超高清cmos圖像傳感器像素電路及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超高清CMOS圖像傳感器像素電路及其控制方法，該電路包括：感光元件、傳輸管、單通道電子倍增器、浮置擴(kuò)散放大器、相關(guān)雙采樣電路、行選擇管、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；感光元件產(chǎn)生電子，傳輸管關(guān)閉，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的噪音信號(hào)，得到第一采樣信號(hào)，行選擇管將第一采樣信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路；傳輸管開(kāi)啟，浮置擴(kuò)散放大器將單通道電子倍增器倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，相關(guān)雙采樣電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣得到第二采樣信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)第一、二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。本發(fā)明以低固態(tài)噪聲實(shí)現(xiàn)了對(duì)超低照度可見(jiàn)光的識(shí)別。
【專利說(shuō)明】超高清CMOS圖像傳感器像素電路及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感領(lǐng)域，具體涉及針對(duì)超高清需求的關(guān)于CMOS圖像傳感器識(shí)別超低照度可見(jiàn)光的像素結(jié)構(gòu)和電路的改進(jìn)及電路的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來(lái)，隨著監(jiān)控應(yīng)用范圍及內(nèi)涵的擴(kuò)展，特別是全高清和超高清攝像機(jī)的廣泛應(yīng)用，多媒體的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，對(duì)視頻采集終端提出了更多、更高的要求，特別是面臨如道路、小區(qū)夜間監(jiān)控等低照度情況下，甚至是井下巷道、隧道等超低照度環(huán)境下的監(jiān)控困難的問(wèn)題。超低照度攝像機(jī)的產(chǎn)生，就是在解決這種超低照度特殊環(huán)境應(yīng)用而產(chǎn)生的一種產(chǎn)品，它的主要優(yōu)勢(shì)就是在光照很低的環(huán)境中，能做到盡量強(qiáng)化照度而攝到被監(jiān)控對(duì)象。
[0003]目前，改善低照度成像效果的手段主要從以下幾個(gè)方面考慮:
[0004]I)增大圖像傳感器的靶面:增大圖像傳感器的靶面等于增大感光面積，在一定程度上提升了低照效果。缺點(diǎn):增大了攝像機(jī)體積、增加了成本造價(jià)。
[0005]2)彩色轉(zhuǎn)黑白:目前低照度的攝像機(jī)都采用這一技術(shù)來(lái)提升照度，以及配合紅外燈的使用。其常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)也有兩種:一種是采用紅外濾光片開(kāi)合及電路配合的方式，來(lái)進(jìn)行彩色/黑白影像的切換；另一種只是利用數(shù)字電路將彩色信號(hào)消除掉，成為黑白影像，沒(méi)有紅外濾光片這一元器件。目前高端的彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)多采用前一種切換技術(shù)，以保證顏色還原和清晰度，而一些低端的彩色轉(zhuǎn)黑白攝像機(jī)則采用后一技術(shù)，但極易造成白天彩色模式下影像模糊，色彩不自然的問(wèn)題。
[0006]3)慢快門(mén)技術(shù):慢快門(mén)的啟動(dòng)使得實(shí)時(shí)性急劇減弱，造成嚴(yán)重的拖尾和動(dòng)畫(huà)，所以只是適用于禁止紅、紫外線破壞的博物館，夜間生物活動(dòng)觀察，夜間軍事海岸線監(jiān)視等，屬性較靜態(tài)場(chǎng)所的監(jiān)視，其他實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)境中則不太適用，如夜間小區(qū)監(jiān)控可以使用這種技術(shù)，因?yàn)楸O(jiān)控的人流移動(dòng)速度較慢，而夜間道路監(jiān)控由于車流移動(dòng)速度較快就不提倡使用這種技術(shù)。
[0007]4)自動(dòng)增益功能(AGC):從了解的情況來(lái)看，各個(gè)廠家增益靈敏度(DB值)的設(shè)計(jì)都不一樣，有的DB值做的較高，有的DB值做的較低。當(dāng)然自動(dòng)增益功能(AGC)放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但照度方面的改善還是非常明顯的。
