CN112420759B - 一种基于仿生视觉的cmos图像传感器像素结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，提供一种基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，包括：彩色信号收集单元、黑白信号收集单元、第三转移晶体管TG3、复位晶体管RST、源极跟随器SF和行选择晶体管RS；所述黑白信号收集单元，包括：第一钳位光电二极管PPD1、第一转移晶体管TG1和第一浮置扩散电容FD1；所述彩色信号收集单元，包括：第二钳位光电二极管PPD2、第二转移晶体管TG2和第二浮置扩散电容FD2。本发明能够在同一CMOS图像传感器中分别获得高灵敏度的黑白图像信号和彩色图像信号。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其涉及一种基于仿生视觉的 CMOS图像传感器像素结构。
背景技术
随着半导体技术的飞速发展，CMOS图像传感器的应用范围已经扩大到智能汽车、监控安保、机器视觉和消费产品等领域。尤其在微光成像应用中，满阱容量、噪声、动态范围、灵敏度和信噪比等参数将直接影响成像效果。为了提升相机在微光环境下的成像性能，产生了一种通过对暗场黑白图像和暗场彩色图像进行加权合成从而实现暗场增强的图像处理技术。
目前，为了获得一幅高响应度的黑白图像和一幅彩色图像，通常采用一个彩色摄像头与一个黑白摄像头组合的方案。目前的CMOS图像传感器像素采用4T像素结构，可以实现读出信号的同时进行下一帧的曝光，但是这种结构只能实现一种图像的获取，即黑白图像或者彩色图像，无法在同一像素中同时获取两种图像。
发明内容
本发明主要解决现有技术的CMOS图像传感器上无法同时获得黑白图像信号和彩色图像信号的技术问题，提出一种基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，以在同一CMOS图像传感器中分别获得高灵敏度的黑白图像信号和彩色图像信号。
本发明提供了一种基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，包括：彩色信号收集单元、黑白信号收集单元、第三转移晶体管TG3、复位晶体管 RST、源极跟随器SF和行选择晶体管RS；
所述黑白信号收集单元，包括：第一钳位光电二极管PPD1、第一转移晶体管TG1和第一浮置扩散电容FD1；所述第一钳位光电二极管PPD1无彩色滤光片；所述第一钳位光电二极管PPD1反向偏置，所述第一钳位光电二极管PPD1的阳极接地、阴极与第一转移晶体管TG1漏极相接；所述第一转移晶体管TG1的源极与第一浮置扩散电容FD1的第一端子相接；所述第一浮置扩散电容FD1的第二端子接地；
所述彩色信号收集单元，包括：第二钳位光电二极管PPD2、第二转移晶体管TG2和第二浮置扩散电容FD2；所述第二钳位光电二极管PPD2有彩色滤光片；所述第二钳位光电二极管PPD2反向偏置，所述第二钳位光电二极管 PPD2的阳极接地、阴极与第二转移晶体管TG2漏极相接；所述第二转移晶体管 TG2的源极与第二浮置扩散电容FD2的第一端子相接；所述浮置扩散电容FD2 的第一端子与第三转移晶体管TG3的漏极相接；
所述转移晶体管TG3的源极与第一浮置扩散电容FD1的第一端子相接，并与复位晶体管RST的源极和源极跟随器SF的栅极相连；
所述复位晶体管RST的漏极与电源电压VDD相连；
所述源极跟随器SF的漏极与电源电压VDD相连；所述源极跟随器SF的源极与行选择晶体管RS的漏极相连。
优选的，所述行选择晶体管RS的源极与读出电路相连。
优选的，所述第一浮置扩散电容FD1的电容为5至10fF。
优选的，所述第二浮置扩散电容FD2的电容为700至1000fF。
优选的，所述基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的工作时序控制过程：
第一步，在CMOS图像传感器像素结构开始曝光前，将复位晶体管RST 的复位信号reset拉到高电平，开启复位晶体管RST，同时将第三转移晶体管 TG3的控制信号TX3拉到高电平，此时第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2合并，将第一采样信号Samp1拉高，读取第一读出信号Signal1，读取完毕后拉低第一采样信号Samp1；其中，第一读出信号Signal1为第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2合并电容中的电荷信号；
第二步，将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到低电平，合并电容被拆分成第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2，将第二采样信号Samp2拉高，读取第二读出信号Signal2，读取完毕后拉低第二采样信号Samp2；其中，第二读出信号Signal2为第一浮置扩散电容FD1中的电荷信号；
第三步，CMOS图像传感器像素结构开始曝光，第一钳位光电二极管 PPD1和第二钳位光电二极管PPD2中收集光生电子；
