專利名稱：一種曝光控制方法及cmos圖像傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術領域，尤其涉及一種曝光控制方法及互補金屬 氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器。
背景技術：
CMOS圖像傳感器是將光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導體裝置，其基本工作 原理是曝光時序控制電路對CMOS圖像傳感器中的光電二極管進行曝光。經(jīng) 過一定的曝光時間，光電二極管上的電壓隨不同光線強度產(chǎn)生不同的線性壓 降，隨后的讀出電路將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。
通常情況下，CMOS圖像傳感器感光區(qū)像素由3至4個晶體管組成。參照圖 1,為現(xiàn)有技術中4個晶體管構成的像素電路圖，包括光電二極管VD、晶體管 Ml、 M2、 M3和M4。
參照圖2，為圖l所示像素電路的工作時序圖。其中的時序控制信號分別 為行選擇信號X、重置信號R、轉(zhuǎn)移信號T，輸出信號分別為參考信號SHR、 光強信號SHS,參考信號SHR和光強信號SHS的差即代表光電二極管VD的感 光光強。行處理總時間為TO,其中，行曝光和采樣時間為Tl,行對應的列處 理時間為T2。
結合圖1和圖2，像素電路的基本工作過程如下
5101、 輸入的重置信號R、轉(zhuǎn)移信號T為高電平，晶體管M1和M2打開， 對光電二才及管VD進行充電；
5102、 輸入的重置信號R、轉(zhuǎn)移信號T變?yōu)榈碗娖?，關閉晶體管MI和M2， 對光電二極管VD進行曝光；
5103、 曝光完成后，輸入的重置信號R和行選擇信號X變?yōu)楦唠娖?，晶體
4管M1和M4導通，產(chǎn)生重置電壓并采樣，從輸出端Out輸出參考信號SHR;
S104、輸入的重置信號R變?yōu)榈碗娖?，行選擇信號X保持高電平不變，轉(zhuǎn) 移信號T變?yōu)楦唠娖剑w管M2和M4導通，對曝光后光電二極管VD上的電壓 進行采樣，從輸出端Out輸出光強信號SHS。
通常，CMOS圖像傳感器采用逐行曝光方式，每行640個像素都同時進行 以上的曝光步驟。每幀圖像則一行接一行進行曝光。為了節(jié)省時間，當前一 行曝光的時候，后一行緊接著進行曝光過程， 一行接一行地重復下去。但是，
制時序會產(chǎn)生圖像明暗不均的現(xiàn)象，影響圖像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是，提供一種曝光控制方法及CMOS圖像傳感器，能 夠避免圖像出現(xiàn)亮度不均的問題。
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種曝光控制方法，包括當某一行非冗 余像素行的曝光重置沒有與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素 行進行采樣；當某一行非冗余像素行的采樣沒有與其他非冗余像素行的曝光 重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。
可選的，所述某一行非冗余像素行的曝光重置是否與其他非冗余像素行 的采樣同步，具體為判斷所述某一行非冗余像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號 為高電平時，是否存在行選擇信號和重置信號為高電平的其他非冗余像素行； 所述在沒有與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行采樣， 具體為控制冗余像素行的行選擇信號和重置信號為高電平。
可選的，所述某一行非冗余像素行的采樣是否與其他非冗余像素行的曝 光重置同步，具體為判斷所述某一行非冗余像素行的行選擇信號和重置信 號為高電平時，是否存在重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平的其他非冗余像素行； 所述在沒有與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重置，具體為控制冗余像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平。
可選的，所述冗余像素行的行數(shù)等于共享光電二極管的晶體管的數(shù)目。
為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種CMOS圖像傳感器，該傳感器包 括像素陣列電路和曝光時序控制電路，其中像素陣列電路，包括非冗余 像素行和冗余像素行；曝光時序控制電路，用于對像素陣列電路的曝光和釆
