TW448339B - Image sensor incorporating saturation time measurement to increase dynamic range - Google Patents

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TW448339B
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Description

44833 9 五、發明說明（1) ~ 1 本發明涉及以半導體為基礎的影像感測器，更特言之， 係涉及具有增加動態範圍的影像感測器。 APS為固體影像器，其中各圖素包含一感光裝置和其他 主動元件’產生轉換為電壓或電流的電荷。該信號代表入 射至圖素光站上的光量。影像感測裝置的動態範圍（DR)定 義為有效最大可偵測信號等級比，通常是指與感測器均方 根雜訊等級（（7nQise )有關的飽和信號，（vsat)。如方程式！ 所示。 方程式1:動態範圍=vsat/ 積分由入射光子所產生的電荷之譬如像電荷執合裝置 (CCD)的影像感測裝置，具有由在已知光站（υ收集和保 留的電荷量所限制的動態範圍。例如，以一已知CCD為 例，在一圖素内所收集和偵測到的電荷量與圖素區成比 例。因此用於百萬圖素數位靜態相機（DSC)的商用裝置， 代表Vsat的電子數大約為13, 〇〇〇至20, 000個電子D若入射 光十分明亮，且產生較多可保留在圖素或光偵測器内的電 子，則由圖素内的反光裝置抽取多餘電子，並且不提供增 加飽和信號。因此’最大可偵測信號等級受限於可保留在 光偵測器或圖素内的電荷量，該μ也受限於感測器雜訊等| 級，。由於Vsat的限制，許多工作已在CCD内完成， 以降低crncise至非常低的等級。典型商用百萬圖素DSC裝置 的DR為1 000: 1或以下。 APS裝置也有同樣的j)R限制。 限於可保留及 光偵測器内的電荷量。多餘的電荷流失。這對Aps而言，
$ 4頁 44833 9 五、發明說明ί2) 較C C D的問題更大，因為A P S圆素内的主動元件限制光偵測 器的可用範圍，以及因為APS裝置内所使用的低電壓供應 和時脈。此外’由於APS裝置已用來提供晶片影像感測器 系統，用於A P S裝置的數位和類比電路，譬如時脈和控制 及類比數位轉換，在CCD中尚未出現，在aps裝置中提供較 CCD更向的雜sfl基數。這是因為較尚的暫時雜訊以及來自 類比數位轉換晶片可能出現的量化雜訊。
Konuma(Konuma)所申請的美國專利案號5，650 , 643提出 一種裝置，可用來增加固態影像感測裝置的動態範圍。
Koruima提出申請的裝置可增加有效Vsat等級，藉由積分比 較器和與光偵測器有關的計數器’測量達到積分信號閣電 平的時間，並提供此作為唯一的感測器輪出。該計數器與 比較Is結合’決定光#、測器達到提供給計數器輪入的信號 等級所花費的計數時脈週期數。接著，該裝置僅提供^ 時脈週期數作為與光偵測器有關的輸出或信號值。6 雖然Konuma提出的專利，藉由有效增加v ,认*以 .sat 的確增加 動恕範圍，但此方法也有若干問題。 第一，右母一圖素内都有一計數器和比齡哭 —
〜罕乂器，每一圖I
内的元件數會變很多’導致圖素的占空因數變小，β固I 過大。對於目前現代化半導體技術要求體積最^ ’或圖素 望生產小型圖素、低成本影像感測器的情’、化’且希 f際。 '’此方法並不 為達到已知門 内實際電荷數 第二’每一圖素的輸出都是一個計數值， 限值所需之時間，且不包含積分在光偵測器
