CN103546701A - 像素阵列、图像传感器及补偿局部暗电流的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种像素阵列、图像传感器及补偿局部暗电流的方法。提供一种用于图像传感器的像素阵列。所述像素阵列包括暗像素，该暗像素被构造为检测有源像素块中的局部暗电流。所述暗像素与光学黑色像素块不同，其中，所述光学黑色像素块被布置在有源像素块周围并被构造为检测全局暗电流。所述像素阵列被构造为补偿暗阴影，其中，所述暗阴影不通过使用从布置在有源像素块内的暗像素输出的局部暗电流的全局暗电流补偿进行补偿。

Description

像素阵列、图像传感器及补偿局部暗电流的方法
本申请要求于2012年7月13日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0076611号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用全部包含于此。
技术领域
示例性实施例涉及一种图像传感器。具体地讲，示例性实施例涉及一种通过在有源像素块中包括用于检测局部暗电流的暗像素来补偿暗阴影（即，在像素阵列内局部发生的暗电流的差）的互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器及其方法。
背景技术
感测有效物理量（诸如光强度、温度、质量或时间）并基于感测结果输出电信号的包括像素阵列的传感器用于各种领域。具体地讲，测量捕捉的对象的图像的图像传感器被应用于各种领域。
在现有技术中，在捕捉曝光帧之前或之后捕捉暗帧。随后，在现有技术中，从曝光帧中减去暗帧。然而，在现有技术中，这需要机械快门和图像缓冲器，并在不同时间从真实图像测量暗信号。
在现有技术中，使用模型（诸如，合并来自位于传感器外围的覆盖像素的信息）在图像中估计暗信号。然而，在现有技术中，暗信号在像素阵列上不均匀。因此，测量像素阵列外围的暗信号是不够的。即使建立了模型将在整个像素阵列上准确近似暗信号但这涉及每个样本的校准，这是一项昂贵的处理（即，在高的周围温度下，暗信号变大）。
在现有技术中，需要复杂的机械结构（例如，镜和专用传感器）。然而，在现有技术中，复杂的机械结构昂贵并且由于尺寸限制而不适合小型相机（DSC和移动电话）。
在现有技术中，在像素阵列中包含部分遮蔽像素。然而，在现有技术中，部分遮蔽像素不支持暗信号的测量。
发明内容
根据示例性实施例的一方面，提供一种包括有源像素块和光学黑色像素块的像素阵列，其中，有源像素块包括多个有源像素和至少一个暗像素，其中，所述多个有源像素被构造为输出与光信号相应的电信号，所述至少一个暗像素被构造为产生局部暗电流，光所述学黑色像素块被布置在有源像素块周围并被构造为产生全局暗电流。
有源像素块可包括具有相同像素布置的多个单元像素块，单元像素块中的每一个包括有源像素中的至少一个和至少一个暗像素。可选择地，有源像素块可包括具有不同像素布置的多个单元像素块，单元像素块的每一个可包括有源像素中的至少两个和至少一个暗像素。
至少一个暗像素可随机布置在有源像素之间。至少一个暗像素可包括在光电二极管与微透镜之间形成的阻光层。可选择地，至少一个暗像素可包括在微透镜上形成的阻光层。
至少一个暗像素可不包括光电二极管。当产生局部暗电流时，至少一个暗像素可响应于光学信号不执行光电转换。当产生局部暗电流时，至少一个暗像素可响应于光学信号不输出电信号。
根据另一示例性实施例的一方面，提供一种图像传感器，该图像传感器包括：像素阵列，该像素阵列包括有源像素块和光学黑色像素块，其中，所述有源像素块包括多个有源像素和至少一个暗像素，其中，所述多个有源像素被构造为输出与光学信号相应的电信号，所述至少一个暗像素被构造为产生局部暗电流，光学黑色像素块被布置在有源像素块周围并被构造为产生全局暗电流；补偿电路，被构造为使用从至少一个暗像素提供的局部暗电流来补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
补偿电路可包括：暗像素标记器，被构造为从包括从有源像素的每一个输出的电信号的图像信号和从至少一个暗像素输出的局部暗电流提供至少一个暗像素的位置；暗阴影补偿单元，被构造为使用从至少一个暗像素输出的局部暗电流和暗像素的位置信息来补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
所述图像传感器还可包括：坏像素补偿电路，被构造为对已补偿局部暗电流的有源像素的每一个的输出执行坏像素补偿。
根据另一示例性实施例的一方面，提供一种补偿图像传感器中的局部暗电流的方法。所述方法包括：使用包括在有源像素块中的多个有源像素中的每一个产生与光学信号相应的电信号，同时使用包括在有源像素块中的至少一个暗像素来产生局部暗电流；使用从至少一个暗像素提供的局部暗电流补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
