CN106341628A - 具有宽动态范围的图像传感器、像素电路和操作方法 - Google Patents

具有宽动态范围的图像传感器、像素电路和操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106341628A
CN106341628A CN201610529683.9A CN201610529683A CN106341628A CN 106341628 A CN106341628 A CN 106341628A CN 201610529683 A CN201610529683 A CN 201610529683A CN 106341628 A CN106341628 A CN 106341628A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical charge
photodiode
pixel
optical
sub
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610529683.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106341628B (zh
Inventor
李志源
林茂燮
金升埴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of CN106341628A publication Critical patent/CN106341628A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106341628B publication Critical patent/CN106341628B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/68—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to defects
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/667—Camera operation mode switching, e.g. between still and video, sport and normal or high- and low-resolution modes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures
    • H04N25/581—Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously
    • H04N25/585—Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired simultaneously with pixels having different sensitivities within the sensor, e.g. fast or slow pixels or pixels having different sizes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

像素电路包括第一光电荷累积器，包括被配置为长时间段暴露于光的至少两个光电二极管，以及第二光电荷累积器，包括被配置为短时间段暴露于光的至少一个光电二极管。像素电路包括第一传输控制器，将在第一光电荷累积器中累积的光电荷传输到浮置扩散区域，以及第二传输控制器，将在第二光电荷累积器中累积的光电荷传输到浮置扩散区域。像素电路包括驱动晶体管，根据传输到浮置扩散区域的光电荷产生像素信号。第一光电荷累积器的光电二极管的数量大于第二光电荷累积器的光电二极管的数量。

Description

具有宽动态范围的图像传感器、像素电路和操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年7月7日提交到韩国专利局的第10-2015-0096786号韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明概念涉及一种图像传感器，更具体地说，涉及一种具有宽动态范围的图像传感器、图像传感器的像素电路和/或操作图像传感器的方法。
背景技术
拍摄图像并且将图像转换成电信号的图像传感器不仅用在对于一般消费者的电子装置中(诸如数码相机、用于蜂窝电话的相机和便携式摄像机)，而且用于在汽车、安全装置和安装在机器人中的相机中。图像传感器包括像素阵列，并且包括在像素阵列中的每个像素可以包括光检测装置。光检测装置可以根据所吸收的光的强度产生电信号。
为了增加图像传感器的分辨率，图像传感器的像素尺寸已经逐渐减小，因此，尽管像素尺寸减少，但是仍然期望保持图像质量。关于图像传感器的图像质量，其动态范围可能成为一个问题。当提供具有宽动态范围(WDR)的图像传感器时，图像的亮区和暗区可以一起表示。然而，期望减少由宽动态范围产生的图像劣化。
发明内容
本发明概念提供一种具有宽动态范围且可以容易实现的图像传感器、图像传感器的像素电路和/或操作图像传感器的方法。
根据本发明概念，提供一种图像传感器的像素电路，所述像素电路包括：第一光电荷累积单元，包括被配置为长时间段暴露于光的至少一个光电二极管；第二光电荷累积单元，包括被配置为短时间段暴露于光的至少一个光电二极管；第一传输控制单元，被配置为将在第一光电荷累积单元中累积的光电荷传输到浮置扩散区域；第二传输控制单元，被配置为将在第二光电荷累积单元中累积的光电荷传输到浮置扩散区域；以及驱动晶体管，被配置为根据传输到浮置扩散区域的光电荷产生像素信号，其中，第一光电荷累积单元的光电二极管的数量大于第二光电荷累积单元的光电二极管的数量。
根据本发明概念，提供一种图像传感器的像素电路，所述像素电路包括：光电荷累积单元，包括m个第一光电二极管和n个第二光电二极管(m和n是整数，其中，m大于n)；浮置扩散区域，在光电荷累积单元中累积的光电荷被传输到所述浮置扩散区域；以及驱动晶体管，被配置为根据传输到浮置扩散区域的光电荷产生像素信号，其中，m个第一光电二极管累积光电荷的时间段的至少一部分与n个第二光电二极管累积光电荷的时间段重叠。
根据本发明概念，提供一种图像传感器，包括：像素阵列，所述像素阵列包括多个像素，每个像素包括多个子像素，每个子像素包括光电二极管；以及读取电路，被配置为从像素阵列的像素信号产生像素数据，其中，多个子像素包括m个第一子像素和n个第二子像素，m个第一子像素中的每一个包括第一光电二极管，n个第二子像素中的每一个包括第二光电二极管(m和n是整数，其中，m大于n)，m个第一子像素暴露于光的时间段长于n个第二子像素暴露于光的时间段。
根据本发明概念，提供一种操作包括多个像素的图像传感器的方法，每个像素包括多个第一光电二极管和至少一个第二光电二极管，所述方法包括：在第一时间段将多个第一光电二极管暴露于光；在第二时间段将至少一个第二光电二极管暴露于光；产生与在所述多个第一光电二极管中累积的光电荷对应的第一像素信号；产生与在所述至少一个第二光电二极管中累积的光电荷对应的第二像素信号；以及从第一像素信号和第二像素信号产生图像数据，其中，在每个像素中，第一光电二极管的数量大于第二光电二极管的数量。
根据本发明概念，一种图像传感器包括像素电路，像素电路包括至少一个第一光传感器，被配置为在第一暴露时间段期间收集第一光电荷。像素电路包括至少一个第二光传感器，被配置为在第二暴露时间段期间收集第二光电荷。图像传感器包括控制器，被配置为产生第一控制信号和第二控制信号。第一控制信号控制至少一个第一光传感器收集第一光电荷的第一暴露时间段，第二控制信号控制至少一个第二光传感器收集第二光电荷的第二暴露时间段。
附图说明
根据下面结合附图进行的详细描述，本发明概念的示例性实施例将更加容易理解，在附图中：
图1是根据至少一个示例性实施例的图像传感器的框图；
图2是根据至少一个示例性实施例的图1的图像处理单元的框图；
图3A和图3B是根据至少一个示例性实施例的应用到图像传感器的像素的示例的视图；
图4A和图4B是图3的单位像素组的示例的视图；
图5A和图5B是图3的单位像素组的另一示例的视图；
图6和图7是根据至少一个示例性实施例的图像传感器的像素的像素电路的视图；
图8和图9是根据至少一个示例性实施例的像素电路的各种操作示例的波形图；
图10是根据至少一个示例性实施例的操作图像传感器的方法的流程图；
图11A和图11B是根据至少一个示例性实施例的图像传感器的实施例的视图；
图12是根据至少一个示例性实施例的像素电路的电路图；
图13A和图13B是根据至少一个示例性实施例的像素电路的电路图和像素电路的操作的波形图；
图14A和图14B是根据至少一个示例性实施例的图像传感器的框图和像素组合(binning)操作的示例；
图15是根据至少一个示例性实施例的包括图像传感器的系统的框图；以及
图16是根据至少一个示例性实施例的包括图像传感器的电子装置的立体图。
具体实施方式
现将参照附图更全面地描述本发明的概念，在附图中示出了本发明的实施例。提供这些实施例以使得本公开将是全面和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。可以以具有各种修改的许多不同的形式来体现本发明的概念，并且在附图和详细解释中将说明一些实施例。然而，不应当认为本发明限于这里所阐述的示例性实施例，相反，应当理解，在不脱离本发明概念的原理和精神，所附权利要求及其等同物限定的范围的情况下，可以在这些示例性实施例中做出改变。通篇中类似的参考数字指代类似的元素。在附图中，为了清晰，可以夸大层和区域的厚度。