第四步，曝光周期结束，分别将第一转移晶体管TG1的控制信号TX1 和第二转移晶体管TG2的控制信号TX2拉到高电平，分别转移光生电子到第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2中；随后拉高第三采样信号Samp3，读取第一浮置扩散电容FD1的第三读出信号Signal3，读取完毕后拉低第三采样信号Samp3，其中，第三读出信号Signal3为第一浮置扩散电容FD1中的电荷信号；
第五步，将第一转移晶体管TG1的控制信号TX1和第二转移晶体管TG2 的控制信号TX2拉到低电平，关断第一转移晶体管TG1和第二转移晶体管 TG2；将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到高电平，将第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2中的电荷混合；拉高第四采样信号Samp4，读取第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第四读出信号Signal4，读取完毕后拉低第四采样信号Samp4，其中，第四读出信号Signal4为第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的电荷信号；
第六步，重复第一步，开始下一次曝光。
本发明提供的一种基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，基于人眼视锥细胞和视杆细胞配合成像的仿生视觉原理进行设计，采用两个钳位光电二极管PPD共用同一读出电路；在第一个采样周期，读出复位状态下第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第一读出信号 Signal1；在第二个采样周期，关闭第三转移晶体管TG3，读出复位状态下第一浮置扩散电容FD1的第二读出信号Signal2；而后打开第一转移晶体管TG1 和第二转移晶体管TG2，分别导出无彩色滤光片的第一钳位光电二极管PPD1 中收集的光生电子到第一浮置扩散电容FD1中，导出有彩色滤光片的第二钳位光电二极管PPD2中收集的光生电子到第二浮置扩散电容FD2中，在第三个采样周期，读出第一浮置扩散电容FD1的第三读出信号Signal3；接下来打开第三转移晶体管TG3，将第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容 FD2合并；在第四个采样周期，读出第一浮置扩散电容FD1与第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第四读出信号Signal4。通过相关双采样电路除去复位噪声信号，分别得到黑白图像信号和彩色图像信号。
本发明采用双PPD共享同一读出电路的像素结构设计，没有彩色滤光片覆盖的第一钳位光电二极管PPD1提高了对入射光灵敏度，可以获得清晰的黑白图像，同时高增益提高了像素的抗噪声能力，增强了图像传感器在弱光下的成像能力。第二钳位光电二极管PPD2带有彩色滤光片，可以获得彩色图像，同时具有相对无彩色滤光片PPD更大的第二浮置扩散电容FD2，提高了满阱容量，增强了图像传感器在强光下的成像能力。在微光条件下，本发明的CMOS图像传感器像素结构可以同时获得一幅彩色图像和一幅黑白图像用作暗场增强，相较于目前的双镜头方案，此结构进一步降低了相机的尺寸，为带有暗场增强技术的相机的小型化指明了方向，具有高研究价值和发展前景。此外，本发明的像素结构支持传统的相关双采样读出电路，可消除复位操作引起的复位噪声，并且不需要额外的读出电路设计，可直接采用传统读出方式。
附图说明
图1视锥细胞和视杆细胞在人眼中的分布示意图；
图2是本发明提供的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的结构示意图；
图3是无彩色滤光片像素示意图；
图4是有彩色滤光片像素示意图；
图5是本发明提供的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的工作时序图；
图6是本发明提供的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的工作原理示意图；
图7是本发明提供的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的像素阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
本发明实施例提供的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，基于仿生视觉原理进行设计，人眼可以被看成一个拥有高达5.76亿像素的图像传感器。如图1所示，人眼通过视锥细胞与视杆细胞两种视觉细胞感知外界光信号。视锥细胞主要分布在视网膜的中央凹处，是负责感受强光和颜色的细胞，对于强光和颜色具有较高的分辨能力。视杆细胞主要分布在视网膜的边缘，不具有分辨颜色的能力，但灵敏度较高，对于暗光比较敏感。
