相机可包括诸如ccd(电荷耦合器件)或cmos(硅上互补金属氧化物)光电传感器的光电传感器和用于收集并聚焦来自相机在相机的曝光周期期间成像到光电传感器上的场景的光以获取场景的图像的光学器件。光电传感器通常包括光敏像素的“水平”行和“垂直”列的阵列，其将由相机光学器件聚焦的光记录到光电传感器上。像素所记录的光的量被确定以提供场景的图像。
光电传感器中的像素通过累积分别来自入射光在像素中产生的电子-空穴对的电子或空穴提供的负电荷或正电荷来将来自光学器件聚焦的场景中的特征的入射光记录在该像素上。来自电子-空穴对的电子或空穴提供的电荷可被统称为“光电荷”。相机光电传感器典型地被配置为使得它们的像素累积电子(传统上也被称为“光电子”)，并且由此累积源自电-子空穴对而不是空穴的负光电荷，以及由此累积正光电荷，以记录入射光。将光电传感器中的像素响应于入射光而累积的光电荷的量转换为电压(在下文中也称为读出电压)提供像素记录的入射光的量的测量值。被称为光电传感器的帧的读出电压的集合可以被用于提供场景的图像。cmos光电传感器可以包括在光电传感器的每个像素中的用于将光电荷转换成读出电压的电路系统。行间ccd光电传感器将沿着光电荷储存电容器阵列的每个像素所累积的光电荷转移到读出电路系统，该电路系统将光电荷转换成读出电压。将由像素累积的光电荷转换为读出电压可以被称为“读取”像素，或者“读取”光电荷。
概述
本发明的实施例的一个方面涉及提供一种行间ccd光电传感器(在下文中也称为多模行间ccd(mumit-ccd)光电传感器)，其具有控制器，该控制器被配置为选择性地以整体模式或分区模式操作该光电传感器。在整体模式中，控制器将光电传感器开启(shutteron)达一曝光时间段，在该曝光时间段期间，光电传感器中的基本上所有像素记录来自场景的光线并且控制光电传感器以提供可用于提供包括所有像素的读出电压的场景的图像的光电传感器的帧。在分区模式中，控制器将光电传感器中的各光敏像素分区以分配光电传感器的至少一个第一区域，所述第一区域包括所述光敏像素的用于记录来自场景的入射在光电传感器上的光的一部分。控制器分配光电传感器的至少一个第二区域，所述第二区域包括所述光敏像素的用于存储由至少一个第一区域中的像素产生的光电荷的一不同部分。控制器控制光电传感器以将存储在所述至少一个第二区域中的像素中的光电荷转移到读出电路，以将所述光电荷转换成读出电压并提供场景的图像。根据本公开的实施例，由所述光敏像素的一部分提供的读出电压集合可以被称为光电传感器的部分帧。分配所述像素的一部分以记录光、并且分配所述像素的剩余部分以存储由记录光的部分累积的光电荷将光电传感器配置为使得其是可控制的以提供光电传感器的多于两个部分帧，并且由此相对快速连续地获取相同场景的多于两个图像。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
附图简述
下面将参考在此所附的在此段落之后列出的附图来描述本发明的实施例的非限制性示例。在多于一幅附图中出现的相同特征通常在其出现的所有附图中都以相同的标号来标记。标记表示附图中的本发明的实施例的给定特征的图标或其它图形指示的标记可被用于参考该给定的特征。附图中所示的组件的尺寸和特征是为了方便和清楚呈现而选择的，并且不一定按比例显示。
图1a示意性地示出了根据本发明一实施例的mumit-ccd光电传感器；
图1b-1d解说了根据本发明一实施例的在整体模式中的mumit-ccd光电传感器的相对快速连续地获取场景的两个图像的操作；
图2a-2e示意性地解说了根据本发明一实施例的在相等分区模式中的mumit-ccd光电传感器的操作，其中相等数量的像素被分配用于记录光和存储光电荷以相对快速连续地获取场景的四个图像；
图3a-3e示意性地解说了根据本发明一实施例的在分区模式中的mumit-ccd的操作，其中三分之二的像素响应于来自场景的光产生光电荷，并且三分之一的像素将由三分之二的像素产生的光电荷以压缩格式存储，以相对快速连续地获取场景的三个图像；以及
