CN106561047B - 具有改良读出的高动态范围成像系统操作方法 - Google Patents

具有改良读出的高动态范围成像系统操作方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及具有改良读出的高动态范围成像像素。本发明提供了一种成像系统，所述成像系统可包括具有双增益像素阵列的图像传感器。每个像素可使用改良三读出法和改良四读出法进行操作，使得所有信号以高增益配置读出，以便防止信号电平出现电气偏移。每个像素可使用改良三读出、双模数转换(ADC)法进行操作，其中使用帧缓冲器存储校准数据。每个像素可使用改良三读出、三ADC法进行操作，其中不需要帧缓冲器。高动态范围图像信号可以基于从所述像素读出的信号并且基于光照条件，针对每个像素产生。

Description

具有改良读出的高动态范围成像系统操作方法
本申请要求提交于2015年10月1日的临时专利申请No.62/235,817 的权益和优先权，该申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及用于利用双增益读出来操作图像传感器像素以产生高动态范围(HDR)图像的方法和电路。
背景技术
在常规成像系统中，图像伪影可能由移动物体、移动或抖动相机、闪烁光照以及图像帧中具有变化照明的物体引起。此类伪影可包括例如物体的缺失部分、边缘颜色伪影和物体失真。具有变化照明的物体的例子包括发光二极管(LED)交通标志(其可每秒闪烁几百次)以及现代汽车的LED刹车灯或车头灯。
虽然电子卷帘快门和全局快门模式产生具有不同伪影的图像，但此类伪影的根本原因对于这两种操作模式是共同的。通常，图像传感器以相对于正被拍摄的场景异步的方式采集光。这意味着图像帧的各部分可能不会在帧持续时间的一部分内曝光。在积聚时间比所使用的帧时间短得多时，对于亮场景尤其是这种情况。当场景包括移动或快速变化的物体时，图像帧中不完全暴露于动态场景的区可导致物体失真、幻影效应和颜色伪影。当相机在图像拍摄操作期间移动或抖动时，可观察到类似效应。
常规成像系统还可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有较亮部分和较暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。
双增益像素常常用于改进图像传感器的动态范围。它们既可在固定高增益或固定低增益读出模式中使用，也可在两种增益模式都读出的双重读出模式中使用。在双重读出模式下，电荷要么完全地存储在光电二极管上，要么受许在积聚过程中溢出到浮动扩散节点。在积聚过程中双增益读出与溢出相结合，会允许最大动态范围增大。
双增益像素通常以相应高增益和低增益配置来读出捕捉到的高增益和低增益图像数据。在高增益配置与低增益配置之间切换会造成电气串扰。这种串扰导致高增益配置下读出的信号与低增益配置下读出的信号之间存在不期望的较大电气偏移。这种电气偏移可能导致像素输出信号的幅度超出成像系统中模拟读出电路的操作范围。
双增益像素通常使用在不具有帧缓冲器的情况下需要四次像素读出和四次模数转换(ADC)来操作、或在具有帧缓冲器的情况下需要三次像素读出和三次ADC来操作的方法，来读出捕捉到的图像数据。在后一种情况下，需要使用帧缓冲器提供用于信号之间的偏移校正的参考图像。执行额外的读出和ADC转换需要额外的功率，而引入帧缓冲器需要额外的硬件。一般并不期望这样增加功耗和添加硬件。
因此，期望能够得到如下高动态范围(HDR)图像传感器：其在像素输出信号之间没有较大电气偏移，比起传统图像传感器需要的读出和 ADC转换更少，并且不需要用于像素读出的帧缓冲器。
附图说明
图1是根据实施例的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据实施例的用于读出图像传感器中的图像信号的示例性像素阵列以及关联读出电路的示意图。
图3是双增益图像像素的电路图和对应的电势图。
图4是一系列电势图，示出在高照度和低照度条件下三读出操作法中的电位电平以及流经图3所示电路的电荷流动。
图5是时序图，示出在图4所示三读出操作法中，图3所示电路中的像素状态、控制信号时序以及模数转换和传感器读出操作时序。
图6是时序图，示出在四读出操作法中，图3所述电路中的像素状态、控制信号时序以及模数转换和传感器读出操作时序。
图7的图表示出了光强度与对应于图5和图6所示三/四读出操作法的像素输出信号的信号电平的关系。
图8是根据实施例的一系列电势图，示出在高照度和低照度条件下的改良三读出操作法中的电位电平以及流经图3所示电路的电荷流动。
图9是根据实施例的时序图，示出在图8所示改良三读出操作法中，图3所示电路中的像素状态、控制信号时序以及模数转换和传感器读出操作时序。
图10是根据实施例的时序图，示出在改良四读出操作法中，图3 所示电路中的像素状态、控制信号时序以及模数转换和传感器读出操作时序。
图11为根据实施例的图表，示出光强度与对应于图9和图10所示改良三/四读出法的像素输出信号的信号电平的关系。
图12的图表示出了光强度与像素输出信号的信号电平的关系，以及混合两个像素输出信号以产生单个线性高动态范围输出信号的方法。
图13是根据实施例的一系列电势图，示出在高照度和低照度条件下的改良三读出操作法中的电位电平以及流经图3所示电路的电荷流动，所述方法需要的模数转换更少或不需要帧缓冲器。
图14是根据实施例的时序图，示出在改良三读出操作法中，图3 所示电路中的像素状态、控制信号时序以及模数转换和传感器读出操作时序，所述方法执行三次模数转换并且不需要帧缓冲器。
图15是根据实施例的时序图，示出在改良三读出操作法中，图3 所示电路中的像素状态、控制信号时序以及模数转换和传感器读出操作时序，所述方法执行两次模数转换并且需要帧缓冲器。
