TWI471007B - 用於處理藉由具有電荷倍增輸出通道及電荷感測輸出通道之影像感測器所捕捉之影像之方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於供在數位相機及其他類型之影像捕捉裝置中使用之影像感測器，且更特定而言，係關於電荷耦合裝置(CCD)影像感測器。又更特定而言，本發明係關於CCD影像感測器中之電荷倍增。
圖1繪示根據先前技術執行電荷倍增之一第一CCD影像感測器之一簡化方塊圖。像素陣列100包含垂直電荷耦合裝置(CCD)移位暫存器(未展示)，其一次一列地將來自一列像素102之電荷封包移位至低電壓水平CCD(HCCD)移位暫存器105中。低電壓HCCD移位暫存器105將該等電荷封包串列地移位至一高電壓電荷倍增HCCD移位暫存器110中。透過在電荷傳送期間將大電場施加至上覆HCCD移位暫存器110之閘極電極(未展示)而在電荷倍增HCCD移位暫存器110中發生電荷倍增。該大電場產生比原本在像素陣列100中之像素中收集之信號大之一信號。該大電場係藉由用充分較大之電壓過驅動經延伸HCCD移位暫存器402上方之閘極電極來產生。通常，電荷倍增HCCD移位暫存器110可將每一電荷封包中之電荷載子之數目倍增2至1000之倍數。輸出放大器120感測電荷倍增HCCD移位暫存器110之端處輸出之經倍增電荷封包並將其轉換成一電壓信號。
一習用輸出放大器可具有八個電荷載子之一最小雜訊位準，此意指當一電荷封包含有少於八個電荷載子時輸出放大器不能檢測到一信號。一倍增HCCD移位暫存器110之一個優點係能夠放大或倍增一輸出放大器原本通常將無法檢測到之電荷封包。舉例而言，一電荷倍增HCCD移位暫存器可採取僅一個不可檢測電荷載子(例如，電子)之一輸入並將其轉換成1000個電荷載子之一較大可檢測群組。輸出放大器現在便能夠檢測到電荷封包並將該電荷封包轉換成一電壓信號。
一電荷倍增HCCD移位暫存器之一個主要缺點係其動態範圍。若進入該倍增HCCD移位暫存器之電荷封包具有200個電荷載子且若增益為1000，則將200個電荷載子倍增至200,000個電荷載子。眾多電荷倍增HCCD移位暫存器不能保存200,000個或200,000個以上電荷載子，因此電荷載子彌散(擴散)至毗鄰於該HCCD移位暫存器之像素中。當電荷倍增HCCD移位暫存器之容量為200,000個電荷載子且增益為1000時，一電荷倍增HCCD移位暫存器可量測之最大信號為具有一個電荷載子之一噪聲底部之200個電荷載子。彼係200至1之一動態範圍。為說明彼動態範圍之不良性，具有八個電子之一最小雜訊位準之一輸出放大器可容易地在4000至1之一動態範圍內量測含有32,000個電荷載子之電荷封包。
為克服此限制，先前技術CCD影像感測器(參見圖2)已將一第二輸出放大器200添加至HCCD移位暫存器105。若已知影像含有對於電荷倍增HCCD移位暫存器110而言太大之電荷封包，則經由HCCD移位暫存器105將電荷封包串列地移位至輸出放大器200而非朝向電荷倍增HCCD移位暫存器110。此實施方案之一個劣勢係必須自輸出放大器200或輸出放大器120讀出整個影像。若一影像含有亮區域及暗區域兩者，則必須自輸出放大器200讀出該影像，如此亮區域才不會使電荷倍增HCCD移位暫存器110彌散(滿溢)。但當自輸出放大器200讀出整個影像時，影像中之暗區域未經由電荷倍增HCCD移位暫存器移位且不會接收到電荷倍增HCCD移位暫存器110之益處。
一種影像感測器包含電連接至一像素陣列以用於自該像素陣列接收電荷封包之一水平移位暫存器。一非破壞性感測節點連接至該水平移位暫存器之一輸出。一電荷引導切換器電連接至該非破壞性感測節點。該電荷引導切換器包含兩個輸出。一電荷倍增水平移位暫存器電連接至該電荷引導切換器之一輸出。一放電元件連接至該電荷引導切換器之另一輸出。
