TWI565324B - 分離像素高動態範圍感測器 - Google Patents

分離像素高動態範圍感測器 Download PDF

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TWI565324B
TWI565324B TW104100798A TW104100798A TWI565324B TW I565324 B TWI565324 B TW I565324B TW 104100798 A TW104100798 A TW 104100798A TW 104100798 A TW104100798 A TW 104100798A TW I565324 B TWI565324 B TW I565324B
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船津英一
莫要武
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豪威科技股份有限公司
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Description

分離像素高動態範圍感測器 [相關申請案的交叉參考]
本申請案主張2014年1月10日提出申請之美國臨時申請案第61/925,840號之權益
本發明一般而言係關於影像感測器，且更具體而言，本發明係關於高動態範圍影像感測器。
標準影像感測器具有約60dB至70dB之一有限動態範圍。然而，現實世界之明度動態範圍要大得多。自然景象通常跨越90dB及90dB以上之一範圍。為同時擷取強光及陰影，已在影像感測器中使用HDR技術來增大所擷取動態範圍。用於增大動態範圍之最常見技術為將用標準(低動態範圍)影像感測器擷取之多個曝光合併至一單個線性HDR影像中，此具有比一單個曝光影像大得多之動態範圍。
最常見之HDR感測器解決方案中之一者將為使多個曝光進入至一個單個影像感測器中。在具有不同曝光積分時間或不同敏感度(舉例而言藉由插入中性密度濾光器)之情況下，一個影像感測器可在一單個影像感測器中具有2個、3個、4個或甚至更多不同曝光。使用此HDR影像感測器，在一單次拍攝中可獲得多個曝光影像。然而，與一正常全解析度影像感測器相比，使用此HDR感測器降低總體影像解析度。舉例而言，對於在一個影像感測器中組合4個不同曝光之一HDR 感測器，每一HDR影像將僅為全解析度影像之四分之一解析度。
105A‧‧‧像素陣列
105B‧‧‧色彩像素陣列/像素陣列
210‧‧‧像素
212‧‧‧光偵測器PD1
214‧‧‧光偵測器PD2
216‧‧‧光偵測器PD3
218‧‧‧光偵測器PD4
222‧‧‧轉移電晶體
224‧‧‧轉移電晶體
226‧‧‧轉移電晶體
228‧‧‧轉移電晶體
230‧‧‧共用浮動擴散節點/浮動擴散節點/浮動擴散部
232‧‧‧重設電晶體
234‧‧‧放大器電晶體/源極隨耦器耦合之電晶體/源極隨耦器電晶體
236‧‧‧列選擇電晶體
238‧‧‧輸出位元線
315‧‧‧時序圖
322‧‧‧TX1信號
324‧‧‧TX2信號
326‧‧‧TX3信號
328‧‧‧TX4信號
332‧‧‧RST信號
336‧‧‧列選擇(RS)信號
340‧‧‧SHR信號
342‧‧‧SHS1信號
344‧‧‧SHS2信號
405‧‧‧色彩像素陣列
500‧‧‧成像系統
505‧‧‧色彩像素陣列/像素陣列
510‧‧‧讀出電路
515‧‧‧功能邏輯
520‧‧‧控制電路
C1至Cx‧‧‧行
FD‧‧‧浮動擴散部
P1至Pn‧‧‧像素/像素單元
R1至Ry‧‧‧列
SF‧‧‧源極隨耦器
t1‧‧‧時間
t2‧‧‧時間
t3‧‧‧時間
t4‧‧‧時間
t5‧‧‧時間
t6‧‧‧時間
t7‧‧‧時間
t8‧‧‧時間
t9‧‧‧時間
參看以下各圖闡述本發明之非限制性及非詳盡實施例，其中除非另外指定，否則貫穿各視圖相似元件符號係指相似部分。
