图像传感器及图像传感器的读取方法与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种图像传感器的读取方法以及一种图像传感器。

背景技术：

相关技术中的CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)图像传感器的典型结构可如图5所示。该图像传感器可包括光电二极管21、浮置扩散节点22、传输门30、源跟随门40、复位门50和行选择门60，其中，光电二极管21用于将光能转换成电能；传输门30用来控制光电二极管21的电荷导出到浮置扩散节点22；源跟随门40的栅极与浮置扩散节点22相连；复位门50用来将浮置扩散节点22的电位复位到设定电位，行选择门60用来输出信号到外部处理电路。

在相关技术中，CMOS图像传感器的典型复位时序如附图6所示，在进行读取操作时，将行选择信号PEN变为高电平以使行选择门60导通，同时将复位信号RST也变为高电平以使复位门50导通，进而将浮置扩散节点22的电位复位到设定值Vrst，此时采样保持电路中的SHR信号产生一个脉冲，采样保持电路采集并存储设定值Vrst。随后将TX信号变为高电平以使传输门30打开，进而将光电二极管21中的电荷导出到浮置扩散节点22，随后再将TX信号变为低电平，同时采样保持电路中的SHS信号产生一个脉冲，此时采样保持电路采集并保存光电二极管21中的像素信号Vphoto。在读取过程完成之后将行选择信号PEN信号变为低电平以使行选择门60关闭。

如上所述，相关技术在每个读取周期中仅进行一次读取操作。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下问题和事实的发现和认识做出的：

对于上述相关技术中的图像传感器，如图7所示，在光电二极管21和浮置扩散节点22之间会存在一个势垒70，由于这个势垒的存在会造成传输门30打开后，相关技术的读取操作不足以将光电二极管21中的电荷全部导出到浮置扩散节点22中，会残留一部分电荷在光电二极管21中，这部分电荷会在下一个读取周期中导出到采样保持电路中。

具体如图8a所示，在亮环境中光电二极管21开始积分，此时传输门30处于关断状态， 随着光电二极管21中的电荷积累的，光电二极管21中积累了电荷41，当传输门30打开将41的一部分电荷43传输到浮置扩散节点22中，如附图8b所示，此时浮置扩散节点22的电势减小，同时势垒70的高度增加，这时会造成一部分电荷42留在光电二极管21中无法导出，如附图8c所示，随着浮置扩散节点22中的电荷43被读出到采样保持电路中，浮置扩散节点22的电势变高，势垒70的高度又恢复到刚刚开始积分时的水平。

这样，由于光电二极管中的电荷42被留在光电二极管21中，如果此时场景切到暗环境，光电二极管中的电荷42会在下一个读取周期被读出到采样保持电路中，对下一帧图像造成影响，从而形成图像拖尾现象，影响图像质量。

为此，本发明的一个目的旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题，提出了一种图像传感器的读取方法，通过额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量。

本发明的另一个目的旨在提出一种图像传感器。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种图像传感器的读取方法，所述图像传感器包括由多个像素单元构成的像素阵列，每个所述像素单元包括光电二极管和浮置扩散节点，所述方法包括以下步骤：S1：获取预设的伪读取次数；S2：在每个读取周期内，对所述像素阵列进行正常读取操作以使采样保持电路读取从所述光电二极管中导出到所述浮置扩散节点的电荷；S3：在所述正常读取操作完成后，执行伪读取操作以将所述光电二极管中的残留电荷导出到所述浮置扩散节点，直至执行所述伪读取操作的次数达到所述预设的伪读取次数。

根据本发明实施例提出的图像传感器的读取方法，通过在每个读取周期的空闲时间中进行额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量，而且该方法实现算法简单，无需对相关图像传感器的基本结构进行修改，只需要增加相应的逻辑控制电路即可实现，并且，由于在空闲期间进行伪读取操作，从而通过合理的安排伪读取时刻可不会影响图像输出的帧速率。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种图像传感器，包括：由多个像素单元构成的像素阵列，其中，每个所述像素单元包括光电二极管和浮置扩散节点；控制器，所述控制器用于获取预设的伪读取次数，并在每个读取周期内，对所述像素阵列进行正常读取操作以使采样保持电路读取从所述光电二极管中导出到所述浮置扩散节点的电荷，以及在所述正常读取操作完成后，执行伪读取操作以将所述光电二极管中的残留电荷导出到所述浮置扩散节点，直至执行所述伪读取操作的次数达到所述预设的伪读取次数。

