利用相关双采样的对数像素的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求由jefferybeck发明的、提交于2016年2月22日的名称为“logarithmicpixelswithcorrelateddoublesampling”(利用相关双采样的对数像素)的美国临时申第62/298120号的优先权，该申请以引用方式并入本文，并且据此要求该申请的共同主题的优先权。

背景技术：

本发明整体涉及成像系统，更具体地讲，涉及具有对数像素的成像系统。

现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素包括光敏层，该光敏层接收入射光子(光)并将光子转变为电荷。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(jpeg)格式将图像提供给电子设备。

图像传感器可包括对数像素或线性像素。线性像素可在一定积聚时间内在光敏层中聚积电荷。在积聚时间完成之后，可对聚积的电荷进行转移和采样。与聚积的电荷相关联的采样的电压可与入射光的强度成比例。作为另外一种选择，对数像素可连续地测量光强度而不聚积电荷。在任何时刻，对数像素中的电压可被采样，该电压与入射光的强度的对数成比例。因为对数像素持续地测量入射光的照射，所以可能难以从样本中去除噪声。因此对数像素可能受到像素固定的模式噪声的影响。

因此，希望提供改善的对数像素。

附图说明

图1为可包括根据本发明实施例的图像传感器的示例性电子设备的示意图。

图2为根据本发明实施例的示例性像素阵列和相关读出电路的示意图，所述读出电路用于从像素阵列读出图像信号。

图3是根据本发明实施例的示例性成像像素的示意图，该成像像素可在利用相关双采样的对数模式下使用。

图4是根据本发明实施例的示例性时序方案的示意图，该时序方案用于当成像像素以线性模式操作时使成像像素中的各个晶体管生效。

图5是根据本发明实施例的示例性时序方案的示意图，该时序方案用于当成像像素以对数模式操作时使成像像素中的各个晶体管生效。

图6是根据本发明实施例的用于使成像像素以对数模式操作的示例性步骤的示意图。

图7是根据本发明实施例的用于使成像像素以线性模式和对数模式操作的示例性步骤的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及具有可以对数模式操作的像素的图像传感器。图1中示出了可包括对数像素的示例性电子设备。电子设备10可以是数字照相机、计算机、移动电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12(有时称为成像设备)可包括图像传感器16和一个或多个镜头14。在操作期间，镜头14将光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16包括将光转换成数字数据的光敏元件(如，像素)。图像传感器可具有任何数量(如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数百万的像素(如，百万像素)。例如，图像传感器16可包括偏置电路(如，源极跟随器负载电路)、采样保持电路、相关双采样(cds)电路、放大器电路、模拟-数字(adc)转换器电路、数据输出电路、存储器(如，缓冲电路)、寻址电路等。

可将来自图像传感器16的静态图像数据和视频图像数据提供给处理电路18。处理电路18可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。

处理电路18也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或简称jpeg格式)。在典型布置(有时称为片上系统(soc)布置)中，图像传感器16和处理电路18在共用集成电路上实现。使用单个集成电路来实现图像传感器16和处理电路18可有助于降低成本。不过，这仅为示例性的。如果需要，图像传感器16和处理电路18可使用单独的集成电路来实现。处理电路18可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路或其他处理电路。

如图2所示，图像传感器16可包括包含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(其可包括例如图像信号处理电路)。阵列20可包含例如几百或几千行以及几百或几千列图像传感器像素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，例如，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(例如，列线32)耦接到阵列20中的各列像素22。列线32可用于读出来自像素22的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生成的图像信号。

图像读出电路28可通过列线32接收图像信号(如，由像素22生成的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列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闩锁电路或者耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22以及用于读出来自像素22的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将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。

