專利名稱：Cmos圖像傳感器及其像素結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種CMOS圖像傳感器及其像素結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
CMOS圖像傳感器是一種使用CMOS制造工藝制造的、將圖像的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號以供傳輸和處理的半導(dǎo)體器件。CMOS圖像傳感器一般由感光區(qū)域和信號處理電路構(gòu)成。目前常見的CMOS圖像傳感器是有源像素型圖像傳感器(APS)。現(xiàn)有CMOS圖像傳感器包括CMOS數(shù)模電路和像素單元電路陣列構(gòu)成，根據(jù)一個(gè)所 述像素單元電路所包括的晶體管的數(shù)目，現(xiàn)有CMOS圖像傳感器分為3T型結(jié)構(gòu)和4T型結(jié)構(gòu)、還可以有5T型結(jié)構(gòu)。如圖I所示，為一種現(xiàn)有3T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖，包括一個(gè)光電二極管IO(Photc) Diode, H))，用于在曝光時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述光電二極管10包括P型區(qū)和N型區(qū)，所述P型區(qū)接地。一個(gè)復(fù)位晶體管Ml，用于在曝光前對所述光電二極管10進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位由復(fù)位信號Reset信號進(jìn)行控制。在圖I中，所述復(fù)位晶體管Ml選用一個(gè)NMOS管，所述復(fù)位晶體管Ml的源極和所述光電二極管10的N型區(qū)相連，所述復(fù)位晶體管Ml的源極同時(shí)也為一感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI又稱為浮空擴(kuò)散區(qū)(Floating Diffusion, FD);所述復(fù)位晶體管Ml的漏極接電源Vdd，所述電源Vdd為一正電源。當(dāng)所述復(fù)位信號Reset為高電平時(shí)，所述復(fù)位晶體管Ml導(dǎo)通并將所述光電二極管10的N型區(qū)連接到電源Vdd，在所述電源Vdd的作用下，使所述光電二極管10反偏并會清除所述光電二極管10的全部累積的電荷，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。所述復(fù)位晶體管Ml也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成、或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成，也可以用PMOS管代替所述NMOS管?！獋€(gè)放大晶體管M2,也為一源極跟隨器,用于將所述光電二極管10產(chǎn)生的電信號進(jìn)行放大。在圖I中，所述放大晶體管M2選用一 NMOS管，所述放大晶體管M2的柵極接所述光電二極管10的N型區(qū)，所述放大晶體管M2的漏極接所述電源Vdd，所述放大晶體管M2的源極為放大信號的輸出端。所述放大晶體管M2也可以由多個(gè)NMOS管串聯(lián)形成、或由多個(gè)NMOS管并聯(lián)形成?！獋€(gè)行選擇晶體管M3，用于將所述放大晶體管M2的源極輸出的放大信號輸出。在圖I中，所述行選擇晶體管M3選用一 NMOS管，所述行選擇晶體管M3的柵極接行選擇信號Rs，所述行選擇晶體管M3的源極接所述放大晶體管M2的源極，所述行選擇晶體管M3的漏極為輸出端。如圖2所示，為一種現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)圖。相比于3T型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路結(jié)構(gòu)圖增加了一個(gè)轉(zhuǎn)移晶體管M4，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4用于將所述光電二極管10產(chǎn)生的電信號輸入到所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI。在圖2中，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4選用一 NMOS管，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的柵極接轉(zhuǎn)移信號TX，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的源極接所述光電二極管10的N型區(qū)，所述轉(zhuǎn)移晶體管M4的漏極接所述復(fù)位晶體管Ml的源極即所述感應(yīng)節(jié)點(diǎn)NI。物質(zhì)分為三類，氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，隨著人們對物質(zhì)狀態(tài)認(rèn)識的不斷深入，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)除了上述三態(tài)外，還存在著離子態(tài)(plasmas),非晶固態(tài)(amorplhous solids),液晶態(tài)(liquid crystals),超導(dǎo)態(tài)(superconductors)中子態(tài)(neutron state)等。