TWI843655B - 一種圖像感測器及其圖像輸出方法、光電設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種圖像感測器及其圖像輸出方法、光電設備。圖像感測器包括多個像素，像素包括光電探測電路、信號讀出電路、浮動擴散節點、積分電容、傳輸電路、自我調整電源及信號處理電路；浮動擴散節點將光電荷積分至積分電容得到積分電壓，信號處理電路產生對數電壓與對數電流；浮動擴散節點接收光電荷之後，目標電壓遠小於參考電壓，浮動擴散節點的節點電流為光電荷相應的光電流、節點電壓為積分電壓；當目標電壓增大到接近於參考電壓時，浮動擴散節點的節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓，最終由信號讀出電路根據節點電壓（積分電壓或對數電壓）輸出相應的圖像信號。本發明具有積分和對數兩種不同的工作形式，能夠很好地適應多變的環境。

Description

一種圖像感測器及其圖像輸出方法、光電設備
本發明屬於感光元件的技術領域，尤其關於一種圖像感測器及其圖像輸出方法、光電設備。
圖像感測器可以通過光電轉換將照射在自身感光面上的光信號轉換為相應的電信號，並依據所轉換的電信號輸出相應的圖像，其被廣泛應用於各種光電設備中，比如數位相機、攝影機、錄影機、傳真機、影像掃描器以及數位電視等。相關技術中，圖像感測器的工作形式往往過於單一，這使得其不能很好地適應多變的環境，比如存在弱光、強光之間轉變的環境等，從而嚴重影響了圖像感測器的成像品質。
因此，有必要對現有圖像感測器的結構進行改進。
本發明提供了一種圖像感測器及其圖像輸出方法、光電設備，旨在解決相關技術中圖像感測器的工作形式過於單一的問題。
為了解決相關技術中所存在的上述技術問題，本發明實施例第一方面提供了一種圖像感測器，該圖像感測器包括由多個像素組成的像素陣列，且像素包括浮動擴散節點、積分電容、光電探測電路、信號讀出電路、自我調整電源、傳輸電路及信號處理電路，其中，光電探測電路通過傳輸電路連接於浮動擴散節點，浮動擴散節點通過積分電容接地，浮動擴散節點與積分電容分別連接於信號讀出電路，自我調整電源通過信號處理電路連接於浮動擴散節點。具體地，光電探測電路用於對入射光進行光電轉換並得到相應的光電荷；傳輸電路用於將光電荷傳輸至浮動擴散節點；信號處理電路用於產生對數電壓及對數電流(對數電壓與對數電流之間呈對數關係)；浮動擴散節點，用於將光電荷積分至積分電容得到相應的積分電壓，其中，浮動擴散節點接收光電荷後，目標電壓(指的是自我調整電源的自我調整電壓減去浮動擴散節點的節點電壓)與參考電壓之間的差值大於預設閾值，對數電流小於光電荷相應的光電流，使得浮動擴散節點的節點電流為光電荷相應的光電流、節點電壓為積分電壓，且目標電壓隨著時間的增加而增大，當目標電壓增大到與參考電壓之間的差值小於或等於預設閾值時，對數電流大於光電荷相應的光電流並流入浮動擴散節點，使得節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓；信號讀出電路用於根據節點電壓輸出相應的圖像信號。
本發明實施例第二方面提供了一種圖像輸出方法，應用於圖像感測器，該圖像感測器包括由多個像素所組成的像素陣列，像素包括信號處理電路、信號讀出電路、浮動擴散節點、積分電容、光電探測電路、自我調整電源以及傳輸電路，其中，光電探測電路通過傳輸電路連接於浮動擴散節點，浮動擴散節點通過積分電容接地，浮動擴散節點與積分電容分別連接於信號讀出電路，自 我調整電源通過信號處理電路連接於浮動擴散節點。具體地，圖像輸出方法包括：光電探測電路對入射光進行光電轉換並得到相應的光電荷；傳輸電路將光電荷傳輸至浮動擴散節點；信號處理電路產生對數電壓及對數電流(對數電壓與對數電流之間呈對數關係)；浮動擴散節點將光電荷積分至積分電容得到相應的積分電壓，其中，浮動擴散節點接收光電荷後，目標電壓(即自我調整電源的自我調整電壓減去浮動擴散節點的節點電壓)與參考電壓之間的差值大於預設閾值，對數電流小於光電荷相應的光電流，使得浮動擴散節點的節點電流為光電荷相應的光電流、浮動擴散節點的節點電壓為積分電壓，且目標電壓隨著時間的增加而增大，當目標電壓增大到與參考電壓之間的差值小於或等於預設閾值時，對數電流大於光電荷相應的光電流並流入浮動擴散節點，使得節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓；信號讀出電路根據節點電壓輸出相應的圖像信號。
本發明實施例第三方面提供了一種光電設備，包括本發明實施例第一方面所述的圖像感測器。
