[发明专利]高动态范围图像传感器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及高动态范围图像传感器。

背景技术

众所周知，图像传感器是一种能将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感器大体上可以分为电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称“CMOS”)图像传感器。

现有的CMOS图像传感器包括CMOS数模电路和像素单元电路阵列。

根据其读出方式，现有的CMOS图像传感器大致可以分为无源式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称“PPS”)、有源式像素传感器(Active Pixel Sensor，简称“APS”)和数字像素传感器(Digital Pixel Sensor，简称“DPS”)三种类型。

根据一个像素单元电路所包含的晶体管的数目，现有的CMOS图像传感器分为3T型结构和4T型结构，还可以有5T型结构。

如图1所示，为一种现有3T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图，包括：一个光电二极管10(Photo Diode，简称“PD”)，用于在曝光时进行光电转换，将接收到的光信号转换成电信号，所述光电二极管10包括P型区和N型区，所述P型区接地。

一个复位晶体管M1，用于在曝光前对所述光电二极管10进行复位，复位由复位信号Reset信号进行控制。在图1中，所述复位晶体管M1选用一个N型金属-氧化物-半导体(N Metal-Oxide-Semiconductor，简称“NMOS”)管，所述复位晶体管M1的源极和所述光电二极管10的N型区相连，所述复位晶体管M1的源极同时也为一感应节点N1，又称为浮空扩散区(Floating Diffusion，简称“FD”)；所述复位晶体管M1的漏极接电源Vdd，所述电源Vdd为一正电源。当所述复位信号Reset为高电平时，所述复位晶体管M1导通并将所述光电二极管10的N型区连接到电源Vdd，在所述电源Vdd的作用下，使所述光电二极管10反偏并会清除所述光电二极管10的全部累积的电荷，实现复位。所述复位晶体管M1也可以由多个NMOS管串联形成，或由多个NMOS管并联形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管。

一个放大晶体管M2，也为一源极跟随器，用于将所述光电二极管10产生的电信号进行放大。在图1中，所述放大晶体管M2选用一NMOS管，所述放大晶体管M2的栅极接所述光电二极管10的N型区，所述放大晶体管M2的漏极接所述电源Vdd，所述放大晶体管M2的源极为放大信号的输出端。所述放大晶体管M2也可以由多个NMOS管串联形成、或由多个NMOS管并联形成。

一个行选择晶体管M3，用于将所述放大晶体管M2的源极输出的放大信号输出。在图1中，所述行选择晶体管M3选用一NMOS管，所述行选择晶体管M3的栅极接行选择信号Rs，所述行选择晶体管M3的源极接所述放大晶体管M2的源极，所述行选择晶体管M3的漏极为输出端。

如图2所示，为一种现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路的等效电路结构图。相比于3T型结构，现有4T型结构的CMOS图像传感器的像素单元电路结构图增加了一个转移晶体管M4，所述转移晶体管M4用于将所述光电二极管10产生的电信号输入到所述感应节点N1。在图2中，所述转移晶体管M4选用一NMOS管，所述转移晶体管M4的栅极接转移信号TX，所述转移晶体管M4的源极接所述光电二极管10的N型区，所述转移晶体管M4的漏极接所述复位晶体管M 1的源极即所述感应节点N1。

图像传感器的动态范围(Dynamic Range，简称“DR”)定义为图像传感器能够感知到的最小信号和最大信号之间的比值，它表示了图像传感器对于弱信号和强信号的感知能力。由于CMOS图像传感器(APS)采用电荷积分的感光方式，有限的阱容量必然会导致动态范围，一般来说CMOS图像传感器的动态范围在70dB左右，而一般户外图像的动态范围都在100dB以上，人眼的动态范围可以达到200dB以上。为了实现高动态范围画面的拍摄，现有的CMOS图像传感器使用对一幅图像采用不同曝光时间来多次拍摄，将多次拍摄的结果中暗细节与亮细节合成得到完整的高动态范围画面。多次曝光采样技术是在一个积分周期内对同一场景进行多次曝光，每次曝光时间不同，长曝光时间主要针对弱光强区域，短曝光时间针对强曝光区域，生成的多幅图像通过后端电路或软件算法进行合成，在不损失信噪比的基础上可以获得高动态的图像。