CMOS图像传感器用像素级双采样存储技术

3 像素级双采样存储技术

一种具有双采样存储功能的像素结构如图2所示,和直接帧差输出的像素结构相类似,为了能够在像素级实现双采样存储和图像的直接组合处理,并且适合于同步曝光的高速应用,采用了两路采样保持电路,采样保持电路由采样开关和保持节点组成,采样开关作为电子曝光器控制曝光时间。但不同的是在信号采样读出均采用了缓冲器,如前所述,这使得不再需要两个额外的MOS存储电容,图2中所示存储电容表示源极跟随器栅极节点处的总寄生电容,这样有效地减少了像素面积,可以应用于巨大像素阵列情况。


图2双采样存储的像素结构

一般在像素设计中,所有晶体管应尽量采用相同的类型,以避免像素版图中设计规则所要求的巨大阱间距。然而当电源电压较低时,信号的摆幅将成为主要的考虑。如复位(Reset)采用NMOS晶体管,光电二极管仅能复位到VDD-VT(VT为阈值电压),限制了传感器的动态范围,并且随着CMOS技术的发展,特征尺寸越来越小,VDD-VT下降很快,对动态范围影响更加显著。另一方面,随着深亚微米CMOS技术在CMOS图像传感器中的广泛采用,为在像素级采用性能更有效的功能单元提供了设计空间,因而在像素结构中复位晶体管和曝光晶体管均采用了PMOS晶体管,这不仅避免了阈值电压降的损失,改善了动态范围,并且可使光敏二极管完全复位,从而消除图像拖尾现象,这对于高速应用非常重要。这种像素结构中一个潜在的问题是信号采样级缓冲器的功耗问题,由于保持节点电容较小,因而可以使该级缓冲器偏置电流尽可能小,为了进一步减小功耗,应使其只有在采样S1和S2信号有效时激活,这样进一步减小了功耗。

传感器工作于同步曝光模式时,像素工作时序如图3所示。Reset、S1和S2是全局信号,在经过长积分时间Tint1曝光后,S1脉冲选通,将当前帧像素阵列中光敏二极管PD所产生的信号第一次采样到存储节点,随后Reset对全局像素复位;再经短积分时间Tint2曝光后,S2脉冲选通,将光敏二极管产生信号二次采样到另一存储节点,之后,各行的选通信号SEL依次将像素中存储的两次采样信号差分组合输入到列放大电路读出处理,可见在像素级实现了两次曝光采样存储及图像组合处理。在当前帧像素数据读出处理的同时,开始对下一帧图像的长积分时间曝光,在当前帧像素内存储器数据完全读出后,即可进行下一帧的长积分时间采样存储,数据的读出和曝光可以同时进行,因而可获得高速实时数据处理。当然,传感器也可工作于滚动曝光模式,像素工作时序和图3所示类似,但Reset、S1和S2不再是全局信号,在当前行数据读出的同时,可对下一行像素进行曝光采样操作,也可获得较高速度的实时数据处理。此外,当两次曝光时间相等时,可很容易实现可用于运动探测的直接帧差读出模式。



图3像素级两次曝光采样存储同步曝光时序

光敏二极管在积分曝光期间放电,其上电压可表示为:


其中,ipd、idc分别是光敏二极管的光电流和暗电流,Cpd是光敏二极管电容,pd=20fF,Tint1=5ms,Tint2=64μs时,忽略暗电流的影响,双采样存储的模拟结果如图4所示,图中曝光的最大入射光强1相应于约105fA光电流。图4(a)中,第一次长时间积分曝光,信号输出随着入射光强度的增加而线性增加,在强光照时信号输出达到饱和不再增加;第二次短时间积分曝光,光照较弱时,信号输出近似为零,随着光照的增强,信号输出缓慢增加,强光照射,信号输出增加显著;图4(b)中,双采样信号差分输出,由两次曝光的信号组合而成,场景较低照度区域主要由第一次长积分时间的曝光采样决定,场景较高照度区域主要由第二次短积分时间曝光采样决定。CMOS图像传感器的动态范围一般依赖于其可分辨的最小信号及可测量的最大信号,显然双采样组合输出扩展了传感器可测量的最大光强信号,从而增加了动态范围。


图4 双采样存储的模拟:(a)两次曝光采样;(b)双采样组合

另外,双采样组合读出采用了差分读出模式,在一定程度上也减小了伴随着信号的暗电流,从而进一步改善了动态范围。应注意到,双采样差分读出减小了最大饱和信号的幅度,并且在Tint1远大于Tint2时,像素双采样差分信号输出近似于对图像场景较高照度区域的幅度信息作灰度反转处理。像素工作的Spectres模拟结果如图5所示,其中PR是复位信号,Vpd1是被采样的光敏信号,可见较好实现了双采样存储、差分读出功能。


图5像素的双采样存储、差分读出

4 结束语

CMOS图像传感的动态范围对俘获的图像质量有着重要意义,多次曝光技术是扩展动态范围的有效方法之一,但多于两次的曝光,信号处理复杂,传感器的帧频受到限制,而像素级双采样存储技术将两次曝光采样及图像组合处理在像素内实现,在扩展动态范围的基础上,可有效提高图像的实时处理速度。具有两级缓冲的双采样存储的像素结构,在改善动态范围的基础上,不仅可以工作于高速同步曝光模式,也可工作于滚动曝光模式。