CN106973247A - 对图像传感器进行时钟控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了对图像传感器进行时钟控制的方法。具体描述了测量和校准CCD成像系统的增益的方法。电荷注入器可存在于图像传感器阵列的任一侧上，用于向相应的校准VCCD提供测试电荷。可在四输出读出期间将测试电荷转移到上部和下部HCCD，或在双输出或单输出读出期间将测试电荷仅转移到所述下部HCCD。在所述成像系统的每个象限中，可基于测试电荷的量值经由电荷开关将所述测试电荷转移到EMCCD输出端或非EMCCD输出端。所述成像系统中所有EMCCD输出端和非EMCCD输出端的所述增益可在任两个输出端之间检测到差异时通过调整每个输出端处的所述增益来彼此校准。

Description

对图像传感器进行时钟控制的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求由Christopher Parks发明的、提交于2016年1月14日的名称为“Methods for Clocking an Image Sensor”(对图像传感器进行时钟控制的方法)的美国临时申请No.62/278563的优先权，该申请以引用方式并入本文，并且据此要求该申请的共同主题的优先权。
技术领域
本申请整体涉及成像系统，更具体地讲，涉及用于具有多个输出端的电荷耦合器件(CCD)成像系统的输出增益测量和校准方法。
背景技术
电子设备(诸如移动电话、相机、计算机)通常包括成像系统，该成像系统进一步包括用于捕捉图像的数字图像传感器。可将图像传感器制作成具有二维图像像素阵列，这些图像像素包含把入射光子(入射光)转换为电信号的光电二极管。电子设备通常包括显示器，用于显示捕捉的图像数据。
常规行间CCD成像器设置有形成于钉扎层下方的多个光电二极管。在常规成像器中，光电二极管通常为半导体衬底中的n型掺杂区。形成于光电二极管上方的钉扎层通常为p型掺杂层。形成于光电二极管上方的钉扎层通常耦接到地并且充当光电二极管的接地。光电二极管的电势保持恒定，只要在钉扎层上所提供的电压恒定，并且在整个设备上无全局净电流。
入射在成像器上的光导致光生电子聚积在n型光电二极管区域中。通过向形成于竖直CCD(VCCD)上方的转移栅极和光电二极管与VCCD之间的区域施加读出电压(有时称为“第三级电压”)，将这些光生电子中的一些读出到VCCD中。
常规用于将光生电荷从光电二极管读出到VCCD的“第三级电压”通常为大于7V的大电压。
随后将光生电子从每个VCCD读出到水平CCD(HCCD)，再从该HCCD处将这些光生电子转移到相关输出端。在一些常规CCD图像传感器中，将电子倍增器CCD(EMCCD)整合到HCCD路径中，以增大输出端处的信号电平的量值，使得它们处于可读范围内。为了测量由EMCCD提供的增益，常规图像传感器使用受控光源，所述受控光源导致在图像传感器的每个光电二极管处生成已知量的电荷。随后通过EMCCD输出端和非EMCCD输出端二者读出该已知量的电荷，从而可获得EMCCD增益测量值。该方法中所使用的受控光源通常被构建到容纳成像器的系统中。然而，该方法对于视频捕捉操作来说是不可取的，因为该方法要求中断视频流，以便可闪烁光以测量增益。
一些常规CCD成像器使用捕捉的图像中的内容来测量EMCCD增益，但如果捕捉的图像在CCD成像器中仅生成小信号(例如，在弱光条件下)，那么该方法就无法依赖。
一些常规CCD成像器依赖于具有高电平暗电流的缺陷像素来测量EMCCD增益，但该方法需要像素缺陷才可操作，不适用于极少或没有缺陷像素的CCD成像器。
一些常规CCD成像器依赖于EMCCD电压或温度的变化来计算EMCCD增益，但该方法是不可取的，因为改变EMCCD电压或温度会改变捕捉的图像的外观。
一些常规CCD成像器依赖于将电荷直接注入EMCCD的入口中，以便注入已知信号量进行增益校准。然而，使用这种方法获得具有增益的信号与不具有增益的信号的比需要改变EMCCD电压，这是不可取的，因为这会改变捕捉的图像的外观。该方法不可取的另一个原因是，它不提供用于匹配一个以上的EMCCD的输出的手段。
因此，需要一种技术，既允许在单个CCD成像器内测量和校准多个EMCCD的输出增益，又能够避免与上述常规技术相关的缺点。
附图说明
图1为根据一个实施方案的行间CCD图像传感器的框图。
图2为根据一个实施方案的具有遮光罩的行间CCD的穿过图1中的线A’-A”的横截面侧视图。
图3为根据一个实施方案的具有两个电荷注入器、四个EMCCD输出端和四个非EMCCD输出端的示例性CCD成像系统的俯视图。
图4为根据一个实施方案的用于将电荷注入CCD图像传感器的校准VCCD中的示例性结构的俯视图。
图5为根据一个实施方案的示出在四输出CCD读出操作期间沿图4中的A-C路径的栅极处的电荷电平和电压电势的示例性流体图。
图6为根据一个实施方案的示出在四输出CCD读出操作期间沿图4中的A-B路径的电荷电平和电压电势的示例性流体图。
图7为根据一个实施方案的示例性时序图，示出在四输出CCD读出操作期间施加到校准VCCD的栅极、注入栅极和注入二极管的信号电平。
图8为根据一个实施方案的示出在双输出和单输出CCD读出操作期间沿图4中的B-C路径的电荷电平和电压电势的示例性流体图。
图9为根据一个实施方案的示例性时序图，示出在双输出和单输出CCD读出操作期间施加到校准VCCD的栅极、注入栅极和注入二极管的信号电平。
具体实施方式
