專利名稱：具有電荷倍增輸出通道及電荷感測(cè)輸出通道的圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及供在數(shù)碼相機(jī)及其它類型的圖像捕獲裝置中使用的圖像傳感器，且更特定來說，涉及電荷耦合裝置(CCD)圖像傳感器。又更特定來說，本發(fā)明涉及CCD圖像傳感器中的電荷倍增。
背景技術(shù)：
圖1描繪根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)執(zhí)行電荷倍增的第一 CCD圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖。像素陣列100包含垂直電荷耦合裝置(CXD)移位寄存器(未展示)，其一次一行地將來自一行像素102的電荷包移位到低電壓水平CXD(HCXD)移位寄存器105中。低電壓HCXD移位寄存器105將所述電荷包串行地移位到高電壓電荷倍增HCCD移位寄存器110中。經(jīng)由在電荷傳送期間將大的電場(chǎng)施加到上覆HCCD移位寄存器110的柵極電極(未展示)而在電荷倍增HCCD移位寄存器110中發(fā)生電荷倍增。大的電場(chǎng)產(chǎn)生比原本在像素陣列100中的像素中收集的信號(hào)大的信號(hào)。大的電場(chǎng)是通過用充分較大的電壓過驅(qū)動(dòng)經(jīng)擴(kuò)展HCCD移位寄存器 402上方的柵極電極來產(chǎn)生。通常，電荷倍增HCXD移位寄存器110可將每一電荷包中的電荷載子的數(shù)目倍增2到1000的倍數(shù)。輸出放大器120感測(cè)電荷倍增HCCD移位寄存器110 的端處輸出的經(jīng)倍增電荷包并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。常規(guī)輸出放大器可具有八個(gè)電荷載子的最小噪聲級(jí)，此意指當(dāng)電荷包含有少于八個(gè)電荷載子時(shí)輸出放大器不能檢測(cè)到信號(hào)。倍增HCCD移位寄存器110的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠放大或倍增輸出放大器原本通常將無法檢測(cè)到的電荷包。舉例來說，電荷倍增HCCD移位寄存器可采取僅一個(gè)不可檢測(cè)電荷載子(例如，電子)的輸入并將其轉(zhuǎn)換成1000個(gè)電荷載子的較大可檢測(cè)群組。輸出放大器現(xiàn)在便能夠檢測(cè)到電荷包并將所述電荷包轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電荷倍增HCXD移位寄存器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其動(dòng)態(tài)范圍。如果進(jìn)入倍增HCXD 移位寄存器的電荷包具有200個(gè)電荷載子且如果增益為1000，那么200個(gè)電荷載子倍增到 200，000個(gè)電荷載子。許多電荷倍增HCXD移位寄存器不能保存200，000個(gè)或200，000個(gè)以上電荷載子，因此電荷載子彌散(擴(kuò)散)到鄰近于HCCD移位寄存器的像素中。當(dāng)電荷倍增 HCCD移位寄存器的容量為200，000個(gè)電荷載子且增益為1000時(shí)，電荷倍增HCCD移位寄存器可測(cè)量的最大信號(hào)為具有一個(gè)電荷載子的噪聲底部的200個(gè)電荷載子。此是200到1的動(dòng)態(tài)范圍。為說明所述動(dòng)態(tài)范圍的不良性，具有八個(gè)電子的最小噪聲級(jí)的輸出放大器可容易地在4000到1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測(cè)量含有32，000個(gè)電荷載子的電荷包。為克服此限制，現(xiàn)有技術(shù)CXD圖像傳感器(參見圖2、已將第二輸出放大器200添加到HCCD移位寄存器105。如果已知圖像含有對(duì)于電荷倍增HCCD移位寄存器110來說太大的電荷包，那么經(jīng)由HCXD移位寄存器105將電荷包串行地移位到輸出放大器200而非朝向電荷倍增HCCD移位寄存器110。此實(shí)施方案的一個(gè)劣勢(shì)是必須從輸出放大器200或輸出放大器120讀出整個(gè)圖像。如果一圖像含有亮區(qū)域及暗區(qū)域兩者，那么必須從輸出放大器 200讀出所述圖像，這樣亮區(qū)域才不會(huì)使電荷倍增HC⑶移位寄存器110彌散(滿溢)。但當(dāng)從輸出放大器200讀出整個(gè)圖像時(shí)，圖像中的暗區(qū)域未經(jīng)由電荷倍增HCCD移位寄存器移位且不會(huì)接收到電荷倍增HCXD移位寄存器110的益處。

發(fā)明內(nèi)容
一種圖像傳感器包含電連接到像素陣列以用于從所述像素陣列接收電荷包的水平移位寄存器。非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)連接到所述水平移位寄存器的輸出。電荷引導(dǎo)開關(guān)電連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)。所述電荷引導(dǎo)開關(guān)包含兩個(gè)輸出。電荷倍增水平移位寄存器電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的一個(gè)輸出。放電元件連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的另一輸出。管線延遲水平移位寄存器可連接在所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)與所述電荷引導(dǎo)開關(guān)之間。經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器可連接在所述電荷引導(dǎo)開關(guān)與所述電荷倍增水平移位寄存器的輸入之間。