CN114449188A - 暗电流校准方法及相关联像素电路系统 - Google Patents

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Abstract

本文中公开暗电流校准方法及相关联像素电路系统。用于校准暗电流的所述方法包含获取图像传感器的像素阵列的第一多个像素的至少一个暗电流帧。所述暗电流帧含有在晶体管被接通从而停用光电二极管时在曝光周期期间获得的所述对应像素的个别暗电流的读数。所述方法还包含获取所述图像传感器的所述像素阵列的第二多个像素的至少一个正常帧。所述正常帧含有当所述晶体管被切断时在所述曝光周期期间获得的所述对应像素的个别信号的读数。所述方法包含从所述至少一个正常帧减去所述至少一个暗电流帧。

Description

暗电流校准方法及相关联像素电路系统
技术领域
本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说(但非排他地)，涉及具有经改进暗电流性能的像素单元。
背景技术
CMOS图像传感器(CIS)已变得无处不在。它们广泛使用于数字静态相机、蜂窝电话、监控相机中，还广泛使用于医学、汽车及其它应用中。图像传感器响应于来自外部场景且入射在图像传感器上的图像光而进行操作。图像传感器包含具有吸收入射图像光的一部分且作为响应产生对应电荷的光敏元件(例如光电二极管)的像素阵列。个别像素的电荷可经测量为其光敏元件的输出电压。一般来说，输出电压随入射光的强度及持续时间的变化而变化。个别光敏元件的输出电压用于产生表示外部场景的数字图像(即图像数据)。
图像传感器技术继续以极快的速度进步。对更高分辨率及更低功耗的需求促进具有高动态范围及低光敏感度的这些装置的进一步微型化及集成。像素单元的微型化使其易受暗电流(即，在没有激发光或存在极低水平的激发光的情况下存在的电流)影响。暗电流会影响由图像传感器拍摄的图像的准确度及质量。在一些案例中，暗电流甚至可导致白像素，即，出现饱和或接近饱和的像素。因此，需要用于暗电流的经改进处置的系统及方法。
发明内容
一方面，本申请案涉及一种用于校准图像传感器的像素的暗电流的方法，其中个别像素电路包括光电二极管(PD)及耦合到所述PD的晶体管及电压源，其中所述晶体管选择性地停用所述PD使其无法积累电荷，所述方法包括：获取所述图像传感器的像素阵列的第一多个像素的至少一个暗电流(DC)帧，其中所述DC帧含有当所述晶体管被接通从而停用所述PD时在所述图像传感器的第一曝光周期期间获得的所述对应像素的个别暗电流的读数；获取所述图像传感器的所述像素阵列的第二多个像素的至少一个正常帧，其中所述正常帧含有在所述晶体管被切断以启用所述PD以使其开始积累光生电荷时在第二曝光周期期间获得的所述对应像素的个别信号的读数；及从在所述至少一个DC帧之后获取的所述至少一个正常帧减去所述至少一个DC帧。
在另一方面中，本申请案涉及一种图像传感器，其包括：多个像素，其布置成像素阵列的行及列，每一像素电路包括：光电二极管(PD)；第一浮动扩散部(FD1)，其通过转移(TX)晶体管耦合到所述光电二极管；及晶体管，其可操作地将所述PD耦合到电压源以停用所述PD使其无法响应于入射光而积累电荷；其中所述图像传感器经配置以：在所述晶体管被接通以停用所述PD时在所述图像传感器的第一曝光周期期间获取所述图像传感器的像素阵列的第一多个像素的至少一个暗电流DC帧；在所述晶体管被切断时在第二曝光周期期间获取所述图像传感器的所述像素阵列的第二多个像素的至少一个正常帧；及从所述至少一个正常帧减去所述至少一个DC帧。
附图说明
参考附图描述本公开的非限制性及非穷尽性实施例，其中相似元件符号指代贯穿各种视图的相似部件，除非另外指定。
图1说明根据本公开的实施例的成像系统。
图2是根据本公开的实施例的像素的说明性示意图。
图3A是根据本公开的另一实施例的像素的说明性示意图。
图3B是说明图3A中展示的像素的数据读出的时序图。
图4是说明根据本公开的实施例的暗电流帧减法的时序图。
图5是根据本公开的实施例的暗电流帧减法的方法的说明性示意图。
图6是根据本公开的实施例的暗电流帧减法的流程图。
图7是说明根据本公开的实施例的暗电流帧减法的时序图。
图8A及8B是根据本公开的实施例的暗电流帧减法的说明性示意图。
图9A是根据本公开的另一实施例的对数像素的说明性示意图。
图9B是说明图9A中展示的像素的数据读出的时序图。
对应的参考字符指示贯穿图式的若干视图的对应组件。所属领域的技术人员应了解，图中的元件是为了简单且清楚起见而说明且并不一定按比例绘制。举例来说，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，为了更不妨碍对本发明的这些各种实施例的观察，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。
