TWI839580B - 用於高動態範圍影像感測器之多單元像素陣列 - Google Patents

Abstract

一種像素包括複數個光電二極體之一陣列。該光電二極體陣列包括複數個列之光電二極體及複數個行之光電二極體。該複數個光電二極體包括具有一第一表面積之一組第一光電二極體及具有小於該第一表面積之一第二表面積的至少一個第二光電二極體。該等第一光電二極體經配置以相對於該至少一個第二光電二極體對稱。輸出電路電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者。一開關選擇性地以可操作方式閉合以將該輸出電路電耦接至該第二光電二極體。

Description

用於高動態範圍影像感測器之多單元像素陣列

本發明大體上係關於影像感測器，且更具體言之，係關於高動態範圍影像感測器。

標準影像感測器具有大約60至70 dB之有限動態範圍。然而，現實世界之亮度動態範圍要大得多。例如，自然場景通常跨越90 dB及更大之範圍。為了同時捕捉強光及暗影，高動態範圍(HDR)技術已在影像感測器中使用以增大捕捉之動態範圍。增大動態範圍之最常見技術為將使用標準(低動態範圍)影像感測器利用不同曝光設定捕捉之多重曝光合併至單個線性HDR影像中，這會得到比單次曝光影像大得多之動態範圍影像。

另一HDR技術將不同之曝光積分時間或不同之感光度(例如藉由插入中性密度濾光片)併入至單個影像感測器中。該單個影像感測器實際上可在單個影像感測器中具有2、3、4或甚至更多次不同曝光。因此，使用此HDR影像感測器可在單次拍攝中獲得多重曝光影像。然而，與普通全解析度影像感測器相比，使用此HDR感測器會減小總體影像解析度。舉例而言，對於將4次不同曝光組合至一個影像感測器中之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。

實施HDR影像感測器之其他方法存在許多其他困難。此等其他方法並非空間高效的，且難以小型化至較小間距以實現較高解析度。另外，由於許多此類HDR影像感測器之佈局不對稱，減小像素之大小及間距以實現高解析度影像感測器會導致串擾及其他不合需要之副效應，諸如由於間距減小而可能發生在此等影像感測器中之對角眩光。此外，許多HDR影像感測器需要具有極大之滿阱容量(FWC)之結構以適應大動態範圍。然而，大FWC要求會造成滯後、白色像素(WP)、暗電流(DC)及其他不良問題。因此，此類其他HDR成像方法因難以調整之高FWC要求而同樣不適用於高解析度。

揭示涉及具有多個光電二極體之像素陣列之方法及設備，該多個光電二極體包括圍繞至少一個小光電二極體對稱地配置之複數個大光電二極體。在以下描述中，闡述了許多特定細節以提供對實施例之透徹理解。然而，熟習相關領域之技術者將認識到，可在沒有一或多個該具體細節之情況下或利用其他方法、組件、材料等來實踐本文中所描述之技術。在其他情況下，未展示或詳細描述眾所周知之結構、材料或操作以免使某些態樣混淆不清。

在本說明書通篇中對「一個實例」或「一個實施例」之提及意指結合實例描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一個實例中。因此，貫穿本說明書在各種位置出現短語「在一個實例中」或「在一個實施例中」未必係指同一實例。此外，該特定特徵、結構或特性可在一或多個實例中以任何合適之方式組合。

貫穿本說明書，使用若干技術術語。除非本文中特別限定，或其使用情境將清晰地另外表明，否則此等術語將採用其在所屬領域中之普通含義。應注意，要素名稱及符號在本檔案中可互換使用(例如Si與矽)；然而，兩者具有相同含義。

圖1說明包括多個光電二極體之例示性像素100。複數個第一光電二極體102共同形成大光電二極體103。根據本發明之教示，該複數個第一光電二極體102可圍繞第二光電二極體配置，該第二光電二極體形成小光電二極體104。個別第一光電二極體102中之每一者可與小光電二極體104之大小基本上相同(例如具有基本上相同之表面積)。多個第一光電二極體102及小光電二極體104可沿著成像感測器之表面106配置，且可經定位以接收入射至成像感測器表面106上之光。第一光電二極體102及小光電二極體104可為釘紮光電二極體。每一第一光電二極體102可適於回應於入射光而光生影像電荷(例如電荷e-)。此類影像電荷可產生對應之電信號，其中該電信號之強度可基於由於入射至大光電二極體104上之光而產生之影像電荷量。同樣地，小光電二極體104可由於入射至小光電二極體104上之光而光生影像電荷。此類影像電荷可引起小光電二極體104產生電信號，其中該電信號之強度可基於由於入射至小光電二極體104上之光而產生之影像電荷量。由第一光電二極體102及小光電二極體104產生之電信號可用於產生影像資料。成像感測器之表面106可包括複數個例示性像素100。自此類沿著成像感測器之表面106配置之複數個像素100產生之影像資料之集合可用於渲染影像。

共同形成沿著成像感測器之表面106配置之大光電二極體103以接收入射光之第一光電二極體102之表面積可大於沿著成像感測器之表面106配置之小光電二極體104之對應表面積。舉例而言，在一些情況下，每一第一光電二極體102之間距可大約為1 µm。在一些實施中，第一光電二極體102中之一或多者之間距可大約為0.9 µm及/或0.7 µm。在一些實施中，像素100中之第一光電二極體102中之每一者之間距可相同。小光電二極體104之間距可與像素100中對應之第一光電二極體102中之每一者之間距相同或基本上相同。