图4a-4f示意性地解说了根据本发明一实施例的在另一分区模式中的mumit-ccd的操作，其中三分之二的像素响应于来自场景的光产生光电荷，并且三分之一的像素将由三分之二的像素产生的光电荷以压缩格式存储，以相对快速连续地获取场景的四个图像。
详细描述
在下面的详细描述中，参考图1a讨论了根据本公开一实施例的mumit-ccd光电传感器(任选为五相mumit-ccd光电传感器)的结构。该图示意性地示出了光电传感器中的像素的行和列以及控制光电传感器的操作模式的控制器。控制器为光电传感器中的传输电极供电，具有用于五相时钟的五个可独立控制的电压的配置，以控制mumit-ccd的操作模式以及光电传感器中的像素响应于来自场景的光而产生的光电荷的累积和读出，以提供场景的图像。举例来说，在附图中解说并且在下面讨论的mumit-ccd光电传感器被用于累积光电子以记录来自场景的光。
在图1a中示出并且在整体模式中操作的mumit-ccd的操作在图1b-1d中被示意性地解说并参考图1b-1d进行讨论。图1b-1d各自示意性地示出在图1a所示的mumit-ccd光电传感器中的像素列在整体模式中操作期间在产生光电荷的不同阶段以记录来自场景的光并相对快速连续地获取场景的两个图像。
参考图2a-2e讨论了在被称为“相等分区模式”的分区模式下操作的mumit-ccd，其中控制器分配相等数量的像素来记录光和存储光电荷。图2a-2e各自示意性地示出在图1a所示的mumit-ccd光电传感器中的像素列在相等分区模式中操作期间在产生光电荷的不同阶段以记录来自场景的光并相对快速连续地获取场景的四个图像。
图3a-3e示意性地解说了在被称为“2/3-1/3压缩”模式的分区模式中操作的mumit-ccd，其中三分之二的像素响应于来自场景的光产生光电荷，并且三分之一的像素以压缩格式存储由该三分之二的像素产生的光电荷。图3a-3e各自示意性地示出mumit-ccd光电传感器中的像素列在2/3-1/3压缩模式中操作期间在产生光电荷的不同阶段以记录来自场景的入射在光电传感器上的光并相对快速连续地获取场景的三个图像。
图4a-4e解说了在“局部读出”模式中操作的mumit-ccd，其中在像素存储用于场景的完整图像的光电荷之前，为其分配用于存储光电荷的像素被读出。场景的完整图像可以指响应于由光电传感器控制器分配用于记录来自场景的光的mumit-ccd光电传感器中的基本上所有像素累积的光电荷而生成的图像。图4a-4e中示意性地示出的可被称为“2/3-1/3部分读出”的部分读出模式是这样的模式：其中三分之二的像素响应于来自场景的光产生光电荷，并且三分之一的像素存储由该三分之二的像素产生的光电荷。在2/3-1/3部分读出模式中，光电传感器操作以快速连续地获取光电传感器的四个部分帧和场景的四个对应图像。
图1a示意性地示出了根据本公开一实施例的五相mumit-ccd光电传感器20(也被称为mumit-ccd20)的一部分的简化俯视图。mumit-ccd20包括光敏像素30的列21和行22(为了便于标识，所述像素之一由虚线边界指示)、读出电容器24的行23以及形成在合适的衬底(未示出)之中或之上的读出放大器25。读出放大器25任选地连接到行23中的末端读出电容器27。控制器26控制mumit-ccd20以选择性地在整体模式或任选的多个分区模式的一分区模式中操作，以记录来自场景的入射到光电传感器上的光并获取场景的图像，如下所讨论的。
图1a所示的mumit-ccd光电传感器20的特征和随后的图不一定在mumit-ccd光电传感器中处于相同深度处。附图示出了特征到mumit-ccd20的顶表面(假定位于图的页面中)上的示意投影，其指示了特征的相对横向位置。特征的形状可以与图中所示的形状不同，并且是为了便于呈现而被选择的。根据本公开一实施例，形状不一定是实际的物理mumit-ccd光电传感器中的特征的形状。
