对图像传感器进行时钟控制的方法技术

本发明专利技术描述了对图像传感器进行时钟控制的方法。具体描述了测量和校准CCD成像系统的增益的方法。电荷注入器可存在于图像传感器阵列的任一侧上，用于向相应的校准VCCD提供测试电荷。可在四输出读出期间将测试电荷转移到上部和下部HCCD，或在双输出或单输出读出期间将测试电荷仅转移到所述下部HCCD。在所述成像系统的每个象限中，可基于测试电荷的量值经由电荷开关将所述测试电荷转移到EMCCD输出端或非EMCCD输出端。所述成像系统中所有EMCCD输出端和非EMCCD输出端的所述增益可在任两个输出端之间检测到差异时通过调整每个输出端处的所述增益来彼此校准。

Method for clock control of image sensor

The present invention describes a method for clock control of an image sensor. A method for measuring and calibrating the gain of an CCD imaging system is described in detail. On either side of a charge injector can exist in the image sensor array, for providing a test charge to the corresponding calibration VCCD. The test charge may be shifted to the upper and lower HCCD during the four output readout period, or the test charge is transferred to the lower HCCD only during double output or single output readout. In each quadrant of the imaging system, the test charge may be transferred to the EMCCD output or non EMCCD output via a charge switch based on the magnitude of the test charge. The gain of all EMCCD outputs and non EMCCD outputs in the imaging system can be calibrated to each other by adjusting the gains at each output at any difference between the two outputs.

