CN107689382B - 线性对数图像传感器 - Google Patents

线性对数图像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN107689382B
CN107689382B CN201710652231.4A CN201710652231A CN107689382B CN 107689382 B CN107689382 B CN 107689382B CN 201710652231 A CN201710652231 A CN 201710652231A CN 107689382 B CN107689382 B CN 107689382B
Authority
CN
China
Prior art keywords
logarithmic
linear
pixels
coupled
subpixel
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.)
Active
Application number
CN201710652231.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107689382A (zh
Inventor
马渕圭司
戴森·H·戴
奥拉伊·奥尔昆·赛莱克
毛杜立
真锅宗平
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.)
Howe Technology Co ltd
Original Assignee
Howe Technology 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 Howe Technology Co ltd filed Critical Howe Technology Co ltd
Publication of CN107689382A publication Critical patent/CN107689382A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107689382B publication Critical patent/CN107689382B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14607—Geometry of the photosensitive area
    • 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
    • H04N25/571—Control of the dynamic range involving a non-linear response
    • H04N25/573—Control of the dynamic range involving a non-linear response the logarithmic type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14605—Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/10—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming different wavelengths into image signals
    • H04N25/11—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics
    • H04N25/13—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements
    • H04N25/134—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on three different wavelength filter elements
    • 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
    • H04N25/702—SSIS architectures characterised by non-identical, non-equidistant or non-planar pixel layout
    • 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
    • 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
    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

本申请案涉及一种线性对数图像传感器。用于高动态范围图像传感器中的像素阵列包含在所述像素阵列中布置在多个行和列中的多个像素。所述像素中的每一者包含安置在半导体材料中的线性子像素和对数子像素。所述线性子像素经耦合以产生具有线性响应的线性输出信号，且所述对数子像素经耦合以响应于入射光而产生具有对数响应的对数输出信号。位线耦合到所述线性子像素和对数子像素以接收所述线性输出信号和所述对数输出信号。所述位线为耦合到所述多个像素的多个位线中的一者。所述多个位线中的每一者耦合到所述多个像素的对应分组。

