卷帘快门图像传感器像素和系统的制作方法

本实用新型整体涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及具有带高动态范围功能的图像传感器像素的成像设备。

背景技术：

图像传感器常在电子设备，例如，移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置方式中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以读出来自图像像素的图像信号。

典型的图像像素包含光电二极管以便响应于入射光而生成电荷。图像像素还可包括电荷存储区用于存储光电二极管中生成的电荷。图像传感器可使用全局快门方案或卷帘快门方案进行操作。在全局快门中，图像传感器中的每个像素均可同时捕获图像，而在卷帘快门中，每行像素可依次捕获图像。

图像传感器可配备有多重曝光高动态范围(HDR)功能，其中采用图像传感器在不同曝光时间上捕获多个图像。之后，将图像组合成高动态范围图像。HDR图像传感器可使用卷帘快门操作来操作。在常规HDR图像传感器中，可在第一读出周期期间对长曝光图像进行采样。然后通常使用行缓冲器存储长曝光图像。在行缓冲器存储长曝光图像时，生成短曝光图像。然后在第二读出周期中对短曝光图像进行采样。在对短曝光图像进行采样后，组合短曝光图像和长曝光图像以形成HDR图像。然而，行缓冲器可能增加图像传感器制造的额外成本。另外，在标准HDR图像传感器像素中，明亮场景可能导致光电二极管发生不必要的饱和，从而引起过饱和的图像信号。

因此，可能有利的是能够提供具有改进的图像传感器像素的成像设备。

技术实现要素：

本实用新型解决的一个技术问题是提供具有改进的图像传感器像素的成像设备。

根据本实用新型的一个方面，提供一种卷帘快门图像传感器像素，包括：光敏区，所述光敏区被配置为在第一时期期间响应于入射光而生成第一电荷量，并且在第二时期期间响应于入射光而生成第二电荷量；电荷存储区，所述电荷存储区被配置为在所述光敏区生成所述第二电荷量的同时存储所述第一电荷量；转移晶体管，所述转移晶体管被配置为将所述第一电荷量从所述光敏区转移到所述电荷存储区；以及读出电路，所述读出电路被配置为在单个读出周期期间对所述第一电荷量和所述第二电荷量进行采样，其中所述单个读出周期包括在生成所述第二电荷量的同时对所述第一电荷量进行采样。

在一个实施例中，所述第一时期短于所述第二时期。

在一个实施例中，所述卷帘快门图像传感器像素还包括：重置晶体管，其中所述光敏区被配置为通过使用所述重置晶体管和所述转移晶体管在多个积聚期期间生成多个电荷来生成所述第一电荷量。

在一个实施例中，所述卷帘快门图像传感器像素还包括：第二重置晶体管，其中所述第二重置晶体管被配置为将所述电荷存储区重置到重置电压电平，并且其中所述读出电路被配置为在所述单个读出周期期间对所述重置电压电平进行采样。

在一个实施例中，所述卷帘快门图像传感器像素还包括：电荷存储元件，所述电荷存储元件被配置为存储所述第一电荷量的一部分。

在一个实施例中，所述卷帘快门图像传感器像素还包括：至少一个电荷存储元件，其中所述光敏区被配置为响应于入射光而生成第三电荷量，并且其中所述电荷存储元件被配置为存储所述第三电荷量。

在一个实施例中，所述卷帘快门图像传感器像素还包括：电荷存储元件，所述电荷存储元件被配置为存储所述第一电荷量，其中所述读出电路被配置为通过对所述第一电荷量执行双采样读出来对所述第一电荷量进行采样。

根据本实用新型的一个方面，提供一种系统，包括：透镜；以及卷帘快门图像像素，其中所述透镜与所述卷帘快门图像像素光学耦接，以及所述卷帘快门图像像素包括：光敏区，所述光敏区被配置为在第一不连续积聚期期间响应于光而生成图像信号，其中所述第一不连续积聚期包括多个连续积聚期，在所述多个连续积聚期的每一个期间，通过所述光敏区生成对应的图像信号，并且其中所述光敏区被配置为在第二连续积聚期期间响应于光而生成第二图像信号；浮动扩散区，所述浮动扩散区被配置为使来自所述多个连续积聚期的所述对应的图像信号求和以生成第一图像信号，其中所述第一图像信号和所述第二图像信号在单个读出序列期间采样于所述卷帘快门图像像素；以及读出电路，所述读出电路在所述光敏区生成所述第二图像信号的同时对所述第一图像信号执行读出操作，并且随后在所述单个读出序列期间对所述第二图像信号执行读出操作。

