高速全局快门图像传感器像素及其像素信号采集方法与流程

本发明属于半导体图像感测技术领域,具体涉及一种用于高速全局快门的图像传感器像素及其像素信号的采集方法。

背景技术：
在拍摄高速移动的物体时需要使用全局快门以避免图像的扭曲。一种典型的全局快门CMOS像素如图1所示，由复位开关M1、光电二极管D、缓冲放大器AMP1、采样开关M4，采样电容C1、缓冲放大器M5和行选开关M6构成。该像素基于传统的3T像素结构变化而来，首先复位开关闭合并对光电二极管进行复位，之后复位开关断开，像素开始曝光，由光电二极管将接收的光信号转换为电信号。在帧转移时间内，首先采样开关闭合并将光电二极管转换的电信号存储在采样电容上。之后采样开关打开，采样电容存储的电信号就代表了光强的大小，曝光结束；然后像素可以开始下一帧曝光，采样电容上存储的信号在之后通过源级跟随器和行选开关读出。该像素的优点是结构简单，帧转移时间较短，在帧转移时间内仅需要对采样开关进行一次操作。其缺点为无法进行相关双采样以去除KTC(复位)噪声。中国专利公报公开了一种“高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法”(公开号：103491324A公开日：2014-01-01)，如图2所示，该像素的复位开关M1的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管D的负极和第一缓冲放大器AMP1的输入端，光电二极管D的正极接地；第一缓冲放大器AMP1的输出端通过第一采样电容C1’连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；校正开关M2’的输入端接校正电压Vcali，输出端连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；第二缓冲放大器AMP2的输出端通过采样开关SAMPLE连接到第二采样电容C2’和第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二采样电容C2’的另一端接地，第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。这种像素虽然能够实现相关双采样以消除KTC噪声，帧转移时间短，但是芯片在一帧采样完成并且所有像素中的光信号都读出后才可以进行下一帧的采样，两次采样的间隔至少是一帧的时间以上,像素阵列越大,像素阵列的读出时间越长，这个间隔就越大。因此在曝光时间与曝光间隔都非常短的情况下并不适用。

技术实现要素：
本发明要解决的一个技术问题是提供一种可进行连续两次采样，在短曝光时间下采样间隔时间短，不受读出时间和阵列大小限制的高速全局快门图像传感器像素。该像素除了可高速连续两帧曝光外，还可以进行非相关双采样以去除像素阵列的固定模式噪声。为了解决上述技术问题，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关，光电二极管，第一、第二采样电容，第一、第二、第三缓冲放大器，第一、第二采样开关，行选开关；所述复位开关的输入端接复位电压，输出端连接到光电二极管的负极和第一缓冲放大器的输入端，光电二极管的正极接地；第一缓冲放大器的输出端通过第一采样开关连接到第一采样电容和第二缓冲放大器的输入；第二缓冲放大器的输出端通过第二采样开关连接到第二采样电容和第三缓冲放大器的输入端；第二采样电容的另一端接地，第三缓冲放大器的输出端通过行选开关连接到总线。所述第一缓冲放大器由第一源级跟随器及其电流源负载构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器及其电流源负载构成。所述第一缓冲放大器还可以由第一源级跟随器构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器构成。本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法。为了解决上述技术问题，本发明的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法可采用下述2种技术方案。技术方案一步骤一：将复位开关闭合，使光电二极管复位；步骤二：将复位开关断开，第一帧曝光开始，光电二极管的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低；步骤三：在帧转移时间内，将第一、第二采样开关闭合，光电二极管的像素信号电压通过第一、第二采样开关被采集到第二采样电容上面供随后读出；步骤四：在第二帧开始时先将复位开关闭合使光电二极管复位，然后将复位开关断开，将第一采样开关闭合使第二帧的复位电压被采集到第一采样电容上供随后读出；重复步骤三、四得到第二帧像素信号电压和第三帧复位电压；以此类推，获取各帧图像像素光信号。技术方案二：步骤一：将复位开关闭合，使光电二极管复位；步骤二：将复位开关断开，第一帧曝光开始，光电二极管的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低；步骤三：在帧转移时间内，第一、第二采样开关闭合，光电二极管的像素信号电压通过第一、第二采样开关被采集到第二采样电容上面供随后读出；步骤四：在第二帧开始时首先将复位开关闭合使光电二极管复位，然后将复位开关断开，第二帧曝光开始；步骤五：在第二帧帧转移时间内将第一采样开关闭合使第二帧的像素信号电压被采集到第一采样电容上供随后读出；重复上述步骤得到第三、四像素信号电压；以此类推，获取各帧图像像素光信号。