CN112788258B - 用于高动态范围图像传感器的多单元像素阵列 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于高动态范围图像传感器的多单元像素阵列。一种像素包含多个光电二极管的阵列。所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管。所述多个光电二极管包含具有第一表面积的一组第一光电二极管和具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管。所述第一光电二极管经布置以相对于所述至少一个第二光电二极管对称。输出电路系统电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者。开关选择性地以可操作方式闭合以将所述输出电路系统电耦合到所述第二光电二极管。

Description

用于高动态范围图像传感器的多单元像素阵列

技术领域

本发明大体上涉及图像传感器，且更具体地说，涉及高动态范围图像传感器。

背景技术

标准图像传感器具有大约60到70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度动态范围要大得多。例如，自然场景通常跨越90dB以及更大的范围。为了同时捕捉强光和暗影，高动态范围(HDR)技术已在图像传感器中使用以增大捕捉的动态范围。增大动态范围的最常见技术是将使用标准(低动态范围)图像传感器利用不同曝光设置捕捉的多重曝光合并到单个线性HDR图像中，这会得到比单次曝光图像大得多的动态范围图像。

另一HDR技术将不同的曝光积分时间或不同的感光度(例如通过插入中性密度滤光片)并入到单个图像传感器中。所述单个图像传感器实际上可在单个图像传感器中具有2、3、4或甚至更多次不同曝光。因此，使用此HDR图像传感器可在单次拍摄中获得多重曝光图像。然而，与普通全分辨率图像传感器相比，使用此HDR传感器会减小总体图像分辨率。举例来说，对于将4次不同曝光组合到一个图像传感器中的HDR传感器，每个HDR图像将仅为全分辨率图像的四分之一分辨率。

实施HDR图像传感器的其它方法存在许多其它困难。这些其它方法并非空间高效的，且难以小型化到较小间距以实现较高分辨率。另外，由于许多此类HDR图像传感器的布局不对称，减小像素的大小和间距以实现高分辨率图像传感器会导致串扰和其它不合需要的副效应，例如由于间距减小而可能发生在这些图像传感器中的对角眩光。此外，许多HDR图像传感器需要具有极大的满阱容量(FWC)的结构以适应大的动态范围。然而，大FWC要求会造成滞后、白色像素(WP)、暗电流(DC)和其它不良问题。因此，此类其它HDR成像方法因难以调整的高FWC要求而同样不适用于高分辨率。

发明内容

在一个方面，本公开涉及一种像素，其包括：多个光电二极管的阵列，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的一组第一光电二极管和具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管，所述第一光电二极管经布置以相对于所述至少一个第二光电二极管对称；输出电路系统，其电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者；以及开关，其选择性地以可操作方式闭合以将所述输出电路系统电耦合到所述第二光电二极管。

在另一方面，本公开涉及一种用于基于入射到像素上的来光生成输出信号的方法，其中所述像素由多个光电二极管的阵列构成，所述方法包括：在输出电路系统处接收由所述多个光电二极管的所述阵列中的一组第一光电二极管中包含的第一光电二极管中的每一者光生的图像电荷，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的所述一组第一光电二极管，所述多个光电二极管包含具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管，所述第一光电二极管经布置以相对于所述至少一个第二光电二极管对称，其中所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的所述每一者电耦合到所述输出电路系统；选择性地闭合电开关以将所述至少一个第二光电二极管与所述输出电耦合，且在所述电开关选择性地闭合时在所述输出电路系统处接收由所述至少一个第二光电二极管光生的图像电荷；以及基于在所述输出电路系统处接收到的所述图像电荷，生成所述输出信号。

在另一方面，本公开涉及一种高动态范围成像系统，其包括：像素阵列，其中所述像素阵列中的每个像素包含：多个光电二极管的阵列，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的一组第一光电二极管和具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管，所述第一光电二极管经布置以相对于所述至少一个第二光电二极管对称；输出电路系统，其电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者；以及开关，其选择性地以可操作方式闭合以将所述输出电路系统电耦合到所述第二光电二极管；控制电路系统，其电耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路系统，其电耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列接收输出信号，所述读出电路系统将所述接收到的输出信号转换成图像数据。

在另一方面，本公开涉及一种用于基于入射到像素上的光来生成输出信号的方法，其中所述像素由多个光电二极管的阵列构成，所述方法包括：生成由所述多个光电二极管的所述阵列中的一组第一光电二极管中包含的第一光电二极管中的每一者光生的图像电荷，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的所述一组第一光电二极管；生成由所述多个光电二极管内包含的至少一个第二光电二极管光生的图像电荷，所述至少一个第二光电二极管具有小于所述第一表面积的第二表面积，所述第一光电二极管经布置以相对于所述至少一个第二光电二极管对称；选择性地闭合一或多个DFD开关以将所述一组第一光电二极管电耦合到低转换增益电路系统，其中所述像素在所述一或多个DFD开关断开时处于高转换增益状态，且其中所述像素在所述一或多个DFD开关闭合时处于低转换增益状态；在所述输出电路系统处接收来自所述一组第一光电二极管和所述第二光电二极管中的至少一者的图像电荷；以及基于在所述输出电路系统处接收到的所述图像电荷，生成所述输出信号。

附图说明

参考以下图式描述本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另外指定，否则相同参考数字贯穿各视图指代相同部分。

