CN220190980U - 像素阵列及同时实现lfm和hdr的图像传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种像素阵列，由若干像素单元组成，每个像素单元包括第一组像素和第二组像素，其中，第二组像素的光电二极管的垂直方向上用开孔金属遮挡。此外还公开了能够同时实现LFM和HDR的图像传感器，通过对有遮挡处理的像素进行超长曝光，其他像素正常曝光，再分别以高、低增益读出正常曝光像素的图像和一帧低增益超长曝光像素的图像，最后将这三帧图像合成。

Description

像素阵列及同时实现LFM和HDR的图像传感器

技术领域

本实用新型涉及图像传感器技术，更具体地，实施例涉及一种像素阵列及同时实现LFM和HDR的图像传感器。

背景技术

随着自动驾驶时代的到来，车载芯片的需求呈几何级增长。例如，在自动驾驶L3级别中，传感器模块中的摄像头从3-4个/车提升至最高达22个，分辨率从1MP上升至8MP甚至是15MP。在此发展趋势下，高清高画质的图像传感器才能满足市场需求。

然而，由于具有功耗低、寿命长、可靠性高等优点，LED照明正逐步取代传统的照明方式，这使得LED闪烁的问题尤其突出。所谓图像传感器的LED闪烁现象是指，当图像传感器曝光时间正好在LED熄灭的期间内，此时图像传感器拍到的图像就是暗的，而其他期间拍到的图像是亮的，这就带来一些不可预知的安全隐患。因此，LED闪烁抑制(LED FlickerMitigation，简称LFM)是车载用图像传感器亟需解决的。

图像动态范围是指图像中最亮处与最暗处的亮度之比。由于普通彩色图像的动态范围要远小于自然界中的真实场景，因此对亮度差异较大的场景获得的图像会存在高光区域和黑暗区域，而高动态范围HDR技术能使高光和黑暗区域获得比普通彩色图像更多的细节和层次，从而更接近于真实的视觉效果。

从已公开的报道来看，斩波技术和分离像素技术均能够实现LFM和HDR。其中，斩波技术因需要多次曝光，曝光控制相对复杂；而分离像素技术即分大小像素，因制造难度大导致成本较高，应用受限。鉴于此，需要提供一种制造难度小、曝光次数少、易控制的方案，能够同时实现LFM和HDR的图像传感器。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是在降低制造难度、曝光次数的前提下，同时实现LED闪烁抑制和高动态范围。

本实用新型的目的旨在提供一种能够同时实现LED闪烁抑制和HDR的图像传感器。

本实用新型通过以下技术方案实现：

在一方面，本申请提供一种像素阵列，其由若干像素单元组成，每个像素单元包括第一组像素和第二组像素，其中，第二组像素的光电二极管的垂直方向上用开孔金属遮挡。

进一步地，所述像素单元的电路包括：第一光电二极管的阴极接第一传输控制管MN1的漏极，第二光电二极管的阴极接第二传输控制管MN2的漏极，第三光电二极管的阴极接第三传输控制管MN3的漏极，第四光电二极管的阴极接第四传输控制管MN4的漏极，第一传输控制管MN1的源极、第二传输控制管MN2的源极、第三传输控制管MN3的源极和第四传输控制管MN4的源极的公共端接增益调节管MN6的源极，增益调节管MN6的漏极接复位晶体管MN5的源极，复位晶体管MN5的漏极接电源VDD，复位晶体管MN5的源极与增益调节管MN6的漏极的公共端接电容C；增益调节管MN6的源极接源极跟随管MN7的栅极，源极跟随管MN7的源极接像素选择管MN8的漏极，源极跟随管MN7的漏极接VDD，像素选择管MN8的源极输出像素信号；

第一传输控制管MN1的栅极接控制信号线tx1，第二传输控制管MN2的栅极接控制信号线tx2，第三传输控制管MN3的栅极接控制信号线tx3，第四传输控制管MN4的栅极接控制信号线tx4，复位晶体管的栅极接控制信号线rx，增益调节管MN6的栅极接控制信号线fdg，像素选择管的栅极接控制信号线sx。