迄今已發(fā)現(xiàn)數(shù)十萬種以上的液晶物質(zhì)，其中，液晶物質(zhì)的分類如下溶致液晶將某些物質(zhì)溶于另一物質(zhì)時(shí)形成的液晶態(tài)，因此被成為溶致液晶。雙親分子多屬溶致液晶 ，肥皂水是一種典型的溶致液晶。細(xì)胞膜是酯類分子構(gòu)成的雙層溶致液晶。溶致液晶廣泛存在于自然界，特別是生物體內(nèi)，它不僅廣泛應(yīng)用于人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，而且在生物物理，生物化學(xué)和仿生學(xué)領(lǐng)域深受矚目。很多生物體的構(gòu)造，如大腦、神經(jīng)、肌肉、血液等生命物質(zhì)或生命的新陳代謝，知覺、信息傳遞等生命現(xiàn)象都與這種液晶有關(guān)。熱致液晶因溫度而異出現(xiàn)液晶態(tài)。如手表、液晶電視、電腦的液晶顯示屏等用的就是熱致液晶主要分為(I)向列相(nematic):組成的分子象普通流體一樣呈無序分布。光學(xué)電磁學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)與亮體相似的各向異性，被稱作三維各向異性流體。(2)近晶相(Smetic):組成的分子中心在一個(gè)方向具有周期序，棒狀分子組成層，層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列(3)螺旋相(cholesteric):如果組成的分子具有手征性，分子取向在空間會形成扭轉(zhuǎn)螺旋結(jié)構(gòu)。因此其光學(xué)特性具有強(qiáng)烈的圓二色性與其它光活性(也叫螺旋性)這類液晶分子呈扁平狀，排列成層，層內(nèi)分子相互平行，分子長軸平行于層平面，不同層的分子長軸方向稍有變化，沿層的法線方向排列成螺旋結(jié)構(gòu)。螺矩P指當(dāng)不同層分子長軸排列沿螺旋方向經(jīng)歷360°的變化后，又回到初始取向，這個(gè)周期性的層間距稱為螺旋相液晶的螺矩。TN(Twist Nematic)扭曲向列相液晶向列型液晶夾在兩片玻璃中間，這種玻璃的表面上先鍍有一層透明導(dǎo)電薄膜ITO (氧化銦錫)以作電極之用，然后在有薄膜電極的玻璃上涂取向?qū)覲I (聚酰亞胺)，以使液晶順著一個(gè)特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然狀態(tài)具有90度的扭曲,利用電場可使液晶分子旋轉(zhuǎn),液晶的雙折射率隨液晶的方向而改變，影響的結(jié)果是偏振光經(jīng)過TN型液晶后偏振方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。只要選擇適當(dāng)?shù)暮穸仁蛊窆獾钠穹较騽偤酶淖?0度，就可利用兩個(gè)平行偏光片使得光完全不能通過。而足夠大的電壓又可以使得液晶方向與電場方向平行，這樣光的偏振方向就不會改變，光就可通過第二個(gè)偏光片。于是，就可控制光的通斷。向列型液晶夾在兩片玻璃中間，這種玻璃的表面上先鍍有一層透明導(dǎo)電薄膜ITO (氧化銦錫)以作電極之用，然后在有薄膜電極的玻璃上涂取向?qū)覲I (聚酰亞胺)，以使液晶順著一個(gè)特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然狀態(tài)具有90度的扭曲，利用電場可使液晶分子旋轉(zhuǎn)，液晶的雙折射率隨液晶的方向而改變，影響的結(jié)果是偏振光經(jīng)過TN型液晶后偏振方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。只要選擇適當(dāng)?shù)暮穸仁蛊窆獾钠穹较騽偤酶淖?0度，就可利用兩個(gè)平行偏光片使得光完全不能通過。而足夠大的電壓又可以使得液晶方向與電場方向平行，這樣光的偏振方向就不會改變，光就可通過第二個(gè)偏光片。于是，就可控制光的明暗了。TN型常用在電子手表，計(jì)算器等簡單顯示方面。STN(Super Twist Nematic)超扭曲向列型液晶與TN型液晶的顯示原理相同，只是它將入射光旋轉(zhuǎn)180 270度，而不是90度。而且，單純的TN型液晶顯示器本身只有明暗兩種變化。而STN液晶則以淡綠色和橘色為主。在液晶屏上加一層補(bǔ)償膜可使之變成黑白的，稱為膜補(bǔ)償超扭曲向列型液晶(FSTN)。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個(gè)子像素，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，就可以顯示出色彩了，稱為CSTN(Color STN)，這就是大家通常所說的偽彩屏。STN，F(xiàn)STN和CSTN常用來做手機(jī)顯示屏，游戲機(jī)屏等?，F(xiàn)有的CMOS圖像傳感器在感光時(shí)，都是使入射光直接入射到感光元件上，這種CMOS圖像傳感器在需要探測光強(qiáng)較大的情況下往往會超出其測量范圍而導(dǎo)致難以測出實(shí)際的光強(qiáng)值，而且現(xiàn)有的CMOS圖像傳感器在 入射光直接入射到感光元件的情況下，其感光的動(dòng)態(tài)范圍較小，不利于應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種CMOS圖像傳感器及其像素結(jié)構(gòu)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中CMOS圖像傳感器難以準(zhǔn)確監(jiān)測較大的光強(qiáng)值及動(dòng)態(tài)范圍較小的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，至少包括感光結(jié)構(gòu)，包括感光兀件；第一偏振片，結(jié)合于所述感光兀件表面，具有第一偏振方向；液晶光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合于所述第一偏振片的第一透明導(dǎo)電層、結(jié)合于所述第一透明導(dǎo)電層的液晶層以及結(jié)合于所述液晶層的第二透明導(dǎo)電層，所述第一、第二透明導(dǎo)電層通過外部電壓信號控制所述液晶層的排列方向，以控制光的偏振方向；第二偏振片，結(jié)合于所述液晶光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有第二偏振方向；像素讀出電路，連接于所述感光元件，用于將所述感光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電信號進(jìn)行讀出。