CN107850532A - 使用低噪声传感器的暗场检验 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检验系统及方法，其中在由图像传感器捕获的模拟图像数据值(电荷)被传输作为图像传感器的输出感测节点(浮动扩散区)上的输出信号之前或之时，分选(组合)模拟图像数据值(电荷)，且其中ADC经控制以在输出感测节点的每一复位之间循序产生多个对应数字图像数据值。根据输出分选方法，图像传感器经驱动以在每一复位之间将多个电荷循序转移到输出感测节点上，且在将每一电荷转移到输出感测节点上之后，ADC经控制以转换渐进增加的输出信号。根据多重采样方法，多个电荷在被转移到输出感测节点上之前经垂直或水平分选(加总/组合)，且ADC多次采样每一对应输出信号。可组合输出分选及多重采样方法。
Description
相关申请案
本申请案主张2015年8月14日申请的第62/205,309号美国临时申请案的优先权。
本申请案涉及：布朗(Brown)等人在2014年5月8日申请的标题为“低噪声传感器及使用低噪声传感器的检验系统(A Low-Noise Sensor and an Inspection System Usinga Low-Noise Sensor)”美国专利申请案14/273,424(现在为美国专利9,347,890)；切尔尼(Chern)等人在2013年3月10申请的标题为“具有硼层的反向照明传感器(BACK-ILLUMINATED SENSOR WITH BORON LAYER)”的美国专利申请案13/792,166；庄(Chuang)等人在2012年12月10日申请的标题为“电子轰击电荷耦合装置及使用电子轰击电荷耦合装置检测器的检验系统(ELECTRON-BOMBARDED CHARGE-COUPLED DEVICE AND INSPECTIONSYSTEMS USING EBCCD DETECTORS)”的美国专利申请案13/710,315；布朗(Brown)等人在2013年12月4日申请的标题为“用于使用脉冲照明高速获取移动图像的方法及设备(METHODAND APPARATUS FOR HIGH SPEED ACQUISITION OF MOVING IMAGES USING PULSEDILLUMINATION)”的美国专利申请案14/096,911，其主张布朗(Brown)等人在2012年12月10日申请的美国临时申请案61/735,427的优先权；布朗(Brown)等人在2009年10月7日申请的标题为“具有用于高速检验的局部驱动及信号处理电路的TDI传感器模块(TDI SENSORMODULES WITH LOCALIZED DRIVING AND SIGNAL PROCESSING CIRCUITRY FOR HIGH SPEEDINSPECTION)”的美国专利8,624,971；阿姆斯特朗(Armstrong)等人在2007年5月25日申请的标题为“使用背侧照明层传感器的检验系统(INSPECTION SYSTEM USING BACK SIDEILLUMINATED LINEAR SENSOR)”的美国公开专利申请案2011/0073982；布朗(Brown)等人在2009年10月27日发布的标题为“时延积分传感器的连续定时(Continuous clocking ofTDI sensors)”的美国专利7,607,309B2；布朗(Brown)等人在2011年5月31日发布的标题为“用于时延积分传感器的连续定时的设备(APPARATUS FOR CONTINUOUS CLOCKING OF TDISENSORS)”的美国专利7,952,633；及布朗(Brown)等人在2014年6月17日发布的标题为“用于高速图像应用的集成多通道模拟前端及数字化器(INTEGRATED MULTI-CHANNEL ANALOGFRONT END AND DIGITIZER FOR HIGH SPEED IMAGING APPLICATIONS)”的美国专利8,754,972B2。所有这些申请案及专利以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请案涉及适合用于感测可见、紫外线(UV)、深UV(DUV)、真空UV(VUV)、极UV(EUV)、X射线波长的辐射且用于感测电子的图像传感器及用于操作此类图像传感器的方法。所述传感器尤其适合用于暗场检验系统，包含用于检测光罩、主光罩及半导体晶片的暗场检验系统。
背景技术
集成电路产业需要具有越来越高敏感度的检验工具来检测大小可小于20nm的越来越小缺陷及颗粒。所述相同检验工具需要能够检测可具有范围为小于1μm到数毫米的尺寸的大缺陷，例如刮痕及晶片标记，且能够测量可具有数纳米或小于1nm的峰谷幅值的晶片表面粗糙度或雾度。
小颗粒、小缺陷、低对比度缺陷及低幅值粗糙度仅十分弱地散射光。为了检测光罩、主光罩及半导体晶片上的小缺陷或颗粒，需要低噪声传感器。传感器噪声的来源包含所述传感器内的暗电流、所述传感器中的读出噪声、放大且数字化传感器输出信号的电子器件中的噪声及来自包含驱动器及控制器的外部电子器件的耦合到信号内的噪声。
通常，半导体产业中使用的检验系统经设计以十分快速地(在一些情况中，在一分钟或更短内)检验大区域(例如，300mm或450mm直径硅晶片的整个表面)。因此，收集来自检验中的物品的任何一个小区域(例如，对应于传感器上的单个像素的区域)的信号所花的时间必须十分短，在许多情况中少于1ms。
增加用于照明检验中的物品的光的强度可相对于噪声增加信号电平。然而，来自照明的高功率密度不仅产生成本高昂，且其还可使得检验系统的光学器件降级且可损坏检验中的物品。
可通过研究图20来了解现有技术CCD传感器及驱动电路的重要限制。此图说明从CCD读出的信号的时序。1110表示随时间变化的传感器的输出电压。1101表示随时间变化的传感器输出电压复位时钟电压。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。输出电压1110及复位时钟电压1101的垂直尺度不必相等。为明确起见，简化输出电压1110负更多。与复位时钟电压1101之间的图中的垂直偏移，且不意味着一个电压必须比另一电压更正或更负
复位时钟1101复位输出电压1110，使得可输出下一像素的信号。当复位时钟1101为高(正)(如1102所展示)，那么来自前一像素的输出电荷被放电，使得输出信号安定到复位电平，如1115展示。电压1110说明可使得CCD图像传感器的输出信号的信噪比及准确度降级的一些实际问题，尤其是当传感器以半导体及相关产业中的检验及计量应用所需的高速操作时。当复位时钟1101从低电压切换到高电压时，如1103展示，所述电压摆动的部分耦合到输出信号，这是因为复位晶体管有必要物理定位于邻近输出感测节点的CCD上。此耦合使得输出信号不稳定(如1112展示)。此外，当复位时钟变低(如1104展示)时，高到低转变类似地耦合到输出信号且使得输出信号不稳定(如1114展示)。一段时间后，输出信号安定且在如1115展示的复位电平处稳定。当来自像素的电荷转移到输出时，电压从参考电平下降(因为信号包括电子且因此是负电荷)到例如1117的电平。在图20中，电平1117表示对应于饱和像素(即，最大信号)的电压，且电平1119表示对应于显著小于最大值的信号电平的电压。尽管未展示，但通常将在从参考电平1115转变到例如1117或1119的信号电平之后存在一些安定时间。
在图20中，第一像素中的信号与电压1117与1115之间的差成比例，且第二像素中的信号与电压1115与1119之间的差成比例。通常，使用相关双采样(CDS)来测量参考电压1115与例如1117及1119的信号电压之间的差。相关双采样是众所周知的技术且在(例如)由J.R.贾尼思克(J.R.Janesick)在“科学的电荷耦合装置(Scientific Charge-CoupledDevices)”(《国际光学工程学会杂志(SPIE Press)》第556页到第561页(2001年))中描述。
如可从图11明白，当需要以高速(例如，大约10MHz或更大的速度)读出信号时，仅存在短时间使输出电压1110安定到参考电压1115及例如1117及1119的信号电压。例如，如果以50MHz的速度，那么一个像素需要的总时间为20ns。复位时钟脉冲有必要比具有最多1ns到2ns的上升及下降时间的脉冲更短。具有快速上升及下降时间的此类短脉冲有必要使得输出信号显著不稳定。输出电压仅需要数纳秒来安定。在一些情况中，信号可不具有足够时间完全稳定，从而导致部分归因于此复位时钟噪声分量而具有低信噪比的模拟图像数据值(所捕获的电荷)。在未图案化(裸露)或监测晶片检验的情况中，来自成像传感器的读出噪声可为限制系统噪声源。即，在一些情况中，通过成像传感器的较高分辨率采样(较小有效像素大小)可能不必要地降低系统性能。
因此，需要能够以高速检测具有高空间分辨率及高信噪比的低光级度的图像传感器，从而克服以上缺点。
发明内容
本发明涉及一种检验系统及方法，其中在由图像传感器捕获的模拟图像数据值经传输作为图像传感器的输出感测节点上的输出信号(还被称为浮动扩散区)之前或之时分选(组合)所述模拟图像数据值，且其中模/数转换器(ADC)经控制以在图像传感器的输出感测节点的每一复位之间(即，在传感器的复位时钟信号的每一循环期间)循序产生两个或两个以上对应数字图像数据值。本发明尤其在检验未经图案化(裸露)的晶片期间有利，其中来自所述未经图案化的晶片的十分低的表面散射产生最小背景噪声，所以主要通过传感器噪声特性确定信噪比。本发明者意识到，十分低的表面散射及低背景噪声产生可在图像传感器的输出感测节点之前或之中分选(一起加总/组合)的模拟图像数据值(即，由像素捕获的电荷)，使得可由ADC同时转换来自多个像素的电荷，由此还可利用能够执行裸露晶片(即，在其表面不具有膜的晶片)检验所需的较高分辨率成像的图像传感器来执行(例如)优任选于检测在其表面具有膜的晶片的高速较低分辨率成像。本发明者还意识到，还可通过增加由ADC在图像传感器的输出缓冲器的每一复位之间产生的数字图像数据值的数目显著改进图像数据的准确度。即，通过减少复位时钟噪声分量(即，每次复位输出缓冲器产生的噪声)与由ADC产生的数字图像数据值的比率，可极大改进在高速未经图案化的晶片检验期间产生的图像数据的信噪比。通过组合电荷分选与减少的复位时钟噪声，本发明促进能够以促进裸露晶片检验且同时避免现有技术做法的缺陷的方式高速检测具有高信噪比的低光级度的低分辨率/高速检验操作。此外，由于本发明有效地对原本能够执行通常后处理晶片所需的高分辨率检验操作的图像传感器再分派任务，所以本发明促进可用于广泛范围的检验操作的多用途检验系统，由此根据需要允许用户在检验速度与敏感度之间选择。
参考实例样本检验方法(实施例)描述本发明，所述方法利用各种做法来驱动(即，通过时钟、复位及控制信号进行控制)图像传感器，使得在复位时钟信号的每一循环期间的图像传感器的输出传感器节点之前及/或之中系统地转移及分选(即，一起加总且同时存储)多个模拟图像数据值(即，由图像传感器的像素捕获的电荷)，且还利用各种做法在复位时钟信号的每一循环期间产生多个数字数据值。
根据输出分选过程(本发明的第一示范性实施例)，图像传感器经驱动以在每一复位之间将模拟图像数据值循序(即，一次一个)转移到图像传感器的输出感测节点上，由此存储于输出感测节点上的电荷随着每一模拟图像数据值的转移而渐进增加。另外，ADC经驱动以在将每一模拟图像数据值转移到输出感测节点上之后，转换根据逐渐增加的存储电荷产生的模拟输出信号，由此产生无上文描述的复位时钟噪声分量的至少一些数字数据值。在一个实施例中，利用移位寄存器根据由移位寄存器时钟信号设定的时序将模拟图像数据信号转移到输出感测节点上，这是因为以比复位时钟信号更高的频率产生移位寄存器时钟信号，使得在复位时钟信号的每一循环期间将多个模拟图像数据值转移到输出感测节点上。接着，利用下游数字信号处理(例如)通过确定每一循序产生的模拟输出信号之间的差来计算最终(例如，CDS)图像值。
根据本发明的多重采样实施例，通过在将经组合电荷移位到输出感测节点上之前垂直及/或水平分选多个捕获的电荷且接着多次采样对应图像传感器输出信号(即，控制ADC产生与给定经组合电荷相关联的相同对应模拟输出信号的多个“重复”数字图像数据值)而减少输出缓冲器复位噪声的效应。可通过在将加总信号转移到移位寄存器之前将两个或两个以上行模拟图像数据值转移到像素缓冲器上而执行垂直分选。可通过在将输出缓冲器中的经组合电荷转移到输出感测节点之前将来自移位寄存器的两个或两个以上模拟图像数据值转移到所述输出缓冲器内而执行水平分选。如果背景信号电平相对于输出缓冲器的满阱容量是足够低的，那么可同时使用电平及垂直分选。由于当在输出缓冲器中存在相同经组合电荷时产生多个(重复的)数字图像数据值，类似于上文提及的输出分选过程，所以多重采样过程在复位时钟信号的每一循环期间产生多个数字数据值。接着，使用下游数据处理来计算重复的数字图像数据值的平均值，由此有效地将噪声减少到低于任何个别测量的噪声的噪声(因为噪声总是具有在样本之间无关联的分量)。即，多重采样过程利用在电平及/或垂直分选模拟图像数据值(捕获的电荷)期间取得的时间多次采样每一传感器输出节点信号，由此(例如)通过计算重复的数字数据值的平均值减少噪声影响而且不会减慢系统操作。
在又另一示范性实施例中，可一起利用上文描述的输出分选及多重采样过程(即，通过在逐渐转移到输出感测节点之前利用垂直分选及/或执行根据输出分选过程产生的每一模拟输出值的多重采样)。在所有示范性实施例中，利用图像数据的分选以促进高速检测具有高空间分辨率及高信噪比的低光级度且同时克服与用于高速裸露晶片经验操作的现有技术做法相关联的缺点的方式来减少电子噪声。
