专利名称：利用用于大动态范围的双电荷传输的图像传感器以及读取方法
技术领域：
本发明涉及电子图像传感器，并且更加具体地，涉及以采用MOS技术的有源像素为基础工作的电子图像传感器。本发明显著地涉及用于控制构成所述像素的各种晶体管的方法。
背景技术：
有源像素通常包括光电二极管以及三个、四个或者五个MOS晶体管，使得能够控制由光电二极管中的光生成的电荷的读取。具有三个晶体管的像素通过向列(column)导体直接传输光电二极管的电势来工作，所述电势根据光照(lighting)和光累积时间改变。 具有四个晶体管的像素通过首先从所述光电二极管向电容性存储节点传输由光生成的电荷，然后将所述存储节点的电势引导到(refer to)列导体来工作；使用所述晶体管中的一个以在从光电二极管到存储节点的电荷传输之前复位所述存储节点的电势。具有五个晶体管的像素也包括用于复位所述光电二极管的电势的晶体管。这里尤其对具有四个或者五个晶体管的像素感兴趣。图1中示出了具有五个晶体管的像素结构。这样的像素包括光电二极管PD、电容性存储节点ND(由图1中的简单点表示，并且实际上由到P型基底中的小N型扩散实现)、位于光电二极管的阴极和存储节点之间的电荷传输晶体管Tl、用于复位所述存储节点的电势的晶体管T2、用于复位所述光电二极管的阴极的电势的晶体管T3、跟随器晶体管T4、行选择晶体管T5。对于具有四个晶体管的像素，将省去晶体管T3。光电二极管通常由到P基底中的N型扩散构成，但是该扩散优选地由链接到地的表面区域P+覆盖，这使得能够在复位时更好地设置其电势。传输晶体管Tl由传输信号TG 控制。用于复位存储节点的晶体管T2的漏极链接到复位电势VRS(通常是电源电势Vdd) 并且其由复位控制信号RST控制。用于复位光电二极管的晶体管T3链接在光电二极管的阴极和电源电势Vdd之间。其由复位信号Rph控制。跟随器晶体管T4的漏极链接到可以是电源Vdd的基准电势，源极链接到行选择晶体管T5，栅极链接到存储节点ND。最后，行选择晶体管T5的栅极链接到行选择导体LS，所述行选择导体LS链接同一行像素中的全部行选择晶体管；所述行由专用于该行的行选择信号SEL控制；T5的漏极链接到跟随器晶体管的源极并且其源极链接到同一列像素中的全部像素共用的列导体CC。该列导体链接到位于该列的底部(foot)的没有示出的读取电路。包括具有五个晶体管的这样的像素的矩阵的工作方式如下。参照图2的时序图进行描述。将时间脉冲Rph施加到晶体管T3的栅极。其时段或者其位置取决于图像的期望累积(integration)时间。实际上，只要该脉冲有效，其就防止光电二极管中电荷的任何累积。在该脉冲结束时(时间O开始累积时间Ti。在时段Ti结束时，将传输脉冲TG施加到该行的传输晶体管Tl的栅极。该脉冲使光电二极管中累积的全部电荷能够释放到存储节点ND中。该脉冲的结束标示出行或者整个矩阵的累积时间Ti的结束。然后通过行选择脉冲SEL使行选择晶体管T5导通(逐行)。仅示出了矩阵的第一行的脉冲SEL。下面介绍其它行的脉冲，而没有重叠。在整个脉冲SEL期间，由跟随器晶体管T4将存在于该行的晶体管的存储节点ND上的电势引导到列导体CC并且由与每一列相关联的相应读取电路进行读取。在脉冲SEL期间，并且对于每一行，在像素列的底部处将命令脉冲SHS施加在读取电路(未示出)中，以提取存在于列导体上的电势的第一样本。该电势取决于在累积时段 Ti期间由像素的光照产生的电荷量。然后，仍然在相同的脉冲SEL期间，将脉冲RSTl施加到所选择的行中的全部像素的晶体管T2的栅极。将存储节点的电势复位到由施加到晶体管T2的漏极的值VRS指示的值。最后，仍然在相同的脉冲SEL期间，将脉冲SHR施加到读取电路以提取所述列导体的电势的第二样本。模拟-数字转换器对两个样本之间的差值进行转换。该转换器专用于每一列或者对于全部列而言是唯一的。期望传感器应存储具有最宽的可能动态范围的图像，也就是说，在存在低光照时敏感但是能够在不饱和的情况下接收非常亮图像的像素是所期望的。