專利名稱：具有非常高的動態(tài)范圍的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器，并且更具體地，涉及意在既在非常低的亮度水平又在非常高的亮度水平采集圖像的傳感器。
背景技術(shù)：
大多數(shù)固態(tài)電子傳感器對于平均亮度水平操作良好。通過大大増大累積持續(xù)時間，它們也能夠在低亮度水平操作，損害了提供圖像的速率。此外，増大累積持續(xù)時間可能與應(yīng)用不兼容。例如，監(jiān)視相機典型地必須每秒鐘提供30個圖像，從而限制了累積持續(xù)時間。當(dāng)亮度水平増大，但傳感器飽和的某ー亮度除外時，這些傳感器也能夠操作。某些傳感器已經(jīng)特別設(shè)計為在低亮度水平操作。但是當(dāng)場景的ー些點較亮?xí)r，甚至對于平均亮度，它們也非常迅速地飽和。這些傳感器中包括電子倍增傳感器。其它傳感器已經(jīng)設(shè)計為利用復(fù)雜的系統(tǒng)在高亮度水平操作，該復(fù)雜的系統(tǒng)使得建立光相關(guān)對數(shù)(或至少具有兩個斜率)響應(yīng)曲線成為可能。這些傳感器不能在低亮度水平良好地操作。存在對具有非常高的向上和向下動態(tài)范圍的傳感器的需求，即甚至在同一具有大的對比的圖像中，傳感器既能夠在非常高的亮度水平，又能夠在非常低的亮度水平操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出ー種具有有源像素的傳感器，每個像素包括至少ー個光電ニ極管、電荷存儲節(jié)點、電子倍増放大結(jié)構(gòu)、用于將電子從所述光電ニ極管轉(zhuǎn)移至所述放大結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、用于在倍増之后將電子從所述放大結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至所述存儲節(jié)點的構(gòu)件、用于在電子至所述存儲節(jié)點中的轉(zhuǎn)移之前重新初始化所述存儲節(jié)點的電位的晶體管，所述傳感器還包括讀取電路，用于在重新初始化之后和在電子轉(zhuǎn)移到所述存儲節(jié)點中之后，對所述電荷存儲節(jié)點的電位進行采樣，并且用于提供對應(yīng)的照明測量，所述傳感器還包括用于在圖像幀的過程中在第一持續(xù)時間(Til)之后實施電荷從所述光電ニ極管至所述倍增結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)移并用于然后在電荷至所述存儲節(jié)點中的第一轉(zhuǎn)移之前給予所述放大結(jié)構(gòu)第一電子倍増因子(kl)的構(gòu)件；用于在相同圖像幀的過程中在第二持續(xù)時間(Ti2)之后實施電荷從所述光電ニ極管至所述倍增結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)移并用于然后在電荷從所述倍增結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的第二轉(zhuǎn)移之前給予所述結(jié)構(gòu)不同于所述第一電子倍増因子的第二電子倍増因子(k2)的構(gòu)件；以及用于基于像素的照明，逐個像素選擇對應(yīng)于所述第一因子或所述第二因子的照明測量的構(gòu)件實踐中，基于電子至所述存儲節(jié)點中的轉(zhuǎn)移之后所述存儲節(jié)點的電位電平。換句話說，通過對每個圖像幀實施對應(yīng)于兩個累積時間并對應(yīng)于兩個不同倍増因子的連續(xù)電荷轉(zhuǎn)移，傳感器觀察圖像場景。如果以兩個倍增因子之一關(guān)于像素測得的電子量在信號電平中達到頂點，這表示另一因子將更合適，則對此像素廢棄此測量并且保留以另ー因子執(zhí)行的測量。
