每次读出多个栅控像素的制作方法

每次读出多个栅控像素的制作方法
【专利摘要】本文提供了一种为交通工具内的观看者提供日间场景和夜间场景的改进的图像的系统。该系统包括：在单像素级具有完全掩蔽的栅极断开能力的像素阵列传感器，其中，像素阵列传感器在单像素级设置有固有的抗高光溢出能力；其中，通过相应的具有高转移栅极效率的转移栅极晶体管对每个像素进行栅控。该系统还包括栅控单元和处理单元，该栅控单元被配置为用脉冲或连续波调制的有源光源和无源光源控制转移栅极晶体管以从传感器产生同步感测信号，其中单个脉冲足以覆盖传感器的整个视场和照射的场景的整个景深；处理单元被配置为接收同步的感测信号并对其进行处理。
【专利说明】每次读出多个栅控像素
[0001] 背景 1.【技术领域】
[0002] 本发明涉及成像系统领域，并且，更具体地涉及通过每次读出帧多个栅控低噪声 像素进行有源和/或无源成像的方法。
[0003] 2.相关技术的讨论
[0004] 名称为 "vehicle mounted night vision imaging system and method (车载夜 视成像系统和方法）"的第US 7, 733, 464 B2号美国专利，教导了一种用于改善机动交通工 具在低能见度环境期间（夜间或例如雨和雪等低能见度情况的夜间）能见度情况的装置和 方法。在前述专利中描述的系统是基于栅控成像技术（即成像传感器利用反射的光信号）。 另外，上述系统执行基于使用光电阴极和/或微通道板的图像增强技术的传感器。这种类 型的图像增强技术在交通工具环境中具有固有的缺点；由于高温（高于50摄氏度）导致灵 敏度丧失，由于太阳辐射照度导致灵敏度丧失，由于投影到光电阴极的恒定静态图像，暂态 噪声和50dB以上的场景间动态范围内高光溢出（色饱和度）导致灼伤影响。这种类型的 图像增强技术根据WASSENAAR安排或导致在例如高级驾驶员辅助系统（ADAS)的民用应用 中的困难的等效出口控制权也被定义为出口控制项目。另外，上述专利中描述的系统由于 上述缺点不提供给驾驶员任何白天成像能力。
[0005] 名称为 "measuring distances with a camera (用摄像机测量距离）"的第 EP 1 118 208 Bl号欧洲专利教导了一种关于使用被称为"3D摄像机"的摄像机进行测量距离的 装置和方法。用复位开关和至少一个单栅极开关或通过场效应晶体管（FET)用复位开关和 至少一个单调制器对多个栅控像素设计进行描述。这些像素设计具有包含储能电容器和放 大器的积分器。这些在'208B1专利中描述的这些栅控像素设计由于复位噪声电平（也称 为"KTC"噪声）在低亮度级信号方面（如在栅控成像交通工具应用方面）具有低性能，复 位噪声电平在用像素中的放大器反馈呈现的积分器机械装置中是固有的。另外，在像素积 分器中的噪声电平和信号累积当在上述专利中断开时没有被提到。像素到像素分离之间的 抗高光溢出比率是基于耦合和同步到光源上的栅控像素阵列的成像传感器中的重要特征。 在这种系统结构中，栅控像素由于在观察和/或测量的场景中的高反射物体（即后向反射 器，垂直于成像传感器/光源的反射镜等）可为高光溢出的（即饱和的，甚至高达超过标称 未饱和信号三个量级以上）。在上述专利中并未描述像素到像素分离之间的抗高光溢出比 率。


【发明内容】

[0006] 本发明的一个方面提供了一种用于为观看者提供日间和夜间场景的改进的图像 的系统。根据本发明实施例的系统可以可操作地与任何移动平台相关联。在一个非限制性 的实施例中，运动平台为交通工具。然而据了解，本文中交通工具的任何叙述可表明与任何 移动平台一起使用。在一个实施例中，该系统位于交通工具内。该系统可以包括：在单像素 级具有完全掩蔽的栅极关闭能力的像素阵列传感器，其中，像素阵列传感器在单像素级被 设置有固有的抗高光溢出能力；其中，通过相应的具有高转移栅极效率的转移栅极晶体管 对每个像素进行栅控。该系统还包括栅控单元，该栅控单元被配置为用脉冲或连续调制的 波的有源光源（即如激光，LED，人工光源等的栅控系统的光源部分）和无源光源（即在无 源这个意义上，光源不是如LED，人工光源等的栅控系统的一部分，但都位于栅控系统视场 [FOV])控制转移栅极晶体管以从传感器产生同步传感信号，其中通过有源光源的单个脉冲 足以覆盖传感器的整个视场和照明的场景的领域的整个深度；和处理单元，其被配置为接 收同步的感测信号并对其进行处理，以产生改进的场景图像。在一些实施例中，像素阵列传 感器可位于交通工具内，并且因此通过交通工具的挡风玻璃衰减来自场景的反射。
