一种用于超大面阵cmos图像传感器的全局复位释放控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种用于超大面阵CMOS图像传感器 的全局复位释放控制方法。
【背景技术】
[0002] CMOS图像传感器由于其低功耗、低成本、高集成能力的优势，在商业、医疗和军事 领域都有着越来越广的应用。而随着技术的进步，CMOS图像传感器也在不断扩大规模，从 百万像素级到千万像素级，甚至更高的亿万像素级迈进，随之超大规模面阵传感器的各种 问题也应运而生，如常用的滚筒式曝光方式对于运动物体捕捉的模糊、而传统的全局曝光 方式对于超大面阵引入的暗电流不一致造成的图像质量下降等。这些问题使得超大规模传 感器芯片在应用中引入了一些额外的修调电路开销，所以在传感器芯片内部解决这些问题 是非常必要的。
[0003] 目前4T APS是一种常用的像元结构，如图1所示，该种像元结构包含光电二极管 PD、传输管TX、源跟随器M、复位管RST和行选管SEL。此种4T像元结构常用的曝光方式为 滚筒式曝光，特征是逐行对感光区和浮动扩散点复位、像元阵列逐行进入曝光状态、且逐行 退出曝光状态、逐行完成光信号的读出。应用于4T像元结构的一般全局曝光方式如图2所 示，对于超大像元面阵的传感器来说，这种全局曝光方式存在着以下缺陷：由于像元面阵上 的所有像素单元是同时完成复位、积分操作，逐行读出光电信号的，这就意味着对于一个N 行的像元阵列来说，第一行进行读出的像元在其积分结束到读出间的时间间隔为0,而第二 行进行读出的像元其积分结束到读出间的时间间隔为一个行周期的时长，第三行的时间间 隔为两个行周期的时长，以此类推，最后一行进行读出的像元其积分结束到读出间的时间 间隔为N个行周期的时长。而在这段时间内，暗电流还在积累，而每一行复位积分和读出 等待之间的时间差，导致每一行暗电流的不一致性，最终会导致输出图像在行方向上的噪 声，大大降低图像质量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种用于超大面阵CMOS 图像传感器的全局复位释放控制方法，有效解决现有技术中存在的运动物体捕捉失真问 题，以及传统的全局曝光方式造成的面阵上暗电流的不一致性而引入的图像质量问题。
[0005] 解决现有的超大面阵规模CMOS图像传感器的滚筒式曝光方式引入的运动物体捕 捉失真
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括以下步骤：
[0007] 步骤1)像元感光区域复位：根据参与成像的像元行数，控制各行像元进行逐行复 位操作；
[0008] 步骤2)像元阵列积分：当逐行复位操作完成后，整个感光面阵同时进入曝光状 态，开始接受光照，产生光生电荷，至曝光结束；
[0009] 步骤3)曝光数据读取：曝光结束后，逐行读取曝光数据；对于各行像素单元，在上 一帧的曝光数据读取完成后，进入下一帧的曝光前逐行复位操作；至末帧最后一行像素单 元读取曝光数据结束。
[0010] 进一步的，所述步骤1)具体操作为：对于各次成像，根据参与成像的像元行数，控 制各行像元逐行进行复位：首先控制第一行像元的复位管和传输管开启，对光电二极管进 行复位操作，在第一行的像元完成复位后，第一行像元的复位管和传输管复位管和传输管 关闭，第二行的像元复位管和传输管再同时开启，对第二行的光电二极管进行复位操作，依 此类推，至最后一行像元的复位操作完成。
[0011] 进一步的，所述步骤1)每一行像元复位操作完成时，判断该行是否为末行，若是， 则进入步骤2)，若不是，则向行向复位寻址寄存器返回，进入下一行像元复位操作。
[0012] 进一步的，其特征在于，所述步骤3)具体操作为：经过所设定的积分时间后，由第 一行像元开始，逐行的控制像元进行对FD点的二次复位、复位电压采样，之后传输管开启， 光电荷向FD点转移、读出电路读出光电信号值。
[0013] 进一步的，其特征在于，所述步骤3)每一行像元由读出电路读出光电信号值之 后，判断是否为帧末，若是，则帧结束；若不是，则向行向读出寻址寄存器返回，进入下一行 像元读取曝光数据。
[0014] 进一步的，其特征在于，对于有相邻M行物理合并结构的像素单元，在不合并模式 下，M行像素都完成上一帧的曝光数据读取后，再进入下一帧的曝光前逐行复位操作，即帧 间间隔为M个行周期；在合并模式下，M行像素同时进行上一帧的曝光数据读取，则帧间间 隔为1个行周期。