從上述描述可知，與相關技術相比，本發明的有益效果在於：圖像感測器包括由多個像素組成的像素陣列，像素包括浮動擴散節點、積分電容、光電探測電路、信號讀出電路、傳輸電路、自我調整電源及信號處理電路；在實際的應用中，光電探測電路對入射光進行光電轉換並得到相應的光電荷，傳輸電路將光電荷傳輸至浮動擴散節點，浮動擴散節點接收光電荷後，其會將光電荷積分至積分電容以得到相應的積分電壓，同時信號處理電路會產生呈現對數關係的對數電壓以及對數電流，只不過在浮動擴散節點接收光電荷後，目標電壓與參考電壓之間的差值大於預設閾值，指示目標電壓遠小於參考電壓，此時對數電流小於光電荷相應的光電流，即對數電流不會流入浮動擴散節點，使得浮動擴散節 點的節點電流為光電荷相應的光電流、節點電壓為積分電壓，但是隨著時間的增加，目標電壓也會增大，而當目標電壓增大到與參考電壓之間的差值小於或等於預設閾值時，對數電流便會增大至大於光電荷相應的光電流，即對數電流會流入浮動擴散節點，使得浮動擴散節點的節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓，最終由信號讀出電路根據節點電壓(積分電壓或對數電壓)輸出相應的圖像信號；從此過程中可以看出，本發明的圖像感測器不只具有一種工作形式，而是具有兩種不同的工作形式，也就是積分形式(即節點電壓為積分電壓，信號讀出電路根據積分電壓輸出相應圖像信號)和對數形式(即節點電壓為對數電壓，信號讀出電路根據對數電壓輸出相應圖像信號)，這使得圖像感測器能夠很好地適應多變的環境，從而提升了圖像感測器的成像品質。那麼現以存在弱光、強光之間轉變的環境為例，當浮動擴散節點接收光電荷後，入射光的光強還處於較弱的狀態，此時目標電壓遠小於參考電壓，圖像感測器的工作形式為積分形式，其暗光敏感度也通過對光電荷的積分得以增強，從而提高了圖像感測器在弱光環境下的信噪比，保證了低雜訊；之後，隨著時間的推移入射光的光強逐漸增大，這使得目標電壓也逐漸增大，當入射光的光強增大到使其處於較強的狀態時，目標電壓便十分接近於參考電壓，此時圖像感測器的工作形式為對數形式，而對數形式下的對數電壓將會延拓光電探測電路的滿阱電荷所能產生的電壓，從而擴大了圖像感測器在強光環境下的動態範圍；由此可見，本發明在存在弱光、強光之間轉變的環境下，仍然可以憑藉圖像感測器的多工作形式去兼顧圖像感測器在弱光環境下的低雜訊與強光環境下的高動態範圍，從而使得圖像感測器在任何時候都能獲得品質較佳的圖像。
100:圖像感測器
110:光電探測電路
120:傳輸電路
130:信號處理電路
140:信號讀出電路
150:控制電路
131:對數支路
132:復位支路
141:驅動支路
142:APS讀出支路
1421:APS讀出單元
143:EVS讀出支路
501:箭頭
502:箭頭
FD:浮動擴散節點
C:積分電容
R:等效非線性電阻
SW1:控制信號
SW2:控制信號
TX:控制信號
T0:傳輸電晶體
T1:第二開關電晶體
T2:第一開關電晶體
T3:驅動電晶體
T4:選擇電晶體
T5:復位電晶體
601-605:步驟
圖1為本發明實施例提供的圖像感測器中像素的第一種模組示意圖；圖2為本發明實施例提供的圖像感測器中像素的第二種模組示意圖；圖3為本發明實施例提供的圖像感測器中像素的電路結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的浮動擴散節點的等效電路圖；圖5為本發明實施例提供的圖像感測器的時序圖；圖6為本發明實施例提供的圖像輸出方法的流程示意圖。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「橫向」、「上」、「下」、「左」、「右」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於圖式所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
圖像感測器是一種將自身感光面上的入射光轉換為相應電信號的元件，其一般包括CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金 屬氧化物半導體)圖像感測器以及DVS(Dynamic Vision Sensor，動態視覺感測器)；其中，CMOS圖像感測器即為APS(Active Pixel Sensor，主動型像素感測器)，DVS即為EVS(Event-based Vision Sensor，事件型視覺感測器)。相關技術中，圖像感測器的工作形式往往過於單一，這使得其不能很好地適應多變的環境，比如存在弱光、強光之間轉變的環境等，從而對圖像感測器的成像品質造成了嚴重的影響。為此，本發明實施例提供了一種圖像感測器，該圖像感測器可以應用於光電設備；其中，光電設備為需要將入射光轉換為相應電信號的設備，比如數位相機、攝影機、錄影機、傳真機、影像掃描器和數位電視等。
