CN108141550B - 高动态范围固态图像传感器及相机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种高动态范围固态图像传感器及相机系统。在一个方面中，所述固态图像传感器包含第一晶片，所述第一晶片包含像素阵列，所述像素中的每一个包括光电传感器；及第二晶片，其包含读出电路阵列。所述读出电路中的每一个经配置以输出读出信号，所述读出信号指示由所述像素中的对应的一个接收的光量，且所述读出电路中的每一个包含计数器。所述计数器中的每一个经配置以响应于所述对应的光电传感器接收大于光电传感器阈值的光量而递增。所述读出电路中的每一个经配置以基于存储在所述对应的计数器中的值及存储在所述对应的像素中的余数来生成所述读出信号。

Description

高动态范围固态图像传感器及相机系统
技术领域
本文中所揭示的系统及方法是针对固态图像传感器，且更特定来说是针对动态范围扩展。
背景技术
全阱容量是像素可在导致信号降级的饱和之前保持的最大电荷。当像素中的电荷超过饱和电平时，电荷开始填充相邻像素(称为模糊化的过程)。传感器也开始偏离线性响应，且因此损害相机的定量性能。
动态范围为传感器可始终在低光强度下测量准确信号直到其达到饱和的程度的度量，此可能与全阱容量有关。常规传感器中的相机的动态范围通常被定义为全阱容量除以相机噪声，且涉及相机同时记录非常低的光信号及明亮信号的能力。因此，对于常规传感器，给定相似的本底噪声，感测元件的动态范围与其阱容量成比例，其通常与此光感测元件的大小成比例。更大的像素具有更大的满井容量并相应地具有更高的动态范围。
在数字成像中，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的动态范围有时可能不足以准确表示户外场景。在可用于移动装置中的更紧凑的传感器中，例如在移动电话的相机中，上述情形可能尤其如此。例如，在移动装置相机中使用的典型传感器可能具有大约 60dB到70dB的动态范围。然而，典型的自然户外场景可轻松覆盖明亮区域与阴影之间100dB的对比度范围。由于此动态范围大于移动装置中使用的典型传感器的动态范围，因此由移动装置捕获的图像中的细节可能会丢失。
此外，数码相机的趋势是朝向更小的像素以向上驱动百万像素计数或者实现更小的传感器区域，且较小的像素可能遭受比较大像素更有限的全阱容量。特别是在移动传感器中，像素大小的趋势是缩小像素大小及传感器面积，并尝试通过高级处理或传感器架构来保持性能。
发明内容
本发明的系统、方法及装置各自具有数项发明性方面，其中无一者单独决定本文中所揭示的所要性质。
在一个方面中，提供了一种固态图像传感器，其包括：第一晶片，包括像素阵列，像素中的每一个包括光电传感器；以及包括读出电路阵列的第二晶片，所述读出电路中的每一个经配置以输出指示由像素中的对应者接收的光量的读出信号，读出电路中的每一个包括计数器。计数器中的每一个经配置以响应于对应的光电传感器接收大于光电传感器阈值的光量而递增，且读出电路中的每一个经配置以基于存储在对应的计数器中的值以及存储在对应的像素中的余数而生成读出信号。
在另一方面，提供了一种方法，所述方法可由固态图像传感器操作，所述固态图像传感器包括包括像素阵列的第一晶片，像素中的每一个包括光电传感器，以及包括读出电路阵列的第二晶片，读出电路中的每一个包括计数器，所述方法包括：响应于光电传感器中的对应一个接收大于光电传感器阈值的光量而使计数器中的一个递增；以及经由读出电路生成指示在曝光周期内由对应的光电传感器接收的光量的读出信号，读出信号基于存储在对应的计数器中的值及存储对应的像素中的余数。
在另一方面中，提供了一种设备，其包括用于响应于多个光电传感器中的对应的一个接收大于光电传感器阈值的光量而使多个计数器中的一个递增的装置，所述像素形成在图像传感器的第一晶片上；及用于生成读出信号的装置，所述读出信号指示在曝光周期内由光电传感器中的对应的一个接收的光量，所述读出信号基于存储在对应的计数器中的值及存储在对应的像素中的余数，用于生成的装置位于图像传感器的第二晶片上。
在又一方面中，提供了一种其上存储有指令的非暂时性计算机可读存储媒体，所述指令在被执行时使得装置的处理器电路：响应于多个光电传感器中的对应的一个接收大于光电传感器阈值的光量的而使多个计数器中的一个递增，所述像素形成在图像传感器的第一晶片上；且经由多个读出电路中的一个生成读出信号，所述读出信号指示在曝光周期内由光电传感器中的对应的一个接收的光量，读出信号基于存储在对应的计数器中的值及存储在对应的像素中的余数，读出电路形成在图像传感器的第二晶片上且读出电路中的每一个包括计数器中的对应的一个。
附图说明
图1A说明根据本发明的各方面的包含可以记录场景的图像的成像系统的设备(例如，移动通信装置)的实例。
图1B为说明根据本发明的各方面的成像装置的实例的框图。
图2A说明根据本发明的各方面的像素读出系统的实施例。
图2B说明用于图2A的像素读出系统的一个象素的象素电路的一个实施例。
图3A说明根据本发明的某些方面的高动态固态图像传感器。
图3B说明根据本发明的某些方面的读出电路。
图3C说明根据本发明的某些方面的用于生成像素值的输入的组合。
图4说明根据本发明的方面的顶部及底部晶片的3维(3D)视图。
图5说明根据本发明的方面的相应顶部和底部晶片中的多个像素及计数器电路的横截面图。
图6说明根据本发明的方面的固态图像传感器的另一实施例。
图7说明根据本发明的方面的固态图像传感器的另一实施例。
图8为说明根据本发明中描述的方面的使用固态图像传感器来捕获图像的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于增加固态图像传感器及相关相机系统的动态范围的系统及技术。固态成像装置的动态范围可能受像素的全阱容量限制。在例如移动装置的应用中，像素面积与其它相机系统相比相对较小，晶片上没有足够的空间来实施用于解决此问题的数字电路。本发明的某些方面涉及用于将一对晶片堆叠在一起以允许最大像素面积同时为附加电路(例如计数器)提供足够空间的系统和技术，所述额外电路可以在给定曝光内对每一像素进行多次取样。
