TWI788972B - 暗電流校準方法及相關像素電路 - Google Patents

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Abstract

本文中揭示能夠進行暗電流校準之影像感測器及相關聯電路。用於校準暗電流之方法包含擷取影像感測器之一像素陣列之第一複數個像素之至少一個暗電流圖框。該暗電流圖框含有在一電晶體被接通從而停用光電二極體時在一曝光週期期間獲得之該等對應像素之個別暗電流之讀數。該方法亦包含擷取該影像感測器之該像素陣列之第二複數個像素之至少一個正常圖框。該正常圖框含有當該電晶體被切斷時在該曝光週期期間獲得之該等對應像素之個別信號之讀數。該方法包含自該至少一個正常圖框減去該至少一個暗電流圖框。

Description

暗電流校準方法及相關像素電路
本揭示大體上係關於影像感測器，且特定言之(但非排他地)，係關於具有一經改良暗電流效能之像素單元。
CMOS影像感測器(CIS)已變得無處不在。其等廣泛使用於數位靜態攝影機、蜂巢式電話、保全攝影機中，亦廣泛使用於醫學、汽車及其他應用中。一影像感測器回應於來自一外部場景且入射在影像感測器上之影像光而進行操作。一影像感測器包含具有吸收入射影像光之一部分且作為回應產生對應電荷之光敏元件(例如光電二極體)之一像素陣列。一個別像素之電荷可經量測為其光敏元件之一輸出電壓。一般言之，輸出電壓隨入射光之強度及持續時間之變化而變化。個別光敏元件之輸出電壓用於產生表示一外部場景之一數位影像(即影像資料)。
影像感測器技術繼續以一極快速度進步。對更高解析度及更低功耗之需求促進具有高動態範圍及低光敏感度之此等裝置之進一步微型化及整合。像素單元之微型化使其等易受暗電流(即，在沒有激發光或存在極低位準之激發光之情況下存在之電流)影響。暗電流會影響由影像感測器拍攝之影像之準確度及品質。在一些案例中，暗電流甚至可導致白像素，即，出現飽和或接近飽和之像素。因此，需要用於暗電流之經改良處置之系統及方法。
揭示係關於一影像感測器中之暗電流及白像素之經改良處置之設備及方法。在以下描述中，闡述眾多特定細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者應認知，本文描述之技術可在沒有該等特定細節之一或多者之情況下實踐或可使用其他方法、組件、材料等等實踐。在其他例項中，未展示或詳細描述熟知結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
貫穿此說明書對「一項實例」或「一項實施例」之參考意謂與實例相結合而描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實例中。因此，貫穿此說明書在多個地方出現片語「在一項實例中」或「在一項實施例中」並不一定皆指代相同實例。此外，在一或多項實例中特定特徵、結構或特性可依任何合適方式組合。
為了便於描述，本文中可使用空間相對術語，諸如「在…下方」、「在…下面」、「下部」、「下」、「在…上面」、「上部」等等來描述如圖中所繪示之一個元件或特徵與另一(另外)元件或特徵之關係。應理解，空間相對術語意欲涵蓋裝置在使用或操作中除圖中所描繪之定向之外之不同定向。例如，若圖中之裝置翻轉，則描述為在其他元件或特徵「下面」或「下方」或「下」之元件將定向成在其他元件或特徵「上面」。因此，例示性術語「下面」或「下」可涵蓋上面及下面兩種定向。裝置可依其他方式定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文使用之空間相對描述詞可據此進行解釋。另外，亦應理解，當一層稱為「在兩個層之間」時，其可為兩個層之間之唯一層，或亦可存在一或多個中介層。
貫穿此說明書，使用若干技術術語。此等術語具有其等所來自之領域中之其等之普通含義，除非本文另外具體定義或其使用之背景內容另外明確暗示。應注意，貫穿此文件可互換地使用元素名稱及符號(例如，Si對矽)；然而，兩者皆具有相同含義。
簡言之，根據本技術之實例係關於減小暗電流(DC)對像素讀數之準確度之影響。即使沒有激發光或存在極低位準之激發光，暗電流亦會累積在像素之浮動擴散部(FD)處。在一些實施例中，在曝光週期期間，光電二極體對於一高轉換增益(HCG)在浮動擴散部(FD1)處累積藉由曝光產生之電荷，且針對一低轉換增益(LCG)在浮動擴散部(FD2)處累積藉由曝光產生之電荷。在共同構成一雙轉換增益(DCG)讀出之HCG及LCG讀出期間判定所累積之電荷。