一管線延遲水平移位暫存器可連接在該非破壞性感測節點與該電荷引導切換器之間。一經延伸水平移位暫存器可連接在該電荷引導切換器與該電荷倍增水平移位暫存器之輸入之間。放大器可連接至該非破壞性感測節點及該電荷倍增移位暫存器之輸出。
該影像感測器可包含於一影像捕捉裝置中。該影像捕捉裝置可包含連接至該等放大器之該等輸出之相關雙取樣(CDS)單元。該CDS單元可各自包含一類比轉數位轉換器。一計算裝置針對自該水平移位暫存器輸出之每一電荷封包接收藉由該非破壞性感測節點所產生之一數位像素信號。該計算裝置產生一切換器信號，該切換器信號藉由該電荷引導切換器接收且當一電荷封包中之電荷載子之數目將不使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時致使該電荷引導切換器將該電荷封包引導至該電荷倍增水平移位暫存器。當一電荷封包將使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時，該電荷引導切換器將該電荷封包引導至連接至該電荷引導切換器之另一輸出之該放電元件。
連接至該非破壞性感測節點之該放大器及連接至該放大器之該CDS單元組合形成具有一組合電荷轉電壓轉換增益值G1之一電荷感測輸出通道。連接至該電荷倍增水平移位暫存器之該輸出之該放大器及連接至該放大器之該CDS單元組合形成具有一組合電荷轉電壓轉換增益值G2之一電荷倍增輸出通道。一種用於產生一影像之方法包含選擇藉由該電荷感測輸出通道或該電荷倍增輸出通道所產生之一像素信號。若選擇藉由該電荷感測輸出通道所產生之像素信號，則將一增益比(G2/G1)應用於自該電荷感測輸出通道選擇之每一像素信號。該影像係藉由組合該等選定像素信號而產生。
一種用於產生一影像感測器之方法包含提供電連接至一像素陣列以用於自該像素陣列接收電荷封包之一水平移位暫存器。提供連接至該水平移位暫存器之一輸出之一非破壞性感測節點。提供電連接至該非破壞性感測節點之一電荷引導切換器。該電荷引導切換器包含第一輸出及第二輸出。提供電連接至該電荷引導切換器之該第一輸出之一電荷倍增水平移位暫存器。提供連接至該電荷引導切換器之該第二輸出之一放電元件。一種用於產生一影像捕捉裝置之方法進一步包含提供電連接至該電荷引導切換器之一計算裝置，其中該計算裝置可操作以回應於自該非破壞性感測節點接收之一信號將一切換器信號傳輸至該電荷引導切換器。
參考以下圖式更佳地理解本發明之實施例。圖式之元件未必相對於彼此成比例。
在整個說明書和申請專利範圍中，除上下文另外明確規定，以下措詞取與本文明確相關聯之含義。「一」及「該或該等」之含義包含複數參考，且「在......中」之含義包含「在......中」及「在......上」。措詞「連接的」意指所連接物項之間的一直接電連接，或藉由一或多個被動或主動中間裝置之一間接連接。措詞「電路」意指連接在一起以提供一所需功能之主動或被動之一單個組件或多個組件。措詞「信號」意指至少一個電流、電壓、電荷或資料信號。
另外，應將措詞「基板層」理解為一基於半導體之材料，包含(但不限於)矽、絕緣體上覆矽(SOI)技術、藍寶石上覆矽(SOS)技術、經摻雜及未經摻雜半導體、形成於一半導體基板上之磊晶層或井區域及其他半導體結構。
參考圖式，在所有視圖中相似編號指示相似零件。
圖3係在根據本發明之一實施例中之一影像捕捉裝置之一簡化方塊圖。影像捕捉裝置300在圖3中實施為一數位相機。熟悉此項技術者將認識到一數位相機僅係可利用併入本發明之一影像感測器之一影像捕捉裝置之一個實例。其他類型之影像捕捉裝置可與本發明一起使用，例如，舉例而言，手機相機及數位視訊攝錄像機。
