[发明专利]扩展动态范围图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，所述图像传感器具有多个像素，这些像素可以在积累期间改变其电荷量，从而提高扩展动态范围。

背景技术

当人们观察现实世界时，眼睛能够看到很宽范围的亮度级。当观察相同场景的图片时，人们希望会看到相同的范围。但是人们经常会忘掉，当他在观看真实世界时，当他看过亮的区域后再看暗的区域时，眼睛会通过虹膜不断地调整光强度。当外界为明亮的太阳光时，不论眼睛怎样努力，明亮的太阳光都会阻止眼睛使其不能看到处于阴影中的细节。然而，照片却能够表现阴影中的细节。但是，相纸不可能反射出足够的光线来实现由太阳产生的亮度级范围。针对相纸或能够发射光的显示器的有限的显示范围，提出的解决方案就是增强图像较暗部分并减弱较亮部分的强度范围。

当图像传感设备捕捉到一个场景时，它通常会输出一个信号电平，该信号电平与图像场景的亮度级成线性比例关系。在图像显示输出或在图像捕捉和显示之间的某些中间步骤中，图像的较暗部分被增强而图像的较亮部分被减弱。

图像传感器的动态范围被定义为最大信号电平除以暗噪声信号。如果输出必须为线性，则增强动态范围的唯一途径就是增加最大信号电平或减小暗噪声电平。但是这在需要将动态范围增加8倍或更多时会非常困难。而将数字显示器的比特深度再增加3比特却是可以等效的。

另一种方法是在图像传感设备进行图像捕捉时，扩大暗信号并抑制亮信号。例如，在包括例如光敏电容或光电二极管等电荷收集光敏元件阵列的图像传感设备中，当在光敏元件正在积累光产生的电荷的同时改变电荷容量(charge capacity)，可以扩展光敏元件的动态范围。这个技术已经为本领域公知，并在US专利3919587中首先进行了描述，其中表面沟道CCD电荷容量在图像曝光期间被改变。该技术同样可以应用于CMOS成象器上的垂直溢漏(overflow drain)型电荷容量控制结构(US专利4626915)和垂直溢漏行间CCD成像器(US专利4926247)。横向型的溢漏电荷容量控制也可以用于行间和CMOS成像器，其方式与US专利5276520中描述的一样。描述其它变化方式的专利包括US专利4598414，5589880，5602407，6008486，6040570，3953733，4377755，4584606，5295001，5406391，6101294和6188433B1。

为了简明起见，下面仅对垂直溢漏(VOD)类型的电荷容量控制结构进行说明。大家都知道，相同的原理也同样适用于横向电荷容量控制结构。动态范围的根本问题是对应经过硅光电二极管表面的每个光子来说，仅产生一个电子。这是一个线性过程。参照1中的曲线A，长时间曝光可以在较低亮度级时就获得较高的信号电平，但是它在较高的亮度级时上很快就会饱和。为了在较高亮度级时获得良好的图像，必须使用很短的曝光时间(如曲线B所示)。曲线B的缺点在于低亮度级。当亮度级为25％时，短曝光曲线B仅有2000个电子，而长曝光曲线A可以产生10000个电子。相对于噪声比曲线B的信号差得多。

具有如曲线C所表示的光响应曲线的图像传感器可能会更好。他在较低的亮度级就可以响应出与长时间曝光情况类似的光。但是如果该像素被曝光到更亮的光，则该像素对高于20000电子以上的光会变得不太敏感。曲线C为长时间曝光和短时间曝光的组合。

如果考虑两种曝光，例如可以将一次10ms的长时间曝光和一次1ms的短时间曝光结合。通过利用1ms图像中的未饱和像素替换10ms图像中的饱和像素，这两次曝光可以产生一个扩展了动态范围的图像。这实际上是具有显著缺点的陈旧技术。在很短的时间段内，不可能从图像传感器中读出两个图像。具有数百万的像素的传感器可能需要200ms或更长时间才能被读取。这会导致两次曝光之间需要太长的时间。图像中的目标在200ms中会移动，从而使这两次曝光在空间中不能重叠。

代替在10ms曝光后再进行第二次1ms的曝光，而是采用在两个步骤中改变电荷容量的同时进行一次曝光。参照图2，在9ms使用结束时，图像传感器的电子快门能力将电荷容量限制为20000电子或更少。通常使用电子快门来完全清空所有电子的光电二极管。不存在任何结构可以防止部分地打开电子快门，从而将任何饱和光电二极管限制为20000电子。该部分的电子快门不会影响任何包含少于20000电子的光电二极管。在将电荷容量限制为20000的时间达到9ms时，将电荷容量增加为40000电子并等待1ms从而在已经在光电二极管中的部分上增加另一次较短的曝光。此时，每个光电二极管都已经被曝光达到10ms。