CN210327777U - 图像传感器和成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了图像传感器和成像系统，所述图像传感器包括图像传感器像素，所述图像传感器像素可以包括光电二极管、浮动扩散部和转移门。列读出电路经由列线耦接到所述图像传感器像素。所述列读出电路可以包括采样保持电路、比较电路、残余测量和求和电路、计数器电路、模拟到数字转换电路和数字求和电路。所述列读出电路被配置为对在一个或多个部分中在单个帧内生成的像素图像信号执行读出操作，从而扩展成像系统的动态范围而不修改像素结构以在单个帧内生成高动态范围图像。

Description

图像传感器和成像系统

技术领域

本实用新型整体涉及成像设备，并且更具体地，涉及图像传感器和成像系统。

背景技术

图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。图像像素包含用于响应于光(例如，通过光电转换)生成电荷的光电二极管。通常将电路耦接到各个像素列以读出来自图像像素的图像信号。

通常，图像场景具有难以在单个图像帧中正确地捕获的亮部分和暗部分(例如，由于图像曝光过度和/或曝光不足)。因此，图像传感器通常被配置为捕获短曝光时间图像帧和长曝光时间图像帧并且选择性地组合这两个帧以生成捕获图像场景的亮部分和暗部分的高动态范围(HDR)图像。然而，由于必须捕获多个图像帧才能生成单个HDR图像，图像传感器经历降低的图像捕获效率(例如，每秒较低的帧)并且需要附加存储装置来存储长曝光和/或短曝光图像。

因此，希望提供具有改进的高动态范围图像生成能力的成像系统。

实用新型内容

根据一个实施方案，图像传感器可以包括：图像像素，该图像像素具有被配置为响应于入射光而生成电荷的光敏元件；和列读出电路，该列读出电路经由输出线耦接到图像像素。列读出电路可以被配置为分别对生成的电荷的多个部分执行采样保持操作并且可以包括比较电路，该比较电路被配置为确定对生成的电荷的最终部分的给定采样保持操作何时已经执行。

根据一个实施方案，成像系统可以包括：处理电路；输入-输出电路；图像传感器像素阵列，该图像传感器像素阵列包括给定图像像素，该给定图像像素具有被配置为响应于入射光而生成图像信号的光电二极管、浮动扩散区以及插置在光电二极管与浮动扩散区之间的晶体管；和读出电路，该读出电路经由像素输出线耦接到给定图像像素。晶体管可以基于在像素输出线处的目标摆动电压而在读出操作期间部分地激活。读出电路可以被配置为对在像素输出线处的对应于图像信号的至少一部分的图像读出电压执行读出操作并且将图像读出电压与目标摆动电压进行比较。

根据一个实施方案，图像传感器可以包括：图像像素阵列，该图像像素阵列成列和行布置；和列读出电路，该列读出电路经由列线耦接到每列图像像素。列读出电路可以包括：采样保持电路，该采样保持电路被配置为存储复位读出电压和图像读出电压；残余电压累积电路，该残余电压累积电路被配置为存储残余电压的总和；和计数器电路，该计数器电路被配置为存储计数值。

附图说明

图1是根据一个实施方案的示例性电子设备的图，该电子设备具有用于使用像素阵列来捕获图像的图像传感器和处理电路。

图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。

图3是根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的示意图。

图4是根据一个实施方案的示例性系统的框图，该系统包括在图像传感器中的读出电路和图像像素并且被配置为扩展图像传感器的动态范围功能性。

图5是根据一个实施方案的用于以扩展的高动态范围功能性操作系统诸如图4中所示的系统的示例性流程图。

图6是根据一个实施方案的在读出电路诸如图4中所示的读出电路中的示例性采样保持电路的电路图。

图7是根据一个实施方案的在读出电路诸如图4中所示的读出电路中的示例性比较电路的电路图。

图8是根据一个实施方案的在读出电路诸如图4中所示的读出电路中的示例性残余电压测量电路的电路图。

图9是根据一个实施方案的在读出电路诸如图4中所示的读出电路中的示例性残余电压求和电路的电路图。

图10是根据一个实施方案的采用图1至图9的实施方案的示例性图像捕获和处理器系统的框图。

具体实施方式

电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素的阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路诸如，用于操作图像像素的电路以及用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。

图1为示例性成像系统诸如电子设备的示意图，该成像系统使用图像传感器来捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控系统、机动车成像系统、具有成像能力的视频游戏系统或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像系统或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。

存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关联的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。

如图2所示，图像传感器16可以包括包含被布置成行和列的图像传感器像素30(在本文中有时被称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路44(其可以包括例如图像信号处理电路)。阵列20可以包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素30。控制电路44可以耦接到行控制电路46(在本文中有时被称为行解码器电路或行电路)和列读出电路48(在本文中有时被称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路46可从控制电路44接收行地址，并且通过行控制线50将对应的行控制信号，诸如，重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素30。可以将一根或多根导线诸如列线42耦接到阵列20中的像素30的每一列。列线42可以用于从像素30读出图像信号以及用于将偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)供应给像素30。如果需要，在像素读出操作期间，可以使用行控制电路46选择阵列20中的像素行，并且可以沿着列线42读出由该像素行中的图像像素30生成的图像信号。

图像读出电路48可以通过列线42接收图像信号(例如，由像素30生成的模拟像素值)。图像读出电路48可以包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟到数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性地启用或禁用列电路的锁存电路，或耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素30和用于从像素30读出图像信号的其他电路。读出电路48中的ADC电路可以将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时被称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路48可以针对一个或多个像素列中的像素将数字像素数据供应给控制和处理电路44和/或处理器18(图1)。