应当理解，尽管术语第一、第二等在此可以用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分。例如，在不脱离示例性实施例的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直接连接或耦接到另一元件、或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在中间元件。用来描述元件之间的关系的其他词语应被以相似方式来解释(例如，“之间”相对于“直接之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。
除非特别指出，或从讨论中显而易见，否则诸如“处理”或“电脑运算”或“计算”或“确定”或“显示”等的术语是指计算机系统或类似电子计算装置的动作和处理，其将计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理、电子量的数据操纵和变换成计算机系统存储器或寄存器或其它这种信息存储设备、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。
在以下描述中提供了具体的细节以提供对示例性实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践示例性实施例。例如，可以在框图中示出系统，以便不以不必要的细节模糊示例性实施例。在其他情况下，为了避免模糊示例性实施例，可以在没有不必要的细节的情况下示出公知的处理、结构和技术。
在下面的描述中，将参照可以被实现为程序模块或功能处理(包括例程、程序、对象、组件、数据结构等)的动作和操作的符号表示(例如，以作业图、流程图、数据流图、结构图、框图等的形式)来描述示例性实施例，其执行特定任务或实现特定抽象数据类型，并且可以在现有电子系统中(例如，电子成像系统、图像处理系统、数字傻瓜相机、个人数字助理(PDA)、智能电话、平板个人计算机(PC)、膝上型计算机等)利用现有硬件来实现。这种现有硬件可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)计算机等。
虽然流程图可以将操作描述为顺序的处理，但是可以并行地、并发地或同时地执行许多操作。此外，可以重新安排操作的顺序。当其操作完成时处理可以被终止，但是也可能具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、程序、子例程，子程序等。当处理对应于函数时，其终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。
如本文所公开的，术语“存储介质”，“计算机可读存储介质”或“非临时性计算机可读存储介质”可以代表一个或多个用于存储数据的装置，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁RAM、磁芯存储器、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置和/或用于存储信息的其他有形或非临时性计算机可读介质。术语“计算机可读介质”可以包括但不限于便携或固定存储装置、光存储装置以及能够存储、包含或携带指令和/或数据的各种其他有形或非临时性介质。
此外，示例性实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或微码实现时，执行必要任务的程序代码或代码段可以被存储在机器或计算机可读介质中，诸如计算机可读存储介质。当在软件中实现，一个或多个处理器可以被编程以执行必要的任务，从而被转变成专用处理器(或多个)或计算机(或多个)。
本文所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不意在进行限制。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件和/或它们的组。
虽然可能没有示出对应的平面图和/或一些剖视图的透视图，但是这里所示的装置结构的剖视图提供对如平面图所示沿两个不同的方向和/或如立体图所示以三个不同的方向延伸的多个装置结构的支持。两个不同的方向可以彼此正交，或可以不是彼此正交。三个不同的方向可以包括可以与两个不同方向正交的的第三方向。多个装置结构可以集成在相同的电子装置。例如，当在剖视图中示出装置结构(例如，存储单元结构或晶体管结构)时，电子装置可以包括多个装置结构(例如，存储单元结构或晶体管结构)，如电子装置的平面图所示。可以以阵列和/或以两维图案布置多个装置结构。
除非另有定义，否则这里所使用的所有术语(包括科学和技术术语)具有与本发明所属领域的一名普通技术人员所通常理解的相同的含义。还应当明白，诸如在通用字典中定义的那些术语应当被解释为具有与相关技术和本公开的上下文的其含义一致的含义，而不应当以理想化或过于形式化的意义来对其进行解释，除非这里明确地如此定义。
元素列表中后的诸如“中的至少一个”表达修饰元素的整个列表，并且不修饰该列表中的单个元素。
图1是根据至少一个示例性实施例的图像传感器100的框图。如图1所示，图像传感器100可以包括像素阵列110、行驱动器120、读取电路130、图像处理单元(或图像处理器)140和控制器150。图像传感器100可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。控制器150可以被实现为执行存储在存储器上的指令的专用处理器和/或由硬件实现控制器150，诸如专用集成电路(ASIC)。
像素阵列110可以包括以行和列排列的像素。多个像素的每一个可以用作将光转换成电信号的光电转换装置。为此，多个像素的每一个可以包括能够累积光电二极管、光栅、光电晶体管等的光电荷的光检测装置(或光传感器)。在下文中，假设像素阵列110的每个像素是包括光电二极管的光检测装置，但是示例性实施例不限于此。
行驱动器120可以通过行线连接到像素，并且读取电路130可以通过列线连接到像素。行驱动器120可以在控制器150的控制下驱动行线。例如，行驱动器120可以根据光电二极管中累积的光电荷提供用于重置在每个像素中包括的光电二极管的各种信号或者用于输出像素信号的各种信号。另外，读取电路130可以通过对于经过列线提供的像素信号Sig_pix执行采样操作来产生像素数据。读取电路130可以包括模拟-数字转换器(未示出)，并且可以将来自像素阵列110的具有模拟值的像素信号Sig_pix转换成具有数字值的像素数据。
例如，读取电路130可以通过应用相关双采样(CDS)方法对于从像素阵列110的每个列线输出的像素信号Sig_pix执行相关双采样操作。此外，例如，可以通过使用各种方法，诸如模拟CDS方法、数字CDS法或双CDS方法来设计读取电路130。
同时，图像处理单元140可以从读取电路130接收像素数据，并且处理接收的像素数据，以输出图像数据。可以通过在像素阵列110中包括的像素来检测帧图像，并且通过图像处理单元140输出的图像数据可以对应于一帧。另外，可以通过图像处理单元140执行各种类型的处理操作。例如，可以通过图像处理单元140执行诸如色彩插值、色彩校正、自动白平衡、伽马校正、色彩饱和度校正、格式校正、坏像素校正、色调校正等操作。
根据至少一个示例性实施例，在像素阵列110中包括的每个像素可以包括多个光电二极管。此外，例如，每个像素的多个光电二极管可以被形成为具有相同的尺寸。
另外，为了提高图像传感器100的动态范围，在像素阵列110中包括的像素可以在长时间段和短时间段暴露于光。例如，在每个像素中包括的多个光电二极管的一部分可以在相对长的时间段暴露于光，而光电二极管的另一部分可以在相对短的时间段暴露于光。动态范围是图像传感器100可以在没有亮度损失的情况下获得的图像的亮度范围，并且当动态范围增加时，图像传感器100可以感测更多种亮度范围的图像。
可以以各种方式来执行对于每个像素中包括的多个光电二极管的长时间段的曝光和短时间段的曝光。例如，可以控制曝光，使得在光电二极管中的一些在相对长的时间段累积光电荷后，光电二极管的另一些在相对短的时间段累积光电荷。可选地，在任何一个像素中，长时间段暴露于光的光电二极管累积光电荷的时间段可以与短时间段暴露于光的光电二极管累积光电荷的时间段部分重叠。根据上面所讨论的控制，可以获得来自长时间段暴露于光的光电二极管的像素数据以及来自短时间段暴露于光的光电二极管的像素数据，作为用于实现一帧图像的信息。
根据上述示例，可以减小长时间段暴露于光的光电二极管的曝光定时与短时间段暴露于光的光电二极管的曝光定时之间的时间差，使得可以降低由于重影(ghost)效应等导致的图像质量恶化。另外，由于在每个像素中包括的多个光电二极管的尺寸可以是相同的，因此可以简化与像素对应的透镜的制造过程，并且可以减少由于透镜的尺寸之间的差异导致的深浅效应(shading)发生的概率。
图2是图1的图像处理单元140的示例性实施例的框图。如图2所述，图像处理单元140可以包括行缓冲器141和图像组合(或合成)单元(或图像合成器)142。
参照图1和图2，读取电路130可以对于来自像素阵列110的像素信号Sig_pix执行采样，并且可以对于每个像素产生像素数据，作为数字信号。另外，如上所述，对于每个像素，可以产生根据长时间段曝光的第一像素数据Pixel data_1和根据短时间段曝光的第二像素数据Pixel data_2。
