专利名称：一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置及方法
技术领域：
本发明属于CMOS图像传感器技术领域，涉及一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置及方法。
背景技术：
图像传感器是现代电子成像系统的核心，包括摄像机、数码相机、复印机、扫描器等。图像传感器主要基于两种工艺实现，互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺和电荷耦合器件(CXD)工艺。互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)图像传感器技术随着摩尔定律快速发展，尤其是近几年在市场的推动下，关键技术不断取得突破，信噪比及动态范围不断接近CCD，且由于其集成度高、体积小、功耗低等优点，使得CMOS图像传感器占图像传感器80%以上的市场。N型有源像元电路以其较高的填充率被广泛用作CMOS图像传感器的像元阵列，然而，由于多数工艺为P衬N阱，N型有源像元电路中的源跟随器的体电位接地，使得源跟随器的阈值电压在不同光强下发生变化，导致源跟随器输入输出电压之间产生较大的非线性，严重降低了成像质量。为了提高图像传感器的成像质量，需要对像元电路中源跟随器引入的非线性进行校正。专利“IMAGING SYSTEM WITH GAIN AND ERROR CORRECTION CIRCUITY, US006111242A”提出了一种校正方法，通过增加一个运放、一个电流源、两个电流沉和两个匹配管实现对每列像元输出的非线性响应进行校正，该方法实现了对非线性进行校正的目的，同时也带来较大的问题。首先，该方法需要电流沉中的电流和电流源中的电流精确匹配，这在工程上很难实现；其次，该方法需要增加两条从像元阵列到校正电路的信号线，对于大面阵的图像传感器，该方法给版图实现带来了很大的麻烦。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置及方法，增加暗像元和线性化电路，抑制了由体效应导致的像元输出电压的非线性，同时不给版图的布局布线带来麻烦。本发明是通过以下技术方案来实现:一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，包括感光像元阵列、暗像元和线性化电路；感光像元阵列中的感光像元电路，包括光电二极管、传输管、复位开关和源跟随器输入管；不同强度的光照在光电二极管中产生不同量的电荷，并通过传输管传输到FD点将电荷转换为电压信号，像元输出端的电压跟随FD点的电压变化并将电压信号发出；暗像元包括感光二极管、暗传输管、复位管和暗源跟随器输入管，其电路连接与感光像元电路相对应，其中，感光二极管遮光覆盖，暗传输管和复位管断开，暗像元输出端的电压跟随暗像元FD点的电压变化；
线性化电路包括运算放大器，运算放大器的正输入端与感光像元电路的像元输出端通过列线相连接，运算放大器的负输入端连接暗像元输出端，运算放大器的输出端连暗像元FD点；列读出电路的输入信号由运算放大器的输出端提供。所述感光像元阵列通过复位和曝光控制，将不同强度的光信号转换为模拟的电信号，该电信号连接至列线；感光像元电路输出端接行选开关的漏极，行选开关的栅极由行选及曝光控制译码器控制，体电位接地，源极连接感光像元偏置电流源的漏极；感光像元偏置电流源的栅极由偏置电压控制，源极、体电位均接地。所述感光像元电路中，感光二极管正极接地，负极接传输管的漏极；传输管的栅极由TX信号控制，体电位接地，源极接源跟随器管的栅极；复位管的漏极接电源，栅极由复位信号控制，源极接源跟随器管的栅极；源跟随器管的漏极接电源，源极为像元输出端。所述的暗像元中，感光二极管由金属遮光覆盖，正极接地，负极接暗传输管的漏极；暗传输管的栅极接地，体电位接地，源极接暗源跟随器管的栅极；复位管的漏极接电源，栅极接地，源极接暗源跟随器管的栅极；暗源跟随器管的漏极电源，源极为暗像元输出端。