散节点FD2之间，用以选择性地将第二浮动扩散节点FD2复位至电源电压VDD。例如，第二复位晶体管MR2的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)和第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)分别耦接到电源电压VDD和第二浮动扩散节点FD2。此外，第二传输晶体管MT2耦接于第二光电转换单元212与第二浮动扩散节点之间FD2，用以将第二光电转换单元212产生的光电转换结果PR2传递到第二浮动扩散节点FD2。例如，第二传输晶体管MT2的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)和第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)分别耦接到第二浮动扩散节点FD2和第二光电转换单元212。值得注意的是，第二复位晶体管MR2的控制端TR2(诸如栅极)与第二传输晶体管MT2的控制端TT2(诸如栅极)彼此耦接。因此，第二复位晶体管MR2和第二传输晶体管MT2是由同一控制信号所控制。所述同一控制信号具有不同的信号电平(诸如高信号电平和低信号电平；不同于具有同一信号电平的电源电压VDD)，使第二复位晶体管MR2和第二传输晶体管MT2均根据所述同一控制信号选择性地导通。

例如，当第一复位晶体管MR1导通且第一传输晶体管MT1断开时，第二传输晶体管MT2和第二复位晶体管MR2均导通。又例如，当第一复位晶体管MR1断开且第一传输晶体管MT1导通时，第二传输晶体管MT2和第二复位晶体管MR2均断开。又例如，当第一复位晶体管MR1和第一传输晶体管MT1均导通时，第二传输晶体管MT2和第二复位晶体管MR2均导通。

此外，在此实施例中，第二复位晶体管MR2的控制端TR2与第二传输晶体管MT2的控制端TT2均耦接到第一复位晶体管MR1的控制端TR1，使第二复位晶体管MR2、第二传输晶体管MT2和第一复位晶体管MR1共同由第一控制信号RST所控制。第一传输晶体管MT1的控制端TT1则是耦接到不同于第一控制信号RST的第二控制信号TX。

第二放大晶体管MF2的控制端TF2(诸如栅极)耦接到第二浮动扩散节点FD2以接收第二电信号VFD2，用以放大第二浮动扩散节点FD2上的第二电信号VFD2以产生第二像素信号DPS。第二放大晶体管MF2还用以缓冲第二电信号VFD2，以输出经缓冲处理后的第二电信号VFD2(第二像素信号DPS)。在此实施例中，第二放大晶体管MF2可由源极跟随器来实施。然而，本公开并不以此为限。

第二选择晶体管MS2耦接于第二放大晶体管MF2与第二信号输出端TO2之间，用以将第二像素信号DPS从第二信号输出端TO2输出。在此实施例中，第二放大晶体管MF2的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)和第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)分别耦接到电源电压VDD和第二选择晶体管MS2的第一连接端(诸如源极或漏极两者其一)，第二选择晶体管MS2的第二连接端(诸如源极或漏极两者另一)则是耦接到第二信号输出端TO2。此外，第二选择晶体管MS2的控制端TS2(诸如栅极)可与第一选择晶体管MS1的控制端TS1彼此耦接以接收第三控制信号RSEL。例如，有源像素201和暗像素202可设置在图1所示的像素阵列110中的同一行。因此，第二选择晶体管MS2可根据第三控制信号RSEL选择性地将第二像素信号DPS从第二信号输出端TO2输出。此外，暗像素202还可包括一第二电流源IS2，其可提供用于暗像素202的操作的电流信号。

处理电路120耦接到第一信号输出端TO1和第二信号输出端TO2，用以分别通过第一信号输出端TO1和第二信号输出端TO2接收第一像素信号APS和第二像素信号DPS，并对第一像素信号APS和第二像素信号DPS进行相关的信号处理，以分别产生一第一像素输出PO1和一第二像素输出PO2。处理电路120可根据第二像素输出PO2校正第一像素输出PO1，以产生传感输出SS。

值得注意的是，上述有源像素201和/或暗像素202的结构只是出说明的目的，并非用来限制本公开的范围。在某些实施例中，有源像素201与暗像素202可设置在图1所示的像素阵列110中的同一行，其中第一选择晶体管MS1的控制端TS1与第二选择晶体管MS2的控制端TS2彼此耦接。或者，第一复位晶体管MR1的控制端TR1与第二复位晶体管MR2的控制端TR2彼此耦接。

