基于横向溢出电容的像素电路及图像信噪比改善方法与流程

本公开涉及图像传感，具体地说，涉及一种基于横向溢出电容的像素电路及图像信噪比改善方法。

背景技术：

1、横向溢出电容收集技术（lateral overflow integration capacitor， lofic）目前常被用来提升图像的动态范围，根据横向溢出电容像素电路结构的差异，读出时序方案就会有差异，则图像的信噪比就会有较大的区别：信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，信噪比越大则说明对噪声的控制越好。

2、直接使用传统的横向溢出电容收集技术进行像素电路的构建容易出现图像信噪比过低的情况，造成图像出现明显断层和分界线。目前业界提供的解决方案包括构建大小像素配合横向溢出电容，或是采用两阶横向溢出电容的设计，虽然这些设计对应的读出方案能获得较好的图像信噪比性能，但是产生了如读出时序过场，制造成本极高等新的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本公开的目的在于提供一种基于横向溢出电容的像素电路及图像信噪比改善方法，能够以低成本的方案，利用传统的横向溢出电容收集结构来实现高动态范围和高信噪比的图像传感。

2、具体的，本公开的第一方面提供了一种基于横向溢出电容的像素电路，应用于图像传感器，具体可以包括光电二极管、传输晶体管、浮空节点、等效浮空电容、复位晶体管、双转换增益晶体管、横向溢出电容、源极跟随器以及行选晶体管，其中：

3、传输晶体管设置于光电二极管和浮空节点之间；

4、等效浮空电容的一端与传输晶体管和浮空节点间的一节点电连接，等效浮空电容的另一端接地；

5、双转换增益晶体管设置于浮空节点和横向溢出电容之间；

6、横向溢出电容设置于双转换增益晶体管和电容下极板电压端之间；

7、复位晶体管设置于浮空节点和第一电压端之间；

8、源极跟随器和行选晶体管串联设置于第一电压端和第二电压端之间，且源极跟随器的栅极与浮空节点相连接；

9、在双转换增益晶体管处于关闭状态的情况下，允许通过复位晶体管对浮空节点进行复位，以使源极跟随器输出高电压并为图像传感器的单斜率模数转换器建立初始状态；

10、横向溢出电容同步保存像素曝光期间自光电二极管溢出的信号电子。

11、本公开的第二方面提供了一种图像信噪比改善方法，应用于前述第一方面提供的基于横向溢出电容的像素电路，包括如下步骤：

12、在对光电二极管内产生的信号电子进行读取的过程中，分别获取高转换增益数据流以及第一低转换增益数据流；

13、基于相关双采样，根据高转换增益数据流获取图像的低亮度部分区域；

14、基于相关双采样，根据第一低转换增益数据流获取图像的中间亮度部分区域；

15、在对横向溢出电容内的溢出信号电子进行读取的过程中，获取第二低转换增益数据流；

16、基于非相关双采样，根据第二低转换增益数据流获取图像的高亮度部分区域。

17、在上述第二方面的一种可能的实现中，于单次曝光过程中，双转换增益晶体管处于持续开启状态；

18、在单次曝光过程的开始时刻，开启传输晶体管和复位晶体管以清空光电二极管和浮空节点中的电子，并同步清空横向溢出电容中的电子；

19、在单次曝光过程结束后，电容下极板电压端的电压从高电平下跳至低电平，以使浮空节点在预设光电积分期内保持低电位。

20、在上述第二方面的一种可能的实现中，在预设光电积分期内，双转换增益晶体管处于持续开启状态；

21、当光电二极管存在电子溢出情况时，溢出电子被等效浮空电容和横向溢出电容同步收集。

22、在上述第二方面的一种可能的实现中，在预设光电积分期结束后，图像信噪比改善方法包括如下步骤：

23、在读出过程的开始时刻，打开行选晶体管以选通像素电路；

24、电容下极板电压端的电压从低电平上跳至高电平，同时关闭双转换增益晶体管，溢出电子根据等效浮空电容和横向溢出电容的电容值之比，等比例地分配至等效浮空电容和横向溢出电容；

