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    • 专利摘要:
    本發明揭示用於增進圖像感測器中之動態範圍的方法及器件。一圖像感測器件包含具有複數列像素之一圖像感測器及用於控制每一列像素之曝光的一控制器。該控制器經程式化以對該複數列像素中之一列像素執行一快門操作，且在執行快門操作之後的預定持續時間之後對該複數列中之該一列進行取樣。該預定持續時間不同於該圖像感測器件之列時間週期之倍數。
    公开号:TW201320732A
    申请号:TW101136096
    申请日:2012-09-28
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Sohrab Yaghmai
    申请人:Aptina Imaging Corp；
    IPC主号:H04N5-00
    专利说明:
    用以增進在圖像感測器中動態範圍之方法與器件
    本發明大體係關於圖像感測器件，且更具體而言，係關於增進CMOS圖像感測器中之動態範圍。
    圖像感測器將可見光轉換成電信號。圖像感測器係由像素之陣列形成，每一像素將自光源接收之光轉換成電信號。習知圖像感測器主要用於數位相機中，且可屬於兩種類別中之一者：電荷耦合器件(CCD)圖像感測器及互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像感測器。圖像感測器之許多應用需要比習知CMOS圖像感測器所能達成之動態範圍高的動態範圍(即，較高之明度差別)。因此，需要增進圖像感測器之動態範圍。
    在結合附圖閱讀時可自以下詳細描述最佳地理解本發明，在附圖中，相同元件具有相同參考數字。當存在複數個類似元件時，單一參考數字可指派給該複數個類似元件，小寫字母標記指代特定元件。當共同提及該等元件或提及該等元件中之非特定的一或多者時，可捨棄小寫字母標記。根據常識，除非另外指出，否則圖式之各種特徵未按比例繪製。相反，各種特徵之尺寸可能為了清楚起見而擴大或減小。
    本文中所述的本發明之態樣可用於多種電子器件中，該等電子器件包括例如數位相機。所揭示之器件及方法在圖像感測器之動態範圍方面達成增進。
    圖像感測器之動態範圍取決於圖像感測器之像素之最長積分時間(或曝光時間)與最短積分時間之比率。典型地，圖像感測器之最長積分時間受到可用於圖框中之列數之限制，且最短積分時間受到列時間週期之持續時間之限制。如本文所使用，術語「列時間週期」指代圖像感測器件之快門速度(即，1/60秒)除以在圖框中曝光之圖像感測器之列數。本發明之態樣涉及實施具有可變積分時間之圖像感測器，該等可變積分時間可小於列時間週期。所揭示之器件及方法可由如本文將描述之具有共用及非共用像素陣列之圖像感測器使用。
    本文所揭示之實例實施例尤其適合結合互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像感測器來使用。習知地，CMOS圖像感測器在將像素曝光於光源期間執行「滾動快門」操作。在滾動快門操作中，圖像感測器中之所有像素列並不同時曝光。實情為，圖像感測器中之所有像素列係藉由跨越圖像感測器掃描快門操作而逐列依次曝光。儘管本文在CMOS圖像感測器之情況下描述本發明之實例實施例，但一般熟習此項技術者將理解，本發明不限於此。
    現在參看圖式，圖1說明根據本發明之態樣之實例圖像感測器件100。圖像感測器件100可為諸如數位相機之電子器件。作為一般概述，圖像感測器件100包括圖像感測器120及控制器140。下文描述圖像感測器件100之額外細節。
    圖像感測器120包括複數列像素122。像素122將由圖像感測器120接收之光轉換成電信號。每一像素122包括光偵測器、浮動擴散區、轉移電晶體、重設電晶體，及列選擇電晶體(該等電晶體中之每一者具有相應命名之閘極)。該光偵測器可包含例如釘紮半導體p-n接面二極體(即，光電二極體)。簡要而言，p-n接面常用於偵測光信號。p-n接面典型地被反向偏壓，從而在圍繞p-n接面之體積中產生空乏區。由此，照射p-n接面之光引起半導體材料之價帶中之電子過渡至導帶，從而在空乏區中產生電洞-電子對，該等電洞-電子對在相反方向上被掃出空乏區。接面電位之由於空乏區之崩潰而引起之改變被偵測為指示由像素122吸收之光之強度的信號。本文稍後將更詳細地描述像素122之進一步操作。
    在一實例實施例中，圖像感測器120為互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像感測器。一般熟習此項技術者將自本文之描述理解此種圖像感測器120之製造。
