具有像素内存储器的高动态范围图像传感器制造技术

公开了一种高动态范围CMOS图像传感器。该图像传感器的像素包含像素内存储器。进一步地，所述各像素可以具有变化的积分周期。积分周期部分地由之前的积分周期内存储在像素内存储器中的信号来确定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术公开涉及互补金属氧化半导体(CMOS)图像传感器，尤其涉及使用具有不同复位时间及像素存储器的的像素的高动态范围图像传感器。
技术介绍
设计图像传感器的挑战之一在于需要图像传感器展现出高动态范围。很多应用，尤其是室外应用，需要图像传感器具有高动态范围来适用于非常亮和非常暗的区域。例如，一些应用的照明条件可能从夜视的低于I勒克斯到明亮日光下的超过10，000勒克斯。真实世界景象的光照强度的变化范围可能达到或超过100分贝。生物视觉系统和卤化银胶片能够对高动态范围景象(100分贝以上)进行成像而几乎不损大对比度信息，而开发出能够做到这一点的电子图像传感器则颇具挑战性。目前大多数图像传感器的动态范围是有限的，通常在50分贝到80分贝之间。因此，捕捉到的景象的相关信息内容被损大掉了。所以，需要有能够更精确地捕捉景象的高动态范围(HDR)图像传感器。当这些现有的传感器被用于捕捉带有非常亮的区域的景象时，在图像浮散(blooming)中光照强度会出现比较大的变化。由这个非常亮的光源照亮的像素饱和并将信号溢出到相邻的像素，使得输出图像的明亮区域扩大而丢大了真实的图像。试图为CMOS图像传感器扩大动态范围的现有技术包括:1.测量达到阈值的时钟周期的个数。见，例如，Konuma的编号5，650, 643的美国专利。2.捕捉具有不同积分时间的两个或更多关联图像，并将该多个图像合并为单个高动态范围图像。见，例如，Wide Intrascene Dynamic Range CMOS APS Using DualSampling , Orly Yadid-Pecht 等，1997IEEE Workshop on Charge-Coupled Device andAdvanced Image Sensors,以及A640X 512CM0S Image Sensor with Ultra Wide DynamicRange Floating Point Pixel Level ADC , D.X.D.Yang 等，ISSCC Digest ofTechnicalPapers, 1999 年 2 月。3.对数转换功能像素架构。见，例如，S.Kavadias 等，“Alogarithmic responseCMOS image sensor with on-chip calibration，，，IEEE J.Solid State Circuits,第 35卷，第8号，2000年8月。4.在积分过程中改变复位门的等级。其电流向电荷转化的功能被压缩，从而提高最大非饱和电流。见，例如，Sayag的编号5.055，667的美国专利，以及S.J.Decker等的“A256x256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-ParallelDigital Output”，IEEE J.Solid State Circuits，第 33 卷，pp.2081-2091，1998 年 12 月。5.在空间上改变曝光:a.中性密度过滤器被置于传感器上，以使得具有较暗过滤器的像素对高亮度的光进行采样，而具有较亮过滤器的像素对低亮度的光进行采样。使用低通滤波或更精密的技术例如三次插值来合成高动态范围图像。见，例如，Nayer的编号6，864，916的美国专利。b.单独地复位像素。见，例如，Merrill的编号5，892，541的美国专利，以及OrlyYadid-Pecht等的编号6，175，383的美国专利。' 383专利值得进一步讨论。由图1 (复制了' 383专利的图3)可见，对照传统的3TAPS设计，'383专利用一个附加的晶体管实现了单独像素复位。这些像素的复位可以在不同时间进行，但是所有像素的采样都是在采样时间完成的。通过为每个像素改变其复位时间，复位时间与采样时间之间的时间(积分周期)可以根据需要为每个像素而改变。由图1可见，'383专利还教导了通过激活行选择晶体管56并读取列总线60上的电压来进行无损性读取。无损性读取可以用于为感兴趣的给定范围来确定最佳曝光周期。