TWI424742B - 用於像素單元之高動態運作之方法及裝置 - Google Patents

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Description

用於像素單元之高動態運作之方法及裝置
本文中所闡述之實施例大體而言係關於成像器件，且更特定而言係關於用於提供一成像器件之高動態運作之方法及裝置。
諸多可攜式電子器件(例如相機、蜂巢式電話、個人數位助理(PDA)、MP3播放器、電腦及其他器件)包含用於捕獲影像之一成像器。一成像器之一個實例係一互補金屬氧化物半導體(「CMOS」)成像器。一CMOS成像器包含像素之一聚焦平面陣列，該等像素中之每一者包含上覆一基板用於在該基板之下伏部分中累積光生電荷之至少一個光電感測器。每一像素可包含用於將電荷自該光電感測器轉移至一儲存區域之至少一個電子器件(例如一電晶體)。
每一像素具有對應讀出電路，該對應讀出電路包含：至少一電荷儲存區域，其連接至輸出電晶體之閘極；一輸出源極隨耦器電晶體；一重設電晶體，其用於將該電荷儲存區域重設至一預定電荷位準；及一列控制電晶體，其用於選擇性地將該讀出電路連接至一行線路。該電荷儲存區域可構造為一浮動擴散區域。每一像素可具有獨立的讀出電路，或可採用共同元件像素架構(CEPA)，其可包含共享一單個讀出電路組之多個像素。
一像素(包含一光電感測器)及其對應讀出電路在本文中統稱為一「像素電路」。在一CMOS成像器中，一像素電路之主動元件執行如下必要功能：(1)光子至電荷轉換；(2)累積影像電荷；(3)將儲存區域重設至一已知狀態；(4)伴隨電荷放大將電荷轉移至儲存區域；(5)選擇一像素電路用於讀出；及(6)輸出並放大表示一重設位準及像素電荷之一信號。可在光電荷自初始電荷累積區域移至儲存區域時放大該電荷。儲存區域處之電荷通常由一源極隨耦器輸出電晶體轉換為一像素輸出電壓。
圖1圖解說明用於一成像器(例如一CMOS成像器)之一像素陣列中之一典型四個電晶體(4T)像素電路100。像素電路100包含具有一光電感測器102(例如，一光電感測器、光電二極體、光閘或光電導體)及一轉移電晶體120之一像素。像素電路100亦包含讀出電路，其包含組態為一浮動擴散區域106之一儲存區域、一重設電晶體130、一源極隨耦器電晶體140及一列選擇電晶體150。當藉由一轉移控制信號TX啟動轉移電晶體120時，該至少一個光電感測器102藉由轉移電晶體120連接至浮動擴散區域106。重設電晶體130連接於浮動擴散區域106與一陣列像素供應電壓VAA 之間。一重設控制信號RST用於啟動重設電晶體130，該重設電晶體將浮動擴散區域106重設至對應於陣列像素供應電壓VAA 之一預定重設電壓，如此項技術中所熟知。
源極隨耦器電晶體140使其閘極連接至浮動擴散區域106且連接於陣列像素供應電壓VAA 與列選擇電晶體150之間。源極隨耦器電晶體140將儲存於浮動擴散區域106處之電荷轉換成一電輸出信號。列選擇電晶體150可由一列選擇信號RS控制用於選擇性地將一輸出信號VOPIX 自源極隨耦器電晶體140輸出至行線路108上。在一CMOS成像器中，傳統地針對每一像素電路產生兩個輸出信號；一個輸出信號係在重設浮動擴散區域106之後所產生之一重設信號VOPIX_RST ，另一輸出信號係在電荷自光電感測器102轉移至浮動擴散區域106之後所產生之一影像或光信號VOPIX_SIG 。此過程通常稱為「相關雙重取樣」或「CDS」。輸出信號VOPIX_RST 、VOPIX_SIG 選擇性地儲存於一取樣及保持電路(未顯示)中。
影像感測器(例如採用習用像素電路100之一影像感測器)具有一特性動態範圍。動態範圍係指可由一影像感測器容納於一單個像素資料訊框中的入射光之範圍。期望具有一影像感測器，該影像感測器具有一高動態範圍以成像產生高動態範圍入射信號之場景，例如具有向外的窗戶之室內房間、具有混合陰影及明亮太陽光之戶外場景、組合人工照明及陰影之夜間場景及諸多其他場景。
一影像感測器之動態範圍通常界定為其最大非飽和信號對其雜訊在黑暗條件下之標準偏差之比率。該動態範圍由該感測器之電荷飽和位準限制在一上限，且由用於產生數位影像之類比至數位轉換器之雜訊所施加限制及/或量化限定限制在一下限。當一影像感測器之動態範圍太小而不能容納經成像場景之光強度之變化(例如，因具有一低飽和位準)時，可發生影像失真。
當於一整合週期期間所捕獲且轉換成電荷之入射光大於光電感測器之電荷儲存容量時發生與習用像素電路中之電荷產生相關聯之一問題。在一像素電路之一光電感測器曝光至大量入射光(其產生超出該光電感測器之容量之一電荷)之情形下，任何額外光子至電荷轉換將需要某一電荷洩漏逃離光電二極體區域102。通常，此洩漏導致電荷遷移至毗鄰像素電路，從而引起串擾。
另外，當在一整合週期期間所產生之電荷於轉移期間自光電感測器輸出至浮動擴散區域106時，少量殘餘電荷可仍留在光電感測器中。該殘餘電荷導致一後續所捕獲影像中之電荷累積過量且可導致光電感測器更快速地超出其最大容量，藉此導致過量電荷溢流至毗鄰像素。此不期望之光電感測器處之電荷溢流現象稱為高光溢出(blooming)且可在所得輸出影像中產生若干垂直及/或水平條紋。