进一步地，所述开孔金属的孔的形状为圆柱体、长方体、正方体或倒圆锥结构，且孔的内壁粗糙。

在另一方面，本申请提供一种具有上述像素阵列的图像传感器，该图像传感器包括：

像素阵列，由上述像素单元组成，用于将光信号转化为电信号，并输入比较器模块的信号输入端；

斜坡发生器，用于产生斜坡信号，比较器的参考电压信号；

比较器，用于将像素信号和参考电压信号进行比较，当斜坡信号与参考电压信号相交时，比较器发生翻转；

计数器，用于将模拟信号转为量化计数值，当斜坡发生时开始计数，当比较器发生翻转时停止计数；

数据处理电路，用于对计数器输出的数字信号进行处理。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、通过采用开孔金属遮挡光电二极管的方式，使得该光电二极管对应的像素能够超长时间曝光而不过曝。

2、金属的孔采用倒锥形且内壁粗糙的结构，既增大了像素接受光的入射角度范围，同时又不会增加过多的光量。

3、曝光次数少，易控制。对于用开孔的金属遮挡的像素，采用超长曝光，其余像素正常曝光。

4、在像素结构变化较小的前提下，通过对遮挡处理的像素进行超长曝光，其他像素正常曝光，再分别以高、低增益读出正常曝光像素的图像和一帧低增益超长曝光像素的图像，最后将这三帧图像合成，这样既实现了LED闪烁抑制又实现了HDR。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。

图1示出了本公开的2×2像素电路的结构示意图；

图2示出本公开的倒锥形金属孔的结构示意图；

图3示出本公开的一种用金属遮挡的像素的剖面图；

图4示出本公开的另一种用金属遮挡的像素的剖面图；

图5示出本公开的像素电路的动作时序；

图6示出本公开的RGB像素阵列的结构示意图；

图7示出本公开的像素电路实现LED闪烁抑制的工作原理图；

图8示出本公开的像素电路实现高动态范围的工作原理图；

图9示出本实用新型图像传感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。为了简洁，本文将不对本领域公知的技术进行描述，若有未特别详细说明的过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

如图6所示，本公开提供了一种像素阵列，由若干像素单元组成，每个像素单元包括第一组像素和第二组像素，其中，第二组像素的光电二极管的垂直方向上用开孔的金属遮挡。

如图1所示，本公开还提供了像素单元的电路结构，下文以2×2的像素单元为例进行说明，作为一种可能的实施方式，本公开的像素单元的电路包括：第一光电二极管的阴极接第一传输控制管MN1的漏极，第二光电二极管的阴极接第二传输控制管MN2的漏极，第三光电二极管的阴极接第三传输控制管MN3的漏极，第四光电二极管的阴极接第四传输控制管MN4的漏极，第一传输控制管MN1的源极、第二传输控制管MN2的源极、第三传输控制管MN3的源极和第四传输控制管MN4的源极的公共端接增益调节管MN6的源极，增益调节管MN6的漏极接复位晶体管MN5的源极，复位晶体管MN5的漏极接电源VDD，复位晶体管MN5的源极与增益调节管MN6的漏极的公共端接电容C；增益调节管MN6的源极接源极跟随管MN7的栅极，源极跟随管MN7的源极接像素选择管MN8的漏极，源极跟随管MN7的漏极接VDD，像素选择管MN8的源极输出像素信号；

第一传输控制管MN1的栅极接控制信号线tx1，第二传输控制管MN2的栅极接控制信号线tx2，第三传输控制管MN3的栅极接控制信号线tx3，第四传输控制管MN4的栅极接控制信号线tx4，复位晶体管的栅极接控制信号线rx，增益调节管MN6的栅极接控制信号线fdg，像素选择管的栅极接控制信号线sx。

将其中一个像素用开孔的金属遮挡，其余三个像素正常曝光，再以不同增益读出正常曝光像素的图像和一帧超长曝光像素的图像，最后将这三帧图像合成，这样既实现了LED闪烁抑制又实现了HDR。

需要说明的是，用于遮挡的金属的孔可以是，上开孔和下开孔完全一样的长方体或正方体或圆柱状孔。但某些情况下，这些孔的结构可能导致部分入射光不能被检测到。

为了使更大入射范围的光都能够被检测到，本公开还提供另外一种可能的金属孔结构，如图2和图4所示，该金属孔呈倒圆锥结构，且孔内壁具有一定粗糙度。这样的金属孔结构一方面能够使得较大入射角的入射光也能够被像素的感光区接收到，使入射到感光区的光亮变大，另一方面，开孔内壁粗糙使光再内壁形成漫反射，最终只有少部分光进入像素感光区。这样既增大了像素接受光的入射角度范围，同时又不会增加过多的光量。

