高动态范围成像传感器阵列制造技术

本发明专利技术公开了一种具有矩形成像阵列的装置，其特征在于多个像素传感器和多个读出线。该装置具有多个列处理电路，每个列处理电路连接到相应的一个读出线和多个信号注入器，一个信号注入器连接到每个读出线。每个信号注入器使预定数量的电压中的一个耦合到该读出线。在图像记录周期期间确定每个像素传感器的曝光。信号注入器在校准周期期间将多个校准电压注入读出线，并通过测量多个校准电压的放大器的输出来确定一个列处理电路中的放大器的增益函数，校准周期在成像记录周期之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高动态范围成像传感器阵列
本专利技术涉及高动态范围成像传感器阵列。
技术介绍
CMOS相机通常通过将来自场景的光成像到像素传感器阵列上来形成场景的图像。通常，每个像素传感器具有一个或多个光电探测器。每个光电探测器将在曝光期间接收的光转换成电信号。然后，电信号由模数转换器(ADC)数字化，以产生表示在曝光时间段期间接收的光量的数字值。该阵列通常是具有数千列和行的像素的二维阵列。每行使用单独的列放大器和ADC，一次读出一行阵列。通常，光电二极管具有一些范围，其中来自光电二极管的信号是在曝光时段中接收的光的单调递增函数。在该范围的底部，从所产生的信号确定光强度的精度受到各种噪声源的限制。在该范围之上，光电二极管的输出饱和，因此，不能精确地测量高于该范围的强度。对于当前的光电二极管，可用信号的范围小于测量许多图像中的所有强度所需的信号范围。如果将曝光设置为检测低电平光信号，则图像的亮区域将在该范围之外，并因此饱和。用于扩展像素传感器的高范围的现有技术解决方案通常利用第二曝光或第二光电二极管。在这样的方案中，第一曝光或光电二极管被设置为检测低光像素。经受高光强度的像素传感器饱和，因此不能提供关于图像的那些高光强度区域中的光强度的有用信息。通过以低光强度区域为代价捕获高光强度区域来进行第二测量。第二测量可以是像素传感器中的第二光电二极管，其使用相同的光电二极管，具有低得多的光灵敏度或者第二、更短的曝光。后一种方案在运动图像系统中不是优选的，因为两次曝光中的时间差可能导致运动伪影。双光电二极管方案的缺点是需要更大的像素传感器。然而，光电二极管的最新发展已经提供常规光电二极管内的第二低灵敏度光电二极管，而不会显著增加像素传感器的尺寸。虽然在每个像素传感器中提供第二光电二极管扩展了像素传感器的高强度响应，但是各种噪声源限制了低光区域在合理曝光时间下成像的程度。虽然散粒噪声表示可以获得的最小噪声基底，但是其它噪声源仍然很重要，因此需要降低从而进一步增加图像传感器的动态范围。
技术实现思路
本专利技术包括一种具有矩形成像阵列的装置，其特征在于多个像素传感器和多个读出线。该装置具有多个列处理电路，每个列处理电路连接到相应的一个读出线和多个信号注入器，一个信号注入器连接到每个读出线。每个信号注入器使预定数量的电压中的一个耦合到该读出线。控制器在多个图像记录周期的每一个期间确定每个像素传感器的曝光。控制器还使信号注入器在多个校准周期的每一个期间将多个校准电压注入读出线，并通过测量用于多个校准电压的放大器的输出来确定一个列处理电路中的放大器的增益函数，校准周期在成像记录周期之间。在本专利技术的一个方面中，控制器使信号注入器注入信号，该信号具有像素传感器在不暴露于光的情况下将产生的值，控制器确定每个列处理电路的列偏移值。在另一方面，存在多行信号注入器，每个列处理电路连接到多个信号注入器。控制器在确定列偏移值时对由信号注入器产生的放大器偏移值求平均。在本专利技术的又一方面，在校准周期期间确定列偏移值。在本专利技术的又一个方面，每个像素传感器包括第一和第二光电二极管，第一光电二极管的特征在于与第二光电二极管不同的光转换效率。在一个示例性实施例中，第二光电二极管的光转换效率小于第一光电二极管的1/30。在另一方面，第二光电二极管包括寄生光电二极管，该寄生光电二极管包括浮动扩散节点，该浮动扩散节点还用于将由第一光电二极管产生的电荷转换为电压。在另一方面，控制器确定图像记录周期期间第一光电二极管光转换效率与第二光电二极管光转换效率的比率。在本专利技术的一个方面，控制器通过对来自多个像素传感器的信号求平均来确定比率，在像素传感器中第二光电二极管产生在校准范围内的信号。在本专利技术的另一方面，校准范围不包括其中第二光电二极管具有大于暗电流阈值的暗电流的像素传感器。在本专利技术的另一个方面，像素传感器被分成颜色通道，每个颜色通道在该颜色通道中的像素传感器上具有相应的滤色器，并且控制器分别为每个颜色通道确定比率。在本专利技术的又一个方面，第一光电二极管测量第一曝光与第二曝光之间的曝光，并且其中第二光电二极管可以测量第三曝光与第四曝光之间的曝光，第三曝光小于第二曝光，并且第四曝光大于第二曝光。在本专利技术的另一个方面，控制器使用第一光电二极管测量小于第二曝光的曝光，并使用第二光电二极管测量大于第二曝光的曝光，从而模拟可测量第一与第四曝光之间的曝光的单个光电二极管。在本专利技术的另一个方面，模拟的单个光电二极管产生第一曝光值，该第一曝光值是曝光的线性函数，并且独立于第一和第二光电二极管的光转换效率以及每个像素传感器的列处理电路的变化。在本专利技术的又一个方面，第一曝光值的特征在于散粒噪声值，并且控制器输出每个像素传感器的第二曝光值，第二曝光值由第一曝光值确定，第二曝光值需要较少的位数来输出并且与第一曝光值的差值小于该散粒噪声值。