已對此高光溢出問題提出之一個解決方案係一多個曝光模式，其中取樣並組合於多個曝光週期期間於一光電感測器區域中產生之電荷。舉例而言，可以一雙重曝光模式運作一像素，其中在一第一取樣運作期間經由像素電路之輸出電路輸出於一第一曝光週期T1期間於一光電感測器區域(例如，舉例而言，圖1之光電二極體102)中產生之一第一電荷V1。接著，重設該光電感測器區域，且在一第二取樣運作期間經由像素電路之輸出電路輸出於一第二曝光週期T2期間於光電感測器區域中產生之一第二電荷V2。雖然一多個曝光運作允許像素電路100之一較高動態範圍，但多個電荷產生及取樣循環導致訊框速率降低。此外，需要用於儲存多個取樣電荷之線緩衝器，從而導致像素電路之一較高所需晶粒大小及/或一較低填充率。
已提出之又一解決方案係一橫向溢流模式，其中光生電荷產生於一光電轉換區域(例如，舉例而言，光電二極體102)中，且若該光生電荷超出該光電轉換區域之一預定臨限值，則該光生電荷之一過量部分在一第一曝光週期T1之後轉移至像素電路之一浮動擴散區域(舉例而言，圖1之浮動擴散區域106)。可藉由將一「軟轉移」信號施加至將該光電轉換區域與該浮動擴散區域分開之一轉移電晶體(例如，圖1之轉移電晶體120)之一閘極來轉移該過量部分，其中該軟轉移信號係小於跨越該轉移電晶體完全轉移電荷所需之電壓的一電壓。
可藉由重設浮動擴散區域(例如藉由將一重設信號施加至圖1中之重設電晶體130)丟棄該過量電荷，或另一選擇為，可對該過量電荷取樣。將於第一曝光週期T1期間產生之剩餘電荷以及於一第二曝光週期T2期間產生之任一額外電荷轉移至浮動擴散區域中且經取樣以產生一輸出像素信號VOPIX_SIG 。不管是丟棄還是取樣過量電荷V1，為計及過量電荷，當以橫向溢流模式運作時必須根據像素電路之一「拐點」計算輸出像素信號VOPIX_SIG ，該拐點係轉移電晶體之軟轉移信號及/或所得臨限電壓VTH 之一因子。雖然一橫向轉移模式增加像素之動態範圍，但必須校準像素電路之該拐點(與臨限電壓VTH 相關)，從而需要像素電路之一額外讀出循環，且因此導致一降低之訊框速率及/或添加之雜訊。
已提議用於克服上述問題之又一解決方案(如圖2中所顯示且如(舉例而言)讓予給美光科技股份有限公司之美國專利第7,238,977 B2號中所闡述，該美國專利之揭示內容以全文引用的方式併入本文中)係提供具有一抗高光溢出電晶體260之一像素電路200。如圖2中所顯示，像素電路200類似於圖1之4T像素電路100，但具有一額外電晶體260。
在像素電路200之一整合週期期間，當光電轉換區域102(其可係一光電感測器、光電二極體、光閘或光電導體中之任一者)變得電荷飽和時，抗高光溢出(AB)電晶體260將一些過量電荷轉移至與AB電晶體260相關聯之一汲極區262。汲極區262可(舉例而言)連接至一像素電壓VAA ，且過量電荷在不被取樣之情形下係丟棄至AB電晶體260之汲極區262中。所提出之像素電路200設計相比於習用像素電路100(圖1)有效地增加動態範圍，然而，所提出之像素電路200亦具有缺點。由於過量電荷未被取樣，因此若欲完全計及過量電荷，則讀出電壓VOPIX_SIG 必須計及跨越AB電晶體260之汲極區262轉移之過量電荷。CMOS電晶體(例如AB電晶體260)在晶圓與晶圓之間且通常在電晶體與電晶體之間具有一高的臨限電壓偏差。此偏差導致像素電路與像素電路之間所儲存電荷之量的一不確定乃因每一電晶體(包含抗高光溢出電晶體)之臨限電壓可不同。像素電路與像素電路之間電荷儲存之不同由於像素與像素之間電晶體260之障壁高度之不一致性而導致一成像器陣列中之固定型樣雜訊(FPN)，從而導致降低之影像品質。
一最佳像素電路具有一高動態範圍(其具有一可預測回應)、一低晶粒大小及高填充率、一高訊框速率之潛在可能及低雜訊。因此，需要具有經改良飽和回應及較低高光溢出潛在可能但具有降低之由上文所闡述之先前所提出解決方案導致其他效應之潛在可能之一像素電路。
於以下詳細說明中，參照其中可實踐本發明之各種具體實施例。為使熟習此項技術者能夠實踐本發明，充分詳細地闡述此等實施例，且應理解，亦可採用其他實施例，且可在不背離本發明之精神或範疇之情形下作出結構及邏輯改變。
本揭示內容包含經組態用於改良高動態範圍運作之一像素電路之實施例。該像素電路及運作本文中所闡述之像素電路之方法藉由以下方式來提供增加之動態範圍：取樣可超出一光電轉換區域之一容量之一光生電荷，同時不需要臨限值校準(如上文所闡述之橫向溢流模式中所要求)或者額外線緩衝器或多個非重疊取樣週期(如上文所闡述之雙重曝光模式中所要求)。實施例包含：一像素電路，其具有位於光電轉換區域與另一儲存區域之間的經組態以由一儲存電晶體連接之一儲存區域；以及以橫向溢流及雙重曝光模式運作該像素電路之方法。
圖3顯示經組態用於根據本文中所闡述之實施例運作之一像素電路300。像素電路300包含一光電感測器302(例如，一光電感測器、光電二極體、光閘或光電導體)及一轉移電晶體320。像素電路300亦包含讀出電路，其包含組態為一浮動擴散區域306之一讀出儲存區域、一重設電晶體330、一源極隨耦器電晶體340及一列選擇電晶體350。像素電路300亦包含用於儲存來自光電感測器302之光生電荷之一儲存區域304。像素電路300亦可包含一抗高光溢出電晶體360，該抗高光溢出電晶體在一抗高光溢出信號施加至抗高光溢出電晶體360之閘極AB時將光電感測器302連接至一抗高光溢出汲極區域362。抗高光溢出汲極區域362可連接至一陣列像素供應電壓VAA 或在電荷方面與產生於光電感測器302中之光生電荷相反之另一電壓。
