高动态范围图像传感器制造技术

在第一帧间隔期间使在集成电路图像传感器内的像素阵列曝露于表示场景的光，并且然后在第一帧间隔内过采样第一次数以生成对应的第一数量的图像数据帧，通过该第一数量的图像数据帧可以构造第一输出图像。对所述第一数量的图像数据帧中的一个或者多个进行估计以确定在场景中的亮度范围是否保证将过采样因数从第一数量调节为第二数量，如果是，对过采样因数进行调节使得在第二帧间隔内对像素阵列过采样第二次数以生成对应的第二数量的图像数据帧，通过该第二数量的图像数据帧可以构造第二输出图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及电子图像传感器领域，并且更具体地涉及用于这种图像传感器的采样架构。附图说明在对应附图的图中，以示例而非限制的方式图示了此处公开的各个实施例，并且，在附图中，类似的附图标记标示相似的元件，其中：图1图示了改良的4-晶体管像素的一个实施例，在其中，执行无损过阈值检测操作使得能够结合相关双采样进行有条件读出操作；图2是图示了在图1的递进读出像素(progressiveread-outpixel)内的示例性像素周期的定时图；图3和图4图示了用于图1的光电二极管、传输门和浮置扩散结构的在其对应的示意性截面图下方的示例性静电电位图；图5图示了可以结合滤色器阵列对4x1四像素块聚合件执行的可替代拼接策略；图6图示了可以用于使得能够从4x1四像素块的所选列读出模拟信号的电压拼接的列互连架构；图7图示了在图5和图6的4x1四像素结构内的拼接模式读出操作的示例性定时图；图8图示了具有与图像处理器、存储器、和显示器一起的有条件读出图像传感器的成像系统的一个实施例；图9图示了结合图像处理操作可以在图8的成像系统内执行的操作的示例性序列；图10将图1的有条件读出像素的实施例与“分离栅极”像素进行比较；图11是图示了在图10的分离栅极像素内的示例性像素周期(重置/电荷积分/读出)的定时图；图12图示了图10的分离栅极像素的示例性低光照和高光照操作，示出了在光电探测器、双控传输门和浮置扩散结构的示意性截面图之下的各种情况下的静电电位图；图13图示了在图10的分离栅极像素内的可替代过阈值检测操作；图14图示了四像素共享浮置扩散图像传感器架构，在该架构中，多对行传输门控制线和列传输门控制线耦合至在四个分离栅极像素中的每一个内的双栅极结构；图15图示了分离栅极像素(四分离栅极像素块)的4x1块，其可以在如上所描述的拼接像素模式或者独立像素模式中操作，例如，参照图5；图16图示了低功率图像传感器的一个实施例，该低功率图像传感器可以用于实施在图8的图像传感器内的组件电路系统；图17图示了操作的序列，可以在图16的像素阵列、采样/保持组和比较器电路系统内执行该操作的序列以进行像素状态评价并且使得能够一行接一行的像素进行随后的ADC操作；图18A图示了根据图16的传感器架构和图17的操作序列的示例性定时图，包括分别对应于分离栅极和连续栅极像素阵列实施例的可替代TGc波形；图18B和图18C示出了针对偶数行像素和奇数行像素可以采用的示例性读出序列；图19图示了可以用于实施在图17中描绘的采样保持(S/H)电路系统的多组采样保持电路的一个实施例；图20图示了大体上对应于在图18的定时布置内的S/H组使用时段的示例性样本和保持流水线；图21图示了可以用于实施在图16中描绘的相同名称的部件的参考多路复用器、比较器输入多路复用器和比较器的各个实施例；图22图示了可以在图16的实施例内部署的列共享可编程增益放大器和K:1ADC输入多路复用器的各个实施例；图23A图示了可以用于实施图16的K:1读出使能多路复用器和ADC电路系统的读出使能多路复用器、ADC使能逻辑和ADC电路的各个实施例；图23B图示了对应于图23A的转换信号定时图；图24图示了具有用于进行读出-膨胀(dilation)操