CN111405211B - 一种图像传感器像素结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种图像传感器像素结构及其控制方法，图像传感器像素结构包括感光控制单元、存储单元、复位单元和输出单元；感光控制单元的一端接地，另一端连接存储单元的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将电信号传送存储单元；存储单元的另一端连接复位单元的一端，同时还连接输出单元的一端，其用于存储电信号；复位单元的另一端连接电源，其通过采用复位信号对感光控制单元以及存储单元进行复位；输出单元的另一端输出电信号以及复位信号。本发明通过存储单元在曝光时将电信号进行存储，有利于消除LED闪烁即实现了LFM，在保证LFM的同时图像噪声性能提升，提高图像的噪音性能。

Description

一种图像传感器像素结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及到图像传感器领域，特别涉及一种图像传感器像素结构及其控制方法。
背景技术
随着图像传感器技术的不断发展，CMOS图像传感器由于具有高集成度、低功耗等优点，在电子、监控、导航、交通等领域应用越来越广泛。但随着CMOS图像传感器技术地不断发展，对CMOS图像传感器的性能的要求也越来越高。而在车载智能驾驶领域，CMOS图像传感器的性能要求更高。
对于车载智能辅助驾驶的摄像头，由于摄像头要能精准检测所有视野范围内的所有信号灯、车灯等信息，而信号灯和车灯的光源是LED光源，LED光源是脉冲光源，对于普通的卷帘曝光的车载摄像头，对LED信号捕捉的时候会出现信号不完全，导致信号采集失误从而引发辅助驾驶出错，因此车载摄像头的很重要的功能要求是LFM(LED FlickerMitigation，LED闪烁抑制)。
现有的LFM技术要么需要通过多帧信号融合，要么需要在单帧内对单行进行多次信号读取将行周期增大，这两种方式都会损耗帧率。而现有当前帧完全不损耗帧率的LFM技术将分段信号存储在悬浮扩散区，在实现信号读取的时候需要先读取曝光信号再读取复位信号，信号的采集时不是CDS(相关双采样)的方式，最终图像传感器的噪声性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器像素结构及其控制方法，降低帧率的损耗，提高图像传感器的噪声性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种图像传感器像素结构，包括感光控制单元、存储单元、复位单元和输出单元；所述感光控制单元的一端接地，另一端连接所述存储单元的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将所述电信号传送存储单元；所述存储单元的另一端连接所述复位单元的一端，同时还连接所述输出单元的一端，其用于存储所述电信号；所述复位单元的另一端连接电源，其通过采用复位信号对所述感光控制单元以及存储单元进行复位；所述输出单元的另一端输出所述电信号以及复位信号。
可选的，
所述感光控制单元包括光电二极管和所述第一晶体管，所述存储单元包括存储节点、第二晶体管和第三晶体管，所述复位单元包括第四晶体管，所述输出单元包括放大晶体管和行选晶体管；
所述光电二极管的正极接地，所述光电二极管的负极与所述第一晶体管的第一电极连接；所述第一晶体管的栅极与光电传输控制信号端连接，所述第一晶体管的第二电极与所述第二晶体管的第二电极连接，同时还与所述第三晶体管的第一电极连接；所述第二晶体管的栅极与存储控制信号端连接，所述第二晶体管的第一电极与所述存储节点连接；所述第三晶体管的栅极与存储传输信号端连接，所述第三晶体管的第二电极与所述第四晶体管的第一电极连接，同时还与输出单元连接；所述第四晶体管的栅极与复位信号端连接，所述第四晶体管的第二电极与电源连接；所述放大晶体管的栅极与第三晶体管的第二电极连接，同时还与所述第四晶体管的第一电极连接；所述放大晶体管的第一电极与所述行选晶体管连接；所述放大晶体管的第二电极与电源连接；
其中，所述第三晶体管的第一电极、所述第一晶体管的第二电极，以及所述第二晶体管的第二电极之间具有第一连接点；所述放大晶体管的栅极，第三晶体管的第二电极以及所述第四晶体管的第一电极之间有第二连接点，所述第二连接点为悬浮扩散区。。
进一步的，所述存储节点为悬浮扩散结构，或者为电容结构。
另一方面，本发明还提供了一种图像传感器像素结构的控制方法，应用于所述的图像传感器像素结构，包括以下步骤：
信号初始化阶段：复位单元采用复位信号对感光控制单元以及存储单元进行复位；
曝光阶段：所述感光控制单元将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，所述存储单元存储所述电信号，其中，所述周期性曝光与所述光源的发光周期重叠；以及
