CN111602386B - 缓解运动图片的led频闪 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于拍摄运动图片的设备、一种用于拍摄运动图片的方法、以及新颖的像素传感器阵列。该设备包括矩形成像阵列、多个列处理电路、和控制器。矩形成像阵列的特征在于具有多个行和多个列的UHDR像素传感器、以及多个读出线、和多个行选择线。每个列处理电路连接至多个读出线中的相应一个。控制器使矩形成像阵列测量由脉动光源照明的场景的多个图像，该脉动光源的特征在于具有照明时段和暗时段。每个图像在包括曝光时段和停滞时段的帧时段中生成，该停滞时段小于暗时段。

Description

缓解运动图片的LED频闪
技术领域
本发明涉及缓解运动图片的LED频闪。
背景技术
功率节能、高亮度和长寿命使LED成为许多应用中的首选光源，包括路灯、刹车灯、汽车前灯、汽车刹车灯、道路标牌、商店标牌等。设置来自LED的光强度的典型方法是用恒定电流驱动LED并调节LED点亮的时间的部分。这称为脉冲宽度调制(PWM)驱动器方案。该方案允许LED以最佳驱动电流工作，并以低功耗提供所需的亮度。脉冲也有助于保持较低的工作温度并延长LED寿命。每个制造商和每个应用趋向于达到不同的最佳频率和占空比。
虽然照明的脉动性质对于人眼来说不是问题，人眼不能以用于控制LED的频率来检测脉冲，但是当使用典型的数字传感器拍摄场景的图像或视频并使用PWM驱动一个或多个LED照明场景时，这些脉冲出现了问题。LED可在很宽的频率和占空比范围内工作。此外，当多个LED工作时，光源通常彼此不同步。因此，当使用典型的数字传感器甚至是具有高动态范围(HDR)的数字传感器拍摄场景的图像或视频时，很有可能特定帧捕获要么错过一个脉冲或错过完全一组脉冲，要么饱和并泛光到相邻像素中，从而破坏信息。在单张照片快照中，图片可能仅仅是错误的或不能代表场景。在视频流中，可以获得稳定光源的随机闪烁，LED标牌的缺失部分使标牌不可读，或者对实际闪烁的信号的解析不正确。
当使用以这种方式操作的LED拍摄场景的数字图像时，通常需要HDR曝光以捕获各种阴影、中间色调、和高光(以及LED的极亮输出)。此HDR图像通常会在较大的帧时段内转换为非常短的曝光，从而不会在图片的LED部分中饱和和泛光。这会导致LED闪烁，其中从一帧到另一帧，短暂曝光会捕获或错过LED源的“开启”时间。这种闪烁在系统(例如自动驾驶汽车系统)夜间运行时表现出显著的问题，因为缺少帧意味着该系统在整个帧时段内都是失明的。
发明内容
本发明包括用于拍摄运动图像的设备、用于拍摄运动图像的方法、以及新颖的像素传感器阵列。根据本发明的设备包括矩形成像阵列、多个列处理电路、和控制器。矩形成像阵列的特征在于具有多个行和多个列的超高动态范围(UHDR)像素传感器、多个读出线、和多个行选择线。每个列处理电路连接至多个读出线中的相应一个。控制器使矩形成像阵列测量场景的多个图像，该场景的多个图像由脉动光源来照明，该脉动光源的特征在于具有照明时段和暗时段。在帧时段中生成的每个图像包括曝光时段和停滞时段，该停滞时段小于暗时段。
在本发明的一方面，曝光时段与照明时段不同步。
在本发明的另一方面，控制器使矩形成像阵列在卷帘快门模式下被读出。
在本发明的另一方面，UHDR像素包括浮动扩散节点、主光电二极管以及与浮动扩散节点相关联的寄生光电二极管。
在本发明的另一方面，控制器使矩形阵列在全局快门模式下被读出。
在本发明的另一方面，UHDR像素包括光电二极管和电容器，该电容器捕获当光电二极管饱和时从光电二极管溢流的电荷。
在本发明的另一方面，UHDR像素包括：光电二极管；浮动扩散节点；缓冲器，其连接至浮动扩散节点，该缓冲器产生像素输出信号，该像素输出信号的电压是浮动扩散节点上电压的单调函数；位线栅极，其响应于行选择信号而将像素输出信号连接至位线；第一复位栅极，其响应于复位信号而将浮动扩散节点连接至第一复位电压源；第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将光电二极管连接至浮动扩散节点；溢流电容器，其通过第二传输栅极连接至浮动扩散节点，该第二传输栅极响应于第二传输信号而将溢流电容器连接至浮动扩散节点；和溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将光电二极管连接至溢流电容器。在本发明的另一方面，每个UHDR像素还包括第二复位栅极，该第二复位栅极将光电二极管和溢流电容器连接至复位电压，而不将复位电压施加至浮动扩散节点。