补偿局部暗电流的步骤可包括：从包括从有源像素的每一个输出的电信号的图像信号和从至少一个暗像素输出的局部暗电流提供至少一个暗像素的位置信息；使用从至少一个暗像素输出的局部暗电流和至少一个暗像素的位置信息来补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
根据另一示例性实施例的一方面，提供一种补偿图像传感器中的局部暗电流的方法。所述方法包括：从包括至少一个有源像素和至少一个暗像素的有源像素块读取像素数据；使用至少一个暗像素的位置的计算值或至少一个暗像素的地址来估计至少一个有源像素的局部暗电流；当局部暗电流存在时，使用估计的局部暗电流对至少一个有源像素执行局部暗电流的补偿；输出补偿的像素数据。
附图说明
图1是根据示例性实施例的一些实施例的包括在图像传感器中的像素阵列的示图；
图2A至图2C是根据示例性实施例的一些实施例的在图1中示出的有源像素块中包括暗像素的像素布置的示图；
图3是根据示例性实施例的一些实施例的图像传感器的框图；
图4A至图4C是示出包括图3中示出的补偿电路的电路和电路的操作的示图；
图5A至图5F是根据示例性实施例的一些实施例的图1至图3中示出的暗像素的示例的示图；
图6A至图6C是根据示例性实施例的一些实施例的图1至图3中示出的暗像素的电路图；
图7A至图7D是根据示例性实施例的一些实施例的图1至图3中示出的像素的电路图；
图8是根据示例性实施例的一些实施例的用于解释有源像素块中的插值的示图；
图9是根据示例性实施例的一些实施例的补偿局部暗电流的方法的流程图；
图10是根据示例性实施例的其它实施例的图像传感器的示图；
图11是根据示例性实施例的一些实施例的相机系统的框图；
图12是示出根据示例性实施例的一些实施例的计算系统的框图；
图13是根据示例性实施例的一些实施例的用于图12中示出的计算系统的接口的框图；
图14是根据示例性实施例的一些实施例的用于解释覆盖形状的示图；
图15是根据示例性实施例的一些实施例的暗信号近似和补偿的流程图；
图16是根据示例性实施例的一些实施例的暗信号近似和补偿的流程图。
具体实施方式
图1是根据示例性实施例的一些实施例的包括在图像传感器中的像素阵列10的示图。像素阵列10包括有源像素块11、列光学黑体（OB）像素块12a和12b，以及帧OB像素块13a和13b。
有源像素块11包括检测或提取局部暗电流的至少一个暗像素11a和输出图像数据的多个有源像素11b。至少一个暗像素11a位于有源像素块11内，并用于检测有源像素块11内产生的局部暗电流。
列OB像素块12a和12b分别位于有源像素块11的左侧和右侧并用于检测列之间存在的全局暗电流。帧OB像素块13a和13b用于检测帧之间存在的全局暗电流。换句话说，列OB像素块12a和12b以及帧OB像素块13a和13b检测全局暗电流（即，贯穿有源像素块11分布的暗电流）。
除了用于遮挡入射光的结构之外，在列OB像素块12a和12b以及帧OB像素块13a和13b中实现的OB像素具有与有源像素块11中的有源像素11b基本上相同的结构。可由诸如金属的材料来实现用于遮挡入射光的结构。使用这样的结构，像素块12a、12b、13a和13b中的OB像素不执行光电转换。
因此，图像传感器可使用通过像素块12a、12b、13a和13b中的OB像素感测或检测的全局暗电流的电平来调整有源像素块11中的全局暗电流的电平。所述调整包括补偿处理，在该处理中，使用检测的全局暗电流的电平，有源像素块11中检测的电压的电平总体上被增加或减小。
位于有源像素块11内的至少一个暗像素11a可在布置有源像素11b的有源像素块11内检测可显示局部不同性质的局部暗电流。
图2A至图2C是根据示例性实施例的一些实施例的在图1中示出的有源像素块11中包括暗像素的像素布置的示图。
参照图2A，根据示例性实施例的一个实施例的与图1中示出的有源像素块11相应的有源像素块20A包括多个单元像素块B1至B4。单元像素块B1至B4具有相同的像素布置。单元像素块B1至B4中的每一个单元像素块包括以相同像素布置的多个有源像素22和单个暗像素21a、21b、21c或21d。
尽管只有一个暗像素21a、21b、21c或21d被包括在单元像素块B1至B4中的每一个单元像素块中，但是包括在单元像素块B1至B4中的每一个单元像素块中的暗像素的数量可改变。
当在单元像素块B1至B4中的每一个单元像素块中，有源像素22的数量增加时，有源像素块20A中的暗像素21a至21d的数量减少。因此，将被插值的暗像素的数量减少。此外，当在单元像素块B1至B4中的每一个单元像素块中，有源像素22的数量减少时，有源像素块20A中的暗像素21a至21d的数量增加。因此，将被插值的暗像素的数量增加。将被插值的暗像素的数量增加（即，暗像素21a至21d的数量的增加）具有降低色彩重现性的消极影响，但是具有使局部暗电流补偿将被实施得更精确的积极影响。