圖1A係圖解說明一實例色彩像素陣列之一部分之一圖式。
圖1B係圖解說明根據本發明之教示之一實例色彩像素陣列之一部分之一圖式，在該色彩像素陣列中每一像素包含複數個子像素以提供高動態範圍(HDR)成像。
圖2係展示根據本發明之教示之具有複數個子像素以提供HDR成像之一像素之電路之一電路圖。
圖3係圖解說明根據本發明之教示之在具有複數個子像素以提供HDR成像之一像素之實例電路中發現之信號之一實例關係之一時序圖。
圖4係圖解說明根據本發明之教示之另一實例色彩像素陣列之一部分之一圖式，其中每一像素包含複數個子像素以提供HDR成像。
圖5係圖解說明根據本發明之教示之包含一色彩像素陣列之一成像系統之一項實例之一圖式，在該色彩像素陣列中每一像素包含複數個子像素。
貫穿圖式之數個視圖對應參考字元指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係出於簡化及清楚目的而圖解說明且未必係按比例繪製。舉例而言，圖中之元件中之一些元件之尺寸可能相對於其他元件被誇大以幫助改良對本發明之各種實施例之理解。並且，通常未描繪在一商業可行實施例中有用或有必要之常見而容易理解之元件，以促進更容易地查看本發明之此等各種實施例。
在以下闡述中，陳述眾多特定細節以提供對本發明之一透徹理 解。然而，熟習此項技術者將明白，不需要採用該特定細節實踐本發明。在其他情況下，尚未詳細闡述熟知材料或方法以避免混淆本發明。
貫穿本說明書之對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意謂結合該實施例或實例闡述之一特定特徵、結構或特性包含在本發明之至少一項實施例中。因此，貫穿本說明書之各處出現之片語「在一項實例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」未必全都係指同一實施例或實例。此外，在一或多項實施例或實例中，可以任何適合組合或子組合來組合特定特徵、結構或特性。特定特徵、結構或特性可包含在一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所闡述功能性之其他適合組件中。此外，應瞭解，本文提供之圖係用於向熟習此項技術者解釋之目的且圖式未必係按比例繪製。
根據本發明之教示之實例闡述根據本發明之教示之色彩像素陣列，在該像素陣列中每一像素包含複數個子像素以提供HDR成像。在一項實例中，在一單個積分時間或一單個曝光之後讀出每一像素，在該時間期間在每一子像素之每一光偵測器中光生電荷載流子。在積分時間之後，讀出每一像素，其係藉由將電荷自複數個子像素之一第一部分之光電二極體轉移至共用浮動擴散節點以產生一第一輸出信號。然後，將電荷自複數個子像素之一第二部分之光電二極體轉移至共用浮動擴散節點以產生一第二輸出信號。在一項實例中，根據本發明之教示，第一輸出信號可用於較亮光條件，而第二輸出信號可用於較低光條件以達成一HDR成像感測器。
為圖解說明，圖1A係圖解說明一實例像素陣列105A之一部分之一圖式。在所描繪之實例中，像素陣列105A為具有一拜耳(Bayer)濾光器圖案之一色彩像素陣列，其中存在交替之綠色(G)及紅色(R)像素 列與藍色(B)及綠色(G)像素列以感測色彩影像。
圖1B係圖解說明一實例像素陣列105B之一部分之一圖式，實例像素陣列105B類似於圖1A之像素陣列105A，惟在圖1B之像素陣列105B中，像素中之每一者包含全部具有相同彩色濾光器之複數個子像素。舉例而言，如圖1B中描繪之實例中所展示，每一綠色(G)像素具有複數個綠色(G)子像素，每一紅色(R)像素具有複數個紅色(R)子像素，且每一藍色(B)像素具有複數個藍色(B)子像素。在該實例中，每一像素之複數個子像素配置成具有與一常規像素相同之大小之一叢集。應注意，在圖1B中圖解說明之特定實例中，出於解釋目的，每一像素包含一2×2子像素叢集。當然，將瞭解，在其他實例中，根據本發明之教示，叢集可具有與圖1B中圖解說明之2×2子像素叢集相比更多或更少數目個子像素。