放大器可連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)及所述電荷倍增移位寄存器的輸出。所述圖像傳感器可包含于圖像捕獲裝置中。所述圖像捕獲裝置可包含連接到所述放大器的所述輸出的相關(guān)雙取樣(CDS)單元。所述CDS單元可各自包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。計(jì)算裝置針對(duì)從所述水平移位寄存器輸出的每一電荷包接收由所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)字像素信號(hào)。所述計(jì)算裝置產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，所述開關(guān)信號(hào)由所述電荷引導(dǎo)開關(guān)接收且當(dāng)電荷包中的電荷載子的數(shù)目將不使所述電荷倍增水平移位寄存器飽和時(shí)致使所述電荷引導(dǎo)開關(guān)將所述電荷包引導(dǎo)到所述電荷倍增水平移位寄存器。當(dāng)電荷包將使所述電荷倍增水平移位寄存器飽和時(shí)，所述電荷引導(dǎo)開關(guān)將所述電荷包引導(dǎo)到連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的另一輸出的所述放電元件。連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的所述放大器及連接到所述放大器的所述CDS單元組合形成具有組合電荷/電壓轉(zhuǎn)換增益值Gl的電荷感測(cè)輸出通道。連接到所述電荷倍增水平移位寄存器的所述輸出的所述放大器及連接到所述放大器的所述CDS單元組合形成具有組合電荷/電壓轉(zhuǎn)換增益值G2的電荷倍增輸出通道。一種用于產(chǎn)生圖像的方法包含選擇由所述電荷感測(cè)輸出通道或所述電荷倍增輸出通道產(chǎn)生的像素信號(hào)。如果選擇由所述電荷感測(cè)輸出通道產(chǎn)生的像素信號(hào)，那么將增益比(G2/G1)應(yīng)用于從所述電荷感測(cè)輸出通道選擇的每一像素信號(hào)。所述圖像是通過組合所述選定像素信號(hào)而產(chǎn)生。一種用于制作圖像傳感器的方法包含提供電連接到像素陣列以用于從所述像素陣列接收電荷包的水平移位寄存器。提供連接到所述水平移位寄存器的輸出的非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)。提供電連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的電荷引導(dǎo)開關(guān)。所述電荷引導(dǎo)開關(guān)包含第一輸出及第二輸出。提供電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第一輸出的電荷倍增水平移位寄存器。提供連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第二輸出的放電元件。一種用于制作圖像捕獲裝置的方法進(jìn)一步包含提供電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的計(jì)算裝置，其中所述計(jì)算裝置可操作以響應(yīng)于從所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)將開關(guān)信號(hào)傳輸?shù)剿鲭姾梢龑?dǎo)開關(guān)。


參考以下圖式更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。所述圖式的元件未必相對(duì)于彼此成比例。圖1描繪根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)執(zhí)行電荷倍增的第一 CCD圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖；圖2描繪根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)執(zhí)行電荷倍增的第二 CCD圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖3是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的圖像捕獲裝置的簡(jiǎn)化框圖；圖4是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的適于用作圖3中所示的圖像傳感器306的CXD 圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖；圖5描繪在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的圖4中所示的電荷引導(dǎo)開關(guān)414的簡(jiǎn)化俯視圖；圖6圖解說明圖5中所示的電荷引導(dǎo)開關(guān)414的第一示范性時(shí)序圖；圖7圖解說明圖5中所示的電荷引導(dǎo)開關(guān)414的第二示范性時(shí)序圖；圖8是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的用于操作圖像傳感器的方法的流程圖；圖9是可結(jié)合圖4中所示的實(shí)施例使用的用于產(chǎn)生圖像的方法的流程圖；圖10是用于圖解說明在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中如何組合從三個(gè)輸出通道輸出的信號(hào)以產(chǎn)生圖像的示范性圖示；及圖11是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的用于制作圖像傳感器的方法的流程。
