CN117376721A - 传感器像素单元、信号处理电路和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例公开了一种传感器像素单元、信号处理电路和电子设备，其中，传感器像素单元包括：k个信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块；其中，所述k为大于等于1的整数；每个所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷，并根据第一反馈信号的控制输出所述光电电荷；所述信号处理模块，用于根据第二反馈信号的控制执行复位或依次读取所述k个信号采集模块中每个所述信号采集模块产生的光电电荷；所述信号输出模块，用于根据外部控制信号的控制，基于所述信号处理模块中的光电电荷输出目标信号。本实施例通过第一反馈信号和第二反馈信号实现了像素单元中的曝光时间可调，进而实现高动态范围成像。
Description
技术领域
本公开涉及图像传感器技术领域，尤其是一种传感器像素单元、信号处理电路和电子设备。
背景技术
图像传感器已经被广泛地应用在数码相机、移动手机、医疗、汽车、无人机和机器识别等领域，特别是制造互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。动态范围是光电型图像传感器的一个重要评价指标。
发明内容
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种传感器像素单元，包括：k个信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块；其中，所述k为大于等于1的整数；
每个所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷，并根据第一反馈信号的控制输出所述光电电荷；
所述信号处理模块，用于根据第二反馈信号的控制执行复位或依次读取所述k个信号采集模块中每个所述信号采集模块产生的光电电荷；
所述信号输出模块，用于根据外部控制信号的控制，基于所述信号处理模块中的光电电荷输出目标信号。
可选地，所述信号采集模块包括：光电二极管和第一开关晶体管；
所述光电二极管的一端接地，另一端通过所述第一开关晶体管与所述信号处理模块连接；
所述第一开关晶体管，用于根据第一反馈信号的控制导通或断开。
可选地，所述信号采集模块还包括：第二开关晶体管；
所述第二开关晶体管，用于根据第一开关信号的控制导通或断开，使所述第二开关晶体管导通时，所述第一反馈信号传入所述第一开关晶体管实现对所述第一开关晶体管的控制。
可选地，所述信号处理模块包括：浮置扩散区、复位晶体管和复位控制晶体管；
所述浮置扩散区的一端接地，另一端与所述复位晶体管的源极端连接作为所述信号处理模块的连接端；通过所述连接端与所述信号采集模块和所述信号输出模块连接；
所述复位晶体管的源极端与所述浮置扩散区连接，漏极端接收电源信号，栅极端通过所述复位控制晶体管接收所述第二反馈信号；
所述复位控制晶体管，用于根据第二开关信号的控制导通或断开，使所述复位控制晶体管导通时，所述第二反馈信号传入所述复位晶体管。
可选地，所述浮置扩散区在所述复位晶体管导通时执行复位；在所述复位晶体管断开且一个所述信号采集模块中的第一开关晶体管导通时，所述浮置扩散区接收所述信号采集模块的光电二极管产生的光电电荷。
可选地，所述信号输出模块包括：源跟随晶体管和选择晶体管；
所述源跟随晶体管的栅极端与所述信号处理模块连接，源极端与所述选择晶体管连接，漏极端接收电源信号；用于探测并跟随所述浮置扩散区的电荷变化，确定目标信号；
所述选择晶体管的漏极端与所述源跟随晶体管的源极端连接，源极端与所述信号量化模块连接，栅极端接收外部控制信号，并根据所述外部控制信号的控制确定是否输出所述目标信号。
根据本公开实施例的另一方面，提供了一种信号处理电路，包括：由m行*n列的如上述任一项实施例所述传感器像素单元组成的像素阵列，以及n*k个列处理器；其中，每个所述列处理器对应一列中的m个所述传感器像素单元中每个传感器像素单元的至少部分电路；m、n分别为大于等于1的整数；
所述像素阵列，用于根据外部控制信号的控制使每行所述传感器像素单元逐行进行像素信号的量化，输出n个目标信号并分别发送到n个所述列处理器；
所述列处理器，用于根据接收的所述目标信号确定所述传感器像素单元对应的编码信号，并基于所述编码信号得到第一反馈信号和第二反馈信号，通过所述第一反馈信号和所述第二反馈信号控制所述传感器像素单元的操作。
可选地，还包括：数字读出电路和双采样读出电路；
所述数字读出电路，用于每间隔预设时间间隔对所述编码信号进行读出，得到数字序列；
所述双采样读出电路，在所述编码信号符合预设条件时，输出曝光电荷量。
可选地，所述列处理器包括：比较器、第一与逻辑电路和第二与逻辑电路；