图16为根据实施例的图表，示出光强度与像素输出信号的信号电平的关系，以及混合像素输出信号以获得线性高动态范围输出信号的方法，所述方法任选地包括将校准数据存储在帧缓冲器中。
具体实施方式
本发明的实施例涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围(HDR)输出信号的双增益像素的图像传感器。本领域技术人员应该认识到，本发明的示例性实施例可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，并未详细描述所熟知的操作，以免不必要地模糊本实施例。
具有数字相机模块的成像系统广泛用于电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备中。数字相机模块可包括一个或多个图像传感器，这些图像传感器收集入射光以捕捉图像。
在一些情况下，成像系统可形成更大的系统的一部分，这些更大的系统包括诸如车辆(如，汽车、公共汽车或任何其他车辆)的监控系统或安全系统。在车辆安全系统中，成像系统捕捉到的图像可供车辆安全系统使用以确定车辆周围的环境状况。例如，车辆安全系统可包括诸如停车辅助系统、自动或半自动巡航控制系统、自动制动系统、防撞系统、车道保持系统(有时称为车道漂移预防系统)等。
在至少一些情况下，成像系统可形成半自主或自主无人驾驶车辆的一部分。此类成像系统可捕捉图像并使用这些图像检测附近车辆。如果在图像中检测到附近车辆，则车辆安全系统有时可打开警示灯、发出警告，或者可激活制动、主动转向或其他主动防撞措施。车辆安全系统可使用具有数字相机模块的成像系统连续捕捉的图像，来帮助避免与物体 (如，其他汽车或其他环境物体)碰撞，帮助避免不期望的偏离(如，越过车道标记)，或者帮助车辆在其任何正常运行模式期间安全运行。
图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成电荷的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如) 具有数百、数千或数百万的像素(如，百万像素)。
图像传感器像素可为双增益像素，它们使用另外的晶体管和存储区连同双增益读出方法改进该像素的动态范围。可调整所使用的双增益读出方法以减少在像素输出信号之间的电气偏移，减少读出所需要的模数转换(ADC)数量，并且消除对帧缓冲器的需要。
图1为示例性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕捉图像的成像系统。图1的系统100可以是车辆安全系统(如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，可以是监控系统，或者可以是电子设备(诸如相机、移动电话、摄像机或其他捕捉数字图像数据的电子设备)。
如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个镜头。相机模块12中的镜头可(例如)包括被布置成M×N阵列的M*N个单独的镜头。可将单独的图像传感器14(例如)布置成对应的M×N图像传感器阵列。M和N的值可各自大于或等于1，可各自大于或等于2，可超过10，也可为任何其他恰当的值。
相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。每个图像传感器可以是(例如)具有480×640图像传感器像素分辨率的视频图形阵列(VGA) 传感器。如果需要，也可为图像传感器使用其他图像传感器像素排列。例如，可使用分辨率高于VGA分辨率的图像传感器(如，高清图像传感器)、分辨率低于VGA分辨率的图像传感器、以及/或者其中图像传感器不完全相同的图像传感器阵列。
在图像捕捉操作的过程中，每个镜头可将光聚集到相关的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(如，数百、数千、数百万或更多) 的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数百万的像素(如，百万像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(如，源极跟随器负载电路)、采样保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(如，缓冲电路)、寻址电路等。
可将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径 26提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路 16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或简称JPEG格式)。在典型布置(有时称为片上系统(SOC)布置) 中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底上实现(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独半导体衬底上。例如，相机传感器14与图像处理电路16可形成在已堆叠的单独的半导体衬底上。
成像系统10(如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18 将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括主动控制系统，该主动控制系统将用于控制车辆功能(诸如制动或转向)的控制信号传递到外部设备。主机子系统20可包括处理软件，用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。主机子系统20可包括报警系统，该报警系统被配置成在与图像传感器相关的验证图像数据指示图像传感器未正常运行的情况下禁用成像系统10和/或生成警告(例如，汽车仪表盘上的警告灯、声音警告或其他警告)。
