专利名称：一种像素结构及其多次曝光方法
技术领域：
本发明涉及CMOS图像传感器领域，尤其涉及一种像素结构。
背景技术：
随着标准CMOS逻辑工艺的持续缩减和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensors, CIS)制造工艺的不断改善，CMOS图像传感器在功耗、可集成性、随机寻址等方面相比CXD图像传感器具有相对优势，成为固态图像传感器领域的主流器件。CMOS图像传感器由像素单元阵列、双采样电路、模拟前端处理电路、模拟/数字 (A/D)转换器、存储单元以及时序控制电路组成。CMOS图像传感器中的像素单元阵列是图像传感器中信息采集和转换的部分，对图像传感器的性能起着决定性作用。当前的像素单元结构根据晶体管数量的不同主要分为三管有源像素(3T-APS)、四管有源像素(4T-APS)、五管有源像素(5T-APS)等类型，其中，四管有源像素应用最为广泛。图I所示为典型的四管有源像素的结构。四管有源像素由光电二极管(Photodiode, PD)、传输管(Transfer Transistor, TX)、浮空扩散区(Floating Diffusion, FD)、复位晶体管(Reset Transistor, RST)、源极跟随器(Source Follower, SF)、选通管(Select Transistor)构成。传输管的漏源两极分别接到光电二极管的负极和 FD上,这样就可以通过传输管的栅压来控制光电二极管中的光生电荷是否向FD移动。像素中的复位管的漏极连接在电源电压VDD，源极连接FD，通过复位管的栅压控制FD的复位。 由于FD中的信号需要通过一个缓冲器输出，在像素中采用源极跟随器来缓冲输出FD的电压值。源极跟随器的漏极接电源电压VDD，栅极与FD相连，由源极做该缓冲器件的输出。所以源极跟随器的源极接一个选通管来控制是否将该像素的信号值输出到列总线。该选通管漏源两极分别接源极跟随器的源极输出和列总线，栅极接选通控制信号。动态范围衡量CMOS图像传感器性能一个重要指标。动态范围定义为图像传感器最大非饱和信号所对应的光强和最小可探测的光强的比值。然而CMOS图像传感器的小尺寸、低电压等工艺特点限制了像素动态范围的提高。所以要通过其他的方式来提高动态范围。很多论文及专利中都采用了一种将长短不同曝光时间的图像相融合的技术来提升动态范围。短曝光条件下，信号非饱和的最大光强较大，但其低光照条件下的信号较弱；长曝光条件下，信号非饱和的最大光强较小，而其低光照条件下呈现能力较强；长短曝光融合后的图像能够在保证低光照信号较强的情况下获得较大的信号非饱和最大光强，也就是扩展了动态范围。但这样做的代价是要存储两帧的信号，并进行数字图像的处理，增加了图像传感器后续处理电路的负担。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种能够简化后续处理电路，提高CMOS图像传感器动态范围的像素结构。本发明的技术方案如下一种像素结构，包括光电二极管H)、传输管TX、浮空扩散区FD、复位晶体管RST、源极跟随器、选通管，传输管的漏极和源极分别接到光电二极管的负极和浮空扩散区上，传输管的栅压用来控制光电二极管中的光生电荷是否向浮空扩散区移动；光电二极管的正极接地，形成反偏的二极管；复位管的漏极连接在电源电压VDD，源极连接浮空扩散区，通过复位管的栅压控制FD的复位；源极跟随器的漏极接电源电压VDD，栅极与浮空扩散区相连，用于缓冲输出的电压值；选通管的漏极和源极分别接到接源极跟随器的源极输出和列总线， 栅极接选通控制信号，其特征在于，所述的像素结构，还包括电荷泄放晶体管0F，电荷泄放晶体管的漏极接电源电压VDD，源极接到光电二极管的负极，通过栅压来控制光电二极管中光生电荷的泄放程度。