CN111225163A - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像传感器，该图像传感器可包括成像像素阵列。每个成像像素可包括第一子像素和第二子像素，该第一子像素被配置为生成高感光度信号，该第二子像素被配置为生成低感光度信号。图像传感器还可包括处理电路和被屏蔽以防止入射光的多个暗像素。处理电路可被配置为对于每个成像像素：将基于高感光度信号和低感光度信号中的至少一者的值与阈值进行比较；当该值小于阈值时，至少基于相应成像像素的低感光度信号来修改相应成像像素的高感光度信号；以及当该值大于阈值时，基于至少一个暗像素信号来修改相应成像像素的高感光度信号。

Description

图像传感器

技术领域

本发明整体涉及成像设备，具体地讲，涉及具有暗像素的成像设备，并且更具体地讲，涉及具有暗像素和带有不同敏感度的成像像素的图像传感器。

背景技术

图像传感器常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。在典型布置方式中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。

典型图像像素包含用于响应于入射光而生成电荷的光电二极管。图像像素还可包括用于存储在光电二极管中生成的电荷的电荷存储区。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门中，图像传感器中的每个像素均可同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行像素可依次捕获图像。

一些图像传感器可包括暗像素以帮助校正像素热生成的信号，该信号是不希望的并且在本文中将被称为噪声。暗像素可包括被屏蔽以防止暗像素光电二极管暴露于入射光的光电二极管，从而确保任何生成的电荷仅仅是噪声。暗像素有助于校正图像传感器中的一些噪声，但可能不足以校正图像传感器的不同区中的噪声。

因此期望能够为具有暗像素的图像传感器提供改善的布置方式。

发明内容

在第一方面，提供一种图像传感器，包括：成像像素阵列，其中每个成像像素包括第一子像素和第二子像素，所述第一子像素对入射光具有第一敏感度，所述第二子像素对所述入射光具有第二敏感度，其中所述第一敏感度和所述第二敏感度是不同的；和处理电路，所述处理电路被配置为至少基于来自第一成像像素的所述第二子像素的第二信号来校正来自所述第一成像像素的所述第一子像素的第一信号。

在第二方面，提供一种图像传感器，包括：成像像素阵列，其中每个成像像素被配置为生成高感光度信号和低感光度信号；多个暗像素，其中每个暗像素被配置为生成暗像素信号；和处理电路，所述处理电路被配置为对于所述成像像素阵列中的每个成像像素：将基于所述高感光度信号和所述低感光度信号中的至少一者的值与阈值进行比较；当所述值小于所述阈值时，至少基于相应成像像素的所述低感光度信号来修改所述相应成像像素的所述高感光度信号；以及当所述值大于所述阈值时，基于至少一个暗像素信号来修改所述相应成像像素的所述高感光度信号。

在第三方面，提供一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器包括具有响应于入射光而生成电荷的第一光敏区域和第二光敏区域的成像像素阵列，所述方法包括：确定所述入射光的电平是否低于每个成像像素的阈值；以及当所述入射光的所述电平低于相应成像像素的所述阈值时，至少基于来自所述相应成像像素的所述第二光敏区域的信号来校正来自所述相应成像像素的所述第一光敏区域的信号。

附图说明

图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。

图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的例示性像素阵列以及相关联的读出电路的示意图。

图3是根据一个实施方案的包括围绕低感光度子像素的高感光度子像素的示例性成像像素的顶视图。

图4是根据一个实施方案的具有带有不同感光度的两个子像素的示例性成像像素的顶视图。

图5是根据一个实施方案的包括暗像素和成像像素的示例性图像传感器的示意图，该成像像素具有带有不同感光度的两个子像素。

图6是根据一个实施方案的用于操作包括暗像素和成像像素的图像传感器的示例性方法步骤的示意图，该成像像素具有带有不同感光度的两个子像素，诸如图5的图像传感器。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本发明的示例性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述众所周知的操作。

