CN107787580B - 采用相关双取样的光传感器 - Google Patents

Abstract

描述采用相关双取样的光传感器。在一个示例中，第一存储元件耦合到光电检测器，以收集自由电子作为积聚电荷。转移开关耦合到第一存储元件。第二存储元件经过转移开关耦合到第一存储元件，以便在转移开关开放时从第一存储元件收集积聚电荷。感测电路在从第一存储元件收集积聚电荷之前测量第二存储元件上的电荷作为参考电荷，并且在从第一存储元件收集积聚电荷之后测量第二存储元件上的电荷作为读取电荷。通过将参考电荷与读取电荷进行比较来确定所感测电荷。

Description

采用相关双取样的光传感器

技术领域

本公开涉及图像传感器的光电检测器领域，以及具体来说涉及采用相关双取样的系统和方法。

背景技术

光电检测器通常使用吸收入射光并且响应于所吸收光而产生自由电子或电子/空穴对的材料。自由电子的数量取决于入射到材料上的光量以及光电检测器用来产生自由电子的材料的效率。

通过光电检测器阵列所产生的任何图像的细节通过各光电检测器的精度以及光电检测器的总数来确定，通常根据兆像素来表述。对于许多应用，市场需求在越来越小尺寸封装中具有不断增加的细节的照相装置。为了提供图像传感器的更大细节以及提供更小图像传感器，必须使各像素处的光电检测器更小。随着各像素变小，它在特定时间间隔中能够产生的自由电子的数量降低。更少数量的自由电子降低光电检测器的精度，并且还增加噪声的影响。

任何半导体装置遭受泄漏电流和其他影响，其使少量自由电子持续产生并且经过材料传送。自由电子的数量较少，但是它们可出现在半导体电路和结构中的几乎任何位置。当这些自由电子与来自光电检测器的自由电子相混合时，泄漏电子引起光电检测器的视在输出中的看似随机的变化。当光电检测器较大并且产生大输出时，噪声则较小并且可忽略。但是，来自具有更少电子输出的更小像素的结果可受到噪声电子显著影响。

基于光电二极管的成像器是用于大和小照相装置系统的图像传感器的主要类型。这些图像中的像素在尺寸上已经减小，以实现用于小装置(例如蜂窝电话、保安照相装置和便携照相装置)的更高分辨率照相装置。当前~1 μm尺寸的像素在可制造性以及产生可接受地大于噪声阈值的信号的能力方面临近极限。更小尺寸的像素还对更长波长不太灵敏，因为像素尺寸接近正在被测量的光的波长。

其他类型的成像器使用量子点或有机膜作为活性元素，以将入射光转换为自由电子。在量子点示例中，点例如作为在膜中分散的胶体被施加到表面。所生成的自由电子然后使用与电路系统(其可在常规硅衬底中形成)所耦合的电极来测量。量子点膜或量子膜可制作成使得像素将光转换为自由电子/空穴对，从而改进特别是对更长波长的灵敏度。但是，与量子膜像素关联的电荷收集和读出电路系统也产生更多噪声。

附图说明

通过附图、作为举例而不是限制来图示实施例，附图中，相同参考标号表示相似元件。

图1是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的光电检测器电路的简图。

图2是按照实施例的图1的电路的示例操作周期的时序图。

图3是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的备选光电检测器电路的简图。

图4是按照实施例的图3的电路的示例操作周期的时序图。

图5是按照实施例的具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的另一个备选光电检测器电路的简图。

图6是按照实施例的图5的电路的示例操作周期的时序图。

图7是按照实施例的光电检测器电路的定时的过程流程图。

图8是按照实施例的具有多个光电检测器和电路的图像传感器的框图。

图9是按照实施例的结合交互视频呈现的计算装置的框图。

具体实施方式

如本文所述，校正光电检测器电路中的高读取噪声。这使用读出电路和方法(其允许包括复位噪声的相关噪声被补偿)进行。这些技术在量子膜和有机传感器中特别有用，但是也可应用于将电荷转换元件与像素电路系统分离的其他光电检测器系统。

量子点膜可配置成充当电荷生成器。当充分能量的光子碰撞膜中的量子点时，释放电子/空穴对。如果没有电场被施加到膜的区域，则电子和空穴将快速重组。膜可连接到电荷存储元件、例如电容器。存储元件能够用来施加电场以收集自由电子，以及存储所产生电荷。

多种不同的电路配置能够用来将电子收集到存储元件中，并且确定所收集的电荷量。在一个示例中，复位晶体管首先接通，以便从存储元件排放任何积聚电荷，并且将那个存储结点设置成已知电压。复位晶体管然后关断，以便从光电检测器收集电子。

可选转移晶体管然后接通，以便将存储元件连接到光电检测器的量子膜。虽然不作要求，但是转移晶体管实现曝光的电子控制，其在一些应用中是有用的。当膜连接到存储元件时，在膜中生成的任何电荷则扫入存储元件中，从而降低存储结点上的电压。存储结点上的电压与膜中的释放电子的数量(其与膜已经吸收的光子的数量成比例)成比例地降低。转移晶体管然后关断，以便将存储元件与膜隔离，并且停止电荷的收集。为了得到光电检测器的幅度或照明值，读取存储元件处的电压。

这个读取值然后可用作特定光电二极管处的幅度或光强度。数百万这类光电检测器可以相结合，以形成图像传感器。通常将存在用于红光、绿光和蓝光的独立光电检测器。在一些情况下，所有光电检测器都用来检测红外成像或黑白成像的相同颜色。