参照像素阵列110的行单元，对于在行中排列的多个像素，可以通过长时间段曝光产生第一像素数据Pixel data_1，并且第一像素数据Pixel data_1可以被存储在图像处理单元140的行缓冲器141中。另外，对于在行中排列的多个像素，可以通过短时间段曝光产生第二像素数据Pixel data_2，并且第二像素数据Pixel data_2可以被提供给图像合成单元142。图像合成单元142可以基于使用第二像素数据Pixel data_2和在行缓冲器141中存储的第一像素数据Pixel data_1的合成操作输出与帧图像对应的图像数据。
可以以各种方式执行图像合成操作。例如，可以通过具有高灵敏度的第一像素数据Pixel data_1实现接收相对低发光的光的区域，并且可以通过具有低灵敏度的第二像素数据Pixel data_2实现接收相对高发光的光的区域，使得增加动态范围。
行缓冲器141可以具有各种尺寸。例如，行缓冲器141可以包括与像素阵列110的一个或多个行对应的尺寸的缓冲器。例如，根据至少一个示例性实施例，通过减小第一像素数据Pixel data_1和第二像素数据Pixel data_2的发生定时之间的时间差，可以减少在行缓冲器141中包括的缓冲器的数量。
图2示出的图像处理单元140的操作仅是示例，并且示例性实施例不限于此。例如，当首先通过在短时间段曝光任意一行中排列的多个像素来产生第二像素数据Pixel data_2时，第二像素数据Pixel data_2可以被存储在行缓冲器141中。然后，可以执行对于依次接收的第一像素数据Pixel data_1和在行缓冲器141中存储的第二像素数据Pixel data_2的图像合成操作。
下面将描述图1的图像传感器100的像素阵列110的示例性实施例。图3A和图3B是应用到图像传感器100的像素的示例的视图。
如图3A所示，像素阵列110可以包括按多个行和列排列的多个像素。例如，由排列在两行和两列中的像素限定的单位像素组Group_pix可以包括四个像素。像素阵列110可以包括滤色器，通过该滤色器，每个像素可以感测各种色彩。图3B示出滤色器包括用于感测红色、绿色和蓝色的过滤器的示例。在此，单位像素组可以包括一个红色像素R、一个蓝像素B和两个绿色像素Ga和Gb。然而，示例性实施例不限于此，并且根据示例性实施例的像素阵列110可以包括各种类型的滤色器。例如，滤色器可以包括用于感测黄色、青色、品红色和绿色的过滤器。可选地，滤色器可以包括用于感测红色、绿色、蓝色和白色的过滤器。
图4A和图4B是图3的单位像素组的示例的视图。图4A和图4B示出一个像素包括四个光电二极管的示例。由于对应于一个光电二极管的一个像素的区域被定义为子像素，因此一个像素可以被理解为包括四个子像素。
如图4A和图4B所示，一个像素可以包括多个子像素，并且包括长时间段暴露于光的光电二极管的子像素可以被定义为第一子像素L，包括短时间段暴露于光的光电二极管的子像素可以被定义为第二子像素S。
图4A示出一个像素包括相同数量的第一子像素L和第二子像素S的示例，而图4B示出一个像素包括第一子像素L和第二子像素S的示例，其中，第一子像素L和第二子像素S的数量彼此不同。例如，图4B示出第一子像素L的数量大于第二子像素S的数量的示例。另外，当像素包括2x2个子像素，并且第一子像素L的数量大于第二子像素S的数量时，像素可以包括三个第一子像素L和一个第二子像素S。
图5A和图5B是图3的单位像素组的另一示例的视图。图5A和图5B示出一个像素包括各种数量的子像素的示例。
例如，图5A示出一个像素包括九个子像素的示例，并且像素可以包括一个或多个第一子像素L和一个或多个第二子像素S。根据至少一个示例性实施例，在一个像素中，第一子像素L的数量可以大于第二子像素S的数量。例如，一个像素可以包括六个第一子像素L和三个第二子像素S。
作为另一示例，图5B示出一个像素包括十六个子像素的示例，并且像素可以包括一个或多个第一子像素L和一个或多个第二子像素S。根据至少一个示例性实施例，在一个像素中，第一子像素L的数量可以大于第二子像素S的数量。例如，一个像素可以包括十二个第一子像素L和四个第二子像素S。
图6和图7是根据至少一个示例性实施例的实现图像传感器的像素的像素电路的视图。图6是像素电路的结构图，图7是在像素电路中包括的器件的示例的电路图。同时，假设在图6和图7中一个像素包括四个子像素。另外，在图6的像素电路的结构图中，示出像素包括三个第一子像素L和一个第二子像素S的示例。
如图6所示，像素电路包括：三个第一子像素L，每个第一子像素L包括光电二极管；和一个第二子像素S，包括光电二极管。另外，用于发送第一传输控制信号TX_long的信号线A和用于发送第二传输控制信号TX_short的信号线B被排列在像素电路上，并且三个第一子像素L响应于第一传输控制信号TX_long将光电荷传输到浮置扩散区域，一个第二子像素S响应于第二传输控制信号TX_short将光电荷传输到浮置扩散区域。由于在三个第一子像素L的光电二极管中累积的光电荷被传输到浮置扩散区域，因此来自三个光电二极管的光电荷在浮置扩散区域被求和。在根据求和结果的电信号作为像素信号被输出之后，可以对于浮置扩散区域执行重置操作。此后，在一个第二子像素S的光电二极管中累积的光电荷被传输到浮置扩散区域，并且根据光电荷的此传输的电信号可以作为像素信号被输出。
将参照图8和图9描述图7的像素电路200的操作的示例。图8和图9是像素电路200的各种操作的示例的波形图。
像素电路200包括累积光电荷的多个光电二极管，并且多个光电二极管可以根据累积光电荷的方法被划分为两个或更多个光电荷累积单元(或光电荷累加器)。例如，像素电路200可以包括包含一个或多个光电二极管(或光传感器)的第一光电荷累积单元(或光电荷累加器)211以及包含一个或多个光电二极管(或光传感器)的第二光电荷累积单元(或光电荷累加器)212。例如，第一光电荷累积单元211可以包括第一光电二极管D11至第三光电二极管D13，且第二光电荷累积单元212可以包括一个光电二极管D21。
另外，像素电路200还可以包括：第一传输控制单元(或第一传输控制器或第一开关电路)221，用于传输在第一光电荷累积单元211中累积的光电荷；以及第二传输控制单元(或第二传输控制器或第二开关电路)222，用于传输在第二光电荷累积单元212中累积的光电荷。第一传输控制单元221可以包括与第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13对应的第一传输晶体管TG11至第三传输晶体管TG13，且第二传输控制单元222可以包括与第二光电荷累积单元212的光电二极管D21对应的传输晶体管TG21。第一传输晶体管TG11至第三传输晶体管TG13可以通过第一传输控制信号TX_long共同控制，第二传输控制单元222的传输晶体管TG21可以通过第二传输控制信号TX_short控制。
另外，像素电路200还可以包括：从第一光电荷累积单元211和第二光电荷累积单元212接收光电荷的浮置扩散区域FD、驱动晶体管TD、连接到浮置扩散区域FD的栅极、将浮置扩散区域FD的电位重置为电源电压电平VDD的重置晶体管(或重置电路)以及用于通过列线发送来自驱动晶体管TD的电信号作为像素信号的选择晶体管(或选择电路)TS。
可以以各种形式实现第一光电荷累积单元211和第二光电荷累积单元212，并且可以以各种方式操作，以便产生高灵敏度像素数据和低灵敏度像素数据。例如，可以控制第一传输控制单元221和第二传输控制单元222，使得与第二光电荷累积单元212的光电二极管D21相比，第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13在较长的时间段暴露于光。
此外，光电荷累积单元211的光电二极管D11至D13以及第二光电荷累积单元212的光电二极管D21可以被形成为具有相同尺寸。此外，第一光电荷累积单元211可以包括比第二光电荷累积单元212更多的光电二极管。因此，当感测同样强度的光时，在第一光电荷累积单元211中累积的光电荷量可以大于在第二光电荷累积单元212中累积的光电荷量。
同时，如图7所示，在一个像素电路中包括的多个子像素可以具有多个子像素共享驱动晶体管TD、重置晶体管TR和选择晶体管TS的结构。另外，由于通过第一传输控制信号TX_long共同控制第一传输晶体管TG11至第三传输晶体管TG13，因此，在第一光电二极管D11至第三电二极管D13中累积的光电荷可以在浮置扩散区域FD被求和。
驱动晶体管TD可以用作具有期望(或可选地，预定)电压增益(例如，为1的电压增益)的源极跟随器-缓冲放大器，并且与传输到浮置扩散区域FD的光电荷成比例地产生源极和漏极之间的电流。经由选择晶体管TS，来自驱动晶体管TD的电信号可以经由列线作为像素信号被提供。
首先，作为像素电路200的操作的示例，如图8的定时图所示，用于控制第一传输控制单元221的传输晶体管TG11至TG13的第一传输控制信号TX_long可以具有这样的波形：第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13在相对长的第一时间段(或者第一暴露时间段)T1累积光电荷。相反，用于控制第二传输控制单元222的传输晶体管TG21的第二传输控制信号TX_short可以具有这样的波形：第二光电荷累积单元212的光电二极管D21在相对短(例如，与第一时间段T1相比)的第二时间段(或第二暴露时间段)T2累积光电荷。
当对于光电二极管D11至D13以及D21在期望(或可选地，预定)时间段内的曝光完成时，执行输出根据在光电二极管D11至D13以及D21中累积的光电荷的像素信号的操作。例如，根据示例性实施例，可以通过相关双采样操作产生像素信号。为了产生具有高灵敏度的第一像素信号Read_L，第一传输控制信号TX_long可以在期望(或可选地，预定)部分(例如，第一传输部分T11)期间具有逻辑高值，使得在第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中累积的光电荷被传输到浮置扩散区域FD。另外，重置控制信号RX可以具有逻辑低值，使得在包括第一传输部分或第一传输时间段T11的部分(例如，第一读取部分或第一读取时间段T12)期间重置晶体管TR截止。此外，选择控制信号SEL可以在第一读取部分T12期间具有逻辑高值，使得在第一读取部分T12期间通过相关双采样操作输出像素信号。
