CN115460361A - 用于相位检测自动聚焦及图像感测光电二极管的图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及使用用于相位检测自动聚焦及图像感测光电二极管的通过多个列位线进行的三次读出方法的图像传感器。一种成像装置包含具有第一及第二光电二极管的光电二极管阵列。第一及第二浮动扩散区经配置以分别从第一及第二光电二极管接收电荷。模/数转换器ADC经配置以分别同时从所述第一及第二浮动扩散区接收第一及第二位线信号。所述ADC经配置以在复位操作之后响应于所述第一及第二位线信号而产生参考读数。所述ADC接下来在电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而产生相位检测自动聚焦PDAF读数的前半部。所述ADC接着在电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而产生全图像读数。
Description
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，涉及包含相位检测自动聚焦及图像感测像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在且现在广泛用于数码相机、蜂窝电话、安全摄像机以及医疗、汽车及其它应用中。随着图像传感器集成到更广泛范围的电子装置中，期望通过装置架构设计以及图像获取处理两者以尽可能多的方式(例如，分辨率、功率消耗、动态范围等)增强它们的功能性、性能指标等。用以制造图像传感器的技术继续快速发展。例如，更高分辨率及更低功率消耗的需求促使这些装置的进一步小型化及集成。
典型的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射在所述图像传感器上而操作。所述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，所述光敏元件吸收入射图像光的一部分且在吸收所述图像光之后产生图像电荷。由所述像素光生的图像电荷可被测量为列位线上的模拟输出图像信号，所述模拟输出图像信号依据入射图像光而变动。换句话说，所产生图像电荷的量与图像光的强度成比例，所述图像电荷作为模拟信号从列位线读出且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)。
发明内容
本公开的一个方面提供一种成像装置，其包括：多个光电二极管，其布置在光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷，其中所述光电二极管阵列包含第一光电二极管及第二光电二极管；第一及第二浮动扩散区，其经配置以分别从所述第一及第二光电二极管接收电荷；及模/数转换器(ADC)，其经配置以同时通过第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收第一位线信号且通过第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收第二位线信号，其中所述ADC经配置以在复位操作之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第一次ADC转换以产生参考读数，其中所述ADC接下来经配置以在电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第二次ADC转换以产生相位检测自动聚焦(PDAF)读数的前半部，其中所述ADC接着经配置以在电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第三ADC操作以产生全图像读数。
本公开的另一方面提供一种成像系统，其包括：多个光电二极管，其布置在光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷，其中所述光电二极管阵列包含第一光电二极管及第二光电二极管；第一及第二浮动扩散区，其经配置以分别从所述第一及第二光电二极管接收电荷；控制电路，其耦合到所述光电二极管阵列以控制所述光电二极管阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述光电二极管阵列以通过多个列位线从所述光电二极管阵列读出信号，其中所述多个列位线包含第一列位线及第二列位线，其中所述读出电路包含耦合到所述多个列位线以产生来自所述光电二极管阵列的所述信号的数字表示的模/数转换器(ADC)，其中所述ADC经配置以同时通过所述第一列位线及第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收第一位线信号且通过所述第二列位线及第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收第二位线信号，其中所述ADC经配置以在复位操作之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第一次ADC转换以产生参考读数，其中所述ADC接下来经配置以在电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第二次ADC转换以产生相位检测自动聚焦(PDAF)读数的前半部，其中所述ADC接着经配置以在电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第三ADC操作以产生全图像读数。
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中贯穿各种视图相同参考数字指代类似部件，除非另有指定。
图1说明根据本发明的教示的包含光电二极管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光电二极管阵列的一个实例。
图3A说明根据本发明的教示的以具有相同颜色的1C像素的水平合并模式实施的光电二极管阵列的一个实例。