图1是根据本发明的教示的包含围绕小光电二极管布置的多个大光电二极管的示例性像素的布局图。

图2A是根据本发明的教示包含多个光电二极管的实例像素的说明性示意图，所述多个光电二极管包含多个大光电二极管和至少一个小光电二极管。

图2B是根据本发明的教示的包含多个光电二极管以及横向溢流积分电容器(LOFIC)的实例像素的说明性示意图。

图2C是根据本发明的教示的包含多个光电二极管以及可用于选择性地移除与所要波长和/或波长带的光相关联的电信号的滤波器的实例像素的说明性示意图。

图3是展示根据本发明的教示的包含像素阵列的成像系统的框图。

图4是说明具有包含多个大光电二极管和至少一个小光电二极管的多个光电二极管且可根据本发明的教示操作的示例性像素的操作的流程图。

图5是说明具有多个光电二极管以及横向溢流积分电容器(LOFIC)且可根据本发明的教示操作的示例性像素的操作的流程图。

图6是说明具有多个光电二极管以及低转换增益电路系统且可根据本发明的教示操作的示例性像素的操作的流程图。

图7是说明根据本发明的教示操作的示例性像素的动态范围的信噪比(SNR)图。

对应的参考标号贯穿图式的若干视图指示对应的组件。技术人员应了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而示出，且不一定按比例绘制。举例来说，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件而放大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。另外，通常未描绘在商业可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件，以有助于不大受妨碍地查看本发明的这些各种实施例。

具体实施方式

公开涉及具有多个光电二极管的像素阵列的方法和设备，所述多个光电二极管包含围绕至少一个小光电二极管对称地布置的多个大光电二极管。在以下描述中，阐述了许多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有一或多个所述具体细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践本文中所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面混淆不清。

在本说明书通篇中对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在各种位置出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必都是指同一实例。此外，所述特定特征、结构或特性可在一或多个实例中以任何合适的方式组合。

贯穿本说明书，使用若干技术术语。除非本文中特别限定，或其使用情境将清晰地另外表明，否则这些术语将采用其在所属领域中的普通含义。应注意，要素名称和符号在本文件中可互换使用(例如Si与硅)；然而，两者具有相同含义。

图1说明包含多个光电二极管的示例性像素100。多个第一光电二极管102共同形成大光电二极管103。根据本发明的教示，所述多个第一光电二极管102可围绕第二光电二极管布置，所述第二光电二极管形成小光电二极管104。个别第一光电二极管102中的每一者可与小光电二极管104的大小基本上相同(例如具有基本上相同的表面积)。多个第一光电二极管102和小光电二极管104可沿着成像传感器的表面106布置，且可经定位以接收入射到成像传感器表面106上的光。第一光电二极管102和小光电二极管104可为钉扎光电二极管。每个第一光电二极管102可适于响应于入射光而光生图像电荷(例如电荷e-)。此类图像电荷可生成对应的电信号，其中所述电信号的强度可基于由于入射到大光电二极管104上的光而生成的图像电荷量。同样地，小光电二极管104可由于入射到小光电二极管104上的光而光生图像电荷。此类图像电荷可引起小光电二极管104生成电信号，其中所述电信号的强度可基于由于入射到小光电二极管104上的光而生成的图像电荷量。由第一光电二极管102和小光电二极管104生成的电信号可用于生成图像数据。成像传感器的表面106可包含多个示例性像素100。从此类沿着成像传感器的表面106布置的多个像素100生成的图像数据的集合可用于渲染图像。

共同形成沿着成像传感器的表面106布置的大光电二极管103以接收入射光的第一光电二极管102的表面积可大于沿着成像传感器的表面106布置的小光电二极管104的对应表面积。举例来说，在一些情况下，每个第一光电二极管102的间距可大约为1μm。在一些实施方案中，第一光电二极管102中的一或多者的间距可大约为0.9μm和/或0.7μm。在一些实施方案中，像素100中的第一光电二极管102中的每一者的间距可相同。小光电二极管104的间距可与像素100中对应的第一光电二极管102中的每一者的间距相同或基本上相同。

从例如大光电二极管103和/或小光电二极管104的光电二极管生成的图像电荷的量可至少部分地基于经布置以接收入射光的光电二极管的表面积。举例来说，电信号的强度可与经定位以接收入射光的表面积的量成比例，且由此随着所述表面积的量增大而增大。在此类实施方案中，共同形成大光电二极管103的第一光电二极管102可因此共同生成与由接收相同强度的入射光的小光电二极管104生成的电信号相比相对更强的电信号。由此，大光电二极管103可用于感测较暗的低到中强度的光条件，而相对较小的小光电二极管104可用于感测亮的或高强度的光条件。在一些实施方案中，小光电二极管104还可用以捕捉来自发光二极管的闪烁(例如LED闪烁)，而大光电二极管103或可能错过所述闪烁。例如，在一个实例中，小光电二极管104对入射光的曝光时间可相对于大光电二极管103的曝光时间而增大以捕捉LED闪烁(例如～11ms间隔)。对此类LED闪烁的捕捉可适用于例如当示例性像素100用作图像传感器的部分时的各种情况，所述图像传感器在车辆中用以渲染周围环境中的对象的图像以及检测所述对象。第一光电二极管102和小光电二极管104的阵列可用于为像素100提供具有高动态范围(HDR)的图像输出。从光电二极管生成的图像电荷的量还可取决于其它因素，包含例如光电二极管的有效长度。与具有相对较浅有效长度的类似光电二极管相比，具有相对较深有效长度的光电二极管可生成更多图像电荷。

形成大光电二极管103的多个第一光电二极管102和小光电二极管104可共同形成光电二极管阵列108作为像素100的部分。光电二极管阵列108可包含光电二极管的多个行110和/或多个列112。行110和/或列112中的每一者可包含多个光电二极管。举例来说，如图1中所展示，每个行110包含一组三个光电二极管，且每个列112也包含一组三个光电二极管。第一光电二极管102可经布置以关于一或多个对称轴相对于小光电二极管104对称。举例来说，如图1中所展示，第一光电二极管102可围绕小光电二极管104布置以关于第一对称轴114且关于第二对称轴116对称。第一光电二极管102相对于小光电二极管104的此类对称布置可用于减少可能因成角度地(例如45°)入射在成像传感器的表面106上的光而产生的眩光。在一些实施方案中，像素100可包含多个小光电二极管104和多个第一光电二极管102。在此类实施方案中，所述多个第一光电二极管102可经布置以相对于所述多个小光电二极管104中的一或多者对称。