Description

线性对数图像传感器
技术领域
本发明大体涉及成像，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
图像传感器已经变得无处不在。其广泛用于数字静态照相机、蜂窝式电话、安全摄像机以及医学、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS))的技术已经持续大幅进步。例如，对更高分辨率和更低功率消耗的需求已经鼓励这些图像传感器的进一步小型化和集成。
高动态范围(HDR)图像传感器已变得对许多应用有用。一般来说，普通图像传感器(包含例如电荷耦合装置(CCD)和CMOS图像传感器(CIS))具有约70dB动态范围的动态范围。相比之下，人眼具有高达约100dB的动态范围。存在具有增大的动态范围的图像传感器是有利的各种状况。例如，在各种行业中需要具有超过100dB动态范围的动态范围的图像传感器。例如，在汽车行业中，需要HDR图像传感器以便处理不同驾驶状态，例如，从黑暗隧道驾驶到明亮阳光中。实际上，许多应用可要求具有至少90dB或更高的动态范围的图像传感器来适应广泛范围的照明状况(从低光状态变化到亮光状态)。
提供HDR图像的一个典型解决方案是组合用正常CMOS图像传感器捕获的多次曝光来提供单HDR图像。但是，多次曝光消耗摄影机系统中的存储器和功率，且提出关于通过捕获快速移动物体的多次曝光造成的假象的其它挑战。虽然对数传感器可提供增大的动态范围的益处，但与利用正常CMOS图像传感器的图像传感器比较，对数传感器遭受较差的低光性能且要求特殊复杂算法。
发明内容
一方面，本发明的实施例提供一种用于高动态范围图像传感器中的像素阵列，其包括：多个像素，其在所述像素阵列中布置在多个行和列中，其中所述像素中的每一者包括：线性子像素，其经安置在半导体材料中，其中所述线性子像素经耦合以响应于入射光而产生具有线性响应的线性输出信号；及对数子像素，其经安置在所述半导体材料中，其中所述对数子像素经耦合以响应于所述入射光而产生具有对数响应的对数输出信号；及位线，其耦合到所述线性子像素和所述对数子像素以接收所述线性输出信号和所述对数输出信号，其中所述位线为耦合到所述多个像素的多个位线中的一者，其中所述多个位线中的每一者耦合到所述多个像素的对应分组。进一步而言，用于高动态范围图像传感器中的所述像素阵列包括多个第一透镜，其中每个线性子像素具有接近于所述线性子像素安置的所述多个第一透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第一透镜中的所述一者引导至所述第一光电二极管，且用于高动态范围图像传感器中的所述像素阵列包括不同于所述多个第一透镜的多个第二透镜，其中每个对数子像素具有接近于所述对数子像素安置的所述多个第二透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第二透镜中的所述一者至所述第二光电二极管。
另一方面，本发明的实施例提供一种高动态范围(HDR)成像系统，其包括：像素阵列，其包含在所述像素阵列中布置在多个行和列中的多个像素，其中所述像素中的每一者包括：线性子像素，其经安置在半导体材料中，其中所述线性子像素经耦合以响应于入射光而产生具有线性响应的线性输出信号；及对数子像素，其经安置在所述半导体材料中，其中所述对数子像素经耦合以响应于所述入射光而产生具有对数响应的对数输出信号；及位线，其耦合到所述线性子像素和所述对数子像素以接收所述线性输出信号和所述对数输出信号，其中所述位线为耦合到所述多个像素的多个位线中的一者，其中所述多个位线中的每一者耦合到所述多个像素的对应分组；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从所述多个像素读出所述线性输出信号和所述对数输出信号。进一步而言，所述HDR成像系统包括多个第一透镜，其中每个线性子像素具有接近于所述线性子像素安置的所述多个第一透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第一透镜中的所述一者至所述第一光电二极管，且所述HDR成像系统包括不同于所述多个第一透镜的多个第二透镜，其中每个对数子像素具有接近于所述对数子像素安置的所述多个第二透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第二透镜中的所述一者至所述第二光电二极管。
附图说明
参考下列图描述本发明的非限制性及非穷举性实施例，其中除非另外指定，否则贯穿各个视图的类似的参考符号指代类似的部分。
图1是根据本发明的教示绘示包含具有线性对数像素的实例性HDR图像传感器的成像系统的一个实例的图。
图2是根据本发明的教示的包含具有线性子像素及对数子像素的像素的图像传感器的HDR像素电路的一个实例的示意性绘示。
图3是根据本发明的教示的包含具有线性子像素及对数子像素的像素的像素阵列的HDR像素电路的一个实例的横截面绘示。
图4是根据本发明的教示绘示相对于图像传感器的实例性HDR像素电路的光强度的信号响应的一个实例的图，其中像素阵列的每一像素具有线性子像素及对数子像素。
