专利名称：用于测试图像传感器的渐变图像捕捉的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及图像传感器领域，且更具体地涉及一种用于测试图像传感器的系统及方法。再更具体地，本发明涉及一种使用渐变图像捕捉来测试图像传感器的系统及方法。
背景技术：
一种典型电子图像传感器包含多个以二维阵列布置的感光图像组件(像素)。作为制程的一部分，多个图像传感器可构造于单一半导体晶片上。图像传感器随后从该晶片切下以产生分离的各个图像传感器。作为制程的一部分，可在该多个图像从半导体晶片上分离之前对其进行测试以检测设计或制造问题。一种测试方法要求在图像传感器内的像素捕捉多个图像，通常是10至100个图像之间。该积分周期(或者说允许图像传感器中的所有像素捕捉一图像的时间量)对于每个所捕捉图像是变化的。例如，起初第一捕捉图像的积分周期可较短，然后随着每个后续图像的捕捉而增加。分析图像以检测不同的设计或制造问题。此测试方法的缺点在于需捕捉及分析大量的图像，因而增加了完成测试所需总时间。另一常规但专业的测试方法是使用渐变图，例如如图1所示的图。该渐变图100 具有区域相关(region dependent)的透射率，其意味着较暗区域102相比于较亮区域104 允许更少的光线透过图100。图2是使用了渐变图100的用于测试图像传感器的系统200 的图示说明。光源202发射透过渐变图100且向着晶片206传播的光204。晶片206上的图像传感器208使用透过渐变图100透射的经过滤光210来捕捉图像。因此，图像传感器 208可在单次图像捕捉中捕捉具有不同信号水平的图像。渐变图100通常可取下以允许使用不同的渐变图。不幸的是，测试系统200需操作者为每个样本向系统200添加或从中移除渐变图， 或使用同样渐变图获取两组或更多组样本。当前的测试系统没有自动添加或移除渐变图 100的能力。且最后，渐变图可能具有透射率的样本间变动从而导致测试系统间的相关误差。
发明内容
本发明使用渐变图像捕捉以测试一个或多个图像传感器。阵列内的像素行、或像素行的群组的积分周期在每个单一静态帧图像捕捉期间改变。像素行被同时地或依次地重置至一预定水平。像素其后开始累积电荷。像素行或像素行的群组接着在不同时间读出以改变像素的积分周期。部分或所有信号被分析或测量以检测任何设计或制造问题。分析可包含例如显示所捕捉的图像，其示出来自一个或多个输出通道的数据的渐变水平及垂直特性(profile) ο本发明的有利效应本发明包含静态帧渐变图像捕捉的优点，其在图像捕捉期间改变像素的积分周期。采用一个静态帧图像捕捉测试系统，可测试或测量图像传感器的不同操作或性能参数。 这允许在少至一个被捕捉渐变图像中检测设计或制造问题。测试及校正缺陷设计或制造问题的时间及费用减少，同时该测试的可靠性及精度皆增加。
图1是根据现有技术的渐变图的俯视图；图2是使用了渐变图100的图像传感器测试系统的图形说明；图3是可实施于根据本发明的实施例的图像传感器内的像素的示意图；图4是根据本发明的实施例的图像传感器的俯视方块图；图5是根据本发明的实施例的使用渐变图像捕捉来测试图像传感器的第一方法的流程图；图6是可配合如图5所示的第一方法所使用的示例性时序图；图7是可配合如图5所示的第一方法所使用的替代示例性时序图；图8是根据本发明的实施例的使用渐变图像捕捉来测试图像传感器的第二方法的流程图；图9是可配合如图8所示的第二方法所使用的示例性时序图；图10是根据本发明的实施例的用于测试图像传感器的系统的简化说明；图11描绘的显示屏幕显示了在根据本发明的实施例中对于无缺陷图像传感器的一组测试结果；图12例示的显示屏幕显示了在根据本发明的实施例中对缺陷图像传感器的一组测试结果；图13例示的显示屏幕显示了在根据本发明的实施例中像素化瞬态噪声的更加详尽的视图；图14例示的显示屏幕显示了在根据本发明的实施例中行瞬态噪声的更加详尽的视图；及图15例示的显示屏幕显示了在根据本发明的实施例中列瞬态噪声的更加详尽的视图。