图2A说明包含共同形成大光电二极管203的多个第一光电二极管202和至少一个小光电二极管204的示例性像素200A的示意图。第一光电二极管202中的每一者可使用一或多个第一转接开关208选择性地电耦合到输出电路系统206。此类第一转接开关208可使用例如NMOS晶体管来实施。在一些实施方案中，第一转接开关208中的一或多者可使用控制电路系统(参看例如图3)控制以选择性地在断开状态与闭合状态之间移动。第一转接开关208中的一或多者可闭合以例如为在对应的第一光电二极管202中的每一者处响应于第一光电二极管202上的入射光而生成的图像电荷提供电路径。此类电路径可例如在第一光电二极管202中的一或多者与输出电路系统206之间延伸。

第二转接开关210(图2A中展示了一个)可用于选择性地将对应的小光电二极管204(图2A中展示了一个)电耦合到输出电路系统206。第二转接开关210可使用例如NMOS晶体管来实施。第二转接开关210可使用控制电路系统(参看例如图3)控制以选择性地在断开状态与闭合状态之间移动。第二转接开关210可闭合以例如为在小光电二极管204处响应于小光电二极管204上的入射光而生成的图像电荷提供电路径。此类电路径可例如在小光电二极管204与输出电路系统206之间延伸。

输出电路系统206可选择性地电耦合到第一光电二极管202以及到小光电二极管204。如图2A中说明的实例中所展示，输出电路系统206可包含源极跟随器晶体管214、电压源216和输出节点218。在所描绘的实例中，浮动扩散节点211是输出电路系统206的输入节点，其耦合到源极跟随器晶体管214的栅极端子。输出电路系统206的输出节点218耦合到源极跟随器晶体管214的源极端子。在实例中，浮动扩散节点211经耦合以分别通过第一转接开关208和/或第二转接开关210从第一光电二极管202和/或小光电二极管204接收图像电荷。在此类情况中，由源极跟随器晶体管214在输出节点218处生成的输出信号响应于在耦合到源极跟随器晶体管214的栅极端子的浮动扩散节点211处存在的电荷。

例如，在所描绘实例的操作期间，源极跟随器晶体管214充当响应于浮动扩散节点211中的电荷的缓冲器或放大器，且在源极跟随器晶体管214的源极端子处生成的输出信号的电压跟随耦合到源极跟随器晶体管214的栅极端子的浮动扩散节点211处的电压减去源极跟随器晶体管214的栅极端子与源极端子之间的栅极节点电压。因此，输出节点218处的所得电压可用于生成与示例性像素200A相关联的图像数据。

在一些情况下，一组第一转接开关208可经控制以一起起作用，使得所有的第一转接开关208一起在断开状态与闭合状态之间转变。共同控制第一转接开关208可使示例性像素200A具有较低分辨率，因为在第一光电二极管202中的每一者处生成的图像电荷将被传输到耦合到源极跟随器晶体管214的栅极端子的浮动扩散节点211。示例性像素200A的分辨率可通过选择性地使第一转接开关208中的每一者彼此独立地闭合而增大。所述控制电路系统可控制第一转接开关208以限制在第一光电二极管202处生成的随后可行进到输出电路系统206的图像电荷的量。举例来说，控制电路可控制第一转接开关208以在某些条件下，例如在强光入射到示例性像素200A上时，执行极短曝光(“VS曝光”)。限制曝光时间的量可用于增大示例性像素200A的动态范围。

在所描绘的实例中，像素200A还包含双转换增益电路系统220和复位电路系统228。双转换增益电路系统220可包含双浮动扩散(DFD)开关222和电容器224。双转换增益电路系统220可由像素200A用以实现高动态范围(HDR)成像。在操作中，在明亮的室外光照条件下，DFD开关222可闭合以将电容器224耦合到浮动扩散节点211以增大浮动阱容量(FWC)，这会为像素200A提供额外动态范围能力。由此，通过将电容器224耦合到浮动扩散节点211以容纳在强光条件期间生成的电荷量来实现低转换增益(LCG)。在暗淡光照条件下的实例中，DFD开关可断开，这使电容器224与浮动扩散节点211解耦。由此，通过使电容器224解耦来实现高转换增益(HCG)，因为浮动扩散节点211的FWC足够大而无需添加电容器224。在一个实例中，电压源226可电耦合到电容器224的与DFD开关222相对的侧。由此，电压源226可用于实现在DFD开关222处于闭合状态时存储由大光电二极管202生成的图像电荷中的至少一些图像电荷。

复位电路系统228可包含复位开关230和电压源232。复位开关230可通过控制电路系统(未展示)选择性地连同DFD开关222一起闭合，以创建到电压源232的电路径。在复位操作中，示例性像素200A中的所有开关，包含第一转接开关208、第二转接开关210、DFD开关222和复位开关230中的每一者，可被设置成闭合状态以在第一光电二极管202、小光电二极管204和浮动扩散节点211中的每一者到复位电路系统228中的电压源232之间提供电路径。在此复位操作中，由第一光电二极管202、小光电二极管204中的每一者生成的图像电荷以及存在于浮动扩散节点211中的图像电荷可被清扫到电压源232以复位示例性像素200A。

图2B说明类似于示例性像素200A的包含可共同形成大光电二极管203的多个第一光电二极管202、至少一个小光电二极管204、输出电路系统206、双转换增益电路系统220和复位电路系统228的示例性像素200B的示意图。示例性像素200B还包含LOFIC电路系统234，其可包括横向溢流积分电容器236和电压源238。LOFIC电路系统234可在第二转接开关210处于闭合状态时电耦合到小光电二极管204。在示例性像素200B具有多个小光电二极管204的情况下，小光电二极管204中的每一者可具有小光电二极管204可与之电耦合的相关联LOFIC电路系统234。在其它情况下，多个小光电二极管204可选择性地电耦合到单个LOFIC电路系统234。

