專利名稱：高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。
技術(shù)背景
眾所周知，圖像傳感器是一種能將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。圖像傳感器大體上可以分為電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，簡(jiǎn)稱“CCD”)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide kmiconductor，簡(jiǎn)稱 “CMOS”)圖像傳感器。
現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器包括CMOS數(shù)模電路和像素單元電路陣列。
根據(jù)其讀出方式，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器大致可以分為無(wú)源式像素傳感器 (Passive Pixel Sensor，簡(jiǎn)稱 “PPS”)、有源式像素傳感器(Active Pixel Sensor，簡(jiǎn)稱 “APS”)和數(shù)字像素傳感器(Digital Pixel Sensor，簡(jiǎn)稱“DPS”)三種類型。
根據(jù)一個(gè)像素單元電路所包含的晶體管的數(shù)目，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器分為3T 型結(jié)構(gòu)和4T型結(jié)構(gòu)，還可以有5T型結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，為一種現(xiàn)有3T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖，包括一個(gè)光電二極管10 (Photo Diode,簡(jiǎn)稱“Pd” )，用于在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所述光電二極管10包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地。
—個(gè)復(fù)位晶體管M1，用于在曝光前對(duì)所述光電二極管10進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位由復(fù)位信號(hào)Reset信號(hào)進(jìn)行控制。在圖1中，所述復(fù)位晶體管Ml選用一個(gè)N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(N Metal-Oxide-Semiconductor，簡(jiǎn)稱“NM0S”)管，所述復(fù)位晶體管Ml的源極和所述光電二極管10的N型區(qū)相連，所述復(fù)位晶體管Ml的源極同時(shí)也為一感應(yīng)節(jié)點(diǎn)Ni，又稱為浮空擴(kuò)散區(qū)(Floating Diffusion，簡(jiǎn)稱“FD”)；所述復(fù)位晶體管Ml的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。當(dāng)所述復(fù)位信號(hào)Reset為高電平時(shí)，所述復(fù)位晶體管Ml導(dǎo)通并將所述光電二極管10的N型區(qū)連接到電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述光電二極管 10反偏并會(huì)清除所述光電二極管10的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。所述復(fù)位晶體管Ml也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成，或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS 管。
一個(gè)放大晶體管M2，也為一源極跟隨器，用于將所述光電二極管10產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大。在圖1中，所述放大晶體管M2選用一 NMOS管，所述放大晶體管M2的柵極接所述光電二極管10的N型區(qū)，所述放大晶體管M2的漏極接所述電源Vdd，所述放大晶體管M2 的源極為放大信號(hào)的輸出端。所述放大晶體管M2也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成、或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成。
一個(gè)行選擇晶體管M3，用于將所述放大晶體管M2的源極輸出的放大信號(hào)輸出。在圖1中，所述行選擇晶體管M3選用一 NMOS管，所述行選擇晶體管M3的柵極接行選擇信號(hào) Rs，所述行選擇晶體管M3的源極接所述放大晶體管M2的源極，所述行選擇晶體管M3的漏極為輸出端。
如圖2所示，為一種現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖。相比于3T型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路結(jié)構(gòu)圖增加了一個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管M4，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4用于將所述光電二極管10產(chǎn)生的電信號(hào)輸入到所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)W。在圖2中，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4選用一 NMOS管，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的柵極接轉(zhuǎn)移信號(hào)TX，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的源極接所述光電二極管10的N型區(qū)，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的漏極接所述復(fù)位晶體管M 1的源極即所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)m。
圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range，簡(jiǎn)稱“DR”)定義為圖像傳感器能夠感知到的最小信號(hào)和最大信號(hào)之間的比值，它表示了圖像傳感器對(duì)于弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)的感知能力。由于CMOS圖像傳感器(APS)采用電荷積分的感光方式，有限的阱容量必然會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍，一般來(lái)說(shuō)CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍在70dB左右，而一般戶外圖像的動(dòng)態(tài)范圍都在 IOOdB以上，人眼的動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到200dB以上。為了實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍畫(huà)面的拍攝，現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器使用對(duì)一幅圖像采用不同曝光時(shí)間來(lái)多次拍攝，將多次拍攝的結(jié)果中暗細(xì)節(jié)與亮細(xì)節(jié)合成得到完整的高動(dòng)態(tài)范圍畫(huà)面。多次曝光采樣技術(shù)是在一個(gè)積分周期內(nèi)對(duì)同一場(chǎng)景進(jìn)行多次曝光，每次曝光時(shí)間不同，長(zhǎng)曝光時(shí)間主要針對(duì)弱光強(qiáng)區(qū)域，短曝光時(shí)間針對(duì)強(qiáng)曝光區(qū)域，生成的多幅圖像通過(guò)后端電路或軟件算法進(jìn)行合成，在不損失信噪比的基礎(chǔ)上可以獲得高動(dòng)態(tài)的圖像。
但是本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的采用不同曝光時(shí)間多次拍攝的技術(shù)處理的數(shù)據(jù)量大，需要多幅圖像進(jìn)行緩存，需要用到大量的存儲(chǔ)單元，而且速度受到限制。同時(shí)，在多次曝光期間，要求場(chǎng)景必須保持靜止，否則合成后的圖像質(zhì)量大大下降。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器及其控制方法，可以提升高動(dòng)態(tài)范圍工作模式下圖像傳感器的工作速度。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施方式公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，包括控制單元和多個(gè)像元，其中每個(gè)像元中包括
N個(gè)感光器件，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中N為大于1的整數(shù)；
一個(gè)浮空擴(kuò)散區(qū)，用于作為一個(gè)電容存儲(chǔ)來(lái)自N個(gè)感光器件的電荷；
N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管，與N個(gè)感光器件一一對(duì)應(yīng)，分別連接在對(duì)應(yīng)的感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間，用于根據(jù)該轉(zhuǎn)移晶體管柵極上的控制信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接；
一個(gè)復(fù)位晶體管，與浮空擴(kuò)散區(qū)連接，用于對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位；
一個(gè)放大晶體管，其柵極與浮空擴(kuò)散區(qū)連接，用于對(duì)來(lái)自浮空擴(kuò)散區(qū)的電信號(hào)進(jìn)行放大后通過(guò)源極或漏極輸出；
控制單元用于提供N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管柵極上的控制信號(hào)，在每個(gè)積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時(shí)序先后打開(kāi)N個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接。
本發(fā)明的實(shí)施方式還公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法，用于如上文所述圖像傳感器，該方法包括以下步驟
在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟
通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，持續(xù)預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后關(guān)閉該連接，對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀取，通過(guò)復(fù)位晶體管對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行第i次復(fù)位。
本發(fā)明的實(shí)施方式還公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法，用于如上文所述的圖像傳感器，該方法包括以下步驟
在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟
通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，持續(xù)預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后關(guān)閉該連接，對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀?。?br>
在完成對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)的第N次讀取后，通過(guò)復(fù)位晶體管對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