具体实施方式
公开涉及图像传感器中的暗电流及白像素的经改进处置的设备及方法。在以下描述中，陈述众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应认识到，本文描述的技术可在没有所述特定细节中的一或多者的情况下实践或可使用其它方法、组件、材料等等实践。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
贯穿此说明书对“一个实例”或“一个实施例”的参考意味着与实例相结合而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿此说明书在多个地方出现短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”并不一定都指代相同的实例。此外，在一或多个实例中特定的特征、结构或特性可以任何合适方式组合。
为了便于描述，本文中可使用空间相对术语，例如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“下”、“在…上面”、“上部”等等来描述如图中所说明的一个元件或特征与另一(另外)元件或特征的关系。应理解，空间相对术语希望涵盖装置在使用或操作中除图中所描绘的定向之外的不同定向。举例来说，如果图中的装置翻转，那么描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”或“下”的元件将定向成在其它元件或特征“上面”。因此，示范性术语“下面”或“下”可涵盖上面及下面两种定向。装置可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文使用的空间相对描述词可相应地进行解释。另外，还应理解，当一层称为“在两个层之间”时，其可为两个层之间的唯一层，或还可存在一或多个中介层。
贯穿此说明书，使用所属领域的若干术语。这些术语具有其所来自的领域中的其普通含义，除非本文另外具体定义或其使用的上下文另外明确暗示。应注意，贯穿此文件可互换地使用元素名称及符号(例如，Si对硅)；然而，两者都具有相同含义。
简言之，根据本技术的实例涉及减小暗电流(DC)对像素读数的准确度的影响。即使没有激发光或存在极低水平的激发光，暗电流也会积累在像素的浮动扩散部(FD)处。在一些实施例中，在曝光周期期间，光电二极管对于高转换增益(HCG)在浮动扩散部(FD1)处积累通过曝光产生的电荷，且针对低转换增益(LCG)在浮动扩散部(FD2)处积累通过曝光产生的电荷。在共同构成双转换增益(DCG)读出的HCG及LCG读出期间确定所积累的电荷。
一般来说，始终可以复位FD，即通过选择性地将相应FD耦合到例如电力供应器的电压源的像素电路系统的复位(RST)晶体管移除FD中的电荷。然而，由于FD在DCG数据读出中的特定读出顺序，连接到数据读出的高转换增益(HCG)部分的FD在读出LCG FD的对应数据前读出。因此，在读取LCG FD前接通RST晶体管将导致删除存储于LCG FD处的光生电荷信息。另一方面，即使在读取HCG FD的复位值之后立即接通RST晶体管也仍将导致关于在整个积分周期中积累的暗电流的量值的信息丢失，从而导致对积累于LCG FD处的暗电流的不正确估计。
在一些实施例中，对暗电流(DC)像素帧的估计可通过与获取整个像素帧中的像素的信号值分开地获取所述帧的像素中的暗电流的值来获得。接着，只要确定暗电流的强度的条件合理地保持不变(例如，已经过相对短的时间、帧到帧没有显著的温度差异等)，此DC帧就可用作随后获取的帧的暗电流的强度的表示。为了考虑到暗电流，可从正常帧的对应像素信号值减去来自DC帧的像素值。此减法也可称为校准或调整。在一些实施例中，DC帧可为视频流中的帧序列中的每第N个帧。在其它实施例中，可在预定温度变化下或在预定时间之后取得新DC帧。
在一些实施例中，像素帧的一部分可用作DC帧。举例来说，像素的每隔一行可用作将从用于图像读出的图像(也称为正常或常规)行减去的DC行。在其它实施例中，一或多个专用列可表示DC列。整个帧到DC部分及图像部分的这种划分可尤其适于仅需要低分辨率的场景。