本发明采用三级放大器，在帧转移时间内，仅需要对开关S1和S2进行操作，大大减少了帧转移时间。除此之外，与现有技术相比，在技术方案一的双采样模式下(本发明双采样为非相关双采样，即像素信号值与下一帧的复位值做差)，由于像素可连续采取两帧的信号值，然后再进行读出，两帧采样之间无需间隔，所以采样间隔时间很短，不受读出时间和阵列大小的限制。在技术方案二的连续快速两帧读出模式下，像素采取连续两帧的信号电压，之后通过读出电路读出，由于前一帧的像素信号保存在像素中未被读出到片外即可进行第二帧的曝光及存储，这两帧的间隔时间非常短。本发明在牺牲像素噪声的条件下，获得了快速采取两帧图像的能力，特别适合于需要高速采样而并不很关心像素噪声值大小的应用。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。图1为现有技术的一种典型全局快门CMOS像素的结构示意图。图2为现有技术的高速全局快门图像传感器像素结构示意图。图3为本发明的高速全局快门图像传感器像素的结构示意图。图4为本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例1的结构示意图。图5为本发明实施例1的双采样模式信号采集方法时序图。图6为本发明实施例1的连续快速两帧读出模式信号采集方法时序图。图7为本发明的高速全局快门图像传感器像素实施例2的结构示意图。图8为本发明的实施例2的双采样模式信号采集方法时序图。图9为本发明的实施例2的连续快速两帧读出模式信号采集方法时序图。具体实施方式如图3所示，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，光电二极管D，第一、第二采样电容C1和C2，第一、第二、第三缓冲放大器AMP1、AMP2和AMP3，第一、第二采样开关S1、S2，行选开关READ；所述复位开关M1的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管D的负极和第一缓冲放大器AMP1的输入端，光电二极管D的正极接地；第一缓冲放大器AMP1的输出端通过第一采样开关S1连接到第一采样电容C1和第二缓冲放大器AMP2的输入；第二缓冲放大器AMP2的输出端通过第二采样开关S2连接到第二采样电容C2和第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二采样电容C2的另一端接地，第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。实施例1如图4所示，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，光电二极管D，第一、第二采样电容C11和C12，第一、第二、第三缓冲放大器AMP1，AMP2和AMP3，第一、第二采样开关S1、S2，行选开关READ；所述第一缓冲放大器AMP1由第一源级跟随器M12及其电流源负载M13构成，第二缓冲放大器AMP2由第二源级跟随器M15及其电流源负载M16构成。所述复位开关M1、第一源级跟随器M12及其电流源负载M13、第二源级跟随器M15及其电流源负载M16均采用场效应管；复位开关M1的漏极接复位电压Vreset，源极接到光电二极管D的负极和第一源级跟随器M12的栅极；第一源级跟随器M12的漏极接电源电压Vpix，源极通过第一采样开关S1连接到第一采样电容C11、第二源级跟随器M15的栅极；第二源级跟随器M15的漏极接电源电压Vpix，源极通过第二采样开关S2连接到第二采样电容C12和第三缓冲放大器AMP3的输入端。第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。所述第三缓冲放大器AMP3由第三源级跟随器M18构成。所述第一、第二采样开关S1、S2分别采用场效应管M14、M17，行选开关READ采用场效应管M19；场效应管M14的的漏极连接到第一源级跟随器M12的源极，源极连接到第二源级跟随器M15的栅极，场效应管M17的漏极连接到第二源级跟随器M15的源极，源极连接到第三源级跟随器M18的栅极；第三源级跟随器M18的漏极接电源电压Vpix，源极接场效应管M19的漏极；场效应管M19的源极连接到总线BUS。如图5所示，在双采样模式下，像素信号采集方法具体如下：在开始曝光之前，光电二极管D通过复位开关M1进行复位，之后光电二极管D的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低，在曝光时间结束后，像素信号电压通过第一采样开关S1和第二采样开关S2被采集到第二采样电容C2上面。之后复位开关M1对光电二极管D进行复位，开始下一帧曝光。第二帧曝光开始后，复位电压通过第一采样开关S1被采集到第一采样电容C1上。第二帧的复位电压与第一帧的像素信号电压之差即代表了第一帧光信号的大小。重复上述过程即可获取各帧图像像素光信号。