所述运算放大器强制正输入端和负输入端电压相等，源跟随器输入管与暗像元源跟随器输入管的过驱动电压也相同；暗像元FD点的电压跟随FD点的电压变化，抑制衬偏效应引入的非线性。所述的线性化电路还包括电容、第二开关、第三开关和第四开关；电容的上极板接运算放大器的正输入端；第二开关的栅极由控制信号SI控制，源极接电容的下极板，漏极接暗像元行选开关的源极，体电位接地；第三开关的栅极由控制信号S2控制，源极接电容的下极板，漏极接行选开关的源极，体电位接地；第四开关的栅极由控制信号SI控制，源极接电容的上极板，漏极接行选开关的源极，体电位接地；暗像元行选开关的漏极接暗像元输出端，栅极接电源，处于常通状态，体电位接地，源极接运算放大器的负输入端，源极接运算放大器的输出端接暗像元源极跟随器管的栅极；暗像元偏置电流源的栅极由偏置电压控制，漏极接暗像元行选开关的源极，源极、体电位均接地。所述的控制信号SI和S2为两相非交叠时钟信号；开始时SI为高S2为低，第二开关和第四开关导通，第三开关53断开，将失调电压存储在电容上，而后SI变低S2变高，第二开关和第四开关断开，第三开关导通，存储在电容上的失调电压和运算放大器正输入端失调电压抵消，使得运算放大器的正输入端电压和负输入端电压相等，从而使暗像元FD点)点电压和FD点电压相等。所述源跟随器输入管与暗源跟随器输入管的尺寸相匹配，行选开关与暗像元行选开关的尺寸相匹配，源极连接感光像元偏置电流源与暗像元偏置电流源的尺寸相匹配。
—种基于所述校正装置的自动零和双采样技术结合消除失调电压的方法，包括以下操作:Reset、TX、Row分别控制像元电路的复位开关、传输管和行选开关，SI和S2分别控制第二开关、第四开关和第三开关，Sreset和Ssig控制线性化电路的后级电路，实现相关双采样:在对每行像元进行曝光时，首先Reset、Row控制本行的行选开关有效，同时闭合本行的复位开关，将FD点电压复位到设定的复位电压，同时连接管导通，将光电二极管两端电压复位至箝位电压，使阱容量最大化并消除拖影噪声；经过某一曝光时间Tint后，连接管管再次导通，将光生电荷从光电二极管转移到FD点，转化为相应的电压信号；为抑制FD点在曝光过程中漏电，在连接管第二次导通前进行第二次复位，从二次复位前到二次复位上升沿后的ts时间内，SI为高S2为低，第二开关和第四开关导通，第三开关断开；从二次复位上升沿再经过ts时间后，SI变低S2变高，第二开关和第四开关断开，第三开关导通，实现第一次自动调零过程，此时后级电路通过也完成了对复位信号的采样；从复位阶段调零过程结束到TX第二次变低后的ts时间内，SI为高S2为低，第二开关和第四开关导通，第三开关断开，从TX第二次变低再经过ts时间后，SI变低S2变高，第二开关和第四开关，第三开关导通，实现第二次自动调零过程，此时后级电路通过Ssig也完成了对曝光信号的米样；两次采样的差就是反映光强信息的电压信号。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:和传统图像传感器相比，本发明增加了由暗像元和线性化电路组成的非线性校正电路，该校正电路占用了较小的芯片面积，有效地抑制了由衬底偏置效应引入的非线性问题，大大提高了像元输出信号的线性度和图像传感器的成像质量。
图1为典型的CMOS图像传感器；图2为感光像元电路图；图3为本发明提出的CMOS图像传感器；图4为暗像元电路图；图5为线性化电路及其与周围电路的连接关系不意图；图6为线性化电路及其与周围电路的连接关系实例图；图7为开关控制信号时序图。
具体实施例方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。图1所示为典型的CMOS图像传感器整体布局结构，行选及曝光控制译码器12产生行选信号和曝光信号，行选信号发送给行选开关106,曝光信号发送给感光像兀阵列10,感光像元阵列10将不同强度的光信号转换为模拟的电信号，并通过行选开关106接到列线上，列读出电路11接收列线传输的信号，将模拟的电信号量化为易于存储、传输的数字信号。图2所示为感光像元阵列10的单个感光像元电路，包括光电二极管101、传输管102、复位开关103和源跟随器输入管104 ；不同强度的光照在光电二极管101中产生不同量的电荷，这些电荷通过传输管102传输到FD点108，将电荷转换为电压信号，像元输出端105的电压跟随FD点108电压变化并将电压信号送到列线。