CN203504673U - 一种像素分裂与合并的cmos图像传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种像素分裂与合并的CMOS图像传感器，包括多个像素单元，每一像素单元包括多个像素，每一像素由N个子像素组成；每一个子像素包括一光电二极管及传输管；每一读出电路包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管；所述像素的N个光电二极管分别通过所述传输管连接至该像素对应相连的读出电路的源跟随器栅极，所述传输管根据控制单元发出的控制信号导通或截止以，使读出电路读出该像素的N个子像素的合并输出信号或分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号。本实用新型的优点在于图像传感器能够在分裂、合并模式下切换，以满足不同需求，应用范围更广。

Description

一种像素分裂与合并的CMOS图像传感器

技术领域

本实用新型涉及图像传感器领域，特别涉及一种像素分裂与合并的CMOS图像传感器。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。

其中,CMOS图像传感器重要的性能指标之一的像素灵敏度主要由填充因子（感光面积与整个像素面积之比）与量子效率（由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量）的乘积来决定。在CMOS图像传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，在CMOS图像传感器中应用了有源像素。如何使得有源像素实现更加高的灵敏度和动态范围是CMOS图像传感器领域的一个重要课题。

传统的CMOS图像传感器采用的前感光式（FSI，Front Side Illumination）技术，即前照技术。前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联以及光管孔。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；导光管（Light pipe）填充材料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。

随着像素尺寸的变小，提高填充因子所来越困难，目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式（BSI，Back Side Illumination），即背照技术。背照技术的主要特点是首先在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联，然后对硅片背面进行减薄（通常需要减薄至20um以下），并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术将感光二极管进行互联引出。由于互联电路置于背部，前部全部留给光电二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。然而，硅通孔技术难度较高，对设备的要求较高，其成本也相对较高。而且由于对于超薄硅片的减薄工艺的限制，通常背照技术应用于小像素的图像传感器中（目前应用于智能手机的中小像素摄像头普遍采用背照技术）。

一般来说，对于一个像素单元来说，如果该像素单元的面积越大，则对应更加优秀的灵敏度和动态范围。在目前的单反、微单、高清监控等高端CMOS图像传感器的应用领域中，通常采用具有较大像素的前照技术来实现。另一方面，为了使图像传感器的尺寸变小，设计人员通常希望采用更加小的像素单元。因此，上述两方面的需求就形成了一对矛盾。

因此，有必要提出一种CMOS图像传感器以解决上述矛盾。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于像素分裂的CMOS图像传感器，可根据需求控制像素单元的合并与分裂，以切换CMOS图像传感器的分辨率。

为达成上述目的，本实用新型提供一种CMOS图像传感器，包括多个像素单元，每一所述像素单元包括：多个像素，每一所述像素由N个子像素组成；每一个所述子像素包括一光电二极管及与其相连的传输管；多个读出电路，与所述像素一一对应相连，每一所述读出电路包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管，所述源跟随器的栅极、所述复位管的源极以及各所述传输管的漏极连接于所述悬浮节点；所述像素的N个光电二极管分别通过所述传输管连接至该像素对应的读出电路的源跟随器栅极，所述传输管根据控制信号开启或关闭，以使所述读出电路读出该像素的N个子像素的合并输出信号或分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号，其中N为大于等于2的正整数；以及控制单元，发出所述控制信号。

优选的，所述控制信号控制该像素的N个子像素的传输管全部导通，以使所述读出电路读出该像素的N个子像素的合并输出信号；所述控制信号控制该像素的N个子像素的传输管依次导通，以使所述读出电路分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号。

优选的，当所述读出电路分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号时，该读出电路读出其中一个子像素的输出信号后，通过所述复位管对该读出电路的悬浮节点进行电荷清空和复位，再进行下一子像素输出信号的读取。

优选的，当所述读出电路分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号时，所述控制信号控制将被读取的子像素的传输管导通，其余N-1个子像素的传输管截止。

优选的，每一所述像素单元包括四个像素，且排列为拜耳分布。

优选的，所述N个子像素排列为正方形，N为4。

优选的，所述控制单元开启所述行选通管以选中所述像素单元的其中一个像素，其后发出控制信号使得该像素的N个子像素的信号合并输出或分别依次输出，并关闭该像素对应的行选通管。