利用以較高倍増因子進行的測量進行測試是可能的；如果測得的電子量太高(指示像素的可能的飽和)，則廢棄此測量并且使用以較小倍増因子進行的測量。但是通過觀察用于較低倍増因子的電位電平進行也是可能的；如果測得的電子量太低，則廢棄此測量，因為其不顯著并且使用以較高因子進行的測量。較小倍増因子大于或等于1，即其能夠?qū)?yīng)于倍增的存在或準(zhǔn)存在，但是電子仍然通過放大結(jié)構(gòu)。較高因子能夠在從2至100的范圍，或在某些情況下甚至更高。以較小倍増因子進行的照明測量的數(shù)值被乘以兩個因子的比率，使得以兩個因子進行的測量參照相同比例。優(yōu)選地，不僅倍増因子不同，而且此外，用于兩個測量的累積時間也不同。再次優(yōu)選地，以較短累積時間進行以較低倍増因子執(zhí)行的測量，并且以較長累積時間執(zhí)行以 較高倍増因子執(zhí)行的測量。從以較短時間進行的照明測量得到的數(shù)值被乘以較長累積時間與較短累積時間的比率。傳感器優(yōu)選地包括-用于在電荷從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的所述第一轉(zhuǎn)移之前執(zhí)行所述存儲節(jié)點的電位的重新初始化，并用于在此第一轉(zhuǎn)移之后對所述存儲節(jié)點的電位執(zhí)行采樣的構(gòu)件；-用于在電荷從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的所述第二轉(zhuǎn)移之前在所述讀取電路中執(zhí)行所述存儲節(jié)點的電位的重新初始化和此電位的采樣，并用于在此第二轉(zhuǎn)移之后對所述存儲節(jié)點的電位執(zhí)行采樣的構(gòu)件；-用于在所述讀取電路中對在電子至所述存儲節(jié)點的轉(zhuǎn)移之后取得的樣本與在所述存儲節(jié)點的重新初始化與此轉(zhuǎn)移之間取得的樣本之間的至少ー個差執(zhí)行摸-數(shù)轉(zhuǎn)換的構(gòu)件?？梢栽O(shè)想實施這三組操作的兩個主要可能性。在第一可能性中，利用讀取電路中位于摸-數(shù)轉(zhuǎn)換器上游的兩個采樣電容器，ー個電容器備用于對存儲節(jié)點重新初始化電平進行采樣，而另一電容器備用于對電子至存儲節(jié)點的轉(zhuǎn)移之后的該電平進行采樣。在此情況下，在第二電容器中對從至存儲節(jié)點的第一轉(zhuǎn)移得到的電平進行例行采樣；以及然后在所述第二電容器中對從所述第二轉(zhuǎn)移得到的所述電平進行條件采樣。第二倍増因子較高，第二累積持續(xù)時間也優(yōu)選地較長。條件是轉(zhuǎn)移之后存儲節(jié)點的信號電平的條件，目的是僅在不存在像素飽和風(fēng)險時，執(zhí)行重新采樣?？梢曰谥链鎯?jié)點的第一轉(zhuǎn)移之后或第二轉(zhuǎn)移之后存儲節(jié)點的電位電平來執(zhí)行對條件的測試。在另ー操作模式中，讀取電路包括三個采樣電容器，第一個再次備用于對重新初始化電平進行采樣；第二個備用于在第一轉(zhuǎn)換之后對該電平進行采樣；第三個用于在第二轉(zhuǎn)移之后進行采樣。此操作模式使得可能進行真實相關(guān)雙采樣。在每個像素中，在(用于從所述光電ニ極管至所述倍增結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移的)第一轉(zhuǎn)移柵極與(用于從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的轉(zhuǎn)移的)第二轉(zhuǎn)移柵極之間插入的所述電子倍増放大結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括位于所述第一轉(zhuǎn)移柵極與第二轉(zhuǎn)移柵極之間的兩個分開的加速柵極，以及位于所述兩個加速柵極之間的具有固定表面電位的中間ニ極管區(qū)域，以及用于給所述加速柵極施加容許電荷通過所述中間ニ極管區(qū)域從ー個加速柵極至另ー個加速柵極連續(xù)轉(zhuǎn)移的ー連串交替的高和低電位的構(gòu)件。放大系數(shù)實際上與交替的數(shù)量成比例并且因此通過更改交替的數(shù)量而被改變。如果不存在或?qū)嶋H上不存在交替，則放大因子等于I。


在參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點將變得明顯，其中圖I描繪具有有源像素的圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)的豎直截面，該有源像素具有容許像素內(nèi)的電子倍増的放大結(jié)構(gòu)；圖2描繪在將幀分解為兩個不同的連續(xù)累積時間的過程中采集圖像的情況下的操作時序圖；圖3描繪使得根據(jù)圖2的時序圖來采集圖像成為可能的讀取電路；
