CMOS图像传感器的像元结构、CMOS图像传感器及其成像方法与流程

本发明属于光学图像传感器领域，具体涉及一种CMOS图像传感器的像元结构、CMOS图像传感器及其成像方法。

背景技术：

超高速成像系统对于快物理过程的研究有着重要的意义，而图像传感器芯片作为成像系统的核心器件更是至关重要。传统的图像传感器主要有两种：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。CMOS图像传感器相比CCD器件的优势在于可以在片内集成较多的高速ADC，使得图像传感器的数据推出速度很高。传统的CMOS图像传感器结构采用双向连续式输出的像素布局，如图1所示，其原理是：光信号在光敏区转换成电信号，并通过X、Y两个方向的地址译码器进行选择，并输出至输出放大器；输出放大器的输出信号通过A/D转换器进行模数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输出。但是受所有像素读出时间的限制，CMOS图像传感器在全分辨条件下的帧频率往往只能达到千帧每秒的量级，以LUXIMA公司的LUX13HS为例，在1280×864的分辨率条件下能够达到4000fps。

原位存储图像传感器(简称ISIS)，即在图像传感器中针对每个光敏像元集成了存储结构，每个存储结构包含数十甚至上百个存储单元。它的成像原理是在进行图像获取时，每个像元产生的图像信号能够就近存储到存储单元中，而不被像元读出电路读出。这样图像传感器的帧频率就由电荷从像元转移到存储区的时间来决定，避免像素读出时间的影响，就能够实现图像传感器的超高速成像。一般情况下，ISIS的帧频率能够达到1Mfps。目前，ISIS主要被研究应用于CCD图像传感器，在CMOS工艺下实现ISIS相对比较困难。图2是一种具有直线CCD存储结构的ISIS平面结构图，这种原位图像传感器结构比较复杂，较高的转移时钟频率会降低像素电荷的转移效率，从而对图像传感器性能产生影响；而且芯片通过栅阀门电极的超高速开合来实现电荷收集，由于整个芯片一般超过100万个像素，每个像素内部都包括相互连接的电阻和电容，在栅阀门电极开启的瞬间，内部会形成很大的电流，这对于图像传感器的设计和成像的稳定性提出了很大的挑战。

技术实现要素：

为了使CMOS图像传感器能够实现超高时间分辨连续成像，本发明提供了一种适用于CMOS图像传感器的像元结构，同时提供了一种采用该像元结构的CMOS图像传感器及其成像方法。

本发明的技术方案是：

CMOS图像传感器的像元结构，其特殊之处在于：每个像元包括一具有N个输出端口的光电二极管、N个存储装置、N个栅阀门和N个像元读出电路；所述N个存储装置的输入端通过N个栅阀门分别与所述光电二极管的N个输出端口相连；所述N个存储装置的输出端分别与所述N个像元读出电路相连。

上述存储装置包括多个CCD存储单元。

上述N≥2。

上述N＝4。

上述4个存储装置绕光电二极管四周顺时针或逆时针排列，形成回字形布局；每个存储装置中的多个CCD存储单元依次排列形成蛇形布局。

上述栅阀门电极的开合速度小于等于50ns。

上述光电二极管为全pinned光电二极管。

上述像元结构适用于前照式或背照式CMOS图像传感器。

采用上述像元结构制成的CMOS图像传感器，其特殊之处在于：所述CMOS图像传感器还包括均与所述像元结构相连的电源模块和控制模块。所述CMOS图像传感器还包括电源模块和控制模块；所述电源模块与所述存储装置和所述像元读出电路均相连；所述控制模块与所述栅阀门、存储装置、光电二极管以及像元读出电路均相连。所述电源模块用于为电荷信号的存储、转移和输出提供电压和电流源；所述控制模块用于控制所述栅阀门的开闭以及电荷的存储、转移和输出。

上述CMOS图像传感器的成像方法，将光电二极管的N个输出端口顺序编号，记为O₁、O₂、……、O_N；其特殊之处在于：包括以下步骤：

步骤一：光电二极管将图像传感器光敏区所接收到的光信号转换为电信号；

步骤二：控制模块控制各输出端口处的栅阀门电极的开合，使光电二极管产生的电荷转移并存储到各输出端口所对应的存储装置中；具体为：

(1)打开输出端口O₁处的栅阀门电极，光电二极管产生的电荷转移并存储到输出端口O₁所对应的存储装置中；

(2)关闭输出端口O₁处的栅阀门电极，同时打开输出端口O₂处的栅阀门电极，光电二极管产生的电荷转移并存储到输出端口O₂所对应的存储装置中；

(3)关闭输出端口O₂处的栅阀门电极，同时打开输出端口O₃处的栅阀门电极，光电二极管产生的电荷转移并存储到输出端口O₃所对应的存储装置中；

(4)按照步骤(1)～(3)的方法，使光电二极管产生的电荷分别转移到输出端口O₃、……、O_N所对应的存储装置中；

(5)多次重复步骤(1)～(4)，使电荷按次序进行循环存储，直至电荷将所有存储装置存满。

步骤三：按照先进先出的原则，利用像元读取电路按顺序循环读出输出端口O₁、O₂、……、O_N所分别对应的存储装置中所存储的全部电荷。

本发明的优点是：

1、本发明基于原位存储技术，每个像元结构包括至少一个存储装置和相应的像元读出电路，能够将光电二极管中的电信号就近转移并存储到存储装置中，再由像元读出电路读出存储装置中的电荷，这样CMOS图像传感器的最大帧频率就由信号在存储装置中的最小转移时间确定，避免了像素读出时间的限制，因此能够实现CMOS图像传感器的超高时间分辨连续成像，即实现超高速成像；

