TWI687100B - 線性對數影像感測器 - Google Patents

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戴森 H 戴
歐蕊 奧昆 席勒克
杜立 毛
真鍋宗平
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Abstract

本發明揭示一種用於高動態範圍影像感測器中之一像素陣列，其包含在該像素陣列中依複數個列及行配置之複數個像素。該等像素之各者包含經安置在一半導體材料中之一線性子像素及一對數子像素。該線性子像素經耦合以產生具有一線性回應之一線性輸出信號，且該對數子像素經耦合以回應於入射光產生具有一對數回應之一對數輸出信號。一位元線經耦合至該線性子像素及該對數子像素以接收該線性輸出信號及該對數輸出信號。該位元線係耦合至該複數個像素之複數個位元線之一者。該複數個位元線之各者經耦合至該複數個像素之一對應分組。

Description

線性對數影像感測器
本發明大體係關於成像，且更具體言之，本發明係關於高動態範圍影像感測器。
影像感測器已變得無處不在。其等廣泛用於數位靜態相機、蜂巢式電話、保全攝影機以及醫學、汽車及其他應用中。用於製造影像感測器(諸如，互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器(CIS))之技術不斷大幅進步。例如，對較高解析度及更低功率消耗之需求已促使對此等影像感測器之進一步小型化及整合。 高動態範圍(HDR)影像感測器已變得對諸多應用有用。一般言之，普通影像感測器(包含(例如)電荷耦合裝置(CCD)及CMOS影像感測器(CIS))具有約70 dB動態範圍之一動態範圍。相比之下，人眼具有高達約100 dB之一動態範圍。存在具有一增大之動態範圍之一影像感測器係有益的各種情況。例如，在各種行業中需要具有超過100 dB動態範圍之一動態範圍之影像感測器。例如，在汽車行業中，需要HDR影像感測器以便處理不同駕駛狀況，例如，自一黑暗隧道駕駛至明亮陽光中。實際上，諸多應用可需要具有至少90 dB或更高之動態範圍之影像感測器以適應廣泛範圍之照明狀況(自低光狀況變化至亮光狀況)。 提供HDR影像之一種典型解決方案係組合用正常CMOS影像感測器擷取之多次曝光來提供一單一HDR影像。然而，多次曝光消耗攝影機系統中之記憶體和功率，且提出關於藉由擷取快速移動物件之多次曝光造成之假影之其他挑戰。雖然對數感測器可提供增大之動態範圍之益處，但與利用正常CMOS影像感測器之影像感測器比較，對數感測器遭受較差之低光效能且要求特殊複雜演算法。
在下列描述中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一通透理解。然而，一般技術者將明白，不必採用特定細節來實踐本發明。在其他例項中，未詳細描述熟知材料或方法以避免使本發明模糊不清。 貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之參考意謂結合實施例或實例描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，片語「在一實施例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」在貫穿本說明書之各種位置之出現不必皆指代相同實施例或實例。此外，特定特徵、結構或特性可在一或多個實施例或實例中以任意合適組合及/或子組合而組合。特定特徵、結構或特性可包含於一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所描述之功能性之其他合適組件中。另外，應暸解，本文提供之圖式係用於向一般技術者解釋之目的且圖式不必按比例繪製。 貫穿本說明書，使用若干技術術語。