技术领域
[0001] 本
发明公开涉及互补金属
氧化
半导体(CMOS)图像传感器，尤其涉及使用具有不同复位时间及像素存储器的的像素的高动态范围图像传感器。
背景技术
[0002] 设计图像传感器的挑战之一在于需要图像传感器展现出高动态范围。很多应用，尤其是室外应用，需要图像传感器具有高动态范围来适用于非常亮和非常暗的区域。例如，一些应用的照明条件可能从夜视的低于1勒克斯到明亮日光下的超过10,000勒克斯。真实世界景象的光照强度的变化范围可能达到或超过100分贝。
生物视觉系统和卤化
银胶片能够对高动态范围景象(100分贝以上)进行成像而几乎不损大
对比度信息，而开发出能够做到这一点的
电子图像传感器则颇具挑战性。
[0003] 目前大多数图像传感器的动态范围是有限的，通常在50分贝到80分贝之间。因此，捕捉到的景象的相关信息内容被损大掉了。所以，需要有能够更精确地捕捉景象的高动态范围(HDR)图像传感器。
[0004] 当这些现有的传感器被用于捕捉带有非常亮的区域的景象时，在图像浮散(blooming)中光照强度会出现比较大的变化。由这个非常亮的
光源照亮的像素饱和并将
信号溢出到相邻的像素，使得输出图像的明亮区域扩大而丢大了真实的图像。
[0005] 试图为CMOS图像传感器扩大动态范围的
现有技术包括：
[0006] 1.测量达到
阈值的时钟周期的个数。见，例如，Konuma的编号5,650,643的美国
专利。
[0007] 2.捕捉具有不同积分时间的两个或更多关联图像，并将该多个图像合并为单个高动态范围图像。见，例如，″Wide Intrascene Dynamic Range CMOS APS Using Dual Sampling″，Orly Yadid-Pecht等，1997IEEE Workshop on Charge-Coupled Device and Advanced Image Sensors，以及″A640×512CMOS Image Sensor with Ultra Wide Dynamic Range Floating Point Pixel Level ADC″，D.X.D.Yang等，ISSCC Digest ofTechnical Papers，1999年2月。
[0008] 3.对数转换功能像素架构。见，例如，S.Kavadias等，“Alogarithmic response CMOS image sensor with on-chip calibration”，IEEE J.Solid State Circuits，第35卷，第8号，2000年8月。
[0009] 4.在积分过程中改变复位
门的等级。其
电流向电荷转化的功能被压缩，从而提高最大非饱和电流。见，例如，Sayag的编号5.055,667的美国专利，以及S.J.Decker等的“A256x256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-Parallel Digital Output”，IEEE J.Solid State Circuits，第33卷，pp.2081-2091，1998年12月。
[0010] 5.在空间上改变曝光：
[0011] a.中性
密度过滤器被置于传感器上，以使得具有较暗过滤器的像素对高
亮度的光进行
采样，而具有较亮过滤器的像素对低亮度的光进行采样。使用低通滤波或更精密的技术例如三次插值来合成高动态范围图像。见，例如，Nayer的编号6,864,916的美国专利。
[0012] b.单独地复位像素。见，例如，Merrill的编号5,892,541的美国专利，以及Orly Yadid-Pecht等的编号6,175,383的美国专利。
