具有介电弛豫校正电路的图像传感器的制作方法

1.本发明整体涉及成像设备，并且更具体地，涉及包括具有电容器的像素的成像传感器。


背景技术：

2.图像传感器常常在诸如移动电话、相机和计算机的电子设备中用来捕获图像。在典型的布置中，图像传感器包括被布置成像素行和像素列的图像像素阵列。可将电路耦接到每个像素列以从图像像素读出图像信号。
3.阵列中的每个图像像素包括经由转移栅极耦接到浮动扩散区的光电二极管。每个像素接收入射光子(光)并将这些光子转换成电信号。将列电路耦接到每个像素列以用于读出来自图像像素的像素信号。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(jpeg)格式将图像提供给电子设备。
4.一些图像传感器包括具有电容器的成像像素。电容器可能易受介电驰豫(滞后)的影响。电容器经历的介电驰豫可能导致在放电之后在电容器上保留一些电荷(例如，滞后信号)。电容器上的滞后信号可对图像传感器的图像质量产生负面影响。
5.因此，期望能够提供来自滞后信号的伪影减少的经改进的图像传感器。


技术实现要素：

6.根据本技术的一方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：成像像素阵列，所述成像像素阵列在多个帧中暴露于入射光；屏蔽像素，所述屏蔽像素屏蔽所述入射光，其中所述成像像素和所述屏蔽像素中的每一者包括电容器，并且其中所述屏蔽像素被配置为：通过在第一帧的第一积分时间之前将第一量值的第一电压应力施加到所述电容器来获得滞后信号测量；以及通过在第二帧的第一积分时间之后和所述第二帧的读出之前将所述第一量值的第二电压应力施加到所述电容器来获得参考测量。
7.根据本技术的另一方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：成像像素阵列，所述成像像素阵列暴露于入射光，其中每个成像像素包括电容器；屏蔽像素，所述屏蔽像素屏蔽所述入射光并且被配置为生成测试信号；和介电驰豫校正电路，所述介电驰豫校正电路被配置为使用所述测试信号来校正来自所述成像像素的原始像素数据的由所述成像像素的电容器中的介电驰豫引起的滞后。
8.根据本技术的另一方面，提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：成像像素阵列，所述成像像素阵列暴露于入射光，其中所述成像像素阵列生成原始像素数据；屏蔽像素，所述屏蔽像素屏蔽入射光；帧缓冲器，所述帧缓冲器被配置为存储来自所述成像像素阵列的所述原始像素数据；和介电驰豫校正电路，所述介电驰豫校正电路被配置为使用来自所述帧缓冲器的所述原始像素数据和来自所述屏蔽像素的测量来补偿来自所述成像像素的所述原始像素数据的由介电驰豫引起的滞后。
附图说明
9.图1是根据一个实施方案的具有图像传感器的说明性电子设备的图。
10.图2是根据一个实施方案的用于读出图像传感器中的图像信号的例示性像素阵列和相关联的读出电路的图。
11.图3是根据一个实施方案的具有存储电容器的示例性成像像素的电路图。
12.图4a是根据一个实施方案的电容器电压随时间变化的图，其示出了介电驰豫可如何导致在放电之后在电容器上具有滞后信号。
13.图4b是根据一个实施方案的在图4a中描述的经历介电驰豫的电容器的rc模型。
14.图5a是根据一个实施方案的示出电容器中的滞后信号与应力时间之间的关系的图。
15.图5b是根据一个实施方案的示出电容器中的滞后信号与电压应力之间的关系的图。
16.图6是根据一个实施方案的示出成像像素(诸如图3的成像像素)可如何用于测量滞后信号的时序图。
17.图7是根据一个实施方案的示出可如何在具有一个曝光周期的帧中补偿稳态滞后信号的时序图。
18.图8是根据一个实施方案的示出可如何在具有多个曝光周期的帧中补偿稳态滞后信号的时序图。
19.图9是根据一个实施方案的示出可如何在具有多个曝光周期的帧中补偿瞬态滞后信号的时序图。
20.图10是根据一个实施方案的示例性图像传感器的图，该图像传感器包括有源像素阵列、屏蔽像素和介电驰豫校正电路。
21.图11是根据一个实施方案的示出针对有源成像像素的示例性操作的时序图。
22.图12是根据一个实施方案的示出用于测量滞后信号的针对屏蔽像素的示例性操作的时序图。