此等術語具有在其等出自的領域中之普通含義，除非本文有特定定義或其等之使用內容脈絡另有清楚表明。應注意，在整個此文件中可互換使用元件名稱及符號(例如，Si對矽)；然而，二者具有相同含義。 根據本發明之教示之實例描述一種具有一像素陣列之高動態範圍影像感測器，該陣列具有包含安置在半導體材料中之線性子像素及對數子像素之像素。各像素之各線性子像素經耦合以回應於入射光產生具有一線性回應之一線性輸出信號，且各像素之各對數子像素經耦合以回應於入射光產生具有一對數回應之一對數輸出信號。一位元線經耦合至線性子像素及對數子像素以自各像素接收線性輸出信號及對數輸出信號。 為了繪示，圖1係大體展示包含像素110之一例示性像素陣列102之一HDR成像系統100之一實例之一圖。如在實例中展示，像素110之各者可為包含一個線性子像素112及一個對數子像素114之一HDR像素。因此，各像素110中之線性子像素112之數量與對數子像素114之數量之比率及因此像素陣列102中之線性子像素112之數量與對數子像素114之數量之比率為1:1。在實例中，像素陣列102係CMOS成像感測器之一二維(2D)陣列，其包括經配置成複數個列及行之像素110。特定言之，所描繪之實例展示，各像素110經配置成一列(例如，列R1到Ry)及一行(例如，行Cl到Cx)來獲得一人員、位置、物件等之影像資料，該資料接著可用於再現人員、位置、物件等之一影像。因而，各像素110及因此各線性子像素112及對數子像素114依一正方形晶格圖案予以配置，如在所描繪之實例中展示。 在一項實例中，各線性子像素112經耦合以回應於入射光產生具有一線性回應之一線性輸出信號，且各對數子像素114經耦合以回應於入射光產生具有一對數回應之一對數輸出信號。如在所描繪之實例中展示，對數子像素114具有與像素110之線性子像素112之曝光面積相比更小之一曝光面積。 在圖1中繪示之特定實例中，HDR成像系統100係一彩色成像系統，且因此，像素陣列102包含具有經安置在各像素110上方之濾色片之一濾色片陣列。在實例中，像素110之各者具有經安置在線性子像素112及對數子像素114上方之同一濾色片。換言之，若一像素110之線性子像素112具有一紅色(R)濾色片，則像素110之對應對數子像素114具有相同紅色(R)濾色片。在圖1中描繪之特定實例中，紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)濾色片之一拜耳圖案出於解釋之目的經配置在像素110上方。將瞭解，在其他實例中，濾色片陣列之濾色片可經配置成其他圖案，例如，一EXR圖案、一X變換圖案等。在其他實例中，濾色片可包含紅外濾光片、紫外濾光片、隔離EM光譜之可見光部分之其他濾光片，或在一單色影像感測器之情況中完全不包含濾色片。 在一項實例中，在各像素110已獲得其影像資料或影像電荷之後，包含在線性及對數輸出信號中之影像資料由讀出電路104透過位元線116讀出且接著傳送至功能電路106。在實例中，各位元線116經耦合至在像素陣列102之像素之一對應行(例如，行C1到Cx)中之各像素110之一線性子像素112及一對數子像素114以自各線性子像素112及各對數子像素114接收線性輸出信號及對數輸出信號。 在各種實例中，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。功能電路106可包含用以僅存儲影像資料或甚至藉由應用後期影像效果(例如，修剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)而操縱影像資料之邏輯。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(已繪示)或可使用各種其他技術(未繪示)讀出影像資料，諸如一串列讀出或同時全部並行讀出所有像素。 在一項實例中，控制電路108經耦合至像素陣列102以控制像素陣列102之操作特性。