CN110557587B - 图像传感器和操作该图像传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器和操作该图像传感器的方法。本发明公开了一种图像传感器，所述图像传感器可以包括用于在各种操作模式下生成图像信号的有源像素行。所述有源像素行可以接收具有对应转换组的控制信号。这些转换组可以在一些有源像素行的读出操作期间发生，但在其他有源像素行的读出操作期间不发生，尤其是在由相同像素阵列以交织方式生成多种类型帧的情况下。由于控制信号耦接效应，这可能导致与不同有源像素行对应的读出操作的不同的读出环境。为了减轻这些不利影响，图像传感器可以包括虚拟像素行，所述虚拟像素行在任何有源像素行的所述读出操作期间连续地脉冲化所述转换组以确保所有有源像素行的所述读出操作具有所述相同的读出环境。

Description

图像传感器和操作该图像传感器的方法
技术领域
本发明整体涉及成像设备，并且更具体地讲，涉及图像传感器和制作该图像传感器的方法。
背景技术
图像传感器常在电子设备，诸如移动电话、相机和计算机中用来捕获图像。在典型布置中，电子设备设置有被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。通常将电路耦接到各个像素列以用于读出来自图像像素的图像信号。
图像像素各自包含响应于图像光而生成电荷的光电二极管以及对应的电荷存储区。图像像素可被配置为具有范围广泛的功能，包括光闪烁减轻(LFM)、电荷溢出和高动态范围(HDR)。然而，在各种操作模式下，图像像素可能由于像素图像读出期间信号耦接而受到不期望的图像伪影的影响。
因此，可能期望的是能够提供具有改进的图像传感器的成像设备。
发明内容
图像传感器，包括：至少一行有源图像像素，至少一行有源图像像素接收控制信号，控制信号被配置为在多个相应时间段期间具有多个转换类型；和多个虚拟像素行，多个虚拟像素行耦接到至少一行有源图像像素，并且每个虚拟像素行接收与控制信号对应的信号，其中，在多个相应时间段中的每个时间段期间，由多个虚拟像素行接收的信号包括多个转换类型中的每个转换类型。
操作图像传感器的方法，该图像传感器包括布置成多个行的多个有源图像像素以及布置成多个附加行的多个虚拟像素，所述方法包括：利用多个有源图像像素中的给定有源图像像素，至少部分地基于在多个相位期间接收具有多个切换活动的控制信号来生成图像信号；对多个有源图像像素执行读出操作；以及当执行读出操作时，在多个虚拟像素处，在多个相位中的给定相位期间接收多个信号，多个信号包括多个切换活动中的每个切换活动。
另一图像传感器包括：多个像素，所述多个像素布置在至少一列中，其中多个像素包括有源图像像素和多个虚拟像素，其中有源图像像素接收至少一个控制信号，至少一个控制信号被配置为具有多个切换活动，并且其中多个虚拟像素中的一组虚拟像素被配置为分别接收具有多个切换活动中的每个切换活动的相应信号；和列读出电路，该列读出电路经由列线耦接到第一组有源图像像素和第二组虚拟像素。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示例性电子设备的示意图，该电子设备具有图像传感器和处理电路以便使用图像像素阵列捕获图像。
图2为根据一个实施方案的示例性像素阵列以及用于从该像素阵列读出图像信号的相关联读出电路的示意图。
图3为根据一个实施方案的示例性图像传感器像素的示意图。
图4为根据一个实施方案的包括有源图像像素行和虚拟像素行的示例性像素阵列的示意图。
图5为根据一个实施方案的用于操作有源图像像素行的示例性时序图。
图6为根据实施方案的用于操作虚拟像素行的示例性时序图。
图7为根据一个实施方案的采用图1至图6的实施方案的处理器***的框图。
具体实施方式
电子设备，诸如数字相机、计算机、移动电话和其他电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集入射光以捕获图像。图像传感器可包括图像像素阵列。图像传感器中的像素可包括光敏元件，诸如，将入射光转换为图像信号的光电二极管。图像传感器可具有任何数量(如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如，用于操作图像像素的电路)和用于读出图像信号的读出电路，该图像信号与光敏元件所产生的电荷相对应。
图1为示例性成像***(诸如，电子设备)的示意图，该成像***使用图像传感器捕获图像。图1的电子设备10可为便捷式电子设备，诸如相机、移动电话、平板计算机、网络相机、摄像机、视频监控***、机动车成像***、具有成像能力的视频游戏***或者捕获数字图像数据的任何其他所需的成像***或设备。相机模块12可用于将入射光转换成数字图像数据。相机模块12可包括一个或多个透镜14以及一个或多个对应的图像传感器16。透镜14可包括固定透镜和/或可调透镜，并且可包括形成于图像传感器16的成像表面上的微透镜。在图像捕获操作期间，可通过透镜14将来自场景的光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16可包括用于将模拟像素数据转换成要提供给存储和处理电路18的对应的数字图像数据的电路。如果需要，相机模块12可设置有透镜14的阵列和对应图像传感器16的阵列。