在一个实施例中，所述读出电路被配置为在所述光敏区生成所述第二图像信号的同时，在所述单个读出序列期间对重置电压电平执行读出操作。

在一个实施例中，对所述第一图像信号进行的所述读出操作包括双采样读出，并且其中对所述第二图像信号进行的所述读出操作包括双采样读出。

本实用新型实现的一个技术效果是提供改进的卷帘快门图像传感器像素和改进的系统。

附图说明

图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以便使用图像像素阵列捕获图像。

图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关读出电路的示意图。

图3为根据一个实施方案的被配置为具有高动态范围功能的示例性图像传感器像素的电路图。

图4为根据一个实施方案的用于操作图3中所示的示例性图像传感器像素的时序图。

图5为根据一个实施方案的用于操作图4中所示的示例性图像传感器像素的时序图。

图6为根据一个实施方案的示例性步骤的流程图，这些示例性步骤可通过图像传感器执行以实施高动态范围功能。

图7为根据一个实施方案的采用图1至图6的实施方案的处理器系统的框图。

具体实施方式

电子设备，例如，数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，所述图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，例如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数十万或数百万像素(如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(例如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，所述图像信号与光敏元件所生成的电荷相对应。

图1为示例性成像系统(例如，电子设备)的示意图，该成像系统使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、汽车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。镜头14可包括固定镜头和/或可调镜头，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微镜头。在图像捕获操作期间，可通过镜头14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有镜头14的阵列和对应图像传感器16的阵列。

存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(例如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块分开和/或形成相机模块的一部分的部件(例如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块内的集成电路的一部分的电路)来实施。当不同于图像传感器16的集成电路的集成电路(例如，芯片)上包括存储和处理电路18时，可相对于具有图像传感器16的集成电路竖直地堆叠或封装具有电路18的集成电路。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块捕获的图像数据(例如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。

如果需要，图像传感器16可包括集成电路封装或其中多个集成电路衬底层或芯片相对于彼此垂直堆叠的其他结构。在这种情况下，可将电路26、电路28和电路24中的一个或多个竖直地堆叠在图像传感器16内的阵列20下方。如果需要，线32和30在这种情况下可由竖直导电通孔结构(例如，硅贯通孔或TSV)和/或水平互连线路形成。

图像传感器16可包括图像像素22的一个或多个阵列20。可使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或电荷耦合器件(CCD)技术或任何其他合适的光敏设备，在半导体衬底中形成图像像素22。图像像素22可为前照式(FSI)图像像素或背照式(BSI)图像像素。图像像素22可包括一个或多个光敏区。图像像素22中的每个光敏区可具有光电二极管或光电二极管区以及用于光电二极管或光电二极管区的读出电路。与给定光敏区中的每个光电二极管或光电二极管区相关联的读出电路可包括转移门、浮动扩散区和重置门。光敏区之间的隔离区也可被视为在其间形成隔离结构的光敏区中的任一者或两者的一部分。

如图2所示，图像传感器16可包括含有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。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可耦接至行控制电路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，诸如重置控制信号、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)耦接至阵列20中的像素22的每一列。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至阵列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)。

如果需要，图像像素22可包括一个或多个光敏区，以响应于图像光而生成电荷。图像像素22内的光敏区可成行成列地布置在阵列20上。图像阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的对应的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的实例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些实例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素22上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。

图像传感器16可以被配置为支持卷帘快门操作(例如，像素22可以在卷帘快门模式下进行操作)。例如，阵列20中的图像像素22各自可包括光电二极管、浮动扩散区和本地电荷存储区。利用卷帘快门方案，图像传感器中的像素中的光电二极管顺序地生成图像信号。图像信号然后可传输到每个像素中的相应的存储区。接着例如可从每个像素的每个存储区一次读出一个数据。

图3为示例性图像传感器像素22的电路图。像素可包括光敏区50(例如，光电二极管50)。光电二极管50可在一段时间(即，曝光时间)内接收入射光，并在曝光时间内生成对应于入射光的图像信号。在常规成像系统中，图像伪影可能由移动物体、移动或抖动相机、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。以短积聚时间和短曝光时间生成的图像信号可错过闪烁光(例如，在给定频率下的LED的闪光)。然而，通过在较长的曝光时间内扩展短积聚时间，错过来自闪烁光(例如，脉冲光源、LED)的信号的可能性较小。像素22可被设计成通过在较长的曝光时间内扩展短积聚时间来减少与闪烁照明相关联的伪影。为了实施闪烁抑制，光电二极管50可通过光电二极管重置晶体管52(在本文中有时称为抗光晕晶体管52)耦接到具有第一供电电压Vdd的电压源51。当控制信号RST_PD生效(例如，脉冲高)时，光电二极管50可重置到第一供电电压Vdd。当控制信号RST_PD失效(例如，脉冲低)时，光电二极管50可开始从入射光聚积电荷。

