一種像素結構及其多次曝光方法
2023-06-01 17:08:06 1
專利名稱：一種像素結構及其多次曝光方法
技術領域：
本發明涉及CMOS圖像傳感器領域，尤其涉及一種像素結構。
背景技術：
隨著標準CMOS邏輯工藝的持續縮減和CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensors, CIS)製造工藝的不斷改善，CMOS圖像傳感器在功耗、可集成性、隨機尋址等方面相比CXD圖像傳感器具有相對優勢，成為固態圖像傳感器領域的主流器件。CMOS圖像傳感器由像素單元陣列、雙採樣電路、模擬前端處理電路、模擬/數字 (A/D)轉換器、存儲單元以及時序控制電路組成。CMOS圖像傳感器中的像素單元陣列是圖像傳感器中信息採集和轉換的部分，對圖像傳感器的性能起著決定性作用。當前的像素單元結構根據電晶體數量的不同主要分為三管有源像素(3T-APS)、四管有源像素(4T-APS)、五管有源像素(5T-APS)等類型，其中，四管有源像素應用最為廣泛。圖I所示為典型的四管有源像素的結構。四管有源像素由光電二極體(Photodiode, PD)、傳輸管(Transfer Transistor, TX)、浮空擴散區(Floating Diffusion, FD)、復位電晶體(Reset Transistor, RST)、源極跟隨器(Source Follower, SF)、選通管(Select Transistor)構成。傳輸管的漏源兩極分別接到光電二極體的負極和 FD上,這樣就可以通過傳輸管的柵壓來控制光電二極體中的光生電荷是否向FD移動。像素中的復位管的漏極連接在電源電壓VDD，源極連接FD，通過復位管的柵壓控制FD的復位。 由於FD中的信號需要通過一個緩衝器輸出，在像素中採用源極跟隨器來緩衝輸出FD的電壓值。源極跟隨器的漏極接電源電壓VDD，柵極與FD相連，由源極做該緩衝器件的輸出。所以源極跟隨器的源極接一個選通管來控制是否將該像素的信號值輸出到列總線。該選通管漏源兩極分別接源極跟隨器的源極輸出和列總線，柵極接選通控制信號。動態範圍衡量CMOS圖像傳感器性能一個重要指標。動態範圍定義為圖像傳感器最大非飽和信號所對應的光強和最小可探測的光強的比值。然而CMOS圖像傳感器的小尺寸、低電壓等工藝特點限制了像素動態範圍的提高。所以要通過其他的方式來提高動態範圍。很多論文及專利中都採用了一種將長短不同曝光時間的圖像相融合的技術來提升動態範圍。短曝光條件下，信號非飽和的最大光強較大，但其低光照條件下的信號較弱；長曝光條件下，信號非飽和的最大光強較小，而其低光照條件下呈現能力較強；長短曝光融合後的圖像能夠在保證低光照信號較強的情況下獲得較大的信號非飽和最大光強，也就是擴展了動態範圍。但這樣做的代價是要存儲兩幀的信號，並進行數字圖像的處理，增加了圖像傳感器後續處理電路的負擔。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提出一種能夠簡化後續處理電路，提高CMOS圖像傳感器動態範圍的像素結構。本發明的技術方案如下一種像素結構，包括光電二極體H)、傳輸管TX、浮空擴散區FD、復位電晶體RST、源極跟隨器、選通管，傳輸管的漏極和源極分別接到光電二極體的負極和浮空擴散區上，傳輸管的柵壓用來控制光電二極體中的光生電荷是否向浮空擴散區移動；光電二極體的正極接地，形成反偏的二極體；復位管的漏極連接在電源電壓VDD，源極連接浮空擴散區，通過復位管的柵壓控制FD的復位；源極跟隨器的漏極接電源電壓VDD，柵極與浮空擴散區相連，用於緩衝輸出的電壓值；選通管的漏極和源極分別接到接源極跟隨器的源極輸出和列總線， 柵極接選通控制信號，其特徵在於，所述的像素結構，還包括電荷洩放電晶體0F，電荷洩放電晶體的漏極接電源電壓VDD，源極接到光電二極體的負極，通過柵壓來控制光電二極體中光生電荷的洩放程度。