例如，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一獲取窗期間同時擷取其等各自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循序啟用像素之各列、行或群組。 圖2係根據本發明之教示繪示包含在一像素陣列202中之一像素210之一項實例之一示意圖，該像素包含一線性子像素212及一對數子像素214。在一項實例中，應瞭解，像素210可為包含在上文在圖1中繪示之HDR影像感測器100之例示性像素陣列102中之複數個像素110之一者之一實例，且下文引用之類似命名且編號之元件類似於上文描述般耦合且作用。另外，應瞭解，包含線性子像素212及對數子像素214之像素210之示意圖係出於解釋之目的提供，且因此僅表示用於實施圖1之像素陣列102內之各像素之一個可能之例示性架構，且根據本發明之教示之實例不限於特定像素架構。事實上，獲益於本發明之一般技術者根據本發明之教示將理解，本教示可應用於3T、4T、5T及其他對數設計以及各種其他適當之像素架構。 如在圖2中描繪之實例中展示，像素210之線性子像素212及對數子像素214經耦合至位元線216。線性子像素212包含經耦合以回應於入射光242而光產生影像電荷之一第一光電二極體(PD) 218。在一項實例中，一傳送電晶體220經耦合以回應於一傳送TX信號將第一光電二極體218中光產生之影像電荷傳送至一浮動擴散區222。一重設電晶體224經耦合至一電壓(例如，VDD)以回應於一重設RST信號而重設浮動擴散區222及第一光電二極體218。一放大器226具有經耦合至浮動擴散區222之一輸入以回應於入射光242產生具有一線性回應之線性輸出信號。線性輸出信號回應於一列選擇RS信號透過一列選擇電晶體228輸出至位元線216。 在圖2中繪示之對數子像素214之實例包含經耦合以回應於入射光242而光產生影像電荷之一第二光電二極體(PD) 230。在一項實例中，一重設電晶體234經耦合至一參考電壓(例如，接地)來回應於重設RST信號重設第二光電二極體230。在實例中，一放大器236之一輸入經耦合至第二光電二極體230，且一放大器238經耦合至放大器236之一輸出以回應於入射光242在放大器238之一輸出處產生具有一對數回應之對數輸出信號。對數輸出信號回應於列選擇RS信號透過一列選擇電晶體240輸出至位元線216。 圖3係根據本發明之教示之包含像素陣列302之HDR像素電路之一項實例之一半導體晶片之一橫截面繪示，該像素陣列包含具有一線性子像素312及一對數子像素314之一像素310。在一項實例中，應瞭解，像素310、線性子像素312及對數子像素314可為上文在圖1中繪示之像素110、線性子像素112及對數子像素114及/或上文在圖2中繪示之像素210、線性子像素212及對數子像素214之實例，且下文引用之類似命名且編號之元件類似於上文描述般耦合且作用。例如，應注意，在圖3中描繪之橫截面繪示實例可對應於沿著在圖1中描繪之實例中繪示之穿過像素陣列102之虛線A-A'之一橫截面。 如在圖3中描繪之實例中展示，線性子像素312包含安置在半導體材料352中之一第一光電二極體(PD) 318，且對數子像素314包含安置在半導體材料352中之一第二光電二極體(PD) 330。在一項實例中，半導體材料352包含矽(Si)或另一適當半導體材料。如在所描繪之實例中展示，第一光電二極體318及第二光電二極體330經繪示具有透過靠近半導體材料352之背側344之一入射平面引導之入射光342。如在實例中展示，在半導體材料352之背側344上之入射平面上，由線性子像素312之第一光電二極體318佔有之曝光面積大於由對數子像素314之第二光電二極體330佔有之曝光面積。在一項實例中，應注意，入射光342在透過半導體材料352之背側344引導至第一光電二極體318及第二光電二極體330時可透過微透鏡356引導。