本發(fā)明的實(shí)施方式還公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法，用于如上文所述的圖像傳感器，該方法包括以下步驟
在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟
通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀取；
在完成對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)的第N次讀取后，分別通過(guò)N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉與轉(zhuǎn)移晶體管相對(duì)應(yīng)的感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接；通過(guò)復(fù)位晶體管對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
本發(fā)明實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于
在每一個(gè)像元中設(shè)置多個(gè)感光器件和轉(zhuǎn)移晶體管，每個(gè)積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時(shí)序先后打開(kāi)各感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對(duì)各感光器件先后進(jìn)行讀取，在讀取某個(gè)感光器件的過(guò)程中，其他的感光器件仍在積分(累積電荷)，并行的積分能夠減少操作總時(shí)間，可以提升高動(dòng)態(tài)范圍工作模式下圖像傳感器的工作速度。
有三種控制和讀取的方式
方式一是每次只讀取來(lái)自一個(gè)感光器件的信號(hào)，讀完后復(fù)位，每次采樣的信號(hào)來(lái)源比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化多次采樣計(jì)算單元的算法。
方式二是依次打開(kāi)和關(guān)閉各個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，在讀取完來(lái)自所有感光器件的信號(hào)后，再進(jìn)行復(fù)位，相對(duì)于方式一，從第2次讀取開(kāi)始，所讀取的電信號(hào)不僅包括了最近打開(kāi)的感光器件的貢獻(xiàn)，還包括了同一積分周期中之前打開(kāi)的各感光器件的貢獻(xiàn)，對(duì)于同樣的光強(qiáng)度可以讀取到更強(qiáng)的電信號(hào)，提高了檢測(cè)弱光的能力，進(jìn)一步擴(kuò)大了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
方式三是依次打開(kāi)各個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，打開(kāi)后不關(guān)閉也不復(fù)位，在讀取完來(lái)自所有感光器件的信號(hào)后，再進(jìn)行關(guān)閉和復(fù)位，相對(duì)于方式一和方式二，從第2次讀取開(kāi)始，所讀取的電信號(hào)不僅包括了最近打開(kāi)的感光器件的貢獻(xiàn)，還包括了同一積分周期中之前打開(kāi)的各感光器件的貢獻(xiàn)，更重要的是，之前打開(kāi)的各感光器件在打開(kāi)之后還在持續(xù)地向浮空擴(kuò)散區(qū)提供光生電荷。在一個(gè)積分周期最后一次讀取時(shí)，得到的信號(hào)是全部N個(gè)感光器件在整個(gè)積分周期內(nèi)的貢獻(xiàn)值，對(duì)于同樣的光強(qiáng)度可以讀取到的電信號(hào)比方式一和方式二都要更強(qiáng)，進(jìn)一步提高了檢測(cè)弱光的能力，擴(kuò)大了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
進(jìn)一步地，兩層微透鏡的結(jié)構(gòu)，可以將同一點(diǎn)上的光信號(hào)分配到屬于同一個(gè)像元的各個(gè)感光器件，保證同一像元的各個(gè)感光器件接收到的光信號(hào)是相同的，提高了傳感器對(duì)光信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。如果不使用微透鏡的話，因?yàn)槎鄠€(gè)感光器件感光的位置不同，各感光器件所檢測(cè)到的光信號(hào)可能是不同的。
進(jìn)一步地，采用不同靈敏度的感光器件，越早被讀取的感光器件采用越低的光強(qiáng)靈敏度，在強(qiáng)光下不容易發(fā)生飽和，越晚被讀取的感光器件采用越高的光強(qiáng)靈敏度，對(duì)同樣的弱光可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，從而進(jìn)一步提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)然，在同一像元中使用不同靈敏度的感光器件后，在利用多次曝光圖像融合的算法計(jì)算光強(qiáng)度時(shí)要考慮靈敏度的因素，例如，如果要對(duì)各次讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和的話，權(quán)重因子要考慮靈敏度的因素，原則上靈敏度越低的感光器件對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子應(yīng)當(dāng)越大。
