一种具有扩展的动态范围上限的图像传感器制造技术

一种装置被描述为包括图像传感器，所述图像传感器具有计时和控制电路和阈值电路，所述计时和控制电路将产生信号以在图像捕获序列期间引起在像素单元中的多次从发光二极管到存储电容器的电荷转移。所述阈值电路将在所述多次转移的过程中追踪所述存储电容器的电压并且识别所述存储电容器的电压何时达到阈值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
专利技术的
大体关于图像技术，并且，更重要地，关于一种具有扩展的动态范围上限的图像传感器。
技术介绍
图1示出了图像传感器100的基本元件。如图1所示，所述图像传感器包括具有构成像素单元102的像素阵列101。耦合于像素阵列101的是行解码器103，所述行解码器103具有耦合于像素单元102的行的输出。感测放大器104也耦合于像素阵列101信号输出。所述图像传感器100还包括耦合在所述感测放大器103下游的模拟-数字电路105。图像传感器100还包括计时和控制电路106，所述计时和控制电路负责产生指令图像传感器100的操作的时钟和控制信号。
技术实现思路
附图说明下面的描述和附图被用于说明本专利技术的实施例，在图中：图1示出了图像传感器的描绘(现有技术)；图2示出了可见光像素单元的描绘；图3示出了Z像素单元的描绘；图4示出了在它的动态范围上具有扩展上限的图像传感器的操作的描绘；图5示出了在它的动态范围上具有扩展上限的图像传感器；图6示出了执行图5的图像传感器的方法；图7示出了带有图像传感器的2D/3D相机，所述图像传感器在它的动态范围上具有扩展上限；图8示出了计算系统。具体实施方式图2示出了用于可见光像素的像素单元202。如图2所示，首先，通过导通复位晶体管Q1，电容器201清除了它的负电荷。当电容器的负电荷被清除并且传输门晶体管(transfergatetransistor)Q2被关断时，曝光时间开始，在所述曝光时间中，光敏光电二极管203作为它在曝光时间和曝光时间长度上接受的光的强度的函数产生和收集负电荷(电子)。在曝光时间之后，将在光电二极管203中被收集的负电荷转移到电容器201的传输门晶体管Q2被导通。负电荷到电容器201的转移影响了电容器的电压(电容器201接收的负电荷越多，它的电压越低)。在光电二极管的负电荷已经被转移到电容器201后，行选择控制信号被使能，其能够导通行选择晶体管Q3，所述行选择晶体管Q3允许感测放大器感测电容器电压。电容器电压的读取然后被数字化并且用作由光电二极管203接收的光的强度的指示。所述过程然后被重复。一般地，行选择信号导通在沿像素阵列中的相同行的每个像素单元的行选择晶体管。行选择信号“滚动”过阵列的行以接收全部的阵列图像。在“全局快门”模式的情况下，曝光时间同时跨过阵列中的所有像素单元(并且图像不应该具有任何运动关联伪影)。在“滚动快门”模式的情况下，像素单元的曝光时间是分阶段的，例如逐行的(其可以允许运动伪影的存在)。存储电容器201的存在允许曝光的时机从行选择激励与存储电容器201读出的时机解耦。换一种说法，在曝光和电荷转移到存储电容器后，存储电容器的电压可以在被读出之前保持一段时间。因此，在每次存储电容器读出支持多次曝光时间的图像传感结构是可能的。也就是说，仅作为一个示例，图像传感器可以被构造成，根据它的行选择激励，对于存储电容器201的每次读出，具有三次曝光，伴随着三次对应的电荷向存储电容器201中的转移。图3示出了用于利用“飞行时间”技术捕获深度信息的图像传感器的“Z”像素阵列单元302。在飞行时间图像捕获的情况下，光源从相机系统发射光到物体上，并且，对像素阵列的每个多个像素单元，测量光的发射和它的在所述像素阵列上的反射图像的接收之间的时间。由像素的飞行时间产生的图像对应于物体的三维轮廓，所述物体的三维轮廓以在每个不同的(x,y)像素位置的独特的深度测量(z)为特征。如图3所示，Z像素阵列单元302包括如上面关于可见光像素单元202描述类似地操作的存储电容器301、复位晶体管Q1、传输门晶体管Q2、光电二极管303和行选择晶体管Q3。传输门晶体管Q2在曝光时间中随着在曝光的过程中的时钟信号导通和关断。在Z像素阵列单元301的曝光时间期间利用时钟信号控制传输门晶体管Q2是飞行时间技术的典型产物。在通常的方法中，在四个不同的复位、曝光时间和读出序列上给相同的Z像素阵列单元302提供四个不同的时钟(每个由90°相位分开)。四个不同的电荷收集读出然后被合并以计算像素的飞行时间值。在曝光时间本身期间，如上面所提到的，传输门晶体管Q2导通和关断。因此，在曝光序列期间，电荷从光电二极管Q3被转移到存储电容器301多次。在半个时钟周期中，当传输门晶体管Q2关断，“背漏极(back-drain)”晶体管Q5导通以从光电二极管303接收电荷。