CN106920809B - 图像传感器颜色校正 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及图像传感器颜色校正。一种图像传感器包含安置于半导体材料中的多个光电二极管及多个转移晶体管。所述多个转移晶体管中的个别转移晶体管耦合到所述多个光电二极管中的个别光电二极管。浮动扩散部也耦合到所述多个转移晶体管以从所述多个光电二极管接收图像电荷。所述浮动扩散部经耦合以接收预设电压，且所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压。

Description

图像传感器颜色校正

技术领域

本发明大体来说涉及图像传感器操作，且特定来说(但非排他性地)涉及图像传感器中的颜色校正。

背景技术

图像传感器已变得普遍存在。其广泛用于数字静态相机、蜂窝式电话、安全摄像机以及医学、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术一直持续快速地发展。举例来说，对较高分辨率及较低电力消耗的需求已促进了这些装置的进一步小型化及集成。

在现代图像传感器中，颜色成像通常是通过在图像传感器装置的表面上制作彩色滤光片层而完成。彩色滤光片层通常使用经布置成图案的红色、绿色及蓝色滤光片，所述滤光片允许使用颜色重建(demosaicing)算法来内插缺失的颜色信号。此技术允许颜色图像的重建，从而对最终图像产生极少失真。

然而，尽管彩色成像已有所发展，但图像传感器仍可出于多种原因产生不完美的颜色信号。举例来说，光串扰(即，到达打算接收另一光颜色的光电二极管的错误光颜色)可致使一些颜色被人为地加强。电串扰(即，在两个单独像素之间流动的电子)可导致图像噪声。

发明内容

在一个方面中，本申请案涉及一种图像传感器。所述图像传感器包括：多个光电二极管，其安置于半导体材料中以响应于经引导到所述多个光电二极管中的入射光而积累图像电荷；多个转移晶体管，其中所述多个转移晶体管中的个别转移晶体管耦合到所述多个光电二极管中的个别光电二极管；及浮动扩散部，其安置于所述半导体材料中，其中所述浮动扩散部耦合到所述多个转移晶体管以从所述多个光电二极管接收所述图像电荷，且其中所述浮动扩散部经耦合以接收预设电压，且所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压。

在另一方面中，本申请案涉及一种成像系统。所述成像系统包括：多个光电二极管；多个转移晶体管，其中所述多个转移晶体管中的个别转移晶体管耦合到所述多个光电二极管中的个别光电二极管；浮动扩散部，其耦合到所述多个转移晶体管以从所述多个光电二极管接收图像电荷，且其中所述浮动扩散部经耦合以接收预设电压且所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压，且其中所述浮动扩散部经耦合以在从所述多个光电二极管中的第一光电二极管读出所述图像电荷之前接收所述预设电压；及预设电压地址解码器，其经耦合以将所述预设电压供应到所述浮动扩散部。

在又一方面中，本申请案涉及一种图像传感器操作的方法。所述方法包括：将预设电压施加到浮动扩散部，其中所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压；响应于入射光而在多个光电二极管中产生图像电荷；及经由耦合到所述多个光电二极管的个别转移晶体管而将所述图像电荷从所述多个光电二极管转移到所述浮动扩散部，其中所述转移晶体管响应于转移信号而将所述图像电荷从所述多个光电二极管依序转移到所述浮动扩散部，且其中所述将所述预设电压施加到所述浮动扩散部发生在从所述多个光电二极管转移所述图像电荷之前。

附图说明

参考以下各图来描述本发明的非限制性及非穷尽性实例，其中除非另有规定，否则贯穿各种视图，相似参考编号是指相似零件。

图1A是图解说明颜色通道不匹配的效果的图。

图1B是根据本发明的教示的实例性图像传感器的图解。

图1C展示可对应于图1B中的图像传感器的图像传感器操作的实例性第一方法。

图1D展示根据本发明的教示的可对应于图1B中的图像传感器的图像传感器操作的实例性第二方法。

图2是图解说明根据本发明的教示的包含图1B的图像传感器的成像系统的一个实例的框图。

贯穿图式的数个视图，对应参考符号指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改进对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大。此外，通常未绘示在一商业上可行实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻挡的观察。