每个像素30任选地包括响应入射在光电二极管上的光产生光电子的光电二极管(pd)32和五个光电子存储电容器41、42、43、44和45。每个存储电容器41-45被它自己的传输电极(未示出)(其可以被称为“传输门”或“门”)覆盖。其上形成有mumit-ccd20的组件的衬底任选地是重度n掺杂的硅衬底，并且像素30的组件可形成在衬底上形成的外延p掺杂层(未示出)之中和/或之上。光电二极管32可以包括在形成于p掺杂外延层中的n掺杂区(未示出)的结处产生的耗尽区。存储电容器41-45可以是掩埋n掺杂沟道的部分。覆盖存储电容器41-45的传输门分别连接到接触焊盘51-55，并且每个接触焊盘51-55任选地如图1a中作为示例示意性示出的那样连接到一对邻近像素30中的两个同源电容器41-45的传输门。传输门可以使用各种合适的导电材料中的任何一种来形成，诸如对光不透明的金属或多晶硅，使得除了提供到它们各自的电容器的电连接之外，传输门还防止入射光在电容器中产生光电荷。光电二极管32可以被电极(未示出)(在下文中也称为“光电二极管电极”)覆盖，所述电极对于mumit-ccd20意图成像的光是透明的。光电二极管电极可以由控制器26通电以将光电二极管反向偏置到期望的电势。为了便于呈现，连接到电容器的传输门的接触焊盘51-55可被称为被连接到电容器。控制器26使接触焊盘51-55通电以将传输电压的配置应用到存储电容器41-45来控制光电二极管32响应于来自场景的入射在mumit-ccd20上的光而产生的光电荷的读出。
在一实施例中，控制器26可以通过向mumit-ccd的衬底施加电压voff使得mumit-ccd20关闭(shutteroff)并且对入射光基本上不敏感，从而响应于入射光在像素30的光电二极管32中产生的光电子排出到衬底并被丢弃。控制器26可以通过向衬底施加电压von并且向每个像素30的存储电容器41、42、43、44或45的传输门施加正电压vg++而在像素30记录来自场景的光的曝光周期期间使mumit-ccd20开启(shutteron)并对光敏感。von和vg++的幅值和极性用以向存储电容器传送响应于来自场景的光而在像素的光电二极管32中产生的光电荷，以供存储并随后转移到读出放大器25以用于转换成电压。
控制器26通过向像素中的存储电容器41-45的传输门分别施加适当的正和负电压vg+和vg-序列来将存储在每个像素30中的存储电容器中的光电荷转移到读出放大器25。控制器26可以独立于彼此地控制连接到不同像素30对中的存储电容器的接触焊盘的电压。所施加的电压vg+和vg-的序列可操作以沿着像素列21“垂直向下”地、逐个存储电容器行地转移存储电容器的同一行中的每个存储电容器中的光电荷，以将光电荷沉积到读出行23中的读出电容器24中。在将来自存储电容器41、42、43、44或45的给定行的光电荷沉积到读出行23中的读出电容器24中之后，控制器26将电压施加到读出电容器24以沿着读出行23水平地、逐个读出电容器24地将每个读出电容器24中沉积的光电荷量转移到读出放大器25，以供将每个量转换为读出电压。读出放大器26根据其接收的光电荷量产生的读出电压被作为mumit-ccd20的帧存储在合适的存储器(未示出)中，以提供场景的图像。
voff的电压可以大于控制器26施加到覆盖光电二极管32的电极以反向偏置该光电二极管的电压，并且小于将可存储在存储电容器41、42、43、44或45中的光电子排出到衬底的电压。von可以是大于voff的电压，但是小于使光电二极管32反向偏置、并且小于控制器26施加给像素30中的给定存储电容器41、42、43、44或45以将光电荷从像素的光电二极管32转移到该给定存储电容器的电压vg++的电压。当将光电荷垂直转移到读出行23时控制器26施加到像素30的存储电容器41、42、43、44或45的正电压vg+可以充分小于vg++，以防止在垂直转移期间光电子从像素的光电二极管32的转移。作为数值示例，在本公开一实施例中，voff和von可以分别等于约15v(伏特)和5v伏特，且vg++、vg+和vg-可以分别等于约10v伏特，0伏特和-5v。