進(jìn)一步地，對(duì)不同強(qiáng)弱的光，不僅在曝光時(shí)間上區(qū)別對(duì)待，而且在感光面積上也可以進(jìn)一步區(qū)別對(duì)待，對(duì)強(qiáng)光不但適用短時(shí)間，而且適用小面積的感光器件，使相同的強(qiáng)光下產(chǎn)生的電信號(hào)更弱，對(duì)弱光不但適用長(zhǎng)時(shí)間，而且適用大面積的感光器件，對(duì)同樣的弱光可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，從而進(jìn)一步提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)然，在同一像元中使用不同面積的感光器件后，在利用多次曝光圖像融合的算法計(jì)算光強(qiáng)度時(shí)要考慮面積的因素， 例如，如果要對(duì)各次讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和的話，權(quán)重因子要考慮面積的因素，原則上面積越小的感光器對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子應(yīng)當(dāng)越大。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種3T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖2是現(xiàn)有技術(shù)中一種4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式中一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)圖4是本發(fā)明第一實(shí)施方式中一種兩層微透鏡結(jié)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的俯視圖5是本發(fā)明第一實(shí)施方式中一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的微透鏡結(jié)構(gòu)截面圖6是本發(fā)明第二實(shí)施方式中一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法的時(shí)序圖7是本發(fā)明第三實(shí)施方式中一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法的時(shí)序圖8是本發(fā)明第四實(shí)施方式中一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒(méi)有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。7
本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。圖3是該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體地說(shuō)，該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器包括控制單元和多個(gè)像元，其中每個(gè)像元中包括
N個(gè)感光器件，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中N為大于1的整數(shù)。
在這里，感光器件優(yōu)選為感光二極管，N優(yōu)選為4。如圖3中1、2、3和4所示。
當(dāng)然，在本發(fā)明的其它某些實(shí)施方式中，感光器件也可以不限于感光二極管，個(gè)數(shù)也可以不是4個(gè)，而可以是2個(gè)、3個(gè)、5個(gè)或6個(gè)等等。
一個(gè)浮空擴(kuò)散區(qū)FD，用于作為一個(gè)電容存儲(chǔ)來(lái)自N個(gè)感光器件的電荷。浮空擴(kuò)散區(qū)是一個(gè)摻雜區(qū)，圖3中的電容FD以虛線表示，是因這個(gè)電容并不是一個(gè)獨(dú)立的電容，而是該摻雜區(qū)的PN結(jié)電容。
N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管，與N個(gè)感光器件一一對(duì)應(yīng)，分別連接在對(duì)應(yīng)的感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間，用于根據(jù)該轉(zhuǎn)移晶體管柵極上的控制信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接。
相應(yīng)地，N的個(gè)數(shù)也優(yōu)選為4個(gè)，如圖3中TX1、TX2、TX3和TX4所示。
一個(gè)復(fù)位晶體管RST，與浮空擴(kuò)散區(qū)FD連接，用于對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)FD進(jìn)行復(fù)位。
一個(gè)放大晶體管Amp，其柵極與浮空擴(kuò)散區(qū)FD連接，用于對(duì)來(lái)自浮空擴(kuò)散區(qū)FD的電信號(hào)進(jìn)行放大后通過(guò)源極或漏極輸出。
控制單元，用于提供N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管柵極上的控制信號(hào)，在每個(gè)積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時(shí)序先后打開(kāi)N個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)FD之間的連接。
在本實(shí)施方式中，N個(gè)感光器件對(duì)光強(qiáng)度的靈敏度不同，按預(yù)定時(shí)序越早被打開(kāi)的轉(zhuǎn)移晶體管所對(duì)應(yīng)的感光器件對(duì)光強(qiáng)度的靈敏度越低。按預(yù)定時(shí)序越早被打開(kāi)的轉(zhuǎn)移晶體管所對(duì)應(yīng)的感光器件就是越早被讀取的感光器件。
感光器件對(duì)光強(qiáng)度的靈敏度指相同的光強(qiáng)度可以得到的電信號(hào)大小，如果相同的光強(qiáng)度得到的電信號(hào)越大，則靈敏度越高。
采用不同靈敏度的感光器件，越早被讀取的感光器件采用越低的光強(qiáng)靈敏度，在強(qiáng)光下不容易發(fā)生飽和，越晚被讀取的感光器件采用越高的光強(qiáng)靈敏度，對(duì)同樣的弱光可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，從而進(jìn)一步提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)然，在同一像元中使用不同靈敏度的感光器件后，在利用多次曝光圖像融合的算法計(jì)算光強(qiáng)度時(shí)要考慮靈敏度的因素，例如，如果要對(duì)各次讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和的話，權(quán)重因子要考慮靈敏度的因素，原則上靈敏度越低的感光器件對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子應(yīng)當(dāng)越大。
