子范围像素取样和保持的制作方法

专利名称：子范围像素取样和保持的制作方法
子范围像素取样和保持背景技术典型的互补金属氧化物半导体(CMOS)成像装置中的像素将光 生电荷存储在单个保持电容器上。CMOS成像像素可存储的电荷量 还被称为像素的"阱容量"，其与保持电容器的电容或"大小"成 比例。然而，存在有使得选择保持电容器的大小对于CMOS成像装 置的开发者来说成为困难的设计决策的竟争效应。 一方面，更大的 像素阱容量增加了像素的信噪比(S/N),因为更大的电荷容量增加 了像素的动态范围，从而相对亍存储的电压减小了散粒噪声的大小。 另一方面，更小的电容是优选的，因为更小的阱容量增强了低照度 响应，同时减少了读出误差(如KTC噪声等)。


被结合并构成该说明书一部分的

了与本发明原理相一致 的 一个或多个实施例，并且和描述部分一起解释了这样的实施例。 附图不必按比例绘制，相反，重点在于说明本发明的原理。在附图 中，图1说明了依照本发明的某些实施例的示范的成像系统；图2是说明依照本发明的某些实施例的成像像素的示意图；图3是说明依照本发明的某些实施例的另一个成像像素的示意图；图4是说明依照本发明的某些实施例的又一个成像像素的示意图；图5是说明依照本发明的某些实施例的示范的处理过程300的流 程图；图6是说明依照本发明的某些实施例的另一个成像像素的示意 图；图7是说明依照本发明的某些实施例的另一个示范的处理过程500的流程图；图8是说明依照本发明的某些实施例的另一个成像像素的示意图。
具体实施方式
下面的详细描迷涉及附图。相同的附图标记可用于不同的附图以 识别相同或类似的元件。在下面的描述中，可陈述具体细节，如特 定的结构、体系结构、接口、技术等，以便于提供对要求保护的发 明的各个方面的全面了解。然而，所提供的这样的细节是出于解释 目的因而不应当认为是对要求保护的发明的限制。利用本公开内容， 对本领域的技术人员来说显而易见的是，要求保护的发明的各个方 面可以在脱离这些具体细节的其它实例中实现。此外，在某些例子 中，对公知的器件、电路和方法的描述被省略，以便不会以不必要 的细节混淆本发明的说明。图1说明了依照本发明的某些实施例的示范的系统100。系统100 包括图像传感器102、聚光光学部件104、存储器106、控制器108、 一个或多个输7v/输出(I/O)接口 110 (如通用同步总线(USB)接 口、并行端口、串行端口、电话端口、有线或无线网络接口和/或其 它I/O接口 )、图像处理器114、以及将器件102和106-110耦合在 一起用于图像数据和/或控制数据交换的共享总线或其它通信通道 112。系统100还可包括耦合至1/0接口 110的无线接口的天线111 (如偶极天线、窄带弯折线天线(MLA)、宽带MLA、倒F天线、 平面倒F天线、郭柏天线、贴片天线等)。系统100可采取适合于依照本发明某些实施例的子范围(sub-ranging) 像素取样和保持的实施例的各种物理表现。 例如，系统100 可以在数字成像装置(如数码相机、拍照手机等)内实现。此外， 系统100的各种部件可以集成配置而不是作为分立的部件来实现。例如，阵列102、和/或存储器106、和/或控制器108和/或接口 110 可以在一个或多个半导体器件和/或集成电路(IC)芯片内(如芯片 组、片上系统(SOC)内等)实现。另外，已经将可能与系统100相 关联但不是与要求保护的发明特别相关的各种部件(如音频部件、 与显示有关的装置等)排除在图l之外，以便不会混淆本发明。聚光光学部件104可以是能够和/或适合于聚集光束并将该光束 提供给传感器102的聚光光学元件的任何集合。尽管本领域的技术 人员将会意识到，光学部件104可包含各种光学部件和/或光学部件 的布置，但是光学部件104的特性不受限于本发明并且因此将不再 作进一步详细地描述。存储器106可以是能够存^诸和/或保持包括颜色像素数据和/或部 件值的成像数据的任何器件和/或机构，以此列举若干实例。例如， 尽管本发明不受限于这一点，4旦是存储器106可以是易失性存储器 (如静态随机存取存储器(SRAM )、动态随机存取存储器(DRAM)) 或非易失性存储器(如闪存)。在各种实施例中，控制器108可以是能够操作成像数据以便实现 依照本发明某些实施例的子范围像素取样和保持过程的任何逻辑电 路和/或逻辑器件的集合。