控制像素陣列的方法及成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及圖像傳感器，且更明確地說(shuō)，本發(fā)明涉及高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像捕獲裝置包含圖像傳感器及成像透鏡。成像透鏡將光聚焦到圖像傳感器上以形成圖像，且圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)從圖像捕獲裝置輸出到主機(jī)電子系統(tǒng)的其它組件。舉例來(lái)說(shuō)，電子系統(tǒng)可為移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或醫(yī)療裝置。
[0003]由于像素單元變得越來(lái)越小，因此對(duì)用以在從低光狀態(tài)到亮光狀態(tài)變化的大范圍的照明狀態(tài)內(nèi)執(zhí)行的圖像傳感器的需求變得越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)。此性能能力通常稱為具有高動(dòng)態(tài)范圍成像(HDRI或替代地，僅HDR)。高動(dòng)態(tài)范圍成像是用于若干種應(yīng)用(例如，舉例來(lái)說(shuō)汽車及機(jī)器視覺(jué))的極合意特征。在常規(guī)圖像捕獲裝置中，像素單元需要多個(gè)連續(xù)曝光，使得圖像傳感器既曝光于低光水平又曝光于高光水平以實(shí)現(xiàn)HDR。傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器由于有限的阱容量及固定曝光時(shí)間而具有低動(dòng)態(tài)范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個(gè)方面中，本發(fā)明描述一種控制像素陣列的方法，其包括:借助第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)從所述像素陣列的行i的像素單元讀出圖像數(shù)據(jù)，所述第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)經(jīng)耦合以由包含于所述像素陣列的正被讀出的所述行的所述像素單元中的轉(zhuǎn)移晶體管接收；及當(dāng)從所述像素陣列的行i的所述像素單元讀出所述圖像數(shù)據(jù)時(shí)，借助第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)獨(dú)立地控制所述像素陣列的未被讀出的其它行中的像素單元的曝光時(shí)間，所述第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)經(jīng)耦合以由包含于所述像素陣列的未被讀出的所述其它行中的所述像素單元中的轉(zhuǎn)移晶體管接收。
[0005]在另一方面中，本發(fā)明描述一種成像系統(tǒng)，其包括:布置成行及列的像素單元的像素陣列，其中所述像素單元中的每一者包含:光電二極管，其適于響應(yīng)于入射光而積累圖像電荷；轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合于所述光電二極管與浮動(dòng)擴(kuò)散部之間以將所述光電二極管中所積累的所述圖像電荷選擇性地轉(zhuǎn)移到所述浮動(dòng)擴(kuò)散部；及選擇電路，其耦合到所述轉(zhuǎn)移晶體管的控制端子以在第一與第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)之間進(jìn)行選擇以控制所述轉(zhuǎn)移晶體管，其中所述第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)經(jīng)耦合以在其中包含所述轉(zhuǎn)移晶體管的行的讀出操作期間控制所述轉(zhuǎn)移晶體管，且其中所述第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)經(jīng)耦合以在與其中包含所述轉(zhuǎn)移晶體管的所述行不同的行的讀出操作期間控制所述轉(zhuǎn)移晶體管；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作，所述操作包含針對(duì)單個(gè)幀獨(dú)立地控制所述像素陣列中的所述像素單元中的每一者的曝光時(shí)間；及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從多個(gè)像素讀出圖像數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0006]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實(shí)施例，其中除非另有說(shuō)明，否則貫穿各個(gè)視圖，相似元件符號(hào)是指相似部件。
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明的教示的展示包含高動(dòng)態(tài)范圍讀出架構(gòu)的像素單元的電路的實(shí)例的電路圖。
[0008]圖2是根據(jù)本發(fā)明的教示的圖解說(shuō)明包含具有高動(dòng)態(tài)范圍讀出架構(gòu)的像素單元的像素陣列的實(shí)例成像系統(tǒng)的框圖。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的教示的圖解說(shuō)明經(jīng)執(zhí)行以控制且讀出來(lái)自包含具有高動(dòng)態(tài)范圍讀出架構(gòu)的像素單元的像素陣列的實(shí)例成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)的實(shí)例處理的流程圖。
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的教示的圖解說(shuō)明在包含具有高動(dòng)態(tài)范圍讀出架構(gòu)的像素單元的像素陣列的實(shí)例成像系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的實(shí)例信號(hào)的時(shí)序圖。
[0011]圖5是根據(jù)本發(fā)明的教示的展示包含高動(dòng)態(tài)范圍讀出架構(gòu)的色彩像素單元的電路的實(shí)例的電路圖。
