像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法与流程

本发明涉及cmos图像传感器领域，特别是涉及一种像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法。

背景技术：

1、在物联网，机器视觉，车载监控等应用领域中，部分场景包含亮区信息、暗区信息以及不断发生的频闪信息，想要同时获取这几部分信息，就需要图像传感器拥有更高的动态范围，同时要求图像传感器在一个相对较长的时间里能够存储巨量的光电子信号。

2、基于此，现有的一些图像传感器进行光闪烁抑制(light flicker mitigation，lfm)的方案如下：通过多重曝光使得一部分像素进行短曝光，另一部分像素进行长曝光，最后对两部分的曝光进行合成，但是长曝光像素容易发生过曝且两部分像素曝光时间不重合，在拍摄高速运动物体时会造成运动伪影；或者是，将图像传感器中分为一大一小两种像素，在小像素中加入减透层，减少进光量，避免长曝光发生过曝，但是该种设计会导致小像素自身的满阱变小，导致信噪比较差，成像的效果不好；或者是，将图像传感器中分为高灵敏度和低灵敏度的两种像素，对低灵敏度的像素搭配额外的存储电容来收集溢出的电荷，在曝光结束后先对像素的数据信号进行读出量化，再对电荷存储部进行复位后再读出量化复位信号，最后相减得到真实信号，由于这种方式利用非相关双采样的方式处理两次量化信号，会导致最终信号中有相当一大部分的复位噪声。

3、因此，本发明意在设计一种新型的相关双采样的读取方式，减少复位噪声，实现一种有高动态范围、拥有lfm功能的图像传感器及工作模式。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法，用于解决现有技术中像素信号采集等问题，另外，还可以解决在高动态范围下图像传感器进行光闪烁抑制同时产生的信噪比差等问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种像素阵列，包括：若干个均包含有光电转换模块以及读出模块的像素单元；

3、所述光电转换模块包括第一像素光电转换区、第二像素光电转换区以及电荷电压转换区；

4、所述第一像素光电转换区及所述第二像素光电转换区接收对应的光信号并将所述光信号转换为电荷信号，且分别为所述电荷电压转换区提供第一电荷信号以及第二电荷信号；

5、所述电荷电压转换区的第一输入端和第二输入端分别接收所述第一电荷信号和第二电荷信号并基于所述电荷电压转换区将接收的电荷信号分别转换为对应的电压信号，且所述第一输入端和所述第二输入端之间具有连接节点；

6、其中，所述电荷电压转换区包括电压配置模块，其输入端连接至所述第二输入端，输出端连接至所述连接节点，以基于所述第二电荷信号配置第二像素光电转换区的感测输出电压；所述电压配置模块包含第一开关及存储节点，并配置为在所述第一开关打开时分配所述第二电荷信号并在所述第一开关关断时基于所述存储节点输出所述感测输出电压，以基于所述感测输出电压及所述第二像素光电转换区对应的复位信号实现相关双采样；

7、所述读出模块连接所述电荷电压转换区的输出端以接收转换的电压信号，所述读出模块基于所述第一电荷信号与所述第二电荷信号分别输出所述第一像素光电转换区的第一复位信号和/或第一数据信号以及所述第二像素光电转换区的第二复位信号和/或第二数据信号。

8、可选地，所述电荷电压转换区包括第一转换节点及第二转换节点；其中：所述第一转换节点设置于所述第一像素光电转换区的输出端并作为所述第一输入端；所述第二转换节点设置于所述第二像素光电转换区的输出端并作为所述第二输入端，且所述第一开关的第一端连接至所述第二转换节点并作为所述电压配置模块的输入端；其中，所述存储节点作为所述连接节点连接所述第一开关的第二端以及所述第一转换节点，以匹配所述电荷电压转换区的输出端输出对应的电压信号，且所述读出模块连接所述电荷电压转换区的所述第一转换节点以接收转换的电压信号。

9、可选地，所述光电转换模块还包括复位开关，设置于所述存储节点与工作电压之间，用于至少对所述存储节点和所述第一转换节点复位。

10、可选地，所述电荷电压转换区的第一输入端和所述连接节点之间还设置有增益调节开关，所述增益调节开关用于控制所述第一输入端和所述连接节点之间的导通与关断。

11、可选地，所述光电转换模块还包括第一电容器，所述第一电容器的第一极板连接至所述连接节点，所述第一电容器的第二极板连接至第一参考电压。

12、可选地，所述第一像素光电转换区的灵敏度高于所述第二像素光电转换区的灵敏度。

13、可选地，所述第一开关的沟道面积配置为所述像素单元中的晶体管的沟道面积中最小。

14、可选地，所述第一像素光电转换区包括第一光电转换元件以及第一传输开关，其中：所述第一光电转换元件的第一端接第一体电压，第二端连接所述第一传输开关的第一端；所述第一传输开关的第二端连接所述电荷电压转换区的第一输入端。