参照图2B，根据示例性实施例的另一实施例的与图1中示出的有源像素块11相应的有源像素块20B包括多个单元像素块B1至B4。单元像素块B1至B4具有不同的像素布置。换句话说，单元像素块B1至B4包括不同数量的有源像素23和不同数量的暗像素。例如，第一单元像素块B1和第三单元像素块B3中的每一个包括十四个有源像素23和两个暗像素22a和22b或者22d和22e。第二单元像素块B2包括十五个有源像素23和一个暗像素22c。第四单元像素块B4仅包括十六个有源像素23。
参照图2C，根据示例性实施例的另一实施例的与图1中示出的有源像素块11相应的有源像素块20C包括多个有源像素25和多个暗像素24a至24j。暗像素24a至24j可集中在有源像素块20C的特定位置上。例如，特定位置可以是有源像素块20C的边缘。暗像素24a至24j可集中在有源像素块20C的局部暗电流波动的部分（诸如边缘或中心）。
图3是根据示例性实施例的一些实施例的图像传感器30的框图。参照图3，图像传感器30包括像素阵列31、相关双采样/模数转换器（CDS/ADC）33、第一存储器34、第二存储器35和补偿电路36，其中，像素阵列31包括图1至图2C中示出的有源像素块11、20A、20B或20C。图像传感器30可以是具有像素阵列31的结构的任何类型的图像传感器，诸如补偿金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器或电荷耦合装置（CCD）图像传感器。
像素阵列31包括多个暗像素31a和多个有源像素31b。有源像素31b可包括以下像素中的至少一个像素：用于感测基色（例如，红（R）、绿（G）和蓝（B））的像素、用于感测互补色（例如，绛红（Mg）、青色（Cy）和黄色（Y））的像素和用于感测白色的像素。
暗像素31a位于有源像素块31_APB内的有源像素31b的附近。暗像素31a输出在暗色中产生的电荷（即，与电荷相应的暗电流）而不是从光中产生的光电荷。
列OB像素块32a和32b以及帧OB像素块32c如同暗像素31a一样感测并输出暗电流，而像素块32a至32c被设置用于贯穿像素阵列31的全局暗电流补偿，并且不能执行局部暗电流补偿。然而，根据示例性实施例的当前实施例，暗像素31a可执行局部发生的暗电流（即，局部暗电流）的补偿。
CDS/ADC33可分开或同时执行CDS和数模转换。可根据模拟模式、数字模式或双CDS模式来执行CDS。可由分别为像素阵列31中的列设置的一组列ADC或单个ADC来实现ADC。
第一存储器34从CDS/ADC33接收数字图像信号并存储数字图像信号。像素阵列31以帧为单位输出数据。因此，第一存储器34可被实现为帧存储器。
第二存储器35存储从CDS/ADC33输出的暗像素31a的输出信号，即，局部暗电流电平（或与局部暗电流电平相应的信号）。暗电流电平可被表示为与暗电流的电平相应的数字值。可由寄存器来实现第二存储器35。第二存储器35可被包括在第一存储器34中，从而可实现单个存储器。因为暗像素31a的位置和地址固定，所以可实现单个存储器。因此，与单个存储器中固定的地址相应的数据可被认为是局部暗电流电平。
补偿电路36使用存储在第二存储器35中的局部暗电流电平针对有源像素块31_APB中的有源像素31b执行局部暗电流补偿。例如，第二存储器35可存储为受到局部暗电流补偿的有源像素31b指定的局部暗电流电平。因此，通过从有源像素31b减去局部暗电流电平来执行局部暗电流补偿。
可通过更新存储在第一存储器34中的有源像素31b的数据来执行该操作。换句话说，用第一存储器34中的补偿值来替代局部暗电流补偿之前的初始有源像素值。
存储在第一存储器34中的数字图像数据OUT可被提供给数字图像信号处理器（未示出）。
图4A至图4C是示出包括图3中示出的补偿电路36的相关电路和电路的操作的示图。参照图4A，图像传感器30包括像素阵列31、ADC33A、补偿电路36、第一存储器34、第二存储器35、辅助非易失性存储器41、坏像素补偿电路43和辅助线存储器42。
补偿电路36包括暗像素标记器361和暗阴影补偿单元362。暗阴影指示由于暗像素31a的位置和可包括温度和/或曝光时间的其它因素，贯穿像素阵列31暗电流不同。
暗像素标记器361从像素数据标记各个暗像素31a的地址并将标记的地址发送到暗阴影补偿单元362。暗阴影补偿单元362基于标记的地址使用通过暗像素31a获得的局部暗电流针对有源像素31b执行局部暗电流补偿（即，暗阴影补偿）。如上所述，通过从有源像素值减去局部暗电流值来执行暗阴影补偿。
ADC33A与图3中示出的CDS/ADC33相应，并被提供以简化CDS/ACS33的描述。
由线存储器来实现第一存储器34。由寄存器（例如，暗电流寄存器）来实现第二存储器35。辅助非易失性存储器41可根据图像传感器30的使用被包括或改变。图像传感器30的操作所需的信息可预先或在操作期间被存储在辅助非易失性存储器41中。
