DE102016218843A1

DE102016218843A1 - Bilderzeugungspixel mit hohem Dynamikumfang mit verbesserter Auslesung

Info

Publication number: DE102016218843A1
Application number: DE102016218843.7A
Authority: DE
Inventors: Bart Cremers; Tomas Geurts
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-04-06
Also published as: CN106561047B; US9948875B2; US20170099446A1; CN106561047A

Abstract

Ein Bilderzeugungssystem kann einen Bildsensor beinhalten, der eine Anordnung von Dual-Gain-Pixeln aufweist. Jedes Pixel kann anhand eines verbesserten Dreifach-Leseverfahrens und eines verbesserten Vierfach-Leseverfahrens angesteuert werden, so dass alle Signale in einer High-Gain-Konfiguration gelesen werden, um einen elektrischen Versatz in den Signalstärken zu verhindern. Jedes Pixel kann anhand eines verbesserten Dreifach-Leseverfahrens mit zwei Analog-zu-Digital-Wandlungen (ADC), bei dem ein Frame-Puffer verwendet wird, um Kalibrierungsdaten zu speichern, angesteuert werden. Jedes Pixel kann anhand eines verbesserten Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC angesteuert werden, in dem kein Frame-Puffer nötig ist. Ein Bildsignal mit hohem Dynamikumfang kann für jedes Pixel auf Basis von Signalen, die aus dem Pixel gelesen werden, und von Lichtbedingungen erzeugt werden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile und beansprucht die Priorität der am 1. Oktober 2015 eingereichten vorläufigen Patentanmeldung Nr. 62/235,817, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Dies betrifft generell Bildsensoren und spezieller Verfahren und Schaltkreise zur Ansteuerung von Bildsensorpixeln mit Dual-Gain-Auslesung zur Erzeugung von Bildern mit hohem Dynamikumfang (high dynamic range, HDR) bzw. hohem Kontrast.
Bei herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen können von bewegten Objekten, durch Bewegungen oder Erschütterungen einer Kamera, durch flackerndes Licht und durch Objekte mit veränderlicher Leuchtkraft Artefakte in einem Einzelbild bzw. Bild-Frame bewirkt werden. Solche Artefakte können beispielsweise fehlende Teile eines Objekts, Farbsaumartefakte und Objektverzerrung beinhalten. Beispiele für Objekte mit veränderlicher Leuchtkraft beinhalten Leuchtdioden-(LED)-Verkehrszeichen (die mehrere Hundert Mal pro Sekunde flackern können) und LED-Bremsleuchten oder Scheinwerfer moderner Autos.
Auch wenn Rolling-Shutter- und Global-Shutter-Modi Bilder mit unterschiedlichen Artefakten hervorbringen, ist die Grundursache für solche Artefakte bei beiden Betriebsmodi die gleiche. In der Regel erfassen Bildsensoren Licht asynchron in Bezug auf die aufgenommene Szenerie bzw. das aufgenommene Bild. Das bedeutet, dass Teile eines Bild-Frames über einem Teil der Frame-Dauer möglicherweise nicht belichtet werden. Dies gilt insbesondere für helle Szenerien, wenn Integrationszeiten viel kürzer sind als die verwendete Frame-Zeit. Zonen in einem Bild-Frame, die nicht vollständig durch dynamische Szenerie belichtet werden, können zu einer Verzerrung von Objekten, zu Geisterbildeffekten und Farbartefakten führen, wenn die Szenerie sich bewegende oder sich schnell verändernde Objekte beinhaltet. Ähnliche Effekte können beobachtet werden, wenn die Kamera während Bildaufnahmeoperationen bewegt oder erschüttert wird.
Herkömmliche Bildgebungs- bzw. Bilderzeugungssysteme können auch Bilder mit Artefakten aufweisen, die mit einem niedrigen Dynamikumfang bzw. Kontrast assoziiert sind. Szenen mit hellen und dunklen Teilen können in herkömmlichen Bildsensoren Artefakte hervorbringen, da Teile des Bildes überbelichtet oder unterbelichtet werden können.
Es ist üblich, Dual-Gain-Pixel zu verwenden, um den Dynamikumfang eines Bildsensors zu verbessern. Sie können entweder in einem festen Auslesemodus mit einem hohen Maß an Verstärkung bzw. High Gain oder mit einem niedrigen Maß an Verstärkung bzw. Low Gain oder in einem dualen Auslesemodus verwendet werden, wo beide Gain-Modi ausgelesen werden. Im dualen Auslesemodus wird eine Ladung entweder vollständig auf der Photodiode gespeichert, oder man lässt sie während der Integration in einen Floating-Diffusion-Knoten überlaufen. Die Kombination aus Dual-Gain-Auslesung mit Überlauf während der Integration ermöglicht die größte Steigerung des Dynamikumfangs.
Dual-Gain-Pixel lesen herkömmlicherweise erfasste High-Gain- und Low-Gain-Bilddaten in entsprechenden High-Gain- und Low-Gain-Konfigurationen aus. Das Wechseln zwischen der High-Gain-Konfiguration und der Low-Gain-Konfiguration führt zu elektrischer Überlagerung. Diese Überlagerung bewirkt einen unerwünscht großen elektrischen Fehler bzw. Versatz zwischen Signalen, die in der High-Gain-Konfiguration gelesen werden, und Signalen, die in der Low-Gain-Konfiguration gelesen werden. Dieser elektrische Versatz kann bewirken, dass Pixelausgangssignale einen absoluten Wert haben, der außerhalb des Betriebsbereichs einer analogen Ausleseschaltung in dem Bilderzeugungssystem liegt.
Dual-Gain-Pixel lesen erfasste Bilddaten herkömmlicherweise anhand eines Verfahrens aus, das entweder vier Pixelausleseoperationen und Analog-zu-Digital-Wandlungen (ADCs) benötigt, wenn ohne einen Frame-Puffer gearbeitet wird, oder drei Pixel-Auslesevorgänge und drei ADCs, wenn mit einem Frame-Puffer gearbeitet wird. Im letztgenannten Fall ist der Frame-Puffer nötig, um ein Bezugsbild zur Versatzkorrektur zwischen Signalen bereitzustellen. Die Durchführung zusätzlicher Auslesungen und ADC-Wandlungen benötigt zusätzliche Leistung, während die Einführung eines Frame-Puffers zusätzliche Hardware benötigt. Solch ein erhöhter Leistungsverbrauch und die Hinzufügung von Hardware sind allgemein ungünstig.
Daher wäre es von Vorteil, wenn Bildsensoren mit hohem Dynamikumfang (HDR) geschaffen werden könnten, die keinen großen elektrischen Versatz zwischen Pixelausgangssignalen aufweisen, die weniger Auslesevorgänge und ADC-Wandlungen benötigen als herkömmliche Bildsensoren und die keinen Frame-Puffer für die Pixelauslesung benötigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schema einer der Veranschaulichung dienenden elektronischen Vorrichtung mit einem Bildsensor gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Schema einer der Veranschaulichung dienenden Pixelanordnung und einer zugehörigen Ausleseschaltung zum Auslesen von Bildsignalen in einem Bildsensor gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein Schaltplan eines Dual-Gain-Bildpixels und ein entsprechendes Potentialdiagramm.
4 ist eine Reihe von Potentialdiagrammen zur Veranschaulichung von Potentialniveaus und des Ladungsflusses durch die Schaltung von 3 bei einer Dreifachleseansteuerung unter Bedingungen starker Beleuchtung und schwacher Beleuchtung.
5 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Zustands des Pixels, der Zeitsteuerung von Steuersignalen und der Zeitsteuerung von Analog-zu-Digital-Wandlungen und Sensorausleseoperationen in der Schaltung von 3 bei der Dreifachleseansteuerung von 4.
6 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Zustands des Pixels, der Zeitsteuerung von Steuersignalen und der Zeitsteuerung von Analog-zu-Digital-Wandlungen und Sensorausleseoperationen in der Schaltung von 3 bei einer Vierfachleseansteuerung.
7 ist ein Diagramm, das Lichtstärke gegen Signalstärke von Pixelausgangssignalen zeigt, die eine Entsprechung zeigen zu der Dreifach- bzw. der Vierfachleseansteuerung von 5 und 6.
8 ist eine Reihe von Potentialdiagrammen zur Veranschaulichung von Potentialniveaus und des Ladungsflusses durch die Schaltung von 3 bei einer verbesserten Dreifachleseansteuerung unter Bedingungen starker Beleuchtung und schwacher Beleuchtung gemäß einer Ausführungsform.
9 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Zustands des Pixels, der Zeitsteuerung von Steuersignalen und der Zeitsteuerung von Analog-zu-Digital-Wandlungen und Sensorausleseoperationen in der Schaltung von 3 bei der verbesserten Dreifachleseansteuerung von 8 gemäß einer Ausführungsform.
10 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Zustands des Pixels, der Zeitsteuerung von Steuersignalen und der Zeitsteuerung von Analog-zu-Digital-Wandlungen und Sensorausleseoperationen in der Schaltung von 3 bei einer verbesserten Vierfachleseansteuerung gemäß einer Ausführungsform.
11 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung von Lichtstärke gegen Signalstärke von Pixelausgangssignalen, die eine Entsprechung zeigen zu dem verbesserten Dreifach-/Vierfachleseverfahren von 9 und 10 gemäß einer Ausführungsform.
12 ist ein Diagramm, das Lichtstärke gegen Signalstärke von Pixelausgangssignalen und ein Verfahren zum Mischen von Pixelausgangssignalen veranschaulicht, das ein einziges lineares Ausgangssignal mit hohem Dynamikumfang hervorbringt.