图1为行间电荷耦合器件(CCD)图像传感器110的基本构造的示意图。图像传感器110可整合至车辆安全系统(例如，后视摄像头或其他车辆安全系统)、监视系统、电子设备(例如，照相机、移动电话、摄影机，或捕捉数字图像数据的任何其他所需电子设备)。光采集单元可包括被排布成数行和数列的光电二极管120阵列。光电二极管120可各自与图像像素相关，并且因此可互换地称为“像素二极管”。滤光元件诸如滤色器、等离子体滤光器、谐振增强滤色器或任何其他过滤元件可形成于光电二极管120的每一者上方。透镜元件诸如微透镜也可形成于光电二极管120上方。
图像传感器110中的每一列光电二极管120均可与相应的竖直CCD(VCCD)130相关。在图像传感器110中还可设置一个或多个水平CCD(HCCD)140，并且所述一个或多个水平CCD(HCCD)可耦接到输出放大器150，所述输出放大器向附加的图像读出和处理电路(未示出)提供图像像素信号。在逐行扫描读出模式下，每个光电二极管120可同时向其相应的VCCD130转移在图像捕捉模式期间在光电二极管中所收集的一些或全部光生电荷。例如，可将来自第一列图像传感器110中的光电二极管120的一些或全部光生电荷转移到第一VCCD 130，同时可将来自第二列图像传感器110中的光电二极管120的一些或全部光生电荷转移到第二VCCD 130。
可通过将所有列并行地(一次一行)转移到HCCD 140中来读出VCCD 130中的电荷。例如，可将与和图像传感器中的每一列相关的所有VCCD 130的每一行相关的电荷朝向HCCD140转移一行。同时，可将与相邻于HCCD 140的图像传感器110的第一行相关的电荷从VCCD130转移到HCCD 140。
一旦HCCD 140从VCCD 130接收到与给定行相关的电荷，HCCD 140随后即可向输出放大器150连续地转移电荷。为了提高帧率，行间CCD可具有一个以上的输出放大器(未示出)。在某些情况下，可在图像传感器110的相对侧上复制HCCD 140(例如，用于多输出读出操作)。复制品HCCD可与HCCD 140起到相同作用并且可具有相同功能。
为了转移电荷包，在VCCD 130和HCCD 140区域中存在多晶硅栅极。在像素内，VCCD130和HCCD 140区域包括一个或多个多晶硅栅极。在两个电势之间对这些栅极上的电压进行时钟控制提供了用于以斗链方式转移电荷的手段。
校准VCCD 160可能并不从任一光电二极管120接收电荷。相反，可使用电荷注入装置(未示出)向校准VCCD 160的中间行施加电荷。注入校准VCCD 160中的电荷可用于进行下游校准和测量操作。例如，注入VCCD 160中的电荷可用于校准一个或多个电子倍增器CCD(EMCCD)的输出增益。可在图像传感器110的相对侧上复制校准VCCD 160。复制品校准VCCD可与校准VCCD 160起到相同作用并且可具有相同功能。
图2为对于行间CCD(诸如图像传感器110)的穿过图1中的线A’-A”的横截面侧视图。遮光罩210可阻止入射光290冲击栅极电极215并到达限定VCCD 235的沟道注入物。遮光罩210可形成于n型注入物235(有时称为“VCCD沟道235”)上方，并且可至少部分地形成于光电二极管230上方。具体地讲，如图2所示，遮光罩210可形成于钉扎注入物225的至少一部分上方，而该钉扎注入物形成于光电二极管230上方。遮光罩210可形成于栅极215上方并且可通过电介质295与栅极215隔开。栅极215可至少部分地形成于p掺杂区245和p-注入物250上方。
限定VCCD 235的沟道注入物可包括p掺杂区240和245。栅极电介质220可使栅极215与其中形成有掺杂区225-260的半导体电隔离。半导体衬底265和掺杂区225-260可统称为“半导体”。P+钉扎注入物225可具有足够高浓度的p型掺杂物，以在电介质220和半导体的界面处聚积空穴。该空穴聚积层可减少暗电流并且建立到图像传感器110的像素阵列外围的接地连接。给定列中的像素可共享P+钉扎注入物225，并且该P+钉扎注入物可形成于图像传感器110的给定列中的多个光电二极管120上方。
光生电子可被收集在光电二极管230中。深P-区260可在光电二极管230与N衬底265之间建立纵向溢流漏极。在强光的情况下，来自光电二极管230的过量电荷载流子可流入衬底中而不是溢出到VCCD沟道235中。P型注入物240和245可在VCCD沟道235与光电二极管230之间提供隔离。P-注入物250和N注入物255可设定光电二极管230与VCCD沟道235之间的转移栅极电势。
通过在栅极电极215上施加正电压来将收集在光电二极管230中的光生电子转移到VCCD沟道235。对于行间CCD，该电压通常大于7V。
图3示出了可包括行间CCD图像传感器(诸如图像传感器110)的成像系统300的俯视图。本发明可应用于具有任意行数和列数的行间CCD。CCD图像传感器305可包括被排布成数行和数列的光敏元件(例如，光电二极管)阵列。每一列光敏元件均可耦接到对应VCCD。每个VCCD可向HCCD 303-U和303-L传递对应光电二极管中聚积的电荷。位于CCD图像传感器305的左边和右边的暗列312可以是具有在图像捕捉操作期间不接收光的光敏元件的暗列。这些光敏元件可被金属屏蔽以防止检测到光，或者这些光敏元件可完全省去，但仍可包括它们的对应VCCD。暗列312可被成像系统300用作零基准，以在下游处理期间减去任何暗电流偏移。出于与暗列312相同的目的，可包括暗行310，并且暗行可具有与暗列312类似的结构。
成像系统300可分为“a”、“b”、“c”和“d”四个象限。每个象限可具有相关的光敏元件和读出电路。可从任意一个象限、任意两个象限或所有四个象限同时读出捕捉的图像。