图1b-1d示意性地解说了根据本公开一实施例的在mumit-ccd光电传感器20在整体模式中的操作期间响应于来自场景(未示出)的光在该光电传感器中包括的多个像素列21的示例列21的一部分中的光电荷的产生、存储和转移。在整体模式中操作mumit-ccd光电传感器20相对快速连续地获取场景的两个图像。图1b-1d所示的示例列21的部分示意性解说的光电荷的产生、存储和转移代表在整体模式中操作期间可能在mumit-ccd的所有列21中同时发生以对场景成像的事情。在下面的讨论中，图1b-1d以及随后的附图中所示的示例列21的部分可以被称为列21或示例列21。
图1b示意性地示出了当控制器26(图1a)控制mumit-ccd20以产生并获取场景的两个图像中的第一图像的光电荷时，在mumit-ccd的第一曝光周期期间的像素30的示例列21。控制器26已经将电压von施加到mumit-ccd20的衬底，将电压vg++施加到存储电容器42，并且任选地将负电压vg-施加到每个像素30中的存储电容器41、43、44和45。因此，在第一曝光周期期间，每个像素30的光电二极管32中产生的光电荷被转移到该像素的存储电容器42，并且存储电容器积聚第一量的光电荷以提供场景的第一图像。水平框箭头201指示将来自列21中的每个像素30中的光电二极管32的光电荷转移到该像素的存储电容器42。在第一曝光周期期间累积在每个像素30的存储电容器42中的光电荷示意性地由对存储电容器加阴影的影线图案表示。
在像素30的存储电容器42中累积第一量的光电荷之后，控制器26将来自该像素的存储电容器42的每个像素中的累积光电荷转移至该像素的存储电容器44。任选地，控制器通过向存储电容器41-45施加任选的四个电压配置vc1、vc2、vc3和vc4的“序列a”而将光电荷从存储电容器42转移到存储电容器44。下表a中给出了配置中的电压，其中表中的行由电压配置标识符vc1、vc2、vc3和vc4标记，且表中的列由存储电容器标签41-45标记。在表中，符号++、+和-分别表示上面讨论的所施加的电压vg++、vg+和vg-。位于表a的由给定电压配置标记的行与由给定存储电容器的标签标记的列的交点处的单元格中的电压是当向存储电容器41-45施加给定电压配置时控制器26向给定存储电容器施加的电压。
在将光电荷从像素30中的存储电容器42转移到像素中的存储电容器44之后，控制器26发起第二曝光周期，其可具有与第一曝光周期的持续时间不同的持续时间。在第二曝光周期期间，控制器26再次向每个像素30中的存储电容器42施加电压vg++，以针对第二图像累积由像素的光电二极管32响应于来自场景的光产生的场景光电荷。图1c示意性地示出了第二曝光周期期间的示例列21。图1c中的小垂直框箭头202表示在第一曝光周期期间在存储电容器42中累积的光电荷向存储电容器44的转移。列21的每个像素30中的水平框箭头201指示在第二曝光周期期间光电荷从像素的光电二极管32到像素的存储电容器42的转移。在第二曝光周期期间在每个像素30的存储电容器42中累积的光电荷量通过用与表示第一曝光周期期间累积的光电荷的影线图案不同的影线图案来对存储电容器42加阴影来示意性地解说。
在分别在第一和第二曝光周期期间由像素30累积第一和第二量的光电荷之后，控制器26将电压施加到存储电容器41-45，以将在各像素30中的存储电容器42和44中累积的光电荷垂直“向下”转移以便将光电荷沉积到读出行23中的读出电容器24中，以供后续转移到读出放大器25并由读出放大器25转换成读出电压。任选地，控制器通过将以下表b中示出的电压配置vc1、vc2、vc3、...、vc11的序列b重复施加到存储电容器41-45，将来自存储电容器42和44的光电荷垂直地转移到读出电容器行23。施加电压配置大致同时地将存储电容器41-45的同一行中的所有存储电容器中的电荷量向行23转移，以沉积在读出电容器24中。
图1d示意性地示出了在将电压序列b首次施加到存储电容器41-44之后的列21，其将在图1c所示的示例列21以及中mumit-ccd的所有列21中的存储电容器42和44中的光电荷在框箭头203指示的方向上垂直向下转移两个存储电容器。作为在列21中的光电荷向下转移的结果，图1c中最下面的电容器44中的光电荷(其在mumit-ccd20的第一曝光周期期间被累积)被沉积到读出电容器24。与光电荷从最下面的电容器44向示例列21中的读出电容器24沉积的同时，来自mumit-ccd20中的所有列21中的最下面的存储电容器44的光电荷可被沉积在行23的读出电容器24中。
