專利名稱：一種cmos圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于高速攝影的CMOS圖像傳感器。
背景技術(shù)：
目前，實(shí)用的CMOS圖像傳感器大都依賴擴(kuò)散過(guò)程收集光生載流子，這是一種速度較慢的過(guò)程，使得圖像傳感器的曝光時(shí)間一般需要大于1 P s。即使通過(guò)改變工藝，提高光生載流子在半導(dǎo)體材料中的運(yùn)動(dòng)速度，曝光時(shí)間仍然必須遠(yuǎn)大于光生載流子渡越時(shí)間，才能保證較高的收集效率。 一旦曝光時(shí)間接近或小于渡越時(shí)間，圖像傳感器對(duì)光生載流子的收集效率就會(huì)急劇下降。 另一方面，雖然更小的積分時(shí)間意味著單位時(shí)間內(nèi)更多的數(shù)據(jù)，但由于整個(gè)傳感器電路中存在各種各樣的噪聲，這些數(shù)據(jù)中的噪聲成分也越大，從信息量的角度看，即更小的積分時(shí)間并不能獲得更多的信息。實(shí)際上，存在一個(gè)最優(yōu)的積分時(shí)間，使得圖像傳感器的信號(hào)質(zhì)量較好，積分時(shí)間也較小，從而獲得最大的信息量。 因此，用CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)高速攝影，不能僅僅依靠減小曝光時(shí)間和信號(hào)放大——其代價(jià)是犧牲圖像質(zhì)量。同時(shí)，CMOS圖像傳感器存在光生載流子渡越時(shí)間這一物理極限，使得曝光時(shí)間無(wú)法進(jìn)一步減小。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問(wèn)題 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是在保證信號(hào)質(zhì)量的條件下，或者在曝光時(shí)間達(dá)到器件的物理極限時(shí)，如何進(jìn)一步提高高速攝影中CMOS圖像傳感器的時(shí)間分辨率。為了解決這一技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于高速攝影的CMOS圖像傳感器。
( 二 )技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號(hào)輸出電路，其中 像素陣列包含多個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)由多個(gè)子像素組成，各像素點(diǎn)中相對(duì)位置相同的子像素的復(fù)位控制和信號(hào)保持控制線連接在一起，信號(hào)線按行列方式共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線； 曝光控制電路用于控制各個(gè)子像素的曝光按照預(yù)設(shè)的時(shí)間差依次開始和結(jié)束； 行列選通電路用于依次選通各個(gè)子像素，將信號(hào)輸出到信號(hào)線上； 信號(hào)輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與該CMOS圖像傳感器的
輸出連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 上述方案中，所述每個(gè)子像素包括感光單元、復(fù)位控制單元、信號(hào)保持單元、信號(hào)輸出單元和選通控制單元，每個(gè)子像素曝光時(shí)間的開始和結(jié)束均可獨(dú)立控制，其中
感光單元用于將曝光量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；
復(fù)位控制單元用于將感光單元輸出的電信號(hào)復(fù)位到初始值，復(fù)位結(jié)束即為曝光開始的時(shí)刻； 信號(hào)保持單元用于采樣并保持感光單元的電壓信號(hào)，采樣時(shí)刻即為曝光結(jié)束的時(shí)刻； 信號(hào)輸出單元用于降低信號(hào)保持單元的輸出阻抗，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線；
選通控制單元用于控制信號(hào)輸出或保持高阻狀態(tài)。 上述方案中，所述各子像素的復(fù)位控制和信號(hào)保持控制線獨(dú)立引出，共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線。 上述方案中，所述多個(gè)子像素的曝光依次開始和結(jié)束，前后兩個(gè)的時(shí)間差為T，每個(gè)子像素的曝光時(shí)間為(N-1)T，N為自然數(shù)。 上述方案中，在某個(gè)子像素的曝光結(jié)束后，在T時(shí)間內(nèi)依次選通輸出整個(gè)圖像傳感器陣列中相對(duì)位置相同的子像素，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 上述方案中，將每個(gè)像素中各個(gè)子像素的輸出視為一個(gè)序列，該序列的每一項(xiàng)是N-l個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)之和，如果前N-2個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)已知，則可做減法獲得最后一個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)；如此遞推，則可從曝光時(shí)間為(N-1)T的信號(hào)中獲得時(shí)間分辨率T的信息。
