高动态范围像素和用于操作高动态范围像素的方法与流程

本发明涉及高动态范围(HDR)像素和用于操作高动态范围像素的方法。更具体而言，本发明涉及用于执行飞行时间测量和使得能够使用不同的转换增益而不破坏电荷信息的HDR像素。

发明背景

图像传感器是一种捕捉碰撞的电磁辐射(诸如光通量)并将其转换成电子信号的设备。在数字成像中，有源像素传感器(APS)被使用得最多。APS是由包含像素传感器阵列的集成电路组成的图像传感器，并且其中每个像素包含光电二极管和有源放大器。

在APS中，光电二极管对于入射光敏感。更准确地，光电二极管将入射光转换成电荷，电荷在给定曝光时间期间被积累并随后被转换成像素中经放大的电压。这一电压是连续的模拟物理量，其受益于模数转换器可被转换成代表电压幅值的数字值。

标准像素的主要问题之一是它们潜在的饱和，该饱和出现在过强的入射光和/或过长的曝光发生时。在使用飞行时间技术(ToF)的范围成像系统中(例如如图1中所示的飞行时间相机系统3)(其通过分析受控光源18发射16的、并被来自场景15中的物体反射回17的脉冲光信号的飞行时间和相位来提供距离信息)，饱和可能出现在具有标准反射属性的物体距针对其校准成像系统3的距离范围更近时。物体在那时将所发射的光反射得过多，因而导致传感器的至少一些像素以它们的最大值来响应。饱和还可在物体表明在像素被设计成敏感的波长域中的波谱反射属性时(诸如当场景中的镜子将其接收的整个入射光反射到对场景成像的传感器上时)，或者当物体反射入射光并将其集中在传感器的一部分上时，或者当以与ToF相机被设计用于的相同波长域发射强照射的外部光源正对传感器照射时发生。

当像素饱和时，关于场景的有意义的信息被丢失，因为所提供的响应在可被提供的最大电压值处是平的；这导致图像伪像或缺陷，诸如图像中的灼伤区域、光晕效应。此外，某些应用，例如以ToF技术计算深度信息，使用来自多个捕捉的基于相移的计算推导距离测量。如果像素饱和发生在积分时间期间，则检测器节点处的电压达到饱和电平，该饱和电平破坏了相应的捕捉。

标准像素的另一个主要问题是噪声可能非常强这一事实。如果信噪比很小，则噪声在捕捉期间占有优势而有用信息丢失。

在将饱和和噪声参数两者均考虑在内的情况下，图像传感器的优点的一个重要标志是在图2中示出的所谓的动态范围(DR)。动态范围可以分贝为单位通过以下比值来定义：

出于增加图像传感器的动态范围的目的，已实现若干技术。用于增加图像传感器的动态范围的第一解决方案是降低本底噪声的水平，例如通过减小传感器的大小。此策略遭受同时降低传感器的饱和度水平的缺点。这是图2中所示的情况A。

用于增加传感器的动态范围的另一个途径是增加传感器的饱和度水平。在使用添加了锁存器和/或存储器点的若干电子电路的标准图像传感器中，已经提出了高动态范围(HDR)或宽动态范围(WDR)系统的若干解决方案。传感器也已被设计为具有诸如精细调整、多重捕捉或空间变化的曝光等技术。另外，已对每一个CMOS APS添加了额外的逻辑电路，但是这缩小了传感器的有效敏感区域，并导致不满足有效ToF成像要求的非常低的填充因子。另一种方案包括使用具有对数像素的电路。这类像素电路生成是碰撞像素的光量的对数函数的电压电平。这与使用线性型像素的大部分CMOS或CCD型图像传感器不同。然而，使用对数像素严重复杂化了用于计算所需数据(例如深度信息)的后续处理，因为它引入了公知的压缩问题并且还请求额外的处理计算。

基于饱和度水平的增加，这些解决方案之一在图3中示出。使用额外电容器C_PA，在光电二极管PD中在积分时间期间生成的电荷可被转移在该额外电容器上。这一方法的主要缺点在于，一旦被转移在额外电容器上，仅一个读出循环是可能的。不可能将包含在额外电容器上的数据读出好几次以及适配要使用的转换增益。

仍旧需要提出一种用于增加飞行时间传感器的动态范围，同时允许使用不同的转换增益的相同电荷信息的非破坏性的多次读出的解决方案。

发明概述

本发明涉及根据权利要求1的高动态范围像素。

固有电容的意思是此固有电容(其也是寄生电容C_P)不是添加到电路的额外电容，而是链接到电路的电子复合体的所有寄生电容的总和(即，源自光电敏感元件、检测器节点、重置开关、缓冲放大器和选择晶体管中的至少一者的电容的总和)。按照定义，此固有电容不能被单独抑制。

