專利名稱：寬動(dòng)態(tài)范圍的影像傳感器及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及成像裝置領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及具有改良動(dòng)態(tài) 范圍的成像裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
影像傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于很多領(lǐng)域。影像傳感器將接收影像轉(zhuǎn) 換為表示接收影像的代表信息。影像傳感器的例子包含固態(tài)影像傳感器， 例如電荷耦合裝置(CCD)及CMOS成像裝置(也稱為CMOS影像傳感 器)等等。
影像傳感器是由半導(dǎo)體材料制造并包含光檢測(cè)的成像陣列，即感光單 元(也稱為光檢測(cè)器)，其互連以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于照亮該裝置的影像的代表信 息(例如模擬信號(hào))。典型成像陣列包含若干光檢測(cè)器，安置成一圖案， 例如，包含有列與行的圖案。在成像陣列中的每一光檢測(cè)器接收一部份的 自 一物體反射并為影像傳感器所接收的光。每一部份稱為圖像單元并典型 稱為像素。每一像素提供代表為光檢測(cè)器所檢測(cè)的亮度;5L/或色度的輸出信 息。當(dāng)考慮光檢測(cè)器的圖案時(shí)，自像素輸出的信息構(gòu)成了對(duì)應(yīng)于入射于成 像陣列上的影像的代表信息。
例如，成像陣列的每一像素可以提供輸出信息，即輸出信號(hào)，其可以依據(jù)光電效應(yīng)，例如依據(jù)電荷的累積，即光電荷的累積，光電效應(yīng)對(duì)應(yīng)于 落在為對(duì)應(yīng)光檢測(cè)器的實(shí)體尺寸所定義的檢測(cè)面積上的輻射強(qiáng)度。來自每 一像素的光電荷被轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，其為代表自該物體個(gè)別部份反射并為
該影像傳感器所接收的亮度;sj或色度的電位代表值。所得的電荷信號(hào)或電 位為視訊/影像處理電路所讀取及處理，以建立該影像的信號(hào)代表值。 在影像傳感器陣列中，很難同時(shí)完成寬廣動(dòng)態(tài)范圍與低噪聲?，F(xiàn)今傾
向于在CMOS四晶體管(4T)技術(shù)中進(jìn)行小像素間距，這造成當(dāng)像素收 縮時(shí)的電荷容量的損失。這造成成像器只有56dB或更少的動(dòng)態(tài)范圍。此 低動(dòng)態(tài)范圍劣化了戶外影像的質(zhì)量，因?yàn)樵诟袘?yīng)光二極管中，沒有足夠的 范圍，以描述現(xiàn)場(chǎng)的亮與暗區(qū)。
傳統(tǒng)CMOS影像傳感器典型被建構(gòu)成光檢測(cè)器的成像陣列，在前一影 像被讀出后，每一光檢測(cè)器被重置至似近已知電位。然而，傳統(tǒng)CMOS影 像傳感器的效能有若干問題。例如，在每一曝光后及準(zhǔn)備下一影像后，傳 統(tǒng)CMOS影像傳感器會(huì)承受在每一像素中的光二極管重置至已知電位的 程序有關(guān)的噪聲。此噪聲也稱為重置噪聲或KTC噪聲，經(jīng)常為使用傳統(tǒng) CMOS影像傳感器的攝影系統(tǒng)中的噪聲的重要來源。重置噪聲成比例于 KTC的平方才艮，其中C為在典型主動(dòng)^f象素傳感器中的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)或光二極 管/源極跟隨器柵極組合的電容值。重置噪聲典型為30至40電子一個(gè)a。 降低感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電容值可以降低重置噪聲，但也造成可以收集的總電荷的 對(duì)應(yīng)降低，因此，也不期望地降低攝影系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)范圍。
再者，在影像傳感器中的傾向于小像素間距造成了額外的電荷容量損 失，進(jìn)一步降低動(dòng)態(tài)范圍。由于有限范圍的傳感器的光檢測(cè)器及其描述在 單一幀曝光的現(xiàn)場(chǎng)的亮與暗區(qū)的能力不足，低動(dòng)態(tài)范圍顯著地劣化影4象質(zhì) 量，特別是戶外的影像質(zhì)量。
在影像傳感器中增加動(dòng)態(tài)范圍的方法涉及分開取得短曝光及長(zhǎng)曝光， 每一儲(chǔ)存于個(gè)別幀緩沖器中的曝光中，短曝光適當(dāng)以捕捉現(xiàn)場(chǎng)的亮區(qū)，及 長(zhǎng)曝光則適用以捕捉現(xiàn)場(chǎng)的暗區(qū)。隨后，儲(chǔ)存在短曝光幀緩沖器中的影像 及儲(chǔ)存在長(zhǎng)曝光幀緩沖器中的影像可以被整合成單一影像具有改良的動(dòng)態(tài)范圍。然而，有關(guān)額外幀緩沖器造成的顯著增加的成本使得此方法對(duì)應(yīng)于 很多應(yīng)用而言并不實(shí)用。
三晶體管(3T)像素可以被建構(gòu)為大容量(例如15,000至35,000光 子或更多)，但25至35電子(轉(zhuǎn)換光子)的更高背景噪聲造成了最佳60dB 的動(dòng)態(tài)范圍。然而，相較于4T像素，在低光狀態(tài)時(shí)，背景噪聲愈高及3T 像素的暗電流愈大造成顯著的效能降低。
