CN113491108A - 图像传感器及其控制方法、搭载图像传感器的成像装置 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器的控制方法、图像传感器、成像装置，该方法包括:在曝光时传输管处于亚阈状态，使超过容量的光生电荷进入浮置扩散区(S110)；复位浮置扩散区(S120)；传输管导通使光敏元件中的光生电荷传输至浮置扩散区(S130)；读取浮置扩散区的信号电压(S140)；根据信号电压确定像素的成像参数(S150)。该方法能够实现较宽的动态范围。

Description

图像传感器及其控制方法、搭载图像传感器的成像装置

技术领域

本申请涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其控制方法、搭载图像传感器的成像装置。

背景技术

图像传感器广泛用于消费电子、安防监控、工业自动化、人工智能、物联网等领域，用于图像数据信息的采集和整理，为后续处理和应用提供信息源。

图像传感器按功能组成可以分为感光电路区和外围读取电路区。其中感光电路区的功能是负责把光信号，通过光敏元件转换成电信号并存储，然后交给后续外围读出电路用于转换成数字图像信号。

当外部场景的明暗对比十分强烈时，图像传感器如果要获得图像暗处的细节，容易导致亮处的图像细节会丢失，即动态范围(Dynamic Range，DR)受到限制。

发明内容

基于此，本申请提供了一种图像传感器及其控制方法、搭载图像传感器的成像装置，能够实现图像传感器的较宽的动态范围。

第一方面，本申请实施例提供了一种图像传感器的控制方法，所述图像传感器包括多个像素，所述像素包括光敏元件、传输管、浮置扩散区、复位管和读出电路，所述传输管连接于所述光敏元件和所述浮置扩散区之间，所述浮置扩散区连接所述复位管和所述读出电路；

所述方法包括：

在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使超过所述光敏元件容量的光生电荷进入所述浮置扩散区；

控制所述复位管复位所述浮置扩散区；

控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区；

控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压；

根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数。

第二方面，本申请实施例提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括外围电路和多个像素，所述像素包括光敏元件、传输管、浮置扩散区、复位管和读出电路，所述传输管连接于所述光敏元件和所述浮置扩散区之间，所述浮置扩散区连接所述复位管和所述读出电路；

所述外围电路用于执行以下步骤：

在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使超过所述光敏元件容量的光生电荷进入所述浮置扩散区；

控制所述复位管复位所述浮置扩散区；

控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区；

控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压；

根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数。

第三方面，本申请实施例提供了一种成像装置，搭载任一上述的图像传感器。

本申请实施例提供了一种图像传感器及其控制方法、搭载图像传感器的成像装置，通过在光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制传输管处于亚阈状态以使超过光敏元件容量的光生电荷进入浮置扩散区，之后复位浮置扩散区，和控制传输管导通以使光敏元件中的光生电荷传输至浮置扩散区，以及控制读出电路读取浮置扩散区的第一信号电压，根据浮置扩散区的第一参考电压和第一信号电压确定像素的成像参数，使像素在亮处和暗处分别有不同的灵敏度，可以实现图像传感器的较宽的动态范围。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请实施例的公开内容。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种图像传感器的控制方法的流程示意图；

图2是一实施方式中图像传感器的结构示意图；

图3是一实施方式中像素的结构示意图；

图4是一实施方式中像素阵列的结构示意图；

图5是像素的输出信号与光照强度的关系示意图；

图6是一实施方式中像素在不同光照强度下成像的示意图；

图7是一实施方式中图像传感器像素工作时的时序示意图；

图8是不同像素的输出信号与光照强度的关系示意图；

图9是另一实施方式中像素在不同光照强度下成像的示意图；

图10是确定像素的偏差修正值的示意图；

图11是本申请实施例提供的一种成像装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种图像传感器的控制方法的流程示意图。所述图像传感器的控制方法可以应用在图像传感器200和/或图像传感器的控制装置中，例如用于互补型半导体图像传感器(CIS)芯片中，或者用于图像传感器200的外围电路220中，用于控制图像传感器200成像等过程。

在一些实施方式中，如图2所示，图像传感器200按功能组成可以分为用于感光的感光电路区210和用来控制和处理信号的外围电路220(又可称为控制电路)，其中感光电路区210可以包括多个，如几万至几亿的像素211(pixel，又可称为感光单元)，例如感光电路区210可以由大量的像素211按一定的方式组成阵列而成，即所谓的像素阵列。外围电路220则负责把像素211感生的信号转换成数字信号并读出。

示例性的，控制电路可以用于实现曝光时间控制、自动增益控制等任务。为了使中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号，为了便于摄像头的应用，还要求该能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

示例性的，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素211内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素。行像素内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。

在一些实施方式中，如图3所示，像素211包括光敏元件PD、传输管TX、浮置扩散区FD、复位管RST和读出电路。其中，光敏元件PD可以为光电二极管。

示例性的，读出电路可以包括源跟随管SF和行选通管SEL。

可以理解的，图3所示的像素211的结构仅是举例，本申请实施例不限于此，例如本申请实施例的控制方法可以应用于像素211的光敏元件PD通过一传输管TX连接浮置扩散区FD的各种结构的图像传感器200。