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。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如将入射光转换成图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型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生成的电荷相对应。

图1是示例性成像和响应系统的示意图，该系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、移动电话、摄像机、或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。

如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个透镜。

相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者，在给定图像传感器阵列集成电路中可以有不同类型的图像传感器。在图像捕获操作期间，每个透镜可以将光聚焦到相关联的图像传感器14(诸如图2的图像传感器)上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。

可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或简称JPEG格式)。在典型布置方式(有时称为片上系统(SOC)布置方式)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用半导体衬底(例如，共用硅图像传感器集成电路管芯)上实现。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在单独半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可以形成在已堆叠的单独衬底上。

成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中物体的距离、过滤或以其他方式处理成像系统10提供的图像。

如果需要，系统100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。

图2中示出了图1的相机模块12的布置方式的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44可耦接到行控制电路40，并且可经由数据路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并可通过控制路径36向图像像素34供应对应行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他期望像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线诸如列线38耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号，并向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。

列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他期望数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。

阵列32可以具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的特定具体实施。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征部可水平地布置)。

图像阵列32可以设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件，该滤色器阵列允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，图像传感器像素诸如阵列32中的图像像素可以设置有滤色器阵列，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对应红色图像传感器像素、绿色图像传感器像素和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由2×2个图像像素的重复单元格组成，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。在另一个合适示例中，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，可在任何期望数量的图像像素34上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。

如果需要，阵列32可以是堆叠管芯布置方式的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置方式中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何期望节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦合。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何金属对金属结合技术诸如软钎焊或焊接，来将形成在相应第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。

如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为浮动扩散节点。另选地，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在未设有光电二极管的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他期望节点。

一般来讲，阵列32、行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在一个示例中，阵列32可以形成在第一衬底中，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第二衬底中。在另一个示例中，阵列32可以被划分在第一衬底和第二衬底之间(使用上述像素划分方案中的一个像素划分方案)，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第三衬底中。

图3是可包括在图像传感器(诸如图像传感器14)中的示例性成像像素的顶视图。如图所示，成像像素34具有至少两个不同的光收集区域(LCA)。像素34可包括具有用于捕获相同光谱的光的相关联的像素电路的光敏区域(例如，光电二极管)。例如，像素34可用于捕获红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色、近红外光、红外光或任何其他光谱的光。单个红色、绿色、蓝色、青色、品红色、黄色、近红外光、红外光或透明滤色器可在像素34上方形成。在某些实施方案中，在像素34上方形成的滤色器可具有通过有色光的区域以及透明区域(即，在可见光谱之外通过可见光谱光或全光谱光)。

图3的像素34可包括第一子像素52，该第一子像素可被称为内部子像素52。内部子像素52可被第二子像素54完全包围，该第二子像素可被称为外部子像素54。内部子像素52和外部子像素54可对应于半导体衬底中的n型掺杂光电二极管区。衬底中可存在相应子像素电路，诸如像素34的转移门、浮动扩散区和复位门，该衬底耦接到子像素52和子像素54中的光电二极管区。半导体衬底可以是由硅或任何其他合适半导体材料制成的本体p型衬底。

内部子像素52中的光电二极管在表面处可具有圆形形状。换句话讲，内部子像素52的光收集区域为圆形区。在表面处，内部子像素52可具有直径62。例如，内部子像素52中的光电二极管的直径62可以是1微米，但是可另选地是任何其他尺寸而不脱离本实施方案的范围。外部子像素54在表面处可具有正方形外边界和圆形内边界。由图3中所示外部子像素54的正方形外边界和圆形内边界包围的区域可对应于外部子像素54的光收集区域。如图3所示，外部子像素54的侧面中的一个侧面的长度为长度64。例如，长度64可为3微米，但可另选地为任何其他尺寸而不脱离本发明实施方案的范围。长度64大于长度62。外部子像素54在图3中示出为具有正方形外边界，但可另选地具有非正方形矩形外边界或圆形外边界。内部子像素52在图3中示出为具有圆形边界，但可另选地具有正方形边界或非正方形矩形边界。

