CN103369263A - 用于暗电流校正的***、设备和方法 - Google Patents

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CN103369263A CN2013101028758A CN201310102875A CN103369263A CN 103369263 A CN103369263 A CN 103369263A CN 2013101028758 A CN2013101028758 A CN 2013101028758A CN 201310102875 A CN201310102875 A CN 201310102875A CN 103369263 A CN103369263 A CN 103369263A
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Abstract

本申请案涉及用于暗电流校正的***、设备和方法。本发明的实施例描述用于为了暗电流校正处理获得黑色参考像素的***、设备和方法。本发明的实施例经由图像装置的像素单元的多个像素胞元俘获图像信号数据，其中俘获图像信号数据涉及经由安置在所述像素单元上方的快门单元建立使入射于所述像素单元的每一像素上的光暴露的第一状态，和遮蔽入射光使其不会照射所述像素单元的一个或一个以上像素的第二状态。读取在所述第一状态和所述第二状态期间俘获的来自所述像素单元的每一像素的图像信号数据；以及通过组合在所述第一状态期间俘获的图像信号数据的子集和包括在所述第二状态期间俘获的图像信号数据的子集的暗电流分量来创建场景图像数据。

Description

用于暗电流校正的***、设备和方法
技术领域
本发明大体上涉及图像俘获装置，且明确地说但非排他地涉及用于图像俘获装置的暗电流校正处理。
背景技术
互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器(“CIS”)可产生不准确的图像数据，原因在于像素本身中的暗电流和像素之间暗电流电平的变化。CIS阵列的每一像素提供一输出电压，所述输出电压随入射于所述像素上的光而变化。令人遗憾的是，暗电流会增加输出电压，并且使成像***提供的图片品质降低。
可通过读取“黑色参考像素”来获得与“真实”黑色相关联的模拟电压。在现有技术解决方案中，黑色参考像素是通常紧挨着有源图像阵列排列的单独结构。黑色参考像素用于产生低计数值或用户指定的设定点值，其通常将显示为黑色。
图1是利用暗像素阵列作为黑色参考像素的现有技术成像***的图示说明。成像***100包括成像像素阵列105、黑色参考像素阵列107、读出电路110、功能逻辑115和控制电路120。像素阵列105被展示为成像传感器像素(例如，AP1、AP2...APn)的二维(“2D”)阵列，并且黑色参考像素阵列107被展示为被遮光的像素(例如，BP0、BP1...BP9)的单独阵列。由黑色参考像素阵列107产生的黑色参考信号用于调整、偏移和以其它方式校准成像传感器的黑色电平设定点，从而考虑到暗电流的变化。然而，因为需要单独成像组件产生所述黑色参考信号，所以会增加成像***100的大小。
发明内容
在一个实施例中，本申请案提供一种固态图像拾取设备，其包含：像素单元，其包含多个像素；快门单元，其安置在所述像素单元上方；像素控制单元，其用于响应于接收到图像俘获命令来控制所述像素单元的多个像素小组，包括经由所述快门单元建立使入射于所述像素单元的每一像素上的光暴露的第一状态，和遮蔽入射光使其不照射所述像素单元的一个或一个以上像素的第二状态；以及读出单元，用于：读取在所述第一状态和所述第二状态期间俘获的来自所述像素单元的每一像素的图像信号数据；以及输出场景图像数据，其包含在所述第一状态期间俘获的图像信号数据的子集，和包括在所述第二状态期间俘获的图像信号数据的子集的暗电流分量。
