[發(fā)明專利]緊湊型像素中高動態(tài)范圍成像

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310317708.5
• 申請日: 2013-07-26
• 公開（公告）號: CN103731594A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳剛;毛杜立;戴幸志;霍華德·E·羅茲
• 申請（專利權(quán)）人: 全視科技有限公司
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/335;H01L27/146
• 代理公司: 北京律盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11287
• 代理人: 齊楊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實施例一般來說涉及圖像捕獲裝置，且更明確地說(但非排他地)，涉及增強圖像捕獲裝置的動態(tài)范圍。

背景技術(shù)

圖像捕獲裝置包含圖像傳感器及成像透鏡。成像透鏡將光聚焦到圖像傳感器上以形成圖像，且圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換成電信號。電信號從圖像捕獲裝置輸出到主機電子系統(tǒng)的其它組件。舉例來說，電子系統(tǒng)可為移動電話、計算機、數(shù)碼相機或醫(yī)療裝置。

隨著像素單元變得越來越小，輸出可易于通過下游信號處理譯碼的充分強度的信號對于像素單元變得越來越困難。此外，存在對用以在從低光狀態(tài)到亮光狀態(tài)變化的大范圍的照明狀態(tài)內(nèi)執(zhí)行的圖像傳感器的需求。此性能能力通常稱為具有高動態(tài)范圍成像(HDRI或另一選擇為，直接地HDR)。因此，用于減小像素單元的大小的現(xiàn)有技術(shù)解決方案限制像素單元的動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種成像傳感器像素，其包括：浮動擴散(FD)區(qū)；光敏元件，其用以獲取圖像電荷；存儲晶體管，其用以存儲所述圖像電荷；轉(zhuǎn)移柵極，其用以將所述圖像電荷從所述光敏元件選擇性地轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)；及控制節(jié)點，其耦合到所述FD區(qū)以控制所述圖像電荷到讀出節(jié)點的轉(zhuǎn)移，所述控制節(jié)點用以將所述FD區(qū)復位到參考電壓且具有與不同閾值電壓值相關(guān)聯(lián)的多個電容區(qū)，當轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)的所述圖像電荷超過其閾值電壓值時，所述電容區(qū)中的每一者將具有大于其最小電容值的電容值。

本發(fā)明還提供一種系統(tǒng)，其包括：成像像素陣列，其中每一成像像素包含：浮動擴散(FD)區(qū)；光敏元件，其用以獲取圖像電荷；存儲晶體管，其用以存儲所述圖像電荷；轉(zhuǎn)移柵極，其用以將所述圖像電荷從所述光敏元件選擇性地轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)；及控制節(jié)點，其耦合到所述FD區(qū)以控制所述圖像電荷到讀出節(jié)點的轉(zhuǎn)移，所述控制節(jié)點用以將所述FD區(qū)復位到參考電壓且具有與不同閾值電壓值相關(guān)聯(lián)的多個電容區(qū)，當轉(zhuǎn)移到所述FD區(qū)的所述圖像電荷超過其閾值電壓值時，所述電容區(qū)中的每一者將具有大于其最小電容值的電容值；控制單元，其耦合到所述成像像素陣列的所述控制節(jié)點以控制所述成像像素陣列的圖像數(shù)據(jù)捕獲；及讀出電路，其包括一個或一個以上讀出節(jié)點且耦合到所述成像像素陣列以從所述成像像素中的每一者讀出所述圖像數(shù)據(jù)。

附圖說明

以下說明包含對具有以本發(fā)明的實施例的實施方案的實例的方式給出的圖解的各圖的論述。該等圖式應以實例方式且不以限制方式加以理解。如本文中所使用，對一個或一個以上“實施例”的提及將理解為描述包含于本發(fā)明的至少一個實施方案中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。因此，本文中出現(xiàn)的例如“在一個實施例中”或“在替代實施例中”的短語描述本發(fā)明的各種實施例及實施方案，且未必全部指代相同實施例。然而，其也未必相互排斥。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包含于圖像傳感器陣列內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)四晶體管(4T)像素單元的圖式。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖解說明成像系統(tǒng)的方塊圖。

圖3A及圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包含于像素單元的復位晶體管中的電容區(qū)的圖式。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的展示光強度與像素單元的輸出信號之間的關(guān)系的曲線圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用具有多個摻雜劑區(qū)的控制節(jié)點的像素單元的橫截面圖。

以下為對某些細節(jié)及實施方案的說明，包含對可描繪下文所描述的實施例中的一些實施例或全部實施例的圖的說明以及論述本文中所呈現(xiàn)的發(fā)明性概念的其它可能實施例或?qū)嵤┓桨浮Ｏ挛奶峁Ρ景l(fā)明的實施例的概述，后面接著參考圖式的較詳細說明。

具體實施方式

本發(fā)明的實施例描述提供緊湊型解決方案以通過利用控制節(jié)點將浮動擴散節(jié)點復位到參考電壓值及將圖像電荷從光敏元件選擇性地轉(zhuǎn)移到讀出節(jié)點來提供成像像素的高動態(tài)范圍成像(HDRI或簡單地HDR)。

本發(fā)明的實施例進一步將控制節(jié)點描述為具有多個不同電容區(qū)以選擇性地增加浮動擴散節(jié)點的總體電容。在一些實施例中，所述電容區(qū)僅在浮動擴散節(jié)點處的電壓(或柵極節(jié)點與浮動擴散節(jié)點之間的電壓差)大于電容區(qū)的閾值電壓時“接通”(即，改變浮動擴散節(jié)點的總體電容)；在電容區(qū)“接通”之前，其不有助于成像像素的總體電容或轉(zhuǎn)換增益。浮動擴散節(jié)點的此可變電容增加成像像素的動態(tài)范圍，借此提供主機成像系統(tǒng)的HDR以及增加成像系統(tǒng)的信噪比(SNR)。