本发明同时提供一种采用所述的像素结构实现的多次曝光方法，该方法在一次曝光周期内实现多次曝光，设图像传感器需要进行N次长短不同的曝光，其特征在于，包括下列步骤首先将传输管栅压置为电源电压，使其导通，ro得到复位；将传输管栅电压置为 0v，开始一次曝光周期的曝光；按照所需多次曝光的曝光时间长短先后进行操作，第一次操作，将OF的栅电压置为V1，维持时间是第一次所需曝光的曝光时间;第二次操作将OF的栅电压置为V2，维持时间是第二次所需曝光的曝光时间t2 ;以后各次曝光均如此进行，直至第N次曝光，将OF的栅电压置为\，维持时间是第N次所需曝光的曝光时间tN。从V1到\，
满足以下关系，V1SV2S...... > VN，Vn = OJ1到、满足以下关系，ti>t2>...... >
tN，t2.......tN的和为总的曝光周期的时间，待所有N次操作都结束，传输管栅压置为
电源电压使其再次导通，PD内电荷流出，即曝光结束，再进行帧读出的操作。本发明通过在光电二极管负极增加一个泄放晶体管，实现多次曝光信号的像素内叠加，省去了多次读出再融合的数字电路部分，从而提高了 CMOS图像传感器动态范围。
图I典型的四管有源像素示意图。图2本发明所述的在四管有源像素PD —侧添加了泄放管的结构示意图。图3(a)不同曝光时间条件下的信号-光强曲线；(b)融合后的信号-光强曲线。图4两次曝光情况下的像素工作时序图。图5(a)长曝光时的电子电势能的示意图；(b)短曝光时的电子电势能的示意图。图6(a)长短两次曝光条件下的信号-光强曲线；(b)融合后的信号-光强曲线。
具体实施例方式本发明在传统4T像素基础上，在光电二极管的负极增加一个电荷泄放 (Overflow, OF)晶体管，泄放管OF的漏极接电源电压VDD，源极接到光电二极管的负极，通过栅压来控制光电二极管中光生电荷的泄放程度。本发明的像素结构如图2所示。泄放管 OF的作用是在长曝光时将H)内的多余电荷泄放出去。本发明所描述的像素结构及其工作方法适用于通过两次或者两次以上不同时长的曝光来扩大动态范围的图像传感器。其工作原理描述如下假设所设计图像传感器需要进行N次长短不同的曝光，按照曝光时间长短先后进行，即先进行最长时间的曝光，最后进行最短时间的曝光。第一次曝光，首先将OF的栅电压置为V1,曝光过程中如果F1D的电压小于V1-Vth时(Vth为OF管的阈值电压)，OF管导通,过量电荷将通过OF管泄放掉；第二次曝光，将OF的栅电压置为V2,曝光过程中如果ro的电压小于V2-Vth时，OF管导通，过量电荷将通过OF管泄放掉；以后各次曝光均如此进行，第N次曝光，将OF的栅电压置为VN，曝光过程中如果H)的电压小于V1-Vth时，OF管导通，过量电荷
将通过OF管泄放掉。以上所述的从Vl到VN，需要满足以下关系，V1 > V2 >...... > Vno
需要说明的是，在进行第N次曝光的时候，前N-I次的光照信息都存储在了 H)中，不需要读出，只是在所有曝光都结束了，再进行帧的读出。图3(a)为不同曝光时间所对应的信号-光强曲线，图3(b)为融合后的信号-光强曲线。图3(b)中的虚线为传统像素的信号-光强曲线，其可探测最大光强SPmaxl，实线为本发明改进后的信号-光强曲线，其可探测最大光强为Pmax2。下面以2次曝光为例做具体说明本发明的一种实施方式是采用两次长短不同的曝光，应用于30帧每秒的VGA分辨率的CMOS图像传感器。每个像素的最大曝光周期时间为33ms，那么在这33ms内实现两次长短不同的曝光，一次时间为30ms，一次为3ms。首先将传输管栅压置为电源电压，像素复位，再将传输管栅压置为O使其关断后，曝光开始。曝光的前30ms，将OF管的栅电压置为