在光电二极管重置后，可开始第一积聚期，并且光电二极管50可开始生成和存储图像信号。像素22可包括第一转移晶体管54和浮动扩散区56。当第一积聚期结束时，第一转移晶体管54可将存储在光电二极管50处的图像信号转移到浮动扩散区56。在第一积聚期的开始和结束之间的时间可被称为第一积聚期。转移晶体管54可包括源极端子、漏极端子、栅极端子和沟道区。浮动扩散区56可以是掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术在硅衬底中形成的掺杂硅区域)，该掺杂半导体区具有电荷存储能力，被示出为具有电容Cfd的电容器58。光电二极管50可连接到晶体管54的第一端子(例如，源极端子或漏极端子)。浮动扩散区56可连接到与第一端子相对的第二端子。作为示例，如果第一端子是源极端子，则第二端子可以是漏极端子，或反之亦然。控制信号TX可控制跨晶体管54的沟道的电荷流。当控制信号TX生效时，存储在光电二极管50中的图像信号可通过晶体管54的沟道区而到达浮动扩散区56。控制信号TX可随后被失效，并且光电二极管50可使用控制信号RST_PD重置到供电电压。

第二积聚期可在第一积聚期之后。光电二极管50可生成对应于第二积聚期的图像信号。可使用控制信号TX将来自第二积聚期的图像信号转移到浮动扩散区56。来自第二积聚期的图像信号可与来自第一积聚期的图像信号积聚(例如，求和或相加)。存储在浮动扩散区56处的积聚图像信号可被认为具有有效积聚期。有效积聚期是第一积聚期和第二积聚期的总和。通常，可能发生任何数量期望的积聚过程(例如，将来自不同积聚期的图像信号转移到浮动扩散区56以求和)。有效积聚期通常可定义为所有的不同积聚期的总和，所有相应单独图像信号在这些积聚期内生成。在期望数量的积聚期和对应的图像信号在浮动扩散区56处的求和之后，可以在添加最后一个图像信号之后使控制信号TX失效。通过将图像帧期间的有效积聚期分解成跨越较长曝光时间的较短的非连续积聚期，由移动物体、闪烁照明及具有变化照明的物体引起的图像伪影可被最小化而不影响像素积聚时间(即，同时保持所需的总积聚时间)。

像素22可包括读出电路，该读出电路包括源极跟随器晶体管62和行选择晶体管64。晶体管64可具有栅极，该栅极受行选择控制信号SEL控制。当控制信号SEL生效时，晶体管64导通，并且对应信号PIXOUT(例如，大小与浮动扩散节点56处的电荷量成比例的输出信号)被传递到列读出路径66(在本文中有时称为总线66)。如果需要，在光电二极管50处将入射光转换为对应图像信号可与图像信号读出同时进行。像素22可包括浮动扩散重置晶体管68。晶体管68可具有栅极，该栅极受浮动扩散重置控制信号RST_FD控制。晶体管68将浮动扩散区60耦接到具有供电电压(例如，Vdd)的电压源51。当控制信号RST_FD生效时，晶体管68导通，并且浮动扩散节点被重置到第二供电电压电平。

在常规的高动态范围(HDR)操作中，卷帘快门图像传感器将以双重曝光方案操作。例如，第二短曝光期将在第一长曝光期之后。然后将执行相关双采样读出序列，该相关双采样读出序列包括重置电平读出周期和图像电平读出周期。卷帘快门图像传感器的每个像素将在来自第一长曝光期的图像信号已经生成之后开始第一读出序列。然后，卷帘快门图像传感器的每个像素将开始第二短曝光期并且在来自第二短曝光期的图像信号已经生成之后开始第二读出序列。为了组合来自这两个曝光期的图像信号，来自第一长曝光期的图像信号需要存储在存储器电路(例如，行缓冲器)中，直到来自第二短曝光期的图像信号已准备好被读出并组合来自第一长曝光期的图像信号。

图4示出了用于操作图3所示类型的示例性像素的时序图。图4中所示的时序图使得像素22能够减少读出序列数量、减少读出周期总数，以及相比于上述常规HDR传感器无需存储器电路就能存储来自第一曝光期的图像信号。在时间t₁，像素22可使控制信号RST_PD和RST_FD生效以将光电二极管50和浮动扩散区56重置到由电压源51供应的供电电压电平(在本文中有时称为重置电压电平)。在时间t₂，像素22可在光电二极管50和浮动扩散区56的重置完成之后使控制信号RST_PD和RST_FD失效。可在曝光期之前的任何期望时间上重置光电二极管50。如图4所示，曝光期可以包括与曝光期重叠的连续积聚期。由于图4的时序图没有示出光闪烁抑制操作模式，因此有时可将曝光期称为积聚期。可在将图像信号转移到浮动扩散区56以用于存储之前的任何期望时间上重置浮动扩散区56。

