專利名稱：圖像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電子成像裝置的圖像傳感器，以及一種感 測(cè)方法。本發(fā)明還涉及一種具有這種圖像傳感器的成像裝置。
背景技術(shù)：
用于諸如照相機(jī)的電子成像裝置的圖像傳感器通常包括光敏 像素檢測(cè)器("像素檢測(cè)器")的陣列。落在圖像傳感器上的光被像 素檢測(cè)器檢測(cè)到，該像素檢測(cè)器產(chǎn)生與落在這些檢測(cè)器中的每一個(gè) 上的光量相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。像素檢測(cè)器的輸出信號(hào)4皮數(shù)字化并被 存儲(chǔ)在包含圖像信息的電子文檔中?？梢詫D像傳感器結(jié)合到用于 拍攝單個(gè)圖像的照相機(jī)、或攝像機(jī)、或任何其他電子成像裝置中。
許多電子成像裝置都使用CCD傳感器，CCD傳感器通過(guò)對(duì)每 個(gè)像素檢測(cè)器在預(yù)定時(shí)期中的光電流進(jìn)行積分以得到已通過(guò)檢測(cè) 器的電荷的測(cè)量結(jié)果來(lái)測(cè)量入射光。用于可以結(jié)合到i者如凄t碼照相 才幾、移動(dòng)電話和個(gè)人計(jì)算才幾的裝置中的^氐成本電子成^象傳感器的巨 大市場(chǎng)還刺激了單片CMOS傳感器(具有優(yōu)于現(xiàn)有CCD傳感器的 多個(gè)優(yōu)點(diǎn))的開(kāi)發(fā)。然而，大多凄t的CMOS傳感器仍4吏用與CCD 傳感器相同的感測(cè)策略其對(duì)光電流進(jìn)^f亍積分。
對(duì)每個(gè)j象素中的光電流進(jìn);f亍積分在專交均勻的照度條件下適用， 其中，圖像對(duì)象的照度具有較低的動(dòng)態(tài)范圍。然而，自然場(chǎng)景可能具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍例如，六十倍程。這會(huì)為利用傳統(tǒng)積分4象 素的具有較低動(dòng)態(tài)范圍的線性輸出的圖像傳感器帶來(lái)問(wèn)題。
能夠利用低動(dòng)態(tài)范圍照相機(jī)通過(guò)使用多個(gè)積分時(shí)間然后產(chǎn)生 合成圖像來(lái)捕獲高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景。然而，這必定是一個(gè)慢處理，其 不適合于許多應(yīng)用(例如，-阮頻捕獲)。
Stoppa等人(David Stoppa, Andrea Simoni， Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi以及Gian-Franco Dalla Betta: 'Novel CMOS Image Sensor with a 132-dB Dynamic Range， IEEE JSSC 37(12) 1846-1852 (2002))已提出了 一種擴(kuò)展線性像素檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍的替代方法。
為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的增大，在每個(gè)像素中都集成一個(gè)比較器。該比 較器將像素中的電壓與閾值電壓進(jìn)行比較。如果像素電壓達(dá)到閾 值，則比較器將該像素中的兩個(gè)電容器與兩個(gè)^^莫擬輸入電壓斷開(kāi)， 這兩個(gè)模擬輸入電壓一起表示事件發(fā)生的時(shí)間。在積分處理的結(jié) 尾，從每個(gè)像素中采樣像素電壓和兩個(gè)時(shí)間電壓。然后，將這三個(gè) 模擬電壓中的每一個(gè)都數(shù)字化為8比特，從而產(chǎn)生對(duì)該像素中的光 電流進(jìn)4亍編石馬的24比4爭(zhēng)4言號(hào)。
由上述系統(tǒng)產(chǎn)生的每個(gè) <象素的大量比特通常是試圖以線性形 式表示高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的結(jié)果。在照相機(jī)的情況下，該問(wèn)題通過(guò)使 目標(biāo)與人類視覺(jué)系統(tǒng)的性能相匹配來(lái)解決，這意p未著照相才幾應(yīng)該對(duì) 照度1%的變化#文感。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，對(duì)于表示高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)來(lái)i兌，使用對(duì)數(shù)尺度通 常是好策略。在照相才幾的情況下，這種策略基于以下原因而有益
(i )場(chǎng)景形成的物理處理意p未著場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍由照度的變^f匕 控制，同時(shí)該信息包含在對(duì)象反射的圖像中。由于這兩個(gè)量是倍增 的，因此產(chǎn)生對(duì)凄t表示是大多凌t處理(例如，同態(tài)濾波和色調(diào)映射)中的第一關(guān)鍵步驟，其目的是減少照度變化的影響，乂人而對(duì)象可以 ;f皮識(shí)別或場(chǎng)景可以以{氐動(dòng)態(tài)范圍顯示在裝置上。
(ii)在寬范圍照度下，人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)接近1%的對(duì)比度變化 敏感。用于圖像的對(duì)數(shù)形式以最少的可能比特捕獲該信息。例如， 使用對(duì)凄t形式可以通過(guò)具有一千而不是一百萬(wàn)的動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào) 以線性形式來(lái)表示四十倍程中的1%的變化。動(dòng)態(tài)范圍的顯著減小 明顯簡(jiǎn)化了照相機(jī)的電子學(xué)設(shè)計(jì)并減少了所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。
這些優(yōu)點(diǎn)表明實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景的成像的有利方法是使用 具有對(duì)數(shù)響應(yīng)的圖像傳感器。這在涉及在單片照相機(jī)上進(jìn)行視頻碼 率捕獲的應(yīng)用中尤為有用。
因此，高動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)數(shù)圖<象傳感器看來(lái)應(yīng)在理i侖上適用于對(duì) 自然場(chǎng)景進(jìn)行成像所需的照相才幾系統(tǒng)中。然而，盡管高動(dòng)態(tài)范圍照 相才幾具有巨大的;昝在市場(chǎng)，^f旦是乂于凄t照相才幾還是比專交才莫糊并且未^皮 開(kāi)發(fā)。造成此的原因在于，和"硅視網(wǎng)膜，， 一樣，現(xiàn)有的對(duì)數(shù)照相 機(jī)使用在每個(gè)像素檢測(cè)器中以亞閾操作的MOSFET來(lái)產(chǎn)生與每個(gè) 像素檢測(cè)器中的光電流的對(duì)數(shù)成比例的輸出電壓。盡管該電路具有 適合的功能性，^f旦是該才幾制具有兩個(gè)主要問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是以亞 閾操作的各個(gè)MOSFET的特性之間的大的變化。所得到的像素響 應(yīng)的變化(稱作固定才莫式噪聲)可以等效于光電流改變了 一個(gè)量級(jí)。 盡管已經(jīng)提出了多種技術(shù)以通過(guò)校正固定模式噪聲來(lái)提高輸出圖 像的質(zhì)量，但是還存在另一個(gè)主要問(wèn)題。這就是在光電流改變一個(gè) 凄t量級(jí)時(shí)，輸出電壓的改變通常小于60mV。因此，最大的輸出信 號(hào)改變僅為0.3V。這意味著來(lái)自像素檢測(cè)器的輸出信號(hào)易受時(shí)間噪 聲的影響。
