TWI552601B - 用於影像感測器之曝光控制 - Google Patents

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TWI552601B
TWI552601B TW103106880A TW103106880A TWI552601B TW I552601 B TWI552601 B TW I552601B TW 103106880 A TW103106880 A TW 103106880A TW 103106880 A TW103106880 A TW 103106880A TW I552601 B TWI552601 B TW I552601B
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曉芬 方
李向利
溫宗晉
李家珍
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Description

用於影像感測器之曝光控制 [對相關申請案之交叉申請]
本專利合作條約專利申請案主張2013年3月1日申請之標題為「用於影像感測器之曝光控制(Exposure Control for Image Sensors)」的美國非臨時申請案第13/782,532號的優先權，該申請案之內容以引用之方式全部併入於本文中。
本發明大體上係關於影像感測器，且更特定言之，係關於影像感測器中之曝光控制。
電子影像感測器(諸如，電荷耦合器件(CCD)及互補型金屬氧化物半導體(CMOS)感測器)通常包括用於每一像素之一或多個光電二極體，當曝露於光時，該等光電二極體與入射於像素之光電二極體上的光之亮度成比例地積聚電荷。一些電子影像感測器與機械快門一起使用，以有助於控制光電二極體曝露於光源之持續時間，而其他電子影像感測器(包括(例如)蜂巢式電話、平板電腦及其他電子器件上之彼等電子影像感測器中的某些)並不與機械快門一起使用，且之後，其依賴於一些形式之電快門，以控制當曝露於光時光電二極體中所產生之電荷。
可實施電快門之一種方式為藉由控制將光電二極體耦接至感測器之其他部分的閘(例如，電晶體)。舉例而言，當未由感測器捕獲影 像時，耦接至光電二極體之閘可持續排去光電二極體中所產生之任何電荷。控制光電二極體中所產生之電荷的流動可大體上被稱作曝光控制，此係因為即使並無機械快門，其仍能控制光電二極體之有效曝光，使得感測器可連續曝露於光。換言之，由於以機械方式控制光電二極體之曝光係困難的，因此可藉由選擇性地積聚及選擇性地丟棄由入射光子在彼等區域中所產生之電荷，而控制一些電子影像感測器之有效曝光。
基於待成像之特定場景的不同照明及色彩條件，而控制影像感測器中之像素的曝光可係有用的。舉例而言，在強光情況下，可減少感測器上之像素的曝光時間，以避免飽和像素之光電二極體的井(若並不校正，該情況可導致暈光)。相反地，在弱光情況下，可增加曝光時間，以便允許像素中收集充分電荷來維持充分之信雜比。然而，出於若干原因，改變曝光時間可係具挑戰性的，尤其係對於以固定圖框速率捕獲視訊，且因此具有受限之擴展曝光時間的時間量之影像感測器而言。繼續該視訊實例，一方面，若在每一視訊圖框內過度嚴重地縮短曝光時間，則視訊圖框之間可發生嚴重之運動偽影，從而導致圖框之間發生混疊或頻閃效果。另一方面，若過多地延長曝光時間，則像素可係飽和的，且可甚至發暈至鄰近像素中。
彩色影像感測器通常包括一些類型之彩色濾光片陣列(CFA)，諸如具有像素之紅綠藍綠(RGBG)配置的拜耳(Bayer)圖案。對於拜耳圖案，影像感測器之像素可配置成2×2子陣列之群組，其中每一2×2子陣列包括一列中之一紅色像素及一綠色像素，及其他列中之一藍色像素及一綠色像素。在此配置中，兩個綠色像素在2×2子陣列中大體上彼此對角地定位。通常，除了置放於像素頂部上之彩色濾光片以外，每一2×2子陣列中之所有四個像素係相同的；換言之，像素通常具有具類似井能力之光電二極體。然而，彩色濾光片帶來待由不同色彩像素 偵測到的不同波長之光。然而，像素之光電二極體對入射光子之敏感性可基於入射於其上之光的波長而發生變化，且因此，不同之色彩像素可具有對相同亮度不同色彩之光的不同敏感性。舉例而言，在拜耳圖案中，綠色像素通常最敏感。因為綠色像素最敏感，所以對於影像感測器所曝露之大部分中性色彩場景，綠色光電二極體將通常比紅色及藍色光電二極體較快地充滿電荷。
最近已關注添加清透像素，其可並不具有置放於其頂部上的著色濾光片。清透像素亦稱為「白色像素」。將清透像素添加至影像感測器可為影像感測器提供較高之亮度敏感性及較寬之總頻譜。然而，清透像素通常比紅色、綠色或藍色像素中之任一者較敏感於入射光，且因此，清透像素通常比其他色彩像素中之任一者較快地飽和。
有助於防止影像感測器像素飽和，及潛在地將所積聚電荷溢出至鄰近像素中(稱為暈光之現象)的一種技術為使用一種形式之防暈光控制，自光電二極體排去過量電荷。
在當今之大部分影像感測器中，以大體上均勻之方式應用曝光控制及防暈光。舉例而言，大部分影像感測器為所有不同色彩之像素設定單一之共用曝光時間，且曝光時間為連續之時間塊。大體上回應於最敏感之色彩通道而選擇曝光時間，其中曝光時間較短於預期所積聚電荷使最敏感色彩像素飽和之時間。然而，縮短其他較不敏感色彩像素之有效曝光可導致低於最佳之結果(可能具有彼等色彩之較低信雜比，此係由於信雜比大體上與光電二極體中所積聚之電荷量相關)。此外，在所有不同色彩之像素中均勻地應用防暈光控制亦防止應用較精細調諧之暈光減輕技術。
本發明之一實例可呈一種操作一影像感測器之方法之形式。該方法可包括：回應於一第一控制信號，將在一第一子曝光期間，一光 電二極體中所積聚之電荷選擇性地儲存於一儲存節點中；及回應於一第二控制信號，在一第一重設期間選擇性地丟棄該光電二極體中所積聚之電荷。該方法亦可包括：回應於該第一控制信號，將在一第二子曝光期間，該光電二極體中所積聚之電荷選擇性地儲存於該儲存節點中；及回應於一第三信號，將該儲存節點中所儲存之來自該第一子曝光及該第二子曝光的電荷傳送至一浮動擴散節點。
本發明之另一實例可呈一種影像感測器像素之形式，該影像感測器像素包括一光電二極體、一儲存節點及耦接於該光電二極體與該儲存節點之間的一儲存閘，其中該儲存閘選擇性地接收一曝光控制信號並回應於該信號。該影像感測器像素亦可包括一浮動擴散節點及耦接於該儲存節點與該浮動擴散節點之間的一傳送閘，其中該傳送閘選擇性地接收一傳送控制信號並回應於該信號。該影像感測器像素亦可包括控制電路，其經組態以將該曝光控制信號提供至該儲存閘，使得在每一子曝光之後或期間，將在複數個子曝光期間該光電二極體中所積聚之電荷傳送至該儲存節點，該控制電路進一步經組態以在該複數個子曝光之後，將該傳送信號提供至該傳送閘，使得將該儲存節點中所儲存之電荷傳送至該浮動擴散節點。
本發明之另一實例可呈一種操作一影像感測器之方法的形式。該方法可包括回應於一第一曝光控制信號，在一第一時間段期間在與一第一色彩通道相關聯之一第一光電二極體中選擇性地積聚電荷。該方法亦可包括回應於一第二曝光控制信號，在一第二時間段期間在與一第二色彩通道相關聯之一第二光電二極體中選擇性地積聚電荷。該第一色彩通道可不同於該第二色彩通道，且該第一時間段可比該第二時間段短，其中該第一時間段及該第二時間段至少部分彼此同時。