贯穿附图的若干视图的对应参考符号指示对应组件。本领域技术人员将了解，图中的元件是出于简明和清晰的目的绘示且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可相对其它元件放大来帮助改进对本发明的各种实施例的理解。同样地，通常不描绘商业上可行的实施例中有用或必要的常见又易于理解的元件，以便促进对本发明的这些各种实施例的较少阻碍的观察。
具体实施方式
在下列描述中，陈述许多特定细节以便提供对本发明的通透理解。但是，所属领域的技术人员将了解，不需要采取特定细节来实践本发明。在其它实例中，不详细描述众所周知的材料或方法以便避免混淆本发明。
贯穿此说明书的对“一个实施例”、“实施例”、“一个实例”或“实例”的参考意味着结合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，贯穿此说明书出现在各种位置的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个实例”或“实例”不一定都指代同一实施例或实例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实施例或实例中以任何适当组合和/或子组合进行组合。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功能性的其它适当组件中。另外，所属领域的技术人员将了解，此处提供的图是出于解释的目的且附图不一定按比例绘制。
贯穿此说明书，使用若干技术术语。这些术语具有其在其所出自的领域中的一般含义，除非在本文具体定义或在使用其的上下文中另外清楚地提出。应注意，在整个此文档中可互换使用元件名称和符号(例如，Si对硅)；但是，二者具有相同含义。
根据本发明的教示的实例描述一种具有像素阵列的高动态范围图像传感器，所述阵列具有包含安置在半导体材料中的线性子像素及对数子像素的像素。每一像素的每一线性子像素经耦合以响应于入射光产生具有线性响应的线性输出信号，且每一像素的每一对数子像素经耦合以响应于入射光产生具有对数响应的对数输出信号。位线耦合到线性子像素和对数子像素以从每一像素接收线性输出信号和对数输出信号。
为了绘示，图1是大体展示包含像素110的实例性像素阵列102的HDR成像系统100的一个实例的图。如在实例中展示，像素110中的每一者可为包含一个线性子像素112和一个对数子像素114的HDR像素。因此，每一像素110中的线性子像素112的数量与对数子像素114的数量的比及因此像素阵列102中的线性子像素112的数量与对数子像素114的数量的比为1:1。在实例中，像素阵列102是CMOS成像传感器的二维(2D)阵列，其包括经布置成多个行和列的像素110。特定来说，所描绘的实例展示，每一像素110经布置成行(例如，行R1到Ry)和列(例如，列Cl到Cx)来获得人员、位置、物体等的图像数据，所述数据接着可用于再现人员、位置、物体等的图像。因而，每一像素110及因此每一线性子像素112和对数子像素114经布置在正方形网格图案中，如在所描绘的实例中展示。
在一个实例中，每一线性子像素112经耦合以响应于入射光产生具有线性响应的线性输出信号，且每一对数子像素114经耦合以响应于入射光产生具有对数响应的对数输出信号。如在所描绘的实例中展示，对数子像素114具有与像素110的线性子像素112的曝光面积相比更小的曝光面积。
在图1中绘示的特定实例中，HDR成像系统100是彩色成像系统，且因此，像素阵列102包含具有经安置在每一像素110上方的滤色片的滤色片阵列。在实例中，像素110中的每一者具有经安置在线性子像素112和对数子像素114上方的同一滤色片。换句话说，如果像素110的线性子像素112具有红色(R)滤色片，那么像素110的对应对数子像素114具有相同红色(R)滤色片。在图1中描绘的特定实例中，红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)滤色片的拜耳图案出于解释的目的经布置在像素110上方。将了解，在其它实例中，滤色片阵列的滤色片可经布置成其它图案，例如，EXR图案、X-trans图案等。在其它实例中，滤色片可包含红外滤光片、紫外滤光片、隔离EM光谱的可见光部分的其它滤光片，或在单色图像传感器的情况中完全不包含滤色片。
在一个实例中，在每一像素110已经获得其图像数据或图像电荷之后，包含在线性和对数输出信号中的图像数据由读出电路104通过位线116读出且接着传送到功能电路106。在实例中，每一位线116耦合到在像素阵列102的像素的对应列(例如，列C1到Cx)中的每一像素110的线性子像素112和对数子像素114以从每一线性子像素112和每一对数子像素114接收线性输出信号和对数输出信号。
在各种实例中，读出电路104可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它。功能电路106可包含用以仅存储图像数据或甚至通过应用后期图像效果(例如，修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)而操纵图像数据的逻辑。在一个实例中，读出电路104可沿着读出列线(所绘示)一次读出一行图像数据，或可使用各种其它技术(未绘示)读出图像数据，例如串行读出或同时全部并行读出所有像素。
在一个实例中，控制电路108耦合到像素阵列102以控制像素阵列102的操作特性。例如，控制电路108可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗期间循序启用像素的每一行、列或组。
