[发明专利]具有扩展的动态范围的图像传感器

说明书

本申请是国际申请日为2004年9月1日、申请号为“200480024674.X”且发明名称为“具有扩展的动态范围的图像传感器”的专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及具有增加的动态范围、基于半导体的图像传感器。

发明背景

固态图像传感器现在广泛地用于许多类型的图像捕捉应用。所采用的两种主要图像传感器技术是电荷耦合器件CCD和CMOS x-y可寻址器件。目前存在这两种技术的许多不同的具体实施例，其中包括有源像素传感器(APS)以及CMOS x-y可寻址器件的无源像素传感器(PPS)。基本上全部由光电检测器组或阵列构成，它们把入射光转换为可被读出并且用来构造与入射光图案相关的图像的电信号。光电检测器阵列的曝光或积分时间可由众所周知的装置来控制。信号表示入射到像素感光单元上的光的量。成像感应器件的动态范围(DR)被定义为通常称作饱和信号(V_sat)的有效最大可检测信号电平与传感器的rms.噪声电平(σ_噪声)之比。这如等式1所示。  

等式1：动态范围＝V_sat/σ_噪声。

图像传感器器件、例如对入射光子建立的电荷积分的电荷耦合器件(CCD)的动态范围由给定感光单元中可收集并保持的电荷量(V_sat)来限制。例如，对于任何给定的CCD，在一个像素中可收集并检测的电荷量与像素面积成比例。因此，对于百万像素数字照相机(DSC)中使用的商用器件，表示Vsat的电子数量大约为13000到20000个电子。如果入射光极亮并且建立可在像素或光电检测器中保持的更多电子，则这些过剩电子由像素中的消除模糊装置提取，并且不构成增加的饱和信号。因此，最大可检测信号电平被限制到光电检测器或像素中可保持的电荷量。DR也由传感器噪声电平σ_噪声来限制。由于对Vsat的限制，在CCD中进行许多工作将σ_噪声降到极低水平。商用百万像素DSC器件具有1000:1或以下的DR。

DR上的相同限制对于APS和PPS器件也存在。V_sat由光电检测器中可保持并隔离的电荷量来限制。过剩电荷丢失。与CCD相比，由于像素中限制可用于光电检测器的面积的有源和无源元件，以及由于CMOS器件中采用的低电压电源和时钟，这对于APS和PPS更成问题。另外，由于APS器件已经用来提供芯片上的图像传感器系统，因此，CCD上没有的、在APS器件上采用的数字和模拟电路、例如定时和控制及模数转换与CCD相比在APS器件上提供高得多的固有噪声电平。这是由于较高的瞬时噪声以及来自芯片上的模数转换器的可能的量化噪声。

在共同转让的美国专利6069377中，Guidash公开了扩展APS器件的动态范围的先有技术方法，并且公开了扩展动态范围的一种新发明。这种方法的缺点是每个像素需要四个以上晶体管，并且限制了可制作的像素的尺寸。在美国专利6307195和6486504中，Guidash公开了通过收集从光电检测器大量出现的电荷以及通过把光电检测器和浮动扩散共同集成在单个像素中来扩展动态范围。这些方法可能的缺点是构成传感器中的固定图案噪声的光电检测器饱和电平的空间变化，并且不增加传感器的灵敏度。

先有技术的APS器件还因像素中有源元件的集成以及入射光通过设置在像素上的滤色器层的传输损失导致的有限填充因数而具有对光的很差灵敏度。

从以上论述中应当清楚，先有技术中仍然需要保持扩展的动态范围、同时保持低固定图案噪声、小像素和高灵敏度的器件。

发明内容

本发明提供一种分别对图像传感器上的任何给定空间图案、更具体是对与CFA图案中的核心的一维或二维兼容的图案控制积分的装置。这通过为给定行或行集合中的像素提供分开的TG或RG总线，或者通过提供分别对图像传感器阵列中的像素的给定图案控制积分时间的任何装置来进行。这样，有效数据始终可同时用于图像的暗和亮区域。

本发明的有利效果

通过阅读以下优选实施例的详细说明和所附权利要求并参照附图，会更清晰地理解和认识本发明的这些和其它方面、目的、特征及优点。

附图简介

图1a是先有技术的像素阵列；

图1b是另一个先有技术的像素阵列；

图2a是本发明的一个像素阵列；

图2b是本发明的一个备选实施例；

图3是图表，以图形方式说明图2a和图2b的实现；

图4a是每行两个积分控制线的图示；