图像传感器像素论文和设计-T·格蒂斯

全文摘要

本公开提供了一种图像传感器像素，可包括：光电二极管，生成第一帧的第一电荷和第二帧的第二电荷；第一存储门和第二存储门，耦接到所述光电二极管；浮动扩散，通过第一晶体管耦接到所述第一存储门；第二晶体管，耦接到所述第二存储门；以及电容器，通过第三晶体管耦接到所述浮动扩散。所述图像传感器像素可以输出与所述第一图像帧的由所述光电二极管生成的所述第一电荷相关联的图像信号，而所述光电二极管同时生成所述第二图像帧的所述第二电荷。所述第二存储门可用于存储溢出电荷。当与所述第一图像帧相关联的图像信号从所述电容器和所述浮动扩散读出时，所述第二帧的溢出电荷可存储在所述第二存储门处。

主设计要求

1.一种图像传感器像素，其特征在于，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一晶体管耦接到所述第一存储门；和电容器，所述电容器通过所述第二晶体管耦接到所述第二存储门，其中所述电容器通过所述第三晶体管耦接到所述浮动扩散区。

设计方案

1.一种图像传感器像素，其特征在于，包括：

光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；

第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；

第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；

第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；

浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一晶体管耦接到所述第一存储门；和

电容器，所述电容器通过所述第二晶体管耦接到所述第二存储门，其中所述电容器通过所述第三晶体管耦接到所述浮动扩散区。

2.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，电路节点耦接在所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述电容器之间，所述图像传感器像素还包括：

重置晶体管，所述重置晶体管耦接在供电电压与所述电路节点之间，其中所述电容器耦接在所述电路节点与所述供电电压之间。

3.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中，使用第一控制信号控制所述第一晶体管，使用第二控制信号控制所述第二晶体管，使用第三控制信号控制所述第三晶体管，使用重置控制信号控制所述重置晶体管，其中所述重置控制信号使用所述供电电压被调整以重置所述电容器，并且其中，在使用所述供电电压调整所述重置信号以重置所述浮动扩散区的同时，所述第三控制信号生效。

4.根据权利要求2所述的图像传感器像素，其中，所述第一存储门包括第四晶体管，所述第四晶体管具有接收第一控制信号的第一栅极端子和由掺杂半导体形成的第一电荷存储区，并且其中所述第二存储门包括第五晶体管，所述第五晶体管具有接收第二控制信号的第二栅极端子和由掺杂半导体形成的第二电荷存储区。

5.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述第二存储门被配置为存储由所述光电二极管生成的溢出电荷，其中所述第一存储门被配置为在所述溢出电荷已转移到所述第二存储门之后存储保留在所述光电二极管上的保留电荷，其中所述第二晶体管和所述第三晶体管被配置为将所述溢出电荷从所述第二存储门转移到所述电容器和所述浮动扩散区上，其中所述图像传感器像素被配置为输出与转移到所述电容器和所述浮动扩散区上的所述溢出电荷相关联的低增益图像信号，其中所述第一晶体管和所述第三晶体管被配置为在所述低增益图像信号已由所述图像传感器像素输出之后将所述保留电荷从所述第一存储门转移到所述浮动扩散区和所述电容器上，其中所述图像传感器像素被配置为输出与转移到所述浮动扩散区和电容器上的所述保留电荷相关联的高增益图像信号，其中所述光电二极管被配置为在与给定的图像帧相关联的曝光时间期间生成所述保留电荷和所述溢出电荷，并且其中所述光电二极管被配置为当所述图像传感器像素输出所述低增益图像信号时在与后续的图像帧相关联的后续的曝光时间期间生成附加电荷。

6.根据权利要求1所述的图像传感器像素，其中，所述光电二极管被配置为在与给定的图像帧相关联的曝光时间期间生成所述电荷，并且其中所述第一存储门和所述第二存储门被配置为在整个与所述给定的图像帧相关联的所述曝光时间内随时间而分配的一系列交替的较短的积聚时间期间存储所生成的电荷的一部分。

7.一种图像传感器像素，其特征在于，包括：

光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；

第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；

第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；

第一电荷转移晶体管，所述第一电荷转移晶体管通过所述第一存储门耦接到所述光电二极管；

第二电荷转移晶体管，所述第二电荷转移晶体管通过所述第二存储门耦接到所述光电二极管；

光电二极管重置晶体管，所述光电二极管重置晶体管耦接到所述光电二极管；和

浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一电荷转移晶体管耦接到所述第一存储门，其中所述第二存储门被配置为存储由所述光电二极管生成的溢出电荷，并且其中所述第一存储门被配置为在所述溢出电荷已转移到所述第二存储门之后存储保留在所述光电二极管上的保留电荷。

8.根据权利要求7所述的图像传感器像素，其中，所述图像传感器像素还包括：

增益选择晶体管，所述增益选择晶体管耦接到所述浮动扩散区；和

电容器，所述电容器通过所述增益选择晶体管耦接到所述浮动扩散区。

9.根据权利要求8所述的图像传感器像素，其中，第二电荷转移晶体管耦接到所述电容器，其中所述第二电荷转移晶体管通过所述增益选择晶体管耦接到所述浮动扩散区，其中电路节点耦接在所述第二电荷转移晶体管、所述增益选择晶体管和所述电容器之间，所述电容器耦接在所述电路节点与供电电压之间，并且所述图像传感器像素还包括：

