[发明专利]利用寄生光电二极管的具有改进的动态范围的成像阵列

说明书

公开了一种像素传感器，具有主光电检测器和寄生光电二极管，以及一种读出该像素传感器的方法。该像素传感器是通过当浮动扩散节点从该主光电二极管隔离出来时，读出该像素传感器中的浮动扩散节点上的第一电位而读出的。然后将该像素传感器曝光在光下，使得该浮动扩散节点和该光电检测器也曝光在该光下。然后当浮动扩散节点从该主光电二极管隔离出来时，读出该浮动扩散节点上的第二电位。在读出该第一和第二电位后，读出该浮动扩散节点上的第三电位。然后使该主光电二极管与该浮动扩散节点连接，读出该浮动扩散节点上的第四电位。由所读出的这些电位决定出第一和第二光强度。

技术领域

本发明涉及一种利用寄生光电二极管的具有改进的动态范围的成像阵列。

背景技术

CMOS图像传感器被广泛应用于相机和其它图像应用中。该图像传感器典型地包括像素传感器的二维阵列。每个像素传感器包括光电二极管，该光电二极管测量图像中相应的点的图像强度。图像传感器的动态范围是指能测量到的光的最小量与最大量的比率。通过首先清空任何累积电荷然后将光电二极管曝光在图像下而形成图像。每个光电二极管以由通过图像发射出的光强度决定的速率在图像的相应的点(即像素)累积电荷。

原则上，能够通过应用更大的光电二极管来增加最大容量；但是，这个方案增加了图像阵列的成本，并且需要对能够处理由像素产生的信号的大动态范围的电子器件进行处理。另一个用于增加图像阵列的动态范围的现有技术方案涉及为每个像素使用两个不同的光电二极管。在这个方案中，面积大的光电二极管用于测量低的光等级，而小的光电二极管用于测量图像中更亮位置的强度。如果将像素曝光于更高亮度的位置，使用小的光电二极管。在图像的暗的位置，使用大的光电二极管。这个方案需要两个不同系列的光电二极管以及需要增加测量图像的高亮度位置的额外光电二极管的硅面积。

第二个现有技术方案应用多重曝光以提供增加的动态范围。在这个方案中，每个场景拍摄基本两张图片。第一张图片利用非常短的曝光时间，其捕获图像中的高亮度的点的强度。使位于图像中的低强度的点的像素曝光不足。第二张图片利用长得多的曝光时间。在第二张图片中，使位于高强度的点的像素过度曝光，而现在使位于低强度的点的像素充分曝光并且其提供在低强度的点的强度值。然后将两张图片结合以提供具有增加的动态范围的图像。但是这个方法导致图像中的伪影(artifact),由于两张图片在时间上有一定量的分隔，如果场景很快地变化，这能够出现问题。

发明内容

本发明包括具有主光电二极管和寄生光电二极管的像素传感器，以及读出该像素传感器的方法。在读出该像素传感器的方法中，当浮动扩散节点从主光电二极管隔离出来时，读出像素传感器中的浮动扩散节点上的第一电位。然后将像素传感器曝光在光下，从而使得浮动扩散节点和主光探测器都曝光在光下。然后当浮动扩散节点从主光电二极管隔离出来时，读出浮动扩散节点上的第二电位。由第一和第二电位决定出第一光强度。在读出第一和第二电位后，读出在浮动扩散节点上的第三电位。然后将主光电二极管与浮动扩散节点连接，读出在浮动扩散节点上的第四电位。由第三和第四电位决定出第二光强度。

根据本发明的一个方面，该浮动扩散节点与具有第一复位电位的复位总线连接，然后在读出第一电位之前从该复位总线断开连接。根据本发明的另一个方面，该浮动扩散节点连接至复位总线，然后在读出第二电位之后、读出第三电位之前从该复位总线断开连接。

根据本发明的另一个方面，如果光电二极管上的电位超过了溢出电位，将光电子从主光电二极管分流以接地。

根据本发明的像素传感器包括以第一光转换效率为特征的主光电二极管；浮动扩散节点；有选择地将该主光电二极管与该浮动扩散节点连接的栅极；产生指示在浮动扩散节点上的电位的信号的读出放大器，该信号响应于由像素传感器接收到的选择信号而与第一导体连接；以及有选择地将浮动扩散节点与处于复位电位的复位总线连接的复位栅极。该浮动扩散节点包括以第二光转换效率为特征的寄生光电二极管，该第一光转换效率大于或等于第二光转换效率的30倍。