需要说明的是，孔内壁可以采用凹凸不平的纹路或者均匀附着凸起的点等可能的方式形成粗糙内表面。

优选地，所述用于遮挡像素的金属为金属钨。

如图5所示，本公开的像素单元的电路的动作时序如下：

第一组像素高增益读出阶段：通过控制信号TX1、TX2、TX3开启传输控制管，使得第一组像素积累的电荷转移到浮动节点fd，在增益调节管断开、复位晶体管导通时进行高增益下的像素信号读出，得到第一帧高增益图像；

第一组像素低增益读出阶段：复位晶体管断开，同时导通增益调节管，使电容C和浮动节点fd连通，此时进行低增益下的像素信号读出，得到第二帧低增益图像；

第二组像素低增益读出阶段：将复位晶体管和增益调节管都导通，使浮动节点fd和电容C的电容复位(电荷清零)，然后断开复位晶体管，增益调节管保持导通状态，读出此时的黑电平，再导通第二组像素的传输控制管，让该像素超长曝光(＞11ms)，该像素的光电二极管积累的电荷耦合到浮动节点fd和电容C上，再通过源极跟随管做LCG(lowconversion gain)读出，得到第三帧超长曝光低增益图像，第三帧图像超长曝光可捕获LED，达到实现LFM抑制的目的。

通过将以上三帧图像经ISP合成后即可得到高动态范围且LED闪烁抑制的图像。

如图7所示，本公开的像素结构实现LED闪烁抑制的原理是：LED的亮-灭周期一般≤11ms，通过控制本公开的第二组像素的曝光时间大于LED的亮-灭周期，最终使得第二组像素在曝光周期内能够捕捉到LED亮的区间，从而实现LED闪烁抑制。

如图9所示，本公开还提供了一种具有上述像素结构的图像传感器，该图像传感器包括：

像素阵列，由上述像素单元组成，用于将光信号转化为电信号，并输入比较器模块的信号输入端；

斜坡发生器，用于产生斜坡信号，比较器的参考电压信号；

比较器，用于将像素信号和参考电压信号进行比较，当斜坡信号与参考电压信号相交时，比较器发生翻转；

计数器，用于将模拟信号转为量化计数值，当斜坡发生时开始计数，当比较器发生翻转时停止计数；

数据处理电路，用于对计数器输出的数字信号进行处理。

如图8所示，本公开提供的图像传感器能够扩大图像高动态范围的原因是：第二组像素采用开孔的金属进行遮挡，使得第二组像素的等效光电转换效率低，能够实现超长曝光(大于11ms)而不过曝。第一组像素的满阱容量FWC(Full-Well Capacity)是第二组像素满阱容量FWC的3倍，因此在光强A下第一组像素到达满阱容量，在光强B下第二组像素到达满阱容量，由光强A到光强B为扩展的光强范围。

在本实用新型的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本实用新型的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

以上所述实施例的各个技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种像素阵列，其特征在于，该像素阵列由若干像素单元组成，每个像素单元包括第一组像素和第二组像素，其中，第二组像素的光电二极管的垂直方向上用开孔金属遮挡；所述开孔金属的孔形状为圆柱体、长方体、正方体或倒圆锥结构，且孔的内壁粗糙。

2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于，所述像素单元的电路包括：第一光电二极管的阴极接第一传输控制管MN1的漏极，第二光电二极管的阴极接第二传输控制管MN2的漏极，第三光电二极管的阴极接第三传输控制管MN3的漏极，第四光电二极管的阴极接第四传输控制管MN4的漏极，第一传输控制管MN1的源极、第二传输控制管MN2的源极、第三传输控制管MN3的源极和第四传输控制管MN4的源极的公共端接增益调节管MN6的源极，增益调节管MN6的漏极接复位晶体管MN5的源极，复位晶体管MN5的漏极接电源VDD，复位晶体管MN5的源极与增益调节管MN6的漏极的公共端接电容C；增益调节管MN6的源极接源极跟随管MN7的栅极，源极跟随管MN7的源极接像素选择管MN8的漏极，源极跟随管MN7的漏极接VDD，像素选择管MN8的源极输出像素信号；

第一传输控制管MN1的栅极接控制信号线tx1，第二传输控制管MN2的栅极接控制信号线tx2，第三传输控制管MN3的栅极接控制信号线tx3，第四传输控制管MN4的栅极接控制信号线tx4，复位晶体管的栅极接控制信号线rx，增益调节管MN6的栅极接控制信号线fdg，像素选择管的栅极接控制信号线sx。

3.一种同时实现LFM和HDR的图像传感器，包括像素阵列、斜坡发生器、比较器、计数器、数据处理电路，其特征在于，所述像素阵列采用如权利要求1-2任一项所述的结构。