具體實(shí)施例方式在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，除上下文另外明確規(guī)定，以下措詞取與本文明確
相關(guān)聯(lián)的含義?！啊耙?a、an)”和“所述(the)”的含義包含復(fù)數(shù)參考，且“在......中
(in)”的含義包含“在......中(in)”和“在......上(on)”。措詞“連接的”意指所連
接物項(xiàng)之間的直接電連接，或通過一個(gè)或一個(gè)以上無源或有源中間裝置的間接連接。措詞 “電路(circuit) ”意指連接在一起以提供所要功能的有源或無源的單個(gè)組件或多個(gè)組件。 措詞“信號(hào)(signal)，，意指至少一個(gè)電流、電壓、電荷或數(shù)據(jù)信號(hào)。另外，應(yīng)將措詞“襯底層”理解為基于半導(dǎo)體的材料，包含(但不限于)硅、絕緣體上硅(SOI)技術(shù)、藍(lán)寶石上硅(S0Q技術(shù)、經(jīng)摻雜及未經(jīng)摻雜半導(dǎo)體、形成于半導(dǎo)體襯底上的外延層或阱區(qū)域及其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。參考圖式，在所有視圖中相同編號(hào)指示相同零件。圖3是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的圖像捕獲裝置的簡(jiǎn)化框圖。圖像捕獲裝置300 在圖3中實(shí)施為數(shù)碼相機(jī)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到數(shù)碼相機(jī)僅是可利用并入本發(fā)明的圖像傳感器的圖像捕獲裝置的一個(gè)實(shí)例。其它類型的圖像捕獲裝置可與本發(fā)明一起使用，例如，舉例來說，手機(jī)相機(jī)和數(shù)字視頻攝像放像機(jī)。在數(shù)碼相機(jī)300中，來自被攝體場(chǎng)景的光302輸入到成像級(jí)304。成像級(jí)304可包含例如透鏡、中性密度濾波器、光闌及快門的常規(guī)元件。光302由成像級(jí)304聚焦以在圖像傳感器306上形成圖像。圖像傳感器306通過將入射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來捕獲一個(gè)或一個(gè)以上圖像。數(shù)碼相機(jī)300進(jìn)一步包含處理器308、存儲(chǔ)器310、顯示器312及一個(gè)或一個(gè)以上額外輸入/輸出(I/O)元件314。盡管在圖3的實(shí)施例中展示為分離元件，但成像級(jí)304 可與圖像傳感器306及數(shù)碼相機(jī)300的可能一個(gè)或一個(gè)以上額外元件集成在一起以形成緊湊相機(jī)模塊。舉例來說，處理器308可實(shí)施為微處理器、中央處理單元(CPU)、專用集成電路 (ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或其它處理裝置或者多個(gè)此類裝置的組合。成像級(jí)304及圖像傳感器306的各種元件可由時(shí)序信號(hào)或從處理器308供應(yīng)的其它信號(hào)來控制。存儲(chǔ)器310可配置為任一類型的存儲(chǔ)器，例如(舉例來說)呈組合形式的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、快閃存儲(chǔ)器、基于磁盤的存儲(chǔ)器、可裝卸存儲(chǔ)器或其它類型的存儲(chǔ)元件。由圖像傳感器306捕獲的給定圖像可由處理器308存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器310中且呈現(xiàn)于顯示器312上。顯示器312通常為有源矩陣彩色液晶顯示器(IXD)，但也可使用其它類型的顯示器。舉例來說，額外I/O元件314可包含各種屏幕上控制件、按鈕或其它用戶接口、網(wǎng)絡(luò)接口、存儲(chǔ)器卡接口等。應(yīng)了解，如圖3中所示的數(shù)碼相機(jī)可包括為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的類型的額外或替代元件。本文中未明確展示或描述的元件可選自此項(xiàng)技術(shù)中已知的那些元件。如先前所述，本發(fā)明可實(shí)施于各種各樣的圖像捕獲裝置中。此外，本文中所描述的實(shí)施例的某些方面可至少部分地以由圖像捕獲裝置的一個(gè)或一個(gè)以上處理元件執(zhí)行的軟件的形式來實(shí)施。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，鑒于本文中所提供的教示內(nèi)容，可以直接方式實(shí)施此軟件。現(xiàn)在參考圖4，其展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的適于用作圖3中所示的圖像傳感器306的CXD圖像傳感器的簡(jiǎn)化框圖。圖像傳感器400可實(shí)施為任一類型的CXD圖像傳感器，包含(但不限于)隔行CCD圖像傳感器及全幀圖像傳感器。圖像傳感器400包含像素陣列402，所述像素陣列具有將來自每一行像素的電荷包移位到水平移位寄存器404的垂直移位寄存器(未展示)。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中， 水平移位寄存器404實(shí)施為低電壓水平電荷耦合裝置(CCD)移位寄存器。水平移位寄存器 404朝向非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)406串行地移位每一電荷包。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)406實(shí)施為非破壞性浮動(dòng)?xùn)艠O感測(cè)節(jié)點(diǎn)。