在數位相機300中，來自一被攝體場景之光302輸入至一成像級304。成像級304可包含例如一透鏡、一中性密度濾波器、一光闌及一快門之習用元件。光302藉由成像級304聚焦以在影像感測器306上形成一影像。影像感測器306藉由將入射光轉換成電信號來捕捉一或多個影像。數位相機300進一步包含處理器308、記憶體310、顯示器312及一或多個額外輸入/輸出(I/O)元件314。儘管在圖3之實施例中展示為分離元件，但成像級304可與影像感測器306及數位相機300之可能一或多個額外元件整合在一起以形成一小型相機模組。
舉例而言，處理器308可實施為一微處理器、一中央處理單元(CPU)、一專用積體電路(ASIC)、一數位信號處理器(DSP)或其他處理裝置或者多個此類裝置之組合。成像級304及影像感測器306之各種元件可藉由時序信號或自處理器308供應之其他信號來控制。
記憶體310可組態為任一類型之記憶體，例如(舉例而言)呈任一組合形式之隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、基於磁碟之記憶體、可抽換式記憶體或其他類型之儲存元件。藉由影像感測器306所捕捉之一給定影像可藉由處理器308儲存於記憶體310中且呈現於顯示器312上。顯示器312通常係一主動矩陣彩色液晶顯示器(LCD)，但也可使用其他類型之顯示器。舉例而言，額外I/O元件314可包含各種螢幕上控制件、按鈕或其他使用者介面、網路介面、記憶體卡介面等。
應瞭解，如圖3中所展示之數位相機可包括為熟悉此項技術者所熟知之一類型之額外或替代元件。本文中未明確展示或闡述之元件可選自此項技術中已知之元件。如先前所述，本發明可實施於各種各樣之影像捕捉裝置中。此外，本文中所闡述之實施例之某些態樣可至少部分地以藉由一影像捕捉裝置之一或多個處理元件執行之軟體之形式來實施。如熟悉此項技術者將瞭解，鑒於本文中所提供之教示，可以一直接方式實施此軟體。
現在參考圖4，其展示在根據本發明之一實施例中之適於用作圖3中所展示之一影像感測器306之一CCD影像感測器之一簡化方塊圖。影像感測器400可實施為任一類型之CCD影像感測器，包含(但不限於)一隔行CCD影像感測器及全圖框影像感測器。
影像感測器400包含像素陣列402，該像素陣列具有將來自每一列像素之電荷封包移位至水平移位暫存器404之垂直移位暫存器(未展示)。在根據本發明之一實施例中，水平移位暫存器404實施為一低電壓水平電荷耦合裝置(CCD)移位暫存器。水平移位暫存器404朝向非破壞性感測節點406串列地移位每一電荷封包。在根據本發明之一實施例中，非破壞性感測節點406實施為一非破壞性浮動閘極感測節點。
非破壞性感測節點406上之電壓輸入至放大器408中。輸出放大器408之輸出連接至輸出電路410。輸出放大器408與輸出電路410一起形成一「電荷感測輸出通道」。在根據本發明之一實施例中，輸出電路410實施為一相關雙取樣(CDS)單元。CDS單元可組態成各種電路實施方案中之任一者。僅以舉例方式，一CDS單元可經組態以在類比域中減去雙樣本(例如，重設及影像樣本)且將結果傳遞至一類比轉數位轉換器。作為另一實例，可將可自Analog Devices購得零件編號為AD9824之一CDS單元用於一CDS單元。該CDS單元也可經組態以對兩個樣本進行數位轉換及在數位域中減去雙樣本，如美國專利5,086,344中。
通常，包含一類比轉數轉換器之一輸出電路具有一管線處理延遲。當輸出電路接收到自輸出放大器408輸出之一類比像素信號時，不自輸出電路410輸出對應數位像素信號直至已經過給定數目個時鐘循環為止。在根據本發明之某些實施例中使用一管線延遲水平移位暫存器來補償輸出電路410之管線處理延遲。在所圖解說明之實施例中，管線延遲水平移位暫存器412具有對應於輸出電路410之管線處理延遲之一長度。管線延遲水平移位暫存器412之長度經判定以使得藉由非破壞性感測節點406感測且傳遞至管線延遲水平移位暫存器412之一電荷封包在與自CDS單元410輸出經數位化像素信號相同之時間或稍後時間自管線延遲水平移位暫存器412輸出且到達電荷引導切換器414。在根據本發明之其他實施例中，管線延遲水平移位暫存器412可具有不同長度。
