實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣的cmos圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】一種有源像素CMOS圖像傳感器實現(xiàn)了伴隨全局快門的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣(CDS)，其中，基本同時地重置圖像傳感器中所有的像素，圖像傳感器中所有的像素基本同時地并且以基本相同的持續(xù)時間對入射光進(jìn)行積分，并且在數(shù)字域中執(zhí)行相關(guān)雙采樣消除。在一個實施例中，該圖像傳感裝置包括光傳感元件陣列、定時和控制電路以及模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器。定時和控制電路用于重置陣列中的光傳感元件以及控制光傳感元件陣列對入射光進(jìn)行積分。從每個光傳感元件的對應(yīng)光相關(guān)像素值中消除像素重置值以產(chǎn)生相關(guān)雙采樣(CDS)校正數(shù)字輸出像素值。
【專利說明】實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣的CMOS圖像傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圖像傳感器系統(tǒng)，并且具體地涉及實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣的有源像素CMOS圖像傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字圖像捕獲設(shè)備使用圖像傳感器將入射光能量轉(zhuǎn)換成電信號。區(qū)域圖像傳感器包括被稱為像素的光傳感元件的二維陣列。陣列中的每個像素都與透鏡系統(tǒng)一起工作以對場景的局部區(qū)域內(nèi)的入射光做出響應(yīng)，并產(chǎn)生描述該場景的局部特征的電信號。來自光傳感元件的輸出被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并被數(shù)字地存儲，以形成表示該場景的原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)可以通過圖像處理器處理來產(chǎn)生呈現(xiàn)的數(shù)字圖像。
[0003]圖像傳感器的設(shè)計包括電荷耦合器件(CXD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器和數(shù)字像素系統(tǒng)(DPS)傳感器。CCD圖像傳感器在現(xiàn)代設(shè)計中不是優(yōu)選的，部分因為CCD典型地消耗較高水平的功率，并且要求相對復(fù)雜的模擬前端電路。CMOS圖像傳感器消耗較低水平的功率，并且包括提供數(shù)字輸出像素值的內(nèi)置模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器。DPS圖像傳感器使用CMOS工藝制造，其中電路設(shè)計提供對每個像素的曝光的單獨控制。因此，DPS傳感器可以被設(shè)計成提供高水平的動態(tài)范圍性能。另外，CMOS圖像傳感器在像素陣列的外部進(jìn)行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，典型地使用基于列的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換。另一方面，DPS圖像傳感器實現(xiàn)像素級別的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，其中，對每個像素或像素陣列中的一組像素提供模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，從而在每個像素處產(chǎn)生數(shù)字輸出像素值。
[0004]有源像素CMOS圖像傳感器被設(shè)計成包括在每個像素處的控制晶體管，用于控制光電檢測器中的光子積分，控制重置以及為像素提供轉(zhuǎn)換增益。有源像素CMOS圖像傳感器可以支持滾動快門或者全局快門模式或者這兩者。在滾動快門模式下，每一行像素都在比緊接在前面行的像素更晚的時間開始暴露于光或光積分。因此，當(dāng)場景中的物體正在移動時，滾動快門造成幾何失真。另一方面，在全局快門模式下，整個圖像傳感器中的所有像素同時開始和停止曝光或光積分，因此可以避免由于場景中的運動而引起的幾何失真問題。
[0005]相關(guān)雙采樣(⑶S)是一種使用每個像素的重置值以及附加重置的光相關(guān)值來消除圖像傳感器的像素響應(yīng)中的噪聲和非均勻性的方法。在下面的說明中，使用術(shù)語“光相關(guān)像素值”指代像素的“附加重置的光相關(guān)值”。使用CDS使得圖像傳感器能夠獲得更好的信號噪聲比性能。為了執(zhí)行⑶S，重置像素，并測量重置電壓值或?qū)?yīng)數(shù)字值，從而生成第一采樣值。然后使像素曝光預(yù)定量的時間，像素對入射光中的光子進(jìn)行積分以產(chǎn)生取決入射光級別的電壓值。測量光相關(guān)電壓值(包括重置電壓值)或?qū)?yīng)數(shù)字值，從而生成第二采樣值。在某些情況下，從第二采樣值中減去第一采樣值以產(chǎn)生像素位置的輸出像素值。在其他情況下，可以認(rèn)為重置值和光相關(guān)像素值是在將光電二極管的電壓表示作為時間函數(shù)的直線上的兩個點，其中可以基于沿直線的內(nèi)插(interpolat1n)或外插(extrapolat1n)來計算輸出像素值。在每種情況下，目標(biāo)都是計算輸出像素值，其中用重置值表示的像素值變化被消除?？梢允褂媚M或數(shù)字的方法來實現(xiàn)CDS，另外，可以將其設(shè)計成基于順序(例如，逐行)或基于全幀來工作。為了實現(xiàn)全幀數(shù)字CDS，需要存儲器為整個圖像傳感器至少存儲第一采樣值的陣列。
