CN104780321B - 获取图像数据的方法、供使用的hdr成像系统及像素 - Google Patents

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CN104780321B CN201510011819.2A CN201510011819A CN104780321B CN 104780321 B CN104780321 B CN 104780321B CN 201510011819 A CN201510011819 A CN 201510011819A CN 104780321 B CN104780321 B CN 104780321B
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Abstract

本申请案涉及获取图像数据的方法、供使用的HDR成像系统及像素。一种读出像素的方法包含在包含在所述像素中的多个子像素中的每一者的光电检测器中于单个积分时间期间光生电荷载流子。所述像素的所述多个子像素中的每一者具有相同彩色滤光器。复位所述像素的浮动扩散节点。取样所述浮动扩散节点以产生复位输出样本信号。将在所述多个子像素的第一部分中光生的电荷载流子转移到所述浮动扩散节点。取样所述浮动扩散节点以产生第一输出样本信号。将在所述多个子像素的第二部分中光生的电荷载流子转移到所述浮动扩散节点。取样所述浮动扩散节点以产生第二输出样本信号。

Description

获取图像数据的方法、供使用的HDR成像系统及像素
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2014年1月10日申请的第61/925,840号美国临时申请案的权益
技术领域
本发明大体上涉及图像传感器，且更具体来说，本发明涉及高动态范围图像传感器。
背景技术
标准图像传感器具有大致60dB到70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度动态范围要大得多。自然景象通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获强光及阴影，已在图像传感器中使用HDR技术来增大所捕获的动态范围。用于增大动态范围的最常见技术为将用标准(低动态范围)图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性HDR图像，所述单个线性HDR图像具有比单个曝光图像大得多的动态范围。
最常见的HDR传感器解决方案中的一者为使多个曝光进入一个单个图像传感器。在具有不同曝光积分时间或不同灵敏度(例如通过插入中性密度滤光片)的情况下，一个图像传感器可在单个图像传感器中具有2个、3个、4个或甚至更多的不同曝光。使用此HDR图像传感器，可在单次拍摄中得到多个曝光图像。然而，与正常全分辨率图像传感器相比，在使用此HDR传感器的情况下，总图像分辨率降低了。举例来说，对于在一个图像传感器中组合4个不同曝光的HDR传感器，每一HDR图像传感的分辨率将仅为全分辨率图像的四分之一。
发明内容
本发明的一个方面提供一种在高动态范围(HDR)图像传感器中从单个图像捕获的单个曝光从像素获取图像数据的方法，其包括：在包含在所述像素中的多个子像素中的每一者中的光电检测器中于单个积分时间期间光生电荷载流子；复位所述像素的共享浮动扩散；取样所述共享浮动扩散以产生复位输出样本信号；将在所述多个子像素的第一部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散；取样所述共享浮动扩散以产生第一输出样本信号；将在所述多个子像素的第二部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散；以及取样所述共享浮动扩散以产生第二输出样本信号。
本发明的另一方面提供一种用于高动态范围(HDR)图像传感器中的像素，其包括：多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含：光电检测器，其用于在单个图像捕获的单个积分时间期间响应于入射光而光生图像电荷载流子；以及转移晶体管，其耦合到所述光电检测器；共享浮动扩散，其耦合到所述多个子像素，其中所述多个子像素的第一部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第一部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散，且其中所述多个子像素的第二部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第二部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散。