描述包含上文提及的修改的示范性检验系统。此检验系统包含照明源、光学器件及检测器。所述光学器件经配置以将来自照明源的辐射引导且聚焦于样本上。由在检验期间相对于光学器件移动的载物台支撑所述样本。所述检测器经配置以接收来自所述样本的反射或散射辐射，其中所述光学器件进一步经配置以收集所述反射或散射辐射且将所述反射或散射辐射引导及聚焦于所述检测器上。所述检测器包含以本文描述的方式驱动的一或多个图像传感器。在一个实施例中，至少一个图像传感器是时延积分(TDI)传感器。所述TDI传感器将检测的辐射转换为电荷。与载物台的运动同步地使电荷在传感器内移位。在另一实施例中，图像传感器是线传感器。所述线传感器将检测的辐射转换为电荷。在另一实施例中，图像传感器可重新配置使得可独立读出多个像素。像素传感器将检测到的辐射转换为电荷。在任何实施例中，使用下文描述的方法及电路来改进信号的信噪比。
示范性检验系统可包含照明来自不同入射角及/或不同方位角及/或具有不同波长及/或偏光状态的样本的一或多个照明路径。示范性检验系统可包含收集由样本沿不同方向反射或散射的辐射及/或对不同波长及/或不同偏光状态敏感的一或多个集光路径。示范性检验系统可包含在两侧具有用于同时读出两个不同信号的读出电路的TDI传感器。示范性检验系统可包含电子轰击图像传感器。
描述利用上文提及的检验系统中的一者检验样本的示范性方法。所述方法包含将来自照明源的辐射引导且聚焦于所述样本上。由在检验期间相对于光学器件移动的载物台支撑样本。所述方法进一步包含使用光学器件来收集由样本反射或散射的辐射且将其引导且聚焦于检测器上。所述检测器包含一或多个图像传感器。在一个实施例中，至少一个图像传感器是时延积分(TDI)传感器。所述TDI传感器将检测到的辐射转换为电荷。所述方法进一步包含在传感器内与载物台的运动同步移位电荷。在另一实施例中，至少一个图像传感器是线传感器。所述线传感器将检测的辐射转换为电荷。在这两个实施例中，来自一个以上像素的电荷可在通过输出感测节点读出之前在图像传感器的输出缓冲器中积累。在另一实施例中，至少一个图像传感器是将辐射转换为电荷的像素传感器。所述像素传感器包括经配置以积累来自多个辐射检测的电荷的输出感测节点。在这两种情况中，ADC经驱动以在用于复位图像传感器的输出感测节点的复位时钟信号的每一循环期间产生多个数字数据值。
描述用于控制、驱动及/或读出时延积分图像传感器、线传感器或在每一像素中具有输出的像素传感器的电路。所述电路包括产生减少耦合到传感器输出内的噪声且允许来自多个像素或相同像素的多重读取的信号在读出之前在图像传感器的感测节点中积累的时钟及复位波形的产生器。
描述用于控制、驱动及/或读出时延积分图像传感器、线传感器或在每一像素中具有输出的像素传感器的方法。这些方法包含产生减少耦合到传感器输出内的噪声且允许来自多个像素或相同像素的多重读取的信号在读出之前在图像传感器的感测节点中积累的时钟及复位波形。
附图说明
图1是描绘根据本发明的示范性广泛实施例的使用图像传感器及ADC检验样本的简化的检验系统的框图。
图1A、1B及1C是描绘根据本发明的示范性实施例的由图1的检验系统在样本检验操作期间执行的简化的图像捕获及像转移操作的部分框图。
图2(A)、2(B)、2(C)、2(D)、2(E)、2(F)及2(G)是描绘在使用单个像素处理的样本检验期间的图1的检验系统的部分框图。
图3(A)、3(B)、3(C)及3(D)是描绘根据本发明的示范性实施例的在使用输出分选过程的样本检验期间的图1的检验系统的部分框图。
图4(A)、4(B)、4(C)、4(D)、4(E)及4(F)是描绘根据本发明的另一示范性实施例的在使用多重采样过程的样本检验期间的图1的检验系统的部分框图。
图5说明根据本发明的一个实施例的示范性检验系统。
图6A及6B说明根据本发明的另一实施例的具有线照明及一或多个集光通道的示范性检验系统。
图7说明根据本发明的又另一实施例的具有垂直及倾斜照明的示范性检验系统。
图8说明根据本发明的进一步实施例的具有明场及暗场照明通道的示范性检验系统。
图9A及9B说明本文描述的系统、电路及方法中的时钟信号的实例驱动波形。
图10说明根据本文描述的本发明的一个实施例的示范性电子轰击图像传感器。
图11说明根据本文描述的本发明的一个实施例的示范性波形。
图12说明根据本文描述的本发明的一个实施例的用于读出图像传感器及所得传感器输出信号波形的示范性时钟波形。
图13说明根据本文描述的本发明的另一实施例的用于读出图像传感器及所得传感器输出信号波形的示范性时钟波形。
图14说明示范性传感器输出信号波形及通过使用本发明的两项可能实施例获得的对应像素信号。
图15说明根据本文描述的本发明的一个实施例的示范性传感器输出信号波形及所得像素信号。
图16说明根据本文描述的本发明的另一实施例的示范性传感器输出信号波形及所得像素信号。
图17说明根据本发明的一个实施例的成像设备，其包括图像传感器、模/数转换、数字信号处理、控制整个设备的时序及数据取得的数字控制单元及用于数据处理、存储及控制的外部单元。
图18说明根据本发明的实施例的示范性时钟信号、示范性传感器输出信号波形及所得像素信号。
图19说明根据本文描述的本发明的一个实施例的包括多个像素且按每像素具有输出的示范性图像传感器。
图20说明搭配现有技术检验系统、传感器及电子器件使用的典型复位时钟及信号波形。
具体实施方式
本发明涉及传感器及用于驱动、控制及/或读出半导体检验系统的传感器的电路及方法中的改进。呈现下文描述以使得所属领域的一般技术人员能够使用在特定应用的背景内容中提供的本发明及其要求。所属领域的技术人员将明白对优选实施例的各种修改，且在本文中界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，不希望将本发明限制于所展示及描述的特定实施例，而是本发明符合与本文揭示的原理及新特征一致的最广泛范围。
图1是描绘根据本发明的广泛实施例的使用图像传感器110及模/数转换器(ADC)150检验样本S的简化的系统100的框图。系统100包含辐射源101(例如，激光器)及光学系统103，所述光学系统103经配置以将辐射DR引导到样本S上且经配置以将来自样本100的成像区域IR的接收(例如，反射)的辐射RR引导到图像传感器110上。如下文所解释，图像传感器110产生由ADC 150转换为数字图像数据值Dx的模拟输出信号OUT1到OUTN。系统100还包含：数字信号处理(DSP)及外部处理(EP)电路160，其以下文描述的方式接收且处理数字图像数据值Dx而产生最终图像数据值D(Sxx)；时序产生器电路170，其产生用于控制图像传感器110及ADC 150的操作的时钟、复位及控制信号；及数字控制电路180，其用于产生控制ADC150及DSP/EP电路160的其它控制信号。所属领域的技术人员将意识到，下文参考某些示范性实施例描述的系统100的操作在本文中为简洁起见已极大地简化。
参考图1的上部分，图像传感器110包含布置成像素群组111-1到111-N的多个像素，且光学系统103经配置使得将从成像部分IR的区段S1到SN接收的辐射RR的部分引导到图像传感器110的对应像素群组111-1到111-N上。每一像素群组包含安置成多行及多列的相关联的像素群组。例如，像素群组111-1包含像素P11到P24，其中像素P11及P21界定(形成)四行中的相关联的顶行，且像素P11、P12、P13及P14安置于两列中的最左列中。应注意，仅为简化下文描述而将图像传感器群组111-1描绘为包含四行及两列——在用于高速检验应用中的实际图像传感器中，每一像素群组通常将包括2列与16列之间的列及一行(即，如在线传感器中)与数千行之间的行。像素群组111-1到111-N的像素经配置以与光学系统103协作以捕获且存储对应模拟图像数据值(电荷)，所述模拟图像数据值具有通过在由系统100执行的每一成像操作期间从成像区域IR的对应区段接收的辐射量而确定的值(电荷量)。例如，在当相对于如图1中展示的样本S定向成像区域IR时的给定时刻，像素群组111-1的每一像素P11到P24捕获且存储通过来自对应成像区域区段S1的辐射部分RP1(例如，安置于成像区域IR的最左部分中的样本S的部分)接收的图像数据值(电荷C)，由此使得每一像素P11到P24以下文描述的方式捕获且存储对应电荷C。与此同时，像素群组111-2的像素存储通过辐射部分RP2从对应成像区域区段S2(邻近区段S1)接收的图像数据。以此方式，由此通过图像传感器110的对应像素群组111-1到111-N捕获从成像区域IR的每一区段S1到SN接收的辐射，使得图像传感器110的像素自安置于成像区域IR内的样本S的整个部分捕获图像数据。类似地，每一像素群组的每一像素存储从每一成像区域区段中的对应子区段接收的图像数据。
参考图1A，像素群组111-1的像素P11到P24接收从样本S的区段S1的对应子区段反射/发射的对应光部分RP102到RP115，由此每一像素接收且存储具有通过在给定时间段期间接收的辐射量确定的量的对应电荷C102到C115。例如，像素P11从样本S的子区段S102捕获接收的辐射部分RP102，且产生/存储对应电荷C102。类似地，像素P21根据与从子区段S112接收的辐射部分R112相关联的辐射量产生/存储电荷C112，像素P12根据从子区段S103接收的辐射部分R103产生/存储电荷C103，等等。
根据目前优选实施例，系统100在样本S相对于光学系统103及像传感器110平移期间执行扫描类型检验操作。存储于图像传感器110中的电荷以协作方式移位，使得与样本S的扫描移动协作地沿图像传感器110的像素的列转移从样本S的捕获的图像数据。在图1A到1C中以简化形式描绘在图像捕获及像数据转移操作期间样本S及存储于图像传感器110中的电荷的协作移动，图1A到1C分别展示在循序时间t0、t1及t2的系统100的部分(在图1A到1C中分别标示为“100(t0)”、“100(t1)”及“100(t2)”)。这些图中的每一者展示样本S的放大区段S1及像传感器110的像素群组111-1(为简洁起见，已省略样本S及系统100的其它部分)。出于解释的目的，将区段S1分为对应于样本S的邻近微型区域的子区段S100到S115。
图1A展示当相对于样本S定位光学系统(图中未展示)使得成像区域IR(t0)涵盖区段S1的子区段S102到S115时的初始时间t0的系统100。如上文所解释，此时，通过辐射(光)部分RP102到RP115将来自区段S102到S115的辐射引导到像素群组111-1，由此像素P11到P24基于从子区段S102到S115接收的光量分别捕获/存储电荷C102到C115。
图1B展示使样本S相对于光学系统(图中未展示)移动使得成像区域IR(t1)相对于样本S渐进向上(即，沿方向D)移动后的系统100(t1)，由此成像区域IR(t1)涵盖区段S1的子区段S101到S114。可(例如)通过沿图1A中的向下方向移动样本S且同时保持光学系统及传感器静止而实现此相对运动。参考图1B的右侧，与此同时成像区域IR渐进沿方向D移动且同时驱动(即，通过时钟、复位及下文描述的其它控制信号控制)图像传感器110，使得产生模拟图像数据值(即，电荷C102到C115)且将模拟图像数据值从像素P11到P24系统地转移朝向输出感测节点145。具体地说，当成像区域IR(t1)移位以涵盖子区域S101到S114时，图像传感器110经驱动以使得电荷C102到C115向下移位，由此电荷C102到C114从像素P11到P23移位到P12到P24(如由图1B中的弯曲虚线箭头指示)，且电荷C105及C115以下文描述的方式移位出像素群组111-1而转移到输出传感器节点145。应注意，电荷C102到C114的向下移位与成像区域IR(t1)的移动协调，使得此类电荷中的每一者继续受到如在时间t0从样本S的相同子区段接收的辐射影响。即，现在存储于像素P12中的电荷C102受到从子区段S102传输的辐射部分RP102影响。还应注意，有效地添增加到成像区域IR(t1)的子区段101及111分别传输通过光学系统(图中未展示)传输到像素P11及P12的辐射部分RP101及RP111。
图1C展示在相对于光学系统(图中未展示)的样本S的成像区域IR的沿方向D的额外渐进移动使得成像区域IR(t2)涵盖区段S1的子区段S100到S113之后的系统100(t2)。类似于图1B中所展示，图像传感器110经驱动以使得将电荷C101到C113从像素P11到P24系统地向下转移，且使得电荷C104及C114转移离开像素群组111-1以传输到输出感测节点145上。通过以上文参考图1A到1C描述的方式与相对于样本的光学系统的移动协作地连续驱动图像传感器110，在由系统100执行的扫描类型检验操作期间连续捕获模拟图像数据。
再次参考图1，图像传感器110还包含任选的像素缓冲器120-1到120-N、移位寄存器130-1到130-N及输出电路140-1到140-N，输出电路140-1到140-N经配置以将由像素捕获的模拟图像数据值转移到输出感测节点145以传输到ADC 150。应注意，根据简化实施例的每一像素群组中的两列描述这些电路中的每一者。因此，像素缓冲器120-1到120-N分别包含两个电荷存储单元B1及B2，电荷存储单元B1及B2接收且缓冲(暂时存储)从像素群组111-1到111-N并列转移的模拟图像数据值的一行。类似地，移位寄存器130-1到130-N包含两个存储单元R1及R2，存储单元R1及R2分别经配置以接收且缓冲从缓冲器120-1到120-N并列转移的模拟图像数据值且经配置以串行地将模拟图像数据值移位到相关联的输出电路140-1到140-N。每一输出电路(例如，输出电路140-1)可包含经配置以接收且缓冲从相关联的移位寄存器(例如，移位寄存器130-1)接收的模拟图像数据值的任选的输出缓冲器141，且还包含输出转移门143、输出感测节点145及输出驱动器147，输出驱动器147经配置以使用已知技术产生相关联的模拟输出信号OUT1到OUTN。下文详细描述任选的像素缓冲器120-1到120-N、移位寄存器130-1到130-N及输出电路140-1到140-N的操作。
