CN101371564A - 为成像器中的电子稳定提供像素存储栅极电荷感测的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种在至少一个存储栅极下存储来自光电传感器的电荷的成像装置。用于操作所述至少一个存储栅极的驱动器感测多少电荷被转移到所述存储栅极。所述感测的电荷用于获得图像场景的至少一个特性。然后，可使用所述至少一个特性来处理例如运动检测、自动曝光及自动白平衡。

Description

为成像器中的电子稳定提供像素存储栅极电荷感测的方法及设备
技术领域
本发明一般来说涉及成像装置，且更特定来说涉及在成像装置中用于电子平衡的电路及传感器体系结构。
背景技术
一CMOS成像器电路包括像素单元的焦平面阵列，所述单元中的每一单元包括光电传感器，例如光栅极、光导体或光电二极管，其覆盖一衬底以在所述衬底的下方部分中累积光生电荷。每一像素单元具有读出电路(其包括形成于所述衬底内中的至少一输出场效晶体管)及在连接到输出晶体管的栅极的所述衬底上形成的电荷存储区域。所述电荷存储区域可构造为浮动扩散区域。每一像素可包括用于将电荷从光电传感器转移到存储区域的至少一个电子装置(例如晶体管)与用于将所述存储区域重置为电荷转移之前的预定电荷电平的装置(通常也是晶体管)。
在CMOS成像器中，像素单元的活动元件实施如下必要功能：(1)光电转换；(2)累积图像电荷；(3)在将电荷转移到存储区域之前将所述存储区域重置为已知状态；(4)将电荷转移到所述存储区域，同时进行电荷放大；(5)选择像素移动读出；(6)输出并放大表示像素电荷的信号。可在光电荷从初始电荷累积区域向存储区域移动时放大光电荷。在存储区域处的电荷一般被源极随耦器输出晶体管转换成像素输出电压。
上述CMOS成像器类型一般为人所熟知，如(例如)受让于Micron Technology Inc.的美国专利案第6,140,630号、美国专利案第6,376,868号、美国专利案第6,310,366号、美国专利案第6,326,652号、美国专利案第6,204,524号及美国专利案第6,333,205号中所论述，其全部内容以引用方式并入本文。
图1中显示典型四晶体管(4T)CMOS成像器像素10。像素10包括光电传感器12(例如光电二极管、光栅极等)、转移晶体管14、浮动扩散区域FD、重置晶体管16、源极随耦器晶体管18及列选择晶体管20。当转移栅极控制信号TX启动转移晶体管14时，通过转移晶体管14将光电传感器12连接到所述浮动扩散区域FD。
重置晶体管16连接于浮动扩散区域FD与阵列像素供应电压Vaa_pix之间。如此项技术中所熟知，重置控制信号RST用于启动重置晶体管16，其将浮动扩散区域FD重置为阵列像素供应电压Vaa_pix电平。
源极随耦器晶体管18使其栅极连接到浮动扩散区域FD并连接于阵列像素供应电压Vaa_pix与列选择晶体管20之间。源极随耦器晶体管18将在浮动扩散区域FD所存储的电荷转换成电输出电压信号Vout。可通过行选择信号SEL来控制行选择晶体管20以选择性地将源极随耦器晶体管18及其输出电压信号Vout连接到像素阵列的列线22。
存在受益于能够在读出之前感测像素阵列中场景信息的各种应用。所述些应用包括(例如)用以补偿相机移动(手抖动)的运动估计、用于辅助压缩视频流的物件运动、自动曝光及自动白平衡。在能够追踪相机移动的情况下，数字成像器控制电路可调整读出操作的开始位置(一般来说，阵列包含额外行及列以允许读出更小窗口来在帧中保持图像居中以进行电子稳定)。
在图像读出之前估计阵列中物件的局部运动还允许视频流压缩。这通过仅读出相对于先前图像帧已变化的图像部分来发生。对于用于捕捉静态图像的较长曝光，如果在积分期间感测运动并放弃子帧同时在像素内累积良好帧数据，则可消除运动模糊。启用上述功能的运动估计方案还允许检测场景中信号大小，信号大小可用于预测正确的曝光及光温度(用于具有彩色滤光器的传感器)。
在图像读出之前所收集的统计可用于调整窗口开始位置、窗口尺寸、积分时间及信号增益。所述统计还可与数字图像处理算法一起使用以辅助诸如运动检测、自动曝光及自动白平衡的图像处理功能。用以实施所述操控的其他技术包括：(1)使用帧存储器及数字图像处理来追踪运动；或(2)在相机中并入独立运动检测器(例如回转仪)来检测相机运动。但所述些技术仍不合需要。
因此，需要并希望一种场景感测技术，其收集可用于(例如)检测运动或比先前技术更快地处理信号的图像场景统计而不需要额外存储器或离散外部组件。
发明内容
本发明提供一种用于成像器的场景感测技术，其收集可用于(例如)检测运动或比先前技术更快地处理信号的图像场景统计而不需要额外存储器或离散外部组件。
