專利名稱：：傳感器上的多圖像存儲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及CMOS圖像傳感器的領(lǐng)域，尤其涉及分別在兩個或更多個浮動擴(kuò)散中捕獲圖像序列的這種傳感器。
背景技術(shù)：
：固態(tài)圖像傳感器現(xiàn)在廣泛用于許多類型的圖像捕獲應(yīng)用中。所采用的兩種主要的圖像傳感器技術(shù)為電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導(dǎo)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(zhuǎn)換為可被讀出并用于構(gòu)造與該入射光圖案(pattern)相關(guān)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(gòu)控制，所述公知機構(gòu)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(chǎn)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(tài)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(qū)域成比例。因此，對于用于兆象素數(shù)字靜態(tài)照相機(DSC)的商業(yè)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(chǎn)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(gòu)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(tài)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(qū)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(yè)兆象素DSC器件具有1000:1或更小的動態(tài)范圍。CCD圖像傳感器是本領(lǐng)域公知的并且因此不在本文中描述?？梢栽?993年12月4受予Sunnyvale,Calif.的Elabd并轉(zhuǎn)讓給LoralFairchildCorporation,Syosset，N.Y.的、標(biāo)題為"ImageSensorwithExposureControl,SelectableInterlaced,PseudoInterlacedorNon—InterlacedReadoutandVideoCompression"的美國專利5，272，535中發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致具有很小尺寸、低功耗和附加功能性的單芯片數(shù)字照相機。與CMOS圖像傳感器的高幀速能力結(jié)合的圖像捕獲和處理的集成使得能夠有效實現(xiàn)許多靜態(tài)成像和視頻成像應(yīng)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(jìn)一步限制可用于光電探測器的區(qū)域，該附加電路的形式是與光電探測器相關(guān)聯(lián)的諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時電路和其他諸如"片上系統(tǒng)，，的習(xí)用電路的有源部件。CMOS器件還使用低壓電源，其增加了熱產(chǎn)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)。在最先進(jìn)的膠片攝像機中，可以借助機械裝置防止膠片前進(jìn)以將單個膠片幀連續(xù)曝光幾次。除了能產(chǎn)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(fù)曝光傳感器利用數(shù)字照相機產(chǎn)生多曝光照片是有問題的。相反，為了利用數(shù)字照相機產(chǎn)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(shù)的例子提供在下列因特網(wǎng)網(wǎng)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(xiàn)的圖像上完成，該圖像已經(jīng)過顏色校正和壓縮，當(dāng)將這些圖像加到一起時可產(chǎn)生偽像(artifact)。該多曝光技術(shù)的更復(fù)雜用途是當(dāng)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(shè)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(fā)光若干次。然而，增加的曝光時間和閃光燈在發(fā)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(dǎo)致有噪圖像。其中關(guān)鍵的是以線性方式加光的另一個例子是當(dāng)同時從室內(nèi)和室外照亮場景時，例如當(dāng)圖像中存在窗戶時。在該情況下，通常通過重復(fù)曝光單個幀來拍攝若干圖像窗戶開、窗戶關(guān)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(shù)字情況下，由于上述原因，在這些不同照亮的圖像被數(shù)字捕獲和再現(xiàn)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(jīng)提出了圖像組合以減輕數(shù)字照相機圖像傳感器的受限的動態(tài)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(tài)范圍通常不足以為圖像的暗部分和亮部分吼時提供細(xì)節(jié)。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(shù)字圖像中的動態(tài)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(xiàn)空間對準(zhǔn)并且逐個像素地對準(zhǔn)圖像(2)確定這兩個圖像的公共區(qū)域并調(diào)整曝光重疊區(qū)域使得公共區(qū)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(qū)域的最暗區(qū)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(qū)域的最亮區(qū)域。在所有情況下，假設(shè)被組合的圖像實質(zhì)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(chǎn)權(quán)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(tài)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(xiàn)。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?？