例如，控制器108可以是图像控制器和/或 信号处理器。然而，本发明不受限于这一点并且控制器108可以在 通用处理器、微处理器、和/或微控制器中实现以此列举若干其它实 例。另外，控制器108可包含单个器件(如微处理器或专用IC(ASIC)) 或者可包含多个器件。在一个实施例中，控制器108可能能够执行 支持子范围像素取样和保持过程的任何数量的任务。尽管本发明不 受限于这一点，但是这些任务可包括比如下载微码、初始化和/或配 置寄存器、和/或中断服务。控制器108可以耦合至天线111以使天 线111可将控制数据(如微码)传递至控制器108，在此处控制数据 通过外部装置被提供给系统100。正如下面将更详细地描述的，控制
器108还可将控制信号提供给阵列102。图像处理器114可以是适合于处理由阵列102和/或控制器108 提供的图像数据的控制和/或处理逻辑电路的任何集合，以使图像数 据以适当的格式羊A^丈置，以提供可耦合至系统100但是未在图1中 示出的其它装置(如显示器或打印机)使用。在一个实施例中，处 理器114可包含至少能够处理阵列102的图像数据输出的显示处理 器和/或控制器，以使其以适合于在监视器或其它类型的显示器(图 中未示出)上显示的形式祐j文置。例如，处理器114可能能够内插 由阵列102提供的图像数据。在另一个实施例中，处理器114可包含至少能够处理阵列102的 输出的打印机处理器和或控制器，以使其以适合于在打印机或类似 的装置(图中未示出)上打印的形式祐J改置。例如，处理器114可 能能够使阵列的图像数据进行颜色转换。在又一个实施例中，处理 器114可包含至少能够对阵列102的输出进行多々某体处理的多媒体 处理器或控制器。例如，处理器114可能能够使阵列102的图像数 据与其它的图像数据混合。图2是说明依照本发明某些实施例的图像传感器阵列(如图1的 阵列102)的像素200的示意图。像素200包括光电二极管202、传 输门器件或晶体管204、取样/保持复位晶体管206、緩冲晶体管208、 第一保持电容210、比较器212、"与"逻辑门214、反相器216、 全局复位晶体管218、脉沖时钟晶体管220、脉冲电荷晶体管222、 累积晶体管224、第二保持电容或溢出保持电容228、 2位列地址总 线230、模数转换器(ADC) 232和,234、以及行选器件233和235。 本领域的技术人员将会意识到，为了清楚的缘故，与本发明不是特 别密切相关的成像传感器像素(如行地址线等)的某些常规部件已 经4支排除在图2之外。为了进一步有助于图2以及后续图形的讨论， 像素200的部件202-210可以;故称作共同构成像素阱模块234，而像 素200的部件212-228可以:故称作共同构成溢出才莫块236。
依照本发明的某些实施例，比较器212可以比较电容210上的电 压和参考电压，在此处参考电压可对应于电容210的预定的电荷或 电压电平(即该电压对应于电容210的最大可接受动态范围(MDR))。在时钟脉冲源(CK)触发器晶体管222的调制下，当 电容210上的电压或电荷达到和/或超过参考电压MDR时，比较器212 可使第二保持电容器228充电而具有一些电荷(即由CK的持续时间 设置的单位电荷量)。依照本发明的某些实施例，可以选择参考电 压MDR的值以基本上匹配在被选择和/或达到饱和时将要在电容210 上发现的电压或电荷。电容210和这里描述的其它电容可包含能够存储或累积电荷的任 何器件或结构。因此，例如，电容210可包含在成像装置(如成像IC) 中形成的薄膜电容器，尽管本发明不受限于这一点。此外，本领域 的技术人员将会意识到，虽然器件210和类似的器件在这里被称为"电容器"，但是本发明不受限以这一点并且器件210和类似的器 件可以是能够存储或累积电荷的任何器件或结构。因此，例如，器存储器件。依照本发明的某些实施例，保持电容210可具有小的电容值(如 0.25毫微微法拉(fF))以减少读出误差和/或改进像素200的低照 度成像特征。依照本发明的某些实施例，当比较器212触发晶体管222 以使电容器228充电时，它还可经由复位晶体管206通过^_电容210 复位和/或放电而将电荷送离保持电容210。以这种方式，依照本发 明，通过存储来自比较器212的增量单位电荷，电容器228可充当 电容210已经达到其最大可接受动态范围的次数的"计数器"。同 时，因为电荷被送离电容210，实际上增加了像素200的像素阱容量。图3是说明依照本发明其他的实施例的图像传感器阵列(如图1 的阵列102)的像素250的示意图。虽然像素250包括以前就图2的 像素200描述的许多器件，但是像素250实现了像素阱模块252,其