具体实施例方式整个说明书及权利要求中，如下术语将采用与本文明显相关的含义，除非上下文明确另行规定。“一”、“一个”及“该”的含义包含复数的引用，“在…中”的含义包含“在… 中”及“在…上”。术语“连接”表示介于连接项目之间的直接电气连接或通过一个或多个被动或主动中间器件的间接连接。术语“电路”表示单一组件或主动或被动地连接在一起以提供所需功能的多个组件。术语“信号”表示至少一电流、电压或数据信号。参阅附图，整个视图中的相似数字指示相似部分。现在参阅图3，其显示根据本发明的实施例的可实施于图像传感器内的像素的示意图。像素300包含光探测器302、转移栅极304、电荷至电压转换机构306、放大器308、重置晶体管310、电位Vdd 312及行选择晶体管314(其漏极连接至放大器308的源极且其源极连接至输出端316)。重置晶体管310及放大器308的漏极皆维持在电位Vdd 312。该重置晶体管310的源极及放大器308的栅极皆连接至电荷至电压转换机构306。光探测器302响应于光撞击光探测器302而将光转换为电荷。由光探测器302所产生的电荷的数量取决于落到光探测器302上的光的量(根据强度及持续时间)。当曝露于光时光电探测器302产生电荷的时间的量被称为曝光时间。介于像素重置与像素读出之间的时间周期称为积分周期。重置晶体管310通过将电荷至电压转换机构306设定至电位Vdd 312而重置像素 300。在光探测器302的积分周期的结束，所累积的电荷使用转移栅极304而转移到电荷至电压转换机构306。电荷至电压转换机构306将电荷转换为电压。根据本发明的一实施例， 电荷至电压转换机构306配置为浮动扩散。放大器308将电荷至电压转换机构306内的电压放大。根据本发明的一实施例， 放大器308实施为源跟随器晶体管。行选择晶体管314被用于选择一像素行。当行选择晶体管314是活动时，放大器308上的电压被转移至输出316且随后从像素阵列及图像传感器读出。根据本发明的另一实施例的像素可能实施为和像素300不同。仅仅作为实例，在根据本发明的另一实施中，一像素可省略一个或多个组件，例如电荷至电压转换机构306。图4是根据本发明的实施例的图像传感器的俯视方块图。图像传感器400包含像素阵列402(其包含多个以行与列配置的像素300(图3所示))、列解码器404、行解码器 406、数字逻辑408、及模拟或数字输出通道410。根据本发明的一实施例，图像传感器实施为x-y可寻址图像传感器，诸如(例如)互补金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器。因此， 列解码器404、行解码器406、数字逻辑408及模拟或数字输出通道410实施为可操作地连接至像素阵列402的标准CMOS电子电路。本领域技术人员将会认知根据本发明的其它实施例，其它外围电路配置或架构亦可实施。现在参阅图5，其显示根据本发明的实施例的使用渐变图像捕捉来测试图像传感器的第一方法的流程图。起初，像素被曝露于光，如方块500所示。像素随后被重置至一预定信号水平(方块50 且光探测器302开始累积电荷。在像素曝露于光时，所累积的电荷至少基于逐行的方式自像素行读出。例如，根据本发明的一实施例，像素行一次一行地读出以改变每行的积分周期。因此，在被读出的第一行像素中的光探测器具有最短的积分周期而在被读出的最后行像素中的光探测器具有最长的积分周期。这导致一渐变图像捕捉，其将连同图11及图12被更加详细论述。本领域技术人员将会了解，行可依照任何次序读出。根据本发明的另一实施例，其中像素行在阵列中被分为不同的像素行群组，其中每个群组包含两个或更多像素行。这些群组可在各群组中包含相同数目的行或在一个或多个群组中改变行的数目。根据本发明的实施例，群组中的像素一次一群组地读出，其导致渐变图像捕捉。再次，行的群组可以任何次序读出。再参阅图5，在方块506作出所有在阵列中的像素是否已读出的判定。若为否，则在另一行或行群组中的像素被读出(方块508)且该过程返回至方块506。根据本发明的一实施例，信号可自阵列中的所有像素读出，或自阵列中的部分像素读出。当所有信号已自阵列中的所需像素读出时，部分或所有信号被分析(方块510)。 分析可包含被测试的图像传感器的各种操作或性能参数的测量或测试。例如，分析可测量瞬态噪声信号水平依赖性(dependence)或固定模式噪声(EPN)信号水平依赖性。或者，该分析可判断该图像传感器的线性程度。
