CN108122934A - 高动态范围图像传感器系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高动态范围传感器件，包括：一由滤色镜组成的拜耳模式阵列，每个滤色镜对应于传感器件的一个像素，每个像素都具有多个光电二极管。

Description

高动态范围图像传感器系统及方法
技术领域
本发明涉及的是一种图像传感器技术领域的技术，具体是一种高动态范围(HDR)感测系统及方法。
背景技术
电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器都广泛用于图像处理，动态范围是这两种器件的重要的性能指标。动态范围可以定义为图像传感器能够测出的最高亮度和最低亮度之间的比率。HDR图像通常比一般图像更加清晰和丰富，这是由于更好地保留了高光和阴影细节。
一些现有技术通过拍摄不同曝光时间的多张照片和结合照片的特征来产生每张HDR图像。这样的方法要花费几秒钟的时间，所以合成的图像容易受到物体运动的影响。因此，需要通过革新传感器架构来改良动态范围和图像质量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种高动态范围图像传感器系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种高动态范围传感器件，包括：一由滤色镜组成的拜耳模式(Bayer-pattern)阵列，每个滤色镜对应传感器件的一个像素，且每个滤色镜覆盖于若干光电二极管上。
在一个实施例中，每个所述的滤色镜覆盖于四个光电二极管之上。
在另一实施例中，每个所述的光电二极管接收一积分时间信号。
本发明还涉及一种高动态范围传感器件，包括：一由滤色镜组成的拜耳模式阵列，每个滤色镜对应于传感器件的一个像素，每个像素都具有若干光电二极管。。
在一个实施例中，每个所述的像素包括四个光电二极管。
在另一实施例中，每个所述的光电二极管接收一积分时间信号。
本发明进一步涉及一种高动态范围感测方法，通过若干滤色镜组成的拜耳模式阵列过滤光子，每个滤色镜对应传感器件的一个像素，且每个滤色镜覆盖于若干光电二极管之上并通过光电二极管采集过滤后的光子。
本发明还涉及一种高动态范围感测系统，包括：一由滤色镜组成的拜耳模式阵列，每个滤色镜对应一个像素。
该系统中的每个像素及其滤色镜进一步包括：若干微透镜，每个均设置于滤色镜的上方，用于引导光子透过滤色镜、若干光电二极管，每个均设置于滤色镜的下方，分别用于接收由若干微透镜引导并透过滤色镜的光子以及一与多个光电二极管相连、用于控制若干光电二极管的积分时间的电路。
本发明公开的其他一部分特征和优势的将在下面进行详细描述，另外一部分是显而易见或可以通过实践本发明而得到学习。本发明公开的特征和优势，可以通过附加权利要求特别指出的元素和组合来实现。
应该了解，如权利要求所述，上述一般说明和下面详细说明仅是例示性和说明性的，并不限制本发明。
附图说明
图1A是现有技术中图像传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图。
图1B是象限像素HDR传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图，
图2A是现有技术中可视化传感器像素图案的图。
图2B是带有四个积分时间的可视化传感器的像素图案的图，
图3是HDR传感器系统的示意性电路的图，
图4是带有多个子像素和不同积分时间的HDR传感器的电路的图，
图5A是读取时序的图，
图5B是读取时序的图，
图5C是带有四个积分时间的图4中HDR传感器的读取时序的图，与本发明公开的例示性实施例一致。
图5D是具备三个不同积分时间信号情况下的读取时序的图，
图5E是具备两个不同积分时间信号情况下的读取时序的图，
图5F是具备三个不同积分时间和数据合并模式情况下的读取时序的图，
图5G是具备两个不同积分时间和数据合并模式情况下的读取时序的图，
图5H是具备两个不同积分时间和数据合并模式情况下的读取时序的图，
图6A是现有技术中图像传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图。
