CN113676683B - 一种图像传感器和一种消除信号偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种图像传感器和一种消除信号偏移的方法。该传感器包括像素部，像素部包括按照矩阵状布置的多个像素电路，像素电路包括光电转换元件；像素驱动部，像素驱动部用于驱动所述像素部中的电信号进行传输，包括：第一读取模块，根据第一读取信号读出像素电路的第一信号，根据第一读取信号读取像素读出部中的第一参考信号；第二读取模块，根据第二读取信号读出像素电路的第二信号，根据第二读取信号读取像素读出部中的第二参考信号；像素读出部，像素读出部用于读取像素部中的电信号；像素读出部，根据所述第一信号，第二信号和第一参考信号，第二参考信号，输出所述第一信号与第二信号之间的差值。

Description

一种图像传感器和一种消除信号偏移的方法

技术领域

本申请涉及图像传感器领域，更具体地，涉及一种金属氧化物半导体图像传感器。

背景技术

随着图像传感器技术的发展，用于3D成像技术的图像传感器备受关注，然而，在3D成像电路中，像素单元具有两个电荷阱，即两tap结构，通过对两tap输出的电信号解调做差值，可以得到被测物体的深度信息即得到被测物体的距离，进而形成被测物体的3D图像。

然而，由于两tap输出的电信号在图像传感器中，使用不同的电流通路，即两tap输出的电信号在物理上具有不同的信号通路，该信号通路中包括源级跟随器(SourceFollow，SF)，不同的信号通路中SF的性能有所差异，即SF不匹配，因此该两tap输出的电信号的信号通路存在失配问题。

随着像素单元的尺寸越做越小，每个像素中的源级跟随器面积也越来越小，导致像素中SF的失配问题也越来越严重，该失配问题对解调的光生信号的精确度影响越来越大，成为影响测距精度的主要因素，此外，由于像素中SF管的失配在整个阵列中呈现随机性，这给后期数据处理带来了巨大的压力。

此外，在进行距离测量时，阵列级像素需要对光生电荷进行积分并读出，理想情况下，光生电荷应随着积分时间的增加呈线性变化，但是，由于像素单元中浮动扩散区(Floating Diffusion，FD)点电容存在非线性,最终，积分得到的光生电荷在该电容上的电压随积分时间的变化也呈现出非线性。因此，非线性也会引起两tap输出的电信号的在数据处理中的量化线性度问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种图像传感器和一种消除信号偏移的方法，该方法通过两次读取图像传感器中像素电路的电信号和参考信号，输出像素电路中两次读取的电信号的差值，以消除像素电路中的晶体管失配的问题，输出准确的信号。

第一方面，提供了一种图像传感器，包括：像素部，所述像素部包括按照矩阵状布置的多个像素电路，所述像素电路包括光电转换元件；像素驱动部，所述像素驱动部用于驱动所述像素部中的电信号进行传输，包括：第一读取模块，根据第一读取信号读出所述像素电路的第一信号，根据第一读取信号读取所述像素读出部中的第一参考信号；第二读取模块，根据第二读取信号读出所述像素电路的第二信号，根据第二读取信号读取所述像素读出部中的第二参考信号；像素读出部，所述像素读出部用于读取所述像素部中的电信号；所述像素读出部，根据所述第一信号，第二信号和第一参考信号，第二参考信号，输出所述第一信号与第二信号之间的差值。

输出的信号为第一信号和第二信号的差值，因此，可以消除由像素部中的器件引起的两个信号之间的偏差。

在第一方面的一些实施例中，像素读出部包括比较模块，其中，所述比较模块设置有复位电路，当所述第一驱动部工作时，所述比较模块的复位电路启动复位功能。

通过比较模块的复位电路的开启，可以进一步消除比较模块电路中输入器件引起的偏差。

在第一方面的一些实施例中，像素读出部还包括电荷存储单元，所述第一信号和第二信号存储于第一电荷存储单元，所述第一参考信号和第二参考信号存储于第二电荷存储单元。

在第一方面的一些实施例中，第一参考信号为斜坡信号的最大电信号。

在第一方面的一些实施例中，第二参考信号为斜坡信号。

第二方面，提供了一种消除信号偏移的方法，包括：读取第一信号和第一参考信号；读取第二信号和第二参考信号；根据所述第一信号，第二信号和第一参考信号，第二参考信号，输出所述第一信号与第二信号之间的差值。

输出的信号为第一信号和第二信号的差值，因此，可以消除两个信号之间的偏差。

在第二方面的一些实施例中，第一信号和第二信号为相同信号通路上不同时刻的信号。

在第二方面的一些实施例中，第一参考信号为斜坡信号的最大电信号，第二参考信号为斜坡信号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是传统的图像传感器结构图；

