DE102016224220A1 - Logarithmische Pixel mit korreliertem doppletem Abtasten - Google Patents

Logarithmische Pixel mit korreliertem doppletem Abtasten Download PDF

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Abstract

Ein Abbildungspixel kann entweder in einem linearen Modus oder einem logarithmischen Modus betrieben werden. Im logarithmischen Modus kann die Spannung in einer Floating-Diffusion-Region proportional zum Logarithmus der Intensität einfallenden Lichtes sein. Um korreliertes doppeltes Abtasten (correlated double sampling (CDS)) im logarithmischen Modus zu ermöglichen, kann ein Transistor bereitgestellt werden, der die Photodiode mit einer Vorspannung koppelt. Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, kann die Photodiode in der Lage sein, in einem logarithmischen Modus zu arbeiten. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, kann die Floating-Diffusion-Region auf ein Basisspannungsniveau zurückgesetzt werden. Bilder aus dem linearen Modus und dem logarithmischen Modus können kombiniert werden, um Bilder mit hohem Dynamikbereich mit Flackermilderung zu bilden.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
  • Diese Anmeldung beansprucht Priorität der durch Jeffery Beck erfundenen vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/298120, die am 22. Februar 2016 eingereicht wurde und den Titel trägt „Logarithmic Pixels with Correlated Double Sampling”, und wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen, und Priorität davon wird hiermit für den gemeinsamen Gegenstand beansprucht.
  • HINTERGRUND
  • Dies betrifft allgemein Abbildungssysteme und genauer Abbildungssysteme mit logarithmischen Pixeln.
  • Moderne elektronische Vorrichtungen, wie beispielsweise Mobiltelefone, Kameras und Computer, verwenden häufig digitale Bildsensoren. Bildsensoren (manchmal als Bildwandler bezeichnet) können aus einem zweidimensionalen Array von Bilderfassungspixeln gebildet werden. Jedes Pixel schließt eine lichtempfindliche Schicht ein, die einfallende Photonen (Licht) empfängt und Photonen in elektrische Ladung umwandelt. Bildsensoren sind manchmal konzipiert, um Bilder unter Verwendung eines „Joint Photographic Experts Group”(JPEG)-Formats für elektronische Vorrichtungen bereitzustellen.
  • Bildsensoren können logarithmische Pixel oder lineare Pixel einschließen. Lineare Pixel können Ladung in einer lichtempfindlichen Schicht über eine Integrationszeit akkumulieren. Nachdem die Integrationszeit abgeschlossen ist, kann die akkumulierte Ladung übertragen und abgetastet werden. Die abgetastete Spannung, die der akkumulierten Ladung zugeordnet ist, kann proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes sein. Alternativ dazu können logarithmische Pixel eine Lichtintensität kontinuierlich messen, ohne Ladung zu akkumulieren. An jedem Punkt kann eine Spannung im logarithmischen Pixel abgetastet werden, die proportional zum Logarithmus der Intensität des einfallenden Lichtes ist. Da logarithmische Pixel eine Belichtung durch einfallendes Licht kontinuierlich messen, kann es schwierig sein, Rauschen aus der Abtastung zu entfernen. Logarithmische Pixel können daher Pixelrauschen mit festem Muster (fixed pattern noise) unterworfen sein.
  • Daher wäre es wünschenswert, verbesserte logarithmische Pixel bereitzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung, die einen Bildsensor einschließen kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Pixel-Arrays und einer zugeordneten Ausleseschaltlogik zum Auslesen von Bildsignalen aus dem Pixel-Array gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Abbildungspixels, das in einem logarithmischen Modus mit korreliertem doppeltem Abtasten verwendet werden kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Zeittaktungsschemas zum Schalten verschiedener Transistoren in einem Abbildungspixel, während das Abbildungspixel in einem linearen Modus arbeitet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Zeittaktungsschemas zum Schalten verschiedener Transistoren in einem Abbildungspixel, während das Abbildungspixel in einem logarithmischen Modus arbeitet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist ein Diagramm von veranschaulichenden Schritten zum Betreiben eines Abbildungspixels in einem logarithmischen Modus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7 ist ein Diagramm von veranschaulichenden Schritten zum Betreiben eines Abbildungspixels in einem linearen Modus und einem logarithmischen Modus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Bildsensoren mit Pixeln, die in einem logarithmischen Modus betrieben werden können. Eine veranschaulichende elektronische Vorrichtung, die logarithmische Pixel einschließen kann, ist in 1 gezeigt. Bei einer elektronischen Vorrichtung 10 kann es sich um eine Digitalkamera, einen Computer, ein Mobiltelefon, eine medizinische Vorrichtung oder eine andere elektronische Vorrichtung handeln. Ein Kameramodul 12 (manchmal als eine Abbildungsvorrichtung bezeichnet) kann einen Bildsensor 16 und eine oder mehrere Linsen 14 einschließen. Während des Betriebs fokussieren die Linsen 14 Licht auf den Bildsensor 16. Der Bildsensor 16 schließt lichtempfindliche Elemente (z. B. Pixel) ein, die das Licht in digitale Daten umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln haben (z. B. hunderte, tausende, Millionen oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise Millionen von Pixeln haben (z. B. Megapixel). Als Beispiele kann der Bildsensor 16 eine Vorspannungsschaltlogik einschließen (z. B. Source-Folger-Lastschaltungen), eine Abtast-Halte-Schaltung, eine Schaltlogik für korreliertes doppeltes Abtasten (correlated double sampling (CDS) circuitry), eine Verstärkerschaltlogik, eine Analog-Digital-(analog-to-digital converter(ADC))-Wandler-Schaltlogik, eine Datenausgabeschaltlogik, einen Speicher (z. B. eine Pufferschaltlogik), eine Adressschaltlogik usw.