如果需要，可以在阵列20中的光敏区上方形成滤色器阵列，以便在相关联的像素30的光敏区的上表面上方形成滤色器阵列中的所期望的滤色器元件。可以在滤色器阵列的上表面上方形成微透镜，以将入射光聚焦到与该像素30相关联的光敏区上。入射光可由微透镜聚焦到光敏区上，并且可穿过滤色器元件，以便在光敏区处仅捕获对应颜色的光。如果需要，对于阵列20中的一个或多个像素30，可以在滤色器元件与微透镜之间插置任选的掩蔽层。在另一个合适的布置中，对于阵列20中的一个或多个像素30，可以在滤色器元件与光敏区之间插置任选的掩蔽层。掩蔽层可包括金属掩蔽层或其他滤光层，其阻止图像光的一部分在光敏区域处被接收到。如果需要，图像像素30可形成为不具有任何掩蔽层。

如果需要，图2的阵列20中的像素30可以设有各自使一种或多种颜色的光通过的滤色器元件的阵列。像素30中的全部或一些可以设有滤色器元件。像素30的滤色器元件可以是红色滤色器元件(例如，在使红光通过的同时反射和/或吸收其他颜色的光的光阻材料)、蓝色滤色器元件(例如，在使蓝光通过的同时反射和/或吸收其他颜色的光的光阻材料)和/或绿色滤色器元件(例如，在使绿光通过的同时反射和/或吸收其他颜色的光的光阻材料)。滤色器元件可也被配置为过滤人可见光谱之外的光。例如，滤色器元件可以仅允许红外光或紫外光到达光电二极管。滤色器元件可以将图像像素30配置为仅检测特定波长或波长范围的光，并且可以被配置为允许多个波长的光通过，同时阻挡某些其他波长的光(例如，其波长对应于某个可见颜色和/或红外波长或紫外波长的光)。

使两种或更多种颜色的光(如，选自包含红光、蓝光和绿光的集合的两种或更多种颜色的光)通过的滤色器元件有时在本文称为“宽带”滤色器元件。例如，被配置为使红光和绿光通过的黄色滤色器元件以及被配置为使红光、绿光和蓝光通过的透明滤色器元件在本文可称为宽带滤波器元件或宽带滤色器元件。相似地，包括宽带滤色器元件(如，黄色、洋红色或透明色滤色器元件)并且因此对两种或更多种颜色的光敏感(如，响应于检测到选自包括红光、蓝光和绿光的集合的两种或更多种颜色的光捕获图像信号)的图像像素有时在本文可称为宽频像素或宽频图像像素。

例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。这些示例仅是示例性的，并且如所期望，可以在任何合适的数量的图像像素30上方形成任何合适的颜色和任何合适的图案的滤色器元件。

图3中示出了图像像素阵列20的示例性图像像素30中的电路。如图3所示，像素30可以包括光敏元件，诸如光电二极管22(有时在本文中称为光电探测器22)。可在正电源端子33处提供像素正电源电压(例如，电压Vaa_pix)。可以在接地电源端子32处提供接地电源电压(例如，Vss)。入射光可以在穿过滤色器结构之后由光电二极管22采集。光电二极管22可以将光转换成电荷。光电二极管22可以在图像采集之前被复位到复位电压(例如，正电源电压)。

另外，在采集图像之前，复位控制信号RST可以生效(例如，生效为高以激活对应的晶体管)。这使复位晶体管28接通并且将电荷存储节点26(也被称为浮动扩散部FD或浮动扩散区FD)复位为复位电压电平(例如，等于或接近电压电平Vaa_pix的电压电平)。然后复位控制信号RST可被解除生效(例如，生效为低以停用对应的晶体管)，以使复位晶体管28关断。在重置过程完成之后，可使转移门控制信号TX生效以接通转移晶体管(转移门)24。当转移晶体管24接通时，由光电二极管22响应于入射光而生成的电荷被转移到电荷存储节点26。

电荷存储节点26可以使用掺杂半导体区(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术形成于硅衬底中的掺杂硅区)实施。掺杂半导体区域(即浮动扩散部，FD)可表现出可用于存储从光电二极管22转移来的电荷的电容。与节点26上的存储的电荷相关联的信号可以由源极跟随器晶体管34缓冲。行选择晶体管36可以将源极跟随器晶体管34连接到列输出线42。

如果需要，可以使用其他类型的图像像素电路来实现图像传感器16的图像像素。例如，每个图像传感器像素30(参见例如图1)可以是三晶体管像素、具有四个晶体管的钉扎光电二极管像素、全局快门像素、卷帘快门像素、具有闪光缓解能力和/或电荷溢出能力的像素等。图3的电路仅是示例性的。

当需要读出存储的电荷的值(即，由晶体管34的源极S处的信号表示的存储的电荷的值)时，可以使行选择控制信号RS生效。当使控制信号RS生效时，晶体管36接通，并且在输出路径38上生成对应的信号Vout，该信号表示电荷存储节点26上的电荷的大小。可以存在多行和多列像素，诸如在给定图像传感器的图像传感器像素阵列中的像素30。导电路径诸如输出线42可以与一列图像像素30相关联。当在给定像素30中使控制信号RS生效时，输出线42可以用于将信号Vout从像素30路由到读出电路(例如，图2中的读出电路48)。

因为各个像素30的浮动扩散部26可以具有有限的电容(例如，有限的电荷存储容量)，对于单个曝光帧(例如，在特定的曝光时间段期间)，由像素30的一部分生成的图像信号可能会受到过度曝光的影响，并且像素30的一部分可能会受到曝光不足的影响。因此，像素30可能难以使用单个曝光帧将暗点和亮点精确地转换成对应的暗图像和亮图像数据并且生成具有期望特性的HDR图像。虽然可以使用多个曝光帧(例如，每个具有单独曝光时间段)来生成HDR图像，但是其时间效率低并且需要针对多个曝光帧的附加存储装置。