读出阶段：输出单元阶段性的读出所述复位信号和所述电信号。
可选的，信号初始化阶段、曝光阶段和读出阶段具体包括以下步骤：
信号初始化阶段：第一晶体管至第四晶体管导通，所述第一晶体管在光电传输控制信号端的控制下采用复位信号对光电二极管进行复位，所述第二晶体管在所述存储控制信号端的控制下采用复位信号对存储节点进行复位；
曝光阶段：光源所产生的曝光信号对所述光电二极管进行周期性的曝光，所述光电二极管将曝光信号的光信号转换为电信号，所述存储节点存储所述电信号，其中，所述光电二极管的曝光周期与所述光源的曝光信号产生的周期重叠；以及
读出阶段：所述第一晶体管截止，在所述第四晶体管阶段性截止以及所述第二晶体管截止时，读出复位信号端；在所述第四晶体管截止以及所述第二晶体管导通时，读出所述电信号。
进一步的，所述光源包括多个发光周期，每个所述发光周期包括一有效发光阶段和一无效发光阶段；
所述光电二极管具有至少两个曝光周期，所述曝光周期包括至少两个时间相等的曝光分段，其中一个曝光分段为有效曝光阶段，剩余的曝光分段为无效曝光阶段；
其中，所述有效发光阶段进行的曝光为有效曝光阶段，所述无效发光阶段进行的曝光为无效曝光阶段。
更进一步的，在曝光阶段，图像传感器的下一行像素结构的曝光开始时间较当前行像素结构的曝光开始时间晚一个曝光分段所需的时间，且每行像素结构具有相同数量的有效曝光阶段。
更进一步的，每个所述曝光分段包括以下步骤：
曝光：所述光电传输控制信号端提供低电压信号，所述第一晶体管截止，所述光电二极管对进入有效曝光阶段的光源所产生的曝光信号进行曝光，以将曝光信号的光信号转换为电信号，并进行电荷的积累；
传输：所述光电传输控制信号端提供高电压信号，所述第一晶体管导通，所述存储控制信号端提供高电压信号，所述第二晶体管导通，存储传输信号端提供低电压信号，第三晶体管截止，曝光时所述光电二极管积累的电荷传输到所述存储节点；
等待：所述光电传输控制信号端提供低电压信号，所述第一晶体管截止，所述存储控制信号端提供低电压信号，所述第二晶体管截止，所述存储传输信号端提供低电压信号，所述第三晶体管截止，所述复位信号端提供高电压复位信号，所述第四晶体管导通，所述第四晶体管在所述复位信号端的控制下对第二连接点进行复位，所述电荷保持在所述存储节点中；
复位：所述复位信号端提供高电压复位信号，所述第四晶体管导通，所述第四晶体管在所述复位信号端的控制下对第二连接点进行复位；所述存储传输信号端提供高电压信号，所述第三晶体管导通；所述光电传输控制信号端提供高电压信号，所述第一晶体管导通，所述第一晶体管在所述光电传输控制信号端的控制下采用复位信号端对光电二极管进行复位；所述存储控制信号端提供低电压信号，所述第二晶体管截止，所述电荷保持在存储节点中。
更进一步的，读出阶段包括以下步骤：
读出复位信号：所述第一晶体管截止，所述第二晶体管截止，所述第三晶体管导通，所述第四晶体管阶段性的截止，放大晶体管导通，行选晶体管导通，在所述第四晶体管阶段性的截止时，输出单元的输出端读出了复位信号；
传输电信号：所述第二晶体管导通，所述存储节点中的电荷经所述第一连接点传输到所述第二连接点；
读出电信号：所述第三晶体管截止，所述行选晶体管导通，所述输出单元的输出端将存储在悬浮扩散区处的电荷输出，以读出电信号，同时得到图像传感器像素结构的曝光信号。
更进一步的，所述图像传感器像素结构的信号Vpix满足公式：
Vpix＝Vrst-Vsig；
其中，Vrst为读出的复位信号端，Vsig为读出的电信号。
与现有技术相比存在以下有益效果：
本发明提供的一种图像传感器像素结构及其控制方法，所述图像传感器像素结构包括感光控制单元、存储单元、复位单元和输出单元；所述感光控制单元的一端接地，另一端连接所述存储单元的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将所述电信号传送存储单元；所述存储单元的另一端连接所述复位单元的一端，同时还连接所述输出单元的一端，其用于存储所述电信号；所述复位单元的另一端连接电源，其通过采用复位信号对所述感光控制单元以及存储单元进行复位；所述输出单元的另一端输出所述电信号以及复位信号。本发明通过存储单元在曝光时将电信号进行存储，有利于降低帧率的损失，提高图像的噪音性能。
本发明提供的图像传感器像素结构的控制方法，通过所述周期性曝光与所述光源的发光周期重叠，使得图像传感器像素结构的曝光时间与光源产生曝光信号的时间重叠，从而消除了LED闪烁，实现了LED闪烁抑制。进一步的，在曝光阶段，图像传感器的下一行像素结构的曝光开始时间较当前行像素结构的曝光开始时间晚一个曝光分段所需的时间，且每行像素结构具有相同数量的有效曝光阶段，使得每行的有效曝光阶段的时间一致，也就是整个图像传感器在整个曝光过程中所感应的有效曝光时间一致，因此能消除LED闪烁即实现了LFM，在保证LFM的同时图像噪声性能提升，更适用于车载辅助驾驶等需要采集LED信号灯的使用场景。还使得图像传感器像素结构的控制方法无需多帧信号的融合，整个过程实现的方式较为简单，无需损耗帧率，提高了图像的噪音性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的图像传感器像素结构的结构示意图；