本发明的各种实例性实施例提供一种在至少一个存储栅极下存储来自光电传感器的电荷的成像装置。用于操作所述至少一个存储栅极的驱动器感测多少电荷被转移到所述存储栅极。所述所感测电荷用于获得图像场景的至少一个特性。然后使用所述至少一个特性来处理(例如)运动检测、自动曝光及自动白平衡。
附图说明
结合参考附图，依据上面提供的实例性实施例的详细说明本发明的上述及其他优点与特征将变得更显而易见，其中：
图1图解说明典型四晶体管(4T)CMOS成像器像素；
图2图解说明可使用本发明的CMOS成像器；
图3a图解说明图2成像器中所使用的驱动器部分的一个实例；
图3b是所述图3a驱动器部分的操作的实例性时序图；
图4a图解说明依据本发明所构造并用于图2成像器的驱动器部分的一个实施例；
图4b是所述图4a驱动器部分的操作的实例性时序图；
图5图解说明依据本发明的实例性实施例所构造的一个CMOS成像器；
图6图解说明依据本发明的实例性实施例所构造的另一个CMOS成像器；
图7图解说明依据本发明的实例性实施例所构造的另一个CMOS成像器；
图8图解说明本发明所使用的实例性帧图像及图像特性；
图9图解说明可使用本发明的一个实例性共享像素配置；及
图10图解说明适用于与本发明的任一实施例一起使用的系统。
具体实施方式
在下列详细说明中，将参考构成说明书的一部分的附图，其中以图解方式显示可实施本发明的各个实施例。所述实施例得到充分详细的说明以使所属技术领域的技术人员能够制造并使用本发明。应明白可使用其他实施例，并且可作出结构、逻辑及电气变化及所用材料变化而不脱离本发明的精神及范围。
术语“像素”是指光元件单位单元，其包含光转换装置或光电传感器与晶体管，所述晶体管用于处理来自所述光转换装置所感测的电磁辐射的电气信号。仅出于示范目的，本文所述像素是例示并说明为对四晶体管(4T)像素电路的创造性修改。应明白，本发明不局限于一四晶体管(4T)像素，而可与具有少于(例如3T)或多于(例如5T)四个晶体管的其他像素布置一起使用。尽管本文中参考一个像素的体系结构及制造来说明本发明，但应明白，这代表在成像器装置的阵列内的多个像素。此外，尽管下文参考CMOS成像器来说明本发明，但本发明可适用于具有像素的任何固态成像装置。因此，下列详细说明不应视为限制性，且本发明的范围仅由随附权利要求书来定义。
参考所述图示，其中相同参考数字指定相同元件，图2图解说明可使用本发明的方面的CMOS成像器100。成像器100包括像素阵列102，其连接到列取样及保持(S/H)电路136。像素阵列102包含以预定数量行及列布置的多个像素110。在操作时，阵列102内的每一行的像素110由行选择线(例如SEL(0))同时开启而每一列的像素110在列线122上选择性地输出。将多个行及列线提供用于整个阵列102。
响应于施加的行地址，由列解码器130及驱动器电路132来选择性地启动所述行线(SEL(0))。响应于施加的列地址，由包括列解码器134的列电路来选择性地启动列选择线(未显示)。因而，将行及列地址提供用于每一像素110。CMOS成像器100是由传感器控制及图像处理电路150来操作，所述电路控制所述行及列电路以选择适当行及列线来进行像素读出。
每一列连接到在S/H电路136内的取样电容器及开关。用于选定像素的像素重置信号Vrst及像素图像信号Vsig是由S/H电路136来取样并保持。通过微分放大器138针对每一像素产生微分信号(Vrst-Vsig)，微分放大器138向从S/H电路136所接收的信号施加增益。通过模拟数字转换器140(ADC)将所述微分信号数字化。模拟数字转换器140向其中形成数字图像输出的传感器控制及图像处理电路150提供所述数字化像素信号。所述成像器还包含偏压/电压参考电路144。
典型4T像素(例如图1的像素10)包含钉扎光电二极管光电传感器、转移晶体管及浮动扩散区域以收集电荷并感测电荷。所述典型像素阵列使用滚动快门技术来读出，所述技术经常由于使所述阵列的第一行及第二行在不同时间(一般由所述行的读出速率及图像中行数来确定)收集场景数据而产生图像伪影。
图2图解说明经修改的像素110，其包括存储栅极124以在将存储栅极控制信号SG施加到存储栅极控制线124a时存储来自光电传感器112的电荷。图2还显示抗模糊栅极125，其可用于在施加抗模糊栅极信号AB时排走来自光电传感器112的过多电荷。应了解，实施本发明不必需要抗模糊栅极125。