以下详细描述是针对某些具体实施例。然而，所描述技术可以众多不同方式体现。本文中的方面可以广泛各种形式体现且本文中所揭示的任何特定结构、功能或两者仅为代表性应为显而易见的。基于本文中的教示，所属领域的技术人员应了解本文中所揭示的方面可独立于任何其它方面实施且这些方面中的两个或多于两个可以各种方式组合。例如，可使用本文中所阐明的任何数目个方面实施设备或可实践方法。另外，可使用其它结构、功能性或除本文中所阐明的方面中的一或多个外的结构及功能性来实施此设备或实践此方法。
此外，可在代管相机的各种不同计算装置上实施本文中所描述的系统及方法。这些计算装置包含手机，平板，专用相机，便携式计算机，照相亭或便利站，个人数字助理，超级移动个人计算机，移动因特网装置，安全摄像机，动作摄像机，无人机相机，汽车相机，身体相机，头戴式相机等等。它们可以使用通用或专用计算系统环境或配置。可能适合于供所描述技术使用的计算系统、环境及/或配置的实例包含但不限于个人计算机 (PC)、服务器计算机，手持或膝上型装置，多处理器系统，基于微处理器的系统，可编程消费性电子产品，网络PC，迷你计算机，主机计算机，包含上述系统或装置中的任一者的分布式计算环境，等等。
图1A说明根据本发明的各方面的包含可以记录场景的图像的成像系统的设备(例如，移动通信装置)的实例。设备100包含显示器120。设备100还可以包含未展示的在设备背面上的相机。显示器120可以显示在相机的视野130内捕获的图像。图1A展示可以由相机捕获的视野130内的对象150(例如，人)。设备100内的处理器可以基于场景的所捕获图像来执行混合AF处理的校准。
设备100可以基于由设备100的用户捕获的图像来执行混合AF过程的校准。在一个方面中，设备100可以基于在运行期间执行的混合AF过程捕获的图像来执行校准(例如，同时由装置100的最终用户使用)。本发明的各方面可涉及与生产线校准相比可改善装置100的混合AF过程的校准的技术。
图1B描绘说明根据本发明的各方面的成像装置的实例的框图。成像装置200(本文中也可交换地称作为相机)可包含以操作方式连接到图像传感器214的处理器205、任选的深度传感器216、透镜210、致动器212、存储器230、任选的存储装置275、任选的显示器280、任选的输入装置290及任选的闪光灯295。在此实例中，所说明的存储器 230可以存储用于配置处理器205以执行与成像装置200相关的功能的指令。在此实例中，存储器230可以包含用于指示处理器205执行混合AF过程的校准的指令。
在说明性实施例中，光进入透镜210并聚焦在图像传感器214上。在一些实施例中，透镜210为混合AF系统的部分，其可以包含多个透镜和可调整光学元件且可以由处理器205控制。在一个方面中，图像传感器214利用电荷耦合装置(CCD)。在另一方面中，图像传感器214利用互补金属氧化物半导体(CMOS)或CCD传感器。透镜210耦合到致动器212且可由致动器212相对于图像传感器214移动。透镜210相对于图像传感器214 的移动可影响所捕获图像的焦点。致动器212经配置以在AF操作期间以一系列一或多个透镜移动来移动透镜210，例如调整透镜位置以改变图像的焦点。当透镜210到达其移动范围的边界时，透镜210或致动器212可被称作为饱和。在说明性实施例中，致动器212为开环音圈电机(VCM)致动器。然而，透镜210可通过所属领域中已知的任何方法来致动，包含闭环VCM，微电子机械系统(MEMS)，形状记忆合金(SMA)，压电(PE) 或液体透镜。
深度传感器216经配置以估计由成像装置200捕获在图像中的对象的深度。深度传感器216可以经配置以使用适用于确定或估计对象或场景相对于成像装置200的深度的任何技术，包含例如TOFAF、激光自动对焦或DCIAF的用于估计深度的AF技术，或例如结构化光电传感器的其它深度感测技术。替代地，深度传感器216可经配置以基于由PDAF确定的透镜位置来执行深度估计。还可以使用由成像装置200从场景内的对象或其周围接收的深度或位置信息来应用所述技术。取决于所采用的AF技术，深度传感器216可以被集成到成像装置200的其它组件中。例如，当使用PDAF时，图像传感器214可以包含可以被部分掩蔽的专用相位检测像素。这些相位检测像素可以形成为被称作为“左”和“右”相位检测像素的对。
显示器280经配置以显示经由透镜210及图像传感器214捕获的图像，且还可以用于实施成像装置200的配置功能。在一个实施方案中，显示器280可经配置以显示由成像装置200的用户经由输入装置290选择的所捕获图像的一或多个区域。在一些实施例中，成像装置200可以不包含显示器280。
取决于实施方案，输入装置290可以采取多种形式。在一些实施方案中，输入装置290可以与显示器280集成以形成触摸屏显示器。在其它实施方案中，输入装置290可以包含成像装置200上的单独的按键或按钮。这些按键或按钮可以提供用于在显示器280 上显示的菜单的导航的输入。在其它实施方案中，输入装置290可以为输入端口。例如，输入装置290可提供另一装置到成像装置200的操作耦合。成像装置200然后可经由输入装置290接收来自所附键盘或鼠标的输入。在其它实施例中，输入装置290可以经由通信网络(例如，无线网络)远离成像装置200并与成像装置200通信。
存储器230可被处理器205用来存储在成像装置200的操作期间动态创建的数据。在一些情况下，存储器230可以包含用于存储动态创建的数据的单独的工作存储器。例如，存储在存储器230中的指令可以在由处理器205执行时存储在工作存储器中。工作存储器还可以存储动态运行时间数据，例如由在处理器205上执行的程序使用的堆栈或堆数据。存储装置275可以用于存储由成像装置200创建的数据。例如，经由图像传感器214捕获的图像可以存储在存储装置275上。与输入装置290一样，存储装置275也可以远程定位，即，不与成像装置200成整体，且可以经由通信网络接收所捕获的图像。