所述比较器的负输入端与所述传感器像素单元的输出端连接，用于接收所述目标信号，正输入端接收参考信号，输出端输出所述编码信号，并且所述输出端分别与所述第一与逻辑电路和所述第二与逻辑电路的一个输入端连接；
所述第一与逻辑电路的一个输入端与所述比较器的输出端连接，另一输入端接收第一外部与信号，输出端输出所述第一反馈信号；
所述第二与逻辑电路的一个输入端与所述比较器的输出端连接，另一输入端接收第二外部与信号，输出端输出所述第二反馈信号。
可选地，所述列处理器还包括：第三与逻辑电路；
所述比较器的输出端还与所述第三与逻辑电路的一个输入端连接，所述第三与逻辑电路的另一个输入端接收电源信号；所述第三与逻辑电路的输出端与所述双采样读出电路的使能端口连接；
所述双采样读出电路的输入端与所述传感器像素单元的输出端连接，用于接收所述目标信号，使能端口与所述第三与逻辑电路的输出端连接，响应于所述第三与逻辑电路输出高电平时，所述双采样读出电路对所述目标信号进行处理得到曝光电荷量并输出。
根据本公开实施例的又一方面，提供了一种电子设备，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，还包括上述任一实施例所述的传感器像素单元或上述任一实施例所述的信号处理电路；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以控制所述传感器像素单元或信号处理电路。
可选地，所述电子设备被纳入为以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备。
基于本公开上述实施例提供的一种传感器像素单元、信号处理电路和电子设备，包括：k个信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块；其中，所述k为大于等于1的整数；每个所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷，并根据第一反馈信号的控制输出所述光电电荷；所述信号处理模块，用于根据第二反馈信号的控制执行复位或依次读取所述k个信号采集模块中每个所述信号采集模块产生的光电电荷；所述信号输出模块，用于根据外部控制信号的控制，基于所述信号处理模块中的光电电荷输出目标信号。本实施例通过第一反馈信号和第二反馈信号实现了像素单元中的曝光时间可调，进而实现高动态范围成像。
下面通过附图和实施例，对本公开的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同描述一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是本公开一示例性实施例提供的传感器像素单元的电路结构示意图；
图2是本公开一示例性实施例提供的传感器像素单元中信号采集模块的电路结构示意图；
图3是本公开一示例性实施例提供的传感器像素单元中信号处理模块的电路结构示意图；
图4是本公开另一示例性实施例提供的传感器像素单元的一个可选电路结构示意图；
图5是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路的电路结构示意图；
图6是本公开另一示例性实施例提供的信号处理电路的电路结构示意图；
图7a是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路一个可选示例中数字读出电路输出的数字序列示意图；
图7b是图7a所示实施例对应的双采样读出电路输出的模拟信号示意图；
图8a是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路中列处理器的电路结构示意图；
图8b是本公开另一示例性实施例提供的信号处理电路中列处理器的电路结构示意图；
图9是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路在一个示例中各个信号的时序图；
图10图示了根据本公开实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。
应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
本领域技术人员可以理解，本公开实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
还应理解，在本公开实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。
还应理解，对于本公开实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。
另外，本公开中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本公开中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本公开中所指数据可以包括文本、图像、视频等非结构化数据，也可以是结构化数据。