圖1為本發明實施例提供的圖像感測器中像素的第一種模組示意圖，在一些實施例中，圖像感測器100包括由多個像素組成的像素陣列，像素包括浮動擴散節點FD、積分電容C、光電探測電路110、信號讀出電路140、自我調整電源Vada、傳輸電路120及信號處理電路130，其中，光電探測電路110通過傳輸電路120連接於浮動擴散節點FD，浮動擴散節點FD通過積分電容C接地，浮動擴散節點FD與積分電容C分別連接於信號讀出電路140，自我調整電源Vada通過信號處理電路130連接於浮動擴散節點FD。在本文中，將自我調整電源Vada的自我調整電壓減去浮動擴散節點FD的節點電壓定義為目標電壓。
在實際的應用中，光電探測電路110對入射光進行光電轉換並得到相應的光電流，以及對所得到的光電流進行積分並得到相應的光電荷；傳輸電路120將光電探測電路110積累的光電荷傳輸至浮動擴散節點FD；浮動擴散節點FD接收光電荷後，其會將光電荷積分至積分電容C(相當於積分電容C對浮動擴散節點FD進行放電)從而得到相應的積分電壓，同時信號處理電路130會產生呈現出對數關係的對數電壓以及對數電流，只不過在浮動擴散節點FD接收 光電荷之後，目標電壓與參考電壓之間的差值大於預設閾值，指示目標電壓遠小於參考電壓，此時對數電流小於光電荷相應的光電流，即對數電流不會流入浮動擴散節點FD，使得浮動擴散節點FD的節點電流為光電荷相應的光電流、節點電壓為積分電壓，但是隨著時間的增加，目標電壓也會增大，而當目標電壓增大到與參考電壓之間的差值小於或等於預設閾值時，對數電流便會增大至大於光電荷相應的光電流，即對數電流會流入浮動擴散節點FD，使得浮動擴散節點FD的節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓，最終由信號讀出電路140根據節點電壓(即積分電壓或對數電壓)輸出相應的圖像信號；從此過程中可以看出，本發明實施例的圖像感測器不只具有一種工作形式，而是具有兩種不同的工作形式，也就是積分形式(即節點電壓為積分電壓，信號讀出電路140根據積分電壓輸出相應圖像信號)和對數形式(即節點電壓為對數電壓，信號讀出電路140根據對數電壓輸出相應圖像信號)，這使得圖像感測器能夠很好地適應多變的環境，從而提升了圖像感測器的成像品質。
那麼，現以存在弱光與強光之間轉變的環境為例，當浮動擴散節點FD接收光電荷後，入射光的光強還處於較弱的狀態，此時的目標電壓是遠小於參考電壓的，圖像感測器的工作形式為積分形式，其暗光敏感度也通過對光電荷的積分得以增強，從而提高了圖像感測器在弱光環境下的信噪比，保證了低雜訊特性；之後，隨著時間的推移入射光的光強逐漸增大，這使得目標電壓也逐漸增大，當入射光的光強增大到使其處於較強的狀態時，目標電壓便十分接近於參考電壓，此時圖像感測器的工作形式為對數形式，而對數形式下的對數電壓將會延拓光電探測電路110的滿阱電荷所能夠產生的電壓，從而擴大了圖像感測器在強光環境下的動態範圍；由此可見，本發明實施例在存在弱光、強光之間轉變 的環境下，仍然可以憑藉圖像感測器的多工作形式去兼顧圖像感測器在弱光環境下的低雜訊與強光環境下的高動態範圍，從而使得圖像感測器在任何時候都能獲得品質較佳的圖像。
進一步地，請參閱圖2所示出的本發明實施例提供的圖像感測器中像素的第二種模組示意圖，像素除了包括浮動擴散節點FD、積分電容C、光電探測電路110、信號讀出電路140、傳輸電路120、自我調整電源Vada及信號處理電路130以外，還包括有控制電路150，該控制電路150連接於傳輸電路120、信號處理電路130以及信號讀出電路140，且該控制電路150用於：對傳輸電路120、信號處理電路130和信號讀出電路140進行控制，主要是控制各電路中各電子元器件的工作狀態；及，根據信號讀出電路140輸出的圖像信號生成相應的圖像。
作為其中的一種實施例，請參閱圖3所示出的本發明實施例提供的圖像感測器中像素的電路結構示意圖，傳輸電路120包括傳輸電晶體T0，傳輸電晶體T0的第一端連接於光電探測電路110，傳輸電晶體T0的第二端連接於控制電路150，傳輸電晶體T0的第三端連接於浮動擴散節點FD。在實際的應用中，傳輸電晶體T0可以在控制電路150的控制下依據時序的需求進行導通或截止，且只有在傳輸電晶體T0導通時，浮動擴散節點FD才會接收到通過傳輸電晶體T0傳輸的由光電探測電路100所積累的光電荷。
