CN107306344A - 高动态范围图像传感器的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高动态范围图像传感器的实现方法，在一次曝光过程中，控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生两次以上变化，其中末次变化的间隔时间小于首次变化的间隔时间，增加动态范围。对每个像素单元响应特性进行校正,提高像素单元对光响应的一致性。

Description

高动态范围图像传感器的实现方法
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，特点是涉及一种高动态范围图像传感器的实现方法。
背景技术
图像传感器是一种将光学信息（optical information）转换为电信号的半导体器件装置。现有图像传感器可以被进一步分为互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器和电荷耦合器件（CCD）图像传感器。
图1所示是现有图像传感器的剖面示意图和对应的模拟电路。当有光入射到光电二极管（PD）上时，其所对应的下栅极内将会累积电荷，累积电荷的数量与光强和曝光时间成正比，其最大可容纳电子数（Well Capacity）可以通过TG电压控制。图2所示是传统图像传感器的每个像素单元光照强度与输出响应曲线，曲线可以分为线性区、拐点区和饱和区。当像素单元的电荷积累到接近TG电压控制的最大值时，电荷会跨越势垒漏出，并逐渐趋近饱和，从响应曲线上看，对应着拐点区和饱和区。由于TG电压精度和工艺等原因，每个像素单元的拐点和饱和区会有差异。
由图2所示的光照强度与输出响应曲线可知，当像素单元饱和之后，其对光强变化的灵敏度远低于线性区，导致图像动态范围下降。
发明内容
本发明解决的问题是提供高动态范围图像传感器的实现方法，在一次曝光过程中，控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生两次以上变化，其中末次变化的间隔时间小于首次变化的间隔时间，增加动态范围。
可选的，对每个像素单元响应特性进行校正,提高像素单元对光响应的一致性。
可选的，所述校正的方式包括：于图像传感器出厂前，将每个像素单元的光照与输出响应曲线进行标定、压缩，以表的形式存储在存储器中；最终在成像时通过查表方式对像素单元进行校正。
可选的，所述校正的方式包括：
图像传感器芯片上电时，在图像传感器的各像素单元中注入电荷；
设置传输晶体管的栅极电压和/或浮置扩散区的节点电压，漏掉多余电荷；
读出各像素单元的剩余电荷，根据读出的剩余电荷校正各像素单元的响应特性；
最终在成像时，通过所述响应特性对像素输出进行校正。
可选的，设置多个所述栅极电压，根据每个栅极电压读出各像素单元的剩余电荷，校正对应各像素单元的响应特性。
可选的，阱电荷容量发生两次以上变化的方式包括：控制转移晶体管栅极电压变化；或采用溢出漏极的方式。
可选的，所述转移晶体管栅极电压变化是指：于一次曝光时间内提供多次脉冲电压。
可选的，于每半行时间改变一次转移晶体管栅极电压，或每N行时间改变一次转移晶体管栅极电压，其中N为大于等于1的自然数。
可选的，所述阱电荷容量在首次变化后的容量小于末次变化后的容量。
可选的，所述下栅极的阱电荷容量发生变化的时间间隔为以1/2为底的等比数列递减，以避免频闪现象;即，第一次变化的时间间隔为T1，第N次变化的时间间隔为TN=T1/2N，其中N为大于等于1的自然数。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明在一次曝光过程中，控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生多次变化，提高动态范围，并可通过多种方式对像素单元响应特性进行校正,提高像素单元对光响应的一致性。
附图说明
图1为本发明现有技术中图像传感器4T结构示意图；
图2为本发明现有技术中像素单元光照强度与输出响应曲线示意图；
图3本发明一实施例中像素单元在某曝光时间下光照强度与输出响应曲线示意图；
图4本发明一实施例中像素单元转移晶体管下栅极内积累电荷数Q与曝光时间T的关系；
图5为本发明一实施例中像素单元的转移晶体管栅极电压与曝光时间的关系曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种高动态范围图像传感器的实现方法，包括： 在一次曝光过程中，控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生两次以上变化，其中末次变化的间隔时间小于首次变化的间隔时间，增加动态范围。
本发明在一次曝光过程中，控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生多次变化，能增加图像传感器的动态范围，下面结合具体的实施例对本发明内容进行说明。
图3所示的是本发明一实施例中像素单元在某曝光时间下光照强度与输出响应曲线示意图，该曲线可以为任意单调递增的曲线，本例中曲线分为线性段和非线性段两部分，其中线性段比传统像素单元的线性区短，非线性段过渡更加平缓。由该曲线的特点可知，本发明设计的像素单元在高亮处具有更好的灵敏度，因此动态范围更大。