已经致力于多种方案来获得宽的动态范围。一种方案在于使用具有不同累积时间的多个图像的连续捕捉。如果由经历长累积时间的像素供应的信号饱和，则由来自经历短累积时间的相同像素的信号代替。这以提取几个连续图像并且整个采集时间长为前提。而且，不得不逐像素地处理该图像以在进行到下一个图像之前选择对于每一个图像最合适的信号。另一方案在于具有小像素和大像素的混合矩阵。如果存在大量光则使用不太敏感的小像素。需要复杂的适当处理并且降低矩阵的整体分辨率。再一方案在于测量像素达到饱和花费的时间以根据其推导关于存在饱和光照时的光级的信息。这以更加复杂的像素为前提。对于具有三个晶体管的像素，也提出了利用具有对数或者线性对数函数或者具有响应曲线斜率变化的像素的方案。这些依赖于用于复位光电二极管的晶体管的栅极的电势变化。这些方案对于技术上的分散(dispersion)敏感各个像素的晶体管阈值电压的分散以及复位之后光电二极管的无负载电势的分散。PCT公开WO 99/34592提出一种设备，所述设备的读取电路包括用于存储用于复位像素的存储节点的电势电平的第一电容器，用于存储在第一累积时段之后由存储节点提取的电势电平的第二电容器，用于存储在跟随第一累积时段但是比该第一累积时段短得多的第二累积时段之后由存储节点提取的电势电平的第三电容器，以及用于对第一电容器中的电势电平与阈值进行比较并且使用存储在第二电容器而非第一电容器中的电势的阈值电路，在这种情况下，由于过量强的光照，将超出阈值。该设备要求三个采样电容器。现在，采样电容器占用读取电路中非常大的表面面积(每一个电容器大致为表面面积的15% )。而且，矩阵图像传感器对于作为列模式中的固定读取噪声的影响高度敏感。该噪声由列放大器的偏移分散产生并且反映在显示图像时对于肉眼非常可见的并行垂直线中。存在用于降低其的方法，但是如果存在三个电容器则不采用这些方法。还应该注意到，如果不去除该噪声，则在使用第二电容器而非第一电容器的情况下，其最终将与累积时段的比值相乘。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于控制传感器的方法，其使得能够通过仅使用特别是能够降低固定列噪声的两个电容器，并且通过对于低光照并且对于强光照保持与所接收的亮度相关的信号的线性度来获得宽的动态范围。该线性度尤其方便了彩色图像传感器中的色度校正，而非线性响应使色度校正更加困难。非线性响应还使自动增益或者曝光校正更加困难。根据本发明，提出一种用于读取从图像捕捉矩阵的像素获取的电荷的方法，其中对于同一行的所述像素中的每一个像素进行同时寻址以在链接到读取电路的相应列导体上建立代表通过所述像素的光照生成的电荷的电势电平，并且其中像素包括至少一个光电二极管、电荷存储节点和用于将所述存储节点链接到所述列导体或者将所述存储节点与所述列导体隔离的行选择晶体管。根据下面的操作顺序进行所述光电二极管中电荷的累积以及所述电荷的读取在第一累积时段Til期间在所述光电二极管中进行电荷的累积，在所述第一累积时段结束时进行将由此所累积的电荷从所述光电二极管到所述存储节点的第一传输，在与所述第一累积时段不同的第二时段Ti2期间在所述光电二极管中进行电荷的累积，建立所述存储节点和所述列导体之间的连接，在所述读取电路的电容器中进行对在此时存在于所述列导体上并且由所述第一电荷传输产生的第一电势电平进行第一采样，进行从所述光电二极管到所述存储节点的第二电荷传输，并且随后，对所述电容器中的采样电势电平进行模拟-数字转换。所述方法的特征在于，在相同的电容器中，执行对存在于所述列导体上并且由所述第二电荷传输产生的第二电势电平进行第二条件采样，所述第二采样以存在于所述列导体上的第一或者第二电势电平与预定阈值电平之间的比较结果为条件进行，传输所述比较的结果以确定要应用于到所述模拟-数字转换的结果的乘法因数。