参考图2及图3a，现解释用于驱动SG控制信号SG(0)到阵列102内像素110的第一行的行驱动器132的一部分132＇的组件及操作。驱动器部分132＇包括AND栅极160及OR栅极162及线驱动器164。应了解，成像器每行将包括至少一个驱动器部分132＇。所述驱动器部分132＇可同时启动以实施电子全域快门或在不需要全域快门时其可以逐行为基础来启动。
电子全域快门操作是通过将存储栅极全域启用信号SG_global_enable输入OR栅极162来实现。OR栅极162的输出被输入线驱动器164内，其驱动具有高压Vsg_hi(例如2.8V)的SG控制信号SG(0)到存储栅极控制线124a上。否则，线驱动器164驱动具有低压Vsg_lo(例如0V)的SG控制信号SG(0)到存储栅极控制线124a上。
AND栅极160具有输入，其经连接以接收解码器选择信号Decoder_select与存储栅极启用信号SG_enable。需要时，使用Decoder_select与SG_enable信号允许以逐行为基础来操作驱动器部分132＇(而不作为全域快门)。图3b说明用于全域快门操作的驱动器部分132＇的操作的实例性时序。可看出，在使用高压Vsg_hi(例如2.8V)将SG控制信号SG(0)驱动到存储栅极控制线124a上之后在存储栅极124下转移(进入通道124b内)来自光电二极管光电传感器112的电荷。
本发明的第一实施例使用存储栅极124及经修改的存储栅极控制信号驱动器电路来在所述全域快门操作期间跨越所述阵列从各组像素收集场景信息。在积分周期结束时在存储栅极124下转移光电传感器112所捕捉的光生电子。所述转移通过驱动较高(例如2.8V)SG控制信号到存储栅极控制线124a上而发生。本发明者已确定，因为在存储栅极124上的电荷主要由在栅极124下转移到通道124b内的电荷所确定，故可使用产生传感器栅极控制信号SG的经修改的驱动器部分132＇来检测转移给存储栅极124的电荷量。因此，本发明精确地测量此电荷并使用所述电荷来处理(例如)运动检测、自动曝光及自动白平衡。
现参考图2、4a，现阐释本发明的一个实例性实施例。图4a说明用于控制存储栅极124的驱动器132(图2)的一部分132＂。图4a驱动器部分132＂驱动SG控制信号(例如SG(0))到存储栅极控制线124a上并同时感测线124a上所驱出的电荷量。因为存储栅极控制线124a由行内的所有像素110共用，故行驱动器部分132＂所感测的电荷代表在所述行内的所有光电传感器信号的和。
驱动器部分132＂包括开关170、172、174、180、182、184、输入电容器176、反馈电容器178、放大器186及取样及保持电路190。取样及保持电路190包括两个存储电容器192、196及四个开关191、193、195、197。反馈电容器178在跨越放大器186切换时确定驱动器部分132＂的增益。输入电容器176在倒转放大器186的输入时解耦驱出到存储栅极控制线124a的直流电压电平及任何直流输入电压以确保放大器186适当工作。开关170、174、180及182是由第一信号Phil来控制。开关172及184是由第二信号Phi2来控制。所述两个信号Phi1、Phi2可以是非重迭互补时钟信号。
在操作时，当所述第一信号phi1是活动(例如2.8V)时，关闭开关170、174、180及182。第二信号Phi2为低，从而开启开关172及184。如此，使用Vsg_lo电压(例如0V)驱动将存储栅极控制线124a为低，重置反馈电容器178，且将放大器186自动归零。放大器186的输出Vsg_sense将是重置电平(也就是Vcm或1.2V)，当取样参考控制信号sample_ref关闭开关191时，其被存储于取样保持电路190内的电容器192内。应了解，开关193用于读出存储于电容器192内的电压。
当启动第二信号phi2(例如2.8V)时，关闭开关172及184。第一信号Phi1为低，从而开启开关170、174、180及182。如此，通过接入反馈电容器178将存储栅极控制线124a驱动为高。放大器186输出Vag-sense将会上升与使存储栅极控制线124a到达高电压Vsg_hi所需的电荷量成比例的数量。此电荷是由从光电传感器112转移到SG栅极124的电荷量与充电存储栅极控制线124a所需的寄生电荷的数量来设定(在图4b中显示为V＝Cf x Qpixel+Cf X Qparasitic)。当所述取样信号控制信号sample_sig关闭开关195时，将所述放大器输出Vsg_sense存储于取样保持电路190内的电容器196内。应了解，开关197用于读出存储于电容器196内的电压。
通过正规成像器读出电路路径来处理驱动器部分132＂的输出。换句话说，将所述输出数字化(通过ADC140)并存储于线缓冲器存储器142的线缓冲器内以供使用下一电荷感测步骤进行后续处理。