[0006]授予D’ Luna等人的美國專利5086344描述了一種使用模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器和三個存儲元件來執(zhí)行CCD圖像傳感器中的數(shù)字CDS的電路。該電路設(shè)計在本質(zhì)上是順序的，特別適應(yīng)于處理來自CXD圖像傳感器的像素輸出。
[0007]授予Sauer的美國專利6，320, 616描述了一種CMOS圖像傳感器中的執(zhí)行模擬⑶S的模擬電路。授予Gowda的美國專利6，115，066描述了針對使用滾動快門的CMOS傳感器的數(shù)字CDS。在定時和控制邏輯電路的控制下，在像素陣列中逐行地對每個像素的重置電壓和光相關(guān)電壓進(jìn)行采樣。對每列使用模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將重置和光相關(guān)電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，使得它們數(shù)字地相減。
[0008]圖1復(fù)制了授予Ewedemi等人的美國專利6，809, 666的圖1,并示出了被設(shè)計用于寬動態(tài)范圍應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)DPS圖像傳感器的框圖?！?66專利的DPS圖像傳感器使用多采樣(mult1-sampling)方法來實現(xiàn)寬動態(tài)范圍性能。也就是說,DPS圖像傳感器中的每個數(shù)字像素都記錄帶有時間戳的數(shù)字像素值，其中優(yōu)選地在像素達(dá)到飽和之前記錄數(shù)字像素值。因此，在場景快照內(nèi)，可以根據(jù)照射在DPS圖像傳感器該部分上的光強(qiáng)度，以不同的曝光時間或光積分時間來記錄每個數(shù)字像素值。對帶有單獨時間戳的整個傳感器陣列的數(shù)字像素值進(jìn)行外插或內(nèi)插來產(chǎn)生表示所捕獲的圖像的歸一化像素數(shù)據(jù)?！?66專利的DPS圖像傳感器實現(xiàn)了全幀數(shù)字⑶S。因此，DPS圖像傳感器包括幀緩沖存儲器，用于存儲單獨像素元件的重置值，使得可以執(zhí)行基于幀的數(shù)字CDS。雖然DPS圖像傳感器能夠提供良好的寬動態(tài)范圍性能，但是由于設(shè)計復(fù)雜性，與典型的CMOS傳感器相比，它們更加昂貴。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明一個實施例，一種圖像傳感器件包括光傳感元件的二維陣列，其中，每個光傳感元件包括光電二極管和多個控制晶體管。每個光電二極管產(chǎn)生指示照射在光電二極管上的光的強(qiáng)度級別的輸出信號，并且控制晶體管被配置為控制光傳感元件陣列的重置、電荷傳輸以及行選擇操作。圖像傳感器件還包括:定時和控制電路，被配置為產(chǎn)生所述陣列中的每個光傳感元件中的控制晶體管的控制信號，其中，所述控制信號控制所述光傳感元件陣列的重置、光積分、電荷傳輸和讀出操作；一個或者更多的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，被耦合到所述光傳感元件陣列的列并且被配置為對從所述光傳感元件陣列讀出的輸出信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字輸出像素值；以及存儲器，被配置為存儲數(shù)字輸出像素重置值的至少一個幀。在操作中，所述定時和控制電路用于基本同時地重置陣列中的光傳感元件，并且讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的像素重置值，所述像素重置值存儲在所述存儲器中；并且，所述定時和控制電路還用于控制所述光傳感元件陣列基本同時地并且以基本相同的持續(xù)時間對入射光進(jìn)行積分，并且讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的光相關(guān)像素值。另外，從陣列中的每個光傳感元件的對應(yīng)光相關(guān)像素值中消除像素重置值以產(chǎn)生相關(guān)雙采樣(CDS)校正數(shù)字輸出像素值。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種圖像傳感器件中的方法包括:提供光傳感元件的二維陣列，其中，每個光傳感元件包括光電二極管和多個控制晶體管，每個光電二極管產(chǎn)生指示照射在光電二極管上的光的強(qiáng)度級別的輸出信號，并且控制晶體管被配置為控制光傳感元件陣列的重置、電荷傳輸以及行選擇操作；基本同時地重置所述光傳感元件陣列；讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的像素重置值；存儲所述像素重置值；基本同時地并且以基本相同的持續(xù)時間對指示入射光的光傳感元件陣列的光電二極管處的電荷進(jìn)行積分；讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的光相關(guān)像素值；以及，從陣列中的每個光傳感元件的對應(yīng)光相關(guān)像素值中消除像素重置值以產(chǎn)生相關(guān)雙采樣(OTS)校正數(shù)字輸出像素值。
[0011 ] 通過考慮下面的詳細(xì)描述和附圖，將更好地理解本發(fā)明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1復(fù)制了授予Ewedemi等人的美國專利6，809, 666的圖1,并示出了現(xiàn)有技術(shù)DPS圖像傳感器的框圖。
[0013]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例實現(xiàn)全幀數(shù)字⑶S和全局快門的有源像素CMOS圖像傳感器。
