用于满阱容量扩充的像素读出架构制造技术

某些方面涉及用于满阱容量扩充的系统和技术。例如，包括在像素读出架构中的储存电容器可以在模拟域中实现来自像素的多个电荷转储，从而扩充像素的满阱容量。此外，可以使用与像素读出架构通信的存储器(例如DRAM)在数字域中积分多次读取。这也可以有效地增加小像素的满阱容量。在一些示例中，可以使用数字域中的多次读取来减少、消除或补偿像素读出架构中的kTC噪声。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于满阱容量扩充的像素读出架构
本文中所公开的系统和方法针对光传感器，并且具体而言，针对满阱容量扩充。
技术介绍
满阱容量是像素在导致信号劣化的饱和之前可以保持的最大电荷。当像素中的电荷超过饱和水平时，电荷开始填充相邻像素，这是被称为高光溢出(blooming)的过程。传感器还开始偏离线性响应，并且因此损害了相机的量化性能。相机的动态范围通常被定义为满阱容量除以相机噪声，并且涉及相机同时记录亮信号旁边非常低的光信号的能力。动态范围(阱容量和本底噪声之间的比)是传感器能够有多好地在低光强度下测量准确信号一直到达到满阱容量的度量。给定类似的本底噪声，感测元件的动态范围与其阱容量成比例，阱容量通常与这种光感测元件的尺寸成比例。较大的像素具有更大的满阱容量和相应的较高的动态范围。在数字成像中，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的动态范围有时可能不足以准确地表示室外场景。这在可以用于移动设备中的更紧凑的传感器中尤其如此，例如在移动电话上的相机中。例如，在移动设备相机中使用的典型传感器可以具有大约60-70dB的动态范围。然而，典型的自然室外场景很可能覆盖亮区域和阴影之间的100dB的对比度范围。由于该动态范围大于移动设备中使用的典型传感器的动态范围，所以在移动设备拍摄的图像中可能会丢失细节。此外，数码相机的趋势是朝向较小的像素以驱动百万像素数量以上或者实现较小的传感器面积，并且较小的像素可以遭受比较大像素更有限的满阱容量。特别是在移动传感器中，像素尺寸的趋势是缩小像素尺寸以及传感器面积，并尝试通过高级处理来保持性能。降低的满阱容量、降低的量子效率及降低的亚微米像素检测器阵列的光敏性极大地降低了图像传感器的信噪比(SNR)和动态范围。另外，减小的像素尺寸的较高串扰导致图像质量问题，例如差的调制传递函数(MTF)和色彩保真度。
技术实现思路
在一些实施例中，通过本文所述的满阱容量扩充的像素读出架构和技术来解决前述及其它的问题。包括在像素读出架构中的附加储存电容器可以在模拟域中实现来自像素的多个电荷转储，从而扩充像素的满阱容量。此外，可以使用与像素读出架构通信的存储器(例如DRAM)在数字域中积分多次读取。这也可以有效地增加小像素的满阱容量。在一些实施例中，可以使用数字域中的多次读取来减少、消除或补偿像素读出架构中的kTC噪声。因此，一个方面涉及一种成像系统，该成像系统包括：包括多个光敏元件的阵列；用于读取积分在耦合到其的光敏元件中的光的多个电路，所述多个电路中的每一个包括与所述多个光敏元件中的至少一个光敏元件通信的至少一个储存电容器，所述储存电容器具有用于储存表示来自所述至少一个光敏元件的多个电荷转储的蓄积电荷的电容，所述多个电荷转储中的每一个包括表示积分在所述至少一个光敏元件中的光的电荷，以及至少一个定时电路，其与所述储存电容器通信并且被配置为用于控制从所述至少一个光敏元件到所述储存电容器的所述多个电荷转储，其中，所述储存电容器和所述定时电路协作以扩充所述至少一个光敏元件的满阱容量；放大器，其被配置为从所述多个电路中的至少一个接收所述蓄积电荷并输出具有比所述电荷的强度更大的强度的放大信号；模数转换器，其与放大器通信，以接收放大的信号并将放大的信号转换为数字信号；以及存储器组件，其被配置为存储数字信号。另一方面涉及一种图像传感器，该图像传感器包括：包括多个光敏元件的阵列；以及用于读取积分在耦合到其的光敏元件中的光的多个电路，所述多个电路中的每一个包括与所述多个光敏元件中的至少一个光敏元件通信的至少一个储存电容器，所述储存电容器具有用于储存表示来自所述至少一个光敏元件的多个电荷转储的蓄积电荷的电容，所述多个电荷转储中的每一个包括表示积分在所述至少一个光敏元件中的光的电荷，以及至少一个定时电路，其与所述储存电容器通信并且被配置为用于控制从所述至少一个光敏元件到所述储存电容器的所述多个电荷转储，其中，所述储存电容器和所述定时电路协作以扩充所述至少一个光敏元件的满阱容量。