本发明还包括一种用于操作具有矩形成像阵列的照相机的方法，该矩形成像阵列的特征在于具有多个行和多个列的UHDR像素传感器、以及控制器，该控制器使矩形成像阵列测量由脉动光源来照明的场景的多个图像，该脉动光源的特征在于具有照明时段和暗时段。该方法包括在包括曝光时段和停滞时段的帧时段中生成每个图像，该停滞时段小于暗时段。
在本发明的另一方面，曝光时段与照明时段不同步。
在本发明的另一方面，如果曝光时段包括多个照明脉冲或者曝光时段等于照明时段减去暗时段，则UHDR像素传感器具有足够的动态范围以捕获图像。
在本发明的另一方面，在全局快门模式下读出矩形阵列。
在本发明的另一方面，在卷帘快门模式下读出矩形阵列。
本发明还包括成像阵列，该成像阵列具有连接至位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，该光电检测器包括光电二极管、浮动扩散节点和连接至浮动扩散节点的缓冲器，该缓冲器产生像素输出信号，像素输出信号的电压是浮动扩散节点上电压的单调函数。光电检测器还包括：位线栅极，其响应于行选择信号而将像素输出信号连接至位线；以及第一复位栅极，其响应于第一复位信号而将浮动扩散节点连接至第一复位电压源。光电检测器还包括：第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将光电二极管连接至浮动扩散节点；溢流电容器，其经由第二传输栅极连接至浮动扩散节点，该第二传输栅极响应于第二传输信号而将溢流电容器连接至浮动扩散节点；溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将光电二极管连接至溢流电容器；以及第二复位栅极，其响应于施加到第二复位栅极和溢流传输栅极的第二复位信号而将溢流电容器和溢流传输栅极连接至第一复位电压源。
在本发明的另一方面，当由光电二极管产生的电荷超过溢流阈值时，将溢流传输栅极信号调整为使得电荷流到溢流电容器而不是浮动扩散节点的水平。
在本发明的另一方面，缓冲器包括源极跟随器，该源极跟随器具有连接至浮动扩散节点的栅极。
在本发明的另一方面，控制器产生第一和第二采样信号、复位信号、第一和第二传输信号、以及溢流传输栅极信号。
在本发明的另一方面，控制器使每个像素传感器中的光电二极管和溢流电容器复位至复位电压，而无需将光电二极管或溢流电容器连接至浮动扩散节点。在本发明的另一方面，控制器将每个像素传感器中的光电二极管从浮动扩散节点隔离，从而使由撞击光电二极管的光而产生的光电荷首先积累在光电二极管上，直到光电二极管达到预定的存储光电荷水平，任何超出此预定水平的多余光电荷都将存储在溢流电容器上。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的二维成像阵列。
图2是成像阵列中一列像素传感器中的典型现有技术像素传感器的示意图。
图3示出了像素传感器，其中在图像测量中利用了寄生光电二极管。
图4示出了根据本发明另一实施例的UHDR像素。
具体实施方式
为了简化以下讨论，将像素传感器定义为将入射在其上的光转换成电信号的电路，该电信号的大小由一段时间内入射在该电路上的光量而确定，称为曝光。像素传感器具有栅极，该栅极响应于行选择线上的信号而将该电信号耦合至读出线。
矩形成像阵列被定义为组织为多个行和列的像素传感器的多个像素传感器。矩形阵列包括多个读出线和多个行选择线，每个像素传感器连接至一个行选择线和一个读出线，由该像素产生的电信号响应于与该像素传感器相关联的行选择线上的信号而连接至与该像素相关联的读出线。