如图2所示，本发明实施例提供的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，包括：彩色信号收集单元、黑白信号收集单元、第三转移晶体管TG3、复位晶体管RST、源极跟随器SF和行选择晶体管RS；
所述黑白信号收集单元，包括：第一钳位光电二极管PPD1、第一转移晶体管TG1和第一浮置扩散电容FD1；所述第一钳位光电二极管PPD1无彩色滤光片；所述第一钳位光电二极管PPD1反向偏置，所述第一钳位光电二极管PPD1的阳极接地、阴极与第一转移晶体管TG1漏极相接；所述第一转移晶体管TG1的源极与第一浮置扩散电容FD1的第一端子相接；所述第一浮置扩散电容FD1的第二端子接地；
所述彩色信号收集单元，包括：第二钳位光电二极管PPD2、第二转移晶体管TG2和第二浮置扩散电容FD2；所述第二钳位光电二极管PPD2有彩色滤光片；所述第二钳位光电二极管PPD2反向偏置，所述第二钳位光电二极管 PPD2的阳极接地、阴极与第二转移晶体管TG2漏极相接；所述第二转移晶体管 TG2的源极与第二浮置扩散电容FD2的第一端子相接；所述第二浮置扩散电容 FD2的第一端子与第三转移晶体管TG3的漏极相接；
所述转移晶体管TG3的源极与第一浮置扩散电容FD1的第一端子相接，并与复位晶体管RST的源极和源极跟随器SF的栅极相连；
所述复位晶体管RST的漏极与电源电压VDD相连；
所述源极跟随器SF的漏极与电源电压VDD相连；所述源极跟随器SF的源极与行选择晶体管RS的漏极相连。
所述行选择晶体管RS的源极与读出电路相连。
本发明的像素结构主要由钳位光电二极管(pinned photodiode， PPD)、转移晶体管(transfer gate，TG)、复位晶体管(reset transistor，RST)、源极跟随器(sourcefollower，SF)、浮置扩散电容(floating diffusion capacitor， FD)和行选择晶体管(rowselect transistor，RS)组成。图3所示，第一钳位光电二极管PPD1没有彩色滤光片结构，当入射光射入时，可以全部进入第一钳位光电二极管PPD1内部产生光生电子生成图像信号。因此，第一钳位光电二极管PPD1、第一转移晶体管TG1和第一浮置扩散电容FD1组成获取黑白图像信号的像素结构，由于没有彩色滤光片，PPD1只能分辨黑白信号，不具有分辨色彩的能力，但同时降低了由于彩色滤光片所导致的光线损失，对于光线具有较高的灵敏度。此外，第一浮置扩散电容FD1的电容较小，约5～10fF，可以实现较高的转换因子(conversiongain，Cvg)，进而提升灵敏度。图4所示，第二钳位光电二极管PPD2带有彩色滤光片结构，当入射光射入时，光线会被滤光片过滤，只有指定波长的光线可以进入第二钳位光电二极管PPD2内部，产生广生电子生成图像信号。因此，第二钳位光电二极管PPD2、第二转移晶体管TG2和第二浮置扩散电容FD2组成了获取彩色图像信号的像素结构，由于彩色滤光片存在光的反射并且会过滤掉非指定波长的入射光线，导致收集的图像信号较少。第二浮置扩散电容FD2的电容较大，约700～1000fF，可以在强光环境下容纳更多的光生电子，具有较大满阱容量。
图5为基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的工作时序图。基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，信号转移控制方法如下：
第一步，在CMOS图像传感器像素结构开始曝光前，将复位晶体管RST 的复位信号reset拉到高电平，开启复位晶体管RST，同时将第三转移晶体管 TG3的控制信号TX3拉到高电平，此时第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2合并，将第一采样信号Samp1拉高，读取第一读出信号Signal1，读取完毕后拉低第一采样信号Samp1；其中，第一读出信号Signal1为第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2合并电容中的电荷信号。
第二步，将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到低电平，合并电容被拆分成第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2，将第二采样信号Samp2拉高，读取第二读出信号Signal2，读取完毕后拉低第二采样信号 Samp2；其中，第二读出信号Signal2为第一浮置扩散电容FD1中的电荷信号。
第三步，CMOS图像传感器像素结构开始曝光，第一钳位光电二极管 PPD1和第二钳位光电二极管PPD2中收集光生电子。
第四步，曝光周期结束，分别将第一转移晶体管TG1的控制信号TX1 和第二转移晶体管TG2的控制信号TX2拉到高电平，分别转移光生电子到第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2中。随后拉高第三采样信号Samp3，读取第一浮置扩散电容FD1的第三读出信号Signal3，读取完毕后拉低第三采样信号Samp3，其中，第三读出信号Signal3为第一浮置扩散电容FD1中的电荷信号。