当从成像系统300的所有四个象限同时读出时，可对CCD图像传感器305中的VCCD进行编程，以将电荷从CCD图像传感器305中的光敏元件阵列的上半部移到HCCD 303-U，并且将电荷从CCD图像传感器305中的光敏元件阵列的下半部移到HCCD 303-L。HCCD 303-U和303-L可各自分成两半，以将由HCCD 303-U和303-L接收的电荷的左半部移向象限“a”和“c”中的读出电路，并且将电荷的右半部移向象限“b”和“d”中的读出电路。例如，由CCD图像传感器305的象限“a”中的光敏元件生成的电荷可被转移到相关VCCD，所述相关VCCD随后可将电荷转移到HCCD 303-L。HCCD 303-L随后可通过浮栅感测节点304-a将电荷传递到电荷开关301-a。浮栅感测节点304-a与浮栅放大器320-a结合，可测量穿过浮栅感测节点304-a的电荷的量值。电荷开关301-a可选择性地将电荷直接路由到输出端315-a或通过EMCCD 302-a路由到输出端316-a。由电荷开关301-a执行的选择性路由可基于检测到的被路由电荷的量值。例如，低于阈值量值的电荷可先被路由到EMCCD 302-a进行放大，然后再被传递到输出端316-a(本文有时称为高增益输出端316-a)。高于阈值量值的电荷可被直接路由到输出端315-a(本文有时称为低增益输出端315a)，而不进行EMCCD放大。应当注意，这种读出方法可应用于成像系统300的每个象限中的读出电路。
另选地，可对CCD图像传感器305中的VCCD进行编程，以将电荷从CCD图像传感器305中的整个光敏元件阵列移到HCCD 303-L。电荷随后可仅被转移到象限“a”中的读出电路执行单输出读出操作，或被转移到象限“a”和“b”二者中的读出电路执行双输出读出操作。
校准VCCD 311和313可从电荷注入装置308和309(本文有时称为电荷注入结构308和309)接收测试电荷(本文有时称为注入的电荷)。由电荷注入装置308和309提供的测试电荷随后可被转移到HCCD 303-U和303-L。
例如，在四输出读出操作期间，电荷注入装置308可脉冲两次，一次用于将测试电荷注入校准VCCD 311中以被转移到HCCD 303-U，第二次用于将测试电荷注入VCCD 311中以被转移到HCCD 303-L。VCCD 311和313可各自分裂以适应测试电荷同时转移到HCCD 303-L和HCCD 303-U二者。通过使用单个注入器来向HCCD 303-L和HCCD 303-U二者提供电荷，可向HCCD 303-L和HCCD 303-U二者可靠地提供相同量的电荷。由单个电荷注入装置执行的这种双向电荷注入可防止提供到顶部读出电路和底部读出电路的测试电荷的量值出现不理想的差异，使用两个不同的电荷注入装置于CCD图像传感器305的每一侧可能引起这种不理想的差异。由电荷注入装置308和309提供的测试电荷的量值可以是恒定的，或者可在图像传感器的整个动态范围内变化。如果需要，电荷注入装置308和309可以是分别将电荷以光学方式注入到VCCD 311和313中的光学电荷注入装置。
输出放大器322和323可将接收的电荷转换为电压输出。电荷-电压转换系数(增益)在所有四个象限之间很少完全相同。例如，增益值可变化1％至2％。因为顶部和底部输出放大器可测量来自同一注入器的电荷，因此可校准它们的增益。例如，如果在输出端315-c测量的注入的电荷信号始终比在输出端315-a测量的注入的电荷信号小1％，那么可始终将输出端315-c的输出信号乘以1.01，以迫使其与输出端315-a匹配。在注入的电荷电平较小(例如，小于200e)时，电荷注入装置308和309可用于校准成像系统300中的EMCCD 302。
可在成像操作期间不断注入测试电荷。响应于检测到EMCCD和非EMCCD输出增益二者出现差异(例如，象限“a”和“c”之间以及象限“b”和“d”之间的输出增益出现差异)，可调整EMCCD 302以及输出放大器322和323提供的放大量值，以维持输出匹配。通过维持注入的电荷信号的缓慢移动平均数，可随时间推移补偿温度变化和EMCCD增益漂移的效应。可在对任何场景(亮或暗)成像的同时连续执行这种增益校准。
可能希望的是，路由到EMCCD输出端316的注入的电荷量与路由到非EMCCD输出端315的注入的电荷量相同。例如，可以选择的量值施加象限“a”的注入的电荷，使得象限“a”的注入的电荷的一半被引导至输出端315-a，并且象限“a”的注入的电荷的一半被引导至输出端316-a。所注入的电荷量值可能接近电荷开关301的阈值。通过向EMCCD输出端316提供与向非EMCCD输出端315提供相同量的注入的电荷，并且通过将每个注入的电荷量值设定为电荷开关301的阈值，可获得EMCCD输出端316与非EMCCD输出端315之间的良好线性匹配。
可针对彼此校准电荷注入装置308和309，以便使象限“a”和“c”的输出端与象限“b”和“d”的输出端匹配。这可通过在读出CCD图像传感器305的底边和顶边的暗行310时对每个图像进行一次来完成，因为暗行310可能不用于形成图像。在电荷注入装置校准期间，可将暗行310读出到仅一个HCCD(例如，HCCD 303-L)。当向HCCD(例如，HCCD 303-L)提供来自暗行310的信号时，可操作HCCD以将来自暗行310中每一行的电荷读出到单一象限的读出电路(例如，象限“a”的读出电路)。根据在电荷注入装置308的注入的电荷与电荷注入装置309的注入的电荷之间检测到的任何差异，可调整施加到电荷注入装置308或309的电压。例如，如果电荷注入装置308始终比电荷注入装置309多注入5％的电荷，那么可将电荷注入装置309上的电压乘以1.05，然后再用于输出匹配或EMCCD增益计算。应当注意，在读出暗行310的电荷期间所使用的读出方法可能不适于读出CCD图像传感器305其余行的电荷。