存储器230可以被认为是计算机可读媒体且存储用于指示处理器205根据本发明执行各种功能的指令。例如，在一些方面中，存储器230可经配置以存储使得处理器205 执行方法500、方法800、方法900或其部分的指令，如下文所描述且如图4、7及8中所说明。
在一个实施方案中，存储在存储器230中的指令可以包含当被执行时使处理器205确定透镜210的透镜位置范围内的透镜位置的指令，透镜位置可以包含用于捕获图像的期望透镜位置。所确定的透镜位置可以不包含透镜位置范围内的每个可能的透镜位置，但可仅包含透镜位置范围内的可能透镜位置的子集。所确定的透镜位置可以被所确定的透镜位置之间的一或多个可能的透镜位置的步长分开。例如，确定的透镜位置可以包含透镜位置范围的一端处的第一透镜位置，第一透镜位置表示第一聚焦距离；及透镜位置范围的另一端处的第二透镜位置，第二透镜位置表示第二聚焦距离。所确定的透镜位置可以进一步包含一或多个中间透镜位置，每个中间透镜位置表示第一聚焦距离与第二聚焦距离之间的聚焦距离，其中所确定的透镜位置经分离达第一透镜位置范围中的所确定透镜位置之间的一或多个可能透镜位置的步长大小。在说明性实施例中，处理器205可至少部分地基于对象的深度的估计来确定透镜位置范围内的透镜位置。
指令还可以在被执行时致使处理器205确定或生成在透镜位置范围内的一或多个透镜位置处捕获的图像的聚焦值。用于捕获图像的期望的透镜位置可为具有最大焦点值的透镜位置。指令还可以在被执行时致使处理器205基于所确定的或所生成的聚焦值来确定或生成表示聚焦值曲线的聚焦值曲线或数据。指令还可以在被执行时致使处理器205 至少部分地基于所生成的焦点值或焦点值曲线或表示基于透镜位置的先前搜索范围的的焦点值曲线的数据来确定透镜位置的搜索范围中的透镜位置。
实例像素读出架构概述
图2A说明包含包含(传感器)像素阵列312、读出链314(也被称为“读出电路”)、放大器316及模数转换器(ADC)318的一组模拟组件310的像素读出系统300的实施例。像素读出系统300进一步包含定时电路311(也称为“定时生成器”，尽管图2A说明定时电路311为被包含在模拟组件310中，但其可为数字组件)。模拟组件310经由总线 320耦合到外部存储器330。虽然未说明，但总线320可实现与其它组件的通信，例如与图像信号处理器，装置存储器及/或读出控制电路进行通信。
像素读出系统300可以用于任何CMOS，电荷耦合装置(CCD)或其它图像传感器。在一些实施例中，传感器可为例如具有大约0.5μm像素的32兆像素(MP)/30帧/秒(fps) 图像传感器，每一像素具有大约1000个电子(-e)全阱容量。图像传感器可经设计成具有 10位(b)/240-fps读出速度。图像传感器的一些实施方案可具有8帧累积快门速度的数字集成设计，例如实施交错滚动快门而不需要存储全帧。在一个实例中，数据可以从外部存储器330(其可为例如动态随机存取存储器(DRAM))以大约12b/30-fps的速度输出。此图像传感器可导致等效像素全阱容量乘以系数8，例如达到每像素大约8000-e全阱容量。此等图像传感器规格仅表示使用像素读出系统300的图像传感器的一个实施例，且在其它实施例中可以使用具有不同规格的其它图像传感器。
像素阵列312可包含以预定数目个行及列(例如，M个行和N个列)布置的多个像素340。每一像素340可表示像素阵列312的单个光电电荷检测元件。像素中的每一个可各自包含下伏衬底用于累积光生电荷在衬底的下伏部分的光敏元件，例如光电栅极、光电导体、光电二极管或其它光电检测器。在一些实施方案中，像素阵列312可以包含被定位成过滤入射光的一或多个滤波器，例如，红外截止滤波器或滤色器。CMOS像素的光敏元件可为耗尽的p-n结光电二极管或光栅下方的场致耗尽区中的一个。
定时生成器311可提供用于读出表示在像素阵列312的每个像素(其可以被称作为像素值)中累积的光量的值的定时信号。例如，定时生成器311可包含列及行驱动器，其中从列驱动器及行驱动器输出的信号的组合可以能够单独地从像素阵列中选择像素以便读出对应的像素值。定时发生器311可包含用于控制像素阵列312的像素340的复位操作，曝光时间，行时间及像素时间的控制逻辑，并且还可以向ADC 318提供定时信号。读出电路314可包含用于读出来自像素阵列312中的像素340中的每一个的像素值的电流。例如，读出电路314可包含提供用于整个阵列312的多个行及列线。读出电路314的列线及行线可分别电连接到根据由定时发生器311提供的定时操作的列取样及保持(S /H)电路及行控制电路。在操作中，像素阵列312中的每一行的像素340可以通过行选择线同时导通，并且每一列的像素可以通过列选择线选择性地输出。
在穿过像素电路之后，像素信号通过放大器316以增加像素值的强度(例如，电压或电流)。总来说之，定时生成器311、像素阵列312、读出电路314及放大器316一起可执行包含以下功能：(1)光子到电荷转换；(2)图像电荷的累积；(3)伴随电荷放大的电荷到浮动扩散节点的转移；(4)在将电荷转移到其上之前将浮动扩散节点复位为已知状态；(5)选择用于读出的像素；及(6)表示像素电荷的信号的输出及放大。
放大的像素信号在从模拟组件310输出之前通过ADC 318。在像素值被读取为模拟组件310中的模拟信号之后，像素值可被转换为数字信号以被数字电路读取及处理，因为就信息的处理速度及高效传输来说，与模拟电路相比，数字电路可以提供优势。因此，在至少一个实施方案中，ADC 318将模拟像素值信号转换成合适的数字信号，例如转换成对应的数字像素值。ADC 318可将来自存储电容器的累积电荷转换成对应的数字像素值。
图2B说明用于图2A的像素读出系统300的一个像素的像素电路340的一个实施例。许多此些像素340被布置在阵列312中，例如形成行和列。为了清楚起见，仅更详细地说明一个像素340。图2B的读出电路实施例可执行低噪声及无滞后电荷转移以及快照特征，例如帧存储及电荷汇。另外，存储电容器STO为像素提供了扩展的全阱容量。