具体实施方式

本文中描述实例用于图像传感器颜色校正的设备及方法。在以下说明中，陈述众多特定细节以提供对实例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一者或多者的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本文中所描述的技术。在其它实例中，为避免使一些方面模糊，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作。

贯穿本说明书对“一个实例”或“一个实施例”的提及意指结合所述实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，在贯穿本说明书的各个地点中出现的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”未必全部是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任一适合方式组合于一个或多个实例中。

贯穿本说明书使用数个技术术语。除非本文中明确定义或其使用的上下文将另外清楚地建议，否则这些术语应具有其在所属领域中的一般含义。值得注意的是，特定电路元件可替代逻辑上等效或模拟电路或者可以软件仿真。

图1A是图解说明颜色通道不匹配的效果的图。颜色通道不匹配是指其中甚至在完全暗条件中一个颜色的像素输出大于另一颜色的像素的信号的现象。换句话说，当无光到达图像传感器像素时，由于图像传感器像素不产生任何图像电荷(无光子到达光电二极管)，因此全部图像传感器像素应读出同一值。然而有时，一个颜色的像素将输出高于另一颜色的像素的基础信号。此可导致后处理图像假象且可使在低照明度条件中捕获的图像失真。图1A展示此现象的一个实例，其中蓝色像素(菱形线)正输出大于绿色或红色像素的暗信号。根据本发明的教示的实例通过将预读出电压施加到图像传感器中的浮动扩散部而纠正此问题。

图1B是实例性图像传感器100的一部分的图解。在所描绘实例中，图像传感器100包含：半导体材料101、多个光电二极管(PD 103、PD 105、PD 107及PD 109)、多个转移晶体管(TX 113、TX 115、TX 117及TX 119)、浮动扩散部121、复位晶体管123、放大器晶体管131及行选择晶体管133。所述多个光电二极管安置于半导体材料101中以响应于经引导到所述多个光电二极管中的入射光而积累图像电荷。在一个实例中，半导体材料101可包含硅、锗、砷或其它适合半导体/掺杂剂。多个转移晶体管也安置于半导体材料101中，且所述多个转移晶体管中的个别转移晶体管(TX 113、TX 115、TX 117及TX 119)耦合到所述多个光电二极管中的个别光电二极管(PD 103、PD 105、PD 107及PD 109)。浮动扩散部121安置于半导体材料101中，且浮动扩散部121耦合到所述多个转移晶体管以响应于依序施加到每一个别转移晶体管的控制端子的转移信号而从所述多个光电二极管接收图像电荷(参见下文图1C，TX 113、TX 115、TX 117及TX 119)。换句话说，在所描绘实例中，转移信号经施加到TX113的控制端子，接着转移信号经施加到TX 115的控制端子，接着转移信号经施加到TX 117的控制端子，且最后转移信号经施加到TX 119的控制端子。在一个实例中，根据本发明的教示，浮动扩散部121经耦合以接收预设电压(例如，预设电压151，参见下文图1D)，且所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压(例如，暗条件稳态读取电压161，参见下文图1D)。在所描绘实例中，浮动扩散部121经耦合以在从多个光电二极管中的第一光电二极管103读出图像电荷之前接收预设电压。复位晶体管123耦合到浮动扩散部121以从浮动扩散部121提取图像电荷。此外，放大器晶体管131耦合到浮动扩散部121，且行选择晶体管133耦合于放大器晶体管131的输出与位线输出之间。在一个实例中，放大器晶体管131包含源极跟随器耦合晶体管。

