CN104617116A - 用于图像传感器的大-小像素方案及其使用 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及一种用于图像传感器的大-小像素方案及其使用。一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素包含第一光电二极管、多个光电二极管、共享浮动扩散区、第一转移栅极及第二转移栅极。所述第一光电二极管安置于半导体材料中。所述第一光电二极管具有第一曝光面积及第一掺杂浓度。所述多个光电二极管也安置于所述半导体材料中。所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有所述第一曝光面积及所述第一掺杂浓度。所述第一转移栅极经耦合以将第一图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区。所述第二转移栅极经耦合以将分布式图像电荷从所述多个光电二极管中的每一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区。

Description

用于图像传感器的大-小像素方案及其使用
技术领域
本发明大体来说涉及光学器件，且特定来说(但非排他性地)涉及高动态范围图像传感器。
背景技术
高动态范围(“HDR”)图像传感器对于许多应用来说为有用的。一般来说，普通图像传感器(举例来说，包含电荷耦合装置(“CCD”)及互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器)具有大致70dB动态范围的动态范围。相比之下，人眼具有多达大致100dB的动态范围。存在其中具有增加的动态范围的图像传感器为有益的多种情形。举例来说，在汽车行业中需要具有大于100dB的动态范围的图像传感器以便处置不同行驶条件，例如从黑暗隧道向明亮日光中行驶。确实，许多应用可需要具有至少90dB或更大的动态范围的图像传感器以适应从低光条件到亮光条件变化的宽广范围的照明情形。
一种用于实施HDR图像传感器的已知方法是在每一像素中使用光电二极管的组合。可使用所述光电二极管中的一者来感测亮光条件，同时可使用另一光电二极管来感测低光条件。在此方法中，用于感测亮光的光电二极管通常比用于感测低光条件的光电二极管小(具有较小曝光面积)。然而，此方法需要不对称布局，此往往增加成本。除增加成本以外，在每一像素中光电二极管的不对称制作还包含可引入图像光射线角度分离的光学不对称性。图像光射线角度分离可导致不对称模糊、串扰及其它不合意效应，尤其是在图像光相对于图像传感器的面成角度时。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素。所述图像传感器像素包括：第一光电二极管，其安置于半导体材料中，其中所述第一光电二极管具有第一曝光面积及第一掺杂浓度；多个光电二极管，其安置于所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有所述第一曝光面积及所述第一掺杂浓度；共享浮动扩散区；第一转移栅极，其经耦合以将第一图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区；及第二转移栅极，其经耦合以将分布式图像电荷从所述多个光电二极管中的每一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区。
本发明的另一实施例涉及一种高动态范围成像系统。所述系统包括：像素阵列，其具有多个图像传感器像素，其中所述多个图像传感器像素中的每一者包含：第一光电二极管，其安置于半导体材料中，其中所述第一光电二极管具有第一曝光面积及第一掺杂浓度；多个光电二极管，其安置于所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有所述第一曝光面积及所述第一掺杂浓度；共享浮动扩散区；第一转移栅极，其经耦合以将第一图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区；及第二转移栅极，其经耦合以将分布式图像电荷从所述多个光电二极管中的每一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个图像传感器像素读出图像数据。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。
图1是图解说明根据本发明的实施例的HDR成像系统的一个实例的框图示意图。
图2是图解说明根据本发明的实施例可在图1中所图解说明的HDR图像传感器中实施的HDR像素的一个实例的示意图。
图3是根据本发明的实施例包含大子像素及小子像素的图像传感器像素的一个实例的平面图。
图4是根据本发明的实施例包含大子像素及小子像素的图像传感器像素的一个实例的平面图。
图5是根据本发明的实施例包含图像传感器像素(其包含大子像素及小子像素)的像素群组的一个实例的平面图。
具体实施方式
在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下实践或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代相同实施例。此外，可在一个或一个以上实施例中以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
