图像传感器及其操作方法与流程

本发明涉及一种图像传感器，特别涉及一种高动态范围的图像传感器的操作方法。

背景技术：

互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器普遍使用于移动应用中。互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器也可使用于其他应用，例如汽车或安全(security)应用。汽车或安全应用的要求异于移动应用。例如，高动态范围(highdynamicrange或hdr)的要求较高，以确保亟暗与亟亮场景可于同一图框(frame)当中撷取到，且具有良好品质。

像素的动态范围的延伸可通过将一个像素划分为两个光二极管来达到，其中一个较小而另一个较大。然而，由于长曝光与短曝光的累积期间没有互相重迭，因而会产生移动假影(motionartifact)。

使用于交通信号及汽车刹车灯的发光二极管通常调制(modulate)于90hz或以上。如果像素当中某一光二极管的累积期间短于发光二极管的导通工作周期(dutycycle)，则像素可能会错过发光二极管的信号，因而产生发光二极管闪烁。

因此亟需提出一种新颖的图像传感器及其方法，用以改善传统图像传感器的缺失。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种高动态范围的图像传感器的操作方法，其不会产生移动假影(motionartifact)。本发明实施例使用像素的两个光二极管以读出至少三个曝光值，使得高动态范围(例如120db)的实施成本得以降低。本发明实施例可用以缓和发光二极管的闪烁。

根据本发明实施例之一，图像传感器的操作方法包含对像素电路的第一光二极管进行第一光累积，以得到至少一个第一图像信号；对像素电路的第二光二极管进行第二光累积，以得到第二图像信号，第一光二极管的光二极管面积大于第二光二极管；收集第一光二极管的溢流电荷以进行第三光累积，以得到溢流图像信号。其中第一光累积具有最长累积期间，且第三光累积具有最短累积期间。

根据本发明另一实施例，图像传感器的操作方法包含重置像素电路的第一光二极管，并对第一光二极管开始进行第一光累积；重置像素电路的第二光二极管，并对第二光二极管开始进行第二光累积，第一光二极管的光二极管面积大于第二光二极管；收集第一光二极管的溢流电荷以进行第三光累积，其中第一光累积具有最长累积期间，且第三光累积具有最短累积期间；于第三光累积结束时，读出溢流图像信号；读出第三光累积的溢流重置信号，其也作为第二光累积的第二重置信号；于第二光累积结束后，读出第二光二极管的第二图像信号；及于第一光累积结束前，读出第一光二极管的至少一个第一重置信号，并于第一光累积结束之后，读出第一光二极管的至少一个第一图像信号。

根据本发明又一实施例，图像传感器包含多个像素电路，每一像素电路包含第一光二极管、第二光二极管、第一传送晶体管、第二传送晶体管、连接晶体管、重置晶体管、源极随耦器与选择晶体管。第一光二极管的光二极管面积大于第二光二极管。第一传送晶体管连接于第一光二极管与第一浮动扩散节点之间。第二传送晶体管连接于第二光二极管与第二浮动扩散节点之间。连接晶体管连接于第一浮动扩散节点与第二浮动扩散节点之间。重置晶体管连接于电源电压与第二浮动扩散节点之间。源极随耦器与选择晶体管串联于电源电压与输出节点之间，源极随耦器连接于电源电压与选择晶体管之间，且源极随耦器的栅极连接至第一浮动扩散节点，选择晶体管连接于源极随耦器与输出节点之间。对第一光二极管进行第一光累积，以得到至少一个第一图像信号；对第二光二极管进行第二光累积，以得到第二图像信号；及收集第一光二极管的溢流电荷以进行第三光累积，以得到溢流图像信号。第一光累积具有最长累积期间，且第三光累积具有最短累积期间。