在某些实施例中，有源像素201与暗像素202可设置在图1所示的像素阵列110中的不同行。处理电路120可利用位于某一像素行(a row of pixels)的暗像素202所产生的第二像素信号DPS，来校正位于另一像素行的有源像素201所产生的第一像素信号APS。第二选择晶体管MS2的控制端TS2可以不耦接到第一选择晶体管MS1的控制端TS1，其中第二选择晶体管MS2和第一选择晶体管MS1是由不同的选择信号所控制。或者，第二复位晶体管MR2的控制端TR2可以不耦接到第一复位晶体管MR1的控制端TR1，其中第二复位晶体管MR2和第一复位晶体管MR1是由不同的复位信号所控制。

请连同图2参阅图3。图3是图2所示的暗像素202所涉及的操作时序的一实施例的示意图。在此实施例中，处理电路120可分别对第一像素信号APS和第二像素信号DPS执行多次采样操作以分别产生第一像素输出PO1和第二像素输出PO2，以及根据第一像素输出PO1与第二像素输出PO2的相减结果产生传感输出SS。出于说明的目的，以下搭配相关双采样(correlated double sampling)来说明暗像素202的操作，然而，本公开并不以此为限。此外，有源像素201与暗像素202可位于相同的像素行，其中有源像素201与暗像素202可由相同的复位信号和选择信号来控制。

在处理电路120对第一像素信号APS执行相关双采样的期间，有源像素201可依序进入相关双采样的一复位电平采样阶段(reset level sampling phase)PHR和一信号电平采样阶段(signal level sampling phase)PHS。首先，在时间点T1之前，图1所示的图像传感器100操作在一曝光阶段PHE1。在时间点T1，第一选择晶体管MS1可根据第三控制信号RSEL导通。接下来，在曝光阶段PHE1与复位电平采样阶段PHR之间(例如在时间点T2与时间点T3之间)，第一复位晶体管MR1可根据第一控制信号RST导通，以复位第一浮动扩散节点FD1。在复位电平采样阶段PHR中(例如在时间点T3与时间点T4之间)，第一复位晶体管MR1可根据第一控制信号RST断开，处理电路120可对第一像素信号APS进行采样，以产生一复位电平采样结果RSR1。

在复位电平采样阶段PHR与信号电平采样阶段PHS之间(例如在时间点T4与时间点T5之间)，第一传输晶体管MT1可根据第二控制信号TX导通，以将第一光电转换单元211耦接到第一浮动扩散节点FD1，从而光电转换结果PR1传递到第一浮动扩散节点FD1。在信号电平采样阶段PHS中(例如在时间点T5与时间点T6之间)，第一传输晶体管MT1可根据第二控制信号TX断开，处理电路120可再次对第一像素信号APS进行采样，以产生一信号电平采样结果SSR1。处理电路120可将信号电平采样结果SSR1与复位电平采样结果RSR1相减以减少复位噪声的干扰，以根据复位电平采样结果RSR1与信号电平采样结果SSR1之间的差产生第一像素输出PO1。

此外，在下一曝光阶段PHE2之前(例如在时间点T6与时间点T7之间)，第一复位晶体管MR1和第一传输晶体管MT1均可再次导通，以同时复位第一浮动扩散节点FD1和第一光电二极管PD1。

相似地，在处理电路120对第二像素信号DPS执行相关双采样的期间，暗像素202可依序进入复位电平采样阶段PHR和信号电平采样阶段PHS。在时间点T1，第二选择晶体管MS1可根据第三控制信号RSEL导通。在在曝光阶段PHE1与复位电平采样阶段PHR之间(例如在时间点T2与时间点T3之间)，第二复位晶体管MR2和第二传输晶体管MT2均根据第一控制信号RST导通，以复位第二浮动扩散节点FD2并同时将第二光电转换单元212耦接到第二浮动扩散节点FD2。例如，第二浮动扩散节点FD2上的第二电信号VFD2可被复位到电源电压VDD或接近电源电压VDD的信号电平，以及第二光电二极管PD2的一端的电信号VPD可被复位到电源电压VDD或接近电源电压VDD的信号电平。接下来，在复位电平采样阶段PHR中(例如在时间点T3与时间点T4之间)，第二复位晶体管MR2可根据第一控制信号RST断开，处理电路120可对第二像素信号DPS进行采样，以产生一复位电平采样结果RSR2。

