圖像傳感器及其像素單元的靈敏度控制方法和裝置與流程
2023-05-27 01:01:21 1
本發明涉及圖像處理技術領域，尤其涉及一種圖像傳感器及其像素單元的靈敏度控制方法和裝置。
背景技術：
圖像傳感器電路包含像素單元陣列,其中，一個像素單元包含了3-4個MOS電晶體和一個光電二極體PD(如圖1A所示)。CMOS圖像傳感器發展迅速,於是就要求圖像傳感器在小尺寸像素下要實現高動態範圍，高靈敏度等特性。由於現在對高動態範圍的要求越來越嚴格,相關技術中採用通過一種新的高低靈敏度的操作來實現高低靈敏度，然後運用高低靈敏度的圖像可以合成寬動態圖像。例如，在相關技術中，有通過增加電容的方式來實現低靈敏度的方案,如圖1B的版圖結構示意圖所示(圖1B中版圖結構對應的電路圖如圖1C所示)，通過額外在浮置擴散節點(簡稱為FD)處連接一個可控的MOS電容來實現高低靈敏度轉換。當光線強度超過一個較高值時,光電二極體的電子由於太多而傳輸到FD時會超出FD的最大容量,此時MOS電容開始起作用，FD上多餘的電子就會存儲到MOS電容中,相當於增大了FD的電容，從而就實現了低靈敏度的效果。
上述相關技術中的方案是額外增加了一個MOS電容來實現低靈敏度的,但是當像素麵積固定時,額外增加了一個MOS電容後會佔據原本的一些面積,以及增加MOS電容就需要增加走線進行控制,進一步的增加了所需面積，這樣導致版圖的構造更難，會影響光電二極體的面積，像素的採光面積會有所縮小，電路中的其他MOS管布局走線都要有所改進。因此，高低靈敏度的實現方案有待改進。
技術實現要素：
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出一種圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法，該方法利用傳輸門管的開關/閉合來實現電容的增加/減少進而實現高低靈敏度，無需增加額外的MOS管和走線，簡單易行，且節約了成本。
本發明的第二個目的在於提出一種圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置。
本發明的第三個目的在於提出一種圖像傳感器。
為了實現上述目的，本發明第一方面實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法，所述像素單元包括光電二極體、傳輸門管、復位管、源跟隨管、行選通管和浮置擴散節點，所述靈敏度控制方法，包括以下步驟：控制所述像素單元的傳輸門管和復位管同時導通以對所述像素單元進行復位；控制所述像素單元的傳輸門管和復位管截止，以對所述像素單元進行曝光；在曝光過程中，控制所述復位管先導通再截止以對所述浮置擴散節點進行復位，且在所述復位管截止後採集所述像素單元的第一輸出信號；控制所述傳輸門管導通，並採集所述像素單元的第二輸出信號；控制所述傳輸門管截止，並採集所述像素單元的第三輸出信號；根據所述第一輸出信號、所述第二輸出信號和所述第三輸出信號獲取所述像素單元的低靈敏度數據和高靈敏度數據。
根據本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法，在獲得第一輸出信號後，控制傳輸門管導通並採集像素單元的第二輸出信號，相當於增大了浮置擴散節點的電容，從而實現了低靈敏度的效果，無需增加額外的MOS管和走線，該方法簡單易行，且節約了成本。
為了實現上述目的，本發明第二方面實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置，所述像素單元包括光電二極體、傳輸門管、復位管、源跟隨管、行選通管和浮置擴散節點，所述靈敏度控制裝置包括：復位控制模塊，用於控制所述像素單元的傳輸門管和復位管同時導通以對所述像素單元進行復位；曝光控制模塊，用於控制所述像素單元的傳輸門管和復位管截止，以對所述像素單元進行曝光；第一採集模塊，用於在曝光過程中控制所述復位管先導通再截止以對所述浮置擴散節點進行復位，且在所述復位管截止後採集所述像素單元的第一輸出信號；第二採集模塊，用於控制所述傳輸門管導通，並採集所述像素單元的第二輸出信號；第三採集模塊，用於控制所述傳輸門管截止，並採集所述像素單元的第三輸出信號；獲取模塊，用於根據所述第一輸出信號、所述第二輸出信號和所述第三輸出信號獲取所述像素單元的低靈敏度數據和高靈敏度數據。
