線性-對數響應圖像傳感器像素及其信號轉移控制方法
2023-09-15 03:55:35
線性-對數響應圖像傳感器像素及其信號轉移控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種線性-對數響應圖像傳感器像素及其信號轉移控制方法，該像素包括鉗位光電二極體，第一、第二轉移控制柵，復位開關，亞閾值工作狀態電晶體，讀出電路。在積分之前開啟復位開關和第一轉移控制柵，鉗位光電二極體復位；關斷第一轉移控制柵開始積分；關斷復位開關，在第二轉移控制柵關斷之前由讀出電路讀出對數響應信號電壓，在第二轉移控制柵半開啟之後由讀出電路讀出對數響應復位電壓；將第一轉移控制柵開啟並隨後關斷，在第一轉移控制柵開啟之前由讀出電路讀出線性響應復位電壓，在第一轉移控制柵關斷之後由讀出電路讀出線性響應信號電壓。本發明可以得到理想輸出電壓擺幅，並且可以消除復位噪聲和固定模式噪聲。
【專利說明】線性-對數響應圖像傳感器像素及其信號轉移控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體圖像感測【技術領域】，具體涉及一種具有線性-對數響應的高動態範圍圖像傳感器像素及其信號轉移控制方法。
【背景技術】
[0002]為提高圖像傳感器動態範圍，發明了對數響應像素，典型的對數響應像素架構如圖1所示。光電二極體01反向偏置，陽極接地，陰極與具有二極體連接方式(柵極與漏極相連)的電晶體02的源極相連；電晶體02的漏極接電源電壓VD ;光電二極體01與電晶體02的連接端產生一個隨光強變化的電壓信號，經過讀出電路被讀出，讀出電路通常由源跟隨器03等組成。
[0003]由於光生電流較小，該像素電路的電晶體02工作在亞閾值區，因而輸出電壓信號隨光強變化呈對數響應，該特性可以有效拓展圖像傳感器感光動態範圍，一般大於120dB。但存在許多缺點:輸出電壓擺幅小；漏電流嚴重，弱光探測性能差；無法實現相關雙採樣，固定模式噪聲大。
[0004]目前，一些線性-對數響應技術被提出，希望可以改善對數響應圖像傳感器的某些特性。如 「SensorPixel with Linear and Logarithmic Response」(US6323479Bl,Nov.27，2001)如圖2所示，在典型對數響應像素基礎之上，增加了一個復位電晶體04。復位電晶體04源極與光電二極體01和電晶體02的連接端相連，漏極接電源電壓，柵極由控制信號RST控制其開關狀態。通過引入復位電晶體，使像素電路工作在積分模式下，弱光下呈線性響應，強光下呈對數響應，通過電源電壓VD1、VD2取值來調節響應拐點。該架構可以得到高動態範圍，同時可以採用雙採樣技術降低固定模式噪聲，但是由於復位噪聲具有不相關性，無法被消除，該架構仍然存在嚴重的噪聲問題。另外，雖然有技術提出串聯多個二極體連接方式的電晶體02可以有效提高輸出電壓擺幅，但噪聲問題在這種像素架構中仍然很嚴重。
[0005]另外，在以上線性-對數響應像素架構基礎之上,結合4T像素工作原理，還有人提出另一種改善的線性-對數響應像素，如圖3所示。增加了一個轉移控制柵05，另外，光電二極體01被替換成鉗位光電二極體06。通過一定時序控制，該電路的線性響應信號可以採用相關雙採樣方法讀出，但是對數響應信號只可以進行雙採樣讀出，而無法實現相關雙採樣讀出。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是提供一種能夠實現線性響應信號和對數響應信號相關雙採樣，消除復位噪聲和固定模式噪聲，改善弱光下漏電流問題，同時可以靈活控制線性-對數響應曲線拐點，得到理想輸出電壓擺幅的高動態範圍線性-對數響應圖像傳感器像素。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素包括鉗位光電二極體，第一轉移控制柵，第二轉移控制柵，復位開關，亞閾值工作狀態電晶體，讀出電路；所述鉗位光電二極體反向偏置，陽極接地，陰極與第一轉移控制柵和第二轉移控制柵的一端相連；第一轉移控制柵的另一端與復位開關的一端相連，復位開關的另一端與電源電壓VDl相連；第二轉移控制柵的另一端與亞閾值工作狀態電晶體的源極相連，亞閾值工作狀態電晶體漏極接於電源電壓VD2 ;第一轉移控制柵與復位電晶體的連接端為線性響應信號輸出端，第二轉移控制柵與亞閾值工作狀態電晶體的連接端為對數響應信號輸出端；線性響應信號輸出端和對數響應信號輸出端與讀出電路連接。
