一种图像传感器及其图像输出方法、光电设备

技术领域

本申请涉及感光元件的技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其图像输出方法、光电设备。

背景技术

图像传感器可以通过光电转换将照射在自身感光面上的光信号转换为相应的电信号，并依据所转换的电信号输出相应的图像，其被广泛应用于各种光电设备中，比如数码相机、摄影机、录影机、传真机、影像扫描仪以及数字电视等。相关技术中，图像传感器的工作形式往往过于单一，这使得其不能很好地适应多变的环境，比如存在弱光、强光之间转变的环境等，从而严重影响了图像传感器的成像质量。

因此，有必要对现有图像传感器的结构进行改进。

发明内容

本申请提供了一种图像传感器及其图像输出方法、光电设备，旨在解决相关技术中图像传感器的工作形式过于单一的问题。

为了解决相关技术中所存在的上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种图像传感器，该图像传感器包括由多个像素组成的像素阵列，且像素包括浮置扩散节点、积分电容、光电探测电路、信号读出电路、自适应电源、传输电路及信号处理电路，其中，光电探测电路通过传输电路连接于浮置扩散节点，浮置扩散节点通过积分电容接地，浮置扩散节点与积分电容分别连接于信号读出电路，自适应电源通过信号处理电路连接于浮置扩散节点。具体地，光电探测电路用于对入射光进行光电转换并得到相应的光电荷；传输电路用于将光电荷传输至浮置扩散节点；信号处理电路用于产生对数电压及对数电流（对数电压与对数电流之间呈对数关系）；浮置扩散节点，用于将光电荷积分至积分电容得到相应的积分电压，其中，浮置扩散节点接收光电荷后，目标电压（指的是自适应电源的自适应电压减去浮置扩散节点的节点电压）与参考电压之间的差值大于预设阈值，对数电流小于光电荷相应的光电流，使得浮置扩散节点的节点电流为光电荷相应的光电流、节点电压为积分电压，且目标电压随着时间的增加而增大，当目标电压增大到与参考电压之间的差值小于或等于预设阈值时，对数电流大于光电荷相应的光电流并流入浮置扩散节点，使得节点电流为对数电流、节点电压为对数电压；信号读出电路用于根据节点电压输出相应的图像信号。

本申请实施例第二方面提供了一种图像输出方法，应用于图像传感器，该图像传感器包括由多个像素所组成的像素阵列，像素包括信号处理电路、信号读出电路、浮置扩散节点、积分电容、光电探测电路、自适应电源以及传输电路，其中，光电探测电路通过传输电路连接于浮置扩散节点，浮置扩散节点通过积分电容接地，浮置扩散节点与积分电容分别连接于信号读出电路，自适应电源通过信号处理电路连接于浮置扩散节点。具体地，图像输出方法包括：光电探测电路对入射光进行光电转换并得到相应的光电荷；传输电路将光电荷传输至浮置扩散节点；信号处理电路产生对数电压及对数电流（对数电压与对数电流之间呈对数关系）；浮置扩散节点将光电荷积分至积分电容得到相应的积分电压，其中，浮置扩散节点接收光电荷后，目标电压（即自适应电源的自适应电压减去浮置扩散节点的节点电压）与参考电压之间的差值大于预设阈值，对数电流小于光电荷相应的光电流，使得浮置扩散节点的节点电流为光电荷相应的光电流、浮置扩散节点的节点电压为积分电压，且目标电压随着时间的增加而增大，当目标电压增大到与参考电压之间的差值小于或等于预设阈值时，对数电流大于光电荷相应的光电流并流入浮置扩散节点，使得节点电流为对数电流、节点电压为对数电压；信号读出电路根据节点电压输出相应的图像信号。