在本發(fā)明的其它某些實(shí)施方式中，各感光器件對(duì)光強(qiáng)度的靈敏度也可以是相同的，這種情況下制造會(huì)比較容易。
在本實(shí)施方式中，N個(gè)感光器件的感光面積不同，按預(yù)定時(shí)序越早被打開(kāi)的轉(zhuǎn)移晶體管所對(duì)應(yīng)的感光器件的感光面積越小。
此外，可以理解，用于讀取強(qiáng)光信號(hào)的感光器件(越早被讀取的感光器件)可以通過(guò)提高摻雜濃度等方式增加感光器件的阱容量，以減少飽和的機(jī)會(huì)。
對(duì)不同強(qiáng)弱的光，不僅在曝光時(shí)間上區(qū)別對(duì)待，而且在感光面積上也可以進(jìn)一步區(qū)別對(duì)待，對(duì)強(qiáng)光不但適用短時(shí)間，而且適用小面積的感光器件，使相同的強(qiáng)光下產(chǎn)生的電信號(hào)更弱，對(duì)弱光不但適用長(zhǎng)時(shí)間，而且適用大面積的感光器件，對(duì)同樣的弱光可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，從而進(jìn)一步提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)然，在同一像元中使用不同面積的感光器件后，在利用多次曝光圖像融合的算法計(jì)算光強(qiáng)度時(shí)要考慮面積的因素，例如，如果要對(duì)各次讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和的話，權(quán)重因子要考慮面積的因素，原則上面積越小的感光器對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子應(yīng)當(dāng)越大。
在本發(fā)明的其它某些實(shí)施方式中，各感光器件的感光面積也可以是相同的，這種情況下制造會(huì)比較容易。
預(yù)定時(shí)序的規(guī)定沒(méi)有特別的限制，對(duì)于N = 4的情況，可以設(shè)置1T、2T、4T和8Τ四個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)各感光器件進(jìn)行讀取(包括打開(kāi)相應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管和讀取浮空擴(kuò)散區(qū)中的電信號(hào))，T為基本時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)然也可以是其它的時(shí)序，例如1Τ、4Τ、8Τ和16Τ，又如對(duì)于N = 3的情況，可以設(shè)置1Τ、3Τ和9Τ三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，等等。
如圖3中所示，Μ1、Μ2、Μ3、Μ4和Μ5為行或列的選擇晶體管，晶體管Μ6和Μ7相當(dāng)于讀取電路的電流源，虛線表示總線。
此外，還包括多次采樣計(jì)算單元，用于在一個(gè)積分周期內(nèi)根據(jù)預(yù)定時(shí)序多次讀取放大晶體管輸出的電信號(hào)，按多次曝光圖像融合的算法計(jì)算得到光強(qiáng)度，多次曝光圖像融合的算法可以提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
多次曝光圖像融合的算法是一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)。例如一種典型的做法是，將在一個(gè)積分周期內(nèi)先后讀取的信號(hào)分別乘以不同的權(quán)重系數(shù)后相加，一般越早讀取的信號(hào)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)越大，具體的權(quán)重系數(shù)大小取決于信號(hào)所對(duì)應(yīng)的積分時(shí)間、感光區(qū)域大小、感光器件靈敏度等因素。優(yōu)選地，還可以對(duì)讀取的各信號(hào)是否飽和分別進(jìn)行判斷，在發(fā)現(xiàn)某信號(hào)已飽和時(shí)進(jìn)行修正處理。本專利的主要發(fā)明點(diǎn)并不在于如何改進(jìn)多次曝光圖像融合的算法，而是在于如何提供供多次曝光圖像融合的算法使用的有效信號(hào)，所以這里對(duì)多次曝光圖像融合的算法就不詳述了。
在高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的芯片上，疊加了兩層微透鏡，離感光器件較遠(yuǎn)的第一層是一個(gè)微透鏡，離感光器件較近的第二層是N個(gè)微透鏡，分別對(duì)應(yīng)N個(gè)感光器件，輸入光通過(guò)第一層的微透鏡進(jìn)行采樣后透過(guò)第二層N個(gè)微透鏡照射到N個(gè)感光器件上。
圖4是該兩層微透鏡結(jié)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的俯視圖。圖5是該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的微透鏡結(jié)構(gòu)截面圖。
兩層微透鏡的結(jié)構(gòu)，可以將同一點(diǎn)上的光信號(hào)分配到屬于同一個(gè)像元的各個(gè)感光器件，保證同一像元的各個(gè)感光器件接收到的光信號(hào)是相同的，提高了傳感器對(duì)光信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。如果不使用微透鏡的話，因?yàn)槎鄠€(gè)感光器件感光的位置不同，各感光器件所檢測(cè)到的光信號(hào)可能是不同的。
兩層微透鏡的制作是一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)，不屬于COMS工藝，是在封裝過(guò)程中疊加在 CMOS芯片上的。光通過(guò)第一層微透鏡采樣，然后通過(guò)第二層微透鏡分別進(jìn)入各個(gè)感光器件。
在本發(fā)明的其它某些實(shí)施方式中，兩層微透鏡可以是一層，也可以沒(méi)有。
兩層微透鏡的形狀優(yōu)選為圓形。在本發(fā)明的其它某些實(shí)施方式中，微透鏡的形狀也可以為方形或橢圓形等等。
