圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)。一種圖像傳感器像素，其特征在于，所述圖像傳感器像素包括：電荷存儲區(qū)域；雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，所述晶體管具有耦合至所述電荷存儲區(qū)域的柵極端子、源極端子和漏極端子；以及電容器，所述電容器耦合于所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述漏極端子和所述電荷存儲區(qū)域之間。根據(jù)本實用新型，可以提供改進(jìn)的圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)。
【專利說明】
圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]本實用新型整體涉及成像設(shè)備，并且更具體地講，涉及具有帶逐像素增益調(diào)整能力的像素陣列的成像設(shè)備。
[0003]圖像傳感器常在電子設(shè)備諸如移動電話、相機(jī)和計算機(jī)中用來捕獲圖像。在典型布置方式中，電子設(shè)備設(shè)置有被布置成像素行和像素列的圖像像素陣列。行控制電路通過行控制線耦合至每個像素行，以用于向像素行中的每個圖像像素提供像素控制信號。圖像像素通常以低增益模式運行以用于捕獲更亮場景的圖像，并且以高增益模式運行以用于捕獲更暗場景的圖像。
[0004]在傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)中，行控制電路向所選像素行中的每個像素提供控制信號，所述控制信號指示該行中的每個像素以高增益模式或低增益模式運行。然而，待成像的場景通常在整個圖像像素的任何給定行內(nèi)同時包括更亮部分和更暗部分。使用對整個像素行中的圖像像素以高增益模式或低增益模式運行進(jìn)行控制的傳統(tǒng)圖像傳感器執(zhí)行圖像捕獲操作可從而導(dǎo)致給定像素行中的一些圖像像素生成過分嘈雜的圖像信號或過飽和的圖像信號，所述圖像信號在最終捕獲圖像中可生成難看的圖像偽色。在傳統(tǒng)的圖像傳感器操作期間，提供給像素行以將該行置于高增益模式或低增益模式的增益調(diào)整控制信號通常升壓到比提供給像素行的電源電壓電平大的電壓電平。然而，提供升壓增益調(diào)整控制信號可引起圖像傳感器上的電壓應(yīng)力，并且可不期望地限制圖像傳感器的壽命。
[0005]因此期望能夠提供改善的捕獲和處理圖像信號方式的成像設(shè)備。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型所要解決的技術(shù)問題之一是提供一種改進(jìn)的圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)。
[0007]根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種圖像傳感器像素，所述圖像傳感器像素包括:電荷存儲區(qū)域;雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，所述晶體管具有耦合至所述電荷存儲區(qū)域的柵極端子、源極端子和漏極端子；以及電容器，所述電容器耦合于所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述漏極端子和所述電荷存儲區(qū)域之間。
[0008]在一個實施例中，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為當(dāng)所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管接通時將所述圖像傳感器像素置于低轉(zhuǎn)換增益模式，并且其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為當(dāng)所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管斷開時將所述圖像傳感器像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式。
[0009]在一個實施例中，所述圖像傳感器像素排列成以行和列布置的圖像傳感器像素陣列，其中所述陣列中的圖像傳感器像素的所述列通過多根導(dǎo)電列線耦合至列讀出電路，并且其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述源極端子通過所述多根導(dǎo)電列線的對應(yīng)導(dǎo)電列線耦合至所述列讀出電路。
[0010]在一個實施例中，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管通過雙轉(zhuǎn)換增益控制信號進(jìn)行控制，所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號從所述列讀出電路位于所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述源極端子處接收。
[0011]在一個實施例中，所述電荷存儲區(qū)域具有第一電壓電平，并且所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為響應(yīng)于所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的大小比所述第一電壓電平小一個預(yù)定量而接通。
[0012]在一個實施例中，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為響應(yīng)于所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的大小大于所述第一電壓電平減去所述預(yù)定量而斷開。
[0013]在一個實施例中，所述圖像傳感器像素還包括:電荷傳輸門；以及光敏區(qū)域，所述光敏區(qū)域耦合于接收接地電壓電平的端子和所述電荷傳輸門之間，其中所述光敏區(qū)域通過所述電荷傳輸門耦合至所述電荷存儲區(qū)域。
[0014]在一個實施例中，所述圖像傳感器像素還包括:附加端子，所述附加端子接收電源電壓電平；以及復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管耦合于所述電荷存儲區(qū)域和所述附加端子之間。
[0015]在一個實施例中，所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為基于在所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述源極端子處接收的控制信號，將所述圖像傳感器像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式和低轉(zhuǎn)換增益模式中的一者，所述控制信號具有大于或等于所述接地電壓電平并且小于或等于所述電源電壓電平的電壓大小。
[0016]在一個實施例中，所述圖像傳感器像素還包括:列讀出線，其中所述圖像傳感器像素通過所述列讀出線耦合至列控制和讀出電路；以及源極跟隨器晶體管，所述源極跟隨器晶體管耦合于所述電荷存儲區(qū)域和所述列讀出線之間。
[0017]根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0018]中央處理單元；
[0019]存儲器；
[0020]輸入-輸出電路;和
[0021]成像設(shè)備，其中所述成像設(shè)備包括:
[0022]被布置成行和列的圖像傳感器像素陣列，其中所述陣列包括位于所述陣列的給定行的第一列中的第一圖像傳感器像素以及位于所述給定行的第二列中的第二圖像傳感器像素，其中所述第一圖像傳感器像素包括具有第一源極端子的第一雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，并且其中所述第二圖像傳感器像素包括具有第二源極端子的第二雙轉(zhuǎn)換增益晶體管；
[0023]行控制電路，所述行控制電路通過行控制線耦合至所述陣列的所述給定行；以及
[0024]讀出電路，所述讀出電路通過第一列線耦合至所述陣列的所述第一列并且通過第二列線耦合至所述陣列的所述第二列，其中在所述行控制電路連續(xù)激活所述陣列的所述給定行時，所述讀出電路被配置為從所述第一圖像傳感器像素讀出第一圖像信號，同時將具有第一大小的第一控制信號提供給所述第一源極端子，并且所述讀出電路被配置為從所述第二圖像傳感器像素讀出第二圖像信號，同時將具有不同于所述第一大小的第二大小的第二控制信號提供給所述第二源極端子。