[0007] 本发明的另一个方面提供了一种用于增强安装在适用于不同的光照条件下的交 通工具上的成像系统的方法。该方法包括控制同步至栅控照射源的至少单像素的"开启"和 "关闭"时间，所述照射源可以是有源（即系统的部分）或无源（即在无源这个意义上，光源 不是如LED，人工光源等的栅控系统的部分，但位于栅控成像系统FOV内）。在本技术中，当 像素处于"开启"的持续时间，它将累积从所需物体中传播的光脉冲并且当变为"关闭"持 续时间时将忽略源自杂波源（如背景，高反射率物体，特定调制等）的脉冲。一旦光的所有 所需脉冲在像素浮动扩散区（FD)中累积或采用像素存储的其它方法，那么信号被读出以 提供单个帧图像。所公开的技术提供了许多优于现有技术的优点，优点当中的一部分优点 是：
[0008] 通过所需的光信号（脉冲或调制）的累积和减少背景信号的累积具有较好的信噪 比（SNR)图像。
[0009] 具有40dB量级的高抗内场景动态范围。对于多个栅控像素阵列，在饱和像素到分 开的第三像素之间的抗高光溢出比率高于1000 (60dB)，并且所需的约为10, 000 (80dB)。
[0010] 能够同步至源自脉冲的或调制的光源的多个栅控像素瞬时视场（IFOV)中的脉冲 的或调制的光。
[0011] 能够用反射回至多个栅控像素 IFOV的同步光源进行直接的飞行时间（TOF)成像。
[0012] 能够栅控至少单个单像素和/或栅控至少单个像素阵列。
[0013] 本发明的这些另外的和/或其他方面和/或优点是：将在以下详细说明中进行陈 述；可能从详细说明中推断出；和/或通过实施本发明而得知。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 根据结合附图的实施例的详细说明可以更容易地理解本发明，在附图中：
[0015] 图1是根据本发明的一些实施例描绘了 "可栅控的"像素的示意电路图；
[0016] 图2和图3是示出了根据本发明的一些实施例的方面的时间图；
[0017] 图4A-4C示出了根据本发明一些实施例的示例性实施的仿真中使用的公式和单 位；以及
[0018] 图5示出了根据本发明的一些实施例的示例性实施的仿真曲线图。
[0019] 详细描述
[0020] 在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当明确的是，本发明的不将其应用 限于以下说明书中所阐述或附图中所示的结构和布置的细节。本发明适用于以各种方式实 践或实施其它的实施例。此外应当理解的是，本文所使用的措辞和术语是用于描述的目的， 而不应视为限制。
[0021] 图1示出了可以由互补金属氧化物半导体（CMOS)标准制造技术提供的"可栅控 的"像素示意图。光的每个脉冲（即每一个栅极）被可以是引脚式ro的光电二极管（PD) 转换为成比例的电信号。从ro所产生的电信号被电场转移到浮动扩散区（FD)，其充当累积 每个转换的光脉冲的积分器（即电容器）。两个可控的像素信号产生像素栅极；转移栅极 晶体管（TXl)和抗高光溢出晶体管（TX2)。抗高光溢出晶体管有三个主要目标；第一是当 耦合到TXl (即TX2从开启变为关闭或TX2从关闭变为开启）时作为单个光脉冲栅控机构 的部分，第二是防止PD中产生的不需要的寄生信号在ro中在时间TXl为关闭期间（即PD 复位）不被累积，第三是引导当TXI为开启时源自ro的过量电信号，因此，具有抗高光溢出 作用。抗高光溢出晶体管TX2可控的信号作为结束单个累积的光脉冲光学开关。转移栅极 晶体管（TXl)仅在期望的时间和仅仅对于耦合到TX2的期望的持续时间内被接通。一旦所 有光脉冲都在FD中被累积，则信号被读出以提供单一的帧图像。