已經(jīng)提出了兩種技術(shù)來(lái)增大來(lái)自對(duì)數(shù)像素的輸出電壓的動(dòng)態(tài) 范圍。其中的第一種技術(shù)基于使用浮置柵極裝置來(lái)代替負(fù)載晶體管(S. Collins, J. Ngole and G.F. Marshall "A High Gain Trimmable Logarithmic CMOS Pixel" Electronics Letters, 36, (21) 1806 (2000))。 盡管該方法增大了輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍，但是它取決于不成熟的浮 置柵極裝置技術(shù)。此外，像素中的電壓擺動(dòng)的增加加重了已在光電 流突然減少時(shí)在只寸凄"象素中》見(jiàn)察到的'隄響應(yīng)時(shí)間。
要求增加對(duì)翁 像素的輸出電壓擺動(dòng)的一種可替代的方法已由 Lai, Lai and King ("A Novel Logarithmic Response CMOS Image Sensor With High Output Voltage Swing and In-pixel Fixed-Pattern Noise Reduction" Liang-Wei Lai, Cheng-Hsiao Lai and Ya-Chin King IEEE Sensors Journal 4(1) 122-126 (2004))4是出。該傳感器l吏用雙才及 光電晶體管而不是使用其他傳統(tǒng)對(duì)數(shù)像素中的光電二極管。盡管這 種改變?cè)黾恿?<象素的電壓擺動(dòng)，^旦是這種增加出現(xiàn)在響應(yīng)為非對(duì)凄t 的區(qū)域中。像素檢測(cè)器特性的相近檢查表明響應(yīng)并不是照明強(qiáng)度的 簡(jiǎn)單對(duì)數(shù)函數(shù)。實(shí)際上，雙極晶體管將光電流放大，并以高照明強(qiáng) 度將負(fù)載晶體管驅(qū)動(dòng)為適度倒置，而不是獲得對(duì)數(shù)響應(yīng)所需的弱倒 置。
總之，使用具有對(duì)數(shù)響應(yīng)的像素來(lái)產(chǎn)生適于捕獲高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng) 景的圖像傳感器看來(lái)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，具有這種類型響應(yīng)的 所有現(xiàn)有像素都受到固定模式噪聲的影響，或者取決于未經(jīng)驗(yàn)證的 技術(shù)，或者僅提供近似對(duì)數(shù)的響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種減輕至少一些前述問(wèn)題的圖 像傳感器。
才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了 一種用于電子成像裝置的圖像 傳感器，該圖像傳感器包括像素檢測(cè)器的陣列，每個(gè)像素檢測(cè)器都包括光電傳感器裝置，被構(gòu)造并配置為檢測(cè)入射光，并具有用于 表示檢測(cè)到的光強(qiáng)度的時(shí)間積分的光電傳感器信號(hào)的光電傳感器 輸出端；信號(hào)發(fā)生器裝置，被構(gòu)造并配置為產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定函數(shù)變化 的基準(zhǔn)信號(hào)；傳感裝置，具有被連接以接收光電傳感器信號(hào)的第一 輸入端以及被連接以接收基準(zhǔn)信號(hào)的第二輸入端，傳感裝置被構(gòu)造 并配置為比較光電傳感器信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)，并由該比較來(lái)確定捕獲 時(shí)刻；以及輸出裝置，被配置為在捕獲時(shí)刻捕獲輸出信號(hào)，其中， 所述輸出信號(hào)表示積分后的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)。
該圖像傳感器能夠提供表示寬動(dòng)態(tài)范圍的光強(qiáng)度在整個(gè)范圍 上對(duì)照度的1。/。變化每l感的對(duì)凄Mlr出，而不產(chǎn)生非常大的凄t據(jù)文件。 該圖像傳感器還能夠快速捕獲碼率并適于進(jìn)行視頻捕獲。這還避免 或減輕了現(xiàn)有對(duì)數(shù)傳感器的許多已知問(wèn)題，在其提供實(shí)際的對(duì)數(shù)響 應(yīng)時(shí)不會(huì)受到額外的固定模式噪聲的影響，并不取決于不成熟技術(shù) 的使用。該圖像傳感器是耐用且可靠的，并提供了優(yōu)于現(xiàn)有傳感器 的顯著改善的性能。
有利地，光電傳感器包括電容和4皮配置為才艮據(jù)才企測(cè)到的光強(qiáng)度 來(lái)傳導(dǎo)電流的光電傳感器元件，以及所述光電傳感器信號(hào)表示在通 過(guò)光電傳感器電流對(duì)電容充電或》文電時(shí)在電容兩端的電壓。
有利地，該圖像傳感器包括向所述電容施加初始電壓的復(fù)位裝 置，其中，隨后通過(guò)所述光電傳感器電流對(duì)所述電容充電或;^文電。
有利地，基準(zhǔn)信號(hào)根據(jù)非線性函數(shù)變化。優(yōu)選地，所述基準(zhǔn)信 號(hào)的變化率隨時(shí)間而減小。有利地，基準(zhǔn)信號(hào)^的形式由函數(shù)
/ = ￡^leXp(—Ar、.")定義，其中，t為乂人積分處理開(kāi)始的時(shí)間(且f > 0 ),
C為電容，力e/為基準(zhǔn)電流，A^是基準(zhǔn)信號(hào)從其開(kāi)始值到其在時(shí)間t 處的值的變化，以及S為可選常凄t。有利地，傳感裝置通過(guò)感測(cè)光電傳感器信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的 差4可時(shí)達(dá)到預(yù)定值來(lái)確定捕獲時(shí)刻。例如，預(yù)定〗直可以為零或可以 對(duì)應(yīng)于晶體管開(kāi)關(guān)的閾值電壓。
有利地，該傳感裝置包括切換裝置，將光電傳感器的輸出端 連接至輸出裝置，并可操作地使光電傳感器的輸出端與輸出裝置斷 開(kāi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，該傳感裝置包括比較器，具有被連接以接 收光電傳感器信號(hào)的第 一輸入端、被連接以接收基準(zhǔn)信號(hào)的第二輸 入端、和用于捕獲信號(hào)的輸出端；以及開(kāi)關(guān)元件，具有被連接以接 收光電傳感器信號(hào)的第一輸入端、被連接以接收捕獲信號(hào)的第二輸 入端、和用于輸出信號(hào)的輸出端，比較器被構(gòu)造并配置為在捕獲時(shí) 刻產(chǎn)生捕獲信號(hào)，以及開(kāi)關(guān)元件，被配置為將光電傳感器信號(hào)連接 至開(kāi)關(guān)輸出端，并可操作地在接收到捕獲信號(hào)時(shí)使光電傳感器信號(hào) 與開(kāi)關(guān)出口斷開(kāi)。有利地，比較器被構(gòu)造并配置為在基準(zhǔn)信號(hào)與光 電傳感器信號(hào)之間的差為零時(shí)產(chǎn)生捕獲信號(hào)。
