傳感器上的多圖像存儲的制作方法

專利名稱：：傳感器上的多圖像存儲的制作方法
技術領域：
：本發明通常涉及CMOS圖像傳感器的領域，尤其涉及分別在兩個或更多個浮動擴散中捕獲圖像序列的這種傳感器。
背景技術：
：固態圖像傳感器現在廣泛用于許多類型的圖像捕獲應用中。所采用的兩種主要的圖像傳感器技術為電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件。這兩者基本上都是光電探測器組或陣列，該光電探測器將入射光轉換為可被讀出并用于構造與該入射光圖案(pattern)相關的圖像的電信號。光電探測器陣列的曝光或積分時間可由公知機構控制，所述公知機構諸如機械快門或電子快門。電信號代表入射到圖像傳感器上的光電探測器陣列中的各個光電探測器上的光的量。諸如積分由入射光子產生的電荷的CCD的圖像傳感器器件具有受可收集并保持在給定光電探測器中的最大電荷量限制的動態范圍。例如，對于任何給定CCD,可在各個光電探測器中被收集并被探測的最大電荷量與光電探測器區域成比例。因此，對于用于兆象素數字靜態照相機(DSC)的商業器件，在給定光電探測器中可收集和保持的最大電荷量(Vsat)通常大約為5,000到20，000個電子。如果入射光很亮且產生比能保持在光電探測器中更多的電子，該光電探測器飽和且過量的電子由光電探測器中的抗光暈(anti-blooming)機構提取。因此，最大可檢測信號電平被限制為光電探測器的Vsat。圖像傳感器的另一重要度量是動態范圍(DR),其定義為DR=Vsat/SNL其中SNL是傳感器噪聲電平。由于限制Vsat的光電探測器區域的物理限制，在CCD中完成了許多工作以將SNL降低到很低的水平。通常，商業兆象素DSC器件具有1000:1或更小的動態范圍。CCD圖像傳感器是本領域公知的并且因此不在本文中描述。可以在1993年12月4受予Sunnyvale,Calif.的Elabd并轉讓給LoralFairchildCorporation,Syosset，N.Y.的、標題為"ImageSensorwithExposureControl,SelectableInterlaced,PseudoInterlacedorNon—InterlacedReadoutandVideoCompression"的美國專利5，272，535中發現示例性公開。與CCD圖像傳感器不同，CMOS圖像傳感器可在相同芯片上集成其他照相機功能，最終導致具有很小尺寸、低功耗和附加功能性的單芯片數字照相機。與CMOS圖像傳感器的高幀速能力結合的圖像捕獲和處理的集成使得能夠有效實現許多靜態成像和視頻成像應用。然而缺點是與CCD相比，由于CMOS圖像傳感器的高讀出噪聲和不均勻性，它們一般包括較低的DR和較高的SNL。對于CMOS器件存在與CCD上相同的對DR的限制。Vs"受可在光電探測器中保持和隔離的電荷量的限制且失去過量電荷。與CCD相比這對于CMOS更成問題，因為附加電路進一步限制可用于光電探測器的區域，該附加電路的形式是與光電探測器相關聯的諸如模數轉換器、定時電路和其他諸如"片上系統，，的習用電路的有源部件。CMOS器件還使用低壓電源，其增加了熱產生噪聲的影響。此外，CCD上不存在的CMOS器件上的有源部件在CMOS器件上提供比CCD高得多的固有噪聲電平。這是由于更高的時間噪聲以及可能來自片上模數轉換器的量化噪聲。多曝光是用于減少噪聲影響的公知照相技術。在最先進的膠片攝像機中，可以借助機械裝置防止膠片前進以將單個膠片幀連續曝光幾次。除了能產生特殊效果，該多曝光選項使得攝影師能解決光照并非最佳時所面臨的許多困難。