CN110557585B - 图像传感器、操作图像传感器的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像传感器、操作图像传感器的方法及系统。本发明提供了一种图像传感器，所述图像传感器可包括布置成行和列的图像像素。所述图像像素可包括相应的溢出晶体管和溢出电容器，并且被配置成在图像采集期间生成溢出电荷。所述溢出电荷可通过重复激活所述溢出晶体管和转移晶体管以逐行滚动的方式生成。行控制电路可被配置成跨所有所述像素行提供最终同步溢出和转移晶体管激活，以跨所有所述像素行提供均匀溢出电荷积分时间周期。行控制电路可包括控制信号生成电路，所述控制信号生成电路被配置成生成控制信号，所述控制信号具有在第一模式下的完全断言和在第二模式下用于所述最终同步溢出和转移晶体管激活的部分断言。

Description

图像传感器、操作图像传感器的方法及系统
技术领域
本发明涉及图像传感器、操作图像传感器的方法及系统。
背景技术
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。通常将电路耦接到各个像素列以用于读出来自图像像素的图像信号。
该行图像像素各自包含多个光电二极管以便响应于图像光而生成电荷。图像像素能被配置成具有电荷溢出能力。然而，每行的电荷溢出积分时间能够不同，这导致图像伪影。
因此，可能期望的是能够提供具有改进的图像传感器的成像设备。
发明内容
在一方面，提供了一种图像传感器，包括：图像传感器像素，所述图像传感器像素布置在多个像素行中，其中，所述图像传感器像素被配置成响应于入射光生成电荷，并且在图像采集时间周期期间基于所生成的电荷生成相应的电荷部分；以及控制信号生成电路，所述控制信号生成电路耦接到所述像素行并且被配置成生成所述图像传感器像素的相应的控制信号，其中，所述相应的控制信号在所述图像采集时间周期的第一部分期间在所述像素行的相应相位处以顺序方式被断言，并且在所述图像采集时间周期的第二部分期间在所述像素行的特定相位处被同步断言，以生成所述相应的电荷部分。
在另一方面，提供了一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器具有像素阵列，所述像素阵列包括多个像素行，每个像素行具有布置为至少一个像素列的至少一个图像像素，所述方法包括：利用每个像素行中的所述至少一个像素，响应于入射光生成电荷；以及利用每个像素行中的所述至少一个像素，基于所生成的电荷生成溢出电荷部分，其中，生成所述溢出电荷部分包括在跨所述至少一个像素列的相应相位期间执行至少一个滚动溢出电荷转移，以及参考跨所述至少一个像素列的特定相位执行同步溢出电荷转移。
在还一方面，提供了一种系统，包括：中央处理单元；输入-输出电路；以及图像传感器，所述图像传感器包括：图像像素，所述图像像素布置成多个行和至少一个列，其中，所述图像像素被配置成生成存储在所述图像像素中的相应电荷存储区处的电荷；以及行控制电路，所述行控制电路经由一个或多个相应的行线耦接到所述多个行中的每一行，其中，所述行控制电路包括控制信号生成电路，所述控制信号生成电路被配置成生成至少一个控制信号，所述至少一个控制信号具有部分断言脉冲以在第一操作模式下生成所述电荷，并且具有在第二操作模式下在读出操作期间的一个或多个完全断言脉冲。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以便使用图像像素阵列捕获图像。
图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。
图3为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的示意图。
图4为根据一个实施方案的用于在电荷溢出操作模式下操作图像像素的示例性时序图。
图5为根据一个实施方案的示例性控制信号生成电路的示意图。
图6为根据一个实施方案的采用图1至图5的实施方案的处理器系统的框图。
具体实施方式
电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素的阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。
图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素信号转换成要提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。
