CN114641981A - 图像传感器及其控制方法、图像处理器、成像装置 - Google Patents
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Abstract
一种图像传感器(200)，其像素(211)包括：光敏元件(PD)，用于接收光子以生成光生电荷；浮置扩散区(FD)，用于接收光生电荷以产生信号电压；传输管(TX)，能够受控导通以连通光敏元件(PD)和浮置扩散区(FD)，及受控关断以断开光敏元件(PD)和浮置扩散区(FD)；复位管(RST)，电连接浮置扩散区(FD)，复位管(RST)包括栅极和与栅极相邻设置的沟道区(PW)，沟道(PW)区包括第一掺杂区(CAP)，第一掺杂区(CAP)与浮置扩散区(FD)的掺杂类型相同，与沟道区(PW)除第一掺杂区(CAP)外的其余部分的掺杂类型不同。这种图像传感器(200)在亮场环境和/或暗场环境时可以取得较好的成像效果。还提供了相应的控制方法、图像处理器、成像装置。
Description
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、图像处理器、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。
在较亮的场景下，大量的光生电荷进入像素的浮置扩散区时，会产生过大的电压差，超过后续模数转换电路的处理能力，使图像过曝光，高亮处的信息丢失，影响画质。
发明内容
本申请提供了一种图像传感器及其控制方法、图像处理器、成像装置，在亮场环境和/或暗场环境时可以取得较好的成像效果。
第一方面，本申请实施例提供了一种图像传感器，包括多个像素，所述像素包括：
光敏元件，用于接收光子以生成光生电荷；
浮置扩散区，用于接收所述光生电荷以产生信号电压；
传输管，能够受控导通以连通所述光敏元件和所述浮置扩散区，及受控关断以断开所述光敏元件和所述浮置扩散区；
复位管，电连接所述浮置扩散区，所述复位管包括栅极和与所述栅极相邻设置的沟道区，所述沟道区包括第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区的掺杂类型相同，与所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分的掺杂类型不同。
第二方面，本申请实施例提供了一种图像传感器的控制方法，包括：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
第三方面，本申请实施例提供了一种图像处理器，所述图像处理器执行计算机可读指令集实现：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
第四方面，本申请实施例提供了一种成像装置，包括前述的图像传感器。
第五方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使所述处理器实现上述的方法。
本申请实施例提供了一种图像传感器及其控制方法、图像处理器、成像装置，通过在复位管的沟道区设置第一掺杂区，第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，使得在复位管施加不同大小的关断电压时，耦合电容的电容大小也会产生不同；在应用于亮场环境时耦合电容较大，可以防止图像过曝光，在应用于暗场环境时浮置扩散区具有较高的电荷/电压增益，在暗场环境时也取得更好的画质。
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结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种图像传感器中像素的电路示意图；
图3是本申请实施例提供的一种图像传感器中像素的结构示意图；
图4是图像传感器耦合电容与关断电压的关系的示意图；
图5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6是一些实施方式中图像传感器的控制时序的示意图；
图7是本申请实施例提供的一种成像装置的示意性框图。
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是本申请其中一个实施例的图像传感器200的结构示意图。如图1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。
在一些实施方式中，外围电路220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211。行像素211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2和图3所示，本申请实施例的图像传感器200中的像素211包括光敏元件PD、传输管TX、浮置扩散区FD和复位管RST。其中，光敏元件PD可以为光电二极管。
可以理解的，图2和图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图像传感器200可以应用于像素211的浮置扩散区FD通过一复位管RST连接复位电源的各种结构的图像传感器200。
具体的，如图2和图3所示，传输管TX连接于光敏元件PD和浮置扩散区FD之间，复位管RST电连接浮置扩散区FD。
