TW200904165A - Extended dynamic range using variable sensitivity pixels - Google Patents

Description

200904165 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發月一般係關於影像感測器領域， 制田άΓ微+ # 尺特定言之係關於 利用了 k電何至電壓轉換能力增加 〜像感剛器之動態範 圍。 【先前技術】 目前’影像感測器具有用於捕捉影像之預定動態範圍。 某些場景需要較大捕捉動態範圍，且 f

„ , /、Γ超過影像感測器之 -力。在此情況中’不能忠實地表示捕捉之場景。因此， 除正常操作模式外，需要增加影像感測器之動態範圍。 本發明精由提供具有可變敏感度之影像感測器以將捕捉 之光電子電荷轉換為電壓來克服先前技術之缺點。 【發明内容】 本發月係針對克服以上提出的一或多個問題。簡言之， 依據本發明之-態樣，本發明在於—種用於讀出一影像感 測器之方法’該方法包括以下步驟：將一光偵測器内之電 何與一第一電容下之該光偵測器整合；採用第一電容下之 光倘測益在一第一時間讀取所得的信號位準；將光偵測器 電容改變為一第二電容；以及讀取與第二電容下之光偵測 器相關聯的信號位準。 參考附圖閱讀較佳具體實施例之以下詳細說明及隨附申 Μ專利圍’可更清楚瞭解並明白本發明之該等及其他態 樣、目的、特徵及優點。 本發明之有利效果 130015.doc 200904165 及=2加強動態範圍之優點，其藉由執行多個傳輸 …、在每—傳輸及取樣操作後連接額外 斤'動擴散區之浮動擴散區電容。 【實施方式】 _ 2圖1 ’顯示本發明之影像感测器2〇之三個像素10的 個電晶體像素或5T像素)。各像素10包括光敏區 廡乂佳的係針扎（pinned)光二極體，其收集電荷以回 5〇,較佳的係浮動擴心何至電壓轉換機制 h于動擴政£。應注意，各像素 區50係電性連接在一刼“ τ ^動擴散 60將洋㈣私 σ下文所砰細說明。重設電晶體 ⑼將净動擴散區5〇曹吟盔窃+ +广 、择&心 為預疋電壓。放大器7〇，較佳的係 源極隨麵器’感測及緩 在輸出匯流排80上讀出 擴散區5〇之信號，以便 特—列 列選擇電晶體90選擇用於讀出之 具有閘極105之頻率組選摆 擇電日日體100係產生脈衝以組合 ^于動擴散區50上的電荷。德 儘吕圖1内三個洋動擴散區50係 廿〜、'且S ’組合的浮動擴散區50之數目係設計選擇， 二I:合任何所需數目的浮動擴散區50。浮動擴散區5〇 之，、享k供根據組合的浮動 區5〇之電容的能力。擴—之數目改變浮動擴散 方·^上具體實施例中’來自光二極體30之信號係用以下 出：為讀出圖1内中間像素的光二極體30,例如， 來 ^出結構(RG 60 ' SF 7〇、及RSEL電晶體90)，但 歹]之'于動擴散區50係藉由開啟兩個BSEL電晶 130015.doc 200904165 =共享。使用RG電晶體6。重設三個浮動擴散區5。，並 在取樣電路内取樣重設準 千（禾，4不，本技術中係熟知 =下來，較高及較低浮動擴散區5〇係藉由關閉兩個 μ曰曰體ίο斷開’並取樣中間浮動擴散區5〇之所得的 重設位準。藉由操作中間TG間極4G將電荷從中間光二極 體3〇傳輸至中間浮動擴散區5()内。取樣所得的信號。廣注 意，中間浮動擴散區50之電容本身可能不足以固持光二極 f 體内之累積電荷’在此情況中，電荷將在光二極體3〇與 浮動擴散區50間予以共享，並且因為此電荷共享，取樣之 ㈣反映非線性。取得此第三樣本後（兩個重設樣本及第 :信號樣本）’藉由兩個8託1電晶體1〇〇重新連接所有三個 :動《區50;當此情況發生時，中間浮動擴散區5〇上的 仏號電荷將在三個浮動擴散區5〇之網路上展開。再次操作 中間TG閘極40以從中間光二極體3〇移動任何剩餘電荷至 二個年動擴散區50内，並取樣所得的信號。捕捉的四個樣 本、用於三個連接之浮動擴散區50的重設、用於一個浮動 擴散區50的重設、一個浮動擴散區5〇上之信號、以及三個 連接之浮動擴散區50上之信號如下提供兩個完全相關結 果.一個浮動擴散區相關信號=三個浮動擴散區信號-三個 汗動擴散區重設；一個浮動擴散區相關信號=一個浮動擴 散區信號-一個浮動擴散區重設。 