CN113810635B - 高动态范围cmos图像传感器设计 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及高动态范围CMOS图像传感器设计。一种像素单元包含第一子像素及多个第二子像素。每一子像素包含光电二极管以响应于入射光而光生图像电荷。图像电荷通过第一转移晶体管从所述第一子像素转移到浮动扩散部。图像电荷通过多个第二转移晶体管从所述多个第二子像素转移到所述浮动扩散部。衰减层安置在所述第一子像素上方。所述第一子像素通过所述衰减层接收所述入射光。所述多个第二子像素在不行进通过所述衰减层的情况下接收所述入射光。双浮动扩散部DFD晶体管耦合到所述浮动扩散部。电容器耦合到所述DFD晶体管。

Description

高动态范围CMOS图像传感器设计
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说(但非排他性地)，涉及高动态范围(HDR)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，并且现在被广泛用在数码相机、蜂窝电话、监控摄像机以及医疗、汽车及其它应用中。随着图像传感器被集成到更广泛范围的电子装置中，期望通过两种装置架构设计以及图像获取处理以尽可能多的方式(例如，分辨率、功耗、动态范围等)来增强其功能性、性能指标及类似者。
典型图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射到图像传感器上而操作。图像传感器包含具有光敏元件(例如，光电二极管)的像素阵列，其吸收入射图像光的一部分并且在吸收图像光之后产生图像电荷。由像素光生的图像电荷光可测量为列位线上的依据入射图像光而变化的模拟输出图像信号。换句话说，所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例，所述图像光作为模拟信号从列位线读出并转换为数字值以产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。
标准图像传感器具有大约60dB到70dB的有限动态范围。然而，现实世界的照明度动态范围要大得多。例如，自然场景通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获明亮高光及暗淡阴影中的细节，高动态范围(“HDR”)技术已用于图像传感器中以增加所捕获的动态范围。用于增大动态范围的一种常见技术是将使用标准(低动态范围)图像传感器以不同曝光设置捕获的多个曝光合并成单个线性HDR图像，这产生比单个曝光图像大得多的动态范围图像。
发明内容
根据本申请案的一方面，提供一种像素单元。所述像素单元包括：多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管，其中所述多个子像素包含第一子像素及多个第二子像素；浮动扩散部，其经耦合以从所述多个子像素接收所述图像电荷；多个转移晶体管，其包含第一转移晶体管及多个第二晶体管，其中所述图像电荷经耦合以通过第一转移晶体管从所述第一子像素转移到所述浮动扩散部，其中所述图像电荷经耦合以通过所述多个第二转移晶体管从所述多个第二子像素转移到所述浮动扩散部；衰减层，其安置在所述第一子像素上方，其中所述第一子像素经光学耦合以通过所述衰减层接收所述入射光，其中所述多个第二子像素经光学耦合以在不行进通过所述衰减层的情况下接收所述入射光；双浮动扩散部(DFD)晶体管，其耦合到所述浮动扩散部；及电容器，其耦合到所述DFD晶体管。
根据本申请案的另一方面，提供一种成像系统。所述成像系统包括：像素阵列，其包含布置成行及列的多个像素单元，其中所述像素单元中的每一者经耦合以响应于入射光而产生图像数据信号，其中所述像素单元中的每一者包括：多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管，其中所述多个子像素包含第一子像素及多个第二子像素；浮动扩散部，其经耦合以从所述多个子像素接收所述图像电荷；多个转移晶体管，其包含第一转移晶体管及多个第二晶体管，其中所述图像电荷经耦合以通过第一转移晶体管从所述第一子像素转移到所述浮动扩散部，其中所述图像电荷经耦合以通过所述多个第二转移晶体管从所述多个第二子像素转移到所述浮动扩散部；中性密度滤光片，其覆盖在所述第一子像素上方，其中所述第一子像素经光学耦合以通过所述中性密度滤光片接收所述入射光，其中所述多个第二子像素不被所述中性密度滤光片覆盖；双浮动扩散部(DFD)晶体管，其耦合到所述浮动扩散部；及横向溢流集成电容器(LOFIC)，其耦合到所述DFD晶体管；控制电路系统，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及读出电路系统，其耦合到所述像素阵列以通过位线从所述像素阵列读出图像数据。
附图说明
参考以下图式描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考编号贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1说明根据本发明的教示的包含具有高动态范围共享像素CMOS图像传感器的像素阵列的成像系统的一个实例。
图2说明根据本公开的教示的CMOS图像传感器的共享像素单元的一个实例示意图。
图3A说明根据本公开的教示在读出期间在CMOS图像传感器的实例共享像素单元中发现的信号的实例时序图。
图3B说明根据本公开的教示在读出期间在CMOS图像传感器的实例共享像素单元中发现的信号的另一实例时序图。
图4A说明根据本公开的教示的CMOS图像传感器的共享像素单元的另一实例示意图。
图4B说明根据本公开的教示在CMOS图像传感器的读出期间在实例共享像素单元中发现的信号的又一实例时序图。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。另外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