读取的精度取决于原始复位电压的精度以及复位中和仅从光电检测器收集电子中的存储元件的精度。为了改进精度，存储元件能够在进行读取之后再次复位。存储元件处的第二复位电压被读取并且与读取值进行比较，作为归一化读取的一种方式。但是，复位后存在存储元件上的电压的变化。由于使用两个不同的复位，所以两个复位电压之间的任何差引起结果之中的未知变化，其导致噪声。

已经观察到，基于量子膜的典型1.1 μm像素传感器比传统光电二极管更快地产生更多电子/空穴对。这提供更大细节的更高对比度以及低光中的更好响应。另一方面，噪声级要高许多，使得改进细节被噪声遮掩。

图1是具有传感器、电路系统和其他组件的用于单个像素的光电检测器电路的简图，其适合与量子点膜传感器和其他电荷产生光电检测器技术配合使用。所图示系统提供相关双取样和低许多的读取噪声。

光电检测器元件102基于量子点生成电荷的使用。量子点作为膜104 (其包含在顶部电极106与底部电极108之间)中的胶体来提供。顶部电极使用DAC (数模转换器) 110或者任何其他适当装置来设置在准确已知电压、例如0 V。底部电极耦合到输出线112，并且被允许浮动。入射到光电检测器上的光可选地经过微透镜114并且经过顶部电极106 (其可以是透明的)传递到膜104中的量子点。

光与膜进行交互，以产生如上所论述的自由电子/空穴对，其可在底部输出112经过底部电极108来收集。透镜114可用来将光能聚焦到包含量子膜的区域上。透镜还可包括用于红外光、红光、绿光或蓝光的滤色器。可存在附加滤波器，例如抗混叠滤波器、紫外滤波器等。虽然仅示出一个光电检测器，但是可存在更多个光电检测器，以创建图像传感器或者多种不同用途的任一种的另一种类型的传感器。还可存在附加组件，例如附加光学元件、曝光控制、保护盖板、电气组件等。虽然示出基于量子膜的检测器，但是其他类型的光电检测器组件可用来代替或补充量子膜检测器。

光电检测器的输出耦合到用于测量检测器所产生的电荷的电路。这个电路可如所示在光电检测器旁边，或者电路的部分或全部可在光电检测器下面，使得电路没有干扰相邻光电检测器的操作。

测量电路具有并联的两个存储元件120、122(C1、C2)。这些示为电容器，但是它们也可以是存储电荷的任何其他适当电路。存储元件在一侧耦合到公共140或地电位，以及在另一侧耦合到输出线142，该输出线142连接到光电检测器输出112。转移开关126 (Tx)耦合在第一存储元件与第二存储元件之间。

输出线142也耦合到复位开关128 (Tr)，其经连接以便将存储元件与参考电压134(Vaa)交替连接或断开。输出线还经过缓冲器130耦合到行选择开关132 (Rs)，其耦合到读取线138。读取线可以是列读取或行读取(取决于实现)，以允许将读取电压传递给中央缓冲器作为像素的幅度值。

开关全部耦合到控制器136，以控制开关的定时和操作。虽然开关全部示为简单晶体管，但是可使用其他和更复杂形式的开关。附加滤波器、开关、控制线和其他元件可添加到所示电路，这取决于实现。单个电路可与其他像素电路共享组件，并且可耦合到其他像素电路以形成图像传感器。本文所述的结构和技术可适用于单个光电检测器、数百万个光电检测器或者它们之间的任何其他数量。

光电检测器的每个、例如所示的光电检测器102耦合到公共图像处理器150。图像处理器耦合到行137和列138线，并且控制各像素的读取。图像处理器读取像素电路的值，并且组合全部像素的这些值以生成图像文件。图像处理器还可控制控制器136，其控制电路的操作。图像处理器可执行其他操作，包括噪声降低、格式转换、存储、特殊效果的图像修改等。

所图示电路可修改成适合不同的实现。作为示例，复位晶体管128可移动到第一存储结点120。另外，除了转移开关126之外的电路全部可由多个像素来共享。各光电检测器可具有唯一转移开关，以便将光电检测器与共享电路连接或断开。在这种实现中，依次读取光电二极管值。可使用任一种方式，这取决于图像传感器的预计用途。对于全局快门操作，同时对像素进行感测或取样。

图2是示出电路的操作的一个示例的时序图。图2中，时间处于从左至右的水平轴上，以及电压处于垂直轴上，其中具有各像素的独立标度。该序列对各图像捕获重复进行。例如为了捕获视频，该序列可每秒重复24次或30次或以上。

电路的序列在原点202以全部信号设置成低电平开始，但是C1和C2的状态仍然可能是不确定的。如本文进一步描述，C1和C2的初始状态并不重要。光电检测器可积聚电荷，其中在这个时间暴露于光。在第一时间步204，复位晶体管Tr和转移晶体管Tx均由控制器切换成高电平。因此，这些门电路开放。这将存储电容器C1、C2两者的收集侧耦合到参考电压Vaa。结果是通过从C1结点和C2结点两者排放任何积聚电荷使两个电容器复位。电容器从某种不确定状态(示为零，但不一定为零)改变成复位电压。