23.图13是根据一个实施方案的示出用于测量参考信号的针对屏蔽像素的示例性操作的时序图。
24.图14是根据一个实施方案的示出用于正常操作中的像素、用于获得滞后信号测量以及用于获得参考测量的示例性时序方案。
25.图15是根据一个实施方案的用于操作具有介电驰豫补偿电路的图像传感器的示例性方法步骤的流程图。
具体实施方式
26.本发明技术的实施方案涉及图像传感器。本领域的技术人员应当理解，本发明的例示性实施方案可在不具有一些或所有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本发明的实施方案，未详细描述众所周知的操作。
27.诸如数码相机、计算机、蜂窝电话和其他电子设备的电子设备可包括图像传感器，该图像传感器收集传入的光以捕获图像。图像传感器可包括像素阵列。图像传感器中的像素可包括将传入的光转换成图像信号的光敏元件，诸如光电二极管。图像传感器可具有任
何数量(例如，数百或数千或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数十万或数百万像素(例如，数兆像素)。图像传感器可包括控制电路(诸如用于操作像素的电路)和用于读出与由光敏元件生成的电荷相对应的图像信号的读出电路。
28.图1是说明性成像和响应系统的图，该成像和响应系统包括使用图像传感器捕获图像的成像系统。图1的系统100可以是电子设备，诸如相机、蜂窝电话、摄像机或捕获数字图像数据的其他电子设备，可以是车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)，或者可以是监视系统。
29.如图1所示，系统100可包括成像系统(诸如成像系统10)和主机子系统(诸如主机子系统20)。成像系统10可包括相机模块12。相机模块12可包括一个或多个图像传感器14以及一个或多个透镜。
30.相机模块12中的每个图像传感器可相同，或者在给定的图像传感器阵列集成电路中可以存在不同类型的图像传感器。在图像捕获操作期间，每个透镜可将光聚焦到相关联的图像传感器14上。图像传感器14可包括将光转换成数字数据的光敏元件(即，像素)。图像传感器可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可例如具有数百万的像素(例如，数兆像素)。例如，图像传感器14可包括偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(cds)电路、放大器电路、模拟-数字转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、寻址电路等。
31.可以将来自相机传感器14的静态图像数据和视频图像数据经由路径28提供给图像处理和数据格式化电路16。图像处理和数据格式化电路16可用于执行图像处理功能，诸如数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。图像处理和数据格式化电路16也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图象专家组格式或简称jpeg格式)。在典型的布置(有时称为系统芯片(soc)布置)中，相机传感器14以及图像处理和数据格式化电路16在共用的半导体衬底(例如，共用的硅图像传感器集成电路管芯)上实施。如果需要，相机传感器14和图像处理电路16可形成在单独的半导体衬底上。例如，相机传感器14和图像处理电路16可形成在已堆叠的单独衬底上。
32.成像系统10(例如，图像处理和数据格式化电路16)可通过路径18将采集的图像数据传送到主机子系统20。主机子系统20可包括处理软件，该处理软件用于检测图像中的物体、检测物体在图像帧之间的运动、确定图像中至物体的距离、滤波或以其他方式处理由成像系统10提供的图像。
33.如果需要，系统100可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为实现这些功能，系统100的主机子系统20可具有输入-输出设备22(诸如小键盘、输入-输出端口、操纵杆和显示器)以及存储和处理电路24。存储和处理电路24可包括易失性存储器和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)。存储和处理电路24还可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