由于本发明，还可能选择要被使用的最佳转换增益。即使电荷被首先存储在大电容上，所以可能将电荷转换为寄生电容，以获得高转换增益。

优选地，双模式电容(C_HDR)是一种能操作以用于在反型模式中存储少数载流子并在积累模式中释放(destore)少数载流子的MOS电容。使用MOS电容这一事实使得在从寄生电容到MOS电容以及从MOS电容到寄生电容两个方向上都能够传输电荷。在使用标准的单模式电容时这是不可能的。

有利地，光敏元件是有针脚的光电二极管，其使得能够在电荷转移步骤期间完全耗尽光电二极管，并且从而减小读出噪声。

更有利地，HDR像素被用于执行飞行时间测量。仅用一个积分时间就获得具有低和高两种转换增益的数据这一事实对于飞行时间测量是极度有意义的，因为能够以非破坏性的方式将相同的电荷信息输出两次。这对于其中需要在数学上组合若干相关以计算距离的飞行时间测量是有利的。在同一曝光期间或者顺序地使用连续曝光，不同相关可被并行获取。本发明提供了一种使用不同转换增益来多次测量每个曝光的相关而不损坏电荷信息的方式。

本发明还涉及根据权利要求7的用于操作高动态范围像素的方法。

有利地，该方法使得能够以低重置噪声来执行测量，因为光敏元件的重置是在双模式电容处于积累模式中时被执行的。

该方法还对于飞行时间应用特别有利。因为多个一致的数据集可用，所以没有其中需要用源自不同转换增益的相关数据来计算飞行时间信息的情形。因此，不存在关于彼此校准不同转换增益的需要，这是本发明相对于例如对数、线性对数或者分段线性像素实现的巨大优势。

本发明的其它优点和新特征将从以下详细描述并结合伴随的附图而变得更为明显。

附图简述

通过以下的描述和伴随的附图将会更好地理解本发明。

图1示出TOF相机系统的基本操作原理；

图2示出高动态范围的定义；

图3示出如在现有技术中实现的标准的3T-像素配置。

图4示出根据本发明的一实施例的像素配置。

图5示出了根据本发明的另一实施例的像素配置。

图6示出MOS电容器的公知的器件物理结构，其中半导体层是p掺杂层；

图7示出了MOS电容器作为栅极偏置的函数的电容行为；

图8是根据本发明的一实施例的MOS电容器C_HDR的俯视图；

图9示出根据本发明的一实施例的用于控制像素的典型波形；

图10示出根据本发明的一实施例的飞行时间成像系统的实现。

结合附图，本发明的优点和新颖特征将从以下详细描述中变得更明显。

发明描述

图4示出根据本发明的一实施例的像素配置。

所述像素40包括：

-用于响应于冲击光生成电荷的光敏元件PD，例如光电二极管；也可使用有针脚的光电二极管；

-检测器节点FD，其在没有转移栅极的情况下是附接于光电二极管的阴极的节点，或者是可通过转移栅极(未被表示)连接至PD元件的检测器节点FD；

-重置晶体管M_RST，其对控制信号RST做出响应并且可操作以将光敏元件PD初始化为已知电压(V_RST)，或将元件FD重置为已知电压同时完全耗尽有针脚的光电二极管，如果有针脚的光电二极管被使用的话；

-放大器晶体管M_SF，例如源跟随器，其对VDD信号做出响应并且可操作以允许观察到像素电压而无需移除积累的电荷；检测器节点FD处的电压被经由用作放大器的此晶体管朝着像素输出转移；

-选择晶体管M_SEL，其对SEL信号做出响应并且可操作以在读出过程期间选择像素；

-小固有或寄生电容C_P，其对应于电路的所有寄生电容的总和(主要是固有光电二极管电容和与放大器和重置晶体管相关联的电容)；

-双模式电容，例如，金属氧化物半导体(MOS)电容器C_HDR。

在一个可能的实施例中，附加开关S2被添加到该像素并被连接在CMOS电容器C_HDR和检测器节点FD之间，如图5中所示。

寄生固有电容C_P的值通常为约10fF。此小电容使得能够积分少量电荷，但是遭受低饱和度水平。其转换增益(即“由一定数量的所生成的电子生成的电压/所生成的电子的数量”的比值)很高且使得能够在黑暗条件下实现高敏感度。

