CN107205129A - 具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器。本发明公开了可在卷帘快门扫描模式下操作的成像像素。在第一芯片上生成的电荷信号可电容耦接至第二芯片上的信号处理电路。电容器可被放置在信号路径中，所述信号路径提供耦接在所述芯片之间的信号，并且存储来自已暴露于高光级照明下的像素的溢出电荷。这使得仅使用单次电荷积聚时间就实现高动态范围成为可能。像素可包括像素内负反馈放大器。可在每个像素处将所述第一芯片和所述第二芯片之间的芯片间电连接实现为具有每像素单个接合的混合接合。使用该技术制造的图像传感器可具有小尺寸像素、高分辨率、高动态范围和单次电荷积聚时间。

Description

具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器
技术领域
本申请要求2016年3月17日提交的Jaroslav Hynecek发明的名称为“ImageSensors with a Rolling Shutter Scanning Mode and High Dynamic Range”(具有卷帘快门扫描模式和高动态范围的图像传感器)的美国临时申请No.62/309835的优先权，该临时申请以引用的方式并入本文中，并且据此要求其对共同主题的优先权。
背景技术
本发明整体涉及成像系统，更具体地讲，涉及具有背照式像素的成像系统。
现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。成像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素包括接收入射光子(光)并将光子转变为电信号的光敏元件。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。
一些常规图像传感器或许能够在高动态范围(HDR)模式下工作。通常在图像传感器中通过为交替的像素行分配不同的积聚时间来实现HDR操作。然而，将两个不同的积聚时间分配至图像传感器阵列中的不同行通常会损失分辨率。另外，可能难以使用该方法获得非常高的动态范围(例如100dB或更多)。
因此，希望能够提供在图像传感器中改善的高动态范围操作。
附图说明
图1是根据本发明实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。
图2是根据本发明实施方案的具有多个接合在一起的衬底的图像传感器的透视图。
图3是根据本发明实施方案的示例性成像像素的简化电路图，其中来自第一芯片的信号电容耦接到位于第二芯片上的像素电路，并且浮动扩散区和重置晶体管位于第一芯片中。
图4是根据本发明实施方案的示例性成像像素的简化电路图，其中来自第一芯片的信号电容耦接到位于第二芯片上的像素电路，并且重置晶体管位于第二芯片中。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及具有背照式像素的图像传感器。具体地，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列可包括背照式像素。图像传感器阵列可在具有高动态范围(HDR)的卷帘快门(RS)扫描模式下工作。CMOS图像传感器阵列可包括具有钉扎光电二极管的像素和对应的电荷感测和扫描机构。可通过与反相像素内增益放大器输入节点的电容耦接连接来转移和感测来自钉扎光电二极管的低光级照明信号。图像传感器可使用堆叠芯片来实施。例如，钉扎光电二极管可形成于第一芯片内，而像素内增益放大器输入节点则可位于第二芯片内。来自钉扎光电二极管的高光级照明信号可溢出一定的预定势垒，位于电荷转移栅极下。高光级照明信号可存储在与为低光级照明信号提供连接至放大器的相同电容器上。可通过独立的源极跟随器放大器感测高光级照明信号。源极跟随器放大器还可位于第二芯片上。
使用前述像素可使图像传感器能够在HDR模式下工作，而同时又对阵列中的每个像素采用相同积聚时间长度。在暴露于通常会使像素饱和的高光级照明下的像素中产生的电荷被漏出并积聚在像素电荷溢出电容器上，所述像素电荷溢出电容器可存储与像素的钉扎光电二极管相比多得多的电荷。因此，可从相同的像素中分别读取低光级照明信号和高光级照明信号。这确保在不损失分辨率或噪声性能的情况下维持高动态范围(例如100dB或更多)。对低光级照明的高灵敏度也得以保持。
图1中示出了具有数字相机模块的电子设备。电子设备10可以是数字照相机、计算机、移动电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12(有时称为成像设备)可包括图像传感器14和一个或多个透镜28。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)将光聚焦到图像传感器14上。图像传感器14包括将光转换成模拟信号的光敏元件(如，像素)，所述模拟信号随后被转换成数字数据。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可包括偏置电路信号缓冲电路(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(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(如，数据缓冲电路)、寻址电路等。