图1是图解说明根据本发明的实施例的HDR成像系统100的一个实例的框图示意图。HDR成像系统100包含实例性像素阵列102、控制电路108、读出电路104及功能逻辑106。如在所描绘的实例中所展示，HDR成像系统100包含耦合到控制电路108及读出电路104的像素阵列102。读出电路104耦合到功能逻辑106。控制电路108耦合到像素阵列102以控制像素阵列102的操作特性。举例来说，控制电路108可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号为用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号为滚动快门信号，使得在连续获取窗期间依序启用每一行、每一列或每一群组的像素。
在一个实例中，像素阵列102为成像传感器或像素110(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。在一个实例中，每一像素110为包含至少大子像素及小子像素的CMOS成像像素。所述像素阵列中的大子像素及小子像素可接收单独的快门信号。如所图解说明，每一像素110被布置到一行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地点、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点、物体等的图像。
在一个实例中，在每一像素110已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路104通过读出列112读出且接着转移到功能逻辑106。在各种实施例中，读出电路104可包含放大电路、模／数(ADC)转换电路或其它。功能逻辑106可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路104可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)或可使用多种其它技术(未图解说明)读出所述图像数据，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。可在不同时间周期期间单独地读出由大子像素及小子像素产生的图像电荷。
图2是图解说明根据本发明的实施例可实施为HDR成像系统100中的像素110的HDR像素210的一个实例的示意图。像素210包含小子像素275及大子像素285。小子像素275包含安置于半导体材料(例如，硅)中的转移晶体管233(T1A)及第一光电二极管235(PDA)。转移晶体管233耦合于共享浮动扩散区229与第一光电二极管235之间。大子像素285包含多个光电二极管，所述多个光电二极管包含光电二极管245(PDB)、255(PDC)…及295(PDω)，其中ω表示大子像素285中的光电二极管的数目。大子像素285还包含转移晶体管243(T1B)、253(T1C)…及293(T1ω)，其中ω仍表示大子像素285中的光电二极管及对应转移晶体管的数目。转移晶体管243(T1B)、253(T1C)…及293(T1ω)耦合于其相应光电二极管245(PDB)、255(PDC)…及295(PDω)与共享浮动扩散区229之间。
入射于像素210上的图像光将在光电二极管PDA到PDω中的每一者中产生图像电荷。在第一光电二极管235PDA中产生第一图像电荷。当转移晶体管233T1A在其转移栅极处接收到第一转移信号TXS231时，将第一图像电荷转移到共享浮动扩散区229。大子像素285中的光电二极管PDB到PDω也将响应于入射图像光而产生图像电荷。共同地，由大子像素285中的光电二极管产生的图像电荷将称为“分布式图像电荷”，因为其至少最初是分布在光电二极管当中。当转移晶体管T1B-T1ω在其转移栅极处接收到第二转移信号TXL241时，将来自大子像素285中的多个光电二极管中的每一光电二极管的分布式图像电荷转移到共享浮动扩散区229。如图2所图解说明，转移晶体管T1B-T1ω全部接收共同转移信号(TXL241)。在一个实施例(未图解说明)中，转移晶体管T1B-T1ω共享物理上合并的转移栅极，此减少对迹线选路的需要。甚至在所图解说明的实施例中，由于其经电连接以接收共同转移信号TXL241，也可将转移晶体管T1B-T1ω的转移栅极描述为一个转移晶体管具有耦合于共享浮动扩散区229与每一光电二极管PDB到PDω之间的子栅极。
响应于在转移晶体管T1A233的第一转移栅极上接收到控制信号TXS而通过转移晶体管T1A233将在第一光电二极管PDA中积累的第一图像电荷切换到共享浮动扩散区229中。响应于在第二转移晶体管的第二转移栅极上接收到控制信号TXL而通过第二转移晶体管(其可包含耦合在一起的转移晶体管T1B-T1ω的转移栅极)将在多个光电二极管PDB到PDω中积累的分布式图像电荷切换到共享浮动扩散区229中。应理解，共享浮动扩散区229可为转移晶体管T1A-T1ω的漏极的物理组合。
如在所述实例中所展示，像素210还包含具有耦合到共享浮动扩散区229的栅极端子的放大器晶体管T3224。因此，在所图解说明的实例中，来自小子像素275及大子像素285的图像电荷分别单独地切换到共享放大器晶体管T3224的共享浮动扩散区229。在一个实例中，放大器晶体管T3224以如所展示的源极跟随器配置耦合，因此其将放大器晶体管T3224的栅极端子处的图像信号放大为放大器晶体管T3224的源极端子处的输出信号。如所展示，行选择晶体管T4226耦合到放大器晶体管T3224的源极端子以响应于控制信号SEL而将放大器晶体管T3224的输出选择性地切换到读出列212。如在所述实例中所展示，像素210还包含耦合到共享浮动扩散区229的复位晶体管T2222，复位晶体管T2222可用于响应于复位信号RST而复位在像素210中积累的电荷。在一个实例中，根据本发明的实施例，可在像素210的初始化周期期间或(举例来说)每次在已从像素210读出电荷信息之后且在将电荷积累于小子像素275及大子像素285中之后复位在共享浮动扩散区229中积累的电荷以用于新HDR图像的获取。