如果需要，可以在内部子像素52和外部子像素54之间形成任选的隔离区。隔离区可将给定像素中的各个子像素彼此分隔开，并且还可将不同相应像素中的各个子像素彼此分隔开。任选的隔离区可由不同类型的隔离设备形成，诸如沟槽隔离结构、掺杂半导体区、金属屏障结构或任何其他合适隔离设备。

因为内部子像素52被外部子像素54包围，所以内部子像素52有时可被描述为嵌套在外部子像素54内。像素34有时可以被称为嵌套图像像素。嵌套图像像素中的内部子像素组和外部子像素组可具有相同的几何光学中心。换句话讲，因为外部子像素组对称地围绕内部子像素组，所以内部子像素组的表面的中心与围绕内部子像素组的外部子像素组的中心相同。

内部子像素52可具有对入射光的较低敏感度，并且与外部子像素54相比可被称为具有较低敏感度的光收集区域。内部子像素52和外部子像素54的相应掺杂浓度可不同，或者它们可相同。例如，内部子像素52中的光电二极管区的掺杂浓度可被修改成降低内部子像素52对光的敏感度。内部子像素52比外部子像素54对入射光的敏感度低可能是内部子像素52的光收集区域比外部子像素54的光收集区域小的结果。

外部子像素组的感光度与内部子像素组的感光度的比率可为至少3：1，但可以为5：1、10：1、任何中间比率或任何更大的比率。换句话讲，外部子像素组的感光度可为内部子像素组的感光度的至少三倍。

一个或多个微透镜可在图3的像素34上方形成以将光导向外部子像素54。一个或多个微透镜可在滤色器上方形成，该滤色器在像素34上方形成。为了将光导向外部子像素54，一个或多个微透镜可仅在外部子像素54上方形成。如图3所示，微透镜56是覆盖外部子像素54的环形微透镜。环形微透镜具有与内部子像素52重叠的开口，使得微透镜不与内部子像素52重叠。这使得能够将光导向外部子像素。然而，在一些实施方案中，将光导向外部子像素54的一个或多个微透镜可以部分地或完全地与子像素52的光收集区域重叠。将光导向外部子像素54可进一步增大外部子像素54的光收集区域相对于内部子像素52的光收集区域的敏感度而言的敏感度。在一些实施方案中，内部子像素52可任选地由与微透镜56分开形成的微透镜覆盖。

因为入射到像素34上的光被导向到外部子像素54的量大于被导向到内部子像素52的量，所以内部子像素52被认为具有与外部子像素54相比较低敏感度的光收集区域。内部子像素52和外部子像素54对光的敏感度的差异使得能够在高动态范围应用中使用像素34，同时对于每个子像素使用相同的整合时间。如果需要，每个子像素的整合时间可以不同，以进一步增大像素的动态范围。

参见图3的布置方式，包括具有子像素52和54的像素34仅仅是示例性的。由于子像素52和54具有可分别读出的相应光敏区域，因此子像素52和54可以替代地称为像素52和54。然而，为了简化和一致性，在本文中我们将像素34称为具有子像素52和54。

图3的被外部子像素54围绕的内部子像素52的示例也是示例性的。一般来讲，子像素52可具有低于子像素54的感光度。子像素52因此可称为低感光度子像素52，并且子像素54可称为高感光度子像素54。低感光度子像素和高感光度子像素可具有任何期望布置方式。例如，子像素可以并排而不是使子像素54围绕子像素52。子像素可以具有任何期望区域和微透镜布置方式。为了反映这一点，在下文中可如图4中那样示意性地描绘像素34。图4示出像素34如何具有低感光度子像素52和高感光度子像素54。图4将子像素52和54描绘为并排的，但是子像素可具有任何期望布置方式。

