【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及像素布局、图像传感器、光电设备和用于操作像素布局的方法。
技术介绍
1、cmos图像传感器应用广泛，例如用于相机模块和智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。对于某些应用，需要高动态范围(hdr)，例如85db以上。动态范围(dr)一方面受限于低光照条件下的噪声基底，另一方面受限于高光照条件下的饱和效应。
2、为了解决饱和问题，已经开发了一些方法，这些方法可以分为线性响应方法和非线性响应方法。例如，对数压缩、拐点压缩、时间戳转换、光频转换都属于非线性响应方法。线性响应方法可以进一步细分为多次曝光和单次曝光方法。多次曝光方法包括利用具有不同积分时间的多个帧的方法，或者利用具有不同积分时间的线或像素交织的方法。例如，单次曝光方法包括多重增益读取或多重灵敏度合成。
3、大多数可用的dr技术都存在为滚动快门像素设计、但不是全局快门友好的问题。在滚动快门模式中，像素矩阵的像素被光源照亮。在照明期间，像素被顺序曝光并逐行读取。这意味着，像素矩阵在整个读取过程中被照亮。滚动快门模式能够实现图像传感器的高分辨率，但可能会带来其他缺点，如长照明时间和动态或彩色伪像，尤其是在滚动快门模式与前述dr技术之一结合的情况下。
4、在全局快门模式下，像素矩阵的所有像素在相同的时间段内曝光。因此，与滚动快门模式相比，需要明显更短的照明时间。在积分时间结束时，像素矩阵的所有行的电荷转移操作同时发生。信号被存储在像素级存储器中，随后被读取。包括一种前述dr技术的已知全局快门像素布局苦于需要额外的电路元件并具有大的像素间
5、要实现的目的是提供一种具有高动态范围的像素布局和一种用于操作这种像素布局的方法。另一目的是提供一种包括根据像素布局的像素阵列的图像传感器，以及包括这种图像传感器的光电设备。
6、这些目的通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。
技术实现思路
1、在这里和下面，术语“像素布局”和“像素”指的是光接收元件，其可以与其他像素一起排列成二维阵列，也称为矩阵。阵列中的像素按行和列排列。术语“行”和“列”可以互换使用，因为它们仅取决于像素阵列的方向。像素还可以包括用于控制去往和来自像素的信号的电路。因此，像素可以形成所谓的有效像素。像素可以接收任意波长范围内的光。术语“光”通常可以指电磁辐射，例如包括红外(ir)辐射、紫外(uv)辐射和可见光(vis)。
2、在一个实施例中，像素布置被配置成分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射。像素包括至少一个光电二极管。光电二极管被配置成将电磁辐射转换成相应的电荷信号。像素布局尤其可以形成全局快门像素。光电二极管尤其可以是钉扎光电二极管。光电二极管可以布置在衬底中，特别是半导体衬底中。
3、高灵敏度模式和低灵敏度模式是像素的操作模式。可以随后执行高灵敏度模式和低灵敏度模式。这意味着高灵敏度模式和低灵敏度模式在一帧内执行。特别地，低灵敏度模式可以在高灵敏度模式之前执行。可以为高光照条件(即高照度)提供像素的低灵敏度模式。在这种情况下，光电二极管产生的电荷信号已经很大，不需要例如通过高增益、长曝光时间等进行“人工”增加。如果这种电荷信号例如通过高转换增益(hcg)而增加，可能出现饱和效应。例如，因为像素内的光电二极管和/或存储元件的势阱不够大，不足以承载所有光感应电荷载流子，饱和可能发生。可以为低光照条件(即低照度)提供像素的高灵敏度模式。在这种情况下，光电二极管产生的电荷信号很小，且应该例如通过高增益或长曝光时间而增加，以便获得良好的信噪比(snr)。
4、换句话说，低灵敏度模式可以是这样一种操作模式，其中：像素的曝光时间短，特别是比高灵敏度模式的曝光时间短。可替代地，在低灵敏度模式下，应用低转换增益(lcg)。在又一个替代方案中，通过小的光电二极管面积或相应的滤波器，电荷信号被保持较小。高灵敏度模式可以是这样一种操作模式，其中：像素的曝光时间长，特别是比低灵敏度模式的曝光时间长。可替代地，在高灵敏度模式下，信号增益可以是大的。在又一个替代方案中，通过大的光电二极管面积等来增加电荷信号。
5、像素布局还包括至少一个转移栅，其设置在光电二极管和电容之间。转移栅被配置成将相应的电荷信号从光电二极管转移到电容。
