TWI543614B - 具有靈活像素加總之影像感測器 - Google Patents

具有靈活像素加總之影像感測器 Download PDF

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TWI543614B
TWI543614B TW103108543A TW103108543A TWI543614B TW I543614 B TWI543614 B TW I543614B TW 103108543 A TW103108543 A TW 103108543A TW 103108543 A TW103108543 A TW 103108543A TW I543614 B TWI543614 B TW I543614B
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Description

具有靈活像素加總之影像感測器 相關申請案之交叉參考
本專利合作條約專利申請案主張2013年3月14日申請且名為「Image Sensor with Flexible Pixel Summing」的美國非臨時申請案第13/830,748號之優先權，該案之全部內容以引用之方式併入本文中。
本發明大體而言係關於電子器件，且更特定言之係關於用於電子器件之影像感測器。
相機及其他影像記錄器件常常使用一或多個影像感測器，諸如電荷耦合器件(CCD)影像感測器或互補金氧半導體(CMOS)影像感測器。當場景之影像被擷取時，場景包括的物件的定位或照明方式可使得難以以可接受細節表示該等物件。舉例而言，場景中之物件可位於陰影中，或物件可由一明亮光源(諸如太陽)照明。
影像感測器之動態範圍量化了影像感測器充分成像場景中之高亮區域或場景中之弱暗區域或陰影的能力。大體而言，影像感測器之動態範圍小於人眼之動態範圍。影像感測器之有限動態範圍可導致影像在場景之較亮區域或較暗區域中丟失細節。
已產生多種演算法以改良影像感測器之動態範圍。一種此類演算法改變影像感測器中之像素的積分時間(收集光之時間)，此產生場景之多個影像。舉例而言，一些像素可具有一較短積分時間而其他像 素可具有一較長積分時間。具有較短積分時間之像素可較好地擷取場景中之較亮區域且具有較長積分時間之像素可較好地擷取場景中之較暗區域。自具有較短及較長積分時間之像素輸出的電荷或信號可經組合以產生一具有影像之較亮及較暗區域中之更多細節的最終高動態範圍影像。
然而，當像素之積分時間被改變時，最終高動態範圍影像可包括不當之運動假影。因為最終高動態範圍影像基本上為兩個影像(一個以較短積分時間擷取之影像及另一個以較長積分時間擷取之影像)之組合，所以場景中之物件可在擷取兩個影像之時間之間移動。因此，以較短積分時間擷取之影像中所表示的場景可不同於以較長積分時間擷取之影像中所表示的場景。此差異可產生經組合之最終高動態範圍影像中的運動假影，諸如模糊。
在一態樣中，影像感測器可包括經分組成三個或三個以上像素之子集的像素。每一像素可包括一光電偵測器及一傳送電晶體。子集中之傳送電晶體連接於子集中之光電偵測器與共同節點之間。因此，每一子集中之光電偵測器可操作地連接至各別共同節點。一用於靈活像素加總之方法包括針對三個或三個以上像素之子集，選擇N個像素以包括於一加總運算中，其中N表示在2與像素子集中之像素的總數之間的數目。藉由將電荷自N個像素中之光電偵測器傳送至共同節點而將N個像素中之電荷加總在一起。電荷可被順序地、同時地或以各種組合方式傳送。接著從共同節點讀出經加總之電荷。
在另一態樣中，彩色濾光片陣列可安置於影像感測器中之複數個像素之上。彩色濾光片陣列包括濾光片元件且一濾光片元件可安置於每一像素之上。濾光片元件可限制入射於在濾光片元件下之像素上的光之波長。彩色濾光片陣列可用以過濾表示一或多種色彩之光。
在另一態樣中，影像感測器包括經分組成三個或三個以上像素之子集的像素。一用於不對稱高動態範圍成像之方法可包括對於所有像素使用單一積分時間來擷取拍攝對象場景之影像，及在一像素子集中讀出N個像素中之電荷並將該等電荷加總在一起。N表示在2與小於像素子集中之像素總數的數目之間的一數目。自該子集中之一像素讀出未經加總之電荷。未經加總之電荷及經加總之電荷可經組合以產生一高動態範圍影像。可對於彩色濾光片陣列中之每一色彩平面執行該方法。或者，來自兩個或兩個以上色彩平面之電荷可經加總及/或組合。僅藉由實例，對於單色高動態範圍成像，兩個或兩個以上色彩平面可經加總。
100‧‧‧電子器件
102‧‧‧第一相機
104‧‧‧第二相機
106‧‧‧外殼
108‧‧‧輸入/輸出(I/O)構件
110‧‧‧顯示器
112‧‧‧可選閃光燈
200‧‧‧處理器
202‧‧‧儲存或記憶體組件/記憶體