电压源238可电耦合到横向溢流积分电容器236的一侧，该侧与横向溢流积分电容器236的可电耦合到小光电二极管204的侧相对。由此，电压源238可用于将电势施加到横向溢流积分电容器236，由此在横向溢流积分电容器236电耦合到小光电二极管204时吸引由小光电二极管204光生的至少一些图像电荷。横向溢流积分电容器236可用于例如增大可在小光电二极管204处生成的图像电荷的量。由此，横向溢流积分电容器236可用于通过减小传递到输出电路系统206的图像电荷量来扩展示例性像素200B的动态范围。在一些情况下，横向溢流积分电容器236可由大的金属内电容器(in-metal capacitor)构成。在一些情况下，横向溢流积分电容器236可由金属堆叠电容器(metal stacked capacitor)构成。在一些情况下，横向溢流积分电容器236可由金属到金属电容器(metal-to-metal capacitor)构成，例如金属-氧化物-金属电容器和/或金属-绝缘体-金属电容器中的一或多者。

示例性像素200B可包含可定位在小光电二极管204与输出电路系统206之间的小光电二极管启用开关240。小光电二极管启用开关240可用于选择性地将小光电二极管204与输出电路系统206和/或复位电路系统228电耦合。举例来说，当示例性像素200B用于捕捉图像电荷以生成图像数据时，小光电二极管启用开关240可选择性地闭合以使得小光电二极管204可与输出电路系统206电耦合，由此允许图像电荷从小光电二极管204流到耦合到输出电路系统206的浮动扩散节点211。小光电二极管启用开关240还可选择性地在复位操作期间连同DFD开关222和复位开关230一起闭合，使得小光电二极管204和LOFIC电路系统234可电耦合到电压源232。在此情境中，小光电二极管204和/或LOFIC电路系统234处存在的图像电荷可被电压源232清扫掉。在此类实施方案中，小光电二极管启用开关240可由控制电路系统(未展示)控制。

图2C说明类似于示例性像素200A的包含共同形成大光电二极管203的多个第一光电二极管202、至少一个小光电二极管204、输出电路系统206、双转换增益电路系统220和复位电路系统228的示例性像素200C的示意图。示例性像素200C还包含可在第二转接开关210处于闭合状态时电耦合到小光电二极管204的滤波器242。滤波器242可选择性地对由入射到小光电二极管204上的具有所要波长或在所要波长范围内的光生成的图像电荷进行滤波。由此，滤波器242可例如用作带阻滤波器，其选择性地过滤给定波长范围内的光。

由此，滤波器242可用于增大示例性像素200C的动态范围。此外，滤波器242过滤的波长范围可影响示例性像素200C的动态范围。举例来说，在一些实施方案中，滤波器242可过滤在小光电二极管204处由波长处于与某一颜色相关联的波长范围内的光所光生的图像电荷。滤波器242的此类选择性过滤可用于增大示例性像素200C的动态范围。举例来说，滤波器242可选择性地过滤在小光电二极管204处由波长处于绿光的波长范围(例如约520到560nm)内的入射光部分所光生的图像电荷。过滤与绿光相关联的图像电荷的此类型的滤波器可增大示例性像素200C的动态范围，因为人眼的视觉感知尤其对绿光敏感。滤波器242可过滤在小光电二极管204处由绿光之外的波长的光生成的图像电荷。

在一些实施方案中，替代或补充滤波器242，示例性像素200C可包含滤光器244。滤光器244可以是位于小光电二极管204附近且定位在小光电二极管204与外部环境之间的滤波器。由此，入射到小光电二极管204上的光可沿着光学路径行进，使得光穿过滤光器244。在此情境中，滤光器244可过滤入射到小光电二极管上的波长处于一定波长范围内的光的一部分。举例来说，在一些实施方案中，滤光器244可过滤波长处于与某一颜色相关联的波长范围内的光。滤光器244的此类选择性过滤可用于增大示例性像素200C的动态范围。举例来说，滤光器244可选择性地过滤波长处于绿光的波长范围(例如约520到560nm)内的入射光部分。由此，滤光器244可增大示例性像素200C的动态范围，因为人眼的视觉感知尤其对绿光敏感。滤光器244可过滤入射到小光电二极管上的在绿光之外的波长的光。在一个实例中，一或多个滤光器244还可位于第一光电二极管202中的一或多者附近且定位在第一光电二极管202与外部环境之间。由此，入射到第一光电二极管202上的光可沿着光学路径行进，使得光穿过滤光器244到第一光电二极管202。在此情境中，滤光器244可过滤入射到第一光电二极管上的波长处于一定波长范围内的光的一部分。在一些情况下，由位于第一光电二极管202附近的滤光器244过滤的波长范围可与位于小光电二极管204附近的滤光器244过滤的波长范围相同。在其它情况下，由位于第一光电二极管202附近的滤光器244过滤的波长范围可与位于小光电二极管204附近的滤光器244过滤的波长范围不同。

图3展示成像系统300，其包含像素阵列302、控制电路系统304和读出电路系统306。读出电路系统306可以通信方式耦合到功能逻辑308。

像素阵列302的所说明实施例是成像传感器或像素单元310(例如，像素单元P1、P2、...、Pn)的二维(“2D”)阵列。在一个实例中，根据本发明的教示，每个像素单元310包含可用于HDR成像的一或多个第一光电二极管以及一或多个小光电二极管。如所说明，像素单元310的阵列经布置为多个行(例如行R1到Ry)和多个列(例如列C1到Cx)以获取人、地方或物体等的图像数据，所述图像数据可接着用于渲染人、地方或物体等的图像。如下文将更详细地描述，根据本发明的教示，每个像素单元310(例如像素单元P1、P2、...、Pn)可包含一或多个第一光电二极管以及一或多个小光电二极管以提供HDR成像。