非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)406上的電壓輸入到放大器408中。輸出放大器408的輸出連接到輸出電路410。輸出放大器408與輸出電路410—起形成“電荷感測(cè)輸出通道”。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，輸出電路410實(shí)施為相關(guān)雙取樣(CDQ單元。CDS單元可配置成各種電路實(shí)施方案中的任一者。僅以舉例方式，CDS單元可經(jīng)配置以在模擬域中減去雙樣本(例如，復(fù)位及圖像樣本)且將結(jié)果傳遞到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。作為另一實(shí)例，可將可從亞德諾裝置 (Analog Devices)購(gòu)得零件編號(hào)為AD98M的⑶S單元用于⑶S單元。⑶S單元也可經(jīng)配置以對(duì)兩個(gè)樣本進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換及在數(shù)字域中減去雙樣本，如美國(guó)專利申請(qǐng)案5，086，344中。通常，包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電路具有管線處理延遲。當(dāng)輸出電路接收到從輸出放大器408輸出的模擬像素信號(hào)時(shí)，不從輸出電路410輸出對(duì)應(yīng)數(shù)字像素信號(hào)直到已經(jīng)過給定數(shù)目個(gè)時(shí)鐘循環(huán)為止。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用管線延遲水平移位寄存器來補(bǔ)償輸出電路410的管線處理延遲。在所圖解說明的實(shí)施例中，管線延遲水平移位寄存器412具有對(duì)應(yīng)于輸出電路410的管線處理延遲的長(zhǎng)度。管線延遲水平移位寄存器412的長(zhǎng)度經(jīng)確定以使得由非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)406感測(cè)且傳遞到管線延遲水平移位寄存器412的電荷包與從CDS單元410輸出經(jīng)數(shù)字化像素信號(hào)相同的時(shí)間或稍后時(shí)間從管線延遲水平移位寄存器412輸出且到達(dá)電荷引導(dǎo)開關(guān)414。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，管線延遲水平移位寄存器412可具有不同長(zhǎng)度。計(jì)算裝置(例如，圖3中的處理器308)分析從輸出電路410輸出的數(shù)字像素信號(hào)且在信號(hào)線413上將開關(guān)信號(hào)傳輸?shù)诫姾梢龑?dǎo)開關(guān)414。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，計(jì)算裝置構(gòu)造在圖像傳感器裸片或芯片外部。在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中，計(jì)算裝置可構(gòu)造在圖像傳感器裸片或芯片上。
如果從輸出電路410輸出的數(shù)字像素信號(hào)表示少量或小數(shù)目的電荷載子，那么信號(hào)線413上的開關(guān)信號(hào)致使電荷引導(dǎo)開關(guān)414將電荷包傳遞到電荷倍增水平移位寄存器 416上。接著，經(jīng)由電荷倍增水平移位寄存器416移位所述電荷包且將其輸入到輸出放大器 418中。輸出放大器418輸出表示電荷包中的電荷載子的量的模擬像素信號(hào)。輸出電路420連接到輸出放大器418的輸出。輸出放大器418與輸出電路420 — 起形成“電荷倍增輸出通道”。輸出電路420將模擬像素信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字像素信號(hào)。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，輸出電路420可對(duì)像素信號(hào)執(zhí)行額外處理。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，輸出電路420實(shí)施為CDS單元。CDS單元可配置成多個(gè)實(shí)施方案中的任一者。如果從輸出電路410輸出的數(shù)字像素信號(hào)表示可使倍增水平移位寄存器416飽和的電荷載子的數(shù)目，那么信號(hào)線413上的開關(guān)信號(hào)致使電荷引導(dǎo)開關(guān)414將電荷包引導(dǎo)到放電元件422。放電元件422用來轉(zhuǎn)儲(chǔ)或排放將不被輸入到電荷倍增水平移位寄存器416 中的電荷包。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，放電元件422實(shí)施為漏極。經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器似4充當(dāng)電荷引導(dǎo)開關(guān)414與電荷倍增水平移位寄存器 416之間的連接水平移位寄存器。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器似4在低電壓電平下操作。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可省略經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器424。圖像傳感器400針對(duì)未被輸入到電荷倍增輸出通道中的電荷包產(chǎn)生一個(gè)像素信號(hào)。所述像素信號(hào)由電荷感測(cè)輸出通道產(chǎn)生。圖像傳感器400針對(duì)被引導(dǎo)到電荷倍增輸出通道中的電荷包產(chǎn)生兩個(gè)像素信號(hào)。