ADC 150包含多个模/数转换器单元150-1到150-N，模/数转换器单元150-1到150-N分别将模拟输出信号OUT1到OUTN转换为对应数字输出值Dx，接着将数字输出值Dx转移到DSP/EP电路160。如由单元150-1所指示，每一单元150-1到150-N包含经配置以将对应模拟输出信号(例如，输出信号OUT1)传递到转换器电路154的相关双采样及采样保持电路(CDS/SH)152。
DSP/EP电路160包含存储器电路162，所述存储器电路162包含多个数字寄存器(例如，寄存器)162-1到162-3，数字寄存器162-1到162-3经配置以接收且存储数字图像数据值Dx以由微处理器(μP)165处理。根据本发明的方面，微处理器165经配置以根据下文参考图3(A)到3(I)描述的输出分选过程167及下文参考图4(A)到4(I)描述的多重采样过程168执行一或多个数据处理操作。在一个实施例中，时序产生器170及数字控制电路180经配置使得系统100通过操作器命令可选择地重新配置以在给定时间段期间执行常规(单个像素)过程166中的一者(下文参考图2(A)到2(G)描述)或输出分选过程167及多重采样过程168中的一者(下文参考图3(A)到4(I)描述)。出于图解地描绘系统100的可重新配置功能的目的，时序产生器170的功能电路被描绘为使用像素控制电路171、像素缓冲器控制电路173、输出电路控制电路177及ADC控制电路179，且数字控制电路180被描绘包含存储器控制电路181及DSP/EP模式控制电路183。这些各种电路被描绘为通过用户供应控制数据可重新配置且使得时序产生器170产生时钟信号CLK1到CLK5及复位时钟信号RST，且使得数字控制电路180以控制图像传感器110、ADC 150及DSP/EP电路160使得此类电路在给定时间段期间根据单个像素过程166、输出分选过程167及多重采样过程168中的选定者操作的方式产生存储器控制信号MC及处理器控制信号PC(应注意，图1中的块166到168是由处理器165执行的替代操作软件程序的图解描绘且不希望表示分离软件)。例如，像素控制电路171根据存储于存储器位置171A中的模式控制数据而产生控制像素群组111-1到111-N的图像捕获及电荷移位操作的两个或两个以上时钟信号CLK1。以类似方式，像素缓冲器控制电路173根据存储于存储器位置173A中的模式控制数据而产生控制缓冲器电路120-1到120-N的电荷缓冲操作的时钟信号CLK2，移位寄存器控制电路175根据存储于存储器位置175A中的模式控制数据而产生控制移位寄存器电路130-1到130-N的操作的时钟信号CLK3，输出控制电路177根据存储于存储器位置177A及177B中的模式控制数据而产生控制输出控制电路140-1到140-N的操作的输出电路时钟信号CLK4及复位时钟信号RST，且ADC控制电路179根据存储于存储器位置179A中的模式控制数据而产生控制ADC电路150-1到150-N的模/数转换操作的时序的时钟信号CLK5。类似地，数字控制电路180根据存储于存储器位置181A中的控制数据控制存储器电路162的数字数据存储及转移操作，且模式控制电路183根据存储于存储器位置183A中的模式控制数据控制由微处理器165执行的操作，由此根据通过存储于存储器位置183A中的模式控制数据值确定的过程166到168中的一者产生最终图像数据值D(Sxx)。根据对应当前存储的控制数据产生时钟、复位及控制信号中的每一者，使得图像传感器110、ADC150及DSP/EP160以下文描述的方式操作。所属领域的技术人员将意识到，图1中描绘的各种控制电路及控制信号已出于描述的目的极大地简化，且用于下文描述中的功能及控制信号仅出于描述本发明的目的使用，且除非权利要求书中另外说明，否则不希望限制所附权利要求书。
根据本发明的方面，ADC 150经控制使得在复位时钟信号RST的每一循环期间(即，在每一输出电路140-1到140-N的输出感测节点145的每一复位之间)将两个或两个以上模拟图像数据值转换为数字图像数据值。参考图1中的像素群组111-1，分别在像素P11到P24中产生模拟图像数据值C11到C24，且接着系统地转移模拟图像数据值C11到C24到输出感测节点145以作为模拟输出信号OUT1传输到ADC 150，且ADC 150将模拟输出信号OUT1转换为数字数据值Dxx，数字数据值Dxx存储于存储器162中以进一步由DSP/EP160处理。如下文参考图2(A)到2(G)所描述，当系统100经配置以执行常规单个像素处理(图1中的块166)时，将每一模拟图像数据值C11到C24个别转移到输出缓冲器141且从输出缓冲器141转移到输出感测节点145，以在输出感测节点145的每一复位(即，在每一模拟图像数据值C11到C24传输为输出信号OUT1之后由复位时钟信号RST将输出感测节点145复位到初始值(复位电荷状态))之间由ADC 150-1将每一模拟图像数据值C11到C24转换为对应数字图像数据值。相比之下，当系统100经配置以执行输出分选过程167(如下文参考图3(A)到3(D)所描述)或多重采样过程168(如下文参考图4(A)到4(I)所描述)时，利用输出感测节点145同时选择性地加总(存储)两个或两个以上模拟图像数据值，且ADC150-1经控制以在复位时钟信号RST的每一循环期间产生两个或两个以上数字图像值，由此系统100经优化以高速检测具有高空间分辨率及高信噪比的低光级度，由此克服常规做法的缺点。
现将参考利用展示检验系统100(图1)的部分的部分框图的简化示范性实施例来描述本发明。具体地说，图2(A)到2(G)描绘当检验系统100经配置以执行单个像素处理166时由检验系统100执行的检验操作，图3(A)到3(D)描绘当系统100经配置以执行输出分选过程167时模拟图像电荷从图像传感器110到ADC 150的系统性移位，且图4(A)到4(F)描绘当系统100经配置以执行多重采样处理168时模拟图像电荷从图像传感器110到ADC150的系统性移位。在与每一实例相关联的检验操作期间，移动样本S且继续收集及转移光，以按类似于上文参考图1A、1B及1C描述的方式来转换为数字数据。为简洁起见，仅参考在像素群组111-1中于给定初始时刻处产生且在图像传感器110的其它像素群组中同时执行的模拟图像数据值(电荷)来描述示范性操作，其中应了解，在示范性操作之前及之后以所描述的方式连续同时产生及处理电荷。另外，为简洁起见，图仅描绘在示范性操作的相关部分期间利用的电荷及时钟、复位及控制信号。应注意，出于描述的目的，图通常描绘犹如同时执行的一些图像处理及犹如顺序执行的其它图像处理。在实际实施方案中，图像处理的精确时序可与所描述的不同，其中可不同时执行部分所描绘的同步过程，且可基本上同时执行部分所描绘的循序过程。
图2(A)到2(C)描绘通常由下文描述的单个像素、输出分选及多重采样过程利用且使用类似于所属领域中已知的技术来执行的图像捕获及初始电荷转移操作。图2(A)展示当像素群组111-1的像素P11到P24经定位以按上文描述的方式从样本(图中未展示)接收相应的辐射部分，且产生对应模拟图像数据值(电荷)C11到C24时的系统100(t0)(即，在时间t0的系统100)。例如，像素P11经定位以接收辐射部分RP11，由此捕获/存储电荷C11。类似地，像素P12响应于接收的辐射部分RP12而捕获/存储电荷C12，像素P13响应于接收的辐射部分RP13而捕获/存储电荷C13，且像素P14响应于接收的辐射部分RP14而捕获/存储电荷C14。图2(B)描绘在样本已相对于图像传感器110及光学器件(图中未展示)渐进移动且像素缓冲器111-1经驱动以按上文参考图1A到1C描述的方式移位电荷C11到C24之后在后续时间t11的系统100(t11)。具体地说，图像传感器110是由时钟信号CLK1驱动，以使得电荷C11到C24向下移位，由此电荷C11到C23从像素P11到P23移位到像素P12到P24(如由图2(B)中的弯曲虚线箭头指示)，且电荷C14及C24移位离开像素群组111-1到像素缓冲器120-1的电荷存储单元B1及B2内。与此同时，时钟信号CLK2将电荷存储单元B1及B2中的任何预先存在的电荷转移到移位寄存器130-1的存储单元R1及R2(未展示此转移，这是因为预先存在的电荷与当前解释不相关)。应注意，电荷C11到C23的向下移位与对应成像区域(图中未展示)的移动相协调，使得这些电荷中的每一者继续受到从检验的样本(图中未展示)的相同子区段接收的辐射影响。即，现在存储于像素P12中的电荷C11受到现在引导到像素P12上的辐射部分RP11影响。类似地，辐射部分RP12及RP13向下移位且分别被引导到像素P13及P14上。图2(C)描绘在电荷C14及C24通过时钟信号CLK2移位离开像素缓冲器120-1使得这些电荷转移到移位寄存器130-1的存储单元R1及R2内之后在后续时间t12的系统100(t11)。如在图2(C)中所描绘，此转移可为与类似于图2(B)中描绘的将电荷C13及C23转移到像素缓冲器120-1内的垂直转移同时完成。
图2(D)到2(G)描绘利用已知相关双采样(CDS)技术将一行模拟图像数据值(即，电荷C14及C24)后续转移且转换为对应数字数据值。如图2(D)中所描绘，在时间t13由时钟信号CLK3驱动移位寄存器130-1，以将电荷C24从移位寄存器130-1的存储单元R2移位到输出缓冲器141内。大约同时，通过致动复位信号RST而复位输出感测节点145，由此存储于输出感测节点145上的初始(复位)电荷值产生具有对应于电荷INIT的初始(复位)模拟值O(INIT)的对应输出信号OUT1(即，通过驱动器147放大)。另外，通过相关联的控制信号驱动ADC 150以将输出信号模拟值O(INIT)存储于(例如)CDS电路152中的电容器上，或所述输出信号模拟值O(INIT)替代地由模/数转换器154数字化且存储为存储器电路162的存储器位置162-1中的数字值D10。接着，如图2(E)中所指示，由时钟信号CLK4驱动输出电路140-1以将模拟图像数据值C24从输出缓冲器141转移到输出感测节点145，由此产生具有对应于电荷C24的电平的电压O24的输出信号OUT1，且ADC 150经驱动(例如)以将输出电压O24转换为存储于存储器电路162的存储器位置162-2中的数字值D11。如图2(E)的底部所指示，在一个实施例中，接着通过确定数位值D10与D11之间的差而产生样本(图中未展示)的对应子区段的CDS(最终)图像数据值D(S24)，这是(例如)通过使用与单个像素处理软件166相关联的指令来控制微处理器165而执行(即，如果尚未在CDS电路中执行减法)。如图2(F)中所描绘，在时间t15再次由时钟信号CLK3驱动移位寄存器130-1，以使得电荷C14从存储单元R2移位到输出缓冲器141内，再次由复位时钟信号RST将输出感测节点145复位为初始电荷INIT，且ADC 150经驱动(例如)以将输出信号OUT1(即，信号值O(INIT))数字化且存储为存储器电路162的存储器位置(例如，位置162-1)中的数字值D20。在时间t6，如图2(G)中所指示，再次由时钟信号CLK4驱动输出电路140-1，以将模拟图像数据值C14从输出缓冲器141转移到输出感测节点145，由此产生具有对应于电荷C14的电平的电压O24的输出信号OUT1，ADC 150经驱动(例如)以将输出电压O14转换为存储于存储器电路162的存储器位置162-2中的数字值D21，且接着通过确定数位值D20与D21之间的差而产生CDS图像数据值D(S14)。如由将第一行转换为数字值(上文描述)而明白，单个像素处理的特性是将输出感测节点145复位在每一模拟图像数据值之间(例如，电荷C24与C14之间)。
一旦最终模拟图像数据值已转移到输出缓冲器141或输出感测节点145，那么另外一行数据即向下移位以用于处理。例如，如图2(G)中所指示，电荷C13及C23的下一行移位到移位寄存器130-1的存储单元R1及R2内。电荷C23及C13将移位到输出电路140-1内以用于以上文针对电荷C24及C14描述的方式产生CDS图像数据值。
图3(A)到3(D)描绘系统100(图1)当通过控制数据以经配置执行输出分选过程167(图1)时的操作。为了简化描述，用于描述单个像素处理的相同电荷名称(即，C11到C24)还可用于此实例中。应注意，输出分选过程包含与上文参考图2(A)到2(C)描述的图像捕获操作相同的图像捕获操作，且因此下文为简洁起见省略与图2(A)到2(C)相关联的图像捕获操作。即，在图3(A)到3(D)中说明的输出分选过程的描述开始于已转移到图像传感器110内的捕获的模拟图像数据值C14及C24，如图2(C)中所指示，其中图3(A)描绘根据在时间t31(时间t12(图2(C))之后)的输出分选过程执行的后续电荷转移。
参考图3(A)，根据输出分选过程的方面，图像传感器110(t31)经驱动以将两个模拟图像数据值(即，C24及C14)循序转移到输出感测节点145上，使得输出感测节点145在第一时间段期间存储第一模拟图像数据值(即，参考图3(A)，在时间t31，电荷C24存储于感测节点145上)，且在第二时间段期间(即，第一时间段之后)存储两个模拟图像数据值的总和(即，在图3(D)中的电荷C14及C24的总和，指示为“C14+C24”)。具体地说，使用时钟信号CLK4驱动输出缓冲器140-1以将模拟图像数据值C14转移到输出感测节点145内且同时模拟图像数据值C24仍然存储于输出感测节点145上(即，在产生对应于电荷C24的数字数据值D11之后不复位输出感测节点145)。
根据此示范性实施例，输出分选涉及控制ADC 150-1以当电荷存储于输出感测节点145上时在第一时间段期间产生第一对应数字输出数据值，且接着当两个电荷的总和存储于输出感测节点145上时在后续(第二)时间段期间产生第二对应数字输出值。在图3(B)及3(D)中说明此方面，其中图3(B)描绘控制ADC 150-1以当仅电荷C24存储于输出感测节点145上时在第一时间段(时间t32)期间产生第一对应数字输出数据值(即，D11)，且图3(D)描绘控制ADC 150-1以当电荷C14及C24的总和存储于输出感测节点145上时在图3(D)中描绘的第二时间段t34期间产生第二对应数字输出数据值(即，D12)。数字输出值D11存储于图3(B)的实例中的存储器位置162-2中，且图3(D)展示存储于存储器162的存储器位置162-3中的数字值D12。应注意，在图3(A)中展示的输出缓冲器复位之后产生在第二时间段结束时存储于存储器162中的两个数字图像数据值(即，D11及D12)。
