图像传感器的曝光控制的制作方法
【专利说明】图像传感器的曝光控制
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利合作条约专利申请要求2013年3月I日提交且名称为“Exposure Controlfor Image Sensors”的美国非临时申请号13/782，532的优先权，在此通过引用将其内容全文并入。
技术领域
[0003]本发明总体涉及图像传感器，并且更具体地涉及图像传感器中的曝光控制。
【背景技术】
[0004]电子图像传感器诸如电荷耦合器件(CXD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器通常包括用于每个像素的一个或多个光电二极管，在曝光时，光电二极管累积与像素的光电二极管上入射光的亮度成比例的电荷。一些电子图像传感器与机械快门一起使用，以帮助控制光电二极管暴露于光源的持续时间，而其他电子图像传感器(包括例如手机、平板电脑和其他电子设备上的那些中的某些)不与机械快门一起使用，并因此依赖于某种形式的电气快门控制，以控制曝光时光电二极管中产生的电荷。
[0005]能够实现电气快门控制的一种方式是通过控制将光电二极管耦接到传感器其他部分的门器件(例如，晶体管)。例如，耦接到光电二极管的门器件可能在传感器不拍摄图像时不断泄漏出光电二极管中产生的任何电荷。控制光电二极管中产生的电荷流动通常可称为曝光控制，因为它控制光电二极管的有效曝光，即使没有机械快门，传感器也可一直暴露于光。换句话讲，因为机械控制光电二极管曝光很困难，所以可以通过选择性地累积和选择性地释放由那些区域中入射光子产生的电荷，来控制一些电子图像传感器的有效曝光。
[0006]可能有用的是基于要成像的特定场景的不同照明和颜色条件来控制图像传感器中像素的曝光。例如，在明亮的状况下，可以减少传感器上像素的曝光时间，以避免使像素的光电二极管阱饱和(如果不加以校正，可能会导致晕光)。相反，在光照低的状况下，可以延长曝光时间，以便允许在像素中收集足够的电荷，维持足够的信噪比。然而，出于几个原因，改变曝光时间可能是具挑战性的，尤其对于在设定的帧率下拍摄视频并因此具有用于延长曝光时间的有限的时间量的图像传感器而言更是如此。继续视频的实例，一方面，如果在每个视频帧内过于严重地缩短曝光时间，在视频帧之间可能会出现严重的运动伪影，从而导致帧之间出现混叠效应或频闪效应。另一方面，如果曝光时间延长过多，像素可能会饱和，并甚至可能晕光到相邻像素中。
[0007]彩色图像传感器通常包括某种滤色器阵列(CFA)，诸如具有红绿蓝绿(RGBG)像素布置的Bayer图案。对于Bayer图案而言，可以将图像传感器的像素布置成2X2子阵列的组，每个2X2子阵列在一行中包括一个红色像素和一个绿色像素，并且在另一行中包括一个蓝色像素和一个绿色像素。在这样的布置中，两个绿色像素通常彼此对角地位于2X2子阵列中。通常，每个2 X 2子阵列中所有四个像素都是相同的，而不是滤色器置于像素顶部之上；换句话讲，像素通常具有阱容量相似的光电二极管。然而，滤色器导致不同的彩色像素将检测到不同波长的光。然而，基于其上入射光的波长，像素的光电二极管对入射光子的灵敏度可能变化，并因此不同颜色的像素对相同亮度的不同颜色光可能具有不同的灵敏度。例如，在Bayer图案中，绿色像素通常最灵敏。因为绿色像素最灵敏，所以对于图像传感器要暴露于的大部分中性颜色场景而言，绿色光电二极管将通常比红色和蓝色光电二极管更快填满电荷。
[0008]近来，人们对增加透明像素产生了兴趣，在其顶部之上可以不放置滤色器。透明像素也称为“白色像素”。向图像传感器增加透明像素可以为图像传感器提供更高的亮度灵敏度和更宽的总体光谱。然而，透明像素通常比红色、绿色或蓝色像素中的任一种都对入射光更灵敏，并因此透明像素通常比其他彩色像素中的任一种更快饱和。
