CN211209801U - 成像系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种成像系统。提供了一种成像设备，该成像设备可具有图像传感器像素阵列。该图像传感器像素阵列中的每个图像传感器像素可以具有带不同灵敏度的第一光电二极管和第二光电二极管。具有较低灵敏度的光电二极管可以耦接到存储二极管，并且可以在积聚时间期间交替地丢弃电荷以及将电荷转移到该存储二极管以进行闪烁减轻。可以选择在每个快门周期中丢弃电荷以进行闪烁减轻的时间长度，以调整成像像素的动态范围。在积聚时间结束时，可能以高转换增益读出对来自该存储二极管的电荷进行采样。然后可能以低转换增益读出对来自双转换增益电容器的溢出电荷进行采样。最终可能以高转换增益读出对来自具有较高灵敏度的光电二极管的电荷进行采样。

Description

成像系统
技术领域
本实用新型整体涉及成像设备，具体地，涉及成像系统，并且更具体地讲，涉及包括高动态范围成像传感器像素的图像传感器。
背景技术
图像传感器常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，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。
典型图像像素包含用于响应于入射光而生成电荷的光电二极管。常规成像系统可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有亮部分和暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为低动态范围图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。图像传感器可因此配备有高动态范围(HDR)功能，其中用图像传感器在不同曝光时间捕获多个图像。随后将这些图像组合成高动态范围图像，但这样可引入运动伪影，尤其是在具有非静态对象的动态场景中。
因此，可能有利的是能够提供具有改进的高动态范围图像传感器像素的成像设备。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题为：减轻闪烁引起的伪影，并且在执行闪烁减轻的同时获得高动态范围图像数据。
根据一实施方式，提供了一种成像系统，所述成像系统包括具有成像像素阵列的图像传感器和处理电路。所述成像像素阵列中的每个成像像素包括：第一光电二极管，所述第一光电二极管具有对入射光的第一灵敏度；第二光电二极管，所述第二光电二极管具有对入射光的第二灵敏度，其中所述第二灵敏度小于所述第一灵敏度；电荷存储区；偏置电压源端子；第一晶体管，所述第一晶体管插置在所述第二光电二极管和所述电荷存储区之间；第二晶体管，所述第二晶体管插置在所述第二光电二极管和所述偏置电压源端子之间，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管在积聚时间期间被交替地设为有效，并且其中，所述处理电路调整在所述积聚时间期间所述第二晶体管被设为有效的时间长度与所述第二晶体管未被设为有效的时间长度的比率以控制动态范围。
根据另一实施方式，提供了一种成像系统，所述成像系统具有图像传感器、输入设备和处理电路，所述图像传感器具有成像像素阵列，其特征在于，所述成像像素阵列中的每个成像像素包括：光电二极管；电荷存储区；第一晶体管，所述第一晶体管耦接在所述光电二极管与所述电荷存储区之间；浮动扩散区；第二晶体管，所述第二晶体管耦接在所述电荷存储区和所述浮动扩散区之间；偏置电压源端子；第三晶体管，所述第三晶体管耦接在所述光电二极管和所述偏置电压源端子之间，其中，在积聚时间期间重复快门周期，并且其中，所述处理电路基于由所述输入设备接收的用户输入来选择在每个快门周期中所述第三晶体管被设为有效的时间量，所述第三晶体管在所述快门周期中被设为有效。
本实用新型所具有的技术效果为：成像系统中的处理电路可以使用(例如，组合)来自成像像素的三个读出的信号以形成单个代表性高动态范围图像。由于在积聚时间期间使用的闪烁减轻技术，因此所得的高动态范围图像将不受场景中的LED闪烁的影响。
附图说明
图1是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用于使用图像像素阵列捕获图像。
图2是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是根据一个实施方案的示例性成像像素的电路图，该成像像素被配置为在执行闪烁减轻的同时获得高动态范围图像数据。
图4是根据一个实施方案的示出操作图3的成像像素的示例性方法的时序图。
图5是根据一个实施方案的示出跨图3的成像像素的电势的电势图。
图6是根据一个实施方案的图3的示例性成像像素的顶视图，示出了第一光电二极管和第二光电二极管如何具有不同的尺寸和灵敏度。
具体实施方式