作的逻辑的图像传感器的示例性K列区；图25图示了在有条件读出/重置图像传感器内的示例性子帧读出序列；图26图示了扩展了子帧读出时间并且平滑(平衡)了跨帧时段的资源利用率的可替代读出方法；图27更详细地图示了示例性6-1-6-1子帧读出，示出了在具有12行像素阵列的图像传感器实施例内的时隙利用率；图28A图示了可替代的子帧序列，其中，在12-1-1-1图案中，在较长子帧之后为三个较短子帧的序列；图28B图示了根据可替代定时增强方法设计的A＝13，13-1-1-1子帧读出序列；图28C图示了根据可替代定时增强方法设计的A＝39，B＝3，39-3-3-3子帧读出序列；图28D示出了针对20个行和80个时隙的另一调度方案，此次是针对A＝5和5-1-1-1策略；图29图示了1-4-4-4子帧读出序列，该1-4-4-4子帧读出序列至少在子帧读出并发性方面表示图28A的12-1-1-1子帧序列的逆序列；图30图示了另一死区时间子帧读出序列；在这种情况下具有3-1-6-1图案；图31A图示了行逻辑电路的一个实施例，该行逻辑电路可以用于建立各种各样的运行时间和/或生产时间可选择的子帧序列，包括但不限于在图27至图30中所描绘的子帧序列；图31B图示了行逻辑电路的另一实施例，该行逻辑电路可以用于建立各种各样的子帧序列，包括但不限于在图27至图30中所描绘的子帧序列；图32A至图32C图示了关于图31A的序列定义存储器的可替代参数加载操作；图33A至图33C将示例性子帧序列进行比较，在该示例性子帧序列中，读出操作分别以帧时段较均匀地分布、前加载和后加载；图34A图示了缓冲电路的一个实施例，该缓冲电路可以用于从图33C的12-1-1-1子帧序列重构图像帧，其中仅仅部分子帧缓冲；图34B图示了缓冲电路的可替代实施例，该缓冲电路使得能够从图33C的12-1-1-1子帧序列进行部分图像重构；图35将更易伪影(artifact-prone)完全交错(fully-interleaved)读出方法(左)和更耐伪影帧中心短曝露方法(右)进行比较；图36图示了在用于实现光电二极管状态的部分读出的部分导通传输门电压与针对其对部分读出信号进行测试以确定是否执行完整光电二极管读出和重置的有条件读出/重置阈值之间的关系；图37图示了具有设置在焦平面外部的外围位置处的像素校准电路的“暗”列的像素阵列的一个实施例；图38和图39图示了校准操作的示例性序列和在图37的校正电路内的对应的信号波形；图40图示了在应用处理器和图像传感器内进行以实现部分导通传输门电压的可替代分析驱动校准的操作；图41图形地图示了基于针对不足阈值和过阈值像素的ADC值的集合对阈值相关的ADC值的确定；图42图示了在缺少上面所描述的混合读出模式或者对于其已经禁用这种模式的图像传感器内可以应用的可替代分析校准技术；图43和图44图示了示例性“部分拼接”成像方法，在该“部分拼接”成像方法中，在针对给定图像帧的所有但非最后子帧的非拼接全分辨率模式下有条件地读出/重置像素阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在具有像素阵列的集成电路图像传感器内操作的方法，所述方法包括：在第一帧间隔期间使所述像素阵列曝露于表示场景的光；在所述第一帧间隔内过采样所述像素阵列第一数量的次数，以生成对应的第一数量的图像数据帧，通过所述第一数量的图像数据帧可以构造第一输出图像；对所述第一数量的图像数据帧中的一个或多个帧进行估计以确定在所述场景中的亮度的范围是否保证将过采样因数从所述第一数量调节为第二数量；以及如果确定在所述场景中的所述亮度的范围保证所述过采样因数的调节，则在第二帧间隔内过采样所述像素阵列所述第二数量的次数，以生成对应的第二数量的图像数据帧，通过所述第二数量的图像数据帧可以构造第二输出图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.04 US 61/911,575;2013.12.04 US 61/911,579;1.一种在具有像素阵列的集成电路图像传感器内操作的方法，所述方法包括：
