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图像 传感器、减少发光 二极管闪烁的方法及成像系统

阅读：952发布：2020-05-15

专利汇可以提供图像传感器、减少发光二极管闪烁的方法及成像系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种图像传感器、减少发光二极管闪烁的方法及成像系统。电压产生器提供转移栅极电压到转移晶体管。转移栅极电压是转移通态电压、转移断态电压或撇取电压。转移晶体管转移在光电二极管上产生的电荷到浮动扩散。转移栅极上的电压控制从光电二极管转移到浮动扩散的电荷量。复位晶体管将光电二极管和浮动扩散预充电到电源电压。第一启用晶体管控制从浮动扩散转移到第一电容器的电荷量。第二启用晶体管控制从浮动扩散转移到第二电容器的电荷量。第一和第二启用晶体管在激活后接收其单独的周期性控制脉冲。将在第一和第二电容器上收集的电荷转移到浮动扩散。源极跟随器晶体管放大浮动扩散上呈现的电压。行选择晶体管发送放大电压到位线以用于信号读出。，下面是图像传感器、减少发光二极管闪烁的方法及成像系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有高动态范围(HDR)以及减少的发光二极管(LED)闪烁的撇取光电二极管图像传感器，其特征在于，包括：
转移晶体管(220)，耦合成将产生的电荷从互补型金属氧化物半导体(CMOS)光电二极管(PD)(202)转移到浮动扩散(FD)(230)；
电压产生器(210)，耦合成从控制电路(104)接收选择信号(214)以及将转移栅极电压(222)提供到所述转移晶体管(220)，其中所述选择信号(214)选择所述转移栅极电压成为转移通态电压VHI、转移断态电压VLO以及撇取电压VSK中的一个；
复位晶体管(240)，耦合成在复位栅极电压(242)的控制下通过电压源VRFD(244)将复位电压引入到所述浮动扩散(230)，其中所述复位栅极电压(242)由所述控制电路(104)控制，其中所述VRFD(244)是由所述控制电路(104)的VSEL(239)控制的可编程电压，其中VRFD(244)在AVDD(232)与HIVDD(236)的两个值之间进行选择，其中HIVDD是比AVDD更高的电位；
源极跟随器晶体管(SF)(250)，耦合成在其栅极处接收所述浮动扩散(230)的电压以及在其源极处提供放大电压(254)；
行选择晶体管(RS)(260)，耦合成接收所述源极跟随器晶体管的源极处的所述放大电压(254)以及在行选择晶体管栅极电压(262)的控制下将这一电压提供到位线(264)，其中所述行选择晶体管栅极电压(262)由所述控制电路(104)控制，以及位线(264)连接到读出电路(106)；
第一启用晶体管(270)，耦合成启用从所述浮动扩散(230)到第一电容器(276)的电荷转移，其中所述第一启用晶体管(270)的第一电荷启用信号(272)由所述控制电路(104)控制；以及
第二启用晶体管(280)，耦合成启用从所述浮动扩散(230)到第二电容器(286)的电荷转移，其中所述第二启用晶体管(280)的第二电荷启用信号(282)由所述控制电路(104)控制。
2.根据权利要求1所述的撇取光电二极管图像传感器，其特征在于，所述转移晶体管(210)上的所述转移栅极电压(222)控制可从所述光电二极管(202)转移到所述浮动扩散(230)的所述电荷的量，以及所述撇取电压VSK设置在TG的所述转移通态电压VHI与所述转移断态电压VLO之间。
3.根据权利要求1所述的撇取光电二极管图像传感器，其特征在于，所述互补型金属氧化物半导体光电二极管(PD)是在普通光电二极管的n-层的顶部上添加有p+层的钉扎光电二极管(PPD)。
4.根据权利要求1所述的撇取光电二极管图像传感器，其特征在于，所述第一电荷启用信号(272)在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管(270)；以及所述第二电荷启用信号(282)在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管(280)，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同。
5.根据权利要求1所述的撇取光电二极管图像传感器，其特征在于，所述第一电荷启用信号(272)的第一脉宽以及所述第二电荷启用信号(282)的第二脉宽由所述控制电路(104)控制以适应于光照条件。
6.根据权利要求1所述的撇取光电二极管图像传感器，其特征在于，所述第一电荷启用信号(272)在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管(270)；所述第二电荷启用信号(282)在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管(280)；以及所述复位栅极电压(242)在复位时间周期期间接通所述复位晶体管(240)，其中所述复位时间周期与所述第一时间周期不同，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同，其中所述第二时间周期与所述复位时间周期不同。
7.一种对光电二极管图像传感器进行撇取以减少发光二极管(LED)闪烁的方法，其特征在于，按照以下顺序包括：
(a)通过光电二极管(202)从发光二极管(298)接收照明输入，其中所述发光二极管(298)通过发光二极管电源(290)以及由所述发光二极管在发光二极管频率下周期性地以交替的强以及暗淡的方式产生的光来供电；
(b)(步骤402)通过将复位栅极(RST)(242)、第一电荷启用信号(272)以及第二电荷启用信号(282)中的每一个设置成高压来通过电压源VRFD(244)将第一电容器(276)以及第二电容器(286)预充电到已知电位HIVDD，其中所述VRFD(244)是由所述控制电路(104)控制的可编程电压，其中VRFD(244)在AVDD与HIVDD的两个值之间进行选择，其中HIVDD是比AVDD更高的电位；；
(c)(步骤403)通过将复位栅极(RST)(242)以及转移栅极(TX)(222)设置成高压来通过VRFD(244)将光电二极管(PD)(202)以及浮动扩散(FD)(230)预充电到已知电位AVDD；
(d)使所述光电二极管(202)曝光于所述来源于所述发光二极管(298)的照明；
(e)(步骤404)向所述TX(222)提供由所述电压产生器(210)产生的撇取电压VSK，其中所述撇取电压VSK保持所述转移晶体管(220)适当地接通以及保持所述光电二极管(202)处累积的过量电荷泄漏到所述浮动扩散(230)；
(f)(步骤410)在第一电荷交错频率下周期性地接通以及断开所述第一电荷启用信号(272)，在此期间所述光电二极管(202)曝光于所述发光二极管(292)；
(g)(步骤412)在第二电荷交错频率下周期性地接通以及断开所述第二电荷启用(282)，在此期间所述光电二极管(202)曝光于所述发光二极管(298)；
(h)(步骤424)在10到100个电荷循环后断开所述第一电荷启用(272)、所述第二电荷启用(282)以及所述TX(222)；
(i)(步骤426)通过接通以及断开所述TX(242)紧接着断开所述第一电荷启用(272)、所述第二电荷启用(282)以及所述TX(222)来复位所述浮动扩散(230)；
(j)(步骤428)读取所述浮动扩散(230)上来自暗电流的第一背景电荷，其中当由行选择信号(RS)(262)接通行选择晶体管(260)时，第一背景电压提供于位线(264)上，其中所述行选择信号由所述控制电路(104)控制；
(k)通过接通以及接着断开所述转移晶体管(220)来将所述电荷从所述光电二极管(202)转移到所述浮动扩散(230)；