圖4描繪具有兩個不同累積時間和用于兩個累積時間的相關(guān)雙采樣的時序圖變形；圖5描繪根據(jù)圖4的時序圖操作的讀取電路。
具體實施例方式在圖I中描繪了范例CMOS技術(shù)有源像素的主元件，該有源像素內(nèi)包括電子倍増放大結(jié)構(gòu)。像素形成在基底10中，基底10優(yōu)選地包括P型輕摻雜半導(dǎo)體有源層12 (符號P-用于指明此弱摻雜)，該P-型輕摻雜半導(dǎo)體有源層12形成在更重?fù)诫s層(P+)的表面處。通過隔離阻擋層(insulating barrier) 13使像素與相鄰像素隔離，隔離阻擋層完全圍繞像素。此阻擋層可以是P型井以上的隔離溝槽。像素包括光電ニ極管區(qū)域PHD，光電ニ極管區(qū)域PHD的周界遵循植入有源層12的深度的部分中的N型半導(dǎo)體區(qū)域的輪廓。此植入?yún)^(qū)域頂上有P+型表面區(qū)域16，P+型表面區(qū)域16保持在零參考電位。這是所謂的“釘扎”光電ニ極管(意指P+表面區(qū)域的表面電位固定)。零參考電位是施加至P-有源層的電位。在最簡單的情況下，其是位于有源層以下的P+型基底的電位，并且該P+型基底將其自己的電位施加至有源層；例如通過區(qū)域16接觸向上與基底10相遇的P+型深擴散部15的事實，實現(xiàn)了將表面區(qū)域16保持在此零電位。也能夠在此擴散部15上設(shè)置電接觸部，以通過此接觸部施加零電位至區(qū)域16。電荷存儲區(qū)域或電荷存儲節(jié)點18設(shè)置在光電ニ極管區(qū)域PHD外部；電荷存儲節(jié)點18通過ー連串兩個轉(zhuǎn)移柵極TRl和TR2以及該兩個轉(zhuǎn)移柵極之間的放大結(jié)構(gòu)AMP與光電ニ極管區(qū)域PHD分開。電荷存儲節(jié)點18是有源層12中的N型擴散部。接觸部形成在此區(qū)域上，使得將此區(qū)域的電位施加給跟隨器晶體管(未描繪)的柵極成為可能，以便將包含在存儲節(jié)點中的電荷量變換為電壓電平。稱作重新初始化柵極的另ー柵極RS使得將電荷從存儲節(jié)點倒空到排空漏極20中，排空漏極20是連接至正重新初始化電位Vref的N+型區(qū)域。為簡化，不描繪常規(guī)地可以存在于像素中的元件，特別是用于復(fù)制存儲節(jié)點18的電位的跟隨器晶體管，以及在數(shù)個像素行的矩陣的情況下，行選擇晶體管，以容許跟隨器晶體管的源極連接至矩陣的列導(dǎo)體。這些元件在任何情況下位于圍繞光電ニ極管和放大結(jié)構(gòu)的組件的隔離區(qū)域13外部。圖I中的截面中也未描繪用于重新初始化光電ニ極管PHD的電位的柵極。此柵極使得在累積持續(xù)時間開始時將光電ニ極管的電荷傾倒到漏極(未描繪)中。第一轉(zhuǎn)移柵極TRl使得能夠在累積持續(xù)時間結(jié)束時將電子從光電ニ極管轉(zhuǎn)移至放大器結(jié)構(gòu)。第二轉(zhuǎn)移柵極TR2使得能夠在放大階段結(jié)束時將電子從放大結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至存儲節(jié)點18。在此范例中，放大結(jié)構(gòu)包括由間隙分開的兩個加速柵極GA和GB。此間隙由中間ニ極管區(qū)域DI占據(jù)，并且此區(qū)域構(gòu)成所謂的“釘扎”ニ極管，如光電ニ極管。如光電ニ極管(但是不必然具有相同摻雜)，其因此包括有源層12中的N型擴散區(qū)域34，此區(qū)域由P+型表面區(qū)域36覆蓋。此區(qū)域36例如通過其接觸(這在圖中不可見)向上與基底相遇的P+型深區(qū)域的事實而保持在零參考電位，P+型深區(qū)域類似于接觸光電ニ極管的區(qū)域15。
電位切換構(gòu)件設(shè)計為根據(jù)關(guān)心的轉(zhuǎn)移或放大階段，將高或低電位直接施加至加速 柵極GA和GB。在累積時段結(jié)束時，電子從光電ニ極管轉(zhuǎn)移至放大結(jié)構(gòu)；它們存儲在柵極GA以下。在放大階段期間，將交替的高和低電位以相反相位(in phase opposition)施加至柵極GA和GB。電子交替地從柵極GA朝向柵極GB加速并且反之亦然。通過碰撞，施加至柵極的電壓足夠產(chǎn)生電離加速的電子奪走(tear away)其它電子，使電子的數(shù)量被乘以取決于施加的電壓的稍大于I的系數(shù)。此系數(shù)被乘以電位的交替數(shù)量。