本發明之另一實例可呈一種影像感測器之形式。該影像感測器可包括與一第一色彩通道相關聯，且經組態以回應於一第一控制信號 而在一第一時間段中積聚電荷之一第一像素。該影像感測器亦可包括與一第二色彩通道相關聯，且經組態以回應於一第二控制信號而在一第二時間段中積聚電荷之一第二像素。該第一色彩通道可不同於該第二色彩通道，且該第一時間段可比該第二時間段短。
本發明之另一實例可呈一種操作一影像感測器之方法的形式。該方法可包括在第一複數個子曝光期間，在與一第一色彩通道相關聯之一第一光電二極體中選擇性地積聚電荷。該方法亦可包括回應於一第一控制信號，將在該第一複數個子曝光中之每一者期間在該第一光電二極體中所積聚之電荷選擇性地傳送至一第一節點。該方法亦可包括在第二複數個子曝光期間，在與一第二色彩通道相關聯之一第二光電二極體中選擇性地積聚電荷。該方法亦可包括回應於一第二控制信號，將在該第二複數個子曝光中之每一者期間在該第一光電二極體中所積聚之電荷選擇性地傳送至一第二節點。該第一色彩通道可不同於該第二色彩通道，且該第一複數個子曝光中之至少一者可比該第二複數個子曝光中之至少一者短。該第一複數個曝光及該第二複數個曝光可至少部分同時。
本發明之另一實例可呈一種操作一影像感測器之方法的形式。該方法可包括將與一第一色彩通道相關聯的一第一像素之一第一曝光分割成第一複數個子曝光，該第一複數個子曝光中之每一者具有一各別持續時間。該方法亦可包括將與一第二色彩通道相關聯的一第二像素之一第二曝光分割成第二複數個子曝光，該第二複數個子曝光中之每一者具有一各別持續時間。該第一複數個子曝光中之至少一者的該持續時間可比該第二複數個子曝光中之至少一者的該持續時間短。
100‧‧‧電子器件
102‧‧‧第一攝影機
104‧‧‧第二攝影機
106‧‧‧外罩
108‧‧‧輸入/輸出按鈕/輸入部件
110‧‧‧顯示器
112‧‧‧閃光燈
114‧‧‧處理器
116‧‧‧儲存或記憶體組件
118‧‧‧輸入/輸出(I/O)介面/網路/通信介面
120‧‧‧電源
122‧‧‧感測器
124‧‧‧系統匯流排
126‧‧‧鏡頭
128‧‧‧光
130‧‧‧影像感測器
132‧‧‧基板
134‧‧‧像素架構
136‧‧‧像素/全域快門像素
136-1‧‧‧滾動快門像素/全域快門像素
136-2‧‧‧滾動快門像素/全域快門像素
136-3‧‧‧滾動快門像素/全域快門像素
136-4‧‧‧滾動快門像素/全域快門像素
138‧‧‧像素單元之群組
140‧‧‧行選擇
142‧‧‧影像處理器
144‧‧‧列選擇
146‧‧‧行輸出線
148‧‧‧列選擇線
150‧‧‧控制電路
152‧‧‧電晶體陣列/控制電路
154‧‧‧光電二極體
156‧‧‧重設閘
158‧‧‧傳送閘
160‧‧‧源極隨耦(SF)閘
162‧‧‧列選擇閘
163‧‧‧浮動擴散(FD)節點/浮動擴散區
164‧‧‧參考電壓節點
166‧‧‧參考電壓源(VDD)
168‧‧‧電荷儲存組件
171‧‧‧防暈光信號
171-1‧‧‧曝光控制信號/第一防暈光信號(AB1)
171-2‧‧‧曝光控制信號/第二防暈光信號(AB2)
171-3‧‧‧曝光控制信號(AB3)
171-4‧‧‧曝光控制信號(AB4)
172‧‧‧儲存閘傳送信號
172-1‧‧‧曝光控制信號/第一儲存閘傳送信號(SG1)
172-2‧‧‧曝光控制信號/第二儲存閘傳送信號(SG2)
172-3‧‧‧曝光控制信號(SG3)
172-4‧‧‧曝光控制信號(SG4)
173‧‧‧傳送信號
173-1‧‧‧曝光控制信號(TX1)
173-2‧‧‧曝光控制信號(TX2)
173-3‧‧‧曝光控制信號(TX3)
173-4‧‧‧曝光控制信號(TX4)
174-1‧‧‧重設信號(RST1)
174-2‧‧‧重設信號(RST2)
174-3‧‧‧重設信號(RST3)
174-4‧‧‧重設信號(RST4)
176‧‧‧子曝光/有效曝光/曝光週期
176t‧‧‧持續時間/時間段
177‧‧‧重設週期
177t‧‧‧持續時間
178‧‧‧邏輯低/強負向
179‧‧‧邏輯高/強正向
180‧‧‧輕度正向/防暈光電壓
190‧‧‧儲存閘
192‧‧‧儲存節點
圖1A為包括一或多個攝影機之電子器件的前透視圖。
圖1B為圖1A之電子器件的後透視圖。
圖2為圖1A之電子器件的簡化方塊圖。
圖3為沿著圖1A中之線3-3截得的圖1A之電子器件的簡化示意性橫截面圖。
圖4A為電子器件之攝影機的影像感測器架構之簡化圖。
圖4B為說明單一像素的圖4A之像素架構之放大圖。
圖5為具有滾動快門操作之像素單元的簡化示意圖。
圖6為具有全域快門組態之像素單元的簡化示意圖。
圖7為具有滾動快門組態之四個像素單元的簡化示意圖。
圖8為具有全域快門組態之四個像素單元的簡化示意圖。
圖9為曝光控制之一實施例的時序圖。
圖10為曝光控制之另一實施例的時序圖。
圖11為曝光控制之再一實施例的時序圖。
圖12為曝光控制之再一實施例的時序圖。
概述
在本文中之一些實施例中，揭示用於控制電子影像感測器中之有效曝光的裝置及方法。在一實施例中，可將一或多個圖框之總有效曝光劃分或分割成複數個子曝光。在另一實施例中，可在陣列之不同色彩通道中變化彩色濾光片陣列中之光電二極體的有效曝光。在再一實施例中，可將一或多個圖框之總有效曝光劃分或分割成用於一或多個色彩通道中之像素的複數個子曝光，其中不同色彩通道之間的子曝光具有不同之持續時間。
現轉向諸圖，將較詳細地論述影像感測器及用於併入有影像感測器之說明性電子器件。圖1A為包括影像感測器之電子器件100的前正視圖。圖1B為電子器件100之後正視圖。電子器件100可包括第一攝影機102、第二攝影機104、外罩106、顯示器110及輸入/輸出按鈕 108中之任一者或所有。電子器件100可為實質上任何類型之電子器件或計算器件，諸如(但不限於)電腦、膝上型電腦、平板電腦、智慧型手機、數位攝影機、印表機、掃描儀、影印機或類似者。電子器件100亦可包括對於計算器件或電子器件典型之一或多個內部組件(未展示)，諸如(但不限於)一或多個處理器、記憶體組件、網路介面等等。將關於圖2論述此等內部組件之實例。
如圖1中所展示，外罩106可形成電子器件100之內部組件的外表面及保護性外殼，且可至少部分環繞顯示器110。外罩106可由可操作地連接在一起之一或多個組件(諸如，前部零件及背部零件)形成，或可由可操作地連接至顯示器110之單一零件形成。
輸入部件108(其可為開關、按鈕、電容式感測器或其他輸入機構)允許使用者與電子器件100互動。舉例而言，輸入部件108可為用以變更音量、返回至首頁畫面及類似者之按鈕或開關。電子器件100可包括一或多個輸入部件108及/或輸出部件，且每一部件可具有單一輸入或輸出功能或多個輸入/輸出功能。
顯示器110可可操作地連接至電子器件100，或可以通信方式耦接至電子器件。顯示器110可提供電子器件100的視覺輸出，及/或可起作用以接收對電子器件100之使用者輸入。舉例而言，顯示器110可為可偵測一或多個使用者輸入之多點觸控電容性感測螢幕。
電子器件100亦可包括數個內部組件。圖2為電子器件100之簡化方塊圖。電子器件100亦可包括一或多個處理器114、儲存或記憶體組件116、輸入/輸出介面118、電源120及一或多個感測器122，下文將依次論述其中之每一者。