在另一实施例中，本申请案提供一种方法，其包含：接收图像俘获命令；响应于接收到所述图像俘获命令经由像素单元的多个像素胞元俘获图像信号数据，其中俘获图像信号数据包括经由安置在所述像素单元上方的快门单元建立使入射于所述像素单元的每一像素上的光暴露的第一状态，和遮蔽入射光使其不照射所述像素单元的一个或一个以上像素的第二状态；读取在所述第一状态和所述第二状态期间俘获的来自所述像素单元的每一像素的图像信号数据；以及输出场景图像数据，其包含在所述第一状态期间俘获的图像信号数据的子集，和包括在所述第二状态期间俘获的图像信号数据的子集的暗电流分量。
附图说明
参看以下图式描述本发明的非限制性和非穷尽性的实施例，其中除非另有指定，否则各图中相同的参考标号指代相同的部件。图式不必按比例，而是重点在于说明所描述的原理。
图1是利用暗像素阵列作为黑色参考像素的现有技术成像***的图示说明。
图2是说明根据本发明的一实施例的成像***的功能框图。
图3说明根据本发明的一实施例的常规前侧照明式CMOS成像像素。
图4是根据本发明的一实施例的背侧照明式CMOS成像像素的混合横截面/电路图示说明。
图5是根据本发明的一实施例的图像传感器和快门组合件的图示说明。
图6A-图6C是根据本发明的一实施例的相机组合件的横截面图。
图7是根据本发明的一实施例的用于为了暗电流校正处理获取黑色参考像素的过程的流程图。
下文描述某些细节和实施方案，包括描述图式(其可描绘下文描述的某些或所有实施例)，并且论述本文中呈现的发明性概念的其它可能的实施例或实施方案。下文提供对本发明的实施例的概述，接着是参看图式的较详细描述。
具体实施方式
本文描述用于为了图像俘获装置的暗电流校正处理获得黑色参考像素的设备、***和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多特定细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有所述具体细节中的一者或一者以上的情况下或使用其它方法、组件、材料等实践本文所述的技术。在其它情况下，未图示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面混淆。
本说明书中各处提到“一个实施例”或“一实施例”意味着结合本发明的至少一个实施例中包括的实施例描述的特定特征、结构、过程、块或特性。因而，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在本说明书各处的出现并不必定意味着所述短语全部指代相同实施例。在一个或一个以上实施例中，特定特征、结构或特性可以用任何合适方式组合。
图2是说明根据本发明的一实施例的成像***的功能框图。所说明的实施例成像***200包括像素阵列205、读出电路210、功能逻辑215和具有暗电流校准电路230的控制电路220。
像素阵列205是成像传感器胞元或像素胞元(例如，像素P1、P2…Pn)的二维(2D)阵列。在一个实施例中，每一像素胞元是互补金属氧化物半导体(CMOS)成像传感器(CIS)。像素阵列205可经实施为前侧照明式(FSI)图像传感器或背侧照明式(BSI)图像传感器。如所说明，每一像素胞元布置成行(例如行R1到Ry)和列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点或对象的图像数据，其可接着用于再现所述人、地点或对象的图像。如下文更详细描述，像素阵列205利用快门组合件(例如，金属层或液晶快门组合件)来产生用于暗电流校正和/或固定模式降噪的黑色参考信号。
在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，读出电路210读出图像数据，并且将其传送到功能逻辑215。读出电路210可包括列放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它元件。功能逻辑215可简单地存储图像数据，或者甚至通过施加后期图像效果(例如修剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它效果)来操纵图像数据。在一个实施例中，读出电路210可沿读出列线一次读出一行图像数据，或可使用多种其它技术(未说明)(例如串行读出、沿读出行线的列读出或同时完全平行读出所有像素)读出图像数据。应了解，将像素阵列205内的像素胞元的线指定为行或列是任意的，并且是旋转透视图的指定。因此，使用术语“行”和“列”仅意在将两个轴相对于彼此加以区分。