为了进一步改进输出放大器322和323的线性，电荷注入装置308和309注入的电荷量值可从零变为最大信号电平。例如，可在正被读出捕捉图像处的每一行递增注入的电荷量值。另选地，每个捕捉图像可递增一次注入的电荷量值。当注入的电荷量值以这种方式变化时，输出放大器322和323中任一者之间由非线性差异导致的任何失配可得到补偿。
图4为CCD图像传感器(诸如图3的图像传感器305)的一部分的俯视图，所述图像传感器具有电荷注入装置(诸如图3的电荷注入装置308)和校准VCCD(诸如图3的校准VCCD311)。如图4所示，注入二极管406可通过注入栅极407耦接到信号栅极408。信号栅极408可以是校准VCCD 440的一部分，所述校准VCCD可对应于图3的VCCD 311。校准VCCD 440与其他VCCD(诸如VCCD 450)的不同之处可在于，校准VCCD 440可不含光电二极管(诸如光电二极管404)。相反，校准VCCD 440可在像素行405处通过注入栅极407接收来自注入二极管406的电荷。
在四输出读取操作期间，校准VCCD 440可分裂，使得注入二极管406注入的一半电荷可沿路径A-B传递，路径A-B由栅极407、408、422、424、426、428、430和432组成。注入二极管406注入的另一半电荷可沿路径A-C传递，路径A-C由栅极407、408、412、414、416、418和420组成。根据图像传感器阵列的尺寸，每个路径可包括额外栅极。另选地，在双输出和单输出读取操作期间，校准VCCD 440可沿单个路径诸如A-C路径(例如，朝向图3的HCCD 303-L)引导电荷。
栅极407、408、412、414、416、418、420、422、424、426、428、430和432可分别受信号IG、SG、V4B、V3B、V2B、V1B、V4B、V2G、V3T,V3T,V2T,V1T、V4T和V3T控制。校准VCCD 440可以是四相VCCD。例如，沿A-B路径的每隔三个栅极可接收相同的控制信号(例如，栅极424和432均可接收信号V3T)。同样，沿A-C路径的每隔三个栅极可接收相同的控制信号(例如，栅极412和420均可接收信号V4B)。应当注意，图4所示的电荷注入装置的镜像可位于CCD图像传感器的最右边。
图5为示出在四输出CCD读出操作期间沿图4中的A-C路径的栅极处的电荷电平和电压电势的流体图。图5和图6所示的读出操作可同时发生，并且沿每个路径A-B和A-C的栅极信号可遵循图7所示的时序图。时间t3至t10可对应于沿路径A-B的电荷注入和转移。因此，栅极412处的信号V4B可从时间t3至时间t10保持在低电势，以防止这些时间内注入的任何电荷流向上部HCCD(例如，图3的HCCD 303-U)。在使信号ID失效的任何时候，可在注入二极管406处提供电荷。在时间t11时，可使信号ID失效，以向注入二极管406提供电荷，同时信号IG和SG保持高电势，使得注入的电荷从注入二极管406通过注入栅极407传递到信号栅极408。在时间t-12时，可使信号ID重新生效，同时信号IG和SG保持高电势，使得电荷保留在信号栅极408中。在时间t13至t15时，信号V4B可保持高电势，使得在信号栅极408与栅极412之间共享电荷。信号IG可从时间t14至t19保持低电势，以便使注入二极管406与信号栅极408隔离。在时间t-16至t17时，信号SG可保持低电势，同时信号V4B和V3B保持高电势，使得在栅极412与414之间共享注入的电荷。在时间t18时，信号V2B可保持高电势，使得在栅极412、414与416之间共享注入的电荷。在时间t19时，信号V4B可保持低电势，同时信号V3B和V2B保持高电势，使得在栅极414与416之间共享注入的电荷。注入的电荷可以这种电荷转移的斗链式方式继续在栅极之间传递，直到注入的电荷到达下部HCCD(例如，图3的HCCD 303-L)。
图6为示出在四输出CCD读出操作期间沿图4中的A-B路径的栅极处的电荷电平和电压电势的流体图。图5和图6所示的读出操作可同时发生，并且沿每个路径A-B和A-C的栅极信号可遵循图7所示的时序图。时间t11至t16对应于沿路径A-C的电荷注入和转移。因此，栅极412处的信号V2G可从时间t11至时间t16保持在低电势，以防止这些时间内注入的任何电荷流向上部HCCD(例如，图3的HCCD 303-U)。在时间t3时，可使信号ID失效，以向注入二极管406提供电荷，同时信号IG和SG保持高电势，使得注入的电荷从注入二极管406通过注入栅极407传递到信号栅极408。在时间t-4时，可使信号ID重新生效，同时信号IG和SG保持高电势，使得电荷保留在信号栅极408中。在时间t5至t7时，信号SG、V2G、V3T和V2T可保持高电势，使得在信号栅极408、栅极422、栅极424与栅极426之间共享电荷。信号IG可从时间t6至t9保持低电势，以便使注入二极管406与信号栅极408隔离。在时间t7时，信号SG可保持低电势，同时信号V2G、V3T和V2T保持高电势，使得在栅极422、栅极424与栅极426之间共享注入的电荷。在时间t8时，信号V2G可保持高电势，使得在栅极424、426之间共享所注入的电荷。在时间t13时，信号V3T可保持低电势，同时信号V2T和V1T保持高电势，使得在栅极426与428之间共享注入的电荷。注入的电荷可以这种电荷转移的斗链式方式继续在栅极之间传递，直到注入的电荷到达上部HCCD(例如，图3的HCCD 303-U)。