根據本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置，在第一採集模塊獲得第一輸出信號後，第二採集模塊控制傳輸門管導通並採集像素單元的第二輸出信號，相當於增大了浮置擴散節點的電容，從而實現了低靈敏度的效果，且像素單元中無需增加額外的MOS管和走線，節約了成本。
為了實現上述目的，本發明第三方面實施例的圖像傳感器，包括本發明第二方面實施例提出的靈敏度控制裝置。
根據本發明實施例的圖像傳感器，由於具有了該靈敏度控制裝置，實現了低靈敏度的效果，且像素單元中無需增加額外的MOS管和走線，節約了成本。
附圖說明
圖1A是傳統的4T像素結構示意圖；
圖1B是相關技術中像素單元的版圖結構示意圖；
圖1C是相關技術中像素單元的電路結構示意圖；
圖2是根據本發明一個實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法的流程圖；
圖3是根據本發明一個實施例的像素單元的電路結構示意圖；
圖4是根據本發明一個實施例的時序示意圖；
圖5是MOS器件的電容-電壓特性關係示意圖；
圖6是根據本發明一個實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置的方框示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
下面參考附圖描述本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法、裝置和圖像傳感器。
圖2是根據本發明一個實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法的流程圖。
其中，本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法中，所採用的像素單元的結構為傳統的4T像素單元結構，如圖3所示，每個像素單元結構都包含傳輸門管(TX)、復位管(RST)、源跟隨管(SF)、行選通管(ROW SELECT)、用於感受光信號的光電二極體(PD)和浮置擴散節點(FD)。其中，VDDP是外部提供給整個像素單元的工作電壓，控制電路提供信號分別控制RST、TX、ROW SELECT的導通與截止來實現後端電路對(VOUT)的採集。
在本發明的一個實施例中，所述傳輸門管、復位管、源跟隨管、行選通管為NMOS電晶體。
如圖2所示，本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法，包括以下步驟：
S1，控制像素單元的傳輸門管和復位管同時導通以對像素單元進行復位。
具體地，將TX管和RST管同時打開，對pixel(像素)進行一次復位。
S2，控制像素單元的傳輸門管和復位管截止，以對像素單元進行曝光。
具體地，在對像素單元進行復位後，閉合TX管和RST管，對pixel進行曝光。
S3，在曝光過程中，控制復位管先導通再截止以對浮置擴散節點進行復位，且在復位管截止後採集像素單元的第一輸出信號。
具體地，在曝光過程中，PD處由於光電效應會產生電子，這一過程中對FD處進行復位(即打開RST管後再閉合)，其中，在RST管閉合後，輸出的電壓信號SHR記為V1，即第一輸出信號。
S4，控制傳輸門管導通，並採集像素單元的第二輸出信號。
具體地，在電壓信號SHR輸出後打開TX管，將PD處產生的電子導入到FD處。其中，在PD處收集好電子後，TX管在打開的時候額外增加一次電壓信號SHS1記為V2的輸出，即第二輸出信號。
S5，控制傳輸門管截止，並採集像素單元的第三輸出信號。
具體地，在閉合TX管後輸出電壓信號SHS記為V3，即第三輸出信號。
S6，根據第一輸出信號、第二輸出信號和第三輸出信號獲取像素單元的低靈敏度數據和高靈敏度數據。
在本發明的一個實施例中，根據第一輸出信號、第二輸出信號和第三輸出信號獲取像素單元的低靈敏度數據和高靈敏度數據，具體包括：獲取第二輸出信號與第一輸出信號的差值，以作為低靈敏度數據；獲取第三輸出信號與第一輸出信號的差值，以作為高靈敏度數據。
