[发明专利]用于处理由具有电荷倍增输出通道及电荷感测输出通道的图像传感器捕获的图像的方法

说明书

技术领域

本发明涉及供在数码相机及其它类型的图像捕获装置中使用的图像传感器，且更特定来说，涉及电荷耦合装置(CCD)图像传感器。又更特定来说，本发明涉及CCD图像传感器中的电荷倍增。 

背景技术

图1描绘根据现有技术执行电荷倍增的第一CCD图像传感器的简化框图。像素阵列100包含垂直电荷耦合装置(CCD)移位寄存器(未展示)，其一次一行地将来自一行像素102的电荷包移位到低电压水平CCD(HCCD)移位寄存器105中。低电压HCCD移位寄存器105将所述电荷包串行地移位到高电压电荷倍增HCCD移位寄存器110中。经由在电荷传送期间将大的电场施加到上覆HCCD移位寄存器110的栅极电极(未展示)而在电荷倍增HCCD移位寄存器110中发生电荷倍增。大的电场产生比原本在像素阵列100中的像素中收集的信号大的信号。大的电场是通过用充分较大的电压过驱动经扩展HCCD移位寄存器402上方的栅极电极来产生。通常，电荷倍增HCCD移位寄存器110可将每一电荷包中的电荷载子的数目倍增2到1000的倍数。输出放大器120感测电荷倍增HCCD移位寄存器110的端处输出的经倍增电荷包并将其转换成电压信号。 

常规输出放大器可具有八个电荷载子的最小噪声级，此意指当电荷包含有少于八个电荷载子时输出放大器不能检测到信号。倍增HCCD移位寄存器110的一个优点是能够放大或倍增输出放大器原本通常将无法检测到的电荷包。举例来说，电荷倍增HCCD移位寄存器可采取仅一个不可检测电荷载子(例如，电子)的输入并将其转换成1000个电荷载子的较大可检测群组。输出放大器现在便能够检测到电荷包并将所述电荷包转换成电压信号。 

电荷倍增HCCD移位寄存器的一个主要缺点是其动态范围。如果进入倍增HCCD移位寄存器的电荷包具有200个电荷载子且如果增益为1000，那么200个电荷载子倍增到200,000个电荷载子。许多电荷倍增HCCD移位寄存器不能保存200,000个或200,000 个以上电荷载子，因此电荷载子弥散(扩散)到邻近于HCCD移位寄存器的像素中。当电荷倍增HCCD移位寄存器的容量为200,000个电荷载子且增益为1000时，电荷倍增HCCD移位寄存器可测量的最大信号为具有一个电荷载子的噪声底部的200个电荷载子。此是200到1的动态范围。为说明所述动态范围的不良性，具有八个电子的最小噪声级的输出放大器可容易地在4000到1的动态范围内测量含有32,000个电荷载子的电荷包。 

为克服此限制，现有技术CCD图像传感器(参见图2)已将第二输出放大器200添加到HCCD移位寄存器105。如果已知图像含有对于电荷倍增HCCD移位寄存器110来说太大的电荷包，那么经由HCCD移位寄存器105将电荷包串行地移位到输出放大器200而非朝向电荷倍增HCCD移位寄存器110。此实施方案的一个劣势是必须从输出放大器200或输出放大器120读出整个图像。如果一图像含有亮区域及暗区域两者，那么必须从输出放大器200读出所述图像，这样亮区域才不会使电荷倍增HCCD移位寄存器110弥散(满溢)。但当从输出放大器200读出整个图像时，图像中的暗区域未经由电荷倍增HCCD移位寄存器移位且不会接收到电荷倍增HCCD移位寄存器110的益处。 

发明内容

一种图像传感器包含电连接到像素阵列以用于从所述像素阵列接收电荷包的水平移位寄存器。非破坏性感测节点连接到所述水平移位寄存器的输出。电荷引导开关电连接到所述非破坏性感测节点。所述电荷引导开关包含两个输出。电荷倍增水平移位寄存器电连接到所述电荷引导开关的一个输出。放电元件连接到所述电荷引导开关的另一输出。 

管线延迟水平移位寄存器可连接在所述非破坏性感测节点与所述电荷引导开关之间。经扩展水平移位寄存器可连接在所述电荷引导开关与所述电荷倍增水平移位寄存器的输入之间。放大器可连接到所述非破坏性感测节点及所述电荷倍增移位寄存器的输出。 

所述图像传感器可包含于图像捕获装置中。所述图像捕获装置可包含连接到所述放大器的所述输出的相关双取样(CDS)单元。所述CDS单元可各自包含模/数转换器。计算装置针对从所述水平移位寄存器输出的每一电荷包接收由所述非破坏性感测节点产生的数字像素信号。所述计算装置产生开关信号，所述开关信号由所述电荷引导开关接收且当电荷包中的电荷载子的数目将不使所述电荷倍增水平移位寄存器饱和时致使 所述电荷引导开关将所述电荷包引导到所述电荷倍增水平移位寄存器。当电荷包将使所述电荷倍增水平移位寄存器饱和时，所述电荷引导开关将所述电荷包引导到连接到所述电荷引导开关的另一输出的所述放电元件。