具体的，光敏元件PD把光子转换成电子，然后传输管TX把光生电子传输到浮置扩散区FD，感生出一个与光照强度对应的电压信号，该电压信号经过源跟随器电位平移后，交给外围电路220经过一定的处理转换成数字信号，进而形成图像信息。

具体的，如图3所示，传输管TX连接于所述光敏元件PD和所述浮置扩散区FD之间，所述浮置扩散区FD连接所述复位管RST和所述读出电路。

示例性的，光敏元件PD可以在入射光作用下生成光生电荷，以及在传输管TX打开(即，导通)时，将光生电荷传输至浮置扩散区FD，读出电路可以确定浮置扩散区FD在光生电荷作用下的电压变化，经过后续模拟-数字(AD)转换电路，即可转换成表征图像信息的数字信号。例如由外围电路220进行模拟-数字转换。

在一些实施方式中，可以包括外围电路220，当然也可以不包括外围电路220，例如可以通过额外搭载的外围电路220实现模数转换等功能。

在一些实施方式中，如图4所示为图像传感器200中2×2像素阵列的电路原理示意图。其中，传输管TX控制信号线用于控制传输管TX，例如当传输管TX控制信号线的电位为高电平时，传输管TX导通以使光敏元件PD和浮置扩散区FD连通；复位电源线连接于复位管RST的一端，复位管RST控制信号线用于控制复位管RST，例如当复位管RST控制信号线的电位为高电平时，复位管RST导通，使得浮置扩散区FD连接复位电源线，当复位电源线的电压为第一高电压时，可以清空浮置扩散区FD中的光生电荷，实现浮置扩散区FD的复位，当复位管RST和传输管TX均导通时，复位电源线的第一高电压可以复位浮置扩散区FD和光敏元件PD。行选通管SEL控制信号线用于控制行选通管SEL，当行选通管SEL控制信号线的电位为高电平时,行选通管SEL导通，浮置扩散区FD的电压可以由读出电路读取，当行选通管SEL控制信号线的电位为低电平时,行选通管SEL关断。

示例性的，复位电源线、复位管RST控制信号线、传输管TX控制信号线、行选通管SEL控制信号线为图像传感器200的行方向上布置的导线。

示例性的，源跟随管SF的漏端均连接电源VDD，源跟随管SF具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，对前级电路相当于开路，对后级电路相当于一个恒压源，输出电压不受后级电路阻抗影响。

可以理解的，一般的图像传感器200对光的响应都是接近线性的，在光照作用下产生的光生电荷首先会被存储在光敏元件PD的电容里。如图5所示，随着光照强度的增加，光敏元件PD内存储的光生电荷达到饱和便不再增加，这样的像素211单用于拍照采图时，当外部场景的明暗对比十分强烈时，如果要获得图像暗处的细节，那么图像高亮的区域，由于信号强度过大导致光敏元件PD电容饱和，输出信号满量程，导致亮处的图像细节会丢失，即动态范围受到限制。

针对该发现，本申请的发明人对图像传感器200的控制方法进行了改进，以防止图像传感器200在成像时亮处的图像细节丢失。

如图1所示，本申请实施例的图像传感器的控制方法包括步骤S110至步骤S150。

S110、在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使超过所述光敏元件容量的光生电荷进入所述浮置扩散区。

晶体管的亚阈状态是晶体管(例如，如MOSFET)的一种重要工作状态，可称为晶体管的亚阈值区(Subthreshold region)。传输管处于亚阈状态时，传输管栅极的电压Vgs处在阈值电压VT以下，且传输管没有出现导电沟道，即传输管处于Vgs≤VT，且表面势ψs大致等于费米势ψb(即表面为弱反型)的状态，这时传输管可以通过一股较小的电流，该电流可称为亚阈电流。

可以理解的，控制所述传输管处于亚阈状态的电压大于零且小于控制所述传输管导通的电压。

示例性的，控制所述传输管导通的电压为2.5-5伏，控制所述传输管处于亚阈状态的电压为0.5-2.5伏。具体可以根据图像传感器的工艺、性能参数等确定。

示例性的，如图6所示，图像传感器中的像素A和像素B在曝光时，光敏元件接收光子以生成光生电荷，像素A和像素B的光照强度不同时，生成的光生电荷的数量不同，如图6所示，像素B的部分光生电荷超过像素B的光敏元件的容量。在传输管处于亚阈状态时，超过像素B的光敏元件的容量的光生电荷通过像素B的传输管进入像素B的浮置扩散区。

在一些实施方式中，图像传感器像素工作时的时序如图7所示。

如图7所示，在时间段S1，行选通管控制信号线的电平为低电平，读出电路可以不工作。在时间段S1，当复位管控制信号线的电位为低电平时，复位管关断，图像传感器可以曝光，光敏元件接收光子以生成光生电荷，因此时间段S1包括曝光阶段。当传输管控制信号线的电平置为电压Vm，且电压Vm小于阈值电压VT时，传输管处于亚阈状态，如图6所示，超过像素B的光敏元件的容量的光生电荷通过像素B的传输管进入像素B的浮置扩散区。