在一个实例中，在每个像素单元310已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路系统306通过读出列位线312读出且随后传递到功能逻辑308。在各种实例中，读出电路系统306可包含放大电路系统(未说明)、包含模/数转换(ADC)电路系统的列读出电路或其它电路。功能逻辑308可仅仅存储图像数据，或甚至通过应用后期图像效果(例如，裁剪、旋转、去除红眼、调整亮度、调整对比度或其它效果)来操控图像数据。在一个实例中，读出电路系统306可沿着读出列线(图示)每次读出一行图像数据，或可使用多种其它技术(未图示)读出图像数据，例如串行读出或同时全面并行读出所有像素。

在一个实例中，控制电路系统306耦合到像素阵列302以控制像素阵列302中的像素310(例如像素单元P1、P2、...、Pn)的操作特性。例如，控制电路系统308可生成传输门信号和其它控制信号，以控制对来自像素阵列302的每个像素单元310的第一光电二极管和/或小光电二极管的图像数据的传递和读出。另外，控制电路系统308可生成用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是用于在单个获取窗口期间同时使像素阵列302内的所有像素310能够同时捕捉其相应的图像数据的全局快门信号。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗口期间依序启用像素310的每个行、列或群组。快门信号还可建立积分时间，其为每个像素单元310的光电二极管响应于入射光而光生图像电荷的时间长度。在一个实施方案中，曝光时间经设置以与帧中的每一者相同。

图4展示操作示例性像素的方法400，所述示例性像素具有：多个光电二极管，其包含一或多个第一光电二极管和至少一个小光电二极管；以及输出电路系统，其可选择性地电耦合到所述第一光电二极管和/或所述至少一个小光电二极管中的任一者或两者。方法400开始于402，此处可发起示例性像素的操作。此类发起可例如在示例性像素上电时发生。此类发起可在示例性像素进行图像获取操作之后发生。方法400接着从402转到404。

在404处，控制电路系统传输一或多个信号以使得示例性像素执行复位。由此，控制电路系统可传输一或多个信号以使得示例性像素中的转接开关中的每一者进入闭合状态，由此将第一光电二极管、小光电二极管和浮动扩散节点电耦合到复位电路系统。复位电路系统可包含将用于从第一光电二极管、小光电二极管和浮动扩散节点清扫图像电荷且由此执行复位操作的电压源。此类复位操作可用于使示例性像素中的光电二极管准备好光生图像电荷且由此生成图像数据以用于图像获取操作。控制电路系统随后可传输一或多个信号以使示例性像素中的转接开关中的每一者进入断开状态。

在406处，输出电路系统可接收可在第一光电二极管中的一或多者处生成的图像电荷。可在使转接开关中的一或多者选择性地将第一光电二极管中的一或多者电耦合到输出电路系统后接收此类图像电荷。可在光入射到第一光电二极管中的一或多者上时生成此类图像电荷。在此类实施方案中，第一光电二极管与耦合到输出电路系统的浮动扩散件之间可存在电路径。在一些情况下，随后存在于耦合到输出电路系统的浮动扩散件处的图像电荷可用于为示例性像素生成图像数据。与小光电二极管相比，第一光电二极管共同具有相对大的可用于光生图像电荷的表面积。另外，因为示例性像素相比于常规像素包含更多光电二极管，所述光电二极管包括第一光电二极管，所以示例性像素中的第一光电二极管可用于在低光情况期间生成图像数据。与常规像素相比，使用额外第一光电二极管以包括大光电二极管还可提供经提高的示例性像素满阱容量。此类增大的满阱容量可减少其中示例性像素进入饱和状态的白色像素情况。在此情境中，DFD开关可保持在断开位置，使得示例性像素以高转换增益模式操作。

在408处，输出电路系统可基于在浮动扩散节点处接收到的图像电荷而生成输出信号。举例来说，输出电路系统可包含具有源极跟随器晶体管的输出放大器或缓冲器，所述源极跟随器晶体管响应于浮动扩散节点中从第一光电二极管中的一或多者和/或小光电二极管接收的图像电荷而生成输出信号。

方法400在410处结束。在该点处，示例性像素可用于后续图像获取操作，其中例如可完全或部分地重复实例400。

图5展示操作示例性像素的方法500，所述示例性像素具有：多个光电二极管，其包含一或多个第一光电二极管和至少一个小光电二极管；输出电路系统；以及浮动扩散节点，其可选择性地电耦合到所述一或多个第一光电二极管和/或所述至少一个小光电二极管中的任一者或两者。所述示例性像素还可包含可根据本发明的教示操作的横向溢流积分电容器(LOFIC)。方法500开始于502，此处可发起示例性像素的操作。此类发起可例如在示例性像素上电时发生。此类发起可在示例性像素进行图像获取操作之后发生。方法500接着从502转到504。

在504处，控制电路系统传输一或多个信号以使得示例性像素执行复位。由此，控制电路系统可传输一或多个信号以使得示例性像素中的转接开关中的每一者进入闭合状态，由此将第一光电二极管、小光电二极管和浮动扩散节点电耦合到复位电路系统。复位电路系统可包含将用于从第一光电二极管、小光电二极管和浮动扩散节点清扫图像电荷且由此执行复位操作的电压源。此类复位操作可用于使示例性像素中的光电二极管准备好光生图像电荷且由此生成图像数据以用于图像获取操作。控制电路系统随后可传输一或多个信号以使示例性像素中的转接开关中的每一者进入断开状态。

