CN115278124A - 抑制暗电流分布非均匀性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像传感器以及图像传感器噪声抑制领域，为抑制像素阵列温度分布不均导致的暗电流空间分布非均匀性问题的同时，减少资源的耗费。为此，本发明采取的技术方案是，抑制暗电流分布非均匀性的方法，将像元阵列进行分块，计算每块暗电流平均值；对比所有块内的暗电流数值：量化后将不同的量化二进制数I_dark1、I_dark2、…、I_darkn分别存入寄存器中，按顺序找到最小值I_{dark_min}；根据每个寄存器中与最小值I_{dark_min}的差别进行校正：计算这些值与最小值的差值后，每个块内的像素值都减去本块中心位置暗电流与最小暗电流的差，完成暗电流的校正。本发明主要应用于图像传感器设计制造场合。

Description

抑制暗电流分布非均匀性的方法及装置

技术领域

本发明涉及图像传感器以及图像传感器噪声抑制领域，尤其涉及抑制暗电流空间分布不均引起的噪声领域。

背景技术

CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器由于低功耗、高集成度等优点，在市场上逐渐取代了CCD(电荷耦合器件)图像传感器。经过几十年的发展，CMOS图像传感器在医疗诊断、智能手机、智能驾驶、安防监控等诸多科技前沿领域有着广泛的应用。噪声、灵敏度和信噪比是评价CMOS图像传感器成像性能的关键指标。近些年随着技术的不断发展，对极端条件下成像的研究越来越深入，微光成像成为图像传感器发展的一个重要方向。决定微光成像质量的关键因素便是噪声，其中，暗电流噪声对成像质量具有重要的影响。由于工艺条件的限制，每个像素无法做到完全一样，其暗电流的大小也无法趋于统一。除此之外，暗电流噪声还受温度的影响，由于芯片内各个部分功耗的不同，其不同空间位置的温度也会有所差异。不同空间位置的温度差异在像素阵列上的体现则是暗电流的差异，这种差异在阵列空间位置上的分布极为不均，这种非均匀性体现在成像质量上则是不同位置的暗度区别。当在微光条件下成像时，最终的图像输出则呈现出一种空间分布规律的暗度波动。

目前，大部分抑制暗电流的思路均是对光电二极管表面进行较薄的P型掺杂，或者通过调整深层隔离阱(浅沟槽隔离外侧的隔离阱)的掺杂浓度来进行隔离。上述方法虽然可以从像素本身降低暗电流，但无法根本改变由于像素阵列温度分布不均匀产生的暗电流空间分布非均匀性。此外，还可以通过后端图像处理对暗电平进行校正，但该方法则需要大量的数据进行处理，会造成一定的资源耗费。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在解决的问题是：抑制像素阵列温度分布不均导致的暗电流空间分布非均匀性问题的同时，减少资源的耗费。为此，本发明采取的技术方案是，抑制暗电流分布非均匀性的方法，将像元阵列进行分块，计算每块暗电流平均值；对比所有块内的暗电流数值：量化后将不同的量化二进制数I_dark1、I_dark2、…、I_darkn分别存入寄存器中，按顺序找到最小值I_{dark_min}；根据每个寄存器中与最小值I_{dark_min}的差别进行校正：计算这些值与最小值的差值后，每个块内的像素值都减去本块中心位置暗电流与最小暗电流的差，完成暗电流的校正。

抑制暗电流分布非均匀性装置，包括暗电流比较单元、存储单元以及暗电流校正单元，所述暗电流比较单元与图像传感器读出量化电路的输出端相连，当图像传感器在暗光条件下工作时，比较单元比较出块与块中心位置的暗电流最小值，后通过存储单元将这些中心位置的暗电流值存起来。最后通过暗电流校正单元计算存储单元中每个值与所述暗电流最小值之间的差，将每个块内每个像素点的量化值减去本块中心位置与块间最小暗电流的差，即可完成全阵列的暗电流校正。

测量暗场下一定数量帧数据，对帧数据取平均后得到像元阵列后，利用低通滑动滤波去掉坏像素及部分高频FPN噪声，得到阵列A，将A分区块计算平均值，分块后计算完成得到暗电流空间上的分布图，其中，暗电流主要包含三个成分：耗尽层产生电流、中性体区扩散电流、Si表面产生电流，且暗电流和温度的关系表示为下式：

其中，I_d表示暗电流，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，E_g为半导体带隙能级，A_d,gen和B_d,diff是系数。

本发明的特点及有益效果是：

与现有技术相比，本发明的优势在于：通过暗电流比较单元将像素阵列不同空间位置的暗电流值提取出来，并将量化后的值存入寄存器后，再寻找到最小的暗电流的值，最终通过暗电流校正单元用块内每点输出值减去中心位置与最小暗电流的差，即可得到经过校正的暗电流。本发明不需要后续的针对暗电流空间分布不均问题的图像信号处理，且不需要后续通过多帧取平均的过程对暗电流空间分布进行补偿，在一定程度上可以减少资源耗费。