具体的，光敏元件PD用于接收光子以生成光生电荷，如光生电子。示例性的，光敏元件PD在曝光时接收光子生成光生电荷，如光生电子。浮置扩散区FD用于接收光生电荷以产生信号电压。具体的，传输管TX能够受控导通以连通光敏元件PD和浮置扩散区FD，及受控关断以断开光敏元件PD和浮置扩散区FD，像素211的传输管TX受控导通时，光敏元件PD中的光生电荷传输至浮置扩散区FD。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。具体的，传输管TX受控导通时，光敏元件PD感生出的光生电荷能够传输至浮置扩散区FD，浮置扩散区FD接收光生电荷，感生出一个与光照强度对应的信号电压。
在一些实施方式中，复位管RST导通时，使浮置扩散区FD连接复位电源，浮置扩散区FD可以在复位电源作用下清空光生电荷，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，复位电源可以复位浮置扩散区FD和光敏元件PD。
在一些实施方式中，可以读取浮置扩散区FD复位时的电压作为参考电压。可以理解的，参考电压包括浮置扩散区FD中没有光生电荷时的电压，或者包括光敏元件PD中的光生电荷传输至浮置扩散区FD之前浮置扩散区FD的电压。不同像素211的参考电压可以相同，也可以不相同；同一像素211在不同工作条件下的参考电压可以相同，也可以不相同。
示例性的，可以在复位管RST导通复位浮置扩散区FD，浮置扩散区FD被浮置为高电位之后，读取浮置扩散区FD的参考电压。
示例性的，在控制传输管TX导通以使光敏元件PD中的光生电荷传输至浮置扩散区FD之前，控制复位管RST导通复位浮置扩散区FD，以及通过读出电路读取浮置扩散区FD的电压为参考电压Vref。
示例性的，在读取浮置扩散区FD的参考电压时，控制传输管TX关断，防止光敏元件PD中的光生电荷影响浮置扩散区FD的电压。
在另一些实施方式中，浮置扩散区FD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200中的全部像素211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211的浮置扩散区FD的参考电压Vref和信号电压Vsig的差值deltaV＝Vref－Vsig确定像素211的成像参数。可以理解的，deltaV为与相应像素211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220进行模拟-数字转换。根据像素阵列中各像素211的成像参数可以得到图像传感器200拍摄的图像。
具体的，如图3所示，复位管RST包括栅极和与栅极相邻设置的沟道区。示例性的，复位管RST可以包括NMOS晶体管(NMetalOxideSemiconductor，N型金属-氧化物半导体)和/或PMOS(P MetalOxideSemiconductor，P型金属-氧化物半导体)晶体管。本申请实施例主要以复位管RST包括NMOS晶体管为例进行说明。
复位管RST包括NMOS晶体管时，复位管RST的漏极VDD和源极均是N型掺杂区，与栅极相邻设置的沟道区可以为P型掺杂区，因此沟道区可简称为PW。可以理解的，沟道区可以是图像传感器200衬底中的一部分，例如当图像传感器200的衬底为P型掺杂时，衬底中与栅极相邻的部分可以作为沟道区。当然，沟道区也可以通过在衬底中进行掺杂得到，例如在较低掺杂浓度的衬底中进行掺杂，得到较高掺杂浓度的沟道区。当然也不限于此。
具体的，如图3所示，沟道区包括第一掺杂区CAP，第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD的掺杂类型相同，与沟道区除第一掺杂区CAP外的其余部分(可称为第二掺杂区)的掺杂类型不同。
在一些实施方式中，复位管RST包括NMOS晶体管时，复位管RST的漏极VDD和源极均是N型掺杂区，第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD均为N型掺杂，沟道区除第一掺杂区CAP外的其余部分为P型掺杂。当然也不限于此，例如，当复位管RST包括PMOS晶体管时，复位管RST的漏极VDD和源极均是P型掺杂区，第二掺杂区可以为N型掺杂区，复位管RST的浮置扩散区FD和沟道区中的第一掺杂区CAP为P型掺杂。
浮置扩散区FD可以理解为是一个有若干寄生电容组成的电容节点，其作用是接受光敏元件PD的光生电荷，并对应感生出电压差，生成信号电压。通过在复位管RST的沟道区设置第一掺杂区CAP，第一掺杂区CAP与像素211的浮置扩散区FD形成耦合电容，可以理解的，第一掺杂区CAP与像素211的其余结构，如复位管RST的第二掺杂区、栅极、漏极VDD之间的电容，能够作为浮置扩散区FD总的电容中的一部分。因此能够提高浮置扩散区FD的电容，使得浮置扩散区FD具有较低的电荷/电压增益，当图像传感器200应用于亮场环境时，浮置扩散区FD可以容纳更多的光生电荷，根据Q＝U×C(其中Q为电荷数，U为电压差，C为电容)可以确定，在大量的光生电子经导通的传输管TX进入浮置扩散区FD时，浮置扩散区FD的电压变化比较小，可以防止电压超过后续模数转换电路的处理能力而引起的图像过曝光，因此图像可以体现高亮处的信息，画质更好。