然后在方块512作出该分析是否完成的判定。若否，该方法返回至方块510。当分析完成时，作出该过程是否需重复的判定(方块514)。若此方法需重复，该过程返回至方块 502且重复至给定次数。图6是可用于图5所示的第一方法的示例性时序图。此示例性时序图可被实施于不具有机械快门的图像传感器内。根据本发明的此实施例，像素持续地曝露于光。阵列中的所有像素皆在时间、同时重置600。根据本发明的实施例，同时重置600 实施为全局重置。在重置操作600之后，像素行R1A2，、!^中的光探测器在其各自积分周期 602,604,606期间累积电荷。根据本发明的实施例，R1表示在阵列中的第一像素行而I^n表示在阵列中的最后像素行。在一段时期之后，来自第一像素行R1的累积电荷或信号在时间、被读出608，而其它行&至&中的像素则继续累积电荷。一段时间之后，第二像素行&中的信号在时间 t2被读出610，而直至列的其它行中的像素则继续累积电荷。因为行&是在R1之后被读出的，列&的积分周期604长于行R1的积分周期602。因此，由行&中像素所累积的电荷量要大于行R1中像素所累积的电荷量。一次一行地接连依次读出像数行中的信号的过程将一直持续直至行中的信号在时间tx被读出612。因为像素行的读出时间随着时间改变，因此像素行的积分周期602、 604,606皆不同。此允许在单次捕捉中获取渐变图像捕捉。现在参阅图7，其中显示另一可用于图5所示的第一方法的替代示例性时序图。此替代示例性时序图可在具有机械快门的图像传感器内实施。根据本发明的实施例的像素阵列，R1表示第一像素行而I^n表示最后像素行。当在阵列中的像素在时间tQ同时被重置时，机械快门(MS)是关闭的。在重置操作700之后，在像素行礼、R2> I^n中的光探测器的积分周期702、704、706分别开始。在时间 、，机械快门(MS)打开且阵列中的像素皆曝露于光。这开始了像素行I^j2、!^的曝光时期 708、710、712。一段时间之后，第一像素行R1中累积的电荷或信号在时间、被读出714，而其它行&至I^n中的像素继续累积电荷。经过若干时间，第二像素行民中的信号在时间t3被读出716，而其它行R3至I^n中的像素继续累积电荷。因&是在R1之后被读出，故行&的积分周期704长于行R1的积分周期702。因而，由行&中的像素所累积的电荷数量多于由行R1 中的像素所累积的电荷数量。一次一行地连续依次读出像素行的过程持续，直至行中的信号在时间tx被读出718。机械快门(MS)在时间tx之后(时间ty)关闭。因为每行的读出时间随着时间变化，所以每个像素行的积分周期702、704、706皆不同。此允许在单次捕捉中获取渐变图像捕捉。图8是根据本发明的实施例的使用渐变图像捕捉来测试图像传感器的第二方法的流程图。起初，如方块800所示，阵列中的像素皆曝露于光。在方块802，开始依次重置每个像素行或像素行的群组至一预定信号水平的过程。该过程继续直至所有行或行的群组已重置。其后在方块804作出判定，判定第一像素行或第一像素行群组的积分周期是否结束。 若没有结束，该方法等到该积分周期结束。当第一像素行或第一像素行群组的积分周期结束时，该过程转至方块806，在此开始从像素行或像素行群组内的光探测器依次读出累积电荷或信号的过程。该过程继续直至所有行或行群组已读出。其后在方块808作判定，判定读出过程是否完成。若没有完成，该方法等到所有所需像素皆已读出。如方块810所示，部分或所有从图像传感器读出的信号被进行分析。分析可包含被测试的图像传感器的各种操作或性能参数的测量或测试。