一般言之，始終可以重設FD，即藉由選擇性地將各自FD耦合至例如電力供應器之一電壓源之像素電路之一重設(RST)電晶體移除FD中之電荷。然而，由於FD在DCG資料讀出中之一特定讀出順序，連接至資料讀出之高轉換增益(HCG)部分之FD在讀出LCG FD之對應資料前讀出。因此，在讀取LCG FD前接通RST電晶體將導致刪除儲存於LCG FD處之光生電荷資訊。另一方面，即使在讀取HCG FD之重設值之後立即接通RST電晶體亦仍將導致關於在整個積分週期中累積之暗電流之量值之資訊丟失，從而導致對累積於LCG FD處之暗電流之一不正確估計。
在一些實施例中，對一暗電流(DC)像素圖框之一估計可藉由與擷取一整個像素圖框中之像素之信號值分開地擷取該圖框之像素中之暗電流之值來獲得。接著，只要判定暗電流之強度之條件合理地保持不變(例如，已經過相對短時間、圖框至圖框沒有顯著溫度差異等)，此DC圖框就可用作隨後擷取之圖框之暗電流之強度之表示。為了考慮到暗電流，可自正常圖框之對應像素信號值減去來自DC圖框之像素值。此減法亦可稱為校準或調整。在一些實施例中，DC圖框可為一視訊流中之一圖框序列中之每第N個圖框。在其他實施例中，可在一預定溫度變化下或在一預定時間之後取得新DC圖框。
在一些實施例中，像素圖框之一部分可用作一DC圖框。例如，像素之每隔一列可用作將自用於影像讀出之影像(亦稱為正常或常規)列減去之一DC列。在其他實施例中，一或多個專用行可表示DC行。整個圖框至DC部分及影像部分之此劃分可尤其適於僅需要一低解析度之場景。
圖1繪示根據本揭示之一實施例之一實例成像系統100。成像系統100包含一像素陣列102、一控制電路104、一讀出電路106及一功能邏輯110。在一項實例中，像素陣列102係光電二極體或影像感測器像素103 (例如，像素P1、P2、…、Pn)之一二維(2D)陣列。在不同實施例中，兩個或更多個影像感測器像素103可經分組成複數個像素單元。如繪示，光電二極體配置成列(例如列R1至Ry)及行(例如行C1至Cx)。在操作中，光電二極體擷取一場景之影像資料，其接著可用於呈現個人、位置、物件等之一2D影像。然而，在其他實施例中，光電二極體可配置成不同於列及行之組態。
在一實施例中，在像素陣列102中之各像素103擷取其影像電荷之後，由讀出電路106經由位元線118讀出影像資料且接著將其轉移至一功能邏輯110。在一實施例中，各像素103之讀出影像資料共同構成一影像圖框。各像素103之暗電流資料之讀出共同構成為一暗電流(DC)圖框。在各項實施例中，讀出電路106可包含信號放大器、類比轉數位(ADC)轉換電路及資料傳輸電路。功能邏輯110可儲存該影像資料或甚至藉由應用影像後效果(例如剪裁、旋轉、消除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)操縱該影像資料。在一些實施例中，控制電路104及功能邏輯110可經組合成一單一功能區塊以控制由像素103捕獲影像及自讀出電路106讀出影像資料。例如，功能邏輯110可包含一數位處理器。在一實施例中，讀出電路106可沿著讀出行線(位元線118)一次讀出一列影像資料，或可使用例如一串列讀出或同時完全並列讀出所有像素之各種其他技術來讀取影像資料。
在一項實施例中，控制電路104耦合至像素陣列102以控制像素陣列102中之複數個光電二極體之操作。例如，控制電路104可產生用於控制影像擷取之一快門信號。在一項實施例中，快門信號係一全域快門信號，其用於同時啟用像素陣列102內之所有像素以在一單一資料擷取視窗期間同時捕獲其等之各自影像資料。在另一實施例中，快門信號係一滾動快門信號，使得像素之各列、各行或各群組在連續擷取窗期間循序地啟用。在另一實施例中，影像擷取與光照效果(諸如一閃光)同步。在不同實施例中，控制電路104可經組態以控制像素103之各者執行用於影像校準之一或多個暗電流像素圖框及正常影像圖框之擷取操作。
在一項實施例中，讀出電路106包含類比轉數位轉換器(ADC)，其將自像素陣列102接收之類比影像資料轉換成一數位表示。影像資料之數位表示可經提供至功能邏輯110。在一些實施例中，資料傳輸電路108可自ADC並列接收影像資料之數位表示且可將影像資料串列提供至功能邏輯110。
在不同實施例中，成像系統100可包含於一數位攝影機、手機、膝上型電腦或類似物中。另外，成像系統100可經耦合至其他硬體零件，諸如一處理器(通用或其他)、記憶體元件、輸出(USB埠、無線傳輸器、HDMI埠等)、光照/閃光、電輸入(鍵盤、觸控顯示器、追蹤墊、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他硬體零件可將指令遞送至成像系統100，自成像系統100提取影像資料，或操縱由成像系統100供應之影像資料。