每一像素340包含用于读取在对应的像素340中收集的电荷的电路。在一个实施方案中，像素电路连接到像素340中的对应者，且包含形成在衬底中的输出场效应晶体管及形成在邻近像素340的衬底上的电荷转移区段。像素340可包含连接到输出晶体管的栅极的感测节点，例如浮动扩散节点。浮动扩散节点可为与读出电路的所有其它节点电隔离的有源硅中的区(例如，当电荷被存储时)，且浮动扩散节点的电势可以由存储在浮动扩散节点中的电荷量及浮动扩散节点的电容来确定。为了实现足够高的转换增益，浮动扩散节点的电容可能低于阈值电容。像素电路的电荷转移区段可包含至少一个电子组件，例如晶体管，用于将电荷从衬底的下伏部分转移到浮动扩散节点及另一个电子组件，例如用于复位节点以在电荷转移之前达到预定的电荷水平的复位晶体管。当光电荷从初始电荷累积区移动到浮动扩散节点时，光电荷可以被放大，且浮动扩散节点处的电荷可通过源极跟随器输出晶体管SF_AMP转换为像素输出电压。如下面更详论述，像素电路可进一步包含存储电容器STO或用于存储来自模拟域中的一个像素或多个像素的多个电荷转储的其它电子电荷存储装置。在一些实施例中，存储电容器STO可经定位超过像素电路中的浮动扩散节点(相对于像素340的位置)，且可具有大于浮动扩散节点的电容的电容。在各种实施例中，存储电容器STO可位于相同的传感器芯片上或具有像素到像素连接的堆叠裸片的底部芯片中。
像素电路包含用于累积光生电荷的光电二极管PD。尽管下面的描述可具体是指光电二极管PD，但所属领域的技术人员将认识到，在不背离本发明的情况下，可以使用其它光电传感器代替光电二极管。收集在光电二极管PD中的电荷可以通过转移晶体管 TX2传递到存储电容器STO，并且存储电容器STO可以具有足够大的有效电容以存储来自光电二极管PD的多个电荷转储，例如八个或更多个电荷转储。来自存储电容器STO 的累积电荷可通过另一个转移晶体管TX1传递到浮动扩散电容器FD的浮动扩散节点。选择器晶体管SEL允许图像传感器读取像素阵列的单行。源极跟随器晶体管SF_AMP 将从浮动扩散节点施加的输入转换为可在输出节点Vcol处感测的输出信号(例如，电压或电流)。因此，源极跟随器晶体管SF_AMP是形成源极跟随放大器的部分并将检测到的图像电荷转换为对应的电信号的驱动晶体管。
复位晶体管RST充当用于复位浮动扩散电容器FD的开关。当复位晶体管RST导通时，浮动扩散晶体管有效地连接到电源，清除存储在其上的所有电荷。当复位晶体管 RST及转移晶体管TX3同时导通时，像素被复位，将浮动扩散电容器FD及光电二极管PD两者均设置成VDD电压电平。导通转移晶体管TX2或TX1中的任一者也可将存储电容器STO设定为VDD电压电平。当转移晶体管TX3关断时，将光电二极管及浮动扩散晶体管RF断开连接，光电二极管PD可将所接收到的光集成到电荷中。另外，转移晶体管TX3可用作用于模糊化保护控制以及启用快照功能(例如，帧存储和电荷汇)的溢流栅极，提供电子全局快门操作以便冻结快速动作。
在一个实例中，为了实施kTC降噪技术，首先，复位晶体管RST导通及关断以复位浮动扩散电容器FD。复位电平的信号测量值从浮动扩散节点取样并存储在例如列电路中。接下来，转移晶体管TX1导通及关断，此允许光电二极管上的电荷传输到浮动扩散电容器FD。一旦电荷转移完成，还对此电荷(光电二极管信号电平加上浮动扩散复位电平)进行测量并将其存储在列电路中。然后对这两个存储的电压进行差分以确定光电二极管信号电平，从而降低kTC噪声。
某些固态图像传感器体系架构的限制概述
可由相机系统捕获的场景的图像可具有宽照明范围，具有可在100dB或更大的范围内变化的强度。生物视觉系统，例如人类视觉系统，对场景中这些类型的高照明变化敏感。高动态范围的场景可包含具有变化超过100dB的照明强度的此些场景。一种可能对此照明强度范围敏感的技术包含卤化银薄膜。
各种等级的固态图像传感器可具有可工作的照明敏感度范围。例如，高端CCD可具有大于78dB的照明敏感度，消费级CCD可具有大约66dB的照明敏感度，且消费级 CMOS成像器可具有约60dB的照明敏感度。因此，除了某些高端CCD之外，固态图像传感器通常不具有足够高以捕获高动态范围场景的动态范围。例如，可能足够用于准确地捕获高动态范围场景的动态范围的例子为在12位深度处大于100dB的照明敏感度。
扩展动态范围的方法及架构
存在用于扩展从场景捕获的图像的动态范围的多种方法及架构。为了增加动态范围，可增加最大可检测光电流及/或可以减小最小可检测光电流。用于实现这些目标的一种方法为基于场景照明在空间上变更像素积分时间。例如，高照明场景或区可以用缩短的积分时间来捕获，而低照明场景或区可以用延长的积分时间来捕获。然而，延长积分时间可能会导致某些视觉缺陷，例如饱和度或运动模糊。
用于增加动态范围的另一种技术为调整阱容量，这会增加噪声，导致较低的信噪比及/或非线性传感器响应。用于增加动态范围的另一技术为多次(图像)捕获。多次捕获需要高速，非破坏性读出，芯片上存储器及用以执行高动态范围图像的重建的逻辑。用于增加动态范围的另一种技术为具有良好线性的空间变化曝光。空间变化的曝光可包含相关双取样(CDS)噪声抑制，这可能需要相对高分辨率的成像器，因为在CDS处理中空间分辨率降低。
另外，某些图像传感器可用于增加动态范围。例如，可使用对数传感器，由于阈下金属氧化物半导体FET(MOSFET)特性的巨大变化，可能产生固定模式噪声(FPN)。对数传感器也具有非线性响应，且不能使用CDS噪声抑制，导致较差的信噪比。已使用的另一个图像传感器为局部自适应传感器。局部自适应传感器也不能使用CDS噪声抑制，具有非线性响应，较差的信噪比以及较差的像素复杂度。
图3A及3B说明根据本发明的某些方面的高动态范围的固态图像传感器。具体地，图3A及3B中所说明的图像传感器可具有具有列平行12位ADC的高速度及高分辨率图像传感器读出链。如下文所论述，上述情形可通过添加模数计数器(MOD-N计数器) 来用于将位深度扩展到例如高达24位数据输出，例如，4位纹波计数器被称为MOD-16 计数器。