一計算裝置(例如，圖3中之處理器308)分析自輸出電路410輸出之數位像素信號且在信號線413上將一切換器信號傳輸至電荷引導切換器414。在根據本發明之一實施例中，計算裝置構造於影像感測器晶粒或晶片外部。在根據本發明之另一實施例中，計算裝置可構造於影像感測器晶粒或晶片上。
若自輸出電路410輸出之數位像素信號表示少量或小數目之電荷載子，則信號線413上之切換器信號致使電荷引導切換器414將電荷封包傳遞至電荷倍增水平移位暫存器416上。接著，經由電荷倍增水平移位暫存器416移位該電荷封包且將其輸入至輸出放大器418中。輸出放大器418輸出表示電荷封包中之電荷載子之量之一類比像素信號。
輸出電路420連接至輸出放大器418之一輸出。輸出放大器418與輸出電路420一起形成一「電荷倍增輸出通道」。輸出電路420將類比像素信號轉換成一數位像素信號。在根據本發明之某些實施例中，輸出電路420可對像素信號執行額外處理。在根據本發明之一實施例中，輸出電路420實施為一CDS單元。該CDS單元可組態成多個實施方案中之任一者。
若自輸出電路410輸出之數位像素信號表示可使倍增水平移位暫存器416飽和之數目個電荷載子，則信號線413上之切換器信號致使電荷引導切換器414將電荷封包引導至放電元件422。放電元件422用來轉儲或排放將不被輸入至電荷倍增水平移位暫存器416中之電荷封包。在根據本發明之一實施例中，放電元件422實施為一汲極。
經延伸水平移位暫存器424充當電荷引導切換器414與電荷倍增水平移位暫存器416之間的一連接水平移位暫存器。在根據本發明之一實施例中，經延伸水平移位暫存器424在低電壓位準下操作。在根據本發明之其他實施例中，可省略經延伸水平移位暫存器424。
影像感測器400針對未被輸入至電荷倍增輸出通道中之電荷封包產生一個像素信號。該像素信號係藉由電荷感測輸出通道產生。影像感測器400針對被引導至電荷倍增輸出通道中之電荷封包產生兩個像素信號。藉由輸出電路410及420所產生之數位像素信號可在數位像素信號自輸出電路輸出之時間及電荷封包在影像中之位置方面不同步。輸出電路410通常將比輸出電路420快速地輸出針對每一電荷封包之一數位像素信號，因為經由電荷倍增水平移位暫存器416移位電荷封包花費更多時間。在根據本發明之一實施例中，由計算裝置(例如，圖3中之處理器308)對自輸出電路410及420輸出之數位像素信號進行同步或重新排序。計算裝置可儲存針對每一電荷封包之切換器信號之狀態且使用該資料來對數位像素信號進行重新排序以再現影像。
現在參考圖5，其展示在根據本發明之一實施例中之圖4中所展示之電荷引導切換器414之一簡化俯視圖。展示管線延遲水平移位暫存器412及經延伸水平移位暫存器424連接至電荷引導切換器414。在根據本發明之一實施例中，電荷引導切換器414包含安置在電荷移位元件上方之閘極500、502、504。電荷引導切換器414包含兩個輸出，一個輸出與閘極502相關聯且另一輸出與閘極504相關聯。
在所圖解說明之實施例中，將管線延遲水平移位暫存器412及經延伸水平移位暫存器424各自繪示為二相CCD移位暫存器。根據本發明之其他實施例並不限於二階段CCD移位暫存器。在其他實施例中可實施具有三個或三個以上階段之CCD移位暫存器。
圖6中所繪示之實例性第一時序圖用來將電荷自管線延遲水平移位暫存器412引導至經延伸水平移位暫存器424。在省略經延伸水平移位暫存器424之實施例中，該時序圖可用於將電荷自管線延遲水平移位暫存器412引導至電荷倍增水平移位暫存器416。且最後，在省略管線延遲水平移位暫存器412之實施例中，該時序圖可用於將電荷自非破壞性感測節點406引導至經延伸水平移位暫存器424或電荷倍增水平移位暫存器416。
