控制像素阵列的方法及成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般来说涉及图像传感器，且更明确地说，本发明涉及高动态范围图像传感器。
【背景技术】
[0002]图像捕获装置包含图像传感器及成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，且图像传感器将光转换为电信号。电信号从图像捕获装置输出到主机电子系统的其它组件。举例来说，电子系统可为移动电话、计算机、数码相机或医疗装置。
[0003]由于像素单元变得越来越小，因此对用以在从低光状态到亮光状态变化的大范围的照明状态内执行的图像传感器的需求变得越来越难以实现。此性能能力通常称为具有高动态范围成像(HDRI或替代地，仅HDR)。高动态范围成像是用于若干种应用(例如，举例来说汽车及机器视觉)的极合意特征。在常规图像捕获装置中，像素单元需要多个连续曝光，使得图像传感器既曝光于低光水平又曝光于高光水平以实现HDR。传统互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器由于有限的阱容量及固定曝光时间而具有低动态范围。
【发明内容】
[0004]在一个方面中，本发明描述一种控制像素阵列的方法，其包括:借助第二转移控制信号从所述像素阵列的行i的像素单元读出图像数据，所述第二转移控制信号经耦合以由包含于所述像素阵列的正被读出的所述行的所述像素单元中的转移晶体管接收；及当从所述像素阵列的行i的所述像素单元读出所述图像数据时，借助第一转移控制信号独立地控制所述像素阵列的未被读出的其它行中的像素单元的曝光时间，所述第一转移控制信号经耦合以由包含于所述像素阵列的未被读出的所述其它行中的所述像素单元中的转移晶体管接收。
[0005]在另一方面中，本发明描述一种成像系统，其包括:布置成行及列的像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一者包含:光电二极管，其适于响应于入射光而积累图像电荷；转移晶体管，其耦合于所述光电二极管与浮动扩散部之间以将所述光电二极管中所积累的所述图像电荷选择性地转移到所述浮动扩散部；及选择电路，其耦合到所述转移晶体管的控制端子以在第一与第二转移控制信号之间进行选择以控制所述转移晶体管，其中所述第二转移控制信号经耦合以在其中包含所述转移晶体管的行的读出操作期间控制所述转移晶体管，且其中所述第一转移控制信号经耦合以在与其中包含所述转移晶体管的所述行不同的行的读出操作期间控制所述转移晶体管；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，所述操作包含针对单个帧独立地控制所述像素阵列中的所述像素单元中的每一者的曝光时间；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】
[0006]参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则贯穿各个视图，相似元件符号是指相似部件。
[0007]图1是根据本发明的教示的展示包含高动态范围读出架构的像素单元的电路的实例的电路图。
[0008]图2是根据本发明的教示的图解说明包含具有高动态范围读出架构的像素单元的像素阵列的实例成像系统的框图。
[0009]图3是根据本发明的教示的图解说明经执行以控制且读出来自包含具有高动态范围读出架构的像素单元的像素阵列的实例成像系统的图像数据的实例处理的流程图。
[0010]图4是根据本发明的教示的图解说明在包含具有高动态范围读出架构的像素单元的像素阵列的实例成像系统中发现的实例信号的时序图。
[0011]图5是根据本发明的教示的展示包含高动态范围读出架构的色彩像素单元的电路的实例的电路图。
[0012]贯穿图式的几个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，各图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各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。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻挡的观看。
【具体实施方式】
[0013]在以下说明中，陈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了，无需采用所述特定细节来实践本发明。在其它例子中，未详细描述众所周知的材料或方法以便避免使本发明模糊。
[0014]在本说明书通篇中所提及的“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”意味着结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各个地方中出现的短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”未必全部是指同一实施例或实例。此外，所述特定特征、结构或特性可在一或多个实施例或实例中以任何适合组合及/或子组合而组合。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文提供的各图是出于向所属领域的技术人员阐释的目的且图式未必按比例绘制。
[0015]根据本发明的教示的实例描述供在高动态范围(HDR)图像传感器中使用的图像传感器像素单元，所述HDR图像传感器包含用于控制曝光且从每一像素单元读出HDR图像数据的控制电路。如将展示，提供改进动态范围性能的高度可编程及高效曝光控制及读出架构。在各种实例中，跨越像素阵列的每一个别像素单元的帧内可编程曝光控制具备多位分辨率，此实现跨越像素阵列的每一像素单元的最优操作。与已知的HDR成像解决方案相t匕，根据本发明的教示的实例可实现对每一个别像素单元的个别帧内曝光控制，此导致跨越像素阵列的经改进电荷积分。根据本发明的教示的此类曝光控制及读出技术消除对像素单元行在读出期间的多帧组合或下取样的需要，根据本发明的教示，此导致高帧速率及高空间分辨率。
[0016]为图解说明，图1是根据本发明的教示的展示包含高动态范围曝光控制及读出架构的像素单元101的实例的电路图。如所展示，像素单元101包含适于响应于入射光而积累图像电荷的光电二极管103。在一个实例中，入射光可为经由透镜及/或过滤器聚焦到像素单兀上的光。转移晶体管105稱合于光电二极管103与浮动扩散部107之间以将光电二极管103中所积累的图像电荷选择性地转移到浮动扩散部107。
[0017]如在所绘示的实例中所展示，根据本发明的教示，像素单元101还包含选择电路117，所述选择电路耦合到转移晶体管105的控制端子以在第一转移控制信号TXl 125或第二转移控制信号TX2 127之间进行选择以控制转移晶体管105。在一个实例中，选择电路117包含第一开关SI 119及第二开关S2 121，且一次使第一转移控制信号TXl 125或第二转移控制信号TX2 127中的仅一者作用。在一个实例中，选择电路117的开关S2 121经耦合以将第二转移控制信号TX2 127提供到转移晶体管105的控制端子以在其中包含转移晶体管105的行的读出操作期间控制转移晶体管105。在所述实例中，选择电路117的开关SI119经耦合以将第一转移控制信号TXl 125提供到转移晶体管105的控制端子以在与其中包含转移晶体管105的行不同的行的读出操作期间控制转移晶体管105。
[0018]因此，根据本发明的教示，当正被读出像素阵列的不同行时，第一转移控制信号TX1125可用于独立地控制像素单元101的曝光。因此，实现对每一个别像素单元101的个别帧内曝光控制，根据本发明的教示，此导致跨越整个像素阵列的经改进电荷积分。
[0019]继续图1中所绘示的实例，像素单元101进一步包含复位晶体管109，所述复位晶体管耦合到浮动扩散部107以响应于复位信号RST而将复位电压VRS选择性地