本發明同時提供一種採用所述的像素結構實現的多次曝光方法，該方法在一次曝光周期內實現多次曝光，設圖像傳感器需要進行N次長短不同的曝光，其特徵在於，包括下列步驟首先將傳輸管柵壓置為電源電壓，使其導通，ro得到復位；將傳輸管柵電壓置為 0v，開始一次曝光周期的曝光；按照所需多次曝光的曝光時間長短先後進行操作，第一次操作，將OF的柵電壓置為V1，維持時間是第一次所需曝光的曝光時間;第二次操作將OF的柵電壓置為V2，維持時間是第二次所需曝光的曝光時間t2 ;以後各次曝光均如此進行，直至第N次曝光，將OF的柵電壓置為\，維持時間是第N次所需曝光的曝光時間tN。從V1到\，
滿足以下關係，V1SV2S...... > VN，Vn = OJ1到、滿足以下關係，ti>t2>...... >
tN，t2.......tN的和為總的曝光周期的時間，待所有N次操作都結束，傳輸管柵壓置為
電源電壓使其再次導通，PD內電荷流出，即曝光結束，再進行幀讀出的操作。本發明通過在光電二極體負極增加一個洩放電晶體，實現多次曝光信號的像素內疊加，省去了多次讀出再融合的數字電路部分，從而提高了 CMOS圖像傳感器動態範圍。
圖I典型的四管有源像素示意圖。圖2本發明所述的在四管有源像素PD —側添加了洩放管的結構示意圖。圖3(a)不同曝光時間條件下的信號-光強曲線；(b)融合後的信號-光強曲線。圖4兩次曝光情況下的像素工作時序圖。圖5(a)長曝光時的電子電勢能的示意圖；(b)短曝光時的電子電勢能的示意圖。圖6(a)長短兩次曝光條件下的信號-光強曲線；(b)融合後的信號-光強曲線。
具體實施例方式本發明在傳統4T像素基礎上，在光電二極體的負極增加一個電荷洩放 (Overflow, OF)電晶體，洩放管OF的漏極接電源電壓VDD，源極接到光電二極體的負極，通過柵壓來控制光電二極體中光生電荷的洩放程度。本發明的像素結構如圖2所示。洩放管 OF的作用是在長曝光時將H)內的多餘電荷洩放出去。本發明所描述的像素結構及其工作方法適用於通過兩次或者兩次以上不同時長的曝光來擴大動態範圍的圖像傳感器。其工作原理描述如下假設所設計圖像傳感器需要進行N次長短不同的曝光，按照曝光時間長短先後進行，即先進行最長時間的曝光，最後進行最短時間的曝光。第一次曝光，首先將OF的柵電壓置為V1,曝光過程中如果F1D的電壓小於V1-Vth時(Vth為OF管的閾值電壓)，OF管導通,過量電荷將通過OF管洩放掉；第二次曝光，將OF的柵電壓置為V2,曝光過程中如果ro的電壓小於V2-Vth時，OF管導通，過量電荷將通過OF管洩放掉；以後各次曝光均如此進行，第N次曝光，將OF的柵電壓置為VN，曝光過程中如果H)的電壓小於V1-Vth時，OF管導通，過量電荷
將通過OF管洩放掉。以上所述的從Vl到VN，需要滿足以下關係，V1 > V2 >...... > Vno
需要說明的是，在進行第N次曝光的時候，前N-I次的光照信息都存儲在了 H)中，不需要讀出，只是在所有曝光都結束了，再進行幀的讀出。圖3(a)為不同曝光時間所對應的信號-光強曲線，圖3(b)為融合後的信號-光強曲線。圖3(b)中的虛線為傳統像素的信號-光強曲線，其可探測最大光強SPmaxl，實線為本發明改進後的信號-光強曲線，其可探測最大光強為Pmax2。下面以2次曝光為例做具體說明本發明的一種實施方式是採用兩次長短不同的曝光，應用於30幀每秒的VGA解析度的CMOS圖像傳感器。每個像素的最大曝光周期時間為33ms，那麼在這33ms內實現兩次長短不同的曝光，一次時間為30ms，一次為3ms。首先將傳輸管柵壓置為電源電壓，像素復位，再將傳輸管柵壓置為O使其關斷後，曝光開始。曝光的前30ms，將OF管的柵電壓置為