34.图2中示出了图1的相机模块12的布置的示例。如图2所示，相机模块12包括图像传感器14以及控制和处理电路44。控制和处理电路44可对应于图1中的图像处理和数据格式化电路16。图像传感器14可包括像素阵列，诸如像素34(在本文中有时称为图像传感器像素、成像像素或图像像素34)的阵列32，并且还可包括控制电路40和42。控制和处理电路44
可耦接到行控制电路40，并且可经由数据和控制路径26耦接到列控制和读出电路42。行控制电路40可从控制和处理电路44接收行地址，并且可通过控制路径36向图像像素34供应对应的行控制信号(例如，双重转换增益控制信号、像素重置控制信号、电荷转移控制信号、光晕控制信号、行选择控制信号或任何其他期望的像素控制信号)。列控制和读出电路42可经由一条或多条导线(诸如列线38)耦接到像素阵列32的列。列线38可耦接到图像像素阵列32中的每列图像像素34(例如，每列像素可耦接到对应的列线38)。列线38可用于从图像像素34读出图像信号并且用于向图像像素34供应偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)。在图像像素读出操作期间，可使用行控制电路40来选择图像像素阵列32中的像素行，并且与该像素行的图像像素34相关联的图像数据可由列控制和读出电路42在列线38上读出。
35.列控制和读出电路42可包括列电路，诸如用于放大从阵列32读出的信号的列放大器、用于对从阵列32读出的信号进行采样和存储的采样和保持电路、用于将读出的模拟信号转换成对应数字信号的模拟-数字转换器电路以及用于存储读出信号和任何其他期望的数据的列存储器。列控制和读出电路42可通过线26将数字像素值输出到控制和处理电路44。
36.阵列32可具有任何数量的行和列。一般来讲，阵列32的大小以及阵列32中的行和列的数量将取决于图像传感器14的具体实现方式。虽然行和列在本文中一般相应被描述为水平和竖直的，但是行和列可以指任何网格状的结构(例如，本文中描述为行的特征部可竖直地布置，并且本文中描述为列的特征可水平地布置)。
37.像素阵列32可具备具有多个滤色器元件的滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器对不同颜色的光进行采样。举例来说，图像传感器像素(诸如阵列32中的图像像素)可具备滤色器阵列，该滤色器阵列允许单个图像传感器使用被布置成拜耳马赛克图案的对应的红色、绿色和蓝色图像传感器像素对红光、绿光和蓝光(rgb)进行采样。拜耳马赛克图案由2
×
2个图像像素的重复单元格组成，其中两个绿色图像像素沿对角线彼此相对，并且邻近与蓝色图像像素沿对角线相对的红色图像像素。在另一个合适的示例中，拜耳图案中的绿色像素被替换为具有宽带滤色器元件(例如，透明滤色器元件、黄色滤色器元件等)的宽带图像像素。这些示例仅仅是说明性的，并且一般来讲，可在任何期望数量的图像像素34上方形成任何期望颜色和任何期望图案的滤色器元件。
38.如果需要，阵列32可以是堆叠管芯布置的一部分，其中阵列32的像素34被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在此类布置中，阵列32中的每个像素34可在像素内的任何期望节点处被划分在两个管芯之间。举例来说，节点(诸如浮动扩散节点)可形成在两个管芯之上。包括光电二极管和耦接在光电二极管与期望节点(在本示例中，诸如浮动扩散节点)之间的电路的像素电路可以形成在第一管芯上，并且其余像素电路可以形成在第二管芯上。期望的节点可形成在连接两个管芯的耦接结构(诸如导电衬垫、微型衬垫、导电互连结构或导电通孔)上(即，作为该耦接结构的一部分)。在两个管芯结合之前，耦接结构可以在第一管芯上具有第一部分，并且可以在第二管芯上具有第二部分。第一管芯和第二管芯可彼此结合，使得该耦接结构的第一部分和该耦接结构的第二部分被结合在一起并且电耦接。如果需要，耦接结构的第一部分和第二部分可彼此压缩结合。然而，这仅仅是例示性的。如果需要，可以使用任何金属对金属结合技术(诸如软钎焊或焊接)来将形成在相应的第一管芯和第二管芯上的耦接结构的第一部分和第二部分结合在一起。
