CN106851139A - 用于全局快门校正的像素电路及成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及一种用于全局快门校正的像素电路及成像系统。像素电路包含：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管中的入射光来积累图像电荷；及转移晶体管，其耦合到所述光电二极管。所述电路还包含噪声校正电路，其经耦合以接收转移控制信号，且所述噪声校正电路经耦合以选择性地启用所述转移晶体管来接收所述转移控制信号或停用所述转移晶体管使其无法接收所述转移控制信号。存储晶体管耦合到所述转移晶体管，且所述转移晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于所述转移控制信号而选择性地将积累于所述光电二极管中的所述图像电荷转移到所述存储晶体管以用于存储。
Description
技术领域
本发明大体上涉及图像传感器操作，且特定来说(但非排他性地)涉及全局快门。
背景技术
快门过程由以等于(或快于)帧速率的速率将图像传感器暴露于光组成。此过程的目的是减少来自图像帧内的运动的模糊效应。
存在若干不同类型的快门，其包含滚动快门及全局快门。滚动快门存在于以下情况中：在一行像素或若干行像素的群组被读出的同时图像传感器中的其它行暴露于图像光。滚动快门图像传感器的读出时间取决于帧速率及架构而变化，但可高达数百微秒。因此，归因于读取每一行像素之间的延迟，移动图像对象可导致图像内的光学畸变及模糊。
全局快门(不同于滚动快门)同时暴露图像传感器中的所有光电二极管。这导致少量或无图像模糊，这是因为在图像获取期间不存在个别像素行的积分之间的延迟。然而，全局快门一般需要额外像素存储元件，其允许像素存储待在捕获下一个图像帧时被读出的先前获取的图像电荷。此额外存储元件一般扩大个别像素在晶片上的占据面积，且可为例如光吸收、串扰等等的问题的源头。
发明内容
一方面，本申请案涉及一种像素电路。所述像素电路包括：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管中的入射光来积累图像电荷；转移晶体管，其耦合到所述光电二极管；噪声校正电路，其经耦合以接收转移控制信号，其中所述噪声校正电路经耦合以选择性地启用所述转移晶体管来接收所述转移控制信号或停用所述转移晶体管使其无法接收所述转移控制信号；存储晶体管，其耦合到所述转移晶体管，其中所述转移晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于所述转移控制信号而选择性地将积累于所述光电二极管中的所述图像电荷转移到所述存储晶体管以用于存储；及输出晶体管，其耦合到所述存储晶体管，其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的所述图像电荷而选择性地输出图像电荷信号，且其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经停用而无法接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的噪声电荷而选择性地输出噪声信号。
另一方面，本申请案涉及一种成像系统。所述成像系统包括：像素阵列，其包含布置于半导体材料中的多个像素电路，其中所述多个像素电路中的每一者包含：光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管中的入射光来积累图像电荷；转移晶体管，其耦合到所述光电二极管；噪声校正电路，其经耦合以接收转移控制信号，其中所述噪声校正电路经耦合以选择性地启用所述转移晶体管来接收所述转移控制信号或停用所述转移晶体管使其无法接收所述转移控制信号；存储晶体管，其耦合到所述转移晶体管，其中所述转移晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于所述转移控制信号而选择性地将积累于所述光电二极管中的所述图像电荷转移到所述存储晶体管以用于存储；及输出晶体管，其耦合到所述存储晶体管，其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的所述图像电荷而选择性地输出图像电荷信号，且其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经停用而无法接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的噪声电荷而选择性地输出噪声信号；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读出选择性地从所述多个像素输出的所述图像电荷及噪声信号以获取图像。