在第一读取部分T12期间，根据长时间段的曝光，与根据重置操作被重置为期望(或可选地，预定)电源电压电平VDD的浮置扩散区域FD的电位对应的电信号以及与在第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中累积的光电荷被传输到浮置扩散区域FD之后的浮置扩散区域FD的电位对应的电信号可以被提供作为第一像素信号Read_L。
此后，为了产生具有低灵敏度的第二像素信号Read_S，第二传输控制信号TX_short可以在期望(或可选地，预定)部分(例如，第二传输部分T13)期间具有逻辑高值，使得在第二光电荷累积单元212的光电二极管D21中累积的光电荷被传输到浮置扩散区域FD。此外，重置控制信号RX可以具有逻辑低值，使得在包括第二传输部分或第二传输时间段T13的部分(例如，第二读取部分或第二读取时间段T14)期间重置晶体管TR截止。此外，选择控制信号SEL可以在第二读取部分T14期间具有逻辑高值，使得在第二读取部分T14期间通过相关双采样操作输出像素信号。
在第二读取部分T14期间，根据短时间段的曝光，与根据重置操作被重置为期望(或可选地，预定)电源电压电平VDD的浮置扩散区域FD的电位对应的电信号以及与在光电二极管D21中累积的光电荷被传输到浮置扩散区域FD之后的浮置扩散区域FD的电位对应的电信号可以被提供作为第二像素信号Read_S。
根据上述操作，可以产生由于长时间段曝光具有高灵敏度的第一像素数据以及由于短时间段曝光具有低灵敏度的第二像素数据。此外，通过第一和第二像素数据的合成操作，可以产生具有改进动态范围的最终图像数据。
同时，作为像素电路200的操作的另一示例，如图9所示，第一传输控制信号TX_long和第二传输控制信号TX_short的波形可以被设置为使得第一光电荷累积单元211累积光电荷的时间段和第二光电荷累积单元212累积光电荷的时间段基本上是相同的。此外，类似于上述的示例性实施例，当第一光电荷累积单元211和第二光电荷累积单元212的光电荷累积操作完成时，根据在第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中累积的光电荷产生第一像素信号Read_L，并且根据在第二光电荷累积单元212的光电二极管D21中累积的光电荷产生第二像素信号Read_S。
根据图9，即使第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13以及第二光电荷累积单元212的光电二极管D21在相同的时间段暴露于光，来自第一光电荷累积单元211的光电荷在浮置扩散区域FD被求和，其中，第一光电荷累积单元211具有比第二光电荷累积单元212更大数量的光电二极管，因此，第一光电荷累积单元211的像素信号也可以具有高灵敏度。因此，像素电路200可以操作以具有与图8所示的示例性实施例相同或基本相同的效果，并且可以产生具有宽动态范围的图像。
同时，根据上述示例性实施例，描述了来自多个光电二极管的光电荷在同一浮置扩散区域被求和(例如，在电荷域的求和方法)以产生具有高灵敏度的像素信号的示例。然而，示例性实施例不限于此。
在其他示例性实施例中，来自第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13的光电荷可以在模拟域被求和或平均。例如，来自第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中的每一个的光电荷可以根据附加调整被提供给不同浮置扩散区域(例如，三个浮置扩散区域)。可以通过输出端提供与每个浮置扩散区域的电位对应的像素信号，并且通过输出端提供的像素信号可以与在第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中累积的光电荷的总和或平均值对应。
根据另一示例性实施例，来自第一光电荷累积单元211的第一光电二极管D11至第三光电二极管D13的光电荷可以在数字域被求和或平均。例如，由于来自第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中的每一个的光电荷可以在每个不同定时被提供给浮置扩散区域，并且因此，可以产生与第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中的每一个对应的像素数据，并且通过对于像素数据的数字处理操作(例如，采样)，可以产生与在第一光电二极管D11至第三光电二极管D13中累积的光电荷的总和或平均值对应的数据。
应当理解，图1的控制器150可以提供参照图7-9讨论的信号。
图10是根据至少一个示例性实施例的操作图像传感器的方法的流程图。
如图10所示，为了实现图像传感器，首先形成多个像素，并且在多个像素的每一个中排列多个光电二极管。例如，为了产生具有高灵敏度的像素信号。在操作S11排列A个第一光电二极管，并且为了产生具有低灵敏度的像素信号，在操作S12排列B个第二光电二极管。A个第一光电二极管可以形成上述示例性实施例的第一光电荷累积单元，B个第二光电二极管可以形成上述示例性实施例的第二光电荷累积单元。另外，如上述示例性实施例中，在一个像素中，第一光电二极管的数量可以大于第二光电二极管的数量。另外，在另一示例性实施例中，第一光电二极管的数量和第二光电二极管的数量可以相同。
对于像素的光电二极管执行曝光操作，使得图像传感器具有宽动态范围。例如，在操作S13，第一光电二极管在第一时间段T1暴露于光，在操作S14，第二光电二极管在第二时间段T2暴露于光。如上述示例性实施例中，第一光电二极管暴露于光的第一时间段T1长于第二光电二极管暴露于光的第二时间段T2。另外，在其他示例性实施例中，第一光电二极管暴露于光的第一时间段T和第二光电二极管暴露于光的第二时间段T2可以相同。优选地，为使来自A个第一光电二极管的像素信号具有高灵敏度，可以调整第一光电二极管的数量和第二光电二极管的数量，或者可以调整第一光电二极管和第二光电二极管的曝光时间段。
在对于第一光电二极管和第二光电二极管的曝光操作完成之后，可以执行输出与在第一光电二极管和第二光电二极管中累积的光电荷对应的像素信号的操作。例如，在操作S15，在一个或多个第一光电二极管中累积的光电荷在浮置扩散区域被求和，并且输出与求和的光电荷对应的像素信号。另外，在操作S16，输出与在第二光电二极管中累积的光电荷对应的像素信号。如上所示，在操作S17，可以对于根据高灵敏度的像素数据的图像和根据低灵敏度的像素数据的图像执行合成操作，并且因此可以产生图像数据。
图11A和图11B是根据至少一个示例性实施例的图像传感器300A和300B的视图。图11A和图11B示出例如在图像传感器中包括的多个像素之中的红色像素和绿色像素。另外，图11A和图11B示出一个像素包括2x2个子像素。由于图11A和图11B是像素电路的剖视图，因此在图11A和图11B中，对于一个像素可以示出两个子像素。
如图11A和图11B所示，图像传感器300A和300B可以包括多个光电二极管310、多个滤色器320以及多个微透镜330A和330B。另外，尽管在图11A和图11B没有示出，但是可以在排列多个光电二极管310的基板上形成从多个光电二极管310接收光电荷的浮置扩散区域(未示出)。
一个像素可以包括四个子像素。图11A和图11B示出对应于一个像素的两个子像素。然而，红色像素Pixel_R可以包括产生高灵敏度像素信号的三个第一子像素和产生低灵敏度像素信号的一个第二子像素。因此，红色像素Pixel_R可以包括对应于三个第一子像素的第一光电二极管PD(L)以及对应于一个第二子像素的第二光电二极管PD(S)。绿色像素Pixel_G可以以相同或类似的方式包括子像素。
如图11A所示，多个微透镜330A可以与多个像素对应排列。例如，一个微透镜可以与一个像素对应排列。由于与多个子像素对应排列一个微透镜，因此可以产生关于子像素之间的电位差的信息，因此可以确定深度信息，并且可以执行自动聚焦。
在另一示例性实施例中，图像传感器300B可以包括与多个子像素对应的多个微透镜330B，如图11B所示。例如，一个微透镜330B可以与一个子像素对应排列。长时间段暴露于光的第一子像素的光电二极管PD(L)可以与短时间段暴露于光的第二子像素的光电二极管PD(S)具有相同尺寸。因此，与子像素对应排列的微透镜330B的尺寸可以是相同的，因此，微透镜330B的制造过程可能相对容易。另外，当微透镜的尺寸彼此不同时，具有大尺寸透镜的像素可能影响具有小尺寸透镜的像素，并且因此可能发生深浅效应。然而，根据示例性实施例，可以减少深浅效应发生。
图12是根据至少一个示例性实施例的像素电路400的电路图。
如图12所示，像素电路400可以包括多个光电二极管以及与多个光电二极管对应的多个传输晶体管。多个光电二极管可以包括具有相对大尺寸的一个或多个光电二极管D31至D33以及具有相对小尺寸(例如，与光电二极管D31至D33相比)的一个或多个光电二极管D41。光电二极管D31至D33可以形成提供高灵敏度像素信号的第一光电荷累积单元，并且光电二极管D41可以形成提供低灵敏度像素信号的第二光电荷累积单元。