204‧‧‧輸入/輸出介面
206‧‧‧電源
208‧‧‧感測器
210‧‧‧系統匯流排
300‧‧‧成像級
302‧‧‧影像感測器
304‧‧‧光
306‧‧‧支撐結構
400‧‧‧影像感測器
402‧‧‧影像處理器
404‧‧‧成像區域
406‧‧‧像素
408‧‧‧行選擇
410‧‧‧行選擇線/輸出線
412‧‧‧列選擇
414‧‧‧列選擇線
500‧‧‧像素
502‧‧‧光電偵測器(PD)
504‧‧‧傳送電晶體(TX)
506‧‧‧感測區域
508‧‧‧重設(RST)電晶體
510‧‧‧讀出電晶體
512‧‧‧列選擇(RS)電晶體
514‧‧‧供應電壓(Vdd)
516‧‧‧節點
600‧‧‧彩色濾光片陣列(CFA)
602‧‧‧濾光片元件
604‧‧‧濾光片元件
606‧‧‧濾光片元件
608‧‧‧濾光片元件
800‧‧‧共用的共同節點
801‧‧‧像素
802‧‧‧光電偵測器
804‧‧‧傳送電晶體
806‧‧‧讀出電路
808‧‧‧像素
810‧‧‧像素
812‧‧‧像素
814‧‧‧像素
816‧‧‧像素
818‧‧‧像素
820‧‧‧像素
822‧‧‧像素
1000‧‧‧像素
1002‧‧‧共用共同節點
1004‧‧‧讀出電路
1006‧‧‧光電偵測器
1008‧‧‧光電偵測器
1010‧‧‧光電偵測器
1012‧‧‧光電偵測器
1014‧‧‧傳送電晶體
1016‧‧‧傳送電晶體
1018‧‧‧傳送電晶體
1020‧‧‧傳送電晶體
參看以下圖式更好地理解本發明之實施例。圖式之元件不一定相對於彼此按比例繪製。在可能情況下，將相同參考數字用以表示諸圖中共有的相同特徵。
圖1A說明一實施例中之包括一或多個相機的電子器件之前透視圖；圖1B描繪圖1A之電子器件之後透視圖；圖2說明一實施例中之圖1的電子器件之簡化方塊圖；圖3描繪圖1A之電子器件之沿圖1A中之線3-3截得的橫截面圖；圖4說明一實施例中之適於用作影像感測器302的影像感測器之一實例之簡化方塊圖；圖5描繪一實施例中之適用於影像感測器中的一像素之簡化示意圖；圖6說明一實施例中之適用於影像感測器的彩色濾光片陣列之一實例；圖7描繪一拜耳彩色濾光片陣列型樣； 圖8說明一實施例中之共用像素架構之一實例；圖9描繪圖8中所展示之十六個像素的拜耳彩色濾光片陣列型樣；圖10說明一實施例中之共用像素架構之另一實例；圖11為一實施例中之用於靈活像素加總之方法的流程圖；且圖12為一實施例中之用於不對稱高動態範圍成像之方法的流程圖。
本文中描述之實施例提供一種能夠執行靈活像素加總及/或不對稱HDR成像之影像感測器或影像擷取器件。影像感測器中之像素可經分組成三個或三個以上像素之子集。每一像素可包括一光電偵測器及一傳送電晶體。子集中之傳送電晶體連接於子集中之光電偵測器與單獨的共同節點之間。因此，每一子集中之光電偵測器可操作地連接至各別共同節點。靈活像素加總可包括針對三個或三個以上像素之子集，選擇N個像素以包括於一加總運算中，其中N表示在2與像素子集中之像素總數之間的一數目。藉由將電荷自N個像素中之光電偵測器傳送至共同節點而將N個像素中之電荷加總在一起。電荷可被順序地、同時地或以各種組合方式傳送。接著從共同節點讀出經加總之電荷。
透過使用靈活像素加總，像素子集中的任何數目之像素中的電荷可被加總在一起。在一些實施例中，對兩個像素之電荷加總可被執行為垂直兩像素加總、水平兩像素加總、對角線兩像素加總，以及四像素加總。或者，三個或三個以上像素可經加總在一起。表示相同色彩或不同色彩之電荷可經加總在一起。
透過使用不對稱高動態範圍成像，影像感測器中之像素可經分組成像素之子集且每一子集可包括三個或三個以上像素。對於影像感 測器中之所有像素使用單一積分時間來擷取拍攝對象場景之影像。在一像素子集中，來自N個像素之電荷可經讀出並加總在一起。N表示在2與小於像素子集中的像素之總數的數目之間的一數目。可從像素子集中之一像素中讀出未經加總之電荷。當產生一高動態範圍影像時，未經加總之電荷可與經加總之電荷組合。
方向術語(諸如，「頂部」、「底部」、「前部」、「背部」、「超前」、「拖尾」等等)係參考所描述之諸圖之定向而使用。因為各種實施例中之組件可以若干不同定向來定位，所以方向術語係僅出於說明之目的而使用且決不為限制性的。當結合影像感測器晶圓之層、影像感測器晶粒或對應影像感測器使用時，方向術語意欲被廣泛地解釋，且因此不應被解釋為排除一或多個介入層或其他介入影像感測器特徵或元件的存在。因此，一在本文中經描述為形成於另一層上、形成於另一層之上、安置於另一層上或安置於另一層之上的給定層可與該另一層相隔一或多個額外層。