附图说明
参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1是根据本发明的教示的像素电路的说明。
图2A是说明根据本发明的教示的包含图1的像素电路的成像系统的一个实例的框图。
图2B是根据本发明的教示的图2A中的像素阵列的实例说明。
图3展示根据本发明的教示的使用图1的像素电路的实例图像校正工艺。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
本文描述一种用于全局快门校正的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合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例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适方式组合于一或多个实例中。
贯穿本说明书，使用若干所属领域的术语。这些术语具有其出自的所属领域的一般意义，除非本文具体定义或其使用背景另有明确指示。值得注意的是，电路的特定元件可替代逻辑等效物或模拟电路。
图1是像素电路101的说明。在所描绘的实例中，像素电路101包含：光电二极管103、转移晶体管105、噪声校正电路111、存储晶体管107、输出晶体管109、全局快门晶体管121、放大器晶体管115、复位晶体管113及行选择晶体管117。光电二极管103安置于半导体材料104中以响应于引导到光电二极管103中的入射光而积累图像电荷。转移晶体管105耦合到光电二极管103，且噪声校正电路111耦合到转移晶体管105的控制端子。全局快门晶体管121也耦合到光电二极管103。转移晶体管105耦合到存储晶体管107，且存储晶体管107耦合到输出晶体管109。放大器晶体管115的控制端子耦合到输出晶体管109的输出，且复位晶体管113也耦合到输出晶体管109的输出以及放大器晶体管115的控制端子。在一个实例中，放大器晶体管115包含源极跟随器耦合的晶体管。行选择晶体管117耦合于放大器晶体管115的输出与像素电路101的位线输出。在一个实例中，浮动扩散区可安置于输出晶体管109的第二端子与放大器晶体管115的控制端子之间。在另一实例或同一实例中，浮动扩散区安置于半导体材料104中。
在所描绘的实例中，光学屏蔽件119接近存储晶体管107安置以便使存储晶体管107免受入射光照射。在一个实例中，光学屏蔽件119包含金属，例如铜或铝。然而在另一实例中，光学屏蔽件119可包含金属氧化物或半导体氧化物。光学屏蔽件119防止在存储晶体管107中形成非所要图像电荷，这是因为(在一个实例中)存储晶体管107的作用区可安置于半导体材料104中。
尽管未在图1中描绘，但在一或多个实例中，装置架构的其它块可出现于像素电路101中/上。举例来说，像素电路101中的晶体管(除存储晶体管107之外)可接近光学屏蔽件安置以保护其不受入射光照射。此外，装置架构的其它层可形成于半导体材料104上，例如囊封层、彩色滤光器及微透镜。在一个实例中，彩色滤光器层及微透镜层接近半导体材料104安置使得其与光电二极管103光学对准。在一个实例中，彩色滤光器层包含红色、绿色及蓝色彩色滤光器，其可布置成拜耳(Bayer)图案、EXR图案、X反式图案或类似者。然而，在不同实例或同一实例中，彩色滤光器层可包含红外线滤光器、紫外线滤光器或隔离EM光谱的不可见部分的其它滤光器。在同一或不同实例中，微透镜层形成于彩色滤光器层上。微透镜层可由图案化于彩色滤光器层的表面上的光敏聚合物制成。一旦聚合物矩形块图案化于彩色滤光器层的表面上，所述块就可经熔化(或回流)以形成微透镜的圆顶状结构特性。另外，在一个实例中，像素电路101可完全安置于半导体材料104中/上，且像素电路100的内部组件可由电及/或光学隔离结构环绕。这可帮助降低像素电路101中的噪声。可通过在半导体材料104中蚀刻隔离沟槽来实现电隔离，接着可用半导体材料、氧化物材料或类似物来填充隔离沟槽。替代地，可通过在安置于彩色滤光器层下方的半导体材料104的表面上构造反射栅格来形成光学隔离结构。