圖2係根據本揭示之一實施例之一像素203之一繪示性示意圖。像素203可經耦合至一位元線218，例如將影像資料提供至諸如讀出電路106之讀出電路之一讀出行。在操作中，像素203可自例如控制電路104之控制電路接收控制信號，以控制像素203之各個電晶體之操作。控制電路可用確保影像資料之一有序讀出之相對時序控制電晶體按所期望序列之操作。
像素203之所繪示之實施例包含一光電二極體(PD) 211、連接至一電容器(FDC) 219之一浮動擴散部(FD1) 213、一轉移電晶體212、一雙浮動擴散部(DFD)電晶體216、連接至一橫向溢流整合電容器(LOFIC) 215之一浮動擴散部(FD2) 217、一重設(RST)電晶體214、一列選擇(RS)電晶體221及一源極隨耦器(SF)電晶體220。亦可稱為一轉移閘212之轉移(TX)電晶體212經耦合於光電二極體PD 211與浮動擴散部FD1 213之間。TX電晶體212基於其閘極端子上之一TX控制信號操作。雖然浮動擴散部FD 213被描繪為連接至一電容器FDC 219，電容器FDC 219繼而連接至接地，但FD1 213及FDC 219之組合亦可統稱為一浮動擴散部。
RST電晶體214可經耦合至一參考電壓AVDD (例如2.5 V至3.3 V)且可在其閘極端子上接收一重設控制信號。額外電容器LOFIC 215可選擇性地耦合於接地與浮動擴散節點FD2 217之間。DFD電晶體216可經耦合於FD1 213與FD2 217之間，且進一步經組態以在其閘極端子上接收一DFD控制信號以調變像素單元203之轉換增益。此外，SF電晶體220之一閘極端子經耦合至浮動擴散節點FD1 213。SF電晶體220之源極/汲極端子經耦合於參考電壓AVDD與RS電晶體之間。RS電晶體221可經耦合於位元線218與SF電晶體220之間。
在操作中，TX電晶體212接收閘極信號以實現自PD 211至浮動擴散部FD1 213之電荷轉移。一般言之，電荷轉移量取決於PD 211之光曝光及像素203之操作。電容器FDC 219被繪示為耦合至接地。在一些實施例中，FDC 219可藉由裝置之實體佈局中存在之金屬化形成。
在一些實施例中，LOFIC 215可增加浮動擴散部FD 217之儲存，例如電容。例如，回應於高強度照明，光電二極體PD 211可產生比浮動擴散部FD1 213可儲存之更多之電荷。額外電荷(溢流電荷)可由LOFIC 215儲存。一般言之，FDC 219具有比LOFIC 215更小之一電容。在一些實例中，LOFIC 215可經耦合以接收調整LOFIC 215之電容以在HDR CMOS影像感測器之操作期間儲存來自PD 211之電荷之一偏置電壓。因此，浮動擴散部FD1 213例如在低光偵測期間結合資料讀出之高轉換增益(HCG)部分進行讀取，而浮動擴散部FD2 217及浮動擴散部213例如在亮光偵測期間結合讀出之低轉換增益(LCG)部分進行讀出。HCG及LCG讀出共同構成一雙轉換增益(DCG)資料讀出以實現高動態範圍成像。
在一些實施例中，RST電晶體214及DFD電晶體216之操作將浮動擴散部FD2 217重設至表示一暗狀態之一高電壓，此係因為光生電子在被轉移至浮動擴散部FD2 217時與累積在浮動擴散部FD2 217中之光生電荷之量成比例地減小其電壓。為了重設浮動擴散部FD1 213，RST電晶體214及DFD電晶體216兩者皆由其等之各自閘極信號啟用(例如接通)從而將浮動擴散部FD1 213耦合至參考電壓AVDD且移除浮動擴散部FD1 213中之殘留電荷。在其他實施例中，RST電晶體214可經接通處於一導通狀態，而DFD電晶體保持在關斷狀態，因此重設浮動擴散部FD2 217，然不重設浮動擴散部FD1 213。據觀察，LOFIC 215可在一曝光週期期間收集在沒有光之情況下產生之電荷(亦稱為暗電流雜訊)從而影響影像信號讀出，然而，在操作中，若用重設電晶體214來重設浮動擴散部FD1 213及FD2 217以在影像電荷讀出之前移除所累積之暗電流，則已經儲存於LOFIC 215中之光生電荷將排出從而導致信號丟失。
