使用用于相位检测自动聚焦及图像感测像素的三次读出方法的图像传感器与流程

1.本公开大体上涉及图像传感器，且特定来说但非排他地，涉及包含相位检测自动聚焦及图像感测像素的图像传感器。


背景技术：

2.图像传感器已变得无处不在且现在广泛用于数码相机、蜂窝电话、安全摄像机以及医疗、汽车及其它应用中。随着图像传感器集成到更广泛范围的电子装置中，期望通过装置架构设计以及图像获取处理两者以尽可能多的方式(例如，分辨率、功率消耗、动态范围等)增强它们的功能性、性能指标等。用以制造图像传感器的技术继续快速进步。例如，对更高分辨率及更低功率消耗的需求促使这些装置的进一步小型化及集成。
3.典型的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射在所述图像传感器上而操作。所述图像传感器包含具有光敏元件(例如，光电二极管)的像素阵列，所述光敏元件吸收入射图像光的一部分且在吸收所述图像光之后产生图像电荷。由所述像素光生的图像电荷可被测量为列位线上的模拟输出图像信号，所述模拟输出图像信号依据入射图像光而变动。换句话说，所产生图像电荷的量与图像光的强度成比例，所述图像电荷作为模拟信号从列位线读出且转换为数字值以产生表示外部场景的数字图像(即，图像数据)。


技术实现要素：

4.本公开的一方面涉及一种成像装置，其包括：多个光电二极管，其布置在光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷，其中所述多个光电二极管包含第一光电二极管及第二光电二极管；共享浮动扩散区，其经配置以接收从所述第一及第二光电二极管转移的电荷；及模/数转换器(adc)，其经配置以在复位操作之后响应于所述共享浮动扩散区中的电荷而执行第一次adc转换以产生参考读数，其中所述adc接下来经配置以响应于从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区的电荷而执行第二次adc转换以产生相位检测自动聚焦(pdaf)读数的前半部，其中所述adc接着经配置以响应于从所述第二光电二极管转移的电荷与所述共享浮动区中先前从所述第一光电二极管转移的所述电荷组合而执行第三次adc转换以产生全图像读数。
5.本公开的另一方面涉及一种成像系统，其包括：多个光电二极管，其布置在光电二极管阵列中以响应于入射光而产生电荷，其中所述多个光电二极管包含第一光电二极管及第二光电二极管；共享浮动扩散区，其经配置以接收从所述第一及第二光电二极管转移的电荷；控制电路，其耦合到所述光电二极管阵列以控制所述光电二极管阵列的操作；及读出电路，其耦合到所述光电二极管阵列以通过多个列位线从所述光电二极管阵列读出信号，其中所述读出电路包含模/数转换器(adc)，所述adc经配置以在复位操作之后响应于所述共享浮动扩散区中的电荷而执行第一次adc转换以产生参考读数，其中所述adc接下来经配
置以响应于从所述第一光电二极管转移到所述共享浮动扩散区的电荷而执行第二次adc转换以产生相位检测自动聚焦(pdaf)读数的前半部，其中所述adc接着经配置以响应于从所述第二次pdaf光电二极管转移的电荷与所述共享浮动区中先前从所述第一光电二极管转移的所述电荷组合而执行第三次adc转换以产生全图像读数。
附图说明
6.参考附图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中贯穿各种视图相同参考数字指代类似部件，除非另有指定。
7.图1说明根据本发明的教示的包含光电二极管阵列的成像系统的一个实例。
8.图2说明根据本公开的教示的光电二极管阵列的一个实例。
9.图3说明根据本发明的教示的包含在具有光电二极管阵列的成像系统中的像素电路的一个实例示意图。
10.图4说明根据本发明的教示的一个实例时序图，其说明包含在包含光电二极管阵列的成像系统中的像素电路中的各种信号，从所述光电二极管阵列产生信号并由模/数转换器读出所述信号。
11.贯穿附图的若干视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将明白，图中的元件是为了简单及清楚而说明且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。另外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但易于理解的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的更清晰观察。
具体实施方式