在本發明的一個實施例中，還包括：根據高靈敏度數據和低靈敏度數據生成高動態範圍的圖像。
具體地，在相關技術中，由於沒有第二輸出信號的輸出，那麼V3-V1的差值△V即為最終的輸出信號。而在本發明的實施例中，如圖4所示，在TX管在打開的時候額外增加了一次電壓信號SHS1記為V2的輸出，在最後的有效信號輸出採用的就是△V1＝V2-V1。因為在打開TX管的時候，由於TX管本身就是帶有電容的，在TX管導通的時候，電容值會增加，達到一個穩定值，在此時FD處的電容就不僅僅是FD的結電容了，而是要加上TX管處的柵極電容，這樣就達到了增加了FD處實際電容減小靈敏度的效果。在高動態模式的時候就一直採用這種即採用低靈敏度像素輸出，又要高靈敏度像素輸出。最後圖像信息的採集就是通過這樣高低靈敏的數據合成高的動態範圍圖像。
更具體地，TX管是一種MOS管，其電壓-電容特性關係如圖5所示。MOS管的VGS在沒有達到閾值電壓VTH前，MOS管的電容會隨著VGS的上升而不斷增加，當VGS超過VTH時，MOS管中的氧化矽—矽界面就會形成溝道，之後電容值就會穩定在某一範圍內。我們就是運用MOS這一電容電壓特性在TX管打開的時候就是加上了一個電壓值，而此時的TX管電容值就會穩定在一定範圍，CFD為FD處的結電容與TX的柵極電容之和，這就實現了高電容低靈敏度的轉換。
通常情況下，一個畫面中是會有亮的地方也有暗的區域，大的動態範圍的圖像傳感器 就是能夠讓高低靈敏度都呈現在一幅畫面中。如圖4所示，pixel out1是全黑區域的信號輸出，pixel out 2是強光照下pixel達到過飽和區域的信號輸出，pixel out3是一般亮度區域下的信號輸出。在全黑和一般區域下的信號輸出其電壓差值是在規定範圍內，最後能轉換為圖像信息，但是在光照過強的地方，可以看到pixel out2輸出地信號中電壓差值比較大，超出了一定的範圍，此時的最後輸出地圖像區域就會表現為白色，沒有細節信息，這就是由於此時的靈敏度過高導致的。然而在這個時候，通過本發明實施例的方法，我們選擇輸出信號SHS1，實現低靈敏度，這樣採集到的圖像就可呈現出來。
本發明實施例提出的方法不需要增加任何額外的MOS管和走線，利用TX管的開關閉合來實現電容的增加、減少進而實現高低靈敏度。通常情況下CFD就是FD處的結電容，而在本發明的實施例中，利用TX的柵極電容，即CFD為FD處的結電容與TX的柵極電容之和，以此來增加電容值，從而實現低靈敏度。再進一步通過高低靈敏度數據相合成便可達到更大的動態範圍。
本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制方法，在獲得第一輸出信號後，控制傳輸門管導通並採集像素單元的第二輸出信號，相當於增大了浮置擴散節點的電容，從而實現了低靈敏度的效果，無需增加額外的MOS管和走線，該方法簡單易行，且節約了成本。
為了實現上述實施例，本發明還提出了一種圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置。
圖6是根據本發明一個實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置的方框示意圖。
其中，在本發明的實施例中，像素單元的結構為傳統的4T像素單元結構，如圖3所示，每個像素單元結構都包含傳輸門管(TX)、復位管(RST)、源跟隨管(SF)、行選通管(ROW SELECT)、用於感受光信號的光電二極體(PD)和浮置擴散節點(FD)。其中，VDDP是外部提供給整個像素單元的工作電壓，控制電路提供信號分別控制RST、TX、ROW SELECT的導通與截止來實現後端電路對(VOUT)的採集。
在本發明的一個實施例中，所述傳輸門管、復位管、源跟隨管、行選通管為NMOS電晶體。
如圖6所示，本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置，包括：復位控制模塊10、曝光控制模塊20、第一採集模塊30、第二採集模塊40、第三採集模塊50和獲取模塊60。