优选的，所述控制单元发出第一控制信号以使该像素的N个子像素的信号合并输出，其中所述控制单元开启该像素对应的读出电路的复位管，以对所述悬浮节点的电荷进行清空和复位；其后关闭所述复位管，并导通该像素的N个子像素的传输管，以使所述N个子像素的输出信号输出至所述悬浮节点。

优选的，所述控制单元关闭所述复位管至所述控制单元导通该像素的N个子像素的传输管的时间间隔为1us～32us；所述复位管开启时间为1us～64us；所述传输管导通时间为1us～64us。

优选的，所述控制单元发出第二控制信号以使该像素的N个子像素的信号分别依次输出，其中，所述控制单元在开启该像素对应的读出电路的复位管以对所述悬浮节点的电荷进行清空和复位后关闭所述复位管，并导通该像素其中一个个子像素的传输管，以使该子像素的输出信号输出至所述悬浮节点。

优选的，所述控制单元关闭所述复位管至导通该像素的其中一个子像素的传输管的时间间隔为1us～32us；所述控制单元导通该像素的其中一个子像素的传输管后至所述控制单元再次开启该像素对应的读出电路的复位管的时间间隔为5～40us；所述复位管开启时间为1us～64us；所述子像素的传输管导通时间为1us～64us。

本实用新型的优点在于CMOS图像传感器能够依据特定条件或需求，调节图像传感器的分辨率，通过分裂、合并图像传感器的像素实现不同条件下图像质量的优化，并且使得此图像传感器更加智能，应用范围更广。

附图说明

图1所示为本实用新型一实施例的图像传感器的像素分布示意图；

图2所示为本实用新型一实施例的图像传感器的一个像素的电路示意图；

图3所示为本实用新型一实施例的图像传感器分裂模式下的信号读取时序图；

图4所示为本实用新型一实施例的图像传感器合并模式下的信号读取时序图。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本实用新型的内容作进一步说明。当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保护范围内。

图2是本实用新型的CMOS图像传感器的像素分布示意图。

如图2所示，CMOS图像传感器包括多个像素单元100，每一个像素单元100包括多个像素。在本实施例中，每一个像素单元由4个像素组成，这4个像素成拜耳分布。其中每一个像素又由4个子像素组成，这4个子像素形成正方形。具体来说，4个红色子像素R1，R2，R3，R4组成位于像素单元左上角的红色像素，4个第一绿色子像素G1，G2，G3，G4组成位于像素单元100右上角的第一绿色像素，4个第二绿色子像素G5，G6，G7，G8组成位于像素单元100左下角的第二绿色像素，而4个蓝色子像素B1，B2，B3，B4组成位于像素单元右下角的蓝色像素。当然，在其他实施例中，每一个像素单元100所包含的像素个数可不限于4个，这些像素的分布也并不限于拜耳分布。此外，每个像素所包含的子像素个数也不限于4个，呈正方形分布。

然后，请参照图2，其所示为CMOS图像传感器一个像素的电路示意图。如前所述，在本实施例中，每个像素由4个子像素组成，每个子像素包括光电二极管和与其相连的传输管。每个像素与一个读出电路对应相连。光电二极管将子像素获取的光信号转换为模拟信号，该模拟信号通过传输管输出至读出电路。每个读出电路包括悬浮节点P、复位管M3、源跟随器M2和行选通管M1。源跟随器M2的栅极、复位管M3的源极以及各传输管M4的漏极连接于悬浮节点P，源跟随器M2的源极与行选通管M1的漏极相连。复位管M3的漏极和源跟随器M2的漏极接电源。行选通管M1的栅极由行选信号ROW控制，当行选信号ROW置高时，选中其对应的像素；源跟随器M2将像素输出的信号从其栅极传输到源极；复位管M3栅极由复位信号RX控制，在复位信号RX置高时将悬浮节点P点拉高至VDD，从而对悬浮节点P的电荷进行清空和复位。其中，行选信号ROW及复位信号RX也可由控制单元发出。