本实用新型的实施方案涉及图像传感器，并且更具体地讲，涉及具有高动态范围(HDR)功能的像素的图像传感器。本领域技术人员应该认识到，本实用新型的示例性实施方案可在缺少一些或所有这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，并未详细描述众所周知的操作，以免不必要地模糊本实施方案。
具有数字相机模块的成像系统广泛用于电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其它电子设备中。数字相机模块可包括一个或多个图像传感器，这些图像传感器收集入射光以捕捉图像。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，诸如将入射光转换成电荷的光电二极管。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)具有数百、数千或数百万的像素(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生成的电荷相对应。
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、蜂窝电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、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的成像系统或设备。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图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。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的对应的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、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12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相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12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的有线通信路径和/或无线通信路径将处理后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)。
成像系统10还可以包括一个或多个输入设备19。输入设备19可以包括一个或多个小键盘、端口、按钮、操纵杆、触摸传感器、触敏显示器等。输入设备19可以用于从操作成像系统的用户接收用户输入。例如，用户可以使用一个或多个输入设备来选择与图像传感器相关联的各种设置。
如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24。阵列20可包含例如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)耦接到阵列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生成的图像信号。
图像读出电路28(有时称为列读出和控制电路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锁存电路，或者耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22和用于从像素22读出图像信号的其它电路。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通过路径25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)。
如果需要，图像像素22可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。图像阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用对应的被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由2×2个图像像素的重复单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何期望数量的图像像素22上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。
图像传感器16可被配置为支持全局快门操作(例如，像素22可在全局快门模式下进行操作)。例如，阵列20中的图像像素22各自可包括光电二极管、浮动扩散区和局部电荷存储区。采用全局快门方案，图像传感器中的所有像素被同时重置。然后，使用电荷转移操作，将每个图像像素的光电二极管中收集的电荷同时转移至相关联的电荷存储区。接着例如可从每个存储区逐行读出数据。