【技术实现步骤摘要】
对图像传感器进行时钟控制的方法相关申请的交叉引用本申请要求由ChristopherParks专利技术的、提交于2016年1月14日的名称为“MethodsforClockinganImageSensor”(对图像传感器进行时钟控制的方法)的美国临时申请No.62/278563的优先权，该申请以引用方式并入本文，并且据此要求该申请的共同主题的优先权。
本申请整体涉及成像系统，更具体地讲，涉及用于具有多个输出端的电荷耦合器件(CCD)成像系统的输出增益测量和校准方法。
技术介绍
电子设备(诸如移动电话、相机、计算机)通常包括成像系统，该成像系统进一步包括用于捕捉图像的数字图像传感器。可将图像传感器制作成具有二维图像像素阵列，这些图像像素包含把入射光子(入射光)转换为电信号的光电二极管。电子设备通常包括显示器，用于显示捕捉的图像数据。常规行间CCD成像器设置有形成于钉扎层下方的多个光电二极管。在常规成像器中，光电二极管通常为半导体衬底中的n型掺杂区。形成于光电二极管上方的钉扎层通常为p型掺杂层。形成于光电二极管上方的钉扎层通常耦接到地并且充当光电二极管的接地。光电二极管的电势保持恒定，只要在钉扎层上所提供的电压恒定，并且在整个设备上无全局净电流。入射在成像器上的光导致光生电子聚积在n型光电二极管区域中。通过向形成于竖直CCD(VCCD)上方的转移栅极和光电二极管与VCCD之间的区域施加读出电压(有时称为“第三级电压”)，将这些光生电子中的一些读出到VCCD中。常规用于将光生电荷从光电二极管读出到VCCD的“第三级电压”通常为大于7V的大电压。随后将光生电子从每个VCCD读出到水平CCD(HCCD)，再从该HCCD处将这些光生电子转移到相关输出端。在一些常规CCD图像传感器中，将电子倍增器CCD(EMCCD)整合到HCCD路径中，以增大输出端处的信号电平的量值，使得它们处于可读范围内。为了测量由EMCCD提供的增益，常规图像传感器使用受控光源，所述受控光源导致在图像传感器的每个光电二极管处生成已知量的电荷。随后通过EMCCD输出端和非EMCCD输出端二者读出该已知量的电荷，从而可获得EMCCD增益测量值。该方法中所使用的受控光源通常被构建到容纳成像器的系统中。然而，该方法对于视频捕捉操作来说是不可取的，因为该方法要求中断视频流，以便可闪烁光以测量增益。一些常规CCD成像器使用捕捉的图像中的内容来测量EMCCD增益，但如果捕捉的图像在CCD成像器中仅生成小信号(例如，在弱光条件下)，那么该方法就无法依赖。一些常规CCD成像器依赖于具有高电平暗电流的缺陷像素来测量EMCCD增益，但该方法需要像素缺陷才可操作，不适用于极少或没有缺陷像素的CCD成像器。一些常规CCD成像器依赖于EMCCD电压或温度的变化来计算EMCCD增益，但该方法是不可取的，因为改变EMCCD电压或温度会改变捕捉的图像的外观。一些常规CCD成像器依赖于将电荷直接注入EMCCD的入口中，以便注入已知信号量进行增益校准。然而，使用这种方法获得具有增益的信号与不具有增益的信号的比需要改变EMCCD电压，这是不可取的，因为这会改变捕捉的图像的外观。该方法不可取的另一个原因是，它不提供用于匹配一个以上的EMCCD的输出的手段。因此，需要一种技术，既允许在单个CCD成像器内测量和校准多个EMCCD的输出增益，又能够避免与上述常规技术相关的缺点。附图说明图1为根据一个实施方案的行间CCD图像传感器的框图。图2为根据一个实施方案的具有遮光罩的行间CCD的穿过图1中的线A’-A”的横截面侧视图。图3为根据一个实施方案的具有两个电荷注入器、四个EMCCD输出端和四个非EMCCD输出端的示例性CCD成像系统的俯视图。图4为根据一个实施方案的用于将电荷注入CCD图像传感器的校准VCCD中的示例性结构的俯视图。图5为根据一个实施方案的示出在四输出CCD读出操作期间沿图4中的A-C路径的栅极处的电荷电平和电压电势的示例性流体图。图6为根据一个实施方案的示出在四输出CCD读出操作期间沿图4中的A-B路径的电荷电平和电压电势的示例性流体图。图7为根据一个实施方案的示例性时序图，示出在四输出CCD读出操作期间施加到校准VCCD的栅极、注入栅极和注入二极管的信号电平。图8为根据一个实施方案的示出在双输出和单输出CCD读出操作期间沿图4中的B-C路径的电荷电平和电压电势的示例性流体图。图9为根据一个实施方案的示例性时序图，示出在双输出和单输出CCD读出操作期间施加到校准VCCD的栅极、注入栅极和注入二极管的信号电平。具体实施方式图1为行间电荷耦合器件(CCD)图像传感器110的基本构造的示意图。图像传感器110可整合至车辆安全系统(例如，后视摄像头或其他车辆安全系统)、监视系统、电子设备(例如，照相机、移动电话、摄影机，或捕捉数字图像数据的任何其他所需电子设备)。光采集单元可包括被排布成数行和数列的光电二极管120阵列。光电二极管120可各自与图像像素相关，并且因此可互换地称为“像素二极管”。滤光元件诸如滤色器、等离子体滤光器、谐振增强滤色器或任何其他过滤元件可形成于光电二极管120的每一者上方。透镜元件诸如微透镜也可形成于光电二极管120上方。图像传感器110中的每一列光电二极管120均可与相应的竖直CCD(VCCD)130相关。在图像传感器110中还可设置一个或多个水平CCD(HCCD)140，并且所述一个或多个水平CCD(HCCD)可耦接到输出放大器150，所述输出放大器向附加的图像读出和处理电路(未示出)提供图像像素信号。在逐行扫描读出模式下，每个光电二极管120可同时向其相应的VCCD130转移在图像捕捉模式期间在光电二极管中所收集的一些或全部光生电荷。例如，可将来自第一列图像传感器110中的光电二极管120的一些或全部光生电荷转移到第一VCCD130，同时可将来自第二列图像传感器110中的光电二极管120的一些或全部光生电荷转移到第二VCCD130。可通过将所有列并行地(一次一行)转移到HCCD140中来读出VCCD130中的电荷。例如，可将与和图像传感器中的每一列相关的所有VCCD130的每一行相关的电荷朝向HCCD140转移一行。同时，可将与相邻于HCCD140的图像传感器110的第一行相关的电荷从VCCD130转移到HCCD140。一旦HCCD140从VCCD130接收到与给定行相关的电荷，HCCD140随后即可向输出放大器150连续地转移电荷。为了提高帧率，行间CCD可具有一个以上的输出放大器(未示出)。在某些情况下，可在图像传感器110的相对侧上复制HCCD140(例如，用于多输出读出操作)。复制品HCCD可与HCCD140起到相同作用并且可具有相同功能。为了转移电荷包，在VCCD130和HCCD140区域中存在多晶硅栅极。在像素内，VCCD130和HCCD140区域包括一个或多个多晶硅栅极。在两个电势之间对这些栅极上的电压进行时钟控制提供了用于以斗链方式转移电荷的手段。校准VCCD160可能并不从任一光电二极管120接收电荷。相反，可使用电荷注入装置(未示出)向校准VCCD160的中间行施加电荷。注入校准VCCD160中的电荷可用于进行下游校准和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像系统，包括：光敏元件阵列；多个垂直电荷耦合器件，所述多个垂直电荷耦合器件各自耦接到所述光敏元件阵列中相应的光敏元件列；上部水平电荷耦合器件，所述上部水平电荷耦合器件耦接到所述多个垂直电荷耦合器件；下部水平电荷耦合器件，所述下部水平电荷耦合器件耦接到所述多个垂直电荷耦合器件，其中所述多个垂直电荷耦合器件将电荷从所述光敏元件阵列转移到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；校准垂直电荷耦合器件，所述校准垂直电荷耦合器件耦接到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及电荷注入结构，所述电荷注入结构将测试电荷注入到所述校准垂直电荷耦合器件的中间行。