作為其中的一種實施例，仍然參閱圖3，信號處理電路130包括復位支路132和對數支路131，其中，復位支路132和對數支路131分別連接於浮動擴散節點FD，復位支路132和對數支路131分別連接於控制電路150，自我調整電源Vada通過對數支路131與浮動擴散節點FD連接。在實際的應用中， 於浮動擴散節點FD接收光電探測電路110積累的光電荷之前，復位支路132可以在控制電路150的控制下對浮動擴散節點FD的節點電壓進行重定，而在復位支路132的復位工作完成後，浮動擴散節點FD即可通過傳輸電路120接收來自光電探測電路110的光電荷，並且在浮動擴散節點FD接收光電荷後，對數支路131即可產生呈現對數關係的對數電流與對數電壓，且對數電壓隨時間的增加而增大，對數電流的大小與對數電壓的大小正相關。在本實施例中，浮動擴散節點FD接收光電探測電路110積累的光電荷後，對數電流是小於光電荷相應的光電流的(相當於目標電壓遠小於參考電壓)，此種情況下，對數電流不會流入浮動擴散節點FD，即浮動擴散節點FD的節點電流為光電荷相應的光電流、節點電壓為積分電壓，信號讀出電路140則根據積分電壓輸出相應的圖像信號，像素工作在積分形式下；但是，隨著時間的增加，對數電壓不斷增大，而由於對數電流的大小與對數電壓的大小正相關，所以對數電流也不斷增大，那麼當對數電流增大到大於光電荷相應的光電流(即目標電壓接近於參考電壓)時，對數電流便會流入浮動擴散節點FD，使得浮動擴散節點FD的節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓，信號讀出電路140則根據對數電壓輸出相應的圖像信號，像素工作在對數形式下。
在本實施例的一些實現方式中，仍然參閱圖3，對數支路131包括復位電晶體T5及第一開關電晶體T2，其中，復位電晶體T5的柵極、汲極連接於自我調整電源Vada，復位電晶體T5的源極連接於第一開關電晶體T2的汲極，第一開關電晶體T2的柵極連接於控制電路150，第一開關電晶體T2的源極連接於浮動擴散節點FD。在實際的應用中，第一開關電晶體T2可以在浮動擴散節點FD接收光電探測電路110積累的光電荷時，即復位支路132對浮動擴散 節點FD的復位工作完成後，在控制電路150的控制下處於導通狀態；復位電晶體T5可以在浮動擴散節點FD接收光電探測電路110積累的光電荷後，產生呈現出對數關係的對數電流與對數電壓。在這些實現方式中，復位電晶體T5的汲源電壓與汲源電流之間呈對數關係，那麼，對數電流即為汲源電流，對數電壓即為汲源電壓，參考電壓即為復位電晶體T5的閾值電壓。
在本實施例的一些實現方式中，仍然參閱圖3，復位支路132包括重定電源Vrst及第二開關電晶體T1，其中，第二開關電晶體T1的汲極連接於重定電源Vrst，第二開關電晶體T1的柵極連接於控制電路150，第二開關電晶體T1的源極連接於浮動擴散節點FD。在實際的應用中，於浮動擴散節點FD接收光電探測電路110積累的光電荷之前，第二開關電晶體T1可以在控制電路150的控制下處於導通狀態，且只有當第二開關電晶體T1導通時，復位電源Vrst才可將浮動擴散節點FD的節點電壓重定成自身的電壓。
在本實施例中，浮動擴散節點FD接收光電探測電路110所積累的光電荷之後，目標電壓與參考電壓之間的差值先是大於預設閾值的，即目標電壓先是遠小於參考電壓的，此時對數電流小於光電荷相應的光電流，即對數電流不會流入浮動擴散節點FD，那麼浮動擴散節點FD的節點電流即為光電荷相應的光電流、節點電壓即為積分電壓，信號讀出電路140則根據此積分電壓輸出相應的圖像信號，圖像感測器處於積分形式；之後，隨著時間的推移目標電壓逐漸增大，當目標電壓增大到與參考電壓之間的差值小於或等於預設閾值時，也就是目標電壓不再遠小於參考電壓而是接近於參考電壓時，對數電流便會增大到大於光電荷相應的光電流，即對數電流會流入浮動擴散節點FD，那麼浮動擴散節點FD的節點電流即為對數電流、節點電壓即為對數電壓，信號讀出電路140則 根據此對數電壓輸出相應的圖像信號，圖像感測器處於對數形式。可以理解的是，由於目標電壓等於自我調整電源Vada的自我調整電壓減去浮動擴散節點FD的節點電壓，所以本實施例可以通過對自我調整電源Vada的電壓的合理設置，使得圖像感測器自我調整地在積分形式與對數形式之間轉換，從而能夠更好地適應多變的環境，提升圖像感測器的成像品質；至於自我調整電源Vada的電壓的設置，其決定了圖像感測器的積分形式與對數形式之間的轉換，優選的是，其的設置應該兼顧光電探測電路110滿阱電荷的有效電壓轉換以及光電流探測的開啟，而對於存在弱光、強光之間轉變的環境，其的設置應當同時滿足弱光環境下的低雜訊特性與強光環境下的高動態範圍。