不同于像素200的阱模块234。尤其是，阱模块252结合了分路或转 储电容器254和电荷转储器件256。正如将在下面进一步详细描述的，当比较器212触发晶体管222 以使电容器228充电时，它还可经由复位晶体管206通过自电容210 分流或转储一些电荷至电容254而将电荷送离电容210。以这种方式， 依照本发明的某些实施例，通过从保持电容210中移去一定量的电 荷，电容器228和254可充当电容210已经达到其最大可接受动态 范围的次数的"计数器"同时还部分地使存储在电容210上的电荷 放电或减少，从而在没有使电容器210完全复位或放电的情况下有 效地考虑到像素250的更大的^象素阱容量。根据电荷转储(CD)控 制信号，电荷转储器件256允许电容器254上的电荷被送至地。图4是说明依照本发明另外的实施例的图像传感器阵列(如图1 的阵列102)的像素260的示意图。虽然像素260包括以前就图2-3 的像素200和250描述的许多器件，但是像素260实现了像素阱模 块262和溢出模块270,所述像素阱模块262不同于像素200的阱模 块234并且所述溢出模块270不同于像素200的模块236。具体来说， 响应电荷增量控制信号(CI)，像素260经由器件220将分路或转 储电容器254耦合至溢出保持电容器228。与在像素250中一样，响 应供给器件256的电荷转储信号(CD )可以使分路电容器254复位。正如将在下面进一步详细讨i仑的，当比较器212 ^f皮触发时，它可 用来经由复位晶体管206通过/人电容210分流或转储一些电荷至电 容254而将电荷送离电容210。另外，响应电荷增量(CI)控制信号， 可将电容254上的电荷送至溢出保持电容器228 。以这样的 一种方式， 依照本发明，通过将电荷送离^f果持电容210，电容器254和228可充 当电容210已经达到其最大可接受动态范围的次数的"计数器"同 时还部分地使存储在电容210上的电荷放电或减少，从而在没有使 电容器210完全复位或放电的情况下有效地考虑了像素260的更大 的像素阱容量。依照本发明的某些实施例，电容264可具有基本上
比电容228更小的电荷存储容量。图5是说明依照本发明某些实施例的、用于实现子范围像素取样 和保持的过程300的流程图。虽然，为了易于解释，过程300以及 相关的过程可以就图1的系统100和/或图2-4的像素200、 250或260 进行描述，但是本发明不受限于这一点并且通过依照本发明的适当 的器件和/或器件组合支持和/或实现的其他过程或方案也是可能的。过程300可以从对像素阵列施加全局复位开始[行为402]。在某 些实施例中，参考像素200，控制器108通过向门214提供全局复位 信号(GR)可初始化对像素200的全局复位。在纟皮提供了复位信号 GR时，复位晶体管206可将复^f立电位或电压(VR)施加于电容210, 从而使笫一保持电容210置于和/或放电和/或复位至未曝光像素的电 压特征。另外，全局复位信号GR可以通过反相器216被反转并且被 反转的GR信号被供给全局复位晶体管218,从而使第二保持电容器 228放电和/或复位至未曝光像素的电压特征。在其他实施例中，参考像素250,控制器108通过向门214提供 全局复位信号(GR)可初始化全局复位。在被提供了复位信号GR 时，复位晶体管206可使第一〗呆持电容210和转储电容254置于和/ 或放电和/或复位至未曝光像素的电压特征。另外，如上面的像素200 一样，全局复位信号GR可以通过反相器216被反转并且被反转的GR 信号被供给全局复位晶体管218,从而使第二保持电容器228放电和 /或复位至未曝光像素的电压特征。过程300可继续启动电荷的转移[行为304]。依照本发明的某些 实施例，行为304可以通过使控制器108向像素200的晶体管204 提供电荷转移信号来进行，从而使第一保持电容210曝光于由光电 二极管202提供的任何光生电荷下。至于利用像素250或260的实 施例，不必采取行为304。过程300可继续确定笫一^f果持电容器是否已经达到参考电荷电平 [行为306]。对控制器108来说，这样做的一种方式是为任一像素200、