在506处，耦合到输出电路系统的浮动扩散节点可接收可在第一光电二极管中的一或多者处生成的图像电荷。可在光入射到第一光电二极管中的一或多者上时生成此类图像电荷。在此类实施方案中，可在第一光电二极管中的一或多者与耦合到输出电路系统的浮动扩散节点之间存在电路径。在一些情况下，随后存在于耦合到输出电路系统的浮动扩散节点处的图像电荷可用于为示例性像素生成图像数据。与小光电二极管相比，第一光电二极管共同具有相对大的可用于光生图像电荷的表面积。另外，因为示例性像素包含更多第一光电二极管，所述第一光电二极管包括大光电二极管，所以示例性像素中的第一光电二极管可共同用于在低光情况期间生成图像数据。使用额外第一光电二极管以包括大光电二极管还可在示例性像素的第一光电二极管中提供经提高的满阱容量。

在508处，控制电路系统可发送一或多个信号，所述一或多个信号使位于小光电二极管与耦合到输出电路系统的浮动扩散节点之间的电开关转变到闭合状态，由此在小光电二极管与耦合到输出电路系统的浮动扩散节点之间建立电路径。因此，小光电二极管和耦合到输出电路系统的浮动扩散节点将经电耦合以使得由入射光在小光电二极管处光生的图像电荷可从小光电二极管行进到浮动扩散节点输出电路系统。

在510处，LOFIC电路系统可选择性地电耦合到小光电二极管以捕捉在小光电二极管处生成的图像电荷中的至少一些。此类LOFIC电路系统可包含电容器，所述电容器在一侧电耦合到小光电二极管且在另一侧电耦合到电压源。通过使电压源通电，LOFIC电路系统可用于捕捉由小光电二极管生成的图像电荷中的至少一些。通过LOFIC电路系统收集的此类图像电荷在LOFIC电压源通电时可能不进一步传输到示例性像素的其它组件。因此，通过减少在输出电路系统处接收到的图像电荷，LOFIC电路系统可用于增大示例性像素的动态范围。

在512处，耦合到输出电路系统的浮动扩散节点接收小光电二极管处光生的图像电荷。因为与第一光电二极管全体相比，小光电二极管具有相对小的用于接收入射光的表面积，所以小光电二极管的曝光时间可经增大以提供例如LED闪烁的入射到示例性像素上的明亮闪光的图像数据并且防止发生白色像素情况。

在514处，输出电路系统可基于接收到的图像电荷来生成输出信号。举例来说，输出电路系统可包含具有源极跟随器晶体管的输出放大器或缓冲器，所述源极跟随器晶体管响应于从第一光电二极管中的一或多者和/或小光电二极管接收到的图像电荷而生成输出信号。

方法500在516处结束。在该点处，示例性像素可用于后续图像获取操作，其中例如可完全或部分地重复实例500。

图6展示操作示例性像素的方法600，所述示例性像素具有：多个光电二极管，其包含一或多个第一光电二极管和至少一个小光电二极管；以及输出电路系统，其可选择性地电耦合到所述第一光电二极管和/或所述至少一个小光电二极管中的任一者或两者。方法600开始于602，此处可发起示例性像素的操作。此类发起可例如在示例性像素上电时发生。此类发起可在示例性像素进行图像获取操作之后发生。方法600接着从602转到604。

在604处，控制电路系统传输一或多个信号以使得示例性像素执行复位。由此，控制电路系统可传输一或多个信号以使得示例性像素中的转接开关中的每一者进入闭合状态，由此将第一光电二极管、小光电二极管和浮动扩散节点电耦合到复位电路系统。复位电路系统可包含将用于从第一光电二极管、小光电二极管和浮动扩散节点清扫图像电荷且由此执行复位操作的电压源。此类复位操作可用于使示例性像素中的光电二极管准备好光生图像电荷且由此生成图像数据以用于图像获取操作。控制电路系统随后可传输一或多个信号以使示例性像素中的转接开关中的每一者进入断开状态。

在606处，控制电路系统传输一或多个信号以使与第一光电二极管相关联的转接开关闭合且使DFD开关闭合，由此将第一光电二极管与例如至少一个双转换增益电容器的低转换增益电路系统电耦合，这会增大浮动扩散节点的FWC。通过使DFD开关闭合，低转换增益电路系统可选择性地经电耦合以接收在第一光电二极管处光生的图像电荷。由此，当DFD开关闭合时，示例性像素可处于低转换增益模式。作为606的部分闭合的开关可进一步在第一光电二极管、双转换增益电容器和输出电路系统之间形成电路径。

在608处，可在耦合到输出电路系统的浮动扩散节点处接收图像电荷。可在光入射到第一光电二极管中的一或多者上时生成此类图像电荷。在此类实施方案中，可在第一光电二极管与耦合到输出电路系统的浮动扩散节点之间存在电路径。在一些情况下，随后存在于耦合到输出电路系统的浮动扩散节点处的图像电荷可用于为示例性像素生成图像数据。与小光电二极管相比，第一光电二极管共同具有相对大的可用于光生图像电荷的表面积。另外，因为示例性像素包含更多第一光电二极管，所述第一光电二极管包括大光电二极管，所以示例性像素中的第一光电二极管可用于在低光情况期间生成图像数据。使用额外第一光电二极管以包括大光电二极管还可提供经提高的示例性像素满阱容量。此类增大的满阱容量可减少其中示例性像素进入饱和状态的白色像素情况。

在610处，输出电路系统可基于在浮动扩散节点处接收到的图像电荷而生成输出信号。举例来说，输出电路系统可包含具有源极跟随器晶体管的输出放大器或缓冲器，所述源极跟随器晶体管响应于在浮动扩散节点处从第一光电二极管中的一或多者和/或小光电二极管接收的图像电荷而生成输出信号。

