[发明专利]CMOS图像传感器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图像传感器系统，并且具体地涉及实现伴随全局快门的全帧数字相关双采样的有源像素CMOS图像传感器。

背景技术

数字图像捕获设备使用图像传感器将入射光能量转换成电信号。区域图像传感器包括被称为像素的光传感元件的二维阵列。阵列中的每个像素都与透镜系统一起工作以对场景的局部区域内的入射光做出响应，并产生描述该场景的局部特征的电信号。来自光传感元件的输出被转换成数字形式，并被数字地存储，以形成表示该场景的原始数据。原始数据可以通过图像处理器处理来产生呈现的数字图像。

图像传感器的设计包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和数字像素系统(DPS)传感器。CCD图像传感器在现代设计中不是优选的，部分因为CCD典型地消耗较高水平的功率，并且要求相对复杂的模拟前端电路。CMOS图像传感器消耗较低水平的功率，并且包括提供数字输出像素值的内置模拟到数字转换器。DPS图像传感器使用CMOS工艺制造，其中电路设计提供对每个像素的曝光的单独控制。因此，DPS传感器可以被设计成提供高水平的动态范围性能。另外，CMOS图像传感器在像素阵列的外部进行模拟到数字转换，典型地使用基于列的模拟到数字转换。另一方面，DPS图像传感器实现像素级别的模拟到数字转换，其中，对每个像素或像素阵列中的一组像素提供模拟到数字转换器，从而在每个像素处产生数字输出像素值。

有源像素CMOS图像传感器被设计成包括在每个像素处的控制晶体管，用于控制光电检测器中的光子积分，控制重置以及为像素提供转换增益。有源像素CMOS图像传感器可以支持滚动快门或者全局快门模式或者这两者。在滚动快门模式下，每一行像素都在比紧接在前面行的像素更晚的时间开始暴露于光或光积分。因此，当场景中的物体正在移动时，滚动快门造成几何 失真。另一方面，在全局快门模式下，整个图像传感器中的所有像素同时开始和停止曝光或光积分，因此可以避免由于场景中的运动而引起的几何失真问题。

相关双采样(CDS)是一种使用每个像素的重置值以及附加重置的光相关值来消除图像传感器的像素响应中的噪声和非均匀性的方法。在下面的说明中，使用术语“光相关像素值”指代像素的“附加重置的光相关值”。使用CDS使得图像传感器能够获得更好的信号噪声比性能。为了执行CDS，重置像素，并测量重置电压值或对应数字值，从而生成第一采样值。然后使像素曝光预定量的时间，像素对入射光中的光子进行积分以产生取决入射光级别的电压值。测量光相关电压值(包括重置电压值)或对应数字值，从而生成第二采样值。在某些情况下，从第二采样值中减去第一采样值以产生像素位置的输出像素值。在其他情况下，可以认为重置值和光相关像素值是在将光电二极管的电压表示作为时间函数的直线上的两个点，其中可以基于沿直线的内插(interpolation)或外插(extrapolation)来计算输出像素值。在每种情况下，目标都是计算输出像素值，其中用重置值表示的像素值变化被消除。可以使用模拟或数字的方法来实现CDS，另外，可以将其设计成基于顺序(例如，逐行)或基于全帧来工作。为了实现全帧数字CDS，需要存储器为整个图像传感器至少存储第一采样值的阵列。

授予D’Luna等人的美国专利5086344描述了一种使用模拟到数字转换器和三个存储元件来执行CCD图像传感器中的数字CDS的电路。该电路设计在本质上是顺序的，特别适应于处理来自CCD图像传感器的像素输出。

授予Sauer的美国专利6,320,616描述了一种CMOS图像传感器中的执行模拟CDS的模拟电路。授予Gowda的美国专利6,115,066描述了针对使用滚动快门的CMOS传感器的数字CDS。在定时和控制逻辑电路的控制下，在像素阵列中逐行地对每个像素的重置电压和光相关电压进行采样。对每列使用模拟到数字转换器(ADC)将重置和光相关电压值转换成数字形式，使得它们数字地相减。