[發明專利]高速全局快門圖像傳感器像素及其像素信號采集方法

有效

• 申請號: 201410132603.7
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103945148B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 王欣洋;馬成
• 申請（專利權）人: 長春長光辰芯光電技術有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/378;H04N5/363
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 王淑秋

技術領域

本發明屬于半導體圖像感測技術領域,具體涉及一種用于高速全局快門的圖像傳感器像素及其像素信號的采集方法。

背景技術

在拍攝高速移動的物體時需要使用全局快門以避免圖像的扭曲。一種典型的全局快門CMOS像素如圖1所示，由復位開關M1、光電二極管D、緩沖放大器AMP1、采樣開關M4，采樣電容C1、緩沖放大器M5和行選開關M6構成。該像素基于傳統的3T像素結構變化而來，首先復位開關閉合并對光電二極管進行復位，之后復位開關斷開，像素開始曝光，由光電二極管將接收的光信號轉換為電信號。在幀轉移時間內，首先采樣開關閉合并將光電二極管轉換的電信號存儲在采樣電容上。之后采樣開關打開，采樣電容存儲的電信號就代表了光強的大小，曝光結束；然后像素可以開始下一幀曝光，采樣電容上存儲的信號在之后通過源級跟隨器和行選開關讀出。該像素的優點是結構簡單，幀轉移時間較短，在幀轉移時間內僅需要對采樣開關進行一次操作。其缺點為無法進行相關雙采樣以去除KTC（復位）噪聲。

中國專利公報公開了一種“高速全局快門圖像傳感器像素及其像素信號的采樣方法”（公開號：103491324A公開日：2014-01-01），如圖2所示，該像素的復位開關M1的輸入端接復位電壓Vreset，輸出端連接到光電二極管D的負極和第一緩沖放大器AMP1的輸入端，光電二極管D的正極接地；第一緩沖放大器AMP1的輸出端通過第一采樣電容C1’連接到第二緩沖放大器AMP2的輸入端；校正開關M2’的輸入端接校正電壓Vcali，輸出端連接到第二緩沖放大器AMP2的輸入端；第二緩沖放大器AMP2的輸出端通過采樣開關SAMPLE連接到第二采樣電容C2’和第三緩沖放大器AMP3的輸入端；第二采樣電容C2’的另一端接地，第三緩沖放大器AMP3的輸出端通過行選開關READ連接到總線。這種像素雖然能夠實現相關雙采樣以消除KTC噪聲，幀轉移時間短，但是芯片在一幀采樣完成并且所有像素中的光信號都讀出后才可以進行下一幀的采樣，兩次采樣的間隔至少是一幀的時間以上,像素陣列越大,像素陣列的讀出時間越長，這個間隔就越大。因此在曝光時間與曝光間隔都非常短的情況下并不適用。

發明內容

本發明要解決的一個技術問題是提供一種可進行連續兩次采樣，在短曝光時間下采樣間隔時間短，不受讀出時間和陣列大小限制的高速全局快門圖像傳感器像素。該像素除了可高速連續兩幀曝光外，還可以進行非相關雙采樣以去除像素陣列的固定模式噪聲。

為了解決上述技術問題，本發明的高速全局快門圖像傳感器像素包括復位開關，光電二極管，第一、第二采樣電容，第一、第二、第三緩沖放大器，第一、第二采樣開關，行選開關；所述復位開關的輸入端接復位電壓Vreset，輸出端連接到光電二極管的負極和第一緩沖放大器的輸入端，光電二極管的正極接地；第一緩沖放大器的輸出端通過第一采樣開關連接到第一采樣電容和第二緩沖放大器的輸入；第二緩沖放大器的輸出端通過第二采樣開關連接到第二采樣電容和第三緩沖放大器的輸入端；第二采樣電容的另一端接地，第三緩沖放大器的輸出端通過行選開關連接到總線。

所述第一緩沖放大器由第一源級跟隨器及其電流源負載構成，第二緩沖放大器由第二源級跟隨器及其電流源負載構成。

所述第一緩沖放大器還可以由第一源級跟隨器構成，第二緩沖放大器由第二源級跟隨器構成。

本發明要解決的另一個技術問題是提供一種上述高速全局快門圖像傳感器像素的像素信號采集方法。

為了解決上述技術問題，本發明的高速全局快門圖像傳感器像素的像素信號采集方法可采用下述2種技術方案。

技術方案一

步驟一：將復位開關閉合，使光電二極管復位；

步驟二：將復位開關斷開，第一幀曝光開始，光電二極管的負極電壓隨著曝光時間的增加開始逐漸降低；

步驟三：在幀轉移時間內，將第一、第二采樣開關閉合，光電二極管的像素信號電壓Vsignal通過第一、第二采樣開關被采集到第二采樣電容上面供隨后讀出；

步驟四：在第二幀開始時先將復位開關閉合使光電二極管復位，然后將復位開關斷開，將第一采樣開關閉合使第二幀的復位電壓Vreset被采集到第一采樣電容上供隨后讀出；

重復步驟三、四得到第二幀像素信號電壓Vsignal和第三幀復位電壓Vreset；以此類推，獲取各幀圖像像素光信號。

技術方案二：

步驟一：將復位開關閉合，使光電二極管復位；

步驟二：將復位開關斷開，第一幀曝光開始，光電二極管的負極電壓隨著曝光時間的增加開始逐漸降低；