本文描述涉及包含具有高动态范围(HDR)共享像素CMOS图像传感器的像素阵列的成像系统的各种实例。在以下描述中，阐述众多特定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认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指结合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必都是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式在一或多个实例中组合。
为便于描述如图式中所说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系，在本文中可使用例如“下面”、“之下”、“上方”、“下方”、“之上”，“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”及类似者的空间相对术语。将理解空间相对术语希望涵盖除图式中所描绘的定向之外的使用或操作中的装置的不同定向。举例来说，如果图式中的装置被旋转或翻转，那么被描述为在其它元件或特征“之下”、“下面”或“下方”的元件将被定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示范性术语“之下”及“下方”可涵盖在之上及之下两个定向。可以其它方式定向装置(旋转九十度或其它定向)，并相应地解释本文中使用的空间相对描述语。另外，还将理解，当元件被称为在两个其它元件“之间”时，其可是两个其它元件之间的唯一元件，或者也可存在一或多个中间元件。
贯穿本说明书，使用若干术语。这些术语应具有其所属的领域的一般含义，除非在本文明确定义，或者其使用背景以其它方式明确指出。应注意，元件名称及符号可贯穿此文献互换使用(例如，Si与硅)；然而，两者都具有相同含义。
如将论述，描述包含具有HDR共享像素CMOS图像传感器的像素阵列的成像系统的各种实例。在各种实例中，根据本发明的教示，本文描述的CMOS图像传感器的HDR共享像素单元结构包含多个子像素，其包含经配置为小光电二极管(SPD)以在中等到更高强度照明条件下感测光的第一子像素，经配置为大光电二极管(LPD)以在较暗淡或中等强度照明条件下感测光的多个第二子像素，以及用以在强光条件下感测光的横向溢流集成电容器(LOFIC)设计，以实现HDR成像。
在各种实例中，应了解，实例共享像素利用可以例如1.05μm 2×2共享像素设计来布置的小像素(例如，2.1μm)。在各种实例中，高动态范围具备LOFIC像素设计，其与SPD上方的衰减组合以提供LED闪烁减轻(LFM)能力。在各种实例中，单次曝光捕获(例如，～11ms的SPD/LPD曝光)可提供具有有限运动伪影的图像获取。在各种实例中，根据本发明的教示，多个曝光捕获(例如，～11ms的SPD曝光及～33ms的LPD曝光)可提供具有良好的中等图像性能与中等信噪比(SNR)的捕获。
为说明，图1展示根据本发明的教示的包含具有HDR共享像素CMOS图像传感器的像素阵列的成像系统100的一个实例。在实例中，成像系统100包含像素阵列102、控制电路系统110、读出电路系统106及功能逻辑108。在一个实例中，像素阵列102是二维(2D)阵列，其包含多个像素单元104(例如，P1、P2、…、Pn)，其经布置成行(例如，R1到Ry)及列(例如，C1到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据，其接着可用于呈现人、地点、物体等的图像。
如下面将更详细地论述，在一个实例中，每一像素单元104经配置为具有多个子像素的共享像素HDR像素单元，所述多个子像素包含经配置为小光电二极管(SPD)的第一子像素及经配置为大光电二极管(LPD)的多个第二子像素，以响应于入射光而光生图像电荷。还包含具有低泄漏的横向溢流集成电容器(LOFIC)，这进一步扩展了像素单元的动态范围。另外，在SPD子像素上方安置衰减比在3:1到32:1(即，3到32x)范围内的光衰减滤光片(其也可被称为中性密度(ND)滤光片或ND光学衰减器)，其减轻LED闪烁。在一个实例中，在像素单元104中利用具有5:1(即，5x)或在5:1到10:1(即，5到10x)范围内的衰减比的ND滤光片，以提供SNR>25dB的良好中等图像传感器性能。
在每一像素单元104已获取其图像电荷之后，由读出电路系统106通过列位线112读出对应模拟图像电荷数据信号。在各种实例中，用包含在读出电路系统106中的模/数转换器(ADC)148将模拟图像电荷信号转换为数字值。在一个实例中，根据本发明的教示，ADC148具有可调节增益150，其使得能够以多个增益设置从像素阵列102读出图像数据。然后，可将图像数据的数字表示转移到功能逻辑106。在各种实例中，读出电路系统106还可包含放大电路系统、列读出电路系统或其它。功能逻辑108可简单地存储图像数据，或者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)来操纵图像数据。在一个实例中，读出电路系统106可沿列位线112一次读出一行图像数据(已说明)，或者可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如串行读出所有像素单元104或同时完全并行读出所有像素单元104。
在一个实例中，控制电路系统110耦合到像素阵列102以控制像素阵列102的操作特性。例如，在一个实例中，控制电路系统110产生转移门信号及其它控制信号，以控制来自像素阵列102的每一共享像素单元104的所有子像素的图像数据的转移及读出。另外，控制电路系统110可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是全局快门信号，其用于在单个获取窗口期间同时启用像素阵列102内的所有像素单元104来捕获其相应图像数据。在另一实例中，快门信号是滚动快门信号，使得像素的每一行、每一列或每一群组在连续获取窗口期间被循序地启用。快门信号还可建立曝光时间，其为快门保持打开的时间长度。在一个实施例中，曝光时间被设置为对于帧中的每一者相同。
图2说明根据本公开的教示的具有低色串扰的HDR CMOS图像传感器的像素阵列的实例共享像素单元204的一个实例示意图。应了解，图2的像素单元204的实例示意图可为如图1中所展示的像素阵列102的像素单元104中的一者的一个实例，并且上文描述的类似命名及编号的元件在下面被类似地耦合及起作用。