图2是根据本发明的教示绘示包含在像素阵列202中的像素210的一个实例的示意图，所述像素包含线性子像素212和对数子像素214。在一个实例中，应了解，像素210可为包含在上文在图1中绘示的HDR图像传感器100的实例性像素阵列102中的多个像素110中的一者的实例，且下文引用的类似命名且编号的元件类似于上文描述般耦合且作用。另外，应了解，包含线性子像素212和对数子像素214的像素210的示意图是出于解释的目的提供，且因此仅表示用于实施图1的像素阵列102内的每一像素的一个可能的实例性架构，且根据本发明的教示的实例不限于特定像素架构。事实上，获益于本发明的所属领域的技术人员根据本发明的教示将理解，本教示可应用于3T、4T、5T和其它对数设计以及各种其它适当的像素架构。
如在图2中描绘的实例中展示，像素210的线性子像素212和对数子像素214耦合到位线216。线性子像素212包含经耦合以响应于入射光242而光产生图像电荷的第一光电二极管(PD)218。在一个实例中，传送晶体管220经耦合以响应于传送TX信号将第一光电二极管218中光产生的图像电荷传送到浮动扩散222。复位晶体管224耦合到电压(例如，VDD)以响应于复位RST信号而复位浮动扩散222和第一光电二极管218。放大器226具有经耦合到浮动扩散222的输入以响应于入射光242产生具有线性响应的线性输出信号。线性输出信号响应于行选择RS信号通过行选择晶体管228输出到位线216。
在图2中绘示的对数子像素214的实例包含经耦合以响应于入射光242而光产生图像电荷的第二光电二极管(PD)230。在一个实例中，复位晶体管234经耦合到参考电压(例如，接地)来响应于复位RST信号复位第二光电二极管230。在实例中，放大器236的输入耦合到第二光电二极管230，且放大器238耦合到放大器236的输出以响应于入射光242在放大器238的输出处产生具有对数响应的对数输出信号。对数输出信号响应于行选择RS信号通过行选择晶体管240输出到位线216。
图3是根据本发明的教示的包含像素阵列302的HDR像素电路的一个实例的半导体芯片的横截面绘示，所述像素阵列包含具有线性子像素312及对数子像素314的像素310。在一个实例中，应了解，像素310、线性子像素312和对数子像素314可为上文在图1中绘示的像素110、线性子像素112和对数子像素114和/或上文在图2中绘示的像素210、线性子像素212和对数子像素214的实例，且下文引用的类似命名且编号的元件类似于上文描述般耦合且作用。例如，应注意，在图3中描绘的横截面绘示实例可对应于沿着在图1中描绘的实例中绘示的穿过像素阵列102的虚线A-A'的横截面。
如在图3中描绘的实例中展示，线性子像素312包含安置在半导体材料352中的第一光电二极管(PD)318，且对数子像素314包含安置在半导体材料352中的第二光电二极管(PD)330。在一个实例中，半导体材料352包含硅(Si)或另一适当半导体材料。如在所描绘的实例中展示，第一光电二极管318和第二光电二极管330经绘示具有通过靠近半导体材料352的背侧344的入射平面引导的入射光342。如在实例中展示，在半导体材料352的背侧344上的入射平面上，由线性子像素312的第一光电二极管318占有的曝光面积大于由对数子像素314的第二光电二极管330占有的曝光面积。在一个实例中，应注意，入射光342在通过半导体材料352的背侧344引导到第一光电二极管318和第二光电二极管330时可通过微透镜356引导。在彩色图像传感器实例中，应注意，入射光342在通过半导体材料352的背侧344引导到第一光电二极管318和第二光电二极管330时也可通过滤色片354引导。
在图3中描绘的实例中，应注意，也在半导体材料352的电路平面中绘示线性子像素支持电路348和对数子像素支持电路350的元件。在一个实例中，如展示，半导体材料352的电路平面靠近半导体材料352的前侧346。在实例中，线性子像素支持电路348耦合到第一光电二极管318以帮助产生线性输出信号，且对数子像素支持电路350耦合到第二光电二极管330以帮助产生对数输出信号。
图4是根据本发明的教示绘示相对于图像传感器的实例性HDR像素电路的光强度的信号响应的一个实例的图458，其中像素阵列的每一像素具有线性子像素及对数子像素。特定来说，图458绘示相对于沿着水平轴的光强度的沿着垂直轴的信号强度。在所描绘的实例中，展示线性输出信号412来提供线性子像素(例如图1的线性子像素112、图2的线性子像素212和/或图3的线性子像素312)的线性输出信号的信号强度的实例性绘示。类似地，展示对数输出信号414来提供对数子像素(例如图1的对数子像素114、图2的对数子像素214和/或图3的对数子像素314)的对数输出信号的信号强度的实例性绘示。如可从所描绘的实例中了解，线性输出信号412线性响应于入射光的光强度，且对数输出信号414对数响应于入射光的光强度。
出于比较的目的，应注意，也在图4中绘示实例性信号460。在实例中，信号460描绘具有与图1的对数子像素114、图2的对数子像素214和/或图3的对数子像素314相同的在入射平面上的较小曝光面积的假想线性响应光电二极管的实例性信号响应。如可了解，线性子像素和对数子像素的组合(例如，信号412和414的组合)根据本发明的教示提供比单线性像素(例如，仅信号412)的动态范围大约1000倍的动态范围，而较大曝光面积线性子像素和较小曝光面积线性子像素的组合(例如，信号412和信号460的组合)根据本发明的教示提供比单线性像素(例如，仅信号412)的动态范围大仅约10倍的动态范围。