12.本文中描述涉及包含具有相位检测自动聚焦及图像感测光电二极管的像素阵列的成像系统的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在没有所述特定细节中的一或多者的情况下或利用其它方法、组件、材料等实践。在其它例子中，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以便避免混淆某些方面。
13.贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的引用表示结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明的至少一个实例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”不一定全部指同一实例。此外，在一或多个实例中可以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。
14.为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语，例如“在
…
下面”、“在
…
下方”、“在
…
上面”、“在
…
下”、“在
…
上方”、“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”等以描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系，如图中所说明。将理解，除图中所描绘的定向以外，空间相对术语还意在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的装置被旋转或翻转，那么被描述为“在其它元件或特征下方”、“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下”的元件将被定向为“在其它元件或特征上方”。因此，实例性术语“在
…
下方”及“在
…
下”可涵盖在
…
上方及在
…
下方两个定向。装置可以其它方式定向(旋转九十度或按其它定向)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述词。另外，还将理解，
当一元件被称为“在两个其它元件之间”时，其可为所述两个其它元件之间的唯一元件，或也可存在一或多个中介元件。
15.贯穿本说明书，使用若干技术术语。这些术语应具有其所属领域的普通含义，除非本文中明确地定义或其使用上下文另外明确表明。应注意，贯穿本文献，元素名称及符号可互换地使用(例如，si与硅)；然而，两者具有相同含义。
16.如将论述，描述包含具有相位检测自动聚焦(pdaf)及图像感测光电二极管的光电二极管阵列的成像系统的各种实例。在各种实例中，成像系统包含具有响应于入射光而产生电荷的布置在光电二极管阵列中的多个光电二极管的成像装置。在各种实例中，光电二极管阵列中的所有光电二极管可用于相位检测自动聚焦及图像感测两者。因而，光电二极管阵列中的所有光电二极管可具有同一种类的微透镜以及滤色器。在各种实例中，多个光电二极管至少包含第一光电二极管及第二光电二极管。在一个实例中，第一及第二光电二极管是光电二极管阵列中的相邻光电二极管。共享浮动扩散区经配置以接收从第一及第二光电二极管转移的电荷。模/数转换器(adc)经配置以在复位操作之后响应于共享浮动扩散区中的电荷而执行第一次adc转换以产生参考读数。adc接下来经配置以响应于从第一光电二极管转移到共享浮动扩散区的电荷而执行第二次adc转换以产生pdaf读数的前半部。adc接着经配置以响应于从第二光电二极管转移的电荷与共享浮动扩散区中先前从第一光电二极管转移的电荷组合而执行第三次adc转换以产生全图像读数。
17.如将在各种实例中所展示，光电二极管阵列中的光电二极管可布置成2x2光电二极管分组，所述分组包含相邻光电二极管对。在一个实例中，2x2光电二极管分组共享提供成像装置的4c拜耳合并的相同滤色器。
18.成像装置还包含多个转移晶体管，其中多个转移晶体管中的每一者耦合到多个光电二极管中的对应者。多个转移晶体管包含耦合在第一光电二极管与共享浮动扩散区之间的第一转移晶体管及耦合在第二光电二极管与共享浮动扩散区之间的第二转移晶体管。
19.复位晶体管耦合在共享浮动扩散区与电压供应器之间。还包含源极跟随器晶体管。源极跟随器晶体管具有耦合到共享浮动扩散区的栅极及耦合到列位线的源极。在一个实例中，源极跟随器晶体管的源极通过行选择晶体管耦合到列位线。
