[发明专利]可变换工作模式的CMOS图像传感器有源像素及其图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器。特别是涉及一种能够满足CMOS图像传感器在高速监控、安全防护等领域的实际应用的可变换工作模式的CMOS图像传感器。

背景技术

CMOS图像传感器芯片是一种单片成像系统，其通过规模庞大的二维感光像素阵列来采集图像信息，并将其光信号转换成对应的模拟或数字信号，可实现高速低功耗电子成像功能。其中CMOS有源像素作为光电转换单元在整个CMOS图像传感器的架构中居于核心地位，其结构设计的优劣将直接影响到CMOS图像传感器的成像性能。

在高速监控、安全防护等领域的实际应用中，一般有两种主要的应用环境。在正常光照条件下(阳光充足的白天和光照充足的晚上)，监控对象(如车辆)的速度一般较快，需要对监控对象进行高帧率的图像捕获，才能实时的反应监控对象的运动情况；而在低光照条件下(气象条件恶劣的白天或光照不足的晚上)，由于光照不足，使得电子成像器件的内在噪声开始对图像的质量产生明显的影响，此时需要监控传感器对噪声进行相应的消减和抑制，以期获得更为清晰可见的监控照片和视频。

根据上述工作条件的要求，监控用CMOS图像传感器应同时具有以下两个能力：1、高速全并行曝光处理能力：高速全并行曝光处理能力要求整个像素阵列的输出帧率较高，像素结构应具有全帧高速并行曝光的处理能力，以克服传统逐行滚筒式曝光拍摄高速运动物体时带来的图像扭曲和变形。2、大动态范围。图像传感器的动态范围即像素可处理的最大信号与其可识别的最小信号之间的比值。上述应用领域中，成像场景环境的复杂性要求图像传感器具有在剧烈变化的外部环境，特别是大动态范围的光信号强弱变化下进行正常工作的能力。因此，CMOS图像传感器在极限光照条件下，特别是暗光条件下信号应具有较好的噪声抑制能力。

上述两项条件均决定于CMOS有源像素的结构设计。如图1所示，传统的四管像素结构无法同时具有上述两种工作条件，其主要原因如下：

当四管像素按滚筒式曝光的要求组成CMOS图像传感器阵列CIS1时，如图2所示，其单行共用一个RST信号和T4信号，分别控制像素信号储存节点(Storage Node)的复位操作和Pinned光电二极管曝光所产生的光生电荷向信号储存节点的转移。通过图4的时序控制可以看出，这种像素结构通过引入储存节点，可以使得双采样读出电路(图3的Readout开关和后续电路Storage/Pre-amplifier)所得到的复位信号和像素光生电压信号具有时间相关性，便于完成相关双采样(Correlated Double Sample)，从而消除因像素复位管M2复位电压波动引起的复位噪声。这种复位噪声的消除将极大地提高像素的动态范围，以满足大动态图像信号捕获的要求。但这种像素存在明显的缺点，因为消除噪声的需要，作为实际控制曝光信号读出的T4管无法在全阵列进行共享，无法实现全并行曝光操作。

为了满足全并行曝光方式的要求，四管像素也可以构成CMOS图像传感器阵列CIS2，如图5所示。不同于CIS1、CIS2中的T4信号不再是单行共用，而是全帧共用一个T4信号。通过图6的时序图可以看出，T4既要作为Pinned二极管复位通路的一部分，又要作为全局曝光管使用，当第S帧曝光结束后(即图示A点)，外部双采样电路开始对储存节点的电平信号进行双采样读出，直到最后一个像素P4(N，N)的信号读出完毕后，T4作为全局曝光管才能开始第S+1帧的曝光。因此，四管像素的全并行曝光实际上是采用“第S帧曝光→第S帧读出→第S+1帧曝光→第S+1帧读出”的串行帧输出方式，其无法适应监控等领域高达千帧每秒的高速图像传感的需要。且由于其T4管全帧共用，位于读出信号(Readout)前的复位信号无法一次输出到外部双采样电路中，外部双采样电路得到的复位信号实际上是读出信号后专门为双采样而进行的复位操作所产生的复位信号，其与读出信号之间没有时间相关性，因此也就无法消除复位噪声，使得这种像素结构在大动态范围领域的应用受到了一定的限制。

由于安防和监控等领域对于图像传感智能化的需求越来越高，如何通过智能化的像素设计来同时实现高速全并行曝光、大动态范围等处理能力日益成为CMOS图像传感器研究和开发的热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具备根据入射光强弱或外部中断智能化选择全并行曝光处理和低噪声处理工作模式的能力，以满足CMOS图像传感器在高速监控、安全防护等领域的实际应用的可变换工作模式的CMOS图像传感器。