还应理解，本公开对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在实现本公开的过程中，发明人发现，为了提升光电型图像传感器的动态范围，目前主要采用的方式有三种：第一种方式为多帧曝光合成，从时间上连续输出由欠曝到过曝的图像，再进行融合，从而得到高动态范围的图像，当图像传感器或者拍摄对象发生移动时，由于从欠曝到过曝的图像是在不同的时间点上得到的，因此合成后的图像可能会出现运动伪影、模糊等情况。第二种方式为在像素中设置大小两个光电二极管(PD)，每次读出大小两个光电二极管中累积的电荷量，从而兼顾低暗区域与高亮区域的成像。但由于在像素中分别集成了大与小两个光电二极管，增大了像素面积以及工艺上制备的复杂性，而每次需要同时读出大与小两个光电二极管中的信号，增大了每次信号读出的时间，限制了成像速度。第三种方式为LOFIC(Lateral Over Flow Integration Capacitor，横向溢出集合电容)技术，曝光时只要PD达到饱和阱容的一半就会触发相关电路动作，并把PD上的电荷转移到单独增加的存储电容中，增大了像素存储电荷的能力，从而实现高动态范围成像。这种技术的主要挑战在于高效地制造大容量存储电容，因此需要开发新的像素制备工艺。
上述三种方式实现高动态范围的技术途径主要包括对不同时刻曝光图像的合成，以及在像素内增加PD或者电容来调整像素的灵敏度，对于算法和像素制备工艺都提出了较高要求。
图1是本公开一示例性实施例提供的传感器像素单元的电路结构示意图。如图1所示，包括：k个信号采集模块11、信号处理模块12和信号输出模块13。
其中，k为大于等于1的整数。每个信号采集模块11分别与信号处理模块12和信号输出模块13连接。
每个信号采集模块11，用于在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷，并根据第一反馈信号的控制输出光电电荷。
可选地，信号采集模块11中的主要元器件可以为光电转换元器件(例如，光电二极管等)，实现在曝光时长内对接收光信号，并将光信号转换为光电电荷；并在将光电电荷传输到信号处理模块之前，对光电电荷进行存储，通过产生的光电电荷的数量实现对光强的表征。其中，第一反馈信号可基于信号输出模块13输出的目标信号经过处理确定，即形成基于目标信号的曝光时间自动调整。当第一反馈信号为高电平时，控制信号采集模块11输出光电电荷；当第一反馈信号为低电平时，信号采集模块11积累光电电荷不进行传输。
本实施例中，通过将k个信号采集模块11集成在同一传感器像素单元中，实现了k个独立传感器像素单元的信号采集功能，但由于信号处理模块和信号输出模块只有一套，压缩了芯片大小，缩小了应用该传感器像素单元的传感器的硬件占用空间大小，扩大了传感器像素单元的应用范围。
信号处理模块12，用于根据第二反馈信号的控制执行复位或依次读取k个信号采集模块中每个信号采集模块产生的光电电荷。
可选地，信号处理模块12在处理信号之前可根据第二反馈信号的控制执行复位。信号处理模块12在光照情况下，同样产生光电电荷，实现光检测功能，并且，在达到预设条件时，根据第二反馈信号的控制读取信号采集模块中产生的光电电荷。当第二反馈信号为高电平时，信号处理模块12执行复位；当第二反馈信号为低电平时，信号处理模块12依次读取k个信号采集模块11中每个信号采集模块11产生的光电电荷。
信号输出模块13，用于根据外部控制信号的控制，基于信号处理模块中的光电电荷输出目标信号。
可选地，目标信号可以包括如下信号中的至少一种：脉冲信号、电势信号和具有有限位的数值等。
本公开上述实施例提供的一种传感器像素单元、信号处理电路和电子设备，包括：k个信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块；其中，所述k为大于等于1的整数；每个所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷，并根据第一反馈信号的控制输出所述光电电荷；所述信号处理模块，用于根据第二反馈信号的控制执行复位或依次读取所述k个信号采集模块中每个所述信号采集模块产生的光电电荷；所述信号输出模块，用于根据外部控制信号的控制，基于所述信号处理模块中的光电电荷输出目标信号。本实施例通过第一反馈信号和第二反馈信号实现了像素单元中的曝光时间可调，进而实现高动态范围成像。
图2是本公开一示例性实施例提供的传感器像素单元中信号采集模块的电路结构示意图。如图2所示，信号采集模块11包括：光电二极管111和第一开关晶体管112；
光电二极管111的一端接地，另一端通过第一开关晶体管112与信号处理模块12连接。
可选地，光电二极管111也可以为其他可实现光电转换的光电转换元器件，实现将光信号转换为光电电荷。在光照条件下，光电二极管111产生光电电荷，并且，在第一开关晶体管未导通前，光电电荷被能量势阱限制在了光电二极管111的耗尽区中，光电二极管111中的光电电荷会逐渐累积。