图4示出了被配置为使用从单个曝光时间段生成的图像来生成HDR图像的示例性系统。特别地，像素阵列20可以包括一列像素30(例如，像素列31或简称为列31)。列31中的像素30经由共享像素输出线42耦接到列读出电路49。读出电路49可以形成图2中的列读出电路48的一部分。作为示例，像素阵列20中的每列可以耦接到模拟列读出电路49。换句话说，可以基于每列提供读出电路49。这仅仅是示例性的。如果需要，单个读出电路49可以由阵列20中的多个列共享(例如，电路49可以由两列像素30共享，可以由三列或更多列像素30共享等)。如果需要，列31中的仅一部分像素30(例如，一个像素、两个像素、三个或更多个像素等)可以耦接到(例如，共享)读出电路49。

读出电路49可以包括采样保持电路60(在本文中有时被称为S/H电路或采样保持电路)、比较电路62、残余电压测量电路64(在本文中有时被称为残余电荷测量电路、残余测量电路)、残余求和电路66(在本文中有时被称为残余电荷累积电路、残余电压求和电路)、计数器电路68(例如，计数器电路、数字计数器)、模拟到数字转换(ADC)电路70、数字求和电路72(在本文中有时被称为加法电路)。读出电路49被配置为读出像素生成的电荷作为一个或多个目标大小或部分中的单个帧的像素图像信号(例如，光电二极管22可以将单个帧的像素生成的电荷转移到由读出电路49读出的一个或多个部分中的浮动扩散部26)。具体地，采样保持电路60可以包括读出像素图像信号的第一部分的图像信号电压S/H电路。采样保持电路60还可包括复位信号电压S/H电路，其读出复位信号电压(例如，复位电压电平，诸如图3中的电压电平Vaa_pix)。采样保持电路60可还包括参考电压存储电路。参考电压存储电路可以存储参考信号电压(例如，参考电压电平)，该参考信号电压对应于在给定的读出部分期间由采样保持电路60采样的像素图像信号的部分的目标幅度。如果需要，可以选择参考信号电压，使得其对应于小于在完全电荷存储容量下与浮动扩散部26相关联的像素输出线信号电压。换句话说，参考信号电压经选择以使得每个生成的电荷读出的目标量永不超过浮动扩散部26的存储容量，从而避免任何溢出效应并且人为地扩展浮动扩散部26的动态范围。

作为一个示例，图2中的光电二极管22可以在图像采集期间生成22,000个电子。采样保持电路60可以尝试在多个读出部分(例如，转移晶体管24可以尝试将6,000个电子从光电二极管22转移到多个约6,000个电子部分中的浮动扩散部26以通过存储在S/H电路60中来被读出)中的每个中读出分配数量或目标数量的6,000个电子。在这种情况下，作为示例，复位电压电平(例如，1.8V)和参考电压电平(例如，1.0)之间的电压电平差值可以是0.8V，其可以对应于6,000个电子。因为精确地将精确数量的电子转移到浮动扩散部26可能是困难的，所以晶体管24可以被配置为总是转移多于分配量或目标量的少量电子(例如，转移6010个电子，转移6050个电子等)以被读出。

采样保持电路60可以经由一个或多个路径耦接到比较电路62。比较电路62可以接收像素图像信号的一部分(作为图像读出电压)、复位电压信号(作为复位信号电压)、参考电压信号(作为参考信号电压)、参考信号与给定复位电压信号之间的相对差值信号(例如，从给定复位信号电压中减去参考信号电压)、其他相对差值信号，以及来自采样保持电路60的任何其他合适的信号。比较电路62可以执行比较操作以确定生成的电荷的附加部分(可以作为像素图像信号的附加部分被读出)是否保留在像素30中的光电二极管22中。具体地，比较电路62可以将相对参考-复位差值电压与同像素图像信号的当前读出部分相关联的图像读出电压进行比较。将相对参考-复位差值电压(在本文中有时被称为在输出线42处的目标输出线摆动电压)与图像信号进行比较，因为从像素30读出的图像信号是相对于复位电压电平生成(例如，浮动扩散部26在接收光生成的电荷之前被复位)。

如果比较电路62确定生成的电荷的附加部分保留在像素30中，那么比较电路62可以向采样保持电路提供第一(生效的)控制信号，向计数器电路68提供第二(生效的)控制信号(例如，经由路径74)，以及向残余测量电路64提供第三(生效的)控制信号。响应于第一控制信号，采样保持电路60可以复位复位信号S/H电路和图像信号S/H电路(例如，去除相应的S/H电路中的任何存储的复位和图像信号电压)。响应于第二控制信号，计数器电路68可以更新存储在计数器电路68处的计数值。作为示例，可以在像素图像读出操作开始之前初始化或复位计数器电路68以初始存储零计数值。在该示例中，每次计数器电路68接收到生效的第二控制信号，计数值可以一递增。这个示例仅为示例性的。如果需要，可以实现任何计数器电路以跟踪在读出单个像素图像期间第二控制信号生效次数。作为示例，模拟计数电路可以用在计数器电路68中。

第三控制信号可以用作残余测量电路64的激活或使能信号。如前所述，如果可能的话，读出的像素生成的电荷的实际量(例如，6010个电子)将大于与像素输出线目标摆动电压相关联的目标电荷量(例如，6000个电子)。换句话说，像素图像信号的当前读出部分可以大于目标摆动电压。这样，残余测量电路64可以确定图像读出电压(即，像素图像信号的当前读出部分)与目标摆动电压之间的差值，以生成残余信号(例如，残余信号电压电平)。残余测量电路64可以将残余信号电压提供给残余求和电路66。