MOS电容器C_HDR由半导体本体或基底、绝缘器膜、被称为栅极的金属电极、以及用于接触半导体本体的一个或两个欧姆接触制成。应当理解，标准CMOS晶体管通常包括接触半导体本体的称为源极和漏极的两个欧姆区域。在本发明中，源极和漏极可被连接(如在图4和图5中所表示的)，或者仅一个区域可被设计(如图8中所表示的)。在本发明中，如果两个欧姆接触被设计，则MOS电容器C_HDR被布置成使得半导体侧(即MOS电容器的源极和漏极)被连接至光电检测器PD的检测节点FD。

MOS电容器C_HDR的转换增益相对较小。这一大电容在光亮条件下特别有用，因为其饱和度水平很高。

图6示出MOS电容器的公知的器件物理结构，其中半导体层是p掺杂层：

-如果被施加到栅极的电压V_g小于所谓的平带电压(flat-band voltage)V_fb，则在表面半导体/氧化物处或附近存在大量空穴。它们形成积累层且电容处于积累模式。

-如果被施加到栅极的电压V_g大于所谓的阈值电压V_T，则现在存在反型层，其填充有反型电子。其为反型模式。

应该理解，本发明被呈现为其中MOS电容被p掺杂，且在后文中，少数载流子是电子，但是本发明不限于此且可以由本领域技术人员用经n掺杂的电容且为空穴的少数载流子来实现。

图7示出了MOS电容器C_HDR的作为栅极偏置的函数的电容行为。线(a)绘制了在低频处栅极上看到的电容比偏置条件，而线(b)绘制了从半导体接触看到的电容，其按照与MOS的反型层相同的极性被掺杂。

从栅极看出，MOS电容器具有有限的可调谐性，因为在低频处处于反型和积累的栅极电容相等(图7，a)。然而，在反型中，在电容器的另一侧上(即在半导体侧上)使用的电荷是少数载流子，而在积累上电荷是多数载流子。这意味着当仅看少数载流子(即由光电二极管PD在积分时间期间积分的少数载流子)时，在积累中没有电荷在电容器中被积累。这意味着，对于少数载流子，当MOS电容器处于积累(图7，b)中时没有电容器。

当图4或图5的结构的栅极电压对应于电容器的反型模式时，电容器现在可以接受来自半导体接触的少数载流子并可担当那些电荷(在此情况下为电子)的电容器。当栅极电压对应于积累模式时，在沟道中存在的少数载流子现在被再次推入半导体区域中，从而更改此节点上的电容而不修改电荷信息。用这种方式，可能在具有少数载流子的高电容和低转换增益(处于反型中的MOS)的模式和具有低电容和高转换增益(处于积累中的MOS)的模式之间切换。

使用双模式电容MOS C_HDR允许电荷的转移：

-从寄生电容C_P到大电容C_HDR，通过打开开关S2并施加栅极电压V_g以使得电容C_HDR在反型模式中操作并且使得少数载流子看到的总电容C_T是C_P和C_HDR的和；以及

-从大电容C_HDR到寄生电容C_P，通过施加栅极电压V_g，以使得电容C_HDR在积累模式中操作并推动少数载流子朝着寄生电容远离，以使得少数载流子看到的总电容C_T仅是C_P。

本发明的包括此双模式MOS电容的像素40在飞行时间相机系统中特别有意义。优选地，本发明的像素40可操作以执行飞行时间测量。像素40例如可以是用于执行飞行时间相关测量的电流辅助光电解调器的像素，但是本发明不限于此。归功于双模式MOS电容，相同电荷信息可按非破坏性方式被输出两次，这对于其中需要在数学上组合若干相关来计算距离的飞行时间测量是有利的。在同一曝光期间或者顺序地使用连续曝光，不同相关可被并行获取。本发明提供了一种使用不同转换增益多次测量每个曝光的相关而不损坏电荷信息的方式。这对于飞行时间是重要的，因为为了能够在数学上组合相关数据，相关数据集需要一致且使用相同的转换增益来测量。现在，通过本发明，一致的多个数据集可用。某集合中的每个相关数据点是使用相同转换增益来测量的，且若干集合可用，由此这些集合是用不同的转换增益来测量的。这意味着，对于低强度测量(其中所收集的电荷很低)，可使用具有高转换增益的数据集(即，寄生电容C_P)，而对于高强度测量，可使用具有低转换增益的数据集(即，MOS电容C_HDR)，因为在高转换增益上测量时的信息将已饱和。