控制电路220耦合到像素阵列205，并且包括用于控制像素阵列205的操作特性的逻辑和驱动器电路。举例来说，控制电路220可产生复位、行选择和传送信号。控制电路220可包括行驱动器以及其它控制逻辑。
在此实施例中，暗电流校准电路230接收像素阵列205产生的黑色参考信号，其最终用于调整、偏移或以其它方式校准成像传感器(即，APS)的黑色电平设定点，从而考虑到暗电流的变化。在所说明的实施例中，因为每一有源像素对黑色电平设定点的许多影响具有局部变化，所以可能需要分布黑色参考像素以更好地考虑到这些局部变化。这些局部影响中的一些可包括温度、寄生电容、结构设计差异、晶格结构缺陷及其类似物。因此，像素阵列205可用多种不同模式俘获黑色参考信号(例如，围绕阵列的周界，在阵列的角落中，在一个或一个以上列中，在一个或一个以上行中，在一个或一个以上群集中，在棋盘形图案中，在不规则分布中，或以其它方式)。
在操作期间，每一有源像素获取两种状态-亮和暗-的图像数据或图像电荷。举例来说，在利用液晶快门组合件的实施例中，所述亮态对应于在所述快门处在透明状态时获取的图像数据，而所述暗态对应于在所述快门处在不透明状态时获取的图像数据。所述图像数据由读出电路210读出，并且被传送到功能逻辑215。在一个实施例中，在向芯片外输出图像数据之前，在读出电路210内执行图像数据的暗电流校准。在替代实施例中，黑色参考信号与未经校正的图像数据一起被向芯片外传送到***软件中，或被传送到芯片外硬件校准逻辑中。在这些替代实施例中的一者中，参照缩放的黑色参考信号使用***软件中的后期图像处理在芯片外执行电平校准。在又一替代实施例中，将温度信号(来自安置于像素阵列裸片201上的温度传感器)和黑色参考信号连同图像数据和后期处理一起读出，所述后期处理用于对黑色参考信号进行温度缩放和使用黑色参考信号对图像数据进行电平校正这两个操作。
读出电路210可包括放大电路、模/数转换电路或其它电路。在所说明的实施例中，读出电路210包括黑色电平校准电路225，用于调整或校准每一有源像素的黑色电平设定点。在一个实施例中，所述黑色电平设定点是从每一有源像素输出的信号电平，像素被视为在所述信号电平下俘获了“真实”黑色图像。暗电流校准电路230可参照来自其对应黑色参考信号的输出值缩放(例如，偏移、线性缩放、非线性缩放或其某种组合)有源像素中的每一者的电压输出。
尽管图2说明暗电流校准电路230在读出电路210内部，但是应了解，黑色电平校准电路230可集成到与像素阵列205相同的裸片上的其它功能块中。举例来说，暗电流校准电路230可经实施为用于执行嵌入逻辑的专用电路，或执行嵌入在裸片上的其它地方的固件的通用处理器。或者，由暗电流校准电路230执行的功能可经实施为功能逻辑215内的软件逻辑并且在裸片外执行。在一个实施例中，仅固件/软件逻辑可存储在裸片外，并且在启动时导入到暗电流校准电路230中。
图3说明根据本发明的一实施例的常规FSI CMOS成像像素。成像像素300是图2的像素阵列205内的像素P1到Pn的一个可能实施方案。成像像素300的前侧是衬底305的上面安置有像素电路并且形成有用于重新分配信号的金属堆叠310的一侧。金属层(例如，金属层M1和M2)用建立一条入射于成像像素300的前侧上的光通过其可到达感光性或光电二极管(“PD”)区域315的光学通道的方式被图案化。所述前侧可进一步包括彩色滤光片层，用以实施彩色传感器和微透镜以将光聚焦到PD区域315上。
成像像素300包括安置于邻近于PD区域315的像素电路区域325内的像素电路。此像素电路提供用于成像像素300的常规操作的多种功能性。举例来说，像素电路区域325可包括用于以下操作的电路：开始采集PD区域315内的图像电荷，将在PD区域315内积累的图像电荷复位成预备成像像素300用于随后图像，或将成像像素300获取的图像数据传送出去。
在此实施例中，展示像素300利用快门组合件330俘获亮和暗状态的图像数据或图像电荷。举例来说，在快门组合件330包含液晶材料的实施例中，所述亮态对应于当快门组合件330处在透明状态时获取的图像数据，而所述暗态对应于当快门组合件330处在不透明状态时获取的图像数据。在所述暗态中俘获的图像数据可用于如本文所述的暗电流校准过程。