[0012]貫穿圖式的幾個(gè)視圖，對(duì)應(yīng)參考字符指示對(duì)應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，各圖中的元件是為簡(jiǎn)單及清晰起見(jiàn)而圖解說(shuō)明的，且未必按比例繪制。舉例來(lái)說(shuō)，為幫助改進(jìn)對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的理解，各圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對(duì)于其它元件被夸大。此外，通常未描繪在商業(yè)上可行的實(shí)施例中有用或必需的常見(jiàn)而眾所周知的元件以便促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的這些各種實(shí)施例的較不受阻擋的觀看。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在以下說(shuō)明中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了，無(wú)需采用所述特定細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。在其它例子中，未詳細(xì)描述眾所周知的材料或方法以便避免使本發(fā)明模糊。
[0014]在本說(shuō)明書通篇中所提及的“一個(gè)實(shí)施例”、“一實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”意味著結(jié)合所述實(shí)施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說(shuō)明書通篇中的各個(gè)地方中出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在一實(shí)施例中”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”未必全部是指同一實(shí)施例或?qū)嵗?。此外，所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可在一或多個(gè)實(shí)施例或?qū)嵗幸匀魏芜m合組合及/或子組合而組合。特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含于集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述功能性的其它適合組件中。另外，應(yīng)了解，隨本文提供的各圖是出于向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員闡釋的目的且圖式未必按比例繪制。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例描述供在高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器中使用的圖像傳感器像素單元，所述HDR圖像傳感器包含用于控制曝光且從每一像素單元讀出HDR圖像數(shù)據(jù)的控制電路。如將展示，提供改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍性能的高度可編程及高效曝光控制及讀出架構(gòu)。在各種實(shí)例中，跨越像素陣列的每一個(gè)別像素單元的幀內(nèi)可編程曝光控制具備多位分辨率，此實(shí)現(xiàn)跨越像素陣列的每一像素單元的最優(yōu)操作。與已知的HDR成像解決方案相t匕，根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)別像素單元的個(gè)別幀內(nèi)曝光控制，此導(dǎo)致跨越像素陣列的經(jīng)改進(jìn)電荷積分。根據(jù)本發(fā)明的教示的此類曝光控制及讀出技術(shù)消除對(duì)像素單元行在讀出期間的多幀組合或下取樣的需要，根據(jù)本發(fā)明的教示，此導(dǎo)致高幀速率及高空間分辨率。
[0016]為圖解說(shuō)明，圖1是根據(jù)本發(fā)明的教示的展示包含高動(dòng)態(tài)范圍曝光控制及讀出架構(gòu)的像素單元101的實(shí)例的電路圖。如所展示，像素單元101包含適于響應(yīng)于入射光而積累圖像電荷的光電二極管103。在一個(gè)實(shí)例中，入射光可為經(jīng)由透鏡及/或過(guò)濾器聚焦到像素單兀上的光。轉(zhuǎn)移晶體管105稱合于光電二極管103與浮動(dòng)擴(kuò)散部107之間以將光電二極管103中所積累的圖像電荷選擇性地轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散部107。
[0017]如在所繪示的實(shí)例中所展示，根據(jù)本發(fā)明的教示，像素單元101還包含選擇電路117，所述選擇電路耦合到轉(zhuǎn)移晶體管105的控制端子以在第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl 125或第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX2 127之間進(jìn)行選擇以控制轉(zhuǎn)移晶體管105。在一個(gè)實(shí)例中，選擇電路117包含第一開(kāi)關(guān)SI 119及第二開(kāi)關(guān)S2 121，且一次使第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl 125或第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX2 127中的僅一者作用。在一個(gè)實(shí)例中，選擇電路117的開(kāi)關(guān)S2 121經(jīng)耦合以將第二轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX2 127提供到轉(zhuǎn)移晶體管105的控制端子以在其中包含轉(zhuǎn)移晶體管105的行的讀出操作期間控制轉(zhuǎn)移晶體管105。在所述實(shí)例中，選擇電路117的開(kāi)關(guān)SI119經(jīng)耦合以將第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TXl 125提供到轉(zhuǎn)移晶體管105的控制端子以在與其中包含轉(zhuǎn)移晶體管105的行不同的行的讀出操作期間控制轉(zhuǎn)移晶體管105。
[0018]因此，根據(jù)本發(fā)明的教示，當(dāng)正被讀出像素陣列的不同行時(shí)，第一轉(zhuǎn)移控制信號(hào)TX1125可用于獨(dú)立地控制像素單元101的曝光。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)別像素單元101的個(gè)別幀內(nèi)曝光控制，根據(jù)本發(fā)明的教示，此導(dǎo)致跨越整個(gè)像素陣列的經(jīng)改進(jìn)電荷積分。
[0019]繼續(xù)圖1中所繪示的實(shí)例，像素單元101進(jìn)一步包含復(fù)位晶體管109，所述復(fù)位晶體管耦合到浮動(dòng)擴(kuò)散部107以響應(yīng)于復(fù)位信號(hào)RST而將復(fù)位電壓VRS選擇性地