為了更加清晰地理解本實施例的這種自我調整原理，請參閱圖4所示出的本發明實施例提供的浮動擴散節點的等效電路圖，其中的復位電晶體T5由等效非線性電阻R來替代，而等效非線性電阻R可以由Ir=IS*exp(Vlog/nUT)來描述，其中，Ir表示流過等效非線性電阻R的電流，Vlog表示復位電晶體T5的汲源電壓(即對數電壓)，n為大於0的有理數，UT及IS均表示常數；當浮動擴散節點FD接收光電探測電路110積累的光電荷後，Vlog是比較小的，此種情況下，等效非線性電阻R的阻值非常大，且等效非線性電阻R的阻值隨Vlog的增加而急劇減小，換句話說，將VFD(浮動擴散節點FD的節點電壓)預充到Vrst(重定電源Vrst的電壓)，在傳輸電晶體T0導通以後，當Vada-VFD(即目標電壓，Vada表示自我調整電源Vada的電壓)遠小於VT(復位電晶體T5的閾值電壓，即參考電壓)時，積分電容C呈現線性放電，像素工作在積分形式下；之後，隨著時間的增加，當Vada-VFD接近於VT的時候，就會發生復位電晶體T5的汲源電壓覆蓋之前的積分電壓的情況(即對數電流流入浮動擴散節點FD，使得浮動擴 散節點FD的節點電壓為對數電壓，此種情況下，便不再以積分電壓輸出相應的圖像信號，而是以對數電壓輸出相應的圖像信號)，像素工作在對數形式下，最終VFD的值將由等效非線性電阻R上的壓降決定。
進一步地，請參閱圖5所示出的圖像感測器的時序圖，時刻t1，控制電路150通過控制信號TX控制傳輸電晶體T0斷開，通過控制信號SW1控制第二開關電晶體T1導通，通過控制信號SW2控制第一開關電晶體T2斷開，目的是使浮動擴散節點FD的節點電壓被重定到Vrst；時刻t2，控制電路150通過控制信號SW1控制第二開關電晶體T1斷開，通過控制信號SW2控制第一開關電晶體T2導通，通過控制信號TX控制傳輸電晶體T0導通，此時浮動擴散節點FD的節點電壓由積分電壓決定，即在區域I內，Vada-VFD非常小甚至是負值，復位電晶體T5的等效非線性電阻R非常大，電路呈現近似線性放電模式，像素工作在積分形式下；在區域II內，Vlog逐漸增大，復位電晶體T5的等效非線性電阻R漸漸變小，浮動擴散節點FD的節點電壓不僅僅由積分電容C的放電決定，而是轉向由復位電晶體T5的汲源電壓與汲源電流所成的對數關係決定，此時，像素工作在對數形式下，像素可以認為是具有高動態範圍的APS像素，也可認為是EVS的前端電路，節點電壓僅和當前光電流的大小有關，而與曝光時間內光電探測電路110對光電流的積累無關，即與積分電壓無關。在圖5中，IPD表示入射光的光強度(即入射光電流的大小)，且IPD1大於IPD2、IPD2大於IPD3、IPD3大於IPD4；Q1、Q2及Q_FW均表示電荷，只不過Q_FW表示的是光電探測電路110的滿阱電荷；入射光電流的大小可以用來表徵環境亮、暗，當環境亮、暗相差較大時，本發明實施例可以對其明顯區分(如圖5中的箭頭501、箭頭 502)，而當環境亮、暗相差較小時，本發明實施例亦可實現對其區分，從而使得圖像感測器以積分形式應對暗環境、及以對數形式應對亮環境。
作為其中的一種實施例，仍然參閱圖3，信號讀出電路140包括APS讀出支路142、EVS讀出支路143及驅動支路141，其中，APS讀出支路142和EVS讀出支路143分別通過驅動支路141連接於浮動擴散節點FD，APS讀出支路142和EVS讀出支路143分別連接於控制電路150。在實際的應用中，驅動支路141對浮動擴散節點FD的電位進行緩衝，目的是將節點電壓輸出至APS讀出支路142和EVS讀出支路143，之後，APS讀出支路142可以根據來自驅動支路141的節點電壓輸出相應的灰階信號，而EVS讀出支路143可以根據來自驅動支路141的節點電壓與預設電壓之間的差值輸出相應的事件信號，此種情況下，節點電壓與預設電壓之間的差值即用來指示入射光的強度的變化(即增大、減小或不變)，比如以節點電壓與預設電壓之間的差值是否大於0、是否小於0或是否等於0來確定入射光的強度的變化，這是得到事件信號的基礎。