图1说明根据本公开的实施例的实例成像系统100。成像系统100包含像素阵列102、控制电路系统104、读出电路系统106及功能逻辑110。在一个实例中，像素阵列102是光电二极管或图像传感器像素103(例如，像素P1、P2、…、Pn)的二维(2D)阵列。在不同实施例中，两个或更多个图像传感器像素103可经分组成多个像素单元。如说明，光电二极管布置成行(例如行R1到Ry)及列(例如列C1到Cx)。在操作中，光电二极管获取场景的图像数据，其接着可用于呈现个人、位置、物体等的2D图像。然而，在其它实施例中，光电二极管可布置成不同于行及列的配置。
在实施例中，在像素阵列102中的每一像素103获取其图像电荷之后，由读出电路系统106经由位线118读出图像数据且接着将其转移到功能逻辑110。在实施例中，每一像素103的读出图像数据共同构成图像帧。每一像素103的暗电流数据的读出共同构成为暗电流(DC)帧。在各种实施例中，读出电路系统106可包含信号放大器、模/数(ADC)转换电路及数据传输电路系统。功能逻辑110可存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)操纵所述图像数据。在一些实施例中，控制电路系统104及功能逻辑110可经组合成单个功能块以控制由像素103捕获图像及从读出电路系统106读出图像数据。举例来说，功能逻辑110可包含数字处理器。在实施例中，读出电路系统106可沿着读出列线(位线118)一次读出一行图像数据，或可使用例如串行读出或同时完全并行读出所有像素的各种其它技术来读取所述图像数据。
在一个实施例中，控制电路104耦合到像素阵列102以控制像素阵列102中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路系统104可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，所述快门信号是全局快门信号，其用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单个数据获取窗口期间同时捕获其相应图像数据。在另一实施例中，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循序地启用。在另一实施例中，图像获取与光照效果(例如闪光)同步。在不同实施例中，控制电路系统104可经配置以控制像素103中的每一者执行用于图像校准的一或多个暗电流像素帧及正常图像帧的获取操作。
在一个实施例中，读出电路系统106包含模/数转换器(ADC)，其将从像素阵列102接收到的模拟图像数据转换成数字表示。图像数据的数字表示可经提供到功能逻辑110。在一些实施例中，数据传输电路系统108可从ADC并行接收图像数据的数字表示且可将图像数据串行提供到功能逻辑110。
在不同实施例中，成像系统100可包含于数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外，成像系统100可经耦合到其它硬件零件，例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线传输器、HDMI端口等)、光照/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件零件可将指令递送到成像系统100，从成像系统100提取图像数据，或操纵由成像系统100供应的图像数据。
图2是根据本公开的实施例的像素203的说明性示意图。像素203可经耦合到位线218，例如将图像数据提供到例如读出电路系统106的读出电路系统的读出列。在操作中，像素203可从例如控制电路系统104的控制电路系统接收控制信号，以控制像素203的各个晶体管的操作。控制电路系统可用确保图像数据的有序读出的相对时序控制晶体管按所期望的序列的操作。
像素203的所说明的实施例包含光电二极管(PD)211、连接到电容器(FDC)219的浮动扩散部(FD1)213、转移晶体管212、双浮动扩散部(DFD)晶体管216、连接到横向溢流集成电容器(LOFIC)215的浮动扩散部(FD2)217、复位(RST)晶体管214、行选择(RS)晶体管221及源极跟随器(SF)晶体管220。也可称为转移门212的转移(TX)晶体管212经耦合于光电二极管PD 211与浮动扩散部FD1 213之间。TX晶体管212基于其栅极端子上的TX控制信号操作。虽然浮动扩散部FD 213被描绘为连接到电容器FDC 219，电容器FDC 219又连接到接地，但FD1 213及FDC 219的组合也可统称为浮动扩散部。