图4所示是本发明一实施例中像素单元转移晶体管下栅极内积累电荷数Q与曝光时间T的关系；请参考图4，其中曲线A是下栅极的阱电荷容量（Well Capacity）与曝光时间的关系，曲线B对应一条光照强度较小时Q与T的关系，曲线D1和D2对应一条光照强度较大时Q与T的关系。当光照强度较小时，像素单元的下栅极内电荷数积累较慢，在最终达到设定的曝光时间T4时，电荷直接读出。曲线C是对应的是临界光强，小于或等于此光强的入射光所积累的电荷在整个曝光时间T4内均未达到饱和，此段对应图3中的线性段响应。曲线D1和D2是当入射光的光强大于临界光强时的对应关系曲线，如图所示，下栅极内的电荷在T1时间点处达到饱和，在T1~T3时间段内电荷数与Well Capacity一致，在T3时间点，Well Capacity曲线的一阶导数大于D1的一阶导数，即Well Capacity的增长速度大于该光强积累电荷的速度时，像素单元下栅极内电荷开始线性增加，直到最终曝光时间T4，对应曲线D2段。因此，通过控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生两次以上变化，其中末次变化的间隔时间小于首次变化的间隔时间，增加动态范围，阱电荷容量发生两次以上变化的方式包括：控制转移晶体管栅极电压变化；或采用溢出漏极的方式。请继续参考图5，图5为本发明一实施例中像素单元的转移晶体管栅极电压与曝光时间的关系曲线图，图5中所述转移晶体管栅极电压变化为：于一次曝光时间内提供多次脉冲电压。对每个像素单元，在曝光时间T<S1，TG电压值设定的很小，对应于图4的T<T2段。在T>S1段，通过特定的计时控制器和电压控制器产生多个TG电压脉冲，每个电压脉冲的持续时间非常短，在本例中为100ns，脉冲的时间间隔随曝光时间增加而减少。每个像素单元的下栅极的最大容量可以通过控制TG电压实现，本例中TG电压的幅值范围为-1.6~0.2V，且TG电压越大Well Capacity越小。脉冲的峰值电压由图4的Well Capacity曲线决定，即各个脉冲的峰值电压所控制的Well Capacity在图4的Well Capacity曲线上。
传统的像素单元在不同曝光时间下，光照强度与输出曲线是不同的，本发明中图4的A曲线可以根据当前曝光时间进行放缩，使得不同曝光时间下光照强度与输出曲线是相同的。例如，某曝光时间T1，其对应的图5中的脉冲的曝光时间为[t1,t2…tn]，则可推出曝光时间为T2时，图5中脉冲的曝光时间为[t1,t2,…tn]x(T2/T1)，脉冲的峰值电压保持不变。
在另一实施例中，于每半行时间改变一次转移晶体管栅极电压，或每N行时间改变一次转移晶体管栅极电压，其中N为大于等于1的自然数。在另一实施例中，阱电荷容量在首次变化后的容量小于末次变化后的容量。下栅极的阱电荷容量发生变化的时间间隔为以1/2为底的等比数列递减，以避免频闪现象;即，第一次变化的时间间隔为M1，第N次变化的时间间隔为MN=M1/2N，其中N为大于等于1的自然数。
此外，还需对对每个像素单元响应特性进行校正,以提高像素单元对光响应的一致性，在一实施例中，校正的方式包括：于图像传感器出厂前，将每个像素单元的光照与输出响应曲线进行标定、压缩，以表的形式存储在存储器中；最终在成像时通过查表方式对像素单元进行校正。
在另一实施例中，校正的方式包括：图像传感器芯片上电时，在图像传感器的各像素单元中注入电荷；设置传输晶体管的栅极电压和/或浮置扩散区的节点电压，漏掉多余电荷；读出各像素单元的剩余电荷，根据读出的剩余电荷校正各像素单元的响应特性；最终在成像时，通过所述响应特性对像素输出进行校正。在该实施例中，可设置多个所述栅极电压，根据每个栅极电压读出各像素单元的剩余电荷，校正对应各像素单元的响应特性。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，
在一次曝光过程中，控制转移晶体管下栅极的阱电荷容量发生两次以上变化，其中末次变化的间隔时间小于首次变化的间隔时间，增加动态范围。
2.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器的实现方法,其特征在于,对每个像素单元响应特性进行校正,提高像素单元对光响应的一致性。
3.根据权利要求2所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，所述校正的方式包括：于图像传感器出厂前，将每个像素单元的光照与输出响应曲线进行标定、压缩，以表的形式存储在存储器中；最终在成像时通过查表方式对像素单元进行校正。
4.根据权利要求2所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，所述校正的方式包括：
图像传感器芯片上电时，在图像传感器的各像素单元中注入电荷；
设置传输晶体管的栅极电压和/或浮置扩散区的节点电压，漏掉多余电荷；
读出各像素单元的剩余电荷，根据读出的剩余电荷校正各像素单元的响应特性；
最终在成像时，通过所述响应特性对像素输出进行校正。
5.根据权利要求4所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，设置多个所述栅极电压，根据每个栅极电压读出各像素单元的剩余电荷，校正对应各像素单元的响应特性。
6.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器的实现方法,其特征在于, 阱电荷容量发生两次以上变化的方式包括：控制转移晶体管栅极电压变化；或采用溢出漏极的方式。
7.根据权利要求6所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，
所述转移晶体管栅极电压变化是指：于一次曝光时间内提供多次脉冲电压。
8.根据权利要求7所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，于每半行时间改变一次转移晶体管栅极电压，或每N行时间改变一次转移晶体管栅极电压，其中N为大于等于1的自然数。
9.根据权利要求7所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，所述阱电荷容量在首次变化后的容量小于末次变化后的容量。
10.根据权利要求1所述的高动态范围图像传感器的实现方法，其特征在于，所述下栅极的阱电荷容量发生变化的时间间隔为以1/2为底的等比数列递减，以避免频闪现象;即，第一次变化的时间间隔为M1，第N次变化的时间间隔为MN=M1/2N，其中N为大于等于1的自然数。
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