控制输出门晶体管Q2的时钟与控制背漏极晶体管Q5的时钟异相180°使得一个为导通，另一个为关断。因此，在曝光时间过程中，流出光电二极管的电荷在流过传输门晶体管Q2和流过背漏极晶体管Q4之间来回改变方向。然而注意，在Z像素单元的曝光时间期间导通和关断传输门晶体管Q2功能性地类似于特定的刚刚在上面所提到的可见像素单元实施例，其中每次行选择读出有多次曝光和对应的电荷到存储电容器201中的转移。被称为RGBZ的图像传感器的一些图像传感器具有其像素阵列单元既包括可见光像素单元电路又包括Z像素单元电路的像素阵列。任一像素单元具有的问题是动态范围。动态范围是像素单元在更强的和更弱的入射光强度测量光强度可以多么准确的量度。图2和图3的可见光和Z像素单元设计具有的问题在于，在更强的光强度，在光电二极管203、303中产生的并转移到存储电容器201、301的电荷可能压倒存储电容器201、301的存储能力或使存储电容器201、301的存储能力饱和。当存储电容器201、301被饱和，它基本上不能提供更多有关光学信号的强度的信息并且在像素单元的动态范围上对应于上限。所述问题的解决方法是在存储电容器的正式的行选择电压感测读出之间的存储电容器的潜行读出。从这样的潜行读出(sneakreadout(s))，存储在电容器中的电荷的数量可以被检测并且，如果电荷的数量表明所述电容器将在它的正式的行选择读出发生之前饱和，单元的行的曝光和/或读出策略将以某种方式调整以防止或另外避免电容器的饱和。如下面将要详细描述的，相关的是，指出感测电容器上的电压的电压感测放大器一般具有很高的输入电阻并且因此当感测存储电容器的电压时从存储电容器接收很少或不接收电荷/电流。因此，当感测它的电压时，很少或没有电荷被从存储电容器取出。通常，前面提到的复位晶体管负责实际上清除存储电容器其积累的电荷。图4示出了用于图像传感器的实施例的时序图，所述图像传感器在采集单个图像时，追踪在存储电容器上的电压。如图4所示，根据像素单元的时序和操作，在进行单元正式的行选择读出402之前，电荷在多次的、不同的情况404被从光电探测器转移到存储电容器。回想可见像素单元存储电容器可以以这种方式通过在每次行选择读出具有多次曝光和电荷转移而接收电荷并且Z像素单元存储电容器以这种方式在正常像素单元操作的过程中接收电荷。正式的行选择读出402基本上限制和标记了图像的采集403。也就是说，一般地，图像采集403对应于任何发生在行复位401和行选择读出403之间的曝光和/或存储电容器活动。如图4的实施例中所示，存储电容器的电压水平406的潜行读出405在从光电二极管到存储电容器的电荷每次转移404之后进行。在每次读出，电容器的电压水平406与阈值407比较，所述阈值407指示存储电容器是在，或在其附近，或接近饱和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：图像传感器，包括：计时和控制电路以产生信号以在图像捕获序列期间引起在像素单元中的多次从发光二极管到存储电容器的电荷转移；阈值电路以在所述多次转移的过程中追踪所述存储电容器的电压并且识别所述存储电容器的电压何时达到阈值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.22 US 14/579,9401.一种装置，包括：图像传感器，包括：计时和控制电路以产生信号以在图像捕获序列期间引起在像素单元中的多次从发光二极管到存储电容器的电荷转移；阈值电路以在所述多次转移的过程中追踪所述存储电容器的电压并且识别所述存储电容器的电压何时达到阈值。2.如权利要求1所述的装置，其中所述阈值电路耦合于所述计时和控制电路，所述计时和控制电路响应于所述阈值电路对所述存储电容器已经达到阈值的识别而终止在图像捕获序列中的另外的电荷转移。3.如权利要求2所述的装置，其中所述计时和控制电路耦合于所述像素单元的传输门并且通过所述传输门控制所述电荷的转移。4.如权利要求1所述的装置，其中所述像素单元是可见光像素单元。5.如权利要求1所述的装置，其中所述像素单元是飞行时间像素单元。6.如权利要求1所述的装置，其中所述像素单元既包括可见光像素电路又包括飞行时间像素电路。7.一种方法，包括：由图像传感器执行以下：在图像捕获序列期间，产生信号以在像素单元中引起从光电二极管到存储电容器的多次电荷转移；在所述多次转移的过程中追踪所述存储电容器的电压并且识别所述存储电容器的电压何时达到阈值。8.如权利要求7所述的方法，进一步包括响应于所述阈值电路对所述存储电容器已经达到阈值的识别而终...

【专利技术属性】
技术研发人员：温宗晋，
申请(专利权)人：谷歌公司，
类型：发明
国别省市：美国;US