250或260的比较器212提供参考电压(如MDR)。当第一保持电 容210上的电压(电荷)达到或超过这个预定的电压电平时，可接 着触发比较器212。如果行为306的确定是肯定的，换句话说，如果电容器上的电荷 已经被确定达到或超过了参考电荷电平以使比较器212被触发，则 过程300可继续向第二保持电容器提供电荷[行为308]。在某些实施 例中，参考像素200,当第一保持电容210上的电荷已经被确定达到 或超过了参考电荷电平，则在时钟脉沖源(CK)的晶体管220的调 制下，比较器212可经由晶体管220和222脉动少量电荷到第二保 持电容器228上。在调制比较器212的输出的同时，时钟脉沖源CK 还可以用来在执行行为308-310的期间重置比较器212的输出。因此， 依照本发明的某些实施例，行为308可导致单位或少量电荷在第二 保持电容器228上的存储，以表示第一保持电容210曾经达到饱和 至少一次。在其他实施例中，参考像素250,当第一保持电容210上的电荷 已经被确定达到或超过了参考电荷电平，则可通过使比较器212在 利用时钟脉冲源CK的晶体管220的调制下经由晶体管220和222脉 动少量电荷到第二保持电容器228上的来进行行为308。在调制比较 器212的输出的同时，时钟脉冲源CK还可以用来在执行行为308-310 的期间重置比较器212的输出。另外，比较器212可经由门214促 使晶体管206将一些电荷或电荷增量自电容210送至转储或分路电 容254。这样，通过将电荷送至电容254，利用像素250所进行的行 为308允许电容210上的电荷或电压在未^皮复位时至少将净皮减少。 另外， 一旦电容254已经用来将电荷从电容210分流出去，就可以 根据供给晶体管256的CD信号使电容254复位或短路至接地。在另外的实施例中，参考像素260,当第一保持电容210上的电 荷已经被确定达到或超过了参考电荷电平，则可通过使比较器212 经由门214促使晶体管206将一些电荷或电荷增量自电容210送至
转储或分路电容254来进行行为308。另外，响应供给器件220的电 荷增量(CI)信号，可将分流至电容254的电荷转移至溢出保持电 容228。这样，通过将电荷送至电容254，利用像素260所进行的行 为308允许电容210上的电荷或电压在未^f皮复位时至少将邱皮减少。过程300还可包括从第一保持电容中移走电荷[行为310]。关于 像素200，结合行为308,比较器212还可通过利用局部复位信号对 门214加以脉冲从而促使复位晶体管206即刻将复位电位或电压 (VR)施加于第一保持电容210。因此，依照本发明的某些实施例， 行为306-310的完成可导致第一保持电容210的复位以使在需要时第 一保持电容210可继续累积光生电荷。关于像素250或像素260的实施例，在行为308期间^^I永冲到第 二保持电容器228上的电荷数量可取决于电容器254的电容值。因 此，在像素250和260的上下文中，行为310可导致某些但是并非 所有电荷自电容210被移走。过程300可继续确定是否继续曝光阵列[行为312]。在本发明的 一个实施例中，取决于预定的曝光持续时间，控制器108可继续曝 光像素200。如果阵列的曝光将要继续(即行为312的确定是肯定的)， 则可再次进行行为306的确定。因此，如图5所示，只要行为312 的确定是肯定的，则行为306-312的连续重复可发生。在使用像素200 的实施例中，行为308和310的每次重复可导致额外的单位电荷在 第二保持电容器228上的存储以及第一保持电容210的复位。在使 用像素250和260的实施例中，行为308和310的每次重复可导致 额外的单位电荷在第二保持电容器228上的存储以及某些电荷自第 一保持电容210移去。如果行为312的确定是否定的，换句话说，如果阵列的曝光将不 再继续，则过程300可继续禁止电荷的转移[行为314]。在使用像素 200的实施例中，这样做的一种方式是，在进行行为312的过程中， 如果控制器108确定预定的曝光持续时间已经满足，则控制器可释 放供给晶体管204的电荷转移信号，从而使第一保持电容210与光 电二极管202隔离以使无明显额外的光生电荷在第一保持电容210 上累积。