RST晶体管214可经耦合到参考电压AVDD(例如2.5V到3.3V)且可在其栅极端子上接收复位控制信号。额外电容器LOFIC 215可选择性地耦合于接地与浮动扩散节点FD2 217之间。DFD晶体管216可经耦合于FD1 213与FD2 217之间，且进一步经配置以在其栅极端子上接收DFD控制信号以调制像素单元203的转换增益。此外，SF晶体管220的栅极端子经耦合到浮动扩散节点FD1 213。SF晶体管220的源极/漏极端子经耦合于参考电压AVDD与RS晶体管之间。RS晶体管221可经耦合于位线218与SF晶体管220之间。
在操作中，TX晶体管212接收栅极信号以实现从PD 211到浮动扩散部FD1 213的电荷转移。一般来说，电荷转移量取决于PD 211的光曝光及像素203的操作。电容器FDC 219被说明为耦合到接地。在一些实施例中，FDC 219可通过装置的物理布局中存在的金属化形成。
在一些实施例中，LOFIC 215可增加浮动扩散部FD 217的存储，例如电容。举例来说，响应于高强度照明，光电二极管PD 211可产生比浮动扩散部FD1 213可存储的更多的电荷。额外电荷(溢流电荷)可由LOFIC 215存储。一般来说，FDC 219具有比LOFIC215更小的电容。在一些实例中，LOFIC 215可经耦合以接收调整LOFIC 215的电容的以在HDR CMOS图像传感器的操作期间存储来自PD 211的电荷偏置电压。因此，浮动扩散部FD1 213例如在低光检测期间结合数据读出的高转换增益(HCG)部分进行读取，而浮动扩散部FD2 217及浮动扩散部213例如在亮光检测期间结合读出的低转换增益(LCG)部分进行读出。HCG及LCG读出共同构成双转换增益(DCG)数据读出以实现高动态范围成像。
在一些实施例中，RST晶体管214及DFD晶体管216的操作将浮动扩散部FD2 217复位到表示暗状态的高电压，这是因为光生电子在被转移到浮动扩散部FD2 217时与积累在浮动扩散部FD2 217中的光生电荷的量成比例地减小其电压。为了复位浮动扩散部FD1213，RST晶体管214及DFD晶体管216两者都由其相应栅极信号启用(例如接通)从而将浮动扩散部FD1 213耦合到参考电压AVDD且移除浮动扩散部FD1 213中的残留电荷。在其它实施例中，RST晶体管214可经接通处于导通状态，而DFD晶体管保持在关断状态，因此复位浮动扩散部FD2 217，但不复位浮动扩散部FD1 213。据观察，LOFIC 215可在曝光周期期间收集在没有光的情况下产生的电荷(也称为暗电流噪声)从而影响图像信号读出，然而，在操作中，如果用复位晶体管214来复位浮动扩散部FD1213及FD2 217以在图像电荷读出之前移除所积累的暗电流，那么已经存储于LOFIC 215中的光生电荷将排出从而导致信号丢失。
图3A是根据本公开的另一实施例的像素的说明性示意图。所说明的示意图类似于上文结合图2描述的示意图。在所说明的实施例中，溢流(OF)晶体管230经添加到像素203。OF晶体管230可经控制以选择性地将PD 211的阴极耦合到例如AVDD电压的电压源。在实施例中，AVDD电压的范围从2.5V到3.3V。在实施例中，OF晶体管230的漏极经耦合到AVDD电压，且OF晶体管230的源极经耦合到PD 211的阴极。在一些实施例中，AVDD电压从电源线供应到OF晶体管230的漏极。当OF晶体管处于导通状态时，PD 211的输出经耦合到AVDD电压，因此排出由PD 211产生的电荷。因此，当OF晶体管保持在导通状态时，FD1及FD2处的电荷对应于收集于像素203内的暗电流(DC)电荷。因此，整个DC帧可通过针对像素阵列102中的每个像素203通过行选择(RS)晶体管221的合适控制操作重复上述过程以读出与每一像素203相关联的暗电流电平来组装。所得DC帧可作为针对给定时间、温度或曝光条件的每像素暗电流的表示从随后获取的常规(正常)图像帧减去，这是由于与每一像素相关联的暗电流电平随着曝光时间、操作温度及/或老化而改变。减法可称为帧校准或帧调整。下文结合图3B解释一个像素的此暗电流读出的时序图。
图3B是说明图3A中展示的像素203的数据读出的时序图。水平轴对应于经过的时间。时序图的“像素状态”指示给定时间的像素操作(空闲、曝光或读取)。下方时序图(标记为“OF”)指示施加到溢流晶体管230的栅极的溢流控制信号电平。在常规图像帧(或正常帧)的获取期间，OF晶体管被切断(例如，具有低信号电平的溢流控制信号施加到溢流晶体管230的栅极)，因此通过溢流晶体管230使AVDD电压与PD 211断开连接，从而允许PD 211在接收到入射光后积累光生电荷。在DC帧的获取期间，OF被接通(例如，具有高信号电平的溢流控制信号施加到溢流晶体管230的栅极)，因此将PD 211处的光生电荷排出到AVDD电压，以便停用PD 211并限制FD1及FD2处的电荷积累，使其仅对应于暗电流或至少主要对应于暗电流。因此，通过OF晶体管的上述定时操作，正常帧及DC帧两者都可在其相应“读取”周期期间获得。在实施例中，DC帧及正常帧在图像传感器的不同曝光周期中获取。在实施例中，用于DC帧获取的持续时间与用于正常帧获取的持续时间可相同或不同。在实施例中，与DC帧相关联的曝光周期的持续时间不同于与正常帧相关联的曝光周期的持续时间。举例来说，与正常帧相关联的曝光周期的持续时间可比与DC帧相关联的曝光周期的持续时间长。