交替數(shù)量可以是數(shù)百或數(shù)千。整個放大系數(shù)因此取決于施加的電壓和交替數(shù)量。未描繪切換構(gòu)件，因為它們未位于像素中。它們是行的像素或列的像素或矩陣的所有像素共用的。在放大階段結(jié)束吋，電子存儲在柵極GB以下；電子從該處通過柵極TR2轉(zhuǎn)移至存儲節(jié)點18。根據(jù)本發(fā)明，規(guī)定放大結(jié)構(gòu)能夠以至少兩個放大系數(shù)操作，即實際上具有至少兩個不同的交替數(shù)量，施加至柵極的電壓實際上恒定并考慮以下技術(shù)需要來對其進行選擇相當(dāng)高的電壓，以在每個交替甚至稍微增大電子的數(shù)量；電壓不太高，以便不使放置在柵極GA和GB以下的隔離氧化物退化。第一放大系數(shù)可以等于I，即在柵極GA和GB上不存在或?qū)嶋H上不存在相反電位的交替到達柵極GA以下的電子其后僅一次轉(zhuǎn)移至柵極GB，并且從其離開，直接到達存儲節(jié)點。利用多個交替獲得第二放大系數(shù)，多個交替可以在從數(shù)十至數(shù)百或甚至數(shù)千的范圍中。通常，像素形成成行和列的像素矩陣的部分，同一行的像素由行導(dǎo)體尋址，并且同一列的像素的輸出連接至列導(dǎo)體。基于雙采樣的讀取電路放置在列的底部并且使得對在選擇像素行時出現(xiàn)在列導(dǎo)體上的電位進行采樣成為可能。出現(xiàn)在列導(dǎo)體上的電位對應(yīng)于存儲節(jié)點的電位，其可以是對應(yīng)于所選像素的照明的有用信號電位或重新初始化電位。讀取電路對重新初始化電位和有用電位進行采樣并將它們保留在存儲器中；其確定差并將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字。針對包括電荷累積的圖像幀F(xiàn)R參照圖2解釋根據(jù)本發(fā)明的傳感器中的像素的操作方式，電荷累積后接著是逐行讀取像素。僅描繪對應(yīng)于行的信號，以便不使圖過載。讀取以參照圖2的時序圖解釋的以下方式進行。信號GR描繪針對像素行的光電ニ極管的電位的重新初始化，通過例如打開上述光電ニ極管重新初始化柵極來執(zhí)行重新初始化。
信號RS描繪用于初始化存儲節(jié)點的電位的脈沖。其在讀取的時候?qū)γ恳恍羞B續(xù)地發(fā)出。列底部的采樣信號由SHR(存儲節(jié)點的重新初始化電平的采樣)和SHS(在倒空放大結(jié)構(gòu)放大的電荷到此節(jié)點中之后，存儲節(jié)點的有用電平的采樣)指明。在讀取過程中，這些信號連續(xù)地逐行發(fā)出。線TRl和TR2描繪分別施加至柵極TRl和TR2的脈沖。線GA和GB描繪持續(xù)時間，在該持續(xù)時間上，多個交替的高和低電位施加至放大結(jié)構(gòu)的柵極GA和GB。這些電位施加至矩陣的期望放大的所有像素(例如矩陣的所有像素或感興趣的區(qū)域的所有像素)。用于幀F(xiàn)R的序列如下進行 -通過信號GR重新初始化光電ニ極管，此重新初始化的結(jié)束構(gòu)成累積時段的開始；信號GR的結(jié)束確定第一電荷累積持續(xù)時間Til的開始；-光電ニ極管中電荷的累積；-打開第一轉(zhuǎn)移柵極TR1，在累積持續(xù)時間Til結(jié)束時，將光電ニ極管的電荷轉(zhuǎn)移到放大結(jié)構(gòu)的柵極GA以下；柵極TRl的打開的結(jié)束確定持續(xù)時間Til的結(jié)束；第一累積持續(xù)時間優(yōu)選地短暫，即比幀的總持續(xù)時間的一半小或小得多；一旦柵極重新關(guān)閉，則光二極管重新開始電荷累積，并且此累積持續(xù)第二累積持續(xù)時間Ti2 ；-通過施加交替的電位至柵極GA和GB，對現(xiàn)在位于放大結(jié)構(gòu)中的電荷進行第一放大，第一放大具有第一放大系數(shù)kl，第一放大系數(shù)kl低或甚至為I (無放大)；交替的數(shù)量選擇為使得以第一倍増系數(shù)kl倍增電子的數(shù)量。