圖3A係根據本揭示之另一實施例之一像素之一繪示性示意圖。所繪示之示意圖類似於上文結合圖2描述之示意圖。在所繪示之實施例中，一溢流(OF)電晶體230經添加至像素203。OF電晶體230可經控制以選擇性地將PD 211之一陰極耦合至例如AVDD電壓之一電壓源。在實施例中，AVDD電壓之範圍自2.5 V至3.3 V。在實施例中，OF電晶體230之一汲極經耦合至AVDD電壓，且OF電晶體230之一源極經耦合至PD 211之一陰極。在一些實施例中，AVDD電壓自一電源線供應至OF電晶體230之汲極。當OF電晶體處於導通狀態時，PD 211之輸出經耦合至AVDD電壓，因此排出由PD 211產生之電荷。因此，當OF電晶體保持在導通狀態時，FD1及FD2處之電荷對應於收集於像素203內之暗電流(DC)電荷。因此，一整個DC圖框可藉由針對像素陣列102中之每個像素203透過列選擇(RS)電晶體221之合適控制操作重複上述程序以讀出與各像素203相關聯之暗電流位準來組裝。所得DC圖框可作為針對給定時間、溫度或曝光條件之每像素暗電流之一表示自隨後擷取之常規(正常)影像圖框減去，此係由於與各像素相關聯之暗電流位準隨曝光時間、操作溫度及/或老化改變。減法可稱為圖框校準或圖框調整。下文結合圖3B解釋一個像素之此暗電流讀出之時序圖。
圖3B係繪示圖3A中展示之像素203之資料讀出之一時序圖。水平軸對應於經過的時間。時序圖之「像素狀態」指示一給定時間之像素操作(空閒、曝光或讀取)。下方時間圖(標記為「OF」)指示施加至溢流電晶體230之一閘極之一溢流控制信號位準。在一常規影像圖框(或正常圖框)之擷取期間，OF電晶體被切斷(例如，具有低信號位準之一溢流控制信號施加至溢流電晶體230之閘極)，因此透過溢流電晶體230使AVDD電壓與PD 211斷開連接，從而允許PD 211在接收入射光後累積光生電荷。在一DC圖框之擷取期間，OF被接通(例如，具有高信號位準之一溢流控制信號施加至溢流電晶體230之閘極)，因此將PD 211處之光生電荷排出至AVDD電壓，以便停用PD 211並限制FD1及FD2處之電荷累積，使其僅對應於暗電流或至少主要對應於暗電流。因此，藉由OF電晶體之上述定時操作，正常圖框及DC圖框兩者皆可在其等之各自「讀取」週期期間獲得。在實施例中，DC圖框及正常圖框在影像感測器之不同曝光週期中擷取。在實施例中，用於DC圖框擷取之持續時間與用於正常圖框擷取之持續時間可相同或不同。在實施例中，與DC圖框相關聯之曝光週期之持續時間不同於與正常圖框相關聯之曝光週期之持續時間。例如，與正常圖框相關聯之曝光週期之持續時間可比與DC圖框相關聯之曝光週期之持續時間長。
圖4係繪示根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一時序圖。編號301標示正常(常規)圖框，且編號302標示DC圖框。在不同實施例中，一DC圖框302是在一預定時間流逝(例如1秒)之後、在一特定溫度變化(例如1℃到5℃)之後、在場景發生變化(例如改變整體亮度或暴露於像素陣列之光)時或在其他外部條件發生變化時擷取。下文參考圖5描述所擷取影像之處理。
圖5係根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一繪示性示意圖。所繪示之示意圖包含一處理器410、一影像感測器420 (例如，用於高動態範圍成像之具有LOFIC像素之一CMOS影像感測器或具有對數像素之一CMOS影像感測器)及一圖框記憶體430。影像感測器420及圖框記憶體430經耦合至處理器410。在實施例中，影像感測器420、圖框記憶體430及處理器410經整合至一單一裝置或單一晶片中，例如，影像感測器420、圖框記憶體430及處理器410經實施於一影像感測器晶片上。處理器410自影像感測器420接收DC圖框及影像圖框且將捕獲之DC圖框及影像圖框儲存於圖框記憶體430中。DC圖框包含與影像感測器420之像素陣列中之每個像素相關聯之一暗電流位準。處理器410可進一步經組態以自在DC圖框場影像圖框之捕獲之後捕獲之影像圖框中之各對應像素之信號位準減去與各像素相關聯之暗電流位準，而不會促成與浮動擴散區相關聯之暗電流。另外，處理器410可接收與DC圖框之擷取頻率相關之一或多個控制輸入440 (例如時間、溫度、亮度等)。基於此等控制輸入，處理器410執行減法操作，即，存取圖框記憶體430以得到具有像素之DC資料之DC圖框及自在一時間(temporal/time)或情況(溫度、亮度)方面接近DC圖框之正常影像圖框之信號資料(例如，捕獲之像素影像資料)減去DC圖框。在不同實施例中，可自捕獲之對應於LCG信號之影像信號資料或自經組合LOFIC影像資料及對應於HCG信號之FDC (FD1)影像資料兩者減去DC圖框。