图3B说明根据本发明的教示的包含在具有光电二极管阵列的成像系统中的两个像素电路的一个实例示意图，所述光电二极管阵列以具有相同颜色的1C像素的水平合并模式实施。
图4说明说明根据本发明的教示的一个实例时序图，其说明包含在包含光电二极管阵列的成像系统中的像素电路中的各种信号，从所述光电二极管阵列产生相位检测自动聚焦信号及图像感测信号并由模/数转换器读出所述信号。
贯穿附图的若干视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将明白，图中的元件是为了简单及清楚而说明且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能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。另外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但易于理解的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的更清晰观察。
具体实施方式
本文中描述涉及包含具有相位检测自动聚焦及图像感测光电二极管的像素阵列的成像系统的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所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或利用其它方法、组件、材料等实践。在其它例子中，未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以便避免混淆某些方面。
贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的引用表示结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明的至少一个实例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定全部指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。
为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语，例如“在…下面”、“在…下方”、“在…上面”、“在…下”、“在…上方”、“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”等以描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中所说明。将理解，除图中所描绘的定向以外，空间相对术语还意在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置被旋转或翻转，那么被描述为“在其它元件或特征下方”、“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下”的元件将被定向为“在其它元件或特征上方”。因此，实例性术语“在…下方”及“在…下”可涵盖在…上方及在…下方两个定向。装置可以其它方式定向(旋转九十度或按其它定向)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述词。另外，还将理解，当一元件被称为“在两个其它元件之间”时，其可为所述两个其它元件之间的唯一元件，或者也可存在一或多个中介元件。
贯穿本说明书，使用若干技术术语。这些术语应具有其所属领域的普通含义，除非本文中明确地定义或其使用上下文将另有明确地表明。应注意，贯穿本文献，元素名称及符号可互换地使用(例如，Si与硅)；然而，两者具有相同含义。
如将论述，描述包含具有相位检测自动聚焦(PDAF)及图像感测光电二极管的光电二极管阵列的成像系统的各种实例。在各种实例中，所述成像系统包含布置在所述光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷的多个光电二极管。在所述各种实例中，所述光电二极管阵列中的所有光电二极管可用于相位检测自动聚焦及图像感测两者。因而，所述光电二极管阵列中的所有所述光电二极管都可具有同一种类的微透镜，以及它们自身的滤色器。所述光电二极管阵列包含第一光电二极管及第二光电二极管。第一及第二浮动扩散区经配置以分别从所述第一及第二光电二极管接收电荷。模/数转换器(ADC)经配置以同时通过第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收第一位线信号且通过第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收第二位线信号。所述ADC经配置以在复位操作之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第一次ADC转换以产生参考读数。所述ADC接下来经配置以在电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第二次ADC转换以产生PDAF读数的前半部。所述ADC接着经配置以在电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第三ADC操作以产生全图像读数。
在各种实例中，所述成像装置还包含多个转移晶体管。所述多个转移晶体管中的每一者耦合到所述多个光电二极管中的对应者。所述多个转移晶体管包含第一转移晶体管及第二转移晶体管。所述第一转移晶体管耦合在所述第一光电二极管与第一浮动扩散区之间。所述第二转移晶体管耦合在所述第二光电二极管与第二浮动扩散区之间。
还包含多个复位晶体管。所述多个复位晶体管包含第一复位晶体管及第二复位晶体管。所述第一复位晶体管耦合在所述第一浮动扩散区与电压供应器之间。所述第二复位晶体管耦合在所述第二浮动扩散区与所述电压供应器之间。
还包含多个源极跟随器晶体管。所述多个源极跟随器晶体管包含第一源极跟随器晶体管及第二源极跟随器晶体管。所述第一源极跟随器晶体管具有耦合到所述第一浮动扩散区的栅极及耦合到第一列位线的源极。在一个实例中，所述第一源极跟随器晶体管的所述源极通过第一行选择晶体管耦合到所述第一列位线。所述第二源极跟随晶体管具有耦合到所述第二浮动扩散区的栅极及耦合到第二列位线的源极。在一个实例中，所述第二源极跟随器晶体管的源极通过第二行选择晶体管耦合到第二列位线。