如图2所示，图像传感器16可包括包含被布置成行和列的图像传感器像素30(在本文中有时称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路44(其可包括例如图像信号处理电路)。像素阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素30。控制电路44可耦接到行控制电路46(本文中有时称为行解码器电路或行电路)和列读出电路48(本文中有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路46可从控制电路44接收行地址，并且通过行控制线50将对应的行控制信号，例如，重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素30。可将一根或多根导线(诸如，列线42)耦接到像素阵列20中的每一列像素30。列线42可用于从像素30读出图像信号以及用于将偏置信号(例如，偏置电流、偏置电压、偏置电压电平等)提供给像素30。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路46选择阵列20中的像素行，并且能沿列线42读出由该像素行中的图像像素30生成的图像信号。
图像读出电路48可通过列线42接收图像信号(例如，由像素30生成的模拟像素值)。图像读出电路48可包括用于对从像素阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或者耦接到像素阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素30以及用于从像素30读出图像信号的其他电路。读出电路48中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路48可针对一个或多个像素列中的像素30将数字像素数据提供给控制和处理电路44和/或处理器18(图1)。
图像阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素30的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的实例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素30上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。可在滤色器阵列的上表面上方形成微透镜，以将入射光聚焦到与该像素30相关的光敏区上。
图3中示出了图像传感器16的示例性图像像素30中的电路。如图3所示，像素30可包括光敏元件，诸如光电二极管22(或光电探测器22)。可在正电源端子33处提供像素正电源电压(例如，电压Vaa)。可在接地端子32(本文中有时称为另一个电源端子)处提供接地电源电压(例如，电压Vss)。入射光可在入射光穿过滤色器结构之后由光电二极管22收集。光电二极管22可将光转换成电荷。
在图像被采集之前，控制信号AB可以被断言(assert)以接通(抗光晕)晶体管52(例如，断言高以激活对应的晶体管)，并将光电二极管22重置到重置电压(例如，电压Vaa)。重置控制信号RST也可被断言。这样可接通重置晶体管28并且将电荷存储节点26(也称为浮动扩散或浮动扩散区)重置到重置电压。重置控制信号RST然后可被解除断言(deassert)以关断重置晶体管28(例如，断言低以去激活对应的晶体管)。当控制信号AB被解除断言以关断晶体管52时，信号采集可在光电二极管22处开始。在图像采集过程完成之后，转移门控制信号TX可被断言以接通转移晶体管(转移门)24。当转移晶体管24接通时，由光电二极管22响应于入射光所生成的电荷被转移至电荷存储节点26。
电荷存储节点26可使用掺杂半导体的区域(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术形成于硅衬底中的掺杂硅区域)实施。掺杂半导体区域(即浮动扩散FD)可呈现用于存储从光电二极管22转移的电荷的电容(例如电容Cfd)。与节点26上的所存储电荷相关的信号可由源极跟随器晶体管34缓冲。行选择晶体管36可将源极跟随器晶体管34连接到列输出线42。
如果需要，可使用其他类型的图像像素电路来实现图像传感器16的图像像素。例如，每个图像传感器像素30(参见例如图1)可以是三晶体管像素、具有四个晶体管的钉扎光电二极管像素、全局快门像素等。图3的电路仅仅是例示性的。