另一方面涉及一种像素读出方法，该方法包括：在确定的积分时间内在像素的光电检测器中积分光；对于多个电荷转储中的每一个，将表示积分在光电检测器中的光的电荷从光电检测器转移到储存电容器，以扩充像素的满阱容量，使得储存电容器保持表示所述多个电荷转储的总和的蓄积电荷；以及从储存电容器输出所述蓄积电荷用于转换为数字信号。另一方面涉及一种用于像素读出的装置，该装置包括：用于积分来自目标图像场景的光的多个像素；用于从所述多个像素中的至少一个像素读出多个电荷信号的模块，所述电荷信号中的每一个表示积分在所述至少一个像素中的光；用于存储蓄积电荷以扩充每个所述至少一个像素的满阱容量的模块，所述蓄积电荷表示所述多个电荷信号的总和；用于将所述蓄积电荷转换为相对应的数字像素值的模块；以及用于存储数字像素值的模块。附图说明在下文中将结合附图和附录来描述所公开的方面，附图和附录被提供用于描述而不是限制所公开的方面，其中相似的附图标记指代相似的元件。图1A示出了像素读出系统的实施例。图1B示出了用作图1A的像素读出系统的像素的像素架构的实施例。图2示出了具有满阱容量扩充能力的四晶体管4共享图像传感器像素架构的实施例。图3示出了具有满阱容量扩充能力的四晶体管8共享图像传感器像素架构的实施例。图4示出了具有满阱容量扩充能力的四晶体管16共享图像传感器像素架构的实施例。图5A是示出了用于满阱容量扩充的多次读取的实施例的示意图。图5B示出了实施图5A的读取的kTC噪声补偿过程的实施例的流程图。图5C示出了用于导通和关断像素架构组件以执行图5B的过程的示例性定时方案。图5D示出了在图5C的定时方案期间在像素架构组件之间的电荷流的图形表示。图6A是示出用于满阱容量扩充的多次读取的实施例的示意图。图6B示出了实施图6A的读取的kTC噪声补偿过程的实施例的流程图。图7示出了具有满阱容量扩充能力的图像采集设备的实施例的高级示意图。图8A示出了用作图1A的像素读出系统的像素的像素架构的另一实施例。图8B示出了具有满阱容量扩充能力的四晶体管4共享图像传感器像素架构的另一实施例。图8C示出了具有满阱容量扩充能力的四晶体管8共享图像传感器像素架构的另一实施例。图8D示出了具有满阱容量扩充能力的四晶体管16共享图像传感器像素架构的另一实施例。图9A示出了用于导通和关断像素架构组件以使用图8A-8D中任何一个图的像素架构执行kTC噪声补偿过程的实施例的示例性定时方案。图9B示出了在图9A的定时方案期间在像素架构组件之间的电荷流的图形表示。具体实施方式介绍本公开内容的实施例涉及用于满阱容量扩充的系统和技术。例如，包括额外的储存电容器的像素读出架构可以实施信号读出方案，以允许扩充满阱容量，提高SNR和动态范围。在各种实施例中，储存电容器和相关联的读出架构可以用四晶体管4共享CIS像素、8共享CIS像素、16共享CIS像素或其它适合的像素配置来实施。包括定时方案的像素读出组件可以与储存电容器协作以存储从光电检测器蓄积的电荷，以执行多个像素读出。在一个示例中，在传输门、定时方案和重置晶体管全部导通的情况下，可以重置光电二极管和浮置扩散。当传输门、定时方案和重置晶体管全部关断时，在储存电容器中可以发生电荷积分，从而允本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像系统，包括：阵列，所述阵列包括多个光敏元件；多个电路，所述多个电路用于读取在与所述多个电路耦合的光敏元件中积分的光，所述多个电路中的每一个电路包括：至少一个储存电容器，所述至少一个储存电容器与所述多个光敏元件中的至少一个光敏元件通信，所述储存电容器具有用于储存蓄积电荷的电容，所述蓄积电荷表示来自所述至少一个光敏元件的多个电荷转储，所述多个电荷转储中的每一个电荷转储包括表示在所述至少一个光敏元件中积分的所述光的电荷，以及至少一个定时电路，所述至少一个定时电路与所述储存电容器通信并且被配置为用于控制从所述至少一个光敏元件到所述储存电容器的所述多个电荷转储，其中，所述储存电容器和所述定时电路协作以扩充所述至少一个光敏元件的满阱容量；放大器，所述放大器被配置为从所述多个电路中的至少一个电路接收所述蓄积电荷并且输出具有比所述电荷的强度更大的强度的放大信号；模数转换器，所述模数转换器与所述放大器通信，以接收所述放大信号并且将所述放大信号转换为数字信号；以及存储器组件，所述存储器组件被配置为存储所述数字信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.05 US 14/562,4441.