13 ist eine Reihe von Potentialdiagrammen zur Veranschaulichung von Potentialniveaus und des Ladungsflusses durch die Schaltung von 3 bei einer verbesserten Dreifachleseansteuerung unter Bedingungen starker Beleuchtung und schwacher Beleuchtung gemäß einer Ausführungsform, die entweder weniger Analog-zu-Digital-Wandlungen benötigt oder die einen Frame-Puffer überflüssig macht.
14 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Zustands des Pixels, der Zeitsteuerung von Steuersignalen und der Zeitsteuerung von Analog-zu-Digital-Wandlungen und Sensorausleseoperationen in der Schaltung von 3 bei einer verbesserten Dreifachleseansteuerung gemäß einer Ausführungsform, die drei Analog-zu-Digital-Wandlungen durchführt und die keinen Frame-Puffer benötigt.
15 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Zustands des Pixels, der Zeitsteuerung von Steuersignalen und der Zeitsteuerung von Analog-zu-Digital-Wandlungen und Sensorausleseoperationen in der Schaltung von 3 bei einer verbesserten Dreifachleseansteuerung gemäß einer Ausführungsform, die zwei Analog-zu-Digital-Wandlungen durchführt und die einen Frame-Puffer benötigt.
16 ist ein Diagramm, das Lichtstärke gegen Signalstärke von Pixelausgangssignalen und ein Verfahren zum Mischen von Pixelausgangssignalen, um ein lineares Ausgangssignal mit hohem Dynamikumfang zu erhalten, gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, das optional das Speichern von Kalibrierungsdaten in einem Frame-Puffer beinhaltet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Bildsensoren, und genauer Bildsensoren, die Dual-Gain-Pixel mit Ausgangssignalen mit hohem Dynamikumfang (HDR) aufweisen. Der Fachmann wird erkennen, dass die vorliegenden Ausführungsbeispiele auch ohne einige oder alle dieser spezifischen Details in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen wurden bereits bekannte Operationen nicht ausführlich beschrieben, um die vorliegenden Ausführungsformen nicht unnötig zu verunklaren.
Bilderzeugungssysteme, die digitale Kameramodule aufweisen, werden in elektronischen Vorrichtungen wie Digitalkameras, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Vorrichtungen in großem Umfang genutzt. Ein Digitalkamera-Modul kann einen oder mehrere Bildsensoren einschließen, die eintreffendes Licht sammeln, um ein Bild zu erfassen.
In einigen Situationen können bildgebende Systeme einen Teil eines größeren Systems bilden, wie z. B. eines Überwachungssystems oder eines Sicherheitssystems für ein Fahrzeug (z. B. ein Automobil, einen Bus oder ein beliebiges anderes Fahrzeug). Bei einem Fahrzeug-Sicherheitssystem können durch das bildgebende System erfasste Bilder vom Fahrzeug-Sicherheitssystem verwendet werden, um Umweltbedingungen in der Umgebung des Fahrzeugs zu bestimmen. Beispiele für Fahrzeug-Sicherheitssysteme können Systeme einschließen, wie z. B. ein Park-Assistenzsystem, ein automatisches oder halbautomatisches Geschwindigkeitsregelsystem, ein automatisches Bremssystem, ein Kollisionsvermeidungssystem, ein Spurhaltesystem (gelegentlich bezeichnet als Spurabweichungs-Vermeidungssystem) usw.
Zumindest in einigen Fällen kann ein bildgebendes System einen Teil eines halbautonomen oder autonomen selbstfahrenden Fahrzeugs bilden. Derartige bildgebende Systeme können Bilder erfassen und unter Verwendung dieser Bilder in der Nähe befindliche Fahrzeuge erkennen. Wenn ein in der Nähe befindliches Fahrzeug in einem Bild erfasst wird, kann das Fahrzeugsicherheitssystem manchmal ein Warnlicht, einen Warnalarm betätigen oder kann Brems-, aktive Lenk- oder andere aktive Kollisionsvermeidungsmaßnahmen aktivieren. Ein Fahrzeug-Sicherheitssystem kann kontinuierlich von einem bildgebenden System mit einem Digitalkamera-Modul erfasste Bilder verwenden, um das Vermeiden von Kollisionen mit Objekten (z. B. mit anderen Automobilen oder anderen Objekten in der Umgebung) zu unterstützen, um ein unbeabsichtigtes Abweichen (z. B. Überfahren von Fahrbahnbegrenzungen) zu vermeiden oder um auf andere Weise den sicheren Betrieb eines Fahrzeugs während eines normalen Betriebsmodus des Fahrzeugs zu unterstützen.
Bildsensoren können Arrays bzw. Anordnungen aus Bildpixeln einschließen. Die Pixel in den Bildsensoren können lichtempfindliche Elemente wie Photodioden einschließen, die das auftreffende Licht in elektrische Ladung umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln haben (z. B. hunderte oder tausende oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise hunderte, tausende oder Millionen von Pixeln haben (z. B. Megapixel).
Bildsensorpixel können Dual-Gain-Pixel sein, die zusätzliche Transistoren und Speicherregionen zusammen mit Dual-Gain-Ausleseverfahren verwenden, um den Dynamikumfang des Pixels zu verbessern. Die verwendeten Dual-Gain-Ausleseverfahren können angepasst werden, um den elektrischen Versatz zwischen Pixelausgangssignalen zu verringern, die Anzahl der für die Auslesung nötigen Analog-zu-Digital-Wandlungen (ADCs) zu verringern und um einen Frame-Puffer überflüssig zu machen.
1 ist ein Diagramm eines der Veranschaulichung dienenden Imaging-and-Response-Systems mit einem bildgebenden bzw. Bilderzeugungssystem, das einen Bildsensor zum Erfassen von Bildern verwendet. Ein System 100 von 1 kann ein Fahrzeugsicherheitssystem (z. B. ein aktives Bremssystem oder ein anderes Fahrzeugsicherheitssystem) sein, kann ein Überwachungssystem sein oder kann eine elektronische Vorrichtung sein wie eine Kamera, ein Mobiltelefon, eine Videokamera oder eine andere elektronische Vorrichtung, die digitale Bilddaten aufnimmt.
Entsprechend der Darstellung in 1 kann das System 100 ein bildgebendes System wie das bildgebende System 10 sowie Host-Subsysteme wie das Host-Subsystem 20 einschließen. Das bildgebende System 10 kann das Kameramodul 12 einschließen. Das Kameramodul 12 kann einen oder mehrere Bildsensoren 14 und eine oder mehrere Linsen einschließen. Die Linsen im Kameramodul 12 können beispielsweise M·N individuelle, in einem M-x-N-Array angeordnete Linsen einschließen. Die individuellen Bildsensoren 14 können in einem entsprechenden M-x-N-Bildsensor-Array (als Beispiel) angeordnet sein. Die Werte für M und N können jeweils gleich oder größer eins sein, können jeweils gleich oder größer zwei sein, können größer 10 sein oder können irgendwelche anderen geeigneten Werte aufweisen.
Die Bildsensoren einer bestimmten integrierten Schaltung einer Bildsensoranordnung im Kameramodul 12 können jeweils gleich sein oder sie können zu verschiedenen Arten von Bildsensoren gehören. Jeder Bildsensor kann ein VGA-Sensor (Video Graphics Array) mit einer Auflösung von 480×640 Bildsensorpixeln (als Beispiel) sein. Andere Ausgestaltungen von Bildsensorpixeln können ebenfalls für die Bildsensoren verwendet werden, falls gewünscht. Zum Beispiel können Bildsensoren mit einer Auflösung über VGA (z. B. hochauflösende Bildsensoren), mit einer Auflösung unter VGA und/oder Bildsensormatrizes, in denen die Bildsensoren nicht alle gleich sind, verwendet werden.
Während der Bildaufnahme- bzw. Bilderfassungsoperationen kann jede Linse Licht auf einen zugeordneten Bildsensor 14 bündeln. Der Bildsensor 14 kann lichtempfindliche Elemente (z. B. Pixel) einschließen, die das Licht in digitale Daten umwandeln. Bildsensoren können eine beliebige Anzahl von Pixeln haben (z. B. hunderte, tausende, Millionen oder mehr). Ein typischer Bildsensor kann beispielsweise Millionen von Pixeln haben (z. B. Megapixel). Zum Beispiel kann der Bildsensor 14 eine Vorspannungsschaltung (z. B. Sourcefolger-Lastschaltkreise), eine Abtast-Halte-Schaltung, eine Doppelabtastungskorrelations-(CDS)-Schaltung, eine Verstärkerschaltung, eine Analog-zu-Digital-Wandlerschaltung, eine Datenausgabeschaltung, einen Speicher (z. B. eine Speicherschaltung), eine Adressschaltung usw. beinhalten.
Stand- und Video-Bilddaten vom Kamerasensor 14 können über den Pfad 26 an der Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 bereitgestellt werden. Die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 kann verwendet werden, um Bildverarbeitungsfunktionen auszuführen, wie z. B. Datenformatierung, Weißabgleich und Belichtung, Implementierung von Video-Bildstabilisierung, Gesichtserkennung usw. Die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 kann auch eingesetzt werden, um bei Bedarf Rohbilddateien der Kamera zu komprimieren (z. B. in das JPEG-Format (Joint Photographic Experts Group)). In einer typischen Ausgestaltung, die gelegentlich als System-on-a-Chip-(SOC)-Ausgestaltung bezeichnet wird, sind der Kamerasensor 14 und die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (z. B. einem gemeinsamen Silizium-Chip einer integrierten Bildsensorschaltung) implementiert. Bei Bedarf können der Kamerasensor 14 und die Bildverarbeitungsschaltung 16 auf separaten Halbleitersubstraten ausgebildet sein. Beispielsweise können der Kamerasensor 14 und die Bildverarbeitungsschaltung 16 auf separaten, aufeinander gestapelten Substraten ausgebildet sein.
