CN110233980A - 一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质 - Google Patents

一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质，该有源像素图像传感器包括：至少三个PD柱；与所述至少三个PD柱连接的场效应管；其中，所述至少三个PD柱，用于吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；每个所述PD柱用于吸收一种单色光；所述场效应管，用于依次读出各个所述PD柱的电信号并复位。采用上述实现方案，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括至少三个PD柱和与各PD柱垂直连接的场效应管，利用至少三个PD柱和场效应管可以实现多个PD柱共享一个读出电路进行信号读出。

Description

一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质
技术领域
本申请涉及图像处理领域，尤其涉及一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质。
背景技术
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器的像素电路可分为无源像素传感器(Passive Pixel Sensor，PPS)和有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)两类，在APS中每个像素对应3个以上的晶体管，用于实现像素内信号的放大读出和复位，如图1所示，以4T像素图像传感器为例，APS的工作流程为：光照射产生的电子-空穴对由于光电二极管(Photo Diode，PD)电场而分开，使得电子移向n区，空穴移向p区；激活复位管，将读出区复位到高电平，并读出复位电平；之后，激活传输门，将电荷从感光区转移到n+区并从n+区，配合选通管可以读出信号电平；通过对复位电平和信号电平进行相关双采样，得到信号电平对应的实际有效幅值。
然而，现有的APS需要三个以上的晶体管，且晶体管所占的面积大，另外，每个PD柱只能采用一个读出电路进行信号读出，使得有源像素传感器尺寸很大，当需要缩小有源像素传感器的尺寸时，增大了对晶体管的加工要求。
发明内容
本申请实施例提供一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质，可以实现多个PD柱共享一个读出电路进行信号读出。
本申请的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供一种有源像素图像传感器，所述有源像素图像传感器包括：
至少三个PD柱；
与所述至少三个PD柱连接的场效应管；
其中，所述至少三个PD柱，用于吸收红(Red，R)通道、绿(Green，G)通道和蓝(Blue，B)通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；每个所述PD柱用于吸收一种单色光；
所述场效应管，用于依次读出各个所述PD柱的电信号并复位。
上述方案中，所述PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
上述方案中，所述PD柱的形状为长方形、圆形、平行四边形或菱形。
上述方案中，所述场效应管包括控制门和各个所述PD柱对应的浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接。
上述方案中，所述控制门，用于在所述特定PD柱被选通时，通过加正向偏压将所述电信号聚集到所述特定PD柱对应的n+区；当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述特定PD柱对应的浮栅中，所述特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱，所述第一电压为所述特定PD柱对应的n+区和所述特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压且所述控制门的电压高于所述特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出所述特定PD柱的电信号，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
上述方案中，所述控制门，还用于加反向偏压，当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述特定PD柱对应的浮栅中转移到所述特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
上述方案中，所述场效应管为浮栅金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。
上述方案中，所述PD柱的n区和场效应管的p型衬底连接。
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于有源像素图像传感器，所述有源像素图像传感器包括至少三个PD柱和与所述至少三个PD柱连接的场效应管，所述方法包括：
利用所述至少三个PD柱吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；其中，每个所述PD柱用于吸收一种单色光；