自諸如大光電二極體103及/或小光電二極體104之光電二極體產生之影像電荷之量可至少部分地基於經配置以接收入射光之光電二極體之表面積。舉例而言，電信號之強度可與經定位以接收入射光之表面積之量成比例，且由此隨著該表面積之量增大而增大。在此類實施中，共同形成大光電二極體103之第一光電二極體102可因此共同產生與由接收相同強度之入射光之小光電二極體104產生之電信號相比相對更強之電信號。由此，大光電二極體103可用於感測較暗之低至中強度之光條件，而相對較小之小光電二極體104可用於感測亮之或高強度之光條件。在一些實施中，小光電二極體104亦可用以捕捉來自發光二極體之閃爍(例如LED閃爍)，而大光電二極體103或可能錯過該閃爍。例如，在一個實例中，小光電二極體104對入射光之曝光時間可相對於大光電二極體103之曝光時間而增大以捕捉LED閃爍(例如~11 ms間隔)。對此類LED閃爍之捕捉可適用於諸如當例示性像素100用作影像感測器之部分時之各種情況，該影像感測器在車輛中用以渲染周圍環境中之物件之影像及偵測該物件。第一光電二極體102及小光電二極體104之陣列可用於為像素100提供具有高動態範圍(HDR)之影像輸出。自光電二極體產生之影像電荷之量亦可取決於其他因素，包括例如光電二極體之有效長度。與具有相對較淺有效長度之類似光電二極體相比，具有相對較深有效長度之光電二極體可產生更多影像電荷。

形成大光電二極體103之多個第一光電二極體102及小光電二極體104可共同形成光電二極體陣列108作為像素100之部分。光電二極體陣列108可包括光電二極體之複數個列110及/或複數個行112。列110及/或行112中之每一者可包括複數個光電二極體。舉例而言，如圖1中所展示，每一列110包括一組三個光電二極體，且每一行112亦包括一組三個光電二極體。第一光電二極體102可經配置以關於一或多個對稱軸相對於小光電二極體104對稱。舉例而言，如圖1中所展示，第一光電二極體102可圍繞小光電二極體104配置以關於第一對稱軸114且關於第二對稱軸116對稱。第一光電二極體102相對於小光電二極體104之此類對稱配置可用於減少可能因成角度地(例如45°)入射在成像感測器之表面106上之光而產生之眩光。在一些實施中，像素100可包括複數個小光電二極體104及複數個第一光電二極體102。在此類實施中，該多個第一光電二極體102可經配置以相對於該複數個小光電二極體104中之一或多者對稱。

圖2A說明包括共同形成大光電二極體203之多個第一光電二極體202及至少一個小光電二極體204之例示性像素200A之示意圖。第一光電二極體202中之每一者可使用一或多個第一轉接開關208選擇性地電耦接至輸出電路206。此類第一轉接開關208可使用例如NMOS電晶體來實施。在一些實施中，第一轉接開關208中之一或多者可使用控制電路(參看例如圖3)控制以選擇性地在斷開狀態與閉合狀態之間移動。第一轉接開關208中之一或多者可閉合以例如為在對應之第一光電二極體202中之每一者處回應於第一光電二極體202上之入射光而產生的影像電荷提供電路徑。此類電路徑可例如在第一光電二極體202中之一或多者與輸出電路206之間延伸。

第二轉接開關210 (圖2A中展示一個)可用於選擇性地將對應之小光電二極體204 (圖2A中展示了一個)電耦接至輸出電路206。第二轉接開關210可使用例如NMOS電晶體來實施。第二轉接開關210可使用控制電路(參看例如圖3)控制以選擇性地在斷開狀態與閉合狀態之間移動。第二轉接開關210可閉合以例如為在小光電二極體204處回應於小光電二極體204上之入射光而產生之影像電荷提供電路徑。此類電路徑可例如在小光電二極體204與輸出電路206之間延伸。

輸出電路206可選擇性地電耦接至第一光電二極體202及至小光電二極體204。如圖2A中說明之實例中所展示，輸出電路206可包括源極隨耦器電晶體214、電壓源216及輸出節點218。在所描繪之實例中，浮動擴散節點211為輸出電路206之輸入節點，其耦接至源極隨耦器電晶體214之閘極端子。輸出電路206之輸出節點218耦接至源極隨耦器電晶體214之源極端子。在實例中，浮動擴散節點211經耦接以分別藉由第一轉接開關208及/或第二轉接開關210自第一光電二極體202及/或小光電二極體204接收影像電荷。在此類情況中，由源極隨耦器電晶體214在輸出節點218處產生之輸出信號回應於在耦接至源極隨耦器電晶體214之閘極端子之浮動擴散節點211處存在之電荷。

例如，在所描繪實例之操作期間，源極隨耦器電晶體214充當回應於浮動擴散節點211中之電荷之緩衝器或放大器，且在源極隨耦器電晶體214之源極端子處產生之輸出信號之電壓跟隨耦接至源極隨耦器電晶體214之閘極端子之浮動擴散節點211處之電壓減去源極隨耦器電晶體214之閘極端子與源極端子之間的閘極節點電壓。因此，輸出節點218處之所得電壓可用於產生與例示性像素200A相關聯之影像資料。

在一些情況下，一組第一轉接開關208可經控制以一起起作用，使得所有第一轉接開關208一起在斷開狀態與閉合狀態之間轉變。共同控制第一轉接開關208可使例示性像素200A具有較低解析度，因為在第一光電二極體202中之每一者處產生之影像電荷將被傳輸至耦接至源極隨耦器電晶體214之閘極端子之浮動擴散節點211。例示性像素200A之解析度可藉由選擇性地使第一轉接開關208中之每一者彼此獨立地閉合而增大。該控制電路可控制第一轉接開關208以限制在第一光電二極體202處產生之隨後可行進至輸出電路206之影像電荷之量。舉例而言，控制電路可控制第一轉接開關208以在某些條件下，諸如在強光入射至例示性像素200A上時，執行極短曝光(「VS曝光」)。限制曝光時間之量可用於增大例示性像素200A之動態範圍。