如果需要，系统100可向用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用程序的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性和非易失性的存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器，等等)。存储和处理电路 24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
在成像系统10操作过程中，相机模块12可连续地捕捉图像帧并且将图像帧提供给主机子系统20。在图像捕捉操作过程中，与图像传感器14相连的验证电路可能会偶尔运行(例如，每个图像帧捕捉之后、每隔一个图像帧捕捉之后、每五个图像帧捕捉之后、图像帧的一部分捕捉期间等)。验证电路运行时捕捉的图像可包括验证图像数据，该验证图像数据包含验证信息。可将验证图像数据提供给图像处理电路16和/ 或存储和处理电路24。图像处理电路16可被配置用于将验证图像数据与存储在图像处理电路16上的预定数据进行对比。在比较后，图像处理电路16可向主机子系统20发送状态信息或其他验证信息。
图2示出了图1中相机模块12的布置的例子。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14与控制和处理电路44。控制和处理电路44 可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素或图像像素34)阵列32。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由全局数据路径28耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40 可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素 34供应对应的行控制信号(如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他所需的像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号，并向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38 上读出。
列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他所需数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路 44。
阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实施。虽然行和列在本文中一般分别被描述为水平和垂直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(如，本文中描述为行的特征可垂直地布置，并且本文中描述为列的特征可水平地布置)。
如果需要，阵列32可为堆叠管芯布置的一部分，其中阵列32的像素34会被划分在两个或更多个堆叠衬底中。在这种布置中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯中。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与所需节点(在本例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。所需节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通路)上(即，作为其一部分)。在两个管芯结合前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦接。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是示例性的。如果需要，可以使用任何已知的金属对金属结合技术诸如软焊或焊接，来将形成在相应第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯中的所需节点可为浮动扩散节点。或者，所需节点可为浮动扩散区与源极跟随器晶体管栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接至第二管芯上的源极跟随器晶体管)、浮动扩散区与转移晶体管源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、源极跟随器晶体管源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他所需节点。
图3是双增益图像像素的电路图和对应的电势图。如图3所示，双增益图像像素200包括光敏元件202(例如，光电二极管)，该光敏元件具有连接到地面222的第一端子，以及通过转移晶体管204耦接到浮动扩散节点(FD)212的第二端子。浮动扩散节点212通过增益选择晶体管206和重置晶体管208来耦接到电压源220。增益选择电容器210具有电容CGS，并且具有连接到地面222的第一端子，和耦接到插入在增益选择晶体管206与重置晶体管208之间的节点的第二端子。如果需要，可替代地将增益选择电容器210的第一端子耦接到固定电位(未示出)。源极跟随器晶体管214具有耦接到浮动扩散节点212的栅极端子、耦接到电压源220的第一源极-漏极端子、以及通过行选择晶体管216耦接到列输出线218的第二源极-漏极端子。