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，所述第一偏振方向與第二偏振方向的相位差為0 90度。優(yōu)選地，所述第一偏振方向與第二偏振方向的相位差為90度。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，所述第一偏振片、液晶層及第二偏振片共同控制像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，所述感光元件為光門、PN型光電二極管或PIN型光電二極管。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，所述第一透明導(dǎo)電層及第二透明導(dǎo)電層的材料為氧化銦錫(ITO)、銻摻雜氧化錫(ATO)、氟摻雜氧化錫(FTO)或鋁摻雜氧化鋅(AZO)。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，所述液晶層為扭曲向列相液晶。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)中，所述像素讀出電路為3T型結(jié)構(gòu)、4T型結(jié)構(gòu)或5T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路。本發(fā)明還提供一種包含如上所述的任一像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，至少包括像素結(jié)構(gòu)，用于控制光導(dǎo)通率并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸出；處理模塊，連接于所述像素結(jié)構(gòu)，用于接收所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號，并判斷其是否為飽和信號，若是，則輸出控制信號，若否，則通所述電信號并依據(jù)所述像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率計(jì)算出入射光的光強(qiáng)；反饋控制模塊，連接于所述處理模塊及所述像素結(jié)構(gòu)，用于在接收到所述處理模塊輸出的控制信號時(shí)，輸出控制電壓以控制所述像素結(jié)的光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊發(fā)送反饋信號以反饋所述像素結(jié)的光導(dǎo)通率的信息。在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，所述控制電壓分別施加于所述像素結(jié)構(gòu)的第一透明導(dǎo)電層和第二透明導(dǎo)電層，以控制所述像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率。

在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，所述處理模塊接收到的電信號判定為飽和信號時(shí)，所述反饋控制模塊向所述像素結(jié)構(gòu)輸出控制電壓以降低所述像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率，直至所述電信號判定為非飽和信號。如上所述，本發(fā)明的CMOS圖像傳感器及其像素結(jié)構(gòu)，具有以下有益效果本發(fā)明的像素結(jié)構(gòu)在感光元件上制備第一偏振片，具有透明電極結(jié)構(gòu)的液晶層以及第二偏振片，通過控制所述透明電極的電壓可以改變之間的液晶排列方式，從而控制光偏振方向和導(dǎo)通率。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器還包括處理模塊及反饋控制模塊，所述控制模塊接收所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號并進(jìn)行判斷，若為飽和信號時(shí)，輸出控制信號至反饋控制模塊，所述反饋控制模塊在接收到控制信號后向所述像素結(jié)構(gòu)輸出控制電壓以逐漸降低光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊反饋信息，直至所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號為非飽和信號時(shí)，所述處理模塊反饋信息和電信號計(jì)算出實(shí)際的光強(qiáng)值。本發(fā)明大大地提高了 CMOS圖像傳感器所能監(jiān)測的光強(qiáng)值，從而大大地提高了感光的動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明工藝簡單，實(shí)用性強(qiáng)，適用于工業(yè)生產(chǎn)。


