[发明专利]宽动态范围的影像传感器及其使用方法

说明书

本申请要求名为“Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor Circuitand Method of Use”的未决临时专利申请的优先权，该临时申请提交于2006年5月12日，序列号是60/800,129。该临时申请的内容作为参考完全引入本申请。

技术领域

本发明一般涉及成像装置领域。更具体地，本发明涉及具有改良动态范围的成像装置领域。

背景技术

影像传感器已经被广泛地应用于很多领域。影像传感器将接收影像转换为表示接收影像的代表信息。影像传感器的例子包含固态影像传感器，例如电荷耦合装置(CCD)及CMOS成像装置(也称为CMOS影像传感器)等等。

影像传感器是由半导体材料制造并包含光检测的成像阵列，即感光单元(也称为光检测器)，其互连以产生对应于照亮该装置的影像的代表信息(例如模拟信号)。典型成像阵列包含若干光检测器，安置成一图案，例如，包含有列与行的图案。在成像阵列中的每一光检测器接收一部份的自一物体反射并为影像传感器所接收的光。每一部份称为图像单元并典型称为像素。每一像素提供代表为光检测器所检测的亮度及/或色度的输出信息。当考虑光检测器的图案时，自像素输出的信息构成了对应于入射于成像阵列上的影像的代表信息。

例如，成像阵列的每一像素可以提供输出信息，即输出信号，其可以依据光电效应，例如依据电荷的累积，即光电荷的累积，光电效应对应于落在为对应光检测器的实体尺寸所定义的检测面积上的辐射强度。来自每一像素的光电荷被转换为电荷信号，其为代表自该物体个别部份反射并为该影像传感器所接收的亮度及/或色度的电位代表值。所得的电荷信号或电位为视讯/影像处理电路所读取及处理，以建立该影像的信号代表值。

在影像传感器阵列中，很难同时完成宽广动态范围与低噪声。现今倾向于在CMOS四晶体管(4T)技术中进行小像素间距，这造成当像素收缩时的电荷容量的损失。这造成成像器只有56dB或更少的动态范围。此低动态范围劣化了户外影像的质量，因为在感应光二极管中，没有足够的范围，以描述现场的亮与暗区。

传统CMOS影像传感器典型被建构成光检测器的成像阵列，在前一影像被读出后，每一光检测器被重置至似近已知电位。然而，传统CMOS影像传感器的效能有若干问题。例如，在每一曝光后及准备下一影像后，传统CMOS影像传感器会承受在每一像素中的光二极管重置至已知电位的程序有关的噪声。此噪声也称为重置噪声或KTC噪声，经常为使用传统CMOS影像传感器的摄影系统中的噪声的重要来源。重置噪声成比例于KTC的平方根，其中C为在典型主动像素传感器中的感应节点或光二极管/源极跟随器栅极组合的电容值。重置噪声典型为30至40电子一个σ。降低感应节点的电容值可以降低重置噪声，但也造成可以收集的总电荷的对应降低，因此，也不期望地降低摄影系统的整体动态范围。

再者，在影像传感器中的倾向于小像素间距造成了额外的电荷容量损失，进一步降低动态范围。由于有限范围的传感器的光检测器及其描述在单一帧曝光的现场的亮与暗区的能力不足，低动态范围显著地劣化影像质量，特别是户外的影像质量。

在影像传感器中增加动态范围的方法涉及分开取得短曝光及长曝光，每一储存于个别帧缓冲器中的曝光中，短曝光适当以捕捉现场的亮区，及长曝光则适用以捕捉现场的暗区。随后，储存在短曝光帧缓冲器中的影像及储存在长曝光帧缓冲器中的影像可以被整合成单一影像具有改良的动态范围。然而，有关额外帧缓冲器造成的显著增加的成本使得此方法对应于很多应用而言并不实用。

三晶体管(3T)像素可以被建构为大容量(例如15,000至35,000光子或更多)，但25至35电子(转换光子)的更高背景噪声造成了最佳60dB的动态范围。然而，相较于4T像素，在低光状态时，背景噪声愈高及3T像素的暗电流愈大造成显著的效能降低。

在更高成本系统中，例如保全应用所应用者，可以藉由收集多个全帧影像及不同曝光，而组合很高动态范围的影像。这些输出被储存在全帧内存缓冲器中，并可以藉由软件建立很高动态范围影像。然而，所取得的缓冲器内存成本可与影像传感器的成本相比拟，此成本并不容易为例如手机相机的低阶消费者应用所承受。然而，在高阶相机手机中，在整个效能上的显著改良可以藉由相机中的帧缓冲器的使用加以完成。

具有约2.25微米至2.8微米间距的四晶体管(4T)像素努力保有6,000电子容量，同时，维持约10电子的背景噪声。相较于3T技术，此低噪声背景噪声及缺乏显著暗信号噪声造就低光效能时的三至四倍改良。然而，完整动态范围保持在56dB，及对于较大像素相机而言，户外影像是较差的。