(l)(步骤430)读取从所述光电二极管(202)转移到所述浮动扩散(230)的光产生信号电荷，其中当由所述行选择(RS)(262)接通所述行选择晶体管(260)时，信号电压提供于所述位线(264)上，其中所述行选择信号由所述控制电路(104)控制；
(m)通过接通以及断开所述RST(242)来通过VRFD(244)将所述浮动扩散(230)复位到电压HIVDD，其中所述复位栅极电压(242)由所述控制电路(104)控制；
(n)(步骤431)读取所述浮动扩散(230)上来自暗电流的第二背景电荷，其中当由行选择信号(RS)(262)接通行选择晶体管(260)时，第二背景电压提供于位线(264)上，其中所述行选择信号由所述控制电路(104)控制；
(p)(步骤432)通过接通以及断开所述第一启用晶体管(270)来读取从所述第一电容器(276)到所述浮动扩散(230)的第一电容器电荷，其中当由所述行选择信号(262)接通所述行选择晶体管(260)时，第一电容器电压提供于所述位线(264)上，其中所述行选择信号由所述控制电路(104)控制；
(q)通过接通以及断开所述复位栅极电压(242)来通过VRFD(244)将所述浮动扩散(230)复位到HIVDD；以及
(r)(步骤434)通过接通以及断开所述第二启用晶体管(280)来读取从所述第二电容器(286)到所述浮动扩散(230)的第二电容器电荷，其中当由所述行选择信号(262)接通所述行选择晶体管(260)时，第二电容器电压提供于所述位线(264)上，其中所述行选择信号由所述控制电路(104)控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，(f)中的所述第一电荷交错频率与(g)中的所述第二电荷交错频率相同。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，(f)中的所述第一电荷交错频率是所述发光二极管频率的3倍到10倍，以及(g)中的所述第二电荷交错频率是所述发光二极管频率的
3倍到10倍，以及所述第一电荷交错频率以及所述第二电荷交错频率由所述控制电路(104)控制。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一电荷启用具有第一工作循环以激活对所述第一电容器(270)的电荷收集。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二电荷启用具有第二工作循环以激活对所述第二电容器(280)的电荷收集。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一启用晶体管(270)在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管(270)；以及所述第二电荷启用信号(282)在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管(280)，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一电荷启用信号(272)在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管(270)；所述第二电荷启用信号(282)在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管(280)；以及所述复位栅极电压(242)在复位时间周期期间接通所述复位晶体管(240)，其中所述复位时间周期与所述第一时间周期不同，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同，其中所述第二时间周期与所述复位时间周期不同。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，存储从位线(264)读取的去到读出电路(106)的第一背景电压以及信号电压，以及从所述信号电压减去所述第一背景电压以完成相关双取样(CDS)过程。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，存储从所述位线(264)读取的去到所述读出电路(106)的第一电容器电压以及第二电容器电压，以及从所述第一电容器电压减去所述第一背景电压，以及从所述第二电容器电压减去所述第一背景电压，以完成所述相关双取样(CDS)过程。
16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，存储从所述位线(264)读取的去到所述读出电路(106)的第一电容器电压以及第二电容器电压，以及从所述第一电容器电压减去所述第二背景电压，以及从所述第二电容器电压减去所述第二背景电压，以完成所述相关双取样(CDS)过程。
17.一种具有撇取光电二极管以及减少的发光二极管(LED)闪烁的高动态范围(HDR)成像系统(100)，其特征在于，包括：
像素单元的像素阵列(102)，其中所述像素单元中的每一个包含：
转移晶体管(220)，耦合成将产生的电荷从互补型金属氧化物半导体(CMOS)光电二极管(PD)(202)转移到浮动扩散(FD)(230)，其中转移晶体管(210)上的转移栅极电压(222)控制可从所述光电二极管(202)转移到所述浮动扩散(230)的所述电荷的量；
电压产生器(210)，耦合成从控制电路(104)接收选择信号(214)以及将转移栅极电压(222)提供到所述转移晶体管(220)，其中所述选择信号(214)选择所述转移栅极电压成为转移通态电压VHI、转移断态电压VLO以及撇取电压VSK中的一个；
复位晶体管(240)，耦合成在复位栅极电压(242)的控制下通过电压源VRFD(244)将复位电压引入到浮动扩散(230)，其中所述复位栅极电压(242)由所述控制电路(104)控制，其中VRFD(244)是由所述控制电路(104)的VSEL(239)控制的可编程电压，其中VRFD(244)在AVDD(232)与HIVDD(236)的两个值之间进行选择，其中HIVDD是比AVDD更高的电位；
源极跟随器晶体管(SF)(250)，耦合成在其栅极处接收所述浮动扩散(230)的电压以及在其源极处提供放大电压(254)；
行选择晶体管(RS)(260)，耦合成在所述源极跟随器晶体管的源极处接收所述放大电压(254)以及在行选择晶体管栅极电压(262)的控制下将这一电压提供到位线(264)；
第一启用晶体管(270)，耦合成启用从所述浮动扩散(230)到第一电容器(276)的电荷转移；
第二启用晶体管(280)，耦合成启用从所述浮动扩散(230)到第二电容器(286)的电荷转移；
控制电路(104)，耦合到所述像素阵列(102)以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路(106)，耦合到所述像素阵列(102)以从多个像素读出图像数据。
18.根据权利要求16所述的高动态范围成像系统，其特征在于，进一步包括耦合到发光二极管电源(190)的发光二极管(192)光源，其中所述发光二极管交替地在发光二极管频率下周期性地发射可见光，所述发光二极管频率由多个光电二极管(202)中的每一个检测到。
19.根据权利要求16所述的高动态范围成像系统，其特征在于，所述撇取电压VSK设置在转移栅极TX(222)的所述转移通态电压VHI与所述转移断态电压VLO之间。
20.根据权利要求16所述的撇取光电二极管，其特征在于，所述光电二极管是在普通光电二极管的n-层的顶部上添加有p+层的钉扎光电二极管(PPD)。
21.根据权利要求16所述的撇取光电二极管，其特征在于，所述第一电容器(276)以及所述第二电容器(286)紧靠像素阵列(102)中的多个像素中的每个像素进行集成。