圖6係根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一方法之一流程圖。圖6可係繪示用於具有圖3中所繪示之LOFIC像素之一影像感測器之暗電流校準方法之一流程圖。在不同實施例中，方法可包含額外步驟或可省略流程圖中繪示之一些步驟。方法在方塊605中開始。在方塊610中，將一影像圖框標示為一DC圖框以表示在沒有光之情況下累積於各像素之浮動擴散部處之電荷(例如，由半導體基板中之缺陷誘發)。因此，記錄每個像素之暗電流位準。在諸多實施例中，曝光時間主導與影像捕獲相關聯之其他時間(例如空閒、讀取)。此DC圖框標示可基於自前一DC圖框起經過之時間、溫度變化、亮度變化或其他條件。
在方塊615中，將耦合於一電壓源(例如電壓源AVDD)與一光電二極體(例如光電二極體PD 211)之間之一溢流電晶體(例如溢流電晶體OF 230)轉至一導通狀態(例如，在其閘極處接收高信號位準之一溢流控制信號)以在電壓源AVDD與PD 211之間形成一電荷排出路徑並排出由於入射光入射在PD 211上而光生並累積於PD 211中之所有電荷以停用PD。因此，FD1及FD2處之電荷累積由暗電流驅動。在方塊620中執行之FD1及FD2處之電荷之一後續讀出因此表示與像素相關聯之浮動擴散部處暗電流之一累積。同時，OF電晶體230仍保持在其導通狀態，因此確保由於入射光入射在PD 211上而由PD 211產生之電荷朝向電壓源AVDD且不朝向FD1及/或FD2排出。
在方塊625中，讀出每個像素在FD1處之電荷(例如FDC 219處之電荷)及在FD2處之電荷(例如LOFIC 215處之電荷)且將其作為一DC圖框儲存於圖框記憶體(例如圖5中展示之圖框記憶體430)中。重申，一圖框含有表示在一給定時間點量測之每像素暗電流之資料，且稱為在彼時間點之DC圖框。在方塊630中，藉由自隨後擷取之正常或常規(影像)圖框之信號讀出值減去DC圖框來判定經調整影像資料。在諸多實施例中，相同DC圖框基於時間接近度(例如，在DC圖框擷取之後之一預定時間內擷取之正常圖框)或情況接近度(例如類似溫度、亮度等)用於多個正常圖框。方法可在方塊635中結束。
圖7係繪示根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一時序圖。在所繪示之實施例中，分別在時間t n-1、t n及t n+1擷取DC圖框N-1、N及N+1。在一些實施例中，正常影像圖框之影像資料藉由自在特定數目個圖框內之隨後擷取之圖框之各者減去一給定DC圖框來處理。例如，隨後擷取之第X個影像圖框301之像素之信號值可藉由自第X個圖框像素信號值減去第N-1個DC圖框來計算。
在一些實施例中，一個DC圖框可用於下N (例如100、200等)個正常影像圖框。在其他實施例中，可依一預定時間偏移(例如每1秒、每10秒等)擷取新DC圖框。在其他實施例中，可在一圖框之一曝光時間發生變化(例如，自10 ms改變至20 ms)時擷取一新DC圖框。在一些實施例中，操作溫度超過一預定臨限值(例如1℃、5℃等)之一變化可觸發另一DC圖框之一擷取。
圖8A及圖8B係根據本揭示之另一實施例之暗電流圖框減法之繪示性示意圖。像素陣列102包含個別像素203之列及行。所繪示之像素203可各自經組態及配置以用於感測不同顏色或光波長。例如，像素203可經配置及分組於遵循包含兩個綠色(G)、一個紅色(R)及一個藍色(B)像素之一拜耳(Bayer)圖案之多個2×2像素單元204中。在其他實施例中，一像素中之光電二極體之不同數目及顏色配置亦係可能的，而不會背離本揭示之範疇。例如，像素203可經配置並分組成M×N個像素之多個像素單元204。針對另一實例，複數個像素單元204之各者可包含配置成綠色(G)、紅色(R)、藍色(B)及紅外(IR)像素之馬賽克圖案之像素203。
圖8A繪示其中像素陣列102被劃分至偶數及奇數列中之一實施例。在操作期間，例如偶數列之一些列可用作DC列，而例如奇數列之其他列可用作正常列。為了考慮到暗電流，可自各圖框之正常列像素之像素值減去DC列像素之像素值。例如當低解析度圖框對於一給定用途而言係足夠的時，各圖框之此處理可能非常合適。在不同實施例中，奇數或偶數行可經選擇以表示DC像素，接著係類似於上文描述之減法程序之一減法程序。
圖8B繪示其中像素陣列102被劃分至編號列中之一實施例。在一些實施例中，像素203之列「1」可係第一圖框中之一專用DC列，像素203之列「2」可係第二圖框中之一專用DC列，依此類推。DC列之此臨時指派可相較於上文結合圖8A描述之實施例改良例如一視訊流中之圖框之解析度。