[0009]帮助防止图像传感器像素饱和并可能使累积的电荷溢出到相邻像素(称为晕光的现象)的一项技术是利用一种形式的抗晕光控制从光电二极管泄漏出过多的电荷。
[0010]在当今大部分图像传感器中，曝光控制和抗晕光是以大致均匀的方式应用的。例如，大部分图像传感器针对所有不同颜色的像素设置单一共同的曝光时间，且曝光时间是连续一段时间。通常响应于最灵敏的颜色通道来选择曝光时间，曝光时间比预计最灵敏的彩色像素会因累积的电荷而饱和的时间短。然而，缩短其他较不灵敏彩色像素的有效曝光可能导致不太理想的结果(可能对于那些颜色而言信噪比低，因为信噪比通常与光电二极管中累积的电荷量相关)。此外，在所有不同颜色像素间均匀应用抗晕光控制还阻碍了更精细调谐的晕光缓解技术得到应用。
【发明内容】
[0011]本公开的一个实例可以采取一种操作图像传感器的方法的形式。该方法可以包括响应于第一控制信号将在第一子曝光期间在光电二极管中累积的电荷选择性地存储在存储节点中，以及响应于第二控制信号，在第一重置期间选择性地释放光电二极管中累积的电荷。该方法还可以包括响应于第一控制信号将在第二子曝光期间在光电二极管中累积的电荷选择性地存储在存储节点中，以及响应于第三信号，向浮置扩散节点传输来自第一子曝光和第二子曝光的存储在存储节点中的电荷。
[0012]本公开的另一个实例可以采取图像传感器像素的形式，该像素包括光电二极管、存储节点和耦接于光电二极管和存储节点之间的存储门，所述存储门选择性地接收曝光控制信号并对其作出响应。该图像传感器像素还可以包括浮置扩散节点和耦接于存储节点和浮置扩散节点之间的传输门，该传输门选择性地接收传输控制信号并对其作出响应。该图像传感器像素还可以包括控制电路，所述控制电路被配置为向所述存储门提供曝光控制信号，使得在每个子曝光之后或期间向所述存储节点传输在多个子曝光期间在所述光电二极管中累积的电荷，所述控制电路进一步被配置为在多个子曝光之后向所述传输门提供所述传输信号，使得向所述浮置扩散节点传输所述存储节点中存储的电荷。
[0013]本公开的另一实例可以采取操作图像传感器的方法的形式。该方法可以包括响应于第一曝光控制信号，在第一时间段期间在与第一颜色通道相关联的第一光电二极管中选择性地累积电荷。该方法还可以包括响应于第二曝光控制信号，在第二时间段期间在与第二颜色通道相关联的第二光电二极管中选择性地累积电荷。所述第一颜色通道可以与所述第二颜色通道不同，并且所述第一时间段可以比所述第二时间段短，所述第一时间段和第二时间段至少部分地彼此同时。
[0014]本公开的另一实例可以采取图像传感器的形式。该图像传感器可以包括第一像素，所述第一像素与第一颜色通道相关联并被配置为响应于第一控制信号在第一时间段累积电荷。该图像传感器还可以包括第二像素，所述第二像素与第二颜色通道相关联并被配置为响应于第二控制信号在第二时间段累积电荷。所述第一颜色通道可以与所述第二颜色通道不同，并且所述第一时间段可以比所述第二时间段短。
[0015]本公开的另一实例可以采取操作图像传感器的方法的形式。该方法可以包括在第一多个子曝光期间在与第一颜色通道相关联的第一光电二极管中选择性地累积电荷。该方法还可以包括响应于第一控制信号，将在所述第一多个子曝光中的每个子曝光期间所述第一光电二极管中累积的电荷选择性地传输至第一节点。该方法还可以包括，在第二多个子曝光期间在与第二颜色通道相关联的第二光电二极管中选择性地累积电荷。该方法还可以包括响应于第二控制信号，将在所述第二多个子曝光中的每个子曝光期间所述第一光电二极管中累积的电荷选择性地传输至第二节点。所述第一颜色通道可以与所述第二颜色通道不同，并且所述第一多个子曝光中的至少一个子曝光可以比所述第二多个子曝光中的至少一个子曝光短。第一多个曝光和第二多个曝光可以至少部分地同时。