图6B是象限像素HDR传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图，
图7是带有四个子像素和两个不同积分时间的HDR传感器像素的电路的图，
图8是图7中HDR传感器的读取时序的图，
图9是带有两个不同积分时间的图7中HDR传感器的读取时序的图，
图10是HDR感测方法的流程图，
具体实施方式
图1A是现有技术中固态传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图110。所述固态传感器(例如，CCD、CMOS)是最一般类型的传感器：拜耳滤色传感器。该传感器包括设置于光电二极管正方形栅格顶部上的滤色镜阵列，以筛选红光、绿光或蓝光。从顶部视角来看，拜耳单元的四个像素所示为四个正方形，其与对角的两个绿色滤色镜、红色滤色镜和蓝色滤色镜相连。每个像素或滤色镜都可以具有相同的宽度尺寸X。宽度X的A型值是3.0μm。每个正方形包括表示微透镜(ulens)的圆圈。如侧视图所示，每个滤色镜(CF)具有设置于其上方的微透镜和设置于其下方的光电二极管(PD)。
图1B是，象限像素HDR传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图120，图120展示了宽度都为X的四个像素，所述四个像素形成拜耳单元。所述四个像素还可以分别包括两个对角的绿色滤色镜、蓝色滤色镜和红色滤色镜。每个像素包括多个宽度为Y的子像素。在该图中，每个宽度为X的像素都包括四个宽度为Y的子像素。每个子像素都对应各自的光电二极管。每个光电二极管都与开关相连，例如与晶体管相连，在具体示例中，与调控所述光电二极管积分时间的电荷转移(TX)晶体管相连。这些子像素在图1B中形成四乘四规格的棋盘图案。
对应该拜耳单元中的四个像素，从顶部视角展示了每个宽度都为X的四个滤色镜。两个对角的滤色镜是绿色，一个是红色，另一个是蓝色。每个像素细分成每个宽度都为Y的四个子像素，且被标以L3、L2、L1或S。宽度Y和宽度X可以具有各种长度。Y的一个例示性长度为1.5μm，X的一个例示性长度为3μm。每个子像素包括由圆圈表示的微透镜。
如侧视图对应地所示，每个子像素都具有设置于滤色镜上方的微透镜和设置于滤色镜下方的光电二极管。当光照射在传感器上，微透镜就引导光线/光子穿过滤色镜并随后穿过光电二极管，该光电二极管相应通过曝光而生成电荷(例如，电子和空穴)。这些电荷的移动产生电流。通过对电流进行测量得到照射传感器的曝光量。光电转换产生的电流一般非常微弱，这影响精确的直接测量值。因此，通过将穿过光电二极管的电压设定为已知电势，并通过在读出电压之前，使用所述光电二极管对光子进行收集一段时间来使用积分。较长的积分时间使得更多的电荷得到转换。与光电二极管连接的TX晶体管用以调控所述光电二极管的积分时间。每个光电二极管都可以与TX晶体管相连，也可以是两个或多个光电二极管并联至同一个TX晶体管。
在该侧视图中，两个子像素共享一个滤色镜：每个滤色镜上方有两个微透镜，下方有两个光电二极管。由于该侧视图仅展示了一行子像素且根据顶视图，每个像素都具有两行乘两列规格的子像素，每个像素都具有四个子像素共享的一个滤色镜。也就是说，在例示性2x2构型中，每个像素都在共享的滤色镜上方具有四个微透镜、在共享的滤色镜下方具有四个光电二极管以及分别于四个光电二极管连接的四个TX晶体管，从而构成象限像素传感器。每个微透镜都可以与其对应的光电二极管基本对齐，从而，可以将照射到微透镜上的大部分光子引导穿过滤色镜，并由光电二极管检测，如图1B所示。
以下结合图2B、图4、图6B和/或图7中所述的细节，公开了一种HDR感测系统。