图4是根据本发明的一实施例的BSI CMOS成像像素的混合横截面/电路图示说明。成像像素400是图2的像素阵列205内的像素P1到Pn的一个可能实施方案。成像像素400的所说明的实施例包括衬底405、彩色滤光片410、微透镜415、PD区域420、互连扩散区域425、像素电路区域430、像素电路层435和金属堆叠440。像素电路区域430的所说明实施例包括像素(例如，4T像素或任何功能等效物)，以及其它未图示的电路(例如，增益电路、ADC电路、γ控制电路、曝光控制电路等)，其安置于扩散阱445上方。浮动扩散部450安置在扩散阱445内，并且耦合在传送晶体管T1与SF晶体管T3的栅极之间。金属堆叠440的所说明的实施例包括两个金属层M1和M2，其被金属间电介质层441和443分开。尽管图4仅说明两层金属堆叠，但是金属堆叠440可包括用于在像素阵列205的前侧上方路由信号的更多或更少的层。在一个实施例中，钝化或钉扎层470安置在互连扩散区域425上方。最后，浅沟槽隔离(“STI”)将成像像素400与邻接像素(未说明)隔离开来。
如所说明，成像像素400对于入射于其半导体裸片背侧上的光480感光。通过使用背侧照明式传感器，可将像素电路区域430定位成与光电二极管区域420重叠的配置。通过非常靠近每一PD区域420中的地方***电路，由于PD区域420与额外像素内电路之间的电互连较短，所以可减少电路噪声并且可改善噪声抗扰性。此外，背面照明配置提供更大灵活性以便在金属堆叠440内在主体像素阵列的前侧上方路由信号，并且不会干扰到光480。在一个实施例中，在金属堆叠440内将快门信号路由到所述主体像素阵列内的像素。
在此实施例中，展示了像素400利用快门组合件411俘获亮和暗状态的图像数据或图像电荷。举例来说，在快门组合件411包含液晶材料的实施例中，所述亮态对应于当快门组合件411处在透明状态时获取的图像数据，而所述暗态对应于当快门组合件411处在不透明状态时获取的图像数据。在所述暗态中俘获的图像数据可用于如本文所述的暗电流校准过程。
图5是根据本发明的一实施例的图像传感器和快门组合件的图示说明。图5展示了快门502，例如液晶快门，其使用(举例来说)粘合剂503粘附在图像拾取元件芯片501上方。可以有许多种其它方式将例如液晶快门的快门定位在图像拾取元件芯片上方，在图像拾取元件芯片与将由图像拾取元件芯片501俘获光的对象之间。图像拾取元件芯片501可包括CMOS固态图像拾取元件，其包含像素电路和读出电路和其它电路(例如，如图2所示)。其还可包括用于控制快门的电路，但在一些实施例中，此电路可能是更高级别的***模块的一部分，并且并不包含在与图像拾取元件芯片相同的硅衬底内。
快门502可操作以用于建立入射到图像传感器501的像素单元的光(即，图像光)的状态，或遮蔽像素单元使其不被光照的状态。图5中将所述快门单元说明为液晶快门，其是透明/不透明类型的液晶快门；在其它实施例中，所述快门单元可利用金属层来遮蔽所述像素单元使其不被光照。在此实施例中，快门单元502分别在快门控制单元的控制下经控制为透明的或不透明的，并且与图像拾取元件芯片501上的像素控制单元协作。快门构造和快门控制单元可允许逐像素、逐线或同时使所有像素暴露于入射光，原因在于具有其自身的对透明性或不透明性的可控制线的阵列，这些线与图像传感器芯片像素阵列线对准。
图6A-图6C是根据本发明的一实施例的相机组合件的横截面图。在此实施例中，相机组合件600包括成像像素阵列。所述阵列的每一像素是由衬底611和金属堆叠612形成。举例来说，所述阵列的每一像素可具有形成在衬底611中的PD区域，其接收穿过金属堆叠612的光，类似于图3中所示的FSI成像像素300。在其它实施例中，相机***600可包含BSI像素阵列。
所述FSI阵列的每一像素可利用对应彩色滤光片614和微透镜615。成像***610进一步包括粘合剂616和安置在所述微透镜上方的快门组合件617。