存储和处理电路18可包括一个或多个集成电路(如，图像处理电路、微处理器、诸如随机存取存储器和非易失性存储器的存储设备等)，并且可使用与相机模块12分开和/或形成相机模块12的一部分的组件(如，形成包括图像传感器16的集成电路或者与图像传感器16相关的模块12内的集成电路的一部分的电路)来实施。可使用处理电路18处理和存储已被相机模块12捕获的图像数据(如，使用处理电路18上的图像处理引擎、使用处理电路18上的成像模式选择引擎等)。可根据需要使用耦接到处理电路18的有线和/或无线通信路径将经过处理的图像数据提供给外部设备(如，计算机、外部显示器或其他设备)。
如图2所示，图像传感器16可包括包含被布置成行和列的图像传感器像素30(有时在本文中称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路44(其可包括例如图像信号处理电路)。阵列20可包含例如数百或数千行以及数百或数千列的图像传感器像素30。控制电路44可耦接到行控制电路46和列读出电路48(有时在本文中称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路46可从控制电路44接收行地址，并且通过行控制线50将对应的行控制信号，例如，重置控制信号、行选择控制信号、电荷转移控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素30。可将一根或多根导线(诸如，列线42)耦接至阵列20中的像素30的每一列。列线42可用于从像素30读出图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素30。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路46选择阵列20中的像素行，并且可沿列线42读出由该像素行中的图像像素30产生的图像信号。
图像读出电路48可以通过列线42接收图像信号(例如，由像素30生成的模拟像素值)。图像读出电路48可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或者耦接到阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素30以及用于从像素30读出图像信号的其他电路。读出电路48中的ADC电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路48可针对一个或多个像素列中的像素将数字像素数据提供给控制和处理电路44和/或处理器18(图1)。
图像阵列20可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个滤色器元件以允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。例如，诸如阵列20中的图像像素的图像传感器像素可设置有滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对对应的红光、绿光和蓝光(RGB)进行采样。拜耳马赛克图案由重复的2×2个图像像素的单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是示例性的，并且一般来讲，可在任何所需数量的图像像素30上方形成任何所需颜色和任何所需图案的滤色器元件。可在滤色器阵列的上表面上方形成微透镜，以将入射光聚焦到与该像素30相关的光敏区上。可在滤色器阵列的上表面上方形成微透镜，以将入射光聚焦到与该像素30相关的光敏区上。
图3中示出了图像像素阵列16的示例性图像像素30中的电路。如图3所示，像素30可以包括光敏元件，诸如光电二极管22(有时在本文中称为光电探测器22)。可在正电源端子33处提供像素正电源电压(例如，电压Vaa_pix)。可在接地端子32处提供接地电源电压(例如，电压Vss)。入射光在穿过滤色器结构之后由光电二极管22收集。光电二极管22将此光转换成电荷。
在采集图像之前，可使控制信号AB生效以使晶体管52接通(例如，生效为高以激活对应的晶体管)，并且将光电二极管22重置为重置电压(例如，电压Vaa_pix)。可也使重置控制信号RST生效。这会使重置晶体管28接通，并且将电荷存储节点26(也称为浮动扩散部或浮动扩散区)重置为重置电压。然后可使重置控制信号RST解除生效(例如，生效为低以去激活对应的晶体管)以使重置晶体管28关断。当使控制信号AB解除生效以使晶体管52关断时，信号采集可在光电二极管22处开始。在图像采集过程完成之后，可使转移门控制信号TX生效以接通转移晶体管(转移门)24。当转移晶体管24接通时，由光电二极管22响应于入射光所生成的电荷被转移至电荷存储节点26。