所述ADC具有同时既通过第一位线电容器耦合到第一列位线又通过第二位线电容器耦合到第二列位线的输入。所述ADC经配置以响应于在关断所述第一及第二转移晶体管的同时脉冲化所述第一及第二复位晶体管以复位所述第一及第二浮动扩散区而执行第一次ADC转换以确定参考读数。所述ADC接下来经配置以响应于在关断所述第一及第二复位晶体管以及所述第二转移晶体管的同时脉冲化所述第一转移晶体管而执行所述第二次ADC转换以确定PDAF读数的前半部。所述ADC接着经配置以响应于在关断所述第一及第二复位晶体管以及所述第一转移晶体管的同时脉冲化所述第二转移晶体管而执行所述第三次ADC转换以确定全图像读数。
接着，可响应于确定所述第二次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的差异而确定PDAF读数的前半部。可响应于确定第三次ADC转换与第二次ADC转换之间的差异而确定PDAF读数的后半部。可响应于相对于彼此评估所述前半部与后半部PDAF读数而确定PDAF信息。可响应于确定第三次ADC转换与第一次ADC转换之间的差异而确定全图像读数。因而，根据本发明的教示，可使用三次读出及ADC转换从成像装置的光电二极管确定PDAF读数及图像感测读数两者。
为了说明，图1说明根据本发明的教示的包含具有光电二极管阵列的成像装置的成像系统100的一个实例，所述光电二极管阵列包含相位检测自动聚焦及图像感测光电二极管。特定来说，成像系统100包含光电二极管阵列102、控制电路110、读出电路106及功能逻辑108。在一个实例中，根据本发明的教示，光电二极管阵列102是光电二极管104(例如，P1、P2、…、Pn)的二维(2D)阵列，所述光电二极管可用于相位检测自动聚焦以及图像感测两者。如在所描绘实例中所说明，光电二极管104布置成行(例如，R1到Ry)及列(例如，C1到Cx)以获取人、地点、物体等的图像数据及/或焦点数据，接着可使用所述图像数据及/或焦点数据以获取及显现人、地点、物体等的2D图像。
在一个实例中，光电二极管阵列102中的每一光电二极管104经配置以响应于入射光而光生图像电荷及/或相位检测自动聚焦电荷。每一光电二极管104中产生的图像电荷或相位检测自动聚焦电荷转移到每一像素电路中的浮动扩散区，所述图像电荷及/或相位检测自动聚焦电荷转换为图像信号或相位检测自动聚焦信号，其接着由读出电路106通过列位线112从每一像素电路读出。在各种实例中，从光电二极管阵列102读数的信号可被放大、数字化，接着转移到功能逻辑108。在各种实例中，读出电路106包含放大电路系统、模/数转换器(ADC)或其它元件。在一个实例中，读出电路106可沿着列位线112一次读数一行数据，如图1中所说明，或可使用多种其它技术(未说明)来读出所述数据，例如串行读出或同时完全并行读出所有像素电路。功能逻辑108可存储图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它方式)来操纵图像数据。
图2说明根据本公开的教示的光电二极管204的光电二极管阵列202的一个实例。特定来说，图2中所描绘的实例说明光电二极管阵列202，其包含在光电二极管阵列中布置成行及列以响应于入射光而产生电荷的多个光电二极管204。在各种实例中，多个光电二极管204包含第一光电二极管及第二光电二极管。
图2中所描绘的实例说明光电二极管阵列202是在1C彩色像素阵列中实施。特定来说，图2说明实施为包含处于1C模式下的拜耳图案滤色器阵列的彩色像素阵列的光电二极管阵列202。在1C模式下，拜耳图案的每一滤色器(例如，R、G、B)覆盖单个光电二极管(例如，针对每一彩色通道R、G、B的1x1群组)。在一个实例中，微透镜阵列也可安置在光电二极管阵列上面(例如，在R、G、B滤色器上面/下)且在一个实例中可仅覆盖1x1像素或光电二极管区域。
在一个实例中，应明白，具有相同颜色的像素可跨多个列位线合并在一起(例如，水平地合并)。因而，将从每一光电二极管204产生的信息与从邻近的合并光电二极管204产生的信息相加或组合以产生经组合信息，且因此将每一个别光电二极管204的性能相加以改善光电二极管阵列202的性能。例如，在图2中所描绘的实例中，一列中的蓝色(B)光电二极管可与在同一行中但在光电二极管阵列202的邻近列中的另一蓝色(B)光电二极管合并。换句话说，光电二极管204布置在光电二极管阵列202中使得具有相同红色(R)、绿色(G)或蓝色(B)颜色的邻近光电二极管可彼此合并。
在操作中，通过比较或评估来自一个光电二极管的信号与来自邻近光电二极管的信号，从成像装置检索相位检测信息。在所描绘实例中，比较来自同一行中的具有相同颜色的邻近光电二极管的信号。换句话说，例如，比较来自左侧(例如，左半部)蓝色/绿色/红色光电二极管的信号与来自邻近右侧(例如，右半部)蓝色/绿色/红色光电二极管的信号以确定水平PDAF信息。
如下文将更详细地描述，在一个实例中，在操作期间复位具有相同颜色的每一邻近光电二极管对中的每一光电二极管的像素电路。在复位操作之后，通过单独列位线同时读出来自具有相同颜色的两个邻近光电二极管的每一像素电路的信号。单个ADC耦合到两个位线且在第一次ADC转换期间同时数字化从两个列位线接收的复位信号以确定参考读出值。接下来，将来自具有相同颜色的两个邻近光电二极管中的光电二极管中的一者的信号耦合到所述列位线中的一者，接着在第二次ADC转换期间由单个ADC与另一列位线同时读出并数字化所述列位线中的所述一者以确定PDAF读数的前半部。接着，将来自具有相同颜色的两个邻近光电二极管中的另一光电二极管的信号耦合到另一列位线。根据本发明的教示，接着在第三次ADC转换期间使用单个ADC同时读出并数字化两个列位线以确定全图像读数。应明白，根据本发明的教示，可利用响应于第一次ADC转换而确定的单个参考读出值来确定PDAF读数的相关双采样(CDS)读数。
