[发明专利]提高CMOS图像传感器动态范围和线性度的装置和方法

权利要求书

1.一种具有宽动态范围、改良线性度和低输出数据率的图像设 备，包括：

像素阵列，其具有用于产生校准数据的第一工作模式，测量连 续帧之间的差异的第二工作模式，以及用于产生动态范围比三晶体管 有源像素CMOS图像传感器动态范围更宽的图像的第三工作模式；

控制电路，用来产生将像素阵列在第一、第二和第三工作模式 间进行切换的控制信号；和

至少一个处理器，用来根据像素信号和校准数据来产生输出信 号，从而使得像素信号的线性特征得到改善，

其中，像素阵列中的每个像素包括：

光电二极管，响应于入射光生成光电流；

悬浮漏极，用来积分光电流；

第一共源共栅晶体管，耦合于光电二极管和悬浮漏极之间以导 通光电流；

外部光闸晶体管，耦合于悬浮漏极和电源电压之间以提供外部 光闸信号来重置悬浮漏极；

内部光闸晶体管，响应于一个或多个自重置事件来重置悬浮漏 极；

比较器，用来比较悬浮漏极的电压和参考电压，并响应于比较 结果生成表示一个或多个自重置事件中的每一个的脉冲；

用来记录脉冲的存储器；

模拟缓冲器，用来从悬浮漏极接收模拟像素信号，并通过模拟 列总线发送模拟像素信号；

数字缓冲器，用来从存储器接收数字像素信号，并通过数字列 总线发送数字像素信号；

第二共源共栅晶体管，耦合到悬浮漏极以导通校准电流；

第一开关，耦合于光电二极管和电源电压之间并由校准信号控 制；

第二开关，耦合于校准电流输入端和第二共源共栅晶体管之间 并由校准信号控制；以及

一个电流采样器，耦合到悬浮漏极以采样光电流。

2.如权利要求1所述的图像设备，其中第一、第二和第三工作 模式在时间上互相排斥。

3.如权利要求2所述的图像设备，其中像素阵列包括排列成一 列或多列的多个像素，所述图像设备还包含：

一个或多个处理电路，每个处理电路都与一列或多列相关联， 用来根据从像素阵列采集到的像素信号产生列数据。

4.如权利要求3所述的图像设备，其中像素信号包括数字和模 拟像素信号，所述一列或多列中的每个还包含：

用于从相关联的列读出数字像素信号的数字列总线；

用于从相关联的列读出模拟像素信号的模拟列总线；和

用于处理数字和模拟像素信号的列处理电路，

每个列处理电路还包含：

将模拟像素信号转换成数字码的模数转换器；和

对数字像素信号计数的列计数器。

5.如权利要求1所述的图像设备，其中所述至少一个处理器还 确定连续帧间的差异，并根据所述差异指示像素阵列从第二工作模式 向第三工作模式切换，以及

其中一个或多个列处理电路从工作在第二工作模式下的像素阵 列接收模拟像素信号，将模拟像素信号量化并将量化后的模拟像素信 号发送到片外处理器，以及

处理器判定连续帧间的差异超过一个设定的值，并发送控制信 号到控制电路来将像素阵列从第二工作模式切换到第三工作模式。

6.如权利要求4所述的图像设备，其中列总线针对每个像素从 工作在第一工作模式下的像素阵列采集多个采样数据集合，

所述图像设备还包括：

第一译码器，用于从第一工作模式下采集到的多个采样数据集 合生成校准参数，其中校准参数包括一组采样到的具有准确井容量的 电流；以及

第二译码器，用来在第三工作模式下从校准参数、数字像素信 号和模拟像素信号生成一个复原光电流；

校准电流生成器，生成用于第一工作模式的校准电流；以及

电流参考模数转换器(ADC)，生成用于第一工作模式参考电流。