專利名稱：子范圍像素取樣和保持的制作方法
子范圍像素取樣和保持背景技術(shù)典型的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像裝置中的像素將光 生電荷存儲在單個保持電容器上。CMOS成像像素可存儲的電荷量 還被稱為像素的"阱容量"，其與保持電容器的電容或"大小"成 比例。然而，存在有使得選擇保持電容器的大小對于CMOS成像裝 置的開發(fā)者來說成為困難的設(shè)計決策的竟?fàn)幮?yīng)。 一方面，更大的 像素阱容量增加了像素的信噪比(S/N),因為更大的電荷容量增加 了像素的動態(tài)范圍，從而相對亍存儲的電壓減小了散粒噪聲的大小。 另一方面，更小的電容是優(yōu)選的，因為更小的阱容量增強(qiáng)了低照度 響應(yīng)，同時減少了讀出誤差(如KTC噪聲等)。


被結(jié)合并構(gòu)成該說明書一部分的

了與本發(fā)明原理相一致 的 一個或多個實(shí)施例，并且和描述部分一起解釋了這樣的實(shí)施例。 附圖不必按比例繪制，相反，重點(diǎn)在于說明本發(fā)明的原理。在附圖 中，圖1說明了依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的示范的成像系統(tǒng)；圖2是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的成像像素的示意圖；圖3是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的另一個成像像素的示意圖；圖4是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的又一個成像像素的示意圖；圖5是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的示范的處理過程300的流 程圖；圖6是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的另一個成像像素的示意 圖；圖7是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的另一個示范的處理過程500的流程圖；圖8是說明依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的另一個成像像素的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面的詳細(xì)描迷涉及附圖。相同的附圖標(biāo)記可用于不同的附圖以 識別相同或類似的元件。在下面的描述中，可陳述具體細(xì)節(jié)，如特 定的結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、接口、技術(shù)等，以便于提供對要求保護(hù)的發(fā) 明的各個方面的全面了解。然而，所提供的這樣的細(xì)節(jié)是出于解釋 目的因而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是對要求保護(hù)的發(fā)明的限制。利用本公開內(nèi)容， 對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，要求保護(hù)的發(fā)明的各個方 面可以在脫離這些具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)例中實(shí)現(xiàn)。此外，在某些例子 中，對公知的器件、電路和方法的描述被省略，以便不會以不必要 的細(xì)節(jié)混淆本發(fā)明的說明。圖1說明了依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的示范的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100 包括圖像傳感器102、聚光光學(xué)部件104、存儲器106、控制器108、 一個或多個輸7v/輸出(I/O)接口 110 (如通用同步總線(USB)接 口、并行端口、串行端口、電話端口、有線或無線網(wǎng)絡(luò)接口和/或其 它I/O接口 )、圖像處理器114、以及將器件102和106-110耦合在 一起用于圖像數(shù)據(jù)和/或控制數(shù)據(jù)交換的共享總線或其它通信通道 112。系統(tǒng)100還可包括耦合至1/0接口 110的無線接口的天線111 (如偶極天線、窄帶彎折線天線(MLA)、寬帶MLA、倒F天線、 平面倒F天線、郭柏天線、貼片天線等)。系統(tǒng)100可采取適合于依照本發(fā)明某些實(shí)施例的子范圍(sub-ranging) 像素取樣和保持的實(shí)施例的各種物理表現(xiàn)。 例如，系統(tǒng)100 可以在數(shù)字成像裝置(如數(shù)碼相機(jī)、拍照手機(jī)等)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。此外， 系統(tǒng)100的各種部件可以集成配置而不是作為分立的部件來實(shí)現(xiàn)。例如，陣列102、和/或存儲器106、和/或控制器108和/或接口 110 可以在一個或多個半導(dǎo)體器件和/或集成電路(IC)芯片內(nèi)(如芯片 組、片上系統(tǒng)(SOC)內(nèi)等)實(shí)現(xiàn)。另外，已經(jīng)將可能與系統(tǒng)100相 關(guān)聯(lián)但不是與要求保護(hù)的發(fā)明特別相關(guān)的各種部件(如音頻部件、 與顯示有關(guān)的裝置等)排除在圖l之外，以便不會混淆本發(fā)明。