在一彩色影像感測器實例中，應注意，入射光342在透過半導體材料352之背側344引導至第一光電二極體318及第二光電二極體330時亦可透過濾色片354引導。 在圖3中描繪之實例中，應注意，亦在半導體材料352之一電路平面中繪示線性子像素支援電路348及對數子像素支援電路350之元件。在一項實例中，如展示，半導體材料352之電路平面靠近半導體材料352之一前側346。在實例中，線性子像素支援電路348經耦合至第一光電二極體318以幫助產生線性輸出信號，且對數子像素支援電路350經耦合至第二光電二極體330以幫助產生對數輸出信號。 圖4係根據本發明之教示繪示相對於一影像感測器之例示性HDR像素電路之光強度之信號回應之一項實例之一圖458，其中一像素陣列之各像素具有一線性子像素及一對數子像素。特定言之，圖458繪示相對於沿著水平軸之光強度之沿著垂直軸之信號強度。在所描繪之實例中，展示一線性輸出信號412來提供一線性子像素(例如圖1之線性子像素112、圖2之線性子像素212及/或圖3之線性子像素312)之線性輸出信號之信號強度之一例示性繪示。類似地，展示一對數輸出信號414來提供一對數子像素(例如圖1之對數子像素114、圖2之對數子像素214及/或圖3之對數子像素314)之對數輸出信號之信號強度之一例示性繪示。如可自所描繪之實例中瞭解，線性輸出信號412線性回應於入射光之光強度，且對數輸出信號414對數回應於入射光之光強度。 出於比較之目的，應注意，亦在圖4中繪示一例示性信號460。在實例中，信號460描繪具有與圖1之對數子像素114、圖2之對數子像素214及/或圖3之對數子像素314相同之在入射平面上之較小曝光面積之一假想線性回應光電二極體之例示性信號回應。如可瞭解，一線性子像素及一對數子像素之組合(例如，信號412及414之組合)根據本發明之教示提供比一單一線性像素(例如，僅信號412)之動態範圍大約1000倍之一動態範圍，而一較大曝光面積線性子像素及一較小曝光面積線性子像素之組合(例如，信號412及信號460之組合)根據本發明之教示提供比單一線性像素(例如，僅信號412)之動態範圍大僅約10倍之一動態範圍。 本發明之所繪示之實例之以上描述(包含在摘要中描述之內容)不旨在係詳盡性的或限於所揭示之精確形式。雖然已出於闡釋性目的描述本發明之特定實施例及實例，但在不脫離本發明之更廣泛之精神及範疇之情況下，各種等效修改係可能的。 鑑於以上實施方式，可對本發明之實例做出此等修改。在隨附發明申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書及發明申請專利範圍中揭示之特定實施例。實情係，範疇完全由根據發明申請專利範圍解釋之已建立規則來理解之隨附發明申請專利範圍判定。因此，本說明書及圖應被視為闡釋性而非限制性的。
100‧‧‧HDR成像系統102‧‧‧像素陣列104‧‧‧讀出電路106‧‧‧功能電路108‧‧‧控制電路110‧‧‧像素112‧‧‧線性子像素114‧‧‧對數子像素116‧‧‧位元線202‧‧‧像素阵列210‧‧‧像素212‧‧‧线性子像素214‧‧‧对数子像素216‧‧‧位元线218‧‧‧第一光電二極體220‧‧‧傳送電晶體222‧‧‧浮動擴散區224‧‧‧重設電晶體226‧‧‧放大器228‧‧‧列選擇電晶體230‧‧‧第二光電二極體234‧‧‧重設電晶體236‧‧‧放大器238‧‧‧放大器240‧‧‧列選擇電晶體242‧‧‧入射光302‧‧‧像素陣列310‧‧‧像素312‧‧‧線性子像素314‧‧‧對數子像素318‧‧‧第一光電二極體330‧‧‧第二光電二極體342‧‧‧入射光344‧‧‧背側346‧‧‧前側348‧‧‧線性子像素支援電路350‧‧‧對數子像素支援電路352‧‧‧半導體材料354‧‧‧濾色片356‧‧‧微透鏡412‧‧‧線性輸出信號414‧‧‧對數輸出信號458‧‧‧圖460‧‧‧信號C1‧‧‧行C2‧‧‧行C3‧‧‧行Cx‧‧‧行R1‧‧‧列R2‧‧‧列R3‧‧‧列Ry‧‧‧列