如图2B所示，在某些场合下，每个子像素都与TX晶体管连接，用于调控积分时间。子像素通过此方式设有可单独配置的差分有效积分时间，用于与传感器一起生成HDR图像。可以将各种积分时间标以L3、L2、L1或S。L3、L2、L1或S从最长到最短分别对应于不同积分时间。通过图1B，展示了每个像素中带有四个积分时间的四个子像素，但每个像素中的子像素数量不限于四个，且与每个像素中子像素对应的任何两次积分时间都可以是相同的或不同的。可以默认设定、由用户设置或否则，直接确定每个积分时间。还可以根据照射情况(例如，黑暗环境下进行较长时间的曝光)自动配置每次积分时间。两次或多次积分时间可以是相同的。进一步地，任何相同像素的子像素可以构造为具有积分时间L3、L2、L1或S或任何积分时间，不应该限于本发明附图中的说明。本发明公开中标识积分时间的L和S仅是例示性的。另外，在本发明公开的例示性附图中，为了说明目的，每个子像素灰度可以表示积分时间所对应的水平。例如，如具有最长积分时间的L3可以表现出比具有最短积分时间的S更亮。此外，积分时间的灰度说明仅是例示性的，且不依赖于具体子像素。
在某些场合下，由于可以通过对应的TX晶体管单独控制每个子像素的积分时间，所以每个像素都可以获取和转换与四个积分时间对应的图像信号。积分时间可以是相同的或不同的。如果像素具有更多单独控制的子像素，那么获取的图像信号可以对应更多不同的积分时间。因此，即使在由本发明公开的器件进行的一次传感器器检测中，每个像素也可以获取对应于不同积分水平的多个读数。获取的长积分时间信号可以保留高亮细节(例如，明亮光线下的场景)，而获得的短积分时间信号包括阴影细节(例如，弱光下的场景)。结合这些信号以获得图像是HDR成像的关键。
一些现有的HDR成像系统(如包围曝光)使用图像传感器获取多个图像，每个图像具有不同曝光时间。这种获取方法会花费几十毫秒。在该情况下，通过结合获取的图像而执行HDR成像会生成不想要的运动伪影。本发明公开的系统可以在一次曝光检测中获取多次曝光水平的图像。由于一次检测花费的时间(例如，小于几毫秒)大幅小于多次检测花费的时间(例如，十几毫秒)，所以可以最小化移动引起的运动伪影的产生。换句话说，本发明公开的系统可以使用最小化运动伪影和多个积分时间来整合时域HDR功能。
类似地，可以将每个像素分成任意数量、任何形状的子像素，且可以在积分时间方面，单独控制每个子像素，从而，在相同像素内实现多个积分时间的设置。
如图2A所示，为现有技术中可视化传感器像素图案。在该附图中，展示了8行(以0到7标记)乘8列(以0到7标记)规格的64个正方形像素。类似于上述图1A，每个像素可以具有X的宽度。实际上，表示图210可以视为从表示图110的行与列相乘的基础上得到的扩展形式，形成了像素的棋盘形。图2A中给由四个像素构成的每个拜耳单元分配积分时间：或L(长)、或S(短)。每两个邻近的拜耳单元具有不同的积分时间。也就是说，由于在左上角中2X2的四个像素的拜耳单元分配了L，所以相同行或列中2x2像素的下一个拜耳单元则分配S，以此类推。然而，由于此处每个像素都只具有一个积分时间，所以需要两个拜耳单元来获取带有两个积分时间的相同图像，这与类似的所有像素都具有统一积分时间的一般传感器相比，降低了图像分辨率。
如图2B所示，为带有四个积分时间的传感器像素图案，在该附图中，展示了8行(以0到7标记)乘8列(以0到7标记)的64个正方形像素。类似于如上所述图1B，每个像素都可以具有的宽度X＝2Y，且每个像素都包括四个宽度为Y的正方形子像素。所以在图2B中总共展示有256个子像素。
如上参考图1B所述，每个子像素都可以具有单独的积分时间L3、L2、L1或S。通过在相同像素的子像素中，而不是在多个像素中，实现积分时间变量，与类似的所有像素都具有统一积分时间且无子像素的一般传感器相比，该附图所述传感器的分辨率不会在获得HDR图像时降低。
如图3所示，为HDR传感器系统的示意性电路图，该系统300包括：像素阵列和电路301、行控制电路302、列读取电路303以及时序生成器和处理电路304，其中：像素阵列和电路301包括多个由行、列和关联电路布置的多个如图1B和图2B中所示的像素。每个像素行都与行控制电路302相连，且每个像素列都与列读取电路303相连。行控制电路302在每行中控制读取时序，且列读取电路303接收来自每列的像素信号。时序生成器和处理电路304控制行控制电路302，且在时钟时序、信号处理等方面，控制列读取电路303。上述电路只是例示性，且可以实施该电路其他可能的变体。