参考图1，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，该图示出了根据本发明的一个实施例的二维成像阵列。矩形成像阵列80包括诸如像素传感器81的传感器。每个像素传感器具有主光电二极管86和寄生光电二极管91。下面将更详细地讨论像素传感器的操作方式。每个像素中的复位电路和放大电路在87处示出。像素传感器被布置为多个行和列。在94和95处示出了示例性的行。一列中的每个像素传感器连接至由该列中的所有像素传感器共享的读出线83。一行中的每个像素传感器连接至行选择线82，该行选择线82确定该行中的像素传感器是否连接至相应的读出线。
矩形成像阵列80的操作由接收要读出的像素地址的控制器92来控制。控制器92生成行选择地址，行解码器85使用该行选择地址来启用对矩形成像阵列80中相应行上的像素传感器的读出。列放大器包括在执行读出算法的列放大器84的阵列中，读出算法将在下面更详细地讨论。一组校准源极96允许测量和校正列放大器中的差异。给定行中的所有像素传感器都是并行读取的；因此，每个读出线83有一个列放大和模数转换器(ADC)电路。列处理电路将在下面更详细地讨论。
当矩形成像阵列80被复位然后在成像曝光期间被曝光时，每个光电二极管累积取决于该曝光和该光电二极管的光转换效率的电荷。当读出与该光电二极管相关联的像素传感器的行时，该电荷由该像素传感器中的复位和放大电路87将该电荷转换为电压。该电压耦合到相应的读出线83，并由与所讨论的读出线相关联的放大和ADC电路处理，以产生表示在成像曝光期间入射在像素传感器上的光量的数字值。
运动图片是一系列帧，每个帧包括像素传感器的整个矩形阵列的读出。每个帧中都有一个时段，其中成像阵列未测量光。该时间称为阵列的停滞时间。阵列的最大曝光量由帧速率和停滞时间确定。
有两种类型的读出方案，称为全局快门和卷帘快门。在全局快门方案中，同时复位阵列的所有行，使其暴露于来自图像的光。在预定的曝光时间之后，累积的光电荷被传输到每个像素传感器中的浮动扩散节点，所传输的电荷一次测量一行。
在卷帘快门照相机中，在阵列中顺序地处理每一行。该处理开始于将光电荷传输到浮动扩散节点，该处理结束于该行的当前曝光。然后读出电荷，并在由所需曝光时间确定的预定时间之后将光电二极管复位，并允许其累积下一帧的光电荷。
在现有技术中，这两种方案对于每行像素都具有共同的曝光时间，并且该曝光小于所选帧速率所允许的最大曝光时间。在下面的讨论中，最大可能曝光与实际曝光时间之间的时间将称为停滞时间。在闪光灯照明应用中，在此停滞时间期间发生的任何照明脉冲会丢失或仅部分有效地照明感兴趣的场景。如果照相机与照明源不同步，则场景将出现闪烁。此外，如果该帧的脉冲完全在停滞时间内发生，则某些帧可能会完全丢失。在自动驾驶车辆中，这种丢失的帧会导致计算机失明，这给自动驾驶车辆带来了显著的安全问题。
本发明基于以下观察：可以通过使用曝光方案来避免丢失帧，在该方案中，快门在基本上所有曝光期间都有效地打开，除了电荷传输到要测量的浮动扩散节点的短时间内以外。即使在读出时间很长的情况下，下一帧也将开始并且光电二极管将积累光，因此不会丢失任何脉冲。
这种方案的挑战在于过度暴露的可能性。如果场景由多个脉冲式非同步光源照亮，则可以在同一次曝光中捕获多个脉冲，从而导致图像在明亮的位置泛光。本发明通过使用具有足够的动态范围以捕获每个像素接收的光的UHDR像素设计来克服该问题，即使常规像素在过度曝光期间会饱和。为了本讨论的目的，将UHDR像素传感器定义为具有一个或多个光电二极管的像素传感器，该光电二极管用于在曝光期间测量由像素传感器接收的光。UHDR像素传感器可以测量的曝光范围大于传感器中的一个光电二极管可以测量的曝光范围，而不会导致该光电二极管饱和。
像素的动态范围是像素在不饱和的情况下可以测量的最大曝光量除以像素在噪声上可以测量的最小曝光量之比。在非UHDR像素中，光电二极管将在最高曝光下饱和，并且所有剩余的曝光都会丢失。在多光电二极管UHDR像素中，当光电二极管饱和时，使用具有较低的光与光电荷转换比的第二光电二极管来测量光，或者将从第一光电二极管溢流的光电荷捕获到电容器上并添加到饱和光电二极管上的光电荷中。在单个光电二极管UHDR像素中，溢流的电荷在电容器上捕获，并在UHDR像素的读出时添加到光电二极管中剩余的电荷中。