第一开关晶体管112，用于根据第一反馈信号ΦTXy的控制导通或断开。
本实施例中，通过第一开关晶体管112连通光电二极管111与信号处理模块12，在第一开关晶体管112断开时，光电二极管111累积的光电电荷无法传输，只能继续累积，只有当第一开关晶体管112闭合时，光电二极管111才将采集的光电电荷发送到信号处理模块12中。
如图2所示，信号采集模块11还包括：第二开关晶体管113；
第二开关晶体管113，用于根据第一开关信号ΦTXx的控制导通或断开，使第二开关晶体管113导通时，第一反馈信号ΦTXy传入第一开关晶体管112实现对第一开关晶体管112的控制。
本实施例中，通过增加第二开关晶体管113实现对第一反馈信号ΦTXy传输到第一开关晶体管112的控制，只有当第一开关信号ΦTXx为高电平时，第二开关晶体管113导通。此时，将第一反馈信号ΦTXy传输到第一开关晶体管112的栅极端，实现对第一开关晶体管112的导通控制，当第一反馈信号ΦTXy为高电平时，第一开关晶体管112才导通，光电二极管111才将采集的光电电荷发送到信号处理模块12中；当第一反馈信号ΦTXy为低电平时，第一开关晶体管112断开。本实施例通过增加第二开关晶体管113实现允许外部传输的第一反馈信号ΦTXy对第一开关晶体管112进行控制，实现对光电二极管111的曝光时间的控制。
图3是本公开一示例性实施例提供的传感器像素单元中信号处理模块的电路结构示意图。如图3所示，信号处理模块12包括：浮置扩散区121、复位晶体管122和复位控制晶体管123。
浮置扩散区121的一端接地GND，另一端与复位晶体管122的源极端连接作为信号处理模块的连接端；通过连接端与信号采集模块11和信号输出模块13连接。
可选地，浮置扩散区121在复位晶体管122导通时执行复位；在复位晶体管122断开且一个信号采集模块11中的第一开关晶体管112导通时，浮置扩散区121接收信号采集模块11的光电二极管产生的光电电荷。
本实施例中，浮置扩散区121为4T结构的像素单元中的通用结构，通过该浮置扩散区121实现光检测功能，并在光电二极管111于信号处理模块12之间导通时，将光电二极管111中产生的光电电荷读取到浮置扩散区121。
复位晶体管122的源极端与浮置扩散区121连接，漏极端接收电源信号Vdd，栅极端通过复位控制晶体管123接收第二反馈信号Φrsty。
可选地，复位晶体管122在导通时，将浮置扩散区121与电源信号Vdd导通，实现对浮置扩散区121的复位，将浮置扩散区121上的电压充到高电平。在光照条件下，光电二极管111与浮置扩散区121中均产生光电电荷，其中浮置扩散区121上的电压在光电电荷的作用下会逐渐下降。通常情况下浮置扩散区121在产生光电电荷之前执行复位。
复位控制晶体管123，用于根据第二开关信号Φrsty的控制导通或断开，使复位控制晶体管123导通时，第二反馈信号Φrsty传入复位晶体管的栅极端。
复位控制晶体管123的源极端接收第二反馈信号Φrsty，栅极端接收第二开关信号Φrstx，漏极端与复位晶体管122的栅极端连接。
本实施例利用在浮置扩散区的光电电荷引起的电压信号变化量来决定是否对光电二极管中存储的光电电荷进行转移并读出。
本实施例中，复位晶体管122是否导通，取决于栅极端接收的电平是否为高电平，只有栅极端接收第二反馈信号Φrsty为高电平时，复位晶体管122才导通。而第二反馈信号Φrsty是否能够传输到复位晶体管122的栅极端取决于复位控制晶体管123是否导通，第二开关信号Φrstx为高电平时，复位控制晶体管123导通。本实施例通过提供复位控制晶体管123，实现允许外部输入的第二开关信号Φrstx对复位晶体管122进行控制；实现了通过第二开关信号Φrstx和第二反馈信号Φrsty对浮置扩散区121进行复位或读取电荷的控制，当浮置扩散区121复位时，光电二极管111即完成曝光，实现对自适应调整光电二极管111的曝光时间，进而实现高动态范围成像。另外，由于目标信号随时间线性增长，而噪声是随时间的增长呈开根关系，因此若能够增加暗光区域的传感器像素单元的曝光时间，将有助于提高信噪比，从而提升图像质量；本实施例通过自适应调整光电二极管111的曝光时间，可自适应增加暗光区域的传感器像素单元的曝光时间，提高了信噪比，提升了采集的图像质量。
图4是本公开另一示例性实施例提供的传感器像素单元的一个可选电路结构示意图。如图4所示，在该实施例中包括一个信号采集模块11，信号输出模块13包括：源跟随晶体管131和选择晶体管132；
源跟随晶体管131的栅极端与信号处理模块12连接，源极端与选择晶体管132连接，漏极端接收电源信号Vdd；用于探测并跟随浮置扩散区121的电荷变化，确定目标信号。
选择晶体管132的漏极端与源跟随晶体管131的源极端连接，源极端与信号量化模块12连接，栅极端接收外部控制信号Φsel，并根据外部控制信号Φsel的控制确定是否输出目标信号。