重置晶体管，所述重置晶体管与所述电容器并联耦接在所述电路节点与所述供电电压之间。

10.根据权利要求8所述的图像传感器像素，其中，所述第二电荷转移晶体管耦接到所述浮动扩散区，其中所述第二电荷转移晶体管通过所述增益选择晶体管耦接到所述电容器，其中所述电容器耦接在所述增益选择晶体管与供电电压之间，所述图像传感器像素还包括：

重置晶体管，所述重置晶体管耦接在所述供电电压与所述浮动扩散区之间。

设计说明书

技术领域

本实用新型整体涉及图像传感器像素和成像设备，具体地讲，涉及具有双存储门溢出能力的成像系统，并且更具体地讲，涉及具有带有高动态范围功能的紧凑图像传感器像素的成像设备。

背景技术

图像传感器常在电子设备诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。典型的图像传感器包括图像像素，图像像素包括光电二极管，用于响应于入射光来生成电荷。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门方案中，图像传感器中的每个图像像素同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行图像像素依次捕获图像。

图像传感器具有相关联的动态范围，该动态范围被表示为图像传感器的最大可能亮度值和最小可能亮度值的比率。图像传感器通常配备有高动态范围(HDR)功能，其中图像传感器以超出本来使用没有HDR功能的图像传感器的情况下可实现的动态范围的扩展动态范围捕获图像。最常见的HDR技术之一是多重曝光成像。在多重曝光成像中，用图像传感器在不同的曝光时间上捕获多个图像，并且之后将这些图像组合成高动态范围图像。然而，由于在不同的时间上捕获多重曝光，因此可能难以正确地捕获移动物体的图像。另外，如果在执行HDR成像时不小心，那么图像传感器中的图像像素可能饱和并限制最终图像的信噪比。

因此，可能有利的是能够提供具有改进的图像传感器像素的成像设备。

实用新型内容

本实用新型旨在提供带有高动态范围功能的紧凑图像传感器像素。

根据第一方面，提供一种图像传感器像素，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一晶体管耦接到所述第一存储门；和电容器，所述电容器通过所述第二晶体管耦接到所述第二存储门，其中所述电容器通过所述第三晶体管耦接到所述浮动扩散区。

根据第二方面，提供一种图像传感器像素，包括：光电二极管，所述光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二存储门，所述第二存储门耦接到所述光电二极管；第一电荷转移晶体管，所述第一电荷转移晶体管通过所述第一存储门耦接到所述光电二极管；第二电荷转移晶体管，所述第二电荷转移晶体管通过所述第二存储门耦接到所述光电二极管；光电二极管重置晶体管，所述光电二极管重置晶体管耦接到所述光电二极管；和浮动扩散区，所述浮动扩散区通过所述第一电荷转移晶体管耦接到所述第一存储门，其中所述第二存储门被配置为存储由所述光电二极管生成的溢出电荷，并且其中所述第一存储门被配置为在所述溢出电荷已转移到所述第二存储门之后存储保留在所述光电二极管上的保留电荷。

附图说明

图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以使用图像传感器像素的阵列捕获图像。

图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。

图3和图4为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的电路图，该图像传感器像素被配置为使用多个存储门在流水线式操作模式中执行全局快门和高动态范围成像。

图5为根据一个实施方案的示例性步骤的流程图，这些步骤可以由具有图3和图4中所示的类型的图像传感器像素的图像传感器执行以使用多个存储门在流水线式操作模式中收集高动态范围图像。

图6为根据一个实施方案的作为图3和图4中所示的类型的图像传感器像素的收集到的光电电荷的函数的信噪比(SNR)的示例性曲线图。

图7为根据一个实施方案的采用图1至图6的实施方案的处理器系统的框图。

具体实施方式

电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素的阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。

图1为示例性成像系统(诸如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器来捕获图像。图1的电子设备10可为便携式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和\/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成待提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。

存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、存储设备诸如随机存取存储器和非易失性存储器等)，并且可使用与相机模块12分开和\/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可以使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(例如，使用处理电路18上的图像处理引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和\/或无线通信路径将处理后的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。

如图2所示，图像传感器16可包括含有被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24。阵列20可包含例如数百或数千行和数百或数千列的图像传感器像素22。控制电路24可耦接到行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，诸如重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(诸如，列线32)耦接至阵列20中的像素22的每一列。列线32可用于从像素22读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22产生的图像信号。

图像读出电路28可以通过列线32接收图像信号(例如，由像素22生成的模拟像素值)。图像读出电路28可以包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22和用于从像素22读出图像信号的其他电路。读出电路28中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素通过路径25将数字像素数据供给控制和处理电路24和\/或处理器18(图1)。

如果需要，图像像素22可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。像素阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，图像传感器像素诸如阵列20中的图像像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素22上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。

图像传感器16可被配置为支持全局快门操作(例如，像素22可在全局快门模式下进行操作)。例如，阵列20中的图像像素22各自可包括光电二极管、浮动扩散区和局部电荷存储区。采用全局快门方案，图像传感器中的所有像素被同时重置。然后，使用电荷转移操作，将每个图像像素的光电二极管中收集的电荷同时转移至相关联的电荷存储区。接着例如可从每个存储区逐行读出数据。