圖9A係根據本揭示之另一實施例之一像素之一繪示性示意圖。所繪示之像素903可經組態有一對數電路且稱為一對數像素。一重設電晶體RST經控制以選擇性地將光電二極體(PD) 211之一陰極耦合至一重設汲極電壓。在一實施例中，電晶體RST之一汲極經耦合至重設汲極電壓且電晶體RST之一源極經耦合至PD 211之一陰極。PD 211之陽極經耦合至接地。在一實施例中，重設汲極電壓係一接地。在正常操作(即一正常或常規影像圖框之擷取)期間，一電晶體RST首先被接通，同時一低信號之一重設汲極電壓VRSTD (例如零電壓或一接地電壓)經施加至電晶體RST之一汲極以在一重設週期期間重設光電二極體211。此後，電晶體RST被切斷(關斷狀態)，且PD 211在回應於入射光強度產生一光電流之一正向偏置模式中操作。由PD 211產生之電荷控制一儲存節點(SNS)電晶體之閘極，因此控制在曝光週期期間提供至電容器CAP之電壓。源極隨耦器SF基於電容器CAP處之電壓放大並輸出一對應輸出電壓。在一些實施例中，一全域快門(GS)電晶體可始終導通，然而，在其他實施例中，GS電晶體之閘極可單獨可控。
電晶體RST之閘極可由一VRST電壓控制。在正常影像圖框之擷取期間，電晶體RST首先由VRST信號接通以將PD 211耦合至重設汲極電壓VRSTD，其經設定至一零電壓(接地)以將PD 211重設於一零偏置位準中。此後，在曝光週期期間，接著，由VRST信號切斷電晶體RST，其中VRSTD設定至零電壓(接地)，從而允許PD 211操作於對應於回應於入射光強度產生之一光導電流之一正向偏置中。隨著光導電流流過PD 211，一電壓對應地建立於電晶體SNS之一閘極處，接著，該電壓由在電容器CAP處建立一對應信號電壓之電晶體SNS放大，其中信號電壓可對應於PD 211之最低電壓。接著，由電容器CAP輸出之信號電壓由一電晶體SF放大且在信號讀出期間由一電晶體RS輸出至位元線218。在暗電流圖框之擷取期間，電晶體RST藉由一VRST信號被設定至導通狀態(閉合)且重設汲極電壓VRSTD經控制以提供例如一零偏置電壓之一參考位準，因此迫使PD 211之電壓至重設汲極電壓VRSTD (例如一零電壓)從而將PD 211重設至零偏置狀態以便停用PD 211。因此，儲存於電容器CAP中之電荷僅經受與像素903之浮動擴散區相關聯之暗電流。
據此，讀出提供與各自像素903相關聯之暗電流位準，且讀出圖框或DC圖框在給定時間點提供像素陣列中之每個像素903之暗電流讀出資訊。DC圖框可用於透過像素位準減法校準或校正後續正常影像圖框之暗電流位準，藉此改良影像感測器之成像效能。在一些實施例中，電晶體RST可稱為一重設電晶體(RST)，此係因為其重設來自PD 211之電荷流。下文結合圖9B論述正常圖框及暗電流圖框擷取之時序。
圖9B係繪示根據本揭示之實施例之對數像素之資料讀出之一時序圖。在所繪示圖中，首先擷取正常圖框，接著擷取DC圖框。圖框擷取時間被劃分為空閒、曝光及讀取時間。針對正常影像圖框之擷取，電晶體RST在曝光時間期間保持斷開(關斷狀態)，因此由PD 211產生之光學電荷無法透過電晶體RST放電，然代替地，由所累積光學電荷產生之光電流判定電容器CAP處之電壓。在暗電流圖框之擷取期間，OF電晶體230保持閉合(導通狀態)，因此建立用於使由PD 211產生之光學電荷透過電晶體RST放電至耦合至電晶體RST之汲極之供應電壓VRSTD之一排出路徑。
所繪示之本發明之實例之上文描述，包含發明摘要中所描述之內容，不意欲為詳盡的或將本發明限制為所揭示精確形式。雖然本文出於繪示性目的描述本發明之具體實施例及實例，然在不背離本發明之更廣精神及範疇之情況下，各種等效修改係可能的。實際上，應瞭解，出於解釋目的提供具體實例電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等，且在根據本發明之教示之其他實施例及實例中亦可採用其他值。
鑒於上文詳細之描述，可對本發明之實例做出此等修改。隨附發明申請專利範圍中使用之術語不應被解釋為將本發明限制於說明書及發明申請專利範圍中揭示之具體實施例。而是，該範疇將完全由隨附發明申請專利範圍判定，該發明申請專利範圍應根據建立之發明申請專利範圍解釋之公認原則來解釋。本說明書及圖式因此被認為係繪示性的而非限制性的。
