[发明专利]具有双累积时间和条件选择的图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器，并且更具体地，涉及意在同时以低亮度水平和高亮度水平采集图像的那些图像传感器。

背景技术

通常，有源像素包括光电二极管和三、四或五个MOS晶体管，该MOS晶体管使得对光在光电二极管中生成的电荷的读取进行控制成为可能。具有四个晶体管的像素如下操作：首先，将通过光生成的电荷从光电二极管转移至电容存储节点；然后，将存储节点的电位传递(carry over)至列导体；一个晶体管用于在电荷从光电二极管转移至存储节点之前，重新初始化存储节点的电位。具有五个晶体管的像素还包括用于重新初始化光电二极管的电位的晶体管。

专利公开WO2010/066850中描述了在每个图像帧具有双累积(integration)持续时间的传感器的操作模式。在第一持续时间Ti1之后，光电二极管生成的电荷转移至存储节点中。接下来，稍微在比第一持续时间Ti1长的第二持续时间Ti2结束之前，将存储节点的电位采样到读取电路的电容器中，重新初始化存储节点的电位，将重新初始化的电位采样到另一电容器中，并且将从第二累积持续时间得到的电荷从光电二极管转移至存储节点。于是，测试存储节点的电位电平。如果其指示存在像素饱和风险，则使用已经存储的样本来基于它们的差异执行描绘像素接收的照明水平的模-数转换。如果相反地，存储节点的电位的电平示出了不存在饱和风险，则进行第三采样来替换第一电容器中先前存储的电平，并且采用此新样本来进行第三样本和第二样本之间的差异的模-数转换。

因此，作为在第二累积持续时间期间采集的电荷的水平的函数，进行第三条件采样。在读取像素行的时候逐个像素进行选择。

也可以规定第二累积持续时间比第一累积持续时间短。在此情况下，在至存储节点的第二转移之前，对存储节点的电位电平执行测试；这是从较长累积得到的电位。此时，如果存在饱和风险，则在进行模-数转换之前，将进行第三采样；如果不存在饱和风险，则将不进行第三采样，并且将基于第一和第二样本进行模-数转换。

在将从较短累积持续时间得到的电平转换为数字的情况下，将转换结果乘以较长持续时间与较短持续时间的比率，以便以与源自较长累积的电荷水平的转换结果相同的比例引用该值。

已经注意到，用于决定第三采样的此测试呈现缺点。

首先，比较器(庞大的)对每一列是必须的。于是，对在选择像素行的时候接收存储节点的电位电平的列导体的电位的绝对值进行测试。将此电位与定义饱和风险的阈值进行比较。测试因此涉及电位电平的绝对值，而不是差值(有用电位电平减重新初始化的电平)。这在待使用的阈值的选择中产生不确定性。此外，在必须施加于比较器以探测饱和风险的阈值的值中存在其它不确定性。这些不确定性与以下各项相关：制造方法的变化、温度变化、各像素中的读取晶体管的偏移电压的差异、对应于像素矩阵的各列的比较器的偏移电压的差异。因此强制采取相当大的容限(margin)来确定阈值，该阈值使得知道是否存在饱和风险成为可能。这招致了动态范围的损失，即对于给定的累积持续时间，传感器实际能够测量的照明间隔的减小。最后，在除对列导体的电位电平进行采样的时候以外的时候进行电压比较的必要性招致附加的电流消耗。实际上，仅在必须复制存储节点的电位电平的阶段期间对列导体进行通电。这里，必须在测试期间以及在此比较之后的第三采样期间对其进行通电。

发明内容

为了避免这些缺点，本发明提出了使用模-数转换器的部分来在第一和第二样本存储后并且在预定进行第三采样的时刻之前，测试第一和第二样本之间的差分电压。所述模-数转换器是斜坡型转换器，该转换器使用线性电压斜坡和具有大增益的差分放大器，在所述放大器的两个输入端上的电压差由于电压斜坡而变为零时，该差分放大器触发。根据本发明，将施加具有固定持续时间和已知斜率的短线性电压斜坡；如果放大器在斜坡结束之前，放大器触发，则认为照明保持在阈值以下并且将从其得出要在第一电容器中进行新采样的结论。当执行第三采样时，第三采样替代第一采样。不管是否已经存在第三采样，对在被用于第三采样的时刻后存储的样本进行决定性模-数转换。