在一个实施例中，每一光电二极管PDB到PDω实质上等同于第一光电二极管PDA235。举例来说，每一光电二极管PDB到PDω可具有与PDA相同的电荷容量及其它电特性。此可减少或消除补偿影响光电二极管的电功能的物理差异的需要。举例来说，一些HDR像素配置包含单个物理上较大的光电二极管作为大子像素。然而，用作大子像素的这些单一物理上较大的光电二极管通常遭受较高滞后，此可负面地影响所转移的图像电荷及转移的时序。此外，作为大子像素的单一物理上较大的光电二极管还引入光学不对称性，此可引入不合意的伪影。相比之下，大子像素285中的光电二极管实质上等同于第一光电二极管PDA235允许从具有与PDA235基本上相同的电特性的每一光电二极管PDB到PDω中转移出图像电荷，同时仍通过利用多个光电二极管PDB到PDω而利用增加的半导体大小来捕获图像光。这些共享电特性可减少图像电荷从大子像素的转移中的滞后时间。还减轻了与单一物理上大的光电二极管相关联的光学伪影(例如，串扰、射线角度分离)，因为多个光电二极管PDB到PDω中的每一光电二极管为实质上等同的。
图3是根据本发明的实施例包含大子像素385及小子像素275的图像传感器像素310的一个实例的平面图。图3中所图解说明的平面图是图像传感器像素210的一个实例性布局。图像传感器310在大子像素385中包含三个光电二极管PDB245、PDC255及PDD265。三个光电二极管PDB245、PDC255及PDD265以及小子像素275中的光电二极管PDA235以既垂直对称又水平对称的对称图案均匀间隔开。
图3还图解说明分别为转移晶体管233、243、253及263的转移栅极的转移栅极234、244、254及264。在一个实施例(未图解说明)中，转移栅极244、254及264为物理上合并的。虽然图3中未图解说明电连接，但转移栅极244、254及264全部经耦合以接收转移信号TXL241且转移栅极234经耦合以接收转移信号TXS231。每一转移栅极用于将图像电荷从其相应光电二极管转移到共享浮动扩散区229。共享浮动扩散区229布线(经由迹线)到可作为源极跟随器(“SF”)耦合的放大器晶体管T3224的栅极端子。复位晶体管T2222经耦合以复位共享浮动扩散区229。选择晶体管T4226经耦合以将经放大图像信号从放大器晶体管T3224转移到读出列212。
图4是根据本发明的实施例包含大子像素485及小子像素275的图像传感器像素410的一个实例的平面图。图4中所图解说明的平面图是图像传感器像素210的一个实例性布局。图像传感器像素410在大子像素485中包含十五个光电二极管(PDB-PDP)。图4展示本发明的实施例可在大子像素285中所包含的多个光电二极管中包含不同数目个光电二极管。在图3中，在所述多个光电二极管中包含三个光电二极管。在图4中，在所述多个光电二极管中包含十五个光电二极管。在不同实施例中，所述多个光电二极管可包含两个或两个以上光电二极管。
在图4中，类似于图3，阴影三角形表示对应于其相应光电二极管的转移栅极。虽然未图解说明，但对应于大子像素485中的十五个光电二极管的转移栅极经耦合以接收共同转移信号(例如，TXL241)以从十五个光电二极管转移分布式图像电荷，而对应于第一光电二极管PDA235的转移栅极经耦合以接收转移信号(例如，TXS231)以从第一光电二极管235转移第一图像电荷。共享浮动扩散区429A布线(经由迹线)到可作为源极跟随器(“SF”)耦合的放大器晶体管T3224的栅极端子。在图4中，放大器晶体管T3224的栅极端子还耦合到共享浮动扩散区429B、429C及429D。由于共享浮动扩散区429A、429B、429C及429D在物理上布线在一起，因此其可称为电耦合在一起以形成组合共享浮动扩散区的局部浮动扩散区。复位晶体管T2222经耦合以复位共享浮动扩散区429A、429B、429C及429D。选择晶体管T4226经耦合以将经放大图像信号从放大器晶体管T3224转移到读出列212。在图4中，节省了布局空间，具有用于将图像信号转移到读出列212的仅三个晶体管(222、224及226)。
图5是根据本发明的实施例包含图像传感器像素310(其包含大子像素585及小子像素575)的像素群组500的一个实例的平面图。像素群组500包含布置成红色、绿色、绿色、蓝色(“RGGB”)拜耳图案的四个图像传感器像素310(如图3中所图解说明)。
在图5中，小子像素575A包含安置于红色滤光片下方的第一光电二极管PDA，所述红色滤光片使红色光通过但实质上滤除其它光波长使得其不变得入射于光电二极管PDA上。大子像素585A包含也安置于红色滤光片下方的光电二极管PDB-PDD，所述红色滤光片使红色光通过但实质上滤除其它光波长使得其不变得入射于光电二极管PDB-PDD上。类似地，小子像素575B及575C连同大子像素585B及585C一起安置于绿色滤光片下方，而小子像素575D及大子像素585D安置于蓝色滤光片下方，从而形成拜耳图案。根据本发明的实施例，像素群组500可经重复以形成HDR RGGB图像传感器。
在本发明的所揭示实施例中，应了解，第一光电二极管PDA及多个光电二极管PDB-PDω包含于能够在单个帧中捕获HDR图像的HDR图像传感器。换句话说，第一光电二极管PDA及多个光电二极管PDB-PDω能够在重叠的时间周期中积累图像电荷。第一光电二极管PDA可经设计以捕获亮光图像数据，而多个光电二极管PDB-PDω经设计以捕获低光图像数据。与来自多个光电二极管PDB-PDω的分布式图像电荷单独地读出来自第一光电二极管PDA的第一图像电荷以产生亮光信号。与第一图像电荷单独地读出来自多个光电二极管PDB-PDω的分布式图像电荷以产生低光信号。所述亮光信号及低光信号可由HDR算法利用以产生HDR图像。
包含发明摘要中所描述内容的对本发明所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (21)

1.一种供在高动态范围图像传感器中使用的图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：