由坏像素补偿电路43来补偿从补偿电路36输出的图像信号。例如，坏像素补偿电路43对实际错误像素（即，坏像素）执行补偿，而不对像具有有意错误值的暗像素一样的像素执行补偿。为了坏像素补偿，可辅助线存储器42。当在坏像素补偿期间通过使用坏像素周围的有源像素的值进行插值来替代像素值时，辅助线存储器42可用于存储在插值期间计算的值。
图4B是用于解释暗像素标记器361的操作的示图。图4C是用于解释暗阴影补偿单元362的操作的示图。
参照图4A至图4C，输入到暗像素标记器361的视频数据包括有源像素的输出（例如，实际图像数据）和暗像素的输出（例如，局部暗电流）。暗像素标记器361确定输入的数据是有源像素数据还是暗像素数据，并将确定结果提供给暗阴影补偿单元362。此时，时钟信号CLK和水平同步信号HSYNC可用于发送视频数据。
如图2A至图2C所示，当暗像素的位置固定时，暗像素标记器361可查找暗像素的位置。例如，暗像素标记器361可预先存储关于在图2A中的单元像素块B1至B4中的暗像素21a至21d的行信息和列信息，接收关于将受到补偿的有源像素的位置的行信息和列信息，基于接收到的行信息和列信息指定需要补偿的像素的位置，并将指定的位置提供给暗阴影补偿单元362。
如图2B所示，当随机布置暗像素时，可使用预先存储在辅助非易失性存储器41中的地址。
使用暗像素提供的局部暗电流电平（或值）可被存储在第二存储器35（即，暗电流寄存器）中。暗阴影补偿单元362使用存储在第二存储器35中的局部暗电流电平来估计用于局部暗电流补偿区域的局部暗电流。通过插值，所述估计是可行的。之后，暗阴影补偿单元362对有源像素（例如，存储在第一存储器34中的像素值）的输出值和已被估计的暗电流电平执行加法或减法。
参照图4C和曲线图（a），从有源像素输出关于局部暗电流的数据。如图4C和曲线图（b）所示，暗阴影补偿单元362针对每个有源像素估计或计算暗电流补偿电平（或值）。之后，如曲线图（c）所示，暗阴影补偿单元362从输出的数据（a）减去估计的暗电流补偿电平（b），从而输出局部暗电流补偿的数据。
图5A至图5F是根据示例性实施例的一些实施例的图1至图3中示出的暗像素的示例的示图。图5A示出用于正面照明的图像传感器的暗像素50A。参照图5A，光电转换元件52a被放置在基板51a中。可通过光电二极管、钉扎光电二极管或光电晶体管来实现光电转换元件52a。金属线53a被放置在光电转换元件52a之上。
包括多个绝缘薄膜的夹层可位于金属线53a之间。夹层可具有各种结构以确保光路。滤色器54a被放置在实现金属线53a的区域上。多个夹层可被放置在滤色器54a之下或之上用于平面化。微透镜55a被放置在滤色器54a上。
阻光层56a被放置在微透镜55a与滤色器54a之间。阻光层56a阻挡通过微透镜55a入射的光以防止光从下面传送到光电转换元件52a。
因为暗像素50A用于检测暗电流，所以可见光和其它范围的光需要被阻挡。为了该目的，可使用阻挡所有范围的波长的材料来形成阻光层56a。例如，可使用金属来形成阻光层56a。
阻光层56a可以是滤色器54a的一部分，或可以是滤色器54自身。在这种情况下，标号54a可表示滤色器之下的平面层，标号56a可表示在形成用于有源像素的滤色器的处理期间形成的阻光层。
因为入射光被阻光层56a阻挡，所以与有源像素一起布置在有源像素块中的暗像素50A可用于检测局部暗电流电平。
图5B示出用于背面照明的图像传感器的暗像素50A。参照图5B，金属线53b被放置在基板51b中。光电转换元件52b被放置在金属线53b上或之上。滤色器54b被放置在光电转换元件52b上。微透镜55b被放置在滤色器54b上。
阻光层56b被放置在微透镜55b与滤色器54b之间。因为入射光被阻光层56b阻挡，所以与有源像素一起布置在有源像素块中的暗像素50B可用于检测局部暗电流电平。
与图5A中示出的暗像素50A相似，图5C中示出的暗像素50C可用于正面照明的图像传感器。阻光层56c被放置在微透镜55c上。阻光层56c可以是微透镜55c的一部分。
与图5B中示出的暗像素50B相似，图5D中示出的暗像素50D可用于背面照明的图像传感器。阻光层56d被放置在微透镜55d上。阻光层56d是微透镜55d的一部分。
分别如同图5A和图5C中示出的暗像素50A和50C一样，图5E中示出的暗像素50E可用于正面照明的图像传感器。阻光层56e被放置在光电转换元件52a上。阻光层56e可被放置在夹层中。
分别与图5B和图5D中示出的暗像素50B和50D相似，图5F中示出的暗像素50F可用于背面照明的图像传感器。阻光层56f被放置在光电转换元件52b上。
图5A至图5F示出的暗像素50A至50F中的每一个分别具有这样的结构，其中，阻光层56a、56b、56c、56d、56e或56f被增加到有源像素的结构中。
图6A至图6C是根据示例性实施例的一些实施例的图1至图3中示出的暗像素的电路图。将参照图6A至图6C描述包括在包括光电二极管的CMOS图像传感器中的暗像素。