转移晶体管204的栅极端子接收控制信号TX。增益选择晶体管206 的栅极端子接收控制信号GS。重置晶体管208的栅极端子接收控制信号重置。行选择晶体管216的栅极端子接收控制信号RS。电压源220 提供电压Vdd。控制信号TX、GS、RESET(重置)和RS由行控制电路诸如图2中的行控制电路40提供。
图3中示出的电势示意图230对应于双增益像素200内的不同位置处的电压电平(V)，并且用于示出在图4、图8和图13的像素操作过程中这些位置处的电压电平和电量。光电二极管区232对应于光电二极管 202处的电压电平。转移区234对应于转移晶体管204处的电压电平。浮动扩散区236对应于浮动扩散节点212处的电压电平。增益选择晶体管区238对应于增益选择晶体管206处的电压电平。增益选择存储区 240对应于增益选择电容器210处的电压电平。重置区242对应于重置晶体管208处的电压电平。电压源区244对应于电压源220处的电压电平。电荷(由图4、图8和图13中的深色区域表示)在光电二极管积聚过程中聚积在光电二极管区232中，并且在电荷转移和信号读出操作过程中转移至区236和240。
图4示出一系列电势图，这些电势图对应于图3中的电势图230，并且示出在低照度条件和高照度条件下双增益像素200的三读出操作法期间各时段的双增益像素200中的电位电平。图5示出双增益像素 200的三读出操作法的时序图。图5的时序图示出了像素200的状态，控制信号TX、GS、重置和RS时序，以及包括双增益像素200的图像传感器的ADC和传感器读出操作时序。图5的时序图对应于图4的电势图。在时段t1，信号TX、GS和重置生效，使得区234,238和242被设定为高电压电平，以便重置像素200。在时段t2，TX和重置生效，使得区234和242被设定为低电压电平。
像素曝光以及溢出在时段t2-t3发生。时段t2表示光电二极管电荷积聚开始。时段t3表示光电二极管电荷积聚结束。在低照度条件下，在时段t3时，所有电荷均包含在光电二极管区232内，而不发生溢出。高照度条件下，在时段t3，聚积电荷超过光电二极管区232的容量，从光电二极管区232溢出到浮动扩散区236和增益选择存储区240中。
像素读出在时段t4-t8期间发生。在时段t4，信号重置、TX和GS 被解除生效时(即，像素200呈高增益配置时)，脉冲式地产生控制信号RS，以便读出高增益重置电压HGR。在无电荷溢出的低照度条件下，聚积电荷将保留在光电二极管区232中，而且将不促成HGR。在高照度条件下，浮动扩散区236中的溢出电荷将促成HGR。在时段t5，信号GS和重置解除生效时，信号TX生效，以便将电荷从光电二极管区 232转移到浮动扩散区236。在低照度条件下，光电二极管上的电荷完全转移，而高照度条件下，一些电荷保留在光电二极管区232中。在时段t6，信号重置、TX和GS解除生效时，脉冲式地产生信号RS，以便读出高增益信号电压HGS。在时段t7，当信号重置解除生效时，信号 TX和GS生效，使得留在光电二极管区232中的任何电荷分布在浮动扩散区236与增益选择区240之间。在时段t8，当解除生效信号重置和TX时(即，在像素200呈低增益配置时)，脉冲式地产生信号RS，以便读出低增益信号电压LGS。在时段t9再次发生像素重置。在时段t9期间，信号重置、TX和GS保持生效，直到新像素曝光和溢出时段开始为止。
如图5所示，由包含每个所捕捉图像的双增益像素200的图像传感器执行三次ADC和两次传感器读出操作。在分别读出HGR、HGS和 LGS后，这些信号立即从模拟信号转换成数字信号。在HGR和HGS 信号经历ADC处理后，从HGS中减去HGR来生成高增益信号 HG(S-R)，并且该信号随后从图像传感器中被读出。在读出HG(S-R)后，从图像传感器中读出LGS。
应注意到，在图5的像素操作过程中，并未读出低增益重置电压。相反，使用帧缓冲器来存储校准电压CAL，该校准电压CAL对应于在像素重置过程中浮动扩散节点上的电压。在下游处理过程中，从LGS 中减去CAL，以便产生低增益信号。要添加该帧缓冲器需要在图像传感器中包括另外硬件，但会减少为每个所捕捉图像执行的所需读出数量。
图6示出双增益像素200的四读出操作法的时序图。图6的时序图示出像素200的状态、控制信号TX、GS、重置和RS时序、包括双增益像素200的图像传感器的ADC和传感器读出操作时序。在时段t1-t8期间发生的四读出法的操作与上文结合图5描述的操作基本相同，为了简洁起见，在此将不再重复描述这些操作。在图6的四读出法中，像素读出不以LGS的读出而结束。相反，在时段t9，当信号TX和RS解除生效时，信号重置和GS可以生效，以便将像素200重置为电压Vdd。在时段t10，当信号GS生效并且信号TX和重置解除生效时，脉冲式地产生信号RS，以便读出低增益重置电压LGR。像素重置在时段t11期间发生。在时段t11期间，信号重置、TX和GS保持生效，直到新像素曝光和溢出时段开始为止。
如图6所示，由包含每个所捕捉图像的双增益像素200的图像传感器执行四次ADC和两次传感器读出操作。在分别读出HGR、HGS、LGS 和LGR后，这些信号立即从模拟信号转换成数字信号。在HGR和HGS 信号经历ADC处理后，从HGS中减去HGR来生成高增益信号 HG(S-R)，并且该信号随后从图像传感器中被读出。在读出HG(S-R)后，从LGS中减去LGR来生成低增益信号LG(S-R)，并且该信号随后从图像传感器中被读出。
应注意到，在图6的四读出法中，低增益信号LG(S-R)部分地基于在时间t10时读出的低增益重置信号LGR而生成的，而非基于所存储的校准信号(例如，以上结合图5来描述的信号CAL)而生成。这使得不再需要帧缓冲器来存储校准信号。这种方法增加了每个所捕捉图像所需的读出数量，但无需为帧缓冲器增添任何额外的硬件。