第五步，将第一转移晶体管TG1的控制信号TX1和第二转移晶体管TG2 的控制信号TX2拉到低电平，关断第一转移晶体管TG1和第二转移晶体管 TG2。将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到高电平，将第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2中的电荷混合。拉高第四采样信号Samp4，读取第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第四读出信号Signal4，读取完毕后拉低第四采样信号Samp4，其中，第四读出信号Signal4为第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的电荷信号。
第六步，重复第一步，开始下一次曝光。
本发明的CMOS图像传感器像素具体工作原理如图6所示。图中虚线表示高电平；箭头表示电子转移方向；其中第一钳位光电二极管PPD1、第二钳位光电二极管PPD2、第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的长度和宽度不表示空间电荷区和电容的大小；第一转移晶体管TG1、第二转移晶体管TG2和第三转移晶体管TG3有两种控制电平，第一转移晶体管TG1 的控制信号TX1、第二转移晶体管TG1的控制信号TX2和第三转移晶体管 TG1的控制信号TX3在高电平时分别控制三个转移晶体管的开启，低电平时控制三个晶体管的关闭。像素工作时，第一转移晶体管TG1、第二转移晶体管TG2和第三转移晶体管TG3均处于关断状态，第一钳位光电二极管PPD1 和第二钳位光电二极管PPD2在光照下，积分收集光生电子；积分周期结束后，第一转移晶体管TG1和第二转移晶体管TG2开启，第一钳位光电二极管PPD1和第二钳位光电二极管PPD2内的光生电子通过transfer1和transfer2 转移过程，被分别转移到第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2 中；转移周期结束后，读出第一浮置扩散电容FD1中的电平，即黑白图像信号；读出周期1结束后，第三转移晶体管TG3打开，第一浮置扩散电容FD1 和第二浮置扩散电容FD2合并，两者存储的电荷也合并；读出周期2开始，读出合并电容的电平，即彩色图像信号。读出周期2接收后，像素恢复原始状态，等待下一个读出操作。
本发明的像素图像传感器像素在一个工作周期共有四个读出信号，分别为复位状态下第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第一读出信号Signal1、复位状态下第一浮置扩散电容FD1的第二读出信号Signal2、工作状态下第一浮置扩散电容FD1的第三读出信号Signal3、工作状态下第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第四读出信号Signal4。其中，第一读出信号Signal1中包含第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容中的复位噪声，第四读出信号 Signal4中包含第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容中的复位噪声和图像信号，通过第四读出信号Signal4与第一读出信号 Signal1作差可以得到消除复位噪声的彩色图像信号。同理，第二读出信号 Signal2中包含第一浮置扩散电容FD1中的复位噪声，第三读出信号Signal3 中包含第一浮置扩散电容FD1中的复位信号和图像信号，通过第三读出信号Signal3与第二读出信号Signal2作差可以得到消除复位噪声的黑白图像信号。
在本实施例中，第一转移晶体管TG1、第二转移晶体管TG2和第三转移晶体管TG3的栅极分别由信号TX1、TX2和TX3控制其开启和关断状态；行选择晶体管RS的栅极电压信号分别由第一采样信号Samp1、第二采样信号Samp2、第三采样信号3和第四采样信号Samp4来控制四次读出操作；复位晶体管RST的栅极电压信号reset控制第一浮置扩散电容FD1的复位操作；复位晶体管RST的栅极电压信号reset和第三转移晶体管TG1的栅极电压 TX3共同控制第二浮置扩散电容FD2的复位操作。
通过以上的读出过程，可以分别实现对于复位信号、黑白图像信号和彩色图像信号的读出操作，并且由于发明的像素结构支持相关双采样电路，可以通过减法器去除复位噪声的影响。黑白图像信号读出时，较高的Cvg可以降低噪声对于信号的影响，彩色图像信号读出时，较大的浮置扩散电容允许图像传感器在较强的光线下依然可以正常工作，从而实现了高动态范围成像。