[0025]在一個實施例中，所述第一圖像傳感器像素包括第一浮動擴(kuò)散節(jié)點和第一電容器，所述第一雙轉(zhuǎn)換增益晶體管具有第一柵極端子和第一漏極端子，所述第二圖像傳感器像素包括第二浮動擴(kuò)散節(jié)點和第二電容器，所述第二雙轉(zhuǎn)換增益晶體管具有第二柵極端子和第二漏極端子，所述第一柵極端子耦合至所述第一浮動擴(kuò)散節(jié)點，所述第一漏極端子通過所述第一電容器耦合至所述浮動擴(kuò)散節(jié)點，所述第二柵極端子耦合至所述第二浮動擴(kuò)散節(jié)點，并且所述第二漏極端子通過所述第二電容器耦合至所述第二浮動擴(kuò)散節(jié)點。
[0026]在一個實施例中，所述第一圖像傳感器像素包括耦合至提供有接地電壓電平的第一端子的第一光電二極管，所述第二圖像傳感器像素包括耦合至提供有所述接地電壓電平的第二端子的第二光電二極管，所述第一圖像傳感器像素具有提供有復(fù)位電壓電平的第三端子，所述第二圖像傳感器像素具有提供有所述復(fù)位電壓電平的第四端子，所述第一大小與所述接地電壓電平大約相等，并且所述第二大小與所述復(fù)位電壓電平大約相等。
[0027]根據(jù)本實用新型，可以提供改進(jìn)的圖像傳感器像素和成像系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0028]圖1為根據(jù)本實用新型的實施例的示例性成像系統(tǒng)的示意圖，該成像系統(tǒng)具有用于使用基于列的像素增益調(diào)整捕獲圖像的圖像傳感器和處理電路。
[0029]圖2為根據(jù)本實用新型的實施例的示例性像素陣列以及相關(guān)列控制和讀出電路的示意圖，該電路用于在不使控制信號電壓升高的情況下控制對應(yīng)像素列的像素中的逐列增益調(diào)整。
[0030]圖3為根據(jù)本實用新型的實施例的示例性圖像傳感器像素的電路示意圖，該像素具有用于使用所選像素轉(zhuǎn)換增益捕獲和輸出圖像信號的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管。
[0031]圖4為根據(jù)本實用新型的實施例的示例性圖像傳感器像素的電路示意圖，該像素具有用于使用所選像素轉(zhuǎn)換增益捕獲和輸出圖像信號的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，該晶體管具有接收未升壓的逐列增益控制信號的源極端子。
[0032]圖5為根據(jù)本實用新型的實施例的示例性步驟的流程圖，該步驟可通過圖1-4中所示類型的圖像傳感器執(zhí)行，以響應(yīng)于由對應(yīng)像素捕獲的圖像信號來調(diào)整該像素的轉(zhuǎn)換增益。
[0033]圖6為根據(jù)本實用新型的實施例的示例性步驟的流程圖，該步驟可通過圖1-4中所示類型的圖像傳感器來執(zhí)行，以響應(yīng)于由陣列的先前行中并且與對應(yīng)像素在相同列中的像素所捕獲的圖像信號對該對應(yīng)像素的轉(zhuǎn)換增益進(jìn)行調(diào)整。
[0034]圖7為根據(jù)本實用新型的實施例的處理器系統(tǒng)的框圖，該處理器系統(tǒng)采用圖1-6的實施例。
【具體實施方式】
[0035]電子設(shè)備諸如數(shù)字相機(jī)、計算機(jī)、移動電話和其他電子設(shè)備可包括圖像傳感器，該圖像傳感器收集入射光以捕獲圖像。圖像傳感器可包括圖像像素陣列。圖像傳感器中的像素可包括光敏元件，諸如將入射光轉(zhuǎn)換為圖像信號的光電二極管。圖像傳感器可具有任何數(shù)量的像素(如，幾百或幾千或更多)。典型的圖像傳感器可例如具有數(shù)十萬或數(shù)百萬像素(如，百萬像素)。圖像傳感器可包括控制電路，諸如用于操作圖像像素的電路，和用于讀出圖像信號的讀出電路，所述圖像信號與光敏元件所生成的電荷相對應(yīng)。
[0036]圖1為示例性成像系統(tǒng)諸如電子設(shè)備的示意圖，該成像系統(tǒng)使用圖像傳感器捕獲圖像。圖1的電子設(shè)備10可為便捷式電子設(shè)備，諸如相機(jī)、移動電話、平板計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)相機(jī)、攝像機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、汽車成像系統(tǒng)、具有成像能力的視頻游戲系統(tǒng)或者捕獲數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的任何其他所需成像系統(tǒng)或設(shè)備。相機(jī)模塊12可用于將入射光轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。相機(jī)模塊12可包括一個或多個鏡頭14以及一個或多個對應(yīng)的圖像傳感器16。鏡頭14可包括固定鏡頭和/或可調(diào)鏡頭，并且可包括形成于圖像傳感器16的成像表面上的微鏡頭。在圖像捕獲操作期間，來自某個場景的光可通過鏡頭14聚焦到圖像傳感器16上。圖像傳感器16可包括用于將模擬像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成要提供給存儲和處理電路18的對應(yīng)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的電路。如果需要，相機(jī)模塊12可設(shè)置有鏡頭14陣列和對應(yīng)圖像傳感器16陣列。
[0037]存儲和處理電路18可包括一個或多個集成電路(如，圖像處理電路、微處理器、存儲設(shè)備諸如隨機(jī)存取存儲器和非易失性存儲器等)，并且可使用與相機(jī)模塊12分開和/或形成相機(jī)模塊12的一部分的組件(如，形成包括圖像傳感器16的集成電路或者與圖像傳感器16相連的模塊12內(nèi)的集成電路的一部分的電路)來實施?？墒褂锰幚黼娐?8處理和存儲已被相機(jī)模塊12捕獲的圖像數(shù)據(jù)(如，使用處理電路18上的圖像處理引擎、使用處理電路18上的成像模式選擇引擎等)。處理圖像數(shù)據(jù)可根據(jù)需要使用耦合至處理電路18的有線和/或無線通信路徑提供給外部設(shè)備(如，計算機(jī)、外部顯示器或其他設(shè)備)。
[0038]如圖2所示，圖像傳感器16可包括含有被布置成行和列的圖像傳感器像素22(有時在本文稱為被布置成像素行和像素列的圖像像素或像素)的圖像陣列20以及控制和處理電路24。陣列20可包含例如幾百或幾千行以及幾百或幾千列圖像傳感器像素22?？刂齐娐?4可耦合至行控制電路26和圖像讀出電路28(有時稱為列控制電路、讀出電路、處理電路、列解碼器電路或者列控制和讀出電路)。行控制電路26可從控制電路24接收行地址，并且通過行控制路徑30將對應(yīng)的行控制信號諸如復(fù)位控制信號、行選擇控制信號、電荷傳輸控制信號和讀出控制信號提供給像素22?？蓪⒁桓蚨喔鶎?dǎo)線諸如列線32耦合至陣列20中的像素22的每一列。列線32可用于讀出來自像素22的圖像信號，用于提供偏置信號(如，偏置電流或偏置電壓)，用于將基于列的像素控制信號提供給像素22，或用于在列讀出電路28和陣列20之間執(zhí)行任何其他所需信號傳輸。如果需要，在像素讀出操作期間，可使用行控制電路26選擇陣列20中的像素行，并且可沿列線32讀出由該像素行中的圖像像素22生成的圖像信號。
[0039]放大器電路(未示出)可根據(jù)需要置于列線32上(如，每個列線32可具有對應(yīng)的放大器電路)。傳感器16中的放大器電路可放大從像素陣列20的相關(guān)列接收的圖像信號，并且可將放大的圖像信號提供給列控制和讀出電路28。放大器電路可為所接收的圖像信號提供所需增益(如，可調(diào)增益)。例如，放大器電路可為從像素22接收的圖像信號提供相對高增益(如，當(dāng)對應(yīng)像素捕獲場景的更暗部分時)，或者可為圖像信號提供相對低增益(如，當(dāng)對應(yīng)像素捕獲場景的更亮部分時)。列控制和讀出電路28可將控制信號提供給放大器電路以及像素22中的增益可調(diào)電路，以對由像素22和放大器電路提供給所接收圖像信號的增益進(jìn)行控制。