堆叠技术允许一对晶片，每个晶片上形成有电路，以电连接在一起。本发明的某些方面利用堆叠技术与一对晶片之间的像素级互连。在一个实例中，包含形成在第一晶片(例如，顶部晶片或裸片)上的像素阵列的传感器与形成在第二晶片(例如，底部晶片或裸片)上的计数器阵列组合。在某些实施方案中，传感器晶片(例如，顶部裸片)可输出给定曝光中的像素的像素值的最低有效位，且计数器晶片(底部裸片)可输出像素值的最高有效位。具体来说，对于给定像素的计数器可计数从对应像素处接收的光积分的电荷达到或超过给定曝光的阈值(例如，光电传感器阈值)的次数。图3C中展示最低及最高有效位的组合的视觉表示，这将在下面更详细地描述。在一个实施方案中，顶部裸片上的像素可提供12个最低有效位，且底部裸片上的对应计数器可为给定曝光提供12个最高有效位。
图3A说明根据本发明的某些方面的高动态固态图像传感器。图3B说明根据本发明的某些方面的读出电路。图3A中所说明的像素440包含光电二极管PD、转移晶体管 TG、浮动扩散电容器FD、复位晶体管RST、电压VDD、源极跟随器晶体管SF_AMP、选择晶体管SEL、输出节点V_col、模数转换器ADC，电压发生器Vld、负载晶体管LTR 及最低有效位数字输出Dout。图3B的读出电路包含输入节点V_col、电荷耦合电容器 Cc、数模转换器DAC、比较器选择晶体管Comp_sel、比较器460、计数器470、锁存器 480及最有效位数字输出Dout。计数器470可接收时钟和上/下(或复位)输入。
在一个实施方案中，图3A中所展示的像素440的电路图可被包含在顶部晶片上且图3B中所说明的读出电路450可被包含在底部晶片上。顶部晶片和底部晶片之间的图 3A及3B中所说明的某些元素的划分可基于图像传感器的设计要求而进行选择。如此，图3A及3B之间的某些元素的划分仅仅为示范性，且可基于各种设计考虑而变更。例如，在一个实施方案中，用于图像传感器的模拟组件形成在顶部晶片上，而包括像素寻址线的其余组件形成在底部晶片上。通过在底部晶片上包含尽可能多的组件，每一像素的孔径的尺寸可增加，这是因为不需要为附加组件保留空间。此外，各种组件可以被移除或添加到图3A及3B中所说明的实施方案中而不背离本发明的方面。
参考图3A，像素440可包含光电二极管PD，所述光电二极管将所接收到的光进行集成并且将所接收的光转换为电荷。由光电二极管PD收集的电荷量可与在光电二极管 PD处接收的光的强度成正比。从光电二极管PD累积的电荷可经由转移晶体管TG转移到浮动扩散电容器FD。存储在浮动扩散电容器FD上的电荷然后可通过源极跟随器晶体管SF_AMP放大并当选择器晶体管SEL导通时施加到输出节点V_col。如此，输出节点V_col可输出值(例如，电荷、电压、电流等)，所述值指示由像素440的光电二极管PD 所接收的光量。如在图2的实施方案中，浮动扩散电容器FD可以经由复位晶体管RST 被复位到电压VDD，且光电二极管可经由复位晶体管RST及转移晶体管TG被复位到电压VDD。
在图3A的实施方案中，像素值的最低有效位可通过经由模数转换器ADC将输出节点V_col处的模拟信号转换成数字信号来被被直接读出。最低有效位然后可经由输出Dout输出。虽然可使用各种数目个位来表示的像素值的最低有效位，但图3A说明具有 12个位的实施例。像素进一步包含电压发生器Vld及负载晶体管LTR。负载晶体管PTR 可为源极跟随器输出晶体管SF_AMP的负载晶体管。电压发生器Vld为偏压电源，其对负载晶体管LTR的栅极加偏压。
现在参考图3B的读出电路450，输入节点V_col可连接到图3A的像素440的输出节点V_col以接收来自其的模拟输出。由输入节点V_col接收的模拟输出可存储在电荷耦合电容器Cc中。数模转换器DAC可将数字光电二极管阈值(也被称作为光电传感器阈值)转换为模拟值以供应给比较器460。然而，在其它实施方案中，模拟光电二极管阈值可直接地供应给比较器460而无需使用数模转换器DAC。在某些实施方案中，光电二极管阈值可基于饱和光电二极管PD所需的电荷量。例如，可选择光电二极管阈值，使得光电二极管PD响应于计数器470递增且在光电二极管PD饱和之前被复位。比较器选择晶体管Comp_sel通过比较器460启动存储在电荷耦合电容器中的模拟信号与光电二极管阈值的比较。
参考图3A及3B，在一个实施方案中，模数转换器ADC及数模转换器DAC可各自包含多个并行的比较器及计数器组。数模转换器DAC中的比较器列可由斜坡发生器及经由串联连接的电荷耦合电容器Cc从模数转换器ADC接收的像素输出驱动。在至少一个实施方案中，可包含实施为纹波计数器的多个列计数器的计数器470可计数直到比较器460的输出改变为止发生的时钟周期的数目。
比较器460输出指示存储在电荷耦合电容器中的模拟信号是否大于光电二极管阈值的值。如上文所论述，计数器470针对发生的每一时钟周期递增，直到存储在电荷耦合电容器中的模拟信号大于光电二极管阈值。在其它实施方案中，比较器460的输出Cout可指示存储在电荷耦合电容器中的模拟信号是否大于或等于光电二极管阈值。由于计数器470基于从像素440接收到的输入节点V_col的值而递增，因此计数器470响应于对应的光电二极管PD接收大于阈值的光量而递增，所述阈值与光电二极管阈值成比例。锁存器480可在每一曝光周期结束时存储计数器470的值，使得所述值可在稍后时间通过读出链314(参见图2A)读出。
尽管未说明，但比较器460的输出Cout与复位晶体管RST及转移晶体管TG中的每一个之间可存在反馈回路。如此，当像素440的输出V_vol比光电二极管的阈值大时，光电二极管PD及浮动扩散电容器FD中的每一个可被复位到电压VDD。使计数器470递增且复位光电二极管PD及浮动扩散电容器FD中的每一个的周期可在给定曝光时间内发生多次。因此，由计数器470存储的值可指示光电二极管已经被复位的次数(例如，像素440的输出V_col已经超过光电二极管阈值的次数)。
由像素440及读出电路450生成的整体像素值由图3C中所说明的490展示。像素值的最低有效位(例如，位0到11)可通过每一曝光周期结束时的像素440的模数转换器 ADC的Dout的输出表示。因此，一旦计数器470在曝光周期的过程中已递增，剩余输出V_col或余数就被用来生成像素值的最低有效位。锁存器480的输出Dout(例如，在曝光周期结束时的计数器470的输出)可表示像素值的最高有效位(例如，位12到23)。因此，像素440的数字输出及读出电路450的组合可指示在曝光周期内由像素接收的光的像素值。
