CN208971644U - 图像传感器像素及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及图像传感器像素及图像传感器。本实用新型公开了一种图像传感器像素，该图像传感器像素可包括经由电荷转移晶体管耦接到像素电荷存储装置的光电二极管、经由增益控制晶体管耦接到所述像素电荷存储装置的电荷溢出电容器、以及经由重置晶体管耦接到所述电荷溢出电容器的可调重置漏极。该重置晶体管可接收重置信号，该重置信号在采集阶段期间被动态地调节以有助于减少闪烁。还可在读出期间校准重置晶体管的势垒以减少不同像素间的固定图案噪声。图像传感器像素可使用通过电荷溢出电容器和光闪烁减轻操作读出的至少三个信号的线性组合来生成图像。所述图像可为由至少低曝光信号和高曝光信号生成的高动态范围图像。

Description

图像传感器像素及图像传感器
技术领域
本实用新型整体涉及成像设备，具体地讲，涉及具有带溢出能力的图像传感器像素的成像设备，更具体地讲，涉及图像传感器像素及图像传感器。
背景技术
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置方式中，图像传感器包括图像像素阵列，该图像像素阵列被布置成像素行和像素列。可将电路耦接到每个像素列以用于从图像像素读出图像信号。
典型的图像像素包含光电二极管，该光电二极管用于响应于入射光而生成电荷。图像像素还可包括电荷存储区，该电荷存储区用于存储在光电二极管中生成的电荷。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门中，图像传感器中的每个像素均可同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行像素可依次捕获图像。
图像传感器可配备有多曝光高动态范围(HDR)功能，其中用图像传感器在不同曝光时间捕获多个图像。然后将多个图像结合到高动态范围图像中。在常规HDR图像传感器中，可在第一读出周期期间对长曝光图像进行采样。然后通常使用存储缓冲器存储长曝光图像。在存储缓冲器存储长曝光图像时，生成短曝光图像。然后在第二读出周期中对短曝光图像进行采样。在对短曝光图像进行采样后，组合短曝光图像和长曝光图像以形成HDR图像。然而，存储缓冲器可使图像传感器的制造增加附加成本(例如，增加硅成本)。另外，标准HDR图像传感器像素可具有其他缺陷，诸如明亮场景所引起的光电二极管的非期望饱和以及无法检测闪烁光。
本文的实施方案就是在这种背景下出现的。
实用新型内容
本实用新型提出了一种图像传感器像素，包括：光敏元件；像素电荷存储节点，所述像素电荷存储节点耦接到所述光敏元件；电荷转移晶体管，所述电荷转移晶体管耦接在所述光敏元件和所述像素电荷存储节点之间；以及重置晶体管，所述重置晶体管耦接到所述像素电荷存储节点，其中所述重置晶体管被配置为在采集阶段期间接收动态改变的重置控制信号以减轻闪烁。
本实用新型还提出了一种图像传感器，所述图像传感器包括图像传感器像素，所述图像传感器像素包括光敏元件；像素电荷存储节点，所述像素电荷存储节点经由电荷转移晶体管耦接到所述光敏元件；电容器存储区，所述电容器存储区经由增益控制晶体管耦接到所述像素电荷存储节点；以及重置晶体管，所述重置晶体管耦接到所述像素电荷存储节点，其中所述重置晶体管被配置为在采集阶段期间接收动态改变的重置控制信号。所述图像传感器还包括读出电路，所述读出电路被配置为从所述图像传感器像素接收溢出信号，其中所述溢出信号表示在所述采集阶段结束时存储于像素电荷存储装置和所述电容器存储区中的电荷总量。
本实用新型公开了一种图像传感器像素及图像传感器，该图像传感器包括图像传感器像素，使得无需使用存储缓冲器从而使所述图像传感器的制造成本降低。此外，所公开的图像传感器像素解决了标准HDR图像传感器像素所存在的诸如明亮场景所引起的光电二极管的非期望饱和以及无法检测闪烁光的缺陷。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以便使用图像像素阵列捕获图像。
图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。
图3为根据一个实施方案的具有一对分裂光电二极管的示例性图像传感器像素的电路图。
图4为根据一个实施方案的用于操作图3所示的示例性图像传感器像素以使该对分裂光电二极管具有电荷溢出能力的时序图。
图5为根据一个实施方案的被配置为支持动态重置栅极势垒调制的示例性图像传感器像素的电路图。
图6为根据一个实施方案的时序图，其示出了重置栅极势垒可如何随时间推移而单调递减。
图7A至图7C为根据一些实施方案的电荷电势图，其示出了在图6所示的像素操作的各个阶段期间所聚积的电荷的流动。
图8为根据一个实施方案的被配置为计算输出信号的读出电路的示意图。
图9为根据一个实施方案的曲线图，其示出了重置栅极势垒的自校准如何去除固定图案噪声并改善信噪比。
图10为根据一个实施方案的时序图，其示出了重置栅极势垒可如何具有两个离散曝光阶段。
图11A至图11C为根据一些实施方案的电荷电势图，其示出了在图10所示的像素操作的各个阶段期间所聚积的电荷的流动。
具体实施方式
电子设备诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，百万像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。
图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、汽车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调节透镜，并且可包括微透镜，该微透镜形成于图像传感器16的成像表面上。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(例如，图像处理电路、微处理器、存储设备诸如随机存取存储器和非易失性存储器等)，并且可使用与相机模块分开和/或形成相机模块的一部分的部件(例如，形成包括图像传感器16 的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块内的集成电路的一部分的电路) 来实施。当与图像传感器16的集成电路不同的集成电路(例如，芯片)上包括存储和处理电路18时，可相对于具有图像传感器16的集成电路竖直地堆叠或封装具有电路18的集成电路。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块捕获的图像数据(例如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18 上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(例如，计算机、外部显示器或其他设备)。
图2示出了图像传感器16可如何包括图像像素22的一个或多个阵列20。可使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦合器件(CCD)技术或任何其他合适的光敏设备技术，在半导体衬底中形成图像像素22。图像像素22可为前照式(FSI)图像像素或背照式(BSI)图像像素。给定的图像传感器像素(例如，图像像素22内的图像像素，本文有时简称为图像像素22)可包括一个或多个光敏区。例如，图像像素22可包括一个光敏区或一对光敏区(例如，一对分裂光电二极管)或超过两个光敏区。微透镜(例如，透镜14的一部分)可形成在图像像素22上方。
如图2所示，图像传感器16可包括控制和处理电路24和被布置成行和列的像素阵列20，该像素阵列包含图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)。例如，阵列20可包含数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20 中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22产生的图像信号。
图像读出电路28可通过列线32接收图像信号(例如，由像素22产生的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样和保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的闩锁电路，或者其他电路，所述其他电路耦接至阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22并且用于从像素22读出图像信号。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。
图3为示例性图像传感器像素(诸如像素300)的电路图。像素300可包括光敏区50和52(例如，分裂光电二极管50和52，或简称光电二极管50和 52)。光敏区50和52可由单个微透镜覆盖，或如果需要，可由一个或多个单独微透镜覆盖。如果需要，光电二极管50和52可为钉扎元件(例如，钉扎到预先确定的电势、电压电平或钉扎电势的元件)。光电二极管50和52可在一段时间(即，曝光时间)内接收入射光，并生成对应于曝光时间内的入射光的图像信号。
在常规成像系统中，图像伪影可能由移动物体、移动或抖动相机、闪烁光照以及图像帧中具有变化照明的物体引起。此类伪影可包括例如物体的缺失部分、边缘颜色伪影和物体失真。具有变化照明的物体的例子包括发光二极管 (LED)交通标志(其可每秒闪烁几百次)以及现代汽车的LED刹车灯或车头灯。以短积聚时间和短曝光时间生成的图像信号可错过闪烁光(例如，在给定频率下的LED的闪光)。然而，通过将短积聚时间扩散至较长的曝光时间，错过来自闪烁光(例如，脉冲光源、LED)的信号的可能性就较小。
像素300可被设计成通过将短积聚时间扩散至较长的曝光时间来减少与闪烁照明相关联的伪影。为了实现闪烁减轻，可通过相应快门栅极晶体管56和 58将光电二极管50和52耦接到具有供电电压Vaapix的电压源54。当相应控制信号SGA和SGB被断言(例如，被脉冲为高)时，光电二极管50和52可分别被重置。当控制信号SGA和SGB被解除断言(例如，被脉冲为低)时，光电二极管50和52可开始从入射光聚积电荷。
像素300可包括转移晶体管60和62以及像素电荷存储装置64(例如，像素电荷存储结构64、浮动扩散区64、钉扎存储二极管64、存储栅极64等)。转移晶体管60和62各自可包括源极端子、漏极端子、栅极端子和沟道区。浮动扩散区64可为掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术在硅衬底中形成的掺杂硅区域)，该掺杂半导体区具有电荷存储能力(例如，具有电容)。如果需要，浮动扩散区64可为浮动扩散节点。
光电二极管50可连接到晶体管60的第一端子(例如，源极端子或漏极端子)。浮动扩散区64可连接到与晶体管60的第一端子相对的第二端子。例如，如果第一端子为源极端子，则第二端子可为漏极端子，或反之亦然。控制信号 TXA可控制跨晶体管60的沟道的电荷流。当控制信号TXA被断言时，存储在光电二极管50中的图像电荷可通过晶体管60的沟道区而到达浮动扩散区64。控制信号TXA随后可被解除断言，并且光电二极管50可使用控制信号SGA重置。类似地，光电二极管52可经由转移晶体管62耦接到浮动扩散区64。控制信号TXB可类似地控制跨转移晶体管62的电荷流。
为了改善像素300的电荷存储容量(例如，为了扩展浮动扩散区64的电荷存储能力)，具有电容C的溢出电容器66可经由增益控制晶体管68耦接到浮动扩散区64。例如，电容C可远大于与浮动扩散区64相关联的电容。控制信号DCG可控制晶体管68，从而分别通过断言或解除断言控制信号DCG来启用或禁用浮动扩散区64的电荷存储容量的扩展。浮动扩散区64还可耦接到供应电压电平Vaapix的电压源70。如果需要，电压源70可为与电压源54相同的电压源。或者，如果需要，电压源70可提供与电压电平Vaapix不同的电压电平。浮动扩散区64可经由重置晶体管72和增益控制晶体管68耦接到电压源70。可通过断言控制信号RST和DCG，将溢出电容器66和浮动扩散区64共同重置到一定电压电平(例如，接近Vaapix的电压电平)。
像素300还可包括读出电路，该读出电路包括源极跟随器晶体管74和行选择晶体管76。晶体管76可具有栅极，该栅极受行选择控制信号RS控制。当控制信号RS被断言时，晶体管76接通，并且对应信号Pixout(例如，大小与浮动扩散节点64处的电荷量成比例的输出信号)被传递到列读出路径78(本文有时称为总线78并且对应于图2中的线32)。如果需要，在光电二极管50处将入射光转换成的对应图像信号可与图像信号读出同时进行。
如图3所示的像素300可在电荷溢出模式下操作(例如，在溢出电容器启用的情况下操作)以存储浮动扩散区64无法存储(例如，通常将使浮动扩散区 64过饱和)的多余电荷。图4示出了在电荷溢出操作模式下操作像素300的时序图。
在时间t1与t2之间，可出现像素重置周期，其中像素300内的电荷存储区可被重置为接近供电电压电平(例如，电压电平Vaapix)。在像素重置周期期间，可通过断言相应控制信号TXA、TXB、DCG和RST来同时启用晶体管60、62、 68和72以重置分裂光电二极管50和52、浮动扩散区64以及电容器66(例如，在时间t5时)。控制信号TXA、TXB、DCG和RST可在时间t2之前或之时解除断言，从而启动像素300的采集周期。可在像素重置周期期间(例如，在时间t1时)通过断言相应控制信号SGA和SGB来类似地启用晶体管56和58以重置光电二极管50和52。晶体管56和58可被解除断言以使光电二极管50与电压源54断开连接，并且允许光电二极管50和52开始存储对应于入射光的电荷(例如，在时间t2时)，从而开始像素采集周期(例如，信号采集周期)。
在从时间t2开始并在时间t3结束的像素采集周期期间，可在光电二极管 50和52处将入射光转换为电荷。所转换的电荷可存储在像素300内的不同电荷存储区(例如，光电二极管50和52、浮动扩散区64以及电容器66)处(例如，分布在当中)。在时间t6时，断言A和B可分别启用转移晶体管60和增益控制晶体管68。通过使用断言A和B(本文有时统称为溢出转移断言)，从时间t2到断言A的下降沿的时间在光电二极管50处聚积的一些或全部电荷可移动到浮动扩散区64和溢出电容器66中。所聚积的电荷的量可由连接到光电二极管50的晶体管60的源极-漏极端子与连接到浮动扩散区64和电容器66组合的晶体管60的源极-漏极端子之间的电势差确定。使转移断言和增益控制断言同步的溢出转移断言将减少栅极暗电流贡献(例如，通过使用溢出电容器 66)。可能希望在增益控制晶体管下实现(例如，提供)比作为钉扎元件的光电二极管50和52的钉扎电势更高的电势。另外，可能希望实现转移晶体管端子之间足够大的电势差(例如，2V、2.5V等)以例如优化将一部分或全部电荷从光电二极管转移到浮动扩散区的性能。
类似地，在时间t7时，断言C和D可分别启用转移晶体管62和增益控制晶体管68。s通过使用断言C和D(例如，另一种溢出转移断言)，从时间t2 到断言C的下降沿的时间在光电二极管52处聚积的一些或全部电荷可转移到浮动扩散区64和溢出电容器66中。可按照与晶体管60相关的过程类似的方式确定待转移的聚积电荷量。可将在光电二极管52处聚积的发生转移的电荷与此前使用断言A和B移动的所聚积的电荷组合。另外，如果光电二极管50和52 中的一者或两者聚积高于阈值壁垒(例如，阈值势垒)的电荷，则高于阈值壁垒的所聚积的电荷可溢出到浮动扩散区64中以及任选地通过启用晶体管68溢出到电容器66中。
可在像素采集周期期间发生与A、B、C和D断言类似的转移晶体管60和 62以及增益控制晶体管68的附加断言(例如，附加溢出转移断言)。附加断言可进一步增加浮动扩散区64和电容器66处存储的电荷量。在电荷溢出模式下操作像素300的优点与断言B、D以及控制信号DCG的类似附加断言相关联。控制信号DCG基本上向浮动扩散区64提供对溢出电容器66的接入，该溢出电容器可具有实质上比扩散区64更大的电容(例如，该扩散区十倍的电容、超过十倍的电容、任何合适的更大电容等)。例如，溢出电容器66可为像素300 的有源区域之外(例如，像素300的栅极层之外)的金属-绝缘体-金属(MiM) 电容器。因此，溢出电容器66可不消耗有价值的像素区域(例如，光敏元件区域)。
像素300可使用与在信号采集周期期间在光电二极管50和52处存储的电荷相关联的任何合适数量的附加溢出转移断言进行操作。每个溢出转移断言可增加在浮动扩散区64和电容器66组合处存储的电荷量(例如，可与由所有此前溢出转移断言所转移的电荷进行组合)。
在执行合适数量的溢出转移断言之后，信号采集周期可在时间t3时结束。在时间t3时，光电二极管50和52可存储尚未移动(或因势垒而无法移动)到浮动扩散区64和电容器66的剩余电荷。在时间t3时，浮动扩散区64和溢出电容器66可存储与在信号采集周期期间由所有溢出断言移动的电荷总和相关联的大量电荷。
时间t3可开始像素读出周期(例如，行读出周期)，该像素读出周期可从启用行选择晶体管76的断言J开始。断言J可在像素读出周期开始时开始并且在像素读出周期结束时结束。在读出周期期间，可首先读出在浮动扩散区64 和溢出电容器66处存储的电荷。然后，可按任何合适的顺序一个接一个地读出在光电二极管50和52处存储的电荷。
例如，在读出周期期间，在断言J之后，控制信号DCG可被断言(例如，断言K)以收集在溢出电容器66处存储的电荷和在浮动扩散区64处存储的电荷来读出。具体地讲，一旦行选择控制信号被断言，在浮动扩散区64处存储的电荷就可经由源极跟随器晶体管74读出并且经由线78带离像素300(作为信号Pixout)。在断言K之后，在电容器66处存储的电荷可首先流动到浮动扩散并且与此前在浮动扩散区64处存储的电荷共同读出。可将所收集的电荷采样和保持为第一图像信号(例如，使用断言E)。
在已读出来自浮动扩散区64和电容器66组合的所有存储电荷之后，控制信号RST可被断言(例如，使用断言L)以重置溢出电容器66。如果需要，在该时间期间，还可通过如断言K’所示的那样进一步扩展断言K来重置浮动扩散区64。浮动扩散区64的重置状态可被读出为第一重置信号(例如，如断言F 所示的那样采样和保持)。在使用第一重置信号的情况下，第一图像信号可使用 3T操作来读出(例如，使用相关读出，在此期间重置读出在信号读出之后进行)，其中第一图像信号电平可与第一重置信号电平进行比较以去除任何误差(例如，偏移误差、系统噪声)。
在浮动扩散64和电容器66已被重置之后，可经由控制信号TXA的断言M 将在光电二极管50处存储的电荷移动到浮动扩散区64。在光电二极管50处存储并移动到浮动扩散区64的电荷可包括在t2与t3之间的采集期间聚积且在该阶段期间由晶体管60栅极电势调制的任何电荷。任选地，如果移动到浮动扩散区64的电荷可使浮动扩散64过饱和(例如，大于浮动扩散64的阱容)，则可通过扩展的断言K’来断言控制信号DCG。转移到浮动扩散64(和任选的电容器66)的电荷可与相关双采样(CDS)读出中读出的第一重置信号一起读出(作为第二图像信号)。CDS读出可将图像信号与正好在图像信号之前读出的重置信号进行比较以消除任何系统噪声以及随机噪声(例如，重置噪声)。如断言G 所示，可对第二信号进行采样和保持为CDS读出的一部分。
可按照与第二信号读出类似的方式读出在光电二极管52处存储的电荷。具体地讲，断言N和K’可重置浮动扩散64和电容器66。浮动扩散区的重置状态可被读出为第二重置信号读出(例如，使用断言H)。然后可经由断言P和任选扩展的断言K’将在光电二极管52处存储的电荷移动到浮动扩散区64和任选的电容器66。类似地，在光电二极管52处存储并移动到浮动扩散区64的电荷可包括在t2与t3之间的采集期间聚积且在该阶段期间由晶体管62栅极电势调制的任何电荷。在断言I期间，可将来自光电二极管52的电荷采样和保持为第三图像信号。与第二重置信号相结合，第三图像信号可被读出为CDS读出。可能希望第二图像信号和第三图像信号在CDS读出中读出，因为读出期间的电荷量可非常小(例如，可易受随机噪声的影响)。行选择控制信号最终可被解除断言以结束像素300的读出周期。
可使用所有图像信号的线性组合来生成总像素信号。例如，第一图像信号、第二图像信号和第三图像信号可被组合而生成总图像。通过使用溢出电容器 66，可实质上增加像素300的动态范围，从而提高尤其是与图像中的暗场景相关的可见度。然而，在实践中，像素阵列中的不同像素300间的晶体管56、58、 60和62的阈值电压的变化可产生固定图案噪声，该固定图案噪声诸如对于汽车成像应用(举例来说)可能不可接受。
根据一个实施方案，提供了像素22，该像素被配置为支持动态重置栅极势垒调制，从而减轻闪烁和运动伪影(参见例如图5)。像素22还被配置为支持重置栅极势垒电平的自校准，从而有助于减少固定图案噪声。如图5所示，像素22可包括光敏元件，诸如光电二极管PD、电荷转移晶体管504、增益控制晶体管506、重置晶体管508、存储电容器C、源极跟随器晶体管SF以及行选择晶体管510。光电二极管PD可具有p型端子和n型端子，该P型端子耦接到接地线502(例如，其上提供接地电源电压的接地电源端子)，该n型端子经由晶体管504耦接到浮动扩散区FD。晶体管504可具有接收电荷转移控制信号 TX的栅极端子，该电荷转移控制信号被断言(例如，被驱动为高)以将所聚积的电荷从光电二极管PD转移到区域FD。浮动扩散区FD有时可称为浮动扩散节点或像素电荷存储节点。
晶体管SF可包括漏极端子和源极端子，该漏极端子耦接到区域FD的栅极端子、耦接到电源端子503(例如，其上提供正电源电压Vaapix的电源端子)，该源极端子经由行选择晶体管510耦接到对应列输出线520。晶体管510可具有接收行选择控制信号RS的栅极端子，该行选择控制信号被断言(例如，被驱动为高)以驱动线520处的输出电压Pixout，其中Pixout与如从晶体管SF 的栅极所见的电荷总量成比例。
增益控制晶体管506可耦接在浮动扩散区FD与电容器C之间。电容器C 可具有耦接到晶体管506的第一电容器端子以及耦接到接地线502的第二电容器端子。晶体管506可具有接收增益控制信号DCG的栅极端子，该增益控制信号可被选择性地断言(例如，被驱动为高)以将区域FD耦接到电容器C。当信号DCG为高时，像素22可被置于低转换增益(LCG)模式，并且可通过电容器C的附加存储容量来扩展浮动扩散区FD处的存储容量的总量。当信号DCG为低时，像素22可被置于高转换增益(HCG)模式，并且浮动扩散区FD可与电容器C解耦。
重置晶体管508可耦接在重置漏极端子512与晶体管506之间。重置漏极端子512可为单独的且不同于电源端子503，并且被配置为接收重置漏极电压 RST_drain，该重置漏极电压是可调电压信号，其可受到选择性地控制以将电容器C和/或浮动扩散区FD重置到所需电势电平。晶体管508可具有栅极端子，该栅极端子接收重置控制信号RST以将重置漏极电压RST_drain选择性地耦接到电容器C且任选地耦接到浮动扩散区FD(如果信号DCG也恰巧被断言的话)。
图6是时序图，其示出了用于操作图5的像素22的一种合适方式。最初，重置漏极电压RST_drain被驱动为高(例如，达到Vaapix)，而诸如TX、DCG、 RST和RS的所有其他控制信号为低。电压Vaapix可等于2.8V(举例来说)，但如果需要，也可使用其他合适的电源电压电平。信号SHR表示期间从像素 22读出重置信号电平的采样保持重置操作，而信号SHS表示期间从像素22读出图像信号电平的采样保持信号操作。
在重置阶段期间(例如，从时间t1到t2)，信号TX、DCG和RST可同时被脉冲为高以重置光电二极管PD、浮动扩散区FD和存储电容器C的电势。换句话讲，所有电荷(或电子)将从PD、FD和C排出到重置漏极端子512。图7A是电荷电势图，其示出了重置阶段期间区域PD、FD和C的状态。如图7A 所示，从这些区域去除所有电荷。
返回参见图6，在时间t2时信号DCG被驱动为高并且信号RST被驱动到预先确定的中间电压电平V1，此时启动采集周期。电压电平V1可小于Vaapix 的电压电平。例如，电压电平V1可等于1.5V、1.8V、2.0V、1.0V、1.2V、或 Vaapix与0V之间的某个其他中间电压电平。在从时间t2到t3的采集阶段期间，信号DCG保持为高，因此浮动扩散区FD和电容器区C被连接，从而共同充当较大的组合存储区(参见例如图7B)。换句话讲，可在采集阶段期间组合浮动扩散区和电容器存储区以充当组合的FD+C存储区。
如图7B所示，光电二极管区PD仅可保持如此多的电荷。假定当前光水平足够高，使得即使当信号TX为低时，所聚积的电荷也从光电二极管区PD溢出到组合的FD+C区域。如图6和图7B所示，随时间推移单调地调节信号RST (例如，信号RST在整个采集周期中不断降低，从V1朝0V下降)。这在图7B 中示出，其中重置势垒按照时间的函数f(t)上升，起始于时间t2时的电势电平 V1。函数f(t)被示出为线性函数，但一般可由任何单调递减函数表示。按照这种方式进行配置，光电二极管PD中的电荷700的量和组合的FD+C区域中的电荷702的量表示与曝光时间T1相关联的电荷总量，而高于电压电平V1的电荷704的量表示与曝光时间T2相关联的电荷总量。按照这种方式进行操作，电荷700用于表示低光信号，电荷702用于表示中等光信号，并且电荷704用于表示高光信号。
应当注意，电荷702和704聚积在相同的组合的FD+C区域中。因此，曝光时间T1和T2同时进行(例如，时间T1和T2至少部分地重叠)。还可调节 f(t)的速度和持续时间以控制光敏度。在延长的采集周期期间并行执行曝光时间 T1和T2允许闪烁被捕获，这就减少了闪烁和非期望的运动伪影。按照这种方式进行布置，组合的FD+C区域的使用增加了像素22的动态范围，而同时执行T1和T2有助于光闪烁减轻(LFM)。
在时间t3时，行选择控制信号RS可被断言以使像素22准备好读出。在该时间时，第一SHS信号(SHS-1)可使用3T操作来捕获(例如，使用相关读出，在此期间重置读出在信号读出之后进行)。第一SHS信号可表示组合的溢出信号Soverflow，其与图7B中的电荷702和704总和成比例。
在时间t4时，重置信号RST被脉冲为高至电平V1(其是采集周期开始时的相同电压电平)，并且重置漏极电压RST_drain可被脉冲为足够低以填充组合的FD+C区域直到电压电平V1，而不填充光电二极管区PD。图7C中示出了该时间期间的像素22的状态。如图7C所示，重置信号RST降至电平V1，这允许RST_drain在组合的FD+C区域中填充电荷710。电荷710可用于校准重置栅极的势垒(例如，重置晶体管可至少部分地被激活以便以预先确定的量的电荷710填充浮动扩散区和电容器存储区，从而校准重置晶体管的势垒)。
在时间t5之前，电压RST_drain可上升为高并且第二SHS信号(SHS-2)可使用另一个3T操作来捕获。第二SHS信号可表示校准信号Scalibration，其与如图 7C所示的电荷710的量成比例。电荷710的量有效地测量和校准电压电平V1 下的重置栅极的势垒。
从时间t5到t6，可经由相关双采样(CDS)读出光电二极管PD中的电荷量。在时间t5时，信号RST可被脉冲为高以从组合的FD+C区域重置/排出所有电荷。之后，可捕获重置信号SHR，然后捕获第三SHS信号(SHS-3)。第三SHS 信号可表示光电二极管信号Spd，其与如图7B所示的电荷700的量成比例。按照这种方式进行配置，Soverflow可与Scalibration进行比较以计算到与T2相关联的电荷704的量(例如，通过从Soverflow减去Scalibration)。因此从时间t3到t6的第三阶段有时可称为读出和校准阶段。执行重置栅极电势的校准消除了跨越该阵列的各像素间的任何变化来源，因此有助于减轻固定图案噪声。
图6的示例示出了即使在读出期间信号DCG也以怎样的方式被连续断言 (例如，从而将像素22置于LCG模式)。这仅仅是示例性的。如果需要，当以 HCG模式操作时，DCG还可在读出期间被选择性地脉冲为低。
图8是示例性读出电路800的示意图，该读出电路从像素22接收读出信号，执行任何必需的重置栅极势垒校准，并且生成对应的校准输出信号。电路800 可例如为图1中的列读出和控制电路28或控制和处理电路24的一部分。
如图8所示，读出电路800可包括校正电路诸如模拟数字(ADC)斜率偏移和非线性校正电路802、抗重叠电路诸如SHR-SHS抗重叠电路804、暗电平校正电路806、以及算术逻辑单元(ALU)808。电路802可接收在读出和校准阶段期间捕获的信号SHS1、SHS2、SHS3和SHR，并且可向电路804输出对应的校正型式。电路804可从每个SHS信号减去SHR信号以分别向暗电平校正电路 806输出信号S’overflow、S’calibration和S’pd。
暗电平校正电路806使用暗像素，这些暗像素具有来自像素22的与有源像素相同的信号。溢出的暗像素信号(即，Soverflow_dark)、光电二极管的暗像素信号(即，Spd_dark)以及校准的暗像素信号(即，Scalibration_dark)全都不同，并且需要不同校正方案。例如，这三个暗像素值(例如，Soverflow_dark、Scalibration_dark、Spd_dark) 可在暗像素区内取平均，并且另外使用电路830在多帧内进行滤波(例如，通过去除该区域中的最大值和最小值)并且使用电路834从对应有源像素值减去对应暗黑电平校正(DBLC)系数Koverflow_dblc、Kcal_dblc、Kpd_dblc。系数Koverflow_dblc、 Kcal_dblc、Kpd_dblc可在如下范围内：在暗像素具有大于有源像素的对应暗电流(由于布局、金属屏蔽件、周围电子器件等的影响)时小于1、在它们稍微类似时接近1、或者在暗像素电流小于有源像素的电流时大于1。另外，这可按每个颜色平面进行(例如，使用每个颜色平面的不同系数和滤波器队列)。这也可按每个读出增益进行(例如，使用每个颜色平面和每个读出增益的不同系数和滤波器队列)。电路806可向算术逻辑单元808生成经校正的信号Soverflow、Scalibration和Spd。
逻辑单元808可使用图8所示的决策树生成最终输出信号Sout。首先，可将信号Spd与预先确定的阈值进行比较。该预先确定的阈值是用于确定Spd是否在线性区内的预先选择的电平。换句话讲，其可用于确定何时将需要对电荷700 和电荷702求和(参见例如图7B，以确定光电二极管何时开始溢出到组合的 FD+C区域中)。该阈值应小于Spd的最大可能电平。如果Spd不大于预先确定的阈值(例如，如果未检测到溢出)，则信号Sout被设定为等于Spd。
如果Spd大于预先确定的阈值(例如，如果检测到溢出)，则逻辑单元808 会将Soverflow与Scalibration进行比较。如果Soverflow不大于Scalibration(例如，如果图 7B中的电荷702和704的总和小于图7C中的电荷710的量)，则信号Sout被设定为等于Spd和Soverflow的总和。在这种情况下不需要校准，这是由于溢出电荷的量甚至未超过校准电平V1。
如果Soverflow大于Scalibration(例如，如果图7B中的电荷702和704的总和超过图7C中的电荷710的量)，则信号Sout被设定为等于Spd、Scalibration以及(Soverflow–Scalibration)乘以Gexposure的乘积的总和。增益Gexposure可被限定为T1与T2之比 (例如，Gexposure＝T1/T2)。通过计算Soverflow与Scalibration之间的差值，可算出电荷704的量，计算结果可按Gexposure缩放并加到Spd和Scalibration，从而得到最终输出值。由曝光期间发生改变的RST栅极电势的单调递减函数f(t)确定T1与 T2之比(Gexposure)。就简单离散V1和V2电平而言，Gexposure是简单T1/T2之比，其中T1是在电平V1下RST栅极的曝光时间，并且T2是在电平V2下RST栅极的曝光时间。就更复杂的RST栅极曝光电势函数f(t)而言，可使用工作台测量以实验的方式确定Gexposure。
图9为曲线图，其示出了重置栅极势垒的自校准如何去除固定图案噪声并改善信噪比(SNR)。曲线900表示随曝光水平变化的信号电平(涉及右侧y轴)。曲线902表示未作校准的总SNR(涉及左侧y轴)，而曲线904表示经过校准的总SNR。如图9所示，未校准的读出情形具有高曝光水平下SNR下降的缺点，而经校准的读出情形则表现出高曝光水平下接近理想的SNR性能。因此，除了减少固定图案噪声之外，还通过执行重置栅极势垒的校准而大大改善了 SNR。
图10示出了另一个合适的实施方案，其示出了重置栅极势垒可如何具有两个离散曝光阶段(例如，重置控制信号被分成仅与曝光时间T1相关联的第一离散周期和仅与曝光时间T2相关联的第二离散周期)。最初，重置漏极电压 RST_drain被驱动为高(例如，达到Vaapix)，而诸如TX、DCG、RST和RS 的所有其他控制信号为低。在重置阶段期间(例如，从时间t1到t2)，信号TX、DCG和RST可同时被脉冲为高以重置光电二极管PD、浮动扩散区FD和存储电容器C的电势。换句话讲，所有电荷(或电子)将从PD、FD和C排出到重置漏极端子512。
在时间t2时，信号DCG被驱动为高并且信号RST被驱动到预先确定的中间电压电平V1，此时启动采集周期。电压电平V1可小于Vaapix的电压电平。例如，电压电平V1可等于1.5V、1.8V、2.0V、1.0V、1.2V、或Vaapix与0V 之间的某个其他中间电压电平。在从时间t2到t3的采集阶段期间，信号DCG 保持为高，因此浮动扩散区FD和电容器区C被连接，从而共同充当较大的组合存储区(参见例如图11A)。与结合图6至图7所述的操作不同，信号RST 在整个T1曝光周期期间保持固定在电压电平V1。
图11A示出了在T1采集周期期间像素22的电荷电势图。如图11A所示，光电二极管区PD仅可保持如此多的电荷(例如，电荷800)。假定当前光水平足够高，使得即使当信号TX为低时，所聚积的电荷也从光电二极管区PD溢出到组合的FD+C区域。由于信号RST固定在电压V1，因此超过V1势垒电平的任何电荷都将溢出到重置漏极中，如箭头803所指示。换句话讲，电荷802 表示在T1采集周期期间可存储在组合的FD+C区域中的最大电荷量。
在时间t3时，信号RST可降至另一个预先确定的中间电压电平V2以开始 T2曝光周期，该T2曝光周期可从t3持续到t4。一般而言，电压V2可大于接地电压且小于V1(即，0<V2<V1)。在V1等于1.5V的示例中，电压V2可等于0.2V、0.3V、0.4V或某个其他合适的电压电平。图11B示出了在该T2采集周期期间像素22的电荷电势图。如图11B所示，重置势垒被调节到电压电平 V2，这允许附加电荷804在T2采集周期期间聚积在组合的FD+C区域中。按照这种方式进行操作，电荷800用于表示低光信号，电荷802用于表示中等光信号，并且电荷804用于表示高光信号。
按照这种方式进行布置，组合的FD+C区域的使用增加了像素22的动态范围，而在延长的周期T1期间在组合的FD+C区域中聚积电荷802也有助于减轻闪烁。
在时间t4时，行选择控制信号RS可被断言以使像素22准备好读出。在该时间时，第一SHS信号(SHS-1)可使用3T操作来捕获(例如，使用相关读出，在此期间重置读出在信号读出之后进行)。第一SHS信号可表示组合的溢出信号Soverflow，其与图11B中的电荷802和804总和成比例。
在时间t5时，重置信号RST被脉冲为高至电平V1(其是采集周期开始时的相同电压电平)，并且重置漏极电压RST_drain可被脉冲为足够低以填充/排出组合的FD+C区域直到电压电平V1，而不填充光电二极管区PD。图11C中示出了该时间期间的像素22的状态。如图11C所示，重置势垒RST降至电平 V1，这允许RST_drain在组合的FD+C区域中填充电荷810。电荷810可用于校准重置栅极的势垒(例如，重置晶体管可至少部分地被激活以便以预先确定的量的电荷810填充浮动扩散区和电容器存储区，从而校准重置晶体管的势垒)。
在时间t6之前，电压RST_drain可上升为高并且第二SHS信号(SHS-2)可使用另一个3T操作来捕获。第二SHS信号可表示校准信号Scalibration，其与如图 11C所示的电荷810的量成比例。电荷810的量有效地测量和校准电压电平V1 下的重置栅极的势垒。
从时间t6到t7，可经由相关双采样(CDS)读出光电二极管PD中的电荷量。在时间t6时，信号RST可被脉冲为高以从组合的FD+C区域重置/排出所有电荷。之后，可捕获重置信号SHR，然后捕获第三SHS信号(SHS-3)。第三SHS 信号可表示光电二极管信号Spd，其与如图11C所示的电荷800的量成比例。按照这种方式进行配置，Soverflow可与Scalibration进行比较以计算到与T2相关联的电荷804的量(例如，通过从Soverflow减去Scalibration)。因此从时间t4到t7的第三阶段有时可称为读出和校准阶段。执行重置栅极电势的校准消除了跨越该阵列的各像素间的任何变化来源，因此有助于减轻固定图案噪声。
图10的示例示出了即使在读出期间信号DCG也以怎样的方式被连续断言 (例如，从而将像素22置于LCG模式)。这仅仅是示例性的。如果需要，当以 HCG模式操作时，DCG还可在读出期间被选择性地脉冲为低。
可使用结合图8所述的类型的读出电路来处理使用图10和图11的读出方案捕获的SHS和SHR信号。按照这种方式进行操作，可实现闪烁减少且固定图案噪声减少的高动态范围信号。
图5至图11的实施方案仅仅是示例性的，其中重置信号可被动态地调节，重置势垒可被校准，并且中低水平光可存储在组合的FD+C区域中。如果需要，重置信号可为任何类型的随时间变化的信号，其在采集期间进行调节以有助于减少闪烁和运动伪影。如果需要，可在读出期间校准像素22内的其他晶体管的势垒。此外，可利用附加电容器或存储区来存储像素22中的溢出电荷以帮助增加存储容量，从而有助于改善信噪比。此外，可使用不同类型的像素电荷存储装置来代替扩散区(诸如钉扎存储二极管)，从而有助于改善信噪比。
根据一个实施方案，提供了图像传感器像素，该图像传感器像素包括光敏元件、耦接到光敏元件的像素电荷存储节点、耦接在光敏元件与像素电荷存储节点之间的电荷转移晶体管、以及耦接到像素电荷存储节点的重置晶体管，其中重置晶体管被配置为在采集阶段期间接收动态改变的重置控制信号以减轻闪烁。
根据另一个实施方案，该动态改变的重置控制信号任选地在采集阶段期间单调递减。
根据另一个实施方案，该图像传感器像素任选地还包括电源线，该电源线被配置为向图像传感器像素供应电源电压，其中重置控制信号在采集阶段开始时表现出小于电源电压的中间电压。
根据另一个实施方案，该重置控制信号任选地在读出阶段期间被脉冲为高至中间电压，以校准重置晶体管的势垒。
根据另一个实施方案，该重置晶体管任选地进一步被配置为接收重置漏极电压，并且重置漏极电压在读出阶段期间为脉冲式的以校准重置晶体管的势垒。
根据另一个实施方案，该图像传感器像素任选地还包括电源线，该电源线被配置为向图像传感器像素供应电源电压，其中重置控制信号在采集阶段的第一周期期间表现出小于电源电压的第一中间电压，并且在采集阶段的第二周期期间表现出小于第一中间电压的第二中间电压。
根据另一个实施方案，该图像传感器像素任选地还包括增益控制晶体管和电容器，该增益控制晶体管耦接在像素电荷存储节点与重置晶体管之间，该电容器直接耦接到增益控制晶体管和重置晶体管两者。
根据另一个实施方案，该增益控制晶体管任选地在整个采集阶段期间接通。
根据另一个实施方案，该图像传感器像素任选地还包括读出电路，该读出电路被配置为捕获与存储于光敏元件中的电荷量成比例的溢出信号、校准信号和光电二极管信号。
根据另一个实施方案，该读出电路任选地进一步被配置为将光电二极管信号与预先确定的阈值进行比较并且将溢出信号与校准信号进行比较。
根据一个实施方案，提供了操作图像传感器像素的方法，其中图像传感器包括光敏元件、像素电荷存储节点、电容器存储区和重置晶体管，并且其中该方法包括在采集阶段期间使用光敏元件聚积电荷，在采集阶段期间将像素电荷存储节点耦接到电容器存储区，以及部分地激活重置晶体管以便以预先确定的电荷量填充像素电荷存储节和电容器存储区，从而校准重置晶体管的势垒，其中重置晶体管的势垒的校准减轻了固定图案噪声。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括向图像传感器像素供应电源电压以对图像传感器像素供电，其中部分地激活重置晶体管包括向重置晶体管的栅极端子供应小于电源电压的中间电压以校准重置晶体管的势垒。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括向重置晶体管的漏极端子供应可调重置漏极电压以校准重置晶体管的势垒。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括在采集周期开始时向重置晶体管的栅极端子供应中间电压。
根据另一个实施方案，该方法任选地还包括在整个采集周期中使重置晶体管的栅极端子处的电压单调递减以减轻闪烁。
根据一个实施方案，提供了图像传感器，该图像传感器包括图像传感器像素，其中图像传感器像素具有光敏元件、经由电荷转移晶体管耦接到光敏元件的像素电荷存储节点、经由增益控制晶体管耦接到像素电荷存储节点的电容器存储区、以及耦接到像素电荷存储节点的重置晶体管，其中重置晶体管被配置为在采集阶段期间接收动态改变的重置控制信号。该图像传感器还包括读出电路，该读出电路被配置为从图像传感器像素接收溢出信号，其中溢出信号表示在采集阶段结束时存储于像素电荷存储装置和电容器存储区中的电荷总量。
根据另一个实施方案，该读出电路任选地进一步被配置为从图像传感器像素接收校准信号，并且校准信号表示在重置晶体管的势垒校准期间存储于像素电荷存储装置和电容器存储区中的电荷量。
根据另一个实施方案，该读出电路任选地进一步被配置为从图像传感器像素接收光电二极管信号，并且光电二极管信号表示存储于光敏元件中的电荷量。
根据另一个实施方案，该读出电路任选地进一步被配置为将光电二极管信号与预先确定的阈值进行比较并且将溢出信号与校准信号进行比较。
根据另一个实施方案，该读出电路任选地进一步被配置为计算溢出信号与校准信号之间的差值并且将所计算的差值乘以预先确定的增益。
前述内容仅是对本实用新型原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的实质和范围的前提下进行多种修改。

Claims (10)

1.一种图像传感器像素，其特征在于，所述图像传感器像素包括：
光敏元件；
像素电荷存储节点，所述像素电荷存储节点耦接到所述光敏元件；
电荷转移晶体管，所述电荷转移晶体管耦接在所述光敏元件和所述像素电荷存储节点之间；和
重置晶体管，所述重置晶体管耦接到所述像素电荷存储节点，其中所述重置晶体管被配置为在采集阶段期间接收动态改变的重置控制信号以减轻闪烁。
2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述动态改变的重置控制信号在所述采集阶段期间单调递减。
3.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
电源线，所述电源线被配置为向所述图像传感器像素供应电源电压，其中所述重置控制信号在所述采集阶段开始时表现出小于所述电源电压的中间电压，其中所述重置控制信号在读出阶段期间被脉冲为高至所述中间电压，以校准所述重置晶体管的势垒。
4.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述重置晶体管进一步被配置为接收重置漏极电压，并且其中所述重置漏极电压在读出阶段期间为脉冲式的以校准所述重置晶体管的势垒。
5.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
电源线，所述电源线被配置为向所述图像传感器像素供应电源电压，其中，所述重置控制信号在所述采集阶段的第一周期期间表现出小于所述电源电压的第一中间电压，并且在所述采集阶段的第二周期期间表现出小于所述第一中间电压的第二中间电压。
6.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：
增益控制晶体管，所述增益控制晶体管耦接在所述像素电荷存储节点和所述重置晶体管之间；
电容器，所述电容器直接耦接到所述增益控制晶体管和所述重置晶体管两者，其中所述增益控制晶体管在整个所述采集阶段期间接通；和
读出电路，所述读出电路被配置为捕获与存储于所述光敏元件中的电荷量成比例的溢出信号、校准信号和光电二极管信号，其中所述读出电路进一步被配置为将所述光电二极管信号与预先确定的阈值进行比较并且将所述溢出信号与所述校准信号进行比较。
7.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
图像传感器像素，所述图像传感器像素包括：
光敏元件；
像素电荷存储节点，所述像素电荷存储节点经由电荷转移晶体管耦接到所述光敏元件；
电容器存储区，所述电容器存储区经由增益控制晶体管耦接到所述像素电荷存储节点；和
重置晶体管，所述重置晶体管耦接到所述像素电荷存储节点，其中所述重置晶体管被配置为在采集阶段期间接收动态改变的重置控制信号；和
读出电路，所述读出电路被配置为从所述图像传感器像素接收溢出信号，其中所述溢出信号表示在所述采集阶段结束时存储于像素电荷存储装置和所述电容器存储区中的电荷总量。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中，所述读出电路进一步被配置为从所述图像传感器像素接收校准信号，其中所述校准信号表示在所述重置晶体管的势垒校准期间存储于所述像素电荷存储装置和所述电容器存储区中的电荷量，其中所述读出电路进一步被配置为从所述图像传感器像素接收光电二极管信号，并且其中所述光电二极管信号表示存储于所述光敏元件中的电荷量。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述读出电路进一步被配置为将所述光电二极管信号与预先确定的阈值进行比较并且将所述溢出信号与所述校准信号进行比较。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述读出电路进一步被配置为计算所述溢出信号和所述校准信号之间的差值并且将所计算的差值乘以预先确定的增益。
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