图7的图表示出了光强度与使用图4-图6的三/四读出操作法来读出的信号的信号电平(-V)的关系。在光强度水平702下，发生电荷溢出。在图4和图5的三读出操作法中，可替代读出信号LGR而将对应于电压740的校准信号CAL存储在帧缓冲器中。信号HGR和LGS以及信号HGS的一部分在光强度水平702下具有相同光强度倾斜度704，然而，一旦光强度的大小大到足以形成超出图像传感器中模拟读出链的工作范围的HGS信号，信号HGS就会被削波。信号HGS和HGR以高增益配置读出，而信号LGS和LGR以低增益配置读出。在不同配置中读出信号HGS和HGR以及信号LGS和LGR导致电气偏移706形成，所述电气偏移不利地增加了读出信号的整体电压范围。具体而言，电气偏移706由增益选择晶体管206生成的串扰促成。这种电气偏移使得更难以优化像素输出信号以便适合图像传感器中的模拟读出链的操作信号范围。因此，期望消除这种电气偏移。
图8示出一系列电势图，这些电势图对应于图3中的电势图230，并且示出在低照度条件和高照度条件下双增益像素200的改良三读出操作法期间各时段的双增益像素200中的电位电平。图9示出图8的双增益像素200的改良三读出操作法的时序图。图9的时序图示出像素 200的状态、控制信号TX、GS、重置和RS时序、包括双增益像素200 的图像传感器的ADC和传感器读出操作时序。图9的时序图可对应于图8的电势图。在时段t1-t7期间发生的改良三读出法的操作、ADC转换操作以及传感器读出操作可与上文结合图5描述的操作基本相同，为了简洁起见，在此将不再重复描述这些操作。在图8和图9的改良三读出法中，可以在高增益配置下从像素200中读出LGS。在时段t8，当信号GS、重置和TX解除生效时(即，高增益配置)，可脉冲式地产生信号RS，以便读出LGS。在时段t9再次发生像素重置。在时段t9期间，信号重置、TX和GS可保持生效，直到新像素曝光和溢出时段开始为止。在读出LGS时信号GS解除生效，确保了从双增益像素200中读出的所有信号都具有相同的电气偏移。
应注意到，在图9的像素操作过程中，并未读出低增益重置电压。相反，可使用帧缓冲器来存储校准电压CAL，该校准电压CAL对应于在像素重置过程中浮动扩散节点上的电压。在下游处理过程中，可从 LGS中减去CAL，以便产生低增益信号。要添加该帧缓冲器可能需要在图像传感器中包括额外的硬件，但可能会减少为每个所捕捉图像执行的所需读出数量。
图10示出双增益像素200的改良四读出操作法的时序图。图10的时序图示出像素200的状态、控制信号TX、GS、重置和RS时序、包括双增益像素200的图像传感器的ADC和传感器读出操作时序。在时段t1-t8期间发生的图10所示改良四读出法的操作可与上文结合图9描述的操作基本相同，而改良四读出法的ADC转换操作和传感器读出操作可与上文结合图6描述的操作基本相同。为了简洁起见，在此将不再重复描述这些操作。在图10的改良四读出法中，像素读出不以LGS的读出而结束。相反，在时段t9，当信号TX和RS解除生效时，信号重置和GS可以生效，以便将像素200重置为电压Vdd。在时段t10，当信号TX、GS和重置解除生效时(即，高增益配置)，可脉冲式地产生信号RS，以便读出低增益重置电压LGR。像素重置在时段t11期间发生。在时段t11期间，信号重置、TX和GS可保持生效，直到新像素曝光和溢出时段开始为止。在读出信号LGS和LGR时信号GS解除生效，确保了从双增益像素200中读出的所有信号都具有相同的电气偏移。
应注意到，在图10的改良四读出法中，低增益信号LG(S-R)可部分地基于在时间t10时读出的低增益重置信号LGR而生成的，而非基于所存储的校准信号(例如，以上结合图5来描述的信号CAL)而生成。这使得不再需要帧缓冲器来存储校准信号。这种方法可增加每个捕捉图像所需的读出数量，而可不需要任何用于帧缓冲器的附加硬件。
图11的图表示出了光强度与使用图8-图10的改良三/四读出操作法来读出的信号的信号电平(-V)的关系。在图8和图9的改良三读出操作法中，可替代读出信号LGR而将对应于电压1140的校准信号CAL 存储在帧缓冲器中。信号HGR和LGS以及信号HGS的一部分在光强度水平1102下可具有相同光强度倾斜度1104，然而，一旦光强度的大小大到足以形成超出图像传感器中模拟读出链的工作范围的HGS信号，信号HGS可被削波。信号HGS、HGR、LGS和LGR以高增益配置读出。通过在相同配置下读出信号HGS、HGR、LGS和LGR，减少了信号HGS/HGR与信号LGS/LGR之间的电气偏移，从而降低了读出信号的整体电压范围。在读出信号LGS和LGR的同时，通过使增益选择晶体管206解除生效来实现电气偏移的这种降低(例如，与图4-图6 的方法相比)。消除这种电气偏移会减少读出信号的信号范围，并且使得更容易优化像素输出信号以便适合图像传感器中的模拟读出链的操作信号范围。这种改良读出信号范围为高增益信号HGR和HGS提供信噪比(SNR)更佳的益处。
图12的图表示出了光强度与像素输出信号的信号电平(-V)的关系，以及用于混合两个像素输出信号以产生单个线性高动态范围输出信号 HDR的方法。高增益信号HG对应于图5-图7的高增益信号HG(S-R)。低增益信号LG对应于图5-图7的低增益信号LG(S-R)或LG(S-CAL)。高动态范围信号HDR表示在处理后由像素输出的实际信号。对于范围 1224中的光强度，高增益信号HG被输出为HDR。对于范围1226中的光强度，低增益信号LG沿路径1222放大，并随后输出为HDR。在范围1226中，由于信号HG的信号电平超出模拟读出链的操作范围，因而信号HG会经历削波1220，所以在该范围中使用信号LG。
在混合区1228中，HDR被定义为高增益信号HG的一部分与经放大的低增益信号LG的一部分的总和。例如，HDR可使用以下公式(1) 来计算，