在使用像素250和260的实施例中，行为314可通过用来 阻止二极管202曝光于额外光束中的全局快门机构(图中未示出) 来进行。过程300可继续从第一保持电容器中读取信号[行为316]以及从 第二保持电容器中读取信号[行为318]。依照像素200、 250或260的 任一实施例，行为316和318可以通过使控制器108向行选晶体管236 和238提供行选信号(RS)来进行，从而将第一保持电容210和第 二保持电容器228的各自电压电平提供给列地址总线230。正如本领域的技术人员可能意识到的，在行为316中取样的第一 保持电容210的模拟电压电平可以被认为是代表与在行为304-314期 间由像素200、 250或260经历过的照明相对应的总电压(电荷)的 最低有效位(LSB)。同样地，在行为318中取样的第二保持电容器 228的模拟电压电平可以被认为是代表与在行为304-314期间由像素 200、 250或260经历过的照明相对应的总电压(电荷)的最高有效 位(MSB)。当来自电容器210和228的模拟电压信号在行为316 和318中被收集或者被取样时，这些信号可以通过ADC 234和232 由模拟信号转换成数字信号以生成像素200的各自的数字输出信号 MSB和LSB。图6说明了依照本发明另一个实施例的另一个示范的像素400。 像素400包括耦合至像素阱;溪块404的第一溢出才莫块402和耦合至 第一溢出模块402的第二溢出才莫块406。在像素400的实施例中，像 素400的阱模块404类似于图2的阱模式234、图3的模块252、或 图4的模块262并且因此在图4未详细示出阱模块404内部的部件。 同样地，像素400的溢出;f莫块402和406可包括与#>素200或250 的溢出模块236的部件相类似的部件。如果像素400的阱模块404 与像素260的模块262相似，则像素400的溢出冲莫块402和406可 能同样类似于像素260的溢出^t块270。像素400还包括"与"门407、 行选晶体管408、 410和412，它们可以根据行选信号(RS)将各自 的模拟输出信号LSB—out、 MSB—1和MSB—2提供给3位列地址总线 414。地址总线414又可结束于ADC 416-420。图4的像素400的实施例不同于图2-4的任一像素200、250或260 的实施例的一种方式是像素400的溢出模块402可充当阱模块404 的溢出计数器而溢出模块406可充当溢出模块402的溢出计数器。 换句话说，溢出模块402可计算阱模块404已经溢出的次数而溢出 模块406又可计算溢出模块402已经溢出的次数。因此，依照本发 明的某些实施例，像素400可结合溢出模块402和406的级联集合。 然而，本发明不限于特定数量的像素溢出模块并且依照本发明可以 实现结合一个、两个或两个以上溢出模块的其他像素结构。图7是说明依照要求保护的发明的实施例的、用于实现子范围像 素取样和保持的过程500的流程图，其中利用了两个溢出才莫块。虽 然，为了易于解释，过程500以及相关的过程可以就图1的系统100 和/或图4的像素400进行描述，但是要求保护的发明不受限于这一或实现的其他过程或方案也是可能的。过程500可以从对像素阵列施加全局复位开始[行为502]。在一 个实施例中，控制器108通过^^供全局复位信号(GR)可初始化对 阵列102的像素400的全局复位。在被提供了复位信号GR时，溢出 模块402和406的电容器可以裙」故电和/或被设置和/或复位至基本上 不带电荷的电容器的电压特征。过程500可继续启动电荷的转移[行为504]。行为504类似于上 述的行为304并且因此将不再详细地进行描述。过程500可继续确 定阱模块的保持电容器是否已经达到参考电荷电平[行为506]。对控 制器108来说，这样做的一种方式是为溢出^^莫块402的比较器提供 参考电压(如MDR(l))。当阱404的保持电容器上的电压(电