聚光光學(xué)部件104可以是能夠和/或適合于聚集光束并將該光束 提供給傳感器102的聚光光學(xué)元件的任何集合。盡管本領(lǐng)域的技術(shù) 人員將會意識到，光學(xué)部件104可包含各種光學(xué)部件和/或光學(xué)部件 的布置，但是光學(xué)部件104的特性不受限于本發(fā)明并且因此將不再 作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。存儲器106可以是能夠存^諸和/或保持包括顏色像素數(shù)據(jù)和/或部 件值的成像數(shù)據(jù)的任何器件和/或機(jī)構(gòu)，以此列舉若干實(shí)例。例如， 盡管本發(fā)明不受限于這一點(diǎn)，4旦是存儲器106可以是易失性存儲器 (如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM )、動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)) 或非易失性存儲器(如閃存)。在各種實(shí)施例中，控制器108可以是能夠操作成像數(shù)據(jù)以便實(shí)現(xiàn) 依照本發(fā)明某些實(shí)施例的子范圍像素取樣和保持過程的任何邏輯電 路和/或邏輯器件的集合。例如，控制器108可以是圖像控制器和/或 信號處理器。然而，本發(fā)明不受限于這一點(diǎn)并且控制器108可以在 通用處理器、微處理器、和/或微控制器中實(shí)現(xiàn)以此列舉若干其它實(shí) 例。另外，控制器108可包含單個器件(如微處理器或?qū)Ｓ肐C(ASIC)) 或者可包含多個器件。在一個實(shí)施例中，控制器108可能能夠執(zhí)行 支持子范圍像素取樣和保持過程的任何數(shù)量的任務(wù)。盡管本發(fā)明不 受限于這一點(diǎn)，但是這些任務(wù)可包括比如下載微碼、初始化和/或配 置寄存器、和/或中斷服務(wù)。控制器108可以耦合至天線111以使天 線111可將控制數(shù)據(jù)(如微碼)傳遞至控制器108，在此處控制數(shù)據(jù) 通過外部裝置被提供給系統(tǒng)100。正如下面將更詳細(xì)地描述的，控制
器108還可將控制信號提供給陣列102。圖像處理器114可以是適合于處理由陣列102和/或控制器108 提供的圖像數(shù)據(jù)的控制和/或處理邏輯電路的任何集合，以使圖像數(shù) 據(jù)以適當(dāng)?shù)母袷窖駻^丈置，以提供可耦合至系統(tǒng)100但是未在圖1中 示出的其它裝置(如顯示器或打印機(jī))使用。在一個實(shí)施例中，處 理器114可包含至少能夠處理陣列102的圖像數(shù)據(jù)輸出的顯示處理 器和/或控制器，以使其以適合于在監(jiān)視器或其它類型的顯示器(圖 中未示出)上顯示的形式祐j文置。例如，處理器114可能能夠內(nèi)插 由陣列102提供的圖像數(shù)據(jù)。在另一個實(shí)施例中，處理器114可包含至少能夠處理陣列102的 輸出的打印機(jī)處理器和或控制器，以使其以適合于在打印機(jī)或類似 的裝置(圖中未示出)上打印的形式祐J改置。例如，處理器114可 能能夠使陣列的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換。在又一個實(shí)施例中，處理 器114可包含至少能夠?qū)﹃嚵?02的輸出進(jìn)行多々某體處理的多媒體 處理器或控制器。例如，處理器114可能能夠使陣列102的圖像數(shù) 據(jù)與其它的圖像數(shù)據(jù)混合。圖2是說明依照本發(fā)明某些實(shí)施例的圖像傳感器陣列(如圖1的 陣列102)的像素200的示意圖。像素200包括光電二極管202、傳 輸門器件或晶體管204、取樣/保持復(fù)位晶體管206、緩沖晶體管208、 第一保持電容210、比較器212、"與"邏輯門214、反相器216、 全局復(fù)位晶體管218、脈沖時鐘晶體管220、脈沖電荷晶體管222、 累積晶體管224、第二保持電容或溢出保持電容228、 2位列地址總 線230、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 232和,234、以及行選器件233和235。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會意識到，為了清楚的緣故，與本發(fā)明不是特 別密切相關(guān)的成像傳感器像素(如行地址線等)的某些常規(guī)部件已 經(jīng)4支排除在圖2之外。為了進(jìn)一步有助于圖2以及后續(xù)圖形的討論， 像素200的部件202-210可以;故稱作共同構(gòu)成像素阱模塊234，而像 素200的部件212-228可以:故稱作共同構(gòu)成溢出才莫塊236。
依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，比較器212可以比較電容210上的電 壓和參考電壓，在此處參考電壓可對應(yīng)于電容210的預(yù)定的電荷或 電壓電平(即該電壓對應(yīng)于電容210的最大可接受動態(tài)范圍(MDR))。在時鐘脈沖源(CK)觸發(fā)器晶體管222的調(diào)制下，當(dāng) 電容210上的電壓或電荷達(dá)到和/或超過參考電壓MDR時，比較器212 可使第二保持電容器228充電而具有一些電荷(即由CK的持續(xù)時間 設(shè)置的單位電荷量)。依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，可以選擇參考電 壓MDR的值以基本上匹配在被選擇和/或達(dá)到飽和時將要在電容210 上發(fā)現(xiàn)的電壓或電荷。