[0014]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明替代實施例實現(xiàn)全幀數(shù)字⑶S和全局快門的有源像素CMOS圖像傳感器。
[0015]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的可以在圖2和圖3的CMOS圖像傳感器中使用的4晶體管(4T)有源像素單元的電路圖。
[0016]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于實現(xiàn)全幀數(shù)字CDS和全局快門的具有4T像素的CMOS傳感器的控制信號的時間圖。
[0017]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的可以在圖2和圖3的CMOS圖像傳感器中使用的5晶體管(5T)有源像素單元的電路圖。
[0018]圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于實現(xiàn)全幀數(shù)字CDS和全局快門的具有5T像素的CMOS傳感器的控制信號的時間圖。
[0019]圖8復(fù)制了給Kokubun的美國專利公布第US2003/01469937號的圖7，并示出了用于有源重置(active reset)光電二極管的電壓控制電路的示例。
[0020]圖9復(fù)制了美國專利7791664的圖1，并示出了使用受反饋控制的像素的有源重置的示例。

【具體實施方式】
[0021]根據(jù)本發(fā)明的原理，一種有源像素CMOS圖像傳感器實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣(OTS)。為了實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣，基本同時地重置圖像傳感器中的所有像素，圖像傳感器中的所有像素基本同時地并且以基本相同的持續(xù)時間對入射光進(jìn)行積分，并且在數(shù)字域中執(zhí)行相關(guān)雙采樣消除。在一個實施例中，圖像傳感器包括像素元件陣列以及定時和控制邏輯電路。圖像傳感器中的定時和控制邏輯電路控制所有像素元件的重置、曝光或光積分的開始和結(jié)束，使得對于所有像素，重置時段和曝光時段基本同時地并以基本相同的持續(xù)時間發(fā)生。所有像素的像素重置值和所有像素的光相關(guān)像素值通過像素陣列外部的一個或者更多的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。在數(shù)字域中從每個相應(yīng)像素的光相關(guān)像素值中減去像素重置值以產(chǎn)生每個像素的數(shù)字相關(guān)雙采樣(CDS)校正輸出像素值。以這種方式，從所捕獲的圖像數(shù)據(jù)中消除或去除像素陣列的非均勻性和噪聲。
[0022]在本發(fā)明的實施例中，CMOS圖像傳感器包括用于存儲像素重置值和/或光相關(guān)像素值的存儲器。該存儲器也被稱為“幀緩沖器”，其可以形成在與像素陣列相同的集成電路上。替代地，幀緩沖器或存儲器可以形成在與其上形成有像素陣列的集成電路分離的集成電路上。CMOS傳感器的像素元件陣列與存儲器的集成程度對本發(fā)明的實踐不是關(guān)鍵的。在一些實施例中，CDS控制和消除電路可以被包括在CMOS傳感器中，以控制CDS操作，并產(chǎn)生數(shù)字CDS校正輸出像素值。CDS控制和消除電路可以集成在與像素陣列相同的集成電路上，或者可以形成在單獨的集成電路上。
[0023]在本說明書中，術(shù)語“光相關(guān)像素值”將用于指代包括像素的重置值和光相關(guān)值的像素值。也就是說，“光相關(guān)像素值”是像素的“附加重置的光相關(guān)像素值”的簡稱。在本說明書中，術(shù)語“伴隨全局快門的全幀數(shù)字CDS”是指同時地重置圖像傳感器中的整個像素陣列以產(chǎn)生像素重置值，同時地并且以相同的曝光持續(xù)時間對整個像素陣列的入射光進(jìn)行積分以產(chǎn)生所有像素的光相關(guān)像素值，并且使用數(shù)字像素重置值和數(shù)字光相關(guān)像素值來執(zhí)行CDS消除。
[0024]在本說明書中，術(shù)語“曝光”和“光積分”是指光電檢測器或光電二極管對入射光中的光子進(jìn)行積分的動作?！捌毓鈺r段”或“曝光時間”不一定是指在光電檢測器暴露于光時的時間段。在某些情況下，諸如在使用電子快門時，像素陣列可以暴露于光但是尚未對光子進(jìn)行積分。在本說明書中，當(dāng)像素元件的光電檢測器對入射光中的光子進(jìn)行積分時，像素元件或像素陣列被說成是“暴露于光”或“對入射光進(jìn)行積分”。
[0025]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字⑶S的有源像素CMOS圖像傳感器。參照圖2，有源像素CMOS圖像傳感器200( “圖像傳感器200”)包括光傳感元件202 (也稱為“像素元件”)的二維陣列201。在本實施例中，像素元件202被布置為M(高度)乘N(寬度)個像素的矩形陣列。每個像素元件202包括光電二極管以及被連接成控制像素元件的重置、電荷傳輸和讀出操作的結(jié)構(gòu)的多個控制晶體管。在本發(fā)明的實施例中，可以使用現(xiàn)在已知的或?qū)㈤_發(fā)的具有重置、電荷傳輸和行選擇控制的任何有源像素架構(gòu)來配置像素元件。另外，可以使用各種像素單元設(shè)計來形成圖像傳感器，包括4晶體管或者5晶體管有源像素單元架構(gòu)。在Bigas等人的《Review of CMOS image sensors))(Microelectronics Journal, 2006年)中描述了示例性的有源像素架構(gòu)。