尽管在图5A至图5F中示出的实施例中的暗像素50A至50F中的每一个的内部元件未改变，但是在图6A至图6C中示出的实施例中的暗像素60A至60C的内部元件存在一些改变。
参照图6A，暗像素60A包括光电二极管PD60A、转移晶体管TX60A、栅极具有复位信号RS的复位晶体管RX60A、栅极具有选择信号SEL的选择晶体管SX60A和驱动晶体管DX60A。暗像素60A包括与包括四个晶体管和单个光电二极管的有源像素结构相同的元件TX60A、RX60A、SX60A、DX60A和PD60A。然而，因为转移晶体管TX60A的栅极连接到地节点，所以在光电二极管PD60A中产生的光电荷不被传送到感测节点SN1。
参照图6B，暗像素60B包括光电二极管PD60B、栅极具有复位信号RS的复位晶体管RX60B、栅极具有选择信号SEL的选择晶体管SX60B和驱动晶体管DX60B。暗像素60B包括与包括三个晶体管和单个光电二极管而不包括转移晶体管的有源像素结构相似的元件RX60B、SX60B、DX60B和PD60B。因为暗像素60B不包括转移晶体管并且光电二极管PD60B与感测节点SN2分离，所以在光电二极管PD60B中产生的光电荷不被传送到感测节点SN2。
参照图6C，暗像素60C包括栅极具有复位信号RS的复位晶体管RX60C、栅极具有选择信号SEL的选择晶体管SX60C和驱动晶体管DX60C。暗像素60C仅包括三个晶体管RX60C、SX60C和DX60C而不包括光电二极管和转移晶体管。因为暗像素60C不包括光电二极管和转移晶体管，所以排除与可在光电二极管中产生的电荷相应的局部暗电流。
如上所述，尽管在图5A至图5F示出的实施例中的暗像素50A至50F具有与有源像素相同的结构，但是从暗像素50A至50F入射的光被传送到光电转换元件（诸如，光电二极管）。因此，对流入光电二极管52a或52b和感测节点的暗电流的补偿是可行的。
然而，即使暗像素60A至60C包括在图6A至图6C中示出的实施例中的光电二极管，但是暗像素60A至60C也不包括光电二极管或阻止电荷从光电二极管流动到感测节点SN1或SN2。因此，主要执行仅流入感测节点SN1或SN2的暗电流的补偿。
图7A至图7D是根据示例性实施例的一些实施例的图1至图3中示出的像素的电路图。下面将描述的不同像素可应用于有源像素和暗像素两者。
参照图7A，像素70A包括光电二极管PD、转移晶体管TX、浮动扩散节点FD、复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。转移晶体管TX响应于转移控制信号TS而操作。复位晶体管RX响应于复位控制信号RS而操作。选择晶体管SX响应于选择信号SEL而操作。可由光电晶体管、光电门(photogate)、钉扎光电二极管和它们的组合中的至少一个来实现光电二极管PD。
图7A示出包括一个光电二极管PD和四个MOS晶体管TX、RX、DX和SX的四个晶体管（4T）结构。然而，实施例不限于该示例。至少包括三个晶体管和光电二极管的任何电路可用于示例性实施例的实施例中，其中，所述三个晶体管包括驱动晶体管DX和选择晶体管SX。
在图7B至7D中示出像素的其它示例。
参照图7B，像素70B具有包括光电二极管PD、复位晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX的三个晶体管（3T）结构。
参照图7C，像素70C具有包括光电二极管PD、复位晶体管RX、驱动晶体管DX、选择晶体管SX、转移晶体管TX和晶体管GX的五个晶体管（5T）结构。晶体管GX可响应于选择信号SEL将转移控制信号TS传送到转移晶体管TX。
参照图7D，像素70D具有包括光电二极管PD、转移晶体管TX、复位晶体管RX、驱动晶体管DX、选择晶体管SX和晶体管RX的5T结构。晶体管PX响应于控制信号TP而操作。像素70A至70D中的每一个的输出信号通过列线COL被输出。
图8是根据示例性实施例的一些实施例的用于解释有源像素块80中的插值的示图。这里，将描述使用5*5像素块的插值。参照图8，有源像素块80被包括在图像传感器的像素阵列中。尽管未示出，但是，像素阵列还包括列OB像素块和帧OB像素块。
假设有源像素块80具有包括像素R11至B88的8*8阵列结构。有源像素块80的单元像素模板可以是马赛克贝尔模板（mosaic Bayer pattern）。贝尔模板包括两个G像素、一个R像素和一个B像素。单元像素模板被重复布置在有源像素块80中。
因为没有关于暗像素X33的数据，所以需要对暗像素X33执行插值。对于插值，5*5块A被设置在暗像素X33周围。此时，与暗像素X33邻近的八个像素被设置在小块A1中，十六个外围像素被设置在大块A2中。
因为块A1比块A2更邻近于暗像素X33，所以将更大权重给予块A1，而将更小的权重给予块A2。通过该处理，对暗像素X33执行RGB色彩校正。可从插值排除块A2中的暗像素X15。