在所描绘实例中，多个光电二极管包含耦合到浮动扩散部121的四个光电二极管。然而，在不同实例中，任何数目个光电二极管可耦合到浮动扩散部121，包含两个、六个及八个光电二极管。在所描绘实例中，四个光电二极管包含经安置以吸收绿色光的两个光电二极管105/107，经安置以吸收蓝色光的一个光电二极管103及经安置以吸收红色光的一个光电二极管109。尽管图1B中未描绘，但可通过接近于半导体材料101放置彩色滤光片层而完成颜色选择。在一个实例中，彩色滤光片层包含红色、绿色及蓝色滤光片，所述滤光片可经布置成拜耳(Bayer)图案、EXR图案、X-trans图案或类似图案。然而，在不同或相同实例中，彩色滤光片层可包含红外滤光片、紫外滤光片或隔离EM光谱的不可见部分的其它滤光片。在相同或不同实例中，在彩色滤光片层上形成微透镜层。所述微透镜层可由在彩色滤光片层的表面上图案化的光活化聚合物制成。一旦在彩色滤光片层的表面上图案化聚合物的矩形块，便可使所述块熔融(或回焊)以形成微透镜的圆顶状结构特性。

在一个或多个实例中，例如囊封层、介于光电二极管之间的钉扎阱及电隔离结构等其它装置架构部分可存在于图像传感器100中/上。在一个实例中，图像传感器100可完全安置于半导体材料101中/上，且图像传感器100的内部组件可被电隔离结构及/或光学隔离结构环绕。此可有助于减少图像传感器100中的噪声。可通过在半导体材料101中围绕个别光电二极管蚀刻隔离沟槽来完成电隔离，所述隔离沟槽可接着填充有半导体材料、氧化物材料或类似材料。或者，可通过在半导体材料101的表面上建构安置于彩色滤光片层下方的反射栅格而形成光学隔离结构。光学隔离结构可与多个光电二极管光学对准。

图1C展示可对应于图1B中的图像传感器的图像传感器操作的实例性第一方法，其中尚未调整浮动扩散部121上的电压来补偿颜色通道不匹配。所描绘实例展示数个时序图，所述时序图包含：复位晶体管时序(RST时序171)、第一复位浮动扩散部时序(第一RFD时序173)、转移信号时序(TX时序175)及当不施加预设电压时浮动扩散部121上的所得电压(第一V_FD响应177)。当图像传感器100处于读出模式中时，可将RFD电压设定到高电平。在一个实例中，通过从光电二极管103、105、107、109到浮动扩散部121的电荷转移效率及放大器晶体管131的线性度来确定电压电平。当图像传感器100处于曝光模式中时，可通过数个性能度量来确定RFD电压，例如光电二极管阱容量、光电二极管浮散(blooming)及装置中的暗电流的量值。曝光模式中的RFD电压通常低于读出模式中的RFD电压。经由将转移信号(TX113、TX 115、TX 117及TX 119，参见下文图1C)施加到多个转移晶体管而将图像电荷转移到浮动扩散部121，且接着从浮动扩散部121读出图像电荷。然而，如在所描绘实例中所展示，应注意，浮动扩散部121上的读出电压(第一V_FD响应177)针对前几个光电二极管读出增加，且接着针对系列中的稍后光电二极管读出而稳定。换句话说，必须在浮动扩散部121到达其暗条件稳态读取电压(例如，暗条件稳态读取电压161)之前从浮动扩散部121读出图像电荷数次。像素读出电压之间的此差异可导致颜色通道不匹配(例如，参见图1A)。

图1D展示可对应于图1B中的图像传感器的图像传感器操作的实例性第二方法，其中已通过施加预设电压151来调整浮动扩散部121上的电压以补偿颜色通道不匹配。所描绘实例展示数个时序图，所述时序图包含：复位晶体管时序(RST时序171—来自图1C)、第一复位浮动扩散部时序(第一RFD时序173—来自图1C)、第二复位浮动扩散部时序(第二RFD时序181)、当不施加预设电压时浮动扩散部121上的所得电压(第一V_FD响应177—来自图1C)及当施加预设电压151时浮动扩散部121上的所得电压(第二V_FD响应179)。值得注意的是，在图1D中再现的图1C的部分经提供以图解说明两种操作模式之间的差别(在图1C中无预设电压151被施加到浮动扩散部121，然而在图1D中预设电压151被施加到浮动扩散部121)。