儲存區域304藉由儲存電晶體310(其可組態為一全域快門電晶體)與光電感測器302分開。光電感測器302在施加至閘極SG之一儲存控制信號啟動儲存電晶體310時連接至儲存區域304。儲存電晶體310之閘極SG可組態為一全域快門閘極，其中同時運作一陣列之所有像素之所有快門閘極310。儲存區域304在施加至閘極TX之一轉移控制信號啟動轉移電晶體320時藉由轉移電晶體320連接至浮動擴散區域306。重設電晶體330連接於浮動擴散區域306與陣列像素供應電壓VAA 之間。施加至閘極RST之一重設控制信號用於啟動重設電晶體330，該重設電晶體將浮動擴散區域306重設至一已知狀態(亦即，至對應於陣列像素供應電壓VAA 之一預定重設電壓)。
源極隨耦器電晶體340使其閘極連接至浮動擴散區域306且連接於陣列像素供應電壓VAA 與列選擇電晶體350之間。源極隨耦器電晶體340將儲存於浮動擴散區域306處之電荷轉換成一電輸出信號。列選擇電晶體350可藉由將一列選擇信號施加至閘極RS控制以便選擇性地將輸出信號VOPIX (其可包含下文所闡述之運作之方法中之輸出信號VOPIX_1 或VOPIX_2 中之一者或多者)自源極隨耦器電晶體340輸出至行線路308上。可使用「相關雙重取樣」或「CDS」(如此項技術中所熟知)取樣行線路308上之輸出信號VOPIX 。
圖4至7圖解說明運作一像素電路(例如像素電路300)及對應成像器組件(下文參照圖8進一步闡述)之方法，其中施加信號以運作該像素電路之組件。一成像器控制電路1076(圖8)可經組態以控制列及行驅動器電路1072、1078以使得驅動電壓可施加至儲存電晶體310之閘極SG及轉移電晶體320之閘極TX(圖3)以及可選抗高光溢出電晶體360之閘極AB。閘極SG、TX及RS可經組態以用於滾動快門運作或全域快門運作。然而，下文所闡述之方法不限於其中由一控制電路控制運作之實施例，且可根據用於控制像素電路及熟習此項技術者所熟知之對應成像器組件之運作之任一器件或過程來運作。
圖4圖解說明以一橫向溢流模式運作像素電路300之一方法400。圖5顯示像素電路300之對應於像素電路300根據方法400之橫向溢流模式之運作之一時序圖。
在方法400之步驟402中(圖4)，在一第一曝光週期T1期間於光電感測器302處累積一第一光生電荷。第一曝光週期T1具有比下文進一步闡述之一後續第二曝光週期T2長之一持續時間。舉例而言，第一曝光週期T1可係第二曝光週期T2的兩倍長。如圖5中所顯示，在第一曝光週期T1期間(自時間t1 持續至時間t2 )，閘極SG、AB及TX係關斷的。
累積第一光生電荷直至第一曝光週期T1之結束(此時，如步驟404中所顯示，將一「軟轉移」信號施加至抗高光溢出電晶體360之閘極AB(圖5))。該軟轉移信號係小於完全允許電荷跨越抗高光溢出電晶體360轉移所需之量之一電壓，因此產生欲轉移至抗高光溢出電晶體360之汲極區域之一電壓量的一最小臨限電壓VTH 。若儲存於光電感測器302中之第一光生電荷低於臨限電壓VTH ，則將不跨越抗電暈電晶體360轉移電荷。若儲存於光電感測器302中之第一光生電荷大於臨限電壓VTH ，則儲存於光電感測器302中之第一光生電荷之一過量部分將轉移至抗電暈電晶體360之汲極區域，例如至陣列像素供應電壓VAA 。
在步驟406中，藉由將一信號(亦即，一「儲存信號」)施加至儲存電晶體310之閘極SG(圖5)而將第一光生電荷之剩餘部分(亦即，原始第一光生電荷(若光生電荷小於臨限電壓VTH )或大約等於臨限電壓VTH 之一部分(若原始光生電荷大於臨限電壓VTH ))(稱為電荷V1)轉移至儲存區域。閘極SG可經組態以用於全域快門運作。
同樣在步驟406期間(或，另一選擇為，在步驟402、404或步驟402、404、406中之多於一個步驟期間)，藉由將一重設信號施加至重設閘極RST來重設浮動擴散區域306，且藉由以下方式來取樣像素重設信號VOPIX_RST ：跨越源極隨耦器電晶體340放大儲存於浮動擴散區域306中之重設電壓、藉由將一轉移信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路用於輸出及將像素重設信號VOPIX_RST_1 輸出至行線路308上。藉由啟動一第一取樣及保持信號SH1(如圖5中所顯示)由取樣及保持電路1082(圖8)對像素重設信號VOPIX_RST_1 進行取樣。
在步驟408中，藉由以下方式來對電荷V1進行取樣：將一信號(亦即，一「轉移信號」)施加至轉移電晶體320之閘極TX以將電荷V1轉移至浮動擴散區域306、跨越源極隨耦器電晶體340放大電荷V1、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路300用於輸出及將電荷V1輸出至行線路308上。取樣及保持電路1082(圖8)藉由啟動一第二取樣及保持信號SH2(如圖5中所顯示)來儲存經放大第一像素信號VOPIX_SIG1 且將差動電壓信號VOPIX_DIF1 =(VOPIX_RST_1 -VOPIX_SIG1 )輸出至一類比至數位轉換器1086(圖8)。類比至數位轉換器1086數位化差動信號VOPIX_DIF1 ，且將經數位化像素信號VOPIX_DIF1 供應至一影像處理器1088(圖8)。若光電感測器302中之原始第一光生電荷小於臨限電壓VTH ，則差動信號VOPIX_DIF1 表示對應於光電感測器302處所偵測之光量之一真實取樣電壓。若光電感測器302中之原始第一光生電荷大於臨限電壓VTH (且因此在步驟404期間跨越抗高光溢出電晶體360轉移超出臨限電壓VTH 的量)，則差動信號VOPIX_DIF1 表示對應於臨限電壓VTH 之一取樣電壓。