在所描繪之實例中，像素200A亦包括雙轉換增益電路220及重設電路228。雙轉換增益電路220可包括雙浮動擴散(DFD)開關222及電容器224。雙轉換增益電路220可由像素200A用以實現高動態範圍(HDR)成像。在操作中，在明亮之室外光照條件下，DFD開關222可閉合以將電容器224耦接至浮動擴散節點211以增大浮動阱容量(FWC)，這會為像素200A提供額外動態範圍能力。由此，藉由將電容器224耦接至浮動擴散節點211以容納在強光條件期間產生之電荷量來實現低轉換增益(LCG)。在暗淡光照條件下之實例中，DFD開關可斷開，這使電容器224與浮動擴散節點211解耦。由此，藉由使電容器224解耦來實現高轉換增益(HCG)，因為浮動擴散節點211之FWC足夠大而無需添加電容器224。在一個實例中，電壓源226可電耦接至電容器224之與DFD開關222相對之側。由此，電壓源226可用於實現在DFD開關222處於閉合狀態時儲存由大光電二極體202產生之影像電荷中之至少一些影像電荷。

重設電路228可包括重設開關230及電壓源232。重設開關230可藉由控制電路(未展示)選擇性地連同DFD開關222一起閉合，以創建至電壓源232之電路徑。在重設操作中，例示性像素200A中之所有開關，包括第一轉接開關208、第二轉接開關210、DFD開關222及重設開關230中之每一者，可被設定成閉合狀態以在第一光電二極體202、小光電二極體204及浮動擴散節點211中之每一者至重設電路228中之電壓源232之間提供電路徑。在此重設操作中，由第一光電二極體202、小光電二極體204中之每一者產生之影像電荷及存在於浮動擴散節點211中之影像電荷可被清理至電壓源232以重設例示性像素200A。

圖2B說明類似於例示性像素200A之包括可共同形成大光電二極體203之多個第一光電二極體202、至少一個小光電二極體204、輸出電路206、雙轉換增益電路220及重設電路228之例示性像素200B之示意圖。例示性像素200B亦包括LOFIC電路234，其可包含橫向溢流積體電容器236及電壓源238。LOFIC電路234可在第二轉接開關210處於閉合狀態時電耦接至小光電二極體204。在例示性像素200B具有多個小光電二極體204之情況下，小光電二極體204中之每一者可具有小光電二極體204可與之電耦接之相關聯LOFIC電路234。在其他情況下，多個小光電二極體204可選擇性地電耦接至單個LOFIC電路234。

電壓源238可電耦接至橫向溢流積體電容器236之一側，該側與橫向溢流積體電容器236之可電耦接至小光電二極體204之側相對。由此，電壓源238可用於將電勢施加至橫向溢流積體電容器236，由此在橫向溢流積體電容器236電耦接至小光電二極體204時吸引由小光電二極體204光生之至少一些影像電荷。橫向溢流積體電容器236可用於例如增大可在小光電二極體204處產生之影像電荷之量。由此，橫向溢流積體電容器236可用於藉由減小傳遞至輸出電路206之影像電荷量來擴展例示性像素200B之動態範圍。在一些情況下，橫向溢流積體電容器236可由大之金屬內電容器(in-metal capacitor)構成。在一些情況下，橫向溢流積體電容器236可由金屬堆疊電容器(metal stacked capacitor)構成。在一些情況下，橫向溢流積體電容器236可由金屬至金屬電容器(metal-to-metal capacitor)構成，諸如金屬-氧化物-金屬電容器及/或金屬-絕緣體-金屬電容器中之一或多者。

例示性像素200B可包括可定位在小光電二極體204與輸出電路206之間的小光電二極體啟用開關240。小光電二極體啟用開關240可用於選擇性地將小光電二極體204與輸出電路206及/或重設電路228電耦接。舉例而言，當例示性像素200B用於捕捉影像電荷以產生影像資料時，小光電二極體啟用開關240可選擇性地閉合以使得小光電二極體204可與輸出電路206電耦接，由此允許影像電荷自小光電二極體204流至耦接至輸出電路206之浮動擴散節點211。小光電二極體啟用開關240亦可選擇性地在重設操作期間連同DFD開關222及重設開關230一起閉合，使得小光電二極體204及LOFIC電路234可電耦接至電壓源232。在此情境中，小光電二極體204及/或LOFIC電路234處存在之影像電荷可被電壓源232清理掉。在此類實施中，小光電二極體啟用開關240可由控制電路(未展示)控制。

圖2C說明類似於例示性像素200A之包括共同形成大光電二極體203之多個第一光電二極體202、至少一個小光電二極體204、輸出電路206、雙轉換增益電路220及重設電路228之例示性像素200C之示意圖。例示性像素200C亦包括可在第二轉接開關210處於閉合狀態時電耦接至小光電二極體204之濾波器242。濾波器242可選擇性地對由入射至小光電二極體204上之具有所要波長或在所要波長範圍內之光產生之影像電荷進行濾波。由此，濾波器242可例如用作帶阻濾波器，其選擇性地過濾給定波長範圍內之光。

由此，濾波器242可用於增大例示性像素200C之動態範圍。此外，濾波器242過濾之波長範圍可影響例示性像素200C之動態範圍。舉例而言，在一些實施中，濾波器242可過濾在小光電二極體204處由波長處於與某一顏色相關聯之波長範圍內之光所光生之影像電荷。濾波器242之此類選擇性過濾可用於增大例示性像素200C之動態範圍。舉例而言，濾波器242可選擇性地過濾在小光電二極體204處由波長處於綠光之波長範圍(例如約520至560 nm)內之入射光部分所光生之影像電荷。過濾與綠光相關聯之影像電荷之此類型之濾波器可增大例示性像素200C之動態範圍，因為人眼之視覺感知尤其對綠光敏感。濾波器242可過濾在小光電二極體204處由綠光之外的波長之光產生的影像電荷。