Das bildgebende System 10 (z. B. die Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16) kann über den Pfad 18 erfasste Bilddaten zum Host-Subsystem 20 übermitteln. Das Host-Subsystem 20 kann ein aktives Steuersystem beinhalten, das Steuersignale zum Steuern von Fahrzeugfunktionen wie Bremsen oder Lenken an externe Vorrichtungen schickt. Das Host-Subsystem 20 kann Verarbeitungssoftware beinhalten zum Erfassen von Objekten in Bildern, zum Erfassen von Bewegungen von Objekten zwischen Einzelbildern, zum Bestimmen der Abstände zu Objekten in Bildern, zum Filtern oder anderweitigen Bearbeiten von Bildern, die vom Bilderzeugungssystem 10 bereitgestellt werden. Das Host-Subsystem 20 kann ein Warnsystem einschließen, das konfiguriert ist, um das bildgebende System 10 außer Kraft zu setzen und/oder eine Warnung zu generieren (z. B. eine Warnleuchte auf der Armaturentafel eines Automobils, eine akustische Warnung oder eine andere Warnung), falls die Verifizierungsbilddaten, die mit einem Bildsensor assoziiert sind, angeben, dass der Bildsensor nicht korrekt funktioniert.
Falls gewünscht, kann das System 100 einem Benutzer zahlreiche hochentwickelte Funktionen bereitstellen. Beispielsweise kann einem Nutzer in einem Computer oder einem hochentwickelten Mobiltelefon die Möglichkeit geboten werden, Nutzeranwendungen laufen zu lassen. Zum Implementieren dieser Funktionen kann das Host-Subsystem 20 des Systems 100 Eingabe-Ausgabe-Einrichtungen 22 haben, wie z. B. Tastaturen, Eingabe-Ausgabe-Ports, Joysticks und Anzeigen und eine Speicher- und Verarbeitungsschaltung 24. Die Speicher- und Verarbeitungsschaltung 24 kann flüchtigen und nichtflüchtigen Speicher (z. B. Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Flash-Speicher, Festplatten, Festkörperlaufwerke usw.) beinhalten. Die Speicher- und Verarbeitungsschaltung 24 kann auch Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Digitalsignalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen usw. beinhalten.
Während des Betriebs des Bilderzeugungssystems 10 kann das Kameramodul 12 Bild-Frames kontinuierlich erfassen und am Host-Subsystem 20 bereitstellen. Während der Bilderfassungsoperationen kann die dem Bildsensor 14 zugeordnete Verifizierungsschaltung hin und wieder betrieben werden (z. B. im Anschluss an jede Bild-Frame-Erfassung, im Anschluss an jede zweite Bild-Frame-Erfassung, im Anschluss an jede fünfte Bild-Frame-Erfassung, während eines Teils einer Bild-Frame-Erfassung usw.). Bilder, die erfasst werden, während eine Verifizierungsschaltung betätigt wird, können Verifizierungsbilddaten einschließen, die Verifizierungsinformationen enthalten. Verifizierungsbilddaten können an der Bildverarbeitungsschaltung 16 und/oder an der Speicher- und Verarbeitungsschaltung 24 bereitgestellt werden. Die Bildverarbeitungsschaltung 16 kann konfiguriert sein, um die Verifizierungsbilddaten mit einem in der Bildverarbeitungsschaltung 16 gespeicherten vorbestimmten Datensatz zu vergleichen. Im Anschluss an den Vergleich kann die Bildverarbeitungsschaltung 16 Zustandsinformationen oder andere Verifizierungsinformationen zum Host-Subsystem 20 senden.
Ein Beispiel einer Ausgestaltung für das Kameramodul 12 von 1 ist gezeigt in 2. Entsprechend der Darstellung in 2 schließt das Kameramodul 12 einen Bildsensor 14 und eine Steuer- und Verarbeitungsschaltung 44 ein. Die Steuer- und Verarbeitungsschaltung 44 kann eine Entsprechung zeigen zur Bildverarbeitungs- und Datenformatierungsschaltung 16 in 1. Der Bildsensor 14 kann ein Pixel-Array, wie z. B. das Array 32 aus Pixeln 34 einschließen (hierin gelegentlich als Bildsensorpixel oder Bildpixel 34 bezeichnet). Über den Datenpfad 28 kann die Steuer- und Verarbeitungsschaltung 44 mit einer Zeilensteuerschaltung 40 verbunden sein und mit einer Spaltensteuer- und Ausleseschaltung 42 verbunden sein. Die Zeilensteuerschaltung 40 kann Zeilenadressen von der Steuer- und Verarbeitungsschaltung 44 empfangen und kann über Steuerpfade 36 entsprechende Zeilensteuersignale an Bildpixel 34 liefern (z. B. Dualwandlungsgewinn-Steuersignale, Pixel-Reset-Steuersignale, Ladungsübertragungs-Steuersignale, Blooming-Steuersignale, Zeilenauswahl-Steuersignale oder irgendwelche anderen gewünschten Pixelsteuersignale). Die Spaltensteuer- und Auslese-Schaltung 42 kann über eine oder mehrere Signalleitungen, wie z. B. die Spaltenleitungen 38, mit den Spalten des Pixel-Arrays 32 verbunden sein. Die Spaltenleitungen 38 können mit jeder Spalte der Bildpixel 34 im Bildpixel-Array 32 verbunden sein (z. B. kann jede Pixel-Spalte mit einer entsprechenden Spaltenleitung 38 verbunden sein). Die Spaltenleitungen 38 können zum Auslesen von Bildsignalen von den Bildpixeln 34 und zur Übertragung von Vorspannungssignalen (z. B. Vorspannungsströmen oder Vorspannungsspannungen) zu den Bildpixeln 34 verwendet werden. Während Bildpixelausleseoperationen kann eine Pixelzeile im Bildpixel-Array 32 unter Verwendung der Zeilensteuerschaltung 40 ausgewählt werden, und Bilddaten, die mit Bildpixeln 34 dieser Pixelzeile assoziiert sind, können durch die Spaltensteuer- und -ausleseschaltung 42 auf Spaltenleitungen 38 ausgelesen werden.
Die Spaltensteuer- und -ausleseschaltung 42 kann eine Spaltenschaltung, beispielsweise Spaltenverstärker zum Verstärken von Signalen, die aus dem Array 32 ausgelesen werden, eine Abtast- und Halteschaltung zum Abtasten und Speichern von Signalen, die aus dem Array 32 ausgelesen werden, eine Analog-zu-Digital-Wandlerschaltung zum Umwandeln von ausgelesenen Analogsignalen in entsprechende Digitalsignale und Spaltenspeicher zum Speichern der ausgelesenen Signale und irgendwelcher anderen gewünschten Daten beinhalten. Die Spaltensteuer- und -ausleseschaltung 42 kann über die Leitung 26 digitale Pixelwerte an die Steuer- und Verarbeitungsschaltung 44 ausgeben.
Das Array 32 kann eine beliebige Anzahl von Zeilen und Spalten haben. Generell richten sich die Größe des Arrays 32 und die Anzahl der Zeilen und Spalten im Array 32 nach der spezifischen Implementierung des Bildsensors 14. Während Zeilen und Spalten hierin generell als horizontal bzw. vertikal beschrieben sind, können sich Zeilen und Spalten auf beliebige rasterähnliche Strukturen beziehen (z. B. können hierin als Zeilen beschriebene Merkmale vertikal angeordnet sein und hierin als Spalten beschriebene Merkmale können horizontal angeordnet sein).
Falls gewünscht, kann das Array 32 Teil einer Stapelchip-Ausgestaltung sein, bei der Pixel 34 des Array 32 auf zwei oder mehr gestapelte Substrate aufgeteilt sind. Bei einer solchen Ausgestaltung kann jedes der Pixel 34 im Array 32 auf die beiden Chips an jedem gewünschten Knoten im Pixel aufgeteilt werden. Zum Beispiel kann ein Knoten wie beispielsweise ein Floating-Diffusion-Knoten über zwei Chips hinweg ausgebildet sein. Eine Pixelschaltung, welche die Photodiode und die Schaltung beinhaltet, die zwischen die Photodiode und den gewünschten Knoten (beispielsweise den Floating-Diffusion-Knoten wie im vorliegenden Beispiel) gekoppelt ist, kann auf einem ersten Chip ausgebildet sein, und die übrige Pixelschaltung kann auf einem zweiten Chip ausgebildet sein. Der gewünschte Knoten kann auf einer Kopplungsstruktur (beispielsweise einem Kontakt-Pad, einem Mikropad, einer leitenden Verbindungsstruktur oder einer leitenden Durchkontaktierung), welche die beiden Chips miteinander verbindet, ausgebildet sein (d. h. ein Teil davon sein). Bevor die beiden Chips gebondet werden, kann die Kopplungsstruktur einen ersten Teil auf dem ersten Chip aufweisen und kann einen zweiten Teil auf dem zweiten Chip aufweisen. Der erste Chip und der zweite Chip können so aneinander gebondet werden, dass ein erster Teil der Kopplungsstruktur und der zweite Teil der Kopplungsstruktur aneinander gebondet und elektrisch verbunden werden. Falls gewünscht, können der erste und der zweite Teil durch Pressen aneinander gebondet werden. Dies soll jedoch nur der Veranschaulichung denen. Falls gewünscht, können der erste und der zweite Teil der Kopplungsstrukturen, die jeweils am ersten und am zweiten Chip ausgebildet sind, anhand einer beliebigen Metall-an-Metall-Bondingtechnik, beispielsweise Löten oder Schweißen, aneinander gebondet werden.
