TWI430657B - 利用可變敏感度像素之加強動態範圍 - Google Patents

Description

利用可變敏感度像素之加強動態範圍

本發明一般係關於影像感測器領域，更特定言之係關於利用可變電荷至電壓轉換能力增加影像感測器之動態範圍。

目前，影像感測器具有用於捕捉影像之預定動態範圍。某些場景需要較大捕捉動態範圍，其可超過影像感測器之能力。在此情況中，不能忠實地表示捕捉之場景。因此，除正常操作模式外，需要增加影像感測器之動態範圍。

本發明藉由提供具有可變敏感度之影像感測器以將捕捉之光電子電荷轉換為電壓來克服先前技術之缺點。

本發明係針對克服以上提出的一或多個問題。簡言之，依據本發明之一態樣，本發明在於一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包括以下步驟：將一光偵測器內之電荷與一第一電容下之該光偵測器整合；採用第一電容下之光偵測器在一第一時間讀取所得的信號位準；將光偵測器電容改變為一第二電容；以及讀取與第二電容下之光偵測器相關聯的信號位準。

參考附圖閱讀較佳具體實施例之以下詳細說明及隨附申請專利範圍，可更清楚瞭解並明白本發明之該等及其他態樣、目的、特徵及優點。

本發明之有利效果

本發明具有加強動態範圍之優點，其藉由執行多個傳輸及取樣操作並增加藉由在每一傳輸及取樣操作後連接額外浮動擴散區之浮動擴散區電容。

參考圖1，顯示本發明之影像感測器20之三個像素10的示意圖(五個電晶體像素或5T像素)。各像素10包括光敏區域30，較佳的係針扎(pinned)光二極體，其收集電荷以回應入射光。傳輸閘極40將電荷傳輸至電荷至電壓轉換機制50，較佳的係浮動擴散區。應注意，各像素10之浮動擴散區50係電性連接在一起，如下文所詳細說明。重設電晶體60將浮動擴散區50重設為預定電壓。放大器70，較佳的係源極隨耦器，感測及緩衝來自浮動擴散區50之信號，以便在輸出匯流排80上讀出。列選擇電晶體90選擇用於讀出之特定列。

具有閘極105之頻率組選擇電晶體100係產生脈衝以組合浮動擴散區50上的電荷。儘管圖1內三個浮動擴散區50係顯示為可組合，組合的浮動擴散區50之數目係設計選擇，並且可組合任何所需數目的浮動擴散區50。浮動擴散區50之共享提供根據組合的浮動擴散區50之數目改變浮動擴散區50之電容的能力。

在以上具體實施例中，來自光二極體30之信號係用以下方式讀出。為讀出圖1內中間像素的光二極體30，例如，使用中間讀出結構(RG 60、SF 70、及RSEL電晶體90)，但來自所有三列之浮動擴散區50係藉由開啟兩個BSEL電晶 體100共享。使用RG電晶體60重設三個浮動擴散區50，並在取樣電路內取樣重設位準(未顯示，本技術中係熟知的)。接下來，較高及較低浮動擴散區50係藉由關閉兩個BSEL電晶體10斷開，並取樣中間浮動擴散區50之所得的重設位準。藉由操作中間TG閘極40將電荷從中間光二極體30傳輸至中間浮動擴散區50內。取樣所得的信號。應注意，中間浮動擴散區50之電容本身可能不足以固持光二極體30內之累積電荷，在此情況中，電荷將在光二極體30與浮動擴散區50間予以共享，並且因為此電荷共享，取樣之信號反映非線性。取得此第三樣本後(兩個重設樣本及第一信號樣本)，藉由兩個BSEL電晶體100重新連接所有三個浮動擴散區50；當此情況發生時，中間浮動擴散區50上的信號電荷將在三個浮動擴散區50之網路上展開。再次操作中間TG閘極40以從中間光二極體30移動任何剩餘電荷至三個浮動擴散區50內，並取樣所得的信號。捕捉的四個樣本、用於三個連接之浮動擴散區50的重設、用於一個浮動擴散區50的重設、一個浮動擴散區50上之信號、以及三個連接之浮動擴散區50上之信號如下提供兩個完全相關結果：三個浮動擴散區相關信號＝三個浮動擴散區信號－三個浮動擴散區重設；一個浮動擴散區相關信號＝一個浮動擴散區信號－一個浮動擴散區重設。