[0008]5)數(shù)字降噪技術(shù):從目前一些高檔低照攝像機(jī)的數(shù)字降噪的表現(xiàn)來(lái)看，數(shù)字降噪可以在噪點(diǎn)較多的情況下(特別是AGC啟動(dòng)時(shí))，較好的改善圖像的潔凈度和清晰度，從而提升了低照成像效果。
[0009]以上技術(shù)只能在一定的光照基礎(chǔ)上達(dá)到低照度可見(jiàn)，本發(fā)明通過(guò)改變圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)和電路實(shí)現(xiàn)了從14至15的亮度增益，達(dá)到10_31χ超低照度下可見(jiàn)光的目的。本發(fā)明還采用了相關(guān)雙采樣的方法降低了由于電子倍增所帶來(lái)的固態(tài)噪音。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種新型的超高清CMOS圖像傳感器像素電路及其控制方法，用于以低固態(tài)噪聲實(shí)現(xiàn)超高清CMOS圖像傳感器對(duì)超低照度可見(jiàn)光的識(shí)別。
[0011 ] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，包括:感光元件、傳輸管、單通道電子倍增器、浮置擴(kuò)散放大器、相關(guān)雙采樣電路、行選擇管、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0012]光電二極管與傳輸管的一端相連，傳輸管的另一端與單通道電子倍增器相連，浮置擴(kuò)散放大器的一端連接單通道電子倍增器，另一端連接相關(guān)雙采樣電路、復(fù)位電路；相關(guān)雙采樣電路連接行選擇管、復(fù)位電路，行選擇管連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0013]所述感光元件產(chǎn)生電子，在電子快門(mén)開(kāi)啟時(shí)，傳輸管關(guān)閉，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的噪音信號(hào)，得到第一采樣信號(hào)，行選擇管將第一采樣信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路；在電子快門(mén)復(fù)位后，傳輸管開(kāi)啟，電子進(jìn)入單通道電子倍增器，單通道電子倍增器對(duì)電子進(jìn)行倍增，浮置擴(kuò)散放大器將倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，相關(guān)雙采樣電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣得到第二采樣信號(hào)，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。
[0014]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述感光元件為N+P結(jié)的光電二極管，并采用淺的N+P結(jié)與深的N阱P結(jié)復(fù)合的結(jié)構(gòu)。
[0015]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述光電二極管表面的微透鏡表面覆蓋有Si3N4減反射膜。
[0016]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述相關(guān)雙采樣電路包括:第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第一采樣電容、第二采樣電容；第一開(kāi)關(guān)管與第二開(kāi)關(guān)管、第一采樣電容進(jìn)行連接，第二開(kāi)關(guān)管與第二采樣電容進(jìn)行連接，第一開(kāi)關(guān)管連接浮置擴(kuò)散放大器的另一端；第二采樣電容與行選擇管相連；
[0017]復(fù)位電路通過(guò)浮置擴(kuò)散放大器發(fā)送復(fù)位信號(hào)到第一采樣電容和第二采樣電容上，以將第一采樣電容和第二采樣電容的信號(hào)復(fù)位。
[0018]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述第一采樣電容、所述第二采樣電容的電容大小相等。
[0019]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述單通道電子倍增器由硅導(dǎo)電層和S12 二次電子發(fā)射倍增層組成。
[0020]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述單通道電子倍增器的孔徑為6?45m，端面上的開(kāi)口面積比為55%?80% ;微通道與端面具有7?15的偏置角，長(zhǎng)徑比為40?50。