15、可选地，所述第二像素光电转换区包括第二光电转换元件以及第二传输开关，其中：所述第二光电转换元件的第一端接第二体电压，第二端连接所述第二传输开关的第一端；所述第二传输开关的第二端连接所述电荷电压转换区的第二输入端。

16、可选地，所述读出模块包括读出电路，其中：所述读出电路的输入端连接电荷电压转换区的输出端并根据读出控制信号输出采集信号。

17、可选地，所述第二像素光电转换区还设置有电荷存储区，所述电荷存储区连接所述电荷电压转换区的所述第二输入端，用于存储所述第二像素光电转换区溢出的电荷信号，以得到所述第二电荷信号。

18、可选地，所述电荷存储区包括第二电容器，所述第二电容器的第一极板连接所述第二电荷信号的输出端，第二极板连接电压调节模组。

19、本发明还提供一种像素阵列，包括若干个包含有光电转换模块及读出模块的像素单元；

20、所述光电转换模块包括第一像素光电转换区、第二像素光电转换区以及分别与二者对应的第一电荷电压转换区和第二电荷电压转换区；

21、所述第一像素光电转换区及所述第二像素光电转换区接收对应的光信号并将接收的光信号转换为电荷信号，且分别为对应的电荷电压转换区提供第一电荷信号以及第二电荷信号；

22、所述第一电荷电压转换区的输入端接收所述第一电荷信号并基于所述第一电荷电压转换区将接收的电荷信号转换为对应的电压信号，所述第二电荷电压转换区的输入端接收所述第二电荷信号并基于所述第二电荷电压转换区将接收的电荷信号转换为对应的电压信号；

23、其中，所述第二电荷电压转换区包括电压配置模块，其输入端连接至所述第二电荷电压转换区的输入端，输出端连接至存储节点，以基于所述第二电荷信号配置第二像素光电转换区的感测输出电压；其中，所述电压配置模块包含第一开关，并配置为在所述第一开关打开时分配所述第二电荷信号并在所述第一开关关断时基于所述存储节点输出所述感测输出电压，以基于所述感测输出电压及所述第二像素光电转换区对应的复位信号实现相关双采样；

24、所述读出模块包括第一读出子模块和第二读出子模块，分别连接至对应的所述第一电荷电压转换区和所述第二电荷电压转换区的输出端以接收转换的电压信号，所述读出模块基于所述第一电荷信号与所述第二电荷信号分别输出所述第一像素光电转换区的第一复位信号和/或第一数据信号以及所述第二像素光电转换区的第二复位信号和/或第二数据信号。

25、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种图像传感器，包括：控制信号发生电路以及如上述所述的像素阵列；所述控制信号发生电路至少连接所述像素阵列中的所述读出模块的控制端，至少用于提供对应的控制信号以选择作为输出的所述像素单元。

26、可选地，所述图像传感器包括堆叠设置的第一芯片和第二芯片，其中，所述第一芯片包括第一像素光电转换区对应的第一光电转换元件和所述第二像素光电转换区对应的第二光电转换元件，所述第二芯片包括与所述第一像素光电转换区和所述第二像素光电转换区对应的外围电路和/或信号处理部。

27、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种像素信号采集方法，基于以上所述的像素阵列实现，包括基于所述电压配置模块的输入端和输出端进行所述第二电荷信号对应的电压信号的配置，并基于所述电压配置模块输出所述感测输出电压。

28、可选地，所述像素信号采集方法包括：曝光步骤：将所述电荷电压转换模块置为复位状态；开启所述第一像素光电转换区的控制端后关闭所述第一像素光电转换区的控制端，所述第一像素光电转换区的第一转换元件曝光；以及，开启所述第二像素光电转换区的控制端后关闭所述第二像素光电转换区的控制端，所述第二像素光电转换区的第二转换元件曝光。