本发明的所绘示实例的以上描述(包含在摘要中的描述内容)并不意在为详尽的或限制于所揭示的精确形式。虽然在本文中出于绘示性目的描述本发明的特定实施例和实例，但在不脱离本发明的更广阔精神和范围的情况下，各种等效修改是可能的。
鉴于以上具体实施方式，可对本发明的实例做出这些修改。用于所附权利要求书中的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求书中揭示的特定实施例。事实上，将完全通过所附权利要求确定范围，其应根据所确立的权利要求解释的教义来阐释。本说明书和图因此被视为绘示性的而不是限制性的。

Claims (24)

1.一种用于高动态范围图像传感器中的像素阵列，其包括：
多个像素，其在所述像素阵列中布置在多个行和列中，其中所述像素中的每一者包括：
线性子像素，其经安置在半导体材料中，其中所述线性子像素经耦合以响应于入射光而产生具有线性响应的线性输出信号，其中所述线性子像素包含安置在所述半导体材料中的第一光电二极管；
对数子像素，其经安置在所述半导体材料中，其中所述对数子像素经耦合以响应于所述入射光而产生具有对数响应的对数输出信号，其中所述对数子像素包含安置在所述半导体材料中的第二光电二极管，其中使用经引导通过所述半导体材料的入射平面的所述入射光来照明所述第一光电二极管和第二光电二极管，其中所述入射平面上由所述第一光电二极管占有的第一面积大于所述入射平面上由所述第二光电二极管占有的第二面积；
耦合到所述多个像素的多个位线，其中所述多个位线中的每一者耦合到所述多个像素的对应分组，其中每个位线与所述多个像素的所述对应分组的所述线性子像素和所述对数子像素两者相耦合以接收所述线性输出信号和所述对数输出信号。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述多个位线中的所述每一者为列位线，且其中所述多个像素的所述对应分组为所述像素阵列的列。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述像素阵列中的线性子像素的数量与对数子像素的数量的比为1:1。
4.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述多个像素的所述线性子像素和所述对数子像素在所述像素阵列中布置在正方形网格图案中以使得所述对数子像素大体上为正方形且所述线性子像素大体上为八边形。
5.根据权利要求1所述的像素阵列，其进一步包括经安置在所述多个像素上方的滤色片阵列，其中所述多个像素中的每一者在所述线性子像素和所述对数子像素上方具有相同滤色片。
6.根据权利要求4所述的像素阵列，其中所述对数子像素的四个边中的一者与所述线性子像素八个边中的一者大体上平行并在长度上大体上相等。
7.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述入射平面在所述半导体材料的背侧上。
8.根据权利要求1所述的像素阵列，其中线性子像素支持电路耦合到所述第一光电二极管，其中对数子像素支持电路耦合到所述第二光电二极管，其中所述线性子像素支持电路和对数子像素支持电路经安置靠近所述半导体材料的电路平面。
9.根据权利要求8所述的像素阵列，其中所述电路平面靠近所述半导体材料的前侧。
10.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述线性子像素包括：
所述第一光电二极管经耦合以响应于所述入射光而产生第一图像电荷；
传输晶体管，其耦合到所述第一光电二极管以响应于传输信号而将所述第一图像电荷从所述第一光电二极管传送到浮动扩散；
第一复位晶体管，其耦合到所述浮动扩散以响应于复位信号而复位所述浮动扩散；
第一放大器，其耦合到所述浮动扩散以响应于所述第一图像电荷而产生所述线性输出信号；及
第一行选择晶体管，其耦合于所述第一放大器与所述位线之间以响应于行选择信号而输出所述线性输出信号到所述位线。
11.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述对数子像素包括：
所述第二光电二极管经耦合以响应于所述入射光而产生第二图像电荷；
第二复位晶体管，其耦合到所述第二光电二极管以响应于复位信号而复位所述第二光电二极管；
第二放大器，其耦合到所述第二光电二极管；
第三放大器，其耦合到所述第二放大器以响应于所述第二图像电荷而产生所述对数输出信号；及
第二行选择晶体管，其耦合于所述第三放大器与所述位线之间以响应于行选择信号而输出所述对数输出信号到所述位线。
12.根据权利要求1所述的像素阵列，其进一步包括多个第一透镜，其中每个线性子像素具有接近于所述线性子像素安置的所述多个第一透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第一透镜中的所述一者至所述第一光电二极管。
13.根据权利要求12所述的像素阵列，其进一步包括不同于所述多个第一透镜的多个第二透镜，其中每个对数子像素具有接近于所述对数子像素安置的所述多个第二透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第二透镜中的所述一者至所述第二光电二极管。