根据示范性实施例，利用下游数字信号处理使用逐渐产生的数字图像数据值来计算个别像素值。例如，在通过从数据值D11减去复位数据值D10而计算CDS图像数据值D(S24)之后(即，如上文参考图2(E)所描述，且还如在图3(B)中所展示)，接着计算CDS图像数据值D(S14)以确定数据值D12与D11之间的差，如图3(D)的底部所指示。在其它实施例中，可出于其它目的利用数字数据值D10到D12，例如利用所计算的差来确定在输出缓冲器141的每一复位处产生的复位时钟噪声分量。
图3(B)描绘电荷C24转移到输出感测节点及电荷C24的数字化。图3(C)描绘电荷C14转移到输出缓冲器141。应注意，相比于图2(F)中展示的对应步骤，在此步骤中无复位操作。这允许信号在转移到图3(B)中描绘的输出感测节点之后花费更多时间安定。可在时间t32(如图3(B)中所描绘)或略微延迟到t32与t33之间的时间完成来自电荷C24的输出O24的数字化。
根据输出分选过程的方面，将输出感测节点145复位到初始值INIT的速率等于移位寄存器时钟信号CLK3的两个或两个以上循环。即，通过移位寄存器130-1将模拟图像数据值连续转移到输出电路140-1内，使得在移位寄存器时钟信号CLK3的每一循环期间转移模拟图像数据值到输出感测节点145(即，输出电路时钟信号CLK4与移位寄存器时钟信号CLK3相同)。例如，图3(A)及3(C)描绘模拟图像数据值C24及C14的转移，使得在移位寄存器时钟信号CLK3的第一循环期间(如图3(A)中所描绘)转移电荷C24到输出感测节点145上，且在移位寄存器时钟信号CLK3的下一循序循环期间(如图3(C)中所描绘)转移电荷C14到输出感测节点145上。由于两个模拟图像数据值C24及C14转移到输出缓冲器141以仅用于图3(A)中描绘的一个复位操作，所以示范性实施例展示将输出感测节点145复位到初始值INIT的速率等于移位寄存器时钟信号CLK3的两个或两个以上循环。
图4(A)到4(F)描绘系统100(图1)当通过控制数据而经配置执行多重采样过程168(图1)时的操作。应注意，通过执行与上文参考图2(A)及2(B)描述的图像捕获及初始模拟图像数据转移操作相同的图像捕获及初始模拟图像数据转移操作而开始多重采样过程，且因此下文为简洁起见省略这些图像捕获及初始模拟图像数据转移操作。即，多重采样过程的描述开始于在时间t11已转移到图像传感器110内的捕获的模拟图像数据值(如图2(B)中所指示)，且图4(A)描绘根据多重采样过程的在后续时间t41执行的后续电荷转移。
根据多重采样过程的示范性实施例的第一方面，多个像素电荷(模拟图像数据值)在被传递到移位寄存器130-1之前在像素缓冲器电路120-1的像素缓冲器B1及B2中“垂直”分选。图4(A)展示在电荷C14及C24如上文参考图2(A)及2(B)描述的转移后，电荷C13及C23转移到像素缓冲器B1及B2内，由此加总(组合)的电荷C13+C14存储于像素缓冲器B1中且加总的电荷C23+C24存储于像素缓冲器B2中。应注意，分选像素缓冲器B1及B2中的经组合电荷促进以比使用上文参考图2(A)到2(G)描述的单个转移速率所实现的更快的速率将电荷转移离开像素群组111-1(即，可以更高频率产生时钟信号CLK1)。
在一个实施例中，后续将加总电荷转移到输出感测节点145以转换为数字图像数据值类似于在上文描述的单个像素处理中所利用的转移。参考图4(B)，在时间t42，由时钟信号CLK2控制像素缓冲器电路120-1以将加总电荷C13+C14从像素缓冲器B1转移到移位寄存器130-1的寄存器R1且将加总电荷C23+C24从像素缓冲器B2转移到寄存器R2内。同时，垂直转移使像素群组111-1中的所有电荷向下移动一行，导致电荷C11从像素P13转移到像素P14，电荷C21从像素P23转移到像素P24，且电荷C12及C22从像素P14及P24转移到像素缓冲器120-1。参考图4(C)，在时间t43，由时钟信号CLK3驱动移位寄存器以将加总电荷C13+C14从寄存器R1移位到寄存器R2且将加总电荷C23+C24从寄存器R2转移到输出缓冲器141。大约同时，通过复位时钟信号RST复位输出感测节点145以存储初始电荷值INIT，且对应输出信号OUT1经转换以产生存储于存储器162的存储器位置162-1中的初始数字图像数据值D10。参考图4(D)，在时间t44，将加总电荷C23+C24从输出缓冲器141转移到输出感测节点145，由此产生对应于加总电荷C(23+24)的对应输出信号OUT1。
根据多重采样过程的另一方面，ADC 150-1经控制以在给定时间段期间基于存储于输出感测节点145中的相同加总电荷产生多个数字输出数据值(即，使得在给定时间段的第一部分期间产生第一对应数字输出数据，且在给定时间段的第二部分期间产生第二对应数字输出值)。参考图4(D)，在给定时间段内加总电荷C23+C24存储于输出感测节点145中，且模拟输出信号OUT1在此时间段期间具有对应于加总电荷C23+C24的值O(23+24)。在此时间段的第一部分期间，通过时钟信号CLK5控制ADC 150-1，使得如以上阐述的存储或转换输出信号OUT1，由此产生存储于存储器162的存储器位置162-2中的数字输出值D11。在此时间段的后续第二部分期间，再次通过时钟信号CLK5控制ADC 150-1，使得再次存储或转换输出信号OUT1，以产生存储于存储器162的存储器位置162-3中的数字输出值D12。应注意，在上文参考图4(C)描述的输出缓冲器复位之后且在下文参考图4(E)描述的后续复位之前，产生在给定(第一)时间段结束时存储于存储器162中的两个数字图像数据值(即，D11及D12)。接着，可利用下游数字信号处理(例如)来通过计算重复的数字图像数据值的平均值而确定最终数字图像值。例如，可通过从重复的图像值D11及D12中的每一者减去初始值D10，且接着计算两个调整值的平均值，而产生CDS图像数据值D(S23)及D(S24)。在其它实施例中，可计算数字数据值D11及D12的平均值，而无需调整或使用所属领域中已知的其它方法处理。
在所揭示的实施例中，参考图4(E)，在针对电荷C23及C24产生数字数据值之后将输出感测节点145复位为初始值，且同时由时钟信号CLK3控制移位寄存器130-1以将加总电荷C13+C14转移到输出缓冲器141内。参考图4(F)，由时钟信号CLK4控制输出电路140-1以将经组合电荷C13+C14从输出缓冲器141转移到输出感测节点145内，由此产生具有对应于加总电荷C13+C14的值O(13+14)的模拟输出信号OUT1。接着，在时间段的不同部分期间(其此期间加总电荷C13+C14存储于输出感测节点145上)，由时钟信号CLK5(图1)以上文描述的方式致动ADC 150-1以产生重复的数字输出值D21及D22，且接着利用下游数字信号处理(例如)通过计算重复的数字图像数据值的平均值来确定最终数字图像值D(S13)及D(S14)。参考图4(F)的中心部分，此时，执行类似于图4(B)中描绘的另一垂直转移以使得加总电荷C11+C12及C21+C22从像素缓冲器120-1的电荷存储单元B1及B2转移到移位寄存器130-1内。
尽管上文描述的多重采样过程的示范性实施例包含一次分选两行图像数据且数字化每一模拟数据值两次，但是这些特定细节经选择以说明原理且不应解译为限制本发明的范围。例如，如果垂直时钟速率相对于ADC的速度足够低，那么可使用多重采样过程且无无需图像分选。在另一实例中，可通过(例如)加总输出缓冲器141中的模拟像素数据而使用水平分选，而非垂直分选。在另一实例中，可组合垂直分选与水平分选。在另一实例中，多重采样过程可采用复位值O(INIT)及像数据值两者的多个样本。可运算复位值的多个样本的平均值且将其从图像数据值的平均值减去。在另一实例中，可分选三行图像数据或三个水平像素。数据的更多分选允许用于数据读出的更多时间，因此使得ADC能够数字化每一分选的图像数据值两次以上。
现将参考可经修改以实施本发明的各种检验系统及像传感器类型且参考关于在实际设定中使用本发明的另外特定细节来提供关于本发明的另外细节。
图5说明经配置以检验或测量样本S(例如，晶片、主光罩或光罩)的示范性检验系统100A。将样本S放置于载物台102A上以促进样本S在光学系统(光学器件)103A下方移动到不同区域。载物台102A可包括X-Y载物台或R-θ载物台。在一些实施例中，载物台102A可在检验期间调整样本S的高度以保持焦点。在其它实施例中，光学器件103A的物镜105A可经调整以保持焦点。
照明源101A可包括一或多个激光器及/或宽带光源。照明源101A可发射DUV及/或VUV辐射作为发射的辐射ER。光学器件103A经配置以引导发射的辐射DR朝向样本S且将引导的辐射DR聚焦于样本S上。光学器件103A还可包括使用所属领域中已知的技术经配置的镜子、透镜及/或分束器。由光学器件103A收集从样本S反射或散射的引导的辐射DR的部分且将其作为再引导的辐射RR而引导且聚焦于安装于检测器组合件106A内的图像传感器110A上。
检测器组合件106A包含图像传感器110A及ADC 150A，图像传感器110A及ADC150A如本文所描述的经配置且操作以实施用于驱动、控制或读出由图像传感器110A捕获的模拟图像数据的本文描述的方法中的至少一者。图像传感器110A可包含二维阵列传感器或一维线传感器。在一个实施例中，以与本文描述的示范性实施例一致的方式，将从图像传感器110A及ADC 150A输出的数字图像数据值Dx提供到存储且处理数字图像数据值Dx的计算系统107A。在一个实施例中，计算系统107由存储于载体媒体108A上的程序指令109A配置。
在一个实施例中，照明源101A可为连续源，例如弧光灯、激光泵送等离子体光源或CW激光。在另一实施例中，照明源101A可为脉冲源，例如模锁激光器、Q切换激光器或由Q切换激器光泵送的等离子体电源。在并入Q切换激光器的检验系统100A的一个实施例中，图像传感器110A与激光脉冲同步。在此实施例中，图像传感器可在激光脉冲期间以TDI模式操作且接着可通过激光脉冲之间的传感器的两侧上的多个输出读出数据。
检验系统100A的一个实施例照明样本S上的线，且收集一或多个暗场及/或明场集光通道中的散射及/或反射光。在此实施例中，图像传感器110A可包含线传感器或电子轰击线传感器。
检验系统100A的另一实施例照明样本S上的多个点且收集一或多个暗场及/或明场集光通道中的散射及/或反射光。在此实施例中，图像传感器110A可包含二维阵列传感器或电子轰击二维阵列传感器。
可在以下文件中找出检验系统100A的各种实施例的另外细节：瓦扎帕拉姆比(Vazhaeparambil)等人在2016年4月7日发布的标题为“暗场系统中的时延积分传感器(TDISensor in a Darkfield System)”的美国公开申请案2016/0097727；罗马诺夫斯基(Romanovsky)等人在2013年1月17日发布的标题为“晶片检验系统(WAFER INSPECTIONSYSTEM)”的美国公开申请案2013/0016346；阿姆斯特朗(Armstrong)等人在2009年7月16日发布的美国公开申请案2009/0180176；庄(Chuang)等人在2007年1月4日发布的美国公开专利申请案2007/0002465；赵(Zhao)等人的标题为“晶片检验(Wafer inspection)”的美国专利8,891,079；谢弗(Shafer)等人在1999年12月7日发布的美国专利5,999,310及梁(Leong)等人在2009年4月28日发布的美国专利7,525,649。所有这些专利及专利申请案以引用的方式并入本文中。
图6(A)及6(B)说明根据本发明的其它示范性实施例的并入本文描述的电路及/或方法的暗场检验系统的方面。在图6(A)中，照明光学器件201包括激光系统220，激光系统220产生由镜子或透镜203聚焦到检测中的晶片或光罩(样本)211的表面上的线路205内的光202。集光光学器件210使用透镜及/或镜子212及213将从线路205散射的光引导到传感器215。集光光学器件210的光学轴214不在线路205的照明平面中。在一些实施例中，光学轴214大约垂直于线路205。传感器215包括阵列传感器，例如线性阵列传感器。使用本文描述的电路及/或方法中的一或多者驱动、控制或读出传感器215。
图6(B)说明多个暗场集光系统231、232及233的一个实施例，每一集光系统基本上类似于图6(A)的集光光学器件210。集光系统231、232及233可与基本上类似于图6(A)的照明光学器件201的照明光学器件组合使用。每一集光系统231、232及233并入本文描述的电路及/或方法中的一或多者以驱动、控制或读出其传感器。样本211支撑于载物台221上，载物台221使待检验区域在光学器件下方移动。载物台221可包括优选在检验期间基本上连续移动以在最小死区时间情况中检验样本的大区域的X-Y载物台或R-θ载物台。
可在梁等人的美国专利7,525,649及赵等人的美国专利6,608,676中找出根据图6(A)及6(B)中说明的实施例的检验系统的更多细节，所述两案以引用的方式并入本文中。
图7说明经配置以使用垂直照明光束及倾斜照明光束两者检测样本上的颗粒或缺陷的检验系统300。在此配置中，激光系统330提供激光束301。透镜302将光束301聚焦穿过空间滤光器303。透镜304准直所述光束且将其传送到偏光分束器305。分束器305穿过第一偏光组件到垂直照明通道且穿过第二偏光组件到倾斜照明通道，其中所述第一组件及所述第二组件正交。在垂直照明通道306中，第一偏光组件由光学器件307聚焦且由镜子308反射朝向样本309的表面。通过抛物面镜310收集由样本309(例如，晶片或光罩)散射的辐射且将其聚焦到传感器311。