由輸出電路410及420產(chǎn)生的數(shù)字像素信號(hào)可在數(shù)字像素信號(hào)從輸出電路輸出的時(shí)間及電荷包在圖像中的位置方面不同步。針對(duì)每一電荷包， 輸出電路410通常將比輸出電路420快速地輸出數(shù)字像素信號(hào)，因?yàn)榻?jīng)由電荷倍增水平移位寄存器416移位電荷包花費(fèi)更多時(shí)間。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，由計(jì)算裝置(例如，圖 3中的處理器308)對(duì)從輸出電路410及420輸出的數(shù)字像素信號(hào)進(jìn)行同步或重新排序。計(jì)算裝置可存儲(chǔ)針對(duì)每一電荷包的開關(guān)信號(hào)的狀態(tài)且使用所述數(shù)據(jù)來對(duì)數(shù)字像素信號(hào)進(jìn)行重新排序以再現(xiàn)圖像?，F(xiàn)在參考圖5，其展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的圖4中所示的電荷引導(dǎo)開關(guān)414 的簡(jiǎn)化俯視圖。展示管線延遲水平移位寄存器412及經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器4 連接到電荷引導(dǎo)開關(guān)414。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，電荷引導(dǎo)開關(guān)414包含安置在電荷移位元件上方的柵極500、502、504。電荷引導(dǎo)開關(guān)414包含兩個(gè)輸出，一個(gè)輸出與柵極502相關(guān)聯(lián)且另一輸出與柵極504相關(guān)聯(lián)。在所圖解說明的實(shí)施例中，將管線延遲水平移位寄存器412及經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器4M各自描繪為二相CCD移位寄存器。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例并不限于二相CCD移位寄存器。在其它實(shí)施例中可實(shí)施具有三個(gè)或三個(gè)以上相的CCD移位寄存器。圖6中所描繪的示范性第一時(shí)序圖用來將電荷從管線延遲水平移位寄存器412引導(dǎo)到經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器424。在省略經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器似4的實(shí)施例中，所述時(shí)序圖可用于將電荷從管線延遲水平移位寄存器412引導(dǎo)到電荷倍增水平移位寄存器416。且最后，在省略管線延遲水平移位寄存器412的實(shí)施例中，所述時(shí)序圖可用于將電荷從非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)406引導(dǎo)到經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器似4或電荷倍增水平移位寄存器416。在時(shí)間Ttl處，將柵極500計(jì)時(shí)為低電平，而柵極504上的信號(hào)保持在低電平且將柵極502上的信號(hào)計(jì)時(shí)為高電平。當(dāng)柵極500及504上的信號(hào)處于低電平且柵極502上的信號(hào)處于高電平時(shí)，電荷從柵極500下面的電荷移位元件流出且流入到柵極502下方的電荷移位元件中。接著，如圖6中所示計(jì)時(shí)施加到經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器424中的柵極506、 508的信號(hào)以經(jīng)由經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器移位電荷包?，F(xiàn)在參考圖7，其展示用于圖5中所示的電荷引導(dǎo)開關(guān)414的另一示范性時(shí)序圖。 在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，圖7中所圖解說明的示范性時(shí)序圖用于將電荷從管線延遲水平移位寄存器412引導(dǎo)到放電元件422。當(dāng)在時(shí)間Ttltl處，將柵極500計(jì)時(shí)為給定電平(例如， 低電平)時(shí)，柵極502上的信號(hào)保持在低電平且將柵極504上的信號(hào)計(jì)時(shí)為高電平。當(dāng)柵極500及502上的信號(hào)處于低電平且柵極504上的信號(hào)處于高電平時(shí)，電荷從安置在柵極 500下面的電荷移位元件流出且流入到放電元件422中。圖8是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中用于控制電荷包的流動(dòng)的方法的流程圖。初始地，在框800處，將電荷包移位到非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)。將電荷包轉(zhuǎn)換成表示所述電荷包中的電荷載子的量或數(shù)目的數(shù)字像素信號(hào)，同時(shí)將所述電荷包發(fā)送到電荷引導(dǎo)開關(guān)(框802)。 在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，經(jīng)由管線延遲水平移位寄存器移位電荷包以將所述電荷包發(fā)送到電荷引導(dǎo)開關(guān)。接著，在框804處作出關(guān)于電荷包中的電荷載子的數(shù)目是否將使電荷倍增水平移位寄存器飽和的確定。如果電荷包將使電荷倍增水平移位寄存器飽和，那么所述過程進(jìn)行到框806，其中將電荷包引導(dǎo)到放電元件。