在光电荷从列21中的最下面的存储电容器44沉积到行23的读出电容器24中之后，控制器26将读出电容器中的光电荷量逐个读出电容器24地水平地沿着读出行23转移，以将每个光电荷顺序沉积到读出电容器27中。读出放大器将在读出电容器27中沉积的每个光电荷量转换成读出电压，该读出电压作为数据存储在可用于提供场景的第一图像的mumit-ccd20的第一帧中。所有最下面的存储电容器44的读出电压为场景的第一图像中的图像像素行提供数据。图1d中所示的示例列21中包括的读出电容器24中的光电荷的水平转移由框箭头204指示，并且可以通过本领域已知的向读出电容器的任何适当的电压施加来实现。
将电压序列a第二次施加到存储电容器41-45将在mumit-ccd20的第二曝光周期期间累积的mumit-ccd20的最下面的存储电容器42中的光电荷沉积到读出电容器24中，并且将所沉积的光电荷转移到读出放大器25以供转换成读出电压为可用于提供场景的第二图像的mumit-ccd20的第二帧提供数据。重复上述光电荷的垂直和水平转移直到读出mumit-ccd20中的所有像素30提供了可用于提供场景的第一和第二图像的光电传感器的第一和第二帧。
注意，在对来自场景的光曝光之后读出光电传感器所需的时间可能相对较长。例如，1兆像素光电传感器的实际读出时间可能长达25-30ms(毫秒)。因此，可以合理地预期，通过在对来自场景的光的每个曝光周期之后读出光电传感器来获取场景的两个图像的在常规模式中操作的光电传感器自第一图像起延迟相对较长的时间延迟(可能多达30ms)后获取第二图像。另一方面，在上述整体模式中操作的mumit-ccd光电传感器20基本上在第一曝光周期段结束的时间或至多在小于其需要控制器26将像素30中的光电荷从存储电容器42转移到存储电容器44的时间的延迟之后发起第二曝光周期。结果是，当在整体模式中操作时，mumit-ccd20顺序地获取场景的两帧的光电荷，并由此快速连续地获取场景的两个图像，其中图像间的延迟小于约2ms。
图2a-2e解说了根据本公开一实施例的在相等分区模式中操作的mumit-ccd20，以响应于在四个曝光周期期间入射在光电传感器上的来自场景的光而快速连续地获取场景的四个图像。注意，四个曝光周期中的一对或多对曝光周期可以具有不同的持续时间。在图2a-2e所示的相等分区模式中，控制器26分配mumit-ccd20中的第一半像素30以记录来自场景的光，并分配非重叠的第二半像素以存储由第一半像素中的像素记录的光电荷。图2a-2e各自示意性地示出了在产生和处理光电荷的不同阶段在相等分区模式中操作期间的图1a中所示的mumit-ccd20光电传感器中的像素的示例列21，以记录来自场景的光并相对快速连续地获取场景的四个图像。被分配用于记录光的像素30的第一半由数字91表示，并且被分配用于存储由一半91中的像素30产生的光电荷的第二半像素30由虚线边界92指示，该数字92用于指代第二半像素。
控制器26按照类似于在图1b-1d中示出的整体模式中操作mumit-ccd20以获取场景的两个图像时控制器26控制像素30的方式控制像素30的第一半91中的像素30。在如图2a中示意性指示的第一曝光周期期间，控制器26将电压施加到仅包括在第一半91中的像素30中的电极，以针对场景的四个图像中的第一图像在存储电容器42中产生并累积光电荷。图2a中的存储电容器42由第一影线加阴影以指示为第一图像累积的光电荷。然后，控制器26将在第一曝光周期期间累积在存储电容器42中的光电荷转移到存储电容器44，从而任选地向存储电容器41-45施加表a中所示的电压配置序列以完成移位。在第二曝光周期期间，如在图2b中示意性地指示的，控制器26控制第一半91中的像素30以针对四个图像中的第二图像将光电荷累积在存储电容器42中。在第二曝光周期期间在存储电容器42中累积的光电荷通过用与表示在第一曝光周期期间累积的光电荷的影线不同的影线对存储电容器加阴影来指示。