同樣在步驟408中，且與電荷VOPIX_DIF1 之轉移及取樣同時，在一第二曝光週期T2期間於光電感測器302處累積一第二光生電荷(稱為V2)。如圖5中所顯示，第二曝光週期T2具有比第一曝光週期T1短之一持續時間(例如，T2可係T1之一半長)，且因此，在第二曝光週期T2期間通常較少電荷累積於光電感測器302上，且光電感測器302不可能達到一飽和點。由於光電感測器302在第二曝光週期T2期間將通常不達到一飽和點，因此在第二曝光週期T2期間或緊接著第二曝光週期T2之後不將「軟轉移」信號施加至抗高光溢出電晶體360之閘極AB(圖5)。
在步驟410中，藉由將一信號施加至儲存電晶體310之閘極SG而將第二光生電荷V2轉移至儲存區域304。同樣在步驟410期間，藉由啟動重設電晶體330之閘極RST(圖5)來重設浮動擴散區域306，且藉由以下方式來對像素重設信號VOPIX_RST_2 進行取樣：跨越源極隨耦器電晶體340放大儲存於浮動擴散區域306中之重設電壓、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路用於輸出及將像素重設信號VOPIX_RST_2 輸出至行線路308上。藉由啟動第一取樣及保持信號SH1(如圖5中所顯示)由取樣及保持電路1082(圖8)來對像素重設信號VOPIX_RST_2 進行取樣。
在步驟412中，類似於一典型線性像素，藉由以下方式來對第二光生電荷V2進行取樣：藉由將一信號施加至轉移電晶體320之閘極TX而將電荷V2轉移至浮動擴散區域306、跨越源極隨耦器電晶體340放大儲存於浮動擴散區域306中之電荷V2、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路用於輸出及將電荷V2輸出至行線路308上。藉由啟動第二取樣及保持信號SH2(如圖5中所顯示)由取樣及保持電路1082(圖8)來儲存經放大第二像素重設信號VOPIX_SIG2 ，且將差動電壓信號VOPIX_DIF2 =(VOPIX_RST_2 -VOPIX_SIG2 )輸出至一類比至數位轉換器1086(圖8)。類比至數位轉換器1086數位化差動信號VOPIX_DIF2 ，且將該經數位化像素信號供應至一影像處理器1088(圖8)。
在步驟414中，影像處理器1088(圖8)根據方程式1來確定像素值VOPIX ：
方程式1：
其中N 係曝光週期T1/T2之比率，且VTH_MIN 係像素電路300(圖3)之一最小臨限電壓。如方程式1中所顯示，所計算像素信號VOPIX 並不直接受自抗高光溢出電晶體360得出之臨限電壓VTH 影響。而是，若在第一曝光週期T1期間不存在光電感測器302之飽和，則VOPIX = VOPIX_DIF1 。若VOPIX_DIF1 小於最小臨限電壓VTH_MIN ，則在第一曝光週期T1期間不存在光電感測器302之飽和。若VOPIX_DIF1 大於最小臨限電壓VTH_MIN ，但VOPIX_DIF2 之正規化值(亦即，N *VOPIX_DIF2 )小於VOPIX_DIF1 ，則在第一曝光週期T1期間亦不存在光電感測器302之飽和，乃因此指示光感測器302在整個曝光週期T1期間繼續產生電荷。
然而，若VOPIX_DIF2 之正規化值(亦即，N *VOPIX_DIF2 )大於VOPIX_DIF1 ，則此指示飽和在第一曝光週期T1期間確實發生於光電感測器302中，且經取樣電壓VOPIX_DIF1 表示自抗高光溢出電晶體360得出之光電感測器302之臨限電壓VTH 。因此針對第一曝光週期T1正規化經取樣電壓VOPIX_DIF1 與VOPIX_DIF2 之間的差。不存在對臨限電壓VTH 之校準之需要(如先前技術之橫向溢流方法中所要求)。此外，由於在第二曝光週期T2期間對V1進行取樣，因此總運作時間小於此項技術中所熟知之雙重曝光模式。在一替代實施例中，可在數位化差動信號VOPIX_DIF2 之前在類比域中確定像素值VOPIX 。
圖6圖解說明以一雙重曝光模式運作像素電路300之一第二方法600。圖7顯示像素電路300對應於根據方法600之雙重曝光模式之運作之一時序圖。雖然抗高光溢出電晶體360對於方法600之雙重曝光模式未必必要，但經組態以根據方法600之雙重曝光模式運作之像素電路300之實施例亦可包含抗高光溢出電晶體360(其保持關斷(如圖7中所顯示))以提供運作之靈活性，例如經組態以根據方法400之橫向溢流模式運作之選項。
在方法600之步驟602中(圖6)，在一第一曝光週期T1期間於光電感測器302處累積一第一光生電荷。第一曝光週期T1係比下文進一步闡述之一後續第二曝光週期T2長之一曝光週期。舉例而言，第一曝光週期T1可係第二曝光週期T2的兩倍長。在T1期間，如圖7中所顯示，閘極SG、AB及TX係關斷的。
同樣在步驟602期間(或，在下文所闡述之步驟604期間)，藉由將一重設信號施加至重設閘極RST來重設浮動擴散區域306，且藉由以下方式來對像素重設信號VOPIX_RST_1 進行取樣：跨越源極隨耦器電晶體340放大儲存於浮動擴散區域306中之重設電壓、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路300用於輸出及將像素重設信號VOPIX_RST_1 輸出至行線路308上。藉由啟動一第一取樣及保持信號SH1(如圖7中所顯示)由取樣及保持電路1082(圖8)來對像素重設信號VOPIX_RST_1 進行取樣及儲存。