图2为本发明一实施例的图像传感器像素结构的时序控制示意图；
图3为本发明一实施例的一个曝光周期的示意图；
图4为本发明一实施例图像传感器在曝光阶段对光源曝光示意图。
附图标记说明：
1-感光控制单元；2-存储单元；3-复位单元；4-输出单元；
PD-光电二极管；
M1-第一晶体管；TX-光电传输控制信号端；
M2-第二晶体管；SC-存储控制信号端；
SD-存储节点；
M3-第三晶体管；TS-存储传输信号端；
M4-第四晶体管；RST-复位信号端；
A-第一连接点；FD-悬浮扩散区；
M5-放大晶体管；
M6-行选晶体管；ROW-行选信号端。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种图像传感器像素结构，包括感光控制单元、存储单元、复位单元和输出单元；所述感光控制单元的一端接地，另一端连接所述存储单元的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将所述电信号传送存储单元；所述存储单元的另一端连接所述复位单元的一端，同时还连接所述输出单元的一端，其用于存储所述电信号；所述复位单元的另一端连接电源，其通过采用复位信号对所述感光控制单元以及存储单元进行复位；所述输出单元的另一端输出所述电信号以及复位信号。
还提供了一种图像传感器像素结构的控制方法，应用于所述图像传感器像素结构，包括以下步骤：
信号初始化阶段：复位单元采用复位信号对感光控制单元以及存储单元进行复位；
曝光阶段：所述感光控制单元将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，所述存储单元存储所述电信号，其中，所述周期性曝光与所述光源的发光周期重叠；以及
读出阶段：输出单元阶段性的读出所述复位信号和所述电信号。
以下将对本发明的一种图像传感器像素结构及其控制方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例提供了一种图像传感器像素结构。图1为本实施例的图像传感器像素结构的结构示意图。如图1所示，所述图像传感器像素结构包括感光控制单元1、存储单元2、复位单元3和输出单元4。所述感光控制单元1的一端接地，另一端连接所述存储单元2的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将所述电信号传送给存储单元2；所述存储单元2的另一端连接所述复位单元3的一端，同时还连接所述输出单元4的一端，其用于存储所述电信号；所述复位单元3的另一端连接电源，其通过采用复位信号对所述感光控制单元1以及存储单元2进行复位；所述输出单元4的另一端输出所述电信号以及复位信号。
所述感光控制单元1包括光电二极管PD和所述第一晶体管M1，所述存储单元2包括第二晶体管M2、存储节点SD和第三晶体管M3，所述复位单元3包括第四晶体管M4。
所述光电二极管PD用于接收光源所发出的周期性的曝光的光信号，并将所述光信号转换为电信号(具体为模拟电信号)。所述光源例如是脉冲光源，具体例如是LED(发光二极管)光源。所述光电二极管PD的正极接地，所述光电二极管PD的负极与所述第一晶体管M1连接，并通过所述第一晶体管M1将其转换的电信号传送出去。
所述第一晶体管M1用于在光电传输控制信号端TX的控制下传输所述电信号。所述第一晶体管M1的栅极与光电传输控制信号端TX连接；所述第一晶体管M1的第一电极与所述光电二极管PD的负极连接；所述第一晶体管M1的第二电极同时与所述第二晶体管M2以及所述第三晶体管M3连接。
所述第二晶体管M2用于在存储控制信号端SC的控制下将所述电信号存储至所述存储节点SD。所述第二晶体管M2的栅极与存储控制信号端SC连接；所述第二晶体管M2的第二电极与所述第一晶体管M1的第二电极连接，同时还与所述第三晶体管M3连接；所述第二晶体管M2的第一电极与所述存储节点SD连接。
所述存储节点SD用于存储所述电信号。所述存储节点SD可以是悬浮扩散结构，也可以是电容结构(具体例如是一个电容)。
所述第三晶体管M3用于在存储传输信号端TS的控制下传输所述电信号。所述第三晶体管M3的栅极与存储传输信号端TS连接；所述第三晶体管M3的第一电极与所述第一晶体管M1的第二电极连接，还与所述第二晶体管M2的第二电极连接，使得所述第三晶体管M3的第一电极、所述第一晶体管M1的第二电极，以及所述第二晶体管M2的第二电极之间有第一连接点A；所述第三晶体管M3的第二电极与所述第四晶体管M4以及输出单元连接。
