阈值监测的有条件重置的图像传感器及其操作方法技术

本发明专利技术的各个实施例涉及阈值监测的有条件重置的图像传感器。一种具有多位采样的图像传感器架构，实施在图像传感器系统内。将响应于入射在光敏元件上的光而产生的像素信号，转换为表示该像素信号的多位数字值。如果像素信号超出采样阈值，那么重置光敏元件。在图像捕获周期期间，将与超出采样阈值的像素信号相关联的数字值累积到图像数据中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】阈值监测的有条件重置的图像传感器及其操作方法
本公开涉及电子图像传感器领域，并且更加具体地涉及一种用于这种图像传感器中的采样架构。
技术介绍
数字图像传感器，诸如CMOS或者CCD传感器，包括多个光敏元件(“光传感器”)，每个光敏元件配置为将入射在光传感器上的光子(“捕获光”)转换为电荷。然后，可以将电荷转换为表示被每个光传感器捕获的光的图像数据。该图像数据包括捕获光的数字表示，并且可以对其进行操纵或者处理以产生能够显示在观察装置上的数字图像。图像传感器实施在具有物理表面的集成电路(“IC”)中，该物理表面可以被划分为配置为将光转换为电信号(电荷、电压、电流等)的多个像素区域(例如，一个或者多个光传感器、和伴随的控制电路系统)。出于方便起见，在图像传感器内的像素区域也可以称为图像像素(“IP”)，并且像素区域或者图像像素的聚合件将称为图像传感器区域。图像传感器IC通常还会包括在图像传感器区域外部的面积区域，例如，特定类型的控制、采样、或者接口电路系统。大多数CMOS图像传感器包含A/D(模数)电路系统，以将像素电信号转换为数字图像数据。A/D电路系统可以是位于图像传感器区域内或者在图像传感器区域外围的一个或者多个ADC(模数转换器)。附图说明在对应附图的图中以示例而非限制的方式图示了此处公开的各个实施例，并且，在附图中，类似的附图标记标示相似的元件，在图中：图1图示了根据一个实施例的图像传感器的部分的截面；图2图示了根据在例如图1的布局中有用的一个实施例的具有多个像素信号阈值的模拟像素图像传感器的部分阵列电路系统；图3图示了根据对例如图1和图2的实施例有用的一个实施例的配置为将像素信号转换为多位数字转换的示例图像传感器读出电路；图4图示了根据使用了例如图1的截面以及图2和图3的电路系统的一个实施例的具有多位架构的图像传感器系统的示例电路图实施例；图5图示了根据使用了例如图1的截面以及图2和图3的电路系统的一个实施例的具有位于IP阵列外围的读出电路阵列的图像传感器系统架构的另一示例电路框图；图6a图示了根据使用了例如图2的阵列电路系统的一个实施例的在可替代图4和图5的示例双层图像传感器系统架构中的像素阵列IC的顶视图；图6b图示了根据使用了例如图3的读出电路系统的一个实施例的在可替代图4和图5的示例双层图像传感器系统架构中的预处理器IC的顶视图；图6c图示了根据一个实施例的在示例双层图像传感器系统中的图6a的像素阵列IC和图6b的预处理器IC的部分截面；图7图示了根据一个实施例的图像传感器读出电路诸如图3的读出电路的操作；图8图示了根据对此处描述的系统有用的一个实施例的在图像捕获系统中的数据流；图9图示了根据一个实施例的供图像传感器读出电路诸如图3的读出电路使用的各种时间采样策略；图10图示了在其中执行无损过阈值检测操作使得能够结合相关双采样进行有条件重置操作的改良4-晶体管像素的一个实施例；图11是图示了在图10的递进读出像素(progressiveread-outpixel)内的示例性像素周期的定时图；图12和图13图示了用于图10的光电二极管、传输门和浮置扩散结构的在其对应的示意性截面图下方的示例性静电电位图；图14图示了具有递进读出像素阵列的图像传感器300的一个实施例；图15A至图15C图示了可以结合参照图10至图14描述的递进读出像素采用的替代列读出电路实施例；图16图示了四像素共享浮置扩散结构图像传感器架构，在该四像素共享浮置扩散结构图像传感器架构中，可以按照在不要求额外的阵列遍历控制线的情况下实现多抽取模式的方式应用在图10至图14的实施例中公开的行和列传输门控制线；图17图示了在图16中示出的四像素架构的示例性物理布局；图18A和图18B图示了可以关于图16和图17的四像素架构而采用的彩色滤光器阵列(CFA)图案；图19和图20提出了定时图，这些定时图分别图示了在包含图16所示的2x