第5頁 4483 3 9 五、發明說明（3) -- 的類比輸出值。利用此方法，雖然增加有效等級嗲 有效Μ將受到時間週期或計數時脈正確性和計數器大小的 限制。例如’若計數器有1 〇位元或丨024次，假使丨〇24主時 脈週期可符合所希望的曝光時間時，動態範圍將延伸至^ 位元。若所希望的曝光時間為1 〇 〇 m s e c，則計數時脈週期 必須各97· 6 usee。若嘗試將DR延伸至20位元，則需要2〇 位元计數器’以及曝光時間1 〇 〇 m s e c的情況下，計數時 脈頻率> 1 0. 5 MHz。當曝光時間減少時，就需要相對較快 的主時脈。例如，若需要60分之一秒的曝光時間或必須在 戶外大太陽下擷取影像時，則需要63 MHz的主時脈來量化 2 0位元。很明顯地必須有非常快速的計數時脈，以便在典 型曝光情況下提供高動態範圍。並且，由於計數器内位元 數變大，需要更大範圍來將此積分至圖素中，產生越來越 大的圖素。典型计數器每位元需要4 - 8個電晶體。因此 20位元計數器需要80-16〇個電晶體，在〇 35 CM0S製程 中生產>40 um的圖素大小《此外，該方法需要影像感測器 内所有圖素都達到程式化的閾電平，才能使每一圖素都有 一輸出值。這將需要十分長的曝光時間，若閾電平接近 Vsat時，才能使得取景的黑暗區達到閾電平。藉由將閾電 平程式化為十分小的數值，可減少該曝光時間，但這會降 低十分明亮的取景區内資訊的正確性’因為該值在極短的 時間週期内，即達到門限值。 第三，Koniima的方法中，在最亮光等級的資料，更加以 量化。如圖2所示。這可藉由觀察如何從接近門限的時間
44833 9 五、發明說明（4) 算起的有效光量測看出。 如果有人知道達到門限值（vT)所需的時間量（卜），並假 設量測時間内光源固定不變，則可計算出任意時間（tM )的 光量。延伸有效電壓（Vext)的表示方式由以下方程式提 供。 方程式2 V _vT.tu txt 一 -- , ίτ 在個別系統中’如方程式3所示，時間變數tT將由量化 單元加以測量。
方程式3 : t tM -CV
MaxCv
MaxCv中的cv為量化整數代碼值，而MaxCv為在tM時對應 到c v值的代碼值。取代我們在方程式4所取得的數值。 方程式 4 : v VT-MaxCv 參見圖2 ’零代碼值（cv)表示無限明亮。第一個可測量 的量化值最大’介於cv=l和cv = 2之間。8位元線性系統量 化值為0. 003 9 ’此值小^jLprunpa所述之到達門限時間方法 的最小量化值° 第四，若在圖素陣列之外 蹤到達門限的時間’則每一 量，以便每圖素有夠小的取 提供夠微細的量化值。例如 光時間的量化值’且影像感 利用單一計數器和比較器來追 圖素必須以十分高的速率測 樣頻率，以為動態範圍的延伸 ，假設10位元需要超過所需曝 測器中有1百萬的圖素。如果
4483 3 9 //. Ci) 所t _尤i丨*!間為i 00 III see，則每個圖素必須每9 7. 6 5 usee it彡1丨龙测曼打式化闖艰平。這表示1百萬圖素需要每9 7. 6 5 ij sf:(;取樣一次"每阓素需要9 7. 6 5 psec或1 0. 2 4 G丨丨z的圖 永取樣Φ ;本方法未包含在Κ ο n u m a所揭示的發明或其他 颂域或其他彩像戍測裝置中。 设後，所提供的輸出值為時間。為了重新架構來自此輸 人的八射影像（也就是決定信號等級），必須乘以該時間值 來推算。這會使感測器有效雜訊等級降級。數值t用來 測t達到Η限電壓值v( t)的時間。信號VPD( t)代表由標 準偏離crv的某些高斯附加雜訊時間的光子累積。本行業 的專家可顯示延伸電壓領域（c/Ext )内的雜訊與附加雜訊 有關，如方程式5所示。 方程式 5 2·σν ·ίΜ Vr2 假使—定大於tT，則表示σΕια值一定大於σν。從上述 討論可看出，很明顯地先前技藝需要有某種裝置，保持提 供延伸vsa:和動態範圍同時保持低雜訊、小圖素、單一和 低的頻率讀出，以及管理延伸電壓信號量化的裝置。 本發明能夠滿足前述先前技藝的需求，藉由提供（1)延 伸動態範圍A P S的小圖素，提供指示積分在光偵測器内的 電荷與光偵測器内達到程式化信號等級所需時間之類比信 號等級，而不需要在每個圖素内提供一個計數器；以及 (2) —廷伸動態範圍APS，該範圍提供指示積分在光偵測器 内電荷的類比信號等級，與提供指示已知圖素在積分時間