在一些实施方式中，如图6和图7所示，在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷之前，控制所述复位管导通和所述传输管导通，以复位所述光敏元件和所述浮置扩散区。

如图7所示，在时间段S1开始时，将复位管控制信号线的电位置为高电平，以及将传输管控制信号线的电平置为电压Vh(可称为高电平)，电压Vh大于阈值电压VT，从而传输管导通以使光敏元件和浮置扩散区连通，且复位管导通使得浮置扩散区连接复位电源线，如图6所示，可以复位浮置扩散区和光敏元件，清空浮置扩散区和光敏元件中的光生电荷。因此时间段S1包括复位阶段。

在另一些实施方式中，可以在图像传感器每次成像结束后，控制所述复位管导通和所述传输管导通，以复位所述光敏元件和所述浮置扩散区。

示例性的，在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述复位管关断。如图7所示，在复位浮置扩散区和光敏元件之后，将复位管控制信号线的电位置为低电平，控制所述复位管关断，以便光敏元件接收光子生成光生电荷和存储光生电荷，以及将传输管控制信号线的电平置为电压Vm，以使超过所述光敏元件容量的光生电荷进入所述浮置扩散区。

示例性的，在曝光结束后，将传输管控制信号线的电平置为低电平，控制传输管关断(完全关闭)。

可以理解的，如图5所示，曝光开始时，光生电荷积累在光敏元件中，刚开始曝光时间短，信号较少，光敏元件中积累的光生电荷随曝光强度迅速增加，为第一响应阶段，当曝光时间延长或光照很强时，光敏元件接近饱和，由于传输管处于亚阈状态，光敏元件接近饱和时，一部分光生电荷会穿过传输管的底部，进入浮置扩散区，光生电荷为电子时使得浮置扩散区电压降低，此时光敏元件积累光生电荷随曝光强度的响应变慢，进入第二响应阶段。

可以理解的，所述光敏元件的容量可以影响到第一响应阶段和第二响应阶段之间的拐点。例如当光敏元件中积累的光生电荷少于光敏元件的容量时，光敏元件中积累的光生电荷随曝光强度迅速增加；当光敏元件中积累的光生电荷达到或超过光敏元件的容量时，光敏元件积累光生电荷随曝光强度的响应变慢。

S120、控制所述复位管复位所述浮置扩散区。

在一些实施方式中，如图6和图7所示，在时间段S2，将复位管控制信号线的电位置为高电平预设时长，同时保持传输管关断，使得浮置扩散区连接复位电源线，复位电源线的第一高电压可以清空浮置扩散区中的光生电荷，实现浮置扩散区的复位，由于传输管关断，光敏元件中的电荷可以保留。

S130、控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区。

在一些实施方式中，如图7所示，在时间段S2复位所述浮置扩散区之后，将传输管控制信号线的电平置为高电平预设时长，控制所述传输管导通预设时长，如图6所示，光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区。

在图6中，光敏元件中的光生电荷全部传输至所述浮置扩散区，仅为举例或理想情况，可以理解的，光敏元件中的光生电荷可以部分，如80％传输至所述浮置扩散区，传输至浮置扩散区的光生电荷的数量和光敏元件中积累的光生电荷的数量正相关。

S140、控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压。

光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区，会引起浮置扩散区的电压发生变化，电压变化的幅度与传输至浮置扩散区的光生电荷的数量正相关，可以根据电压变化的幅度确定在像素曝光时光敏元件中积累的光生电荷的多少，从而可以得到该像素对应的光照强度。

在一些实施方式中，如图7所示，在时间段S2将行选通管控制信号线的电位置为高电平，以使行选通管导通，从而读出电路可以读取所述浮置扩散区的电压为第一信号电压Vsig1。可以理解的，选通管可以在整个时间段S2持续导通，也可以在读取浮置扩散区的电压时导通。时间段S2可以包括有效信号读出阶段。

示例性的，可以在源跟随管的源端(source)读取浮置扩散区的电压。

示例性的，在控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压时，控制所述传输管关断。如图7所示，在将传输管控制信号线的电平置为高电平预设时长之后，置为低电平以关断传输管，传输管关断后可以控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压Vsig1。可以提高浮置扩散区电压读取的准确性。

如图6所示，像素A的第一信号电压可以表示为Vsig1_a，像素B的第一信号电压可以表示为Vsig1_b。当像素A的光照强度小于像素B的光照强度时，像素B的光敏元件中积累的光生电荷多于像素A，光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区后，像素B的浮置扩散区中的光生电荷也多于像素A，光生电荷为电子时，像素B的电压下降幅度大于像素A，例如Vsig1_a大于Vsig1_b。

S150、根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数。

具体的，第一参考电压包括浮置扩散区中没有光生电荷时的电压，或者包括光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区之前浮置扩散区的电压。不同像素的第一参考电压可以相同，也可以不相同；同一像素在不同工作条件下的第一参考电压可以相同，也可以不相同。