[0022] 多个栅控低噪声像素可以在"可栅控的" PD, TXl，TX2和ro配置之后有标准的电 信号链。该标准电信号链可以包括起到使用像素电压（VDD)对FD进行电荷充电作用的复 位晶体管（RST)，可以包括将将累积的信号（即电子）转换为电压的源极跟随（SF)晶体管， 并且可以包括连接到像素阵列的列和/或行的选择（SEL)晶体管。
[0023] 该电路原理图描绘了具有最少五个晶体管（"5T"）的"可栅控的"像素。正如图 2和图3在下文描述的那样，本像素配置可以以"可栅控的"时序运行。另外，该像素也可以 以标准的5T像素时序运行或以标准的4T像素时序运行。这种通用操作配置（即栅控序列 或标准5T或标准4T)能够运行不同的光照条件下的像素。例如，以有源栅控模式在微光级 期间栅控时序（有栅控照明），在夜间期间微光期间的4T时序（无照明）和白天期间高光 级期间的5T时序。描绘了"可栅控的"像素的该电路原理图还可以具有关于内部相关双采 样（CDS)和/或关于高动态范围（HDR)的附加的电路。添加这种附加电路减小了光敏填充 因子（即像素的灵敏度）。
[0024] 图2示出了关于有源栅控成像的多个栅控低噪声像素阵列时序的流程图，其中每 个光源（例如源自激光器和/或LED和/或弧光或任何其他的有源栅控成像系统触发的光 源）反射的脉冲被同步到每个像素栅极事件。通过以下步骤阐述时序（不按比例），其中 每个步骤表示一段时间并且在一个黑单元中表示信号接通。所有的步骤在流程图中会更清 楚：
[0025] 步骤Al :像素选择晶体管（SEL)为接通时提供源自所有阵列的行的特定行阵列选 择；并且像素抗高光溢出（TX2)接通（即VSS电压电平低于VDD)时，使得在ro产生的不期 望的寄生信号不在ro中累积。
[0026] 步骤A2 :像素复位晶体管（RST)为接通时使得像素的FD被完全用电荷进行部署， 并且像素抗高光溢出（TX2)接通，使得在ro中产生的不需要的寄生信号不在ro中累积。
[0027] 步骤A3 :在至少一个单个期望的曝光（即栅极）累积之前，像素复位信号被采样， 提供像素 FD信号电平。像素复位信号可以在步骤A18中被从像素信号采样中减去，以消除 偏置信号（因此外部完成CDS至配置如图1所示的栅控配置中的像素）。抗高光溢出（TX2) 接通时，使得在ro中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0028] 步骤A4 :产生光源脉冲（有源栅控成像的一部分），且抗高光溢出（TX2)接通，使 得在ro中产生的不需要的寄生信号不在ro中累积。
[0029] 步骤A5 :光源（有效栅控成像的一部分）的脉冲传播到期望的距离并反射回像 素，且抗高光溢出（TX2)转换到关闭时，使得在ro中产生的初始信号通过转移栅极（TXI) 进行转移。
[0030] 步骤A6 :像素转移晶体管（TXl)转换到接通，将在ro中产生的电信号转移到FD， 随后，抗高光溢出（TX2)转回接通时，结束单栅极转移事件，并使得在ro中产生的不期望的 寄生信号不在ro中累积。TXi接通周期等于或短于光脉冲时间以累积期望脉冲反射信号， 并减少背景信号累积。
[0031] 步骤A7 :像素转移晶体管（TXl)为关闭并且抗高光溢出（TX2)接通，使得在ro产 生的不期望的寄生信号不在PD中累积。
[0032] 步骤A8 :类似于步骤A4,但相对于步骤A4可具有不同的时序。例如，步骤4持续 时间为1 μ sec (半峰全宽），而步骤A8持续时间是0. 5 μ sec或步骤A4持续时间为1 μ sec 而步骤A8持续时间为I. 5 μ sec等。
