[发明专利]紧凑型像素中高动态范围成像

说明书

技术领域

本发明的实施例一般来说涉及图像捕获装置，且更明确地说(但非排他地)，涉及增强图像捕获装置的动态范围。

背景技术

图像捕获装置包含图像传感器及成像透镜。成像透镜将光聚焦到图像传感器上以形成图像，且图像传感器将光转换成电信号。电信号从图像捕获装置输出到主机电子系统的其它组件。举例来说，电子系统可为移动电话、计算机、数码相机或医疗装置。

随着像素单元变得越来越小，输出可易于通过下游信号处理译码的充分强度的信号对于像素单元变得越来越困难。此外，存在对用以在从低光状态到亮光状态变化的大范围的照明状态内执行的图像传感器的需求。此性能能力通常称为具有高动态范围成像(HDRI或另一选择为，直接地HDR)。因此，用于减小像素单元的大小的现有技术解决方案限制像素单元的动态范围。

发明内容

本发明提供一种成像传感器像素，其包括：浮动扩散(FD)区；光敏元件，其用以获取图像电荷；存储晶体管，其用以存储所述图像电荷；转移栅极，其用以将所述图像电荷从所述光敏元件选择性地转移到所述FD区；及控制节点，其耦合到所述FD区以控制所述图像电荷到读出节点的转移，所述控制节点用以将所述FD区复位到参考电压且具有与不同阈值电压值相关联的多个电容区，当转移到所述FD区的所述图像电荷超过其阈值电压值时，所述电容区中的每一者将具有大于其最小电容值的电容值。

本发明还提供一种系统，其包括：成像像素阵列，其中每一成像像素包含：浮动扩散(FD)区；光敏元件，其用以获取图像电荷；存储晶体管，其用以存储所述图像电荷；转移栅极，其用以将所述图像电荷从所述光敏元件选择性地转移到所述FD区；及控制节点，其耦合到所述FD区以控制所述图像电荷到读出节点的转移，所述控制节点用以将所述FD区复位到参考电压且具有与不同阈值电压值相关联的多个电容区，当转移到所述FD区的所述图像电荷超过其阈值电压值时，所述电容区中的每一者将具有大于其最小电容值的电容值；控制单元，其耦合到所述成像像素阵列的所述控制节点以控制所述成像像素阵列的图像数据捕获；及读出电路，其包括一个或一个以上读出节点且耦合到所述成像像素阵列以从所述成像像素中的每一者读出所述图像数据。

附图说明

以下说明包含对具有以本发明的实施例的实施方案的实例的方式给出的图解的各图的论述。该等图式应以实例方式且不以限制方式加以理解。如本文中所使用，对一个或一个以上“实施例”的提及将理解为描述包含于本发明的至少一个实施方案中的特定特征、结构或特性。因此，本文中出现的例如“在一个实施例中”或“在替代实施例中”的短语描述本发明的各种实施例及实施方案，且未必全部指代相同实施例。然而，其也未必相互排斥。

图1是根据本发明的实施例的包含于图像传感器阵列内的现有技术四晶体管(4T)像素单元的图式。

图2是根据本发明的实施例的图解说明成像系统的方块图。

图3A及图3B是根据本发明的实施例的包含于像素单元的复位晶体管中的电容区的图式。

图4是根据本发明的实施例的展示光强度与像素单元的输出信号之间的关系的曲线图。

图5是根据本发明的实施例的利用具有多个掺杂剂区的控制节点的像素单元的横截面图。

以下为对某些细节及实施方案的说明，包含对可描绘下文所描述的实施例中的一些实施例或全部实施例的图的说明以及论述本文中所呈现的发明性概念的其它可能实施例或实施方案。下文提供对本发明的实施例的概述，后面接着参考图式的较详细说明。

具体实施方式

本发明的实施例描述提供紧凑型解决方案以通过利用控制节点将浮动扩散节点复位到参考电压值及将图像电荷从光敏元件选择性地转移到读出节点来提供成像像素的高动态范围成像(HDRI或简单地HDR)。

本发明的实施例进一步将控制节点描述为具有多个不同电容区以选择性地增加浮动扩散节点的总体电容。在一些实施例中，所述电容区仅在浮动扩散节点处的电压(或栅极节点与浮动扩散节点之间的电压差)大于电容区的阈值电压时“接通”(即，改变浮动扩散节点的总体电容)；在电容区“接通”之前，其不有助于成像像素的总体电容或转换增益。浮动扩散节点的此可变电容增加成像像素的动态范围，借此提供主机成像系统的HDR以及增加成像系统的信噪比(SNR)。