如图所示，4个子像素PD1，PD2，PD3，PD4的传输管M4，M5，M6，M7并联连接至读出电路的源跟随器M2栅极，共用同一个悬浮节点P。这些传输管可根据控制单元发出的控制信号（TX1，TX2，TX3，TX4）导通或截止，以合并输出4个子像素的模拟信号或分别依次输出4个子像素的模拟信号，从而使得读出电路读出其对应像素的所有子像素的合并输出信号或分别依次读出其对应像素的全部子像素的输出信号。当读出电路分别依次读出的对应像素的每个子像素的输出信号时，CMOS图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数和分辨率，适合于例如强光环境。当读出电路读出的是对应像素的子像素的合并输出信号时，图像传感器切换到合并模式，在该合并模式下，虽然每一读出电路所读取的像素信号数量为分裂模式下的四分之一，造成分辨率的下降，但其信号强度是分裂模式下的四倍，具有更加优秀的动态范围和灵敏度。控制单元可根据实际需求，发出控制信号以使图像传感器切换至适当的模式。例如，在一实施例中，可将CMOS图像传感器用作汽车摄像头，并根据不同环境光强度条件进行像素切换。控制单元可将图像传感器接收的环境光强度与设定的阈值进行比较，当汽车行驶于白天强光下时，由于室外光线充足，环境光强度要大于设定的阈值，由此控制单元发出控制信号，使得每一个像素中传输管M4，M5，M6，M7依次打开，且其中一个传输管处于打开状态时其余传输管均关闭，由此读出电路可依次读出子像素PD1，PD2，PD3，PD4的信号，则此时图像传感器切换到分裂模式，具有更高的像素数和分辨率。而当汽车行驶至隧道或地下车库，或者在阴天、晚间情况下行驶时，由于环境光线强度较弱，小于设定的阈值，此时控制单元发出另一控制信号使得每一个像素中传输管M4，M5，M6，M7全部同时打开，由此读出电路读出PD1，PD2，PD3，PD4的合并信号。如此一来，图像传感器切换到合并模式，在该合并模式下，信号强度增强，因此在弱光下具有非常好的图像表现力。在另一实施例中，CMOS图像传感器也可用作门禁系统的监控摄像头，当其获取的实时图像信息包含人像信息，即说明有人员经过时，控制单元发出控制信号，使得每一个像素中传输管M4，M6，M7，M8依次打开，且其中一个传输管处于打开状态时其余传输管均关闭，由此读出电路可依次读出PD1，PD2，PD3，PD4的信号，则此时图像传感器切换到分裂模式，更加有利于对人员影像细节的捕捉和记录。当无人员通过监控摄像头时，不需要通过高像素分辨率的摄像头进行监控，此时控制单元发出另一控制信号使得每一个像素中传输管M4，M5，M6，M7全部同时打开，由此读出电路读出PD1，PD2，PD3，PD4的合并信号。如此一来，图像传感器切换到合并模式，在该合并模式下，节省了无人员通过时系统存储容量的负担，可以较小的数据率存储监控视频。其中，对于图像传感器模式切换的判定，及控制信号的输出可通过片外数字信号处理器或片上图像处理电路等硬件来完成。此外，控制单元也可以由外部信号的触发（如按钮触发）发出控制信号，使图像传感器在分裂模式与合并模式间切换。

接下来，将详细说明图像传感器在分裂模式和合并模式时的模拟信号读出过程。

请参考图3，其所示为本实用新型一实施例的图像传感器在分裂模式下的信号读取时序图。在本实施例中，行选信号ROW、复位信号RX以及传输管M4，M5，M6，M7的栅极信号TX1，TX2，TX3，TX4均由控制单元产生。

当CMOS图像传感器曝光完毕，某一像素中PD1、PD2、PD3、PD4都存储好光电信号后，控制单元将该像素对应读出电路的行选通管M1的栅极ROW信号设高电平，该像素被选中，开始分别一一读取PD1、PD2、PD3、PD4中存储的信号：