處理器114可控制電子器件100之操作。處理器114可與電子器件100之實質上所有組件直接抑或間接地通信。舉例而言，一或多個系統匯流排124或其他通信機構可在處理器114、攝影機102，104、顯示 器110、輸入部件108、感測器122等等之間提供通信。處理器114可為能夠處理、接收及/或傳輸指令之任何電子器件。舉例而言，處理器114可為微處理器或微電腦。如本文中所描述，術語「處理器」意欲涵蓋單一處理器或處理單元、多個處理器或多個處理單元、或其他合適地組態的計算元件。
記憶體116可儲存可由電子器件100利用之電子資料。舉例而言，記憶體116可儲存對應於各種應用之電資料或內容，例如，音訊檔案、視訊檔案、文件檔案等等。記憶體116可為(例如)非揮發性儲存器、磁性儲存媒體、光學儲存媒體、磁光儲存媒體、唯讀記憶體、隨機存取記憶體、可抹除可程式化記憶體或快閃記憶體。
輸入/輸出介面118可自使用者或一或多個其他電子器件接收資料。另外，輸入/輸出介面118可有助於將資料傳輸至使用者或其他電子器件。舉例而言，在電子器件100為電話之實施例中，輸入/輸出介面118可用於自網路接收資料，或可用於經由無線或有線連接(網際網路、WiFi、藍牙及乙太網為若干實例)發送及傳輸電子信號。在一些實施例中，輸入/輸出介面118可支援多個網路或通信機構。舉例而言，網路/通信介面118可經由藍芽網路與另一器件配對，以將信號傳送至其他器件，同時自WiFi或其他網路接收資料。
電源120可實質上為能夠將能量提供至電子器件100之任何器件。舉例而言，電源120可為電池、可經組態以將電子器件100連接至另一電源之連接纜線(諸如，壁式插座)或類似者。
感測器122可包括實質上任何類型之感測器。舉例而言，電子器件100可包括一或多個音訊感測器(例如，麥克風)、光感測器(例如，環境光感測器)、陀螺儀、加速度計或類似者。感測器122可用於將可用於增強或變化電子器件100之功能的資料提供至處理器114。
再次參考圖1A及圖1B，電子器件100亦可包括一或多個攝影機 102、104，及(視情況)用於攝影機102、104之閃光燈112或光源。圖3為沿著圖1A中之線3-3截得的第一攝影機102之簡化橫截面圖。儘管圖3說明第一攝影機102，但應注意，第二攝影機104可實質上類似於第一攝影機102。在一些實施例中，一攝影機可包括全域快門組態之影像感測器，且一攝影機可包括滾動快門組態之影像感測器。在其他實例中，一攝影機可具有比其他攝影機解析度較高之影像感測器。同樣地，應瞭解，圖3中所展示之結構僅為用於第一攝影機及第二攝影機中之任一者的一可能結構。
參考圖3，攝影機102、104可包括與影像感測器130光學通信之鏡頭126。鏡頭126可可操作地連接至外罩106，並定位於影像感測器130上方。鏡頭126可將其視野內之光128引導或傳輸至影像感測器130之光電二極體層(下文較詳細論述)上。
可由基板132或其他支撐結構在鏡頭126下方支撐影像感測器130。影像感測器130可將光128轉換成可表示來自所捕獲場景之光的電信號。換言之，影像感測器130將經由鏡頭126以光學方式傳輸之光128捕獲成電信號。
影像感測器架構
現將較詳細地論述影像感測器130之說明性架構。圖4A為影像感測器130之一可能架構的簡化示意圖。圖4B為圖4A之像素架構的像素之放大圖。圖5為圖4A之像素的簡化示意圖。參考圖4A至圖5，電子器件100可包括影像處理組件，其具有定義一或多個像素136及/或像素單元之群組138(例如，分組在一起以形成拜耳像素或其他像素集合的像素136之群組)之像素架構。像素架構134可經由一或多個行輸出線146與行選擇140通信，並經由一或多個列選擇線148與列選擇144通信。
列選擇144及/或行選擇140可與影像處理器142通信。影像處理器 142可處理來自像素136之資料，並將彼資料提供至處理器114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142可併入處理器114中或分離於處理器。列選擇144可選擇性地啟動特定像素136或像素群組(諸如，某一列上之所有像素136)。行選擇140可選擇性地接收自選擇像素136，或像素136之群組(例如，特定行之所有像素)所輸出的資料。
參考圖5，每一像素136可包括電晶體陣列152或控制電路，及光電二極體154。光電二極體154可與鏡頭126光學通信，以接收經由其所傳輸之光。光電二極體154可吸收光並將所吸收光轉換成電信號。光電二極體154可為基於電子之光電二極體或基於電洞之光電二極體。另外，應注意，如本文中所使用，術語「光電二極體」意欲涵蓋實質上任何類型之光子或光偵測組件，諸如光閘或其他光敏區域。光電二極體154耦接至傳送閘158，其將光電二極體154選擇性地連接至像素136之剩餘控制電路152。
傳送閘158耦接至重設閘156及源極隨耦(SF)閘160。重設閘156及SF閘160耦接至將兩個閘連接至參考電壓源(Vdd)166之參考電壓節點164。列選擇閘162耦接至像素136之列選擇線148。浮動擴散(FD)節點163(包括電荷儲存組件168)可耦接於傳送閘158及重設閘156與SF閘160之間。除了圖5中所展示之彼等之外，控制電路152(其一實例為前述電晶體陣列)可包括額外之閘。舉例而言，防暈光閘可與光電二極體154通信，以自光電二極體排出超出飽和之過量電荷。
大體而言，在操作中，當致動攝影機102、104中之一者以捕獲影像時，將參考電壓166施加於重設閘156及傳送閘158。當傳送閘158打開時，排出光電二極體154內之電荷以耗盡光電二極體。在一些實施例中，攝影機102、104可並不包括鏡頭126上之快門，且因此影像感測器130可連續曝露於光。在此等實施例中，在捕獲所要影像之 前，可必須重設或耗盡光電二極體154。一旦已自光電二極體154耗盡電荷，可斷開傳送閘158及重設閘156，從而隔離光電二極體154。接著，光電二極體154可開始積累及收集自鏡頭126傳輸至影像感測器130的光128。隨著光電二極體154接收光，其開始收集電荷(例如，隨著自光接收電子，耗盡區域減少)。然而，光電二極體154內之電荷可保持於光電二極體154之井內，此係因為至控制電路150及其他閘之傳送閘158(連接光電二極體154)係斷開的。
一旦完成積累且光電二極體154已自鏡頭126採集光128，可接通重設閘126以重設浮動擴散節點163。一旦已重設浮動擴散區163，可斷開重設閘156且可接通傳送閘158。接著，可將來自光電二極體154之電荷傳送至浮動擴散節點163，並儲存於儲存組件168中。為自光電二極體154(經由浮動擴散區163)讀出電荷，可啟動列選擇閘162及SF閘160，且SF閘160放大浮動擴散區163內之電荷，並經由列選擇閘162，將信號或電荷提供至行輸出線146。
在滾動快門操作中，可在不同時間處曝露不同列中之光電二極體154。因此，若場景內之一或多個物件正移動，則第一列可捕獲不同於第二列之定位的影像，此係由於依序地曝露該等列，此情況可導致所感測影像中出現運動偽影。在全域快門操作中，可添加額外之儲存閘以儲存來自光電二極體154之電荷。在全域快門操作中，可實質上在相同時間處重設及曝露像素架構134內之每一列。每一儲存節點亦可同時將電荷自光電二極體154傳送至儲存節點，且接著可逐列地讀出每一像素136。一些實施例可在行基底上實施滾動快門架構，其中對相關聯電路進行適當改變。