图3中示出了示例性图像像素。如图所示，像素22可包括光电二极管34。光电二极管34可为钉扎光电二极管。光电二极管34可为由掺杂半导体材料(例如硅)形成的n型光电二极管。光电二极管34可耦接到晶体管36和晶体管38。晶体管36可称为抗光晕(ab)晶体管，晶体管38可称为转移(tx)晶体管。当暴露于入射光时，光电二极管34可生成电荷。如果转移晶体管38和抗光晕晶体管36两者都关断(或断开)，则生成的电荷可聚积在光电二极管中。如果使抗光晕晶体管生效，则光电二极管可耦接到偏置电压40(vaa)。当耦接到偏置电压40时，光电二极管34的所有电荷可被清除。

如果抗光晕晶体管36关断(或断开)并且转移晶体管38生效，则来自光电二极管34的电荷可通过转移晶体管。像素22还可包括浮动扩散区42。浮动扩散(fd)区42可使用掺杂半导体区域(如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术形成于硅衬底中的掺杂硅区域)来实现。掺杂半导体区域(即浮动扩散，fd)表现出可用于存储从光电二极管34转移来的电荷的电容。源极跟随器晶体管46可将与浮动扩散区42上的所存储电荷相关联的信号传输到行选择晶体管44。源极跟随器晶体管46可耦接到偏置电压52(vaa)。

当期望读出浮动扩散区处的电荷的值时，可使行选择(rs)晶体管44生效。当使rs晶体管生效时，在输出路径48上产生表示浮动扩散区42上的电荷量的对应信号vout。在典型配置中，存在多行和多列像素，诸如给定图像传感器的图像传感器像素阵列中的像素22。垂直导电路径(例如路径50)可与每列像素相关联。

像素22还可包括控制晶体管54。在某些情况下，像素22可作为线性像素操作。当像素22作为线性像素操作时，电荷可在积聚时间内聚积在光电二极管34中。在积聚时间完成之后，可使转移晶体管生效以将电荷转移到浮动扩散区42。当像素22作为线性像素操作时，控制晶体管54可作为用于重置浮动扩散区42的重置晶体管操作。控制晶体管54可耦接到偏置电压56和偏置电压58。当像素22作为线性像素操作时，偏置电压58可保持为低，使得电荷不能流过晶体管54。当需要重置浮动扩散42时，可升高偏置电压58，使得来自浮动扩散区42的过量电荷流过晶体管54并从该浮动扩散区中清除。

在其他时间，像素22可作为对数像素操作。当像素22作为对数像素操作时，可将偏置电压58升高到与偏置电压56相同的电平。在像素22作为对数像素操作时，可使转移晶体管38生效，并且可关断抗光晕晶体管36。如果在晶体管36关断的同时，使晶体管38生效并且使偏置电压58保持在与偏置电压56相同的电平，则可形成光电流(iph)60。光电流60的存在可实现在浮动扩散区42处对入射光的对数响应。另外，抗光晕晶体管36的存在可使对数像素经历相关双采样(cds)。

相关双采样用于校正成像像素中的噪声。如前所述，可对浮动扩散区处的电压进行采样以确定针对成像像素的入射光照射。理想地，浮动扩散区处的电压全部与入射光相关联。然而，事实并非如此，其中一些电压是因为噪声而存在。为了隔离入射光产生的电压，相关双采样将fd处的重置电压电平与fd处的样本电压电平进行比较。重置电压电平是噪声产生的电压量，而样本电压电平包括噪声和入射光产生的电压。可从样本电压电平中减去重置电压电平，以隔离与入射光相关联的电压量。

在典型的对数像素中，无法重置浮动扩散区处的电压来进行相关双采样。因为典型的对数像素不能执行相关双采样，所以它们对噪声敏感。相比之下，图3的像素22包括抗光晕晶体管36，此抗光晕晶体管能够以对数模式进行相关双采样。如前所述，可关断晶体管36以允许光电流iph流过晶体管54和38，以在浮动扩散区处产生对光的对数响应。然而，当晶体管36接通时，光电流可被转移通过晶体管36。因此，当使晶体管36生效时，没有光电流通过晶体管38和54。结果是，浮动扩散区将不会对入射光产生响应并且将恢复到基准电压电平。通过在晶体管36被禁用时对fd处的电压进行一次采样以及当晶体管36被启用一次时对fd处的电压进行一次采样，可计算对数像素中的噪声。在这种情况下，噪声通常与晶体管54的阈值电压的像素到像素变化相关联。