    控制器140控制圖像感測器120之曝光。具體而言，控制器140經程式化以對圖像感測器120中之每一列像素執行快門操作。控制器140可執行例如如上文所述的滾動快門操作。此外，控制器140經程式化以在執行快門操作之後對每一列像素進行取樣。具體而言，控制器140經程式化以在執行快門操作之後的預定持續時間之後對每一列進行取樣。在習知圖像感測器件中，此種取樣在自快門操作起已過去一或多個列時間週期之後發生。根據本發明之態樣，控制器140在與圖像感測器件100之列時間週期不同，且更具體而言，與圖像感測器件100之列時間週期之任何整數倍不同的預定持續時間之後對每一列進行取樣。下文將描述圖像感測器件100中之控制器140之進一步操作。
    在一實例實施例中，控制器140由微處理器組成。微處理器可利用習知電子邏輯組件來執行本文所述的實例操作。一般熟習此項技術者將自本文之描述中理解用於供本發明使用之適當控制器140。
    現在將描述根據本發明之態樣之圖像感測器件100之操作。在實例操作中，圖像感測器件100用圖像感測器120接收信號以獲得圖像。圖像感測器件100自例如使用者接收此種信號，或可自動產生此種信號。在接收到信號時，圖像感測器件100之控制器140隨即將圖像感測器120中之每一列像素122曝光於光源(亦即，待成像之場景)。
    為了曝光一列像素122，控制器140經程式化以對該列執行快門操作。該快門操作可為跨越圖像感測器120中之每一列像素之滾動快門操作。在實例操作中，控制器藉由針對列中之每一像素122接通及斷開重設閘極及轉移閘極以重設該等像素來執行快門操作。每一像素122之積分(或曝光)時間在執行快門操作之後開始。在此積分時間期間，每一像素122之光偵測器自光源接收光子。光子之此接收如上所述在光偵測器中產生電荷。
    在預定持續時間(對應於所需積分時間)之後，控制器140經程式化以對該列像素122進行取樣。控制器140在對每一列像素執行快門操作之後的相同預定持續時間之後對彼列進行取樣。該預定持續時間可小於列時間週期，或可大於列時間週期。利用小於圖像感測器之列時間週期之積分時間會增加最長積分時間與最短積分時間之間的比率，且由此合意地增進圖像感測器120之動態範圍。
    在一實例實施例中，每一像素122包含非共用浮動擴散。在此實施例中，控制器140藉由針對列中之每一像素122接通轉移閘極來對每一像素122進行取樣。接通轉移閘極會將在曝光期間於光偵測器中產生之電荷轉移至浮動擴散。一旦電荷已轉移至浮動擴散，控制器140即可接通列選擇閘極以將電荷自浮動擴散轉移至像素122之相關聯之行線。光偵測器及浮動擴散可接著藉由接通像素122之重設閘極而重設。在此轉移操作之前，可作為相關雙取樣操作之一部分對浮動擴散進行重設及取樣。
    在一替代實施例中，像素122之複數個列包含複數個浮動擴散。在此實施例中，控制器140藉由針對共用浮動擴散之像素列依序接通轉移閘極、針對共用浮動擴散接通列選擇及轉移閘極，且接著針對共用浮動擴散接通重設閘極，隨後針對共用浮動擴散之下一列像素接通轉移閘極來對每一像素122進行取樣。以此方式，可使用共用浮動擴散單獨轉移來自光偵測器之每一列之電荷。
    圖2為說明圖像感測器件100之多個列時間週期內之上述快門操作與取樣操作之間的關係之時序圖200。多個行時間週期202說明於圖2中。在每一列時間週期202期間，控制器140執行展示為區塊204之快門操作(如上所述)。此外，在每一列時間週期202期間，控制器140執行展示為區塊206之取樣操作(如上所述)。
    如圖2所示，每一快門操作與隨後取樣操作之間的預定持續時間(或積分時間)小於圖像感測器件100之列時間週期202。對於快門操作204a，積分時間之長度由線208說明。對於快門操作204b，積分時間之長度由線210說明。對於快門操作204c，積分時間之長度由線212說明。顯然，積分時間208、210、212中無一者在持續時間上等於列時間週期202或列時間週期之整數倍。
    如圖2所示，圖像感測器件100可經配置以在每一列時間週期202期間在不同時間執行快門操作。不同操作模式214展示於圖2中。當圖像感測器件100在第一操作模式214a中操作時，控制器140將信號發送至圖像感測器120以在曝光期間執行快門操作204a；在第二操作模式214b中，控制器140將信號發送至圖像感測器120以在曝光期間執行快門操作204b；且在第三操作模式214c中，控制器140將信號發送至圖像感測器120以在曝光期間執行快門操作204c。
    儘管在圖2中展示短於列時間週期之積分時間，但將理解，本發明不限於此。為將積分時間延長至超出列時間週期(如線216及218所說明)，控制器140可經程式化以延遲對必須執行快門或取樣操作之像素列之定址。如圖2所示，線218之積分時間可等於一列時間週期加上線210之積分時間。若需要，延遲可延長至多個列。
    圖3為說明根據本發明之態樣用於用圖像感測器件感測圖像之實例方法300的流程圖。該圖像感測器件可為諸如數位相機之電子器件。作為一般概述，方法300包括對一列像素執行快門操作及對該列像素進行取樣。本文關於圖像感測器件100之組件描述方法300之額外細節。
    在步驟310中，對一列像素執行快門操作。在一實例實施例中，控制器140對於圖像感測器120中之一列像素122執行快門操作。如上所述，該快門操作可為跨越每一列像素122之滾動快門操作。
