用于圖像傳感器的大-小像素方案及其使用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體來說涉及光學(xué)器件，且特定來說(但非排他性地)涉及高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]高動(dòng)態(tài)范圍(“HDR”)圖像傳感器對于許多應(yīng)用來說為有用的。一般來說，普通圖像傳感器(舉例來說，包含電荷耦合裝置(“CXD”)及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(“CMOS”)圖像傳感器)具有大致70dB動(dòng)態(tài)范圍的動(dòng)態(tài)范圍。相比之下，人眼具有多達(dá)大致10dB的動(dòng)態(tài)范圍。存在其中具有增加的動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器為有益的多種情形。舉例來說，在汽車行業(yè)中需要具有大于10dB的動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器以便處置不同行駛條件，例如從黑暗隧道向明亮日光中行駛。確實(shí)，許多應(yīng)用可需要具有至少90dB或更大的動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器以適應(yīng)從低光條件到亮光條件變化的寬廣范圍的照明情形。
[0003]一種用于實(shí)施HDR圖像傳感器的已知方法是在每一像素中使用光電二極管的組合?？墒褂盟龉怆姸O管中的一者來感測亮光條件，同時(shí)可使用另一光電二極管來感測低光條件。在此方法中，用于感測亮光的光電二極管通常比用于感測低光條件的光電二極管小(具有較小曝光面積)。然而，此方法需要不對稱布局，此往往增加成本。除增加成本以外，在每一像素中光電二極管的不對稱制作還包含可引入圖像光射線角度分離的光學(xué)不對稱性。圖像光射線角度分離可導(dǎo)致不對稱模糊、串?dāng)_及其它不合意效應(yīng)，尤其是在圖像光相對于圖像傳感器的面成角度時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種供在高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器中使用的圖像傳感器像素。所述圖像傳感器像素包括:第一光電二極管，其安置于半導(dǎo)體材料中，其中所述第一光電二極管具有第一曝光面積及第一摻雜濃度；多個(gè)光電二極管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，其中所述多個(gè)光電二極管中的每一光電二極管具有所述第一曝光面積及所述第一摻雜濃度；共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；第一轉(zhuǎn)移柵極，其經(jīng)耦合以將第一圖像電荷從所述第一光電二極管轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；及第二轉(zhuǎn)移柵極，其經(jīng)耦合以將分布式圖像電荷從所述多個(gè)光電二極管中的每一光電二極管轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)。
[0005]本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種高動(dòng)態(tài)范圍成像系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括:像素陣列，其具有多個(gè)圖像傳感器像素，其中所述多個(gè)圖像傳感器像素中的每一者包含:第一光電二極管，其安置于半導(dǎo)體材料中，其中所述第一光電二極管具有第一曝光面積及第一摻雜濃度；多個(gè)光電二極管，其安置于所述半導(dǎo)體材料中，其中所述多個(gè)光電二極管中的每一光電二極管具有所述第一曝光面積及所述第一摻雜濃度；共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；第一轉(zhuǎn)移柵極，其經(jīng)耦合以將第一圖像電荷從所述第一光電二極管轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；及第二轉(zhuǎn)移柵極，其經(jīng)耦合以將分布式圖像電荷從所述多個(gè)光電二極管中的每一光電二極管轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述多個(gè)圖像傳感器像素讀出圖像數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0006]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡實(shí)施例，其中除非另有規(guī)定，否則在所有各個(gè)視圖中相似參考編號指代相似部件。
[0007]圖1是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的HDR成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的框圖示意圖。
[0008]圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可在圖1中所圖解說明的HDR圖像傳感器中實(shí)施的HDR像素的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例包含大子像素及小子像素的圖像傳感器像素的一個(gè)實(shí)例的平面圖。
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例包含大子像素及小子像素的圖像傳感器像素的一個(gè)實(shí)例的平面圖。