荷)达到或超过这个预定的电压电平时，可接着触发模块402的比较器。如果行为506的确定是肯定的，换句话说，如果阱模块404的保 持电容器上的电荷已经被确定达到或超过了参考电荷电平，则过程 500可继续向第一溢出才莫块402的保持电容器提供电荷[行为508]并 且从阱模块的保持电容器中移走电荷[行为510]。在本发明的某些实 施例中，当阱模块的电容器上的电荷已经被确定达到或超过参考电 荷电平MDR (1)时，则溢出^t块402的比较器可使少量电荷脉动 到模块402的溢出保持电容器。因此，依照本发明的某些实施例， 行为506-510的完成可导致单位电荷在溢出模块402的溢出保持电容 器上的存储以表示阱404的保持电容器已达到饱和至少一次。在进行行为508时，如果像素阱404与像素200的阱234相似， 模块402还可通过向阱模块404提供局部复位信号进行行为510，以 使阱模块404可即刻将复位电位或电压施加于它的保持电容器。因 此，依照本发明的某些实施例，行为506-510的完成还可导致阱模块 的保持电容器的复位以使在需要时它可继续累积光生电荷。在实现 与像素250的阱252或像素260的阱262相似的像素阱的像素阱404 的上下文中，行为508可导致存储在阱404的保持电容器上的电荷 减少以使在需要时其可继续累积光生电荷。过程500可继续确定阱模块402的溢出保持电容器是否已经达到 参考电荷电平[行为512]。对控制器108来说，这样做的一种方式是 为溢出模块406的比较器提供参考电压(如MDR (2 ))。当模块402 的第一溢出保持电容器上的电压(电荷)已经达到或超过这个预定 的电压电平时，可接着触发模块406的比较器。在本发明的比如模 块404与像素250的阱252相似的其他实施例中或者在才莫块404与 阱262相似以及模块402和406与像素260的模块270相似的实施 例中以类似的方式进行行为512。如果行为512的确定是肯定的，换句话说，如果溢出模块402的
平，则过程500可继续向第二溢出模块的溢出保持电容器提供电荷[行为514]并且从第一溢出保持电容器中移走电荷[行为516]。在本发明 的某些实施例中，当模块402的第一溢出保持电容器上的电荷已经 被确定达到或超过参考电荷电平MDR (2)时，则模块406的比较 器可从该模块的电流源至它的溢出保持电容器来脉动少量电荷。在进行行为514时，比较器408还可通过向阱模块404提供局部 复位信号进行行为516，以使溢出模块402可即刻将复位电位或电压 施加于第一溢出保持电容器403。因此，依照本发明，行为512-514 的完成还可导致溢出模块402的溢出保持电容器403复位，在需要 时它可继续累积溢出事件。因此，依照本发明的某些实施例，行为 512-516的完成可导致溢出;^莫块402的溢出保持电容器的复位和单位 电荷在模块406的溢出保持电容器上的存储以表示模块402的溢出 保持电容器已达到饱和至少一次。在本发明的其他实施例中，在实现与像素250的阱252相似的像 素阱以及与像素250的模块256相似的溢出模块402/406的像素阱404 的上下文中，行为512-516的完成可导致存储在溢出才莫块402的溢出 保持电容器上的电荷减少以及电荷在模块406的溢出保持电容器上 的存储以表示溢出模块402的溢出保持电容器已达到饱和至少一次。 如果像素阱404实现了与像素260的阱262相似的像素阱以及与像 素260的模块270相似的溢出模块402/406，则类似的结果获得。过程500可继续确定是否继续曝光阵列[行为518]。在本发明的 一个实施例中，取决于预定的曝光持续时间，控制器108可继续曝 光像素400。如果阵列的曝光将要继续(即行为518的确定是肯定的)， 则可再次进行行为506和512的确定。因此，如图5所示，只要行 为518的确定是肯定的，则行为506-516的连续重复可发生。依照本 发明，行为508和510的每次重复可导致额外的电荷在溢出it块402 的溢出保持电容器上的存储，同时行为514和516的每次重复可导 致额外的电荷在溢出模块406的溢出保持电容器上的存储以及溢出 模块402的溢出保持电容器的复位或部分放电。如果行为518的确定是否定的，换句话说，如果阵列的曝光将不 再继续，则过程500可继续禁止电荷的转移[行为520]。这样做的一 种方式是，在进行行为518的过程中，如果控制器108确定预定的 曝光持续时间已经满足，如果模块404实现了与像素200的像素阱234 相似的像素阱结构，则控制器108可释放供给阱模块404的电荷转 移信号，从而使阱404的保持电容器与阱的光电二极管隔离以使无 明显额外的光生电荷在阱的保持电容器上累积。