[0033] 步骤A9 :类似于步骤A5,但相对于步骤A5可具有不同的时序，在像素 FOV中提供 不同的累积起始距离。例如，步骤A5的持续时间为1 μ sec (即等于光在自由空间中传播约 150m的起始距离），而步骤A9持续时间是0. 5 μ sec (即等于光在自由空间传播约75m的起 始距离）。
[0034] 步骤AlO :类似于步骤A6,但相对于步骤A6可具有不同的时序，以在步骤A8中累 积光源脉冲持续时间（等于或短于光脉冲时间）。时间提供在像素 FOV中的不同的累积景深 距离。例如，步骤A6持续时间为Iysec (即等于光在自由空间传播的约为150m的景深）， 而步骤AlO为0. 6 μ sec (即等于光在自由空间传播的约为90m的景深）。
[0035] 步骤All :类似于步骤A7,但相对于步骤A7可有不同的时序。
[0036] 步骤A12-步骤A15 :类似于步骤A4-步骤A7和步骤A8-步骤All，但如上所述可 具有不同的时序。像素栅极（曝光和累积）可每次像素读出进行一次、两次或#X栅极（事 件）。
[0037] 步骤A16 :至少一个单栅极转移事件之后，抗高光溢出（TX2)可以接通，使得在 中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0038] 步骤A17-步骤A18:提供了标准像素读出。当抗高光溢出（TX2)被接通时，使得 在ro中产生的不期望的寄生信号不在ro和FD中累积，像素选择晶体管（SEL)被接通并且 累积的像素信号被从FD经由源极跟随（SF)晶体管读出。
[0039] 在每次读出具有多个栅控低噪声像素的阵列的有源栅控成像中，关于至少一个单 光脉冲（即单栅极）的步骤A5持续时间和步骤A6持续时间的栅极晶体管（TXl)和抗高光 溢出晶体管（TX2)的时序可从像素到像素或从像素阵列群到像素阵列群发生变化。这使得 每个像素或像素阵列群在像素 FOV中累积不同的景深距离和/或起始距离。
[0040] 根据某些实施例，栅控单元还被配置为通过在至少两个像素群处独立地控制像素 的转移栅极晶体管用不同的栅控参数同时栅控至少两个像素群。此外，不同的栅控参数可 包括关于一个或多个光源的同步参数，以匹配不同像素群的不同场景体积。场景体积被定 义为在场景中的体积部分，场景由边界（例如在像素 FOV中不同景深距离和/或起始距离） 进行限定。
[0041] 图3示出了无源栅控成像的多个栅控低噪声像素阵列时序的流程图，其中像素栅 极时序可被同步或不同步于外部光源（源自激光器和/或LED和/或弧光灯或不属于栅控 成像系统的部分，但位于栅控成像系统FOV内的任何其他触发光源），例如交通标志闪烁光 源。与上述有源栅控成像时序相比，每个栅极（即像素曝光，其为TXl和TX2的函数）的无 源栅控成像时序可不同步到脉冲光源。具有不同的时序的多个栅极（即曝光）提供了关于 单像素读出的背景信号的充分的光源信号电平。时序通过步骤示出（不按比例），其中每个 步骤表示一段时间并且信号接通在黑单元中表示。所有的步骤在流程图中将会更清楚：
[0042] 步骤Bl :像素选择晶体管（SEL)接通，从所有的阵列行提供特定行阵列选择并且 像素抗高光溢出（TX2)接通（即低于VDD的VSS电压电平），使得在ro中产生的不期望的 寄生信号不在ro中累积。
[0043] 步骤B2 :像素复位晶体管（RST)接通，使得像素 FD被用电荷完全部署并且像素抗 高光溢出（TX2)接通，使得在ro中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0044] 步骤B3 :对像素复位信号进行采样，在累积至少一个单个期望的曝光（即栅极） 之前提供像素 FD信号电平。在步骤B18中可从像素信号采样减去像素复位信号，以消除偏 置信号（因此外部完成CDS至如图1所示的栅控结构中的像素）。抗高光溢出（TX2)接通， 使得在ro中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0045] 步骤M :生成光源（不是栅控成像的部分但位于栅控成像系统FOV内）脉冲并且 抗高光溢出（TX2)接通，使得在ro中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0046] 步骤B5 :光源（不是栅控成像的部分但位于栅控成像系统FOV内）脉冲传播，并传 输到像素并且抗高光溢出（TX2)关闭，使得在ro中产生的信号的开始通过转移栅极（TXI) 进行转移。