如果電荷載子將不使電荷倍增水平移位寄存器飽和，那么將電荷包引導(dǎo)到電荷倍增水平移位寄存器且經(jīng)由電荷倍增水平移位寄存器移位 (框 808)。針對(duì)從像素陣列讀出的每一像素重復(fù)圖8中所描繪的方法。僅不引起彌散的電荷包才被輸入且經(jīng)由電荷倍增水平移位寄存器移位。弓丨起彌散的較大電荷包被弓丨導(dǎo)到放電元件?，F(xiàn)在參考圖9，其展示可結(jié)合圖4中所示的實(shí)施例使用的用于產(chǎn)生圖像的方法的流程圖。值Gl表示放大器408與輸出電路410的組合電荷/電壓轉(zhuǎn)換增益。值G2表示輸出放大器418與輸出電路420的組合電荷/電荷轉(zhuǎn)換增益。初始地，在框900處作出關(guān)于電荷包中的電荷載子的數(shù)目是否將使電荷倍增水平移位寄存器飽和的確定。如果不會(huì)，那么將電荷包引導(dǎo)到電荷倍增水平移位寄存器并經(jīng)由所述電荷倍增水平移位寄存器移位，且將由連接到電荷倍增水平移位寄存器的輸出放大器及輸出電路產(chǎn)生的數(shù)字像素信號(hào)選擇為數(shù)字像素信號(hào)(框90 。接著，如框904中所示，存儲(chǔ)數(shù)字像素信號(hào)。僅通過舉例方式，可將數(shù)字像素信號(hào)存儲(chǔ)在圖3中所示的存儲(chǔ)器310中。接下來，如框906中所示，作出關(guān)于圖像傳感器是否將產(chǎn)生另一電荷包的確定。如果是，那么方法返回到框900。當(dāng)電荷包中的電荷載子的數(shù)目將使電荷倍增水平移位寄存器飽和時(shí)，所述過程進(jìn)行到框906，其中將電荷包引導(dǎo)到放電元件。將由連接到非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的放大器產(chǎn)生的數(shù)字像素信號(hào)選擇為數(shù)字像素信號(hào)(框908)。接著，在框910處，將選定數(shù)字像素信號(hào)乘以增益比(G2/G1)且在框904處存儲(chǔ)經(jīng)修改數(shù)字像素信號(hào)。僅通過舉例方式，增益比(G2/G1)可由計(jì)算裝置(例如，圖3中所示的處理器308)應(yīng)用于選定數(shù)字像素信號(hào)。當(dāng)已處理完所有電荷包且不再有電荷包(框906)時(shí)，所述方法進(jìn)行到框914，其中組合所存儲(chǔ)的像素信號(hào)或經(jīng)修改像素信號(hào)以產(chǎn)生圖像。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可組合框904與框914，以使得將像素信號(hào)存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)于像素在圖像中的位置的位置中。因此，當(dāng)圖像傳感器已產(chǎn)生所有電荷包時(shí)，存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)完成的圖像?，F(xiàn)在將描述用于確定圖9中所示的方法中使用的增益比G2/G1的一個(gè)過程。G2/ Gl增益比可從引導(dǎo)到電荷倍增水平移位寄存器418及輸出電路420的電荷包確定。所述電荷包由輸出電路410及420兩者處理。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，確定(由輸出電路 420產(chǎn)生的數(shù)字像素信號(hào))/(由輸出電路410產(chǎn)生的數(shù)字像素信號(hào))的運(yùn)行平均值。此運(yùn)行平均值等于增益比G2/G1。在實(shí)施例中使用運(yùn)行平均值是因?yàn)殡S著相機(jī)溫度改變，增益比 G2/G1將可能也改變。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例并不限于運(yùn)行平均值的使用。在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可使用運(yùn)行最小乘方擬合平均值。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解運(yùn)行最小乘方擬合平均值也將糾正偏移誤差。圖10是用于圖解說明在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中如何組合從兩個(gè)輸出通道輸出的信號(hào)以產(chǎn)生圖像的示范性圖示。線1000表示針對(duì)具有0到Sl數(shù)目個(gè)電荷載子的電荷包的電荷倍增輸出通道的輸出。線1002表示針對(duì)具有0到S2數(shù)目個(gè)電荷載子的電荷包的電荷感測(cè)輸出通道的輸出。每一線1000及1002的斜率分別為輸出增益G2及Gl。線1004表示不同輸出通道中的放大器(例如，放大器408及418)的飽和電平。所有輸出通道的像素強(qiáng)度將不超過此飽和電平。因此，圖像的最大像素強(qiáng)度限于由線1004表示的強(qiáng)度級(jí)。輸出放大器418在低電荷載子數(shù)目Sl下飽和且輸出放大器408在電荷載子數(shù)目 S2下飽和。如果電荷載子的數(shù)目介于Sl與S2之間，那么將電荷感測(cè)輸出通道的輸出乘以輸出線1000及1002的斜率的比(即，增益比G2/G1)。將從電荷感測(cè)輸出通道輸出的像素信號(hào)乘以增益比以產(chǎn)生具有較大強(qiáng)度值范圍的圖像。當(dāng)將增益比應(yīng)用于具有介于Sl與S2之間的數(shù)目的電荷載子的電荷包時(shí)，所述增益比修改像素強(qiáng)度值以使得強(qiáng)度值沿著線1006下降。僅通過舉例方式，具有對(duì)應(yīng)于沿著線1002的點(diǎn)1008的數(shù)目的電荷載子的電荷包從電荷感測(cè)輸出通道輸出。