獲取圖像數(shù)據(jù)的方法、供使用的hdr成像系統(tǒng)及像素的制作方法
【專利說明】獲取圖像數(shù)據(jù)的方法、供使用的HDR成像系統(tǒng)及像素
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2014年I月10日申請(qǐng)的第61/925，840號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)案的權(quán)益
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體上涉及圖像傳感器，且更具體來說，本發(fā)明涉及高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0004]標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器具有大致60dB到70dB的有限動(dòng)態(tài)范圍。然而，現(xiàn)實(shí)世界的亮度動(dòng)態(tài)范圍要大得多。自然景象通?？缭?0dB及以上的范圍。為同時(shí)捕獲強(qiáng)光及陰影，已在圖像傳感器中使用HDR技術(shù)來增大所捕獲的動(dòng)態(tài)范圍。用于增大動(dòng)態(tài)范圍的最常見技術(shù)為將用標(biāo)準(zhǔn)(低動(dòng)態(tài)范圍)圖像傳感器捕獲的多個(gè)曝光合并成單個(gè)線性HDR圖像，所述單個(gè)線性HDR圖像具有比單個(gè)曝光圖像大得多的動(dòng)態(tài)范圍。
[0005]最常見的HDR傳感器解決方案中的一者為使多個(gè)曝光進(jìn)入一個(gè)單個(gè)圖像傳感器。在具有不同曝光積分時(shí)間或不同靈敏度(例如通過插入中性密度濾光片)的情況下，一個(gè)圖像傳感器可在單個(gè)圖像傳感器中具有2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或甚至更多的不同曝光。使用此HDR圖像傳感器，可在單次拍攝中得到多個(gè)曝光圖像。然而，與正常全分辨率圖像傳感器相比，在使用此HDR傳感器的情況下，總圖像分辨率降低了。舉例來說，對(duì)于在一個(gè)圖像傳感器中組合4個(gè)不同曝光的HDR傳感器，每一 HDR圖像傳感的分辨率將僅為全分辨率圖像的四分之一O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種在高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器中從單個(gè)圖像捕獲的單個(gè)曝光從像素獲取圖像數(shù)據(jù)的方法，其包括:在包含在所述像素中的多個(gè)子像素中的每一者中的光電檢測(cè)器中于單個(gè)積分時(shí)間期間光生電荷載流子；復(fù)位所述像素的共享浮動(dòng)擴(kuò)散；取樣所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散以產(chǎn)生復(fù)位輸出樣本信號(hào)；將在所述多個(gè)子像素的第一部分中光生的電荷載流子轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散；取樣所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散以產(chǎn)生第一輸出樣本信號(hào)；將在所述多個(gè)子像素的第二部分中光生的電荷載流子轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散；以及取樣所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散以產(chǎn)生第二輸出樣本信號(hào)。
[0007]本發(fā)明的另一方面提供一種用于高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像傳感器中的像素，其包括:多個(gè)子像素，其中所述多個(gè)子像素中的每一者包含:光電檢測(cè)器，其用于在單個(gè)圖像捕獲的單個(gè)積分時(shí)間期間響應(yīng)于入射光而光生圖像電荷載流子；以及轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合到所述光電檢測(cè)器；共享浮動(dòng)擴(kuò)散，其耦合到所述多個(gè)子像素，其中所述多個(gè)子像素的第一部分的轉(zhuǎn)移晶體管經(jīng)耦合以將在所述多個(gè)子像素的所述第一部分的相應(yīng)光電檢測(cè)器中光生的圖像電荷載流子選擇性地轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散，且其中所述多個(gè)子像素的第二部分的轉(zhuǎn)移晶體管經(jīng)耦合以將在所述多個(gè)子像素的所述第二部分的相應(yīng)光電檢測(cè)器中光生的圖像電荷載流子選擇性地轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散。
[0008]本發(fā)明的進(jìn)一步方面一種高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)成像系統(tǒng)，其包括:像素的像素陣列，其中所述像素中的每一者包含:多個(gè)子像素，其中所述多個(gè)子像素中的每一者包含:光電檢測(cè)器，其在單個(gè)圖像捕獲的單個(gè)積分時(shí)間期間響應(yīng)于入射光而光生圖像電荷載流子；以及轉(zhuǎn)移晶體管，其耦合到所述光電檢測(cè)器；共享浮動(dòng)擴(kuò)散，其耦合到所述多個(gè)子像素，其中所述多個(gè)子像素的第一部分的轉(zhuǎn)移晶體管經(jīng)耦合以將在所述多個(gè)子像素的所述第一部分的相應(yīng)光電檢測(cè)器中光生的圖像電荷載流子選擇性地轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散，且其中所述多個(gè)子像素的第二部分的轉(zhuǎn)移晶體管經(jīng)耦合以將在所述多個(gè)子像素的所述第二部分的相應(yīng)光電檢測(cè)器光生的圖像電荷載流子選擇性地轉(zhuǎn)移到所述共享浮動(dòng)擴(kuò)散；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；以及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述多個(gè)像素讀出圖像數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0009]參看以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實(shí)施例，其中除非另外指定，否則相似參考數(shù)字貫穿各視圖指相似部分。