行驱动器部分132＂所检测的信号还包含由于充电金属布线与存储栅极124背栅极主体电容所引起的来自在线124a上内寄生电容的偏移。在阵列102内的暗行可用于确定所述偏移，其可使用简单的切换电容电路技术来移除。如上所述，在阵列102内的每一行连接到相应行驱动器电路132＂。如下所述，如果对像素阵列102的修改允许到列取样及保持电路136的路径，则取样及保持电路190不需要驻留于所述行电路内(下文会更详细地说明)。
图5说明依据本发明所构造的另一个实例性成像器200。所示成像器200包括像素阵列202，其包含以预定数量的行及列布置的多个像素210。响应施加的行地址通过行解码器230及驱动器电路232来选择性地启动连接到阵列202的行线(例如SEL(0))。响应于施加的列地址通过包括列解码器234的列电路来选择性地启动行选择线。
通过传感器控制及图像处理电路250来操作CMOS成像器200，所述电路控制所述行及列电路用于选择适当行及列线以进行像素读出。每一列连接到S/H电路236内的取样电容器及开关。通过S/H电路236来取样并保持用于选定像素的像素重置信号Vrst及像素图像信号Vsig。通过微分放大器238针对每一像素产生微分信号(Vrst-Vsig)，微分放大器238向从S/H电路236所接收的信号施加增益。通过模拟数字转换器240(ADC)将所述微分信号数字化。模拟数字转换器240向其中形成数字图像输出的传感器控制及图像处理电路250提供数字化像素信号。所述成像器还包含偏压/电压参考电路244。
在下述方面中成像器200不同于图2的成像器100。在所示实施例中，将额外存储栅极224b添加到阵列202内的每一像素210。因而，每一像素210包含光电传感器212、第一存储栅极224a、第二存储栅极224b、转移栅极214、浮动扩散区域FD、重置晶体管216及行选择晶体管220。如同像素110(图2)，抗模糊晶体管225可用于在施加AB信号时从光电传感器212排走电荷。将额外存储栅极224b添加到像素210以跨越像素210的整列来感测电荷。如先前所述，第一存储栅极224a用于跨越像素210的整行来感测电荷。
另一不同之处在于成像器200需要经连接以驱动第二存储栅极控制信号SG_B的存储栅极驱动器及感测电路237。驱动器及感测电路237可使用上文所述SG驱动器部分132＂(图4a)。行驱动器232包括SG驱动器及感测电路132＂(图4a)并用于驱动用于列内的第一存储栅极224a的存储栅极控制信号SG_A。应了解，可将存储栅极驱动器及感测电路237添加到列取样及保持电路236。对于列平行增益体系结构，可使用用于处理图像数据的相同放大器来感测驱动到第二SG栅极224b的电荷。
所述存储栅极驱动器及电荷感测电路的输出需要被数字化并存储于线缓冲器存储器242的线缓冲器内以供后续处理。应了解，所述行存储栅极驱动器及电荷感测电路不易连接到现有列形式读出电路。为了重新使用所述列读出电路来数字化行存储栅极数据，在所需实施例中，应将所述列存储栅极驱动器及电荷感测电路132＂的输出驱动到在所述行像素中的一者内的浮动扩散区域FD，然后读入列取样及保持电路236。
图6说明依据本发明的成像器300的另一个实施例。成像器300本质上与图5成像器200相同，但下列除外。成像器300使用具有如图5所示构造的像素210的阵列302，其中像素重置晶体管216的漏极通常连接到Vaa-pix(例如2.8V)。阵列302还包括至少一个像素310用于阵列302内的每一行。在像素310中，重置晶体管316的漏极必须从行方向驱动而非垂直列方向，以提供行存储栅极驱动器及感测电路132＂对此线的存取。同样能够，像素310使其重置晶体管316漏极端子连接到行驱动器232(经由线311)以产生到列取样保持电路236的路径。因为每一行驱动器必须平行地将值存放于所述列取样及保持电路内，故必须启用来自多行的像素以驱动像素输出线222。允许像素阵列302中的所有行驱动输出线222，但除特殊配置像素310外，将所有行的浮动扩散区域FD设置为0V。
现在参考图6及8，将来自行及列存储栅极驱动器及感测电路132＂、237的数字化数据存储于线缓冲器存储器242内。这一数据代表指示x方向上的所述像素值的和的特性520与用于特定帧500指示y方向上的所述像素值的和的特性510。帧500包括物件502、504、506及508。下列图像帧530包含相同物件502、504、506及508，但比较其第一帧500内的位置时略有移动。物件502、504、506及508的移动方向由箭头560来指示。