圖I顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的3T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的4T型結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素單元電路的等效電路結(jié)構(gòu)不意圖。圖3顯示為本發(fā)明的實(shí)施例I中CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4顯示為本發(fā)明的實(shí)施例I中CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5顯示為本發(fā)明的實(shí)施例I中CMOS圖像傳感器的運(yùn)作流程示意圖。圖6顯示為本發(fā)明的實(shí)施例2中CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7顯示為本發(fā)明的實(shí)施例2中CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8顯示為本發(fā)明的實(shí)施例2中CMOS圖像傳感器的運(yùn)作流程示意圖。圖9顯示為本發(fā)明的實(shí)施例3中CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10顯示為本發(fā)明的實(shí)施例3中CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11顯示為本發(fā)明的實(shí)施例3中CMOS圖像傳感器的運(yùn)作流程示意圖。圖12顯示為本發(fā)明的實(shí)施例4中CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13顯示為本發(fā)明的實(shí)施例4中CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14顯示為本發(fā)明的實(shí)施例4中CMOS圖像傳感器的運(yùn)作流程示意圖。元件標(biāo)號說明101感光元件102第一偏振片
103第一透明導(dǎo)電層
104液晶層105第二透明導(dǎo)電層106第二偏振片107保護(hù)層201轉(zhuǎn)移晶體管202浮空擴(kuò)散區(qū)203復(fù)位晶體管204放大晶體管205選通晶體管301像素結(jié)構(gòu)302處理模塊303反饋控制模塊
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請參閱圖3至圖14。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。實(shí)施例I請參閱圖3 圖4，如圖所示，本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器，至少包括像素結(jié)構(gòu)301，用于控制光導(dǎo)通率并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸出，包括感光結(jié)構(gòu)，包括感光兀件101 ;第一偏振片102,結(jié)合于所述感光兀件101表面，具有第一偏振方向；液晶光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合于所述第一偏振片102的第一透明導(dǎo)電層103、結(jié)合于所述第一透明導(dǎo)電層103的液晶層104以及結(jié)合于所述液晶層104的第二透明導(dǎo)電層105，所述第一透明導(dǎo)電層103、第二透明導(dǎo)電層105通過外部電壓信號控制所述液晶層104中液晶材料的排列方向，以控制光的偏振方向；第二偏振片106，結(jié)合于所述液晶光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有第二偏振方向；以及像素讀出電路，連接于所述感光元件101，用于將所述感光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電信號進(jìn)行讀出。所述感光元件101為光門、PN型光電二極管或PIN型光電二極管，在本實(shí)施例中為PN型光電二極管。當(dāng)然，在其它實(shí)施例中，所述感光元件101也能為其它一切預(yù)期的具有感光效應(yīng)的器件。所述第一偏振方向與第二偏振方向的相位差為0 90度。所述第一偏振片102、液晶層104及第二偏振片106共同控制像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率。在本實(shí)施例中，所述第一偏振方向與第二偏振方向的相位差為90度。因此,若所述液晶層104沒改變?nèi)肷涔獾钠穹较?，則照射在所述感光元件101上的光強(qiáng)為零，光強(qiáng)隨著液晶層104液晶排列方向而改變，即光導(dǎo)通率隨著液晶層104液晶排列方向而改變，當(dāng)所述液晶層104改變?nèi)肷涔獾钠穹较驗(yàn)?0度時(shí)，光導(dǎo)通率最大，入射光強(qiáng)最大。所述第一透明導(dǎo)電層103及第二透明導(dǎo)電層105的材料為ITO、ATO、FTO或AZ0，在本實(shí)施例中，所述第一透明導(dǎo)電層103及第二透明導(dǎo)電層105的材料為IT0。當(dāng)然，在其它的實(shí)施例中，所述第一透明導(dǎo)電層103及第二透明導(dǎo)電層105的材料也可以為其它預(yù)期的透明導(dǎo)電材料。在本實(shí)施例中，所述第二偏振片106上還設(shè)置有保護(hù)層107，保護(hù)層107為Si02、SiN或SiON等常規(guī)介質(zhì)材料。