本发明的进一步方面一种高动态范围(HDR)成像系统，其包括：像素的像素阵列，其中所述像素中的每一者包含：多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含：光电检测器，其在单个图像捕获的单个积分时间期间响应于入射光而光生图像电荷载流子；以及转移晶体管，其耦合到所述光电检测器；共享浮动扩散，其耦合到所述多个子像素，其中所述多个子像素的第一部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第一部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散，且其中所述多个子像素的第二部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第二部分的相应光电检测器光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散；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；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。
附图说明
参看以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中除非另外指定，否则相似参考数字贯穿各视图指相似部分。
图1A为说明实例色彩像素阵列的一部分的图式。
图1B为说明根据本发明的教示的实例色彩像素阵列的一部分的图式，在所述色彩像素阵列中每一像素包含多个子像素以提供高动态范围(HDR)成像。
图2为展示根据本发明的教示的具有多个子像素以提供HDR成像的电路的电路图。
图3为说明根据本发明的教示在具有多个子像素以提供HDR成像的像素的实例电路中发现的信号的实例关系的时序图。
图4为说明根据本发明的教示的另一实例色彩像素阵列的一部分的图式，其中每一像素包含多个子像素以提供HDR成像。
图5为说明根据本发明的教示的包含色彩像素阵列的成像系统的一个实例的图式，在所述色彩像素阵列中每一像素包含多个子像素。
对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是出于简化及清楚目的而说明且未必是按比例绘制。举例来说，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行实施例中有用或有必要的常见而容易理解的元件，以促进更容易地查看本发明的这些各种实施例。
具体实施方式
在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明白，不需要采用所述特定细节实践本发明。在其它情况下，尚未详细描述众所周知的材料或方法以避免混淆本发明。
贯穿本说明书的对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意味着结合所述实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”在贯穿本说明书的各处的出现未必全都是指同一实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中，可以任何合适组合或子组合来组合特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可包含在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它合适组件中。此外，应了解，本文提供的图是出于向所属领域的技术人员解释的目的且图式未必是按比例绘制。
根据本发明的教示的实例描述根据本发明的教示的色彩像素阵列，在所述像素阵列中每一像素包含多个子像素以提供HDR成像。在一个实例中，在单个积分时间或单个曝光之后读出每一像素，在所述时间期间在每一子像素的每一光电检测器中光生电荷载流子。在积分时间之后，通过将电荷从多个子像素的第一部分转移到共享浮动扩散节点来读出每一像素以产生第一输出信号。接着，将电荷从多个子像素的第二部分的光电二极管转移到共享浮动扩散节点以产生第二输出信号。在一个实例中，根据本发明的教示，第一输出信号可用于较亮的光照条件，而第二输出信号可用于较低的光照条件以实现HDR成像传感器。
为了说明，图1A为说明实例像素阵列105A的一部分的图式。在所描绘的实例中，像素阵列105A为具有拜耳(Bayer)滤光器图案的色彩像素阵列，其中存在感测彩色图像的绿色(G)及红色(R)像素与蓝色(B)及绿色(G)像素的交替行。
图1B为说明实例像素阵列105B的一部分的图式，实例像素阵列105B类似于图1A的像素阵列105A，区别仅在于在图1B的像素阵列105B中，像素中的每一者包含均具有相同彩色滤光器的多个子像素。举例来说，如图1B中描绘的实例中展示，每一绿色(G)像素具有多个绿色(G)子像素，每一红色(R)像素具有多个红色(R)子像素且每一蓝色(B)像素具有多个蓝色(B)子像素。在实例中，每一像素的多个子像素以具有与常规像素相同的大小的群集(cluster)布置。应注意，在图1B中说明的特定实例中，出于解释目的每一像素包含2×2子像素的群集。当然，将了解，在其它实例中，根据本发明的教示，群集可具有比图1B中说明的2×2子像素群集数目更多或更少的子像素。
图2为展示根据本发明的教示的具有多个子像素以提供HDR成像的像素210的电路的电路图。在图2中描绘的特定实例中，像素210具有四个子像素，其在一个实例中可对应于上文图1B中说明的子像素的2×2群集，其中每一子像素具有相同彩色滤光器(例如，红色(R)、蓝色(G)或蓝色(B))。
