CN104796635A - 一种用于超大面阵cmos图像传感器的全局复位释放控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法。本方法首先控制像元感光区域各行像元逐行复位，在逐行复位操作结束后控制整个面阵的所有像元同时进入、退出曝光状态，在曝光结束后，逐行读取曝光数据。本发明通过控制面阵同时进入、退出曝光状态，能够消除传感器对运动物体的捕捉失真。并且本方法可以改善传统全局曝光控制方式下，大面阵像元的暗电流不一致问题。同时具有易于实现，扩展性强，应用范围广的优点。

Description

一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法

技术领域

本发明属于CMOS图像传感器领域，具体涉及一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法。

背景技术

CMOS图像传感器由于其低功耗、低成本、高集成能力的优势，在商业、医疗和军事领域都有着越来越广的应用。而随着技术的进步，CMOS图像传感器也在不断扩大规模，从百万像素级到千万像素级，甚至更高的亿万像素级迈进，随之超大规模面阵传感器的各种问题也应运而生，如常用的滚筒式曝光方式对于运动物体捕捉的模糊、而传统的全局曝光方式对于超大面阵引入的暗电流不一致造成的图像质量下降等。这些问题使得超大规模传感器芯片在应用中引入了一些额外的修调电路开销，所以在传感器芯片内部解决这些问题是非常必要的。

目前4T APS是一种常用的像元结构，如图1所示，该种像元结构包含光电二极管PD、传输管TX、源跟随器M、复位管RST和行选管SEL。此种4T像元结构常用的曝光方式为滚筒式曝光，特征是逐行对感光区和浮动扩散点复位、像元阵列逐行进入曝光状态、且逐行退出曝光状态、逐行完成光信号的读出。应用于4T像元结构的一般全局曝光方式如图2所示，对于超大像元面阵的传感器来说，这种全局曝光方式存在着以下缺陷：由于像元面阵上的所有像素单元是同时完成复位、积分操作，逐行读出光电信号的，这就意味着对于一个N行的像元阵列来说，第一行进行读出的像元在其积分结束到读出间的时间间隔为0，而第二行进行读出的像元其积分结束到读出间的时间间隔为一个行周期的时长，第三行的时间间隔为两个行周期的时长，以此类推，最后一行进行读出的像元其积分结束到读出间的时间间隔为N个行周期的时长。而在这段时间内，暗电流还在积累，而每一行复位积分和读 出等待之间的时间差，导致每一行暗电流的不一致性，最终会导致输出图像在行方向上的噪声，大大降低图像质量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，有效解决现有技术中存在的运动物体捕捉失真问题，以及传统的全局曝光方式造成的面阵上暗电流的不一致性而引入的图像质量问题。

解决现有的超大面阵规模CMOS图像传感器的滚筒式曝光方式引入的运动物体捕捉失真

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括以下步骤：

步骤1)像元感光区域复位：根据参与成像的像元行数，控制各行像元进行逐行复位操作；

步骤2)像元阵列积分：当逐行复位操作完成后，整个感光面阵同时进入曝光状态，开始接受光照，产生光生电荷，至曝光结束；

步骤3)曝光数据读取：曝光结束后，逐行读取曝光数据；对于各行像素单元，在上一帧的曝光数据读取完成后，进入下一帧的曝光前逐行复位操作；至末帧最后一行像素单元读取曝光数据结束。

进一步的，所述步骤1)具体操作为：对于各次成像，根据参与成像的像元行数，控制各行像元逐行进行复位：首先控制第一行像元的复位管和传输管开启，对光电二极管进行复位操作，在第一行的像元完成复位后，第一行像元的复位管和传输管复位管和传输管关闭，第二行的像元复位管和传输管再同时开启，对第二行的光电二极管进行复位操作，依此类推，至最后一行像元的复位操作完成。

进一步的，所述步骤1)每一行像元复位操作完成时，判断该行是否为末行，若是，则进入步骤2)，若不是，则向行向复位寻址寄存器返回，进入 下一行像元复位操作。

进一步的，其特征在于，所述步骤3)具体操作为：经过所设定的积分时间后，由第一行像元开始，逐行的控制像元进行对FD点的二次复位、复位电压采样，之后传输管开启，光电荷向FD点转移、读出电路读出光电信号值。