方法600在612处结束。在该点处，示例性像素可用于后续图像获取操作，其中例如可完全或部分地重复实例600。

图7是示出根据本发明的教示操作的示例性像素的动态范围的信噪比(SNR)图700。示例性像素包含3×3布局的光电二极管，其中小光电二极管定位在阵列中间且被8个可共同形成大光电二极管的第一光电二极管包围。示例性像素还包含选择性地电耦合到小光电二极管的LOFIC电路系统。

SNR图700的x轴702表示示例性像素上的照度且以勒克斯(lux)为单位提供。SNR图700的y轴704表示以分贝计的信噪比。第一曲线706展示随着来自入射光的像素照度的强度向右沿着x轴移动增大而具有高转换增益的大光电二极管的SNR响应。如SNR图700中所见，具有高转换增益的大光电二极管提供输出信号直到勒克斯超过约1.0E+0.0，其中最大信噪比约为28dB。第二曲线708展示随着来自入射光的像素照度的强度向右沿着x轴移动增大而具有低转换增益的大光电二极管的SNR响应。具有低转换增益的大光电二极管提供输出信号，直到1.0E+02之前，其中最大信噪比约为42dB。第三曲线710展示电耦合到LOFIC电路系统的小光电二极管的SNR响应。此类小光电二极管提供输出信号，直到像素照度的勒克斯超过约1.0E+04，其中最大信噪比约为40dB。示例性像素的总动态范围可基于大光电二极管的双转换增益、小光电二极管的输出以及当示例性像素执行VS曝光时的输出。因此，提供SNR图700中图示的输出的示例性节点可具有约130.6dB的动态范围。

对本发明的所说明实施例的以上描述，包含摘要中所描述的内容，并不意图是穷尽性的或限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实施例和实例，但在不脱离本发明的更广精神和范围的情况下，各种等同修改是可能的。实际上，应了解，为了解释目的而提供特定实例电压、电流、频率、功率范围值、时间等，且根据本发明的教示也可在其它实施例和实例中采用其它值。

可鉴于以上详细描述对本发明的实例作出这些修改。在所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限制于说明书和权利要求书中所公开的具体实施例。实际上，范围将完全由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据已确立的权利要求解释原则进行解释。本说明书和图因此应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (24)

1.一种像素，其包括：

多个光电二极管的阵列，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的一组第一光电二极管和具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管，其中所述一组第一光电二极管沿着至少两个对称轴围绕所述至少一个第二光电二极管对称布置，其中所述两个对称轴包括第一对称轴和第二对称轴；

浮动扩散节点，其选择性地经耦合以从所述一组第一光电二极管或所述至少一个第二光电二极管接收图像电荷；

输出电路系统，其电耦合到所述浮动扩散节点；

开关，其选择性地以可操作方式闭合以将所述浮动扩散节点电耦合到所述至少一个第二光电二极管；

一或多个双浮动扩散DFD开关，其将所述一组第一光电二极管电耦合到低转换增益电路系统，其中所述像素在所述一或多个DFD开关断开时处于高转换增益状态，其中所述像素在所述一或多个DFD开关闭合时处于低转换增益状态，并且其中所述低转换增益电路系统耦合在所述一组第一光电二极管和所述浮动扩散节点之间；以及

横向溢流积分电容器，其耦合在所述至少一个第二光电二极管和所述浮动扩散节点之间。

2.根据权利要求1所述的像素，其中所述多个行包含至少三个行，且所述多个列包含至少三个列。

3.根据权利要求1所述的像素，其进一步包括：

复位电路系统，其包含复位开关，所述复位开关选择性地以可操作方式闭合以将复位节点电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管，所述复位节点清扫从所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管光生的所述图像电荷。

4.根据权利要求1所述的像素，其中所述横向溢流积分电容器选自大的金属内电容器、金属堆叠电容器和金属到金属电容器组成的群组。

5.根据权利要求1所述的像素，其进一步包括：

第一滤光器，其定位于所述一组第一光电二极管的外向表面上，所述第一滤光器过滤第一波长范围内的入射光。

6.根据权利要求5所述的像素，其进一步包括：

第二滤光器，其定位于所述至少一个第二光电二极管的外向表面上，所述第二滤光器过滤第二波长范围内的入射光，其中所述第二波长范围可与所述第一波长范围相同。

7.根据权利要求1所述的像素，其中所述输出电路系统包含输出放大器以生成输出信号，所述输出放大器选择性地电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者以及电耦合到所述至少一个第二光电二极管。

8.根据权利要求1所述的像素，其中所述一组第一光电二极管包括围绕所述至少一个第二光电二极管对称布置的包含在所述多个光电二极管中的八个光电二极管。

9.根据权利要求1所述的像素，其中所述多个光电二极管具有共同尺寸。

10.根据权利要求1所述的像素，其中所述第一对称轴与所述第二对称轴正交。

11.根据权利要求10所述的像素，其中所述一组第一光电二极管包括至少两个对角光电二极管，每个布置在所述第一对称轴和所述第二对称轴之间。

12.根据权利要求1所述的像素，其进一步包括启用开关，所述启用开关耦合在所述浮动扩散节点和所述横向溢流积分电容器之间。

13.一种用于基于入射到像素上的光来生成输出信号的方法，其中所述像素由多个光电二极管的阵列构成，所述方法包括：

在输出电路系统处从浮动扩散节点接收由所述多个光电二极管的所述阵列中的一组第一光电二极管中包含的第一光电二极管中的每一者光生的图像电荷，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的所述一组第一光电二极管，所述多个光电二极管包含具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管，其中所述一组第一光电二极管沿着至少两个对称轴围绕所述至少一个第二光电二极管对称布置，其中所述两个对称轴包括第一对称轴和第二对称轴，其中所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的所述每一者电耦合到所述输出电路系统；