在T1时间段内，首先，控制单元将复位管M3的栅极信号RX上升至高电平，复位管M3导通，使得悬浮节点P点与电源电压VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，然后将RX信号置为低电平，复位管M3关闭。之后控制单元将传输管M4的栅极信号TX1置为高电平，传输管M4导通且其余传输管截止，此时PD1的信号被传输至悬浮节点P点而被读出电路所读取，并经源跟随器M2和行选通管M1从读出电路输出；

接着，在T2时间段内，当读取PD2的信号前，控制单元控制复位管M3的栅极信号RX再一次拉到高电平，对P点电荷进行清空和复位，然后RX信号置为低电平，再将传输管M5的栅极信号置为高电平，传输管M5导通且其余传输管截止，此时PD2的信号被传输至悬浮节点P点而被读出电路所读取，并由源跟随器M2和行选通管M1从读出电路输出；

在T3时间段内，当读取PD3的信号前，控制单元控制复位管M3的栅极信号RX再一次拉到高电平，对P点电荷进行清空和复位，然后RX信号置为低电平，再将传输管M6的栅极信号置为高电平，传输管M6导通且其余传输管截止，此时PD3的信号被传输至悬浮节点P点而被读出电路所读取，并由源跟随器M2和行选通管M1从读出电路输出；

同样的，在T4时间段内，读取PD4的信号前，控制单元控制复位管M3的栅极信号RX再一次拉到高电平时，对P点电荷进行清空和复位，然后RX信号置为低电平，再将传输管M7的栅极信号置为高电平，传输管M7导通且其余传输管截止，此时PD4的信号被传输至悬浮节点P点而被读出电路所读取，并由源跟随器M2和行选通管M1从读出电路输出。

在PD1、PD2、PD3、PD4信号依次读取结束以后，控制单元控制将行选ROW信号置为低电平，最终在T1至T4时间段内完成该像素的信号的读取。

其中，在每一个时间段（T1/T2/T3/T4）进行每一次子像素读取前，复位信号RX置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；每一个传输管导通也即是传输管栅极信号（TX1/TX2/TX3/TX4）置于高电平的时间为1us～64us，优选6us；P点电荷进行清空和复位结束复位管关闭（复位信号RX下降沿）与开始子像素信号读取（传输管栅极信号TX1/TX2/TX3/TX4上升沿）的时间间隔为1us～32us，优选6us，而该子像素信号读取结束（传输管栅极信号TX1/TX2/TX3下降沿）至下一个时间段复位管再次开启P点电荷重新进行清空和复位（下一复位信号RX上升沿）的时间间隔为5～40us，优选20us。

像素选中后（ROW上升沿）至开始首次悬浮节点电荷清空和复位（第一个RX信号上升沿）的时间间隔为1us～5us，优选2us；而最后一个子像素信号读取结束（传输管栅极信号TX4下降沿）至停止选中该像素行选通管关闭（ROW下降沿）的时间间隔为5～40us，优选20us。

请参考图4，其所示为本实用新型一实施例的图像传感器在合并模式下的信号读取时序图。

此时，4个子像素PD1、PD2、PD3、PD4合并成为1个像素PD0使用。

当CMOS图像传感器曝光完毕，PD0（PD1、PD2、PD3、PD4）存储好光电信号后，将该像素对应读出电路的行选通管M1的栅极ROW信号设高电平，该像素被选中，开始读取PD0（PD1、PD2、PD3、PD4）中存储的信号：

首先，控制单元控制将复位管M3的栅极信号RX上升至高电平，复位管M3导通，使得悬浮节点P点与电源电压VDD相连，对P点电荷进行清空和复位，然后将RX信号置为低电平，复位管关闭。之后将传输管M4、M5、M6、M7的栅极信号TX1、TX2、TX3、TX4同时置为高电平，4个传输管全部导通，此时PD0（PD1、PD2、PD3、PD4）的信号被传输至悬浮节点P点而被读出电路所读取，并由源跟随器M2和行选通管M1从读出电路输出；