樣過程進行控制，包括在任一非冗余像素行的曝光重置沒有與其他非冗余 像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行釆樣；在任一非冗余像素行的采 樣沒有與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重 置。
可選的，所述曝光時序控制電路包括重置信號產(chǎn)生電路，用于為像素 陣列電路提供重置信號；行選擇信號產(chǎn)生電路，用于為像素陣列提供行選擇 信號；轉(zhuǎn)移信號產(chǎn)生電路，用于為像素陣列提供轉(zhuǎn)移信號；其中，在某一像 素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平時，另一像素行的行選擇信號和重置信 號為高電平；在某一像素行的行選擇信號和重置信號為高電平，另一像素行 的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平。
可選的，所述冗余像素行的行數(shù)等于共享光電二極管的晶體管的數(shù)目。 與現(xiàn)有技術相比，上述技術方案通過在某一行非冗余像素行的曝光重置 沒有與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行采樣；在某一
非冗余像素行的采樣沒有與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余 像素行進行曝光重置，因此，可以使得任一行非冗余像素行曝光重置時的電 壓環(huán)境一致，從而可以避免圖像明暗不均的情況出現(xiàn)，提高圖像質(zhì)量。


圖1為現(xiàn)有技術中4個晶體管構成的像素電路圖； 圖2為圖1所示電路的工作時序圖； 圖3為圖1所示電路的曝光時序圖；圖4為本發(fā)明實施例中CMOS圖像傳感器結構示意圖5為本發(fā)明實施例中感光區(qū)增加冗余像素行示意圖6為圖4所示的曝光時序控制電路的實施例的結構示意圖7為本發(fā)明實施例中曝光控制方法流程圖8為本發(fā)明實施例中第一曝光時序圖9為本發(fā)明實施例中第二曝光時序圖。
具體實施例方式
現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器采用逐行曝光方式，在每幀圖像處理的過程中， 為了節(jié)省時間，當前一行啟動曝光后，后一4亍等待行間隔時間后啟動曝光過 程， 一行接一行地重復下去；某一行曝光的起點和采樣的起點之間間隔的時 間為曝光時間。
本發(fā)明的發(fā)明人在對現(xiàn)有技術進行研究和實踐過程中發(fā)現(xiàn)在CMOS圖 像傳感器的工作過程中，會發(fā)生如下現(xiàn)象某一行在進行曝光前的復位時， 另一像素行在進行電壓采樣。參照圖3所示的曝光時序圖，nm行的重置時間 與nO行的采樣時間重疊。如圖3中兩條豎虛線之間的信號所示，n0行的行選 擇信號X—n0、重置信號R—n0和nm行的重置信號R—nm和轉(zhuǎn)移信號T—nm同 時為高電平。
需要注意的是，n0行曝光時，沒有任何一行的行選擇信號X為高電平。 發(fā)明人在實踐中觀察到n0行進行曝光前的重置信號R—n0的電平和nm 行進行曝光前的重置信號R—nm的電平不一致。
發(fā)明人經(jīng)過研究后認為，這是由于像素陣列的供電使用網(wǎng)狀金屬提供， 電源只能從像素陣列的四邊輸入。當有較大電流流過網(wǎng)狀金屬時，金屬上的 電阻會產(chǎn)生電壓降。并且，當行選擇信號X為高電平時，會有較大電流產(chǎn)生。 因此，nO行曝光時沒有任何一行的行選擇信號X信號為高電平，感光區(qū)電壓 下降并不多；nm行進行曝光時，n0行開始采樣，行選擇信號X—n0為高電平，感光區(qū)電壓下降較多。
總之，對于某一行在曝光前的重置信號而言，在沒有與其他行的采樣過 程重疊或者與其他行的采樣過程重疊的兩種情形下，其電平是不同的，進而 會導致圖像出現(xiàn)亮度不均的情況。
本發(fā)明實施方式為解決上述問題，在像素陣列電路中增加冗余像素行， 并且對曝光控制時序電路加以改進，使得任一像素行的曝光重置過程均與另 一像素行的采樣過程保持同步。
具體地，在某一行非冗余像素行的曝光重置過程和另一非冗余像素行的 采樣過程同步時，控制冗余像素行處于空閑狀態(tài)。
在某一行非冗余像素行的曝光重置過程無法和其他非冗余像素行的采樣
過程同步時，控制冗余像素行進行采樣；