39.如上所述，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望的节点可以是浮动扩散节点。可替代地，像素电路中被划分到两个管芯之上的期望的节点可以是在浮动扩散区与源极跟随器晶体管的栅极之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在其上形成光电二极管的第一管芯上，同时耦接结构可以将浮动扩散节点连接到第二管芯上的源极跟随器晶体管)、在浮动扩散区与转移晶体管的源极-漏极节点之间的节点(即，浮动扩散节点可以形成在光电二极管未位于其上的第二管芯上)、在源极跟随器晶体管的源极-漏极节点与行选择晶体管之间的节点或像素电路的任何其他期望的节点。
40.一般来讲，阵列32、行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。在一个示例中，阵列32可以形成在第一衬底中，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第二衬底中。在另一个示例中，阵列32可以被划分在第一衬底和第二衬底之间(使用上述像素划分方案中的一个像素划分方案)，并且行控制电路40、列控制和读出电路42以及控制和处理电路44可以形成在第三衬底中。
41.在一些图像传感器中，一个或多个像素34可包括电容器。举例来说，电容器可用于在读出之前将电荷存储在成像像素中。电容器可用于实现成像像素的双转换增益模式，可增大成像像素的动态范围等。
42.存在可包含电容器的许多类型的像素。图3中示出了具有电容器的像素的示例性示例。
43.如图3所示，图像像素34包括光敏元件102(例如，光电二极管)。光敏元件102具有耦接到接地的第一端子。光敏元件102的第二端子耦接到转移晶体管104。转移晶体管104耦接到浮动扩散(fd)区118。重置晶体管106可耦接在浮动扩散区118与电压源124之间。浮动扩散区118可以是掺杂半导体区(例如，硅衬底中通过离子注入、杂质扩散或其他掺杂工艺而掺杂的区)。浮动扩散区118具有相关联的电容。增益选择晶体管108具有耦接到浮动扩散区118的第一端子和耦接到双转换增益电容器110(有时称为存储电容器110)的第二端子。双转换增益电容器110可具有耦接到增益选择晶体管的第二端子的第一板110-1(有时称为上板或顶板)。双转换增益电容器110可具有第二板110-2(有时称为下板或底板)，该第二板从驱动器122接收电容器板信号(dcg_bot_plate)。
44.源极跟随器晶体管112具有栅极端子，该栅极端子耦接到浮动扩散区118及增益选择晶体管108的第一端子。源极跟随器晶体管112还具有耦接到电压源120的第一源极-漏极端子。电压源120和124均可提供电源电压(v
aapix
)。电源120和124处的电源电压可相同或可不同。在本技术中，每个晶体管被绘示为具有三个端子：源极、漏极和栅极。每个晶体管的源极端子和漏极端子可依据晶体管被偏置的方式和所使用的晶体管的类型而改变。为简单起见，源极和漏极端子在本文中称为源极-漏极端子或简称为端子。源极跟随器晶体管112的第二源极-漏极端子通过行选择晶体管114耦接到列输出线116。
45.转移晶体管104的栅极端子接收控制信号tx。增益选择晶体管108的栅极端子接收控制信号dcg。重置晶体管106的栅极端子接收控制信号rst。行选择晶体管114的栅极端子接收控制信号rs。可由行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)通过控制路径(例如，图2中的控制路径36)来提供控制信号tx,dcg,rst,rs。提供信号dcg_bot_plate的驱动器122可为行控制电路(例如，图2中的行控制电路40)的一部分。例如，每行可具有一个驱动器122。
驱动器122可通过控制路径(诸如图2中的控制路径36)提供信号dcg_bot_plate。
46.增益选择晶体管108和双转换增益电容器110可由像素34用于实现双转换增益模式。具体地讲，像素34可按高转换增益模式以及按低转换增益模式进行操作。如果增益选择晶体管108被禁用，则像素34将被置于高转换增益模式。如果增益选择晶体管108被启用，则像素34将被置于低转换增益模式。当增益选择晶体管108接通时，双转换增益电容器110可切换为使用状态，以为浮动扩散区118提供附加电容。这导致像素34的较低的转换增益。当增益选择晶体管108断开时，电容器的附加负载被移除并且像素恢复到相对更高的像素转换增益配置。