現參考圖6，在一些實施例中，影像感測器130可包括一或多個全域快門像素136。圖6為光電二極體154及包括儲存閘190之控制電路152的簡化圖。參考圖6，每一像素136可包括耦接於光電二極體154與 儲存節點192之間的儲存閘190。儲存節點192可儲存來自光電二極體154之電荷，以允許全域快門操作，且在一些實例中，可以電及/或光學方式屏蔽該節點，以便防止雜散電荷及/或光破壞儲存節點192之內容。舉例而言，在全域快門操作中，影像感測器130之像素136中的每一者可同時開始電荷積累。在積累週期期間，光電二極體154中之每一者可積聚遇到每一光電二極體154的對應於經由鏡頭126所傳輸之光的電荷。積累之後，可啟動儲存閘190，且可將電荷自光電二極體154傳輸至儲存節點192。來自光電二極體154之資料可保存於儲存節點192處，直至準備讀出特定像素136為止。
當待讀出像素136時，可啟動傳送閘158，以將電荷自儲存節點192傳送至浮動擴散節點163。一旦資料儲存於浮動擴散區163中，可以實質上相同於如上文關於圖6所描述之方式操作像素136，亦即，可依序讀出每一列。在全域快門操作期間，所有像素136可在實質上相同時間捕獲光，此情況可減少影像中之歸因於物件移動的偽影。舉例而言，在依序曝光並讀出每一列之滾動快門操作期間，若物件在第一像素列積累與下一列積累之間移動，則影像可係暈光的。在圖6之影像感測器130中，整個感測器130之像素136可在實質上相同時間曝光並積累電荷。
大體而言，預期許多不同類型之影像感測器架構，其中之一些可包括堆疊式晶片、在各種層級上共用(例如，共用浮動擴散節點、共用儲存節點、共用傳送閘等)、全域快門架構、滾動快門架構、靜態及視訊影像感測器等，如描述於(例如)2013年1月31日申請的標題為「Vertically Stacked Image Sensor」之同在申請中的申請案13/756,459中，該申請案之全部內容特此出於所有目的以引用的方式併入本文中。
現參考圖7及圖8，說明像素子陣列之兩個實例。在圖7中，展示 類似於圖5中所說明之像素136的四個滾動快門像素136-1、136-2、136-3、136-4。在一些實例中，圖7中之四個像素136-1、136-2、136-3、136-4可配置成2×2子陣列，且可為拜耳CFA之一單元；例如，第一像素136-1可係紅色的，第二像素136-2可係綠色的，且第一及第二像素136-1、136-2可共用列選擇信號。第三像素136-3可係綠色的，第四像素136-4可係藍色的，且第三及第四像素136-3、136-4可共用列選擇信號。替代性地，第二或第三像素136-2、136-3中之一者可為清透像素而非綠色像素。大體而言，四個像素136-1、136-2、136-3、136-4可與一或多個不同色彩通道相關聯，且可使用任何不同之彩色濾光片陣列。
參考圖8，展示四個全域快門像素136-1、136-2、136-3、136-4，其中之每一者皆類似於圖6中所說明之全域快門像素136，且選用地添加了耦接至每一像素之光電二極體的防暈光閘。在一些實例中，圖8中之四個像素136-1、136-2、136-3、136-4可配置成2×2子陣列，且可形成拜耳CFA之一單元；例如，第一像素136-1可係紅色的，第二像素136-2可係綠色的，且第一及第二像素136-1、136-2可共用列選擇信號。第三像素136-3可係綠色的，第四像素136-4可係藍色的，且第三及第四像素136-3、136-4可共用列選擇信號。替代性地，第二或第三像素136-2、136-3中之一者可為清透像素而非綠色像素。大體而言，四個像素136-1、136-2、136-3、136-4可與一或多個不同色彩通道相關聯，且可使用任何不同之彩色濾光片陣列。
儘管本文中可參考圖7中所展示之四個像素，或參考圖8中所展示之四個像素描述影像感測器之各種實施例，但應理解，大體上可在全域抑或滾動快門架構中利用本文中所揭示之操作影像感測器的方法，且本文中給出之特定實例僅僅係說明性的。
脈衝式曝光
在曝光控制之一實施例(可稱為「脈衝式曝光」)中，可將一或多個圖框之總有效曝光劃分或分割成複數個子曝光。在複數個子曝光上再分曝光可延長曝光有效地發生之絕對時間。對於在強光情況下獲取視訊，此方法可將係尤其有用的，在該情況下，為了避免飽和，需要將每一圖框之曝光時間減少為僅為圖框之總長度的分數(1/2、1/3、1/4、1/10、1/20、1/50、1/100等)，以便減少飽和一或多個像素之概率。將曝光劃分成多個子曝光可有助於使得視訊圖框期間所曝露之光較均勻，以便減少若(例如)僅使影像感測器之像素曝露每一圖框之前5%，則可另外發生的任何頻閃效果。然而，大體而言，脈衝式曝光並不限於在強光視訊情況下使用，且其大體上可應用於視訊或靜態成像中，及較高、中等或較低照明之條件下。
參考圖8中所展示之像素136-1、136-2、136-3、136-4，且亦參考圖9中之時序圖，可脈衝一或多個控制信號(例如，交替地提供為邏輯高179及邏輯低178，或在任何兩個或兩個以上不同電壓之間交替)以控制光電二極體154之曝光。脈衝式控制信號可為提供至防暈光閘之防暈光信號171、提供至儲存閘190之儲存閘傳送信號172、傳送信號173、大體上任何控制信號，或此等各者之一些組合。大體而言，在一些實施例中，可橫跨不同像素136-1、136-2、136-3、136-4應用相同控制信號；例如，可將單一儲存閘傳送信號應用於像素136-1、136-2、136-3、136-4中之每一者的儲存閘190。換言之，在一些實施例中，影像感測器之所有色彩通道可接收相同之曝光控制信號。在其他實例中，將不同之控制信號提供至像素136-1、136-2、136-3、136-4中之不同一者。
曝光控制信號可選擇性地導致在一或多個子曝光176期間積聚電荷，及/或導致在一或多個重設週期177期間丟棄電荷(例如，藉由將光電二極體耦接至電源供應器)。在一實例中並參考圖9，一控制信號 SG1 172-1選擇性地導致將光電二極體154中已積聚或正積聚之電荷傳送至儲存節點192以待儲存。當斷言控制信號SG1 172-1為邏輯高179時，可經由儲存閘190將光電二極體154中所產生之任何電荷傳送至儲存節點192。相反地，當將控制信號SG1 172-1提供為邏輯低時，可閉合儲存閘190，且可並不將電荷自光電二極體154傳遞至儲存節點192。再參看圖9之時序圖，另一控制信號AB1 171-1導致將光電二極體選擇性地電耦接至防暈光節點(其可為電源供應器)，使得當斷言控制信號AB1 171-1為邏輯高179時，並不積聚光電二極體中所產生之任何電荷而係丟棄該等電荷(此情況可被稱作重設週期177)。當將控制信號AB1 171-1提供為邏輯低178時，自防暈光節點解耦光電二極體，且允許在光電二極體中積聚電荷及/或另外捕獲電荷(此情況可被稱作子曝光176)。換言之，控制信號AB1 171-1可控制像素136-1之有效曝光或積累時間。
大體而言，圖框可包括任何數目之子曝光176及任何數目之重設週期177。舉例而言，可將一圖框(其可表示(例如)一單獨之靜態影像或一系列視訊影像中之一靜態影像)劃分成2個、3個、4個、10個、50個、100個、1000個、10,000個子曝光176或任何其他合適之數目，且可在傳送至浮動擴散節點163之前，將兩個或兩個以上子曝光176期間所積聚之電荷皆收集於儲存節點192中。在一些實例中，兩個或兩個以上子曝光176中之所有可具有實質上相同之持續時間176t(作為一非限制性實例，每一子曝光具有1ms之持續時間)，或可具有不同之持續時間(例如，一些子曝光較長於其他子曝光)。又，在一些實例中，子曝光176中之一或多者可具有實質上相同於一或多個重設週期177之持續時間，或子曝光176中之一或多者的持續時間176t可實質上高於或低於重設週期177中之一或多者的持續時間177t。對於一實例，重設週期177中之一者或所有可為子曝光176中之一或多者的1倍、0.5 倍、1.5倍、2倍、5倍、10倍、100倍、1000倍、10,000倍。