[0021]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以如下方式進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理:
[0022](Vest- (2VEST-Vsignal) /2) *2 = Vsignal
[0023]其中:
[0024]VKST，第一米樣信號(hào)；
[0025](2VKST_Vsignal)/2，第二采樣信號(hào)；
[0026]Vsignal，圖像信號(hào)。
[0027]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種超高清CMOS圖像傳感器像素電路的控制方法，其特征在于，包括:
[0028]步驟一，感光元件產(chǎn)生電子，電子快門(mén)開(kāi)啟，傳輸管關(guān)閉，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的噪音信號(hào)，得到第一采樣信號(hào)；
[0029]步驟二，行選擇管開(kāi)啟，將第一采樣信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0030]步驟三，電子快門(mén)復(fù)位，傳輸管開(kāi)啟，電子進(jìn)入單通道電子倍增器，單通道電子倍增器對(duì)電子進(jìn)行倍增，浮置擴(kuò)散放大器將倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，相關(guān)雙采樣電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣得到第二采樣信號(hào)，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；
[0031 ] 步驟四，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。
[0032]所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路的控制方法，其中，所述步驟四中，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以如下方式進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理:
[0033](Vest- (2VEST-Vsignal) /2) *2 = Vsignal
[0034]其中:
[0035]VKST，第一米樣信號(hào)；
[0036](2VKST_Vsignal)/2，第二采樣信號(hào)；
[0037]Vsignal，圖像信號(hào)。
[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于:
[0039](I)本發(fā)明采用N+P結(jié)光電二極管作為感光元件，并為所述像素結(jié)構(gòu)采用將淺溝道的N+P結(jié)與深的N阱P結(jié)結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得感光元件的帶寬和靈敏度得到提升。
[0040](2)本發(fā)明采用了折射率較高的Si3N4作為材料的減反射膜，使得光的吸收率變聞。
[0041](3)本發(fā)明采用了電子增倍技術(shù)，可以通過(guò)倍增電子實(shí)現(xiàn)10_31χ超低照度下的圖像顯示。
[0042](4)本發(fā)明采用相關(guān)雙采樣技術(shù)，減少了電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的固定圖像噪聲，使得圖像傳感器可以完成相關(guān)雙采樣，使得圖像傳感器能夠在低固定噪聲的前提下完成超低照度下的顯示。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1是本發(fā)明的像素電路圖；
[0044]圖2是本發(fā)明的N+P襯底光電二極管結(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖3是本發(fā)明的P+N襯底光電二極管結(jié)構(gòu)圖；
[0046]圖4是本發(fā)明的N阱P襯底光電二極管結(jié)構(gòu)圖；
[0047]圖5是本發(fā)明的帶有減反射膜和微透鏡的光電二極管表面；
[0048]圖6是本發(fā)明的光電倍增管結(jié)構(gòu)圖；
[0049]圖7是本發(fā)明的像素電路的控制方法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，以更進(jìn)一步了解本發(fā)明的目的、方案及功效，但并非作為本發(fā)明所附權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。
[0051]如圖1所示，是本發(fā)明的可識(shí)別超低照度可見(jiàn)光的超高清CMOS圖像傳感器像素電路圖。