斓膸俾什僮鳌Ｗ罱_發(fā)的CMOS圖像傳感器被非破壞性地以類似于數(shù)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(xiàn)了每秒500幀。Stevanovic等在"ACMOSImageSensorforHighSpeedImaging"中描述了一種實現(xiàn)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(xiàn)每秒10，000幀的352x288CMOS數(shù)字像素傳感器。所需要的是以非?？斓膸俾什东@圖像而不增加SNL的方法，其中可以以實現(xiàn)圖像處理以達(dá)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(shè)備的多圖像捕獲方法，該圖像捕獲設(shè)備包括用于捕獲原始圖像數(shù)據(jù)的傳感器、用于存儲所述捕獲的原始圖像數(shù)據(jù)的圖像緩沖器、用于將所述捕獲的數(shù)據(jù)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(shè)備還包含與所述圖像緩沖器關(guān)聯(lián)的圖像組合器，用于執(zhí)行所述原始圖像數(shù)據(jù)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(dāng)實現(xiàn)了希望的多曝光圖像時，圖像將從圖像緩沖器轉(zhuǎn)移到緩沖存儲器的另一部分，或被再現(xiàn)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(jìn)信噪比(SNR)，改進(jìn)動態(tài)范圍并避免數(shù)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(fā)生了運動。如果光電探測器未飽和或沒有發(fā)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(jié)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(qū)，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(tài)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(jìn)諸如動態(tài)范圍、圖像穩(wěn)定性和低光照條件下的成像的圖像特性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在克服上面提出的一個或多個問題。簡而概之，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)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(yīng)電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區(qū)域；b)至少兩個電荷存儲區(qū)域，每個電荷存儲區(qū)域分別與曝光序列的一個曝光關(guān)聯(lián)，為每個曝光積聚的電荷被順序轉(zhuǎn)移到該電荷存儲區(qū)域中；以及c)與至少其中一個電荷存儲區(qū)域關(guān)聯(lián)的至少一個放大器。根據(jù)審閱優(yōu)選實施例的下列詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求書并參考附圖，可以更清晰地理解和意識到本發(fā)明的這些以及其他方面、目的、特4正和伊C點。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的優(yōu)點包括數(shù)字圖像穩(wěn)定性、增加的靈敏度、運動模糊的消除、擴(kuò)展的動態(tài)范圍和自動聚焦。圖1是本發(fā)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(fā)明的典型商業(yè)實施例的數(shù)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(xì)討論本發(fā)明之前，有益的是注意本發(fā)明優(yōu)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(nèi)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(guān)聯(lián)但通常不在像素中的晶體管，當(dāng)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(yōu)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(fā)明的圖像傳感器10。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，盡管二維陣列被示出為優(yōu)選實施例，但本發(fā)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(fā)明的代表性像素20。像素20包括光敏區(qū)30，優(yōu)選為光電二極管或釘扎光電二極管，用于響應(yīng)于入射光收集電荷。優(yōu)選地，兩個浮動擴(kuò)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(qū)30接收電荷。本發(fā)明中，光敏區(qū)30捕獲圖像序列并順序且分別地將圖像傳輸?shù)矫總€浮動擴(kuò)散40,浮動擴(kuò)散40將電荷轉(zhuǎn)換為電壓。兩個復(fù)位晶體管60分別連接到每個浮動擴(kuò)散40,用于在將電荷從光敏區(qū)30轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散40之前將浮動擴(kuò)散40的信號電平復(fù)位到預(yù)定電平。任選地，共享晶體管65連接到每個浮動擴(kuò)散40,用于通過組合浮動擴(kuò)散40的電荷電容來產(chǎn)生增加的電容。為了完整性，注意傳輸門50優(yōu)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(jìn)一步處理的電壓(單位增益或更大)。分別調(diào)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(fā)明的操作中，與該浮動擴(kuò)散(FD1)40關(guān)聯(lián)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(kuò)散40;通過給它的復(fù)位晶體管(RG1)60的復(fù)位門施加脈沖來復(fù)位浮動擴(kuò)散(FD1)40,從而有效地復(fù)位光敏區(qū)30。傳輸門(TG1)50被截止且允許光敏區(qū)30積聚一段時間的光子感應(yīng)電荷，該段時間對應(yīng)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(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散(FD1)40。隨后采用另一個浮動擴(kuò)散(FD2)40和傳輸門(TG2)50重復(fù)該過程。