[發明專利]具有圖像浮散漏極的、高動態范圍的傳感器

有效

• 申請號: 200810129354.0
• 申請日: 2008-06-27
• 公開（公告）號: CN101365069A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 真鍋宗平;阿希什·夏;薩西哈爾·沙拉迪;錢威廉;野崎英駿;那戈拉加·塞提亞得;戴幸志;霍華德·M·羅德斯
• 申請（專利權）人: 豪威科技有限公司
• 主分類號: H04N5/235
• 分類號: H04N5/235;H04N3/15
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司
• 代理人: 戴建波

相關參照

本申請要求2007年6月29日提交的美國臨時專利申請No.60/947,347的優 先權。

技術領域

一般而言，本發明涉及高動態范圍的圖像傳感器。更具體地講，本發明 涉及在高動態范圍圖像傳感器中抑制圖像浮散。

背景技術

高動態范圍(high?dynamic?range，HDR)圖像傳感器用于許多場合。目前， 許多圖像傳感器，包括CCD和CMOS圖像傳感器，其動態范圍大約有70分貝。 然而，要與人眼的能力相匹配，則需要高達約100分貝的動態范圍。例如，用 于汽車的圖像傳感器需要超過100分貝的動態范圍，以處理不同的駕駛狀態， 比如駛過黑暗的隧道進入明亮的陽光中。另外，一些數字靜物照相機(DSC) 的傳感器可能需要超過90分貝動態范圍。

現有技術已經提出了許多高動態范圍的傳感器。但是每個都有顯著的缺 點。早先的HDR傳感器具有一些缺點，包括由于固有圖像噪音而導致的圖像 變差、大的隨機噪音、以及與圖像浮散(blooming)相關聯的分辨率降低。

圖像傳感器在曝光周期生成電荷，其在后來的讀取階段被讀取。然而， 光電二極管只能在曝光周期積聚一定量的電荷，這限制了動態范圍。現有技 術中增加動態范圍的方法是使用電荷撇取操作(charge?skimming?operation)， 以實現曝光時間控制，延伸動態范圍，如圖1A-1E所示。

圖1A顯示了傳統像素單位100，其具有光電二極管(PD)、傳遞晶體管(TX)， 復位晶體管(RST)和源極跟隨(SF)放大器。圖中還示出了傳統的漂浮擴散(FD) 節點。光電二極管是PIN型光電二極管或通常的n-型光電二極管。

圖1B顯示了在用于曝光控制方法的不同時間(子圖1、2、3、4、5和6) 通過像素單位的電位圖，其示出了在PD、TX、FD和RST的電位。第一子圖顯 示了在預充電階段，光電二極管被重新設定，而且TX門被驅動到Vtx1，并且 所有的信號電子從光電二極管讀取到FD。此時，PD底部電位被設定成Vpin， 其由完全耗盡的PD確定。第二子圖顯示了TX門關閉，而且PD積聚信號電子直 到曝光時間1。第三子圖顯示了在曝光時間1結束時，撇取脈沖Vtx2被應用到 TX門，其比Vtx1小，而且信號電子的一部份讀取到FD。即，TX門僅被驅動 到足以撇去電荷的一部分。此時，PD上電位被設定成Vskim，其與TX門下的 溝槽電位相同。結果，剩余的信號是Vpin-Vskim。第四子圖顯示了在曝光時 間2開始時，TX門關掉，而且PD開始積聚信號電子直到時間2結束。因此，在 時間2結束時在讀取之前，電荷已經增加到Vex，如第五子圖所示。第六子圖 顯示了在時間2之后讀取。在時間2，打開TX門，而且所有的信號電子讀取到 FD。

圖1C是一個讀取時間圖，大概描述了在不同時間在晶體管TX處的脈沖定 時。在電荷撇取期間，門電壓Vtx1足以完全打開晶體管TX，但電壓Vtx2只能 輕微地打開晶體管TX。像素單位的操作的不同時期包括第一曝光、電荷撇取 操作和第二曝光。

圖1D顯示了如何利用具有電荷撇取的傳統曝光時間控制方法來延伸動態 范圍。傳遞特性將輸出與光強度相關聯。由PD生成的電荷取決于光的強度。 在低的光強度狀態，傳遞特性為具有斜度a的直線，并且電荷撇取沒被運行。 當電荷撇取被運行時，信號電荷的較小部分流向FD。因此，斜度從“a”變成“a x?Tex2/Tex”。這個斜度比“a”小，結果是動態范圍被擴展。

圖1E顯示了使用電荷撇取的傳統曝光時間控制方法的一些缺點。對于PD 是PIN型光電二極管的情況，PIN型光電二極管的底電位基本上由光電二極管 的n-型植入劑量所界定。由于LSI制造工藝中的波動，在圖像像素陣列中的光 電二極管的底電位具有一個分布。另外，由于傳遞門(TX)閾電壓的變動，Vskim 在每個像素之中是不同的。每個Vpin在每個PD中是不同的，而且每個Vskim 在每個Tx中是不同的，從而產生Vpin-Vskim的分布。然而，Vpin-Vskim是撇 取后的剩余電荷，其還確定了傳遞特性的斷點。這些斷點的分布引起圖像的 固有圖像噪音，降低了圖像品質。

相反，對于像素單位的PD是通常的n-型光電二極管的情形，不生成固有 圖像噪音，但是這種類型的光電二極管具有大的泄漏。結果，對于低光照水 平的場景，其圖像品質不好。