在倾斜照明通道312中，第二偏光组件由分束器305反射到镜子313(将此光束反射通过半波板314)且由光学器件315聚焦于样本309。源自于倾斜通道312中的倾斜照明光束且由样本309散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。传感器311及照明区域(来自样本309上的垂直及倾斜照明通道)优选位于抛物面镜310的焦点处。
抛物面镜310将自样本309散射的辐射准直到准直光束316内。接着，由物镜317聚焦准直光束316通过分析器318到传感器311。应注意，还可使用具有除了抛物面形状外的形状的弯曲镜面。仪器320可提供光束与样本309之间的相对运动，使得跨样本309的表面扫描点。使用本文描述的电路及方法中的一或多者驱动、控制或读出传感器311。以引用的方式并入本文中的2001年3月13日发布的美国专利6,201,601进一步详细描述检验系统300。
图8说明配置为具有明场及暗场检测模式的检验系统的示范性反射折射成像系统400。系统400可并入两个照明源：激光器401及宽带光照明模块420。
在暗场模式中，调适光学器件402控制检测中的表面上的激光照明光束大小及轮廓。机械壳体404包含孔隙及窗403以及棱镜405，棱镜405将激光沿光学轴以垂直入射再定向到样本408的表面。棱镜405还将来自样本408的表面特征的镜面反射引导到物镜406外。物镜406收集由样本408散射的光且将其聚焦于传感器409上。可以反射折射物镜412、聚焦透镜群组413及可任选地包含变焦功能的镜筒透镜区段414的广泛形式提供用于物镜406的透镜。激光器401可为高重复率脉冲激光，例如模锁激光器或CW激光器。
在明场模式中，宽带照明模块420将宽带光引导到分束器410，分束器410将所述光反射朝向聚焦透镜群组413及反射折射物镜412。反射折射物镜412利用宽带光照明样本408。由物镜406收集从所述样本反射或散射的光且将所述光聚焦于传感器409上。宽带照明模块420包括(例如)激光泵送等离子体光源或弧光灯。宽带照明模块420还可包含自动聚焦系统，自动聚焦系统提供信号以控制样本408相对于反射折射物镜412的高度。
使用本文描述的电路及方法中的一或多者驱动、控制或读出传感器409。在第7,345,825号及第7,817,260号美国专利中进一步详细描述系统400，所述专利以引用的方式并入本文中。
图9A说明使用类似于图2(A)到2(G)中描绘的技术的图像捕获及像数据转移操作中的示范性波形。每一波形表示随时间变化的信号(例如，时钟或输出信号)的电压。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。不同信号的垂直尺度不必要相等。为明确起见，简化不同信号之间的图中的垂直偏移，且不暗示一个电压比另一电压更正或更负。波形901、902及903表示随时间变化的三相垂直时钟的电压。每一时钟波形基本上相对于其它时钟波形相位偏移120°。这些垂直时钟可执行图1中的CLK1的使得存储于一行像素中的电荷转移到下一行且最后一行转移到图1中的像素缓冲器120-1的功能。应注意，取决于图像传感器的像素的设计，垂直时钟可为二相、三相或四相时钟。可在以上引用的美国专利7,952,633及7,607,309中找出关于使用用于驱动CCD图像传感器的正弦及其它时钟信号的更多细节。尽管时钟波形被描绘为正弦波，但还可使用其它波形，例如梯形或方形波。波形904表示随时间变化的线时钟的电压。此线时钟可执行图1中的CLK2的使得像素缓冲器120-1的内容转移到移位寄存器130-1(例如，如图2(C)中所展示)的功能。不执行垂直分选，所以按每垂直时钟循环一次，波形904的线时钟将像素缓冲器的内容转移到移位寄存器。
波形905及906表示随时间变化的二相水平时钟的电压。两个时钟波形相对于彼此基本上偏移180°。应注意，取决于移位寄存器的设计，可使用三相或四相时钟。所述波形可为梯形(如所展示)或可使用正弦波或变形的正弦波。这些水平时钟可执行图1中的CLK3的使得存储于移位寄存器中的电荷向右转移且使得最后的移位寄存器转移到输出缓冲器141(如果存在)的功能，如图2(D)中所指示。在图9A展示的实例中，电平移位寄存器包括四个寄存器，且所述电平移位寄存器后接着输出缓冲器，所以总共需要5个时钟循环将所有电荷转移到输出。图2(A)到2(G)描绘仅包括两个寄存器的电平移位寄存器，以使得图更简单。
波形907表示随时间变化的复位时钟的电压，所述波形可执行图2(A)到2(G)中的RST的功能。在此实例中，复位时钟始终在运行，即使当不读出数据时。尽管不一定需要，但当不发生数据转移时防止在输出感测节点中积聚电荷是方便的。波形920表示随时间变化的传感器输出信号的电压，例如图2(D)中的OUT1。应注意，为了简化图，已省略由时钟转变引起的输出信号上的短时脉冲干扰及不稳定。每一像素展示为具有彼此不同的输出电压。波形910表示到CDS硬件(图1中的152)的触发时钟波形以采样复位信号电平(即，对应于存储于输出感测节点145上的电荷INIT的电压O(INIT)，(例如)如图2(D)中所展示)。连接波形910及920的垂直虚线指示针对每一像素在输出波形920上采样的实际复位信号电平，例如，来自波形910的第一触发针对线(行)中的第一像素采样波形920上的复位信号电平921。此后接着针对所述线中的后续像素中的每一者的类似触发及采样。此触发可使得复位信号电平存储于CDS电路中的电容器上(见以上引用的贾尼思克参考)，或其可使得模/数转换器(即，图1中的154)采样且数字化复位信号电平。波形911表示到采样保持(图1中的152内)及模/数转换器(即，图1中的154)的触发时钟波形以采样且数字化输出信号。连接波形911及920的垂直虚线指示针对每一像素在输出波形920上采样的实际信号电平，例如，来自波形911的第一触发针对所述线中的第一像素采样波形920上的输出信号电平922。接着，针对所述线中的后续像素中的每一者发出类似触发及采样。针对每一像素，如果复位信号电平存储于CDS电路内的电容器上时，那么接着将在数字化之前从输出信号减去复位电平。如果分开数字化复位信号电平及输出信号，那么接着可由处理器执行所述减法，如上文解释。
图9B说明使用类似于图4(A)到4(F)中所描绘的技术的图像捕获及像数据转移操作中的示范性波形。执行图9B中基本上类似于图9A的功能的波形标记为相同数字但具有附加字母B作为后缀。仅在解释图9A与9B之间的差所必需的程度上描述所述波形。未明确描述的细节可假定在两图之间是基本上类似的。
波形901B、902B及903B表示随时间变化的三相垂直时钟的电压。如在图9A中，每一时钟波形相对于其它时钟波形相位基本上偏移120°。这些垂直时钟可执行图4中的CLK1的使得存储于一行像素中的电荷转移到下一行且存储于最后一行的像素转移到图1中的像素缓冲器120-1的功能。在图4(A)中描绘从一行像素到下一行且从最后一行像素到像素缓冲器120-1的并行电荷转移。如以上所提及，垂直时钟可为二相、三相或四相时钟，但还可使用其它波形，例如梯形或方形波。波形904B表示随时间变化的线时钟的电压。此线时钟可执行图4中的CLK2的使得像素缓冲器120-1的内容转移到移位寄存器130-1(例如，如图4(B)中所展示)的功能。
在本发明的一个实施例中，可通过时序线时钟904B执行像素电荷的垂直分选，使得来自像素的两条连续线的电荷转移到像素缓冲器120-1且保持于像素缓冲器120-1下方。此类同于加总来自像素缓冲器下方的相同列中的两个连续像素的电荷，如图4(A)中所描绘。在线时钟904B的下降边缘912B上，像素缓冲器的内容随后转移到电平寄存器130-1。可同时执行从像素缓冲器120-1到电平寄存器130-1的此电荷转移与从像素的最后线(行)到像素缓冲器的新信号电荷转移，如图4(B)中所描绘。
在图9B的描述两个像素的垂直分选的实例中，线时钟经定时以具有是垂直时钟901B、902B及903B的周期的两倍的周期，等效地，垂直时钟以线时钟的频率的两倍的频率定时。在本发明的其它实施例中，可通过在像素缓冲器130-1下方加总来自两个以上像素(例如，来自三个或三个以上像素)的电荷而执行分选，其中针对正加总的像素信号的给定数目，垂直时钟的频率将是线时钟频率的相同数目的倍数。
类似于图9A的描述，波形905B及906B表示随时间变化的二相水平时钟的电压。这些时钟可执行图4中的CLK3的使得存储于移位寄存器中的电荷首先跨所述寄存器向右转移(例如，从图4(C)中的R1到R2)且接着转移到输出缓冲器141(如果存在)的功能。在图9B的实例中，电平移位寄存器包括四个寄存器，其后接着输出缓冲器，所以总共需要5个时钟循环将所有电荷转移到输出。为简洁起见，图4(A)到4(F)描绘仅包括两个寄存器的电平移位寄存器。
波形907B表示随时间变化的复位时钟的电压。所述复位时钟可执行图4(C)及4(E)中的RST的功能。波形920B表示随时间变化的传感器输出信号的电压，即，图4(C)到4(F)中的OUT1，其中为了简化图，已省略由时钟转变引起的输出信号上的短时脉冲干扰及不稳定。每一线中的四个像素中的每一者展示为具有彼此不同的输出电压。每一像素中的信号对应于来自相同列的两个像素信号的总和(或在横跨两个以上像素的垂直分选的情况中对应于来自两个以上像素的信号的总和)，其中已在输出缓冲器130-1下方执行加总，如上文所描述。
波形910B表示到CDS硬件(图1中的152)的触发时钟波形，其采样复位信号电平，即，对应于存储于输出感测节点上的电荷INIT的电压O(INIT)，(例如)如图4(C)中所展示。连接波形910B及920B的垂直虚线指示针对每一像素在输出波形920上采样的实际复位信号电平，例如，来自波形910B的第一触发针对线中的第一像素采样波形920B上的复位信号电平921B，此后接着针对线中的所有其它像素的类似触发及采样。来自波形910B的此触发可使得复位信号电平存储于CDS电路中的电容器上，或可使得模/数转换器154采样且数字化复位信号电平。波形911B表示到采样保持电路(图1中的152内)及模/数转换器(图1中的154)的触发时钟波形，其采样且数字化输出信号。在复位时钟之后当由水平时钟905B及906B将来自电平移位寄存器及输出缓冲器(如果存在)的电荷转移到感测节点时的时间发生采样及数字化。
在图9A的先前描述中，由波形911触发按每像素仅一次采样。当执行垂直分选时，相同采样时序可施加到传感器输出信号。在图9B中说明的另一实施例中，由波形911B按每像素两次采样输出信号。连接波形911B及920B的垂直虚线指示针对每一像素在波形920B上采样的两个实际输出信号电平，例如，来自波形911B的第一触发针对线中的第一像素采样输出信号电平922B及923B。接着，针对线中的剩余像素中的每一者发出两个类似触发及采样。参考图4(D)及4(F)，这与(例如，在图4(E)中)在发出另一复位之前两次采样输出信号OUT1(对应于图4(D)中的像素电荷C23及C24的总和，或图4(F)中的C13及C14的总和)相同。如果复位信号电平存储于CDS电路内的电容器上，那么接着将在数字化之前从每一像素的两个输出信号样本中的每一者减去复位电平。如果分开数字化复位信号电平及输出信号电平两者，那么接着可由信号处理器执行所述减法。所述信号处理器还可执行针对每一像素执行的两个分开CDS操作的结果之间的平均值计算，(例如)如在图4(D)及4(F)中的165(168)中所说明。
图4及9B的实例说明其中在每一像素中针对复位信号电平执行单个采样及数字化且针对输出信号电平执行两次采样及数字化的简单多重采样情况。在其它实施例中，可通过针对像素对复位信号电平进行一次以上取样及数字化且针对输出信号电平进行两次或两次以上取样及数字化而应用多重采样技术。
图10说明示范性电子轰击图像传感器系统701。在此实施例中，整个组合件可容纳于密封管705中(例如，基本上类似于标准图像增强器及电子轰击CCD(EBCCD)装置的密封管)。管705的顶部表面707可包含对受关注的波长透明的窗。针对UV敏感电子轰击图像传感器，此窗优选包括十分纯级的石英、熔融硅石或氧化铝(蓝宝石)。在一些优选实施例中，窗的外部表面经涂布具有UV抗反射涂层。此涂层可包括单个层低折射率材料，例如MgF2，或可包括一多层涂层。
光电阴极704涂布于窗的内部表面或放置成紧邻所述内部表面处。光电阴极材料可基本上类似于用于光电倍增管、图像增强器或现有技术EBCCD检测器的所属领域中已知的任何光电阴极材料。在优选实施例中，所述光电阴极可包括一或多个碱性金属，例如铯，及/或可包括半导体，例如GaN、GaAs或硅。光电阴极704可相对于固态图像传感器702保持于负电压703，固态图像传感器702定位成靠近密封管705的底部表面。在一些实施例中，负电压703可为大约500V，在其它实施例中，负电压703可为数百伏或大约1000V。在优选实施例中，负电压703介于100V与1500V之间。
固态图像传感器702可为薄CCD或CMOS图像传感器，其经定向使得电子首先撞击于其后侧表面上。固态图像传感器702的后侧包含直接沉积于图像阵列的外延层上的一层硼，如在本文引用的参考中所描述。在一些实施例中，薄(数纳米)层导电材料(例如耐火金属)沉积于硼层上以防止传感器表面的充电。相较于不耐火金属，耐火金属(例如，钛、钨、钽、铑、钌、钒或铬)具有优势，这是因为耐火金属的硬度使得其对由电子引起的溅镀有抵抗力，且其相对对抗室温下的氧化。在一些实施例中，固态图像传感器702是时延积分(TDI)CCD。在一些实施例中，固态图像传感器702包括电子敏感元件的线性阵列。在其它实施例中，固态图像传感器702包括电子敏感元件的二维阵列。在一些优选实施例中，固态图像传感器702保持于接近接地电势(如展示)。
当光710入射于电子轰击图像传感器系统701上时，一或多个光电子720从光电阴极704发射。这些光电子基本上沿所有方向发射，但其根据光电阴极704与固态图像传感器702之间的电势差而朝向固态图像传感器702加速。在优选实施例中，光电阴极704与固态图像传感器702之间的间隙小于1mm。在一些实施例中，所述间隙大约为500μm。
