CN101188699B - 图像传感器阵列泄漏和暗电流补偿 - Google Patents

图像传感器阵列泄漏和暗电流补偿 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于图像传感器泄漏和暗电流补偿的设备、系统和方法。在一个实施方式中，系统包括：具有若干个成像像素和两个或多个暗像素的成像装置，耦合到成像装置的处理逻辑电路，和通过输入/输出(I/O)接口耦合到处理逻辑电路的天线。

Description

图像传感器阵列泄漏和暗电流补偿
技术领域
本发明涉及图像传感器阵列泄漏和暗电流补偿。
背景技术
对于完全曝光的情况，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器阵列通常具有与10000(或更少)个电子一样小的像素势阱容量，并且当其结合进采用全局快门(global shutter)的静态图像照相机时，在整个阵列的曝光和/或读出时期需要在它们的保持电容器上保持电荷。大约一个fA的结果像素势阱泄漏电流可能令人难以接受地减小这种传感器阵列的信噪比。像素泄漏电流能归结为多种来源，包括栅电流、扩散电流、器件非零关闭电流和二极管暗电流。而且，像素泄漏电流包括静态和动态分量。
常规阵列通过在阵列的每行增加一个单独的、未曝光的、额外的像素(通常称为“暗像素”)来补偿静态泄漏电流。为了补偿静态泄漏电流，由光生电子-空穴对引起的累积电流能相对于那行的暗像素上产生的累积静态电荷而被归一化。另一方面，动态泄漏电流非常依赖于在给定像素的样本/保持结点处的信号幅度。这些动态泄漏电流通常导致读出错误项超过静态泄漏引发错误，并且不能采用常规的暗像素技术进行充分的补偿。
发明内容
本发明提供一种方法，包括：向成像装置的两个或多个暗像素施加不同的校准电位，该成像装置包括具有若干个成像像素的图像阵列；并且使用两个或多个暗像素的输出数据值去补偿成像像素的输出数据值。
本发明还提供一种设备，包括：成像装置，其包括两个或多个暗像素和一个成像像素阵列。
本发明还提供一种系统，包括：成像装置，其包括若干个成像像素和两个或多个暗像素；和图像处理器，耦合到该成像装置。
本发明还提供另一种系统，包括：成像装置，其包括若干个成像像素和两个或多个暗像素；处理逻辑电路，耦合到该成像装置；和天线，通过输入/输出接口耦合到该处理逻辑电路。
附图说明
被结合在说明书中并组成说明书的一部分的附图图示一个或多个与本发明的原理相一致的实施例，并且与说明书一起解释这些实施例。附图不必按比例绘制，重点放在说明本发明的原理上。在这些附图中，
图1说明了一个示例的成像系统；
图2A和2B说明了适用于图像传感器泄漏和暗电流补偿的成像装置的示例实施例；
图3是图2A的传感器的成像像素的示意图；
图4是说明图像传感器泄漏和暗电流补偿的示例过程的流程图；及
图5是与图4的过程一致的校准电位的设置和/或重置的典型示意图。
具体实施方式
以下的详细说明参照附图。在不同的附图中可以用同样的附图标记以定义同样的或相似的元件。在以下说明中，会提及例如特定的结构、体系结构、接口、技术等具体细节，以便提供所要求保护的发明各方面的透彻理解。然而，提出这些细节的目的是为了解释发明，而不应该认为是对所要求保护发明的限制。利用本说明书公开的内容，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不符合这些具体细节的其他实例中实现所要求保护的本发明的各方面。而且，在某些例子中，为避免由于不必要的细节而模糊对本发明的说明，省略了对公知装置、电路和方法的说明。