Wie bereits angegeben, kann der gewünschte Knoten im Pixelschaltkreis, der über die beiden Chips verteilt ist, ein Floating-Diffusion-Knoten sein. Alternativ dazu der Knoten zwischen einer Floating-Diffusion-Region und dem Gate eines Sourcefolgertransistors (d. h. der Floating-Diffusion-Knoten kann auf dem ersten Chip ausgebildet sein, auf dem die Photodiode ausgebildet ist, während die Kopplungsstruktur den Floating-Diffusion-Knoten mit dem Sourcefolgertransistor auf dem zweiten Chip verbinden kann), der Knoten zwischen einer Floating-Diffusion-Region und einem Source-Drain-Knoten eines Übertragungstransistors (d. h. der Floating-Diffusion-Knoten kann auf dem zweiten Chip ausgebildet sein, auf dem sich die Photodiode nicht befindet), der Knoten zwischen einem Source-Drain-Knoten eines Sourcefolgertransistors und einem Zeilenauswahltransistor oder irgendein anderer Knoten des Pixelschaltkreises.
3 ist ein Schaltplan eines Dual-Gain-Bildpixels und eines entsprechenden Potentialdiagramms. Entsprechend der Darstellung in 3 beinhaltet ein Dual-Gain-Bildpixel 200 ein lichtempfindliches Element 202 (z. B. eine Photodiode) mit einem ersten Anschluss, der mit Masse 222 verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der über den Übertragungstransistor 204 mit einem Floating-Diffusion-Knoten (FD) 212 verbunden ist. Der Floating-Diffusion-Knoten 212 ist über einen Gain-Auswahltransistor 206 und einen Reset-Transistor 208 mit einer Spannungsquelle 220 verbunden. Ein Gain-Auswahlkondensator 210 weist eine Kapazität CGS auf und weist einen ersten Anschluss, der mit der Masse 222 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf, der mit einem Knoten verbunden ist, der zwischen dem Gain-Auswahltransistor 206 und dem Reset-Transistor 208 angeordnet ist. Falls gewünscht, kann der erste Anschluss des Gain-Auswahlkondensators 210 stattdessen mit einem (nicht dargestellten) festen Potential verbunden sein. Der Sourcefolgertransistor 214 weist auf: einen Gate-Anschluss, der mit dem Floating-Diffusion-Knoten 212 verbunden ist, einen ersten Source-Drain-Anschluss, der mit der Spannungsquelle 220 verbunden ist, und einen zweiten Source-Drain-Anschluss, der über einen Zeilenauswahltransistor 216 mit einer Spaltenausgangsleitung 218 verbunden ist.
Ein Gate-Anschluss des Übertragungstransistors 204 empfängt ein Steuersignal TX. Ein Gate-Anschluss des Gain-Auswahltransistors 206 empfängt ein Steuersignal GS. Ein Gate-Anschluss des Reset-Transistors 208 empfängt ein Steuersignal RESET. Ein Gate-Anschluss des Zeilenauswahltransistors 216 empfängt ein Steuersignal RS. Die Spannungsquelle 220 stellt eine Spannung Vdd bereit. Die Steuersignale TX, GS, RESET und RS werden von einer Zeilensteuerschaltung bereitgestellt, beispielsweise von der Zeilensteuerschaltung 40 in 2.
Das Potentialdiagramm 230, gezeigt in 3, entspricht dem Spannungsniveau (V) an verschiedenen Stellen innerhalb des Dual-Gain-Pixels 200 und wird verwendet, um Spannungs- und Ladungsniveaus an diesen Stellen zu veranschaulichen, wie sie auftreten während einer Pixeloperation in 4, 8 und 13. Die Photodiodenregion 232 entspricht dem Spannungsniveau an der Photodiode 202. Die Übertragungsregion 234 entspricht dem Spannungsniveau am Übertragungstransistor 204. Die Floating-Diffusion-Region 236 entspricht dem Spannungsniveau am Floating-Diffusion-Knoten 212. Die Gain-Auswahlregion 238 entspricht dem Spannungsniveau am Gain-Auswahltransistor 206. Die Gain-Auswahlspeicherregion 240 entspricht dem Spannungsniveau am Gain-Auswahlkondensator 210. Die Reset-Region 242 entspricht dem Spannungsniveau am Reset-Transistor 208. Die Spannungsquellenregion 244 entspricht dem Spannungsniveau an der Spannungsquelle 220. Ladung (dargestellt durch dunklere Regionen in 4, 8 und 13) akkumuliert in der Photodiodenregion 232 während einer Photodiodenintegration und wird während Ladungsübertragungs- und Signalausleseoperationen auf die Regionen 236 und 240 übertragen.
4 zeigt eine Reihe von Potentialdiagrammen, die eine Entsprechung zeigen zu dem Potentialdiagramm 230 in 3 und die Potentialniveaus im Dual-Gain-Pixel 200 während verschiedener Zeitspannen während einer Dreifachleseansteuerungs des Dual-Gain-Pixels 200 sowohl unter Bedingungen starker Beleuchtung als auch unter Bedingungen schwacher Beleuchtung veranschaulichen. 5 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für die Dreifachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 5 veranschaulicht den Zustand des Pixels 200, die Zeitsteuerung der Steuersignale RESET, TX, GS und RS und die Zeitsteuerung der ADCs und Sensorausleseoperationen des Bildsensors, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 5 entspricht den Potentialdiagrammen von 4. In einer Zeitspanne t₁ werden die Signale TX, GS und RESET auf gültig gesetzt, so dass die Regionen 234, 238 und 242 auf ein hohes Spannungsniveau gesetzt werden, um das Pixel 200 zurückzusetzen. In einer Zeitspanne t₂ werden TX und RESET auf gültig gesetzt, so dass die Regionen 234 und 242 auf ein niedriges Spannungsniveau gesetzt werden.
Pixelbelichtung und -überlauf (overflow) finden in den Zeitspannen t₂–t₃ statt. Die Zeitspanne t₂ stellt den Beginn der Photodiodenladungsintegration dar. Die Zeitspanne t₃ stellt das Ende der Photodiodenladungsintegration dar. Unter Bedingungen schwacher Beleuchtung wird in einer Zeitspanne t₃ die gesamte Ladung in der Photodiodenregion 232 gehalten und es kommt nicht zu einem Überlauf. Bei einer starken Beleuchtung übersteigt die akkumulierte Ladung die Kapazität der Photodiodenregion 232 und fließt in der Zeitspanne t₃ aus der Photodiodenregion 232 in die Floating-Diffusion-Region 236 und die Gain-Auswahlspeicherregion 240.
Eine Pixelauslesung findet während der Zeitspannen t₄–t₈ statt. In der Zeitspanne t₄ wird das Steuersignal RS gepulst, während die Signale RESET, TX und GS auf nichtgültig gesetzt werden (d. h. während das Pixel 200 in einer Konfiguration mit High Gain bzw. hohem Verstärkungsmaß ist). Unter Bedingungen schwacher Beleuchtung, wo keine Ladung übergelaufen ist, verbleibt die akkumulierte Ladung in der Photodiodenregion 232 und trägt nichts zum HGR bei. Unter Bedingungen starker Beleuchtung trägt eine Überlaufladung in der Floating-Diffusion-Region 236 zum HGR bei. Zur Zeit t₅ wird das Signal TX auf gültig gesetzt, während die Signale GS und RESET auf nichtgültig gesetzt werden, um Ladung aus der Photodiodenregion 232 zur Floating-Diffusion-Region 236 zu übertragen. Unter Bedingungen schwacher Beleuchtung wird die Ladung der Photodiode vollständig übertragen, während unter Bedingungen starker Beleuchtung ein Teil der Ladung in der Photodiodenregion 232 zurückbleibt. Zur Zeit t₆ wird das Signal RS gepulst, während die Signale RESET, TX und GS auf nichtgültig gesetzt werden, um die High-Gain-Signalspannung HGS zu lesen. In einer Zeitspanne t₇ werden die Signale TX und GS auf gültig gesetzt, während das Signal REST auf nichtgültig gesetzt wird, so dass jegliche Ladung, die in der Photodiodenregion 232 verblieben ist, auf die Floating-Diffusion-Knoten 236 und die Gain-Auswahlregion 240 verteilt wird. In der Zeitspanne t₈ wird das Signal RS gepulst, während das Signal GS auf gültig gesetzt wird und die Signale RESET und TX auf nichtgültig gesetzt werden (d. h. während das Pixel 200 in einer Low-Gain-Konfiguration ist), um die Low-Gain-Signalspannung LGS zu lesen. Der Pixel-Reset bzw. die Zurücksetzung des Pixels findet in der Zeitspanne t₉ statt. In der Zeitspanne t₉ bleiben die Signale RESET, TX und GS aufgültig gesetzt, bis eine neue Pixelbelichtungs- und -überlaufperiode beginnt.
Entsprechend der Darstellung in 5 werden von dem Bildsensor, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält, pro aufgenommenem Bild drei ADCs und zwei Sensorausleseoperationen durchgeführt. HGR, HGS und LGS werden jeweils unmittelbar nach der Auslesung von analogen in digitale Signale umgewandelt. Sobald die HGR- und HGS-Signale einer ADC-Verarbeitung unterzogen wurden, wird durch Subtrahieren von HGR von HGS ein High-Gain-Signal HG(S-R) erzeugt und dann aus dem Bildsensor ausgelesen. Nach dem Auslesen von HG(S-R) wird dann LGS aus dem Bildsensor ausgelesen.
Man beachte, dass keine Low-Gain-Reset-Spannung ausgelesen wird während der Pixeloperation von 5. Stattdessen wird ein Frame-Puffer verwendet, um eine Kalibrierungsspannung CAL zu speichern, die der Spannung am Floating-Diffusion-Knoten während des Pixel-Reset entspricht. CAL wird während einer nachgelagerten Verarbeitung von LGS subtrahiert, um ein Low-Gain-Signal zu erzeugen. Die Hinzunahme dieses Frame-Puffers erfordert die Einbeziehung zusätzlicher Hardware in den Bildsensor, verringert aber die Anzahl der Lesungen, die pro aufgenommenem Bild durchgeführt werden müssen.