[0016]本公开的另一实例可以采取操作图像传感器的方法的形式。该方法可以包括将与第一颜色通道相关联的第一像素的第一曝光分割成第一多个子曝光，所述第一多个子曝光中的每个子曝光都具有相应持续时间。该方法还可以包括将与第二颜色通道相关联的第二像素的第二曝光分割成第二多个子曝光，所述第二多个子曝光中的每个子曝光都具有相应持续时间。所述第一多个子曝光中的至少一个子曝光的持续时间可以比所述第二多个子曝光中的至少一个子曝光短。
【附图说明】
[0017]图1A是包括一个或多个相机的电子设备的正透视图。
[0018]图1B是图1A的电子设备的后透视图。
[0019]图2是图1A的电子设备的简化框图。
[0020]图3是沿图1A中的线3-3截取的图1A的电子设备的简化示意截面图。
[0021]图4A是用于电子设备相机的图像传感器架构的简化图。
[0022]图4B是示出了单个像素的图4A的像素架构的放大图。
[0023]图5是具有卷帘快门操作的像素单元的简化示意图。
[0024]图6是具有全局快门配置的像素单元的简化示意图。
[0025]图7是具有卷帘快门配置的四个像素单元的简化示意图。
[0026]图8是具有全局快门配置的四个像素单元的简化示意图。
[0027]图9是曝光控制的一个实施例的时序图。
[0028]图10是曝光控制的另一实施例的时序图。
[0029]图11是曝光控制的又一实施例的时序图。
[0030]图12是曝光控制的又一实施例的时序图。
【具体实施方式】
[0031]臟
[0032]在本文中的一些实施例中，公开了用于控制电子图像传感器中有效曝光的设备和方法。在一个实施例中，可以将一个或多个帧的总有效曝光划分或分割成多个子曝光。在另一个实施例中，在阵列的不同颜色通道之间，可以改变滤色器阵列中光电二极管的有效曝光。在又一个实施例中，可以将用于一个或多个帧的总有效曝光划分或分割成针对一个或多个颜色通道中像素的多个子曝光，不同颜色通道之间的子曝光具有不同持续时间。
[0033]现在转向附图，将更详细地论述图像传感器和用于结合图像传感器的例示性电子设备。图1A是包括图像传感器的电子设备100的正视图。图1B是电子设备100的后视图。电子设备100可以包括第一相机102、第二相机104、外壳106、显不器110和输入/输出按钮108中的任一个或全部。电子设备100可以基本上是任何类型的电子或计算装置，诸如但不限于计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能电话、数字相机、打印机、扫描仪、复印机等。电子设备100还可以包括通常是计算或电子设备的一个或多个内部部件(未示出)，诸如但不限于一个或多个处理器、存储器部件、网络接口等。将结合图2论述这种内部部件的实例。
[0034]如图1所不，夕卜壳106可以形成电子设备100内部部件的外表面和保护性壳体，并可以至少部分地围绕显示器110。外壳106可以由可操作地连接在一起的一个或多个部件形成，诸如前件和后件，或者可以由可操作地连接到显示器110的单件形成。
[0035]输入构件108 (其可以是开关、按纽、电容传感器或其他输入机构)允许用户与电子设备100交互。例如，输入构件108可以是用于改变音量、返回主屏幕等的按钮或开关。电子设备100可以包括一个或多个输入构件108和/或输出构件，并且每个构件可以具有单个输入或输出功能或多个输入/输出功能。
[0036]显示器110可以可操作地连接到电子设备100或可以可通信地耦接到其上。显示器110可以为电子设备1