快门组合件可包含如图6B中所示的组合件，其放置在防护玻璃罩631上。在此实例中，将快门单元630展示为包含安置在透明电极632与633之间的液晶胞元634。所述透明电极控制所述液晶胞元的不透明性。在其它实施例中，快门组合件可包含如图6C中所示的组合件。在此实例中，快门单元640利用防护玻璃罩641作为液晶胞元643的一侧，这样就不再需要除如图所示的电极642之外的透明的电极。
图7是根据本发明的一实施例的用于为了暗电流校正处理获取黑色参考像素的过程的流程图。如本文中所说明的流程图提供各种过程动作的序列的实例。尽管是用特定顺序或次序来展示，但是除非另有指定，否则所述动作的次序可修改。因而，所说明的实施方案应仅被理解为实例，并且所说明的过程可用不同次序执行，并且某些动作可并行执行。另外，在本发明的各种实施例中，一个或一个以上动作可被省略；因而，并非每个实施方案中都需要所有动作。其它过程流程也是可能的。
过程700包括用于使成像***的像素阵列的光电二极管和浮动扩散节点复位的操作，(701)。一旦这些元件被复位，便在像素***的快门组合件处在透明状态时获取图像数据(即，亮图像数据)，(702)，和在像素***的快门组合件处在不透明状态时获取图像数据(即，暗图像数据)，(703)。重要的是应注意，在本发明的各种实施例中，获取亮和暗图像数据可用任何次序进行，并且包含获取任何次数的亮和暗图像数据-例如，获取图像的状态可包含亮-暗，暗-亮，暗-亮-暗，亮-暗-亮等。
然后，将亮和暗图像数据传送到浮动扩散节点，其分别被展示为操作(704)和(705)。在本发明的实施例中，快门单元可允许逐像素、逐线或同时使所有像素暴露于入射光，原因在于具有其自身的对透明性或不透明性的可控制线的阵列，这些线与图像传感器芯片像素阵列线对准；因而，亮和暗图像数据被如何传送到浮动扩散节点的次序可取决于快门单元的操作。
执行暗电流校正处理以组合从亮和暗状态两者俘获的信号图像数据，(706)。所述处理利用从暗态(即，当快门遮蔽一个或一个以上像素的光时)俘获的信号图像数据，作为对场景图像数据的暗电流分量的可信的表示。在亮态期间俘获的对应图像信号数据可用比例因子修改和/或从经处理的场景图像数据中移除，以便产生准确的暗电流图像和/或减少固定模式噪声。因而，从所述暗电流校正处理产生的场景图像数据包含在亮态期间俘获的图像信号数据的子集，以及包括在暗态期间俘获的图像信号数据的子集的暗电流分量。
本发明的所说明的实施例的以上描述(包含说明书摘要中描述的内容)不希望为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。虽然本文中出于说明性目的描述了本发明的特定实施例和实例，但相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可以进行多种修改。举例来说，在一个实施例中，可从像素胞元中省略RS晶体管610。省略RS晶体管610将不会影响在环境光检测模式期间所述像素胞元的操作。在一个实施例中，两个或两个以上光电二极管共享像素胞元的像素电路，例如复位晶体管、源极跟随器晶体管或行选择晶体管。
可鉴于以上详细描述对本发明作出修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中揭示的特定实施例。确切地说，本发明的范围应完全由所附权利要求书确定，应根据权利要求解释的已确立的原则来解释所附权利要求书。

Claims (20)

1.一种固态图像拾取设备，其包含：
像素单元，其包含多个像素；
快门单元，其安置在所述像素单元上方；
像素控制单元，其用于响应于接收到图像俘获命令来控制所述像素单元的多个像素胞元，包括经由所述快门单元建立使入射于所述像素单元的每一像素上的光暴露的第一状态，和遮蔽入射光使其不照射所述像素单元的一个或一个以上像素的第二状态；以及
读出单元，用于：
读取在所述第一状态和所述第二状态期间俘获的来自所述像素单元的每一像素的图像信号数据；以及