仍然参考图3，像素30还可包括经由(溢出)晶体管56耦接到浮动扩散26的溢出电容器54(本文中有时称为电荷存储结构)。特别地，像素30可在溢出操作模式下操作。在这种操作模式下，像素30可断言控制信号TX和DCG(同时)以分别激活晶体管24和56。电容器54可具有比浮动扩散26大得多的存储容量。这样，电容器54可通过存储大量(溢出)电荷(例如，在长积分周期期间，在明亮的图像点或场景中，用于电荷积分)来扩展像素30的动态范围。像素30也可在LFM操作模式下操作，其中控制信号AB和TX(任选地与控制信号DCG组合)以交织方式被断言，以在短曝光周期(例如，长曝光周期内的多个短积分周期)期间有效地采集图像信号。换句话说，为了以交织的方式使用控制信号AB和TX/DCG，当控制信号AB被断言高时，控制信号TX和DCG被断言低，反之亦然。以LFM模式操作像素30允许像素30捕获入射光，否则入射光可能由于闪烁效应而逃避捕获。
像素阵列20可包括布置成多行(例如，布置成0-N行)的像素30。每行可包括多个像素30，每个像素被配置有电荷溢出能力(例如，每个像素30可具有至少一个溢出晶体管和至少一个溢出电容器54)。像素阵列20包括具有结合图3示出和描述的像素配置的一个或多个像素的情景在本文中被描述为示例。如果需要，像素阵列20中的一个或多个像素可具有任何其他合适的像素配置。
图4示出了用于在溢出操作模式下操作图像传感器(例如，包括具有行0-N的像素阵列20的图像传感器)的示例性时序图。控制信号AB、TX和DCG在图4中以每行为基础示出。作为示例，行0中的一个或多个像素30(例如，行0中的所有像素30)可接收图4所示的行0的控制信号AB，并且可接收图4所示的行0的控制信号TX和DCG。行1-N中的像素30可类似地接收图4所示的相应行的对应控制信号AB、TX和DCG。在溢出操作模式期间，每行的控制信号TX和DCG可被同时断言和解除断言。因此，为了清楚起见，每行的控制信号TX和DCG以组合的方式示出。如果需要，每行的控制信号TX和DCG也可被单独地断言和解除断言(例如，以非同时的方式)。
在光电二极管重置周期100期间(本文中有时称为快门周期100)，每行中的像素30的控制信号AB可以滚动方式跨行0-N被脉冲化(例如，被断言和被解除断言)。特别地，快门周期100可包括AB断言100-0,100-1,…,100-N。作为示例，通过跨所有像素行脉冲化控制信号AB，像素阵列20中的所有光电二极管可被重置到像素电源电压电平(例如，电压电平Vaa)，并且可被配置成相对于相应的行时间周期RT同步地开始图像采集周期。换句话说，如图4所示，AB断言100-0,100-1,…,100-N可在每个相应行时间的相同相位(例如，相位0)期间发生。特别地，行0可在第一行时间周期RT中的特定相位处开始其相应的采集周期，行1可在第二行时间周期RT中的特定相位处开始其相应的采集周期，等等。光电二极管重置周期100可以是包括其他控制信号脉冲(例如，控制信号RST脉冲、控制信号DCG脉冲、控制信号TX脉冲)的像素重置周期的一部分。其他像素重置脉冲没有详细示出，以免不必要地模糊图4的描述。另外，AB脉冲和对应的后续行时间周期的开始之间的时间延迟在不同的行上可以是相同的。本文描述的不同周期是指示例性的时间周期，在该时间周期期间，可发生特定的表征事件(例如，用于各种像素行的一个或多个控制信号脉冲)。
跨行0-N的滚动图像采集可在多个周期期间发生(例如，第一溢出电荷积分周期102、中间溢出电荷积分周期104和另一个溢出电荷积分周期106以及最终溢出电荷积分周期108)。在积分周期102期间，行0-N可各自接收用于控制信号TX和DCG的一对脉冲(例如，滚动TX和DCG断言或滚动脉冲102-0,102-1,…,102-N)。TX和DCG脉冲可在每行的基础上以滚动或顺序的方式沿行0-N接收。
作为示例，为了将电荷的一部分从一个或多个光电二极管转移到行0中对应的溢出电容器，行0的TX/DCG脉冲102-0可在合适的时间发生。在脉冲102-0之后(或同时)，可发生行1的TX/DCG脉冲102-1。在脉冲102-1之后(或同时)，可发生行2的第三对TX/DCG脉冲，等等。图像传感器可以类似的逐行滚动方式操作，直到行N的TX/DCG脉冲102-N发生，这结束了初始TX/DCG断言周期102。