然而，当暗像素X15的插值之前执行对暗像素X33的插值时，针对暗像素X33的插值的RGB值可在暗像素X15的插值期间使用。此外，可以使用块B的输出信号，以如上所述的相同的方式针对有源像素R55执行G颜色插值和B颜色插值。
图9是根据示例性实施例的一些实施例的补偿局部暗电流的方法的流程图。参照图9和操作S901，从包括有源像素和暗像素的有源像素块读取数据。在操作S906，数据通过CDS和/或模数转换被输出为数字值，并且该数字值被存储在存储器中。此时，存储器可被划分以单独地存储有源像素数据和暗像素数据。
在操作S902，补偿电路36使用暗像素的位置的计算值或预先存储的暗像素的地址来估计局部暗电流。在操作S903，补偿电路36确定局部暗电流的存在或不存在。在操作S904，当局部暗电流存在时，补偿电路36对有源像素执行局部暗电流的补偿。在操作S905，补偿电路36输出补偿的数据。
图10是根据示例性实施例的其它实施例的图像传感器100的示图。参照图10，图像传感器100将光学信号转换为电信号。时序控制器101控制图像传感器100的操作时序。时序控制器101可使用转移控制信号控制图像传感器100的积分时间(integration time)。
图像传感器100包括像素阵列103、CDS/ADC104、行地址解码器102、第一存储器105、第二存储器106、暗阴影补偿电路107和图像信号处理器（ISP）108。像素阵列103包括参照图1至图9描述的结构和操作，并在有源像素块中包括有源像素ACT和暗像素DARK。
CDS/ADC104对从像素阵列103中的有源像素ACT和暗像素DARK中的每一个输出的模拟信号执行CDS和/或模数转换。
图10中示出的第一存储器105、第二存储器106和补偿电路107的结构和操作与参照图3至图4C描述的第一存储器34、第二存储器35和补偿电路36的结构和操作相似。
ISP108使用已执行局部暗电流补偿的数字图像信号执行信号处理。信号处理可包括色彩插值、色彩校正、自动白平衡、伽马校正、色彩饱和度校正、格式化、坏像素校正和/或色调校正。
行地址解码器102使用从时序控制器101提供的地址信息XADD控制像素阵列103的每一行的操作（或输出）时序。
图11是根据示例性实施例的一些实施例的相机系统110的框图。相机系统110可包括数字相机、包括数字相机的智能电话或包括数字相机的平板个人计算机（PC）。
参照图11，相机系统110可包括透镜111、图像传感器112、电机单元113和引擎单元114。像素阵列和包括像素阵列的图像传感器112可包括参照图1至图10描述的用于局部暗电流补偿的结构和操作。
透镜111将入射光聚焦在图像传感器112中的光接收区域（例如，光电二极管）。图像传感器112基于通过透镜111接收的入射光产生图像数据。图像传感器112可基于时钟信号CLK将图像数据提供给引擎单元114。图像传感器112可使用移动工业处理器接口
Figure BDA00003503126400131
和/或相机串行接口（CSI）与引擎单元114进行接口连接。
电机单元113可响应于从引擎单元114接收的控制信号CTRL来调整透镜111的聚焦或执行快门操作。引擎单元114控制图像传感器112和电机单元113。引擎单元114可基于从图像传感器112接收的距离数据和/或图像数据来产生包括到对象的距离、亮度分量、亮度分量与蓝色分量之差和亮度分量与红色分量之差的YUV数据或者可压缩的数据（例如，联合图像专家组（JPEG）数据）。
引擎单元114可连接到主机/应用115，并且可基于主时钟信号MCLK将YUV数据或JPEG数据提供给主机/应用115。此外，引擎单元114可使用串行外围接口（SPI）和/或内部集成电路（I2C）与主机/应用115进行接口连接。
图12是根据示例性实施例的一些实施例的计算系统120的框图。参照图12，计算系统120包括处理器121、存储器装置122、存储装置123、输入/输出（I/O）装置124、电源125和图像传感器126。图像传感器126可包括参照图1至图10描述的结构和操作。尽管在图12中没有示出，但是计算系统120还可包括可与视频卡、声卡、存储卡、通用串行总线（USB）装置或其它电子装置进行通信的端口。
处理器131可执行特定计算或任务。处理器121可包括微处理器或中央处理单元（CPU）。处理器121可通过地址总线、控制总线和/或数据总线与存储器装置122、存储装置123和I/O装置124进行通信。
处理器121还可连接到扩展总线（诸如，外围组件互连（PCI）总线）。存储器装置122可存储计算系统120操作所需的数据。可通过动态随机存取存储器（DRAM）、移动DRAM、静态RAM（SDRAM）、相变RAM（PRAM）、铁电RAM（FRAM）、电阻RAM（RRAM）和/或磁电阻随机存取存储器（MRAM）来实现存储器装置122。
存储装置123可包括固态驱动器（SSD）、硬盘驱动器（HDD）和/或压缩盘-只读存储器（CD-ROM）。I/O装置124可包括输入装置（诸如键盘、键区或鼠标）和输出装置（诸如打印机或显示器）。电源125可提供计算系统120的操作所需的工作电压。
