[发明专利]用于在背照式高动态范围图像传感器像素中提高全局快门效率的方法和电路

说明书

本发明涉及用于在背照式高动态范围图像传感器像素中提高全局快门效率的方法和电路。本发明提供了一种图像传感器，该图像传感器可包括图像传感器像素阵列。阵列中的每个像素可以是全局快门像素，该全局快门像素具有被配置为捕获场景信息的第一电荷存储节点和被配置为捕获由于杂散光和暗噪声信号而产生的背景信息的第二电荷存储节点。该第一电荷存储节点和/或该第二电荷存储节点可各自设有溢出电荷存储装置，以提供高动态范围(HDR)功能。可以从该场景信息中减去该背景信息以抵消期望的背景信号贡献并获得具有高全局快门效率的HDR信号。

背景技术

这总体涉及成像设备，并且更具体地涉及具有全局快门像素的图像传感器。

图像传感器常常在电子设备诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型的布置中，电子设备设置有布置成像素行和像素列的图像像素阵列。阵列中的每个图像像素包括经由转移栅极耦接到浮动扩散区域的光电二极管。将列电路耦接到每个像素列以用于读出来自图像像素的像素信号。行控制电路耦接到每个像素行以用于重置、启动电荷转移，或选择性地激活特定像素行以进行读出。

机器视觉和其他高速成像应用需要具有严格的曝光控制要求的全局快门操作。根据照明条件，需要最小化积分时间，以减少运动伪影和运动模糊。背照式(BSI)像素架构通常表现出比前照式(FSI)像素架构更好的性能。然而，由于难以使像素内电荷存储节点免受杂散光的影响，所以包括电荷域存储节点的BSI全局快门像素经受较低的全局快门效率(GSE)。另外，电荷存储节点经受暗信号不均匀。此外，某些应用要求BSI全局快门像素可在高动态范围(HDR)模式下操作。现有的BSI全局快门架构只能在GSE改进模式或HDR模式下操作，而不能同时在这两种模式下操作。HDR模式是通过使多次曝光交错来实现的，这种方法很可能产生不期望的运动伪影。

本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。

附图说明

图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的示例性电子设备的示意图。

图2是根据一个实施方案的用于从图像传感器读出图像信号的示例性像素阵列以及相关联的行和列控制电路的示意图。

图3是根据实施方案的示例性图像像素读出方案的示意图，该方案使用第一存储节点获取场景信息，并使用第二存储节点以与第一存储节点并行地累积由杂散光和暗噪声产生的电荷。

图4是根据实施方案的示例性图像像素读出方案的示意图，该方案使用单个存储节点在第一时间段中累积由杂散光和暗噪声产生的电荷，然后在第一时间段之后的第二时间段中捕获场景信息。

图5A是根据实施方案的具有至少两个存储二极管和两个溢出电容器以实施图3所示的像素读出方案的示例性图像传感器像素的电路图。

图5B是根据实施方案的图5A中所示的示例性图像传感器像素的俯视布局视图。

图5C是示出根据实施方案的用于操作图5A所示的图像传感器像素的信号的行为的时序图。

图5D是示出根据实施方案的图5C所示的操作的不同时间片处的电荷流动的电势图。

图6是根据实施方案的具有至少两个存储二极管、两个溢出电容器和两个双转换栅极的示例性图像传感器像素的电路图。

图7是根据实施方案的具有至少两个基于存储栅极的电荷存储节点、两个溢出电容器和两个双转换栅极的示例性图像传感器像素的电路图。

图8A是根据实施方案的具有至少两个存储栅极和单个溢出电容器的示例性图像传感器像素的电路图。

图8B是根据实施方案的图8A所示的示例性图像传感器像素的俯视布局视图。

图8C是示出根据实施方案的用于操作图8A所示的图像传感器像素的信号的行为的时序图。