[发明专利]像素结构和阵列、电路和方法、图像传感器、存储介质

说明书

一种像素结构和阵列、电路和方法、图像传感器、存储介质。第一存储节点耦接所述第一复位管的源极、所述第一源跟随器的输入端和所述第一光电转换单元，所述第一存储节点适于将所述第一曝光电荷转换为第一曝光电压，并提供第一源输入电压至所述第一源跟随器的输入端。所述第一源跟随器的输出端耦接所述光电存储单元，所述第一源跟随器的输出端适于提供第一源跟随电压至所述光电存储单元，所述第一源跟随电压与所述第一源输入电压相关。所述第二光电转换单元，适于产生第二曝光电荷。所述第一电容单元，适于将所述第二曝光电荷转换为所述第二曝光电压，并基于所述第一源极跟随电压和所述第二曝光电压提供像素电压。

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种像素结构和阵列、电路和方法、图像传感器、存储介质。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，图像传感器可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器和CMOS(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件)图像传感器两大类。由于CMOS图像传感器具有功耗小、成本低、易于在标准生产线上生产等诸多优点，在各个领域得到了广泛的应用。

根据曝光方式的不同，CMOS图像传感器可以分为逐行曝光的CMOS图像传感器和全局曝光的CMOS图像传感器。CMOS图像传感器的像素单元通常包含一个光电二极管和多个晶体管，根据CMOS图像传感器的像素单元包含晶体管的数目，CMOS图像传感器的像素单元可以分为3晶体管(3T)型、4晶体管(4T)型、5晶体管(5T)型、8晶体管(8T)型、9晶体管(9T)型。

图像传感器所产生的图像质量，取决于图像信号的信号噪声比SNR＝20log₁₀(V_signal/V_noise)

其中，V_signal指信号输出电压，V_noise指噪声输出电压。

信号强度取决于光强，曝光时间，光电转化效率等；而噪声主要有两种类型：固形噪声和随机噪声。其中随机噪声包括散粒噪声，复位噪声等。

图像全局曝光指一帧图像里的所有像素，在某时刻同时开始曝光，在另一时刻同时结束曝光。广泛应用于CMOS图像传感器中的曝光方式是逐行曝光(Rolling Shutter)，由于各行曝光时间起始点不同，这种曝光方式存在运动图像的倾斜，扭曲等缺点。全局曝光可以消除逐行曝光的缺陷，并实现高帧率的图像输出。

由于全局曝光像素阵列产生的信号还是要逐行读取，所以像素单元中必须要有信号存储节点(Storage Node)来暂存信号，使得在读取时每行的信号可以逐行分时读出到后端电路。

光电二级管曝光后产生的信号暂存在像素信号存储节点，在读取时，这个存储节点同样可能受到小部分光照，从而产生寄生光感效应(Parasitic Light Sensitivity)。这个不良效应会导致信号存储节点漏电，使得逐行读取时，后读取的行的像素信号失真。

像素单元曝光之后，先读取FD点的复位信号，再读取FD点的曝光信号，两次信号相减即可得本次像素曝光的输出信号，由于两次采样产生的复位噪声是相关的，两次信号相减即可消除复位噪声。

图像传感器的动态范围是传感器所能量化的最亮的信号与最低噪声的比值。像素所能量化的最亮信号受限于满阱电子数(FWC)和存储节点(FD)电容，其中FD电容大小决定了像素的转换增益，FD将电荷信号转换为电压信号：V_fd＝Q_pd/C_FD，后续受到位线(bit-line)摆幅和FWC的双重限制。首先VfdVblmax，其中Vblmax是bit-line的摆幅，而bit-line的摆幅受限于后端模拟读出电路的设计，一般在1V-1.5V左右，如果Vfd超过了bit-line所能读出的范围，那么将会失去信息。