在第二曝光周期结束时，第一半91中的像素30已经针对场景的第一和第二图像累积了光电荷，并且第二半92中的像素30任选地没有光电荷，且如框箭头206所指示的，控制器26将在第一半中的像素中累积的光电荷垂直地转移到第二半92中的像素30。任选地，控制器26通过向像素30中的传输门41-45施加电压序列b来完成光电荷的垂直转移。图2c示意性地示出了在第一半91中的存储电容器42和44中存储的光电荷已经被转移到第二半92中的像素30之后的示例列21。
在将光电荷转移到第二半92中的像素30之后，控制器26操作第一半91中的像素30以分别针对场景的第三和第四图像在第三和第四曝光周期期间在存储电容器42和44中累积光电荷。在第三和第四曝光周期期间由第一半91中的像素30累积的光电荷的量通过用独特影线对存储电容器加阴影来指示。图2d示意性地示出了在控制器26已经控制mumit-ccd20以在四个连续曝光周期期间累积光电荷之后并且即将读取光电荷的示例列21。图2e示出了在控制器26已开始读出光电荷，并且示例列21中所示的光电荷的量已经向下朝着读出像素24的行23转移了两个存储电容器之后的示例列21。任选地，控制器26施加电压配置序列b以朝着行23垂直向下转移。
在相等分区模式中操作mumit-ccd20在四个连续曝光周期期间累积用于场景的四个帧的光电荷并且由此累积场景的四个图像，对于所述四个连续曝光周期，在一个曝光周期的结束和下一曝光周期的开始之间基本没有延迟。在所有四个曝光周期期间累积的光电荷在单个读出周期内被读出。
图3a-3e示意性地解说了在2/3-1/3压缩模式中操作的mumit-ccd20，对于该模式，控制器26分配三分之二的像素以响应于来自场景的光而产生光电荷，并且分配三分之一的像素以压缩格式存储由该三分之二像素产生的光电荷。图3a-3e各自示意性地示出了在产生光电荷的不同阶段在2/3-1/3压缩模式中操作期间的mumit-ccd20中的像素30的示例列21，以记录来自场景的入射在光电传感器上的光并相对快速连续地获取场景的三个图像。被分配用于记录光的像素30的2/3部分由数字93指示，并且被分配用于存储由3/2部分93中的像素30产生的光电荷的像素30的3/1部分由虚线边界94指示，该数字94用于指代该1/3部分。2/3部分93和1/3部分94之间的边界由线130指示。位于2/3部分中并与边界130相邻的上边界像素30被标记为131。位于1/3部分94中并与边界130相邻的下边界像素30被标记为132。
在图3a中，控制器26操作2/3部分93中的像素，以在mumit-ccd20的第一曝光周期期间在存储电容器42中累积光电荷，其方式类似于控制器26在上面描述的整体和相等分区模式中操作mumit-ccd20以针对场景的第一图像累积光电荷的方式。在图3b中，控制器将电压配置序列施加到存储电容器41-45，以如框箭头206所指示的将在第一曝光周期期间累积的光电荷转移到像素30的1/3部分94中的存储电容器，并将所转移的光电荷以图3b所示的压缩格式存储在1/3部分94中的像素中的存储电容器41-45中。
可以通过向示例列21中(以及mumit-ccd20中)的所有像素30中的存储电容器41-45施加任选的电压序列a来执行转移和压缩，以将光电荷朝着读出像素行23向下垂直转移五个存储电容器的“距离”。序列a的施加将边界像素131的存储电容器42中的光电荷转移到边界像素132的存储电容器42中。电压序列a然后可以重复地仅被施加到2/3部分93中的存储电容器41-45以将2/3部分93中的光电荷向下转移三个存储电容器，以使得光电荷位于边界像素131的存储电容器45中。电压配置序列b然后可以被施加到所有像素30，以将mumit-ccd20中的所有光电荷向下移动两个存储电容器。电压序列a然后可以被施加到2/3部分93中的所有像素30，以将2/3部分中的光电荷向下移动两个存储电容器。然后序列b可被施加以将mumit-ccd20中的所有光电荷向下移动三个存储电容器。然后可重复序列a和序列b的施加，直到2/3部分93中的所有光电荷被转移到1/3部分94，如图3b中示意性示出的。