为了帮助校正噪声，可将暗像素结合到图像传感器中。图5是包括暗像素(有时称为参考像素、光学上为黑色像素、屏蔽像素等)的示例性图像传感器的示意图。如图5所示，像素阵列32包括多个像素34，每个像素包括低感光度子像素52和高感光度子像素54。如结合图3和图4所讨论的，子像素52和54可具有不同的光收集区域，可具有不同的掺杂浓度，并且/或者可被一个或多个微透镜覆盖，该一个或多个微透镜将光导向高感光度子像素。像素34有时可被称为成像像素34、有源像素34或光学像素34(因为像素34对入射光敏感)。

图像传感器14还包括暗像素34D。暗像素34D可被屏蔽材料82(例如，金属或对于入射光不透明的任何其他期望材料)覆盖。暗像素34D可各自包括光敏区域和对应读出电路(例如，转移晶体管、源极跟随器晶体管等)。然而，因为暗像素被屏蔽材料82覆盖，所以任何生成的电荷都是噪声(不是入射光的强度)的结果。

存在用于从暗像素34D读出信号的许多选项。可以在读出来自成像像素34的信号之前、期间或之后读出来自暗像素34D的信号。所有暗像素(例如，在多个行和/或列中)的暗像素值可用于校正成像像素。换句话讲，所有暗像素的平均暗像素电平可用于噪声校正。可以从相应光学像素样本减去确定的平均暗像素电平以校正噪声。平均暗像素电平是图像传感器中所有暗像素的平均值的示例仅仅是示例性的。另选地，平均暗像素电平可替代地为单行暗像素或单列暗像素的平均值(该平均值用于校正该行或列中的成像像素)。

在图5中，描绘了一列暗像素。这个示例仅仅为示例性的。一般来讲，在图像传感器中可以包括任何期望数量的列和任何期望数量的行的暗像素。暗像素可耦接到暗像素列控制和读出电路42-2。光学像素34可耦接到列控制和读出电路42-1。列控制和读出电路42-1和42-2可包括列电路，诸如用于放大从相应光学像素或暗像素读出的信号的列放大器、用于对从相应光学像素或暗像素读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路、以及用于存储读出信号和任何其他期望数据的列存储器。

使用来自暗像素34D的信号来校正来自光学像素34的信号可帮助校正噪声。但是，热产生的载流子生成可在整个图像传感器之上改变。由热产生的载流子生成的变化引起的噪声可能不会被暗像素捕获(因为暗像素限于阵列的周边)。

在具有包括高感光度子像素和低感光度子像素的像素的图像传感器中，每个子像素的热噪声会一起发展(例如，低感光度子像素的噪声与高感光度子像素的噪声成比例)。因此，代替使用全局暗像素校正值(通过对来自所有暗像素的信号求平均值来确定)来校正光学像素信号，可以使用来自低感光度子像素的信号来校正来自高感光度子像素的信号。来自低感光度子像素的信号可用于在低光度条件下(当大部分低感光度信号对应于噪声，而不是入射光时)校正来自高感光度子像素的信号。在高光度条件下，暗像素信号可用于校正高感光度子像素的噪声。

例如，考虑具有第一低感光度子像素和第一高感光度子像素的第一光学像素。每个子像素可生成(例如，从列控制和读出电路42-1)提供给噪声校正电路72的对应信号。噪声校正电路72还可从列控制和读出电路42-2接收暗像素数据。噪声校正电路72可将光学像素数据与阈值进行比较。如果光学像素数据低于阈值(指示低光度条件)，则来自第一低感光度子像素的信号可以用于校正来自第一高感光度子像素的信号。如果光学像素数据高于阈值(指示高光度条件)，则暗像素数据可用于校正来自第一高感光度子像素的信号。如图5所示，在校正信号之后，可将调节的像素值提供给附加处理电路74。总而言之，低感光度子像素信号可任选地用于在低光条件下校正高感光度子像素信号。这可以为图像传感器提供改善的热噪声校正。