2、本发明所提供的像元结构具有多个输出端口，能够延长每个栅阀门电极的开合周期，能够保证成像的稳定性。

3、本发明采用多输出端口交替转移、存储电荷的方式，有效降低了存储区的转移时钟频率，较低的转移时钟频率更加有利于提高像素电荷的的转移效率，因此极大地提高芯片的成像性能。

4、本发明所提供的CMOS图像传感器一个像元具有数十甚至上百个存储单元，因此能够在超高速的帧频率下连续获取数十帧至上百帧图像。

5、本发明的存储装置的大小和布置方式可根据CMOS图像传感器芯片内的空间灵活设计，适应性好。

附图及说明

图1是传统CMOS图像传感器原理框图；

图2是具有直线CCD存储结构的ISIS平面结构图；

图3是本发明的CMOS像元结构的一个具体实施例的示意图(四端口CMOS像元)；

图4是本发明的CMOS像元与CMOS图像传感器的电源模块和控制模块之间的关系图；

图5是图3所示四端口CMOS像元结构的像素内电荷转移方向示意图。

具体实施方式

本发明所提供的CMOS图像传感器的像元结构，特点在于每个包括一个具有N个输出端口的光电二极管、N个存储装置、N个栅阀门和N个像元读出电路；N个存储装置的输入端通过N个栅阀门与所述光电二极管的N个输出端口分别相连；N个存储装置的输出端分别与N个像元读出电路相连。每个存储装置由多个CCD存储单元构成。

实际应用中，N个存储装置的大小和布置方式根据CMOS图像传感器芯片内的空间位置灵活设计。

图3显示的是本发明所提供的CMOS图像传感器的像元结构为四端口时的结构模型。其中Ⅰ区域是光电二极管，Ⅱ区域是连接光电二极管和存储区域(即CCD存储单元)的栅阀门结构，Ⅲ区域是存储装置(每个存储装置由很多个CCD存储单元组成)，Ⅳ区域是像元读出电路。

为了有效的利用图像传感器空间，4个存储装置绕光电二极管四周排布形成回字形布局；每个存储装置中的多个CCD存储单元依次排列形成蛇形布局(如图3和图5所示，图中每一个小方格代表一个CCD存储单元)。

采用本发明所提供的像元结构的CMOS图像传感器需配置电源模块和控制模块，其中电源模块用来为电荷信号的存储、转移和输出提供稳定的电压和电流源，控制模块用来控制栅阀门的打开和关闭以及电荷的存储、转移和输出等功能。电源模块、控制模块和像元结构之间的关系如图4所示。

本发明的像元结构对于前照式和背照式CMOS图像传感器均适用，这里需要说明的是：若采用前照式CMOS图像传感器结构时，因本发明像元结构的CCD存储单元占用了较大的空间，使得光敏区的有效面积减少，会使CMOS图像传感器的像素填充率有所降低；而采用背照式CMOS图像传感器结构则不存在该问题，CMOS图像传感器的像素填充率能达到接近100％。

假设本发明所提供的像元结构的光电二极管共有N个输出端口，分别记为O₁、O₂、……、O_N；则采用该像元结构的CMOS图像传感器的工作原理和成像过程具体为：

1、光照射到CMOS图像传感器的光敏区，光电二极管将光信号转换为电信号。

2、控制模块控制各输出端口处的栅阀门电极的开合，使光电二极管产生的电荷转移并存储到各输出端口所对应的存储装置中；具体为：

2.1打开输出端口O₁处的栅阀门电极，光电二极管产生的电荷转移并存储到输出端口O₁所对应的存储装置中；

2.2关闭输出端口O₁处的栅阀门电极，同时打开输出端口O₂处的栅阀门电极，光电二极管产生的电荷转移并存储到输出端口O₂所对应的存储装置中；

2.3关闭输出端口O₂处的栅阀门电极，同时打开输出端口O₃处的栅阀门电极，光电二极管产生的电荷转移并存储到输出端口O₃所对应的存储装置中；

2.4按照步骤2.1～2.3的方法，使光电二极管产生的电荷分别转移到输出端口O₃、……、O_N所对应的存储装置中；

2.5多次重复步骤2.1～2.4，使电荷按次序进行循环存储(在电荷存储的过程中，存储装置中已存有电荷的CCD存储单元将其所存储的电荷自动转移到下一CCD存储单元)，直至电荷将所有存储装置存满。

为了实现超高速成像，要求栅阀门电极具有极快的开合速度(小于等于50ns)，因为整个CMOS图像传感器芯片一般具有超过100万个像素，每个像元内部都包括相互连接的电阻和电容，在栅阀门电极开启的瞬间，像素内部会形成很大的电流，这就要求电源模块具有非常好的稳定性。

3、按照先进先出的原则，像元读取电路按顺序循环读出输出端口O₁、O₂、……、O_N所分别对应的存储装置中所存储的电荷(读取电荷的过程中，每个存储装置的CCD存储单元内的未被读取的电荷会依次自动向其所在存储装置的下一CCD存储单元转移)，直至读出所有存储装置中的全部电荷。

上述步骤中电荷在像元内的转移方向参见图5，图5中带箭头的直线所指方向为电荷转移的方向。

综上，采用本发明的像元结构的CMOS图像传感器的最大帧频率就由信号在CCD存储单元内的最小转移时间决定，存储画幅数由存储装置中CCD存储单元的数量决定。