參考下圖描述本發明之非限制性且非窮舉性實施例，其中相同元件符號指代貫穿各種視圖之相同零件，除非另有規定。 圖1係根據本發明之教示繪示包含具有線性對數像素之一例示性HDR影像感測器之一成像系統之一項實例之一圖。 圖2係根據本發明之教示之包含具有一線性子像素及一對數子像素之一像素之一影像感測器之HDR像素電路之一項實例之一示意性繪示。 圖3係根據本發明之教示之包含具有一線性子像素及一對數子像素之一像素之像素陣列之HDR像素電路之一項實例之一橫截面繪示。 圖4係根據本發明之教示繪示相對於一影像感測器之例示性HDR像素電路之光強度之信號回應之一項實例之一圖，其中一像素陣列之各像素具有一線性子像素及一對數子像素。 貫穿附圖之若干視圖之對應參考符號指示對應元件。熟習此項技術者將暸解，圖中之元件為簡化及清楚起見而繪示且未必按比例繪製。例如，圖中之一些元件之尺寸可相對其他元件放大來幫助改良對本發明之各種實施例之理解。同樣地，通常不描繪一商業上可行之實施例中有用或必要之常見又易於理解之元件，以便促進對本發明之此等各種實施例之一較少阻礙之觀察。
100‧‧‧HDR成像系統
102‧‧‧像素陣列
104‧‧‧讀出電路
106‧‧‧功能電路
108‧‧‧控制電路
110‧‧‧像素
112‧‧‧線性子像素
114‧‧‧對數子像素
116‧‧‧位元線
C1‧‧‧行
C2‧‧‧行
C3‧‧‧行
Cx‧‧‧行
R1‧‧‧列
R2‧‧‧列
R3‧‧‧列
Ry‧‧‧列

Claims (20)

  1. 一種用於一高動態範圍影像感測器中之像素陣列，其包括：複數個像素，其等在該像素陣列中依複數個列及行予以配置，其中該等像素之各者包括：一線性子像素，其經安置在一半導體材料中，其中該線性子像素經耦合以回應於入射光而產生具有一線性回應之一線性輸出信號，其中該線性子像素包含安置在該半導體材料中之一第一光電二極體；一對數(log)子像素，其經安置在該半導體材料中，其中該對數子像素經耦合以回應於該入射光而產生具有一對數回應之一對數輸出信號，其中該對數子像素包含安置在該半導體材料中之一第二光電二極體，其中藉由透過該半導體材料之一入射平面引導之該入射光照明該第一光電二極體及該第二光電二極體，其中該入射平面上由該第一光電二極體佔有之一第一面積大於該入射平面上由該第二光電二極體佔有之一第二面積；及複數個位元線，其耦合至該複數個像素，其中該複數個位元線之各者經耦合至該複數個像素之一對應分組(grouping)，其中各位元線經耦合至該複數個像素之該對應分組之該線性子像素及該對數子像素兩者以接收該線性輸出信號及該對數輸出信號。
  2. 如請求項1之像素陣列，其中該複數個位元線之該各者為一行位元線，且其中該複數個像素之該對應分組為該像素陣列之一行。
  3. 如請求項1之像素陣列，其中該像素陣列中之線性子像素之一數量與對數子像素之一數量之比率為1：1。
  4. 如請求項1之像素陣列，其中在該像素陣列中依一正方形晶格圖案配置該複數個像素之該等線性子像素及該等對數子像素，使得該對數子像素實質上為正方形且該線性子像素實質上為八角形(octagonal)。
  5. 如請求項1之像素陣列，其進一步包括經安置在該複數個像素上方之一濾色片陣列，其中該複數個像素之各者在該線性子像素及該對數子像素上方具有一相同濾色片。
  6. 如請求項1之像素陣列，其中該入射平面在該半導體材料之一背側上。
  7. 如請求項1之像素陣列，其中線性子像素支援電路經耦合至該第一光電二極體，其中對數子像素支援電路經耦合至該第二光電二極體，其中該線性子像素支援電路及對數子像素支援電路經安置靠近該半導體材料之一電路平面。
  8. 如請求項7之像素陣列，其中該電路平面靠近該半導體材料之一前側。