使用UHDR像素阵列的挑战在于在传统的制造过程中提供电容器或第二光电二极管而基本不改变像素阵列的面积。考虑将常规第二光电二极管添加到每个像素的实施例。光转化率的优选比率为约30:1。因此，第二光电二极管将需要具有传统光电二极管的面积的1/30的面积。制作如此小的光电二极管在当前的制造工艺中提出了重大挑战。如果降低第二光电二极管的每单位面积的光转换效率以增加其面积以适应制造限制，则像素的面积将显著增加，从而导致额外的成本。
类似地，为存储有溢流电荷的每个像素增加一个电容器需要将光电二极管连接至浮动扩散节点的第二传输栅极和用于电容器的空间。面积和相关成本再次增加。
用于本发明的UHDR的优选实施例利用与每个像素中的浮动扩散节点相关联的寄生二极管来提供第二光电二极管。参考图2，可以更容易地理解该UHDR实现其优点的方式。图2是成像阵列中的一列像素传感器中的典型现有技术像素传感器的示意图。像素传感器21包括光电二极管22，该光电二极管22测量图像中的相应像素处的光强度。首先，通过将栅极25置于导通状态并将浮动扩散节点23连接至复位电压Vr来复位光电二极管22。然后关闭栅极25，并允许光电二极管22积累光电子。栅极27上的电势设置可以在光电二极管22上累积的最大电荷量。如果累积的电荷量超过栅极27上的电势所允许的电荷，则多余的电荷会通过栅极27分流至电源线，以避免泛光。
在光电二极管22已经曝光之后，通常通过注意当来自光电二极管22的累积电荷传输到浮动扩散节点23时浮动扩散节点23上的电压变化来测量光电二极管22中累积的电荷。浮动扩散节点23的特征在于具有由电容器23'代表的电容。实际上，在将浮动扩散节点23连接至光电二极管22之前，电容器23'被充电到电压Vr并且通过对栅极24的复位线进行脉冲化而隔离。当栅极25打开时，累积在光电二极管22上的电荷被传输到浮动扩散节点23。浮动扩散节点23上的电压足以去除所有这些电荷，使浮动扩散节点23上的电压减小了取决于传输的电荷量和电容器23'的电容的量。因此，通过在栅极25打开之后测量浮动扩散节点23上的电压变化，可以确定累积的电荷。
如果浮动扩散节点23上的复位电压可充分再现，则复位后浮动扩散节点上的电压的单次测量就足够了。但是，噪声导致复位电压的微小变化。如果此噪声很大，则使用相关的双采样算法。在该算法中，首先使用复位栅极24将浮动扩散节点23复位到Vr。然后，通过将选择信号施加到线28到读出栅极，将源极跟随器26连接至读出线31，来测量浮动扩散节点23上的电势。此复位电势存储在列放大器32中。接下来，栅极25处于导通状态，光电二极管22中累积的电荷被传输到浮动扩散节点23。应注意，浮动扩散节点23实际上是已充电至Vr的电容器。因此，离开光电二极管22的电荷使浮动扩散节点23上的电压降低了取决于浮动扩散节点23的电容和所传输电荷量的量。传输之后再次测量浮动扩散节点23上的电压。然后，将电压差用于计算曝光期间累积的电荷量。
本发明基于以下观察：可以将上述类型的像素修改为包括第二寄生光电二极管，该第二寄生光电二极管是浮动扩散节点的一部分并且具有显著的光电二极管检测效率。该第二光检测器不会显著增大像素的尺寸，因此，本发明提供了双光电二极管像素的优点，而不会显著增大像素的尺寸。
为了将寄生光电二极管与光电二极管22区分开，光电二极管22和起类似功能的光电二极管将被称为“常规光电二极管”。现在参考图3，其示出了像素传感器，其中在图像测量中利用了寄生光电二极管。为了简化下面的讨论，像素传感器41中起到与以上关于图1所讨论的功能类似的功能的那些元件已经被赋予相同的附图标记，并且将不进行进一步的讨论，除非这种讨论对于说明这些元件被利用的新方式来说是必要的。通常，寄生光电二极管42的检测效率显著低于光电二极管22的检测效率。在于2015年1月7日提交的共同临时美国专利申请14/591,873中更详细地讨论了调节两个光电二极管的光电二极管检测效率之比的方式。在一个示例性实施例中，主光电二极管与寄生光电二极管的转换效率之比为30:1。该比率为20:1或15:1的其它实施例是有用的。