在一些实施方式中，可以在控制所述复位管复位所述浮置扩散区，浮置扩散区被浮置为高电位之后，控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一参考电压。

示例性的，如图6和图7所示，在在时间段S2控制所述传输管导通以使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区之前，控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的电压为第一参考电压Vref1。如图6所示，像素A的第一参考电压可以表示为Vref1_a，像素B的第一参考电压可以表示为Vref1_b。

示例性的，在控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一参考电压时，控制所述传输管关断，防止光敏元件中的光生电荷影响浮置扩散区的电压。

在另一些实施方式中，所述浮置扩散区的参考电压可以预先存储，例如为经验值或者在某一次成像时读取的参考电压，也可以是在任意时刻读取的参考电压。图像传感器中的全部像素可以使用相同的参考电压，或者分别使用不同的参考电压。

在一些实施方式中，可以根据各像素的浮置扩散区的第一参考电压Vref1和所述第一信号电压Vsig1的差值deltaV1＝Vref1－Vsig1确定所述像素的成像参数。可以理解的，deltaV1为与相应像素的光照强度相关的信号电压，为入射光信号引起的电压差，经过后续模拟-数字(AD)转换电路，即可转换成表征图像信息的数字信号。例如由外围电路进行模拟-数字转换。根据像素阵列中各像素的成像参数可以得到图像传感器拍摄的图像。

本申请实施例提供的图像传感器的控制方法，通过在光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制传输管处于亚阈状态以使超过光敏元件容量的光生电荷进入浮置扩散区，之后复位浮置扩散区，和控制传输管导通以使光敏元件中的光生电荷传输至浮置扩散区，以及控制读出电路读取浮置扩散区的第一信号电压，根据浮置扩散区的第一参考电压和第一信号电压确定像素的成像参数，使像素在亮处和暗处分别有不同的灵敏度，可以实现图像传感器的较宽的动态范围。

具体的，亮处的像素光照强度较强，但超过光敏元件容量的光生电荷会进入浮置扩散区并被清空，因此亮处的像素灵敏度较低，高光信号层次差异可以被较多的保留下来；暗处的像素光照强度较弱，光生电荷超出光敏元件容量的概率较低，因此暗处的像素灵敏度较低，信噪比好。像素对不同光强的响应灵敏度不同，既可以保持暗处的细节，也可以较多的保留高亮处的颜色和/或亮度的层次。

在一些实施方式中，如图8所示，由于实际工艺的偏差，每个像素的第一响应阶段和第二响应阶段之间的拐点不完全一致,因此不同像素对光照强度的响应存在差异，例如会影响整个图像在高亮处的一致性，造成图像传感器拍摄的图像存在噪声。

在一些实施方式中，所述根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数，包括：根据所述像素对应的偏差修正值，以及所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压确定所述像素的成像参数。

通过根据不同像素各自对应的偏差修正值，修正像素的成像参数，实现了不同像素的第一响应阶段和第二响应阶段之间拐点的差异校准机制，使不同像素的拐点趋于一致，使整个图像在高亮处的一致性更好，固定噪声(fixed pattern noise)更低。

示例性的，所述方法还包括：确定所述像素对应的偏差修正值。

在一些实施方式中，所述各像素对应的偏差修正值可以预先存储，例如为经验值或者在某一次成像时确定的各像素对应的偏差修正值，也可以是在任意时刻确定的像素对应的偏差修正值。在另一些实施方式中，可以在每次成像时，均确定各像素对应的偏差修正值，准确率更高。

可以理解的，所述光敏元件的容量可以影响到第一响应阶段和第二响应阶段之间的拐点。示例性的，所述偏差修正值用于指示所述像素中光敏元件的容量的偏差。

示例性的，如图9所示，图像传感器中的像素C和像素D在曝光时，光照强度相同，生成的光生电荷的数量相同，且均有部分光生电荷超过光敏元件的容量。在传输管处于亚阈状态时，超过像素C和像素D的光敏元件的容量的光生电荷通过传输管进入像素C和像素D的浮置扩散区。

如图9所示，像素C的光敏元件的容量小于像素D，像素C有较多的光生电荷进入像素C的浮置扩散区，像素D有较少的光生电荷进入像素D的浮置扩散区。之后各像素复位浮置扩散区，以及使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区，像素C有较少的光生电荷传输至像素C的浮置扩散区，像素D有较多的光生电荷传输至像素D的浮置扩散区，光生电荷为电子时，像素C的浮置扩散区的电压下降幅度小于像素D，像素C的第一参考电压Vref1_c和所述第一信号电压Vsig1_c的差值可以表示为delta V1_c＝Vref1_c－Vsig1_c，第一参考电压Vref1_d和所述第一信号电压Vsig1_d的差值可以表示为deltaV1_d＝Vref1_d－Vsig1_d，则当像素C和像素D的参考电压相同，如Vref1_c等于Vref1_d，Vsig1_c大于Vsig1_d时，有delta V1_c小于delta V1_d。。因此，在高亮处的不同像素对光照强度的响应存在差异，会影响整个图像的一致性，造成图像传感器拍摄的图像存在噪声。