过程500可继续从阱的保持电容器中读取信号[行为522]和从第 一溢出模块的溢出保持电容器中读取信号[行为524]以及从从第二溢 出模块的溢出保持电容器中读取信号[行为526]。依照本发明的一个 实施例，行为522-526可以通过使控制器108向行选晶体管408-412 提供行选信号(RS )来进行，/人而促使;溪块402、 404和406将它们 各自的电压电平提供给列地址总线414。正如本领域的技术人员可能意识到的，在行为522中取样的阱模 块404的保持电容器的电压电平可以被认为是代表与在行为504-520 期间由像素400经历过的照明相对应的总电压的LSB (如LSB—out)。 同样地，在行为524中取样的第一溢出才莫块402的溢出保持电容器 的电压电平可以被认为是代表与在行为504-520期间由像素400经历 过的照明相对应的总电压的MSB的LSB (如MSB_out (1))。同 样地，在行为526中取样的第二溢出才莫块406的溢出保持电容器的 电压电平可以被认为是代表与在行为504-520期间由像素400经历过 的照明相对应的总电压的MSB的MSB (如MSB—out ( 2 ))。图3和5中示出的行为不必以图中所示的顺序来实现，并非所有 的行为都有必要被实施。例如，行为310中的将电荷自第一保持电 容器中移走可以在行为308的将电荷提供给第二保持电容器之前、 期间和/或之后进行。同样，不取决于其他行为的这些行为可以与其 他行为同时被实施。例如，行为316-318以及行为522-526可以并行 进行。此外，过程300和500的某些行为可以在硬件和/或固件和/或 软件中实现或者利用硬件和/或固件和/或软件来进行。例如，使第一 保持电容器复位并且将单位电荷提供给第二保持电容器的过程300 中的行为(分别为行为310和308)可以利用硬件和/或固件来实现， 而其他行为(如确定是否继续曝光阵列(行为312))可以在软件中 实现。然而，本发明不受限于这一点并且表现为可在硬件和/固件中 实现，另一方面还可在软件中实现。很显然，过程300和/或500的 软件和/或硬件和/或固件实施例的许多这种组合可以预计与本发明的 范围和精神是一致的。另外，过程300和/或500的至少某些行为可 以作为指令或成组指令来实现或者在机器可读介质中实现。另夕卜，本发明不限于特定数量的溢出模块。例如，图2的像素200 具有一个溢出模块236,而图4的像素400具有两个溢出模块402和 406。为了说明这一点，图6示出了像素600，所述像素600结合了 耦合至N个溢出模块604 ( 1 ) -604 (N)的级联的像素阱模块602。 才莫块602和604 ( 1 ) -604 (N)可以通过各自的行选器件608和610 (1 ) -610 (N)耦合至N+l位列总线606。总线606可4^着结束于 N+l ADC 612。依照本发明，像素600的特定实施例可用于与过程300 和500类似的子范围像素取样和保持的过程，其中附带的修改用来 说明在像素600中使用的溢出^f莫块的数目N。前面的与本发明原理 一 致的 一 个或多个实施例的描述提供了说明 和描述，但是并不认为是夯举的或用来将本发明的范围限制到所公 开的精确形式。按照上面的教导，修改和变更是可能的或者可以从 本发明的各种实施例的实践当中获得。很显然，许多实施例可用来 提供方法、设备和/或系统以实现与要求保护的发明 一致的子范围像 素取样和保持。除非本身被明确地描述，在本申请的描述中使用的元件、^亍为、 或指令不应当被看作是实现本发明所必需的或必不可少的。同样，
正如这里所用到的，冠词"a" M^定为包括一项或多项。另外，用来 描述本发明的实施例的某些术语(如"数据"和"值")在某些场 合可交替使用。例如，本领域的技术人员将会意识到，在没有偏离 本发明的范围和精神的情况下，术语"电容器电压"和"电容器电 荷"可交替使用。此外，当在这里或在下面的权利要求中使用术语 如"耦合的"或"响应的"时，这些术语的含义将被解释为广义的。 例如，短语"耦合至"在合乎使用该短语的上下文时可能指通过通 信方式、电学方式和/或操作地进行耦合。在基本上没有偏离本发明 的精神和原理的情况下，可以对上述的要求保护的发明的实施例进 行变更和修改。所有这种修改和变更被认为是包括在这里这个公开 内容的范围内的并且由下面的权利要求来保护。