现在将更详细地说明在本发明的一个实施例中利用像素传感器41测量像素的强度的方式。从完成最后的图像读出操作之后的像素复位开始，可以更容易地理解该过程。最初，主光电二极管22复位为Vr，栅极25关闭。这也使浮动扩散节点43复位为Vr。如果要进行相关的双采样测量，则在曝光开始时通过将浮动扩散节点43连接至列放大器170来测量该电压。否则，将使用先前对复位电压的电压测量。在图像曝光期间，寄生光电二极管42产生存储在浮动扩散节点43上的光电子。这些光电子降低浮动扩散节点43上的电势。在曝光结束时，通过将源极跟随器26的输出连接至列放大器170来测量浮动扩散节点43上的电压，确定由寄生光电二极管42产生的电荷量以提供第一像素强度值。接下来，将浮动扩散节点43再次复位为Vr，并且通过将源极跟随器26的输出连接至列放大器170来测量浮动扩散节点43上的电势。然后，将栅极25置于导通状态，并且由主光电二极管22累积的光电子被传输到浮动扩散节点43。然后，再次测量浮动扩散节点43上的电压，并且列放大器170使用该电压来计算第二像素强度值。
如果在相应像素上的光强度高，则主光电二极管22将溢流；然而，具有低得多的转换效率的寄生光电二极管42将具有在期望范围内的值。另一方面，如果光强度低，则在寄生光电二极管42上累积的光电子将不足以提供可靠的估计，并且将利用来自主光电二极管22的测量。
在卷帘快门系统中与基于图3所示的像素传感器的阵列相关的停滞时间是读出像素传感器所需的时间。该时间对应于以上述方式读出寄生光电二极管然后读出主光电二极管的时间。
理想地，每个像素传感器与每个其它像素传感器相同，在读出期间被复位为相同的电压，并且当没有光入射在矩形成像阵列80上时产生零信号值。此外，在理想条件下，每列应用电路与所有其它列放大电路相同。从光电二极管的曝光到最终数字值的处理链中共有四个模拟转换因子。这些是光电二极管的光电荷转换效率。电荷到电压的转换在像素复位和放大电路87中，并且在列处理电路中存在电压放大电路。这些模拟转换因子的差异会引起固定模式噪声(FPN)。FPN可以取决于随时间变化的因子，也可以取决于进行曝光时成像阵列的温度。
除了FPN之外，还必须降低其它噪声因子以获得与散粒噪声相比较小的噪声因子。复位噪声就是此类噪声的一个示例。参照示出了现有技术像素传感器的图2，可以更容易地理解产生复位噪声的方式。图2是成像阵列中的一列像素传感器中的典型现有技术像素传感器的示意图。像素传感器21包括光电二极管22，该光电二极管22测量图像中的对应像素处的光强度。首先，通过将栅极25置于导通状态并将浮动扩散节点23连接至复位电压Vr来复位光电二极管22。然后关闭栅极25，并允许光电二极管22积累光电子。栅极27上的电势设置了可以在光电二极管22上累积的最大电荷量。如果累积的电荷超过栅极27上电势所允许的电荷，则多余的电荷将通过栅极27分流到电源轨。
在光电二极管22已经曝光之后，通常通过注意当来自光电二极管22的累积电荷传输到浮动扩散节点23时浮动扩散节点23上的电压变化来测量光电二极管22中累积的电荷。浮动扩散节点23的特征在于具有由电容器23'代表的电容。实际上，在将浮动扩散节点23连接至光电二极管22之前，电容器23'被充电到电压Vr并且通过对栅极24的复位线进行脉冲化而隔离。当栅极25打开时，累积在光电二极管22上的电荷被传输到浮动扩散节点23。浮动扩散节点23上的电压足以去除所有这些电荷，使浮动扩散节点23上的电压减小了取决于传输的电荷量和电容器23'的电容的量。因此，通过在栅极25打开之后测量浮动扩散节点23上的电压变化，可以确定累积的电荷。
如果浮动扩散节点23上的复位电压可充分再现，则复位后浮动扩散节点上的电压的单次测量就足够了。但是，噪声导致复位电压的微小变化。如果此噪声很大，则使用相关的双采样算法。在该算法中，首先使用复位栅极24将浮动扩散节点23复位到Vr。然后，通过将选择信号施加到线28到读出栅极，将源极跟随器26连接至读出线31，来测量浮动扩散节点23上的电势。此复位电势存储在列放大器32中。接下来，栅极25处于导通状态，光电二极管22中累积的电荷被传输到浮动扩散节点23。应注意，浮动扩散节点23实际上是已充电至Vr的电容器。因此，离开光电二极管22的电荷使浮动扩散节点23上的电压降低了取决于浮动扩散节点23的电容和所传输电荷量的量。传输之后再次测量浮动扩散节点23上的电压。然后，将电压差用于计算曝光期间累积的电荷量。