在复位电平采样阶段PHR与信号电平采样阶段PHS之间(例如在时间点T4与时间点T5之间)，由于第二传输晶体管MT2根据第一控制信号RST维持断开，因此，第二光电转换单元212未耦接到第二浮动扩散节点FD2。在信号电平采样阶段PHS中(例如在时间点T5与时间点T6之间)，处理电路120可再次对第二像素信号DPS进行采样，以产生一信号电平采样结果SSR2。处理电路120可将信号电平采样结果SSR2与复位电平采样结果RSR2相减以减少复位噪声的干扰，以根据复位电平采样结果RSR2与信号电平采样结果SSR2之间的差产生第二像素输出PO2。

此外，在下一曝光阶段PHE2之前(例如在时间点T6与时间点T7之间)，第二复位晶体管MR2和第二传输晶体管MT2均可再次导通，以同时复位第二浮动扩散节点FD2和第二光电二极管PD2。

值得注意的是，在复位电平采样阶段PHR刚开始的一段时间内，受到时钟馈通(clock feedthrough)的影响，电荷会注入暗像素202中的寄生电容(诸如暗像素202的第二复位晶体管MR2的栅源电容和/或栅漏电容，和/或暗像素202的第二传输晶体管MT2的栅源电容和/或栅漏电容)，使第二电信号VFD2的信号电平下降。由于各像素之间存在像素结构不匹配的问题，因此，上述电荷注入效应可能会增加固定模式噪声(fixed pattern noise)的干扰。此外，上述电荷注入效应也可能会增加随时间变化的随机噪声(temporal noise)的干扰。也就是说，暗像素202的复位电平采样结果RSR2可能会携带受到电荷注入(或时钟馈通)的影响而产生的固定模式噪声和随机噪声。

出于说明的目的，图3还示出采用不同控制信号来控制暗像素的电荷转移和信号复位的操作所涉及的浮动扩散节点上的例示性信号波形，以进一步说明本公开图像传感方案具备的功效。

举例来说，假设第二传输晶体管MT2是由用来控制第一传输晶体管MT1的第二控制信号TX所控制的情形下，第二浮动扩散节点FD2上的电信号可标记为VFD2’。在复位电平采样阶段PHR与信号电平采样阶段PHS之间(例如在时间点T4与时间点T5之间)，由于第二传输晶体管MT2会根据第二控制信号TX而导通，因此，第二光电转换单元212产生的暗电流会降低第二浮动扩散节点FD2上的电信号VFD2’的信号电平。然而，像素结构的不匹配会造成各暗像素产生不同的暗电流。不同的暗电流会引入其他受到工艺波动而产生的固定模式噪声，也会增加随时间变化的随机噪声的干扰。此外，在信号电平采样阶段PHS刚开始的一段时间内，由于第二传输晶体管MT2由导通状态切换成断开状态，第二浮动扩散节点FD2会再次受到时钟馈通的影响，使电信号VFD2’的信号电平进一步下降。因此，在第二传输晶体管MT2是由用来控制第一传输晶体管MT1的第二控制信号TX所控制的情形下，除了携带在复位电平采样阶段PHR中引入的固定模式噪声和随机噪声，信号电平采样结果SSR2还会携带暗电流所造成的噪声成分，以及在信号电平采样阶段PHS中引入的固定模式噪声和随机噪声。

上述电荷注入效应所造成的干扰(固定模式噪声和随机噪声)可通过同步控制第二复位晶体管MR2和第二传输晶体管MT2的方案来改善。例如，在复位电平采样阶段PHR与信号电平采样阶段PHS之间(例如在时间点T4与时间点T5之间)，暗像素202的第二复位晶体管MR2和第二传输晶体管MT2均根据第一控制信号RST维持断开。因此，在信号电平采样阶段PHS中(例如在时间点T5与时间点T6之间)，处理电路120所产生的信号电平采样结果SSR2不仅不会携带第二传输晶体管MT2由导通状态切换成断开状态所引入的噪声干扰，并可携带在复位电平采样阶段PHR中引入的固定模式噪声和随机噪声。由于处理电路120可将信号电平采样结果SSR2与复位电平采样结果RSR2相减以产生第二像素输出PO2，因此，可消除或大幅减少第二像素输出PO2之中在复位电平采样阶段PHR受到电荷注入(或时钟馈通)的影响而产生的噪声成分。