权利要求
1.一种方法，包括在成像像素的第一保持电容上累积电荷；以及响应所述第一保持电容达到预定的电荷电平，在所述像素的第二保持电容上累积电荷。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述预定的电荷电平对应于 所述第 一保持电容上电荷的过栽。
3. 如权利要求1所述的方法，还包括响应所述第 一保持电容达到所述预定的电荷电平，使所述第 一保 持电容复位。
4. 如权利要求1所述的方法，还包括响应所述第一保持电容达到所述预定的电荷电平，从所述第 一保 持电容部分地移走电荷。
5. 如权利要求4所述的方法，其中从所述第一保持电容部分地 移走电荷的步骤包括将电荷送至分路电容。
6. 如权利要求5所述的方法，其中在所述像素的所述第二保持 电容上累积电荷的步骤包括将电荷从所述分路电容送至所述第二保 持电容。
7. 如权利要求1所述的方法，还包括响应所述第二保持电容达到另 一个预定的电荷电平，在所迷像素 的第三保持电容上累积电荷。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述另一个预定的电荷电平 对应于所述第二保持电容上电荷的过载。
9. 一种设备，包括成像阵列的成像像素，所逸成像像素包括保持电容和至少一个能 够响应所述保持电容达到预定的电压电平来累积电荷的第 一溢出保 持电容。
10. 如权利要求9所述的设备，其中所述成像像素还包括至少能保持电容的电压电平满足或超过所述预定的电压电平而在所述第一 溢出保持电容上累积电荷的逻辑。
11. 如权利要求10所述的设备，其中所述逻辑还能够响应所述 保持电容的电压电平满足或超过所述预定的电压电平而将电荷送离 所述保持电容。
12. 如权利要求11所述的设备，其中将电荷送离所述保持电容 的步骤包括至少部分地使所述保持电容放电。
13. 如权利要求11所述的设备，其中将电荷送离所述保持电容 的步骤包括将电荷送至分路电客。
14. 如权利要求13所述的设备，其中所述逻辑还能够响应控制 信号将电荷从所述分路电容移至所述第 一溢出保持电容。
15. 如权利要求9所述的设备，还包括 第二溢出保持电容，其中所述逻辑还能够响应所述第一溢出保持电容达到或超过预定 的电压电平而在所述第二溢出保持电容上累积电荷。
16. 如权利要求15所述的设备，其中所述逻辑还能够响应所述所述第一溢出保持电容放电。
17. —种系统，包括图像传感器阵列，其中所迷阵列的成像像素包括保持电容和至少 一个第一溢出电容；以及控制器，用来向所述图像传感器阵列提供控制信号。
18. 如权利要求17所述的系统，其中所述成像像素还包括至少 能够响应所述保持电容累积预定量的电荷而将电荷置于所述第一溢 出电容上的逻辑。
19. 如权利要求18所述的系统，其中所述逻辑还能够响应所述保持电容累积所述预定量的电荷而将至少一些电荷送离所述保持电 容。
20. 如权利要求17所述的系统，还包括 第二溢出电容，其中所述逻辑还能够响应所述第一溢出电容累积预定量的电荷而 将电荷置于所述第二溢出电容上。
21. 如权利要求20所述的系统，其中所述逻辑还能够响应所述 第一溢出电容累积所述预定量的电荷而将至少一些电荷送离所述第 一溢出电容。
22. 如权利要求17所述的系统，还包括天线，耦合至所述控制器，所述天线用来向所述控制器提供控 制数据。
23. 如权利要求17所述的系统，还包括处理器，耦合至所述成像装置，所述处理器接收来自所述成像装 置的图像数据，所述处理器包括图像处理器、显示处理器、多媒体 处理器或打印机处理器中的一个。
全文摘要
公开了一种用于图像传感器的泄露和暗电流补偿的设备、系统和方法。在一个实施例中，所公开的方法包括在成像像素的第一保持电容上累积电荷并且根据第一保持电容达到预定的电压电平在该像素的第二保持电容上累积电荷。还公开了其他的实施例。
文档编号H04N5/361GK101166241SQ20071008975
公开日2008年4月23日 申请日期2007年3月23日 优先权日2006年3月24日
发明者E·米利根, R·格伦 申请人:英特尔公司