其中，復位控制模塊10用於控制像素單元的傳輸門管和復位管同時導通以對像素單元進行復位。
具體地，復位控制模塊10控制TX管和RST管同時打開，對pixel(像素)進行一次 復位。
曝光控制模塊20用於控制像素單元的傳輸門管和復位管截止，以對像素單元進行曝光。
具體地，在復位控制模塊10對像素單元進行復位後，曝光控制模塊20控制閉合TX管和RST管，對pixel進行曝光。
第一採集模塊30用於在曝光過程中控制復位管先導通再截止以對浮置擴散節點進行復位，且在復位管截止後採集像素單元的第一輸出信號。
具體地，在曝光過程中，PD處由於光電效應會產生電子，這一過程中第一採集模塊30對FD處進行復位(即控制打開RST管後再閉合)，其中，在RST管閉合後，輸出的電壓信號SHR記為V1，即第一採集模塊30採集到的信號為第一輸出信號V1。
第二採集模塊40用於控制傳輸門管導通，並採集像素單元的第二輸出信號。
具體地，在電壓信號SHR輸出後，第二採集模塊40控制打開TX管，將PD處產生的電子導入到FD處。其中，在PD處收集好電子後，TX管在打開的時候額外增加一次電壓信號SHS1記為V2的輸出，即第二採集模塊40採集到的信號為第二輸出信號V2。
第三採集模塊50用於控制傳輸門管截止，並採集像素單元的第三輸出信號。
具體地，第三採集模塊50在控制閉合TX管後，輸出的電壓信號SHS記為V3，即第三採集模塊50採集到的信號為第三輸出信號V3。
獲取模塊60用於根據第一輸出信號、第二輸出信號和第三輸出信號獲取像素單元的低靈敏度數據和高靈敏度數據。
在本發明的一個實施例中，獲取模塊60，具體用於：獲取第二輸出信號與第一輸出信號的差值，以作為低靈敏度數據，獲取第三輸出信號與第一輸出信號的差值，以作為高靈敏度數據。
在本發明的一個實施例中，獲取模塊60還用於：根據高靈敏度數據和低靈敏度數據生成高動態範圍的圖像。
具體地，在相關技術中，由於沒有第二輸出信號的輸出，那麼V3-V1的差值△V即為最終的輸出信號。而在本發明的實施例中，如圖4所示，在TX管在打開的時候額外增加了一次電壓信號SHS1記為V2的輸出，在最後的有效信號輸出採用的就是△V1＝V2-V1。因為在打開TX管的時候，由於TX管本身就是帶有電容的，在TX管導通的時候，電容值會增加，達到一個穩定值，在此時FD處的電容就不僅僅是FD的結電容了，而是要加上TX管處的柵極電容，這樣就達到了增加了FD處實際電容減小靈敏度的效果。在高動態模式的時候就一直採用這種即採用低靈敏度像素輸出，又要高靈敏度像素輸出。最後圖像信息的採集就是通過這樣高低靈敏的數據合成高的動態範圍圖像。
更具體地，TX管是一種MOS管，其電壓-電容特性關係如圖5所示。MOS管的VGS在沒有達到閾值電壓VTH前，MOS管的電容會隨著VGS的上升而不斷增加，當VGS超過VTH時，MOS管中的氧化矽—矽界面就會形成溝道，之後電容值就會穩定在某一範圍內。我們就是運用MOS這一電容電壓特性在TX管打開的時候就是加上了一個電壓值，而此時的TX管電容值就會穩定在一定範圍，CFD為FD處的結電容與TX的柵極電容之和，這就實現了高電容低靈敏度的轉換。
本發明實施例的圖像傳感器像素單元的靈敏度控制裝置，在第一採集模塊獲得第一輸出信號後，第二採集模塊控制傳輸門管導通並採集像素單元的第二輸出信號，相當於增大了浮置擴散節點的電容，從而實現了低靈敏度的效果，且像素單元中無需增加額外的MOS管和走線，節約了成本。
為了實現上述實施例，本發明還提出了一種圖像傳感器，該圖像傳感器包括上述實施例提出的靈敏度控制裝置。
本發明實施例的圖像傳感器，由於具有了該靈敏度控制裝置，實現了低靈敏度的效果，且像素單元中無需增加額外的MOS管和走線，節約了成本。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖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。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或 斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。