利用所述场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号，并利用所述场效应管进行复位操作，以对所述电信号进行图像处理，得到对应的图像。
上述方案中，所述场效应管包括控制门和各个所述PD柱对应的浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接；
所述利用所述场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号，包括：
在所述特定PD柱被选通时，通过加正向偏压将所述电信号聚集到所述至少三个PD柱中特定PD柱对应的n+区；所述特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱，
当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述特定PD柱对应的浮栅中，所述第一电压为所述特定PD柱对应的n+区和所述特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；
在漏极加正向偏压且所述控制门的电压高于所述特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出所述特定PD柱的电信号，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
上述方案中，所述利用所述场效应管进行复位操作，包括：
向所述控制门加反向偏压；
当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述特定PD柱对应的浮栅中转移到所述特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于有源像素图像传感器，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种图像方法。
本申请实施例提供了一种有源像素图像传感器及图像处理方法、存储介质，该有源像素图像传感器包括：至少三个光电二极管PD柱；与所述至少三个PD柱连接的场效应管；其中，所述至少三个PD柱，用于吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；每个所述PD柱用于吸收一种单色光；所述场效应管，用于依次读出各个所述PD柱的电信号并复位。如此，采用上述实现方案，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括至少三个PD柱和与各PD柱垂直连接的场效应管，利用至少三个PD柱和场效应管可以实现对采集到的RGB单色光进行图像处理的过程，可以实现多个PD柱共享一个读出电路进行信号读出。
附图说明
图1为现有技术提出的一种4T有源像素图像传感器的电路结构图；
图2为本申请实施例提供的一种有源像素图像传感器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种示例性的有源像素图像传感器的结构组成图；
图4(a)为本申请实施例提供的一种示例性的有源像素图像传感器的单个像素的俯视图；
图4(b)为现有技术提出的一种示例性的有源像素图像传感器的单个像素的俯视图；
图5为本申请实施例提供的一种图像处理方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请。并不用于限定本申请。
实施例一
本申请实施例提供一种有源像素图像传感器，如图2所示，该有源像素图像传感器200包括：
PD柱201；其中，PD柱的数量至少为三个。
与所述PD柱201连接的场效应管202；
其中，所述PD柱，用于吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；每个所述PD柱用于吸收一种单色光；
所述场效应管202，用于依次读出各个所述PD柱的电信号并复位。
本申请实施例提供的一种有源像素图像传感器适用于对采集到的光信号进行图像处理，得到光信号对应的图像的场景下。
本申请实施例中，每个PD柱吸收的RGB单色光在PD柱耗尽区发生光电转换，将对应的光信号转换成电信号，之后，场效应管将该电信号转移并读出，在读出电信号之后，再进行复位操作。
可选的，每个PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
本申请实施例中，有源像素图像传感器的每个像素中包含一种直径的PD柱，该PD柱的直径是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定的，或者通过光学模拟得到的，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
本申请实施例中，利用公式(1)确定PD柱的尺寸
PD柱的尺寸＝(共振波长-预设常数)/折射率 (1)
示例性的，PD柱的直径为70nm，其对蓝光的吸收率最高，吸收率高达95％以上；PD柱的直径为90nm，其对绿光的吸收率最高；PD柱的直径为120nm，其对红光的吸收率最高。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用PD柱的光学共振，实现了对RGB单色光的共振吸收。
可选的，所述PD柱的形状可以为长方形、圆形、平行四边形或菱形，具体可以根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
可选的，所述场效应管202包括控制门和和各个所述PD柱对应的浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接。