開(kāi)關(guān)元件可以是n溝道MOSFET，其柵極連接至比較器輸出端， 源極被連接以接收光電傳感器信號(hào)，以及漏極連接至開(kāi)關(guān)輸出端。 可選地，通過(guò)切換比專交器的輸入端，可以^使用p溝道MOSFET。
在另 一個(gè)實(shí)施例中，圖像傳感器包括用于產(chǎn)生指引信號(hào)的裝 置，所述輸出裝置被配置為在捕獲時(shí)刻捕獲所述指引信號(hào)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感裝置包括開(kāi)關(guān)元件，該開(kāi)關(guān)元件:帔構(gòu) 造并配置為將光電傳感器信號(hào)連接至輸出裝置，并可操作地在捕獲 時(shí)刻使光電傳感器信號(hào)與輸出裝置斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)元件可以包括晶體管開(kāi)關(guān)，其4冊(cè)才及;故連4妾以*接收基準(zhǔn)信 號(hào)，源極被連接以接收光電傳感器信號(hào)，以及漏極被連接至輸出裝
置。優(yōu)選地，晶體管開(kāi)關(guān)在放電像素的情況下是p溝道MOSFET, 或在充電像素的情況下是n溝道MOSFET。該晶體管開(kāi)關(guān)優(yōu)選地被 構(gòu)造并配置為在基準(zhǔn)信號(hào)與光電傳感器信號(hào)之間的差小于閾值時(shí) 使光電傳感器信號(hào)與輸出裝置斷開(kāi)。
該實(shí)施例的 一 個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于減少了每個(gè)像素所需的晶體管的數(shù) 量。這就降低了裝置的成本并能夠提供更大的像素密度。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，提供了 一種在具有圖像傳感器的電 子成像裝置中感測(cè)圖像的方法，圖像傳感器包括像素檢測(cè)器的陣 列，該方法包括利用在每個(gè)<象素4企測(cè)器中的光電傳感器來(lái)4全測(cè)入 射光，并提供表示檢測(cè)到的光強(qiáng)度的時(shí)間積分的光電傳感器信號(hào)； 產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定函數(shù)變化的基準(zhǔn)信號(hào)；比較光電傳感器信號(hào)和基準(zhǔn)信 號(hào)，并由該比較來(lái)確定捕獲時(shí)刻；以及在捕獲時(shí)刻捕獲輸出信號(hào)， 其中，所述輸出信號(hào)表示積分后的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)。
有利地，通過(guò)感測(cè)光電傳感器信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的差何時(shí)達(dá) 到預(yù)定值來(lái)確定捕獲時(shí)刻。
有利地，光電傳感器傳導(dǎo)取決于檢測(cè)到的光強(qiáng)度的電流，以及 所述光電傳感器信號(hào)表示在通過(guò)所述光電傳感器電流充電或放電 的電容兩端的電壓。優(yōu)選地，光電傳感器傳導(dǎo)與4企測(cè)到的光強(qiáng)度成 比例的電 流。
該方法可以包4舌向電容施加^7始電壓，然后通過(guò)光電傳感器電 Wi/f吏電容方文電。基準(zhǔn)信號(hào)可以根據(jù)非線性函數(shù)而變化。優(yōu)選地，所述基準(zhǔn)信號(hào) 的變化率減小。有利地，基準(zhǔn)信號(hào)K的形式由函數(shù)/ = ^^exp(-/S)
定義，其中，？為/人積分處理開(kāi)始的時(shí)間(且/>0), C為電容，力" 為基準(zhǔn)電流，A^是基準(zhǔn)信號(hào)從其開(kāi)始值到其在時(shí)間t處的值的變
4匕，以及s為可選常凄史。
有利地，該方法包括在捕獲時(shí)刻捕獲光電傳感器信號(hào)，所述輸 出信號(hào)與所捕獲的光電傳感器信號(hào)相關(guān)。優(yōu)選地，該方法包括在捕
獲時(shí)刻使所述輸出裝置與所述光電傳感器信號(hào)斷開(kāi)。有利地，在捕 獲時(shí)刻產(chǎn)生捕獲信號(hào)并在接收到捕獲信號(hào)時(shí)捕獲光電傳感器信號(hào)。
可選地，該方法可以包括產(chǎn)生指引信號(hào)并在接收到捕獲信號(hào)時(shí) 捕獲所述指引信號(hào)，所述輸出信號(hào)與所捕獲的指引信號(hào)相關(guān)。有利 地，在捕獲時(shí)刻產(chǎn)生捕獲信號(hào)，并在接收到捕獲信號(hào)時(shí)捕獲指引信 號(hào)。
增加任何模擬信號(hào)的抗噪性的最可靠的方法是在最早的時(shí)機(jī) 增加其幅值。在像素檢測(cè)器電路的上下文中，這意p未著設(shè)計(jì)具有最 大可能的輸出信號(hào)范圍的電路。此外，理想的像素電路應(yīng)該能夠使 用雙采樣技術(shù)來(lái)減少像素可變性的影響和現(xiàn)有線性傳感器中的時(shí) 間噪聲。這表明與具有對(duì)數(shù)響應(yīng)的現(xiàn)有像素電路不同，理想的對(duì)數(shù) l象素電路應(yīng)該對(duì)光電流進(jìn)4亍積分。將l象素中的光電流積分預(yù)定的積 分時(shí)間導(dǎo)致了線性響應(yīng)。在本發(fā)明中，通過(guò)使光電流積分可變時(shí)間 (如通過(guò)將光電傳感器信號(hào)與根據(jù)預(yù)定函數(shù)變化的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行 比較而確定的)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)響應(yīng)。


下面將參照附圖通過(guò)實(shí)例來(lái)描述本發(fā)明的 一 些實(shí)施例，在附圖
中
圖1是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的第 一實(shí)施例的電子圖像傳感器的一部 分的像素檢測(cè)器的示意電路圖2是示出了用于圖1所示類型的放電像素檢測(cè)器的比較器基 準(zhǔn)電壓輸入的圖表；
圖3是示出了放電像素檢測(cè)器的輸出響應(yīng)的圖表，示出了檢測(cè) 器的對(duì)數(shù)響應(yīng)；
圖4是示出了在充電像素檢測(cè)器中產(chǎn)生對(duì)數(shù)響應(yīng)所需的比較器 基準(zhǔn)電壓的圖表；
圖5是示出了作為光電流的函數(shù)的充電像素檢測(cè)器的輸出電壓 的圖表，示出了光電流和輸出電壓之間的對(duì)凄t關(guān)系；
圖6是示出了作為光電流的函數(shù)的積分停止的時(shí)間的圖表；
圖7是示出了像素檢測(cè)器的散粒噪聲信噪比的圖表；
圖8是構(gòu)成^^艮據(jù)本發(fā)明的第二 分的像素檢測(cè)器的示意性電路圖9是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的第三 分的像素檢測(cè)器的示意性電路圖。
實(shí)施例的電子圖像傳感器的 一部 以及
實(shí)施例的電子圖像傳感器的 一部
具體實(shí)施例方式
用于照相機(jī)的圖像傳感器通常包括像素檢測(cè)器的陣列。圖l是 構(gòu)成才艮據(jù)本發(fā)明第 一 實(shí)施例的電子圖像傳感器中的這種陣列的一 部分的^f象素沖企測(cè)器的示意性電^各圖。
