[發(fā)明專利]四元像素結(jié)構(gòu)圖像傳感器及讀取控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910594370.5
• 申請(qǐng)日: 2019-07-02
• 公開（公告）號(hào): CN110336953B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐辰;莫要武;任冠京;侯金劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 思特威（上海）電子科技股份有限公司
• 主分類號(hào): H04N5/235
• 分類號(hào): H04N5/235;H04N5/355;H04N5/369;H04N5/378
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供一種四元像素結(jié)構(gòu)圖像傳感器及讀取控制方法，所述圖像傳感器包括由多個(gè)像素單元塊排列構(gòu)成的二維像素陣列，每個(gè)像素單元塊包括四個(gè)像素單元以2×2布局設(shè)置構(gòu)成四元像素結(jié)構(gòu)，每個(gè)像素單元采用獨(dú)立的行選擇控制信號(hào)及傳輸控制信號(hào)控制。所述圖像傳感器的像素單元輸出經(jīng)合并的像素信號(hào)，讀出電路對(duì)輸出的像素信號(hào)進(jìn)行讀取和量化處理。每個(gè)像素單元塊所包含的四個(gè)像素單元可以設(shè)置多種合并方式，像素單元的曝光時(shí)間可根據(jù)合并方式設(shè)定相同或不同。本發(fā)明同時(shí)還提供一種具有共享結(jié)構(gòu)像素單元的四元像素結(jié)構(gòu)圖像傳感器及讀取控制方法。本發(fā)明給出的技術(shù)方案能有效提升圖像傳感器像素電路的轉(zhuǎn)換增益，提高圖像傳感器輸出動(dòng)態(tài)范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用獨(dú)立控制信號(hào)線以實(shí)現(xiàn)2×2結(jié)構(gòu)布局設(shè)置的四元像素結(jié)構(gòu)圖像傳感器讀取控制，以提高像素電路轉(zhuǎn)換增益及輸出動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器及讀取控制方法。

背景技術(shù)

圖像傳感器通用于多種電子設(shè)備及產(chǎn)品，如智能電話、數(shù)字相機(jī)、視頻監(jiān)控設(shè)備以及智能AI，人臉識(shí)別，無(wú)人機(jī)等各種產(chǎn)品中用以捕獲和識(shí)別圖像。在典型設(shè)計(jì)應(yīng)用中，圖像傳感器設(shè)計(jì)為包含按行和列布局設(shè)置的像素單元構(gòu)成的像素陣列。每個(gè)像素單元包含感光像素用于經(jīng)光電效應(yīng)以將包含圖像信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)讀取電路將圖像信號(hào)放大輸出至讀出電路進(jìn)行量化處理。像素電路的轉(zhuǎn)換增益是圖像傳感器的重要參數(shù)，在低照度條件下，需要提高像素電路的轉(zhuǎn)換增益，在高照度環(huán)境條件下，可以轉(zhuǎn)換到低增益模式。在圖像傳感器設(shè)計(jì)中改進(jìn)和提升像素電路的轉(zhuǎn)換增益以提升圖像傳感器性能。

動(dòng)態(tài)范圍是提升圖像傳感器成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，動(dòng)態(tài)范圍大可輸出更寬光強(qiáng)范圍內(nèi)的場(chǎng)景圖像信息，呈現(xiàn)更豐富的圖像細(xì)節(jié)。通常情況下圖像傳感器輸出的動(dòng)態(tài)范圍大約為60～70db，在一般自然環(huán)境應(yīng)用中為了同時(shí)捕獲高光及陰影部分的圖像信息所需要的動(dòng)態(tài)范圍約為100db。在圖像傳感器設(shè)計(jì)中，提高動(dòng)態(tài)范圍的方式有幾種實(shí)現(xiàn)方式，如提高像素電路的感光面積，提升滿阱電荷可獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，或者采用讀取多幀圖像進(jìn)行多幀合成的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像傳感器高動(dòng)態(tài)范圍HDR。

采用新型布局設(shè)計(jì)設(shè)置結(jié)構(gòu)，且有效提高像素電路的轉(zhuǎn)換增益，提升圖像傳感器輸出的高動(dòng)態(tài)范圍，是本發(fā)明旨在解決的技術(shù)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)目的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于上述問(wèn)題及目的，提出一種創(chuàng)新的四元像素結(jié)構(gòu)圖像傳感器設(shè)計(jì)方案，所述四元像素結(jié)構(gòu)圖像傳感器包括：

像素陣列，其包括按行和列排列設(shè)置的多個(gè)像素單元塊，每個(gè)所述像素單元塊包括：四個(gè)相同的像素單元，以2×2結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)置形成四元像素結(jié)構(gòu)；每個(gè)像素單元包括一光電二極管及連接到所述光電二極管的一傳輸晶體管，所述傳輸晶體管輸出連接到浮動(dòng)擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位晶體管連接在電源及浮動(dòng)擴(kuò)散點(diǎn)之間，及源極跟隨晶體管和連接到所述源極跟隨晶體管源極輸出端的行選擇晶體管；

讀出電路，連接到所述像素陣列，讀出電路對(duì)所述像素單元輸出進(jìn)行讀取控制及處理，包括對(duì)像素單元輸出的信號(hào)進(jìn)行合并及量化處理；

每個(gè)像素單元塊中的四個(gè)像素單元的行選擇晶體管分別采用獨(dú)立的行選擇控制信號(hào)及獨(dú)立的傳輸控制信號(hào)進(jìn)行控制，圖像傳感器輸出經(jīng)過(guò)合并的像素信號(hào)；

可選的，每個(gè)像素單元還包括一雙轉(zhuǎn)換增益控制單元，其包括一個(gè)雙轉(zhuǎn)換增益晶體管及電容，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管連接在復(fù)位晶體管和浮動(dòng)擴(kuò)散點(diǎn)之間，用以實(shí)現(xiàn)每個(gè)像素單元電路高增益和低增益之間的轉(zhuǎn)換；所述電容可以為器件電容或電路中連接點(diǎn)的寄生電容；

所述圖像傳感器輸出經(jīng)合并的像素信號(hào)，所述合并包括像素單元部分的信號(hào)合并，以及在讀出電路部分的信號(hào)合并；

可選的，像素單元部分中對(duì)信號(hào)進(jìn)行合并包括所述四個(gè)像素單元中對(duì)兩個(gè)像素單元的信號(hào)合并或三個(gè)像素單元的信號(hào)合并；