图3为示例性图像传感器像素22的电路图。像素22可以包括光敏区50(例如，光电二极管50)。光电二极管50可以在一段时间(即，曝光时间)内接收入射光并可以生成对应于在曝光时间内的入射光的图像信号。在常规成像系统中，图像伪影可能由移动物体、移动或抖动相机、闪烁光照以及图像帧中具有变化照明的物体引起。此类伪影可包括例如物体的缺失部分、边缘颜色伪影和物体失真。具有变化照明的物体的示例包括发光二极管(LED)交通标志(其可每秒闪烁几百次)以及现代汽车的LED刹车灯或车头灯。以短积聚时间和短曝光时间生成的图像信号可错过闪烁光(例如，在给定频率下的LED的闪光)。然而，通过将短积聚时间扩散至较长的曝光时间，错过来自闪烁光(例如，脉冲光源、LED)的信号的可能性就较小。如果需要，像素22可以被设计成通过将短积聚时间扩散到较长的曝光时间来减少与闪烁光照相关联的伪影。为了实施闪烁抑制，光电二极管50可以通过光电二极管重置晶体管52(在本文中有时称为抗光晕晶体管52)耦接到具有供电电压Vdd的电压源51。当控制信号AB生效(例如，脉冲到高)时，光电二极管50可以被重置到供电电压Vdd。当控制信号AB解除生效(例如，脉冲到低)时，光电二极管50可以开始从入射光聚积电荷。在光电二极管重置之后，可以开始给定的积聚周期(曝光时间)，并且光电二极管50可以开始生成和存储图像信号。

像素22可以包括并联耦接到光电二极管50的第一存储门56和第二存储门54。作为示例，存储门56和存储门54可以各自包括对应的转移晶体管和存储区。存储门56可以经由电荷转移晶体管60和路径80耦接到电路节点84。电荷存储电容器74(在本文中有时称为溢出电容器74)可以耦接在电路节点84与供电电压Vdd之间。溢出电容器74可以呈现对应的电容COV。重置晶体管68可以与溢出电容器74并联耦接在电路节点68与供电电压Vdd之间。重置晶体管68可以具有接收重置控制信号RST的栅极端子。

存储门54可以经由电荷转移晶体管58耦接到浮动扩散节点82。例如，浮动扩散节点82(在本文中有时称为浮动扩散区58)可以是掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺在硅基板中掺杂的区)。浮动扩散节点82可以充当另一个存储区以用于在图像数据收集操作期间存储电荷。浮动扩散节点82可以具有电荷存储容量(电容)，如由具有电容CFD的电容器70所示。

存储门56可以具有接收存储门控制信号SG2的栅极端子，并且存储门54可以具有接收存储门控制信号SG1的栅极端子。存储门控制信号SG2可以经调整以控制聚积在光电二极管50上的电荷向与存储门56相关联的存储区中的流动。存储门控制信号SG1可以经调整以控制聚积在光电二极管50上的电荷向与存储门54相关联的存储区中的流动。

作为示例，存储门控制信号SG2可以将存储门56配置为在积聚周期期间存储来自光电二极管50的过量(溢出)电荷，并且存储门控制信号SG1可以将存储门54配置为在积聚周期已经完成之后存储来自光电二极管50的保留电荷(例如，非溢出电荷)。

电荷转移晶体管60可以具有接收电荷转移控制信号TX2的栅极端子。电荷转移晶体管58可以具有接收电荷转移控制信号TX1的栅极端子。晶体管72(在本文中有时称为增益选择晶体管72、双转换增益(DCG)晶体管72或溢出晶体管72)可以耦接在电路节点84与浮动扩散节点82之间。晶体管72可以具有接收控制信号DCG(在本文中有时称为双转换增益控制信号DCG或溢出控制信号DCG)的栅极端子。当生效时，控制信号DCG可以使晶体管72导通以将溢出电容器74耦接到浮动扩散节点82，从而将浮动扩散节点82的电荷存储容量扩展为还包括溢出电容COV(反之亦然)。

电荷转移控制信号TX2可以经脉冲以将存储在电荷存储门56处的电荷转移到溢出电容器74上(并且当控制信号DCG生效时转移到浮动扩散节点82上)。电荷转移控制信号TX1可以经脉冲以将存储在电荷存储门54处的电荷转移到浮动扩散节点82上(并且当控制信号DCG生效时转移到溢出电容器COV上)。重置信号RST可以经脉冲以将溢出电容器COV(以及当控制信号DCG同时生效时的浮动扩散节点82)重置到供电电压Vdd。在另一种合适的布置中，重置晶体管68和电容器74可以耦接到不同的供电电压(例如，与端子51处提供的供电电压不同的供电电压)。

存储门56可以包括对应的源极端子、漏极端子、栅极端子和沟道区。存储门56中的电荷存储区可以是具有电荷存储能力(例如，电容)的掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术在硅基板中形成的掺杂硅区)。光电二极管50可以连接到存储门56的第一端子(例如，源极端子或漏极端子)。存储区可以连接到与第一端子相对的第二端子。例如，如果第一端子为源极端子，则第二端子可为漏极端子，或反之亦然。控制信号SG2可以控制穿越存储门56的沟道的电荷流动和向存储门56的对应的存储区中的电荷流动。例如，控制信号SG2可以被调整到所期望的电平，使得光电二极管50上的过量(溢出)电荷在积聚时间期间通过存储门56的沟道区转移并进入存储门56的存储区。