在一些實施中，替代或補充濾波器242，例示性像素200C可包括濾光器244。濾光器244可為位於小光電二極體204附近且定位在小光電二極體204與外部環境之間的濾波器。由此，入射至小光電二極體204上之光可沿著光學路徑行進，使得光穿過濾光器244。在此情境中，濾光器244可過濾入射至小光電二極體上之波長處於一定波長範圍內之光之一部分。舉例而言，在一些實施中，濾光器244可過濾波長處於與某一顏色相關聯之波長範圍內之光。濾光器244之此類選擇性過濾可用於增大例示性像素200C之動態範圍。舉例而言，濾光器244可選擇性地過濾波長處於綠光之波長範圍(例如約520至560 nm)內之入射光部分。由此，濾光器244可增大例示性像素200C之動態範圍，因為人眼之視覺感知尤其對綠光敏感。濾光器244可過濾入射至小光電二極體上之在綠光之外的波長之光。在一個實例中，一或多個濾光器244亦可位於第一光電二極體202中之一或多者附近且定位在第一光電二極體202與外部環境之間。由此，入射至第一光電二極體202上之光可沿著光學路徑行進，使得光穿過濾光器244至第一光電二極體202。在此情境中，濾光器244可過濾入射至第一光電二極體上之波長處於一定波長範圍內之光之一部分。在一些情況下，由位於第一光電二極體202附近之濾光器244過濾之波長範圍可與位於小光電二極體204附近之濾光器244過濾之波長範圍相同。在其他情況下，由位於第一光電二極體202附近之濾光器244過濾之波長範圍可與位於小光電二極體204附近之濾光器244過濾之波長範圍不同。

圖3展示成像系統300，其包括像素陣列302、控制電路304及讀出電路306。讀出電路306可以通信方式耦接至功能邏輯308。

像素陣列302之所說明實施例為成像感測器或像素單元310 (例如，像素單元P1、P2、...、Pn)之二維(「2D」)陣列。在一個實例中，根據本發明之教示，每一像素單元310包括可用於HDR成像之一或多個第一光電二極體及一或多個小光電二極體。如所說明，像素單元310之陣列經配置為複數個列(例如列R1至Ry)及複數個行(例如行C1至Cx)以獲取人、地方或物體等之影像資料，該影像資料可接著用於渲染人、地方或物體等之影像。如下文將更詳細地描述，根據本發明之教示，每一像素單元310 (例如像素單元P1、P2、...、Pn)可包括一或多個第一光電二極體及一或多個小光電二極體以提供HDR成像。

在一個實例中，在每一像素單元310已獲取其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路306藉由讀出行位線312讀出且隨後傳遞至功能邏輯308。在各種實例中，讀出電路306可包括放大電路(未說明)、包括模/數轉換(ADC)電路之行讀出電路或其他電路。功能邏輯308可僅僅儲存影像資料，或甚至藉由應用後期影像效果(例如，裁剪、旋轉、去除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他效果)來操控影像資料。在一個實例中，讀出電路306可沿著讀出行線(說明)每次讀出一列影像資料，或可使用多種其他技術(未說明)讀出影像資料，諸如串行讀出或同時全面並行讀出所有像素。

在一個實例中，控制電路306耦接至像素陣列302以控制像素陣列302中之像素310 (例如像素單元P1、P2、...、Pn)之操作特性。例如，控制電路308可產生傳輸門信號及其他控制信號，以控制對來自像素陣列302之每一像素單元310之第一光電二極體及/或小光電二極體之影像資料之傳遞及讀出。另外，控制電路308可產生用於控制影像獲取之快門信號。在一個實例中，快門信號為用於在單個獲取窗口期間同時使像素陣列302內之所有像素310能夠同時捕捉其各別影像資料之全局快門信號。在另一實例中，快門信號為滾動快門信號，使得在連續獲取窗口期間依序啟用像素310之每一列、行或群組。快門信號亦可建立積分時間，其為每一像素單元310之光電二極體回應於入射光而光生影像電荷之時間長度。在一個實施中，曝光時間經設定以與圖框中之每一者相同。

圖4展示操作例示性像素之方法400，該例示性像素具有：複數個光電二極體，其包括一或多個第一光電二極體及至少一個小光電二極體；及輸出電路，其可選擇性地電耦接至該等第一光電二極體及/或該至少一個小光電二極體中之任一者或兩者。方法400開始於402，此處可起始例示性像素之操作。此類起始可例如在例示性像素上電時發生。此類起始可在例示性像素進行影像獲取操作之後發生。方法400接著自402轉至404。

在404處，控制電路傳輸一或多個信號以使得例示性像素執行重設。由此，控制電路可傳輸一或多個信號以使得例示性像素中之轉接開關中之每一者進入閉合狀態，由此將第一光電二極體、小光電二極體及浮動擴散節點電耦接至重設電路。重設電路可包括將用於自第一光電二極體、小光電二極體及浮動擴散節點清理影像電荷且由此執行重設操作之電壓源。此類重設操作可用於使例示性像素中之光電二極體準備好光生影像電荷且由此產生影像資料以用於影像獲取操作。控制電路隨後可傳輸一或多個信號以使例示性像素中之轉接開關中之每一者進入斷開狀態。

在406處，輸出電路可接收可在第一光電二極體中之一或多者處產生之影像電荷。可在使轉接開關中之一或多者選擇性地將第一光電二極體中之一或多者電耦接至輸出電路後接收此類影像電荷。可在光入射至第一光電二極體中之一或多者上時產生此類影像電荷。在此類實施中，第一光電二極體與耦接至輸出電路之浮動擴散件之間可存在電路徑。在一些情況下，隨後存在於耦接至輸出電路之浮動擴散件處之影像電荷可用於為例示性像素產生影像資料。與小光電二極體相比，第一光電二極體共同具有相對大之可用於光生影像電荷之表面積。另外，因為例示性像素相比於習知像素包括更多光電二極體，該光電二極體包含第一光電二極體，所以例示性像素中之第一光電二極體可用於在低光情況期間產生影像資料。與習知像素相比，使用額外第一光電二極體以包含大光電二極體亦可提供經提高之例示性像素滿阱容量。此類增大之滿阱容量可減少其中例示性像素進入飽和狀態之白色像素情況。在此情境中，DFD開關可保持在斷開位置，使得例示性像素以高轉換增益模式操作。