參考圖2，顯示四電晶體(4T)具體實施例。所有電晶體功能相同，除刪除BSEL外。為改變浮動擴散區50之電容，新增閘極(CSEL)110。此閘極110係產生脈衝以便改變 電容。

在4T具體實施例中，來自光二極體之信號係用以下方式讀出。操作CSEL閘極110以提供較小浮動擴散區電容，使用RG電晶體60重設浮動擴散區50，並在取樣電路內取樣重設位準(未顯示，本技術中係熟知的)。接下來，操作CSEL閘極110以提供較大浮動擴散區電容，並且取樣浮動擴散區50之所得的重設位準。藉由操作TG閘極40將電荷從光二極體30傳輸至浮動擴散區50內。取樣從電荷至較大浮動擴散區電容之傳輸獲得的信號。取得此第三樣本後(兩個重設樣本及第一信號樣本)，操作CSEL閘極110以提供較小浮動擴散區電容，並且取樣從相同電荷對較小浮動擴散區電容之應用獲得的信號。捕捉的四個樣本、用於較小及較大浮動擴散區電容之重設、以及從累積光二極體電荷對較大及較小浮動擴散區電容之應用獲得的信號如下提供兩個完全相關結果：較大浮動擴散區電容相關信號＝較大浮動擴散區電容信號－較大浮動擴散區電容重設；較小浮動擴散區電容相關信號＝較小浮動擴散區電容信號－較小浮動擴散區電容重設。

參考圖3，在一替代具體實施例中，顯示三電晶體(3T)具體實施例。在三電晶體主動像素中，熟知的係光二極體30之電容提供電荷至電壓轉換，且整合之光二極體電荷藉由光二極體電容提供電壓。因此，與4T具體實施例相比，消除浮動擴散區(FD)及傳輸閘極(TG)。從整合之光二極體電荷及光二極體電容獲得的電壓係應用於電晶體70之閘 極，較佳的係源極隨耦器，以允許讀出電壓。此具體實施例包括選擇性地通電以改變光二極體30之電容的閘極(CSEL)110。如較佳具體實施例中，存在列選擇電晶體90及重設電晶體60，其作用方式與上述情況相同。

在3T具體實施例中，來自光二極體30之信號係利用以下方式讀出。將用於某一時間週期的光二極體30內之電荷與操作以提供較大光二極體電容之CSEL閘極110整合後，取樣從整合之電荷及較大光二極體電容獲得的電壓。接下來，操作CSEL閘極110以提供較低光二極體電容，並取樣從整合之電荷及較小光二極體電容獲得的電壓。接下來，操作重設電晶體60以重設光二極體30，其係藉由採用操作以繼續提供較小光二極體電容之CSEL閘極110來移除整合之電荷，取樣所得的重設電壓。最後，操作CSEL閘極110以提供較大光二極體電容，並取樣所得的重設電壓。捕捉的四個樣本、用於較小及較大光二極體電容之信號、以及用於較大及較小光二極體電容之重設如下提供兩個差動結果：較大光二極體電容差動信號＝較大光二極體電容信號－較大光二極體電容重設；較小光二極體電容差動信號＝較小光二極體電容信號－較小光二極體電容重設。如針對3T像素之操作所瞭解的，所得的差動信號無法視為完全相關，因為取樣之重設位準係不同於先於信號之整合及測量的重設之重設操作的結果。然而，差動信號對於消除源極隨耦器偏移很有利，其由於源極隨耦器電晶體之臨限值變更而隨像素變化。

