获取图像数据的方法、高动态范围成像系统及像素单元的制作方法
【专利说明】获取图像数据的方法、高动态范围成像系统及像素单元
[0001]相关申请案的参考
[0002]本申请案主张2014年I月10日申请的第61/926，124号美国临时申请案的权益。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及图像传感器，且更具体来说，本发明涉及高动态范围图像传感器。
【背景技术】
[0004]标准图像传感器具有大致60dB到70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度动态范围要大得多。自然景象通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获强光及阴影，已在图像传感器中使用HDR技术来增大所捕获的动态范围。增大动态范围的最常见技术为将用标准(低动态范围)图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性HDR图像，所述单个线性HDR图像具有比单个曝光图像大得多的动态范围。
[0005]最常见的HDR传感器解决方案中的一者为使多个曝光进入一个单个图像传感器。在具有不同曝光积分时间或不同灵敏度(例如，通过插入中性密度滤光片)的情况下，一个图像传感器可在单个图像传感器中具有2个、3个、4个或甚至更多的不同曝光。使用此HDR图像传感器，可在单次拍摄中得到多个曝光图像。然而，与正常全分辨率图像传感器相比，在使用此HDR传感器的情况下，总图像分辨率降低了。举例来说，对于在一个图像传感器中组合4个不同曝光的HDR传感器，每一 HDR图像传感的分辨率将仅为全分辨率图像的四分之一O
【发明内容】
[0006]在一个方面中，本发明提供一种在高动态范围(HDR)图像传感器中从单个图像捕获的单个曝光从像素获取图像数据的方法，其包括:复位所述像素的光电检测器；积分在所述单个图像捕获的所述单个曝光内入射在所述光电检测器上的光；执行所述像素的浮动扩散的第一复位；将所述浮动扩散设定为低转换增益；从所述浮动扩散取样低转换增益复位信号；将所述浮动扩散设定为高转换增益；从所述浮动扩散取样高转换增益复位信号；将在所述单个曝光期间光生的电荷载流子从所述光电检测器转移到所述浮动扩散；从所述浮动扩散取样高转换增益图像信号；将所述浮动扩散设定为所述低转换增益；将在所述单个曝光期间光生的额外电荷载流子从所述光电检测器转移到所述浮动扩散；以及从所述浮动扩散取样低转换增益图像信号。
[0007]在另一方面中，本发明提供一种用于高动态范围(HDR)图像传感器中的像素单元，其包括:光电检测器，其适于在所述HDR图像传感器的单个图像捕获的单个曝光期间响应于入射光而光生电荷载流子；浮动扩散，其经耦合以接收在所述光电检测器中光生的所述电荷载流子；像素中电容器，其通过第一晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散，其中响应于所述像素中电容器耦合到所述浮动扩散将所述浮动扩散设定到低转换增益，其中响应于所述像素中电容器与所述浮动扩散解耦将所述浮动扩散设定到高转换增益；以及转移晶体管，其耦合在所述光电检测器与所述浮动扩散之间，其中所述转移晶体管适于在所述HDR图像传感器的所述单个图像捕获的所述单个曝光期间的第一时间处开启，以将在所述光电检测器中光生的所述电荷载流子转移到设定到所述高转换增益的所述浮动扩散，其中所述转移晶体管适于在所述HDR图像传感器的所述单个图像捕获的所述单个曝光期间的第二时间处开启，以将在所述光电检测器中光生的所述电荷载流子转移到设定到所述低转换增益的所述浮动扩散。
[0008]在另一方面中，本发明提供一种高动态范围(HDR)成像系统，其包括:像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含:光电检测器，其适于在所述HDR成像系统的单个图像捕获的单个曝光期间响应于入射光而光生电荷载流子；浮动扩散，其经耦合以接收在所述光电检测器中光生的所述电荷载流子；像素中电容器，其通过第一晶体管选择性地耦合到所述浮动扩散，其中响应于所述像素中电容器耦合到所述浮动扩散将所述浮动扩散设定到低转换增益，其中响应于所述像素中电容器与所述浮动扩散解耦将所述浮动扩散设定到高转换增益；及转移晶体管，其耦合在所述光电检测器与所述浮动扩散之间，其中所述转移晶体管适于在所述HDR成像系统的所述单个图像捕获的所述单个曝光期间的第一时间处开启，以将在所述光电检测器中光生的所述电荷载流子转移到设定到所述高转换增益的所述浮动扩散，且其中所述转移晶体管适于在所述HDR成像系统的所述单个图像捕获的所述单个曝光期间的第二时间处开启，以将在所述光电检测器中光生的所述电荷载流子转移到设定到所述低转换增益的所述浮动扩散；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从多个像素读出图像数据。
【附图说明】
[0009]参看以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中除非另外指定，否则相似参考数字贯穿各视图指相似部分。
[0010]图1为说明根据本发明的教示的实例色彩像素阵列的一部分的图式，在所述色彩像素阵列中以双转换增益读出每一像素以实现高动态范围(HDR)成像。
[0011]图2为展示根据本发明的教示的实例色彩像素阵列的多个像素的实例电路的电路图，在所述色彩像素阵列中以双转换增益读出每一像素以实现HDR成像。
[0012]图3为展示根据本发明的教示的以双转换增益读出以实现HDR成像的像素的实例电路的电路图。
[0013]图4为根据本发明的教示的说明在以双转换增益读出以实现HDR成像的像素的实例电路中发现的信号的实例关系的时序图。
[0014]图5为说明根据本发明的教示的包含色彩像素阵列的成像系统的一个实例的图式，在色彩像素阵列中以双转换增益读出每一像素以实现HDR成像。
[0015]图6为根据本发明的教示的说明在以双专业增益读出以实现HDR成像的像素的实例电路中发现的信号的另一实例关系的时序图。
[0016]对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是出于简化及清楚目的而说明且未必是按比例绘制。举例来说，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行实施例中有用或有必要的常见而容易理解的元件，以促进更容易地查看本发明的这些各种实施例。
【具体实施方式】
[0017]在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明白，不需要采用所述特定细节实践本发明。在其它情况下，尚未详细描述众所周知的材料或方法以避免混淆本发明。
[0018]贯穿本说明书的对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意味着结合所述实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”在贯穿本说明书的各处的出现未必全都是指同一实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中，可以任何合适组合或子组合来组合特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可包含在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它合适组件中。此外，应了解，本文提供的图是出于向所属领域的技术人员解释的目的且图式未必按比例绘制。
[0019]根据本发明的教示的实例描述根据本发明的教示的色彩像素阵列，在所述色彩像素阵列中以双转换增益读出每一像素以实现HDR成像。举例来说，在一个实例中，根据本发明的教示的色彩像素阵列利用双转换