CN101690157A - 使用可变灵敏度像素的扩展的动态范围 - Google Patents

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Abstract

一种用于读出图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：积分光检测器中的电荷，所述光检测器处于第一电容；在第一时间读出所产生的信号电平，所述光检测器处于第一电容；将所述光检测器的电容改变为第二电容；以及读出与处于第二电容的所述光检测器相关联的信号电平。

Description

使用可变灵敏度像素的扩展的动态范围
技术领域
本发明总体上涉及图像传感器领域，并且更特别地涉及使用可变的电荷到电压转换能力来增加图像传感器的动态范围。
背景技术
当前，图像传感器具有用于捕获图像的预定动态范围。一些场景要求可能超过图像传感器能力的大的捕获动态范围。在这种情况下，所捕获的场景可能不被如实地再现。因此，除了正常的操作模式之外，还期望增加图像传感器的动态范围。
本发明通过提供具有可变灵敏度的图像传感器来将所捕获的光电子电荷转换成电压，克服了现有技术的缺点。
发明内容
本发明旨在克服上述问题的一个或多个。简短概括来说，根据本发明的一个方面，本发明涉及一种读出图像传感器的方法，该方法包括以下步骤：积分光检测器中的电荷，所述光检测器处于第一电容；在第一时间读取所产生的信号电平，所述光检测器处于第一电容；将所述光检测器的电容改变为第二电容；以及读取与处于第二电容的所述光检测器相关联的信号电平。
通过参考附图并且查阅下面对优选实施例和所附权利要求书的详细描述，将会更加清楚地理解和认识本发明的这些和其它方面、目标、特征和优点。
发明的有益效果
本发明通过完成多次转移和采样操作扩展的动态范围以及通过在每次转移和采样操作之后连接附加的浮动扩散以增加浮动扩散电容而具有扩展的动态范围的优点。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的示意图；
图2是本发明的第二实施例的示意图；
图3是本发明的第三实施例的示意图；
图4是本发明的第四实施例的示意图；
图5是描绘线性电容和非线性电容的图；以及
图6是本发明的数字摄像机。
具体实施方式
参考图1，示出了本发明的图像传感器20的三个像素10的示意图(五个晶体管像素或5T像素)。每个像素10包括响应于入射光而收集电荷的光敏区域30(优选地为钉扎光电二极管)。转移栅(transfer gate)40将电荷传输到电荷到电压转换机构50(优选地为浮动扩散(floatingdiffusion))。应该注意，每个像素10的浮动扩散50被电连接在一起，如将在下面详细介绍的那样。重置晶体管60将浮动扩散50重置到预定电压。放大器70(优选地为源极跟随器(source follower))感测并缓冲来自浮动扩散50的信号以在输出总线80上读出。行(row)选择晶体管90选择用于读出的特定行。
对具有栅极(gate)105的面元(bin)选择晶体管100施以脉冲以组合在浮动扩散50上的电荷。尽管在图1中三个浮动扩散50被示出为可组合的，但是所组合的浮动扩散50的数目是设计选择并且可以组合任何期望数目的浮动扩散50。浮动扩散50的共用提供了改变浮动扩散50的电容的能力，这取决于所组合的浮动扩散50的数目。