20.在实例中，adc经配置以响应于在关断第一及第二转移晶体管的同时脉冲化复位晶体管以复位共享浮动扩散区而执行第一次adc转换以确定参考读数。adc接下来经配置以响应于在关断复位晶体管及第二转移晶体管的同时脉冲化第一转移晶体管而执行第二次adc转换以确定pdaf读数的前半部。adc接着经配置以响应于在关断复位晶体管及第一转移晶体管的同时脉冲化第二转移晶体管而执行第三次adc转换以确定全图像读数。
21.接着，可响应于确定第二次adc转换与第一次adc转换之间的差异而确定pdaf读数的前半部。可响应于确定第三次adc转换与第二次adc转换之间的差异而确定pdaf读数的后半部。可响应于相对于彼此评估前半部fdaf与后半部pdaf读数而确定pdaf信息。可响应于确定第三次adc转换与第一次adc转换之间的差异而确定全图像读数。因而，根据本发明的教示，可使用三次读出及adc转换从成像装置的光电二极管确定pdaf读数及图像感测读数两者。
22.为了说明，图1说明根据本发明的教示的包含具有光电二极管阵列的成像装置的成像系统100的一个实例。特定来说，成像系统100包含光电二极管阵列102、控制电路110、
读出电路106及功能逻辑108。在一个实例中，根据本发明的教示，光电二极管阵列102是光电二极管104(例如，p1、p2、
…
、pn)的二维(2d)阵列，所述光电二极管可用于相位检测自动聚焦以及图像感测两者。如在所描绘实例中所说明，光电二极管104布置成行(例如，r1到ry)及列(例如，c1到cx)以获取人、地点、物体等的图像数据及/或焦点数据，接着可使用所述图像数据及/或焦点数据以聚焦、获取及显现人、地点、物体等的2d图像。
23.在一个实例中，光电二极管阵列102中的每一光电二极管104经配置以响应于入射光而光生图像电荷及/或相位检测自动聚焦电荷。每一光电二极管104中产生的图像电荷及/或相位检测自动聚焦电荷转移到每一像素电路中的共享浮动扩散区，所述图像电荷及/或相位检测自动聚焦电荷转换为图像信号或相位检测自动聚焦信号，其接着由读出电路106通过列位线112从每一像素电路读出。在各种实例中，从光电二极管阵列102读出的信号可被放大、数字化，接着转移到功能逻辑108。在各种实例中，读出电路106包含放大电路系统、模/数转换器(adc)或其它元件。在一个实例中，读出电路106可沿着列位线112一次读出一行数据，如图1中所说明，或可使用多种其它技术(未说明)来读出所述数据，例如串行读出或同时完全并行读出所有像素电路。功能逻辑108可存储图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它方式)来操纵图像数据。
24.图2说明根据本公开的教示的光电二极管204的光电二极管阵列202的一个实例。特定来说，图2中所描绘的实例说明光电二极管阵列202，其包含在光电二极管阵列中布置成行及列以响应于入射光而产生电荷的多个光电二极管204。在各种实例中，多个光电二极管204在光电二极管阵列202中布置成至少相邻对。如将更详细地描述，每一相邻光电二极管对包含第一光电二极管及第二光电二极管。
25.图2中所描绘的实例说明光电二极管阵列202是在彩色像素阵列中实施，所述彩色像素阵列包含安置在4c滤色器阵列下的2x2光电二极管分组。应注意，每一2x2光电二极管分组可被视为包含在每一2x2分组中的两个相邻光电二极管对。在另一实例中，应明白，光电二极管阵列202可具有不同布置，例如举例来说单个相邻光电二极管对(例如，2x1)。
26.在图2中所描绘的实例中，应明白，光电二极管阵列202的光电二极管204是合并的。因而，将从每一光电二极管204产生的信息与从一或多个附近的合并光电二极管204产生的信息相加或组合以产生经组合信息，且因此将每一个别光电二极管204的性能相加以改进光电二极管阵列202的性能。例如，在各种实例中，2x2光电二极管204分组经配置以被合并使得包含在每一分组中的4个光电二极管204全部共享同一颜色。换句话说，光电二极管204布置在光电二极管阵列202中使得每一2x2图像感测光电二极管分组是红色(r)、绿色(g)或蓝色(b)。在一个实例中，2x2合并光电二极管204分组全部是光电二极管阵列202中的邻近光电二极管且共享同一滤色器。在所述实例中，针对安置在所述光电二极管上面的2x2红色(r)滤色器分组、2x2绿色(g)滤色器分组及2x2蓝色(b)滤色器分组提供拜耳合并。在一个实例中，应明白，微透镜也可安置在光电二极管上面，但未进行说明以免混淆本发明的教示。
27.在操作中，通过比较或评估来自2x2光电二极管分组的一侧的信号与来自2x2光电二极管分组的另一侧的信号，从成像装置检索相位检测信息。例如，在一个实例中，比较来自水平邻近对的信号。换句话说，比较来自2x2光电二极管分组的左侧光电二极管对(例如，左半部)的信号与来自2x2光电二极管分组的右侧光电二极管对(例如，右半部)的信号。在