在图像采集周期期间，图像传感器中的像素行可以任何合适数量的这种溢出电荷积分周期(例如，类似于上述周期102的周期)操作。这被示为一个或多个可能的附加TX/DCG脉冲104-0,104-1,…,104-N。此外，周期106可以是类似于周期102的最终溢出电荷积分周期。然而，如果读出操作将在周期106之后直接执行(例如，如果滚动读出操作将在与断言106-0,106-1,…,106-N相同的对应行时间周期中发生)，一些行将具有比其他行更长的溢出电荷积分时间周期(例如，不同长度的周期T0、T1、TN将偏离不同行的总积分时间周期)。
作为示例，行0的总溢出电荷积分时间周期可从行0的控制信号AB的解除断言(例如，断言100-0的结束)跨越到行0的控制信号TX和DCG的解除断言(例如，断言106-0的结束)。类似地，行N的总溢出电荷积分时间周期可从行N的控制信号AB的解除断言(例如，断言100-N的结束)跨越到行N的控制信号TX和DCG的解除断言(例如，断言106-N的结束)。因为周期100中控制信号AB的解除断言相对于所有行的对应行时间周期对准相同的相位，但是控制信号TX和DCG的解除断言以滚动或顺序的方式相对于对应行时间周期在不同相位(例如，不同行时间周期中的每组相位0-N)执行，所以行N的总溢出电荷积分时间周期可长于行0的总溢出电荷积分时间周期。如果不加处理，跨所有行的积分时间的这种差异将导致非线性图像效果和图像伪影。
为了减轻这些不希望的影响，图像采集周期还可包括最终溢出电荷积分周期108。在周期108期间，最终脉冲控制信号可在不同的时间被断言，以配置控制信号生成电路来同时为对应的像素行脉冲化控制信号TX和DCG(例如，行0的断言110-0，行1的断言110-1，等等)。通过引入在每个相应的行时间周期(例如，从对应行时间周期的起点开始的固定周期)中同步到特定相位的最后一对TX/DCG脉冲，行0-N的总溢出电荷积分时间周期可以是相同的(例如，在相应行时间内从控制信号AB的相位同步解除断言跨越到控制信号TX和DCG的相位同步解除断言)。换句话说，AB断言100-0,100-1,…,100-N可发生在不同行时间周期内的相同相位，最终的TX/DCG断言108-0,108-1,…,108-N可类似地发生在不同行时间周期内的相同相位。这为不同的行提供了相同的总积分时间周期。
周期108的结束也可结束图像采集周期。图像信号读出周期112可跟随图像采集周期。作为示例，在图像采集周期之后，行0-N中任一行中的给定像素可在溢出电容器(例如，图3中的溢出电容器54)处存储积分的溢出电荷部分，并且在光电二极管(例如，光电二极管22)处存储剩余电荷部分。在图像读出时间周期期间，读出电路(例如，图2中的列读出电路48)可对对应于溢出电荷部分的图像电平信号和重置电平信号(以及任选地和剩余电荷部分)执行读出操作。作为示例，读出电路可以逐行滚动的方式执行读取操作(例如，读出断言112-0,112-1,…,112-N)。特别地，控制信号TX和DCG可在读出周期期间被断言，以访问分别存储在对应的光电二极管和电容器处的电荷部分。另外，其他控制信号可被脉冲化以执行读出操作。作为示例，控制信号RS和RST也可在读出周期期间被断言。如图4所示，图像读出(例如，读出断言)可在最终TX/DCG断言之后立即或直接发生。为了清楚起见，图4中没有示出其他信号读出断言和重置信号读出断言。如果需要，可进行任何合适数量的读出操作。作为示例，在信号读出断言112-0(例如，信号采样)之后，可发生浮动扩散区重置操作，并且此后，可发生重置信号读出(例如，重置电平采样)。
结合图4描述的行0-N可以任何合适的顺序布置在像素阵列20中。作为示例，行0-N可沿着像素阵列20以顺序布置，其中行0是像素阵列20中最顶端的行，行1是从像素阵列20的顶部起的第二行，…，并且行N是从像素阵列20的顶部起的第N行。作为另一示例，行0-N可沿着像素阵列20以顺序布置，其中行0是像素阵列20中最底端的行，行1是从像素阵列20的底部起的第二行，…，并且行N是从像素阵列20的底部起的第N行。这些示例仅仅是例示性的。如果需要，像素阵列20可包括其他像素行(例如，虚拟像素行、暗像素行、其他类型的有源图像像素行等)。
此外，为了在溢出模式下操作，图像传感器中的控制信号生成电路(例如，行电路)可提供至少两种类型的断言(例如，在第一电压电平VREF1下的完全断言和在量值低于第一电压电平的第二电压电平VREF2下的部分断言)。作为示例，控制信号生成电路可提供控制信号，该控制信号具有用于AB断言100-0,100-1,…,100-N的完全断言(例如，具有在电压电平VREF1下逻辑高电压电平的断言)，以及在读出周期中用于像素阵列20中的相应像素30中的对应晶体管的断言。特别地，如图4所示，控制信号AB可被断言为电压电平VREF1的断言100-0,100-1,…,100-N。类似地，在图像读出期间的控制信号可被断言为电压电平VREF1。