在方法600之步驟604中，將一信號(亦即，一「儲存信號」)施加至儲存電晶體310之閘極SG(圖7)以將第一光生電荷(稱為電荷V1)自光電感測器302轉移至儲存區域304。閘極SG可經組態以用於全域快門運作。
在步驟606中，藉由以下方式來對電荷V1進行取樣：將一信號(亦即，一「轉移信號」)施加至轉移電晶體320之閘極TX以將電荷V1轉移至浮動擴散區域306、跨越源極隨耦器電晶體340放大電荷V1、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路300用於輸出及將電荷(表示電荷V1之一信號VOPIX_SIG1 )輸出至行線路308上。取樣及保持電路1082(圖8)藉由啟動一第二取樣及保持信號SH2(如圖7中所顯示)來儲存經放大第一像素信號VOPIX_SIG1 且將差動電壓信號VOPIX_DIF1 =(VOPIX_RST_1 -VOPIX_SIG1 )輸出至一類比至數位轉換器1086(圖8)。類比至數位轉換器1086數位化差動信號VOPIX_DIF1 ，且將經數位化像素信號VOPIX_DIF1 供應至一影像處理器1088(圖8)。
同樣在步驟606期間，且與VOPIX_DIF1 之轉移及取樣同時，在一第二曝光週期T2期間於光電感測器302處累積一第二光生電荷(稱為V2)。如圖7中所顯示，第二曝光週期T2具有比第一曝光週期T1短之一持續時間，且因此，在第二曝光週期T2期間通常較少電荷累積於光電感測器302上。
在步驟608中，藉由將一信號施加至儲存電晶體310之閘極SG而將第二光生電荷V2轉移至儲存區域310。同樣在步驟608期間，藉由啟動重設電晶體330之閘極RST來重設浮動擴散區域306，且藉由以下方式來對像素重設信號VOPIX_RST_2 進行取樣：跨越源極隨耦器電晶體340放大儲存於浮動擴散區域306中之重設電壓、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路300用於輸出及將像素重設信號VOPIX_RST_2 輸出至行線路308上。藉由啟動第一取樣及保持信號SH1(如圖7中所顯示)由取樣及保持電路1082(圖8)來對像素重設信號VOPIX_RST_2 進行取樣及儲存。
在步驟610中，類似於一典型線性像素，藉由以下方式來對第二光生電荷V2進行取樣：將一信號施加至轉移電晶體320之閘極TX以將電荷V2轉移至浮動擴散區域306、跨越源極隨耦器電晶體340放大電荷V2、藉由將一信號施加至列選擇電晶體350之閘極RS而選擇像素電路300用於輸出及將電荷V2輸出至行線路308上。取樣及保持電路1082(圖8)藉由啟動第二取樣及保持信號SH2(如圖7中所顯示)來儲存經放大第二像素重設信號VOPIX_SIG2 ，且將差動電壓信號VOPIX_DIF2 =(VOPIX_RST_2 -VOPIX_SIG2 )輸出至一類比至數位轉換器1086(圖8)。類比至數位轉換器1086數位化差動信號VOPIX_DIF2 ，且將該經數位化像素信號供應至一影像處理器1088(圖8)。
在步驟612中，影像處理器1088根據方程式2來確定像素值VOPIX ：
其中N 係曝光週期T1/T2之比率，且VTH_MIN 係像素電路300(圖3)之一最小臨限電壓。因此，如方程式2中所顯示，若在第一曝光週期T1期間不存在光電感測器302之飽和，則VOPIX =VOPIX_DIF1 。若VOPIX_DIF1 小於最小臨限電壓VTH_MIN ，則在第一曝光週期T1期間不存在光電感測器302之飽和。若VOPIX_DIF1 大於最小臨限電壓VTH_MIN ，但VOPIX_DIF2 之正規化值(亦即，N *VOPIX_DIF2 )小於VOPIX_DIF1 ，則在第一曝光週期T1期間亦不存在光電感測器302之飽和，乃因此指示光電感測器302在整個曝光週期T1期間繼續產生電荷。
然而，若VOPIX_DIF2 之正規化值(亦即，N *VOPIX_DIF2 )大於VOPIX_DIF1 ，則此指示飽和在第一曝光週期T1期間確實發生於光電感測器302中。針對第一曝光週期T1正規化對應於第二光生電荷V2之經取樣電壓VOPIX_DIF2 。因此，不需要線緩衝器及對產生於兩個曝光週期中之電荷之非重疊取樣(如先前技術之雙重曝光模式中所要求)。在一替代實施例中，可在數位化差動信號VOPIX_DIF1,2 之前在類比域中確定像素值VOPIX 。
運作方法400、600提供像素電路300之高動態範圍運作。像素電路300及相關聯使用方法(包含方法400及600)可實施為一成像器或成像器系統之一部分。圖8圖解說明具有一像素陣列1070之一CMOS成像器1000之一方塊圖，像素陣列1070包含配置成預定數目個行及列之複數個像素。每一像素(其中之至少一者包含一光電感測器302、儲存區域304、儲存電晶體310、轉移電晶體320及視情況抗高光溢出電晶體360，如圖3中所顯示)亦具有對應讀出電路，如圖3之像素電路300中所顯示。另一選擇為，如此項技術中所熟知，像素可共享讀出電路，例如呈一共同元件像素陣列(「CEPA」)組態。根據上文所闡述之任一實施例組態像素陣列1070中之像素電路。