可选的，所述PD柱的n区和场效应管的p型衬底连接。
本申请实施例中，如图3所示，为有源像素图像传感器的结构示意图，其中，每个PD柱的n区和和场效应管的p型衬底连接，控制门与浮栅之间通过隔离带进行隔离，且控制门和场效应管的栅极连接。
可选的，所述控制门，用于在所述特定PD柱被选通时，通过加正向偏压将所述电信号聚集到所述特定PD柱对应的n+区；当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述特定PD柱对应的浮栅中，所述特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱，所述第一电压为所述特定PD柱对应的n+区和所述特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压且所述控制门的电压高于所述特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出所述特定PD柱的电信号，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
这里，可以针对每个PD柱设置选通电路(图3中未示出)，当任意一个PD柱通过选通电路被选通时，该PD柱产生的电信号可以被转移到对应的n+区；当任意一个一个PD柱未被选通时，该PD柱产生的电信号不会被转移到对应的n+区。
本申请实施例中，通过向场效应管的控制门加正向偏压，将电信号聚集在n+区沟道，当正向偏压高于浮栅和n+区之间隧穿时的第一电压时，n+区的电信号转移到浮栅中，此时浮栅中的阈值电压会增高，其中，浮栅中的阈值电压和光信号的信号强度成正比。
本申请实施例中，当将电信号转移到浮栅中之后，场效应管的源极接地，漏极加正向偏压，并实时记录控制门的电压，当控制门的电压高于浮栅的阈值电压时，漏极流出电流，此时，可以通过放大器读出电信号的信号电平。
可选的，所述控制门，还用于加反向偏压，当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述特定PD柱对应的浮栅中转移到所述特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
本申请实施例中，在读出电信号的信号电平之后，需要对浮栅进行复位操作，具体的，为控制门加反向偏压，当反向偏压大于预设电压阈值时，浮栅中的电信号会隧穿而出，与n+区的空穴中和，导致浮栅中的阈值电压降低，此时，完成对浮栅的复位操作。
可选的，所述场效应管为浮栅MOSFET等具备读出电信号和复位的功能的器件，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
本申请实施例中，可以实现多个PD柱采用共享的场效应管进行信号的依次读出；示例性地，图3中的三个PD柱从左到右可以依次记为第一PD柱、第二PD柱和第三PD柱，一个有源像素图像传感器内三个PD柱的光信号转换成电信号，具体地说，对于每个PD柱，光线经过滤光片后在光电二极管耗尽区发生光电转换过程。
首先对第一PD柱进行读出和复位，然后对第二PD柱进行读出和复位，最后对第三PD柱进行读出和复位；可以看出，本申请实施例通过一个场效应管可以实现多个PD柱的电信号的共享读出。
作为一种实施方式，有源像素图像传感器可以是亚波长尺寸的有源像素图像传感器。
本申请实施例中，可以针对单个像素，实现多个PD柱的电信号通过一个场效应管进行共享读出；也可以针对多个像素，实现对应的各个PD柱的电信号通过一个场效应管进行共享读出。
下面以单个像素为例进行示例性说明。
如图4(a)所示，为本申请实施例提供的一种示例性的有源像素图像传感器的俯视图，每个像素在垂直方向包含三个不同PD柱，图4中，填充有不同图案的圆表示用于对不同波长的光进行光电转换的PD柱，例如，三个PD柱分别用于对R通道、G通道和B通道的光信号进行光电转换。
图4(b)为现有技术提出的一种示例性的有源像素图像传感器的单个像素的俯视图，如图4(b)所示，每个像素对应的图像传感器部分在垂直方向包含了4个晶体管，增加了整个有源像素图像传感器的面积，而本申请中的有源像素图像传感器在垂直方向只占用若干个PD柱的空间，进而缩小了有源像素图像传感器的尺寸。
可以理解的是，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括PD柱和与PD柱垂直连接的场效应管，其中，PD柱的数量至少为三个；PD柱和场效应管可以实现对采集到的RGB单色光进行图像处理的过程，实现多个PD柱共享一个读出电路进行信号读出，进而能够缩小有源像素图像传感器的尺寸，提高了场效应管的电荷容量，提高了有源像素图像传感器的集成度，提高可擦写浮栅MOSFET的利用率，降低了工艺难度。
实施例二
本申请实施例提供一种图像处理方法，应用于有源像素图像传感器，该有源像素图像传感器包括PD柱和与上述PD柱连接的场效应管，其中，PD柱的数量至少为三个；如图5所示，该方法可以包括：
S101、利用PD柱吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；其中，每个PD柱用于吸收一种单色光；
本申请实施例提供的一种图像处理方法适用于对采集到的光信号进行图像处理，得到光信号对应的图像的场景下。
本申请实施例中，每个PD柱吸收的RGB单色光在PD柱耗尽区发生光电转换，将对应的光信号转换成电信号。