在更高成本系統(tǒng)中，例如保全應(yīng)用所應(yīng)用者，可以藉由收集多個(gè)全幀 影像及不同曝光，而組合很高動(dòng)態(tài)范圍的影像。這些輸出被儲(chǔ)存在全幀內(nèi) 存緩沖器中，并可以藉由軟件建立很高動(dòng)態(tài)范圍影像。然而，所取得的緩 沖器內(nèi)存成本可與影像傳感器的成^目比擬，此成本并不容易為例如手機(jī) 相機(jī)的低階消費(fèi)者應(yīng)用所承受。然而，在高階相機(jī)手機(jī)中，在整個(gè)效能上 的顯著改良可以藉由相機(jī)中的幀緩沖器的使用加以完成。
具有約2.25微米至2.8微米間距的四晶體管(4T )像素努力保有6,000 電子容量，同時(shí)，維持約10電子的背景噪聲。相較于3T技術(shù)，此低噪聲 背景噪聲及缺乏顯著暗信號(hào)噪聲造就低光效能時(shí)的三至四倍改良。然而， 完整動(dòng)態(tài)范圍保持在56dB，及對(duì)于較大像素相機(jī)而言，戶外影像是較差的。
因此，有需要低成本解決方案，其保有低光效能及小像素間距的小形 狀因素，但對(duì)戶外影像的動(dòng)態(tài)范圍有實(shí)質(zhì)(例如2x)改良。因此，在本技 術(shù)中，有需要符合成本效益的寬動(dòng)態(tài)范圍影像傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明有關(guān)于寬動(dòng)態(tài)范圍影像傳感器及其使用方法。在一個(gè)例示實(shí)施 例中，影像傳感器包含接近像素場(chǎng)(pixel site)的光檢測(cè)器，及接近該像 素場(chǎng)的光度計(jì)，所述光度計(jì);故配置為在幀曝光周期的第一積分周期結(jié)束時(shí)， 約計(jì)該光檢測(cè)器所取得的初始電荷。例如，該第一積分周期可以約為該幀 曝光周期的一半。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)光檢測(cè)器被設(shè)在該影像傳感器的 像素場(chǎng)，使得第一光檢測(cè)器、第二光檢測(cè)器、第三光檢測(cè)器以及第四光檢 測(cè)器呈拜爾圖案(Bayer pattern )。拜爾圖案是光檢測(cè)器的一種配置，在彼此相接近時(shí)，對(duì)亮度與色度具有變化的靈敏度。例如，矩形區(qū)域可以被 分成四象限， 一象限^^皮配置為感應(yīng)紅光檢測(cè)器、 一象限^皮配置為感應(yīng)藍(lán)光 檢測(cè)器、及兩(優(yōu)選地為對(duì)角)象限被配置為感應(yīng)綠光檢測(cè)器。
如果為該光檢測(cè)器在幀曝光周期的第一積分周期結(jié)束時(shí)，(例如，所 獲取的)約計(jì)初始電荷超出閾值時(shí)，重置電路重置該光檢測(cè)器。讀出電路 被配置為在幀曝光周期的第二積分周期結(jié)束時(shí)，檢測(cè)該光檢測(cè)器(所獲取 的電荷)最終曝光。如果光檢測(cè)器被重置，則讀出電路被配置為增加最后
曝光一預(yù)定因子，例如2倍，而調(diào)整該最后曝光。在一個(gè)實(shí)施例中，該光 度計(jì)包含接近該^象素場(chǎng)的補(bǔ)充光檢測(cè)器。該補(bǔ)充光檢測(cè)器也被配置為儲(chǔ)存 表示光檢測(cè)器已經(jīng)被重置的的信息。在另一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)由傳送晶體管 連接至該光檢測(cè)器的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)作為光度計(jì)。
如下所更詳細(xì)說明，被提供了新穎影像傳感器，其具有顯著的寬廣的 動(dòng)態(tài)范圍，得到更準(zhǔn)確的影像獲取操作，最后形成改良的最終影像質(zhì)量。 在學(xué)習(xí)隨附的實(shí)施方式與附圖之后，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將了解本發(fā)明的 其它特性與優(yōu)點(diǎn)。


圖1為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的例示影像傳感器電路；
圖2為一流程圖，用以依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例操作第1圖的影像傳感器電
路；
圖3為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的排列成拜爾圖案的例示像素場(chǎng)；及 圖4為依據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備的框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明旨在提供寬動(dòng)態(tài)范圍影像傳感器及其使用方法。以下說明包含 屬于本發(fā)明實(shí)施法的特定信息。本領(lǐng)域技術(shù)人員將得知本發(fā)明可以用與本 申請(qǐng)所特別說明的不同方式實(shí)施。再者，本發(fā)明的部份特定細(xì)節(jié)將不討論， 以免不當(dāng)?shù)叵拗票景l(fā)明。在本申請(qǐng)中未描述的的特定細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。
本申請(qǐng)的圖式與其詳細(xì)說明只例示本發(fā)明的實(shí)施例。為了簡(jiǎn)明起見， 使用本發(fā)明原理的其它實(shí)施例并未在本申請(qǐng)中詳細(xì)說明及在附圖中詳細(xì)顯 示。為了容易了解，附圖中的各種組件與尺寸并未依實(shí)際比例繪出。