現在參看圖1A至圖1B，其中展示一實施例中之包括一或多個相機的電子器件之前透視圖及後透視圖。電子器件100包括一第一相機102、一第二相機104、一外殼106、一顯示器110、一輸入/輸出(I/O)構件108及一可選閃光燈112或用於該或該等相機之光源。電子器件100亦可包括計算或電子器件中典型的一或多個內部組件(未圖示)，諸如一或多個處理器、記憶體組件、網路介面等等。
在所說明實施例中，電子器件100經實施為智慧型電話。然而，其他實施例不限於此構造。其他類型之計算或電子器件可包括一或多個相機，包括(但不限於)迷你筆記型電腦(netbook)或膝上型電腦、平板電腦、數位相機、印表機、掃描器、視訊記錄器及影印機。
如圖1A至圖1B中所示，外殼106可形成電子器件100之內部組件的外表面或部分外表面及保護殼，且可至少部分地環繞顯示器110。 外殼106可由可操作地連接在一起之一或多個組件(諸如，前部部件及背部部件)形成。或者，外殼106可由可操作地連接至顯示器110之單一部件形成。
I/O構件108可藉由任何類型之輸入或輸出構件來實施。僅藉由實例，I/O構件108可為開關、按鈕、電容感測器或其他輸入機構。I/O構件108允許使用者與電子器件100互動。舉例而言，I/O構件108可為一用以改變音量、返回至首頁畫面及其類似者的按鈕或開關。電子器件可包括一或多個輸入構件或輸出構件，且每一構件可具有單一I/O功能或多個I/O功能。
顯示器110可操作地或通信地連接至電子器件100。顯示器110可藉由任何類型之合適顯示器(諸如，視網膜顯示器或主動型矩陣彩色液晶顯示器)來實施。顯示器110可提供電子器件100之視覺輸出或用以接收使用者對電子器件的輸入之功能。舉例而言，顯示器110可為一可偵測一或多個使用者輸入之多點觸控電容感測觸控螢幕。
電子器件100亦可包括若干內部組件。圖2說明電子器件100之簡化方塊圖之一實例。電子器件可包括一或多個處理器200、儲存或記憶體組件202、輸入/輸出介面204、電源206及感測器208，其中之每一者將在下文依次論述。
該一或多個處理器200可控制電子器件100之操作中之一些或所有。該(等)處理器200可直接地或間接地與電子器件100之實質上所有組件通信。舉例而言，一或多個系統匯流排210或其他通信機構可提供在該(等)處理器200、相機102、104、顯示器110、I/O構件108或感測器208之間的通信。該(等)處理器200可經實施為能夠處理、接收或傳輸資料或指令的任一電子器件。舉例而言，該一或多個處理器200可為微處理器、中央處理單元(CPU)、特殊應用積體電路(ASIC)、數位信號處理器(DSP)或多個此器件之組合。如本文中所描述，術語 「處理器」意謂涵蓋單一處理器或處理單元、多個處理器、多個處理單元或其他經合適組態之計算元件。
記憶體202可儲存可由電子器件100使用的電子資料。舉例而言，記憶體202可儲存電資料或內容(諸如，音訊檔案、文件檔案、時序信號及影像資料)。記憶體202可經組態為任何類型之記憶體。僅藉由實例，記憶體202可以任一組合方式實施為隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體、抽取式記憶體、或其他類型的儲存元件。
輸入/輸出介面204可接收來自使用者或一或多個其他電子器件之資料。或者，輸入/輸出介面204可促進資料至使用者或至其他電子器件之傳輸。舉例而言，在電子器件100為智慧型電話之實施例中，輸入/輸出介面204可經由無線或有線連接接收來自網路之資料或發送並傳輸電子信號。無線及有線連接之實例包括(但不限於)蜂巢式、WiFi、藍芽及乙太網路。在一或多個實施例中，輸入/輸出介面204支援多個網路或通信機制。舉例而言，輸入/輸出介面204可經由藍芽網路與另一器件配對以傳送信號至其他器件，同時接收來自WiFi或其他有線或無線連接的信號。
電源206可藉由能夠提供能量至電子器件100之任一器件來實施。舉例而言，電源206可為一電池或一將電子器件100連接至另一電源(諸如壁式插座)之連接纜線。
感測器208可藉由任何類型之感測器來實施。感測器之實例包括(但不限於)音訊感測器(例如，麥克風)、光感測器(例如，環境光感測器)、陀螺儀及加速度計。感測器208可用以提供資料至處理器200，處理器200可用以增強或改變電子器件之功能。
如參看圖1A及圖1B所描述，電子器件100包括一或多個相機102、104且視情況包括一閃光燈112或用於該或該等相機之光源。圖3為沿圖1A之線3-3截得之相機102的簡化橫截面圖。儘管圖3說明第一 相機102，但熟習此項技術者將認識到第二相機104可實質上類似於第一相機102。在一些實施例中，一相機可包括一組態有全域快門之影像感測器且一相機可包括一組態有滾動快門之影像感測器。在其他實例中，一相機中包括之影像感測器可具有比其他相機中之影像感測器高的解析度。