[0008]所述亞閾值工作狀態電晶體的柵極和漏極相連。
[0009]所述讀出電路由第一控制開關、第二控制開關，源極跟隨器和行選開關組成；所述第一控制開關、第二控制開關的一端分別與線性響應信號輸出端、對數響應信號輸出端相連，另一端與源極跟隨器的柵極相連；源極跟隨器的漏極與電源電壓VD相連，源極與行選開關的一端相連，行選開關另一端為像素電壓輸出端。
[0010]所述讀出電路還可以由第一源極跟隨器、第二源極跟隨器，對數響應端復位電晶體以及第一行選開關、第二行選開關組成；其中，對數響應端復位開關的一端與電源電壓VD相連，另一端與對數響應信號輸出端相連；第一源極跟隨器、第二源極跟隨器的柵極分另Ij與線性響應信號輸出端、對數響應信號輸出端相連，漏極都與電源電壓VD相連，源極分別與第一行選開關、第二行選開關一端相連；第一行選開關、第二行選開關另一端分別為對數響應像素電壓輸出端、線性響應像素電壓輸出端。
[0011]上述讀出電路包含了一個對數響應端復位開關，可以使對數響應信號輸出端進行快速復位。同時，由於採用雙通道讀出，可以同時選通第一行選開關、第二行選開關，同時讀取對數、線性響應信號。
[0012]所述讀出電路還可以由源極跟隨器和行選開關組成；其中，源極跟隨器的柵極與線性響應信號輸出端和對數響應信號輸出端同時相連，漏極接電源電壓VD，源極與行選開關一端相連；行選開關的另一端為像素電壓輸出端。
[0013]上述線性-對數響應圖像傳感器像素的信號轉移控制方法包括下述步驟:
[0014]步驟一:在積分之前，開啟復位開關，同時開啟第一轉移控制柵，對鉗位光電二極體進行復位；隨後關斷第一轉移控制柵，開始積分；
[0015]步驟二:將復位信號RST拉為低電平關斷復位開關；積分期間第二轉移控制柵半開啟，積分結束時第二轉移控制柵關斷；在第二轉移控制柵關斷之前由讀出電路讀出對數響應信號電壓，在第二轉移控制柵半開啟之後由讀出電路讀出對數響應復位電壓；
[0016]步驟三:將第一轉移控制柵開啟並隨後關斷；在第一轉移控制柵開啟之前由讀出電路讀出線性響應復位電壓，在第一轉移控制柵關斷之後由讀出電路讀出線性響應信號電壓。
[0017]在後續信號處理中分別在對數響應信號電壓中減去對數響應復位電壓，在線性響應信號電壓中減去線性響應復位電壓，即可得到相關雙採樣對數響應像素信號和線性響應像素信號，併合成一副高動態圖像。
[0018]本發明所述的像素電路，相比於一般線性-對數響應像素，其創新點在於引入一個額外的第二轉移控制柵，使對數響應信號與線性響應信號在兩個節點分別獨立輸出。
[0019]本發明所述的像素電路，其創新點還在於，通過調節第二轉移控制柵的柵極信號電平大小，可以靈活控制線性-對數響應曲線拐點，得到理想輸出電壓擺幅。
[0020]另外，本發明所述的像素電路，其創新點還在於，採用一定時序信號，配合讀出電路，可以實現相關雙採樣，消除復位噪聲和固定模式噪聲。
[0021]本發明像素電路工作在積分模式下，弱光下呈線性響應，強光下呈對數響應，改善了弱光下漏電流問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0023]圖1為傳統典型對數響應像素。
[0024]圖2為一種現有技術的線性-對數響應像素。
[0025]圖3為另一種現有技術的線性-對數響應像素。
[0026]圖4為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素結構示意圖。
[0027]圖5為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素工作機理示意圖。
[0028]圖6為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素實施例1結構示意圖。