电荷存储节点26可使用掺杂半导体的区域(例如，通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂技术形成于硅衬底中的掺杂硅区域)实施。掺杂半导体区域(即浮动扩散部FD)可表现出可用于存储从光电二极管22转移的电荷的电容(例如，电容Cfd)。与节点26上的所存储电荷相关的信号由源极跟随器晶体管34缓冲。行选择晶体管36将源极跟随器晶体管34连接到列输出线42。
如果需要，可以使用其他类型的图像像素电路来实现传感器16的图像像素。例如，每个图像传感器像素30(参见例如图1)可以是三晶体管像素、具有四个晶体管的钉扎光电二极管像素、全局快门像素等。图3的电路仅仅是例示性的。
仍然参见图3，像素30可还包括经由(溢出)晶体管56耦接到浮动扩散部26的溢出电容器54。具体地，像素30可在溢出操作模式下操作。在该操作模式下，像素30可使控制信号TX和DCG生效，以分别激活晶体管24和56。电容器54可具有比浮动扩散部26大得多的存储容量。因此，电容器54可用于通过存储大量(溢出)电荷(例如，在明亮的图像点或场景中)来扩展像素30的动态范围。像素30可也在LFM操作模式下操作，其中以交织方式使控制信号AB和TX(任选地与控制信号DCG组合)生效，从而在短曝光周期(例如，长曝光周期内的多个短积分周期)期间有效地采集图像信号。换句话说，当使控制信号AB生效为高时，控制信号TX和DCG生效为低，反之亦然。LFM模式下的操作像素30允许像素30捕获入射光，否则该入射光可能由于闪烁效应而避开捕获。
如果需要，像素30(连同阵列20中的其他像素30)可在LFM模式下操作，并且也可通过生成具有不同曝光时间的多个帧(例如，短曝光帧、中间曝光帧和长曝光帧)在HDR模式下操作。可合并多个帧以生成高动态范围图像。在这种情况下，可以交织方式读取来自不同帧的LFM图像信号和HDR图像信号(例如，通过读出LFM帧或行、第一(短)曝光帧或行、第二(中间)曝光帧或行、第三(长)曝光帧或行、另一LFM帧或行等)。作为示例，在LFM帧或行读出期间，可发生第一曝光帧或行的信号采集。作为另一个示例，在第三曝光帧或行读出期间，可发生LFM帧或行的信号采集。如果需要，像素30可在溢出模式下操作，并且也可在HDR模式下操作。在这种情况下，来自不同帧或行的溢出图像信号和HDR图像信号可以类似方式生成图像信号，并且以类似的交织方式被读出。
然而，在像素行读出操作期间可能出现问题。作为示例，当其他(相邻)行在脉冲化(例如，使之生效和解除生效)控制信号AB时(例如，以在LFM图像采集期间在LFM模式下生成图像信号)读出的像素行的重置电平(例如，电平Vaa_pix)和信号电平可以不同于当其他(相邻)行未在脉冲化控制信号AB时(例如，在LFM图像信号读出期间；在第一、第二和第三曝光帧的图像采集期间；在不发生LFM图像采集期间的时间段，等等)读出的像素行的重置电平和信号电平。类似地，在溢出模式中，当其他行在脉冲化控制信号TX和DCG时(例如，以在溢出图像信号采集期间在溢出模式下生成图像信号)读出的像素行的重置电平和信号电平可以不同于当其他行未在脉冲化控制信号TX和DCG时(例如，在不发生溢出图像采集期间的时间段)读出的像素行的重置电平和信号电平。这意味着使用不同的重置电压电平和不同的信号电压电平读出不同的行，这会导致不期望的图像伪影，诸如图像条带。
为了减轻这些不期望的影响，图像传感器可设置有虚拟像素行以及有源图像像素行。作为示例，图4示出了包括有源图像像素部分60和虚拟图像像素部分62的图像传感器。如果需要，可以在如图4所示的相同图像传感器阵列(例如，阵列20)中形成像素部分60和62(例如，部分60和62可以是连续的)。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，图1的图像传感器16可以包括两个单独的像素阵列(例如，在不同的衬底上形成；在不同制造步骤中形成；形成以使得阵列彼此不相邻，等等)，其分别包括有源图像像素行和虚拟像素行。在本文中，将形成阵列20的像素部分60和62的示例作为示例描述。
具体地，虚拟像素部分62可不向列电路48提供图像信号。作为示例，虚拟像素部分62可光学地屏蔽入射光，并且因此可包括不接收入射光的暗像素。如果需要，虚拟像素部分62可包括有源图像像素。无论如何，部分60和62中的像素可被配置为具有相同电路(例如，与光电二极管、晶体管、控制信号、电容器、存储区域等相同的配置)。这样，虚拟像素和有源图像像素可共享相同的阻抗和串扰环境。部分62中的像素30可仍经由行线50从行控制电路46接收行控制信号(例如，晶体管控制信号)，并且可仍经由列线42耦接到列解码器电路48。作为另一个示例，部分60和62中的像素可具有不同的配置。如果需要，部分60中的像素可以是具有全部功能的像素，而部分60中的像素可包括有限的功能(例如，可仅包括接收合适的控制信号的晶体管；可省略光电二极管；可使用虚拟光电二极管；可使用其他替代结构来替代像素30中所示的对应结构，等等)。