[0040]圖像讀出電路28可通過列線32接收圖像信號(如，由像素22生成的模擬像素值)。圖像讀出電路28可包括用于對從陣列20讀出的圖像信號進(jìn)行采樣和暫時存儲的采樣保持電路、放大器電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)電路、偏置電路、比較器電路、列存儲器、用于選擇性啟用或禁用列電路的閂鎖電路，或者耦合至陣列20中的一個或多個像素列以用于操作像素22以及用于讀出來自像素22的圖像信號的其他電路。讀出電路28中的ADC電路可將從陣列20接收的模擬像素值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字像素值(有時稱為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)或數(shù)字像素數(shù)據(jù))。圖像讀出電路28可通過一個或多個像素列中的像素的路徑25將數(shù)字像素數(shù)據(jù)提供給控制和處理電路24和/或處理器18(圖1)。
[0041]圖像像素22可以低增益模式運行以用于捕獲更亮場景的圖像，并且可以高增益模式運行以用于捕獲更暗場景的圖像。在圖像捕獲操作期間，陣列20的一部分可捕獲來自所成像場景的更暗部分的圖像信號，而陣列20的其他部分可捕獲來自所成像場景的更亮部分的圖像信號。在圖2的例子中，陣列20的部分25中的像素22可捕獲所成像場景的更亮部分，而部分27中的像素22可捕獲所成像場景的更暗部分。如果需要，給定像素行中的不同像素22可通過對應(yīng)的控制線32設(shè)置有相應(yīng)的控制信號，所述控制信號指示像素以所需增益(如，以高增益模式或低增益模式)運行。例如，位于陣列20的給定行的更亮區(qū)域25中的像素22可通過控制線32設(shè)置有控制信號，所述控制信號指示那些像素以低增益模式運行(如，以阻止圖像像素過飽和)，而位于陣列20的給定行的更暗區(qū)域27中的像素22可通過控制線32設(shè)置有控制信號，所述控制信號指示那些像素以高增益模式運行(如，以提高由那些像素捕獲的圖像信號中的信噪比)。
[0042]如果需要，圖像讀出電路28可包括圖像信號線性化電路，諸如增益歸一化電路33。歸一化電路33可將從陣列20讀出的圖像信號的增益歸一化或線性化。例如，讀出電路28可識別所讀出的每個像素是以高增益模式還是低增益模式讀出，并且可將有關(guān)每個像素所用的增益模式的信息提供給歸一化電路33。歸一化電路33可基于所識別增益模式將所讀出圖像信號歸一化(如，以使得可補(bǔ)償應(yīng)用于特定像素的任何額外增益等)。例如，當(dāng)通過讀出電路28中的ADC電路執(zhí)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換時，可將另外的數(shù)字比特發(fā)送至歸一化電路33，以通知歸一化電路33每個像素所用的增益模式。
[0043]如果需要，列讀出和控制電路28可包括基于列的控制電路(為了清楚起見未示出)，所述電路各自耦合至相應(yīng)的列路徑32。列控制電路可包括用于讀出來自像素22的對應(yīng)列的信號的讀出電路(如，采樣保持電路、轉(zhuǎn)換器電路等)，并且可包括用于將控制信號提供給像素22的對應(yīng)列的控制電路(如，給定列控制電路可僅對于對應(yīng)列中的像素讀出和提供控制信號而不讀出或控制陣列其他列中的像素)?？刂齐娐房蓪⑾鄳?yīng)的控制信號提供給像素22的對應(yīng)列，所述控制信號指示該列中的像素以所需增益運行。例如，耦合至第一列線32的第一控制電路可指示陣列20的所選行的第一列中的像素22以低增益模式捕獲信號，而耦合至第二列線32的第二控制電路可指示陣列20的所選行的第二列中的像素22以高增益模式捕獲信號?？刂齐娐?1可通過例如調(diào)整由該列中的放大器電路提供的增益和/或調(diào)整通過線32提供給像素22的增益控制信號，來控制給定列的像素22的增益。通過線32提供給像素22的增益控制信號可包括例如雙轉(zhuǎn)換增益(DCG)控制信號，所述控制信號被配置為調(diào)整給定像素22的電荷存儲容量。
[0044]如果需要，讀出電路28中的逐列控制電路可各自包括圖像信號處理電路，該電路對從像素22的對應(yīng)列讀出的信號進(jìn)行處理。列控制電路中的處理電路可包括模擬比較器電路、數(shù)字比較邏輯電路或用于處理圖像信號的其他電路。逐列控制電路中的圖像處理電路可對從像素22讀出的信號進(jìn)行處理，以確定對應(yīng)列中的像素22所用的增益是否需要調(diào)整。如果處理電路確定增益需要調(diào)整，則電路可將控制信號提供給對應(yīng)列中的像素22，所述控制信號對像素用來捕獲圖像形信號的增益進(jìn)行調(diào)整。通過這種方式，像素22用于捕獲圖像信號的增益選擇和調(diào)整可針對像素陣列20的整個給定行中的每個像素22積極調(diào)整，從而允許單行使用低增益模式和高增益模式兩者捕獲信號(如，基于該行中的某些像素位于所成像場景的較亮部分25還是較暗部分27中)。
[0045]圖3為圖像傳感器像素22的一個可能布置方式的電路示意圖，該像素耦合至用于執(zhí)行增益調(diào)整操作的列控制和讀出電路28。如圖3所示，像素22可通過對應(yīng)列路徑32耦合至讀出電路28。像素22可包括任何所需數(shù)量的用于捕獲圖像電荷的光敏區(qū)域。在圖3的例子中，像素22包括通過電荷傳輸門38耦合至電荷存儲節(jié)點36的光敏區(qū)域(光電二極管)34。光電二極管34可根據(jù)需要設(shè)置有用于捕獲所需顏色光的對應(yīng)顏色濾光片元件。像素22可通過行控制線30(圖2)從行控制電路26接收行控制信號(如，復(fù)位控制信號RST、電荷傳輸控制信號TX和行復(fù)位控制信號RS)。
[0046]可在(如，來自列控制電路31或其他電源電路的)正電源端子40處提供正電源電壓(如，電壓Vaa或其他復(fù)位電平電壓)?？稍诮拥囟俗?2處提供接地電源電壓(如，Vss)?？赏ㄟ^光電二極管34收集入射光44 ο光電二極管34將入射光轉(zhuǎn)換成電荷。
[0047]如果需要，行控制電路26(如圖2所示)可在采集圖像之前使復(fù)位控制信號RST生效。這樣可接通復(fù)位晶體管46并且將電荷存儲節(jié)點36復(fù)位成Vaa或另一復(fù)位電平電壓。電荷存儲節(jié)點36在本文有時可稱為浮動擴(kuò)散節(jié)點H)或浮動擴(kuò)散區(qū)域FD。電荷存儲節(jié)點36可使用摻雜半導(dǎo)體的區(qū)域(如，通過離子注入、雜質(zhì)擴(kuò)散或其他摻雜技術(shù)形成于硅基板中的摻雜硅區(qū)域)實施。摻雜半導(dǎo)體區(qū)域(即，浮動擴(kuò)散H))表現(xiàn)出可用于存儲已從光電二極管34傳輸?shù)碾姾傻碾娙?如，區(qū)域36可具有對應(yīng)的電荷容量，指示可存儲在區(qū)域36處的電荷量)。通過源極跟隨器晶體管48將與節(jié)點36上的所存儲電荷相關(guān)的信號傳輸至行選擇晶體管50。
[0048]像素22中的光電二極管34可通過電荷傳輸門38耦合至電荷存儲區(qū)域36。行控制電路26可將對應(yīng)的電荷傳輸控制信號TX提供給電荷傳輸門38的柵極端子來控制柵極38?？墒箯?fù)位控制信號RST失效以斷開復(fù)位晶體管46 (如，針對陣列20的整個對應(yīng)行中的像素22)。在復(fù)位過程完成之后，可使傳輸門控制信號TX生效以接通傳輸門38。當(dāng)傳輸晶體管38接通時，由對應(yīng)光電二極管34響應(yīng)于入射光所生成的電荷被傳輸至電荷存儲節(jié)點36。當(dāng)需要讀出所存儲電荷的值(即，由晶體管48的源極S處的信號表示的所存儲電荷的值)時，可使行選擇控制信號RS生效(如，對于所選行中的所有像素同時進(jìn)行)。當(dāng)使信號RS生效時，晶體管50接通并且在列輸出路徑32上產(chǎn)生對應(yīng)的圖像信號VQUT，該圖像信號表示對應(yīng)電荷存儲節(jié)點54上的電荷的大小(如，復(fù)位電平電壓或圖像電平電壓)。在典型配置中，存在多行和多列圖像像素，諸如圖像像素陣列20中的圖像像素22。當(dāng)在給定行中使行選擇控制信號RS生效時，可使用路徑諸如列線32將該圖像像素中的信號Vqut引導(dǎo)至與陣列20的該列相關(guān)的列電路28中的逐列控制和讀出電路。如果需要，可針對每個圖像像素22對復(fù)位電平和圖像電平進(jìn)行采樣、保持和轉(zhuǎn)換，以允許通過例如相關(guān)雙采樣技術(shù)進(jìn)行kTC復(fù)位噪聲補(bǔ)償。
