专利名称：扩展动态范围图像传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及困像传感器领域，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闺.
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 察相同场景的困片时，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田，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.
当困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.在困像显示输出或 在图像捕捉和显示之间的某些中间步稞中，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闺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，則增强动态范闺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困像捕捉时，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 元件阵列的困像传感设备中，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电荷容量在困像膝光期间被改变.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 ). 橫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.动态范围的根本问題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l中的曲线A， 长时间瀑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， 必须使用很短的舉光时间(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，短爆光曲线B仅有2000个电子，而长咏光 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困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 该像素被瀑光到更亮的光，則该像素对高于20000电子以上的光会变 得不太敏感.曲线C为长时间舉光和短时间啄光的组合.
如果考虑两种啄光，例如可以将一次10ms的长时间曝光和一次 lms的短时间瀑光结合.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田像.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.这会导致两次瀑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lOms瀑光后再进行第二次lms的瀑光，而是采用在两个步 稞中改变电荷容量的同时进行一次膝光.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lms从而在已经在光电二极管中的部分上 增加另一次较短的咏光.此时，每个光电二极管都已经被瀑光达到 10ms,
最终的结果是困像传感器将具有光响应曲线C(图1).该曲线C 对于低亮度级的敏感度与长咏光曲线A相同.它对于超出长咏光饱和 点之外400%的亮度级同样敏感.这种高出四倍的光敏感度使动态范围 增加了 2比特.
尽管该文献描述了扩展闺像传感器的动态范闺，但是本方法并未 广泛使用.这是因为该方法存在一个根本缺陷.该控制光敏元件的电 荷容量的方法对于一个元件(或像素)与下一个元件是非常不均匀的. 一些施加的电压经常会控制电荷容量.对于任何给定的控制电压，各 像素的电荷容量可以变化10%或更多.这种变化表明其自身就是图像 中令人讨厌的固定图形噪声.参照图3，其中示出了两个独立像素的光 响应曲线.在低亮度级，像素对于给定照明具有相同的信号.但是， 一旦该曲线变得倾斜，这些像素就不再具有相同的光响应.在较早的 例子中，这种现象出现在膝光的笫一次9ms中，此时电荷容量被限制 为20000电子.该缺点在于，对于给定的电荷容量控制电压，这两个 像素并不具有完全相同的电荷容量.在高电平时不同的光响应导致差 的图像质量(固定图形噪声).该固定图形噪声不能被校正，但是它 需要数字照相机存储与各像素的光响应相关的详细信息.与该倾斜在 哪个亮度级变化、高亮度级偏移、以及两种倾斜之间的过渡区相关的 信息都必须被存储.这会占用存储器中很大的一部分容量，因此是该 技术不能被广泛使用的主要原因.
综上所述，现有技术都没有提供可以消除该固定图形噪声的简单 的方法.
发明内容
本发明的目的是克服上述的一个或多个问題.简单地概括，根据 本发明的一个方面，本发明在于一种困像传感器，包括多个像素， 其中至少两个或更多像素具有用于在积累时间期间改变电荷容量的电累时间开始时通过电荷控制结构或读出机 构将电荷容量变为零，在所述积累时间期间通过电荷控制结构改变电 荷容量，从而使得该像素光响应曲线没有线性部分；和用于将每个像 素与为该像素确定的恒定的值相乘来补偿电荷容量变化，使得所有像 素光响应曲线都相等的装置.
本发明还提供一种照相机，包括困像传感器，它包括多个像素， 其中至少两个或更多像素具有用于在积累时间期间改变电荷容量的电 荷控制结构；其中在所述积累时间开始时通过电荷控制结构或读出机 构将电荷容量变为零，在所述积累时间期间通过电荷控制结构改变电 荷容量，从而使得该像素光响应曲线没有线性部分；和用于将每个像 素与为该像素确定的恒定的值相乘来补偿电荷容量变化，使得所有像 素光响应曲线都相等的装置.
在参照附图的情况下，通过阅读后面的最佳实施例的详细描述和 权利要求，可以更清楚理解和正确评价本发明的这些和其它方面、目 的、特征和优点.