类似地，存储门54可以包括源极端子、漏极端子、栅极端子和沟道区。存储门54中的电荷存储区可以是具有电荷存储能力(例如，电容)的掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术在硅基板中形成的掺杂硅区)。光电二极管50可以连接到存储门54的第一端子(例如，源极端子或漏极端子)。存储区可以连接到与第一端子相对的第二端子。例如，如果第一端子为源极端子，则第二端子可为漏极端子，或反之亦然。控制信号SG1可以控制穿越存储门54的沟道的电荷流动和向存储门54的对应的存储区中的电荷流动。当控制信号SG1生效时(例如，在积聚周期结束时)，存储在光电二极管50中的电荷(例如，在溢出电荷已转移到存储门56的存储区中之后在光电二极管54上的保留电荷)可以穿过存储门54的沟道区并进入与存储门54相关联的对应的存储区。如果需要，控制信号SG1可以随后被解除生效，并且光电二极管50可以使用控制信号AB被重置到供电电压。

像素22可包括读出电路，该读出电路包括源极跟随器晶体管62和行选择晶体管64。晶体管64可具有受行选择控制信号SEL控制的栅极。当控制信号SEL生效时，晶体管64导通，并且对应的信号PIXOUT(例如，具有与浮动扩散节点82和\/或溢出电容器74处的电荷量成比例的大小的输出信号)被传递到列读出路径66(在本文中有时称为总线66)。如果需要，可以使用相关双采样读出过程从浮动扩散82对电荷进行采样。相关双采样读出过程可以涉及从浮动扩散节点82和电容器74读出重置电平和图像电平信号，这些信号随后彼此相减以考虑到与浮动扩散区的重置电平相关联的噪声。

使用两个存储门可以允许存储门中的一个(例如，存储门56)存储来自光电二极管50的溢出电荷，从而减轻像素50在成像场景的高光部分中的饱和度。当以这样的方式配置时(例如，如图3所示)，像素22可以在流水线式操作模式中使用全局快门曝光方案来收集高动态范围图像。流水线式操作模式可以在当前一个帧仍然存储在像素22上时并且当前一个帧从像素22被读出时允许积聚后续的帧(例如，在执行HDR成像操作时优化像素22的速度和效率)。例如，给定的帧(例如，在全局快门曝光期间在阵列20上捕获的给定的帧)的电荷的部分可以存储在存储门54、浮动扩散节点82和\/或电容器74处并可以从像素22读出，而下一个帧(例如，在后续的全局快门曝光期间在阵列20上捕获的后续的帧)的电荷聚积在光电二极管50处。例如，存储门56可以没有与给定的帧相关联的电荷，而与后续的帧相关联的电荷聚积在光电二极管50处，使得与后续的帧相关联的任何溢出电荷可转移到存储门56并存储在该存储门处。例如，以这样的方式在HDR操作期间对电荷存储能力进行分配和定时可以扩展像素22的电荷存储容量以防止像素饱和并最大化输出图像信号中的信噪比，同时还支持快速且有效的流水线式操作模式。

在图3的示例中，电荷可以积聚在光电二极管50和与存储门56相关联的存储区处(例如，溢出电荷可以聚积在存储门56处，而其余电荷聚积在光电二极管50处)。图3的其中与存储门56和存储门54相关联的电荷存储区使用耦接到相应的沟道的掺杂半导体区和存储门54和存储门56的源极端子\/漏极端子实施的示例仅仅是示例性的。在另一种合适的布置中，存储门56的电荷存储能力可以使用耦接在存储门56与晶体管60之间的二极管或耦接在存储门56与晶体管60之间的附加的晶体管实施，和\/或电荷存储门54的电荷存储能力可以使用耦接在存储门54与晶体管58之间的二极管或耦接在存储门54与晶体管58之间的附加的晶体管实施。例如，如图3所示的存储门56可以由具有接收控制信号SG2的栅极端子和通过电路节点耦接到晶体管60的源极端子\/漏极端子的晶体管代替，其中二极管耦接在该电路节点与接地之间。类似地，如图3所示的存储门54可以由具有接收控制信号SG1的栅极端子和通过附加的电路节点耦接到晶体管58的源极端子\/漏极端子的晶体管代替，其中二极管耦接在附加的电路节点与接地之间。在另一种合适的布置中，如图3所示的存储门54和\/或存储门56可以由两个晶体管代替，并且电荷存储区耦接在两个晶体管的源极端子\/漏极端子之间。

在又一种合适的布置中，附加的电荷转移晶体管可以耦接在存储门54与光电二极管50之间、存储门56与光电二极管50之间、存储门56与晶体管60之间和\/或存储门54与晶体管58之间(例如，以调整将电荷转移到与存储门54和存储门56相关联的存储区所涉及的控制方案)。一般来讲，存储结构(例如，与存储门54和存储门56相关联的电荷存储装置)可以形成在任何两个转移晶体管之间，以允许在低暗电流环境中的图像信号积聚和相关双采样读出。

在另一种合适的布置中，转移晶体管60可以直接地耦接到浮动扩散82而不是耦接到电路节点84。在该布置中，导电路径76可以耦接在电路节点78与浮动扩散节点82之间，并且电路节点78与电路节点84之间的导电路径80可以省略。晶体管60的与存储门56相对的源极端子\/漏极端子可以通过导电路径76和电路节点78(其中在节点78和节点84之间存在开路电路)耦接到浮动扩散82。然而，例如，通过路径80将电路节点78耦接到电路节点84可以比电路节点78通过路径76耦接到浮动扩散节点82的布置制造起来更简单且更具有成本效益。如果需要，图3的像素22中的电路可以堆叠、与阵列20中的其他像素22共用和\/或与圈环形光电二极管组合。如果需要，可以使用利用LED闪烁减轻(LFM)定时方案操作的基于耦接栅极的光电二极管来形成像素22。