  • Stand- und Videobilddaten aus dem Bildsensor 16 können einer Verarbeitungsschaltlogik 18 bereitgestellt werden. Die Verarbeitungsschaltlogik 18 kann verwendet werden, um Bildverarbeitungsfunktionen, wie beispielsweise automatische Fokussierfunktionen, Tiefenerfassen, Datenformatieren, Anpassen von Weißabgleich und Belichtung, Implementieren von Videobildstabilisierung, Gesichtserkennung usw., durchzuführen.
  • Die Verarbeitungsschaltlogik 18 kann auch verwendet werden, um Kamerarohbilddateien zu komprimieren, falls gewünscht (z. B. in das „Joint Photographic Experts Group”- oder JPEG-Format). In einer typischen Anordnung, die manchmal als „System auf einem Chip”(System-on-a-Chip(SOC))-Anordnung bezeichnet wird, sind der Bildsensor 16 und die Verarbeitungsschaltlogik 18 auf einer gemeinsamen integrierten Schaltung implementiert. Die Verwendung einer einzigen integrierten Schaltung, um den Bildsensor 16 und die Verarbeitungsschaltlogik 18 zu implementieren, kann helfen, Kosten zu verringern. Dies ist jedoch lediglich veranschaulichend. Falls gewünscht, können der Bildsensor 16 und die Verarbeitungsschaltlogik 18 unter Verwendung von separaten integrierten Schaltungen implementiert werden. Die Verarbeitungsschaltlogik 18 kann Mikroprozessoren, Mikrosteuereinheiten (microcontrollers), digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (application specific integrated circuits) oder andere Verarbeitungsschaltungen einschließen.
  • Wie in 2 gezeigt, kann der Bildsensor 16 ein Pixel-Array 20 einschließen, das in Zeilen und Spalten angeordnete Bildsensorpixel 22 (hierin manchmal als Bildpixel oder Pixel bezeichnet) und eine Steuer- und Verarbeitungsschaltlogik 24 (die zum Beispiel eine Bildsignalverarbeitungsschaltlogik einschließen kann) enthalten kann. Das Array 20 kann zum Beispiel hunderte oder tausende von Zeilen und Spalten von Bildsensorpixeln 22 enthalten. Die Steuerschaltlogik 24 kann mit einer Zeilensteuerschaltlogik 26 und einer Bildausleseschaltlogik 28 (manchmal als Spaltensteuerschaltlogik, Ausleseschaltlogik, Verarbeitungsschaltlogik oder Spaltendekoderschaltlogik bezeichnet) gekoppelt sein.
  • Die Zeilensteuerschaltlogik 26 kann Zeilenadressen aus der Steuerschaltlogik 24 empfangen und den Pixeln 22 über Zeilensteuerpfade 30 entsprechende Zeilensteuersignale, wie beispielsweise Zurücksetzen, Zeilenauswahl, Ladungsübertragung, doppelte Umwandlungsverstärkung, sowie Auslesesteuersignale liefern. Eine oder mehrere leitfähige Leitungen, wie beispielsweise Spaltenleitungen 32, können mit jeder Spalte von Pixeln 22 im Array 20 gekoppelt sein. Die Spaltenleitungen 32 können zum Auslesen von Bildsignalen aus den Pixeln 22 und zum Liefern von Vorspannungssignalen (z. B. Vorspannungsströmen oder Vorspannungsspannungen) an die Pixel 22 verwendet werden. Falls gewünscht, kann während Pixelauslesevorgängen eine Pixelzeile im Array 20 unter Verwendung der Zeilensteuerschaltlogik 26 ausgewählt werden, und Bildsignale, die durch die Bildpixel 22 in dieser Pixeizeile erzeugt werden, können entlang den Spaltenleitungen 32 ausgelesen werden.