-通過信號RS進行存儲節(jié)點的電位的重新初始化；-短暫地打開第二轉(zhuǎn)移柵極TR2，以將以系數(shù)kl放大的電荷轉(zhuǎn)移至存儲節(jié)點；重新關(guān)閉此柵極；-打開第一轉(zhuǎn)移柵極TRl，定義第二累積持續(xù)時間Ti2的結(jié)束，持續(xù)時間Til和Ti2的和構(gòu)成幀的總的累積持續(xù)時間；對應(yīng)于第二持續(xù)時間的電荷進入放大結(jié)構(gòu)并且將被以不同于第一放大系數(shù)的第二放大系數(shù)k2放大；-第二放大結(jié)束時，且在通過柵極TR2轉(zhuǎn)移放大的電荷至存儲節(jié)點之前，按以下順序進行以下操作通過信號shsl在讀取電路中對存儲節(jié)點的以系數(shù)kl放大的電平進行第一采樣，在此時候，存儲節(jié)點的電平對應(yīng)于第一累積；然后重新初始化存儲節(jié)點(RS);然后，在讀取電路中，對重新初始化電平(shr)進行第二采樣；-最后，打開第二轉(zhuǎn)移柵極TR2，因此進行以第二放大系數(shù)放大的第二累積持續(xù)時間的電荷至存儲節(jié)點的第二轉(zhuǎn)移；最后，條件地且非常規(guī)地對存儲節(jié)點的電平shs2進行第三采樣；第三采樣，如果進行，則替換第一采樣。如果像素測量的照明超過示出測量鏈的飽和風(fēng)險的閾值，則不執(zhí)行第三采樣，像素對照明的測量在第一累積持續(xù)時間之后或在第二累積持續(xù)時間之后。如果不執(zhí)行第三采樣，則然后數(shù)字化第一樣本與第二樣本之間的差。這等于僅保持第一累積的結(jié)果。在相反的情況下，如果執(zhí)行第三采樣(無飽和風(fēng)險)，則第三樣本代替第一樣本。于是數(shù)字化第三樣本與第二樣本之間的差。這等于僅測量針對第二持續(xù)時間的累積的結(jié)果。與首先的兩個樣本之間的差的數(shù)字化相對比，此差是通過真實相關(guān)雙采樣得到的測量結(jié)果。在第一情況下(無第三采樣)獲得的數(shù)值被乘以為比率(k2 · 2Λ1 · 1)的因子，以關(guān)于與第二情況(具有第三采樣)相同的比例引用該數(shù)值。為執(zhí)行第三條件采樣，在正好在第三條件采樣的時候之前的時刻teMp測試第二測量結(jié)束時存儲節(jié)點的電位電平，或者測試第一測量結(jié)束時存儲節(jié)點的電位電平是可能的。讀取電路包括用于此目的的測試電路，該測試電路作用以可選地容許信號shs2的產(chǎn)生。此電路此外存儲測試的結(jié)果，并且此結(jié)果用于決定是否必須以倍増因子(k2*Ti2/kl - Til)乘以差分測量的結(jié)果。圖3的在列底部的讀取電路對應(yīng)于正好在在柵極TR2的第二打開之后的時刻t_p時的第三采樣之前進行的測試，因此取決于從第二累積持續(xù)時間得到的信號。電路包括閾 值類型的比較器CMP。在電容器Cs中進行第一和第三采樣；在電容器Cr中進行第二采樣。模-數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換存儲在兩個電容器中的電位的樣本之間的差，并提供測量結(jié)果。比較的結(jié)果(信號SAT)不影響信號shsl的通過；但是如果結(jié)果示出在第二累積持續(xù)時間上的照明超過閾值，則禁止信號shs2的通過是可能的。傳輸具有摸-數(shù)轉(zhuǎn)換的信息的比較的結(jié)果SAT，以使得在省略采樣shs2的情況下，以(k2 · Ti2/kl · Til)進行倍增成為可能。不是測試在第二累積之后獲得的電平，設(shè)想也測試在第一累積之后，因此在在信號shsl的控制下存儲第一樣本的時候，獲得的電平是可能的。特別是，如果使用斜坡型摸-數(shù)轉(zhuǎn)換器，則在信號shr結(jié)束時立刻發(fā)起第一轉(zhuǎn)換斜坡以執(zhí)行臨時轉(zhuǎn)換是可能的，臨時轉(zhuǎn)換后跟著決定性(definitive)轉(zhuǎn)換。在此時候，第一樣本和第二樣本之間的差可在轉(zhuǎn)換器的端子處獲得。這些樣本之間的差小，因為累積持續(xù)時間Til和放大系數(shù)kl小，使得轉(zhuǎn)換器將非常迅速地給出關(guān)于測量的信息。短的臨時斜坡之后在轉(zhuǎn)換器的輸出端獲得的電平用于可選地觸發(fā)第三條件采樣。臨時轉(zhuǎn)換能夠存在于觀察轉(zhuǎn)換器的輸入比較器的輸出中；比較器在其兩個輸入端接收有用信號和重新初始化電平的樣本；預(yù)定義持續(xù)時間的短的線性電壓斜坡施加至有用信號輸入端并增加至有用信號；一旦比較器的輸入端之間的差分電壓變?yōu)榱?，則比較器觸發(fā)。如果照明低，則比較器在斜坡結(jié)束之前觸發(fā)，如果照明高，則比較器不觸發(fā)。