扩展动态范围图像传感器制造技术

一种图像传感器，包括：多个像素，其中至少两个或更多像素具有用于在积累时间期间改变电荷容量的电荷控制结构；其中在基本上曝光时间开始时通过电荷控制结构或读出机构将电荷容量变为基本为零，在曝光时间期间通过电荷控制结构改变电荷容量，从而使得该像素光响应曲线基本上没有线性部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及图像传感器领域，所述图像传感器具有多个像素，这些像素可以在积累期间改变其电荷量，从而提高扩展动态范围。
技术介绍
当人们观察现实世界时，眼睛能够看到很宽范围的亮度级。当观察相同场景的图片时，人们希望会看到相同的范围。但是人们经常会忘掉，当他在观看真实世界时，当他看过亮的区域后再看暗的区域时，眼睛会通过虹膜不断地调整光强度。当外界为明亮的太阳光时，不论眼睛怎样努力，明亮的太阳光都会阻止眼睛使其不能看到处于阴影中的细节。然而，照片却能够表现阴影中的细节。但是，相纸不可能反射出足够的光线来实现由太阳产生的亮度级范围。针对相纸或能够发射光的显示器的有限的显示范围，提出的解决方案就是增强图像较暗部分并减弱较亮部分的强度范围。当图像传感设备捕捉到一个场景时，它通常会输出一个信号电平，该信号电平与图像场景的亮度级成线性比例关系。在图像显示输出或在图像捕捉和显示之间的某些中间步骤中，图像的较暗部分被增强而图像的较亮部分被减弱。图像传感器的动态范围被定义为最大信号电平除以暗噪声信号。如果输出必须为线性，则增强动态范围的唯一途径就是增加最大信号电平或减小暗噪声电平。但是这在需要将动态范围增加8倍或更多时会非常困难。而将数字显示器的比特深度再增加3比特却是可以等效的。另一种方法是在图像传感设备进行图像捕捉时，扩大暗信号并抑制亮信号。例如，在包括例如光敏电容或光电二极管等电荷收集光敏元件阵列的图像传感设备中，当在光敏元件正在积累光产生的电荷的同时改变电荷容量(charge capacity)，可以扩展光敏元件的动态范围。这个技术已经为本领域公知，并在US专利3919587中首先进行了描述，其中表面沟道CCD电荷容量在图像曝光期间被改变。该技术同样可以应用于CMOS成象器上的垂直溢漏(overflow drain)型电荷容量控制结构(US专利4626915)和垂直溢漏行间CCD成像器(US专利4926247)。横向型的溢漏电荷容量控制也可以用于行间和CMOS成像器，其方式与US专利5276520中描述的一样。描述其它变化方式的专利包括US专利4598414，5589880，5602407，6008486，6040570，3953733，4377755，4584606，5295001，5406391，6101294和6188433B1。为了简明起见，下面仅对垂直溢漏(VOD)类型的电荷容量控制结构进行说明。大家都知道，相同的原理也同样适用于横向电荷容量控制结构。动态范围的根本问题是对应经过硅光电二极管表面的每个光子来说，仅产生一个电子。这是一个线性过程。参照1中的曲线A，长时间曝光可以在较低亮度级时就获得较高的信号电平，但是它在较高的亮度级时上很快就会饱和。为了在较高亮度级时获得良好的图像，必须使用很短的曝光时间(如曲线B所示)。曲线B的缺点在于低亮度级。当亮度级为25％时，短曝光曲线B仅有2000个电子，而长曝光曲线A可以产生10000个电子。相对于噪声比曲线B的信号差得多。具有如曲线C所表示的光响应曲线的图像传感器可能会更好。他在较低的亮度级就可以响应出与长时间曝光情况类似的光。但是如果该像素被曝光到更亮的光，则该像素对高于20000电子以上的光会变得不太敏感。曲线C为长时间曝光和短时间曝光的组合。如果考虑两种曝光，例如可以将一次10ms的长时间曝光和一次1ms的短时间曝光结合。通过利用1ms图像中的未饱和像素替换10ms图像中的饱和像素，这两次曝光可以产生一个扩展了动态范围的图像。这实际上是具有显著缺点的陈旧技术。在很短的时间段内，不可能从图像传感器中读出两个图像。具有数百万的像素的传感器可能需要200ms或更长时间才能被读取。这会导致两次曝光之间需要太长的时间。图像中的目标在200ms中会移动，从而使这两次曝光在空间中不能重叠。