虽然完全断言(即，完全脉冲)对于移动存储在特定存储区(例如，光电二极管22、浮动扩散区26等)中的所有电荷可能是必要的，但是控制信号生成电路可在图像采集周期期间向对应的晶体管提供具有部分断言(例如，在电压电平VREF2下具有逻辑高电压电平的断言，有时称为部分脉冲)的控制信号TX。作为示例，当给定像素30在晶体管24(在图3中)接收到具有部分断言部分的控制信号TX时，晶体管24在光电二极管22(在图3中)和浮动扩散区26(在图3中)之间提供部分势垒。这样，在光电二极管22处生成的电荷的仅一部分(即溢出电荷)被转移到浮动扩散区26。控制信号生成电路还可提供控制信号DCG，该控制信号与相应的控制信号TX同步脉冲化，以进一步将溢出电荷转移到电容器54(在图3中)。控制信号DCG可类似地具有如图4所示的部分断言部分。然而，如果需要，与控制信号TX的部分断言同时脉冲化的控制信号DCG可具有完全断言部分，以确保所有溢出电荷都从浮动扩散区26转移到溢出电容器54。
部分TX脉冲和部分DCG脉冲可以滚动方式作为断言102-0,…,102-N,104-0,…,104-N和106-0,…,106-N出现。控制信号生成电路可被配置成生成控制信号TX和DCG的同时部分断言(例如，108-0,…,108-N)。
因为在溢出电荷生成周期102、104和106期间单独的控制信号生成电路可以异步(例如，顺序)方式被脉冲化，所以这些控制信号生成电路可能不适用于电荷生成周期108期间的同步脉冲。这样，图像传感器可包括控制信号生成电路，该控制信号生成电路可配置成使用共享电路生成部分和完全电压脉冲两者。图5示出了可形成控制信号生成电路的示例性控制信号生成电路。特别地，控制信号生成电路可包括多路复用器120(用于控制信号TX)和124(用于控制信号DCG)，以及脉冲电路122(用于控制信号TX)和126(用于控制信号DCG)。多路复用器有时在本文中可称为多路复用电路或选择电路。
多路复用器120可接收在第一输入端子处的第一参考电压VREF1、在第二输入端子处的第二参考电压VREF2以及最终脉冲控制信号(本文中有时称为最终溢出电荷转移控制信号)，该信号控制控制信号TX和DCG的同时断言(在图4的最终周期108期间)。基于最终脉冲控制信号，多路复用器120可选择电压VREF1和VREF2之一作为多路复用器120的输出。TX脉冲电路122可耦接到多路复用器120，并且接收输出并生成经调制的控制信号TX，该控制信号TX在像素30的一行或多行处(例如，在像素30中的对应转移晶体管处)接收。
类似地，多路复用器124可接收在第一输入端子处的第一参考电压VREF1、在第二输入端子处的第二参考电压VREF2以及最终脉冲控制信号(在图4中)。基于最终脉冲控制信号，多路复用器124可选择电压VREF1和VREF2之一作为多路复用器124的输出。TX脉冲电路126可耦接到多路复用器124，并且接收输出并生成经调制的控制信号DCG，该控制信号DCG在像素30的一行或多行处(例如，在像素30中的对应转移晶体管处)接收。
通过使用图5中的控制信号生成电路，相同的控制信号生成电路可选择性地生成完全脉冲和部分脉冲。如果需要，这种高效的电路结构可用于在快门周期、图像采集周期和图像读出周期中的任何一个期间使用电压电平VREF1(例如，在特定控制信号的第一操作模式下)和/或电压电平VREF2(例如，在特定控制信号的第二操作模式下)来生成控制信号TX和DCG的任何脉冲。作为示例，当在图4中的快门周期和图像读出周期期间最终脉冲控制信号没有被断言时，控制信号生成电路可使用电压电平VREF1向一个或多个像素提供完全断言控制信号。作为另外的示例，当在周期108期间最终脉冲控制信号被断言时，控制信号生成电路可使用电压电平VREF2向一个或多个像素提供部分断言控制信号。作为又一示例，在溢出电荷生成周期102、104和106期间，控制信号TX和DCG的部分脉冲可由不同于图5所示电路的控制信号生成电路生成。如果需要，图5所示电路可由一个或多个像素行中的一个或多个像素共享，以在用于一个或多个像素行的最终周期108期间生成最终TX/DCG脉冲的同时脉冲。另外，图5所示控制信号生成电路也可被配置成向其他晶体管提供控制信号(例如，控制信号AB、RST、RS等)。
图6是包括成像设备608(例如，图1的相机模块12)的示例性处理器系统600(诸如数码相机)的简化图，该成像设备采用如上文结合图1至图5所述的图像传感器。在不进行限制的前提下，这种系统可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统、以及其他采用成像设备的系统。