本申请实施例中，有源像素图像传感器的每个像素中包含至少三种不同直径的PD柱，每个PD柱的直径是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定的，或者通过光学模拟得到的，具体的根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
本申请实施例中，利用公式(1)确定PD柱的尺寸。示例性的，PD柱的直径为70nm，其对蓝光的吸收率最高，吸收率高达95％以上；PD柱的直径为90nm，其对绿光的吸收率最高；PD柱的直径为120nm，其对红光的吸收率最高。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用PD柱的光学共振，实现了对RGB单色光的共振吸收。
可选的，所述PD柱的形状可以为长方形、圆形、平行四边形或菱形，具体可以根据实际情况进行选择，本申请实施例不做具体的限定。
S102、利用场效应管依次读出各个PD柱的电信号，并利用场效应管进行复位操作，以对电信号进行图像处理，得到对应的图像。
当有源像素图像传感器利用PD柱将光信号转换成电信号之后，有源像素图像传感器利用场效应管读出电信号，并利用场效应管进行复位操作，以对电信号进行图像处理，得到对应的图像。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号的过程具体包括：在所述特定PD柱被选通时，有源像素图像传感器通过为控制门加正向偏压，将所述电信号聚集到至少三个PD柱中特定PD柱对应的n+区；特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱；当所述正向偏压高于第一电压时，有源像素图像传感器将n+区的电信号转移到特定PD柱对应的浮栅中，第一电压为特定PD柱对应的n+区和特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压，并记录控制门的电压，当控制门的电压高于特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出特定PD柱的电信号，阈值电压由光信号的信号强度确定。
本申请实施例中，浮栅中的阈值电压和光信号的信号强度成正比。
本申请实施例中，当将电信号转移到浮栅中之后，场效应管的源极接地，漏极加正向偏压，并实时记录控制门的电压，当控制门的电压高于浮栅的阈值电压时，漏极流出电流，此时，通过放大器读出电信号的信号电平。
本申请实施例中，有源像素图像传感器利用场效应管进行复位操作的过程具体包括：有源像素图像传感器向控制门加反向偏压；当反向偏压大于预设电压阈值时，有源像素图像传感器将电信号从特定PD柱对应的浮栅中转移到特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
本申请实施例中，在读出电信号的信号电平之后，需要对浮栅进行复位操作，具体的，为控制门加反向偏压，当反向偏压大于预设电压阈值时，浮栅中的电信号会隧穿而出，与n+区的空穴中和，导致浮栅中的阈值电压降低，此时，完成对浮栅的复位操作。
本申请实施例中，当有源像素图像传感器利用场效应管读出电信号之后，有源像素图像传感器对电信号进行图像处理，得到对应的图像。
本申请实施例中，可以针对单个像素，实现多个PD柱的电信号通过一个场效应管进行共享读出；也可以针对多个像素，实现对应的各个PD柱的电信号通过一个场效应管进行共享读出。
可以理解的是，有源像素图像传感器中的每个像素单元包括至少三个PD柱和与至少三个PD柱垂直连接的场效应管，利用至少三个PD柱和场效应管可以实现对采集到的RGB单色光进行图像处理的过程，实现多个PD柱共享一个读出电路进行信号读出，进而能够缩小有源像素图像传感器的尺寸，提高了场效应管的电荷容量，提高了有源像素图像传感器的集成度，提高了可擦写浮栅MOSFET的利用率，降低了工艺难度。
实施例三
本申请实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，上述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，应用于有源像素图像传感器中，该计算机程序实现如实施例二所述的任意一种图像处理方法。
具体来讲，本实施例中的一种图像处理方法对应的程序指令被一电子设备读取或被执行时，包括如下步骤：
利用所述至少三个PD柱吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；其中，每个所述PD柱用于吸收一种单色光；
利用所述场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号，并利用所述场效应管进行复位操作，以对所述电信号进行图像处理，得到对应的图像。
在本发明的实施例中，进一步地，场效应管包括控制门和浮栅，所述利用所述场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，具体实现以下步骤：
在所述特定PD柱被选通时，通过加正向偏压将所述电信号聚集到所述至少三个PD柱中特定PD柱对应的n+区；所述特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱；
当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述特定PD柱对应的浮栅中，所述第一电压为所述特定PD柱对应的n+区和所述特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；
在漏极加正向偏压且所述控制门的电压高于所述特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出所述特定PD柱的电信号，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