【技术特征摘要】
2016.01.14 US 62/278,563;2016.05.09 US 15/149,3211.一种成像系统，包括：光敏元件阵列；多个垂直电荷耦合器件，所述多个垂直电荷耦合器件各自耦接到所述光敏元件阵列中相应的光敏元件列；上部水平电荷耦合器件，所述上部水平电荷耦合器件耦接到所述多个垂直电荷耦合器件；下部水平电荷耦合器件，所述下部水平电荷耦合器件耦接到所述多个垂直电荷耦合器件，其中所述多个垂直电荷耦合器件将电荷从所述光敏元件阵列转移到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；校准垂直电荷耦合器件，所述校准垂直电荷耦合器件耦接到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及电荷注入结构，所述电荷注入结构将测试电荷注入到所述校准垂直电荷耦合器件的中间行。2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述电荷注入结构包括第一电荷注入结构，其中所述测试电荷包括第一测试电荷，其中所述校准垂直电荷耦合器件包括第一校准垂直电荷耦合器件，并且其中所述成像系统还包括：第二校准垂直电荷耦合器件，所述第二校准垂直电荷耦合器件耦接到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及第二电荷注入结构，所述第二电荷注入结构将第二测试电荷注入到所述第二垂直电荷耦合器件的中间行。3.根据权利要求2所述的成像系统，其中所述光敏元件阵列的第一列和最后一列包括具有阻光结构的暗列，所述阻光结构防止所述暗列中的光敏元件接收入射光。4.根据权利要求3所述的成像系统，其中所述光敏元件阵列的第一行和最后一行是具有阻光结构的暗行，所述阻光结构防止所述暗行中的光敏元件接收入射光。5.根据权利要求4所述的成像系统，其中所述成像系统分成四个象限，并且其中所述四个象限中的每一者包括：电荷开关，所述电荷开关从所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的一者接收电荷；电子倍增器装置；第一成像系统输出端，所述第一成像系统输出端耦接到所述电子倍增器装置；以及第二成像系统输出端，其中所述电荷开关耦接在所述第二成像系统输出端与所述电子倍增器装置之间，并且其中在第一构造中，所述电荷开关选择性地将所述电荷开关接收的电荷通过所述电子倍增器装置传递到所述第一成像系统输出端，并且在第二构造中传递到所述第二成像系统输出端。6.根据权利要求5所述的成像系统，其中所述电荷开关基于所述电荷开关接收的电荷的量值选择性地传递所接收的电荷。7.根据权利要求6所述的成像系统，其中所述四个象限中的每一者还包括：浮栅放大器；以及浮栅感测节点，所述浮栅感测节点耦接到所述浮栅放大器并且插置到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的对应一者，其中所述浮栅感测节点和所述浮栅放大器测量所接收的电荷的所述量值。8.根据权利要求3所述的成像系统，其中所述第一校准垂直电荷耦合器件和所述第二校准垂直电荷耦合器件分别从所述第一电荷注入结构和所述第二电荷注入结构仅接收测试电荷。9.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述电荷注入结构包括：注入二极管；以及注入栅极，所述注入栅极插置在所述注入二极管与所述校准垂直电荷耦合器件的中间行之间，其中所述注入二极管通过所述注入栅极向所述校准垂直电荷耦合器件的所述中间行提供所述测试电荷。10.一种用于校准成像系统中图像传感器的输出端的增益的方法，包括：利用至少一个电荷注入器，将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行；利用所述至少一个垂直电荷耦合器件，将所述至少一个电荷转移到至少一个水平电荷耦合器件；利用所述至少一个水平电荷耦合器件，将所述至少一个电荷转移到至少一个电荷开关；利用所述至少一个电荷开关，在检测到所述至少一个电荷高于阈值量值时，选择性地将所述至少一个电荷路由到至少一个低增益输出端，并且在检测到所述至少一个电荷低于所述阈值量值时，选择性地将所述至少一个电荷路由到至少一个高增益输出端；并且调整所述至少一个高增益输出端和所述至少一个低增益输出端的增益，使得所述增益线性匹配。11.根据权利要求10所述的方法，其中将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行包括：利用第一电荷注入器，将第一电荷注入到所述图像传感器中第一垂直电荷耦合器件的中间行；并且利用第二电荷注入器，将第二电荷注入到所述图像传感器中第二垂直电荷耦合器件的中间行。12.根据权利要求11所述的方法，其中将注入的电荷转移到至少一个水平电荷耦合器件包括：利用所述第一垂直电荷耦合器件，将所述第一电荷转移到所述至少一个水平电荷耦合器件；并且利用所述第二垂直电荷耦合器件，将所述第二电荷转移到所述至少一个水平电荷耦合器件。13.根据权利要求12所述的方法，其中将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行还包括：利用所述第一电荷注入器，将第三电荷注入到所述图像传感器中所述第一垂直电荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·帕克斯，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US