示例性的，通过根据偏差修正值对第一参考电压Vref1和所述第一信号电压Vsig1的差值delta V1进行修正，可以使得光照强度相同的像素C和像素D的成像参数一致。

在一些实施方式中，所述根据所述像素对应的偏差修正值，以及所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压确定所述像素的成像参数，包括：根据所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值，以及所述像素的偏差修正值所述确定所述像素的成像参数。

示例性的，图9中像素C的所述差值表示为delta V1_c，像素C的偏差修正值表示为Vv_c，像素D的所述差值表示为delta V1_d，像素D的偏差修正值表示为Vv_d。

示例性的，可以将所述各像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值加上各像素的偏差修正值，得到所述像素的成像参数。若光敏元件容量较小的像素C的偏差修正值Vv_c大于光敏元件容量较大的像素D偏差修正值Vv_d，delta V1_c小于delta V1_d时，delta V1_c与较大偏差修正值Vv_c的和，能够等于delta V1_d与较大偏差修正值Vv_d的和。

示例性的，可以将所述各像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值减去各像素的偏差修正值，得到所述像素的成像参数。若光敏元件容量较小的像素C的偏差修正值Vv_c小于光敏元件容量较大的像素D偏差修正值Vv_d，delta V1_c小于delta V1_d时，delta V1_c与较小偏差修正值Vv_c的差，能够等于delta V1_d与较大偏差修正值Vv_d的差。

在一些实施方式中，所述确定所述像素对应的偏差修正值，包括：将所述复位管的复位电压置为目标电压，所述目标电压大于零且小于能够复位所述浮置扩散区的电压，以使所述浮置扩散区在所述目标电压作用下储存电荷；控制所述传输管处于亚阈状态，以使所述浮置扩散区储存的电荷进入所述光敏元件；控制所述复位管复位所述浮置扩散区；控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区；控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二信号电压；根据所述浮置扩散区的第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值。

示例性的，如图7和图10所示，在时间段S3，将复位电源线的电压置为目标电压Vg，例如将复位电源线的电压从第一高电压变为目标电压Vg，该目标电压大于零且小于能够复位所述浮置扩散区的电压。在一个实施方式中，第一高电压(不小于能够复位所述浮置扩散区的电压)大于目标电压Vg。

示例性的，如图7所示，在将所述复位管的复位电压置为目标电压时，控制所述复位管导通预设时长后关断，以使所述浮置扩散区在所述目标电压作用下储存电荷。浮置扩散区在所述目标电压作用下储存电荷使得浮置扩散区的电压浮置为Vfdm，Vfdm小于或等于目标电压Vg。

示例性的，在控制所述传输管处于亚阈状态时，保持将所述复位管的复位电压置为所述目标电压，以提高偏差修正值的准确度。

示例性的，在控制所述复位管导通预设时长后关断时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使所述浮置扩散区储存的电荷进入所述光敏元件。在将复位电压置为目标电压时，可以将传输管控制信号线的电平置为电压Vm预设时长，以使传输管处于亚阈状态，此时浮置扩散区储存的电荷能够倒灌(feed through)进入所述光敏元件，如图10所示，由于工艺制造的偏差，不同像素之间的倒灌电荷数目也会不完全一致。例如，像素C倒灌进入光敏元件的电荷数目多于像素D。

示例性的，光敏元件容量较小的像素C，倒灌进入光敏元件的电荷较多，光敏元件容量较大的像素D，倒灌进入光敏元件的电荷较少。可以理解的，时间段S3可以包括校准信号生成阶段。

如图7和图10所示，在时间段S4，将复位电源线的电压置为第一高电压，将复位管控制信号线的电位置为第一高电压预设时长，同时保持传输管关断，使得浮置扩散区连接复位电源线，复位电源线的第一高电压可以清空浮置扩散区中的电荷，实现浮置扩散区的复位，由于传输管关断，光敏元件中的电荷可以保留。之后将传输管控制信号线的电平置为高电平预设时长，控制所述传输管导通预设时长，如图10所示，光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区。

在图10中，光敏元件中的电荷全部传输至所述浮置扩散区，仅为举例或理想情况，可以理解的，光敏元件中的电荷可以部分，如80％传输至所述浮置扩散区，传输至浮置扩散区的电荷的数量和光敏元件中积累的电荷的数量正相关。光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区，会引起浮置扩散区的电压发生变化，电压变化的幅度与传输至浮置扩散区的电荷的数量正相关。

如图7和图10所示，在时间段S4将行选通管控制信号线的电位置为高电平，以使行选通管导通，从而读出电路可以读取所述浮置扩散区的电压为第二信号电压Vsig2。可以理解的，选通管可以在整个时间段S4持续导通，也可以在读取浮置扩散区的电压时导通。可以理解的，时间段S4可以包括校准信号读出阶段。