所述第四晶体管M4用于在复位信号端RST的控制下将所述光电二极管PD以及存储节点SD复位。所述第四晶体管M4的栅极与复位信号端RST连接；所述第四晶体管M4的第一电极与所述第三晶体管M3的第二电极连接，同时还与所述输出单元连接；所述第四晶体管M4的第二电极与电源连接。
所述输出单元用于输出所述电信号以及复位信号，所述输出单元包括但不限于放大晶体管M5和行选晶体管M6。所述放大晶体管M5的栅极与第三晶体管M3的第二电极连接，同时还与所述第四晶体管M4的第一电极连接，使得所述放大晶体管M5的栅极，第三晶体管M3的第二电极以及所述第四晶体管M4的第一电极之间有第二连接点，所述第二连接点为悬浮扩散区FD；所述放大晶体管M5的第一电极与所述行选晶体管M6连接；所述放大晶体管M5的第二电极与电源连接。
所述行选晶体管M6的栅极与所述行选信号端ROW连接，所述行选晶体管M6的第一电极用于输出所述电信号以及复位信号，所述行选晶体管M6的第二电极与所述放大晶体管M5的第一电极连接。
本实施例中采用的所有的晶体管均可以为薄膜晶体管或场效应管或其他特性相同的器件。本实施例中，所述第一电极为源极，所述第二电极为漏极；或者所述第一电极为漏极，所述第二电极为源极；或者部分的第一电极为源极，部分的第一电极为漏极。
本实施例中所有的晶体管均为N型晶体管，在高电平时导通，在低电平时截止。例如，如图1所示，所述第一晶体管M1为N型晶体管，当所述光电传输控制信号端TX提供的信号为高电平时，所述第一晶体管M1处于导通状态，当所述光电传输控制信号端TX提供的信号为低电平时所述第一晶体管M1处于截止状态。
图2为本实施例的图像传感器像素结构的时序控制示意图。如图2所示，并参考图1，本实施例提供了一种图像传感器像素结构的控制方法，应用于上述图像传感器像素结构，以下以图像传感器的第一行的像素结构的控制方法为例进行详细描述。
所述图像传感器像素结构的控制方法包括以下步骤：
信号初始化阶段：复位单元采用复位信号对感光控制单元以及存储单元进行复位；
曝光阶段：所述感光控制单元将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，所述存储单元存储所述电信号，其中，所述周期性曝光与所述光源的发光周期重叠；以及
读出阶段：输出单元阶段性的读出所述复位信号和所述电信号。
下面结合具体实施例和图1-4详细说明本发明的图像传感器像素结构的控制方法。
首先执行第一阶段，信号初始化阶段：复位单元采用复位信号对感光控制单元以及存储单元进行复位。具体的，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4导通，所述第一晶体管M1在光电传输控制信号端TX的控制下采用复位信号对光电二极管PD进行复位，所述第二晶体管M2在所述存储控制信号端SC的控制下采用复位信号对存储节点SD进行复位。
详细的，在t0时刻，复位信号端RST提供高电压的复位信号，第四晶体管M4导通，所述第四晶体管M4在所述复位信号端RST的控制下采用复位信号对第二连接点(即悬浮扩散区FD)进行复位(即初始化)，使得所述悬浮扩散区FD没有电荷积累；存储传输信号端TS提供高电压信号，第三晶体管M3导通；存储控制信号端SC提供高电压信号，第二晶体管M2导通，所述第二晶体管M2在所述存储控制信号端SC的控制下采用复位信号对存储节点SD进行复位(即初始化)，使得所述存储节点SD没有电荷积累；光电传输控制信号端TX提供高电压信号，第一晶体管M1导通，所述第一晶体管M1在所述光电传输控制信号端TX的控制下采用复位信号对光电二极管PD进行复位(即初始化)，使得所述光电二极管PD没有电荷积累。
接着执行第二阶段，曝光阶段：所述感光控制单元将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，所述存储单元存储所述电信号，其中，所述周期性曝光与所述光源的发光周期重叠。具体的，曝光信号对所述光电二极管PD进行周期性的曝光，所述光电二极管PD将曝光信号的光信号转换为电信号，所述存储节点存储所述电信号，其中，曝光周期与曝光信号产生的周期重叠。
本阶段的详细步骤如下：
首先，提供一可以产生曝光信号的光源，所述光源例如是闪烁的LED。所述光源例如是不连续发光的光源，但是为周期性发送光信号，也就是说，所述光源为发出曝光信号占空比恒定、周期恒定的持续脉冲信号。由于只有在光源发光的时间内才可以进行曝光来积累电荷，因此，所述光源包括多个发光周期，每个发光周期包括一有效发光阶段和一无效发光阶段，所述有效发光阶段为所述光源一次发光从曝光信号产生到结束所需的时间，无效发光阶段所需的时间与若干个有效发光阶段所需的时间相同，无效发光阶段为所述光源从上次曝光信号结束到下次曝光信号产生所需的时间，即相邻有效发光阶段之间持续时间。在本实施例中，所述光源的有效发光阶段的占空比为10％，也就是说，每个发光周期中的9个有效发光阶段所需的时间与1个无效发光阶段所需的时间相同。