依據(jù)本發(fā)明，攝影系統(tǒng)(例如CMOS攝影系統(tǒng))對(duì)于單一幀，可以在 兩積分時(shí)間內(nèi)捕捉影像。支持或積分像素處理鏈組合兩嵌入影像成為具有 完整動(dòng)態(tài)范圍的單一影像，該完整動(dòng)態(tài)范圍可以大約等于具有實(shí)際像素光 子容量?jī)杀兜南袼氐膭?dòng)態(tài)范圍。例如，典型具有6,000電子容量的4T像素 將呈現(xiàn)相當(dāng)于最大動(dòng)態(tài)范圍62dB的12,000電子容量的影像，提供了 6dB 的改良。
這種在動(dòng)態(tài)范圍的增加可以經(jīng)由共享像素的新穎像素及讀出方法加以 完成。影像信息是被使用共同感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的四像素所收集。在戶外曝光時(shí)， 對(duì)于比將被支持的像素容量長(zhǎng)的幀，選擇整體積分時(shí)間。沒有了額外動(dòng)作， 將只會(huì)造成在陰影內(nèi)的影像特性被正確地曝光，而在亮光(例如日光)中 的影像特性將被曝光過度。
在比最亮像素需要的曝光更少的曝光的部份時(shí)間到達(dá)容量后，執(zhí)行快 速讀取操作以檢查像素的曝光量。此快速讀取操作可以通過讀取額外像素 單元來執(zhí)行。額外像素單元可以是特別被制造為光度計(jì)的第四像素單元， 或者為展現(xiàn)感光特性的現(xiàn)有電路特性。優(yōu)選方法為讀取第五像素單元。
第五^f象素單元可以例如為傳統(tǒng)3T光檢測(cè)器，其與共享四^^素簇相關(guān)， 其中每一像素可以例如是4T像素。第五像素單元可以被讀取及重置。第 五像素單元可以是4艮小的3T像素，因?yàn)樗鼈儧]有限制或者有關(guān)于像素的 固定圖案噪聲的考慮。第五像素單元的光響應(yīng)量級(jí)可以通過4吏用光屏蔽加 以調(diào)整，以確保其不會(huì)過于敏感。3T第五像素單元在幀積分開始時(shí)被重置 至高電壓。在總積分時(shí)間的一部份(例如一半)完成后，第五像素單元被 讀取。此快速讀出可以藉由列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)比較器完成，及在每一 行中的每一像素與預(yù)定值比較。已經(jīng)被減少到低于預(yù)定值的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓 的像素已經(jīng)曝光至亮光并將變成過填充，并且如果積分被持續(xù)至完全擴(kuò)展的爆光時(shí)間(例如兩倍于正常曝光時(shí)間)時(shí)，則對(duì)最終影^JL用。當(dāng)對(duì)于 四個(gè)4T光二極管的共享像素簇，列ADC認(rèn)出在第五像素單元中的感應(yīng)節(jié) 點(diǎn)的衰竭狀態(tài)(d印leted condition,即曝露至亮光)，則邏輯閉鎖凈皮設(shè)入 列讀出電路。此衰竭狀態(tài)信號(hào)因此逐行被記錄。使用該列儲(chǔ)存的信息以在 重置感應(yīng)節(jié)點(diǎn)讀取操作后緊接著的該行中的每一衰竭像素。此重置事件的 記錄可以通過寫入或重置第五像素單元至一可識(shí)別值，例如很低電壓而儲(chǔ) 存在該像素中。
另一方法為輪詢或讀取該感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。此共享的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)凈皮曝光，其電 壓降至成比例于局部區(qū)域的光收集。當(dāng)局部像素變得過飽和時(shí)，感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 電壓將快速下降。在此讀取操作時(shí)，用于所有四個(gè)規(guī)則光檢測(cè)器的傳送柵 極保持閉合，并且只有保持在共同感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電荷被輪詢。此快速讀出為 列ADC比較器所完成，以及在每一行中的每一像素與預(yù)定值相比。感應(yīng) 節(jié)點(diǎn)電壓已經(jīng)降低到低于預(yù)定值的像素已經(jīng)被曝露至亮光并將變成過填 充，如果積分持續(xù)全曝光持續(xù)時(shí)間(例如兩倍于正常曝光持續(xù)時(shí)間)，則 對(duì)最終影像無用。當(dāng)列ADC認(rèn)出在亮光中的這些共享像素簇的感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 的衰竭狀態(tài)時(shí)，邏輯閉鎖被設(shè)定于列讀出電路。此衰竭狀態(tài)信號(hào)因此被逐 行記錄。使用該列儲(chǔ)存的信息，以在緊隨感應(yīng)節(jié)點(diǎn)讀取操作后的該行中， 重置每一衰竭像素。此重置事件的記錄可以儲(chǔ)存在能儲(chǔ)存狀態(tài)信息的單元 中，例如，通過寫入或重置第五^f象素單元至可認(rèn)出值，例如4艮低電壓或在 存儲(chǔ)單元中，儲(chǔ)存在該像素中。
像素將包含狀態(tài)信息儲(chǔ)存單元，例如第五像素單元或存儲(chǔ)單元，其可 以與影像傳感器一起整合或在一分開的存儲(chǔ)器裝置中。儲(chǔ)存狀態(tài)信息的單 元優(yōu)選地只有'l^在幀的全擴(kuò)展曝光時(shí)間流逝前的曝光點(diǎn);故重置或改變狀 態(tài)。當(dāng)最終影#^皮讀出，狀態(tài)信息儲(chǔ)存單元的狀態(tài)也被讀取。第五像素單 元為小的第三行^象素，其物理地與邏輯地相關(guān)于傳統(tǒng)像素(例如一傳統(tǒng)像 素或兩傳統(tǒng)像素)的每一拜爾圖案組。第五像素單元的狀態(tài)告訴像素處理 鏈，相關(guān)共享成Y象像素在中間曝光點(diǎn)被重置，表示這些值在最終影像表示 中被相應(yīng)地依比例(例如2x)定標(biāo))。(此狀態(tài)可以附加至"用于像素的位，，，作為在讀出時(shí)的列電路中的加入位。)第五像素單元為一簡(jiǎn)單二極 管儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)，當(dāng)相關(guān)四成4象像素被選擇用于中間時(shí)間的積分重新開始時(shí)， 其被重置為高(或低，簡(jiǎn)單的差分狀態(tài))。
在整個(gè)幀的積分時(shí)間結(jié)束時(shí)， 一種決定是否中間重置#:應(yīng)用的第二方 法再次輪詢共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。例如，通過決定共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)對(duì)亮度的反應(yīng)， 可以設(shè)定適當(dāng)閾值，用以比較共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)的輪詢，以決定是否應(yīng)用中間 重置。
第五像素單元的快速讀取在幀曝光完成前被使用以比較固定值。這是
通過列ADC法最佳且容易地完成。另外，使用列電路或列映射存儲(chǔ)器以 記住結(jié)果，并且使用根據(jù)光度計(jì)像素取樣的決定以指示哪些像素應(yīng)被重置， 以確保最大動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)，垂直掃描模塊也被采用以收納可變重置電壓 至每一組三4亍的供應(yīng)。附力口的吸4亍(dummy row)優(yōu)選地4iti^至系統(tǒng),以 維持才莫擬負(fù)載的平衡。此啞行被重置用于所有像素列地址，所述像素列地 址在同一重置操作中，并非在在用行中重置，以此保持模擬電路上的負(fù)載 恒定。
為光度計(jì)光檢測(cè)器所占用的面積量與為成像光檢測(cè)器所占用的面積量 的比例可以選擇，以使效能最佳化。當(dāng)愈多區(qū)域被貢獻(xiàn)于光度計(jì)光檢測(cè)器 時(shí)，光檢測(cè)器的數(shù)量增加，這也增加了粒度，來自光度計(jì)光檢測(cè)器的信息 可以用所述粒度被應(yīng)用至附近的成像光檢測(cè)器。當(dāng)愈少區(qū)域貢獻(xiàn)于光度計(jì) 光檢測(cè)器時(shí)，該區(qū)域的愈大比例為成像光檢測(cè)器所占用，這可以最小化圖 形失真。
參考圖1，顯示依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性CMOS影像傳感器電路 100,該電路包含像素場(chǎng)區(qū)102及光度計(jì)104。 CMOS影像傳感器電路100 可以布署在成像裝置中，以用于各種應(yīng)用。如下所述，CMOS影像傳感器 電路100被配置為獲取具有顯著改良動(dòng)態(tài)范圍的影像，并形顯著改良的影 像質(zhì)量。
在圖1中，CMOS影像傳感器電路100被配置為控制及讀取光檢測(cè)器， 例如像素場(chǎng)區(qū)102的光二極管122、 124、 126及128，但也可以使用其它類型的光檢測(cè)器。每一光二極管122、 124、 126及128與成像裝置的成像 陣列中的對(duì)應(yīng)像素相關(guān)聯(lián)。例如，圖3顯示劃分及排列成拜爾圖案的像素 場(chǎng)區(qū)302，其包含有綠像素單元區(qū)322及328、藍(lán)單元區(qū)324及紅單元區(qū) 326。圖3同時(shí)也顯示接近綠像素單元區(qū)322及328、藍(lán)單元區(qū)324及紅單 元區(qū)326的光度計(jì)區(qū)362。
在實(shí)施例中，圖1的像素場(chǎng)區(qū)102被如圖3的像素場(chǎng)區(qū)302般地配置， 光二極管122、 124、 126及128用以分別捕捉落在拜爾圖案302的像素單 元區(qū)322及328的影4象場(chǎng)景。同樣地，光二極管126可以用以捕捉落在《象 素單元區(qū)328的影像場(chǎng)景。如領(lǐng)域所公知的，各種解馬賽克算法可以用以 內(nèi)插一組用于每一像素單元區(qū)322、 324、 326及328的完全紅、綠及藍(lán)值。
此外，光二極管162也可以用作為第五光檢測(cè)器，以測(cè)量入射在光度 計(jì)區(qū)362上的光。因?yàn)楣舛扔?jì)區(qū)362的位置接近綠單元區(qū)322及328、藍(lán) 單元區(qū)324及紅單元區(qū)326，入射在光度計(jì)區(qū)362上的光也可表示入射在 綠單元區(qū)322及328、藍(lán)單元區(qū)324及紅單元區(qū)326的光。因此，光二極 管162可以用以控制綠單元區(qū)322及328、藍(lán)單元區(qū)324、及紅單元區(qū)326 的曝光。
光二極管122、 124、 126及128如圖1所示并且在此只對(duì)像素區(qū)102 作例示性說明，典型成像陣列包含大量的光二極管與像素。如圖1所示， 每一光二極管122、 124、 126及128連接到地140，并且通過各傳送晶體 管112、 114、 116及118連接到共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120。
如以下所詳述，重置晶體管106、源極跟隨晶體管108及選擇晶體管 110提供對(duì)CMOS影像傳感器電路100的控制與讀出。每一傳送晶體管 112、 114、 116及118、重置晶體管106、源極跟隨晶體管108及選擇晶體 管IIO可以例如包含N通道FET (NFET)。重置晶體管106的漏極在節(jié) 點(diǎn)134處連接至選擇晶體管110的漏極，并且重置晶體管106的源極在共 享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120處連接至源極跟隨晶體管108的柵極。源極跟隨晶體管108 的漏極連接至選擇晶體管110的源極，且源極跟隨晶體管108的源極在節(jié) 點(diǎn)136處耦合至電流源130與并經(jīng)由列總線138連接至取樣與保持電路180。
光度計(jì)104包含三晶體管(3T)像素配置，該配置包含補(bǔ)充光二極管 162，其它類型光二極管也可以用在本發(fā)明中。光度計(jì)1045包含光度計(jì)重 置晶體管166、光度計(jì)源極跟隨晶體管168及光度計(jì)選擇晶體管170，以提 供對(duì)光度計(jì)104的控制與讀出，下面將進(jìn)行詳細(xì)描述。每一光度計(jì)重置晶 體管166、光度計(jì)源極跟隨晶體管168與光度計(jì)選擇晶體管170可以例如 包含NFET。
光二極管162連接至地140且在感應(yīng)節(jié)點(diǎn)160處耦合至光度計(jì)源極跟 隨晶體管168的柵極。光度計(jì)重置晶體管166的源極也連接至感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 160，及光度計(jì)重置晶體管166的漏極也在節(jié)點(diǎn)134耦合至光度計(jì)源極跟隨 晶體管168的漏極。光度計(jì)選擇晶體管170的漏極連接至光度計(jì)源極跟隨 晶體管168的源極，并且光度計(jì)選擇晶體管170的源極在節(jié)點(diǎn)136上耦合 至電流源130。
控制器190提供對(duì)傳送晶體管112、 114、 116及118、重置晶體管106、 源極跟隨晶體管108、選擇晶體管110、光度計(jì)重置晶體管166、光度計(jì)源 極跟隨晶體管168及光度計(jì)選擇晶體管170的控制及計(jì)時(shí)信號(hào)。更明確地 說，單元高信號(hào)152供給至節(jié)點(diǎn)134,行重置信號(hào)150供給至重置晶體管 106的柵極、列重置使能信號(hào)151供給至列重置使能晶體管153的柵極、 行選擇信號(hào)154供給至選擇晶體管110的柵極、傳送信號(hào)1 ( Txfrl) 142 供給至傳送晶體管112的柵極、傳送信號(hào)2 (Txfr2) 144供給至傳送晶體 管114的柵極、傳送信號(hào)3 ( Txfr3 ) 146供給至傳送晶體管116的柵極、 傳送信號(hào)4 (Txfr4) 148供給至傳送晶體管118的柵極、計(jì)選擇信號(hào)172 供給至光度計(jì)選擇晶體管170的柵極，及計(jì)重置信號(hào)供給至光度計(jì)重置晶 體管166的柵極。
依據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例，控制器耦合至光檢測(cè)器與光度計(jì)。該控制器被 配置為使得在幀曝光周期的第一積分周期中，導(dǎo)致光檢測(cè)的初始曝光的估 計(jì)。該控制器進(jìn)一步配置以依據(jù)該評(píng)估，在該幀曝光周期的第二積分周期 前，導(dǎo)致光檢測(cè)器的初始曝光的選擇性修改。該控制器也^L配置以取決該
13選擇性修改，調(diào)整光檢測(cè)器的最終曝光。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，該選擇性修改包含重置該光檢測(cè)器。在至少一 個(gè)實(shí)施例中，選擇性修改的表示被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元中。在至少一個(gè)實(shí)施例 中，該光度計(jì)包含三晶體管光檢測(cè)電路。在至少一個(gè)實(shí)施例中，光度計(jì)包 含四晶體管光檢測(cè)電路。在至少一個(gè)實(shí)施例中，光度計(jì)包含經(jīng)由傳送晶體 管耦合至光檢測(cè)器的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，控制器被配置為在幀曝光周期的第二積分周期 中，導(dǎo)致光檢測(cè)器的第二曝光的第二估計(jì)。該控制器進(jìn)一步配置為依據(jù)該 第二評(píng)估，在幀曝光周期的第二積分周期前，導(dǎo)致該光檢測(cè)器的第二曝光 的第二選擇性修改。該控制器也被配置為依據(jù)該第二選擇性修改，調(diào)整光 檢測(cè)器的最終曝光。
現(xiàn)參考圖2,將參考流程圖200，說明例如圖1的CMOS影像傳感器 電路100的影像傳感器的操作方法。流程圖200顯示在幀曝光周期中獲取 圖1的CMOS影像傳感器電路100的像素場(chǎng)區(qū)102的影像的技術(shù)。本領(lǐng)域 技術(shù)人員公知的某些細(xì)節(jié)并未在圖2的流程圖200中說明。例如， 一步驟 可以由一或多個(gè)子步驟構(gòu)成。雖然示于流程圖200的步驟202至218足夠 描述本發(fā)明的實(shí)施例，但本發(fā)明的其它實(shí)施例也可以利用與流程圖200所 示不同的步驟。如上所述，典型成像陣列包含大量光二極管與像素，在流 程圖200所述的技術(shù)可以在典型的像素行中應(yīng)用以處理多個(gè)像素區(qū)。
在步驟202，例如接收來自用戶的開始影像捕捉的命令，并啟動(dòng)曝光 程序。在流程圖200的方法中，幀曝光周期^f皮分成第一積分周期與第二積 分周期。在另一個(gè)實(shí)施例中，也可以實(shí)施附加的積分周期，以提供更細(xì)粒 度與更寬的動(dòng)態(tài)范圍。在本例子中，第一積分周期大約為曝光周期的一半。 典型地，每一光二極管122、 124、 126及128及162在初始積分周期前， 被重置至已知電位(參考充電電位)。例如，光二極管122、 124、 126及 128通過使能重置晶體管106與每一傳送晶體管112、 114、 116及118加 以重置。同樣地，光二極管162通過激活光度計(jì)重置晶體管166加以重置。
在步驟204,在像素場(chǎng)區(qū)102為光二極管122、 124、 126及128所獲取的初始電荷在第一積分周期的結(jié)束進(jìn)行約計(jì)。因?yàn)?T像素光度計(jì)104 位于接近像素場(chǎng)區(qū)102處，所以，此初始電荷約計(jì)可以通過檢測(cè)在第一積 分周期結(jié)束時(shí)，光度計(jì)104的光二極管162所獲得的電荷進(jìn)行確定。在光 度計(jì)104中，光二極管162的電位可以通過供給計(jì)選擇172至光度計(jì)選擇 晶體管170的柵極及激活光度計(jì)選擇晶體管170，而被傳送至列總線138 以及取樣與保持電路180。
或者，因?yàn)樵诟袘?yīng)節(jié)點(diǎn)120與晶體管112、 114、 116及118間的界面 形成N-P結(jié)，有效地作為光二極管，并可用作光度計(jì)，所以初始電荷約計(jì) 也可以通過取樣在共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120的電位而加以決定。在此特定實(shí)施例 中，感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120用作光度計(jì)，且3T像素光度計(jì)104可以從CMOS影像 傳感器電路100省略。通過供給行選擇154至行選擇晶體管110的柵極并 且激活它以提供電壓/電流給源極跟隨晶體管108的漏極，共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn) 120處的電位可以被傳送至列總線138與取樣與保持電路180,從而使得晶 體管108可以用作源極跟隨器并可以傳送與晶體管108的柵極電壓成比例 的電壓，即在共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120的電壓，給列總線138。
從光度計(jì)傳送至列總線138的電荷被耦合至列總線138的取樣及保持 電路180進(jìn)行取樣及處理，以確定像素場(chǎng)區(qū)102的光二極管122、 124、 126 及128所獲取的近似初始電荷。因?yàn)橛靡约s計(jì)光二極管122、 124、 126及 128所獲取的初始電荷的光度計(jì)可以具有與光二極管122、 124、 126及128 的容量不同的光檢測(cè)器，所以，可能需要適當(dāng)調(diào)整、映射或定標(biāo)，以便于 正確地關(guān)聯(lián)從光度計(jì)讀取的光度計(jì)讀值與光二極管122、 124、 126及128 所取得的實(shí)際初始電荷。
在步驟206，確定在步驟204所確定的初始電荷是否超出閾值。此閾 值典型地在亮場(chǎng)景區(qū)域被超出。相反地，閾值典型地在場(chǎng)景的暗區(qū)不被超 出。例如，可以選擇閾值，除了對(duì)于重置光檢測(cè)器，在幀曝光周期中，使 得如果像素的光檢測(cè)器的容量超出，則在第一積分周期中，閣值^C^出。 在第一積分周期約為曝光周期一半的特定實(shí)施例中，閾值可以被設(shè)定至這 樣的值，該值對(duì)應(yīng)于在第一積分周期中確定影傳阜得時(shí)光二極管122、 124、126及128被衰竭的電荷容量的至少一半。例如,如果每一光二極管122、 124、 126及128具有10,000電子電荷容量，則閾值可以被二沒定至對(duì)應(yīng)約 5,000電子電荷值。在另一個(gè)實(shí)施例中，闊值可以被不同地設(shè)定為，例如對(duì) 應(yīng)于決定光二極管122、 124、 126及128已經(jīng)被消耗的電荷容量的至少三 分的一的值。在步驟206，如果初始電荷容量超出閾值，則每一光二極管 122、 124、 126及128在步驟208被重置。如果初始電荷容量未超出閾值， 則流程圖200跳過重置步驟208，由此正確地描述場(chǎng)景的暗區(qū)，并繼續(xù)到 步驟212。
在步驟208，光二極管122、 124、 126及128被重置。步驟208的重 置事件例如當(dāng)獲取場(chǎng)景的亮區(qū)時(shí)，提供對(duì)光二極管122、 124、 126及128 的過飽和程度的保護(hù)電平。因?yàn)樵诘湫陀跋駛鞲衅髦?，像素在完整的行?共同地重置，所以作為開關(guān)工作的列重置使能晶體管153可以設(shè)在行重置 信號(hào)150與重置晶體管106的柵極間，以在步驟208的重置事件中，選擇 地重置行的特定列。在某些實(shí)施例中，行重置事件被以成對(duì)的行執(zhí)行，即 一次兩行地執(zhí)行。在這些特定實(shí)施例中，對(duì)抗才莫擬裝置不平衡的保護(hù)可以 在步驟208的重置事件中，通過占位符或"啞，，行加以設(shè)置。不平衡可能 由于在兩行間的要重置的像素?cái)?shù)量的差異所造成。提供啞行作為占位符(要 重置)允許對(duì)稱的與平衡的兩行重置處理，而不管在兩行間的要重置的寸象 素量的差異。
在步驟210，記錄步驟208的重置事件。在使用3T像素光度計(jì)104的 圖l所示的實(shí)施例中，重置事件可以由光二極管162，例如通過將光二極 管162充電至清楚地表示重置事件的已知電壓進(jìn)行儲(chǔ)存。在感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120 作為光度計(jì)的實(shí)施例中，重置事件可以記錄在儲(chǔ)存鎖存器中。
在步驟212, 4象素場(chǎng)區(qū)102的光二極管122、 124、 126及128所獲取 的最終電荷在笫二積分周期結(jié)束時(shí)被確定。在曝光周期被分為兩積分周期 (第一與第二 )的例子中，第二積分周期的結(jié)束與幀曝光周期的結(jié)束重合。 在圖1所示的實(shí)施例中，此檢測(cè)可以通過激活行選擇晶體管110以及分別 通過串行地選擇傳送晶體管112、 114、 116及118而串行地傳送光二極管122、 124、 126及128所取得的電荷而執(zhí)行。光二極管122、 124、 126及 128所獲取的電荷以此被串行地傳送至共享感應(yīng)節(jié)點(diǎn)120及隨后沿著列總 線138處理。
在步驟214,確定是否光二極管122、 124、 126及128在步驟208重 置。如上所述，此重置事件^皮記錄在步驟210并典型地對(duì)于在場(chǎng)景的亮區(qū) 中的像素執(zhí)行。如果光二極管122、 124、 126及128被重置，則執(zhí)4亍步驟 216;否則，流程圖200持續(xù)至步驟218。
在步驟216，在步驟212所去定的最終電荷增加預(yù)定因子。例如，對(duì) 應(yīng)于最終容量的值可以加倍。在步驟218，曝光程序完成。
此在步驟216的最終電荷的增加考慮了步驟208的重置事件。有利地， 對(duì)于流程圖200所描述的技術(shù)避免了在場(chǎng)景的亮區(qū)中的光檢測(cè)器的過飽 和，同時(shí)，也維持了暗區(qū)的準(zhǔn)確的影像取得。有益地完成了光二極管122、 124、 126及128所獲取的光的更準(zhǔn)確測(cè)量，影像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍被有效 地加倍，而不需要高成本的額外的影傳覆沖器。
圖4為一框圖，顯示依據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例的裝置400。裝置400包含 光檢測(cè)器陣列415、列ADC電路及控制邏輯441、儲(chǔ)存鎖存器431、垂直 掃描儀電路411、"啞"行420、及用于"啞"行的垂直掃描儀421。光檢 測(cè)器陣列415包含4象素場(chǎng)，例如優(yōu)選地排列為圖3所示的拜爾圖案的4象素 場(chǎng)402。依據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例，像素場(chǎng)包含光度計(jì)。例如，像素場(chǎng)402被 所示包含光度計(jì)462。用于其它像素場(chǎng)的其它光度計(jì)例包含光度計(jì)463及 464。在光檢測(cè)器陣列415的每行中的單元在"啞，，行420中被復(fù)制。例如， 如果像素場(chǎng)402包含光度計(jì)462，則"啞"行420也將包含啞"光度計(jì)， 允許所有關(guān)于光檢測(cè)器陣列415所采用的動(dòng)作能夠?qū)τ趩?，，?20執(zhí)行。 依據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例，儲(chǔ)存鎖存器431可以用以儲(chǔ)存信息，所述信息表示 光檢測(cè)器是否受到如圖1及2所述方式進(jìn)行的中間重置。裝置400為可以 實(shí)施圖l及2所述的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例。
由以上的本發(fā)明例示實(shí)施例的說明，各種技術(shù)可以使用以實(shí)施本發(fā)明 的概念，而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。再者，雖然本發(fā)明已經(jīng)針對(duì)某些實(shí)施
17例加以描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，在形式及細(xì)節(jié)上的改變，將不 會(huì)脫離本發(fā)明的精神與范圍。所示實(shí)施例只是例示性非限制性。應(yīng)了解的 是，本發(fā)明并不限定于該特定例示實(shí)施例，也可以是4艮多重新安排、修改 及替換，這些均不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。
因此，本申請(qǐng)已描述寬動(dòng)態(tài)范圍影像傳感器及其使用方法。
權(quán)利要求
1. 一種影像傳感器電路，包含光檢測(cè)器，其接近像素場(chǎng)；光度計(jì)，其接近所述像素場(chǎng)，被配置為在幀曝光周期的第一積分周期結(jié)束時(shí)，約計(jì)所述光檢測(cè)器的初始曝光；重置電路，被配置為如果所述初始曝光超出閾值，則重置所述光檢測(cè)器；讀出電路，被配置為在所述幀曝光周期的第二積分周期結(jié)束時(shí)檢測(cè)所述光檢測(cè)器的最終曝光，所述讀出電路還被配置為如果所述光檢測(cè)器被重置，則調(diào)整所述最終曝光。
2. 如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述光度計(jì)包含接近所述像素場(chǎng)的 補(bǔ)充光檢測(cè)器。
3. 如權(quán)利要求2所述的電路，其中所述補(bǔ)充光檢測(cè)器被配置為儲(chǔ)存表 示所述光檢測(cè)器已經(jīng)被重置的信息。
4. 如權(quán)利要求l所述的電路，其中所述光度計(jì)包含經(jīng)由傳送晶體管耦 合至所述光檢測(cè)器的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。