在本實(shí)施例中，所述液晶層104為扭曲向列相液晶。當(dāng)然，在其它的實(shí)施例中，所述液晶層104也能為STN(Super Twist Nematic)超扭曲向列型液晶等，同時(shí),所述第一偏振片102及第二偏振片106的偏振方向也作適應(yīng)性的變化，以達(dá)到所需的效果。所述像素讀出電路為3T型結(jié)構(gòu)、4T型結(jié)構(gòu)或5T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路，在本實(shí)施例中，所述像素讀出電路為4T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路。其包括轉(zhuǎn)移晶體管201、浮空擴(kuò)散區(qū)202、復(fù)位晶體管203、放大晶體管204及行選擇晶體管205。所述CMOS圖像傳感器還包括處理模塊302，連接于所述像素結(jié)構(gòu)301，用于接收所述像素結(jié)構(gòu)301輸出的電信號，并判斷其是否為飽和信號，若是，則輸出控制信號，若否，則通過所述電信號并依據(jù)所述像素結(jié)構(gòu)301的光導(dǎo)通率計(jì)算出入射光的光強(qiáng)；反饋控制模塊303，連接于所述處理模塊302及所述像素結(jié)構(gòu)301，用于在接收到所述處理模塊302輸出的控制信號時(shí)，輸出控制電壓以控制所述像素結(jié)的光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊302發(fā)送反饋信號以反饋所述像素結(jié)的光導(dǎo)通率的信息。所述控制電壓分別施加于所述像素結(jié)構(gòu)301的第一透明導(dǎo)電層103和第二透明導(dǎo)電層105，以控制所述像素結(jié)構(gòu)301的光導(dǎo)通率。具體地，所述反饋控制模塊303具有連接所述像素結(jié)構(gòu)301的第一透明導(dǎo)電層103和第二透明導(dǎo)電層105的兩個(gè)輸出端，用于對所述像素結(jié)構(gòu)301的液晶層104施加電壓，通過控制電壓可以控制光導(dǎo)通率從而控制光強(qiáng)。所述處理模塊302接收到的電信號判定為飽和信號時(shí)，所述反饋控制模塊303向所述像素結(jié)構(gòu)301輸出控制電壓以降低所述像素結(jié)構(gòu)301的光導(dǎo)通率，直至所述電信號判定為非飽和信號。在具體的實(shí)施過程中，首先，所述反饋控制模塊303對所述像素結(jié)構(gòu)301的第一、第二透明導(dǎo)電層105施加控制電壓，使所述像素結(jié)構(gòu)301的光導(dǎo)通率處于一個(gè)較高的水平，光入射到所述感光元件101時(shí)，所述感光元件101將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并通過所述像素讀出電路讀出至所述處理模塊302。所述處理模塊302在收到所述電信號時(shí)，對其進(jìn)行判斷，情況有兩種1)若所述電信號判斷為非飽和信號，則通過所述反饋控制模塊303反饋的信息和所接收到的電信號計(jì)算出像素結(jié)構(gòu)301的入射光強(qiáng)，即實(shí)際的光強(qiáng)值。2)若所述電信號判斷為飽和信號，則所述處理模塊302向所述反饋控制模塊303輸出控制信號，所述反饋控制模塊303收到控制信號時(shí)，調(diào)整向所述像素結(jié)構(gòu)301輸出的控制電壓以降低其光導(dǎo)通率。若接收到的電信號仍然為飽和信號，則重復(fù)上述過程，直至所述處理模塊302接收到 的電信號判斷為非飽和信號為止。若為非飽和信號，則處理過程如情況I)所述。具體流程如圖5所示。
實(shí)施例2請參閱圖6 圖8，本實(shí)施例提供一種CMOS圖像傳感器，至少包括像素陣列401，由多個(gè)像素結(jié)構(gòu)排列組成，所述像素結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1，其中，所述第一、第二透明導(dǎo)電層分別連接有地線和一晶體管206，用于控制所述第一、第二透明導(dǎo)電層上的電壓，所述像素讀出電路為3T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路。
行選擇模塊407及列選擇模塊408，均連接于所述像素陣列401，用于控制所述像素陣列401的掃描方向?？勺冊鲆娣糯笃?PGA) 402，連接于所述像素陣列401，用于對所述像素陣列401輸出的電信號根據(jù)像素結(jié)構(gòu)中的光導(dǎo)通率來進(jìn)行放大并輸出。AD采樣電路406，連接于所述可變增益放大器402，用于將所述可變增益放大器402輸出的電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。處理模塊403，連接于所述可變增益放大器402，用于接收所述可變增益放大器402輸出的電信號，并判斷其是否為飽和信號，若是，則輸出控制信號，若否，則通過所述電信號并依據(jù)所述像素陣列401中各該像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率計(jì)算出入射光的光強(qiáng)，并控制所述可變增益放大器402的放大倍數(shù)以使放大后的電信號能夠如實(shí)反映該像素結(jié)構(gòu)的入射光強(qiáng)。反饋控制模塊404，連接于所述處理模塊403及所述像素陣列401，用于在接收到所述處理模塊403輸出的控制信號時(shí)，輸出控制電壓以控制所述像素陣列401中各該像素結(jié)的光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊403發(fā)送反饋信號以反饋所述像素陣列401中各該像素結(jié)的光導(dǎo)通率的信息。