如果需要，可以使用分散在给定的帧的总曝光周期中的多个单独的较短的积聚周期来操作图3的像素22。在这种情况下，给定的帧的曝光周期可以被划分为在给定的帧的曝光周期内分开的多个较短的积聚周期。例如，给定的曝光周期的第二较短的积聚周期和\/或附加的较短的积聚周期可以遵循第一较短的积聚周期。在每个较短的积聚周期之后，对应的电荷可以被转移到存储门56和\/或存储门54中。来自第二较短的积聚周期和\/或另外的较短的积聚周期的电荷可以与来自存储门54和\/或存储门56上的第一积聚周期的电荷积聚(例如，求和或相加)。存储在存储门54和存储门56处的积聚电荷可以被认为是具有有效的积聚周期。有效的积聚周期是第一较短的积聚周期的持续时间与给定的帧的所有的后续较短的积聚周期的持续时间的总和。一般来讲，可以发生任何数量的所期望的较短的积聚周期(例如，涉及从不同的较短的积聚周期向存储门56和存储门54转移电荷以进行求和)。有效的积聚周期通常可以被定义为所有不同的较短的积聚周期的总和，所有相应的单独电荷在该积聚周期内生成。通过将图像帧期间的有效积聚周期分解成跨越较长曝光时间的较短的非连续积聚周期，由移动物体、闪烁光照及具有变化照明的物体引起的图像伪影可被最小化而不影响像素积聚时间(即，同时保持期望的总积聚时间)。

图3的其中重置晶体管68被配置为通过溢出电容器晶体管72重置浮动扩散节点82的示例仅仅是示例性的。图4为示出像素22的布置的电路图，其中重置晶体管68直接地连接到浮动扩散节点82。

图4中所示的电路可以例如用于替换图3的虚线框90中所示的电路。如图4所示，路径71可以耦接到图3的晶体管58的源极端子\/漏极端子和晶体管60的源极端子\/漏极端子(例如，通过路径76，而在该布置中省略图3的路径80)。图4的路径73可以耦接到图3的行选择晶体管64。在图4的布置中，重置晶体管68直接地耦接到浮动扩散节点82(例如，晶体管68和晶体管72可以并联耦接在供电电压Vdd与浮动扩散节点82之间)。重置信号RST可以使用供电电压Vdd经脉冲以重置浮动扩散节点82(例如，不需要控制信号DCG的同时生效)。图4的示例仅仅是示例性的，并且如果需要，可以使用其他布置来重置浮动扩散节点82。

图5为可以使用全局快门曝光和流水线式操作模式由图像传感器16在图3和图4的操作像素22中执行来收集HDR图像的示例性步骤的流程图。

如图5所示，在步骤100处，图3的光电二极管50可以使用端子51处的供电电压Vdd(例如，通过脉冲提供到晶体管52的栅极端子的控制信号AB)来重置。这仅仅是示例性的，并且一般来讲，可以使用任何期望的重置方案和布置来将光电二极管50重置为任何期望的水平。

在步骤102处，阵列20(图2)中的像素22中的每一个可以开始使用全局快门曝光方案积聚给定的帧的电荷。如图3所示的像素22中的光电二极管50可以随后响应于给定的帧的接收光而聚积电荷。如果需要，在该积聚期间来自光电二极管50的任何过量(溢出)电荷都可以被转移到存储门56以进行存储。如果需要，控制电路26(图2)可以调整控制信号SG2以控制从光电二极管50转移到存储门56的溢出电荷量。溢出电荷可以存储在与存储门56相关联的电荷存储装置处。

在步骤104处(例如，在给定的帧的积聚周期结束时)，光电二极管50可以停止积聚电荷，并且控制信号TX2可以经脉冲以将存储在存储门56处的溢出电荷转移到电容器74和\/或浮动扩散节点82上。例如，在省略导电路径76并且图3的节点78直接地耦接到电路节点84的情景下，存储在存储门56处的溢出电荷可转移到电容器74上，并且如果信号DCG生效，那么还可以通过晶体管72转移到浮动扩散节点82上以用于存储。在包括图3的导电路径76并且节点78不直接地连接到节点84的情景下，存储在存储门56处的溢出电荷可转移到浮动扩散节点82上，并且如果信号DCG生效，那么也可以转移到电容器74上。在重置栅极68直接地连接到浮动扩散节点82的情况下(如图4所示)，存储在存储门56处的溢出电荷可转移到浮动扩散节点82上，并且如果信号DCG生效，那么也可转移到电容器74上。