[0029]圖7為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素實施例1讀出時序示意圖。
[0030]圖8為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素實施例2結構示意圖。
[0031]圖9為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素實施例2讀出時序示意圖。
[0032]圖10為本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素實施例3結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033]如圖4所示，本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素包括鉗位光電二極體12，第一轉移控制柵11，第二轉移控制柵13，復位開關14，亞閾值工作狀態電晶體15，讀出電路16 ;所述第一轉移控制柵11、第二轉移控制柵13、復位開關14和亞閾值工作狀態電晶體15採用MOS管；鉗位光電二極體12反向偏置，陽極接地，陰極與第一轉移控制柵11和第二轉移控制柵13的一端相連；第一轉移控制柵11的另一端與復位開關14的源極相連；復位開關14的漏極與電源電壓VDl相連，柵極由RST控制信號控制其開關狀態；第二轉移控制柵13的另一端與亞閾值工作狀態電晶體15的源極相連，亞閾值工作狀態電晶體15的柵極與漏極相連，漏極接於電源電壓VD2 ;第一轉移控制柵11和第二轉移控制柵13的柵極分別由控制信號TX1、TX2控制其開關狀態；第一轉移控制柵11與復位電晶體14的連接端為線性響應信號輸出端，第二轉移控制柵13與亞閾值工作狀態電晶體15的連接端為對數響應信號輸出端；線性響應信號輸出端和對數響應信號輸出端分別與讀出電路16連接。
[0034]所述亞閾值工作狀態電晶體15還可以採用柵漏不連接，柵極另接一個電壓，通過調整柵電壓與漏電壓來控制電晶體工作在亞閾值狀態，從而仍然實現對數響應的方式。
[0035]本發明的線性-對數響應具體工作機理如圖5所示。第一轉移控制柵11有兩種控制電平，TXl為高電平時控制其開啟(圖中用TXl下的虛線表示高電勢)，TXl為低電平時控制其關斷(圖中用TXl下的實線表示低電勢)。第二轉移控制柵13有兩種控制電平，TX2為半開電平時控制其半開啟(圖中用TX2下的實線表示高電勢)，TX2為低電平時控制其關斷(圖中用TX2下的虛線表示低電勢)；這裡所述的TX2為半開電平指能夠使第二轉移控制柵13處於不完全開啟狀態的電平，而不是指使第二轉移控制柵13處於完全開啟狀態所用高電平電壓的一半；調整半開電平電壓值能夠靈活控制線性-對數響應曲線拐點，得到理想輸出電壓擺幅。工作時，第一轉移控制柵11關斷、第二轉移控制柵13半開啟，鉗位光電二極體12在光照積分期間將積累光生電子，若光生電子累計量在線性響應區間以內，在第一轉移控制柵11開啟之後，可以在右側勢阱內讀出線性響應信號；若光生電子累計量達到對數響應區間，將會產生一個亞閾值電流，使第二轉移控制柵13的另一端電位降低，左側勢阱內產生一個對數響應信號。
[0036]兩個電源電壓VD1、VD2也可以使用相同的電源電壓。
[0037]以下描述僅提供了幾種示例性實施例，向本領域技術人員提供用於實現本發明的幫助性描述，具體還包括使用這幾個實施例線性-對數響應工作機理的幾種像素信號讀出方法。以下描述並非限制本發明的範圍、適用性和配置等。在不脫離權利要求中所闡述的本發明的機理和範圍的情況下，可以對信號的讀出方法進行各種改變。
[0038]實施例1