电容器电压随着电容器积聚来自参考复位电压Vaa的电荷而缓慢升高。这示为各电容器的电压上升曲线230、232。曲线开始于陡斜率，以及然后平整，并且将朝复位电压渐近地增加。具体响应将在两个电容器之间略微改变，并且取决于到复位电压134的连接的质量以及可存在于系统中的任何泄漏电流。第二存储结点C2 122的复位电压将在每次使存储电容器复位时自然改变。电压从复位到复位的变化引入从第二电容器C2 122所读取的值的未知变化。

两个电容器用作浮动扩散阱。第一电容器可设计成使得它在耦合到复位电压之后充当全耗尽电荷阱。这样，阱中不存在电荷。电压可以或者可以没有明确定义或确定，以及如以下所述，也不需要测量第一电容器中的电压。电容器还可配置成使得它具有有限电荷存储量，此后它变成电阻。虽然这个电容器用来收集电荷，但是它没有用来测量电压。

第二电容器(也是浮动扩散阱)可以是或者可以不是全耗尽阱。这个电容器在复位之后具有所定义和可测量电压。测量这个电压，并且然后来自第一阱的电荷经过转移开关来传递给第二阱。在电荷转移之后再次测量第二阱的电压。转移开关Tx进行完全电荷转移，使得第一阱被耗尽，并且来自第一阱的电荷的全部或者几乎全部转移到第二阱。

两个阱配置允许两个阱各对其所指配功能来优化。图像处理器测量和存储电压，但是光电检测器产生电荷。第一阱可专用于从光电检测器收集电荷。如果第一阱在复位之后完全耗尽，则电荷全部可归因于光电检测器。这对因被成像场景的大小或暗度而仅产生少量电荷的光电检测器非常有用。然后可对准确电压测量来优化第二阱，以便将所转移电荷转换成可测量电压。这两个电荷存储结点的特定物理特性可适合多种不同尺寸、成本、封装和材料约束的任一种。

在下一时间步206，控制器释放复位。复位晶体管Tr和转移晶体管Tx均闭合。第一电容器C1结点处的电压一直下降到较低值，其取决于电容器的总电荷容量。这个电压在每次是相同的，但不是对每一个像素已知的。换言之，每次存储元件完全耗尽时，它将返回到相同电压，但是各像素将具有不同电压。这个下降在234指示。相比之下，C2不是工作在全耗尽模式，并且因此电压在释放复位时没有下降。但是，它受到复位电压的变化。这个变化以后将通过相关双取样在过程中考虑。

在204，复位开关Tr和转移开关Tx闭合。第一电容器C1连接到光电检测器输出112、例如量子膜。由量子膜所生成的任何电荷被扫入C1结点(其中它被积聚)中，并且降低C1结点的电压。这在236示为C1电压的稳定下降。第二电容器C2不受影响，因为转移晶体管Tx闭合。第二电容器C2结点可在这个间隔期间泄漏，而没有影响像素的性能，如稍后按顺序说明。

在206，复位晶体管Tr再次接通，这时转移门Tx关断。因此，C2结点电压再次复位。在曝光时间(未示出)期间因泄漏而积聚的任何电荷被去除，并且C2结点恢复到复位电压。如前面所述，这个复位电压仍然不是肯定已知的。

在下一个时间步208，行选择开关Rs开放，并且从C2读取复位电压。因为信号经过高阻抗缓冲器130，所以C2结点的值没有改变。这个读取在相关时间提供实际复位值，包括电平的任何无控变化。这是用来将从第一存储元件120所收集的读取电荷转换为电压的参考电压。

在下一个步210，行选择开关闭合，并且控制器开放转移开关Tx。C1结点处的电荷在Tx门电路开放时从C1结点转移到C2结点。这是C2结点处来自C1结点的读取电荷。读取电荷基于C2结点的电容来转换成电压。另外，因为读取电荷转移到C2结点，所以C2结点处的电压不是取决于未知C1复位电压。C2复位电压只作为参考来读取并且是已知的。

在下一个时间步212，转移开关闭合。这可定时成使得第一存储结点完全转移到第二结点中。在214，与读取电荷对应的第二存储电容器C2的电压通过开放行选择开关再次读取。将新电压读取与先前存储的复位值或参考进行比较。参考用作最终像素电压值或感测电荷，因为它对应于光电检测器所感测的电荷。在时间步216，开关全部闭合，并且系统准备好对下一个样本复位。由于两个电压均几乎同时(时间步208和212)从同一电容器来读取，所以这表示采用参考和读取值的真正相关双取样。相关双取样提供读取噪声的显著降低。

各像素的电压的读取和比较在图像处理器150执行。存在可用于电压读取和比较系统的许多不同实现，包括用于基于CCD和CMOS的图像传感器的实现。

图3是具有传感器、电路系统和其他组件的备选单个像素的简图。这个备选方案也使用两个转移开关324、326来提供相关双取样以及低许多的读取噪声。

光电检测器元件302具有电荷产生元件、例如膜304，其包含在顶部电极306与底部电极308之间。顶部电极使用DAC (数模转换器) 310来设置在准确已知电压、例如0 V。底部电极耦合到输出线312。微透镜314经过顶部电极306将光定向到膜304。所产生电荷在底部输出312经过底部电极308来收集。

测量电路具有并联的两个存储元件320、322 (C1、C2)。这些电容器或其他电荷存储装置可与图1中不同的方式来配置，使得一个对电荷测量来优化以及另一个对电压测量来优化。它们在一侧耦合到地340，以及在另一侧耦合到输出线342，其连接到光电检测器输出312。