然而，由于傳感器上的噪聲累積，通過重復曝光傳感器利用數字照相機產生多曝光照片是有問題的。相反，為了利用數字照相機產生多曝光圖像，期望攝影師曝光圖像序列然后采用諸如由像處理軟件提供的簡單求和方法將它們組合，該圖像處理軟件例如可從SanJose，USA的AdobeSystemIncorporated獲得的Photoshop。該組合技術的例子提供在下列因特網網站的文章中http://www,dpreview.com/learn/Image—Techniques/Double—Exposures__01.htm。這一方法的限制在于該圖像處理通常在再現的圖像上完成，該圖像已經過顏色校正和壓縮，當將這些圖像加到一起時可產生偽像(artifact)。該多曝光技術的更復雜用途是當圖像被組合以增加景深時。在該情況下，攝影師希望保持光圏在最小尺寸以提供大景深但閃光設備不能強大到用小光圈提供正確曝光。在該情況下可以增加曝光時間并安排閃光燈發光若干次。然而，增加的曝光時間和閃光燈在發光之間再充電所需時間的組合增加了熱生成噪聲在圖像傳感器上累積的時間，從而導致有噪圖像。其中關鍵的是以線性方式加光的另一個例子是當同時從室內和室外照亮場景時，例如當圖像中存在窗戶時。在該情況下，通常通過重復曝光單個幀來拍攝若干圖像窗戶開、窗戶關以及有和沒有閃光。在模擬情況下，所有圖像因此被線性相加到單個多重曝光幀上。然而，在數字情況下，由于上述原因，在這些不同照亮的圖像被數字捕獲和再現后，利用圖像處理軟件將它們組合不能以線性方式完成。同樣的，如上所述，由于噪聲考慮也不可能在傳感器上將圖像直接相加。也已經提出了圖像組合以減輕數字照相機圖像傳感器的受限的動態范圍的問題。在高對比度場景中，對于在CCD或CMOS器件上捕獲的圖像，照相機傳感器的動態范圍通常不足以為圖像的暗部分和亮部分吼時提供細節。在Anderson的美國專利6,177,958中，在檢測到高對比度場景后，該圖像以不同的曝光被捕獲兩次。亮的圖像和暗的圖像然后被組合以增加數字圖像中的動態范圍。描述了用于組合這兩個圖像的若干方法。這些方法包括(1)確定偏移以實現空間對準并且逐個像素地對準圖像(2)確定這兩個圖像的公共區域并調整曝光重疊區域使得公共區域的亮度相等，(3)從暗的圖像中選擇像素，其中該像素低于曝光重疊區域的最暗區域，或(4)從亮的圖像中選擇像素，其中該像素高于曝光重疊區域的最亮區域。在所有情況下，假設被組合的圖像實質上為相同場景的圖像，非線性地組合亮和暗圖像。類似解決方案在授予Dierickx等的美國專利6，011，251、授予Ginosar等的美國專利5,247,366、授予Hilsenrath等的美國專利5，144，442以及授予Alston等的美國專利4,647，975中給出。其他解決方案在Crawford等的世界知識產權組織0113171、Inagaki等的歐洲專利0982983以及Yoneyanm等的歐洲專利0910209中可以找到。這些專利公開了增加圖像動態范圍的各種方法，所述增加通過以加強圖像的最暗和最亮分量的方法組合通常以顯著不同的曝光拍攝的場景的圖像來實現。上述文檔在此引用以供參考。CMOS傳感器非常適合于多圖像捕獲，因為CMOS傳感器可以非常快的幀速率操作。最近開發的CMOS圖像傳感器被非破壞性地以類似于數字存儲器的方式讀出，從而可以非常高的幀速率操作。最近報道了若干高速CMOS有源像素傳感器。在"AHighSpeed,500Frames/s，1024x1024CMOSActivePixelSensor"中，Krymski等描述了一種1024x1024CMOS圖像傳感器，其實現了每秒500幀。