[0026]在本發(fā)明的實施例中，圖像傳感器200可以實現(xiàn)為單色圖像傳感器和彩色圖像傳感器。為了實現(xiàn)彩色圖像傳感器，將選擇性透射濾光器陣列重疊并且與每個像素元件配準(zhǔn)(registrat1n)。選擇性透射濾光器陣列至少包括:與第一組光電二極管相關(guān)聯(lián)的第一組濾光器，用于捕獲可見光的第一色彩頻譜；以及與第二組光電二極管相關(guān)聯(lián)的第二組濾光器，用于捕獲可見光的第二色彩頻譜。彩色圖像傳感器的結(jié)構(gòu)是公知的現(xiàn)有技術(shù)。在一些實施例中，用布置為拜耳模式(Bayer pattern)的多個單獨的RGB彩色濾光器覆蓋像素元件。在圖像處理流水線中使用去馬賽克算法以基于從彩色圖像傳感器獲得的像素數(shù)據(jù)產(chǎn)生彩色圖像。在其他實施例中，用CMY彩色濾光器或其他彩色濾光器模式(拜耳模式或者其他彩色濾光器配置)覆蓋像素元件。
[0027]圖像傳感器200還包括用于控制像素陣列201的重置、開始和停止光積分、電荷傳輸和讀出的定時和控制電路203。定時和控制電路提供控制信號204給像素陣列201的像素202中的控制晶體管。圖像傳感器200包括一個或者更多的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)電路205，用于使來自像素陣列201的像素電壓值數(shù)字化。在本實施例中，圖像傳感器200實現(xiàn)了基于列的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，其中，對像素陣列中的每列像素提供一個ADC。在其他實施例中，可以使用其他ADC配置。例如，可以將一個ADC電路耦合到像素陣列的多列。替代地，可以將像素陣列的每列耦合到多個ADC電路。對像素陣列的每列提供的ADC的數(shù)量以及ADC的配置與基于包括ADC的轉(zhuǎn)換速度、像素陣列的大小、像素陣列中信號的穩(wěn)定時間、像素的最小曝光時間以及其他因素的性能因素而做出的設(shè)計選擇有關(guān)。
[0028]將通過ADC電路205數(shù)字化的像素值提供給幀緩沖存儲器208以便存儲或者處理。幀緩沖存儲器208具有足夠的存儲容量來存儲至少一個完整幀的像素數(shù)據(jù)，即像素陣列201的所有MXN個像素中的像素數(shù)據(jù)。例如，可以將一個完整幀的像素重置值存儲在幀緩沖存儲器208中，并且可以將其讀出以用于CDS消除或者進(jìn)一步的處理。
[0029]在本實施例中，圖像傳感器200還包括⑶S控制和消除電路206。⑶S控制和消除電路206產(chǎn)生針對幀緩沖存儲器的控制信號以獲取存儲的像素值，并在像素陣列201進(jìn)行光積分之后執(zhí)行對光相關(guān)像素值中的像素重置值的消除，這將在下面更詳細(xì)地進(jìn)行說明。在本發(fā)明的實施例中，CDS消除步驟包括:減法步驟，其中，從對應(yīng)光相關(guān)像素值中減去像素重置值；或者，內(nèi)插或外插步驟，其中，使用像素重置值和光相關(guān)像素值作為在將光電二極管的電壓表示為時間函數(shù)的直線上的兩個點，從而內(nèi)插或外插所期望的CDS校正像素值。⑶S控制和消除電路206可以通過軟件或硬件來實現(xiàn)。⑶S控制和消除電路的示例包括數(shù)字消除電路、FPGA、ASIC、具有嵌入式軟件的處理器、運行在計算機(jī)上的軟件以及其他適合的數(shù)字計算部件。
[0030]根據(jù)這樣的配置，圖像傳感器200執(zhí)行伴隨全局快門的數(shù)字⑶S，其中，至少將像素陣列201的數(shù)字像素重置值存儲在幀緩沖存儲器208中。然后，所存儲的重置值可以用于消除光相關(guān)像素值中的噪聲分量。在一個實施例中，在像素元件202的重置操作之后的像素的數(shù)字重置值被存儲在幀緩沖存儲器208中。然后，當(dāng)在預(yù)定的光積分時間之后產(chǎn)生光相關(guān)像素值時，CDS控制和消除電路206進(jìn)行操作以從幀緩沖存儲器208中獲取對應(yīng)重置值，并且對數(shù)字域中的每個像素執(zhí)行光相關(guān)像素值與重置值之間的消除計算，從而為每個像素產(chǎn)生CDS校正數(shù)字輸出像素值。在一個實施例中，CDS校正數(shù)字輸出像素值被存儲回到幀緩沖存儲器208中以便在以后讀出。在另外的實施例中，CDS校正數(shù)字輸出像素值被發(fā)送給圖像傳感器200的輸出，而不被存儲回到幀緩沖存儲器208中。當(dāng)在幀緩沖存儲器208中存儲CDS校正數(shù)字輸出像素值時，所存儲的數(shù)據(jù)可以用于其他圖像處理功能，諸如多幀處理。多幀處理的示例包括運動估計、時間噪聲濾波、圖像穩(wěn)定化、高分辨率多幀圖像重構(gòu)以及其他的技術(shù)。
[0031]在本發(fā)明的實施例中，可以將包括幀緩沖存儲器208和⑶S控制和消除電路206的圖像傳感器200形成為單片集成電路。當(dāng)像素陣列201和存儲器208都形成在同一集成電路上時，可以避免數(shù)據(jù)傳送瓶頸，并且圖像傳感器200能夠以高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作。在本發(fā)明的其他實施例中，將包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器205的圖像傳感器200形成在與幀緩沖存儲器208分離的集成電路上。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的實現(xiàn)全幀數(shù)字CDS和全局快門的有源像素CMOS圖像傳感器。在圖3所示的實施例中，圖像傳感器250包括第一集成電路260，其具有形成于其上的像素陣列201、定時和控制電路203以及一組ADC電路205。圖像傳感器250還包括第二集成電路270，其具有形成于其上的幀緩沖存儲器208以及CDS控制和消除電路206。數(shù)字像素重置值和數(shù)字光相關(guān)值經(jīng)由數(shù)字接口從像素陣列集成電路250的ADC電路205傳送到存儲器集成電路270以便存儲和處理。
[0032]圖2示出了形成在單個集成電路上的圖像傳感器200，而圖3示出了使用兩個單獨的集成電路形成的圖像傳感器250。圖像傳感器的集成程度對本發(fā)明的實踐不是關(guān)鍵的。圖2所示的單片圖像傳感器和圖3所示的雙集成電路圖像傳感器僅僅是說明性的，而不是限制性的。本發(fā)明的圖像傳感器可以使用一個或者更多的集成電路來形成。