[0013] ′383专利值得进一步讨论。由图1(复制了′383专利的图3)可见，对照传统的3TAPS设计，′383专利用一个附加的晶体管实现了单独像素复位。这些像素的复位可以在不同时间进行，但是所有像素的采样都是在采样时间完成的。通过为每个像素改变其复位时间，复位时间与采样时间之间的时间(积分周期)可以根据需要为每个像素而改变。
[0014] 由图1可见，′383专利还教导了通过激活行选择晶体管56并读取列总线60上的
电压来进行无损性读取。无损性读取可以用于为感兴趣的给定范围来确定最佳曝光周期。
[0015] 在运行中，当行复位线路RRST和列复位线路CRST52同时较高时，逻辑复位晶体管48会打开(turn on)且
节点LRST50为高，而该像素将被复位。否则，行复位晶体管48中通过
低电压，该低电压不会激活该逻辑复位晶体管。同一列上的像素共享列复位线路52。再转到图2(复制了′383专利的图5)，′383专利示出了，通过改变单个像素的复位时间，可以实现T、T1、T2或T3的积分时间。注意每个像素不包含存储器，而且像素的复位时间必须由外围处理线路决定。
[0016] 这个现有的解决方案与其它技术相比具有优势，但其仍无法提供完全令人满意的性能。
附图说明
[0017] 通过附图，以示例的方式描述本发明。本发明的范围由
权利要求确定，这些附图应被理解为具有示例性而非限定性。
[0018] 图1为使用四个晶体管的现有技术中的像素设计。
[0019] 图2为图1现有技术中的像素的时间图。
[0020] 图3为根据公开的
实施例的像素中应用的存储器闩
锁电路。
[0021] 图4为示出了图3中的存储器闩锁电路的运行的时间图。
[0022] 图5为根据公开的实施例的像素的电路图。
[0023] 图6为示出了图5中像素的运行的时间图。
[0024] 图7为根据另一公开的实施例的像素的电路图。
[0025] 图8为示出了图7中像素的运行的时间图。
[0026] 图9为用于读出图5中像素的读取电路的
框图。
[0027] 图10为用于读出图7中像素的读取电路的框图。
[0028] 详细说明
具体实施方式
[0029] 在接下来的说明中，术语“实施例”并不限定为多于一个实施例，相反，其范围包括一个实施例，多于一个实施例，或可能是所有实施例。
[0030] 如将在下面详述地，公开的实施例通过单独控制每个像素的曝光时间来扩大图像传感器的动态范围。进一步地，公开的实施例中，每个像素具有“存储器单元”。在曝光开始之前，该光传感器连接到漏极(drain)。
[0031] 另外，公开的实施例能够以高
帧率来运行该图像传感器。进一步地，该图像传感器使用来自前一帧或前多帧的信息来为当前帧预期曝光时间。
[0032] 图3示出了包含在公开的图像传感器的像素中的存储器闩锁电路。该存储器闩锁电路完成闩锁的功能。其包括
开关晶体管M1，闩锁晶体管M2，和存储器节点MEM。固有寄生电容器、开关晶体管M1的栅极电容、以及闩锁晶体管M2的源极的
PN结电容，被用作存储装置来存储逻辑高信号或逻辑
低信号。闩锁晶体管M2的栅极连接到行复位线路ROW。闩锁晶体管M2的漏极连接到列复位线路COL。闩锁晶体管M2的源极连接到存储器节点MEM。
[0033] 图4示出了用于实现闩锁功能的时间图。在图4中，使ROW信号产生脉冲。在第一个脉冲处，线路COL上的信号被置于存储器节点MEM上。在ROW线路上的第一个脉冲的下降沿，使得晶体管M2关断(shut off)，并导致该信号存储在存储器节点MEM中。为了最小化对光电
二极管的影响，在一个实施例中，线路COL上的逻辑值在ROW的逻辑值变为高之前就已就位(也即，稳定)，并且该逻辑值将保持到ROW变为低之后。