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Λ，分明说明nW 内；t到矜式化閲t平的時間f之信號。 在笫一 M-體寶施例中，符一圖素内含一儲存電容，該電 W成过接到從供時間相關难壓至阐素陣列的通用電壓匯流 捎·當>1侦測器内的信號等級達到程式化閭電平時，已知 阊表^丨的α存难容與時間相關電壓匯流排斷接。儲存在電 w内的電壓接著指示圖素達到程式化閾電平所需之時間。 阑索也有一光偵測器信號讀出路徑，以致指示達到門限值 4間的類比信號與指示光偵測器内所積分電荷的類比信 號，均可在所需曝光時間結束時讀出。此2種類比信號共 同提供延伸的動態範圍。計數器未積分在圖素内，所以圖 素實際上可以作得很小。 在第二具體實施例中，提供一種新觀念，不需要乘上時 間值就可決定各圖素内的有效信號等級。本方案也包括光 偵測器類比輸出匯流排，具有判斷已知圖素達到程式化門 限值的時間而非達到門限值所需之時間的額外功能。藉由 每次光偵測器達到程式化門限值即重設光偵測器，以及圖 素円具有指示光偵測器在積分期間内重設的時間量之信 號，而加以完成。 本發明提供延伸APS動態範圍的優點同時保持較小的圖 素尺寸和低雜訊。這些具體實施例在圖素内不需要大型計 數器，並提供低雜訊類比光偵測器信號讀出。這提供足夠 範圍延伸動態範圍感測器，因此不需要十分簡單或自動的 曝光控制= S1定義用於本發明之變數，以提供先前技藝和本發明 : 44833 9 /Λ .铎明 SJOVi f7j Λ处仲紉吨矻丨? I : 阌2 A勘示先前技铋量化缺失之阍形；
Hi 〇‘為本發明敉让共艏實施例之圖素架構； 择M a c為阐：i a阍索運作之時脈圆； 阖5為根據本發明所設計之圖素架構的圆形。 ； 新的感測器架構較佳用於陣列排列為y列與X攔的感濟丨 器，钽本發明專家應瞭解也可使用其他排列，例如線枝钱 測器〜 新的APS圓素和感測器架構提供延伸動態範圍，同時克 服先前技藝的限制》參見圖3a，該圖針對高動態範圍践利 ' 器提供新型圖素架構。在此架構中，圖素5 0包括光偵消丨_ PD，（通常是光電二極管）、—具有重設閘極rg的重設電^ 體、一源極跟隨器輸入電晶體S IG、一具有列選擇閘極 的列選擇電晶體、一比較器、一匯流排Vpr，以提供電聲 輸入至比較器的一輸入、一第二跟隨器輸入電晶艘Ml、〜 儲存電容Cs、一匯流排Vtime以提供時間相關的電壓信藏 '(t)至儲存電容、一開關μ 3，將該儲存電容連接至時間相 關電壓匯流排、以及一第二列選擇電晶體Μ2。該比較器的 第二翰入連接至該光偵測器。圖素以下列方式運作。參見 圖4 a的時脈圖。剛開始p d、比較器和c s分別利用施加至 ， RG、\pr和vume所需之信號’重設為預定等級。此時，pD 為有效空的’比較器輸出為邏輯上的「〇j ，且cs連接至 \ 11 me =在時間t 〇處’開始影像擷取。入射光在於pD收集 的圖素内產生光電子=由於PD 52累積的電荷增加，因此