图像传感器126可通过总线或其它通信链路与处理器121进行通信。图像传感器126和处理器121可集成在一个芯片中，或者可被分别集成在不同芯片中。计算系统120可以是使用图像传感器126的任何类型的计算系统。例如，计算系统120可包括数字相机、蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、便携式多媒体播放器（PMP）、智能电话或平板PC。
图13是根据示例性实施例的一些实施例的计算系统130的框图。参照图13，计算系统130可被实现为可使用或支持
Figure BDA00003503126400141
的数据处理装置。计算系统130可包括应用处理器1300、图像传感器1320和显示器1330。
包括在应用处理器1300中的相机串行接口（CSI）主机1302可通过CSI执行与包括在图像传感器1320中的CSI装置1321的串行通信。CSI主机1302可包括解串行化器DES，CSI装置1321可包括串行化器SER。图像传感器1320可包括参照图1至图10描述的结构和操作。
包括在应用处理器1300中的显示器串行接口（DSI）主机1301可通过DSI执行与包括在显示器1330中的DSI装置1331的串行通信。DSI主机1301可包括串行化器SER，DSI装置1331可包括解串行化器DES。
计算系统130还可包括与应用处理器1300进行通信的射频（RF）芯片1340。应用处理器1300的物理层（PHY）1303和PF芯片1340的PHY1341可根据MIPI DigRF彼此通信数据。应用处理器1300还可包括使用MIPI DigRF控制PHY 1303的数据通信的DigRF主机（DigRF master）1304。
计算系统130还可包括全球定位系统（GPS）接收器1310、存储器1350、麦克风（MIC）1360、DRAM1370和扬声器1380。计算系统130可使用超宽带（UWB）通信1393、无线局域网（WLAN）通信1392、全球微波接入互操作性（WIMAX）1391进行通信。图13中示出的计算系统的结构或接口仅为示例，示例性实施例不限于该示例。
图14是根据示例性实施例的一些实施例的用于解释覆盖形状的示图。参照图14，像素阵列中的一些像素被覆盖以测量暗信号。可伪随机地放置覆盖物以避免人为频率。另外，不同实施例在图14中示出以示出覆盖形状。例如，可使用不同覆盖形状以更好遮挡光和/或使用覆盖形状来合并相位检测自动聚焦像素。在图14中，第一种情况可覆盖单个像素。更高级的覆盖物将覆盖邻近像素的部分，提供更好的遮光并允许相位检测自动聚焦。覆盖更多的区域将给予更好的遮挡，但是会降低图像质量。在图14中，第二种情况可覆盖0.5-1.5个单元的带。在图14中，第三种情况可覆盖像素的邻域。
图15是根据示例性实施例的一些实施例的暗信号近似和补偿的流程图。参照图15，暗信号近似和补偿的流程图基于先前帧和像素值重建（处理帧N）。基于先前帧补偿帧N会导致时间准确性较小，但是允许使用传感器周围的所有数据的近似。换句话说，仅使用先前帧收集的数据来固定帧N。
图16是根据示例性实施例的一些实施例的暗信号近似和补偿的流程图。参照图16，暗信号近似和补偿的流程图基于当前帧和像素值重建（处理帧N）。基于帧N补偿帧N使时间准确性更大，但是还会使使用传感器周围的所有数据的近似变得复杂。此外，图16中的暗信号近似和补偿更倾向于噪声。换句话说，通过合并相同帧的数据来固定帧N（这可与现有知识合并）。
在实施例的图14至图16中，覆盖像素嵌入普通像素之间。可伪随机地放置覆盖物以避免人为频率。在实施例的图15至图16中描述暗信号近似和像素恢复/重建。此外，单个层可用于暗像素测量和相位检测自动聚焦。
如上所述，根据示例性实施例的一些实施例，CMOS图像传感器提高了暗阴影。此外，CMOS图像传感器执行全局暗电流和局部暗电流的补偿，从而提高图像的图片质量。

Claims (29)

1.一种图像传感器的像素陈列，包括：
有源像素块，包括多个有源像素和至少一个暗像素，其中，所述多个有源像素被构造为输出与光信号相应的电信号，所述至少一个暗像素被构造为产生局部暗电流；
光学黑色像素块，被布置在有源像素块周围并被构造为产生全局暗电流。
2.如权利要求1所述的像素阵列，其中，有源像素块包括具有相同像素布置的多个单元像素块，单元像素块中的每一个包括有源像素中的至少一个和至少一个暗像素。
3.如权利要求1所述的像素阵列，其中，有源像素块包括具有不同像素布置的多个单元像素块，单元像素块中的每一个包括有源像素中的至少两个和所述至少一个暗像素。
4.如权利要求1所述的像素阵列，其中，所述至少一个暗像素随机布置在有源像素之间。
5.如权利要求1所述的像素阵列，其中，所述至少一个暗像素包括在光电二极管与微透镜之间形成的阻光层。
6.如权利要求1所述的像素阵列，其中，所述至少一个暗像素包括在微透镜上形成的阻光层。