在本實施例的一些實現方式中，驅動支路141包括驅動電晶體T3及驅動電源Vdd，驅動電晶體T3的柵極連接於浮動擴散節點FD、汲極連接於驅動電源Vdd，驅動電晶體T3的源極連接於APS讀出支路142及EVS讀出支路143；其中，驅動電晶體T3相當於源極跟隨放大器，其可以對浮動擴散節點FD的電位進行緩衝，從而將節點電壓輸出至APS讀出支路142和EVS讀出支路143。在本實施例的一些實現方式中，APS讀出支路142包括選擇電晶體T4及APS讀出單元1421，其中，選擇電晶體T4的汲極連接於驅動支路141，選擇電晶體T4的柵極連接於控制電路150，選擇電晶體T4的源極連接於APS讀出單元1421，APS讀出單元1421連接於控制電路150；在實際的應用中，選擇電晶 體T4可以接收驅動支路141輸出的節點電壓，以及在控制電路150的控制下依據時序的需求進行導通或截止，而且只有當選擇電晶體T4導通時，APS讀出單元1421才會接收到通過選擇電晶體T4傳輸的節點電壓，之後，APS讀出單元1421即可根據所接收的節點電壓輸出相應的灰階信號。
在本實施例中，信號讀出電路140同時具備APS信號與EVS信號的讀出功能，此種情況下，圖像感測器可以同時輸出APS圖像與EVS圖像。但是，在其它實施例中，信號讀出電路140也可以僅具備輸出一種圖像信號的功能，比如僅輸出APS信號或EVS信號；其中，當信號讀出電路140僅具備輸出APS信號的功能時，其僅包括驅動支路141與APS讀出支路142即可，此時驅動支路141與APS讀出支路142的工作過程與前文所描述的一致，此處不再贅述；當信號讀出電路140僅具備輸出EVS信號的功能時，其僅包括驅動支路141與EVS讀出支路143即可，此時驅動支路141與EVS讀出支路143的工作過程與前文所描述的一致，此處不再贅述。
以上實施例僅作為本發明的優選實現，它們並非是對所描述內容的唯一限定；對此，本領域具通常知識者可以在以上實施例的基礎上，根據實際應用場景進行靈活設定。此外，需要說明的是，光電探測電路110可以包括但不限於光電二極體、光電電晶體及箝位光電二極體，或者是本領域內常見的可以實現光電轉換的其它類似器件。在以上實施例中，對於光電探測電路110、控制電路150、APS讀出支路142以及EVS讀出支路143的設置形式，其可以為在像素陣列中的每一個像素內均設置一個；或者，為僅設置一個，使得像素陣列中的所有像素共用同一個；或者，為設置多個，使得像素陣列中同一陣列單元內的所有像素共用同一個；其中，像素陣列可以被分成多個陣列單元，而每個陣列單元 均包括預設數量的像素；示例性地，像素陣列中的每一列像素均構成一個陣列單元；或者，像素陣列中的每一行像素均構成一個陣列單元。至於圖像感測器100的曝光方式，其可以採用全域曝光或捲簾曝光，而在不同的曝光方式下，像素中各電晶體導通/截止的時序不同，這可以根據實際需求進行具體設置，本實施例對此不再贅述。
圖6為本發明實施例提供的圖像輸出方法的流程示意圖，該圖像輸出方法基於本發明實施例提供的圖像感測器100實現，在一些實施例中，圖像輸出方法包括：步驟601：光電探測電路110對入射光進行光電轉換並得到相應的光電荷；步驟602：傳輸電路120將光電荷傳輸至浮動擴散節點FD；步驟603：信號處理電路130產生呈現對數關係的對數電壓與對數電流；步驟604：浮動擴散節點FD將光電荷積分至積分電容C得到相應的積分電壓，其中，浮動擴散節點FD接收光電荷後，目標電壓(即自我調整電源Vada的自我調整電壓減去浮動擴散節點FD的節點電壓)與參考電壓之間的差值大於預設閾值，對數電流小於光電荷相應的光電流，使得浮動擴散節點FD的節點電流為光電荷相應的光電流、浮動擴散節點FD的節點電壓為積分電壓，且目標電壓隨著時間的增加而增大，當目標電壓增大到與參考電壓之間的差值小於或等於預設閾值時，對數電流大於光電荷相應的光電流並流入浮動擴散節點FD，使得浮動擴散節點FD的節點電流為對數電流、節點電壓為對數電壓；步驟605：信號讀出電路140根據浮動擴散節點FD的節點電壓輸出相應的圖像信號。需要說明的是，對於該圖像輸出方法描述中的未盡之處，參見前文所示出的圖像感測器100的相關內容即可，本發明實施例在此不再贅述。
綜上所述，本發明實施例提供了一種圖像感測器及其圖像輸出方法，該圖像傳感器具有兩種不同的工作形式，即積分形式與對數形式，本發明實施例可以通過對自我調整電源Vada的電壓的合理設置，使得圖像感測器自我調整地在積分形式與對數形式之間轉換，從而能夠更好地適應多變的環境，提升圖像感測器的成像品質。對於多變的環境，比如存在弱光、強光之間轉變的環境等，本發明實施例可以通過圖像感測器的多工作形式去兼顧APS的積分特性和EVS前端電路的電流、電壓主要特徵性，能夠較為準確的輸出光電流較小至光電流較大的節點電壓，從而兼顧了弱光環境下的低雜訊與強光環境下的高動態範圍，最終提高了圖像感測器的成像品質。
結合本文中所公開的實施例所描述的方法或演算法的步驟，其可以直接用硬體、處理器執行的軟體模組，或者二者的結合來實施。軟體模組可以置於隨機記憶體(RAM)、記憶體、唯讀記憶體(ROM)、電可程式設計ROM、電可擦除可程式設計ROM、寄存器、硬碟、抽取式磁碟、CD-ROM、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。