如所展示，RST时序171在图1C及图1D两者中相同；然而，第二RFD时序181展示预设电压151被施加到浮动扩散部121以校正颜色通道不匹配。在从所述多个光电二极管循序读出图像电荷之前，预设电压151被施加达某一时间段。在一个实例中，此时间段可为固定的；然而，在不同实例中此时间段可经动态确定且取决于图像传感器中的条件而波动。在一个实例中，预设电压151被施加到浮动扩散部121达长于多个光电二极管的稳定时间(即，用以实现暗条件稳态读取电压161所需要的时间量)的时间段。在所描绘实例中，预设电压151的量值经动态确定为实质上等于暗条件稳态读取电压161。预设电压的量值可通过以下操作确定：(1)读出所有光电二极管且确定光电二极管的暗条件稳态读取电压161(此可取决于装置温度、操作条件等改变)；(2)存储暗条件稳态读取电压161的值；及(3)在后续图像获取期间将量值等于暗条件稳态读取电压161的预设电压151施加到浮动扩散部121。第二V_FD响应179描绘将预设电压151施加到浮动扩散部121以便将浮动扩散部121上的电压调整为实质上等于暗条件稳态读取电压161的效应。如所描绘，光电二极管读取电压从第一读出循环到最后一读出循环为始终一致齐平的。

图2是图解说明包含图1B的图像传感器的成像系统的一个实例的框图。成像系统200包含像素阵列205、控制电路221、读出电路211及功能逻辑215。在一个实例中，像素阵列205为光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所图解说明，光电二极管经布置到行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)中以获取人、地点、物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点、物体等的2D图像。

在一个实例中，在像素阵列205中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，图像数据由读出电路211读出且接着经传送到功能逻辑215。读出电路211可经耦合以从像素阵列205中的多个光电二极管读出图像数据。在各种实例中，读出电路211可包含放大电路、模/数转换(ADC)电路或其它电路。功能逻辑215可仅存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如，剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实例中，读出电路211可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)，或可使用多种其它技术读出图像数据(未图解说明)，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。

在一个实例中，控制电路221耦合到像素阵列205以控制像素阵列205中的多个光电二极管的操作。举例来说，控制电路221可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号为用于同时启用像素阵列205内的所有像素以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。然而，在另一实例中，所述快门信号可为滚动快门信号以依序捕获图像数据。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。在所描绘实例中，控制电路221还包含预设电压地址解码器241(其经耦合以供应预设电压)、快门地址解码器243(其经耦合以控制图像传感器快门操作(shuttering))及读出地址解码器245。在一个实例中，成像系统200还可包含行解码器与驱动器231，其中行解码器与驱动器231耦合于多个光电二极管与预设电压地址解码器241、快门地址解码器243及读出地址解码器245之间。

在一个实例中，成像系统200可包含于数字相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外，成像系统200可耦合到其它硬件部件，例如处理器、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等)、照明设备/闪光灯、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪垫、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件部件可将指令递送到成像系统200、从成像系统200提取图像数据、操纵由成像系统200供应的图像数据或将成像系统200中的图像数据复位。

包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上描述并不打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。

鉴于上文详细说明可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限于说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，权利要求书将根据所建立的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (19)

1.一种图像传感器，其包括：

多个光电二极管，其包含接收蓝光的第一光电二极管、接收绿光的第二光电二极管和接收红光的第三光电二极管，所述多个光电二极管安置于半导体材料中以响应于经引导到所述多个光电二极管中的入射光而积累图像电荷；

多个转移晶体管，其中所述多个转移晶体管中的个别转移晶体管耦合到所述多个光电二极管中的个别光电二极管；及

单个浮动扩散部，其安置于所述半导体材料中，其中所述单个浮动扩散部耦合到所述多个转移晶体管以从所述多个光电二极管接收所述图像电荷，且其中所述单个浮动扩散部经耦合以接收预设电压，且所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压，以均衡所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管的电压读数，其中响应于读出所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管而动态地确定所述预设电压的大小。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述个别光电二极管耦合到所述个别转移晶体管以响应于依序施加到每一个别转移晶体管的控制端子的转移信号而将所述图像电荷读出到所述单个浮动扩散部，且其中所述单个浮动扩散部经耦合以在从所述多个光电二极管中的第一光电二极管读出所述图像电荷之前接收所述预设电压。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述预设电压被施加到所述单个浮动扩散部达长于所述多个光电二极管的稳定时间的时间段。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述预设电压被施加到所述单个浮动扩散部的所述时间段为固定的。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括耦合到所述单个浮动扩散部的复位晶体管，其中所述复位晶体管经耦合以从所述单个浮动扩散部提取所述图像电荷。