本实施例中，源跟随晶体管131的栅极端与信号处理模块12连接，并且跟随浮置扩散区121的电势变化，得到电势信号，此过程不影响光电二极管111的光电转换，在第一开关晶体管112断开的前提下，源跟随晶体管131读取浮置扩散区121的电势变化，而光电二极管111继续进行光电转换采集电荷。选择晶体管132根据外部控制信号Φsel的控制选择是否输出目标信号，外部控制信号Φsel可以为外部时钟信号或外部脉冲信号等；外部控制信号Φsel的时序根据具体场景设置。可选地，基于外部时钟电路可以定时发送外部控制信号Φsel控制像素选择晶体管输出目标信号。
图5是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路的电路结构示意图。如图5所示，本实施例提供的信号处理电路包括：由m行*n列的传感器像素单元511组成的像素阵列510，以及n*k个列处理器520；其中，像素阵列510中的每列m个传感器像素单元511对应k个列处理器(为便于表示，图中仅示出了k为1的结构示意图，当k为大于1的整数时，其他列处理器的连接关系与该列处理器相同)；每个列处理器520对应一列中的m个传感器像素单元511中每个传感器像素单元511的至少部分电路；m、n分别为大于等于1的整数。
可选地，每个传感器像素单元511中的信号采集模块11对应一个列处理器520；但由于k个信号采集模块11均与信号处理模块12和信号输出模块13连接，并且，k个信号采集模块11均通过信号输出模块13的输出端口输出目标信号，因此，每个传感器像素单元511对应k个列处理器520。
像素阵列510，用于根据外部控制信号的控制使每行传感器像素单元511逐行进行像素信号的量化，输出n个目标信号并分别发送到n个列处理器。
本实施例中，每个传感器像素单元511中的k个信号采集模块11依次进行目标信号输出，即，虽然传感器像素单元511只有一个输出端，但由于其中集成了k个光电二极管111，因此，通过k次输出依次输出k个信号采集模块11采集的光电电荷。本实施例中，可认为每个传感器像素单元511为一行k个像素单元，但仅通过一个输出端口输出，即，可理解为像素阵列510的每一行包括n*k个像素单元，但由于每k个像素单元对应相同的信号处理模块和信号输出模块，减少了传感器像素单元中元器件的数量，大大缩减了传感器像素单元占用的空间。
列处理器520，用于根据接收的目标信号确定传感器像素单元510对应的编码信号，并基于编码信号得到第一反馈信号和第二反馈信号，通过第一反馈信号和第二反馈信号控制传感器像素单元的操作。
本实施例中，通过传感器像素单元(以下简称像素单元)511内部设置第二开关晶体管和复位控制晶体管，使像素单元可以根据接收的列处理器520反馈的第一反馈信号和第二反馈信号实现曝光时间可调，可自适应增加暗光区域的传感器像素单元的曝光时间，提高了信噪比，提升了采集的图像质量。并且，通过列处理器520反馈的第一反馈信号和第二反馈信号对像素单元的输出进行控制，减少了外部信号输入，提升了像素单元的复位效率；并且减少了像素单元中的元器件数量，缩小了像素单元的大小，提升了采用该像素单元的传感器采集的图像的分辨率。
图6是本公开另一示例性实施例提供的信号处理电路的电路结构示意图。如图6所示，本实施例提供的信号处理电路还包括：数字读出电路530和双采样读出电路540。
可选地，还可以包括为每行像素单元提供第一开关信号ΦTXx、第二开关信号Φrstx和外部控制信号Φsel的行控制单元550。行控制单元550通过预设逻辑依次对每行像素单元发送具有预设时序的第一开关信号ΦTXx、第二开关信号Φrstx和外部控制信号Φsel，实现对对应行的像素单元曝光以及复位控制。
数字读出电路530，用于每间隔预设时间间隔对编码信号进行读出，得到数字序列。
可选地，数字读出电路530输出的数字序列为由0和1构成的序列，例如，如图7a所示，对于成像阵列中的某个特定点X，通过数字读出电路530输出的数字序列。其中t0时刻代表初始时刻，此时像素内光电二极管的光电电荷的转移以及浮置扩散区的复位动作都已完成，从而使得光电二极管和浮置扩散区内的信号均清空。相邻采样时间间隔为Δt(对应预设时间间隔)，每间隔Δt时间数字读出电路530输出一个高位信号(1)或低位信号(0)，通过得到的数字序列中两个高位信号之间的低位信号的数量可表示该特定点X对应当前时刻的光强强度，可选地，两个1之间的0越多，表示光强越弱，两个1之间的0越少，说明光强越强。
双采样读出电路540，在编码信号符合预设条件时，输出曝光电荷量。
