TWI502737B - 影像感測器之大－小像素方案 - Google Patents

影像感測器之大－小像素方案 Download PDF

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TWI502737B
TWI502737B TW103110752A TW103110752A TWI502737B TW I502737 B TWI502737 B TW I502737B TW 103110752 A TW103110752 A TW 103110752A TW 103110752 A TW103110752 A TW 103110752A TW I502737 B TWI502737 B TW I502737B
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Duli Mao
Dajiang Yang
Zhibin Xiong
Dyson H Tai
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Description

影像感測器之大-小像素方案
本發明一般而言係關於光學器件，且特定而言(但非排他性地)係關於高動態範圍影像感測器。
高動態範圍(「HDR」)影像感測器對諸多應用而言係有用的。一般而言，普通影像感測器(舉例而言，包含電荷耦合裝置(「CCD」)及互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)影像感測器)具有大約70dB動態範圍之一動態範圍。相比而言，人眼具有高達大約100dB之一動態範圍。存在其中具有一增加之動態範圍之一影像感測器為有益的多種情形。舉例而言，在汽車行業中需要具有100dB以上之一動態範圍之影像感測器以便處置不同駕駛條件，諸如自一黑暗隧道駕駛至明亮日光中。確實，諸多應用可需要具有至少90dB或90dB以上之動態範圍之影像感測器以適應自低光條件至亮光條件變化之一廣泛範圍之照明情形。
一種用於實施HDR影像感測器之已知方法係在每一像素中使用光電二極體之一組合。可使用該等光電二極體中之一者來感測亮光條件，同時可使用另一光電二極體來感測低光條件。在此方法中，用於感測亮光之光電二極體通常比用於感測低光條件之光電二極體小(具有一較小曝光面積)。然而，此方法需要一不對稱佈局，此往往增加成本。除增加成本以外，在每一像素中光電二極體之不對稱製作亦包 含可引入影像光線角度分離之光學不對稱性。影像光線角度分離可導致不對稱模糊、串擾及其他不期望效應，尤其係在影像光相對於影像感測器之面成角度時。
100‧‧‧高動態範圍成像系統
102‧‧‧實例性像素陣列/像素陣列
104‧‧‧讀出電路
108‧‧‧控制電路
110‧‧‧像素
112‧‧‧讀出行
210‧‧‧高動態範圍像素/像素/影像感測器像素
212‧‧‧讀出行
229‧‧‧共用浮動擴散區域
275‧‧‧小子像素
285‧‧‧大子像素
310‧‧‧影像感測器像素/影像感測器
385‧‧‧大子像素
410‧‧‧影像感測器像素
429A‧‧‧共用浮動擴散區域
429B‧‧‧共用浮動擴散區域
429C‧‧‧共用浮動擴散區域
429D‧‧‧共用浮動擴散區域
485‧‧‧大子像素
500‧‧‧像素群組
575A‧‧‧小子像素
575B‧‧‧小子像素
575C‧‧‧小子像素
575D‧‧‧小子像素
585A‧‧‧大子像素
585B‧‧‧大子像素
585C‧‧‧大子像素
585D‧‧‧大子像素
C1-Cx‧‧‧行
P1-Pn‧‧‧像素
PDA 235‧‧‧第一光電二極體/光電二極體
PDB 245‧‧‧光電二極體
PDB ‧‧‧光電二極體
PDC 255‧‧‧光電二極體
PDC ‧‧‧光電二極體
PDD 265‧‧‧光電二極體
PDD -PDP ‧‧‧光電二極體
PDω 295‧‧‧光電二極體
R1-Ry‧‧‧列
RST‧‧‧重設信號
SEL‧‧‧控制信號
SF‧‧‧源極隨耦器
T1A 233‧‧‧轉移電晶體