图8为示出在单输出和双输出CCD读出操作期间沿图4中的B-C路径的栅极处的电荷电平和电压电势的流体图。可以与结合图5和图6的上述方式类似的方式向信号栅极408施加电荷(例如，信号ID可保持低电势，以向注入二极管406施加电荷，所述电荷随后可通过注入栅极407传递到信号栅极408)。沿路径B-C的栅极信号可遵循图9所示的时序图。图9提供了信号ID和IG的时序以供参考。在时间t3时，信号IG可保持高电势。在时间t4时，可使信号ID失效，以向注入二极管406提供电荷，同时信号IG和SG保持高电势，使得电荷可被注入到信号栅极408上。在时间t4时，可使信号ID重新生效，同时注入的电荷保留在信号栅极408处。在时间t6至t7时，信号V4B和SG可保持高电势，使得在信号栅极408与栅极412之间共享注入的电荷。在时间t7至t11时，信号IG可保持低电势，以便使信号栅极408与注入二极管406隔离。在时间t8-时，信号SG、V4B和V3B可保持高电势，使得在信号栅极408、栅极412与栅极414之间共享注入的电荷。在时间t9时，信号V4B和V3B可保持高电势，同时信号SG保持低电势，使得在栅极412与414之间共享注入的电荷。在时间t10时，信号V4B、V3B和V2B可保持高电势，使得在栅极412、414与416之间共享注入的电荷。在时间t11时，信号V3B和V2B可保持高电势，同时信号V4B保持低电势，使得在栅极414与416之间共享注入的电荷。注入的电荷可以这种电荷转移的斗链式方式继续在栅极之间传递，直到注入的电荷到达下部HCCD(例如，图3的HCCD 303-L)。应当注意，在上述单输出和双输出读出操作中，每当电荷位于信号栅极408上时，信号V2G可保持低电势，以便防止电荷朝向上部HCCD(例如，图3的HCCD 303-U)转移。
已描述了各种实施方案，示出测量CCD成像系统中的输出增益的方法。一种成像系统可包括：光敏元件阵列；多个垂直电荷耦合器件，该多个垂直电荷耦合器件各自耦接到光敏元件阵列中相应光敏元件列；上部水平电荷耦合器件，该上部水平电荷耦合器件耦接到多个垂直电荷耦合器件；下部电荷耦合器件，该下部电荷耦合器件耦接到多个垂直电荷耦合器件；校准垂直电荷耦合器件，该校准垂直电荷耦合器件耦接到上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及电荷注入结构，该电荷注入结构可将测试电荷注入到校准垂直电荷耦合器件的中间行。多个垂直电荷耦合器件可将电荷从光敏元件阵列转移到上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件中的至少一者。
电荷注入结构可以是第一电荷注入结构。测试电荷可以是第一测试电荷。校准垂直电荷耦合器件可以是第一校准垂直电荷耦合器件。该成像系统还可包括：第二校准垂直电荷耦合器件，该第二校准垂直电荷耦合器件耦接到上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及第二电荷注入结构，该第二电荷注入结构可将第二测试电荷注入到第二垂直电荷耦合器件的中间行。
光敏元件阵列的第一列和最后一列可以是具有阻光结构的暗列，该阻光结构防止暗列中的光敏元件接收入射光。
光敏元件阵列的第一行和最后一行可以是具有阻光结构的暗行，该阻光结构防止暗行中的光敏元件接收入射光。
该成像系统可分为四个象限。该四个象限中的每一者可包括：电荷开关，该电荷开关从上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件中的一者接收电荷；电子倍增器装置；第一成像系统输出端，该第一成像系统输出端耦接到电子倍增器装置；以及第二成像系统输出端。电荷开关可耦接在第二成像系统输出端与电子倍增器装置之间。电荷开关可选择性地将电荷开关所接收的电荷在第一构造中通过电子倍增器装置传递到第一成像系统输出端，并且在第二构造中传递到第二成像系统输出端。电荷开关可基于电荷开关所接收的电荷的量值选择性地传递所接收的电荷。
该四个象限中的每一者还可包括浮栅放大器和浮栅感测节点，该浮栅感测节点耦接到浮栅放大器并且插置到上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件中的对应一者。浮栅感测节点和浮栅放大器可测量接收的电荷的量值。第一校准垂直电荷耦合器件和第二校准垂直电荷耦合器件可分别从第一电荷注入结构和第二电荷注入结构仅接收测试电荷。
在一些实施方案中，电荷注入结构可包括注入二极管和注入栅极，该注入栅极插置在注入二极管与校准垂直电荷耦合器件的中间行之间。注入二极管可将测试电荷通过注入栅极提供到校准垂直电荷耦合器件的中间行。
一种用于校准成像系统中图像传感器的输出端的增益的方法可包括：利用至少一个电荷注入器将至少一个电荷注入到图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行；利用所述至少一个垂直电荷耦合器件将所述至少一个电荷转移到至少一个水平电荷耦合器件；利用所述至少一个水平电荷耦合器件将所述至少一个电荷转移到至少一个电荷开关；利用所述至少一个电荷开关将所述至少一个电荷选择性地路由：在检测到所述至少一个电荷高于阈值量值时路由到至少一个低增益输出端，并且在检测到所述至少一个电荷低于阈值量值时路由到一个高增益输出端；以及调整所述至少一个高增益输出端和所述至少一个低增益输出端的增益，使得所述增益线性匹配。