作为示例，有源图像像素部分60可包括图像像素行R1至R6(即，图像像素R1至R6的行)。虚拟像素部分62可包括虚拟行DR1至DR10(即，虚拟像素DR1至DR10的行)。部分60和62中的每一个中的行数仅仅是示例性的。如果需要，每个部分中可以有任何数量的行。
有源像素行R1至R6中的像素30可通过并行方式(例如，通过滚动或偏移方式)生成图像像素信号。图5示出了相应行(例如，图4中的行R1至R6)中像素的示例性晶体管切换活动。作为示例，给定行中的所有像素可接收相同的控制信号脉冲图案或相同的晶体管切换活动。如图5所示，控制信号脉冲图案可在不同相位1、2、3、…、N中加以区分。作为示例，可以基于行电路46中的时钟电路生成不同相位。具体地，每个相位可表示设置数量的时钟电路的时钟周期，可表示由行控制电路46生成的控制信号的状态更新(例如，控制信号有源时表示控制信号的电压电平的一个或多个变化，控制信号无源时表示控制信号的电压电平没有变化)。
具体地，行R1至R6可表示在LFM操作模式下操作的阵列20的一部分，其中晶体管52和晶体管组24和56在LFM信号采集期间通过行R1至R6以交织方式(例如，在不同行之间使用滚动控制方案)进行脉冲化。为了使用晶体管52和晶体管组24和56执行LFM操作，控制信号AB可进行三种类型的转换，并且该组控制信号TX和DCG(例如，以同步方式切换)可产生两种不同类型的转换。换句话说，每个由单独AB生效和单独TX/DCG同时生效的组合表示的LFM脉冲可使用五种不同类型的转换。可通过重复这五种不同类型的转换来执行多个LFM脉冲。为了以并行和偏移的方式操作多个行(例如，行R2至R6)，行R2至R5中的每一行可以采用五种不同类型转换中的一种不同转换。
作为示例，在相位1期间，控制行R1中一个或多个晶体管52(例如，控制行R1中给定像素30中的晶体管52；控制行R1中对应像素30中的多个相应晶体管52)的控制信号AB可以从接地电压电平(例如，0V)转换(例如，切换)到电源电压电平。这种特定的转换或一组转换在本文中有时称为切换活动1(即SA1)。切换活动在本文中可有时也称为一组转换、一组电压电平移位、一组状态移位或转换类型。在相同的相位1期间，控制行R2中一个或多个晶体管52的控制信号AB可从升高的电压电平转换为接地电压电平，并且随后从接地电压电平转换为偏置电压电平(例如，负电压电平、反向偏置电压电平)。这种特定的转换或一组转换在本文中有时称为切换活动3(即SA3)。在相同的相位1期间，控制行R3中一个或多个晶体管52的控制信号AB可从供电电压电平转换为升高的电压电平。这种特定的转换或一组转换在本文中有时称为切换活动2(即SA2)。
此外，在相同的相位1期间，控制行R5中一个或多个对应晶体管24和56的控制信号TX和DCG可从接地电压电平转换为供电电压电平，从供电电压电平转换为升高的电压电平，以及从升高的电压电平转换回接地电压电平。这种特定的转换或一组转换在本文中有时称为切换活动4(即SA4)。在相同的相位1期间，控制行R6中一个或多个对应晶体管24和56的控制信号TX和DCG可从接地电压电平转换为负电压电平。这种特定的转换或一组转换在本文中有时称为切换活动5(即SA5)。在这种情况下，升高的电压电平可以具有最高的电压电平，供电电压电平可以具有第二最高的电压电平，偏置电压电平可以具有最低的电压电平，并且接地电压电平可以具有第二最低的电压电平。
在光闪烁减轻操作模式期间，至少行R2至R6可在这五个切换活动之间连续切换，从而周期性地激活相应的晶体管52、24和56，以(部分或完全)移动相应光电二极管22中的电荷。作为另外的示例，控制信号AB可以发生其他活动(例如，将电压维持在供电电压电平、接地电压电平、升高的电压电平；在负电压电平与接地电压电平之间转换)。然而，为了避免不必要地模糊本发明的描述，并未进一步描述这些活动。如果需要，本文描述的虚拟行可以类似地说明任何其他合适的转换。
行R2至R6中诸如SA1至SA5的转换可以在像素30的一些行的信号读出期间(例如，在读出LFM帧之前的HDR帧读出期间；在阵列20并行执行LFM图像采集时的帧读出期间，等等)同时发生，但在像素30的其他行的信号读出期间(例如，正在读出LFM帧时，在阵列20未并行执行LFM图像采集时的帧读出期间)可不发生。因此，某些行和/或帧发生信号读出的环境不同于其他行和/或帧。作为示例，当其他行未在脉冲化控制信号AB和TX/DCG(例如，控制信号AB维持在参考或接地电压电平而不是参与SA1至SA5)时，一些行可以接收第一变化重置电压电平和第一变化信号电压电平。另一方面，当其他行在脉冲化控制信号AB和TX/DCG(例如，参与SA1至SA5)时，其他行可以接收不同于第一重置电压电平和第一信号电压电平的第二标准重置电压电平和第二标准信号电压电平。
如图6所示，可以提供虚拟行DR1至DR10以模拟控制信号转换(例如，控制信号AB转换，诸如SA1至SA3；控制信号TX/DCG转换，诸如SA4和SA5)。在每个相位期间，行DR1至DR10中的至少一个提供切换活动SA1至SA5(为清楚起见，分别缩写为“1”、“2”、“3”、“4”、“5”)中的至少一个。