T1B 243‧‧‧轉移電晶體
T1C 253‧‧‧轉移電晶體
T1ω 293‧‧‧轉移電晶體
T2 222‧‧‧重設電晶體
T3 224‧‧‧放大器電晶體
T4 226‧‧‧列選擇電晶體/選擇電晶體
TXL 241‧‧‧第二轉移信號/共同轉移信號/轉移信號
TXS 231‧‧‧第一轉移信號/轉移信號
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另外規定，否則貫穿各種視圖相似元件符號係指相似部件。
圖1係圖解說明根據本發明之一實施例之一HDR成像系統之一項實例之一方塊示意圖。
圖2係圖解說明根據本發明之一實施例可在圖1中所圖解說明之HDR影像感測器中實施之一HDR像素之一項實例之一示意圖。
圖3係根據本發明之一實施例包含一大子像素及一小子像素之一影像感測器像素之一項實例之一平面圖。
圖4係根據本發明之一實施例包含一大子像素及一小子像素之一影像感測器像素之一項實例之一平面圖。
圖5係根據本發明之一實施例包含影像感測器像素(其包含一大子像素及一小子像素)之一像素群組之一項實例之一平面圖。
在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對該等實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」或「一實施例」之參考意指結合實施例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書在各種地方中出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」未必全部係指相同實施例。此外，特定 特徵、結構或特性可以任何適合方式組合於一或多個實施例中。
圖1係圖解說明根據本發明之一實施例之一HDR成像系統100之一項實例之一方塊示意圖。HDR成像系統100包含一實例性像素陣列102、控制電路108、讀出電路104及功能邏輯106。如在所繪示實例中所展示，HDR成像系統100包含耦合至控制電路108及讀出電路104之像素陣列102。讀出電路104耦合至功能邏輯106。控制電路108耦合至像素陣列102以控制像素陣列102之操作特性。舉例而言，控制電路108可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，快門信號係用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一捲動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一列、每一行或每一像素群組。
在一項實例中，像素陣列102係成像感測器或像素110(例如，像素P1、P2…、Pn)之一個二維(2D)陣列。在一項實例中，每一像素110係包含至少一大子像素及一小子像素之一CMOS成像像素。像素陣列中之大子像素及小子像素可接收單獨快門信號。如所圖解說明，每一像素110被配置至一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地方、物件等之影像資料，然後可使用該影像資料再現該人、地方、物件等之一影像。
在一項實例中，在每一像素110已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路104透過讀出行112讀出且然後轉移至功能邏輯106。在各種實施例中，讀出電路104可包含放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯106可僅儲存影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路104可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用多種其他技術(未 圖解說明)讀出影像資料，諸如一串行讀出或對所有像素同時進行之一全並行讀出。可在不同時段期間單獨地讀出由大子像素及小子像素產生之影像電荷。