[0015] 进一步的，全局复位释放控制方法的曝光方式的帧频为：
[0016]
【主权项】
1. 一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，包括W 下步骤： 步骤1)像元感光区域复位；根据参与成像的像元行数，控制各行像元进行逐行复位操 作； 步骤2)像元阵列积分：当逐行复位操作完成后，整个感光面阵同时进入曝光状态，开 始接受光照，产生光生电荷，至曝光结束； 步骤3)曝光数据读取；曝光结束后，逐行读取曝光数据；对于各行像素单元，在上一帖 的曝光数据读取完成后，进入下一帖的曝光前逐行复位操作；至末帖最后一行像素单元读 取曝光数据结束。
2. 根据权利要求1所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方 法，其特征在于， 所述步骤1)具体操作为；对于各次成像，根据参与成像的像元行数，控制各行像元逐 行进行复位；首先控制第一行像元的复位管和传输管开启，对光电二极管进行复位操作，在 第一行的像元完成复位后，第一行像元的复位管和传输管复位管和传输管关闭，第二行的 像元复位管和传输管再同时开启，对第二行的光电二极管进行复位操作，依此类推，至最后 一行像元的复位操作完成。
3. 根据权利要求1或2所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放 控制方法，其特征在于，所述步骤1)每一行像元复位操作完成时，判断该行是否为末行，若 是，则进入步骤2)，若不是，则向行向复位寻址寄存器返回，进入下一行像元复位操作。
4. 根据权利要求1所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方 法，其特征在于，所述步骤3)具体操作为；经过所设定的积分时间后，由第一行像元开始， 逐行的控制像元进行对FD点的二次复位、复位电压采样，之后传输管开启，光电荷向FD点 转移、读出电路读出光电信号值。
5. 根据权利要求1或4所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控 制方法，其特征在于，所述步骤3)每一行像元由读出电路读出光电信号值之后，判断是否 为帖末，若是，则帖结束；若不是，则向行向读出寻址寄存器返回，进入下一行像元读取曝光 数据。
6. 根据权利要求1或4所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控 制方法，其特征在于，对于有相邻M行物理合并结构的像素单元，在不合并模式下，M行像 素都完成上一帖的曝光数据读取后，再进入下一帖的曝光前逐行复位操作，即帖间间隔为M 个行周期；在合并模式下，M行像素同时进行上一帖的曝光数据读取，则帖间间隔为1个行 周期。
7. 根据权利要求6所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方 法，其特征在于，全局复位释放控制方法的曝光方式的帖频为：
其中N为像元阵列包含的行数、INTE为积分时长、M为像素单元在行上的合并结构、binning在合并应用下为0,在非合并应用下为Uperiod为行周期。
【专利摘要】本发明属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法。本方法首先控制像元感光区域各行像元逐行复位，在逐行复位操作结束后控制整个面阵的所有像元同时进入、退出曝光状态，在曝光结束后，逐行读取曝光数据。本发明通过控制面阵同时进入、退出曝光状态，能够消除传感器对运动物体的捕捉失真。并且本方法可以改善传统全局曝光控制方式下，大面阵像元的暗电流不一致问题。同时具有易于实现，扩展性强，应用范围广的优点。
【IPC分类】H04N5-361, H04N5-351, H04N5-374
【公开号】CN104796635
【申请号】CN201510187730
【发明人】徐晚成, 苏凯, 张曼, 汪西虎, 张先娆
【申请人】中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月20日