并入具有本文描述的结构中的一者的固态图像传感器702使得电子轰击图像传感器系统701能够利用光电阴极704与固态图像传感器702之间的低电势差操作，但具有高增益，这是因为比起穿透二氧化硅层，电子能够更易穿透硼层。由于掺硼硅、硼化硅及硼均至少部分导电，所以可最小化或避免电子轰击下方的表面的充电。可通过硼层的顶部上的导电或金属层进一步减少对充电的敏感度，如本文所描述。
在现有技术EBCCD传感器中，光电阴极与图像传感器之间的间隙通常为1mm到2mm。此大间隙允许当电子归因于电子从光电阴极发出时的能量而从光电阴极行进到像传感器时电子的显著横向运动。1mm到2mm或更多的间隙是必要的，这是因为光电阴极与图像传感器之间的大电势差(通常为大约2000V或更多)。减少光电阴极与图像传感器之间的电势差允许使用较小间隙。此外，电子的较低能量意味着存在固态图像传感器内产生的电子的较少散布。
到达固态图像传感器702的电子的低能量意味着原子从固态图像传感器702的表面消融的可能性低至零。此外，到达固态图像传感器702的电子的能量不足以从硅产生X射线，由此避免在图像传感器702的附近像素中产生杂散信号。
相对于高能量电子，低能量电子与剩余气体原子在密封管705中产生的真空中的碰撞将产生较少离子。此外，由于光电阴极704与固态图像传感器702之间的低电势差，所以所述离子当冲击光电阴极时将具有较少动能且将消融较少光电阴极材料。
可在庄等人在2012年12月10日申请的标题为“电子轰击电荷耦合装置及使用电子轰击电荷耦合装置的检验系统(ELECTRON-BOMBARDED CHARGE-COUPLED DEVICE ANDINSPECTION SYSTEMS USING EBCCD DETECTORS)”的美国专利申请案13/710,315中找到可并入到电子轰击图像传感器系统701内的电子轰击图像传感器的额外细节，所述申请案以引用的方式并入本文中。在庄等人在2013年7月22日申请的标题为“包含具有硼层的硅衬底的光电阴极(PHOTOCATHODE INCLUDING SILICON SUBSTRATE WITH BORON LAYER)”的美国专利申请案13/947,975中描述适合用于电子轰击图像传感器系统701中的光电阴极结构，所述申请案主张由庄等人在2012年8月3日申请的美国临时专利申请案61/679,200的优先权。这些申请案以引用的方式并入本文中。
电子轰击图像传感器尤其适合搭配本文描述的电路及方法使用，这是因为电子轰击图像传感器可以十分低的光级度操作，例如每积分周期的每像素几个光子。由于这些低信号电平，所以本文描述的电路及方法在检测及准备数字化由于此低光级度而引起的低电平电信号方面是有利的。
图11说明根据本发明的一个实施例的示范性波形。1201表示随时间变化的复位时钟的电压。1202及1203表示用于将信号电荷转移到传感器输出节点的电荷转移时钟的电压，所述电荷转移时钟还被称为水平时钟，这是因为其通常驱动沿垂直于垂直电荷转移(沿传感器成像区域中的像素的列)的方向转移电荷的串行寄存器(例如图1中的寄存器130-1)。1210表示随时间变化的传感器输出信号的电压。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。输出信号电压1210、复位时钟1201及水平时钟1202及1203的垂直尺度不必要相等。为明确起见，简化输出信号电压1210、复位时钟电压1201及水平时钟1202及1203之间的图中的垂直偏移，且不暗示一个电压需要比另一电压更正或更负。
如以上现有技术图20的描述中所解释，复位时钟1101通过必须在像素时间段内十分快速地脉冲化而引起传感器输出信号上的不稳定。这引起传感器性能问题，这是因为通过快速复位操作在输出信号电压中引入的噪声，所述噪声使得在复位之后且在电荷从每一像素转移到输出感测节点之后留有十分少的时间使输出信号安定。
在图11中说明的本发明的实施例中，仅在对应于多个像素读取的水平时钟循环的群组的开始处施加复位时钟1201的复位脉冲。水平时钟1202及1203将来自每一像素的信号电荷时控到输出感测节点(其是收集信号电荷的小浮动扩散电容)上。像素信号电荷的转移通常发生在两个相位中，如由水平时钟1202及1203的相反相位所说明。在每一像素转移之前且直到发生下一复位时不存在复位操作的情况下，水平时钟的每一循环积累来自浮动扩散电荷上的连续像素的电荷信号，这导致传感器输出处与积累电荷成比例的电压下降。1210是源于此读出方案的示范性输出信号波形。在归因于复位脉冲的波形中的短时脉冲干扰1211之后，电压安定于电平1212处。水平时钟1202及1203的相继切换转移来自每一像素的电荷。1212表示对应于浮动扩散电容器的复位状态的输出信号电平，1213表示在复位之后读出的第一像素的信号电平，且类似地，1214、1215、1216表示第二及后续像素的输出信号电压。在每一转移时，输出信号电压下降的量与对应像素中的电荷成比例。可从像素本身及先前像素的输出信号电压之间的差重建每一像素中的电荷量。因此，可从电压1213与1212之间的差重建第一像素中的电荷；可从电压1214与1213之间的差重建第二像素中的电荷，且以此类推以下像素直到施加另一复位脉冲。在此读出方案下，除了第一像素外的每一像素信号在复位之后将因此免受由复位脉冲引入的干扰，且将在有效、低噪声读出操作中具有更多时间来安定。
由典型图像传感器输出节点(例如，图1中展示的传感器输出节点145)的物理性质实现此读出模式，所述典型图像传感器输出节点的特征为保持由水平时钟转移到其上的电荷的小浮动扩散电容。在典型操作条件中，物理效应(例如，当将电荷长时间(例如毫秒或更长)保持于浮动扩散区上时，电荷载子从传感器衬底的泄漏可使所述浮动扩散区放电)通常以时间常数发生，所述时间常数比读出一些像素信号所需的时间更长，尤其是在现代检验系统中用来实现高总处理能力的高读出速度下。在本发明中可由单个复位涵盖的像素读出的数目的范围从两个像素到与由传感器满阱所允许的像素数目一样大的像素数目，即，可由传感器读出的最大电荷信号，其受限于由输出感测节点的电荷电容或读出电子器件链(包含用于相关双采样(CDS)及/或数字化器的信号处理器)的动态范围。在具有低背景噪声电平的暗场检验的一个实施例中，可利用单个复位读出传感器的整个输出分接头(通常为8到16个像素)。
图12说明本发明的另一实施例。在用于检验系统中的典型图像传感器中，像素数据转移到属于成像区域的水平线且由相同输出感测节点(或“分接头”)读出的像素群组中的传感器输出。一般来说，可由多个输出感测节点或分接头读出像素的物理线，所述输出感测节点或分接头中的每一者读出所述线中的像素的子集。为简洁起见，在下文中我们将使用表述“像素线”及其派生词来指示属于图像传感器的相同物理线且由相同输出感测节点读出的一组像素。所述“像素线”中的像素数目无需等同于图像传感器的物理线中的像素数目。1301是控制像素数据从像素线转移到传感器输出的时钟波形且据此将被称为线时钟。所述线时钟可执行与图1中的时钟CLK2相同的功能。1305是随时间变化的复位时钟的电压，而1306及1307是将电荷转移到传感器输出感测节点的水平时钟波形的电压。1310是传感器输出信号的所得电压。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。输出信号电压1310、线时钟1301、复位时钟1305及水平时钟1306及1307的垂直尺度不必要相等。为明确起见，简化输出信号电压1310、线时钟1301、复位时钟1305及水平时钟1306及1307之间的图中的垂直偏移，且不暗示一个电压比另一电压更正或更负。
线时钟1301控制电荷信号以与检验中的物体的移动同步的频率从成像像素转移到传感器输出结构。在线时钟的下降边缘1302上，来自像素线的信号电荷转移到传感器电平串行寄存器。由水平时钟1306及1307使用时间间隔1303来将像素信号电荷从电平串行寄存器循序转移到输出感测节点。在时间间隔1303期间，防止来自后续像素线的数据转移到电平串行寄存器。在一条线的所有像素的信号已转移到输出感测节点且经读出之后，在线时钟的下一下降边缘1302上，将后续像素线的数据转移到电平串行寄存器。在来自下一像素线的信号被转移之前，时间间隔1304通常允许传感器输出结构完全完成现任线的读出且允许准备驱动信号以读出下一线。
在图12中说明的本发明的实施例中，在已完全读出来自像素线的数据之后且在来自像素的下一线的数据转移到电平串行寄存器之前，在时间间隔1304期间将复位时钟1305施加到传感器输出感测节点。传感器输出电压1310将展现归因于复位脉冲的将引起信号的不稳定且引入噪声的典型短时脉冲干扰1311。然而，通过在线时钟1301的下降边缘1302之前充分预期复位脉冲(线时钟1301将转移来自像素的下一线的数据)，在时控输出像素数据之前输出电压将具有相对较长的时间来安定到稳定电平1312。在典型操作条件中，复位时钟1305可预期为线时钟1301的下降边缘1302上电荷从像素线转移之前的数纳秒到数十纳秒。随后，在水平时钟1306及1307的每一循环，来自线中的像素的信号电荷转移到且积累在传感器输出感测节点处的浮动扩散电容上。可由对应于所述像素的电压电平与参考电压电平1312之间的差重建每一像素中的信号，如上文所解释，所述信号将在复位之后完全安定且因此更不受来自复位操作的干扰影响。在图12的说明中，可从电压电平1313与参考电平1312之间的差重建第一像素中的信号；可从电压电平1314与先前像素的电压电平1313之间的差重建第二像素中的信号，且针对后续所有像素电压1315、1316及1317以此类推。将由下一复位时钟使在读出像素线结束时积累于传感器浮动扩散区上的总电荷放电，这将发生在数据从下一像素线转移到电平串行寄存器之前的下一等待时间间隔1304期间。可按以此方法在复位操作之间读出的像素数目取决于图像传感器的实际架构(例如，每条线读出多少像素)且可与由输出感测节点的满阱容量及/或由读出电子器件链的动态范围允许的像素数目一样长。
图13说明本发明的另一实施例。1401是控制像素数据转移到传感器电平串行寄存器的线时钟的电压。1420是复位时钟波形的电压，1406及1407是水平时钟的电压。1410是传感器输出信号的所得电压。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。输出信号电压1410、线时钟1401、复位时钟1420及水平时钟1406及1407的垂直尺度不必要相等。为明确起见，简化输出信号电压1410、线时钟1401、复位时钟1420及水平时钟1406及1407之间的图中的垂直偏移，且不暗示一个电压比其它电压更正或更负。
在图13中说明的本发明的实施例中，在时间间隔1404期间施加第一复位脉冲1430，其用于在将数据从第一像素线转移到电平串行寄存器之前准备传感器输出结构。在复位短时脉冲干扰1411之后，允许输出信号电压1410在线时钟1401的下降边缘1402上信号电荷从像素线转移到电平串行寄存器之前安定到稳定电平1412。在线读出时间1403期间，水平时钟1406及1407随后将来自现任线中的像素的电荷信号时控到传感器输出感测节点处的浮动扩散电容，在所述浮动扩散电容处电荷积累直到施加下一复位脉冲。在每一水平时钟循环，输出信号电压1410在复位之后安定于第一像素的电压1413处、第二像素的电压1414处、第三像素的电压1415处、第一线中的后续像素的电压1416及1417处。可从电压电平1413与电压电平1412之间的差重建第一像素的信号，可从电压电平1414与电压电平1413之间的差重建第二像素的信号且以此类推，可从在像素读出时针对每一像素测量的电压电平1415、1416及1417与先前像素的电压电平之间的差重建剩余像素的信号。
如果传感器浮动扩散区的电容不饱和且未充分到达，那么在第一像素线末端不需要复位操作。另一线的像素数据可在不首先复位输出感测节点的情况下转移到传感器电平串行寄存器。期间线时钟防止数据从像素的另一线转移到电平串行寄存器的时间间隔1405可全部用于完成读出第一像素线及/或用于读出电子器件的其它安定操作，但可不必要包含复位脉冲且可与实际可获得的一样短，因此改进读出速度且因此改进检验系统的总处理能力。
在线时钟1401的下一下降边缘1402将电荷信号从像素的下一线转移到电平串行寄存器之后，水平时钟1406及1407继续且将信号电荷时控到输出浮动扩散区，所述输出浮动扩散区使每一新像素的电荷积累在从先前线中的所有像素及相同线中的先前像素(如果有)接收的电荷的顶部上。可从电压电平1418与对应于先前线的最后像素的电压电平1417之间的差重建第二线中的第一像素的信号；可从在读出第二线中的第二像素时测量的电压电平1419与在读出第二线中的第一像素时测量的电压电平1418之间的差重建第二线中的第二像素的信号；类似地，可从在读出每一像素时测量的电压电平1420、1421及1422与针对先前像素测量的电压电平之间的差重建第二线中的剩余像素的信号。
针对与由传感器输出节点的满阱及/或由读出电子器件的动态范围允许的一样高的数个连续像素线，此方法论可继续。在初始复位脉冲1430之后，在数个所需线的像素数据已转移到电平串行寄存器且时控到输出感测节点浮动扩散区之后，可将第二复位脉冲1431施加到输出感测节点且可开始将数据从另一组像素线转移到传感器输出。
图11中的水平时钟1202及1203、图12中的水平时钟1306及1307以及图13中的水平时钟1406及1407说明为方形波。实际上，方形时钟的快速上升及下降边缘可引起图像传感器输出信号中的短时脉冲干扰(图中未展示)，从而引入信号中的不稳定且可能影响噪声性能。根据本发明的其它实施例，可由基本上正弦电压来驱动水平时钟，如上文在图9A及9B的描述中所提及。此最小化水平时钟接地返回电流且防止传感器输出信号中的短时脉冲干扰，因此改进图像传感器噪声性能。在2相电平寄存器的情况中，例如在图11、12及13中所说明，两个驱动正弦时钟电压将具有180°的相位延迟。此相位值是两个时钟信号之间的最佳相位差。根据本发明的实施例，可利用与上述值相差几度的相对相位产生时钟以补偿导体及驱动电子器件与图像传感器之间的连接的不同路径长度或阻抗，使得时钟信号到达具有所需的相对相位关系的图像传感器的有源电路。