具体地，在相位0期间，行DR1中的一个或多个晶体管52(在相应的虚拟像素30中)可以接收使用SA1转换的控制信号AB，行DR5中的一个或多个晶体管52可以接收使用SA2转换的控制信号AB，DR4中的一个或多个晶体管52可以接收使用SA3转换的控制信号AB，DR8中的一个或多个晶体管24和56可以接收使用SA4转换的控制信号TX和DCG，并且DR7中的一个或多个晶体管24和56可以接收使用SA5转换的控制信号TX和DCG。类似地，在相位1期间，行DR2、DR1、DR5、DR9、DR8可以分别接收对应的控制信号AB或使用SA1至SA5转换的控制信号TX和DCG。
举例来说，在相位7期间读出电路正在读出HDR帧的有效像素行的像素30中的图像信号的情况下，在此期间没有其他有源像素行正在执行LFM图像采集(例如，接收在SA1至SA5中的任何一个进行脉冲化的控制信号AB、TX和/或DCG)。在这种情况下，如果没有任何虚拟行，从行R1读出的图像信号将以不同于标准重置电压电平和标准信号电压电平的变化重置电压电平和变化信号电压电平读出，从而导致图像伪影。然而，如果至少加入模拟SA1至SA5发生的环境的虚拟行DR1至DR3、DR9和DR10，从行R1读出的图像信号将以类似于其他行读出的标准重置电压电平和标准信号电压电平(例如，来自其他HDR曝光帧；来自LFM帧)读出。
虚拟LFM行DR1至DR10可以耦接到有源LFM模式像素行R1至R6，使得SA1至SA5效应可以耦接到行R1至R6的读出操作。例如，耦接到相同电源电压电路(例如，提供像素电源或重置电压的电路)的行R1至R6和行DR1至DR10可以经由相应的列线彼此耦接，可以彼此相邻地设置，等等。换句话说，阵列20中的每个相应像素列可以包括一组虚拟像素，其耦接到像素列中的有源像素并且向像素列中的有源像素提供切换活动效应。
图4至图6的示例性示例仅仅是示例性的。如果需要，图4中的有源像素行部分60和虚拟像素行部分62可以提供本文所述的控制信号耦接效应的任何合适的配置形成。作为示例，部分62可以在阵列20的顶部形成，而部分60可以在阵列20的底部形成。作为另一个示例，虚拟行部分62可以分成多个段(例如，用于控制信号AB的行DR1至DR5以及用于控制信号TX和DCG的行DR6至DR10)，其被放置在相对于有源像素行部分60的不同位置。具体地，行R1至R6不必是如图4所示的相邻行，并且类似地，行DR1至DR10不必是相邻行。如果需要，行R1至R6可以任何合适的方式散布在阵列20中。作为另一个特定的示例，虚拟行可以插置在有源像素行的不同部分之间。
如果需要，可以省略图5和图6中的一个或多个控制信号(例如，控制信号AB和/或DCG)(例如，当像素30不包括晶体管52时；当像素30不包括晶体管56和电容器54时，等等)。如果需要，附加控制信号和附加控制信号的对应切换活动可以结合到部分60和62以及操作部分60和62的对应时序图中。
虽然图5示出相位1而不是后续相位(或在某些情况下相位0)期间的SA1至SA5，但这是为了清楚起见(例如，在相位1期间清楚地显示SA1至SA5)。在相位0和2-N期间，行R1至R6可以在SA1至SA5之间交替，可以在无源时维持特定电压(例如，不执行LFM图像采集时；不执行溢出图像采集时，等等)，或者可以实施任何合适的切换活动。如前所述，有源行部分60可以包括附加行，诸如行R7、R8、…、RN。因为存在五种不同类型的转换(例如，SA1至SA5)，作为示例，每组五个附加行可以在LFM图像采集期间重复转换的类型。
虽然图6示出了十个虚拟行(例如，行DR1至DR10)，但这仅仅是示例性的。可以设置任何数量的虚拟行，只要有源像素实施或经历的每个合适的切换活动可通过该虚拟行的数量实施。虚拟行的数量可也根据像素30的配置而改变(例如，没有晶体管52的像素30可以不需要虚拟行DR1至DR5)。如果需要，像素30可被配置为实施范围广泛的功能(例如，LFM、溢出、HDR功能)。但是，可以控制像素30以提供功能的子集。作为示例，虽然像素30可以包括实现LFM功能的晶体管52，但是像素30可以在溢出操作模式下操作，但不可以在LFM操作模式下操作。在这种情况下，虚拟行部分62的行可以是去激活或无源状态(例如，可以不接收任何控制信号脉冲或切换活动)。
具体地，如前所述，阵列20中的像素30可还在溢出操作模式结合HDR操作模式下操作(例如，在不同曝光时间产生溢出图像帧和多个其他图像帧)。该组合操作模式可以应对类似的不期望的图像伪影(例如，条带效应)，如针对LFM和HDR的组合操作模式所描述的。作为示例，行R5和R6中的像素30(在图4中)可以在溢出操作模式下操作(例如，行R5和R6中的像素可以同时接收控制信号TX和DCG的脉冲，如图5所示)。在溢出操作模式期间，可以省略关于LFM操作模式描述的行R1至R4中控制信号AB的脉冲(例如，在整个溢出图像采集期间，控制信号AB可以保持在低电平)。在这种情况下，为了减轻先前提到的条带效应，虚拟行DR6至DR10可用于在每个相位期间提供切换活动4和5。如果需要，在溢出操作模式期间，虚拟行DR1至DR5可以保持在低电压。因为控制信号TX和DCG仅对应两个切换活动，所以如果需要，可以使用少于五个虚拟行(例如，两个虚拟行)来模拟切换活动4和5。