在步骤106处，光电二极管50上的保留电荷(例如，在步骤102期间未转移到存储门56的积聚电荷)可以被转移到存储门54以进行存储。如果需要，控制电路26(图2)可以调整控制信号SG1以控制保留电荷转移到与存储门56相关联的电荷存储装置上。无法存储在存储门54处的任何过量(溢出)电荷(例如，由于存储门54的潜在有限存储容量)可以经由晶体管78被转移到浮动扩散节点82和\/或电容器74(如果信号控制DCG同时生效)(例如，可以调整控制信号TX1以控制转移到浮动扩散节点82上的溢出电荷的量)。图5的示例仅仅是示例性的，并且如果需要，可以修改步骤102至106，以将给定帧的曝光周期划分为多个较短的积聚周期，在此期间电荷转移被转移到存储门54，然后转移到存储门56(或者存储门56然后随后到存储门54)(例如，在交替的较短积聚周期期间)。将给定帧的曝光时间划分为较短的积聚周期可以例如减轻与最终图像中的移动对象相关联的伪影。

在步骤108处，读出电路28(图2)可以从像素22读出与在步骤106结束时存储在存储门SG1、浮动扩散节点82和\/或电容器74处的电荷相关联的信号(例如，图3的像素值PIXOUT)。像素22可以在流水线式操作模式中操作，其中阵列20中的像素22中的每一个在像素被读出22时使用全局快门曝光过程开始聚积下一个图像帧。从步骤106的第一次迭代开始，控制信号SG1可以用于下一个积聚周期，并且读出应当已经结束。因此，光电二极管50可以开始聚积与下一个图像帧相关联的电荷，与此同时，读出来自像素22的信号。当从像素22读出给定的帧的信号时，存储门56还可以存储该下一个图像帧的溢出电荷(例如，当针对给定的图像帧完成读出时，处理可循环回到步骤102而进行下一个图像帧)。可以使用HDR读出方案或任何其他期望的读出方案来读出像素22。如果需要，可以使用相关双采样方案从像素22读出重置电平和图像电平信号。例如，在其中针对给定的帧从像素22读出信号而同时像素22积聚下一个帧的电荷的流水线式操作模式中操作像素22可以优化像素22的速度和效率。

考虑在图5的处理步骤108时执行的读出过程的一个可能示例。在该示例中，可以首先通过行选择晶体管64在线66上读出与存储在电容器74和浮动扩散节点82上的电荷相关联的信号(例如，当图3的控制信号SEL生效时)。该信号可以用作图像电平低增益信号(例如，与在处理步骤102时存储在存储门56处的溢出电荷相关联的低增益信号，以及在处理步骤106时转移的来自存储门54的任何溢出电荷)。该图像电平低增益信号还可以用作相关双采样过程中的重置电平高增益信号。

接着，晶体管58可以导通(例如，通过脉冲信号TX1)以将存储在存储门54上的保留电荷转移到浮动扩散节点82上(并且如果控制信号DCG同时生效，那么转移到电容器74上)。然后，可以通过行选择晶体管64在线66上读出与该电荷相关联的信号。该信号可以用作图像电平高增益信号(例如，在处理步骤106时与存储在存储门54处的电荷相关联的高增益信号)。读出电路28(图2)或其他处理电路可以从读出的图像电平高增益信号中减去读出的重置电平高增益信号以生成已被补偿读出噪声的高增益图像信号。

接着，提供到重置晶体管68的重置信号RST可以生效(例如，与此同时，提供到晶体管72的控制信号DCG生效)以重置电容器74和浮动扩散节点82(例如，使用供电电压Vdd)。然后，可以通过行选择晶体管64在线66上读出与重置电压相关联的信号。该信号可以用作重置电平低增益信号。读出电路28或其他处理电路可以从读出的图像电平低增益信号中减去读出的重置电平低增益信号以生成已被补偿读出噪声的低增益图像信号。低增益图像信号可以与高增益图像信号组合以生成像素22的已被补偿读出噪声并具有最佳SNR的HDR图像信号。由阵列20上的每个像素22生成的HDR图像信号可以被组合以生成给定的图像帧的最终HDR图像。该示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可以使用任何期望的HDR读出方案或任何其他期望的读出方案。

图6为作为由光电二极管50生成的光电电荷量的函数的SNR的示例性曲线图。曲线112示出了由常规的图像像素生成的图像信号的SNR。如图6所示，在已经在像素光电二极管处生成一定量的电荷之后，曲线112接近受限的SNR阈值。该SNR限制可以例如是由常规的像素中的电荷饱和导致。曲线110示出了由图3和图4的像素22生成的图像信号的SNR。如图6所示，曲线110对于本来会使常规的像素饱和的相对高的光电电荷量不会逐渐递减。换句话说，即使对于相对于常规的像素生成的相对大量的图像电荷，像素22也可以继续以增加的SNR聚积电荷。图6的示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，与像素22相关联的SNR曲线可以具有其他形状或特性。

图7为包括成像设备1008(如图1的相机模块)的示例性处理器系统1000(诸如数码相机)的简化图，该成像设备采用的成像器具有如上结合图1至图6所述的像素。在不进行限制的前提下，这种系统可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统、以及其他采用成像设备的系统。

处理器系统1000例如数字静态或视频摄像机系统一般包括透镜1114，该透镜用于在快门释放按钮1116被按下时，将图像聚焦到成像设备1008中的一个或多个像素阵列上；以及中央处理单元(CPU)1002，诸如微处理器，其控制相机和一个或多个图像流功能。处理单元1102可通过系统总线1006与一个或多个输入-输出(I\/O)设备1110通信。成像设备1008还可以通过总线1006来与CPU 1002进行通信。系统1000还可包括随机存取存储器(RAM)1004并且可任选地包括可移动存储器1112，诸如闪存存储器，该存储器也可通过总线1006与CPU 1002通信。成像设备1008可以在单个集成电路上或在不同芯片上与CPU组合，无论是否具有存储器存储装置。尽管总线1006被示为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线、桥接器或其他用于互连系统1000的系统组件的通信路径。