當回應於一列位址解碼器1074被來自列驅動器1072之控制信號啟動時逐列輸出像素陣列1070之如上文闡述於方法400及600中之一者中所產生之像素值。行驅動器1078及行位址解碼器1080亦用於藉由將信號施加至相應列選擇電晶體350(圖3)之閘極RS而選擇性地啟動個別像素行。一成像器控制電路1076控制位址解碼器1074、1080以便選擇適當列及行線路用於像素值讀出。控制電路1076亦控制列及行驅動器電路1072、1078以使得可將驅動電壓施加至儲存電晶體310之閘極SG及轉移電晶體320之閘極TX(圖3)以及可選抗電暈電晶體360之閘極AB。閘極SG、TX及RS可經組態以用於滾動快門運作或全域快門運作。
如上文相對於方法400及600所闡述，在上文所闡述實施例中，與每一像素相關聯之讀出電路輸出重設信號VOPIX_RST_1,2 與各別第一及第二經取樣電荷VOPIX_SIG1,2 兩者。由一取樣及保持電路1082根據一相關雙重取樣(「CDS」)方案來對該等輸出進行取樣、保持及放大。取樣及保持電路1082輸出經放大像素重設及影像信號VOPIX_RST1 、VOPIX_SIG1 、VOPIX_RST2 、VOPIX_SIG2 。每一各別輸出VOPIX_RST_1,2 與VOPIX_SIG1,2 之間的差VOPIX_DIF2 =(VOPIX_RST_2 -VOPIX_SIG1,2 )表示共同模式雜訊被消除之實際像素輸出。差動放大器1084針對自像素陣列1070讀出之每一電壓產生差動信號VOPIX_DIF1,2 。由類比至數位轉換器1086數位化該等差動信號。類比至數位轉換器1086將該等經數位化像素信號供應至影像處理器1088，其分別根據上文與方法400及600相關闡述之方程式1或方程式2確定每一像素值VOPIX_SIG ，且形成及輸出一數位影像。
上文所闡述之成像器1000及相關聯使用方法可用於採用一CMOS成像器器件之任一系統中，包含但不限於一電腦系統、相機系統、掃描儀、機器視覺、車輛導航、視訊電話、監視系統、自動聚焦系統、星體追蹤系統、運動偵測系統、影像穩定化系統及其他成像系統。其中可使用上文之實施例之實例性數位相機系統包含靜止數位相機及視訊數位相機兩者、蜂巢式電話相機、手持式個人數位助理(PDA)相機及其他類型之相機。
圖9顯示一個此系統1100，其係一數位相機1191之一部分。系統1100包含成像器1000，該成像器包含具有至少一個像素電路(例如像素電路300)之一像素陣列，該像素電路經組態用於根據如上文所闡述之方法400及/或600中之至少一者運作。系統1100一般而言包括一處理單元1192(例如一微處理器)，其控制系統功能且經由一匯流排1193與一輸入/輸出(I/O)裝置1196通信。成像器1000亦經由匯流排1193與處理單元1192通信。系統1100亦包含隨機存取記憶體(RAM)1194，且可包含可抽換記憶體1198(例如快閃記憶體)，其亦經由匯流排1193與處理單元1192通信。當按下快門釋放按鈕1190時透鏡1195在成像器1000之一像素陣列1070上聚焦一影像。
系統1100可替代地係一較大處理系統(例如一電腦)之一部分。經由匯流排1193，系統1100以圖解說明方式與其他電腦組件通信，包含但不限於一硬驅動器(未顯示)及/或一個或多個可抽換媒體器件1198。成像器1000可與一處理器(例如一中央處理單元、數位信號處理器或微處理器)組合，該處理器具有或不具有一單個積體電路上或與該處理器不同之一晶片上之記憶體儲存。
100．．．像素電路
102．．．光電感測器
106．．．浮動擴散區域
108．．．行線路
120．．．轉移電晶體
130．．．重設電晶體
140．．．源極隨耦器電晶體
150．．．列選擇電晶體
200．．．像素電路
260．．．抗高光溢出電晶體
262．．．汲極區
300．．．像素電路
302．．．光電感測器
304．．．儲存區域
306．．．浮動擴散區域
308．．．行線路
310．．．儲存電晶體
320．．．轉移電晶體
330．．．重設電晶體
340．．．源極隨耦器電晶體
350．．．列選擇電晶體
360．．．抗高光溢出電晶體
362．．．抗高光溢出汲極區域
1000．．．成像器
1070．．．像素陣列
1072．．．列驅動器
1074．．．列位址解碼器
1076．．．成像器控制電路
1078．．．行驅動器
1080．．．行位址解碼器
1082．．．取樣及保持電路
1084．．．差動放大器
1086．．．類比至數位轉換器
1088．．．影像處理器
1100．．．系統
1190．．．快門釋放按鈕
1191．．．數位相機
1192．．．處理單元
1193．．．匯流排
1194．．．隨機存取記憶體(RAM)
1195．．．透鏡
1196．．．輸入/輸出(I/O)裝置
1198．．．可抽換記憶體
AB．．．閘極
RST．．．閘極
RS．．．閘極
SG．．．閘極
SH1．．．第一取樣及保持信號
SH2．．．第二取樣及保持信號
TX．．．閘極
VAA ．．．陣列像素供應電壓
VOPIX ．．．輸出信號
圖1顯示一習用4T像素電路；
圖2顯示具有一抗高光溢出電晶體之一習用5T像素電路；
圖3顯示經組態以根據本文中所闡述之實施例運作之具有一儲存電晶體及一可選抗高光溢出電晶體之一像素電路；