在本申请实施例中，进一步地，利用所述场效应管进行复位操作，上述一个或者多个程序被上述一个或者多个处理器执行，具体实现以下步骤：
向所述控制门加反向偏压；
当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述特定PD柱对应的浮栅中转移到所述特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种有源像素图像传感器，其特征在于，所述有源像素图像传感器包括：
至少三个光电二极管PD柱；
与所述至少三个PD柱连接的场效应管；
其中，所述至少三个PD柱，用于吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；每个所述PD柱用于吸收一种单色光；
所述场效应管，用于依次读出各个所述PD柱的电信号并复位。
2.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述PD柱的尺寸是基于RGB单色光的共振波长和所述光信号的折射率确定。
3.根据权利要求1或2所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述PD柱的形状为长方形、圆形、平行四边形或菱形。
4.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述场效应管包括控制门和各个所述PD柱对应的浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接。
5.根据权利要求4所述的有源像素图像传感器，其特征在于，
所述控制门，用于在所述特定PD柱被选通时，通过加正向偏压将所述电信号聚集到所述特定PD柱对应的n+区；当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述特定PD柱对应的浮栅中，所述特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱，所述第一电压为所述特定PD柱对应的n+区和所述特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；在漏极加正向偏压且所述控制门的电压高于所述特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出所述特定PD柱的电信号，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
6.根据权利要求4所述的有源像素图像传感器，其特征在于，
所述控制门，还用于加反向偏压，当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述特定PD柱对应的浮栅中转移到所述特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
7.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述场效应管为浮栅金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
8.根据权利要求1所述的有源像素图像传感器，其特征在于，所述PD柱的n区和场效应管的p型衬底连接。
9.一种图像处理方法，其特征在于，应用于有源像素图像传感器，所述有源像素图像传感器包括至少三个光电二极管PD柱和与所述至少三个PD柱连接的场效应管，所述方法包括：
利用所述至少三个PD柱吸收R通道、G通道和B通道的单色光，并将对应的光信号转换成电信号；其中，每个所述PD柱用于吸收一种单色光；
利用所述场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号，并利用所述场效应管进行复位操作，以对所述电信号进行图像处理，得到对应的图像。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述场效应管包括控制门和各个所述PD柱对应的浮栅，所述控制门和所述浮栅之间设置隔离带，所述控制门与所述场效应管的栅极连接；
所述利用所述场效应管依次读出各个所述PD柱的电信号，包括：
在所述特定PD柱被选通时，通过加正向偏压将所述电信号聚集到所述至少三个PD柱中特定PD柱对应的n+区；所述特定PD柱为所述至少三个PD柱中的任意一个PD柱；
当所述正向偏压高于第一电压时，将n+区的电信号转移到所述特定PD柱对应的浮栅中，所述第一电压为所述特定PD柱对应的n+区和所述特定PD柱对应的浮栅之间隧穿时的电压；
在漏极加正向偏压且所述控制门的电压高于所述特定PD柱对应的浮栅的阈值电压时，读出所述特定PD柱的电信号，所述阈值电压由光信号的信号强度确定。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述利用所述场效应管进行复位操作，包括：
向所述控制门加反向偏压；
当所述反向偏压大于预设电压阈值时，将所述电信号从所述特定PD柱对应的浮栅中转移到所述特定PD柱对应的n+区，以进行复位操作。
12.一种存储介质，其上存储有计算机程序，应用于有源像素图像传感器，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求9-11任一项所述的方法。
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