高動態範圍圖像傳感器的實現方法與流程
2023-04-23 14:11:32 5
本發明涉及圖像傳感器領域，特點是涉及一種高動態範圍圖像傳感器的實現方法。
背景技術：
圖像傳感器是一種將光學信息（opticalinformation）轉換為電信號的半導體器件裝置。現有圖像傳感器可以被進一步分為互補金屬氧化物半導體（cmos）圖像傳感器和電荷耦合器件（ccd）圖像傳感器。
圖1所示是現有圖像傳感器的剖面示意圖和對應的模擬電路。當有光入射到光電二極體（pd）上時，其所對應的下柵極內將會累積電荷，累積電荷的數量與光強和曝光時間成正比，其最大可容納電子數（wellcapacity）可以通過tg電壓控制。圖2所示是傳統圖像傳感器的每個像素單元光照強度與輸出響應曲線，曲線可以分為線性區、拐點區和飽和區。當像素單元的電荷積累到接近tg電壓控制的最大值時，電荷會跨越勢壘漏出，並逐漸趨近飽和，從響應曲線上看，對應著拐點區和飽和區。由於tg電壓精度和工藝等原因，每個像素單元的拐點和飽和區會有差異。
由圖2所示的光照強度與輸出響應曲線可知，當像素單元飽和之後，其對光強變化的靈敏度遠低於線性區，導致圖像動態範圍下降。
技術實現要素：
本發明解決的問題是提供高動態範圍圖像傳感器的實現方法，在一次曝光過程中，控制轉移電晶體下柵極的阱電荷容量發生兩次以上變化，其中末次變化的間隔時間小於首次變化的間隔時間，增加動態範圍。
可選的，對每個像素單元響應特性進行校正,提高像素單元對光響應的一致性。
可選的，所述校正的方式包括：於圖像傳感器出廠前，將每個像素單元的光照與輸出響應曲線進行標定、壓縮，以表的形式存儲在存儲器中；最終在成像時通過查表方式對像素單元進行校正。
可選的，所述校正的方式包括：
圖像傳感器晶片上電時，在圖像傳感器的各像素單元中注入電荷；
設置傳輸電晶體的柵極電壓和/或浮置擴散區的節點電壓，漏掉多餘電荷；
讀出各像素單元的剩餘電荷，根據讀出的剩餘電荷校正各像素單元的響應特性；
最終在成像時，通過所述響應特性對像素輸出進行校正。
可選的，設置多個所述柵極電壓，根據每個柵極電壓讀出各像素單元的剩餘電荷，校正對應各像素單元的響應特性。
可選的，阱電荷容量發生兩次以上變化的方式包括：控制轉移電晶體柵極電壓變化；或採用溢出漏極的方式。
可選的，所述轉移電晶體柵極電壓變化是指：於一次曝光時間內提供多次脈衝電壓。
可選的，於每半行時間改變一次轉移電晶體柵極電壓，或每n行時間改變一次轉移電晶體柵極電壓，其中n為大於等於1的自然數。
可選的，所述阱電荷容量在首次變化後的容量小於末次變化後的容量。
可選的，所述下柵極的阱電荷容量發生變化的時間間隔為以1/2為底的等比數列遞減，以避免頻閃現象;即，第一次變化的時間間隔為t1，第n次變化的時間間隔為tn=t1/2n，其中n為大於等於1的自然數。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：
本發明在一次曝光過程中，控制轉移電晶體下柵極的阱電荷容量發生多次變化，提高動態範圍，並可通過多種方式對像素單元響應特性進行校正,提高像素單元對光響應的一致性。
附圖說明
圖1為本發明現有技術中圖像傳感器4t結構示意圖；
圖2為本發明現有技術中像素單元光照強度與輸出響應曲線示意圖；
圖3本發明一實施例中像素單元在某曝光時間下光照強度與輸出響應曲線示意圖；
圖4本發明一實施例中像素單元轉移電晶體下柵極內積累電荷數q與曝光時間t的關係；
圖5為本發明一實施例中像素單元的轉移電晶體柵極電壓與曝光時間的關係曲線圖。
具體實施方式
本發明提供一種高動態範圍圖像傳感器的實現方法，包括：在一次曝光過程中，控制轉移電晶體下柵極的阱電荷容量發生兩次以上變化，其中末次變化的間隔時間小於首次變化的間隔時間，增加動態範圍。
本發明在一次曝光過程中，控制轉移電晶體下柵極的阱電荷容量發生多次變化，能增加圖像傳感器的動態範圍，下面結合具體的實施例對本發明內容進行說明。