可将来自图像传感器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，诸如自动聚焦功能、深度感测、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，压缩成联合图像专家组格式或简称JPEG格式)。在典型布置(有时称为片上系统(SOC))中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用集成电路芯片上实现。使用单个集成电路芯片来实施相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16能够有助于降低成本。不过，这仅为示例性的。如果需要，可使用单独的集成电路芯片来实现相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16。
相机模块12可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20(例如，图像处理和数据格式化电路16可将图像数据传送到子系统20)。电子设备10通常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，电子设备10的主机子系统20可包括存储和处理电路24以及输入-输出设备22，诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器。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)。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、专用集成电路或其他处理电路。
图2示出了图1中的示例性图像传感器，诸如图像传感器14。图像传感器14可通过以下方式来感测光：将碰撞光子转换成积聚(收集)到传感器像素中的电子或空穴。在完成积聚周期之后，收集到的电荷可被转换成电压，该电压可被提供给图像传感器14的输出端子。在图像传感器14为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的实施方案中，电荷到电压的转换可直接在图像传感器的像素中完成。然后，模拟像素电压可通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟信号还可在到达芯片输出之前在芯片上被转换成数字等同物。像素可具有源极跟随器(SF)，该源极跟随器可驱动用合适的寻址晶体管连接到像素的感测线。
在电荷到电压转换完成并且所得信号从像素转移出去之后，图像传感器14的像素可被重置以便准备积累新的电荷。在某些实施方案中，像素可使用浮动扩散区(FD)作为电荷检测节点。在使用浮动扩散节点时，重置可通过导通重置晶体管来实现，该重置晶体管将FD节点导电地连接到电压参考，该电压可以是像素SF漏极节点。这一步骤从浮动扩散节点移除收集到的电荷。然而，这可能生成kTC重置噪声。这种kTC重置噪声可使用相关双采样(CDS)信号处理技术从信号移除，以便实现低噪声性能。
图像传感器14可用一个或多个衬底层形成。衬底层可以是半导体材料层，诸如硅层。衬底层可使用金属互连件连接。图2中示出了一个示例，其中衬底42、44和46用于形成图像传感器14。衬底42、44和46有时可称为芯片。上部芯片42可包括像素阵列32中的钉扎光电二极管。上部芯片42还可包括电荷转移晶体管栅极。然而，为了确保上部芯片42中有充足的空间用于光电二极管，可在中部芯片44和下部芯片46中为像素形成多个像素电路。
可在每个像素处用互连层将中部芯片44接合到上部芯片42上。例如，可将中部芯片44中的像素电路34接合到浮动扩散(FD)，该浮动扩散连接到在上部芯片42中形成的电荷转移晶体管上。将上部芯片42中的每个像素接合到中部芯片44中对应的像素电路上(例如，浮动扩散接合到浮动扩散)可称为混合接合。中部芯片44和下部芯片46不可采用混合接合耦接。只有每个芯片的外围电接触垫36才可接合在一起(例如，芯片-芯片连接38)。图像传感器14中的每个芯片可包括相关电路。上部芯片可包括钉扎光电二极管和电荷转移晶体管栅极。中部芯片可包括像素电路(例如，浮动扩散节点、源极跟随器晶体管、重置晶体管等)。底部芯片可包括时钟生成电路、像素寻址电路、信号处理电路(诸如CDS电路)、模拟数字转换器电路、数字图像处理电路和系统接口电路中的一个或多个。
图3中示出了示例性成像像素的简化像素电路图。如图3中所示，上部芯片42可包括钉扎光电二极管(PD)302、电荷转移晶体管(TX)303以及将浮动扩散(FD)节点308重置为偏置电压Vdd的重置晶体管(RST)304。可通过焊盘334向芯片提供偏置电压Vdd。浮动扩散308可以是掺杂半导体区域(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺在硅衬底中掺杂的区域)。至该芯片的控制信号通过行线305和306分布。行线305可利用控制信号(TX)来控制电荷转移晶体管303，而行线306可利用控制信号(RS1)来控制重置晶体管304。通过接触垫307形成用于信号流动至下方中部芯片的单个凸块接合连接。到光电二极管302的接地连接333可在阵列外围形成。成像像素的其余电路可位于中部芯片和下部芯片上。
接触垫307(有时称为互连层)可由导电材料诸如金属(例如铜)形成。在某些实施方案中，互连层可包括焊料。互连层还可为直通硅通孔(TSV)。
