CN107426510B - 产生高动态范围像素的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的图像传感器是具有由像素组成的矩阵的图像传感器，用于从拍摄的两张原始图像中产生具有更高动态范围的生成的图像，其中，图像传感器的像素设计得和解调像素一样，分别具有：用于从接收到的辐射中产生带电粒子的转换区域，用于在时间上将产生的带电粒子分成两个带电粒子流的分离装置，具有两个储存器的储存装置，用于分离地储存所述两个带电粒子流的带电粒子，和读取装置，用于将所储存的带电粒子转换为电信号，其中，所述分离装置设计为用于，将在一个周期中产生的带电粒子分成两个不同的时段。

Description

产生高动态范围像素的图像传感器
技术领域
本发明涉及一种具有由像素组成的矩阵的图像传感器，用于从拍摄的至少两张原始图像中产生具有更高动态范围的生成的图像。
背景技术
由现有技术已知了所述类型的图像传感器，该图像传感器拍摄两张单独的图像并随后通过图像处理将所述两张图像合成为一张具有更高动态范围的图像。
发明内容
本发明的目的是，提供所述类型的改进的图像传感器。
该目的从开头所述类型的图像传感器出发通过根据权利要求1的图像传感器实现。有利的设计方案在其它从属权利要求中给出。
根据本发明的图像传感器是具有由像素组成的矩阵的图像传感器，用于从拍摄的两张原始图像中产生具有更高动态范围的生成的图像，其中，图像传感器的像素设计成和解调像素一样，分别具有：用于从接收到的辐射中产生带电粒子的转换区域，用于在时间上将产生的带电粒子分成两个带电粒子流的分离装置，具有两个储存器的储存装置，用于分离地储存所述两个带电粒子流的带电粒子，和读取装置，用于将所储存的带电粒子转换为电信号，其中，所述分离装置设计为用于，将在一个周期中产生的带电粒子分成两个不同的时段。
像素的被填充的两个储存器在此相应于两个原始图像。因此，两个储存器接收不同长度的产生时段的带电粒子，这相应于两个原始图像的不同的曝光时间。
解调像素例如在申请人的国际专利申请PCT/EP2016/051296中描述。
这可以形成以下优点，即在同一时刻在传感器的区域中可以存在两个原始图像并且这两个原始图像因此可以被更好地处理。
优选地，分离装置将两个时段分别整体地依次连续布置。这可以形成以下优点，即电荷流可以以最佳的方式流动并且曝光特别快速地结束。
优选地，分离装置将两个时段分别分开地交替布置，例如以咬合的形式。这可以形成以下优点，即两个原始图像的产生实际上在没有时间偏差的情况进行并且因此没有时间误差。
优选地，分离装置周期性地进行分离。这可以形成以下优点，即图像传感器的操控更简单并且例如可以频率调制地进行。
特别地，周期性的调制能够以不等于50％的占空比(占空因数)进行，特别以10％的占空比和90％的占空比进行，这例如相应于其中一个储存器以及因此其中一个原始图像的9倍长的曝光。
优选地，图像传感器具有选择装置，用于根据一个或两个储存器的饱和度选择两个储存器之一或两个储存器的值，用于计算生成的图像中的像素点的值。这可以形成以下优点，即选择允许显示出较高的动态范围的那个储存器。
优选地，选择装置对于每像素或每像素排具有模拟比较器，所述模拟比较器在AD转换之前模拟地进行选择。这可以具有以下优点，即在AD 转换之前选择要使用的值并且因此用于AD转换器的数据传输率保持得低并且可以提高帧频。
优选地，所述模拟比较器具有可调节的比较器阈值，根据该比较器阈值进行选择。这可以形成以下优点，即可以影响并因此优化动态范围。
优选地，图像传感器的像素如2-tap(2抽头)解调像素那样构造，如在飞行时间(TOF)3D距离成像/距离投影(Distanzabbildung)中那样。
优选地，所述转换区域具有掺杂的基底，特别是n型掺杂的半导体基底，和/或用于使基底贫化的电极，特别是在基底的底侧上的透明的背面电极。
优选地，所述分离装置具有在基底的上侧上的漂移门，用于将带电粒子从转换区域吸引到分离装置中。漂移门也可以通过下面描述的调制门形成。
优选地，分离装置具有在基底的上侧上的两个调制门，特别是在与漂移门对置的位置上，用于交替地使带电粒子转向和分离。
优选地，所述储存装置具有在基底的上侧上的两个存储门，分别配属于一个调制门，用于收集和储存向配属的调制门转向的带电粒子。
优选地，所述读取装置具有在基底的上侧上的两个传送门，分别配属于一个存储门，用于间歇地转送在存储门上收集的带电粒子到配属的浮动扩散装置。