相機102、104包括一與影像感測器302光學通信之成像級300。成像級300可操作地連接至外殼106並位於影像感測器302之前部。成像級300可包括習知元件，諸如透鏡、濾光片、光闌及快門。成像級300將其視場內之光304引導、聚焦或傳輸於影像感測器302上。影像感測器302藉由將入射光轉換成電信號而擷取拍攝對象場景之一或多個影像。
影像感測器302係由一支撐結構306來支撐。支撐結構306可為一基於半導體之材料，包括(但不限於)矽、絕緣體上矽(SOI)技術、藍寶石上矽(SOS)技術、摻雜及未摻雜之半導體、形成於半導體基板上之磊晶層、形成於半導體基板中之井區域或內埋層，及其他半導體結構。
成像級300或影像感測器302之各種元件可由自處理器或記憶體(諸如圖2中之處理器200)供應之時序信號或其他信號控制。成像級300中之元件中的一些或全部可經整合成單一組件。另外，成像級300中之元件中的一些或全部可與影像感測器302(且可能與電子器件100之一或多個額外元件)整合以形成相機模組。舉例而言，在一些實施例中，處理器或記憶體可與影像感測器302整合。
現參看圖4，其中展示一實施例中之可適於用作影像感測器302之影像感測器的一實例之俯視圖。影像感測器400可包括一影像處理器402及一成像區域404。成像區域404可經實施為包括像素406之一像素陣列。在所說明之實施例中，像素陣列係按列及行配置來組態。然 而，其他實施例不限於此組態。像素陣列中之像素可以任何合適之組態(諸如，六邊形組態)來配置。
成像區域404可經由一或多個行選擇線410與行選擇408通信，並經由一或多個列選擇線414與列選擇412通信。列選擇412選擇性地啟動特定像素406或像素群組(諸如，某一列中之所有像素406)。行選擇408選擇性地接收自選定像素406或像素群組(例如，特定行中之所有像素)輸出的資料。
列選擇412及/或行選擇408可與影像處理器402通信。影像處理器402可處理來自像素406之資料，並提供該資料至處理器200及/或電子器件100之其他組件。應注意，在一些實施例中，影像處理器402可併入處理器200中或與其分離。
現參看圖5，其中展示一實施例中之適於用作像素406之像素的簡化示意圖。像素500包括一光電偵測器(PD)502、一傳送電晶體(TX)504、一感測區域506、一重設(RST)電晶體508、一讀出電晶體510及一列選擇(RS)電晶體512。在所說明之實施例中，感測區域506經表示為電容器，此係因為感測區域506可暫時地儲存自光電偵測器502接收之電荷。如下文所描述，在自光電偵測器502傳送電荷後，電荷可儲存於感測區域506中直至列選擇電晶體512之閘極接收到脈衝。
傳送電晶體504之一端子連接至光電偵測器502，而另一端子連接至感測區域506。重設電晶體508之一端子及讀出電晶體510之一端子連接至供應電壓(Vdd)514。重設電晶體508之另一端子連接至感測區域506，而讀出電晶體510之另一端子連接至列選擇電晶體512之端子。列選擇電晶體512之另一端子連接至輸出線410。
僅藉由實例，在一實施例中，光電偵測器502經實施為一光電二極體(PD)或釘紮光電二極體，感測區域506經實施為一浮動擴散區(FD)，且讀出電晶體510經實施為源極隨耦電晶體(SF)。光電偵測器 502可為基於電子之光電二極體或基於電洞之光電二極體。應注意，如本文中使用之術語光電偵測器意謂涵蓋實質上任何類型之光子或光偵測組件，諸如光電二極體、釘紮光電二極體、光閘或其他光子敏感區域。另外，如本文中使用之術語感測區域意謂涵蓋實質上任何類型之電荷儲存或電荷轉換區域。
熟習此項技術者將認識到，在其他實施例中像素500可藉由額外或不同組件來實施。舉例而言，列選擇電晶體可經省略且將脈衝式電力供應模式用以選擇像素，感測區域可由多個光電偵測器及傳送電晶體來共用，或重設及讀出電晶體可由多個光電偵測器、傳送閘及感測區域共用。
當欲擷取一影像時，像素之積分週期開始且光電偵測器502回應於入射光而累積光產生之電荷。當積分週期結束時，藉由選擇性地對傳送電晶體504之閘極施加脈衝而將光電偵測器502中之累積電荷傳送至感測區域506。通常，將重設電晶體508用以在電荷自光電偵測器502傳送至感測區域506之前將感測區域506(節點516)上之電壓重設至預定位準。當將要自像素中讀出電荷時，經由列選擇412及列選擇線414而對列選擇電晶體之閘極施加脈衝以選擇像素(或像素列)供讀出。讀出電晶體510感測感測區域506上之電壓且列選擇電晶體512傳輸電壓至輸出線410。輸出線410連接至讀出電路且視情況連接至影像處理器。
在一些實施例中，影像擷取器件(諸如相機)可不包括在透鏡上之快門，且因此影像感測器可不斷地曝光。在此等實施例中，光電偵測器可能必須在擷取所要影像之前被重設或耗乏。一旦來自光電偵測器之電荷已被耗乏，傳送閘及重設閘便被關斷，從而隔離光電偵測器。光電偵測器接著可開始積分並收集光產生之電荷。