  • Die Bildausleseschaltlogik 28 kann Bildsignale (z. B. durch die Pixel 22 erzeugte analoge Pixelwerte) über die Spaltenleitungen 32 empfangen. Die Bildausleseschaltlogik 28 kann eine Abtast-Halte-Schaltlogik zum Abtasten und temporären Speichern von aus dem Array 20 ausgelesenen Bildsignalen, eine Verstärkerschaltlogik, eine Analog-Digital-Wandlungs(ADC)-Schaltlogik, eine Vorspannungsschaltlogik, einen Spaltenspeicher, eine Flip-Flop-Schaltlogik zum selektiven Aktivieren oder Deaktivieren der Spaltenschaltlogik oder andere Schaltlogik einschließen, die mit einer oder mehreren Spalten von Pixeln im Array 20 zum Betreiben der Pixel 22 und zum Auslesen von Bildsignalen aus den Pixeln 22 gekoppelt sind. Die ADC-Schaltlogik in der Ausleseschaltlogik 28 kann analoge Pixelwerte, die aus dem Array 20 empfangen werden, in entsprechende digitale Pixelwerte umwandeln (manchmal als digitale Bilddaten oder digitale Pixeldaten bezeichnet). Die Bildausleseschaltlogik 28 kann digitale Pixeldaten über einen Pfad 25 für Pixel in einer oder mehreren Pixelspalten an die Steuer- und Verarbeitungsschaltlogik 24 und/oder den Prozessor 18 (1) liefern.
  • Ein veranschaulichendes Bildpixel ist in 3 gezeigt. Wie gezeigt, kann das Pixel 22 eine Photodiode 34 einschließen. Bei der Photodiode 34 kann es sich um eine gepinnte Photodiode handeln. Bei der Photodiode 34 kann es sich um eine Photodiode des n-Typs handeln, die aus einem dotierten Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silicium, ausgebildet ist. Die Photodiode 34 kann mit einem Transistor 36 und einem Transistor 38 gekoppelt sein. Der Transistor 36 kann als ein „Anti-Blooming”(AB)-Transistor bezeichnet werden, und der Transistor 38 kann als ein Übertragungs(transfer(TX))-Transistor bezeichnet werden. Die Photodiode 34 kann eine Ladung erzeugen, wenn sie einfallendem Licht ausgesetzt ist. Wenn sowohl der Übertragungstransistor 38 als auch der Anti-Blooming-Transistor 36 aus (oder offen) sind, kann sich die erzeugte Ladung in der Photodiode akkumulieren. Wenn der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist, kann die Photodiode mit der Vorspannung 40 (VAA) gekoppelt sein. Wenn sie mit der Vorspannung 40 gekoppelt ist, kann die Photodiode 34 von aller Ladung befreit werden.
  • Wenn der Anti-Blooming-Transistor 36 aus (oder offen) und der Transistor 38 geschaltet ist, kann Ladung aus der Photodiode 34 den Übertragungstransistor durchlaufen. Das Pixel 22 kann auch eine Floating-Diffusion-Region 42 einschließen. Die Floating-Diffusion(FD)-Region 42 kann unter Verwendung einer Region von dotiertem Halbleiter (z. B. einer dotierten Siliciumregion, die durch Ionenimplantation, Diffusion von Fremdatomen oder anderen Dotiertechniken in einem Siliciumsubstrat ausgebildet wird) implementiert werden. Die dotierte Halbleiterregion (d. h. die Floating-Diffusion FD) zeigt eine Kapazität, die verwendet werden kann, um die Ladung zu speichern, die aus der Photodiode 34 übertragen wurde. Das der gespeicherten Ladung auf der Floating-Diffusion 42 zugeordnete Signal kann durch einen Source-Folger-Transistor 46 an einen Zeilenauswahltransistor 44 übermittelt werden. Der Source-Folger-Transistor 46 kann mit der Vorspannung 52 (VAA) gekoppelt sein.
  • Wenn es gewünscht wird, den Wert der Ladung in der Floating-Diffusion-Region auszulesen, kann der Zeilenauswahl(row select(RS))-Transistor 44 geschaltet werden. Wenn der RS-Transistor geschaltet ist, wird ein entsprechendes Signal VOUT, das die Größe der Ladung in der Floating-Diffusion-Region 42 wiedergibt, auf einem Ausgabepfad 48 produziert. In einer typischen Konfiguration gibt es zahlreiche Zeilen und Spalten von Pixeln, wie beispielsweise dem Pixel 22, im Bildsensorpixel-Array eines gegebenen Bildsensors. Ein vertikaler leitfähiger Pfad, wie beispielsweise ein Pfad 50, kann jeder Spalte von Pixeln zugeordnet sein.