第一可选转移开关324 (Tx1)放置在光电检测器输出与第一存储元件之间，以便控制像素的曝光时间。第二转接开关326 (Tx2)耦合在第一存储元件与第二存储元件之间。

输出线342也耦合到复位开关328 (Tr)，其经连接以便将存储元件与参考电压334(Vaa)交替连接或断开。输出线还经过缓冲器330耦合到行选择332 (Rs)，其耦合到读取线338。行选择线和列选择线337、338耦合到图像处理器，以收集图像传感器的所有像素的像素值。

开关全部耦合到控制器336，以控制开关的定时和操作。附加转移开关(Tx1) 324可用来准确控制曝光的时间，并且还提供全局快门操作。对于全局快门，在图像传感器的所有像素同时进行曝光。卷帘快门操作允许曝光在不同时间在不同像素通常分组进行。

图4是示出这个备选电路的操作的示例的时序图，其中时间处于从左至右的水平轴上，以及电压处于垂直轴上，其中具有各像素的独立标度。

该电路在原点402以全部信号设置成低电平开始。如同图2的示例中一样，C1和C2的状态仍然可能是不确定的。光电检测器可积聚电荷，其中在这个时间暴露于光。在第一时间步404，复位晶体管Tr和第二转移晶体管Tx2均由控制器切换成高电平。因此，这些门电路开放。这将两个存储电容器C1、C2的收集侧耦合到参考电压Vaa，以便通过从C1结点和C2结点两者排放任何积聚电荷使两个电容器复位。电容器电压如各电容器的曲线430、432所示升高。

在下一时间步406，控制器释放复位。复位晶体管Tr和第二转移晶体管Tx2均闭合。第一电容器C1结点处的电压一直下降到较低值，其取决于电容器的总电荷容量。这个下降在434指示。在下一个时间步408，控制器开放第一转移晶体管Tx1。当这个门电路开放时，第一电容器连接到光电检测器输出112、例如量子膜。由光电检测器在门电路开放的同时所生成的任何电荷被扫入C1结点(其中它被积聚)中，并且降低C结点的电压。这在436示为C1电压的稳定下降。在一些实现中，转移开关Tx1的这个取样时间可用作快门速度。在一些应用中，TX1门电路还可用来控制或调制曝光。

第二电容器C2不受影响，因为第二转移晶体管Tx2闭合。第二电容器C2结点可在这个间隔期间泄漏，而没有影响像素的性能，如稍后按顺序说明。

在曝光周期结束410之后，第一转移开关闭合，并且下一个步412开始。复位晶体管Tr再次接通，这时Tx2门电路关断。因此，C2结点保持其收集的电荷。在曝光时间(未示出)期间因泄漏而积聚的任何电荷被去除，并且C2结点恢复到复位电压。如前面所述，这个复位电压仍然不是肯定已知的。

在下一个时间步414，行选择开关Rs开放，并且从C2读取复位电压，以提供参考值。因为信号经过高阻抗缓冲器330，所以C2结点的值没有改变。这个读取在相关时间提供作为参考电荷的实际复位值，包括电平的无控变化。

在下一个步416，行选择开关闭合，并且控制器开放第二转移开关Tx2，同时第一转移开关Tx1保持闭合。C1结点处的电荷在Tx2门电路开放时从C1结点转移到C2结点。电荷基于C2结点的电容来转换成电压。另外，因为电荷转移到C2结点，所以C2结点处的电压不是取决于未知C1复位电压。C2复位电压只被读取并且是已知的。

在下一个时间步418，第二存储电容器C2的电压作为与来自C1的读取电荷对应的电压来读取，并且与图像处理器350的存储复位值进行比较。差用作最终像素值，并且是与来自光电检测器的所感测电荷对应的电压。在时间步420，开关全部闭合，并且系统准备好对下一个样本复位。

图5是适合与电荷产生光电检测器技术配合使用的、具有传感器、电路系统和其他组件的另一个备选单个像素的简图。所示系统提供用于两个电荷存储装置C1、C2之间的结点的附加复位开关527。这个附加复位开关对管线化全局快门操作特别有用。管线化全局快门的曝光时间可由可选转移开关Tx1来控制。

光电检测器元件502具有顶部电极506与底部电极508之间的电荷产生区域504。顶部电极电压由DAC (数模转换器) 510或者任何其他适当装置来设置。底部电极508耦合到输出线512，并且被允许浮动。微透镜514经过顶部电极把来自场景的入射照明定向到传感器区域504。

底部输出512耦合到底部电极508，其经过第一转移开关(Tx1)耦合到第一电荷存储元件(C1) 520。第一存储元件和第二存储元件522 (C2)在一侧与公共地以及在另一侧与输出线542并联耦合。第一可选转移开关524 (Tx1)放置在光电检测器输出与第一存储元件之间，以便控制像素的曝光时间。第二转接开关526 (Tx2)耦合在第一存储元件与第二存储元件之间。

输出线542在两个转移开关524、526之间耦合到第一复位开关(Tr1) 527。输出线542还耦合到第二复位开关528 (Tr2)。复位开关将存储元件与参考电压534 (Vaa)交替连接或断开。输出线还经过缓冲器530耦合到行选择532 (Rs)，其由选择线537来控制。行选择的输出耦合到列线538。行线和列线耦合到图像处理器550，以用于控制电路的操作。其他开关耦合到控制器536，以控制开关的定时和操作。这个控制器可以是图像控制器的一部分或者是在图像控制器的控制下进行操作的独立控制器。

