[发明专利]高速全局快门图像传感器像素及其像素信号采集方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域,具体涉及一种用于高速全局快门的图像传感器像素及其像素信号的采集方法。

背景技术

在拍摄高速移动的物体时需要使用全局快门以避免图像的扭曲。一种典型的全局快门CMOS像素如图1所示，由复位开关M1、光电二极管D、缓冲放大器AMP1、采样开关M4，采样电容C1、缓冲放大器M5和行选开关M6构成。该像素基于传统的3T像素结构变化而来，首先复位开关闭合并对光电二极管进行复位，之后复位开关断开，像素开始曝光，由光电二极管将接收的光信号转换为电信号。在帧转移时间内，首先采样开关闭合并将光电二极管转换的电信号存储在采样电容上。之后采样开关打开，采样电容存储的电信号就代表了光强的大小，曝光结束；然后像素可以开始下一帧曝光，采样电容上存储的信号在之后通过源级跟随器和行选开关读出。该像素的优点是结构简单，帧转移时间较短，在帧转移时间内仅需要对采样开关进行一次操作。其缺点为无法进行相关双采样以去除KTC（复位）噪声。

中国专利公报公开了一种“高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法”（公开号：103491324A公开日：2014-01-01），如图2所示，该像素的复位开关M1的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管D的负极和第一缓冲放大器AMP1的输入端，光电二极管D的正极接地；第一缓冲放大器AMP1的输出端通过第一采样电容C1’连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；校正开关M2’的输入端接校正电压Vcali，输出端连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；第二缓冲放大器AMP2的输出端通过采样开关SAMPLE连接到第二采样电容C2’和第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二采样电容C2’的另一端接地，第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。这种像素虽然能够实现相关双采样以消除KTC噪声，帧转移时间短，但是芯片在一帧采样完成并且所有像素中的光信号都读出后才可以进行下一帧的采样，两次采样的间隔至少是一帧的时间以上,像素阵列越大,像素阵列的读出时间越长，这个间隔就越大。因此在曝光时间与曝光间隔都非常短的情况下并不适用。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种可进行连续两次采样，在短曝光时间下采样间隔时间短，不受读出时间和阵列大小限制的高速全局快门图像传感器像素。该像素除了可高速连续两帧曝光外，还可以进行非相关双采样以去除像素阵列的固定模式噪声。

为了解决上述技术问题，本发明的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关，光电二极管，第一、第二采样电容，第一、第二、第三缓冲放大器，第一、第二采样开关，行选开关；所述复位开关的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管的负极和第一缓冲放大器的输入端，光电二极管的正极接地；第一缓冲放大器的输出端通过第一采样开关连接到第一采样电容和第二缓冲放大器的输入；第二缓冲放大器的输出端通过第二采样开关连接到第二采样电容和第三缓冲放大器的输入端；第二采样电容的另一端接地，第三缓冲放大器的输出端通过行选开关连接到总线。

所述第一缓冲放大器由第一源级跟随器及其电流源负载构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器及其电流源负载构成。

所述第一缓冲放大器还可以由第一源级跟随器构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器构成。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法。

为了解决上述技术问题，本发明的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法可采用下述2种技术方案。

技术方案一

步骤一：将复位开关闭合，使光电二极管复位；

步骤二：将复位开关断开，第一帧曝光开始，光电二极管的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低；

步骤三：在帧转移时间内，将第一、第二采样开关闭合，光电二极管的像素信号电压Vsignal通过第一、第二采样开关被采集到第二采样电容上面供随后读出；

步骤四：在第二帧开始时先将复位开关闭合使光电二极管复位，然后将复位开关断开，将第一采样开关闭合使第二帧的复位电压Vreset被采集到第一采样电容上供随后读出；

重复步骤三、四得到第二帧像素信号电压Vsignal和第三帧复位电压Vreset；以此类推，获取各帧图像像素光信号。

技术方案二：

步骤一：将复位开关闭合，使光电二极管复位；

步骤二：将复位开关断开，第一帧曝光开始，光电二极管的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低；