參考圖4，本發明之替代具體實施例顯示一4T像素結構，如先前所述其具有連接至控制源極隨耦器70之閘極的節點之非線性電容120。圖5顯示線性電容及非線性電容之電荷至電壓特性。此一非線性電容可藉由共同MOS電晶體提供，其具有源極、汲極、及提供電容器之一板的通道區域以及提供另一個的閘極。若源極、汲極、及通道材料係連接在一起並固持在一電位，並且閘極係固持在低於電晶體之臨限電壓的另一電位，則提供非線性電容。此非線性電容可用於在藉由像素提供之信號上提供像素位準壓縮操作。在圖5所示之非線性電容內，較低電荷信號變化與較高電荷信號相比具有較高電荷變化。按共同瞭解之方式操作此像素配置，其係藉由重設源極隨耦器閘極節點之非線性電容120，取樣所得的電壓，將電荷從光二極體30傳輸至浮動擴散區50(從而至非線性電容，因為浮動擴散區節點與非線性電容節點一樣)，並取樣新電壓。

圖4亦藉由經由CSEL控制110提供可選擇額外電容來說明另一操作模式。CSEL控制110用於改變源極隨耦器節點之非線性電容。在圖4中，藉由鄰近浮動擴散區50之閘極可完成電容變化：改變閘極電位會改變浮動擴散區50之電容，從而改變源極隨耦器節點之總體非線性電容。

圖6係本發明之數位相機130的側視圖，其具有本發明之影像感測器20。

已參考一較佳具體實施例說明本發明。然而，將瞭解，熟悉本技術人士可進行若干變更與修改而不致脫離本發明 之範疇。

10‧‧‧像素

20‧‧‧影像感測器

30‧‧‧光敏區域

40‧‧‧傳輸閘極

50‧‧‧浮動擴散區

60‧‧‧重設電晶體

70‧‧‧放大器

80‧‧‧輸出匯流排

90‧‧‧列選擇電晶體

100‧‧‧頻率組選擇電晶體

105‧‧‧閘極

110‧‧‧閘極

120‧‧‧非線性電容

130‧‧‧數位相機

圖1係本發明之一具體實施例的示意圖；圖2係本發明之第二具體實施例的示意圖；圖3係本發明之第三具體實施例的示意圖；圖4係本發明之第四具體實施例的示意圖；圖5係描述線性電容及非線性電容的曲線圖；以及圖6係本發明之數位相機。

10‧‧‧像素

20‧‧‧影像感測器

30‧‧‧光敏區域

40‧‧‧傳輸閘極

50‧‧‧浮動擴散區

60‧‧‧重設電晶體

70‧‧‧放大器

80‧‧‧輸出匯流排

90‧‧‧列選擇電晶體

100‧‧‧頻率組選擇電晶體

105‧‧‧閘極

Claims (47)