示例性的，在控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二信号电压Vsig2时，控制所述传输管关断。如图7所示，在将传输管控制信号线的电平置为高电平预设时长，以使光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区之后，置为低电平以关断传输管，传输管关断后可以控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二信号电压Vsig2。可以提高浮置扩散区电压读取的准确性。

如图10所示，像素C的第二信号电压可以表示为Vsig2_c，像素D的第二信号电压可以表示为Vsig2_d。当像素C在拐点处的光照强度小于像素D，例如当像素C的光敏元件的容量小于像素D时，像素C倒灌进入光敏元件的电荷，以及传输至浮置扩散区的电荷比像素D多，电荷为电子时，像素C的浮置扩散区的电压下降幅度大于像素D，例如可以有Vsig2_c小于Vsig2_d，可以根据不同像素的浮置扩散区的第二信号电压确定各像素的偏差修正值，例如像素C的偏差修正值Vv_c大于像素D偏差修正值Vv_d，以及根据各像素的偏差修正值对各像素的第一参考电压和第一信号电压的差值delta V1进行修正，例如当delta V1_c小于delta V1_d时，delta V1_c+Vv_c可以等于delta V1_d+Vv_d，因此可以使得光照强度相同的像素C和像素D的成像参数一致。可以理解的，也可以根据像素C和像素D的第二信号电压确定像素C的偏差修正值Vv_c小于像素D偏差修正值Vv_d，此时可以将所述各像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值减去各像素的偏差修正值，得到所述像素的成像参数。

在一些实施方式中，所述根据所述浮置扩散区的第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值，包括：根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值。

具体的，第二参考电压包括浮置扩散区中没有由目标电压Vg引起的电荷时的电压，或者包括由目标电压Vg引起的光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区之前浮置扩散区的电压。不同像素的第二参考电压可以相同，也可以不相同；同一像素在不同工作条件下的第二参考电压可以相同，也可以不相同。

在一些实施方式中，可以在控制所述复位管复位所述浮置扩散区之后，控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二参考电压。

示例性的，如图7和图10所示，在时间段S4，控制所述传输管导通以使所述光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区之前，控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的电压为第二参考电压Vref2。如图10所示，像素C的第一参考电压可以表示为Vref2_c，像素D的第一参考电压可以表示为Vref2_d。

示例性的，在控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二参考电压时，控制所述传输管关断，防止光敏元件中的电荷影响浮置扩散区的电压。

在另一些实施方式中，所述浮置扩散区的第二参考电压可以预先存储，例如为经验值或者在某一次成像时读取的参考电压，也可以是在任意时刻读取的参考电压。图像传感器中的全部像素可以使用相同的第二参考电压，或者分别使用不同的第二参考电压。

示例性的，第二参考电压可以与前述的第一参考电压相同，例如可以在时间段S1至时间段S4，仅控制所述读出电路读取一次所述浮置扩散区的参考电压。例如，所述浮置扩散区的第二参考电压可以根据所述浮置扩散区的第一参考电压确定。

在一些实施方式中，所述根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值，包括：根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压的电压差值确定所述像素对应的偏差修正值。

示例性的，像素C的第二参考电压Vref2_c和第二信号电压Vsig2_c的电压差值可以表示为delta V2_c＝Vref2_c－Vsig2_c，第二参考电压Vref2_d和所述第二信号电压Vsig2_d的电压差值可以表示为delta V2_d＝Vref2_d－Vsig2_d。例如当Vsig2_c小于Vsig2_d时，有delta V2_c大于delta V2_d。可以根据电压差值delta V2_c和delta V2_d，确定像素C的偏差修正值Vv_c大于像素D偏差修正值Vv_d。

示例性的，所述根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压的电压差值确定所述像素对应的偏差修正值，包括：根据所述像素的所述电压差值和所述图像传感器的基准电压差值，确定所述像素对应的偏差修正值。

具体的，基准电压差值用于指示图像传感器中像素的电压差值的基准。示例性的，所述基准电压差值根据所述图像传感器中至少一个像素的所述电压差值确定，例如，可以将其中一个像素的电压差值确定为所述基准电压差值，或者可以根据图像传感器中多个像素的所述电压差值的平均值、极值、中位数或者数学期望确定所述基准电压差值。通过根据各像素的电压差值和所述基准电压差值的偏差程度(例如相减的差)确定各像素的偏差修正值，根据各像素的偏差修正值对各像素的成像参数进行修正、校准，可以补偿由于制造工艺偏差带来的不同像素之间的第一响应阶段和第二响应阶段的拐点偏差，以使不同像素的第一响应阶段和第二响应阶段之间的拐点趋向一致,因此可以减小或消除不同像素对光照强度的响应存在的差异，提高整个图像在高亮处的一致性，降低图像传感器拍摄的图像存在的噪声。

在一些实施方式中，所述根据所述第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值，包括：根据所述像素的第二信号电压和所述图像传感器的基准信号电压，确定所述像素对应的偏差修正值。