[0049]像素22可設(shè)置有增益選擇電路，該電路增強(qiáng)由圖像傳感器16產(chǎn)生的圖像的動態(tài)范圍。例如，每個像素22可使用所選增益設(shè)置(模式)生成對應(yīng)圖像信號。在一些配置中，所選增益設(shè)置可取決于在曝光期間(即，像素復(fù)位之間的累積周期，在該周期期間，光敏元件響應(yīng)于入射光生成電荷)由像素捕獲的光的量。在其他配置中，增益可保持恒定的設(shè)置。如圖3所示，圖像像素22可包括串聯(lián)耦合于端子56和浮動擴(kuò)散節(jié)點36之間的電容器52和晶體管54。晶體管54的源極端子S可耦合至浮動擴(kuò)散節(jié)點36，而漏極端子D可耦合至電容器52和復(fù)位柵極46(如，在節(jié)點58處)。在一個合適的布置方式中，端子56可親合至正電源電壓Vaa。在另一個合適的布置方式中，端子56可耦合至接地電源Vss。
[0050]晶體管54可具有柵極端子G，該端子使用雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG進(jìn)行控制。像素22可通過對應(yīng)列線32從列讀出電路28接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG(如，像素22可通過列線32從電路28內(nèi)的對應(yīng)逐列控制電路接收雙轉(zhuǎn)換增益信號DCG)。像素22可以高轉(zhuǎn)換增益模式(高增益模式)以及以低轉(zhuǎn)換增益模式(低增益模式)運行。如果晶體管54被禁用(如，如果信號DCG低)，則將對應(yīng)像素22置于高轉(zhuǎn)換增益模式。如果晶體管54被啟用(如，如果信號DCG高)，則將對應(yīng)像素22置于低轉(zhuǎn)換增益模式。
[0051]一般來講，圖像轉(zhuǎn)換增益與節(jié)點ro處的負(fù)載電容量成反比。當(dāng)晶體管54接通時，將電容器52切換到使用中以便為浮動擴(kuò)散節(jié)點36提供附加電容(如，附加電荷存儲容量)O這導(dǎo)致像素22的轉(zhuǎn)換增益較低。當(dāng)晶體管54斷開時，電容器52的附加負(fù)載被移除并且像素22恢復(fù)到相對較高的像素轉(zhuǎn)換增益配置。讀出電路28中的逐列控制電路可獨立地調(diào)整提供給整個所選列內(nèi)的像素22的雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG，同時針對該列中的所有像素使行選擇信號RS生效(如，控制信號DCG的脈沖可為高或低而不使行選擇信號RS失效)。通過這種方式，在圖像捕獲和讀出操作期間，逐列控制電路可單獨地調(diào)整針對陣列20的給定行中的每個像素22所提供的轉(zhuǎn)換增益。
[0052]在具有接收對應(yīng)柵極端子處的控制信號DCG的雙增益轉(zhuǎn)換晶體管54的圖像傳感器像素的操作期間，需要針對控制信號DCG的相對高電壓大小(如，大小大于電源電壓Vaa)接通DCG柵極54以及使DCG柵極54保持處于接通狀態(tài)(如，因為柵極54的源極端子S耦合至浮動擴(kuò)散節(jié)點36，并且通常需要針對DCG柵極54的1-2V的柵極-源極電壓接通晶體管)。例如，控制信號DCG的大小可能需要最高比電源電壓Vaa的大小大1-2V(如，因為源極端子耦合至浮動擴(kuò)散節(jié)點36)，以便于DCG晶體管54在圖像傳感器操作期間令人滿意地接通。為了針對控制信號DCG提供足夠高的電壓大小以接通柵極54，電路28可為控制信號DCG提供所謂的“電壓升壓”以將信號DCG的大小增加至足夠大于電源電壓Vaa的電平。然而，使用升壓電壓諸如接通柵極54所需的那些電壓可將不期望的電壓應(yīng)力強(qiáng)加于其中形成像素22的半導(dǎo)體基板，從而使像素22的性能隨時間推移減弱并且減少像素的總體有效壽命。因此期望能夠使像素22成像具有改善的轉(zhuǎn)換增益調(diào)整能力。
[0053]圖4為示例性圖像傳感器像素22的另一可能布置方式的電路示意圖，其中在不使用升壓DCG控制信號電壓的情況下對像素22的增益模式進(jìn)行調(diào)整。如圖4所示，像素22可包括光敏區(qū)域，諸如通過電荷傳輸門64耦合至電荷存儲節(jié)點62的光電二極管60。正電源電壓Vaa(或任何其他所需復(fù)位電壓)可在正電源電壓端子66處提供，而接地電源電壓Vss可在接地端子68處提供。
[0054]可通過光電二極管60收集入射光44。光電二極管60可將入射光轉(zhuǎn)換成電荷。復(fù)位晶體管70可耦合于浮動擴(kuò)散節(jié)點62和電源端子66之間。源極跟隨器晶體管74可耦合于浮動擴(kuò)散節(jié)點62和列讀出線32之間(如，晶體管74的柵極端子可耦合至節(jié)點62，而晶體管74的源極端子可耦合至列輸出路徑32)。行選擇晶體管72可耦合于電源端子66和源極跟隨器晶體管74之間(如，行選擇晶體管72的源極端子可耦合至源極跟隨器晶體管74的漏極端子，而行選擇晶體管的漏極端子耦合至電源端子66)?？墒箯?fù)位控制信號RST對復(fù)位晶體管70的柵極端子生效，以接通晶體管70以及在采集圖像之前將浮動擴(kuò)散節(jié)點62復(fù)位至電壓Vaa。當(dāng)使行選擇信號RS對行選擇晶體管72的柵極端子生效時，通過源極跟隨器晶體管74將與節(jié)點62上的所存儲電荷相關(guān)的復(fù)位電平信號傳輸至列線32。
[0055]可使復(fù)位控制信號RST失效以斷開復(fù)位晶體管70(如，針對陣列20的整個對應(yīng)行中的像素22)。在復(fù)位過程完成之后，可使傳輸門控制信號TX生效以接通傳輸門64。當(dāng)傳輸晶體管64接通時，由光電二極管60響應(yīng)于入射光所生成的電荷被傳輸至電荷存儲節(jié)點62。當(dāng)需要讀出所存儲電荷的值時，可使行選擇控制信號RS生效(如，同時對于所選行中的所有像素)。當(dāng)使信號RS生效時，晶體管72接通并且在列輸出路徑32上產(chǎn)生對應(yīng)的圖像信號VQUT，該圖像信號表示對應(yīng)電荷存儲節(jié)點62上的電荷的大小(如，圖像電平電壓)。如果需要，可針對每個圖像像素22對復(fù)位電平和圖像電平進(jìn)行采樣、保持和轉(zhuǎn)換，以允許通過例如相關(guān)雙采樣技術(shù)進(jìn)行kTC復(fù)位噪聲補(bǔ)償。
[0056]像素22可設(shè)置有增益選擇電路，該電路增強(qiáng)由圖像傳感器16產(chǎn)生的圖像的動態(tài)范圍而不需要升壓DCG控制信號。如圖4所示，圖像像素22可包括與雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76的溝道串聯(lián)耦合于端子78和浮動擴(kuò)散節(jié)點62之間的電容器80。端子78可耦合至對應(yīng)的列控制線32。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76的柵極可耦合至浮動擴(kuò)散節(jié)點62。電容器80可耦合于雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76的漏極端子D和浮動擴(kuò)散節(jié)點62之間。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76的源極端子S可從圖像讀出和控制電路28 (如，通過列路徑32)接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號DCG ο控制信號DCG可由控制電路28提供以控制像素22的增益。在圖3的布置方式中，每個圖像像素中的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管54由提供給雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的柵極端子的控制信號DCG控制，而在圖4的布置方式中，每個圖像像素中的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76由提供給雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子的控制信號DCG控制。