1. 一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含：(a)將一光偵測器內之電荷與一第一電容下之該光偵測器整合；(b)採用該第一電容下之該光偵測器在一第一時間讀取一第一所得的信號位準；(c)藉由改變一電容選擇閘極上之電位將該光偵測器電容改變為一第二電容；以及(d)讀取與該第二電容下之該光偵測器相關聯的一第二所得的信號位準。
2. 如請求項1之方法，其進一步包含重設該光偵測器及讀取一第一所得的重設信號。
3. 如請求項2之方法，其進一步包含採用該第二電容下之該光偵測器重設該光偵測器、讀取一第二所得的重設信號、將該光偵測器之電容改變為該第一電容、以及讀取一第三所得的重設信號。
4. 如請求項2之方法，其中在該等第一或第二電容之一下重設該光偵測器，以及根據該第一重設信號及該等第一及第二電容之數值計算一第二重設信號。
5. 如請求項1之方法，其進一步包含在低於該第一電容之一電容下提供該第二電容。
6. 一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含：(a)重設具有一第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制並儲存一第一所得的重設信號； (b)在一第一時間將電荷從一光敏區域傳輸至該具有該第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第一所得的信號；以及(c)在一第二時間將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第一電容改變為一第二電容，並儲存一第二所得的信號。
7. 如請求項6之方法，其進一步包含重設具有該第二電容之至少一電荷至電壓轉換機制、讀取該第二電容之一第二所得的重設信號、將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第二電容改變為一第一電容、以及讀取該第一電容之一第三所得的重設信號。
8. 如請求項6之方法，其中在該等第一或第二電容之一下重設該光偵測器，以及根據該第一重設信號及該等第一及第二電容之該等數值計算一第二重設信號。
9. 如請求項6之方法，其進一步包含在低於該第一電容之一電容下提供該第二電容。
10. 如請求項6之方法，其中將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第一電容改變為一第二電容包含選擇性地連接一或多個相鄰之電荷至電壓轉換機制之電容。
11. 一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含：(a)重設具有一第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制並儲存一第一所得的重設信號；(b)在一第一時間將電荷從一光敏區域傳輸至該具有該第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第 一所得的信號；以及(c)在一第二時間將電荷從該光敏區域傳輸至具有一第二電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第二所得的信號。
12. 如請求項11之方法，其進一步包含在高於該第一電容之一電容下提供該第二電容。
13. 如請求項12之方法，其進一步包含藉由選擇性地將兩個或兩個以上電荷至電壓轉換機制連接在一起而建立該第二電容。
14. 如請求項11之方法，其進一步包含提供一像素陣列，其中各像素包含一光敏區域、一傳輸閘極、及具有至少兩個可選擇電容之一電荷至電壓轉換機制。
15. 如請求項11之方法，其中(a)在(b)之前執行且(b)在(c)之前執行。
16. 一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含：(a)重設具有一第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制並儲存一第一所得的重設信號；(b)將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第一電容改變為一第二電容，並儲存一第二所得的重設信號；(c)在一第一時間將電荷從一光敏區域傳輸至該具有該第二電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第一所得的信號；(d)將至少一電荷至電壓轉換機制之該第二電容改變為該第一電容；以及 (e)在一第二時間將電荷從該光敏區域傳輸至該具有該第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第二所得的信號。
17. 如請求項16之方法，其進一步包含在高於該第二電容之一電容下提供該第一電容。
18. 如請求項16之方法，其中將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第二電容改變為該第一電容包含選擇性地將兩個或兩個以上電荷至電壓轉換機制連接在一起。
19. 如請求項16之方法，其進一步包含提供一像素陣列，其中各像素包含一光敏區域、一傳輸閘極、及具有至少兩個可選擇電容之一電荷至電壓轉換機制。
20. 如請求項16之方法，其中首先執行(a)，在(a)之後執行(b)，在(b)之後執行(c)，在(c)之後執行(d)，以及在(d)之後執行(e)。
21. 如請求項16之方法，其進一步包含從來自(e)之該所得的信號減去來自(a)之該第一所得的重設信號以及從來自(c)之該第一所得的信號減去來自(b)之該第二所得的重設信號。
22. 一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含：(a)提供相對於儲存之電荷非線性的一電容；(b)重設該非線性電容並儲存一所得的重設信號；以及(c)將電荷從一光敏區域傳輸至該電容並儲存一所得的信號且藉由改變一電容選擇閘極上之電位將該光偵測 器電容改變為一第二電容。
23. 如請求項22之方法，其進一步包含藉由改變鄰近該非線性電容之一閘極的一電位而改變該非線性電容。