在已於兩個或兩個以上子曝光176之後，積聚電荷並將其傳送至儲存節點192之後，可將傳送信號TX1 173-1提供至耦接於儲存節點192與浮動擴散節點163之間的傳送閘158。在一些實施例中且參考圖8，可斷言傳送信號TX1 173-1為邏輯高179以實現傳送。因為複數個子曝光176中之每一者中所積聚的所有電荷皆收集於儲存節點192中，所以像素求和類比領域中之電荷，而非用數位方式取樣每一子曝光176期間所收集之電荷並及求和數位資料。相比於用數位方式取樣子曝光電荷且接著求和數位樣本將需要之功率，此類比領域電荷求和可要求較少之功率，且類比領域電荷求和可較準確，此係因為相比於數位取樣及求和，其可減少引入於求和中之雜訊量。
參考圖8及圖9且如先前所提及，提供至一像素136-1之控制信號AB1、SG1、TX1可實質上相同於提供至第二像素136-2之控制信號AB2、SG2、TX2、提供至第三像素136-3之控制信號AB3、SG3、TX3，及提供至第四像素136-4之控制信號AB4、SG4、TX4。可大體上以任何方式將控制信號提供至各種像素136-1、136-2、136-3、136-4。儘管圖9展示在實質上相同時間處將傳送信號TX1、TX2、TX3、TX4提供至像素136-1、136-2、136-3、136-4中之每一者，但在另一實施例中，可交錯傳送信號，以便允許共用浮動擴散節點及/或允許逐列之滾動讀取。
按每色彩通道曝光
在曝光控制之一實施例(可稱為「按每色彩通道曝光」)中，一或多個圖框之光電二極體的有效曝光可在不同色彩像素中發生變化。如上文所描述，不同之色彩像素可具有對類似強光之不同敏感性，且因此，在不同著色像素中提供不同之有效曝光時間(亦稱為積累時間)可係有利的，以有助於克服不同色彩通道像素之間的基本敏感性差異。 對於進行靜態場景之靜態影像拍攝，此方法可係尤其有用的，此係因為其未必要求如上文所解釋之脈衝式曝光，且因為待成像之物件可並不處於運動狀態。然而，大體而言，按每色彩通道曝光並不限於用於靜態場景之靜態影像，且其大體上可應用於視訊或靜態成像中，動態或靜態場景中，較高、中等或較低之照明條件下等。
參考圖8中所展示之像素136-1、136-2、136-3、136-4，且亦參考圖10中之時序圖，可將一或多個曝光控制信號提供至像素136-1、136-2、136-3、136-4中之每一者，以控制對應光電二極體154之有效曝光。曝光控制信號可為提供至防暈光閘之防暈光信號171、提供至儲存閘190之儲存閘傳送信號172、傳送信號173、大體上任何控制信號，或此等各者之一些組合。大體而言，在一些實施例中，可不能橫跨不同像素136-1、136-2、136-3、136-4提供相同之控制信號。舉例而言，可將第一儲存閘傳送信號SG1 172-1及/或第一防暈光信號AB1 171-1提供至第一像素136-1之儲存閘190及防暈光閘，同時可將第二儲存閘傳送信號SG2 172-2及/或第二防暈光信號AB2 171-2提供至第二像素136-2之儲存閘190及防暈光閘，等。
曝光控制信號可選擇性地導致積聚電荷及/或導致丟棄電荷(例如，藉由將光電二極體電耦接至電源供應器)。在一實例中且參考圖10，第一像素136-1可與第一色彩通道(例如，清透或綠色)相關聯。一控制信號AB1 171-1可導致將光電二極體選擇性地耦接至防暈光節點(其可為電源供應器)，使得當斷言控制信號AB1 171-1為邏輯高179時，並不積聚光電二極體中所產生之任何電荷而係丟棄該等電荷(此情況可被稱作重設週期177)。當將控制信號AB1 171-1提供為邏輯低178時，自防暈光節點解耦光電二極體，且允許在光電二極體中積聚電荷及/或另外捕獲電荷(此情況可被稱作光電二極體之有效曝光176)。再參看圖10之時序圖，另一控制信號SG1 172-1選擇性地導致 將光電二極體154中已積聚或正積聚之電荷傳送至儲存節點192以待儲存。當斷言控制信號SG1 172-1為邏輯高179時，可經由儲存閘190將光電二極體154中所產生之任何電荷傳送至儲存節點192，而當將控制信號SG1 172-1提供為邏輯低178時，可閉合儲存閘190，且可並不將電荷自光電二極體154傳遞至儲存節點192。
再參考圖8及圖10，將類似之曝光控制信號AB2 171-2及SG2 172-2提供至第二像素136-2，該第二像素可與不同於第一像素136-1相關聯之色彩通道的色彩通道相關聯。第二像素136-2可與(例如)紅色或藍色相關聯，或若第一像素136-1與清透色彩通道相關聯，則其可能與綠色相關聯。然而，提供至第二像素136-2之曝光控制信號AB2 171-2不同於提供至第一像素136-1之曝光控制信號AB1 171-1，此係因為提供至第二像素136-1之曝光控制信號AB2 171-2允許較長於第一像素136-1的第二像素136-2之有效曝光176。換言之，相比於曝光控制信號AB2 171-2允許在第二像素136-2之光電二極體154中積聚電荷之時間段176t，曝光控制信號AB1 171-1導致在第一像素136-1之光電二極體154中歷時較短時間段176t地積聚電荷。在一些實例中，第一及第二像素136-1、136-2積聚電荷之時間段可至少部分彼此同時，但在其他實例中可並不彼此同時。
將類似曝光控制信號之第三及第四群組提供至圖8中之第三及第四像素136-3、136-4，其中第三像素136-3之有效曝光176較長於第二像素136-2之有效曝光176，且第四像素136-4之有效曝光176較長於第三像素136-3之有效曝光176。在一些實施例中，基於所要求圖框速率或使用者所選定曝光時間，第四像素136-4之有效曝光176可與實際上可能之時間一樣長。僅作為一實例，第四像素136-4之有效曝光176可為15毫秒，且第四像素136-4可與紅色色彩通道相關聯。第三像素136-3之有效曝光176可為11毫秒，且第三像素可與藍色色彩通道相關 聯。第二像素136-2之有效曝光176可為8毫秒，且第二像素可與綠色色彩通道相關聯。第一像素之有效曝光176可為3毫秒，且第一像素可與清透色彩通道相關聯。大體而言，可基於與不同像素136-1、136-2、136-3、136-4相關聯的不同色彩通道之相對敏感性，判定不同像素136-1、136-2、136-3、136-4之有效曝光176的持續時間。在一些實例中，判定有效曝光176之持續時間可包括：設定最不敏感色彩通道像素，以具有與所允許之時間一樣長的有效曝光時間；且接著基於彼等其他色彩通道相對於最不敏感色彩通道之敏感性，減少其他色彩通道像素，以具有較短之有效曝光時間。又，若該等像素中之兩者與相同色彩通道相關聯，則其可具有類似之有效曝光時間。