将用于第二帧530的所述存储栅极驱动器及感测电路132＂、237的读出存储于缓冲器存储器242内的第二对线缓冲器内；确定并分析在所述两个对应线缓冲器之间的差异。图8说明用于第二帧530的特性540、550。将所述线缓冲器内的数字数据是一次偏移一个像素位置，最多N次(例如N＝32)，以在所述两个线缓冲器之间找到最小总值差(也就是将在参考线缓冲器内各位置的值比较在新帧线缓冲器内的偏移值并产生所述差的和)。具有最小差的偏移指示在行或列方向上偏移的图像数量。应了解，本发明使用专用线缓冲器，其具有逻辑以启用逻辑计算在各存储器字处的差值，从而将加快所述特性之间相关性的计算。用于图像窗口的开始地址经调整以匹配图像内的偏移来实现图像稳定。希望在场景中移动过多的情况下使用最小差临界值来稳定帧以精确预测运动向量。
所述特性及差信息还可配合芯片上传感器(SOC)图像处理一起用来通过向所述SOC提供在图像中已发生运动的数量的估计来减小所需线存储器的数量。换句话说，对于最坏情况运动不需要调整足够的线存储器，而是依据模拟域处理的精确度来减小线存储器的数量。
图7图解说明依据本发明的另一个实施例所构造的另一个成像器400。成像器400本质上与图6的成像器300相同，但具有下列不同之处。成像器400具有使用像素410的像素阵列402，像素410具有以对角线配置定向(箭头466)的额外存储栅极424c以获得更多关于图像偏移的信息。换句话说，在像素410中，在场景中检查三个存储栅极424a、424b、424c，因而检查三个方向来确定图像是否偏移及如何偏移。应了解，在需要时可使用更复杂的定向(例如蜿蜒状)。为了适应所述额外存储栅极，成像器400使用在行驱动器432内的额外存储栅极驱动器及感测电路及列存储栅极驱动器及感测电路437来产生三个所需存储栅极控制信号SG_A、SG_B、SG_C。
为在未全域稳定的图像内发现物件运动，(例如)先确定帧的运动向量。则可使用存储于线缓冲器242内的值的较大局部差来追踪比帧抖动移动更多移动的物件。此外应了解，具有所述额外存储栅极的像素410可使用以多路复用形式由其他像素所使用的相同驱动器电路。
下列是本发明的存储栅极驱动器及感测电路的精度的一个实例。对于这一实例来说，平均存储栅极存储的电荷为5,000个电子(假定电位井为10,000个电子)，在一行内的像素(例如用于2Meg像素传感器)数量为1600，且反馈电容Cf为2pF。电路的电压输出变成V＝Q/C＝(5,000x1.6e-19)x 1600/2pF＝0.64V。在12位模拟数字转换器使用0.64V参考的情况下，每一LSB代表5,000 x 1600/4096＝1953个电子。
对于具有10,000个电子的电位井的像素，在仅所述像素变化的情况下，所述存储栅极驱动器及感测电路可检测在所述列内任何像素值内约20％的变化。然而，当图像跨越传感器移动时，在所述列内的其他像素极可能会改变值，故无法确定改变值的像素数量或任一像素的绝对数量。希望一行将仍具有来自从感测操作所检测的信号的足够独特特性，从而使使用所述值在特定方向上追踪图像移动成为可能。
对于具有更多电荷容量的像素(或为了缩小感测电路内的反馈电容器)，所述转移操作可在积分时间结束之前发生以避免剪辑感测电路内的信号。子帧取样还允许在较长积分时间期间检测运动并移除在存在相机运动时所获得的积分电荷。这需要在不存在任何运动的情况下向转移电荷到其的像素添加存储栅极(也就是累积来自多个子帧的电荷)并在存在运动的情况下移除电荷的方法。一种移除电荷的方法是通过所述存储栅极将电荷转移回到光电传感器，使得可通过启动所述抗模糊栅极来将其移除。否则，必须向所述像素添加转移栅极以允许从所述存储栅极到电子阱节点的路径。还应注意，这一感测技术还可用于通过检测在所述子帧期间的累积电荷量来确定适当曝光已实现的时间。
据估计由于在所述存储栅极控制线上的充电寄生电容，在所述存储栅极感测电路读出中会存在偏移。例如，据估计为一个像素所布线的存储栅极控制线的寄生电容大约为1.2fF而在所述感测操作期间选路的电压大约为3.0V。寄生电荷Q等于＝C x V＝1.2fF x 1600 x 3V＝5.76e-12库仑。所述反馈电容器预充电(电压偏移Voffset设定为0V)＝3V？pF＝6e-12库仑。在所述感测电路的输出处的偏移＝-0.24e-12/2pF＝0.12V。此偏移可在图像内的暗列上测量到并通过将跨越所述反馈电容器的预充电电压的Voffset设定为恰当值来减去。
本发明还可用于具有共享像素配置的成像器。图9说明实例性共享像素610，其可供本发明使用。共享像素610的图9的配置及操作阐述于在2005年8月30日申请的美国专利申请案第11/213,936号中，其全部内容以引用方式并入本文。