在光电二极管传感器的一次例示性曝光过程中，像素阵列和电路301中的光电二极管将入射光子转换成电荷(例如，电子和/或空穴)。对应传感器子像素或像素整合(收集)该电荷。在完成整合周期后，将收集到的电荷转换成电压。将该电压提供给输出终端并连接至列读取电路303。在CMOS图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素自身中完成。通过各种由行控制电路302控制的像素寻址和扫描方案，将模拟像素电压转移给输出终端。此模拟信号也可在芯片读出之前，在芯片上转化为数字信号。
在像素水平上，如下所述，行控制电路302、列读取电路303和/或时序生成器和处理电路304的对应部分可以统称为“与多个光电二极管连接的电路”，如图10中所示。
如图4所示，为带有多个子像素和不同积分时间的HDR传感器的电路图，图4中的电路图可以对应于上述图2B中的像素，其中长划线区域表明了四个子像素的四个光电二极管(PD1、PD2、PD3和PD4)，每个光电二极管分别接收积分时间信号(L3、L2、L1或S)。每个光电二极管都与电荷转移晶体管相连，所述电荷转移(TX)晶体管(TX1、TX2、TX3或TX4)可选地以脉冲积分模式进行操作。每个TX晶体管都与TX控制线相连(例如，晶体管TX1与TX01相连)。行控制电路302可以通过如图4、5B和5C所示的TX01、TX02、TX03和TX04，为每个电荷转移晶体管TX1、TX2、TX3和TX4的栅极终端提供对应的电荷转移控制信号。例如，第一电荷转移控制信号TX01提供给电荷转移晶体管TX1，第二电荷转移控制信号TX02提供给电荷转移晶体管TX2，第三电荷转移控制信号TX03提供给电荷转移晶体管TX3，第四电荷转移控制信号TX04提供给电荷转移晶体管TX4。
上述四个子像素可以共享其他电路架构。例如，传感器像素可以并入与TX晶体管连接的缓存放大器，一般是源极跟随器(SF)晶体管，该源极跟随器可以通过合适的寻址晶体管(也可以称作行选择晶体管RS)连接感测线(Vout)。TX晶体管还与电荷检测节点(FD)(也指浮动扩散节点或浮动扩散区域)连接。例如，TX晶体管的一个源极端子或漏极端子与光电二极管相连，其他的则与节点FD连接。如图4所示，在光电二极管PD1和节点FD之间连接TX1，在光电二极管PD2和节点FD之间连接TX2，在光电二极管PD3和节点FD之间连接TX3，以及在光电二极管PD4和节点FD之间连接TX4。
可以使用掺杂半导体区域(例如，由离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术在硅衬底中形成的掺杂硅区域)实现电荷检测节点FD，该FD区域的电容特性可以用来检测来自光电二极管的电荷。将与FD上检测的电荷相连的信号施加于源极跟随器晶体管SF的栅极，并进一步通过源极跟随器晶体管SF传输给行选择晶体管RS。
所述的FD节点另外与复位晶体管(RST)相连，该复位晶体管将FD节点与参考电压(VDDA)电连接。在完成上述电荷到电压的转换以及所得信号从子像素/像素通过感测线(Vout)转移出之后，可以通过RST晶体管复位子像素/像素，用于积累新的电荷。在图4所示的示例中，通过线RS0控制晶体管RS，通过线RST0控制晶体管RST。该复位步骤移除了聚积的电荷，但会生产kTC-复位(热)噪音。kTC-复位噪音通过关联双采样(CDS)信号处理技术从信号中移除，以达到所需的低噪音性能。采用CDS技术的CMOS图像传感器在像素中通常需要四个晶体管(4T)，其中的一个晶体管将作为电荷转移(TX)晶体管，并可以通过多个光电二极管共享部分像素电路晶体管从而实现像素尺寸的减小。
在某些场合下，如图4所示的电路可以是像素阵列和电路301的一部分，如Vout和VDDA的垂直电路线可以与图3所示的列读取电路303相连，且比如RST0、RS0、TX01、TX03和TX04的水平电路线可以与图3所示的行控制电路302连接。
如图5A所示，为读取时序图，在某些场合下，行寻址或选择信号RS0、RS1...RSx中的每个都与对应的行相连，且可以参照时间，指示行控制信号。参考图3，该行控制信号可以通过将行控制电路302与时序生成器和处理电路304结合实现。每个控制信号都由对应行中的脉冲表示，该脉冲可以参考基准线(低)，指示电压(高)。纵向长划线指示时钟周期。当控制信号高(位于两条划线之间时)的时候，其将打开在那一行上的行选择晶体管，且列读取电路303将读取该行上的信号。按顺序从RS0到RSx一个一个读取行。在一个框架中，每行都经读取，所以由传感器获取的所有信号都经读取。随后，下一个框架重复该周期。