换句话说，在连续的不同时段的两个累积之后完成两个连续的电势电平读取，并且根据由所述两个时段中的较长时段在所述列导体上生成的信号电平而通过第二读取重写第一读取。根据所述电平(按照光照水平，也就是在存储节点中累积的电荷量)是否超出所述阈值，进行如下选择在第一时段内保持在所述电容器中采样的所述电平或者以在所述第二时段之后采样的电平替代它；然后将所保持的电平或者新采样的电平转换为数字值。而且，将所述比较的结果保持在存储器中。如果超出光照阈值，则随后将所述数字转换的结果与作为较长和较短时段的比值的值相乘。如果没有超出所述阈值，则保持所述转换的结果。实际上，在所述图像传感器外侧进行所述乘法，所述传感器仅发送关于需要乘法的指令。本发明原则上可应用于所谓的“卷帘式快门(rolling shutter) ”传感器操作模式的情况，也就是说，其中逐行而不是对于全部行同时进行光电二极管的复位的模式。在同一个时段期间而不是在相同时刻全部行结合所述电荷。实际上，所述像素包括用于对所述存储节点的电平进行复位的晶体管，使得能够将所述存储节点的电势复位到预定电平；通过在所述第一采样之后短暂地(briefly)使所述晶体管导通来进行所述电平复位；并且在所述电平复位和所述第二采样之间在所述采样电路的第二采样电容器中执行中间采样；所述模拟-数字转换涉及第一电容器中所采样的电平与第二电容器中所采样的电势电平之间的电势差值，并且不涉及所述第一电容器的电势的绝对值，从而消除诸如跟随器晶体管的栅源压降等压降以及其它低频噪声。第一累积时段Til优选地是比第二累积时段Ti2短的时段。在这种情况下，利用存在于所述列导体上并且由从所述光电二极管到所述存储节点的第二电荷传输产生的第二电势电平执行与所述阈值的比较。为此，所述比较时刻位于像素行选择脉冲的开始和所述存储节点的电势的复位之间；然后保持所述比较的结果。也可以规定(优势较小)所述第二存储时段比所述第一存储时段更短。在这种情况下，可以利用存在于所述列导体上并且由在所述第一电荷传输之后存储在所述第一采样电容器中的电势执行与所述阈值的比较。除了刚刚总结的读取方法，本发明还提出一种使用MOS技术的图像传感器，包括以行和列组织的像素矩阵，将同一列的像素链接到列导体，而该列导体链接到读取电路，每一个像素包括通过传输晶体管链接到存储节点的光电二极管，以及用于将所述存储节点链接到所述列导体或者将所述存储节点与所述导体隔离的行选择晶体管。该传感器包括用于在像素的电荷的累积和读取的同一个周期期间执行两个电荷传输的装置，所述第一电荷传输在第一累积时段之后，所述第二电荷传输在与所述第一累积时段不同的第二累积时段之后，以及用于在采样电容器中对在所述第一电荷传输之后由所述列导体提取的电势电平进行采样的装置，所述传感器的特征在于，其包括用于对在所述两个时段中的较长时段之后由所述列导体提取的所述电势与阈值进行比较的比较器，用于根据所述比较的结果而使用在所述第二电荷传输之后由所述列导体提取的所述电势电平代替或者不代替所述采样电容器的内容的装置，以及用于供应数字输出信号的装置，取决于所述比较的结果，所述数字输出信号是-代表在所述两个时段中的较长时段之后由所述列导体提取的电势电平的数字值，-或者代表在所述两个时段中的较短时段之后由所述列导体提取的电势电平的数
字值，-以及关于所述比较的结果的信息比特。该比特代表关于所传输的值的选择的信息项。其也表示关于需要(在第二种情况下)将作为输出供应的值与两个时段中的较长和较短时段之间的比值相乘的二进制指令。 非常有利地，所述第一时段是较短的时段。
通过阅读结合附图给出的下面的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，在附图中图1，已经描述过，示出具有五个晶体管的CMOS有源像素的传统结构；图2，已经描述过，示出图1的像素的传统操作时序图；图3示出根据本发明的方法的操作时序图4示出适合于实现根据本发明的读取方法的读取电路；图5示出在所述读取方法的变体实施例中的另一可能的时序图。