(三)有益效果 本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器，將一個(gè)像素劃分成N個(gè)可獨(dú)立控制曝光開始和結(jié)束的子像素，控制相鄰子像素的曝光開始和結(jié)束相差T，每個(gè)子像素曝光時(shí)間(N-l)T，并在隨后的T時(shí)間內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，則可以通過(guò)計(jì)算從曝光時(shí)間為(N-l)T的信號(hào)中恢復(fù)出時(shí)間分辨率為T的信號(hào)。本發(fā)明能夠突破CMOS圖像傳感器的曝光時(shí)間存在物理下限，也可以解決過(guò)短的積分時(shí)間引起的信號(hào)質(zhì)量下降問(wèn)題。


圖1為一個(gè)劃分為4個(gè)子像素(N = 4)的像素結(jié)構(gòu)，其復(fù)位、采樣、選擇和輸出控制相互獨(dú)立。 圖2為4個(gè)子像素的工作模式。 圖3為圖2中y(n)和x(n)之間的關(guān)系，如果x (1) 、x (0)已知，則可以依次計(jì)算出x(2)、x(3)、x(4)、x(5)。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 本發(fā)明將原來(lái)只有一組感光和控制單元的圖像傳感器像素，劃分為多個(gè)子像素，每個(gè)子像素?fù)碛歇?dú)立的復(fù)位和采樣保持控制單元，這樣每個(gè)子像素的曝光開始和結(jié)束都可以獨(dú)立控制。 對(duì)于上述包含N個(gè)子像素的新型像素，其工作模式是每個(gè)子像素的曝光依次開始和結(jié)束，前后相差T，每個(gè)子像素的曝光持續(xù)(N-1)T，并將隨后的T時(shí)間留給模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣對(duì)每個(gè)子像素來(lái)說(shuō)，其工作周期是NT，前后兩個(gè)子像素相差T。 假設(shè)y(n)是曝光時(shí)間(N-1)T的信號(hào)序列，x(n)是曝光時(shí)間為T的信號(hào)序列，則
y (n) = x (n_l) +x (n_2) + +x (n_N_l) 如果x(n-2)到x(n-N-l)都已知，則可以從y(n)中計(jì)算出x(n-1)。如此遞推，則可以從曝光時(shí)間為(N-1)T的信號(hào)中獲得時(shí)間分辨率T的信息。 本發(fā)明提供了一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號(hào)輸出電路。其中像素陣列包含多個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)由多個(gè)子像素組成，各像素點(diǎn)中相對(duì)位置相同的子像素的復(fù)位控制和信號(hào)保持控制線連接在一起，信號(hào)線按行列方式共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線；曝光控制電路用于控制各個(gè)子像素的曝光按照預(yù)設(shè)的時(shí)間差依次開始和結(jié)束；行列選通電路用于依次選通各個(gè)子像素，將信號(hào)輸出到信號(hào)線上；信號(hào)輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與該CMOS圖像傳感器的輸出連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 所述每個(gè)子像素包括感光單元、復(fù)位控制單元、信號(hào)保持單元、信號(hào)輸出單元和選通控制單元，每個(gè)子像素曝光時(shí)間的開始和結(jié)束均可獨(dú)立控制。其中感光單元用于將曝光量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；復(fù)位控制單元用于將感光單元輸出的電信號(hào)復(fù)位到初始值，復(fù)位結(jié)束即為曝光開始的時(shí)刻；信號(hào)保持單元用于采樣并保持感光單元的電壓信號(hào)，采樣時(shí)刻即為曝光結(jié)束的時(shí)刻；信號(hào)輸出單元用于降低信號(hào)保持單元的輸出阻抗，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線；選通控制單元用于控制信號(hào)輸出或保持高阻狀態(tài)。 