如果存在太多的光，則將不觸發(fā)信號shs2，并且將開始第一和第二樣本之間的差的決定性轉(zhuǎn)換。如果相反，存在少的光，則將觸發(fā)第三采樣，并且將進行第一和第三樣本之間的差的決定性轉(zhuǎn)換。最后，為終結(jié)圖2的解釋，恢復(fù)(recall)以每行之間的時間移動進行累積。移動的值是執(zhí)行三個采樣并且執(zhí)行樣本的差的摸-數(shù)轉(zhuǎn)換所需的時間AT。于此由控制像素行的選擇的信號SEL的持續(xù)時間描繪此持續(xù)時間Λ Τ。此選擇作用于行上，以在列導(dǎo)體上將存儲節(jié)點的連續(xù)的電位電平傳遞至列底部的讀取電路。應(yīng)當(dāng)注意到，信號SEL可以比持續(xù)時間Λ T短，但是其絕對必須覆蓋至少三個采樣時刻shr、shsl和shs2 (不必然整個轉(zhuǎn)換持續(xù)時間)。結(jié)果，圖2中針對行描繪的所有信號必須相同地重復(fù)，但是對接續(xù)行移動至少AT等等(所謂的“滾動快門(rolling shutter) ”操作)。為了能夠既在強照明的情況下也在弱照明的情況進行真實相關(guān)雙采樣，能夠在列底部使用具有三個采樣電容器的裝置，并且圖2的時序圖稍微更改，得到圖4的時序圖。圖5中描繪容許此操作方式的讀取電路。對于通過信號GR重新初始化光電ニ極管的行，對于通過柵極TRl在兩個累積持續(xù)時間結(jié)束時轉(zhuǎn)移脈沖，以及對于在這些轉(zhuǎn)移后以系數(shù)kl和k2放大電荷，時序圖與圖2的時序圖相同。為讀取行，現(xiàn)在進行以下操作，信號SEL用于選擇行，采樣脈沖施加至該行-通過存儲節(jié)點的電位的信號RS進行重新初始化；-通過讀取電路在第一采樣電容器Cr中采樣此電位；-通過柵極TR2，將在第一持續(xù)時間Til上累積的且以第一系數(shù)kl放大的電荷轉(zhuǎn)移至存儲節(jié)點；在借助于柵極TR2的此第一轉(zhuǎn)移之后，通過柵極TRl進行第二轉(zhuǎn)移，如圖2中，以將源自第二累積持續(xù)時間的電荷放入放大結(jié)構(gòu)中；
-在第二電容器Csl中進行第二采樣shsl(圖5);-然后，在備用于以系數(shù)k2進行放大的時間結(jié)束吋，通過柵極TR2執(zhí)行至存儲節(jié)點的第二轉(zhuǎn)移；在持續(xù)時間Ti2上累積的且以系數(shù)k2放大的電荷進入存儲節(jié)點，在存儲節(jié)點，該電荷増加至先前的電荷；-第三采樣shs2(其此時不是可選的，而是例行的)；此第三采樣在第三電容器Cs2中存儲新的電位電平。圖5描繪列底部的對應(yīng)的讀取電路。第一差分放大器AMPl測量第一和第二電容器的電平之間的差；此差描繪在第一持續(xù)時間Til上累積的且以系數(shù)kl放大的電荷的測量。其是通過真實相關(guān)雙采樣進行的測量，因為存儲節(jié)點已經(jīng)在倒空之前重置為零。第二差分放大器AMP2測量存儲在第三和第二電容器中的電平之間的差；此差描繪僅歸因于第二累積持續(xù)時間Ti2的以系數(shù)k2放大的額外電荷。第二放大器的輸出施加至閾值型比較器，閾值型比較器探測超過閾值時的飽和風(fēng)險。超過閾值吋，S卩如果照明強，則第一放大器的輸出朝向摸-數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送，并且然后轉(zhuǎn)換結(jié)果將被乘以比率(k2 · Ti2/kl · Til)，以根據(jù)與暗點相同的比例定義該結(jié)果。如果未超過閾值，S卩如果照明充分弱，則第二放大器的輸出朝向摸-數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送。這里，再次，能夠?qū)Φ谝粶y量執(zhí)行閾值的探測，例如通過進行放大器AMPl的輸出的例行臨時快速模-數(shù)轉(zhuǎn)換，通過基于轉(zhuǎn)換結(jié)果可選地切換至放大器AMP2，以及通過其后進行決定性轉(zhuǎn)換。如果轉(zhuǎn)換器是施加有定義照明閾值的固定(短暫)持續(xù)時間的臨時斜坡的斜坡型轉(zhuǎn)換器，則可將此臨時轉(zhuǎn)換簡化為非常簡單的測試。最后，在一個實施例中，可以規(guī)定倍增結(jié)構(gòu)通過施加相反的電位至兩個柵極來操作(這是以上描述的情況)。于是通過連接同一行的像素的行導(dǎo)體來控制第一柵極(GA)，并且通過連接同一列的像素的列導(dǎo)體來控制第二柵極(GB)是可能的。