47.成像像素中使用的电容器可能易受介电驰豫影响。成像像素可使用金属-绝缘体-金属(mim)电容器。mim电容器由通过介电材料分开的两个导电(金属)板形成。这些mim电容器可能易受介电驰豫影响。
48.图4a是电压随时间变化的图，其示出了介电驰豫对电容器的影响。如图所示，电容器可在应力时间期间在电压v0下具有应力。然后可在放电时间期间对电容器进行放电。在放电时间期间，电容器可被重置为重置电压。
49.可使用具有如图4b所示的并联耦合的第一电容和第二电容(例如，c
∞
和c
0-c
∞
)的rc模型对介电驰豫进行建模。电阻器(r)可在rc模型中耦合在第一电容器与第二电容器之间。当应力时间足够长时，c
∞
和c
0-c
∞
均完全充电至v0。当电容器快速放电时(例如，如在图4中)，c
∞
可完全放电而c
0-c
∞
不是。在浮动时间期间，c
0-c
∞
上的剩余电荷重新分布在电容器的两个部分上，并且电压(vf)重新出现在电容器上。滞后信号反对变化。因此，电容器处信号的变化不如预期的大。
50.在任何给定时间点处的像素输出处的滞后信号的量值取决于多个变量。例如，帧的应力时间(例如，积分时间的长度)、帧的浮动时间(例如，电容器处于浮动状态的时长)、帧的重置时间(例如，存储电容器在重置操作期间放电的时长)和电压应力(例如，电容器板上的电压差的量值)都可影响电容器中的滞后信号的量值。应力时间、浮动时间、重置时间和电压应力是影响滞后信号的所有独立变量。
51.由于影响滞后信号的变量的数量，在图像传感器的不同操作条件期间可能难以对滞后信号进行普遍校正。除了具有影响滞后信号的多个独立变量之外，一些独立变量具有非线性响应。图5a是滞后信号与应力时间的图(假设浮动时间、重置时间和电压应力保持恒定)。如图所示，滞后信号(例如，由于介电驰豫而存在的电容器上的电荷量值)与应力时间具有对数关系。滞后信号还可具有与浮动时间和重置时间的非线性关系。
52.图5b是滞后信号与电压应力的图。如图所示，滞后信号与电压应力具有线性关系。该线性关系使电压应力成为一个更容易用来确定滞后信号的量值的变量。
53.图6是示出可如何在成像像素(例如，图3的成像像素)中测量滞后信号的时序图。如图6所示，在t1与t2之间，可以通过降低dcg_bot(有时称为dcg_bot_plate)将应力施加到电容器110。同时，rst和dcg很高，使得晶体管106和108生效。电源电压v
aapix
因此被施加到电容器110的板110-1上。该差值将电压应力施加到电容器。
54.当dcg_bot升高(例如，至与v
aapix
相同的电压)时，应力时间可在t2处结束。因此，电容器被放电。在t3处，放电时间结束并且rst降低以使重置晶体管106失效。这将电容器板110-1与电源电压断开，这意味着电容器110在浮动时间期间保持浮动。在浮动时间结束时，
可执行双采样读出以读出由于介电驰豫滞后而保持在电容器上的电荷。在t4时读出滞后信号样本。随后，重置浮动扩散区，并且也对重置信号进行采样。滞后信号样本与重置信号之间的差值可以等于电容器上的滞后信号的量值。
55.应当注意，在该示例中，tx信号在整个滞后测量过程中较低(以防止来自光电二极管102的电荷包括在测量中)。(例如，将光电二极管直接耦合到电源电压的)由信号ab控制的任选的抗晕光晶体管可以在整个滞后测量过程中生效，以防止电荷积聚以及从光电二极管102溢出。
56.滞后补偿可用于补偿稳态效应和/或瞬态效应。在稳态情况下，假设当前图像等于先前图像。换句话说，假设图像不帧到帧改变。在该假设下，可以在不包括任何附加存储器的情况下执行滞后补偿。然而，在帧之间不改变的图像的假设可能不总是正确的。
57.为了补偿瞬态效应(其中连续图像帧不一定相同)，存储器(例如，帧缓冲器)可被包括在图像传感器中以存储先前帧。当校正给定帧时，可从帧缓冲器访问关于先前帧的信息以补偿给定帧中的滞后信号。
58.图7是示出可如何在稳态和单次曝光情况下校正滞后信号的示例的时序图。如图7所示，第一帧在t1与t3之间发生，第二帧在t3与t5之间发生，并且第三帧在t5与t7之间发生。每个帧可包括积分时间t