图2是本申请实施例提供的图像传感器的一结构图；

图3是本申请实施例提供的图像传感器的又一结构图；

图4是传统的图像传感器中像素单元的电路结构图；

图5是本申请实施例提供的像素驱动部和像素读出部的部分电路的结构图；

图6是本申请实施例提供的像素驱动部和像素读出部的部分电路的时序图；

图7是本申请实施例提供的用于消除信号偏移的方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，传统的图像传感器100，包括像素部101，像素驱动部102和像素读出部103，像素部101包括以阵列排布的像素单元，该像素部101用于接收光信号并生成光生电信号，像素驱动部102用于驱动像素部101读取该光生电信号，该光生电信号最终被读出至像素读出部103，像素读出部103对接收到的光生电信号进行处理。

针对传统的图像传感器100中存在的缺陷，下面结合图2和图3说明本申请实施例中的图像传感器的结构。

如图2所示，是本申请实施例提供的图像传感器200的一结构图，该图像传感器200包括像素部210，第一读取模块221，第二读取模块222，和像素读出部230，该图像传感器200的工作流程如下：

首先，该第一读取模块221读取像素部210中的第一信号，同时，该第一读取模块221读取像素读出部230中的第一参考信号；

然后，该第二读取模块222读取像素部210中的第二信号，同时，该第二读取模块222读取像素读出部230中的第二参考信号；

最后，该像素读出部根据第一信号,第二信号，第一参考信号和第二参考信号输出第一信号和第二信号之间的差值。

需要说明的是，该第一信号可以是像素部210中的光生电流的信号，也可以是像素部210中的光生电压的信号；该第一参考信号可以是像素读出部230中的斜坡电压生成器(未图示)产生的斜坡信号的最大值，该第二参考信号可以是像素读出部230中斜坡电压生成器(未图示)产生的斜坡信号。

可选地，如图3所示，像素读出部330还可以包含比较模块331，该比较模块331可以设置复位电路，该复位电路在该第一读取模块321工作的同时开启，用于消除比较器中的部分晶体管的失配。

可选地，该第一读取模块可以包括电荷存储单元，该电荷存储单元可以是电容器或者其他可以存储电荷的集成电路中的器件，相应地，该第二读取模块也可以包括电荷存储单元，该电荷存储单元可以是电容器或者其他可以存储电荷的集成电路中的器件。

如图4所示，本申请实施例中所提及的像素部101中可以包含光电二极管(PhotoDiode，PD)401，用于接收光信号并产生光生电荷，传输栅402(Transimision Gate，TG)，用于控制光电二极管中光生电荷的传输，浮动扩散电容404(Floating Diffusion，FD)，用于存储光电二极管中生成的光生电荷，复位晶体管403，用于对浮动扩散电容的电荷进行复位，选择晶体管405，用于像素读出部选择该像素的电荷是否读出，源级跟随器406，用于将存储于FD上的光生电荷转换为电流并输出至像素阵列中的列读出信号线VOUT。

也就是说，当光子入射至光电二极管401上时，光电二极管401生成光生电荷，该光生电荷通过传输栅402传输至电容404上进行电荷积分，积分后的电荷通过源级跟随器406放大之后形成输出电流。

可选地，该像素电路中还可以包括用于复位光电二极管的复位晶体管(未图示)，可选的，该像素电路中的读出部分可以是通过两个tap分别读出，即一个光电二极管可以设置两个tap，每个tap连接不同的读出电路，该读出电路可以包括传输栅402，复位晶体管403，选择晶体管405。

下面结合图5和图6，以第一信号是SIG1，第二信号是SIG2，第一参考信号是VRAMP_H，第二参考信号是VRAMP，第一电荷存储单元为电容器5030，第二电荷存储单元为电容器5031为例，对于本申请实施例提供的像素驱动部和像素读出部的电路进行描述。

在像素阵列所在行被选中期间，即SEL信号为高时，光电二极管生成光生电荷，当传输栅打开后，FD电容对该光生电荷进行积分，随后将积分后的电压通过SF转换为电流并输出至列线，如图5与图6所示，其中图6是图5的时序图，：

S100，将像素驱动部中第一读取模块的开关5010和开关5011闭合，读取像素电路输出的第一信号SIG1和像素读出模块中产生的第一参考信号VRAMP_H，此时，电容器5030的左侧极板被充电，即电容器5030采样Vsig1信号即像素积分后的电压信号，代表了FD点的积分电子数，电容器5031的左侧极板也被充电，即电容器5030采样VRAMP_H信号。

可选地，当开关5010和开关5011闭合之前或者闭合的同时，开关5040闭合，此时电容器5030和电容器5031的右侧极板也被充电，即电容器5030和电容器5031采样比较器的参考信号。

此时，该电路中两个电容器5030和电容器5031上的电荷分别为：

QC1＝(Vsig1+Vos-Vref)*C1；

QC2＝(VRAMP_H+Vos-Vref)*C2；

需要说明的是，Vos为图5中比较器的失配电压，VRAMP_H为斜坡电压的最大值,Vref是比较器的输入参考电压，C1是电容器5030的容量，C2是电容器5031的容量。

然后，将FD电容上的电荷复位，可选的，如图4所示，将RST信号接至高电平一段时间，例如5us，此时再将SF上的信号输出：

S200，将图5所示的开关5010，开关5011和开关5040断开，将开关5020和开关5021闭合，此时，电容器5030的左侧极板被充电，即电容器5030采样像素电路中的复位信号，电容器5031的左侧极板被充电，即电容器5031采样VRAMP信号，需要说明的是，VRAMP为斜坡信号，即电压随时间呈现线性变化的信号。

此时，该电路中两个电容器5030和电容器5031上的电荷分别为：

QC1’＝(VN-(Vsig2+Vos))*C1；

QC2’＝(VN-(VRAMP+Vos))*C2；

当VRAMP变化至使得：

VRAMP_H+Vos-(VRAMP+Vos)＝Vsig1+Vos-(Vsig2+Vos)的时候，比较模块翻转，输出Vout。

因此，该电路结构通过上述两个步骤，完成了像素部中的信号处理，即经过该电路处理后消除了SF的失配和比较器的失配，最终输出了量化后的信号和信号复位电压的差值。

也就是说，通过采用本申请提出的电路，不仅可以消除SF的失配问题，还可以消除量化过程中比较模块的失配问题，提高了现有技术中测距的精度。

需要说明的是，由于FD在对光生电信号进行积分时，具有非线性问题，本申请中的斜坡信号VRAMP可以是通过自适应斜坡电路产生的与积分电压相匹配的非线性的斜坡信号，因此，本申请的像素驱动电路也可以改善量化过程中积分电容的非线性问题。

此外，本申请还提供了一种消除信号偏移的方法，如图7所示，：

S701，读取第一信号和第一参考信号，可选的，该读取方式可以是通过第一开关和第一采样电容进行读取，第一信号可以是从像素部中读出，第一参考信号可以是从像素读出部中读出，该第一信号可以是像素积分后的信号，第一参考信号可以是斜坡信号的最大值。

S702，读取第二信号和第二参考信号，可选的，该读取方式可以是通过第二开关和第二采样电容进行读取，第人信号可以是从像素部中读出，第二参考信号可以是从像素读出部中读出，该第二信号可以是像素复位后的信号，第二参考信号可以是斜坡信号。

S703，根据第一信号，第二信号，第一参考信号，第二参考信号，输出第一信号与第二信号的差值。可选的，将第一信号与第二信号的差值进行量化后输出。需要说明的是，该第一信号和第二信号可以是相同信号通路上不同时刻的信号。通过该方法，可以消除第一信号和第二信号之间的失配，并且可以输出量化后的差值。

上述方法应用于前述实施例提供的图像传感器，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种图像传感器，其特征在于，

包括：

像素部，所述像素部包括按照矩阵状布置的多个像素电路，所述像素电路包括光电转换元件；

像素读出部，所述像素读出部用于读取所述像素部中的电信号；

像素驱动部，所述像素驱动部用于驱动所述像素部中的电信号进行传输，包括：

第一读取模块，根据第一读取信号读出所述像素电路的第一信号，根据所述第一读取信号读取所述像素读出部中的第一参考信号；

第二读取模块，根据第二读取信号读出所述像素电路的第二信号，根据所述第二读取信号读取所述像素读出部中的第二参考信号；

所述第一信号与所述第二信号为相同信号通路上不同时刻的信号；

所述第一参考信号为斜坡信号的最大电信号；

所述第二参考信号为斜坡信号；所述像素读出部，根据所述第一信号，所述第二信号和所述第一参考信号，所述第二参考信号，输出所述第一信号与所述第二信号之间的差值。

2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，

所述像素读出部包括比较模块，其中，所述比较模块设置有复位电路，当所述第一读取模块工作时，所述比较模块的复位电路启动复位功能。

3.如权利要求1或2所述的图像传感器，其特征在于，

所述像素读出部还包括电荷存储单元，所述第一信号和第二信号存储于第一电荷存储单元，所述第一参考信号和第二参考信号存储于第二电荷存储单元。

4.一种消除信号偏移的方法，其特征在于，

包括：

读取第一信号和第一参考信号；

读取第二信号和第二参考信号；

所述第一信号和所述第二信号为相同信号通路上不同时刻的信号；

所述第一参考信号为斜坡信号的最大电信号；

所述第二参考信号为所述斜坡信号；

根据所述第一信号，所述第二信号和所述第一参考信号，所述第二参考信号，输出所述第一信号与所述第二信号之间的差值。