在上述實施例中，可以全部或部分地通過軟體、硬體、固件或者其任意組合來實現。當使用軟體實現時，可以全部或部分地以電腦程式產品的形式實現。電腦程式產品包括一個或多個電腦指令。在電腦上載入和執行該電腦程式指令時，全部或部分地產生按照本發明所述的流程或功能。電腦可以是通用電腦、專用電腦、電腦網路、或者其他可程式設計裝置。電腦指令可以存儲在電腦可讀存儲介質中，或者從一個電腦可讀存儲介質向另一個電腦可讀存儲介質傳輸，例如，電腦指令可以從一個網路網站、電腦、伺服器或資料中心通過有線(如同軸電纜、光纖、數位用戶線路)或無線(如紅外、無線、微波等)方式向另一 個網路網站、電腦、伺服器或資料中心進行傳輸。電腦可讀存儲介質可以是電腦能夠存取的任何可用介質或者是包含一個或多個可用介質集成的伺服器、資料中心等資料存放裝置。可用介質可以是磁性介質(如軟碟、硬碟、磁帶)、光介質(如DVD)、或者半導體介質(如固態硬碟Solid State Disk)等。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
100:圖像感測器
110:光電探測電路
120:傳輸電路
130:信號處理電路
140:信號讀出電路

Claims (13)

  1. 一種圖像感測器，包括由多個像素組成的像素陣列，其特徵在於，該像素包括浮動擴散節點、積分電容、光電探測電路、信號讀出電路、自我調整電源、傳輸電路及信號處理電路，其中，該光電探測電路通過該傳輸電路連接於該浮動擴散節點，該浮動擴散節點通過該積分電容接地，該浮動擴散節點與該積分電容分別連接於該信號讀出電路，該自我調整電源通過該信號處理電路連接於該浮動擴散節點；該光電探測電路，用於對入射光進行光電轉換並得到相應的光電荷；該傳輸電路，用於將該光電荷傳輸至該浮動擴散節點；該信號處理電路，用於產生對數電壓及對數電流；其中，該對數電壓與該對數電流之間呈對數關係；該浮動擴散節點，用於將該光電荷積分至該積分電容得到相應的積分電壓；其中，該浮動擴散節點接收該光電荷後，目標電壓與參考電壓之間的差值大於預設閾值，該對數電流小於該光電荷相應的光電流，使得該浮動擴散節點的節點電流為該光電荷相應的光電流、該浮動擴散節點的節點電壓為該積分電壓，該目標電壓等於該自我調整電源的自我調整電壓減去該節點電壓；該目標電壓隨時間的增加而增大，當該目標電壓增大到與該參考電壓之間的差值小於或等於該預設閾值時，該對數電流大於該光電荷相應的光電流並流入該浮動擴散節點，使得該節點電流為該對數電流、該節 點電壓為該對數電壓；該信號讀出電路，用於根據該節點電壓輸出相應的圖像信號。
  2. 如請求項1所述之圖像感測器，其中，該像素還包括控制電路，該控制電路連接於該傳輸電路、該信號處理電路以及該信號讀出電路，該控制電路用於：對該傳輸電路、該信號處理電路和該信號讀出電路進行控制；及，根據該圖像信號生成相應的圖像。
  3. 如請求項2所述之圖像感測器，其中，該信號處理電路包括復位支路和對數支路，其中，該復位支路和該對數支路分別連接於該浮動擴散節點，該復位支路和該對數支路分別連接於該控制電路，該自我調整電源通過該對數支路與該浮動擴散節點連接；該復位支路，用於在該浮動擴散節點接收該光電荷之前，在該控制電路的控制下對該節點電壓進行重定；該對數支路，用於在該浮動擴散節點接收該光電荷後，產生該對數電壓及該對數電流；其中，該對數電壓隨時間的增加而增大，該對數電流的大小與該對數電壓的大小正相關；在該浮動擴散節點接收該光電荷後，該對數電流小於該光電荷相應的光電流，隨著時間的增加，當該對數電流增大到大於該光電荷相應的光電流時，該對數電流流入該浮動擴散節點以使該節點電流為該對數電流、該節點電壓為該對數電壓。
  4. 如請求項3所述之圖像感測器，其中，該對數支路包括復位電晶體及第一開關電晶體，其中，該復位電晶體的柵極、汲極連接於該自我調整電源，該復位電晶體的源極連接於該第一開關電晶體的汲 極，該第一開關電晶體的柵極連接於該控制電路，該第一開關電晶體的源極連接於該浮動擴散節點；該第一開關電晶體，用於在該浮動擴散節點接收該光電荷時，在該控制電路的控制下處於導通狀態；該復位電晶體，用於在該浮動擴散節點接收該光電荷後，產生該對數電壓及該對數電流；其中，該復位電晶體的汲源電壓與汲源電流間呈對數關係，該對數電壓為該汲源電壓，該對數電流為該汲源電流，該參考電壓等於該復位電晶體的閾值電壓。
