[发明专利]具有扩展动态范围的成像阵列

说明书

公开了一种成像阵列及其使用方法。成像阵列包括连接到位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，该光电检测器包括光电二极管、浮动扩散节点、和连接到浮动扩散节点的缓冲器，缓冲器产生具有电压的像素输出信号，该电压是浮动扩散节点上的电压的单调函数。每个像素传感器还包括通过溢流传输栅极而连接到光电二极管的溢流电容器，该溢流传输栅极允许超过预定电荷的光电荷流到溢流电容器上。将累积在光电二极管和溢流电容器上的电荷组合到一起从而为像素传感器提供改进的动态范围。

技术领域

本发明涉及具有扩展动态范围的成像阵列。

背景技术

现在可以使用能够检测非常低的光水平的CMOS图像传感器。噪声抑制的改进导致探测器的噪声水平只是电子的一小部分；从而使单个光子计数成为可能。虽然这种传感器可以在极低的光线下提供图像，但光电二极管在高光照水平下会饱和。因此，这种传感器具有有限的动态范围。

已经提出了具有多个光电二极管的像素传感器以扩展动态范围。在这样的传感器中，一个光电二极管对低光水平敏感，而另一个光电二极管具有低得多的光转换率，因此当低光光电二极管饱和时可用于提供光测量。然而，多个光电二极管的使用带来了其他挑战，因为光电二极管不相同，因此可以具有不同的光谱响应。

发明内容

本发明包括一种装置和使用该装置的方法。该装置包括连接到位线的多个像素传感器，每个像素传感器包括光电检测器，该光电检测器包括光电二极管、浮动扩散节点、和连接到浮动扩散节点的缓冲器，该缓冲器产生具有电压的像素输出信号，该电压是浮动扩散节点上的电压的单调函数。每个像素传感器还包括：位线栅极，其响应于行选择信号而将像素输出信号连接到位线；复位栅极，其响应于复位信号而将浮动扩散节点连接到第一复位电压源；第一传输栅极，其响应于第一传输信号而将光电二极管连接到浮动扩散节点；溢流电容器，其通过第二传输栅极连接到浮动扩散节点，第二传输栅极响应于第二传输信号而将溢流电容器连接到浮动扩散节点；以及溢流传输栅极，其响应于溢流传输栅极信号而将光电二极管连接到溢流电容器。

在本发明的一个方面中，当光电二极管产生的电荷超过溢流阈值时，溢流传输栅极信号被调整到使电荷流到溢流电容器而不是浮动扩散节点的水平。

在本发明的另一个方面中，缓冲器包括源极跟随器，其具有连接到浮动扩散节点的栅极。

在本发明的另一个方面中，该装置包括控制器，该控制器产生第一和第二采样信号、复位信号、第一和第二传输信号、以及溢流传输栅极信号。在本发明的另一个方面中，控制器使每个像素传感器中的光电二极管和溢流电容器复位到复位电压。

在本发明的另一个方面中，控制器将光电二极管与每个像素传感器中的浮动扩散节点隔离，使得由照射光电二极管的光产生的光电荷首先累积在光电二极管上，直到光电二极管达到存储的光电荷的预定水平，超过该预定水平的任何过量光电荷存储在溢流电容器上。

在本发明的另一个方面中，控制器在每个像素传感器的曝光时段之后确定存储在溢流电容器上的第一光电荷和存储在光电二极管上的第二光电荷，控制器将第一和第二光电荷组合到一起以提供对曝光期间每个像素传感器接收光量的测量值。

本发明还包括一种操作成像阵列的方法，该成像阵列包括多个像素传感器，其中每个像素传感器包括光电二极管，该光电二极管测量在曝光期间入射在该像素传感器中的光电二极管上的光的强度，该光电二极管的特征在于具有在曝光期间可以存储在每个光电二极管中的最大光电荷。该方法包括在每个像素传感器中提供溢流路径，溢流路径收集超过最大光电荷的光电荷、测量在曝光期间通过溢流路径的收集的电荷、并测量曝光后存储在光电二极管上的光电荷、并且在曝光之后将测量的收集的电荷与存储在光电二极管上的光电荷组合到一起，从而得到对应于像素传感器的曝光的像素强度的测量值。