2四像素布置的图像传感器内的全分辨率(非拼接(binning))像素读出操作和拼接模式像素读出操作的示例性阶段；图21图示了可以结合彩色滤光器阵列对4x1四像素块聚合件执行的备选拼接策略；图22图示了可以应用于使得能够从4x1四像素块的所选列读出模拟信号的电压拼接的列互连架构；图23图示了在图21和图22的4x1四像素结构内的拼接模式读出操作的示例性定时图；图24图示了具有可在参照图21至图23描述的抽取(拼接)模式下操作的4x1四像素块的阵列的图像传感器的更加详细的实施例；图25A至图25C图示了可以用于在像素列内实现高增益部分读出和近似单位增益完整读出的可选择增益(或者多增益)读出电路的一个实施例；图26提出了示例性定时图，该示例性定时图图示了在图25A的多增益架构内在硬重置、积分、部分读出和(有条件)完整读出操作期间交替应用共源极增益配置和源极跟随器增益配置；图27图示了可以用于在像素列内实现高增益部分读出和近似单位增益完整读出的可选择增益(或者多增益)读出电路的一个备选实施例；图28图示了具有设置在上下读出电路之间的像素阵列的图像传感器的一个实施例；图29图示了具有与图像处理器、存储器、和显示器一起的有条件重置图像传感器的成像系统的一个实施例；图30图示了结合图像处理操作可以在图29的成像系统内执行的操作的示例性序列；图31图示了用于求和查找图像再现技术和加权平均图像再现技术的曝光值(EV)与光强度(以勒克斯表示)的示例性双对数图；图32描绘了在60Hz帧速率下在1080P视频成像的背景下的第一HDR操作模式的示例；图33描绘了在60Hz帧速率下在1080P视频成像的背景下的第二HDR操作模式的示例；图34图示了一种示例性操作模式，其中在不干扰在图33中指出的积分时间比的情况下进一步延伸了动态范围；图35演示了示例性“预览模式”，该“预览模式”例如当传感器正在减小的功率/数据速率模式下操作以使用户能够构成图像、设置变焦等时可以是合适的；图36图示了在曝光策略中实现了(针对如图32至图35所示的相同成像器示例)每个帧时段(interval)多达8次子曝光捕获和额外灵活性的示例性30Hz捕获模式；图37图示了两种不同的120Hz定时可能性的示例，包括：(i)对于每帧具有相等的子曝光时间和一次有条件读出/重置的4ms、4ms序列；以及(ii)对于每帧具有一次有条件读出/重置的0.75ms、4ms序列；图38是图示了可以适用于严格分组的子曝光的交织捕获模式的示例性定时图；图39是用于类似于在图32中示出的模式(即，所有子曝光时段都是4ms长)但是在其中4个子曝光时段并行发生的模式的示例性定时图；图40是用于在其中最大行速率足够快能够支持每帧大概4.5阵列扫描的数据速率模式下操作传感器的示例性定时图；图41示出了用于能够利用可变曝光调度操作并且因此有利于根据在图40中示出的可变定时布置执行的图像传感器的框图；图42示出了为各种传感器操作模式提供了灵活性的示例性行缓冲器示出格式；图43描绘了用于具有比信道速率更高的ADC带宽从而使得当可以成功压缩数据时可以加快扫描并且在一个帧中可以完成多于4次示例性扫描的图像传感器的示例性调度图；图44图示了由两个无条件读出处理期(pass)围成从而使得选通光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成电路图像传感器，包括：多个光敏元件，响应于入射光而累积电荷；共享的浮置扩散结构，使得能够读出每个所述光敏元件；以及与所述光敏元件的相应行相关联的行线、以及与所述光敏元件的相应列相关联的列线，从而使得启动所述行线中的被选择的一个行线并且启动所述列线中的被选择的一个列线将所述共享浮置扩散结构可切换地耦合至所述光敏元件中的相应一个光敏元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.15 US 61/790,3681.