如在所描绘实例中所展示，共享像素单元204包含多个子像素，其中的每一者包含经耦合以响应入射光244而光生图像电荷的光电二极管。在实例中，多个子像素包含经配置为小光电二极管(SPD)214的第一子像素，以及经配置为包含LPD1 216、LPD2 218及LPD3 220的大光电二极管(LPD)的多个第二子像素，如所展示。在所描绘实例中，像素单元204还包含浮动扩散部FD 230，其经耦合以从多个子像素SPD 214、LPD1 216、LPD2 218及LPD3 220接收图像电荷。
图2中描绘的实例还展示包含第一转移晶体管222的多个转移晶体管及包含转移晶体管224、转移晶体管226及转移晶体管228的多个第二晶体管。在操作中，光生图像电荷经耦合以通过第一转移晶体管222从第一子像素SPD 214转移到浮动扩散部FD 230。光生图像电荷经耦合以分别通过多个第二转移晶体管224、226及228从多个第二子像素LPD1 216、LPD2 218及LPD3 220转移到浮动扩散部FD 230。在图2中描绘的实例中，转移晶体管222经耦合以响应于转移控制信号TX0而进行控制，并且转移晶体管224、226及226经耦合以响应于转移控制信号TX1而进行控制，如所展示。
在一个实例中，像素单元204还包含安置在第一子像素SPD 214上方的衰减层246。在一个实例中，衰减层246是具有在3:1到32:1(即，3到32x)的范围内的衰减比的中性密度(ND)滤光片。例如，在一个实例中，衰减层246具有5:1(即，5x)或在5:1到10:1(即，5到10x)的范围内的衰减比。在操作中，第一子像素SPD 214经光学耦合以通过衰减层246接收入射光244。在实例中，多个第二子像素LPD1 216、LPD2 218及LPD3 220不被衰减层246覆盖，且因此经光学耦合以在不行进通过衰减层246的情况下接收入射光244。
在图2中所说明的实例中，双浮动扩散部(DFD)晶体管238耦合到浮动扩散部FD230，并且电容器240耦合到DFD晶体管238，如所展示。在一个实例中，电容器240是横向溢流集成电容器(LOFIC)，其经耦合以接收CAP信号，如所展示。在一个实例中，LOFIC240是利用例如三维金属-绝缘体-金属(MIM)设计的高密度电容器，其提供大LOFIC。例如，在一个实例中，LOFIC 240具有64fF的电容。在一个实例中，LOFIC晶体管242耦合在LOFIC 240与第一子像素SPD 214之间，如所展示。在实例中，LOFIC晶体管242经耦合以响应于LOF信号而进行控制。
所说明实例展示像素单元204还包含耦合到电压供应器的源极跟随器晶体管232，并且包含耦合到浮动扩散部FD 230的栅极电极。选择晶体管234耦合到源极跟随器晶体管232及位线212，并且经耦合以响应于选择信号SEL而进行控制。在操作中，源极跟随器晶体管232经耦合以响应于浮动扩散部FD 230中的图像电荷通过选择晶体管234将图像数据信号输出到位线212。复位晶体管236耦合在电压供应器PIXVD与浮动扩散部FD 230之间，并且经耦合以响应于复位控制信号RST而复位像素单元204。在操作中，复位晶体管236可经配置以复位浮动扩散部FD 230，以及通过DFD晶体管238复位LOFIC 240。
图3A说明根据本公开的教示在读出期间在CMOS图像传感器的实例共享像素单元中发现的信号的实例时序图358A。应了解，图3A的实例时序图358A中说明的信号可为图2的像素单元204的示意图中发现的信号的实例，或者是如图1中所展示的像素阵列102的像素单元104中发现的信号的实例，并且上文描述的类似命名及编号的元件在下面被类似地耦合及起作用。
如在所描绘实例中所说明，像素单元的读出包含三个读出操作352、354及356。在一个实例中，用第一读出装置352读出像素单元的LPD的图像数据信号，用第二读出装置354读出像素单元的SPD的图像数据信号，并且用第三读出装置356读出与SPD组合的LOFIC的图像数据信号。在实例中，来自LPD的图像数据信号的第一读出352包含在较低照明强度范围内的入射光中的图像数据，来自SPD的图像数据信号的第二读出354包含在中等照明强度范围内的入射光中的图像数据，且来自于LOFIC及SPD的图像数据信号的第三读出356包含在较高照明强度范围内的入射光中的图像数据。
具体参考图3A中的第一读出352，选择信号SEL 334被激活并且复位信号RST 336被脉冲化。此时，复位像素单元的浮动扩散部FD。接下来，ADC 348信号指示通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第一读出352的第一复位值，如用ADC信号348中的“SHR1”标签所指示。应注意，在各种实例中，所有SHR(采样及保持复位)及SHS(采样及保持信号)值可在ADC 348信号中指示的模/数转换之后被数字地存储。
继续图3A中的第一读出352，第一读出352进一步包含LPD1、LPD2及LPD3子像素中的图像电荷经配置以通过第二转移晶体管转移到浮动扩散部FD，如用TX1 324信号的脉冲化所指示。接下来，ADC 348信号指示第一读出352的第一图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD采样及保持，如用ADC信号348中的“SHS1”标签所指示。此时，通过确定第一读出352的第一图像数据信号值(例如，“SHS1”)与第一读出352的第一复位值(例如，“SHR1”)之间的差，可获得来自第一读出352的LPD读出的相关双采样(CDS)值。
具体参考图3A中的第二读出354，再次脉冲化复位信号RST 336，使得像素单元的浮动扩散部FD被复位。接下来，ADC 348信号指示通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第二读出354的复位值，如用ADC信号348中的“SHR3”标签所指示。
继续图3A中的第二读出354，第二读出354进一步包含SPD子像素中的图像电荷经配置以通过第一转移晶体管转移到浮动扩散部FD，如用TX0信号322的脉冲化所指示。接下来，第二读出354的图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD采样及保持，如用ADC信号348中的“SHS3”标签所指示。此时，第二读出354的CDS值是第二读出354的图像数据信号值(“SHS3”)与第二读出354的复位值(“SHR3”)之间的差。