[0052]在圖1中，像素電路由光電二極管10、傳輸管11、單通道電子倍增器12、浮置擴(kuò)散放大器13、第一開(kāi)關(guān)管14、第二開(kāi)關(guān)管15、第一采樣電容16、第二采樣電容17、行選擇管18、復(fù)位電路19、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路20組成。第一開(kāi)關(guān)管14、第二開(kāi)關(guān)管15、第一米樣電容16、第二采樣電容17共同構(gòu)成了相關(guān)雙采樣電路。
[0053]光電二極管10與傳輸管11的一端相連，傳輸管11的另一端與單通道電子倍增器12相連，浮置擴(kuò)散放大器13的一端連接單通道電子倍增器12，另一端與第一開(kāi)關(guān)管14連接，第一開(kāi)關(guān)管14與第二開(kāi)關(guān)管15和第一采樣電容16進(jìn)行連接，同時(shí)第二開(kāi)關(guān)管15和第二采樣電容17進(jìn)行連接，用于進(jìn)行信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸。第二采樣電容17與行選擇管18相連，行選擇管18與后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路完成對(duì)輸出信號(hào)的檢測(cè)、采集和處理，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行輸出。第一開(kāi)關(guān)管14與浮置擴(kuò)散放大器13的輸出端連接，第二開(kāi)關(guān)管15與行選擇管18的輸入端連接。
[0054]像素電路通過(guò)一個(gè)外加電場(chǎng)，對(duì)感光元件10中通過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電子進(jìn)行加速，使其高速進(jìn)入單通道電子倍增器12。
[0055]作為感光元件的光電二極管10根據(jù)接收到的微光產(chǎn)生電子，在電子快門(mén)開(kāi)啟時(shí)，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器12和浮置擴(kuò)散放大器13產(chǎn)生的噪音信號(hào)，完成第一次采樣，在電子快門(mén)復(fù)位后，電子通過(guò)電場(chǎng)加速進(jìn)入單通道電子倍增器12，單通道電子倍增器12接收電場(chǎng)加速后的電子，并對(duì)其進(jìn)行倍增，倍增之后的電子通過(guò)浮置擴(kuò)散放大器13轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并傳輸?shù)较嚓P(guān)雙采樣電路，在相關(guān)雙采樣電路中完成信號(hào)的第二次采樣，并將得到的第二采樣信號(hào)輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路20。
[0056]由于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中，P型襯底摻雜濃度較N型襯底低，而相應(yīng)的N+摻雜濃度較P+高。因此N+P結(jié)耗盡區(qū)寬度較P+N結(jié)大，PN結(jié)電容則前者小后者大。耗盡區(qū)寬光量小效率高，亦即靈敏度高。又因結(jié)電容是主要的積分電容，積分電容小靈敏度較高。由此可知，N+P結(jié)的光電二極管靈敏度較P+N結(jié)高。超低照度條件要求感光元件的靈敏度很高，所以本發(fā)明采用N+P結(jié)光電二極管10作為感光元件。
[0057]如圖2、圖3、圖4所示，光電二極管10按照結(jié)構(gòu)通常分為N+P襯底光電二極管、P+N襯底光電二極管、N講P襯底光電二極管三種結(jié)構(gòu)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，由于器件尺寸的減少，相應(yīng)的PN結(jié)結(jié)深將減小，對(duì)可見(jiàn)光區(qū)波長(zhǎng)短的響應(yīng)較高，波長(zhǎng)長(zhǎng)的響應(yīng)較低。為提高可見(jiàn)光范圍，本發(fā)明的感光元件采用淺溝道的N+P結(jié)與深的N阱P結(jié)結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電二極管。這種結(jié)構(gòu)中淺結(jié)對(duì)短波長(zhǎng)響應(yīng)高，深結(jié)可提高長(zhǎng)波長(zhǎng)響應(yīng)，有利于提高感光元件的靈敏度和帶寬。
[0058]如圖5所示，本發(fā)明在光電二極管10表面的微透鏡上覆蓋減反射膜，可充分利用入射光能量，提高探測(cè)器靈敏度，S1-S12表面(即感光部分的表面)對(duì)可見(jiàn)光的反射率達(dá)到20%?30%，本發(fā)明采用了折射率較高的Si3N4作為減反射膜。因?yàn)榉瓷涠荒芪盏目梢?jiàn)光照射到減反射膜上時(shí)會(huì)再次反射而回到光電二極管10的感光部分表面。采用Si3N4作為減反射膜可將可見(jiàn)光的反射率降低到10%以下，從而保證超低照度下光子的吸收率。