Stevanovic等在"ACMOSImageSensorforHighSpeedImaging"中描述了一種實現每秒1000幀的256x256傳感器。在"A10，000Frames/s0.18口mCMOSDigitalPixelSensorwithPixel-LevelMemory"中,Kleinfelder等描述了實現每秒10，000幀的352x288CMOS數字像素傳感器。所需要的是以非常快的幀速率捕獲圖像而不增加SNL的方法，其中可以以實現圖像處理以達到所希望效果的方式訪問圖像。在美國專利公開2003/0103158中，Barkan描述了一種組合了圖像捕獲設備的多圖像捕獲方法，該圖像捕獲設備包括用于捕獲原始圖像數據的傳感器、用于存儲所述捕獲的原始圖像數據的圖像緩沖器、用于將所述捕獲的數據處理為可顯示圖像文件的圖像處理器以及用于存儲所述圖像文件的存儲器，該設備還包含與所述圖像緩沖器關聯的圖像組合器，用于執行所述原始圖像數據的不同捕獲之間的線性組合，從其形成多曝光圖像。由Barkan公開的解決方案是將原始圖像保持在圖像緩沖器中并隨后由線性圖像組合器逐像素地將如由圖像傳感器捕獲的附加圖像加到圖像緩沖器中的原始圖像。當實現了希望的多曝光圖像時，圖像將從圖像緩沖器轉移到緩沖存儲器的另一部分，或被再現成可視圖像并存儲在主存儲器中。在美國專利7,009,636中，Liu公開了圖像傳感器上的多圖像曝光的方法，以改進信噪比(SNR)，改進動態范圍并避免數字圖像中的運動模糊。由Liu公開的方法使得光電探測器上的電信號能夠被估計以確定光電探測器是否飽和或者是否發生了運動。如果光電探測器未飽和或沒有發生運動，則圖像傳感器可受到附加的曝光。如果光電探測器飽和或探測到運動，則該曝光結束。在美國專利7,O54，(Ml中，Stevenson描述了一種圖像傳感器，哉有在讀出電容器電極下的第二耗盡區，其使得來自光電探測器的電信號能夠被多次讀取而不影響存儲的電信號。在美國專利5，867,215中，Kaplan公開了一種圖像傳感器，其中每光電探測器具有多個存儲井。該多個存儲井被連接使得由光電探測器生成的電信號順序填充該多個存儲井，從而增加各個光電探測器的Vsat并增加圖像傳感器的動態范圍。因此，存在對于圖像傳感器的需要，該圖像傳感器可以非常快的幀速率操作以捕獲多個順序圖像，使得這些圖像可以被組合以改進諸如動態范圍、圖像穩定性和低光照條件下的成像的圖像特性。
發明內容本發明旨在克服上面提出的一個或多個問題。簡而概之，根據本發明的一個方面，本發明在于一種包含多個像素的圖像傳感器，每個像素包含a)通過為每個曝光積聚光子感應電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區域；b)至少兩個電荷存儲區域，每個電荷存儲區域分別與曝光序列的一個曝光關聯，為每個曝光積聚的電荷被順序轉移到該電荷存儲區域中；以及c)與至少其中一個電荷存儲區域關聯的至少一個放大器。根據審閱優選實施例的下列詳細描述和所附權利要求書并參考附圖，可以更清晰地理解和意識到本發明的這些以及其他方面、目的、特4正和伊C點。本發明的優點本發明的優點包括數字圖像穩定性、增加的靈敏度、運動模糊的消除、擴展的動態范圍和自動聚焦。圖1是本發明的圖像傳感器的頂視圖；圖2是圖1的典型像素的示意圖；圖3是圖2的可選實施例；圖4是圖2的另一可選實施例；圖5是示出普通消費者熟悉的本發明的典型商業實施例的數字照相機；圖6是示出在相同深度的摻雜的圖3的截面圖；以及圖7是示出在不同深度的摻雜的圖3的截面圖。具體實施例方式在詳細討論本發明之前，有益的是注意本發明優選用于但不限于CMOS有源像素傳感器。