參考圖2，顯示四電晶體（4T)具體實施例。所有電晶體 功能相同’除刪除BSEL外。為改變浮動擴散區5〇之電 谷新^閘極（CSEL) 11 0。此閘極11 〇係產生脈衝以便改變 130015.doc 200904165 電容。 在4T具體實施例中，來自光二極體之信號係用以下方式 讀出。操作CSEL閘極110以提供較小浮動擴散區電容，使 用RG電晶體60重設浮動擴散區50，並在取樣電路内取樣 重設位準（未顯示’本技術中係熟知的）^接下來，操作 CSEL閘極11〇以提供較大浮動擴散區電容，並且取樣浮動 擴散區50之所得的重設位準。藉由操作tg閘極4〇將電荷 從光一極體30傳輸至浮動擴散區5〇内。取樣從電荷至較大 浮動擴散區電容之傳輸獲得的信號。取得此第三樣本後 (兩個重設樣本及第一信號樣本），操作CSEL閘極11〇以提 供較小浮動擴散區電容，並且取樣從相同電荷對較小浮動 擴政區電谷之應用獲得的信號。捕捉的四個樣本、用於較 小及較大浮動擴散區電容之重設、以及從累積光二極體電 荷對較大及較小浮動擴散區電容之應用獲得的信號如下提 供兩個完全相關結果：較大浮動擴散區電容相關信號=較 大洋動擴散區電容信號_較大浮動擴散區電容重設；較小 浮動擴散區電容相關信號=較小浮動擴散區電容信號-較小 浮動擴散區電容重設。 參考圖3，在一替代具體實施例中，顯示三電晶體㈠丁) 具體實施例。在三電晶體主動像素中’熟知的係光二極體 3〇之電容提供電荷至電壓轉換，且整合之光二極體電荷藉 由光二極體電容提供電壓。因此，與4T具體實施例相比， 消除浮動擴散區（FD)及傳輸閘極（TG)。從整合之光二極體 電荷及光二極體電容獲得的電壓係應用於電晶體7〇之閘 130015.doc 200904165 極，較佳的係源極隨耦器，以允許讀出電壓。此具體實施 例包括選擇性地通電以改變光二極體3〇之電容的閘極 (CSEL)llO。如較佳具體實施例中，存在列選擇電晶體9〇 及重設電晶體6〇 ’其作用方式與上述情況相同。 在3T具體實施例中，來自光二極體3〇之信號係利用以下 方式讀出。將用於某一時間週期的光二極體3〇内之電荷與

操作以提供較大光二極體電容之CSEL閘極11〇整合後，取 樣從整合之電荷及較大光二極體電容獲得的電壓。接下 來，操作CSEL閘極11〇以提供較低光二極體電容，並取樣 從整合之電荷及較小光二極體電容獲得的電壓。接下來， 刼作重設電晶體60以重設光二極體3〇，#係藉由採用操作 以繼續提供較小光二極體電容之CSEL間極nG來移除整合 之電荷，取樣所得的重設電壓。最後，操作CSEL閘極ιι〇 以提供較大光二極體電容，並取樣所得的重設電壓。捕捉 的四個樣本、用於較小及較大光二極體電容之信號、以及 用於車乂大及較小光二極體電容之重設如下提供兩個差動結 果：較大光二極體電容差動信號=較大光二極體電容信號_ 較大光一極體電容重設；較小光二極體電容差動信號=較 小光二極體電容信號-較小光二極體電容重設。如針對玎 像素之操作所瞭解的，所得的差動信號無法視為完全相 關因為取樣之重设位準係不同於先於信號之整合及測量 的重設之重設操作的結果。‘然而’差動信號對於消除源極 隨搞器偏移很有利’其由於源、極隨搞器電晶體之臨限值變 更而隨像素變化。 130015.doc 10 200904165 參考圖4，本發明之替代具體實施例顯示一4T像素結 構，如先前所述其具有連接至控制源極隨耗器7〇之閉極的 節點之非線性電容12〇。圖5顯示線性電容及非線性電容之 ^至:壓特性。此-非線性電容可藉由共同m〇s電晶體 /'、、具有源極、汲極、及提供電容器之一板的通道區 域以及提供另一個的閘極。若源極、沒極、及通道材料係 連接在-起並固持在一電位，並且閉極係固持在低於電晶 體^品限電遷的另—電位，則提供非線性電容。此非線性 電容可用於在藉由料提供之信號上提供像素料壓縮操 作。在圖5所示之非線性電容内，較低電荷信號變化與較 南電荷信號相比具有較高電荷變化。按共同瞭解之方式操 作此像素配置’其係藉由重設源極隨叙器閉極節點之非線 性^容120 ’取樣所得的電壓，將電荷從光二極體30傳輸 至牙動擴散區50(從而至非線性電容，因為浮動擴散區節 點與非線性電容節點一樣），並取樣新電壓。 