[发明专利]高帧率全局像元CMOS图像传感器及其信号传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种高帧率全局像元CMOS图像传感器及其信号传输方法。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD和CMOS两大类。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。

通常来说，一个CMOS图像传感器的帧率取决于后方数字信号处理器(DSP)的能力，目前来看，通常的数字信号处理器具备1080p全高清视频流下每秒钟30帧(30fps)的处理能力，这一帧率能力对于高清视频流来说是足够了。

但是对于某些特殊应用来说，每秒钟30帧或60帧的视频流帧率就远远不够了。例如，对于某些科学应用相机来说，通常需要拍摄超高速运动的物体，比如拍摄超高速运动的子弹、百米运动员冲刺等，因此要求其图像传感器能够具备高帧率的图像采集能力。一般来说，高帧率的图像传感器需要具备1080p全高清视频流下每秒钟200帧以上的数据流能力。

对于高帧率的图像传感器来说，CMOS工艺下由于具备高度集成的特点，可以在一颗芯片上集成像素和数字处理电路，因此非常适用于有效提高图像传感器的帧率。所以，高帧率的CMOS图像传感器是目前高帧率传感器领域研究的重点。

另一方面，传统的4T像元通常属于滚筒曝光像元(Rolling Shutter Pixel)，包括传输管、复位管、源极跟随器和行选通管这四个晶体管。其信号读取原理是当复位管的栅极信号RX拉到高电平时，对悬浮节点FD的电荷进行清空和复位，然后复位管的栅极信号RX置为低电平并将传输管的栅极信号TX置高时，感光二极管PD的信号将被传输至FD点，随后完成信号读出。也就是说，对于传统4T像元组成的图像传感器x行y列的像元阵列来说，第一行第一列的曝光时间与第x行第y列的曝光时间并不同时。这个非同时性对于普通相机应用来说没有问题，但是对于高帧率拍摄图像时，则会引起明显的图像失真与变形。所以对于高帧率的图像传感器，需要通过全局像元(Global Shutter Pixel)来实现。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高帧率的全局像元CMOS图像传感器。

为达成上述目的，本发明提供一种全局像元CMOS图像传感器，包括由多个全局像元组成的像素阵列；第一尾电流模块，包括分别对应所述像素阵列的每一列配置的多个第一尾电流源；第一译码模块，其控制各所述全局像元同时进行曝光、信号采样，依次选中所述像素阵列的各行，以及同时读取选中行的各所述全局像元的信号；第二译码模块，其将所述第一译码模块所选中行的各所述全局像元的信号依次输出；输出驱动模块，将所述第二译码模块依次输出的信号串行输出。

优选的，每一所述全局像元包括感光二极管、传输管、悬浮节点、复位管、第一源跟随器、预充电管、第一采样保持电容、第二采样保持电容、第一开关管、第二开关管、第二源跟随器及行选通管；所述传输管的源极连接所述感光二极管，漏极连接所述第一源跟随器的栅极和所述复位管的源极于所述悬浮节点；所述预充电管的漏极与所述第一源跟随器的源极相连于所述第一开关管的源极，源极接地；所述复位管的漏极接电源电压，所述第一源跟随器的漏极接电源电压；所述第一开关管的漏极与所述第二开关管的源极连接于所述第一采样保持电容的一端，所述第一采样保持电容的另一端接地；所述第二开关管的漏极与所述第二源跟随器的栅极连接于所述第二采样保持电容的一端，所述第二采样保持电容的另一端接地；所述第二源跟随器的漏极连接电源电压、源极连接所述行选通管的源极；所述行选通管的漏极作为所述像元的输出端；所述像素阵列中同一列全局像元的行选通管的漏极共同连接对应的所述第一尾电流源；

每一所述全局像元的传输管、复位管、预充电管、第一开关管、第二开关管及行选通管的栅极信号均由所述第一译码模块发出，以使选中行的每一所述全局像元的第二采样保持电容先后输出该全局像元的复位信号和该复位信号与该全局像元的感光二极管信号的混合信号，其中所述复位信号与所述混合信号之差表征所述全局像元的信号。

优选的，所述全局像元CMOS图像传感器还包括第二尾电流模块，包括分别对应所述像素阵列的每一列配置的多个接地的第二尾电流源；每一所述全局像元的行选通管的漏极通过一控制开关连接其对应的所述第二尾电流源。

优选的，所述控制开关的开闭状态由所述第一译码模块发出的开闭信号控制，使得每次所述第二开关管输出信号之前其对应的所述控制开关开启后关闭。