[0039]如圖6所示，本發明的線性-對數響應圖像傳感器像素包括鉗位光電二極體12，第一轉移控制柵11，第二轉移控制柵13，復位開關14，亞閾值工作狀態電晶體15，讀出電路16 ;所述讀出電路16由第一控制開關17、第二控制開關18，源極跟隨器24和行選開關25組成；所述第一控制開關17、第二控制開關18，源極跟隨器24和行選開關25均採用MOS管，第一控制開關17、第二控制開關18的一端分別與線性響應信號輸出端、對數響應信號輸出端相連，另一端與源極跟隨器24的柵極相連；第一控制開關17、第二控制開關18分別由控制信號S1、S2控制其開關狀態；源極跟隨器24的漏極與電源電壓VD相連，源極與行選開關25的一端相連,行選開關25由控制信號SEL控制其開關狀態,行選開關25另一端為像素電壓輸出端。
[0040]如圖7所示，上述線性-對數響應圖像傳感器像素的信號轉移控制方法如下:
[0041]首先，在積分期間，將復位信號RST拉為高電平，開啟復位開關14 ;同時將TXl拉為高電平，開啟第一轉移控制柵11，對鉗位光電二極體12進行復位；隨後將TXl拉為低電平，關斷第一轉移控制柵11;
[0042]然後，將復位信號RST拉為低電平關斷復位開關14 ；
[0043]將控制信號S2拉為高電平，開啟第二控制開關18 ；
[0044]將控制信號TX2拉為半開電平並隨後拉為低電平使第二轉移控制柵13半開啟並隨後關斷，在將控制信號TX2拉為低電平之前由源極跟隨器24和行選開關25讀出對數響應信號電壓，在將控制信號TX2拉為半開電平之後由源極跟隨器24和行選開關25讀出對數響應復位電壓；
[0045]將控制信號S2拉為低電平關斷第二控制開關18 ；
[0046]將控制信號SI拉為高電平開啟第一控制開關17:
[0047]將控制信號TXl拉為高電平並隨後降為低電平，在將控制信號ΤΠ拉為高電平之前由源極跟隨器24和行選開關25讀出線性響應復位電壓，在將控制信號TXl拉為低電平之後由源極跟隨器24和行選開關25讀出線性響應信號電壓。
[0048]實施例2
[0049]另外，基於本發明線性-對數響應像素的工作機理，提出另一種實施方式如圖8所示。該讀出電路16由第一源極跟隨器21、第二源極跟隨器24，對數響應端復位開關23以及第一行選開關22、第二行選開關25組成。其中，對數響應端復位開關23採用一復位電晶體，該復位電晶體的漏極與電源電壓VD相連，柵極由控制信號RST2控制其開關狀態，源極與對數響應信號輸出端相連；第一源極跟隨器21、第二源極跟隨器24的柵極分別與線性響應信號輸出端、對數響應信號輸出端相連，漏極都與電源電壓VD相連，源極分別與第一行選開關22、第二行選開關25 —端相連；第一行選開關22、第二行選開關25另一端分別為兩個像素電壓輸出端。第一行選開關22、第二行選開關25分別由控制信號SEL1、SEL2控制其開啟和關斷。
[0050]第二種實施方式讀出時序示意圖如圖9所示。增加RST2復位信號可以使對數響應信號輸出端進行快速復位。同時，這種讀出方法由於採用雙通道讀出，可以同時選通SEL1、SEL2，同時讀取兩種響應信號。
[0051]如圖9所示，上述線性-對數響應圖像傳感器像素的信號轉移控制方法如下:
[0052]首先，在積分期間，將復位信號RST拉為高電平，開啟復位開關14 ;同時將TXl拉為高電平，開啟第一轉移控制柵11，對鉗位光電二極體12進行復位；隨後將TXl拉為低電平，關斷第一轉移控制柵11;
[0053]然後，將復位信號RST拉為低電平關斷復位開關14 ；
[0054]將控制信號SEL2拉為高電平，開啟第二行選開關27 ；
[0055]將控制信號TX2拉為半開電平使第二轉移控制柵13半開啟；將控制信號RST2拉為高電平並隨後拉為低電平使對數響應端復位開關23開啟並隨後關斷；將控制信號TX2拉為低電平使第二轉移控制柵13關斷；在將控制信號TX2拉為低電平之前由第二源極跟隨器26和第二行選開關27讀出對數響應信號電壓，在將控制信號TX2拉為半開電平之後由第二源極跟隨器26和第二行選開關27讀出對數響應復位電壓；
[0056]將控制信號SEL2拉為低電平關斷第二行選開關27 ；
[0057]將控制信號SELl拉為高電平開啟第一行選開關22:
[0058]將控制信號TXl拉為高電平並隨後降為低電平，在將控制信號TXl拉為高電平之前由第一源極跟隨器21和第一行選開關22讀出線性響應復位電壓，在將控制信號TXl拉為低電平之後由第一源極跟隨器21和第一行選開關22讀出線性響應信號電壓。
[0059]實施例3