圖2係圖解說明根據本發明之一實施例可實施為HDR成像系統100中之(若干)像素110之一HDR像素210之一項實例之一示意圖。像素210包含一小子像素275及一大子像素285。小子像素275包含安置於一半導體材料(例如，矽)中之一轉移電晶體233(T1A )及一第一光電二極體235(PDA )。轉移電晶體233耦合於共用浮動擴散區域229與第一光電二極體235之間。大子像素285包含複數個光電二極體，該複數個光電二極體包含光電二極體245(PDB )、255(PDC )…及295(PDω )，其中ω表示大子像素285中之光電二極體之數目。大子像素285亦包含轉移電晶體243(T1B )、253(T1C )…及293(T1ω )，其中ω仍表示大子像素285中之光電二極體及對應轉移電晶體之數目。轉移電晶體243(T1B )、253(T1C )…及293(T1ω )耦合於其各別光電二極體245(PDB )、255(PDC )…及295(PDω )與共用浮動擴散區域229之間。
入射於像素210上之影像光將在光電二極體PDA 至PDω 中之每一者中產生影像電荷。在第一光電二極體235 PDA 中產生第一影像電荷。當轉移電晶體233 T1A 在其轉移閘極處接收到一第一轉移信號TXS 231時，將第一影像電荷轉移至共用浮動擴散區域229。大子像素285中之光電二極體PDB 至PDω 亦將回應於入射影像光而產生影像電荷。共同地，由大子像素285中之光電二極體產生之影像電荷將稱為「散佈式影像電荷」，此乃因其至少起初係散佈在光電二極體當中。當轉移電晶體T1B 至T1ω 在其轉移閘極處接收到第二轉移信號TXL 241時，將來自大子像素285中之複數個光電二極體中之每一光電二極體之散佈式影像電荷轉移至共用浮動擴散區域229。如圖2所圖解說明，轉移電晶體T1B 至T1ω 全部接收一共同轉移信號(TXL 241)。在一項實施例 (未圖解說明)中，轉移電晶體T1B 至T1ω 共用一實體上合併之轉移閘極，此減少對跡線路由之需要。甚至在所圖解說明實施例中，由於其經電連接以接收一共同轉移信號TXL 241，因此可將轉移電晶體T1B 至T1ω 之轉移閘極闡述為一個轉移電晶體具有耦合於共用浮動擴散區域229與每一光電二極體PDB 至PDω 之間的子閘極。
回應於在轉移電晶體T1A 233之一第一轉移閘極上接收到之一控制信號TXS 而透過轉移電晶體T1A 233將在第一光電二極體PDA 中累積之第一影像電荷切換至共用浮動擴散區域229中。回應於在第二轉移電晶體之第二轉移閘極上接收到之控制信號TXL 而透過一第二轉移電晶體(其可包含耦合在一起之轉移電晶體T1B 至T1ω 之轉移閘極)將在複數個光電二極體PDB 至PDω 中累積之散佈式影像電荷切換至共用浮動擴散區域229中。應理解，共用浮動擴散區域229可係轉移電晶體T1A 至T1ω 之汲極之一實體組合。
如在實例中所展示，像素210亦包含具有耦合至共用浮動擴散區域229之一閘極端子之一放大器電晶體T3 224。因此，在所圖解說明實例中，來自小子像素275及大子像素285之影像電荷分別單獨地切換至共用相同放大器電晶體T3 224之共用浮動擴散區域229。在一項實例中，放大器電晶體T3 224以如所展示之一源極隨耦器組態耦合，因此其將放大器電晶體T3 224之閘極端子處之一輸入信號放大為放大器電晶體T3 224之源極端子處之一輸出信號。如所展示，列選擇電晶體T4 226耦合至放大器電晶體T3 224之源極端子以回應於一控制信號SEL而將放大器電晶體T3 224之輸出選擇性地切換至讀出行212。如在實例中所展示，像素210亦包含耦合至共用浮動擴散區域229之重設電晶體T2 222，重設電晶體T2 222可用於回應於一重設信號RST而重設在像素210中累積之電荷。在一項實例中，根據本發明之實施例，可在像素210之一初始化時期期間或(舉例而言)每當在已自像素210讀 出電荷資訊之後且在將電荷累積於小子像素275及大子像素285中之前重設在共用浮動擴散區域229中累積之電荷以用於一新HDR影像之獲取。