  • Das Pixel 22 kann auch einen Steuertransistor 54 einschließen. Unter bestimmten Umständen kann das Pixel 22 als ein lineares Pixel betrieben werden. Wenn das Pixel 22 als ein lineares Pixel betrieben wird, kann sich über eine Integrationszeit Ladung in der Photodiode 34 akkumulieren. Nachdem die Integrationszeit abgeschlossen ist, kann der Übertragungstransistor geschaltet werden, um die Ladung zur Floating-Diffusion-Region 42 zu übertragen. Während das Pixel 22 als ein lineares Pixel betrieben wird, kann der Steuertransistor 54 als ein Zurücksetztransistor zum Zurücksetzen der Floating-Diffusion 42 arbeiten. Der Steuertransistor 54 kann mit einer Vorspannung 56 und einer Vorspannung 58 gekoppelt sein. Während das Pixel 22 als ein lineares Pixel betrieben wird, kann die Vorspannung 58 auf LOW bleiben, sodass Ladung nicht durch den Transistor 54 fließen kann. Wenn es Zeit ist, die Floating-Diffusion 42 zurückzusetzen, kann die Vorspannung 58 erhöht werden, sodass überschüssige Ladung aus der Floating-Diffusion 42 durch den Transistor 54 fließt und aus der Floating-Diffusion entfernt wird.
  • Zu anderen Zeiten kann das Pixel 22 als ein logarithmisches Pixel betrieben werden. Während das Pixel 22 als ein logarithmisches Pixel betrieben wird, kann die Vorspannung 58 auf dasselbe Niveau wie die Vorspannung 56 erhöht werden. Der Übertragungstransistor 38 kann geschaltet werden, und der Anti-Blooming-Transistor 36 kann ausgeschaltet werden, während das Pixel 22 als cm logarithmisches Pixel betrieben wird. Dass der Transistor 36 ausgeschaltet ist, während der Transistor 38 geschaltet ist, und die Vorspannung 58 auf demselben Niveau wie die Vorspannung 56 gehalten wird, kann einen Photostrom (Iph) 60 erzeugen. Das Vorhandensein des Photostroms 60 kann eine logarithmische Antwort auf einfallendes Licht in der Floating-Diffusion 42 ermöglichen. Zusätzlich kann es das Vorhandensein des Anti-Blooming-Transistors 36 dem logarithmischen Pixel ermöglichen, ein korreliertes doppeltes Abtasten (CDS) zu durchlaufen.
  • Das korrelierte doppelte Abtasten wird verwendet, um Rauschen in Abbildungspixeln zu korrigieren. Wie zuvor erläutert, kann Spannung in der Floating-Diffusion-Region abgetastet werden, um die Menge von Belichtung durch einfallendes Licht für das Abbildungspixel zu ermitteln. Idealerweise ist die gesamte Spannung in der Floating-Diffusion-Region dem einfallenden Licht zugeordnet. In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht der Fall, und manches der Spannung wird aufgrund von Rauschen vorhanden sein. Um die Spannung, die vom einfallenden Licht kommt, zu isolieren, wird beim korrelierten doppelten Abtasten das Zurücksetzspannungsniveau in der FD mit dem Abtastspannungsniveau in der FD verglichen. Beim Zurücksetzspannungsniveau handelt es sich um die Menge von Spannung, die von Rauschen kommt, während das Abtastspannungsniveau Spannung von Rauschen und einfallendem Licht einschließt. Das Zurücksetzspannungsniveau kann vom Abtastspannungsniveau subtrahiert werden, um die Menge von Spannung zu isolieren, die dem einfallenden Licht zugeordnet ist.