int1
(例如，在图7中的t1与t2之间)和非积分时间(例如，在t2与t3之间)，其中像素可保持在重置(放电)状态中。在积分时间期间，电荷积聚在光电二极管中。电荷可从光电二极管溢出到像素中的电容器(例如，图3中的110)上，从而产生电容器的应力时间t
stress
。在积分时间结束时读出像素。随后，可以在非积分周期(例如，针对帧1在t2与t3之间，针对帧2在t4与t5之间等)对电容器进行放电。
59.因此，每个积分时间用作所有后续积分时间的应力时间和所有先前积分时间的浮动时间。滞后信号可主要由一个先前帧引起，但是如果需要，可以在补偿期间考虑多个先前帧。
60.因此，在帧1的积分时间期间引起的应力可导致帧1读出和帧2积分周期中的滞后信号(其将影响帧2读出)。
61.由于在两个积分时间之间(例如在图7中t2与t3之间)存在放电时间(其中电荷被释放)，在一个积分时间中可吸收的电荷比在下一个积分时间中再次释放的电荷要多。这导致t
int1
的增益减小。
62.在一些情况下，成像像素可使用每个帧中的多次曝光(积分时间)操作。图8是示出可如何在稳态和多次曝光情况下校正滞后信号的示例的时序图。如图8所示，第一帧在t1与t2之间发生，第二帧在t2与t3之间发生，并且第三帧在t3与t4之间发生。在每个帧期间，存在第一积分时间tint1和第二积分时间tint2。在第一积分时间与第二积分时间之间可存在针对第一积分时间的第一读出。在第二积分时间之后，可存在针对第二积分时间的第二读出。
63.如图8所示，帧1的积分时间用作应力时间。之后的非积分时间用作第一放电时间t
discharge1
，第二积分时间用作第一浮动时间t
float1
，之后的非积分时间用作第二放电时间t
discharge2
，并且帧2的积分时间用作第二浮动时间t
float2
。因此，由帧1的t
int1
引起的滞后信号将导致帧1读出、第二帧1积分周期t
int2
(其将影响第二帧1读出)和第一帧2积分周期t
int1
(其将影响第一帧2读出)中的滞后信号。
64.由于在两个积分时间之间(例如在t
int1
与t
int2
之间)存在放电时间(其中电荷被释
放)，在一个积分时间中可吸收的电荷比在下一个积分时间中再次释放的电荷要多。这导致t
int1
的增益减小。同时，在t
int2
中通常释放的电荷比吸收的电荷多，因此t
int2
的增益增大。
65.图9是示出可如何在瞬态和多次曝光情况下校正滞后信号的示例的时序图。如图所示，第一积分时间t
int1
的应力时间可能导致所有未来积分时间的滞后信号。通过将关于图像帧的数据存储在存储器(例如，帧缓冲器)中，可以补偿滞后信号的瞬态效应。
66.补偿瞬态效应可以减轻来自图像传感器的鬼像。当明亮照明的帧之后是暗帧时发生鬼像的示例。在暗帧中，先前的明亮照明的帧(例如，鬼像)的残留是可见的。
67.图10是包括介电驰豫校正电路的示例性图像传感器的图。介电驰豫校正电路可利用电压应力与滞后信号之间的线性关系来校正介电驰豫。具体地，图像传感器可包括屏蔽入射光的屏蔽像素。dcg_bot_plate信号可用于向屏蔽像素的电容器施加已知电压应力。重要的是，屏蔽像素可使用与有源阵列中的成像像素相同(或类似)的时序方案操作。因此，影响滞后信号的基于时间的变量(应力时间、重置时间和浮动时间)对于有源成像像素和屏蔽像素都是相同的。唯一的剩余变量是电压应力。通过向屏蔽像素施加至少一个已知电压应力并测量对应的滞后信号，可以通过介电驰豫校正电路(针对当前时序方案)确定滞后信号与电压应力之间的线性关系。由于屏蔽像素和成像像素的时序方案相同，因此可将所识别(使用屏蔽像素识别)的滞后信号函数应用于阵列中的有源成像像素。滞后信号函数可用于校正来自有源成像像素的用于介电驰豫的信号。如果需要更新像素时序方案，则可(使用与新时序方案操作的屏蔽像素)确定新的滞后信号函数并应用于成像像素。
68.如图10所示，除了有源像素阵列32之外，图像传感器14还可包括屏蔽像素200。屏蔽像素200可具有与阵列32中的有源成像像素相同的电路设计和结构。例如，每个屏蔽像素和成像像素可具有如图3所示的设计。然而，屏蔽像素200(有时称为光学黑色像素)被阻挡光电二极管接收入射光的不透明材料覆盖。任何不透明材料可用于覆盖屏蔽像素(例如，金属、黑色油墨等)。不透明材料可具有小于5％、小于1％、小于0.1％、小于0.01％等的透明度。