圖4圖解說明根據本文中所闡述之一實施例運作具有用於改良高動態運作之一儲存電晶體及一抗高光溢出電晶體之一像素電路之一方法；
圖5圖解說明一像素電路根據圖4中所闡述方法運作之一時序圖；
圖6圖解說明根據本文中所闡述之一實施例運作具有用於改良高動態運作之一儲存電晶體之一像素電路之一方法；
圖7圖解說明一像素電路根據圖6中所闡述方法運作之一時序圖；
圖8係根據所揭示實施例之一成像器之一方塊圖；及
圖9係根據所揭示實施例之一相機系統之一方塊圖。
(無元件符號說明)

Claims (39)

  1. 一種運作一像素電路之方法，其包括：在一第一曝光週期期間於至少一個光電轉換區域中產生一第一光生電荷；將該第一光生電荷之至少一部分轉移至一儲存區域；在一第二曝光週期期間於該至少一個光電轉換區域中產生一第二光生電荷；在該第二曝光週期期間對該第一光生電荷之該至少一部分進行取樣；將該第二光生電荷轉移至該儲存區域；及對該第二光生電荷進行取樣。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一曝光時間比該第二曝光時間長。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括：在將該第一光生電荷之該至少一部分轉移至該儲存區域之前，將該第一光生電荷高於一臨限電壓之一過量部分轉移至一帶相反電荷之區域。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括：藉由一處理器根據該光電轉換區域在該第一曝光週期期間是否飽和確定一輸出像素信號。
  5. 如請求項4之方法，其中當該光電轉換區域在該第一曝光週期期間不飽和時，該輸出像素信號係對應於該第一光生電荷之一經取樣像素信號。
  6. 如請求項4之方法，其中當該光電轉換區域在該第一曝 光週期期間飽和時，該輸出像素信號係對應於該第二光生電荷之一正規化像素信號。
  7. 如請求項4之方法，其中當該光電轉換區域在該第一曝光週期期間飽和時，該輸出像素信號係對應於該第二光生電荷及該第一光生電荷之該至少一部分之一正規化像素信號。
  8. 如請求項3之方法，其進一步包括：藉由一處理器根據該光電轉換區域在該第一曝光週期期間是否飽和確定一輸出像素信號，其中該處理器根據方程式1確定該輸出像素信號： 其中VOPIX 係該輸出像素信號，VOPIX_DIF1 係該第一光生電荷之該經取樣至少一部分，VTH_MIN 係該像素電路之一最小臨限電壓，VOPIX_DIF2 係該經取樣第二光生電荷，且N 係該第一曝光週期與該第二曝光週期之比率。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包括：藉由一處理器根據該光電轉換區域在該第一曝光週期期間是否飽和確定一輸出像素信號，其中該處理器根據方程式2確定該輸出像素信號： 其中VOPIX 係該輸出像素信號，VOPIX_DIF1 係該第一光生電荷之該經取樣至少一部分，VTH_MIN 係該像素電路之一最小臨限電壓，VOPIX_DIF2 係該經取樣第二光生電荷，且N 係該第一曝光週期與該第二曝光週期之比率。
  10. 如請求項1之方法，其中對該第一及第二光生電荷進行取樣進一步包括執行對該第一光生電荷之該至少一部分及該第二光生電荷之相關雙重取樣。
  11. 一種像素電路，其包括：一光電轉換區域，其用於在一第一曝光週期期間產生一第一光生電荷及在一第二曝光週期期間產生一第二光生電荷；一儲存電晶體，其將該光電轉換區域連接至一第一儲存區域；一轉移電晶體，其將該第一儲存區域連接至一第二儲存區域；及讀出電路，其經組態以讀出對應於該第一光生電荷之至少一部分之一第一電壓及對應於該第二光生電荷之一第二電壓，其中：該儲存電晶體經組態以在該第一曝光週期之後將該第一光生電荷之該至少一部分轉移至該第一儲存區域；該轉移電晶體經組態以將該第一光生電荷之該至少一部分轉移至該第二儲存區域； 該儲存電晶體經組態以在該第二曝光週期之後將該第二光生電荷轉移至該第一儲存區域；該轉移電晶體經組態以將該第二光生電荷轉移至該第二儲存區域；且該讀出電路經組態以執行對該第一及第二光生電荷之相關雙重取樣。
  12. 如請求項11之像素電路，其進一步包括：一抗高光溢出電晶體，其將該光電轉換區域連接至一汲極區域，該抗高光溢出電晶體經組態以在該第一曝光週期之後轉移該第一光生電荷之一過量部分。
  13. 如請求項12之像素電路，其中該抗高光溢出電晶體經組態以部分開啟轉移該過量部分。
  14. 如請求項13之像素電路，其中該抗高光溢出電晶體經組態以在該第一光生電荷小於或等於一臨限電壓之情形下於部分開啟時將大致所有該第一光生電荷保留在該光電轉換區域中。
  15. 如請求項13之像素電路，其中該抗高光溢出電晶體經組態以在該第一光生電荷大於一臨限電壓之情形下保留該第一光生電荷之大約等於一臨限電壓之一第一部分且將該第一光生電荷之大約等於該第一光生電荷超出該臨限電壓之一量之一第二部分轉移至該汲極區域。
  16. 如請求項14之像素電路，其中該臨限電壓對應於接收於該抗高光溢出電晶體之一閘極處之一抗高光溢出信號之一位準。
  17. 如請求項11之像素電路，其中該讀出電路經組態以在該第二整合週期期間讀出該第一光生電荷。
  18. 如請求項11之像素電路，其中該像素電路經組態以根據一雙重曝光模式運作。
  19. 如請求項12之像素電路，其中該像素電路經組態以根據一橫向溢流模式運作。