处理器系统600例如数字静态或视频摄像机系统一般包括透镜614，该透镜用于在快门释放按钮616被按下时，将图像聚焦到成像设备608中的一个或多个像素阵列上；以及中央处理单元(CPU)602，诸如微处理器，其控制相机功能和一个或多个图像流功能。处理单元602能通过系统总线606与一个或多个输入-输出(I/O)设备610通信。成像设备608还可通过总线606与CPU 602通信。系统600还可包括随机存取存储器(RAM)604并且能任选地包括可移动存储器612，诸如闪存存储器，该存储器也能通过总线606与CPU 602通信。成像设备608可在单个集成电路上或在不同芯片上与CPU组合，无论是否具有存储器存储装置。尽管总线606被示出为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线、桥接器或其他用于互连系统600的系统组件的通信路径。
已经描述了各种实施方案，示出了配置有溢出积分功能的图像传感器的系统和方法。
在一个实施方案中，图像传感器可包括布置成行和列的图像传感器像素。可包括控制信号生成电路的行化控制电路可经由耦接到每个图像传感器像素行的行线耦接到图像传感器像素。每个图像传感器像素可包括光电二极管、浮动扩散区、电荷存储结构(例如电容器)、插置在光电二极管和浮动扩散区之间的转移晶体管以及插置在浮动扩散区和电荷存储结构之间的溢出晶体管。
控制信号生成电路可生成控制信号来控制转移晶体管和溢出晶体管。在图像采集时间周期期间，图像传感器像素中的每个光电二极管可响应于入射光生成电荷，图像传感器像素中的每个转移晶体管和每个溢出晶体管的控制信号可被周期性地断言(例如，激活对应的转移和/或溢出晶体管)。光电二极管生成的电荷的一部分(例如，溢出电荷部分)可通过将由周期性地断言的控制信号转移的光电二极管生成的电荷的不同部分积分来生成。
在图像采集时间周期的第一部分期间，每个转移和溢出晶体管的控制信号可跨图像传感器像素列以顺序或滚动的方式被断言。在图像采集时间周期的第二部分期间，每个转移和溢出晶体管的控制信号可跨图像传感器像素列以同时或同步的方式被断言。为了在图像采集时间周期的第二部分期间高效地提供同步断言，图像传感器可包括控制信号生成电路，该控制信号生成电路可被配置成生成控制信号，该控制信号具有对第一电压电平的完全断言和对量值小于第一电压电平的第二电压电平的部分断言。控制信号生成电路可接收被断言的最终脉冲控制信号，该最终脉冲控制信号可在图像采集时间周期的第二部分期间被断言以生成具有部分断言的控制信号。控制信号生成电路可在重置时间周期和/或图像读出时间周期期间接收解除断言的最终脉冲控制信号，以生成具有完全断言的控制信号。
根据一个实施方案，图像传感器可包括布置在多个像素行中的图像传感器像素。图像传感器像素可被配置成响应于入射光生成电荷，并且在图像采集时间周期期间基于所生成的电荷生成相应的电荷部分。图像传感器可包括控制信号生成电路，该控制信号生成电路耦接到像素行并被配置成生成图像传感器像素的相应控制信号。相应的控制信号可在图像采集时间周期的第一部分期间在像素行的相应相位处以顺序方式被断言，并且在图像采集时间周期的第二部分期间在像素行的特定相位处被同步断言，以生成相应的电荷部分。
根据另一个实施方案，控制信号生成电路可被配置成仅在图像采集时间周期的第二部分期间接收被断言的脉冲控制信号。
根据另一个实施方案，控制信号生成电路可包括至少一个选择电路，该至少一个选择电路被配置成接收在第一输入端子处的第一电压电平、在第二输入端子处的第二电压电平和在控制端子处的被断言的脉冲控制信号。
根据另一个实施方案，控制信号生成电路可包括至少一个脉冲电路，该至少一个脉冲电路耦接到至少一个选择电路并且被配置成接收由至少一个选择电路生成的输出电压电平。至少一个脉冲电路可被配置成生成相应的控制信号。
根据另一个实施方案，第一电压电平在量值上可大于第二电压电平。至少一个选择电路可被配置成在图像采集时间周期的第二部分期间提供第二电压电平作为输出电压电平。
根据另一个实施方案，图像传感器像素中的给定图像传感器像素可包括耦接在光敏区和浮动扩散区之间的转移晶体管。至少一个脉冲电路可被配置成在图像采集周期的第二部分期间基于第二电压电平生成转移晶体管的控制信号。
根据另一个实施方案，图像传感器像素中的给定图像传感器像素可包括耦接在浮动扩散区和电容器之间的溢出晶体管。至少一个脉冲电路可被配置成在图像采集周期的第二部分期间基于第二电压电平生成溢出晶体管的控制信号。
