高速全局快门图像传感器像素及其像素信号采集方法技术

本发明专利技术涉及一种高速全局快门图像传感器像素及其像素信号采集方法，该像素的复位开关的输入端接复位电压，输出端接光电二极管负极和第一缓冲放大器的输入，光电二极管正极接地；第一缓冲放大器的输出通过第一采样开关接第一采样电容和第二缓冲放大的输入；第二缓冲放大器的输出通过第二采样开关接第二采样电容和第三缓冲放大器的输入；第二采样电容的另一端接地，第三缓冲放大器的输出通过行选开关连接到总线。本发明专利技术在双采样模式下连续采取两帧信号值和复位电压值再读出，在连续快速两帧读出模式下采取连续两帧信号电压后读出，两帧间隔时间短，在牺牲像素噪声条件下获得了快速采取两帧图像的能力。

【技术实现步骤摘要】
高速全局快门图像传感器像素及其像素信号采集方法
本专利技术属于半导体图像感测
,具体涉及一种用于高速全局快门的图像传感器像素及其像素信号的采集方法。
技术介绍
在拍摄高速移动的物体时需要使用全局快门以避免图像的扭曲。一种典型的全局快门CMOS像素如图1所示，由复位开关M1、光电二极管D、缓冲放大器AMP1、采样开关M4，采样电容C1、缓冲放大器M5和行选开关M6构成。该像素基于传统的3T像素结构变化而来，首先复位开关闭合并对光电二极管进行复位，之后复位开关断开，像素开始曝光，由光电二极管将接收的光信号转换为电信号。在帧转移时间内，首先采样开关闭合并将光电二极管转换的电信号存储在采样电容上。之后采样开关打开，采样电容存储的电信号就代表了光强的大小，曝光结束；然后像素可以开始下一帧曝光，采样电容上存储的信号在之后通过源级跟随器和行选开关读出。该像素的优点是结构简单，帧转移时间较短，在帧转移时间内仅需要对采样开关进行一次操作。其缺点为无法进行相关双采样以去除KTC(复位)噪声。中国专利公报公开了一种“高速全局快门图像传感器像素及其像素信号的采样方法”(公开号：103491324A公开日：2014-01-01)，如图2所示，该像素的复位开关M1的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管D的负极和第一缓冲放大器AMP1的输入端，光电二极管D的正极接地；第一缓冲放大器AMP1的输出端通过第一采样电容C1’连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；校正开关M2’的输入端接校正电压Vcali，输出端连接到第二缓冲放大器AMP2的输入端；第二缓冲放大器AMP2的输出端通过采样开关SAMPLE连接到第二采样电容C2’和第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二采样电容C2’的另一端接地，第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。这种像素虽然能够实现相关双采样以消除KTC噪声，帧转移时间短，但是芯片在一帧采样完成并且所有像素中的光信号都读出后才可以进行下一帧的采样，两次采样的间隔至少是一帧的时间以上,像素阵列越大,像素阵列的读出时间越长，这个间隔就越大。因此在曝光时间与曝光间隔都非常短的情况下并不适用。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供一种可进行连续两次采样，在短曝光时间下采样间隔时间短，不受读出时间和阵列大小限制的高速全局快门图像传感器像素。该像素除了可高速连续两帧曝光外，还可以进行非相关双采样以去除像素阵列的固定模式噪声。为了解决上述技术问题，本专利技术的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关，光电二极管，第一、第二采样电容，第一、第二、第三缓冲放大器，第一、第二采样开关，行选开关；所述复位开关的输入端接复位电压，输出端连接到光电二极管的负极和第一缓冲放大器的输入端，光电二极管的正极接地；第一缓冲放大器的输出端通过第一采样开关连接到第一采样电容和第二缓冲放大器的输入；第二缓冲放大器的输出端通过第二采样开关连接到第二采样电容和第三缓冲放大器的输入端；第二采样电容的另一端接地，第三缓冲放大器的输出端通过行选开关连接到总线。所述第一缓冲放大器由第一源级跟随器及其电流源负载构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器及其电流源负载构成。所述第一缓冲放大器还可以由第一源级跟随器构成，第二缓冲放大器由第二源级跟随器构成。本专利技术要解决的另一个技术问题是提供一种上述高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法可采用下述2种技术方案。技术方案一步骤一：将复位开关闭合，使光电二极管复位；步骤二：将复位开关断开，第一帧曝光开始，光电二极管的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低；步骤三：在帧转移时间内，将第一、第二采样开关闭合，光电二极管的像素信号电压通过第一、第二采样开关被采集到第二采样电容上面供随后读出；步骤四：在第二帧开始时先将复位开关闭合使光电二极管复位，然后将复位开关断开，将第一采样开关闭合使第二帧的复位电压被采集到第一采样电容上供随后读出；重复步骤三、四得到第二帧像素信号电压和第三帧复位电压；以此类推，获取各帧图像像素光信号。技术方案二：步骤一：将复位开关闭合，使光电二极管复位；步骤二：将复位开关断开，第一帧曝光开始，光电二极管的负极电压随着曝光时间的增加开始逐渐降低；步骤三：在帧转移时间内，第一、第二采样开关闭合，光电二极管的像素信号电压通过第一、第二采样开关被采集到第二采样电容上面供随后读出；步骤四：在第二帧开始时首先将复位开关闭合使光电二极管复位，然后将复位开关断开，第二帧曝光开始；步骤五：在第二帧帧转移时间内将第一采样开关闭合使第二帧的像素信号电压被采集到第一采样电容上供随后读出；重复上述步骤得到第三、四像素信号电压；以此类推，获取各帧图像像素光信号。本专利技术采用三级放大器，在帧转移时间内，仅需要对开关S1和S2进行操作，大大减少了帧转移时间。除此之外，与现有技术相比，在技术方案一的双采样模式下(本专利技术双采样为非相关双采样，即像素信号值与下一帧的复位值做差)，由于像素可连续采取两帧的信号值，然后再进行读出，两帧采样之间无需间隔，所以采样间隔时间很短，不受读出时间和阵列大小的限制。在技术方案二的连续快速两帧读出模式下，像素采取连续两帧的信号电压，之后通过读出电路读出，由于前一帧的像素信号保存在像素中未被读出到片外即可进行第二帧的曝光及存储，这两帧的间隔时间非常短。本专利技术在牺牲像素噪声的条件下，获得了快速采取两帧图像的能力，特别适合于需要高速采样而并不很关心像素噪声值大小的应用。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1为现有技术的一种典型全局快门CMOS像素的结构示意图。图2为现有技术的高速全局快门图像传感器像素结构示意图。图3为本专利技术的高速全局快门图像传感器像素的结构示意图。图4为本专利技术的高速全局快门图像传感器像素实施例1的结构示意图。图5为本专利技术实施例1的双采样模式信号采集方法时序图。图6为本专利技术实施例1的连续快速两帧读出模式信号采集方法时序图。图7为本专利技术的高速全局快门图像传感器像素实施例2的结构示意图。图8为本专利技术的实施例2的双采样模式信号采集方法时序图。图9为本专利技术的实施例2的连续快速两帧读出模式信号采集方法时序图。具体实施方式如图3所示，本专利技术的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，光电二极管D，第一、第二采样电容C1和C2，第一、第二、第三缓冲放大器AMP1、AMP2和AMP3，第一、第二采样开关S1、S2，行选开关READ；所述复位开关M1的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管D的负极和第一缓冲放大器AMP1的输入端，光电二极管D的正极接地；第一缓冲放大器AMP1的输出端通过第一采样开关S1连接到第一采样电容C1和第二缓冲放大器AMP2的输入；第二缓冲放大器AMP2的输出端通过第二采样开关S2连接到第二采样电容C2和第三缓冲放大器AMP3的输入端；第二采样电容C2的另一端接地，第三缓冲放大器AMP3的输出端通过行选开关READ连接到总线。实施例1如图4所示，本专利技术的高速全局快门图像传感器像素包括复位开关M1，光电二极管D，第一、第二采样电容C11和C12，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速全局快门图像传感器像素，包括复位开关（M1），光电二极管（D），第一、第二采样电容（C1、C2），第一、第二、第三缓冲放大器（AMP1、AMP2、AMP3），第一、第二采样开关（S1、S2），行选开关（READ）；所述复位开关（M1）的输入端接复位电压Vreset，输出端连接到光电二极管（D）的负极和第一缓冲放大器（AMP1）的输入端，光电二极管（D）的正极接地；其特征在于所述第一缓冲放大器（AMP1）的输出端通过第一采样开关（S1）连接到第一采样电容（C1）和第二缓冲放大器（AMP2）的输入；第二缓冲放大器（AMP2）的输出端通过第二采样开关（S2）连接到第二采样电容（C2）和第三缓冲放大器（AMP3）的输入端；第二采样电容（C2）的另一端接地，第三缓冲放大器（AMP3）的输出端通过行选开关（READ）连接到总线（BUS）。