在一項實施例中，每一光電二極體PDB 至PDω 與第一光電二極體PDA 235實質上相同。舉例而言，每一光電二極體PDB 至PDω 可具有與PDA 相同之電荷容量及其他電特性。此可減少或消除補償影響光電二極體之電功能之實體差異之需要。舉例而言，某些HDR像素組態包含一單個實體上較大之光電二極體作為一大子像素。然而，用作一大子像素之此等單一實體上較大之光電二極體通常遭受較高滯後，此可負面地影響所轉移之影像電荷及轉移之時序。此外，作為大子像素之一單一實體上較大之光電二極體亦引入光學不對稱性，此可引入不期望假影。相比而言，大子像素285中之光電二極體與第一光電二極體PDA 235實質上相同允許自具有與PDA 235基本上相同之電特性之每一光電二極體PDB 至PDω 中轉移出影像電荷，同時仍藉由利用多個光電二極體PDB 至PDω 而運用增加之半導體大小來擷取影像光。此等共用電特性可減少影像電荷自大子像素之轉移中之滯後時間。亦減輕了與單一實體上大之光電二極體相關聯之光學假影(例如，串擾、射線角度分離)，此乃因複數個光電二極體PDB 至PDω 中之每一光電二極體係實質上相同的。
圖3係根據本發明之一實施例包含一大子像素385及一小子像素275之一影像感測器像素310之一項實例之一平面圖。圖3中所圖解說明之平面圖係影像感測器像素210之一個實例性佈局。影像感測器310在大子像素385中包含三個光電二極體PDB 245、PDC 255及PDD 265。三個光電二極體PDB 245、PDC 255及PDD 265以及小子像素275中之光電二極體PDA 235以既垂直對稱又水平對稱之一對稱圖案均勻地間隔開。
圖3亦圖解說明分別係轉移電晶體233、243、253及263之轉移閘極之轉移閘極234、244、254及264。在一項實施例(未圖解說明)中，轉移閘極244、254及264為實體上合併的。儘管圖3中未圖解說明電連接，但轉移閘極244、254及264全部經耦合以接收轉移信號TXL 241且轉移閘極234經耦合以接收轉移信號TXS 231。每一轉移閘極用於將影像電荷自其各別光電二極體轉移至共用浮動擴散區域229。共用浮動擴散區域229佈線(經由一跡線)至可作為一源極隨耦器(「SF」)耦合之放大器電晶體T3 224之閘極端子。重設電晶體T2 222經耦合以重設共用浮動擴散區域229。選擇電晶體T4 226經耦合以將一經放大影像信號自放大器電晶體T3 224轉移至讀出行212。
圖4係根據本發明之一實施例包含一大子像素485及小子像素275之一影像感測器像素410之一項實例之一平面圖。圖4中所圖解說明之平面圖係影像感測器像素210之一個實例性佈局。影像感測器像素410在大子像素485中包含十五個光電二極體(PDB 至PDP )。圖4展示本發明之實施例可在大子像素285中所包含之複數個光電二極體中包含不同數目個光電二極體。在圖3中，在該複數個光電二極體中包含三個光電二極體。在圖4中，在該複數個光電二極體中包含十五個光電二極體。在不同實施例中，該複數個光電二極體可包含兩個或兩個以上光電二極體。
在圖4中，類似於圖3，陰影三角形表示對應於其各別光電二極體之轉移閘極。儘管未圖解說明，但對應於大子像素485中之十五個光電二極體之轉移閘極經耦合以接收一共同轉移信號(例如，TXL 241)以自十五個光電二極體轉移散佈式影像電荷，而對應於第一光電二極體PDA 235之轉移閘極經耦合以接收轉移信號(例如，TXS 231)以自第一光電二極體235轉移第一影像電荷。共用浮動擴散區域429A佈線(經由一跡線)至可作為一源極隨耦器(「SF」)耦合之放大器電晶體 T3 224之閘極端子。在圖4中，放大器電晶體T3 224之閘極端子亦耦合至共用浮動擴散區域429B、429C及429D。由於共用浮動擴散區域429A、429B、429C及429D在實體上佈線在一起，因此其可稱為電耦合在一起以形成一經組合共用浮動擴散區域之局部浮動擴散區域。重設電晶體T2 222經耦合以重設共用浮動擴散區域429A、429B、429C及429D。選擇電晶體T4 226經耦合以將一經放大影像信號自放大器電晶體T3 224轉移至讀出行212。在圖4中，節省了佈局空間，具有用於將影像信號轉移至讀出行212之僅三個電晶體(222、224及226)。