更详细地说，对于给定的曝光，如果像素440的动态范围小于要由像素440捕获的场景的动态范围，那么像素440将饱和。为了防止像素440饱和，每当像素440超过光电二极管阈值时，计数器470将递增，且通过复位光电二极管PD及浮动扩散电容器FD 来重新开始像素440的曝光。在最后一次像素440在给定曝光内复位的情况下，像素440 将记录余数值作为最低有效位。然后通过从像素440的ADC同时取出余数值并连同经由锁存器480的对应的计数器470的值来读取全像素值。余数值及计数器值然后可被组合为整数及分数值以形成由像素440检测到的整体值。
图4说明根据本发明的方面的图像传感器的顶部及底部晶片的3维(3D)视图。顶部晶片510中的像素中的每一个可电连接到底部晶片520中的对应的计数器电路。图4说明形成在顶部晶片510上的多个像素P1到P4以及形成在底部晶片520上的多个计数器电路/逻辑CNT1到CNT4。顶部晶片510可进一步包含可选择阵列的各种像素P1到P4 的垂直及水平扫描器或驱动器。类似地，底部晶片520可包含用于从计数器电路/逻辑 CNT1到CNT4的计数器读出输出值的外围电路。
图5说明根据本发明的方面的相应顶部晶片510及底部晶片520中的多个像素及计数器电路的横截面600。图像传感器中的像素在像素级被3D堆叠，其中像素大小可与计数器大小匹配。在某些实施方案中，这需要先进的节点技术及小于1.0μm的精细混合接合间距。在图4的实施方案中，顶部晶片510为背面照明(BSI)传感器，而底部晶片 520包含计数器阵列、控制逻辑及列读取电路块。根据某些晶片堆叠技术的实施方案，晶片需要面对面堆叠。因此，BSI传感器阵列使得晶片能够面对面地堆叠，而传感器晶片的背侧接收来自场景的照明。
根据本发明的固态图像传感器具有许多优点。可在每一像素读出处实施纹波计数器，以变提供如上文所论述的扩展的动态范围图像信号读出，使得光电检测器不达到饱和。此高动态范围像素的操作可经由饱和度的预定阈值记录饱和前的像素值。然后此过程之后可复位光检测器，并允许光集成及复位的随后重复过程，所有这些过程均在单次帧曝光时间内。
根据本发明的固态图像传感器可利用支持混合接合的细垫间距(小于1.0μm)的高级节点CMOS图像传感器3D晶片堆叠技术来实现。此3D堆叠传感器的实施方案简化了像素设计的复杂性，并实现了小像素高动态范围实现，并具有稳健的图像模糊化保护，而不会损失分辨率及帧速率。
图6及7说明根据本发明的方面的固态图像传感器的两个实施例。
在图6的实施例中，晶片700在像素级3D堆叠，其中像素大小可匹配计数器大小。在某些实施方案中，这需要先进的节点技术以及小于1.0μm的精细混合接合节距。此实施例的顶部晶片为常规BSI传感器，而底部晶片包含计数器阵列、控制逻辑及列读出电路块。在图6的说明中，顶部及底部晶片的取向相对于图4及5中所说明的定向已颠倒。具体地，顶部晶片包含背照检测器阵列且使用微通孔混合接合到底部晶片。底部晶片包含计数器阵列、控制逻辑、模拟前端(AFE)及ADC。
在图7的实施例中，晶片800利用成熟的硅通孔(TSV)接合技术在列级3D堆叠，其中像素大小可匹配计数器大小。顶层晶片为BSI传感器，而底层晶片则由计数器阵列、控制逻辑及列读取电路块组成。图7中的顶部及底部晶片的定向相对于图4及5中所说明的定向相反。具体地，顶部晶片包含背照检测器阵列且使用微通孔混合接合到底部晶片。底部晶片包含计数器阵列、控制逻辑、模拟前端(AFE)及ADC。底部晶片进一步熔接到辅助晶片上，所述辅助晶片包含形成为对应于底部晶片的计数器阵列的阵列的数字信号处理器(DSP)。
固态图像传感器操作的实例流程图
现在将在可由固态图像传感器操作的方法的上下文中描述本发明的示范性实施方案。图8为说明可由像素读出系统300或其组件操作的实例性方法900的流程图，其用于根据本发明的各方面的固态图像传感器的操作。例如，图8中所说明的方法900的步骤可由固态图像传感器的像素440及读出电路450来执行。
方法900在框901处开始。在框905处，固态图像传感器响应于接收大于光电传感器阈值的光量的多个光电传感器中的对应者来使多个计数器中的一个递增。固态图像传感器可包含具有像素阵列的第一晶片，像素中的每一个包括光电传感器。固态图像传感器可进一步包含具有读出电路阵列的第二晶片，读出电路中的每一个包括计数器。
在框910处，读出电路生成指示在曝光周期内由对应的光电传感器接收的光量的读出信号。读出信号可基于存储在对应的计数器中的值及存储在对应的像素中的余数。方法900在框915处结束。
其它考虑事项
在一些实施例中，上面所论述的电路、过程及系统可用于例如设备100的无线通信装置中。无线通信装置可为用于与其它电子装置无线通信的一种电子装置。无线通信装置的实例包含蜂窝式电话，智能电话，个人数字助理(PDA)，电子阅读器，游戏系统，音乐播放器，上网本，无线调制解调器，膝上型计算机，平板装置等。
无线通信装置可包含一或多个图像传感器，两个或多于两个图像信号处理器，及包含用于实施上文所论述的过程的指令或模块的存储器。装置还可具有数据，从存储器载入指令及/或数据的处理器，一或多个通信接口，一或多个输入装置，一或多个输出装置(例如显示装置及电源/接口)。无线通信装置可另外包含发射器及接收器。发射器及接收器可共同被称作收发器。收发器可被耦合到一或多个天线用于传输及/或接收无线信号。
无线通信装置可以无线方式连接到另一电子装置(例如，基站)。无线通信装置的可替代地被称为移动装置、移动站、订户站、用户设备(UE)、远程站、接入终端、移动终端、终端、用户终端、订户单元等。无线通信装置的实例包含膝上型或桌上型计算机、蜂窝式电话、智能电话、无线调制解调器、电子阅读器、平板装置、游戏系统，等。无线通信装置可根据一或多个行业标准(例如，第3代合作伙伴计划(3GPP))操作。因此，一般术语“无线通信装置”可包含用于根据行业标准的不同专门语(例如，接入终端，用户设备(UE)，远程终端等)所描述的无线通信装置。