14.一种高动态范围HDR成像系统，其包括：
像素阵列，其包含在所述像素阵列中布置在多个行和列中的多个像素，其中所述像素中的每一者包括：
线性子像素，其经安置在半导体材料中，其中所述线性子像素经耦合以响应于入射光而产生具有线性响应的线性输出信号，其中所述线性子像素包含安置在所述半导体材料中的第一光电二极管；及
对数子像素，其经安置在所述半导体材料中，其中所述对数子像素经耦合以响应于所述入射光而产生具有对数响应的对数输出信号，其中所述对数子像素包含安置在所述半导体材料中的第二光电二极管，其中使用经引导通过所述半导体材料的入射平面引导的所述入射光来照明所述第一光电二极管和第二光电二极管，其中所述入射平面上由所述第一光电二极管占有的第一面积大于所述入射平面上由所述第二光电二极管占有的第二面积；及
耦合到所述多个像素的多个位线，其中所述多个位线中的每一者耦合到所述多个像素的对应分组，其中每个位线与所述多个像素的所述对应分组的所述线性子像素和所述对数子像素两者相耦合以接收所述线性输出信号和所述对数输出信号；
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从所述多个像素读出所述线性输出信号和所述对数输出信号。
15.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其进一步包括功能电路，所述功能电路耦合到所述读出电路以响应于来自所述多个像素的所述线性输出信号和所述对数输出信号而存储图像数据。
16.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其中所述多个位线中的所述每一者为列位线，且其中所述多个像素的所述对应分组为所述像素阵列的列。
17.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其中所述像素阵列中的线性子像素的数量与对数子像素的数量的比为1:1。
18.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其中所述多个像素的所述线性子像素和所述对数子像素在所述像素阵列中布置在正方形网格图案中。
19.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其进一步包括经安置在所述多个像素上方的滤色片阵列，其中所述多个像素中的每一者在所述线性子像素和所述对数子像素上方具有相同滤色片。
20.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其中所述入射平面在所述半导体材料的背侧上。
21.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其中线性子像素支持电路耦合到所述第一光电二极管，其中对数子像素支持电路耦合到所述第二光电二极管，其中所述线性子像素支持电路和对数子像素支持电路经安置靠近所述半导体材料的电路平面。
22.根据权利要求21所述的HDR成像系统，其中所述电路平面靠近所述半导体材料的前侧。
23.根据权利要求14所述的HDR成像系统，其进一步包括多个第一透镜，其中每个线性子像素具有接近于所述线性子像素安置的所述多个第一透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第一透镜中的所述一者至所述第一光电二极管。
24.根据权利要求23所述的HDR成像系统，其进一步包括不同于所述多个第一透镜的多个第二透镜，其中每个对数子像素具有接近于所述对数子像素安置的所述多个第二透镜中的一者，以使得所述入射光被引导穿过所述第二透镜中的所述一者至所述第二光电二极管。
CN201710652231.4A 2016-08-04 2017-08-02 线性对数图像传感器 Active CN107689382B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/228,874 US10687003B2 (en) 2016-08-04 2016-08-04 Linear-logarithmic image sensor
US15/228,874 2016-08-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107689382A CN107689382A (zh) 2018-02-13
CN107689382B true CN107689382B (zh) 2021-06-04

Family

ID=61069753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710652231.4A Active CN107689382B (zh) 2016-08-04 2017-08-02 线性对数图像传感器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10687003B2 (zh)
CN (1) CN107689382B (zh)
TW (1) TWI687100B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111866414B (zh) * 2020-07-15 2021-08-20 大连理工大学 高动态图像传感器像素结构及时序控制方法