根据另一个实施方案，至少一个选择电路可被配置成在图像采集时间周期之外的时间周期期间提供第一电压电平作为输出电压电平。
根据另一个实施方案，在多个像素行中的每个像素行中的至少一个图像传感器像素可包括配置成响应于入射光生成电荷的光敏区、浮动扩散区和耦接到浮动扩散区的电荷存储结构。
根据另一个实施方案，在多个像素行中的每个像素行中的至少一个图像传感器像素可包括将浮动扩散区耦接到电荷存储结构的溢出晶体管。溢出晶体管可被配置成接收相应的控制信号中的对应控制信号。
根据另一个实施方案，在多个像素行中的每个像素行中的至少一个图像传感器像素可包括将光敏元件耦接到浮动扩散区的转移晶体管。转移晶体管可被配置成接收相应的控制信号中的对应控制信号。
根据另一个实施方案，相应的电荷部分可包括对应的溢出电荷部分。电荷存储结构可被配置成存储对应的溢出电荷部分。
根据一个实施方案，图像传感器可具有像素阵列，该像素阵列包括多个像素行，每个像素行具有布置为至少一个像素列的至少一个图像像素。操作图像传感器的方法可包括：利用每个像素行中的至少一个像素，响应于入射光生成电荷；以及利用每个像素行中的至少一个像素，基于所生成的电荷生成溢出电荷部分。生成溢出电荷部分可包括：在跨至少一个像素列的相应相位期间执行至少一个滚动溢出电荷转移；以及参考跨至少一个像素列的特定相位执行同步溢出电荷转移。
根据另一个实施方案，每个像素行中的至少一个像素可包括经由第一晶体管耦接到浮动扩散的光敏元件，以及经由第二晶体管耦接到浮动扩散的电容器。响应于入射光生成电荷可包括在光敏元件处生成电荷。
根据另一个实施方案，执行至少一个滚动溢出电荷转移可包括将由光敏元件生成的电荷的至少一部分转移到电容器。
根据另一个实施方案，执行同步溢出电荷转移可包括将由光敏元件生成的电荷的附加部分转移到电容器。
根据另一个实施方案，生成溢出电荷部分可包括将电荷的至少一部分与电荷的附加部分积分，以在电容器处生成溢出电荷部分。该方法可包括：利用读出电路，对在电容器处的溢出电荷部分执行读出操作；以及利用读出电路，对在光敏区处的剩余电荷部分执行读出操作。
根据一个实施方案，系统可包括中央处理单元、输入-输出电路和图像传感器。图像传感器可包括布置成多个行和至少一个列的图像像素。图像像素可被配置成生成存储在图像像素中的相应电荷存储区处的电荷。图像传感器可包括经由一个或多个相应的行线耦接到多个行中的每一行的行控制电路。行控制电路可包括控制信号生成电路，该控制信号生成电路被配置成生成至少一个控制信号，该至少一个控制信号具有在第一操作模式下生成电荷的部分断言脉冲，并且具有在第二操作模式下在读出操作期间的一个或多个完全断言脉冲。
根据另一个实施方案，部分断言脉冲可以是相对于跨至少一个列的多个行时间周期中的特定相位同步的部分断言脉冲。
根据另一个实施方案，控制信号生成电路可被配置成接收第一电压电平和小于第一电压电平的第二电压电平。部分断言脉冲可基于第二电压电平生成。一个或多个完全断言脉冲可基于第一电压电平生成。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员能够在不脱离本发明的实质和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (11)

1.一种图像传感器，包括：
图像传感器像素，所述图像传感器像素布置在多个像素行中，其中，所述图像传感器像素中的每个图像传感器像素被配置成响应于入射光生成电荷；以及
控制信号生成电路，所述控制信号生成电路经由对应的多个控制路径耦接到所述多个像素行并且被配置成生成在所述多个控制路径上提供的、所述图像传感器像素的控制信号，其中，所述控制信号生成电路被配置为：
在第一行时间周期中的第一相位处断言第一像素行的第一控制信号；
在第二行时间周期中的第二相位处断言第二像素行的第二控制信号；
在所述第二行时间周期中的第三相位处断言所述第一控制信号；以及
在第三行时间周期中的第三相位处断言所述第二控制信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述控制信号生成电路被配置成接收断言的脉冲控制信号，基于该脉冲控制信号在所述第三相位处断言所述第一控制信号和所述第二控制信号，并且其中，所述控制信号生成电路包括至少一个选择电路，所述至少一个选择电路被配置成在第一输入端子处接收第一电压电平、在第二输入端子处接收第二电压电平以及在控制端子处接收断言的脉冲控制信号。