将至少一个电荷注入到图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行可包括：利用第一电荷注入器将第一电荷注入到图像传感器中第一垂直电荷耦合器件的中间行，并且利用第二电荷注入器将第二电荷注入到图像传感器中第二垂直电荷耦合器件的中间行。
将注入的电荷转移到至少一个水平电荷耦合器件可包括：利用第一垂直电荷耦合器件将第一电荷转移到所述至少一个水平电荷耦合器件，并且利用第二垂直电荷耦合器件将第二电荷转移到所述至少一个水平电荷耦合器件。
将至少一个电荷注入到图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行还可包括：利用第一电荷注入器将第三电荷注入到图像传感器中第一垂直电荷耦合器件的中间行，并且利用第二电荷注入器将第四电荷注入到图像传感器中第二垂直电荷耦合器件的中间行。
至少一个水平电荷耦合器件可包括上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件。第一电荷和第二电荷可转移到上部水平电荷耦合器件。第三电荷和第四电荷可转移到下部水平电荷耦合器件。
将所述至少一个电荷转移到至少一个电荷开关可包括：利用上部水平电荷耦合器件将第一电荷转移到第一电荷开关；利用上部水平电荷耦合器件将第二电荷转移到第二电荷开关；利用下部水平电荷耦合器件将第三电荷转移到第三电荷开关；并且利用下部水平电荷耦合器件将第四电荷转移到第四电荷开关。
在检测到所述至少一个电荷高于阈值量值时将所述至少一个电荷选择性地路由到至少一个低增益输出端，并且在检测到所述至少一个电荷低于阈值量值时将所述至少一个电荷选择性地路由到至少一个高增益输出端可包括：利用第一电荷开关，在检测到第一电荷高于阈值量值时选择性地将第一电荷路由到第一低增益输出端，并且在检测到第一电荷低于阈值量值时选择性地将第一电荷路由到第一高增益输出端；利用第二电荷开关，在检测到第二电荷高于阈值量值时选择性地将第二电荷路由到第二低增益输出端，并且在检测到第二电荷低于阈值量值时选择性地将第二电荷路由到第二高增益输出端；利用第三电荷开关，在检测到第三电荷高于阈值量值时选择性地将第三电荷路由到第三低增益输出端，并且在检测到第三电荷低于阈值量值时选择性地将第三电荷路由到第三高增益输出端；以及，利用第四电荷开关，在检测到第四电荷高于阈值量值时选择性地将第四电荷路由到第四低增益输出端，并且在检测到第一电荷低于阈值量值时选择性地将第四电荷路由到第四高增益输出端。
调整所述至少一个高增益输出端和所述至少一个低增益输出端的增益使得增益线性匹配可包括：调整高增益输出端的每一者的增益和低增益输出端的每一者的增益，使得每个高增益输出端的增益分别与低增益输出端的对应一者的增益线性匹配。
该方法还可包括：利用上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件中的浮栅感测节点检测第一电荷、第二电荷、第三电荷和第四电荷的量值；基于高增益输出端的每一者和低增益输出端的每一者处的平均信号值来计算高增益输出端的每一者处的电子倍增电荷耦合器件的增益；通过基于所测量的高增益输出值调整高增益输出端的每一者处的增益来匹配高增益输出端的每一者的增益；并且通过基于所测量的低增益输出值调整低增益输出端的每一者处的增益来匹配低增益输出端的每一者的增益。将至少一个电荷注入到图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行可包括：将至少一个电荷以光学方式注入到图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行。
一种用于校准成像系统中图像传感器的输出端的增益的方法可包括：利用第一电荷注入器将第一测试电荷注入到图像传感器中的第一垂直电荷耦合器件；利用第二电荷注入器将第二测试电荷注入到图像传感器中的第二垂直电荷耦合器件；利用第一垂直电荷耦合器件将第一测试电荷的第一部分转移到上部水平电荷耦合器件并将第一测试电荷的第二部分转移到下部水平电荷耦合器件；利用第二垂直电荷耦合器件将第二测试电荷的第一部分转移到上部水平电荷耦合器件并将第二测试电荷的第二部分转移到下部水平电荷耦合器件；利用上部水平电荷耦合器件将第一测试电荷的第一部分通过第一电荷开关转移到第一输出端；利用上部水平电荷耦合器件将第二测试电荷的第一部分通过第二电荷开关转移到第二输出端；利用下部水平电荷耦合器件将第一测试电荷的第二部分通过第三电荷开关转移到第三输出端；利用下部水平电荷耦合器件将第二测试电荷的第二部分通过第四电荷开关转移到第四输出端；并且基于第一测试电荷的第一部分和第二部分以及第二测试电荷的第一部分和第二部分的所测量的量值将第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端校准成具有匹配增益，其中所述量值是在相应的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端处测得的。
当成像系统在使用中时，可连续执行对第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端的校准。可将第一测试信号和第二测试信号注入到图像传感器所捕捉的每个图像帧中，使得第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端的增益持续稳定。