圖3所示的是本發明一實施例中像素單元在某曝光時間下光照強度與輸出響應曲線示意圖，該曲線可以為任意單調遞增的曲線，本例中曲線分為線性段和非線性段兩部分，其中線性段比傳統像素單元的線性區短，非線性段過渡更加平緩。由該曲線的特點可知，本發明設計的像素單元在高亮處具有更好的靈敏度，因此動態範圍更大。
圖4所示是本發明一實施例中像素單元轉移電晶體下柵極內積累電荷數q與曝光時間t的關係；請參考圖4，其中曲線a是下柵極的阱電荷容量（wellcapacity）與曝光時間的關係，曲線b對應一條光照強度較小時q與t的關係，曲線d1和d2對應一條光照強度較大時q與t的關係。當光照強度較小時，像素單元的下柵極內電荷數積累較慢，在最終達到設定的曝光時間t4時，電荷直接讀出。曲線c是對應的是臨界光強，小於或等於此光強的入射光所積累的電荷在整個曝光時間t4內均未達到飽和，此段對應圖3中的線性段響應。曲線d1和d2是當入射光的光強大於臨界光強時的對應關係曲線，如圖所示，下柵極內的電荷在t1時間點處達到飽和，在t1~t3時間段內電荷數與wellcapacity一致，在t3時間點，wellcapacity曲線的一階導數大於d1的一階導數，即wellcapacity的增長速度大於該光強積累電荷的速度時，像素單元下柵極內電荷開始線性增加，直到最終曝光時間t4，對應曲線d2段。因此，通過控制轉移電晶體下柵極的阱電荷容量發生兩次以上變化，其中末次變化的間隔時間小於首次變化的間隔時間，增加動態範圍，阱電荷容量發生兩次以上變化的方式包括：控制轉移電晶體柵極電壓變化；或採用溢出漏極的方式。請繼續參考圖5，圖5為本發明一實施例中像素單元的轉移電晶體柵極電壓與曝光時間的關係曲線圖，圖5中所述轉移電晶體柵極電壓變化為：於一次曝光時間內提供多次脈衝電壓。對每個像素單元，在曝光時間t<s1，tg電壓值設定的很小，對應於圖4的ts1段，通過特定的計時控制器和電壓控制器產生多個tg電壓脈衝，每個電壓脈衝的持續時間非常短，在本例中為100ns，脈衝的時間間隔隨曝光時間增加而減少。每個像素單元的下柵極的最大容量可以通過控制tg電壓實現，本例中tg電壓的幅值範圍為-1.6~0.2v，且tg電壓越大wellcapacity越小。脈衝的峰值電壓由圖4的wellcapacity曲線決定，即各個脈衝的峰值電壓所控制的wellcapacity在圖4的wellcapacity曲線上。
傳統的像素單元在不同曝光時間下，光照強度與輸出曲線是不同的，本發明中圖4的a曲線可以根據當前曝光時間進行放縮，使得不同曝光時間下光照強度與輸出曲線是相同的。例如，某曝光時間t1，其對應的圖5中的脈衝的曝光時間為[t1,t2…tn]，則可推出曝光時間為t2時，圖5中脈衝的曝光時間為[t1,t2,…tn]x(t2/t1)，脈衝的峰值電壓保持不變。
在另一實施例中，於每半行時間改變一次轉移電晶體柵極電壓，或每n行時間改變一次轉移電晶體柵極電壓，其中n為大於等於1的自然數。在另一實施例中，阱電荷容量在首次變化後的容量小於末次變化後的容量。下柵極的阱電荷容量發生變化的時間間隔為以1/2為底的等比數列遞減，以避免頻閃現象;即，第一次變化的時間間隔為m1，第n次變化的時間間隔為mn=m1/2n，其中n為大於等於1的自然數。
此外，還需對對每個像素單元響應特性進行校正,以提高像素單元對光響應的一致性，在一實施例中，校正的方式包括：於圖像傳感器出廠前，將每個像素單元的光照與輸出響應曲線進行標定、壓縮，以表的形式存儲在存儲器中；最終在成像時通過查表方式對像素單元進行校正。
在另一實施例中，校正的方式包括：圖像傳感器晶片上電時，在圖像傳感器的各像素單元中注入電荷；設置傳輸電晶體的柵極電壓和/或浮置擴散區的節點電壓，漏掉多餘電荷；讀出各像素單元的剩餘電荷，根據讀出的剩餘電荷校正各像素單元的響應特性；最終在成像時，通過所述響應特性對像素輸出進行校正。在該實施例中，可設置多個所述柵極電壓，根據每個柵極電壓讀出各像素單元的剩餘電荷，校正對應各像素單元的響應特性。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。