像素檢測(cè)器包括光電傳感器裝置2、信號(hào)發(fā)生器4、比較器6、 晶體管斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8、讀出電路形式的輸出裝置10、以及晶體管復(fù)位 開(kāi)關(guān)12。比較器6和晶體管斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8構(gòu)成具有連接至輸出裝置 10的輸入端的出口 13的傳感裝置。在該實(shí)施例中，晶體管斷開(kāi)開(kāi) 關(guān)8是n溝道MOSFET。
光電傳感器裝置2包括與電容器16并聯(lián)連接的光電檢測(cè)器14。 所需的電容C可以如圖所示由獨(dú)立的電容器來(lái)^是供、和/或由其他 電路元件的固有電容提供。例如，此處被示為恒流源的光電檢測(cè)器 14可以是光電二極管或光電晶體管。光電傳感器裝置2在連接點(diǎn) 17處提供由電容器電壓Fc表示的光電傳感器輸出信號(hào)。該輸出信 號(hào)連接至比較器6的第一輸入端18。信號(hào)發(fā)生器4連接至比較器的 第二IIT入端20。復(fù)位開(kāi)關(guān)12還通過(guò)連4妄點(diǎn)17連4妄至光電傳感器2。
比較器6具有用于捕獲信號(hào)的輸出端22，輸出端22連接至斷 開(kāi)開(kāi)關(guān)8的柵極以控制開(kāi)關(guān)的操作。在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8導(dǎo)通時(shí)，斷開(kāi)開(kāi) 關(guān)8將光電傳感器2的輸出信號(hào)Kc經(jīng)由連接點(diǎn)17連接至輸出裝置 10的輸入端24。在該實(shí)施例中，輸出裝置10包括傳統(tǒng)的可選源跟 隨器讀出電路，其包括源跟隨器晶體管26、選擇晶體管28、偏壓 晶體管30和輸出節(jié)點(diǎn)32。輸出裝置10被設(shè)計(jì)為感測(cè)開(kāi)關(guān)出口 13 處的電壓，而無(wú)需從該出口抽取任何電流。選擇晶體管28選擇將 一4亍或一列<象素中的明卩個(gè)〗象素連4妄至電流源。在4吏用中，通過(guò)向晶體管復(fù)位開(kāi)關(guān)12的柵極施加低復(fù)位電壓
K^e,來(lái)啟動(dòng)圖像采集處理，從而使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。通過(guò)連接點(diǎn)17向光
電傳感器2施加高電壓Fz^，從而對(duì)電容器16充電。然后復(fù)位電壓
Ke,e,升高且復(fù)位開(kāi)關(guān)12停止導(dǎo)通，從而4吏電容器16通過(guò)光電4企測(cè)
器14放電。電容器16的放電率取決于通過(guò)光電檢測(cè)器14的電流
>，而該電流又取決于入射到光電檢測(cè)器上的光的強(qiáng)度。從而，如
圖2所示，連接點(diǎn)17處的電壓Kc降低。假設(shè)比較器輸入電流可以 忽略，則在復(fù)位電壓變高后的時(shí)間t處，電壓^c將由以下等式給出
因而，光電傳感器2在連4妾點(diǎn)17處提供表示4企測(cè)到的光強(qiáng)度 (負(fù)比例常數(shù))的時(shí)間積分的輸出信號(hào)&。光電傳感器2的輸出信 號(hào)Fc通過(guò)開(kāi)關(guān)出口 13經(jīng)由斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8被施加至輸出裝置10的輸 入端24，然后被施加給比較器6的第一輸入端18。
連接至比較器6的第二輸入端20的信號(hào)發(fā)生器4被構(gòu)造并配 置為產(chǎn)生取決于時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)Ke/^，該基準(zhǔn)信號(hào)根據(jù)預(yù)定非線 性函凄t而變化。圖2示出了下面將詳細(xì)描述的一種適當(dāng)形式的函凄t。 可以看出，基準(zhǔn)信號(hào)^e/(^隨時(shí)間t增大，而基準(zhǔn)信號(hào)的變化率隨 時(shí)間而;咸小。
因此，如圖2所示，比較器6經(jīng)由第一輸入端18接收光電傳 感器信號(hào)Kc以及經(jīng)由第二輸入端20接收基準(zhǔn)信號(hào)J^/W。比較器 的輸出端22連接至斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8的柵極。比較器6被配置為在電壓 高于基準(zhǔn)電壓Ke/W時(shí)，比4交器豸餘出端變高并且斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8導(dǎo)通， 從而將光電傳感器信號(hào)Kc施加至輸出裝置10。然而，當(dāng)電壓&低 于基準(zhǔn)電壓^/(^時(shí)，比較器輸出端變低并且斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8停止導(dǎo)通， 從而使光電傳感器信號(hào)&與輸出裝置10斷開(kāi)。在使用中，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)F^W開(kāi)始低而增大時(shí)，光電傳感器輸 出信號(hào)Kc開(kāi)始高而降低。比較器6比較這兩個(gè)輸入信號(hào)并檢測(cè)躍 遷點(diǎn)即，何時(shí)Kc=^e/(^。在圖2所示的實(shí)例中，這發(fā)生在約4ms 的時(shí)間之后。在本文中^皮稱作"捕獲時(shí)刻"的該時(shí)刻，比4交器的^r 出電壓發(fā)生變化。輸出端22處的電壓變化提供了控制斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8 的捕獲信號(hào)。當(dāng)將捕獲信號(hào)施加至晶體管斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8的柵極時(shí)，晶 體管斷開(kāi)開(kāi)關(guān)8停止導(dǎo)通并因此使源跟隨器晶體管26的柵極與光 電傳感器信號(hào)Fc隔離。這使得輸出裝置10與光電傳感器信號(hào)& 斷開(kāi)。從而，輸出裝置IO在斷開(kāi)時(shí)刻捕獲光電傳感器信號(hào)rc，并 在輸出節(jié)點(diǎn)32處提供讀出信號(hào)。限定基準(zhǔn)信號(hào)^V(^的形式的函數(shù) 4皮設(shè)計(jì)為使所捕獲的輸出信號(hào)&與光電流的對(duì)數(shù)成比例，進(jìn)而與 積分后的檢測(cè)到的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成比例。這在圖3中進(jìn)行了描述。
來(lái)自圖像傳感器陣列中的所有像素檢測(cè)器的輸出信號(hào)被饋送 給傳統(tǒng)的電子處理器(未示出)，該電子處理器將這些信號(hào)數(shù)字化 并將它們進(jìn)行組合以形成圖像文件。該文件可以被查看和/或被存儲(chǔ) 以用于以后查看。如果需要，可以以適當(dāng)?shù)拈g隔來(lái)重復(fù)捕獲處理以 提供視頻信號(hào)。
可以使用用于基準(zhǔn)信號(hào)Ke/ W的不同函數(shù)來(lái)獲得光電流與像素 輸出電壓之間的不同關(guān)系。通過(guò)使用圖2中所示的基準(zhǔn)信號(hào)作為比 較器輸入電壓，可以產(chǎn)生在其中被采樣到源跟隨器上的電壓與光電 流的對(duì)數(shù)成比例的像素檢測(cè)器?？蛇x地，如果需要以線性響應(yīng)替代 對(duì)數(shù)響應(yīng)，這可以通過(guò)將提供給比較器的基準(zhǔn)電壓從如圖2中所示 的放電像素的形式改變?yōu)槌?shù)低電壓值來(lái)容易地實(shí)現(xiàn)。因此，可以 容易地在兩種響應(yīng)之間進(jìn)行切換。