圖2係展示根據本發明之教示之具有複數個子像素以提供HDR成像之像素210之電路之一電路圖。在圖2中描繪之特定實例中，像素210具有四個子像素，其在一項實例中，像素210可對應於上文圖1B中圖解說明之子像素之2×2叢集，其中每一子像素具有相同彩色濾光器(例如，紅色(R)、綠色(G)或藍色(B))。
在圖2中展示之實例中，像素210之複數個子像素中之每一者具有一單獨光偵測器及轉移電晶體，但全部共用同一浮動擴散節點、重設電晶體、放大器電晶體及列選擇電晶體。具體而言，如所描繪之實例中展示，一第一子像素包含耦合至以一TX1信號控制之一轉移電晶體222之光偵測器PD1 212，一第二子像素包含耦合至以一TX2信號控制之一轉移電晶體224之光偵測器PD2 214，一第三子像素包含耦合至以一TX3信號控制之一轉移電晶體226之光偵測器PD3 216，且一第四子像素包含耦合至以一TX4信號控制之一轉移電晶體228之光偵測器PD4 218。所有複數個子像素之各別轉移電晶體222、224、226及228 耦合至同一共用浮動擴散(FD)節點230，浮動擴散(FD)節點230亦耦合至以RST信號控制之一重設電晶體232。浮動擴散(FD)節點230亦耦合至一放大器電晶體234之控制端子，在圖2中，放大器電晶體234為使其閘極端子耦合至浮動擴散部(FD)230之源極隨耦器(SF)耦合之電晶體234。根據本發明之教示，以RS信號控制之列選擇電晶體236耦合在源極隨耦器(SF)電晶體234之輸出源極端子與像素210之輸出位元線238之間，透過輸出位元線238讀出像素210之輸出信號。
圖3係圖解說明根據本發明之教示之在具有複數個子像素以提供HDR成像之一像素(例如，圖2之像素210)之實例電路中發現之信號之一實例關係之一時序圖315。特定而言，圖3之實例時序圖315圖解說明根據本發明之教示之讀出像素(例如，圖2之像素210)以在具有與一2×2叢集相同之大小之一常規像素之相同低光敏感度之情況下達成HDR效能之一項實例。舉例而言，在時間t1處，起始列選擇(RS)336以開始讀出程序且加脈衝於RST信號332以重設浮動擴散(FD)節點230。在時間t2處，在加脈衝於SHR信號340之情況下對浮動擴散(FD)節點230上之信號進行取樣以產生一重設輸出樣本信號。
繼續圖3中描繪之實例，然後將在複數個子像素之一第一部分中光生之電荷載流子轉移至共用浮動擴散(FD)節點230。在各種實例中，複數個子像素之第一部分可包含像素之一或多個子像素。在圖3中描繪之特定實例中，複數個子像素之第一部分為一個像素，其對應於光偵測器PD1 212。因此，在時間t4處加脈衝於TX1信號322以加脈衝於耦合至光偵測器PD1 212之轉移電晶體222之閘極，此致使光偵測器PD1 212中之光生電荷載流子被轉移至共用浮動擴散(FD)節點230。在時間t5處，再次在加脈衝於SHS1信號342之情況下對浮動擴散(FD)節點230上之信號進行取樣以產生一第一輸出樣本信號。
繼續圖3中描繪之實例，然後將在複數個子像素之一第二部分中 光生之電荷載流子轉移至共用浮動擴散(FD)節點230以將共用浮動擴散(FD)節點230進一步充電。在各種實例中，複數個子像素之第二部分可包含像素之一或多個子像素。在圖3中描繪之特定實例中，複數個子像素之第二部分為三個子像素或其餘子像素，其對應於光偵測器PD2 214、PD3 216及PD4 218。因此，在時間t7處加脈衝於TX2 324、TX3 326及TX4 328信號以加脈衝於耦合至光偵測器PD2 214、PD3 216及PD4 218之各別轉移電晶體224、226及228之閘極，此致使光偵測器PD2、PD3及PD4中之光生電荷載流子被轉移至共用浮動擴散(FD)節點230以將浮動擴散(FD)節點230進一步充電。在時間t8處，然後再次在加脈衝於SHS2信號344之情況下對浮動擴散(FD)節點230上之信號進行取樣以產生一第二輸出樣本信號。