[0057]雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76可接通(啟用)以延伸浮動擴(kuò)散節(jié)點62的電荷存儲容量，使其也包括電容器62的電荷存儲容量(如，以將像素置于低轉(zhuǎn)換增益模式)。當(dāng)雙轉(zhuǎn)換增益晶體管76斷開(禁用)時，浮動擴(kuò)散節(jié)點62的電荷存儲容量不包括與電容器80相關(guān)的電荷存儲容量(如，以將像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式)。在圖4所示的布置方式中，當(dāng)提供給DCG晶體管76的源極端子S的控制信號DCG的大小被拉至足夠低的電平諸如接地(如，電平Vs s)時，在浮動擴(kuò)散節(jié)點62(8卩，晶體管76的柵極端子G)和晶體管76的源極端子S之間可存在足夠電壓差，使得晶體管76接通，從而使像素22的容量延伸能夠包括電容器80并且將像素22置于低轉(zhuǎn)換增益模式。一般來講，無論何時只要提供給源極端子S的控制信號DCG的大小比浮動擴(kuò)散節(jié)點62的電壓電平小預(yù)定閾值(如，當(dāng)控制信號DCG的大小比節(jié)點62的電壓電平小超過0.6V，諸如當(dāng)DCG處于電平Vs s時)，均可接通DCG晶體管76。
[0058]當(dāng)提供給晶體管76的源極端子S的控制信號DCG的大小以電源電平Vaa提供時，晶體管76偏置使得晶體管76斷開，從而使電容器80不能貢獻(xiàn)像素的電荷存儲容量以及將像素22置于高轉(zhuǎn)換增益模式。一般來講，無論何時只要控制信號DCG的大小大于浮動擴(kuò)散節(jié)點62的電壓電平減去預(yù)定閾值，均可斷開DCG晶體管76(如，當(dāng)控制信號DCG的大小比節(jié)點62的電壓電平小超過0.6V時，諸如當(dāng)信號DCG的大小處于Vaa時，當(dāng)控制信號DCG的大小等于節(jié)點62的電壓電平時，當(dāng)控制信號DCG的大小大于節(jié)點62的電壓電平時等等，DCG晶體管76斷開)。
[0059]換句話講，像素22的布置方式允許通過提供大小在接地電平Vss和電源電平之間范圍內(nèi)的DCG控制信號，DCG晶體管76被接通或斷開并且保持處于接通或斷開狀態(tài)。通過這種方式，像素22可在高轉(zhuǎn)換增益模式和低轉(zhuǎn)換增益模式之間調(diào)整而不為DCG控制信號提供大于電源電平Vaa的電壓(如，不針對DCG控制信號執(zhí)行電壓升壓)，從而減少像素22上的電壓應(yīng)力并且增加圖像傳感器16相對于使用升壓電壓的場景的壽命。另外，其中DCG電容器80在使用中時連接至接地(如，因為接地電平Vss接通DCG晶體管76)的圖4的布置方式導(dǎo)致由柵極76生成的任何噪聲采用與由光電二極管60所生成的噪聲通用的模式生成(如，由于光電二極管60也參考接地Vss)，從而減少進(jìn)入最終圖像信號的總體噪聲注入。
[0060]圖4的例子僅僅是示例性的。一般來講，圖像22可包括任何所需數(shù)量的耦合至對應(yīng)電荷存儲節(jié)點62(如，通過對應(yīng)電荷傳輸門)的光敏區(qū)域60(如，一個光電二極管60、三個光電二極管60、四個光電二極管60等)。如果需要，多個DCG柵極76可耦合至存儲區(qū)域62以用于將存儲區(qū)域62耦合至多個附加存儲電容80(如，以允許對像素中的存儲容量進(jìn)行更精細(xì)微調(diào))。一般來講，每個像素22可包括任何所需數(shù)量的光敏區(qū)域，所述光敏區(qū)域通過對應(yīng)的電荷傳輸門耦合至電荷存儲區(qū)域，并且可包括一個或多個附加電容，所述附加電容通過一個或多個對應(yīng)的DCG柵極耦合至電荷存儲區(qū)域，所述DCG柵極由讀出電路28中的對應(yīng)逐列控制電路進(jìn)行控制。
[0061]如果需要，列控制電路28可從像素22讀出圖像信號，并且可對從像素讀出的圖像信號進(jìn)行處理，以確定是否需要在每個列中調(diào)整圖像轉(zhuǎn)換增益。例如，電路28中的每個逐列控制信號可對所選像素行(如，行選擇信號RS對其生效的像素行)中的對應(yīng)像素的圖像信號進(jìn)行處理，以確定該像素是否需要調(diào)整轉(zhuǎn)換增益而無論所選像素行中的其他像素所用的轉(zhuǎn)換增益如何。
[0062]圖5為示例性步驟的流程圖，所述步驟可由圖像傳感器16執(zhí)行，以對圖4所示類型的圖像傳感器像素22的陣列20進(jìn)行操作，該陣列具有在不提供升壓控制信號的情況下可調(diào)整的增益模式?？蓤?zhí)行圖5的步驟以例如基于由特定像素捕獲的圖像信號調(diào)整該像素的轉(zhuǎn)換增益模式。
[0063]在步驟100處，陣列20中的圖像傳感器像素22可捕獲圖像信號。圖像傳感器像素22可捕獲像素電平信號和/或復(fù)位電平信號。圖像信號可提供給列讀出電路28。
[0064]在步驟102處，列讀出電路28可對所接收像素信號進(jìn)行處理以確定是否需要逐列(如，針對給定行中的每個像素)調(diào)整圖像轉(zhuǎn)換增益。例如，列讀出電路28可從陣列20的給定(如，所選)行中的像素接收圖像信號。電路28可對由所選行中的每個像素生成的圖像信號進(jìn)行處理，以確定是否需要針對該像素調(diào)整轉(zhuǎn)換增益，以及以基于所述確定執(zhí)行任何所需轉(zhuǎn)換增益調(diào)整。例如，電路28可確定給定像素是在陣列20的相對較暗部分27(圖2)還是陣列20的相對較亮部分25中(如，基于對應(yīng)圖像信號的亮度)，并且可基于確定針對所選行中的每個像素22接通或斷開DCG晶體管76(如，電路28可提供相對低電壓諸如電平Vss下的信號DCG，以在確定對應(yīng)像素22在框架的相對較暗區(qū)域27中時接通DCG晶體管76，而電路28可提供相對高電壓諸如電平Vaa下的信號DCG，以在確定對應(yīng)像素22在框架的相對較亮區(qū)域25中時斷開DCG晶體管76)。所選行中的每個像素均可以對應(yīng)的增益模式操作(如，電路28可逐列調(diào)整所選行的每個像素22中的轉(zhuǎn)換增益晶體管)。通過這種方式，陣列20的每行中的不同像素可基于由陣列20的該行捕獲的圖像信號以不同轉(zhuǎn)換增益模式運行。
[0065]在步驟104處，陣列20中的圖像傳感器像素22可使用在處理步驟102時經(jīng)調(diào)整的電流轉(zhuǎn)換增益設(shè)置捕獲附加圖像信號。圖像傳感器22可將附加圖像信號提供給電路28以進(jìn)行處理。由于在步驟102處執(zhí)行的增益調(diào)整，使得可逐列通過優(yōu)化增益設(shè)置捕獲和讀出附加圖像信號(如，不使來自較亮區(qū)域25中的像素的圖像信號過飽和，并且在來自較暗區(qū)域27中的像素的圖像信號中無過多噪聲)。附加圖像信號可根據(jù)需要提供給圖2的歸一化電路38。如果需要，如果確定在處理步驟102時不進(jìn)行任何調(diào)整，則可省略步驟104。
[0066]在步驟106處，歸一化電路38可使附加圖像信號歸一化(線性化)以生成最終圖像信號。
[0067]在步驟108處，最終圖像信號可輸出至控制和處理電路24(圖2)和/或任何其他所需內(nèi)部或外部圖像處理電路。如果需要，像素22的增益模式可逐行和逐列進(jìn)行調(diào)整，以執(zhí)行高動態(tài)范圍(HDR)成像，其中像素22的交替行或行對生成較長和較短曝光圖像信號。最終輸出圖像可例如為通過將較長和較短曝光圖像信號的行相組合而生成的HDR圖像。如果需要，可調(diào)整不同行的像素的轉(zhuǎn)換增益模式以生成較長和較短有效曝光圖像信號，所述圖像信號以單個讀出序列讀出并且相組合以生成HDR最終圖像。
[0068]如果需要，由陣列20中的圖像像素的先前行捕獲的圖像信號可用于針對陣列20的后續(xù)行中的像素選擇所需逐列增益模式(如，以使得無需針對陣列20的任何給定行執(zhí)行兩項信號捕獲和讀出操作)。圖6為示例性步驟的流程圖，所述步驟可由圖像傳感器16執(zhí)行，以基于圖像數(shù)據(jù)的先前捕獲行確定針對陣列20中像素22的不同行的增益模式。在步驟110處，行控制電路26可選擇陣列20中的像素22的初始行。例如，行控制電路26可選擇陣列20中的像素22的第一行或像素的任何其他所需行。
[0069]在步驟112處，陣列20的所選行中的圖像傳感器像素22可使用所需逐列轉(zhuǎn)換增益設(shè)置捕獲和讀出圖像信號(如，使得所選行中預(yù)定數(shù)量的像素22在DCG柵極76斷開的情況下捕獲圖像信號，并且所選行中預(yù)定數(shù)量的像素22在DCG柵極76接通的情況下捕獲圖像信號)。如果需要，讀出圖像信號可用元數(shù)據(jù)或附加增益比特標(biāo)記(如，在將模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)之后)，該比特識別由所選行中每個像素用來捕獲圖像信號的轉(zhuǎn)換增益模式。所捕獲圖像信號和/或元數(shù)據(jù)可用于確定陣列20中像素的后續(xù)行的所需增益模式。