如图5B所示，为读取时序图，在某些场合下，如图5B所示并参考图4，左边各种信号线可以参考对应的时序以采样获得光电二极管信号。例如，RS0通常为高电平且RST0为周期脉冲，以便TX01、TX02、TX03和TX04中的每个都可以单独读取。例如，当RS0为高电平且在RST0的两个脉冲之间时，可以分别读出TX01、TX02、TX03和TX04各个信号。SHR(采样和保持像素复位信号)和SHS(采样和保持像素信号)则由列读取电路303输出并用于读取光电二极管信号。当在TX时间线上进行每个由脉冲表示的TX读取之前，SHR信号变为高电平，以保持复位信号，且在TX读取之后，SHS信号变为高电平，以保持光电二极管信号。这样的组合可以确保适当地复位和读取TX读数。
下面将详细说明第0行读取时间的例示性时序图。当第0行的行选择信号RS0为高电平，则打开行选择晶体管RS，其使得FD上的和应用在晶体管SF栅极上的电荷可以通过Vout读出。在此次读取期间的开始，行控制电路302提供打开复位晶体管RST并将电荷检测节点FD复位至VDDA水平电压的复位控制信号RST0。在复位之后，可以放弃复位控制信号RST0，以关闭复位晶体管RST。在完成复位过程后，可以发布电荷转移晶体管控制信号(例如，TX01)，以打开对应的电荷转移晶体管(例如，TX1)。当打开转移晶体管(例如，TX1)时，已由对应的光电二极管(例如，PD1)生成的并整合过的来自入射光的电荷，转移至共享电荷检测节点FD处。如上所述，打开行选择晶体管RS，FD上的和应用在晶体管SF栅极上的电荷可以通过Vout读出。在读取PD1之后，可以复位节点FD，且当TX02处于打开状态时，可以读取PD2。可以对其他光电二极管进行相同的操作。可以一次对电荷转移晶体管(例如，TX1、TX2、TX3和TX4)进行脉冲采样，以执行一次电荷转移操作，或可以进行多次脉冲采样，以执行多次电荷转移操作。在特殊的设置中，图3所示的像素阵列中存在多行乘多列规格的图像像素。当需要读取检测的电荷值(由连接至节点FD的晶体管SF的源极所表示的检测的电荷值)时，可以发布行选择控制信号，且如图4所示，表示共享电荷检测节点FD(例如，一个或多个光电二极管PD1、PD2、PD3和PD4发出的图像水平电压)上电荷大小的所对应的图像信号Vout产生在输出Vout上。
如图5C所示，为带有四个不同积分时间的图4中的HDR传感器的读取时序图，图5C展示了与一个像素的四个光电二极管和上升积分时间L3、L2、L1和S相对应的、四个TX晶体管参照时间的信号线。TX晶体管可以在脉冲积分模式下操作以获得HDR成像所需的不同积分时间。在该附图中，每个光电二极管的读取周期从前一次TX读取脉冲结束为始，以另一个TX读取脉冲为止。在该读取周期，即框架中，每个TX栅极接收积分时间信号，该积分时间可以由如图3中所述的电路通过设置对应的时钟和时隙实现。
每个光电二极管上的电压及其读取时间的调节，可以通过设置对应电荷转移晶体管TX的输入脉冲，从而调节积分时间得以实现，如图5C中所示。在某些场合下，如图5C中的TX2(L1)，在读取脉冲之后(例如，图5C中的第一脉冲之后)，可以通过控制线信号TX2(L1)的高电压再次打开电荷转移晶体管(例如，TX2)，且对应的光电二极管(例如，PD2)中的电荷从光电二极管中通过电荷转移晶体管TX驱动至FD处，且FD通过复位晶体管RST复位至VDDA(参考图4)。当电荷转移晶体管(例如，TX2)很低时(关闭时)，可使得电荷在对应的光电二极管(例如，PD2)上积累一段时间(如图5C所示的积分时间)。当控制线信号TX2(L1)为脉冲信号时，例如，线TX2(L1)尾端的脉冲，聚积的电荷则转移至节点FD并通过SF和RS晶体管读取，作为对应的光电二极管信号。在本次读取和上一次读取之间的一个框架过程中，单独控制电荷转移晶体管(例如，TX1、TX2、TX3和TX4)。这时，像素中每个具有对应电荷转移晶体管的光电二极管都具有积分时间，该积分时间通过如图5C所示的电荷转移栅极的时隙进行设置。每个积分时间可以设为任意长度。因此，根据各种积分时间，四个光电二极管中的每个都具有不同的转换电荷，实现了相同像素内不同曝光水平。