在第一帧间隔期间使所述像素阵列曝露于表示场景的光；
在所述第一帧间隔内过采样所述像素阵列第一数量的次数，以生成对应的第一数量的
图像数据帧，通过所述第一数量的图像数据帧可以构造第一输出图像；
对所述第一数量的图像数据帧中的一个或多个帧进行估计以确定在所述场景中的亮
度的范围是否保证将过采样因数从所述第一数量调节为第二数量；以及
如果确定在所述场景中的所述亮度的范围保证所述过采样因数的调节，则在第二帧间
隔内过采样所述像素阵列所述第二数量的次数，以生成对应的第二数量的图像数据帧，通
过所述第二数量的图像数据帧可以构造第二输出图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述第一数量的图像数据帧中的一个或多个帧
进行估计包括：生成关于在所述场景内的所述亮度的范围的统计数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中生成关于在所述场景内的所述亮度的范围的统计
数包括：在所述第一数量的图像数据帧中的所述一个或多个帧内，对在与相应亮度范围对
应的像素值范围内的像素值的出现次数进行计数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中对在与相应亮度范围对应的像素值范围内的像素
值的出现次数进行计数包括：针对滤色器阵列的多种颜色中的每一种，生成在所述像素值
范围内的所述像素值的出现次数的相应计数。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述第一数量的图像数据帧中的所述一
个或多个帧进行估计以确定在所述场景中的亮度的范围是否保证以下的调节：(i)对所述
第二帧间隔的调节，使得所述第二帧间隔比所述第一帧间隔更长或更短；(ii)对透镜孔径
的调节；或者(iii)当采样所述像素阵列的单独像素时，对施加的信号增益的调节。
6.根据权利要求1所述的方法，其中过采样所述像素阵列所述第一数量的次数以生成
所述第一数量的图像数据帧包括：根据选自扫描序列定义的预定集合的第一扫描序列定义
来生成所述第一数量的图像数据帧中的每一个帧，并且过采样所述像素阵列所述第二数量
的次数以生成所述第二数量的图像数据帧包括：根据选自扫描序列定义的预定集合的第二
扫描顺序定义来生成所述第二数量的图像数据帧中的每一个帧。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述扫描序列定义的预定集合内的包括所述第
一扫描序列定义和所述第二扫描序列定义的每个扫描序列定义，将待生成的图像数据的帧
数以及与所述图像数据帧中的每一个对应的相应子曝露持续时间表示为用于所述扫描序
列的过采样因数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一帧间隔和所述第二帧间隔具有相同的帧
间隔持续时间，以及其中由在所述扫描序列定义的预定集合内的每个扫描序列定义表示的
所述子曝露持续时间之和为所述帧间隔持续时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中表示将在所述帧间隔持续时间期间对所述像素阵
列过采样的每个所述扫描序列定义组成相应过采样扫描序列定义，每个所述过采样扫描序
列定义指定至少一个长子曝露和非零数量的短子曝露，所述非零数量与在所述过采样扫描
序列定义中的至少一个其它过采样扫描序列定义内的短子曝露的数量不同。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个长子曝露持续时间被指定为在每个