圖4亦藉由經由CSEL控制n〇提供可選擇額外電容來說 月另#作模式。CSEL控制11〇用於改變源極隨輛器節點 之^線性電容。在圖4中，#由鄰近浮動擴散請之閉極 :&成電容變化··改變開極電位會改變浮動擴散區50之電 谷從而改變源極隨耦器節點之總體非線性電容。 圖6係本發明之數位相機130的側視圖，其具有本發明之 影像感測器20。 >已參考一較佳具體實施例說明本發明。然而，將瞭解， 本技術人士可進行若干變更與修改而不致脫離本發明 130015.doc 200904165 之範疇。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之一具體實施例的示意圖； 圖2係本發明之第二具體實施例的示意圖； 圖3係本發明之第三具體實施例的示意圖； 圖4係本發明之第四具體實施例的示意圖； 圖5係描述線性電容及非線性電容的曲線圖；以及 圖6係本發明之數位相機。 【主要元件符號說明】 10 像素 20 影像感測器 30 光敏區域 40 傳輸閘極 50 浮動擴散區 60 重設電晶體 70 放大器 80 輸出匯流排 90 列選擇電晶體 100 頻率組選擇電晶體 105 閘極 110 閘極 120 非線性電容 130 數位相機 130015.doc -12-

Claims (1)

1. 200904165 十、申請專利範圍： 1. 一種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含下列夕 驟： (a) 將一光偵測器内之電荷與一第一電容下之該光偵 測器整合； (b) 採用該第一電容下之該光偵測器在一第一時間讀 取所得的信號位準； (c) 將該光偵測器電容改變為一第二電容；以及 (d) 續取與該第二電容下之該光偵測器相關聯的該信 號位準。 2. 如研求項！之方法，其進一步包含重設該光偵測器及讀 取一所得的第一重設信號之該等步驟。 3. 如印求項2之方法，其進一步包含採用該第二電容下之 該光偵測器重設該光偵測器、讀取該所得的重設信號、 將該光價測器電容改變為該第一電容、以及讀取該所得 的重設信號的該等步驟。 4_如响求項2之方法，其中在該等第一或第二電容之—下 重设该光偵測器，以及根據該第一重設信號及該等第一 及第二電容之數值計算一第二重設信號。 5. 如睛求項1之方法，其進一步包含在低於該第一電容之 一電谷下提供該第二電容的該步驟。 6. 如请求項1之方法，其中藉由改變鄰近該光偵測器之一 閉極的—電位而改變該電容。 7. —種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含下列步 130015.doc 200904165 驟： 一第—電容並儲存該所得的重設信號； 電容，㈣將電荷從—缝區域傳輸至該第一 電令並儲存該所得的信號；以及 ::在-第二時間將該第一電容改變為—第二電容， 並儲存該所得的信號。 8 ·如凊求項7之方法，使、4 jj., 其進一步包含重設該第二電容、^ 取該第二電容之—所p^ 电谷。賈 于、重设仏號、將該第二電容改變 ’ 電今、以及讀取該第—電容之該所得 號的該等步，驟。 9.如睛求項7之方法中在該等第-或第二電容之一下 重設該光制H，以及根據該第_重設信號及該等第一 及第二電容之該等數值計算一第二重設信號。 10·如β求項7之方法，其進_步包含在低於該第一電容之 一電容下提供該第二電容的該步驟。

   11’如β求項7之方法H步包含藉由選擇性地連接— 或多個才目鄰電容器之電容而改變該第一或第二電容的該 步驟。 Α 12. —種用於讀出一影像感測器之方法，該方法包含下列步 (a) 重設一第一電容並儲存一所得的重設信號； (b) 在一第一時間將電荷從一光敏區域傳輸至該第一 電容，並儲存一所得的信號；以及 (c) 在一第二時間將電荷從該光敏區域傳輸至一第二 130015.doc 200904165 電谷並儲存-所得的信號。 13. 如請求項12之方法，A -電容下提伊咳第—雷^步包含在高於該第-電容之 权仏这弟—電容的該步驟。 14. 如請求項13之方法， 作為該第-電容之. 藉由提供連接在-起 Z弟一電分之兩個或兩個以上 而建立該第二電容的該步驟。 了至電屢轉換區域 15.