图6示出用于操作包括暗像素和具有高感光度和低感光度读出的成像像素的图像传感器的示例性方法步骤，诸如图5的图像传感器。首先，在步骤102处，可以从光学像素34读出高感光度信号(S_HS)和低感光度信号(S_LS)。如前所讨论，高感光度信号可从高感光度子像素读出，并且低感光度信号可从低感光度子像素读出。然而，可使用其他另选方案来获得高感光度信号和低感光度信号。例如，一些成像像素可具有光电二极管和溢出电容器。来自溢出电容器的信号可以是低感光度信号，并且来自光电二极管的信号可以是高感光度信号。任何期望像素布置方式可用于产生低感光度信号和高感光度信号。

另外，在步骤102处，暗像素信号(S_DP)可从暗像素34D读出。高感光度信号、低感光度信号和暗像素信号可以从列控制和读出电路42-1和42-2提供给噪声校正电路72。

接下来，可以在步骤104处确定是否存在低光条件。可以针对图像传感器中的每个光学像素进行该确定。然而，可以使用来自多于一个像素的信号进行确定。

例如，对于给定像素，可以将该像素的低感光度信号与阈值进行比较。如果低感光度信号小于阈值，则可以确定存在低光条件。如果低感光度信号不小于阈值，则可以确定不存在低光条件。

在该示例中，仅将单个低感光度信号与阈值进行比较。然而，可以替代地对多个像素的低感光度信号求平均。例如，可以对包括给定像素(例如，正在被校正的像素)的任意大小(例如，m×n)区的低感光度信号求平均，并且可将平均低感光度信号与阈值进行比较，以确定是否存在低光条件。正在被校正的给定像素可以在对于低光确定而求平均的m×n区的中心处。在一个示例性示例中，每个像素可以在9×9像素区的中心处。9×9像素区的平均低感光度信号可用于确定该区中是否存在低光。求平均的m×n区可包括两个或更多个像素、九个或更多个像素、十六个或更多个像素、二十五个或更多个像素、四十九个或更多个像素、一百个或更多个像素等。

高感光度信号还可用于确定是否存在低光条件。例如，对于给定像素，可以将该像素的高感光度信号与阈值进行比较。如果高感光度信号小于阈值，则可以确定存在低光条件。如果高感光度信号不小于阈值，则可以确定不存在低光条件。

在该示例中，仅将单个高感光度信号与阈值进行比较。然而，可以替代地对多个像素的高感光度信号求平均。例如，可以对包括给定像素(例如，正在被校正的像素)的任意大小(例如，m×n)区的高感光度信号求平均，并且可将平均高感光度信号与阈值进行比较，以确定是否存在低光条件。正在被校正的给定像素可以在对于低光确定而求平均的m×n区的中心处。在一个示例性示例中，每个像素可以在9×9像素区的中心处。9×9像素区的平均高感光度信号可用于确定该区中是否存在低光。9×9像素区的使用仅仅是示例性的。求平均的m×n区可包括两个或更多个像素、九个或更多个像素、十六个或更多个像素、二十五个或更多个像素、四十九个或更多个像素、一百个或更多个像素等。

如上所讨论，仅低感光度信号可用于确定是否存在低光条件，或者仅高感光度信号可用于确定是否存在低光条件。在一些实施方案中，低感光度信号和高感光度信号可用于确定是否存在低光条件。例如，可将低感光度信号(单独信号或平均信号)与第一阈值进行比较，并且可将高感光度信号(单独信号或平均信号)与第二阈值进行比较。第一阈值和第二阈值可不同。在一些情况下，只有低感光度信号小于第一阈值并且高感光度信号小于第二阈值，才可以确定存在低光条件。在一些情况下，如果低感光度信号小于第一阈值或者高感光度信号小于第二阈值，则可以确定存在低光条件。