图4是用于使像素22中的各个晶体管生效的示例性时序方案的示意图。图4示出了当像素22处于线性模式(即作为线性像素操作)时像素22的操作。如图所示，可在t1处使抗光晕晶体管36生效。使晶体管36生效可将光电二极管34耦接到偏置电压40并清除光电二极管34的电荷。可在t2处禁用晶体管36，从而开始积聚时间(tint)62。在积聚时间期间，由光电二极管34生成的电荷可聚积在光电二极管34中。

在时间t3处，可使控制晶体管54生效。这可将浮动扩散区42耦接到偏置电压60并清除浮动扩散区42的过量电荷。在控制晶体管54生效之后，可在时间t4处对浮动扩散区处的重置电量进行采样。该样本对应于fd42处由于噪声而存在的电量。接下来，可在时间t5处使转移晶体管38生效。使转移晶体管38生效可将聚积电荷从光电二极管34转移到浮动扩散区42。在时间t6处，可再次对浮动扩散区处的电荷进行采样。该样本将对应于fd42处由于噪声和入射光二者而存在的电量。然后可减去这两个样本以确定入射光水平。如前所述，将以此方式对重置电量进行采样并从样本电量中减去重置电量的做法称为相关双采样。

图5是用于使像素22中的各个晶体管生效的示例性时序方案的示意图。图5示出了当像素22处于对数模式(即作为对数像素操作)时像素22的操作。如图所示，可在t1处使控制晶体管54和晶体管38生效。当控制晶体管54生效时，可使偏置电压58升高到与偏置电压56相似的电平。在t1处，ab晶体管36保持禁用。晶体管的这种布置导致在fd42处产生对入射光的对数响应。在t2处，可对fd42处的电压电平进行采样。然后，可在时间t3处使ab晶体管36生效。通过使ab晶体管36生效，光电流可通过ab晶体管。因此，浮动扩散区处的电压电平将恢复到基线电平。然后可在t4处对浮动扩散区fd处的基线电压进行采样。使用该时序方案，像素22可以对数模式操作，在对数模式下使用相关双采样来提高采样的精度。

图6是用于使成像像素例如像素22以对数模式操作的示例性步骤的示意图。如图所示，在步骤602处，可使控制晶体管和转移晶体管生效。同样在步骤602处，可禁用抗光晕晶体管。这种布置导致在像素的浮动扩散区处产生对入射光的对数响应。在步骤604处，可对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样。随后，在步骤606处，可使抗光晕晶体管生效。使抗光晕晶体管生效导致浮动扩散区不对入射光产生响应并且恢复到基线电压电平。在步骤608处，可对浮动扩散区域处的第二电压电平进行采样。可使用处理电路从第一电压电平的样本中减去第二电压电平的样本。这将产生经由相关双采样而消除了噪声的对数像素样本。

在成像系统中，图像伪影可能由移动物体、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例子包括发光二极管(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。当场景包括移动或快速变化的物体时，图像帧中不完全暴露于动态场景的区可导致物体失真、幻影效应和颜色伪影。当相机在图像拍摄操作期间移动或抖动时，可观察到类似效应。为了捕获与闪烁光照和具有变化照明的物体相关的伪影最小化的图像，可使用闪烁抑制(fm)技术。此外，成像系统还可能具有带有与低动态范围相关的伪影的图像。具有较亮部分和较暗部分的场景可在常规图像传感器中产生伪影，因为图像的各部分可能曝光过度或曝光不足。因此，在某些情况下可以使用高动态范围图像来避免伪影。诸如图3中的像素22的成像像素可用于捕获具有闪烁抑制的高动态范围图像。

图7是用于操作诸如像素22的成像像素的示例性步骤的示意图。在图7中，在步骤702处，可首先使像素22以线性模式操作。在步骤702处，可在像素处于线性模式时，使用相关双采样来捕获第一图像。使成像像素以线性模式操作可包括：在积聚时间内在光电二极管中聚积电荷，如结合图4所描述的那样。