由于读出的像素图像信号的不止一部分可以包括相应的残余电压信号，因此残余求和电路66可以存储和添加用于像素图像信号的相应的读出部分的相应残余电压信号中的每个。作为示例，可以在像素图像读出操作开始之前初始化或复位残余求和电路66以初始存储零残余电压信号，但是可以添加或累积由残余测量电路64生成的相应残余电压信号。这个示例仅为示例性的。如果需要，可以在残余求和电路66中使用任何合适的累积或求和方案。

比较电路62可还经由路径78耦接到ADC电路70。如果需要，当确定生成的电荷的附加部分保留在像素31中时，比较电路62可以提供控制信号以停用ADC电路70的一部分，使得ADC电路70不对采样保持电路60处的当前保持的信号(例如，在从比较电路62接收第一控制信号之前存储在采样保持电路60处的信号)执行转换操作。

在生成的电荷的一个或多个附加部分保留在像素31中的情况下，列读出电路49可以继续读出像素图像信号的附加部分。具体地，采样保持电路60可以在复位电压S/H电路处采样保持复位电压电平，并且在复位电压S/H电路处采样保持像素信号的附加部分。采样保持电路60可以继续存储和使用先前存储的参考信号(但是参考新的复位电压电平)。具体地，在读出像素图像信号的所有部分时，可以使用相同的参考信号(例如，可以使用在输出线42处的相同目标摆动电压)。在读出像素图像信号的所有部分的同时，可以读出像素图像信号的对应部分的相应不同的复位信号。比较电路62可以与结合读出的像素图像信号的第一部分描述的类似方式继续比较像素图像信号的附加部分。具体地，因为使用相同的参考信号来读出像素图像信号的附加部分中的每个，所以读出的像素图像信号的每个部分的目标摆动电压(例如，每个部分的相应像素读出电压)可能是一样的。

当比较电路62在读出像素图像信号的最后部分之后确定生成的电荷的附加部分没有保留在像素31中时，比较电路62可以将第一(生效的)控制信号发送到ADC电路70(例如，经由路径78)。第一控制信号可以激活ADC电路70的一部分，以基于像素图像信号的最后部分和与像素图像信号的最后部分相关联的复位图像信号执行模拟到数字转换操作。当比较电路62在读出像素图像信号的最后部分之后确定生成的电荷的附加部分没有保留在像素31中时，比较电路62可还将第二(生效的)控制信号发送到ADC电路70(例如，经由路径78)。第二控制信号可以激活ADC电路70的一部分，以基于从与像素图像信号的先前部分的读出相关联的所有先前残余电压信号累积的求和的残余信号来执行模拟到数字转换操作。作为示例，ADC电路70可以基于求和的残余信号和参考电压(例如，接地电压)而执行ADC操作。在给定场景中，像素图像信号的第一部分可以是像素图像信号的唯一部分，并且因此也是像素图像信号的最后部分。在该特定场景中，可以使用像素图像信号读出方案的最后部分来读出像素图像信号的唯一部分。

如果需要，比较电路62可以向计数器电路68提供第三(生效的)控制信号。响应于第三控制信号，计数器电路68可以生成对应于存储在计数器电路处的最终计数值的数字数据值。具体地，计数值中的每个增量步长可以对应于预先确定的数字数据(例如，数字数据值63)的增量，该预先确定的数字数据对应于与读出的像素数据的每个部分的目标幅度相关联的模拟摆动电压(例如，0.8V)。如果需要，可以由ADC电路70生成预先确定的数字数据。与在像素图像数据的最后部分之前(例如，在不考虑残余电压值的情况下)的大致所有先前部分相关联的粗略数字数据值(例如，计数器值3*数字数据值63＝粗略数字值189)可以通过将预先确定的数字数据(例如，值63)乘以最终计数值(例如，值3，因为三个读出部分在最终读出部分之前出现)来生成。如果需要，任何其他电路(例如，ADC电路70)可以被配置为提供乘法运算。

数字数据求和电路72可以接收从像素图像数据的最后部分生成的第一数字数据部分、从计数器值生成的第二数字数据部分，以及从求和的残余值生成的第三数字数据部分。数字求和电路72可以组合三个数字数据值或对其求和以在路径84上生成最终数字数据值。最终数字数据值可以对应于针对图像场景生成的整个模拟像素图像值。以这种方式，像素图像信号可以分成多个部分(例如，像素图像信号的需要第一分辨率模拟到数字转换操作的最后部分，通过将最终计数值乘以对应于与每个读出循环的分配的部分的完全目标幅度相关联的预先确定的数字输出生成的计数值部分、需要第二分辨率的残余值部分)。

作为示例，ADC电路70可以包括具有不同的分辨率的不同的ADC电路。具体地，ADC电路70可以包括第一n位部分(例如，第一位分辨率的一部分)，其用于对像素图像信号的最后部分执行转换操作。ADC电路70可以包括第二m位部分(例如，第二位分辨率的一部分)。位分辨率n位和m位可以相同或不同。

向列读出电路49中的其他电路提供各种控制信号的比较电路62的示例仅是示例性的。如果需要，图2中的控制电路44和/或图1中的处理电路44的部分可以与比较电路62的部分通信和/或包括该比较电路的部分，以基于比较电路62的一个或多个输出(例如，比较输出)向列读出电路49提供控制和处理功能。

图5示出了可用于操作图4中所示的图像传感器系统的示例性流程图。作为示例，图2中的控制和处理电路44、图1中的处理电路18、图1中的读出电路48和/或图3中的像素30可以处理图4的步骤并且提供对应的控制信号。在步骤200处，光敏元件(例如，图3中的光电二极管22)可以响应于入射光而生成电荷。在步骤202处，可以激活复位晶体管(例如，图3中的晶体管28)以将电荷存储区(例如，图3中的浮动扩散部26)复位到复位电压电平。读出电路(例如，图4中的采样保持电路60)可以将复位电压电平读出为复位信号并且可以临时存储(例如，采样保持)复位信号。