復(fù)位電路405，用于在所述處理模塊403對所述像素陣列401中的像素結(jié)構(gòu)輸出的信號判定為飽和信號時(shí)，對該像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位。具體地，所述行選擇模塊407或列選擇模塊408對所述像素陣列401發(fā)出掃描信號，使所述像素結(jié)構(gòu)像素讀出電路的選通晶體管選通，所述像素陣列401產(chǎn)生的電信號讀出至所述可變增益放大器402，經(jīng)放大的電信號輸出至所述處理模塊403，所述處理模塊403在收到所述電信號時(shí)，對其進(jìn)行判斷，情況有兩種I)對于所述像素陣列401中輸出的電信號判斷為非飽和信號的像素結(jié)構(gòu)，可直接通過所述反饋控制模塊404反饋的信息和所接收到的電信號計(jì)算出該像素結(jié)構(gòu)的入射光強(qiáng)，即實(shí)際的光強(qiáng)值，根據(jù)像素結(jié)構(gòu)中的光導(dǎo)通率，經(jīng)過可變增益放大器(PGA)402進(jìn)行放大后輸出，并通過AD采樣電路406對其進(jìn)行圖像重構(gòu)。2)對于所述像素陣列401中輸出的電信號判斷為飽和信號的像素結(jié)構(gòu)，所述復(fù)位電路發(fā)送復(fù)位信號使其電信號清零，所述處理模塊403向所述反饋控制模塊404輸出控制信號，所述反饋控制模塊404收到控制信號時(shí)，調(diào)整向該像素結(jié)構(gòu)輸出的控制電壓以降低其光導(dǎo)通率。若接收到的電信號仍然為飽和信號，則重復(fù)上述過程，直至所述處理模塊403接收到該像素結(jié)構(gòu)的電信號判定為非飽和信號為止。若最終判定為非飽和信號，則處理過程如情況I)所述，最終得出所有像素結(jié)構(gòu)的像素并獲得重構(gòu)的圖像。實(shí)施例3請參閱圖9 圖11，本實(shí)施例提供一種CMOS圖像傳感器，至少包括像素陣列501，由多個(gè)像素結(jié)構(gòu)排列組成，所述像素結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1，其中，所述第一、第二透明導(dǎo)電層分別連接有地線和一晶體管206，用于控制所述第一、第二透明導(dǎo)電層上的電壓，所述像素讀出電路為4T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路。行選擇模塊507及列選擇模塊508，均連接于所述像素陣列501，用于控制所述像素陣列501的掃描方向。可變增益放大器(PGA) 502，連接于所述像素陣列501，用于對所述像素陣列501輸出的電信號根據(jù)像素結(jié)構(gòu)中的光導(dǎo)通率來進(jìn)行放大并輸出。AD采樣電路506，連接于所述可變增益放大器502，用于將所述可變增益放大器502輸出的電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。處理模塊503，連接于所述可變增益放大器502，用于接收所述像素陣列501輸出的電信號，并判斷其是否為飽和信號，若是，則輸出控制信號，若否，則通過所述電信號并依據(jù)所述像素陣列501中各該像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率計(jì)算出入射光的光強(qiáng)，并控制所述可變增益放大器502的放大倍數(shù)以使放大后的電信號能夠如實(shí)反映該像素結(jié)構(gòu)的入射光強(qiáng)。反饋控制模塊504，連接于所述處理模塊503及所述像素陣列501，用于在接收到所述處理模塊503輸出的控制信號時(shí)，輸出控制電壓以控制所述像素陣列501中各該像素結(jié)的光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊503發(fā)送反饋信號以反饋所述像素陣列501中各該像素結(jié)的光導(dǎo)通率的信息。復(fù)位電路505，用于在所述處理模塊503對所述像素陣列501中的任一像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號判定為飽和信號時(shí)，復(fù)位所述像素陣列501中的所有像素結(jié)構(gòu)。具體地，所述行選擇模塊507或列選擇模塊508對所述像素陣列501發(fā)出掃描信號，使所述像素結(jié)構(gòu)像素讀出電路的選通晶體管選通，所述像素陣列501所有像素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電信號讀出至所述可變增益放大器，經(jīng)放大的電信號輸出至所述處理模塊，所述處理模塊503在收到所述電信號時(shí)，對其進(jìn)行判斷，情況有兩種I)對于所述像素陣列501中所有像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號均判定為非飽和信號時(shí)，可直接通過所述反饋控制模塊504反饋的信息和所接收到的電信號計(jì)算出各該像素結(jié)構(gòu)的入射光強(qiáng)，即實(shí)際的光強(qiáng)值，根據(jù)像素結(jié)構(gòu)中的光導(dǎo)通率，經(jīng)過可變增益放大器(PGA) 502對各該像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號進(jìn)行放大后輸出，并通過AD采樣電路506對各該像素結(jié)構(gòu)放大后的信號進(jìn)行圖像重構(gòu)。