所述过采样扫描序列定义中相同，以及其中用于所述过采样扫描序列定义中的至少一个过
采样扫描序列定义的所述非零数量的短子曝露中的每一个的所述持续时间是一致的并且
与用于所述过采样扫描序列定义的至少一个其它过采样扫描序列定义的所述非零数量的
短子曝露中的每一个的一致持续时间不同。
11.根据权利要求10所述的方法，其中针对所述过采样扫描序列定义中的每一个，短子
曝露的数量和一致持续时间的乘积相同。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述扫描序列定义的预定集合包括：非过采样扫
描序列定义，所述非过采样扫描序列定义表示将在所述帧持续时间间隔期间生成不超过一
个图像数据帧。
13.一种集成电路图像传感器，包括：
像素阵列；以及
读出电路系统，所述读出电路系统用于：
在第一帧间隔期间使所述像素阵列曝露于表示场景的光；
在所述第一帧间隔内过采样所述像素阵列第一数量的次数，以生成对应的第一数量的
图像数据帧，通过所述第一数量的图像数据帧可以构造第一输出图像；
对所述第一数量的图像数据帧中的一个或多个帧进行估计以确定在所述场景中的亮
度的范围是否保证将过采样因数从所述第一数量调节为第二数量；以及
如果确定在所述场景中的所述亮度的范围保证所述过采样因数的调节，则在第二帧间
隔内过采样所述像素阵列所述第二数量的次数，以生成对应的第二数量的图像数据帧，通
过所述第二数量的图像数据帧可以构造第二输出图像。
14.根据权利要求13所述的集成电路图像传感器，其中对所述第一数量的图像数据帧
中的一个或多个帧进行估计的所述读出电路系统包括：直方电路系统，所述直方电路系统
用于生成关于在所述场景内的所述亮度的范围的统计数。
15.根据权利要求14所述的集成电路图像传感器，其中用于生成关于在所述场景内的
所述亮度的范围的统计数的所述直方电路系统包括：电路系统，所述电路系统用于：在所述
第一数量的图像数据帧中的所述一个或多个帧内，对在与相应亮度范围对应的像素值范围
内的像素值的出现次数进行计数。
16.根据权利要求15所述的集成电路图像传感器，其中用于对在与相应亮度范围对应
的像素值范围内的像素值的出现次数进行计数的所述电路系统包括：针对滤色器阵列的多
种颜色中的每一种，生成在所述像素值范围内的所述像素值的出现次数的相应计数的电路
系统。
17.根据权利要求13所述的集成电路图像传感器，其中所述读出电路系统包括：自动曝
露控制电路系统，所述自动曝露控制电路系统用于对所述第一数量的图像数据帧中的所述
一个或多个帧进行估计以确定在所述场景中的亮度的范围是否保证以下的调节：i)对所述
第二帧间隔的调节，使得所述第二帧间隔比所述第一帧间隔更长或更短；(ii)对透镜孔径
的调节；或者(iii)当采样所述像素阵列的单独像素时，对施加的信号增益的调节。
18.根据权利要求13所述的集成电路图像传感器，其中用于过采样所述像素阵列所述
第一数量的次数和所述第二数量的次数的所述读出电路系统包括：扫描序列选择电路系
统，所述扫描序列电路系统用于根据选自扫描序列定义的预定集合的相应第一扫描序列定
义和第二扫描序列定义来生成所述第一数量的图像数据帧和所述第二数量的图像数据帧
中的每一个帧。
19.根据权利要求18所述的集成电路图像传感器，其中在所述扫描序列定义的预定集
合内的包括所述第一扫描序列定义和所述第二扫描序列定义的每个扫描序列定义，，将待
生成的图像数据的帧数以及与所述图像数据帧中的每一个对应的相应子曝露持续时间表
示为用于所述扫描序列的过采样因数。
20.根据权利要求19所述的集成电路图像传感器，其中所述第一帧间隔和所述第二帧
间隔具有相同的帧间隔持续时间，以及其中由在所述扫描序列定义的预定集合内的每个扫
描序列定义表示的所述子曝露持续时间之和为所述帧间隔持续时间。