在对像素阵列中选中的第i行像素单元，通过行控制单元550控制，第一开关信号ΦTXx、第二开关信号Φrstx和外部控制信号Φsel为高电平信号，其余行设置三个信号均设置为低电平信号，各列读出像素单元输出的目标信号Vout后，依据Vout信号与参考信号Vth之间的大小关系，确定第一反馈信号ΦTXy第二反馈信号Φrsty的高低，以及是否使能对应列的双采样读出电路540以输出模拟电压信号。可选地，当Vout大于等于Vth时，数字读出电路530输出0，对应列像素单元的第一反馈信号ΦTXy和第二反馈信号Φrsty设置为低电平，关闭对应双采样读出电路540，不输出模拟信号，继续执行第i+1行；当Vout小于Vth时，数字读出电路530输出1，对应列像素单元的第一反馈信号ΦTXy和第二反馈信号Φrsty设置为高电平，使能对应的双采样读出电路540输出Vrst-Vsig，该值表示光电二极管中在对应时间段内的曝光电荷量，继续执行第i+1行。例如，如图7b所示，参照图7a输出的数字序列可知，距开始时刻最近的电压输出时刻经过了5Δt时间，在这段时间内，光电二极管上积累的电荷量用Vs1进行表征，因此在这段时间内的光强信号为Vs1/5Δt。第二次读出时的累积时间为3Δt，积累的电荷量为Vs2，光强信号为Vs2/3Δt。第三次光强信号可表征为Vs3/6Δt。依次读出各时间段内的信号光强。
图8a是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路中列处理器的电路结构示意图。如图8a所示，列处理器520包括：比较器521、第一与逻辑电路522和第二与逻辑电路523。
比较器521的负输入端与传感器像素单元511的输出端连接，用于接收目标信号，正输入端接收参考信号Vth，输出端输出编码信号且与数字读出电路连接；并且输出端分别与第一与逻辑电路522和第二与逻辑电路523的一个输入端连接。
第一与逻辑电路522的一个输入端与比较器521的输出端连接，另一输入端接收第一外部与信号Φand1，输出端输出第一反馈信号ΦTXy。
第二与逻辑电路523的一个输入端与比较器521的输出端连接，另一输入端接收第二外部与信号Φand2，输出端输出第二反馈信号Φrsty。
本实施例中，通过与逻辑电路基于比较器输出的编码信号确定输出对应的第一反馈信号ΦTXy和第二反馈信号Φrsty，实现通过列处理器520对传感器像素单元中的曝光时间进行控制，可选地，第一与逻辑电路522和第二与逻辑电路523均为and逻辑，对应的运算规则为，只有两个输入端均高电平时，输出高电平，其他情况均输出低电平。
图8b是本公开另一示例性实施例提供的信号处理电路中列处理器的电路结构示意图。如图8b所示，列处理器520还包括：第三与逻辑电路524。
比较器521的输出端还与第三与逻辑电路524的一个输入端连接，第三与逻辑电路524的另一个输入端接收电源信号Vdd；第三与逻辑电路524的输出端与双采样读出电路540的使能端口en连接。
双采样读出电路540的输入端与传感器像素单元511的输出端连接，用于接收目标信号Vout，使能端口en与第三与逻辑电路524的输出端连接，响应于第三与逻辑电路524输出高电平时，双采样读出电路540对目标信号Vout进行处理得到曝光电荷量并输出。响应于第三与逻辑电路524输出低电平时，不输出模拟信号。
数字读出模块负责输出目标信号Vout与参考信号Vth的比较结果，双采样读出电路负责输出双采样后的信号输出结果。依据Vout信号与参考信号Vth之间的大小关系，确定第一反馈信号ΦTXy第二反馈信号Φrsty的高低，以及是否使能对应列的双采样读出电路540以输出模拟电压信号。可选地，当Vout大于等于Vth时，数字读出电路530输出0，对应列像素单元的第一反馈信号ΦTXy和第二反馈信号Φrsty设置为低电平，关闭对应双采样读出电路540，不输出模拟信号，继续执行第i+1行；当Vout小于Vth时，数字读出电路530输出1，对应列像素单元的第一反馈信号ΦTXy和第二反馈信号Φrsty设置为高电平，使能对应的双采样读出电路540输出Vrst-Vsig，该值表示光电二极管中在对应时间段内的曝光电荷量，继续执行第i+1行。
图9是本公开一示例性实施例提供的信号处理电路在一个示例中各个信号的时序图。如图9所示，在初始状态时，浮置扩散区121上的复位晶体管闭合，将浮置扩散区121上电压充到高电平。在光照条件下，光电二极管111与浮置扩散区121中均产生光电电荷，其中浮置扩散区121上的电压在光电电荷的作用下会逐渐下降，而光电二极管111上的光电电荷被能量势阱限制在了光电二极管111的耗尽区中，当第一开关晶体管处于断开状态时，光电二极管111中的光生电荷会逐渐累积。