[0033]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的可以在圖2和圖3的CMOS圖像傳感器中使用的4晶體管(4T)有源像素單元的電路圖。參照圖4，實現(xiàn)4T有源像素設(shè)計的像素元件310包括光電二極管(PD)和四個控制晶體管Ml至M4。在本實施例中，控制晶體管Ml至M4是NMOS晶體管，并且協(xié)同操作以控制像素元件的重置、電荷傳輸和行選擇操作。更具體地，晶體管Ml是由重置信號(RST)控制的重置晶體管，并且用于在重置信號被置位(assert)時重置光電二極管H)。晶體管M2是由行選擇信號(RS)控制的行選擇晶體管，并且用于控制從浮置擴(kuò)散區(qū)(floating diffus1n)FD(節(jié)點314)讀出像素值到輸出電壓節(jié)點312。晶體管M3是由傳輸信號(TG)控制的傳輸門晶體管，并且用于在傳輸信號被置位時將光電二極管PD上的電荷傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)(節(jié)點314)。最后，晶體管M4由浮置擴(kuò)散區(qū)FD(節(jié)點314)選通以傳感從光電二極管H)傳輸?shù)碾姾?，并且將輸出信號從浮置擴(kuò)散區(qū)傳遞給行選擇晶體管M2。
[0034]在4T有源像素元件310中，當(dāng)重置信號RST和傳輸門信號TG被設(shè)置為邏輯高電平時，光電二極管H)被重置成根據(jù)其銷電壓(pinning voltage)確定的電平，銷電壓取決于制造技術(shù)，典型地在0.8至1.5伏特的范圍內(nèi)。典型地，銷電壓高于接近零伏特的低電壓值。取決于電路技術(shù)和實現(xiàn)方式，也可以使用其他電壓值作為重置電壓值。當(dāng)信號TG變低并且傳輸門晶體管M3截止時，光電二極管H)從電路的其余部分隔離，光電二極管處于可用于對入射光中的光子進(jìn)行積分的狀態(tài)，亦即響應(yīng)于入射光對光電二極管充電。同時，可以從像素元件讀出在浮置擴(kuò)散區(qū)FD節(jié)點314上呈現(xiàn)的重置電壓值。為了讀出重置電壓值，重置信號RST被切換成低的，并且重置晶體管Ml截止；同時，行選擇信號RS被切換成高的，并且行選擇晶體管M2導(dǎo)通，以通過晶體管M4將浮置擴(kuò)散區(qū)FD處的重置電壓連接到輸出電壓節(jié)點312作為輸出像素電壓Vout。輸出像素電壓Vout連接到在像素陣列外部形成的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)(未示出)以對傳感的電壓值數(shù)字化。ADC將輸出像素電壓Vout轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，得到像素元件的數(shù)字像素重置值。
[0035]在光積分結(jié)束時，可以讀取光電二極管處的電荷。為了做到這一點，使傳輸門信號TG變高(導(dǎo)通)以置位傳輸門晶體管M3，從而將電荷從光電二極管H)傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)FD。當(dāng)傳輸了電荷之后，信號TG變低以截止傳輸門晶體管M3，以便將浮置擴(kuò)散區(qū)從光電二極管隔離?？梢酝ㄟ^將行選擇信號RS設(shè)置成高的以導(dǎo)通行選擇晶體管M2來進(jìn)行光相關(guān)像素電壓的讀出。通過ADC(未示出)轉(zhuǎn)換像素電壓值以生成光相關(guān)像素值。如上所述，在實現(xiàn)⑶S時，則可以從光相關(guān)像素值中消除先前記錄的像素重置值，以產(chǎn)生沒有由于陣列中像素元件的非均勻性而引起的噪聲或誤差的校正數(shù)字輸出像素值。
[0036]為了支持伴隨全局快門的全幀數(shù)字⑶S，必須基本同時地重置所有的像素，并且所有的像素必須基本同時地開始光積分并且基本同時地完成光積分。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字CDS的具有4T像素的CMOS傳感器的控制信號的時間圖。參照圖5，在時間Tl，傳輸門信號TG和重置信號RST這兩者對像素陣列中的所有像素元件都變高。因此，所有像素元件的傳輸門晶體管M3和重置晶體管Ml被導(dǎo)通。因為傳輸門信號TG和重置信號RST是施加到像素陣列中的所有像素的全局信號，所以圖像傳感器中的所有像素基本同時地被重置。因為傳輸門信號TG和重置信號RST是提供給所有像素的全局信號，所以信號可以耦合到圖像傳感器中的中繼器電路以增加信號強(qiáng)度并且確保信號轉(zhuǎn)變基本同時地到達(dá)每個像素的控制晶體管，從而支持全局快門。
[0037]在時間T2，傳輸門信號TG轉(zhuǎn)變?yōu)榈停越刂顾邢袼氐膫鬏旈T晶體管M3。重置信號RST在T2之后的短時間內(nèi)也轉(zhuǎn)變?yōu)榈鸵越刂怪刂镁w管Ml。時間T2是傳感器中所有像素的曝光時間或光積分時間的開始，其中響應(yīng)于入射光對所有像素中的光電二極管充電。在時間T5，傳輸門信號TG再次變高以導(dǎo)通傳輸門晶體管M3，使電荷從光電二極管(節(jié)點318)傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)(節(jié)點314)。當(dāng)電荷傳輸完成時，傳輸門信號TG在時間T6變低，以切斷傳輸門晶體管M3。因此，T2和T6之間的持續(xù)時間是傳感器中所有像素的曝光時間或光積分時間。