當(dāng)將電荷包乘以增益比(G2/G1)時(shí)，經(jīng)修改像素強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)于沿著線1006的點(diǎn)1008’。因此，所述增益比產(chǎn)生落在或大致落在線1006上的經(jīng)修改像素強(qiáng)度，借此提供具有較大像素強(qiáng)度值范圍的圖像?，F(xiàn)在參考圖11，其展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的用于制作圖像傳感器的方法的流程圖。初始地，制作像素陣列，如框1100中所示?？墒褂盟黾夹g(shù)中已知的技術(shù)來制作光電檢測(cè)器像素陣列。舉例來說，可將掩蔽層沉積在襯底上方且將每一者圖案化以在其中將形成每一像素中的相應(yīng)組件(例如，光電檢測(cè)器)的位置處提供開口。接著將具有特定導(dǎo)電率類型的摻雜劑植入到襯底中以制作所述組件。接下來，如框1102中所示，在像素陣列的一個(gè)側(cè)上制作水平C⑶移位寄存器?？墒褂盟黾夹g(shù)中已知的技術(shù)來制作水平CCD移位寄存器。舉例來說，可將掩蔽層沉積在襯底上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位寄存器元件或每一移位寄存器元件中的相的位置處提供開口。接著將具有特定導(dǎo)電率類型的摻雜劑植入到襯底中以制作移位寄存器元件或相。也可在移位寄存器元件或相之間形成勢(shì)壘植入物。此外，在每一移位寄存器元件或相上方制作電極且將其電連接到用于經(jīng)由水平CCD移位寄存器移位電荷包的相應(yīng)電壓計(jì)時(shí)信號(hào)。通常，以若干電極層形成電極。在二相CCD移位寄存器中，交替電極(每隔一個(gè)電極)形成一個(gè)電極層且其余電極形成第二電極層。在四相CCD移位寄存器中，安置在第一及第三相(或第二及第四相)上方的電極形成一個(gè)電極層且其余電極形成第二電極層。接下來，如框1104及框1106中所示，制作電荷感測(cè)輸出通道及電荷倍增輸出通道。可使用所述技術(shù)中已知的技術(shù)來制作輸出通道。舉例來說，可將掩蔽層沉積在襯底上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位寄存器元件或每一移位寄存器元件中的相的位置處提供開口。接著將具有特定導(dǎo)電率類型的摻雜劑植入到襯底中以制作移位寄存器元件或相。也可在移位寄存器元件或相之間形成勢(shì)壘植入物。此外，在每一移位寄存器元件或相上方制作電極或柵極且將其電連接到用于經(jīng)由水平移位寄存器移位電荷包的相應(yīng)電壓計(jì)時(shí)信號(hào)。通常，以若干層形成柵極。在二相移位寄存器中，交替柵極(每隔一個(gè)柵極)形成一個(gè)層且其余柵極形成第二電極層。在四相移位寄存器中，安置在第一及第三相(或第二及第四相)上方的柵極形成一個(gè)層且其余柵極形成第二電極層。在框1108處形成放電元件?？墒褂盟黾夹g(shù)中已知的技術(shù)來形成放電元件。且最終，在框1110處制作電荷引導(dǎo)開關(guān)?？墒褂盟黾夹g(shù)中已知的技術(shù)來制作所述電荷引導(dǎo)開關(guān)。舉例來說，可將掩蔽層沉積在襯底上方且將其圖案化以在其中將形成每一移位寄存器元件或每一移位寄存器元件中的相的位置處提供開口。接著將具有特定導(dǎo)電率類型的摻雜劑植入到襯底中以制作移位寄存器元件或相。也可在移位寄存器元件或相之間形成勢(shì)壘植入物。此外，在每一移位寄存器元件或相上方制作柵極且將其電連接到用于經(jīng)由電荷引導(dǎo)開關(guān)的相應(yīng)輸出引導(dǎo)電荷包的相應(yīng)電壓計(jì)時(shí)信號(hào)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例可修改圖10中所示的框的次序。舉例來說，可通過適當(dāng)?shù)貓D案化掩蔽層來同時(shí)制作包含在像素陣列、水平移位寄存器、電荷感測(cè)輸出通道或電荷倍增輸出通道中的多個(gè)組件。包含管線延遲水平移位寄存器或經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器的實(shí)施例可在制作所需輸出通道時(shí)制作這些元件。另外，可在圖 10中所示的過程之間制作圖像傳感器中的其它組件。已特定參考本發(fā)明的某些實(shí)施例來詳細(xì)地描述本發(fā)明，但應(yīng)理解可在本發(fā)明的精神及范圍內(nèi)作出變更及修改。舉例來說，可使用除圖7及圖8中所示的信號(hào)電平之外的信號(hào)電平。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以不同方式實(shí)施電荷引導(dǎo)開關(guān)。與圖3中所示的組件相比，圖像捕獲裝置可包含額外組件。而且，即使本文中已描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，但應(yīng)注意本申請(qǐng)案并不限于所述實(shí)施例。特定來說，在兼容的情況下，關(guān)于一個(gè)實(shí)施例描述的任何特征也可在其它實(shí)施例中使用。而且，在兼容的情況下，不同實(shí)施例的特征可交換。部件列表100 像素陣列102 像素105 水平電荷耦合裝置移位寄存器110 電荷倍增水平電荷耦合裝置移位寄存器120 輸出放大器200 輸出放大器300 圖像捕獲裝置
302光304成像級(jí)306圖像傳感器308處理器310存儲(chǔ)器312顯示器314其它輸入/輸出(I/O)400圖像傳感器402像素陣列404水平電荷耦合裝置移位寄存器406非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)408放大器410輸出電路412管線延遲水平移位寄存器414電荷引導(dǎo)開關(guān)416電荷倍增水平移位寄存器418放大器420輸出電路422放電元件424經(jīng)擴(kuò)展水平電荷耦合裝置移位寄存器500柵極502柵極504柵極506柵極508柵極1000表示電荷倍增輸出通道的輸出的線1002表示電荷感測(cè)輸出通道的輸出的線1004表示飽和電平的線1006表示像素強(qiáng)度值的線1008像素強(qiáng)度值1008’經(jīng)修改像素強(qiáng)度值Sl表示電荷載子的數(shù)目的值S2表示電荷載子的數(shù)目的值