接着，可响应于确定第二次ADC转换与第一次ADC转换之间的差异而确定PDAF读数的前半部。可响应于确定第三次ADC转换与第二次ADC转换之间的差异而确定PDAF读数的后半部。可响应于相对于彼此评估前半部与后半部PDAF读数而确定PDAF信息。可响应于确定第三次ADC转换与第一次ADC转换之间的差异而确定全图像读数。因而，根据本发明的教示，可使用三次读出及ADC转换从成像装置的光电二极管确定PDAF及图像感测读数两者。因此，应明白，从光电二极管阵列202读出PDAF读数及合并图像感测读数两者而无须在读出之间第二次复位像素电路。应明白，根据本发明的教示，利用仅三次读出而非四次读出，噪声性能及帧速率性能得到改善。
图3A说明根据本发明的教示的以1C像素的水平合并模式实施的光电二极管阵列302的一个实例，其中耦合到相同颜色的像素的位线在水平方向上合并。应明白，包含在图3A的光电二极管阵列302中的光电二极管304可为包含在如图2中所展示的光电二极管阵列202中的光电二极管204的实例，或包含在如图1中所展示的光电二极管阵列102中的光电二极管104的实例，且上文所描述的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及起作用。
如图3A中所描绘的实例中所展示，光电二极管阵列302的活动行包含多个光电二极管304。所描绘实例说明光电二极管阵列302包含活动行，所述活动行包含蓝色光电二极管B00、绿色光电二极管G01、蓝色光电二极管B02及绿色光电二极管G03。光电二极管阵列302的空闲行包含绿色光电二极管G10、红色光电二极管R11、绿色光电二极管G12及红色光电二极管R13。当读出活动行时，位线BL0 312-0耦合到蓝色光电二极管B00，位线BL1 312-1耦合到绿色光电二极管G01位线BL2 312-2耦合到蓝色光电二极管B02，且位线BL3 312-3耦合到绿色光电二极管G03。
对于1C像素的水平合并模式，模/数转换器ADC<0>332-0经耦合以通过位线BL0312-0通过位线电容器C00 334-0且通过位线BL2 312-2通过位线电容器C01 334-2读出活动行的邻近蓝色光电二极管B00及B02。类似地，模/数转换器ADC<1>332-1经耦合以通过位线BL1 312-1通过位线电容器C10 334-1且通过位线BL3 312-3通过位线电容器C11 334-3读出活动行的邻近绿色光电二极管G01及G03。如所述实例中所展示，所得输入电压VIN<0>330-0出现在ADC<0>332-0的输入处，其产生数字输出信号DOUT<0>336-0。类似地，所得输入电压VIN<1>330-1出现在ADC<1>332-1的输入处，其产生数字输出信号DOUT<1>336-1。
如所提及，根据本发明的教示，可由模/数转换器ADC<0>332-0及ADC<1>332-1使用三次ADC转换从具有相同颜色的邻近光电二极管对(例如，B00/B02、G01/G03等)读出PDAF信息及水平合并图像感测信息两者。
为了说明，图3B展示根据本发明的教示的包含在具有光电二极管阵列的成像系统中的两个像素电路314-0及314-2的一个实例示意图。应明白，图3B的像素电路314-0及314-2可为耦合到图3A中所说明的光电二极管B00及B02的像素电路的实例示意图，或耦合到包含在如图2中所展示的光电二极管阵列202中的光电二极管204的像素电路的实例，或耦合到包含在如图1中所展示的光电二极管阵列102中的光电二极管104的像素电路的实例，且上文所描述的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及起作用。
在图3B中所描绘的实例中，像素电路314-0包含光电二极管PDB00 304-0，且像素电路314-2包含光电二极管PDB02 304-2。在所述实例中，光电二极管PDB00 304-0及光电二极管PDB02 304-2两者经配置以接收相同颜色的光(例如，蓝色)。此外，像素电路314-0及314-2是同一行中的相邻像素电路，但通过具有经配置以接收不同颜色(例如，绿色)的光电二极管的另一像素电路而分开，例如举例来说如图3A中所说明。
在所说明实例中，像素电路314-0还包含耦合在光电二极管PDB00 304-0与浮动扩散区318-0之间的转移晶体管316-0。类似地，像素电路314-2也包含耦合在光电二极管PDB02304-2与浮动扩散区318-2之间的转移晶体管316-2。在操作中，转移晶体管316-0经耦合以响应于转移控制信号TX0而进行控制，且转移晶体管316-2经耦合以响应于转移控制信号TX2而进行控制。因此，响应于入射光在光电二极管PDB00 304-0中光生的电荷响应于转移控制信号TX0而转移到浮动扩散区318-0，且响应于入射光在光电二极管PDB02 304-2中光生的电荷响应于转移控制信号TX2而转移到浮动扩散区318-2。
继续图3B中所描绘的实例，复位晶体管320-0耦合在浮动扩散区318-0与像素电路314-0中的电压供应器(例如，PIXVDD)之间，且复位晶体管320-2耦合在浮动扩散区318-2与像素电路314-2中的电压供应器之间。在操作中，复位晶体管320-0经配置以响应于复位控制信号RST而复位像素电路314-0，包含浮动扩散区318-0中的电荷，且复位晶体管320-2经配置以响应于复位控制信号RST而复位像素电路314-2，包含浮动扩散区318-2中的电荷。
所描绘实例还展示像素电路314-0包含源极跟随器晶体管324-0，所述源极跟随器晶体管324-0具有耦合到浮动扩散区318-0的栅极。在所述实例中，源极跟随器晶体管324-0的漏极耦合到电压供应器(例如，PIXVDD)，且源极跟随器晶体管324-0的源极通过行选择晶体管326-0耦合到第一列位线BL0 312-0。因此，换句话说，源极跟随器晶体管324-0及行选择晶体管326-0耦合在电压供应器(例如，PIXVDD)与第一列位线BL0 312-0之间。在操作中，转移到浮动扩散区318-0的电荷耦合到源极跟随器晶体管324-0的栅极，其在源极跟随器晶体管324-0的源极处产生输出信号，源极跟随器晶体管324-0的源极响应于行选择信号RS而通过行选择晶体管326-0耦合到第一列位线BL0 312-0。