如請求項12之方法，其進一 等步驟，其中各像素包：供-像素陣列之該 且有至，丨、 敏區域、—傳輸閘極、及 ::，兩個可選擇電容之—電 %如請求们2之方法， 轉Μ域。‘ 一第_ "中在—第一時間執行步驟⑷，在 弟一時間執行步驟（b)， 在 (c)。 第二時間執行步驟 17· -種用於讀出一影像感 ⑷重％ -笛一 W该方法包含： ° —電容並儲存該所得的重# f . ㈨將該第二電容改變 重…虎， 的重設信號； ”、、 電各，並儲存該所得 電容帛㈣將電荷從—光敏區域傳輪至該第— 並儲存該所得的信號； (:)將該第-電容改變為一第二電容；以及 (:)，在-第二時間將電荷從該光敏區域傳輸至該第二 今並儲存該所得的信號。 I 項17之方法’其進-步包含在高於該第-電容之 上合下提供該第二電容的該步驟。 求項17之方法，其進—步包含藉由提供連接在—起 130015.doc 200904165 的兩個式 -兩個以上電荷至電壓轉換區 容的該步騾。 ⑽運立該第—電 2〇_如請求項17 步驟， ’其進一步包含提供-像素陣列之該 ，、中各像素包含一光敏區域、—傳輸間極、及且 有至少兩個可選擇電 儿如請求項17之方土 電何至電歷轉換區域。 一裳方法’其中在-第-時間執行步驟⑷，在 -：-：間執行步驟⑻，在一第三時間執行步驟 (:第四時間執行步驟⑷，以及在一第五時間執行步驟 22.如請求項17之方 其進—步包含從來自步驟⑷之該所 付的k號減去央έ,、 y 步驟（a)之該重設信號以及從來自步驟 (d)之吕亥所得的作缺、^> l七 等步驟。 虎減去來自步驟⑻之該重設信號的讀 23· 一種用θ於讀出—影像感測器之方法，該方法包含： ()提t、相對於儲存之電荷非線性的—電容； (b)重設該電容並儲在 卫储存该所得的重設信號；以及 0)將電荷從—光敏區 得的信號。 &傳輪至该電谷，並儲存該所 24·如請求項23之方法，苴中 八Y糟由改變鄰近該非線性電容 一閘極的一電位而改變該電容。 25. —種用於讀出一數位相捲 序機之—影像感測器的方法， 法包含以下步驟： 4 ⑷將a數位相機之—光偵測器内之電荷與一第 容下之該光j貞測器整合； 130015.doc 200904165 (b) 採用該第一電容下之該光偵測器在一第一時間讀 取該所得的信號位準； (c) 將該光偵測器電容改變為一第二電容；以及 (d) 讀取與該第二電容下之該光偵測器相關聯的該信 號位準。 26_如請求項25之方法’其進一步包含重設該光偵測器及讀 取一所得的第一重設信號之該等步驟。 27.如請求項26之方法，其進一步包含採用該第二電容下之 該光偵測器重設該光偵測器、讀取該所得的重設信號、 將該光偵測器電容改變為該第一電容、以及讀取該所得 的重設信號的該等步驟。 28·如請求項26之方法，其中在該等第一或第二電容之一下 重设邊光偵測器’以及根據該第一重設信號及該等第一 及第一電谷之§玄專數值計算—第二重設信號。 29.如請求項25之方法，其進一步包含在低於該第一電容之 一電容下提供該第二電容的該步驟。 3 0.如請求項25之方法，其中藉由改變鄰近該光偵測器之一 閘極的一電位而改變該電容。 3 1 —種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方 法包含以下步驟： (a) 重設一第一電容並儲存該所得的重設信號； (b) 在一第一時間將電荷從該數位相機之一光敏區域 傳輸至該第一電容’並儲存該所得的信號；以及 (c) 在-第二時間將該第一電容改變為一第二電容， 130015.doc 200904165 並儲存該所得的信號。 32_如請求項3 1之方法，其進一步包含重設該第二電容、讀 取該第二電容之一所得的重設信號、將該第二電容改變 至一第一電容、以及讀取該第—電容之該所得的重設信 號的該等步驟。 33_如請求項31之方法，其中在該第一或第二電容之一下重 設該光偵測器，以及根據該第—重設信號及該第一及第 二電容之該等數值計算一第二重設信號。 f 34.如請求項31之方法，其進一步包含在低於該第一電容之 一電容下提供該第二電容的該步驟。 35_如D月求項3 !之方法，其進一步包含藉由選擇性地連接一 或多個相鄰電容器之電容而改變該第一或第二電容的該 步驟。 36.