大體而言，光電偵測器偵測具有很少或沒有波長特異性之光， 從而使得難以識別或分離色彩。當色彩分離係所要的時，彩色濾光片陣列可安置於成像區域之上以過濾由成像區域中之光電偵測器感測的光之波長。彩色濾光片陣列為濾光片元件之鑲嵌體，其中每一濾光片元件通常安置於各別像素之上。濾光片元件限制由光電偵測器偵測的光之波長，此允許經擷取影像中之色彩資訊被分離及識別。圖6說明一實施例中之適用於影像感測器的彩色濾光片陣列之一實例。彩色濾光片陣列(CFA)600包括濾光片元件602、604、606、608。儘管僅展示一有限數目之濾光片元件，但熟習此項技術者將認識到CFA可包括數千或數百萬個濾光片元件。
在一實施例中，每一濾光片元件限制光波長。在另一實施例中，該等濾光片元件中之一些過濾光波長，而其他濾光片元件為全色的。全色濾光片元件可具有比CFA中之其他濾光片元件之光譜敏感度寬的光譜敏感度。舉例而言，全色濾光片元件可具有在整個可見光譜上之高敏感度。全色濾光片元件可經實施為(例如)中性密度濾光片或彩色濾光片。全色濾光片元件在低位準照明條件下可係合適的，其中低位準照明條件可為低場景照明、短曝光時間、小孔徑或光被限制到達影像感測器的其他情形之結果。
彩色濾光片陣列可組態為若干不同鑲嵌體。彩色濾光片陣列600可經實施為紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)彩色濾光片陣列或青色(C)、品紅色(M)、黃色(Y)彩色濾光片陣列。拜耳型樣為一熟知的彩色濾光片陣列型樣。拜耳彩色濾光片陣列過濾紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)波長範圍中之光(參看圖7)。拜耳彩色濾光片型樣包括兩個綠色濾光片元件(Gr及Gb)、一個紅色濾光片元件，及一個藍色濾光片元件。四個濾光片元件之群組平鋪或重複於成像區域中之像素之上以形成彩色濾光片陣列。
現在參看圖8，其中展示一實施例中之共用像素架構之一實例。 在說明之實施例中，十六個像素連接至共用的共同節點800。每一像素801包括一光電偵測器802及一連接於該光電偵測器802與共同節點800之間的傳送電晶體804。讀出電路806可連接至共同節點800。因為讀出電路806連接至共同節點800，所以十六個像素共用讀出電路806。僅藉由實例，讀出電路806可包括可如圖5中所示而組態的一感測區域、一重設電晶體及一讀出電晶體。感測區域、重設電晶體及讀出電晶體可連接至共同節點800。列選擇電晶體可連接至讀出電晶體。
在一實施例中，可選擇性地對每一傳送電晶體804之閘極施加脈衝，從而允許來自一或多個光電偵測器802之電荷傳送至共同節點800。因為傳送電晶體804可各自選擇性地接收脈衝，所以來自一個或多個像素之電荷可被單獨地、組合地或同時地傳送至共同節點800。因此，十六個像素之間的電荷加總可係靈活的，原因在於可加總像素之任一組合。可執行少至兩個像素、多達全部十六個像素的電荷加總。舉例而言，可藉由單獨地或同時地對各別傳送電晶體之閘極施加脈衝而將來自像素808及814之電荷加總在一起，藉此傳送電荷至共同節點800。接著可使用讀出電路806中之一些或所有組件來讀出經加總之電荷。
電荷加總可發生在相同色彩平面中或多個色彩平面中。圖9描繪用於圖8中所示之十六個像素的拜耳彩色濾光片型樣。在十六個像素中，存在四個不同色彩平面。四個像素與色彩紅色(R)相關聯，四個像素與色彩綠色(Gr)相關聯，四個像素與色彩綠色(Gb)相關聯，且四個像素與色彩藍色(B)相關聯。在圖8中，像素808、810、812、814對應於紅色濾光片元件且像素816、818、820、822對應於藍色濾光片元件。在所說明之實施例中，可藉由靈活像素加總在相同色彩平面中實施多個不同電荷加總選項。舉例而言，在紅色平面中，像素808及810 中之電荷可加總在一起並被讀出，且像素812及814中之電荷可加總在一起並被讀出。或者，像素808及812中之電荷可加總在一起並被讀出，且像素810及814中之電荷可加總在一起並被讀出。同樣，像素808及814中之電荷可加總在一起並被讀出，且像素810及812中之電荷可加總在一起並被讀出。或者，三個像素(例如，808、810、812；808、810、814；808、812、814；或810、812、814)中之電荷可加總在一起。且最終，所有四個像素808、810、812、814中之電荷可加總在一起並被讀出。
在一些實施例中，電荷加總可發生在不同色彩平面上。舉例而言，一或多個紅色像素中之電荷可與一或多個綠色(Gr及/或Gb)像素中之電荷加總。或者，一或多個藍色像素中之電荷可與一或多個綠色(Gr及/或Gb)像素中之電荷或與一或多個紅色像素中之電荷加總。同樣，來自一或多個紅色像素、綠色像素(Gr及/或Gb)及藍色像素之電荷可加總在一起。