根据本发明实施例提出的图像传感器，通过控制器在每个读取周期的空闲时间中进行额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量，而且该图像传感器实现方式 简单，无需对相关图像传感器的基本结构进行修改，只需要增加相应的逻辑控制电路即可实现，并且，由于在空闲期间进行伪读取操作，从而通过合理的安排伪读取时刻可不会影响图像输出的帧速率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的图像传感器的读取方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的图像传感器的读取方法的时序图；

图3是根据本发明一个实施例的图像传感器的读取方法的流程图；

图4是根据本发明实施例的图像传感器的方框示意图；

图5是相关技术中图像传感器的原理示意图；

图6是相关技术中图像传感器的读取方法的时序图；

图7是相关技术中光电二极管和浮置扩散节点22之间的势垒的示意图；以及

图8a-8c是相关技术中势垒的变化示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的图像传感器和图像传感器的读取方法，其中，图像传感器用于将光学图像转换成数字信号。

图1是根据本发明实施例的图像传感器的读取方法的流程图。图像传感器包括由多个像素单元构成的像素阵列，每个像素单元包括光电二极管和浮置扩散节点，像素单元还可包括复位门、传输门、源跟随门和行选择门。应当理解的是，图像传感器的具体结构、工作原理为现有技术，已为本领域技术人员所熟知，这里处于简介的目的，不再一一赘述。其中，根据本发明的一个实施例，图像传感器的结构可优选为图5的示例。

如图1所示，该图像传感器的读取方法包括以下步骤：

S1：获取预设的伪读取次数。

S2：在每个读取周期内，对像素阵列进行正常读取操作以使采样保持电路读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的电荷。

S3：在正常读取操作完成后，执行伪读取操作以将光电二极管中的残留电荷导出到浮置扩散节点，直至执行伪读取操作的次数达到预设的伪读取次数。

具体地，根据本发明的一个实施例，执行伪读取操作以将光电二极管中的残留电荷导 出到浮置扩散节点，具体包括：控制复位门导通以使浮置扩散节点的电位复位到预设电压；控制复位门关闭，并控制传输门打开以将光电二极管中的残留电荷导出到浮置扩散节点；控制传输门关闭。

并且，在步骤S3中，在正常读取操作完成后，还将行选择门关断以在伪读取操作时采样保持电路无法读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的残留电荷。即言，在正读取操作完成时控制行选择门关断，在控制行选择门关断期间，采样保持电路无法读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的残留电荷。

也就是说，如图2所示，在当前读取周期中，可先进行一次正常读取操作，如图2中A部分的控制时序，即控制行选择门打开，在行选择门打开期间，控制复位门打开以使浮置扩散节点的电位复位到预设电压，再控制传输门打开以将光电二极管中的电荷导出到浮置扩散节点,随后采样保持电路即可读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的电荷。当完成一次正常读取操作之后，可根据预设的伪读取次数进行伪读取操作，如图2中B部分的控制时序，即控制行选择门关闭，并在行选择门关闭期间，按照正常读取操作时序重复地控制复位门和传输门，以将光电二极管中的电荷尽可能多的重复导出到浮置扩散节点，此时，由于行选择门关闭所以浮置扩散节点中的电荷无法被输出到采样保持电路，这样在下一个读取周期通过将浮置扩散节点的电位复位到预设电压，从而这部分电荷将不会被读出到采样保持电路中，消除拖尾现象。

具体而言，对于像素阵列中的每个像素单元，在每个读取周期中，先对每个像素单元的光电二极管进行一次正常读取操作，采样保持电路读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的电荷。之后，在正常读取完成到下一次读取开始之前，再对每个光电二极管进行多次伪读取操作，即控制行选择门关闭，将每个光电二极管中的残留电荷通过多次伪读取操作重复地导出到相应的浮置扩散节点，但行选择门关闭使得采样保持电路无法读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的残留电荷，由此清理光电二极管中因势垒无法导出到浮置扩散节点的残留电荷，使得像素阵列的复位更加彻底。