在上面的实施例中，以下面的方式读出来自光电二极管30的信号。为了读出图1中的中间像素的光电二极管30，例如使用了中间读出结构(RG 60、SF 70和RSEL晶体管90)，但是通过接通两个BSEL晶体管100可以共用来自所有三个行的浮动扩散50。使用RG晶体管60来重置这三个浮动扩散50，并且在采样电路(未示出但在本领域中公知)中采样重置电平。接下来，通过断开两个BSEL晶体管100来切断上面的和下面的浮动扩散50，并且采样中间浮动扩散50的所产生的重置电平。通过操作中间TG栅极40将电荷从中间光电二极管30传输到中间浮动扩散50中。采样所产生的信号。注意，中间浮动扩散50的电容自己可能不足以将所有积累的电荷保持在光电二极管30中；在这种情况下，电荷将在光电二极管30和浮动扩散50之间共用，并且作为这种电荷共用的结果所采样的信号将反映出非线性。在取得该第三采样之后(两个重置采样和第一信号采样)，通过两个BSEL晶体管100将所有三个浮动扩散50重新连接起来；当这发生时，在中间浮动扩散50上的任何信号电荷都将通过三个浮动扩散50的网络散开。再次操作中间TG栅极40以将任何剩余的电荷从中间光电二极管30移动到三个浮动扩散50中，并且采样所产生的信号。所捕获的四个采样(即用于三个连接的浮动扩散50的重置、用于一个浮动扩散50的重置、在一个浮动扩散50上的信号以及在三个连接的浮动扩散50上的信号)提供了如下两个完全相关的结果：三个浮动扩散相关信号＝三个浮动扩散信号-三个浮动扩散重置；一个浮动扩散相关信号＝一个浮动扩散信号-一个浮动扩散重置。
参考图2，示出了四晶体管(4T)的实施例。除了删除了BSEL之外，所有的晶体管功能都相同。为了改变浮动扩散50的电容，添加了栅极(gate)(CSEL)110。对该栅极110施以脉冲以便改变电容。
在4T实施例中，以下面的方式读出来自光电二极管的信号。CSEL栅极110被操作以提供较小的浮动扩散电容，使用RG晶体管60重置浮动扩散50，并且在采样电路(未示出但在本领域中公知)中采样重置电平。接下来，CSEL栅极110被操作以提供较大的浮动扩散电容，并且采样浮动扩散50的所产生的重置电平。通过操作TG栅极40将电荷从光电二极管30传输到浮动扩散50中。采样将电荷传输到较大的浮动扩散电容而产生的信号。在取得该第三采样(两个重置采样和第一信号采样)之后，操作CSEL栅极110以提供较小的浮动扩散电容，并且采样由将相同的电荷应用于较小的浮动扩散电容而产生的信号。所捕获的四个采样(即用于较小的和较大的浮动扩散电容的重置、以及将所积累的光电二极管电荷应用于较大的和较小的浮动扩散电容所产生的信号)提供了如下两个完全相关的结果：较大的浮动扩散电容相关信号＝较大的浮动扩散电容信号-较大的浮动扩散电容重置；较小的浮动扩散电容相关信号＝较小的浮动扩散电容信号-较小的浮动扩散电容重置。
参考图3，在可替换的实施例中，示出了三晶体管(3T)的实施例。在三晶体管有源像素中，公知光电二极管30的电容提供电荷到电压转换，其中积分的光电二极管电荷通过光电二极管电容提供电压。因此，与4T实施例相比，消除了浮动扩散(FD)和转移栅(TG)。将由积分的光电二极管电荷和光电二极管电容产生的电压应用于晶体管70的栅极，该晶体管70优选地为源极跟随器，以允许读出电压。该实施例包括栅极(CSEL)110，其被选择性地激励以改变光电二极管30的电容。如在优选实施例中那样，存在以上述相同方式起作用的行选择晶体管90和重置晶体管60。
在3T实施例中，以下面的方式读出来自光电二极管30的信号，在积分光电二极管30中的电荷一段时间，且操作CSEL栅极110以提供较大的光电二极管电容之后，采样由积分的电荷和较大的光电二极管电容产生的电压。接下来，操作CSEL栅极110以提供较小的光电二极管电容，并且采样由积分电荷和较小的光电二极管电容产生的电压。接下来，操作重置晶体管60以通过除去积分电荷来重置光电二极管30且操作CSEL栅极110以继续提供较小的光电二极管电容，采样所产生的重置电压。最后，操作CSEL栅极110以提供较大的光电二极管电容，并且采样所产生的重置电压。所捕获的四个采样(用于较小的和较大的光电二极管电容的信号，以及用于较大的和较小的光电二极管电容的重置)提供了如下两个差分结果：较大的光电二极管电容差分信号＝较大的光电二极管电容信号-较大的光电二极管电容重置；较小的光电二极管电容差分信号＝较小的光电二极管电容信号-较小的光电二极管电容重置。如对于3T像素的操作完全理解的，所产生的差分信号不能被认为是完全相关的，因为所采样的重置电平是不同于对信号积分和测量之前的重置的重置操作的结果。然而，差分信号有益于消除源极跟随器偏移，该源极跟随器偏移由于源极跟随器晶体管的阈值的变化而逐像素地变化。