在時間T0
處，將閘極500計時為一低位準，而閘極504上之信號保持在低位準且將閘極502上之信號計時為一高位準。當閘極500及504上之信號處於低位準且閘極502上之信號處於高位準時，電荷自閘極500下面之電荷移位元件流出且流入至閘極502下方之電荷移位元件中。接著，如圖6中所展示計時施加至經延伸水平移位暫存器424中之閘極506、508之信號以經由經延伸水平移位暫存器移位電荷封包。
現在參考圖7，其展示用於圖5中所展示之電荷引導切換器414之另一實例性時序圖。在根據本發明之一實施例中，圖7中所圖解說明之實例性時序圖用於將電荷自管線延遲水平移位暫存器412引導至放電元件422。當在時間T00
處，將閘極500計時為一給定位準(例如，一低位準)時，閘極502上之信號保持在低位準且將閘極504上之信號計時為一高位準。當閘極500及502上之信號處於低位準且閘極504上之信號處於高位準時，電荷自安置在閘極500下面之電荷移位元件流出且流入至放電元件422中。
圖8係在根據本發明之一實施例中用於控制電荷封包之流動之一方法之一流程圖。初始地，在方塊800處，將一電荷封包移位至非破壞性感測節點。將電荷封包轉換成表示該電荷封包中之電荷載子之量或數目之一數位像素信號，同時將該電荷封包發送至電荷引導切換器(方塊802)。在根據本發明之一實施例中，經由一管線延遲水平移位暫存器移位電荷封包以將該電荷封包發送至電荷引導切換器。
接著，在方塊804處作出關於電荷封包中之電荷載子之數目是否將使電荷倍增水平移位暫存器飽和之一判定。若電荷封包將使電荷倍增水平移位暫存器飽和，則該過程進行至方塊806，其中將電荷封包引導至放電元件。若電荷載子將不使電荷倍增水平移位暫存器飽和，則將電荷封包引導至電荷倍增水平移位暫存器且經由電荷倍增水平移位暫存器移位(方塊808)。
針對自像素陣列讀出之每一像素重複圖8中所繪示之方法。僅不引起彌散之電荷封包才被輸入且經由電荷倍增水平移位暫存器移位。引起彌散之較大電荷封包被引導至放電元件。
現在參考圖9，其展示可結合圖4中所展示之實施例一起使用之用於產生一影像之一方法之一流程圖。值G1表示放大器408與輸出電路410之組合電荷轉電壓轉換增益。值G2表示輸出放大器418與輸出電路420之組合電荷至電荷轉換增益。
初始地，在方塊900處作出關於一電荷封包中之電荷載子之數目是否將使電荷倍增水平移位暫存器飽和之一判定。若不會，則將電荷封包引導至電荷倍增水平移位暫存器並經由該電荷倍增水平移位暫存器移位，且將藉由連接至電荷倍增水平移位暫存器之輸出放大器及輸出電路所產生之數位像素信號選擇為數位像素信號(方塊902)。接著，如方塊904中所展示，儲存數位像素信號。僅以舉例方式，可將數位像素信號儲存在圖3中所展示之記憶體310中。
接下來，如方塊906中所展示，作出關於影像感測器是否將產生另一電荷封包之一判定。若是，則方法返回至方塊900。當一電荷封包中之電荷載子之數目將使電荷倍增水平移位暫存器飽和時，該過程進行至方塊906，其中將電荷封包引導至放電元件。將藉由連接至非破壞性感測節點之放大器所產生之數位像素信號選擇為數位像素信號(方塊908)。接著，在方塊910處，將選定數位像素信號乘以增益比(G2/G1)且在方塊904處儲存經修改數位像素信號。僅以舉例方式，增益比(G2/G1)可藉由一計算裝置(例如，圖3中所展示之處理器308)應用於選定數位像素信號。
當已處理完所有電荷封包且不再有電荷封包(方塊906)時，該方法進行至方塊914，其中組合所儲存像素信號或經修改像素信號以產生一影像。根據本發明之實施例可組合方塊904與方塊914，以使得將像素信號儲存在對應於像素在影像中之位置之一位置中。因此，當影像感測器已產生所有電荷封包時，記憶體或儲存單元儲存一完成的影像。