在一些实施方式中，在复位管RST的不同大小的关断电压时，第一掺杂区CAP中的载流子，如自由电子和空穴的浓度不同，第一掺杂区CAP与像素211的浮置扩散区FD形成的耦合电容的电容大小也会产生不同。例如，在复位管RST施加的关断电压较高(如0伏特)时,耦合电容较大；在复位管RST施加的关断电压较小(如负2伏特)时,由于负电压的作用，第一掺杂区CAP随关断电压的减小被耗尽；在某一负电压时，第一掺杂区CAP被完全耗尽，成为一个耗尽区，第一掺杂区CAP的电容不再成为浮置扩散区FD总的电容中的一部分，此时浮置扩散区FD的电容较小，使得浮置扩散区FD具有较高的电荷/电压增益，当图像传感器200应用于暗场环境时，浮置扩散区FD在接收较少的光生电荷时也能引起较大的电压变化，获得较大信号电压，因此可以在暗场环境时也取得更好的画质。
在一些实施方式中，可以通过调节复位管RST的关断电压，调整浮置扩散区FD的耦合电容，使得图像传感器200在暗场环境、亮场环境均可以取得更好的成像效果。
示例性的，如图4所示为耦合电容与关断电压的关系的示意图。
示例性的，关断电压在像素211的光敏元件PD中的光生电荷传输至浮置扩散区FD时，施加于复位管RST的栅极。以便浮置扩散区FD基于当前的耦合电容大小，随着光生电荷的传输和积累，产生对应的信号电压。
在一些实施方式中，第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD电连接。第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD电连接，可以更好的将第一掺杂区CAP的电容耦合至浮置扩散区FD。可以理解的，电连接可以包括第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD的直接接触连接，也可以包括通过导电物质连接。
示例性的，如图3所示，沟道区靠近浮置扩散区FD的一侧与浮置扩散区FD电连接。例如，浮置扩散区FD复用为第一掺杂区CAP的源极，可以使图像传感器200结构简单，紧凑。
示例性的，如图2和图3所示，复位管RST还包括漏极VDD，漏极VDD位于沟道区远离浮置扩散区FD的一侧。漏极VDD用于连接复位电源，复位管RST导通时，使浮置扩散区FD连接复位电源，浮置扩散区FD可以在复位电源作用下清空光生电荷。
在一些实施方式中，第一掺杂区CAP位于沟道区内靠近浮置扩散区FD的一侧。当第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD的掺杂类型相同时，第一掺杂区CAP与浮置扩散区FD之间可以不存在明显的边界。第一掺杂区CAP的一侧与浮置扩散区FD电连接，可以更好的将第一掺杂区CAP的电容耦合至浮置扩散区FD。
示例性的，如图3所示，第一掺杂区CAP的另一侧，即远离浮置扩散区FD的一侧位于沟道区的中部，不与复位管RST的漏极VDD接触。具体的，在靠近复位管RST漏极VDD的部分，仍然维持复位管RST沟道区原有的掺杂类型，如P型掺杂。
示例性的，第一掺杂区CAP的长度为沟道长度的0.2至0.9倍，长度的方向为复位管RST的源极、沟道区、漏极VDD排列的方向。例如，复位管RST的源极和漏极VDD相向的两侧之间的距离称为沟道长度。具体的，可以根据图像传感器200的适用光照场景设置，例如图像传感器200适用于较高光照强度时，第一掺杂区CAP的长度与沟道长度的比例可以较大，以使最大的耦合电容更大。
示例性的，沟道长度为0.5至2微米，第一掺杂区CAP的长度为0.2至1.7微米。
在一些实施方式中，如图3所示，第一掺杂区CAP位于沟道区内靠近栅极的一侧。第一掺杂区CAP远离栅极的一侧位于沟道区的中部，具体的，沟道区在第一掺杂区CAP远离栅极的一侧仍然维持复位管RST沟道区原有的掺杂类型，如P型掺杂。
示例性的，第一掺杂区CAP的深度为沟道区深度的0.1至0.6倍。可以理解的，深度的方向为垂直于图像传感器200的衬底的方向。具体的，可以根据图像传感器200的适用光照场景设置，例如图像传感器200适用于较高光照强度时，第一掺杂区CAP的深度与沟道深度的比例可以较大，以使最大的耦合电容更大。
在一些实施方式中，图像传感器200还包括读出电路，浮置扩散区FD连接复位管RST和读出电路。读出电路通过电连接浮置扩散区FD，用于将浮置扩散区FD的第一电压信号传输至外围电路220。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。
示例性的，如图2和图3所示，读出电路可以包括源跟随管SF和行选通管SEL。浮置扩散区FD的电压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。
示例性的，源跟随管SF的漏极连接电源，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。
示例性的，行选通管SEL能够受控导通或关断，行选通管SEL的一端连接外围电路220，另一端连接浮置扩散区FD。
示例性的，行选通管SEL的源极连接外围电路220，行选通管SEL的漏极连接源跟随管SF，行选通管SEL的栅极连接行选择逻辑单元。行选择逻辑单元能够控制行选通管SEL导通或关断；具体的，行选通管SEL受控导通时，读出电路将浮置扩散区FD的信号电压传输至外围电路220。