在某一行非冗余像素行的采樣過程無法和其他非冗余像素行的曝光重置 過程同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。
下面即結合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。
參照圖4,為本發(fā)明實施例中CMOS圖像傳感器結構示意圖。該圖像傳 感器包括像素陣列電路41和曝光時序控制電路42。其中
像素陣列電路41,用于感知光信息，將圖像中包含的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
通常，像素陣列電路包含多個像素；每一個像素均可以感知其對應的一 個點區(qū)域的光信息。所述多個像素成行列式排列，且工作時通常逐行進行曝 光。
如圖5所示，在本發(fā)明實施例的像素陣列電路41中，包含感光區(qū)100的 非冗余像素行110，并且進一步包括冗余像素行210,以及全黑像素行220。 冗余像素行可以設在全黑像素行位置區(qū)，也可以設在感光區(qū)內(nèi)。
曝光時序控制電路42，用于對像素陣列電路41的曝光和采樣過程進行控制，其中，任一行的曝光重置過程均與另一行的采樣過程保持同步。
本發(fā)明的實施例中，所有的像素行在曝光重置時的電壓環(huán)境均保持一致， 進而可以提高圖像的明暗均勻度。
為便于本領域技術人員對本發(fā)明的進一步理解，下面對發(fā)明人的創(chuàng)造性 勞動過程和本發(fā)明實施例的原理進行闡述。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術的像素陣列電路中，所有像素行均為實 現(xiàn)圖像傳感所必需的，也就是說，各像素行所感知的光信息均是構成圖像所 必需的。按照現(xiàn)有技術的曝光控制時序，在圖像傳感器的工作過程中，不可 能發(fā)生的情況有1)某兩行同時采樣的情況，這是由于讀出電路中的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器無法同時處理兩行數(shù)據(jù)，因此所有行的行選擇信號X信號都是分開為高
電平的；2)某兩行同時曝光重置的情況，這是因為，任一幀圖像的處理過程 中，是采用逐行曝光的方式進行的，也就是說，在前一行開始曝光且經(jīng)過行 間隔時間后，相鄰的后一^f亍才開始曝光。
本發(fā)明的發(fā)明人進一步發(fā)現(xiàn)，在圖像傳感器的工作程中，有可能發(fā)生的 兩種情況為1 )前面某一行的采樣與后面某一行的曝光重置同時進行；2) 某一行的曝光和采樣都沒有和任何行重疊。
如前所述，在情況l)下進行曝光重置的像素行和在情況2)下進行曝光 重置的像素行所面臨的電壓環(huán)境是不一致的，這正是導致出現(xiàn)圖像傳感器的 圖像明暗不均勻現(xiàn)象的原因所在。因此，為克服圖像明暗不均勻的缺陷，一 種可行的途徑是使得所有像素行在曝光重置時的電壓環(huán)境一致，或者說，所 有像素行在釆樣時的電壓環(huán)境一致。
為了使得所有像素行不管是在曝光重置時還是在采樣時的電壓環(huán)境一 致，本發(fā)明的實施例增加冗余像素行，并且對曝光時序控制電路加以改進。
具體地說，本發(fā)明實施例的圖像傳感器的工作過程包括
在某一行非冗余像素行的曝光重置過程和另 一非冗余像素行的釆樣過程同步時，控制冗余像素行處于空閑狀態(tài)；
在某一行非冗余像素行的曝光重置過程無法和其他非冗余像素行的釆樣
過程同步時，控制冗余像素行進行釆樣；
在某一行非冗余像素行的采樣過程無法和其他非冗余像素行的曝光重置
過程同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。
圖6是圖4中所示的曝光時序控制電路的實施例的結構示意圖。如圖6
所示，曝光時序控制電路包括
重置信號產(chǎn)生電路411，用于為像素陣列電路提供重置信號； 行選擇信號產(chǎn)生電路412,用于為像素陣列電路提供行選擇信號； 轉(zhuǎn)移信號產(chǎn)生電路413，用于為像素陣列電路提供轉(zhuǎn)移信號； 其中，在某一像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平時，另一像素行的
行選擇信號和重置信號為高電平；
在某一像素行的行選擇信號和重置信號為高電平；另一像素行的重置信
號和轉(zhuǎn)移信號為高電平。
圖7為本發(fā)明實施例中曝光控制方法的流程圖。
本發(fā)明的發(fā)明人考慮到現(xiàn)有技術中，在圖像傳感器的工作過程中有可能 發(fā)生的兩種情況為1 )前面某一行的采樣與后面某一行的曝光重置同時進行； 2)某一行的曝光和采樣都沒有和任何行重疊。為此，對曝光控制方法進行改 進，如圖7所示，使得任一行的曝光重置過程均與另一行的采樣過程保持同 步。