另外，多个传输晶体管可以包括用于传输在形成第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33中累积的光电荷的传输晶体管TG31至TG33，以及用于传输在形成第二光电荷累积单元的光电二极管D41中累积的光电荷的传输晶体管TG41。图12示出在一个像素中第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33的数量大于第二光电荷累积单元的光电二极管D41的数量。然而，示例性实施例不限于此，第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33的数量和第二光电荷累积单元的光电二极管D41的数量可以相同。
另外，像素电路400还可以包括浮置扩散区域FD、驱动晶体管TD、重置晶体管TR和选择晶体管TS。另外，可以通过同一第一传输控制信号TX_long来控制传输晶体管TG31至TG33，并且可以通过第二传输控制信号TX_short来控制传输晶体管TG41。
与上述示例性实施例类似，为了提供宽动态范围，像素电路400可以提供高灵敏度像素信号和低灵敏度像素信号。根据至少一个示例性实施例，由于第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33的尺寸大于第二光电荷累积单元的光电二极管D41的尺寸，因此即使第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33的数量和第二光电荷累积单元的光电二极管D41的数量相同，第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33也可以提供相对高灵敏度的像素信号。另外，即使光电二极管D31至D33以及D41在相同时间段暴露于光，第一光电荷累积单元的光电二极管D31至D33也可以提供相对高灵敏度的像素信号。
图13A和图13B是根据至少一个示例性实施例的像素电路500的电路图和像素电路500的操作的波形图。
如图13A所示，像素电路500可以包括多个光电二极管以及与多个光电二极管对应的多个传输晶体管。多个光电二极管可以包括在相对长的时间段暴露于光的一个或多个光电二极管D51至D53，以及在相对短的时间段暴露于光的一个或多个光电二极管D61。光电二极管D51至D53可以形成提供高灵敏度像素信号的第一光电荷累积单元，并且光电二极管D61可以形成提供低灵敏度像素信号的第二光电荷累积单元。例如，第一光电荷累积单元可以包括第一光电二极管D51至第三光电二极管D53。
另外，多个传输晶体管可以包括用于传输在第一光电二极管D51至第三光电二极管D53中累积的光电荷的第一传输晶体管TG51至第三传输晶体管TG53，以及用于传输在光电二极管D61中累积的光电荷的传输晶体管TG61。类似于上述示例性实施例，第一光电荷累积单元的第一光电二极管D51至第三光电二极管D53以及第二光电荷累积单元的光电二极管D61可以被形成为具有各种尺寸和数量。
另外，像素电路500还可以包括浮置扩散区域FD、驱动晶体管TD、重置晶体管TR和选择晶体管TS。另外，可以通过不同的传输控制信号TX_long1至TX_long3来控制传输晶体管TG51至TG53，并且可以通过传输控制信号TX_short来控制传输晶体管TG61。
同时，参照图13B，第一光电荷累积单元的光电二极管D51至D53可以根据第一传输控制信号TX_long1至第三传输控制信号TX_long3的波形在相对长的第一时间段T1累积光电荷，而第二光电荷累积单元的光电二极管D61可以根据用于传输第二光电荷累积单元的光电荷的传输控制信号TX_short的波形在相对短的第二时间段T2累积光电荷。另外，由于单独控制第一传输晶体管TG31至第三传输晶体管TG33，因此在第一光电荷累积单元的光电二极管D51至D53中的每一个中累积的光电荷可以在相同定时或不同定时被传输到浮置扩散区域FD。
首先，为了产生高灵敏度像素信号，第一传输控制信号TX_long1具有逻辑高电平，因此根据长时间段的曝光，与在第一光电二极管D51中累积的光电荷对应的电信号可以作为像素信号Read_L1被提供。此外，第二传输控制信号TX_long2依序具有逻辑高电平，因此根据长时间段的曝光，与在第二光电二极管D52中累积的光电荷对应的电信号可以作为像素信号Read_L2被提供。此外，第三传输控制信号TX_long3依序具有逻辑高电平，因此根据长时间段的曝光，与在第三光电二极管D53中累积的光电荷对应的电信号可以作为像素信号Read_L3被提供。
然后，为了产生低灵敏度像素信号，传输控制信号TX_short具有逻辑高电平，因此在第二光电荷累积单元的光电二极管D61中累积的光电荷被提供到浮置扩散区域FD，并且根据短时间段的曝光，与浮置扩散区域FD的电位对应的电信号可以作为像素信号Read_S被提供。
根据图13A和图13B的示例性实施例，根据第一传输控制信号TX_long1至第三传输控制信号TX_long3的波形，在第一光电二极管D51至第三光电二极管D53中累积的光电荷可以在浮置扩散区域FD被求和。可选地，在第一光电二极管D51至第三光电二极管D53中累积的光电荷可以在不同定时被传输到浮置扩散区域FD，并且对于与第一光电二极管D51至第三光电二极管D53对应的像素数据，可以在数字域执行求和或平均操作。
图14A和图14B是根据至少一个示例性实施例的图像传感器600的框图和像素组合(binning)操作的示例。图14A的图像传感器600可以包括像素阵列610、像素组合模式控制单元(或像素组合模式控制器)620、补偿单元(或补偿器)630、色彩转换单元(或色彩转换器)640、重建单元(重建器)650和动态范围压缩(DRC)单元(或动态范围压缩器)660。
像素阵列610可以包括在上述示例性实施例中描述的像素(例如，正在由控制器150驱动的图1的像素阵列110)，因此，在像素阵列610中包括的每个像素可以包括多个光电二极管。此外，多个光电二极管中的一些可以用于产生高灵敏度像素信号，且另一些可以用于产生低灵敏度像素信号。例如，多个光电二极管中的一些可以在相对长的时间段暴露于光，而另一些可以在相对短的时间段暴露于光。此外，在多个光电二极管之中，长时间段暴露于光的光电二极管的数量可以大于短时间段暴露于光的光电二极管的数量。
另外，图14A所示的功能块的至少一些可以是在图1的图像处理单元140包括的组件。例如，像素组合模式控制单元620、补偿单元630、色彩转换单元640、重建单元650和DRC单元660中的至少一些可以被包括在图1的图像处理单元140中，而另一些可以从图1的读取电路130接收像素数据，对于接收的像素数据执行期望(或可选地，预定)处理操作，并且将处理结果提供给图像处理单元140。
在像素组合模式控制单元620的控制下，当(例如，用户)选择高图像质量模式时，具有相对高分辨率的像素数据可以被提供给补偿单元630，当选择低图像质量模式时，具有相对低分辨率的像素数据可以被提供给补偿单元630。也就是说，根据像素组合模式，可以使用来自在像素阵列610中包括的所有像素的像素数据，或者可以使用来自一些像素的像素数据。
补偿单元630可以处理接收的像素数据并且补偿至少一个像素。例如，为了补偿期望(或可选地，预定)色彩像素(例如，红色像素)，可以通过使用与期望(或可选地，预定)色彩像素相邻的至少一个相邻像素(例如，红色、蓝色和绿色像素)的像素数据执行补偿操作。根据示例性实施例，对于期望(或可选地，预定)色彩像素的高灵敏度的像素数据的补偿操作，可以使用每个相邻像素的高灵敏度的像素数据。也就是说，可以通过使用在相邻像素中产生的高灵敏度的像素数据来补偿在期望(或可选地，预定)色彩像素中产生的高灵敏度的像素数据。类似地，可以通过使用在相邻像素中产生的低灵敏度的像素数据来补偿在期望(或可选地，预定)色彩像素中产生的低灵敏度的像素数据。
色彩转换单元640执行色彩转换操作，将从像素阵列610感测的色彩转换成红色、绿色和蓝色(RGB)。除了RGB色彩之外，像素阵列610可以包括其他类型的滤色器。例如，像素阵列610的滤色器可以产生具有红色、绿色、蓝色和白色(RGBW)元素的像素信号或者其他模式的色彩元素。色彩转换单元640可以根据期望(或可选地，预定)算法对像素数据执行计算，以产生对应于标准图像信号的具有RGB色彩元素的像素数据。
重建单元650可以通过执行信号重建处理执行图像合成操作，如示例性实施例所示。也就是说，重建单元650可以接收对于一个图像具有不同灵敏度的像素数据，并且通过使用接收的像素数据输出具有改进的动态范围的RGB像素数据。DRC单元660可以在动态范围中没有损失的情况下对来自重建单元650的RGB像素数据执行压缩操作。通过DRC单元的压缩操作，处理器(例如，数字信号处理器(DSP)等)可以用于随后处理。
图14B是根据至少一个示例性实施例的在图像传感器中执行像素组合操作的示例的视图。图14B示出在低分辨率模式下感测相同色彩的四个像素被分组用于分组(或组合)像素的示例。
在低分辨率模式下，具有相同色彩元素的多个像素可以彼此电连接。另外，根据至少一个示例性实施例，每个像素可以包括用于产生高灵敏度像素信号的多个第一子像素以及产生低灵敏度像素信号的至少一个第二子像素。在执行像素组合操作中，当多个像素彼此电连接时，可以考虑每个像素的第一子像素和第二子像素的结构。
根据上述示例性实施例，对于每个像素中的多个第一子像素，可以在电荷域和模拟/数字域执行合成/平均操作。在低分辨率模式下，多个像素的第一子像素可以彼此电连接。另外，在低分辨率模式下，多个像素的第二子像素可以彼此电连接。因此，可以在包括彼此电连接的多个像素的组中产生高灵敏度第一像素数据和低灵敏度第二像素数据。