HDR＝(1-α)(HG)+(α)(G)(LG)α＝[0..1] (1)
其中G是HG与LG之间用于放大LG的增益比，并且其中α是当光强度范围为从混合区1228的起点至混合区1228的终点时，范围从0至1 的任何期望函数(例如，线性函数、sigmoid函数)。采用混合的方式将HDR的值从HG过渡到LG避免了噪声突增，并且防止HG与LG之间的假设增益差出现误差。与进行从HG至LG的硬切换时形成的间断相比，这样混合仅带来了较小的非线性度。
图13示出一系列电势图，这些电势图对应于图3中的电势图230，并且示出在低照度条件和高照度条件下双增益像素200的改良三读出、三ADC操作法期间各时段的双增益像素200中的电位电平，所述方法需要的模数转换更少或不需要帧缓冲器。图14示出图13的双增益像素 200的改良三读出、三ADC操作法的时序图。图14的时序图示出像素 200的状态、控制信号TX、GS、重置和RS时序、包括双增益像素200 的图像传感器的ADC和传感器读出操作时序。在时段t1-t3期间发生的图13和图14的三读出法的操作可与以上结合图5描述的操作基本相同，为了简洁起见，在此将不再重复描述这些操作。在图13和图14的改良三读出、三ADC法中，可以在高增益配置下从像素200中读出所有信号。时段t4-t8可对应于像素读出。在时段t4，当信号GS、TX和重置解除生效时(即，高增益配置)，可脉冲式地产生信号RS，以便读出第一高增益重置电压HGR1。在低照度条件下，当读出HGR1时，浮动扩散区236将包含极少甚至不包含电荷。在高照度条件下，浮动扩散区236将包含在电荷聚积过程中从光电二极管区232溢出的电荷。在时段t5，当信号TX和RS解除生效时，信号重置和GS可以生效，以便将像素200的浮动扩散区236和增益选择区240重置。在时段t6，当信号 GS、TX和重置解除生效时(即，高增益配置)，可脉冲式地产生信号 RS，以便读出第二高增益重置电压HGR2。在时段t7，当信号GS、RS 和重置解除生效时，可使信号TX生效，以便将留在光电二极管区232 中的任何电荷转移到浮动扩散区236。在时段t8，当信号GS、TX和重置解除生效时(即，高增益配置)，可脉冲式地产生信号RS，以便读出高增益信号电压HGS。在时段t9再次发生像素重置。在时段t9期间，信号重置、TX和GS保持生效，直到新像素曝光和溢出时段开始为止。
如图14所示，由包含每个所捕捉图像的双增益像素200的图像传感器执行三次ADC和一次传感器读出操作。在分别读出HGR1、HGR2 和HGS后，这些信号立即从模拟信号转换成数字信号。在信号HGR1、 HGR2和HGS经过ADC处理后，就会生成高动态范围图像信号HDR。当光强度低于阈值时，基于以下公式(2)计算HDR，而当光强度高于阈值时，基于以下公式(3)计算HDR：
HDR＝HGS–HGR2 (2)
HDR＝HGS–HGR2+G(HGR1-HGR2) (3)
其中G是溢出开始后的HGR1与溢出开始前的HGS之间的增益比，其中溢出被限定为在特定光强度水平处开始。HDR信号生成可在处理后发生。应注意到，图13和图14的改良三读出、三ADC法使用HGR2 作为重置值，所述重置值可用作暗偏移量，以确保微光低噪声操作。因此，改良三读出、三ADC法不需要任何帧缓冲器用于存储重置值。缺少帧缓冲器导致成像设备所需的硬件减少，但需要HGR2针对每个捕捉图像接受ADC转换。
在一些实施例中，混合方法可用于针对高于和低于阈值的范围(即，混合区)内的光强度使用以下公式(4)来计算HDR：
HDR＝HGS–HGR2+(α)(G)(HGR1-HGR2)；α＝[0..1] (4)
其中α是光强度的函数，其值在整个混合区上具有0到1的范围。
图15为双增益像素200的改良三读出、双ADC操作法的时序图。图15的时序图示出像素200的状态、控制信号TX、GS、重置和RS时序、包括双增益像素200的图像传感器的ADC和传感器读出操作时序。在时段t1-t9期间发生的图10的改良三读出、双ADC法的控制信号操作可与上文结合图14描述的操作基本相同，为了简洁起见，在此将不再重复。相反，图15所示的ADC转换和传感器读出操作可不同于图14 所示的那些。成像系统可在读出HGR2之后基于检测到的光照条件高于还是低于阈值来选择转换HGR1还是HGR2，而不是在高增益重置信号HGR1和HGR2上执行ADC转换。如果光照条件低于阈值，那么HGR2 可接受ADC转换。如果光照条件高于阈值，那么HGR1可接受ADC 转换。选定的信号HGR1或HGR2可在ADC转换之后读出。不论光照条件如何，在读出HGS之后，HGS都可接受ADC转换。HGS可在ADC 转换之后读出。
基于读出信号HGS、HGR1或HGR2以及存储的校准值CAL，可生成高动态范围信号HDR。CAL可对应于当图像传感器在黑暗中操作时HGR2通常将具有的值。CAL有时可称为暗偏移校准电压。CAL可存储在成像设备中的帧缓冲器中。当光强度低于阈值时，可基于以下公式(5)生成HDR，而当光强度高于阈值时，可基于以下公式(6)生成HDR：
HDR＝HGS–HGR2 (5)
HDR＝HGS–CAL+G(HGR1–CAL) (6)
其中G是溢出开始后的HGR1与溢出开始前的HGS之间的增益比，其中溢出被限定为在特定光强度水平处开始。HDR信号生成可在处理后发生。应在ADC转换之前决定将哪个公式用于生成HDR信号，以使得相关联的决策信息与ADC转换器转换的数据并行传输。应注意到，图15的改良三读出、双ADC法需要帧缓冲器存储校准值CAL，但与图14的三读出、三ADC法相比，其每个捕捉图像需要的ADC转换少一次。由于每个捕捉图像需要更少的ADC转换，这具有减少功耗的优点。
图16的图表示出了光强度与像素输出信号的信号电平(-V)的关系，以及针对产生线性高动态范围输出信号HDR而作出的模拟决策。图16 中示出的信号HGS、HGR1和HGR2可对应于结合图13-图15描述的那些。HGS的饱和点1620可以受到信号溢出限制，而不受到模拟读出链削波限制。在光强度水平1602处开始溢出。
