專利名稱：Cmos圖像傳感器像素時序控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬互補氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器，特別涉及一種提高圖像傳感器動態(tài)范圍的控制時序，具體講，涉及CMOS圖像傳感器像素時序控制方法。
背景技術：
隨著標準CMOS邏輯工藝的持續(xù)縮減和CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensors,CIS)制造工藝的不斷改善，CMOS圖像傳感器在功耗、可集成性、隨機尋址等方面相比CXD圖像傳感器具有相對優(yōu)勢，成為固態(tài)圖像傳感器領域的主流器件。CMOS圖像傳感器由像素單元陣列、雙采樣電路、模擬前端處理電路、模擬/數(shù)字(A/D)轉換器、存儲單元以及時序控制電路組成。CMOS圖像傳感器中的像素單元陣列是圖像傳感器中信息采集和轉換的部分，對圖像傳感器的性能起著決定性作用。當前的像素單元結構根據(jù)晶體管數(shù)量的不同主要分為三管有源像素(3T-APS)、四管有源像素(4T-APS)、五管有源像素(5T-APS)等類型，其中，四管有源像素應用最為廣泛。圖I所示為典型的四管有源像素的結構。四管有源像素由光電二極管(Photodiode, PD)、傳輸管(Transfer Transistor, TX)、浮空擴散區(qū)(FloatingDiffusion, FD)、復位晶體管(Reset Transistor, RST)、源極跟隨器(Source Follower,SF)、選通管(Select Transistor)構成。CMOS圖像傳感器中四管有源像素的工作原理如下光電二極管將光信號轉化為電荷信號存儲在光電二極管中，當傳輸管打開之后，光生電荷從ro轉移到FD中并轉換為電壓信號。FD中的電壓信號經過SF緩沖經過選通管輸出到列信號線(Column output line)。復位管給FD和ro復位，以進入下一次的工作周期。CMOS圖像傳感器的像素單元陣列的曝光方式主要分為全局式曝光和滾筒式曝光。全局式曝光的CMOS圖像傳感器像素同時開始曝光同時曝光結束，再進行讀出工作。滾筒式曝光是指由于每列像素都共用一套讀出電路，所以先由第一行的像素讀出，再進行第二行的讀出，以此類推，所以相鄰兩行之間的曝光有一定的時間差，這個時間差等于一個像素信號讀出時間。圖2為典型的CMOS圖像傳感器中像素單元陣列的示意圖。行讀出模塊提供行讀出信號，首先會將第一行的像素選中，第一行的所有像素經過讀出電路輸出后，行讀出模塊會將第二行的像素選中，第二行的所有像素經過讀出電路輸出，以此類推。圖3為典型的滾筒式曝光的CMOS圖像傳感器的工作時序。在曝光結束時，先給像素的復位管一個復位信號，將FD復位，復位后的FD讀出為Vrst ;再給傳輸管一個電荷轉移信號，將光電二極管內的光生電子轉移到FD中，此時FD讀出為Vrst_sig。這兩次電壓讀出要保證選通管信號SEL為I。所以選通管要在復位管復位結束之前置1，再在傳輸管電荷轉移信號結束后置O。讀出時間可以認為是選通管信號為I 的時間，即下圖的Tk時間。對于單個像素來說兩個讀出之間的間隔為曝光時間。如圖8所
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Tf為圖像傳感器輸出一巾貞信息的工作時間，Tk為像素信號的讀出時間。第一行像素曝光結束后進入讀出階段，此時第二行像素處于曝光期間。當?shù)谝恍邢袼刈x出完成，第二行進入讀出階段。圖3中所示為四行像素按照此方式工作的時序示意圖。Tf為獲取一幀信息所用的時間，Te為一個像素讀出的時間。