在每一各別有效曝光時間已結束之後，曝光控制信號AB1 171-1、AB2 171-2、AB3 171-3、AB4 171-4中之一些可導致自像素136-1、136-2、136-3、136-4之各別光電二極體154排出電荷，或丟棄電荷。舉例而言，參考圖10中之第一像素136-1，在光電二極體154之有效曝光176之後，曝光控制信號SG1 172-1可轉變至邏輯低178，且控制信號AB1可轉變至邏輯高179。將控制信號AB1 171-1提供為邏輯高可結束有效曝光176，並誘發排出第一像素136-1之光電二極體154中所進一步產生的電荷，其中在第一像素136-1之有效曝光週期結束之後，但在第二像素136-2之有效曝光結束之前開始排出。換言之，在自第一像素136-1之光電二極體154排去所產生電荷時，第二像素136-2之光電二極體154可繼續保持為經有效地曝露並積聚電荷。
在已積聚電荷並將其傳送至像素136-1、136-2、136-3、136-4中之每一者中的儲存節點192之後，可將傳送信號173提供至耦接於儲存節點192與每一像素之浮動擴散節點163之間的傳送閘158，如圖10中所說明。可將傳送信號173斷言為邏輯高179以實現傳送。在圖8及圖10中所說明之全域快門實施中，即使不同像素136-1、136-2、136-3、 136-4之有效曝光176可跨越不同時間，並具有不同之有效曝光持續時間(雖然至少在如圖10中所說明的第一像素136-1之有效曝光176期間，可實質上同時有效地曝露每一像素136-1、136-2、136-3、136-4)，但所積聚電荷自每一各別儲存節點至每一各別浮動擴散節點之全域傳送可實質上同時發生(例如，可為全域傳送)。然而，在另一實施例中，可交錯提供至像素136-1、136-2、136-3、136-4之傳送信號TX1 173-1、TX2 173-2、TX3 173-3、TX4 173-4，以便允許共用浮動擴散節點及/或允許逐列之滾動讀取。
如上文所提及，本文中所描述之曝光控制方法中的任一者可適用於任何類型之影像感測器架構，包括滾動快門及全域快門兩者。參考圖5、圖7及圖11，(例如)若在具有滾動快門之影像感測器中使用按每色彩通道曝光，則提供至傳送閘158之信號173可充當防暈光信號、儲存信號、傳送信號等中之一或多者的組合，其中以複數個不同電壓位準提供信號。舉例而言，當信號173為強負向178(例如，-1.2伏)時，其可充當積累信號，使得光電二極體154與浮動擴散節點163隔離；當該信號為強正向179(例如，+2.8伏)時，其可充當傳送信號，使得將光電二極體154中所積聚之電荷傳送至浮動擴散節點163；且當該信號為略微正向180(例如，+0.2伏)時，其可充當防暈光信號，此係因為其係略微洩漏的。
參看圖11中所說明之時序圖，在一些實施例中，可將重設信號RST1 174-1作為邏輯高179而提供至第一像素136-1(其可為清透或其他敏感像素色彩)之重設閘156，而以略微正電壓180將傳送信號TX1 173-1提供至傳送閘158，以便漏泄掉所積聚電荷(亦即，以防止暈光)。可將傳送信號TX1 173-1脈衝為邏輯高179，且接著將其提供為處於強負電壓之邏輯低178。大約在傳送信號TX1 173-1轉變至邏輯低178之相同時間處，重設信號RST1亦可轉變至邏輯低178。接著，此 情況可開始曝光或積累第一像素136-1。緊接著第一像素136-1之曝光結束之前，可將重設信號RST1短暫地脈衝為邏輯高179且接著脈衝回邏輯低178，以便重設浮動擴散節點163，並(視情況)讀出經重設浮動擴散節點中之電壓。接著，將傳送信號TX1 173-1脈衝為邏輯高179，接著脈衝回邏輯低178，以便將電荷傳送至浮動擴散節點163並讀出該電荷。接著，將傳送信號TX1 173-1設定為略微正電壓180，以便再次進入防暈光模式。除了彼等像素可歷時不同之時間量保持處於防暈光模式之外，可將類似之控制信號提供至其他像素136-2、136-3、136-4，其中將略微正電壓180提供至傳送閘158。舉例而言，第二像素136-2可歷時略微少於第一像素136-1之時間的時間保持處於防暈光模式，其中第三及第四像素136-3、136-4歷時甚至較少之時間保持處於防暈光模式。若在實質上相同時間處讀出像素136-1、136-2、136-3、136-4中之所有(如圖11中所說明)，則由於略微洩漏之防暈光電壓180提供至傳送閘158的不同時間量，像素136-1、136-2、136-3、136-4之有效曝光176t將不同。以此方式，相比於較敏感像素(例如，136-1)，可歷時較長之時間段176t曝露較不敏感像素(例如，136-4)，使得較敏感像素並不過度充滿電荷。此外，因為在並未曝露像素時，將防暈光電壓180提供至該等像素，所以可減少或消除防暈光。
現參考圖10及圖11，將理解，對另一信號「之前」或「之後」之信號的參考係相對的，且一些實施例可包括經切換之上下文中所提供的信號。舉例而言，儘管圖10說明在實質上相同時間處開始像素136-1、136-2、136-3、136-4中之每一者的曝光週期176，並在交錯時間處結束像素136-1、136-2、136-3、136-4之曝光週期(例如，第一像素136-1在第二像素136-2結束其曝光之前結束其曝光等)，但在另一實例中，像素136-1、136-2、136-3、136-4在交錯時間處開始曝光週期176，並在實質上相同時間處結束曝光週期176，如圖11中之滾動快門 實例中所說明。大體而言，像素136-1、136-2、136-3、136-4之曝光週期176可以各種各樣之組合在彼此「之前」或「之後」開始或結束，以實現所描述之操作及結果。
脈衝式按每色彩通道曝光
曝光控制之一其他實施例(稱為「脈衝式按每色彩通道曝光」)可在某些程度上組合「脈衝式曝光」控制與「按每色彩通道曝光」控制兩者之元素。更特定言之，在脈衝式按每色彩通道曝光控制中，可將一或多個圖框之總有效曝光劃分或分割成用於一或多個色彩通道中之像素的複數個子曝光，其中歸因於每一色彩通道之不同敏感性，不同色彩通道之間的子曝光之持續時間不同。對於一色彩通道(例如，最不敏感色彩通道(諸如，紅色))，可在一些實例中並不劃分或分割曝光。此情況可允許最不敏感色彩通道超過最大可能時間量地積聚電荷(基於(例如)圖框速率、使用者所選定曝光持續時間等)，同時將其他色彩通道之曝光分割成複數個子曝光。子曝光可跨越相同於最不敏感通道之曝光的絕對時間，但取決於色彩通道敏感性，其可將各別光電二極體154有效地曝露不同持續時間或時間量。對於進行動態場景之視訊或靜態拍攝(例如，其中待成像之物件正移動)而言，此方法可係尤其有用的。如同脈衝式曝光，將曝光劃分成多個子曝光可有助於使得視訊圖框期間所曝露之光較均勻，以便減少若(例如)僅使影像感測器之像素曝露每一圖框之一些部分，則可另外發生的任何頻閃效果，同時類似於按每色彩通道曝光，基於各別光電二極體154對不同波長之光的敏感性，補償不同像素色彩通道之曝光。然而，大體而言，脈衝式按每色彩通道曝光並不限於在任何特定情況下使用，且其大體上可應用於任何視訊或靜態成像應用中。
參考圖8中所展示之像素136-1、136-2、136-3、136-4，且亦參考圖12中之時序圖，可脈衝一或多個控制信號(例如，交替地提供為邏 輯高179及邏輯低178，或在任何兩個或兩個以上不同電壓之間交替)，以控制光電二極體154之曝光，其中將不同控制信號提供至不同色彩通道中之像素136-1、136-2、136-3、136-4，使得不同色彩通道中之光電二極體154的有效曝光具有不同持續時間176t。如同上文，控制信號可為提供至防暈光閘之防暈光信號171、提供至儲存閘190之儲存閘傳送信號172、提供至儲存閘之傳送信號173、大體上任何控制信號，或此等各者之一些組合。亦如同上文，控制信號可選擇性地導致在一或多個子曝光176(或最不敏感色彩通道之唯一曝光176)期間積聚電荷，及/或導致在一或多個重設週期177期間丟棄電荷。