如果需要，阵列20可以是堆叠管芯布置的一部分，其中阵列20的像素22被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在这种布置中，阵列20中的像素22中的每个可在像素内的任何期望节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点诸如浮动扩散节点可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦合。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何已知的金属对金属接合技术诸如软焊或焊接，来将形成在第一管芯和第二管芯上的耦接结构的相应第一部分和第二部分接合在一起。
如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望节点可为浮动扩散节点。另选地，在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在形成有光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在光电二极管未定位在其上的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点、或像素电路的任何其他期望节点可以跨两个管芯划分。
图3是具有多个光敏区域的示例性成像像素的电路图。如图所示，成像像素22包括第一光敏区域106(PD_E1)和第二光敏区域102(PD_E2)。例如，光敏区域102和106可以是光电二极管。光电二极管106耦接到抗光晕晶体管114和转移晶体管116之间的节点。抗光晕晶体管114被配置为选择性地将光电二极管106耦接到偏置电压源端子132(其提供偏置电压Vpix)。转移晶体管116被配置为选择性地将电荷从光电二极管106转移至浮动扩散区118。光电二极管102和106都可以被单个滤色器元件(例如，相同颜色的滤色器元件材料)覆盖。
光敏区域102耦接到抗光晕晶体管108和转移晶体管110(有时称为存储栅极转移晶体管110)之间的节点。转移晶体管110可以是存储栅极并且因此有时称为存储栅极110。抗光晕晶体管108被配置为选择性地将光电二极管102耦接到偏置电压源端子130(其提供偏置电压Vpix)。存储栅极110被配置为选择性地将电荷从光电二极管102转移到电荷存储区104。在图3中，电荷存储区104被描绘为电荷存储光电二极管。这个示例仅仅为示例性的。如果需要，电荷存储区104可以替代地由存储电容器、存储栅极、或可存储电荷的任何其他期望部件形成。
转移晶体管112被配置为选择性地将电荷从电荷存储区104转移至浮动扩散区118。浮动扩散区118可以具有相关联电容(在图3中由电容器FD表示)。为了增加浮动扩散区的电容(并因此减小来自浮动扩散区的读出的增益)，浮动扩散区118可以通过晶体管120选择性地耦接到双转换增益电容器122(DCG CAP)。
浮动扩散区118也可以耦接到源极跟随器晶体管126的栅极端子。源极跟随器晶体管126具有耦接到行选择晶体管128的第一源极-漏极端子和耦接到偏置电压源端子134(其提供偏置电压Vpix)的第二源极-漏极端子。在这种应用中，每个晶体管被示为具有三个端子：源极、漏极和栅极。每个晶体管的源极和漏极端子可根据晶体管的偏置方式和所用晶体管的类型而改变。为简单起见，源极和漏极端子在本文中称为源极-漏极端子或简称为端子。当行选择晶体管128被设为有效时，将从像素输出与浮动扩散区118中的电荷量对应的电压Vout(例如，输出到列线上，诸如图2中的列线32)。重置晶体管124耦接在偏置电压源端子134和浮动扩散区118之间。可以将重置晶体管124设为有效以重置浮动扩散区118中的电荷量。
在图3中，描绘了三个单独偏置电压源端子130、132和134。然而，应当理解，这些偏置电压源端子的任何子集可以任选地被共享。偏置电压源端子可以提供相同的偏置电压或可以提供不同的偏置电压。
抗光晕晶体管114的栅极端子接收抗光晕晶体管控制信号AB_E1。抗光晕晶体管108的栅极端子接收抗光晕晶体管控制信号AB_E2。转移晶体管116的栅极端子接收转移晶体管控制信号TG_E1。转移晶体管112的栅极端子接收转移晶体管控制信号TG_E2。转移晶体管110的栅极端子接收转移晶体管控制信号SG_E2。重置晶体管124的栅极端子接收重置晶体管控制信号RG。行选择晶体管128的栅极端子接收行选择晶体管控制信号SEL。双转换增益晶体管120的栅极端子接收双转换增益晶体管控制信号DCG。
在成像像素22的操作期间，光电二极管102和106可以响应于接收到入射的光子而生成电荷(例如，电子)。由光电二极管102和106收集的电荷量取决于入射光的强度和曝光持续时间(或积聚时间)。光电二极管102和106可以由掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺在硅衬底中掺杂的区)形成。存储二极管104和浮动扩散区118也可以任选地由掺杂半导体区形成。