图4是说明根据本公开的实施例的暗电流帧减法的时序图。编号301标示正常(常规)帧，且编号302标示DC帧。在不同实施例中，DC帧302是在预定时间流逝(例如1秒)之后、在特定温度变化(例如1℃到5℃)之后、在场景发生变化(例如改变整体亮度或暴露于像素阵列的光)时或在其它外部条件发生变化时获取。下文参考图5描述所获取图像的处理。
图5是根据本公开的实施例暗电流帧减法的说明性示意图。所说明的示意图包含处理器410、图像传感器420(例如，用于高动态范围成像的具有LOFIC像素的CMOS图像传感器或具有对数像素的CMOS图像传感器)及帧存储器430。图像传感器420及帧存储器430经耦合到处理器410。在实施例中，图像传感器420、帧存储器430及处理器410经集成到单个装置或单个芯片中，例如，图像传感器420、帧存储器430及处理器410经实施于图像传感器芯片上。处理器410从图像传感器420接收DC帧及图像帧且将捕获到的DC帧及图像帧存储于帧存储器430中。DC帧包含与图像传感器420的像素阵列中的每个像素相关联的暗电流电平。处理器410可进一步经配置以从在DC帧场图像帧的捕获之后捕获到的图像帧中的每一对应像素的信号电平减去与每一像素相关联的暗电流电平，而不会促成与浮动扩散区相关联的暗电流。另外，处理器410可接收与DC帧的获取频率相关的一或多个控制输入440(例如时间、温度、亮度等)。基于这些控制输入，处理器410执行减法操作，即，存取帧存储器430以得到具有像素的DC数据的DC帧及从在时间(temporal/time)或情况(温度、亮度)方面接近DC帧的正常图像帧的信号数据(例如，捕获到的像素图像数据)减去DC帧。在不同实施例中，可从捕获到的对应于LCG信号的图像信号数据或从经组合LOFIC图像数据及对应于HCG信号的FDC(FD1)图像数据两者减去DC帧。
图6是根据本公开的实施例的暗电流帧减法的方法的流程图。图6可为说明用于具有图3中所说明的LOFIC像素的图像传感器的暗电流校准方法的流程图。在不同实施例中，方法可包含额外步骤或可省略流程图中说明的一些步骤。方法在框605中开始。在框610中，将图像帧标示为DC帧以表示在没有光的情况下积累于每一像素的浮动扩散部处的电荷(例如，由半导体衬底中的缺陷诱发)。因此，记录每个像素的暗电流电平。在许多实施例中，曝光时间主导与图像捕获相关联的其它时间(例如空闲、读取)。此DC帧标示可基于从前一DC帧起经过的时间、温度变化、亮度变化或其它条件。
在框615中，将耦合于电压源(例如电压源AVDD)与光电二极管(例如光电二极管PD211)之间的溢流晶体管(例如溢流晶体管OF 230)转到导通状态(例如，在其栅极处接收高信号电平的溢流控制信号)以在电压源AVDD与PD 211之间形成电荷排出路径并排出由于入射光入射在PD 211上而光生并积累于PD 211中的所有电荷以停用PD。因此，FD1及FD2处的电荷积累由暗电流驱动。在框620中执行的FD1及FD2处的电荷的后续读出因此表示与像素相关联的浮动扩散部处暗电流的积累。同时，OF晶体管230仍保持在其导通状态，因此确保由于入射光入射在PD 211上而由PD 211产生的电荷朝向电压源AVDD且不朝向FD1及/或FD2排出。
在框625中，读出每个像素在FD1处的电荷(例如FDC 219处的电荷)及在FD2处的电荷(例如LOFIC 215处的电荷)且将其作为DC帧存储于帧存储器(例如图5中展示的帧存储器430)中。重申，帧含有表示在给定时间点测量的每像素暗电流的数据，且称为在那个时间点的DC帧。在框630中，通过从随后获取的正常或常规(图像)帧的信号读出值减去DC帧来确定经调整图像数据。在许多实施例中，相同DC帧基于时间接近度(例如，在DC帧获取之后的预定时间内获取的正常帧)或情况接近度(例如类似温度、亮度等)用于多个正常帧。方法可在框635中结束。
图7是说明根据本公开的实施例的暗电流帧减法的时序图。在所说明的实施例中，分别在时间tn-1、tn及tn+1获取DC帧N-1、N及N+1。在一些实施例中，正常图像帧的图像数据通过从在特定数目个帧内的随后获取的帧中的每一者减去给定DC帧来处理。举例来说，随后获取的第X个图像帧301的像素的信号值可通过从第X个帧像素信号值减去第N-1个DC帧来计算。
