[发明专利]一种同时具有高低增益和对数响应的高动态CMOS图像传感器及时序控制方法和读取方式

说明书

一种同时具有高低增益和对数响应的高动态CMOS图像传感器及时序控制方法和读取方式，属于半导体光电方向图像传感器领域。本发明利用了在不同光强下电荷补偿元件分别工作在截止区和亚阈值区的原理：弱光和强光下电荷补偿元件处于截止区，无导通电流，此时本发明的像素结构与具有高低增益结构的高动态像素技术功能相同，因此在弱光下具有很强的探测能力；在超强光或者长积分时间下电荷补偿元件工作在亚阈值区，利用亚阈值区晶体管电流电压为对数关系的特性实现对过溢光生电荷的补偿，因此可在超高光强下成像。本发明在一次曝光下可以获得多幅相同积分时间的图像，对应弱光、强光和超强光，多幅图像即可合成一幅具有超高动态范围的图像。

技术领域

本发明属于半导体光电方向图像传感器领域，具体为一种同时具有高低增益和对数响应的高动态CMOS图像传感器，以及与其相对应的时序控制方法和读取方式。

背景技术

动态范围是评价CMOS图像传感器的一项重要指标，表示CMOS图像传感器能够在同一帧图像中同时探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围，动态范围越大所获得图像的灰度细节等级就越高。随着集成电路技术的不断发展，CMOS图像传感器已经被广泛应用于图像传感领域。普通的CMOS图像传感器动态范围只能达到60～70dB，然而在汽车影像、安防监控、军事、自动化光学检测等领域中，环境光的范围可达到100dB以上，普通的CMOS图像传感器已经无法满足实际场景成像要求。

得到广泛应用的高动态CMOS图像传感器采用的是具有高低增益的像素结构，如图1所示。该像素结构由钳位光电二极管1、电荷转移控制晶体管2、复位晶体管3、高动态范围晶体管4、源极跟随器5、行选晶体管6组成，2-6均为标准NMOS晶体管。工作时序如图2所示，首先进行复位操作，2、3、4晶体管全部导通一次；然后像素进入积分阶段，积分结束之前再对FD点进行一次复位操作，分别读取低增益复位值RST_L和高增益复位值RST_H；接下来，积分结束，电荷转移控制晶体管2导通，将钳位光电二极管1产生的光生电荷转移到FD点，得到高增益信号电压SIG_H；然后电荷转移控制晶体管2和高动态范围晶体管4再同时导通，此时读取低增益信号值SIG_L。在高动态范围晶体管4导通期间，FD点与FDL点相连，相当于增大了FD点的电容，可以容纳更多来自于钳位光电二极管1的光生电荷，从而提高了像素的动态范围。通过两次电荷转移分别获得高低增益的方法可以使得像素的动态范围扩大20～30dB，从而总动态范围接近或达到90dB。

具有高低增益结构的高动态像素，虽然通过两次电荷转移提高了动态范围，但由于像素面积、填充比的限制，钳位光电二极管阱容量有限，当光强过强，或者积分时间较长时，积分时间内钳位光电二极管达到满阱，将不能容纳更多的电荷，从而限制了图像传感器的动态范围。

此外，还有采用多级横向溢出栅、双光电二极管、二极管连接的对数模式等扩展动态范围的方式，以上方法存在需要特殊工艺制造大电容、电路结构复杂、像素面积大且不适用于大面阵图像传感器、弱光下暗电流大信噪比差等缺点。

发明内容