为了帮助增加图像传感器中的动态范围，光电二极管102和106可以具有不同的灵敏度。例如，光电二极管106可以具有比光电二极管102更高的灵敏度。为了向光电二极管106提供比光电二极管102更高的灵敏度，光电二极管106可以具有比光电二极管102更大的集光区域。用于形成光电二极管102和106的掺杂分布也可以是不同的以帮助改变灵敏度。
光电二极管102和106可以在积聚时间期间收集光。在积聚时间期间，根据闪烁减轻方案，光电二极管102中的电荷可以交替地被排出至偏置电压端子130并且转移至电荷存储区104。图像伪影可能有时由移动物体、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示例包括发光二极管(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。在不执行闪烁减轻操作的情况下，图像传感器可能相对于所捕获的场景异步地获取光。这意味着图像帧的部分可能不会在帧持续时间的一部分内曝光。在积聚时间比所使用的帧时间短得多时，对于亮场景尤其是这种情况。当场景包括移动或快速变化的物体时，图像帧中不完全暴露于动态场景的区可导致物体失真、幻影效应和颜色伪影。当相机在图像拍摄操作期间移动或抖动时，可观察到类似效应。
为了减轻由场景中的LED闪烁引起的伪影，每个成像像素包括用于控制光敏元件102何时获取电荷的快门元件(例如，抗光晕晶体管108)。例如，当抗光晕晶体管108被设为无效时，电荷可累积在光电二极管102中。当抗光晕晶体管108被设为有效时，电荷可从光电二极管102排出并被丢弃。可通过在成像帧的整个持续时间内打开和闭合多次，从而动态地操作抗光晕晶体管108。动态快门操作的每个周期可以包括“打开”快门(例如，当抗光晕晶体管108被设为无效时)的时间段和“闭合”快门(例如，当抗光晕晶体管108被设为有效时)的时间段。在每个周期结束时，可通过将转移二极管110设为有效来将在周期期间已在光敏元件上获取的电荷从光电二极管102转移到电荷存储区104。通过重复该序列多次，电荷存储区104上累积的电荷可代表被捕获的整个场景而没有明显未曝光的时间“盲”点。
同样在成像像素22的操作过程中，电荷可从电荷存储区104溢出到浮动扩散区118。如果足够的电荷积累在浮动扩散区118中，电荷也可能从浮动扩散区118溢出到双转换增益电容器122。
像素22可使用双转换增益晶体管120和双转换增益电容器122来实现双转换增益模式。具体地讲，像素22可按高转换增益模式以及按低转换增益模式操作。一般来讲，转换增益与浮动扩散区的电容成反比。因此，如果增益选择晶体管120被设为无效，则DCG电容器122不耦接到浮动扩散区，并且像素22将被置于高转换增益模式。如果增益选择晶体管120被设为有效，则DCG电容器122耦接到浮动扩散区，并且像素22将被置于低转换增益模式。
当双转换增益晶体管120被设为有效时，双转换增益电容器122可被切换为使用状态，以向浮动扩散区118提供附加电容。这导致像素22的转换增益较低。当双转换增益晶体管120被设为无效时，电容器的附加负载被移除，并且像素恢复到相对较高的像素转换增益配置。
最终，在积聚时间完成之后，可以从光电二极管106、电荷存储区104、浮动扩散区118和双转换增益电容器122中读出电荷。图3的像素22的操作在图4和图5中更详细地描述。高转换增益读出和低转换增益读出的任何期望组合可以用于从成像像素22读出电荷。
图4是示出图3的像素的操作的时序图。图5是示出电势如何在图像传感器上变化以控制电荷溢出的电势图。
如图4所示，给定帧的积聚时间可以在时间t1开始。积聚时间可能会从t1继续到t4。在积聚时间期间，光电二极管102和106可生成电荷。转移晶体管116可在整个积聚时间内保持设为无效(例如，TG_E1保持为低)，这意味着光电二极管106中的电荷在整个积聚时间内累积在光电二极管106中。
相比之下，光电二极管102中的电荷可以替代地被丢弃到偏置电压源端子130，并且被积聚和转移到电荷存储区104以进行闪烁减轻。在时间t1和t3之间示出了用于闪烁减轻的代表性快门周期。在t1处，抗光晕晶体管控制信号AB_E2被设为有效。在该时间段期间，来自光电二极管102的电荷耦接到偏置电压源端子130并被丢弃。然后，AB_E2被设为无效并且电荷将累积在光电二极管102中。然后，光电二极管102中的电荷将在t2处(当SG_E2升高为高时)转移到电荷存储区104。
在该代表性快门周期中，电荷在第一时间段202期间被丢弃，然后在第二时间段204期间被积聚。重要的是，时间段202和204的相对长度可以帮助设置图像传感器的动态范围。为了增加图像传感器的动态范围，可以增加每个周期中的时间段202相对于时间段204的长度。在积聚时间的持续时间内，重复t1和t3之间示出的周期。在每个快门周期结束时，电荷被转移到电荷存储区104。