I.5v, OF管閾值為O. 7v，那麼當H)的電壓將在OF管的作用下始終高於或等於O. 8v ；30ms 曝光之後，將OF管的柵電壓置為0v，即將OF管徹底關斷，再進行3ms的短曝光時間。兩次曝光結束後，輸出管柵壓置為電源電壓，使其導通，這意味著一個完整的包含兩次子曝光的曝光周期結束。曝光結束後信號將被讀出。由於長短兩次曝光時間比值為10，那麼動態範圍擴展了 20dB。由於本發明將不同曝光時間的信號都在F1D內疊加,所以在一巾貞時間內F1D只有一次復位，那麼不同曝光的時間由OF的來指示。在兩次曝光情況下，其工作時序如圖4所示， 先進行長曝光，此時OF管的柵加V1電壓。如果再長曝光期間，PD的電壓低於V1-Vth，那麼 OF管將多餘電荷洩放掉，將H)的電位穩定在V1-Vthij長曝光時間結束後，OF管的柵加V2電壓，V2 < V1，在這個短曝光的時間內，光生電荷在長曝光電荷的基礎之上，繼續積累。以上所述工作過程中的電子電勢能的示意圖如圖5所示，(a)圖中的OF柵加了 V1電壓，電荷超過 OF的勢壘後，會將過剩電荷洩放到VDD，(b)圖中的OF柵加了 V2電壓，在長曝光的電荷基礎上，疊加了短曝光的電荷，作為該像素一個完整幀周期內的信號電荷。圖6表示出了兩次曝光信號疊加的方法所形成的最終的信號-光強曲線，Pfflax表示ro飽和時的光照強度。
權利要求
1.一種像素結構，包括光電二極體H)、傳輸管、浮空擴散區FD、復位電晶體、源極跟隨器、選通管，傳輸管的漏極和源極分別接到光電二極體的負極和浮空擴散區上，傳輸管的柵壓用來控制光電二極體中的光生電荷是否向浮空擴散區移動；光電二極體的正極接地，形成反偏的二極體；復位管的漏極連接在電源電壓VDD，源極連接浮空擴散區，通過復位管的柵壓控制FD的復位；源極跟隨器的漏極接電源電壓VDD，柵極與浮空擴散區相連，用於緩衝輸出的電壓值；選通管的漏極和源極分別接到接源極跟隨器的源極輸出和列總線，柵極接選通控制信號，其特徵在於，所述的像素結構，還包括電荷洩放電晶體0F，電荷洩放電晶體 OF的漏極接電源電壓VDD，源極接到光電二極體的負極，通過柵壓來控制光電二極體中光生電荷的洩放程度。
2.一種採用權利要求I所述的像素結構實現的多次曝光方法，該方法在一次曝光周期內實現多次曝光，設圖像傳感器需要進行N次長短不同的曝光，其特徵在於，包括下列步驟首先將傳輸管柵壓置為電源電壓，使其導通，PD得到復位；將傳輸管柵電壓置為0v，開始一次曝光周期的曝光；按照所需多次曝光的曝光時間長短先後進行操作，第一次操作，將 OF的柵電壓置為V1，維持時間是第一次所需曝光的曝光時間h ;第二次操作將OF的柵電壓置為V2，維持時間是第二次所需曝光的曝光時間t2 ;以後各次曝光均如此進行，直至第N次曝光，將OF的柵電壓置為\，維持時間是第N次所需曝光的曝光時間tN。從V1到\，滿足以下關係，V1 > V2 >......〉VN，Vn = 0 ;tx到tN滿足以下關係，> t2 >......〉tN，h、t2.......tN的和為總的曝光周期的時間，待所有N次操作都結束，傳輸管柵壓置為電源電壓使其再次導通，PD內電荷流出，即曝光結束，再進行幀讀出的操作。
全文摘要
本發明屬於CMOS圖像傳感器技術領域，涉及一種像素結構，包括光電二極體、傳輸管、浮空擴散區、復位電晶體、源極跟隨器、選通管和電荷洩放電晶體OF，電荷洩放電晶體的漏極接電源電壓VDD，源極接到光電二極體的負極，通過柵壓來控制光電二極體中光生電荷的洩放程度。本發明同時提供一種利用此種像素結構實現的多次曝光方法。本發明能夠實現多次曝光信號的像素內疊加，省去了多次讀出再融合的數字電路部分，從而提高了CMOS圖像傳感器動態範圍。
文檔編號H04N5/369GK102595059SQ201210045638
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者姚素英, 徐江濤, 徐超, 高岑, 高志遠, 高靜 申請人:天津大學