图6是示出图5的电路的操作的一个示例的系统的不同部分的时序图，其中时间处于水平轴上，以及电压处于垂直轴上。这个操作使用两个复位开关来提供管线化全局快门操作。图5的电路还可用来通过闭合Tr1并且将Tr2作为图3的Tr进行操作来执行图4的操作。类似地，图2的操作可通过也开放Tx1并且将Tx2作为图1的Tx进行操作来执行。同样地，图3的电路可用来通过开放Tx2并且将Tx1作为图1的Tx进行操作来执行图2的操作。这里未示出的许多其他操作、周期和方法也可采用所图示电路来执行。时序图仅作为两个存储元件可如何用来降低噪声并且增加图像传感器中的操作系统灵活性的示例来示出。

电路在原点以全部信号设置成低电平开始，但是C1和C2的状态仍然可能是不确定的。在第一时间步，第一复位晶体管Tr1设置成高电平，而第二复位晶体管保持闭合。因此，第一存储元件耦合到参考电压Vaa。第一存储元件被复位，并且然后准备好测量来自光电检测器的曝光。第二存储元件通过转移开关(其均闭合)与全部这些隔离。

在下一时间步604，控制器释放第一复位开关。如同其他示例中一样，第一电容器C1结点处的电压一直下降到在640所示的较低值。但是，电容器完全耗尽，使得电荷为零或接近零。

在606，第一转移开关Tx1开放，以便将第一存储元件连接到光电检测器。第一电容器连接到光电检测器输出512，使得光电检测器在门电路开放的同时所生成的电荷被扫入C1结点(其中它被积聚)中，并且降低C结点的电压。这是在642示为C1电压的稳定下降的第一曝光。Tx1门电路用作快门，以控制或调制曝光时间。

第二电容器C2尚未受到影响，因为第二转移晶体管Tx2在这个曝光期间已经闭合。在610的曝光(其中Tx2仍然闭合)期间，第二复位开关开放。C2结点在曝光期间恢复646到复位电压，因为在Tx2的相对侧存在两个复位开关。如前面所述，这个复位电压仍然不是肯定已知的。

在610，第一转移开关Tx1闭合以结束曝光，并且然后第二转移开关Tx2开放以将所收集电荷从C1转移648到C2。在612，Tx2闭合以结束转移。在614，通过转移开关闭合并且到C2的转移完成，C1通过开放Tr1复位650以用于另一个曝光。

在616，Tx1再次开放以允许另一个曝光，并且电荷从检测器转移到C1。在这个曝光期间，C2通过Tx2与曝光隔离。相应地，在618，通过Tx2闭合，行选择开关Rs开放，以及读取与在610从C1所收集的读取电荷对应的电压。在620，通过闭合Rs来结束这个读取。C2然后在622使用Tr2来复位。这仍然可在第二曝光期间进行。在624，使C2复位652，从而允许在626对参考复位电压的读取。Rs开关再次开放，以读取复位电压。这两个读取之间的差则是第一曝光的所感测电荷的电压值。第二曝光可经过在628的第二读取结束继续进行到另外某个稍后时间630。

如图6所示，通过使用两个单独复位开关527、528并且采用转移开关526隔离两个存储结点520、522，曝光(其从光电二极管502转移到第一存储结点520)可与读取和复位第二存储结点522隔离。第二存储结点然后可在到第一存储结点中的电荷转移期间来读取和复位。

对于全局快门操作，进入第一存储结点的所有曝光可同时对所有像素进行。从第一存储结点到第二存储结点的全部电荷转移以及第一存储结点的复位可同时进行。该系统然后可对全部像素顺次并且与曝光无关地从第二存储结点读取曝光值。这甚至当进行曝光并且第一存储元件复位时也允许共享图像处理器150作为后台过程来读取曝光值。

图7是图4所示定时的过程流程图。但是，这个过程流程也适用于图2和图6所示的定时。该过程在702开始于使第一存储元件和第二存储元件的电压复位到单个复位电压。这可例如通过经过复位晶体管将第一和第二存储元件连接到参考电压进行。图6中，这两个操作使用独立复位开关(各存储元件一个)单独执行。

在704，来自光电检测器的电荷在第一存储元件来收集。如图3所示，可通过开放第一存储元件与光电检测器之间的第一转移晶体管，并且闭合第一存储元件与第二存储元件之间的第二转移晶体管，来收集电荷。但是，第一转移晶体管是可选的。电荷可以只通过如同图2中一样释放复位来收集。

在收集电荷之后，第二存储元件的电压可选地在转移电荷之前在706复位。这提供噪声降低的更大精度，并且可在第一存储元件保持与任何其他组件开放的同时进行。

如图6所示，这个复位还可在读取转移电荷的电压之后执行。

在708，测量第二存储元件处的复位电压。这将称作第一电压，并且可通过开放第二存储元件与列导线(其耦合到电压读取电路、例如图像处理器或者图像处理器之前的模数组件)之间的行选择晶体管来检测。

在710，来自第一存储元件的所收集电荷转移到第二存储元件。在712，测量将电荷转移到第二存储元件之后产生的第二存储元件处的电压。这是第二电压。能够通过闭合第一存储元件与光电检测器之间的第一转移晶体管，并且开放第一存储元件与第二存储元件之间的第二转移晶体管，来转移电荷。