图14说明本发明的一个实施例，其具有用于测量像素电荷信号的两个可能的方法论。1501是针对涵盖十个像素的线的读出时间在传感器输出处的示范性输出信号电压波形。1520表示由传感器读出链使用本文描述的方法论中的一者重建的像素信号。1530表示由传感器读出链使用本文描述的另一方法论重建的相同像素的信号。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。垂直虚线说明针对每一像素的读出时间。为明确起见，还在水平轴附近指示随时间变化读出的像素数目。输出信号电压1501及像素信号1520及1530的垂直尺度不必要相等。为明确起见，简化输出信号电压1501与像素信号1520及1530之间的图中垂直偏移，且不暗示一个电压比另一电压更正或更负。将单个复位脉冲施加到线的开端，这导致输出信号波形1501上的短时脉冲干扰1502。在期间允许复位之后波形电压安定的时间间隔1503之后，线中的每一像素的电荷信号连续积累于传感器输出感测节点处的浮动扩散电容上。这些信号作为线中的十个像素的电压电平1510、1511、1512、1513、1514、1515、1516、1517、1518及1519而出现。为说明目的简单选择线中的数十个像素。根据本发明的实施例，可利用本文描述的方法论在复位操作之间使用任任数目个像素或像素线，此任何数目与实际上由传感器满阱或由读出电子器件的动态范围允许的一样大。在极高速传感器的实际应用中，每一传感器输出分接头通常可具有大约2到16个像素之间的像素。
在本发明的一个实施例中，针对每一像素读出的信号将等同于由于电荷从电平串行寄存器的连续转移而在复位操作与读出像素的时间之间已积累在传感器浮动扩散区上的电荷量。此继续直到执行下一复位操作。因此，将等同于由相同像素收集的电荷加上复位之后在先前像素读取期间积累于浮动扩散区上的电荷量的信号指派到每一像素。由标绘图1520说明此方法论。1521是对应于0信号的参考电压，即，像素中不存在电荷，除由于噪声波动而存在十分小的电荷外。通过在像素本身的读出时间于输出信号波形1501上测量的电压电平与在复位操作之后于输出波形上测量的参考电压电平1503之间的差确定每一像素的信号。第一像素的信号因此将等同于电压电平1510与参考电压1503之间的差；第二像素的信号将等同于电压电平1511与参考电压1503之间的差，且对应于在第二像素中收集的电荷加上在第一像素中收集的电荷；第三像素的信号将等同于电压1512与参考电压1503之间的差且对应于在第三像素中收集的电荷加上在第一像素及第二像素中收集的电荷，且针对在复位之后且直到施加另一复位脉冲之前读出的所有剩余像素以此类推。
由标绘图1520说明的方法论可有利于检测十分小的信号，例如源自于(例如)小背景电平的小信号，例如，归因于从检验中的裸露晶片的粗表面散射的非相干光的雾度。当大多数像素含有小准恒信号时，在传感器浮动扩散区处的电荷的无噪声积分(逐像素执行)实现更有效检测高于传感器噪声底限(noise floor)的背景信号。在复位之后的每像素读出处，小信号保持积累且比在单个像素读取内更可能被检测。与此同时，如果复位之间读出中的像素的群组中存在比背景更大的信号，例如源自于晶片上的颗粒或刮痕的信号，那么可通过连续像素的信号中的突然变动来分辨所述信号。这在图14中的示范性输出信号波形1501中进行说明，其中在复位之后读出所有像素，唯(例如)来自检验中的晶片上的颗粒的含有相对较小的信号的像素及含有相对较大的信号的像素除外。背景信号的存在通过像素接着像素(例如，在前三个像素或五到十个像素中)将背景信号积分而增强，且在读出一些像素后，可更易检测高于在传感器噪声底限的全部背景信号。可仍然通过在第四像素中测量的信号变动1522来分辨颗粒信号。
在本发明的另一实施例中，通过应用修改的相关双采样(CDS)技术而确定从每一像素读出的信号。由标绘图1530说明此方法论，其将所述方法论应用到示范性输出信号波形1501。1531是对应于0信号的参考电压，即，像素中不存在电荷，除由于噪声波动而存在十分小的电荷外。复位之后的第一像素(像素一)的信号计算为在读出第一像素时测量的电压电平1510与在复位之后测量的参考电压电平1503之间的差。针对第一像素之后的所有其它像素，信号计算为在读出像素时间于输出信号波形上测量的电压电平与针对先前像素测量的参考电平之间的差。因此，将通过电压电平1511与电压电平1510之间的差确定复位之后的第二像素中的信号，将通过电压电平1512与电压电平1511之间的差确定第三像素中的信号，且针对复位之后读出的所有剩余像素以此类推且直到施加另一复位。在输出信号波形1501及标绘图1530的实例中，来自正于第四像素上检测的颗粒的信号1532经明确分辨为高于在所有其它像素中的较小背景信号。
由标绘图1530说明的方法论可尤其适合用于具有大像素对像素变动的晶片或图案化晶片的低噪声成像：当两个像素样本之间的时间间隔保持为与单个像素读出时间一样短时，个别分辨每一像素中的电荷信号且同时留存相关双采样的优势以用于噪声减少。
图15说明本发明的另一实施例，其中本文描述的方法论用于检测来自颗粒的信号或定位于两个图像传感器像素之间(而非单个像素)上的其它缺陷。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。输出信号1601及标绘图1620及1630的垂直尺度不必要相等，且为明确起见，简化输出信号1601及标绘图1620及1630之间的垂直偏移，且不暗示一个电压比另一电压更正或更负。类似于上文图14的描述，1601是示范性传感器输出信号电压波形，在复位时钟之后的由短时脉冲干扰1602可识别的时间，所述波形安定在参考电压电平1603，且随后读出十个像素。1620绘制从连续像素的电荷信号的积累测量的像素信号，其中将由像素本身收集的信号及所有先前像素中的信号的总和分派到每一像素。1630绘制通过在图14的描述中介绍的修改的相关双采样方法论重建的像素信号，其中从在读出像素本身时采样的电压与针对先前像素采样的电压之间的差(或，在第一像素的情况中，从针对第一像素采样的电压1610与复位之后采样的参考电压1603之间的差)确定每一像素的信号。1621及1631分别是标绘图1620及1630的参考电压，其对应于零信号，即，在像素中不存在电荷，除归因于噪声波动而存在十分小的电荷外。
尽管大多数像素含有来自背景照明或噪声波动的小信号，但来自安置于两个像素(在此实例中是第四像素与第五像素)之间的单个颗粒或缺陷的信号将出现为比背景更大的在两个像素上采样的电压变动(如输出信号波形1601上的电压1613及1614)，且将重建为由标绘图1620说明的电荷积累方法论中的信号1622及1623，或为由标绘图1630说明的修改的相关双采样方法论中的信号1632及1633。当比较信号1622及1623与信号1632及1633时，电荷积累方法论的优势是明显的：并非检测由于两个像素上方的总信号的分解引起的较小信号(1632及1633)；积累两个像素(1622及1623)上方的分解信号产出相同总信号且因此产出相同敏感度，犹如将颗粒定位于单个像素内。
图16说明本发明的另一实施例，其中本文描述的方法论用于检测且测量幅值小于或相当于图像传感器的读出噪声电平的小背景信号。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。输出信号1701及标绘图1720及1730的垂直尺度不必要相等，且为明确起见，简化输出信号1701及标绘图1720及1730之间的垂直偏移，且不暗示一个电压比另一电压更正或更负。类似于上文图14及15的描述，1701是示范性传感器输出信号电压波形，其对应于在执行单个复位操作之后的十个像素的读出；1720绘制从连续像素的电荷信号的积累测量的像素信号，如上文图14中所介绍；1730绘制由还在图14的描述中介绍的修改的相关双采样方法论重建的像素信号，其中由在读出像素本身时采样的电压与针对先前像素采样的电压之间的差(或，在第一像素的情况中，从针对第一像素采样的电压1710与参考电压1703之间的差，在复位短时脉冲干扰1702之后波形安定于参考电压1703)确定每一像素的信号。1721及1731分别是标绘图1720及1730的参考电压，其对应于零信号，即，在像素中不存在电荷，除由于噪声波动而存在十分小的电荷外。1722及1732分别指示在标绘图1720及1730中重建且分别参考参考电压电平1721及1731的信号的读出噪声电平。由标绘图1720及标绘图1730说明的两个方法论可介绍不同读出噪声电平，此取决于读出电子器件及其相关联的噪声分量的特定实施方案。
由示范性输出信号波形1701测量的像素信号均具有小于读出噪声电平的相当的幅值。在晶片检验系统中，此可当(例如)归因于由从晶片粗糙表面散射的非相干光产生的雾度而跨晶片图像存在一致、低强度背景时发生。在本发明的实施例中，检测背景的存在及测量其幅值是重要的。在图16的实例中，可从标绘图1730中清楚得知，相关双采样不足以这样做，这是因为因此将无法检测高于在读出电子器件的噪声底部1732的重建的像素信号。然而，标绘图1720展示使用电荷积累可反而在已读出特定像素量的信号后提供高于在噪声底部1722的可检测信号。此外，电荷积累方法论通过采样在复位之间读出的所有像素的总电荷总和1723且通过将此值除以所述像素的数目而允许测量背景信号的平均强度。
图17说明实施本发明中描述的特征及方法论的成像设备的一个实施例。所述设备包含图像传感器1810，由模/数转换器(ADC)1811数字化图像传感器1810的输出信号电压。可由数字信号处理器(DSP)1812进一步处理ADC的输出处的数字图像数据。数字控制区段1801通过控制产生所述信号或时钟的时序产生器(TG)区段1802来组织驱动图像传感器1810所需的信号(时钟)的时序。时钟区段可包括线控制时钟1803、电荷转移时钟1804及复位时钟1805。时钟区段1803、1804及1805可包含缓冲且放大从时序产生器1802接收的数字信号的电路，以使用时钟信号的优化电压来驱动图像传感器1810。时钟区段1803、1804及1805还可包含将时钟信号调变为任何形状及彼此之间的时间关系的波形的电路及方法，以使用时钟信号的优化时序来驱动图像传感器1810。数字控制区段1801还：产生控制ADC1811及DSP 1812所需要的信号；确定所述信号与驱动图像传感器1810的时钟之间的时间关系；及同步化整个设备以取得由ADC读出的数字图像数据及/或由DSP处理的数字图像数据。
数字信号处理器(DSP)区段1812从ADC区段1811接收数字图像数据且对其执行多个操作，例如(但不限制于)：比较所述数字图像数据与预定阈值；及取决于所述比较结果而启用或停用数据验证标志；通过使用类似于上文图16中说明中的一者的方法论快速评估针对多个像素或由相同输出感测节点读出的像素的多个线积累的信号的总和确定背景信号的幅值；确定高于背景的受关注信号(例如来自检验中的晶片上的颗粒或缺陷的信号)的存在；及使用类似于上文图14及15中说明的方法论计数多个像素或多个像素线内或由图像传感器捕获的整个图像内的此类发生的数目；产生且控制到数字控制区段1801的反馈信号，反馈信号提供动态改变且调适图像传感器1810(包括ADC 1811及DSP 1812)及其读出的时序控制的可能性，此取决于上文描述的功能及评估中的一或多者或由DSP1812执行的本文未描述的其它功能及评估的结果。
在一个实例中，在其中大多数像素含有小背景信号且预期在一定数目个像素内具有受关注的信号的发生有限的情况中，DSP 1812可指示数字控制区段1801修改驱动图像传感器1810的时钟的时序，以按类似于上文图12中说明中的一者的方式在复位之间读出较大数目个像素，且优化在本发明中描述的电荷积累方法论的使用。在另一实例中，且还取决于检测中的信号的幅值或其它特征，DSP 1812可指示数字控制区段1801修改成像设备的时序以按类似于上文图13及14中说明的方式在复位之间读出多个像素线。
图17中说明的成像设备进一步包含用于外部处理、存储及控制的区段1820。区段1820接收且存储来自DSP 1812及/或数字控制区段1801的数字图像数据及其它信号，例如(但不限制于)识别数据的本质及格式的信号或确定所述数据是否有效且因此是否可永久存储的信号。区段1820还可实施提供用户接口以控制成像设备的操作且管理其它功能(例如捕获及处理图像数据)的软件。
图17中描述的成像设备的实施方案可采用变化的形式。在优选实施例中，在现场可编程门阵列(FPGA)装置内执行数字控制及时序产生器功能，而可由一或多个专用集成电路(ASIC)实施ADC及DSP。
图18说明本发明的另一实施例。此实施例可在类似于上文图17中描述中的一者的成像设备中实施，所述成像设备包括图像传感器、其的驱动信号及评估由模/数转换器(ADC)采样的像素数据的数字信号处理器(DSP)。1901是按类似于上文图12及13中描述的线时钟的方式控制将像素数据转移到传感器输出结构的时钟信号。1910是图像传感器的示范性输出信号电压波形。1920绘制根据图14中介绍的电荷积累方法论从输出信号1910测量的像素信号。垂直轴表示电压(任何单位)且水平轴表示时间。线时钟1901、输出信号1910及标绘图1920的垂直尺度不必要相等，且为明确起见，简化线时钟1901、输出信号1910及标绘图1920之间的垂直偏移，且不暗示一个电压比另一电压更正或更负。