僅在同一時間，柵極GA和柵極GB以周期性交替接收相反電位時，借助于電位的交替的放大才發(fā)生?？梢砸?guī)定用于選擇像素行的僅一部分的構(gòu)件將交替的電位施加至它們的柵極GA，并且用于選擇像素列的僅一部分的構(gòu)件在與行的階段相反的階段將交替的電位施加至它們的柵極GB。在此情況下，僅這些行和列的交叉點處的像素將經(jīng)歷借助于像素中的電子的倍増的放大。因此選擇圖像中的感興趣的區(qū)域，特別是暗區(qū)域，以給感興趣的區(qū)域施加借助于以兩個系數(shù)倍增電子的放大而不是對其它區(qū)域施加放大，是可能的
權(quán)利要求
1.ー種具有有源像素的圖像傳感器，每個像素包括至少ー個光電ニ極管(PHD)、電荷存儲節(jié)點(18)、電子倍増放大結(jié)構(gòu)(AMP)、用于將電子從所述光電ニ極管轉(zhuǎn)移至所述放大結(jié)構(gòu)的構(gòu)件(TRl)、用于在倍増之后將電子從所述放大結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至所述存儲節(jié)點的構(gòu)件(TR2)、用于重新初始化所述存儲節(jié)點的電位的晶體管(RS)，所述傳感器還包括讀取電路(Ks，Kr，Cs，Cr，ADC)，用于在重新初始化之后和在電子轉(zhuǎn)移到所述存儲節(jié)點中之后，對所述電荷存儲節(jié)點的電位進行采樣，并且用于提供對應(yīng)的照明測量，所述傳感器還包括用于在圖像幀的過程中在第一持續(xù)時間(Til)之后實施電荷從所述光電ニ極管至所述倍增結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)移，并用于然后在電荷從所述倍增結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點中的第一轉(zhuǎn)移之前給予所述放大結(jié)構(gòu)第一電子倍増因子(kl)的構(gòu)件；用于在相同圖像幀的過程中在第二持續(xù)時間(Τ 2)之后實施電荷從所述光電ニ極管至所述倍增結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)移，并用于然后在電荷從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的第二轉(zhuǎn)移之前給予所述結(jié)構(gòu)不同于所述第一電子倍増因子(kl)的第二電子倍増因子(k2)的構(gòu)件；以及用于基于像素的照明，逐個像素選擇對應(yīng)于所述第一因子或所述第二因子的照明測量的構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圖像傳感器，其特征在干，以兩個不同的累積時間(Til，Ti2)進行以所述兩個不同的倍増因子進行的所述照明測量，并且以較小的累積時間(Til)進行以較小的放大因子(kl)進行的所述照明測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2中的ー項所述的圖像傳感器，其特征在于，其包括 -用于在電荷從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的所述第一轉(zhuǎn)移之前在所述讀取電路中執(zhí)行所述存儲節(jié)點的電位的重新初始化，并用于在此第一轉(zhuǎn)移之后對所述存儲節(jié)點的電位執(zhí)行采樣的構(gòu)件； -用于在電荷從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的所述第二轉(zhuǎn)移之前在所述讀取電路中執(zhí)行所述存儲節(jié)點的電位的重新初始化和此電位的采樣，并用于在此第二轉(zhuǎn)移之后對所述存儲節(jié)點的電位執(zhí)行采樣的構(gòu)件； -用于在所述讀取電路中對在電子至所述存儲節(jié)點的轉(zhuǎn)移之后取得的樣本與在所述存儲節(jié)點的重新初始化與此轉(zhuǎn)移之間取得的樣本之間的至少ー個差執(zhí)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換的構(gòu)件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