具体实施例方式可以将根据本发明的方法应用于与图1的像素类似的具有五个晶体管的像素。图 3中示出了在电荷累积周期包括两个连续时段Til和Ti2并且其中Til比Ti2短的情况下的根据本发明的控制时序图。下面将看出，相反情况也是可能的。对于像素的整个行，将复位时间脉冲Rph施加到晶体管T3的栅极。该脉冲用于将存储在光电二极管PD中的电荷排空至电源电势Vdd。只要该脉冲持续，就防止光电二极管中电荷的累积。然后一旦该脉冲结束，在时刻、处并且直到与电流累积周期相对应的电荷的读取结束为止，允许所述电荷的累积。在新的脉冲Rph时开始新的累积周期。对于每一行独立提供脉冲Rph，使得时间、对于连续的行而言在连续的时刻开始。 仅示出了与一行相对应的时序图。从时间、开始并且在时段Til内发生光电二极管PD中的电荷的第一累积。在该时段的中间时刻，在该行的全部像素的晶体管T2的栅极上产生使这些晶体管导通的简短脉冲RSTa。对于该行的全部晶体管，将存储节点ND的电势复位到固定值。然后，将电荷传输脉冲TGa施加到该行的传输晶体管Tl的命令栅极。将由光电二极管中的光生成的电荷放电到存储节点中。它们修改该节点的电势。由第一传输脉冲TGa 的结束限定第一电荷累积时段Til的结束。然后开始第二累积时段Ti2。在脉冲TGa期间已经使光电二极管排空其电荷并且现在累积其它电荷。在时段Ti2结束之前，在行LS上建立用于选择像素行的脉冲SEL，以触发用于读取该行的像素的过程。该脉冲使行选择晶体管T5导通。这激活了跟随器晶体管T4并且将来自存储节点ND的电势引导到列导体CC(位于晶体管栅源电压内)。然后列导体取第一电势电平。脉冲SEL在所关心的行的像素的整个读取期间保持有效，然后其中断并且仅在该中断之后能够将类似的脉冲施加到另一行。在脉冲SEL期间，执行下面的操作-将命令脉冲SHSl施加到位于像素列底部处的读取电路(在图4中示出)，以在读取电路的第一电容器Cl中收集存在于该列导体上的电势的第一样本；该电势由第一电荷传输产生并且因此取决于在第一累积时段Tii期间像素的光照。-在其中期望对电荷放电之后的电势电平和存储节点复位之后的电势电平之间的差值进行读取的极优选情况下，建立第二复位脉冲RSTb ；将该脉冲施加到像素行的晶体管 T2的栅极；将存储节点的电势复位到固定值；然后将命令脉冲SHR施加到读取电路，以在读取电路的第二采样电容器C2中提取复位列电势的中间样本；-然后对于该行的全部像素向传输晶体管Tl的栅极施加第二传输脉冲TCb；将光电二极管中在时段Ti2中累积的电荷放电到存储节点ND中；时段Ti2在脉冲TCb结束时结束；在该第二电荷传输之后，列导体的电势跟随(在栅源电压内)存储节点的电势电平。根据本发明，对是否在读取电路的第一电容器中存储在该时刻由列导体提取的电势进行选择，并且在图3的示例性时序图中根据由跟随代表时段Ti2期间的光照的电荷的第二放电而由列导体提取的第二电势电平进行选择；如果该第二电平表明在存储节点中超出了电荷量阈值，累计表明测量信号的饱和风险，则不进行存储；另一方面，如果没有超出该电荷量阈值，则进行存储。 为此，将第二命令脉冲SHS2有条件地施加到读取电路以在读取电路的第一采样电容器中提取列导体的电势的第二样本。仅受由第二放电之后列导体的第二电势电平与阈值之间的比较限定的条件影响而施加该脉冲SHS2。由于取决于比较结果脉冲SHS2可以存在或者不存在，因此在图3中用虚线表示该脉冲。 在读取期间，即在脉冲SEL期间，执行该比较。比较的时刻t。。mp位于第二传输脉冲 TCb结束之后。因此以存在于列导体上并且由电荷的第二放电产生的电势为基础进行与阈值的比较。该电势代表时段Ti2期间的光照。直到该读取结束(SEL脉冲结束)，该比较的结果保持在存储器中。在传感器的输出处以二进制信息传输该结果，该信息代表关于超出像素饱和阈值的信息。