另一实例中，比较来自竖直邻近对的信号。换句话说，比较来自2x2光电二极管分组的顶侧光电二极管对(例如，上半部)的信号与来自2x2光电二极管分组的底侧光电二极管对(例如，下半部)的信号。在具有2x1光电二极管分组(图2中未展示)的又一实例中，比较来自2x1光电二极管分组的左侧或顶侧(例如，左半部或上半部)光电二极管的信号与来自2x1光电二极管分组的右侧或底侧(例如，右半部或下半部)光电二极管的信号。
28.如下文将更详细地描述，在一个实例中，在操作期间使光电二极管阵列202的光电二极管的像素电路全部复位且接着在第一次adc转换期间从像素电路读出并数字化信号以确定参考值。接下来，在第二次adc转换期间读出来自每一2x2光电二极管分组的左边两个光电二极管的信号并数字化所述信号以确定pdaf读数的前半部。接着，根据本发明的教示，组合来自每一2x2像素分组的右边两个光电二极管的信号与来自左边两个光电二极管的信号且在第三次adc转换期间读出并数字化所述信号以确定全图像读数。应明白，根据本发明的教示，可利用响应于第一次adc转换而确定的单个参考值以确定所述信号的相关双采样(cds)读数。
29.因此，应明白，从光电二极管阵列202读出信号而无须在每一2x2光电二极管分组的左边两个光电二极管的读出与右边两个光电二极管的读出之间第二次复位像素电路。换句话说，根据本发明的教示，pdaf数据以及图像感测数据可利用三次读出而非四次读出来获得。应明白，根据本发明的教示，利用仅三次读出而非四次读出，噪声性能以及帧速率性能得到改善。
30.例如，如果假设4c光电二极管分组的一个cds读出的噪声是n
cds
且如果4c光电二极管分组的常规读出需要两个cds读出的组合，那么噪声增加倍，或增加到相比之下，使用根据本发明的教示的光电二极管的三次读出方法，利用仅一次读出来确定参考值，这导致噪声性能更接近于n
cds
而非因而，噪声性能得到改善，因为用以获得cds读数的更长时间使噪声性能下降。
31.此外，如果假设4c pdaf光电二极管分组的一个cds读出的帧速率是m，且如果4c光电二极管分组的常规读出需要两个cds读出的组合，那么帧速率降低二分之一，或降低到相比之下，使用根据本发明的教示的光电二极管的三次读出方法，利用仅一次读出来确定参考值，这导致近似的总体帧速率性能。
32.图3说明根据本发明的教示的包含在具有光电二极管阵列的成像系统中的像素电路314的一个实例示意图。应明白，图3的像素电路314可为耦合到包含在如图2中所展示的光电二极管阵列202中的光电二极管204的像素电路中的一者的实例，或耦合到包含在如图1中所展示的光电二极管阵列102中的光电二极管104的像素电路中的一者的实例，且上文所描述的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及起作用。
33.在图3中所描绘的实例中，像素电路314包含耦合到转移晶体管316-0的光电二极管304-0、耦合到转移晶体管316-1的光电二极管304-1、耦合到转移晶体管316-2的光电二极管304-2及耦合到转移晶体管316-3的光电二极管304-3。因此，多个转移晶体管316-0到316-3中的每一者耦合到多个光电二极管304-0到304-3中的相应者。
34.在所述实例中，共享浮动扩散区318耦合到转移晶体管316-0、转移晶体管316-1、
416-0到tx3 416-3保持关断。因而，在时间t1，在关断转移晶体管316-0到316-3的同时接通复位晶体管320以复位包含共享浮动扩散区318的像素电路314。
43.随着在接通复位晶体管320的情况下复位共享浮动扩散区318，接着在时间t2断言行选择晶体管控制信号426，这会接通行选择晶体管326。在行选择晶体管326在时间t2接通的情况下，位线信号bl 412开始充电直到时间t3，此时取消断言复位晶体管控制信号420或此时复位晶体管控制信号420中的脉冲结束，这会在时间t3关断复位晶体管320。因而，在时间t3之后位线信号bl 412开始稳定到复位电平或参考电平。
44.在位线信号bl 412已稳定之后，在时间t4由adc 332执行adc转换操作432以输出位线信号bl 412的第一次adc转换，所述第一次adc转换表示在时间t4处的参考读数。