选择性地闭合电开关以将所述至少一个第二光电二极管与所述输出电路系统电耦合，且当所述电开关选择性地闭合时，在所述输出电路系统处从所述浮动扩散节点接收由所述至少一个第二光电二极管光生的图像电荷；

选择性地闭合一或多个双浮动扩散DFD开关以将所述一组第一光电二极管电耦合到低转换增益电路系统，其中所述像素在所述一或多个DFD开关断开时处于高转换增益状态，其中所述像素在所述一或多个DFD开关闭合时处于低转换增益状态，并且其中所述低转换增益电路系统耦合在所述一组第一光电二极管和所述浮动扩散节点之间；

使用耦合在所述至少一个第二光电二极管和所述浮动扩散节点之间的横向溢流积分电容器收集由入射到所述至少一个第二光电二极管上的光所光生的所述图像电荷中的至少一些；以及

基于在所述输出电路系统处接收到的所述图像电荷，生成所述输出信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：

选择性地闭合复位开关以将复位节点电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管，以及当所述复位开关选择性地闭合时，将所述图像电荷从所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管清扫到所述复位节点。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述输出电路系统包含输出放大器以生成所述输出信号，其中在所述输出电路系统处接收由所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者以及由所述第二光电二极管光生的所述图像电荷还包括在所述输出放大器处接收所述图像电荷。

16.根据权利要求13所述的方法，其中启用开关耦合在所述浮动扩散节点和所述横向溢流积分电容器之间。

17.一种高动态范围成像系统，其包括：

像素阵列，其中所述像素阵列中的每个像素包含：

多个光电二极管的阵列，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的一组第一光电二极管和具有小于所述第一表面积的第二表面积的至少一个第二光电二极管，其中所述一组第一光电二极管沿着至少两个对称轴围绕所述至少一个第二光电二极管对称布置，其中所述两个对称轴包括第一对称轴和第二对称轴；

浮动扩散节点，其选择性地经耦合以从所述一组第一光电二极管或所述至少一个第二光电二极管接收图像电荷；

输出电路系统，其电耦合到所述浮动扩散节点；

开关，其选择性地以可操作方式闭合以将所述浮动扩散节点电耦合到所述至少一个第二光电二极管；

一或多个双浮动扩散DFD开关，其将所述一组第一光电二极管电耦合到低转换增益电路系统，其中所述像素在所述一或多个DFD开关断开时处于高转换增益状态，其中所述像素在所述一或多个DFD开关闭合时处于低转换增益状态，并且其中所述低转换增益电路系统耦合在所述一组第一光电二极管和所述浮动扩散节点之间；以及

横向溢流积分电容器，其耦合在所述至少一个第二光电二极管和所述浮动扩散节点之间；

控制电路系统，其电耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及

读出电路系统，其电耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列接收输出信号，所述读出电路系统将所述接收到的输出信号转换成图像数据。

18.根据权利要求17所述的高动态范围成像系统，其中关于所述像素阵列中的每个像素的所述多个行包含至少三个行，且关于所述像素阵列中的每个像素的所述多个列包含至少三个列。

19.根据权利要求17所述的高动态范围成像系统，其中所述像素阵列中的每个像素进一步包括：

复位电路系统，其包含复位开关，所述复位开关选择性地以可操作方式闭合以将复位节点电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管，所述复位节点清扫来自所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管的所述图像电荷。

20.根据权利要求17所述的高动态范围成像系统，其中所述像素阵列中的每个像素的所述输出电路系统包含输出传输门，所述输出传输门选择性地电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者且电耦合到所述至少一个第二光电二极管。

21.根据权利要求17所述的高动态范围成像系统，其中所述像素阵列中的每一像素进一步包括耦合在所述浮动扩散节点和所述横向溢流积分电容器之间的启用开关。

22.一种用于基于入射到像素上的光来生成输出信号的方法，其中所述像素由多个光电二极管的阵列构成，所述方法包括：

生成由所述多个光电二极管的所述阵列中的一组第一光电二极管中包含的第一光电二极管中的每一者光生的图像电荷，所述光电二极管阵列包含多个行的光电二极管和多个列的光电二极管，所述多个光电二极管包含具有第一表面积的所述一组第一光电二极管；

生成由所述多个光电二极管内包含的至少一个第二光电二极管光生的图像电荷，所述至少一个第二光电二极管具有小于所述第一表面积的第二表面积，其中所述一组第一光电二极管沿着至少两个对称轴围绕所述至少一个第二光电二极管对称布置，其中所述两个对称轴包括第一对称轴和第二对称轴；

选择性地闭合一或多个双浮动扩散DFD开关以将所述一组第一光电二极管电耦合到低转换增益电路系统，其中所述像素在所述一或多个DFD开关断开时处于高转换增益状态，且其中所述像素在所述一或多个DFD开关闭合时处于低转换增益状态，其中所述低转换增益电路系统耦合在所述一组第一光电二极管和浮动扩散节点之间；

使用耦合在所述至少一个第二光电二极管和所述浮动扩散节点之间的横向溢流积分电容器收集由入射到所述至少一个第二光电二极管上的光所光生的所述图像电荷中的至少一些；以及

在输出电路系统处接收来自所述一组第一光电二极管和所述至少一个第二光电二极管中的至少一者的所述图像电荷；以及

基于在所述输出电路系统处接收到的所述图像电荷，生成所述输出信号。

23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括：

选择性地闭合复位开关以将复位节点电耦合到所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管，以及当所述复位开关选择性地闭合时，将所述图像电荷从所述一组第一光电二极管中的所述第一光电二极管中的每一者和所述至少一个第二光电二极管清扫到所述复位节点。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述输出电路系统包含输出放大器以生成所述输出信号，其中在所述输出电路系统处接收来自所述一组第一光电二极管和所述至少一个第二光电二极管中的所述至少一者的所述图像电荷还包括在所述输出放大器处接收所述图像电荷。