图1说明了根据本发明的一个实施例的示例系统100。系统100包括图像传感器102、光捕获光学器件104、存储器106、控制器108、一个或多个输入/输出(I/O)接口110(例如，通用同步总线(USB)接口、并行端口、串行端口、无线通信端口和/或其他I/O接口)、图像处理器114、以及将装置102和106-110耦合在一起以进行图像数据和/或控制数据交换的共享总线或其他通信通道112。系统100也可以包括一个耦合到I/O接口110的天线111(例如，偶极子天线、窄带曲折线天线(MLA)、宽带MLA、倒F型天线、平面倒F型天线、古博(Goubau)天线、贴片天线，等)。
系统100可以采取多种适合于实现根据本发明的图像传感器泄漏和暗电流补偿的物理表现形式。例如，系统100可以被实现在数字成像设备(例如，数码照相机、蜂窝手提电话、个人数字助理(PDA)等)中。而且，系统100的各部分可以被实现在整体结构中而不是作为分立元件。例如，存储器106、控制器108和接口110可以被实现在一个或多个半导体器件和/或集成电路(IC)芯片(例如，在芯片组中，片上系统(SOC)中，等)中。当系统100被实现在移动计算设备(例如，PDA)和/或移动通信设备(例如，蜂窝手提电话)中时，天线111可以使得能够在系统100与外部设备和/或通信网络之间进行无线通信。另外，可与系统100有关联但与所要求保护的本发明不是特别相关的各种部件(例如，音频部件，显示相关逻辑电路，等)已经被排除在图1之外以避免使本发明模糊不清。
尽管本发明并不限于此，图像传感器阵列102可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)二极管元件或像素的阵列，并且阵列102可以包括其它类型的半导体成像元件，例如电荷耦合器件(CCD)像素元件。然而，本发明并不限于特定类型的成像像素。根据本发明的传感器阵列的一个实施例(例如阵列102)将在下面结合图2进行更详细的说明。
光聚集光学器件104可以是能够和/或适合收集光并将光提供给阵列102的光聚集光学元件的任何集合。尽管本领域技术人员会认为，光学器件104可以包括各种光学元件和/或光学元件的配置，光学器件104的具体性质对于本发明没有限制，并且因此不会在以后的细节中进行说明。
存储器106可以是任何能存储和/或保持成像数据的器件和/或装置，该成像数据包括彩色像素数据和/或若干个分量值，以列举几个示例。例如，尽管本发明并不限于此，存储器106既可以是易失性存储器例如静态随机存取存储器(SRAM)，动态随机存取存储器(DRAM)，也可以是非易失性存储器例如闪存。存储器106可以存储和/或保持若干个图像帧，包括源自阵列102的补偿输出数据，这在下面将加以更详细的解释。
在各种实施方式中，控制器108可以是任何能处理成像数据、以实施根据本发明的图像传感器泄漏和暗电流补偿过程的逻辑电路和/或逻辑器件的集合。然而，本发明并不限于此，并且控制器108可以被实现在通用处理器、微处理器和/或微控制器中，以列举几个其他示例。此外，控制器108可以包括单个器件(例如，微处理器，专用集成电路(ASIC)，等)或可包括多个器件。在一个实施方式中，控制器108能执行支持传感器泄漏和暗电流补偿过程的多个任务中的任一个。这些任务可以包括例如(尽管本发明并不限于此)下载微码、初始化和/或配置寄存器，和/或中断服务。
在一个实施方式中，控制器108可以包括控制逻辑电路和处理逻辑电路。如在下面将要解释的那样，控制逻辑电路可将不同的校准电位施加于暗像素，同时处理逻辑电路可用暗像素的输出数据去补偿成像像素的输出数据。在另一个实施方式中，当阵列102可以包括控制逻辑电路时，控制器108可以包括处理逻辑电路。在又一个实施方式中，阵列102可以全部或部分地结合处理逻辑电路和/或控制逻辑电路。很明显，本发明并不限于器件结合可与系统100相关联的处理逻辑电路和/或控制逻辑电路。