在一些实施方式中，图像传感器200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，用来控制和处理信号的外围电路220(又可称为控制电路)，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211。行像素211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，外围电路220用于：获取图像传感器的像素的成像信号；根据成像信号，确定是否调整浮置扩散区的耦合电容；响应于耦合电容的调整，调节复位管的关断电压。
其中，第一掺杂区与浮置扩散区形成耦合电容，耦合电容在复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容。
通过根据图像传感器的成像信号调节复位管的关断电压，调整浮置扩散区的耦合电容，使得图像传感器在暗场环境、亮场环境均可以取得更好的成像效果。
示例性的，所述关断电压在所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时，施加于所述复位管的栅极。所述光敏元件在曝光时接收光子生成所述光生电荷；所述像素的传输管受控导通时，所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区。
可以理解的，在复位管的栅极施加不同大小的关断电压时，第一掺杂区中的载流子，如自由电子和空穴的浓度不同，第一掺杂区与像素的浮置扩散区形成的耦合电容的电容大小也会产生不同。例如，在复位管施加的关断电压较高(如0伏特)时,耦合电容较大；在复位管施加的关断电压较小(如负2伏特)时,由于负电压的作用，第一掺杂区随关断电压的减小被耗尽；在某一负电压时，第一掺杂区被完全耗尽，成为一个耗尽区，第一掺杂区的电容不再成为浮置扩散区总的电容中的一部分，此时浮置扩散区的耦合电容较小。
在一些实施方式中，所述关断电压与所述像素的光照强度正相关，且所述关断电压施加于所述复位管的栅极时，所述复位管关断。
在一些实施方式中，所述像素的成像信号包括以下至少一种：所述像素的光照强度、所述浮置扩散区的信号电压、所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值。
其中，所述信号电压为所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时所述浮置扩散区的电压。具体的，在图像传感器曝光时光敏元件接收光子生成光生电荷，像素的传输管导通时光敏元件生成的光生电荷传输至所述浮置扩散区，以及在传输管关断时通过读出电路读取浮置扩散区的电压为所述浮置扩散区的信号电压。举例而言，像素在曝光时的光照强度越强，传输至所述浮置扩散区的光生电子越多，浮置扩散区的信号电压就越低，因此可以根据浮置扩散区的信号电压确定成像环境是否为亮场环境或暗场环境，以及根据浮置扩散区的信号电压确定是否调整所述像素的浮置扩散区的耦合电容，以使得图像传感器在当前的成像环境取得更好的成像效果。
浮置扩散区的参考电压为浮置扩散区复位时的电压。示例性的，所述方法还包括：确定所述浮置扩散区复位时的电压为所述参考电压。举例而言，像素在曝光时的光照强度越强，传输至所述浮置扩散区的光生电子越多，浮置扩散区的信号电压相较于参考电压下降的差值也就越低，因此可以根据浮置扩散区的信号电压和参考电压的差值确定成像环境是否为亮场环境或暗场环境，以及根据浮置扩散区的信号电压确定是否调整所述像素的浮置扩散区的耦合电容，以使得图像传感器在当前的成像环境取得更好的成像效果。
示例性的，可以根据所述浮置扩散区的信号电压，所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值确定所述像素的光照强度，例如根据信号电压和参考电压的差值与光照强度的对应关系，确定当前差值对应的光照强度为所述像素此次曝光时的光照强度。或者，可以根据所述浮置扩散区的信号电压或所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值指示所述像素的光照强度。
本申请实施例提供的图像传感器，通过在复位管的沟道区设置第一掺杂区，第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，使得在复位管施加不同大小的关断电压时，耦合电容的电容大小也会产生不同；在应用于亮场环境时耦合电容较大，可以防止图像过曝光，在应用于暗场环境时浮置扩散区具有较高的电荷/电压增益，在暗场环境时也取得更好的画质。
请结合前述实施例参阅图5，如图5所示为本申请实施例提供的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的外围电路中，用于控制图像传感器成像等过程。
具体的，所述图像传感器中像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容。
在一些实施方式中，图像传感器包括多个像素，所述像素包括：光敏元件，用于接收光子以生成光生电荷；浮置扩散区，用于接收所述光生电荷以产生信号电压；传输管，能够受控导通以连通所述光敏元件和所述浮置扩散区，及受控关断以断开所述光敏元件和所述浮置扩散区；复位管，电连接所述浮置扩散区，所述复位管包括栅极和与所述栅极相邻设置的沟道区，所述沟道区包括第一掺杂区。
在一些实施方式中，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区的掺杂类型相同，与所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分的掺杂类型不同。