类似地，所描绘实例还展示像素电路314-2包含源极跟随器晶体管324-2，所述源极跟随器晶体管324-2具有耦合到浮动扩散区318-2的栅极。在所述实例中，源极跟随器晶体管324-2的漏极耦合到电压供应器(例如，PIXVDD)，且源极跟随器晶体管324-2的源极通过行选择晶体管326-2耦合到第二列位线BL2 312-2。因此，换句话说，源极跟随器晶体管324-2及行选择晶体管326-2耦合在电压供应器(例如，PIXVDD)与第二列位线BL2 312-2之间。在操作中，转移到浮动扩散区318-2的电荷耦合到源极跟随器晶体管324-2的栅极，其在源极跟随器晶体管324-2的源极处产生输出信号，所述源极跟随器晶体管324-2的源极响应于行选择信号RS而通过行选择晶体管326-2耦合到第二列位线BL2 312-2。
图3B中所描绘的实例还说明单个模/数转换器ADC<0>332-0，其包含同时既通过第一位线电容器C00 334-0耦合到第一列位线BL0 312-0又通过第二位线电容器C01 334-2耦合到第二列位线BL2 312-2的输入。因而，ADC<1>332-0经配置以执行同时既通过第一列位线BL0 312-0通过第一位线电容器C00 334-0从像素电路314-0又通过第二列位线BL2 312-2通过第二位线电容器C01 334-2从像素电路314-2接收的模拟信号的ADC转换。在所描绘实例中，ADC<1>332-0的单个模拟输入被展示为输入电压VIN<0>330-0且ADC<0>332-0的数字输出被展示为数字输出信号DOUT<0>336-0。在一个实例中，ADC<0>332-0经耦合以响应于ADC复位信号334而复位。
图4说明根据本发明的教示的一个实例时序图428，其说明包含在包含光电二极管阵列的成像系统中的像素电路中的各种信号，从所述光电二极管阵列产生相位检测自动聚焦信号及图像感测信号并由模/数转换器读出所述信号。应明白，图4中所说明的波形可为在图3B的像素电路314-0及314-2，及/或耦合到包含在如图2中所展示的光电二极管阵列202中的光电二极管的像素电路的一者，及/或图1的成像系统100中发现的波形的实例，且下文所引用的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及起作用。
在图4中所描绘的实例中，假设图3B中的光电二极管PDB00 304-0及光电二极管PDB02 304-2两者经配置以接收相同颜色的光(例如，蓝色)且像素电路314-0及314-2是同一行中的邻近像素电路，但通过具有经配置以接收不同颜色(例如，绿色)的光电二极管的另一像素电路而分开，例如举例来说图3A中所说明。因而，假设在图4的时序图428中说明来自像素电路314-0及314-2的信号。如图4中所展示，时序图428说明复位晶体管控制信号420、ADC复位信号434、行选择晶体管控制信号426、转移晶体管控制信号TX0 416-0、转移晶体管控制信号TX2 416-2、第一列位线信号BL0 412-0、第二列位线信号BL2 412-2、输入电压信号VIN 430及模/数转换器(ADC)转换操作432。
在时间T1，断言或脉冲化复位晶体管控制信号420及ADC复位信号434，而转移晶体管控制信号TX0 416-0及TX2 416-2保持关断。因而，在时间T1，在关断转移晶体管316-0及316-2的同时接通复位晶体管320-0及320-2以复位包含浮动扩散区318-0及318-2的像素电路314-0及314-2以及ADC<0>332。
随着在接通复位晶体管320-0及320-2的情况下复位浮动扩散区318-0及318-2以及ADC<0>332，接着在时间T2断言行选择晶体管控制信号426，这会接通行选择晶体管326-0及326-2。因而，在时间T2第一列位线BL0 412-0及第二列位线BL2 412-2信号开始如图4中所展示那样上升。
在时间T3在已复位像素电路314-0及314-2以及浮动扩散区318-0及318-2之后，取消断言复位晶体管控制信号420或复位晶体管控制信号420中的脉冲结束，这会在时间T3关断复位晶体管320-0及320-2。因而，在时间T3第一列位线BL0 412-0及第二列位线BL2 412-2信号开始如图4中所展示那样稳定到它们的复位或参考电平。在时间T3之后，ADC复位操作完成且取消断言ADC复位信号434或ADC复位信号434中的脉冲如所展示那样结束。
在已复位像素电路314-0及314-2、浮动扩散区318-0及318-2以及ADC<0>332且第一列位线BL0 412-0及第二列位线BL2 412-2信号已稳定到它们的复位或参考电平之后，在时间T4由ADC<0>332-0执行ADC转换操作432以在时间TA/D1输出输入电压VIN 430的第一次ADC转换，这是响应于第一列位线BL0 412-0及第二列位线BL2 412-2信号值，所述信号值代表在时间T4处像素电路314-0及314-2的参考读数或复位电平读数。
一旦在时间TA/D1输入电压VIN 430的第一次ADC转换432完成，就在时间T5断言或脉冲化转移晶体管控制信号TX0 416-0，而复位晶体管控制信号420及转移晶体管控制信号TX2 416-2保持在关断状态。因此，在时间T5接通转移晶体管316-0，而转移晶体管316-2在时间T5保持关断。因而，在时间T5将在光电二极管PDB00 304-0中光生的电荷转移到浮动扩散区318-0。
随着在时间T5将电荷从光电二极管PDB00 304-0转移到浮动扩散区318-0，第一列位线BL0 412-0电压开始如所展示那样下降，这反映在输入电压VIN 430在时间T5也如所展示那样相应地下降中。还应注意，在时间T5第二列位线BL2 412-2电压保持固定在相应复位或参考电平，因为转移晶体管316-2在时间T5保持关断。
在电荷已从光电二极管PDB00 304-0转移到浮动扩散区318-0之后，取消断言转移晶体管控制信号TX0 416-0，这会关断转移晶体管316-0。在第一列位线BL0 412-0电压及输入电压VIN 430已稳定之后，在时间T6由ADC 332执行第二次ADC转换操作432以在时间TA/D2输出输入电压VIN 430的第二次ADC转换，所述第二次ADC转换代表在时间T6处来自像素电路314-0的前半部(例如，左半部)PDAF读数。
如图4中所述，如果假设第一列位线BL0 412-0电压相对于复位操作之后的电压的电压降等于V0，那么ADC<0>332-0的输入处的输入电压VIN 430相对于复位操作之后的电压的电压降可基于以下等式(1)来确定：
C00是第一位线电容器C00 334-0的电容值且C01是第二位线电容器C01 334-2的电容值。
一旦在时间TA/D2输入电压VIN 430的第二次ADC转换432完成，就在时间T7断言或脉冲化转移晶体管控制信号TX2 416-2，而复位晶体管控制信号420及转移晶体管控制信号TX0 416-0保持在关断状态。因此，在时间T7接通转移晶体管316-2，而转移晶体管316-0在时间T7保持关断。因而，在时间T7将在光电二极管PDB02 304-2中光生的电荷转移到浮动扩散区318-2。应注意，根据本发明的教示，在将电荷从PDB02 304-2转移到浮动扩散区318-2之前，不会第二次复位浮动扩散区318-0中的电荷。
在电荷在时间T7从光电二极管PDB02 304-2转移到浮动扩散区318-2的情况下，在时间T7第二列位线BL2 412-2的位线电压开始下降，这也反映在ADC<0>332-0的输入处的输入电压VIN 430在时间T7如所展示那样相应地再次下降中。在电荷已从光电二极管PDB02304-2转移到浮动扩散区318-2之后，取消断言转移晶体管控制信号TX2 416-2，这会关断转移晶体管316-2。在第二列位线BL2 412-2的位线电压及输入电压VIN 430已再次稳定之后，在时间T8由ADC<0>332-0执行第三次ADC转换操作432以在时间TA/D3输出输入电压VIN 430的第三次ADC转换，所述第三次ADC转换用以确定在时间T8像素电路314-0及314-2的全图像读数。
如图4中所述，如果假设第二列位线BL2 412-2电压相对于复位操作之后的电压的电压降等于V2，且假设第一列位线BL0 412-0的电压相对于复位操作之后的电压的电压降保持等于V0，那么ADC<0>332-0的输入处的输入电压VIN 430相对于复位操作之后的电压的电压降可基于以下等式(2)来确定：
C00是第一位线电容器C00 334-0的电容值且C01是第二位线电容器C01 334-2的电容值。
一旦在时间TA/D3输入电压VIN 430的第三次ADC转换432完成，接着就在时间T9取消断言行选择晶体管控制信号426，这会关断行选择晶体管326-0及326-2，从而致使输入电压VIN 430返回到其空闲状态值。
概括来说，应明白，根据本发明的教示，执行三次ADC转换432以确定具有相关双采样(CDS)的PDAF读数及全图像读数。在时间TA/D1使用第一次ADC转换(例如，DOUT(TA/D1))以获得参考读数，在时间TA/D2使用第二次ADC转换(例如，DOUT(TA/D2))以获得具有相同颜色的邻近光电二极管的左半部的PDAF读数，且在时间TA/D3使用第三次ADC转换(例如，DOUT(TA/D3))以从具有相同颜色的两个邻近光电二极管获得全水平合并图像读数。
在一个实例中，假设第一位线电容器C00 334-0的电容等于第二位线电容器C01334-2的电容，或C00＝C01。另外，在所述实例中，还假设ADC<0>332-0的左侧或第一列位线312-0侧的增益AL等于ADC<0>332-0的右侧或第二列位线312-2侧的增益AR，且两者均等于2，或AL＝AR＝2。
因而，在信号处理中，左半部的PDAF读数可基于以下等式(3)来确定：
PDAFLEFT＝AL*DOUT(TA/D2)-DOUT(TA/D1) (3)
在所述实例中，第二次ADC转换等于DOUT(TA/D2)且第一次ADC转换等于DOUT(TA/D1)。
在一个实例中，右半部的PDAF读数可基于以下等式(4)来确定：
PDAFRIGHT＝AR*(DOUT(TA/D3)-DOUT(TA/D2)) (4)在所述实例中，第三次ADC转换等于DOUT(TA/D3)且第二次ADC转换等于DOUT(TA/D2)。
在一个实例中，两个光电二极管的合并图像读数可基于以下等式(5)来确定：
IMAGEBINNED＝DOUT(TA/D3)-DOUT(TA/D1) (5)在所述实例中，第三次ADC转换等于DOUT(TA/D3)且第一次ADC转换等于DOUT(TA/D1)。
对本发明的所说明实例的以上描述，包含摘要中所描述的内容，并非意在穷尽性或将本发明限于所公开的精确形式。虽然在本文中出于说明性目的而描述本发明的特定实例，但如相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可进行各种修改。
鉴于以上详细描述，可对本发明进行这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书中所公开的特定实例。相反，本发明的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权利要求解释的既定原则来解释。
Claims (37)
1.一种成像装置，其包括：
多个光电二极管，其布置在光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷，其中所述光电二极管阵列包含第一光电二极管及第二光电二极管；
第一及第二浮动扩散区，其经配置以分别从所述第一及第二光电二极管接收电荷；及
模/数转换器ADC，其经配置以同时通过第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收第一位线信号且通过第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收第二位线信号，其中所述ADC经配置以在复位操作之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第一次ADC转换以产生参考读数，其中所述ADC接下来经配置以在电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第二次ADC转换以产生相位检测自动聚焦PDAF读数的前半部，其中所述ADC接着经配置以在电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第三ADC操作以产生全图像读数。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其进一步包括：