示例性的，基准信号电压用于指示图像传感器中像素的第二信号电压的基准。示例性的，所述基准信号电压根据所述图像传感器中至少一个像素的第二信号电压确定，例如，可以将其中一个像素的第二信号电压确定为所述基准信号电压，或者可以根据图像传感器中多个像素的所述第二信号电压的平均值、极值、中位数或者数学期望确定所述基准信号电压。通过根据各像素的第二信号电压和所述基准信号电压的偏差程度(例如相减的差)确定各像素的偏差修正值，可以节省计算量。根据各像素的偏差修正值对各像素的成像参数进行修正、校准，可以补偿由于制造工艺偏差带来的不同像素之间的第一响应阶段和第二响应阶段的拐点偏差，以使不同像素的第一响应阶段和第二响应阶段之间的拐点趋向一致,因此可以减小或消除不同像素对光照强度的响应存在的差异，提高整个图像在高亮处的一致性，降低图像传感器拍摄的图像存在的噪声。

在一些实施方式中，如图7所示，图像传感器的控制方法包括以下四个阶段。

第一个阶段S1为复位曝光阶段，传输管先置高电平Vh,使光敏元件内电荷被完全清空，复位完成，紧接着传输管置于电压Vm(电压Vm小于高电平Vh),同时复位管关闭，曝光开始，光生电荷积累在光敏元件内，刚开始曝光时间短，信号较少，光敏元件内积累的电子随曝光强度迅速增加，为第一响应阶段(如图5)；随曝光时间延长或光照很强时，光敏元件接近饱和，由于传输管处于电压Vm的亚阈曝导通状态，光敏元件接近饱和时，一部分电子会穿过传输管底部，进入浮置扩散区，并使浮置扩散区电压降低，此时光敏元件电荷随曝光强度的响应变慢，进入第二响应阶段(如图5)；曝光快结束时，传输管置于低电位Vl(低电位Vl小于电压Vm)使传输管完全关闭；由于实际工艺的偏差，每个像素的第一响应阶段和第二响应阶段的拐点不完全一致(如图8)。

第二阶段S2为信号读出阶段，行选通管置高电平打开，复位管先置于低电平，在源跟随管的源端读出第一参考电压Vref1，然后导通传输管，光敏元件中的光生电荷灌入浮置扩散区，之后传输管置于低电位Vl关闭，此时浮置扩散区电压变低，在源跟随管的源端读取第一信号电压Vsig1，可以确定deltaV1＝Vref1–Vsig1，deltaV1即为与光照强度相关的信号电压。

第三阶段S3为自校准信号生成阶段，该阶段复位电源线从第一高电压变为一个中等电压的目标电压Vg，然后关闭复位管，此时浮置扩散区浮置一个中等电压Vfdm,然后传输管从低电平Vl变为电压Vm,此时浮置扩散区内的电荷会倒灌(feed through)进入光敏元件，由于工艺制造的偏差，不同像素之间的倒灌电子数目也会不完全一致。

第四阶段S4为校准信号读出阶段，复位电源线的电压回升到第一高电压，复位管关闭，读取第二参考电压Vref2,然后传输管开启,读取第二信号电压Vsig2，可以确定deltaV2＝Vref2–Vsig2,delta V2即可用来补偿由于制造工艺偏差带来的不同像素之间的第一响应阶段和第二响应阶段的拐点偏差，如图8所示，delta V2配以合适的补偿算法,就可以使不同像素的第一响应阶段和第二响应阶段的拐点趋于一致，使整个图像在高亮处的一致性更好，固定噪声更低。

本申请实施例还提供了一种图像传感器200，请结合上述实施例参阅图2。

如图2所示，所述图像传感器200包括外围电路220和多个像素211，所述像素211包括光敏元件PD、传输管TX、浮置扩散区FD、复位管RST和读出电路，所述传输管TX连接于所述光敏元件PD和所述浮置扩散区FD之间，所述浮置扩散区FD连接所述复位管RST和所述读出电路；

所述外围电路220用于执行以下步骤：

在所述光敏元件PD接收光子以生成光生电荷时，控制所述传输管TX处于亚阈状态，以使超过所述光敏元件PD容量的光生电荷进入所述浮置扩散区FD；

控制所述复位管RST复位所述浮置扩散区FD；

控制所述传输管TX导通，以使所述光敏元件PD中的光生电荷传输至所述浮置扩散区FD；

控制所述读出电路读取所述浮置扩散区FD的第一信号电压；

根据所述浮置扩散区FD的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素211的成像参数。

本申请实施例提供的图像传感器200的具体原理和实现方式均与前述实施例的图像传感器200的控制方法类似，此处不再赘述。

请结合上述实施例参阅图11，图11是本申请一实施例提供的成像装置600的示意性框图。该成像装置600搭载前述的图像传感器601。

在一些实施方式中，图11所示，成像装置600还可以包括处理器602，该处理器602用于将该图像传感器601输出的图像数据处理为可以呈现在显示屏603上的拍摄画面。