本申请实施例第三方面提供了一种光电设备，包括本申请实施例第一方面所述的图像传感器。

从上述描述可知，与相关技术相比，本申请的有益效果在于：图像传感器包括由多个像素组成的像素阵列，像素包括浮置扩散节点、积分电容、光电探测电路、信号读出电路、传输电路、自适应电源及信号处理电路；在实际的应用中，光电探测电路对入射光进行光电转换并得到相应的光电荷，传输电路将光电荷传输至浮置扩散节点，浮置扩散节点接收光电荷后，其会将光电荷积分至积分电容以得到相应的积分电压，同时信号处理电路会产生呈现对数关系的对数电压以及对数电流，只不过在浮置扩散节点接收光电荷后，目标电压与参考电压之间的差值大于预设阈值，指示目标电压远小于参考电压，此时对数电流小于光电荷相应的光电流，即对数电流不会流入浮置扩散节点，使得浮置扩散节点的节点电流为光电荷相应的光电流、节点电压为积分电压，但是随着时间的增加，目标电压也会增大，而当目标电压增大到与参考电压之间的差值小于或等于预设阈值时，对数电流便会增大至大于光电荷相应的光电流，即对数电流会流入浮置扩散节点，使得浮置扩散节点的节点电流为对数电流、节点电压为对数电压，最终由信号读出电路根据节点电压（积分电压或对数电压）输出相应的图像信号；从此过程中可以看出，本申请的图像传感器不只具有一种工作形式，而是具有两种不同的工作形式，也就是积分形式（即节点电压为积分电压，信号读出电路根据积分电压输出相应图像信号）和对数形式（即节点电压为对数电压，信号读出电路根据对数电压输出相应图像信号），这使得图像传感器能够很好地适应多变的环境，从而提升了图像传感器的成像质量。那么现以存在弱光、强光之间转变的环境为例，当浮置扩散节点接收光电荷后，入射光的光强还处于较弱的状态，此时目标电压远小于参考电压，图像传感器的工作形式为积分形式，其暗光敏感度也通过对光电荷的积分得以增强，从而提高了图像传感器在弱光环境下的信噪比，保证了低噪声；之后，随着时间的推移入射光的光强逐渐增大，这使得目标电压也逐渐增大，当入射光的光强增大到使其处于较强的状态时，目标电压便十分接近于参考电压，此时图像传感器的工作形式为对数形式，而对数形式下的对数电压将会延拓光电探测电路的满阱电荷所能产生的电压，从而扩大了图像传感器在强光环境下的动态范围；由此可见，本申请在存在弱光、强光之间转变的环境下，仍然可以凭借图像传感器的多工作形式去兼顾图像传感器在弱光环境下的低噪声与强光环境下的高动态范围，从而使得图像传感器在任何时候都能获得质量较佳的图像。

附图说明

为了更清楚地说明相关技术或本申请实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本申请实施例的描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的图像传感器中像素的第一种模块框图；

图2为本申请实施例提供的图像传感器中像素的第二种模块框图；

图3为本申请实施例提供的图像传感器中像素的电路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的浮置扩散节点的等效电路图；

图5为本申请实施例提供的图像传感器的时序图；

图6为本申请实施例提供的图像输出方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加的明显、易懂，下面将结合本申请实施例以及相应的附图，对本申请进行清楚、完整地描述，其中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解的是，下面所描述的本申请的各个实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即基于本申请的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图像传感器是一种将自身感光面上的入射光转换为相应电信号的元件，其一般包括CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器以及DVS（Dynamic Vision Sensor，动态视觉传感器）；其中，CMOS图像传感器即为APS（Active Pixel Sensor，主动型像素传感器），DVS即为EVS（Event-based Vision Sensor，事件型视觉传感器）。相关技术中，图像传感器的工作形式往往过于单一，这使得其不能很好地适应多变的环境，比如存在弱光、强光之间转变的环境等，从而对图像传感器的成像质量造成了严重的影响。为此，本申请实施例提供了一种图像传感器，该图像传感器可以应用于光电设备；其中，光电设备为需要将入射光转换为相应电信号的设备，比如数码相机、摄影机、录影机、传真机、影像扫描仪和数字电视等。

图1为本申请实施例提供的图像传感器中像素的第一种模块框图，在一些实施例中，图像传感器100包括由多个像素组成的像素阵列，像素包括浮置扩散节点FD、积分电容C、光电探测电路110、信号读出电路140、自适应电源V

在实际的应用中，光电探测电路110对入射光进行光电转换并得到相应的光电流，以及对所得到的光电流进行积分并得到相应的光电荷；传输电路120将光电探测电路110积累的光电荷传输至浮置扩散节点FD；浮置扩散节点FD接收光电荷后，其会将光电荷积分至积分电容C（相当于积分电容C对浮置扩散节点FD进行放电）从而得到相应的积分电压，同时信号处理电路130会产生呈现出对数关系的对数电压以及对数电流，只不过在浮置扩散节点FD接收光电荷之后，目标电压与参考电压之间的差值大于预设阈值，指示目标电压远小于参考电压，此时对数电流小于光电荷相应的光电流，即对数电流不会流入浮置扩散节点FD，使得浮置扩散节点FD的节点电流为光电荷相应的光电流、节点电压为积分电压，但是随着时间的增加，目标电压也会增大，而当目标电压增大到与参考电压之间的差值小于或等于预设阈值时，对数电流便会增大至大于光电荷相应的光电流，即对数电流会流入浮置扩散节点FD，使得浮置扩散节点FD的节点电流为对数电流、节点电压为对数电压，最终由信号读出电路140根据节点电压（即积分电压或对数电压）输出相应的图像信号；从此过程中可以看出，本申请实施例的图像传感器不只具有一种工作形式，而是具有两种不同的工作形式，也就是积分形式（即节点电压为积分电压，信号读出电路140根据积分电压输出相应图像信号）和对数形式（即节点电压为对数电压，信号读出电路140根据对数电压输出相应图像信号），这使得图像传感器能够很好地适应多变的环境，从而提升了图像传感器的成像质量。