在每一個(gè)像元中設(shè)置多個(gè)感光器件和轉(zhuǎn)移晶體管，每個(gè)積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時(shí)序先后打開(kāi)各感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對(duì)各感光器件先后進(jìn)行讀取，在讀取某個(gè)感光器件的過(guò)程中，其他的感光器件仍在積分，并行的積分能夠減少操作總時(shí)間，可以提升高動(dòng)態(tài)范圍工作模式下圖像傳感器的工作速度。
本發(fā)明第二實(shí)施方式涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法。圖6是該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法的時(shí)序圖。該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法用于如上文所述的圖像傳感器。
所述方法包括以下步驟
在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟
通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，持續(xù)預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后關(guān)閉該連接，對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀取，通過(guò)復(fù)位晶體管對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行第i次復(fù)位。
具體地說(shuō)，對(duì)于N個(gè)感光器件，
先打開(kāi)第一個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，然后再關(guān)閉第一個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，讀出放大晶體管輸出的電信號(hào)，最后再對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位；
接下來(lái)，再打開(kāi)第二個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，然后再關(guān)閉第二個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，讀出放大晶體管輸出的電信號(hào)，最后再對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位；
依次類推，直到將來(lái)自N個(gè)感光器件的信號(hào)全部讀完。
每次只讀取來(lái)自一個(gè)感光器件的信號(hào)，讀完后復(fù)位，每次采樣的信號(hào)來(lái)源比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化多次采樣計(jì)算單元的算法。
此外，可以理解，讀取的放大晶體管輸出的電信號(hào)，作為采樣數(shù)據(jù)供多次采樣單元計(jì)算光強(qiáng)度使用。
本實(shí)施方式是與第一實(shí)施方式相對(duì)應(yīng)的方法實(shí)施方式，本實(shí)施方式可與第一實(shí)施方式互相配合實(shí)施。第一實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第一實(shí)施方式中。
本發(fā)明第三實(shí)施方式涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法。圖7是該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法的時(shí)序圖。該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法用于如上文的圖像傳感器。
方法包括以下步驟
在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟
通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，持續(xù)預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后關(guān)閉該連接，對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀取。
在完成對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)的第N次讀取后，通過(guò)復(fù)位晶體管對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
具體地說(shuō)，對(duì)于N個(gè)感光器件，
先打開(kāi)第一個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，然后再關(guān)閉第一個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，讀出放大晶體管輸出的電信號(hào)；CN 102547159 A
接下來(lái)，再打開(kāi)第二個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，然后再關(guān)閉第二個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，讀出放大晶體管輸出的電信號(hào)；
依次類推，直到將來(lái)自N個(gè)感光器件的信號(hào)全部讀完后，再對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
在本實(shí)施方式中，依次打開(kāi)和關(guān)閉各個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，在讀取完來(lái)自所有感光器件的信號(hào)后，再進(jìn)行復(fù)位，相對(duì)于第二實(shí)施方式，從第2次讀取開(kāi)始， 所讀取的電信號(hào)不僅包括了最近打開(kāi)的感光器件的貢獻(xiàn)，還包括了同一積分周期中之前打開(kāi)的各感光器件的貢獻(xiàn)，對(duì)于同樣的光強(qiáng)度可以讀取到更強(qiáng)的電信號(hào)，提高了檢測(cè)弱光的能力，進(jìn)一步擴(kuò)大了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
