獲取圖像數(shù)據(jù)的方法、高動態(tài)范圍成像系統(tǒng)及像素單元的制作方法
【專利說明】獲取圖像數(shù)據(jù)的方法、高動態(tài)范圍成像系統(tǒng)及像素單元
[0001]相關(guān)申請案的參考
[0002]本申請案主張2014年I月10日申請的第61/926，124號美國臨時申請案的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體上涉及圖像傳感器，且更具體來說，本發(fā)明涉及高動態(tài)范圍圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0004]標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器具有大致60dB到70dB的有限動態(tài)范圍。然而，現(xiàn)實世界的亮度動態(tài)范圍要大得多。自然景象通?？缭?0dB及以上的范圍。為同時捕獲強光及陰影，已在圖像傳感器中使用HDR技術(shù)來增大所捕獲的動態(tài)范圍。增大動態(tài)范圍的最常見技術(shù)為將用標(biāo)準(zhǔn)(低動態(tài)范圍)圖像傳感器捕獲的多個曝光合并成單個線性HDR圖像，所述單個線性HDR圖像具有比單個曝光圖像大得多的動態(tài)范圍。
[0005]最常見的HDR傳感器解決方案中的一者為使多個曝光進(jìn)入一個單個圖像傳感器。在具有不同曝光積分時間或不同靈敏度(例如，通過插入中性密度濾光片)的情況下，一個圖像傳感器可在單個圖像傳感器中具有2個、3個、4個或甚至更多的不同曝光。使用此HDR圖像傳感器，可在單次拍攝中得到多個曝光圖像。然而，與正常全分辨率圖像傳感器相比，在使用此HDR傳感器的情況下，總圖像分辨率降低了。舉例來說，對于在一個圖像傳感器中組合4個不同曝光的HDR傳感器，每一 HDR圖像傳感的分辨率將僅為全分辨率圖像的四分之一O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個方面中，本發(fā)明提供一種在高動態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器中從單個圖像捕獲的單個曝光從像素獲取圖像數(shù)據(jù)的方法，其包括:復(fù)位所述像素的光電檢測器；積分在所述單個圖像捕獲的所述單個曝光內(nèi)入射在所述光電檢測器上的光；執(zhí)行所述像素的浮動擴散的第一復(fù)位；將所述浮動擴散設(shè)定為低轉(zhuǎn)換增益；從所述浮動擴散取樣低轉(zhuǎn)換增益復(fù)位信號；將所述浮動擴散設(shè)定為高轉(zhuǎn)換增益；從所述浮動擴散取樣高轉(zhuǎn)換增益復(fù)位信號；將在所述單個曝光期間光生的電荷載流子從所述光電檢測器轉(zhuǎn)移到所述浮動擴散；從所述浮動擴散取樣高轉(zhuǎn)換增益圖像信號；將所述浮動擴散設(shè)定為所述低轉(zhuǎn)換增益；將在所述單個曝光期間光生的額外電荷載流子從所述光電檢測器轉(zhuǎn)移到所述浮動擴散；以及從所述浮動擴散取樣低轉(zhuǎn)換增益圖像信號。
[0007]在另一方面中，本發(fā)明提供一種用于高動態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器中的像素單元，其包括:光電檢測器，其適于在所述HDR圖像傳感器的單個圖像捕獲的單個曝光期間響應(yīng)于入射光而光生電荷載流子；浮動擴散，其經(jīng)耦合以接收在所述光電檢測器中光生的所述電荷載流子；像素中電容器，其通過第一晶體管選擇性地耦合到所述浮動擴散，其中響應(yīng)于所述像素中電容器耦合到所述浮動擴散將所述浮動擴散設(shè)定到低轉(zhuǎn)換增益，其中響應(yīng)于所述像素中電容器與所述浮動擴散解耦將所述浮動擴散設(shè)定到高轉(zhuǎn)換增益；以及轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述光電檢測器與所述浮動擴散之間，其中所述轉(zhuǎn)移晶體管適于在所述HDR圖像傳感器的所述單個圖像捕獲的所述單個曝光期間的第一時間處開啟，以將在所述光電檢測器中光生的所述電荷載流子轉(zhuǎn)移到設(shè)定到所述高轉(zhuǎn)換增益的所述浮動擴散，其中所述轉(zhuǎn)移晶體管適于在所述HDR圖像傳感器的所述單個圖像捕獲的所述單個曝光期間的第二時間處開啟，以將在所述光電檢測器中光生的所述電荷載流子轉(zhuǎn)移到設(shè)定到所述低轉(zhuǎn)換增益的所述浮動擴散。