動態(tài)范圍衡量CMOS圖像傳感器性能一個重要指標。動態(tài)范圍定義為圖像傳感器最大非飽和信號所對應的光強和最小可探測的光強的比值。然而CMOS圖像傳感器的小尺寸、低電壓等工藝特點限制了像素動態(tài)范圍的提高。所以要通過其他的方式來提高動態(tài)范圍。專利號為US 20070103569A1的專利中提出了一種能夠在一幀的時間內同時輸出多個不同曝光時間的信號的CMOS圖像傳感器的工作方式。以一巾貞內輸出一個長曝光信號和一個短曝光信號為例，圖4繪出了短曝光(a)、長曝光(b)和融合長曝光短曝光信號后(c)的光強與輸出信號之間的曲線。短曝光條件下，信號非飽和的最大光強PS較大，但其低光照條件下的信號較弱；長曝光條件下，信號非飽和的最大光強PL較小，而其低光照條件下呈現(xiàn)能力較強；長短曝光融合后的圖像能夠在保證低光照信號較強的情況下獲得較大的信號非飽和最大光強，也就是擴展了動態(tài)范圍。其工作時序圖如圖5所示，圖中為4行像素的工作時序。在一幀的時間Tf內，進行兩次曝光和讀出，獲得一個長曝光和一個短曝光的數(shù)據(jù)。長曝光時間為IV，短曝光時間為Ts，每次的讀出時間為Tk。對于每個像素來說，工作開始時，先進行IY時間的曝光，接著將曝光得到的信號讀出，再進行Ts時間的曝光，最后將這次曝光得到的信號讀出。動態(tài)范圍擴展的大小取決于IY與Ts的比值，例如，Tl比Ts等于10，動態(tài)范圍會擴展20dB。采用這種方式擴展動態(tài)范圍的代價是要將讀出時間大幅壓縮。以IY比Ts等于10為例，Tl = Tf10/11, Ts = Tf1/11，由于Tk相比Ts很小，此處簡化掉了兩個Te的時間。根據(jù)滾筒式曝光的讀出方式，在Ts時間內要完成所有行像素的讀出，假設行數(shù)為N，那么Tk = Ts/N = Tf/11N。而對于沒有進行動態(tài)范圍擴展的CMOS圖像傳感器來說，其讀出時間為Tki = TF/N，也就是說讀出時間縮短為原來的1/11。所以采用該種方式擴展動態(tài)范圍是以大幅犧牲讀出時間為代價的，這對讀出電路的設計壓力是很大的。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種擴大CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的方法，同時簡便可行，為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是，一種CMOS圖像傳感器像素時序控制方法，借助于滾筒式曝光CMOS圖像傳感器實現(xiàn)，傳感器第一行像素曝光結束后進入讀出階段，此時第二行像素仍處于曝光期間，其特征是，當?shù)谝恍邢袼刈x出完成，經一個時間上的延遲錯位，第二行進入讀出階段，依次類推；在一幀的時間內進行多次曝光和讀出，每次曝光的時間長短不一致，從而輸出多個不同曝光時間的圖像信息；每次讀出的時間相同。所述方法進一步細化為一幀的時間為為Tf，像素讀出一次的時間為Tk，一幀輸出的信號個數(shù)為M，像素單元陣列的行數(shù)為N，Tk = Tf/(N*M);最長的曝光時間為T1，次長的曝光時間為T2，其余的按照時間長短依次命名，T1 =T2 = k2*M*TK，……，Tm = kM*M*TK，k: kM都是整數(shù)；一幀的時間Tf由1\、T2,……、Tm和皿個Tk組成，那么W……+kM+l=N ;首先進行時間為T1的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出；然后進行時間為T2的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出；以此類推，最后進行時間為Tm的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出。不同行像素的讀出時序之間存在著時間上的延遲錯位，所有后一行的控制時序，包括曝光時間和讀出時間在內，都要比前一行滯后(M-I)個讀出時間Tk。10行像素一幀內輸出兩次信號，每一個像素都是先進行長曝光，然后長曝光信號讀出，再進行短曝光，然后短曝光信號讀出，Tf = 20Te, T1 = 14Te, T2 = 4Tro8行像素一幀內輸出3次信號，每一個像素都是先進行長曝光，然后長曝光信號讀出，再進行中等曝光，然后中等曝光信號讀出，最后進行短曝光，然后短曝光信號讀出，Tf =24Tr，T1 = 12Tr，T2 = 6Tr，T3 = 3TRO本發(fā)明的技術特點及效果本發(fā)明所描述的提高圖像傳感器的動態(tài)范圍的工作方法能夠在一幀內輸出多個長短不同曝光時間的信號，而其讀出時間會分布到整個幀周期內，將每次像素讀出時間最大化，即在不大幅提高像素讀出速度的前提下，擴展了傳統(tǒng)圖像傳感器的動態(tài)范圍。