附图说明图1示出了根据本专利技术一个实施例的二维成像阵列。图2示出了现有技术的像素传感器。图3示出了像素传感器，其中寄生光电二极管用于图像测量。图4示出了根据本专利技术一个实施例的列放大器和ADC。图5示出了响应于线197上的行选择信号，在读出线83上读出的信号注入器。具体实施方式为了简化以下讨论，像素传感器被定义为将入射在其上的光转换成电信号的电路，该电信号的大小由在一段时间内入射到该电路上的光量确定，称为曝光。像素传感器具有栅极，该栅极响应于行选择线上的信号从而将该电信号耦合到读出线。矩形成像阵列被定义为多个像素传感器，其组织为多个行和列的像素传感器。矩形阵列包括多个读出线和多个行选择线，每个像素传感器连接到一个行选择线和一个读出线，由该像素产生的电信号响应于与该像素传感器相关联的行选择线上的信号，连接到与该像素相关联的读出线。参考图1，可以更容易地理解本专利技术提供其优点的方式，图1示出了根据本专利技术一个实施例的二维成像阵列。矩形成像阵列80包括像素传感器81。每个像素传感器具有主光电二极管86和寄生光电二极管91。下面将更详细地讨论像素传感器运转的方式。每个像素中的复位电路和放大电路在87处示出。像素传感器布置为多个行和列。示例性的行在94和95处示出。一列中的每个像素传感器连接到读出线83，该读出线83由该列中的所有像素传感器共享。一行中的每个像素传感器连接到行选择线82，行选择线82确定该行中的像素传感器是否连接到相应的读出线。矩形成像阵列80的运转由控制器92控制，控制器92接收要读出的像素地址。控制器92产生行选择地址，行选择地址由行解码器85使用从而能够读出矩形成像阵列80中的相应行上的像素传感器。列放大器被包括在执行读出算法的列放大器84的阵列中，这将在下面更详细地讨论。给定的行中的所有像素传感器并行读出；因此，每个读出线83有一个列放大和ADC电路。下面将更详细地讨论列处理电路。当矩形成像阵列80被重置然后在成像曝光期间曝光时，每个光电二极管累积取决于该光电二极管的曝光和光转换效率的电荷。当读出与该光电二极管相关联的像素传感器的行时，该电荷通过该像素传感器中的复位和放大电路87转换为电压。该电压耦合到相应的读出线83，并被与所述读出线相关联的放大和ADC电路处理，以产生表示在成像曝光期间入射在像素传感器上的光量的数字值。理想地，每个像素传感器与每个其它像素传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：矩形成像阵列，其特征在于具有多个像素传感器和多个读出线；多个列处理电路，每个所述列处理电路连接到所述多个读出线中相应的一个；多个信号注入器，一个信号注入器连接到每个所述读出线，每个信号注入器使预定数量的电压之一耦合到该读出线；和控制器，其在多个图像记录周期的每一个期间确定所述多个像素传感器中的每一个的曝光，使得所述信号注入器在多个校准周期的每一个期间将多个校准电压注入到所述读出线中，并通过在所述多个校准周期期间测量所述放大器的输出，确定所述多个列处理电路之一中的放大器的增益函数，所述多个校准周期在所述图像记录周期之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.16 US 62/309,3771.一种装置，包括：矩形成像阵列，其特征在于具有多个像素传感器和多个读出线；多个列处理电路，每个所述列处理电路连接到所述多个读出线中相应的一个；多个信号注入器，一个信号注入器连接到每个所述读出线，每个信号注入器使预定数量的电压之一耦合到该读出线；和控制器，其在多个图像记录周期的每一个期间确定所述多个像素传感器中的每一个的曝光，使得所述信号注入器在多个校准周期的每一个期间将多个校准电压注入到所述读出线中，并通过在所述多个校准周期期间测量所述放大器的输出，确定所述多个列处理电路之一中的放大器的增益函数，所述多个校准周期在所述图像记录周期之间。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器使所述信号注入器注入信号，该信号具有如果该像素传感器未曝光则像素传感器将产生的值，所述控制器确定所述多个列处理电路中的每一个的列偏移值。3.如权利要求2所述的装置，还包括多行的信号注入器，每个列处理电路连接到多个所述信号注入器，在确定所述列偏移值时，所述控制器对由所述信号注入器产生的所述列偏移值求平均。4.如权利要求2所述的装置，其中，在多个所述校准周期期间确定所述列偏移值。5.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个像素传感器中的每一个包括第一和第二光电二极管，所述第一光电二极管的特征在于与所述第二光电二极管不同的光转换效率。6.如权利要求5所述的装置，其中，所述第二光电二极管的光转换效率小于所述第一光电二极管的1/30。7.如权利要求6所述的装置，其中，所述第二光电二极管包括寄生光电二极管，所述寄生光电二极管包括浮动扩散节点，所述浮动扩散节点还用于将由所述第一光电二极管产生的电荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·穆，A·M·麦格纳尼，S·W·米姆斯，
申请(专利权)人：BAE系统成像解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US