29、可选地，所述像素信号采集方法包括：量化步骤：开启所述读出模块，量化第一复位信号；开启所述第一像素光电转换区，量化第一数据信号；将所述电荷电压转换模块置为复位状态，量化所述第二像素光电转换区的第二复位信号；量化所述第二复位信号后将所述第二像素光电转换区开启，并量化第二数据信号，以实现对应所述第二像素光电转换区进行相关双采样；其中，所述第二数据信号对应所述感测输出电压，并基于第一复位信号与第一数据信号的差及第二复位信号与第二数据信号的差得到第一像素真实信号和第二像素真实信号。

30、可选地，当所述电荷电压转换区的第一输入端和所述连接节点之间设置有所述增益调节开关时，在量化步骤中，所述读出模块开启且所述增益调节开关开启，量化第一增益复位信号；关闭所述增益调节开关，量化第二增益复位信号；将所述第一像素光电转换区开启，量化第二增益数据信号；开启所述增益调节开关，量化第一增益数据信号；其中，基于所述第一增益复位信号与所述第一增益数据信号的差得到第一像素的第一增益真实信号，基于所述第二增益复位信号与所述第二增益数据信号的差得到所述第一像素的第二增益真实信号，以得到所述第一像素真实信号。

31、可选地，先量化第一像素光电转换区对应的信号再量化第二像素光电转换区对应的信号。

32、可选地，当所述电压配置模块包括第一开关时，在曝光步骤中，开启所述第二像素光电转换区的控制端后关闭所述第二像素光电转换区的控制端包括：开启所述第一开关后开启所述第二像素光电转换区对应的第二传输开关以开启所述第二像素光电转换区的控制端，关闭所述第二传输开关后关闭所述第一开关以关闭所述第二像素光电转换区的控制端。

33、可选地，当所述电压配置模块包括第一开关时，在量化步骤中，量化所述第二复位信号后将所述第二像素光电转换区开启以量化所述第二数据信号包括：量化所述第二复位信号后，开启所述第一开关后开启所述第二像素光电转换区对应的第二传输开关以开启所述第二像素光电转换区，关闭所述第二传输开关后关闭所述第一开关以关闭所述第二像素光电转换区，关闭所述第二像素光电转换区后量化所述第二数据信号。

34、可选地，当所述第二像素光电转换区还设置有所述电荷存储区时，所述电荷电压转换模块、所述第一像素光电转换区以及所述第二像素光电转换区复位过程中，所述电荷存储区维持第一电压；和/或，当所述第二像素光电转换区还设置有所述电荷存储区时，在曝光步骤中，所述第一像素光电转换区和所述第二像素光电转换区均开始曝光后，所述电荷存储区自第一电压调节为小于所述第一电压的第二电压，以将述第二电压在曝光期间耦合至所述第二像素光电转换区的输出端，以改善所述第二像素光电转换区的栅极诱导漏极漏电流；和/或，当所述第二像素光电转换区还设置有所述电荷存储区时，在量化步骤中，将所述电荷电压转换模块置为复位状态的过程中，将所述电荷存储区自第二电压调节为大于所述第二电压的第一电压，并在所述第二像素光电转换区的信号量化过程中维持所述第一电压。

35、可选地，当所述第二像素光电转换区还设置有所述电荷存储区且所述电荷存储区还配置为第一电压时，所述第一电压的电压值小于工作电压的电压值。

36、可选地，当所述电压配置模块包括所述第一开关及存储节点且所述电荷电压转换区包括所述第一转换节点及所述第二转换节点时，所述像素信号采集方法包括：开启所述第一开关，以至少转移所述第二像素光电转换区的所述第二电荷信号至所述第二转换节点、所述存储节点及所述第一转换节点，以进行所述第二电荷信号对应的电压信号的配置；在配置完成后，关闭所述第一开关，以基于所述存储节点及所述第一转换节点输出所述感测输出电压。

37、如上所述，本发明的像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法，具有以下有益效果：

38、本发明的像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法通过电路配置，基于电压配置模块实现真正的相关双采样的读取方式，能有效减少复位噪声，可以进一步实现一种高动态范围下光闪烁抑制的图像传感方式。另外，本发明的像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法的结构简单、方法简便，能有效应用于cmos图像传感器领域。

技术特征：

1.一种像素阵列，其特征在于，包括若干个包含有光电转换模块及读出模块的像素单元；

2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：所述电荷电压转换区包括第一转换节点及第二转换节点；其中：