[0060]另外，基於本發明線性-對數響應像素的工作機理，提出第三種實施方式如圖10所示。該讀出電路16由源極跟隨器24和行選開關25組成。其中，源極跟隨器24的柵極與線性響應信號輸出端和對數響應信號輸出端同時相連，漏極接電源電壓VD，源極與行選開關25 —端相連；行選開關25柵極由控制信號SEL控制其開關狀態,另一端為像素電壓輸出端。
【權利要求】
1.一種線性-對數響應圖像傳感器像素包括鉗位光電二極體(12)，第一轉移控制柵(11),復位開關(14)，亞閾值工作狀態電晶體(15)，讀出電路(16);其特徵在於還包括第二轉移控制柵(13)，所述鉗位光電二極體(12)反向偏置，陽極接地，陰極與第一轉移控制柵(11)和第二轉移控制柵(13)的一端相連；第一轉移控制柵(11)的另一端與復位開關(14)的一端相連，復位開關(14)的另一端與電源電壓VDl相連；第二轉移控制柵(13)的另一端與亞閾值工作狀態電晶體(15)的源極相連，亞閾值工作狀態電晶體(15)漏極接於電源電壓VD2 ;第一轉移控制柵(11)與復位電晶體(14)的連接端為線性響應信號輸出端，第二轉移控制柵(13)與亞閾值工作狀態電晶體(15)的連接端為對數響應信號輸出端；線性響應信號輸出端和對數響應信號輸出端與讀出電路(16)連接。
2.根據權利要求1所述的線性-對數響應圖像傳感器像素，其特徵在於所述亞閾值工作狀態電晶體(15)的柵極和漏極相連。
3.根據權利要求1所述的線性-對數響應圖像傳感器像素，其特徵在於所述讀出電路(16)由第一控制開關(17)、第二控制開關(18)，源極跟隨器(24)和行選開關(25)組成；所述第一控制開關(17)、第二控制開關(18)的一端分別與線性響應信號輸出端、對數響應信號輸出端相連，另一端與源極跟隨器(24)的柵極相連；源極跟隨器(24)的漏極與電源電壓VD相連，源極與行選開關(25)的一端相連，行選開關(25)另一端為像素電壓輸出端。
4.根據權利要求1所述的線性-對數響應圖像傳感器像素，其特徵在於所述讀出電路(16)由第一源極跟隨器(21)、第二源極跟隨器(24)，對數響應端復位電晶體(23)以及第一行選開關(22)、第二行選開關(25)組成；其中，對數響應端復位開關(23)的一端與電源電壓VD相連，另一端與對數響應信號輸出端相連；第一源極跟隨器(21)、第二源極跟隨器(24)的柵極分別與線性響應信號輸出端、對數響應信號輸出端相連，漏極都與電源電壓VD相連，源極分別與第一行選開關(22)、第二行選開關(25) —端相連；第一行選開關(22)、第二行選開關(25)另一端分別為對數響應像素電壓輸出端、線性響應像素電壓輸出端。
5.根據權利要求1所述的線性-對數響應圖像傳感器像素，其特徵在於所述讀出電路(16)由源極跟隨器(24)和行選開關(25)組成；其中，源極跟隨器(24)的柵極與線性響應信號輸出端和對數響應信號輸出端同時相連，漏極接電源電壓VD，源極與行選開關(25) —端相連；行選開關(25)的另一端為像素電壓輸出端。
6.一種如權利要求1所述的線性-對數響應圖像傳感器像素的信號轉移控制方法其特徵在於包括下述步驟: 步驟一:在積分之前，開啟復位開關(14);同時開啟第一轉移控制柵(11)，對鉗位光電二極體(12)進行復位；隨後關斷第一轉移控制柵(11)，開始積分； 步驟二:將復位信號RST拉為低電平關斷復位開關(14);積分期間第二轉移控制柵(13)半開啟，積分結束時第二轉移控制柵(13)關斷；在第二轉移控制柵(13)關斷之前由讀出電路(16)讀出對數響應信號電壓，在第二轉移控制柵(13)半開啟之後由讀出電路(16)讀出對數響應復位電壓； 步驟三:將第一轉移控制柵(11)開啟並隨後關斷；在第一轉移控制柵(11)開啟之前由讀出電路(16)讀出線性響應復位電壓，在第一轉移控制柵(11)關斷之後由讀出電路(16讀出線性響應信號電壓。
【文檔編號】H04N5/335GK103533259SQ201310459361
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】王欣洋, 周泉 申請人:長春長光辰芯光電技術有限公司