在图8上提供MOS电容器C_HDR的俯视图。区域72是CMOS电容的栅极的俯视图，在其下是绝缘层和半导体层。区域71是接触半导体层的欧姆接触，以允许少数载流子进出MOS电容器。在图8中，仅一个欧姆接触71被表示，但是本发明可包括2个欧姆接触。应当理解，标准CMOS晶体管通常包括被称为源极和漏极的两个欧姆区域。在本发明中，源极和漏极可以相连(如在图4和图5中所表示的)，或仅一个区域可被设计(如在图8中表示的)。仅需要一个接触欧姆来允许少数载流子进出MOS电容器。

可被打开和关闭的附加电容C_HDR的值与栅极单元电容成比例，通常处于4fF/μm²的量级，与MOS电容器的宽度75和MOS电容器的长度74成比例。然而，添加该结构也添加了与宽度75、与接触长度73——其是依赖于技术的并且必须被最小化、以及与此有源区域71的结电容(其也是依赖于技术的)成比例的寄生电容。为了在节点FD上具有高电容调制，必须通过最小化MOS结构的宽度75并最大化MOS结构的长度74来最小化寄生电容C_P(其不可被开关)。6:1直到10:1的调制比可通过分别优化长度74和宽度75来达成，从而提供约20dB的动态范围改善。MOS结构的其他较异乎寻常的实现也是可能的，诸如环形栅极围绕的单个漏极/源极接触等。

图9示出用于控制该像素的典型波形，其示出本发明的方法。

在时间T1，源极跟随器M_SF被重置为V_DD值。

接着，重置脉冲被给到晶体管M_RST的栅极，直到时间T2为止。在重置期间，MOS电容器C_HDR被保持处于积累中，其中V_HDR很低，这意味着对于少数载流子，仅存在寄生电容C_P。因此，重置带来的kTC噪声仅受寄生电容C_P限定，其为检测二极管PD的寄生电容与节点FD上剩余的寄生电容(例如，放大器M_SF的输入电容)的和。

在重置后，在时间T3，MOS以弱反型被偏置，且积分时间开始。对于在节点FD上积累的任何电荷，附加MOS电容器C_HDR将被看到，所以电荷信息的积分在曝光期间在为C_P和C_HDR的和的总电容C_T上发生。

在时间T4，曝光时间结束且信息被采样。电荷信息在整个电容C_T上被读出，这意味着低转换增益被使用。

在此第一读出操作之后，在时间T5和T6之间，MOS电容器C_HDR被切换为处于积累中(或至少平带中)，其中V_HDR电平很低，且先前存在于反型层中的少数载流子被推回连接到节点FD的半导体接触71中。优选地，时间T5和T6被选择成使得反型和积累模式间的改变缓慢而不唐突，以确保更好的电荷转移。时间T5和T6可融合于一个单一时间中。相同的电荷信息随后可在低电容C_P上被读，这意味着在此第二读出操作期间使用高转换增益。

如果此高转换增益模式中的数据读出饱和，则在时间T3可使用在低转换增益模式中获得的数据来完成飞行时间计算，且可进行选择。

在一个实施例中，当开关S2被使用时，如在图5中所表示的，则开关可被保持关闭，直到时间T4(信号SW)为止。随后，开关可被打开以允许电荷在第一读出步骤期间的完整转移。

通过在PD元件和FD元件间实现转移栅极，本发明还可在全局快门像素方法中使用。

双模式电容再次被连接到FD元件。

在PD元件不是有针脚的光电二极管的情况下，当转移栅极导电时，所收集的载流子分布于PD和FD之间以在两个节点上具有相等的电势。从而，在FD上具有大电容，使得大部分被收集的载流子将被存储在FD侧是有利的。当转移栅极被释放时，情形被冻结。

现在FD节点上的电子可首先在低转换增益模式中被读取，并接着在高转换增益模式中通过将MOS结构带回处于积累中被读取。通过这样做，我们关于正常的全局快门模式实现了从PD到FD的更好的电荷转移。丢失的电荷量是在没有双模式电容器(C_PD/(C_PD+C_FD))的情况下的，其通常接近1/2，而在本发明中，全局快门操作中丢失的电荷量被减少到(C_PD/(C_PD+C_FD+C_HDR))，同时大致维持高转换增益模式中的原始FD转换增益。

图10示出使用来自本发明的动态增益改善的飞行时间成像系统900的实现。包括根据本发明的任何实施例的像素40的阵列的像素阵列901被连接到读出模块902，该读出模块可以是ADC、模拟输出缓冲器、一组并行ADC等，以及控制像素阵列901和读出模块902两者以在多个模式中读出每个像素的定时模块903。