25、开启一次复位晶体管以清空等效浮空电容中的电子，源极跟随器输出高电压并为单斜率模数转换器建立初始状态，图像传感器的比较器于第一通道中同时进行自动归零；

26、开启双转换增益晶体管以获取第二低转换增益数据流，并根据第二低转换增益数据流获取第一量化结果；

27、开启一次复位晶体管以清空等效浮空电容和横向溢出电容中的电子，源极跟随器输出高电压获取第二量化结果；

28、将第一量化结果和第二量化结果的差值作为溢出电子的读取结果，以构成图像的高亮度部分区域。

29、在上述第二方面的一种可能的实现中，第一量化结果和第二量化结果通过非相关双采样获得。

30、在上述第二方面的一种可能的实现中，包括如下步骤：

31、关闭双转换增益晶体管以获取高转换增益数据流，比较器自第一通道切换至第二通道并进行自动归零，获取第三量化结果；

32、开启一次传输晶体管以将光电二极管于预设光电积分期内产生的部分电子转移至浮空节点，获取第四量化结果；

33、将第三量化结果和第四量化结果的差值作为光电二极管产生的部分电子的读取结果，以构成图像的低亮度部分区域。

34、在上述第二方面的一种可能的实现中，包括如下步骤：

35、开启传输晶体管和双转换增益晶体管，以将光电二极管于预设光电积分期内产生的剩余电子以及等效浮空电容中的电子重新等比例地分配至等效浮空电容和横向溢出电容，比较器自第二通道切换至第一通道；

36、关闭传输晶体管，获取第五量化结果；

37、将第五量化结果和第二量化结果的差值作为光电二极管产生的剩余电子的读取结果，以构成图像的中间亮度部分区域。

38、在上述第二方面的一种可能的实现中，第三量化结果、第四量化结果和第五量化结果通过相关双采样获得。

39、与现有技术相比，本公开具有如下的有益效果：

40、本公开提供的技术方案，利用传统的横向溢出电容收集结构，将相关双采样应用至图像的低亮度部分区域以及中间亮度部分区域，将非相关双采样应用至图像的高亮度部分区域，能够将图像传感过程中的时域噪音和空域噪音推向更高的信号段，优化了整体的图像信噪比性能，能够实现高动态范围和高信噪比的图像传感。

技术特征：

1.一种基于横向溢出电容的像素电路，应用于图像传感器，其特征在于，包括光电二极管、传输晶体管、浮空节点、等效浮空电容、复位晶体管、双转换增益晶体管、横向溢出电容、源极跟随器以及行选晶体管，其中：

2.一种图像信噪比改善方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的基于横向溢出电容的像素电路，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，于单次曝光过程中，所述双转换增益晶体管处于持续开启状态；

4.根据权利要求3所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，在所述预设光电积分期内，所述双转换增益晶体管处于持续开启状态；

5.根据权利要求4所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，在所述预设光电积分期结束后，所述图像信噪比改善方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，所述第一量化结果和所述第二量化结果通过所述非相关双采样获得。

7.根据权利要求5所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的图像信噪比改善方法，其特征在于，所述第三量化结果、所述第四量化结果和所述第五量化结果通过所述相关双采样获得。

技术总结本公开提供了一种基于横向溢出电容的像素电路及图像信噪比改善方法，其中图像信噪比改善方法包括在对光电二极管内产生的信号电子进行读取的过程中，分别获取高转换增益数据流以及第一低转换增益数据流；基于相关双采样，根据高转换增益数据流获取图像的低亮度部分区域；基于相关双采样，根据第一低转换增益数据流获取图像的中间亮度部分区域；在对横向溢出电容内的溢出信号电子进行读取的过程中，获取第二低转换增益数据流；基于非相关双采样，根据第二低转换增益数据流获取图像的高亮度部分区域。本公开提供的技术方案能够将图像传感过程中的时域噪音和空域噪音推向更高的信号段，优化了整体的图像信噪比性能。技术研发人员：宋意良,郑健华,王伟,卢娜受保护的技术使用者：上海元视芯智能科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25