图像处理器114可以是控制和/或处理逻辑电路的任意集合，这些控制和/或处理逻辑电路适合处理由阵列102和/或控制器108提供的图像，使得那些图像以合适的格式被其他可以耦合到系统100但未显示在图1中的设备(例如显示器或打印机)采用。在一个实施方式中，处理器114可以包括显示处理器和/或控制器，该显示处理器和/或控制器至少能处理阵列102的输出，使其成为适于显示在监视器或其他类型的显示器(未示出)上的形式。例如，处理器114能操纵阵列的图像数据的分辨率。
在另一个实施方式中，处理器114可以包括打印机处理器和/或控制器，该打印机处理器和/或控制器至少能处理阵列102的输出，使其成为适于在打印机或类似的设备(未示出)上打印的形式。例如，处理器114能对阵列的图像数据进行彩色转换。在又一个实施方式中，处理器114可以包括多媒体处理器或控制器，该多媒体处理器或控制器至少能对阵列102的输出进行多媒体处理。例如，处理器114能将阵列的图像数据和其他图像数据混合在一起。
图2A示出根据本发明实施方式的包括传感器阵列200(例如图1的阵列102)的成像装置的若干部分。阵列200包括(n)行CMOS成像像素元素204J(1)-J(n)。根据本发明，阵列200的每行J包括多个(m≥1)暗像素202。在整个阵列200中，像素202可以用作多个校准列K(1)-K(m)。根据本发明的实施方式，阵列200可以物理地排列在系统100中，以使得校准列K(1)-K(m)的像素202保持基本上不暴露于由光学器件104聚集的光下。同样根据本发明，并且如在下面将要详细说明的那样，在任意特定行J中的m个暗像素202中的每一个可以被偏置到在像素204的动态范围内的不同起始复位电位。
本领域普通技术人员将可以看出，图2说明了图像传感器阵列的理想化表示方式，其中为了清楚起见，成像传感器阵列的许多与本发明不是密切相关的常规部件(例如，快门机构、滤色器、像素行选择寻址线、列模数转换器等)都已被排除在图2之外。
虽然图2A显示了形成行J(1)-J(n)的若干部分的暗像素202，但本发明并不限于在相对于成像阵列的特定位置中设置暗像素。根据本发明，不要求一个或多个暗像素是成像像素阵列的物理部分，而是可以将一个或多个暗像素设置在包括该成像阵列的IC管芯上别的位置。图2B显示了实施方式210，其中一个或多个暗像素212与成像像素216的阵列214未设置在一起。根据本发明，暗像素212可以位于包括阵列214的IC管芯上的任何位置。
图3是阵列200的成像像素300的示意图。像素300可以代表图2A的像素202或204的示例像素方案。在这里提供图3仅仅是作为以下辅助讨论根据本发明的过程的参考。本领域普通技术人员应当理解，像素300包括常规的四晶体管或“钉扎光电二极管”CMOS成像像素的若干个电路元件。除了其他元件之外，像素300还包括光电二极管302、晶体管304-310、检测节点312、复位电压端子314和复位开关端子316。然而，如上所述，本发明不限于仅仅提供特定类型的成像像素，像素300只是作为像素的一个实施方式的示例。例如，三晶体管或“非钉扎光电二极管”成像像素应该同样足够的好。
图4是根据本发明的实施方式的图像传感器泄漏和暗电流补偿过程400的流程图。虽然，为了容易解释，可以结合图1的系统100、图2A的阵列200、和/或图3的像素300说明过程400和相关过程，本发明不限于此，并且其他的由根据本发明的合适器件和/或器件的组合所支持和/或执行的过程或方案也是可以的。这样，虽然过程400是在关于阵列的上下文中说明的，例如图2A中把暗像素结合进图像阵列的各行中的阵列200，本发明并不限于此，并且过程400可以和具有若干个暗像素的成像装置一起实施，这些暗像素并不直接结合进成像阵列，而是位于成像IC上别的位置(例如，图2B所示)。