浮置扩散区121上的电压通过源跟随晶体管131和选择晶体管132输出到外部进行读出，当浮置扩散区121上电压下降到一定值(如图9中T1时刻之前，Vout小于Vth，即对应图9中达到阈值情况的时序图)，导致输出电压Vout到参考信号Vth以下后，会触发如下电路动作：T1、当第二开关信号Φrstx和第二反馈信号Φrsty为高电平，实现使复位晶体管122闭合，对浮置扩散区121进行复位，并读出浮置扩散区121上复位后的电压Vrst；T2、当第一开关信号ΦTXx和第一反馈信号ΦTXy为高电平，第一开关晶体管112闭合，将光电二极管111中积累的电荷转移到浮置扩散区121上，并读出此时浮置扩散区121上的电压Vsig；T3、当第二开关信号Φrstx和第二反馈信号Φrsty为高电平，实现使复位晶体管122闭合，对浮置扩散区121进行复位，待浮置扩散区121复位完成后将复位晶体管122关闭，等待下一次达到阈值触发。若读出浮置扩散区121上的电压尚未下降到参考信号Vth以下(对应图9右半部分中未达到阈值的时序图)，代表累积的光强还没有达到一定阈值，则不会触发电路动作将光电二极管111上的电荷转移到浮置扩散区121中，浮置扩散区121继续保持累积电荷。各端口电压施加状态如图9中未达到阈值条件时的示意，这种情况下，第一反馈信号ΦTXy和第二反馈信号Φrsty始终为低电平，对应的数字输出电路输出0。
本公开提供的电子设备可被纳入为以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备等。
本公开提供的电子设备可被应用于以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备等。
下面，参考图10来描述根据本公开实施例的电子设备。该电子设备可以是第一设备和第二设备中的任一个或两者、或与它们独立的单机设备，该单机设备可以与第一设备和第二设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号。
图10图示了根据本公开实施例的电子设备的框图。
如图10所示，电子设备包括一个或多个处理器和存储器。
处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其他组件以执行期望的功能。
存储器可以存储一个或多个计算机程序产品，所述存储器可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序产品，处理器可以运行所述计算机程序产品，以实现上文所述的本公开的各个实施例的传感器像素单元以及/或者其他期望的功能。
在一个示例中，电子装置还可以包括：输入装置和输出装置，这些组件通过总线***和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
此外，该输入装置还可以包括例如键盘、鼠标等等。
该输出装置可以向外部输出各种信息，包括确定出的距离信息、方向信息等。该输出装置可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出装置等等。
当然，为了简化，图10中仅示出了该电子设备中与本公开有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本公开的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述部分中描述的根据本公开各种实施例的传感器像素单元中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本公开的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述部分中描述的根据本公开各种实施例的传感器像素单元。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于***实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本公开中涉及的器件、装置、设备、***的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、***。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
可能以许多方式来实现本公开的方法和装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
还需要指出的是，在本公开的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (12)
1.一种传感器像素单元，其特征在于，包括：k个信号采集模块、信号处理模块和信号输出模块；其中，所述k为大于等于1的整数；
每个所述信号采集模块，用于在曝光时长内接收光信号以产生光电电荷，并根据第一反馈信号的控制输出所述光电电荷；
所述信号处理模块，用于根据第二反馈信号的控制执行复位或依次读取所述k个信号采集模块中每个所述信号采集模块产生的光电电荷；
所述信号输出模块，用于根据外部控制信号的控制，基于所述信号处理模块中的光电电荷输出目标信号。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其特征在于，所述信号采集模块包括：光电二极管和第一开关晶体管；
所述光电二极管的一端接地，另一端通过所述第一开关晶体管与所述信号处理模块连接；