在说明的实施例中，像素610包含两个光电传感器6120、6121、两个存储栅极6240、6241、两个转移栅极6140、6141、浮动扩散区域FD、重置晶体管616及行选择晶体管620。抗模糊晶体管6250、6251可用于在施加AB<0>信号时将电荷从所述光电传感器6120、6121排走。通过相应存储栅极控制信号SG<0>、SG<1>来控制所述存储栅极6240、6241。以类似于图2的像素110的方式来操作像素610，除了读出及重置组件由两个存储栅极6240、6241来共享。
对于彩色成像器，可针对每一色彩将所述存储栅极独立接线。然后，所述感测存储栅极值会指示用于不同群组彩色像素的电荷量。视场景色彩内容及照明条件而定，可将此信息用于白平衡确定。
因而，本发明使用在列存储栅极驱动器内的电荷感测电路以检测群组像素(整列、对角或任意群组配置)内累积的电荷量并将电荷特性信息用于特定场景来检测所述传感器运动数量及方向。而且，本发明在行电路内部使用在存储栅极驱动器内的电荷感测电路以检测群组像素(整行、对角线或任意群组配置)内累积的电荷量并将特性信息用于一特定场景来检测所述传感器运动数量及方向。
本发明还针对两个或更多帧存储线存储器内的数字化信号特性并检测在所述特性之间的相关性以确定运动数量/方向。所述信息用于确定新窗口开始地址以在视频序列中移除相机震动。此外，在成像器积分期间，可使用在所述列或行驱动器内的电荷感测电路来取样来自光电传感器的电荷以检测运动并随后移除或累积像素内的电荷来在较长曝光周期期间移除运动伪影。
本发明可使用所述感测特性以通过查看在具有较强相关性的所述存储感测信息线之间的最大相应差值来检测帧移动及在帧内的物件运动。本发明使用现有像素阵列读出电路来读出所述电荷感测电路以向所述读出放大器施加增益并施加A/D转换所需的偏移。本发明可针对相应色彩使用独立存储栅极的所述特性来确定适当的白平衡并可使用阵列的特性信息以非毁坏性方式来确定适当曝光。
应了解，在需要时，本发明可与典型4T像素10(图1)一起使用。代替存储栅极下存储电荷，可在转移栅极14下存储并感测电荷。相应地，在此实施例中，将使用驱动器来驱动并感测转移栅极控制信号TX(相对于存储栅极控制信号)。
图10显示系统700，一个典型处理器系统，其系修改以包括根据本发明的所述实施例中的一者所构成的成像装置708。基于处理器的系统700是具有可包括图像传感器装置的数字电路的系统的实例。在非限定情况下，此类系统可包括计算机系统、相机系统、扫描仪、机器视觉、车辆导航、视频电话、监视系统、自动聚焦系统、星体追踪仪系统、运动检测系统、图像稳定系统及数据压缩系统。
系统700(例如，相机系统)畅通包含中央处理单元(CPU)702(例如，微处理器)，其通过总线704与输入/输出(I/O)装置706进行通信。成像装置708还通过总线704与CPU 702进行通信。基于处理器的系统700还包括随机存取存储器(RAM)710，且可包括可装卸存储器715(例如，快闪存储器)，其还通过总线704与CPU 702进行通信。成像装置708可在单集成电路上或在与处理器不同的芯片上组合具有或不具有存储器存储的处理器(例如，CPU、数字信号处理器或微处理器)。成像装置708可以是依据本发明所构造的成像器100、200、300、400中的任一者。
上述处理及装置举例说明优选方法及可使用及制造的许多典型装置。上述说明及图示图解说明实现本发明的目的、特征及优点的实施例。然而，不希望本发明严格地限定于上述及所示实施例。尽管目前不可预见，但在随附权利要求书的精神及范围内的本发明的任何修改均应视为本发明的一部分。

Claims (48)

1.一种成像装置，其包含：
多个像素，每一像素包含光电传感器及至少一第一栅极，所述至少一第一栅极用于在由第一控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷；及
多个第一电路，每一第一电路连接到相应第一组像素并与之相关联，每一第一电路产生用于其相应第一组内的所有像素的所述第一控制信号并感测所述相应第一组内的所述第一栅极下所存储的电荷量。
2.如权利要求1所述的成像装置，其中每一像素进一步包含第二栅极，其用于在由第二控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷，且
所述装置进一步包含多个第二电路，每一第二电路连接到相应第二组像素并与之相关联，每一第二电路产生用于其相应第二组内的所有像素的所述第二控制信号并感测所述相应第二组内的所述第二栅极下所存储的电荷量。