具体参考图3A中的第三读出356，SPD子像素中的图像电荷进一步经配置以通过DFD晶体管及第一转移晶体管转移到LOFIC及浮动扩散部FD，如用DFD信号328被启用且TX0信号322再次被脉冲化所指示，如所展示。接下来，第三读出356的图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD及LOFIC采样及保持，如用ADC信号348中的“SHS4”标签所指示。
继续图3A中的第三读出356，复位信号RST 336再次被脉冲化，而DFD信号328仍被启用，使得像素单元的浮动扩散部FD及LOFIC被复位。接下来，ADC 348信号指示第三读出356的复位值经配置以通过位线从浮动扩散部FD及LOFIC采样及保持，如用ADC信号348中的“SHR4”标签所指示。此时，第三读出356的CDS值是第三读出356的图像数据信号值(“SHS4”)与第三读出356的复位值(“SHR4”)之间的差。
图3B说明根据本公开的教示在读出期间在CMOS图像传感器的实例共享像素单元中发现的信号的另一实例时序图358B。应了解，图3B的实例时序图358B中说明的信号可为图2的像素单元204的示意图中发现的信号的实例，或者是如图1中所展示的像素阵列102的像素单元104中发现的信号的实例，并且上文描述的类似命名及编号的元件在下面被类似地耦合及起作用。
进一步了解，图3B的时序图358B与图3A的时序图358A共享许多相似之处。图3B的时序图358B与图3A的时序图358A之间的一个区别是，图3B的时序图358B中的第一读出352包含两个不同的增益读出350-1及350-2，如所展示。在一个实例中，通过将耦合到位线的ADC(例如，图1的ADC 148)调整为对于两个不同增益读出350-1及350-2具有不同增益设置，来实现不同增益读出350-1及350-1。应了解，在各种实例中，两个不同增益读出350-1及350-2的不同增益设置可互换。
具体地参考图3B的实例时序图358B的第一读出352，选择信号SEL 334被激活并且复位信号RST 336被脉冲化。此时，复位像素单元的浮动扩散部FD。接下来，采样及保持两个复位值。特定来说，ADC 348信号指示通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第一读出352的第一复位值如用ADC信号348中的“SHR1”标签所指示的，并且通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第一读出352的第二复位值，如用ADC信号348中的“SHR2”标签所指示。
继续图3B中的第一读出352，第一读出352的第一增益读出350-1包含LPD1、LPD2及LPD3子像素中的图像电荷经配置以通过第二转移晶体管转移到浮动扩散部FD，如用TX1324信号的脉冲化所指示。接下来，ADC 348信号指示第一增益读出350-1的图像数据信号值经配置以由耦合到位线的ADC以第一增益设置(例如，“GAIN1”)通过位线从浮动扩散部FD采样及保持。此时，第一读出352的LPD读出的第一增益读出350-1的CDS值是第一增益读出的图像数据信号值(例如，“SHS2”)与第一读出352的两个复位值中的一者(例如，“SHR2”)之间的差。
接下来，第一读出352的第二增益读出350-2包含LPD1、LPD2及LPD3子像素中的图像电荷经配置以再次通过第二转移晶体管转移到浮动扩散部FD，如再次用TX1 324信号的脉冲化所指示。接下来，ADC 348信号指示第二增益读出350-2的图像数据信号值经配置以由耦合到位线的ADC以第二增益设置(例如，“GAIN2”)通过位线从浮动扩散部FD采样及保持。此时，第二读出352的LPD读出的第二增益读出350-2的CDS值是第二增益读出的图像数据信号值(例如，“SHS1”)与第二读出352的两个复位值中的另一者(例如，“SHR1”)之间的差。
应了解，图3B中的第二读出354大体上类似于图3A中的第二读出354。例如，具体参考图3B中的第二读出354，再次脉冲化复位信号RST 336，使得像素单元的浮动扩散部FD被复位。接下来，ADC 348信号指示通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第二读出354的复位值，如用ADC信号348中的“SHR3”标签所指示。
继续图3B中的第二读出354，第二读出354进一步包含SPD子像素中的图像电荷经配置以通过第一转移晶体管转移到浮动扩散部FD，如用TX0信号322的脉冲化所指示。接下来，第二读出354的图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD采样及保持，如用ADC信号348中的“SHS3”标签所指示。此时，第二读出354的CDS值是第二读出354的图像数据信号值(“SHS3”)与第二读出354的复位值(“SHR3”)之间的差。
应了解，图3B中的第三读出356大体上类似于图3A中的第三读出356。例如，具体参考图3B中的第三读出356，SPD子像素中的图像电荷还进一步经配置以通过DFD晶体管及第一转移晶体管转移到LOFIC及浮动扩散部FD，如用DFD信号328被启用且TX0信号322再次被脉冲化所指示，如所展示。接下来，第三读出356的图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD及LOFIC采样及保持，如用ADC信号348中的“SHS4”标签所指示。
继续图3B中的第三读出356，复位信号RST 336再次被脉冲化，而DFD信号328仍被启用，使得像素单元的浮动扩散部FD及LOFIC被复位。接下来，ADC 348信号指示第三读出356的复位值经配置以通过位线从浮动扩散部FD及LOFIC采样及保持，如用ADC信号348中的“SHR4”标签所指示。此时，第三读出356的CDS值是第三读出356的图像数据信号值(“SHS4”)与第三读出356的复位值(“SHR4”)之间的差。
图4A说明根据本公开的教示的CMOS图像传感器的共享像素单元404的另一实例示意图。应了解，图4A的像素单元404的实例示意图可为图2的像素单元204的另一实例或可为如图1中所展示的像素阵列102的像素单元104的另一实例，并且上文描述的类似命名及编号的元件在下面被类似地耦合及起作用。