100:成像系統 102:像素陣列 103:影像感測器像素 104:控制電路 106:讀出電路 110:功能邏輯 118:位元線 203:像素 204:像素單元 211:光電二極體/PD 212:轉移(TX)電晶體 213:浮動擴散部/FD1 214:重設(RST)電晶體 215:橫向溢流整合電容器/LOFIC 216:雙浮動擴散部(DFD)電晶體 217:浮動擴散部/FD2 218:位元線 219:電容器(FDC) 220:源極隨耦器(SF)電晶體 221:列選擇(RS)電晶體 230:溢流(OF)電晶體 301:編號/影像圖框 302:編號/DC圖框 410:處理器 420:影像感測器 430:圖框記憶體 440:控制輸入 605:方塊 610:方塊 615:方塊 620:方塊 625:方塊 630:方塊 635:方塊 903:像素 AVDD:參考電壓 C1-Cx:行 CAP:電容器 GS:全域快門 P1-Pn:像素 R1-Ry:列 SNS:儲存節點 t n:時間 t n+1:時間 t n-1:時間 VRSTD:重設汲極電壓
參考附圖描述本揭示之非限制性及非窮盡性實施例，其中相似元件符號指代貫穿各種視圖之相似部件，除非另外指定。
圖1繪示根據本揭示之一實施例之一成像系統。
圖2係根據本揭示之一實施例之一像素之一繪示性示意圖。
圖3A係根據本揭示之另一實施例之一像素之一繪示性示意圖。
圖3B係繪示圖3A中展示之像素之資料讀出之一時序圖。
圖4係繪示根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一時序圖。
圖5係根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一方法之一繪示性示意圖。
圖6係根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一流程圖。
圖7係繪示根據本揭示之一實施例之暗電流圖框減法之一時序圖。
圖8A及圖8B係根據本揭示之實施例之暗電流圖框減法之繪示性示意圖。
圖9A係根據本揭示之另一實施例之一對數像素之一繪示性示意圖。
圖9B係繪示圖9A中展示之像素之資料讀出之一時序圖。
對應參考字元指示貫穿圖式之若干視圖之對應組件。熟習此項技術則應瞭解，圖中之元件係為了簡單且清楚起見而繪示且並不一定按比例繪製。例如，圖中一些元件之尺寸可相對於其他元件被誇大以幫助改善對本發明之各項實施例之理解。並且，為了更不妨礙對本發明之此等各項實施例之觀察，通常不描繪在商業可行之一實施例中有用或必要之常見但好理解之元件。
605:方塊
610:方塊
615:方塊
620:方塊
625:方塊
630:方塊
635:方塊

Claims (25)

  1. 一種用於校準一影像感測器之像素之暗電流之方法，其中個別像素電路包括一光電二極體(PD)及耦合至該PD之一電晶體及一電壓源，其中該電晶體選擇性地停用(disable)該PD使其無法累積電荷，該方法包括：擷取該影像感測器之一像素陣列之第一複數個像素之至少一個暗電流(DC)圖框，其中該至少一個DC圖框含有當該電晶體被接通以停用該PD使其無法累積光生電荷(photogenerated charges)時在該影像感測器之一第一曝光週期期間獲得之該等對應像素之個別暗電流之讀數(readings)；擷取該影像感測器之該像素陣列之第二複數個像素之複數個正常圖框，其中該複數個正常圖框之每一個別正常圖框含有當該電晶體被切斷以啟用該PD以使其開始累積光生電荷時在一各自第二曝光週期期間獲得之該第二複數個像素之個別信號之讀數；及自在該至少一個DC圖框之後擷取之該複數個正常圖框之每一個別正常圖框減去該至少一個DC圖框。
  2. 如請求項1之方法，其中該像素陣列之該第一複數個像素與該像素陣列之該第二複數個像素相同。
  3. 如請求項2之方法，其中該像素陣列之該第一複數個像素及該像素陣列之該第二複數個像素各自包含該像素陣列之所有像素。
  4. 如請求項1之方法，其中該像素陣列之該第一複數個像素包括該像素 陣列之至少一個列，且該第二複數個像素包括不同於該第一複數個像素之該列之至少另一列。
  5. 如請求項4之方法，其中該第一複數個像素配置為該像素陣列之一奇數列像素，且該第二複數個像素配置為該像素陣列之一偶數列像素。
  6. 如請求項5之方法，其中該第一複數個像素配置於該像素陣列之多個奇數列像素中，且該第二複數個像素配置於該像素陣列之多個偶數列像素中。
  7. 如請求項1之方法，其中該像素陣列之該第一複數個像素包括該像素陣列之至少一個行，且該第二複數個像素包括不同於該第一複數個像素之該至少一個行之至少另一行。