在操作中，噪声校正电路111经耦合以接收转移控制信号(TX)，且也经耦合以选择性地启用转移晶体管105来接收转移控制信号或停用转移晶体管105使其无法接收转移控制信号。在一个实例中，噪声校正电路111可实施为与(AND)门，其中一个输入经耦合以接收转移信号且另一输入经耦合以接收启用信号。与门可采取耦合到反相器的与非(NAND)门的形式。转移晶体管105经耦合以在转移晶体管105经启用(响应于启用信号)以接收转移控制信号的情况下响应于转移控制信号而将积累于光电二极管103中的图像电荷选择性地转移到存储晶体管107以用于存储。输出晶体管109可经耦合以在转移晶体管105经启用以从噪声校正电路111接收转移控制信号的情况下响应于存储于存储晶体管107中的图像电荷而选择性地输出图像电荷信号。输出晶体管109也可经耦合以在转移晶体管105经停用(响应于启用信号)而无法从噪声校正电路111接收转移控制信号的情况下响应于积累于存储晶体管107中的光电电荷(噪声)而选择性地输出寄生信号(噪声)。换句话说，当转移晶体管105经停用而无法接收转移控制信号时，输出晶体管109将输出噪声信号。应注意，存储于存储晶体管107中的噪声电荷表示积累于存储晶体管107内的光感应噪声电荷。尽管存在光学屏蔽件，但环境光可泄漏到存储晶体管107中。由于像素电路101选择性地输出图像电荷信号及噪声信号两者，因此可实时将噪声信号从最终图像移除。因此，可增强最终图像质量及快门效率。
图2A是说明包含图1的像素电路(例如，像素电路101)的成像系统的一个实例的框图。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人员、位置、对象等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人员、位置、对象等等的2D图像。
在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素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211读出且随后被转移到功能逻辑215。读出电路211可经耦合以从像素阵列205中的多个光电二极管读出图像数据。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑215可仅存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)操纵图像数据。在所描绘的实例中，功能逻辑215耦合到读出电路211，且功能逻辑215经耦合以响应于从像素阵列205读出的噪声信号而消除来自从像素阵列205获取的图像的噪声。在一个实例中，读出电路211可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路221可产生用于控制图像获取的快门信号。在所描绘的实例中，所述快门信号为全局快门信号，其用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单一获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。在所描绘的实例中，控制电路221经耦合以设置包含于多个像素电路(即，与像素P1、P2…、Pn相关联的电路)的第一部分中的噪声校正电路以输出图像的图像数据，且控制电路221经耦合以设置包含于多个像素电路(即，与像素P1、P2…、Pn相关联的电路)的第二部分中的噪声校正电路以在所述多个像素电路的第一部分输出图像的图像数据的同时输出噪声数据。
在一个实例中，成像系统200可包含于数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件块，例如处理器、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件块可将指令传送到成像系统200，从成像系统200提取图像数据，操纵由成像系统200供应的图像数据或复位成像系统200中的图像数据。
图2B是图2A中的像素阵列205的实例说明。在所描绘的实例中，图1的像素电路(例如像素电路101)是布置于像素阵列205中且安置于半导体材料(例如半导体材料104)中的多个像素电路中的一者。噪声校正电路包含于多个像素电路的第一部分202(展示为圈)中且经设置以输出图像的图像数据。包含于多个像素电路的第二部分201(展示为星)中的噪声校正电路经设置以在多个像素电路的第一部分202输出图像的图像数据的同时输出噪声数据。在所描绘的实例中，多个像素电路的第二部分201散布于像素阵列中的多个像素电路的第一部分202当中。在一个实例中，多个像素电路的第一部分202及第二部分201经耦合以针对像素阵列205的每一图像获取在像素阵列内被动态地选择。换句话说，输出图像的图像数据的像素及输出噪声数据的像素可改变。在一个实例中，输出图像数据的像素的位置及输出噪声数据的像素的位置可响应于光/图像条件、响应于用户输入(例如，在摄影、手机或汽车应用中)或随机地随时间改变。然而，在另一实例中，输出图像的图像数据的像素及输出噪声数据的像素可为静态的(即，针对每一个曝光周期保持相同)。