在408處，輸出電路可基於在浮動擴散節點處接收到之影像電荷而產生輸出信號。舉例而言，輸出電路可包括具有源極隨耦器電晶體之輸出放大器或緩衝器，該源極隨耦器電晶體回應於浮動擴散節點中自第一光電二極體中之一或多者及/或小光電二極體接收之影像電荷而產生輸出信號。

方法400在410處結束。在該點處，例示性像素可用於後續影像獲取操作，其中例如可完全或部分地重複實例400。

圖5展示操作例示性像素之方法500，該例示性像素具有：複數個光電二極體，其包括一或多個第一光電二極體及至少一個小光電二極體；輸出電路；及浮動擴散節點，其可選擇性地電耦接至該一或多個第一光電二極體及/或該至少一個小光電二極體中之任一者或兩者。該例示性像素亦可包括可根據本發明之教示操作之橫向溢流積體電容器(LOFIC)。方法500開始於502，此處可起始例示性像素之操作。此類起始可例如在例示性像素上電時發生。此類起始可在例示性像素進行影像獲取操作之後發生。方法500接著自502轉至504。

在504處，控制電路傳輸一或多個信號以使得例示性像素執行重設。由此，控制電路可傳輸一或多個信號以使得例示性像素中之轉接開關中之每一者進入閉合狀態，由此將第一光電二極體、小光電二極體及浮動擴散節點電耦接至重設電路。重設電路可包括將用於自第一光電二極體、小光電二極體及浮動擴散節點清理影像電荷且由此執行重設操作之電壓源。此類重設操作可用於使例示性像素中之光電二極體準備好光生影像電荷且由此產生影像資料以用於影像獲取操作。控制電路隨後可傳輸一或多個信號以使例示性像素中之轉接開關中之每一者進入斷開狀態。

在506處，耦接至輸出電路之浮動擴散節點可接收可在第一光電二極體中之一或多者處產生之影像電荷。可在光入射至第一光電二極體中之一或多者上時產生此類影像電荷。在此類實施中，可在第一光電二極體中之一或多者與耦接至輸出電路之浮動擴散節點之間存在電路徑。在一些情況下，隨後存在於耦接至輸出電路之浮動擴散節點處之影像電荷可用於為例示性像素產生影像資料。與小光電二極體相比，第一光電二極體共同具有相對大之可用於光生影像電荷之表面積。另外，因為例示性像素包括更多第一光電二極體，該等第一光電二極體包含大光電二極體，所以例示性像素中之第一光電二極體可共同用於在低光情況期間產生影像資料。使用額外第一光電二極體以包含大光電二極體亦可在例示性像素之第一光電二極體中提供提高之滿阱容量。

在508處，控制電路可發送一或多個信號，該一或多個信號使位於小光電二極體與耦接至輸出電路之浮動擴散節點之間的電開關轉變至閉合狀態，由此在小光電二極體與耦接至輸出電路之浮動擴散節點之間建立電路徑。因此，小光電二極體及耦接至輸出電路之浮動擴散節點將經電耦接以使得由入射光在小光電二極體處光生之影像電荷可自小光電二極體行進至浮動擴散節點輸出電路。

在510處，LOFIC電路可選擇性地電耦接至小光電二極體以捕捉在小光電二極體處產生之影像電荷中之至少一些。此類LOFIC電路可包括電容器，該電容器在一側電耦接至小光電二極體且在另一側電耦接至電壓源。藉由使電壓源通電，LOFIC電路可用於捕捉由小光電二極體產生之影像電荷中之至少一些。藉由LOFIC電路收集之此類影像電荷在LOFIC電壓源通電時可能不進一步傳輸至例示性像素之其他組件。因此，藉由減少在輸出電路處接收到之影像電荷，LOFIC電路可用於增大例示性像素之動態範圍。

在512處，耦接至輸出電路之浮動擴散節點接收小光電二極體處光生之影像電荷。因為與第一光電二極體全體相比，小光電二極體具有相對小之用於接收入射光之表面積，所以小光電二極體之曝光時間可經增大以提供諸如LED閃爍之入射至例示性像素上之明亮閃光之影像資料且防止發生白色像素情況。

在514處，輸出電路可基於接收到之影像電荷來產生輸出信號。舉例而言，輸出電路可包括具有源極隨耦器電晶體之輸出放大器或緩衝器，該源極隨耦器電晶體回應於自第一光電二極體中之一或多者及/或小光電二極體接收到之影像電荷而產生輸出信號。

方法500在516處結束。在該點處，例示性像素可用於後續影像獲取操作，其中例如可完全或部分地重複實例500。

圖6展示操作例示性像素之方法600，該例示性像素具有：複數個光電二極體，其包括一或多個第一光電二極體及至少一個小光電二極體；及輸出電路，其可選擇性地電耦接至該等第一光電二極體及/或該至少一個小光電二極體中之任一者或兩者。方法600開始於602，此處可起始例示性像素之操作。此類起始可例如在例示性像素上電時發生。此類起始可在例示性像素進行影像獲取操作之後發生。方法600接著自602轉至604。

在604處，控制電路傳輸一或多個信號以使得例示性像素執行重設。由此，控制電路可傳輸一或多個信號以使得例示性像素中之轉接開關中之每一者進入閉合狀態，由此將第一光電二極體、小光電二極體及浮動擴散節點電耦接至重設電路。重設電路可包括將用於自第一光電二極體、小光電二極體及浮動擴散節點清理影像電荷且由此執行重設操作之電壓源。此類重設操作可用於使例示性像素中之光電二極體準備好光生影像電荷且由此產生影像資料以用於影像獲取操作。控制電路隨後可傳輸一或多個信號以使例示性像素中之轉接開關中之每一者進入斷開狀態。