本发明基于以下观察：可以将上述类型的像素修改为包括第二寄生光电二极管，该第二寄生光电二极管是浮动扩散节点的一部分并且具有显著的光电二极管检测效率。该第二光检测器不会显著增大像素的尺寸，因此，本发明提供了双光电二极管像素的优点，而不会显著增大像素的尺寸。
应该注意的是，直到已经测量了寄生光电二极管的光电荷之后，才能将用于主光电二极管的光电荷传输到浮动扩散节点。一旦测量到寄生光电荷，就复位浮动扩散节点，并将主光电二极管光电荷传输到浮动扩散节点。此时，主光电二极管可以通过栅极27复位；然而，只有在浮动扩散节点上的电荷已被读出并且浮动扩散节点已被复位之后，才能开始曝光。一旦浮动扩散节点被复位并测量了复位电压，就可以开始下一帧的曝光。因此，停滞时间是读出像素所需的总时间。因此，只要停滞时间小于一个光脉冲的持续时间，就不会错过下一个光脉冲。因此，本发明可以在卷帘快门系统中提供显著的优点。
使用双光电二极管像素传感器的全局快门成像器具有显著更长的停滞时间，因此不是此类像素传感器的优选实施例。在全局快门布置中，必须在下一个帧曝光开始之前读出整个阵列。因此，停滞时间是读出整个帧所需的时间。如果阵列中有N个线，则停滞时间将是卷帘快门实施例中的停滞时间的N倍。但是，如果停滞时间仍显著小于光脉冲持续时间，则不会完全丢失任何帧。
虽然两个光电二极管UHDR像素传感器对于具有扩展曝光的全局快门阵列来说不是最佳的，但是其它形式的UHDR像素可以用于全局快门阵列中，并且仍然具有减少停滞时间的优点。现在参考图4，其示出了根据本发明另一实施例的UHDR像素。像素60包括在曝光期间产生光电荷的光电二极管71。传输栅极12允许响应于信号Tx1将累积的电荷从光电二极管71传输到浮动扩散节点13。为了本讨论的目的，浮动扩散节点被定义为不与电源轨绑定或由另一电路驱动的电节点。浮动扩散节点13的特征在于具有电容CFD的寄生电容器14。浮动扩散节点13也可以具有寄生光电二极管；然而，在该实施例中，像素传感器被屏蔽，使得光不到达浮动扩散节点。当栅极12处于导通状态时，在光电二极管71上收集的光电荷将浮动扩散节点13的电压从传输之前设置的复位电压值而发生改变。浮动扩散节点电压的减小量提供了对传输的光电荷的测量。
复位栅极16用于在电荷被传输之前设置浮动扩散节点13上的电压。浮动扩散节点13上的电压被源极跟随器晶体管17放大。当要读出像素60时，栅极晶体管18上的信号将源极跟随器晶体管17的输出连接至位线19，该位线19由所有给定列中的像素传感器所共享。为了本讨论的目的，位线被定义为由多个列像素传感器共享的导体，并承载用于指示通过传输栅极连接至位线的像素传感器中的浮动扩散节点处的电压的电压信号。每个位线终止于包括位线放大器50的列处理电路中。
像素60还包括溢流电容器61，其在光电二极管71饱和之后收集由光电二极管71产生的光电荷。在曝光开始时，光电二极管71和溢流电容器61被设置为由Vr确定的复位电压。随着光电荷累积在光电二极管71上，光电二极管71上的电压会降低，直到光电二极管71达到由栅极15上的栅极电压确定的值为止。任何额外光电荷都通过溢流线66和栅极62的寄生电容流经栅极15并流到溢流电容器61和寄生电容器14(即，浮动扩散节点13的寄生电容)的组合上，栅极62在整个曝光期间保持导通状态。
在曝光结束时，溢流电荷将在溢流电容器61与寄生电容器14之间分配。浮动扩散节点上的电压将减小一个量，该量取决于溢流电荷和电容器61和14的电容总和。如果打开栅极12或15，则残留在光电二极管71上的电荷也将被扫到寄生电容器14和复位栅极16上，因此，浮动扩散节点13上的电压将反映在曝光期间产生的总的光电荷。如果现在将栅极12和62置于非导通状态，则浮动扩散节点13上的电压将继续表示在曝光期间产生的所有光电荷。