在714，光电检测器响应基于第一电压与第二电压之间的差来确定。如上所述，第一电压提供参考，而第二电压将所收集电荷与那个参考相加。这提供噪声降低像素值计数。

图8是可包括具有如本文所述的两个电荷存储元件的像素电路的图像传感器或照相装置系统800的框图。照相装置800包括图像传感器802，其中数百万像素通常按照行和列来排列。各像素可具有微透镜和检测器，其如上所述耦合到电路。各像素耦合到行线806和列线808。这些适用于图像处理器804。

图像处理器具有行选择器810和列选择器812。列线上的电压馈送给ADC (模数转换器) 814，其可包括取样和保持电路及其他类型的缓冲器。ADC值馈送给缓冲器816，其保持应用于校正处理器818的各曝光的值。这个处理器可补偿图像传感器或者系统的任何其他方面的任何伪影或设计约束。完整图像然后经过编译和渲染，并且可发送给接口820以供转移到外部组件。

图像处理器804可由控制器822来调节，并且包含许多其他传感器和组件。它可执行比所述操作要多许多的操作，或者另一个处理器可耦合到照相装置或者多个照相装置以供附加处理。控制器还可耦合到透镜系统824。透镜系统用于将场景聚焦到传感器上，并且控制器可调整透镜系统的对焦距离、焦距、光圈和任何其他设定，这取决于具体实现。

图9是按照一个实现的计算装置100的框图。计算装置100包含系统板2。板2可包括多个组件，其中包括但不限于处理器4和至少一个通信封装6。通信封装耦合到一个或多个天线16。处理器4物理耦合和电耦合到板2。

取决于其应用，计算装置100可包括其他组件，其可以或者可以没有物理耦合和电耦合到板2。这些其他组件包括但不限于易失性存储器(例如DRAM)8、非易失性存储器(例如ROM)9、闪速存储器(未示出)、图形处理器12、数字信号处理器(未示出)、密码处理器(未示出)、芯片组14、天线16、显示器18(例如触摸屏显示器)、触摸屏控制器20、电池22、音频编解码器(未示出)、视频编解码器(未示出)、功率放大器24、全球定位系统(GPS)装置26、罗盘28、加速计(未示出)、陀螺仪(未示出)、扬声器30、照相装置32、话筒阵列34和大容量存储装置(例如硬盘驱动器)10、致密光盘(CD)(未示出)、数字多功能光盘(DVD)(未示出)等。这些组件可连接到系统板2、安装到系统板或者与其他组件的任一个相结合。

通信封装6实现用于向/从计算装置100传递数据的无线和/或有线通信。术语“无线”及其派生可用来描述可通过经由非固态介质使用调制电磁辐射来传递数据的电路、装置、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并不是暗示关联装置没有包含任何导线，但在一些实施例中它们可能没有包含导线。通信封装6可实现多个无线或有线标准或协议的任一个，包括但不限于Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、EDCT、蓝牙、以太网及其派生以及表示为3G、4G、5G和以上的任何其他无线和有线协议。通信装置100可包括多个通信封装6。例如，第一通信封装6可专用于短程无线通信(例如Wi-Fi和蓝牙)，以及第二通信封装6可专用于长程无线通信(例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO等)。

照相装置32包含具有如本文所述的像素或光电检测器的图像传感器。图像传感器可使用图像处理芯片3的资源来读取值，并且还执行格式转换、编码和解码、噪声降低以及3D映射等。处理器4耦合到图像处理芯片，以驱动过程、设置参数等。

在各个实现中，计算装置100可以是护目镜、膝上型计算机、上网本、笔记本、超级本、智能电话、平板电脑、个人数字助理(PDA)、超移动PC、移动电话、台式计算机、服务器、机顶盒、娱乐控制单元、数码相机、便携音乐播放器或者数字录像机。计算装置可以是固定、便携或佩戴的。在其他实现中，计算装置100可以是处理数据的任何其他电子装置。

实施例可实现为一个或多个存储器芯片、控制器、CPU(中央处理器)、微芯片或者使用主板所互连的集成电路、专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)的一部分。

提到“一个实施例”、“一实施例”、“示例实施例”、“各个实施例”等表示这样描述的(一个或多个)实施例可包括具体特征、结构或特性，但是并不一定每一个实施例都包括所述具体特征、结构或特性。此外，一些实施例可具有部分、全部或者没有对于其他实施例所述的特征。

在以下描述和权利要求书中，可使用术语“耦合”连同其派生。“耦合”用来表示两个或更多元件相互合作或交互，但是它们之间可以有或者可以没有中间物理或电组件。

除非另加说明，否则如权利要求书所使用的、用来描述共同元件的序数词“第一”、“第二”、“第三”等只是表示涉及到相似元件的不同实例，而不是要暗示这样描述的元件必须在时间上、空间上、排列或者按照其他任何方式处于给定序列中。

附图和以上描述给出实施例的示例。本领域的技术人员将会理解，所述元件的一个或多个可完全结合为单个功能元件。备选地，某些元件可分离为多个功能元件。一个实施例的元件可添加到另一个实施例。例如，本文所述过程的顺序可改变，而并不局限于本文所述的方式。此外，任何流程图的动作无需按照所示顺序来实现；也并非一定需要执行全部动作。另外，不是与其他动作相关的那些动作可与其他动作并行地执行。实施例的范围决不受这些具体示例所限制。无论说明书中是否明确给出，诸如结构的差异、尺寸和材料的使用之类的许多变更是可能的。实施例的范围至少由以下权利要求书广义地给出。

