專利名稱：一種cmos圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器技術領域，特別涉及一種用于高速攝影的CMOS圖像傳感器。
背景技術：
目前，實用的CMOS圖像傳感器大都依賴擴散過程收集光生載流子，這是一種速度較慢的過程，使得圖像傳感器的曝光時間一般需要大于1 P s。即使通過改變工藝，提高光生載流子在半導體材料中的運動速度，曝光時間仍然必須遠大于光生載流子渡越時間，才能保證較高的收集效率。 一旦曝光時間接近或小于渡越時間，圖像傳感器對光生載流子的收集效率就會急劇下降。 另一方面，雖然更小的積分時間意味著單位時間內更多的數據，但由于整個傳感器電路中存在各種各樣的噪聲，這些數據中的噪聲成分也越大，從信息量的角度看，即更小的積分時間并不能獲得更多的信息。實際上，存在一個最優的積分時間，使得圖像傳感器的信號質量較好，積分時間也較小，從而獲得最大的信息量。 因此，用CMOS圖像傳感器實現高速攝影，不能僅僅依靠減小曝光時間和信號放大——其代價是犧牲圖像質量。同時，CMOS圖像傳感器存在光生載流子渡越時間這一物理極限，使得曝光時間無法進一步減小。
發明內容
( — )要解決的技術問題 本發明解決的技術問題是在保證信號質量的條件下，或者在曝光時間達到器件的物理極限時，如何進一步提高高速攝影中CMOS圖像傳感器的時間分辨率。為了解決這一技術問題，本發明提出了一種用于高速攝影的CMOS圖像傳感器。
( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發明提供了一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號輸出電路，其中 像素陣列包含多個像素點，每個像素點由多個子像素組成，各像素點中相對位置相同的子像素的復位控制和信號保持控制線連接在一起，信號線按行列方式共享或獨立擁有信號輸出線； 曝光控制電路用于控制各個子像素的曝光按照預設的時間差依次開始和結束； 行列選通電路用于依次選通各個子像素，將信號輸出到信號線上； 信號輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號，驅動與該CMOS圖像傳感器的
輸出連接的模數轉換器。 上述方案中，所述每個子像素包括感光單元、復位控制單元、信號保持單元、信號輸出單元和選通控制單元，每個子像素曝光時間的開始和結束均可獨立控制，其中
感光單元用于將曝光量轉換為電壓信號；
復位控制單元用于將感光單元輸出的電信號復位到初始值，復位結束即為曝光開始的時刻； 信號保持單元用于采樣并保持感光單元的電壓信號，采樣時刻即為曝光結束的時刻； 信號輸出單元用于降低信號保持單元的輸出阻抗，驅動信號線；
選通控制單元用于控制信號輸出或保持高阻狀態。 上述方案中，所述各子像素的復位控制和信號保持控制線獨立引出，共享或獨立擁有信號輸出線。 上述方案中，所述多個子像素的曝光依次開始和結束，前后兩個的時間差為T，每個子像素的曝光時間為(N-1)T，N為自然數。 上述方案中，在某個子像素的曝光結束后，在T時間內依次選通輸出整個圖像傳感器陣列中相對位置相同的子像素，并對輸出信號進行模數轉換。 上述方案中，將每個像素中各個子像素的輸出視為一個序列，該序列的每一項是N-l個T時間曝光信號之和，如果前N-2個T時間曝光信號已知，則可做減法獲得最后一個T時間曝光信號；如此遞推，則可從曝光時間為(N-1)T的信號中獲得時間分辨率T的信息。
(三)有益效果 本發明公開了一種CMOS圖像傳感器，將一個像素劃分成N個可獨立控制曝光開始和結束的子像素，控制相鄰子像素的曝光開始和結束相差T，每個子像素曝光時間(N-l)T，并在隨后的T時間內完成模數轉換，則可以通過計算從曝光時間為(N-l)T的信號中恢復出時間分辨率為T的信號。本發明能夠突破CMOS圖像傳感器的曝光時間存在物理下限，也可以解決過短的積分時間引起的信號質量下降問題。
圖1為一個劃分為4個子像素(N = 4)的像素結構，其復位、采樣、選擇和輸出控制相互獨立。 圖2為4個子像素的工作模式。 圖3為圖2中y(n)和x(n)之間的關系，如果x (1) 、x (0)已知，則可以依次計算出x(2)、x(3)、x(4)、x(5)。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。 本發明將原來只有一組感光和控制單元的圖像傳感器像素，劃分為多個子像素，每個子像素擁有獨立的復位和采樣保持控制單元，這樣每個子像素的曝光開始和結束都可以獨立控制。 對于上述包含N個子像素的新型像素，其工作模式是每個子像素的曝光依次開始和結束，前后相差T，每個子像素的曝光持續(N-1)T，并將隨后的T時間留給模數轉換。這樣對每個子像素來說，其工作周期是NT，前后兩個子像素相差T。 假設y(n)是曝光時間(N-1)T的信號序列，x(n)是曝光時間為T的信號序列，則