图3展示使用图1的像素电路的实例图像校正过程。在所描绘的实例中，图像301由像素阵列(例如像素阵列205)中的光电二极管经由全局快门过程收集。因此，像素阵列中的所有光电二极管正同时捕获光(以产生图像电荷)。在图像获取过程期间，存储晶体管(例如存储晶体管107)可收集—当与在光电二极管中收集的图像电荷同时从存储晶体管读出时—降低最终图像的质量的非所要环境光/噪声电荷。因此，在所描绘的实例中，像素阵列中的一些像素将从其相应光电二极管读出图像电荷(连通在其相应存储晶体管中所产生的噪声电荷)以形成图像301，而其它像素将仅读出在其相应存储晶体管中所产生的噪声电荷以形成存储晶体管存储的图像303。将图像301及存储晶体管存储的图像303两者发送到图像校正逻辑305。图像校正逻辑305可通过从图像301减去噪声电荷信号(即，存储晶体管存储的图像303)来校正图像301。因此，图像校正逻辑305产生经校正的图像307，且可将经校正的图像307输出到显示器、存储器等等。
在一个实例中，仅从其存储晶体管读出噪声电荷的像素通过使噪声校正电路耦合到其转移晶体管的控制端子实现此成果。在这些像素中，转移晶体管安置于光电二极管与存储晶体管之间。当噪声校正电路停用转移晶体管时，来自光电二极管的电荷不能够被转移到存储晶体管。因此，图像301由从其光电二极管读出图像数据的像素形成，且存储晶体管存储的图像303由从其存储晶体管读出数据的像素形成。在一个实例中，形成图像301的阵列中的像素及形成存储晶体管存储的图像303的阵列中的像素可在后续图像获取窗口之间改变。取决于使用情况，成像系统(在相机、电话、汽车等等中)的用户可选择多少像素从其光电二极管读出电荷，及多少像素仅从其存储晶体管读出电荷。这可允许用户基于个人偏好改变图像质量。另外，图像传感器可相对于仅从其存储晶体管读出电荷的像素选择从其光电二极管读出图像电荷的像素的数目及空间配置。此数目可取决于光照条件、图像主体位置及校正测量等等而改变。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。
Claims (20)
1.一种像素电路，其包括：
光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管中的入射光来积累图像电荷；
转移晶体管，其耦合到所述光电二极管；
噪声校正电路，其经耦合以接收转移控制信号，其中所述噪声校正电路经耦合以选择性地启用所述转移晶体管来接收所述转移控制信号或停用所述转移晶体管使其无法接收所述转移控制信号；
存储晶体管，其耦合到所述转移晶体管，其中所述转移晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于所述转移控制信号而选择性地将积累于所述光电二极管中的所述图像电荷转移到所述存储晶体管以用于存储；及
输出晶体管，其耦合到所述存储晶体管，其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的所述图像电荷而选择性地输出图像电荷信号，且其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经停用而无法接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的噪声电荷而选择性地输出噪声信号。
2.根据权利要求1所述的像素电路，其中存储于所述存储晶体管中的所述噪声电荷表示积累于所述存储晶体管内的光感应噪声电荷。
3.根据权利要求1所述的像素电路，其中在所述转移晶体管经停用而无法接收所述转移控制信号时所述转移晶体管经耦合以保持关断。
4.根据权利要求1所述的像素电路，其进一步包括耦合到所述光电二极管的全局快门晶体管。
5.根据权利要求1所述的像素电路，其进一步包括：
放大器晶体管，其耦合到所述输出晶体管的输出；
复位晶体管，其耦合到所述输出晶体管的所述输出及所述放大器晶体管的输入；
以及
行选择晶体管，其耦合于所述放大器晶体管的输出与所述像素电路的位线输出之间。
6.根据权利要求5所述的像素电路，其中所述放大器晶体管包含源极跟随器耦合的晶体管。
7.根据权利要求1所述的像素电路，其进一步包括光学屏蔽件，所述光学屏蔽件接近所述存储晶体管安置以使所述存储晶体管免受所述入射光照射。