类似于上文图12及13的描述，在时间间隔1902期间，防止来自图像传感器像素的电荷信号转移到传感器电平串行寄存器，在此期间，复位输出感测节点处的浮动扩散区从而引起输出信号1910中的短时脉冲干扰1911，所述短时脉冲干扰1911接着安定在电压电平1912。在时间间隔1903期间，像素数据转移到传感器电平串行寄存器，且将从线中的连续像素读出的电荷信号时控到传感器输出(为简洁起见图18中未展示水平时钟)且积累于浮动扩散区上。在完成一条线的读出后，再次复位浮动扩散区且将来自下一像素线的电荷信号转移到传感器电平串行寄存器，且随后时控到输出感测节点。示范性输出信号1910对应于三条线(每线有十个像素)的读出。在此实例中，第一线及第三线中的所有像素含有小噪声或背景信号，在第二线中，针对第六像素采样相对较大的电压变动1914且电压变动1914对应于检验中的晶片上的颗粒或缺陷。输出信号1910安定于第一线的末端的电压1913处、第二线的末端的电压1915处及第三线的末端的电压1916处。
在标绘图1920中说明自针对每一像素采样的电压与参考电压电平1912之间的差重建的积累的像素信号。在本发明的实施例中，由DSP比较因此经测量的像素信号与预定电压阈值1921，此目的在于分辨具有来自像素数据的受关注的信号及背景信号的像素数据。在本发明的一个实施例中，DSP首先评估每一线的末端处的分别从三条线的电压1922、1923及1924测量的总信号且与阈值1921相比较。如果线的总信号低于阈值，那么DSP仅将最后像素的信号(含有所述线中的所有像素信号的总和)转移到成像设备的输出，使得可按类似于图16中说明中的一者的方式测量背景信号。如果线的总信号反而高于阈值1921，那么所述线的像素数据标记为有效且整个发送到成像设备的输出，使得可通过进一步处理来分辨所述线内的受关注的信号。在图18的实例中，第一线及第三线仅含有背景信号，且仅将这两条线的最后像素的信号1922及1924发送到成像设备的输出。然而，像素的第二线的总信号1923高于阈值1921，这是因为第六像素上存在大信号，所以将所述线中的所有像素的数据发送到成像设备的输出。
在本发明的另一实施例中，DSP仅将总信号高于预定阈值的像素线(例如，图18中的实例的第二线)的像素数据发送到成像设备的输出，且如果像素线中的总信号低于阈值，那么不将任何像素数据发送到成像设备的输出，以排除整个背景信号的进一步处理或存储。
上文说明的方法论可有效改进数据处理的速度且因此改进晶片检验系统的总处理能力。当首先仅评估像素线的总信号时可由DSP十分快速地执行与预定阈值的比较。此外，可仅保存具有相关数据的像素或像素线以用于进一步处理或存储，因此降低转移到成像设备的输出所需的数据量且进一步促进增加晶片检验的速度。
仅当总电荷或个别像素超过阈值时传输像素线的总信号及/或所述线的像素数据对于检验未图案化晶片尤其有用，例如在其表面上具有原生氧化膜或沉积膜的晶片。未图案化晶片通常在其表面上具有一些颗粒或缺陷，所以仅传输超过阈值的像素或像素线可使需要传输的数据数量减少一个数量级或更多。提供关于表面条件或粗糙度的信息的雾度信号通常也是受关注的。所述雾度信号通常是弱信号，这是因为未经图案化的晶片表面通常十分光滑(例如小于大约1nm的粗糙度)。总线信号以具有比个别像素信号更好的信噪比提供关于雾度的信息。仅传输总线信号，或传输总线信号及仅其中超过阈值的个别像素可使需要传输的数据量减少大倍数(如果检测密度较低，那么大约等于线中的像素数目的倍数)。
图19说明根据本文描述的本发明的一个实施例的包括多个像素的示范性图像传感器的关键特征。图像传感器2000包括像素2001的阵列。图19中说明的4x4像素阵列仅出于说明目的呈现。在本发明的实施例中，所述阵列的大小可为与实际可实现或取决于应用的特定性而需要(例如，图像传感器成像区域的总尺寸及/或像素大小)的一样大。图像传感器的两个尺寸无需相等。个别像素2001通常是方形，但可为其它形状，例如矩形或六边形。每一像素可具有其本身的输出2002，及多个信号或电连接，例如门、控制信号、电力供应器及接地。由于实际原因，大多数或全部这些信号(除了像素输出信号外)可在相邻像素之间一起连接且可从图像传感器的边缘驱动，其中与将信号单独连接到每一像素相比，更容易完成电连接。图19仅展示此类信号2003及2004作为说明，但在实际装置中可存在在像素之间共享的两个以上信号。
在本发明的一个实施例中，每一像素2001具有以下特征：将浮动扩散电容作为其输出感测节点；可在相邻像素之间共享的像素驱动信号包括复位浮动扩散区的至少一个信号及将在像素中收集的电荷转移到所述浮动扩散区的信号。可将在图11中介绍的电荷积累方法论应用到像传感器2000，其中时序图与在图11中说明中的一者十分类似：仅在涵盖像素输出信号的多重采样的时间间隔处将复位时钟施加到每一像素且同时在每一采样之前将由所述像素收集的电荷转移到像素输出感测节点。使用此方法论，针对任何数目个转移循环，电荷信号可在像素输出处积累，这导致免受由复位时钟引入的干扰的输出信号波形且因此实现以高采样速度读出的低噪声。
类似地，使用图像传感器2000的本发明的其它实施例可实施例如图12、14、15、16及18中描述的方法论，其中可在复位之间执行个别像素的输出信号的重复样本。
上文描述的本发明的结构及方法的各种实施例仅说明此发明的原理且不希望将本发明的范围限制于所描述的特定实施例。例如，可在每一复位操作之后按类似图11、12、13、14、15、16及18中描绘中的多者的方式读出任何数目个像素或像素样本，或可在复位之间按类似于图13中描绘中的一者的方式读出由相同输出感测节点或像素线读出的任何数目个像素。因此，仅由所附权利要求书及其等效物限制本发明。
Claims (21)
1.一种使用图像传感器及模/数转换器ADC检验样本的方法，所述图像传感器包含多个像素及输出感测节点，所述ADC经配置以将在所述输出感测节点上产生的模拟输出信号转换为对应数字图像数据值，所述方法包括：
驱动所述图像传感器，使得在所述多个像素中产生多个模拟图像数据值，每一所述模拟图像数据值对应于从所述样本的对应区域引导到所述多个像素上的辐射部分，所述驱动包含将所述模拟图像数据值中的一或多者从所述多个像素系统地转移到所述输出感测节点，且使得所述输出感测节点根据所述一或多个模拟图像数据值产生所述模拟输出信号，其中驱动所述图像传感器进一步包含根据复位时钟信号将所述输出感测节点周期性地复位为初始值；及
控制所述ADC以在所述复位时钟信号的每一循环期间将在所述输出感测节点上产生的所述模拟输出信号中的一或多者循序转换为两个或两个以上所述对应数字数据值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中驱动所述图像传感器进一步包括在所述复位时钟信号的每一循环期间，将两个或两个以上模拟图像数据值转移到所述输出感测节点。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中驱动所述图像传感器进一步包括将所述两个或两个以上模拟图像数据值循序转移到所述输出感测节点，使得在第一时间段期间所述输出感测节点存储第一所述模拟图像数据值，且在第二时间段期间所述输出感测节点存储所述第一模拟图像数据值与第二所述模拟数据图像值的总和，且
其中控制所述ADC进一步包括在所述第一时间段期间产生第一对应数字输出数据值，且在所述第二时间段期间产生第二对应数字输出值。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括通过确定所述第一数字输出值与所述第二数字输出值之间的差来确定至少一个数字图像数据值。
5.根据权利要求2所述的方法，
其中驱动所述图像传感器进一步包括使用移位寄存器时钟信号来驱动移位寄存器，使得在所述移位寄存器时钟信号的每一循环期间所述模拟图像数据值中的一者从所述移位寄存器被连续转移到所述输出感测节点，且
其中将所述输出感测节点周期性地复位为所述初始值包括在所述移位寄存器时钟信号的每两个或两个以上循环中复位所述输出感测节点。
6.根据权利要求2所述的方法，
其中驱动所述图像传感器进一步包括将所述两个或两个以上模拟图像数据值同时转移到所述输出感测节点，使得在第一时间段期间所述输出感测节点存储所述两个或两个以上模拟图像数据值的总和，且
其中控制所述ADC进一步包括在所述第一时间段的第一部分期间产生第一对应数字输出数据值，且在所述第一时间段的第二部分期间产生第二对应数字输出值。
7.根据权利要求6所述的方法，通过确定所述第一数字输出值与所述第二数字输出值的平均值来确定至少一个数字图像数据值。
8.一种检验样本的方法，所述方法包括：
将辐射引导且聚焦于所述样本上；
从所述样本接收辐射且将接收的辐射引导到图像传感器，所述图像传感器包括
至少一个像素及输出感测节点；
驱动所述图像传感器，使得由所述至少一个像素捕获的模拟图像数据值根据至少一个第一时钟信号被转移到所述输出感测节点，且使得根据复位时钟信号周期性地复位所述输出感测节点；及
通过控制转换器数字化由所述输出感测节点根据第二时钟信号产生的输出信号来产生与所述样本相关联的数字图像数据值，使得在所述输出感测节点的每一周期复位之间产生至少两个数字图像数据值。
9.根据权利要求1所述的方法，其中驱动所述图像传感器进一步包括在所述复位时钟信号的每一循环期间，将两个或两个以上模拟图像数据值转移到所述输出感测节点。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中驱动所述图像传感器进一步包括将所述两个或两个以上模拟图像数据值循序转移到所述输出感测节点，使得在第一时间段期间所述输出感测节点存储第一所述模拟图像数据值，且在第二时间段期间所述输出感测节点存储所述第一模拟图像数据值与第二所述模拟数据图像值的总和，且
其中产生所述数字图像数据值包括在所述第一时间段期间产生第一数字输出数据值，且在所述第二时间段期间产生第二数字输出值。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括通过确定所述第一数字输出值与所述第二数字输出值之间的差来确定至少一个数字图像数据值。
12.根据权利要求9所述的方法，
其中驱动所述图像传感器进一步包括将所述两个或两个以上模拟图像数据值同时转移到所述输出感测节点，使得在第一时间段期间所述输出感测节点存储所述两个或两个以上模拟图像数据值的总和，且
其中产生所述数字图像数据值包括在所述第一时间段的第一部分期间产生第一对应数字输出数据值，且在所述第一时间段的第二部分期间产生第二对应数字输出值。
13.根据权利要求12所述的方法，通过确定所述第一数字输出值与所述第二数字输出值的平均值来确定至少一个数字图像数据值。
14.根据权利要求8所述的方法，
其中引导且聚焦所述辐射包括产生电磁辐射及带电粒子中的至少一者，且
其中接收所述辐射包括将从所述样本接收的散射的辐射及反射的辐射中的至少一者引导到所述图像传感器。
15.根据权利要求8中任一者所述的方法，
其中所述图像传感器包括经安置成一排的多个像素，且
其中驱动所述图像传感器包括将分别由所述多个像素捕获的多个模拟图像数据值转移到所述输出感测节点，使得当所述转换器经控制以数字化所述输出信号时，由所述多个模拟图像数据值的总和产生的总输出信号被存储于所述输出感测节点上，由此产生对应于所述总输出信号的相关联的数字图像数据值。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
比较所述相关联的数字图像数据值与预定阈值；及
仅当所述相关联的数字图像数据值超过所述阈值时，将所述相关联的数字图像数据值传输到处理器及数据存储装置中的一者。
17.一种用于检验样本的系统，所述系统包括：
照明源；
成像装置，其包括图像传感器，所述图像传感器包含多个像素及至少一个输出感测节点；
光学器件，其经配置以将光从所述照明源引导到所述样本，且将光从所述样本引导到所述成像设备；
至少一个模/数转换器ADC，其经配置以通过数字化在所述至少一个输出感测节点上产生的对应输出信号来产生数字图像数据值；
至少一个数字信号处理器DSP，其经配置以接收且评估所述数字图像数据值；
数字控制装置，其经配置以产生用于驱动所述图像传感器、所述ADC及所述DSP的时钟、复位及控制信号，使得：
在所述多个像素中产生多个模拟图像数据值，每一所述模拟图像数据值对应于从所述样本的对应区域引导到所述多个像素上的辐射部分；
根据至少一个第一时钟信号，将所述模拟图像数据值从所述多个像素系统地转移到所述输出感测节点；
所述输出感测节点根据所述一或多个模拟图像数据值来产生所述模拟输出信号；
根据复位时钟信号，将所述输出感测节点周期性地复位为初始值；及
所述ADC在所述输出感测节点的每一周期复位之间产生至少两个数字图像数据值。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述数字控制装置经配置使得通过存储的模式控制数据来确定在所述输出感测节点的每一周期复位之间产生的所述数字图像数据值的数目。
19.根据权利要求18所述的系统，其中：
其中所述至少一个数字信号处理器DSP经配置以比较所述数字图像数据值中的每一者与预定条件值，且根据至少一个所述比较来产生一或多个反馈信号，且其中所述数字控制装置经配置使得通过所述一或多个反馈信号来确定所述存储的模式控制数据，由此通过所述数字图像数据值与所述预定条件值之间的所述比较可调整在所述输出感测节点的每一周期复位之间产生的所述数字图像数据值的所述数目。
20.根据权利要求18所述的系统，其中：
所述DSP经配置以通过针对在复位操作之间读出的多个像素来评估积累于所述至少一个输出节点处的所述输出信号而测量背景信号的幅值；且
所述数字控制逻辑经配置以基于从所述DSP接收的反馈信号来改变所述复位时钟信号，以改变在所述输出感测节点的每一周期复位之间产生的所述数字图像数据值的所述数目。
21.根据权利要求18所述的系统，其中：
所述DSP经配置以计数所述背景信号上方的受关注信号在复位操作之间读出的多个像素内的发生；且
所述数字控制逻辑经配置以基于从所述DSP接收的所述计数来改变所述复位时钟信号，以改变在所述输出感测节点的每一周期复位之间产生的所述数字图像数据值的所述数目。
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