代替对来自多个成像像素的信号求平均以与阈值进行比较，可将来自多个成像像素的每个信号与阈值进行比较。如果信号中的任一个信号超过阈值，则可以确定不存在低光度条件。换句话讲，可以将来自多个成像像素的最大信号与阈值进行比较，以确定是否存在低光条件。

如果确定存在低光条件，则噪声校正电路72可前进至步骤106。如果确定不存在低光条件，则噪声校正电路72可前进至步骤108。

在步骤106处，光学像素的高感光度信号可基于光学像素的低感光度信号来校正。例如，对于给定像素，可以从该像素的高感光度信号减去该像素的低感光度信号(例如，S_{HS_CORR}＝S_HS–S_LS，其中S_{HS_CORR}是校正的高感光度信号)。

在该示例中，仅将给定像素的单个低感光度信号用于校正给定像素的高感光度信号。然而，可以替代地对多个像素的低感光度信号求平均。例如，可以对包括给定像素(例如，正在被校正的像素)的任意大小(例如，m×n)区的低感光度信号求平均，并且平均低感光度信号可用于校正高感光度信号。正在被校正的给定像素可以在求平均的m×n区的中心处。在一个示例性示例中，每个像素可以在9×9像素区的中心处。9×9像素区的平均低感光度信号可用于校正9×9区的中心中的像素的高感光度信号(例如，S_{HS_CORR}＝S_HS–S_{LS_AVE}，其中S_{LS_AVE}是m×n区中的低感光度信号的平均值)。求平均的m×n区可包括两个或更多个像素、九个或更多个像素、十六个或更多个像素、二十五个或更多个像素、四十九个或更多个像素、一百个或更多个像素等。

当基于至少一个低感光度信号来校正高感光度信号时，可以进行附加校正。例如，可应用热比率来说明在大像素和小像素中的不同热噪声生成(例如，S_{HS_CORR}＝S_HS–S_{LS_AVE}×R_T，其中R_T是预定常数，其说明噪声生成的差异)。可以使用附加校正因子来说明低感光度信号的由接收到的入射光引起的部分。例如，低感光度信号和高感光度信号之间的敏感度比率(R_s)可以是已知的(例如，R_s＝S_LS/S_HS)。当将低感光度信号用于校正时，低感光度信号的一些部分归因于响应于入射光而生成的电荷(例如，无噪声分量)。可以使用敏感度比率来估算低感光度信号的这种非噪声分量，并在校正高感光度信号时加以考虑(例如，S_{HS_CORR}＝S_HS–S_{LS_AVE}×R_T+R_s×S_HS)。

如果需要，在步骤106中，暗像素数据还可任选地用于校正高感光度信号。例如，还可从高感光度信号减去暗像素偏移值(其等于一个或多个暗像素信号的平均值)。

如果确定不存在低光条件，则在步骤108处，噪声校正电路72可以基于暗像素信号来校正高感光度信号。例如，可从高感光度信号减去暗像素偏移值(其等于一个或多个暗像素信号的平均值)以校正高感光度信号(例如，S_{HS_CORR}＝S_HS–S_{DP_AVE}，其中S_{DP_AVE}是来自暗像素34D的一个或多个暗像素信号的平均值)。

来自步骤106和步骤108的校正的高感光度信号可以被提供给附加处理电路74。附加处理电路74可以使用低感光度信号和校正的高感光度信号来确定每个像素的代表值。在确定每个像素的代表值时，附加处理电路可以考虑是否使用低感光度信号来校正高感光度信号。

对噪声校正电路72和附加处理电路74的引用仅仅是示例性的。如果需要，噪声校正电路72和附加处理电路74可被认为是相同电路。例如，噪声校正电路72和附加处理电路74均可被认为是列控制电路42的一部分。噪声校正电路72、附加处理电路74和列控制电路42可被统称为处理电路。