示例性的，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区均为N型掺杂，所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分为P型掺杂。当然也不限于此。
在一些实施方式中，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区电连接。
示例性的，所述沟道区靠近所述浮置扩散区的一侧与所述浮置扩散区电连接。
示例性的，所述浮置扩散区复用为所述第一掺杂区的源极。
示例性的，所述复位管还包括漏极，所述漏极位于所述沟道区远离所述浮置扩散区的一侧。
在一些实施方式中，所述第一掺杂区位于所述沟道区内靠近所述浮置扩散区的一侧。
示例性的，所述第一掺杂区的长度为所述沟道长度的0.2至0.9倍，所述长度的方向为所述复位管的源极、沟道区、漏极排列的方向。
示例性的，所述沟道长度为0.5至2微米，所述第一掺杂区的长度为0.2至1.7微米。
在一些实施方式中，所述第一掺杂区位于所述沟道区内靠近所述栅极的一侧。
示例性的，所述第一掺杂区的深度为所述沟道区深度的0.1至0.6倍。
如图5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S130。
S110、获取所述图像传感器的像素的成像信号。
在一些实施方式中，所述成像信号包括以下至少一种：所述像素的光照强度、所述浮置扩散区的信号电压、所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值。
其中，所述信号电压为所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时所述浮置扩散区的电压。具体的，在图像传感器曝光时光敏元件接收光子生成光生电荷，像素的传输管导通时光敏元件生成的光生电荷传输至所述浮置扩散区，以及在传输管关断时通过读出电路读取浮置扩散区的电压为所述浮置扩散区的信号电压。举例而言，像素在曝光时的光照强度越强，传输至所述浮置扩散区的光生电子越多，浮置扩散区的信号电压就越低，因此可以根据浮置扩散区的信号电压确定成像环境是否为亮场环境或暗场环境，以及根据浮置扩散区的信号电压确定是否调整所述像素的浮置扩散区的耦合电容，以使得图像传感器在当前的成像环境取得更好的成像效果。
浮置扩散区的参考电压为浮置扩散区复位时的电压。示例性的，所述方法还包括：确定所述浮置扩散区复位时的电压为所述参考电压。举例而言，像素在曝光时的光照强度越强，传输至所述浮置扩散区的光生电子越多，浮置扩散区的信号电压相较于参考电压下降的差值也就越低，因此可以根据浮置扩散区的信号电压和参考电压的差值确定成像环境是否为亮场环境或暗场环境，以及根据浮置扩散区的信号电压确定是否调整所述像素的浮置扩散区的耦合电容，以使得图像传感器在当前的成像环境取得更好的成像效果。
示例性的，可以根据所述浮置扩散区的信号电压，所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值确定所述像素的光照强度，例如根据信号电压和参考电压的差值与光照强度的对应关系，确定当前差值对应的光照强度为所述像素此次曝光时的光照强度。或者，可以根据所述浮置扩散区的信号电压或所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值指示所述像素的光照强度。
示例性的，所述方法还包括：根据所述浮置扩散区的参考电压和所述信号电压确定所述像素的成像信号。所述成像信号能够表征图像信息的数字信号，根据像素阵列中各像素的成像信号可以得到图像传感器拍摄的图像。
S120、根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容。
S130、响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
通过在复位管的沟道区设置第一掺杂区，第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，使得在复位管施加不同大小的关断电压时，耦合电容的电容大小也会产生不同。较大的耦合电容适用于亮场环境，可以防止图像过曝光；较小的耦合电容适用于暗场环境，使得浮置扩散区具有较高的电荷/电压增益，在暗场环境时也取得更好的画质。因此可以根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，以及在需要调整所述耦合电容时通过调节所述复位管的关断电压调整所述耦合电容。
在一些实施方式中，所述关断电压在所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时，施加于所述复位管的栅极。所述光敏元件在曝光时接收光子生成所述光生电荷；所述像素的传输管受控导通时，所述光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区。
可以理解的，在复位管的栅极施加不同大小的关断电压时，第一掺杂区中的载流子，如自由电子和空穴的浓度不同，第一掺杂区与像素的浮置扩散区形成的耦合电容的电容大小也会产生不同。例如，在复位管施加的关断电压较高(如0伏特)时,耦合电容较大；在复位管施加的关断电压较小(如负2伏特)时,由于负电压的作用，第一掺杂区随关断电压的减小被耗尽；在某一负电压时，第一掺杂区被完全耗尽，成为一个耗尽区，第一掺杂区的电容不再成为浮置扩散区总的电容中的一部分，此时浮置扩散区的耦合电容较小。