说明书全文

图像传感器、减少发光 二极管闪烁的方法及成像系统

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及高动态范围(high dynamic range；HDR)图像传感器，且确切地说但非排他地，涉及能够减少因发光二极管(light-emitting diode；LED)照明所致的闪烁的施加至HDR图像传感器中的光电二极管的撇取过程。

背景技术

[0002] 图像传感器已变得随处可见。它们广泛用于数字静物摄影机、蜂窝式电话、安保摄像头，以及医学、汽车和其它应用。高动态范围(HDR)图像传感器已为那些应用中的许多应用所需要。人的眼睛一般具有至多约100dB的动态范围。对于汽车应用，通常需要大于100dB动态范围的图像传感器来处理不同驾驶条件，诸如穿过黑暗隧道到明亮太阳光下的驾驶。

[0003] HDR图像传感器并不始终适当地执行HDR功能。常见缺点包含因固定模式噪声所致的图像劣化、大的随机噪声、与电荷溢出(blooming)相关联的减小分辨率、运动伪影、固定灵敏度以及当使用多个光电二极管时的较低填充因数，其中填充因数是像素的感光区域与其总面积的比率。

[0004] 当HDR图像传感器用于从LED接收光时，伪影是因LED光的工作循环(duty cycle)所致的常见位置。LED倾向于以脉冲方式而不是以连续和平稳的方式向外发射光。这使得由于LED的发射脉冲与图像传感器的接收脉冲之间的失配而难以捕获那些LED光脉冲。举例来说，LED交通灯每秒可闪烁数百次。许多现代汽车中使用的前灯和刹车灯表现非常类似。

[0005] 典型LED一般由脉宽调制(pulse-width modulation；PWM)控制器驱动。使用PWM具有益处，诸如可通过工作循环调整光强度、较少热量堆积以延长使用寿命以及省电。当LED脉冲接通时，其提供高光照条件。当LED脉冲断开时，其提供低光照条件。调制频率从数十赫兹到数千赫兹不等。这通常不能被人的眼睛看到。然而，快速LED脉冲使得常规方法(即使有HDR能力加持)难以执行适当LED成像。由于传感器的捕获率可能容易与LED的发光率失配，因此大多数情况下，从帧到帧不能均匀地捕获LED光。即使二次曝光技术也不能有效地减少LED闪烁。这其中的一个最坏状况是由LED制造的汽车灯，当它与太阳光的强反射混合时，需要被检测到。

发明内容

[0006] 本发明的具有高动态范围以及减少的发光二极管闪烁的撇取光电二极管图像传感器，包括：转移晶体管，耦合成将产生的电荷从互补型金属氧化物半导体光电二极管转移到浮动扩散；电压产生器，耦合成从控制电路接收选择信号以及将转移栅极电压提供到所述转移晶体管，其中所述选择信号选择所述转移栅极电压成为转移通态电压、转移断态电压以及撇取电压中的一个；复位晶体管，耦合成在复位栅极电压的控制下通过电压源将复位电压引入到所述浮动扩散，其中所述复位栅极电压由所述控制电路控制，其中所述电压源是由所述控制电路的电压选择信号控制的可编程电压，其中电压源在第一已知电位与第二已知电位的两个值之间进行选择，其中第二已知电位是比第一已知电位更高的电位；源极跟随器晶体管，耦合成在其栅极处接收所述浮动扩散的电压以及在其源极处提供放大电压；行选择晶体管，耦合成接收所述源极跟随器晶体管的源极处的所述放大电压以及在行选择晶体管栅极电压的控制下将这一电压提供到位线，其中所述行选择晶体管栅极电压由所述控制电路控制，以及位线连接到读出电路；第一启用晶体管，耦合成启用从所述浮动扩散到第一电容器的电荷转移，其中所述第一启用晶体管的第一电荷启用信号由所述控制电路控制；以及第二启用晶体管，耦合成启用从所述浮动扩散到第二电容器的电荷转移，其中所述第二启用晶体管的第二电荷启用信号由所述控制电路控制。

[0007] 在本发明的示范实施例中，所述转移晶体管上的所述转移栅极电压控制可从所述光电二极管转移到所述浮动扩散的所述电荷的量，以及其中所述撇取电压设置在转移栅极的所述转移通态电压与所述转移断态电压之间。

[0008] 在本发明的示范实施例中，所述互补型金属氧化物半导体光电二极管是在普通光电二极管的n-层的顶部上添加有p+层的钉扎光电二极管。

[0009] 在本发明的示范实施例中，所述第一电荷启用信号在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管；以及所述第二电荷启用信号在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同。

[0010] 在本发明的示范实施例中，所述第一电荷启用信号的第一脉宽以及所述第二电荷启用信号的第二脉宽由所述控制电路控制以适应于光照条件。

[0011] 在本发明的示范实施例中，所述第一电荷启用信号在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管；所述第二电荷启用信号在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管；以及所述复位栅极电压在复位时间周期期间接通所述复位晶体管，其中所述复位时间周期与所述第一时间周期不同，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同，其中所述第二时间周期与所述复位时间周期不同。

[0012] 本发明的对光电二极管图像传感器进行撇取以减少发光二极管闪烁的方法，按照以下顺序包括：(a)通过光电二极管从发光二极管接收照明输入，其中所述发光二极管通过发光二极管电源以及由所述发光二极管在发光二极管频率下周期性地以交替的强以及暗淡的方式产生的光来供电；(b)通过将复位栅极、第一电荷启用信号以及第二电荷启用信号中的每一个设置成高压来通过电压源将第一电容器以及第二电容器预充电到第二已知电位，其中所述电压源是由所述控制电路控制的可编程电压，其中电压源在第一已知电位与第二已知电位的两个值之间进行选择，其中第二已知电位是比第一已知电位更高的电位；(c)通过将复位栅极以及转移栅极设置成高压来通过电压源将光电二极管以及浮动扩散预充电到第一已知电位；(d)使所述光电二极管曝光于所述来源于所述发光二极管的照明；
(e)向所述转移栅极提供由所述电压产生器产生的撇取电压，其中所述撇取电压保持所述转移晶体管适当地接通以及保持所述光电二极管处累积的过量电荷泄漏到所述浮动扩散；
(f)在第一电荷交错频率下周期性地接通以及断开所述第一电荷启用信号，在此期间所述光电二极管曝光于所述发光二极管；(g)在第二电荷交错频率下周期性地接通以及断开所述第二电荷启用信号，在此期间所述光电二极管曝光于所述发光二极管；(h)在10到100个电荷循环后断开所述第一电荷启用信号、所述第二电荷启用信号以及所述转移栅极；(i)通过接通以及断开所述复位栅极紧接着断开所述第一电荷启用信号、所述第二电荷启用信号以及所述转移栅极来复位所述浮动扩散；(j)读取所述浮动扩散上来自暗电流的第一背景电荷，其中当由行选择信号接通行选择晶体管时，第一背景电压提供于位线上，其中所述行选择信号由所述控制电路控制；(k)通过接通以及接着断开所述转移晶体管来将所述电荷从所述光电二极管转移到所述浮动扩散；(l)读取从所述光电二极管转移到所述浮动扩散的光产生信号电荷，其中当由所述行选择信号接通所述行选择晶体管时，信号电压提供于所述位线上，其中所述行选择信号由所述控制电路控制；(m)通过接通以及断开所述复位栅极来通过电压源将所述浮动扩散复位到第二已知电位，其中所述复位栅极电压由所述控制电路控制；(n)读取所述浮动扩散上来自暗电流的第二背景电荷，其中当由行选择信号接通行选择晶体管时，第二背景电压提供于位线上，其中所述行选择信号由所述控制电路控制；
(p)通过接通以及断开所述第一启用晶体管来读取从所述第一电容器到所述浮动扩散的第一电容器电荷，其中当由所述行选择信号接通所述行选择晶体管时，第一电容器电压提供于所述位线上，其中所述行选择信号由所述控制电路控制；(q)通过接通以及断开所述复位栅极电压来通过电压源将所述浮动扩散复位到第二已知电位；以及(r)通过接通以及断开所述第二启用晶体管来读取从所述第二电容器到所述浮动扩散的第二电容器电荷，其中当由所述行选择信号接通所述行选择晶体管时，第二电容器电压提供于所述位线上，其中所述行选择信号由所述控制电路控制。