圖I典型的四管有源像素的結構示意圖。圖2像素單元陣列及讀出結構的示意圖。圖3采用滾筒式曝光的圖像傳感器的工作時序圖。圖4(a)短曝光時間條件下，光強與輸出信號的曲線關系；(b)長曝光時間條件下,光強與輸出信號的曲線關系；(C)將長短曝光信號融合后的光強與輸出信號的曲線關系。圖5采用一幀內輸出長短兩次曝光時間的信號的圖像傳感器工作時序。圖6本發(fā)明中米用的一巾貞內輸出長短兩次曝光時間的信號的圖像傳感器工作時序。圖7本發(fā)明中米用的一巾貞內輸出 長中短三次曝光時間的信號的圖像傳感器工作時序。圖8曝光時間控制時序圖。
具體實施例方式本發(fā)明為一種提高圖像傳感器動態(tài)范圍的工作方法。在一幀的時間內進行多次曝光和讀出。每次曝光的時間長短不一致，從而輸出多個不同曝光時間的圖像信息。在后端數(shù)字電路中將這些圖像信息進行融合，得到最終的輸出圖像。一幀內輸出的不同曝光時間的信號的個數(shù)為2、3或者更多。一幀內信號個數(shù)越多，得到的信號與光強之間的曲線就越平滑，信號噪聲比與光強之間的曲線也越平滑，而所需的像素信號讀出時間就會越短，這一幀內的信號個數(shù)要在這兩方面之間進行折中。最長曝光的時間與最短曝光的時間的比值決定了動態(tài)范圍擴展的程度，比值越大，動態(tài)范圍就得到越大的擴展；比值越小，動態(tài)范圍就得到擴展就越小。本發(fā)明中的圖像傳感器的工作時序描述如下一幀的時間為為Tf，像素讀出一次的時間為Tk，一幀輸出的信號個數(shù)為M，像素單元陣列的行數(shù)為N。那么得到的Tk = Tf/(N*M)。最長的曝光時間為T1，次長的曝光時間為T2，其余的按照時間長短依次命名。本發(fā)明中為了滿足讀出時間TR能夠達到最大值，曝光
時間都有一定的限制。T1 == k2*M*TK, ......，TM = kM*M*TK。1^ 1%都是整數(shù)。一幀的時間Tf由I\、T2、……、Tm和MfTli組成。那么W……+kM+l = N。首先進行時間為T1的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出；然后進行時間為T2的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出；以此類推，最后進行時間為Tm的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出。這是一個像素的讀出時序。不同行像素的讀出時序之間存在著時間上的錯位。所有后一行的控制時序，包括曝光時間和讀出時間在內，都要比前一行滯后(M-I)個讀出時間Tk。以10行像素一巾貞內輸出兩次信號為例，圖6為其工作時序圖。圖中為前四行的讀出時序，最下面一行是將一巾貞內所有的讀出時間都表不在同一個巾貞時間軸上。每一個像素都是先進行長曝光，然后長曝光信號讀出(淺灰色塊)，再進行短曝光，然后短曝光信號讀出(深灰色塊)。Tf = 20Te, T1 = 14Te, T2 = 4Tro動態(tài)范圍擴展為T1A2 = 3. 5。另外一個例子是，8行像素一巾貞內輸出3次信號，圖7為其工作時序圖。圖中為前四行的讀出時序，最下面一行是將一巾貞內所有的讀出時間都表不在同一個巾貞時間軸上。每一個像素都是先進行長曝光，然后長曝光信號讀出(白色塊)，再進行中等曝光，然后中等曝光信號讀出(淺灰色塊)，最后進行短曝光，然后短曝光信號讀出(深灰色塊)。