参考图4，示出了如先前描述的4T像素结构的本发明的可替换的实施例，其具有连接到控制源极跟随器70的栅极的节点的非线性电容120。图5示出了线性电容和非线性电容二者的电荷到电压行为(behavior)。这样的非线性电容可以由普通MOS晶体管提供，其中源极、漏极和沟道区域提供电容器的一个极板，而栅极提供另一个。如果源极、漏极和沟道材料被连接在一起并且保持在一个电位，并且栅极被保持在另一个低于晶体管阈值电压的电位，则提供了非线性电容。该非线性电容可以被用来提供对像素提供的信号的像素级(level)压缩操作。在图5示出的非线性电容中，较低的电荷信号的变化在电压上具有比较高的电荷信号相对较高的变化。可以通过重置源极跟随器栅极节点的非线性电容120；采样所产生的电压；将来自光电二极管30的电荷传输到浮动扩散50(并且由此传输到非线性电容，因为浮动扩散节点和非线性电容节点一样)；以及采样新的电压来以通常所理解的方式操作该像素布置。
图4还图示了通过经由CSEL控制110提供可选择的附加电容的附加操作模式。CSEL控制110被用来改变源极跟随器节点的非线性电容。在图4中，通过邻近于浮动扩散50的栅极来使电容的变化成为可能：改变栅极电位来改变浮动扩散50的电容，并由此改变源极跟随器节点的整个非线性电容。
图6是具有本发明的图像传感器20的本发明的数字摄像机130的侧视图。
已参考优选实施例描述了本发明，但是，应该认识到在不偏离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员可以实现变化和修改。
部件列表
10像素
20图像传感器
30光敏区域
40转移栅
50浮动扩散
60重置晶体管
70放大器
80输出总线
90行选择晶体管
100面元选择晶体管
105栅极
110栅极
120非线性电容
130数字摄像机

Claims (48)

1、一种用于读出图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：
(a)积分光检测器中的电荷，所述光检测器处于第一电容；
(b)在第一时间读取所产生的信号电平，所述光检测器处于所述第一电容；
(c)将所述光检测器的电容改变为第二电容；以及
(d)读取与处于所述第二电容的所述光检测器相关联的信号电平。
2、根据权利要求1所述方法，还包括重置所述光检测器以及读取所产生的第一重置信号的步骤。
3、根据权利要求2所述的方法，还包括下述步骤：重置所述光检测器，所述光检测器处于第二电容；读取所产生的重置信号；将所述光检测器的电容改变为第一电容；以及读取所产生的重置信号。
4、根据权利要求2所述的方法，其中所述光检测器被重置成处于第一或第二电容中的一个，并且基于第一重置信号以及第一和第二电容的值来计算第二重置信号。
5、根据权利要求1所述的方法，还包括提供处于比第一电容低的电容的第二电容的步骤。
6、根据权利要求1所述的方法，其中通过改变邻近光检测器的栅极的电位来改变电容。
7、一种用于读出图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：
(a)重置第一电容以及存储所产生的重置信号；
(b)在第一时间将来自光敏区域的电荷传输到第一电容并存储所产生的信号；以及
(c)在第二时间将所述第一电容改变为第二电容并存储所产生的信号。
8、根据权利要求7所述的方法，还包括下述步骤：重置第二电容；读取第二电容的所产生的重置信号；将第二电容改变为第一电容；以及读取第一电容的所产生的重置信号。