因而，在其中Til比Ti2短得多的图3的情况下，该读取根据以下两种可能性进行操作-如果由电荷的第二放电产生的列导体的电势表明在时段Ti2期间累积的电荷量超出阈值，则认为存在存储节点的饱和；不发射脉冲SHS2 ；保持存储在第一采样电容器中的电荷；将所述电荷转换为数字形式，在传感器的输出处传输所述电荷并且也传输(理论上位于传感器外侧)将用于与由时段Ti2和时段Til之间的比值供应的数字值相乘的饱和信息比特；由该乘法得到的值是与时段Til期间的光照成比例的值。-然而，如果没有超出电荷量阈值，则不存在饱和风险；发射脉冲SHS2；重写第一采样电容器的内容并且提取由电荷的第二放电产生的该列的电势的新的样本；因此该样本代表在时段Ti2期间的光照；将该样本转换为数字形式；来自读取电路的输出信号是该值， 与光照成比例；饱和信息比特表明不存在饱和并且因此不需要将由传感器供应的数字值乘以因数。显而易见的是，在进行中间采样的情况下，在脉冲SHR之后，在第二采样电容器C2 中，将第一和第二采样电容器中的电势之间的差值施加到模拟-数字转换器，以供应代表具有低光照和强光照的光照的信号值。因而通过差值消除由跟随器晶体管T4显著引入的偏移电压，并且对于较低光照电平也很大地消除了会影响存储节点的复位电势电平的噪声 (所谓的“复位噪声”)。实际上，然后计算脉冲SHS2期间的电平读取与新近(脉冲SHR期间)读取的复位电平之间的差值。由于在脉冲SHR期间存储的复位电平由在要被读取的电荷的放电(脉冲TGb)之前的复位(脉冲RSTb)产生，因此这是真正的相关双采样。另一方面，在超出饱和阈值时，由于存储在电容器中的复位电平由在电荷的放电之后进入的脉冲 RSTb产生(由脉冲TGa产生)，因此该采样不是相关双采样。从位于脉冲SHS2之后的时刻t。。nv执行模拟-数字转换。假设在下一行的脉冲SHSl 之前结束该转换，则在行选择脉冲SEL结束之后进行该转换。图4示出能够实现根据本发明的读取方法的读取电路。示出了在行和列的交叉处的像素。将读取电路设置在列的底部。在该示例中，其包括两个采样电容器Cl和C2;电容器Cl经由开关Kl链接到列导体CC，所述开关Kl由信号SHSl (在行的每一次新的读取时) 和SHS2(在每一次行读取但是每次受到由比较器CMP供应的结果影响时)致动。电容器C2 经由开关K2链接到列导体CC，所述开关K2由信号SHR(在行的每一次新的读取时)致动。放大器AMP收集存储在两个电容器中的电平之间的差值并且将其传输到模拟-数字转换器 ADC0如上所述，在时间t。。nv处激活该模拟-数字转换器ADC。与比较器CMP相关联的小逻辑电路根据存在于列导体上的电势电平(在上面限定的时刻、。_处)与阈值电平Vth之间的比较结果而产生脉冲SHS2。在时刻、_和该行的读取结束之间，将该比较结果保持在存储器中。在图4的示例中，逻辑电路产生脉冲SHSl和脉冲SHS2 二者。为此，在与为脉冲 SHSl和SHS2选择的时刻相对应的两个不同时刻处，其接收由序列发生器产生的时间脉冲 SHl和时间脉冲SH2。将脉冲SHl施加到或门(Ii^)的输入，该或门的输出控制开关K1。其在被发射时经过该门并且产生信号SHS1。将脉冲SH2施加到与门LGl的输入。其经过该门，以仅针对比较器CMP的两个输出状态之一供应信号SHS2。为此，与门LGl的第二输入接收比较器CMP的输出。将与门LGl的输出施加到或门LG2的另一输入。比较器CMP存储比较的结果(信号SAT)。如果在第二累积时段(较长的累积时段)期间放电的电荷量超出表明饱和风险的阈值，则信号SAT例如具有逻辑1状态。信号SAT在传感器的输出处供应并且用于建立代表由该像素观察到的光照的信号的最终数字值。模拟-数字转换器ADC供应例如N比特的数字值并且该值是取决于输出 SAT的状态的第一或者第二累积的结果。如果信号SAT处于表明存在饱和的电平(对于示例1)，则根据模拟-数字转换推导的值由在两个时段中的较短的时段上的累积产生并且将不得不与代表比值Ti2/Til的因数相乘(理论上在传感器外侧)。