过程400可以从校准电位[动作402]的施加开始。在一个实施方式中，通过置位和/或复位每个像素的端子314到不同的预定复位电位，控制器108可以对阵列200每行J的一个或多个像素202施加校准电位。因此，根据本发明的一个实施方式，像下面结合图5进行的更详细的说明一样，控制器108可以置位和/或复位像素202的校准电位，以便每个校准列K中的像素202从其它K-1校准列中的像素202开始被置位和/或复位到不同的校准电位。
图5说明了用于置位和/或复位与过程400的动作402一致的校准电位的典型校准方案500的实施方式。图5说明了对于暴露于变化的光量时成像像素(例如像素300)的假定动态范围和/或响应502。在根据本发明的一个实施方式中，占据了每行J中若干独立的校准列K(1)...K(m)的像素202之每一个可以在动作402中被置位和/或复位到一个不同的校准电位。例如，像在实施四个校准列的典型方案500所说明的那样，占据了在特定行J中的校准列K(1)、K(2)、K(3)和K(4)的暗像素202可以根据典型响应曲线502被置位和/或复位到代表势阱电荷(well charge)值Q1、Q2、Q3和Q4的范围的不同的相应校准电位P1、P2、P3和P4。一个执行动作402的方式是，通过置位和/或复位合适的电压或校准电位在相应的校准列像素202的复位电压端子314上，使控制器108施加不同的校准电位(即，如在校准方案例如方案500指引下预先确定的P1、P2、P3和P4)。
然而，应该注意的是，图5中所示的典型校准电位P1、P2、P3和P4仅仅是示例性的，并且本发明并不限于在动作402中置位和/或复位的特定数量的校准电位和/或校准电位值。例如，当被实现在具有三个校准列的传感器阵列中时，可以在动作402中置位和/或复位三个而不是四个校准电位。显然，校准电位值的选择可以取决于所实现的传感器阵列的性质以及对于阵列的光聚集像素的作为结果的特定响应函数。
再回到图4，过程400可以与成像像素的曝光连续进行[动作404]。在一个实施方式中，所有像素204可以从光学器件104通过全局快门机构(未示出)同时曝光，该机构通过施加一个合适的快门开启控制信号或电位于像素204的快门端子的控制器108而被触发。然而，本发明不限于此，并且其他的曝光方案(例如滚动快门)也可以被实现在动作404中。在本发明的一个实施方式中，当在动作404期间像素204曝光时，通过不施加快门开启控制信号于这些像素的快门端子上，控制器108可以禁止暗像素202的曝光。
在步骤404之后，可以读出在步骤404中被照射的那些像素上得到的模拟电位值[动作406]。本领域技术人员应当清楚，CMOS图像阵列中已曝光像素的值的读出动作被充分理解，以及不会再详细描述，除了阐述读出图像阵列中已曝光像素的模拟值(即，在动作406中得到的像素204的值)的结果可以是确定与这些模拟值相对应的数字值[动作408]之外。本领域技术人员应当清楚，动作406和/或408可以由控制器108通过采用公知技术来进行。在动作406中读出的模拟值和/或在动作408中确定的数字值可以被认为是像素204的输出数据值。
根据本发明，过程400可以包括在动作402中置位和/或复位的校准电位的释放[动作410]。在一个实施方式中，动作410可以通过控制器108用Reset-b端子316接通晶体管306来实现。根据本发明，动作410可以在动作404的曝光之前、期间或之后的任何时间发生。例如，在一个实施方式中，动作410可以在动作404开始时进行。这样可以使像素202上的暗电流错误的累积成为可能。
过程400可以与读出暗像素202的模拟值[动作412]和确定与那些模拟值相对应的数字值[动作414]连续进行。在动作414中确定的数字值可以被描述为校准值，尽管本发明不限于应用于由动作414确定的数字值的描述标记。本领域技术人员应当清楚，动作412和414可以由控制器108通过采用公知技术来进行。