如上所述，可以独立控制四个TX的积分时间信号，以实现带有四个不同积分时间的HDR成像。在某些场合下，还有可能通过设定两个光电二极管具有相同的积分时间，以实现三个不同积分时间，或通过设定两个光电二极管具有相同的积分时间和另外两个光电二极管具有不同的积分时间，以实现两组不同积分时间。将参考图5D和图5E在下面进行详细说明。积分时间的这样灵活的设置提供更多的成像选择。另外，参考图5F、图5G和图5H，如下所述，可以将光电二极管中的信号电荷合并进FD节点(数据合并模式)内。此数据合并模式可以提高读取效率和信噪比。
如图5D所示，为具备三个不同积分时间信号情况下的读取时序图，图5D与图5C类似，其区别在于：与TX4相连的光电二极管的积分时间长度设定和与TX1相连的光电二极管的积分时间长度相同(同为L3)。因此，在与TX1、TX2、TX3和TX4相连的四个光电二极管中，存在三种不同的积分时间(对应地为L3、L1、L2和L3)。
如图5E所示，为具备两个不同积分时间信号情况下的读取时序图，图5E与图5D类似，其区别在于：与TX3相连的光电二极管的积分时间长度设定和与TX2相连的光电二极管的积分时间长度相同(同为L1)。因此，在与TX1、TX2、TX3和TX4相连的四个光电二极管中，存在两次不同的积分时间(对应地为L2、L1、L1和L2)。
如图5F到图5H所示，为各种数据合并模式方法。可以组合任意数量的光电二极管信号进行读取，且可以在每个像素内实施一种或多种数据合并模式。图5F是具备三个不同积分时间和数据合并模式情况下的读取时序的图，图5F与图5D类似，其区别在于：与TX4相连的光电二极管的积分时间信号在时间上变化为与TX1相连的光电二极管的积分时间保持一致。因此，可以将具有相同积分时间的与TX1和TX4相连的光电二极管信号组合进如图4所述的FD节点(数据合并模式)中，并因此一起进行读取。对应地，如插入图5F右下角的箭头所示，可以组合来自光电二极管TX1(L3)和光电二极管TX4(L3)的信号(结合用于读取)。由于积分时间和读取时间上的差异，所以不将来自其他两个光电二极管TX2(L1)和TX3(L2)的信号与任何其他光电二极管信号组合。类似地，如果积分时间和读取时间相同，那么可以组合相同像素内任何两个或多个光电二极管用于信号读取。
如图5G所示，为具备两个不同积分时间和数据合并模式情况下的读取时序图，图5G类似于图5E，其区别在于：与TX4相连的光电二极管的积分时间信号在时间上变化为与TX1相连的光电二极管的积分时间保持一致，且与TX3相连的光电二极管的积分时间信号在时间上变化为与TX2相连的光电二极管的积分时间保持一致。因此，可以将具有相同积分时间的与TX1和TX4相连的光电二极管信号组合进FD节点(组合)中，并因此一起进行读取；且可以将具有相同积分时间的与TX2和TX3相连的光电二极管读数合并进另一FD节点(数据合并模式)中，并因此一起进行读取。对应地，分别如插入图5G右下角的较暗和较亮箭头所示，可以组合来自光电二极管TX1(L2)和光电二极管TX4(L2)的信号，且可以组合来自光电二极管TX2(L1)和光电二极管TX3(L1)的信号。
如图5H所示，为具备两个不同积分时间和数据合并模式情况下的读取时序图，图中与TX1、TX3和TX4相连的光电二极管具有相同的积分时间L2，同时与TX2相连的光电二极管具有积分时间L1。因此，可以将具有相同积分时间的与TX1、TX3和TX4相连的光电二极管信号合并进FD节点(数据合并模式)中，并因此一起进行读取。对应地，如插入图5G右下角的箭头所示，可以组合来自与TX1(L2)、与TX3(L2)、与TX4(L2)相连光电二极管的信号。
下面的图6A、6B和图7到图9都参照上述HDR系统描述了简化的设置，以实现两个不同积分时间。图6A与图1A相同并用于和图6B作比较。图6B是象限像素HDR传感器的一个拜耳单元的顶视和侧视图，图6B大部分与图1B类似，其区别在于：在每个像素中，两个子像素具有较短积分时间(S)，其他两个则具有较长积分时间(L)，且两个光电二极管共享TX晶体管。因此，在每个像素中，与四个子像素对应的四个光电二极管可以构造为两个具有不同积分时间的群组，该群组的配置可以是2-2或1-3。对应地，如侧视图所示，像素内具有相同积分时间的子像素可以通过将其各自的TX晶体管与多晶硅或金属线进行电连接，以共享相同的TX晶体管。因此，可以将其信号一起组合进FD节点中。可以简化和易化该结构用于生产制造。虽然该附图展示了互相相邻的两个子像素可以成组且设置为具有相同积分时间，但还可能将整个像素的两个子像素成组，并设置其具有相同积分时间。