[0008]在另一方面中，本發(fā)明提供一種高動態(tài)范圍(HDR)成像系統(tǒng)，其包括:像素單元的像素陣列，其中所述像素單元中的每一者包含:光電檢測器，其適于在所述HDR成像系統(tǒng)的單個圖像捕獲的單個曝光期間響應(yīng)于入射光而光生電荷載流子；浮動擴散，其經(jīng)耦合以接收在所述光電檢測器中光生的所述電荷載流子；像素中電容器，其通過第一晶體管選擇性地耦合到所述浮動擴散，其中響應(yīng)于所述像素中電容器耦合到所述浮動擴散將所述浮動擴散設(shè)定到低轉(zhuǎn)換增益，其中響應(yīng)于所述像素中電容器與所述浮動擴散解耦將所述浮動擴散設(shè)定到高轉(zhuǎn)換增益；及轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合在所述光電檢測器與所述浮動擴散之間，其中所述轉(zhuǎn)移晶體管適于在所述HDR成像系統(tǒng)的所述單個圖像捕獲的所述單個曝光期間的第一時間處開啟，以將在所述光電檢測器中光生的所述電荷載流子轉(zhuǎn)移到設(shè)定到所述高轉(zhuǎn)換增益的所述浮動擴散，且其中所述轉(zhuǎn)移晶體管適于在所述HDR成像系統(tǒng)的所述單個圖像捕獲的所述單個曝光期間的第二時間處開啟，以將在所述光電檢測器中光生的所述電荷載流子轉(zhuǎn)移到設(shè)定到所述低轉(zhuǎn)換增益的所述浮動擴散；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；以及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從多個像素讀出圖像數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0009]參看以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實施例，其中除非另外指定，否則相似參考數(shù)字貫穿各視圖指相似部分。
[0010]圖1為說明根據(jù)本發(fā)明的教示的實例色彩像素陣列的一部分的圖式，在所述色彩像素陣列中以雙轉(zhuǎn)換增益讀出每一像素以實現(xiàn)高動態(tài)范圍(HDR)成像。
[0011]圖2為展示根據(jù)本發(fā)明的教示的實例色彩像素陣列的多個像素的實例電路的電路圖，在所述色彩像素陣列中以雙轉(zhuǎn)換增益讀出每一像素以實現(xiàn)HDR成像。
[0012]圖3為展示根據(jù)本發(fā)明的教示的以雙轉(zhuǎn)換增益讀出以實現(xiàn)HDR成像的像素的實例電路的電路圖。
[0013]圖4為根據(jù)本發(fā)明的教示的說明在以雙轉(zhuǎn)換增益讀出以實現(xiàn)HDR成像的像素的實例電路中發(fā)現(xiàn)的信號的實例關(guān)系的時序圖。
[0014]圖5為說明根據(jù)本發(fā)明的教示的包含色彩像素陣列的成像系統(tǒng)的一個實例的圖式，在色彩像素陣列中以雙轉(zhuǎn)換增益讀出每一像素以實現(xiàn)HDR成像。
[0015]圖6為根據(jù)本發(fā)明的教示的說明在以雙專業(yè)增益讀出以實現(xiàn)HDR成像的像素的實例電路中發(fā)現(xiàn)的信號的另一實例關(guān)系的時序圖。
[0016]對應(yīng)的參考字符貫穿圖式的若干視圖指示對應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖中的元件是出于簡化及清楚目的而說明且未必是按比例繪制。舉例來說，圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對于其它元件被夸大以幫助改善對本發(fā)明的各種實施例的理解。并且，通常未描繪在商業(yè)可行實施例中有用或有必要的常見而容易理解的元件，以促進(jìn)更容易地查看本發(fā)明的這些各種實施例。
【具體實施方式】
[0017]在以下描述中，闡述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，不需要采用所述特定細(xì)節(jié)實踐本發(fā)明。在其它情況下，尚未詳細(xì)描述眾所周知的材料或方法以避免混淆本發(fā)明。
[0018]貫穿本說明書的對“一個實施例”、“一實施例”、“一個實例”或“一實例”的提及意味著結(jié)合所述實施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實例中”、“在一實施例中”、“一個實例”或“一實例”在貫穿本說明書的各處的出現(xiàn)未必全都是指同一實施例或?qū)嵗?。此外，在一或多個實施例或?qū)嵗校梢匀魏魏线m組合或子組合來組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含在集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能性的其它合適組件中。此外，應(yīng)了解，本文提供的圖是出于向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員解釋的目的且圖式未必按比例繪制。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的教示的實例描述根據(jù)本發(fā)明的教示的色彩像素陣列，在所述色彩像素陣列中以雙轉(zhuǎn)換增益讀出每一像素以實現(xiàn)HDR成像。舉例來說，在一個實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示的色彩像素陣列利用雙轉(zhuǎn)換