[发明专利]双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法

说明书

本发明涉及一种双转移栅高动态范围图像传感器像素的全局快门控制方法，该方法如下：在开始曝光前控制全局栅晶体管闭合再断开使所有像素的光电二极管同时复位并开始曝光；经过一段曝光时间后，读取整帧的低、高增益复位电压；控制所有像素的电荷转移控制晶体管闭合，使得所有像素同时截止曝光；读取整帧的高、低增益信号电压。在片外进行相关双采样数据处理，得到两帧不同增益的有效信号。本发明所有像素同时开始曝光，同时截止曝光，经过一次信号转移，在浮置扩散区和存储电容中得到不同增益信号，两个信号在像素内进行存储，等待被逐行读取，完成全局快门。该控制方法所有像素起止曝光时间相同，在拍摄高速移动物体时，画面不会失真。

技术领域

本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种双转移栅高动态图像传感器像素的全局快门控制方法。

背景技术

动态范围是图像传感器的一个重要指标，一种双转移栅高动态范围图像传感器像素被提出，如图1所示，工作时序如图2所示。

结合图2时序，该高动态范围图像传感器像素工作原理为：

1.t1时刻，第一电荷转移控制晶体管M1闭合，开关晶体管M2闭合，复位晶体管M3闭合，光电二极管PD被复位。之后断开第一电荷转移控制晶体晶体管M1，像素开始曝光；

2.在曝光结束之前闭合行选晶体管M5开始读取信号，然后断开复位晶体管M3，于t2时刻在像素输出端采集一个低增益复位电压1；

3.开关晶体管M2，于t3时刻在像素输出端采集一个高增益复位电压2；

4.闭合第一电荷转移控制晶体管M1，进行电荷转移，光生电荷转移至浮置扩散区FD中。若曝光量较小，光电二极管内所有电荷转移至浮置扩散区FD中；若曝光量较大，光电二极管内积分电荷较多，无法全部转移至浮置扩散区FD中。

5.闭合第二电荷转移控制晶体管M6，光电二极管内剩余的电荷将全部转移至存储电容C1中。

6.断开第一电荷转移控制晶体管M1和第二电荷转移控制晶体M6，在t4时刻在像素输出端采集一个高增益信号电压3；

7.闭合开关晶体管M2，将浮置扩散区FD与存储电容C1中电荷混合，在像素输出端采集一个低增益信号电压4；

8.经后续电路处理，高增益复位电压2与信号电压3相减，低增益复位电压1与信号电压4相减，每个像素可以得到两个不同增益的有效信号值。

如图3a所示，曝光时，光电二极管PD积累电荷；如图3b所示，闭合第一电荷转移控制晶体管M1，进行电荷转移，曝光量较小时(积分时间较短或光强较弱)，经过电荷转移，光电二极管PD内积分电荷全部转移至浮置扩散区FD；曝光量较大时(积分时间较长或光强较强)，在光电二极管内剩余部分电荷未转移出；如图3c所示，闭合第二电荷转移控制晶体管M6，光电二极管内剩余的电荷将转移至存储电容C1中；图3d所示为电荷转移完成，光电二极管被清空。

通过以上时序控制，整个图像传感器阵列可以得到两幅不同增益的图像。高增益图像能够很好的显示场景中的弱光细节，低增益图像能够很好的显示场景中的强光细节，再通过后续图像处理，对两幅图像进行综合，即可以得到一副高动态范围图像。

该高动态范围图像传感器的快门模式为卷帘快门，即像素阵列逐行曝光，逐行读取，读出时间可认为是行选晶体管闭合时间。卷帘快门工作示意图如下图4所示。应用这种快门对高速运动的物体进行拍摄，每行起止曝光时间不同，容易出现画面变形现象。

全局快门可以使所有像素的曝光起止时间相同，拍摄高速运动物体不失真。传统全局快门工作示意图如下图5所示。具体操作方法：所有像素感光二极管同时开始复位，然后进行曝光，曝光结束之后进行帧转移，即所有像素的光生电荷同时转移至像素内的电荷存储区，然后开始逐行读取数据，未被读取到的行的光生电荷在电荷存储区内等待被读出。目前没有针对以上双转移栅高动态像素的全局快门控制方法被提出。