进一步的，其特征在于，所述步骤3)每一行像元由读出电路读出光电信号值之后，判断是否为帧末，若是，则帧结束；若不是，则向行向读出寻址寄存器返回，进入下一行像元读取曝光数据。

进一步的，其特征在于，对于有相邻M行物理合并结构的像素单元，在不合并模式下，M行像素都完成上一帧的曝光数据读取后，再进入下一帧的曝光前逐行复位操作，即帧间间隔为M个行周期；在合并模式下，M行像素同时进行上一帧的曝光数据读取，则帧间间隔为1个行周期。

进一步的，全局复位释放控制方法的曝光方式的帧频为：

$\mathrm{frame}\_\mathrm{rate}=\frac{1}{(N+M*\mathrm{binning})\×\mathrm{period}+\mathrm{INTE}}$

其中N为像元阵列包含的行数、INTE为积分时长、M为像素单元在行上的合并结构、binning在合并应用下为0，在非合并应用下为1、period为行周期。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本方法首先控制像元感光区域各行像元逐行复位，在逐行复位操作结束后控制整个面阵的所有像元同时进入、退出曝光状态，在曝光结束后，逐行读取曝光数据。通过控制整个面阵的所有像元同时进入、退出曝光状态，实现对运动物体的不失真捕捉。对像元面阵的每一行感光区来说，退出积分前复位状态和对光电信号进行读出之间的时间间隔是完全一致的，即对于面阵上的所有像素单元来说，它们积累暗电流的时间是完全一致的，这样的操作有效的消除了由于面阵暗 电流的不一致造成的行间噪声。本方法有效的解决了现有技术中运动物体捕捉失真，以及传统的全局曝光方式造成的面阵上暗电流的不一致性而引入的图像质量问题。同时本方法具有易于实现，扩展性强，应用范围广的优点。

附图说明

图1为4T像素单元电路图；

图2为传统的全局曝光方式工作流程示意图；

图3为本发明提供方法的工作流程示意图；

图4为本发明提供方法连续拍摄的全局复位释放式曝光方式的时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图3，本发明的方法控制整个面阵所有像元同时进入、退出曝光状态，实现对运动物体的不失真捕捉；在曝光开始前控制像元阵列进行逐行复位，使每行像元积累暗电流的时间一致；包括以下步骤：

步骤1)，像元感光区域复位：根据参与成像的像元行数，控制各行像元进行逐行复位操作；

具体操作为：对于各次成像，根据参与成像的像元行数，控制各行像元逐行进行复位：首先控制第一行像元的复位管和传输管开启，对光电二极管进行复位操作，在第一行的像元完成复位后，第一行像元的复位管和传输管复位管和传输管关闭，第二行的像元复位管和传输管再同时开启，对第二行的光电二极管进行复位操作，依此类推，在最后一行的光电二极管完成复位操作、即像元阵列感光区的逐行复位操作完成后，整个感光面阵同时再进入曝光状态。

且每一行像元复位操作完成时，判断该行是否为末行，若是，则进入步骤2)，若不是，则向行向复位寻址寄存器返回，进入下一行像元复位操作。

步骤2)像元阵列积分：当逐行复位操作完成后，整个感光面阵同时进入曝光状态，开始接受光照，产生光生电荷，至曝光结束；

步骤3)曝光数据读取：经过所设定的积分时间，曝光结束后，逐行读取曝光数据；对于各行像素单元，在上一帧的曝光数据读取完成后，进入下一帧的曝光前逐行复位操作；至末帧最后一行像素单元读取曝光数据结束；

具体操作为：经过所设定的积分时间后，由第一行像元开始，逐行的控制像元进行对FD点的二次复位、复位电压采样，之后传输管开启，光电荷向FD点转移、读出电路读出光电信号值。

在每一行像元由读出电路读出光电信号值之后，判断是否为帧末，若是，则帧结束；若不是，则向行向读出寻址寄存器返回，进入下一行像元读取曝光数据。对于一帧图像，本帧最后一行像元读取曝光数据完成后即结束；对于多帧连续图像，末帧最后一行像元读取曝光数据完成后即结束全部控制流程。