[0047] 步骤B6 :像素转移晶体管（TXl)接通以转移PD中产生的电信号至FD随后抗高光 溢出（TX2)转回接通，结束单栅极转移事件，并使得在ro中产生的不期望的寄生信号不在 ro中累积。TXi闭合周期应等于或短于光脉冲的时间以累积所需的脉冲发送信号，并减少 背景信号累积。
[0048] 步骤B7 :像素转移晶体管（TXl)断开用并且抗高光溢出（TX2)接通，使得在中 产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0049] 步骤B8 :类似于步骤M，但相对于步骤M可具有不同的时序。例如，步骤M持 续时间为1 μ sec (半峰全宽），而步骤B8中的持续时间为0. 5 μ sec或步骤M持续时间为 1 μ sec而步骤B8持续时间为1. 5 μ sec等。
[0050] 步骤B9 :类似于步骤B5,但相对于步骤B5可具有不同的时序，在像素 FOV中提供 不同的累积时间。例如，步骤5持续时间为1 μ sec而步骤B9的持续时间是0. 5 μ sec。
[0051] 步骤BlO :类似于步骤B6,但相对于步骤B6可具有不同的时序以在步骤B8中累积 光源脉冲持续时间（等于或短于光脉冲的时间）。时间提供了在像素 FOV中的光源脉冲不 同的持续时间的累积。例如，步骤B6的持续时间为Iysec而步骤BlO为0.6 μ sec。
[0052] 步骤Bll :类似于步骤B7,但相对于步骤7可具有不同的时序。
[0053] 步骤B12-步骤B15 :类似于步骤M-步骤B7和步骤B8-步骤B11，但如上所述可 具有不同的时序。像素栅极（曝光和累积）可每次像素读出进行一次，两次或#X栅极（事 件）。
[0054] 步骤B16 :至少一个单栅极转移事件之后，抗高光溢出（TX2)可以接通，使得在Η) 中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积。
[0055] 步骤B17-B18步：提供了标准像素读出。当抗高光溢出（TX2)接通时，使得在 中产生的不期望的寄生信号不在ro中累积，像素选择晶体管（SEL)接通并且累积的像素信 号被从FD经由源极跟随（SF)晶体管读出。
[0056] 图3还示出了无源栅控成像的多个栅控低噪声像素阵列时序的流程图，其中像素 栅极定时可累积外部光源（源自激光器和/或LED和/或弧光灯或不属于栅控成像系统的 部分但位于栅控成像系统FOV内的任何其他连续光源）信号，例如太阳照射。至少单栅极 (即曝光）可提供单像素读出中的充分的信号电平。时序通过步骤示出（不按比例），其中 每个步骤表示一段时间并且信号接通在黑单元中表示。
[0057] 多个栅控低噪声像素中的关键特征中的一个关键特征是在栅极断开期间不透明。 当像素栅极断开（即TXl在断开处和TX2在接通处）时在FD中产生的寄生电信号通过掩 蔽FD (例如，通过在像素结构的金属层）和/或通过使用像素微透镜而减少，以引导光远离 FD。在栅极断开电平期间不透明性需要尽可能的低，其中响应于被积分时间的光强除以的 FD中收集的信号（栅控/非栅控和读出时间）应达到0.01%。该值需要处理下文解释的 有源成像中的反向散射光强反射。
[0058] 有源成像性能的控制参数为调制对比度，我们以等式（1)定义为"对比度"，考虑 到空气光，其关于这点是来自被散射到系统的FOV并且反向散射的周围光源的光，其添加 了目标和背景。

【权利要求】