3.如权利要求2所述的成像装置，其中所述第一及第二栅极是存储栅极晶体管。
4.如权利要求2所述的成像装置，其中所述像素的一部分进一步包含第三栅极，其用于在由第三控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷。
5.如权利要求4所述的成像装置，其中所述第一、第二及第三栅极是存储栅极晶体管。
6.如权利要求4所述的成像装置，其中所述装置进一步包含多个第三电路，每一第三电路连接到相应第三栅极并与之相关联，每一第三电路产生用于其相应第三栅极的所述第三控制信号并感测所述第三栅极下所存储的电荷量。
7.如权利要求6所述的成像装置，其进一步包含线缓冲器存储器，其用于存储来自所述第一、第二及第三栅极的所述所感测电荷的数字化值。
8.如权利要求6所述的成像装置，其中所述所感测电荷用于确定所获得图像的场景信息。
9.如权利要求4所述的成像装置，其中所述第三栅极被组织为跨越所述阵列的对角线图案。
10.如权利要求1所述的成像装置，其中所述所感测电荷用于确定所获得图像的场景信息。
11.如权利要求10所述的成像装置，其中所述场景信息用于检测物件在所获得图像内的运动。
12.如权利要求10所述的成像装置，其中所述场景信息用于所述装置的自动平衡操作。
13.如权利要求10所述的成像装置，其中所述场景信息用于所述装置的白平衡操作。
14.如权利要求1所述的成像装置，其中所述第一栅极是转移栅极而所述第一控制信号是转移栅极控制信号。
15.如权利要求1所述的成像装置，其中所述多个像素被组织成行及列的阵列，且每一第一组像素对应于相应行的像素。
16.如权利要求15所述的成像装置，其中每一第二组像素对应于相应列的像素。
17.如权利要求1所述的成像装置，其进一步包含连接到所述像素的列的列取样及保持电路，所述列取样及保持电路数字化来自所述多个第一电路的所述所感测电荷量，其中来自所述多个第一电路的所述所感测电荷量是通过包含所述像素的像素阵列来路由的。
18.一种系统，其包含：
处理器；及
成像装置，其与所述处理器通信，所述装置包含：
多个像素，其组织为行及列的阵列，所述阵列内的每一像素包含光电传感器及至少一第一栅极，所述至少一第一栅极用于在由第一控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷，及
多个第一电路，每一第一电路连接到相应第一组像素并与之相关联，每一第一电路产生用于其相应第一组内的所有像素的所述第一控制信号并感测所述相应第一组内的所述第一栅极下所存储的电荷量。
19.如权利要求18所述的系统，其中每一像素进一步包含第二栅极，其用于在由第二控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷，且
所述装置进一步包含多个第二电路，每一第二电路连接到相应第二组像素并与之相关联，每一第二电路产生用于其相应第二组内的所有像素的所述第二控制信号并感测所述相应第二组内的所述第二栅极下所存储的电荷量。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述第一及第二栅极是存储栅极晶体管。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述像素的一部分进一步包含第三栅极，其用于在由第三控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述第一、第二及第三栅极是存储栅极晶体管。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述装置进一步包含多个第三电路，每一第三电路连接到相应第三栅极并与之相关联，每一第三电路产生用于其相应第三栅极的所述第三控制信号并感测所述第三栅极下所存储的电荷量。
24.如权利要求23所述的系统，其进一步包含线缓冲器存储器，其用于存储来自所述第一、第二及第三栅极的所述所感测电荷的数字化值。
25.如权利要求23所述的系统，其中所述所感测电荷用于确定所获得图像的场景信息。
26.如权利要求21所述的系统，其中所述第三栅极被组织为跨越所述阵列的对角线图案。
27.如权利要求18所述的系统，其中所述所感测电荷用于确定所获得图像的场景信息。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述场景信息用于检测物件在所获得图像内的运动。
29.如权利要求27所述的系统，其中所述场景信息用于所述装置的自动平衡操作。