6、转移栅可以实现为转移开关。例如，转移栅可以是转移晶体管的一部分，该转移晶体管包括连接到光电二极管的第一端和连接到电容的第二端。通过向转移栅施加转移信号，转移晶体管变得导通，使得电荷载流子从光电二极管向电容扩散。因此，电容可以实现为浮动扩散电容。电容形成存储元件。该电容可以被称为浮动扩散电容器。电容可以在半导体衬底中形成掺杂阱。电容可以被配置成将相应的电荷信号转换成相应的电压信号。期望的是，出于暗电流的原因而将信号存储在电压域中而不是电荷域中，并且降低像素的寄生光敏感度(pls)。
7、电容包括电耦合到转移栅的端节点。因此，转移栅布置在光电二极管和电容的端节点之间。电容的端节点可以被称为浮动扩散节点或fd节点。电容还包括可以接地的额外端节点。
8、像素布局还包括电耦合到电容的复位栅。具体来说，复位栅电耦合到fd节点。复位栅被提供用于复位电容。
9、复位栅可以被实现为复位开关。例如，复位栅可以是复位晶体管的一部分，该复位晶体管包括连接到像素电源电压的第一端和连接到fd节点的第二端。通过向复位栅施加复位信号，复位晶体管变得导通，从而通过施加像素电源电压来去除任何冗余电荷载流子。
10、像素布局还包括放大器。放大器电连接到电容，特别是连接到电容的端节点，即fd节点。特别地，放大器的输入端电连接到电容的端节点。放大器被配置成基于相应的电荷信号和灵敏度模式来生成相应的放大信号。放大的信号分别是低灵敏度信号和高灵敏度信号之一。低灵敏度信号和高灵敏度信号基于共同的噪声水平。这意味着低灵敏度信号和高灵敏度信号的噪声水平是相关的。公共噪声水平可以是空间或时间域中的公共噪声水平。特别地，公共噪声水平可以是复位噪声水平。
11、放大器可以形成共漏极放大器，也称为源极跟随器。源极跟随器的栅端连接到fd节点，并用作放大器的输入端。公共端可以连接到电源电压。在放大器的输出端产生相应的放大信号。放大器可以用作电压缓冲器。放大器可经配置以缓冲信号，因此将fd节点与额外像素组件解耦。放大器还可以被配置成放大光诱导电荷载流子。
12、放大的信号可以是低灵敏度信号或高灵敏度信号，这取决于像素在相应时刻工作的相应灵敏度模式。低灵敏度信号基于视频信号和噪声水平。噪声水平包括时间噪声，例如热噪声和复位噪声，以及固定模式噪声(fpn)。fpn指的是像素与像素之间的信号变化，其在某个空间位置是“固定的”。热噪声主要由电导体内部电子的随机热搅动运动产生。复位噪声指的是fd节点的复位操作，在电荷积分开始之前，需要每帧复位一次。这种复位操作会引入采样噪声。
13、根据本公开的一个方面，高灵敏度信号可以本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种像素布局(10)，被配置为分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射，所述像素布局(10)包括：
2.根据前述权利要求所述的像素布局(10)，其中所述高灵敏度信号包括所述低灵敏度信号和附加视频信号。
3.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，进一步包括
4.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，还包括电耦合到所述放大器(60)的所述输出端(64)的预充电栅(40)，用于预充电所述第一电容器(70)和所述第二电容器(80)。
5.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，其中所述至少一个光电二极管(20)包括用于在所述高灵敏度模式下产生第一电荷信号的第一光电二极管(20)，以及用于在所述低灵敏度模式下产生第二电荷信号的第二光电二极管(20’)。
6.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，还包括在所述复位栅(50)和所述电容(40)之间的灵敏度栅(140)，用于将所述电容(40)的端节点(42)与第三电容器(150)的端节点(152)短路。
7.根据前述权利要求之一所述的像素布局(
8.一种图像传感器(200)，包括根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)的像素阵列。
9.一种光电设备(300)，包括根据前述权利要求所述的图像传感器(200)。
10.一种用于操作像素布局(10)的方法，所述像素布局被配置成分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射，所述方法包括：
11.根据前述权利要求所述的方法，其中在像素曝光(Tex)期间的第一步骤中，所述像素布局(10)在所述低灵敏度模式下操作，使得所述低灵敏度信号被生成并存储在所述第二电容器(80)上，并且其中在像素曝光(Tex)期间的第二步骤中，所述像素布局(10)在所述高灵敏度模式下操作，使得所述高灵敏度信号被生成并存储在所述第一电容器(70)上。
