[發(fā)明專利]全局快門圖像傳感器像素結構及其信號采樣讀取方法

有效

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• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111447385B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設計）人: 許陽;郭佳;李志升
• 申請（專利權）人: 深圳市南北微電子技術有限公司
• 主分類號: H04N5/374
• 分類號: H04N5/374;H04N5/365;H04N5/357
• 代理公司: 深圳中一聯(lián)合知識產(chǎn)權代理有限公司 44414
• 代理人: 張全文

本發(fā)明公開了一種全局快門圖像傳感器像素結構及其信號采樣讀取方法，所述全局快門圖像傳感器像素結構包括感光元件、傳輸開關、復位開關、開關放大單元、第一采樣電容、第二采樣電容、第一采樣開關、第一放大器及總線選通開關；開關放大單元的輸出端與第一采樣電容的第一端連接；第一采樣開關的第一端與第一采樣電容的第一端以及所述第一放大器的輸入端連接于第一節(jié)點；通過對像素中采樣開關與采樣電容連接關系的創(chuàng)新，不但實現(xiàn)了復位信號和圖像信號的相關雙采樣，有效的抑制了寄生光靈敏度以及固定模式噪聲，并且拓展了全局快門圖像傳感器的應用場景，可以實現(xiàn)光信號無損檢測以及連續(xù)兩幀圖像差異檢測等重要場景下的應用。

技術領域

本發(fā)明屬于圖像傳感技術領域，尤其涉及一種全局快門圖像傳感器像素結構及其信號采樣讀取方法。

背景技術

CMOS圖像傳感器是用于把投射在傳感器像素陣列上的光信號轉化為電信號的CMOS芯片。根據(jù)圖像傳感器電子快門的工作類型分類，CMOS圖像傳感器可以分為電子卷簾快門和電子全局快門兩種。卷簾快門是使用逐行曝光的方式，在每一行像素信號讀取完成之后開始下一幀的曝光，這樣的工作方式使得每一行的曝光起始時間不同，而累計曝光時間相同。這種快門機制在拍攝運動的物體時會產(chǎn)生圖像扭曲。全局快門圖像傳感器的出現(xiàn)可以解決卷簾快門圖像傳感器拍攝運動的物體時引起的圖像扭曲。全局快門需要保證整個圖像傳感器陣列像素開始曝光以及截止曝光的同步。整個像素陣列可以同時開始感應光信號以及同時產(chǎn)生電信號，但是CMOS圖像傳感器很難同時讀取出整個像素陣列的所有電信號，因此全局快門像素需要在不影響感光元件繼續(xù)開始下一幀的曝光的前提下，在像素內(nèi)存儲未被讀取的上一幀曝光產(chǎn)生的感生信號。

全局快門技術根據(jù)像素內(nèi)存儲感生信號的形式分為電壓域全局快門技術和電荷域全局快門技術兩種。電壓域全局快門是將產(chǎn)生的光生電荷轉變?yōu)殡妷盒盘柡?，以電壓的形式存儲在像素中。而電荷域全局快門則是將光生載流子以電荷的形式存儲在像素中。相比電荷域全局快門，電壓域全局快門像素有其不可取代的優(yōu)點。因其工藝實現(xiàn)簡單，在前照式圖像傳感器和后照式圖像傳感器中都可以實現(xiàn)而被廣泛使用。

電壓域全局快門像素有很多不同的實施方案，圖1是現(xiàn)有技術中一個典型的解決方案。其工作原理是：在一幀曝光截止前，整個陣列所有的像素中的第一晶體管Sample1和第二晶體管Sample2導通，第一電容C1通過源極跟隨器M2對電荷存儲點FD的復位信號電壓進行采樣。采樣結束后開啟傳輸管TX，光生電子從釘扎光電二極管(Pinned photodiode)中被傳輸?shù)诫姾纱鎯cFD中。光生電子在電荷存儲點FD的電容中產(chǎn)生壓降。第二晶體管Sample2再次導通，第二電容C2通過源極跟隨器M2對電荷存儲點FD的圖像信號電壓再次采樣。在全局采樣結束后，每一行的總線選通開關Select分別導通，先讀出復位信號電壓Vreset，然后通過第一晶體管Sample1導通，第一電容C1和第二電容C2進行均衡之后讀出均衡后的信號電壓為(Vsignal+Vreset)/2。通過圖1所示全局快門結構，像素內(nèi)采樣存儲的圖像信號電壓由于像素結構的限制無法被快速直接的讀出。還有一些其他的技術方案，要么存在較大的固定偏差和寄生光靈敏度，要么像素結構復雜，元件與連接線較多，不適合在高分辨率小像素尺寸的全局圖像傳感器中實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述存在的多種問題，本發(fā)明提出了一種全局快門圖像傳感器像素結構及其信號采樣讀取方法，作為一種新的像素結構和多種應用場景下的采樣讀取方法，不僅可以很好的應用在普通全局快門成像應用中，比如可以實現(xiàn)相關雙采樣，抑制了寄生光靈敏度，有較小的固定模式噪聲；而且可以解決現(xiàn)有實現(xiàn)技術中圖像信號無法直接快速被讀出的問題，可以實現(xiàn)光信號無損檢測，連續(xù)兩幀差異檢測等工作模式，拓展了全局快門像素的應用場景。