8.根据权利要求1所述的像素电路，其中所述像素电路是布置于安置于所述半导体材料中以获取图像的像素阵列中的多个像素电路中的一者，其中包含于所述多个像素电路的第一部分中的噪声校正电路经设置以输出所述图像的图像数据，且其中包含于所述多个像素电路的第二部分中的噪声校正电路经设置以在所述多个像素电路的所述第一部分输出所述图像的图像数据的同时输出噪声数据。
9.根据权利要求8所述的像素电路，其中所述多个像素电路的所述第二部分散布于所述数像素阵列中的所述多个像素电路的所述第一部分当中。
10.根据权利要求8所述的像素电路，其中所述多个像素电路的所述第一及第二部分经耦合以针对所述像素阵列的每一图像获取在所述像素阵列内被动态地选择。
11.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含布置于半导体材料中的多个像素电路，其中所述多个像素电路中的每一者包含：
光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于引导到所述光电二极管中的入射光来积累图像电荷；
转移晶体管，其耦合到所述光电二极管；
噪声校正电路，其经耦合以接收转移控制信号，其中所述噪声校正电路经耦合以选择性地启用所述转移晶体管来接收所述转移控制信号或停用所述转移晶体管使其无法接收所述转移控制信号；
存储晶体管，其耦合到所述转移晶体管，其中所述转移晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于所述转移控制信号而选择性地将积累于所述光电二极管中的所述图像电荷转移到所述存储晶体管以用于存储；以及
输出晶体管，其耦合到所述存储晶体管，其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经启用以接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的所述图像电荷而选择性地输出图像电荷信号，且其中所述输出晶体管经耦合以在所述转移晶体管经停用而无法接收所述转移控制信号的情况下响应于存储于所述存储晶体管中的噪声电荷而选择性地输出噪声信号；
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读出选择性地从所述多个像素输出的所述图像电荷及噪声信号以获取图像。
12.根据权利要求11所述的成像系统，其中存储于所述存储晶体管中的所述噪声电荷表示积累于所述存储晶体管内的光感应噪声电荷。
13.根据权利要求11所述的成像系统，其中在所述转移晶体管经停用而无法接收所述转移控制信号时所述转移晶体管经耦合以保持关断。
14.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述多个像素电路中的每一者进一步包含耦合到所述光电二极管的全局快门晶体管。
15.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述多个像素电路中的每一者进一步包含：
放大器晶体管，其耦合到所述输出晶体管的输出；
复位晶体管，其耦合到所述输出晶体管的所述输出及所述放大器晶体管的输入；
及
行选择晶体管，其耦合于所述放大器晶体管的输出与所述像素电路的位线输出之间。
16.根据权利要求11所述的成像系统，其中所述多个像素电路中的每一者进一步包含光学屏蔽件，其接近所述存储晶体管安置以使所述存储晶体管免受所述入射光照射。
17.根据权利要求11所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路的功能逻辑，其中所述功能逻辑经耦合以响应于从所述像素阵列读出的所述噪声信号而消除来自从所述像素阵列获取的所述图像的噪声。
18.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述控制电路经耦合以设置包含于所述多个像素电路的第一部分中的噪声校正电路以输出所述图像的图像数据，且其中所述控制电路经耦合以设置包含于所述多个像素电路的第二部分中的噪声校正电路以在所述多个像素电路的所述第一部分输出所述图像的图像数据的同时输出噪声数据。
19.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述多个像素电路的所述第二部分散布于所述数像素阵列中的所述多个像素电路的所述第一部分当中。
20.根据权利要求18所述的成像系统，其中所述控制电路经耦合以针对所述像素阵列的每一图像获取动态地选择所述像素阵列内的所述多个像素电路的所述第一及第二部分。
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