在控制信号RST_PD失效后，在时间t₂，可以开始第一积聚期(例如，第一积聚期t_短)。当控制信号TX失效时，第一积聚期t_短可以在时间t₄结束。当控制信号TX在时间t₃生效时，来自第一积聚期t_短的在光电二极管50处生成的图像信号可转移到浮动扩散区56以用于存储。在已将来自第一积聚期t_短的图像信号(例如，短积聚图像信号)转移之后，控制信号TX可以在时间t₄失效。然后在时间t₄，控制信号RST_PD可以再次生效以便将光电二极管50重置到供电电压电平。控制信号RST_PD可以再次失效以便开始第二积聚期(例如，第二积聚期t_长)。第二积聚期t_长可以在时间t₁₂结束，此时控制信号TX失效以便将来自第二积聚期t_长的图像信号(例如，长积聚图像信号)转移到浮动扩散区56。第一积聚期t_短可以具有比第二积聚期t_长更短的积聚时间。如果需要，第一积聚期可以具有比第二积聚期更长的积聚时间。在已将来自第二积聚期t_长的图像信号在时间t₁₁开始转移后，控制信号TX可以在时间t₁₂失效。然后在时间t₁₂，控制信号RST_PD可为在双曝光方案中最后一次生效以便将光电二极管50重置到供电电压电平。在时间t₁₄，控制信号RST_PD可以失效以便在随后的短积聚期和长积聚期期间开始收集另一组的双曝光图像信号。该短积聚期和长积聚期可以来自单个曝光期。单个曝光周期可以在单个读出序列(在本文中有时称为单个读出周期)中读出。可以这种方式来生成和读出任何期望双曝光图像信号组。

在时间t₄之后，并且在时间t₁₁之前，可以使用读出电路从浮动扩散节点56读出短积聚图像信号。在时间t₆，控制信号SEL可以解除生效以便启用晶体管64。当控制信号SEL生效时，晶体管64导通，并且对应信号PIXOUT(例如，大小与浮动扩散节点56处的电荷量成比例的输出信号)被传递到列读出路径66。与短积聚图像信号对应的输出信号PIXOUT可通过使控制信号SHS生效来发送到对应的采样保持电路。

在时间t₇完成对短积聚图像信号的读出之后，控制信号RST_FD可以生效。当控制信号RST_FD在时间t₇生效时，浮动扩散区56可重置到供电电压电平。在浮动扩散区56已经被重置后，控制信号RST_FD可以在时间t₈失效。从时间t₉到时间t₁₀可以读出重置电压电平。供电电压电平可以用于具有短积聚图像信号的不相关双采样读出。为了读出供电电压电平，控制信号SEL可以在时间t₉生效并且在时间t₁₀失效以便生成相应输出信号PIXOUT。与供电电压电平对应的输出信号PIXOUT可通过使控制信号SHR生效来发送到对应采样保持电路。

长积聚图像信号的生成可以在读出供电电压电平后结束(例如，时间t₁₂可以在时间t₁₀之后)。在读出供电电压电平后，从时间t₁₁到时间t₁₂可以将长积聚图像信号转移到浮动扩散区56。可以在具有供电电压电平读出的相关双采样读出中读出长积聚图像信号。为了从时间t₁₃到时间t₁₅读出长积聚图像信号，控制信号SEL可以在时间t₁₃生效并且在时间t₁₅失效以便生成第二相应输出信号PIXOUT。与长积聚图像信号对应的输出信号PIXOUT可通过使控制信号SHL生效来发送到对应采样保持电路。

从时间t₆到时间t₁₅进行信号读出序列。信号读出序列包括短曝光信号读出、重置信号读出、以及长曝光信号读出。由于短曝光信号暂时存储在浮动扩散节点处，因此在这种双曝光方案中无需存储器电路(例如，行缓冲器)就能存储第一曝光信号。此外，每组双曝光信号都仅需要单个信号读出序列，并且需要更少重置电平读出周期，从而增加操作像素22的速度。另外，像素22被配置为进行双采样读出操作以便实现短曝光信号读出和长曝光信号读出两者。在低光条件下使用的长曝光图像信号可比短曝光图像信号对重置电平噪声更敏感。通过在对重置电平噪声进行采样后对长曝光图像信号进行采样，长曝光图像信号将具有相关双采样读出。

图5示出了用于操作图3所示类型的示例性像素以通过抑制光闪烁来额外地减少图像伪影的时序图。在施加光闪烁抑制时，曝光期可以包括跨曝光期展开的多个连续积聚期。这产生了与较长曝光期重叠的有效不连续积聚期。图5包括先前在图4中描述的参考标号。为了避免不必要地模糊图5的本实用新型的实施方案，除非另外描述，否则参考标号参照图4中的描述。