一种集成电路图像传感器，包括：电容性浮置扩散节点；第一光敏元件和第二光敏元件，分别经由第一传输门和第二传输门可切换地被耦合到所述电容性浮置扩散节点；读出电路，被耦合到所述电容性浮置扩散节点以及所述第一传输门和所述第二传输门以：在第一时段期间确定在所述第一光敏元件和所述第二光敏元件内累积的光电荷的聚合电平是否超过读出阈值，包括在所述第一时段期间向所述第一传输门和所述第二传输门施加部分读出电压；以及响应于在所述第一时段期间确定累积的光电荷的所述聚合电平超过所述读出阈值，在第二时段期间向所述第一传输门和所述第二传输门施加完整读出电压，所述完整读出电压超过所述部分读出电压；其中在所述第一时段期间将所述部分读出电压施加到所述第一传输门和所述第二传输门的所述读出电路包括：用于将电压电平施加到所述第一传输门的电路，该电压电平使得只有在所述第一光敏元件内累积的光电荷超过第一电荷电平的情况下，光电荷才能够从所述第一光敏元件传输到所述电容性浮置扩散节点。2.根据权利要求1所述的集成电路图像传感器，其中如果所述累积的光电荷超过所述第一电荷电平，则将所述电压电平施加到所述第一传输门使得能够将在所述第一光敏元件内的所述累积的光电荷的受限部分传输到所述电容性浮置扩散节点，使得所述累积的光电荷的剩余部分在所述第一时段结束时保留在所述第一光敏元件内。3.根据权利要求2所述的集成电路图像传感器，其中在所述第二时段期间将所述完整读出电压施加到所述第一传输门和所述第二传输门的所述读出电路包括：用于将电压电平施加到所述第一传输门的电路，该电压电平足以使得能够将所述第一光敏元件内的所述累积的光电荷的剩余部分传输到所述电容性浮置扩散节点。4.根据权利要求1所述的集成电路图像传感器，其中在所述第一时段期间将所述部分读出电压施加到所述第一传输门和所述第二传输门的所述读出电路还包括：用于将电压电平施加到所述第二传输门的电路，该电压电平使得只有在所述第二光敏元件内累积的光电荷超过第一电荷电平的情况下，光电荷能够从所述第二光敏元件传输到所述电容性浮置扩散节点。5.一种集成电路图像传感器，包括：电容性浮置扩散节点；第一光敏元件和第二光敏元件，分别经由第一传输门和第二传输门可切换地被耦合到所述电容性浮置扩散节点；读出电路，被耦合到所述电容性浮置扩散节点以及所述第一传输门和所述第二传输门以：在第一时段期间确定在所述第一光敏元件和所述第二光敏元件内累积的光电荷的聚合电平是否超过读出阈值，包括在所述第一时段期间向所述第一传输门和所述第二传输门施加部分读出电压；以及响应于在所述第一时段期间确定累积的光电荷的所述聚合电平超过所述读出阈值，在第二时段期间向所述第一传输门和所述第二传输门施加完整读出电压，所述完整读出电压超过所述部分读出电压；其中所述读出电路包括控制电路，以使得能够在跨越所述第一时段和所述第二时段的读出时段期间将表示所述电容性浮置扩散节点的电荷电平的输出信号连续地驱动到共享的输出线上，并且其中用于确定光电荷的所述聚合电平是否超过所述读出阈值的所述读出电路包括用于将所述输出信号与所述读出阈值进行比较的比较器电路。6.根据权利要求5所述的集成电路图像传感器，进一步包括像素阵列，除了所述第一光敏元件和所述第二光敏元件之外，所述像素阵列还具有多个光敏元件，并且其中用于使得能够在所述读出时段期间将所述输出信号连续地驱动到所述共享的输出线上的所述读出电路包括读出选择电路，所述读出选择电路使得能够将所述输出信号驱动到跨所述像素阵列沿列延伸的列输出线上，并且其中用于响应于确定累积的光电荷的所述聚合电平超过所述读出阈值而在所述第二时段期间向所述第一传输门和所述第二传输门施加所述完整读出电压的所述读出电路包括：第一行控制电路，用于断言在所述第二时段期间跨所述像素阵列沿行传播的第一传输门控制脉冲；以及第一列控制电路，用于断言或去断言第二传输门控制脉冲，所述第二传输门控制脉冲如果被断言则跨所述像素阵列沿列传播，以结合所述第一传输门控制脉冲来实现向所述第一传输门施加所述完整读出电压。7.根据权利要求6所述的集成电路图像传感器，其中用于响应于确定累积的光电荷的所述聚合电平超过所述读出阈值而在所述第二时段期间向所述第一传输门和所述第二传输门施加所述完整读出电压的所述读出电路进一步包括：第二行控制电路，用于断言第三传输门控制脉冲，所述第三传输门控制脉冲在所述第二时段期间跨所述像素阵列沿行传播，并且结合所述第二传输门控制脉冲来实现向所述第二传输门施加所述完整读出电压。8.根据权利要求6所述的集成电路图像传感器，其中用于响应于确定累积的光电荷的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·沃吉尔桑，M·吉达什，薛松，M·斯米尔诺维，C·M·史密斯，J·恩德斯雷，J·E·哈里斯，
申请(专利权)人：拉姆伯斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US