US12021105B2 (en) * 2020-11-20 2024-06-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Pixel array including octagon pixel sensors
US11683602B1 (en) * 2022-04-08 2023-06-20 Omnivision Technologies, Inc. Nine cell pixel image sensor with phase detection autofocus

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092762A2 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Sony Corporation Imaging apparatus, drive method, and electronic apparatus

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2819941B1 (fr) 2001-01-25 2003-06-20 Get Int Element photoelectrique a tres grande dynamique de fonctionnement
JP4235787B2 (ja) 2001-10-03 2009-03-11 ソニー株式会社 固体撮像素子の製造方法
US7489352B2 (en) * 2002-11-15 2009-02-10 Micron Technology, Inc. Wide dynamic range pinned photodiode active pixel sensor (APS)
US7780089B2 (en) * 2005-06-03 2010-08-24 Hand Held Products, Inc. Digital picture taking optical reader having hybrid monochrome and color image sensor array
US7399951B2 (en) * 2005-03-29 2008-07-15 Konica Minolta Holdings, Inc. Solid-state image-sensing device
JP2008263546A (ja) 2007-04-13 2008-10-30 Konica Minolta Holdings Inc 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及びこれを用いた撮像システム
KR100835894B1 (ko) * 2007-06-18 2008-06-09 (주)실리콘화일 다이내믹 레인지가 넓고, 색재현성과 해상능력이 우수한픽셀어레이 및 이미지센서
US7745779B2 (en) * 2008-02-08 2010-06-29 Aptina Imaging Corporation Color pixel arrays having common color filters for multiple adjacent pixels for use in CMOS imagers
FR2943178B1 (fr) 2009-03-13 2011-08-26 New Imaging Technologies Sas Capteur matriciel a faible consommation
US20120211642A1 (en) * 2009-10-27 2012-08-23 Konica Minolta Opto, Inc. Solid-State Imaging Device
JP5531580B2 (ja) 2009-11-25 2014-06-25 ソニー株式会社 固体撮像装置、および、その製造方法、電子機器
JP5521682B2 (ja) 2010-02-26 2014-06-18 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器
JP2013187727A (ja) 2012-03-08 2013-09-19 Konica Minolta Inc 固体撮像装置
GB2501535A (en) 2012-04-26 2013-10-30 Sony Corp Chrominance Processing in High Efficiency Video Codecs
JP6135109B2 (ja) * 2012-12-07 2017-05-31 ソニー株式会社 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法ならびに電子機器
KR20150099727A (ko) 2012-12-20 2015-09-01 소니 주식회사 촬상 소자, 촬상 장치, 전자 기기, 임계치 산출 장치 및 촬상 방법
JP2014204364A (ja) 2013-04-08 2014-10-27 ソニー株式会社 固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器
