获取图像数据的方法、供使用的hdr成像系统及像素的制作方法
【专利说明】获取图像数据的方法、供使用的HDR成像系统及像素
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2014年I月10日申请的第61/925，840号美国临时申请案的权益
技术领域
[0003]本发明大体上涉及图像传感器，且更具体来说，本发明涉及高动态范围图像传感器。
【背景技术】
[0004]标准图像传感器具有大致60dB到70dB的有限动态范围。然而，现实世界的亮度动态范围要大得多。自然景象通常跨越90dB及以上的范围。为同时捕获强光及阴影，已在图像传感器中使用HDR技术来增大所捕获的动态范围。用于增大动态范围的最常见技术为将用标准(低动态范围)图像传感器捕获的多个曝光合并成单个线性HDR图像，所述单个线性HDR图像具有比单个曝光图像大得多的动态范围。
[0005]最常见的HDR传感器解决方案中的一者为使多个曝光进入一个单个图像传感器。在具有不同曝光积分时间或不同灵敏度(例如通过插入中性密度滤光片)的情况下，一个图像传感器可在单个图像传感器中具有2个、3个、4个或甚至更多的不同曝光。使用此HDR图像传感器，可在单次拍摄中得到多个曝光图像。然而，与正常全分辨率图像传感器相比，在使用此HDR传感器的情况下，总图像分辨率降低了。举例来说，对于在一个图像传感器中组合4个不同曝光的HDR传感器，每一 HDR图像传感的分辨率将仅为全分辨率图像的四分之一O
【发明内容】
[0006]本发明的一个方面提供一种在高动态范围(HDR)图像传感器中从单个图像捕获的单个曝光从像素获取图像数据的方法，其包括:在包含在所述像素中的多个子像素中的每一者中的光电检测器中于单个积分时间期间光生电荷载流子；复位所述像素的共享浮动扩散；取样所述共享浮动扩散以产生复位输出样本信号；将在所述多个子像素的第一部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散；取样所述共享浮动扩散以产生第一输出样本信号；将在所述多个子像素的第二部分中光生的电荷载流子转移到所述共享浮动扩散；以及取样所述共享浮动扩散以产生第二输出样本信号。
[0007]本发明的另一方面提供一种用于高动态范围(HDR)图像传感器中的像素，其包括:多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含:光电检测器，其用于在单个图像捕获的单个积分时间期间响应于入射光而光生图像电荷载流子；以及转移晶体管，其耦合到所述光电检测器；共享浮动扩散，其耦合到所述多个子像素，其中所述多个子像素的第一部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第一部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散，且其中所述多个子像素的第二部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第二部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散。
[0008]本发明的进一步方面一种高动态范围(HDR)成像系统，其包括:像素的像素阵列，其中所述像素中的每一者包含:多个子像素，其中所述多个子像素中的每一者包含:光电检测器，其在单个图像捕获的单个积分时间期间响应于入射光而光生图像电荷载流子；以及转移晶体管，其耦合到所述光电检测器；共享浮动扩散，其耦合到所述多个子像素，其中所述多个子像素的第一部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第一部分的相应光电检测器中光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散，且其中所述多个子像素的第二部分的转移晶体管经耦合以将在所述多个子像素的所述第二部分的相应光电检测器光生的图像电荷载流子选择性地转移到所述共享浮动扩散；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素读出图像数据。
【附图说明】
[0009]参看以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中除非另外指定，否则相似参考数字贯穿各视图指相似部分。
[0010]图1A为说明实例色彩像素阵列的一部分的图式。
[0011]图1B为说明根据本发明的教示的实例色彩像素阵列的一部分的图式，在所述色彩像素阵列中每一像素包含多个子像素以提供高动态范围(HDR)成像。
[0012]图2为展示根据本发明的教示的具有多个子像素以提供HDR成像的电路的电路图。
[0013]图3为说明根据本发明的教示在具有多个子像素以提供HDR成像的像素的实例电路中发现的信号的实例关系的时序图。
[0014]图4为说明根据本发明的教示的另一实例色彩像素阵列的一部分的图式，其中每一像素包含多个子像素以提供HDR成像。
[0015]图5为说明根据本发明的教示的包含色彩像素阵列的成像系统的一个实例的图式，在所述色彩像素阵列中每一像素包含多个子像素。
[0016]对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是出于简化及清楚目的而说明且未必是按比例绘制。举例来说，图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行实施例中有用或有必要的常见而容易理解的元件，以促进更容易地查看本发明的这些各种实施例。
【具体实施方式】
[0017]在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明白，不需要采用所述特定细节实践本发明。在其它情况下，尚未详细描述众所周知的材料或方法以避免混淆本发明。
[0018]贯穿本说明书的对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的提及意味着结合所述实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”在贯穿本说明书的各处的出现未必全都是指同一实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中，可以任何合适组合或子组合来组合特定特征、结构或特性。特定特征、结构或特性可包含在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它合适组件中。此外，应了解，本文提供的图是出于向所属领域的技术人员解释的目的且图式未必是按比例绘制。
[0019]根据本发明的教示的实例描述根据本发明的教示的色彩像素阵列，在所述像素阵列中每一像素包含多个子像素以提供HDR成像。在一个实例中，在单个积分时间或单个曝光之后读出每一像素，在所述时间期间在每一子像素的每一光电检测器中光生电荷载流子。在积分时间之后，通过将电荷从多个子像素的第一部分转移到共享浮动扩散节点来读出每一像素以产生第一输出信号。接着，将电荷从多个子像素的第二部分的光电二极管转移到共享浮动扩散节点以产生第二输出信号。在一个实例中，根据本发明的教示，第一输出信号可用于较亮的光照条件，而第二输出信号可用于较低的光照条件以实现HDR成像传感器。
[0020]为了说明，图1A为说明实例像素阵列105A的一部分的图式。在所描绘的实例中，像素阵列105A为具有拜耳(Bayer)滤光器图案的色彩像素阵列，其中存在感测彩色图像的绿色(G)及红色(R)像素与蓝色(B)及绿色(G)像素的交替行。
[0021]图1B为说明实例像素阵列105B的一部分的图式，实例像素阵列105B类似于图1A的像素阵列105A，区别仅在于在图1B的像素阵列105B中，像素中的每一者包含均具有相同彩色滤光器的多个子像素。举例来说，如图1B中描绘的实例中展示，每一绿色(G)像素具有多个绿色(G)子像素，每一红色(R)像素具有多个红色(R)子像素且每一蓝色(B)像素具有多个蓝色(B)子像素。在实例中，每一像素的多个子像素以具有与常规像素相同的大小的群集(cluster)布置。应注意，在图1B中说明的特定实例中，出于解释目的每一像素包含2X2子像素的群集。当然，将了解，在其它实例中，根