在606處，控制電路傳輸一或多個信號以使與第一光電二極體相關聯之轉接開關閉合且使DFD開關閉合，由此將第一光電二極體與諸如至少一個雙轉換增益電容器之低轉換增益電路電耦接，這會增大浮動擴散節點之FWC。藉由使DFD開關閉合，低轉換增益電路可選擇性地經電耦接以接收在第一光電二極體處光生之影像電荷。由此，當DFD開關閉合時，例示性像素可處於低轉換增益模式。作為606之部分閉合之開關可進一步在第一光電二極體、雙轉換增益電容器及輸出電路之間形成電路徑。

在608處，可在耦接至輸出電路之浮動擴散節點處接收影像電荷。可在光入射至第一光電二極體中之一或多者上時產生此類影像電荷。在此類實施中，可在第一光電二極體與耦接至輸出電路之浮動擴散節點之間存在電路徑。在一些情況下，隨後存在於耦接至輸出電路之浮動擴散節點處之影像電荷可用於為例示性像素產生影像資料。與小光電二極體相比，第一光電二極體共同具有相對大之可用於光生影像電荷之表面積。另外，因為例示性像素包括更多第一光電二極體，該等第一光電二極體包含大光電二極體，所以例示性像素中之第一光電二極體可用於在低光情況期間產生影像資料。使用額外第一光電二極體以包含大光電二極體亦可提供經提高之例示性像素滿阱容量。此類增大之滿阱容量可減少其中例示性像素進入飽和狀態之白色像素情況。

在610處，輸出電路可基於在浮動擴散節點處接收到之影像電荷而產生輸出信號。舉例而言，輸出電路可包括具有源極隨耦器電晶體之輸出放大器或緩衝器，該源極隨耦器電晶體回應於在浮動擴散節點處自第一光電二極體中之一或多者及/或小光電二極體接收之影像電荷而產生輸出信號。

方法600在612處結束。在該點處，例示性像素可用於後續影像獲取操作，其中例如可完全或部分地重複實例600。

圖7為說明根據本發明之教示操作之例示性像素之動態範圍之信雜比(SNR)圖700。例示性像素包括3×3佈局之光電二極體，其中小光電二極體定位在陣列中間且被8個可共同形成大光電二極體之第一光電二極體包圍。例示性像素亦包括選擇性地電耦接至小光電二極體之LOFIC電路。

SNR圖700之x軸702表示例示性像素上之照度且以勒克斯(lux)為單位提供。SNR圖700之y軸704表示以分貝計之信雜比。第一曲線706展示隨著來自入射光之像素照度之強度向右沿著x軸移動增大而具有高轉換增益之大光電二極體之SNR回應。如SNR圖700中所見，具有高轉換增益之大光電二極體提供輸出信號直至勒克斯超過約1.0E+0.0，其中最大信雜比約為28 dB。第二曲線708展示隨著來自入射光之像素照度之強度向右沿著x軸移動增大而具有低轉換增益之大光電二極體之SNR回應。具有低轉換增益之大光電二極體提供輸出信號，直至1.0E+02之前，其中最大信雜比約為42 dB。第三曲線710展示電耦接至LOFIC電路之小光電二極體之SNR回應。此類小光電二極體提供輸出信號，直至像素照度之勒克斯超過約1.0E+04，其中最大信雜比約為40 dB。例示性像素之總動態範圍可基於大光電二極體之雙轉換增益、小光電二極體之輸出及當例示性像素執行VS曝光時之輸出。因此，提供SNR圖700中說明之輸出之例示性節點可具有約130.6 dB之動態範圍。

對本發明之所說明實施例之以上描述，包括摘要中所描述之內容，並不意圖為窮盡性的或限制於所揭示之精確形式。雖然本文出於說明性目的描述了本發明之具體實施例及實例，但在不脫離本發明之更廣精神及範圍之情況下，各種等同修改係可能的。實際上，應瞭解，為了解釋目的而提供特定實例電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等，且根據本發明之教示亦可在其他實施例及實例中採用其他值。

可鑒於以上詳細描述對本發明之實例作出此等修改。在所附申請專利範圍中使用之術語不應解釋為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之具體實施例。實際上，範圍將完全由所附申請專利範圍確定，所附申請專利範圍應根據已確立之權利要求解釋原則進行解釋。本說明書及圖因此應被視為說明性的而非限制性的。

100:像素 102:第一光電二極體 103:大光電二極體 104:小光電二極體 106:成像感測器表面 108:光電二極體陣列 110:列 112:行 114:第一對稱軸 116:第二對稱軸 200A:像素 200B:像素 200C:像素 202:第一光電二極體 203:大光電二極體 204:小光電二極體 206:輸出電路 208:第一轉接開關 210:第二轉接開關 211:浮動擴散節點 214:源極隨耦器電晶體 216:電壓源 218:輸出節點 220:雙轉換增益電路 222:雙浮動擴散(DFD)開關 224:電容器 226:電壓源 228:重設電路 230:重設開關 232:電壓源 234:LOFIC電路 236:橫向溢流積體電容器 238:電壓源 240:小光電二極體啟用開關 242:濾波器 244:濾光器 300:成像系統 302:像素陣列 304:控制電路 306:讀出電路 308:功能邏輯 310:像素單元 400:方法 500:方法 600:方法 700:信雜比(SNR)圖 702:x軸 704:y軸 706:第一曲線 708:第二曲線 710:第三曲線