针对图13和图14的三读出、三ADC法，在区1624中的光强度下使用公式(2)计算HDR。在区1626中的光强度下，使用公式(3)计算HDR，其中增益比G可对应于路径1622。
点1640表示对应于图15的三读出、双ADC法中所用的校准信号 CAL的光强度和信号电平。针对三读出、双ADC法，在区1624中的光强度下使用公式(5)计算HDR。在区1626中的光强度下，使用公式(6) 计算HDR，其中增益比G可对应于路径1622。
已描述了示出包括成像系统和主机子系统的成像系统(例如，图1 的系统100)的各种实施例。根据一个实例，一种成像系统操作方法可包括：利用像素中的光电二极管，响应于入射光来聚积电荷；在像素呈高增益配置时，利用读出电路读出第一信号，其中第一信号基于聚积电荷中从光电二极管溢出到浮动扩散节点和增益选择存储节点中的第一部分；在像素呈高增益配置时，利用转移晶体管将留在光电二极管中的聚积电荷的第二部分转移到浮动扩散节点；在像素呈高增益配置时，利用读出电路读出第二信号，其中第二信号基于浮动扩散节点处聚积电荷的第一部分和第二部分；使增益选择晶体管的栅极信号生效，以便使聚积电荷的第一部分和第二部分分布在浮动扩散节点与增益选择存储节点之间；以及在像素呈高增益配置时，利用读出电路读出第三信号，其中第三信号基于浮动扩散节点处的分布的电荷。在像素呈高增益配置时读出第三信号可包括：使增益选择晶体管的栅极信号解除生效；以及在增益选择晶体管的栅极信号解除生效时读出第三信号，以使得所述浮动扩散节点利用读出电路与增益选择存储节点电隔离，其中第三信号基于浮动扩散节点处的分布的电荷。增益选择器可插入在浮动扩散节点与增益选择存储节点之间。所述像素可以是双增益像素。所述方法还可包括：通过将浮动扩散节点和增益选择存储节点重置为像素电压而将像素重置；以及在重置像素后，基于浮动扩散节点处的像素电压在高增益配置下利用读出电路来读出第四信号。
根据另一实例，一种图像系统操作方法可包括：利用像素中的光电二极管，响应于入射光而聚积电荷；当像素呈高增益配置时，利用读出电路读出第一信号，其中第一信号基于聚积电荷从光电二极管溢出到浮动扩散节点和增益选择存储节点中的第一部分；在读出第一信号后，将浮动扩散节点和增益选择存储区重置为像素电压；当像素呈高增益配置时，利用读出电路读出第二信号，其中第二信号基于浮动扩散节点处的像素电压；在高增益配置下，利用转移晶体管将聚积电荷的第二部分从光电二极管转移到浮动扩散节点；当像素呈高增益配置时，利用读出电路读出第三信号，其中第三信号基于浮动扩散节点处的聚积电荷的第二部分。高增益配置可包括将用于增益选择晶体管的增益信号解除生效，以便将浮动扩散节点与增益选择存储区隔离。
在一些实施例中，所述方法还可包括：用帧缓冲器存储暗偏移校准电压；基于检测到的光照条件，在对第一信号和第二信号中的选定的信号执行模数转换；以及对第三信号执行模数转换。
在一些实施例中，基于检测到的光照条件对第一信号和第二信号中的选定的信号执行模数转换可包括响应于检测到光强度高于阈值而对第一信号执行模数转换。所述方法还可包括：按第三信号与第一信号之间的增益比来放大第一信号；以及基于放大的第一信号、校准电压和第三信号生成高动态范围图像信号。
在一些实施例中，基于检测到的光照条件对第一信号和第二信号中的选定的信号执行模数转换可包括响应于检测到光强度低于阈值而对第二信号执行模数转换。所述方法还可包括基于第三信号与第二信号之间的差异来生成高动态范围图像信号。
在一些实施例中，所述方法还可包括对第一信号、第二信号和第三信号执行模数转换。
在一些实施例中，所述方法可包括响应于检测到光强度低于阈值，基于第三信号与第二信号之间的差异来生成高动态范围图像信号。
在一些实施例中，所述方法可包括：按第三信号与第一信号之间的增益比来放大第一信号；以及基于放大的第一信号以及第二信号和第三信号来生成高动态范围图像信号。
根据另一实例，一种成像系统操作方法可包括：当双增益像素呈高增益配置时，从双增益像素读出第一重置信号，其中第一重置信号基于双增益像素的浮动扩散节点中的溢出电荷；将浮动扩散节点和增益选择存储区重置为重置电压；当双增益像素呈高增益配置时，从双增益像素读出第二重置信号，其中第二重置信号基于浮动扩散节点处的重置电压；以及当双增益像素呈高增益配置时，从双增益像素读出第一高增益信号。
在一些实施例中，所述方法还可包括：将暗偏移校准值存储在帧缓冲器中；基于检测到的光照条件，对第一重置信号和第二重置信号中的选择重置信号执行模数转换；以及基于第一重置信号和第二重置信号中的选择重置信号和高增益信号生成高动态范围图像。
在一些实施例中，所述方法还可包括：对第一重置信号和第二重置信号以及高增益信号执行模数转换；以及基于第一重置信号和第二重置信号以及高增益信号生成高动态范围图像。
前述内容仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行多种修改。上述实施例可单独地或以任意组合方式实施。

Claims (20)

1.一种成像系统操作方法，所述方法包括：
利用像素中的光电二极管，响应于入射光来聚积电荷；
利用读出电路，在所述像素呈高增益配置时读出第一信号，其中所述第一信号基于所聚积的电荷中从所述光电二极管溢出到浮动扩散节点和增益选择存储节点中的第一部分；
利用转移晶体管，在所述像素呈所述高增益配置时，将留在所述光电二极管中的所述聚积的电荷的第二部分转移到所述浮动扩散节点；
利用所述读出电路，在所述像素呈所述高增益配置时读出第二信号，其中所述第二信号基于在所述浮动扩散节点处的所述聚积的电荷的所述第一部分和所述第二部分；
使用于增益选择晶体管的栅极信号生效，以便使所述聚积的电荷的所述第一部分和所述第二部分在所述浮动扩散节点与增益选择存储节点之间分布；