电荷可从电荷存储区104溢出到浮动扩散区118和/或双转换增益电容器122。如图5的电势图所示，当晶体管110被设为无效时，转移晶体管112的电势(由TG_E2设置)低于晶体管110的电势(由SG_E2设置)。这意味着当足够的电荷累积在电荷存储区104中时，电荷将通过转移晶体管112溢出到浮动扩散区118(FD)中。
类似于电荷存储区104，浮动扩散区118只能存储有限量的电荷。当存在的电荷量超过浮动扩散区118的容量时，电荷将通过双转换增益晶体管120(具有由双转换增益控制信号DCG设置的电势)溢出到双转换增益电容器122(DCG CAP)中。
在图5中也示出了如何将重置晶体管124的电势(由控制信号RG设置)选择为低于双转换增益晶体管120。这确保了来自浮动扩散区的溢出电荷将通过双转换增益晶体管溢出，而不会通过重置晶体管124溢出到Vpix。
返回图4，积聚时间可以在时间t4处结束。在t4处，在光电二极管106中可存在在积聚时间期间累积的电荷。光电二极管102中生成的电荷将存在于电荷存储区104中(在快门周期期间已从PD_E2重复转移到SD_E2)。根据所生成的电荷量，在浮动扩散区118中(经由电荷存储区104来自光电二极管102)和双转换增益电容器(经由浮动扩散区118和电荷存储区104来自光电二极管102)中也可能存在溢出电荷。
在t4处，读出操作可以开始。在t4处，行选择晶体管128可被设为有效(通过将SEL设为有效)。如前所述，在读出操作期间，双转换增益晶体管120的状态可以设置读出的转换增益。当双转换增益晶体管120被设为有效时，可以执行低转换增益读出。当双转换增益晶体管120被设为无效时，可以执行高转换增益读出。
所执行的第一读出操作可以是电荷存储区104中存在的电荷量的高转换增益读出。在t5处，转移晶体管112可被设为有效以将电荷从电荷存储区104转移至浮动扩散区118。在该转移之前，可以获得浮动扩散区118的重置电平(参见SHR1)。在该转移之后，可以获得浮动扩散区118的信号电平(参见SHS1)。在电荷转移之前和之后对浮动扩散区进行采样的这种技术可称为相关双采样(CDS)。可以通过处理电路从信号电平中减去重置电平以确定在电荷存储区104中存在多少电荷。
接下来，可以执行浮动扩散区118和双转换增益电容器122中存在的电荷量的低转换增益读出。这可以称为第二读出操作。在第一读出操作中，来自存储二极管104的电荷转移到浮动扩散区118。因此实际上，通过在第二读出期间测量浮动扩散区和双转换增益电容器中的电荷量，第二读出操作测量在t4处存在于电荷存储区104、浮动扩散区118和双转换增益电容器122中的总电荷量。
不相关双采样可用于第二读出。在t6处，双转换增益晶体管120被设为有效。这将像素置于低转换增益模式并且使得能够读出双转换增益电容器122上的电荷。在SHS2下获得用于第二读出的信号电平(例如，对浮动扩散区和双转换增益电容器中存在的电荷量进行采样)。然后通过将重置晶体管124设为有效在t7处重置浮动扩散区。这清除了来自浮动扩散区118和双转换增益电容器122的累积电荷。在t7处，与重置晶体管并行地将转移晶体管112设有有效。这确保了存储二极管104也被清除所有累积电荷。在重置完成后，可以在SHR2下对重置电平进行采样。因为在第二读出中在信号电平之后对重置电平进行采样，所以第二读出被称为不相关双采样读出。在不相关双采样中，重置采样在信号采样之后发生(而不是像相关双采样中那样在信号采样之前发生)。不相关双采样可能不如相关双采样准确(由于在不相关双采样中未考虑到的噪声)。然而，与不使用任何类型的双采样相比，不相关双采样仍可以提供改进的图像数据。
在t8处，可以将双转换增益晶体管120设为无效，从而使成像像素返回高转换增益读出模式以用于第三读出操作。在第三读出操作期间，可以通过将TG_E1设为有效而在t9处将来自光电二极管106的电荷从光电二极管转移到浮动扩散区118。在该转移之前，可以获得浮动扩散区118的重置电平(参见SHR3)。在该转移之后，可以获得浮动扩散区118的信号电平(参见SHS3)。因此，在第三读出中使用相关双采样。可以稍后通过处理电路从信号电平中减去重置电平以确定在光电二极管106中存在多少电荷。
可以在整个读出操作期间将抗光晕晶体管108设为有效以便确保在积聚时间结束后由光电二极管102生成的电荷被丢弃(并且不会影响存储二极管、浮动扩散区和DCG电容器中存储的电荷)。
如前所述，时间段202(有时称为TDISCARD)与时间段204(有时称为TINT)的比率可以帮助设置成像像素的动态范围。随着TDISCARD增加，成像像素的动态范围将增加(因为会处理掉更高已知百分比的入射光)，但图像质量可能会更差(因为灵敏度将会降低)。随着TDISCARD减少，成像像素的动态范围将减少，但图像质量将增加。TDISCARD与TINT的任何期望比率可以用于操作成像像素。比率可以在给定帧的整个积聚时间内保持不变，或者可以在给定帧的积聚时间内变化。