优选地，读取装置具有在基底的上侧上的两个浮动扩散装置，特别作为n型掺杂的阱，分别配属于一个传送门，用于接收由传送门转送的带电粒子和用于将该带电粒子作为电压馈送到AD转换器中。
相应于独立权利要求，分离装置也可以设计为用于分成3个或更多个带电粒子流。与此相应地，储存装置相应地具有3个或更多个储存器并且分离装置分成3个或更多个不同的时段。相应地随后也可以设有相应3个或更多个调制门、存储门、传送门和浮动扩散装置。
通过这种布置结构可以形成非常有效的解调像素。
在附图中给出本发明的其它特征。分别提出的优点也可以对于在上下文中未提出的特征组合实现。
附图说明
在附图中示例性地示出并且在下面详细说明本发明的一个实施例。其中：
图1示出根据本发明的图像传感器的一个像素。
附图标记列表：
10 图像传感器的像素
11 边界
20 转换区域
21 半导体基底
22 背面电极
24 电极-孔对
25 光电子
30 分离装置
31 漂移门
32 调制门
40 储存装置
41 存储门
50 读取装置
51 传送门
52 浮动扩散装置
77 分离层
80 遮光板
81 遮光板开口
90 射入的辐射
具体实施方式
图1在示意性侧视剖面图中示出图像传感器的像素10。
图像传感器的像素10具有例如50微米厚的、n型掺杂的浮动区硅半导体基底21，该半导体基底带有特殊的、大于或等于2000Ohm cm的电的表面电阻。在半导体基底的表面上，在不导电的SiO分离层77上方，在基底上布置有漂移门31，和在两侧在对称的布置结构中并且分别彼此间隔开地分别布置有调制门32、存储门41、传送门51，和在基底内部布置有浮动扩散装置52。对此重要的层和触点未示出。遮光板80布置在门与透明的背面触点之间并且相对于射入的反射辐射90遮蔽存储门、传送门和浮动扩散装置连同位于相应的门之下的半导体基底，其中，遮光板在漂移门之下的区域中具有遮光板开口81。半导体基底至少在漂移门之下，特别是整体地贫化。漂移门被加载正电势并且在半导体基底中形成空间电荷区。
分离装置30包括漂移门31和调制门32。储存装置40包括存储门41，读取装置50包括传送门51、分离层77、浮动扩散装置52、遮光板80、遮光板开口81以及位于遮光板与门之间的基底，其与转换区域20中的半导体基底21类型相同。转换区域20包括半导体基底21、背面电极22、和遮光板80。基底具有例如50微米的厚度。
通过透明的背面电极22向在漂移门之下的半导体基底21中射入的反射的IR辐射90在半导体基底中感应出电子-孔对24。光电子通过由漂移门31形成的空间电荷区向漂移门吸引。漂移门具有例如4V的电势。被吸引的光电子25的数量与接收的辐射强度成比例。
调制门32可以被加载经调制的电势，其最大值在漂移门31的电势和存储门41的电势之间并且其最小值在漂移门的电势之下。调制门的电势例如在值0V和5V之间调制。两个调制门彼此以逆电势运行，也就是说，其中一个调制门的电势是0V，而另一个调制门的电势是正的，并且反之亦然。则其中一个调制门总是具有0V的电势，而另一个调制门具有5V的电势。电势最小值、在此也就是0V导致在漂移门之下的光电子的电势垒，因此没有光电子能够到达配属于该调制门的存储门。电势最大值——在此也就是5V——导致了光电子在漂移门之下在该调制门处流出到其配属的存储门中。
通过给两个调制门加载分别一个电势，其分别相应于彼此相反的信号，则通过接收的辐射强度产生的光电子的流动相应于转接设备转向。在调制门之下的该光电子的这样产生的流动相应于乘法，也就是说相应的正弦信号或矩形信号与接收的辐射信号相关联。
存储门被以比漂移门更高的电势加载并且光电子相应于调制门的状态相互聚集。存储门例如具有电势10V。在存储门之下通过光电子聚集的电荷相应于关联值。关联值因此存在于电荷工作范围中。在相应的存储门之下的光电子的聚集相应于关联信号和接收的辐射信号的上述关联的时间上的积分。
为了探测在存储门之下收集的光电子，一方面将调制门的电势调节到 0V，以便朝向漂移门形成用于光电子的电势垒。另一方面将传送门的电势提高到平均值、例如6V，以便能朝向浮动扩散装置实现光电子的有限制的流出。
现在借助于时间斜坡(Zeitrampe)并行地降低两个存储门的例如10V 的正电势。在此改变的、相加的电势由下降地施加在存储门上的正电势和位于其下的电荷的负电势确定，电荷是否可以通过传送门流出。下降过程在此分成三个阶段。在时间斜坡的第一阶段中，还针对两个存储门的所述的相加的电势与恒定的且同样是正的传送门电极相比是正的并且没有电荷流出。在随后的时间斜坡第二阶段中，针对一个存储门的所述的相加的电势与恒定的且同样是正的传送门电极相比是正的，而针对另一个存储门的电势则与其相比是负的。由此，电荷在具有正的相加的电势的存储门之下通过配属的传送门流出到配属的浮动扩散装置中，从而相加的电势重新等于相应的传送门的电势。在结束的时间斜坡第三阶段中，两个存储门的所述的相加的电势比恒定的相同电势高。由此，电荷在两个存储门之下通过分别配属的传送门流出到分别配属的浮动扩散装置中。