否则，按照原样使用N比特的输出值。将注意到，比较器的操作方向取决于列导体的电势变化的符号。传统地，列导体的电势(假设为正)随着放电到存储节点中的电荷量变得更大而变得更低。结果，由降到阈值以下的列传导电势反映电荷量阈值的超出。作为示例，数量N可以是10，并且时段的比值可以是64或者128。由于对于信号电平仅需要一个电容器Cl放置在存储器中，并且对于复位电平仅需要电容器C2放置在存储器中，因此能够容易地消除可能由放大器AMP的逐列偏移值的分散所造成的固定列噪声。该消除可以通过其中放大器的(直接链接到电容器的)两个输入被短路的自动零相位进行。将由该短路产生的偏移保持在存储器中并且在自动零相位之后的第一实际读取时恢复。对于上述文献WO 99/34592的具有三个电容器的电路而言，简单的消除是不可能的。图5示出变体操作时序图，其中选择使时段Ti2比时段Til短得多。然而，该变体变得不太令人感兴趣，因为其允许将真正的相关双采样进行测量用于强亮度(上述饱和阈值)的测量并且因此用于由短累积产生的测量，但是并不用于低亮度的测量。但是，图3和图4的实施例允许将真正的相关双采样用于位于饱和阈值之下的低亮度的测量但是不用于强亮度的测量。更加有利的是，将真正的相关双采样用于低亮度。与图3的时序图的差异是比较时刻t。。mp位于第二传输脉冲TCb之前的事实。因此以存在于列导体上并且由电荷的第一放电产生的电势为基础进行与阈值的比较。该电势表示在时段Til期间的光照，而在图3的情况下，其表示在时段Ti2期间的光照。为了进行比较，能够将列导体处于第一电平时的电势与阈值进行比较，或者等同地，将已存储在第一采样电容器Cl中的电势与阈值进行比较，因为已存储在第一采样电容器Cl中的电势精确地等于该第一电平。如果通过使用列导体进行比较，则必须在位于第二传输脉冲TCb之前并且甚至是在存储节点复位脉冲RSTb之前的时刻t。。mp处进行该比较。另一方面，如果通过使用第一采样电容器的电势进行比较，则可以在位于脉冲SHSl之后(并且当然在计划用于脉冲SHS2的时刻之前)的任意时刻t。。mp处进行比较。由于比较的结果必须作为二进制饱和信号SAT在传感器的输出处进行传输，因此将比较的结果保持在存储器中，直到读取和模拟-数字转换结束。 也可以使用与图4类似但是具有下面两个区别的电路一方面，比较的方向必须反向，因为在存在饱和风险(超出在时段Til期间放电到存储节点中的电荷量)时必须发射信号SHS2 ；然后由第二电荷传输产生的列导体的第二电势电平代替采样电容器的电势 (由时段Til期间的光照产生)。而且，另一方面，在饱和的情况下，饱和比特表明传感器的输出必须乘以Til/Ti2而不是Ti2/Til，也就是说，其总是乘以较长时段和较短时段之间的比值。
权利要求
1.一种用于读取从图像捕获矩阵的像素获取的电荷的方法，其中对于同一行的所述像素中的每一个像素进行同时寻址，以在链接到读取电路的相应列导体(CC)上建立代表通过该像素的光照生成的电荷的电势电平，并且其中像素包括至少一个光电二极管(PD)、电荷存储节点(ND)以及用于将所述存储节点链接到所述列导体或者将所述存储节点与所述列导体隔离的行选择晶体管(T5)，根据下面的操作顺序进行所述光电二极管中电荷的累积以及所述电荷的读取在第一累积时段Til期间在所述光电二极管中进行电荷的累积，在所述第一累积时段结束时进行将这样累积的电荷从所述光电二极管到所述存储节点的第一传输，在与所述第一累积时段不同的第二时段Ti2期间在所述光电二极管中进行电荷的累积，建立所述存储节点(ND)和所述列导体(CC)之间的连接，在所述读取电路的电容器 (Cl)中对在此时存在于所述列导体上并且由所述第一电荷传输产生的第一电势电平进行第一采样，进行从所述光电二极管到所述存储节点的第二电荷传输，并且随后，对所述电容器中的所采样的电势电平进行模拟_数字转换，所述方法的特征在于，在相同的电容器中， 对存在于所述列导体上并且由所述第二电荷传输产生的第二电势电平进行第二条件采样， 