  8. 如請求項1之方法，其中該像素陣列之該第一複數個像素在一第一時間tn包括該像素陣列之至少一個第一列，其中該像素陣列之該第一複數個像素在一第二時間tn+1包括該像素陣列之至少一個第二列，且其中該第一時間tn與該第二時間tn+1不同。
  9. 如請求項1之方法，其中該至少一個DC圖框係一第一DC圖框，該方法進一步包括：判定對應於該第一DC圖框之擷取之一第一環境溫度；判定一第二環境溫度； 若該第二環境溫度與該第一環境溫度之差大於一預定臨限值，則擷取一第二DC圖框；及自隨後擷取(subsequently-acquired)之正常圖框減去該第二DC圖框。
  10. 如請求項1之方法，其中該等像素電路係線性電路，且其中該電晶體係將該PD耦合至由一電源線供應之該電壓源之一溢流電晶體，且該溢流電晶體在接通時可操作地自該PD排出(drain)電荷。
  11. 如請求項1之方法，其中該等像素電路係對數電路(logarithmic circuits)，該電晶體係一重設電晶體，且該電壓源係一重設汲極電壓，其中該重設電晶體在接通時將該PD重設至該重設汲極電壓。
  12. 一種影像感測器，其包括：複數個像素，其配置成一像素陣列之列及行，各像素包括：一光電二極體(PD)；一第一浮動擴散部(FD1)，其透過一轉移(TX)電晶體耦合至該光電二極體；及一電晶體，其選擇性地將該PD耦合至一電壓源以停用該PD使其無法回應於一入射光而累積電荷；其中該影像感測器經組態以：當該電晶體被接通以停用該PD使其無法累積光生電荷時在該影像感測器之一第一曝光週期期間擷取該影像感測器之該像素陣列之第一複數個 像素之至少一個暗電流(DC)圖框；擷取該影像感測器之該像素陣列之第二複數個像素之複數個正常圖框，其中該複數個正常圖框之每一個別正常圖框含有當該電晶體被切斷時在一各自第二曝光週期期間獲得之該第二複數個像素之個別信號之讀數；及自該複數個正常圖框之每一個別正常圖框減去該至少一個DC圖框。
  13. 如請求項12之影像感測器，其中該電晶體係一溢流電晶體，其中該溢流電晶體選擇性地將該PD耦合至該電壓源，且其中該溢流電晶體接通以將該PD中之電荷排出至該電壓源。
  14. 如請求項13之影像感測器，其進一步包括：一第二浮動擴散部(FD2)，其透過一雙浮動擴散部電晶體耦合至該第一浮動擴散部；及一橫向溢流整合電容器(LOFIC)，其耦合至第二浮動擴散部(FD2)，其中該雙浮動擴散部電晶體在該至少一個DC圖框之該擷取期間接通。
  15. 如請求項12之影像感測器，其中各像素之一電路係一對數電路，該電晶體係經耦合以將該PD重設至該電壓源之一重設電晶體，且該電壓源係一重設汲極電壓。
  16. 如請求項15之影像感測器，其中該重設汲極電壓係一接地電壓。
  17. 如請求項12之影像感測器，其進一步包括經組態以自該至少一個正常圖框減去該至少一個DC圖框之一處理器。
  18. 如請求項12之影像感測器，其中該像素陣列之該第一複數個像素與該像素陣列之該第二複數個像素相同。
  19. 如請求項18之影像感測器，其中該像素陣列之該第一複數個像素及該像素陣列之該第二複數個像素各自包含該像素陣列之所有像素。
  20. 如請求項12之影像感測器，其中該像素陣列之該第一複數個像素包括該像素陣列之至少一個列，且該第二複數個像素包括不同於該第一複數個像素之該至少一個列之至少另一列。
  21. 如請求項12之影像感測器，其中該像素陣列之該第一複數個像素包括該像素陣列之至少一個行，且該第二複數個像素包括不同於該第一複數個像素之該至少一個行之至少另一行。
  22. 如請求項12之影像感測器，其中該像素陣列之該第一複數個像素在一第一時間tn包括該像素陣列之至少一個第一列，其中該像素陣列之該第一複數個像素在一第二時間tn+1包括該像素陣列之至少一個第二列，且其中該第一時間tn與該第二時間tn+1不同。
  23. 如請求項12之影像感測器，其中該影像感測器進一步經組態以在一環境溫度在擷取該至少一個DC圖框之後改變達一預定差異之情況下擷取另一DC圖框。
  24. 如請求項12之影像感測器，其中該影像感測器進一步經組態以在該第二曝光週期在擷取該至少一個DC圖框之後大於一預定曝光週期之情況下擷取另一DC圖框。
  25. 如請求項12之影像感測器，其中該第一曝光週期之一持續時間(duration)不同於該第二曝光週期之一持續時間。
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