已描述了各种实施方案，这些实施方案示出了使用具有高动态范围功能的图像传感器像素来生成图像的系统和方法。

图像传感器像素可以包括：光电二极管，该光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，该第一存储门耦接到光电二极管；第二存储门，该第二存储门耦接到光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，该浮动扩散区通过第一晶体管耦接到第一存储门；以及电容器，该电容器通过第二晶体管耦接到第二存储门，其中电容器通过第三晶体管耦接到浮动扩散区。图像传感器像素可以包括耦接在第二晶体管、第三晶体管和电容器之间的电路节点，并且可以包括耦接在供电电压与电路节点之间的重置晶体管。源极跟随器可以具有耦接到浮动扩散区的栅极端子、经由行选择晶体管耦接到像素读出线的第一端子以及耦接到电容器和供电电压的第二端子。

第二存储门可包括栅极端子，该栅极端子被控制以将由光电二极管生成的溢出电荷转移到与第二存储门相关联的存储装置(例如，掺杂半导体区或二极管)上。第一存储门可包括栅极端子，该栅极端子被控制以在溢出电荷已转移到第二存储门之后转移保留在光电二极管上的保留电荷。第二晶体管和第三晶体管可被配置为将溢出电荷从第二存储门转移到电容器和浮动扩散区上。图像传感器像素可以输出与转移到电容器和浮动扩散区上的溢出电荷相关联的低增益图像信号。第一晶体管和第三晶体管可被配置为在低增益图像信号已由图像传感器像素输出之后将保留电荷从第一存储门转移到浮动扩散区和电容器上。图像传感器像素可以随后输出与转移到浮动扩散和电容器上的保留电荷相关联的高增益图像信号。

在另一种合适的布置中，图像传感器像素可以耦接到像素读出路径并可以包括光电二极管，该光电二极管被配置为生成第一图像帧的第一电荷和在第一图像帧之后的第二图像帧的第二电荷。图像传感器像素可以包括：第一存储门，该第一存储门耦接到光电二极管；第二存储门，该第二存储门耦接到光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，该浮动扩散区通过第一晶体管耦接到第一存储门，其中第二晶体管耦接到第二存储门；以及电容器，该电容器通过第三晶体管耦接到浮动扩散区。图像传感器像素可以将与第一图像帧的由光电二极管生成的第一电荷相关联的图像信号输出到像素读出路径上，而光电二极管同时生成第二图像帧的第二电荷。如果需要，第二晶体管可以耦接到电容器并可以通过第三晶体管耦接到浮动扩散区。如果需要，第二晶体管可以耦接到浮动扩散区并可以通过第三晶体管耦接到电容器。

第一存储门可以存储第一电荷的第一部分，第二存储门可以存储第一电荷的第二部分，第二晶体管可以将第一电荷的第二部分转移到电容器，并且第二存储门可以在第一电荷的第二部分已转移到电容器之后并当与第一电荷相关联的图像信号中的至少一些同时由图像传感器像素输出到像素读出路径上时存储第二电荷的一部分。当第一存储门存储第一电荷的第一部分时，第二存储门可以存储第二电荷的一部分。

在另一种合适的布置中，可以提供操作图像传感器像素的方法。该方法可以包括使用光电二极管积聚给定的图像帧的第一电荷。第二存储门可以存储给定的图像帧的第一电荷的溢出部分。第二晶体管和第三晶体管可以将第一电荷的溢出部分转移到电容器和浮动扩散节点。在第一电荷的溢出部分已转移到电容器和浮动扩散节点之后，第二存储二极管可以存储第一电荷的保留部分。当与第一电荷的被转移的溢出部分相关联的图像信号从图像传感器像素被读出的同时，光电二极管可以积聚后续的图像帧的第二电荷。如果需要，当与第一电荷的被转移的溢出部分相关联的图像信号从图像传感器像素被读出的同时，第二存储门可以存储后续的图像帧的第二电荷的溢出部分。

根据一个实施方案，图像传感器像素可以包括：光电二极管，该光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，该第一存储门耦接到光电二极管；第二存储门，该第二存储门耦接到光电二极管；第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；浮动扩散区，该浮动扩散区通过第一晶体管耦接到第一存储门；以及电容器，该电容器通过第二晶体管耦接到第二存储门。电容器可以通过第三晶体管耦接到浮动扩散区。

根据另一个实施方案，电路节点可以耦接在第二晶体管、第三晶体管和电容器之间。图像传感器像素还可以包括耦接在供电电压与电路节点之间的重置晶体管。电容器可以耦接在电路节点与供电电压之间。

根据另一个实施方案，可以使用相应的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和重置控制信号来控制第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和重置晶体管。重置控制信号可以经调整以使用供电电压重置电容器。第三控制信号可生效，与此同时，调整重置信号以使用供电电压重置浮动扩散区。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可以包括源极跟随器，该源极跟随器具有耦接到浮动扩散区的栅极端子、经由行选择晶体管耦接到像素读出线的第一端子以及耦接到电容器和供电电压的第二端子。