由此，本发明实施例提出的图像传感器的读取方法，通过在每个读取周期的空闲时间中进行额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量，而且该方法实现算法简单，无需对相关图像传感器的基本结构进行修改，只需要增加相应的逻辑控制电路即可实现，并且，由于在空闲期间进行伪读取操作，从而通过合理的安排伪读取时刻可不会影响图像输出的帧速率。

需要说明的是，可根据预设的伪读取次数设置伪读取时间点，在每个设置的伪读取时间点执行一次伪读取操作。具体而言，如图2所示，在正常读取操作完成到下一个读取周期开始的这段时间内，设置多个伪读取时间点例如Tp1、Tp2、Tp3、Tp4、Tp5，在每个伪 读取时间点对光电二极管进行一次伪读取操作，按照图2中的复位门、传输门的控制时序，重复地将光电二极管中的电荷尽量多的导出到浮置扩散节点。

下面结合图2和图3对本发明实施例的图像传感器的读取方法进行详细描述。

S101：控制行选择信号PEN变为高电平，此时行选择门处于导通状态。

S102：在行选择信号PEN变为高电平的同时，控制复位信号RST也变为高电平，此时复位门导通，浮置扩散节点的电位复位到预设电压。

S103：控制复位信号RST变为低电平，此时复位门关断。

S104：采样保持电路中的SHR信号产生一个脉冲，锁存预设电压。

S105：控制取样信号TX变为高电平，此时传输门打开，将光电二极管中的电荷导出到浮置扩散节点。

S106：随后控制取样信号TX变为低电平，此时传输门关断。

S107：采样保持电路中的SHS信号产生一个脉冲，锁存电荷信息。

S108：正常读取操作完成，控制行选择信号PEN变为低电平，此时行选择门处于关断状态。

S109：重复步骤S102和步骤S103，控制复位门导通，随后再控制复位门关断。

S110：重复步骤S105和步骤S106，控制传输门导通，随后再控制传输门关断。

S111：将重复次数加1，判断重复次数是否达到设置的伪读取次数。如果是，则执行步骤S112；如果否，则返回步骤S109。

S112：将已记录的重复次数设置为伪读取次数。

另外，根据本发明的一个实施例，预设的伪读取次数可由图像传感器的工艺和像素结构确定。也就是说，采用同一种工艺和像素结构的图像传感器具有相同的伪读取次数。

具体地，可通过以下方法对任一具体工艺和像素结构的图像传感器的伪读取次数进行测试：在正常读取操作完成到下一个读取周期开始之前，对像素阵列进行额外的1次伪读取，即将光电二极管中的残留电荷导出到浮置扩散节点上但行选择门关断，导出到浮置扩散节点的残留电荷不输出到采样保持电路中，清理光电二极管中因势垒无法导出到浮置扩散节点的电荷，使得像素阵列的复位更加彻底，而剩下的残留电荷在下一个读取周期中被读出到采样保持电路中，测试相应的电荷残留值，如果电荷残留值高于设定阈值(例如0.05％)，则增加伪读取次数，直到测试电荷残留值低于设定的阈值，将此时的伪读取次数设置为预设的伪读取次数。

例如，对某一具体工艺和像素结构的图像传感器，当伪读取次数设置为1次时，如果电荷残留值为1％(>0.05％)，则将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为2次时，如果电荷残留值为0.4％(>0.05％)，则再将伪读取次数加1，并继续测试电 荷残留值；当伪读取次数设置为3次时，如果电荷残留值为0.2％(>0.05％)，则再将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为4次时，如果电荷残留值为0.1％(>0.05％)，则再将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为5次时，如果电荷残留值为0.04％，此时电荷残留值低于预设阈值0.05％，因此该图像传感器的预设伪读取次数为5次。