[0038]當(dāng)像素對入射光積分時，定時和控制電路進(jìn)行操作以使得能夠讀出根據(jù)重置操作存儲在浮置擴(kuò)散區(qū)的重置電壓值。在時間T3開始，像素的第一行的行選擇信號RSl變高以連接像素陣列的第一行中的像素的重置電壓值和連接到像素列的ADC電路。重置電壓值通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，從而得到傳感器的第一行的數(shù)字像素重置值。在讀出第一行之后，定時和控制電路將像素的第二行的行選擇信號RS2設(shè)置為高電平，使得能夠讀出第二行的像素重置電壓值并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。在時間T3和T4之間，圖像傳感器以類似方式逐行地進(jìn)行操作，直至讀出像素陣列中的所有像素的重置電壓值為止。
[0039]然后，在圖像傳感器中的像素的曝光時段(時間T2到T6)完成之后，以及在曝光時間T6結(jié)束時表示入射光的電荷已經(jīng)傳輸至浮置擴(kuò)散區(qū)(節(jié)點314)之后，在時間T7和T8之間執(zhí)行與像素重置值的讀出過程相似的讀出過程以讀出光相關(guān)像素電壓值。更具體地，在時間T7和T8之間，一次讀出一行所有像素的光相關(guān)電壓值，并且通過列ADC對其進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字像素值。
[0040]作為在時間T3和T4之間的持續(xù)時間中的重置讀出過程以及在時間T7和T8之間的持續(xù)時間中的光相關(guān)讀出過程的結(jié)果，圖像傳感器產(chǎn)生兩幀數(shù)字像素數(shù)據(jù)。數(shù)字像素數(shù)據(jù)的第一幀表示重置值，而像素數(shù)據(jù)的第二幀表示光相關(guān)像素值(包括重置值)。在本發(fā)明的實施例中，圖像傳感器將至少一幀像素重置數(shù)據(jù)存儲在幀緩沖存儲器中，幀緩沖存儲器可以形成在與像素陣列相同的集成電路上或者形成在單獨的集成電路上。如上面所述，使用所存儲的像素重置值，可以執(zhí)行⑶S以從對應(yīng)光相關(guān)像素值消除重置值，從而產(chǎn)生校正數(shù)字輸出像素值。
[0041]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的可以在圖2和圖3的CMOS圖像傳感器中使用的5晶體管(5T)有源像素單元的電路圖。參照圖6，實現(xiàn)5T有源像素設(shè)計的像素元件360包括光電二極管(PD)和四個控制晶體管Ml至M5。在本實施例中，控制晶體管Ml至M4是NMOS晶體管，并且協(xié)同操作以控制像素元件的重置、電荷傳輸、行選擇和抗暈光(ant1-blooming)操作。更具體地，晶體管Ml是由重置信號(RST)控制的重置晶體管，并且用于在重置信號被置位時重置光電二極管H)。晶體管M2是由行選擇信號(RS)控制的行選擇晶體管，并且用于控制從浮置擴(kuò)散區(qū)FD (節(jié)點364)讀出像素值到輸出電壓節(jié)點362。晶體管M3是由傳輸信號(TG)控制的傳輸門晶體管，并且用于在傳輸信號被置位時將光電二極管H)上的電荷傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)(節(jié)點364)。晶體管M4由浮置擴(kuò)散區(qū)FD (節(jié)點364)選通以傳感從光電二極管H)傳輸?shù)碾姾桑⑶覍⑤敵鲂盘枏母≈脭U(kuò)散區(qū)傳遞給行選擇晶體管M2。最后，晶體管M5是由抗暈光(AB)信號控制的抗暈光晶體管，并且用于在抗暈光信號被置位時重置光電二極管。
[0042]5T像素單元的構(gòu)造與4T像素元件加上晶體管M5和抗暈光信號AB類似?？箷灩饩w管M5將光電二極管ro連接到正電源Vdd電壓?？箷灩饩w管M5的目的是為全局快門操作重置光電二極管。在5T單元的全局快門操作模式中，重置門只用于重置浮置擴(kuò)散區(qū)FD (節(jié)點364)，這使得定時控制更加靈活。通過使用重置門只重置浮置擴(kuò)散區(qū)FD，像素元件在防止電荷泄漏到浮置擴(kuò)散區(qū)FD中的方面實現(xiàn)了改善性能。除了重置和抗暈光操作之外，5T像素單元在對入射光積分時以及在讀出存儲在浮置擴(kuò)散區(qū)的像素電壓值時以與4T像素單元類似的方式進(jìn)行操作。
[0043]為了支持伴隨全局快門的全幀數(shù)字⑶S，所有像素都必須基本同時地被重置，并且所有像素都必須基本同時地開始光積分并且基本同時地完成光積分。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于實現(xiàn)伴隨全局快門的全幀數(shù)字CDS的具有5T像素的CMOS傳感器的控制信號的時間圖。參照圖7，在時間Tl，AB信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦咭詫?dǎo)通像素陣列中的所有像素元件的抗暈光晶體管M5。以這種方式，圖像傳感器中的所有像素基本同時地被重置。
[0044]當(dāng)AB信號在時間T2轉(zhuǎn)換為低(截止)時，像素陣列關(guān)于幀K開始光積分，并且光電二極管響應(yīng)于入射光而進(jìn)行充電。像素陣列關(guān)于幀k對光進(jìn)行積分，直至?xí)r間T8為止。在關(guān)于圖像幀K的積分時間期間內(nèi)，從時間T3到T4讀出關(guān)于前一幀(K-1)的光相關(guān)像素值。然后，在光積分結(jié)束(時間T8)之前，從時間T5到T6逐行地進(jìn)行滾動重置和讀取。關(guān)于像素行I的重置信號RSTl和行選擇信號RSl被置位以重置像素的浮置擴(kuò)散區(qū)。在時間T5，重置信號RSTl變低以隔離浮置擴(kuò)散區(qū)，而行選擇信號RSl保持被置位，并且讀取行I的重置值。在逐行地被置位的RSTx和RSx信號(其中X= 1，2，...，M)的控制下重置并讀取隨后的行的像素。執(zhí)行滾動重置和讀取以保持暗電流的積分時間，亦即重置浮置擴(kuò)散區(qū)與讀出光相關(guān)像素值之間的時間，像素陣列向下基本相同。因此，可以避免像素重置值中的暗電流陰影(亦即，不均勻)。在曝光時間段期間盡可能晚地執(zhí)行滾動重置是有利的。