进一步了解，图4A的像素单元404与图2的像素单元204共享许多相似之处。例如，如在图4A中描绘的实例中所展示，像素单元404也包含多个子像素，其包含经配置为SPD414的第一子像素及经配置为包含LPD1 416、LPD2 418及LPD3 420的LPD的多个第二子像素，如所展示。在所描绘实例中，像素单元404还包含浮动扩散部FD 430，其经耦合以从多个子像素SPD 414、LPD1 416、LPD2 418及LPD3 420接收图像电荷。
图4A中描绘的实例还展示包含第一转移晶体管422的多个转移晶体管及包含转移晶体管424、转移晶体管426及转移晶体管428的多个第二晶体管。在操作中，光生图像电荷经耦合以通过第一转移晶体管422从第一子像素SPD 414转移到浮动扩散部FD430。光生图像电荷经耦合以分别通过多个第二转移晶体管424、426及428从多个第二子像素LPD1 416、LPD2 418及LPD3 420转移到浮动扩散部FD 430。
在所描绘实例中，转移晶体管422经耦合以响应于转移控制信号TX0而进行控制。图4A的像素单元404与图2的像素单元204之间的一个区别是，在图4A的像素单元404中，转移晶体管424经耦合以响应于转移控制信号TX1而进行控制，而转移晶体管426及428经耦合以响应于单独转移控制信号TX1B而进行控制，如所展示。如下面将进一步详细描述，通过提供单独转移控制信号TX1及TX1B，可通过多次转移读出LPD，其中每一转移根据本发明的教示提供不同有效增益。例如，在一个实例中，当仅读出一个子像素LPD1 416时，则用有效的1x(ADC)模拟增益读出LPD，而当读出所有三个子像素LPD1 416、LPD2 418及LPD3 420时，根据本发明的教示提供有效的高(ADC)模拟增益(例如，8x16x)。
继续图4A中描绘的实例，像素单元404还包含安置在第一子像素SPD 414上方的衰减层446或ND滤光片。在一个实例中，衰减层446具有3:1到32:1(即，3到32x)的范围内的衰减比。例如，在一个实例中，衰减层446具有5:1(即，5x)或在5:1到10:1(即，5到10x)的范围内的衰减比。在操作中，第一子像素SPD 414经光学耦合以通过衰减层446接收入射光444。在实例中，多个第二子像素LPD1 416、LPD2 418及LPD3 420不被衰减层446覆盖，且因此经光学耦合以在不行进通过衰减层446的情况下接收入射光444。
在图4A中所说明的实例中，DFD晶体管438耦合到浮动扩散部FD 430以及耦合在CAP信号与DFD晶体管438之间的LOFIC 440，如所展示。在一个实例中，LOFIC晶体管442耦合在LOFIC 440与子像素SPD 414之间，如所展示。在实例中，LOFIC晶体管442经耦合以响应于LOF信号而进行控制。
所说明实例展示像素单元404还包含源极跟随器晶体管432，其耦合到电压供应器并且具有耦合到浮动扩散部FD 430的栅极电极。选择晶体管434耦合到源极跟随器晶体管432及位线412，并且经耦合以响应于选择信号SEL而进行控制。在操作中，源极跟随器晶体管432经耦合以响应于浮动扩散部FD 430中的图像电荷通过选择晶体管434将图像数据信号输出到位线412。复位晶体管436耦合在电压供应器PIXVD与浮动扩散部FD 430之间，并且经耦合以响应于复位控制信号RST而复位像素单元404。在操作中，复位晶体管436可经配置以复位浮动扩散部FD 430，以及通过DFD晶体管438复位LOFIC 440。
图4B说明根据本公开的教示在CMOS图像传感器的实例共享像素单元中发现的信号的又一实例时序图458。应了解，图4B的实例时序图458中说明的信号可为图4A的像素单元404的示意图中发现的信号的实例，或者是如图1中所展示的像素阵列102的像素单元104中发现的信号的实例，并且上文描述的类似命名及编号的元件在下面被类似地耦合及起作用。
进一步了解，图4B的时序图458与图3B的时序图358B共享许多相似之处。图4B的时序图458与图3B的时序图358B之间的一个区别是，图4B的时序图458还包含TX1B426信号，所述信号独立于TX1 424信号对转移晶体管424的控制控制像素单元404中的转移晶体管426及428。如将展示，图4B的时序图458与图3B的时序图358B之间的另一区别是，图4B的时序图458中的两个不同增益读出450-1及450-2是通过在第一增益读出450-1中仅经由TX1 424脉冲且接着在第二增益读出450-1中经由TX1 424及TX1B 426脉冲来转移图像电荷来实现的，如所展示。
为说明，具体地参考图4B的实例时序图458的第一读出452，选择信号SEL 434被激活并且复位信号RST 436被脉冲化。此时，复位像素单元的浮动扩散部FD。接下来，两个复位值被采样及保持。特定来说，ADC 448信号指示通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第一读出452的第一复位值如用ADC信号448中的“SHR1”标签所指示，并且通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第一读出452的第二复位值如用ADC信号448中的“SHR2”标签所指示。
继续图4B中的第一读出452，第一读出452的第一增益读出450-1包含仅LPD1子像素中的图像电荷经配置以通过相应第二转移晶体管(例如，图4A中的转移晶体管424)转移到浮动扩散部FD，如用图4B的TX1 424信号的脉冲化所指示。接下来，ADC 448信号指示第一增益读出450-1的图像数据信号值经配置以用有效第一增益设置(例如，“GAIN1”)通过位线从浮动扩散部FD采样及保持，因为仅读出一个LPD1子像素。此时，第一读出452的LPD读出的第一增益读出450-1的CDS值是第一增益读出的图像数据信号值(例如，“SHS2”)与第一读出452的两个复位值中的一者(例如，“SHR2”)之间的差。
接下来，第一读出452的第二增益读出450-2包含所有LPD1、LPD2及LPD3子像素中的图像电荷经配置以通过第二转移晶体管再次转移到浮动扩散部FD，如再次用TX1424信号的脉冲化以及TX1B 426的脉冲化所指示，如所展示。接下来，ADC 448信号指示第二增益读出450-2的图像数据信号值经配置以用有效第二增益设置(例如，“GAIN2”)通过位线从浮动扩散部FD采样及保持，因为读出所有三个LPD1、LPD2及LPD3子像素。此时，第二读出452的LPD读出的第二增益读出450-2的CDS值是第二增益读出的图像数据信号值(例如，“SHS1”)与第二读出452的两个复位值中的另一者(例如，“SHR1”)之间的差。