在图5中，列电路42-1和42-2包括模拟-数字转换器。换句话讲，噪声校正电路72校正数字域中的高感光度信号。这个示例仅仅为示例性的。噪声校正电路72可另选地校正模拟域中的高感光度信号。在该类型的实施方案中，噪声校正电路72插置在像素34和列电路42-1的模拟-数字转换器之间。

根据一个实施方案，图像传感器可包括：成像像素阵列，其中每个成像像素包括第一子像素和第二子像素，该第一子像素对入射光具有第一敏感度，该第二子像素对入射光具有不同于第一敏感度的第二敏感度；和处理电路，该处理电路被配置为至少基于来自第一成像像素的第二子像素的第二信号来校正来自第一成像像素的第一子像素的第一信号。

根据另一个实施方案，第一敏感度可高于第二敏感度。

根据另一个实施方案，处理电路可被配置为从第一信号减去第二信号以至少基于第二信号来校正第一信号。

根据另一个实施方案，处理电路可被配置为将第一信号和第二信号中的至少一者与阈值进行比较并响应于确定第一信号和第二信号中的至少一者小于阈值来至少基于第二信号校正第一信号。

根据另一个实施方案，图像传感器还可包括多个参考像素，该多个参考像素被屏蔽以防止入射光。

根据另一个实施方案，处理电路可被配置为基于来自多个参考像素中的至少一个参考像素的第四信号来校正来自第二成像像素的第一子像素的第三信号。

根据另一个实施方案，处理电路可被配置为将来自第二成像像素的第二子像素的第三信号和第五信号中的至少一者与阈值进行比较并响应于确定第三信号和第五信号中的至少一者大于阈值来基于第四信号校正第三信号。

根据另一个实施方案，处理电路可被配置为基于平均信号值来校正第一信号，并且平均信号值可以是来自包括第一成像像素的多个成像像素的第二子像素的信号的平均值。

根据另一个实施方案，多个成像像素可以是成像像素的正方形网格，并且第一成像像素可以在成像像素的正方形网格的中心处。

根据另一个实施方案，每个成像像素的第一子像素可围绕该成像像素的第二子像素。

根据另一个实施方案，每个成像像素可被具有开口的环形微透镜覆盖，该开口与该成像像素的第二子像素重叠。

根据一个实施方案，图像传感器可包括：成像像素阵列，其中每个成像像素被配置为生成高感光度信号和低感光度信号；多个暗像素，其中每个暗像素被配置为生成暗像素信号；和处理电路，该处理电路被配置为对于成像像素阵列中的每个成像像素将基于高感光度信号和低感光度信号中的至少一者的值与阈值进行比较，当值小于阈值时，至少基于相应成像像素的低感光度信号来修改相应成像像素的高感光度信号，并且当值大于阈值时，基于至少一个暗像素信号来修改相应成像像素的高感光度信号。

根据另一个实施方案，该值可以是相应成像像素以及与相应成像像素相邻的至少一个附加成像像素的高感光度信号的平均值。

根据另一个实施方案，该值可以是相应成像像素以及与相应成像像素相邻的至少一个附加成像像素的低感光度信号的平均值。

根据另一个实施方案，基于至少一个暗像素信号来修改相应成像像素的高感光度信号可包括基于所有暗像素信号的平均值来修改相应成像像素的高感光度信号。

根据另一个实施方案，至少基于相应成像像素的低感光度信号来修改相应成像像素的高感光度信号可包括基于相应成像像素以及与相应成像像素相邻的至少一个附加成像像素的低感光度信号的平均值来修改相应成像像素的高感光度信号。

根据另一个实施方案，每个成像像素可具有第一子像素和第二子像素，该第一子像素具有生成高感光度信号的第一光敏区域，该第二子像素具有小于第一光敏区域的生成低感光度信号的第二光敏区域。

