像素单元及其全局曝光读出方法、全局曝光图像传感器与流程

本发明属于图像传感器，尤其涉及一种像素单元及其全局曝光读出方法、全局曝光图像传感器。

背景技术：

1、全局曝光(global shuter)的实现原理是每个曝光像素都伴随一个存储电容，感光阵列上所有像素同时曝光，然后光电子被转移到存储电容上并锁定，等待后续电路读出。相比于卷帘曝光(rolling shutter)，全局曝光的优点是获得图像每一行的曝光时间比较一致，在拍摄运动物体时图像不会出现偏移和歪斜。

2、其中，常规的像素为光电二极管pd，例如砷化铟镓(ingaas)二极管，应用于全局曝光工作过程时，可自身存储电荷，并在相连接的传输晶体管开启后将电荷传输至浮动扩散节点，并通过后端的列输出电路传输到数据处理/存储模块进行量化，确定图像信息。

3、其中，由于常规的光电二极管成本较高，为了降低设计成本，像素还可选择量子点，例如pbs(硫化铅)量子点，量子点图像传感器具有比砷化铟镓(ingaas)替代品更具成本效益。此外，量子点是一种全局曝光技术，具有创纪录的小像素间距和出色的效率，可以在光谱的红外部分捕获更多细节。因此，该创新为移动设备、机器视觉、高光谱成像和光谱学、安全和监控创造了新的机会。

4、量子点像素qd是微小的半导体晶体，通常在2nm到20nm之间，其独特的特性之一是其光学和电学特性随其尺寸而改变。在图像传感器中，使用各种尺寸的量子点可以捕获超出硅吸收限制的不同波长的光。通过调整qd尺寸，捕获更长波长的光，可与ingaas传感器相媲美。相较于传统pd可储存电荷，qd在全局曝光期间无法进行电荷存储，曝光期间即传输电荷，因此，不适用于传统的电压域像素电路的信号读出的控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种像素单元的全局曝光读出方法，旨在解决量子点像素的信号读出问题。

2、本发明实施例的第一方面提出了一种像素单元的全局曝光读出方法，所述像素单元包括量子点像素以及与所述量子点像素连接的电压域像素电路；

3、所述全局曝光读出方法包括：

4、在像素复位时段，对所述电压域像素电路的对应器件和节点进行状态复位以及电荷清零；

5、在曝光与存储时段，控制所述电压域像素电路切换至复位存储状态，并存储复位信号，以及再控制所述电压域像素电路切换至曝光存储状态，并存储所述量子点像素在全局曝光工作中产生的像素信号；

6、在量化时段，基于所述电压域像素电路读出的所述复位信号以及所述像素信号，确定图像信号的有效值。

7、本发明实施例的第二方面提出了一种像素单元的全局曝光读出方法，所述像素单元包括量子点像素以及与所述量子点像素连接的电压域像素电路；

8、所述全局曝光读出方法包括：

9、在像素复位时段，对所述电压域像素电路的对应器件和节点进行状态复位以及电荷清零；

10、在复位信号获取时段，控制所述电压域像素电路切换至复位存储状态，并存储所述复位信号后读出；

11、在像素信号获取时段，控制所述电压域像素电路切换至曝光存储状态，并存储所述量子点像素在全局曝光工作中产生的像素信号后读出；

12、在量化时段，基于所述电压域像素电路读出的所述复位信号以及所述像素信号，确定图像信号的有效值。

13、本发明实施例的第三方面提出了一种像素单元，包括量子点像素以及与所述量子点像素连接的电压域像素电路；

14、所述电压域像素电路包括传输晶体管、复位模块、浮动扩散节点、第一源极跟随晶体管、复位信号存储模块、图像信号存储模块和图像信号读取控制晶体管和读出模块；

15、所述传输晶体管连接于所述量子点像素和所述浮动扩散节点之间，所述复位模块的第一端连接于正电源端，所述复位模块的第二端连接于所述浮动扩散节点，所述第一源极跟随晶体管的第一端连接于可变电压源，所述复位信号存储模块和所述图像信号存储模块并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述读出模块之间。

16、本发明实施例的第四方面提出了一种全局曝光图像传感器，包括时序控制电路和多个如上所述的像素单元，所述时序控制电路用于实现如上任一项所述的全局曝光读出方法的步骤。

17、本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的全局曝光读出方法通过在像素复位时段，对电压域像素电路的对应器件和节点进行状态复位以及电荷清零，以及在曝光与存储时段，控制电压域像素电路切换至复位存储状态，并存储复位信号，以及再控制电压域像素电路切换至曝光存储状态，由电压域像素电路存储量子点像素在全局曝光工作中产生的像素信号，并在量化时段，基于电压域像素电路读出的复位信号以及像素信号，确定图像信号的有效值，量子点在全局曝光工作中产生的像素信号实现了同步传输和存储，同时，全局曝光像素点的结构选用性价比更高量子点像素材料，如pbs，经济性更高，选用全局曝光读出模式，寄生光灵敏度小，提高了图像传感器的快门效率。