在图2中展示的实例中，像素210的多个子像素中的每一者具有单独的光电检测器及转移晶体管，但都共享同一浮动扩散节点、复位晶体管、放大器晶体管及行选择晶体管。具体来说，如所描绘的实例中展示，第一子像素包含耦合到以TX1信号控制的转移晶体管222的光电检测器PD1212，第二子像素包含耦合到以TX2信号控制的转移晶体管224的光电检测器PD2214，第三子像素包含耦合到以TX3信号控制的转移晶体管226的光电检测器PD3216，且第四子像素包含耦合到以TX4信号控制的转移晶体管228的光电检测器PD4218。所有多个子像素的相应转移晶体管222、224、226及228耦合到同一共享浮动扩散(FD)节点230，浮动扩散(FD)节点230还耦合到以RST信号控制的复位晶体管232。浮动扩散(FD)节点230还耦合到放大器晶体管234的控制端子，放大器晶体管234在图2为源极跟随器(SF)耦合晶体管234，源极跟随器(SF)耦合晶体管234使其栅极端子耦合到浮动扩散(FD)230。根据本发明的教示，以RS信号控制的行选择晶体管236耦合在源极跟随器(SF)耦合晶体管234的输出源极端子与像素210的输出位线238之间，通过输出位线238读出像素210的输出信号。
图3为说明根据本发明的教示的在具有多个子像素以提供HDR成像的像素(例如，图2的实例像素210)的实例电路中发现的信号的实例关系的时序图315。特定来说，图3的实例时序图315说明根据本发明的教示读出像素(例如，图2的像素210)以实现具有大小与2×2群集相同的常规像素的相同低光灵敏度的HDR性能。举例来说，在时间t1处，起始行选择(RS)336以开始读出过程且加脉冲RST信号332以复位浮动扩散(FD)节点230。在时间t2处，在SHR信号340经加脉冲的情况下取样浮动扩散(FD)节点230上的信号以产生复位输出样本信号。
继续图3中描绘的实例，接着将在多个像素的第一部分中光生的电荷载流子转移到共享浮动扩散(FD)节点230。在各种实例中，多个子像素的第一部分可包含像素的一或多个子像素。在图3中描绘的特定实例中，多个子像素的第一部分为一个像素，其对应于光电检测器PD1212。因此，在时间t4处对TX1信号322加脉冲以对耦合到光电检测器PD1212的转移晶体管222的栅极加脉冲，这使在光电检测器PD1212中光生的电荷载流子被转移到共享浮动扩散(FD)节点230。在时间t5处，在SHS1信号342经加脉冲的情况下再次取样浮动扩散(FD)节点230上的信号以产生第一输出样本信号。
继续图3中描绘的实例，接着将在多个子像素的第二部分中光生的电荷载流子转移到共享浮动扩散(FD)节点230以给共享浮动扩散(FD)节点230进一步充电。在各种实例中，多个子像素的第二部分可包含像素的一或多个子像素。在图3中描绘的实例中，多个子像素的第二部分为三个子像素或剩余子像素，其对应于光电检测器PD2214、PD3216及PD4218。因此，在时间t7处加脉冲TX2324、TX3326及TX4328以加脉冲耦合到光电检测器PD2214、PD3216及PD4218的相应转移晶体管224、226及228的栅极，这使在光电检测器PD2、PD3及PD4中光生的电荷载流子被转移到共享浮动扩散(FD)节点230以给浮动扩散(FD)节点230进一步充电。在时间t8处，接着在SHS2信号344经加脉冲的情况下再次取样浮动扩散(FD)节点230上的信号以产生第二输出样本信号。
因此，在亮光条件中，可基于复位输出样本信号与第一输出样本信号之间的差异确定第一输出信号。换句话说，根据本发明的教示，等于复位输出样本信号减去第一输出样本信号的第一输出信号可用于亮光条件。在低光条件中，可基于复位输出样本信号与第二输出样本信号之间的差异确定第二输出信号。换句话说，根据本发明的教示，等于复位输出样本信号减去第二输出样本信号的第二输出信号可用于低光条件。
因此，应了解，根据本发明的教示，使用上文描述的结构及技术通过使用像素及子像素上的同一单个积分时间或单个曝光来实现HDR成像，这因此实现像素的动态范围的增大，而不遭受由多个曝光引起的重影或闪光问题。
图4为说明根据本发明的教示的另一实例色彩像素阵列405的一部分图式，在色彩像素阵列405中每一像素包含多个子像素以提供HDR。应了解，图4的色彩像素阵列405与图1B的色彩像素阵列105B共享许多类似性。一个差异为：色彩像素阵列405中的每一像素包含透明(C)子像素。举例来说，在色彩像素阵列405中，每一像素的两个对角线子像素变为透明(C)像素，如所展示。在一个实例中，应了解，可将两对斜对角线子像素加总到一起以提供快速加总/合并传感器输出。在实例中，可存在来自RBG像素的一个RBG平面及来自透明像素的1个单平面。在一个实例中，这两个平面的中心可完全重叠。在一个实例中，根据本发明的教示，利用色彩像素阵列405的传感器可通过调整透明(C)像素及RGB像素的曝光时间并且通过调整透明(C)像素及RGB像素的模拟增益提供高级HDR特征。在一个实例中，可使用(例如)图4中展示的RGBC像素进一步增大动态范围，其中透明(C)像素的灵敏度与RGB像素相比大2.0倍。