1. 一种用于提供白天场景和夜间场景的改进的图像的系统，所述系统包括： 像素阵列传感器，所述像素阵列传感器在单像素级具有掩蔽栅极断开能力，其中所述 像素阵列传感器在单像素级设置有固有的抗高光溢出能力，其中，通过相应的具有高转移 栅极效率的转移栅极晶体管对每个像素进行栅控；和 栅控单元，所述栅控单元被配置为控制所述像素阵列传感器的所述转移栅极晶体管， 以便在像素的每次单个读出时基于指定的曝光参数累积一系列多次曝光。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述像素阵列传感器附接至移动平台。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述栅控单元被配置为用同步脉冲光源进行操 作。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述栅控单元被配置为用非同步光源进行操作。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述栅控单元还被配置为通过独立控制至少两个 像素群处的像素的转移栅极晶体管，用不同的栅控参数来同时栅控所述至少两个像素群。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述不同栅控参数包括关于一个或多个光源的同 步参数，以针对不同的像素群来匹配不同的场景体积。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中对不同像素群中的每个像素群执行所述不同栅控 参数，从而执行对信号的独立的累积。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中在所述单像素级的所述固有抗高光溢出能力在所 述像素阵列的饱和像素和第二相邻像素之间表现为至少60dB的比率。
9. 根据权利要求1所述的系统，其中所述像素传感器阵列还被配置为以除了栅控模式 的至少一个模式进行操作。
10. 根据权利要求1所述的系统，其中所述像素中的低噪声通过在所述周期期间复位 其电势电压来实现而没有光源脉冲或光源调制，因此减少了在所述光电二极管中的寄生噪 声。
11. 根据权利要求1所述的系统，其中，通过设定所述像素到所述转移栅极的浮动扩散 区之间的高电位电压来实现所述高转移栅极效率，因此能够形成强电场，即电荷载流子有 较高概率被抽取到所述浮动扩散区。
12. 根据权利要求1所述的系统，其中通过设置所述转移栅极的物理尺寸来实现所述 高转移栅极效率，使得在所述光电二极管侧的所述转移栅极明显地大于在所述浮动扩散区 侧的转移栅极。
13. 根据权利要求1所述的系统，其中通过将所述光电二极管侧的所述转移栅极设置 为基本上没有孔来实现所述高转移栅极效率。
14. 根据权利要求1所述的系统，其中所述像素被配置为检测覆盖从400nm到llOOnm 的范围内的光。
15. 根据权利要求1所述的系统，其中所述像素被配置为检测覆盖从700nm到2 y m的 范围内的光。
16. 根据权利要求1所述的系统，其中所述像素阵列传感器被配置为结合滤色器进行 操作。
17. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述有源光源脉冲或有源光源调制是在约 800nm 的 NIR。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述像素阵列传感器足够灵敏以检测来自约 20m和200m之间的距离的反射，其中所述反射在到达所述像素阵列传感器之前以至少两个 数量级衰减。
【文档编号】H04N3/14GK104396226SQ201380031880
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2012年4月18日
【发明者】约阿夫·格劳尔, 奥弗·大卫, 亚阿拉·大卫, 海姆·加滕, 艾伦·克雷勃伊姆, 莎伦·利夫希茨, 奥伦·谢赫 申请人:布莱特瓦维森有限公司