技术特征：

1.一种像素单元的全局曝光读出方法，其特征在于，所述像素单元包括量子点像素以及与所述量子点像素连接的电压域像素电路；

2.如权利要求1所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述在量化时段，基于所述电压域像素电路读出的所述复位信号以及所述像素信号，确定图像信号的有效值的步骤具体包括：

3.如权利要求2所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述电压域像素电路包括传输晶体管、复位模块、浮动扩散节点、第一源极跟随晶体管、复位信号存储模块、图像信号存储模块和读出模块；

4.如权利要求3所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述在曝光与存储时段，控制所述电压域像素电路切换至复位存储状态，并存储复位信号，以及再控制所述电压域像素电路切换至曝光存储状态，并存储所述量子点像素在全局曝光工作中产生的像素信号的步骤具体包括；

5.如权利要求4所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述读出模块包括第二源极跟随晶体管、图像信号读取控制晶体管和行选择晶体管，所述图像信号读取控制晶体管与所述图像信号存储模块串联后与所述复位信号存储模块并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述第二源极跟随晶体管的控制端之间，所述第二源极跟随晶体管的第一端连接所述正电源端，所述第二源极跟随晶体管的第二端连接所述行选择晶体管；

6.如权利要求1所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述像素单元还包括抗串扰晶体管，所述抗串扰晶体管连接于正电源端和所述量子点像素之间；

7.一种像素单元的全局曝光读出方法，其特征在于，所述像素单元包括量子点像素以及与所述量子点像素连接的电压域像素电路；

8.如权利要求7所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述电压域像素电路包括传输晶体管、复位模块、浮动扩散节点、第一源极跟随晶体管、复位信号存储模块、图像信号存储模块和读出模块；

9.如权利要求8所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述读出模块包括第二源极跟随晶体管、复位信号读取控制晶体管、图像信号读取控制晶体管和行选择晶体管，所述复位信号存储模块与所述复位信号读取控制晶体管串联后并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述第二源极跟随晶体管的控制端之之间，所述图像信号存储模块与所述图像信号读取控制晶体管串联后并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述第二源极跟随晶体管的控制端之间，所述第二源极跟随晶体管的第一端连接所述正电源端，所述第二源极跟随晶体管的第二端连接所述行选择晶体管；

10.如权利要求7所述的全局曝光读出方法，其特征在于，所述像素单元还包括抗串扰晶体管，所述抗串扰晶体管连接于正电源端和所述量子点像素之间；

11.一种像素单元，其特征在于，包括量子点像素以及与所述量子点像素连接的电压域像素电路；

12.如权利要求11所述的像素单元，其特征在于，所述读出模块包括第二源极跟随晶体管、图像信号读取控制晶体管和行选择晶体管，所述图像信号读取控制晶体管与所述图像信号存储模块串联后与所述复位信号存储模块并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述第二源极跟随晶体管的控制端之间，所述第二源极跟随晶体管的第一端连接所述正电源端，所述第二源极跟随晶体管的第二端连接所述行选择晶体管。

13.如权利要求11所述的像素单元，其特征在于，所述读出模块包括第二源极跟随晶体管、复位信号读取控制晶体管、图像信号读取控制晶体管和行选择晶体管，所述复位信号存储模块与所述复位信号读取控制晶体管串联后并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述第二源极跟随晶体管的控制端之间，所述图像信号存储模块与所述图像信号读取控制晶体管串联后并接于所述第一源极跟随晶体管的第二端和所述第二源极跟随晶体管的控制端之间，所述第二源极跟随晶体管的第一端连接所述正电源端，所述第二源极跟随晶体管的第二端连接所述行选择晶体管。

14.如权利要求11所述的像素单元，其特征在于，所述像素单元还包括抗串扰晶体管，所述抗串扰晶体管连接于正电源端和所述量子点像素之间。

15.一种全局曝光图像传感器，其特征在于，包括时序控制电路和多个如权利要求11～14任一项所述的像素单元，所述时序控制电路用于实现如权利要求1～10任一项所述的全局曝光读出方法的步骤。

技术总结
本发明提出一种像素单元及其全局曝光读出方法、全局曝光图像传感器，其中，全局曝光读出方法包括在像素复位时段，对电压域像素电路的对应器件和节点进行状态复位以及电荷清零，以及在曝光与存储时段，控制电压域像素电路切换至复位存储状态，并存储复位信号，以及再控制电压域像素电路切换至曝光存储状态，由电压域像素电路存储量子点像素在全局曝光工作中产生的像素信号，并在量化时段，基于电压域像素电路读出的复位信号以及像素信号，确定图像信号的有效值，量子点在全局曝光工作中产生的像素信号实现了同步传输和存储，同时，选用全局曝光读出模式，寄生光灵敏度小，提高了图像传感器的快门效率。

技术研发人员：刘浩杰,任冠京
受保护的技术使用者：思特威（上海）电子科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29