   37. 38. -種用於讀出一數位相機之一影像感測器的方法，該方 法包含以下步驟： ()重叹第一電容並儲存一所得的重設信號； 帛時間將電荷從該數位相機之—光敏區域 傳輸至該第；電容’並健存_所得的信號；以及 、―）在第一時間將電荷從該光敏區域傳輸至一第二 電谷，並儲存一所得的信號。 電1項36之方法’其進一步包含在高於該第一電容之 -電谷下提供該第二電容的該步驟。 如睛求項3 7夕·*·、、也 作為該第二電容之兩f進一步包含藉由提供連接在—起 固或兩個以上電荷至電壓轉換區域 130015.doc 200904165 而建立該坌-册‘ 弟一電各的該步驟。 39.如請求項37 法，其進一步包含接极 .. 步驟，其中各像素包含—光敏區域“:：素陣列之該 有至少兩個可選擇電容之—電荷至雷：傳輸閘極、及具 40.如請求項36之方法 、轉換區域。 一第-時門M / ，/、令在—第一時間執行步驟（a)，在 弟-時間執行步驟⑻，以及 社 (c) 。 第一時間執行步驟 ί 41. 一種用於讀出—數位相機之 法包含： 办像感娜态的方法，該方 0)重设一第二電容 (b)將吁资 两仔这所侍的重設信號； (b)將该第二電容改變 的重設信號； “谷’並儲存該所得 0)在一第一時間 傳輸至該第機之—光敏區域 _存該所得的信號，· (d) 將該第一電容改 f 、如 更馮第二電容；以及 0)在一第二時間將 _ ^ €何处該光敏區域傳輪至兮筮一 電容，並儲存該所得的信號。 1得輸至該第一 42. 如請求項41之方法’其 φ ^ 、 ^匕3在咼於該第一電容之 -電容下提供該第二電容的該步驟。 電令之 43. 如睛求項41之方法，复 — 的兩個或兩個以上電：至：蔽包含藉由提供連接在-起 容的該步驟。何至電壓轉換區域而建立該第二電 44. 如請求項41之方法，其進—牛 V ^ 3提供一像素陣列夕每· 步驟，其中各像素包含一 ’、單歹〗之該 先敏區域、一傳輸閘極、及具 130015.doc 200904165 45. 有至少兩個可選擇電容之一電荷至電壓轉換區域。=請求項4丨之方法’其中在執行步驟⑷，:第二時間執行步驟⑻’在/第三時間執行步驟⑷，一第四時間執行步驟⑷，以及在1五時間執行步 (e)。 在 在 驟 C, 1月求項4 1之方法’其進_步包含從來自步驟⑷之該所 付的^號減去來自步驟⑷之該重設信號以及從來自步驟 2)之°亥所得的信號減去來自步驟(b)之該重設信號的該 等步驟。 47. —種用於讀出一 _ ,., 〜像感測器之一影像感測器的方法，該 方法包含： 〇)提供相對於儲 ^ 子之電何非線性的一電容； (b) 重設該電容並儲 f 1 者存該所得的重設信號；以及 (c) 將電荷從該哥 -,~像感測器之一光敏區域傳輸至該電 令並儲存该所得的信號。 4 8 ·如晴求項4 7之方法，复由 一閘極的一雷# ”中藉由改變鄰近該非線性電容之 电位而改變該電容。 130015.doc