本文中所描述的功能可作为一或多个指令被存储在处理器可读或计算机可读媒体上。术语“计算机可读媒体”是指可由计算机或处理器存取的任何可用媒体。通过实例且非限制性方式，此媒体可包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器，或其它光盘存储器，磁盘存储器或其它磁性存储装置或者可用于存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码且可由计算机存取的任一其它媒体。如本文中所使用的磁盘及光盘包含：光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘借助激光以光学方式再现数据。应注意，计算机可读媒体可为有形的且非易失性。术语“计算机程序产品”是指结合可由计算装置或处理器执行、处理或计算的代码或指令(例如，“程序”)的计算装置或处理器。如本文中所使用，术语“代码”可是指可由计算装置或处理器执行的软件，指令，代码或数据。
本文中所揭示的方法包含用于实现所描述方法的一或多个步骤或动作。方法步骤及 /或动作可彼此互换而不背离权利要求书的范围。换句话说，除非所描述的方法的恰当操作需要特定次序的步骤或动作，否则具体步骤及/或动作的次序及/或使用可被修改而不背离权利要求书的范围。
应注意，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“经耦合(coupled)”或如本文中所使用的词语耦合的其它变化形式可指示间接连接或直接连接。例如，如果第一组件“经耦合”到第二组件，那么第一组件可为间接连接到第二组件或直接连接到第二组件。如本文中所使用，术语“多个”指示两个或多于两个。例如，多个组件指示两个或多于两个组件。
术语“确定”囊括广泛各种动作，且因此“确定”可包含运算，计算，处理，导出，调查，查找(例如，在表、数据库或另一数据结构中查找)，确定及其类似者。另外，“确定”可包含接收(例如，接收信息)、存取(例如，存取存储器中的数据)及其类似者。此外，“确定”可包含解析、选择、挑选、建立及其类似者。
除非另有明确规定，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话说，短语“基于”描述“仅基于”及“至少基于”两者。
在前述描述中，给出具体细节以提供对实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将理解，可在无这些具体细节的情况下实践实例。例如，可以框图展示电组件/装置以便不会以不必要细节模糊实例。在其它例子中，此些组件、其它结构及技术可经详细展示以进一步解释实例。
本文中包含标题以供参考且辅助定位各种章节。这些标题并不意欲限制关于其所描述的概念的范围。此些概念可贯穿整个说明书具有适应性。
还应注意，实例可经描述为过程，其经描述为流程表、流程图、有限状态图、结构图或框图。尽管流程表可将操作描述为序列过程，但操作中的许多者可并行或同时执行，且可重复所述过程。另外，可重新布置操作的次序。当过程的操作完成时，所述过程终止。过程可对应于方法、功能、程序、子例程、子程序等。当过程对应于软件功能时，其终止对应于将功能返回到调用功能或主要功能。
所揭示实施方案的先前描述经提供以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对这些实施方案的各种修改对所属领域的技术人员将显而易见，且本文中所定义的一般原理可适用于其它实施方案而不背离本发明的精神或范围。因此，本发明并不意欲被限制于本文中所展示的实施方案，而意欲赋予其与本文中所揭示的原理及新颖特征一致的最广泛范围。

Claims (30)

1.一种固态图像传感器，其包括：
3D堆叠的第一晶片上布置的像素阵列，所述像素中的每一个包括光电传感器；及
所述3D堆叠的第二晶片上布置的读出电路阵列，所述读出电路中的每一个包括计数器，所述计数器经配置以响应于对应的光电传感器接收大于传感器阈值的光量而递增，
其中所述读出电路中的每一个经配置以通过相应硅通孔从对应像素接收输出信号并基于存储在对应计数器中的值及存储在对应像素中的余数来产生读出信号。
2.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中，所述像素中的每一像素经配置以响应于接收大于所述光电传感器阈值的光量而被复位。
3.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中所述计数器中的每一个及所述像素中的每一个经配置以在曝光周期结束时被复位，所述读出电路中的每一个经配置以在所述曝光周期结束时生成所述读出信号作为数字值，所述数字值具有：i)基于对应计数器中存储的值的最高有效位，以及ii)基于对应像素中存储的余数的最低有效位。
4.根据权利要求3所述的固态图像传感器，其中所述最高有效位及所述最低有效位分别从所述像素及所述读出电路同时被读取。
5.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中所述光电传感器中的每一个为背面照明BSI传感器。
6.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中所述像素中的每一个经配置以在曝光周期内复位多次。
7.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中所述读出信号经配置以针对多个曝光周期中的每一曝光周期从所述读出电路中的每一读出电路被读取一次。
8.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中所述读出电路与所述像素一一对应。
9.根据权利要求1所述的固态图像传感器，其中所述第一晶片及所述第二晶片经堆叠且以小于1μm的间距精细地混合接合。