以下示例涉及其他实施例。不同实施例的各种特征可按照不同方式相结合，其中包含某些特征而排除其他特征以适合多种不同应用。一些实施例涉及一种设备，其包括：光电检测器，用于响应入射光子而产生自由电子；第一存储元件，耦合到光电检测器，以便从光电检测器收集自由电子作为积聚电荷；转移开关，耦合到第一存储元件；第二存储元件，经过转移开关来耦合到第一存储元件，以便当转移开关开放时从第一存储元件收集积聚电荷；以及感测电路，用于在从第一存储元件收集积聚电荷之前测量第二存储元件上的电荷作为参考电荷，并且用于在从第一存储元件收集积聚电荷之后测量第二存储元件上的电荷作为读取电荷，其中通过将参考电荷与读取电荷进行比较来确定所感测电荷。

在其他实施例中，第一存储元件和第二存储元件包括电容器，并且其中感测电路测量电荷作为第二存储元件的电容器上的电压。

在其他实施例中，参考电荷和读取电荷作为参考电压和读取电压来测量，并且其中所感测电荷作为所感测电压来提供。

其他实施例包括复位开关，其耦合到参考电压以及第一存储元件和第二存储元件，以便在第一转移开关开放之前使第一存储元件和第二存储元件复位。

在其他实施例中，复位开关还用于在测量参考电荷之后并且在测量读取电荷之前使第二存储元件复位。

在其他实施例中，感测电路通过将第二存储元件连接到模数转换器以将第二存储元件的电压转换成数字测量值，来测量电荷。

在其他实施例中，光电检测器包括膜，其具有扩散量子点，以产生自由电子。

在其他实施例中，第一存储元件是全耗尽电荷阱，以及第二存储元件是电容器。

其他实施例包括光电检测器与第一存储元件之间的第二转移开关，以便交替地在开放时允许电子被收集而在闭合时防止电子被收集。

其他实施例包括：第一复位开关，其耦合在第一存储元件与参考电压之间，以使第一存储元件的电压复位；以及第二复位开关，耦合在第二存储元件与参考电压之间，以使第二存储元件的电压复位。

一些实施例涉及一种方法，其包括使第一存储元件和第二存储元件的电压复位到复位电压，在第一存储元件从光电检测器收集电荷，测量第二存储元件处的复位电压作为第一电压，将所收集电荷从第一存储元件转移到第二存储元件，测量转移所收集电荷之后的第二存储元件处的电压作为第二电压，并且基于第一电压与第二电压之间的差来确定光电检测器响应。

12. 如权利要求11所述的方法，还包括在收集所述电荷之后并且在转移所述电荷之前使所述第二存储元件的所述电压复位。

在其他实施例中，使电压复位包括经过复位晶体管将第一存储元件和第二存储元件连接到参考电压。

在其他实施例中，使电压复位包括经过第一复位晶体管将第一存储元件连接到参考电压，并且经过第二复位晶体管将第二存储元件连接到参考电压。

在其他实施例中，收集电荷包括开放第一存储元件与光电检测器之间的第一转移晶体管，并且闭合第一存储元件与第二存储元件之间的第二转移晶体管。

在其他实施例中，测量复位电压包括开放第二存储元件与耦合到电压读取电路的列导线之间的读选择晶体管。

在其他实施例中，转移电荷包括闭合第一存储元件与光电检测器之间的第一转移晶体管，并且开放第一存储元件与第二存储元件之间的第二转移晶体管。

一些实施例涉及一种计算机系统，其包括处理器、用于存储图像的存储器和用于捕获图像的图像传感器，图像传感器具有多个光电检测器以响应入射光子而产生自由电子，各光电检测器耦合到电路，该电路包括：第一存储元件，耦合到光电检测器，以便从光电检测器收集自由电子作为积聚电荷；转移开关，耦合到第一存储元件；第二存储元件，经过转移开关耦合到第一存储元件，以便在转移开关开放时从第一存储元件收集积聚电荷；以及感测电路，用于在从第一存储元件收集积聚电荷之前测量第二存储元件上的电荷作为参考电荷，并且用于在从第一存储元件收集积聚电荷之后测量第二存储元件上的电荷作为读取电荷，其中通过将参考电荷与读取电荷进行比较来确定所感测电荷，感测电路通过将第二存储元件连接到处理器的模数转换器以便将第二存储元件的电压转换成数字测量值来测量电荷。

在其他实施例中，复位开关还在测量参考电荷之后并且在测量读取电荷之前使第二存储元件复位。

在其他实施例中，该电路还包括光电检测器与第一存储元件之间的第二转移开关，以便交替地在开放时允许电子被收集而在闭合时防止电子被收集。

Claims (24)