本實(shí)施方式是與第一實(shí)施方式相對(duì)應(yīng)的方法實(shí)施方式，本實(shí)施方式可與第一實(shí)施方式互相配合實(shí)施。第一實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第一實(shí)施方式中。
本發(fā)明第四實(shí)施方式涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法。圖8是該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法的時(shí)序圖。該高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法用于如上文的圖像傳感器。
方法包括以下步驟
在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟
通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀取。
在完成對(duì)放大晶體管輸出的電信號(hào)的第N次讀取后，分別通過(guò)N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉與轉(zhuǎn)移晶體管相對(duì)應(yīng)的感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接；通過(guò)復(fù)位晶體管對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
具體地說(shuō)，對(duì)于N個(gè)感光器件，
先打開(kāi)第一個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，讀出放大晶體管輸出的電信號(hào)；
接下來(lái)，再打開(kāi)第二個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，讀出放大晶體管輸出的電信號(hào)；
依次類推，直到將來(lái)自N個(gè)感光器件的信號(hào)全部讀完后，再關(guān)閉N個(gè)感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，最后對(duì)浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
在本實(shí)施方式中，依次打開(kāi)各個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，打開(kāi)后不關(guān)閉也不復(fù)位，在讀取完來(lái)自所有感光器件的信號(hào)后，再進(jìn)行關(guān)閉和復(fù)位，相對(duì)于第二實(shí)施方式和第三實(shí)施方式，從第2次讀取開(kāi)始，所讀取的電信號(hào)不僅包括了最近打開(kāi)的感光器件的貢獻(xiàn)，還包括了同一積分周期中之前打開(kāi)的各感光器件的貢獻(xiàn)，更重要的是，之前打開(kāi)的各感光器件在打開(kāi)之后還在持續(xù)地向浮空擴(kuò)散區(qū)提供光生電荷。在一個(gè)積分周期最后一次讀取時(shí)，得到的信號(hào)是全部N個(gè)感光器件在整個(gè)積分周期內(nèi)的貢獻(xiàn)值，對(duì)于同樣的光強(qiáng)度可以讀取到的電信號(hào)比方式一和方式二都要更強(qiáng)，進(jìn)一步提高了檢測(cè)弱光的能力，擴(kuò)大了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
本實(shí)施方式是與第一實(shí)施方式相對(duì)應(yīng)的方法實(shí)施方式，本實(shí)施方式可與第一實(shí)施方式互相配合實(shí)施。第一實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第一實(shí)施方式中。
雖然通過(guò)參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施方式，已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，包括控制單元和多個(gè)像元，其中每個(gè)像元中包括N個(gè)感光器件，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中N為大于1的整數(shù)；一個(gè)浮空擴(kuò)散區(qū)，用于作為一個(gè)電容存儲(chǔ)來(lái)自所述N個(gè)感光器件的電荷；N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管，與所述N個(gè)感光器件一一對(duì)應(yīng)，分別連接在對(duì)應(yīng)的感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間，用于根據(jù)該轉(zhuǎn)移晶體管柵極上的控制信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉對(duì)應(yīng)的感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接；一個(gè)復(fù)位晶體管，與所述浮空擴(kuò)散區(qū)連接，用于對(duì)所述浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位；一個(gè)放大晶體管，其柵極與所述浮空擴(kuò)散區(qū)連接，用于對(duì)來(lái)自所述浮空擴(kuò)散區(qū)的電信號(hào)進(jìn)行放大后通過(guò)源極或漏極輸出；所述控制單元用于提供所述N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管柵極上的控制信號(hào)，在每個(gè)積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時(shí)序先后打開(kāi)所述N個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，在所述高