  9. 如請求項1之像素陣列，其中該線性子像素包括：一第一光電二極體，其經耦合以回應於該入射光而產生第一影像電荷；一傳輸電晶體，其經耦合至該第一光電二極體以回應於一傳輸信號而將該第一影像電荷自該第一光電二極體傳送至一浮動擴散區；一第一重設電晶體，其經耦合至該浮動擴散區以回應於一重設信號而重設該浮動擴散區；一第一放大器，其經耦合至該浮動擴散區以回應於該第一影像電荷而產生該線性輸出信號；及一第一列選擇電晶體，其經耦合於該第一放大器與該位元線之間以回應於一列選擇信號而輸出該線性輸出信號至該位元線。
  10. 如請求項1之像素陣列，其中該對數子像素包括：一第二光電二極體，其經耦合以回應於該入射光而產生第二影像電荷；一第二重設電晶體，其經耦合至該第二光電二極體以回應於該重設信號而重設該第二光電二極體；一第二放大器，其經耦合至該光電二極體；一第三放大器，其經耦合至該第二放大器以回應於該第二影像電荷而產生該對數輸出信號；及一第二列選擇電晶體，其經耦合於該第三放大器與該位元線之間以回應於該列選擇信號而輸出該對數輸出信號到該位元線。
  11. 如請求項4之像素陣列，其中該對數子像素之四個邊緣之其中一者實質上平行於該線性子像素之八個邊緣之其中一者，且該對數子像素之四個邊緣之其中一者之長度實質上相等於該線性子像素之八個邊緣之該其中一者之長度。
  12. 一種高動態範圍(HDR)成像系統，其包括：一像素陣列，其包含在該像素陣列中依複數個列及行配置之複數個像素，其中該等像素之各者包括：一線性子像素，其經安置在一半導體材料中，其中該線性子像素經耦合以回應於入射光而產生具有一線性回應之一線性輸出信號，其中該線性子像素包含安置在該半導體材料中之一第一光電二極體；及一對數子像素，其經安置在該半導體材料中，其中該對數子像素經耦合以回應於該入射光而產生具有一對數回應之一對數輸出信號，其中該對數子像素包含安置在該半導體材料中之一第二光電二極體，其中藉由透過該半導體材料之一入射平面引導之該入射光照明該第一光電二極體及該第二光電二極體，其中該入射平面上由該第一光電二極體佔有之一第一面積大於該入射平面上由該第二光電二極體佔有之一第二面積；及複數個位元線，其耦合至該複數個像素，其中該複數個位元線之各者經耦合至該複數個像素之一對應分組，其中各位元線經耦合至該複數個像素之該對應分組之該線性子像素及該對數子像素兩者以接收該線性輸出信號及該對數輸出信號； 控制電路，其經耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其耦合到該像素陣列以自該複數個像素讀出該等線性輸出信號及該等對數輸出信號。
  13. 如請求項12之HDR成像系統，其進一步包括功能電路，其經耦合至該讀出電路以回應於來自該複數個像素之該等線性輸出信號及該等對數輸出信號而儲存影像資料。
  14. 如請求項12之HDR成像系統，其中該複數個位元線之該各者為一行位元線，且其中該複數個像素之該對應分組為該像素陣列之一行。
  15. 如請求項12之HDR成像系統，其中該像素陣列中之線性子像素之一數量與對數子像素之一數量之比率為1：1。
  16. 如請求項12之HDR成像系統，其中在該像素陣列中依一正方形晶格圖案配置該複數個像素之該等線性子像素及該等對數子像素。
  17. 如請求項12之HDR成像系統，其進一步包括經安置在該複數個像素上方之一濾色片陣列，其中該複數個像素之各者在該線性子像素及該對數子像素上方具有一相同濾色片。
  18. 如請求項12之HDR成像系統，其中該入射平面在該半導體材料之一背側上。
  19. 如請求項12之HDR成像系統，其中線性子像素支援電路經耦合至該第一光電二極體，其中對數子像素支援電路經耦合至該第二光電二極體，其中該線性子像素支援電路及對數子像素支援電路經安置靠近該半導體材料之一電路平面。
  20. 如請求項19之HDR成像系統，其中該電路平面靠近該半導體材料之一前側。
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