2)對于所述像素陣列501所有像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號進(jìn)行判斷，當(dāng)其中的一個(gè)或一個(gè)以上的像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號判斷為飽和信號時(shí)，所述復(fù)位電路發(fā)送復(fù)位信號使所述像素陣列501的所有像素結(jié)構(gòu)的電信號清零，所述處理模塊503向所述反饋控制模塊504輸出控制信號，所述反饋控制模塊504收到控制信號時(shí)，調(diào)整向各該判定為飽和信號的像素結(jié)構(gòu)輸出的控制電壓以降低其光導(dǎo)通率。若接收到的電信號仍然判定有飽和信號，則重復(fù)上述過程，直至所述處理模塊503接收到的所有電信號判斷為非飽和信號為止。若所有像素結(jié)構(gòu)均判定為非飽和信號時(shí)，處理過程如情況I)所述，最終得出所有像素結(jié)構(gòu)的像素并獲得重構(gòu)的圖像。實(shí)施例4請參閱圖12 圖14，本實(shí)施例提供一種CMOS圖像傳感器，至少包括
像素陣列601，由多個(gè)像素結(jié)構(gòu)排列組成，所述像素結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1，其中，所述第一、第二透明導(dǎo)電層分別連接有地線和一晶體管206，用于控制所述第一、第二透明導(dǎo)電層上的電壓。所述像素讀出電路為4T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路，所述4T型結(jié)構(gòu)的像素讀出電路中，所述像素讀出電路中的轉(zhuǎn)移晶體管柵極連接有一開關(guān)晶體管207，用于選擇特定的像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號輸出。行選擇模塊607及列選擇模塊608，均連接于所述像素陣列601，用于控制所述像素陣列501的掃描方向，并通過所述開關(guān)晶體管207選擇控制特定的一個(gè)或一個(gè)以上的像素結(jié)構(gòu)的點(diǎn)信號的轉(zhuǎn)移。AD采樣電路602，連接于所述像素陣列601，用于將所述像素陣列601輸出的電信
號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。處理模塊603，連接于所述AD采樣電路602及所述行、列選擇模塊607及608，用于接收所述AD采樣電路602輸出的信號，并判斷其是否為飽和信號，若是，則輸出控制信號，若否，則通過所述電信號并依據(jù)所述像素陣列601中特定像素結(jié)構(gòu)被判定為飽和信號的迭 代次數(shù)計(jì)算出入射光的光強(qiáng)。反饋控制模塊604，連接于所述處理模塊603及所述像素陣列601，用于在接收到所述處理模塊603輸出的控制信號時(shí)，輸出控制電壓以控制所述像素陣列601中特定像素結(jié)的光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊603發(fā)送反饋信號以反饋所述像素陣列601中特定像素結(jié)的控制電壓的信息。復(fù)位電路605，用于復(fù)位所述像素陣列601中除被選定的像素結(jié)構(gòu)以外的其它像
素結(jié)構(gòu)。具體地，所述行選擇模塊607或列選擇模塊608通過控制所述開關(guān)晶體管207及所述選通晶體管選擇特定的像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行電信號讀出，讀出的電信號經(jīng)過AD采樣電路602轉(zhuǎn)換后輸出至所述處理模塊，所述處理模塊603在收到所述電信號時(shí)，對其進(jìn)行判斷，情況有兩種1)對于所述像素陣列601選中的特定像素結(jié)構(gòu)對應(yīng)的信號判定為非飽和信號時(shí)，可直接通過所述反饋控制模塊604反饋的信息和所接收到的電信號計(jì)算出各該像素結(jié)構(gòu)的入射光強(qiáng)，即實(shí)際的光強(qiáng)值，并進(jìn)行圖像重構(gòu)；2)所述像素陣列601選中的特定像素結(jié)構(gòu)對應(yīng)的信號判定為飽和信號時(shí)，所述處理模塊603向所述反饋控制模塊604輸出控制信號，所述反饋控制模塊604收到控制信號時(shí)，調(diào)整向各該判定為飽和信號的像素結(jié)構(gòu)輸出的控制電壓以降低其光導(dǎo)通率。若接收到的信號仍然判定為飽和信號，則重復(fù)上述過程，直至所述處理模塊603接收到的信號判斷為非飽和信號為止。若選中的特定像素結(jié)構(gòu)對應(yīng)的信號判定為非飽和信號時(shí)，則根據(jù)在該特定像素結(jié)構(gòu)中控制電壓的迭代次數(shù)進(jìn)行圖像重構(gòu)。在此過程中，沒被選定的像素結(jié)構(gòu)保持復(fù)位狀態(tài)。如上所述，本發(fā)明的像素結(jié)構(gòu)在感光元件上制備第一偏振片，具有透明電極結(jié)構(gòu)的液晶層以及第二偏振片，通過控制所述透明電極的電壓可以改變之間的液晶排列方式，從而控制光偏振方向和導(dǎo)通率。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器包括像素結(jié)構(gòu)、處理模塊及反饋控制模塊，所述控制模塊接收所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號并進(jìn)行判斷，若為飽和信號時(shí)，輸出控制信號至反饋控制模塊，所述反饋控制模塊在接收到控制信號后向所述像素結(jié)構(gòu)輸出控制電壓以逐漸降低光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊反饋信息，直至所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號為非飽和信號時(shí)，所述處理模塊反饋信息和電信號計(jì)算出實(shí)際的光強(qiáng)值。