也就是说，由于本公开的图像传感方案采用相同的控制信号来控制暗像素的电荷转移和信号复位操作，因此，可大幅减少在暗像素中受到暗电流和电荷注入(或时钟馈通)的影响所产生的固定模式噪声和随机噪声。

以上所述的像素电路结构是出于说明的目的，并非用来限制本公开。在某些实施例中，本公开的图像传感方案可用于包含共享像素结构(shared pixel architecture)的图像传感器。举例来说，暗像素可用来校正多个彼此相邻的有源像素，其中所述多个彼此相邻的有源像素可共用多个晶体管(诸如复位晶体管、放大晶体管和/或选择晶体管)。

图4绘示了与图2所示的有源像素201相邻的一有源像素的一实施例的示意图。在此实施例中，有源像素401(诸如图1所示的多个有源像素P_1,1-P_M,N中的一有源像素)与有源像素201彼此相邻。举例来说，有源像素401与有源像素201可设置在相邻的像素行。有源像素401用以产生一第三像素信号APS0，其中第二像素信号DPS还可用于校正第三像素信号APS0。也就是说，处理电路120可根据第二像素信号DPS校正第三像素信号APS0。

在此实施例中，有源像素401与有源像素201共用第一浮动扩散节点FD1、第一复位晶体管MR1、第一放大晶体管MF1、第一选择晶体管MS1、第一信号输出端TO1以及第一电流源IS1。有源像素401还包含一第三光电转换单元411和一第三传输晶体管MT11。第三光电转换单元411可由一第三光电二极管PD11来实施，并将光信号LS进行光电转换。第三传输晶体管MT11可根据一第四控制信号TX11(或可称作传输信号)选择性地导通，其中第四控制信号TX11可由图1所示的控制电路130来提供。由于本领域的技术人员通过阅读图1至图3的相关段落说明之后，应可了解处理电路120根据暗像素202产生的第二像素信号DPS来校正有源像素401产生的第三像素信号APS0所涉及的操作细节，因此，进一步的说明在此便不再赘述。

在某些实施例中，本公开的图像传感方案可采用多个暗像素的输出来校正一个有源像素的输出。图5绘示了与图2所示的暗像素202相邻的一暗像素的一实施例的示意图。在此实施例中，暗像素502(诸如图1所示的多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q中的一暗像素)与暗像素202彼此相邻。举例来说，暗像素502与暗像素202可设置在相邻的像素行。暗像素502用以产生一第四像素信号DPS0，其中第四像素信号DPS0可用于校正第一像素信号APS。也就是说，处理电路120可根据第二像素信号DPS和第四像素信号DPS0校正第一像素信号APS。例如，处理电路120可根据第二像素信号DPS和第四像素信号DPS0的平均，校正第一像素信号APS。

在此实施例中，暗像素502可具有与暗像素202相同/相似的结构。暗像素502包括(但不限于)一第四光电转换单元512、一第三浮动扩散节点FD3、一第四传输晶体管MT21、一第三复位晶体管MR3、一第三放大晶体管MF3、一第三选择晶体管MS3以及一第三信号输出端TO3。第四光电转换单元512可由一第四光电晶体管PD21来实施。第四传输晶体管MT21耦接于第四光电转换单元512与第三浮动扩散节点FD3之间。第三复位晶体管MR3耦接于电源电压VDD与第三浮动扩散节点FD3之间，其中第二复位晶体管MR2的控制端TR2、第二传输晶体管MT2的控制端TT2、第三复位晶体管MR3的控制端TR3和第四传输晶体管MT21的控制端TT21均彼此耦接。在某些实施例中，第二复位晶体管MR2的控制端TR2、第二传输晶体管MT2的控制端TT2、第三复位晶体管MR3的控制端TR3和第四传输晶体管MT21的控制端TT21均耦接到第一复位晶体管MR1的控制端TR1。例如，有源像素201、暗像素202和暗像素502均设置在同一像素行中。此外，在某些实施例中，第三选择晶体管MS3的控制端TS3耦接到第二选择晶体管MS2的控制端TS2。

由于本领域的技术人员通过阅读图1至图3的相关段落说明之后，应可了解处理电路120根据暗像素202产生的第二像素信号DPS和暗像素502产生的第四像素信号DPS0来校正有源像素201产生的第一像素信号APS所涉及的操作细节，因此，进一步的说明在此便不再赘述。

在某些实施例中，本公开的图像传感方案可采用具有其他晶体管个数的像素结构。图6是图1所示的多个有源像素P_1,1-P_M,N中至少一有源像素和多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q中的至少一暗像素的另一实施例的示意图。也就是说，图1所示的多个有源像素P_1,1-P_M,N中至少一有源像素可由有源像素601来实施，以及图1所示的多个暗像素P_1,N+1-P_M,N+Q中的至少一暗像素可由暗像素602来实施。有源像素601的结构和图2所示的有源像素201的结构之间的差别在于有源像素601采用三个晶体管(3T)电流型像素结构，其可包括图2所示的第一光电转换单元211、第一复位晶体管MR1、第一传输晶体管MT1和第一放大晶体管MF1以及第一信号输出端TO1。相似地，暗像素602的结构和图2所示的暗像素202的结构之间的差别在于有暗像素602采用三个晶体管电流型像素结构，其可包括图2所示的第二光电转换单元212、第二复位晶体管MR2、第二传输晶体管MT2和第二放大晶体管MF2以及第二信号输出端TO2。由于本领域的技术人员通过阅读图1到图3相关的段落说明之后，应可了解图6所示的像素结构和相关的信号处理操作的细节，因此重复的说明在此便不再赘述。

值得注意的是，在某些实施例中，图6所示的第一放大晶体管MF1和/或第二放大晶体管MF2可由其他电路结构来实施。也就是说，只要是采用了具有复位晶体管的控制端和传输晶体管的控制端彼此耦接的暗像素(例如图7所示的像素结构)，相关的图像传感器包含在本公开的保护范围之内。

本公开的实施例还提供了一种电子装置，包括上述中任意的图像传感器。例如，电子装置可以是包含图像传感器的摄像头、摄像机、安防监控器等等，电子装置也可以是包括上述图像传感器的手机、平板等移动装置。电子装置不局限于此处所列举的对象。

此外，本公开的图像传感方案可简单归纳为图8所示的流程图。图8是本公开的操作图像传感器的方法的一实施例的流程图。所述图像传感器包括一有源像素和一暗像素。所述有源像素和所述暗像素分别产生一第一像素信号和一第二像素信号。假若所得到的结果实质上大致相同，则步骤不一定要按照图8所示的顺序来进行。举例来说，某些步骤可安插于其中。为了方便说明，以下搭配图2所示的像素结构的图像传感器和图3所示的操作时序来说明图8所示的控制方法。然而，将图8所示的控制方法应用于采用其他像素结构(诸如图4至图7所示的像素结构)的图像传感器均是可行的。图8所示的控制方法可简单归纳如下。

步骤802：在所述图像传感器的曝光阶段与第一采样阶段之间，复位所述有源像素的浮动扩散节点，以及根据第一控制信号，复位所述暗像素的浮动扩散节点并同时将所述暗像素的光电转换单元耦接到所述暗像素的浮动扩散节点。例如，在图3所示的曝光阶段PHE1与复位电平采样阶段PHR之前，复位第一浮动扩散节点FD1，以及根据第一控制信号RST，复位第二浮动扩散节点FD2并同时将第二光电转换单元212耦接到第二浮动扩散节点FD2。

步骤804：在所述第一采样阶段与所述图像传感器的第二采样阶段之间，将所述有源像素的光电转换单元耦接到所述有源像素的浮动扩散节点，以及根据所述第一控制信号使所述暗像素的光电转换单元未耦接到所述暗像素的浮动扩散节点。例如，在复位电平采样阶段PHR与信号电平采样阶段PHS之间，将第一光电转换单元211耦接到第一浮动扩散节点FD1，以及根据第一控制信号RST使第二光电转换单元212未耦接到第二浮动扩散节点FD2。

步骤806：在所述第一采样阶段和所述第二采样阶段，分别对有源像素产生的第一像素信号进行采样，以及分别对暗像素产生的第二像素信号进行采样，以产生传感输出。例如，在复位电平采样阶段PHR与信号电平采样阶段PHS之间，分别对有源像素201产生的第一像素信号APS进行采样，以及分别对暗像素202产生的第二像素信号DPS进行采样，以产生传感输出SS。

由于本领域的技术人员通过阅读图1到图7相关的段落说明之后，应可了解图8所示的控制法中每一步骤的细节，因此进一步的说明在此便不再赘述。

通过相同的控制信号来控制暗像素的电荷转移和信号复位操作，本公开的图像传感方案可大幅减少在暗像素中受到暗电流和电荷注入(或时钟馈通)的影响所产生的固定模式噪声和随机噪声，进一步提高传感品质。

以上所述仅为本公开的实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种图像传感器的像素阵列，其特征在于，包括：

有源像素，用以产生第一像素信号，所述有源像素包括：

第一光电转换单元；

第一浮动扩散节点；

第一传输晶体管，耦接于所述第一光电转换单元与所述第一浮动扩散节点之间；以及

第一复位晶体管，耦接于复位电压与所述第一浮动扩散节点之间；以及

暗像素，用以产生第二像素信号，所述第二像素信号用于校正所述第一像素信号，所述暗像素包括：

第二光电转换单元；

第二浮动扩散节点；

第二传输晶体管，耦接于所述第二光电转换单元与所述第二浮动扩散节点之间；以及

第二复位晶体管，耦接于所述复位电压与所述第二浮动扩散节点之间，其中，所述第二复位晶体管的控制端与所述第二传输晶体管的控制端彼此耦接，且所述第二复位晶体管的控制端与所述第二传输晶体管的控制端均耦接到所述第一复位晶体管的控制端。

2.如权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述第一复位晶体管的控制端、所述第二复位晶体管的控制端与所述第二传输晶体管的控制端均耦接到第一控制信号，所述第一传输晶体管的控制端耦接到不同于所述第一控制信号的第二控制信号。

3.如权利要求1至2中任一项所述的像素阵列，其特征在于，所述有源像素和所述暗像素设置在所述像素阵列中的同一行。

4.如权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，当所述第一复位晶体管导通且所述第一传输晶体管断开时，所述第二传输晶体管和所述第二复位晶体管均导通。

5.如权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，当所述第一复位晶体管断开且所述第一传输晶体管导通时，所述第二传输晶体管和所述第二复位晶体管均断开。

6.如权利要求1、2、4和5中任一项所述的像素阵列，其特征在于，当所述第一复位晶体管和所述第一传输晶体管均导通时，所述第二传输晶体管和所述第二复位晶体管均导通。

7.如权利要求1、2、4和5中任一项所述的像素阵列，其特征在于，所述暗像素还包括用以放大所述第二浮动扩散节点上的电信号以产生第二像素信号的第二放大晶体管，所述第二放大晶体管的控制端耦接到所述第二浮动扩散节点。

8. 如权利要求7所述的像素阵列，其特征在于，所述暗像素还包括：

第二信号输出端；以及

第二选择晶体管，耦接于所述第二放大晶体管与第二信号输出端之间，用以将所述第二像素信号从所述第二信号输出端输出。

9.如权利要求1、2、4和5中任一项所述的像素阵列，其特征在于，还包括：

另一有源像素，用以产生第三像素信号，所述第二像素信号还用于校正所述第三像素信号；所述另一有源像素和所述有源像素共用所述第一浮动扩散节点和所述第一复位晶体管；所述另一有源像素还包括第三光电转换单元和第三传输晶体管，所述第三传输晶体管耦接于所述第三光电转换单元与所述第一浮动扩散节点之间。

10.如权利要求1、2、4和5中任一项所述的像素阵列，其特征在于，还包括另一暗像素，所述另一暗像素包括：

第四光电转换单元；

第三浮动扩散节点；

第四传输晶体管，耦接于所述第四光电转换单元与所述第三浮动扩散节点之间；以及

第三复位晶体管，耦接于所述复位电压与所述第三浮动扩散节点之间，其中所述第二复位晶体管的控制端、所述第二传输晶体管的控制端、所述第三复位晶体管的控制端和所述第四传输晶体管的控制端均耦接到所述第一复位晶体管的控制端。

11.一种图像传感器，其特征在于，包括：

如权利要求1-6、9和10中任一项所述的像素阵列，具有排列为多行与多列的多个像素，所述多个像素包括所述有源像素和所述暗像素，所述有源像素还包括：

第一放大晶体管，所述第一放大晶体管的控制端耦接到所述第一浮动扩散节点，所述第一放大晶体管用以放大所述第一浮动扩散节点上的第一电信号以产生所述第一像素信号；以及

第一信号输出端，耦接到所述第一放大晶体管，用以输出所述第一像素信号；以及

所述暗像素的所述第二复位晶体管的控制端与所述暗像素的所述第二传输晶体管的控制端耦接到不同于所述复位电压的同一控制信号，所述同一控制信号具有不同的信号电平，使所述第二复位晶体管和所述第二传输晶体管均根据所述同一控制信号选择性地导通；所述暗像素还包括：

第二放大晶体管，所述第二放大晶体管的控制端耦接到所述第二浮动扩散节点，所述第二放大晶体管用以放大所述第二浮动扩散节点上的第二电信号以产生所述第二像素信号；以及

第二信号输出端，耦接到所述第二放大晶体管，用以输出所述第二像素信号；以及

处理电路，耦接到所述第一信号输出端和所述第二信号输出端，用以根据所述第二像素信号校正所述第一像素信号。

12.如权利要求11所述的图像传感器，其特征在于，所述有源像素还包括第一选择晶体管，所述第一选择晶体管耦接于所述第一放大晶体管与所述第一信号输出端之间；所述暗像素还包括第二选择晶体管，所述第二选择晶体管耦接于所述第二放大晶体管与所述第二信号输出端之间；所述第一选择晶体管的控制端与所述第二选择晶体管的控制端彼此耦接。

13.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求11或12所述的图像传感器。

14.一种操作图像传感器的方法，其特征在于，所述图像传感器包括有源像素和暗像素，所述有源像素和所述暗像素分别产生第一像素信号和第二像素信号，所述方法包括：

在所述图像传感器的曝光阶段与第一采样阶段之间，复位所述有源像素的浮动扩散节点，以及根据第一控制信号，复位所述暗像素的浮动扩散节点并同时将所述暗像素的光电转换单元耦接到所述暗像素的浮动扩散节点；

在所述第一采样阶段与所述图像传感器的第二采样阶段之间，将所述有源像素的光电转换单元耦接到所述有源像素的浮动扩散节点，以及根据所述第一控制信号使所述暗像素的光电转换单元未耦接到所述暗像素的浮动扩散节点；以及

在所述第一采样阶段和所述第二采样阶段，分别对有源像素产生的第一像素信号进行采样，以及分别对暗像素产生的第二像素信号进行采样，以产生传感输出。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括，

在所述曝光阶段与所述第一采样阶段之间，根据不同于所述第一控制信号的第二控制信号使所述有源像素的光电转换单元未耦接到所述有源像素的浮动扩散节点。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，复位所述暗像素的浮动扩散节点的步骤包括：

将复位电压耦接到所述暗像素的浮动扩散节点；

其中在所述第一采样阶段与所述第二采样阶段之间，所述暗像素的浮动扩散节点根据所述第一控制信号未耦接到所述复位电压。

17.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，复位所述有源像素的浮动扩散节点的步骤包括：

将复位电压耦接到所述有源像素的浮动扩散节点；

其中在所述第一采样阶段与所述第二采样阶段之间，所述有源像素的浮动扩散节点未耦接到所述复位电压。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括，

在所述第二采样阶段与所述图像传感器的下一曝光阶段之间，根据所述第一控制信号，复位所述暗像素的浮动扩散节点并同时将所述暗像素的光电转换单元耦接到所述暗像素的浮动扩散节点。

19.如权利要求14、15和18中任一项所述的方法，其特征在于，复位所述暗像素的浮动扩散节点并同时将所述暗像素的光电转换单元耦接到所述暗像素的浮动扩散节点的步骤包括：

将所述第一控制信号传送到所述暗像素的复位晶体管的控制端和所述暗像素的传输晶体管的控制端，以同时导通所述复位晶体管和所述传输晶体管，其中所述复位晶体管耦接于复位电压与所述暗像素的浮动扩散节点之间，所述传输晶体管耦接于所述暗像素的光电转换单元与所述暗像素的浮动扩散节点之间。

20.如权利要求14、15和18中任一项所述的方法，其特征在于，对所述第一像素信号进行采样以及对所述第二像素信号进行采样以产生所述传感输出的步骤包括：

在所述第一采样阶段，对所述第一像素信号进行采样以产生第一采样结果，以及对所述第二像素信号进行采样以产生第二采样结果；

在所述第二采样阶段，对所述第一像素信号进行采样以产生第三采样结果，以及对所述第二像素信号进行采样以产生第四采样结果；

根据所述第一采样结果与所述第三采样结果之间的差产生第一像素输出；

根据所述第二采样结果与所述第四采样结果之间的差产生第二像素输出；以及

根据所述第二像素输出校正所述第一像素输出，以产生所述传感输出。

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