FD节点308可通过电容器(CO)309耦接到中部芯片中的像素内放大器输入信号检测节点319。如果需要，电容器309可直接集成到接触垫307中。反相放大器输入节点319(有时称为信号检测节点)连接至放大器晶体管313的栅极。放大器晶体管313的漏极节点325可通过寻址晶体管311连接至列信号线316。放大器晶体管313可以是n沟道晶体管。可通过恒流源(Ib1)314来提供对列信号线316的偏置。测定放大器增益并由此测定传感器灵敏度的反馈电容器(Cf)312连接在节点325和319之间。该电容器由连接在相同节点之间的重置晶体管310重置。像素电路可包括节点寄生电容(Cn)320。然而，节点寄生电容对放大器增益的影响极小，这是图3中所示电路的优点之一。相似地，耦合电容器309的值对放大器增益仅有最小影响，从而对传感器的电荷转换因子仅有最小影响。这是图3中所示像素电路的另一优点，因为该像素电路允许对电容器309的值进行适当选择，以容纳大量电荷信号，从而扩展传感器的动态范围。
信号检测节点319也可被晶体管326重置为电压参考偏置，该电压参考偏置由电压参考偏置发生器329通过行线328提供。可通过行线327向晶体管326提供重置信号(Rs3)。电压参考发生器可放置在阵列周边，并且可由晶体管330和恒流源(Ib2)331形成。晶体管330可以是n沟道晶体管。可通过列或行偏置线315向电路提供Vdd偏置电压。可通过行线318向电路提供重置信号(Rs2)。可通过行寻址线317向电路提供行寻址信号(Sx1)。
在像素操作期间，来自节点319的高光级照明信号可被源极跟随器321感测。源极跟随器321可以是p沟道晶体管，并且可通过寻址晶体管322进行寻址。缓冲信号可出现在通过恒流源(Ib3)323偏置的列信号线332上。可通过行寻址线324向电路提供行寻址信号(Sx2)。
在操作图3中所示成像像素的一种示例性方法中，在晶体管310、311和322关断的情况下，可在电荷积聚周期期间接通重置晶体管326。在此期间，从高光级照明照射的像素溢出的电荷将在电荷转移晶体管303的电荷转移栅极和放电耦接电容器309下流动。电容器309将在前一周期中已被预先重置为Vdd电压偏置电平。电荷转移晶体管303可被设计为使得其为已填满光电二极管至一定预定电势电平的电荷并入埋沟路径。通过这种方式，在暴露于高光级下时不会变得饱和，而是过量电荷可在晶体管303和放电电容器309下流动。
电荷积聚周期完成后，读出周期可开始。重置晶体管326可关断，并且可针对正被处理的特定像素行接通重置晶体管304。这对应于高光级照明在电荷感测节点319上产生一定的电压阶跃。该电压阶跃可由SF晶体管321并通过行寻址晶体管322来感测，所述行寻址晶体管也可暂时接通。由SF晶体管321感测的电压阶跃可被传递至位于阵列周边的CDS处理电路。
当该感测周期完成后，重置晶体管326和重置晶体管310可接通。还可接通寻址晶体管311。接下来，重置晶体管326、310和304可被关断。随后，可感测并处理出现在列线316上的放大器输出。该输出可随后用于CDS信号参考值。此后，将脉冲施加至晶体管303的转移栅极，以将低光级生成信号传递至FD电荷检测节点308，并通过电容器309将所得电压变化传递至像素内负反馈反相增益放大器的输入节点319。然后，可由CDS电路处理列信号线316上出现的所得信号输出，从所述信号输出减去先前存储的参考值。由此清楚可见，实现了低噪声CDS操作，从而得到对于低光级生成信号的高性能和低噪声。高光级生成信号也可由类似的CDS方案处理，所述CDS方案可去除像素间晶体管阈值变化。
在感测并转换为高照明水平信号和低照明水平信号两者的数字等同形式后，所述电路可恢复至其最初起始配置，并且可开始感测和处理下一行。然后，可针对每个沟道使用合适的增益因子进行处理，以重构单个HDR信号输出。
图4中示出了示例性成像像素的另一个实施方案的简化像素电路图。在图4中，重置晶体管被定位在中部芯片中(而图3中重置晶体管被定位在上部芯片中)。FD节点430可通过电容器(Co)407耦接到中层芯片像素内放大器输入信号检测节点413。反相放大器输入节点413可连接至具有寄生电容(Cn)419的放大器晶体管408的栅极。寄生电容419可对传感器灵敏度和像素间响应均匀性产生微不足道的影响。
放大器晶体管408的漏极节点414可通过寻址晶体管410连接至列信号线415。可通过恒流源(Ib1)411来提供对列信号线415的偏置。反馈电容器(Cf)420可测定放大器增益，从而测定传感器灵敏度。电容器420可连接在节点414和413之间。电容器420可通过连接在相同节点之间的重置晶体管409重置。反相放大器输入节点也可被另一晶体管418重置为电压参考偏置，该电压参考偏置由偏置发生器417通过行线421提供。可通过行线427向晶体管418提供重置信号(Rs3)。电压参考发生器可放置在阵列周边，并且可由晶体管431和恒流源(Ib2)432形成。可通过列偏置线422向电路提供Vdd电压偏置，可通过行线424向电路提供重置信号(Rs2)，并且可通过行寻址线425向电路提供行寻址信号(Sx1)。
可通过行重置线423向电路提供到FD重置晶体管406的重置信号(Rs1)。可通过经由行寻址线404向电荷转移晶体管403的栅极施加脉冲来激活从PD 402的电荷转移。每个像素可只需要一个凸块接合405。触点405(有时称为互连层)可由导电材料诸如金属(例如铜)形成。在某些实施方案中，互连层可包括焊料。互连层还可为直通硅通孔(TSV)。可在传感器阵列外围实现到PD 402的接地触点433。