在理想状态下，像元输出端105和FD点108之间存在一个固定的电压差，即源跟随器输入管104的阈值电压与其过驱动电压之和，通过相关双采样技术可以实现像元输出端105电压的变化量与FD点108电压变化量完全一致，即像元输出的电压信号完全反映了光强信息。然而，由于源跟随器输入管104的衬偏效应，在不同强度的光照下，像元输出端105的电压不同，导致源跟随器输入管104的阈值电压也在变化，因此，像元输出端105的电压变化不能完全跟随FD点108的电压变化，从而引入较大的非线性误差，且该误差无法通过相关双采样技术消除。为了提高CMOS传感器成像质量，提出了如图3所示的图像传感器结构。和典型结构相比，该图像传感器结构增加了一行暗像元21，以及线性化电路22。一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，包括感光像元阵列10、暗像元21和线性化电路22 ；感光像元阵列10中的感光像元电路，包括光电二极管101、传输管102、复位开关103和源跟随器输入管104 ;不同强度的光照在光电二极管101中产生不同量的电荷，并通过传输管102传输到FD点108将电荷转换为电压信号，像元输出端105的电压跟随FD点108的电压变化并将电压信号发出；暗像元21包括感光二极管201、暗传输管202、复位管203和暗源跟随器输入管204，其电路连接与感光像元电路相对应，其中，感光二极管201遮光覆盖，暗传输管202和复位管203断开，暗像元输出端205的电压跟随暗像元FD点208的电压变化；线性化电路22包括运算放大器50，运算放大器50的正输入端与感光像元电路的像元输出端105通过列线相连接，运算放大器50的负输入端连接暗像元输出端205，运算放大器50的输出端连暗像元FD点208 ；列读出电路11的输入信号由运算放大器50的输出端提供。具体的，感光像元阵列10通过复位和曝光控制，将不同强度的光信号转换为模拟的电信号，该电信号连接至列线；感光像元电路输出端接行选开关106的漏极，行选开关106的栅极由行选及曝光控制译码器12控制，体电位接地，源极连接感光像元偏置电流源107的漏极；感光像元偏置电流源107的栅极由偏置电压控制，源极、体电位均接地。所述感光像元电路中，感光二极管101正极接地，负极接传输管102的漏极；传输管102的栅极由TX信号控制，体电位接地，源极接源跟随器管104的栅极；复位管103的漏极接电源，栅极由复位信号控制，源极接源跟随器管104的栅极；源跟随器管104的漏极接电源，源极为像元输出端105。暗像元电路结构如图4所示，和图2中的感光像元电路相比，暗像元电路的传输管202和复位管203 —直处于断开状态。暗像元中，感光二极管201由金属遮光覆盖，正极接地，负极接暗传输管202的漏极；暗传输管202的栅极接地，体电位接地，源极接暗源跟随器管204的栅极；复位管203的漏极接电源，栅极接地，源极接暗源跟随器管204的栅极；暗源跟随器管204的漏极电源，源极为暗像元输出端205。图5所示为本发明提出的线性化电路22及其与周围电路的连接关系示意图，其中源跟随器输入管104及FD点108与图2中的感光像元电路对应，106为行选开关，107为感光偏置电流源，暗像元源跟随器输入管204及暗像元FD点208和图3中暗像元电路对应；206为常通的暗像元行选开关开关，207为暗像元偏置电流源；运算放大器50的输出接暗像元FD点208，正输入端接行选开关106的源极，负输入端接常通开关206的源极，连接构成负反馈形式。线性化电路22的输出端为暗像元FD点208。由于运算放大器50的负反馈作用，强制正输入端和负输入端电压相等，所以二者由衬偏效应引起的阈值电压漂移量也相同，而且源跟随器输入管104与暗像元源跟随器输入管204的过驱动电压也相同，所以暗像元FD点208电压完全跟随FD点108电压变化，即线性化电路输出到读出电路的电压信号完全反映了光强信息。实际上运算放大器50存在输入失调电压，即暗像元行选开关206的源极电压和行选开关106管源极电压不严格相等，所以FD点108电压和暗像元FD点208电压也不严格相等。如果失调电压是固定值，通过相关双采样技术可以消除其影响，如下式所示，图5中左支路的电流为I1:
权利要求
1.一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，包括感光像元阵列(10)、暗像元(21)和线性化电路(22)； 感光像元阵列(10)中的感光像元电路，包括光电二极管(101)、传输管(102)、复位开关(103)和源跟随器输入管(104);不同强度的光照在光电二极管(101)中产生不同量的电荷，并通过传输管(102)传输到FD点(108)将电荷转换为电压信号,像兀输出端(105)的电压跟随FD点(108)的电压变化并将电压信号发出； 暗像元(21)包括感光二极管(201)、暗传输管(202)、复位管(203)和暗源跟随器输入管(204)，其电路连接与感光像元电路相对应，其中，感光二极管(201)遮光覆盖，暗传输管(202)和复位管(203)断开，暗像元输出端(205)的电压跟随暗像元FD点(208)的电压变化； 线性化电路(22)包括运算放大器(50)，运算放大器(50)的正输入端与感光像元电路的像元输出端(105)通过列线相连接，运算放大器(50)的负输入端连接暗像元输出端(205)，运算放大器(50)的输出端连暗像元FD点(208)； 列读出电路(11)的输入信号由运算放大器(50)的输出端提供。
2.如权利要求1所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，感光像元阵列(10)通过复位和曝光控制，将不同强度的光信号转换为模拟的电信号，该电信号连接至列线； 感光像元电路输出端接行选开关(106)的漏极，行选开关(106)的栅极由行选及曝光控制译码器(12)控制，体电位接地，源极连接感光像元偏置电流源(107)的漏极；感光像元偏置电流源(107)的栅极由偏置电压控制，源极、体电位均接地。
3.如权利要求1 所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，所述感光像元电路中，感光二极管(101)正极接地，负极接传输管(102)的漏极；传输管(102)的栅极由TX信号控制，体电位接地，源极接源跟随器管(104)的栅极；复位管(103)的漏极接电源，栅极由复位信号控制，源极接源跟随器管(104)的栅极；源跟随器管(104)的漏极接电源，源极为像元输出端(105)。
4.如权利要求1所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，所述的暗像元中，感光二极管(201)由金属遮光覆盖，正极接地，负极接暗传输管(202)的漏极；暗传输管(202)的栅极接地，体电位接地，源极接暗源跟随器管(204)的栅极；复位管(203)的漏极接电源，栅极接地，源极接暗源跟随器管(204)的栅极；暗源跟随器管(204)的漏极电源，源极为暗像元输出端(205)。
5.如权利要求1所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，运算放大器(50)强制正输入端和负输入端电压相等，源跟随器输入管(104)与暗像元源跟随器输入管(204)的过驱动电压也相同；暗像元FD点(208)的电压跟随FD点(108)的电压变化，抑制衬偏效应引入的非线性。
6.如权利要求1所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，所述的线性化电路(22)还包括电容(51)、第二开关(52)、第三开关(53)和第四开关(54)； 电容(51)的上极板接运算放大器(50)的正输入端； 第二开关(52)的栅极由控制信号SI控制，源极接电容(51)的下极板，漏极接暗像元行选开关(206)的源极，体电位接地；第三开关(53)的栅极由控制信号S2控制，源极接电容(51)的下极板，漏极接行选开关(106)的源极，体电位接地； 第四开关(54)的栅极由控制信号SI控制，源极接电容(51)的上极板，漏极接行选开关(106)的源极，体电位接地； 暗像元行选开关(206)的漏极接暗像元输出端(205)，栅极接电源，处于常通状态，体电位接地，源极接运算放大器(50)的负输入端，源极接运算放大器(50)的输出端接暗像元源极跟随器管(204)的栅极； 暗像元偏置电流源(207)的栅极由偏置电压控制，漏极接暗像元行选开关(206)的源极，源极、体电位均接地。