JP6242211B2 (ja) 2013-12-26 2017-12-06 キヤノン株式会社 撮像装置および撮像システム
KR102182870B1 (ko) * 2014-04-08 2020-11-25 삼성전자주식회사 선형-로그형 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 기기
US20180048836A1 (en) * 2015-03-18 2018-02-15 Sony Corporation Solid-state imaging device, driving method, and electronic apparatus

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092762A2 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Sony Corporation Imaging apparatus, drive method, and electronic apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
US20180041723A1 (en) 2018-02-08
US10687003B2 (en) 2020-06-16
TW201811019A (zh) 2018-03-16
TWI687100B (zh) 2020-03-01
CN107689382A (zh) 2018-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI581415B (zh) 虛擬高動態範圍大小像素影像感測器
CN110113546B (zh) 成像系统及像素阵列中相邻像素单元的组合和读出方法
US9955090B2 (en) High dynamic range image sensor with virtual high-low sensitivity pixels
KR101129128B1 (ko) 후면 조사 이미지 센서를 위한 회로 및 광센서 오버랩
US8405748B2 (en) CMOS image sensor with improved photodiode area allocation
US20120189293A1 (en) Imaging devices having arrays of image sensors and lenses with multiple aperture sizes
US9818791B1 (en) Stacked image sensor
CN111741242A (zh) 图像传感器及其操作方法
CN108234910B (zh) 成像系统和形成堆叠成像系统的方法及数字相机成像系统组件
US11140352B1 (en) High dynamic range high speed CMOS image sensor design
CN113259607A (zh) 高动态范围图像传感器
CN107689382B (zh) 线性对数图像传感器
CN112951858B (zh) 具有共享微透镜的图像传感器
TWI567963B (zh) 在彩色濾波器陣列上之光學隔離柵格
US9819883B2 (en) Global shutter correction
CN204633909U (zh) 成像器
CN106920809B (zh) 图像传感器颜色校正
US9674493B2 (en) Color image sensor with metal mesh to detect infrared light
US11463640B1 (en) Bitline control supporting binning mode phase detection autofocus photodiodes
CN207251823U (zh) 成像设备和成像系统
US11483502B1 (en) Bitline control supporting binning mode for pixel arrays with phase detection autofocus and image sensing photodiodes
US20230035728A1 (en) Color-infrared sensor with a low power binning readout mode
US11375150B1 (en) Image sensor with three readout approach for phase detection auto focus and image sensing photodiodes
US11683607B2 (en) Image sensor with three readout approach for phase detection autofocus and image sensing pixels
US11412190B2 (en) Image sensor with subtractive color filter pattern

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 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