的一項所述的傳感器，其特征在于，所述讀取電路包括兩個采樣電容器，ー個電容器備用于存儲節(jié)點重新初始化電平的采樣，另ー個電容器備用于電子至所述存儲節(jié)點的轉(zhuǎn)移之后的所述電平的采樣，所述傳感器包括用于在所述第二電容器中對從至所述存儲節(jié)點的所述第一轉(zhuǎn)移得到的所述電平進行例行采樣的構(gòu)件，以及用于在所述第二電容器中對從至所述存儲節(jié)點的所述第二轉(zhuǎn)移得到的所述電平進行條件采樣的構(gòu)件，條件為轉(zhuǎn)移后所述存儲節(jié)點的信號電平的條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I和2中的一項所述的傳感器，其特征在于，所述讀取電路包括三個采樣電容器，并且其特征在于，所述傳感器還包括 -用于在電荷從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的所述第一轉(zhuǎn)移之前在所述讀取電路中執(zhí)行所述存儲節(jié)點的電位的重新初始化，并用于在此第一轉(zhuǎn)移之后在所述第一電容器中對所述存儲節(jié)點的電位執(zhí)行采樣的構(gòu)件； -以及用于在至所述存儲節(jié)點的所述第一轉(zhuǎn)移之后在所述第二電容器中對所述存儲節(jié)點的電位進行采樣，并且用于在至所述存儲節(jié)點的所述第二轉(zhuǎn)移之后在所述第三電容器中對所述存儲節(jié)點的電位進行采樣，而在至所述存儲節(jié)點的所述第一轉(zhuǎn)移和所述第二轉(zhuǎn)移之間不重新初始化所述存儲節(jié)點的構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中的一項所述的傳感器，其特征在于，所述放大結(jié)構(gòu)包括在用于從所述光電ニ極管至所述放大結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移的第一轉(zhuǎn)移柵極與用于從所述放大結(jié)構(gòu)至所述存儲節(jié)點的轉(zhuǎn)移的第二轉(zhuǎn)移柵極之間插入的，位于所述第一轉(zhuǎn)移柵極與所述第二轉(zhuǎn)移柵極之間的兩個加速柵極(GA，GB)，以及位于所述兩個加速柵極之間的具有固定表面電位的中間ニ極管區(qū)域(DI)，以及用于給所述加速柵極施加容許電荷通過所述中間ニ極管區(qū)域從ー個加速柵極至另ー個加速柵極的連續(xù)地轉(zhuǎn)移的ー連串交替的高和低電位的構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中的一項所述的傳感器，其特征在于，選擇性地在所述傳感器的感興趣的區(qū)域中執(zhí)行以兩個電子倍増因子進行的放大。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有有源像素的圖像傳感器，并且更具體地，涉及意在以非常高和非常低的亮度水平采集圖像的那些傳感器。每個像素包括至少一個光電二極管(PHD)、電荷存儲節(jié)點(18)、電子倍增放大結(jié)構(gòu)(AMP)、用于將電子從所述光電二極管轉(zhuǎn)移至所述結(jié)構(gòu)的構(gòu)件(TR1)、用于在倍增之后將電子從放大結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至所述存儲節(jié)點的構(gòu)件(TR2)、用于重新初始化所述存儲節(jié)點的電位的晶體管(RS)。所述像素由讀取電路讀取，在重新初始化之后和在電子轉(zhuǎn)移至所述存儲節(jié)點中之后，讀取電路對所述電荷存儲節(jié)點的電位進行采樣，并且提供對應(yīng)的照明測量。傳感器還包括用于在同一幀的過程中在兩個不同持續(xù)時間中執(zhí)行電荷累積，并且用于給予放大結(jié)構(gòu)與在這些持續(xù)時間的過程中累積的電荷不同的倍增因子的構(gòu)件?；谙袼氐恼彰?，逐個像素選擇對應(yīng)于所述第一因子或所述第二因子的照明測量。
文檔編號H04N5/3745GK102695000SQ20121007973
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者F·邁爾, P·弗雷伊 申請人:E2V半導(dǎo)體公司