根据另一个实施方案，第一存储门可以包括具有接收第一控制信号的第一栅极端子和由掺杂半导体形成的第一电荷存储区的第四晶体管。第二存储门可以包括具有接收第二控制信号的第二栅极端子和由掺杂半导体形成的第二电荷存储区的第五晶体管。

根据另一个实施方案，第二存储门可被配置为存储由光电二极管生成的溢出电荷。第一存储门被配置为在溢出电荷已转移到第二存储门之后存储保留在光电二极管上的保留电荷。

根据另一个实施方案，第二晶体管和第三晶体管可被配置为将溢出电荷从第二存储门转移到电容器和浮动扩散区上。

根据另一个实施方案，图像传感器像素可被配置为输出与转移到电容器和浮动扩散区上的溢出电荷相关联的低增益图像信号。第一晶体管和第三晶体管可被配置为在低增益图像信号已由图像传感器像素输出之后将保留电荷从第一存储门转移到浮动扩散区和电容器上。

根据另一个实施方案，图像传感器像素可被配置为输出与转移到浮动扩散和电容器上的保留电荷相关联的高增益图像信号。

根据另一个实施方案，光电二极管可被配置为在与给定的图像帧相关联的曝光时间期间生成保留电荷和溢出电荷。光电二极管可被配置为当由图像传感器像素输出低增益图像信号时在与后续的图像帧相关联的后续的曝光时间期间生成附加电荷。

根据另一个实施方案，光电二极管可被配置为在与给定的图像帧相关联的曝光时间期间生成电荷。第一存储门和第二存储门被配置为在整个与给定的图像帧相关联的曝光时间内随时间而分配的一系列交替的较短的积聚时间期间存储所生成的电荷的部分。

根据一个实施方案，图像传感器像素可以包括：光电二极管，该光电二极管响应于入射光而生成电荷；第一存储门，该第一存储门耦接到光电二极管；第二存储门，该第二存储门耦接到光电二极管；第一电荷转移晶体管，该第一电荷转移晶体管通过第一电荷存储门耦接到光电二极管；第二电荷转移晶体管，该第二电荷转移晶体管通过第二电荷存储门耦接到光电二极管；光电二极管重置晶体管，该光电二极管重置晶体管耦接到光电二极管；以及浮动扩散区，该浮动扩散区通过第一晶体管耦接到第一存储门。第二存储门可被配置为存储由光电二极管生成的溢出电荷。第一存储门可被配置为在溢出电荷已转移到第二存储门之后存储保留在光电二极管上的保留电荷。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可以包括耦接到浮动扩散区的增益选择晶体管和通过增益选择晶体管耦接到浮动扩散区的电容器。

根据另一个实施方案，第二电荷转移晶体管可以耦接到电容器。第二电荷转移晶体管可以通过增益选择晶体管耦接到浮动扩散区。

根据另一个实施方案，电路节点可以耦接在第二电荷转移晶体管、增益选择晶体管和电容器之间。电容器可以耦接在电路节点与供电电压之间。图像传感器像素还可以包括与电容器并联耦接在电路节点与供电电压之间的重置晶体管。

根据另一个实施方案，第二电荷转移晶体管可以耦接到浮动扩散区。第二电荷转移晶体管可以通过增益选择晶体管耦接到电容器。

根据另一个实施方案，电容器可以耦接在增益选择晶体管与供电电压之间。图像传感器像素还可以包括耦接在供电电压与浮动扩散区之间的重置晶体管。

根据另一个实施方案，光电二极管可被配置为生成第一图像帧的第一电荷和在第一图像帧之后的第二图像帧的第二电荷。图像传感器像素可被配置为将与第一图像帧的由光电二极管生成的第一电荷相关联的图像信号输出到像素读出路径上，而光电二极管同时生成第二图像帧的第二电荷。

根据另一个实施方案，第一电荷可以包括溢出电荷和保留电荷。至少第二晶体管可被配置为将溢出电荷转移到电容器。第二存储门可被配置为在第一电荷的溢出电荷已转移到电容器之后并当与第一电荷相关联的图像信号中的至少一些同时由图像传感器像素输出到像素读出路径上时存储第二电荷的溢出部分。

根据一个实施方案，操作具有光电二极管、浮动扩散节点、电容器、耦接到光电二极管的第一存储门、耦接到光电二极管的第二存储门、耦接在第一存储门与浮动扩散节点之间的第一晶体管、耦接到第二存储门的第二晶体管以及耦接在电容器与浮动扩散节点之间的第三晶体管的图像传感器像素可以包括：用光电二极管，积聚给定的图像帧的第一电荷；用第二存储门，存储给定的图像帧的第一电荷的溢出部分；用第二晶体管和第三晶体管，将第一电荷的溢出部分转移到电容器和浮动扩散节点；用第二存储二极管，在第一电荷的溢出部分已转移到电容器和浮动扩散节点之后，存储第一电荷的保留部分；用光电二极管，当与第一电荷的被转移的溢出部分相关联的图像信号从图像传感器像素被读出的同时，积聚后续的图像帧的第二电荷；以及用第二存储门，当与第一电荷的被转移的溢出部分相关联的图像信号从图像传感器像素被读出的同时，存储后续的图像帧的第二电荷的溢出部分。

前述内容仅是对本实用新型的原理的说明，因此本领域的技术人员可以在不脱离本实用新型的范围和实质的情况下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

设计图

图像传感器像素论文和设计

图像传感器像素论文和设计-T·格蒂斯

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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