10.一种由固态图像传感器执行的方法，所述固态图像传感器包括3D堆叠的第一晶片上布置的像素阵列所述3D堆叠的第二晶片上布置的读出电路阵列，所述读出电路阵列通过对应的硅通孔电连接到所述像素阵列：
经由所述读出电路中之一将对应像素的光电传感器的输出信号与光电传感器阈值进行比较；
响应于对应光电传感器接收大于所述光电传感器阈值的光量，使一计数器递增；
经由所述读出电路生成指示了在曝光周期内由对应光电传感器接收的光量的读出信号，所述读出信号基于存储在对应计数器中的值及存储在对应像素中的余数。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
响应于对应光电传感器接收大于所述光电传感器阈值的光量而复位对应像素。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
在曝光周期结束时复位所述计数器中的每一个及所述像素中的每一个；及
经由所述读出电路且在所述曝光周期结束时生成所述读出信号作为数字值，所述数字值具有：i)基于对应计数器中存储的值的最高有效位，以及ii)基于对应像素中存储的余数的最低有效位。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括分别从对应像素及所述读出电路同时读取所述最高有效位及所述最低有效位。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述光电传感器中的每一个为背面照明BSI传感器。
15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括在曝光周期内复位对应像素多次。
16.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括针对多个曝光周期中的每一个从所述读出电路读出所述读出信号一次。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述读出电路与所述像素一一对应。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一晶片及所述第二晶片经堆叠且以小于1μm的间距精细混合接合。
19.一种用于捕获图像的设备，其包括：
用于在3D堆叠的第一晶片上布置光电传感器阵列的装置；
用于在所述3D堆叠的第二晶片上布置计数器阵列的装置，所述计数器阵列通过多个硅通孔电连接到所述光电传感器；
用于将对应光电传感器的输出信号与光电传感器阈值进行比较的装置；
用于响应于对应光电传感器接收大于所述光电传感器阈值的光量而使一计数器递增的装置；
用于生成读出信号的装置，所述读出信号指示了在曝光周期内由对应光电传感器接收的光量，所述读出信号基于存储在对应计数器中的值以及存储在对应光电传感器中的余数。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，用于产生读出信号的装置包括从计数器中之一传达值。
21.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括用于响应于对应光电传感器接收大于所述光电传感器阈值的光量而复位对应光电传感器的装置。
22.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括：
用于在曝光周期结束时复位所述计数器中的每一个及所述光电传感器中的每一个的装置；及
用于经由读出信号且在所述曝光周期结束时生成所述读出信号作为数字值的装置，所述数字值具有：i)基于对应计数器中存储的值的最高有效位，以及ii)基于对应光电传感器中存储的余数的最低有效位。
23.根据权利要求22所述的设备，其进一步包括用于分别从对应光电传感器及对应读出电路同时读取所述最高有效位及所述最低有效位的装置。
24.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括用于在曝光周期内复位对应光电传感器多次的装置。
25.一种其上存储有指令的非暂时性计算机可读存储媒体，所述指令在由包括在3D堆叠的第一晶片上布置的、且通过多个穿通孔电连接到所述3D堆叠的第二晶片上布置的多个读出电路的多个光电传感器的设备执行时，使得所述设备：
经由所述多个读出电路，将所述多个光电传感器中的对应一者的输出信号与光电传感器阈值进行比较；
响应于对应光电传感器接收大于所述光电传感器阈值的光量而使一计数器递增；
经由所述读出电路生成读出信号，所述读出信号指示了在曝光周期内由对应光电传感器接收的光量，所述读出信号基于存储在对应计数器中的值及存储在对应光电传感器中的余数。
26.根据权利要求25所述的非暂时性计算机可读存储媒体，进一步存储有指令，该指令在由所述设备执行时使得所述设备响应于接收大于所述光电传感器阈值的光量而复位对应光电传感器。
27.根据权利要求25所述的非暂时性计算机可读存储媒体，其上进一步存储有指令，该指令在由所述设备执行时使得所述设备：
在曝光周期结束时复位所述计数器中的每一个及所述光电传感器中的每一个；及
经由所述读出信号且在所述曝光周期结束时生成所述读出信号作为数字值，所述数字值具有：i)基于对应计数器中存储的值的最高有效位，以及ii)基于对应光电传感器中存储的余数的最低有效位。
28.根据权利要求27所述的非暂时性计算机可读存储媒体，其上进一步存储有指令，所述指令在由所述设备执行时致使所述设备从对应光电传感器及对应计数器同时读取所述最高有效位及所述最低有效位。
29.根据权利要求25所述的非暂时性计算机可读存储媒体，其中所述光电传感器中的每一个为背面照明BSI传感器。
30.根据权利要求25所述的非暂时性计算机可读存储媒体，其上进一步存储有指令，所述指令在由所述设备执行时使得所述设备在曝光周期内复位对应光电传感器多次。
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