图15是根据至少一个示例性实施例的包括图像传感器的系统700的框图。图15的系统700可以包括需要图像数据的计算机系统、相机系统、扫描仪、车辆导航、视频电话、安全系统、运动检测系统等。参照图15，系统700可以包括中央处理装置或处理器710、非易失性存储器720、包括图像传感器的成像装置730、输入/输出装置740和随机存取存储器(RAM)750。中央处理装置710可以经由总线760与非易失性存储器720、成像装置730、输入/输出装置740和RAM 750进行通信。
在图15的系统700中包括的成像装置730可以包括根据示例性实施例的图像传感器。例如，包括在成像装置730中的图像传感器可以包括多个像素，每个像素可以包括多个光电二极管。此外，多个光电二极管中的一些可以在相对长的时间段暴露于光，而多个光电二极管的另一些可以在相对短的时间段暴露于光。此外，在多个光电二极管之中，在相对长的时间段暴露于光的光电二极管的数量可以大于在相对短的时间段暴露于光的光电二极管的数量。
成像装置730输出的图像数据可以经由总线760被发送到中央处理装置710、非易失性存储器720、输入/输出装置740和RAM 750。根据示例性实施例的成像装置730可以提供具有宽动态范围的改进图像。
图16是根据至少一个示例性实施例的包括图像传感器810的电子装置的立体图。
参照图16，根据示例性实施例的图像传感器810可以包括在移动电话800中。另外，图像传感器810可以包括在电子装置中，诸如相机、摄像机、个人数字助理(PDA)、无线电话、膝上型计算机、光学鼠标、传真机、复印机等。此外，根据示例性实施例的图像传感器810可以包括在装置中，诸如望远镜、手持移动电话、内窥镜、指纹识别器、玩具、游戏机、家用机器人和汽车。
尽管已经参照其示例性实施例示出和描述了本发明的概念，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下可以做出形式和细节的各种改变。

Claims (25)

1.一种图像传感器的像素电路，所述像素电路包括：
第一光电荷累积器，包括被配置为长时间段暴露于光的至少两个光电二极管；
第二光电荷累积器，包括被配置为短时间段暴露于光的至少一个光电二极管，其中，所述短时间段短于所述长时间段，所述至少两个光电二极管的数量大于所述至少一个光电二极管的数量；
第一传输控制器，被配置为将在第一光电荷累积器中累积的光电荷传输到浮置扩散区域；
第二传输控制器，被配置为将在第二光电荷累积器中累积的光电荷传输到浮置扩散区域；以及
驱动晶体管，被配置为根据传输到浮置扩散区域的光电荷产生像素信号。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中，如果图像传感器捕获对应于一帧的图像，则在第一光电荷累积器中累积的光电荷的数量大于在第二光电荷累积器中累积的光电荷的数量。
3.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述至少两个光电二极管包括第一至第m光电二极管，所述至少一个光电二极管包括第一至第n光电二极管，其中，m和n是整数，且m大于n，
第一传输控制器包括与第一至第m光电二极管对应的第一至第m传输晶体管，以及
第二传输控制器包括与第一至第n光电二极管对应的第一至第n传输晶体管。
4.根据权利要求3所述的像素电路，其中，通过同一传输控制信号来控制所述第一至第m传输晶体管。
5.根据权利要求1所述的像素电路，其中，第一光电荷累积器累积光电荷的时间段的至少一部分与第二光电荷累积器累积光电荷的时间段重叠。
6.根据权利要求1所述的像素电路，其中，在根据在第一光电荷累积器中累积的光电荷产生第一像素信号之后，根据在第二光电荷累积器中累积的光电荷产生第二像素信号。
7.根据权利要求1所述的像素电路，其中，第一光电荷累积器的所述至少两个光电二极管的尺寸与第二光电荷累积器的所述至少一个光电二极管的尺寸相同。
8.根据权利要求1所述的像素电路，其中，第一光电荷累积器的所述至少两个光电二极管的尺寸大于第二光电荷累积器的所述至少一个光电二极管的尺寸。
9.一种图像传感器，包括：
像素阵列，包括多个像素，每个像素包括多个子像素，多个子像素包括m个第一子像素和n个第二子像素，m个第一子像素中的每一个包括第一光电二极管，n个第二子像素中的每一个包括第二光电二极管，m个第一子像素暴露于光的时间段长于n个第二子像素暴露于光的时间段，其中，m和n是整数，且m大于n；以及
读取电路，被配置为从像素阵列的像素信号产生像素数据。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，如果图像传感器捕获对应于一帧的图像，则每个像素输出根据m个第一子像素的第一像素信号以及根据n个第二子像素的第二像素信号。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，还包括：
图像处理器，被配置为处理第一像素信号和第二像素信号以产生图像数据。
12.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，第一光电二极管和第二光电二极管具有相同尺寸。
13.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，来自m个第一子像素的第一光电二极管的光电荷在浮置扩散区域被求和。
14.一种操作包括多个像素的图像传感器的方法，每个像素包括多个第一光电二极管和至少一个第二光电二极管，所述方法包括：
在第一时间段将多个第一光电二极管暴露于光；
在第二时间段将至少一个第二光电二极管暴露于光，所述多个第一光电二极管的数量大于所述至少一个第二光电二极管的数量；
产生与在所述多个第一光电二极管中累积的光电荷对应的第一像素信号；
产生与在所述至少一个第二光电二极管中累积的光电荷对应的第二像素信号；以及
从第一像素信号和第二像素信号产生图像数据。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将在所述多个第一光电二极管中累积的光电荷同时传输到浮置扩散区域。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个第一光电二极管和所述至少一个第二光电二极管具有相同尺寸。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，第一时间段长于第二时间段。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，第一时间段的至少一部分与第二时间段重叠。
19.一种图像传感器，包括：
像素电路，包括：
至少一个第一光传感器，被配置为收集第一光电荷，和
至少一个第二光传感器，被配置为收集第二光电荷，以及
控制器，被配置为产生第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号控制至少一个第一光传感器收集第一光电荷的第一暴露时间段，第二控制信号控制至少一个第二光传感器收集第二光电荷的第二暴露时间段。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，控制器被配置为产生第一和第二控制信号，使得第二暴露时间段小于第一暴露时间段。
21.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，像素电路包括：
第一开关电路，被配置为基于第一控制信号在第一读取时间段期间将第一光电荷传输到节点，以及
第二开关电路，被配置为基于第二控制信号在第二读取时间段期间将第二光电荷传输到所述节点。
22.根据权利要求21所述的图像传感器，其中，像素电路包括：
重置电路，被配置为基于重置信号重置所述节点；以及
选择电路，被配置为基于选择信号输出传输的第一光电荷和第二光电荷。
23.根据权利要求22所述的图像传感器，其中，控制器被配置为：
产生选择信号，使得选择电路在第一读取时间段期间输出传输的第一光电荷以及在第二读取时间段期间输出传输的第二光电荷，以及
产生重置信号，使得在第一读取时间段和第二读取时间段之间的重置时间段期间重置所述节点。
24.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，所述至少一个第一光传感器是至少两个光传感器，并且所述至少两个光传感器的数量大于所述至少一个第二光传感器中的光传感器的数量。
25.根据权利要求24所述的图像传感器，其中，控制器被配置为产生第一控制信号和第二控制信号，使得第一暴露时间段与第二暴露时间段相同。
CN201610529683.9A 2015-07-07 2016-07-06 具有宽动态范围的图像传感器、像素电路和操作方法 Active CN106341628B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150096786A KR102356706B1 (ko) 2015-07-07 2015-07-07 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지 센서, 이미지 센서의 픽셀 회로 및 이미지 센서의 동작방법
KR10-2015-0096786 2015-07-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106341628A true CN106341628A (zh) 2017-01-18
CN106341628B CN106341628B (zh) 2020-10-09

Family

ID=57731582

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610529683.9A Active CN106341628B (zh) 2015-07-07 2016-07-06 具有宽动态范围的图像传感器、像素电路和操作方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10015428B2 (zh)