[0013] 在本发明的示范实施例中，(f)中的所述第一电荷交错频率与(g)中的所述第二电荷交错频率相同。

[0014] 在本发明的示范实施例中，(f)中的所述第一电荷交错频率是所述发光二极管频率的3倍到10倍，以及(g)中的所述第二电荷交错频率是所述发光二极管频率的3倍到10倍，以及所述第一电荷交错频率以及所述第二电荷交错频率由所述控制电路控制。

[0015] 在本发明的示范实施例中，所述第一电荷启用信号具有第一工作循环以激活对所述第一电容器的电荷收集。

[0016] 在本发明的示范实施例中，所述第二电荷启用信号具有第二工作循环以激活对所述第二电容器的电荷收集。

[0017] 在本发明的示范实施例中，所述第一电荷启用信号在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管；以及所述第二电荷启用信号在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同。

[0018] 在本发明的示范实施例中，所述第一电荷启用信号在第一时间周期期间接通所述第一启用晶体管；所述第二电荷启用信号在第二时间周期期间接通所述第二启用晶体管；以及所述复位栅极电压在复位时间周期期间接通所述复位晶体管，其中所述复位时间周期与所述第一时间周期不同，其中所述第一时间周期与所述第二时间周期不同，其中所述第二时间周期与所述复位时间周期不同。

[0019] 在本发明的示范实施例中，存储从位线读取的去到读出电路的第一背景电压以及信号电压，以及其中从所述信号电压减去所述第一背景电压以完成相关双取样过程。

[0020] 在本发明的示范实施例中，存储从所述位线读取的去到所述读出电路的第一电容器电压以及第二电容器电压，以及其中从所述第一电容器电压减去所述第一背景电压，以及从所述第二电容器电压减去所述第一背景电压，以完成所述相关双取样过程。

[0021] 在本发明的示范实施例中，存储从所述位线读取的去到所述读出电路的第一电容器电压以及第二电容器电压，以及其中从所述第一电容器电压减去所述第二背景电压，以及从所述第二电容器电压减去所述第二背景电压，以完成所述相关双取样过程。

[0022] 本发明的具有撇取光电二极管以及减少的发光二极管闪烁的高动态范围成像系统，包括：像素单元的像素阵列，其中所述像素单元中的每一个包含：转移晶体管，耦合成将产生的电荷从互补型金属氧化物半导体光电二极管转移到浮动扩散，其中转移晶体管上的转移栅极电压控制可从所述光电二极管转移到所述浮动扩散的所述电荷的量；电压产生器，耦合成从控制电路接收选择信号以及将转移栅极电压提供到所述转移晶体管，其中所述选择信号选择所述转移栅极电压成为转移通态电压、转移断态电压以及撇取电压中的一个；复位晶体管，耦合成在复位栅极电压的控制下通过电压源将复位电压引入到浮动扩散，其中所述复位栅极电压由所述控制电路控制，其中电压源是由所述控制电路的电压选择信号控制的可编程电压，其中电压源在第一已知电位与第二已知电位的两个值之间进行选择，其中第二已知电位是比第一已知电位更高的电位；源极跟随器晶体管，耦合成在其栅极处接收所述浮动扩散的电压以及在其源极处提供放大电压；行选择晶体管，耦合成在所述源极跟随器晶体管的源极处接收所述放大电压以及在行选择晶体管栅极电压的控制下将这一电压提供到位线；第一启用晶体管，耦合成启用从所述浮动扩散到第一电容器的电荷转移；第二启用晶体管，耦合成启用从所述浮动扩散到第二电容器的电荷转移；控制电路，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，耦合到所述像素阵列以从多个像素读出图像数据。

[0023] 在本发明的示范实施例中，高动态范围成像系统进一步包括耦合到发光二极管电源的发光二极管光源，其中所述发光二极管交替地在发光二极管频率下周期性地发射可见光，所述发光二极管频率由多个光电二极管中的每一个检测到。

[0024] 在本发明的示范实施例中，所述撇取电压设置在转移栅极的所述转移通态电压与所述转移断态电压之间。

[0025] 在本发明的示范实施例中，所述光电二极管是在普通光电二极管的n-层的顶部上添加有p+层的钉扎光电二极管。

[0026] 在本发明的示范实施例中，所述第一电容器以及所述第二电容器紧靠像素阵列中的多个像素中的每个像素进行集成。附图说明

[0027] 参考以下图式描述本发明的非限制性且非穷尽性的实例，其中除非另外指定，否则遍布各图的相同的参考标号指代相同的部分。

[0028] 图1说明根据本发明的实施例的成像系统的一个实例。

[0029] 图2是根据本发明的实施例的能够减少LED闪烁的HDR成像传感器中的撇取光电二极管的框图的实例示意图。

[0030] 图3是根据本发明的实施例的在处理LED闪烁中与HDR成像传感器中的撇取光电二极管的操作相关联的实例波形。

[0031] 图4是根据本发明的实施例的与图3的事件相关联的说明性流程图。

[0032] 对应参考标号在图式的若干视图中指示对应组件。熟练的技术人员应了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而进行说明，但不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件加以放大以有助于改进对本发明的各种实施例的理解。另外，通常未描绘在商业可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件，以便呈现本发明的这些各种实施例的遮挡较少的视图。

[0033] 附图标号说明

[0034] 100：高动态范围成像系统；

[0035] 102：像素阵列；

[0036] 104：控制电路；

[0037] 106：读出电路；

[0038] 108：功能逻辑；

[0039] 190、290：发光二极管电源；

[0040] 192、298：发光二极管；

[0041] 200：图像传感器系统；

[0042] 202：光电二极管；

[0043] 210：电压产生器；

[0044] 214：选择信号；

[0045] 214、SEL：选择命令；

[0046] 220：转移晶体管；

[0047] 222：转移栅极电压；

[0048] 222、TX：转移栅极/转移信号；

[0049] 230：浮动扩散；

[0050] 232、AVDD：较低电位；

[0051] 234：电荷泵；

[0052] 236、HIVDD：较高电位；

[0053] 238：多路复用器；

[0054] 239、VSEL：电压选择信号；

[0055] 240：复位晶体管；

[0056] 242：复位栅极电压；

[0057] 242、RST：复位栅极/复位信号；

[0058] 244、VRFD：电压源；

[0059] 250：源极跟随器晶体管；

[0060] 254：放大电压/第一FD背景噪声信号/第二FD背景噪声信号；

[0061] 260：行选择晶体管；

[0062] 262：行选择晶体管栅极电压；

[0063] 262、RS：行选择信号；

[0064] 264：位线；

[0065] 270：第一启用晶体管；

[0066] 272、C0_EN：第一电荷启用信号；

[0067] 274、284：节点；

[0068] 276、C0：第一电容器；

[0069] 280：第二启用晶体管；

[0070] 282、C1_EN：第二电荷启用信号；

[0071] 286、C1：第二电容器；

[0072] 299：光

[0073] 300：撇取光电二极管；

[0074] 302、303、304、306、308、310、312、314、316、318、320、324、326、328、330、331、332、334：时间点；