例如，分析可测量瞬态噪声信号水平依赖性或固定模式噪声(EPN)信号水平依赖性。或者，分析可判断图像传感器的线性程度。其后在方块812作判定，判定信号的分析是否完成，若没有完成，该方法返回至方块810。当分析完成时，在方块814作判定，判定该方法是否需要重复。当该方法需重复时， 该过程返回至方块800。现在参阅图9，其显示可配合图8所示的第二方法所使用的示例性时序图。该示例性时序图可实施于没有机械快门且使用电子卷动快门重置机构的图像传感器中。根据本发明的实施例，R1表示阵列中的第一像素行而I^n表示最后像素行。阵列中的第一像素行R1在时间、重置900。在重置操作的后，在积分周期902期间，在行R1中的光探测器累积电荷。在一段时间之后，第二像素行民在时间t2重置902。 然后行&中的光探测器在积分周期904期间累积电荷。最后，在一段时间之后，最后像素行I^n在时间tn重置，且在行中的光探测器在积分周期906期间累积电荷。第一像素行R1中的累积电荷或信号在时间t3读出908，而其它行&至中的像素继续累积电荷。一段时间之后，在时间t4，在第二像素行&中的信号被读出，而其它行至 I^n中的像素继续累积电荷。因为行&的积分周期904长于行R1的积分周期902，所以由行 R2中的像素所累积的电荷数量要多于由行R1中的像素所累积的电荷数量。一次一行地依次读出像素行的信号的过程继续直至在行中的信号在时间tx被读出912。因为像素行的积分周期具有不同时间长度，因此在单次捕捉中获取渐变图像捕捉。在根据本发明的其它实施例中，像素行被分为像素行的不同群组，每个群组包含两行或更多行的像素。这些群组可在每个群组中包含同样数量的行或在一个或多个群组中变化行数。群组中的像素一次一群组地以此读出以产生渐变图像捕捉。此外，行的群组可依照任何次序读出。现在参阅图10，其显示根据本发明的实施例的用于测试图像传感器的系统的简化图。测试系统1000包括用于朝半导体晶片1006发射光1004的光源1002。多个图像传感器400(图4)被制造于晶片1006之上。控制器1008用于产生致使在一个或多个图像传感器400中的光探测器开始累积电荷所需的信号。控制器1008还产生致使从一个或多个图像传感器400中的像素中读出所累积电荷所需的信号，所累积电荷以改变传感器或诸传感器内的光探测器的积分周期的方式而被读出。例如，像素可依照如图5至图9所描述的方法而被读出。根据本发明的实施例，控制器1008还可用于控制光源1002。处理单元1010用于分析从每个被测试图像传感器所读出的信号。输出设备1012 输出该分析的结果。根据本发明的一实施例，输出设备1012实施为显示器，但其可在根据本发明的其它实施例中被不同地配置。根据本发明的一实施例，控制器1008、处理单元 1010、及输出设备1012皆包含于测试装置1014中。图11例示的显示屏幕示出了根据本发明的实施例的对无缺陷图像传感器的一组测试结果。屏幕1100包含三个窗口 1102、1104、1106。窗口 1102显示由图像传感器捕捉的图像。所捕捉的图像是描述不同信号水平的渐变图像，信号来自通过改变图像传感器内的像素行的积分周期所获取的累积电荷。如图U所示，窗口 1102的顶部显示具有最短积分周期的该像素行。向窗口 1102的底部移动，因为行的积分周期增加图像变得较亮。选择器1108被用于从窗口 1102选择一个或多个列的像素用于更详细的视图。窗口 1104、1106显示该图像传感器中的两个读出或输出通道的数据的垂直特性。垂直特性通过累加(summing)在选择器1108内的每行(每行与图像传感器内的每个输出通道相关联) 中的像素的信号而产生。通过改变该选择器1108的宽度，垂直特性的尺寸可变得如单列像素一般小。如窗口 1104、1106所示，两个垂直特性在选定行或多行像素1108的整个信号范围(例如，暗至饱和)上都具有不间断的线性斜率。现在参阅图12，其例示的显示屏幕示出了在根据本发明的实施例中对缺陷图像传感器的一组测试结果。在屏幕1202内的窗口 1200中显示由图像传感器所捕捉的图像。