KR (1) KR102356706B1 (zh)
CN (1) CN106341628B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108933907A (zh) * 2017-05-24 2018-12-04 三星电子株式会社 像素电路和包括该像素电路的图像传感器
CN109286763A (zh) * 2017-07-19 2019-01-29 恒景科技股份有限公司 图像传感器及其操作方法
CN110008805A (zh) * 2017-12-21 2019-07-12 乐金显示有限公司 指纹识别系统和使用该指纹识别系统感测指纹的方法
CN110740272A (zh) * 2019-10-31 2020-01-31 Oppo广东移动通信有限公司 图像采集方法、摄像头组件及移动终端
WO2021036850A1 (zh) * 2019-08-26 2021-03-04 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像传感器、图像处理方法及存储介质
CN113261008A (zh) * 2019-02-04 2021-08-13 指纹卡有限公司 光学生物特征成像装置中的可变像素分箱
CN113316929A (zh) * 2019-02-19 2021-08-27 索尼半导体解决方案公司 信号处理方法和成像装置
CN113869096A (zh) * 2020-06-30 2021-12-31 敦泰电子股份有限公司 指纹像素单元、指纹显示设备及驱动其之集成电路及方法
CN114125333A (zh) * 2020-09-01 2022-03-01 原相科技股份有限公司 可选择输出时间差分数据或图像数据的像素电路
CN115866426A (zh) * 2022-11-30 2023-03-28 天津大学 基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11201186B2 (en) * 2016-01-20 2021-12-14 Sony Corporation Solid-state imaging device, driving method therefor, and electronic apparatus
US10218944B2 (en) * 2016-08-10 2019-02-26 Semiconductor Components Industries, Llc Methods and devices for increasing the spectral response of an image sensor
CN107426472A (zh) * 2017-06-01 2017-12-01 深圳市矽旺半导体有限公司 宽动态范围图像传感器系统及其实现方法
CN109640009B (zh) * 2017-10-09 2021-01-19 比亚迪股份有限公司 像素电路、像素阵列、图像传感器及其曝光控制方法
KR102484150B1 (ko) * 2017-10-20 2023-01-04 삼성전자 주식회사 전자 장치 및 전자 장치의 이미지 업 샘플링 방법
KR102530752B1 (ko) * 2018-08-29 2023-05-10 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 전자 기기와, 이미지 줌 프로세싱 방법
CN111343395B (zh) * 2018-12-19 2021-09-10 比亚迪半导体股份有限公司 读取图像传感器曝光数据的方法和成像装置
CN111343365B (zh) * 2018-12-19 2021-07-30 比亚迪半导体股份有限公司 读取图像传感器曝光数据的方法和成像装置
KR102648747B1 (ko) * 2019-01-18 2024-03-20 삼성전자주식회사 Hdr 이미지를 생성하기 위한 이미징 시스템 및 그것의 동작 방법
KR102684722B1 (ko) 2019-03-25 2024-07-12 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그 동작 방법
KR102709791B1 (ko) * 2019-04-15 2024-09-26 삼성전자주식회사 이미지 센서
KR20210054092A (ko) 2019-11-04 2021-05-13 삼성전자주식회사 서로 거울 대칭인 픽셀들을 포함하는 이미지 센서
KR20210095461A (ko) 2020-01-23 2021-08-02 삼성전자주식회사 복수의 공유 픽셀들을 포함하는 이미지 장치 및 이의 동작 방법
KR20210102644A (ko) * 2020-02-12 2021-08-20 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 장치
KR20220051052A (ko) 2020-10-16 2022-04-26 삼성전자주식회사 이미지 센서

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040096124A1 (en) * 2002-11-15 2004-05-20 Junichi Nakamura Wide dynamic range pinned photodiode active pixel sensor (aps)
US20080030605A1 (en) * 2006-08-02 2008-02-07 Olympus Corporation Solid-state imaging apparatus
CN102685405A (zh) * 2011-03-16 2012-09-19 索尼公司 固态成像器件及其驱动方法、成像装置以及电子设施
US20120305750A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Stmicroelectronics Sa Matrix imaging device comprising at least one set of photosites with multiple integration times
CN104469195A (zh) * 2014-12-18 2015-03-25 北京思比科微电子技术股份有限公司 高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7911518B2 (en) 2005-02-01 2011-03-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Variable exposure for color image sensor
US7238926B2 (en) 2005-06-01 2007-07-03 Eastman Kodak Company Shared amplifier pixel with matched coupling capacitances
US8059174B2 (en) 2006-05-31 2011-11-15 Ess Technology, Inc. CMOS imager system with interleaved readout for providing an image with increased dynamic range
KR100865111B1 (ko) 2006-12-22 2008-10-23 마루엘에스아이 주식회사 넓은 동작 범위의 ｃｍｏｓ형 이미지 센서용 화소 회로
JP4215167B2 (ja) 2007-01-16 2009-01-28 シャープ株式会社 増幅型固体撮像装置および電子情報機器
KR100835894B1 (ko) 2007-06-18 2008-06-09 (주)실리콘화일 다이내믹 레인지가 넓고, 색재현성과 해상능력이 우수한픽셀어레이 및 이미지센서
US7825966B2 (en) 2007-06-29 2010-11-02 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range sensor with blooming drain
EP2063632A1 (en) 2007-11-20 2009-05-27 St Microelectronics S.A. Image sensor with multiple integration periods
US8253810B2 (en) 2007-12-05 2012-08-28 Aptina Imaging Corporation Method, apparatus and system for image stabilization using a single pixel array
KR20110037187A (ko) * 2009-10-06 2011-04-13 클레어픽셀 주식회사 고감도 이미지 센서 및 그 이미지 센서에서의 데이터 독출 방법
JP2011129975A (ja) 2009-12-15 2011-06-30 Sony Corp 撮像装置および欠陥検出方法