現在將闡述用於判定圖9中所展示之方法中所使用之增益比G2/G1之一個過程。G2/G1增益比可根據引導至電荷倍增水平移位暫存器418及輸出電路420之電荷封包來判定。彼等電荷封包藉由輸出電路410及420兩者處理。在根據本發明之一個實施例中，判定(藉由輸出電路420所產生之數位像素信號)/(藉由輸出電路410所產生之數位像素信號)之一運行平均值。此運行平均值等於增益比G2/G1。在一實施例中，由於隨著相機溫度改變，增益比G2/G1將可能亦改變，因此使用一運行平均值。
根據本發明之實施例並不限於一運行平均值之使用。在根據本發明之另一實施例中，可使用一運行最小乘方擬合平均值。熟悉此項技術者將瞭解運行最小乘方擬合平均值亦將校正偏移誤差。
圖10係用於圖解說明在根據本發明之一實施例中如何組合自兩個輸出通道輸出之信號以產生一影像之一實例性圖示。線1000表示針對具有0至S1數目個電荷載子之電荷封包之電荷倍增輸出通道之輸出。線1002表示針對具有0至S2數目個電荷載子之電荷封包之電荷感測輸出通道之輸出。每一線1000及1002之斜率分別為輸出增益G2及G1。
線1004表示不同輸出通道中之放大器(例如，放大器408及418)之一飽和位準。所有輸出通道之像素強度將不超過此飽和位準。因此，一影像之最大像素強度限於藉由線1004所表示之強度位準。
輸出放大器418在低電荷載子數目S1下飽和且輸出放大器408在電荷載子數目S2下飽和。若電荷載子數目介於S1與S2之間，則將電荷感測輸出通道之輸出乘以輸出線1000及1002之斜率之比(亦即，增益比G2/G1)。
將自電荷感測輸出通道輸出之像素信號乘以一增益比以產生具有一較大強度值範圍之一影像。當將增益比應用於具有介於S1與S2之間之數目個電荷載子之電荷封包時，該增益比修改像素強度值以使得強度值沿著線1006下降。
僅以舉例方式，具有對應於沿著線1002之點1008之數目個電荷載子之一電荷封包自電荷感測輸出通道輸出。當將電荷封包乘以增益比(G2/G1)時，經修改像素強度值對應於沿著線1006之點1008'。因此，該增益比產生落在或大致落在線1006上之經修改像素強度，藉此提供具有一較大像素強度值範圍之一影像。
現在參考圖11，其展示在根據本發明之一實施例中之用於產生一影像感測器之一方法之一流程圖。初始地，產生一像素陣列，如方塊1100中所展示。可使用此項技術中已知之技術來產生光電偵測器像素陣列。舉例而言，可將遮罩層沈積於一基板上方且將每一者圖案化以在其中將形成每一像素中之各別組件(例如，光電偵測器)之位置處提供開口。接著將具有特定傳導率類型之摻雜劑植入至基板中以製造該等組件。
接下來，如方塊1102中所展示，在像素陣列之一個側上產生一水平CCD移位暫存器。可使用此項技術中已知之技術來產生水平CCD移位暫存器。舉例而言，可將一遮罩層沈積於基板上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位暫存器元件或每一移位暫存器元件中之階段之位置處提供開口。接著將具有一特定傳導率類型之一摻雜劑植入至基板中以產生移位暫存器元件或階段。亦可在移位暫存器元件或階段之間形成障壁植入物。此外，在每一移位暫存器元件或階段上方產生電極且將其電連接至用於經由水平CCD移位暫存器移位電荷封包之各別電壓計時信號。通常，以若干電極層形成電極。在一個二階段CCD移位暫存器中，交替電極(每隔一個電極)形成一個電極層且其餘電極形成一第二電極層。在一個四階段CCD移位暫存器中，安置在第一階段及第三階段(或第二階段及第四階段)上方之電極形成一個電極層且其餘電極形成一第二電極層。