如图7所示，为带有四个子像素和两个不同积分时间的HDR传感器像素的电路图，图7类似于图4，其区别在于：两个光电二极管具有相同积分时间S，且其对应的晶体管TX1与相同的控制线信号TX01电连接和相连，其他两个光电二极管具有相同积分时间L，且其对应的晶体管TX2与相同的控制线信号TX02电连接和连接。图7中电路的工作原理类似于图4中的电路，其区别在于：PD1和PD2的TX1均由一个控制线信号TX01控制，且PD3和PD4的TX2均由一个控制线信号TX02控制。
图8是图7中HDR传感器器的读取时序图，图8类似于图5B，其区别在于：只示出了与TX01和TX02对应的两个光电二极管信号线。可以如上所述，同样地读取信号。图8所示的工作原理类似于图5B所示的工作原理。
如图9所示，为带有两个不同积分时间的图7中HDR传感器的读取时序图，图9类似于图5C，其区别在于：只示出了与TX01和TX02对应的两个不同积分时间。因此，两组光电二极管中的每个都配置有积分时间，以控制曝光水平。图9所示的工作原理类似于图5C-5H所示的工作原理。
如图10所示，为HDR感测方法1000的流程图，该方法包括多个步骤，一些步骤可以是可选性的(例如，步骤1001、1004和1005)。可以通过上述HDR传感器件或系统执行方法1000。如上所示，所述传感器件包括滤色镜的拜耳模式单元阵列，每个所述滤色镜都对应于所述传感器件的一个像素，且每个所述滤色镜都与多个光电二极管重叠。方法1000可以集中说明关于单个像素的步骤。类似地，可以在整个传感器件中多个像素上执行这些步骤。
在步骤1001中，可以接收光子并通过多个微透镜(滤色镜上方布置成2乘2规格的四个微透镜)将其导向滤色镜。
在步骤1002中，可以通过滤色镜过滤光子。
在步骤1003中，可以在与微透镜和滤色镜相连的多个光电二极管处收集光子(例如，设置于滤色镜下方且分别与四个微透镜基本对齐的四个光电二极管)。详细的设置可以参考上述图1B。可以将光子转换成电荷，且该电荷聚积在光电二极管处。
在步骤1004中，通过与光电二极管连接的电路，单独控制多个光电二极管的积分时间。该电路可以参考上述图3、图4和图7.在某些场合下，每个像素中多个光电二极管的至少两次积分时间可以是不同的。在某些场合下，由于图1B所示的结构，一个像素中四个光电二极管中的每个都具有不同积分时间。用户还可以在一个像素中将电路设置成具有四个光电二极管中的两个、三个或四个，以具有相同积分时间。鉴于本发明公开，具有本领域一般技术的人员应该能够实现这种设置。
在步骤1005中，具有不同积分时间的光电二极管信号可以分开读取，且具有相同积分时间的光电二极管信号可以通过电路合并读取。
本说明书描述了用于HDR感测或成像的方法、装置和系统。如上所示，每个像素都包括四个子像素，以在相同像素内实现2到4次不同积分时间。类似地，由于n是任何自然数，且只要生产允许的话，可以将每个像素分成n个子像素，以实现1到n次不同积分时间。如上所述步骤用于解释所示的例示性实施例，且应该期望技术发展将改变具体功能执行的方式。因此，本发明所述这些示例用于说明目的，而非限制目的。例如，与本发明公开的实施例一致的是，本发明公开的步骤或方法不限于以所述顺序执行，而可以以任何顺序执行，且一些步骤可以省略。进一步地，为了方便说明，本发明已对功能性结构单元的界限进行任意限定。只要其具体功能和关系可适当地执行，可以对替代性界限进行限定。基于本发明包含的教示，替代性方案(包括本发明所述方案的等价物、扩展、变体、衍生等)对于相关领域的技术人员是显而易见的。这些替代性方案包含在本发明公开实施例的范围和精神内。