现在借助于源极跟随器将被加载的浮动扩散装置的电荷量转换为相应的电压并且进一步处理。
引用文献：
根据本发明的图像传感器的像素的构造例如在申请人的国际专利申请PCT/EP2016/051 296中描述。

Claims (11)

1.一种图像传感器，
-具有由像素组成的矩阵，
-用于从拍摄的两张原始图像产生具有更高动态范围的生成的图像，
其特征在于，
-图像传感器的像素设计成和解调像素一样，
-分别具有：
-用于从接收到的辐射中产生带电粒子的转换区域，
-用于在时间上将产生的带电粒子分离成两个带电粒子流的分离装置，
-具有两个储存器的储存装置，用于分离地储存所述两个带电粒子流的带电粒子，和
-读取装置，用于将所储存的带电粒子转换为电信号，
其中，分离装置、储存装置以及读取装置布置在掺杂的基底的一个外表面上，其中转换区域包括所述基底、背面电极以及遮光板，所述背面电极位于该基底的另一外表面上，所述另一外表面与基底的所述一个外表面相反，所述遮光板在分离装置、储存装置以及读取装置下方布置在基底内，并且与各个装置间隔开以使得基底的一部分介于相应的装置与遮光板之间，
其中，遮光板包括位于分离装置的漂移门下方的区域中的开口，
-其中，所述分离装置设计为用于，
-将在一个周期中产生的带电粒子分离到具有不同时长的两个时段中，这两个时段对应于两张原始图像的不同曝光时间。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，两个时段分别整体地依次连续布置。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，两个时段分别分开地交替布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，周期性地进行所述分离。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，
-设有选择装置，
-用于选择两个储存器之一或两个储存器的值，
-根据一个或两个储存器的饱和度，
-用于计算生成的图像中的像素点的值。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，
-所述选择装置
-对于每像素或每像素排具有模拟比较器，
-所述模拟比较器在AD转换之前模拟地进行选择。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，
-所述模拟比较器具有可调节的比较器阈值，
-根据该比较器阈值进行选择。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的图像传感器，其特征在于，
-所述转换区域具有
-掺杂的基底，和/或用于使基底贫化的电极，和/或
-所述分离装置具有
-漂移门，
-在基底的上侧上，
-用于将带电粒子从转换区域吸引到分离装置中，和/或
-两个调制门，
-在基底的上侧上，
-用于交替地使带电粒子转向和分离，和/或
-所述储存装置具有
-两个存储门，
-在基底的上侧上，
-分别配属于一个调制门，
-用于收集和储存向配属的调制门转向的带电粒子，和/或
-所述读取装置具有
-两个传送门
-在基底的上侧上，
-分别配属于一个存储门，
-用于间歇地转送在存储门处收集的带电粒子到配属的浮动扩散装置，和/或
-两个浮动扩散装置
-在基底的上侧上，
-分别配属于一个传送门，
-用于接收由传送门转送的带电粒子和用于将该带电粒子作为电压馈送到AD转换器中。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述掺杂的基底是n型掺杂的半导体基底。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述用于使基底贫化的电极是位于基底的底侧上的透明的背面电极。
11.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述两个调制门位于与漂移门对置的位置上。
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