有源像素行可以接收具有对应数量的切换活动或一组转换的控制信号。这些切换活动可以在一些有源图像像素行或帧的读出操作期间发生，但在其他有源图像像素行或帧的读出操作期间不发生，尤其是在由相同像素阵列以交织方式生成多种类型帧的情况下。这可能导致与不同行和/或帧对应的读出操作的不同的读出环境(例如，具有不同的重置电压电平和不同的信号电压电平)。为了减轻这些不利影响，图像传感器可以包括虚拟像素行，其连续地脉冲化切换活动以确保所有行的读出操作具有相同的读出环境(例如，在读出操作期间具有相同的重置电压电平和相同的信号电压电平)。
图7为包括成像设备708(例如，图1的相机模块12)的示例性处理器***700(诸如，数码相机)的简化图，该成像设备采用如上结合图1至图6所述的图像传感器。在不进行限制的前提下，这种***可包括计算机***、静态或视频摄像机***、扫描仪、机器视觉***、车辆导航***、视频电话、监控***、自动对焦***、星体******、运动检测***、图像稳定***、以及其他采用成像设备的***。
处理器***700例如数字静态或视频摄像机***一般包括透镜714，该透镜用于在快门释放按钮716被按下时，将图像聚焦到成像设备708中的一个或多个像素阵列上；和中央处理单元(CPU)702，诸如微处理器，其控制相机功能和一个或多个图像流功能。处理单元702可通过***总线706与一个或多个输入-输出(I/O)设备710通信。成像设备708可还通过总线706来与CPU 702进行通信。***700可还包括随机存取存储器(RAM)704并且可任选地包括可移动存储器712，诸如闪存存储器，该存储器可也通过总线706与CPU 702通信。成像设备708可以在单个集成电路上或在不同芯片上与CPU组合，无论是否具有存储器存储装置。尽管总线706被示为单总线，但该总线也可以是一个或多个总线、桥接器或其他用于互连***700的***组件的通信路径。
已描述多个实施方案，说明具有虚拟像素行的图像传感器的***和方法。
在一个实施方案中，图像传感器可以包括一行或多行有源图像像素(例如，至少一个给定图像像素)，其接收被配置为在相应时间段(例如，相位)期间具有多个切换活动(例如，转换类型)的控制信号。图像传感器可还包括一行或多行虚拟图像像素，其耦接到有源图像像素的行。多个虚拟像素行可以包括第一组虚拟像素行，其各自接收与控制信号对应的信号。在相应时间段中的每个期间，由第一组虚拟像素行接收的信号可以包括用于控制信号的每个转换类型。
一行或多行有源图像像素可以接收被配置为具有多个切换活动(例如，转换类型)的附加控制信号，多个虚拟像素行可以包括第二组虚拟像素行，其各自接收与附加控制信号对应的附加信号。在相应时间段中的每个期间，由第二组虚拟像素行接收的附加信号可以包括用于附加控制信号的每个转换类型。
至少一个给定图像像素可包括经由抗光晕晶体管耦接到电源端子的光敏元件(例如，光电二极管)。光敏元件可经由转移晶体管耦接到浮动扩散区。浮动扩散区可经由溢出晶体管耦接到溢出电容器。抗光晕晶体管可以接收控制信号。转移晶体管和溢出晶体管中的一个可以接收附加控制信号。转移晶体管和溢出晶体管中的另一个可以接收第三控制信号。第二组虚拟像素行可各自也接收与第三控制信号对应的第三信号。第三控制信号可以具有与附加控制信号相同的可能的切换活动。
行控制电路可以经由至少一个或多个行控制信号耦接到每行有源图像像素，并且可以经由至少一个或多个附加行信号耦接到每行虚拟像素。具体地，行控制电路可以生成控制信号、与控制信号对应的信号、附加控制信号、与附加控制信号对应的附加信号、第三控制信号、与第三控制信号对应的第三信号。一行或多行虚拟图像像素可以与一行或多行有源图像像素分开形成。
如果需要，可以在同一像素阵列中与一行或多行有源图像像素连续地形成一行或多行虚拟图像像素。具体地，像素阵列的每列可以包括来自一行或多行有源图像像素中每一行的至少多个图像像素。像素阵列的每列可还包括来自一行或多行虚拟像素中每一行的至少多个虚拟像素。在一行或多行有源图像像素的读出操作期间，一行或多行虚拟像素可通过接收信号、附加信号和第三信号来模拟任何可能的切换活动，以减轻任何图像伪影(例如，在读出操作期间由不同行上的不同重置电压电平和信号电压电平引起的条带)。
根据一个实施方案，图像传感器可以包括至少一行有源图像像素，其接收控制信号，该控制信号被配置为在多个相应时间段期间具有多个转换类型；和多个虚拟像素行，其耦接到至少一行有源图像像素，并且每个虚拟像素行接收与控制信号对应的信号。在多个相应时间段中的每个时间段期间，由多个虚拟像素行接收的信号可以包括多个转换类型中的每个转换类型。
根据另一个实施方案，图像传感器可以包括行控制电路，该行控制电路被配置为将控制信号提供给至少一行有源图像像素，并且被配置为将信号提供给多个虚拟像素行。