完成PD0（PD1、PD2、PD3、PD4）信号读取过程以后，控制单元控制将行选ROW信号置为低电平，由此在T1时间段内完成该像素的信号的读取。

其中，像素选中后（ROW上升沿）至悬浮节点电荷清空和复位（RX信号上升沿）的时间间隔为1us～5us，优选2us；在进行信号读取前，复位信号RX置于高电平的时间为1us～64us，优选5us；P点电荷进行清空和复位结束（复位信号RX下降沿）与开始各子像素信号读取（传输管栅极信号TX1、TX2、TX3、TX4上升沿）的时间间隔为1us～32us，优选6us；各子像素信号读取也即是传输管栅极信号（TX1、TX2、TX3、TX4）同时置于高电平的时间为1us～64us，优选6us；而各子像素信号读取结束（传输管栅极信号TX1、TX2、TX3、TX4下降沿）至行选通管关闭（ROW下降沿）的时间间隔为5～40us，优选20us。

综上所述，本实用新型的CMOS图像传感器能够在分裂模式和合并模式间切换，以相应调节图像传感器的分辨率，以满足不同条件下图像质量的需求，应用范围更为广泛。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本实用新型，本领域的技术人员在不脱离本实用新型精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本实用新型所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (11)

1.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括：

多个像素单元，其中每一所述像素单元包括：

多个像素，每一所述像素由N个子像素组成；每一个所述子像素包括一光电二极管及与其相连的传输管；以及

多个读出电路，与所述像素一一对应相连，每一所述读出电路包括悬浮节点、复位管、源跟随器和行选通管，所述源跟随器的栅极、所述复位管的源极以及各所述传输管的漏极连接于所述悬浮节点；所述像素的N个光电二极管分别通过所述传输管连接至该像素对应的读出电路的源跟随器栅极，所述传输管根据控制信号开启或关闭，以使所述读出电路读出该像素的N个子像素的合并输出信号或分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号，其中N为大于等于2的正整数；以及

控制单元，发出所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述控制信号控制该像素的N个子像素的传输管全部导通，以使所述读出电路读出该像素的N个子像素的合并输出信号；所述控制信号控制该像素的N个子像素的传输管依次导通，以使所述读出电路分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号。

3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，当所述读出电路分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号时，该读出电路读出其中一个子像素的输出信号后，通过所述复位管对该读出电路的悬浮节点进行电荷清空和复位，再进行下一子像素输出信号的读取。

4.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，当所述读出电路分别依次读出该像素的N个子像素的输出信号时，所述控制信号控制将被读取的子像素的传输管导通，其余N-1个子像素的传输管截止。

5.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，每一所述像素单元包括四个像素，且排列为拜耳分布。

6.根据权利要求1或5所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述N个子像素排列为正方形，N为4。

7.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述控制单元开启所述行选通管以选中所述像素单元的其中一个像素，其后发出控制信号使得该像素的N个子像素的信号合并输出或分别依次输出，并关闭该像素对应的行选通管。

8.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述控制单元发出第一控制信号以使该像素的N个子像素的信号合并输出，其中所述控制单元开启该像素对应的读出电路的复位管，以对所述悬浮节点的电荷进行清空和复位；其后关闭所述复位管，并导通该像素的N个子像素的传输管，以使所述N个子像素的输出信号输出至所述悬浮节点。

9.根据权利要求8所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述控制单元关闭所述复位管至所述控制单元导通该像素的N个子像素的传输管的时间间隔为1us～32us；所述复位管开启时间为1us～64us；所述传输管导通时间为1us～64us。

10.根据权利要求7所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述控制单元发出第二控制信号以使该像素的N个子像素的信号分别依次输出，其中，所述控制单元在开启该像素对应的读出电路的复位管以对所述悬浮节点的电荷进行清空和复位后关闭所述复位管，并导通该像素其中一个个子像素的传输管，以使该子像素的输出信号输出至所述悬浮节点。

11.根据权利要求10所述的CMOS图像传感器，其特征在于，所述控制单元关闭所述复位管至导通该像素的其中一个子像素的传输管的时间间隔为1us～32us；所述控制单元导通该像素的其中一个子像素的传输管后至所述控制单元再次开启该像素对应的读出电路的复位管的时间间隔为5～40us；所述复位管开启时间为1us～64us；所述子像素的传输管导通时间为1us～64us。

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