21.根据权利要求20所述的集成电路图像传感器，其中表示将在所述帧间隔持续时间
期间对所述像素阵列过采样的每个所述扫描序列定义组成相应过采样扫描序列定义，每个
所述过采样扫描序列定义指定至少一个长子曝露和非零数量的短子曝露，所述非零数量与
在所述过采样扫描序列定义中的至少一个其它过采样扫描序列定义内的短子曝露的数量
不同。
22.根据权利要求21所述的集成电路图像传感器，其中所述至少一个长子曝露持续时
间被指定为在每个所述过采样扫描序列定义中相同，以及其中用于所述过采样扫描序列定
义中的至少一个过采样扫描序列定义的所述非零数量的短子曝露中的每一个的所述持续
时间是一致的并且与用于所述过采样扫描序列定义的至少一个其它过采样扫描序列定义
的所述非零数量的短子曝露中的每一个的一致持续时间不同。
23.根据权利要求22所述的集成电路图像传感器，其中针对所述过采样扫描序列定义
中的每一个，短子曝露的数量和一致持续时间的乘积相同。
24.根据权利要求21所述的集成电路图像传感器，其中所述扫描序列定义的预定集合
包括：非过采样扫描序列定义，所述非过采样扫描序列定义表示将在所述帧持续时间间隔
期间生成不超过一个图像数据帧。
25.一种在具有像素阵列的集成电路图像传感器内操作的方法，所述方法包括：
在帧间隔内发生的多个子曝露间隔中的每一个之后，过采样所述像素阵列，以生成相
应的多个图像数据子帧，所述多个子曝露间隔包括至少一个长子曝露间隔和多个一致的短
子曝露间隔，每个一致的短子曝露间隔在持续时间上均比所述长曝露间隔更短；
对关于所述一致的短子曝露间隔生成的所述图像数据子帧求和，以生成求和得到的短
子曝露图像数据；并且
将所述求和得到的短子曝露图像数据与关于所述至少一个长子曝露间隔生成的所述
图像数据子帧进行组合，以产生输出图像。
26.根据权利要求25所述的方法，其中将所述求和得到的短子曝露图像数据与关于所
述至少一个长子曝露间隔生成的所述图像数据子帧进行组合以产生所述输出图像包括：调
节在关于所述至少一个长子曝露生成的所述图像数据子帧的图像或者所述求和得到的短
曝露图像数据中的至少一个内的组成像素值，以得到在所述长子曝露间隔的持续时间与所
述短子曝露间隔的持续时间之间的差值。
27.根据权利要求25所述的方法，其中在所述多个子曝露间隔中的每一个之后过采样
所述像素阵列包括：在所述至少一个长子曝露间隔之后，从所述像素阵列有条件地读出像
素值，包括：从所述像素阵列读出像素值，以及重置所述像素阵列内的过阈值像素，其中光
电荷积分的电平超过有条件读出阈值；以及抑制重置所述像素阵列内的不足阈值的像素，
其中光电荷积分的电平不超过所述有条件读出阈值，使得所述不足阈值的像素内积分的光
电荷保留在所述不足阈值的像素内，以在继所述长子曝露间隔之后的所述多个子曝露间隔
中的至少一个期间通过进一步的光电荷积分来补充。
28.根据权利要求27所述的方法，其中将所述求和得到的短子曝露图像数据与关于所
述至少一个长子曝露间隔生成的所述图像数据子帧进行组合以产生所述输出图像包括：增
加在关于所述至少一个长曝露生成的所述图像数据子帧的图像内的组成像素值，并且降低
在所述求和得到的短曝露图像数据内的组成像素值，以得到保留在所述不足阈值的像素内
的光电荷。
29.根据权利要求28所述的方法，其中增加在关于所述至少一个长子曝露生成的所述
图像数据子帧内的组成像素值包括：使所述组成像素值增加的相应量等于使...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·M·史密斯，F·阿姆斯特朗，J·恩德斯雷，T·沃吉尔桑，J·E·哈里斯，J·拉德，M·吉达什，
申请(专利权)人：拉姆伯斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US