  • In typischen logarithmischen Pixeln gibt es keinen Weg, die Spannung in der Floating-Diffusion-Region für ein korreliertes doppeltes Abtasten zurückzusetzen. Da typische logarithmische Pixel kein korreliertes doppeltes Abtasten durchführen können, sind sie anfällig für Rauschen. Im Gegensatz dazu schließt das Pixel 22 von 3 den Anti-Blooming-Transistor 36 ein, der ein korreliertes doppeltes Abtasten in einem logarithmischen Modus ermöglicht. Wie zuvor erwähnt, kann der Transistor 36 ausgeschaltet werden, um es dem Photostrom Iph zu erlauben, durch die Transistoren 54 und 38 zu fließen, um eine logarithmische Antwort auf Licht in der Floating-Diffusion-Region zu erzeugen. Wenn der Transistor 36 jedoch eingeschaltet ist, kann der Photostrom durch den Transistor 36 abgeleitet werden. Dementsprechend durchläuft kein Photostrom die Transistoren 38 und 54, wenn der Transistor 36 geschaltet ist. Als ein Ergebnis wird die Floating-Diffusion keine Antwort auf einfallendes Licht aufweisen und wird zu einem Basisspannungsniveau zurückkehren. Durch Abtasten der Spannung in der FD einmal, wenn der Transistor 36 deaktiviert ist, und einmal, wenn der Transistor 36 aktiviert ist, kann Rauschen im logarithmischen Pixel berücksichtigt werden. Rauschen ist in diesem Fall typischerweise der Schwankung von Pixel zu Pixel in der Schwellenwertspannung des Transistors 54 zugeordnet
  • 4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Zeittaktungsschemas zum Schalten verschiedener Transistoren im Pixel 22. 4 zeigt einen Betrieb des Pixels 22, während sich das Pixel 22 in einem linearen Modus befindet (d. h. als ein lineares Pixel arbeitet). Wie gezeigt, kann der Anti-Blooming-Transistor 36 bei t1 geschaltet werden. Das Schalten des Transistors 36 kann die Photodiode 34 mit der Vorspannung 40 koppeln und die Photodiode 34 von Ladung befreien. Der Transistor 36 kann bei t2 deaktiviert werden, wodurch die Integrationszeit (tINT) 62 gestartet wird. Während der Integrationszeit kann sich durch die Photodiode 34 erzeugte Ladung in der Photodiode 34 akkumulieren.
  • Zum Zeitpunkt t3 kann der Steuertransistor 54 geschaltet werden. Dies kann die Floating-Diffusion-Region 42 mit der Vorspannung 60 koppeln und die Floating-Diffusion-Region 42 von überschüssiger Ladung befreien. Nachdem der Steuertransistor 54 geschaltet ist, kann das Zurücksetzladungsniveau in der Floating-Diffusion-Region zum Zeitpunkt t4 abgetastet werden. Dieses Abtasten entspricht dem Ladungsniveau in der FD 42, das aus Rauschen vorhanden ist. Als Nächstes kann der Übertragungstransistor 38 zum Zeitpunkt t5 geschaltet werden. Das Schalten des Übertragungstransistors 38 kann die akkumulierte Ladung aus der Photodiode 34 zur Floating-Diffusion 42 übertragen. Zum Zeitpunkt t6 kann die Ladung in der Floating-Diffusion-Region erneut abgetastet werden. Dieses Abtasten wird dem Ladungsniveau in der FD 42 entsprechen, das sowohl aus Rauschen als auch aus einfallendem Licht vorhanden ist. Die zwei Abtastungen können dann subtrahiert werden, um das Niveau einfallenden Lichts zu ermitteln. Wie zuvor erläutert, ist das Abtasten des Zurücksetzladungsniveaus und dessen Subtrahieren vom Abtastladungsniveau auf diese Weise als korreliertes doppeltes Abtasten bekannt.
  • 5 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Zeittaktungsschemas zum Schalten verschiedener Transistoren im Pixel 22. 5 zeigt einen Betrieb des Pixels 22, während sich das Pixel 22 in einem logarithmischen Modus befindet (d. h. als ein logarithmisches Pixel arbeitet). Wie gezeigt, können der Steuertransistor 54 und der Transistor 38 bei t1 geschaltet werden. Wenn der Steuertransistor 54 geschaltet ist, kann die Vorspannung 58 auf ein gleiches Niveau erhöht werden, wie die Vorspannung 56. Bei t1 bleibt der AB-Transistor 36 deaktiviert. Diese Anordnung von Transistoren führt zu einer logarithmischen Antwort auf einfallendes Licht in der FD 42. Bei t2 kann das Spannungsniveau in der FD 42 abgetastet werden. Danach kann der AB-Transistor 36 zum Zeitpunkt t3 geschaltet werden. Durch Schalten des AB-Transistors 36 kann der Photostrom durch den AB-Transistor geleitet werden. Dementsprechend wird das Spannungsniveau in der Floating-Diffusion-Region zu einem Basisniveau zurückkehren. Die Basisspannung in der Floating-Diffusion-Region FD kann dann bei t4 abgetastet werden. Durch Verwenden dieses Zeittaktungsschemas kann das Pixel 22 in einem logarithmischen Modus betrieben werden, in dem korreliertes doppeltes Abtasten verwendet wird, um die Genauigkeit für das Abtasten zu verbessern.