代替如图4所示单个连续短积聚期，图5示出了包括多个短积聚期的不连续有效积聚期。将多个短积聚期求和以生成有效短积聚期t_短’。有效短积聚期t_短’可以包括不同积聚期T_短1、T_短2、…和T_短n。可通过使用于晶体管54的控制信号TX生效而使在不同积聚期期间生成的图像信号在浮动扩散区56处连续求和。更具体地讲，第一积聚期T_短1可以在控制信号RST_PD在时间t₂失效后开始，并且可以在控制信号TX在时间₂₂失效时结束。当控制信号TX在时间t₂₁生效时，在光电二极管50处生成的图像信号可转移到浮动扩散区56。当控制信号TX在时间t₂₂失效时，控制信号RST_PD可以生效以便在时间t₂₂将光电二极管50重置到供电电压电平。

当控制信号RST_PD在时间t₂₃失效时，可以开始第二积聚期T_短2。第二积聚期T_短2可以在时间t₂₅结束。当控制信号TX在时间t₂₄生效时，在光电二极管50处生成的图像信号可转移到浮动扩散区56并且可与来自第一积聚期T_短1的先前图像信号求和。当控制信号TX在时间t₂₅失效时，可以再次将光电二极管50重置到供电电压电平，之后，可以开始第三积聚期T_短3(未示出)。通常，控制信号RST_PD在时间t₂₆生效和控制信号RST_PD随后在时间t₂₇失效可以开始进行在第n积聚期T_短n内生成图像信号。第n积聚期T_短n可以在控制信号TX随后失效时结束。在第n积聚期T_短n(例如，在时间t₄)结束时，来自第n积聚期T_短n的图像信号可转移到浮动扩散区56，并且可与来自先前积聚期的图像信号求和。可以使用任何期望数量积聚期(n)。然后可以读出浮动扩散区56处的求和图像信号，如图4所述。在这种情况下，求和的图像信号可以具有跨第一曝光期的有效积聚期。第一曝光期可以比第二曝光期t_长短，如图4所示。

通过将图像帧期间的有效积聚期分解成跨较长曝光时间的较短的非连续积聚期，由移动物体、闪烁照明及具有变化照明的物体引起的图像伪影可被最小化而不影响像素积聚时间(即，同时保持所需的总积聚时间)。另外，图5具有图4的益处，即，在这种双曝光方案中无需存储器电路(例如，行缓冲器)就能存储第一曝光信号。此外，每组双曝光信号都仅需要单个信号读出序列，并且需要更少重置电平读出周期，从而增加操作像素22的速度。另外，这两种图像信号读出将会是双采样读出。对噪声更敏感的长曝光图像信号将会具有相关双采样读出。

图6示出了具有用于在高动态范围模式下操作图3所示类型的图像传感器像素的示例性步骤的流程图。在步骤100，光电二极管50可以在第一时期(例如，第一曝光期)中生成对应于入射光的图像信号(例如，电荷)。第一时期可以是比后续第二时期短的曝光期。第一曝光期可以包括多个连续积聚期。来自连续积聚期的图像信号可求和以生成该第一曝光期的有效图像信号。在单独示例中，第一曝光期可以包括单个连续积聚期。第一曝光期的图像信号在本文中有时可被称为第一曝光图像信号。

在步骤102，可将第一曝光图像信号存储在浮动扩散区56处。当来自多个连续积聚期的图像信号被求和以生成第一曝光期的有效图像信号时，可以在浮动扩散区56处进行求和。另选地，像素22可以包括额外电荷存储区(例如，电容器、存储二极管、存储门)。在被转移到浮动扩散区56前，来自相应积聚期的单独图像信号可以在额外电荷存储区处求和以便进行后续读出。

在步骤104，光电二极管50可以在第二时期(例如，第二曝光期)中生成对应于入射光的图像信号(例如，电荷)。第二时期可以是比第一时期长的曝光期。另选地，第二时期可以是比第一时期短或长度类似的曝光期。如果像素22包括结合步骤102而描述的额外电荷存储区，则第二曝光期还可包括构成不连续积聚期的第二组连续积聚期。来自相应连续积聚期的图像信号可以在额外电荷存储区处求和。另选地，第二曝光期可以包括单个连续积聚期。第二曝光期的图像信号在本文中有时可被称为第二曝光图像信号。