電容210和這里描述的其它電容可包含能夠存儲或累積電荷的任 何器件或結(jié)構(gòu)。因此，例如，電容210可包含在成像裝置(如成像IC) 中形成的薄膜電容器，盡管本發(fā)明不受限于這一點(diǎn)。此外，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員將會意識到，雖然器件210和類似的器件在這里被稱為"電容器"，但是本發(fā)明不受限以這一點(diǎn)并且器件210和類似的器 件可以是能夠存儲或累積電荷的任何器件或結(jié)構(gòu)。因此，例如，器存儲器件。依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，保持電容210可具有小的電容值(如 0.25毫微微法拉(fF))以減少讀出誤差和/或改進(jìn)像素200的低照 度成像特征。依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，當(dāng)比較器212觸發(fā)晶體管222 以使電容器228充電時，它還可經(jīng)由復(fù)位晶體管206通過^_電容210 復(fù)位和/或放電而將電荷送離保持電容210。以這種方式，依照本發(fā) 明，通過存儲來自比較器212的增量單位電荷，電容器228可充當(dāng) 電容210已經(jīng)達(dá)到其最大可接受動態(tài)范圍的次數(shù)的"計數(shù)器"。同 時，因為電荷被送離電容210，實(shí)際上增加了像素200的像素阱容量。圖3是說明依照本發(fā)明其他的實(shí)施例的圖像傳感器陣列(如圖1 的陣列102)的像素250的示意圖。雖然像素250包括以前就圖2的 像素200描述的許多器件，但是像素250實(shí)現(xiàn)了像素阱模塊252,其
不同于像素200的阱模塊234。尤其是，阱模塊252結(jié)合了分路或轉(zhuǎn) 儲電容器254和電荷轉(zhuǎn)儲器件256。正如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的，當(dāng)比較器212觸發(fā)晶體管222 以使電容器228充電時，它還可經(jīng)由復(fù)位晶體管206通過自電容210 分流或轉(zhuǎn)儲一些電荷至電容254而將電荷送離電容210。以這種方式， 依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，通過從保持電容210中移去一定量的電 荷，電容器228和254可充當(dāng)電容210已經(jīng)達(dá)到其最大可接受動態(tài) 范圍的次數(shù)的"計數(shù)器"同時還部分地使存儲在電容210上的電荷 放電或減少，從而在沒有使電容器210完全復(fù)位或放電的情況下有 效地考慮到像素250的更大的^象素阱容量。根據(jù)電荷轉(zhuǎn)儲(CD)控 制信號，電荷轉(zhuǎn)儲器件256允許電容器254上的電荷被送至地。圖4是說明依照本發(fā)明另外的實(shí)施例的圖像傳感器陣列(如圖1 的陣列102)的像素260的示意圖。雖然像素260包括以前就圖2-3 的像素200和250描述的許多器件，但是像素260實(shí)現(xiàn)了像素阱模 塊262和溢出模塊270,所述像素阱模塊262不同于像素200的阱模 塊234并且所述溢出模塊270不同于像素200的模塊236。具體來說， 響應(yīng)電荷增量控制信號(CI)，像素260經(jīng)由器件220將分路或轉(zhuǎn) 儲電容器254耦合至溢出保持電容器228。與在像素250中一樣，響 應(yīng)供給器件256的電荷轉(zhuǎn)儲信號(CD )可以使分路電容器254復(fù)位。正如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)討i侖的，當(dāng)比較器212 ^f皮觸發(fā)時，它可 用來經(jīng)由復(fù)位晶體管206通過/人電容210分流或轉(zhuǎn)儲一些電荷至電 容254而將電荷送離電容210。另外，響應(yīng)電荷增量(CI)控制信號， 可將電容254上的電荷送至溢出保持電容器228 。以這樣的 一種方式， 依照本發(fā)明，通過將電荷送離^f果持電容210，電容器254和228可充 當(dāng)電容210已經(jīng)達(dá)到其最大可接受動態(tài)范圍的次數(shù)的"計數(shù)器"同 時還部分地使存儲在電容210上的電荷放電或減少，從而在沒有使 電容器210完全復(fù)位或放電的情況下有效地考慮了像素260的更大 的像素阱容量。依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，電容264可具有基本上
比電容228更小的電荷存儲容量。圖5是說明依照本發(fā)明某些實(shí)施例的、用于實(shí)現(xiàn)子范圍像素取樣 和保持的過程300的流程圖。雖然，為了易于解釋，過程300以及 相關(guān)的過程可以就圖1的系統(tǒng)100和/或圖2-4的像素200、 250或260 進(jìn)行描述，但是本發(fā)明不受限于這一點(diǎn)并且通過依照本發(fā)明的適當(dāng) 的器件和/或器件組合支持和/或?qū)崿F(xiàn)的其他過程或方案也是可能的。過程300可以從對像素陣列施加全局復(fù)位開始[行為402]。在某 些實(shí)施例中，參考像素200，控制器108通過向門214提供全局復(fù)位 信號(GR)可初始化對像素200的全局復(fù)位。在纟皮提供了復(fù)位信號 GR時，復(fù)位晶體管206可將復(fù)^f立電位或電壓(VR)施加于電容210, 從而使笫一保持電容210置于和/或放電和/或復(fù)位至未曝光像素的電 壓特征。