过程400可以和采用在动作414中确定的数字值补偿在动作408中确定的数字值[动作416]连续进行。完成这一过程的一个方式是，对于在动作408中确定的每个像素204的输出数据值，通过控制器108从动作414中确定的数字校准值中确定合适的校准值。例如，参考图5，如果被曝光的像素204具有对应于势阱电荷Qexp的输出数据值，则通过确定源自校准像素202的数字校准值的加权平均值，然后通过例如增加加权平均值或从被测量的Qexp值减去加权平均值来修改被测量的Qexp值，控制器108可以补偿该值。这样，通过使控制器108从暗像素数字输出数据值(在动作416中得到)推导出补偿值，然后用那个补偿值确定用于成像像素值(在动作408中得到)的被补偿值，可以实现动作416。因此，所得到的被补偿值对于被曝光的像素204可以结合集成信号相关泄漏的电压相关近似值，并且可以被认为包括用于该像素的被补偿输出数据。
尽管过程400描述了本发明的具体实施例，其中源自暗像素202的校准值被显现或结合在同一时间帧上，作为从成像象素204获得的曝光值，本发明不限于此，并且其他校准方案可能也符合本发明的要求。这样，例如，除在曝光期间用暗像素测量泄漏值之外，例如在过程400中，在本发明的其他实施方式中，可以将暗像素用于测量在跨越复位之后和曝光之前时间的复位期间的泄漏电流(即，用机械快门)。而且，根据本发明，可以采用其他暗像素测量在其他间隔时间(例如像素保持期间，曝光后和器件读出前，等)的泄漏电流。所有这样的实施方式都可以通过采用不同累积时间方案的一组校准像素来提供(例如，图2B中的暗像素212)，其中控制逻辑电路(例如控制器108)始终监视不同校准像素提供的暂时区别的校准值。
图4所示的动作不必以显示的顺序执行；也不是所有的动作都必须被执行。例如，如上所述，动作402中校准电位的释放可以在动作404中阵列曝光之前、期间和/或之后进行。同样，那些不依赖于其他动作的动作可以与其他动作并行执行。例如，过程400的动作406和412可以并行执行。而且，过程400的一些动作可以被实现在硬件和/或固件和/或软件中，或是用硬件和/或固件和/或软件来进行。例如，读出模拟值(动作406和412)和/或确定数字值(动作408和414)的过程400中的动作可以用硬件实施，而其他动作例如补偿动作(动作416)可以被实现在软件和/或固件中。然而，本发明不限于此，并且可选择地，可以被实现在硬件和/或固件中的动作也可以被实现在软件中。显然，可以预期过程400的许多这样的软件和/或硬件和/或固件实施方式的组合与本发明范围和精神相一致。此外，过程400中的至少一些动作可以被实现为指令或指令组，并被实施在机器可读介质中。
前面描述的与本发明原理相一致的一个或多个实施方式提供了图解和说明，但是并不意味着是详尽的或将本发明的范围限定在所公开的精确形式中。根据上面教导可以进行修改和改变，或者可以从本发明的各种实施方式的实施中获得修改和改变。明显地，可以采用许多实施方式来提供实施与本发明一致的图像传感器泄漏和暗电流补偿的方法、设备和/或系统。
除非明确的说明，在本申请的说明书中未使用的元件、动作、或指令应该被解释为对于本发明是关键的或必要的。同样，像这里采用的一样，冠词“一个”是指包括一项或多项。另外，一些用于说明本发明实施方式的术语，例如“数据”和“值”，在一些情况中可以交换使用。例如，本领域技术人员将理解，术语“像素值”和“像素数据”可以交换使用而不会背离本发明的范围和精神。而且，当例如“耦合”或“响应”这样的术语用于此或者后面的权利要求中时，这些术语的含义应该被宽泛地解释。例如，短语“耦合于”可以是指以通信方式、电学方式和/或可操作方式耦合，考虑在其中采用该短语的上下文认为是适当的。可以对上面说明的本发明的实施方式进行改变和修改，而基本上不脱离本发明的范围和精神。所有这样的修改和改变都应该被认为是包括在说明书公开的范围内并且由下面的权利要求所保护。

Claims (17)

1.一种补偿成像像素的输出数据值的方法，包括：
向成像装置的两个或多个暗像素施加不同的校准电位，该成像装置包括具有若干个成像像素的图像阵列；并且
使用两个或多个暗像素的输出数据值去补偿成像像素的输出数据值。
2.权利要求1所述的方法，其中使用两个或多个暗像素的输出数据值去补偿成像像素的输出数据值的步骤包括从所述两个或多个暗像素的输出数据值导出补偿值，该补偿值包括所述两个或多个暗像素的输出数据值的平均值、或所述两个或多个暗像素的输出数据值的加权平均值中至少之一。
3.权利要求1所述的方法，其中不同校准电位包括不同的起始复位电位。
4.权利要求1所述的方法，其中施加不同校准电位的步骤包括在图像阵列的曝光阶段、保持阶段或复位阶段的至少之一施加不同校准电位。
5.一种能补偿成像像素的输出数据值的设备，包括：
成像装置，包括两个或多个暗像素和一个成像像素阵列；
耦合到该阵列的控制逻辑电路，该控制逻辑电路至少能将不同校准电位施加到所述两个或多个暗像素；
耦合到该成像装置的处理逻辑电路，该处理逻辑电路至少能使用所述两个或多个暗像素的输出数据去补偿成像像素的输出数据。
6.权利要求5所述的设备，其中所述不同校准电位包括不同起始复位电位。
7.权利要求5所述的设备，其中，通过至少部分地确定所述暗像素的至少一部分输出数据值的平均值或所述暗像素的至少一部分输出数据值的加权平均值的至少之一，该处理逻辑电路至少能补偿至少一个成像像素的输出数据。
8.一种能补偿成像像素的输出数据值的系统，包括：
成像装置，包括若干个成像像素和两个或多个暗像素；
耦合到该成像装置的控制逻辑电路，该控制逻辑电路至少能施加不同的校准电位到所述两个或多个暗像素上；
耦合到该成像装置的处理逻辑电路，该处理逻辑电路至少能使用所述暗像素的输出数据去补偿至少一个成像像素的输出数据；和
图像处理器，耦合到该成像装置。
9.权利要求8所述的系统，其中该图像处理器是显示器控制器或打印机控制器之一。
10.权利要求8所述的系统，其中，该处理逻辑电路通过至少部分地使用包括所述两个或多个暗像素的输出数据值的平均值、或所述两个或多个暗像素的输出数据值的加权平均值中至少之一的补偿值，至少能补偿至少一个成像像素的输出数据。
11.权利要求8所述的系统，还包括：
耦合到该处理逻辑电路的存储器，该存储器至少能存储一个或多个图像帧，该图像帧至少部分地包括所述成像像素的被补偿的输出数据。
12.权利要求8所述的系统，其中所述不同的校准电位包括不同的起始复位电位。
13.一种能补偿成像像素的输出数据值的系统，包括：
成像装置，包括若干个成像像素和两个或多个暗像素；
耦合到该成像装置的控制逻辑电路，该控制逻辑电路至少能施加不同的校准电位到所述两个或多个暗像素上；
耦合到该成像装置的处理逻辑电路，该处理逻辑电路至少能用所述暗像素的输出数据去补偿至少一个成像像素的输出数据；和
天线，通过输入/输出接口耦合到该处理逻辑电路。
14.权利要求13所述的系统，其中，该处理逻辑电路通过至少部分地使用包括所述两个或多个暗像素的输出数据值的平均值、或所述两个或多个暗像素的输出数据值的加权平均值中至少之一的补偿值，至少能补偿至少一个成像像素的输出数据。
15.权利要求13所述的系统，其中该天线是偶极子天线、窄带曲折线天线、宽带曲折线天线、倒F型天线、平面倒F型天线、古博天线或贴片天线。
16.权利要求13所述的系统，还包括：
耦合到该成像装置的图像处理器。
17.权利要求16所述的系统，其中该图像处理器是显示器控制器或打印机控制器之一。
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