输出场景图像数据，所述场景图像数据包含在所述第一状态期间俘获的图像信号数据的子集，和包括在所述第二状态期间俘获的图像信号数据的子集的暗电流分量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述像素单元包含互补金属氧化物半导体CMOS背侧照明式BSI像素的阵列。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述像素单元包含互补金属氧化物半导体CMOS前侧照明式FSI像素的阵列。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述快门单元包括用于覆盖所述像素单元的所述像素的金属层。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述快门单元包含液晶快门单元。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述液晶快门单元包含：
第一和第二透明电极；以及
液晶胞元，其安置在所述透明电极之间。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述液晶快门单元包含：
透明电极；以及
液晶胞元，其安置在所述透明电极与安置在所述像素单元上方的防护玻璃罩组合件之间。
8.根据权利要求1所述的设备，其中在所述第一状态期间俘获的所述信号数据是在在所述第二状态期间俘获的所述信号数据之后俘获的。
9.根据权利要求1所述的设备，其中在所述第二状态期间俘获的所述信号数据是在在所述第一状态期间俘获的所述信号数据之后俘获的。
10.根据权利要求1所述的设备，所述像素单元进一步包含：
彩色滤光片层，其覆盖所述多个像素；以及
微透镜阵列，其安置在所述彩色滤光片层上方并且与所述多个像素对准。
11.一种方法，其包含：
接收图像俘获命令；
响应于接收到所述图像俘获命令经由像素单元的多个像素胞元俘获图像信号数据，其中俘获图像信号数据包括经由安置在所述像素单元上方的快门单元建立使入射于所述像素单元的每一像素上的光暴露的第一状态，和遮蔽入射光使其不照射所述像素单元的一个或一个以上像素的第二状态；
读取在所述第一状态和所述第二状态期间俘获的来自所述像素单元的每一像素的图像信号数据；以及
输出场景图像数据，所述场景图像数据包含在所述第一状态期间俘获的图像信号数据的子集，和包括在所述第二状态期间俘获的图像信号数据的子集的暗电流分量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述像素单元包含互补金属氧化物半导体CMOS背侧照明式BSI像素的阵列。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述像素单元包含互补金属氧化物半导体CMOS前侧照明式FSI像素的阵列。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述快门单元包括用于覆盖所述像素单元的所述像素的金属层。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述快门单元包含液晶快门单元。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述液晶快门单元包含：
第一和第二透明电极；以及
液晶胞元，其安置在所述透明电极之间。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述液晶快门单元包含：
透明电极；以及
液晶胞元，其安置在所述透明电极与安置在所述像素单元上方的防护玻璃罩组合件之间。
18.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第一状态期间俘获的所述信号数据是在在所述第二状态期间俘获的所述信号数据之后俘获的。
19.根据权利要求11所述的方法，其中在所述第二状态期间俘获的所述信号数据是在在所述第一状态期间俘获的所述信号数据之后俘获的。
20.根据权利要求11所述的方法，所述像素单元进一步包含：
彩色滤光片层，其覆盖所述多个像素；以及
微透镜阵列，其安置在所述彩色滤光片层上方并且与所述多个像素对准。
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