再參看圖8及圖12，第一像素136-1可為最敏感像素，其中，第二像素136-2較不敏感於第一像素136-1，第三像素136-3較不敏感於第二像素136-2，且第四像素與最不敏感色彩通道相關聯。參看圖11中之時序圖中所說明的控制信號AB1 171-1及SG1 172-1，第一像素136-1之光電二極體154可在第一複數個子曝光176期間選擇性地積聚電荷，其中子曝光176大體上為將AB1信號171-1提供為邏輯低178之時間段。在第一複數個子曝光176中之每一者之後或期間，可回應於控制信號SG1 172-1之邏輯高179脈衝，經由儲存閘190將光電二極體154中所積聚之電荷傳送至各別儲存節點192。除了其可分別為子曝光176提供較長持續時間之外，提供至第二及第三像素136-2、136-3之控制信號AB2、SG2、AB3、SG3可類似於提供至第一像素136-1之彼等。又，可將控制信號AB4、SG4提供至第四像素136-4，使得僅一次有效地曝露176第四像素。
作為一實例，第四像素136-4可與紅色色彩通道相關聯，且在單一曝光176中可共曝露28毫秒。第三像素136-3可與藍色色彩通道相關聯，且在各自3毫秒之七個子曝光176期間可總共曝露21毫秒。第二像素136-2可與綠色色彩通道相關聯，且在各自2毫秒之七個子曝光176 期間可總共曝露14毫秒。第一像素136-1可與清透色彩通道相關聯，且在各自1毫秒之七個子曝光176期間可總共曝露7毫秒。當然，僅僅藉由實例給出此等時間，且不同色彩通道之間可存在不同數目(例如，2、3、4、10、50、100、1000、10,000)之子曝光176、不同色彩通道之間的子曝光176持續時間無需為彼此之整數倍、每一像素或色彩通道內之子曝光176的持續時間無需相同等。又，在一些實例中，諸如具有傳統拜耳圖案之影像感測器，像素136-1、136-2、136-3、136-4中之兩者或多者可具有相同之曝光或子曝光持續時間，且每一像素或每一色彩通道無需必須不同於其他像素或色彩通道。
如同脈衝式曝光，在已積聚電荷並將其傳送至每一各別像素136-1、136-2、136-3、136-4中之儲存節點192之後，可將傳送信號173提供至耦接於儲存節點192與每一各別像素136-1、136-2、136-3、136-4之浮動擴散節點163之間的傳送閘158。可將傳送信號173斷言為邏輯高179以實現傳送，且在一實施例中，可在實質上相同時間處將該信號提供至像素136-1、136-2、136-3、136-4中之所有，或可如上文參考圖9及圖10所描述地交錯該信號。因為複數個子曝光中之每一者中所積聚的所有電荷皆收集於儲存節點192中，所以像素求和類比領域中之電荷，如上文所描述。
結論
前述描述具有廣泛應用。舉例而言，雖然本文中所揭示之實例可聚焦於影像感測器之特定架構(例如，光電二極體、全域快門、滾動快門、CMOS感測器等)，但應瞭解，本文中所揭示之概念可同樣適用於實質上任何其他類型之影像感測器(在存在或不存在適當修改下)，如由影像感測器之熟習此項技術者將瞭解。此外，儘管已參考特定色彩通道或特定曝光時間描述某些實例，但將理解，其他色彩通道及其他曝光時間亦屬於本發明及所附申請專利範圍之範疇內。
此外，本文中所描述之各種曝光控制方法可應用於許多不同實施。舉例而言，可回應於製造商設定而實施曝光控制方法中之一或多者，以(例如)對不同色彩通道，使用具有某些相對有效曝光持續時間之按每色彩通道曝光，或當待成像強光場景時，使用脈衝式曝光控制。在其他實例中，可回應於使用者改變影像感測器之可組態設定而實施本文中所描述之控制方法。在某些實施例中，使用者可組態設定可在感測器內提供各種特殊效果。在再其他實例中，可基於待獲取影像之預覽圖框或由影像感測器所捕獲之最近影像，動態地使用及/或修改曝光控制方法。舉例而言，當進行靜態拍攝時，可以預覽模式操作影像感測器，以判定待使用之適當有效曝光控制方法及待使用之特定參數(例如，子曝光之長度、特定色彩通道之總有效持續時間等)。作為另一實例，當藉由影像感測器獲取視訊時，可基於分析當前或最近圖框之直方圖或其他特性，判定待用於未來圖框中之曝光控制類型及彼控制之參數。作為又一實例，本文中所描述之有效曝光控制方法中的任何一或多者可用於交插式成像，例如，交插式高動態範圍成像中(i-HRD)，單一影像感測器可實質上同時捕獲兩個或兩個以上影像(對於兩個影像，奇數列可藉由第一有效曝光時間捕獲影像而偶數列藉由第二不同有效曝光時間捕獲相同場景之影像)。
又，可以任何適當方式將本文中所描述之各種控制信號提供至像素及像素之控制電路，包括藉由使用多工器或影像感測器內或外部之其他電子電路。
因此，任何實施例之論述僅意欲為例示性的，且並不意欲表明本發明之範疇(包括申請專利範圍)限於此等實例。
136‧‧‧像素/全域快門像素
140‧‧‧行選擇
144‧‧‧列選擇
146‧‧‧行輸出線
148‧‧‧列選擇線
152‧‧‧電晶體陣列/控制電路
154‧‧‧光電二極體
156‧‧‧重設閘
158‧‧‧傳送閘
160‧‧‧源極隨耦(SF)閘
162‧‧‧列選擇閘
163‧‧‧浮動擴散(FD)節點/浮動擴散區
164‧‧‧參考電壓節點
166‧‧‧參考電壓源(VDD)
168‧‧‧電荷儲存組件

Claims (39)

  1. 一種操作一影像感測器之方法，其包含：回應於一第一控制信號，將在一第一子曝光期間在一光電二極體中所積聚之電荷選擇性地儲存於一儲存節點中；回應於一第二控制信號，選擇性地丟棄在一第一重設週期期間在該光電二極體中所積聚之電荷，其中該第一子曝光之一第一持續時間小於該第一重設週期之一第二持續時間；回應於該第一控制信號，將在一第二子曝光期間在該光電二極體中所積聚之電荷選擇性地儲存於該儲存節點中；及回應於一第三控制信號，將該儲存節點中所儲存之來自該第一子曝光及該第二子曝光的電荷傳送至一浮動擴散節點。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一控制信號包含提供至耦接於該光電二極體與該儲存節點之間的一儲存閘之一傳送信號。
  3. 如請求項2之方法，其中該第二控制信號包含提供至耦接至該光電二極體之一防暈光閘之一防暈光信號。
  4. 如請求項2之方法，其中該第二控制信號為提供至該儲存閘之該傳送信號。
  5. 如請求項2之方法，其中該第三控制信號包含提供至耦接於該儲存節點與該浮動擴散節點之間的一傳送閘之一傳送信號。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包含回應於該第一控制信號，將在第三子曝光及第四子曝光期間在該光電二極體中所積聚之電荷選擇性地儲存於該儲存節點中，該第一子曝光、該第二子曝光、該第三子曝光及第四子曝光對應於該影像感測器之一單一圖框。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包含回應於一重設信號，在該第一 重設週期期間重設該光電二極體。
  8. 如請求項1之方法，其中各別第一子曝光及第二子曝光之一各別持續時間實質上相同。
  9. 如請求項1之方法，其中該第二子曝光之一第三持續時間大於或實質上相同於該第一重設週期之該第二持續時間。
  10. 如請求項1之方法，其中該第二持續時間為該第一持續時間之至少5倍。