權(quán)利要求
1.一種用于制作圖像傳感器的方法，其包括提供電連接到像素陣列以用于從所述像素陣列接收電荷包的水平移位寄存器； 提供連接到所述水平移位寄存器的輸出的非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)； 提供電連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的電荷引導(dǎo)開關(guān)，其中所述電荷引導(dǎo)開關(guān)包含第一輸出及第二輸出；提供電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第一輸出的電荷倍增水平移位寄存器；及提供連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第二輸出的放電元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的第一放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接在所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)與所述電荷引導(dǎo)開關(guān)之間的管線延遲水平移位寄存器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接在所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第一輸出與所述電荷倍增水平移位寄存器的輸入之間的經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接到所述電荷倍增水平移位寄存器的輸出的第二放大器。
6.一種用于制作圖像捕獲裝置的方法，其包括提供電連接到像素陣列以用于從所述像素陣列接收電荷包的水平移位寄存器； 提供連接到所述水平移位寄存器的輸出的非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)； 提供電連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的電荷引導(dǎo)開關(guān)，其中所述電荷引導(dǎo)開關(guān)包含第一輸出及第二輸出；提供電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第一輸出的電荷倍增水平移位寄存器； 提供連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第二輸出的放電元件；及提供電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的計(jì)算裝置，其中所述計(jì)算裝置可操作以響應(yīng)于從所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)而將開關(guān)信號(hào)傳輸?shù)剿鲭姾梢龑?dǎo)開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括 提供連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)的第一放大器；及提供連接到所述電荷倍增水平移位寄存器的輸出的第二放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接到所述第一放大器的輸出的第一輸出電路；及提供連接到所述第二放大器的輸出的第二輸出電路，其中所述第一輸出電路及第二輸出電路各自包含電連接到所述第一放大器及第二放大器的所述輸出的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接在所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)與所述電荷引導(dǎo)開關(guān)之間的管線延遲水平移位寄存器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其進(jìn)一步包括基于所述第一放大器及所述第一輸出電路的管線延遲時(shí)間而提供所述管線延遲水平移位寄存器的長(zhǎng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括提供連接在所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的所述第一輸出與所述電荷倍增水平移位寄存器的輸入之間的經(jīng)擴(kuò)展水平移位寄存器。
全文摘要
一種圖像傳感器包含電連接到像素陣列以用于從所述像素陣列接收電荷包的水平移位寄存器。非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)連接到所述水平移位寄存器的輸出。電荷引導(dǎo)開關(guān)電連接到所述非破壞性感測(cè)節(jié)點(diǎn)。所述電荷引導(dǎo)開關(guān)包含兩個(gè)輸出。電荷倍增水平移位寄存器電連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的一個(gè)輸出。放電元件連接到所述電荷引導(dǎo)開關(guān)的另一輸出。
文檔編號(hào)H04N5/335GK102547153SQ20111044289
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者克里斯托弗·帕克斯 申請(qǐng)人:全視科技有限公司