在一些情况下，用户可以选择DISCARD与INT的比率。例如，用户可以使用成像系统的输入设备(例如，图1中的输入设备19)来选择比率。在其他情况下，可以通过成像系统的处理电路(例如，处理电路18)来更新(调整)TDISCARD与TINT的比率。在一个示例性示例中，处理电路可以基于来自一个或多个先前帧的数据来选择给定帧的TDISCARD与TINT的比率。TDISCARD与TINT的任何期望比率可以在操作成像像素时使用。TDISCARD与TINT的比率可以是1:1、大于1:1、大于2:1、大于4:1、大于8:1、大于10:1、大于16:1、大于20:1、小于1:1、小于2:1、小于4:1、小于8:1、小于10:1、小于16:1、小于20:1、大于1:2、大于1:4、大于1:8、大于1:10、大于1:16、大于1:16、小于1:2、小于1:4、小于1:8、小于1:10、小于1:16、小于1:20、介于4:1和12:1之间、介于2:1和6:1之间、介于8:1和16:1之间等。TDISCARD与TINT的比率针对像素阵列中的所有成像像素可以是相同的，或者针对像素阵列内的每个成像像素可以变化。该比率有时可称为TDISCARD占空比或简称为占空比。
成像系统中的处理电路可以使用(例如，组合)来自成像像素的三个读出的信号以形成单个代表性高动态范围图像。由于在积聚时间期间使用的闪烁减轻技术，因此所得的高动态范围图像将不受场景中的LED闪烁的影响。由包括图3的成像像素的图像传感器产生的图像的动态范围可大于120分贝(dB)。
使用TDISCARD与TINT的比率来控制动态范围可以允许双转换增益电容器具有减小的尺寸。可以增加双转换增益电容器的尺寸以增加动态范围。然而，因为可以通过增加TDISCARD与TINT的比率来增加动态范围，所以双转换增益电容器可以具有减小的尺寸，同时仍保持高动态范围。
图6是图3所示的成像像素的顶视图。图6示出了成像像素的部件的相对放置。抗光晕晶体管114可以定位在光电二极管PD_E1的拐角中。转移晶体管116可以定位在光电二极管PD_E1的另一个拐角中。光电二极管PD_E2邻近PD_E1定位。这允许偏置电压源端子插置在光电二极管之间并且在光电二极管之间共享。如图所示，在该实施方案中，偏置电压源端子130和132形成为单个偏置电压源端子。类似地，浮动扩散区118插置在存储二极管SD_E2和PD_E1之间并且在二极管之间共享。转移晶体管116和112都被配置为将电荷转移到浮动扩散区118。可以屏蔽存储二极管104以免受入射光的影响，以防止在存储二极管中生成不期望的电荷。
图6示出了光电二极管102如何比光电二极管106对入射光更不敏感。光电二极管102具有比光电二极管106更小的集光区域。PD_E1的灵敏度可以比PD_E2的灵敏度大2倍以上，比PD_E2的灵敏度大4倍以上，比PD_E2的灵敏度大6倍以上，比PD_E2的灵敏度大8倍以上，比PD_E2的灵敏度大10倍以上，比PD_E2的灵敏度大10倍以下等。
在一些实施方案中，图3的成像像素可以形成为堆叠管芯布置的部分，其中一些成像像素在第一半导体管芯中形成并且一些成像像素在第二半导体管芯中形成。在这些类型的实施方案中，导电互连层可以在图3中的位置302处定位在两个管芯之间。换句话说，光电二极管102、存储二极管104、光电二极管106、抗光晕晶体管114和108、以及转移晶体管110、112和116都可以在第一半导体衬底中形成。重置晶体管124、源极跟随器晶体管126、行选择晶体管128、浮动扩散区118、双转换增益晶体管120和双转换增益电容器122都可以在第二半导体衬底中形成，该第二半导体衬底通过导电互连层来连接到第一半导体衬底。这个示例仅仅为示例性的。一般来讲，图3的部件可能以任何期望的方式在两个或更多个半导体衬底之间划分。
根据一个实施方案，成像系统可以包括具有成像像素阵列的图像传感器和处理电路并且每个成像像素可以包括：第一光电二极管，该第一光电二极管具有对入射光的第一灵敏度；第二光电二极管，该第二光电二极管具有对入射光的第二灵敏度，该第二灵敏度小于第一灵敏度；电荷存储区；偏置电压源端子；第一晶体管，该第一晶体管插置在第二光电二极管和电荷存储区之间；以及第二晶体管，该第二晶体管插置在第二光电二极管和偏置电压源端子之间。第一晶体管和第二晶体管可以在积聚时间期间被交替地设为有效，并且处理电路可以被配置为调整在积聚时间期间第二晶体管被设为有效的时间长度与第二晶体管未被设为有效的时间长度的比率以控制动态范围。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括：浮动扩散区；以及第三晶体管，该第三晶体管插置在电荷存储区和浮动扩散区之间。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括第四晶体管，该第四晶体管插置在第一光电二极管和浮动扩散区之间。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括：双转换增益电容器；以及第五晶体管，该第五晶体管插置在浮动扩散区和双转换增益电容器之间。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括：源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管具有耦接到浮动扩散区的栅极端子；行选择晶体管，该行选择晶体管耦接到源极跟随器晶体管；以及重置晶体管，该重置晶体管耦接到浮动扩散区。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括第六晶体管，该第六晶体管插置在第一光电二极管和偏置电压源端子之间。