这样，对于采用该工艺和像素结构的图像传感器，在每个读取周期，经过5次伪读取操作后，光电二极管中的残留电荷很少，消除了可能的对下一帧图像产生的影响，进而解决了图像质量的下降问题。

由此，根据本发明实施例提出的图像传感器的读取方法，通过在每个读取周期的空闲时间中进行额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量，而且该方法实现算法简单，无需对相关图像传感器的基本结构进行修改，只需要增加相应的逻辑控制电路即可实现，并且，由于在空闲期间进行伪读取操作，从而通过合理的安排伪读取时刻可不会影响图像输出的帧速率。

基于上述图像传感器的读取方法，本发明实施例还提出了一种图像传感器。

图4是根据本发明实施例的图像传感器的方框示意图。如图4所示，该图像传感器包括：像素阵列10和控制器20。

其中，像素阵列10由多个像素单元，其中，每个像素单元100包括光电二极管11和浮置扩散节点12；控制器20用于获取预设的伪读取次数，并在每个读取周期内，对像素阵列10进行正常读取操作以使采样保持电路读取从光电二极管11中导出到浮置扩散节点12的电荷，以及在正常读取操作完成后，执行伪读取操作以将光电二极管11中的残留电荷导出到浮置扩散节点12，直至执行伪读取操作的次数达到预设的伪读取次数。

具体地，根据本发明的一个实施例，在执行伪读取操作以将光电二极管11中的残留电荷导出到浮置扩散节点12时，控制器20具体用于：控制复位门导通以使浮置扩散节点12的电位复位到预设电压；控制复位门关闭，并控制传输门打开以将光电二极管11中的残留电荷导出到浮置扩散节点12；控制传输门关闭。

并且，在正常读取操作完成后，控制器20还控制行选择门关断，以在伪读取操作时采样保持电路无法读取从光电二极管11中导出到浮置扩散节点12的残留电荷。即言，在正读取操作完成时控制行选择门关断，在控制行选择门关断期间，采样保持电路无法读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的残留电荷。

也就是说，如图2和图5所示，在当前读取周期中，可先进行正常读取操作，如图2中A部分的控制时序，即控制器20控制行选择门打开，在行选择门打开期间，控制器20控制复位门打开以使浮置扩散节点12的电位复位到预设电压，再控制传输门打 开以将光电二极管11中的电荷导出到浮置扩散节点12,随后采样保持电路即可读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的电荷。当完成一次正常读取操作之后，可根据预设的伪读取次数进行伪读取操作，如图2中B部分的控制时序，即控制器20控制行选择门关闭，并在行选择门关闭期间，控制器20按照正常读取操作时序重复地控制复位门和传输门，以将光电二极管11中的电荷尽可能多的重复导出到浮置扩散节点12，此时，由于行选择门关闭所以浮置扩散节点12中的电荷无法被输出到采样保持电路，这样在下一个读取周期通过将浮置扩散节点的电位复位到预设电压，从而这部分电荷将不会被读出到采样保持电路中，消除拖尾现象。

具体而言，对于像素阵列中的每个像素单元，在每个读取周期中，先对每个像素单元的光电二极管11进行一次正常读取操作，采样保持电路读取从光电二极管11中导出到浮置扩散节点12的电荷。之后，在正常读取完成到下一次读取开始之前，控制器20再对每个光电二极管进行多次伪读取操作，即控制器20控制行选择门关闭，将每个光电二极管中的残留电荷通过多次伪读取操作重复地导出到相应的浮置扩散节点12，但行选择门关闭使得采样保持电路无法读取从光电二极管中导出到浮置扩散节点的残留电荷，由此清理光电二极管中因势垒无法导出到浮置扩散节点的残留电荷，使得像素阵列的复位更加彻底。

由此，本发明实施例提出的图像传感器，通过在每个读取周期的空闲时间中进行额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量，而且该方法实现算法简单，无需对相关图像传感器的基本结构进行修改，只需要增加相应的逻辑控制电路即可实现，并且，由于在空闲期间进行伪读取操作，从而通过合理的安排伪读取时刻可不会影响图像输出的帧速率。