3.根据权利要求2所述的像素阵列，其特征在于：所述光电转换模块还包括复位开关，设置于所述存储节点与工作电压之间，用于至少对所述存储节点和所述第一转换节点复位。

4.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：所述电荷电压转换区的第一输入端和所述连接节点之间还设置有增益调节开关，所述增益调节开关用于控制所述第一输入端和所述连接节点之间的导通与关断；和/或，所述光电转换模块还包括第一电容器，所述第一电容器的第一极板连接至所述连接节点，所述第一电容器的第二极板连接至第一参考电压；和/或，所述第一像素光电转换区的灵敏度高于所述第二像素光电转换区的灵敏度；和/或，所述第一开关的沟道面积配置为所述像素单元中的晶体管的沟道面积中最小。

5.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的像素阵列，其特征在于：所述第二像素光电转换区还设置有电荷存储区，所述电荷存储区连接所述电荷电压转换区的所述第二输入端，用于存储所述第二像素光电转换区溢出的电荷信号，以得到所述第二电荷信号。

7.根据权利要求6所述的像素阵列，其特征在于：所述电荷存储区包括第二电容器，所述第二电容器的第一极板连接所述第二电荷信号的输出端，第二极板连接电压调节模组。

8.一种像素阵列，其特征在于，包括若干个包含有光电转换模块及读出模块的像素单元；

9.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括控制信号发生电路以及如权利要求1-8中任一项的像素阵列；所述控制信号发生电路至少连接所述像素阵列中的所述读出模块的控制端，至少用于提供对应的控制信号以选择作为输出的所述像素单元。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括堆叠设置的第一芯片和第二芯片，其中，所述第一芯片包括第一像素光电转换区对应的第一光电转换元件和所述第二像素光电转换区对应的第二光电转换元件，所述第二芯片包括与所述第一像素光电转换区和所述第二像素光电转换区对应的外围电路和/或信号处理部。

11.一种像素信号采集方法，基于权利要求1-8中任一项所述的像素阵列所实现，其特征在于，所述采集方法包括步骤：基于所述电压配置模块的输入端和输出端进行所述第二电荷信号对应的电压信号的配置，并基于所述电压配置模块输出所述感测输出电压。

12.根据权利要求11所述的像素信号采集方法，其特征在于，所述采集方法包括：

13.根据权利要求11所述的像素信号采集方法，其特征在于：当所述电荷电压转换区的第一输入端和所述连接节点之间设置有所述增益调节开关时，在量化步骤中，所述读出模块开启且所述增益调节开关开启，量化第一增益复位信号；关闭所述增益调节开关，量化第二增益复位信号；将所述第一像素光电转换区开启，量化第二增益数据信号；开启所述增益调节开关，量化第一增益数据信号；其中，基于所述第一增益复位信号与所述第一增益数据信号的差得到第一像素的第一增益真实信号，基于所述第二增益复位信号与所述第二增益数据信号的差得到所述第一像素的第二增益真实信号，以得到所述第一像素真实信号；和/或，先量化第一像素光电转换区对应的信号再量化第二像素光电转换区对应的信号。

14.根据权利要求11所述的像素信号采集方法，其特征在于：

15.根据权利要求11所述的像素信号采集方法，其特征在于：

16.根据权利要求11-15中任一项所述的像素信号采集方法，其特征在于，当所述电压配置模块包括所述第一开关及存储节点且所述电荷电压转换区包括所述第一转换节点及所述第二转换节点时，所述像素信号采集方法包括：开启所述第一开关，以至少转移所述第二像素光电转换区的所述第二电荷信号至所述第二转换节点、所述存储节点及所述第一转换节点，以进行所述第二电荷信号对应的电压信号的配置，在配置完成后，关闭所述第一开关，以基于所述存储节点及所述第一转换节点输出所述感测输出电压；和/或，当所述第二像素光电转换区还设置有所述电荷存储区且所述电荷存储区还配置为第一电压时，所述第一电压的电压值小于工作电压的电压值。

技术总结
本发明提供一种像素阵列、图像传感器以及像素信号采集方法，像素阵列包括：若干个均包含有光电转换模块以及读出模块的像素单元；其中，光电转换模块包括第一像素光电转换区、第二像素光电转换区以及电荷电压转换区；电荷电压转换区包括电压配置模块；电压配置模块包含第一开关及存储节点；电压配置模块配置为在第一开关打开时分配第二电荷信号并在第一开关关断时基于存储节点输出感测输出电压，以基于感测输出电压及第二像素光电转换区对应的复位信号实现相关双采样；本发明通过电路配置实现真正的相关双采样的读取方式，能有效减少复位噪声，实现一种高动态范围下光闪烁抑制的图像传感方式。

技术研发人员：於亥雨,胡泽望
受保护的技术使用者：上海思特威集成电路有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23