[发明专利]具有多个光电二极管的像素传感器

说明书

在一个示例中，一种装置包括：多个光电二极管、一个或更多个电荷感测单元、一个或更多个模数转换器(ADC)，以及控制器。控制器被配置为：启用每个光电二极管以响应于入射光的不同分量产生电荷；将电荷从多个光电二极管转移到一个或更多个电荷感测单元以转换成电压；接收对应于多个强度范围的多个量化过程中的一个或更多个量化过程的选择；基于该选择，控制一个或更多个ADC执行所选择的一个或更多个量化过程，以将来自一个或更多个电荷感测单元的电压量化为表示不同波长范围的像素分量的数字值；以及基于数字值生成像素值。

相关申请

本专利申请要求于2019年6月26日提交的题为“Pixel Sensor having MultiplePhotodiodes”的第16/453,538号美国专利申请和于2018年6月27日提交的题为“DigitalPixel Sensor with Multiple Photodiodes”的第62/690,571号美国临时专利申请的优先权，这些专利申请被转让给本申请的受让人，并且为了所有目的，其全部内容通过引用并入本文。

背景

本公开总体上涉及图像传感器，且更具体地涉及包括接口电路的像素单元结构，用于确定用于图像生成的光强度。

图像传感器中典型的像素包括光电二极管，其用于通过将光子转换成电荷(例如，电子或空穴)来感测入射光。入射光可以包括用于诸如2D和3D感测的不同应用的不同波长范围的分量。此外，为了减少图像失真，可以执行全局快门操作，其中光电二极管阵列的每个光电二极管在全局曝光周期中同时感测入射光以产生电荷。电荷可以由电荷感测单元(例如，浮置扩散节点(floating diffusion))转换以转换成电压。像素单元阵列可以基于由电荷感测单元转换的电压来测量入射光的不同分量，并为场景的2D和3D图像的生成提供测量结果。

概述

本公开涉及图像传感器。更具体地，但不限于，本公开涉及像素单元。本公开还涉及操作像素单元的电路以生成入射光强度的数字表示。

在一个示例中，一种装置包括：多个光电二极管，每个光电二极管被配置为将波长范围的入射光的分量转换成电荷；一个或更多个电荷感测单元；一个或更多个模数转换器(ADC)；存储器；以及控制器，其被配置为：启用每个光电二极管以响应于入射光的不同分量产生电荷；将电荷从多个光电二极管转移到一个或更多个电荷感测单元以转换成电压；接收对应于多个强度范围的多个量化过程中的一个或更多个量化过程的选择；基于该选择，控制一个或更多个ADC执行所选择的一个或更多个量化过程，以将来自一个或更多个电荷感测单元的电压量化为表示不同波长范围的像素分量的数字值；将数字值中的至少一些存储在存储器中；并且基于存储在存储器中的数字值中的至少一些生成像素值。

在一些方面，每个光电二极管被配置为在积分周期内累积电荷的至少一部分作为剩余电荷，直到每个光电二极管饱和，并且在光电二极管饱和之后将剩余电荷作为溢出电荷转移到一个或更多个电荷感测单元。一个或更多个电荷感测单元包括具有可配置电容的电荷存储器件。多个量化操作包括：第一量化操作，用于生成第一数字值，该第一数字值表示由配置在最大电容的电荷存储器件接收的溢出电荷的量，该第一量化操作与第一强度范围相关联；以及第二量化操作，用于在剩余电荷被转移到配置在最小电容的电荷存储器件之后，生成表示存储在电荷存储器件处的剩余电荷的量的第二数字值，第二量化操作与低于第一强度范围的第二强度范围相关联。

在一些方面，多个量化操作包括第三量化操作，用于生成表示由溢出电荷引起的电荷存储器件的饱和时间的第三数字值。

在一些方面，该装置还包括光接收表面，多个光电二极管通过该光接收表面接收入射光。多个光电二极管相对于光接收表面形成堆叠结构，使得每个光电二极管与光接收表面分开不同的距离。由每个光电二极管转换的分量基于每个光电二极管与光接收表面之间的相应距离。