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述控制信号生成电路包括至少一个脉冲电路，所述至少一个脉冲电路耦接到所述至少一个选择电路并且被配置成接收由所述至少一个选择电路生成的输出电压电平，其中，所述至少一个脉冲电路被配置成生成所述控制信号中的至少一个控制信号，其中，所述第一电压电平在量值上大于所述第二电压电平，其中，所述至少一个选择电路被配置成提供所述第二电压电平作为所述输出电压电平，以在所述第三相位处断言所述第一控制信号和所述第二控制信号，并且其中，所述至少一个选择电路被配置成在快门和读出操作期间提供所述第一电压电平作为所述输出电压电平。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述图像传感器像素中的给定图像传感器像素包括耦接在光敏区和浮动扩散区之间的转移晶体管，并且其中，所述至少一个脉冲电路被配置成生成所述第一控制信号，并且所述第一控制信号被所述转移晶体管所接收。
5.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述图像传感器像素中的给定图像传感器像素包括耦接在浮动扩散区和电容器之间的溢出晶体管，并且其中，所述至少一个脉冲电路被配置成生成所述第一控制信号，并且所述第一控制信号被所述溢出晶体管所接收。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素行中的每个像素行中的至少一个图像传感器像素包括配置成响应于所述入射光生成所述电荷的光敏区、浮动扩散区和耦接到所述浮动扩散区的电荷存储结构，其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号的断言生成溢出电荷部分，并且其中，所述电荷存储结构被配置成存储所述溢出电荷部分。
7.一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器具有像素阵列，所述像素阵列包括多个像素行，每个像素行具有布置为至少一个像素列的至少一个图像像素，所述方法包括：
利用每个像素行中的所述至少一个像素，响应于入射光生成电荷；以及
利用每个像素行中的所述至少一个像素，基于所生成的电荷生成溢出电荷部分，其中，生成所述溢出电荷部分包括在跨所述至少一个像素列的相应相位期间执行至少一个滚动溢出电荷转移，以及参考跨所述至少一个像素列的特定相位执行同步溢出电荷转移。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个像素行中的所述至少一个像素包括经由第一晶体管耦接到浮动扩散的光敏元件和经由第二晶体管耦接到所述浮动扩散的电容器，并且其中，响应于所述入射光生成所述电荷包括在所述光敏元件处生成所述电荷，其中，执行所述至少一个滚动溢出电荷转移包括将由所述光敏元件生成的所述电荷的至少一部分转移到所述电容器，并且其中，执行所述同步溢出电荷转移包括将由所述光敏元件生成的所述电荷的附加部分转移到所述电容器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，生成溢出电荷部分包括将所述电荷的所述至少一部分与所述电荷的所述附加部分积分，以在所述电容器处生成所述溢出电荷部分，所述方法还包括：
利用读出电路，对在所述电容器处的所述溢出电荷部分执行读出操作；以及
利用所述读出电路，对在光敏区处的剩余电荷部分执行读出操作。
10.一种系统，包括：
图像传感器，所述图像传感器包括：
图像像素，所述图像像素布置成多个行和至少一个列，其中，所述图像像素被配置成响应于入射光生成图像信号；以及
行控制电路，所述行控制电路经由一个或多个相应的行线耦接到所述多个行中的每一行，其中，所述行控制电路包括控制信号生成电路，所述控制信号生成电路被配置成生成控制信号，所述控制信号呈现一个或多个部分断言脉冲以在第一操作模式下生成所述图像信号，并且呈现一个或多个完全断言脉冲以在第二操作模式下对所生成的图像信号执行读出操作。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述一个或多个部分断言脉冲包括在多个相应的行时间周期中的同一给定相位期间分别断言的多个部分断言脉冲，并且包括在附加行时间周期中的与所述给定相位不同的附加相位期间断言的附加部分断言脉冲，其中，所述控制信号生成电路被配置成接收第一电压电平和小于所述第一电压电平的第二电压电平，其中，所述一个或多个部分断言脉冲基于所述第二电压电平生成，并且其中，所述一个或多个完全断言脉冲基于所述第一电压电平生成。
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