[0059]本發(fā)明在光電二極管10后端設(shè)置了如圖6所示的單通道電子倍增器12。單通道電子倍增器12由硅導(dǎo)電層和S12 二次電子發(fā)射倍增層組成，電子在通過(guò)電場(chǎng)加速后撞擊到二次電子發(fā)射倍增層上使得電子數(shù)量倍增，從而進(jìn)行電子的增強(qiáng)。
[0060]單通道電子倍增器12的孔徑為6?45m，孔間距盡可能小，以求盡量減少非通孔的端面，端面上的開(kāi)口面積比為55%?80%。通常單通道電子倍增器12的微通道不垂直于端面，而具有7?15的偏置角。通道的長(zhǎng)度與孔徑之比稱為長(zhǎng)徑比，典型值為40?50。在微通道的兩端面鍍有鎳鉻層，形成輸入和輸出電極。通常微通道由含有Pb、Bi等氧化物的硅酸鹽玻璃制成，其制造工藝有實(shí)芯法和空芯法。為了在微通道內(nèi)壁形成二次電子發(fā)射層，需要進(jìn)行燒氫處理。在燒氫過(guò)程中，被氫還原的鉛原子分散在鉛玻璃的表面層中。因此電子倍增管可以很好地應(yīng)用到微光顯示中。
[0061]由于真空工藝的限制和氣體分子的吸附作用，在實(shí)際像管中不可避免留有殘余氣體分子。在電子倍增過(guò)程中，微通道內(nèi)的二次電子經(jīng)過(guò)多次倍增后，在微通道末端形成高密度電子云，由于后近貼區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度很高，使像管內(nèi)的殘余氣體分子電離，產(chǎn)生正離子。其中大部分在微通道的末端，在電場(chǎng)的作用下這些正離子沿通道反向加速。在反向加速過(guò)程中，它們與通道壁碰撞，產(chǎn)生二次電子；或使吸附在通道壁上的氣體分子電離；或正離子直接轟擊光電陰極，又產(chǎn)生新的電子發(fā)射和倍增過(guò)程，在熒光屏上產(chǎn)生閃爍亮點(diǎn)，稱為“離子斑”，使暗背景增大，圖像質(zhì)量惡化。另外，打到光陰極上的離子還會(huì)嚴(yán)重?fù)p害陰極表面，使其靈敏度下降，縮短像管的壽命。為了有效地阻擋正離子反饋，在微通道板輸入面上制作了一層覆蓋通道口的連續(xù)超薄介質(zhì)膜，即防離子反饋膜。防離子反饋膜采用一層厚度約為3?4nm的Al2O3薄膜制作而成，以阻擋正離子反饋，保護(hù)像管的光陰極免受離子轟擊，同時(shí)使具有一定能量的電子透過(guò)。
[0062]單通道電子倍增器12將產(chǎn)生相當(dāng)?shù)脑肼曅盘?hào)，如果不進(jìn)行相應(yīng)的降噪措施將影響本發(fā)明的實(shí)用性。本發(fā)明采用了相關(guān)雙采樣的方法來(lái)降低像素電路產(chǎn)生的噪音。
[0063]浮置擴(kuò)散放大器13將倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳輸?shù)较嚓P(guān)雙采樣電路中。
[0064]如圖7所示，是本發(fā)明像素電路的控制方法流程圖。結(jié)合圖1-6，該方法流程的步驟包括:
[0065]步驟701，在微光條件下，電子快門(mén)開(kāi)啟后，光電二極管10發(fā)生光電效應(yīng)并積蓄電子。
[0066]步驟702，在電子快門(mén)開(kāi)啟時(shí)，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器12和浮置擴(kuò)散放大器13產(chǎn)生的固態(tài)噪音信號(hào)，并傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路20。
[0067]步驟703，在電子快門(mén)復(fù)位后，電子在外界電場(chǎng)下加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入單通道電子倍增器12中。
[0068]步驟704，電子在單通道電子倍增器12中多次與二次電子倍增層發(fā)生碰撞，使得電子數(shù)量大幅度提高。
[0069]步驟705，電子在單通道電子倍增器12中完成倍增后傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散放大器13當(dāng)中轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
[0070]步驟706,相關(guān)雙米樣電路米樣浮置擴(kuò)散放大器13傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)，并傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路20。
[0071]像素電路通過(guò)如上電路完成的具體電路控制過(guò)程如下:
[0072]在一次曝光過(guò)程中，首先電子快門(mén)打開(kāi)，傳輸管11關(guān)閉，光電二極管10感應(yīng)到微光的照射產(chǎn)生光電效應(yīng)生成電子，產(chǎn)生的電子存儲(chǔ)在光電二極管10的勢(shì)阱中。同時(shí)第一開(kāi)關(guān)管14和第二開(kāi)關(guān)管15打開(kāi)，復(fù)位電路會(huì)通過(guò)浮置擴(kuò)散放大器13發(fā)送復(fù)位信號(hào)到第一采樣電容16和第二采樣電容17上，以將第一采樣電容16和第二采樣電容17的信號(hào)復(fù)位。由于此時(shí)光電二極管10的電子還未開(kāi)始傳輸，第一米樣電容16和第二米樣電容17中的信號(hào)Vkst包含了浮置擴(kuò)散放大器13以及單通道電子倍增器12的固態(tài)噪聲。然后行選擇管18打開(kāi)，將信號(hào)Vkst傳輸?shù)胶蠖说哪?shù)轉(zhuǎn)換電路20，完成第一次信號(hào)采樣。
[0073]在曝光完成之后，電子快門(mén)關(guān)閉，傳輸管11打開(kāi)，同時(shí)在光電二極管10后端附加電場(chǎng)，使得微光激活的少量電子進(jìn)入單通道電子倍增器12。電子在電場(chǎng)的作用下與單通道電子倍增器12的微通道壁多次碰撞，產(chǎn)生二次電子，實(shí)現(xiàn)電子數(shù)量的倍增。倍增的電子經(jīng)過(guò)浮置擴(kuò)散放大器13轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)\^811￡11。此時(shí)關(guān)閉第二開(kāi)關(guān)管15,打開(kāi)第一開(kāi)關(guān)管14,這時(shí)第一米樣電容16和第二米樣電容17上的電壓分別為VKST-Vsignal和VKST。
[0074]然后，關(guān)閉傳輸管11和第一開(kāi)關(guān)管14，打開(kāi)第二開(kāi)關(guān)管15，此時(shí)第一采樣電容16和第二采樣電容17上的信號(hào)發(fā)生中和，第一采樣電容16和第二采樣電容17上的信號(hào)大小相等。由于設(shè)計(jì)時(shí)使第一采樣電容16和第二采樣電容17的電容大小相等，此時(shí)第一采樣電容16和第二采樣電容17上的信號(hào)值將變成(2VKST-Vsignal)/2。然后再打開(kāi)行選擇管18，將第一采樣電容16和第二采樣電容17上的信號(hào)傳輸?shù)胶蠖说哪?shù)轉(zhuǎn)換電路20，完成第二次信號(hào)采樣。
[0075]在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路20中將第二次采樣得到的電壓信號(hào)與第一次采樣得到的復(fù)位信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，具體是:
[0076]采用第一次采樣得到的電壓信號(hào)減去第二次采樣得到的電壓信號(hào)，再將差值增倍的方式，可以準(zhǔn)確得到光電二極管10經(jīng)過(guò)光電感應(yīng)產(chǎn)生的電子在經(jīng)過(guò)電子倍增后的圖像信號(hào)Vsignal的大小。即:
[0077]Vsignal = (Vest- (2VEST-Vsignal) /2) *2
[0078]其中:
[0079]Vkst，第一采樣信號(hào)，即帶有單通道電子倍增器12和浮置擴(kuò)散放大器13產(chǎn)生的固態(tài)噪音的復(fù)位信號(hào)；
[0080](2VKST_Vsignal)/2，第二采樣信號(hào)；
[0081]Vsignal，圖像信號(hào)。
[0082]在像素電路中，圖像傳感器像素設(shè)計(jì)能夠使得雜光散光和電子泄露的影響更少。因?yàn)樵谝淮纹毓馄陂g輻射感光元件上產(chǎn)生的所有信號(hào)都存放在第一開(kāi)關(guān)管14，打開(kāi)第二開(kāi)關(guān)管15之后的第一采樣電容16和第二采樣電容17中，使得信號(hào)穩(wěn)定噪音小，方便進(jìn)行傳輸和處理。
[0083]在像素電路中，可進(jìn)行相關(guān)雙采樣消除固態(tài)噪聲和單通道電子倍增器12產(chǎn)生的噪聲。傳統(tǒng)的像素電路是先依靠全局復(fù)位晶體管復(fù)位，然后通過(guò)全局傳輸管傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散放大器后，先讀取信號(hào)電平，然后讀取復(fù)位電平，兩次的復(fù)位噪聲不相關(guān)，不能完全消除復(fù)位噪聲，尤其是單通道電子倍增器產(chǎn)生的噪聲較大，將極大的影響圖像效果。本發(fā)明由于采用了相關(guān)雙采樣技術(shù)，在不破壞感光元件所獲得信號(hào)的前提下，能夠在一次曝光期間復(fù)位傳感節(jié)點(diǎn)，并在曝光期間讀取包含靜態(tài)情況下單通道電子倍增器12的信號(hào)電平。這樣就使得即便是采用單通道電子倍增器12，也能夠使得像素陣列在較低的固定圖像噪聲下工作。