虽然本发明说明了所公开原理的示例和特征，但可以在不偏离本发明公开实施例的精神和范围的情况下，对其进行可能的修改、调整和其他实施方案。另外，词语“包括(comprising)”、“具有”、“包含”和“包括(including)”和其他类似形式词语并不旨在意思上等同，且是开放性，其中，这些词语中任一个下的一个名目或多个名目不意味着穷尽列举该名目或该些名目，而意味着只限制与所列举的一个或多个名目。
应该了解的是，本发明不旨在已在上面说明和在随附附图中所示的精确结构，可以在不偏离其范围的情况下，进行各种修改和改变。本发明的范围应该旨在只受随附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种传感器件，其特征在于，包括：
一由滤色镜组成的拜耳模式阵列，每个滤色镜对应传感器件的一个像素，且每个滤色镜覆盖于若干光电二极管上。
2.根据权利要求1所述的传感器件，其特征是：
每个滤色镜覆盖于四个光电二极管上；且每个光电二极管对应所述像素的一个子像素，每个像素对应一个滤色镜。
3.根据权利要求2所述的传感器件，其特征是：进一步包括分别与所述四个光电二极管相对应的四个微透镜，其中：
四个光电二极管两两设置于所述滤色镜的下方，且四个微透镜以相同方式两两设置于所属滤色镜的上方、每个微透镜将入射光通过所述滤色镜导入至对应的光电二极管。
4.根据权利要求1所述的传感器件，其特征是：
每个光电二极管独立接收一积分时间信号，且一个滤色镜下的若干光电二极管中至少两个光电二极管采用不同的积分时间信号。
5.根据权利要求4所述的传感器件，其特征是：进一步包括与所述多个光电二极管相连的电路，其中：
每个光电二极管与至少一部分所述电路相连，该电路用于控制调整对应的积分时间。
6.根据权利要求4所述的传感器件，其特征是：所述积分时间用于相应的发光二极管采集由入射光子产生的电荷。
7.根据权利要求4所述的传感器件，其特征是：所述的若干光电二极管为四个光电二极管，每个都采用不同的积分时间。
8.根据权利要求4所述的传感器件，其特征是：每个光电二极管与一开关相连，所述积分时间的长度由该开关控制。
9.根据权利要求4所述的传感器件，其特征是：
具有不同积分时间的光电二极管的信号各自独立读出，且
具有相同积分时间的光电二极管的信号经组合并同时读出。
10.一种传感器件，其特征在于，包括：
一由滤色镜组成的拜耳模式阵列，每个滤色镜对应于传感器件的一个像素，每个像素都具有若干光电二极管。
11.根据权利要求10所述的传感器件，其特征是：每个像素包括四个光电二极管。
12.根据权利要求10所述的传感器件，其特征是：每个光电二极管都与一用于控制所述光电二极管的积分时间的晶体管相连。
13.根据权利要求12所述的传感器件，其特征是：进一步包括电荷检测节点，所述晶体管一端与所述光电二极管相连，另一端与电荷检测节点相连。
14.根据权利要求13所述的传感器件，其特征是：进一步包括源极跟随器晶体管，其栅极与所述电荷检测节点相连。
15.根据权利要求13所述的传感器件，其特征是：进一步包括一与所述源极跟随器晶体管相连的行选择晶体管，当打开所述行选择晶体管时，源极跟随器晶体管与一输出端相连。
16.根据权利要求10所述的传感器件，其特征是：每个像素包括四个光电二极管，且每个光电二极管都与一用于控制光电二极管的积分时间的晶体管相连。
17.根据权利要求16所述的传感器件，其特征是：一个像素中的每个光电二极管接收一积分时间信号，且四个光电二极管中至少两个光电二极管采用不同的积分时间信号。
18.根据权利要求16所述的传感器件，其特征是：一个像素中每个与所述光电二极管相连晶体管均与一控制线相连，以单独控制光电二极管的积分时间。
19.一种高动态范围传感器件，其特征在于，包括：
一由滤色镜组成的拜耳模式阵列，每个滤色镜对应一个像素，以及
每个像素中的：
若干微透镜，每个均设置于滤色镜的上方，用于引导光子透过滤色镜；
若干光电二极管，每个均设置于滤色镜的下方，分别用于接收由若干微透镜引导并透过滤色镜的光子；以及
一与多个光电二极管相连的电路，用于控制若干光电二极管的积分时间。
20.根据权利要求19所述的高动态范围传感器件，其特征是：所述若干微透镜为四个微透镜；
所述若干光电二极管为四个光电二极管，且其中至少至少两个光电二极管采用不同的积分时间。
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