[發(fā)明專利]超高清CMOS圖像傳感器像素電路及其控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310382041.7
• 申請(qǐng)日: 2013-08-28
• 公開（公告）號(hào): CN104427270A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘松延;蘇威積;裴彥杰;林秀春;肖鵬;張力;黃敏君;董一伯;杜麗;鄧超;劉攀;孟飛;董博;趙薇;牛坤;張健;劉雨睿;王東東;張春杰;黃傳鶴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所;北京航天愛威電子技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): H04N5/374
• 分類號(hào): H04N5/374
• 代理公司: 北京律誠同業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11006
• 代理人: 梁揮;祁建國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像傳感領(lǐng)域，具體涉及針對(duì)超高清需求的關(guān)于CMOS圖像傳感器識(shí)別超低照度可見光的像素結(jié)構(gòu)和電路的改進(jìn)及電路的控制方法。

背景技術(shù)

近幾年來，隨著監(jiān)控應(yīng)用范圍及內(nèi)涵的擴(kuò)展，特別是全高清和超高清攝像機(jī)的廣泛應(yīng)用，多媒體的數(shù)據(jù)量越來越大，對(duì)視頻采集終端提出了更多、更高的要求，特別是面臨如道路、小區(qū)夜間監(jiān)控等低照度情況下，甚至是井下巷道、隧道等超低照度環(huán)境下的監(jiān)控困難的問題。超低照度攝像機(jī)的產(chǎn)生，就是在解決這種超低照度特殊環(huán)境應(yīng)用而產(chǎn)生的一種產(chǎn)品，它的主要優(yōu)勢(shì)就是在光照很低的環(huán)境中，能做到盡量強(qiáng)化照度而攝到被監(jiān)控對(duì)象。

目前，改善低照度成像效果的手段主要從以下幾個(gè)方面考慮：

1）增大圖像傳感器的靶面：增大圖像傳感器的靶面等于增大感光面積，在一定程度上提升了低照效果。缺點(diǎn)：增大了攝像機(jī)體積、增加了成本造價(jià)。

2）彩色轉(zhuǎn)黑白：目前低照度的攝像機(jī)都采用這一技術(shù)來提升照度，以及配合紅外燈的使用。其常見的轉(zhuǎn)換技術(shù)也有兩種：一種是采用紅外濾光片開合及電路配合的方式，來進(jìn)行彩色/黑白影像的切換；另一種只是利用數(shù)字電路將彩色信號(hào)消除掉，成為黑白影像，沒有紅外濾光片這一元器件。目前高端的彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)多采用前一種切換技術(shù)，以保證顏色還原和清晰度，而一些低端的彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)則采用后一技術(shù)，但極易造成白天彩色模式下影像模糊，色彩不自然的問題。

3）慢快門技術(shù)：慢快門的啟動(dòng)使得實(shí)時(shí)性急劇減弱，造成嚴(yán)重的拖尾和動(dòng)畫，所以只是適用于禁止紅、紫外線破壞的博物館，夜間生物活動(dòng)觀察，夜間軍事海岸線監(jiān)視等，屬性較靜態(tài)場(chǎng)所的監(jiān)視，其他實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)境中則不太適用，如夜間小區(qū)監(jiān)控可以使用這種技術(shù)，因?yàn)楸O(jiān)控的人流移動(dòng)速度較慢，而夜間道路監(jiān)控由于車流移動(dòng)速度較快就不提倡使用這種技術(shù)。

4）自動(dòng)增益功能（AGC）：從了解的情況來看，各個(gè)廠家增益靈敏度（DB值）的設(shè)計(jì)都不一樣，有的DB值做的較高，有的DB值做的較低。當(dāng)然自動(dòng)增益功能（AGC）放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但照度方面的改善還是非常明顯的。

5）數(shù)字降噪技術(shù)：從目前一些高檔低照攝像機(jī)的數(shù)字降噪的表現(xiàn)來看，數(shù)字降噪可以在噪點(diǎn)較多的情況下（特別是AGC啟動(dòng)時(shí)），較好的改善圖像的潔凈度和清晰度，從而提升了低照成像效果。

以上技術(shù)只能在一定的光照基礎(chǔ)上達(dá)到低照度可見，本發(fā)明通過改變圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)和電路實(shí)現(xiàn)了從10⁴至10⁵的亮度增益，達(dá)到10^-3lx超低照度下可見光的目的。本發(fā)明還采用了相關(guān)雙采樣的方法降低了由于電子倍增所帶來的固態(tài)噪音。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種新型的超高清CMOS圖像傳感器像素電路及其控制方法，用于以低固態(tài)噪聲實(shí)現(xiàn)超高清CMOS圖像傳感器對(duì)超低照度可見光的識(shí)別。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，包括：感光元件、傳輸管、單通道電子倍增器、浮置擴(kuò)散放大器、相關(guān)雙采樣電路、行選擇管、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；

光電二極管與傳輸管的一端相連，傳輸管的另一端與單通道電子倍增器相連，浮置擴(kuò)散放大器的一端連接單通道電子倍增器，另一端連接相關(guān)雙采樣電路、復(fù)位電路；相關(guān)雙采樣電路連接行選擇管、復(fù)位電路，行選擇管連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；

所述感光元件產(chǎn)生電子，在電子快門開啟時(shí)，傳輸管關(guān)閉，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的噪音信號(hào)，得到第一采樣信號(hào)，行選擇管將第一采樣信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路；在電子快門復(fù)位后，傳輸管開啟，電子進(jìn)入單通道電子倍增器，單通道電子倍增器對(duì)電子進(jìn)行倍增，浮置擴(kuò)散放大器將倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，相關(guān)雙采樣電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣得到第二采樣信號(hào)，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。

所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述感光元件為N⁺P結(jié)的光電二極管，并采用淺的N⁺P結(jié)與深的N阱P結(jié)復(fù)合的結(jié)構(gòu)。

所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述光電二極管表面的微透鏡表面覆蓋有Si₃N₄減反射膜。