在步骤204处，可以使控制信号生效以部分地激活插置在光敏元件与电荷存储区之间的转移晶体管(例如，图3中的晶体管24)。转移晶体管的部分激活可以在光敏元件与电荷存储区之间提供目标势垒(例如，与在像素输出线72上的目标摆动电压相关联、与转移到电荷存储区的目标数量电子相关联)，从而将存储在光敏元件处的像素图像信号的一部分转移到电荷存储区。控制信号可以至少转移目标数量的电子(例如，在像素输出线72上提供至多目标摆动电压的电压摆动)。在步骤206处，读出电路(例如，图4中的采样保持电路60)可以读出像素图像信号的一部分，并且可以临时存储(例如，采样保持)像素图像信号的一部分。

在步骤208处，比较电路(例如，图4中的比较电路62)可以确定图像信号的一部分是大于还是小于参考信号与复位信号(在本文中有时被称为阈值信号或目标摆动信号)之间的差值。换句话说，比较电路可以确定图像信号电压的一部分是大于还是小于与由转移晶体管建立的目标势垒相关联的在像素输出线上的目标摆动电压。如果图像信号大于差值(例如，大于在像素输出线上的目标摆动电压)，那么处理可以经由步骤210进行到步骤220。在这种情况下，图像信号的转移到电荷存储区的部分表示保留在光敏元件中的所有部分。在步骤220处，读出电路(例如，ADC电路70)可以使用复位信号和当前存储在采样保持电路处的图像信号的部分来执行模拟到数字转换，以生成数字输出。因为读出的部分表示像素图像信号的唯一部分，所以生成的数字输出是最终的数字输出。这样，在这种情况下可以省略步骤222(例如，其中计数器值为零并且没有累积的残值信号)。

返回参考步骤208，如果图像信号小于参考信号与复位信号之间的差值(例如，小于在像素输出线上的目标摆动电压)，那么处理可以经由路径212进行到步骤214。在步骤215处，读出电路(例如，计数器电路68)可以更新计数器值以生成当前计数器值。具体地，计数器电路可以更新计数器值(例如，可以使计数器值增加一)。在步骤216处，读出电路可以确定对应的残余电荷(例如，残余电压，其为图像信号的部分与在像素输出线上的目标摆动电压之间的差值)。可以对对应的残余电荷与任何先前存储的残余电荷值求和(例如，相加)以生成求和的残余信号，并且读出电路可以存储求和的残余值，直到需要ADC转换为止。在步骤218处，可以复位读出电路的部分(例如，采样保持电路60)以准备读出像素图像信号的附加部分。如果需要，一个或多个步骤214、216和218可以同时发生。

然后处理可以循环回步骤202。步骤202、204、206、208、214、216和218可以根据需要在多个循环中重复，直到处理沿着路径210前进到步骤220。在像素图像信号的多部分读出中，在步骤220处，读出电路(例如，ADC电路70)可以使用最后采样保持的重置和图像信号(例如，其对应于读出的图像信号的最后部分)来执行模拟到数字转换以生成第一数字输出。在步骤220处，读出电路(例如，ADC电路70)可以使用求和的残余信号执行模拟到数字转换以生成第二数字输出。在步骤222处，求和电路可以将第一数字输出、第二数字输出与基于当前计数器值而生成的第三数字输出相加，以生成最终像素图像数字输出。

图4的系统和图5的步骤仅是示例性的。如果需要，除了或代替图4中描述的各种电路提供附加电路。附加电路可以提供与图4中描述的电路类似的功能性和/或扩展系统操作的不同的功能性。如果需要，可以省略图5的一个或多个步骤或用其他合适的处理操作替代。如果需要，可也将附加步骤添加到图5。其他列中的像素30可以耦接到类似的列读出电路，并且可以执行类似的操作。

通过分别使用图4和图5中的示例性系统和步骤，成像系统可以被配置为仅基于单帧捕获而生成HDR图像。本质上，成像系统使用读出电路通过用高分辨率模拟到数字转换读出多个部分中的亮点和单个部分中的暗场景来扩展像素的动态范围。读出电路可以被配置为与任何合适的像素配置一起使用，因为读出方案不受像素内的部件影响。

图6示出了可在图4中的系统中用作采样保持电路60的示例性采样保持电路。具体地，采样保持电路可以包括三个并联的路径，电容器95、101和103沿着这些路径耦接。电容器101和103可以具有耦接到接地端子(例如，接地端子90，其可以耦接到图3中的电压Vss)的相应的第一端子。电容器101和103的第二端子可以经由相应的开关100和102耦接到像素列输出线42。电容器95可以具有第一端子，该第一端子经由相应的开关96和98可切换地耦接到一个或多个端子90和92。端子90可以接收接地电压，而端子92可以接收参考电压。接收到端子92的参考电压可以是结合图4和图5描述的目标摆动电压。电容器95可以具有经由开关94耦接到输出线42的第二端子。电流源43可以耦接到线42以驱动信号离开像素列中的像素。

信号SHR可以控制开关94、96、98和100。具体地，当信号SHR生效时，开关94、98和100可以闭合以电连接它们相应的相对端子。通过闭合开关94，电容器95的第二端子可以处于复位信号电压电平，并且通过闭合开关98，电容器95的第一端子可以处于参考信号电压电平。因此，电容器95可以在复位电压电平与参考电压电平之间存储不同的信号电压电平。当信号SHR解除生效时，开关96可以闭合以电连接其相应的相对端子，从而使差值电压电平相对于接地电压电平移位。通过闭合开关100，电容器101可以存储复位电压电平。信号SHS可以类似地控制开关102(例如，当信号SHS生效时，图像信号的至少一部分可以存储在电容器103处)。节点N1、N2和N3可以分别提供差值电压电平、复位电压电平和像素图像电压电平的当前部分。