附图说明

图1显示本发明第一实施例的图像传感器的像素电路的电路图。

图2例示图1的像素电路的相关信号的时序图。

图3显示本发明实施例的图像传感器的操作方法的流程图。

图4例示本发明第一实施例的三个曝光值exp_l、exp_s及exp_o的像素输出相对于光输入的曲线。

图5显示本发明第二实施例的图像传感器的像素电路的电路图。

图6例示图5的像素电路的相关信号的时序图。

图7例示本发明第二实施例的四个曝光值exp_l(hcg)、exp_l(lcg)、exp_s及exp_o的像素输出相对于光输入的曲线。

符号说明

100像素电路

500像素电路

11电流源

31重置大光二极管并开始第一光累积

32重置小光二极管并开始第二光累积

33断开重置晶体管并开始第三光累积

34于第三光累积后，读出溢流图像信号与溢流/第二重置信号

35于第二光累积后，读出第二图像信号

36于第一光累积后，读出第一重置/图像信号

pd_l大光二极管/第一光二极管

pd_s小光二极管/第二光二极管

tx_l第一传送晶体管/信号

tx_s第二传送晶体管/信号

cfd1第一浮动扩散节点

cfd2第二浮动扩散节点

dcg连接晶体管/信号

rst重置晶体管/信号

vdd电源电压

sf源极随耦晶体管/源极随耦器

sel选择晶体管/信号

out输出节点

swshs_ab开关

swshr_ab_s开关

swshs_s开关

swshr_lcg开关

swshs_lcg开关

swshr_hcg开关

swshs_hcg开关

cshs_ab电容

cshr_ab_s电容

cshs_s电容

cshr_lcg电容

cshs_lcg电容

cshr_hcg电容

cshs_hcg电容

shs_ab信号

shr_ab_s信号

shs_s信号

shr_lcg信号

shs_lcg信号

shr_hcg信号

shs_hcg信号

t1～t15时间

t21～t24时间

exp_l第一光累积

exp_s第二光累积

exp_o第三光累积

adc模拟至数字转换

adcmax模拟至数字转换最大值

lcg低转换增益

hcg高转换增益

cds相关双重取样

具体实施方式

图1显示本发明第一实施例的图像传感器(例如互补金属氧化物半导体或cmos)的像素电路100的电路图。本实施例的像素电路100采用四晶体管(4t)像素架构。

在本实施例中，像素电路100可包含大(或第一)光二极管pd_l及小(或第二)光二极管pd_s。大光二极管pd_l的光二极管面积大于小光二极管pd_s。大光二极管pd_l与小光二极管pd_s的阳极连接至地。将光二极管分为大光二极管与小光二极管的细节可参考trygvewillassen等人的“a1280x10804.2μmsplit-diodepixelhdrsensorin110nmbsicmosprocess”，其内容视为本说明书的一部分。

像素电路100可包含第一传送晶体管tx_l，连接于大光二极管pd_l(的阴极)与第一浮动扩散(fd)节点cfd1之间，且包含第二传送晶体管tx_s，连接于小光二极管pd_s(的阴极)与第二浮动扩散节点cfd2之间。如图1所示，第一传送晶体管tx_l与第二传送晶体管tx_s(的栅极)分别受控于相应信号tx_l与tx_s。

像素电路100可包含连接晶体管dcg，连接于第一浮动扩散节点cfd1与第二浮动扩散节点cfd2之间。如图1所示，连接晶体管dcg(的栅极)受控于相应信号dcg。像素电路100可包含重置晶体管rst，连接于电源电压vdd与第二浮动扩散节点cfd2之间。如图1所示，重置晶体管rst(的栅极)受控于相应信号rst。

像素电路100可包含源极随耦晶体管(简称源极随耦器)sf及选择晶体管sel，串联于电源电压vdd与输出节点out(或位元线)之间。其中，源极随耦器sf连接于电源电压vdd与选择晶体管sel之间，且源极随耦器sf的栅极连接至第一浮动扩散节点cfd1。选择晶体管sel连接于源极随耦器sf与输出节点out之间，且选择晶体管sel的栅极受控于相应信号sel。

像素电路100可包含电流源11，耦接于输出节点out与地之间，作为偏压电路而从输出节点out汲取电流。像素电路100可包含多个开关(例如swshs_ab、swshr_ab_s、swshs_s、swshr_lcg及swshs_lcg)，分别连接至输出节点out。像素电路100可包含多个电容(例如cshs_ab、cshr_ab_s、cshs_s、cshr_lcg及cshs_lcg)，分别串联至相应开关。开关及相应电容用以进行相关双重取样(cds)或数字双重取样(dds)，其为一种量测传感器的输出以去除偏移(offset)的方法。开关及相应电容的细节将于以下篇幅作说明。

在本实施例中，大光二极管pd_l与小光二极管pd_s都具有抗溢流(anti-blooming)特性，当光二极管饱和时，溢流电荷会从溢流路径排出。对于大光二极管pd_l，溢流电荷排至第一浮动扩散节点cfd1，其细节可参考美国专利第9,653,513号，申请日为2016年4月8日，题为“cmosimagesensorandamethodofformingthesame”，申请人同于本案，其内容视为本说明书的一部分。对于小光二极管pd_s，溢流电荷排至电源电压vdd，其细节可参考美国专利第9,070,802号，申请日为2014年3月12日，题为“imagesensorandfabricatingmethodofimagesensor”，申请人同于本案，其内容视为本说明书的一部分。

图2例示图1的像素电路100的相关信号的时序图，且图3显示本发明实施例的图像传感器的操作方法的流程图。由于连接晶体管dcg在整个操作过程中都是导通的，因此大光二极管pd_l相应的第一浮动扩散节点cfd1与小光二极管pd_s相应的第二浮动扩散节点cfd2两者电性连接至相同电压，因此在本说明书中又称为浮动扩散节点。