因此，在亮光條件中，可基於重設輸出樣本信號與第一輸出樣本信號之間的差異而判定一第一輸出信號。換言之，根據本發明之教示，等於重設輸出樣本信號減去第一輸出樣本信號之一第一輸出信號可用於亮光條件。在低光條件中，可基於重設輸出樣本信號與第二輸出樣本信號之間的差異而判定一第二輸出信號。換言之，根據本發明之教示，等於重設輸出樣本信號減去第二輸出樣本信號之一第二輸出信號可用於低光條件。
因此，應瞭解，根據本發明之教示，使用藉由對像素及子像素使用相同單個積分時間或單個曝光之上文所闡述結構及技術來達成HDR成像，此因此達成像素之動態範圍之一增大而不遭受由多個曝光導致之重影或閃光問題。
圖4係圖解說明根據本發明之教示之另一實例色彩像素陣列405之一部分之一圖式，在色彩像素陣列405中每一像素包含複數個子像素以提供HDR。應瞭解，圖4之色彩像素陣列405與圖1B之色彩像素陣列105B共用許多類似性。一個差異為：色彩像素陣列405中之每一 像素包含透明(C)子像素。舉例而言，在色彩像素陣列405中，每一像素之兩個對角子像素改變為透明(C)像素，如所展示。在一項實例中，應瞭解，可將兩對交叉對角子像素加總在一起以提供一快速加總/合併感測器輸出。在該實例中，可存在來自RBG像素之一個RGB平面及來自透明像素之1個單平面。在一項實例中，此兩個平面之中心可恰好重疊。在一項實例中，根據本發明之教示，利用色彩像素陣列405之一感測器可藉由調整透明(C)像素及RGB像素之曝光時間以及藉由調整透明(C)像素及RGB像素之類比增益而提供高級HDR特徵。在一項實例中，可用(例如)圖4中展示之RGBC像素進一步增大動態範圍，其中與RGB像素相比，透明(C)像素之敏感度大於2.0。
圖5係圖解說明根據本發明之教示之包含一色彩像素陣列505之一成像系統500之一項實例之一圖式，在色彩像素陣列505中每一像素包含複數個子像素。如所描繪之實例中展示，成像系統500包含耦合至控制電路520及讀出電路510之像素陣列505，讀出電路510耦合至功能邏輯515。
在一項實例中，像素陣列505為影像感測器像素單元(例如，像素P1、P2、P3、……、Pn)之一個二維(2D)陣列。應注意，像素陣列505中之像素單元P1、P2、……、Pn可為圖1B之色彩像素陣列105B或圖4之色彩像素陣列405之實例，且下文提及之類似命名及編號之元件類似于如上文所闡述而耦合及起作用。如所圖解說明，每一像素單元配置成一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)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、物件等之一2D影像。
在一項實例中，在每一像素單元P1、P2、P3、……、Pn已獲取其影像資料或影像電荷之後，影像資料由讀出電路510讀出且然後傳送至功能邏輯515。在各種實例中，讀出電路510可包含放大電路、類 比轉數位(ADC)轉換電路或其他電路。功能邏輯515可僅儲存影像資料或甚至藉由應用後影像效應(例如，修剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他操縱)來操縱影像資料。在一項實例中，讀出電路510可沿著讀出行線(所圖解說明)一次讀出一列影像資料或可使用多種其他技術(未圖解說明)(例如，一串列讀出或所有像素同時之一全並列讀出)來讀出影像資料。
在一項實例中，控制電路520耦合至像素陣列505以控制像素陣列505之操作特性。在一項實例中，控制電路520經耦合以產生用於控制每一像素單元之影像獲取之一全域快門信號。在該實例中，全域快門信號同時啟用像素陣列505內之所有像素單元P1、P2、P3、……、Pn以同時啟用像素陣列505中之所有像素單元，以在一單個獲取窗期間同時自每一各別光偵測器轉移影像電荷。