參考以下圖式描述本發明之非限制性及非窮盡性實施例，其中除非另外指定，否則相同參考數字貫穿各視圖指代相同部分。

圖1為根據本發明之教示的包括圍繞小光電二極體配置之多個大光電二極體之例示性像素的佈局圖。

圖2A為根據本發明之教示的包括多個光電二極體之實例像素之說明性示意圖，該多個光電二極體包括多個大光電二極體及至少一個小光電二極體。

圖2B為根據本發明之教示的包括多個光電二極體及橫向溢流積體電容器(LOFIC)之實例像素之說明性示意圖。

圖2C為根據本發明之教示的包括多個光電二極體及可用於選擇性地移除與所要波長及/或波長帶之光相關聯之電信號之濾波器的實例像素之說明性示意圖。

圖3為展示根據本發明之教示的包括像素陣列之成像系統之方塊圖。

圖4為說明具有包括多個大光電二極體及至少一個小光電二極體之複數個光電二極體且可根據本發明之教示操作的例示性像素之操作之流程圖。

圖5為說明具有複數個光電二極體及橫向溢流積體電容器(LOFIC)且可根據本發明之教示操作的例示性像素之操作之流程圖。

圖6為說明具有複數個光電二極體及低轉換增益電路且可根據本發明之教示操作的例示性像素之操作之流程圖。

圖7為說明根據本發明之教示操作之例示性像素之動態範圍的信雜比(SNR)圖。

對應之參考標號貫穿圖式之若干視圖指示對應之組件。熟習此項技術者應瞭解，圖中之元件僅為簡單及清晰起見而說明，且不一定按比例繪製。舉例而言，圖中一些元件之尺寸可能相對於其他元件而放大以幫助提高對本發明之各種實施例之理解。另外，通常未描繪在商業可行之實施例中有用或必需之常見但眾所周知之元件，以有助於不大受妨礙地查看本發明之此等各種實施例。

200A:像素

202:第一光電二極體

203:大光電二極體

204:小光電二極體

206:輸出電路

208:第一轉接開關

210:第二轉接開關

211:浮動擴散節點

214:源極隨耦器電晶體

216:電壓源

218:輸出節點

220:雙轉換增益電路

222:雙浮動擴散(DFD)開關

224:電容器

226:電壓源

228:重設電路

230:重設開關

232:電壓源

Claims (24)