于步骤31，重置晶体管rst于时间t1为导通。接着，于时间t2，大(或第一)光二极管pd_l相应的第一传送晶体管tx_l导通一段预设期间(其由一脉波所定义)，而重置晶体管rst维持导通，由此，大光二极管pd_l重置于电源电压vdd。当第一传送晶体管tx_l于时间t3为断开时，开始大光二极管pd_l相应的第一光累积(integration)exp_l。

接着，于步骤32，小(或第二)光二极管pd_s相应的第二传送晶体管tx_s于时间t4导通一段预设期间(其由一脉波所定义)，而重置晶体管rst维持导通，由此，小光二极管pd_s重置于电源电压vdd。当第二传送晶体管tx_s于时间t5为断开时，开始小光二极管pd_s相应的第二光累积exp_s。

接着，于步骤33，重置晶体管rst于时间t6为断开，并开始第三光累积exp_o。在这段期间，溢流电荷从大光二极管pd_l溢流并收集于浮动扩散节点cfd1/cfd2。本实施例共有三个光累积，其中第一光累积(相应于大光二极管pd_l)的累积期间最长，且第三光累积exp_o(相应于浮动扩散节点cfd1/cfd2)的累积期间最短。

于步骤34，第三光累积exp_o于时间t7结束，读出(收集于浮动扩散节点cfd1/cfd2的)溢流图像信号，并导通开关swshs_ab一段预设期间以取样溢流图像信号，再将其保持于电容cshs_ab。接着，于时间t8，导通重置晶体管rst一段预设期间以重置浮动扩散节点cfd1/cfd2。接着，于时间t9，读出第三光累积exp_o的溢流重置信号，并导通开关swshr_ab_s一段预设期间以取样溢流重置信号，再将其保持于电容cshr_ab_s。值得注意的是，溢流重置信号也用于小光二极管pd_s相应的第二光累积exp_s中，作为第二重置信号。上述溢流图像信号与溢流重置信号可于后续通过信号处理器的处理以进行数字双重取样(dds)。

于步骤35，第二光累积exp_s于时间t10结束，导通第二传送晶体管tx_s一段预设期间，由此，将小光二极管pd_s所累积的第二图像信号传送至浮动扩散节点cfd1/cfd2。接着，于时间t11，读出第二图像信号，并导通开关swshs_s一段预设期间以取样第二图像信号，再将其保持于电容cshs_s。上述第二图像信号与第二重置信号(其与溢流重置信号共用)可于后续通过信号处理器的处理以进行(第二)相关双重取样(cds)。

于步骤36，于第一光累积exp_l结束之前(时间t12)，导通重置晶体管rst一段预设期间以重置浮动扩散节点cfd1/cfd2，接着，于时间t13，读出第一重置信号，并导通开关swshr_lcg一段预设期间以取样第一重置信号，再将其保持于电容cshr_lcg。第一光累积exp_l于时间t14结束，导通第一传送晶体管tx_l一段预设期间，由此，将大光二极管pd_l所累积的第一图像信号传送至浮动扩散节点cfd1/cfd2。接着，于时间t15，读出第一图像信号，并导通开关swshs_lcg一段预设期间以取样第一图像信号，再将其保持于电容cshs_lcg。上述第一图像信号与第一重置信号可于后续通过信号处理器的处理以进行(第一)相关双重取样(cds)。

第一光累积exp_l因为具有最长累积期间，且因为大光二极管pd_l具有较大光二极管面积因而具有最高灵敏度，因此第一光累积负责场景当中的暗区。至于场景的较亮区，大光二极管pd_l会造成饱和，因而遗失信号位准。鉴于此，第二光累积exp_s因为具有较短累积期间，且因为小光二极管pd_s具有较小光二极管面积因而具有较低灵敏度，因此第二光累积负责场景当中的较亮区。至于场景的最亮区，小光二极管pd_s会造成饱和。鉴于此，第三光累积exp_o因为具有最短累积期间，且当小光二极管pd_s的溢流电荷排至电源电压vdd时，可收集大光二极管pd_l的溢流电荷，因此第三光累积负责场景当中的最亮区。