来自节点413的高光级照明信号可由源极跟随器428感测，所述源极跟随器可以是p沟道晶体管。可通过寻址晶体管429对高光照明信号进行寻址。缓冲信号可出现在通过恒流源(Ib3)412偏置的列信号线416上。可通过行寻址线426向该电路提供行寻址信号。一般来讲，图4中所示的成像像素的操作可类似于如上所述的图3中所示成像像素的操作。
将重置晶体管定位于中部芯片中(如图4中所示)的优势之一是，携带光电二极管的上部芯片42非常简单，并且将具有导致高电荷存储容量的非常高的填充因数效率。制造也很简单，而且产量非常高，使得制造成本很低。
在本发明的各种实施方案中，成像像素可包括形成在第一衬底中的光电二极管、第一衬底中的浮动扩散节点、耦接在第一衬底中的光电二极管和浮动扩散节点之间的电荷转移晶体管、形成在第二衬底中的信号感测节点以及耦接在浮动扩散节点和信号感测节点之间的电容器。浮动扩散节点和信号感测节点可通过互连层耦接。
重置晶体管可耦接在浮动扩散节点与偏置电压之间。重置晶体管可在第一衬底或第二衬底中形成。电荷转移晶体管可包括用于来自光电二极管的溢出电荷的埋沟路径。溢出电荷可存储在电容器中。成像像素还可包括源极跟随器，所述源极跟随器被配置成感测溢出电荷生成信号，所述溢出电荷生成信号基于电容器中存储的溢出电荷。电容器可被配置成在源极跟随器感测到溢出电荷生成信号后将低光级生成信号从光电二极管转移至信号感测节点。电荷感测节点可充当增益放大器的输入节点。溢出电荷生成信号可对应于高光级照明。可合并溢出电荷生成信号和低光级生成信号，形成单个高动态范围信号。溢出电荷生成信号和低光级生成信号均可在单次积聚时间里生成。电容器可形成为互连层的一体部分。
操作成像像素的方法可包括：在积聚时间里响应于入射光用光电二极管产生电荷；将溢出电荷存储在电容器中；对溢出电荷生成信号进行取样，所述溢出电荷生成信号基于将溢出电荷存储在电容器中后电容器中的溢出电荷；在对溢出电荷生成信号进行取样后，使电荷转移晶体管生效，以将第一量电荷从光电二极管转移至信号感测节点；以及在使电荷转移晶体管生效后对第一量电荷进行取样。对溢出电荷生成信号进行取样可得到第一样品，对第一量电荷进行取样可得到第二样品。该方法还可包括合并第一样品和第二样品，形成单个高动态范围信号。对溢出电荷生成信号进行取样可包括使用相关双采样。对第一量电荷进行取样可包括使用相关双采样。溢出电荷可对应于来自在积聚时间里产生的高光级照明的电荷，并且第一量电荷可对应于来自在积聚时间里产生的低光级照明的电荷。
一种操作成像像素的方法可包括收集响应于入射光的光电二极管中的电荷。光电二极管可聚积第一量电荷，并产生与高入射光水平相关联的溢出电荷。溢出电荷可存储在电容器中。该方法还可包括：对与高入射光水平相关联的溢出电荷进行取样，重置电容器，用电荷转移晶体管将第一量电荷转移至电荷感测节点，以及对第一量电荷进行取样。该方法还可包括在对溢出电荷进行取样并且对第一量电荷进行取样后，形成单个高动态范围信号。
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。

Claims (20)

1.一种成像像素，包括：
在第一衬底中形成的光电二极管；
在所述第一衬底中的浮动扩散节点；
在所述第一衬底中的电荷转移晶体管，所述电荷转移晶体管耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散节点之间；
在第二衬底中形成的信号感测节点，其中所述浮动扩散节点和所述信号感测节点通过互连层耦接；以及
耦接在所述浮动扩散节点与所述信号感测节点之间的电容器。
2.根据权利要求1所述的成像像素，还包括：
耦接在所述浮动扩散节点和偏置电压之间的重置晶体管，其中所述重置晶体管形成在所述第一衬底中。
3.根据权利要求1所述的成像像素，还包括：
耦接在所述浮动扩散节点和偏置电压之间的重置晶体管，其中所述重置晶体管形成在所述第二衬底中。
4.根据权利要求1所述的成像像素，其中所述电荷转移晶体管包括用于来自所述光电二极管的溢出电荷的埋沟路径。
5.根据权利要求4所述的成像像素，其中所述溢出电荷存储在所述电容器中。
6.根据权利要求5所述的成像像素，还包括：
被配置成感测溢出电荷生成信号的源极跟随器，所述溢出电荷生成信号基于所述电容器中存储的所述溢出电荷。
7.根据权利要求6所述的成像像素，其中所述电容器被配置成在所述源极跟随器感测到所述溢出电荷生成信号后，将低光级生成信号从所述光电二极管转移至所述信号感测节点。
8.根据权利要求7所述的成像像素，其中所述电荷感测节点充当增益放大器的输入节点。
9.根据权利要求7所述的成像像素，其中所述溢出电荷生成信号对应于高光级照明。
10.根据权利要求9所述的成像像素，其中所述溢出电荷生成信号和所述低光级生成信号被合并，形成单个高动态范围信号。
11.根据权利要求9所述的成像像素，其中所述溢出电荷生成信号和所述低光级生成信号均在单次积聚时间里生成。
12.根据权利要求1所述的成像像素，其中所述电容器形成为所述互连层的一体部分。
13.一种操作成像像素的方法，其中所述成像像素包括形成在第一衬底中的光电二极管、所述第一衬底中的浮动扩散节点、在所述第一衬底中的耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散节点之间的电荷转移晶体管、形成在第二衬底中的信号感测节点以及耦接在所述浮动扩散节点和所述信号感测节点之间的电容器，所述方法包括：
在积聚时间里响应于入射光用所述光电二极管产生电荷，其中所述电荷转移晶体管包括用于来自所述光电二极管的溢出电荷的埋沟路径；
将所述溢出电荷存储在所述电容器中；
在将所述溢出电荷存储在所述电容器中后，对溢出电荷生成信号进行取样，所述溢出电荷生成信号基于所述电容器中的所述溢出电荷；
在对所述溢出电荷生成信号进行取样后，使所述电荷转移晶体管生效，以将第一量电荷从所述光电二极管转移至所述信号感测节点；以及
在使所述电荷转移晶体管生效后，对所述第一量电荷进行取样。
14.根据权利要求13所述的方法，其中对所述溢出电荷生成信号进行取样得到第一样品，并且其中对所述第一量电荷进行取样得到第二样品，所述方法还包括：
合并所述第一样品和所述第二样品，形成单个高动态范围信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中对所述溢出电荷生成信号进行取样包括使用相关双采样。
16.根据权利要求15所述的方法，其中对所述第一量电荷进行取样包括使用相关双采样。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述溢出电荷对应于来自在所述积聚时间里产生的高光级照明的电荷，并且其中所述第一量电荷对应于来自在所述积聚时间里产生的低光级照明的电荷。
18.一种操作成像像素的方法，其中所述成像像素包括光电二极管、浮动扩散节点、耦接在所述光电二极管和所述浮动扩散节点之间的电荷转移晶体管以及将所述浮动扩散节点耦接至信号感测节点的电容器，所述方法包括：
收集所述光电二极管中响应于入射光的电荷，其中所述光电二极管聚积第一量电荷，并且产生与高入射光水平相关联的溢出电荷，其中所述溢出电荷存储在所述电容器中；
对与所述高入射光水平相关联的所述溢出电荷进行取样；
重置所述电容器；
用所述电荷转移晶体管将所述第一量电荷转移至所述电荷感测节点；以及
对所述第一量电荷进行取样。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在对所述溢出电荷进行取样并且对所述第一量电荷进行取样后，形成单个高动态范围信号。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述光电二极管、所述浮动扩散节点和所述电荷转移晶体管形成在第一衬底中，并且其中所述电容器和所述信号感测节点形成在第二衬底中。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110536079A (zh) * 2018-05-25 2019-12-03 原相科技股份有限公司 改善像素感测效率的电路
CN112640438A (zh) * 2018-06-27 2021-04-09 脸谱科技有限责任公司 具有多个光电二极管的像素传感器
CN112868101A (zh) * 2018-08-03 2021-05-28 Ams传感器比利时有限公司 像素单元和像素单元的操作方法
CN113614576A (zh) * 2018-11-29 2021-11-05 Oy直接转换有限公司 检测器电路
CN114173071A (zh) * 2018-03-09 2022-03-11 半导体元件工业有限责任公司 具有埋入式沟道的双转换增益电路

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106982337B (zh) * 2017-04-27 2019-07-23 京东方科技集团股份有限公司 一种cmos图像传感器及其像素电路、驱动方法
US10686996B2 (en) 2017-06-26 2020-06-16 Facebook Technologies, Llc Digital pixel with extended dynamic range
US10598546B2 (en) 2017-08-17 2020-03-24 Facebook Technologies, Llc Detecting high intensity light in photo sensor
US11906353B2 (en) 2018-06-11 2024-02-20 Meta Platforms Technologies, Llc Digital pixel with extended dynamic range
US10897586B2 (en) 2018-06-28 2021-01-19 Facebook Technologies, Llc Global shutter image sensor
US10931884B2 (en) 2018-08-20 2021-02-23 Facebook Technologies, Llc Pixel sensor having adaptive exposure time
US11956413B2 (en) 2018-08-27 2024-04-09 Meta Platforms Technologies, Llc Pixel sensor having multiple photodiodes and shared comparator
US11595602B2 (en) 2018-11-05 2023-02-28 Meta Platforms Technologies, Llc Image sensor post processing
JP7478968B2 (ja) * 2019-03-20 2024-05-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置
US11218660B1 (en) 2019-03-26 2022-01-04 Facebook Technologies, Llc Pixel sensor having shared readout structure
US11943561B2 (en) 2019-06-13 2024-03-26 Meta Platforms Technologies, Llc Non-linear quantization at pixel sensor
US11936998B1 (en) 2019-10-17 2024-03-19 Meta Platforms Technologies, Llc Digital pixel sensor having extended dynamic range
KR20220137638A (ko) * 2020-02-03 2022-10-12 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 고체 촬상 소자 및 촬상 장치
US11902685B1 (en) 2020-04-28 2024-02-13 Meta Platforms Technologies, Llc Pixel sensor having hierarchical memory
US11910114B2 (en) 2020-07-17 2024-02-20 Meta Platforms Technologies, Llc Multi-mode image sensor
US11317042B2 (en) * 2020-08-25 2022-04-26 Pixart Imaging Inc. Image sensor apparatus and processing circuit capable of preventing sampled reset/exposure charges from light illumination as well as achieving lower circuit costs
US11956560B2 (en) 2020-10-09 2024-04-09 Meta Platforms Technologies, Llc Digital pixel sensor having reduced quantization operation
US11570391B2 (en) * 2020-12-15 2023-01-31 Sony Semiconductor Solutions Corporation Digitally-calibrated CTIA image sensor pixel
US12022218B2 (en) 2020-12-29 2024-06-25 Meta Platforms Technologies, Llc Digital image sensor using a single-input comparator based quantizer
US11696048B1 (en) * 2022-03-31 2023-07-04 ams Sensors USA Inc. Pixel arrangement and method for operating a pixel arrangement

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101277375A (zh) * 2007-03-29 2008-10-01 雅马哈株式会社 Cmos固态图像获取设备
US20110084197A1 (en) * 2008-06-10 2011-04-14 Tohoku University Solid-State Image Sensor
US20110242381A1 (en) * 2010-03-30 2011-10-06 Sony Corporation Solid-state image pickup apparatus signal processing method for a solid-state image pickup apparatus, and electronic 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
US20140139713A1 (en) * 2012-11-21 2014-05-22 Olympus Corporation Solid-state imaging device, imaging device, and signal reading method
CN103875236A (zh) * 2011-10-18 2014-06-18 索尼公司 图像拾取设备以及摄像机系统
CN104010141A (zh) * 2013-02-26 2014-08-27 株式会社东芝 固体摄像装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2970598B1 (fr) * 2011-01-17 2013-08-16 Commissariat Energie Atomique Dispositif imageur a grande gamme dynamique
KR101251744B1 (ko) * 2011-04-13 2013-04-05 엘지이노텍 주식회사 Ｗｄｒ 픽셀 어레이, 이를 포함하는 ｗｄｒ 이미징 장치 및 그 구동방법
JP2012257193A (ja) 2011-05-13 2012-12-27 Sony Corp 画像処理装置、撮像装置、および画像処理方法、並びにプログラム
EP2878123B1 (en) * 2012-07-26 2017-12-20 DePuy Synthes Products, Inc. Wide dynamic range using monochromatic sensor
US20140063300A1 (en) 2012-09-06 2014-03-06 Aptina Imaging Corporation High dynamic range imaging systems having clear filter pixel arrays
JP2014060519A (ja) * 2012-09-14 2014-04-03 Sony Corp 固体撮像素子及びその制御方法、並びに電子機器
US9729808B2 (en) * 2013-03-12 2017-08-08 Tower Semiconductor Ltd. Single-exposure high dynamic range CMOS image sensor pixel with internal charge amplifier
JP6116344B2 (ja) * 2013-05-01 2017-04-19 オリンパス株式会社 固体撮像装置
WO2015136418A1 (en) * 2014-03-13 2015-09-17 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Imaging device
JP6075646B2 (ja) * 2014-03-17 2017-02-08 ソニー株式会社 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子機器
WO2016019116A1 (en) * 2014-07-31 2016-02-04 Emanuele Mandelli Image sensors with electronic shutter
JP6299544B2 (ja) * 2014-09-24 2018-03-28 株式会社Ｊｖｃケンウッド 固体撮像装置
JP2016111425A (ja) * 2014-12-03 2016-06-20 ルネサスエレクトロニクス株式会社 撮像装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101277375A (zh) * 2007-03-29 2008-10-01 雅马哈株式会社 Cmos固态图像获取设备
US20110084197A1 (en) * 2008-06-10 2011-04-14 Tohoku University Solid-State Image Sensor
US20110242381A1 (en) * 2010-03-30 2011-10-06 Sony Corporation Solid-state image pickup apparatus signal processing method for a solid-state image pickup apparatus, and electronic 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
CN103875236A (zh) * 2011-10-18 2014-06-18 索尼公司 图像拾取设备以及摄像机系统
US20140139713A1 (en) * 2012-11-21 2014-05-22 Olympus Corporation Solid-state imaging device, imaging device, and signal reading method
CN104010141A (zh) * 2013-02-26 2014-08-27 株式会社东芝 固体摄像装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114173071A (zh) * 2018-03-09 2022-03-11 半导体元件工业有限责任公司 具有埋入式沟道的双转换增益电路
CN114173071B (zh) * 2018-03-09 2024-02-20 半导体元件工业有限责任公司 具有埋入式沟道的双转换增益电路
CN110536079A (zh) * 2018-05-25 2019-12-03 原相科技股份有限公司 改善像素感测效率的电路
CN110536079B (zh) * 2018-05-25 2022-01-28 原相科技股份有限公司 改善像素感测效率的电路
CN112640438A (zh) * 2018-06-27 2021-04-09 脸谱科技有限责任公司 具有多个光电二极管的像素传感器
CN112868101A (zh) * 2018-08-03 2021-05-28 Ams传感器比利时有限公司 像素单元和像素单元的操作方法
CN113614576A (zh) * 2018-11-29 2021-11-05 Oy直接转换有限公司 检测器电路

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