9、根据权利要求7所述的方法，其中所述光检测器被重置成处于第一或第二电容中的一个，并且基于第一重置信号以及第一和第二电容的值来计算第二重置信号。
10、根据权利要求7所述的方法，还包括提供处于比第一电容低的电容的第二电容的步骤。
11、根据权利要求7所述的方法，还包括通过选择性地连接一个或多个邻近电容器的电容来改变第一或第二电容的步骤。
12、一种用于读出图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：
(a)重置第一电容以及存储所产生的重置信号；
(b)在第一时间将来自光敏区域的电荷传输到所述第一电容并存储所产生的信号；以及
(c)在第二时间将来自光敏区域的电荷传输到第二电容并存储所产生的信号。
13、根据权利要求12所述的方法，还包括提供处于比第一电容高的电容的第二电容的步骤。
14、根据权利要求13所述的方法，还包括通过提供两个或更多个连接在一起的电荷到电压转换区域作为第二电容来创建第二电容的步骤。
15、根据权利要求12所述的方法，还包括提供像素阵列的步骤，其中每个像素包括光敏区域、转移栅和具有至少两个可选电容的电荷到电压转换区域。
16、根据权利要求12所述的方法，其中在第一时间执行步骤(a)，在第二时间执行步骤(b)，以及在第三时间执行步骤(c)。
17、一种用于读出图像传感器的方法，该方法包括：
(a)重置第二电容以及存储所产生的重置信号；
(b)将所述第二电容改变为第一电容，以及存储所产生的重置信号；
(c)在第一时间将来自光敏区域的电荷传输到所述第一电容并存储所产生的信号；
(d)将所述第一电容改变为所述第二电容；以及
(e)在第二时间将来自光敏区域的电荷传输到所述第二电容并存储所产生的信号。
18、根据权利要求17所述的方法，还包括提供处于比第一电容高的电容的第二电容的步骤。
19、根据权利要求17所述的方法，还包括通过提供两个或更多个连接在一起的电荷到电压转换区域来创建第二电容的步骤。
20、根据权利要求17所述的方法，还包括提供像素阵列的步骤，其中每个像素包括光敏区域、转移栅和具有至少两个可选电容的电荷到电压转换区域。
21、根据权利要求17所述的方法，其中在第一时间执行步骤(a)，在第二时间执行步骤(b)，在第三时间执行步骤(c)，在第四时间执行步骤(d)，以及在第五时间执行步骤(e)。
22、根据权利要求17所述的方法，还包括从来自步骤(e)的所产生的信号减去来自步骤(a)的重置信号以及从来自步骤(d)的所产生的信号减去来自步骤(b)的重置信号的步骤。
23、一种用于读出图像传感器的方法，该方法包括：
(a)提供就所存储的电荷而言为非线性的电容；
(b)重置所述电容以及存储所产生的重置信号；以及
(c)将来自光敏区域的电荷传输到所述电容以及存储所产生的信号。
24、根据权利要求23所述的方法，其中通过改变邻近非线性电容的栅极的电位来改变电容。
25、一种用于读出数字摄像机的图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：
(a)积分数字摄像机的光检测器中的电荷，所述光检测器处于第一电容；
(b)在第一时间读出所产生的信号电平，所述光检测器处于所述第一电容；
(c)将所述光检测器的电容改变为第二电容；以及
(d)读出与处于所述第二电容的所述光检测器相关联的信号电平。
26、根据权利要求25所述方法，还包括重置所述光检测器以及读取所产生的第一重置信号的步骤。
27、根据权利要求26所述的方法，还包括下述步骤：重置所述光检测器，所述光检测器处于第二电容；读取所产生的重置信号；将所述光检测器的电容改变为第一电容；以及读取所产生的重置信号。
28、根据权利要求26所述的方法，其中所述光检测器被重置成处于第一或第二电容中的一个，并且基于第一重置信号以及第一和第二电容的值来计算第二重置信号。