多个转移晶体管，其中所述多个转移晶体管中的每一者耦合到所述多个光电二极管中的对应者，其中所述多个转移晶体管包含耦合在所述第一光电二极管与所述第一浮动扩散区之间的第一转移晶体管及耦合在所述第二光电二极管与所述第二浮动扩散区之间的第二转移晶体管；
多个复位晶体管，其包含第一复位晶体管及第二复位晶体管，其中所述第一复位晶体管耦合在所述第一浮动扩散区与电压供应器之间，其中所述第二复位晶体管耦合在所述第二浮动扩散区与所述电压供应器之间；及
多个源极跟随器晶体管，其包含第一源极跟随器晶体管及第二源极跟随器晶体管，其中所述第一源极跟随器晶体管具有耦合到所述第一浮动扩散区的栅极及耦合到第一列位线的源极，其中所述第二源极跟随器晶体管具有耦合到所述第二浮动扩散区的栅极及耦合到第二列位线的源极，其中所述ADC经配置以同时通过所述第一列位线及所述第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收第一位线信号且通过所述第二列位线及所述第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收所述第二位线信号。
3.根据权利要求2所述的成像装置，其进一步包括包含第一行选择晶体管及第二行选择晶体管的多个行选择晶体管，
其中所述第一行选择晶体管耦合到所述第一源极跟随器晶体管，其中所述第一源极跟随器晶体管及所述第一行选择晶体管耦合在所述电压供应器与所述第一列位线之间，
其中所述第二行选择晶体管耦合到所述第二源极跟随器晶体管，其中所述第二源极跟随器晶体管及所述第二行选择晶体管耦合在所述电压供应器与所述第二列位线之间。
4.根据权利要求3所述的成像装置，其中所述复位操作包含在关断所述第一及第二转移晶体管的同时脉冲化所述第一及第二复位晶体管以复位所述第一及第二浮动扩散区。
5.根据权利要求3所述的成像装置，其中所述第二次ADC转换是响应于在关断所述第一及第二复位晶体管以及所述第二转移晶体管的同时脉冲化所述第一转移晶体管而执行的。
6.根据权利要求3所述的成像装置，其中所述第三次ADC转换是响应于在关断所述第一及第二复位晶体管以及所述第一转移晶体管的同时脉冲化所述第二转移晶体管而执行的。
7.根据权利要求3所述的成像装置，
其中所述第一光电二极管、所述第一晶体管、所述第一浮动扩散区、所述第一复位晶体管、所述第一源极跟随器晶体管及所述第一行选择晶体管被包含在第一像素电路中，且
其中所述第二光电二极管、所述第二晶体管、所述第二浮动扩散区、所述第二复位晶体管、所述第二源极跟随器晶体管及所述第二行选择晶体管被包含在第二像素电路中。
8.根据权利要求7所述的成像装置，其中第三像素电路安置在所述第一像素电路与所述第二像素电路之间。
9.根据权利要求8所述的成像装置，其进一步包括安置在所述光电二极管阵列上面的滤色器阵列，其中所述第一像素电路及所述第二像素电路安置在所述滤色器阵列的具有相同第一颜色的相应第一及第二滤色器下，其中所述第三像素电路安置在所述滤色器阵列的具有不同第二颜色的第三滤色器下。
10.根据权利要求1所述的成像装置，其中响应于所述第二次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的差异而确定所述PDAF读数的所述前半部。
11.根据权利要求10所述的成像装置，其中当确定所述第二次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的所述差异时将所述第二次ADC转换乘以所述ADC的第一增益。
12.根据权利要求10所述的成像装置，其中响应于所述第三次ADC转换与所述第二次ADC转换之间的差异而确定所述PDAF读数的后半部。
13.根据权利要求12所述的成像装置，其中当确定所述PDAF读数的所述后半部时将所述第三次ADC转换与所述第二次ADC转换之间的所述差异乘以所述ADC的第二增益。
14.根据权利要求12所述的成像装置，其中所述PDAF读数的所述前半部是所述PDAF读数的上半部，且所述PDAF读数的所述后半部是所述PDAF读数的下半部。
15.根据权利要求12所述的成像装置，其中所述PDAF读数的所述前半部是所述PDAF读数的左半部，且所述PDAF读数的所述后半部是所述PDAF读数的右半部。
16.根据权利要求1所述的成像装置，其中响应于所述第三次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的差异而确定所述全图像读数。
17.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述第二次ADC转换代表所述第一列位线上的第一电压降乘以所述第一位线电容器的电容除以所述第一位线电容器的所述电容与所述第二位线电容器的电容的总和。
18.根据权利要求17所述的成像装置，其中所述第三次ADC转换代表所述第二次ADC转换与所述第二列位线上的第二电压降的总和乘以所述第二位线电容器的所述电容除以所述第一位线电容器的所述电容与所述第二位线电容器的所述电容的所述总和。
19.一种成像系统，其包括：
多个光电二极管，其布置在光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷，其中所述光电二极管阵列包含第一光电二极管及第二光电二极管；
第一及第二浮动扩散区，其经配置以分别从所述第一及第二光电二极管接收电荷；
控制电路，其耦合到所述光电二极管阵列以控制所述光电二极管阵列的操作；及
读出电路，其耦合到所述光电二极管阵列以通过多个列位线从所述光电二极管阵列读出信号，其中所述多个列位线包含第一列位线及第二列位线，
其中所述读出电路包含耦合到所述多个列位线以产生来自所述光电二极管阵列的所述信号的数字表示的模/数转换器ADC，其中所述ADC经配置以同时通过所述第一列位线及第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收第一位线信号且通过所述第二列位线及第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收第二位线信号，