[0010]圖1A為說明實(shí)例色彩像素陣列的一部分的圖式。
[0011]圖1B為說明根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例色彩像素陣列的一部分的圖式，在所述色彩像素陣列中每一像素包含多個(gè)子像素以提供高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)成像。
[0012]圖2為展示根據(jù)本發(fā)明的教示的具有多個(gè)子像素以提供HDR成像的電路的電路圖。
[0013]圖3為說明根據(jù)本發(fā)明的教示在具有多個(gè)子像素以提供HDR成像的像素的實(shí)例電路中發(fā)現(xiàn)的信號(hào)的實(shí)例關(guān)系的時(shí)序圖。
[0014]圖4為說明根據(jù)本發(fā)明的教示的另一實(shí)例色彩像素陣列的一部分的圖式，其中每一像素包含多個(gè)子像素以提供HDR成像。
[0015]圖5為說明根據(jù)本發(fā)明的教示的包含色彩像素陣列的成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的圖式，在所述色彩像素陣列中每一像素包含多個(gè)子像素。
[0016]對(duì)應(yīng)的參考字符貫穿圖式的若干視圖指示對(duì)應(yīng)組件。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，圖中的元件是出于簡化及清楚目的而說明且未必是按比例繪制。舉例來說，圖中的元件中的一些元件的尺寸可能相對(duì)于其它元件被夸大以幫助改善對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例的理解。并且，通常未描繪在商業(yè)可行實(shí)施例中有用或有必要的常見而容易理解的元件，以促進(jìn)更容易地查看本發(fā)明的這些各種實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0017]在以下描述中，闡述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，不需要采用所述特定細(xì)節(jié)實(shí)踐本發(fā)明。在其它情況下，尚未詳細(xì)描述眾所周知的材料或方法以避免混淆本發(fā)明。
[0018]貫穿本說明書的對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“一實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”的提及意味著結(jié)合所述實(shí)施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，短語“在一個(gè)實(shí)例中”、“在一實(shí)施例中”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”在貫穿本說明書的各處的出現(xiàn)未必全都是指同一實(shí)施例或?qū)嵗４送?，在一或多個(gè)實(shí)施例或?qū)嵗校梢匀魏魏线m組合或子組合來組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含在集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能性的其它合適組件中。此外，應(yīng)了解，本文提供的圖是出于向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員解釋的目的且圖式未必是按比例繪制。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例描述根據(jù)本發(fā)明的教示的色彩像素陣列，在所述像素陣列中每一像素包含多個(gè)子像素以提供HDR成像。在一個(gè)實(shí)例中，在單個(gè)積分時(shí)間或單個(gè)曝光之后讀出每一像素，在所述時(shí)間期間在每一子像素的每一光電檢測(cè)器中光生電荷載流子。在積分時(shí)間之后，通過將電荷從多個(gè)子像素的第一部分轉(zhuǎn)移到共享浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)來讀出每一像素以產(chǎn)生第一輸出信號(hào)。接著，將電荷從多個(gè)子像素的第二部分的光電二極管轉(zhuǎn)移到共享浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)以產(chǎn)生第二輸出信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，第一輸出信號(hào)可用于較亮的光照條件，而第二輸出信號(hào)可用于較低的光照條件以實(shí)現(xiàn)HDR成像傳感器。
[0020]為了說明，圖1A為說明實(shí)例像素陣列105A的一部分的圖式。在所描繪的實(shí)例中，像素陣列105A為具有拜耳(Bayer)濾光器圖案的色彩像素陣列，其中存在感測(cè)彩色圖像的綠色(G)及紅色(R)像素與藍(lán)色(B)及綠色(G)像素的交替行。
[0021]圖1B為說明實(shí)例像素陣列105B的一部分的圖式，實(shí)例像素陣列105B類似于圖1A的像素陣列105A，區(qū)別僅在于在圖1B的像素陣列105B中，像素中的每一者包含均具有相同彩色濾光器的多個(gè)子像素。舉例來說，如圖1B中描繪的實(shí)例中展示，每一綠色(G)像素具有多個(gè)綠色(G)子像素，每一紅色(R)像素具有多個(gè)紅色(R)子像素且每一藍(lán)色(B)像素具有多個(gè)藍(lán)色(B)子像素。在實(shí)例中，每一像素的多個(gè)子像素以具有與常規(guī)像素相同的大小的群集(cluster)布置。應(yīng)注意，在圖1B中說明的特定實(shí)例中，出于解釋目的每一像素包含2X2子像素的群集。當(dāng)然，將了解，在其它實(shí)例中，根