在來自第二曝光的積聚電荷已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到第二浮動擴(kuò)散(FD2)40以后，兩個曝光的序列已經(jīng)被捕獲在兩個浮動擴(kuò)散40中且可通過以容易為本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識的傳統(tǒng)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(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的。參考圖3,在可選實施例中，擴(kuò)散100提供串聯(lián)連接到光電二極管30和浮動擴(kuò)散40的電荷存儲區(qū)。通過合適地調(diào)整門110和120將電荷依次從光電二極管30轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū)100,然后轉(zhuǎn)移到浮動擴(kuò)散40。':擴(kuò)散4o上6:電壓并將結(jié)果的電壓電平:送到輸出總線8°:。復(fù)s晶:管60將浮動擴(kuò)散復(fù)位到預(yù)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(qū)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(fā)明的圖像傳感器10的數(shù)字照相機160,用于說明普通消費者熟悉的商業(yè)實施例。參考圖6(對應(yīng)于圖3),本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到電荷存儲區(qū)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(qū)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(qū)域100相同平面的情況，必須減少光電二極管30的區(qū)域以提供用于電荷存儲區(qū)域100的區(qū)域。在借助垂直(如果需要可為水平)金屬導(dǎo)體130連接的堆疊布置中，通過將電荷存儲區(qū)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(qū)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(kuò)散140以將電荷引導(dǎo)到導(dǎo)體130并最終到達(dá)存儲區(qū)100。還注意到放大器70和其他相關(guān)聯(lián)的電路位于相同層或不同層中(如圖7所示)。在優(yōu)選實施例中，光電二極管30位于一個平面上，電荷存儲區(qū)域100和諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器的關(guān)聯(lián)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(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到上面討論的結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置在與圖7所示不同的硅襯底中，或者該結(jié)構(gòu)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(qū)域(光電二極管或釘扎光電二極管)40浮動擴(kuò)散50傳輸門60復(fù)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(qū)110傳輸門120傳輸門130金屬導(dǎo)體140擴(kuò)散160數(shù)字照相;f幾權(quán)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(yīng)電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區(qū)域；b)至少兩個電荷存儲區(qū)域，每個電荷存儲區(qū)域分別與曝光序列的一個曝光關(guān)聯(lián)，為每個曝光積聚的電荷被順序轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū)域中，以及c)與至少其中一個電荷存儲區(qū)域關(guān)聯(lián)的至少一個放大器。2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中電荷存儲區(qū)域為浮動擴(kuò)散。4.根據(jù)權(quán)利要求3的圖像傳感器，其中至少兩個不同浮動擴(kuò)散具有不同電荷容量。5.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中該電荷存儲區(qū)域被布置在與光敏區(qū)域基本上相同的深度。6.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中至少一個電荷存儲區(qū)域被布置在與光敏區(qū)域不同的深度。7.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像傳感器，其中連接至少兩個電荷存儲區(qū)域以允許所積聚的電荷在其間被轉(zhuǎn)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(yīng)電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區(qū)域；b)至少兩個電荷存儲區(qū)域，每個電荷存儲區(qū)域分別與曝光序列的一個曝光關(guān)聯(lián)，為每個曝光積聚的電荷被順序轉(zhuǎn)移到該電荷存儲區(qū)域中，以及c)與至少其中一個電荷存儲區(qū)域關(guān)聯(lián)的至少一個放大器。9.根據(jù)權(quán)利要求8的照相機，其中每個曝光代表不同圖像。10.根據(jù)權(quán)利要求8的照相機，其中電荷存儲區(qū)域為浮動擴(kuò)散。11.根據(jù)權(quán)利要求10的照相機，其中至少兩個不同浮動擴(kuò)散具有不同電荷容量。12.根據(jù)權(quán)利要求8的照相機，敏區(qū)域基本上相同的深度。13.根據(jù)權(quán)利要求8的照相機，在與光敏區(qū)域不同的深度。14.根據(jù)權(quán)利要求8的照相機,允許所積聚的電荷在其間被轉(zhuǎn)移。其中該電荷存儲區(qū)域被布置在與光其中至少一個電荷存儲區(qū)域被布置其中連接至少兩個電荷存儲區(qū)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(yīng)電荷而捕獲至少兩個曝光的序列的光敏區(qū)域；至少兩個電荷存儲區(qū)域，每個電荷存儲區(qū)域分別與曝光序列的一個曝光關(guān)聯(lián)，為每個曝光積聚的電荷被順序轉(zhuǎn)移到該電荷存儲區(qū)域，以及與至少一個電荷存儲區(qū)域關(guān)聯(lián)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(yōu)先權(quán)日2006年11月7日發(fā)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(dá)公司