另外，全局復(fù)位信號GR可以通過反相器216被反轉(zhuǎn)并且被 反轉(zhuǎn)的GR信號被供給全局復(fù)位晶體管218,從而使第二保持電容器 228放電和/或復(fù)位至未曝光像素的電壓特征。在其他實(shí)施例中，參考像素250,控制器108通過向門214提供 全局復(fù)位信號(GR)可初始化全局復(fù)位。在被提供了復(fù)位信號GR 時，復(fù)位晶體管206可使第一〗呆持電容210和轉(zhuǎn)儲電容254置于和/ 或放電和/或復(fù)位至未曝光像素的電壓特征。另外，如上面的像素200 一樣，全局復(fù)位信號GR可以通過反相器216被反轉(zhuǎn)并且被反轉(zhuǎn)的GR 信號被供給全局復(fù)位晶體管218,從而使第二保持電容器228放電和 /或復(fù)位至未曝光像素的電壓特征。過程300可繼續(xù)啟動電荷的轉(zhuǎn)移[行為304]。依照本發(fā)明的某些 實(shí)施例，行為304可以通過使控制器108向像素200的晶體管204 提供電荷轉(zhuǎn)移信號來進(jìn)行，從而使第一保持電容210曝光于由光電 二極管202提供的任何光生電荷下。至于利用像素250或260的實(shí) 施例，不必采取行為304。過程300可繼續(xù)確定笫一^f果持電容器是否已經(jīng)達(dá)到參考電荷電平 [行為306]。對控制器108來說，這樣做的一種方式是為任一像素200、
250或260的比較器212提供參考電壓(如MDR)。當(dāng)?shù)谝槐３蛛?容210上的電壓(電荷)達(dá)到或超過這個預(yù)定的電壓電平時，可接 著觸發(fā)比較器212。如果行為306的確定是肯定的，換句話說，如果電容器上的電荷 已經(jīng)被確定達(dá)到或超過了參考電荷電平以使比較器212被觸發(fā)，則 過程300可繼續(xù)向第二保持電容器提供電荷[行為308]。在某些實(shí)施 例中，參考像素200,當(dāng)?shù)谝槐３蛛娙?10上的電荷已經(jīng)被確定達(dá)到 或超過了參考電荷電平，則在時鐘脈沖源(CK)的晶體管220的調(diào) 制下，比較器212可經(jīng)由晶體管220和222脈動少量電荷到第二保 持電容器228上。在調(diào)制比較器212的輸出的同時，時鐘脈沖源CK 還可以用來在執(zhí)行行為308-310的期間重置比較器212的輸出。因此， 依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，行為308可導(dǎo)致單位或少量電荷在第二 保持電容器228上的存儲，以表示第一保持電容210曾經(jīng)達(dá)到飽和 至少一次。在其他實(shí)施例中，參考像素250,當(dāng)?shù)谝槐３蛛娙?10上的電荷 已經(jīng)被確定達(dá)到或超過了參考電荷電平，則可通過使比較器212在 利用時鐘脈沖源CK的晶體管220的調(diào)制下經(jīng)由晶體管220和222脈 動少量電荷到第二保持電容器228上的來進(jìn)行行為308。在調(diào)制比較 器212的輸出的同時，時鐘脈沖源CK還可以用來在執(zhí)行行為308-310 的期間重置比較器212的輸出。另外，比較器212可經(jīng)由門214促 使晶體管206將一些電荷或電荷增量自電容210送至轉(zhuǎn)儲或分路電 容254。這樣，通過將電荷送至電容254，利用像素250所進(jìn)行的行 為308允許電容210上的電荷或電壓在未^皮復(fù)位時至少將凈皮減少。 另外， 一旦電容254已經(jīng)用來將電荷從電容210分流出去，就可以 根據(jù)供給晶體管256的CD信號使電容254復(fù)位或短路至接地。在另外的實(shí)施例中，參考像素260,當(dāng)?shù)谝槐３蛛娙?10上的電 荷已經(jīng)被確定達(dá)到或超過了參考電荷電平，則可通過使比較器212 經(jīng)由門214促使晶體管206將一些電荷或電荷增量自電容210送至
轉(zhuǎn)儲或分路電容254來進(jìn)行行為308。另外，響應(yīng)供給器件220的電 荷增量(CI)信號，可將分流至電容254的電荷轉(zhuǎn)移至溢出保持電 容228。這樣，通過將電荷送至電容254，利用像素260所進(jìn)行的行 為308允許電容210上的電荷或電壓在未^f皮復(fù)位時至少將邱皮減少。過程300還可包括從第一保持電容中移走電荷[行為310]。關(guān)于 像素200，結(jié)合行為308,比較器212還可通過利用局部復(fù)位信號對 門214加以脈沖從而促使復(fù)位晶體管206即刻將復(fù)位電位或電壓 (VR)施加于第一保持電容210。因此，依照本發(fā)明的某些實(shí)施例， 行為306-310的完成可導(dǎo)致第一保持電容210的復(fù)位以使在需要時第 一保持電容210可繼續(xù)累積光生電荷。關(guān)于像素250或像素260的實(shí)施例，在行為308期間^^I永沖到第 二保持電容器228上的電荷數(shù)量可取決于電容器254的電容值。因 此，在像素250和260的上下文中，行為310可導(dǎo)致某些但是并非 所有電荷自電容210被移走。過程300可繼續(xù)確定是否繼續(xù)曝光陣列[行為312]。在本發(fā)明的 一個實(shí)施例中，取決于預(yù)定的曝光持續(xù)時間，控制器108可繼續(xù)曝 光像素200。如果陣列的曝光將要繼續(xù)(即行為312的確定是肯定的)， 則可再次進(jìn)行行為306的確定。因此，如圖5所示，只要行為312 的確定是肯定的，則行為306-312的連續(xù)重復(fù)可發(fā)生。在使用像素200 的實(shí)施例中，行為308和310的每次重復(fù)可導(dǎo)致額外的單位電荷在 第二保持電容器228上的存儲以及第一保持電容210的復(fù)位。在使 用像素250和260的實(shí)施例中，行為308和310的每次重復(fù)可導(dǎo)致 額外的單位電荷在第二保持電容器228上的存儲以及某些電荷自第 一保持電容210移去。如果行為312的確定是否定的，換句話說，如果陣列的曝光將不 再繼續(xù)，則過程300可繼續(xù)禁止電荷的轉(zhuǎn)移[行為314]。在使用像素 200的實(shí)施例中，這樣做的一種方式是，在進(jìn)行行為312的過程中， 如果控制器108確定預(yù)定的曝光持續(xù)時間已經(jīng)滿足，則控制器可釋 放供給晶體管204的電荷轉(zhuǎn)移信號，從而使第一保持電容210與光 電二極管202隔離以使無明顯額外的光生電荷在第一保持電容210 上累積。在使用像素250和260的實(shí)施例中，行為314可通過用來 阻止二極管202曝光于額外光束中的全局快門機(jī)構(gòu)(圖中未示出) 來進(jìn)行。過程300可繼續(xù)從第一保持電容器中讀取信號[行為316]以及從 第二保持電容器中讀取信號[行為318]。依照像素200、 250或260的 任一實(shí)施例，行為316和318可以通過使控制器108向行選晶體管236 和238提供行選信號(RS)來進(jìn)行，從而將第一保持電容210和第 二保持電容器228的各自電壓電平提供給列地址總線230。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可能意識到的，在行為316中取樣的第一 保持電容210的模擬電壓電平可以被認(rèn)為是代表與在行為304-314期 間由像素200、 250或260經(jīng)歷過的照明相對應(yīng)的總電壓(電荷)的 最低有效位(LSB)。同樣地，在行為318中取樣的第二保持電容器 228的模擬電壓電平可以被認(rèn)為是代表與在行為304-314期間由像素 200、 250或260經(jīng)歷過的照明相對應(yīng)的總電壓(電荷)的最高有效 位(MSB)。當(dāng)來自電容器210和228的模擬電壓信號在行為316 和318中被收集或者被取樣時，這些信號可以通過ADC 234和232 由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以生成像素200的各自的數(shù)字輸出信號 MSB和LSB。圖6說明了依照本發(fā)明另一個實(shí)施例的另一個示范的像素400。 像素400包括耦合至像素阱;溪塊404的第一溢出才莫塊402和耦合至 第一溢出模塊402的第二溢出才莫塊406。在像素400的實(shí)施例中，像 素400的阱模塊404類似于圖2的阱模式234、圖3的模塊252、或 圖4的模塊262并且因此在圖4未詳細(xì)示出阱模塊404內(nèi)部的部件。 同樣地，像素400的溢出;f莫塊402和406可包括與#>素200或250 的溢出模塊236的部件相類似的部件。如果像素400的阱模塊404 與像素260的模塊262相似，則像素400的溢出沖莫塊402和406可 能同樣類似于像素260的溢出^t塊270。像素400還包括"與"門407、 行選晶體管408、 410和412，它們可以根據(jù)行選信號(RS)將各自 的模擬輸出信號LSB—out、 MSB—1和MSB—2提供給3位列地址總線 414。地址總線414又可結(jié)束于ADC 416-420。圖4的像素400的實(shí)施例不同于圖2-4的任一像素200、250或260 的實(shí)施例的一種方式是像素400的溢出模塊402可充當(dāng)阱模塊404 的溢出計數(shù)器而溢出模塊406可充當(dāng)溢出模塊402的溢出計數(shù)器。 換句話說，溢出模塊402可計算阱模塊404已經(jīng)溢出的次數(shù)而溢出 模塊406又可計算溢出模塊402已經(jīng)溢出的次數(shù)。因此，依照本發(fā) 明的某些實(shí)施例，像素400可結(jié)合溢出模塊402和406的級聯(lián)集合。 然而，本發(fā)明不限于特定數(shù)量的像素溢出模塊并且依照本發(fā)明可以 實(shí)現(xiàn)結(jié)合一個、兩個或兩個以上溢出模塊的其他像素結(jié)構(gòu)。圖7是說明依照要求保護(hù)的發(fā)明的實(shí)施例的、用于實(shí)現(xiàn)子范圍像 素取樣和保持的過程500的流程圖，其中利用了兩個溢出才莫塊。雖 然，為了易于解釋，過程500以及相關(guān)的過程可以就圖1的系統(tǒng)100 和/或圖4的像素400進(jìn)行描述，但是要求保護(hù)的發(fā)明不受限于這一或?qū)崿F(xiàn)的其他過程或方案也是可能的。過程500可以從對像素陣列施加全局復(fù)位開始[行為502]。在一 個實(shí)施例中，控制器108通過^^供全局復(fù)位信號(GR)可初始化對 陣列102的像素400的全局復(fù)位。在被提供了復(fù)位信號GR時，溢出 模塊402和406的電容器可以裙」故電和/或被設(shè)置和/或復(fù)位至基本上 不帶電荷的電容器的電壓特征。過程500可繼續(xù)啟動電荷的轉(zhuǎn)移[行為504]。行為504類似于上 述的行為304并且因此將不再詳細(xì)地進(jìn)行描述。過程500可繼續(xù)確 定阱模塊的保持電容器是否已經(jīng)達(dá)到參考電荷電平[行為506]。對控 制器108來說，這樣做的一種方式是為溢出^^莫塊402的比較器提供 參考電壓(如MDR(l))。當(dāng)阱404的保持電容器上的電壓(電