在一些实施例中，一个DC帧可用于下N(例如100、200等)个正常图像帧。在其它实施例中，可以预定时间偏移(例如每1秒、每10秒等)获取新DC帧。在其它实施例中，可在帧的曝光时间发生变化(例如，从10ms改变到20ms)时获取新DC帧。在一些实施例中，操作温度超过预定阈值(例如1℃、5℃等)的变化可触发另一DC帧的获取。
图8A及8B是根据本公开的另一实施例的暗电流帧减法的说明性示意图。像素阵列102包含个别像素203的行及列。所说明的像素203可各自经配置及布置以用于感测不同颜色或光波长。举例来说，像素203可经布置及分组于遵循包含两个绿色(G)、一个红色(R)及一个蓝色(B)像素的拜耳(Bayer)图案的多个2×2像素单元204中。在其它实施例中，像素中的光电二极管的不同数目及颜色布置也是可能的，而不会背离本公开的范围。举例来说，像素203可经布置并分组成多个M×N个像素的多个像素单元204。针对另一实例，多个像素单元204中的每一者可包含布置成绿色(G)、红色(R)、蓝色(B)及红外(IR)像素的马赛克图案的像素203。
图8A说明其中像素阵列102被划分到偶数及奇数行中的实施例。在操作期间，例如偶数行的一些行可用作DC行，而例如奇数行的其它行可用作正常行。为了考虑到暗电流，可从每一帧的正常行像素的像素值减去DC行像素的像素值。例如当低分辨率帧对于给定用途来说是足够的时，每一帧的此处理可能非常合适。在不同实施例中，奇数或偶数列可经选择以表示DC像素，接着是类似于上文描述的减法过程的减法过程。
图8B说明其中像素阵列102被划分到编号行中的实施例。在一些实施例中，像素203的行“1”可为第一帧中的专用DC行，像素203的行“2”可为第二帧中的专用DC行，以此类推。DC行的此临时指派可相较于上文结合图8A描述的实施例改进例如视频流中的帧的分辨率。
图9A是根据本公开的另一实施例的像素的说明性示意图。所说明的像素903可经配置有对数电路系统且称为对数像素。复位晶体管RST经控制以选择性地将光电二极管(PD)211的阴极耦合到复位漏极电压。在实施例中，晶体管RST的漏极经耦合到复位漏极电压且晶体管RST的源极经耦合到PD 211的阴极。PD 211的阳极经耦合到接地。在实施例中，复位漏极电压是接地。在正常操作(即正常或常规图像帧的获取)期间，晶体管RST首先被接通，同时低信号的复位漏极电压VRSTD(例如零电压或接地电压)经施加到晶体管RST的漏极以在复位周期期间复位光电二极管211。此后，晶体管RST被切断(关断状态)，且PD 211在响应于入射光强度产生光电流的正向偏置模式中操作。由PD 211产生的电荷控制存储节点(SNS)晶体管的栅极，因此控制在曝光周期期间提供到电容器CAP的电压。源极跟随器SF基于电容器CAP处的电压放大并输出对应输出电压。在一些实施例中，全局快门(GS)晶体管可永远导通，然而，在其它实施例中，GS晶体管的栅极可单独可控。
晶体管RST的栅极可由VRST电压控制。在正常图像帧的获取期间，晶体管RST首先由VRST信号接通以将PD 211耦合到复位漏极电压VRSTD，其被设置到零电压(接地)以将PD211复位于零偏置电平中。此后，在曝光周期期间，接着，由VRST信号切断晶体管RST，其中VRSTD设置到零电压(接地)，从而允许PD 211操作于对应于响应于入射光强度产生的光导电流的正向偏置中。随着光导电流流过PD 211，电压对应地建立于晶体管SNS的栅极处，接着，所述电压由在电容器CAP处建立对应信号电压的晶体管SNS放大，其中信号电压可对应于PD 211的最低电压。接着，由电容器CAP输出的信号电压由晶体管SF放大且在信号读出期间由晶体管RS输出到位线218。在暗电流帧的获取期间，晶体管RST通过VRST信号被设置到导通状态(闭合)且复位漏极电压VRSTD经控制以提供例如零偏置电压的参考电平，因此迫使PD 211的电压到复位漏极电压VRSTD(例如零电压)从而将PD 211复位到零偏置状态以便停用PD 211。因此，存储于电容器CAP中的电荷仅经受与像素903的浮动扩散区相关联的暗电流。
因此，读出提供与相应像素903相关联的暗电流电平，且读出帧或DC帧在给定时间点提供像素阵列中的每个像素903的暗电流读出信息。DC帧可用于通过像素电平减法校准或校正后续正常图像帧的暗电流电平，借此改进图像传感器的成像性能。在一些实施例中，晶体管RST可称为复位晶体管(RST)，这是因为其复位来自PD 211的电荷流。下文结合图9B论述正常帧及暗电流帧获取的时序。