【技术特征摘要】
1.一种高速全局快门图像传感器像素，包括复位开关(M1)，光电二极管(D)，第一、第二采样电容(C1、C2)，第一、第二、第三缓冲放大器(AMP1、AMP2、AMP3)，第一、第二采样开关(S1、S2)，行选开关(READ)；所述复位开关(M1)的输入端接复位电压(Vreset)，输出端连接到光电二极管(D)的负极和第一缓冲放大器(AMP1)的输入端，光电二极管(D)的正极接地；其特征在于所述第一缓冲放大器(AMP1)的输出端通过第一采样开关(S1)连接到第一采样电容(C1)和第二缓冲放大器(AMP2)的输入；第二缓冲放大器(AMP2)的输出端通过第二采样开关(S2)连接到第二采样电容(C2)和第三缓冲放大器(AMP3)的输入端；第二采样电容(C2)的另一端接地，第三缓冲放大器(AMP3)的输出端通过行选开关(READ)连接到总线(BUS)。2.根据权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述第一缓冲放大器(AMP1)由第一源级跟随器(M12)及其电流源负载(M13)构成，第二缓冲放大器(AMP2)由第二源级跟随器(M15)及其电流源负载(M16)构成。3.根据权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素，其特征在于所述第一缓冲放大器(AMP1)由第一源级跟随器(M12)构成，第二缓冲放大器(AMP2)由第二源级跟随器(M15)构成。4.一种如权利要求1所述的高速全局快门图像传感器像素的像素信号采集方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：将复位开关(M1)闭合，使光电二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王欣洋，马成，
申请(专利权)人：长春长光辰芯光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22