在运行中，当行复位线路RRST和列复位线路CRST52同时较高时，逻辑复位晶体管48会打开(turn on)且节点LRST50为高,而该像素将被复位。否则,行复位晶体管48中通过低电压，该低电压不会激活该逻辑复位晶体管。同一列上的像素共享列复位线路52。再转到图2(复制了' 383专利的图5)，，383专利示出了，通过改变单个像素的复位时间，可以实现T、T1、T2或T3的积分时间。注意每个像素不包含存储器，而且像素的复位时间必须由外围处理线路决定。这个现有的解决方案与其它技术相比具有优势，但其仍无法提供完全令人满意的性能。附图说明通过附图，以示例的方式描述本专利技术。本专利技术的范围由权利要求确定，这些附图应被理解为具有示例性而非限定性。图1为使用四个晶体管的现有技术中的像素设计。图2为图1现有技术中的像素的时间图。图3为根据公开的实施例的像素中应用的存储器闩锁电路。图4为示出了图3中的存储器闩锁电路的运行的时间图。图5为根据公开的实施例的像素的电路图。图6为示出了图5中像素的运行的时间图。图7为根据另一公开的实施例的像素的电路图。图8为示出了图7中像素的运行的时间图。图9为用于读出图5中像素的读取电路的框图。图10为用于读出图7中像素的读取电路的框图。详细说明具体实施例方式在接下来的说明中，术语“实施例”并不限定为多于一个实施例，相反，其范围包括一个实施例，多于一个实施例，或可能是所有实施例。如将在下面详述地，公开的实施例通过单独控制每个像素的曝光时间来扩大图像传感器的动态范围。进一步地，公开的实施例中，每个像素具有“存储器单元”。在曝光开始之前，该光传感器连接到漏极(drain)。另外，公开的实施例能够以高帧率来运行该图像传感器。进一步地，该图像传感器使用来自前一帧或前多帧的信息来为当前帧预期曝光时间。图3示出了包含在公开的图像传感器的像素中的存储器闩锁电路。该存储器闩锁电路完成闩锁的功能。其包括开关晶体管M1，闩锁晶体管M2，和存储器节点MEM。固有寄生电容器、开关晶体管Ml的栅极电容、以及闩锁晶体管M2的源极的PN结电容，被用作存储装置来存储逻辑高信号或逻辑低信号。闩锁晶体管M2的栅极连接到行复位线路ROW。闩锁晶体管M2的漏极连接到列复位线路C0L。闩锁晶体管M2的源极连接到存储器节点MEM。图4示出了用于实现闩锁功能的时间图。在图4中，使ROW信号产生脉冲。在第一个脉冲处，线路COL上的信号被置于存储器节点MEM上。在ROW线路上的第一个脉冲的下降沿，使得晶体管M2关断(shut off)，并导致该信号存储在存储器节点MEM中。为了最小化对光电二极管的影响，在一个实施例中，线路COL上的逻辑值在ROW的逻辑值变为高之前就已就位(也即，稳定)，并且该逻辑值将保持到ROW变为低之后。由于ROW上的信号为低，COL的逻辑值不会影响存储在存储器节点MEM中的逻辑值。注意在图4中，图示的阴影区域表示不确定的或不相干的信号。在图4中，如果COL上的信号为高，那么在ROW线路脉冲形成高信号后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.01 US 12/828,7021.一种用于图像传感器的像素，包括: 光电二极管； 由行线路和列线路控制的存储器闩锁电路，该存储器闩锁电路将控制信号闩锁并存储在存储器节点中，该控制信号控制该光电二极管的积分周期； 源极跟随晶体管，其接收来自该光电二极管的光电二极管信号，并将该光电二极管信号放大以用于读取到信号线路。2.如权利要求1所述的像素，其中，通过读取行选择晶体管来进行所述读取到所述信号线路的操作。3.如权利要求1所述的像素，其中，所述光电二极管信号施加在浮动节点上，该浮动节点连接到该源极跟随晶体管的栅极。4.如权利要求1所述的像素，其中，使用由复位线路控制的复位晶体管来复位所述浮动节点，该浮动节点被复位到由线路VD承载的电压VD。5.如权利要求1所述的像素，其中，该存储器闩锁电路包括: 由所述行线路控制的行选择晶体管；以及 在该光电二极管与浮动节点之间的传输晶体管，该传输晶体管由该控制信号控制。6.如权利要求1所述的像素，其中该控制信号启动该光电二极管的积分周期。7.如权利要求1所述的像素，其中，该控制信号由该列线路承载，在该列线路中，所述控制信号在该行线路被脉 冲之前和之后是稳定的。8.如权利要求1所述的像素，其中，当该光电二极管不在所述积分周期内时，该光电二极管信号向放电线路放电。9.如权利要求8所述的像...

【专利技术属性】
技术研发人员：何新平，
申请(专利权)人：晶相光电股份有限公司，
类型：
国别省市：