在一些实施方式中，所述关断电压与所述像素的光照强度正相关，且所述关断电压施加于所述复位管的栅极时，所述复位管关断。
在关断电压施加于所述复位管的栅极时，复位管关断防止复位管连接的复位电源影响浮置扩散区的电压。浮置扩散区基于所述关断电压对应的耦合电容接收光敏元件的光生电荷，生成对应的信号电压。
示例性的，若所述光照强度小于或等于对应的第一光照阈值，确定的关断电压使所述第一掺杂区处于耗尽状态。具体的，所述耗尽状态包括第一掺杂区的部分被耗尽或全部被耗尽，例如第一掺杂区被完全耗尽，成为一个耗尽区。
举例而言，第一光照阈值可以根据暗场环境时像素检测的光照强度确定。若所述光照强度小于或等于对应的第一光照阈值则可以确定当前成像环境为暗场环境，通过调整关断电压使所述第一掺杂区处于耗尽状态，减小浮置扩散区的耦合电容，使得浮置扩散区具有较高的电荷/电压增益，浮置扩散区接收较少的光生电荷时也能引起较大的电压变化，获得较大信号电压，因此可以在暗场环境时也取得更好的画质。
示例性的，若所述光照强度小于或等于第一光照阈值，确定的关断电压为负电压。例如，若所述光照强度小于或等于第一光照阈值，确定的关断电压为﹣1V至﹣5V。即可以使复位管可靠关断，又可以减小浮置扩散区的耦合电容。
示例性的，若所述光照强度大于或等于对应的第二光照阈值，确定的关断电压为0V至﹣1V，所述第二光照阈值大于或等于所述第一光照阈值。
举例而言，第二光照阈值可以根据亮场环境时像素检测的光照强度确定。若所述光照强度大于或等于对应的第二光照阈值则可以确定当前成像环境为亮场环境，通过在复位管施加较高的关断电压，使得浮置扩散区就有较大的耦合电容和较低的电荷/电压增益，当图像传感器应用于亮场环境时，在大量的光生电子经导通的传输管进入浮置扩散区时，浮置扩散区的电压变化比较小，可以防止电压超过后续模数转换电路的处理能力而引起的图像过曝光，因此图像可以体现高亮处的信息，画质更好。
在一些实施方式中，可以根据图像传感器中的一个、多个像素的成像信号，调整图像传感器中部分或全部像素的复位管的关断电压。例如，若有超过预设数量像素的光照强度大于或等于对应的第二光照阈值，则确定的关断电压为0V至﹣1V。示例性的，图像传感器包括能够提供可调节关断电压的电路，或者图像传感器连接能够提供可调节关断电压的电路，通过控制该电路提供的关断电压调节图像传感器中各浮置扩散区的耦合电容。
在一些实施方式中，所述控制方法还包括：根据所述关断电压调整所述像素的成像信号。
示例性的，在不同成像环境进行曝光时，在像素的复位管施加不同的关断电压，使得像素具有不同的耦合电容和不同的电荷/电压增益，像素的成像信号会受到电荷/电压增益的影响，通过根据所述关断电压调整所述像素的成像信号，能够使得像素的成像信号更准确的指示曝光时像素的光照强度，从而可以取得更好的成像效果。
举例而言，关断电压为0V至﹣1V时，可以将根据浮置扩散区的信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值确定的成像信号调高。
本申请实施例提供的图像传感器的控制方法，通过根据图像传感器的成像信号，调节像素的复位管的关断电压，从而调整浮置扩散区的耦合电容，使得图像传感器在暗场、亮场等环境均可以取得更好的成像效果。具体的，可在暗处调整浮置扩散区的耦合电容较小，也可在亮处调整浮置扩散区的耦合电容较大，使图像传感器在各种场景下都能实现良好的画质。
在一些实施方式中，如图6所示为图像传感器工作时的控制时序，图像传感器的控制方法包括以下步骤：选定行的像素曝光完成后，行选通管的栅极置于高电平，选定需要读取的行，然后复位管的栅极置于低电平，如0V，使浮置扩散区在复位电源的作用下浮置一个固定的高电位，然后发送参考电压读出(SHR)信号，通过模数转换在读出电路的输出端PXD端采样一个参考电压Vref；然后在像素的复位管施加关断电压以及开启传输管，光敏元件内的光生电子进入浮置扩散区，浮置扩散区具有对应于所述关断电压的耦合电容和电荷/电压增益，浮置扩散区由于光生电子的注入产生对应所述电荷/电压增益的电压变化；然后发送信号电压读出(SHS)信号，在读出电路的输出端PXD读取信号电压Vsig。根据deltaV＝Vsig-Vref即可以确定与光生电子对应的成像信号，根据像素阵列中各像素的成像信号可以得到图像传感器拍摄的图像。
请结合上述实施例参阅图7，图7是本申请一实施例提供的成像装置700的示意性框图。该成像装置700包括前述的图像传感器701。
在一些实施方式中，图7所示，成像装置700还可以包括一个或多个处理器702，该处理器702可以用于将该图像传感器701输出的图像数据处理为可以呈现在显示屏703上的拍摄画面。
在一些实施方式中，图7所示，成像装置700还可以包括显示屏703，处理器702用于将图像传感器701输出的图像数据处理为可以呈现在显示屏703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成像装置，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。
在一些实施方式中，成像装置中的一个或多个处理器702，单独地或共同地工作，用于执行前述控制方法的步骤。