[0045]在重置/讀取步驟完成后，傳輸門信號TG在時間T7轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。傳輸門信號TG是施加到所有像素上的全局信號，并且TG信號的置位造成所有像素的傳輸門晶體管M3導(dǎo)通。由此啟動每個像素的從光電二極管到浮置擴(kuò)散區(qū)的電荷傳輸操作。在時間T8，TG信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈停⑶宜邢袼氐墓夥e分時段結(jié)束。因為對于所有像素，由光電二極管收集的電荷都已經(jīng)被傳輸至浮置擴(kuò)散區(qū)FD，所以可以在時間T9將抗暈光信號AB置位以重置所有的光電二極管并且開始關(guān)于下一幀的光積分。當(dāng)抗暈光信號AB在時間TlO取消置位(deassert)時，開始關(guān)于巾貞K+1的光積分時段。
[0046]當(dāng)像素關(guān)于下一幀(幀K+1)對光進(jìn)行積分時，可以讀出前一幀(幀K)的光相關(guān)像素值。在時間Tll與T12之間的滾動讀取序列被用于讀出光相關(guān)像素值。行選擇信號RSx(x = 1，2，...，M)順序地導(dǎo)通以使得能夠進(jìn)行逐行的讀出過程。在讀取整個圖像幀之后，可以使用上述的一種或者更多的方法對先前讀出的像素重置值執(zhí)行⑶S消除。
[0047]在本發(fā)明的實施例中，圖像傳感器可以實現(xiàn)使用全局快門和有源重置操作的全幀數(shù)字相關(guān)雙采樣(CDS)。有源重置操作涉及監(jiān)視每個像素的重置電平，諸如通過使用有源重置電路。有源重置電路操作以調(diào)整每個重置晶體管的偏置條件，從而使像素之間的重置電平的變化最小化。
[0048]在本發(fā)明的實施例中，可以使用上述的4T或5T有源像素單元架構(gòu)來實現(xiàn)圖像傳感器。另外，在本發(fā)明的實施例中，有源重置電路是定時和控制邏輯電路的一部分。用于實現(xiàn)有源重置的電路和方法在本領(lǐng)域中是已知的。在本發(fā)明的實施例中，圖像傳感器使用當(dāng)前已知的或者待開發(fā)的電路和方法中的任何一種來實現(xiàn)有源重置。下面的說明提供了可以在本發(fā)明的圖像傳感器中采用的有源重置電路和方法的示例。在本文中提供的示例僅僅是說明性的，而不是限制性的。
[0049]圖8復(fù)制了給Kokubun的美國專利公布第US2003/01469937號的圖7，并示出了用于有源重置光電二極管的電壓控制電路的示例。更具體地，Kokubun等人的美國專利申請US2003/0146993公開了一種電壓控制電路，其控制重置晶體管的柵極電勢，從而控制由重置晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)的電阻和光電二極管陰極產(chǎn)生的寄生電容形成的低通濾波器的截止頻率。
[0050]Koifman的美國專利7969476和7791664公開了采用反饋控制的有源重置的不同方法。采用反饋控制的有源重置使用固定參考電流，并且傳感固定參考電流與像素輸出電流之間的差值，從而以基于該差值提供反饋給像素。圖9復(fù)制了美國專利7791664的圖1，并示出了使用受反饋控制的像素的有源重置的示例。參照圖9，導(dǎo)體1(C0N1 71)連接到晶體管M2 20的漏極，并傳送電流反饋信號CFB 59。來自導(dǎo)體C0N2 72上的晶體管M3 30的漏極的像素輸出信號可以被用于提供反饋信號SFB 58。連接到晶體管M4 40的源極的導(dǎo)體C0N3 73可以傳送電壓反饋信號VFB 50。所有三種反饋信號都可以通過影響節(jié)點N2 92的電壓電平來影響像素的操作。
[0051]提供上面的詳細(xì)描述來說明本發(fā)明具體的實施例，而非用于進(jìn)行限制。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，許多修改和變化都是可能的。例如，可以在圖像傳感器中使用不同的有源像素單元設(shè)計來獲得伴隨全局快門的全幀數(shù)字CDS。另外，可以使用不同的像素值讀出方法和定時。本發(fā)明通過所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種圖像傳感器件，包括: 光傳感元件的二維陣列，每個光傳感元件包括光電二極管和多個控制晶體管，每個光電二極管產(chǎn)生指示照射在光電二極管上的光的強(qiáng)度級別的輸出信號，并且所述多個控制晶體管被配置為控制光傳感元件陣列的重置、電荷傳輸以及行選擇操作； 定時和控制電路，被配置為生成陣列中的每個光傳感元件中的多個控制晶體管的控制信號，所述控制信號控制所述光傳感元件陣列的重置、光積分、電荷傳輸和讀出操作； 一個或者更多的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，被耦合到所述光傳感元件陣列的列并且被配置為對從所述光傳感元件陣列讀出的輸出信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字輸出像素值；以及 存儲器，被配置為存儲至少一幀的數(shù)字輸出像素重置值， 其中，所述定時和控制電路用于基本同時地重置陣列中的光傳感元件，并且讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的像素重置值，所述像素重置值被存儲在所述存儲器中；并且，所述定時和控制電路還用于控制所述光傳感元件陣列基本同時地并且以基本相同的持續(xù)時間對入射光進(jìn)行積分，并且讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的光相關(guān)像素值；并且 其中，從陣列中的每個光傳感元件的對應(yīng)光相關(guān)像素值中消除像素重置值以產(chǎn)生相關(guān)雙采樣(⑶S)校正數(shù)字輸出像素值。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，從對應(yīng)光傳感元件的光相關(guān)像素值中減去每個光傳感元件的重置像素值，以產(chǎn)生該光傳感元件的CDS校正數(shù)字輸出像素值。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，使用每個光傳感元件的重置像素值和對應(yīng)光傳感元件的光相關(guān)像素值作為在將光電二極管的電壓表示為時間函數(shù)的直線上的兩個點，并且其中，基于沿所述直線的內(nèi)插或外插來計算所述CDS校正數(shù)字輸出像素值。