[0034] 由于ROW上的信号为低，COL的逻辑值不会影响存储在存储器节点MEM中的逻辑值。注意在图4中，图示的阴影区域表示不确定的或不相干的信号。在图4中，如果COL上的信号为高，那么在ROW线路脉冲形成高信号后，该存储器节点将为高。如果COL上的信号为低(见于第三个ROW脉冲的起始)，那么该存储器节点MEM将为低。最终，就在最后一个ROW脉冲之前，COL信号变为高，而存储器节点MEM再一次变为高。如此，图3运行为一个存储在列复位线路COL上的信号的存储装置。存储由该行复位线路ROW来启动。
[0035] 图5示出了能够进行实现单独像素复位和像素内存储器的全像素电路。示出了单个的像素，其包含了图3中晶体管M1和M2的闩锁功能。在图5中，该存储器节点被标为NTX。M1是该
光电二极管和
源极跟随器M4的栅极之间的传输门。注意图5中示出了光电二极管，但是可以理解，可以很容易地用其它类型的光敏装置如
钉扎光电二极管、光电门及类似物来替代该光电二极管。因此，在此处及权利要求书中使用的术语光电二极管，代表任何能够将入射光转换为
电信号的光敏装置。
[0036] M4为源极跟随器，其在浮动节点NF上的信号将被读出时，对该浮动节点NF上的该信号进行放大。M3为用于将该浮动节点NF复位为固定电压的复位晶体管。
[0037] 通常，行读取选择晶体管M5是关断的，除非在需要读取像素行时，它会被打开。因此，选择晶体管M5将像素与列信号总线SIG隔离。
[0038] 复位晶体管M3的栅极连接到行总线RST。复位晶体管M3和源极跟随器M4的漏极均连接到线路VD，典型地，线路VD是在多数情况下具有电压VD的电源线。闩锁晶体管M2的栅极连接到行复位线路ROW，且其漏极连接到列复位线路COL。行总线RST总是有效的，除非该行被选出来读取。当该行没有被选出读取时(也即，当行总线RST为高时)，该浮动节点NF连接到线路VD。
[0039] 作为替代方式，该浮动节点NF可以连接到单独的
电源电压参考并被单独控制。换言之，该复位晶体管M3的漏极可以不连接到线路VD，而是连接到单独的线路，该线路具有另外的电源电压参考。这可能有利于控制“暗电路(dark current)”。
[0040] 利用像素设计中的该存储器节点NTX，在这个像素的积分开始之前，高电压信号(来自列复位线路COL)就被存储在NTX中。这使得该传输晶体管M1打开。于是，由于行总线RST也为高，该光电二极管连接到承载着电压VD的线路VD。这个光电二极管中在积分开始之前聚集的电荷将会向线路VD排放。因此，由于该光电二极管可以向线路VD排放，该光电二极管在积分之前就“空”了。这可以防止浮散。一方面，晶体管M1也可以被视为是一个“复位”晶体管，因为如果M1打开，该光电二极管会被保持或复位到线路VD上的电压VD。
[0041] 当这个像素的积分开始，存储器节点NTX中的信号(从列复位线路COL上的信号)变换到低。当NTX变为低，该光电二极管被与该浮动节点NF和线路VD隔离。然后，该光电二极管开始积蓄电荷。
[0042] 具体地，图6示出了时间图，其中作为例子，假设每个像素共有5个可能的积分时间。假设该像素的积分时间是T3。当为具有积分时间T5和T4的像素选择该行时，该列复位线路COL为高。在ROW线路上的第三个脉冲之前，该存储器节点NTX为高。该光电二极管连接到放电线路(线路VD)且电荷不会在该二极管中积聚电荷，因此不会发生浮散。就在该ROW线路上的第三个脉冲之前，该列复位线路COL变为低-这表示对于该像素，积分应该开始。因为COL为低，所以从所述第三个脉冲的上升沿开始，该存储器节点NTX为低。
[0043] 由于NTX承载着一个低信号，传输门M1关断(将该光电二极管从线路VD隔离和断开)，且电荷开始在该光电二极管中积聚。在采样时间，该ROW线路和COL线路均为高，激活了该传输晶体管M1。该RST线路为低，其关断了该复位晶体管M3。而后，光电二极管中积聚的电荷移到该浮动节点NF。节点NF上的信号接着被源极跟随器M4放大，并在选择晶体管M5被线路RS打开时被读取。