所述第二采样以存在于所述列导体上的第一或者第二电势电平与预定阈值电平之间的比较结果为条件进行，传输所述比较的结果以确定要应用到所述模拟-数字转换的结果上的乘法因数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述比较的结果表明超出在所述时段中的较长时段期间放电到所述存储节点的电荷量的阈值的情况下，通过将所述模拟-数字转换的输出与所述较长累积时段和较短累积时段之间的比值相乘来建立表示所述像素的光照的信号。
3.如权利要求1和2中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述像素包括用于复位所述存储节点的电平的晶体管，使得能够将所述存储节点的电势复位到预定电平，其特征在于，通过在所述第一采样之后短暂地使所述晶体管导通来进行所述电平复位，并且其特征在于，在所述电平复位和所述第二采样之间、在所述采样电路的第二采样电容器(C2)中执行中间采样。
4.如权利要求1到3中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一累积时段Til比所述第二累积时段Ti2短，并且利用存在于所述列导体上并且由从所述光电二极管到所述存储节点的第二电荷传输产生的第二电势电平执行与所述阈值的比较。
5.一种使用MOS技术的图像传感器，包括以行和列组织的像素矩阵，将同一列的像素链接到顺次链接到读取电路的列导体，每一个像素包括通过传输晶体管链接到存储节点的光电二极管，以及用于将所述存储节点链接到所述列导体或者将所述存储节点与所述列导体隔离的行选择晶体管(T5)，所述传感器包括用于在像素的电荷的累积和读取的同一个周期期间执行两个电荷传输的装置，第一电荷传输在第一累积时段(Til)之后，第二电荷传输在与所述第一累积时段不同的第二累积时段(Ti2)之后，以及用于在采样电容器中对在所述第一电荷传输之后由所述列导体提取的电势电平进行采样的装置，其特征在于，所述图像传感器包括用于对在所述两个时段中的较长时段之后由所述列导体提取的所述电势和阈值进行比较的比较器(CMP)，用于根据所述比较的结果而使用在所述第二电荷传输之后由所述列导体提取的所述电势电平代替或者不代替所述采样电容器的内容的装置，以及用于供应数字输出信号的装置，取决于所述比较的结果，所述数字输出信号是-代表在所述两个时段中的较长时段之后由所述列导体提取的电势电平的数字值， -或者代表在所述两个时段中的较短时段之后由所述列导体提取的电势电平的数字“以及关于所述比较的结果的信息比特。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述第一时段短于所述第二时段。
全文摘要
本发明涉及具有有源像素的图像传感器。为了获得宽的动态操作范围，在具有不同值的时段(Ti1，Ti2)期间通过执行双电荷累积来读取所述像素。在采样电容器中对所述第一累积(时段Ti1)的结果进行采样(命令SHS1)，并且在相同的电容器中对所述第二累积(时段Ti2)的结果进行有条件的采样(命令SHS2)。所述第二采样取决于在与较长时段相对应的所述电荷的累积之后对所述列导体的电势的观察；将所述电势与阈值进行比较。如果所述比较表明饱和风险，则收集在较短时段期间收集的信息并且将其保持在所述采样电容器中，以将其与代表所述较长时段和所述较短时段之间的比值的系数相乘。如果所述比较表明不存在饱和风险，则收集在所述较长时段期间收集的信息并且将其保持在所述采样电容器中。所述较短时段原则上是所述第一时段。
文档编号H04N5/378GK102246510SQ200980149905
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月10日 优先权日2008年12月12日
发明者J·勒孔特 申请人:E2V半导体公司