圖5係根據本發明之一實施例包含影像感測器像素310(其包含大子像素585及小子像素575)之一像素群組500之一項實例之一平面圖。像素群組500包含配置成一紅色、綠色、綠色、藍色(「RGGB」)拜耳圖案(Bayer pattern)之四個影像感測器像素310(如圖3中所圖解說明)。
在圖5中，小子像素575A包含安置於一紅色濾光片下方之第一光電二極體PDA ，該紅色濾光片使紅色光通過但實質上濾除其他光波長使得其變得不入射於光電二極體PDA 上。大子像素585A包含亦安置於一紅色濾光片下方之光電二極體PDB 至PDD ，該紅色濾光片使紅色光通過但實質上濾除其他光波長使得其變得不入射於光電二極體PDB 至PDD 上。類似地，小子像素575B及575C連同大子像素585B及585C一起安置於綠色濾光片下方，而小子像素575D及大子像素585D安置於藍色濾光片下方，從而形成一拜耳圖案。根據本發明之實施例，像素群組500可經重複以形成一HDR RGGB影像感測器。
在本發明之所揭示實施例中，應瞭解，第一光電二極體PDA 及複數個光電二極體PDB 至PDω 包含於能夠在一單個圖框中擷取一HDR影像之一HDR影像感測器中。換言之，第一光電二極體PDA 及複數個光電二極體PDB 至PDω 能夠在重疊時段中累積影像電荷。第一光電二極 體PDA 可經設計以擷取亮光影像資料，而複數個光電二極體PDB 至PDω 經設計以擷取低光影像資料。來自第一光電二極體PDA 之第一影像電荷與來自複數個光電二極體PDB 至PDω 之散佈式影像電荷單獨地讀出以產生一亮光信號。來自複數個光電二極體PDB 至PDω 之散佈式影像電荷與第一影像電荷單獨地讀出以產生一低光信號。亮光信號及低光信號可由HDR演算法利用以產生一HDR影像。
包含發明摘要中所闡述內容之對本發明之所圖解說明實施例之上文說明並非意欲係窮盡性的或將本發明限制於所揭示之精確形式。雖然出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習相關技術者將認識到，可能在本發明之範疇內做出各種修改。
鑒於上文詳細說明可對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據所建立之請求項解釋原則來加以理解。
210‧‧‧高動態範圍像素/像素/影像感測器像素
212‧‧‧讀出行
229‧‧‧共用浮動擴散區域
275‧‧‧小子像素
285‧‧‧大子像素
PDA 235‧‧‧第一光電二極體/光電二極體
PDB 245‧‧‧光電二極體
PDC 255‧‧‧光電二極體
PDω 295‧‧‧光電二極體
RST‧‧‧重設信號
SEL‧‧‧控制信號
T1A 233‧‧‧轉移電晶體
T1B 243‧‧‧轉移電晶體
T1C 253‧‧‧轉移電晶體
T1ω 293‧‧‧轉移電晶體
T2 222‧‧‧重設電晶體
T3 224‧‧‧放大器電晶體
T4 226‧‧‧列選擇電晶體/選擇電晶體
TXL 241‧‧‧第二轉移信號/共同轉移信號/轉移信號
TXS 231‧‧‧第一轉移信號/轉移信號

Claims (21)

  1. 一種供在一高動態範圍影像感測器中使用之影像感測器像素，該影像感測器像素包括：一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中，其中該第一光電二極體具有一第一曝光面積及一第一摻雜濃度；複數個光電二極體，其安置於該半導體材料中，其中該複數個光電二極體中之每一光電二極體具有該第一曝光面積及該第一摻雜濃度；一共用浮動擴散區域；一第一轉移閘極，其經耦合以將第一影像電荷自該第一光電二極體轉移至該共用浮動擴散區域；及一第二轉移閘極，其經耦合以將散佈式影像電荷自該複數個光電二極體中之每一光電二極體轉移至該共用浮動擴散區域。