图4例示本发明第一实施例的三个曝光值(或信号)exp_l、exp_s及exp_o的像素输出相对于光输入的曲线。每一线性曲线的斜率为累积期间与光二极管大小(或灵敏度)的函数。由于图像传感器的光二极管大小为固定值，因此可通过调整累积期间以达到三个曝光值exp_l、exp_s及exp_o的最佳比例。由于第一光累积具有较大光二极管面积及最长累积期间，因此低亮度的斜率为最大。低亮度斜率与中亮度斜率的比值可表示为(pd_l灵敏度/pd_s灵敏度)x(exp_l/exp_s)。小光二极管pd_s因为具有较小面积，因此于较小的模拟至数字转换(adc)值时会饱和。假设大光二极管pd_l于饱和之前，溢流电荷相同于电荷的产生速率，则低亮度斜率与高亮度斜率的比值可表示为(exp_l/exp_o)。以高转换增益(conversiongain)以结合三个曝光值exp_l、exp_s及exp_o，至少可达到120db动态范围，用以撷取高对比场景而不会饱和。

本发明实施例可适用以减缓发光二极管(led)闪烁。交通信号及汽车剎车灯的发光二极管通常调制(modulate)于90hz或以上。如果像素当中某一光二极管(例如pd_l或pd_s)的累积期间短于发光二极管的导通工作周期(dutycycle)，则像素可能会错过发光二极管的信号，因而产生发光二极管闪烁。鉴于此，大光二极管pd_l与小光二极管pd_s的累积期间都必须大于发光二极管的导通工作周期。由于大光二极管pd_l用以撷取场景的暗区域，所以其累积期间够长而不会是闪烁的考量。如果发光二极管让大光二极管pd_l饱和，则像素的输出必须依赖小光二极管pd_s的读出。

在本实施例中，小光二极管pd_s因为具有较小光二极管面积，因此其灵敏度降低。由于小光二极管用于较亮区，其累积期间需要足够长以避免闪烁。于另一实施例中，通过除去小光二极管pd_s上方的微透镜(microlens)，可进一步降低小光二极管的灵敏度。通过权衡累积期间与灵敏度，可得到不饱和所能侦测亮度的极限值。对于一般汽车应用的交通场景，发光二极管落于中亮度范围，因而得以减缓闪烁。对于高亮度范围，像素的读出需依赖浮动扩散节点的溢流电荷。如图4所示，由于三个曝光值exp_l、exp_s及exp_o彼此重迭，因此可以消除移动假影(motionartifact)。

图5显示本发明第二实施例的图像传感器(例如互补金属氧化物半导体或cmos)的像素电路500的电路图。本实施例的像素电路500类似于像素电路100(图1)，然而连接至输出节点out的多个开关(例如swshs_ab、swshr_ab_s、swshs_s、swshr_lcg、swshs_lcg、swshr_hcg及swshs_hcg)以及分别串联至相应开关的多个电容(例如cshs_ab、cshr_ab_s、cshs_s、cshr_lcg、cshs_lcg、cshr_hcg及cshs_hcg)则彼此不大相同。开关及相应电容的细节将于以下篇幅作说明。

图6例示图5的像素电路500的相关信号的时序图。图3所示的图像传感器的操作方法的流程图可适用于图5的像素电路500。于第二实施例中，步骤31～35的操作内容相同于第一实施例，因此其细节不再赘述。以下仅描述本实施例的步骤36的操作内容。

于读出第一重置信号(时间t13)之后，但于传送第一图像信号至浮动扩散节点cfd1/cfd2(时间t14)之前，于时间t21断开连接晶体管dcg一段预设期间。在此期间转换增益(conversiongain)会增加，亦即高转换增益(hcg)，因而可于低亮度状态具有较佳噪声效能。步骤36的其他期间则称为低转换增益(lcg)。转换增益为电荷吸收的输出电压变化的一种量测。

于时间t22，读出高转换增益的第一重置信号，并导通开关swshr_hcg一段预设期间以取样第一重置信号，再将其保持于电容cshr_hcg。第一光累积exp_l于时间t23结束，导通第一传送晶体管tx_l一段预设期间，由此，将大光二极管pd_l所累积的高转换增益的第一图像信号传送至第一浮动扩散节点cfd1。接着，于时间t24，读出高转换增益的第一图像信号，并导通开关swshs_hcg一段预设期间以取样第一图像信号，再将其保持于电容cshs_hcg。上述高转换增益的第一图像信号与高转换增益的第一重置信号可于后续通过信号处理器的处理以进行相关双重取样(cds)。值得注意的是，高转换增益的第一图像信号及第一重置信号的相关双重取样(cds)执行于低转换增益的第一图像信号及第一重置信号的相关双重取样(cds)之前。

图7例示本发明第二实施例的曝光值exp_l(hcg)、exp_l(lcg)、exp_s及exp_o的像素输出相对于光输入的曲线。结合四个曝光值exp_l(hcg)、exp_l(lcg)、exp_s及exp_o，可达到高动态范围，用以撷取高对比场景而不会饱和。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求；凡其它未脱离发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求内。