5. 如權(quán)利要求l所述的電路，其中所述第一積分周期約為所述幀曝光 周期的一半。
6. 如權(quán)利要求l所述的電路，其中所述光檢測(cè)器包含多個(gè)光檢測(cè)器， 所述多個(gè)光檢測(cè)器包括第一光檢測(cè)器、第二光檢測(cè)器、笫三光檢測(cè)器及第 四光檢測(cè)器，其中所述第一、第二、第三及第四光檢測(cè)器被安排成拜爾圖 案。
7. —種裝置，包含光檢測(cè)器，其接近影像傳感器的像素場(chǎng)； 光度計(jì)，其接近所迷像素場(chǎng)；控制器，耦合至所述光檢測(cè)器與所述光度計(jì)，所述控制器被配置為在 幀曝光周期的第一積分周期時(shí)，導(dǎo)致所述光檢測(cè)器的初始曝光的估計(jì)，所述控制器還,皮配置為依據(jù)所述估計(jì)，在所述幀曝光周期的第二積分周期之 前，導(dǎo)致所述光檢測(cè)器的所述初始啄光的選擇性修改，所述控制器還被配 置為依據(jù)所述選擇性修改導(dǎo)致對(duì)所述光檢測(cè)器的最終曝光進(jìn)行調(diào)整。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述選擇性修改包含重置所述光檢 測(cè)器。
9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述選擇性修改的表示被儲(chǔ)存在存 儲(chǔ)單元中。
10. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述選擇性修改的表示被儲(chǔ)存在 所述光度計(jì)中。
11. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述控制器進(jìn)一步被配置為在所 述幀曝光周期的所述第二積分周期中，導(dǎo)致所述光檢測(cè)器的第二曝光的第 二估計(jì)，所述控制器還被配置為在所述幀曝光周期的第三積分周期前，依 據(jù)所述笫二估計(jì)，導(dǎo)致所述光檢測(cè)器的所述第二曝光的第二選擇性修改， 所述控制器還被配置為依據(jù)所述第二選擇性修改導(dǎo)致對(duì)所述光檢測(cè)器的所 述最終曝光進(jìn)行調(diào)整。
12. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述光度計(jì)包含三晶體管光檢測(cè) 電路。
13. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述光度計(jì)包含四晶體管光檢測(cè) 電路。
14. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述光度計(jì)包含經(jīng)由傳送晶體管 耦合至所述光檢測(cè)器的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。
15. —種方法，包含在幀曝光周期的第一積分周期結(jié)束時(shí)，約計(jì)影〗象傳感器的光檢測(cè)器的 初始曝光；如果所述初始曝光超出閾值，則重置所述光檢測(cè)器；在所述曝光周期的第二積分周期結(jié)束時(shí)，檢測(cè)所述光檢測(cè)器的最終曝光；如果所述光檢測(cè)器被重置，則調(diào)整所述最終曝光。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中約計(jì)所述初始曝光還包^取接 近所述光檢測(cè)器的補(bǔ)充光檢測(cè)器。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，還包含在所述補(bǔ)充光檢測(cè)器中儲(chǔ)存所 述光檢測(cè)器已被重置的表示。
18. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，約計(jì)所述初始曝光還包含讀取 經(jīng)由傳送晶體管耦合至所述光檢測(cè)器的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)。
19. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述第一積分周期約為所述幀 曝光周期的一半。
20. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述光檢測(cè)器包含多個(gè)光檢測(cè) 器，所述多個(gè)光檢測(cè)器包括第一光檢測(cè)器、第二光檢測(cè)器、第三光檢測(cè)器 及第四光檢測(cè)器，其中所述第一、第二、第三及第四光檢測(cè)器被安排成拜 爾圖案。
全文摘要
一種示例性的影像傳感器(100)，包含接近像素場(chǎng)(102)的光檢測(cè)器(122，124，126，128)和接近該像素場(chǎng)的光度計(jì)(104)，所述影像傳感器被配置為約計(jì)該光檢測(cè)器在幀曝光周期之第一積分周期結(jié)束時(shí)獲取的初始電荷。如果約計(jì)的該光檢測(cè)器所獲取的初始電荷超出閾值時(shí)，則重置電路(106)重置該光檢測(cè)器。讀出電路(108)在幀曝光周期之第二積分周期結(jié)束時(shí)，檢測(cè)該光檢測(cè)器獲取的最終電荷。如果光檢測(cè)器被重置，則讀取電路調(diào)整最終曝光以考慮在光檢測(cè)器被重置前的曝光。
文檔編號(hào)H04N5/378GK101438409SQ200780016334
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者R·A·曼 申請(qǐng)人:Ess技術(shù)公司