第一光电二极管，其安置于半导体材料中，其中所述第一光电二极管具有第一曝光面积及第一掺杂浓度；
多个光电二极管，其安置于所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有所述第一曝光面积及所述第一掺杂浓度；
共享浮动扩散区；
第一转移栅极，其经耦合以将第一图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区；及
第二转移栅极，其经耦合以将分布式图像电荷从所述多个光电二极管中的每一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述第二转移栅极包含耦合于所述共享浮动扩散区与所述多个光电二极管中的每一光电二极管之间的子栅极，其中所述子栅极中的每一者经电连接以接收共同转移信号。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述第一转移栅极经耦合而与所述第二转移栅极分开地被切换。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述多个光电二极管及所述第一光电二极管以对称图案均匀地间隔开。
5.根据权利要求4所述的图像传感器像素，其中所述多个光电二极管由三个光电二极管组成。
6.根据权利要求4所述的图像传感器像素，其中所述多个光电二极管由十五个光电二极管组成。
7.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其进一步包括安置于所述半导体材料中且耦合到所述共享浮动扩散区的复位晶体管。
8.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其进一步包括安置于所述半导体材料中的放大器晶体管，所述放大器晶体管的栅极耦合到所述共享浮动扩散区。
9.根据权利要求8所述的图像传感器像素，其进一步包括安置于所述半导体材料中在所述放大器晶体管与读出列线之间的选择晶体管。
10.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有实质上等于所述第一光电二极管的第二电荷容量的第一电荷容量。
11.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中所述浮动扩散区包含电耦合在一起的多个局部浮动扩散部。
12.一种高动态范围成像系统，其包括：
像素阵列，其具有多个图像传感器像素，其中所述多个图像传感器像素中的每一者包含：
第一光电二极管，其安置于半导体材料中，其中所述第一光电二极管具有第一曝光面积及第一掺杂浓度；
多个光电二极管，其安置于所述半导体材料中，其中所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有所述第一曝光面积及所述第一掺杂浓度；
共享浮动扩散区；
第一转移栅极，其经耦合以将第一图像电荷从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区；及
第二转移栅极，其经耦合以将分布式图像电荷从所述多个光电二极管中的每一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区；
控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个图像传感器像素读出图像数据。
13.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述多个图像传感器像素中的图像传感器像素包含于一像素群组中，其中所述像素群组中的每一相应图像传感器像素安置于第一滤光片下方，所述第一滤光片滤除朝向安置于所述第一滤光片下方的所述相应图像传感器像素传播的第一目标波长的图像光，所述第一滤光片不同于安置于所述像素群组中的邻近图像传感器像素上方的第二滤光片，其中所述第二滤光片滤除不同于所述第一目标波长的第二目标波长的图像光。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中所述第一滤光片为红色滤光片，所述第二滤光片为绿色滤光片，且所述像素群组包含邻近于所述绿色滤光片安置的蓝色滤光片。
15.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述第二转移栅极包含耦合于所述共享浮动扩散区与所述多个光电二极管中的每一光电二极管之间的子栅极，其中所述子栅极中的每一者经电连接以接收共同转移信号。
16.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述第一转移栅极经耦合而与所述第二转移栅极分开地被切换。
17.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述多个光电二极管及所述第一光电二极管以对称图案均匀地间隔开。
18.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述多个光电二极管由三个光电二极管组成。
19.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述多个光电二极管由十五个光电二极管组成。
20.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述多个光电二极管中的每一光电二极管具有实质上等于所述第一光电二极管的第二电荷容量的第一电荷容量。
21.根据权利要求12所述的成像系统，其中所述浮动扩散区包含电耦合在一起的多个局部浮动扩散部。
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