[发明专利]具有高速数字帧转移及帧处理的成像器

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及半导体成像装置且更明确地说涉及具有高速数字帧转移的成像器。 

背景技术

必须控制图像检测器(例如图像传感器)的曝光以防止引起剪切的曝光过度及导致过多噪声的曝光不足。通常通过在关闭时阻断光且在打开时允许光穿过的快门来实现曝光控制。可使用光圈控制及中性密度滤色片来减小光密度并允许图像检测器逐渐地增加其曝光。然而，实际上，所有相机均实施了快门。 

在胶片相机中，快门是机械机构。快门的复杂性可介于从在黑板中打孔的简单弹簧加载针孔到复杂多叶片单镜头反射式(SLR)结构的范围。这些快门不够快速或不够可靠来以高帧速率操作。因此，电子摄像机通常利用电子快门而不利用机械快门。 

若干不同的电子快门已实施于CCD及CMOS图像传感器中。CCD图像传感器通常使用“全局”快门，这意味着图像传感器中的所有像素同时均被暴露于图像。最常见的CCD快门技术是帧转移(FT)、行间转移(IT)及称为帧行间转移(FIT)的两种技术的混合。 

图1中图解说明基本全帧(FF)CCD图像传感器10。基本全帧CCD图像传感器10不具有快门机构。光电荷在垂直寄存器12内的光电传感器(通常为光电二极管)中积累。所述光电荷在作为图像输出从传感器14中计时输出之前被转移到水平寄存器14。由于此过程以缓慢的速率(约200nsec/像素或50微秒/行)操作，因此电荷在垂直寄存器12中的积累导致所述输出图像中显现垂直条纹。此项技术中已知所述条纹且通常将其称为“拖尾”。 

图2中图解说明帧转移CCD图像传感器30。此传感器30包含：图像区32，其包括用于捕获图像的垂直寄存器12；及存储区34，其也包括用于存储图像区32中所捕获的图像的垂直寄存器36。存储区34的使用经设计以减少拖尾。光电荷从图像区32被快速地转移到存储区34且接着以正常速率从存储区34被读出。可大致减少拖尾，但无法全部消除拖尾。另外，此类型的图像传感器30较昂贵，因为传感器30的面积是大致加倍的。此外，图像还可能在存储时因暗电流而被损坏。暗电流是即使不存在光且应不存在信号也产生电流作为光电二极管/光电传感器信号的现象。 

图3中图解说明行间转移CCD图像传感器50。此传感器50将光电荷收集在与垂 直寄存器52分离的光电二极管56中。用金属58掩蔽垂直寄存器52以防止电荷积累且减少拖尾。可快速地实现电荷从光电二极管56到垂直寄存器52的转移。然而，完全地掩蔽垂直寄存器52结构不受光的影响较繁琐且极其困难(如果不是不可能)。因此，一些拖尾仍保留在所输出的图像中。 

图4图解说明帧行间转移(FIT)CCD图像传感器70，其实质上是帧与行间转移图像传感器30(图2)、50(图3)的组合。也就是说，FIT CCD图像传感器70包含图像区72及存储区74，与帧转移图像传感器30(图2)相似。存储区74包含垂直寄存器76，所述垂直寄存器向如以上所描述的水平寄存器14输出。类似于行间转移CCD图像传感器50(图3)，FIT CCD图像传感器70的图像区72使用与垂直寄存器52分离的光电二极管56。另外，用金属78掩蔽图像区72的垂直寄存器52及存储区74的垂直寄存器76以防止电荷积累并减少拖尾。然而，如可了解，帧行间转移CCD图像传感器70相对昂贵且通常仅用于商业广播相机中。 

当前，存在使用CMOS图像传感器作为低成本成像装置的倾向。CMOS图像传感器包含焦平面像素阵列，所述像素中的每一像素均包含光电传感器，例如光电门、光电导体或用于积累光生电荷的光电二极管。每一像素均具有电荷存储区域，所述电荷存储区域连接到作为读出电路的一部分的输出晶体管的栅极。所述电荷存储区域可构造为浮动扩散区域。在一些图像传感器电路中，每一像素均可包含用于将电荷从光电传感器转移到存储区域的至少一个电子装置(例如晶体管)及用于将存储区域重置到预定电荷电平的一个装置(通常也为晶体管)。 

在CMOS图像传感器中，像素的有源元件执行如下功能：(1)光子到电荷转换；(2)积累图像电荷；(3)将光电传感器及存储区域重置到已知状态；(4)将电荷转移到存储区域；(5)选择像素以供读出；(6)输出并缓冲表示像素电荷的信号。光电荷可在其从初始电荷积累区域移动到存储区域时被放大。存储区域处的电荷通常由源极随耦器输出晶体管转换成像素输出电压。