接着，在t1～t(n-1)时间段，行选晶体管M6截止，所述光电二极管PD周期性的对所述曝光信号进行曝光。
图3为本实施例的一个曝光周期的示意图。如图3所示，周期性曝光时，所述光电二极管具有至少两个曝光周期，所述曝光周期与所述发光周期相同，同时，图像传感器像素结构曝光时间与光源产生曝光信号的时间重叠，从而消除了LED闪烁，实现了LED闪烁抑制。每个所述曝光周期包括至少两个时间相等的曝光分段，至少两个所述曝光分段中例如是有且仅有一个曝光分段为有效曝光阶段，剩余的曝光分段均为无效曝光阶段。所述有效发光阶段进行的曝光为有效曝光阶段；在所述无效发光阶段进行的曝光，虽然积累了暗电流，但是由于没有电荷积累，使得其为无效曝光阶段。在本实施例中，曝光信号对所述光电二极管进行两个曝光周期的曝光，所述曝光周期包括有效曝光阶段和9个无效曝光阶段，在t1～t4时间段，以及t(m-4)～t(m-1)时间段，例如是有效曝光阶段，在t5～t(m-5)时间段以及tm～t(n-1)时间段例如是无效曝光阶段。其中，m＞10，且m＜n，m、n为正整数。曝光阶段的总时间为总的曝光周期所需的时间，使得在单帧内对单行无需进行多次信号读取，降低了行周期，从而降低了帧率的损失，提高了图像的噪音性能。
具体的，
有效曝光阶段(一个曝光分段：t1～t5时间段)详细为：
在t1时刻，曝光产生电信号，具体的，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止，所述存储控制信号端SC提供高电压信号，所述第二晶体管M2导通，所述光电二极管PD对进入有效曝光阶段的光源所产生的曝光信号进行曝光，以将光信号转换为电信号，并进行电荷的积累。t1～t2这段时间，所述存储控制信号端SC提供高电压信号，所述第二晶体管M2导通，使得图像传感器像素结构可以保持充分的初始化。
在t2时刻，电信号传输，具体的，所述光电传输控制信号端TX提供高电压信号，所述第一晶体管M1导通，所述存储控制信号端SC提供高电压信号，所述第二晶体管M2导通，存储传输信号端TS提供低电压信号，第三晶体管M3截止，此时，t1～t2这段时间积累的电荷传输到存储节点SD，所述存储节点SD存储这些电荷。同时，所述复位信号端RST提供高电压复位信号，所述第四晶体管M4导通，所述第四晶体管M4在所述复位信号端RST的控制下对第二连接点(即悬浮扩散区FD)进行复位，使得悬浮扩散区FD依然处于复位状态。
在t3时刻，电信号等待，具体的，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止，所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止，所述存储传输信号端TS提供低电压信号，第三晶体管M3截止，复位信号端RST提供高电压复位信号，第四晶体管M4导通，所述第四晶体管M4在所述复位信号端RST的控制下对第二连接点(即悬浮扩散区FD)进行复位，使得悬浮扩散区FD依然处于复位状态，而从t3时刻开始电荷保持在存储节点SD中，且等待光电传输控制信号端TX、存储控制信号端SC和存储传输信号端TS等信号稳定和恢复。
在t4时刻，复位，具体的，复位信号端RST提供高电压复位信号，第四晶体管M4导通，所述第四晶体管M4在所述复位信号端RST的控制下对第二连接点(即悬浮扩散区FD)进行复位；所述存储传输信号端TS提供高电压信号，所述第三晶体管M3导通；所述光电传输控制信号端TX提供高电压信号，所述第一晶体管M1导通，所述第一晶体管M1在所述光电传输控制信号端TX的控制下采用复位信号端RST对光电二极管PD进行复位；所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止，此时，电荷依然保持在存储节点SD中。
无效曝光(若干个曝光分段：t5～t(m-5)时间段)详细为：
在t5时刻，曝光产生电信号，具体的，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止，所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止，所述存储传输信号端TS提供高电压信号，所述第三晶体管M3导通，复位信号端RST提供高电压复位信号，第四晶体管M4导通，所述第四晶体管M4在所述复位信号端RST的控制下对第二连接点(即悬浮扩散区FD)进行复位。由于此时发光源处于无效发光阶段，因此，处于无效曝光阶段，所述光电二极管PD没有积累电荷。