JP2012175600A (ja) 2011-02-24 2012-09-10 Sony Corp 撮像装置、および撮像装置制御方法、並びにプログラム
US20130256510A1 (en) 2012-03-29 2013-10-03 Omnivision Technologies, Inc. Imaging device with floating diffusion switch
KR102159256B1 (ko) * 2013-11-25 2020-09-23 삼성전자 주식회사 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040096124A1 (en) * 2002-11-15 2004-05-20 Junichi Nakamura Wide dynamic range pinned photodiode active pixel sensor (aps)
US20080030605A1 (en) * 2006-08-02 2008-02-07 Olympus Corporation Solid-state imaging apparatus
CN102685405A (zh) * 2011-03-16 2012-09-19 索尼公司 固态成像器件及其驱动方法、成像装置以及电子设施
US20120305750A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Stmicroelectronics Sa Matrix imaging device comprising at least one set of photosites with multiple integration times
CN104469195A (zh) * 2014-12-18 2015-03-25 北京思比科微电子技术股份有限公司 高动态范围图像传感器像素结构及其操作方法

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108933907B (zh) * 2017-05-24 2022-06-07 三星电子株式会社 像素电路和包括该像素电路的图像传感器
US11778344B2 (en) 2017-05-24 2023-10-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Pixel circuit and image sensor including thereof
CN108933907A (zh) * 2017-05-24 2018-12-04 三星电子株式会社 像素电路和包括该像素电路的图像传感器
US11184566B2 (en) 2017-05-24 2021-11-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Pixel circuit and image sensor including thereof
CN109286763A (zh) * 2017-07-19 2019-01-29 恒景科技股份有限公司 图像传感器及其操作方法
CN109286763B (zh) * 2017-07-19 2020-10-27 恒景科技股份有限公司 图像传感器及其操作方法
CN110008805A (zh) * 2017-12-21 2019-07-12 乐金显示有限公司 指纹识别系统和使用该指纹识别系统感测指纹的方法
CN110008805B (zh) * 2017-12-21 2023-06-09 乐金显示有限公司 指纹识别系统和使用该指纹识别系统感测指纹的方法
CN113261008A (zh) * 2019-02-04 2021-08-13 指纹卡有限公司 光学生物特征成像装置中的可变像素分箱
CN113316929A (zh) * 2019-02-19 2021-08-27 索尼半导体解决方案公司 信号处理方法和成像装置
WO2021036850A1 (zh) * 2019-08-26 2021-03-04 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像传感器、图像处理方法及存储介质
CN113709382A (zh) * 2019-08-26 2021-11-26 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像传感器、图像处理方法及存储介质
CN113709382B (zh) * 2019-08-26 2024-05-31 Oppo广东移动通信有限公司 一种图像传感器、图像处理方法及存储介质
CN110740272B (zh) * 2019-10-31 2021-05-14 Oppo广东移动通信有限公司 图像采集方法、摄像头组件及移动终端
CN110740272A (zh) * 2019-10-31 2020-01-31 Oppo广东移动通信有限公司 图像采集方法、摄像头组件及移动终端
CN113869096A (zh) * 2020-06-30 2021-12-31 敦泰电子股份有限公司 指纹像素单元、指纹显示设备及驱动其之集成电路及方法
CN114125333A (zh) * 2020-09-01 2022-03-01 原相科技股份有限公司 可选择输出时间差分数据或图像数据的像素电路
CN114125333B (zh) * 2020-09-01 2024-05-07 原相科技股份有限公司 可选择输出时间差分数据或图像数据的像素电路
CN115866426A (zh) * 2022-11-30 2023-03-28 天津大学 基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构
CN115866426B (zh) * 2022-11-30 2024-05-03 天津大学 基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构

Also Published As

Publication number Publication date
US10015428B2 (en) 2018-07-03
KR102356706B1 (ko) 2022-01-27
CN106341628B (zh) 2020-10-09
US20170013217A1 (en) 2017-01-12
KR20170006206A (ko) 2017-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106341628A (zh) 具有宽动态范围的图像传感器、像素电路和操作方法
JP5675215B2 (ja) デジタルカメラ
WO2021208593A1 (zh) 高动态范围图像处理系统及方法、电子设备和存储介质
WO2021196554A1 (zh) 图像传感器、处理系统及方法、电子设备和存储介质
CN105049755B (zh) 图像传感器和具有该图像传感器的图像处理装置
US10257447B2 (en) Imaging method, imaging device, and electronic device
US9369686B2 (en) Image processing device, image processing method, and recording medium
US7999870B2 (en) Sampling and readout of an image sensor having a sparse color filter array pattern
CN102640501B (zh) 用于数字成像的滤色器和逆马赛克变换技术
EP2415254B1 (en) Exposing pixel groups in producing digital images
WO2021212763A1 (zh) 高动态范围图像处理系统及方法、电子设备和可读存储介质
CN105308953A (zh) 用于捕获图像的不均匀传感器阵列
TW201215165A (en) Increasing the resolution of color sub-pixel arrays
CN101098399A (zh) 恢复高像素图像的设备和方法
CN105814877A (zh) 电子装置和控制该电子装置的方法
WO2023098282A1 (zh) 图像传感器、摄像模组、电子设备、图像生成方法和装置
WO2023109265A1 (zh) 图像传感器、摄像模组、电子设备、图像生成方法和装置
CN102629996B (zh) 彩色的时间延时积分型cmos图像传感器
CN113674685B (zh) 像素阵列的控制方法、装置、电子设备和可读存储介质
US20230247308A1 (en) Image processing method, camera assembly and mobile terminal
WO2014091706A1 (ja) 撮像装置
US20170237927A1 (en) Imaging device and method of driving imaging device
CN111835971B (zh) 图像处理方法、图像处理系统、电子设备及可读存储介质
CN105323568A (zh) 一种数码相机中色彩滤镜阵列的彩色重建方法
CN104967763B (zh) 一种图像采集器件、图像采集方法及电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant