CN101536485A - 传感器上的多图像存储 - Google Patents

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CN101536485A CNA2007800414378A CN200780041437A CN101536485A CN 101536485 A CN101536485 A CN 101536485A CN A2007800414378 A CNA2007800414378 A CN A2007800414378A CN 200780041437 A CN200780041437 A CN 200780041437A CN 101536485 A CN101536485 A CN 101536485A
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Abstract

一种图像传感器包括多个像素，每个像素具有通过为每个曝光积聚光子感应电荷而捕获至少两个曝光的序列的光敏区域；至少两个电荷存储区域，每个电荷存储区域分别与曝光序列的一个曝光关联，为每个曝光积聚的电荷被顺序转移到该电荷存储区域，以及与至少一个电荷存储区域关联的至少一个放大器。

Description

传感器上的多图像存储
技术领域
本发明通常涉及CMOS图像传感器的领域，尤其涉及分别在两个或更多个浮动扩散中捕获图像序列的这种传感器。
背景技术
固态图像传感器现在广泛用于许多类型的图像捕获应用中。所采用的两种主要的图像传感器技术为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。这两者基本上都是光电探测器组或阵列，该光电探测器将入射光转换为可被读出并用于构造与该入射光图案(pattern)相关的图像的电信号。光电探测器阵列的曝光或积分时间可由公知机构控制，所述公知机构诸如机械快门或电子快门。电信号代表入射到图像传感器上的光电探测器阵列中的各个光电探测器上的光的量。
诸如积分由入射光子产生的电荷的CCD的图像传感器器件具有受可收集并保持在给定光电探测器中的最大电荷量限制的动态范围。例如，对于任何给定CCD，可在各个光电探测器中被收集并被探测的最大电荷量与光电探测器区域成比例。因此，对于用于兆象素数字静态照相机(DSC)的商业器件，在给定光电探测器中可收集和保持的最大电荷量(Vsat)通常大约为5,000到20,000个电子。如果入射光很亮且产生比能保持在光电探测器中更多的电子，该光电探测器饱和且过量的电子由光电探测器中的抗光晕(anti-blooming)机构提取。因此，最大可检测信号电平被限制为光电探测器的Vsat。
图像传感器的另一重要度量是动态范围(DR)，其定义为
DR＝Vsat/SNL
其中SNL是传感器噪声电平。由于限制Vsat的光电探测器区域的物理限制，在CCD中完成了许多工作以将SNL降低到很低的水平。通常，商业兆象素DSC器件具有1000:1或更小的动态范围。
CCD图像传感器是本领域公知的并且因此不在本文中描述。可以在1993年12月授予Sunnyvale，Calif.的Elabd并转让给Loral FairchildCorporation，Syosset，N.Y.的、标题为“Image Sensor with ExposureControl，Selectable Interlaced，Pseudo Interlaced orNon-Interlaced Readout and Video Compression”的美国专利5,272,535中发现示例性公开。
与CCD图像传感器不同，CMOS图像传感器可在相同芯片上集成其他照相机功能，最终导致具有很小尺寸、低功耗和附加功能性的单芯片数字照相机。与CMOS图像传感器的高帧速能力结合的图像捕获和处理的集成使得能够有效实现许多静态成像和视频成像应用。然而缺点是与CCD相比，由于CMOS图像传感器的高读出噪声和不均匀性，它们一般包括较低的DR和较高的SNL。
对于CMOS器件存在与CCD上相同的对DR的限制。Vsat受可在光电探测器中保持和隔离的电荷量的限制且失去过量电荷。与CCD相比这对于CMOS更成问题，因为附加电路进一步限制可用于光电探测器的区域，该附加电路的形式是与光电探测器相关联的诸如模数转换器、定时电路和其他诸如“片上系统”的习用电路的有源部件。CMOS器件还使用低压电源，其增加了热产生噪声的影响。此外，CCD上不存在的CMOS器件上的有源部件在CMOS器件上提供比CCD高得多的固有噪声电平。这是由于更高的时间噪声以及可能来自片上模数转换器的量化噪声。
多曝光是用于减少噪声影响的公知照相技术。在最先进的胶片摄像机中，可以借助机械装置防止胶片前进以将单个胶片帧连续曝光几次。除了能产生特殊效果，该多曝光选项使得摄影师能解决光照并非最佳时所面临的许多困难。然而，由于传感器上的噪声累积，通过重复曝光传感器利用数字照相机产生多曝光照片是有问题的。相反，为了利用数字照相机产生多曝光图像，期望摄影师曝光图像序列然后采用诸如由图像处理软件提供的简单求和方法将它们组合，该图像处理软件例如可从San Jose，USA的Adobe System Incorporated获得的Photoshop。该组合技术的例子提供在下列因特网网站的文章中：http://www.dpreview.com/learn/Image_Techniques/Double_Exposur es__01.htm。这一方法的限制在于该图像处理通常在再现的图像上完成，该图像已经过颜色校正和压缩，当将这些图像加到一起时可产生伪像(artifact)。
该多曝光技术的更复杂用途是当图像被组合以增加景深时。在该情况下，摄影师希望保持光圈在最小尺寸以提供大景深但闪光设备不能强大到用小光圈提供正确曝光。在该情况下可以增加曝光时间并安排闪光灯发光若干次。然而，增加的曝光时间和闪光灯在发光之间再充电所需时间的组合增加了热生成噪声在图像传感器上累积的时间，从而导致有噪图像。其中关键的是以线性方式加光的另一个例子是当同时从室内和室外照亮场景时，例如当图像中存在窗户时。在该情况下，通常通过重复曝光单个帧来拍摄若干图像：窗户开、窗户关以及有和没有闪光。在模拟情况下，所有图像因此被线性相加到单个多重曝光帧上。然而，在数字情况下，由于上述原因，在这些不同照亮的图像被数字捕获和再现后，利用图像处理软件将它们组合不能以线性方式完成。同样的，如上所述，由于噪声考虑也不可能在传感器上将图像直接相加。
也已经提出了图像组合以减轻数字照相机图像传感器的受限的动态范围的问题。在高对比度场景中，对于在CCD或CMOS器件上捕获的图像，照相机传感器的动态范围通常不足以为图像的暗部分和亮部分同时提供细节。在Anderson的美国专利6,177,958中，在检测到高对比度场景后，该图像以不同的曝光被捕获两次。亮的图像和暗的图像然后被组合以增加数字图像中的动态范围。描述了用于组合这两个图像的若干方法。这些方法包括：(1)确定偏移以实现空间对准并且逐个像素地对准图像(2)确定这两个图像的公共区域并调整曝光重叠区域使得公共区域的亮度相等，(3)从暗的图像中选择像素，其中该像素低于曝光重叠区域的最暗区域，或(4)从亮的图像中选择像素，其中该像素高于曝光重叠区域的最亮区域。在所有情况下，假设被组合的图像实质上为相同场景的图像，非线性地组合亮和暗图像。类似解决方案在授予Dierickx等的美国专利6,011,251、授予Ginosar等的美国专利5,247,366、授予Hilsenrath等的美国专利5,144,442以及授予Alston等的美国专利4,647,975中给出。其他解决方案在Crawford等的世界知识产权组织0113171、Inagaki等的欧洲专利0982983以及Yoneyama等的欧洲专利0910209中可以找到。这些专利公开了增加图像动态范围的各种方法，所述增加通过以加强图像的最暗和最亮分量的方法组合通常以显著不同的曝光拍摄的场景的图像来实现。上述文档在此引用以供参考。
CMOS传感器非常适合于多图像捕获，因为CMOS传感器可以非常快的帧速率操作。最近开发的CMOS图像传感器被非破坏性地以类似于数字存储器的方式读出，从而可以非常高的帧速率操作。最近报道了若干高速CMOS有源像素传感器。在“A High Speed，500Frames/s，1024×1024CMOS Active Pixel Sensor”中，Krymski等描述了一种1024×1024CMOS图像传感器，其实现了每秒500帧。Stevanovic等在“A CMOS ImageSensor for High Speed Imaging”中描述了一种实现每秒1000帧的256×256传感器。在“A 10,000Frames/s0.18
Figure A200780041437D0007084639QIETU
 CMOS Digital PixelSensor with Pixel-Level Memory”中，Kleinfelder等描述了实现每秒10,000帧的352×288CMOS数字像素传感器。所需要的是以非常快的帧速率捕获图像而不增加SNL的方法，其中可以以实现图像处理以达到所希望效果的方式访问图像。
在美国专利公开2003/0103158中，Barkan描述了一种组合了图像捕获设备的多图像捕获方法，该图像捕获设备包括用于捕获原始图像数据的传感器、用于存储所述捕获的原始图像数据的图像缓冲器、用于将所述捕获的数据处理为可显示图像文件的图像处理器以及用于存储所述图像文件的存储器，该设备还包含与所述图像缓冲器关联的图像组合器，用于执行所述原始图像数据的不同捕获之间的线性组合，从其形成多曝光图像。由Barkan公开的解决方案是将原始图像保持在图像缓冲器中并随后由线性图像组合器逐像素地将如由图像传感器捕获的附加图像加到图像缓冲器中的原始图像。当实现了希望的多曝光图像时，图像将从图像缓冲器转移到缓冲存储器的另一部分，或被再现成可视图像并存储在主存储器中。
在美国专利7,009,636中，Liu公开了图像传感器上的多图像曝光的方法，以改进信噪比(SNR)，改进动态范围并避免数字图像中的运动模糊。由Liu公开的方法使得光电探测器上的电信号能够被估计以确定光电探测器是否饱和或者是否发生了运动。如果光电探测器未饱和或没有发生运动，则图像传感器可受到附加的曝光。如果光电探测器饱和或探测到运动，则该曝光结束。
在美国专利7,054,041中，Stevenson描述了一种图像传感器，具有在读出电容器电极下的第二耗尽区，其使得来自光电探测器的电信号能够被多次读取而不影响存储的电信号。
在美国专利5,867,215中，Kaplan公开了一种图像传感器，其中每光电探测器具有多个存储井。该多个存储井被连接使得由光电探测器生成的电信号顺序填充该多个存储井，从而增加各个光电探测器的Vsat并增加图像传感器的动态范围。
因此，存在对于图像传感器的需要，该图像传感器可以非常快的帧速率操作以捕获多个顺序图像，使得这些图像可以被组合以改进诸如动态范围、图像稳定性和低光照条件下的成像的图像特性。
发明内容
本发明旨在克服上面提出的一个或多个问题。简而概之，根据本发明的一个方面，本发明在于一种包含多个像素的图像传感器，每个像素包含：a)通过为每个曝光积聚光子感应电荷而捕获至少两个曝光的序列的光敏区域；
b)至少两个电荷存储区域，每个电荷存储区域分别与曝光序列的一个曝光关联，为每个曝光积聚的电荷被顺序转移到该电荷存储区域中；以及
c)与至少其中一个电荷存储区域关联的至少一个放大器。
根据审阅优选实施例的下列详细描述和所附权利要求书并参考附图，可以更清晰地理解和意识到本发明的这些以及其他方面、目的、特征和优点。
本发明的优点
本发明的优点包括数字图像稳定性、增加的灵敏度、运动模糊的消除、扩展的动态范围和自动聚焦。
附图说明
图1是本发明的图像传感器的顶视图；
图2是图1的典型像素的示意图；
图3是图2的可选实施例；
图4是图2的另一可选实施例；
图5是示出普通消费者熟悉的本发明的典型商业实施例的数字照相机；
图6是示出在相同深度的掺杂的图3的截面图；以及
图7是示出在不同深度的掺杂的图3的截面图。
具体实施方式
在详细讨论本发明之前，有益的是注意本发明优选用于但不限于CMOS有源像素传感器。有源像素传感器指的是像素内的有源电气元件，更具体的是放大器。CMOS指的是互补金属氧化硅型电气部件，诸如与像素关联但通常不在像素中的晶体管，当晶体管的源/漏为一种掺杂剂类型而其成对的晶体管为相反掺杂剂类型时形成所述晶体管。CMOS器件包括的优点是它们消耗更少的能量功率。
参考图1，示出了具有以二维阵列排列的多个像素20的本发明的图像传感器10。正如本领域技术人员显而易见的，尽管二维阵列被示出为优选实施例，但本发明不限于二维阵列，也可以使用一维阵列。
参考图2，示出了本发明的代表性像素20。像素20包括光敏区30，优选为光电二极管或钉扎光电二极管，用于响应于入射光收集电荷。优选地，两个浮动扩散40每一个都通过传输门50电连接到光电二极管30，用于从光敏区30接收电荷。本发明中，光敏区30捕获图像序列并顺序且分别地将图像传输到每个浮动扩散40，浮动扩散40将电荷转换为电压。两个复位晶体管60分别连接到每个浮动扩散40，用于在将电荷从光敏区30转移到浮动扩散40之前将浮动扩散40的信号电平复位到预定电平。任选地，共享晶体管65连接到每个浮动扩散40，用于通过组合浮动扩散40的电荷电容来产生增加的电容。
为了完整性，注意传输门50优选连接到CMOS晶体管66，用于在与像素阵列20相同的硅芯片上或与像素阵列20不同的硅芯片上形成控制电路。CMOS晶体管66与上文描述的相同。
优选为源跟随器的两个放大器70分别从浮动扩散40接收电荷，用于放大在输出总线80上输出以供进一步处理的电压(单位增益或更大)。分别调整两个行选择晶体管90以选择特定放大器输出70，该行选择晶体管连接到该放大器输出以用于读出。
在本发明的操作中，与该浮动扩散(FD1)40关联的传输门(TG1)50被施加脉冲(pulsed)以允许电荷从光电二极管30流动到浮动扩散40；通过给它的复位晶体管(RG1)60的复位门施加脉冲来复位浮动扩散(FD1)40，从而有效地复位光敏区30。传输门(TG1)50被截止且允许光敏区30积聚一段时间的光子感应电荷，该段时间对应于所希望的曝光时间。在该时间的末端，传输门(TG1)50被再次施加脉冲以将所积聚的电荷转移到浮动扩散(FD1)40。随后采用另一个浮动扩散(FD2)40和传输门(TG2)50重复该过程。在来自第二曝光的积聚电荷已经被转移到第二浮动扩散(FD2)40以后，两个曝光的序列已经被捕获在两个浮动扩散40中且可通过以容易为本领域技术人员所认识的传统方式利用两个放大器70和行选择晶体管90如图2所示顺序地读出，或同时读出，如本领域技术人员显而易见的。
参考图3，在可选实施例中，扩散100提供串联连接到光电二极管30和浮动扩散40的电荷存储区。通过合适地调整门110和120将电荷依次从光电二极管30转移到电荷存储区100，然后转移到浮动扩散40。浮动扩散将电荷转换成电压且再次优选为源跟随器的放大器70感测浮动扩散40上的电压并将结果的电压电平发送到输出总线80。复位晶体管60将浮动扩散复位到预定电平，且行选择晶体管90选择特定行用于读出。
参考图4，示出了另一可选实施例。在该实施例中，存在多个电荷存储区110。该电路的其余部分如图3。
参考图5，示出了其中具有本发明的图像传感器10的数字照相机160，用于说明普通消费者熟悉的商业实施例。
参考图6(对应于图3)，本领域技术人员认识到电荷存储区域100可位于与光电二极管30相同的平面中，其中它们位于基本上相同的深度，或者可替代地，参考图7，电荷存储区域100可位于与光电二极管30不同的平面中，其中它们位于基本上不同的深度。对于光电二极管30位于与电荷存储区域100相同平面的情况，必须减少光电二极管30的区域以提供用于电荷存储区域100的区域。在借助垂直(如果需要可为水平)金属导体130连接的堆叠布置中，通过将电荷存储区域100定位在与光电二极管30不同的平面中，可以使光电二极管30的区域更大从而允许光电二极管30聚集更多的光，从而增加灵敏度。在图7中，注意到需要扩散140以将电荷引导到导体130并最终到达存储区100。还注意到放大器70和其他相关联的电路位于相同层或不同层中(如图7所示)。在优选实施例中，光电二极管30位于一个平面上，电荷存储区域100和诸如模数转换器的关联电路(未示出)每个位于堆叠布置中的不同平面上。注意到本领域技术人员可以认识到上面讨论的结构可以被设置在与图7所示不同的硅衬底中，或者该结构可被布置在单个硅衬底中的不同深度处。
部分列表：
10 图像传感器
20  像素
30  光敏区域(光电二极管或钉扎光电二极管)
40  浮动扩散
50  传输门
60  复位晶体管
65  共享晶体管
66  CMOS晶体管
70  放大器
80  输出总线
90  行选择晶体管
100 电荷存储区
110 传输门
120 传输门
130 金属导体
140 扩散
160 数字照相机

Claims (14)

1.一种图像传感器，包含：
多个像素，每个像素包含：
a)通过为每个曝光积聚光子感应电荷而捕获至少两个曝光的序列的光敏区域；
b)至少两个电荷存储区域，每个电荷存储区域分别与曝光序列的一个曝光关联，为每个曝光积聚的电荷被顺序转移到电荷存储区域中，以及
c)与至少其中一个电荷存储区域关联的至少一个放大器。
2.根据权利要求1的图像传感器，其中每个曝光代表不同的图像。
3.根据权利要求1的图像传感器，其中电荷存储区域为浮动扩散。
4.根据权利要求3的图像传感器，其中至少两个不同浮动扩散具有不同电荷容量。
5.根据权利要求1的图像传感器，其中该电荷存储区域被布置在与光敏区域基本上相同的深度。
6.根据权利要求1的图像传感器，其中至少一个电荷存储区域被布置在与光敏区域不同的深度。
7.根据权利要求1的图像传感器，其中连接至少两个电荷存储区域以允许所积聚的电荷在其间被转移。
8.一种照相机，包含：
图像传感器，包含：
多个像素，每个像素包含：
a)通过为每个曝光积聚光子感应电荷而捕获至少两个曝光的序列的光敏区域；
b)至少两个电荷存储区域，每个电荷存储区域分别与曝光序列的一个曝光关联，为每个曝光积聚的电荷被顺序转移到该电荷存储区域中，以及
c)与至少其中一个电荷存储区域关联的至少一个放大器。
9.根据权利要求8的照相机，其中每个曝光代表不同图像。
10.根据权利要求8的照相机，其中电荷存储区域为浮动扩散。
11.根据权利要求10的照相机，其中至少两个不同浮动扩散具有不同电荷容量。
12.根据权利要求8的照相机，其中该电荷存储区域被布置在与光敏区域基本上相同的深度。
13.根据权利要求8的照相机，其中至少一个电荷存储区域被布置在与光敏区域不同的深度。
14.根据权利要求8的照相机，其中连接至少两个电荷存储区域以允许所积聚的电荷在其间被转移。
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