在t6时刻，电信号传输，具体的，所述光电传输控制信号端TX提供高电压信号，所述第一晶体管M1导通，所述存储控制信号端SC提供高电压信号，所述第二晶体管M2导通，存储传输信号端TS提供低电压信号，第三晶体管M3截止，此时，由于所述光电二极管PD没有积累电荷，因此，所述存储节点SD没有增加电荷。
在t7时刻，电信号等待，具体的，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止，所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止，所述存储传输信号端TS提供低电压信号，第三晶体管M3截止，复位信号端RST提供高电压复位信号，第四晶体管M4导通。
在t8时刻，复位，具体的，复位信号端RST提供高电压复位信号，第四晶体管M4导通，所述第四晶体管M4在所述复位信号端RST的控制下对第二连接点(即悬浮扩散区FD)进行复位；所述存储传输信号端TS提供高电压信号，所述第三晶体管M3导通；所述光电传输控制信号端TX提供高电压信号，所述第一晶体管M1导通，所述第一晶体管M1在所述光电传输控制信号端TX的控制下采用复位信号端RST对光电二极管PD进行复位；所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止，此时，所述存储节点SD中依然仅保存着t1～t2这段时间积累的电荷。
在t9～t(m-5)时间段，重复执行t5～t8时间段的动作，以完成第一个曝光周期中剩余的无效曝光阶段。而在若干无效曝光阶段中，所述光电二极管PD并没有电荷的积累，所述存储节点SD中依然仅保存着t1～t2这段时间积累的电荷。
在t(m-4)时刻，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止，所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止，所述光电二极管PD对进入有效曝光阶段的光源所产生的曝光信号进行曝光，以将光信号转换为电信号，并进行电荷的积累。t(m-3)～t(m-1)时间段重复t2～t4时间段的动作，以完成第二个曝光周期的有效曝光阶段。tm～t(n-1)时间段重复t5～t(m-5)时间段的动作，以完成第二个曝光周期的若干无效曝光阶段。此时，所述存储节点SD中保存了t1～t2这段时间积累的电荷，以及tm～t(m+1)时间段积累的电荷。
图4为本实施例图像传感器在曝光阶段对光源曝光示意图。如图4所示，在曝光阶段，图像传感器的下一行像素结构的曝光开始时间较当前行像素结构的曝光开始时间晚一个曝光分段所需的时间，且每行像素结构具有相同数量的有效曝光阶段。在本实施例中，图像传感器的第一行像素结构在第一个曝光分段(即有效曝光阶段)结束后，图像传感器的第二行像素结构首次开始曝光，第二行像素结构例如是进入了无效曝光阶段，其与第一行的图像传感器像素结构同时进入第一行的下一个有效曝光阶段；图像传感器的第三行像素结构在第二行像素结构结束了其第一个无效曝光阶段后首次开始曝光，且第三行像素结构首先进入无效曝光阶段，其与图像传感器的第一行像素结构同时进入下一个有效曝光阶段；依次类推，图像传感器的第k行像素结构较第k-1行像素结构晚一个曝光阶段(例如是一个有效曝光阶段所需的时间)进入首次曝光，且与第k-1行同时进入第k-1行的下一个有效曝光阶段，使得每行的有效曝光阶段的时间一致，也就是整个图像传感器在整个曝光过程中所感应的有效曝光时间一致，因此能消除LED闪烁即实现了LFM，在保证LFM的同时图像噪声性能提高提升，更适用于车载辅助驾驶等需要采集LED信号灯的使用场景。图像传感器的每行像素结构的曝光时间相同，例如均为两个曝光周期。本图像传感器像素结构的控制方法无需多帧信号的融合，整个过程实现的方式较为简单，无需损耗帧率。
接着执行第三阶段，读出阶段：输出单元阶段性的读出所述复位信号和所述电信号。具体的，所述第一晶体管M1截止，在第四晶体管M4导通以及第二晶体管M2截止时，读出复位信号；第四晶体管M4截止以及第二晶体管M2导通时，读出所述电信号，以得到图像传感器像素结构的曝光信号。
详细步骤如下：
首先，在tn时刻，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止；所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止；所述存储传输信号端TS提供高电压信号，所述第三晶体管M3导通；复位信号端RST阶段性的提供低电压复位信号，使得第四晶体管M4阶段性的截止；放大晶体管M5导通；行选信号端ROW提供高电压复位信号，行选晶体管M6导通。在第四晶体管M4阶段性的截止时，输出单元的输出端(即行选晶体管M6的第一电极)读出了复位信号端。