接下來，如方塊1104及方塊1106中所展示，產生電荷感測輸出通道及電荷倍增輸出通道。可使用此項技術中已知之技術來產生輸出通道。舉例而言，可將一遮罩層沈積於基板上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位暫存器元件或每一移位暫存器元件中之階段之位置處提供開口。接著將具有一特定傳導率類型之一摻雜劑植入至基板中以產生移位暫存器元件或階段。亦可在移位暫存器元件或階段之間形成障壁植入物。此外，在每一移位暫存器元件或階段上方產生電極或閘極且將其電連接至用於經由水平移位暫存器移位電荷封包之各別電壓計時信號。通常，以若干層形成閘極。在一個二階段移位暫存器中，交替閘極(每隔一個閘極)形成一個層且其餘閘極形成一第二電極層。在一個四階段移位暫存器中，安置在第一階段及第三階段(或第二階段及第四階段)上方之閘極形成一個層且其餘閘極形成一第二電極層。
在方塊1108處形成放電元件。可使用此項技術中已知之技術來形成放電元件。且最終，在方塊1110處產生電荷引導切換器。可使用此項技術中已知之技術來產生該電荷引導切換器。舉例而言，可將一遮罩層沈積於基板上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位暫存器元件或每一移位暫存器元件中之階段之位置處提供開口。接著將具有一特定傳導率類型之一摻雜劑植入至基板中以產生移位暫存器元件或階段。亦可在移位暫存器元件或階段之間形成障壁植入物。此外，在每一移位暫存器元件或階段上方產生閘極且將其電連接至用於經由電荷引導切換器之一各別輸出引導電荷封包之各別電壓計時信號。
熟悉此項技術者將認識到根據本發明之其他實施例可修改圖10中所展示之方塊之次序。舉例而言，可藉由適當地圖案化遮罩層來同時產生包含在像素陣列、水平移位暫存器、電荷感測輸出通道或電荷倍增輸出通道中之多個組件。包含一管線延遲水平移位暫存器或一經延伸水平移位暫存器之實施例可在產生所需輸出通道時產生此等元件。另外，可在圖10中所展示之過程之間產生一影像感測器中之其他組件。
已特定參考本發明之某些實施例來詳細地闡述本發明，但應理解可在本發明之精神及範疇內作出變更及修改。舉例而言，可使用除圖7及圖8中所展示之信號位準之外之信號位準。在根據本發明之其他實施例中，可以不同方式實施電荷引導切換器。與圖3中所展示之組件相比，一影像捕捉裝置可包含額外組件。
而且，即使本文中已闡述本發明之具體實施例，但應注意本申請案並不限於此等實施例。特定而言，在相容之情況下，關於一個實施例闡述之任何特徵也可在其他實施例中使用。而且，在相容之情況下，不同實施例之特徵可交換。
100．．．像素陣列
102．．．像素
105．．．水平電荷耦合裝置移位暫存器
110．．．電荷倍增水平電荷耦合裝置移位暫存器
120．．．輸出放大器
200．．．輸出放大器
300．．．影像捕捉裝置
302．．．光
304．．．成像級
306．．．影像感測器
308．．．處理器
310．．．記憶體
312．．．顯示器
314．．．其他輸入/輸出(I/O)
400．．．影像感測器
402．．．像素陣列
404．．．水平電荷耦合裝置移位暫存器
406．．．非破壞性感測節點
408．．．放大器
410．．．輸出電路
412．．．管線延遲水平移位暫存器
413．．．信號線
414．．．電荷引導切換器
416．．．電荷倍增水平移位暫存器
418．．．放大器
420．．．輸出電路
422．．．放電元件
424．．．經延伸水平電荷耦合裝置移位暫存器
500．．．閘極
502．．．閘極
504．．．閘極
506．．．閘極
508．．．閘極
1000．．．表示電荷倍增輸出通道之輸出的線
1002．．．表示電荷感測輸出通道之輸出的線
1004．．．表示飽和位準的線
1006．．．表示像素強度值的線
1008．．．像素強度值
1008'．．．經修改像素強度值
S1．．．表示電荷載子的數目的值
S2．．．表示電荷載子之數目的值
圖1繪示根據先前技術執行電荷倍增之一第一CCD影像感測器之一簡化方塊圖；
圖2繪示根據先前技術執行電荷倍增之一第二CCD影像感測器之一簡化方塊圖；