[0084]在像素電路中，可在相同的CMOS工藝下達(dá)到更高的靈敏度。像素電路中電子轉(zhuǎn)化為電壓的能力主要是由浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電容值來(lái)決定，浮置擴(kuò)散電容越大，轉(zhuǎn)換增益越小，靈敏度就越小。所以為了得到高靈敏度，將會(huì)把浮置擴(kuò)散放大器13做得最小。但其他傳感器還需要考慮浮置擴(kuò)散電容小會(huì)導(dǎo)致不能完全容納光電二極管10傳輸過(guò)來(lái)的電子。而在本發(fā)明中，電子是由第一采樣電容16和第二采樣電容17兩個(gè)采樣電容進(jìn)行儲(chǔ)存的，浮置擴(kuò)散放大器13與第一米樣電容16和第二米樣電容17完全隔開(kāi),在設(shè)計(jì)時(shí),可以把浮置擴(kuò)散放大器13做得最小，從而提高靈敏度并減小噪聲。
[0085]在像素電路中，寄生光感度小。傳統(tǒng)像素電路中浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)是一個(gè)PN結(jié)，雖然表層可以覆蓋金屬遮光，但是仍然容易感光，從而造成寄生漏電較大。而在本發(fā)明中，浮置擴(kuò)散放大器13與第一采樣電容16和第二采樣電容17完全隔離，第一采樣電容16和第二采樣電容17采用MOS電容，它們的大小是浮置擴(kuò)散放大器13電容值的好幾倍，穩(wěn)定性較傳統(tǒng)的像素電路有了較大提升。而且具有很低的感光度，漏電也非常小。另外，由于采用了相關(guān)雙采樣的操作方式，所以本發(fā)明的像素電路的寄生光感度非常小。
[0086]在像素電路中，通過(guò)設(shè)置一個(gè)傳輸管11提供了一個(gè)抗干擾的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)感光元件曝光過(guò)度的時(shí)候，過(guò)多的電子能夠通過(guò)傳輸管11釋放出去。這個(gè)位于光電二極管10上的傳輸管11具有電壓高時(shí)不導(dǎo)電，只有電壓低到一定的水平，通常是-0.4V左右時(shí)才能導(dǎo)電的特性。傳統(tǒng)類型的像素往往要求有一個(gè)連接到光電二極管的獨(dú)立的二級(jí)抗干擾傳輸晶體管，而且抗干擾傳輸晶體管上的電子泄漏有可能干擾光電二極管上信號(hào)的捕捉。
[0087]本發(fā)明提供了一種可識(shí)別超低照度可見(jiàn)光的超高清CMOS圖像傳感器像素電路及其控制方法，該像素電路包括光電二極管、傳輸管、單通道電子倍增器、浮置擴(kuò)散放大器、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第一采樣電容、第二采樣電容、行選擇管、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。光電二極管接受光照產(chǎn)生電子，電子通過(guò)單通道電子倍增器實(shí)現(xiàn)電量的增倍，相關(guān)雙采樣電路分別進(jìn)行兩次采樣，得到第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了低噪聲條件下識(shí)別超低照度可見(jiàn)光的超高清CMOS圖像傳感器像素。
[0088]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，包括:感光元件、傳輸管、單通道電子倍增器、浮置擴(kuò)散放大器、相關(guān)雙采樣電路、行選擇管、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路； 光電二極管與傳輸管的一端相連，傳輸管的另一端與單通道電子倍增器相連，浮置擴(kuò)散放大器的一端連接單通道電子倍增器，另一端連接相關(guān)雙采樣電路、復(fù)位電路；相關(guān)雙采樣電路連接行選擇管、復(fù)位電路，行選擇管連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路； 所述感光元件產(chǎn)生電子，在電子快門(mén)開(kāi)啟時(shí)，傳輸管關(guān)閉，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的噪音信號(hào)，得到第一采樣信號(hào)，行選擇管將第一采樣信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路；在電子快門(mén)復(fù)位后，傳輸管開(kāi)啟，電子進(jìn)入單通道電子倍增器，單通道電子倍增器對(duì)電子進(jìn)行倍增，浮置擴(kuò)散放大器將倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，相關(guān)雙采樣電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣得到第二采樣信號(hào)，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