对应的，本实施例提供一种无彩色滤光片像素与有彩色滤光片像素相间的像素阵列布局，如图7所示。在此像素阵列布局中，有彩色滤光片的像素相邻放置，并采用传统的RGB布局，用来获取彩色图像。在保证了像素性能参数不变的基础上，提升了CMOS图像传感器的动态范围和信噪比，实现了暗场成像效果的大幅优化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，包括：彩色信号收集单元、黑白信号收集单元、第三转移晶体管TG3、复位晶体管RST、源极跟随器SF和行选择晶体管RS；
所述黑白信号收集单元，包括：第一钳位光电二极管PPD1、第一转移晶体管TG1和第一浮置扩散电容FD1；所述第一钳位光电二极管PPD1无彩色滤光片；所述第一钳位光电二极管PPD1反向偏置，所述第一钳位光电二极管PPD1的阳极接地、阴极与第一转移晶体管TG1漏极相接；所述第一转移晶体管TG1的源极与第一浮置扩散电容FD1的第一端子相接；所述第一浮置扩散电容FD1的第二端子接地；
所述彩色信号收集单元，包括：第二钳位光电二极管PPD2、第二转移晶体管TG2和第二浮置扩散电容FD2；所述第二钳位光电二极管PPD2有彩色滤光片；所述第二钳位光电二极管PPD2反向偏置，所述第二钳位光电二极管PPD2的阳极接地、阴极与第二转移晶体管TG2漏极相接；所述第二转移晶体管TG2的源极与第二浮置扩散电容FD2的第一端子相接；所述浮置扩散电容FD2的第一端子与第三转移晶体管TG3的漏极相接；
所述转移晶体管TG3的源极与第一浮置扩散电容FD1的第一端子相接，并与复位晶体管RST的源极和源极跟随器SF的栅极相连；
所述复位晶体管RST的漏极与电源电压VDD相连；
所述源极跟随器SF的漏极与电源电压VDD相连；所述源极跟随器SF的源极与行选择晶体管RS的漏极相连；
所述基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构的工作时序控制过程：
第一步，在CMOS图像传感器像素结构开始曝光前，将复位晶体管RST的复位信号reset拉到高电平，开启复位晶体管RST，同时将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到高电平，此时第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2合并，将第一采样信号Samp1拉高，读取第一读出信号Signal1，读取完毕后拉低第一采样信号Samp1；其中，第一读出信号Signal1为第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2合并电容中的电荷信号；
第二步，将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到低电平，合并电容被拆分成第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2，将第二采样信号Samp2拉高，读取第二读出信号Signal2，读取完毕后拉低第二采样信号Samp2；其中，第二读出信号Signal2为第一浮置扩散电容FD1中的电荷信号；
第三步，CMOS图像传感器像素结构开始曝光，第一钳位光电二极管PPD1和第二钳位光电二极管PPD2中收集光生电子；
第四步，曝光周期结束，分别将第一转移晶体管TG1的控制信号TX1和第二转移晶体管TG2的控制信号TX2拉到高电平，分别转移光生电子到第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2中；随后拉高第三采样信号Samp3，读取第一浮置扩散电容FD1的第三读出信号Signal3，读取完毕后拉低第三采样信号Samp3，其中，第三读出信号Signal3为第一浮置扩散电容FD1中的电荷信号；
第五步，将第一转移晶体管TG1的控制信号TX1和第二转移晶体管TG2的控制信号TX2拉到低电平，关断第一转移晶体管TG1和第二转移晶体管TG2；将第三转移晶体管TG3的控制信号TX3拉到高电平，将第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2中的电荷混合；拉高第四采样信号Samp4，读取第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的第四读出信号Signal4，读取完毕后拉低第四采样信号Samp4，其中，第四读出信号Signal4为第一浮置扩散电容FD1和第二浮置扩散电容FD2的合并电容的电荷信号；
第六步，重复第一步，开始下一次曝光。
2.根据权利要求1所述的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述行选择晶体管RS的源极与读出电路相连。
3.根据权利要求1所述的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一浮置扩散电容FD1的电容为5至10fF。
4.根据权利要求1所述的基于仿生视觉的CMOS图像传感器像素结构，其特征在于，所述第二浮置扩散电容FD2的电容为700至1000fF。
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