對本發明之所圖解說明實例之以上說明(包含發明摘要中闡述之內容)不意欲係詳盡的或限制於所揭示之確切形式。雖然出於說明性目的在本文中闡述了本發明之特定實施例及實例，但在不背離本發明之較寬泛精神及範疇之情況下，各種等效修改係可能的。
可依據以上詳細說明對本發明之實例做出此等修改。以下申請專利範圍中使用之術語不應理解為將本發明限於說明書及申請專利範圍中揭示之特定實施例。而是，該範疇應完全由以下申請專利範圍判定，該等申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之既定原則加以解釋。因此，應將本說明書及圖視為說明性而非限制性的。
315‧‧‧時序圖
322‧‧‧TX1信號
324‧‧‧TX2信號
326‧‧‧TX3信號
328‧‧‧TX4信號
332‧‧‧RST信號
336‧‧‧列選擇(RS)信號
340‧‧‧SHR信號
342‧‧‧SHS1信號
344‧‧‧SHS2信號
t1‧‧‧時間
t2‧‧‧時間
t3‧‧‧時間
t4‧‧‧時間
t5‧‧‧時間
t6‧‧‧時間
t7‧‧‧時間
t8‧‧‧時間
t9‧‧‧時間

Claims (24)

  1. 一種在一高動態範圍(HDR)影像感測器中自一單個影像擷取之一單個曝光自一像素獲取影像資料之方法，其包括：在該像素中所包含之複數個子像素中之每一者之光偵測器中於一單個積分時間期間光生電荷載流子；重設該像素之一共用浮動擴散部；對該共用浮動擴散部進行取樣以產生一重設輸出樣本信號；將在該複數個子像素之一第一部分中光生之電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部；對該共用浮動擴散部進行取樣以產生一第一輸出樣本信號；將在該複數個子像素之一第二部分中光生之電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部；及對該共用浮動擴散部進行取樣以產生一第二輸出樣本信號。
  2. 如請求項1之方法，其中該像素之該複數個子像素中之每一者具有一相同彩色濾光器。
  3. 如請求項1之方法，其中該像素之該複數個子像素包含一或多個透明濾光器及一或多個彩色濾光器。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括：藉由發現該重設輸出樣本信號與該第一輸出樣本信號之間的差異而判定該單個積分時間之一第一相關雙重取樣影像信號輸出值。
  5. 如請求項4之方法，其進一步包括：將該第一相關雙重取樣影像信號輸出值用於亮光條件。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包括：藉由發現該重設輸出樣本信號與該第二輸出樣本信號之間的差異而判定該單個積分時間之一第二相關雙重取樣影像信號輸出值。
  7. 如請求項6之方法，其進一步包括：將該第二相關雙重取樣影像信號輸出值用於低光條件。
  8. 如請求項1之方法，其中將在該複數個子像素之該第一部分中光生之電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部包括：將該等電荷載流子自該複數個子像素之該第一部分之一或多個光電二極體轉移至該共用浮動擴散部以產生該第一輸出信號。
  9. 如請求項1之方法，其中將在該複數個子像素之該第二部分中光生之電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部包括：將該等電荷載流子自該複數個子像素之該第二部分之一或多個光電二極體轉移至該共用浮動擴散部以產生該第二輸出信號。
  10. 一種供在一高動態範圍(HDR)影像感測器中使用之像素，其包括：複數個子像素，其中該複數個子像素中之每一者包含：一光偵測器，其用於在一單個影像擷取之一單個積分時間期間回應於入射光而光生影像電荷載流子；及一轉移電晶體，其耦合至該光偵測器；一共用浮動擴散部，其耦合至該複數個子像素，其中該複數個子像素之一第一部分之轉移電晶體經耦合以將在該複數個子像素之該第一部分之各別光偵測器中光生之影像電荷載流子選擇性地轉移至該共用浮動擴散部，且其中該複數個子像素之一第二部分之轉移電晶體經耦合以將在該複數個子像素之該第二部分之各別光偵測器中光生之影像電荷載流子選擇性地轉移至該共用浮動擴散部。