可以使用與在任意波形發(fā)生器中所使用的方法類似的方法來(lái) 產(chǎn)生提供對(duì)數(shù)響應(yīng)所必需的比較器基準(zhǔn)電壓。例如，可以使用只讀 存儲(chǔ)器(ROM)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓?；谛碌南袼豝r測(cè)器的圖像傳感器可以具有以下優(yōu)點(diǎn)
(i) 具有比傳統(tǒng)對(duì)數(shù)圖像傳感器的輸出電壓范圍大的輸出電壓 范圍，從而該輸出圖像較少會(huì)受到時(shí)間噪聲和像素間的變化的影 響，
(ii) 積分響應(yīng)，這意p木著與現(xiàn)有的i殳計(jì)不同，l象素響應(yīng)時(shí)間在 低光級(jí)不受限制，
(iii) 與獲得1%對(duì)比靈敏度一致的散粒噪聲限制信噪比。
圖8是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電子圖像傳感器的 一部 分的像素檢測(cè)器的示意性電路圖。像素檢測(cè)器包括光電傳感器102、 第一信號(hào)發(fā)生器104、包括比較器106和晶體管斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108的傳 感裝置、包括讀出電路的輸出裝置110、以及晶體管復(fù)位開(kāi)關(guān)112。
光電傳感器112包括與電容器116并聯(lián)連接的光電4企測(cè)器114。 例如，光電4企測(cè)器114可以是光電二才及管或光電晶體管。光電傳感 器102在連接點(diǎn)117處提供由電容器電壓Kc表示的信號(hào)。該光電檢 測(cè)器信號(hào)連接至比較器106的第一輸入端118。信號(hào)發(fā)生器104連 接至比較器的第二輸入端120。復(fù)位開(kāi)關(guān)112也通過(guò)連接點(diǎn)117連 *接至光電傳感器102。
比4交器106具有用于捕獲信號(hào)的輸出端122,該輸出端連4妾至 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108的柵極以控制該開(kāi)關(guān)的操作。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108被配置為 將第二信號(hào)發(fā)生器123的輸出端連4妄至輸出裝置110的輸入端125。 該輸出端還通過(guò)電容器124接地。輸出裝置IIO還包括傳統(tǒng)的可選 源跟隨器讀出電路，該電路包括源跟隨器晶體管126、選擇晶體管 128、 ^扁壓晶體管130、以及豐IT出節(jié)點(diǎn)132。第二信號(hào)發(fā)生器123產(chǎn)生取決于時(shí)間的斜坡電壓K一形式的指 引信號(hào)。當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108導(dǎo)通時(shí)，其將指引信號(hào)連接至輸出裝置110 的豐lT入端125。
通過(guò)向晶體管復(fù)位開(kāi)關(guān)112的柵極施加低復(fù)位電壓F^e,來(lái)啟動(dòng) 圖^象采集處理，乂人而l吏開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。這通過(guò)連4妄點(diǎn)117向光電傳感器 102施加高電壓Kz)d，從而對(duì)電容器116充電。然后復(fù)位電壓K^e, 升高且復(fù)位開(kāi)關(guān)112停止導(dǎo)通，/人而^f吏電容器116通過(guò)光電4企測(cè)器 114》文電。電容器116的》文電率耳又決于通過(guò)光電4企測(cè)器114的電流 /一，而該電流又耳又決于入射到光電4企測(cè)器上的光的強(qiáng)度。因此，連 接點(diǎn)117處的電壓Fc降低，從而在復(fù)位電壓變高后的時(shí)間t，電壓 Kc將由以下等式給出
因此，光電傳感器102在連接點(diǎn)117處提供表示檢測(cè)到的光強(qiáng) 度的時(shí)間積分的信號(hào)Fc。該光電傳感器信號(hào)Fc被施加至比較器106 的第一，t入端118。
例如，如圖2所示，連接至比較器106的第二輸入端120的第 一信號(hào)發(fā)生器104被構(gòu)造并配置為產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定非線性函數(shù)變化的 取決于時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)^""。基準(zhǔn)信號(hào)F^(^隨時(shí)間t增大，而基 準(zhǔn)信號(hào)的變化率隨時(shí)間而減小。該基準(zhǔn)信號(hào)被設(shè)計(jì)為使積分停止的 時(shí)間與光電流的對(duì)1t成比例。
從而，比較器106經(jīng)由第一輸入端118接收光電傳感器信號(hào)Fc 以及經(jīng)由第二輸入端120接收基準(zhǔn)信號(hào)Fw/"入比較器的輸出端122 連接至斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108的柵極。比較器106被配置為在電壓^c高于 基準(zhǔn)電壓F^W時(shí)，其輸出端為高且斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108導(dǎo)通，從而將指 引信號(hào)K,^施加至輸出裝置110。然而，當(dāng)^c小于F^W時(shí)，比較器輸出端為低且斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108停止導(dǎo)通，從而使指引信號(hào)r,一與輸 出裝置110斷開(kāi)。
在使用中，當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)^/W開(kāi)始低而增大時(shí)，光電傳感器輸 出信號(hào)Kc開(kāi)始高而降低。比較器106對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行比較 并檢測(cè)這兩個(gè)信號(hào)的躍遷點(diǎn)即，何時(shí)Kc= 4/(%)。在捕獲時(shí)刻， 比較器的輸出從高變低。輸出端122處的電壓變化用作捕獲信號(hào)并 被施加至晶體管斷開(kāi)開(kāi)關(guān)108的棚—及，該開(kāi)關(guān)停止導(dǎo)通并因此使源 跟隨器晶體管124的柵極與由第二信號(hào)發(fā)生器123產(chǎn)生的指引信號(hào) K,,we隔離。輸出裝置110在捕獲時(shí)刻捕獲指引信號(hào)并在輸出節(jié) 點(diǎn)132處提供輸出信號(hào)。由于所選擇的基準(zhǔn)信號(hào)J^/W的形式，該 輸出信號(hào)與光電流的對(duì)lt成比例，并進(jìn)而與所積分的才全測(cè)到的光強(qiáng) 度的對(duì)數(shù)成比例。
圖9是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的像素檢測(cè)器的示意性電路圖。 該實(shí)施例的每個(gè)像素使用了比前兩個(gè)實(shí)施例更少的晶體管，因此提 供了優(yōu)于那些實(shí)施例的顯著的成本和尺寸優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)于具有大量像 素單元的圖像傳感器尤為重要。