29、根据权利要求25所述的方法，还包括提供处于比第一电容低的电容的第二电容的步骤。
30、根据权利要求25所述的方法，其中通过改变邻近光检测器的栅极的电位来改变电容。
31、一种用于读出数字摄像机的图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：
(a)重置第一电容以及存储所产生的重置信号；
(b)在第一时间将来自数字摄像机的光敏区域的电荷传输到第一电容以及存储所产生的信号；以及
(c)在第二时间将第一电容改变为第二电容以及存储所产生的信号。
32、根据权利要求31所述的方法，还包括下述步骤：重置第二电容；读取第二电容的所产生的重置信号；将第二电容改变为第一电容；以及读取第一电容的所产生的重置信号。
33、根据权利要求31所述的方法，其中所述光检测器被重置成处于第一或第二电容中的一个，并且基于第一重置信号以及第一和第二电容的值来计算第二重置信号。
34、根据权利要求31所述的方法，还包括提供处于比第一电容低的电容的第二电容的步骤。
35、根据权利要求31所述的方法，还包括通过选择性地连接一个或多个邻近电容器的电容来改变第一或第二电容的步骤。
36、一种用于读出数字摄像机的图像传感器的方法，该方法包括下述步骤：
(a)重置第一电容以及存储所产生的重置信号；
(b)在第一时间将来自数字摄像机的光敏区域的电荷传输到所述第一电容以及存储所产生的信号；以及
(c)在第二时间将来自光敏区域的电荷传输到第二电容以及存储所产生的信号。
37、根据权利要求36所述的方法，还包括提供处于比第一电容高的电容的第二电容的步骤。
38、根据权利要求37所述的方法，还包括通过提供两个或更多个连接在一起的电荷到电压转换区域作为第二电容来创建第二电容的步骤。
39、根据权利要求37所述的方法，还包括提供像素阵列的步骤，其中每个像素包括光敏区域、转移栅和具有至少两个可选电容的电荷到电压转换区域。
40、根据权利要求36所述的方法，其中在第一时间执行步骤(a)，在第二时间执行步骤(b)，以及在第三时间执行步骤(c)。
41、一种用于读出数字摄像机的图像传感器的方法，该方法包括：
(a)重置第二电容以及存储所产生的重置信号；
(b)将所述第二电容改变为第一电容，以及存储所产生的重置信号；
(c)在第一时间将来自数字摄像机的光敏区域的电荷传输到所述第一电容以及存储所产生的信号；
(d)将所述第一电容改变为第二电容；以及
(e)在第二时间将来自光敏区域的电荷传输到所述第二电容以及存储所产生的信号。
42、根据权利要求41所述的方法，还包括提供处于比第一电容高的电容的第二电容的步骤。
43、根据权利要求41所述的方法，还包括通过提供两个或更多个连接在一起的电荷到电压转换区域来创建第二电容的步骤。
44、根据权利要求41所述的方法，还包括提供像素阵列的步骤，其中每个像素包括光敏区域、转移栅和具有至少两个可选电容的电荷到电压转换区域。
45、根据权利要求41所述的方法，其中在第一时间执行步骤(a)，在第二时间执行步骤(b)，在第三时间执行步骤(c)，在第四时间执行步骤(d)，以及在第五时间执行步骤(e)。
46、根据权利要求41所述的方法，还包括从来自步骤(e)的所产生的信号减去来自步骤(a)的重置信号；以及从来自步骤(d)的所产生的信号减去来自步骤(b)的重置信号。
47、一种用于读出图像传感器的图像传感器的方法，该方法包括：
(a)提供就所存储的电荷而言为非线性的电容；
(b)重置所述电容以及存储所产生的重置信号；以及
(c)将来自图像传感器的光敏区域的电荷传输到所述电容以及存储所产生的信号。
48、根据权利要求47所述的方法，其中通过改变邻近非线性电容的栅极的电位来改变电容。
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