图9B是说明根据本公开的实施例的对数像素的数据读出的时序图。在所说明的图中，首先获取正常帧，接着获取DC帧。帧获取时间被划分为空闲、曝光及读取时间。针对正常图像帧的获取，晶体管RST在曝光时间期间保持断开(关断状态)，因此由PD 211产生的光学电荷无法通过晶体管RST放电，但代替地，由所积累的光学电荷产生的光电流确定电容器CAP处的电压。在暗电流帧的获取期间，OF晶体管230保持闭合(导通状态)，因此建立用于使由PD 211产生的光学电荷通过晶体管RST放电到耦合到晶体管RST的漏极的供应电压VRSTD的排出路径。
所说明的本发明的实例的上文描述，包含说明书摘要中所描述的内容，不希望为详尽的或将本发明限制为所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的具体实施例及实例，但在不背离本发明的更广精神及范围的情况下，各种等效修改是可能的。实际上，应了解，出于解释目的提供具体实例电压、电流、频率、功率范围值、时间等，且在根据本发明的教示的其它实施例及实例中还可采用其它值。
鉴于上文详细的描述，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书及权利要求书中公开的具体实施例。而是，所述范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据建立的权利要求解释的公认原则来解释。本说明书及图式因此被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (25)

1.一种用于校准图像传感器的像素的暗电流的方法，其中个别像素电路包括光电二极管PD及耦合到所述PD的晶体管及电压源，其中所述晶体管选择性地停用所述PD使其无法积累电荷，所述方法包括：
获取所述图像传感器的像素阵列的第一多个像素的至少一个暗电流DC帧，其中所述DC帧含有当所述晶体管被接通从而停用所述PD时在所述图像传感器的第一曝光周期期间获得的所述对应像素的个别暗电流的读数；
获取所述图像传感器的所述像素阵列的第二多个像素的至少一个正常帧，其中所述正常帧含有在所述晶体管被切断以启用所述PD以使其开始积累光生电荷时在第二曝光周期期间获得的所述对应像素的个别信号的读数；及
从在所述至少一个DC帧之后获取的所述至少一个正常帧减去所述至少一个DC帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列的所述第一多个像素与所述像素阵列的所述第二多个像素相同。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述像素阵列的所述第一多个像素及所述像素阵列的所述第二多个像素各自包含所述像素阵列的所有像素。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列的所述第一多个像素包括所述像素阵列的至少一个行，且所述像素阵列的所述第二多个像素包括不同于所述第一多个像素的所述行的至少另一行。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一多个像素布置为所述像素阵列的奇数行像素，且所述像素阵列的所述第二多个像素布置为所述像素阵列的偶数行像素。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一多个像素布置于所述像素阵列的多个奇数行像素中，且所述像素阵列的所述第二多个像素布置于所述像素阵列的多个偶数行像素中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列的所述第一多个像素包括所述像素阵列的至少一个列，且所述像素阵列的所述第二多个像素包括不同于所述第一多个像素的所述至少一个列的至少另一列。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素阵列的所述第一多个像素在第一时间tn包括所述像素阵列的至少一个第一行，其中所述像素阵列的所述第一多个像素在第二时间tn+1包括所述像素阵列的至少一个第二行，且其中所述第一时间tn与所述第二时间tn+1不同。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个DC帧是第一DC帧，所述方法进一步包括：
确定对应于所述第一DC帧的获取的第一环境温度；
确定第二环境温度；
如果所述第二环境温度与所述第一环境温度之差大于预定阈值，那么获取第二DC帧；及