图5为说明根据本发明的教示的包含色彩像素阵列505的成像系统500的一个实例的图式，在色彩像素阵列505中每一像素包含多个子像素。如所描绘的实例中展示，成像系统500包含耦合到控制电路520及读出电路510的像素阵列505，读出电路510耦合到功能逻辑515。
在一个实例中，像素阵列505为图像传感器像素单元(例如，像素P1、P2、P3、……、Pn)的二维阵列(2D)阵列。应注意，像素阵列505中的像素单元P1、P2、P3、……、Pn可为图1B的色彩像素阵列105B或图4的色彩像素阵列405的实例，且下文参考的类似命名及编号的元件可如上文描述般耦合及起作用。如所说明，每一像素单元布置成行(例如，行R1到行Ry)及列(例如，C1到Cx)以获取人物、场所、物体等等的图像数据，所述图像数据接着可用于再现所述人物、场所、物体等等的2D图像。
在一个实例中，在每一像素单元P1、P2、P3、……、Pn已获取其图像数据或图像电荷之后，图像电荷由读出电路510读出且接着被转移到功能逻辑515。在各种实例中，读出电路510可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑515可仅存储图像数据或甚至通过施加后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路510可沿着读出列线每次读出一行图像数据(已说明)或可使用多种其它技术(未加以说明)(例如，串行读出或同时完全并行读出所有像素)读出图像数据。
在一个实例中，控制电路520耦合到像素阵列505以控制像素阵列505的操作特性。在一个实例中，控制电路520经耦合以产生用于控制每一像素单元的图像获取的全局快门信号。在实例中，全局快门信号同时启用像素阵列505内的所有像素单元P1、P2、P3、……、Pn以同时启用像素阵列505中的所有像素单元，以在单个获取窗期间同时从每一相应光电检测器转移图像电荷。
对本发明的所说明实施例的以上描述(包含说明书摘要中描述的内容)不希望是详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然出于说明目的在本文中描述了本发明的特定实施例及实例，但在不脱离本发明的较宽泛精神及范围的情况下各种等效物及修改是可能的。
可依据以上详细描述对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限于说明书及权利要求书中揭示的特定实施例。相反地，范围应完全由应根据权利要求解释的公认准则加以解释的所附权利要求书确定。因此，应将本说明书及图视为说明性而非限制性的。

Claims (24)

1.一种在高动态范围HDR图像传感器中从单个图像捕获的单个曝光从像素获取图像数据的方法，其包括：
在包含在所述像素中的多个子像素中的每一者中的光电检测器中于单个积分时间期间光生电荷载流子；
复位所述像素的共享浮动扩散；
取样所述共享浮动扩散以产生复位输出样本信号；
将在所述多个子像素的第一部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散；
取样所述共享浮动扩散以产生第一输出样本信号；
将在所述多个子像素的第二部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散；以及
取样所述共享浮动扩散以产生第二输出样本信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素的所述多个子像素中的每一者具有相同彩色滤光器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素的所述多个子像素包含一或多个透明滤光器及一或多个彩色滤光器。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过发现所述第一复位输出样本信号与所述第一输出样本信号之间的差异，确定所述单个积分时间的第一相关双取样图像信号输出值。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括将所述第一相关双取样图像信号输出值用于亮光条件。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过发现所述复位输出样本信号与所述第二输出样本信号之间的差异，确定所述单个积分时间的第二相关双取样图像信号输出值。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将所述第二相关双取样图像信号输出值用于低光条件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中将在所述多个子像素的所述第一部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散包括将所述电荷载流子从所述多个子像素的所述第一部分的一或多个光电二极管转移到所述共享浮动扩散以产生所述第一输出信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中将在所述多个子像素的所述第二部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散包括将所述电荷载流子从所述多个子像素的所述第二部分的一或多个光电二极管转移到所述共享浮动扩散以产生所述第二输出信号。