应当注意，从光电二极管71到浮动扩散节点13的电荷传输可以在阵列中的所有像素上同时执行。此外，光电二极管71和溢流电容器61从浮动扩散节点13隔离，并且可以通过栅极76复位。一旦栅极76不导通，就可以开始新的曝光。在新的曝光期间，浮动扩散节点上的电压可以一次读出一行，因此，停滞时间是将电荷从光电二极管71传输到浮动扩散节点13的时间，与照亮场景的光脉冲的持续时间相比很小。
随着每个像素传感器的读出，浮动扩散节点13上的电压被复位为Vr，并被测量以用于测量当前曝光的光电荷。最后，将栅极62置于导通状态，从而可以将溢流的光电荷存储在并联的电容器上。
在上述实施例中，使用源极跟随器缓冲器来读出浮动扩散节点上的电压。但是，可以将其它形式的缓冲器用于此目的，包括电容性跨阻放大器。
已经提供了本发明的上述实施例以说明本发明的各个方面。然而，应当理解，可以将在不同的特定实施例中示出的本发明的不同方面进行组合以提供本发明的其它实施例。另外，从前述说明和附图，对本发明的各种修改将变得显而易见。因此，本发明仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims (15)

1.一种用于拍摄运动图像的设备，包括：
矩形成像阵列，其特征在于，具有多个行和多个列的UHDR像素传感器、以及多个读出线、多个行选择线；
多个列处理电路，每个该列处理电路连接至所述多个读出线中的相应一个；和
控制器，其使所述矩形成像阵列测量被脉动光源照亮的场景的多个图像，所述脉动光源的特征在于具有照明时段和暗时段，所述多个图像中的每个图像在包括曝光时段和停滞时段的帧时段中生成，所述停滞时段小于所述暗时段，
其中，所述控制器使所述矩形成像阵列在全局快门模式下被读出，
所述UHDR像素传感器包括光电二极管和溢流电容器，所述溢流电容器捕获当所述光电二极管饱和时从所述光电二极管溢流的电荷，
所述UHDR像素传感器包括：
浮动扩散节点；
缓冲器，其连接至所述浮动扩散节点，该缓冲器产生像素输出信号，该像素输出信号的电压是所述浮动扩散节点上电压的单调函数；
位线栅极，其响应于行选择信号而将所述像素输出信号连接至所述位线；
第一复位栅极，其响应于复位信号而将所述浮动扩散节点连接至第一复位电压源；
第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将所述光电二极管连接至所述浮动扩散节点；
所述溢流电容器通过第二传输栅极连接至所述浮动扩散节点，该第二传输栅极响应于第二传输信号而将所述溢流电容器连接至所述浮动扩散节点；和
溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将所述光电二极管连接至所述溢流电容器，
每个UHDR像素还包括第二复位栅极，所述第二复位栅极将所述光电二极管和所述溢流电容器连接至复位电压，而不将所述复位电压施加至所述浮动扩散节点。
2.根据权利要求1所述的用于拍摄运动图像的设备，其中，所述曝光时段与所述照明时段不同步。
3.根据权利要求1所述的用于拍摄运动图像的设备，其中，所述控制器使所述矩形成像阵列在卷帘快门模式下被读出。
4.根据权利要求3所述的用于拍摄运动图像的设备，其中，所述UHDR像素传感器包括浮动扩散节点、主光电二极管、以及与所述浮动扩散节点相关联的寄生光电二极管。
5.一种用于操作具有矩形成像阵列的照相机的方法，该矩形成像阵列的特征在于具有多个行和多个列的UHDR像素传感器、以及控制器，该控制器使所述矩形成像阵列测量由脉动光源来照明的场景的多个图像，该脉动光源的特征在于具有照明时段和暗时段，所述方法包括在包括曝光时段和停滞时段的帧时段中生成所述多个图像中的每个图像，所述停滞时段小于所述暗时段，
其中，所述控制器使所述矩形成像阵列在全局快门模式下被读出，
所述UHDR像素传感器包括光电二极管和溢流电容器，所述溢流电容器捕获当所述光电二极管饱和时从所述光电二极管溢流的电荷，
所述UHDR像素传感器包括：
浮动扩散节点；
缓冲器，其连接至所述浮动扩散节点，该缓冲器产生像素输出信号，该像素输出信号的电压是所述浮动扩散节点上电压的单调函数；