6 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für eine Vierfachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 6 veranschaulicht den Zustand des Pixels 200, die Zeitsteuerung der Steuersignale RESET, TX, GS und RS und die Zeitsteuerung der ADCs und Sensorausleseoperationen des Bildsensors, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält. Die Operationen des Vierfachleseverfahrens, die während der Zeitspannen t₁–t₈ stattfinden, sind denen im Wesentlichen gleich, die oben beschrieben wurden im Zusammenhang mit 5, und Beschreibungen dieser Operationen werden hier um der Kürze willen nicht wiederholt. In dem Vierfach-Leseverfahren von 6 endet die Pixelauslesung nicht mit der Auslesung von LGS. Stattdessen können in einer Zeitspanne t₉ die Signale RESET und GS auf gültig gesetzt werden, während die Signale TX und RS auf nicht gültig gesetzt werden, um das Pixel 200 auf die Spannung Vdd zurückzusetzen. In einer Zeitspanne t₁₀ wird das Signal RS gepulst, während das Signal GS auf gültig gesetzt wird und während die Signale TX und RESET auf nichtgültig gesetzt werden, um die Low-Gain-Reset-Spannung LGR auszulesen. Der Pixel-Reset findet in der Zeitspanne t₁₁ statt. In der Zeitspanne t₁₁ bleiben die Signale RESET, TX und GS auf gültig gesetzt, bis eine neue Pixelbelichtungs- und -überlaufperiode beginnt.
Entsprechend der Darstellung in 6 werden von dem Bildsensor, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält, pro aufgenommenem Bild vier ADCs und zwei Sensorausleseoperationen durchgeführt. HGR, HGS, LGS und LGR werden jeweils unmittelbar nach ihrer Lesung von analogen in digitale Signale umgewandelt. Nachdem die HGR- und HGS-Signale einer ADC-Verarbeitung unterzogen wurden, wird durch Subtrahieren von HGR von HGS ein High-Gain-Signal HG(S-R) erzeugt und dann aus dem Bildsensor ausgelesen. Nach der Auslesung von HG(S-R) wird durch Subtrahieren von LGR von LGS ein Low-Gain-Signal LG(S-R) erzeugt, das dann aus dem Bildsensor ausgelesen wird.
Man beachte, dass in dem Vierfach-Leseverfahren von 6 das Low-Gain-Signal LG(S-R) zum Teil auf Basis der Low-Gain-Reset-Spannung LGR erzeugt wird, die zur Zeit t₁₀ ausgelesen wird, und nicht auf Basis eines gespeicherten Kalibrierungssignals (z. B. das Signals CAL, das oben beschrieben wurde im Zusammenhang mit 5). Dadurch entfällt die Notwendigkeit für die Speicherung eines Kalibrierungssignals in einem Frame-Puffer. Durch dieses Verfahren wird die Anzahl der Lesungen erhöht, die pro aufgenommenem Bild nötig sind, aber dafür wird keinerlei zusätzliche Hardware für einen Frame-Puffer benötigt.
7 ist ein Diagramm, das eine Lichtstärke gegenüber einer Signalstärke (–V) von Signalen veranschaulicht, die anhand der Dreifach-/Vierfachleseansteuerung gelesen werden wie in 4–6. Ein Ladungsüberlauf findet bei einem Lichtstärkeniveau 702 statt. Bei der Dreifachleseansteuerung von 4 und 5 kann ein Kalibrierungssignal CAL, das einer Spannung 740 entspricht, in einem Frame-Puffer gespeichert werden statt ein Signal LGR zu lesen. Die Signale HGR und LGS und ein Teil des Signals HGS weisen oberhalb des Niveaus 702 den gleichen Gradienten 704 für die Lichtstärken auf, aber das Signal HGS wird begrenzt bzw. geclippt, sobald die Lichtstärke groß genug ist, um ein HGS-Signal zu erzeugen, das außerhalb des Betriebsbereichs analoger Ausleseketten im Bildsensor liegt. Die Signale HGS und HGR werden in einer High-Gain-Konfiguration gelesen, während die Signale LGS und LGR in einer Low-Gain-Konfiguration ausgelesen werden. Durch Lesen der Signale HGS und HGR und der Signale LGS und LGR in verschiedenen Konfigurationen wird ein elektrischer Versatz 706 erzeugt, der den Gesamtspannungsbereich der gelesenen Signale ungünstigerweise vergrößert. Genauer trägt zu dem elektrischen Versatz 706 ein Übersprechen bei, das vom Gain-Auswahltransistor 206 erzeugt wird. Der elektrische Versatz macht es schwieriger, Pixelausgangssignale zu optimieren, so dass sie in den Betriebssignalbereich der analogen Ausleseketten im Bildsensor passen. Daher wäre es von Vorteil, diesen elektrischen Versatz zu entfernen.
8 zeigt eine Reihe von Potentialdiagrammen, die eine Entsprechung zeigen zu dem Potentialdiagramm 230 in 3 und die Potentialniveaus im Dual-Gain-Pixel 200 in verschiedenen Zeitspannen während einer verbesserten Dreifachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200 unter Bedingungen sowohl einer schwachen Beleuchtung als auch einer starken Beleuchtung veranschaulichen. 9 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für die Dreifachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200 von 8. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 9 veranschaulicht den Zustand des Pixels 200, die Zeitsteuerung der Steuersignale RESET, TX, GS und RS und die Zeitsteuerung der ADCs und Sensorausleseoperationen des Bildsensors, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 9 kann eine Entsprechung zeigen zu den Potentialdiagrammen von 8. Die Operationen des verbesserten Dreifach-Leseverfahrens, die während der Zeitspannen t₁–t₇ stattfinden, können denen im Wesentlichen gleich sein, die oben beschrieben wurden im Zusammenhang mit 5, und Beschreibungen dieser Operationen werden hier um der Kürze willen nicht wiederholt. In dem verbesserten Dreifach-Leseverfahren von 8 und 9 kann LGS in einer High-Gain-Konfiguration aus dem Pixel 200 ausgelesen werden. In der Zeitspanne t₈ kann das Signal RS gepulst werden, während die Signale GS, TX und RESET auf nichtgültig (d. h. eine High-Gain-Konfiguration) gesetzt werden, um LGS lesen. Ein Pixel-Reset findet in einer Zeitspanne t₉ statt. Während der Zeitspanne t₉ können die Signale RESET, TX und GS auf gültig gesetzt bleiben, bis eine neue Pixelbelichtungs- und -überlaufperiode beginnt. Durch die Absetzung des Signals GS, wenn LGS ausgelesen wird, wird sichergestellt, dass alle Signale, die aus dem Dual-Gain-Pixel 200 ausgelesen werden, den gleichen elektrischen Versatz aufweisen.
Man beachte, dass keine Low-Gain-Reset-Spannung ausgelesen wird während der Pixeloperation von 9. Stattdessen kann ein Frame-Puffer verwendet werden, um eine Kalibrierungsspannung CAL zu speichern, die der Spannung am Floating-Diffusion-Knoten während des Pixel-Reset entspricht. CAL kann während einer nachgelagerten Verarbeitung von LGS subtrahiert werden, um ein Low-Gain-Signal zu erzeugen. Die Hinzunahme dieses Frame-Puffers kann die Einbeziehung zusätzlicher Hardware in den Bildsensor erfordern, kann aber die Anzahl der Lesungen verringern, die pro aufgenommenem Bild durchgeführt werden müssen.
10 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für eine verbesserte Vierfachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 10 veranschaulicht den Zustand des Pixels 200, die Zeitsteuerung der Steuersignale RESET, TX, GS und RS und die Zeitsteuerung der ADCs und Sensorausleseoperationen des Bildsensors, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält. Operationen des verbesserten Vierfach-Leseverfahrens von 10, die während der Zeitspannen t₁–t₈ stattfinden, sind denen im Wesentlichen gleich, die oben beschrieben wurden im Zusammenhang mit 9, während ADC-Wandlungsoperationen und Sensorausleseoperationen des verbesserten Vierfach-Leseverfahrens denen im Wesentlichen gleich sein können, die oben beschrieben wurden im Zusammenhang mit 6. Beschreibungen dieser Operationen werden hier um der Kürze willen nicht wiederholt. In dem verbesserten Vierfach-Leseverfahren von 10 endet die Pixelauslesung nicht mit der Auslesung der LGS. Stattdessen können in einer Zeitspanne t₉ die Signale RESET und GS auf gültig gesetzt werden, während die Signale TX und RS auf nicht gültig gesetzt werden, um das Pixel 200 auf die Spannung Vdd zurückzusetzen. In einer Zeitspanne t₁₀ kann das Signal RS gepulst werden, während die Signale TX, GS und RESET auf nichtgültig (d. h. eine High-Gain-Kanfiguration) gesetzt werden, um die Low-Gain-Reset-Spannung LGR auszulesen. Der Pixel-Reset findet in der Zeitspanne t₁₁ statt. Während der Zeitspanne t₁₁ können die Signale RESET, TX und GS auf gültig gesetzt bleiben, bis eine neue Pixelbelichtungs- und -überlaufperiode beginnt. Dadurch, dass das Signal GS auf nicht gültig gesetzt wird, wird sichergestellt, dass alle Signale, die aus dem Dual-Gain-Pixel 200 ausgelesen werden, den gleichen elektrischen Versatz aufweisen.