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的芯片上，疊加了兩層微透鏡，離感光器件較遠(yuǎn)的第一層是一個(gè)微透鏡，離感光器件較近的第二層是N個(gè)微透鏡，分別對(duì)應(yīng)N個(gè)感光器件，輸入光通過(guò)第一層的微透鏡進(jìn)行采樣后透過(guò)第二層N個(gè)微透鏡照射到N個(gè)感光器件上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，還包括多次采樣計(jì)算單元，用于在一個(gè)積分周期內(nèi)根據(jù)預(yù)定時(shí)序多次讀取放大晶體管輸出的電信號(hào)，按多次曝光圖像融合的算法計(jì)算得到光強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，兩層微透鏡的形狀為圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，所述感光器件的個(gè)數(shù)為4個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，所述N個(gè)感光器件對(duì)光強(qiáng)度的靈敏度不同，按所述預(yù)定時(shí)序越早被打開(kāi)的轉(zhuǎn)移晶體管所對(duì)應(yīng)的感光器件對(duì)光強(qiáng)度的靈敏度越低。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器，其特征在于，所述N個(gè)感光器件的感光面積不同，按所述預(yù)定時(shí)序越早被打開(kāi)的轉(zhuǎn)移晶體管所對(duì)應(yīng)的感光器件的感光面積越小。
8.一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法，用于如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于，所述方法包括以下步驟在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，持續(xù)預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后關(guān)閉該連接，對(duì)所述放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀取，通過(guò)所述復(fù)位晶體管對(duì)所述浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行第i次復(fù)位。
9.一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法，用于如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于，所述方法包括以下步驟在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，持續(xù)預(yù)定時(shí)長(zhǎng)后關(guān)閉該連接，對(duì)所述放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀??；在完成對(duì)所述放大晶體管輸出的電信號(hào)的第N次讀取后，通過(guò)所述復(fù)位晶體管對(duì)所述浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
10. 一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器的控制方法，用于如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于，所述方法包括以下步驟在一個(gè)積分周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)定時(shí)序，按照i從1到N依次遞增的順序，反復(fù)執(zhí)行以下步驟通過(guò)與第i個(gè)感光器件對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移晶體管打開(kāi)第i個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對(duì)所述放大晶體管輸出的電信號(hào)進(jìn)行第i次讀??；在完成對(duì)所述放大晶體管輸出的電信號(hào)的第N次讀取后，分別通過(guò)N個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管關(guān)閉對(duì)應(yīng)的N個(gè)感光器件與所述浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接；通過(guò)所述復(fù)位晶體管對(duì)所述浮空擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行復(fù)位。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器及其控制方法。本發(fā)明中，在每一個(gè)像元中設(shè)置多個(gè)感光器件和轉(zhuǎn)移晶體管，每個(gè)積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時(shí)序先后打開(kāi)各感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對(duì)各感光器件先后進(jìn)行讀取，在讀取某個(gè)感光器件的過(guò)程中，其他的感光器件仍在積分，并行的積分能夠減少操作總時(shí)間，可以提升高動(dòng)態(tài)范圍工作模式下圖像傳感器的工作速度。還采用了兩層微透鏡的結(jié)構(gòu)，可以使同一個(gè)像元中的各感光器件采樣同一點(diǎn)的光信號(hào)，提高了圖像傳感器對(duì)光信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。
文檔編號(hào)H04N5/355GK102547159SQ201210035539
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月16日
發(fā)明者方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂(lè), 陳杰 申請(qǐng)人:上海中科高等研究院