69.在测试操作期间(有时称为校准操作或滞后信号测量操作)，屏蔽像素200可用阵列32中的成像像素相似的时序方案操作。具体地，像素200和像素32的应力时间、浮动时间和重置时间可以是相同或类似的(例如，在3倍以内、在2倍以内、在50％以内、在20％以内、在10％以内、在5％以内、在1％以内等)。
70.对于像素32，在应力时间(积分时间)期间，响应于入射光由像素中的光电二极管产生的电荷可以存储在存储电容器上。对于屏蔽像素200，在应力时间期间，可以调整dcg_bot_plate，以有意地将已知电压应力施加到存储电容器。由于像素被屏蔽，所以入射光水平不会影响来自屏蔽像素200的测试信号。因此，采样的测试信号充当与图像传感器的当前操作条件(例如，电压应力、应力时间、浮动时间和重置时间)相关联的滞后信号的独立度量。
71.介电驰豫校正电路204(有时称为校正电路204、滞后校正电路204、处理电路204等)可以从屏蔽像素200接收测试信号。滞后信号与电压应力之间存在线性关系，而应力时间、浮动时间和重置时间是恒定的。可以使用测试信号来确定给定施加电压应力量值的代表性滞后信号。滞后信号的量值和电压应力量值可以用作电压应力与滞后信号函数(斜率)中的数据点。由于假设电压应力与滞后信号关系是线性的，并且在没有施加电压应力的情
况下可假设滞后信号大约为0，所获得的数据点(与(0,0)数据点组合)可以用于确定滞后信号与电压应力函数。
72.这个示例仅仅为例示性的。如果需要，可以使用屏蔽像素(例如，依次使用相同的一个或多个像素、针对不同条件同时使用一个或多个像素的不同组等)获得多个滞后信号与电压应力数据点。即使滞后信号与电压应力关系是线性的，也可以使用多个数据点来补偿任何偏移。在非线性的滞后信号与电压应力关系的情况下，可以使用多个数据点来逼近滞后信号与电压应力函数。可以将来自一个或多个屏蔽像素的样本进行平均以获得任何给定滞后信号与电压应力数据点。
73.同时，获得来自有源像素阵列32的像素数据(例如，使用屏蔽像素200用来生成测试信号的应力时间、浮动时间和重置/放电时间条件)。像素数据被提供给介电驰豫(dr)校正电路204。dr校正电路204可以使用通过测试信号识别的滞后信号与电压应力函数来校正原始像素数据的介电驰豫，并且输出校正后的像素数据。
74.介电驰豫校正电路可任选地包括帧缓冲器206。如果不包括帧缓冲器，则介电驰豫校正电路可校正介电驰豫的稳态效应。如果包括帧缓冲器，则介电驰豫校正电路可校正介电驰豫的瞬态效应。
75.在没有帧缓冲器的情况下，介电驰豫校正电路204假设来自给定积分周期的采样电荷的量值与来自先前帧的电荷相同。然后使用来自先前帧的电荷的假设值来确定像素信号中存在的滞后信号的量值。
76.在具有帧缓冲器的情况下，介电驰豫校正电路204使用来自先前帧的电荷的实际量值来确定存在于像素信号中的滞后信号的量值。
77.图11至图13是示出图10的有源像素和屏蔽像素的操作的时序图。具体地，图11示出了图像传感器中的有源像素的操作。图12示出了在测量滞后信号期间屏蔽像素的操作。图13示出了在参考测量期间屏蔽像素的操作。
78.图11示出了使用多次曝光操作有源像素的示例性方法(例如，第一积分时间t1和第二积分时间t2，类似于图8和图9所示)。在t1和t2期间，tx信号和dcg信号可以保持在中间水平，以允许电荷从光电二极管溢出到浮动扩散区和存储电容器110。图11示出了具有两个读出的示例。首先，存在高转换增益相关双采样(例如，pd 4t hcg读出)。接下来，存在低转换增益双采样(例如，溢出+pd 3t lcg读出)。在第二积分时间t2之后，存在附加的低转换增益双采样(例如，溢出+pd 3t lcg读出)。电容器上的信号(在溢出+pd 3t lcg读出期间采样)将经历滞后。
79.图12示出了通过屏蔽像素测量滞后信号的示例。如图所示，可以调制dcg_bot以在图12中的电荷注入210处将电荷注入到电容器上。电荷注入可在帧的快门阶段期间(例如，在重置信号rst的下降沿)发生。该电荷注入所提示的信号可在积分时间期间保持在电容器上，直到其被读出(例如，在图12中的读出214期间)。在此时间期间，电容器上的信号经历滞后。t1等效积分时间可以大致等于(持续时间)图11中所示的t1积分时间。t1等效积分时间可以在t1积分时间的20％以内、t1积分时间的10％以内、t1积分时间的5％以内、t1积分时间的1％以内等。可以基于t2读取来确定滞后对t2积分周期的影响。对于瞬态情况，还可以通过图12的在有电荷注入的帧后面具有正常操作的后续帧来确定滞后对下一帧的t1积分时间的影响。
