【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于图像传感器，涉及一种高满阱大动态图像传感器像素结构及其工作方法。
技术介绍
1、动态范围是指cmos图像传感器能够在同一帧图像中同时探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围，是图像传感器中最重要的一项评价指标参数，用于衡量图像传感器明暗场景适应能力，其值由满阱电荷与读出噪声的比值决定。
2、cmos图像传感器因为受到满阱容量、曝光时间和噪声的限制，其动态范围通常在60～70db，但是人眼的动态范围在100db以上，所以传感器所拍摄的内容很难准确还原人眼所观察到的场景。在一些特定领域，如汽车电子、安防监控等，也需要传感器的动态范围达到100db以上，因此，需要采用动态范围扩展技术来提高动态范围。
3、动态范围扩展技术按实现方法主要包括提高传感器能够探测的最大光强信号，以及降低传感器能够探测的最小光强信号两个技术方向。相比降低可探测最小光强信号，更为常用的动态范围扩展方式是提高可探测最大光强信号。在暗光环境中，需要高电荷电压转换增益，以实现高灵敏度成像，然而，高电荷电压转换增益的实现会使其满阱容量受限，在明亮光环境中成像，则需要具备抗强光的能力，即大满阱容量，以避免光生信号电荷向周围像素溢出，形成光晕，但是大满阱容量在暗光环境中又难以实现高转换增益，这是图像传感器动态范围拓展所面临的主要难点。
4、目前，动态范围扩展技术按实现效果可分为多次曝光动态范围拓展技术和单次曝光高动态技术两种。多次曝光动态范围拓展技术需要传感器多次曝光后完成一帧图像的技术，拍摄运动物体时，物体在不同次曝光中位
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高满阱大动态图像传感器像素结构及其工作方法，以实现单次曝光动态范围拓展，旨在实现高动态范围的同时，避免多次曝光动态范围拓展技术造成的伪影问题，同时增强其抗强光能力，以适用于物体在高背景光成像和低背景光成像。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种高满阱大动态图像传感器像素结构，该像素结构采用像素级3d堆叠的结构，将感光区与控制电路分别置于不同的芯片层，包括上芯片层和下芯片层；
4、所述上芯片层设有光电二极管pd用于产生光生载流子；所述下芯片层包括复位晶体管rst1、复位晶体管rst2、传输晶体管tx、源极跟随器sf、行选通开关sel1、行选通开关sel2、比较器cmp以及计数器counter；
5、上芯片层和下芯片层通过键合实现电学互连。
6、可选的，所述上芯片层光电二极管的一端接地，另一端通过像素级电学互连与下芯片层复位晶体管rst1的源极、传输晶体管tx源极以及比较器的一端相连，rst1与rst2的漏极接电源vdd；
7、比较器的另一端分别与计数器的一端、rst1的栅极相连，计数器的另一端连接行选通开关sel2，tx的另一端与源极跟随器sf的栅极相连；sf的一端接地，另一端则连接行选通开关sel1。
8、可选的，所述复位晶体管rst1用于曝光过程中对pd进行复位；
9、复位管rst2用于曝光开始前以及曝光完成后对pd进行复位；
10、pd的电压通过比较器与参考电压进行比较，并通过计数器记录比较器翻转的次数，tx管用于将pd中剩余的光生电荷信号转移至fd节点，sf用于将fd节点中的电荷信号转变为电压信号，行选通开关sel1用于实现行选通功能，将剩余电压信号采样输出，数字信号则通过行选通开关sel2采样输出。
11、可选的，当所述光电二极管电压低于参考电压时，比较器翻转输出高电平，具备自反馈机制，反馈给复位晶体管rst1，使rst1管闭合以实现对光电二极管的复位，当光电二极管电压高于参考电压时，比较器输出低电平。
12、可选的，所述剩余电压信号通过行选通开关sel1采样读出，量化为ad的低位，数字信号通过行选通开关sel2采样读出，量化为ad的高位。
13、基于所述像素结构的工作方法，该方法为：
14、曝光开始后，当上芯片层光电二极管收集光生电子致使其电压低于下芯片层比较器参考电压时，比较器翻转，触发复位管对光电二极管进行复位提升其电压，同时计数器记录比较器翻转；
15、曝光结束时，转移栅将光电二极管中的光生电荷转移至浮空节点转换为电压信号并读出，同时读出比较器翻转次数。
16、可选的，所述曝光为低背景光时，pd的电压高于比较器的参考电压，比较器输出低电平，光生电荷信号通过传输管转移至电荷电压转换节点，并通过源极跟随器转换为电压信号，再通过行选通开关采样读出信号，实现低背景光下高增益成像。
17、可选的，所述曝光为高背景光时，光生电荷积累，pd的电压低于比较器的参考电压，比较器翻转，计数器记录比较器翻转的次数，比较器输出高电平信号，反馈至复位管rst1，对pd进行复位，复位完成后光生载流子重新在pd中积累，当pd电压再次低于比较器的参考电压时，比较器翻转，重复进行，计数器对比较器翻转次数进行计数，最终pd的电压不再低于比较器的参考电压，剩余电荷信号被传输管tx传输至电荷电压转换节点，通过源极跟随器将电荷信号转化为电压信号，再通过行选通开关sel1采样输出，计数器记录的数字信号则通过行选通开关sel2采样输出，实现高背景光成像。
18、可选的，所述读出信号由数字信号和模拟电压信号两部分构成。
19、可选的，所述曝光结束后，完成一帧图像，并在同一帧图像中同时探测到最大光强信号和最小光强信号，实现单次曝光高动态的成像效果。