所述第一开关晶体管，用于根据第一反馈信号的控制导通或断开。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其特征在于，所述信号采集模块还包括：第二开关晶体管；
所述第二开关晶体管，用于根据第一开关信号的控制导通或断开，使所述第二开关晶体管导通时，所述第一反馈信号传入所述第一开关晶体管实现对所述第一开关晶体管的控制。
4.根据权利要求1-3任一所述的像素单元，其特征在于，所述信号处理模块包括：浮置扩散区、复位晶体管和复位控制晶体管；
所述浮置扩散区的一端接地，另一端与所述复位晶体管的源极端连接作为所述信号处理模块的连接端；通过所述连接端与所述信号采集模块和所述信号输出模块连接；
所述复位晶体管的源极端与所述浮置扩散区连接，漏极端接收电源信号，栅极端通过所述复位控制晶体管接收所述第二反馈信号；
所述复位控制晶体管，用于根据第二开关信号的控制导通或断开，使所述复位控制晶体管导通时，所述第二反馈信号传入所述复位晶体管。
5.根据权利要求4所述的像素单元，其特征在于，所述浮置扩散区在所述复位晶体管导通时执行复位；在所述复位晶体管断开且一个所述信号采集模块中的第一开关晶体管导通时，所述浮置扩散区接收所述信号采集模块的光电二极管产生的光电电荷。
6.根据权利要求1-5任一所述的像素单元，其特征在于，所述信号输出模块包括：源跟随晶体管和选择晶体管；
所述源跟随晶体管的栅极端与所述信号处理模块连接，源极端与所述选择晶体管连接，漏极端接收电源信号；用于探测并跟随所述浮置扩散区的电荷变化，确定目标信号；
所述选择晶体管的漏极端与所述源跟随晶体管的源极端连接，源极端与所述信号量化模块连接，栅极端接收外部控制信号，并根据所述外部控制信号的控制确定是否输出所述目标信号。
7.一种信号处理电路，其特征在于，包括：由m行*n列的如权利要求1-6任一项所述传感器像素单元组成的像素阵列，以及n*k个列处理器；其中，每个所述列处理器对应一列中的m个所述传感器像素单元中每个传感器像素单元的至少部分电路；m、n分别为大于等于1的整数；
所述像素阵列，用于根据外部控制信号的控制使每行所述传感器像素单元逐行进行像素信号的量化，输出n个目标信号并分别发送到n个所述列处理器；
所述列处理器，用于根据接收的所述目标信号确定所述传感器像素单元对应的编码信号，并基于所述编码信号得到第一反馈信号和第二反馈信号，通过所述第一反馈信号和所述第二反馈信号控制所述传感器像素单元的操作。
8.根据权利要求7所述的信号处理电路，其特征在于，还包括：数字读出电路和双采样读出电路；
所述数字读出电路，用于每间隔预设时间间隔对所述编码信号进行读出，得到数字序列；
所述双采样读出电路，在所述编码信号符合预设条件时，输出曝光电荷量。
9.根据权利要求7或8所述的信号处理电路，其特征在于，所述列处理器包括：比较器、第一与逻辑电路和第二与逻辑电路；
所述比较器的负输入端与所述传感器像素单元的输出端连接，用于接收所述目标信号，正输入端接收参考信号，输出端输出所述编码信号，并且所述输出端分别与所述第一与逻辑电路和所述第二与逻辑电路的一个输入端连接；
所述第一与逻辑电路的一个输入端与所述比较器的输出端连接，另一输入端接收第一外部与信号，输出端输出所述第一反馈信号；
所述第二与逻辑电路的一个输入端与所述比较器的输出端连接，另一输入端接收第二外部与信号，输出端输出所述第二反馈信号。
10.根据权利要求9所述的信号处理电路，其特征在于，所述列处理器还包括：第三与逻辑电路；
所述比较器的输出端还与所述第三与逻辑电路的一个输入端连接，所述第三与逻辑电路的另一个输入端接收电源信号；所述第三与逻辑电路的输出端与所述双采样读出电路的使能端口连接；
所述双采样读出电路的输入端与所述传感器像素单元的输出端连接，用于接收所述目标信号，使能端口与所述第三与逻辑电路的输出端连接，响应于所述第三与逻辑电路输出高电平时，所述双采样读出电路对所述目标信号进行处理得到曝光电荷量并输出。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，还包括权利要求1-6任一所述的传感器像素单元或权利要求7-10任一所述的信号处理电路；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以控制所述传感器像素单元或信号处理电路。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备被纳入为以下任意一项：脉冲相机、高速相机、音/视频播放器、导航设备、固定位置终端、娱乐单元、智能手机、通信设备、机动交通工具中的设备、摄像头、运动或可穿戴式相机、检测设备、飞行设备、医疗设备、安防设备。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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