  5. 如請求項3所述之圖像感測器，其中，該復位支路包括復位電源及第二開關電晶體，其中，該第二開關電晶體的汲極連接於該復位電源，該第二開關電晶體的柵極連接於該控制電路，該第二開關電晶體的源極連接於該浮動擴散節點；該第二開關電晶體，用於在該浮動擴散節點接收該光電荷之前，在該控制電路的控制下處於導通狀態；該復位電源，用於在該第二開關電晶體處於導通狀態時，將該節點電壓重定成該復位電源的電壓。
  6. 如請求項2所述之圖像感測器，其中，該信號讀出電路包括驅動支路及EVS讀出支路，其中，該EVS讀出支路通過該驅動支路連接於該浮動擴散節點，該EVS讀出支路連接於該控制電路；該驅動支路，用於對該浮動擴散節點的電位進行緩衝，以將該節點電壓輸出至該EVS讀出支路；該EVS讀出支路，用於根據該節點電壓與預設電壓之間的差值輸 出相應的事件信號。
  7. 如請求項2所述之圖像感測器，其中，該信號讀出電路包括驅動支路及APS讀出支路，其中，該APS讀出支路通過該驅動支路連接於該浮動擴散節點，該APS讀出支路連接於該控制電路；該驅動支路，用於對該浮動擴散節點的電位進行緩衝，以將該節點電壓輸出至該APS讀出支路；該APS讀出支路，用於根據該節點電壓輸出相應的灰階信號。
  8. 如請求項2所述之圖像感測器，其中，該信號讀出電路包括驅動支路、APS讀出支路及EVS讀出支路，其中，該APS讀出支路和該EVS讀出支路分別通過該驅動支路連接於該浮動擴散節點，該APS讀出支路和該EVS讀出支路分別連接於該控制電路；該驅動支路，用於對該浮動擴散節點的電位進行緩衝，以將該節點電壓輸出至該APS讀出支路和該EVS讀出支路；該APS讀出支路，用於根據該節點電壓輸出相應的灰階信號；該EVS讀出支路，用於根據該節點電壓與預設電壓之間的差值輸出相應的事件信號。
  9. 如請求項8所述之圖像感測器，其中，該驅動支路包括驅動電晶體及驅動電源，該驅動電晶體的柵極連接於該浮動擴散節點，該驅動電晶體的汲極連接於該驅動電源，該驅動電晶體的源極連接於該APS讀出支路和該EVS讀出支路；其中，該驅動電晶體用於對該浮動擴散節點的電位進行緩衝，以將該節點電壓輸出。
  10. 如請求項7或8所述之圖像感測器，其中，該APS讀出支路包括 選擇電晶體及APS讀出單元，其中，該選擇電晶體的汲極連接於該驅動支路，該選擇電晶體的柵極連接於該控制電路，該選擇電晶體的源極連接於該APS讀出單元，該APS讀出單元連接於該控制電路；該選擇電晶體，用於接收該驅動支路輸出的該節點電壓，以及在該控制電路的控制下依據時序的需求進行導通或截止，且當該選擇電晶體導通時，該APS讀出單元接收通過該選擇電晶體傳輸的該節點電壓；該APS讀出單元，用於根據該節點電壓輸出相應的灰階信號。
  11. 如請求項2所述之圖像感測器，其中，該傳輸電路包括傳輸電晶體，該傳輸電晶體的第一端連接於該光電探測電路，該傳輸電晶體的第二端連接於該控制電路，該傳輸電晶體的第三端連接於該浮動擴散節點；其中，該傳輸電晶體用於在該控制電路的控制下依據時序的需求進行導通或截止，且當該傳輸電晶體導通時，該浮動擴散節點接收通過該傳輸電晶體傳輸的該光電荷。
  12. 一種圖像輸出方法，應用於圖像感測器，該圖像感測器包括由多個像素組成的像素陣列，其特徵在於，該像素包括信號處理電路、信號讀出電路、浮動擴散節點、積分電容、光電探測電路、自我調整電源以及傳輸電路，其中，該光電探測電路通過該傳輸電路連接於該浮動擴散節點，該浮動擴散節點通過該積分電容接地，該浮動擴散節點與該積分電容分別連接於該信號讀出電路，該自我調整電源通過該信號處理電路連接於該浮動擴散節點；該圖像輸出方 法包括：該光電探測電路對入射光進行光電轉換並得到相應的光電荷；該傳輸電路將該光電荷傳輸至該浮動擴散節點；該信號處理電路產生對數電壓及對數電流；其中，該對數電壓與該對數電流之間呈對數關係；該浮動擴散節點將該光電荷積分至該積分電容得到相應的積分電壓；其中，該浮動擴散節點接收該光電荷後，目標電壓與參考電壓之間的差值大於預設閾值，該對數電流小於該光電荷相應的光電流，使得該浮動擴散節點的節點電流為該光電荷相應的光電流、該浮動擴散節點的節點電壓為該積分電壓，該目標電壓等於該自我調整電源的自我調整電壓減去該節點電壓；該目標電壓隨時間的增加而增大，當該目標電壓增大到與該參考電壓之間的差值小於或等於該預設閾值時，該對數電流大於該光電荷相應的光電流並流入該浮動擴散節點，使得該節點電流為該對數電流、該節點電壓為該對數電壓；該信號讀出電路根據該節點電壓輸出相應的圖像信號。
  13. 一種光電設備，其特徵在於，包括如請求項1至11中任一項所述之圖像感測器。
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