应了解，图4B中的第二读出454大体上类似于图3B中的第二读出354及图3A中的第二读出354。例如，具体参考图4B中的第二读出454，再次脉冲化复位信号RST 436，使得像素单元的浮动扩散部FD被复位。接下来，ADC 448信号指示通过位线从浮动扩散部FD采样及保持第二读出454的复位值，如用ADC信号448中的“SHR3”标签所指示。
继续图4B中的第二读出454，第二读出454进一步包含经配置以通过第一转移晶体管转移到浮动扩散部FD的SPD子像素中的图像电荷，如用TX0信号422的脉冲化所指示。接下来，第二读出454的图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD采样及保持，如用ADC信号448中的“SHS3”标签所指示。此时，第二读出454的CDS值是第二读出454的图像数据信号值(“SHS3”)与第二读出454的复位值(“SHR3”)之间的差。
应了解，图4B中的第三读出456大体上类似于图3B中的第三读出356及图3A中的第三读出356。例如，具体参考图4B中的第三读出456，SPD子像素中的图像电荷还进一步经配置以通过DFD晶体管及第一转移晶体管转移到LOFIC及浮动扩散部FD，如用DFD信号428被启用且TX0信号422再次被脉冲化所指示，如所展示。接下来，第三读出456的图像数据信号值经配置以通过位线从浮动扩散部FD及LOFIC采样及保持，如用ADC信号448中的“SHS4”标签所指示。
继续图4B中的第三读出456，复位信号RST 436再次被脉冲化，而DFD信号428仍被启用，使得像素单元的浮动扩散部FD及LOFIC被复位。接下来，ADC 448信号指示第三读出456的复位值经配置以通过位线从浮动扩散部FD及LOFIC采样及保持，如用ADC信号448中的“SHR4”标签所指示。此时，第三读出456的CDS值是第三读出456的图像数据信号值(“SHS4”)与第三读出456的复位值(“SHR4”)之间的差。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围应全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应.根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (35)

1.一种像素单元，其包括：
多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管，其中所述多个子像素包含第一子像素及多个第二子像素；
浮动扩散部，其经耦合以从所述多个子像素接收所述图像电荷；
多个转移晶体管，其包含第一转移晶体管及多个第二晶体管，其中所述图像电荷经耦合以通过第一转移晶体管从所述第一子像素转移到所述浮动扩散部，其中所述图像电荷经耦合以通过所述多个第二转移晶体管从所述多个第二子像素转移到所述浮动扩散部；
衰减层，其安置在所述第一子像素上方，其中所述第一子像素经光学耦合以通过所述衰减层接收所述入射光，其中所述多个第二子像素经光学耦合以在不行进通过所述衰减层的情况下接收所述入射光；
双浮动扩散部DFD晶体管，其耦合到所述浮动扩散部；及
电容器，其耦合到所述DFD晶体管。
2.根据权利要求1所述的像素单元，其进一步包括：
源极跟随器晶体管，其耦合到电压供应器并且具有耦合到所述浮动扩散部的栅极；及
选择晶体管，其耦合到所述源极跟随器晶体管及位线，其中所述源极跟随器晶体管经耦合以响应于所述浮动扩散部中的所述图像电荷而将图像数据信号输出到所述位线。
3.根据权利要求2所述的像素单元，其进一步包括耦合在所述电压供应器与所述浮动扩散部之间的复位晶体管。
4.根据权利要求3所述的像素单元，
其中来自所述像素单元的所述图像数据信号的第一读出经配置以通过所述位线从所述多个第二子像素获得，其中所述图像数据信号的所述第一读出包含在较低照明强度范围内的所述入射光中的图像数据，
其中来自所述像素单元的所述图像数据信号的第二读出接着经配置以通过所述位线从所述第一子像素获得，其中所述图像数据信号的所述第二读出包含在中等照明强度范围内的所述入射光中的图像数据，且
其中来自所述像素单元的所述图像数据信号的第三读出接着经配置以通过所述位线从所述电容器及所述第一子像素获得，其中所述图像数据信号的所述第三读出包含在较高照明强度范围内的所述入射光中的图像数据。
5.根据权利要求4所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第一读出包含所述浮动扩散部经配置以通过所述复位晶体管复位，且接着所述第一读出的第一复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持。
6.根据权利要求5所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第一读出进一步包含所述多个第二子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第一读出的第一图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第一读出是所述第一读出的所述第一图像数据信号值与所述第一读出的所述第一复位值之间的差。
7.根据权利要求5所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第一读出进一步包含所述第一读出的第二复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持。
8.根据权利要求7所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第一读出包含第一增益读出及第二增益读出。
9.根据权利要求8所述的像素单元，其中所述第一增益读出包含所述多个第二子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第一增益读出的图像数据信号值经配置以由耦合到所述位线的以第一增益设置的模/数转换器ADC通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第一增益读出是所述第一增益读出的所述图像数据信号值与所述第一读出的所述第一复位值之间的差，