述感光元件為N+P結(jié)的光電二極管，并采用淺的N+P結(jié)與深的N阱P結(jié)復(fù)合的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述光電二極管表面的微透鏡表面覆蓋有Si3N4減反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述相關(guān)雙采樣電路包括:第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第一采樣電容、第二采樣電容；第一開(kāi)關(guān)管與第二開(kāi)關(guān)管、第一采樣電容進(jìn)行連接，第二開(kāi)關(guān)管與第二采樣電容進(jìn)行連接，第一開(kāi)關(guān)管連接浮置擴(kuò)散放大器的另一端；第二采樣電容與行選擇管相連； 復(fù)位電路通過(guò)浮置擴(kuò)散放大器發(fā)送復(fù)位信號(hào)到第一采樣電容和第二采樣電容上，以將第一采樣電容和第二采樣電容的信號(hào)復(fù)位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述第一采樣電容、所述第二采樣電容的電容大小相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述單通道電子倍增器由硅導(dǎo)電層和S12 二次電子發(fā)射倍增層組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述單通道電子倍增器的孔徑為6?45m，端面上的開(kāi)口面積比為55%?80% ;微通道與端面具有7?15的偏置角，長(zhǎng)徑比為40?50。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以如下方式進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理:
(Vrst-(2VEST-Vsignal)/2) *2 = Vsignal 其中: vIffiT，第一米樣信號(hào)； (2VKST_Vsignal)/2，第二采樣信號(hào)； Vsignal?圖像信號(hào)。
9.一種超高清CMOS圖像傳感器像素電路的控制方法，其特征在于，包括: 步驟一，感光元件產(chǎn)生電子，電子快門(mén)開(kāi)啟，傳輸管關(guān)閉，相關(guān)雙采樣電路采樣單通道電子倍增器和浮置擴(kuò)散放大器產(chǎn)生的噪音信號(hào)，得到第一采樣信號(hào)； 步驟二，行選擇管開(kāi)啟，將第一采樣信號(hào)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換電路； 步驟三，電子快門(mén)復(fù)位，傳輸管開(kāi)啟，電子進(jìn)入單通道電子倍增器，單通道電子倍增器對(duì)電子進(jìn)行倍增，浮置擴(kuò)散放大器將倍增后的電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，相關(guān)雙采樣電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣得到第二采樣信號(hào)，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路； 步驟四，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)第一采樣信號(hào)、第二采樣信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到圖像信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超高清CMOS圖像傳感器像素電路的控制方法，其特征在于，所述步驟四中，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以如下方式進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理: H-Vsignal)/2) *2 = V



signal 其中: vIffiT，第一米樣信號(hào)； (2VKST_Vsignal)/2，第二采樣信號(hào)； Vsignal?圖像信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04N5/374GK104427270SQ201310382041
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】鐘松延, 蘇威積, 裴彥杰, 林秀春, 肖鵬, 張力, 黃敏君, 董一伯, 杜麗, 鄧超, 劉攀, 孟飛, 董博, 趙薇, 牛坤, 張健, 劉雨睿, 王東東, 張春杰, 黃傳鶴 申請(qǐng)人:北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所, 北京航天愛(ài)威電子技術(shù)有限公司