图7示出了可在图4中的系统中用作比较电路62的示例性比较电路。具体地，比较电路62可以包括比较器110(例如，积分模拟比较器)。比较器110可以在第一端子处(例如，在正输入端子处)接收差值电压电平，并且在第二端子处(例如，在负输入端子处)接收像素图像电压电平的当前部分。作为示例，比较器110的正输入端子可以耦接到图6中的节点N1，并且比较器110的负输入端子可以耦接到图6中的节点N3。比较器110可以对输入进行比较并且生成比较输出(例如，输出信号COMPOUT)。作为示例，输出信号COMPOUT在正端子输入(例如，差值电压电平)大于负端子输入(例如，像素图像电压电平的当前部分)时可以处于高值，并且当负端子输入大于正端子输入时可以处于低值。

图8示出了可在图4中的系统中用作残余测量电路64的示例性残余电压测量电路。作为示例，当输出信号COMPOUT(在图7中)处于高值时，可以激活测量电路64。具体地，测量电路64可以包括运算放大器120和122，它们分别在其对应的正输入端子处接收差值电压电平和像素图像电压电平的当前部分。放大器120和122各自可以具有耦接到其输出端子的负输入端子。测量电路64可以包括耦接在节点N4和N5之间的电容器132。节点N4可以插置在开关126和130之间，而节点N5可以插置在开关124和128之间。开关124可以将放大器120耦接到节点N5。开关126可以将放大器122耦接到节点N4。开关128可以将节点N5耦接到端子134。开关130可以将节点N4耦接到端子90。

控制信号PC1可以控制开关124和126。当控制信号PC1生效以闭合开关124和126时，放大器120和122可以将对应于节点N1和N3的电压电平提供给对应的节点N5和N4。控制信号PC2可以控制开关128和130。当控制信号解除生效而控制信号PC2生效时，端子90可以使节点N4移位到接地电压。因为保持电容器132两端的电位差，所以可以在端子134处生成差值信号电压电平VRES(在本文中有时被称为残余电压信号)。

图9示出了可在图4中的系统中用作残余求和电路66的示例性残余电压累积电路。具体地，残余求和电路66可以包括运算放大器150，其具有耦接到输入信号(例如，图8中的残余电压信号VRES)的第一正端子和耦接到电容器158的第一端子的第二负端子。运算放大器150可以具有耦接到电容器152的第一端子的输出端子。输出端子可以经由开关154耦接到接地端子90。运算放大器150可以接收控制信号ADD，当生效时，配置求和电路66以将当前接收的残余电压信号输入添加到先前存储的残余电压。

电容器152可以具有耦接到节点VINT的第二端子。节点VINT可以耦接到电容器158的第二端子。节点VINT可以经由两个并行路径耦接到节点NRESSUM。开关156可以将节点VINT耦接到VRESSUM。开关160可还将VINT耦接到VRESSUM。电容器162可以耦接在节点VRESSUM与接地端子90之间。开关164可以耦接在VRESSUM与接地端子90之间。

当残余求和电路66主动累积残余信号时，控制信号EN可以解除生效以使开关164保持在打开状态。这样，求和的残余信号可以由电容器162存储在节点VRES处。为了累积来自读出的像素图像信号的各个部分的残余信号，控制信号PC可以生效以将存储在电容器162两端的电压转移到电容器152。随后，控制信号PC可以解除生效而控制信号ADD生效以激活放大器150并且将信号VRES添加到电容器162。这对控制信号生效(例如，使控制信号PC生效，并且然后使控制信号ADD生效)可以根据需要重复使用，以累积从像素图像信号的对应的读出部分生成的任何合适的数量的残余电压信号。

图6至图9中所示的示例性电路仅是示例性的。如果需要，可以使用任何合适的电路来实现图4中的系统的电路。例如，使用各种存储电路、开关电路、比较电路、晶体管电路、电源电路和其他电路的不同组合和配置可以用于实现

图4中的系统。

图10以简化形式示出了典型图像捕获和处理器系统1000，诸如数字相机，该图像捕获和处理器系统包括成像设备1100(例如，成像设备1100，诸如图1至图9的图像传感器16，该图像传感器采用耦接到列读出电路49的像素30)。处理器系统1000是可包括成像设备1100的具有数字电路的示例性系统。在不进行限制的前提下，此类系统可包括计算机系统、静态或视频摄像机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监控系统、自动对焦系统、星体跟踪器系统、运动检测系统、图像稳定系统、以及采用成像设备的其他系统。

图像捕获和处理器系统1000通常包括透镜1096，该透镜用于在快门释放按钮1097被按下时将图像聚焦到设备1100的像素阵列20上；中央处理单元(CPU)1095，诸如控制相机功能以及一个或多个图像流功能的微处理器，所述中央处理单元通过总线1093与一个或多个输入/输出(I/O)设备1091通信。成像设备1100也通过总线1093与CPU 1095通信。系统1000还包括随机存取存储器(RAM)1092并且可以包括可移动存储器1094，诸如闪存存储器，该存储器也通过总线1093与CPU 1095通信。成像设备1100可以在单个集成电路上或在不同芯片上与CPU组合，无论是否具有存储器存储装置。尽管总线1093被示出为单总线，但是该总线也可以是一个或多个总线或桥接器或用于使系统部件互连的其他通信路径。

在各种实施方案中，图像传感器可以包括被布置成列和行的图像传感器像素阵列。列读出电路可以经由相应的列像素输出线耦接到每列图像传感器像素。列读出电路可以包括：采样保持电路，该采样保持电路被配置为存储复位读出电压和图像读出电压；残余电压累积电路，该残余电压累积电路被配置为存储残余电压的总和；和计数器电路，该计数器电路被配置为存储和更新计数值。列读出电路可还包括模拟到数字转换电路，该模拟到数字转换电路被配置为基于复位读出电压和图像读出电压而生成第一数字值并且基于残余电压的总和而生成第二数字值。列读出电路可以包括数字加法电路，该数字加法电路耦接到模拟到数字转换电路并且被配置为将第一数字值、第二数字值和基于存储在计数器电路处的计数值而生成的第三数字值组合。