Man beachte, dass in dem verbesserten Vierfach-Leseverfahren von 10, das Low-Gain-Signal LG(S-R) zum Teil auf Basis der Low-Gain-Reset-Spannung LGR erzeugt werden kann, die zur Zeit t₁₀ ausgelesen wird, und nicht auf Basis eines gespeicherten Kalibrierungssignals (z. B. das Signals CAL, das oben beschrieben wurde im Zusammenhang mit 5). Dadurch entfällt die Notwendigkeit für die Speicherung eines Kalibrierungssignals in einem Frame-Puffer. Dieses Verfahren kann die Anzahl der Lesungen erhöhen, die pro aufgenommenem Bild nötig sind, aber dafür wird möglicherweise keinerlei zusätzliche Hardware für einen Frame-Puffer benötigt.
11 ist ein Diagramm, das eine Lichtstärke gegenüber einer Signalstärke (–V) von Signalen veranschaulicht, die anhand der verbesserten Dreifach-/Vierfachleseansteuerungen gelesen werden wie in 8–10. Bei der verbesserten Dreifachleseansteuerung von 8 und 9 kann ein Kalibrierungssignal CAL, das einer Spannung 1140 entspricht, in einem Frame-Puffer gespeichert werden statt ein Signal LGR zu lesen. Die Signale HGR und LGS und ein Teil des Signals HGS können oberhalb des Niveaus 1102 den gleichen Gradienten 1104 für die Lichtstärken aufweisen, aber das Signal HGS kann begrenzt bzw. geclippt werden, sobald die Lichtstärke groß genug ist, um ein HGS-Signal zu erzeugen, das außerhalb des Betriebsbereichs analoger Ausleseketten im Bildsensor hegt. Die Signale HGS, HGRLGS und LGR werden in einer High-Gain-Konfiguration gelesen. Dadurch, dass die Signale HGS, HGR, LGS und LGR in der gleichen Konfiguration gelesen werden, ist ein elektrischer Versatz zwischen den Signalen HGS/HGR und den Signalen LGS/LGR verringert, wodurch der Spannungsbereich der gelesenen Signale insgesamt verringert wird. Diese Verringerung des elektrischen Versatzes, die dadurch erreicht wird, dass der Gain-Auswahltransistor 206 auf nichtgültig gesetzt wird, während die Signale LGS und LGR gelesen werden (z. B. im Gegensatz zu den Verfahren von 4–6). Durch das Beseitigen dieses elektrischen Versatzes wird der Signalbereich der ausgelesenen Signale verringert und es wird leichter, Pixelausgangssignale zu optimieren, damit sie in den Betriebssignalbereich der analogen Ausleseketten im Bildsensor passen. Dieser verbesserte Auslesesignalbereich bietet den Vorteil eines besseren Signal-Rausch-Verhältnisses (signal-to-noise ratio, SNR) für High-Gain-Signale HGR und HGS.
12 ist ein Diagramm, das Lichtstärke gegenüber Signalstärke (–V) von Pixelausgangssignalen und ein Verfahren veranschaulicht zum Mischen von zwei Pixelausgangssignalen, um ein einzelnes lineares Ausgangssignal HDR mit hohem Dynamikumfang hervorzubringen. Das High-Gain-Signal HG entspricht dem High-Gain-Signal HG(S-R) von 5–7. Das Low-Gain-Signal LG entspricht dem Low-Gain-Signal LG(S-R) oder LG(S) von 5–7. Das Signal HDR mit dem hohen Dynamikumfang stellt das tatsächliche Signal dar, das nach der Verarbeitung von dem Pixel ausgegeben wird. Für Lichtstärken im Bereich 1224 wird das High-Gain-Signal HG als HDR ausgegeben. Für Lichtstärken im Bereich 1226 wird das Low-Gain-Signal LG entlang des Pfades 1222 verstärkt und dann als HDR ausgegeben. Das Signal LG wird im Bereich 1226 deshalb verwendet, weil dies der Bereich ist, in dem das Signal HG 1220 geclippt wird, weil seine Signalstärke außerhalb des Betriebsbereichs der Analogausleseketten des Bildsensors liegt.
In der Mischregion 1228 ist HDR definiert als die Summe eines Bruchteils des High-Gain-Signals HG und eines Bruchteils des verstärkten Low-Gain-Signals LG. Zum Beispiel kann HDR anhand der nachstehenden Gleichung (1) berechnet werden: HDR = (1 – α)(HG) + (α)(G)(LG) α = [0...1] (1) worin G das Verstärkungsverhältnis zwischen HG und LG ist, das verwendet wird, um LG zu verstärken, und wobei α irgendeine gewünschte Funktion (z. B. linear, s-förmig) ist, die im Bereich von 0 bis 1 liegt, während die Lichtstärke in einem Bereich vom Beginn der Mischregion 1228 bis zum Ende der Mischregion 1228 liegt. Die Überführung des Wertes für HDR von HG auf LG durch Mischen vermeidet einen abrupten Rauschanstieg und verhindert Fehler bei der angenommenen Gain-Differenz zwischen HG und LG. Verglichen mit der Diskontinuität, die erzeugt wird, wenn ein harter Wechsel von HG auf LG vollzogen wird, führt dieses Mischen nur zu einer geringen Nichtlinearität des Signals.
13 zeigt eine Reihe von Potentialdiagrammen entsprechend dem Potentialdiagramm 230 in 3, die Potentialniveaus im Dual-Gain-Pixel 200 in verschiedenen Zeitspannen während einer verbesserten Dreifachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200 mit Dreifach-ADC unter Bedingungen sowohl einer starken Beleuchtung als auch einer schwachen Beleuchtung veranschaulichen, wofür entweder weniger Analog-zu-Digital-Wandlungen benötigt werden oder ein Frame-Puffer überflüssig ist. 14 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für die verbesserte Dreifachleseansteuerung des Dual-Gain-Pixels 200 mit Dreifach-ADC von 13. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 14 veranschaulicht den Zustand des Pixels 200, die Zeitsteuerung der Steuersignale RESET, TX, GS und RS und die Zeitsteuerung der ADCs und Sensorausleseoperationen des Bildsensors, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält. Operationen des verbesserten Dreifach-Leseverfahrens mit Dreifach-ADC von 13 und 14, die während der Zeitspannen t₁–t₃ stattfinden, können denen im Wesentlichen gleich sein, die oben beschrieben wurden im Zusammenhang mit 5, und Beschreibungen dieser Operationen werden hier um der Kürze willen nicht wiederholt. In dem verbesserten Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC von 13 und 14 können alle Signale in einer High-Gain-Konfiguration aus dem Pixel 200 ausgelesen werden. Die Zeitspannen t₄–t₈ können der Pixelauslesung entsprechen. In der Zeitspanne t₄ kann das Signal RS gepulst werden, während die Signale GS, TX und RESET auf nichtgültig (d. h. eine High-Gain-Konfiguration) gesetzt werden, um eine erste High-Gain-Reset-Spannung HGR1 zu lesen. Unter Bedingungen schwacher Beleuchtung enthält die Floating-Diffusion-Region 236 nur wenig oder gar keine Ladung, wenn HGR1 gelesen wird. Unter Bedingungen starker Beleuchtung enthält die Floating-Diffusion-Region 236 eine Ladung, die während der Ladungsakkumulation von der Photodiodenregion 232 übergelaufen ist. In der Zeitspanne t₅ können die Signale RESET und GS auf gültig gesetzt werden, während die Signale TX und RS auf nichtgültig gesetzt werden, um die Floating-Diffusion-Region 236 und die Gain-Auswahlregion 240 des Pixels 200 zurückzusetzen. In der Zeitspanne t₆ kann das Signal RS gepulst werden, während die Signale GS, TX und RESET auf nichtgültig (d. h. eine High-Gain-Konfiguration) gesetzt werden, um eine zweite High-Gain-Resel-Spannung HGR2 zu lesen. In der Zeitspanne t₇ kann das Signal TX auf gültig gesetzt werden, während die Signale GS, RS und RESET auf nichtgültig gesetzt werden, um eine Ladung, die etwa noch in der Photodiodenregion 232 zurückgeblieben ist, auf die Floating-Diffusion-Region 236 zu übertragen. In der Zeitspanne t₈ kann das Signal RS gepulst werden, während die Signale GS, TX und RESET auf nichtgültig (d. h. eine High-Gain-Konfiguration) gesetzt werden, um die High-Gain-Signalspannung HGS zu lesen. Der Pixel-Reset bzw. die Zurücksetzung des Pixels findet in der Zeitspanne t₉ statt. In der Zeitspanne t₉ bleiben die Signale RESET, TX und GS auf gültig gesetzt, bis eine neue Pixelbelichtungs- und -überlaufperiode beginnt.
Entsprechend der Darstellung in 14 werden von dem Bildsensor, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält, pro aufgenommenem Bild drei ADCs und eine Sensorausleseoperation durchgeführt. HGR1 HGR2 und HGS werden jeweils unmittelbar nach der Auslesung von analogen in digitale Signale umgewandelt. Nachdem die HGR1-HGR2- und HGS-Signale einer ADC-Verarbeitung unterzogen wurden, wird ein Bildsignal HDR mit hohem Dynamikumfang erzeugt. HDR wird auf Basis der nachstehenden Gleichung (2) berechnet, wenn die Lichtstärke unter einem ersten Schwellenwert liegt, und auf Basis der nachstehenden Gleichung (3), wenn die Lichtstärke über dem Schwellenwert liegt: HDR = HGS – HGR2 (2) HDR = HGS – HGR2 + G(HGR1 – HGR2) (3) wobei G das Verstärkungsverhältnis zwischen HGR1 nach dem Beginn des Überlaufens und HGS vor dem Beginn des Überlaufens ist, wobei Überlaufen definiert ist als Beginn eines bestimmten Lichtstärkeniveaus. Die Erzeugung des HDR-Signals kann nachgelagert stattfinden. Man beachte, dass das verbesserte Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC von 13 und 14 HGR2 als Reset-Wert verwendet, der als Dunkelheits-Offset dienen kann, um einen Betrieb mit wenig Licht und wenig Rauschen zu gewährleisten. Als Folge davon benötigt das verbesserte Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC keinerlei Frame-Puffer zum Speichern eines Reset-Wertes. Dieses Fehlen eines Frame-Puffers führt dazu, dass weniger Hardware für die Bilderzeugungsvorrichtung benötigt wird, dafür muss aber HGR2 für jedes aufgenommene Bild einer ADC-Wandlung unterzogen werden.