在步骤106，可使用读出电路(例如，源极跟随器晶体管、行选择晶体管)来读出存储在浮动扩散区56处的第一曝光图像信号。

在步骤108，可以将浮动扩散区56重置到重置电压电平(例如，供电电压电平)。可使用读出电路来读出重置电压电平。重置电压电平可为双采样读出提供参考。

在步骤110，可以将第二曝光图像信号转移到浮动扩散区56以便在读出前暂时存储起来。

在步骤112，可使用读出电路来读出存储在浮动扩散区56处的第二曝光图像信号。在使用重置电压电平时，对第二曝光图像信号的读出可以是相关双采样读出。

在另选实施方案中，双增益转换可结合图3至图6所示方法来实施。在这个实施方案中，可以省略步骤108。在步骤106，可以读出存储在浮动扩散区56处的第一曝光图像信号。然后，紧接步骤106之后，在步骤110，可以将第二曝光图像信号转移到浮动扩散区56。在这种情况下，用于HDR操作的低光信号可以是在步骤110后存储在浮动扩散区56处的图像信号。换句话说，低光信号可以是第一曝光图像信号与第二曝光图像信号之间的差值。用于HDR操作的高光信号可以是在步骤104后存储在浮动扩散区56处的图像信号。换句话说，高光信号可以是第一曝光图像信号与固定参考帧或外部存储帧之间的差值。这种操作方法消除对重置电压电平的读出周期，这减少了功率消耗而增加了读出序列速度。另选地，如果第一曝光图像信号超过期望阈值，则就可忽略第二曝光图像信号。

在另选实施方案中，电荷溢出能力可结合图3至图6所示方法来实施。在这个实施方案中，第一曝光图像信号可以包含溢出电荷。在这种情况下，浮动扩散区56可以具有比光电二极管50更大的电荷存储容量。超出光电二极管50的存储容量的电荷可转移到浮动扩散区56。在另一种配置中，晶体管可对光电二极管50中的电荷施加溢出势垒。然后超出溢出势垒的电荷可溢出到浮动扩散区56。存储在浮动扩散区56处的溢出电荷可以是低增益信号。光电二极管50处剩余的电荷可以是高增益信号。在这种情况下，可以跳过步骤102和104。紧接步骤100之后，可将高增益信号存储在光电二极管50处，并可将低增益信号存储在浮动扩散区处。低增益信号可准备好在步骤106读出，并且继续步骤108、110和112。

另选地，在生成低增益信号和高增益信号后，可以如常进行后续步骤104和106。在这种另选情况下，除了可用于存储第二曝光图像信号的浮动扩散区56之外，可将低增益信号存储在电荷存储结构(有时称为电荷存储元件)处。可能需要额外读出步骤来读出第一曝光图像信号的低增益信号和高增益信号。

在另一实施方案中，像素22可以包括额外电荷存储结构(例如，存储门、电容器)以便支持结合图3至图6所示方法来实施的第三曝光时期。在这种示例中，可将第一曝光图像信号存储在额外电荷存储结构中。第二曝光图像信号可以存储在浮动扩散区56处，准备好在来自第三曝光期的图像信号正在生成时被读出。如果在没有第三曝光时期的情况下实施额外电荷存储结构，则可以在相关双采样读出过程中读出第一曝光图像信号和第二曝光图像信号两者。如果需要，像素22可以包括任何数量额外电荷存储结构以便支持任何数量曝光期。在单独示例中，如果需要，可以在全局快门操作模式下转移和读出第一曝光图像信号。

图4至图6中的短曝光期和长曝光期的顺序仅是示例性的。如果需要，长曝光期可以在短曝光期前进行。长曝光期可以存储在电荷存储区(例如，浮动扩散56)处，直到短曝光期已经进行。如果需要，可使用具有可变的长度的任何数量曝光期来生成可存储在像素22中的多个电荷存储区中的对应数量图像信号。

通常，图4至图6所述方法可以用于具有任何期望结构的像素。图3中的像素22的示例仅仅是示例性的，并且像素可以具有任何期望布局。具有光敏区、电荷存储区和转移晶体管的任何像素都可实施结合图4至图6所述操作方法。

虽然图3中未示出，但是图4至图6的方法可应用于具有堆叠晶圆布置(有时称为堆叠芯片构型)的像素。如果需要，图像传感器像素22可以包括集成电路封装或其中多个集成电路衬底层或芯片相对于彼此竖直地堆叠的其他结构。在这种情况下，像素22的部件(例如，浮动扩散区56、电压源51、光电二极管50等)中的一个或多个可以在像素22内竖直地堆叠在彼此上方或下方。如果需要，信号线(例如，数据线、总线)在这种情况下可由竖直导电通孔结构(例如，硅贯通孔或TSV)和/或水平互连线路形成。例如，金属互连层可以将浮动扩散区耦接到源极跟随器晶体管。在单独示例中，金属互连层可以将转移晶体管耦接到浮动扩散区。在另一个示样中，金属互连层可以将抗光晕晶体管和/或浮动扩散重置晶体管耦接到电压源。当像素以堆叠晶圆布置形成时，各个晶圆可专用化以便更有效地执行其特定的功能。作为示例，如果图像传感器的第一晶圆中包括光敏元件，则可将像素的额外部件移动到第二晶圆。将像素部件移动到第二晶圆允许第一晶圆中的有源面积与无源区域之间的比率增加，从而导致更大聚光能力。