根据另一个实施方案，图像传感器可以包括：第一半导体衬底，以及第二半导体衬底，第一光电二极管、第二光电二极管和电荷存储区可以在第一半导体衬底中形成，并且双转换增益电容器可以在第二半导体衬底中形成。
根据另一个实施方案，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第六晶体管可以在第一半导体衬底中形成，并且第五晶体管、浮动扩散区、源极跟随器晶体管、行选择晶体管和重置晶体管可以在第二半导体衬底中形成。
根据另一个实施方案，处理电路可以被配置为基于接收的用户输入来调整比率。
根据另一个实施方案，处理电路可以被配置为基于来自先前帧的图像数据来调整给定帧的比率。
根据一个实施方案，成像系统可以具有图像传感器、输入设备和处理电路，图像传感器可以具有成像像素阵列，并且每个成像像素可以包括：光电二极管；电荷存储区；第一晶体管，该第一晶体管耦接在光电二极管与电荷存储区之间；浮动扩散区；第二晶体管，该第二晶体管耦接在电荷存储区和浮动扩散区之间；偏置电压源端子；以及第三晶体管，该第三晶体管耦接在光电二极管和偏置电压源端子之间。在积聚时间期间可以重复快门周期，并且处理电路可以被配置为基于由输入设备接收的用户输入来选择在每个快门周期中第三晶体管被设为有效的时间量，第三晶体管在快门周期中可被设为有效。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括：附加光电二极管；以及第四晶体管，该第四晶体管耦接在附加光电二极管和浮动扩散区之间。
根据另一个实施方案，附加光电二极管可以具有比光电二极管更高的灵敏度。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括第五晶体管，该第五晶体管耦接在附加光电二极管和偏置电压源端子之间。
根据另一个实施方案，每个成像像素还可以包括：双转换增益电容器；第六晶体管，该第六晶体管耦接在浮动扩散区和双转换增益电容器之间；源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管具有耦接到浮动扩散区的栅极端子；以及重置晶体管，该重置晶体管耦接到浮动扩散区。
根据一个实施方案，图像传感器中的成像像素包括：光电二极管；电荷存储区；第一转移晶体管，该第一转移晶体管耦接在光电二极管与电荷存储区之间；浮动扩散区；第二转移晶体管，该第二转移晶体管耦接在电荷存储区和浮动扩散区之间；以及抗光晕晶体管，该抗光晕晶体管耦接到光电二极管，操作该成像像素的方法可以包括：在积聚时间期间，响应于入射光而通过光电二极管生成电荷；以及在积聚时间期间，执行闪烁减轻操作。执行闪烁减轻操作可以包括重复地将抗光晕晶体管设为有效，然后在周期中将第一转移晶体管设为有效，并且设置在每个周期中抗光晕晶体管被设为有效的时间长度与抗光晕晶体管未被设为有效的时间长度相比较的比率以控制动态范围。
根据另一个实施方案，成像像素还可以包括：附加光电二极管，该附加光电二极管具有比光电二极管更高的灵敏度；附加抗光晕晶体管，该附加抗光晕晶体管耦接到附加光电二极管；第三转移晶体管，该第三转移晶体管耦接在附加光电二极管和浮动扩散区之间；以及源极跟随器晶体管，该源极跟随器晶体管具有耦接到浮动扩散区的栅极。方法还可以包括：在积聚时间期间，响应于入射光而通过附加光电二极管生成电荷；以及在积聚时间之后，执行第一读出操作。执行第一读出操作可以包括：对浮动扩散区的重置电平进行采样；将第二转移晶体管设为有效；以及对浮动扩散区的信号电平进行采样。
根据另一个实施方案，成像像素还可以包括：双转换增益电容器；双转换增益晶体管，该双转换增益晶体管耦接在浮动扩散区和双转换增益电容器之间；重置晶体管，该重置晶体管耦接到浮动扩散区。方法还可以包括在执行第一读出操作之后，执行第二读出操作。执行第二读出操作可以包括：在将双转换增益晶体管设为有效的同时对浮动扩散区的信号电平进行采样，将重置晶体管设为有效，以及对浮动扩散区的重置电平进行采样。
根据另一个实施方案，方法还可以包括在执行第二读出操作之后，执行第三读出操作。执行第三读出操作可以包括：在双转换增益晶体管未被设为有效的同时对浮动扩散区的重置电平进行采样，将第三转移晶体管设为有效，以及对浮动扩散区的信号电平进行采样。
根据另一个实施方案，执行第一读出操作可以包括执行第一高转换增益读出操作，执行第二读出操作可以包括执行低转换增益读出操作，并且执行第三读出操作可以包括执行第二高转换增益读出操作。