  • 6 ist ein Diagramm von veranschaulichenden Schritten zum Betreiben eines Abbildungspixels, wie beispielsweise des Pixels 22, in einem logarithmischen Modus. Wie gezeigt, können in Schritt 602 der Steuertransistor und der Übertragungstransistor geschaltet werden. Zudem kann in Schritt 602 der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert werden. Diese Anordnung führt zu einer logarithmischen Antwort auf einfallendes Licht in der Floating-Diffusion-Region des Pixels. In Schritt 604 kann ein erstes Spannungsniveau in der Floating-Diffusion-Region abgetastet werden. Nachfolgend kann der Anti-Blooming-Transistor in Schritt 606 geschaltet werden. Das Schalten des Anti-Blooming-Transistors führt dazu, dass die Floating-Diffusion-Region keine Antwort auf einfallendes Licht aufweist und zu einem Basisspannungsniveau zurückkehrt. In Schritt 608 kann ein zweites Spannungsniveau in der Floating-Diffusion-Region abgetastet werden. Die Verarbeitungsschaltlogik kann verwendet werden, um die Abtastung des zweiten Spannungsniveaus von der Abtastung des ersten Spannungsniveaus zu subtrahieren. Dies wird über ein korreliertes doppeltes Abtasten zu einer logarithmischen Pixelabtastung mit beseitigtem Rauschen führen.
  • In Abbildungssystemen können durch sich bewegende Objekte, flackernde Beleuchtung und Objekte mit veränderlicher Beleuchtungsstärke Artefakte in einem Einzelbild (image frame) verursacht werden. Solche Artefakte können zum Beispiel fehlende Teile eines Objekts, Farbsaumartefakte und Objektverzerrung einschließen. Beispiele für Objekte mit veränderlicher Beleuchtungsstärke schleißen Leuchtdioden(LED)-Verkehrszeichen (die mehrere Hundert Mal pro Sekunde flackern können) und LED-Bremsleuchten oder Scheinwerfer moderner Autos ein. Zonen in einem Einzelbild, die nicht vollständig durch dynamische Szenerie belichtet werden, können zu einer Objektverzerrung, zu Geisterbildeffekten und Farbartefakten führen, wenn die Szenerie sich bewegende oder sich schnell verändernde Objekte einschließt. Ähnliche Effekte können beobachtet werden, wenn sich die Kamera während Bildaufnahmevorgängen bewegt oder wackelt. Um Bilder mit minimierten Artefakten bezüglich flackernder Beleuchtung und Objekten mit veränderlicher Beleuchtungsstärke aufzunehmen, können Techniken zur Flackermilderung (flicker mitigation (FM)) verwendet werden. Zusätzlich können Abbildungssysteme auch Bilder mit Artefakten aufweisen, die einem niedrigen Dynamikbereich zugeordnet sind. Szenen mit hellen und dunklen Abschnitten können in herkömmlichen Bildsensoren Artefakte produzieren, da Abschnitte des Bildes überbelichtet oder unterbelichtet werden können. Daher können unter bestimmten Umständen Bilder mit hohem Dynamikbereich verwendet werden, um Artefakte zu vermeiden. Abbildungspixel, wie beispielsweise das Pixel 22 in 3, können verwendet werden, um Bilder mit hohem Dynamikbereich mit Flackermilderung aufzunehmen.
  • 7 ist ein Diagramm von veranschaulichenden Schritten zum Betreiben eines Abbildungspixels, wie beispielsweise des Pixels 22. In 7 kann das Pixel 22 in Schritt 702 zuerst in einem linearen Modus betrieben werden. In Schritt 702 kann ein erstes Bild unter Verwendung von korreliertem doppeltem Abtasten aufgenommen werden, während sich das Pixel im linearen Modus befindet. Das Betreiben des Abbildungspixels im linearen Modus kann ein Akkumulieren von Ladung in der Photodiode über eine Integrationszeit einschließen, wie in Verbindung mit 4 beschrieben.
  • Nach Aufnehmen des ersten Bildes im linearen Modus kann das Pixel in Schritt 704 in einem logarithmischen Modus arbeiten. In Schritt 704 kann ein zweites Bild unter Verwendung von korreliertem doppeltem Abtasten aufgenommen werden, während das Abbildungspixel in einem linearen Modus arbeitet. Das Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus kann ein Erzeugen eines Photostroms derart einschließen, dass die Floating-Diffusion-Region eine logarithmische Antwort auf einfallendes Licht aufweist, wie in Verbindung mit 5 beschrieben. In Schritt 706 können das erste und das zweite aufgenommene Bild verwendet werden, um ein Bild mit hohem Dynamikbereich mit Flackermilderung zu bilden. Zum Beispiel kann während des Betreibens im linearen Modus eine lange Integrationszeit verwendet werden, um eine Abtastung mit einem niedrigen Lichtpegel aufzunehmen. Das Pixel kann dann verwendet werden, um eine Abtastung mit hohem Lichtpegel aufzunehmen, während es sich im logarithmischen Modus befindet. Die zwei Bilder können kombiniert werden, um ein Bild mit hohem Dynamikbereich zu bilden. Zusätzlich können die zwei Bilder analysiert werden, um flackernde Lichter zu erkennen und Bildartefakte zu verringern, die flackernder Beleuchtung und Objekten mit veränderlicher Beleuchtungsstärke zugeordnet sind.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Verfahren zum Betreiben eines Abbildungspixels mit einer Photodiode, einem zwischen der Photodiode und einer ersten Vorspannung gekoppelten ersten Transistor, einem zwischen der Photodiode und einer zweiten Vorspannung gekoppelten zweiten Transistor und einer Floating-Diffusion-Region ein Deaktivieren des ersten Transistors, Schalten des zweiten Transistors, Abtasten eines ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region nach dem Deaktivieren des ersten Transistors und Schalten des zweiten Transistors, Schalten des ersten Transistors nach dem Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region und Abtasten eines zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region nach dem Schalten des ersten Transistors einschließen.