本发明的优点
本发明的优点在于可以提供一种简单的方法来校正装置的固定图 形噪声，从而扩展图像传感器的动态范围.
图l为现有技术附困，示出亮度级与信号的关系； 图2为现有技术附困，示出电荷容量与时间的关系； 图3为现有技术附图，示出两个相邻像素的光响应； 困4为本发明图像传感器的顶视图； 图5为困4所示困像传感器的側视困；
图6a-6d示出从硅光电二极管表面经过垂直溢漏向下延伸并进入
衬底的势能轮廓线；
图7示出对应多个咏光时间的亮度级与信号的曲线；
困8示出对于困7中的响应曲线，电荷容量与时间的曲线；
图9示出亮度级与通过改变部分电子快门的幅度而产生的信号之
间的曲线； 图IO示出对应图9中响应曲线的电荷容量和时间之间的曲线； 图11示出亮度级和信号之间的曲线，其中该信号的代表性部分具 有三个斜芈；
困12示出对应田11中的响应曲线的电荷容量和时间的曲线； 图13示出对于在积累期间改变后的电荷容量，亮度级与信号之间 的曲线；
图14示出对于图13的响应曲线，电荷容量与时间之间的曲线； 困15示出亮度级与信号电平之间的曲线以提高动态范闺； 闺16示出对于闺15中的响应曲线，电荷容量与时间之间的关系； 困17示出利用时间轴上的一系列脉冲模拟连续的电荷容重变化的 曲线；
图18示出两个相邻的像素的曲线，其电荷在积累时间期间连续的 变化；
图19示出困18中的像素的光响应，其中像素1与像素2相除； 图20为一数字照相机，其中示出本发明闺像传感器的典型商用实 施例.
具体实施例方式
参照图4，其中示出行间CCD田像传感器IOO的基本结构.它包 括一个光电二极管的阵列105，垂直CCD移位寄存器IIO与这些光电 二极管105的每个列相邻.通过将光电二极管105中光产生的电荷经 过转移区域125转移到垂直CCD110中，困像读出过程开始.然后所 有列中的垂直CCD中的电荷都按照一次一行的方式被并行转移到水平 CCD115中.然后按照一次一个像素的方式将被转移到水平CCD115 中的各行串行转移到榆出电荷传感节点120.
困5中示出经过光电二极管105和垂直CCD110的水平延伸的截 面图.在最佳实施例中，整个结构都构建在n型硅衬底210上.在衬 底210上形成一 p阱205以便将该垂直CCD n型沟道200与衬底210 隔离，经垂直CCD沟道200的电子的流动由多晶硅栅220来控制.垂 直CCD沟道200还被不透明光屏蔽层225袭盖，从而防止在垂直CCD 沟道200中直接光产生电子.在光屏蔽层225中有多个开口，从而允 许光子穿过硅表面并在光电二极管105中产生电子.该光电二极管105
被轻掺杂p型垂直溢漏215与衬底210分隔开.利用p+钉扎层(pinning layer)230将光电二极管105的表面电势保持为OV,该p+钉扎层还作 为光电二极管105与垂直CCD沟道200之间的分隔器.
光电二极管105的电荷容量是由施加到衬底210上的电压来控制 的.如困6a-6d所示，衬底210上的控制电压影响光电二极管105和村 底210之间的势能能陣.在困6a中，在将表面电势保持为OV的表面 钉扎层230中有多个空穴310(正电荷栽体).硅中的掺杂级将随着深 度而变化，从而在光电二极管105中形成势能阱，光产生的电子300 可以收集在这里.图6a示出的情况中的村底210电压为14V,该电压 设定光电二极管105的电荷容量为20000电子或更少.图6b示出当光 电二极管中充满电荷时所发生的情况，超出的电子将在垂直溢漏215 上溢出并被衬底210收集.如图6c所示，光电二极管的电荷容量可以 利用村底电压来调节，其中村底电压被降低为9V，从而将光电二极管 容量增加到40000电子.图6d示出怎样将衬底电压增加的足够高，从 而完全去除垂直溢漏阻挡层和将光电二极管容量降低为零.这些都是 公知用于实现行间CCD中电子快门的方式.