1. 一種像素，其包含：複數個光電二極體之一陣列，該光電二極體陣列包括複數個列之光電二極體及複數個行之光電二極體，該複數個光電二極體包括具有一第一表面積之一組第一光電二極體及具有小於該第一表面積之一第二表面積的至少一個第二光電二極體，其中該組第一光電二極體之該第一表面積經配置以沿著至少一第一對稱軸及一第二對稱軸對稱地圍繞該至少一個第二光電二極體之該第二表面積；一浮動擴散節點，其選擇性地經耦接以自該組第一光電二極體或該至少一個第二光電二極體接收影像電荷；輸出電路，其電耦接至該浮動擴散節點；一開關，其選擇性地以可操作方式閉合(close)以將該浮動擴散節點電耦接至該至少一個第二光電二極體；一或多個雙浮動擴散(dual floating diffusion,DFD)開關，其將該組第一光電二極體電耦接至低轉換增益電路(low conversion gain circuitry)，其中該像素在該一或多個DFD開關斷開(open)時處於一高轉換增益狀態，其中該像素在該一或多個DFD開關閉合時處於一低轉換增益狀態，且其中該低轉換增益電路係耦接於該組第一光電二極體及該浮動擴散節點之間；及一橫向溢流積體電容器(lateral overflow integration capacitor)，其電耦接於該至少一個第二光電二極體及該浮動擴散節點之間。
2. 如請求項1之像素，其中該複數個列包括至少三個列，且該複數個行包括至少三個行。
3. 如請求項1之像素，其進一步包含：重設電路，其包括一重設開關，該重設開關選擇性地以可操作方式閉合以將一重設節點電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體，該重設節點清理(sweeps)自該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體光生(photogenerated)之該影像電荷。
4. 如請求項1之像素，其中該橫向溢流積體電容器選自由一大金屬內電容器、一金屬堆疊電容器及一金屬至金屬電容器組成之群組。
5. 如請求項1之像素，其進一步包含：一第一濾光器，其定位於該組第一光電二極體之一外向表面上，該第一濾光器過濾一第一波長範圍內之入射光。
6. 如請求項5之像素，其進一步包含：一第二濾光器，其定位於該至少一個第二光電二極體之一外向表面上，該第二濾光器過濾一第二波長範圍內之入射光，其中該第二範圍可與該第一範圍相同。
7. 如請求項1之像素，其中該輸出電路包括一輸出放大器以產生一輸出 信號，該輸出放大器選擇性地電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者且電耦接至該至少一個第二光電二極體。
8. 如請求項1之像素，其中該組第一光電二極體包括對稱地圍繞該至少一個第二光電二極體所配置之該複數個光電二極體中所包括的至少八個光電二極體。
9. 如請求項1之像素，其中該複數個光電二極體具有一共同形狀或一共同大小中之至少一者。
10. 如請求項1之像素，其中該第一對稱軸與該第二對稱軸正交。
11. 如請求項10之像素，其中該組第一光電二極體包括至少二個對角光電二極體，其各者安置於該第一對稱軸與該第二對稱軸之間。
12. 如請求項1之像素，其進一步包含一啟用開關，其耦接於該浮動擴散節點及該橫向溢流積體電容器之間。
13. 一種用於基於入射至一像素上之光來產生一輸出信號之方法，其中該像素由複數個光電二極體之一陣列構成，該方法包含：在一輸出電路處且自一浮動擴散節點接收由包括在該複數個光電二極體之該陣列中之一組第一光電二極體中之第一光電二極體之每一者光生之影像電荷，該光電二極體陣列包括複數個列之光電二極體及複數個行之 光電二極體，該複數個光電二極體包括具有一第一表面積之該組第一光電二極體，該複數個光電二極體包括具有小於該第一表面積之一第二表面積的至少一個第二光電二極體，其中該組第一光電二極體之該第一表面積經配置以沿著至少一第一對稱軸及一第二對稱軸對稱地圍繞該至少一個第二光電二極體之該第二表面積，其中該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之該每一者電耦接至該輸出電路；選擇性地閉合一電開關以將該至少一個第二光電二極體與該輸出電路電耦接，且當該電開關選擇性地閉合時，在該輸出電路處且自該浮動擴散節點接收由該至少一個第二光電二極體光生之影像電荷；選擇性地閉合一或多個雙浮動擴散(DFD)開關以將該組第一光電二極體電耦接至低轉換增益電路，其中該像素在該一或多個DFD開關斷開時處於一高轉換增益狀態，且其中該像素在該一或多個DFD開關閉合時處於一低轉換增益狀態，且其中該低轉換增益電路係耦接於該組第一光電二極體及該浮動擴散節點之間；使用耦接於該至少一個第二光電二極體及該浮動擴散節點之間之一橫向溢流積體電容器收集由入射至該至少一個第二光電二極體上之光所光生之該影像電荷之至少一些；及基於在該輸出電路處接收到之該影像電荷產生該輸出信號。
14. 如請求項13之方法，其進一步包含：選擇性地閉合一重設開關以將一重設節點電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體，及當該重設開關選擇性地閉合時，將該影像電荷自該組第一光電二極體中之 該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體清理至該重設節點。
15. 如請求項13之方法，其中該輸出電路包括一輸出放大器以產生該輸出信號，其中該在該輸出電路處接收由該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及由該第二光電二極體光生之該影像電荷進一步包含在該輸出放大器處接收該影像電荷。
16. 如請求項13之方法，其中一啟用開關係耦接於該浮動擴散節點及該橫向溢流積體電容器之間。
17. 一種高動態範圍成像系統，其包含：一像素陣列，其中該像素陣列中之每一像素包括：複數個光電二極體之一陣列，該光電二極體陣列包括複數個列之光電二極體及複數個行之光電二極體，該複數個光電二極體包括具有一第一表面積之一組第一光電二極體及具有小於該第一表面積之一第二表面積的至少一個第二光電二極體，其中該組第一光電二極體之該第一表面積經配置以沿著至少一第一對稱軸及一第二對稱軸對稱地圍繞該至少一個第二光電二極體之該第二表面積；一浮動擴散節點，其選擇性地經耦接以自該組第一光電二極體或該至少一個第二光電二極體接收影像電荷；輸出電路，其電耦接至該浮動擴散節點；及一開關，其選擇性地以可操作方式閉合以將該浮動擴散節點電耦 接至該至少一個第二光電二極體；一或多個雙浮動擴散(DFD)開關，其將該組第一光電二極體電耦接至低轉換增益電路，其中該像素在該一或多個DFD開關斷開時處於一高轉換增益狀態，其中該像素在該一或多個DFD開關閉合時處於一低轉換增益狀態，且其中該低轉換增益電路係耦接於該組第一光電二極體及該浮動擴散節點之間；及一橫向溢流積體電容器，其電耦接於該至少一個第二光電二極體及該浮動擴散節點之間；控制電路，其電耦接至該像素陣列以控制該像素陣列之操作；及讀出電路，其電耦接至該像素陣列以自該像素陣列接收輸出信號，該讀出電路將該等接收到之輸出信號轉換成影像資料。
18. 如請求項17之高動態範圍成像系統，其中關於該像素陣列中之每一像素之該複數個列包括至少三個列，且關於該像素陣列中之每一像素之該複數個行包括至少三個行。
19. 如請求項17之高動態範圍成像系統，其中該像素陣列中之每一像素進一步包含：重設電路，其包括一重設開關，該重設開關選擇性地以可操作方式閉合以將一重設節點電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體，該重設節點清理來自該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體之該影像電荷。
20. 如請求項17之高動態範圍成像系統，其中該像素陣列中之每一像素之該輸出電路包括一輸出傳送閘，該輸出傳送閘選擇性地電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者且電耦接至該至少一個第二光電二極體。
21. 如請求項17之高動態範圍成像系統，其中該像素陣列中之每一像素包括一啟用開關，其耦接於該浮動擴散節點及該橫向溢流積體電容器之間。
22. 一種用於基於入射至一像素上之光來產生一輸出信號之方法，其中該像素由複數個光電二極體之一陣列構成，該方法包含：產生由包括在該複數個光電二極體之該陣列中之一組第一光電二極體中之第一光電二極體之每一者光生之影像電荷，該光電二極體陣列包括複數個列之光電二極體及複數個行之光電二極體，該複數個光電二極體包括具有一第一表面積之該組第一光電二極體；產生由包括在該複數個光電二極體內之至少一個第二光電二極體光生之影像電荷，該至少一個第二光電二極體具有小於該第一表面積之一第二表面積，其中該組第一光電二極體之該第一表面積經配置以沿著至少一第一對稱軸及一第二對稱軸對稱地圍繞該至少一個第二光電二極體之該第二表面積；選擇性地閉合一或多個雙浮動擴散(DFD)開關以將該組第一光電二極體電耦接至低轉換增益電路，其中該像素在該一或多個DFD開關斷開時處 於一高轉換增益狀態，且其中該像素在該一或多個DFD開關閉合時處於一低轉換增益狀態，其中該低轉換增益電路係耦接於該組第一光電二極體及該浮動擴散節點之間；使用耦接於該至少一個第二光電二極體及該浮動擴散節點之間之一橫向溢流積體電容器收集由入射至該至少一個第二光電二極體上之光所光生之該影像電荷之至少一些；在該輸出電路處接收來自該組第一光電二極體及該至少一個第二光電二極體中之至少一者之該影像電荷；及基於在該輸出電路處接收到之該影像電荷，產生該輸出信號。
23. 如請求項22之方法，其進一步包含：選擇性地閉合一重設開關以將一重設節點電耦接至該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體，及當該重設開關選擇性地閉合時，將該影像電荷自該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及該至少一個第二光電二極體清理至該重設節點。
24. 如請求項22之方法，其中該輸出電路包括一輸出放大器以產生該輸出信號，其中該在該輸出電路處接收由該組第一光電二極體中之該等第一光電二極體之每一者及由該至少一個第二光電二極體光生之該影像電荷進一步包含在該輸出放大器處接收該影像電荷。