采样保持电路可以接收参考电压，该参考电压用于确定在像素输出线处的目标摆动电压(例如，通过从复位电压中减去参考电压)。读出电路可以基于目标摆动电压而对由给定像素生成的图像信号执行读出操作以生成像素读出电压。比较电路可以将像素读出电压与目标摆动电压进行比较以确定图像信号的附加部分是否保留在给定像素中。响应于确定图像信号的附加部分没有保留在给定像素中，模拟到数字转换电路可以基于当前存储在采样保持电路处的复位读出电压和图像读出电压而执行转换操作。响应于确定图像信号的附加部分保留在给定像素中，残余电压测量电路可以生成残余值以与可能附加残余电压一起存储和累积来生成求和的残余电压，计数器电路可以增加存储的计数器值，并且采样保持电路可以复位对应于图像读出电压和复位读出电压的存储电路。当图像信号的至少一个加法部分保留在给定像素中时，读出电路可以继续执行这些操作。

根据一个实施方案，图像传感器可以包括：图像像素，该图像像素具有被配置为响应于入射光而生成电荷的光敏元件；和列读出电路，该列读出电路经由输出线耦接到图像像素。列读出电路可以被配置为分开对生成的电荷的多个部分执行采样保持操作并且可以包括比较电路，该比较电路被配置为确定对生成的电荷的最终部分的给定采样保持操作何时已经执行。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括计数器电路，该计数器电路被配置为存储计数值，该计数值与生成的电荷中已经被列读出电路执行了采样保持操作的部分的数量相关联。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括采样保持电路，该采样保持电路执行采样保持操作。采样保持电路可以接收不同于接地电压的参考电压电平。

根据另一个实施方案，比较电路可以被配置为基于参考电压电平和与生成的电荷的最后部分相关联的电压电平而执行比较操作以生成对应的输出。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括采样保持电路，该采样保持电路被配置为在第一存储电路处存储图像信号电压电平、在第二存储电路处存储复位图像信号电压电平、以及在第三存储电路处存储阈值信号电压电平。

根据另一个实施方案，比较电路可以耦接到采样保持电路并且被配置为将图像信号电压电平与阈值信号电压电平进行比较以生成对应的输出。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括残余电压测量电路，该残余电压测量电路耦接到比较电路并且被配置为基于图像信号电压电平和阈值信号电压电平而生成残余电压电平。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括残余电压累积电路，该残余电压累积电路耦接到残余电压测量电路，并且被配置为存储生成的残余电压电平并且通过将生成的残余电压电平与先前生成的残余电压电平相加来生成求和的残余电压电平。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括计数器电路，该计数器电路耦接到比较电路，并且被配置为基于比较电路的比较输出而更新存储的计数器值。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括模拟到数字转换电路，残余电压累积电路耦接到采样保持电路和残余电压累积电路并且可以被配置为分别基于生成的电荷的最后部分和求和的残余电压电平而生成第一数字输出和第二数字输出。

根据另一个实施方案，列读出电路可包括数字求和电路，该数字求和电路耦接到模拟到数字转换电路并且被配置为将第一数字输出、第二数字输出与基于在计数器电路处的存储的计数器值而生成的第三数字输出相加。

根据一个实施方案，系统可以包括：处理电路；输入-输出电路；图像传感器像素阵列，该图像传感器像素阵列包括给定图像像素，该给定图像像素具有被配置为响应于入射光而生成图像信号的光电二极管、浮动扩散区以及插置在光电二极管与浮动扩散区之间的晶体管；和读出电路，该读出电路经由像素输出线耦接到给定图像像素。晶体管可以基于在像素输出线处的目标摆动电压而在读出操作期间部分地激活。读出电路可以被配置为对在像素输出线处的对应于图像信号的至少一部分的图像读出电压执行读出操作并且将图像读出电压与目标摆动电压进行比较。

根据另一个实施方案，读出电路可以包括比较电路，该比较电路被配置为确定图像信号的附加部分是否保留在光电二极管中。

根据另一个实施方案，读出电路可以包括采样保持电路，该采样保持电路被配置为存储图像读出电压、复位读出电压和目标摆动电压。

根据另一个实施方案，比较电路可以耦接到采样保持电路并且可以被配置为接收图像读出电压和目标摆动电压并且通过将图像读出电压与目标摆动电压进行比较以生成比较输出。

根据另一个实施方案，读出电路可以包括：残余电压测量电路，该残余电压测量电路被配置为基于比较输出而生成残余电压；和残余电压求和电路，该残余电压求和电路被配置为存储生成的残余电压。

根据另一个实施方案，读出电路可以包括计数器电路，该计数器电路被配置为基于比较输出而生成计数值。

根据另一个实施方案，读出电路可以包括模拟到数字转换电路，该模拟到数字转换电路耦接到残余电压求和电路、计数器电路和采样保持电路。

根据一个实施方案，图像传感器可以包括：图像像素阵列，该图像像素阵列成列和行布置；和列读出电路，该列读出电路经由列线耦接到每列图像像素。列读出电路可以包括：采样保持电路，该采样保持电路被配置为存储复位读出电压和图像读出电压；残余电压累积电路，该残余电压累积电路被配置为存储残余电压的总和；和计数器电路，该计数器电路被配置为存储计数值。

根据另一个实施方案，列读出电路可以包括：模拟到数字转换电路，该模拟到数字转换电路被配置为基于复位读出电压和图像读出电压而生成第一数字值并且基于残余电压的总和而生成第二数字值；和附加电路，该附加电路耦接到模拟到数字转换电路并且被配置为组合第一数字值、第二数字值和基于存储的计数值而生成的第三数字值。