一种成像系统，包括：阵列，所述阵列包括多个光敏元件；多个电路，所述多个电路用于读取在与所述多个电路耦合的光敏元件中积分的光，所述多个电路中的每一个电路包括：至少一个储存电容器，所述至少一个储存电容器与所述多个光敏元件中的至少一个光敏元件通信，所述储存电容器具有用于储存蓄积电荷的电容，所述蓄积电荷表示来自所述至少一个光敏元件的多个电荷转储，所述多个电荷转储中的每一个电荷转储包括表示在所述至少一个光敏元件中积分的所述光的电荷，以及至少一个定时电路，所述至少一个定时电路与所述储存电容器通信并且被配置为用于控制从所述至少一个光敏元件到所述储存电容器的所述多个电荷转储，其中，所述储存电容器和所述定时电路协作以扩充所述至少一个光敏元件的满阱容量；放大器，所述放大器被配置为从所述多个电路中的至少一个电路接收所述蓄积电荷并且输出具有比所述电荷的强度更大的强度的放大信号；模数转换器，所述模数转换器与所述放大器通信，以接收所述放大信号并且将所述放大信号转换为数字信号；以及存储器组件，所述存储器组件被配置为存储所述数字信号。2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述存储器组件包括DRAM。3.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述存储器组件被配置为蓄积来自所述阵列的多次读取的数字表示，以进一步扩充所述至少一个光敏元件的所述满阱容量。4.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述多个光敏元件中的每一个光敏元件包括用于积分光的光电二极管和连接到所述光电二极管的至少一个传输门。5.根据权利要求4所述的成像系统，其中，在所述多个光敏元件的至少两个光敏元件当中共享所述多个电路中的每一个电路的至少一部分。6.根据权利要求5所述的成像系统，其中，至少两个像素中的每一个像素的所述传输门与相关联的储存电容器串联连接，并且所述相关联的储存电容器与相关联的定时电路串联连接。7.根据权利要求6所述的成像系统，其中，所述多个电路中的每一个电路还包括经由所述相关联的定时电路与所述至少两个像素中的每一个像素的相关联的储存电容器串联连接的浮置扩散节点。8.根据权利要求5所述的成像系统，其中，所述多个电路中的每一个电路还包括：与所述至少一个储存电容器串联连接的浮置扩散节点；以及重置晶体管，所述重置晶体管被配置为在所述多个电荷转储之前将所述浮置扩散节点和所述至少一个储存电容器中的一者或二者重置到预定的电荷水平；其中，所述至少一个定时电路串联连接在所述浮置扩散节点和所述储存电容器之间。9.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述多个电路中的每一个电路还包括：源极跟随放大器，所述源极跟随放大器被配置为从所述储存电容器接收所述蓄积电荷；以及行选择晶体管，所述行选择晶体管被配置为激活所述多个光敏元件的选定行的所述源极跟随放大器。10.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述储存电容器被配置有用于存储来自所述至少一个光敏元件的八个或更多个电荷转储的电容。11.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述储存电容器的电容大于或等于大约3.2毫微微法。12.一种图像传感器，包括：阵列，所述阵列包括多个光敏元件；以及多个电路，所述多个电路用于读取在与所述多个电路耦合的光敏元件中积分的光，所述多个电路中的每一个电路包括：至少一个储存电容器，所述至少一个储存电容器与所述多个光敏元件中的至少一个光敏元件通信，所述储存电容器具有用于储存蓄积电荷的电容，所述蓄积电荷表示来自所述至少一个光敏元件的多个电荷转储，所述多个电荷转储中的每一个电荷转储包括表示在所述至少一个光敏元件中积分的所述光的电荷，以及至少一个定时电路，所述至少一个定时电路与所述储存电容器通信并且被配置为用于控制从所述至少一个光敏元件到所述储存电容器的所述多个电荷转储，其中，所述储存电容器和所述定时电路协作以扩充所述至少一个光敏元件的满阱容量。13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中，所述多个光敏元件中的每一个光敏元件包括用于积分光的光电二极管和连接到所述光电二极管的至少一个传输门。14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述多个电路中的每一个电路还包括：与所述至少一个储存电容器串联连接的浮置扩散节点；以及重置晶体管，所述重置晶体管被配置为在所述多个电荷转储之前将所述浮置扩散节点和所述至少一个储存电容器中的一者或二者重置...

【专利技术属性】
技术研发人员：BC·赫塞，J·罗，S·R·戈马，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US