上述内容仅仅为例示性的，并且可对所描述的实施方案进行各种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种成像系统，所述成像系统包括具有成像像素阵列的图像传感器和处理电路，其特征在于，所述成像像素阵列中的每个成像像素包括：
第一光电二极管，所述第一光电二极管具有对入射光的第一灵敏度；
第二光电二极管，所述第二光电二极管具有对入射光的第二灵敏度，其中所述第二灵敏度小于所述第一灵敏度；
电荷存储区；
偏置电压源端子；
第一晶体管，所述第一晶体管插置在所述第二光电二极管和所述电荷存储区之间；
第二晶体管，所述第二晶体管插置在所述第二光电二极管和所述偏置电压源端子之间，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管在积聚时间期间被交替地设为有效，并且其中，所述处理电路调整在所述积聚时间期间所述第二晶体管被设为有效的时间长度与所述第二晶体管未被设为有效的时间长度的比率以控制动态范围。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，每个成像像素还包括：
浮动扩散区；和
第三晶体管，所述第三晶体管插置在所述电荷存储区和所述浮动扩散区之间。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，每个成像像素还包括：
第四晶体管，所述第四晶体管插置在所述第一光电二极管和所述浮动扩散区之间。
4.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，每个成像像素还包括：
双转换增益电容器；和
第五晶体管，所述第五晶体管插置在所述浮动扩散区和所述双转换增益电容器之间。
5.根据权利要求4所述的成像系统，其特征在于，每个成像像素还包括：
源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有耦接到所述浮动扩散区的栅极端子；
行选择晶体管，所述行选择晶体管耦接到所述源极跟随器晶体管；和
重置晶体管，所述重置晶体管耦接到所述浮动扩散区。
6.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于，每个成像像素还包括：
第六晶体管，所述第六晶体管插置在所述第一光电二极管和所述偏置电压源端子之间，其中，所述图像传感器还包括：
第一半导体衬底，其中，所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述电荷存储区在所述第一半导体衬底中形成；和
第二半导体衬底，其中，所述双转换增益电容器在所述第二半导体衬底中形成，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管和所述第六晶体管在所述第一半导体衬底中形成，并且其中，所述第五晶体管、所述浮动扩散区、所述源极跟随器晶体管、所述行选择晶体管和所述重置晶体管在所述第二半导体衬底中形成。
7.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述处理电路基于接收的用户输入来调整所述比率。
8.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述处理电路基于来自先前帧的图像数据来调整给定帧的所述比率。
9.一种成像系统，所述成像系统具有图像传感器、输入设备和处理电路，所述图像传感器具有成像像素阵列，其特征在于，所述成像像素阵列中的每个成像像素包括：
光电二极管；
电荷存储区；
第一晶体管，所述第一晶体管耦接在所述光电二极管与所述电荷存储区之间；
浮动扩散区；
第二晶体管，所述第二晶体管耦接在所述电荷存储区和所述浮动扩散区之间；
偏置电压源端子；
第三晶体管，所述第三晶体管耦接在所述光电二极管和所述偏置电压源端子之间，其中，在积聚时间期间重复快门周期，并且其中，所述处理电路基于由所述输入设备接收的用户输入来选择在每个快门周期中所述第三晶体管被设为有效的时间量，所述第三晶体管在所述快门周期中被设为有效。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其特征在于，每个成像像素还包括：
附加光电二极管；
第四晶体管，所述第四晶体管耦接在所述附加光电二极管和所述浮动扩散区之间；
第五晶体管，所述第五晶体管耦接在所述附加光电二极管和所述偏置电压源端子之间；
双转换增益电容器；
第六晶体管，所述第六晶体管耦接在所述浮动扩散区和所述双转换增益电容器之间；
源极跟随器晶体管，所述源极跟随器晶体管具有耦接到所述浮动扩散区的栅极端子；和
重置晶体管，所述重置晶体管耦接到所述浮动扩散区，其中，所述附加光电二极管具有比所述光电二极管更高的灵敏度。
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