Tf = 24Te,T1 = 12Te, T2 = 6Te, T3 = 3Tro 動態(tài)范圍擴展為 T1A3 = 4。以幀率為30幀每秒的VGA分辨率的圖像傳感器為例，其行數(shù)為480行，列數(shù)為640列。每一幀的時間是33. 3ms，對于列并行讀出的方式來說，每一次的讀出時間是33. 3/480=69.4US。如果采用一幀內輸出兩次信號的方式進行讀出，讀出時間縮短為原來的一半69. 4/2 = 34. 7us。長曝光的時間可以設置為872個讀出時間872*34. 7 = 30. 258ms，短曝光的時間可以設置為87個讀出時間87*34. 7 = 3. 018ms，動態(tài)范圍的擴展約為10，相當于提聞了 20dB。
權利要求
1.ー種CMOS圖像傳感器像素時序控制方法，借助于滾筒式曝光CMOS圖像傳感器實現(xiàn)，傳感器第一行像素曝光結束后進入讀出階段，此時第二行像素仍處于曝光期間，其特征是，當?shù)谝恍邢袼刈x出完成，經ー個時間上的延遲錯位，第二行進入讀出階段，依次類推；在一幀的時間內進行多次曝光和讀出，毎次曝光的時間長短不一致，從而輸出多個不同曝光時間的圖像信息；每次讀出的時間相同。
2.如權利要求I所述的方法，其特征是，所述方法進ー步細化為一幀的時間為為TF，像素讀出一次的時間為Tk，一幀輸出的信號個數(shù)為M，像素單元陣列的行數(shù)為N，Te = Tf/(N*M);最長的曝光時間為T1，次長的曝光時間為T2，其余的按照時間長短依次命名，T1 =^*Μ*Τε,Τ2 = k2*M*TK，……,Tm = kM*M*TE, k! kM 都是整數(shù)；ー幀的時間 TF 由 I\、T2、……、Tm和M個Tk組成，那么W……+kM+l = N ;首先進行時間為T1的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出；然后進行時間為T2的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出；以此類推，最后進行時間為Tm的曝光，接著用Tk時間對該曝光信號進行讀出。
3.如權利要求2所述的方法，其特征是，不同行像素的讀出時序之間存在著時間上的延遲錯位，所有后一行的控制時序，包括曝光時間和讀出時間在內，都要比前一行滯后(M-I)個讀出時間Τκ。
4.如權利要求2所述的方法，其特征是，10行像素一幀內輸出兩次信號，每ー個像素都是先進行長曝光，然后長曝光信號讀出，再進行短曝光，然后短曝光信號讀出，Tf = 20Te, T1=14Te, T2 = 4TEo
5.如權利要求2所述的方法，其特征是，8行像素一幀內輸出3次信號，每ー個像素都是先進行長曝光，然后長曝光信號讀出，再進行中等曝光，然后中等曝光信號讀出，最后進行短曝光，然后短曝光信號讀出，Tf = 24Te, T1 = 12Te, T2 = 6Te, T3 = 3TK。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬互補氧化物半導體圖像傳感器。為提供一種擴大CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的方法，同時簡便可行，本發(fā)明采取的技術方案是，一種CMOS圖像傳感器像素時序控制方法，借助于滾筒式曝光CMOS圖像傳感器實現(xiàn)，傳感器第一行像素曝光結束后進入讀出階段，此時第二行像素仍處于曝光期間，當?shù)谝恍邢袼刈x出完成，經一個時間上的延遲錯位，第二行進入讀出階段，依次類推；在一幀的時間內進行多次曝光和讀出，每次曝光的時間長短不一致，從而輸出多個不同曝光時間的圖像信息；每次讀出的時間相同。本發(fā)明主要應用于半導體圖像傳感器的設計制造。
文檔編號H04N5/355GK102629995SQ20121008822
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者姚素英, 徐江濤, 徐超, 王彬, 韓立鏹, 高志遠, 高靜 申請人:天津大學