[0070]在步驟114處，行控制電路26可選擇陣列20中的像素的后續(xù)行以進(jìn)行處理。例如，如果在步驟110處選擇像素22的第五行，則電路26可選擇陣列20中像素22的第六行，如果在步驟110處選擇像素22的第一行，則電路26可選擇陣列20中像素22的第二行等。如果需要，處理電路28可使用由陣列20中像素22的先前所選一行(如，像素的直接相鄰前一行)捕獲的圖像數(shù)據(jù)確定像素22的后續(xù)行的所需增益設(shè)置。
[0071]在步驟116處，控制電路26可使用所選增益模式捕獲和讀出來自所選后續(xù)行(如，如在步驟114處選擇)的圖像數(shù)據(jù)，所述所選增益模式基于針對圖像數(shù)據(jù)的前一行(如，在步驟110處選擇的所述行)讀取的圖像數(shù)據(jù)和/或添加至圖像數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)(附加比特)。后續(xù)所選行的所需增益模式可基于針對先前所選像素行的每個對應(yīng)列中的像素22捕獲的圖像信號和/或元數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇(如，可執(zhí)行列式增益選擇)。例如，如果針對像素的前一行的給定列捕獲的圖像數(shù)據(jù)具有元數(shù)據(jù)或附加比特，指示針對陣列的前一行中的該列使用高轉(zhuǎn)換增益模式，則處理電路28可確定列20的所選后續(xù)行也應(yīng)當(dāng)針對該列以高轉(zhuǎn)換增益模式運行。如果針對像素的前一行的給定列捕獲的圖像數(shù)據(jù)具有元數(shù)據(jù)或附加比特，指示針對陣列的前一行中的該列使用低轉(zhuǎn)換增益模式，則處理電路28可確定列20的所選后續(xù)行也應(yīng)當(dāng)針對該列以低轉(zhuǎn)換增益模式運行。
[0072]又如，電路28可逐列對像素的前一行捕獲的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如，如果針對陣列20的前一行中的給定列捕獲的像素值飽和(如，過亮)，則電路28可確定像素的所選后續(xù)行的該列中的像素22應(yīng)當(dāng)調(diào)整以在低轉(zhuǎn)換增益模式下運行，以防像素的所選后續(xù)行中飽和。如果針對給定列捕獲的像素值過分嘈雜，則電路28可確定所選后續(xù)行的該列中的像素22應(yīng)當(dāng)以高轉(zhuǎn)換增益模式運行，以改善像素的所選后續(xù)行中的信噪比。通過這種方式，每行中的每個像素的增益模式可基于在陣列20的一個或多個此前行中捕獲的圖像數(shù)據(jù)積極調(diào)整。通過逐列執(zhí)行每項增益確定，每行可針對該行中的不同像素以高轉(zhuǎn)換模式和低轉(zhuǎn)換模式兩者運行(如，從而適應(yīng)其中單行包括較亮部分和較暗部分兩者的場景)。通過控制像素22的增益模式而不使信號DCG升壓，圖像傳感器16可執(zhí)行成像操作而不引起圖像傳感器基板上的電壓應(yīng)力。該例子僅僅為示例性的，并非用于限制本實用新型的范圍。一般來講，可使用任何所需方法確定陣列20的所選行中的特定像素應(yīng)當(dāng)以高轉(zhuǎn)換增益模式還是以低增益轉(zhuǎn)換模式運行。
[0073]在步驟118處，陣列20的所選后續(xù)行可使用所選逐列轉(zhuǎn)換增益(如，如執(zhí)行步驟116時針對行中的每個像素所選擇的那樣)捕獲和讀出圖像信號。通過這種方式，像素的所選后續(xù)行可捕獲具有適用于正被捕獲的圖像的轉(zhuǎn)換增益的數(shù)據(jù)。在步驟120處，圖像傳感器16可確定是否剩下像素行要處理，并且如果剩下像素行要處理，則處理可返回到步驟114以繼續(xù)捕獲和讀出來自陣列20的圖像信號。一旦陣列已捕獲了每行的圖像信號(如，如果未剩下任何像素行)，則處理可結(jié)束并且可輸出來自整個陣列20的最終圖像框架。
[0074]圖7以簡化形式示出了典型處理器系統(tǒng)300，諸如數(shù)字相機(jī)，該處理器系統(tǒng)300包括成像設(shè)備200(如，成像設(shè)備200，諸如圖1-6的設(shè)備10，以及用于使用逐像素增益調(diào)整捕獲圖像而不使控制信號電壓升壓的技術(shù))。處理器系統(tǒng)300是可包括成像設(shè)備200的具有數(shù)字電路的示例性系統(tǒng)。在不進(jìn)行限制的前提下，這種系統(tǒng)可包括計算機(jī)系統(tǒng)、靜態(tài)或視頻攝像機(jī)系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)器視覺、車輛導(dǎo)航、視頻電話、監(jiān)控系統(tǒng)、自動對焦系統(tǒng)、星體跟蹤器系統(tǒng)、運動檢測系統(tǒng)、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)以及其他采用成像設(shè)備的系統(tǒng)。
[0075]處理器系統(tǒng)300通常包括鏡頭396，該鏡頭用于在快門釋放按鈕397被按下時，將圖像聚焦到設(shè)備200的像素陣列20上；中央處理單元(CPU)395，諸如微處理器，它控制相機(jī)功能和一個或多個圖像流功能，通過總線393與一個或多個輸入/輸出(I/O)設(shè)備391通信。成像設(shè)備200還通過總線393與CPU 395通信。系統(tǒng)300還包括隨機(jī)存取存儲器(RAM)392并且可包括可移動存儲器394，諸如閃存存儲器，該存儲器也通過總線393與CPU395通信。成像設(shè)備200可在單個集成電路或不同芯片上與CPU相組合，無論是否具有存儲器。盡管總線393被示為單總線，但該總線也可以是一個或多個總線或橋接器或其他用于互連系統(tǒng)組件的通信路徑。
[0076]已描述了各種實施例，這些實施例示出了用于使用圖像傳感器像素陣列生成圖像的系統(tǒng)和方法，所述像素陣列具有逐像素增益調(diào)整能力而不使像素控制信號電壓升壓至大于像素電源電壓的大小。
[0077]成像系統(tǒng)可包括被布置成行和列的圖像傳感器像素陣列，通過多條行控制線耦合至陣列的行控制電路，以及通過多條列線耦合至陣列的讀出電路。陣列可包括任何所需數(shù)量的圖像像素。每個圖像傳感器像素可包括電荷存儲區(qū)域(如，浮動擴(kuò)散區(qū)域或節(jié)點)，具有耦合至電荷存儲區(qū)域的柵極端子、源極端子和漏極端子的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管以及耦合于雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的漏極端子和電荷存儲區(qū)域之間的電容器。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管可被配置為當(dāng)雙轉(zhuǎn)換增益晶體管接通時將圖像傳感器像素置于低轉(zhuǎn)換增益模式(如，使得電容器的電荷存儲容量貢獻(xiàn)浮動擴(kuò)散區(qū)域的電荷存儲容量)，以及當(dāng)雙轉(zhuǎn)換增益晶體管斷開時將圖像傳感器像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式(如，使電容器不能貢獻(xiàn)浮動擴(kuò)散區(qū)域的電荷存儲容量)。例如，雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子可通過列線從讀出電路接收雙轉(zhuǎn)換增益控制信號。
[0078]電荷存儲區(qū)域可表現(xiàn)出第一電壓電平，并且雙轉(zhuǎn)換增益晶體管可被配置為響應(yīng)于大小比第一電壓電平小預(yù)定量的雙轉(zhuǎn)換增益控制信號而接通(如，使得柵極端子和源極端子之間的電壓差足夠大)。雙轉(zhuǎn)換增益晶體管可被配置為響應(yīng)于大小大于第一電壓電平減去預(yù)定量的雙轉(zhuǎn)換增益控制信號而斷開(如，使得柵極端子和源極端子之間的電壓差不足以接通晶體管)。圖像傳感器像素可包括電荷傳輸門和光敏區(qū)域(如，光電二極管)，該光敏區(qū)域耦合于接收接地電壓電平的接地端子和電荷傳輸門之間，并且光敏區(qū)域可通過電荷傳輸門耦合至電荷存儲區(qū)域。像素可包括接收電源電壓電平的附加端子和耦合于電荷存儲區(qū)域和附加端子之間的復(fù)位晶體管。雙轉(zhuǎn)換增益控制信號可控制雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子，以在不使用大于電源電壓電平或小于接地電壓電平的控制信號大小的情況下接通或斷開晶體管。