  • Das Abbildungspixel kann zudem einen dritten Transistor einschließen, der zwischen dem zweiten Transistor und der Photodiode gekoppelt ist. Das Verfahren kann zudem ein Schalten des dritten Transistors vor dem Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region einschließen. Das Schalten des ersten Transistors kann dazu führen, dass in der Photodiode erzeugte Ladung durch den ersten Transistor fließt und das Abbildungspixel verlässt. Das Deaktivieren des ersten Transistors, Schalten des zweiten Transistors und Schalten des dritten Transistors kann dazu führen, dass die Floating-Diffusion-Region eine logarithmische Antwort auf einfallendes Licht aufweist. Das Deaktivieren des ersten Transistors, Schalten des zweiten Transistors und Schalten des dritten Transistors kann dazu führen, dass ein Photostrom durch den zweiten und den dritten Transistor fließt. Das Abtasten des ersten Spannungsniveaus kann ein Abtasten des ersten Spannungsniveaus einschließen, während der erste Transistor deaktiviert ist, der zweite Transistor geschaltet ist und der dritte Transistor geschaltet ist. Das Abtasten des zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region kann ein Abtasten des zweiten Spannungsniveaus einschließen, während der erste Transistor geschaltet ist, der zweite Transistor geschaltet ist und der dritte Transistor geschaltet ist.
  • Das Verfahren kann zudem ein Subtrahieren der Abtastung des zweiten Spannungsniveaus von der Abtastung des ersten Spannungsniveaus mit der Verarbeitungsschaltlogik einschließen. Das Schalten des ersten Transistors nach dem Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region kann ein Schalten des ersten Transistors einschließen, während der zweite Transistor geschaltet bleibt. Das Betreiben des Abbildungspixels kann ein Betreiben des Abbildungspixels in einem logarithmischen Modus einschließen. Das Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus kann ein Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus mit korreliertem doppeltem Abtasten einschließen.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben eines Abbildungspixels mit einer Photodiode, einem Anti-Blooming-Transistor, einem Übertragungstransistor, einem Steuertransistor und einer Floating-Diffusion-Region in einem logarithmischen Modus ein Abtasten eines ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert ist, und ein Abtasten eines zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist, einschließen.
  • Das Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert ist, kann ein Abtasten des ersten Spannungsniveaus einschließen, während der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert ist, der Übertragungstransistor geschaltet ist und der Steuertransistor geschaltet ist. Das Abtasten des zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist, kann ein Abtasten des zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region einschließen, während der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist, der Übertragungstransistor geschaltet ist und der Steuertransistor geschaltet ist. Der Anti-Blooming-Transistor kann mit einer ersten Vorspannung gekoppelt sein, und der Steuertransistor kann mit einer zweiten Vorspannung gekoppelt sein.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben eines Abbildungspixels mit einer Photodiode ein Aufnehmen eines ersten Bildes unter Verwendung von korreliertem doppeltem Abtasten, während das Abbildungspixel in einem linearen Modus arbeitet, und ein Aufnehmen eines zweiten Bildes unter Verwendung von korreliertem doppeltem Abtasten, während das Abbildungspixel in einem logarithmischen Modus arbeitet, einschließen. Das Betreiben des Abbildungspixels im linearen Modus kann ein Akkumulieren von Ladung in der Photodiode über eine Integrationszeit einschließen. Das Abbildungspixel kann eine Floating-Diffusion-Region einschließen. Das Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus kann ein Erzeugen eines Photostroms derart einschließen, dass die Floating-Diffusion-Region eine logarithmische Antwort auf einfallendes Licht aufweist. Das Verfahren kann zudem ein Verwenden des ersten und des zweiten aufgenommenen Bildes einschließen, um ein Bild mit hohem Dynamikbereich mit Flackermilderung zu bilden.