^像素^r測(cè)器包括光電傳感器裝置202、信號(hào)發(fā)生器204、包括 晶體管開(kāi)關(guān)的傳感裝置208、輸出裝置210、和晶體管復(fù)位開(kāi)關(guān)212。 晶體管開(kāi)關(guān)208具有連4妾至llr出裝置210的l敘入端的出口 213。在 該實(shí)施例中，晶體管開(kāi)關(guān)208是p溝道MOSFET，其僅在柵極電壓 比源極電壓小等于晶體管閾值電壓的量時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)柵極電壓等于或 大于源4及電壓減去閾值電壓時(shí)，晶體管208停止導(dǎo)通。
光電傳感器裝置202包括與電容器216并聯(lián)連接的光電檢測(cè)器 214。所需的電容C可以由如圖所示的獨(dú)立的電容器來(lái)提供、和/或 由光電檢測(cè)器214或其他電路元件的固有電容提供。例如，此處被 示為恒流源的光電檢測(cè)器214可以是光電二極管或光電晶體管。光電傳感器裝置202在連接點(diǎn)217處提供由電容器電壓^c表示的光 電傳感器輸出信號(hào)。該輸出信號(hào)連接至晶體管開(kāi)關(guān)208的源極。開(kāi) 關(guān)出口 213被提供有晶體管開(kāi)關(guān)208的漏極處的電壓。復(fù)位開(kāi)關(guān)212 通過(guò)連4妄點(diǎn)217連4妄至光電傳感器202。
信號(hào)發(fā)生器204連接至斷開(kāi)開(kāi)關(guān)208的棚4及并控制該開(kāi)關(guān)的梯: 作。當(dāng)施加至柵極的基準(zhǔn)電壓小于施加至源極的光電傳感器電壓減 去閾值電壓時(shí)，該開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，從而將光電傳感器輸出信號(hào)Kc施加 至輸出裝置210的輸入端224。當(dāng)基準(zhǔn)電壓大于光電傳感器電壓減 去閾值電壓時(shí)，該開(kāi)關(guān)停止導(dǎo)通，從而使輸入端224與光電傳感器 輸出信號(hào)隔離。
輸出裝置210包括傳統(tǒng)的可選源跟隨器讀出電路，其包括源跟 隨器晶體管226、選擇晶體管228、偏壓晶體管230和輸出節(jié)點(diǎn)232。 輸出裝置210被設(shè)計(jì)為感測(cè)開(kāi)關(guān)出口 213處的電壓，而無(wú)需從該出 口抽取任何電流。選擇晶體管228選擇將一4亍或一列<象素中的哪個(gè) 像素連接至電流源。
在4吏用中，通過(guò)向晶體管復(fù)位開(kāi)關(guān)212的棚—及施加j氐復(fù)位電壓 F^e,來(lái)啟動(dòng)圖像采集處理，從而使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。其通過(guò)連接點(diǎn)217向 光電傳感器202施加高電壓KDD， 乂人而對(duì)電容器216充電。然后復(fù) 位電壓J^,e,升高且復(fù)位開(kāi)關(guān)212停止導(dǎo)通，/人而使電容器216通過(guò) 光電4企測(cè)器214方文電。電容器216的》文電率耳又決于通過(guò)光電^r測(cè)器 214的電流/pa,而該電流又取決于入射到光電檢測(cè)器上的光的強(qiáng)度。 從而，連接點(diǎn)217處的電壓Fc降低。
在復(fù)位電壓變高后的時(shí)間t,電壓Fc將由以下等式給出因而，光電傳感器202在連接點(diǎn)217處提供與檢測(cè)到的光強(qiáng)度 的時(shí)間積分成比例(負(fù)比例常數(shù))的輸出信號(hào)Kc。光電傳感器202 的輸出信號(hào)Zc經(jīng)由斷開(kāi)開(kāi)關(guān)208被施加至輸出裝置210的輸入端 224。
信號(hào)發(fā)生器204被構(gòu)造并配置為產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定非線性函數(shù)變化
的取決于時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)4/W。這與圖2所示的情況相類似，但
是考慮到閾值電壓而進(jìn)行了修改。基準(zhǔn)信號(hào)^/(^隨時(shí)間/增大， 而基準(zhǔn)信號(hào)的變化率隨時(shí)間而減小。
晶體管208在源極端接收光電傳感器信號(hào)而在柵極端接收 基準(zhǔn)信號(hào)^e/W。晶體管開(kāi)關(guān)208的漏極端連接至開(kāi)關(guān)出口 213。當(dāng) 基準(zhǔn)電壓^V"川、于光電傳感器電壓Fc減去閾值電壓4(即，當(dāng) <^:-4)時(shí)，晶體管開(kāi)關(guān)208導(dǎo)通，從而向輸出裝置210施加光電 傳感器信號(hào)rc。然而，當(dāng)基準(zhǔn)電壓^v"等于或大于光電傳感器電 壓Fc減去闊^直電壓K"即，當(dāng)Ke/ ^ rc - K,力)時(shí)，晶體管開(kāi)關(guān)208 停止導(dǎo)通，從而使光電傳感器信號(hào)Fc與輸出裝置210斷開(kāi)。也就 是說(shuō)，當(dāng)光電傳感器電壓Fc與基準(zhǔn)電壓K^之差小于閾值電壓
K,"即，當(dāng)4/< K,/0時(shí)，輸出裝置與光電傳感器隔離。應(yīng)注意， 利用p溝道MOSFET，閾值電壓有時(shí)為負(fù)凄t。
因此，輸出裝置210在捕獲時(shí)刻對(duì)光電傳感器信號(hào)Fc進(jìn)行采 樣，并在輸出節(jié)點(diǎn)232提供讀出信號(hào)。限定基準(zhǔn)信號(hào)F^"的形式 的函數(shù)被設(shè)計(jì)為使所捕獲的輸出信號(hào)Fc與所積分的檢測(cè)到的光強(qiáng) 度的對(duì)lt成比例。
該圖像傳感器適用于各種應(yīng)用，尤其包括被設(shè)計(jì)用在不受控制 的照明條件或具有非常寬的照度動(dòng)態(tài)范圍條件下的照相機(jī)(用于靜 止和視頻圖像)。例如，這些可以包括交通監(jiān)控照相機(jī)、安全照相機(jī)、車號(hào)牌識(shí)別照相才幾以及用在汽車中的夜^L照相才幾。該圖像傳感 器還可以用于各種才幾器人應(yīng)用中，例如，用于才幾器^見(jiàn)覺(jué)。
下面將參照?qǐng)D4至圖7來(lái)描述設(shè)計(jì)產(chǎn)生適合的基準(zhǔn)信號(hào)的函數(shù) 的方法。第 一推導(dǎo)涉及在積分停止的時(shí)刻給出對(duì)數(shù)響應(yīng)的傳感器 (如附圖的圖8所示)。
我們有l(wèi)/沒(méi)在電容上對(duì)光電流進(jìn)行積分時(shí)間f。這會(huì)導(dǎo)致的電壓 變化的幅值為
11 c
目的是在與光電流/一的對(duì)數(shù)成比例的時(shí)刻/,停止積分處理。這
意味著我們想要^f吏
其等效于 此時(shí)電壓變^f匕為
|AF| =^ii = ^^:^ i lc c /re/
這意^^木著在停止積分或?qū)Ρ硎緯r(shí)間的信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，光電流 與電壓變4匕之間的關(guān)系為去除光電流導(dǎo)致
△，_^exp(,/5:)
現(xiàn)在，電容通常為1 pF,并且所感興趣的時(shí)間介于0和20ms 之間。此時(shí)，電壓的變化必須接近1V。這意味著/^將大于典型的
光電流。這意p未著才艮據(jù)下面的表達(dá)式獲得正時(shí)間
乙,
其中，參數(shù)S必須為負(fù)。因此，為了^f吏電壓的變化最終開(kāi)始隨 時(shí)間而減少更加清晰，最好以以下形式重寫用于電壓的表達(dá)式
AK卜^exp(—〃間)
在t = 0和t -無(wú)窮大時(shí)的快速驗(yàn)證示出在這些點(diǎn)處函數(shù)為零( 當(dāng)t叫SI時(shí)，該函凄t還具有最大值，且該值為
Ar| = ^5exp(—1)