在1/3部分94中光电荷的转移和压缩之后，如图3c和3d中示意性示出的，控制器26操作2/3部分93中的像素以在存储电容器44和42中分别在第二和第三曝光周期期间累积光电荷。在第三曝光周期结束时，如图3d所示，来自第一曝光周期的光电荷位于1/3部分94中的像素30中，并且来自第二和第三曝光周期的光电荷位于2/3部分93中并且控制器26操作以读出所有累积的光电荷。图3e示意性地示出了在2/3-1/3压缩模式中读出mumit-ccd20的初始步骤。注意，在2/3-1/3压缩模式中操作期间三个曝光周期中的一对或多对曝光周期中的曝光周期可以具有不同的持续时间。
图4a-4f示意性地解说了在2/3-1/3部分读出模式中操作的mumit-ccd20，对于该模式，控制器26分配三分之二的像素以响应来自场景的光产生光电荷，分配三分之一的像素以存储所产生的光电荷，并在曝光周期之间读出所述三分之一中的像素，以相对快速连续地获取场景的四个图像。图4a-4f各自示意性地示出mumit-ccd20中的像素30的示例列21在2/3-1/3部分读出模式中操作期间在产生光电荷的不同阶段以记录来自场景的入射在光电传感器上的光并相对快速连续地获取场景的四个图像。分配用于记录光的像素30的2/3部分由标号93指示，并且分配用于存储由2/3部分93中的像素产生的光电荷的像素30的1/3部分由标记为94的虚线边界指示。
图4a和4b示意性地解说了控制器26控制2/3部分93中的像素30以在第一和第二曝光周期期间累积光电荷，以与参考图2a和2b所示和讨论的方式类似的方式提供场景的两个图像。在第二曝光周期结束时，如框箭头203所指示的，控制器26任选地在没有压缩的情况下将在第一和第二曝光周期期间累积的光电荷的一半转移到1/3部分94中的像素30。图4c示意性地示出了光电荷在没有压缩的情况下转移到1/3部分中的像素30之后的示例性像素列21。如框箭头207所指示的，控制器26随后读出1/3部分94中的像素30，其提供可用于提供场景的第一和第二图像的帧的一半数据并清空所述像素，如图4d中示意性示出的。
如在图4e中示意性地示出的，在读出1/3部分94中的像素之后，控制器26将在第一和第二曝光周期期间累积的剩余光电荷转移到1/3部分94中的像素30，并且操作2/3部分93中的像素30在对来自场景的光的第三曝光周期期间在像素的存储电容器42中累积光电荷。控制器将在第三曝光周期期间累积在存储电容器42中的光电荷转移到2/3部分93中的像素30中的存储电容器44，并且控制像素在对来自该场景的光的第四曝光周期期间在存储电容器42中累积光电荷。图4e示意性地示出了在第四曝光周期结束时像素30的示例列21，其使在第三和第四曝光周期期间累积的光电荷存储在在2/3部分93中的像素30的存储电容器42和44中，以及使第一和第二曝光周期期间累积的来自2/3部分93中的一些像素30的光电荷存储在1/3部分94的像素30中。控制器26读出图4e所示的光电荷以提供用于场景的第三和第四图像的帧以及第一张和第二张图像的完整帧。
在2/3-1/3部分读出模式下操作时，mumit-ccd20响应于在四个曝光周期期间分别记录的来自场景的光，相对快速连续地获取场景的四个图像。在这四个曝光周期中，第二和第四曝光周期分别在第一和第三曝光周期结束的时刻之后基本没有延迟地开始，且第三曝光周期在从第二曝光周期结束的时刻延迟mumit-ccd20的读出周期的三分之一的时刻处开始。注意，在2/3-1/3部分读出模式中操作期间的四个曝光周期中的一对或多对中的曝光周期可以具有不同的持续时间。
注意，根据本公开的实施例的mumit-ccd光电传感器(诸如上述mumit-ccd20)可以有利地包括为获取场景的多个图像(任选地在不同的曝光周期下)可对其有利的各种相机中的任何相机中的组件。例如，mumit-ccd可以被包括在飞行时间(tof)范围相机中，其典型地在具有不同持续时间的相应曝光周期期间获取场景的三个或更多个图像以确定到场景中的特征的距离。mumit-ccd可用于高动态范围(hdr)相机，其使用不同的曝光周期获取场景的多个图像并组合这些图像以产生呈现增强范围亮度的图像。在本公开一实施例中，包括mumit-ccd的相机可以操作以提供tof范围相机和hdr相机的功能，从而提供锁定至场景的高动态范围光度图像的范围图像。