前述内容仅是对本实用新型的原理的说明，因此本领域的技术人员可以在不脱离本实用新型的范围和实质的情况下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

图像像素，所述图像像素具有光敏元件，所述光敏元件响应于入射光而生成电荷；和

列读出电路，所述列读出电路经由输出线耦接到所述图像像素，其中，所述列读出电路通过以下方式分别对生成的电荷的多个部分执行采样保持操作：所述列读出电路读出生成的电荷的部分作为单个帧的像素图像信号；并且所述列读出电路包括比较电路，所述比较电路执行比较操作以确定生成的电荷的附加部分是否保留在图像像素中，并且所述列读出电路在生成的电荷的附加部分保留在图像像素中时，通过继续读出所述附加部分作为单个帧的像素图像信号来分别对生成的电荷的多个部分执行采样保持操作。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述列读出电路包括计数器电路，所述计数器电路存储计数值并且响应于所述比较电路基于所述比较操作发出的控制信号，更新存储在该计数器电路中的计数值，该计数值与所述生成的电荷中已经被所述列读出电路执行了采样保持操作的部分的数量相关联。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述列读出电路包括采样保持电路，所述采样保持电路执行所述采样保持操作，其中，所述采样保持电路接收不同于接地电压的参考电压电平，并且其中，所述比较电路基于所述参考电压电平和与所述生成的电荷的最后部分相关联的电压电平而执行比较操作以生成对应的比较输出，所述参考电压电平对应于在给定的读出部分期间由采样保持电路读出的生成的电荷的部分的目标幅度。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述列读出电路包括采样保持电路，所述采样保持电路在第一存储电路处存储图像信号电压电平、在第二存储电路处存储复位图像信号电压电平、以及在第三存储电路处存储阈值信号电压电平。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述比较电路耦接到所述采样保持电路并且将所述图像信号电压电平与所述阈值信号电压电平进行比较以生成对应的比较输出，其中，所述列读出电路包括残余电压测量电路，所述残余电压测量电路耦接到所述比较电路并且基于所述图像信号电压电平和所述阈值信号电压电平而生成残余电压电平，并且其中，如果所述比较电路确定生成的电荷的附加部分保留在图像像素中，则向采样保持电路提供第一生效的控制信号，以及向残余电压测量电路提供第二生效的控制信号。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述列读出电路包括残余电压累积电路，所述残余电压累积电路耦接到所述残余电压测量电路，所述残余电压累积电路存储生成的残余电压电平并且通过将所述生成的残余电压电平与先前生成的残余电压电平相加来生成求和的残余电压电平，其中，所述列读出电路包括计数器电路，所述计数器电路耦接到比较电路，并且响应于所述比较电路确定生成的电荷的附加部分保留在像素而发出的控制信号来更新存储的计数器值，其中，所述列读出电路包括模拟到数字转换电路，所述模拟到数字转换电路耦接到所述采样保持电路和所述残余电压累积电路的并且分别基于所述生成的电荷的最后部分和所述求和的残余电压电平而生成第一数字输出和第二数字输出，并且其中，所述列读出电路包括数字求和电路，所述数字求和电路耦接到所述模拟到数字转换电路并且将所述第一数字输出、所述第二数字输出与基于在所述计数器电路处存储的计数器值而生成的第三数字输出相加以生成最终数字数据值。

7.一种成像系统，包括：

处理电路；

输入-输出电路；

图像传感器像素阵列，所述图像传感器像素阵列包括给定图像像素，所述给定图像像素具有响应于入射光而生成图像信号的光电二极管、浮动扩散区以及插置在所述光电二极管与所述浮动扩散区之间的晶体管；和

读出电路，所述读出电路经由像素输出线耦接到所述给定图像像素，其中，所述晶体管基于在所述像素输出线处的目标摆动电压而在读出操作期间部分地激活，并且其中，所述读出电路对在所述像素输出线处的对应于所述图像信号的至少一部分的图像读出电压执行所述读出操作并且将所述图像读出电压与所述目标摆动电压进行比较。

8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，所述读出电路包括比较电路，所述比较电路确定所述图像信号的附加部分是否保留在所述光电二极管中，其中，所述读出电路包括采样保持电路，所述采样保持电路存储所述图像读出电压、复位读出电压和所述目标摆动电压，其中，所述比较电路耦接到所述采样保持电路并且接收所述图像读出电压和所述目标摆动电压并且通过将所述图像读出电压与所述目标摆动电压进行比较以生成比较输出，其中，所述读出电路包括：残余电压测量电路，所述残余电压测量电路基于所述比较输出而生成残余电压；和残余电压求和电路，所述残余电压求和电路存储生成的残余电压，并且其中，所述读出电路包括计数器电路，所述计数器电路耦接到所述比较电路并且基于所述比较输出而生成计数值。

9.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：

图像像素阵列，所述图像像素阵列成列和行布置；和

列读出电路，所述列读出电路经由列线耦接到每列图像像素，其中，所述列读出电路包括：

采样保持电路，所述采样保持电路存储复位读出电压和图像读出电压；

残余电压累积电路，所述残余电压累积电路累积来自与图像信号相关联的电荷的各个部分的残余电荷以得到残余电压的总和；和

计数器电路，所述计数器电路存储计数值。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，所述列读出电路包括：

模拟到数字转换电路，所述模拟到数字转换电路基于所述复位读出电压和所述图像读出电压而生成第一数字值并且基于所述残余电压的总和而生成第二数字值；和

附加电路，所述附加电路耦接到所述模拟到数字转换电路并且组合所述第一数字值、所述第二数字值以及基于存储的计数值而生成的第三数字值。

Images