[0075] 376：QC0；

[0076] 386：QC1；

[0077] 394：QPD；

[0078] 399：光强度；

[0079] 400：流程图；

[0080] 402、403、404、410、412、424、426、428、430、431、432、434：步骤/过程框；

[0081] 406、408、414、416、418、420：过程框；

[0082] C1到Cx：列；

[0083] R1到Ry：行；

[0084] VHI：转移通态电压/连接电压；

[0085] VLO：转移断态电压/断开电压；

[0086] VSK：撇取电压。

具体实施方式

[0087] 本文中描述用于HDR成像传感器中的撇取光电二极管的装置和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有一或多个具体细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等来实践本文中所描述的技术。在其它情况下，为避免混淆某些方面，未绘示或详细地描述熟知的结构、材料或操作。

[0088] 在本说明书通篇中参考“一个实例”或“一个实施例”是指结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书在不同位置中出现短语“在一实例中”或“在一个实施例中”未必都是指同一个实例。此外，在一或多个实例中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。

[0089] 在整个本说明书中，使用若干技术术语。除非本文中明确定义，或其使用情境将明显另外表明，否则这些术语将采用其在它们所出现的领域中的普通含义。

[0090] 图1说明根据本发明的实施例的成像系统100的一个实例。成像系统100包含像素阵列102、控制电路104、读出电路106以及功能逻辑108。在一个实例中，像素阵列102是光电二极管的二维(two-dimensional；2D)阵列，或图像传感器像素(例如，像素P1、像素P2……像素Pn，图式中未绘示)。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行R1到行Ry)和列(例如，列C1到列Cx)以在有或没有LED照明的情况下获得人、位置、物体等的图像数据，所述图像数据随后可用于呈现人、位置、物体等的2D图像。然而，光电二极管未必要布置成行和列，且可采取其它配置。

[0091] 在一个实例中，LED 192发射光脉冲以为待成像的物体照明，或LED 192的光脉冲由图像传感器直接感测到。在像素阵列102中的各图像传感器光电二极管/像素已通过图像电荷的光产生来获得其图像电荷后，对应图像数据由读出电路106读出且接着转移到功能逻辑108。读出电路106可耦合成从像素阵列102中的多个光电二极管读出图像数据。在不同实例中，读出电路106可包含放大电路、模数转换(analog-to-digital conversion；ADC)电路等等。在一个实例中，读出电路106可沿读出列线(说明为“读出列”)一次读出一行图像数据，或可使用多种其它技术(未说明)来读出图像数据，所述技术例如串行读出或同时完全平行读出所有像素。功能逻辑108可简单地存储图像数据，或甚至通过施加后期图像效果(例如修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度等等)来操纵图像数据。在一些实施例中，功能逻辑108可要求满足某些成像条件，且可因此指示控制电路104操纵像素阵列102中的某些参数以实现较佳质量或特殊效果。

[0092] 图2是根据本发明的实施例的能够减少LED闪烁的HDR成像传感器中的撇取光电二极管的框图的一个实例。图像传感器系统200的所说明实施例可包括照明LED 298、检测光电二极管202以及典型4晶体管(typical 4 transistor；4T)像素，其中4T部分可包含转移晶体管220、复位晶体管240、源极跟随器晶体管250以及行选择晶体管260。其中转移晶体管220的漏极、复位晶体管240的源极以及源极跟随器晶体管250的栅极相接的节点是浮动扩散(floating diffusion；FD)230。也附接到FD 230的是使第一电容器C0 276和第二电容器C1 286分别耦合到FD 230的第一启用晶体管270和第二启用晶体管280。当第一启用晶体管
270的栅极通过由控制电路104控制的第一电容器启用信号C0_EN 272来断言(asserted)时，第一电容器C0 276连接到FD 230。类似地，当第二启用晶体管280的栅极通过由控制电路104控制的第二电容器启用信号C1_EN 282来断言时，第二电容器C1 286连接到FD 230。
也在控制电路104控制下的是分别启用复位晶体管240和行选择晶体管260的导通的复位信号RST 242和行选择信号RS 262。

[0093] 转移晶体管220通过转移信号TX 222由电压产生器210启用。当断言TX 222存在高连接电压VHI时，可接通转移晶体管220，在这种情况下PD 202处累积的光产生信号电荷可完全地转移到FD 230。当断言TX 222存在足够低的断开电压VLO时，可断开转移晶体管220，在这种情况下没有电荷从PD 202转移到FD 230。当TX 222的电位适当地设置成介于连接电压VHI与断开电压VLO之间的电压时，转移晶体管部分地连接。因强照明所致的过量电荷可开始通过转移晶体管从PD 202漏泄到FD 230。使得从PD 202部分连接到FD 230的此类电位称作撇取电压(skimming voltage；VSK)。其转移晶体管220在此类撇取电压控制下的光电二极管202称作撇取光电二极管。撇取光电二极管可以是普通光电二极管或钉扎光电二极管(pinned photodiode；PPD)。在PPD情况下，物理结构方面，在制造过程中将浅P+钉扎层添加到普通光电二极管的n-层的顶部上。PPD使得撇取光电二极管概念更容易实施。

[0094] 在低曝光下，低于撇取阈值电位的电荷完全保持在PD 202内。这是高灵敏度模式。当PD 202内的电荷饱和时，在撇取模式下过量电荷溢出到FD 230。这相较于溢出到紧靠PD
202的相邻光电二极管是优选的。撇取电荷可存储于存储节点或电容器中。那些节点/电容器中的少数几个可在时间方面交错，使得各节点/电容器从LED 298得到闪烁光的一部分。
如果时间交错足够快速，那么在各节点/电容器上捕获闪烁光的至少一部分。如果曝光交错布置得足够频繁，那么可完全减少LED闪烁。过量撇取电荷可在极强光下由复位晶体管倾倒(dumped)。节点/电容器的曝光时间可通过连接到FD 230的节点/电容器的工作循环来设置。

[0095] 举例来说，当在工作循环的接通(ON)状态期间维持C0_EN 272时，激活第一电容器C0的曝光时间。C0_EN 272由控制电路104利用单个脉冲或一连串周期性脉冲来控制。C0_EN的接通状态工作循环并不与C1_EN 282的接通状态工作循环一致。按这种方式，C0和C1的曝光时间错开来且不会重叠。