从随后获取的正常帧减去所述第二DC帧。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素电路是线性电路，且其中所述晶体管是将所述PD耦合到由电源线供应的所述电压源的溢流晶体管，且所述溢流晶体管在接通时可操作地从所述PD排出电荷。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述像素电路是对数电路，所述晶体管是复位晶体管，且所述电压源是复位漏极电压，其中所述复位晶体管在接通时将所述PD复位到所述复位漏极电压。
12.一种图像传感器，其包括：
多个像素，其布置成像素阵列的行及列，每一像素电路包括：
光电二极管PD；
第一浮动扩散部FD1，其通过转移TX晶体管耦合到所述光电二极管；及
晶体管，其可操作地将所述PD耦合到电压源以停用所述PD使其无法响应于入射光而积累电荷；
其中所述图像传感器经配置以：
在所述晶体管被接通以停用所述PD时在所述图像传感器的第一曝光周期期间获取所述图像传感器的像素阵列的第一多个像素的至少一个暗电流DC帧；
在所述晶体管被切断时在第二曝光周期期间获取所述图像传感器的所述像素阵列的第二多个像素的至少一个正常帧；及
从所述至少一个正常帧减去所述至少一个DC帧。
13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述晶体管是溢流晶体管，其中所述溢流晶体管选择性地将所述PD耦合到所述电压源，且其中所述溢流晶体管接通以将所述PD中的电荷排出到所述电压源。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其进一步包括：
第二浮动扩散部FD2，其通过双浮动扩散部晶体管耦合到所述第一浮动扩散部；及
横向溢流集成电容器LOFIC，其耦合到第二浮动扩散部FD2，
其中所述双浮动扩散部晶体管在所述至少一个帧的所述获取期间接通。
15.根据权利要求12所述的图像传感器，其中每一像素电路是对数电路，所述晶体管是经耦合以将所述PD复位到所述电压源的复位晶体管，且所述电压源是复位漏极电压。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中所述复位漏极电压是接地电压。
17.根据权利要求12所述的图像传感器，其进一步包括经配置以从所述至少一个正常帧减去所述至少一个DC帧的处理器。
18.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述像素阵列的所述第一多个像素与所述像素阵列的所述第二多个像素相同。
19.根据权利要求18所述的图像传感器，其中所述像素阵列的所述第一多个像素及所述像素阵列的所述第二多个像素各自包含所述像素阵列的所有像素。
20.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述像素阵列的所述第一多个像素包括所述像素阵列的至少一个行，且所述像素阵列的所述第二多个像素包括不同于所述第一多个像素的所述行的至少另一行。
21.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述像素阵列的所述第一多个像素包括所述像素阵列的至少一个列，且所述像素阵列的所述第二多个像素包括不同于所述第一多个像素的所述列的至少另一列。
22.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述像素阵列的所述第一多个像素在第一时间tn包括所述像素阵列的至少一个第一行，其中所述像素阵列的所述第一多个像素在第二时间tn+1包括所述像素阵列的至少一个第二行，且其中所述第一时间tn与所述第二时间tn+1不同。
23.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述图像传感器进一步经配置以在环境温度在获取所述至少一个DC帧之后改变达预定差异的情况下获取另一暗帧。
24.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述图像传感器进一步经配置以在所述第二曝光时间在获取所述至少一个DC帧之后大于预定曝光时间的情况下获取另一暗帧。
25.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述第一曝光周期的持续时间不同于所述第二曝光周期的持续时间。
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CN115866426A (zh) * 2022-11-30 2023-03-28 天津大学 基于横向溢流集成电容的多模式复用像素结构
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