在一些实施方式中，图11所示，成像装置600还可以包括显示屏603，处理器602用于将图像传感器601输出的图像数据处理为可以呈现在显示屏603上的拍摄画面。

示例性的，该成像装置可以为终端。该终端可以是集成了摄像头和显示屏的终端设备，包括但不限于智能手机，平板，掌上电脑，照相机等。该终端中的摄像头可以用于实现拍照、摄像功能，而显示屏可以用于实现对拍摄画面的预览功能，即，通过对摄像头当前收入的画面进行实时显示，以供用于预览，从而达到取景器的效果。

本申请实施例提供的成像装置备的具体原理和实现方式均与前述实施例的图像传感器类似，此处不再赘述。

应当理解，在此本申请中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。

还应当理解，在本申请和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (27)

1.一种图像传感器的控制方法，其特征在于，所述图像传感器包括多个像素，所述像素包括光敏元件、传输管、浮置扩散区、复位管和读出电路，所述传输管连接于所述光敏元件和所述浮置扩散区之间，所述浮置扩散区连接所述复位管和所述读出电路；

所述方法包括：

在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使超过所述光敏元件容量的光生电荷进入所述浮置扩散区；

控制所述复位管复位所述浮置扩散区；

控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区；

控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压；

根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷之前，控制所述复位管导通和所述传输管导通，以复位所述光敏元件和所述浮置扩散区。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述复位管关断。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在控制所述复位管复位所述浮置扩散区之后，控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一参考电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压和第一参考电压时，控制所述传输管关断。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数，包括：

根据所述像素对应的偏差修正值，以及所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压确定所述像素的成像参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述偏差修正值用于指示所述像素中光敏元件的容量的偏差。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

确定所述像素对应的偏差修正值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述确定所述像素对应的偏差修正值，包括：

将所述复位管的复位电压置为目标电压，所述目标电压大于零且小于能够复位所述浮置扩散区的电压，以使所述浮置扩散区在所述目标电压作用下储存电荷；

控制所述传输管处于亚阈状态，以使所述浮置扩散区储存的电荷进入所述光敏元件；

控制所述复位管复位所述浮置扩散区；

控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的电荷传输至所述浮置扩散区；

控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二信号电压；

根据所述浮置扩散区的第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在将所述复位管的复位电压置为目标电压时，控制所述复位管导通预设时长后关断，以使所述浮置扩散区在所述目标电压作用下储存电荷。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在控制所述复位管导通预设时长后关断时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使所述浮置扩散区储存的电荷进入所述光敏元件。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，在控制所述传输管处于亚阈状态时，保持将所述复位管的复位电压置为所述目标电压。

13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述浮置扩散区的第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值，包括：

根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在控制所述复位管复位所述浮置扩散区之后，控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二参考电压。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第二信号电压和第二参考电压时，控制所述传输管关断。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述浮置扩散区的第二参考电压根据所述浮置扩散区的第一参考电压确定。

17.根据权利要求13-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值，包括：

根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压的电压差值确定所述像素对应的偏差修正值。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述根据所述浮置扩散区的第二参考电压和所述第二信号电压的电压差值确定所述像素对应的偏差修正值，包括：

根据所述像素的所述电压差值和所述图像传感器的基准电压差值，确定所述像素对应的偏差修正值。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述基准电压差值根据所述图像传感器中至少一个像素的所述电压差值确定。

20.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二信号电压确定所述像素对应的偏差修正值，包括：

根据所述像素的第二信号电压和所述图像传感器的基准信号电压，确定所述像素对应的偏差修正值。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基准信号电压根据所述图像传感器中至少一个像素的第二信号电压确定。

22.根据权利要求6-20中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述像素对应的偏差修正值，以及所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压确定所述像素的成像参数，包括：

根据所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值，以及所述像素的偏差修正值所述确定所述像素的成像参数。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，将所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值加上所述像素的偏差修正值，得到所述像素的成像参数；或者

将所述像素的第一参考电压和所述像素的第一信号电压的差值减去所述像素的偏差修正值，得到所述像素的成像参数。

24.根据权利要求1-23中任一项所述的方法，其特征在于，控制所述传输管处于亚阈状态的电压大于零且小于控制所述传输管导通的电压。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，控制所述传输管导通的电压为2.5-5伏，控制所述传输管处于亚阈状态的电压为0.5-2.5伏。

26.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括外围电路和多个像素，所述像素包括光敏元件、传输管、浮置扩散区、复位管和读出电路，所述传输管连接于所述光敏元件和所述浮置扩散区之间，所述浮置扩散区连接所述复位管和所述读出电路；

所述外围电路用于执行以下步骤：

在所述光敏元件接收光子以生成光生电荷时，控制所述传输管处于亚阈状态，以使超过所述光敏元件容量的光生电荷进入所述浮置扩散区；

控制所述复位管复位所述浮置扩散区；

控制所述传输管导通，以使所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区；

控制所述读出电路读取所述浮置扩散区的第一信号电压；

根据所述浮置扩散区的第一参考电压和所述第一信号电压确定所述像素的成像参数。

27.一种成像装置，其特征在于，搭载如权利要求26所述的图像传感器。

Images