根据另一个实施方案，至少一行有源图像像素可以接收附加控制信号，该附加控制信号被配置为在多个相应时间段期间具有多个附加转换类型。多个虚拟像素行可各自接收与附加控制信号对应的附加信号。
根据另一个实施方案，在多个时间段中的每个时间段期间，由多个虚拟像素行接收的附加信号可以包括多个附加转换类型中的每个附加转换类型。
根据另一个实施方案，多个虚拟像素行可包括：第一组虚拟像素行，其被配置为接收与控制信号对应的信号；和第二组虚拟像素行，其被配置为接收与附加控制信号对应的附加信号。
根据另一个实施方案，在多个相应时间段中的每个时间段期间，由第一组虚拟像素行接收的信号可包括多个转换类型中的每个转换类型，并且由第二组虚拟像素行接收的附加信号可包括多个附加转换类型中的每个附加转换类型。
根据另一个实施方案，至少一行有源图像像素可包括给定图像像素。给定图像像素可包括光敏元件以及将光敏元件耦接到电源端子的晶体管。晶体管可以被配置为接收控制信号。
根据另一个实施方案，给定图像像素可包括经由附加晶体管耦接到光敏区的浮动扩散区。附加晶体管可被配置为接收附加控制信号，该附加控制信号被配置为在多个相应时间段期间具有多个附加转换类型。多个虚拟像素行可各自接收与附加控制信号对应的附加信号。
根据另一个实施方案，给定图像像素可包括经由第三晶体管耦接到浮动扩散区的电容器。第三晶体管可被配置为接收第三控制信号，该第三控制信号被配置为在多个相应时间段期间具有多个附加转换类型。
根据另一个实施方案，多个虚拟像素行可各自接收与第三控制信号对应的第三信号。
根据另一个实施方案，多个虚拟像素行可包括：第一组虚拟像素行，其被配置为接收与控制信号对应的信号；和第二组虚拟像素行，其被配置为接收与附加控制信号对应的附加信号以及与第三控制信号对应的第三信号。
根据另一个实施方案，至少一行有源图像像素和多个虚拟像素行可以形成连续的像素阵列。
根据另一个实施方案，至少一行有源图像像素可与多个虚拟像素行分开形成。
根据一个实施方案，图像传感器包括布置成多个行的多个有源图像像素以及布置成多个附加行的多个虚拟像素。操作图像传感器的方法可以包括：利用多个有源图像像素中的给定有源图像像素，至少部分地基于在多个相位期间接收具有多个切换活动的控制信号来生成图像信号；对多个有源图像像素执行读出操作；以及当执行读出操作时，在多个虚拟像素处，接收多个信号，该多个信号包括在多个相位中的给定相位期间多个切换活动中的每个切换活动。
根据另一个实施方案，给定有源图像像素可包括经由晶体管耦接到电源端子的光电二极管。该方法可以包括利用晶体管接收控制信号。
根据另一个实施方案，给定有源图像像素可包括附加晶体管。该方法可以包括：利用附加晶体管，在多个相位期间接收具有多个附加切换活动的附加控制信号；以及当执行读出操作时，在多个虚拟像素处，接收多个附加信号，该多个附加信号包括在多个相位中的给定相位期间多个附加切换活动中的每个切换活动。
根据另一个实施方案，接收多个信号可以包括：当执行读出操作时，在多个虚拟像素处，接收多个信号，该多个信号包括在多个相位中的每个相位期间的多个切换活动中的每个切换活动。
根据一个实施方案，图像传感器可包括布置成至少一列的多个像素。多个像素可包括有源图像像素和多个虚拟像素。有源图像像素可以接收被配置为具有多个切换活动的至少一个控制信号。多个虚拟像素中的一组虚拟像素可以被配置为分别接收具有多个切换活动中每个切换活动的对应信号。图像传感器可以包括经由列线耦接到第一组有源图像像素和第二组虚拟像素的列读出电路。
根据另一个实施方案，有源图像像素可以接收被配置为具有多个附加切换活动的附加控制信号。多个虚拟像素中的附加组虚拟像素可以被配置为分别接收具有多个附加切换活动中每个切换活动的对应附加信号。
根据另一个实施方案，多个切换活动可包括从接地电压电平到供电电压电平的第一转换，从供电电压电平到升高的电压电平的第二转换，以及从升高的电压电平到偏置电压电平的第三转换。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的实质和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独实施或以任意组合方式实施。

Claims (11)

1.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
至少一行有源图像像素，所述至少一行有源图像像素接收控制信号，所述控制信号被配置为在多个相应时间段期间表现出多个转换类型，所述多个转换类型包括不同电压电平之间的转换；和
多个虚拟像素行，所述多个虚拟像素行耦接到所述至少一行有源图像像素，并且每个虚拟像素行接收与所述控制信号对应的信号，其中，在所述多个相应时间段中的每个时间段期间，由所述多个虚拟像素行接收的所述信号被配置为表现出所述多个转换类型中的每个转换类型。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