第10頁 44833 9 五、發明說明 施加至比較器正輸人的電壓更接近Vpr和切換閾電平的比 較器。隨時間增加V ti me的電壓等級v (t)也有變化。若入 射光夠亮，能夠在積分時間Tint内產生足夠電子，以致 VPIK t)信號超過施加至比較器54的門限值，比較器54切換 狀態並使得透過Vtime 51所施加的V(t)與儲存電容Cs斷 接。現在圖素儲存電容Cs浮動，並保持在最後施加vtime 5 1的電壓V (t)，t - T i n t ,當光偵測器5 2中累積的電荷超 過施加至比較器54的門限值時。參見圖龀，顯示3個明亮 圖素的情況。圖素A較圖素B要亮，圖素B又要比圖素c亮。 广如圖所示，圖素A、B和(：的比較器將在不同時間開啟 气trip)，產生儲存於個別儲存電容上的不同電壓κ夕 ^入射光不夠亮，無法導致PD電壓等級超過間電%，比 較器將不改變狀態，且Cs仍然連接至Vtime。如圖杜所 不。在所需積分時間結束時，感測器各圖素藉由施加預定 RjG信號至適當列時被讀出一列。若比較器未「開啟」， 藉由連接至時間輸出攔匯流排和位於圖素陣列底的各個 攔^跟隨器載入電晶體，電晶魏被關閉且時間輸出搁 .p_ ^ -电壓右比較器已開啟，電晶體M2將被開啟 且< a 出攔匯流排將進入與儲存電容(：s電壓成比例的 電壓，「這也被解釋成邏輯上的M」。若圖素6〇的比較器 54 :開啟」，儲存電容Cs的值將透過時間輸出攔匯流排 被^且加以記錄。若該圖素的比較器5“「開啟」，光 m 5 2的信號等級值將透過信號輸出攔匯流排被讀出且 力…己錄。代表門限時間或光偵測器内信號等級的 44833 9 U * # Ί/ΙIV,'t/ι (U) 敗璜出，W‘以類似先前技势ΛΡ3的方法元成。 山於衫傢明亮區的阍索具苻拍不f f達到某些信號等級 旳閊之烦比信故，可確定彩像内明=區的有效⑼信號等 級，並维捋與這些明亮區有關的細㊉。圖素V«m的有效PI) I.V波仉可加以計其，如圆1所示’且由方程式2所示的關係 加以判定，其中VT為丨M)信號值’ C s於s玄值與V t i m e和V (t) 斷接，％代表積分時間或曝光時間’而tT為圓素達到VT所 ?&·之時間。利用倒轉施加至如下圖方程式6所示之V t i me的 V f t)函數，可計算出tT。 方程式6 tT = V 1 ( t) 由於在取景低光度區的圖素，有額外光偵測器類比信號 值的讀出，因此黑暗區的細節為已知且可獲得。假設有 8 - 1 0位元與影像明亮區有關的影像資料’以及有8 - 1 〇位元 與影像黑暗區有關的影像資料，町連結這兩組影像以提供 總數達1 6 - 2 0位元的詳細取景資料。這導致感測器有極高 的動態範圍。 應注意除了已開啟比較器54圖素的儲存電容[：5等級的 出，也可完成光偵測器52等級的讀出p這提供2個資料 值，該值也存在於相同圖素中。一個資料值代表達到施 至比較器54的門限時間，另一音蚪佶冲 52的信號。這此值可北丄】料值代表積分在光損測 如’右閾電平原先設為光伯、別哭v r i n 疋1貝别益Vsat的50%，圖辛迳刭 \sat 7d%的Cs和PD信號可加以士如 ^ " gi _ AJt & ^ ^比較’並用來提供指示門 V間和PD電何量之正確信號
苐12頁 44833 9 f/ . 0Ί/η^.>ι/ι mo； 一― 此阎辜％檇的％ — 微貧施例如圆3b所示。在例中 的比枚器出鄰接⑼和浮動擴散的溢流閑〇 G所除去和取 代，Π限敗说徘Vpr連接至0G，浮動擴散連接至以〇和k U的穆3之輸八圖3b令’ Cs僅是電晶體M1的輪入 览K洽曼’，以類似圓3a所述之方法產生運作β剛開始，p 和丨.’丨）為虫設，’現在π)接近m且開關電晶體M3開啟將。連| μ下的區域電位受到Vpr的控制。由於進行積i 分，因此pd將開始收集光電子。若⑼内的電子數導致^電 位超過0G區，則額外產生的光電子將從pD透過〇g區流到 i‘m)的電子數導致FD電位低於…門限電壓時，…將關 閉’因此Cs與VCt)斷接。現在儲存在Cs上的電壓指示達到 預定=號等級所經過的時間。在此具體實施例中，不利用 計數岛或比較器來提供一個6電晶體圖素。