本發(fā)明大大地提高了 CMOS圖像傳感器所能監(jiān)測的光強(qiáng)值，從而大大地提高了感光的動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明工藝簡單，實(shí)用性強(qiáng)，適用于工業(yè)生產(chǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少包括 感光結(jié)構(gòu)，包括 感光元件； 第一偏振片，結(jié)合于所述感光兀件表面，具有第一偏振方向； 液晶光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合于所述第一偏振片的第一透明導(dǎo)電層、結(jié)合于所述第一透明導(dǎo)電層的液晶層以及結(jié)合于所述液晶層的第二透明導(dǎo)電層，所述第一、第二透明導(dǎo)電層通過外部電壓信號控制所述液晶層的排列方向，以控制光的偏振方向； 第二偏振片，結(jié)合于所述液晶光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有第二偏振方向； 像素讀出電路，連接于所述感光元件，用于將所述感光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電信號進(jìn)行讀出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一偏振方向與第二偏振方向的相位差為0 90度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一偏振方向與第二偏振方向的相位差為90度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一偏振片、液晶層及第二偏振片共同控制像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一透明導(dǎo)電層及第二透明導(dǎo)電層的材料為氧化銦錫、銻摻雜氧化錫、氟摻雜氧化錫或鋁摻雜氧化鋅。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)，其特征在于所述液晶層為扭曲向列相液晶。
7.一種包含如權(quán)利要求I 6任一項(xiàng)所述的像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器,其特征在于，至少包括 像素結(jié)構(gòu)，用于控制光導(dǎo)通率并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸出； 處理模塊，連接于所述像素結(jié)構(gòu)，用于接收所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號，并判斷其是否為飽和信號，若是，則輸出控制信號，若否，則通過所述電信號并依據(jù)所述像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率計(jì)算出入射光的光強(qiáng)； 反饋控制模塊，連接于所述處理模塊及所述像素結(jié)構(gòu)，用于在接收到所述處理模塊輸出的控制信號時(shí)，輸出控制電壓以控制所述像素結(jié)的光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊發(fā)送反饋信號以反饋所述像素結(jié)的光導(dǎo)通率的信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述控制電壓分別施加于所述像素結(jié)構(gòu)的第一透明導(dǎo)電層和第二透明導(dǎo)電層，以控制所述像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS圖像傳感器，其特征在于所述處理模塊接收到的電信號判定為飽和信號時(shí)，所述反饋控制模塊向所述像素結(jié)構(gòu)輸出控制電壓以降低所述像素結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)通率，直至所述電信號判定為非飽和信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種CMOS圖像傳感器及其像素結(jié)構(gòu)，在感光元件上制備第一偏振片，具有透明電極結(jié)構(gòu)的液晶層以及第二偏振片，通過控制所述透明電極的電壓可以改變其間液晶材料排列方式，從而控制光偏振方向和導(dǎo)通率。本發(fā)明的CMOS圖像傳感器包括像素結(jié)構(gòu)、處理模塊及反饋控制模塊，控制模塊接收到電信號后進(jìn)行判斷，若為飽和信號，則輸出控制信號至反饋控制模塊，反饋控制模塊向所述像素結(jié)構(gòu)輸出控制電壓以逐漸降低光導(dǎo)通率，并向所述處理模塊反饋信息，直至所述像素結(jié)構(gòu)輸出的電信號為非飽和信號時(shí)，所述處理模塊反饋信息和電信號計(jì)算出實(shí)際的光強(qiáng)值。本發(fā)明大大地提高了CMOS圖像傳感器所能監(jiān)測的光強(qiáng)值，從而大大地提高了感光的動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號H04N5/374GK102647567SQ20121012884
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者方娜, 汪輝, 田犁, 苗田樂, 陳杰 申請人:上海中科高等研究院