荷)達(dá)到或超過這個預(yù)定的電壓電平時，可接著觸發(fā)模塊402的比較器。如果行為506的確定是肯定的，換句話說，如果阱模塊404的保 持電容器上的電荷已經(jīng)被確定達(dá)到或超過了參考電荷電平，則過程 500可繼續(xù)向第一溢出才莫塊402的保持電容器提供電荷[行為508]并 且從阱模塊的保持電容器中移走電荷[行為510]。在本發(fā)明的某些實(shí) 施例中，當(dāng)阱模塊的電容器上的電荷已經(jīng)被確定達(dá)到或超過參考電 荷電平MDR (1)時，則溢出^t塊402的比較器可使少量電荷脈動 到模塊402的溢出保持電容器。因此，依照本發(fā)明的某些實(shí)施例， 行為506-510的完成可導(dǎo)致單位電荷在溢出模塊402的溢出保持電容 器上的存儲以表示阱404的保持電容器已達(dá)到飽和至少一次。在進(jìn)行行為508時，如果像素阱404與像素200的阱234相似， 模塊402還可通過向阱模塊404提供局部復(fù)位信號進(jìn)行行為510，以 使阱模塊404可即刻將復(fù)位電位或電壓施加于它的保持電容器。因 此，依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，行為506-510的完成還可導(dǎo)致阱模塊 的保持電容器的復(fù)位以使在需要時它可繼續(xù)累積光生電荷。在實(shí)現(xiàn) 與像素250的阱252或像素260的阱262相似的像素阱的像素阱404 的上下文中，行為508可導(dǎo)致存儲在阱404的保持電容器上的電荷 減少以使在需要時其可繼續(xù)累積光生電荷。過程500可繼續(xù)確定阱模塊402的溢出保持電容器是否已經(jīng)達(dá)到 參考電荷電平[行為512]。對控制器108來說，這樣做的一種方式是 為溢出模塊406的比較器提供參考電壓(如MDR (2 ))。當(dāng)模塊402 的第一溢出保持電容器上的電壓(電荷)已經(jīng)達(dá)到或超過這個預(yù)定 的電壓電平時，可接著觸發(fā)模塊406的比較器。在本發(fā)明的比如模 塊404與像素250的阱252相似的其他實(shí)施例中或者在才莫塊404與 阱262相似以及模塊402和406與像素260的模塊270相似的實(shí)施 例中以類似的方式進(jìn)行行為512。如果行為512的確定是肯定的，換句話說，如果溢出模塊402的
平，則過程500可繼續(xù)向第二溢出模塊的溢出保持電容器提供電荷[行為514]并且從第一溢出保持電容器中移走電荷[行為516]。在本發(fā)明 的某些實(shí)施例中，當(dāng)模塊402的第一溢出保持電容器上的電荷已經(jīng) 被確定達(dá)到或超過參考電荷電平MDR (2)時，則模塊406的比較 器可從該模塊的電流源至它的溢出保持電容器來脈動少量電荷。在進(jìn)行行為514時，比較器408還可通過向阱模塊404提供局部 復(fù)位信號進(jìn)行行為516，以使溢出模塊402可即刻將復(fù)位電位或電壓 施加于第一溢出保持電容器403。因此，依照本發(fā)明，行為512-514 的完成還可導(dǎo)致溢出模塊402的溢出保持電容器403復(fù)位，在需要 時它可繼續(xù)累積溢出事件。因此，依照本發(fā)明的某些實(shí)施例，行為 512-516的完成可導(dǎo)致溢出;^莫塊402的溢出保持電容器的復(fù)位和單位 電荷在模塊406的溢出保持電容器上的存儲以表示模塊402的溢出 保持電容器已達(dá)到飽和至少一次。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，在實(shí)現(xiàn)與像素250的阱252相似的像 素阱以及與像素250的模塊256相似的溢出模塊402/406的像素阱404 的上下文中，行為512-516的完成可導(dǎo)致存儲在溢出才莫塊402的溢出 保持電容器上的電荷減少以及電荷在模塊406的溢出保持電容器上 的存儲以表示溢出模塊402的溢出保持電容器已達(dá)到飽和至少一次。 如果像素阱404實(shí)現(xiàn)了與像素260的阱262相似的像素阱以及與像 素260的模塊270相似的溢出模塊402/406，則類似的結(jié)果獲得。過程500可繼續(xù)確定是否繼續(xù)曝光陣列[行為518]。在本發(fā)明的 一個實(shí)施例中，取決于預(yù)定的曝光持續(xù)時間，控制器108可繼續(xù)曝 光像素400。如果陣列的曝光將要繼續(xù)(即行為518的確定是肯定的)， 則可再次進(jìn)行行為506和512的確定。因此，如圖5所示，只要行 為518的確定是肯定的，則行為506-516的連續(xù)重復(fù)可發(fā)生。依照本 發(fā)明，行為508和510的每次重復(fù)可導(dǎo)致額外的電荷在溢出it塊402 的溢出保持電容器上的存儲，同時行為514和516的每次重復(fù)可導(dǎo) 致額外的電荷在溢出模塊406的溢出保持電容器上的存儲以及溢出 模塊402的溢出保持電容器的復(fù)位或部分放電。如果行為518的確定是否定的，換句話說，如果陣列的曝光將不 再繼續(xù)，則過程500可繼續(xù)禁止電荷的轉(zhuǎn)移[行為520]。這樣做的一 種方式是，在進(jìn)行行為518的過程中，如果控制器108確定預(yù)定的 曝光持續(xù)時間已經(jīng)滿足，如果模塊404實(shí)現(xiàn)了與像素200的像素阱234 相似的像素阱結(jié)構(gòu)，則控制器108可釋放供給阱模塊404的電荷轉(zhuǎn) 移信號，從而使阱404的保持電容器與阱的光電二極管隔離以使無 明顯額外的光生電荷在阱的保持電容器上累積。過程500可繼續(xù)從阱的保持電容器中讀取信號[行為522]和從第 一溢出模塊的溢出保持電容器中讀取信號[行為524]以及從從第二溢 出模塊的溢出保持電容器中讀取信號[行為526]。