7.如权利要求6所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，所述的控制信号SI和S2为两相非交叠时钟信号； 开始时SI为高S2为低，第二开关(52)和第四开关(54)导通，第三开关(53)断开，将失调电压存储在电容(51)上，而后SI变低S2变高，第二开关(52)和第四开关(54)断开，第三开关(53)导通，存储在电容(51)上的失调电压和运算放大器(50)正输入端失调电压抵消，使得运算放大器(50)的正输入端电压和负输入端电压相等，从而使暗像元FD点(208)点电压和FD点(108)电压相等。
8.如权利要求6所述的图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置，其特征在于，源跟随器输入管(104)与暗源跟随器输入管(204)的尺寸相匹配，行选开关(106)与暗像元行选开关(206)的尺寸相匹配，源极连接感光像元偏置电流源(107)与暗像元偏置电流源(207)的尺寸相匹配。
9.一种基于权利要求6所述校正装置的自动零和双采样技术结合消除失调电压的方法，其特征在于，包括以下操作: Reset、TX、Row分别控制像元电路的复位开关(103)、传输管(102)和行选开关(106)，SI和S2分别控制第二开关(52)、第四开关(54)和第三开关(53)，Sreset和Ssig控制线性化电路的后级电路，实现相关双采样: 在对每行像元进行曝光时，首先ReSet、R0W控制本行的行选开关(106)有效，同时闭合本行的复位开关(103)，将FD点(108)电压复位到设定的复位电压，同时传输管(102)导通，将光电二极管(101)两端电压复位至箝位电压，使阱容量最大化并消除拖影噪声；经过某一曝光时间Tint后，连接管(102)管再次导通，将光生电荷从光电二极管转移到FD点(108)，转化为相应的电压信号； 为抑制FD点(108)在曝光过程中漏电，在连接管(102)第二次导通前进行第二次复位，从二次复位前到二次复位上升沿后的ts时间内，SI为高S2为低，第二开关(52)和第四开关(54)导通，第三开关(53)断开；从二次复位上升沿再经过ts时间后，SI变低S2变高，第二开关(52)和第四开关(54)断开，第三开关(53)导通，实现第一次自动调零过程，此时后级电路通过SMsrt也完成了对复位信号的采样； 从复位阶段调零过程结束到TX第二次变低后的ts时间内，SI为高S2为低，第二开关(52)和第四开关(54)导通，第三开关(53)断开，从TX第二次变低再经过ts时间后，SI变低S2变高，第二开关(52)和第四开关(54)，第三开关(53)导通，实现第二次自动调零过程，此时后级电路通过Ssig也完成了对曝光信号的采样；两次采样的差就是 反映光强信息的电压信号。
全文摘要
本发明公开了一种图像传感器中像元输出非线性响应的校正装置及方法，包括感光像元阵列，暗像元，感光像元的行选开关，暗像元开关，感光像元偏置电流源，暗像元偏置电流源，线性化电路，模拟列读出电路，行选及曝光控制译码器。和传统图像传感器相比，本发明增加了由暗像元和线性化电路组成的非线性校正电路，该校正电路占用了较小的芯片面积，有效地抑制了由衬底偏置效应引入的非线性问题，大大提高了像元输出信号的线性度和图像传感器的成像质量。
文档编号H04N5/361GK103118235SQ201310047478
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者韩本光, 郭仲杰, 汪西虎, 吴龙胜 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