這可產生適用 消費性數位靜態相機裝置的高占空因數、強度小的圖素。 相同觀念的第三具體實施例如圖3c和3(1所示。在本例 中，形成個別的PD以建立PD決定門限時間。該時間為 PDt :運作開始時，pD和PDt分別重設為預定等級。可程式 門限匯流排Vpr連接至第二重設電晶體“的閘極，並控制 PDt所被重設的等級。由於進行積分，因此pDt和⑼將開始 =集光毛子。當PDt的電子數導致pj)t電位低於⑽門限電壓| 時，/丨_3將關閉，因此cs與v(t)斷接。現在儲存在Cs上的電 壓指示達到預定信號等級所經過的時間。使pDt電位低於 M4 ^ 電壓所需之電荷量受到pDt重設等級的控制。假使 信號等級指示儲存於PD内的電子數，則PD内的光電子量以 44833 9 ,,.(i\> 先府所述之方法讀出u藉由適當設計PDt的大小和容量， .'厂確保違到丨"丨限tT的時間將小於所需之積分時間tM。如圖 d所示之圖素與圆3 c相同，除了 V p r是連接到重設電晶體 的汲極而非閘極。當Μ用於重設電晶體#時，M4的RG速 技钊相同信丨)1_的重設等級仍受到施加至v p r電壓的控 Μ " 相同觀念的另一具趙實施例如圖4 e所示。在此具體實施 例中，單一櫊輸出匯流排係用來讀出指示門限時間的信號 以及指示連續儲存於光偵測器内電子數之信號。該圖素包 括一光偵測器PD、移轉閘TG、浮動擴散FD、一具有重設閘 RG的重設電晶體、一列選擇電晶體RSGt以讀出指示門限時 間的信號、一列選擇電晶體RSGa，以讀出指示光偵測器PD 円類比電荷的信號^ F丨）係設計為作為光偵測器來運作。此 圖素以下列方式運作。剛開始，PD和FD藉由開啟RG和TG並 施加VDD至1Vt ime加以重設。接著FD的等級可藉由關閉TG， 並施加一在VDD、具有Vtime的第二預定信號等級至Vpr分 別里5又°接著藉由關閉r G並施加V (t)至V t i m e開始積分。 PD和1^開始收集光電子。由於FD等級高於SIGa Π限值， SIGa作為將施加至Vtime的V(t)之開關連接至Cs，該Cs為 SIGt的輸入電容。當FD收集的光電子數導致FD電位低於 SIGa限電壓時，SIGa將關閉，因此儲存在Cs上的電壓等級 指示門限時間。積分期間結束時，藉由將RSGt設為高並讀 出健存在Cs上的信號等級，該感測器被讀出。接著藉由將 RG開啟並設定Vtime為VDD將重設FD。這提供重設等級Θ
44833 9 l > (yd _ … —' -- 达過S I (; 1.，讀出’並提供扑4示門限時間的信號差動示讀 出，以取消阖素源跟隨器的偏移贵。既然重設FD，私由關 閉KG S L和開版K SGa，重設等級由源極跟隨器S丨Ga讀出。接 著拍ih選通間啟並關閉，將p!)電荷移轉至”。接著FD上 的益敗等級达過源跟隨器S丨Ga讀出。這提供光偵測器類比 信號等級的相關雙重取樣讀出。
應注总到犯與VU)斷接的門限值為可程式化，並可由 系統設定以提供最佳效能。此外，所A 號V，⑴可成為提供進—步延;時：相關電壓信 移轉函數，並管理時間信許 5 ’任思使用者定義 數函數’以延伸照明範圍， j如v (t)可為對 來，此外，可提供多個Vpr信號或景月免區可辨識出 測器陣列内的各彩色圖去 一 "&線1以針對影像感 由於達到取景明亮區所，有個別可程式化門限值。 因此維持與明亮區有關之戶存之，電平軸所須之時間值， 的類比信號值為已知，因7有細:°由於在取景低光度區 得：這導致感測器有極高*黑，，的細節為已知且可獲 資料，以及剩餘的類比作=動怨範圍。假設有1 〇位元暫存 閾電平）’轴量化為8 - i _(亦即這些值不超過比較器