30.如权利要求27所述的系统，其中所述场景信息用于所述装置的白平衡操作。
31.如权利要求18所述的系统，其中所述多个像素被组织成行及列的阵列，且每一第一组像素对应于相应行的像素。
32.如权利要求31所述的系统，其中每一第二组像素对应于相应列的像素。
33.一种成像器像素，其包含：
光电传感器；
第一栅极，其用于在由第一控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷；及
第二栅极，其用于在由第二控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷。
34.如权利要求33所述的像素，其进一步包含第三栅极，其用于在由第三控制信号启动时存储来自所述光电传感器的电荷。
35.一种操作成像装置的方法，所述成像装置包含多个像素，每一像素包含光电传感器及至少一第一存储栅极，所述方法包含以下动作：
针对每一像素，将来自所述光电传感器的电荷存储到所述第一栅极；
针对每一像素，感测存储于所述第一栅极上的所述电荷；及
使用所述所感测电荷来获得通过所述成像装置所获得的第一图像场景的第一特性，
其中在由运动检测、自动平衡及白平衡所组成的至少一个操作内处理所述第一特性。
36.如权利要求35所述的方法，其中每一像素包含第二栅极且所述方法进一步包含以下动作：
针对每一像素，将来自所述光电传感器的电荷存储到所述第二栅极；
针对每一像素，感测存储于所述第二栅极上的所述电荷；及
使用所述所感测电荷来获得通过所述成像装置所获得的所述第一图像场景的第二特性。
37.如权利要求36所述的方法，其中针对通过所述成像装置所获得的第二图像场景重复所述将来自所述光电传感器的电荷存储到所述第一栅极的动作到所述使用所述所感测电荷来获得通过所述成像装置所获得的所述图像场景的第二特性的动作。
38.如权利要求37所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一及第二特性来确定在所述场景内的图像之间是否已存在移动的动作。
39.如权利要求37所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一及第二特性来实施运动估计的动作。
40.如权利要求37所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一及第二特性中的一者来进行自动平衡操作的动作。
41.如权利要求37所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一及第二特性中的一者来进行白平衡操作的动作。
42.如权利要求36所述的方法，其中所述像素的一部分包含第三栅极且所述方法进一步包含以下动作：
针对包含所述第三栅极的每一像素，将来自所述光电传感器的电荷存储到所述第三栅极；
针对包含所述第三栅极的每一像素，感测存储于所述第三栅极上的所述电荷；及
使用所述所感测电荷以获得通过所述成像装置所获得的所述第一图像场景的第三特性。
43.如权利要求42所述的方法，其中针对通过所述成像装置所获得的第二图像场景重复所述将来自所述光电传感器的电荷存储到所述第一栅极的动作到所述使用所述所感测电荷以获得通过所述成像装置所获得的所述图像场景的第三特性的动作。
44.如权利要求43所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一、第二及第三特性来确定在所述场景内的图像之间是否已存在移动的动作。
45.如权利要求43所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一、第二及第三特性来实施运动估计的动作。
46.如权利要求43所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一、第二及第三特性中的一者来进行自动平衡操作的动作。
47.如权利要求43所述的方法，其进一步包含使用所述第一及第二场景的所述第一、第二及第三特性中的一者来进行白平衡操作的动作。
48.如权利要求35所述的方法，其中所述成像装置包含多个光学/电学黑像素，每一光学/电学黑像素包含至少一个第一栅极，所述方法进一步包含以下动作：
针对每一光学/电学黑像素，感测由于所述第一栅极的寄生电容所引起的偏移；及
从所述第一特性信息减去与寄生电容相关联的所述偏移以移除与所述第一图像场景不相关联的信号。
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