具體地說，在像素陣列電路中設置冗余像素行的基礎上，當非冗余像素 行面臨所述的第2)種情況時，通過對冗余像素行施加控制信號來使得非冗余 像素行所處的電壓環(huán)境發(fā)生改變；當非冗余像素行面臨所述的第l)種情況時， 使得所述冗余像素行保持非工作狀態(tài)，維持非冗余像素行所處的電壓環(huán)境不 發(fā)生變化。從而使得第1)種情況和第2)種情況下，非冗余像素行工作時的
10電壓環(huán)境保持一致。
因此，采用本發(fā)明曝光控制方法的實施例的流程，所有的像素行在曝光 重置時的電壓環(huán)境均保持一致，進而可以提高圖像的明暗均勻度。
如圖7所示，本發(fā)明曝光控制方法的實施例的具體步驟如下
5701、 判斷某一行非冗余像素行的曝光重置是否與其他非冗余像素行的 采樣同步，如果是，則結束流程；如果否，則執(zhí)行S702;
具體地，判斷過程為在某一行非冗余像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為 高電平時，監(jiān)測是否存在行選擇信號和重置信號為高電平的其他非冗余像素 行。
5702、 控制冗余^^素行進行采樣；
具體地，使得所述冗余像素行的行選擇信號和重置信號為高電平。 也就是說，當某一行非冗余像素行進行曝光重置時，如果沒有其他任意 一行非冗余像素行的采樣同時發(fā)生，則曝光時序控制電路輸出行選擇信號和 重置信號，使得像素陣列中的冗余像素行進行假采樣，從而使得該非冗余像 素行的曝光環(huán)境發(fā)生變化，與兩行非冗余像素行的采樣和曝光重置同時進行 的電壓環(huán)境一致。
參照圖8，為本發(fā)明實施例中第一曝光時序圖。
其中，X—dummy、 R—dummy與T—dummy分別表示冗余像素行的行選擇 信號、重置信號和轉(zhuǎn)移信號。在虛線框80范圍內(nèi)，nO行的重置信號R—nO與 轉(zhuǎn)移信號T_nO同時為高電平，控制冗余像素行進行采樣，即使得行選擇信號 X—dummy與轉(zhuǎn)移信號T—dummy同時為高電平。此時，對于感光區(qū)來i兌，同 時有1個行選擇信號X， 2個重置信號R以及1個轉(zhuǎn)移信號T信號為高電平。
S703 、判斷某一行非冗余像素行的采樣是否與其他非冗余像素行的曝光 重置同步，如果是，則結束流程，如果否，則執(zhí)行S704;
具體地，判斷過程為在某一行非冗余像素行的行選擇信號和重置信號
ii為高電平時，監(jiān)測是否存在重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平的其他非冗余像素 行。
S704、控制冗余像素行進行曝光重置。
具體地，使得所述冗余像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平。 也就是說，當某一行非冗余像素行進行采樣時，如果沒有其他任意一行 非冗余像素行的曝光重置同時發(fā)生，則曝光時序控制電路輸出重置信號和轉(zhuǎn) 移信號，使得像素陣列冗余像素行進行假重置，從而使得該非冗余像素行的 曝光環(huán)境發(fā)生變化，與兩行非冗余像素行的采樣和曝光重置同時進行的電壓 環(huán)境一致。
參照圖9，為本發(fā)明實施例中第二曝光時序圖。
其中，X—dummy、 R—dummy與T—dummy分別表示冗余l(xiāng)象素行的行選擇 信號、重置信號和轉(zhuǎn)移信號。在虛線框卯范圍內(nèi)，nO行的采樣信號R一nO與 和行選擇信號X—n0同時為高電平，控制冗余像素行進行曝光重置，即使得重 置信號R—dummy與轉(zhuǎn)移信號T—dummy同時為高電平。此時，對于感光區(qū)來 說，同時有1個行選擇信號X, 2個重置信號R以及1個轉(zhuǎn)移信號T為高電 平。
綜上可知，本實施例的曝光控制方法通過增設冗余像素行，并通過控制 冗余像素行的采樣或曝光重置，可以使任意兩個像素行的重置和采樣同步， 從而可以使所有行曝光重置時的電壓環(huán)境一致，因此可以避免出現(xiàn)圖像明暗 不均的情況，提高圖像質(zhì)量。
可以理解的是，S701 S702與S703 S704并沒有一定的先后順序。 在具體實施中，可以根據(jù)不同的像素設置不同的冗余像素行行數(shù)，例如， 對于上述使用4個晶體管的4T型CMOS圖像傳感器，設置1行冗余像素行 就可以；對于一個光電二極管和一個晶體管共享像素的4T2S型圖像傳感器， 至少需要設置2行冗余像素行；對于一個光電二極管和四個晶體管共享像素的4T4S型圖像傳感器，至少需要設置4行冗余像素行。