12.根据前述权利要求所述的方法，其中在所述像素曝光(Tex)期间的第一步骤和第二步骤是不在其间复位所述电容(40)的情况下进行的。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其中在像素读取(Tro)期间的第一步骤中，读取所述低灵敏度信号，并且其中在读取(Tro)期间的第二步骤中，读取所述高灵敏度信号。
14.根据前述权利要求所述的方法，其中在像素读取(Tro)期间的第三步骤中，所述电容(40)被复位，并且读取复位电平。
15.根据前述权利要求所述的方法，还包括：在像素读取(Tro)期间，通过使用所述复位电平作为所述低灵敏度信号的参考电平来执行双增量采样。
16.根据权利要求10至15之一所述的方法，进一步包括：在像素读取(Tro)期间，通过使用所述低灵敏度信号作为所述高灵敏度信号的参考电平来执行相关双采样。
17.根据权利要求10至16之一所述的方法，进一步包括：在像素读取(Tro)期间，基于相应的幅度水平确定是使用所述低灵敏度信号还是所述高灵敏度信号进行进一步处理。
18.根据权利要求10至17之一所述的方法，进一步包括：在所述低灵敏度模式下的像素曝光(Tex)期间，通过施加增益信号以将所述电容(40)的端节点(42)与第三电容器(150)的端节点(152)短路来调整转换增益。
19.根据权利要求10至18之一所述的方法，其中将电磁辐射转换成相应的电荷信号包括：由第一光电二极管(20)在所述高灵敏度模式下产生第一电荷信号，以及由第二光电二极管(20’)在所述低灵敏度模式下产生第二电荷信号。
20.根据权利要求10至19之一所述的方法，其中将电磁辐射转换成相应的电荷信号包括：在所述低灵敏度模式下通过减少的曝光时间(T1)产生第一电荷信号，以及在所述高灵敏度模式下通过增加的曝光时间(T2)产生第二电荷信号。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种像素布局(10)，被配置为分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射，所述像素布局(10)包括：
2.根据前述权利要求所述的像素布局(10)，其中所述高灵敏度信号包括所述低灵敏度信号和附加视频信号。
3.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，进一步包括
4.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，还包括电耦合到所述放大器(60)的所述输出端(64)的预充电栅(40)，用于预充电所述第一电容器(70)和所述第二电容器(80)。
5.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，其中所述至少一个光电二极管(20)包括用于在所述高灵敏度模式下产生第一电荷信号的第一光电二极管(20)，以及用于在所述低灵敏度模式下产生第二电荷信号的第二光电二极管(20’)。
6.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，还包括在所述复位栅(50)和所述电容(40)之间的灵敏度栅(140)，用于将所述电容(40)的端节点(42)与第三电容器(150)的端节点(152)短路。
7.根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)，其中所述第一电容器(70)和所述第二电容器(80)并联或级联布置。
8.一种图像传感器(200)，包括根据前述权利要求之一所述的像素布局(10)的像素阵列。
9.一种光电设备(300)，包括根据前述权利要求所述的图像传感器(200)。
10.一种用于操作像素布局(10)的方法，所述像素布局被配置成分别在高灵敏度模式和低灵敏度模式下转换电磁辐射，所述方法包括：
11.根据前述权利要求所述的方法，其中在像素曝光(tex)期间的第一步骤中，所述像素布局(10)在所述低灵敏度模式下操作，使得所述低灵敏度信号被生成并存储在所述第二电容器(80)上，并且其中在像素曝光(tex)期间的第二步骤中，所述像素布局(10)在所述高灵敏度模式下操作，使得所述高...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·哈科尼，
申请(专利权)人：艾迈斯传感器比利时有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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