[0011]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例包含圖像傳感器像素(其包含大子像素及小子像素)的像素群組的一個(gè)實(shí)例的平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]在以下描述中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對實(shí)施例的透徹理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，本文中所描述的技術(shù)可在不具有所述特定細(xì)節(jié)中的一者或一者以上的情況下實(shí)踐或者可借助其它方法、組件、材料等來實(shí)踐。在其它實(shí)例中，未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使某些方面模糊。
[0013]在本說明書通篇中對“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的提及意指結(jié)合所述實(shí)施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說明書通篇的各個(gè)位置中短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”的出現(xiàn)未必全部指代相同實(shí)施例。此外，可在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中以任何適合方式組合所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。
[0014]圖1是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的HDR成像系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)例的框圖示意圖。HDR成像系統(tǒng)100包含實(shí)例性像素陣列102、控制電路108、讀出電路104及功能邏輯106。如在所描繪的實(shí)例中所展示，HDR成像系統(tǒng)100包含耦合到控制電路108及讀出電路104的像素陣列102。讀出電路104耦合到功能邏輯106。控制電路108耦合到像素陣列102以控制像素陣列102的操作特性。舉例來說，控制電路108可產(chǎn)生用于控制圖像獲取的快門信號。在一個(gè)實(shí)例中，所述快門信號為用于同時(shí)啟用像素陣列102內(nèi)的所有像素以在單個(gè)獲取窗期間同時(shí)捕獲其相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的全局快門信號。在另一實(shí)例中，快門信號為滾動(dòng)快門信號，使得在連續(xù)獲取窗期間依序啟用每一行、每一列或每一群組的像素。
[0015]在一個(gè)實(shí)例中，像素陣列102為成像傳感器或像素110 (例如，像素P1、P2...、Pn)的二維(2D)陣列。在一個(gè)實(shí)例中，每一像素110為包含至少大子像素及小子像素的CMOS成像像素。所述像素陣列中的大子像素及小子像素可接收單獨(dú)的快門信號。如所圖解說明，每一像素110被布置到一行(例如，行Rl到Ry)及列(例如，列Cl到Cx)中以獲取人、地點(diǎn)、物體等的圖像數(shù)據(jù)，接著可使用所述圖像數(shù)據(jù)再現(xiàn)所述人、地點(diǎn)、物體等的圖像。
[0016]在一個(gè)實(shí)例中，在每一像素110已獲取其圖像數(shù)據(jù)或圖像電荷之后，所述圖像數(shù)據(jù)由讀出電路104通過讀出列112讀出且接著轉(zhuǎn)移到功能邏輯106。在各種實(shí)施例中，讀出電路104可包含放大電路、模/數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換電路或其它。功能邏輯106可僅存儲所述圖像數(shù)據(jù)或甚至通過應(yīng)用圖像后效果(例如，剪裁、旋轉(zhuǎn)、移除紅眼、調(diào)整亮度、調(diào)整對比度或其它)來操縱所述圖像數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)例中，讀出電路104可沿著讀出列線一次讀出一行圖像數(shù)據(jù)(所圖解說明)或可使用多種其它技術(shù)(未圖解說明)讀出所述圖像數(shù)據(jù)，例如串行讀出或同時(shí)全并行讀出所有像素?？稍诓煌瑫r(shí)間周期期間單獨(dú)地讀出由大子像素及小子像素產(chǎn)生的圖像電荷。
[0017]圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可實(shí)施為HDR成像系統(tǒng)100中的像素110的HDR像素210的一個(gè)實(shí)例的示意圖。像素210包含小子像素275及大子像素285。小子像素275包含安置于半導(dǎo)體材料(例如，硅)中的轉(zhuǎn)移晶體管233 (TIa)及第一光電二極管235 (PDa)。轉(zhuǎn)移晶體管233耦合于共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)229與第一光電二極管235之間。大子像素285包含多個(gè)光電二極管,所述多個(gè)光電二極管包含光電二極管245 (PDb) >255 (PDc)…及295(Η)ω)，其中ω表示大子像素285中的光電二極管的數(shù)目。大子像素285還包含轉(zhuǎn)移晶體管243(T1B)、253(T1C)…及293(Τ1ω)，其中ω仍表示大子像素285中的光電二極管及對應(yīng)轉(zhuǎn)移晶體管的數(shù)目。轉(zhuǎn)移晶體管243 (TIb)、253 (Tlc)…及293 (TlJ耦合于其相應(yīng)光電二極管245 (PDb)、255 (PDc)…及295 (PDj與共享浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)229之間。<