4.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，還包括: 相關(guān)雙采樣控制和消除電路，被配置為產(chǎn)生控制信號給所述存儲器以獲取所存儲的數(shù)字輸出像素重置值，并且執(zhí)行從光相關(guān)像素值中消除像素重置值以產(chǎn)生所述CDS校正數(shù)字輸出像素值。
5.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，所述光傳感元件陣列和所述存儲器形成在相同的集成電路上。
6.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，所述光傳感元件陣列形成在與其上形成有所述存儲器的第二集成電路分離的第一集成電路上。
7.如權(quán)利要求4所述的圖像傳感器件，其中，所述光傳感元件陣列、所述存儲器以及所述相關(guān)雙采樣控制和消除電路形成在相同的集成電路上。
8.如權(quán)利要求4所述的圖像傳感器件，其中，所述光傳感元件陣列形成在與其上形成有所述存儲器以及所述相關(guān)雙采樣控制和消除電路的第二集成電路分離的第一集成電路上。
9.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，每個光傳感元件包括四個控制晶體管，包括:傳輸門晶體管，被配置為在被置位時將所述光電二極管上的電荷傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)；重置晶體管，被配置為在重置晶體管和傳輸門晶體管這兩者被置位時重置所述光傳感元件；第三晶體管，將所述浮置擴(kuò)散區(qū)的輸出信號傳遞給行選擇晶體管；以及行選擇晶體管，被配置為控制讀出像素值到所述光傳感元件的輸出節(jié)點。
10.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，每個光傳感元件包括五個控制晶體管，包括:傳輸門晶體管，被配置為在被置位時將所述光電二極管上的電荷傳輸?shù)礁≈脭U(kuò)散區(qū)；重置晶體管，被配置為在重置晶體管和傳輸門晶體管這兩者被置位時重置所述光傳感元件；抗暈光晶體管，被配置為在被置位時重置所述光電二極管；第四晶體管，將所述浮置擴(kuò)散區(qū)的輸出信號傳遞給行選擇晶體管；以及行選擇晶體管，被配置為控制讀出像素值到所述光傳感元件的輸出節(jié)點。
11.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，所述CDS校正數(shù)字輸出像素值被存儲在所述存儲器中。
12.如權(quán)利要求11所述的圖像傳感器件，其中，所述存儲器存儲被存儲用于多幀圖像處理的⑶S校正數(shù)字輸出像素值。
13.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，陣列中的光傳感元件用彩色濾光器模式覆蓋以產(chǎn)生指示彩色濾光器的輸出信號。
14.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，所述定時和控制電路被配置為維持基本相同的積分時間以便重置陣列中的光傳感元件。
15.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，還包括: 重疊并且與每個所述光傳感元件配準(zhǔn)的選擇性透射濾光器的兩維陣列，選擇性透射濾光器陣列包括:與第一組光電二極管相關(guān)聯(lián)的第一組濾光器，用于捕獲可見光的第一色彩頻譜；以及與第二組光電二極管相關(guān)聯(lián)的第二組濾光器，用于捕獲可見光的第二色彩頻譜。
16.如權(quán)利要求1所述的圖像傳感器件，其中，所述定時和控制電路用于實現(xiàn)有源重置，其中，控制電路監(jiān)視每個光傳感元件的重置電平，并且改變重置晶體管的偏置條件以使光傳感元件之間的重置電平變化最小化。
17.一種圖像傳感器件中的方法包括: 提供光傳感元件的二維陣列，每個光傳感元件包括光電二極管和多個控制晶體管，每個光電二極管產(chǎn)生指示照射在光電二極管上的光的強(qiáng)度級別的輸出信號，并且所述多個控制晶體管被配置為控制光傳感元件陣列的重置、電荷傳輸以及行選擇操作； 基本同時地重置所述光傳感元件陣列； 讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的像素重置值； 存儲所述像素重置值； 基本同時地并且以基本相同的持續(xù)時間對指示入射光的光傳感元件陣列的光電二極管處的電荷進(jìn)行積分； 讀出與所述光傳感元件相關(guān)聯(lián)的光相關(guān)像素值；以及 從陣列中的每個光傳感元件的對應(yīng)光相關(guān)像素值中消除像素重置值以產(chǎn)生相關(guān)雙采樣(OTS)校正數(shù)字輸出像素值。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，基本同時地重置所述光傳感元件陣列包括: 基本同時地重置所述光傳感元件的光電二極管；以及 重置與每個光傳感元件相關(guān)聯(lián)的浮置擴(kuò)散區(qū)。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，用于重置所述光傳感元件陣列的積分時間對于陣列中的每個光傳感元件基本相同。
【文檔編號】H04N5/357GK104335573SQ201380013797
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】T.艾爾斯, F.T.布拉迪, J.康, P.W.王 申請人:匹克希姆公司