  • Das Vorhergehende ist lediglich veranschaulichend für die Grundsätze dieser Erfindung, und durch den Fachmann können vielfältige Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Abbildungspixels, wobei das Abbildungspixel eine Photodiode, einen zwischen der Photodiode und einer ersten Vorspannung gekoppelten ersten Transistor, einen zwischen der Photodiode und einer zweiten Vorspannung gekoppelten zweiten Transistor und eine Floating-Diffusion-Region umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Deaktivieren des ersten Transistors; Schalten des zweiten Transistors; nach dem Deaktivieren des ersten Transistors und Schalten des zweiten Transistors, Abtasten eines ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region; nach dem Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, Schalten des ersten Transistors; und nach dem Schalten des ersten Transistors, Abtasten eines zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abbildungspixel einen dritten Transistor umfasst, der zwischen dem zweiten Transistor und der Photodiode gekoppelt ist, wobei das Verfahren ferner umfasst: vor dem Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, Schalten des dritten Transistors.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schalten des ersten Transistors dazu führt, dass in der Photodiode erzeugte Ladung durch den ersten Transistor fließt und das Abbildungspixel verlässt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Deaktivieren des ersten Transistors, Schalten des zweiten Transistors und Schalten des dritten Transistors dazu führt, dass die Floating-Diffusion-Region eine logarithmische Antwort auf einfallendes Licht aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Deaktivieren des ersten Transistors, Schalten des zweiten Transistors und Schalten des dritten Transistors dazu führt, dass ein Photostrom durch den zweiten und den dritten Transistor fließt.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Abtasten des ersten Spannungsniveaus ein Abtasten des ersten Spannungsniveaus umfasst, während der erste Transistor deaktiviert ist, der zweite Transistor geschaltet ist und der dritte Transistor geschaltet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Abtasten des zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region ein Abtasten des zweiten Spannungsniveaus umfasst, während der erste Transistor geschaltet ist, der zweite Transistor geschaltet ist und der dritte Transistor geschaltet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Subtrahieren der Abtastung des zweiten Spannungsniveaus von der Abtastung des ersten Spannungsniveaus mit einer Verarbeitungsschaltlogik.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schalten des ersten Transistors nach dem Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region ein Schalten des ersten Transistors umfasst, während der zweite Transistor geschaltet bleibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des Abbildungspixels ein Betreiben des Abbildungspixels in einem logarithmischen Modus umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus ein Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus mit korreliertem doppeltem Abtasten umfasst.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Abbildungspixels in einem logarithmischen Modus, wobei das Abbildungspixel eine Photodiode, einen Anti-Blooming-Transistor, einen Übertragungstransistor, einen Steuertransistor und eine Floating-Diffusion-Region umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Abtasten eines ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert ist; und Abtasten eines zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Abtasten des ersten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert ist, ein Abtasten des ersten Spannungsniveaus umfasst, während der Anti-Blooming-Transistor deaktiviert ist, der Übertragungstransistor geschaltet ist und der Steuertransistor geschaltet ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Abtasten des zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region, während der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist, ein Abtasten des zweiten Spannungsniveaus in der Floating-Diffusion-Region umfasst, während der Anti-Blooming-Transistor geschaltet ist, der Übertragungstransistor geschaltet ist und der Steuertransistor geschaltet ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Anti-Blooming-Transistor mit einer ersten Vorspannung gekoppelt ist, und wobei der Steuertransistor mit einer zweiten Vorspannung gekoppelt ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner umfasst: Subtrahieren der Abtastung des zweiten Spannungsniveaus von der Abtastung des ersten Spannungsniveaus mit einer Verarbeitungsschaltlogik.
  17. Verfahren zum Betreiben eines Abbildungspixels mit einer Photodiode, wobei das Verfahren umfasst: Aufnehmen eines ersten Bildes unter Verwendung von korreliertem doppeltem Abtasten, während das Abbildungspixel in einem linearen Modus arbeitet; und Aufnehmen eines zweiten Bildes unter Verwendung von korreliertem doppeltem Abtasten, während das Abbildungspixel in einem logarithmischen Modus arbeitet.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Betreiben des Abbildungspixels im linearen Modus ein Akkumulieren von Ladung in der Photodiode über eine Integrationszeit umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Abbildungspixel eine Floating-Diffusion-Region umfasst, und wobei das Betreiben des Abbildungspixels im logarithmischen Modus ein Erzeugen eines Photostroms derart umfasst, dass die Floating-Diffusion-Region eine logarithmische Antwort auf einfallendes Licht aufweist.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Verwenden des ersten und des zweiten aufgenommenen Bildes, um ein Bild mit hohem Dynamikbereich mit Flackermilderung zu bilden.
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