7.如权利要求1所述的像素阵列，其中，所述至少一个暗像素不包括光电二极管。
8.如权利要求1所述的像素阵列，其中，当产生局部暗电流时，所述至少一个暗像素响应于光学信号不执行光电转换。
9.如权利要求1所述的像素阵列，其中，当产生局部暗电流时，所述至少一个暗像素响应于光学信号不输出电信号。
10.一种图像传感器，包括：
包括有源像素块和光学黑色像素块的像素阵列，其中，所述有源像素块包括多个有源像素和至少一个暗像素，其中，所述多个有源像素被构造为输出与光学信号相应的电信号，所述至少一个暗像素被构造为产生局部暗电流，所述光学黑色像素块被布置在有源像素块周围并被构造为产生全局暗电流；
补偿电路，被构造为使用从所述至少一个暗像素提供的局部暗电流补偿有源像素的每一个的局部暗电流。
11.如权利要求10所述的图像传感器，其中，补偿电路包括：
暗像素标记器，被构造为从包括从有源像素的每一个输出的电信号的图像信号和从所述至少一个暗像素输出的局部暗电流提供所述至少一个暗像素的位置信息；
暗阴影补偿单元，被构造为使用从所述至少一个暗像素输出的局部暗电流和暗像素的位置信息来补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
12.如权利要求10所述的图像传感器，其中，有源像素块包括：具有相同像素布置的多个单元像素块，单元像素块的每一个包括有源像素中的至少一个和所述至少一个暗像素。
13.如权利要求10所述的图像传感器，其中，有源像素块包括具有不同像素布置的多个单元像素块，单元像素块的每一个包括有源像素中的至少两个和所述至少一个暗像素。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中，至少两个有源像素的数量与所述至少一个暗像素的数量不同。
15.如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述至少一个暗像素被随机布置在有源像素之间。
16.如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述至少一个暗像素包括在光电二极管与微透镜之间形成的阻光层。
17.如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述至少一个暗像素包括在微透镜上形成的阻光层。
18.如权利要求10所述的图像传感器，其中，所述至少一个暗像素不包括光电二极管。
19.如权利要求10所述的图像传感器，其中，当产生局部暗电流时，所述至少一个暗像素响应于光学信号不输出电信号。
20.如权利要求10所述的图像传感器，还包括：坏像素补偿电路，被构造为对已补偿局部暗电流的每个有源像素的输出执行坏像素补偿。
21.一种补偿图像传感器中的局部暗电流的方法，所述方法包括：
使用包括在有源像素块中的多个有源像素中的每一个产生与光学信号相应的电信号，同时使用包括在有源像素块中的至少一个暗像素来产生局部暗电流；
使用从所述至少一个暗像素提供的局部暗电流补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
22.如权利要求21所述的方法，其中，补偿局部暗电流的步骤包括：
从包括从有源像素的每一个输出的电信号的图像信号和从所述至少一个暗像素输出的局部暗电流提供至少一个暗像素的位置信息；
使用从所述至少一个暗像素输出的局部暗电流和所述至少一个暗像素的位置信息来补偿有源像素的每一个中的局部暗电流。
23.一种补偿图像传感器中的局部暗电流的方法，所述方法包括：
从包括至少一个有源像素和至少一个暗像素的有源像素块读取像素数据；
使用所述至少一个暗像素的位置的计算值或所述至少一个暗像素的地址估计所述至少一个有源像素的局部暗电流；
当局部暗电流存在时，使用估计的局部暗电流对所述至少一个有源像素执行局部暗电流的补偿；
输出补偿的像素数据。
24.如权利要求23所述的方法，还包括：
将与所述至少一个有源像素相应的像素数据的第一像素数据存储在第一存储器中；
将与所述至少一个暗像素相应的像素数据的第二像素数据存储在第二存储器中；
其中，第一存储器与第二存储器分离。
25.如权利要求23所述的方法，当局部暗电流不存在时，输出像素数据而不进行补偿。
26.一种在图像传感器中估计暗信号的方法，所述方法包括：
覆盖像素阵列的多个像素；
基于像素阵列中的覆盖的像素来测量暗信号。
27.如权利要求26所述的方法，其中，覆盖的像素被伪随机地布置在像素阵列中以避免人为频率。
28.如权利要求26所述的方法，其中，覆盖像素阵列的多个像素的步骤包括：覆盖多个像素中的每一个像素。
29.如权利要求28所述的方法，其中，覆盖像素阵列的多个像素的步骤还包括：覆盖与多个像素中的每个覆盖的像素邻近的至少一个像素的部分。
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