高动态范围图像传感器制造技术

公开了一种具有HDR成像功能的垂直堆叠式图像传感器及其操作方法。图像传感器包括：第一基板；像素阵列，该像素阵列被组织成多个像素子阵列，该像素子阵列中的每个像素包括用于在多个子帧曝光中的每个子帧曝光期间对光电荷进行集成的光电元件；转移栅极和缓冲电荷

【技术实现步骤摘要】
高动态范围图像传感器


[0001]本专利技术涉及具有改进动态范围的图像传感器和数字相机的领域。具体地，涉及使用堆叠式芯片架构的高动态范围CMOS图像传感器。
[0002]专利技术背景
[0003]本领域已知基于多子帧或多帧曝光技术的具有高动态范围(HDR)成像能力的图像传感器和数字相机。例如，US8582010B2公开了一种被操作以在单个曝光过程期间重复地读出不完整的像素信号的图像传感器。不完整的像素信号由像素的光敏元件中连续生成的光电荷的相应部分转移引起。然而，对于具有大量像素的图像传感器和用于从传感器芯片转移数据的有限带宽而言，读出步骤的数量和关于每个读出步骤的曝光历时是非常有限的，因为要转移和处理的像素数据的速率随着读出步骤的数量和简洁而迅速增加，导致数据转移瓶颈。增加图像传感器的I/O带宽导致更复杂、成本和能量密集的传感器设计。
[0004]US2012127354A1
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(Cieslinski[DE])，2012年5月24日公开了一种用于电子相机的CMOS图像传感器，其中与传感器的每个列线相关联的列读出电路包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种作为集成电路提供的图像传感器，所述图像传感器包括：第一基板；第二基板，垂直堆叠并且与所述第一基板电互连；以及像素阵列，其布置在所述第一基板内，所述像素阵列包括在逻辑上以像素行和像素列来组织的多个像素，其中所述像素阵列被组织成多个像素子阵列，并且所述像素阵列的每个像素包括：光电元件，用于在包括在帧间隔中的多个子帧曝光中的每一个子帧曝光期间曝光于光的同时对光电荷进行集成；转移栅极，用于将在每个子帧曝光结束时存在于所述光电元件中的所集成的光电荷的至少一部分转移到经缓冲电荷
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电压转换器；所述经缓冲电荷
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电压转换器用于接收所转移的光电荷并将其转换为信号电压，所述经缓冲电荷
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电压转换器包括第一电荷累积元件，所述第一电荷累积元件通过增益开关操作性地连接至至少一个第二电荷累积元件，以在高转换增益和低转换增益之间切换转换增益，所述至少一个第二电荷累积元件提供在所述第一基板或所述第二基板中；控制电路系统，其被适配成通过调整施加到所述转移栅极的转移脉冲的幅度来触发每个像素行的所述光电荷元件中的所述集成的光电荷的部分或完全转移；以及读出电路系统，其被布置在所述第二基板上，所述读出电路系统包括多个并行操作的读出块，每个读出块与所述多个像素子阵列的相应一个相关联，并且被配置成在每个子帧曝光结束处顺序读出相应像素子阵列的像素行数据；其中在所述图像传感器的至少一种操作模式中，所述控制电路系统被配置成：触发所述多个子帧曝光中除了最后一个子帧曝光的所有子帧曝光的部分转移以及所述多个子帧曝光的所述最后一个子帧曝光的完全转移，相对于每个像素子阵列，时间交织与所述多个子帧曝光中的至少两个时间重叠子帧曝光相关联的至少两个滚动快门控制序列，以及控制每个像素行的所述增益开关(202
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3)以针对所述多个子帧曝光中的除了所述最后一个子帧曝光之外的所有子帧曝光以所述低转换增益操作所述像素，并且针对所述多个子帧曝光中的所述最后一个子帧曝光首先以所述高转换增益并且随后以所述低转换增益操作所述像素，以及其中所述读出电路系统的每个读出块在流水线架构中包括：A/D转换单元，用于对相应像素子帧的像素行数据进行采用和数字化，像素存储器逻辑，有条件地将经数字化像素行数据与像素存储器单元中缓冲的先前数字化的像素行数据组合，以及像素存储器单元，用于缓冲由所述像素存储器逻辑输出的经数字化像素行数据。2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，每个读出块的所述像素存储器逻辑被配置成：如果所述先前数字化的像素行数据与同一帧间隔内的较早子帧曝光有关，并且
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如果关于在中间子帧之一中的所述低转换增益的所述经数字化像素行数据低于第一阈值水平，或者
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如果关于所述最后子帧中的所述低转换增益的所述经数字化像素行数据大于所述第一阈值水平，同时关于所述最后子帧中的所述高转换增益的相应经数字化像素行数据超过第二阈值电平，则将经数字化像素行数据与所述像素存储器单元中缓冲的先前数字化的像素行数据组合。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述读出块的所述像素存储器单元作为SRAM组来提供。4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述读出块的所述像素存储器单元的汇总大小仅允许存储用所述像素阵列获取的全帧的一部分。5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述像素存储器逻辑被进一步配置成处理经数字化像素行数据，通过所述像素存储器逻辑的经数字化像素行所述处理包括将格雷编码数字像素行数据转换为二进制编码数字像素行和/或通过缩放因子来缩放数字像素行数据。6.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述有条件地将经数字化像素行数据与所述像素存储器单元中缓冲的数字化像素行数据组合包括将当前获得的数字像素行数据与所述像素存储器单元中存储的先前获得的数字像素行...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：长光辰芯比利时有限责任公司，
类型：发明
国别省市：