选择器1204已在窗口 1208中选定一行或多行像素用于更加详细的视图。窗口 1206显示一输出通道的数据的垂直特性而窗口 1208显示另一输出通道的数据的垂直特性。在窗口 1208 中的垂直特性具有在该选定行或多行1204的整个信号范围上的不间断线性斜率。然而，在窗口 1208中的垂直特性描述了代表不可接受的噪声水平的三个区域1210、1212、1214。测试结果可用于(例如)识别稍后可能被校准的与像素或输出通道关联的设计或制造问题。图13至图15分别描述显示像素化、行、及列瞬态噪声的更加详细视图的显示屏幕。图13显示来自两个使用在图像捕捉期间变化像素行的积分周期的渐变图像捕捉技术而连续捕捉的两个图像的像素化(pixelized)瞬态噪声数据。区域1300、1302及1304说明两个绿色输出通道(Gr及( )在各自信号水平周围具有比红色及蓝色输出通道更高的噪声。图14说明来自使用在图像捕捉期间变化像素行的积分周期的渐变图像捕捉技术而连续捕捉的两个图像的行瞬态噪声数据。区域1400、1402及1404说明两个绿色输出通道(Gr及( )在各自信号水平周围具有比红色及蓝色输出通道更高的噪声。最后，图15说明来自使用在图像捕捉期间变化像素行的积分周期的渐变图像捕捉技术而连续捕捉的两个图像的列瞬态噪声数据。区域1500、1502及1504说明两个绿色输出通道(Gr及( )在各自信号水平周围具有比红色及蓝色输出通道更高的噪声。元件列表
100渐变图
102较暗区域
104较亮区域
200测试系统
202光源
204光
206曰tl· 日日/T
208图像传感器
210经过滤的光
300像素
302光探测器
304转移栅极
306电荷至电压转换机构
308放大器
310重置晶体管
312电位Vdd
314行选择晶体管
316输出
400图像传感器
402像素阵列
404列解码器
406行解码器
408数字逻辑
410输出通道
600重置
602积分周期
604积分周期
606积分周期
608读出
610读出
612读出
700重置
702积分周期
704积分周期
706积分周期
708曝光周期
710曝光周期
712曝光周期
714读出
716读出
718读出
900重置
902积分周期
904积分周期
906积分周期
908读出
910读出
912读出
1000测试系统
1002光源
1004光
1006曰tl· 日日/T
1008控制器
1010处理单元
1012输出设备
1014测试装置
1100显示屏幕
1102窗口
1104窗口
1106窗口
1108选择器
1200窗口
1202显示屏幕
1204选择器
1206窗口
1208窗口
1210噪声区域
1212噪声区域
1214噪声区域
1300噪声区域
1302噪声区域
1304噪声区域
1400噪声区域
1402噪声区域
1404噪声区域
1500噪声区域
1502噪声区域
1504噪声区域
权利要求
1.一种用于测试χ-y可寻址图像传感器的方法，该χ-y可寻址图像传感器包括以行与列布置以形成阵列的多个像素，其中每个像素包含光探测器，该方法包括将所述多个像素曝露于光；及当所述多个像素曝露于光时，至少逐行地改变一行光探测器累积电荷的时间量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括分析从所述x-y可寻址图像传感器读出的信号的至少一部分的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，分析从所述图像传感器读出的信号的至少一部分的步骤包括生成在所述阵列中的一列或多列像素的垂直图像特性。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括将在所述阵列中的一列或多列像素的所述垂直图像特性输出至输出设备的步骤。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，产生所述阵列中的一列或多列像素的垂直图像特性的步骤包括生成所述阵列中的两列或更多列像素的垂直图像特性。