其中所述第二增益读出包含所述多个第二子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第二增益读出的图像数据信号值经配置以由耦合到所述位线的以第二增益设置的所述ADC通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第二增益读出是所述第二增益读出的所述图像数据信号值与所述第一读出的所述第二复位值之间的差。
10.根据权利要求8所述的像素单元，其中所述第一增益读出包含所述多个第二子像素中的所述子像素中的一者中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管中的一者转移到所述浮动扩散部，且接着所述第一增益读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第一增益读出是所述第一增益读出的所述图像数据信号值与所述第一读出的所述第一复位值之间的差，
其中所述第二增益读出包含所述多个第二子像素中的剩余子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管中的剩余第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第二增益读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第二增益读出是所述第二增益读出的所述图像数据信号值与所述第一读出的所述第二复位值之间的差。
11.根据权利要求4所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第二读出包含所述浮动扩散部经配置以通过所述复位晶体管复位，且接着所述第二读出的复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持。
12.根据权利要求11所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第二读出进一步包含所述第一子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述第一转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第二读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第二读出是所述第二读出的所述图像数据信号值与所述第二读出的所述复位值之间的差。
13.根据权利要求4所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第三读出包含所述第一子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述DFD晶体管及所述第一转移晶体管转移到所述电容器及所述浮动扩散部，且接着所述第三读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部及所述电容器采样及保持。
14.根据权利要求13所述的像素单元，其中所述图像数据信号的所述第三读出进一步包含所述浮动扩散部及所述电容器经配置以通过所述复位晶体管及所述DFD晶体管复位，且接着所述第三读出的复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部及所述电容器采样及保持，其中所述第三读出是所述图像数据信号值或所述第三读出与所述第三读出的所述复位值之间的差。
15.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述电容器是横向溢流集成电容器LOFIC。
16.根据权利要求15所述的像素单元，其进一步包括耦合在所述LOFIC与所述第一子像素之间的LOFIC晶体管。
17.根据权利要求15所述的像素单元，其中所述LOFIC具有64fF的电容。
18.根据权利要求1所述的像素单元，其中所述衰减层具有在3:1到32:1范围中的衰减比。
19.一种成像系统，其包括：
像素阵列，其包含布置成行及列的多个像素单元，其中所述像素单元中的每一者经耦合以响应于入射光而产生图像数据信号，其中所述像素单元中的每一者包括：
多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含经配置以响应于入射光而光生图像电荷的光电二极管，其中所述多个子像素包含第一子像素及多个第二子像素；
浮动扩散部，其经耦合以从所述多个子像素接收所述图像电荷；
多个转移晶体管，其包含第一转移晶体管及多个第二晶体管，其中所述图像电荷经耦合以通过第一转移晶体管从所述第一子像素转移到所述浮动扩散部，其中所述图像电荷经耦合以通过所述多个第二转移晶体管从所述多个第二子像素转移到所述浮动扩散部；
中性密度滤光片，其覆盖在所述第一子像素上方，其中所述第一子像素经光学耦合以通过所述中性密度滤光片接收所述入射光，其中所述多个第二子像素不被所述中性密度滤光片覆盖；
双浮动扩散部DFD晶体管，其耦合到所述浮动扩散部；及
横向溢流集成电容器LOFIC，其耦合到所述DFD晶体管；
控制电路系统，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；及
读出电路系统，其耦合到所述像素阵列以通过位线从所述像素阵列读出图像数据。
20.根据权利要求19所述的成像系统，其进一步包括耦合到所述读出电路系统以存储从所述像素阵列读出的所述图像数据的功能逻辑。
21.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述像素单元中的每一者进一步包括：
源极跟随器晶体管，其耦合到电压供应器并且具有耦合到所述浮动扩散部的栅极；及
选择晶体管，其耦合到所述源极跟随器晶体管及位线，其中所述源极跟随器晶体管经耦合以响应于所述浮动扩散部中的所述图像电荷而将所述图像数据信号输出到所述位线。
22.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述像素单元中的每一者进一步包括耦合在所述电压供应器与所述浮动扩散部之间的复位晶体管。