y (n) = x (n_l) +x (n_2) + +x (n_N_l) 如果x(n-2)到x(n-N-l)都已知，則可以從y(n)中計算出x(n-1)。如此遞推，則可以從曝光時間為(N-1)T的信號中獲得時間分辨率T的信息。 本發明提供了一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號輸出電路。其中像素陣列包含多個像素點，每個像素點由多個子像素組成，各像素點中相對位置相同的子像素的復位控制和信號保持控制線連接在一起，信號線按行列方式共享或獨立擁有信號輸出線；曝光控制電路用于控制各個子像素的曝光按照預設的時間差依次開始和結束；行列選通電路用于依次選通各個子像素，將信號輸出到信號線上；信號輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號，驅動與該CMOS圖像傳感器的輸出連接的模數轉換器。 所述每個子像素包括感光單元、復位控制單元、信號保持單元、信號輸出單元和選通控制單元，每個子像素曝光時間的開始和結束均可獨立控制。其中感光單元用于將曝光量轉換為電壓信號；復位控制單元用于將感光單元輸出的電信號復位到初始值，復位結束即為曝光開始的時刻；信號保持單元用于采樣并保持感光單元的電壓信號，采樣時刻即為曝光結束的時刻；信號輸出單元用于降低信號保持單元的輸出阻抗，驅動信號線；選通控制單元用于控制信號輸出或保持高阻狀態。 所述各子像素的復位控制和信號保持控制線獨立引出，共享或獨立擁有信號輸出線。所述多個子像素的曝光依次開始和結束，前后兩個的時間差為T，每個子像素的曝光時間為(N-1)T，N為自然數。在某個子像素的曝光結束后，在T時間內依次選通輸出整個圖像傳感器陣列中相對位置相同的子像素，并對輸出信號進行模數轉換。將每個像素中各個子像素的輸出視為一個序列，該序列的每一項是N-l個T時間曝光信號之和，如果前N-2個T時間曝光信號已知，則可做減法獲得最后一個T時間曝光信號；如此遞推，則可從曝光時間為(N-1)T的信號中獲得時間分辨率T的信息。 本發明是一種用于高速攝影的CMOS圖像傳感器。通過將圖像傳感器中的每個像素劃分為N個子像素，并讓子像素的曝光相互錯開T，可以讓單個子像素的曝光時間為(N-1)T，而經過處理的圖像序列為T。 以N = 4為例，如圖1所示， 一個CMOS圖像傳感器像素被劃分為4個子像素，共有4個復位和4個采樣控制，，4個輸出端口和4個選擇控制。 當復位端有效時，子像素準備好接收入射光；當復位端從有效變成無效時，曝光開始，這時采樣控制處于無效狀態，采樣的電平跟隨光傳感器的電平。當采樣控制變為有效，則采樣電平保持不變，這時曝光結束。因為每個子像素都有一個復位控制端和一個采樣控制端，所以每個子像素的曝光開始和結束都可以獨立控制。在組成陣列時，不同像素中相同位置的子像素的復位控制和采樣控制連接在一起，這樣就可以實現對整個像素陣列的曝光控制。 當一個子像素的選擇控制端處于有效狀態時，該子像素能夠將采樣器的信號輸出到輸出總線上；反之，如果選擇控制端處于無效狀態，則該子像素的輸出端口處于高阻狀態。當多個子像素(同一像素內或不同像素)共享同一根輸出總線時，通過控制選擇端，讓只有一個子像素輸出信號，其余都處于高阻狀態。這樣可以讓多個像素構成陣列，從而完成成像的任務。
這種圖像傳感器像素的工作模式如圖2所示，其中每一格代表長度為T的時間。每個像素的工作周期中包括3T的曝光和T的模數轉換。 在t = 0時，子像素0的復位控制從有效變為無效，即子像素0的曝光開始。在t
=T時，子像素1的曝光開始，這時子像素0已經曝光T時間，光傳感器上的電平是x(O)。
在t = 2T時，子像素2的曝光開始，這時子像素0已經曝光2T時間，光傳感器上的電平是
x (0) +x (1)，子像素1曝光T時間，電平是x (1)。在t = 3T時，子像素3的曝光開始，而子像
素0的采樣控制變為有效，采樣器上獲得的電平為x (0) +x (1) +x (2)。在隨后的T時間內，對