有源像素傳感器指的是像素內的有源電氣元件，更具體的是放大器。CMOS指的是互補金屬氧化硅型電氣部件，諸如與像素關聯但通常不在像素中的晶體管，當晶體管的源/漏為一種摻雜劑類型而其成對的晶體管為相反摻雜劑類型時形成所述晶體管。CMOS器件包括的優點是它們消耗更少的能量功率。參考圖1,示出了具有以二維陣列排列的多個像素20的本發明的圖像傳感器10。正如本領域技術人員顯而易見的，盡管二維陣列被示出為優選實施例，但本發明不限于二維陣列，也可以使用一維陣列。參考圖2,示出了本發明的代表性像素20。像素20包括光敏區30，優選為光電二極管或釘扎光電二極管，用于響應于入射光收集電荷。優選地，兩個浮動擴散40每一個都通過傳輸門50電連接到光電二極管30,用于從光敏區30接收電荷。本發明中，光敏區30捕獲圖像序列并順序且分別地將圖像傳輸到每個浮動擴散40,浮動擴散40將電荷轉換為電壓。兩個復位晶體管60分別連接到每個浮動擴散40,用于在將電荷從光敏區30轉移到浮動擴散40之前將浮動擴散40的信號電平復位到預定電平。任選地，共享晶體管65連接到每個浮動擴散40,用于通過組合浮動擴散40的電荷電容來產生增加的電容。為了完整性，注意傳輸門50優選連接到CMOS晶體管66,用于在與像素陣列20相同的硅芯片上或與像素陣列20不同的硅芯片上形成控制電路。CMOS晶體管66與上文描述的相同。于放大在輸出總線80上輸出以供進一步處理的電壓(單位增益或更大)。分別調整兩個行選擇晶體管90以選擇特定放大器輸出70,該行選擇晶體管連接到該放大器輸出以用于讀出。在本發明的操作中，與該浮動擴散(FD1)40關聯的傳輸門(TG1)5(M皮施加脈沖(pulsed)以允許電荷/人光電二才及管30流動到浮動擴散40;通過給它的復位晶體管(RG1)60的復位門施加脈沖來復位浮動擴散(FD1)40,從而有效地復位光敏區30。傳輸門(TG1)50被截止且允許光敏區30積聚一段時間的光子感應電荷，該段時間對應于所希望的曝光時間。在該時間的末端，傳輸門(TG1)50被再次施加脈沖以將所積聚的電荷轉移到浮動擴散(FD1)40。隨后采用另一個浮動擴散(FD2)40和傳輸門(TG2)50重復該過程。在來自第二曝光的積聚電荷已經被轉移到第二浮動擴散(FD2)40以后，兩個曝光的序列已經被捕獲在兩個浮動擴散40中且可通過以容易為本領域技術人員所認識的傳統方式利用兩個放大器70和行選擇晶體管90如圖2所示順序地讀出，或同時讀出，如本領域技術人員顯而易見的。參考圖3,在可選實施例中，擴散100提供串聯連接到光電二極管30和浮動擴散40的電荷存儲區。通過合適地調整門110和120將電荷依次從光電二極管30轉移到電荷存儲區100,然后轉移到浮動擴散40。':擴散4o上6:電壓并將結果的電壓電平:送到輸出總線8°:。復s晶:管60將浮動擴散復位到預定電平，且行選擇晶體管90選擇特定行用于讀出。參考圖4,示出了另一可選實施例。在該實施例中，存在多個電荷存儲區110。該電路的其余部分如圖3。參考圖5,示出了其中具有本發明的圖像傳感器10的數字照相機160,用于說明普通消費者熟悉的商業實施例。參考圖6(對應于圖3),本領域技術人員認識到電荷存儲區域100可位于與光電二極管30相同的平面中，其中它們位于基本上相同的深度，或者可替代地，參考圖7,電荷存儲區域100可位于與光電二極管30不同的平面中，其中它們位于基本上不同的深度。對于光電二極管30位于與電荷存儲區域100相同平面的情況，必須減少光電二極管30的區域以提供用于電荷存儲區域100的區域。