  2. 如請求項1之影像感測器像素，其中該第二轉移閘極包含耦合於該共用浮動擴散區域與該複數個光電二極體中之每一光電二極體之間的子閘極，其中該等子閘極中之每一者經電連接以接收一共同轉移信號。
  3. 如請求項1之影像感測器像素，其中該第一轉移閘極經耦合而與該第二轉移閘極單獨地被切換。
  4. 如請求項1之影像感測器像素，其中該複數個光電二極體及該第一光電二極體以一對稱圖案均勻地間隔開。
  5. 如請求項4之影像感測器像素，其中該複數個光電二極體由三個光電二極體組成。
  6. 如請求項4之影像感測器像素，其中該複數個光電二極體由十五個光電二極體組成。
  7. 如請求項1之影像感測器像素，其進一步包括安置於該半導體材料中且耦合至該共用浮動擴散區域之一重設電晶體。
  8. 如請求項1之影像感測器像素，其進一步包括安置於該半導體材料中之一放大器電晶體，該放大器電晶體之一閘極耦合至該共用浮動擴散區域。
  9. 如請求項8之影像感測器像素，其進一步包括安置於該半導體材料中在該放大器電晶體與一讀出行線之間的一選擇電晶體。
  10. 如請求項1之影像感測器像素，其中該複數個光電二極體中之每一光電二極體具有實質上等於該第一光電二極體之一第二電荷容量之一第一電荷容量。
  11. 如請求項1之影像感測器像素，其中該浮動擴散區域包含電耦合在一起之複數個局部浮動擴散部。
  12. 一種高動態範圍成像系統，其包括：一像素陣列，其具有複數個影像感測器像素，其中該複數個影像感測器像素中之每一者包含：一第一光電二極體，其安置於一半導體材料中，其中該第一光電二極體具有一第一曝光面積及一第一摻雜濃度；複數個光電二極體，其安置於該半導體材料中，其中該複數個光電二極體中之每一光電二極體具有該第一曝光面積及該第一摻雜濃度；一共用浮動擴散區域；一第一轉移閘極，其經耦合以將第一影像電荷自該第一光電二極體轉移至該共用浮動擴散區域；及一第二轉移閘極，其經耦合以將散佈式影像電荷自該複數個光電二極體中之每一光電二極體轉移至該共用浮動擴散區域； 控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦合至該像素陣列以自該複數個影像感測器像素讀出影像資料。
  13. 如請求項12之成像系統，其中該複數個影像感測器像素中之影像感測器像素包含於一像素群組中，其中該像素群組中之每一各別影像感測器像素安置於一第一濾光片下方，該第一濾光片濾除朝向安置於該第一濾光片下方之該等各別影像感測器像素傳播之一第一目標波長之影像光，該第一濾光片不同於安置於該像素群組中之一毗鄰影像感測器像素上方之一第二濾光片，其中該第二濾光片濾除不同於該第一目標波長之一第二目標波長之影像光。
  14. 如請求項13之成像系統，其中該第一濾光片係一紅色濾光片，該第二濾光片係一綠色濾光片，且該像素群組包含毗鄰於該綠色濾光片安置之一藍色濾光片。
  15. 如請求項12之成像系統，其中該第二轉移閘極包含耦合於該共用浮動擴散區域與該複數個光電二極體中之每一光電二極體之間的子閘極，其中該等子閘極中之每一者經電連接以接收一共同轉移信號。
  16. 如請求項12之成像系統，其中該第一轉移閘極經耦合而與該第二轉移閘極單獨地被切換。
  17. 如請求項12之成像系統，其中該複數個光電二極體及該第一光電二極體以一對稱圖案均勻地間隔開。
  18. 如請求項12之成像系統，其中該複數個光電二極體由三個光電二極體組成。
  19. 如請求項12之成像系統，其中該複數個光電二極體由十五個光電二極體組成。
  20. 如請求項12之成像系統，其中該複數個光電二極體中之每一光電二極體具有實質上等於該第一光電二極體之一第二電荷容量之一第一電荷容量。
  21. 如請求項12之成像系統，其中該浮動擴散區域包含電耦合在一起之複數個局部浮動擴散部。
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