[0044] 可见，通过控制该ROW线路和COL线路上的信号，可以在逐个像素的
基础上对每个像素的积分周期进行控制。在实用中，由于每个COL线路对应一列的像素，可以同时对一整行像素的积分时间进行控制。注意示出了另外两个信号：Hold1和Hold2。这两个信号与列
放大器中的相关二次采样(CDS)电路关联地使用。对这两个信号的使用在本领域中已有，而且一般地，在复位和读取过程中对信号线路进行采样来消除固定噪声和kTC噪声。
[0045] 图7为根据本发明公开的像素的另一实施例。该像素能够利用像素内存储器进行个体像素复位。该闩锁晶体管M2和开关M1作为光电二极管像素内的侧向溢流口(lateral overflow drain)。在积分开始之前，该存储器节点NLRST总为高。该侧向溢流口晶体管M1打开，从而将该光电二极管连接到承载着电压VD的线路VD。于是，该光电二极管在积分之前为“空”，且在积分之前也没有浮散。与图5所示实施例不同，图7中的这个光电二极管
信号传输晶体管M5由专线TX控制，而不是由COL和ROW的组合来控制。
[0046] 图8所示的时间图描绘了图7中像素的运行。仍假设这个特定的像素的积分时间是T3。就在ROW线路的第三个脉冲之前，该像素的COL线路变为低。这使得在存储器节点NLRST处存储低信号，从而将该光电二极管从该线路VD隔离。在积分之前，该线路NLRST已经存储了来自该COL线路的高信号，其打开该晶体管M1并将该光电二极管连接到VD。在积分时间周期随COL线路转低而开始后，该光电二极管被隔离而可以开始积聚电荷。在读取时间，线路TX变高并打开光电二极管信号传输晶体管M5，允许光电二极管中积聚的电荷转到浮动节点NF。注意就在读取之前，通过在线路RST上施加一个高信号来打开复位晶体管M3从而复位该浮动节点NF。节点NF上的信号被源极放大器M4放大，并被读取到线路SIG上。
[0047] 实用中，每个帧内的可能的积分周期的数目限定在一个具体数字。积分周期的数目为2、4、8、或16等数字可能会比较有利。可见，所有这些数字都是2的幂并取决于多少比特被用于表示积分周期。在实施中，一个N个可能的积分周期的表
覆盖了每个像素的所有可能的曝光次数。每个像素具有标记n(n在1和N之间)，表示曝光时间。实际的曝光时间可以在该曝光时间表中找到。每个像素的曝光时间取决于，例如，回顾之前的一帧或多帧且在积分结束发出的信号低于饱和
水平。
[0048] 本领域技术人员将会理解，外围控制电路用于向线路发送合适的
定时信号和高/低信号。图5中的像素的一个示例性结构如图9所示。定时和控制电路连接到像素曝光存储器。该像素曝光存储器由之前的一帧或多帧识别出画面中呈现饱和水平或低亮度水平的区域。基于这一信息，被影响的像素的积分周期被向上或向下调整以扩大动态范围。该定时和控制电路向行
解码器和行驱动电路、列相关二次采样(CDS)和列模拟数字转换器、以及列解码器提供
控制信号。这些信号实现了每个像素的复位、读取、和积分时间功能。图10示出了图7中像素的类似电路。注意该存储器和控制电路可以和该图像传感器位于同一芯片或不同的芯片上。
[0049] 各个实施例的特征和方面可以并入到其它实施例中，且本文中所描述的实施例可以在不具有所描述或介绍的全部特征和方面而得以实施。本领域普通技术人员将会理解，尽管已经为说明之目的而对该系统和方法的具体例子和实施例进行了介绍，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种各样的改动。例如，本发明的实施例可以用于具有不同类型光敏装置的图像传感器，这些光敏装置例如光电二极管、光电门、钉扎光电二极管、及其等同物。另外，一个实施例的特征可以并入到其他实施例中，即使本文中并未在单个实施例中将那些特征一并介绍。因此，本发明如随附的权利要求书所述。