8 - 1 0位元。應再次注旁位兀，~該量測信號延伸超過VT 可由該系統設定為提佴^到比較15門限值為可程式化，並 敢佳效能。 完成用於APS圖素的含 月匕 置’除比較器54輸出二動態範圍的裝置，類似上述裝 測器如圖5所示。在此_ a 叶數器和（2 )重設光偵 裂具體實施例中，計數器值與各 44833 9 (\'4) 圓素宄關’在川於枢架擷取的積分時間結束時，計數器值 边過數位怡出匯流徘讀出，且該值代表光偵測器填入門限 值和被虫設的次數。該光偵測器輸出電壓透過類比輸出匯 流棑被讀出*並代表光偵測器最後被重設所收集的電荷 量。阑素總輪出值為圖素達到程式化門限值加上來自類比 輸出匯流排的光偵測器中電壓之次數。例如假設程式化閾 電平為5 0 0 in V。十分明亮區可具有1 2 4 5的計數器值和3 0 0 「π V的類比輸出。較不明亮區具有1 〇 〇的計數器值和1 〇 〇 mV 的類比輸出。暗淡區具有0的計數器值和2 0 0 m V的類比輸 出，輸出電壓可利用後述公式加以計算，V 〇 u t =(計數器 值）（5 0 0 ) + (類比輸出值）。
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Claims (1)

  1. 44833 9 争 _案號 89106219 六、申請專利範圍 具有複數個圖素，至少一圖 至一重設裝置； 測器以及一指示光偵測器達到 1 .—種主動像素感測器 素包括： 一光偵測器，可操作耦合 一閾電平，耦合至該光偵 閾電平的時間之裝置；以及 一類比偵測器，介於該光偵測器信號和信號匯流排之 間。 之主動像素感測器，其中該裝 置進一步包括一連接至該閾電平之比較器。 3. 如申請專利範圍第2項之主動像素感測器，其中該裝 置進一步包括： 2.如申請專利範圍第1項 連接至該閾電平的比較器 該閾匯流排的電平時，該比 介於圖素比較器輸出和主 識別該光偵測器達到該閾匯 4. 如申請專利範圍第1項 動式圖素感測器進一步包括 匯流排的信號之裝置，以達 範圍的結合信號等級。 5. 如申請專利範圍第2項 偵測器在該比較器起動時重 積性結合比較器的重覆起動 進一步的增加。 ，以致當該光偵測器電位達到 較器將啟動；以及 動式圖素感測器之間的介面， 流排電位的時間。 之主動像素感測器，其中該主 用以結合來自該裝置和該信號 到代表該光偵測器的延伸動態 之主動像素感測器，其中該光 設，且該介面係連接至用於累 ，而，產生該光偵測器動態範圍 6.如申請專利範圍第5項之主動像素感測器，其中該光
    O:\63\63592.ptc 第1頁 2001.05.17.018 4483 3 9 _案號89106219 年^月//曰 修正_ 六'申請專利範圍 债測器不會在比較器起動時重設。 7. 如申請專利範圍第3項之主動像素感測器，其中該介 面進一步包括：一電容元件，以電連接至時間相關信號， 該電容元件運作以儲存一電壓，該電壓指示光偵測器達到 閾電平所需之時間。 8. 如申請專利範圍第7項之主動像素感測器，其中該介 面進一步包括：提供改變的類比電壓至電容元件的匯流 排。 9. 如申請專利範圍第8項之主動像素感測器，其中該介 面進一步包括一電晶體，在個別重設和達到光偵測器閾電 平時，選擇性地連接和斷接來自改變類比電壓匯流排的電 容元件。 10. 一種主動像素感測器，具有複數個圖素，至少一圖 素包括： 一光偵測器，操作上耦合至重設裝置； 一閾電平，耦合至該光偵測器以及一指示光偵測器達到 閾電平的時間之裝置，並且每次該裝置指示光偵測器達到 閾電平時，該光偵測器即重設； 一類比偵測器介於該光偵測器信號和信號匯流排之間； 以及 用以判定光偵測器已達閾電平的時間量之裝置。
    O:\63\63592.ptc 第2頁 2001.05.17.019
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