在以线性模式捕获第一图像之后，在步骤704处，可使该像素以对数模式操作。在步骤704处，可在成像像素以对数模式操作时，使用相关双采样来捕获第二图像。使成像像素以对数模式操作可包括：形成光电流，使得浮动扩散区对入射光具有对数响应，如结合图5所描述的那样。在步骤706处，可使用所捕获的第一图像和第二图像来形成具有闪烁抑制的高动态范围图像。例如，当以线性模式操作时，可使用长积聚时间来捕获低光级样本。然后，当在对数模式下时，可使用像素来捕获高光级样本。可结合这两个图像以形成高动态范围图像。另外，可分析这两个图像以检测闪烁光，并减少与闪烁光照和具有变化照明的物体相关联的图像伪影。

在本发明的各种实施例中，一种对成像像素进行操作的方法，所述成像像素具有光电二极管、耦接在光电二极管和第一偏置电压之间的第一晶体管、耦接在光电二极管和第二偏置电压之间的第二晶体管以及浮动扩散区，所述方法可包括：禁用第一晶体管；使第二晶体管生效；在禁用第一晶体管和使第二晶体管生效之后对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样；在对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样之后使第一晶体管生效；在使第一晶体管生效之后对浮动扩散区处的第二电压电平进行采样。

成像像素还可包括耦接在第二晶体管和光电二极管之间的第三晶体管。该方法还可包括在对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样之前使第三晶体管生效。使第一晶体管生效可导致在光电二极管中生成的电荷流过第一晶体管并离开此成像像素。禁用第一晶体管，使第二晶体管生效并且使第三晶体管生效可导致浮动扩散区对入射光具有对数响应。禁用第一晶体管，使第二晶体管生效并且使第三晶体管生效可导致光电流流过第二晶体管和第三晶体管。对第一电压电平进行采样可包括：当第一晶体管被禁用、第二晶体管生效并且第三晶体管生效时对第一电压电平进行采样。对浮动扩散区处的第二电压电平进行采样可包括：在第一晶体管生效、第二晶体管生效并且第三晶体管生效时对第二电压电平进行采样。

该方法还可包括利用处理电路从第一电压电平的样本中减去第二电压电平的样本。在对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样之后使第一晶体管生效可包括：在第二晶体管保持生效时使第一晶体管生效。操作成像像素可包括使成像像素以对数模式操作。使成像像素以对数模式操作可包括使成像像素以利用相关双采样的对数模式操作。

在各种实施例中，一种以对数模式操作成像像素的方法，所述成像像素具有光电二极管、抗光晕晶体管、转移晶体管、控制晶体管和浮动扩散区，所述方法可包括：当抗光晕晶体管被禁用时对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样，以及当抗光晕晶体管生效时对浮动扩散区处的第二电压电平进行采样。

当抗光晕晶体管被禁用时对浮动扩散区处的第一电压电平进行采样可包括：当抗光晕晶体管被禁用、转移晶体管生效并且控制晶体管生效时对第一电压电平进行采样。在抗光晕晶体管生效时对浮动扩散区处的第二电压电平进行采样可包括：当抗光晕晶体管生效、转移晶体管生效并且控制晶体管生效时对浮动扩散区处的第二电压电平进行采样。抗光晕晶体管可耦接到第一偏置电压，并且控制晶体管可耦接到第二偏置电压。

在各种实施例中，一种操作具有光电二极管的成像像素的方法可包括：在成像像素以线性模式操作时使用相关双采样来捕获第一图像，以及在成像像素以对数模式操作时使用相关双采样来捕获第二图像。使成像像素以线性模式操作可包括：在积聚时间内在光电二极管中聚积电荷。成像像素可包括浮动扩散区。使成像像素以对数模式操作可包括：形成光电流，使得浮动扩散区对入射光具有对数响应。该方法还可包括使用所捕获的第一图像和第二图像来形成具有闪烁抑制的高动态范围图像。

前述内容仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行多种修改。