示例性的，处理器702用于执行如下步骤：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
可以理解的，本申请一实施例还提供了一种图像处理器，所述图像处理器用于执行前述控制方法的步骤。例如，所述图像处理器用于执行计算机可读指令集实现：获取所述图像传感器的像素的成像信号；根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
在一些实施方式中，图像传感器用于感应光信号，并将光信号转换成相应的原始图像信号。图像传感器包括用于输出原始图像信号的图像输出接口。图像输出接口输出与原始图像信号对应的待处理图像信号，图像处理器与图像输出接口电连接，用于接收待处理图像信号，并对待处理图像信号进行处理。
示例性的，图像传感器获取图像传感器中像素的成像信号，根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，以及响应于所述耦合电容的调整，调节所述图像传感器中复位管的关断电压。
示例性的，图像传感器能够根据所述关断电压调整所述像素的成像信号。
本申请实施例提供的成像装置、图像处理器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。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时使所述处理器实现上述的控制方法。
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 (38)
1.一种图像传感器，包括多个像素，其特征在于，所述像素包括：
光敏元件，用于接收光子以生成光生电荷；
浮置扩散区，用于接收所述光生电荷以产生信号电压；
传输管，能够受控导通以连通所述光敏元件和所述浮置扩散区，及受控关断以断开所述光敏元件和所述浮置扩散区；
复位管，电连接所述浮置扩散区，所述复位管包括栅极和与所述栅极相邻设置的沟道区，所述沟道区包括第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区的掺杂类型相同，与所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分的掺杂类型不同。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区电连接。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述沟道区靠近所述浮置扩散区的一侧与所述浮置扩散区电连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述浮置扩散区复用为所述第一掺杂区的源极。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述复位管还包括漏极，所述漏极位于所述沟道区远离所述浮置扩散区的一侧。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区位于所述沟道区内靠近所述浮置扩散区的一侧。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区的长度为所述沟道长度的0.2至0.9倍，所述长度的方向为所述复位管的源极、沟道区、漏极排列的方向。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其特征在于，所述沟道长度为0.5至2微米，所述第一掺杂区的长度为0.2至1.7微米。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区位于所述沟道区内靠近所述栅极的一侧。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区的深度为所述沟道区深度的0.1至0.6倍。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区均为N型掺杂，所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分为P型掺杂。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括读出电路，所述读出电路通过电连接所述浮置扩散区，用于将所述浮置扩散区的第一电压信号传输至外围电路。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括
外围电路，所述外围电路用于：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述浮置扩散区的耦合电容，其中，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述关断电压在所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时，施加于所述复位管的栅极。
15.根据权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述像素的成像信号包括以下至少一种：所述像素的光照强度、所述浮置扩散区的信号电压、所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值。