位线栅极，其响应于行选择信号而将所述像素输出信号连接至所述位线；
第一复位栅极，其响应于复位信号而将所述浮动扩散节点连接至第一复位电压源；
第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将所述光电二极管连接至所述浮动扩散节点；
所述溢流电容器通过第二传输栅极连接至所述浮动扩散节点，该第二传输栅极响应于第二传输信号而将所述溢流电容器连接至所述浮动扩散节点；和
溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将所述光电二极管连接至所述溢流电容器，
每个UHDR像素还包括第二复位栅极，所述第二复位栅极将所述光电二极管和所述溢流电容器连接至复位电压，而不将所述复位电压施加至所述浮动扩散节点。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述曝光时段与所述照明时段不同步。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，如果所述曝光时段包括多个照明脉冲或者所述曝光时段等于所述照明时段减去所述暗时段，则所述UHDR像素传感器具有足够的动态范围以捕获所述多个图像中的每一个图像。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，在全局快门模式下读出所述矩形成像阵列。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，在卷帘快门模式下读出所述矩形成像阵列。
10.一种成像阵列的设备，包括连接至位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，所述光电检测器包括：
光电二极管；
浮动扩散节点；
缓冲器，其连接至所述浮动扩散节点，所述缓冲器产生像素输出信号，该像素输出信号的电压是所述浮动扩散节点上的电压的单调函数；
位线栅极，其响应于行选择信号而将所述像素输出信号连接至所述位线；
第一复位栅极，其响应于第一复位信号而将所述浮动扩散节点连接至第一复位电压源；
第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将所述光电二极管连接至所述浮动扩散节点；
溢流电容器，其通过第二传输栅极而连接至所述浮动扩散节点，所述第二传输栅极响应于第二传输信号而将所述溢流电容器连接至所述浮动扩散节点；
溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将所述光电二极管连接至所述溢流电容器；和
第二复位栅极，其响应于施加到所述第二复位栅极和所述溢流传输栅极的第二复位信号而将所述溢流电容器和所述溢流传输栅极连接至所述第一复位电压源。
11.根据权利要求10所述的成像阵列的设备，其中，当由所述光电二极管产生的电荷超过溢流阈值时，将所述溢流传输栅极信号调整为使得电荷流到所述溢流电容器而不是所述浮动扩散节点的水平。
12.根据权利要求10所述的成像阵列的设备，其中，所述缓冲器包括源极跟随器，该源极跟随器的栅极连接至所述浮动扩散节点。
13.根据权利要求10所述的成像阵列的设备，其进一步包含控制器，该控制器产生所述第一和第二采样信号、所述复位信号、所述第一和第二传输信号、以及所述溢流传输栅极信号。
14.根据权利要求13所述的成像阵列的设备，其中，所述控制器使每个所述像素传感器中的所述光电二极管和所述溢流电容器被复位为复位电压，而无需将所述光电二极管或所述溢流电容器连接至所述浮动扩散节点。
15.根据权利要求14所述的成像阵列的设备，其中，所述控制器将所述光电二极管从每个所述像素传感器中的所述浮动扩散节点隔离，从而使由撞击所述光电二极管的光而产生的光电荷首先累积在所述光电二极管上，直到所述光电二极管达到预定的存储光电荷水平，任何超出该预定水平的多余光电荷都存储在所述溢流电容器上。
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