那么，现以存在弱光与强光之间转变的环境为例，当浮置扩散节点FD接收光电荷后，入射光的光强还处于较弱的状态，此时的目标电压是远小于参考电压的，图像传感器的工作形式为积分形式，其暗光敏感度也通过对光电荷的积分得以增强，从而提高了图像传感器在弱光环境下的信噪比，保证了低噪声特性；之后，随着时间的推移入射光的光强逐渐增大，这使得目标电压也逐渐增大，当入射光的光强增大到使其处于较强的状态时，目标电压便十分接近于参考电压，此时图像传感器的工作形式为对数形式，而对数形式下的对数电压将会延拓光电探测电路110的满阱电荷所能够产生的电压，从而扩大了图像传感器在强光环境下的动态范围；由此可见，本申请实施例在存在弱光、强光之间转变的环境下，仍然可以凭借图像传感器的多工作形式去兼顾图像传感器在弱光环境下的低噪声与强光环境下的高动态范围，从而使得图像传感器在任何时候都能获得质量较佳的图像。

进一步地，请参阅图2所示出的本申请实施例提供的图像传感器中像素的第二种模块框图，像素除了包括浮置扩散节点FD、积分电容C、光电探测电路110、信号读出电路140、传输电路120、自适应电源V

作为其中的一种实施例，请参阅图3所示出的本申请实施例提供的图像传感器中像素的电路结构示意图，传输电路120包括传输晶体管T0，传输晶体管T0的第一端连接于光电探测电路110，传输晶体管T0的第二端连接于控制电路150，传输晶体管T0的第三端连接于浮置扩散节点FD。在实际的应用中，传输晶体管T0可以在控制电路150的控制下依据时序的需求进行导通或截止，且只有在传输晶体管T0导通时，浮置扩散节点FD才会接收到通过传输晶体管T0传输的由光电探测电路100所积累的光电荷。

作为其中的一种实施例，仍然参阅图3，信号处理电路130包括复位支路132和对数支路131，其中，复位支路132和对数支路131分别连接于浮置扩散节点FD，复位支路132和对数支路131分别连接于控制电路150，自适应电源V

在本实施例的一些实现方式中，仍然参阅图3，对数支路131包括复位晶体管T5及第一开关晶体管T2，其中，复位晶体管T5的栅极、漏极连接于自适应电源V

在本实施例的一些实现方式中，仍然参阅图3，复位支路132包括复位电源V

在本实施例中，浮置扩散节点FD接收光电探测电路110所积累的光电荷之后，目标电压与参考电压之间的差值先是大于预设阈值的，即目标电压先是远小于参考电压的，此时对数电流小于光电荷相应的光电流，即对数电流不会流入浮置扩散节点FD，那么浮置扩散节点FD的节点电流即为光电荷相应的光电流、节点电压即为积分电压，信号读出电路140则根据此积分电压输出相应的图像信号，图像传感器处于积分形式；之后，随着时间的推移目标电压逐渐增大，当目标电压增大到与参考电压之间的差值小于或等于预设阈值时，也就是目标电压不再远小于参考电压而是接近于参考电压时，对数电流便会增大到大于光电荷相应的光电流，即对数电流会流入浮置扩散节点FD，那么浮置扩散节点FD的节点电流即为对数电流、节点电压即为对数电压，信号读出电路140则根据此对数电压输出相应的图像信号，图像传感器处于对数形式。可以理解的是，由于目标电压等于自适应电源V

为了更加清晰地理解本实施例的这种自适应原理，请参阅图4所示出的本申请实施例提供的浮置扩散节点的等效电路图，其中的复位晶体管T5由等效非线性电阻R来替代，而等效非线性电阻R可以由I