  11. 一種影像感測器像素，其包含：一光電二極體；一儲存節點；一儲存閘，其耦接於該光電二極體與該儲存節點之間，該儲存閘選擇性地接收一曝光控制信號並回應於該曝光控制信號；一浮動擴散節點；一防暈光閘，其耦接至該光電二極體，且該防暈光閘選擇性地接收一防暈光控制信號，並回應該防暈光控制信號；一傳送閘，其耦接於該儲存節點與該浮動擴散節點之間，該傳送閘選擇性地接收一傳送控制信號並回應於該傳送控制信號；及控制電路，其經組態以將該防暈光閘控制信號提供至該防暈光閘，使得積聚於該光電二極體中之電荷被丟棄，該控制電路經組態以將該曝光控制信號提供至該儲存閘，使得在每一子曝光之後或期間，將在複數個子曝光期間在該光電二極體中所積聚之電荷傳送至該儲存節點，該控制電路進一步經組態以在該複數個子曝光之後將該傳送控制信號提供至該傳送閘，使得將該儲存節點中所儲存之電荷傳送至該浮動擴散節點，其中至少一子曝光的一持續時間小於至少一電荷丟棄週期之一持續時 間。
  12. 如請求項11之影像感測器像素，其中在電及光學上屏蔽該儲存節點。
  13. 如請求項11之影像感測器像素，其中該影像感測器像素與一第一色彩通道相關聯，進一步其中與一不同色彩通道相關聯之另一影像感測器像素與該影像感測器像素接收相同之防暈光、曝光及傳送控制信號。
  14. 一種操作一影像感測器之方法，其包含：回應於一第一曝光控制信號，在一第一時間段期間，在與一第一色彩通道相關聯之一第一光電二極體中選擇性地積聚電荷；及回應於一第二曝光控制信號，在一第二時間段期間，在與一第二色彩通道相關聯之一第二光電二極體中選擇性地積聚電荷；其中在第一時間段期間開始前但在該第二時間段已開始之後，自該第一光電二極體排去電荷，及其中該第一色彩通道不同於該第二色彩通道，且該第一時間段比該第二時間段短，該第一時間段及該第二時間段至少部分彼此同時。
  15. 如請求項14之方法，其中回應於將一防暈光信號提供至耦接至該第一光電二極體之一傳送閘，排去該電荷。
  16. 如請求項14之方法，其中在第一光電二極體開始積聚電荷時，該第二光電二極體繼續積聚電荷。
  17. 如請求項14之方法，其進一步包含在實質上相同於將電荷自該第二二極體傳送至一第二浮動擴散或儲存節點之時間，將該所積聚電荷自該第一光電二極體傳送至一第一浮動擴散或儲存節 點。
  18. 如請求項14之方法，其進一步包含在於該第一時間段及該第二時間段期間積聚電荷之前，回應於一重設信號而重設該第一光電二極體及該第二光電二極體。
  19. 一種影像感測器，其包含：一第一像素，其與一第一色彩通道相關聯，且經組態以回應於一第一控制信號在一第一時間段中積聚電荷；一第二像素，其與一第二色彩通道相關聯，且經組態以回應於一第二控制信號在一第二時間段中積聚電荷；及一傳送閘，其經組態回應於一防暈光信號以將電荷自該第一像素排出，其中在第一時間段期間開始前但在該第二時間段已開始之後，該防暈光信號被施於該傳送閘以使電荷自該第一像素排出，且其中該第一色彩通道不同於該第二色彩通道，且該第一時間段比該第二時間段短。
  20. 如請求項19之影像感測器，其中該第一色彩通道係清透的且該第二色彩通道係綠色的。
  21. 如請求項19之影像感測器，其中該第一色彩通道係綠色的且該第二色彩通道係紅色的。
  22. 如請求項19之影像感測器，其中該傳送閘包含經組態以回應於該防暈光信號自該第一像素排去電荷之一防暈光閘。
  23. 如請求項19之影像感測器，其中該防暈光閘包含耦接於該光電二極體與一浮動擴散節點或一儲存節點之間的一傳送閘。
  24. 如請求項19之影像感測器，其中該第一像素為一全域快門像素且包含一儲存節點。
  25. 如請求項19之影像感測器，其中該第一像素為一滾動快門像素。
  26. 如請求項19之影像感測器，其進一步包含用於提供該第一控制信號及該第二控制信號之控制電路，該控制電路包含一或多個多工器，該一或多個多工器經組態以將複數個電壓位準中之一者選擇性地提供為該第一控制信號或該第二控制信號。
  27. 一種操作一影像感測器之方法，其包含：在第一複數個子曝光期間，在與一第一色彩通道相關聯之一第一光電二極體中選擇性地積聚電荷；回應於一第一控制信號，將在該第一複數個子曝光中之每一者期間在該第一光電二極體中所積聚之電荷選擇性地傳送至一第一節點；在第二複數個子曝光期間，在與一第二色彩通道相關聯之一第二光電二極體中選擇性地積聚電荷；回應於一第二控制信號，將在該第二複數個子曝光中之每一者期間在該第一光電二極體中所積聚之電荷選擇性地傳送至一第二節點；及回應於一第三控制信號，選擇性地將在複數個重設週期期間積聚於該第一光電二極體中的電荷丟棄，一重設週期發生於該第一複數個子曝光的每一子曝光之後，其中該第一複數個子曝光中之至少一子曝光的一持續期間係小於該複數個重設週期中之至少一重設週期的一持續期間，且其中該第一色彩通道不同於該第二色彩通道，且該第一複數個子曝光中之至少一者比該第二複數個子曝光中之至少一者短，該第一複數個曝光及該第二複數個曝光係至少部分同時的。
  28. 如請求項27之方法，其中以一交插式高動態範圍模式操作該影 像感測器，且該第一色彩通道與形成一第一影像的一第一集合之像素相關聯，且該第二色彩通道與形成一第二影像的一第二集合之像素相關聯，由該影像感測器在實質上重疊之時間獲得該第一影像及該第二影像。
  29. 如請求項27之方法，其中該影像感測器具有一滾動快門架構。
  30. 如請求項27之方法，其中該影像感測器具有一全域快門架構。
  31. 如請求項27之方法，其中以一視訊模式操作該影像感測器。
  32. 如請求項27之方法，其中該第一節點及該第二節點分別包含第一儲存節點及第二儲存節點。
  33. 一種操作一影像感測器之方法，其包含：將與一第一色彩通道相關聯的一第一像素之一第一曝光分割成第一複數個子曝光，該第一複數個子曝光中之每一者具有一各別持續時間；將與一第二色彩通道相關聯的一第二像素之一第二曝光分割成第二複數個子曝光，該第二複數個子曝光中之每一者具有一各別持續時間；及丟棄在複數個重設週期中積聚於該第一像素中之該電荷，一重設週期發生於該第一複數個子曝光的每一子曝光之後，其中該第一複數個子曝光中之至少一子曝光的一持續期間小於該複數個重設週期中之至少一重設週期之一持續期間，且其中該第一複數個子曝光中之至少一者的該持續時間比該第二複數個子曝光中之至少一者的該持續時間短。
  34. 如請求項33之方法，其中該第一複數個子曝光全部實質上具有一第一持續時間，且該第二複數個子曝光全部實質上具有一第二持續時間，該第一持續時間比該第二持續時間短。
  35. 如請求項33之方法，其中該第一色彩通道係清透或綠色的，且 該第二通道係紅色或藍色的。
  36. 如請求項33之方法，其中並不分割與一第三色彩通道相關聯的一第三像素之一第三曝光。
  37. 如請求項36之方法，其中該第三色彩通道係紅色的。
  38. 如請求項36之方法，其中基於該第一色彩通道及該第二色彩通道相對於該第三色彩通道之敏感性，判定該第一複數個子曝光及該第二複數個子曝光之該等各別持續時間。
  39. 如請求項33之方法，其進一步包含類比求和一第一儲存節點中的在該第一複數個子曝光中之每一者中所積聚之電荷，及類比求和一第二儲存節點中的在該第二複數個子曝光中之每一者中所積聚之電荷。
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