[0096] 相比于普通的零电位偏置光电二极管，当VLO不利地偏置时，PPD具有较少图像滞后(image lag)、较低转移损耗、较低的热(kTC)噪声和复位噪声、小得多的暗电流和较高最大阱容(full well capacity)的优点。如在普通光电二极管中一样，普通相关双取样(correlated double sampling；CDS)在PPD中充分执行。

[0097] 可通过分析在读出电路106处收集的光产生电荷的结果来确定适当撇取电压(VSK)。因此，功能逻辑108可从读出电路106接收信号数据，且可指示控制电路104接下来对电压产生器210的输出做什么。换句话说，电压产生器210从控制电路104接收选择命令SEL 214，且对撇取电压阈值VSK设置成多少或VHI/VLO设置成多少采取动作。这将三个电压VLO、VSK以及VHI中的一个置于转移晶体管220的TX 222以达到最佳效应。

[0098] 图3是根据本发明的实施例的撇取光电二极管300的说明性操作。为了更好地理解图3和其表示的序列，在图4中提供时序流程图以结合图2解释图3中绘示的所有主要事件。

[0099] 图4是根据本发明的实施例的说明性流程图400。流程图400可说明关于如何使用所公开的撇取光电二极管和电路在典型单一捕获循环中捕获LED闪烁的完整循环。

[0100] 流程图400开始于过程框402。过程框402从时间点302开始且在时间点303结束。在框402期间，如先前图2中所描述的第一电容器C0 276和第二电容器C1 286均通过VRFD 244预充电到电压HIVDD 236，其中HIVDD 236的电位比电源电压AVDD 232更高。HIVDD 236可基于AVDD 232通过使用电荷泵234来达到。在控制电路104内，当电压选择信号VSEL 239设置成1时，多路复用器238将HIVDD 236置于其输出VRFD 244。当信号RST 242、C0_EN 272以及C1_EN 282分别且同时使复位晶体管240、C0启用晶体管270以及C1启用晶体管280接通时，这一可编程输出VRFD 244既通过C0启用晶体管270将HIVDD的值供应到C0 276且还通过C1启用晶体管280供应到C1 286。

[0101] 在节点274/节点284处C0/C1上的较高初始电位HIVDD使得其更容易从FD 230吸引撇取电荷到C0/C1，这在相对较低电位AVDD处复位。在节点274/节点284处C0/C1上的较高初始电位HIVDD在整个“曝光”期间有助于C0/C1上的电荷累积，如图3中所绘示。随着C0或C1上累积越来越多的电荷，每次其连接到FD 230，每次都降低节点274或节点284上的电位。当C0或C1上的电位降低到与FD 230相同的电位时，此时所述FD承载撇取电荷，那些撇取电荷中并无一个在C0或C1上累积。由于此时的平衡，电荷流动停止。C0或C1呈现为饱和。例如对于C0，QC0的饱和显示处于时间点320。

[0102] 过程框402可继之以过程框403。过程框403从时间点303开始且在时间点304结束。在框403期间，光电二极管(photo diode；PD)202和浮动扩散(FD)230都预充电到电源电压AVDD。当VSEL 239设置成0时，多路复用器238将AVDD 232置于其输出。作为控制电路104的可编程输出，VRFD 244在这一框期间通过复位晶体管240将AVDD的值供应到FD 230，且接着在时间点302与时间点304之间通过转移晶体管220供应到PD 202。

[0103] 在同一过程框403中，转移晶体管220也通过TX信号222完全接通以将PD 202预充电到AVDD。TX信号222通过在来自控制电路104的SEL信号214控制下的电压产生器210来断言。在图3中的时间点302与时间点304之间标记为“预充电”的过程框402和过程框403期间，将C0 276和C1 286两者引发到准备操作(ready-to-operate)电压HIVDD，将PD 202和FD 230两者引发到准备操作电压AVDD。换句话说，“预充电”在时间点304前一会儿将QPD 394、QC0 376、QC1 386以及在FD 230中的电子电荷复位到零。QPD394是通过光电二极管202连续曝光于光强度399所指示的入射光而由光子转换的电子电荷。QC0 376和QC1 386分别是存储于电容器C0 276和C1 286中的电子电荷。

[0104] 在图3中，入射光呈现为光强度399。光强度399具有两个水平的值。接通的LED提供较高水平。当LED断开时，物体/环境提供较低水平，但永不为零。只要RST 242低，那么控制信号C0_EN 272允许来自FD 230的电子电荷在C0 276中累积为QC0 376。同样地，只要RST 242低，那么控制信号C1_EN 282允许来自FD 230的电子电荷在C1 286中累积为QC1 386。

[0105] 过程框403可继之以过程框404。过程框404从时间点304开始且在时间点306结束。在框404期间，复位晶体管240由RST 242断开。转移晶体管220通过将TX信号222设置成VSK来大部分断开(但不完全地断开)。VSK是介于VLO与VHI之间的值。其称作撇取阈值，如图3中所绘示。将VSK施加到TX 222允许由PD 202产生的过量电子通过转移晶体管220泄漏且到达FD 230。这防止PD 202在饱和后于强光条件下将电子溢出到其相邻光电二极管。且在框404期间，尽管LED断开，但由于如由光强度399所绘示的并不为零的弱环境光，电子电荷开始在QPD 394中累积。QPD 394尚仍未达到饱和点，因此无电荷溢出到FD 230。尽管启用C0_EN
272，但QC0 376以无电荷累积结束。或者当停用C1_EN 282时，由于无电荷可从FD 230到达C1，因此QC1 386以无电荷累积结束。

[0106] 过程框404可继之以过程框406。过程框406覆盖时间点306与时间点308之间。在框406期间，开始的时候，复位晶体管240断开且C0_EN 272接通。随后，C0_EN 272断开且C1_EN
282接通，接着C1_EN 282断开且RST 242接通。转移晶体管220保持大部分断开状态，其中VSK持续地施加到其栅极TX 222。LED从时间点306开始闪烁，如光强度399中所绘示。相较于先前框404中的电子电荷累积，电子电荷开始更快速地在QPD 394中累积，如由图3中的时间点306与时间点308之间的更陡斜率所指示。但仍然，QPD 394尚仍未达到任何电荷溢出到FD
230的饱和点。由于停用C0_EN 272，因此QC0 376以无电荷累积结束。或者尽管在当前框406的一部分期间启用C1_EN 282，但QC1 386以无电荷累积结束。

[0107] 过程框406可继之以过程框408。过程框408覆盖时间点308与时间点310之间。在框408期间，复位晶体管240保持接通。LED保持接通，如可由高水平的光强度399所知。转移晶体管220保持处于撇取状态。累积于QPD394中的电子电荷达到饱和点且保持充满程度。PD
202中的过量电荷开始通过转移晶体管220泄漏到FD 230。PD 202上产生的电荷和泄漏离开PD 202的电荷在这一过程框期间达到平衡，如由图3中QPD 394的平稳段所绘示。由于复位晶体管240由RST 242接通，因此来自PD 202的泄漏电荷没有机会累积于FD 230中。在这整个框408期间，FD 230中的所有泄漏电荷紧接着通过可编程VRFD 244由AVDD移去。QC0 376和QC1 386两者保持其平稳状态，且当复位晶体管240接通时，在这一框期间保持为零。