图7为包括成像设备1008(如图1所示相机模块)的示例性处理器系统1000(如数码相机)的简化图，该成像设备采用的成像器具有如上图1至图6所述的像素。在不进行限制的前提下，这种系统可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉系统、车辆导航系统、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统，以及其他采用成像设备的系统。

处理器系统1000例如数字静态或视频摄像机系统一般包括透镜1114，该透镜用于在快门释放按钮1116被按下时，将图像聚焦到成像设备1008中的一个或多个像素阵列上；以及中央处理单元(CPU)1002，诸如微处理器，其控制相机功能和一个或多个图像流功能。处理单元1102可通过系统总线1006与一个或多个输入-输出(I/O)设备1110通信。成像设备1008还可通过总线1006与CPU 1002通信。系统1000还可包括随机存取存储器(RAM)1004并且可任选地包括可移动存储器1112，诸如闪存存储器，该存储器也可通过总线1006与CPU 1002通信。成像设备1008可在单个集成电路或不同芯片上与CPU相组合，无论是否具有存储器。尽管总线1006被示为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线、桥接器或其他用于互连系统1000的系统组件的通信路径。

已描述了各种实施方案，这些实施方案示出使用具有高动态范围功能的图像传感器像素来生成图像的系统和方法。

图像传感器像素可包括光敏区(例如，光电二极管)、电荷存储区(例如，浮动扩散区)和转移晶体管，转移晶体管将光敏区耦接到电荷存储区。图像传感器像素还可包括读出电路(例如，源极跟随器晶体管、行选择晶体管等)。光敏区可在第一曝光期期间响应于入射光而生成第一图像信号。转移晶体管可将第一图像信号转移到电荷存储区。光敏区可在第二曝光期期间响应于入射光而生成第二图像信号。在生成第二图像信号时，读出电路可对存储在电荷存储区的第一图像信号执行读出操作。对第一图像信号进行的读出操作可为双采样读出。

在读出第一图像信号后，电荷存储区可重置到由重置电压源供应的重置电压电平。在生成第二图像信号时，读出电路可对存储在电荷存储区的重置电压电平执行读出操作。然后，转移晶体管可接着将第二图像信号转移到电荷存储区。读出电路可对第二图像信号执行读出操作。对第二图像信号进行的读出操作可为相关双采样读出。

在另选实施方案中，光敏区可在跨越曝光期的有效不连续积聚期期间响应于光而生成图像信号。不连续积聚期可包括多个连续积聚期，在每个连续积聚期期间，对应图像信号由光敏区生成。可通过另选地使转移晶体管和光电二极管重置晶体管生效来实施多个连续积聚期。电荷存储区可使来自多个连续积聚期的图像信号求和以便生成第一图像信号。

在另选实施方案中，图像传感器像素可包括额外电荷存储元件(例如，电容器、存储二极管、存储门等)。额外电荷存储元件可存储在第三对应曝光期期间生成的第三图像信号。额外电荷存储元件还可存储第一图像信号，使得对第一图像信号进行的读出操作可为相关双采样读出。另外，转移晶体管可施加溢出势垒。存储在光敏区处的第一图像信号的一部分可高于溢出势垒。第一图像信号的该部分可转移到额外电荷存储元件。如果需要，也可将第一图像信号的该部分转移到电荷存储区。

根据一个实施方案，一种操作卷帘快门图像传感器像素的方法，该卷帘快门图像传感器像素包括光敏区、转移晶体管、读出电路和电荷存储区，该方法可包括：使用光敏区在第一时期期间响应于入射光而生成第一电荷量；使用转移晶体管将第一电荷量从光敏区转移到电荷存储区；使用光敏区在第二时期期间响应于入射光而生成第二电荷量；在生成第二电荷量的同时，将第一电荷量存储在电荷存储区处；以及在单个读出周期期间，使用读出电路对第一电荷量和第二电荷量进行采样，其中单个读出周期可包括对第一电荷量进行采样，同时生成第二电荷量。

根据另一个实施方案，第一时期短于第二时期。

根据另一个实施方案，对第一电荷量进行采样可包括对第一电荷量执行双采样读出操作。

根据另一个实施方案，对第二电荷量进行采样可包括对第二电荷量执行双采样读出操作。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括重置晶体管，并且其中生成第一电荷量可包括使用重置晶体管和转移晶体管在多个积聚期期间生成多个电荷。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括第二重置晶体管，并且该方法还可包括使第二重置晶体管生效以将电荷存储区重置到重置电压电平，并且在单个读出周期期间，使用读出电路对重置电压电平进行采样。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括电荷存储元件，并且该方法还可包括使用电荷存储元件存储第一电荷量的一部分。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括至少一个电荷存储元件，并且该方法还可包括使用光敏区响应于入射光而生成第三电荷量，并且使用电荷存储元件存储第三电荷量。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括电荷存储元件，并且该方法还可包括使用电荷存储元件存储第一电荷量，其中对第一电荷量进行采样可包括对第一电荷量执行双采样读出。