在借助垂直(如果需要可為水平)金屬導體130連接的堆疊布置中，通過將電荷存儲區域100定位在與光電二極管30不同的平面中，可以使光電二極管30的區域更大從而允許光電二極管30聚集更多的光，從而增加靈敏度。在圖7中，注意到需要擴散140以將電荷引導到導體130并最終到達存儲區100。還注意到放大器70和其他相關聯的電路位于相同層或不同層中(如圖7所示)。在優選實施例中，光電二極管30位于一個平面上，電荷存儲區域100和諸如模數轉換器的關聯電路(未示出)每個位于堆疊布置中的不同平面上。注意到本領域技術人員可以認識到上面討論的結構可以被設置在與圖7所示不同的硅襯底中，或者該結構可被布置在單個硅襯底中的不同深度處。部分列表10圖像傳感器20像素30光敏區域(光電二極管或釘扎光電二極管)40浮動擴散50傳輸門60復位晶體管65共享晶體管66CMOS晶體管70放大器80輸出總線90行選擇晶體管100電荷存儲區110傳輸門120傳輸門130金屬導體140擴散160數字照相;f幾權利要求1.一種圖像傳感器，包含多個像素，每個像素包含a)通過為每個曝光積聚光子感應電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區域；b)至少兩個電荷存儲區域，每個電荷存儲區域分別與曝光序列的一個曝光關聯，為每個曝光積聚的電荷被順序轉移到電荷存儲區域中，以及c)與至少其中一個電荷存儲區域關聯的至少一個放大器。2.根據權利要求1的圖像傳感器，其中每個曝光代表不同的圖像。3.根據權利要求1的圖像傳感器，其中電荷存儲區域為浮動擴散。4.根據權利要求3的圖像傳感器，其中至少兩個不同浮動擴散具有不同電荷容量。5.根據權利要求1的圖像傳感器，其中該電荷存儲區域被布置在與光敏區域基本上相同的深度。6.根據權利要求1的圖像傳感器，其中至少一個電荷存儲區域被布置在與光敏區域不同的深度。7.根據權利要求1的圖像傳感器，其中連接至少兩個電荷存儲區域以允許所積聚的電荷在其間被轉移。8.—種照相才幾，包含圖像傳感器，包含多個像素，每個像素包含a)通過為每個曝光積聚光子感應電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區域；b)至少兩個電荷存儲區域，每個電荷存儲區域分別與曝光序列的一個曝光關聯，為每個曝光積聚的電荷被順序轉移到該電荷存儲區域中，以及c)與至少其中一個電荷存儲區域關聯的至少一個放大器。9.根據權利要求8的照相機，其中每個曝光代表不同圖像。10.根據權利要求8的照相機，其中電荷存儲區域為浮動擴散。11.根據權利要求10的照相機，其中至少兩個不同浮動擴散具有不同電荷容量。12.根據權利要求8的照相機，敏區域基本上相同的深度。13.根據權利要求8的照相機，在與光敏區域不同的深度。14.根據權利要求8的照相機,允許所積聚的電荷在其間被轉移。其中該電荷存儲區域被布置在與光其中至少一個電荷存儲區域被布置其中連接至少兩個電荷存儲區域以全文摘要一種圖像傳感器包括多個像素，每個像素具有通過為每個曝光積聚光子感應電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區域；至少兩個電荷存儲區域，每個電荷存儲區域分別與曝光序列的一個曝光關聯，為每個曝光積聚的電荷被順序轉移到該電荷存儲區域，以及與至少一個電荷存儲區域關聯的至少一個放大器。文檔編號H04N3/15GK101536485SQ200780041437公開日2009年9月16日申請日期2007年11月6日優先權日2006年11月7日發明者J·F·小哈米爾頓,J·N·博爾德,J·T·坎普頓申請人:伊斯曼柯達公司