I.5v, OF管阈值为O. 7v，那么当H)的电压将在OF管的作用下始终高于或等于O. 8v ；30ms 曝光之后，将OF管的栅电压置为0v，即将OF管彻底关断，再进行3ms的短曝光时间。两次曝光结束后，输出管栅压置为电源电压，使其导通，这意味着一个完整的包含两次子曝光的曝光周期结束。曝光结束后信号将被读出。由于长短两次曝光时间比值为10，那么动态范围扩展了 20dB。由于本发明将不同曝光时间的信号都在F1D内叠加,所以在一巾贞时间内F1D只有一次复位，那么不同曝光的时间由OF的来指示。在两次曝光情况下，其工作时序如图4所示， 先进行长曝光，此时OF管的栅加V1电压。如果再长曝光期间，PD的电压低于V1-Vth，那么 OF管将多余电荷泄放掉，将H)的电位稳定在V1-Vthij长曝光时间结束后，OF管的栅加V2电压，V2 < V1，在这个短曝光的时间内，光生电荷在长曝光电荷的基础之上，继续积累。以上所述工作过程中的电子电势能的示意图如图5所示，(a)图中的OF栅加了 V1电压，电荷超过 OF的势垒后，会将过剩电荷泄放到VDD，(b)图中的OF栅加了 V2电压，在长曝光的电荷基础上，叠加了短曝光的电荷，作为该像素一个完整帧周期内的信号电荷。图6表示出了两次曝光信号叠加的方法所形成的最终的信号-光强曲线，Pfflax表示ro饱和时的光照强度。
权利要求
1.一种像素结构，包括光电二极管H)、传输管、浮空扩散区FD、复位晶体管、源极跟随器、选通管，传输管的漏极和源极分别接到光电二极管的负极和浮空扩散区上，传输管的栅压用来控制光电二极管中的光生电荷是否向浮空扩散区移动；光电二极管的正极接地，形成反偏的二极管；复位管的漏极连接在电源电压VDD，源极连接浮空扩散区，通过复位管的栅压控制FD的复位；源极跟随器的漏极接电源电压VDD，栅极与浮空扩散区相连，用于缓冲输出的电压值；选通管的漏极和源极分别接到接源极跟随器的源极输出和列总线，栅极接选通控制信号，其特征在于，所述的像素结构，还包括电荷泄放晶体管0F，电荷泄放晶体管 OF的漏极接电源电压VDD，源极接到光电二极管的负极，通过栅压来控制光电二极管中光生电荷的泄放程度。
2.一种采用权利要求I所述的像素结构实现的多次曝光方法，该方法在一次曝光周期内实现多次曝光，设图像传感器需要进行N次长短不同的曝光，其特征在于，包括下列步骤首先将传输管栅压置为电源电压，使其导通，PD得到复位；将传输管栅电压置为0v，开始一次曝光周期的曝光；按照所需多次曝光的曝光时间长短先后进行操作，第一次操作，将 OF的栅电压置为V1，维持时间是第一次所需曝光的曝光时间h ;第二次操作将OF的栅电压置为V2，维持时间是第二次所需曝光的曝光时间t2 ;以后各次曝光均如此进行，直至第N次曝光，将OF的栅电压置为\，维持时间是第N次所需曝光的曝光时间tN。从V1到\，满足以下关系，V1 > V2 >......〉VN，Vn = 0 ;tx到tN满足以下关系，> t2 >......〉tN，h、t2.......tN的和为总的曝光周期的时间，待所有N次操作都结束，传输管栅压置为电源电压使其再次导通，PD内电荷流出，即曝光结束，再进行帧读出的操作。
全文摘要
本发明属于CMOS图像传感器技术领域，涉及一种像素结构，包括光电二极管、传输管、浮空扩散区、复位晶体管、源极跟随器、选通管和电荷泄放晶体管OF，电荷泄放晶体管的漏极接电源电压VDD，源极接到光电二极管的负极，通过栅压来控制光电二极管中光生电荷的泄放程度。本发明同时提供一种利用此种像素结构实现的多次曝光方法。本发明能够实现多次曝光信号的像素内叠加，省去了多次读出再融合的数字电路部分，从而提高了CMOS图像传感器动态范围。
文档编号H04N5/369GK102595059SQ201210045638
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者姚素英, 徐江涛, 徐超, 高岑, 高志远, 高静 申请人:天津大学