接着，在t(n+1)时刻，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止；所述存储控制信号端SC提供高电压信号，所述第二晶体管M2导通；所述存储传输信号端TS提供高电压信号，所述第三晶体管M3导通；复位信号端RST提供低电压复位信号，使得第四晶体管M4截止；放大晶体管M5导通；行选信号端ROW提供高电压复位信号，行选晶体管M6导通。此时，保持在存储节点SD中的电荷经第一连接点A传输到第二连接点(即悬浮扩散区FD)，电荷存储在悬浮扩散区FD处。
接着，在t(n+2)时刻，所述光电传输控制信号端TX提供低电压信号，所述第一晶体管M1截止；所述存储控制信号端SC提供低电压信号，所述第二晶体管M2截止；所述存储传输信号端TS提供低电压信号，第三晶体管M3截止；复位信号端RST提供低电压复位信号，使得第四晶体管M4截止；放大晶体管M5导通；行选信号端ROW提供高电压复位信号，行选晶体管M6导通。此时，输出单元的输出端将存储在悬浮扩散区FD处的电荷输出，以读出电信号，而此时悬浮扩散区FD电压下降的电荷量即为读出的电信号，使得最终图像传感器像素结构的信号Vpix满足公式：Vpix＝Vrst-Vsig；其中，Vrst为读出的复位信号端，Vsig为读出的电信号。可知，电信号Vsig和复位信号端Vrst为相关信号，从而实现了信号的采集时相关双采样的方式，从而提高了图像传感器的噪声性能。
综上所述，本发明提供的一种图像传感器像素结构及其控制方法，所述图像传感器像素结构包括感光控制单元、存储单元、复位单元和输出单元；所述感光控制单元的一端接地，另一端连接所述存储单元的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将所述电信号传送存储单元；所述存储单元的另一端连接所述复位单元的一端，同时还连接所述输出单元的一端，其用于存储所述电信号；所述复位单元的另一端连接电源，其通过采用复位信号对所述感光控制单元以及存储单元进行复位；所述输出单元的另一端输出所述电信号以及复位信号。本发明通过存储单元在曝光时将电信号进行存储，有利于降低帧率的损失，提高图像的噪音性能。
本发明提供的图像传感器像素结构的控制方法，通过所述周期性曝光与所述光源的发光周期重叠，使得图像传感器像素结构的曝光时间与光源产生曝光信号的时间重叠，从而消除了LED闪烁，实现了LED闪烁抑制。进一步的，在曝光阶段，图像传感器的下一行像素结构的曝光开始时间较当前行像素结构的曝光开始时间晚一个曝光分段所需的时间，且每行像素结构具有相同数量的有效曝光阶段，使得每行的有效曝光阶段的时间一致，也就是整个图像传感器在整个曝光过程中所感应的有效曝光时间一致，因此能消除LED闪烁即实现了LFM，在保证LFM的同时图像噪声性能提升，更适用于车载辅助驾驶等需要采集LED信号灯的使用场景。还使得图像传感器像素结构的控制方法无需多帧信号的融合，整个过程实现的方式较为简单，无需损耗帧率，提高了图像的噪音性能。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”等的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种图像传感器像素结构，其特征在于，包括感光控制单元、存储单元、复位单元和输出单元；所述感光控制单元的一端接地，另一端连接所述存储单元的一端，其用于将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，并将所述电信号传送给存储单元；所述存储单元的另一端连接所述复位单元的一端，同时还连接所述输出单元的一端，其用于存储所述电信号；所述复位单元的另一端连接电源，其通过采用复位信号对所述感光控制单元以及存储单元进行复位；所述输出单元的另一端输出所述电信号以及复位信号，
所述感光控制单元包括光电二极管和第一晶体管，所述存储单元包括存储节点、第二晶体管和第三晶体管，所述复位单元包括第四晶体管，所述输出单元包括放大晶体管和行选晶体管；
所述光电二极管的正极接地，所述光电二极管的负极与所述第一晶体管的第一电极连接；所述第一晶体管的栅极与光电传输控制信号端连接，所述第一晶体管的第二电极与所述第二晶体管的第二电极连接，同时还与所述第三晶体管的第一电极连接；所述第二晶体管的栅极与存储控制信号端连接，所述第二晶体管的第一电极与所述存储节点连接；所述第三晶体管的栅极与存储传输信号端连接，所述第三晶体管的第二电极与所述第四晶体管的第一电极连接，同时还与输出单元连接；所述第四晶体管的栅极与复位信号端连接，所述第四晶体管的第二电极与电源连接；所述放大晶体管的栅极与第三晶体管的第二电极连接，同时还与所述第四晶体管的第一电极连接；所述放大晶体管的第一电极与所述行选晶体管连接；所述放大晶体管的第二电极与电源连接；
其中，所述第三晶体管的第一电极、所述第一晶体管的第二电极，以及所述第二晶体管的第二电极之间具有第一连接点；所述放大晶体管的栅极，第三晶体管的第二电极以及所述第四晶体管的第一电极之间有第二连接点，所述第二连接点为悬浮扩散区。