1.一种用于光电检测的设备，包括：

光电检测器，用于响应入射光子而产生自由电子；

第一存储元件，耦合到所述光电检测器，以便从所述光电检测器收集自由电子作为积聚电荷；

转移开关，耦合到所述第一存储元件；

第二存储元件，经过所述转移开关耦合到所述第一存储元件，以便在所述转移开关开放时从所述第一存储元件收集所述积聚电荷；以及

感测电路，用于在从所述第一存储元件收集所述积聚电荷之前测量所述第二存储元件上的所述电荷作为参考电荷，并且用于在从所述第一存储元件收集所述积聚电荷之后测量所述第二存储元件上的所述电荷作为读取电荷，其中通过将所述参考电荷与所述读取电荷进行比较来确定所感测电荷。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一存储元件和第二存储元件包括电容器，并且所述感测电路测量电荷作为所述第二存储元件的所述电容器上的电压。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述参考电荷和所述读取电荷作为参考电压和读电压来测量，并且所感测电荷作为所感测电压来提供。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的设备，还包括复位开关，其耦合到参考电压以及所述第一存储元件和第二存储元件，以便在所述转移开关开放之前使所述第一存储元件和第二存储元件复位。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述复位开关还用于在测量所述参考电荷之后并且在测量所述读取电荷之前使所述第二存储元件复位。

6.如权利要求2和3中的任一项所述的设备，其中，所述感测电路通过将所述第二存储元件连接到模数转换器以将所述第二存储元件的所述电压转换成数字测量值，来测量所述电荷。

7.如权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中，所述光电检测器包括膜，其具有扩散量子点，以产生所述自由电子。

8.如权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中，所述第一存储元件是全耗尽电荷阱，以及所述第二存储元件是电容器。

9.如权利要求1-3中的任一项所述的设备，还包括所述光电检测器与所述第一存储元件之间的第二转移开关，以便交替地在开放时允许所述电子被收集而在闭合时防止所述电子被收集。

10.如权利要求1-3中的任一项所述的设备，还包括：第一复位开关，耦合在所述第一存储元件与参考电压之间，以使所述第一存储元件的所述电压复位；以及第二复位开关，耦合在所述第二存储元件与所述参考电压之间，以使所述第二存储元件的所述电压复位。

11.一种用于光电检测的方法，包括：

使第一存储元件和第二存储元件的电压复位到复位电压；

在所述第一存储元件从光电检测器收集电荷；

在所述第二存储元件测量所述复位电压作为第一电压；

把来自所述第一存储元件的所收集电荷转移到所述第二存储元件；

在转移所收集电荷之后测量所述第二存储元件处的所述电压作为第二电压；以及

基于所述第一电压与所述第二电压之间的差来确定所述光电检测器响应。

12.如权利要求11所述的方法，还包括在收集所述电荷之后并且在转移所述电荷之前使所述第二存储元件的所述电压复位。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中，使所述电压复位包括经过复位晶体管将所述第一存储元件和所述第二存储元件连接到参考电压。

14.如权利要求11或12所述的方法，其中，使所述电压复位包括经过第一复位晶体管将所述第一存储元件连接到参考电压，并且经过第二复位晶体管将所述第二存储元件连接到所述参考电压。

15.如权利要求11-12中的任一项所述的方法，其中，收集电荷包括开放所述第一存储元件与所述光电检测器之间的第一转移晶体管，并且闭合所述第一存储元件与所述第二存储元件之间的第二转移晶体管。

16.如权利要求11-12中的任一项所述的方法，其中，测量所述复位电压包括开放所述第二存储元件与耦合到电压读电路的列导线之间的读选择晶体管。

17.如权利要求11-12中的任一项所述的方法，其中，转移所述电荷包括闭合所述第一存储元件与所述光电检测器之间的第一转移晶体管，并且开放所述第一存储元件与所述第二存储元件之间的第二转移晶体管。

18.一种计算系统，包括：

用于使第一存储元件和第二存储元件的电压复位到复位电压的部件；

用于在所述第一存储元件从光电检测器收集电荷的部件；

用于在所述第二存储元件测量所述复位电压作为第一电压的部件；

用于把来自所述第一存储元件的所收集电荷转移到所述第二存储元件的部件；

用于在转移所收集电荷之后测量所述第二存储元件处的所述电压作为第二电压的部件；以及

用于基于所述第一电压与所述第二电压之间的差来确定所述光电检测器响应的部件。

19.如权利要求18所述的计算系统，还包括用于在收集所述电荷之后并且在转移所述电荷之前使所述第二存储元件的所述电压复位的部件。

20.如权利要求18或19所述的计算系统，其中，用于使所述电压复位的部件包括用于经过复位晶体管将所述第一存储元件和所述第二存储元件连接到参考电压的部件。

21.如权利要求18或19所述的计算系统，其中，用于使所述电压复位的部件包括用于经过第一复位晶体管将所述第一存储元件连接到参考电压的部件，以及用于经过第二复位晶体管将所述第二存储元件连接到所述参考电压的部件。

22.如权利要求18-19中的任一项所述的计算系统，其中，用于收集电荷的部件包括用于开放所述第一存储元件与所述光电检测器之间的第一转移晶体管的部件，以及用于闭合所述第一存储元件与所述第二存储元件之间的第二转移晶体管的部件。

23.如权利要求18-19中的任一项所述的计算系统，其中，用于测量所述复位电压的部件包括用于开放所述第二存储元件与耦合到电压读电路的列导线之间的读选择晶体管的部件。

24.如权利要求18-19中的任一项所述的计算系统，其中，用于转移所述电荷的部件包括用于闭合所述第一存储元件与所述光电检测器之间的第一转移晶体管的部件，以及用于开放所述第一存储元件与所述第二存储元件之间的第二转移晶体管的部件。

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