  20. 一種成像器，其包括：一像素電路，其包含：一光電轉換區域，其用於在一第一曝光週期期間產生一第一光生電荷及在一第二曝光週期期間產生一第二光生電荷；一儲存電晶體，其將該光電轉換區域連接至一第一儲存區域；一轉移電晶體，其將該第一儲存區域連接至一第二儲存區域；及讀出電路，其經組態以讀出對應於該第一光生電荷之至少一部分之一第一電壓及對應於該第二光生電荷之一第二電壓；一處理器，其經組態以確定及輸出對應於該第一及第二光生電荷之一像素信號；及一控制電路，其電連接至該像素電路，該控制電路經組態以：將一第一儲存信號提供至該儲存電晶體之一閘極以在該第一曝光週期之後將該第一光生電荷之該至少一 部分轉移至該第一儲存區域；將一第一轉移信號提供至該轉移電晶體之一閘極以將該第一光生電荷之該至少一部分轉移至該第二儲存區域；將第一讀出信號提供至該讀出電路，該讀出電路提供對該第一光生電荷之該至少一部分之相關雙重取樣；將一第二儲存信號提供至該儲存電晶體之該閘極以在該第二曝光週期之後將該第二光生電荷轉移至該第一儲存區域；將一第二轉移信號提供至該轉移電晶體之該閘極以將該第二光生電荷轉移至該第二儲存區域；及將第二讀出信號提供至該讀出電路，該讀出電路提供對該第二光生電荷之相關雙重取樣。
  21. 如請求項20之成像器，其中該處理器經組態以在該光電轉換區域於該第一曝光週期期間不飽和時根據該第一光生電荷輸出一像素信號。
  22. 如請求項20之成像器，其中該處理器經組態以在該光電轉換區域於該第一曝光週期期間飽和時根據該第二光生電荷輸出一正規化像素信號。
  23. 如請求項20之成像器，其中該處理器經組態以在該光電轉換區域於該第一曝光週期期間飽和時根據該第一及第二光生電荷輸出一正規化像素信號。
  24. 如請求項20之成像器，其中該處理器經組態以根據方程 式2輸出一像素信號： 其中VOPIX 係該輸出像素信號，VOPIX_DIF1 係該第一光生電荷之該經取樣至少一部分，VTH_MIN 係該像素電路之一最小臨限電壓，VOPIX_DIF2 係該經取樣第二光生電荷，且N 係該第一曝光週期與該第二曝光週期之比率。
  25. 如請求項20之成像器，其中該像素電路進一步包括一抗高光溢出電晶體，該抗高光溢出電晶體將該光電轉換區域連接至一汲極區域，該控制電路進一步經組態以將一抗高光溢出信號提供至該抗高光溢出電晶體之一閘極以在該第一曝光週期之後轉移該第一光生電荷之一過量部分，且該處理器經組態以根據方程式1輸出一像素信號： 其中VOPIX 係該輸出像素信號，VOPIX_DIF1 係該第一光生電荷之該經取樣至少一部分，VTH_MIN 係該像素電路之一最小臨限電壓，VOPIX_DIF2 係該經取樣第二光生電荷，且N 係該第一曝光週期與該第二曝光週期之比率。
  26. 一種以一橫向溢流模式運作一成像器之方法，該方法包括： 在一第一曝光週期期間於一光電感測器中累積一第一光生電荷；若該第一光生電荷超出一臨限電壓，則將該第一光生電荷之一過量部分轉移至一抗高光溢出電晶體之一汲極區；將該第一光生電荷之一剩餘部分轉移至一第一儲存區域；在一第二曝光週期期間於該光電感測器中累積一第二光生電荷；在該第二曝光週期期間對該第一光生電荷之該剩餘部分進行取樣；將該第二光生電荷轉移至該第一儲存區域；及對該第二光生電荷進行取樣。
  27. 如請求項26之方法，其中該剩餘部分大致等於該臨限電壓。
  28. 如請求項26之方法，其中該剩餘部分係大致所有該第一光生電荷。
  29. 如請求項26之方法，其中該第一曝光時間比該第二曝光時間長。
  30. 如請求項29之方法，其中該第一曝光時間大約係該第二曝光時間之兩倍長。
  31. 如請求項26之方法，其進一步包括：若該光電轉換區域在該第一曝光週期期間不飽和，則確定且輸出對應於該第一光生電荷之該剩餘部分之一第 一經取樣電壓。
  32. 如請求項26之方法，其進一步包括：若該光電轉換區域在該第一曝光週期期間飽和，則確定且輸出一正規化電壓。
  33. 如請求項32之方法，其中確定該正規化電壓包括：計算對應於該經取樣第二光生電荷之一第二經取樣電壓與該經取樣剩餘部分之間的一差；及以該第一曝光週期與該第二曝光時間之持續時間之一比率乘以該差。
  34. 一種以一雙重曝光模式運作一成像器之方法，該方法包括：在一第一曝光週期期間於一光電感測器中累積一第一光生電荷；將該第一光生電荷轉移至一第一儲存區域；在一第二曝光週期期間於該光電感測器中累積一第二光生電荷；在該第二曝光週期期間對該第一光生電荷進行取樣；將該第二光生電荷轉移至該第一儲存區域；及對該第二光生電荷進行取樣。
  35. 如請求項34之方法，其中該第一曝光時間比該第二曝光時間長。
  36. 如請求項34之方法，其中該第一曝光時間大約係該第二曝光時間之兩倍長。
  37. 如請求項34之方法，其進一步包括： 若該光電轉換區域在該第一曝光週期期間不飽和，則輸出對應於該第一光生電荷之一第一經取樣電壓。
  38. 如請求項34之方法，其進一步包括：若該光電轉換區域在該第一曝光週期期間飽和，則確定且輸出一正規化電壓。
  39. 如請求項38之方法，其中確定該正規化電壓包括：以該第一曝光週期與該第二曝光週期之持續時間之一比率乘以對應於該第二光生電荷之一第二經取樣電壓。
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