因此根据本公开一实施例提供了一种可操作用于对场景成像的多模式行间电荷耦合器件(mumit-ccd)光电传感器，所述mumit-ccd包括：光敏像素阵列，每个光敏像素被配置为响应于入射在所述像素上的光而累积光电荷；以及控制器，所述控制器被配置为在分区模式中操作所述阵列，在所述分区模式中所述控制器分配所述像素的第一部分以响应于在多个曝光周期期间来自场景的入射在所述阵列上的光来累积光电荷，并且分配所述像素的第二部分以存储由所述第一部分中的像素累积的光电荷以提供所述场景的多于两个的多个图像。任选地，所述控制器被配置成在整体模式操作所述阵列，在所述整体模式中所述控制器控制所有所述光敏像素以在至少一个曝光周期期间响应于来自所述场景的入射在所述阵列上的光而累积光电荷以提供所述场景的图像。附加地或替代地，所述控制器被配置为在相同读出周期期间读出在每个曝光周期期间产生的光电荷。
在本公开一实施例中，所述第一部分和所述第二部分包括相同数量的所述像素。任选地，所述多个曝光周期的数量等于四。任选地，所述控制器被配置为在所述四个曝光周期的第一和第二曝光周期期间转移由所述第一部分中的像素累积的光电荷，以存储在所述第二部分中的像素中。任选地，所述控制器被配置为在相同读出周期期间读出在所有所述四个曝光周期期间累积的光电荷。任选地，在所述相同读出周期开始的时间，在所述四个曝光期间的第三和第四曝光周期期间累积的光电荷位于所述第一部分中的像素中。
在本公开一实施例中，所述像素的所述第一部分包括所述像素的2/3，并且所述像素的所述第二部分包括所述像素的1/3。任选地，所述多个曝光周期的数量等于三。任选地，所述控制器将在所述三个曝光周期中的第一曝光周期期间由所述第一部分中的像素累积的所述光电荷转移至所述第二部分中的像素，并以压缩格式将所转移的光电荷存储在所述第二部分中的像素中。所述控制器可被配置为在所述相同读出周期期间读出所有所述三个曝光周期期间累积的光电荷，以提供所述场景的三个图像。在所述相同读出周期开始的时间，在所述三个曝光周期的第二和第三曝光周期期间累积的光电荷可位于所述第一部分中的像素中。
在本公开一实施例中，所述多个曝光周期的数量等于四。任选地，所述控制器被配置为：在所述四个曝光周期的第二和第三曝光周期之间将由第一部分中的第一半像素累积的光电荷转移到所述第二部分中的像素；读出转移到所述第二部分中的所述像素的光电荷；将由所述第一部分中的第二半像素累积的光电荷转移到所述第二部分中的像素；以及在所述四个曝光周期的第四曝光周期之后，在相同读出周期中读出由所述第二半像素累积的转移到所述第二部分的光电荷，以及在所述第三部分和第四曝光周期期间由所述第一部分中的像素累积的光电荷。
在本公开一实施例中，在从所述多个曝光周期中选择的一对曝光周期中的曝光周期具有不同的持续时间。
在本公开一实施例中，所述阵列中的每个所述光敏像素包括光电二极管和多个存储电容器，所述光电二极管被配置为响应于入射在所述像素上的光产生光电荷，所述多个存储电容器被配置为接收并累积由所述光电二极管产生的光电荷。任选地，所述多个存储电容器的数量等于五。
进一步提供了一种相机，包括：根据本公开一实施例的mumit-ccd；以及将来自场景的光线收集并聚焦到所述光敏像素阵列上的光学器件。作为示例，所述相机可以是飞行时间范围相机或高动态范围成像相机。
在本申请的描述和权利要求书中，动词“包括”、“包含”和“具有”及其组合中的每一个是用来指示该动词的一个或多个宾语不一定是该动词的一个或多个主语的组件、元素或部分的完整列表。
在本申请中作为示例提供了对本发明的各实施例的描述，而不旨在限制本发明的范围。所描述的实施例包括不同的特征，对于本发明的所有实施例来说并不是所有的特征都是必需的。一些实施例只利用一些特征或特征的可能组合。所描述的本发明的各实施例的变型以及本发明的各实施例包括在所描述的各实施例中注明的特征的不同组合。