基準(zhǔn)電壓應(yīng)用于避免比較器非?？焖偻Ｖ狗e分處理的可能性。 這樣做的一種方法是保持基準(zhǔn)電壓以使其等于該最大變化，直到 t=|S|,且只有在該時(shí)間之后才允i午其改變。然后，該變化變?yōu)閨A^ = ^iexp(—D當(dāng)t叫si時(shí) |AK| = fexp(-,柳 其他
該像素存在的唯一問(wèn)題在于其需要表示時(shí)間的信號(hào)。因此，存 在兩個(gè)取決于外部l是供時(shí)間的信號(hào)。通過(guò)停止積分處理可以不再需 要表示時(shí)間的信號(hào)，從而像素中的電壓本身表示光電流的對(duì)數(shù)。
對(duì)于在其中像素電壓給出對(duì)數(shù)響應(yīng)的傳感器(如圖1所示)， 如下推導(dǎo)用于產(chǎn)生合適的基準(zhǔn)信號(hào)的函數(shù)
我們，i設(shè)將光電流；積分到電容C上。這意p木著在時(shí)間t電壓 變化的幅度由下式給出
卜^
目的是為了在時(shí)間"停止積分處理，以^吏電容上的電壓變化幅 度與光電流的對(duì)數(shù)成比例。這意味著我們想要當(dāng)電壓改變下式表示 的量時(shí)停止積分或?qū)ζ溥M(jìn)行采樣
K = S Zw丄
人e/
該式等效于
/p=/re/eXp(|AK|s/S) 使用于電壓變化幅度的表達(dá)式相等得到<formula>formula see original document page 27</formula> (Al)
可以只于其進(jìn)^f亍重達(dá)斤配置以給出
從該等式可以很容易地根據(jù)電壓變化的幅度來(lái)確定時(shí)間
<formula>formula see original document page 27</formula>
因此，盡管期望獲得作為時(shí)間函數(shù)的電壓變化的表達(dá)式，{旦是 更容易確定電壓的特定變化導(dǎo)致結(jié)束電容器上的電荷累積的時(shí)間。
在對(duì)于值開(kāi)始對(duì)電容器進(jìn)行充電的像素的兩種情況中，
而如果對(duì)于值4,通過(guò)光電流使電容器進(jìn)行放電，貝'J
已經(jīng)在假設(shè)將光電流積分到電容器上以及在每個(gè)像素中都使 用比較器來(lái)在出現(xiàn)等式(Al )中的條件的情況下結(jié)束電荷累積的基 礎(chǔ)上對(duì)提出的技術(shù)進(jìn)行建模。圖4至圖7示出了使用值C-20yF、 /re/=10/4、和5 = 0.15而得到的典型結(jié)果。
圖4示出了在對(duì)像素檢測(cè)器進(jìn)行充電以產(chǎn)生與光電流的對(duì)數(shù)成 比例的^f象素輸出電壓時(shí)所需的基準(zhǔn)電壓F^/"。圖5中的結(jié)果示出了對(duì)于這些參數(shù)值，在積分停止時(shí)輸出電壓在大于六十倍程的照度 范圍與光電流的對(duì)數(shù)成比例，并且對(duì)于光電流中的每十倍程的變
化，豐lT出電壓的改變大于300 mV。
同樣重要的是，圖6示出了對(duì)于這些參數(shù)，在小于20ms的時(shí) 間內(nèi)對(duì)小至l pA的光電流產(chǎn)生輸出電壓。圖7示出了即4吏對(duì)于該 小光電流，足夠的電荷也被累積到散粒噪聲限制信噪比大于300的 電容器上，這與實(shí)現(xiàn)好于1%的對(duì)比靈敏度的理想目標(biāo)是一致的。
該方法優(yōu)于產(chǎn)生對(duì)數(shù)像素的傳統(tǒng)方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，與 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的每十倍程小于60 mV相比，光電流的每十倍程變化的 輸出電壓的變化超過(guò)每十倍程300 mV。這種每十倍程的輸出電壓 變化通過(guò)參數(shù)S來(lái)控制。這意味著該變化是通過(guò)電路設(shè)計(jì)者而非裝 置參數(shù)控制的。
權(quán)利要求
1.一種用于電子成像裝置的圖像傳感器，所述圖像傳感器包括像素檢測(cè)器的陣列，每個(gè)像素檢測(cè)器都包括a.光電傳感器裝置，被構(gòu)造并配置為檢測(cè)入射光，并具有用于表示檢測(cè)到的光強(qiáng)度的時(shí)間積分的光電傳感器信號(hào)的光電傳感器輸出端，b.信號(hào)發(fā)生器裝置，被構(gòu)造并配置為產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定函數(shù)變化的基準(zhǔn)信號(hào)，c.傳感裝置，具有被連接以接收所述光電傳感器信號(hào)的第一輸入端以及被連接以接收所述基準(zhǔn)信號(hào)的第二輸入端，所述傳感裝置被構(gòu)造并配置為比較所述光電傳感器信號(hào)和所述基準(zhǔn)信號(hào)，并由所述比較來(lái)確定捕獲時(shí)刻，以及d.輸出裝置，被配置為在所述捕獲時(shí)刻捕獲輸出信號(hào)，其中，所述輸出信號(hào)表示積分后的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其中，所述光電傳感器包 括電容和#L配置為才艮據(jù)所述4企測(cè)到的光強(qiáng)度來(lái)傳導(dǎo)電流的光 電傳感器元件，以及所述光電傳感器信號(hào)表示在通過(guò)光電傳感 器電流^f所述電容充電或》文電時(shí)在所述電容兩端的電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，包括向所述電容施加初始 電壓的復(fù)位裝置，其中，隨后通過(guò)所述光電傳感器電流使所述 電容》文電。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其中，所述基 準(zhǔn)信號(hào)根據(jù)非線性函數(shù)變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其中，所述基準(zhǔn)信號(hào)的變 化率隨時(shí)間而減小。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其中，所述基 準(zhǔn)信號(hào)F,的形式由函數(shù)M^^exp(-A^/S)定義，其中，t為時(shí)間，C為電容，/^為基準(zhǔn)電流，以及S為可選常數(shù)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其中，所述傳 感裝置通過(guò)感測(cè)所述光電傳感器信號(hào)與所述基準(zhǔn)信號(hào)之間的 差何時(shí)達(dá)到預(yù)定值來(lái)確定所述捕獲時(shí)刻。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其中，所述傳 感裝置包括切換裝置，將所述光電傳感器輸出端連接至所述 輸出裝置，并可操作地使所述光電傳感器輸出端與所述輸出裝 置斷開(kāi)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其中，所述傳 感裝置包括比較器，具有被連接以接收所述光電傳感器信號(hào) 的第一輸入端、；陂連^妄以接收所述基準(zhǔn)信號(hào)的第二輸入端、和 用于捕獲信號(hào)的輸出端；以及開(kāi)關(guān)元件，具有被連接以接收所 述光電傳感器信號(hào)的第 一輸入端、被連接以接收所述捕獲信號(hào) 的第二輸入端、和用于所述輸出信號(hào)的輸出端，所述比較器被 構(gòu)造并配置為在所述捕獲時(shí)刻產(chǎn)生捕獲信號(hào)，以及所述開(kāi)關(guān)元 件被配置為將所述光電傳感器信號(hào)連接至開(kāi)關(guān)輸出端，并可操 作地在接收到捕獲信號(hào)時(shí)使所述光電傳感器信號(hào)與開(kāi)關(guān)出口 斷開(kāi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像傳感器，其中，所述比較器被構(gòu)造 并配置為在所述基準(zhǔn)信號(hào)與所述光電傳感器信號(hào)之間的差等 于零時(shí)產(chǎn)生捕獲信號(hào)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的圖像傳感器，其中，所 述開(kāi)關(guān)元件是n溝道MOSFET，其柵極連接至所述比較器輸 出端，源極被連接以接收所述光電傳感器信號(hào)，以及漏極連接 至所述開(kāi)關(guān)輸出端。