其中所述ADC经配置以在复位操作之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第一次ADC转换以产生参考读数，其中所述ADC接下来经配置以在电荷从所述第一光电二极管转移到所述第一浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第二次ADC转换以产生相位检测自动聚焦PDAF读数的前半部，其中所述ADC接着经配置以在电荷从所述第二光电二极管转移到所述第二浮动扩散区之后响应于所述第一及第二位线信号而执行第三ADC操作以产生全图像读数。
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以存储来自所述光电二极管阵列的所述信号的数字表示的功能逻辑。
21.根据权利要求19所述的成像系统，其进一步包括：
多个转移晶体管，其中所述多个转移晶体管中的每一者耦合到所述多个光电二极管中的对应者，其中所述多个转移晶体管包含耦合在所述第一光电二极管与所述第一浮动扩散区之间的第一转移晶体管及耦合在所述第二光电二极管与所述第二浮动扩散区之间的第二转移晶体管；
多个复位晶体管，其包含第一复位晶体管及第二复位晶体管，其中所述第一复位晶体管耦合在所述第一浮动扩散区与电压供应器之间，其中所述第二复位晶体管耦合在所述第二浮动扩散区与所述电压供应器之间；及
多个源极跟随器晶体管，其包含第一源极跟随器晶体管及第二源极跟随器晶体管，其中所述第一源极跟随器晶体管具有耦合到所述第一浮动扩散区的栅极及耦合到所述第一列位线的源极，其中所述第二源极跟随器晶体管具有耦合到所述第二浮动扩散区的栅极及耦合到所述第二列位线的源极，其中所述ADC经配置以同时通过所述第一列位线及所述第一位线电容器从所述第一浮动扩散区接收所述第一位线信号且通过所述第二列位线及所述第二位线电容器从所述第二浮动扩散区接收所述第二位线信号。
22.根据权利要求21所述的成像系统，其进一步包括包含第一行选择晶体管及第二行选择晶体管的多个行选择晶体管，
其中所述第一行选择晶体管耦合到所述第一源极跟随器晶体管，其中所述第一源极跟随器晶体管及所述第一行选择晶体管耦合在所述电压供应器与所述第一列位线之间，
其中所述第二行选择晶体管耦合到所述第二源极跟随器晶体管，其中所述第二源极跟随器晶体管及所述第二行选择晶体管耦合在所述电压供应器与所述第二列位线之间。
23.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述复位操作包含在关断所述第一及第二转移晶体管的同时脉冲化所述第一及第二复位晶体管以复位所述第一及第二浮动扩散区。
24.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述第二次ADC转换是响应于在关断所述第一及第二复位晶体管以及所述第二转移晶体管的同时脉冲化所述第一转移晶体管而执行的。
25.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述第三次ADC转换是响应于在关断所述第一及第二复位晶体管以及所述第一转移晶体管的同时脉冲化所述第二转移晶体管而执行的。
26.根据权利要求22所述的成像系统，
其中所述第一光电二极管、所述第一晶体管、所述第一浮动扩散区、所述第一复位晶体管、所述第一源极跟随器晶体管及所述第一行选择晶体管被包含在第一像素电路中，且
其中所述第二光电二极管、所述第二晶体管、所述第二浮动扩散区、所述第二复位晶体管、所述第二源极跟随器晶体管及所述第二行选择晶体管被包含在第二像素电路中。
27.根据权利要求26所述的成像系统，其中第三像素电路安置在所述第一像素电路与所述第二像素电路之间。
28.根据权利要求27所述的成像系统，其进一步包括安置在所述光电二极管阵列上面的滤色器阵列，其中所述第一像素电路及所述第二像素电路安置在所述滤色器阵列的具有相同第一颜色的相应第一及第二滤色器下，其中所述第三像素电路安置在所述滤色器阵列的具有不同第二颜色的第三滤色器下。
29.根据权利要求19所述的成像系统，其中响应于所述第二次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的差异而确定所述PDAF读数的所述前半部。
30.根据权利要求29所述的成像系统，其中当确定所述第二次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的所述差异时将所述第二次ADC转换乘以所述ADC的第一增益。
31.根据权利要求29所述的成像系统，其中响应于所述第三次ADC转换与所述第二次ADC转换之间的差异而确定所述PDAF读数的后半部。
32.根据权利要求31所述的成像系统，其中当确定所述PDAF读数的所述后半部时将所述第三次ADC转换与所述第二次ADC转换之间的所述差异乘以所述ADC的第二增益。
33.根据权利要求31所述的成像系统，其中所述PDAF读数的所述前半部是所述PDAF读数的上半部，且所述PDAF读数的所述后半部是所述PDAF读数的下半部。
34.根据权利要求31所述的成像系统，其中所述PDAF读数的所述前半部是所述PDAF读数的左半部，且所述PDAF读数的所述后半部是所述PDAF读数的右半部。
35.根据权利要求19所述的成像系统，其中响应于所述第三次ADC转换与所述第一次ADC转换之间的差异而确定所述全图像读数。
36.根据权利要求19所述的成像系统，其中所述第二次ADC转换代表所述第一列位线上的第一电压降乘以所述第一位线电容器的电容除以所述第一位线电容器的所述电容与所述第二位线电容器的电容的总和。
37.根据权利要求36所述的成像系统，其中所述第三次ADC转换代表所述第二次ADC转换与所述第二列位线上的第二电压降的总和乘以所述第二位线电容器的所述电容除以所述第一位线电容器的所述电容与所述第二位线电容器的所述电容的所述总和。
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