依照本發(fā)明的一個 實(shí)施例，行為522-526可以通過使控制器108向行選晶體管408-412 提供行選信號(RS )來進(jìn)行，/人而促使;溪塊402、 404和406將它們 各自的電壓電平提供給列地址總線414。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可能意識到的，在行為522中取樣的阱模 塊404的保持電容器的電壓電平可以被認(rèn)為是代表與在行為504-520 期間由像素400經(jīng)歷過的照明相對應(yīng)的總電壓的LSB (如LSB—out)。 同樣地，在行為524中取樣的第一溢出才莫塊402的溢出保持電容器 的電壓電平可以被認(rèn)為是代表與在行為504-520期間由像素400經(jīng)歷 過的照明相對應(yīng)的總電壓的MSB的LSB (如MSB_out (1))。同 樣地，在行為526中取樣的第二溢出才莫塊406的溢出保持電容器的 電壓電平可以被認(rèn)為是代表與在行為504-520期間由像素400經(jīng)歷過 的照明相對應(yīng)的總電壓的MSB的MSB (如MSB—out ( 2 ))。圖3和5中示出的行為不必以圖中所示的順序來實(shí)現(xiàn)，并非所有 的行為都有必要被實(shí)施。例如，行為310中的將電荷自第一保持電 容器中移走可以在行為308的將電荷提供給第二保持電容器之前、 期間和/或之后進(jìn)行。同樣，不取決于其他行為的這些行為可以與其 他行為同時被實(shí)施。例如，行為316-318以及行為522-526可以并行 進(jìn)行。此外，過程300和500的某些行為可以在硬件和/或固件和/或 軟件中實(shí)現(xiàn)或者利用硬件和/或固件和/或軟件來進(jìn)行。例如，使第一 保持電容器復(fù)位并且將單位電荷提供給第二保持電容器的過程300 中的行為(分別為行為310和308)可以利用硬件和/或固件來實(shí)現(xiàn)， 而其他行為(如確定是否繼續(xù)曝光陣列(行為312))可以在軟件中 實(shí)現(xiàn)。然而，本發(fā)明不受限于這一點(diǎn)并且表現(xiàn)為可在硬件和/固件中 實(shí)現(xiàn)，另一方面還可在軟件中實(shí)現(xiàn)。很顯然，過程300和/或500的 軟件和/或硬件和/或固件實(shí)施例的許多這種組合可以預(yù)計與本發(fā)明的 范圍和精神是一致的。另外，過程300和/或500的至少某些行為可 以作為指令或成組指令來實(shí)現(xiàn)或者在機(jī)器可讀介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)。另夕卜，本發(fā)明不限于特定數(shù)量的溢出模塊。例如，圖2的像素200 具有一個溢出模塊236,而圖4的像素400具有兩個溢出模塊402和 406。為了說明這一點(diǎn)，圖6示出了像素600，所述像素600結(jié)合了 耦合至N個溢出模塊604 ( 1 ) -604 (N)的級聯(lián)的像素阱模塊602。 才莫塊602和604 ( 1 ) -604 (N)可以通過各自的行選器件608和610 (1 ) -610 (N)耦合至N+l位列總線606?？偩€606可4^著結(jié)束于 N+l ADC 612。依照本發(fā)明，像素600的特定實(shí)施例可用于與過程300 和500類似的子范圍像素取樣和保持的過程，其中附帶的修改用來 說明在像素600中使用的溢出^f莫塊的數(shù)目N。前面的與本發(fā)明原理 一 致的 一 個或多個實(shí)施例的描述提供了說明 和描述，但是并不認(rèn)為是夯舉的或用來將本發(fā)明的范圍限制到所公 開的精確形式。按照上面的教導(dǎo)，修改和變更是可能的或者可以從 本發(fā)明的各種實(shí)施例的實(shí)踐當(dāng)中獲得。很顯然，許多實(shí)施例可用來 提供方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)與要求保護(hù)的發(fā)明 一致的子范圍像 素取樣和保持。除非本身被明確地描述，在本申請的描述中使用的元件、^亍為、 或指令不應(yīng)當(dāng)被看作是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所必需的或必不可少的。同樣，
正如這里所用到的，冠詞"a" M^定為包括一項或多項。另外，用來 描述本發(fā)明的實(shí)施例的某些術(shù)語(如"數(shù)據(jù)"和"值")在某些場 合可交替使用。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會意識到，在沒有偏離 本發(fā)明的范圍和精神的情況下，術(shù)語"電容器電壓"和"電容器電 荷"可交替使用。此外，當(dāng)在這里或在下面的權(quán)利要求中使用術(shù)語 如"耦合的"或"響應(yīng)的"時，這些術(shù)語的含義將被解釋為廣義的。 例如，短語"耦合至"在合乎使用該短語的上下文時可能指通過通 信方式、電學(xué)方式和/或操作地進(jìn)行耦合。在基本上沒有偏離本發(fā)明 的精神和原理的情況下，可以對上述的要求保護(hù)的發(fā)明的實(shí)施例進(jìn) 行變更和修改。所有這種修改和變更被認(rèn)為是包括在這里這個公開 內(nèi)容的范圍內(nèi)的并且由下面的權(quán)利要求來保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在成像像素的第一保持電容上累積電荷；以及響應(yīng)所述第一保持電容達(dá)到預(yù)定的電荷電平，在所述像素的第二保持電容上累積電荷。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)定的電荷電平對應(yīng)于 所述第 一保持電容上電荷的過栽。