45.一旦位线信号bl 412的第一次adc转换432完成，就在时间t5断言或脉冲化转移晶体管控制信号tx0 416-0及tx1 416-1，而复位晶体管控制信号420以及转移晶体管控制信号tx2 416-2及tx3 416-3保持在关断状态。因此，在时间t5接通转移晶体管316-0及316-1，而转移晶体管316-2及316-3在时间t5保持关断。因而，在时间t5将在光电二极管304-0及304-1中光生的电荷转移到共享浮动扩散区318。
46.应明白，在图3中所描绘的实例中，光电二极管304-0及304-1表示2x2光电二极管布置的“上半部”。在另一实例中，应明白，光电二极管304-0及304-1可表示2x2光电二极管布置的“左半部”。
47.随着电荷在时间t5从“上半部”光电二极管304-0及304-1转移到共享浮动扩散区318，位线信号bl 412在时间t5开始相应地下降。在电荷已从光电二极管304-0及304-1转移到共享浮动扩散区318之后，取消断言转移晶体管控制信号tx0 416-0及tx1 416-1，这会关断转移晶体管316-0及316-1。在位线信号bl 412已稳定之后，在时间t6由adc 332执行第二次adc转换操作432以输出位线信号bl 412的第二次adc转换，所述第二次adc转换表示在时间t6处的前半部(例如，上半部)pdaf读数。
48.一旦位线信号bl 412的第二次adc转换432完成，就在时间t7断言或脉冲化转移晶体管控制信号tx0 416-2及tx1 416-3，而复位晶体管控制信号420以及转移晶体管控制信号tx0 416-0及tx1 416-1保持在关断状态。因此，在时间t7接通转移晶体管316-2及316-3，而转移晶体管316-0及316-1在时间t7保持关断。因而，在时间t7将在光电二极管304-2及304-3中光生的电荷转移到共享浮动扩散区318或将其与共享浮动扩散区318中的电荷组合。
49.应注意，根据本发明的教示，在从光电二极管304-2及304-3转移电荷之前，共享浮动扩散区318中的电荷不被第二次复位。还应明白，在图3中所描绘的实例中，光电二极管304-2及304-3表示2x2光电二极管布置的“下半部”。在另一实例中，应明白，光电二极管304-2及304-2可表示2x2光电二极管布置的“右半部”。
50.在额外电荷在时间t7从“下半部”光电二极管304-2及304-3转移到共享浮动扩散区318的情况下，位线信号bl 412在时间t7开始相应地再次下降。在额外电荷已从光电二极管304-2及304-3转移到共享浮动扩散区318之后，取消断言转移晶体管控制信号tx2 416-2及tx3 416-3，这会关断转移晶体管316-2及316-3。在位线信号bl 412已再次稳定之后，在时间t8由adc 332执行第三次adc转换操作432以输出位线信号bl 412的第三次adc转换，所述第三次adc转换表示在时间t8处的全(例如，上半部及下半部)图像读数。
51.一旦位线信号bl 412的第三次adc转换432完成，接着就在时间t9取消断言行选择晶体管控制信号426，这会关断行选择晶体管326，从而致使位线信号bl 412返回其空闲状态值。
52.概括地说，应明白，根据本发明的教示，利用三次adc转换432来执行读出。在时间t4使用第一次adc转换(例如，d
out1
)以获得参考，在时间t6使用第二次adc转换(例如，d
out2
)以获得前半部pdaf读数，且在时间t8使用第三次adc转换(例如，d
out3
)以获得全图像读数。
53.在信号处理中，可通过找到第二次adc转换(例如，d
out2
)与第一次adc转换(例如，d
out1
)之间的差异或d
out2-d
out1
来确定相关双采样(cds)或归一化“上半部”pdaf读数。可通过找到第三次adc转换(例如，d
out3
)与第二次adc转换(例如，d
out2
)之间的差异或d
out3-d
out2
来确定“下半部”(例如，“后半部”)pdaf读数。可通过找到第三次adc转换(例如，d
out3
)与第一次adc转换(例如，d
out1
)之间的差异或d
out3-d
out1
来确定全图像读数的cds或归一化版本。
54.对本发明的所说明实例的以上描述，包含摘要中所描述的内容，并非意在穷尽性或将本发明限于所公开的精确形式。虽然在本文中出于说明性目的而描述本发明的特定实例，但如相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可进行各种修改。
55.鉴于以上详细描述，可对本发明进行这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被解释为将本发明限于说明书中所公开的特定实例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。