2.如权利要求1所述的图像传感器像素结构，其特征在于，所述存储节点为悬浮扩散结构，或者为电容结构。
3.一种图像传感器像素结构的控制方法，应用于如权利要求1-2中任一项所述的图像传感器像素结构，其特征在于，包括以下步骤：
信号初始化阶段：复位单元采用复位信号对感光控制单元以及存储单元进行复位；
曝光阶段：所述感光控制单元将光源所产生的周期性曝光的光信号转换为电信号，所述存储单元存储所述电信号，其中，所述感光控制单元的曝光周期与所述光源的发光周期重叠，具体的，光源所产生的曝光信号对光电二极管进行周期性的曝光，所述光电二极管将曝光信号的光信号转换为电信号，存储节点存储所述电信号，其中，所述光电二极管的曝光周期与所述光源的发光周期重叠；以及
读出阶段：输出单元阶段性的读出所述复位信号和所述电信号。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，信号初始化阶段和读出阶段具体包括以下步骤：
信号初始化阶段：第一晶体管至第四晶体管导通，所述第一晶体管在光电传输控制信号端的控制下采用复位信号对光电二极管进行复位，第二晶体管在存储控制信号端的控制下采用复位信号对存储节点进行复位；
读出阶段：所述第一晶体管截止，在所述第四晶体管阶段性截止以及所述第二晶体管截止时，读出复位信号端；在所述第四晶体管截止以及所述第二晶体管导通时，读出所述电信号。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，
所述光源包括多个发光周期，每个所述发光周期包括一有效发光阶段和一无效发光阶段；
所述光电二极管具有至少两个曝光周期，所述曝光周期包括至少两个时间相等的曝光分段，其中一个曝光分段为有效曝光阶段，剩余的曝光分段为无效曝光阶段；
其中，所述有效发光阶段进行的曝光为有效曝光阶段，所述无效发光阶段进行的曝光为无效曝光阶段。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在曝光阶段，图像传感器的下一行像素结构的曝光开始时间较当前行像素结构的曝光开始时间晚一个曝光分段所需的时间，且每行像素结构具有相同数量的有效曝光阶段。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，每个所述曝光分段包括以下步骤：
曝光：所述光电传输控制信号端提供低电压信号，所述第一晶体管截止，所述光电二极管对进入有效曝光阶段的光源所产生的曝光信号进行曝光，以将曝光信号的光信号转换为电信号，并进行电荷的积累；
传输：所述光电传输控制信号端提供高电压信号，所述第一晶体管导通，所述存储控制信号端提供高电压信号，所述第二晶体管导通，存储传输信号端提供低电压信号，第三晶体管截止，曝光时所述光电二极管积累的电荷传输到所述存储节点；
等待：所述光电传输控制信号端提供低电压信号，所述第一晶体管截止，所述存储控制信号端提供低电压信号，所述第二晶体管截止，所述存储传输信号端提供低电压信号，所述第三晶体管截止，所述复位信号端提供高电压复位信号，所述第四晶体管导通，所述第四晶体管在所述复位信号端的控制下对第二连接点进行复位，所述电荷保持在所述存储节点中；
复位：所述复位信号端提供高电压复位信号，所述第四晶体管导通，所述第四晶体管在所述复位信号端的控制下对第二连接点进行复位；所述存储传输信号端提供高电压信号，所述第三晶体管导通；所述光电传输控制信号端提供高电压信号，所述第一晶体管导通，所述第一晶体管在所述光电传输控制信号端的控制下采用复位信号端对光电二极管进行复位；所述存储控制信号端提供低电压信号，所述第二晶体管截止，所述电荷保持在存储节点中。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，读出阶段包括以下步骤：
读出复位信号：所述第一晶体管截止，所述第二晶体管截止，所述第三晶体管导通，所述第四晶体管阶段性的截止，放大晶体管导通，行选晶体管导通，在所述第四晶体管阶段性的截止时，输出单元的输出端读出了复位信号；
传输电信号：所述第二晶体管导通，所述存储节点中的电荷经第一连接点传输到所述第二连接点；
读出电信号：所述第三晶体管截止，所述行选晶体管导通，所述输出单元的输出端将存储在悬浮扩散区处的电荷输出，以读出电信号，同时得到图像传感器像素结构的曝光信号。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，图像传感器像素结构的曝光信号Vpix满足公式：
Vpix＝Vrst-Vsig；
其中，Vrst为读出的复位信号端，Vsig为读出的电信号。
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