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括響應(yīng)所述第 一保持電容達(dá)到所述預(yù)定的電荷電平，使所述第 一保 持電容復(fù)位。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括響應(yīng)所述第一保持電容達(dá)到所述預(yù)定的電荷電平，從所述第 一保 持電容部分地移走電荷。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中從所述第一保持電容部分地 移走電荷的步驟包括將電荷送至分路電容。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中在所述像素的所述第二保持 電容上累積電荷的步驟包括將電荷從所述分路電容送至所述第二保 持電容。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括響應(yīng)所述第二保持電容達(dá)到另 一個預(yù)定的電荷電平，在所迷像素 的第三保持電容上累積電荷。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述另一個預(yù)定的電荷電平 對應(yīng)于所述第二保持電容上電荷的過載。
9. 一種設(shè)備，包括成像陣列的成像像素，所逸成像像素包括保持電容和至少一個能 夠響應(yīng)所述保持電容達(dá)到預(yù)定的電壓電平來累積電荷的第 一溢出保 持電容。
10. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述成像像素還包括至少能保持電容的電壓電平滿足或超過所述預(yù)定的電壓電平而在所述第一 溢出保持電容上累積電荷的邏輯。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)所述 保持電容的電壓電平滿足或超過所述預(yù)定的電壓電平而將電荷送離 所述保持電容。
12. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中將電荷送離所述保持電容 的步驟包括至少部分地使所述保持電容放電。
13. 如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中將電荷送離所述保持電容 的步驟包括將電荷送至分路電客。
14. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)控制 信號將電荷從所述分路電容移至所述第 一溢出保持電容。
15. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，還包括 第二溢出保持電容，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)所述第一溢出保持電容達(dá)到或超過預(yù)定 的電壓電平而在所述第二溢出保持電容上累積電荷。
16. 如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)所述所述第一溢出保持電容放電。
17. —種系統(tǒng)，包括圖像傳感器陣列，其中所迷陣列的成像像素包括保持電容和至少 一個第一溢出電容；以及控制器，用來向所述圖像傳感器陣列提供控制信號。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述成像像素還包括至少 能夠響應(yīng)所述保持電容累積預(yù)定量的電荷而將電荷置于所述第一溢 出電容上的邏輯。
19. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)所述保持電容累積所述預(yù)定量的電荷而將至少一些電荷送離所述保持電 容。
20. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括 第二溢出電容，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)所述第一溢出電容累積預(yù)定量的電荷而 將電荷置于所述第二溢出電容上。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述邏輯還能夠響應(yīng)所述 第一溢出電容累積所述預(yù)定量的電荷而將至少一些電荷送離所述第 一溢出電容。
22. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括天線，耦合至所述控制器，所述天線用來向所述控制器提供控 制數(shù)據(jù)。
23. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括處理器，耦合至所述成像裝置，所述處理器接收來自所述成像裝 置的圖像數(shù)據(jù)，所述處理器包括圖像處理器、顯示處理器、多媒體 處理器或打印機(jī)處理器中的一個。
全文摘要
公開了一種用于圖像傳感器的泄露和暗電流補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備、系統(tǒng)和方法。在一個實(shí)施例中，所公開的方法包括在成像像素的第一保持電容上累積電荷并且根據(jù)第一保持電容達(dá)到預(yù)定的電壓電平在該像素的第二保持電容上累積電荷。還公開了其他的實(shí)施例。
文檔編號H04N5/361GK101166241SQ20071008975
公開日2008年4月23日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者E·米利根, R·格倫 申請人:英特爾公司