根据另一个实施方案，每个成像像素的第一子像素和第二子像素可以是同心的。

根据一个实施方案，公开了操作图像传感器的方法，该图像传感器包括具有响应于入射光而生成电荷的第一光敏区域和第二光敏区域的成像像素阵列，该方法可包括：确定入射光的电平是否低于每个成像像素的阈值；以及当入射光的电平低于相应成像像素的阈值时，至少基于来自相应成像像素的第二光敏区域的信号来校正来自相应成像像素的第一光敏区域的信号。

根据另一个实施方案，图像传感器还可包括暗像素，该暗像素被屏蔽以防止入射光，并且该方法还可包括当入射光的电平不低于相应成像像素的阈值时基于来自暗像素的信号的平均值来校正来自相应成像像素的第一光敏区域的信号。

前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种图像传感器，包括：

成像像素阵列，其中每个成像像素包括第一子像素和第二子像素，所述第一子像素对入射光具有第一敏感度，所述第二子像素对所述入射光具有第二敏感度，其中所述第一敏感度和所述第二敏感度是不同的；和

处理电路，所述处理电路被配置为至少基于来自第一成像像素的所述第二子像素的第二信号来校正来自所述第一成像像素的所述第一子像素的第一信号。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述第一敏感度高于所述第二敏感度，并且其中所述处理电路被配置为从所述第一信号减去所述第二信号，以至少基于所述第二信号来校正所述第一信号。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述处理电路被配置为将所述第一信号和所述第二信号中的至少一者与阈值进行比较，并且其中所述处理电路被配置为响应于确定所述第一信号和所述第二信号中的至少一者小于所述阈值来至少基于所述第二信号校正所述第一信号。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，还包括：

多个参考像素，所述多个参考像素被屏蔽以防止所述入射光，其中所述处理电路被配置为基于来自所述多个参考像素中的至少一个参考像素的第四信号来校正来自第二成像像素的所述第一子像素的第三信号，其中所述处理电路被配置为将来自所述第二成像像素的所述第二子像素的所述第三信号和第五信号中的至少一者与所述阈值进行比较，并且其中所述处理电路被配置为响应于确定所述第三信号和所述第五信号中的所述至少一者大于所述阈值来基于所述第四信号校正所述第三信号。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述处理电路被配置为基于平均信号值来校正所述第一信号，并且其中所述平均信号值是来自包括所述第一成像像素的多个成像像素的第二子像素的信号的平均值。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述多个成像像素是成像像素的正方形网格，并且其中所述第一成像像素在成像像素的所述正方形网格的中心处。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中每个成像像素的所述第一子像素围绕所述成像像素的所述第二子像素，并且其中每个成像像素被具有开口的环形微透镜覆盖，所述开口与所述成像像素的所述第二子像素重叠。

8.一种图像传感器，包括：

成像像素阵列，其中每个成像像素被配置为生成高感光度信号和低感光度信号；

多个暗像素，其中每个暗像素被配置为生成暗像素信号；和

处理电路，所述处理电路被配置为对于所述成像像素阵列中的每个成像像素：

将基于所述高感光度信号和所述低感光度信号中的至少一者的值与阈值进行比较；

当所述值小于所述阈值时，至少基于相应成像像素的所述低感光度信号来修改所述相应成像像素的所述高感光度信号；以及

当所述值大于所述阈值时，基于至少一个暗像素信号来修改所述相应成像像素的所述高感光度信号。

9.一种操作图像传感器的方法，所述图像传感器包括具有响应于入射光而生成电荷的第一光敏区域和第二光敏区域的成像像素阵列，所述方法包括：

确定所述入射光的电平是否低于每个成像像素的阈值；以及

当所述入射光的所述电平低于相应成像像素的所述阈值时，至少基于来自所述相应成像像素的所述第二光敏区域的信号来校正来自所述相应成像像素的所述第一光敏区域的信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述图像传感器包括暗像素，所述暗像素被屏蔽以防止所述入射光，所述方法还包括：

当所述入射光的所述电平不低于所述相应成像像素的所述阈值时，基于来自所述暗像素的信号的平均值来校正来自所述相应成像像素的所述第一光敏区域的信号。

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