参见图4，本方法实现在上一帧的图像进行读出的过程中，就可以开始进行下一帧的积分前逐行复位操作。具体操作为：对于一帧图像的成像过程，分为逐行积分前复位、全像素阵列积分、逐行光信号读出这三个部分。其中第K帧的逐行光信号读出部分可以与第K+1帧的逐行积分前复位部分重合进行。既对于阵列中的任意一行来说，当该行已经完成其第K帧的光信号读出后，该行即可进入第K+1帧的积分前复位操作。如图4所示为一个包含三行像元阵列的连续帧时序示意，在第一行像元完成第一帧的光信号读出后，既进入第二帧的积分前复位操作，同时第二行像元进行第一帧的光信号读出，以此类推，实现连续帧拍摄。

帧与帧之间的间隔为M个行周期，M值取决于像素单元内是否有行方向上的物理合并结构：如像素单元采用2×1的物理合并结构，则M＝2，则 在不合并工作模式下，帧与帧之间的间隔为2个行周期。全局复位释放式曝光方式的帧频为：

$\mathrm{frame}\_\mathrm{rate}=\frac{1}{(N+M*\mathrm{binning})\×\mathrm{period}+\mathrm{INTE}}$

其中N为像元阵列包含的行数、INTE为积分时长、M为像素单元在行上的合并结构、binning在合并应用下为0，在非合并应用下为1、period为行周期；

即帧频在不合并的应用下为1/(行数*(行周期+合并行数)+曝光时长)，在合并的应用下为1/(行数*行周期+曝光时长)。

对于有相邻M行物理合并结构的像素单元，在不合并模式下，M行像素都完成上一帧的曝光数据读取后，再进入下一帧的曝光前逐行复位操作，即帧间间隔为M个行周期；在合并模式下，M行像素同时进行上一帧的曝光数据读取，则帧间间隔为1个行周期。对于整个面阵，各行之间复位完成到读出曝光数据的时间间隔为(有效行数+曝光时长)，即各行的暗电流积累时间一致，这样的方法在很大程度上消除了由于面阵暗电流的不一致造成的行间噪声。

Claims (7)

1.一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)像元感光区域复位：根据参与成像的像元行数，控制各行像元进行逐行复位操作；

步骤2)像元阵列积分：当逐行复位操作完成后，整个感光面阵同时进入曝光状态，开始接受光照，产生光生电荷，至曝光结束；

步骤3)曝光数据读取：曝光结束后，逐行读取曝光数据；对于各行像素单元，在上一帧的曝光数据读取完成后，进入下一帧的曝光前逐行复位操作；至末帧最后一行像素单元读取曝光数据结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，

所述步骤1)具体操作为：对于各次成像，根据参与成像的像元行数，控制各行像元逐行进行复位：首先控制第一行像元的复位管和传输管开启，对光电二极管进行复位操作，在第一行的像元完成复位后，第一行像元的复位管和传输管复位管和传输管关闭，第二行的像元复位管和传输管再同时开启，对第二行的光电二极管进行复位操作，依此类推，至最后一行像元的复位操作完成。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，所述步骤1)每一行像元复位操作完成时，判断该行是否为末行，若是，则进入步骤2)，若不是，则向行向复位寻址寄存器返回，进入下一行像元复位操作。

4.根据权利要求1所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体操作为：经过所设定的积分时间后，由第一行像元开始，逐行的控制像元进行对FD点的二次复位、复位电压采样，之后传输管开启，光电荷向FD点转移、读出电路读出光电信号值。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，所述步骤3)每一行像元由读出电路读出光电信号值之后，判断是否为帧末，若是，则帧结束；若不是，则向行向读出寻址寄存器返回，进入下一行像元读取曝光数据。

6.根据权利要求1或4所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，对于有相邻M行物理合并结构的像素单元，在不合并模式下，M行像素都完成上一帧的曝光数据读取后，再进入下一帧的曝光前逐行复位操作，即帧间间隔为M个行周期；在合并模式下，M行像素同时进行上一帧的曝光数据读取，则帧间间隔为1个行周期。

7.根据权利要求6所述的一种用于超大面阵CMOS图像传感器的全局复位释放控制方法，其特征在于，全局复位释放控制方法的曝光方式的帧频为：

$\mathrm{frame}\_\mathrm{rate}+\frac{1}{(N+M*\mathrm{binning})\×\mathrm{period}+\mathrm{INTE}}$

其中N为像元阵列包含的行数、INTE为积分时长、M为像素单元在行上的合并结构、binning在合并应用下为0，在非合并应用下为1、period为行周期。