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，包括用于產(chǎn) 生指引信號(hào)的裝置，所述輸出裝置被配置為在所述捕獲時(shí)刻捕 獲所述指引信號(hào)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其中，所述 傳感裝置包括開(kāi)關(guān)元件，所述開(kāi)關(guān)元件被構(gòu)造并配置為將所述 光電傳感器信號(hào)連接至所述輸出裝置，并可操作地在所述捕獲 時(shí)刻使所述光電傳感器信號(hào)與所述輸出裝置斷開(kāi)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像傳感器，其中，所述開(kāi)關(guān)元件包 括晶體管開(kāi)關(guān)，其柵極被連接以接收所述基準(zhǔn)信號(hào)，源極被連 接以接收所述光電傳感器信號(hào)，以及漏極連接至所述輸出裝置。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的圖像傳感器，其中，所述晶體管開(kāi)關(guān) 是p溝道MOSFET。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的圖像傳感器，其中，所述晶體管開(kāi)關(guān) -故構(gòu)造并配置為在所述基準(zhǔn)信號(hào)與所述光電傳感器信號(hào)之間 的差小于閾值時(shí)使所述光電傳感器信號(hào)與所述輸出裝置斷開(kāi)。
17. —種在電子成像裝置中感測(cè)圖像的方法，所述電子成像裝置具 有包括像素檢測(cè)器的陣列的圖像傳感器，所述方法包括 并提供表示檢測(cè)到的光強(qiáng)度的時(shí)間積分的光電傳感器信號(hào)，b. 產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定函數(shù)變化的基準(zhǔn)信號(hào)，c. 比較所述光電傳感器信號(hào)和所述基準(zhǔn)信號(hào)，并由所述比 4交來(lái)確定4甫獲時(shí)刻，以及d. 在所述捕獲時(shí)刻捕獲輸出信號(hào)，其中，所述輸出信號(hào)表 示積分后的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過(guò)感測(cè)所述光電傳感 器信號(hào)與所述基準(zhǔn)信號(hào)之間的差何時(shí)達(dá)到預(yù)定值來(lái)確定所述 4乾獲時(shí)刻。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述光電 傳感器傳導(dǎo)取決于所述檢測(cè)到的光強(qiáng)度的電流，以及所述光電 傳感器信號(hào)表示在通過(guò)所述光電傳感器電流充電或放電的電 容兩端的電壓。
20. 才艮據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，包括向所述電容施加初始電 壓，然后通過(guò)所述光電傳感器電流使所述電容放電。
21. 才艮據(jù)4又利要求17至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述基準(zhǔn) 信號(hào)根據(jù)非線性函數(shù)變化。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述基準(zhǔn)信號(hào)的變化率 減小。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，其中，所述基準(zhǔn)信號(hào)K 的形式由函數(shù)"^^exp(-AP;/S)定義，其中，t為時(shí)間，C為電容，^/為基準(zhǔn)電流，以及S為可選常數(shù)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求17至23中任一項(xiàng)所述的方法，包括在所述捕 獲時(shí)刻捕獲所述光電傳感器信號(hào)，所述輸出信號(hào)與所捕獲的光 電傳感器信號(hào)相關(guān)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，包括在所述捕獲時(shí)刻使所述 輸出裝置與所述光電傳感器信號(hào)斷開(kāi)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法，包括在所述捕獲時(shí)刻產(chǎn) 生捕獲信號(hào)，并在接收到所述捕獲信號(hào)時(shí)捕獲所述光電傳感器 信號(hào)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求17至23中任一項(xiàng)所述的方法，包括產(chǎn)生指引 信號(hào)并在所述捕獲時(shí)刻捕獲所述指引信號(hào)，所述輸出信號(hào)與所 捕獲的指引信號(hào)相關(guān)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括在所述捕獲時(shí)刻產(chǎn)生捕 獲信號(hào)，并在接收到所述捕獲信號(hào)時(shí)捕獲所述指引信號(hào)。
全文摘要
用于電子成像裝置的圖像傳感器包括像素檢測(cè)器的陣列。每個(gè)像素檢測(cè)器都包括光電傳感器(2)，其被構(gòu)造并配置為檢測(cè)入射光并提供表示檢測(cè)到的光強(qiáng)度的時(shí)間積分的信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器裝置(4)被構(gòu)造并配置為產(chǎn)生根據(jù)預(yù)定函數(shù)變化的基準(zhǔn)信號(hào)。比較器(6)具有被連接以接收光電傳感器信號(hào)第一輸入端(18)、被連接以接收基準(zhǔn)信號(hào)的第二輸入端(20)、以及用于提供捕獲信號(hào)的輸出端(22)。比較器(6)被構(gòu)造并配置為在通過(guò)比較光電傳感器信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)而確定的時(shí)刻產(chǎn)生捕獲信號(hào)。讀出裝置(10)被構(gòu)造并配置為在接收到捕獲信號(hào)時(shí)捕獲讀出信號(hào)。該讀出信號(hào)表示積分后的檢測(cè)到的光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)。
文檔編號(hào)H04N3/15GK101300825SQ200680040806
公開(kāi)日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2006年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者史蒂文·柯林斯 申請(qǐng)人:Isis創(chuàng)新有限公司