在对像素信号电压进行采样时，第一和第二源级跟随器M12、M15的电流源负载M13、M16需要被使能，在对复位电压进行采样时，第一个源级跟随器M12的电流源负载M13需要被使能。整个帧转移的时间内，仅需对第一、第二采样开关S1和S2进行操作，相比于其他像素，这极大的缩小了帧转移时间。上述实例中的各个复位电压Vreset,Vpix可以为同一个电压，也可以为不同的电压，电流源负载M13、M16的使能信号Pc1和Pc2也可以为同一个电压。如图6所示，在连续快速两帧读出模式下，像素采取连续两帧的信号电压，之后通过读出电路读出，具体方法如下：在开始曝光之前，光电二极管D通过复位开关M1进行复位，之后光电二极管D的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低，在曝光时间结束后，像素信号电压通过第一、第二采样开关S1和S2被采集到第二采样电容C2上面。之后复位开关M1对光电二极管D进行复位，开始下一帧曝光。第二帧曝光结束之后，第二帧的像素信号电压通过第一采样开关S1被采集到第一采样电容C1上面。由于前一帧的像素信号保存在像素中未被读出到片外即可进行第二帧的曝光及存储，这两帧的间隔时间非常短。重复上述步骤即可获取各帧图像像素光信号。在对第一帧像素信号电压进行采样时，第一、第二源级跟随器M12、M15的电流源负载M13、M16需要被使能，在对第二帧像素信号电压进行采样时，第一源级跟随器M12的电流源负载M13需要被使能。上述实例中的各个复位电压Vreset,Vpix可以为同一个电压，也可以为不同的电压，负载电流源M13、M16的使能信号Pc1和Pc2也可以为同一个电压。实施例2如图7所示，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，光电二极管D，第一、第二采样电容C11和C12，第一、第二、第三缓冲放大器AMP1，AMP2和AMP3，第一、第二采样开关S1、S2，行选开关READ；所述第一缓冲放大器AMP1由第一源级跟随器M12构成，第二缓冲放大器AMP2由第二源级跟随器M15构成。所述复位开关M1、第一源级跟随器M12、第二源级跟随器M15均采用场效应管；复位开关M1的漏极接复位电压Vreset，源极接到光电二极管D的负极和第一源级跟随器M12的栅极；第一源级跟随器M12的漏极接电源电压Vsf_pulse1，源极通过第一采样开关S1连接到第一采样电容C11、第二源级跟随器M15的栅极；第二源级跟随器M15的漏极接电源电压Vsf_pulse2，源极通过第二采样开关S2连接到第二采样电容C12和第三缓冲放大器AMP3的输入端。第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。所述第三缓冲放大器AMP3由第三源级跟随器M18构成。所述第一、第二采样开关S1、S2分别采用场效应管M14、M17，行选开关READ采用场效应管M19；场效应管M14的的漏极连接到第一源级跟随器M12的源极，源极连接到第二源级跟随器M15的栅极，场效应管M17的漏极连接到第二源级跟随器M15的源极，源极连接到第三源级跟随器M18的栅极；第三源级跟随器M18的漏极接电源电压Vpix，源极接场效应管M19的漏极；场效应管M19的源极连接到总线BUS。在本实例中，第一、第二缓冲放大器AMP1和AMP2的电流源负载被移除，其功能由源级跟随器单个完成，这有助于更小像素的制造和增加像素的填充因子。如图8所示，在双采样工作模式下，与实施例1不同，该像素通过调节两级源级跟随器的漏端电压来对光信号进行采样。在第一帧曝光结束后，第一源级跟随器M12和第二源级跟随器M15的漏端首先被拉到低电平，此时第一源级跟随器M12和第二源级跟随器M15表现为一个电流源将第一采样电容C1和第二采样电容C2放电，之后第一源级跟随器M12的漏端电压Vsf_pulse1和第二源级跟随器M15的漏端电压Vsf_pulse2被拉为高电平，将第一帧像素信号电压采集到第二采样电容C2上。在第二帧曝光结束后，第一源级跟随器M12的漏端首先被拉到低电平将第二帧的复位电压存储到第一采样电容C1上供之后读出。第二帧的复位电压与第一帧的像素信号电压之差即代表了第一帧光信号的大小，重复上述过程即可获取各帧图像像素光信号。如图9所示，在连续快速两帧读出模式下，在开始第一帧曝光之前，光电二极管D通过复位开关M1进行复位，之后光电二极管D的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低，在曝光时间结束后，第一源级跟随器M12和第二源级跟随器M15的漏端首先被拉到低电平，此时第一源级跟随器M12和第二源级跟随器M15表现为一个电流源将第一采样电容C1和第二采样电容C2放电，之后第一源级跟随器M12的漏端Vsf_pulse1和第二源级跟随器M15的漏端Vsf_pulse2拉为高电平将第一帧像素信号电压采集到第二采样电容C2上。在第二帧曝光结束后，第一源级跟随器M12的漏端首先被拉到低电平，之后将第一源级跟随器M12的漏端Vsf_pulse1拉为高电平将第二帧像素信号电压采集到第一采样电容C1上供之后读出。重复上述过程即可获取各帧图像像素光信号。上述实例中的各个复位电压Vreset,Vpix可以为同一个电压，也可以为不同的电压。