根据另一个实施方案，电荷存储区可包括浮动扩散区。

根据一个实施方案，一种操作卷帘快门图像传感器像素的方法，该卷帘快门图像传感器像素包括光电二极管、转移晶体管、读出电路和电荷存储区，该方法可包括：利用光电二极管在第一曝光期期间响应于光而生成第一图像信号；使用转移晶体管将第一图像信号转移到电荷存储区；使用读出电路在读出周期期间对第一图像信号执行读出操作；以及在对第一图像信号执行读出操作的同时，在第二曝光期期间响应于光而生成第二图像信号，其中第二曝光期是在读出周期期间读出。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括具有重置电压电平的重置电压源和耦接到重置电压源的重置晶体管，并且该方法还可包括使重置晶体管生效以将电荷存储区重置到重置电压电平。

根据另一个实施方案，该方法还可包括使用读出电路在读出周期期间对第二图像信号执行读出操作。

根据另一个实施方案，该方法还可包括在读出周期期间对第二图像信号执行读出操作之前，使用读出电路对重置电压电平执行读出操作。

根据另一个实施方案，对重置电压电平执行读出操作可包括在对第一图像信号执行读出操作之后，对重置电压电平执行读出操作。

根据另一个实施方案，对重置电压电平执行读出操作可包括对重置电压电平执行读出操作，同时光电二极管生成第二图像信号。

根据另一个实施方案，图像传感器像素还可包括光电二极管重置晶体管，其中生成第一图像信号可包括通过另选地使重置晶体管和转移晶体管生效来生成图像信号，并且在电荷存储区处，将图像信号求和以生成第一图像信号。

根据一个实施方案，一种系统可包括中央处理单元、存储器、透镜、输入-输出电路和卷帘快门图像像素，其中卷帘快门图像像素可包括：光敏区，该光敏区被配置为在第一不连续积聚期期间响应于光而生成图像信号，其中第一不连续积聚期可包括多个连续积聚期，在每个连续积聚期期间，对应图像信号由光敏区生成，并且其中该光敏区被配置为在第二连续积聚期期间响应于光而生成第二图像信号；浮动扩散区，该浮动扩散区被配置为使来自多个连续积聚期的对应图像信号求和以生成第一图像信号，其中第一图像信号和第二图像信号在单个读出序列期间采样于卷帘快门图像像素；以及读出电路，该读出电路对第一图像信号执行读出操作，同时光敏区生成第二图像信号，并且随后在单个读出序列期间对第二图像信号执行读出操作。

根据另一个实施方案，读出电路被配置为在单个读出序列期间对重置电压电平执行读出操作，同时光敏区生成第二图像信号。

根据另一个实施方案，对第一图像信号进行的读出操作可包括双采样读出，并且其中对第二图像信号进行的读出操作可包括双采样读出。

根据一个实施方案，卷帘快门图像传感器像素可包括：光敏区，该光敏区被配置为在第一时期期间响应于入射光而生成第一电荷量，并且在第二时期期间响应于入射光而生成第二电荷量；电荷存储区，该电荷存储区被配置为在光敏区生成第二电荷量的同时存储第一电荷量；转移晶体管，该转移晶体管被配置为将第一电荷量从光敏区转移到电荷存储区；以及读出电路，该读出电路被配置为在单个读出周期期间对第一电荷量和第二电荷量进行采样，其中单个读出周期包括在生成第二电荷量的同时对第一电荷量进行采样。

根据另一个实施方案，第一时期短于第二时期。

根据另一个实施方案，卷帘快门图像传感器像素还可包括重置晶体管，其中光敏区被配置为通过使用重置晶体管和转移晶体管在多个积聚期期间生成多个电荷来生成第一电荷量。

根据另一个实施方案，卷帘快门图像传感器像素还可包括第二重置晶体管，其中第二重置晶体管被配置为将电荷存储区重置到重置电压电平，并且其中读出电路被配置为在单个读出周期期间对重置电压电平进行采样。

根据另一个实施方案，卷帘快门图像传感器像素还可包括电荷存储元件，电荷存储元件被配置为存储第一电荷量的一部分。

根据另一个实施方案，卷帘快门图像传感器像素还可包括至少一个电荷存储元件，其中光敏区被配置为响应于入射光而生成第三电荷量，并且其中电荷存储元件被配置为存储第三电荷量。

根据另一个实施方案，卷帘快门图像传感器像素还可包括电荷存储元件，电荷存储元件被配置为存储第一电荷量，其中读出电路被配置为对第一量进行采样。

前述内容仅是对本实用新型原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独地或以任意组合方式实施。