In manchen Ausführungsformen kann ein Mischverfahren verwendet werden, um anhand der nachstehenden Gleichung (4) HDR für Lichtstärken zu berechnen, die in einem Bereich (z. B. einer Mischregion) oberhalb und unterhalb des Schwellenwerts liegen: HDR = HGS – HGR2 + (α)(G)(HGR1 – HGR2); α = [0...1] (4) worin α eine Funktion der Lichtstärke mit einem Wert ist, der über der Mischregion in einem Bereich von 0 bis 1 liegt.
15 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm für ein verbessertes Dreifach-Leseverfahren des Dual-Gain-Pixels 200 mit Dreifach-ADC. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 15 veranschaulicht den Zustand des Pixels 200, die Zeitsteuerung der Steuersignale RESET, TX, GS und RS und die Zeitsteuerung der ADCs und Sensorausleseoperationen des Bildsensors, der das Dual-Gain-Pixel 200 enthält. Steuersignaloperationen des verbesserten Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC von 10, die während der Zeitspannen t₁–t₉ stattfinden, sind denen im Wesentlichen gleich, die oben beschrieben wurden im Zusammenhang mit 14 und werden um der Kürze willen nicht wiederholt. Die ADC-Wandlungs- und Sensorausleseoperationen gemäß der Darstellung in 15 können sich dagegen unterscheiden von denen gemäß der Darstellung in 14. Statt ADC-Wandlungen an beiden High-Gain-Reset-Signalen HGR1 und HGR2 durchzuführen, kann das Bilderzeugungssystem auf Basis dessen, ob erfasste Lichtbedingungen oberhalb oder unterhalb eines Schwellenwerts liegen, entscheiden, entweder HGR1 oder HGR2 umzuwandeln, nachdem HGR2 ausgelesen wurde. Wenn die Lichtbedingungen unterhalb des Schwellenwerts liegen, kann HGR2 einer ADC-Wandlung unterzogen werden. Wenn die Lichtbedingungen oberhalb des Schwellenwerts liegen, kann HGR1 einer ADC-Wandlung unterzogen werden. Das ausgewählte Signal HGR1 oder HGR2 kann nach der ADC-Wandlung ausgelesen werden. HGS kann unabhängig von den Lichtbedingungen einer ADC-Wandlung unterzogen werden, nachdem HGS ausgelesen wurde. HGS kann nach der ADC-Wandlung ausgelesen werden.
Ein Signal HDR mit hohem Dynamikumfang kann auf Basis der ausgelesenen Signale HGS, HGR1 und HGR2 und eines gespeicherten Kalibrierungswerts CAL erzeugt werden. CAL kann dem Wert entsprechen, den HGR2 normalerweise hätte, wenn der Bildschirm im Dunkeln betätigt wird. CAL kann auch als Dunkelheits-Offset-Kalibrierungsspannung bezeichnet werden. CAL kann in einem Frame-Puffer in der Bilderzeugungsvorrichtung gespeichert werden. HDR kann auf Basis der nachstehenden Gleichung (5) erzeugt werden, wenn die Lichtstärke unter einem Schwellenwert liegt, und kann auf Basis der nachstehenden Gleichung (6) erzeugt werden, wenn die Lichtstärke über einem Schwellenwert liegt: HDR = HGS – HGR2 (5) HDR = HGS – CAL + G(HGR1 – CAL) (6) wobei G das Verstärkungsverhältnis zwischen HGR1 nach Beginn des Überlaufens und HGS vor dem Beginn des Überlaufens ist, wobei Überlaufen definiert ist als Beginn eines bestimmten Lichtstärkeniveaus. Die Erzeugung des HDR-Signals kann nachgelagert stattfinden. Die Entscheidung, welche Formel angewendet werden soll, wenn das HDR-Signal erzeugt wird, sollte vor der ADC-Wandlung getroffen werden, so dass zugehörige Entscheidungsinformationen parallel zu den umgewandelten Daten vom ADC-Wandler versendet werden. Man beachte, dass das verbesserte Dreifach-Leseverfahren mit Doppel-ADC von 15 einen Frame-Puffer benötigt, um den Kalibrierungswert CAL zu speichern, aber eine ADC-Wandlung weniger pro aufgenommenem Bild benötigt, vergleicht man es mit dem Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC von 14. Dies bietet den Vorteil eines verringerten Leistungsverbrauchs als Ergebnis dessen, dass pro aufgenommenem Bild weniger ADC-Wandlungen benötigt werden.
16 ist ein Diagramm, das Lichtstärke gegenüber Signalstärke (–V) für Pixelausgangssignale und eine analoge Entscheidungsfällung zur Erzeugung eines linearen Ausgangssignals HDR veranschaulicht. Die Signale HGS, HGR1 und HGR2, gezeigt in 16, können denen entsprechen, die beschrieben wurden in Verbindung mit 13–15. Ein Sättigungspunkt 1620 des HGS kann durch Signalüberlauf begrenzt werden, nicht aber durch Abschneiden bzw. Clipping der analogen Auslesekette. Der Überlauf beginnt bei einem Lichtstärkeniveau 1602.
Für das Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC von 13 und 14 wird HDR bei den Lichtstärken in der Region 1624 anhand der Gleichung (2) berechnet. Für Lichtstärken in der Region 1626 wird HDR anhand der Gleichung (3) berechnet, wobei das Verstärkungsverhältnis G dem Pfad 1622 entsprechen kann.
Der Punkt 1640 stellt die Licht- und Signalstärke dar, die dem Kalibrierungssignal CAL entspricht, das verwendet wird in dem Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC von 15. Für das Dreifach-Leseverfahren mit Dreifach-ADC wird HDR bei Lichtstärken in der Region 1624 anhand von Gleichung (5) berechnet. Für Lichtstärken in der Region 1626 wird HDR anhand der Gleichung (6) berechnet, wobei das Verstärkungsverhältnis G dem Pfad 1622 entsprechen kann.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die ein bildgebendes bzw. ein Bilderzeugungssystem veranschaulichen (z. B. das System 100 aus 1), einschließlich eines bildgebenden Systems und von Host-Subsystemen. Gemäß einem Beispiel kann ein Verfahren zum Betätigen eines Bilderzeugungssystems beinhalten: Akkumulieren von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht mit einer Photodiode in einem Pixel, Auslesen eines ersten Signals mit einer Ausleseschaltung, während das Pixel eine High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das erste Signal auf einem ersten Teil der akkumulierten Ladung basiert, der von der Photodiode in einen Floating-Diffusion-Knoten und einen Gain-Auswahlspeicherknoten überläuft, Übertragen eines zweiten Teils der akkumulierten Ladung, die in der Photodiode zurückgeblieben ist, auf den Floating-Diffusion-Knoten, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, mit einem Übertragungstransistor, Auslesen eines zweiten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das zweite Signal auf dem ersten und dem zweiten Teil der akkumulierten Ladung am Floating-Diffusion-Knoten basiert, Setzen eines Gate-Signals für einen Gain-Auswahltransistor auf gültig, um den ersten und den zweiten Teil der akkumulierten Ladung auf den Floating-Diffusion-Knoten und den Gain-Auswahlspeicherknoten zu verteilen, und Auslesen eines dritten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das dritte Signal auf der auf den Floating-Diffusion-Knoten verteilten Ladung basiert. Das Auslesen des dritten Signals, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, kann beinhalten: Setzen des Gate-Signals für den Gain-Auswahltransistor auf nichtgültig und Auslesen eines dritten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Gate-Signal für den Gain-Auswahltransistor auf nicht gültig gesetzt ist, so dass der Floating-Diffusion-Knoten vom Gain-Auswahlspeicherknoten isoliert ist, wobei das dritte Signal auf der auf den Floating-Diffusion-Knoten verteilten Ladung basiert. Der Gain-Auswahltransistor kann zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten und dem Gain-Auswahlspeicherknoten angeordnet sein. Das Pixel kann ein Dual-Gain-Pixel sein. Das Verfahren kann ferner das Zurücksetzen bzw. einen Reset des Pixels durch Zurücksetzen des Floating-Diffusion-Knotens und des Gain-Auswahlspeicherknotens auf eine Pixelspannung und das Auslesen eines vierten Signals auf Basis der Pixelspannung am Floating-Diffusion-Knoten in der High-Gain-Konfiguration mit der Ausleseschaltung nach Zurücksetzen des Pixels beinhalten.
Gemäß einem anderen Beispiel kann ein Verfahren zur Betätigung eines Bildsystems beinhalten: Akkumulieren von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht mit einer Photodiode in einem Dual-Gain-Pixel, Auslesen eines ersten Signals mit einer Ausleseschaltung, während das Pixel eine High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das erste Signal auf einem ersten Teil der akkumulierten Ladung basiert, die von der Photodiode in einen Floating-Diffusion-Knoten und einen Gain-Auswahlspeicherknoten überläuft, Zurücksetzen des Floating-Diffusion-Knotens und einer Gain-Auswahlspeicherregion auf eine Pixelspannung nach dem Auslesen des ersten Signals, Auslesen eines zweiten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das zweite Signal auf der Pixelspannung am Floating-Diffusion-Knoten basiert, Übertragen eines zweiten Teils der akkumulierten Ladung von der Photodiode auf den Floating-Diffusion-Knoten in der High-Gain-Konfiguration mit einem Übertragungstransistor, Auslesen eines dritten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das dritte Signal auf dem zweiten Teil der akkumulierten Ladung am Floating-Diffusion-Knoten basiert. Die High-Gain-Konfiguration kann das Setzen eines Gain-Signals für einen Gain-Auswahltransistor auf nichtgültig beinhalten, um den Floating-Diffusion-Knoten von der Gain-Auswahlspeicherregion zu isolieren.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Speichern einer Dunkelheits-Offset-Kalibrierungsspannung mit einem Frame-Puffer, das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung an einem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Signal auf Basis einer erfassten Lichtbedingung und das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung am dritten Signal beinhalten.