20、本专利技术的有益效果在于：本专利技术在传统4t像素结构中，通过像素级3d堆叠工艺，将光电二极管置于上芯片层，控制电路中增加复位晶体管、比较器以及计数器，置于下芯片层，可提高感光区填充因子，在时序的控制下，可实现像素满阱容量扩展，结合高电荷电压转换增益设计，可有效提升单次曝光动态范围。像素可设计为高电荷电压转换增益，在工作过程中将部分模拟信号转换为了数字信号，降低了信号输出对像素输出摆幅的依赖，在高背景光和低背景光下，均可成像，不会出现伪影，同时具备较强的抗强光能力，可以有效避免光生信号电荷向周围像素的溢出，降低串扰，提高成像质量。
21、本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
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1.一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：该像素结构采用像素级3D堆叠的结构，将感光区与控制电路分别置于不同的芯片层，包括上芯片层和下芯片层；
2.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：所述上芯片层光电二极管的一端接地，另一端通过像素级电学互连与下芯片层复位晶体管RST1的源极、传输晶体管TX源极以及比较器的一端相连，RST1与RST2的漏极接电源VDD；
3.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：所述复位晶体管RST1用于曝光过程中对PD进行复位；
4.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：当所述光电二极管电压低于参考电压时，比较器翻转输出高电平，具备自反馈机制，反馈给复位晶体管RST1，使RST1管闭合以实现对光电二极管的复位，当光电二极管电压高于参考电压时，比较器输出低电平。
5.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：所述剩余电压信号通过行选通开关SEL1采样读出，量化为AD的低位，数字信号通过行选
6.基于所述像素结构的工作方法，其特征在于：该方法为：
7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于：所述曝光为低背景光时，PD的电压高于比较器的参考电压，比较器输出低电平，光生电荷信号通过传输管转移至电荷电压转换节点，并通过源极跟随器转换为电压信号，再通过行选通开关采样读出信号，实现低背景光下高增益成像。
8.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于：所述曝光为高背景光时，光生电荷积累，PD的电压低于比较器的参考电压，比较器翻转，计数器记录比较器翻转的次数，比较器输出高电平信号，反馈至复位管RST1，对PD进行复位，复位完成后光生载流子重新在PD中积累，当PD电压再次低于比较器的参考电压时，比较器翻转，重复进行，计数器对比较器翻转次数进行计数，最终PD的电压不再低于比较器的参考电压，剩余电荷信号被传输管TX传输至电荷电压转换节点，通过源极跟随器将电荷信号转化为电压信号，再通过行选通开关SEL1采样输出，计数器记录的数字信号则通过行选通开关SEL2采样输出，实现高背景光成像。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述读出信号由数字信号和模拟电压信号两部分构成。
10.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述曝光结束后，完成一帧图像，并在同一帧图像中同时探测到最大光强信号和最小光强信号，实现单次曝光高动态的成像效果。
...【技术特征摘要】
1.一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：该像素结构采用像素级3d堆叠的结构，将感光区与控制电路分别置于不同的芯片层，包括上芯片层和下芯片层；
2.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：所述上芯片层光电二极管的一端接地，另一端通过像素级电学互连与下芯片层复位晶体管rst1的源极、传输晶体管tx源极以及比较器的一端相连，rst1与rst2的漏极接电源vdd；
3.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：所述复位晶体管rst1用于曝光过程中对pd进行复位；
4.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：当所述光电二极管电压低于参考电压时，比较器翻转输出高电平，具备自反馈机制，反馈给复位晶体管rst1，使rst1管闭合以实现对光电二极管的复位，当光电二极管电压高于参考电压时，比较器输出低电平。
5.基于权利要求1所述的一种高满阱大动态图像传感器像素结构，其特征在于：所述剩余电压信号通过行选通开关sel1采样读出，量化为ad的低位，数字信号通过行选通开关sel2采样读出，量化为ad的高位。
6.基于所述像素结构的工作方法，其特征在于：该方法为：
7.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋华，李毅强，张珂楠，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：
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