所述各子像素的復(fù)位控制和信號(hào)保持控制線獨(dú)立引出，共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線。所述多個(gè)子像素的曝光依次開始和結(jié)束，前后兩個(gè)的時(shí)間差為T，每個(gè)子像素的曝光時(shí)間為(N-1)T，N為自然數(shù)。在某個(gè)子像素的曝光結(jié)束后，在T時(shí)間內(nèi)依次選通輸出整個(gè)圖像傳感器陣列中相對(duì)位置相同的子像素，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將每個(gè)像素中各個(gè)子像素的輸出視為一個(gè)序列，該序列的每一項(xiàng)是N-l個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)之和，如果前N-2個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)已知，則可做減法獲得最后一個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)；如此遞推，則可從曝光時(shí)間為(N-1)T的信號(hào)中獲得時(shí)間分辨率T的信息。 本發(fā)明是一種用于高速攝影的CMOS圖像傳感器。通過(guò)將圖像傳感器中的每個(gè)像素劃分為N個(gè)子像素，并讓子像素的曝光相互錯(cuò)開T，可以讓單個(gè)子像素的曝光時(shí)間為(N-1)T，而經(jīng)過(guò)處理的圖像序列為T。 以N = 4為例，如圖1所示， 一個(gè)CMOS圖像傳感器像素被劃分為4個(gè)子像素，共有4個(gè)復(fù)位和4個(gè)采樣控制，，4個(gè)輸出端口和4個(gè)選擇控制。 當(dāng)復(fù)位端有效時(shí)，子像素準(zhǔn)備好接收入射光；當(dāng)復(fù)位端從有效變成無(wú)效時(shí)，曝光開始，這時(shí)采樣控制處于無(wú)效狀態(tài)，采樣的電平跟隨光傳感器的電平。當(dāng)采樣控制變?yōu)橛行В瑒t采樣電平保持不變，這時(shí)曝光結(jié)束。因?yàn)槊總€(gè)子像素都有一個(gè)復(fù)位控制端和一個(gè)采樣控制端，所以每個(gè)子像素的曝光開始和結(jié)束都可以獨(dú)立控制。在組成陣列時(shí)，不同像素中相同位置的子像素的復(fù)位控制和采樣控制連接在一起，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)像素陣列的曝光控制。 當(dāng)一個(gè)子像素的選擇控制端處于有效狀態(tài)時(shí)，該子像素能夠?qū)⒉蓸悠鞯男盘?hào)輸出到輸出總線上；反之，如果選擇控制端處于無(wú)效狀態(tài)，則該子像素的輸出端口處于高阻狀態(tài)。當(dāng)多個(gè)子像素(同一像素內(nèi)或不同像素)共享同一根輸出總線時(shí)，通過(guò)控制選擇端，讓只有一個(gè)子像素輸出信號(hào)，其余都處于高阻狀態(tài)。這樣可以讓多個(gè)像素構(gòu)成陣列，從而完成成像的任務(wù)。
這種圖像傳感器像素的工作模式如圖2所示，其中每一格代表長(zhǎng)度為T的時(shí)間。每個(gè)像素的工作周期中包括3T的曝光和T的模數(shù)轉(zhuǎn)換。 在t = 0時(shí)，子像素0的復(fù)位控制從有效變?yōu)闊o(wú)效，即子像素0的曝光開始。在t
=T時(shí)，子像素1的曝光開始，這時(shí)子像素0已經(jīng)曝光T時(shí)間，光傳感器上的電平是x(O)。
在t = 2T時(shí)，子像素2的曝光開始，這時(shí)子像素0已經(jīng)曝光2T時(shí)間，光傳感器上的電平是
x (0) +x (1)，子像素1曝光T時(shí)間，電平是x (1)。在t = 3T時(shí)，子像素3的曝光開始，而子像
素0的采樣控制變?yōu)橛行?，采樣器上獲得的電平為x (0) +x (1) +x (2)。在隨后的T時(shí)間內(nèi)，對(duì)
子像素0進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以獲得y(3) =X(0)+X(l)+x(2)。類似的，讓子像素1、2、3的工
作周期錯(cuò)開T，可以得到序列y(n)，序列y(n)與x(n)的關(guān)系如圖3所示。 如圖3所示，從某個(gè)像素獲得的序列y，其每一項(xiàng)是序列x中連續(xù)3項(xiàng)之和。從圖
3中可以看出，如果x(1)和x(O)已知，則可以從y(n)中遞推出之后的各個(gè)x (n)。這樣，雖
然每個(gè)子像素的實(shí)際曝光時(shí)間是3T，但可以獲得時(shí)間分辨率為T的圖像序列。 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳
細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡
在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保
護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號(hào)輸出電路，其中像素陣列包含多個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)由多個(gè)子像素組成，各像素點(diǎn)中相對(duì)位置相同的子像素的復(fù)位控制和信號(hào)保持控制線連接在一起，信號(hào)線按行列方式共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線；曝光控制電路用于控制各個(gè)子像素的曝光按照預(yù)設(shè)的時(shí)間差依次開始和結(jié)束；行列選通電路用于依次選通各個(gè)子像素，將信號(hào)輸出到信號(hào)線上；信號(hào)輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與該CMOS圖像傳感器的輸出連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述每個(gè)子像素包括感光單 元、復(fù)位控制單元、信號(hào)保持單元、信號(hào)輸出單元和選通控制單元，每個(gè)子像素曝光時(shí)間的 開始和結(jié)束均可獨(dú)立控制，其中感光單元用于將曝光量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；復(fù)位控制單元用于將感光單元輸出的電信號(hào)復(fù)位到初始值，復(fù)位結(jié)束即為曝光開始的 時(shí)刻；信號(hào)保持單元用于采樣并保持感光單元的電壓信號(hào)，采樣時(shí)刻即為曝光結(jié)束的時(shí)刻； 信號(hào)輸出單元用于降低信號(hào)保持單元的輸出阻抗，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線； 選通控制單元用于控制信號(hào)輸出或保持高阻狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述各子像素的復(fù)位控制和 信號(hào)保持控制線獨(dú)立弓I出，共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多個(gè)子像素的曝光依次 開始和結(jié)束，前后兩個(gè)的時(shí)間差為T，每個(gè)子像素的曝光時(shí)間為(N-l) T， N為自然數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的CM0S圖像傳感器，其特征在于，在某個(gè)子像素的曝光結(jié)束后， 在T時(shí)間內(nèi)依次選通輸出整個(gè)圖像傳感器陣列中相對(duì)位置相同的子像素，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的CM0S圖像傳感器，其特征在于，將每個(gè)像素中各個(gè)子像素 的輸出視為一個(gè)序列，該序列的每一項(xiàng)是N-l個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)之和，如果前N-2個(gè)T時(shí) 間曝光信號(hào)已知，則可做減法獲得最后一個(gè)T時(shí)間曝光信號(hào)；如此遞推，則可從曝光時(shí)間為 (N-1)T的信號(hào)中獲得時(shí)間分辨率T的信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號(hào)輸出電路，其中像素陣列包含多個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)由多個(gè)子像素組成，各像素點(diǎn)中相對(duì)位置相同的子像素的復(fù)位控制和信號(hào)保持控制線連接在一起，信號(hào)線按行列方式共享或獨(dú)立擁有信號(hào)輸出線；曝光控制電路用于控制各個(gè)子像素的曝光按照預(yù)設(shè)的時(shí)間差依次開始和結(jié)束；行列選通電路用于依次選通各個(gè)子像素，將信號(hào)輸出到信號(hào)線上；信號(hào)輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)與該CMOS圖像傳感器的輸出連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明能夠突破CMOS圖像傳感器的曝光時(shí)間存在物理下限，也可以解決過(guò)短的積分時(shí)間引起的信號(hào)質(zhì)量下降問(wèn)題。
文檔編號(hào)G03B7/08GK101738841SQ20091024235
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者關(guān)寧, 張旭, 陳弘達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所