现在描述控制光电二极管电荷容量的能力怎样导致一个非线性的 光响应.困7中的具有两个斜率的线性曲线C是最容易理解的.调节 光电二极管的电荷容量可以定制光响应曲线.较低亮度级处的光响应 斜率是由图像传感器的量子效率来决定的.高亮度级处的斜率是由光 电二极管电荷容量被重设为20000电子之前和之后的时间比来设定的.
在膝光时间的90%时将光电二极管的电荷容量降低为20000电子 可以产生图7中的光响应曲线C.该光响应曲线的斜率比全部100%咏 光的斜率(图7中的曲线A)的少90%/10%-9倍.曲线B和D示出分 别在95%和85%的曝光时间处将光电二极管的电荷容量降低为20000 电子的情况.图8示出对于困7中的各曲线，光电二极管的电荷容量 与时间的关系.
光响应曲线的斜率变化时的信号电平是由光电二极管电荷容量被 重置的值来设定的.对于困9中的各曲线，部分电子快门是同时完成 的，因此他们在较高亮度级时具有相同的斜率(除了曲线A，其电荷 容量在瀑光期间不会变化).图IO示出对于图9中的各曲线，光电二 极管的电荷容量与时间的关系.
困11示出光响应并不仅局限于图7和9中所示的两种斜率.图11 中光响应变化斜率的位置是由困12中电荷容量阶变的幅度来决定的 (曲线B),例如曲线B中有三次阶变.电荷容量变化的时序决定了 光响应曲线的斜芈.
如果进一步增加电荷容量变化，则可能获得如困13中所示的、与 曲线A对比的具有连续的光响应变化的曲线B,在曲线A中电荷容量 在膝光期间一直是恒定的.图14中的电荷容量变化可能在膝光时间期 间内发生很多次或连续的发生，从而可以产生一个平滑的非线性光响 应曲线.
困13的非线性光响应曲线看起来有些像用于显示困像的伽马校 正.但是它在还是减弱了太多处于低亮度级的信号，并仅使高亮度灵 敏度提高了 2.5倍(2.5X).该方案不会使用困14中的电荷容量直线线性 倾斜.
图15中改进的光响应曲线C所具有的动态范围是曲线A的4倍. 这是通过修改困16中的电荷容重曲线B的线性直线倾斜而获得的.曲 线C开始在咏光时间的前面部分更快地增加电荷容量.这样就改善了 低亮度级光响应.然后在近似于咏光时间的中间时，电荷容量增加地 更为緩慢，直到在最后5%的膝光时间内快速地增加到40000电子.这 样就扩展了高亮度灵敏度.为了调节光响应的低或高亮度灵敏度，可 以在曲线C上移动两个节点，其移动方向由箭头E和F表示.
根据下列的约束条件，可以生成任何光响应曲线
* 第一导数为正；
* 笫二导数小于或等于零；
* 光响应小于当电荷容量保持为恒定时的情况.
与图17所示曲线C中不断改变电荷容量不同，应当如困17的曲 线B中所示，电荷容量呈脉冲形式.这些脉冲幅度的包络线形成曲线 C.对电荷容量的脉冲调制在某些数字照相机设计中具有优点，这是因 为改变行间CCD的电荷容童所需的村底电压需要升到高于15V.高于 15V的电压通常是比较难产生的.因此需要在15V或更低的电源基础 上使用电荷泵电路来获得更高的电压，最简单的电荷泵电路只能产生 持续非常短时间的较高电压.因此需要使用困17中所示的脉冲电荷容 量技术.现在应当考虑光响应均匀性的缺点.至此已经表明如果光电二极 管的电荷容量在困像艰光期间被连续地改变，则该光电二极管将具有
非线性光响应.图18示出两个相邻像素的光响应曲线.在这种情况下， 如困16所示，电荷容重在整个瀑光期间都在连续地变化.这两个相邻 的像素具有细微不同的光响应.但是，光响应曲线的差别仅是一个恒 定的乘数項.困19示出像素1的光响应除以像素2的光响应的比率. 该比率在所有的亮度级上基本都是恒定的.这意味着由于溢漏变化导 致困像中所有像素的光响应非均匀性可以通过为每个像素存储一个数 字而得以校正.这个数字是一个增益校正项.该增益校正对所有的亮 度级和所有的舉光时间来说都是恒定的.这极大地简化了数字照相机 中的困像处理，
使用连续可变化的电荷容量来实现单项光响应非均匀性的校正在 任何设计扩展动态范围的现有技术中都没有教导.