本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何 本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和 修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以本發(fā)明權利要求所界定的范圍為準。
1權利要求
1. 一種曝光控制方法，其特征在于，包括當某一行非冗余像素行的曝光重置沒有與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行采樣；當某一行非冗余像素行的采樣沒有與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的曝光控制方法，其特征在于，所述某一行非冗余 像素行的曝光重置是否與其他非冗余像素行的采樣同步，具體為判斷所述某一行非冗余像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平時，是否 存在行選擇信號和重置信號為高電平的其他非冗余像素行；所述在沒有與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行采 樣，具體為控制冗余像素行的行選擇信號和重置信號為高電平。
3. 根據(jù)權利要求1所述的曝光控制方法，其特征在于，所述某一行非冗余 像素行的釆樣是否與其他非冗余像素行的曝光重置同步，具體為判斷所述某一行非冗余像素行的行選擇信號和重置信號為高電平時，是 否存在重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平的其他非冗余像素行；所述在沒有與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進 行曝光重置，具體為控制冗余像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平。
4. 根據(jù)權利要求1至3任一項所述的曝光控制方法，其特征在于，所述冗 余像素行的行數(shù)等于共享光電二極管的晶體管的數(shù)目。
5. —種CMOS圖像傳感器，其特征在于，包括像素陣列電路和曝光時序 控制電路，其中像素陣列電路，包括非冗余像素行和冗余像素行；曝光時序控制電路，用于對像素陣列電路的曝光和采樣過程進行控制，包括在任一非冗余像素行的曝光重置沒有與其他非冗余像素行的采樣同步 時，控制冗余像素行進行采樣；在任一非冗余像素行的采樣沒有與其他非冗 余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。
6. 根據(jù)權利要求5所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述曝光時序 控制電路包括重置信號產(chǎn)生電路，用于為像素陣列電路提供重置信號；行選擇信號產(chǎn)生電路，用于為像素陣列提供行選擇信號；轉(zhuǎn)移信號產(chǎn)生電路，用于為像素陣列提供轉(zhuǎn)移信號；其中，在某一像素行的重置信號和轉(zhuǎn)移信號為高電平時，另一像素行的 行選擇信號和重置信號為高電平；在某一像素行的行選擇信號和重置信號為高電平，另一像素行的重置信 號和轉(zhuǎn)移信號為高電平。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于，所述冗余 像素行的行數(shù)等于共享光電二極管的晶體管的數(shù)目。
全文摘要
一種曝光控制方法，包括當某一行非冗余像素行的曝光重置不與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行采樣；當某一行非冗余像素行的采樣不與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。一種CMOS圖像傳感器，包括像素陣列電路和曝光時序控制電路，其中像素陣列電路，包括非冗余像素行和冗余像素行；曝光時序控制電路，用于對像素陣列電路的曝光和采樣過程進行控制，包括在任一非冗余像素行的曝光重置沒有與其他非冗余像素行的采樣同步時，控制冗余像素行進行采樣；在任一非冗余像素行的采樣不與其他非冗余像素行的曝光重置同步時，控制冗余像素行進行曝光重置。所述方法和圖像傳感器可以提高圖像質(zhì)量。
文檔編號H04N3/15GK101478632SQ20081018654
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權日2008年12月25日
發(fā)明者羅文哲, 巨 陳 申請人:昆山銳芯微電子有限公司