子像素0進行模數轉換，可以獲得y(3) =X(0)+X(l)+x(2)。類似的，讓子像素1、2、3的工
作周期錯開T，可以得到序列y(n)，序列y(n)與x(n)的關系如圖3所示。 如圖3所示，從某個像素獲得的序列y，其每一項是序列x中連續3項之和。從圖
3中可以看出，如果x(1)和x(O)已知，則可以從y(n)中遞推出之后的各個x (n)。這樣，雖
然每個子像素的實際曝光時間是3T，但可以獲得時間分辨率為T的圖像序列。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳
細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡
在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保
護范圍之內。
權利要求
一種CMOS圖像傳感器，其特征在于，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號輸出電路，其中像素陣列包含多個像素點，每個像素點由多個子像素組成，各像素點中相對位置相同的子像素的復位控制和信號保持控制線連接在一起，信號線按行列方式共享或獨立擁有信號輸出線；曝光控制電路用于控制各個子像素的曝光按照預設的時間差依次開始和結束；行列選通電路用于依次選通各個子像素，將信號輸出到信號線上；信號輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號，驅動與該CMOS圖像傳感器的輸出連接的模數轉換器。
2. 根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述每個子像素包括感光單 元、復位控制單元、信號保持單元、信號輸出單元和選通控制單元，每個子像素曝光時間的 開始和結束均可獨立控制，其中感光單元用于將曝光量轉換為電壓信號；復位控制單元用于將感光單元輸出的電信號復位到初始值，復位結束即為曝光開始的 時刻；信號保持單元用于采樣并保持感光單元的電壓信號，采樣時刻即為曝光結束的時刻； 信號輸出單元用于降低信號保持單元的輸出阻抗，驅動信號線； 選通控制單元用于控制信號輸出或保持高阻狀態。
3. 根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述各子像素的復位控制和 信號保持控制線獨立弓I出，共享或獨立擁有信號輸出線。
4. 根據權利要求1所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述多個子像素的曝光依次 開始和結束，前后兩個的時間差為T，每個子像素的曝光時間為(N-l) T， N為自然數。
5. 根據權利要求4所述的CM0S圖像傳感器，其特征在于，在某個子像素的曝光結束后， 在T時間內依次選通輸出整個圖像傳感器陣列中相對位置相同的子像素，并對輸出信號進 行模數轉換。
6. 根據權利要求4所述的CM0S圖像傳感器，其特征在于，將每個像素中各個子像素 的輸出視為一個序列，該序列的每一項是N-l個T時間曝光信號之和，如果前N-2個T時 間曝光信號已知，則可做減法獲得最后一個T時間曝光信號；如此遞推，則可從曝光時間為 (N-1)T的信號中獲得時間分辨率T的信息。
全文摘要
本發明公開了一種CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器包括像素陣列、曝光控制電路、行列選通電路和信號輸出電路，其中像素陣列包含多個像素點，每個像素點由多個子像素組成，各像素點中相對位置相同的子像素的復位控制和信號保持控制線連接在一起，信號線按行列方式共享或獨立擁有信號輸出線；曝光控制電路用于控制各個子像素的曝光按照預設的時間差依次開始和結束；行列選通電路用于依次選通各個子像素，將信號輸出到信號線上；信號輸出電路用于緩沖或放大子像素的輸出信號，驅動與該CMOS圖像傳感器的輸出連接的模數轉換器。本發明能夠突破CMOS圖像傳感器的曝光時間存在物理下限，也可以解決過短的積分時間引起的信號質量下降問題。
文檔編號G03B7/08GK101738841SQ20091024235
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月9日 優先權日2009年12月9日
發明者關寧, 張旭, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所