[發明專利]增大像素靈敏度和動態范圍的方法和裝置

在審

• 申請號: 201580060029.1
• 申請日: 2015-09-10
• 公開（公告）號: CN107079117A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: B·W·基恩;J·L·凡波拉
• 申請（專利權）人: 雷神公司
• 主分類號: H04N5/355
• 分類號: H04N5/355;H04N5/3745
• 代理公司: 北京市正見永申律師事務所11497
• 代理人: 黃小臨,馮玉清

背景技術

圖像捕獲設備中使用的圖像傳感器通常與圖像傳感器從圖像傳感器所觀看的場景接收到的光強度成比例地產生電荷。低環境光場景需要圖像傳感器具有低噪聲和低電容的部件以提供高靈敏度。替代地，明亮環境光場景需要圖像傳感器具有較高電容的部件，以便存儲生成的電荷。這些相互競爭的電容要求已經導致圖像捕獲設備的開發通常被優化為明亮環境光場景或低環境光場景。

附圖說明

下面參考附圖來討論至少一個實施例的各個方面，附圖不是按比例繪制的。附圖中包括提供對各種方式和實施例的說明和進一步理解，并且附圖被并入并構成本說明書的一部分，但不旨在作為對本發明范圍的限定。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或幾乎相同的部件由相同的附圖標記表示。為了清楚起見，并非在每個圖中都標記每個部件。

圖1為示出根據本發明的各個方面的圖像捕獲設備的框圖。

圖2為根據本發明的各個方面的高動態范圍單元結構(unit cell)的電路圖。

發明內容

本發明的各方面和實施例涉及具有比標準混合(hybrid)單元結構小的像素尺寸(例如，諸如4微米及4微米以下等)的高動態范圍單元結構。通過利用單元結構中的部件用于多種功能，提供了高動態范圍單元結構。例如，金屬氧化物半導體電容器(MOSCap)同時被用作高靈敏度抗光暈柵極(anti-blooming gate)和用于增大的阱電容(well-capacity)的低靈敏度電容器。通過利用MOSCap作為存儲電容器和抗光暈柵極(即，在低環境光情況下和高環境光情況下)，可以去除來自標準混合單元結構的抗光暈開關之一，從而允許減小單元結構的尺寸，同時在低環境光和高環境光情況下都仍然提供準確的與光強度相關的信號。

本文描述的至少一個方面涉及一種單元結構，包括：光電二極管，被配置為耦接到電源電壓；MOSCap，具有耦接到所述光電二極管的輸入節點；復位開關，選擇性地耦接在MOSCap和復位電壓之間；以及晶體管，耦接到所述MOSCap的輸入節點；其中，在所述單元結構的第一操作模式中，復位開關被配置為處于斷開狀態，并且，響應于在所述輸入節點處的小于閾值電壓的電壓，由入射到所述光電二極管上的光產生的電荷累積在所述MOSCap的所述輸入節點處；其中，在所述單元結構的第二操作模式中，所述復位開關被配置為處于所述斷開狀態，并且，響應于在所述輸入節點處的所述電壓大于所述閾值電壓，由入射到所述光電二極管上的所述光產生的所述電荷而累積在所述MOSCap上。

根據一個實施例，所述單元結構還包括：輸出；以及輸出開關，選擇性地耦接在所述晶體管和所述輸出之間；其中，在所述單元結構的第三操作模式中，所述輸出開關被配置為將所述輸出耦接到所述晶體管，所述復位開關被配置為處于斷開狀態，以及將對應于在所述MOSCap的所述輸入節點處累積的所述電荷的高靈敏度信號提供給所述輸出。在另一實施例中，在所述單元結構的第四操作模式中，所述輸出開關被配置為將所述輸出耦接到所述晶體管，所述復位開關被配置為處于所述斷開狀態，以及將對應于在所述MOSCap上累積的所述電荷的低靈敏度信號提供給所述輸出。

根據另一實施例，所述單元結構還包括MOSCap柵極偏置控制模塊，所述MOSCap柵極偏置控制模塊耦接到所述MOSCap并且配置為向所述MOSCap提供MOSCap柵極偏置電壓信號以控制所述閾值電壓的電平。在一實施例中，所述復位開關為晶體管。在另一實施例中，所述單元結構還包括復位開關柵極偏置控制模塊，所述復位開關柵極偏置控制模塊耦接到所述復位開關并且配置為向所述復位開關提供復位開關柵極偏置電壓信號以控制所述復位開關的操作狀態。在一實施例中，在所述單元結構的第五操作模式中，所述復位開關被配置為將所述MOSCap耦接到所述復位電壓，并且累積在所述MOSCap上的電荷被放電。