CN113709391A - Cmos图像传感器及其读取方法 - Google Patents

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Abstract

一种CMOS图像传感器及其读取方法。所述CMOS图像传感器包括像素阵列；所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素结构构成；所述CMOS图像传感器还包括：至少一个开关电路；其中，所述开关电路位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间；所述开关电路适于在对所连接的像素结构执行读取操作过程中断开或闭合，以调整当前待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值。采用本发明的方案，可以在不受限于像素尺寸和填充因子的情况下，提高图像传感器的动态范围。

Description

CMOS图像传感器及其读取方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器及其读取方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。通常，CMOS图像传感器包含像素阵列，与像素阵列耦接的像素读出电路阵列。其中，像素阵列由若干呈阵列方式分布的像素结构构成，像素读出电路阵列由若干呈阵列方式分布的读出电路构成。
同一列的像素结构由同一位线输出，并与一读出电路耦接。像素阵列将接收到的光信号转换为模拟电信号，读出电路阵列将模拟电信号转换为数字电信号，进而输出至数字处理电路进行后续处理。
CMOS图像传感器所能达到的噪声指标决定了图像传感器的最低亮度，并且，CMOS图像传感器在同一帧画面上所能达到的亮度还存在一个的上限，即存在最高亮度。在同一帧画面中，最高亮度图像信号的电压值与噪声信号的电压值的比值，定义为CMOS图像传感器的动态范围。
然而，现有CMOS图像传感器的动态范围仍较低，无法满足对图像质量的要求。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提高图像传感器的动态范围，以满足对图像质量的要求。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括像素阵列；所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素结构构成；其特征在于，所述CMOS图像传感器还包括：至少一个开关电路；其中，所述开关电路位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间；所述开关电路适于在对所连接的像素结构执行读取操作过程中断开或闭合，以调整当前待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值。
本发明实施例还提供了一种CMOS图像传感器的读取方法，所述CMOS图像传感器包括像素阵列及两个以上开关电路；所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素结构构成；所述开关电路位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间；所述开关电路适于在对所连接的像素结构执行读取操作过程中断开或闭合，以调整所读取像素结构的浮动扩散节点处的电容值；
采用以下方法对每行像素结构执行读取操作：
向当前行各像素结构连接的第一预设数量的开关电路施加第一开关控制信号，并对当前行像素结构执行复位操作，得到第一复位电平量化结果；
向当前行各像素结构连接的第二预设数量的开关电路施加第二开关控制信号，并对当前行像素结构执行复位操作，得到第二复位电平量化结果；
向当前行各像素结构连接的第二预设数量的开关电路施加第二开关控制信号，并对当前行像素结构执行曝光操作，得到第一信号电平量化结果；
向当前行各像素结构连接的第一预设数量的开关电路施加第一开关控制信号，并对当前行像素结构执行曝光操作，得到第二信号电平量化结果；
基于所述第一复位电平量化结果、第二复位电平量化结果、第一信号电平量化结果及第二信号电平量化结果，得到当前行像素结构的最终读出结果；
其中，所述第一预设数量大于所述第二预设数量；所述第一预设数量的开关电路及第二预设数量的开关电路中至少一个开关电路，与所述当前行像素结构浮动扩散节点连接。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：
本发明实施例中CMOS图像传感器，通过在像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间设置开关电路，进而可以在对像素结构执行读取操作过程中，控制与待读取电路连接的开关电路断开或闭合，来调整待读取电路浮动扩散节点处的电容值，达到改变待读取电路浮动扩散节点处电容大小的目的。而待读取电路浮动扩散节点处电容大小发生变化，会使得CMOS图像传感器的满井容量发生变化，从而改变CMOS图像传感器的动态范围。
附图说明
图1是一种4T像素结构的示意图；
图2是本发明实施例中开关电路与像素阵列的一列像素结构之间一种位置关系示意图；
图3是本发明实施例中开关电路与像素阵列整体之间的一种位置关系示意图；
图4是本发明实施例中CMOS图像传感器的读取方法；
图5是本发明实施例中CMOS图像传感器读取过程中各信号时序示意图。
具体实施方式
CMOS图像传感器包含像素阵列，以及与像素阵列耦接的像素读出电路阵列。其中，像素阵列由若干呈阵列方式分布的像素结构构成，像素读出电路阵列由若干呈阵列方式分布的读出电路构成。同一列的像素结构由同一位线输出，并与一读出电路耦接。像素阵列将接收到的光信号转换为模拟电信号，读出电路阵列将模拟电信号转换为数字电信号，进而输出至数字处理电路进行后续处理。
图1为现有技术中一种由4个CMOS管构成的4T像素结构的电路结构。参照图1，所述4T像素结构可以包括：感光二极管PD，第一MOS管N1，第二MOS管N2，第三MOS管N3及第四MOS管N4。
其中，第一MOS管N1的栅极适于接入电流电压转换控制信号TCK，源极与感光二极管PD的阴极连接，漏极与第二MOS管N2的源极连接。第二MOS管N2的栅极适于接入复位控制信号Trst，漏极连接复位电源电压Vrst。第三MOS管N3适于跟随所述第二MOS管N2源极输出信号Tsf的变化，并对所述第二MOS管N2源极输出信号进行放大。第四MOS管N4的漏极与第三MOS管N3的源极耦接，栅极适于接入行选通信号Tsel，源极作为所述4T像素结构的输出端与位线Bit-line耦接。当行选通信号Tsel为高电平时，对行的像素结构执行读出量化过程。
本发明的实施例中，为了便于描述，将第二MOS管N2的源极与第一MOS管N1的漏极相连接的节点记为浮动扩散节点FD。浮动扩散节点FD也是第三MOS管N3栅极。
由光电效应可知，感光二极管PD产生的电流信号强度与入射光强度成正比。当第一MOS管N1打开后，电流信号流入浮动扩散节点FD转变成电压信号，电压信号经第三MOS管N3输出到位线Bit-line，由读出电路对该电压信号进行量化。
CMOS图像传感器的满井容量，与浮动扩散节点FD处的电容值的大小直接相关。浮动扩散节点FD处的电容值越大，浮动扩散节点FD可容纳的电子数目就越多，CMOS图像传感器的最大信噪比就越高，CMOS图像传感器可实现的动态范围就越高。
传统CMOS图像传感器浮动扩散节点FD处的电容值，仅为其寄生电容cap1，受限于像素尺寸和填充因子(即光电二极管感光面积与整个像素结构面积之比)，浮动扩散节点FD的电容值不能扩展的太大，由此导致CMOS图像传感器的动态范围难以满足要求。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器中，像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间设置有开关电路，在对像素结构执行读取操作过程中，同感控制与待读取电路连接的开关电路断开或闭合，可以调整待读取电路浮动扩散节点处的电容值，从而改变CMOS图像传感器的动态范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素结构构成。除上述阵列外，所述CMOS图像传感器还包括：至少一个开关电路。
其中，所述开关电路位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间；所述开关电路适于在对所连接的像素结构执行读取操作过程中断开或闭合，以调整当前待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值。
在本发明的实施例中，所述像素结构可以为4T像素结构(如图1所示)，也可以为6T或者8T的像素结构，还可以为其它数量的晶体管构成的像素结构。但无论像素结构的具体晶体管数量如何，在所述像素结构中，均设置有浮动扩散节点，所述浮动扩散节点位于跟随晶体管的栅极。
在具体实施中，所述开关电路的数量不作限制，可能只有一个，即只对某一像素结构浮动扩散节点处的电容值进行调整，相对于未设置开关电路，依然能够改变CMOS图像传感器的动态范围。
在其它实施例中，所述开关电路的数量也可以为两个，或两个以上，此时，通过同时对像素阵列中多个像素结构浮动扩散节点处的电容值进行调整，使得像素阵列的动态范围能够更高。
在具体实施中，可以在所述像素阵列同一列所有相邻像素结构的浮动扩散节点之间，均设置有所述开关电路。此时，像素阵列任意相邻像素的浮动扩散节点之间，均连接有所述开关电路，由此可以对待读取像素结构的浮动扩散节点处的电容值进行多次连续调整，以更好地满足实际需求。
在具体实施中，也可以在所述像素阵列同一列部分相邻像素结构的浮动扩散节点之间，设置有所述开关电路。也就是说，所述像素阵列同一列所有相邻像素结构中，仅一部分相邻像素结构的浮动扩散节点之间设置有所述开关电路，剩余部分相邻像素结构的浮动扩散节点之间没有设置开关电路。
为了便于说明所述开关电路在像素阵列中的位置，以图1示出的4T像素结构为例进行详细说明：
图2示出了所述CMOS图像传感器像素阵列第N列的结构示意图。为了简化图示，参照图2，仅示出了像素阵列第N列的三个像素结构，分别为：第(M)行第N列的像素结构Pixel(M，N)、第(M+1)行第N列的像素结构Pixel(M+1，N)、第(M+2)行第N列的像素结构Pixel(M+2，N)。可以理解的是，除上述三个像素结构外，第N列还设置有其它像素结构。
其中，像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点为FD1，像素结构Pixel(M+1，N)的浮动扩散节点为FD2，像素结构Pixel(M+2，N)的浮动扩散节点为FD3。开关电路21位于像素结构Pixel(M，N)及像素结构Pixel(M+1，N)之间。开关电路22位于像素结构Pixel(M+1，N)及像素结构Pixel(M+2，N)之间。
在本发明的实施例中，所述开关电路可以位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间。
例如，参照图2，开关电路21可以位于像素结构Pixel(M，N)及像素结构Pixel(M+1，N)之间，此时，开关电路21的一端连接浮动扩散节点为FD1，另一端连接浮动扩散节点为FD2。
开关电路21也可以位于像素结构Pixel(M，N)及像素结构Pixel(M+2，N)之间，此时，开关电路21的一端连接浮动扩散节点为FD1，另一端连接浮动扩散节点为FD3。
参照图2，当开关电路21位于像素结构Pixel(M，N)及像素结构Pixel(M+1，N)之间时，对像素结构Pixel(M，N)执行读取操作过程中，若开关电路21闭合，则像素结构Pixel(M，N)及像素结构Pixel(M+1，N)的浮动扩散节点电容共享，像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点FD1处的电容值增大至原来的两倍。
当像素结构Pixel(M+1，N)及像素结构Pixel(M+2，N)之间设置的开关电路22也闭合，则像素结构Pixel(M，N)、像素结构Pixel(M+1，N)及像素结构Pixel(M+2，N)三者的浮动扩散节点电容共享，像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点FD1处的电容值增大至原来的三倍。
像素阵列中每一像素结构的浮动扩散节点，可以均设置开关电路，也可以仅在部分像素结构的浮动扩散节点设置开关电路。比如，参照图2，可以仅在像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点FD1与像素结构Pixel(M+1，N)的浮动扩散节点FD2之间设置开关电路21，而不在像素结构Pixel(M+1，N)的浮动扩散节点FD2与像素结构Pixel(M+2，N)的浮动扩散节点为FD3之间设置开关电路22。此时，对像素结构Pixel(M，N)执行读取操作时，像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点FD1处的电容值最多只能增大至原来的两倍。
在具体实施中，是否在某一像素结构的幅度扩散节点设置开关电路，可以根据实际动态范围需求进行实施。对于同于待读取像素结构，只要用于调整该待读取像素结构浮动扩散节点处电容值的开关电路能够串联连接即可。
具体地，用于调整同一待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值的K个开关电路，在该K个开关电路均闭合时，可以将所述像素阵列中同一列连续K行像素结构的浮动扩散节点连接，所述连续K行像素结构包括所述待读取像素结构，K为正整数。
比如，当实际动态范围需要像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点FD1处的电容值最多增大至原来的三倍，则需要设置两个开关电路。这两个开关电路之间串联连接，由此可以使得同一列相邻三行的像素结构的浮动扩散节点相连接，从而在像素结构Pixel(M，N)的浮动扩散节点FD1处可以共享三行的像素结构浮动扩散节点处的电容值。
可以理解的是，K值越大，能够对待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值的调整幅度越大，但对所有开关电路的控制也就越复杂。
以像素结构Pixel(M+1，N)为待读取像素结构为例，连接至像素结构Pixel(M+1，N)浮动扩散节点的开关电路，可以仅为开关电路21，也可以仅为开关电路22，还可以同时包括开关电路21及开关电路22。
当连接至像素结构Pixel(M+1，N)浮动扩散节点的开关电路同时包括开关电路21及开关电路22时，可以采用图2示出的开关电路设置方式，控制开关电路21及开关电路22闭合，使得第N列第M行至第N列第(M+2)行像素结构的浮动扩散节点共享电容。
在其它实施例中，当连接至像素结构Pixel(M+1，N)浮动扩散节点的开关电路同时包括开关电路21及开关电路22时，对于像素结构Pixel(M+1，N)，也可以在第N列第(M-1)行像素结构与第N列第M行像素结构之间设置一开关电路，而在第N列第M行像素结构与第N列第(M+1)行像素结构之间设置另一开关电路，使得第N列第(M-1)行至第N列第(M+1)行像素结构的浮动扩散节点共享电容。
在其它实施例中，当连接至像素结构Pixel(M+1，N)浮动扩散节点的开关电路同时包括开关电路21及开关电路22时，对于像素结构Pixel(M+1，N)，还可以在第N列第(M+3)行像素结构与第N列第(M+2)行像素结构之间设置一开关电路，而在第N列第(M+2)行像素结构与第N列第(M+1)行像素结构之间设置另一开关电路，使得第N列第(M+3)行至第N列第(M+1)行像素结构的浮动扩散节点共享电容。
在具体实施中，如果把待读取像素结构上下共N行像素结构之间的开关电路均打开，其余开关电路断开，此时，可以将待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值增大N倍。
在具体实施中，所述开关电路的结构不作限制，可以为任意一种开关器件，或者开关器件组成的电路。
在本发明的一实施例中，所述开关电路可以为开关晶体管，所述开关晶体管的栅极适于输入开关控制信号，漏极与所述像素阵列中第一像素结构的浮动扩散节点连接，源极与所述像素阵列中第二像素结构的浮动扩散节点连接；所述第一像素结构及第二像素结构位于所述像素阵列的同一列。所述开关晶体可以为NMOS管，也可以为PMOS管，具体不作限制。
参照图2，所述开关电路21为NMOS管，此时，当开关控制信号GCM1为高电平时，NMOS管闭合，使得浮动扩散节点FD1和FD2的电容共享。当开关控制信号GCM1为低电平时，NMOS管断开，使得浮动扩散节点FD1和FD2的电容不共享。
在具体实施中，与不同像素结构连接的开关电路，可以使用不同的开关控制信号进行控制。其中，像素阵列中同行但不同列的像素结构，可以使用不同的开关控制信号进行控制。像素阵列中同行且同列的像素结构，也可以使用不同的开关控制信号进行控制。
在本发明的一实施例中，为了简化控制复杂度，与所述像素阵列中相同两行像素结构连接的所有开关电路，可以与同一开关控制信号输出端连接；所述开关控制信号输出端适于输出开关控制信号，以控制所述开关电路的断开或闭合。
换言之，与所述像素阵列中相同两行像素结构连接的所有开关电路，可以使用同一开关控制信号进行控制。
图3为本发明实施例中一种CMOS图像传感器的示意图。参照图3，所述像素阵列中相同两行像素结构连接的所有开关电路，使用同一开关控制信号进行控制。所述像素阵列至少包括：第M行第N列的像素结构至第(M+7)行第(N+7)列的像素结构。第N列的像素结构连接至位线BitlineN，第N+1列的像素结构连接至位线Bitline(N+1)，第N+2列的像素结构连接至位线Bitline(N+2)，……，第N+7列的像素结构连接至位线Bitline(N+7)。
具体地，参照图3，像素阵列中第M行的像素结构，可以使用同一开关控制信号进GCM1进行控制。像素阵列中第(M+1)行的像素结构，可以使用同一开关控制信号进GCM2进行控制。像素阵列中第(M+2)行的像素结构，可以使用同一开关控制信号进GCM3进行控制，……，像素阵列中第(M+7)行的像素结构，可以使用同一开关控制信号进GCM8进行控制。
当然，在一些实施例中，连续多行像素结构所连接的开关电路，也可以使用同一开关控制信号进行控制。比如，像素阵列中第M行的像素结构至第(M+2)行的像素结构，可以使用同一开关控制信号进行控制。
在本发明的一实施例中，所述CMOS图像传感器还可以包括：开关控制信号产生电路。所述开关控制信号产生电路具有开关控制信号输出端，适于通过所述开关控制信号输出端输出开关控制信号至相应的开关电路。
在具体实施中，所述开关控制信号产生电路的数量可以为多个，此时，不同的开关控制信号产生电路，可以产生不同的开关控制信号，用于控制不同的开关电路。比如，参照图2，可以设置8个开关信号产生电路，每个开关信号产生电路可以产生不同的开关控制信号。
在具体实施中，所述开关控制信号产生电路的数量也可以为1个，该开关控制信号产生电路可以同时产生多个不同的开关控制信号。例如，参照图2，该开关控制信号产生电路可以同时产生开关控制信号GCM1至GCM8。
在具体实施中，所述开关控制信号产生电路所产生的开关控制信号的数量，可以根据实际场景需求进行预先设置。比如，在实际场景中，需要对当前待读取像素结构浮动控制节点电容进行连续5次调整时，所述开关控制信号产生电路需要产生5个开关控制信号。当需要对当前待读取像素结构浮动控制节点电容进行连续2次调整时，所述开关控制信号产生电路需要产生2个开关控制信号。
在本发明的一实施例中，为了兼顾实际场景需求及开关电路的控制复杂度，所述开关控制信号产生电路输出的开关控制信号可以包括：第一开关控制信号LFD及第二开关控制信号SFD。所述第一开关控制信号LFD适于输出至第一预设数量的开关电路；所述第二开关控制信号SFD适于输出第二预设数量的开关电路；所述第一预设数量大于所述第二预设数量；所述第一预设数量的开关电路及第二预设数量的开关电路中至少一个开关电路，与所述当前待读取像素结构浮动扩散节点连接。
在具体实施中，所述第一预设数量及第二预设数量的取值，与所述CMOS图像传感器当前场景需求相匹配。比如，当前场景需要将待读取像素结构浮动扩散节点最大电容为原来的5倍，最小电容为原来的2倍，则可以设置第一预设数量为5，第二预设数量为2。当前场景需要将待读取像素结构浮动扩散节点电容最大电容为原来的3倍，最小电容为原来电容，则可以设置第一预设数量为3，第二预设数量为1。
参照图3，以当前待读取像素结构为第M行的像素结构为例，若第一预设数量为8，则开关控制信号GCM1至GCM7为所述第一开关控制信号LFD，以此控制第M行的像素结构至第(M+7)行像素结构所连接的开关电路同时断开或闭合。当第M行的像素结构至第(M+7)行像素结构所连接的开关电路同时闭合时，第M行的像素结构至第(M+7)行像素结构的浮动扩散节点电容共享。假设每一像素结构浮动扩散节点的寄生电容为cap1时，此时，第M行任一像素结构的浮动扩散节点电容＝8*cap1。
若第二预设数量为2，则开关控制信号GCM1为所述第二开关控制信号SFD，以此控制第M行的像素结构至第(M+1)行像素结构所连接的开关电路同时断开或闭合。当第M行的像素结构至第(M+1)行像素结构所连接的开关电路同时闭合时，第M行的像素结构至第(M+1)行像素结构的浮动扩散节点电容共享。假设每一像素结构浮动扩散节点的寄生电容为cap1时，此时，第M行任一像素结构的浮动扩散节点电容＝2*cap1。
在具体实施中，可以灵活配置第一预设数量及第二预设数量，以满足不同的场景需求。
例如，当无法通过曝光时间和增益有效调节亮处和暗处的图像关系时，对于图像亮处的成像，可以采用本发明的方案实现高动态范围成像。具体地，可以采用第一开关控制信号LFD对开关短路进行控制，使得待读取像素结构浮动扩散节点电容较大，由此可以增加待读取像素结构的输出信号幅度，使得图像亮处的成像效果更好。而对于图像暗处的成像，可以采用第二开关控制信号SFD对开关短路进行控制，使得待读取像素结构浮动扩散节点电容较小，由此可以减小待读取像素结构的输出信号幅度，使得图像暗处的成像效果更好。
在本发明的一实施例中，所述CMOS图像传感器还包括：像素读出电路阵列，所述像素读出电路阵列由若干呈阵列方式分布的读出电路构成，同一列的像素结构经同一位线与同一读出电路连接。
在具体实施中，像素读出电路可以通过读取位线Bit-line上输出的信号的电压值并进行量化，得到当前行像素结构的最终读出结果。其中，像素读出电路可以采用多种方法，读取位线Bit-line上输出的信号的电压值并进行量化，此处不作限制。
参照图4，本发明实施例还提供了上述实施例中CMOS图像传感器的读取方法，像素读出电路可以采用使用相关双采样(Correlated Double Sampling，CDS)对每行像素结构执行读取操作。具体地，对每行像素结构的读取操作可以包括如下步骤：
步骤41，向当前行各像素结构连接的第一预设数量的开关电路施加第一开关控制信号，并对当前行像素结构执行复位操作，得到第一复位电平量化结果。
步骤42，向当前行各像素结构连接的第二预设数量的开关电路施加第二开关控制信号，并对当前行像素结构执行复位操作，得到第二复位电平量化结果。
关于步骤41及42，在具体实施中，所述第一预设数量大于所述第二预设数量；所述第一预设数量的开关电路及第二预设数量的开关电路中至少一个开关电路，与所述当前行像素结构浮动扩散节点连接。
步骤43，向当前行各像素结构连接的第二预设数量的开关电路施加第二开关控制信号，并对当前行像素结构执行曝光操作，得到第一信号电平量化结果。
步骤44，向当前行各像素结构连接的第一预设数量的开关电路施加第一开关控制信号，并对当前行像素结构执行曝光操作，得到第二信号电平量化结果。
步骤45，基于所述第一复位电平量化结果、第二复位电平量化结果、第一信号电平量化结果及第二信号电平量化结果，得到当前行像素结构的最终读出结果。
关于步骤45，在具体实施中，可以先基于所述第一复位电平量化结果及第二信号电平量化结果，得到当前行像素结构的第一读出结果，再基于所述第二复位电平量化结果及第一信号电平量化结果，得到当前行像素结构的第二读出结果，最后将所述第一读出结果及第二读出结果进行融合，得到当前行像素结构的最终读出结果。
下面结合图3及图5，对上述读取方法进行详细描述：
参照图3及图5，以第一预设数量＝8，第二预设数量＝2为例，第一开关控制信号LFD及第二开关控制信号SFD可以同时输入至对应的开关电路中，以控制相应的开关电路闭合。具体地，开关控制信号CGM1至CGM7可以均为高电平的第一开关控制信号LFD，此时可以控制第M行的像素结构至第(M+7)行像素结构所连接的开关电路同时闭合。开关控制信号CGM1为高电平的第二开关控制信号SFD时，可以控制第M行的像素结构至第(M+1)行像素结构所连接的开关电路同时闭合。
将第M行像素结构行选通信号Tsel置为高电平，对第M行像素结构执行读取操作时，先对第M行各像素结构执行复位操作，即第M行各像素结构的复位控制信号Trst置为高电平，并同时控制第M行的像素结构至第(M+7)行像素结构所连接的开关电路同时闭合。此时，第M行各像素结构浮动扩散节点电容增加至原来的8倍，像素读出电路可以从位线Bit-line读取复位电平并进行量化，可以得到各像素结构对应的第一复位电平量化结果A。
之后，将第一开关控制信号LFD断开，仅保留第二开关控制信号SFD，此时第M行各像素结构浮动扩散节点电容增加至原来的2倍，像素读出电路可以从位线Bit-line读取复位电平并进行量化，可以得到各像素结构对应的第二复位电平量化结果B。
接着，将第M行各像素结构的电流电压转换控制信号TCK置为高电平，像素结构内感光二极管产生的部分或全部电荷导入浮动扩散节点FD，然后像素读出电路可以从位线Bit-line读取信号电平并进行量化，得到第一信号电平量化结果C。其中，第M行某一像素结构第一信号电平量化结果C与第二复位电平量化结果B的差值(即第一读出结果)，表示该像素结构在第二开关控制信号SFD控制下的亮度。
然后，将第一开关控制信号LFD再次置为高电平，并将第M行各像素结构的电流电压转换控制信号TCK置为高电平，像素读出电路可以从位线Bit-line读取信号电平并进行量化，得到第二信号电平量化结果D。第M行某一像素结构第二信号电平量化结果D与第一复位电平量化结果A的差值(即第二读出结果)，表示该像素结构在第一开关控制信号LFD控制下的亮度。
假设第一预设数量与第二预设数量的大小比例为N，则两帧图像融合后动态范围可以提升20logN dB。若N＝16，即动态范围可以提升24dB。
利用本发明实施例中的CMOS图像传感器，可以在一个行周期内，对第M行中各像素结构进行一次曝光、两次读出的方法来实现高动态范围。其中第M行中某一像素结构的读出时序可以参照图5。
由上述内容可知，采用本发明的方案，通过在同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间设置开关电路，进而可以通过控制开关电路断开或闭合，实现对待读取像素结构浮动扩散节点电容值的调整，使得待读取像素结构浮动扩散节点电容值可以灵活变化，从而适应不同的场景需求，动态范围可以从一倍连续变化到几倍甚至上百倍，而不明显降低像素的填充因子，尤其有利于FSI(前照式)图像传感器的浮动扩散节点电容的扩展。且不会明显降低FSI图像传感器的填充因子。
以上对本发明实施例的方法及系统做了详细的介绍，本发明并不限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器包括像素阵列；所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素结构构成；其特征在于，所述CMOS图像传感器还包括：
至少一个开关电路；
其中，所述开关电路位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间；所述开关电路适于在对所连接的像素结构执行读取操作过程中断开或闭合，以调整当前待读取像素结构浮动扩散节点处的电容值。
2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括两个以上所述开关电路。
3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述像素阵列同一列所有相邻像素结构的浮动扩散节点之间，均设置有所述开关电路。
4.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述像素阵列同一列部分相邻像素结构的浮动扩散节点之间，设置有所述开关电路。
5.如权利要求3或4所述的CMOS图像传感器，其特征在于，用于调整同一待读取像素结构浮动扩散节点处电容值的K个开关电路，将所述像素阵列中同一列连续K行像素结构的浮动扩散节点连接，所述连续K行像素结构包括所述待读取像素结构，K为正整数。
6.如权利要求2所述的CMOS图像传感器，其特征在于，与所述像素阵列中相同两行像素结构连接的所有开关电路，与同一开关控制信号输出端连接；所述开关控制信号输出端适于输出开关控制信号，以控制所述开关电路的断开或闭合。
7.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述开关电路包括：开关晶体管，所述开关晶体管的栅极适于输入开关控制信号，漏极与所述像素阵列中第一像素结构的浮动扩散节点连接，源极与所述像素阵列中第二像素结构的浮动扩散节点连接；所述第一像素结构及第二像素结构位于所述像素阵列的同一列。
8.如权利要求6或7所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器还包括：
开关控制信号产生电路，具有开关控制信号输出端，适于通过所述开关控制信号输出端输出开关控制信号至相应的开关电路。
9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述开关控制信号产生电路输出的开关控制信号包括：第一开关控制信号及第二开关控制信号；所述第一开关控制信号适于输出至第一预设数量的开关电路；所述第二开关控制信号适于输出第二预设数量的开关电路；所述第一预设数量大于所述第二预设数量；所述第一预设数量的开关电路及第二预设数量的开关电路中至少一个开关电路，与所述当前待读取像素结构浮动扩散节点连接。
10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述第一预设数量及第二预设数量的取值，与所述CMOS图像传感器当前场景需求相匹配。
11.如权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述CMOS图像传感器还包括：像素读出电路阵列，所述像素读出电路阵列由若干呈阵列方式分布的读出电路构成，同一列的像素结构经同一位线与同一读出电路连接。
12.一种CMOS图像传感器的读取方法，其特征在于，所述CMOS图像传感器包括像素阵列及两个以上开关电路；所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素结构构成；所述开关电路位于所述像素阵列同一列任意两像素结构的浮动扩散节点之间；所述开关电路适于在对所连接的像素结构执行读取操作过程中断开或闭合，以调整所读取像素结构的浮动扩散节点处的电容值；
采用以下方法对每行像素结构执行读取操作：
向当前行各像素结构连接的第一预设数量的开关电路施加第一开关控制信号，并对当前行像素结构执行复位操作，得到第一复位电平量化结果；
向当前行各像素结构连接的第二预设数量的开关电路施加第二开关控制信号，并对当前行像素结构执行复位操作，得到第二复位电平量化结果；
向当前行各像素结构连接的第二预设数量的开关电路施加第二开关控制信号，并对当前行像素结构执行曝光操作，得到第一信号电平量化结果；
向当前行各像素结构连接的第一预设数量的开关电路施加第一开关控制信号，并对当前行像素结构执行曝光操作，得到第二信号电平量化结果；
基于所述第一复位电平量化结果、第二复位电平量化结果、第一信号电平量化结果及第二信号电平量化结果，得到当前行像素结构的最终读出结果；
其中，所述第一预设数量大于所述第二预设数量；所述第一预设数量的开关电路及第二预设数量的开关电路中至少一个开关电路，与所述当前行像素结构浮动扩散节点连接。
13.如权利要求12所述的CMOS图像传感器的读取方法，其特征在于，所述基于所述第一复位电平量化结果、第二复位电平量化结果、第一信号电平量化结果及第二信号电平量化结果，得到当前行像素结构的最终读出结果，包括：
基于所述第一复位电平量化结果及第二信号电平量化结果，得到当前行像素结构的第一读出结果；
基于所述第二复位电平量化结果及第一信号电平量化结果，得到当前行像素结构的第二读出结果；
将所述第一读出结果及第二读出结果进行融合，得到当前行像素结构的最终读出结果。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000242361A (ja) * 1999-02-23 2000-09-08 Toshiba Corp 同期回路システム及び同期回路
US20110013064A1 (en) * 2009-07-15 2011-01-20 Tower Semiconductor Ltd. CMOS Image Sensor With Wide (Intra-Scene) Dynamic Range
KR20120019178A (ko) * 2010-08-25 2012-03-06 (주) 픽셀플러스 넓은 동작 범위를 가지는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 및 이미지 센서의 구동 방법
CN103780850A (zh) * 2014-01-30 2014-05-07 上海集成电路研发中心有限公司 像素分裂与合并图像传感器及其信号传输方法
CN104780326A (zh) * 2014-01-10 2015-07-15 全视科技有限公司 获取图像数据的方法、高动态范围成像系统及像素单元
CN105100655A (zh) * 2014-05-08 2015-11-25 恒景科技股份有限公司 像素电路
US20170070691A1 (en) * 2015-09-09 2017-03-09 Renesas Electronics Corporation Image sensor device
CN108462841A (zh) * 2018-03-21 2018-08-28 上海晔芯电子科技有限公司 像素阵列及图像传感器
US20210084247A1 (en) * 2019-09-16 2021-03-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Cmos image sensor and method of operating pixel array by cmos image sensor
CN112840638A (zh) * 2018-10-24 2021-05-25 宁波飞芯电子科技有限公司 复位方法、复位装置、以及应用其的复位系统和像素阵列
CN113242344A (zh) * 2021-06-18 2021-08-10 Oppo广东移动通信有限公司 图像传感器、摄像头组件和移动终端

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000242361A (ja) * 1999-02-23 2000-09-08 Toshiba Corp 同期回路システム及び同期回路
US20110013064A1 (en) * 2009-07-15 2011-01-20 Tower Semiconductor Ltd. CMOS Image Sensor With Wide (Intra-Scene) Dynamic Range
KR20120019178A (ko) * 2010-08-25 2012-03-06 (주) 픽셀플러스 넓은 동작 범위를 가지는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 및 이미지 센서의 구동 방법
CN104780326A (zh) * 2014-01-10 2015-07-15 全视科技有限公司 获取图像数据的方法、高动态范围成像系统及像素单元
CN103780850A (zh) * 2014-01-30 2014-05-07 上海集成电路研发中心有限公司 像素分裂与合并图像传感器及其信号传输方法
CN105100655A (zh) * 2014-05-08 2015-11-25 恒景科技股份有限公司 像素电路
US20170070691A1 (en) * 2015-09-09 2017-03-09 Renesas Electronics Corporation Image sensor device
CN108462841A (zh) * 2018-03-21 2018-08-28 上海晔芯电子科技有限公司 像素阵列及图像传感器
CN112840638A (zh) * 2018-10-24 2021-05-25 宁波飞芯电子科技有限公司 复位方法、复位装置、以及应用其的复位系统和像素阵列
US20210084247A1 (en) * 2019-09-16 2021-03-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Cmos image sensor and method of operating pixel array by cmos image sensor
CN113242344A (zh) * 2021-06-18 2021-08-10 Oppo广东移动通信有限公司 图像传感器、摄像头组件和移动终端

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