代替在10ms曝光后再进行第二次1ms的曝光，而是采用在两个步骤中改变电荷容量的同时进行一次曝光。参照图2，在9ms使用结束时，图像传感器的电子快门能力将电荷容量限制为20000电子或更少。通常使用电子快门来完全清空所有电子的光电二极管。不存在任何结构可以防止部分地打开电子快门，从而将任何饱和光电二极管限制为20000电子。该部分的电子快门不会影响任何包含少于20000电子的光电二极管。在将电荷容量限制为20000的时间达到9ms时，将电荷容量增加为40000电子并等待1ms从而在已经在光电二极管中的部分上增加另一次较短的曝光。此时，每个光电二极管都已经被曝光达到10ms。最终的结果是图像传感器将具有光响应曲线C(图1)。该曲线C对于低亮度级的敏感度与长曝光曲线A相同。它对于超出长曝光饱和点之外400％的亮度级同样敏感。这种高出四倍的光敏感度使动态范围增加了2比特。尽管该文献描述了扩展图像传感器的动态范围，但是本方法并未广泛使用。这是因为该方法存在一个根本缺陷。该控制光敏元件的电荷容量的方法对于一个元件(或像素)与下一个元件是非常不均匀的。一些施加的电压经常会控制电荷容量。对于任何给定的控制电压，各像素的电荷容量可以变化10％或更多。这种变化表明其自身就是图像中令人讨厌的固定图形噪声。参照图3，其中示出了两个独立像素的光响应曲线。在低亮度级，像素对于给定照明具有相同的信号。但是，一旦该曲线变得倾斜，这些像素就不再具有相同的光响应。在较早的例子中，这种现象出现在曝光的第一次9ms中，此时电荷容量被限制为20000电子。该缺点在于，对于给定的电荷容量控制电压，这两个像素并不具有完全相同的电荷容量。在高电平时不同的光响应导致差的图像质量(固定图形噪声)。该固定图形噪声不能被校正，但是它需要数字照相机存储与各像素的光响应相关的详细信息。与该倾斜在哪个亮度级变化、高亮度级偏移、以及两种倾斜之间的过渡区相关的信息都必须被存储。这会占用存储器中很大的一部分容量，因此是该技术不能被广泛使用的主要原因。综上所述，现有技术都没有提供可以消除该固定图形噪声的简单的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述的一个或多个问题。简单地概括，根据本专利技术的一个方面，本专利技术在于图像传感器包括多个像素，其中至少两个或更多像素具有用于在积累时间期间改变电荷容量的电荷控制结构；其中在基本上曝光时间开始时通过电荷控制结构或读出机构将电荷容量变为基本为零，在曝光时间期间通过电荷控制结构改变电荷容量，从而使得该像素光响应曲线基本上没有线性部分。在参照附图的情况下，通过阅读后面的最佳实施例的详细描述和权利要求，可以更清楚理解和正确评价本专利技术的这些和其它方面、目的、特征和优点。本专利技术的优点本专利技术的优点在于可以提供一种简单的方法来校正装置的固定图形噪声，从而扩展图像传感器的动态范围。附图说明图1为现有技术附图，示出亮度级与信号的关系；图2为现有技术附图，示出电荷容量与时间的关系；图3为现有技术附图，示出两个相邻像素的光响应；图4为本专利技术图像传感器的顶视图；图5为图4所示图像传感器的侧视图；图6a-6d示出从硅光电二极管表面经过垂直溢漏向下延伸并进入衬底的势能轮廓线；图7示出对应多个曝光时间的亮度级与信号的曲线；图8示出对于图7中的响应曲线，电荷容量与时间的曲线；图9示出亮度级与通过改变部分电子快门的幅度而产生的信号之间的曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像传感器，包括：多个像素，其中至少两个或更多像素具有用于在积累时间期间改变电荷容量的电荷控制结构；其中在基本上曝光时间开始时通过电荷控制结构或读出机构将电荷容量变为基本为零，在曝光时间期间通过电荷控制结构改变电荷容量，从而使得 该像素光响应曲线基本上没有线性部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：C帕克斯，
申请(专利权)人：伊斯曼柯达公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]