因此，共用一共同節點之任何數目個像素中之電荷可加總在一起。因此，兩個像素之電荷加總可被執行為垂直兩像素加總、水平兩像素加總、對角線兩像素加總，及四像素加總。或者，從三個像素起直至十六個像素中之電荷可加總在一起。一處理器件(諸如，圖2中之處理器200或圖4中之影像處理器402)可用以選擇將哪些像素加總在一起。
靈活像素加總亦可與不對稱高動態範圍(HDR)成像一起使用。僅出於說明性目的，將結合圖10中所示之四像素共用架構來描述不對稱HDR成像。四個像素1000連接至一共用的共同節點1002。讀出電路1004連接至共同節點1002，從而允許四個像素1000共用讀出電路。讀出電路可以任何合適之讀出電路(諸如，以結合圖8所描述之讀出電路)來組態。
每一像素1000可包括一光電偵測器1006、1008、1010、1012及一連接於該光電偵測器與該共用的共同節點1002之間的傳送電晶體1014、1016、1018、1020。在一實施例中，可選擇性地對每一傳送電晶體1014、1016、1018、1020之閘極施加脈衝，從而允許來自一或多個光電偵測器之電荷傳送至共同節點1002。因為傳送電晶體1014、1016、1018、1020各自可選擇性地接收脈衝，所以來自一個、兩個、三個或四個光電偵測器之電荷可被單獨地、組合地或同時地傳送，且兩個或兩個以上光電偵測器中之電荷可加總在一起。
不同於對於成像陣列中之像素利用不同積分時間的習知HDR成像技術，在不對稱HDR成像的情況下，所有像素可具有相同積分時間。可藉由單獨地讀出來自一像素的未經加總之電荷及接著將來自兩個或兩個以上像素之電荷加總並讀出經加總之電荷而產生HDR影像。未經加總之電荷及經加總之電荷接著可經組合以產生一最終HDR影像。
舉例而言，在圖10中所示之實施例中，連接至光電偵測器1006之傳送電晶體1014之閘極可接收脈衝，以傳送光電偵測器1006中之經累積電荷至共同節點1002。可接著使用讀出電路1004中之組件中之一些或全部來讀出電荷。自該一光電偵測器1006中讀出之電荷為未經加總之電荷，原因在於該電荷未與來自另一光電偵測器之電荷加總在一起。來自該一光電偵測器之未經加總之電荷可表示場景之第一影像。
其後，可藉由選擇性地傳送三個光電偵測器1008、1010、1012中之經累積電荷至共同節點1002，及接著使用讀出電路1004中之組件中之一些或全部讀出電荷而將三個像素中之電荷加總在一起。因為各別傳送電晶體1016、1018、1020之傳送閘極可選擇性地接收脈衝，所以三個光電偵測器中之經累積電荷可被順序地、同時地或以各種組合方式傳送。來自三個光電偵測器1008、1010、1012之經加總之電荷可 表示場景之第二影像。可藉由將第一影像及第二影像組合或縫合在一起而獲得最終HDR影像。
來自三個光電偵測器1008、1010、1012之經加總電荷可具有多達來自該一光電偵測器1006之未經加總電荷的三倍的敏感度。因為當第一及第二影像被擷取時所有四個光電偵測器1006、1008、1010、1012具有相同積分時間，所以最終HDR影像可無運動假影。
其他實施例不限於加總來自三個光電偵測器之電荷。兩個或兩個以上光電偵測器中之電荷可加總在一起。經加總電荷可表示一第一影像。該第一影像可與未經加總之電荷組合以產生一最終HDR影像。
在圖8中所示之實施例的情況下，可藉由單獨地讀出四個色彩平面而執行不對稱HDR成像。舉例而言，與色彩紅色相關聯的三個像素中之電荷可加總在一起並被讀出，繼之以讀出與色彩紅色相關聯的該一剩餘像素中之電荷。針對與綠色(Gr)、藍色及綠色(Gb)色彩平面相關聯的像素執行相同程序。經加總之電荷及未經加總之電荷接著可經組合以產生一最終HDR影像。舉例而言，可首先按色彩平面組合經加總電荷及未經加總電荷(例如，對於紅色平面HDR影像組合經加總及未經加總之紅色)，且接著可組合所有色彩平面以產生HDR影像。或者，所有經加總及未經加總之電荷可被同時組合以產生HDR影像。
在一些實施例中，彩色HDR成像按色彩平面加總電荷以保持色彩資訊。因此，一實例將表示色彩紅色之電荷加總在一起，將表示色彩藍色之電荷加總在一起，將表示色彩綠色(Gr)之電荷加總在一起，並將表示色彩綠色(Gb)之電荷加總在一起。其他實施例可將兩個或兩個以上色彩平面中之電荷加總在一起，以產生單色HDR影像。