    在步驟320中，在執行快門操作之後的預定持續時間之後對像素列進行取樣。在一實例實施例中，控制器140在快門操作之後的預定持續時間之後對像素列進行取樣。該預定持續時間不同於圖像感測器件100之列時間週期，且更具體而言，不同於圖像感測器件100之列時間週期之任何倍數。
    本發明之態樣涉及用於增進圖像感測器中之動態範圍之方法及器件。
    根據本發明之一態樣，揭示一種用於用圖像感測器件感測圖像之方法。該圖像感測器件包含具有複數列像素之圖像感測器。該方法包含對複數列像素之中之一列執行快門操作，且在執行快門操作之後的預定持續時間之後對該複數列中之該一列進行取樣。該預定持續時間不同於圖像感測器件之列時間週期之倍數。
    根據本發明之另一態樣，揭示一種圖像感測器件。該圖像感測器件包含具有複數列像素之圖像感測器及用於控制每一列像素之曝光之控制器。該控制器經程式化以執行上述方法。
    儘管本文參考特定實施例說明且描述了本發明，但不希望本發明限於所展示之細節。相反，可在申請專利範圍之等效物之範疇及範圍內在細節上進行各種修改，而不脫離本發明。
    100‧‧‧圖像感測器件
    120‧‧‧圖像感測器
    122‧‧‧像素
    140‧‧‧控制器
    200‧‧‧時序圖
    202‧‧‧行時間週期
    204a‧‧‧快門操作
    204b‧‧‧快門操作
    204c‧‧‧快門操作
    206‧‧‧區塊
    208‧‧‧積分時間
    210‧‧‧積分時間
    212‧‧‧積分時間
    214a‧‧‧第一操作模式
    214b‧‧‧第二操作模式
    214c‧‧‧第三操作模式
    216‧‧‧線
    218‧‧‧線
    圖1為根據本發明之態樣之實例圖像感測器件之圖；圖2為說明根據本發明之態樣之實例圖像感測操作的時序圖；及圖3為根據本發明之態樣之用於感測圖像之實例方法之流程圖。
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] 一種用於用一圖像感測器件感測圖像之方法，該圖像感測器件包含具有複數列像素之一圖像感測器，該方法包含：對該複數列像素中之一列執行一快門操作；在執行該快門操作之後的一預定持續時間之後對該複數列中之該一列進行取樣，該預定持續時間不同於該圖像感測器件之一列時間週期之一倍數。
    [2] 如請求項1之方法，其中該執行步驟包含對該複數列像素執行一滾動快門操作；且該取樣步驟包含在該執行一相關聯之快門操作之後的該預定持續時間之後對該複數列中之每一列進行取樣。
    [3] 如請求項1之方法，其中該執行步驟包含針對該列中之每一像素接通及斷開重設閘極及轉移閘極。
    [4] 如請求項3之方法，其中每一像素包含一非共用浮動擴散；且該取樣步驟包含針對該列中之每一像素接通一轉移閘極及一列選擇閘極。
    [5] 如請求項3之方法，其中該複數列像素包含複數個共用浮動擴散，該複數個共用浮動擴散跨越多個列而被共用；且該取樣步驟包含針對一共用浮動擴散之一第一列像素依序接通該等轉移閘極、針對該第一列接通該列選擇閘極，且接著針對該共用浮動擴散接通該重設閘極，隨後針對該共用浮動擴散之一第二列像素接通一轉移閘極。
    [6] 如請求項1之方法，其中該預定持續時間小於一列時間週期。
    [7] 如請求項1之方法，其中該預定持續時間大於一列時間週期。
    [8] 一種圖像感測器件，其包含：具有複數列像素之一圖像感測器；用於控制每一列像素之曝光之一控制器，該控制器經程式化以：對該複數列像素中之一列執行一快門操作；在執行該快門操作之後的一預定持續時間之後對該複數列中之該一列進行取樣，該預定持續時間不同於該圖像感測器件之一列時間週期之一倍數。
    [9] 如請求項8之圖像感測器件，其中該控制器經程式化以對該複數列像素執行一滾動快門操作；且該控制器經程式化以在該執行一相關聯之快門操作之後的該預定持續時間之後對該複數列中之每一列進行取樣。
    [10] 如請求項8之圖像感測器件，其中該控制器藉由針對該列中之每一像素接通及斷開重設閘極及轉移閘極來執行該快門操作。
    [11] 如請求項10之圖像感測器件，其中每一像素包含一非共用浮動擴散；且該控制器藉由針對該列中之每一像素接通一轉移閘極及一列選擇閘極來對該複數列中之該一列進行取樣。
    [12] 如請求項10之圖像感測器件，其中該複數列像素包含複數個共用浮動擴散，該複數個共用浮動擴散跨越多個列而被共用；且該控制器藉由針對一共用浮動擴散之像素之一第一列依序接通該等轉移閘極、針對該第一列接通該列選擇閘極，且接著針對該共用浮動擴散接通該重設閘極，隨後針對該共用浮動擴散之像素之一第二列接通一轉移閘極來對該複數列中之該一列進行取樣。
    [13] 如請求項8之圖像感測器件，其中該預定持續時間小於一列時間週期。
    [14] 如請求項8之圖像感測器件，其中該預定持續時間大於一列時間週期。
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