行控制电路，所述行控制电路被配置为将所述控制信号提供给所述至少一行有源图像像素，并且被配置为将所述信号提供给所述多个虚拟像素行，其中，所述至少一行有源图像像素接收附加控制信号，所述附加控制信号被配置为在所述多个相应时间段期间表现出多个附加转换类型，所述多个附加转换类型包括不同电压电平之间的附加转换，并且其中，所述多个虚拟像素行各自接收与所述附加控制信号对应的附加信号。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，在所述多个相应时间段中的每个时间段期间，由所述多个虚拟像素行接收的所述附加信号被配置为表现出所述多个附加转换类型中的每个附加转换类型。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述多个虚拟像素行包括：
第一组虚拟像素行，所述第一组虚拟像素行被配置为接收与所述控制信号对应的所述信号；和
第二组虚拟像素行，所述第二组虚拟像素行被配置为接收与所述附加控制信号对应的所述附加信号，其中，在所述多个相应时间段中的每个时间段期间，由所述第一组虚拟像素行接收的所述信号被配置为表现出所述多个转换类型中的每个转换类型，并且由所述第二组虚拟像素行接收的所述附加信号被配置为表现出所述多个附加转换类型中的每个附加转换类型。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述至少一行有源图像像素包括给定图像像素，所述给定图像像素包括：
光敏元件；和
晶体管，所述晶体管将所述光敏元件耦接到电源端子，其中所述晶体管被配置为接收所述控制信号，其中所述给定图像像素包括经由附加晶体管耦接到所述光敏元件的浮动扩散区，其中所述附加晶体管被配置为接收附加控制信号，所述附加控制信号被配置为在所述多个相应时间段期间表现出多个附加转换类型，并且其中所述多个虚拟像素行各自接收与所述附加控制信号对应的附加信号。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述给定图像像素包括经由第三晶体管耦接到所述浮动扩散区的电容器，其中所述第三晶体管被配置为接收第三控制信号，所述第三控制信号被配置为在所述多个相应时间段期间表现出所述多个附加转换类型，其中所述多个虚拟像素行各自接收与所述第三控制信号对应的第三信号，并且其中所述多个虚拟像素行包括：
第一组虚拟像素行，所述第一组虚拟像素行被配置为接收与所述控制信号对应的所述信号；和
第二组虚拟像素行，所述第二组虚拟像素行被配置为接收与所述附加控制信号对应的所述附加信号以及与所述第三控制信号对应的所述第三信号。
7.一种操作图像传感器的方法，其特征在于，所述图像传感器包括布置成多个行的多个有源图像像素以及布置成多个附加行的多个虚拟像素，所述方法包括：
利用所述多个有源图像像素中的给定有源图像像素，至少部分地基于在多个相位期间接收表现出多个切换活动的控制信号来生成图像信号，所述多个切换活动包括不同电压电平之间的切换；
对所述多个有源图像像素执行读出操作；以及
当执行所述读出操作时，在所述多个虚拟像素处，在所述多个相位中的给定相位期间接收多个信号，所述多个信号均表现出所述多个切换活动中的切换活动。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述给定有源图像像素包括经由晶体管耦接到电源端子的光电二极管，所述方法还包括：
利用所述晶体管接收所述控制信号，其中所述给定有源图像像素包括附加晶体管；
利用所述附加晶体管，在所述多个相位期间接收表现出多个附加切换活动的附加控制信号，所述多个附加切换活动包括不同电压电平之间的附加切换；以及
当执行所述读出操作时，在所述多个虚拟像素处，在所述多个相位中的所述给定相位期间接收多个附加信号，所述多个附加信号均表现出所述多个附加切换活动中的切换活动。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，接收所述多个信号包括：
当执行所述读出操作时，在所述多个虚拟像素处，在所述多个相位中的每个相位期间接收所述多个信号，所述多个信号均表现出所述多个切换活动中的相应切换活动。
10.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括：
多个像素，所述多个像素布置在至少一列中，其中所述多个像素包括有源图像像素和多个虚拟像素，其中所述有源图像像素接收至少一个控制信号，所述至少一个控制信号被配置为具有多个切换活动，所述多个切换活动包括不同电压电平之间的转换，并且其中所述多个虚拟像素中的一组虚拟像素被配置为分别接收具有所述多个切换活动中的每个切换活动的相应信号；和
列读出电路，所述列读出电路经由列线耦接到所述有源图像像素和所述一组虚拟像素。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，所述多个切换活动包括从接地电压电平到供电电压电平的第一转换，从供电电压电平到升高的电压电平的第二转换，以及从所述升高的电压电平到偏置电压电平的第三转换。
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