[0108] 过程框408可继之以过程框410，过程框410覆盖时间点310与时间点312之间。在框410期间，复位晶体管240断开。转移晶体管220保持处于撇取状态。LED持续地保持接通，如光强度399中所绘示。PD 202在这一框期间保持其平衡状态，如由图3中QPD 394的平稳段所绘示。PD 202中的大量过量电荷通过转移晶体管220持续地泄漏到FD 230。由于C0_EN 272现启用，因此QC0 376快速地累积电子电荷，如由陡峭斜率所绘示。由于C1_EN 282在当前框
410期间完全停用，QC1 386以无电荷累积结束。

[0109] 过程框410可继之以过程框412。过程框412覆盖时间点312与时间点314之间。在框412期间，当C1_EN 282接通时，复位晶体管240最初断开。转移晶体管220保持处于撇取状态。LED持续地保持接通，如光强度399中所绘示。PD 202在这整个框期间保持其平衡状态，如由图3中QPD 394的平稳段所绘示。PD 202中的大量过量电荷通过转移晶体管220持续地泄漏到FD 230。由于C0_EN 272现停用，QC0 376保持与其累积电子电荷的先前量相同。当如由紧接着时间点312的窄脉冲所绘示，C1_EN 282现启用一段短时间段时，QC1 386快速地累积电子电荷，如由短暂但陡峭的斜率所绘示。假定C0和C1具有类似电容值，注意所有C1_EN
282脉冲比C0_EN 272脉冲更窄，因此QC1 386的累积小于QC0 376的累积。在其它实施例中，C0和C1可具有大不相同的电容值。当在C1_EN 282断开后RST 242接通时，由于C0_EN 272和C1_EN 282两者现断开，因此QC0 376和QC1 386两者维持其平稳值。对于各RST/C0_EN/C1_EN循环，RST 242始终通过清除FD 230上的所有电荷来引出循环。这将确保在FD 230处收集的所有撇取电荷转换来自PD 202上的最新LED照明，且从FD 230转移到C0或C1的后续电荷仅涉及同时循环中的光条件。

[0110] 过程框412可继之以过程框414，过程框414覆盖时间点314与时间点316之间。在框414期间，复位晶体管240断开。转移晶体管220保持其撇取状态。LED转为断开，如由低水平的光强度399所指示。PD 202在这一框期间保持其平衡状态，如由图3中QPD 394的平稳段所绘示。此处LED断开。PD 202中由环境光所导致的过量电荷中的较少量通过转移晶体管220持续地泄漏到FD 230。C0_EN 272接通，且QC0 376累积少得多的电子电荷，如由图3的时间点
314与时间点316之间的更浅斜率所指示。由于C1_EN 282在当前框414期间完全停用，因此QC1 386未收集电荷。

[0111] 过程框414可继之以过程框416，过程框416覆盖时间点316与时间点318之间。在框416期间，复位晶体管240保持断开。转移晶体管220保持处于撇取状态。由于LED仍然断开，电子电荷在QPD 394中极缓慢地累积。由于C0_EN 272现停用，因此QC0 376并不收集任何电荷。C1_EN 282接通，且QC1 386在C1_EN脉冲的极短持续时间期间由于极浅斜率(相较于时间点312的斜率)而以极微小的升高结束。

[0112] 过程框416可继之以过程框418。过程框418覆盖时间点318与时间点320之间。在框418期间，RST/C0_EN/C1_EN循环在“曝光”期间视需要自身重复多次。转移晶体管220保持处于撇取状态。QPD 394保持饱和。RST 242复位FD 230以确保在FD 230处收集的所有撇取电荷刚好在同一循环内转换。随后，在对各RST/C0_EN/C1_EN循环来说RST 242断开后，C0_EN
272和C1_EN 282花费一个交替来接通和断开。对应于C0_EN 272和C1_EN 282，QC0 376和QC1
386相反保持增加，如图3中所说明。

[0113] 过程框418可继之以过程框420。过程框420覆盖时间点320与时间点324之间。在框420期间，转移晶体管220保持处于撇取状态。RST/C0_EN/C1_EN循环延续如前，其中在时间点320处以C0_EN接通开始。循环自身重复且结束，如由时间点324处C1_EN的最后一个脉冲的末端所指示。由于在时间点320处LED保持接通如前，电子电荷再次在QPD 394中快速累积。
FD 230处出现的撇取电荷也是如此。QC0 376最后在时间点320处饱和。在其饱和点处，无论C0_EN持续地接通还是在时间点320后不再接通，电子电荷都不可能再添加到C0。在C0_EN
272断开的时刻处，C1_EN 282接通，且QC1 386在时间点322处获得一些额外电子电荷。C1在达到其自身的饱和点前仍然有容量累积更多电荷。在时间点322不久后LED转为断开，环境光成为唯一光源。对于C1_EN在下一个短脉冲出现的时候，由于当LED断开时在此类弱光下几乎没有收集到电荷，因此未察觉到C1获得电荷。

[0114] 应了解，由于C0累积电荷比C1更快，因此C0比C1更早达到其饱和。如图3中所说明，对于各循环，周期性信号C0_EN 272的脉冲比C1_EN 282的脉冲宽得多。这意味着相较于C1，存在更多时间来从FD 230移动更多电荷到C0。C0_EN和C1_EN的脉宽不同是本发明的要素，以便实现HDR。通过具有仅两个电容器C0和电容器C1，和C0_EN与C1_EN之间可调整的比率，在适应于不同光照条件和闪烁条件的情况下高动态范围和高灵敏度均可实现。C0与C1的两个捕获之间的灵敏度比率定义动态范围以及图像像素的灵敏度。

[0115] 在本发明中，在各RST/C0_EN/C1_EN循环期间，较多电荷达到C0，如由QC0可见。如时间点304与时间点324之间的“曝光”所说明，对于各RST/C0_EN/C1_EN循环，RST 242通常通过清除FD 230上的所有电荷来引出循环。RST/C0_EN/C1_EN以一种方式错开，使得在RST 242断开后，C0_EN 272接通。在C0_EN 272断开后，C1_EN 282接通。在C1_EN 282断开后，RST
242再次接通。在各RST 242之后，C0和C1仅用由最近曝光新更新的电荷来充电。由于C0_EN在RST停止的时间点开始、C1_EN在C0_EN停止的时间点开始、RST在C1_EN停止的时间点开始，因此捕获的开始和停止时间(其中C0_EN和C1_EN交替地启用)几乎相同，C0和C1以几乎相同的方式捕获场景中的快速移动物体的位置。