需要说明的是，控制器20可根据预设的伪读取次数设置伪读取时间点，在每个设置的伪读取时间点执行一次伪读取操作。具体而言，如图2所示，在正常读取操作完成到下一个读取周期开始的这段时间内，控制器20可设置多个伪读取时间点例如Tp1、Tp2、Tp3、Tp4、Tp5，在每个伪读取时间点对光电二极管11进行一次伪读取操作，按照图2中的复位门、传输门的控制时序，重复地将光电二极管11中的电荷尽量多的导出到浮置扩散节点12。

如上所述，如图2所示，本发明实施例的图像传感器在每个读取周期均可执行如下操作：

控制器20输出高电平的行选择信号PEN至行选择门，以使行选择门导通；

在行选择门导通期间，控制器20先输出高电平的复位信号RST至复位门，以使复位门导通，浮置扩散节点12的电位复位到预设电压，第一预设时间后控制器20再输出低电 平的复位信号RST至复位门，以使复位门关断，随后采样保持电路中的SHR信号产生一个脉冲，以锁存预设电压；

然后，控制器20又输出高电平的取样信号TX至传输门，以使传输门打开，将光电二极管11中的电荷导出到浮置扩散节点12，预设时间后控制器20又输出低电平的取样信号TX至传输门，以使传输门关断，随后采样保持电路中的SHS信号产生一个脉冲，以锁存电荷信息；

控制器20又输出低电平的行选择信号PEN至行选择门，以使行选择门处于关断状态，这样通过以上控制完成正常读取操作；

在完成正常读取操作后，控制器20按照正常读取操作的控制时序控制复位门导通和关断，然后，按照正常读取操作的控制时序控制传输门导通和关断，从而完成一次伪读取操作，控制器20判断执行伪读取操作的次数是否达到预设的伪读取次数，如果是，则结束伪读取操作，如果否，则继续进行伪读取操作。

另外，根据本发明的一个实施例，预设的伪读取次数可由图像传感器的工艺和像素结构确定。也就是说，采用同一种工艺和像素结构的图像传感器具有相同的伪读取次数。

具体地，可通过以下方法对任一具体工艺和像素结构的图像传感器的伪读取次数进行测试：在正常读取操作完成到下一个读取周期开始之前，对像素阵列10进行额外的1次伪读取，即将光电二极管11中的残留电荷导出到浮置扩散节点12上但行选择门关断，导出到浮置扩散节点12的残留电荷不输出到采样保持电路中，清理光电二极管11中因势垒无法导出到浮置扩散节点12的电荷，使得像素阵列10的复位更加彻底，而剩下的残留电荷在下一个读取周期中被读出到采样保持电路中，测试相应的电荷残留值，如果电荷残留值高于设定阈值(例如0.05％)，则增加伪读取次数，直到测试电荷残留值低于设定的阈值，将此时的伪读取次数设置为预设的伪读取次数。

例如，对某一具体工艺和像素结构的图像传感器，当伪读取次数设置为1次时，如果电荷残留值为1％(>0.05％)，则将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为2次时，如果电荷残留值为0.4％(>0.05％)，则再将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为3次时，如果电荷残留值为0.2％(>0.05％)，则再将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为4次时，如果电荷残留值为0.1％(>0.05％)，则再将伪读取次数加1，并继续测试电荷残留值；当伪读取次数设置为5次时，如果电荷残留值为0.04％，此时电荷残留值低于预设阈值0.05％，因此该图像传感器的预设伪读取次数为5次。

这样，对于采用该工艺和像素结构的图像传感器，在每个读取周期，经过5次伪读取操作后，光电二极管11中的残留电荷很少，消除了可能的对下一帧图像产生的影响，进而 解决了图像质量的下降问题。

由此，根据本发明实施例提出的图像传感器，通过在每个读取周期的空闲时间中进行额外的多次伪读取，可以消除图像拖影现象，改善图像质量，而且该方法实现算法简单，无需对相关图像传感器的基本结构进行修改，只需要增加相应的逻辑控制电路即可实现，并且，由于在空闲期间进行伪读取操作，从而通过合理的安排伪读取时刻可不会影响图像输出的帧速率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合 和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。