In manchen Ausführungsformen kann das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung an einem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Signal auf Basis einer erfassten Lichtbedingung beinhalten, dass die Analog-zu-Digital-Wandlung am ersten Signal als Reaktion auf die Erfassung durchgeführt wird, dass die Lichtstärke über einem Schwellenwert liegt. Das Verfahren kann ferner das Verstärken des ersten Signals durch ein Verstärkungsverhältnis zwischen dem dritten Signal und dem ersten Signal und das Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis des verstärkten ersten Signals, der Kalibrierungsspannung und des dritten Signals beinhalten.
In manchen Ausführungsformen kann das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung an einem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Signal auf Basis einer erfassten Lichtbedingung beinhalten, dass die Analog-zu-Digital-Wandlung am zweiten Signal als Reaktion auf die Erfassung, dass die Lichtstärke unter einem Schwellenwert liegt, durchgeführt wird. Das Verfahren kann ferner das Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis der Differenz zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal beinhalten.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung am ersten, am zweiten und am dritten Signal beinhalten.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren das Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis der Differenz zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal als Reaktion auf die Erfassung, dass die Lichtstärke unter einem Schwellenwert liegt, beinhalten.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren das Verstärken des ersten Signals durch ein Verstärkungsverhältnis zwischen dem dritten Signal und dem ersten Signal und das Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis eines verstärkten ersten Signals und des zweiten und des dritten Signals beinhalten.
Gemäß einem anderen Beispiel kann ein Verfahren zur Betätigung eines Bilderzeugungssystems beinhalten: Lesen eines ersten Reset-Signals aus einem Dual-Gain-Pixel, wenn das Dual-Gain-Pixel eine High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das erste Reset-Signal auf einer Überlaufladung in einem Floating-Diffusion-Knoten des Dual-Gain-Pixels basiert, Zurücksetzen des Floating-Diffusion-Knotens und einer Gain-Auswahlspeicherregion auf eine Reset-Spannung, Lesen eines zweiten Reset-Signals aus dem Dual-Gain-Pixel, wenn das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das zweite Reset-Signal auf der Reset-Spannung am Floating-Diffusion-Knoten basiert, und Lesen eines ersten High-Gain-Signals aus dem Dual-Gain-Pixel, wenn das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Speichern eines Dunkelheits-Offset-Kalibrierungswerts in einem Frame-Puffer, das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung an einem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Reset-Signal auf Basis einer erfassten Lichtbedingung und das Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis des ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Reset-Signal und des High-Gain-Signals beinhalten.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung am ersten und am zweiten Reset-Signal und am High-Gain-Signal und das Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis des ersten und des zweiten Reset-Signals und des High-Gain-Signals beinhalten.
Die obigen Ausführungen sollen lediglich die Grundlagen der Erfindung veranschaulichen, und von einem Fachmann können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden, ohne vom Bereich und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Die vorhergehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.

Claims

Verfahren zum Betätigen eines Bilderzeugungssystems, umfassend: Akkumulieren von Ladung als Reaktion auf einfallendes Licht mit einer Photodiode; Auslesen eines ersten Signals, während das Pixel in einer High-Gain-Konfiguration ist, mit Ausleseschaltung, wobei das erste Signal auf einem ersten Teil der akkumulierten Ladung basiert, die aus der Photodiode in einen Floating-Diffusion-Knoten und einen Gain-Auswahlspeicherknoten überläuft; Übertragen eines zweiten Teils der akkumulierten Ladung, die in der Photodiode zurückgeblieben ist, auf den Floating-Diffusion-Knoten, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet; Auslesen eines zweiten Signals, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, mit der Ausleseschaltung, wobei das zweite Signal auf dem ersten und dem zweiten Teil der akkumulierten Ladung am Floating-Diffusion-Knoten basiert; Setzen eines Gate-Signals für einen Gain-Auswahltransistor auf nicht gültig, um den ersten und den zweiten Teil der akkumulierten Ladung auf den Floating-Diffusion-Knoten und einen Gain-Auswahlspeicherknoten zu verteilen; Auslesen eines dritten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das dritte Signal auf der auf den Floating-Diffusion-Knoten verteilten Ladung basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auslesen des dritten Signals, während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, umfasst: Setzen des Gate-Signals für den Gate-Auswahltransistor auf nicht gültig; und Auslesen des dritten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Gate-Signal für den Gain-Auswahltransistor auf nicht gültig gesetzt ist, so dass der Floating-Diffusion-Knoten vom Gain-Auswahlspeicherknoten elektrisch isoliert ist, wobei das dritte Signal auf der am Floating-Diffusion-Knoten verteilten Ladung basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Gain-Auswahltransistor zwischen dem Floating-Diffusion-Knoten und dem Gain-Auswahlspeicherknoten angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Pixel ein Dual-Gain-Pixel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: Zurücksetzen des Pixels durch Einstellen des Floating-Diffusion-Knotens und des Gain-Auswahlspeicherknotens auf eine Pixelspannung.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend: Auslesen eines vierten Signals mit der Ausleseschaltung, nach dem Zurücksetzen des Pixels und während das Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das vierte Signal auf der Pixelspannung am Floating-Diffusion-Knoten basiert.
Verfahren zum Betätigen eines Bilderzeugungssystems, umfassend: Akkumulieren einer Ladung mit einer Photodiode in einem Dual-Gain-Pixel als Reaktion auf einfallendes Licht; Auslesen eines ersten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das erste Signal auf einem ersten Teil der akkumulierten Ladung basiert, die aus der Photodiode in einen Floating-Diffusion-Knoten und einen Gain-Auswahlspeicherknoten überläuft; Zurücksetzen des Floating-Diffusion-Knotens und des Gain-Auswahlspeicherknotens auf eine Pixelspannung nach dem Auslesen des ersten Signals; Auslesen eines zweiten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das zweite Signal auf der Pixelspannung am Floating-Diffusion-Knoten basiert; Übertragen eines zweiten Teils der akkumulierten Ladung von der Photodiode auf den Floating-Diffusion-Knoten mit einem Übertragungstransistor, während das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet; Auslesen eines dritten Signals mit der Ausleseschaltung, während das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das dritte Signal auf dem zweiten Teil der akkumulierten Ladung am Floating-Diffusion-Knoten basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die High-Gain-Konfiguration umfasst, dass ein Gate-Signal für einen Gain-Auswahltransistor auf gültig gesetzt wird, um den Floating-Diffusion-Knoten von der Gain-Auswahlspeicherregion zu isolieren.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Speichern einer Dunkelheits-Offset-Kalibrierungsspannung mit einem Frame-Puffer.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung an einem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Signal auf Basis einer erfassten Lichtbedingung; und Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung am dritten Signal.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Durchführen der Analog-zu-Digital-Wandlung an dem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Signal auf Basis der erfassten Lichtbedingung ferner umfasst: Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung am ersten Signal als Reaktion auf die Erfassung, dass die Lichtstärke über einem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Verstärken des ersten Signals durch ein Verstärkungsverhältnis zwischen dem dritten Signal und dem ersten Signal; und Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis des verstärkten ersten Signals, der Kalibrierungsspannung und des dritten Signals.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Durchführen der Analog-zu-Digital-Wandlung an dem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Signal auf Basis der erfassten Lichtbedingung ferner umfasst: Durchführen der Analog-zu-Digital-Wandlung am zweiten Signal als Reaktion auf die Erfassung, dass die Lichtstärke unter einem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis der Differenz zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Durchführen der Analog-zu-Digital-Wandlung am ersten, am zweiten und am dritten Signal.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis der Differenz zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal als Reaktion auf die Erfassung, dass die Lichtstärke unter einem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Verstärken des ersten Signals durch ein Verstärkungsverhältnis zwischen dem dritten Signal und dem ersten Signal; und Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis eines verstärkten ersten Signals und des zweiten und des dritten Signals.
Verfahren zur Betätigung eines Bilderzeugungssystems, umfassend: Auslesen eines ersten Reset-Signals aus einem Dual-Gain-Pixel, während das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das erste Reset-Signal auf einer überlaufenden Ladung in einem Floating-Diffusion-Knoten des Dual-Gain-Pixels basiert; Zurücksetzen des Floating-Diffusion-Knotens und einer Gain-Auswahlspeicherregion auf eine Reset-Spannung; Lesen eines zweiten Reset-Signals aus dem Dual-Gain-Pixel, wenn das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet, wobei das zweite Reset-Signal auf der Reset-Spannung am Floating-Diffusion-Knoten basiert; und Lesen eines ersten High-Gain-Signals aus dem Dual-Gain-Pixel, wenn das Dual-Gain-Pixel die High-Gain-Konfiguration bildet.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Speichern eines Dunkelheits-Offset-Kalibrierungswerts in einem Frame-Puffer; Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung an einem ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Reset-Signal auf Basis einer erfassten Lichtbedingung; und Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis des ausgewählten einen vom ersten und vom zweiten Reset-Signal.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Durchführen einer Analog-zu-Digital-Wandlung am ersten und am zweiten Reset-Signal und am High-Gain-Signal; und Erzeugen eines Bildsignals mit hohem Dynamikumfang auf Basis des ersten und des zweiten Reset-Signals und des High-Gain-Signals.