[0116] 在物理芯片中，第一电容器C1 276和第二电容器C2 286紧靠像素阵列102中的多个像素中的每个像素集成。

[0117] 过程框420可继之以过程框424。过程框424覆盖时间点324与时间点326之间。从时间点324开始，过程进入“读出”阶段。所述阶段从这一时间点开始由启用的行选择信号RS 262指示。在框424期间，LED断开。复位晶体管240断开。转移晶体管220从时间点324处的其撇取状态完全断开，以标志从PD 202到FD 230的由于任何光的电荷转移的结束。C0_EN 272和C1_EN 282在时间点324处也断开，以标志C0和C1上的电荷收集的结束，如由QC0和QC1所测量。在时间点324与时间点326之间，过程框424的持续时间应保持最短。尽管LED在这期间变为完全断开，但这一条件是必须的以使PD 202中的由于环境光的连续电荷增加最小化。

[0118] 在整个“曝光”期间，不仅RST/C0_EN/C1_EN错开，而且C0_EN的第一交错频率、C1_EN的第二交错频率以及RST的复位交错频率保持相同。这种普遍交错频率可选择为LED操作频率的交错频率的3倍到10倍以减少LED闪烁。

[0119] 过程框424可继之以过程框426。过程框426覆盖时间点326与时间点328之间。在框426期间，除了启用RST 242以通过可编程VRFD 244将FD 230复位到AVDD以准备新的读出之外，与框424相比无变化。这一过程得到准备好由相关双取样(CDS)机构读出的对应图像像素。

[0120] 过程框426可继之以过程框428。过程框428覆盖时间点328与时间点330之间。在时间点328处，对FD 230的复位恰好结束。将FD 230上的背景电荷读出到位线264上。这一过程是CDS所需的第一步骤。对于这一步骤，收集第一背景噪声信号。图像信号仍然保留在PD 202上且通过将TX 222设置到VLO来由转移晶体管220分离。从时间点324开始，行选择晶体管260已由RS 262接通。RS 262由控制电路104控制，如图2中所说明。在时间点328处，由源极跟随器250放大的第一FD背景噪声信号254流动到位线264。在读出这一第一背景噪声信号后，允许PD 202上的信号电荷通过将VHI的宽脉冲引入到TX 222而流动到FD 230。

[0121] 过程框428可继之以过程框430。过程框430覆盖时间点330与时间点331之间。在时间点330处，紧接在电荷从PD 202转移到FD 230之后，将从PD 202转移到FD 230的图像电荷读出到位线264上。这是第二CDS步骤。在先前过程框428中的时间点328与时间点330之间，通过将TX 222设置成VHI来完全接通转移晶体管220。这允许PD 202上累积的所有电荷转移到FD 230。TX为VHI的持续时间取决于多长时间其将所有电荷从PD 202完全转移到FD 230。对于PPD，此类转移是快速的，其中图像滞后较少、转移损耗低且噪声较小，如先前部分所论述。

[0122] FD 230上呈现的总电荷是背景噪声和图像信号组合的总和。对于CDS，通过从在当前第二步骤(框430)中获得的噪声添加信号减去在第一步骤(框428)中获得的第一噪声，纯图像信号减少。在ADC后，此类减去可在读出电路106中以模拟方式或是数字方式进行。

[0123] 在时间点330与时间点331之间，复位晶体管240由通过可编程VRFD 244将FD 230设置到HIVDD以清除由当前框430所导致的从PD 202转移到FD 230的所有电荷的RST信号242来接通和断开。这有助于将FD 230恢复到其背景噪声状态，如此FD 230准备好从如C0和C1的其它信号存储元件接受电荷。

[0124] 过程框430可继之以过程框431。过程框431覆盖时间点331与时间点332之间。在时间点331处，通过可编程VRFD 244将FD 230复位到HIVDD恰好结束。将FD 230上的背景电荷读出到位线264上。这一过程是任选的。这是形成CDS的第三步骤。对于这一步骤，收集第二背景噪声信号。在时间点331处，由源极跟随器250放大的第二FD背景噪声信号254流动到位线264。在读出这一第二背景噪声信号之后，允许C0 276或C1 286上的信号电荷通过将宽脉冲引入到C0_EN 272或C1_EN 282而分别流动到FD 230。

[0125] 过程框431可继之以过程框432。过程框432覆盖时间点332与时间点334之间。在时间点332处，将QC0 376(累积于C0中的电荷)读出到位线264上。这是第四CDS步骤。在时间点332处，C0_EN 272启用。从时间点324开始，转移晶体管220保持断开，如由设置成VLO的TX
222所指示。这仅仅允许将C0上累积的所有电荷吸引到FD 230，这是因为在框431中将FD
230充电到HIVDD。FD 230上呈现的总电荷是C0上累积的溢出电荷的部分(其包含背景噪声)。对于CDS，通过从在第四步骤(框432)中从C0获得的噪声添加信号任选地减去在第一步骤(框428)中获得的第一噪声或在第三步骤(框431)中获得的第二噪声，来自C0的第一溢出部分的纯图像信号减少。在ADC后，此类减去可在读出电路106中以模拟方式或数字方式进行。

[0126] 过程框432可继之以过程框434。过程框434覆盖时间点334与迭代重新开始的时间之间。在时间点334处，将QC1 386(累积于C1中的电荷)读出到位线264上。这是第五CDS步骤。在时间点332与时间点334之间，在C0_EN 272脉冲变为断开后，电容器复位晶体管240由通过VRFD 244将FD 230设置成HIVDD以清除在先前过程框432中进行的FD 230上呈现的所有电荷的RST信号242来接通和断开。在时间点334处，C1_EN 282启用。转移晶体管220保持断开，如由设置成VLO的TX 222所指示。这仅仅允许将C1上累积的所有电荷吸引到FD 230，这是因为恰好在时间点334之前将FD 230充电到HIVDD。FD 230上呈现的总电荷是C1上累积的电荷(其包含背景噪声)。对于CDS，通过从在第五步骤(框434)中从C1获得的噪声添加信号任选地减去在第一步骤(框428)中获得的噪声或在第三步骤(框431)中获得的第二噪声，C1的纯图像信号减少。在ADC后，此类减去可在读出电路106中以模拟方式或数字方式进行。

[0127] 过程框434可继之以过程框402，其完成如先前公开的迭代循环。在各循环中，在时间点328处获得的背景电压、在时间点330处获得的信号电压、在时间点332处获得的第一电容器电压以及在时间点334处获得的第二电容器电压从位线264读取且存储于读出电路106中。这四个信号以组合形式提供实现具有良好灵敏度以减少LED闪烁的高动态范围(HDR)的完整和无损耗的电荷映射。

[0128] 以上对本发明所说明的实例的描述(包含摘要中所描述的内容)无意为穷尽性的或将本发明限制到所公开的精确形式。虽然本文中出于说明性目的描述了本发明的具体实例，但在本发明的范围内，如相关领域的技术人员将认识到，各种修改是可能的。

[0129] 可鉴于以上详细描述对本发明作出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中公开的具体实例。确切地说，本发明的范围应由所附权利要求书确定，应根据已确立的权利要求解释原则来解释所附权利要求书。

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