[0079]讀出控制電路可將雙轉(zhuǎn)換增益控制信號提供給陣列的所選行的給定圖像傳感器像素中的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子，以控制圖像傳感器像素，使其表現(xiàn)出所選轉(zhuǎn)換增益(如，高轉(zhuǎn)換增益或低轉(zhuǎn)換增益)。讀出控制電路可從陣列所選行中的給定圖像傳感器像素的浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出圖像信號，同時圖像傳感器像素表現(xiàn)出所選轉(zhuǎn)換增益。如果需要，控制電路可將附加雙轉(zhuǎn)換增益控制信號提供給陣列的所選行的附加圖像傳感器像素中的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子，以控制附加圖像傳感器像素，使其表現(xiàn)出不同于所選轉(zhuǎn)換增益的附加所選轉(zhuǎn)換增益。當(dāng)附加圖像傳感器像素表現(xiàn)出附加所選轉(zhuǎn)換增益時，控制電路可從附加圖像傳感器像素的浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出附加圖像信號，與此同時當(dāng)圖像傳感器像素表現(xiàn)出所選轉(zhuǎn)換增益時，從給定圖像傳感器像素的浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出圖像信號。
[0080]如果需要，控制電路可基于從圖像傳感器像素的浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出的圖像信號確定是否調(diào)整所選轉(zhuǎn)換增益;可響應(yīng)于確定調(diào)整所選轉(zhuǎn)換增益，控制圖像傳感器像素，使其表現(xiàn)出不同于所選轉(zhuǎn)換增益的附加所選轉(zhuǎn)換增益;并且在圖像傳感器像素表現(xiàn)出附加所選轉(zhuǎn)換增益時，可從圖像傳感器像素的浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出附加圖像信號。如果需要，陣列可包括附加圖像傳感器像素，該像素與圖像像素在相同列但在陣列的后續(xù)相鄰行中?？刂齐娐房苫卺槍﹃嚵械南惹靶兄械南袼厮x出的圖像信號，確定針對陣列后續(xù)行中的像素的附加所選轉(zhuǎn)換增益。
[0081]圖像傳感器像素可形成于具有中央處理單元、存儲器、輸入輸出電路和成像設(shè)備的系統(tǒng)中。成像設(shè)備可包括被布置成行和列的圖像傳感器像素陣列。陣列可包括例如位于陣列給定行的第一列中的第一圖像傳感器像素，以及位于給定行的第二列中的第二圖像傳感器像素。第一圖像傳感器像素可包括具有第一源極端子的第一雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，而第二圖像傳感器像素包括具有第二源極端子的第二雙轉(zhuǎn)換增益晶體管。在行控制電路連續(xù)激活陣列的給定行時，讀出電路可從第一圖像傳感器像素讀出第一圖像信號，同時將具有第一大小的第一雙轉(zhuǎn)換增益控制信號提供給第一源極端子，并且讀出電路可從第二圖像傳感器像素讀出第二圖像信號，同時將具有不同于第一大小的第二大小的第二雙轉(zhuǎn)換增益控制信號提供給第二源極端子。通過這種方式，讀出控制電路可針對陣列每行中的像素提供逐列(逐像素)雙轉(zhuǎn)換增益而不使雙轉(zhuǎn)換增益信號升壓至大于電源電壓的電壓，從而減少像素陣列上的電壓應(yīng)力并且提高圖像傳感器的壽命。
[0082]根據(jù)本實用新型的一個方面，還提供了一種操作成像系統(tǒng)的方法，所述成像系統(tǒng)具有控制電路和被布置成行和列的圖像傳感器像素陣列，所述方法包括:
[0083]通過所述控制電路，將雙轉(zhuǎn)換增益控制信號提供給所述陣列的所選行的圖像傳感器像素中的雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子，以控制所述圖像傳感器像素，使所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出所選轉(zhuǎn)換增益；以及
[0084]通過所述控制電路，當(dāng)所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出所述所選轉(zhuǎn)換增益時，從所述陣列的所述所選行中的所述圖像傳感器像素的浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出圖像信號。
[0085]在一個實施例中，所述方法還包括:
[0086]通過所述控制電路，將附加雙轉(zhuǎn)換增益控制信號提供給所述陣列的所述所選行的附加圖像傳感器像素中的附加雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的源極端子，以控制所述附加圖像傳感器像素，使所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出不同于所述所選轉(zhuǎn)換增益的附加所選轉(zhuǎn)換增益；以及
[0087]通過所述控制電路，當(dāng)所述附加圖像傳感器像素表現(xiàn)出所述附加所選轉(zhuǎn)換增益時，從所述附加圖像傳感器像素的附加浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出附加圖像信號，與此同時當(dāng)所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出所述所選轉(zhuǎn)換增益時，從所述圖像傳感器像素的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出所述圖像信號。
[0088]在一個實施例中，所述方法還包括:
[0089]通過所述控制電路，確定是否基于從所述圖像傳感器像素的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出的所述圖像信號調(diào)整所述所選轉(zhuǎn)換增益；
[0090]通過所述控制電路，響應(yīng)于確定調(diào)整所述所選轉(zhuǎn)換增益，控制所述圖像傳感器像素，使所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出不同于所述所選轉(zhuǎn)換增益的附加所選轉(zhuǎn)換增益；以及
[0091]通過所述控制電路，當(dāng)所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出所述附加所選轉(zhuǎn)換增益時，從所述圖像傳感器像素的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域讀出附加圖像信號。
[0092]在一個實施例中，所述浮動擴(kuò)散區(qū)域表現(xiàn)出第一電壓電平，所述方法還包括:
[0093]通過所述控制電路，通過以小于所述第一電壓電平的第二電壓電平提供所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號，將所述圖像傳感器像素置于低轉(zhuǎn)換增益模式。
[0094]在一個實施例中，所述方法還包括:
[0095]通過所述控制電路，通過以大于所述第二電壓電平的第三電壓電平提供所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號，將所述圖像傳感器像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式。
[0096]在一個實施例中，所述方法還包括:
[0097]通過所述控制電路，控制所述圖像傳感器像素中的復(fù)位晶體管以將所述圖像傳感器像素中的所述浮動擴(kuò)散區(qū)域復(fù)位至復(fù)位電壓電平，其中所述第三電壓電平包括所述復(fù)位電壓電平，并且所述第二電壓電平包括接地電壓電平。
[0098]在一個實施例中，所述圖像傳感器像素排列于所述陣列的第一列和第一行，并且所述陣列包括排列于所述陣列的所述第一列和第二行中的附加圖像傳感器像素，其中所述陣列的所述第二行鄰近所述陣列的所述第一行，所述方法包括:
[0099]通過所述控制電路，基于從所述第一行中的所述圖像傳感器像素讀出的所述圖像信號，確定針對所述第二行中的所述附加圖像傳感器像素的附加所選轉(zhuǎn)換增益；
[0100]通過所述控制電路，控制所述第二行中的所述附加圖像傳感器像素，使所述圖像傳感器像素表現(xiàn)出所述附加所選轉(zhuǎn)換增益；以及
[0101]通過所述控制電路，當(dāng)所述附加圖像傳感器像素表現(xiàn)出所述附加所選轉(zhuǎn)換增益時，從所述第二行中的所述附加圖像傳感器像素讀出附加圖像信號。
[0102]前述內(nèi)容僅是對本實用新型原理的示例性說明，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下進(jìn)行多種修改。上述實施例可單獨地或以任意組合方式實施。
【主權(quán)項】
1.一種圖像傳感器像素，其特征在于，所述圖像傳感器像素包括: 電荷存儲區(qū)域； 雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，所述晶體管具有耦合至所述電荷存儲區(qū)域的柵極端子、源極端子和漏極端子；以及 電容器，所述電容器耦合于所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述漏極端子和所述電荷存儲區(qū)域之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其特征在于，其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為當(dāng)所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管接通時將所述圖像傳感器像素置于低轉(zhuǎn)換增益模式，并且其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為當(dāng)所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管斷開時將所述圖像傳感器像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其特征在于，其中所述圖像傳感器像素排列成以行和列布置的圖像傳感器像素陣列，其中所述陣列中的圖像傳感器像素的所述列通過多根導(dǎo)電列線耦合至列讀出電路，并且其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述源極端子通過所述多根導(dǎo)電列線的對應(yīng)導(dǎo)電列線耦合至所述列讀出電路。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器像素，其特征在于，其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管通過雙轉(zhuǎn)換增益控制信號進(jìn)行控制，所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號從所述列讀出電路位于所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述源極端子處接收。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器像素，其特征在于，其中所述電荷存儲區(qū)域具有第一電壓電平，并且所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為響應(yīng)于所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的大小比所述第一電壓電平小一個預(yù)定量而接通。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感器像素，其特征在于，其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為響應(yīng)于所述雙轉(zhuǎn)換增益控制信號的大小大于所述第一電壓電平減去所述預(yù)定量而斷開。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述圖像傳感器像素還包括: 電荷傳輸門；以及 光敏區(qū)域，所述光敏區(qū)域耦合于接收接地電壓電平的端子和所述電荷傳輸門之間，其中所述光敏區(qū)域通過所述電荷傳輸門耦合至所述電荷存儲區(qū)域。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述圖像傳感器像素還包括: 附加端子，所述附加端子接收電源電壓電平；以及 復(fù)位晶體管，所述復(fù)位晶體管耦合于所述電荷存儲區(qū)域和所述附加端子之間。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器像素，其特征在于，其中所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管被配置為基于在所述雙轉(zhuǎn)換增益晶體管的所述源極端子處接收的控制信號，將所述圖像傳感器像素置于高轉(zhuǎn)換增益模式和低轉(zhuǎn)換增益模式中的一者，所述控制信號具有大于或等于所述接地電壓電平并且小于或等于所述電源電壓電平的電壓大小。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器像素，其特征在于，所述圖像傳感器像素還包括: 列讀出線，其中所述圖像傳感器像素通過所述列讀出線耦合至列控制和讀出電路；以及 源極跟隨器晶體管，所述源極跟隨器晶體管耦合于所述電荷存儲區(qū)域和所述列讀出線之間。11.一種成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 中央處理單元； 存儲器； 輸入-輸出電路;和 成像設(shè)備，其中所述成像設(shè)備包括: 被布置成行和列的圖像傳感器像素陣列，其中所述陣列包括位于所述陣列的給定行的第一列中的第一圖像傳感器像素以及位于所述給定行的第二列中的第二圖像傳感器像素，其中所述第一圖像傳感器像素包括具有第一源極端子的第一雙轉(zhuǎn)換增益晶體管，并且其中所述第二圖像傳感器像素包括具有第二源極端子的第二雙轉(zhuǎn)換增益晶體管； 行控制電路，所述行控制電路通過行控制線耦合至所述陣列的所述給定行；以及 讀出電路，所述讀出電路通過第一列線耦合至所述陣列的所述第一列并且通過第二列線耦合至所述陣列的所述第二列，其中在所述行控制電路連續(xù)激活所述陣列的所述給定行時，所述讀出電路被配置為從所述第一圖像傳感器像素讀出第一圖像信號，同時將具有第一大小的第一控制信號提供給所述第一源極端子，并且所述讀出電路被配置為從所述第二圖像傳感器像素讀出第二圖像信號，同時將具有不同于所述第一大小的第二大小的第二控制信號提供給所述第二源極端子。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一圖像傳感器像素包括第一浮動擴(kuò)散節(jié)點和第一電容器，所述第一雙轉(zhuǎn)換增益晶體管具有第一柵極端子和第一漏極端子，所述第二圖像傳感器像素包括第二浮動擴(kuò)散節(jié)點和第二電容器，所述第二雙轉(zhuǎn)換增益晶體管具有第二柵極端子和第二漏極端子，所述第一柵極端子耦合至所述第一浮動擴(kuò)散節(jié)點，所述第一漏極端子通過所述第一電容器耦合至所述浮動擴(kuò)散節(jié)點，所述第二柵極端子耦合至所述第二浮動擴(kuò)散節(jié)點，并且所述第二漏極端子通過所述第二電容器耦合至所述第二浮動擴(kuò)散節(jié)點。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，其中所述第一圖像傳感器像素包括耦合至提供有接地電壓電平的第一端子的第一光電二極管，所述第二圖像傳感器像素包括耦合至提供有所述接地電壓電平的第二端子的第二光電二極管，所述第一圖像傳感器像素具有提供有復(fù)位電壓電平的第三端子，所述第二圖像傳感器像素具有提供有所述復(fù)位電壓電平的第四端子，所述第一大小與所述接地電壓電平大約相等，并且所述第二大小與所述復(fù)位電壓電平大約相等。
【文檔編號】H04N5/369GK205566484SQ201620331558
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】J·貝克
【申請人】半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司