實施例可將一影像感測器建構於單一基於半導體之晶圓上或多個基於半導體之晶圓上。當使用單一晶圓時，每一像素中之組件駐留於單一晶圓中或上。當使用多個晶圓時，每一像素中之組件可被劃分 於兩個或兩個以上晶圓之間。舉例而言，在圖5中所說明之實施例中，光電偵測器及傳送電晶體可駐留於一晶圓上，且感測區域、重設電晶體、讀出電晶體及列選擇電晶體駐留於不同晶圓上。或者，在圖8及圖10中所示之實施例的情況下，光電偵測器及傳送電晶體可駐留於第一晶圓上，且共同感測區域可駐留於一第二晶圓上。重設、讀出及列選擇電晶體亦可形成於第二晶圓中或上且可由第一晶圓上之兩個或兩個以上光電偵測器共用。一互連層通常用以將傳送電晶體電連接至該或該等感測區域。
現在參看圖11，其中展示一實施例中之用於靈活像素加總之方法的流程圖。最初，選擇待包括於加總運算中之像素(區塊1100)。在一實施例中，可在擷取影像之前或在擷取影像之後即時選擇像素。該選擇可基於(例如)場景中之照明條件、彩色濾光片陣列中之濾光片元件、場景動態範圍及所要或給定之影像解析度(加總電荷會縮減解析度)。
像素選擇允許像素加總為靈活及動態的，原因在於包括於加總運算中的連接至共同節點之像素的數目可針對不同加總運算而不同。一或多個邏輯電路及/或處理器(諸如圖2中之處理器200或圖4中之影像處理器402)可用以選擇待包括於加總運算中之像素。
接著在區塊1102處對選定像素中之各別傳送電晶體之閘極施加脈衝以將累積之電荷自連接至各別傳送電晶體之光電偵測器傳送至共同節點(區塊1104)。接著讀出共同節點上之經加總電荷(區塊1106)。在區塊1108處進行關於是否待執行另一加總運算的判定。若執行，則處理程序返回至區塊1100並重複直至所有加總運算被執行為止。
其他實施例可以不同方式執行圖11中所示之方法。可包括額外區塊或可省略區塊。舉例而言，在待包括之像素係預定(亦即，固定)並已知的彼等實施例中，可省略區塊1100。
圖12為一實施例中之用於不對稱高動態範圍成像之方法的流程圖。最初，對於成像區域中之所有像素使用單一積分時間來擷取拍攝對象場景之影像(區塊1200)。接下來，如區塊1202中所示，可選擇待包括於加總運算中之像素。兩個或兩個以上像素可包括於一加總運算中。在一實施例中，該兩個或兩個以上像素連接至一共用的共同節點。其他實施例不限於此構造，且可在自成像區域中或自影像感測器中讀出選定像素中之電荷之後加總電荷。
可在擷取影像之前或在影像被擷取之後即時選擇待包括於加總運算中的像素。該判定可基於(例如)場景中之照明條件、彩色濾光片陣列中之彩色濾光片元件或所要或給定之影像解析度。像素選擇允許像素加總為靈活及動態的，原因在於包括於加總運算中的連接至共同節點之像素的數目可針對不同加總運算而不同。一或多個邏輯電路及/或處理器(諸如圖2中之處理器200或圖4中之影像處理器402)可用以選擇待包括於加總運算中之像素。
在一些實施例中，所有像素可經讀出且使用電荷以產生一HDR影像。其他實施例可讀出並丟棄來自像素中之一些的電荷並使用來自剩餘像素之電荷以產生HDR影像。僅藉由實例，在四個紅色像素的情況下，兩個像素中之電荷可加總在一起(經加總電荷)，可讀出來自一像素之電荷(未經加總電荷)，且一像素中之電荷可被讀出並丟棄。經加總之電荷及未經加總之電荷接著可經組合用於一HDR影像。因此，僅將四個像素中之三個像素中的電荷用以產生HDR影像。
選定像素中之電荷接著經加總在一起。舉例而言，連接至待包括於加總運算中之像素中之光電偵測器的傳送電晶體之閘極可接收脈衝以將累積之電荷自光電偵測器傳送至一共同節點(區塊1204)。電荷可被同時地、順序地或以各種組合方式傳送至共同節點。將電荷傳送至共同節點將電荷加總在一起。在一實施例中，經傳送並在共同節點 上加總之電荷為表示一色彩平面或與一色彩平面相關聯的電荷。經加總電荷表示拍攝對象場景之第一影像。
經加總電荷被讀出，且接著讀出在一像素中之電荷。舉例而言，可自共同節點讀取電荷(區塊1206)且可對連接至一光電偵測器之傳送電晶體之閘極施加脈衝以將累積的電荷自光電偵測器傳送至共同節點(區塊1208)。在區塊1210處，接著自共同節點讀出該未經加總之電荷。未經加總之電荷表示拍攝對象場景之第二影像。接著可藉由組合拍攝對象場景之第一及第二影像而產生拍攝對象場景之HDR影像(區塊1212)。
在一實施例中，針對每一色彩平面而執行圖12中所示之方法。舉例而言，在拜耳彩色濾光片型樣的情況下，針對紅色(R)色彩平面、綠色Gr色彩平面、綠色Gb色彩平面，及藍色(B)色彩平面執行該處理程序。
其他實施例可以不同方式執行圖12中所示之方法。舉例而言，可在區塊1202、1204及1206之前執行區塊1208及1210。作為另一實例，可省略一或多個區塊，諸如區塊1202。
本文中描述之實施例可提供一能夠執行靈活像素加總及不對稱HDR成像之影像感測器或影像擷取器件。透過使用靈活像素加總，任何數目個像素中之電荷可加總在一起。在一些實施例中，兩個像素之電荷加總可被執行為垂直兩像素加總、水平兩像素加總、對角線兩像素加總，及四像素加總。或者，三個或三個以上像素可加總在一起。表示相同色彩或不同色彩之電荷可加總在一起。