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其还包括逐行地累加从所述两列或更多列像素中的像素读出的信号的步骤。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，分析从所述图像传感器读出的信号的至少一部分的步骤包括生成由所述阵列中的所述多个像素产生的信号的渐变图像。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将由所述阵列中的所述多个像素生成的信号的所述渐变图像输出至输出设备的步骤。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将以下步骤重复预定次数将所述多个像素曝露于光的步骤、当所述多个像素曝露于光时，至少逐行地改变一行光探测器累积电荷的时间量的步骤、以及分析从所述χ-y可寻址图像传感器所读出的信号的至少一部分的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在至少逐行地改变一行光探测器累积电荷的时间量之前，将所述多个像素重置至预定信号水平的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述多个像素重置至预定信号水平的步骤包括同时将所述多个像素重置至预定信号水平。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其中将所述多个像素重置至预定信号水平的步骤包括依次将各行像素重置至预定信号水平。
13.如权利要求1至12的任一项所述的方法，其特征在于，其中当所述多个像素曝露于光时至少逐行地改变一行光探测器累积电荷的时间量的步骤包括在不同时刻，并逐行地从所述阵列内的光探测器行中读出信号，从而改变所述阵列内的光探测器的积分周期。
14.如权利要求1至12的任一项所述的方法，其特征在于，当所述多个像素曝露于光时至少逐行地改变一行光探测器累积电荷的时间量的步骤包括在不同时刻，并按照像素行的不同群组从所述阵列内的光探测器行中读出信号，从而改变所述阵列内的每个不同的行群组中的光探测器的积分周期。
15.一种用于测试x-y可寻址图像传感器的系统，该x-y可寻址图像传感器包括以行与列布置以形成阵列的多个像素，其中每个像素包含光探测器，该系统包括控制器，用于生成信号以致使所述阵列内的所述多个像素曝露于光，并且当所述多个像素曝露于光时至少逐行地从所述阵列内读出信号，从而改变所述阵列内的光探测器的积分周期；及处理单元，用于分析从所述χ-y可寻址图像传感器读出的信号的至少一部分。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括光源。
17.如权利要求15或权利要求16所述的系统，其特征在于，其中当所述多个像素曝露于光时，所述控制器生成信号以逐行地从所述阵列读出信号，从而改变所述阵列内的光探测器的积分周期。
18.如权利要求15或权利要求16所述的系统，其特征在于，其中当所述多个像素曝露于光时，所述控制器生成信号以按照像素行的不同群组从所述阵列读出信号，从而改变所述阵列内的光探测器的积分周期。
全文摘要
使用渐变图像捕捉来测试一个或多个图像传感器。阵列中的像素行的积分周期或是像素列的积分周期在每个单一静态帧图像期间变化。像素行被同时地或连续地重置到预定水平，然后开始累积电荷。在不同时间读出像素行或像素行的群组以改变像素的积分周期。分析或量测部分或全部信号以检测任何设计或制造问题。
文档编号H04N17/00GK102246530SQ200980150026
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月10日
发明者中村文树 申请人:美商豪威科技股份有限公司