前述内容仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行多种修改。上述实施方案可单独地或以任意组合方式实施。

Claims (21)

1.一种成像系统，包括：
光敏元件阵列；
多个垂直电荷耦合器件，所述多个垂直电荷耦合器件各自耦接到所述光敏元件阵列中相应的光敏元件列；
上部水平电荷耦合器件，所述上部水平电荷耦合器件耦接到所述多个垂直电荷耦合器件；
下部水平电荷耦合器件，所述下部水平电荷耦合器件耦接到所述多个垂直电荷耦合器件，其中所述多个垂直电荷耦合器件将电荷从所述光敏元件阵列转移到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；
校准垂直电荷耦合器件，所述校准垂直电荷耦合器件耦接到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及
电荷注入结构，所述电荷注入结构将测试电荷注入到所述校准垂直电荷耦合器件的中间行。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述电荷注入结构包括第一电荷注入结构，其中所述测试电荷包括第一测试电荷，其中所述校准垂直电荷耦合器件包括第一校准垂直电荷耦合器件，并且其中所述成像系统还包括：
第二校准垂直电荷耦合器件，所述第二校准垂直电荷耦合器件耦接到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的至少一者；以及
第二电荷注入结构，所述第二电荷注入结构将第二测试电荷注入到所述第二垂直电荷耦合器件的中间行。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其中所述光敏元件阵列的第一列和最后一列包括具有阻光结构的暗列，所述阻光结构防止所述暗列中的光敏元件接收入射光。
4.根据权利要求3所述的成像系统，其中所述光敏元件阵列的第一行和最后一行是具有阻光结构的暗行，所述阻光结构防止所述暗行中的光敏元件接收入射光。
5.根据权利要求4所述的成像系统，其中所述成像系统分成四个象限，并且其中所述四个象限中的每一者包括：
电荷开关，所述电荷开关从所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的一者接收电荷；
电子倍增器装置；
第一成像系统输出端，所述第一成像系统输出端耦接到所述电子倍增器装置；以及
第二成像系统输出端，其中所述电荷开关耦接在所述第二成像系统输出端与所述电子倍增器装置之间，并且其中在第一构造中，所述电荷开关选择性地将所述电荷开关接收的电荷通过所述电子倍增器装置传递到所述第一成像系统输出端，并且在第二构造中传递到所述第二成像系统输出端。
6.根据权利要求5所述的成像系统，其中所述电荷开关基于所述电荷开关接收的电荷的量值选择性地传递所接收的电荷。
7.根据权利要求6所述的成像系统，其中所述四个象限中的每一者还包括：
浮栅放大器；以及
浮栅感测节点，所述浮栅感测节点耦接到所述浮栅放大器并且插置到所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的对应一者，其中所述浮栅感测节点和所述浮栅放大器测量所接收的电荷的所述量值。
8.根据权利要求3所述的成像系统，其中所述第一校准垂直电荷耦合器件和所述第二校准垂直电荷耦合器件分别从所述第一电荷注入结构和所述第二电荷注入结构仅接收测试电荷。
9.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述电荷注入结构包括：
注入二极管；以及
注入栅极，所述注入栅极插置在所述注入二极管与所述校准垂直电荷耦合器件的中间行之间，其中所述注入二极管通过所述注入栅极向所述校准垂直电荷耦合器件的所述中间行提供所述测试电荷。
10.一种用于校准成像系统中图像传感器的输出端的增益的方法，包括：
利用至少一个电荷注入器，将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行；
利用所述至少一个垂直电荷耦合器件，将所述至少一个电荷转移到至少一个水平电荷耦合器件；
利用所述至少一个水平电荷耦合器件，将所述至少一个电荷转移到至少一个电荷开关；
利用所述至少一个电荷开关，在检测到所述至少一个电荷高于阈值量值时，选择性地将所述至少一个电荷路由到至少一个低增益输出端，并且在检测到所述至少一个电荷低于所述阈值量值时，选择性地将所述至少一个电荷路由到至少一个高增益输出端；并且
调整所述至少一个高增益输出端和所述至少一个低增益输出端的增益，使得所述增益线性匹配。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行包括：
利用第一电荷注入器，将第一电荷注入到所述图像传感器中第一垂直电荷耦合器件的中间行；并且
利用第二电荷注入器，将第二电荷注入到所述图像传感器中第二垂直电荷耦合器件的中间行。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将注入的电荷转移到至少一个水平电荷耦合器件包括：
利用所述第一垂直电荷耦合器件，将所述第一电荷转移到所述至少一个水平电荷耦合器件；并且
利用所述第二垂直电荷耦合器件，将所述第二电荷转移到所述至少一个水平电荷耦合器件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行还包括：