在不對稱HDR成像的情況下，成像區域中之所有像素可具有相同積分時間。來自多個像素之電荷可加總在一起並被讀出以表示拍攝對象場景之第一影像。來自一像素之未經加總之電荷可被單獨地讀出以表示拍攝對象場景之第二影像。第一及第二影像接著可經組合以產 生拍攝對象場景之最終HDR影像。
已特定參考實施例之某些特徵詳細地描述各種實施例，但應理解可在本發明之精神及範疇內實現變化及修改。且即使本文中已描述特定實施例，仍應注意應用不限於此等實施例。詳言之，在相容的情況下，關於一實施例描述之任何特徵亦可用於其他實施例中。同樣，在相容的情況下，不同實施例之特徵可互換。

Claims (20)

  1. 一種用於在一影像感測器中執行靈活像素加總之方法，該影像感測器包括經分組成像素子集之複數個像素，其中每一像素子集包括可操作地連接至一單獨共同節點之三個或三個以上像素，該方法包含：在一像素子集中，即時且基於一或多個條件選擇N個像素以包括於一加總運算中，其中N表示在2與該像素子集中之一像素總數之間的一數目；藉由將該N個像素中之電荷自該N個像素傳送至該共同節點而將該等電荷加總在一起；及自該共同節點讀出該經加總之電荷。
  2. 如請求項1之方法，其中該共同節點上之該經加總之電荷表示一種色彩。
  3. 如請求項1之方法，其中該共同節點上之該經加總之電荷表示兩種或兩種以上色彩。
  4. 一種用於使用包括複數個像素之一影像感測器進行不對稱高動態範圍成像的方法，其中該等像素經分組成像素子集且每一子集包括三個或三個以上像素，該方法包含：對於該複數個像素使用一單一積分時間來擷取一拍攝對象場景之一影像；及在一像素子集中，讀出來自從該子集選出之N個像素之電荷並將該等電荷加總在一起，其中選擇係至少部分基於一或多個條件且其中N表示在2與小於該像素子集中之一像素總數之數目之間的一數目； 自該像素子集中之一像素讀出未經加總之電荷；及當產生一高動態範圍影像時，組合該未經加總之電荷與該經加總之電荷。
  5. 如請求項4之方法，其中該經加總之電荷與一色彩相關聯。
  6. 如請求項4之方法，其中該經加總之電荷與兩個或兩個以上色彩相關聯。
  7. 如請求項4之方法，其進一步包含在將N個像素中之該等電荷加總在一起之前選擇要加總該像素子集中之哪N個像素。
  8. 如請求項7之方法，其中該N個選定像素與一色彩相關聯。
  9. 一種用於使用包括經分組成像素子集之複數個像素之一影像感測器進行不對稱高動態範圍成像的方法，每一像素子集包括可操作地連接至一單獨共同節點之三個或三個以上像素，該方法包含：對於該複數個像素使用一單一積分時間來擷取一拍攝對象場景之一影像；及在一像素子集中，藉由將N個像素中之電荷自該N個像素傳送至該共同節點而將該等電荷加總在一起，其中該N個像素係至少部分基於一或多個條件即時選擇且其中N表示在2與小於該像素子集中之一像素總數之數目之間的一數目；自該共同節點讀出該經加總之電荷；自該像素子集中之一像素讀出未經加總之電荷；及當產生一高動態範圍影像時，組合該未經加總之電荷與該經加總之電荷。
  10. 如請求項9之方法，其中該共同節點上之該經加總之電荷與一色彩相關聯。
  11. 如請求項9之方法，其中該共同節點上之該經加總之電荷與兩個或兩個以上色彩相關聯。
  12. 如請求項9之方法，其進一步包含在將該N個像素中之該等電荷加總在一起之前選擇要加總該像素子集中之哪N個像素。
  13. 一種影像感測器，其包含：一成像區域，其包括複數個像素，其中該等像素經分組成像素之子集，其中每一子集包括可操作地連接至一單獨共同節點之三個或三個以上像素；及一處理器，其用於選擇N個像素以包括於一加總運算中，該等像素係至少部分基於一或多個條件即時選擇。
  14. 如請求項13之影像感測器，其進一步包含可操作地連接至每一共同節點之讀出電路。
  15. 如請求項13之影像感測器，其中可操作地連接至每一共同節點之每一讀出電路包括一可操作地連接至該共同節點之感測區域及具有連接至該感測區域之一閘極的一讀出電晶體。
  16. 如請求項13之影像感測器，其中N表示在2與一像素子集中之一像素總數之間的一數目。
  17. 如請求項13之影像感測器，其中N表示在2與小於一像素子集中之一像素總數的數目之間的一數目。
  18. 如請求項13之影像感測器，其中每一像素包括一光電偵測器及一傳送電晶體，其中該傳送電晶體連接於該光電偵測器與一各別共同節點之間。
  19. 如請求項18之影像感測器，其中一感測區域連接至每一共同節點。
  20. 如請求項13之影像感測器，其中該一或多個條件包含以下一或 多者：照明條件、一彩色濾光片陣列中之濾光片元件、及影像解析度。
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