利用所述读出电路，在所述像素呈所述高增益配置时读出第三信号，其中所述第三信号基于所述浮动扩散节点处的所分布的电荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述像素呈所述高增益配置时，读出所述第三信号包括：
使所述增益选择晶体管的所述栅极信号解除生效；以及
利用所述读出电路，在所述增益选择晶体管的所述栅极信号解除生效时读出第三信号，以使得所述浮动扩散节点与所述增益选择存储节点电隔离，其中所述第三信号基于所述浮动扩散节点处的所述分布的电荷。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述增益选择晶体管插入在所述浮动扩散节点与所述增益选择存储节点之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素是双增益像素。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过将所述浮动扩散节点和所述增益选择存储节点设置为像素电压而将所述像素重置。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在将所述像素重置之后，利用读出电路，在所述像素呈所述高增益配置时读出第四信号，其中所述第四信号基于所述浮动扩散节点处的所述像素电压。
7.一种成像系统操作方法，所述方法包括：
利用双增益像素中的光电二极管，响应于入射光来聚积电荷；
利用读出电路，在所述双增益像素呈高增益配置时读出第一信号，其中所述第一信号基于所聚积的电荷中从所述光电二极管溢出到浮动扩散节点和增益选择存储节点中的第一部分；
在读出所述第一信号之后，将所述浮动扩散节点和增益选择存储区重置为像素电压；
利用所述读出电路，在所述双增益像素呈所述高增益配置时读出第二信号，其中所述第二信号基于所述浮动扩散节点处的所述像素电压；
利用转移晶体管，在所述双增益像素呈所述高增益配置时，将所述聚积的电荷的第二部分从所述光电二极管转移到所述浮动扩散节点；
利用所述读出电路，在所述双增益像素呈所述高增益配置时读出第三信号，其中所述第三信号基于所述浮动扩散节点处的所述聚积的电荷的所述第二部分。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述高增益配置包括将用于增益选择晶体管的栅极信号解除生效，以便将所述浮动扩散节点与所述增益选择存储区隔离。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
利用帧缓冲器，存储暗偏移校准电压。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
基于检测到的光照条件，对所述第一信号和所述第二信号中选定的一者执行模数转换；以及
对所述第三信号执行模数转换。
11.根据权利要求10所述的方法，其中基于所述检测到的光照条件对所述第一信号和所述第二信号中的所选定的一者执行模数转换还包括：
响应于检测到光强度高于阈值，对所述第一信号执行模数转换。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
按所述第三信号与所述第一信号之间的增益比，放大所述第一信号；以及
基于所放大的第一信号、所述校准电压和所述第三信号，生成高动态范围图像信号。
13.根据权利要求10所述的方法，其中基于所述检测到的光照条件对所述第一信号和所述第二信号中的所选定的一者执行模数转换还包括：
响应于检测到光强度低于阈值，对所述第二信号执行模数转换。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
基于所述第三信号与所述第二信号之间的差异来生成高动态范围图像信号。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括：
对所述第一、第二和第三信号执行模数转换。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于检测到光强度低于阈值，基于所述第三信号与所述第二信号之间的所述差异来生成高动态范围图像信号。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
按所述第三信号与所述第一信号之间的增益比，放大所述第一信号；以及
基于放大的第一信号以及所述第二信号和所述第三信号，生成高动态范围图像信号。
18.一种成像系统操作方法，包括：
当双增益像素呈高增益配置时，从所述双增益像素读出第一重置信号，其中所述第一重置信号基于所述双增益像素的浮动扩散节点中的溢出电荷；
将所述浮动扩散节点和增益选择存储区重置为重置电压；
当所述双增益像素呈所述高增益配置时，从所述双增益像素中读出第二重置信号，其中所述第二重置信号基于所述浮动扩散节点处的所述重置电压；以及
当所述双增益像素呈所述高增益配置时，从所述双增益像素读出第一高增益信号。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将暗偏移校准值存储在帧缓冲器中；
基于检测到的光照条件，对所述第一重置信号和所述第二重置信号中选定的一者执行模数转换；以及
基于所述第一重置信号和所述第二重置信号中所选定的一者以及所述高增益信号，生成高动态范围图像。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
对所述第一重置信号和所述第二重置信号以及所述高增益信号执行模数转换；以及
基于所述第一重置信号和所述第二重置信号以及所述高增益信号，生成高动态范围图像。
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