16.一种图像传感器的控制方法，其特征在于，包括：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述关断电压在所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时，施加于所述复位管的栅极。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述像素的成像信号包括以下至少一种：所述像素的光照强度、所述浮置扩散区的信号电压、所述信号电压和所述浮置扩散区的参考电压的差值，其中，所述信号电压为所述像素的光敏元件中的光生电荷传输至所述浮置扩散区时所述浮置扩散区的电压。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述关断电压与所述像素的光照强度正相关，且所述关断电压施加于所述复位管的栅极时，所述复位管关断。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，若所述光照强度小于或等于对应的第一光照阈值，确定的关断电压使所述第一掺杂区处于耗尽状态。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，若所述光照强度小于或等于第一光照阈值，确定的关断电压为负电压。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，若所述光照强度小于或等于第一光照阈值，确定的关断电压为﹣1V至﹣5V。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，若所述光照强度大于或等于对应的第二光照阈值，确定的关断电压为0V至﹣1V，所述第二光照阈值大于或等于所述第一光照阈值。
24.根据权利要求16-23中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述关断电压调整所述像素的成像信号。
25.根据权利要求16-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区电连接。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述沟道区靠近所述浮置扩散区的一侧与所述浮置扩散区电连接。
27.根据权利要求16-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述浮置扩散区复用为所述第一掺杂区的源极。
28.根据权利要求16-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述复位管还包括漏极，所述漏极位于所述沟道区远离所述浮置扩散区的一侧。
29.根据权利要求16-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区位于所述沟道区内靠近所述浮置扩散区的一侧。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区的长度为所述沟道长度的0.2至0.9倍，所述长度的方向为所述复位管的源极、沟道区、漏极排列的方向。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述沟道长度为0.5至2微米，所述第一掺杂区的长度为0.2至1.7微米。
32.根据权利要求16-31中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区位于所述沟道区内靠近所述栅极的一侧。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区的深度为所述沟道区深度的0.1至0.6倍。
34.根据权利要求16-33中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区的掺杂类型相同，与所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分的掺杂类型不同。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述第一掺杂区与所述浮置扩散区均为N型掺杂，所述沟道区除所述第一掺杂区外的其余部分为P型掺杂。
36.一种图像处理器，其特征在于，所述图像处理器执行计算机可读指令集实现：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
37.一种成像装置，其特征在于，包括权利要求1-15中任一项所述的图像传感器。
38.根据权利要求37所述的成像装置，其特征在于，还包括一个或多个处理器，单独地或共同地工作，用于执行如下步骤：
获取所述图像传感器的像素的成像信号；
根据所述成像信号，确定是否调整所述图像传感器中像素的浮置扩散区的耦合电容，其中，所述像素的复位管在沟道区设有第一掺杂区，所述第一掺杂区与所述像素的浮置扩散区形成所述耦合电容，所述耦合电容在所述复位管的栅极施加不同的关断电压时具有不同的电容；
响应于所述耦合电容的调整，调节所述复位管的关断电压。
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