进一步地，请参阅图5所示出的图像传感器的时序图，t1时刻，控制电路150通过控制信号TX控制传输晶体管T0断开，通过控制信号SW1控制第二开关晶体管T1导通，通过控制信号SW2控制第一开关晶体管T2断开，目的是使浮置扩散节点FD的节点电压被复位到V

作为其中的一种实施例，仍然参阅图3，信号读出电路140包括APS读出支路142、EVS读出支路143及驱动支路141，其中，APS读出支路142和EVS读出支路143分别通过驱动支路141连接于浮置扩散节点FD，APS读出支路142和EVS读出支路143分别连接于控制电路150。在实际的应用中，驱动支路141对浮置扩散节点FD的电位进行缓冲，目的是将节点电压输出至APS读出支路142和EVS读出支路143，之后，APS读出支路142可以根据来自驱动支路141的节点电压输出相应的灰阶信号，而EVS读出支路143可以根据来自驱动支路141的节点电压与预设电压之间的差值输出相应的事件信号，此种情况下，节点电压与预设电压之间的差值即用来指示入射光的强度的变化（即增大、减小或不变），比如以节点电压与预设电压之间的差值是否大于0、是否小于0或是否等于0来确定入射光的强度的变化，这是得到事件信号的基础。

在本实施例的一些实现方式中，驱动支路141包括驱动晶体管T3及驱动电源V

在本实施例中，信号读出电路140同时具备APS信号与EVS信号的读出功能，此种情况下，图像传感器可以同时输出APS图像与EVS图像。但是，在其它实施例中，信号读出电路140也可以仅具备输出一种图像信号的功能，比如仅输出APS信号或EVS信号；其中，当信号读出电路140仅具备输出APS信号的功能时，其仅包括驱动支路141与APS读出支路142即可，此时驱动支路141与APS读出支路142的工作过程与前文所描述的一致，此处不再赘述；当信号读出电路140仅具备输出EVS信号的功能时，其仅包括驱动支路141与EVS读出支路143即可，此时驱动支路141与EVS读出支路143的工作过程与前文所描述的一致，此处不再赘述。

以上实施例仅作为本申请的优选实现，它们并非是对所描述内容的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在以上实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。此外，需要说明的是，光电探测电路110可以包括但不限于光电二极管、光电晶体管及钳位光电二极管，或者是本领域内常见的可以实现光电转换的其它类似器件。在以上实施例中，对于光电探测电路110、控制电路150、APS读出支路142以及EVS读出支路143的设置形式，其可以为在像素阵列中的每一个像素内均设置一个；或者，为仅设置一个，使得像素阵列中的所有像素共用同一个；或者，为设置多个，使得像素阵列中同一阵列单元内的所有像素共用同一个；其中，像素阵列可以被分成多个阵列单元，而每个阵列单元均包括预设数量的像素；示例性地，像素阵列中的每一列像素均构成一个阵列单元；或者，像素阵列中的每一行像素均构成一个阵列单元。至于图像传感器100的曝光方式，其可以采用全局曝光或卷帘曝光，而在不同的曝光方式下，像素中各晶体管导通/截止的时序不同，这可以根据实际需求进行具体设置，本实施例对此不再赘述。

图6为本申请实施例提供的图像输出方法的流程示意图，该图像输出方法基于本申请实施例提供的图像传感器100实现，在一些实施例中，图像输出方法包括：步骤601、光电探测电路110对入射光进行光电转换并得到相应的光电荷；步骤602、传输电路120将光电荷传输至浮置扩散节点FD；步骤603、信号处理电路130产生呈现对数关系的对数电压与对数电流；步骤604、浮置扩散节点FD将光电荷积分至积分电容C得到相应的积分电压，其中，浮置扩散节点FD接收光电荷后，目标电压（即自适应电源V

综上所述，本申请实施例提供了一种图像传感器及其图像输出方法，该图像传感器具有两种不同的工作形式，即积分形式与对数形式，本申请实施例可以通过对自适应电源V

结合本文中所公开的实施例所描述的方法或算法的步骤，其可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（如同轴电缆、光纤、数字用户线）或无线（如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质（如软盘、硬盘、磁带）、光介质（如DVD）、或者半导体介质（如固态硬盘Solid State Disk）等。

需要说明的是，本申请内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于产品类实施例而言，由于其与方法类实施例相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法类实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，在本申请内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请内容中所定义的一般原理可以在不脱离本申请内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请内容将不会被限制于本申请内容所示的这些实施例，而是要符合与本申请内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。