24. 一種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方法包含：(a)將該數位相機之一光偵測器內之電荷與一第一電容下之該光偵測器整合；(b)採用該第一電容下之該光偵測器在一第一時間讀取一第一所得的信號位準；(c)藉由改變一電容選擇閘極上之電位將該光偵測器電容改變為一第二電容；以及(d)讀取與該第二電容下之該光偵測器相關聯的一第二所得的信號位準。
25. 如請求項24之方法，其進一步包含重設該光偵測器及讀取一第一所得的重設信號。
26. 如請求項25之方法，其進一步包含採用該第二電容下之該光偵測器重設該光偵測器、讀取一第二所得的重設信號、將該光偵測器之電容改變為該第一電容、以及讀取一第三所得的重設信號。
27. 如請求項25之方法，其中在該等第一或第二電容之一下重設該光偵測器，以及根據該第一重設信號及該等第一及第二電容之該等數值計算一第二重設信號。
28. 如請求項24之方法，其進一步包含在低於該第一電容之一電容下提供該第二電容。
29. 如請求項24之方法，其中藉由改變鄰近該光偵測器之一閘極的一電位而改變該光偵測器之該電容。
30. 一種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方法包含：(a)重設具有一第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制並儲存一第一所得的重設信號；(b)在一第一時間將電荷從該數位相機之一光敏區域傳輸至該具有該第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第一所得的信號；以及(c)在一第二時間將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第一電容改變為一第二電容，並儲存一第二所得的信號。
31. 如請求項30之方法，其進一步包含重設該具有該第二電容之至少一電荷至電壓轉換機制、讀取該第二電容之一第二所得的重設信號、將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第二電容改變至一第一電容、以及讀取該第一電容之一第三所得的重設信號。
32. 如請求項30之方法，其中在該第一或第二電容之一下重設該光偵測器，以及根據該第一重設信號及該第一及第二電容之該等數值計算一第二重設信號。
33. 如請求項30之方法，其進一步包含在低於該第一電容之一電容下提供該第二電容。
34. 如請求項30之方法，其中將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第一電容改變至一第二電容包含選擇性地連接一 或多個相鄰電荷至電壓轉換機制之電容。
35. 一種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方法包含：(a)重設具有一第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制並儲存一第一所得的重設信號；(b)在一第一時間將電荷從該數位相機之一光敏區域傳輸至該具有該第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第一所得的信號；以及(c)在一第二時間將電荷從該光敏區域傳輸至具有一第二電容之該至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第二所得的信號。
36. 如請求項35之方法，其進一步包含在高於該第一電容之一電容下提供該第二電容。
37. 如請求項36之方法，其進一步包含藉由選擇性地將兩個或兩個以上電荷至電壓轉換機制連接在一起而建立該第二電容。
38. 如請求項36之方法，其進一步包含提供一像素陣列，其中各像素包含一光敏區域、一傳輸閘極、及具有至少兩個可選擇電容之一電荷至電壓轉換機制。
39. 如請求項35之方法，其中首先執行(a)，在(a)之後執行(b)，以及在(b)之後執行(c)。
40. 一種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方法包含：(a)重設具有一第一電容之至少一電荷至電壓轉換機 制並儲存一第一所得的重設信號；(b)將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第一電容改變為一第二電容，並儲存一第二所得的重設信號；(c)在一第一時間將電荷從該數位相機之一光敏區域傳輸至該具有該第二電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第一所得的信號；(d)將該至少一電荷至電壓轉換機制之該第二電容改變為該第一電容；以及(e)在一第二時間將電荷從該光敏區域傳輸至該具有該第一電容之至少一電荷至電壓轉換機制，並儲存一第二所得的信號。
41. 如請求項40之方法，其進一步包含在高於該第二電容之一電容下提供該第一電容。
42. 如請求項40之方法，其中將至少一電荷至電壓轉換機制之該第二電容改變至該第一電容包含將兩個或兩個以上電荷至電壓轉換機制連接在一起。
43. 如請求項40之方法，其進一步包含提供一像素陣列，其中各像素包含一光敏區或、一傳輸閘極、及具有至少兩個可選擇電容之一電荷至電壓轉換機制。
44. 如請求項40之方法，其中首先執行(a)，在(a)之後執行(b)，在(b)之後執行(c)，在(c)之後執行(d)，以及在(d)之後執行(e)。
45. 如請求項40之方法，其進一步包含從來自(e)之該第二所得的信號減去來自(a)之該第一所得的重設信號以及從來 自(c)之該第一所得的信號減去來自(b)之該第二所得的重設信號。
46. 一種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方法包含：(a)提供相對於儲存之電荷非線性的一電容；(b)重設該非線性電容並儲存一所得的重設信號；以及(c)將電荷從該影像感測器之一光敏區域傳輸至該非線性電容並儲存一所得的信號且改變一電容選擇閘極上之電位。
47. 如請求項46之方法，其進一步包含藉由改變鄰近該非線性電容之一閘極的一電位而改變該非線性電容。