附图说明：

图1暗电流随温度变化示意图。

图2成像阵列中暗电流空间分布示意图。

图3本发明实施例中抑制暗电流空间分布非均匀性的装置结构示意图。

具体实施方式

为解决上述问题，本发明首先明确图像传感器中暗电流阴影的测量方法。测量暗场下100帧数据，对100帧取平均后得到像元阵列后，低通滑动滤波(5*5中值滑动滤波)去掉坏像素及部分高频FPN噪声，得到阵列A，将A分区块计算平均值，一般分成11*11个块进行计算。分块后计算完成得到暗电流空间上的分布图。

暗电流主要包含三个成分：耗尽层产生电流、中性体区扩散电流、Si表面产生电流，且暗电流和温度的关系可以表示为下式：

其中，I_d表示暗电流，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，E_g为半导体带隙能级，A_d,gen和B_d,diff是系数。

芯片各部分功耗的不同导致像素阵列不同位置温度分布不均，从而使成像阵列的暗电流产生梯度变化。为解决此问题，本发明提供了一种抑制暗电流空间分布不均匀的装置，此装置包括暗电流比较单元以及暗电流校正单元。

上述暗电流比较单元，在暗光条件下与块内最中心像素的输出端相连，之后对比所有块内的暗电流数值：量化后将不同的量化二进制数I_dark1、I_dark2、…、I_darkn分别存入寄存器中，按顺序找到最小值I_{dark_min}。本发明认为只取块内最中心位置的像素，既能提炼出不同空间位置的暗电流差异，又能保证其他像素点的量化结果不被影响，图像细节损失较少。

上述暗电流校正单元则根据每个寄存器中与最小值的差别进行校正：计算这些值与最小值的差值后，每个块内的像素值都减去本块中心位置暗电流与最小暗电流的差，暗电流的校正完成，不同位置暗电流分布不均的问题得以解决。

下面结合附图和具体实例，进一步详细说明本发明。

CMOS图像传感器是由像素阵列、读出电路、数字电路以及图像处理模块组成的大规模集成电路。像素阵列将感受到的光信号转变为模拟量电信号，读出电路将模拟量电信号转换为数字码值进行输出。

图1表明了暗电流受温度影响变化较大，且随温度升高而增大。暗电流由耗尽层产生电流、中性体区扩散电流、Si表面产生电流构成，而耗尽层产生电流和Si表面产生电流以及中性体区扩散电流均与本征载流子浓度n_i相关，且随着n_i的增大而增大。当温度升高时，n_i也会增大，所以暗电流随温度上升而增加。

经发明人研究发现：成像阵列由于温度分布不均，分块后暗电流的值呈现空间分布。在测量这种分布时，通常将输出的图像分块，分别计算每块的均值，通过比较块与块之间的均值差异，可以得到暗电流随像素阵列的空间分布情况，具体如图2所示。因此，本发明在实施时也应将传感器像素阵列按照图2所示进行块的划分，通过将块中心位置之间的暗电流差异比较出来，并计算每个块中心位置的暗电流与所有中心位置最小暗电流之差，后用块内每个像素点量化值减去算出的差，即可完成空间上暗电流的校正，具体抑制暗电流空间分布非均匀性的装置如图3所示，主要由暗电流比较单元、存储单元以及暗电流校正单元组成。

所述暗电流比较单元与读出量化电路的输出端相连，当传感器在暗光条件下工作时，可以比较出块与块中心位置的暗电流最小值，后通过存储单元将这些中心位置的暗电流值存起来。最后通过暗电流校正单元计算存储单元中每个值与最小值之间的差，将每个块内每个像素点的量化值减去本块中心位置与块间最小暗电流的差，即可完成全阵列的暗电流校正。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抑制暗电流分布非均匀性的方法，其特征是，将像元阵列进行分块，计算每块暗电流平均值；对比所有块内的暗电流数值：量化后将不同的量化二进制数I_dark1、I_dark2、…、I_darkn分别存入寄存器中，按顺序找到最小值I_{dark_min}；根据每个寄存器中与最小值I_{dark_min}的差别进行校正：计算这些值与最小值的差值后，每个块内的像素值都减去本块中心位置暗电流与最小暗电流的差，完成暗电流的校正。

2.如权利要求1所述的抑制暗电流分布非均匀性的方法，其特征是，抑制暗电流分布非均匀性装置，包括暗电流比较单元、存储单元以及暗电流校正单元，所述暗电流比较单元与图像传感器读出量化电路的输出端相连，当图像传感器在暗光条件下工作时，比较单元比较出块与块中心位置的暗电流最小值，后通过存储单元将这些中心位置的暗电流值存起来。最后通过暗电流校正单元计算存储单元中每个值与所述暗电流最小值之间的差，将每个块内每个像素点的量化值减去本块中心位置与块间最小暗电流的差，即可完成全阵列的暗电流校正。

3.如权利要求1所述的抑制暗电流分布非均匀性的方法，其特征是，测量暗场下一定数量帧数据，对帧数据取平均后得到像元阵列后，利用低通滑动滤波去掉坏像素及部分高频FPN噪声，得到阵列A，将A分区块计算平均值，分块后计算完成得到暗电流空间上的分布图，其中，暗电流主要包含三个成分：耗尽层产生电流、中性体区扩散电流、Si表面产生电流，且暗电流和温度的关系表示为下式：

其中，I_d表示暗电流，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，E_g为半导体带隙能级，A_d,gen和B_d,diff是系数。

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