上面已经在行间CCD困像传感器的环境下描述了本发明.当行间 CCD在视频模式下工作时，在光电二极管中收集困像，同时前一图像 将被从垂直CCD中读出.垂直CCD中出现的电荷信息包将影响与该 电荷信息包相邻的光电二极管的电荷容量.电荷容量的调整然后会改 变通过改变光电二极管的电荷容量而产生的光响应曲线.对这个问题 的解决方法是在光电二极管中不再开始下一困像的积累，直到前一闺 像已经被读出垂直CCD为止.
困像传感器涉及领域的技术人员应该能够直接认识到，本发明还 可应用于具有可控水平或垂直溢漏电荷容量控制结构的全帧CCD类型 的困像传感器.而且，很明显使用光电二极管或光电容器的CMOS类 型成像器也可以使用垂直或水平溢漏电荷容量控制结构来实现本发 明.虽然存在很多种困像传感器，但是他们都包含具有电荷容量控制 结构的光产生电荷收集部位的基本结构.
图20示出数字照相机610，其使用了在具有固定困形噪声校正的 扩展动态范围模式下搮作的图像传感器600.该数字照相机中存储了增 益校正项.当将这些增益校正项应用于像素以降低固定困形噪声后， 执行进一步的图像处理.如果照相机中的困像传感器具有滤色镜阵列， 例如Bayer滤色镜，則通常需要对线性数据进行滤色处理.可以使用 内部的查找表将非线性光响应转换为线性光响应曲线.该查找表可以
在照相机中产生和存储，从而与非线性光响应曲线匹配.该数字照相
机还可选摔性地使用配属或可拆卸的闪光照明单元620.
照相机还可以将困像传感器的舉光与闪光灯照明光源620同步. 这种闪光灯只有很短的照明时间.为了利用闪光灯获得非线性光响应 曲线，在闪光灯发光的时间段，会改变电荷容量.
在数字照相机的情况下，快门用于在困像传感器读出困像的同时 阻挡光照到困像传感器上.如果需要闪光灯照明，则该快门还应当与 外部闪光灯同步.
部件列表
100图像传感器
105光电二极管
IIOCCD移位寄存器
115水平CCD
120电荷传感节点
125传输区域
200垂直CCD n型沟道
205 p阱
210n型硅衬底
215p型垂直溢漏
220多晶硅槺
225光屏蔽
230钉扎层
300光产生的电子
310空穴(正电荷栽流子)
600困像传感器
610数字照相机
620照明单元
线线线线头头
A B c D E F
权利要求
1.一种用于校正与图像传感器相关的固定图形噪声的方法，所述图像传感器具有两个或者更多像素以及用于在积累时间期间改变所述两个或者更多像素的电荷容量的电荷控制结构，包括在积累时间开始时将每个像素的电荷容量基本上设置为零；在整个所述积累时间改变每个像素的电荷容量，使得该像素光响应曲线基本上没有基本线性部分；和将每个像素与为该像素确定的恒定的值相乘来补偿电荷容量变化，使得所有像素光响应曲线都基本相等.
2. 如权利要求l所述的方法，还包括将光响应曲线转换为线性空间。
3. 如权利要求l所述的方法，还包括给电荷容量加以脉冲，从而 基本上再现光响应曲线.
4. 如权利要求l所述的方法，还包括存储所述恒定的值.
全文摘要
一种图像传感器，包括多个像素，其中至少两个或更多像素具有用于在积累时间期间改变电荷容量的电荷控制结构；其中在基本上曝光时间开始时通过电荷控制结构或读出机构将电荷容量变为基本为零，在曝光时间期间通过电荷控制结构改变电荷容量，从而使得该像素光响应曲线基本上没有线性部分。
文档编号H01L27/148GK101370082SQ20081014972
公开日2009年2月18日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年3月25日
发明者C·帕克斯 申请人:伊斯曼柯达公司