10.一种用于高动态范围HDR图像传感器中的像素，其包括：
多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含：
光电检测器，其用于在单个图像捕获的单个积分时间期间响应于入射光而光生图像电荷载流子；以及
转移晶体管，其耦合到所述光电检测器；
共享浮动扩散，其耦合到所述多个子像素，
其中所述多个子像素的第一部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第一部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散，且
其中所述多个子像素的第二部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第二部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散。
11.根据权利要求10所述的像素，其进一步包括复位晶体管，所述复位晶体管耦合到所述共享浮动扩散以复位共享浮动扩散节点。
12.根据权利要求11所述的像素，其进一步包括放大器晶体管，所述放大器晶体管具有耦合到所述共享浮动扩散的栅极端子，其中所述放大器晶体管经耦合以在所述共享浮动扩散由所述复位晶体管复位之后产生复位输出信号。
13.根据权利要求12所述的像素，其中所述放大器晶体管经进一步耦合以在所述多个子像素的所述第一部分的所述图像电荷载流子转移到所述共享浮动扩散之后产生第一输出信号。
14.根据权利要求13所述的像素，其中所述放大器晶体管经进一步耦合以在所述多个子像素的所述第二部分的所述图像电荷载流子转移到所述共享浮动扩散之后产生第二输出信号。
15.根据权利要求13所述的像素，其进一步包括行选择晶体管，所述行选择晶体管耦合到所述放大器晶体管以选择性地产生到所述像素的输出位线的所述复位、第一及第二输出信号。
16.根据权利要求10所述的像素，其中所述像素的多个子像素中的每一者包含相同彩色滤光器。
17.根据权利要求10所述的像素，其中所述像素的所述多个子像素包含一或多个透明滤光器及一或多个彩色滤光器。
18.一种高动态范围HDR成像系统，其包括：
像素的像素阵列，其中所述像素中的每一者包含：
多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含：
光电二极管，其在单个图像捕获的单个积分时间期间响应于入射光而光生图像电荷载流子；以及
转移晶体管，其耦合到所述光电检测器；
共享浮动扩散，其耦合到所述多个子像素，其中所述多个子像素的第一部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第一部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散，且其中所述多个子像素的第二部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第二部分的相应光电检测器光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散；
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；以及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。
19.根据权利要求18所述的HDR成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以存储来自所述多个像素中的每一者的所述图像数据的功能逻辑。
20.根据权利要求18所述的HDR成像系统，其中所述多个像素中的每一者包括复位晶体管，所述复位晶体管耦合到所述共享浮动扩散以复位共享浮动扩散节点。
21.根据权利要求20所述的HDR成像系统，其中所述多个像素中的每一者进一步包括放大器晶体管，所述放大器晶体管具有耦合到所述共享浮动扩散的栅极端子，其中所述放大器晶体管经耦合以在所述共享浮动扩散由所述复位晶体管复位之后产生复位输出信号。
22.根据权利要求21所述的HDR成像系统，其中所述放大器晶体管经进一步耦合以在所述多个子像素的所述第一部分的所述图像电荷载流子转移到所述共享浮动扩散之后产生第一输出信号。
23.根据权利要求22所述的HDR成像系统，其中所述放大器晶体管经进一步耦合以在所述多个子像素的所述第二部分的所述图像电荷载流子转移到所述共享浮动扩散之后产生第二输出信号。
24.根据权利要求23所述的HDR成像系统，其中所述多个像素中的每一者进一步包括行选择晶体管，所述行选择晶体管耦合到所述放大器晶体管以选择性地产生到所述像素的输出位线的所述复位、第一及第二输出信号。
CN201510011819.2A 2014-01-10 2015-01-09 获取图像数据的方法、供使用的hdr成像系统及像素 Active CN104780321B (zh)

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