6.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括耦合到所述单个浮动扩散部的放大器晶体管；及

耦合于所述放大器晶体管的输出与位线输出之间的行选择晶体管。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中所述放大器晶体管包含源极跟随器耦合晶体管。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括控制电路及读出电路，其中所述控制电路控制所述多个光电二极管的操作，且所述读出电路从所述多个光电二极管读出所述图像电荷。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述控制电路包含：

预设电压地址解码器，其经耦合以供应所述预设电压；

快门地址解码器，其经耦合以控制图像传感器快门操作；及

读出地址解码器，其经耦合以控制所述图像电荷的读出。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其进一步包括行解码器与驱动器，其中所述行解码器与驱动器耦合到所述多个光电二极管，且其中所述行解码器与驱动器耦合到所述预设电压地址解码器、所述快门地址解码器及所述读出地址解码器。

11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述暗条件稳态读取电压不同于电源电压。

12.根据权利要求1所述的图像传感器，其中响应于读出所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管而动态地确定将所述预设电压施加到所述单个浮动扩散部的时间段。

13.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述预设电压的所述大小响应于所述图像传感器的温度而改变。

14.一种成像系统，其包括

多个光电二极管，其包含接收蓝光的第一光电二极管、接收绿光的第二光电二极管和接收红光的第三光电二极管；

多个转移晶体管，其中所述多个转移晶体管中的个别转移晶体管耦合到所述多个光电二极管中的个别光电二极管；

单个浮动扩散部，其耦合到所述多个转移晶体管以从所述多个光电二极管接收图像电荷，且其中所述单个浮动扩散部经耦合以接收预设电压且所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压，以均衡所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管的电压读数，其中响应于读出所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管而动态地确定所述预设电压的大小，且其中所述单个浮动扩散部经耦合以在从所述多个光电二极管读出所述图像电荷之前接收所述预设电压；及

预设电压地址解码器，其经耦合以将所述预设电压供应到所述单个浮动扩散部。

15.根据权利要求14所述的成像系统，其中所述预设电压被施加到所述单个浮动扩散部达长于所述多个光电二极管的稳定时间的时间段。

16.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括：快门地址解码器，其经耦合以控制成像系统快门操作；

读出地址解码器；及

行解码器与驱动器，其中所述行解码器与驱动器耦合到所述多个光电二极管，且其中所述行解码器与驱动器耦合到所述预设电压地址解码器、所述快门地址解码器及所述读出地址解码器。

17.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括读出电路及功能逻辑，其中所述读出电路从所述多个光电二极管读出图像数据，且其中所述读出电路耦合到功能逻辑。

18.一种图像传感器操作的方法，其包括：

将预设电压施加到单个浮动扩散部，其中所述预设电压实质上等于暗条件稳态读取电压，以均衡第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管的电压读数，其中响应于读出所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管而动态地确定所述预设电压的大小，其中所述第一光电二极管接收蓝光、所述第二光电二极管接收绿光，且所述第三光电二极管接收红光；

响应于入射光而在包含所述第一光电二极管、所述第二光电二极管和所述第三光电二极管的所述多个光电二极管中产生图像电荷；及

经由耦合到所述多个光电二极管的个别转移晶体管而将所述图像电荷从所述多个光电二极管转移到所述单个浮动扩散部，其中所述转移晶体管响应于转移信号而将所述图像电荷从所述多个光电二极管依序转移到所述单个浮动扩散部，且其中所述将所述预设电压施加到所述单个浮动扩散部发生在从所述多个光电二极管转移所述图像电荷之前。

19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述预设电压施加到所述单个浮动扩散部达长于所述多个光电二极管的稳定时间的时间段。

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