23.根据权利要求22所述的成像系统，
其中来自所述像素单元中的每一者的所述图像数据信号的第一读出代表大光电二极管LPD读出，
其中来自所述像素单元中的每一者的所述图像数据信号的第二读出代表小光电二极管SPD读出，且
其中来自所述像素单元中的每一者的所述图像数据信号的第三读出代表LOFIC读出。
24.根据权利要求23所述的成像系统，
其中所述LPD读出经配置以通过所述位线从所述多个第二子像素获得，其中所述图像数据信号的所述LPD读出包含在较低照明强度范围内的所述入射光中的图像数据，
其中所述SPD读出接着经配置以通过所述位线从所述第一子像素获得，其中所述图像数据信号的所述第二读出包含在中等照明强度范围内的所述入射光中的图像数据，且
其中所述LOFIC读出接着经配置以通过所述位线从所述电容器及所述第一子像素获得，其中所述图像数据信号的所述第三读出包含在较高照明强度范围内的所述入射光中的图像数据。
25.根据权利要求24所述的成像系统，其中所述LPD读出包含所述浮动扩散部经配置以通过所述复位晶体管复位，且接着所述LPD读出的第一复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持。
26.根据权利要求25所述的成像系统，其中所述LPD读出进一步包含所述多个第二子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述LPD读出的第一图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述LPD读出是所述LPD读出的所述第一图像数据信号值与所述LPD读出的所述第一复位值之间的差。
27.根据权利要求25所述的成像系统，其中所述图像数据信号的所述LPD读出进一步包含所述LPD读出的第二复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持。
28.根据权利要求27所述的成像系统，其中所述图像数据信号的所述LPD读出包含第一增益读出及第二增益读出。
29.根据权利要求28所述的成像系统，其中所述第一增益读出包含所述多个第二子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第一增益读出的图像数据信号值经配置以在所述读出电路系统中由耦合到所述位线的以第一增益设置的模/数转换器ADC通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第一增益读出是所述第一增益读出的所述图像数据信号值与所述LPD读出的所述第一复位值之间的差，
其中所述第二增益读出包含所述多个第二子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第二增益读出的图像数据信号值经配置以在所述读出电路系统中由耦合到所述位线的以第二增益设置的所述ADC通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第二增益读出是所述第二增益读出的所述图像数据信号值与所述LPD读出的所述第二复位值之间的差。
30.根据权利要求28所述的成像系统，其中所述第一增益读出包含所述多个第二子像素中的所述子像素中的一者中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管中的一者转移到所述浮动扩散部，且接着所述第一增益读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第一增益读出是所述第一增益读出的所述图像数据信号值与所述LPD读出的所述第一复位值之间的差，
其中所述第二增益读出包含所述多个第二子像素中的剩余子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述多个第二转移晶体管中的剩余第二转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述第二增益读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述第二增益读出是所述第二增益读出的所述图像数据信号值与所述LPD读出的所述第二复位值之间的差。
31.根据权利要求24所述的成像系统，其中所述LPD读出包含所述浮动扩散部经配置以通过所述复位晶体管复位，且接着所述LPD读出的复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持。
32.根据权利要求31所述的成像系统，其中所述SPD读出进一步包含所述第一子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述第一转移晶体管转移到所述浮动扩散部，且接着所述SPD读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部采样及保持，其中所述SPD读出是所述SPD读出的所述图像数据信号值与所述SPD读出的所述复位值之间的差。
33.根据权利要求24所述的成像系统，其中所述LOFIC读出包含所述第一子像素中的所述图像电荷经配置以通过所述DFD晶体管及所述第一转移晶体管转移到所述LOFIC及所述浮动扩散部，且接着所述LOFIC读出的图像数据信号值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部及所述LOFIC采样及保持。
34.根据权利要求33所述的成像系统，其中所述LOFIC读出进一步包含所述浮动扩散部及所述LOFIC经配置以通过所述复位晶体管及所述DFD晶体管复位，且接着所述LOFIC读出的复位值经配置以通过所述位线从所述浮动扩散部及所述LOFIC采样及保持，其中所述LOFIC读出是所述图像数据信号值或所述LOFIC读出与所述LOFIC读出的所述复位值之间的差。
35.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述像素单元中的每一者进一步包括耦合在所述LOFIC与所述第一子像素之间的LOFIC晶体管。
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