圖3係在根據本發明之一實施例中之一影像捕捉裝置之一簡化方塊圖；
圖4係在根據本發明之一實施例中之適於用作圖3中所展示之影像感測器306之一CCD影像感測器之一簡化方塊圖；
圖5繪示在根據本發明之一實施例中之圖4中所展示之電荷引導切換器414之一簡化俯視圖；
圖6圖解說明圖5中所展示之電荷引導切換器414之一第一實例性時序圖；
圖7繪示圖5中所展示之電荷引導切換器414之一第二實例性時序圖；
圖8係在根據本發明之一實施例中之用於操作一影像感測器之一方法之一流程圖；
圖9係可結合圖4中所展示之實施例一起使用之用於產生一影像之一方法之一流程圖；
圖10係用於圖解說明在根據本發明之一實施例中如何組合自三個輸出通道輸出之信號以產生一影像之一實例性圖示；及
圖11係在根據本發明之一實施例中之用於產生一影像感測器之一方法之一流程。
300．．．影像捕捉裝置
302．．．光
304．．．成像級
306．．．影像感測器
308．．．處理器
310．．．記憶體
312．．．顯示器
314．．．其他輸入/輸出(I/O)
Claims (6)
- 一種用於處理藉由一影像感測器中之一像素陣列所捕捉之一影像之方法，該方法包括：將電荷封包自該像素陣列傳送至一水平移位暫存器；將每一電荷封包移位至一非破壞性電荷感測輸出通道；非破壞性地感測每一電荷封包且產生表示該電荷封包中之電荷載子之數目之一信號；當表示每一電荷封包中之電荷載子之該數目之該信號指示該電荷封包將不使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時，將各別電荷封包引導至一電荷倍增輸出通道；及當表示每一電荷封包中之電荷載子之該數目之該信號指示該電荷封包將使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時，將各別電荷封包引導至一放電元件。
- 如請求項1之方法，其中該電荷倍增輸出通道具有一相關聯電荷轉電壓轉換增益值G2，且該電荷感測輸出通道具有一相關聯電荷轉電壓轉換增益值G1。
- 如請求項2之方法，其進一步包括將一增益比G2/G1應用於藉由該電荷感測輸出通道所產生之每一像素信號。
- 如請求項1之方法，其中當表示每一電荷封包中之電荷載子之該數目之該信號指示該電荷封包將不使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時將各別電荷封包引導至一電荷倍增輸出通道包括：將一電荷引導切換器組態成當表示每一電荷封包中之電荷載子之該數目之該信號指示該電荷封包將不使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時將各別電荷封包引導至一電荷倍增輸出通道。
- 如請求項1之方法，其中當表示每一電荷封包中之電荷載子之該數目之該信號指示該電荷封包將使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時將各別電荷封包引導至一放電元件包括：將一電荷引導切換器組態成當表示每一電荷封包中之電荷載子之該數目之該信號指示該電荷封包將使該電荷倍增水平移位暫存器飽和時將各別電荷封包引導至一放電元件。
- 一種用於產生藉由一影像感測器所捕捉之一影像之方法，其中該影像感測器包含至少兩個輸出通道：具有一相關聯增益值G2之一電荷倍增輸出通道及具有一相關聯增益值G1之一電荷感測輸出通道，該方法包括：針對每一電荷封包，選擇藉由該電荷倍增輸出通道所產生之一像素信號或藉由該電荷感測輸出通道所產生之一像素信號；若選擇藉由該電荷感測輸出通道所產生之該像素信號，則將一增益因數(G2/G1)應用於自該電荷感測輸出通道選擇之每一像素信號；及組合該等選定像素信號以產生該影像。
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