  11. 如請求項10之像素，其進一步包括一重設電晶體，該重設電晶體耦合至該共用浮動擴散以重設共用浮動擴散節點。
  12. 如請求項11之像素，其進一步包括一放大器電晶體，該放大器電晶體具有耦合至該共用浮動擴散部之一閘極端子，其中該放大器電晶體經耦合以在該共用浮動擴散部由該重設電晶體重設之後產生一重設輸出信號。
  13. 如請求項12之像素，其中該放大器電晶體進一步經耦合以在該複數個子像素之該第一部分之該等影像電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部之後產生一第一輸出信號。
  14. 如請求項13之像素，其中該放大器電晶體進一步經耦合以在該複數個子像素之該第二部分之該等影像電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部之後產生一第二輸出信號。
  15. 如請求項13之像素，其進一步包括一列選擇電晶體，該列選擇電晶體耦合至該放大器電晶體以選擇性地產生至該像素之一輸出位元線之該等重設輸出信號、第一輸出信號及第二輸出信號。
  16. 如請求項10之像素，其中該像素之該複數個子像素中之每一者包含一相同彩色濾光器。
  17. 如請求項10之像素，其中該像素之該複數個子像素包含一或多個透明濾光器及一或多個彩色濾光器。
  18. 一種高動態範圍(HDR)成像系統，其包括：像素之一像素陣列，其中該等像素中之每一者包含：複數個子像素，其中該複數個子像素中之每一者包含：一光電二極體，其在一單個影像擷取之一單個積分時間期間回應於入射光而光生影像電荷載流子；及一轉移電晶體，其耦合至該光偵測器；一共用浮動擴散部，其耦合至該複數個子像素，其中該複數個子像素之一第一部分之轉移電晶體經耦合以將在該複數 個子像素之該第一部分之各別光偵測器中光生之影像電荷載流子選擇性地轉移至該共用浮動擴散部，且其中該複數個子像素之一第二部分之轉移電晶體經耦合以將在該複數個子像素之該第二部分之各別光偵測器中光生之影像電荷載流子選擇性地轉移至該共用浮動擴散部；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像素讀出影像資料。
  19. 如請求項18之HDR成像系統，其進一步包括耦合至該讀出電路以儲存來自該複數個像素中之每一者之該影像資料之功能邏輯。
  20. 如請求項18之HDR成像系統，其中該複數個像素中之每一者包括一重設電晶體，該重設電晶體耦合至該共用浮動擴散部以重設共用浮動擴散節點。
  21. 如請求項20之HDR成像系統，其中該複數個像素中之每一者進一步包括一放大器電晶體，該放大器電晶體具有耦合至該共用浮動擴散部之一閘極端子，其中該放大器電晶體經耦合以在該共用浮動擴散部由該重設電晶體重設之後產生一重設輸出信號。
  22. 如請求項21之HDR成像系統，其中該放大器電晶體進一步經耦合以在該複數個子像素之該第一部分之該等影像電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部之後產生一第一輸出信號。
  23. 如請求項22之HDR成像系統，其中該放大器電晶體進一步經耦合以在該複數個子像素之該第二部分之該等影像電荷載流子轉移至該共用浮動擴散部之後產生一第二輸出信號。
  24. 如請求項23之HDR成像系統，其中該複數個像素中之每一者進 一步包括一列選擇電晶體，該列選擇電晶體耦合至該放大器電晶體以選擇性地產生至該像素之一輸出位元線之該等重設輸出信號、第一輸出信號及第二輸出信號。
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