利用所述第一电荷注入器，将第三电荷注入到所述图像传感器中所述第一垂直电荷耦合器件的中间行；并且
利用所述第二电荷注入器，将第四电荷注入到所述图像传感器中所述第二垂直电荷耦合器件的中间行。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少一个水平电荷耦合器件包括上部水平电荷耦合器件和下部水平电荷耦合器件，其中所述第一电荷和所述第二电荷被转移到所述上部水平电荷耦合器件，并且其中所述第三电荷和所述第四电荷被转移到所述下部水平电荷耦合器件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述至少一个电荷转移到至少一个电荷开关包括：
利用所述上部水平电荷耦合器件，将所述第一电荷转移到第一电荷开关；
利用所述上部水平电荷耦合器件，将所述第二电荷转移到第二电荷开关；
利用所述下部水平电荷耦合器件，将所述第三电荷转移到第三电荷开关；并且
利用所述下部水平电荷耦合器件，将所述第四电荷转移到第四电荷开关。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在检测到所述至少一个电荷高于阈值量值时，选择性地将所述至少一个电荷路由到至少一个低增益输出端，并且在检测到所述至少一个电荷低于阈值量值时，选择性地将所述至少一个电荷路由到至少一个高增益输出端包括：
利用所述第一电荷开关，在检测到所述第一电荷高于阈值量值时，选择性地将所述第一电荷路由到第一低增益输出端，并且在检测到所述第一电荷低于所述阈值量值时，选择性地将所述第一电荷路由到第一高增益输出端；
利用所述第二电荷开关，在检测到所述第二电荷高于所述阈值量值时，选择性地将所述第二电荷路由到第二低增益输出端，并且在检测到所述第二电荷低于所述阈值量值时，选择性地将所述第二电荷路由到第二高增益输出端；
利用所述第三电荷开关，在检测到所述第三电荷高于所述阈值量值时，选择性地将所述第三电荷路由到第三低增益输出端，并且在检测到所述第三电荷低于所述阈值量值时，选择性地将所述第三电荷路由到第三高增益输出端；并且
利用所述第四电荷开关，在检测到所述第四电荷高于所述阈值量值时，选择性地将所述第四电荷路由到第四低增益输出端，并且在检测到所述第一电荷低于所述阈值量值时，选择性地将所述第四电荷路由到第四高增益输出端。
17.根据权利要求16所述的方法，其中调整所述至少一个高增益输出端和所述至少一个低增益输出端的增益，使得所述增益线性匹配包括：
调整所述高增益输出端的每一者的增益和所述低增益输出端的每一者的增益，使得每个高增益输出端的增益分别与所述低增益输出端的对应一者的增益线性匹配。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
利用所述上部水平电荷耦合器件和所述下部水平电荷耦合器件中的浮栅感测节点，检测所述第一电荷、所述第二电荷、所述第三电荷和所述第四电荷的量值；
基于所述高增益输出端的每一者和所述低增益输出端的每一者处的平均信号值来计算所述高增益输出端的每一者处的电子倍增电荷耦合器件的增益；
通过基于所测量的高增益输出值调整所述高增益输出端的每一者处的增益来匹配所述高增益输出端的每一者的增益；并且
通过基于所测量的低增益输出值调整所述低增益输出端的每一者处的增益来匹配所述低增益输出端的每一者的增益。
19.根据权利要求10所述的方法，其中将至少一个电荷注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行包括：
将至少一个电荷以光学方式注入到所述图像传感器中至少一个垂直电荷耦合器件的中间行。
20.一种用于校准成像系统中图像传感器的输出端的增益的方法，包括：
利用第一电荷注入器，将第一测试电荷注入到所述图像传感器中的第一垂直电荷耦合器件；
利用第二电荷注入器，将第二测试电荷注入到所述图像传感器中的第二垂直电荷耦合器件；
利用所述第一垂直电荷耦合器件，将所述第一测试电荷的第一部分转移到上部水平电荷耦合器件并将所述第一测试电荷的第二部分转移到下部水平电荷耦合器件；
利用所述第二垂直电荷耦合器件，将所述第二测试电荷的第一部分转移到所述上部水平电荷耦合器件并将所述第二测试电荷的第二部分转移到所述下部水平电荷耦合器件；
利用所述上部水平电荷耦合器件，通过第一电荷开关将所述第一测试电荷的所述第一部分转移到第一输出端；
利用所述上部水平电荷耦合器件，通过第二电荷开关将所述第二测试电荷的所述第一部分转移到第二输出端；
利用所述下部水平电荷耦合器件，通过第三电荷开关将所述第一测试电荷的所述第二部分转移到第三输出端；
利用所述下部水平电荷耦合器件，通过第四电荷开关将所述第二测试电荷的所述第二部分转移到第四输出端；并且
基于所测量的所述第一测试电荷的第一部分和第二部分以及所述第二测试电荷的第一部分和第二部分的量值，将所述第一输出端、所述第二输出端、所述第三输出端和所述第四输出端校准成具有匹配增益，其中所述量值是在相应的第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端处测得的。
21.根据权利要求20所述的方法，其中在所述成像系统在使用中的同时连续执行对所述第一输出端、所述第二输出端、所述第三输出端和所述第四输出端的校准，并且其中将第一测试信号和第二测试信号注入到所述图像传感器所捕捉的每个图像帧中，使得所述第一输出端、所述第二输出端、所述第三输出端和所述第四输出端的增益持续稳定。
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