80.图13示出了通过屏蔽像素测量参考信号的示例。如图所示，可以调制dcg_bot以在图13中的电荷注入212处将电荷注入到电容器上。电荷注入可以恰好在读出214之前发生，以将采样信号中的滞后最小化。可以假设来自图13的样本是用于所使用的电荷注入量值的
‘
无滞后’数据点。可以从使用图12的操作识别出的滞后信号中减去“无滞后”数据点的测量。这两个量值之间的差值可以是对滞后信号的贡献量值的测量(其与由电荷注入210/212引起的电压应力的量值相关联)。电荷注入210/212可以具有相同的量值(例如，引起相同量值的电压应力)以确保相同操作条件的比较。
81.图14是对图像传感器中的有源像素和屏蔽像素的操作的总结。如图所示，在正常操作(例如，有源像素)期间，每个给定帧(n)具有t1(第一积分时间)快门、t1积分时间和t1读出。然后，存在t2(第二积分时间)快门、t2积分时间和t2读出。
82.为了获得滞后信号的测量，在t1快门期间注入信号电荷。然后存在t1等效积分时间，随后是t1读出。然后，存在t2(第二积分时间)快门、t2积分时间和t2读出，类似于在正常操作中那样。该测量操作允许在待测量的t1快门期间注入的信号电荷引起的滞后。
83.如果需要，在测量帧n t1快门电荷注入(图14中示出)对帧n+1t1读出和t2读出的影响的情况下可包括附加帧(n+1)。当传感器中包括帧缓冲器时，这可以用于校正瞬态滞后。
84.为了获得滞后信号的参考测量，在t1读出之前注入信号电荷。然后，存在t2(第二积分时间)快门、t2积分时间和t2读出，类似于在正常操作中那样。该参考测量操作允许与相同量值的待测量的注入信号电荷相关联的无滞后信号。
85.图15中示出了流程图，该流程图示出用屏蔽像素和介电驰豫补偿电路操作图像传感器的示例性方法。首先，在步骤302处，屏蔽像素(例如，图10中的像素200)可用于获得一个或多个滞后测量和一个或多个参考测量。可以通过在第一积分时间之前将信号注入到电容器上来获得一个或多个滞后测量(如图12所示)。可以通过在读出之前将信号注入到电容器上来获得一个或多个参考测量(如图13所示)。
86.在步骤302的测量期间施加的应力信号可以是在电容器上采样的固定电荷、电容器上的恒定电压、电容器上的可变电压或电容器的恒定电流。
87.接下来，在步骤304处，可以使用滞后测量与参考测量之间的差值来量化来自第一积分周期的滞后信号对后续积分周期的影响。可以使用在步骤302中从屏蔽像素获得的测量来确定电压应力与滞后信号函数(例如，线性函数)。
88.在步骤306处，像素阵列32中的有源成像像素可用于获得像素数据(例如，给定场景的像素数据的帧)。任选地，像素数据可在步骤308处存储在存储器(例如，帧缓冲器)中。包括附加存储器允许更准确的滞后信号校正(例如，不仅可以考虑稳态效应还可以考虑瞬态效应)。
89.最后，在步骤310处，介电驰豫补偿电路204可以补偿原始像素数据的滞后。存在用于补偿原始像素数据的滞后的不同选择。在一个示例中，可基于由确定的滞后信号与电压应力函数所识别的滞后信号来补偿各个读出(例如，与每个积分时间相关联的读出)(例如，仅使用来自给定帧的像素数据来补偿给定帧)。在另一示例中(例如，在包括帧缓冲器的情况下)，来自先前图像的t1信号可用作滞后信号补偿的基础(例如，使用来自一个或多个先前帧的像素数据来补偿给定帧)。
90.应当理解，本文所示的像素结构和时序图的示例仅仅是例示性的。通常，使用屏蔽像素测量滞后信号、确定滞后信号与电压应力关系以及校正滞后信号的像素数据的前述技术可应用于具有电容器并因此易受滞后信号影响的任何像素。
91.举例来说，图3中的重置晶体管的源极可以替代地连接到与fd不同的节点。
92.一些成像像素可使用单个帧中的多个积分时间和读出来操作。例如，在第一积分时间和对应读出之后，成像像素可具有第二较短积分时间和对应读出(类似于如图11至图13所示)。以该方式具有多个积分时间和/或读出可增大成像像素中的动态范围。在这些类型的像素中，每个读出可具有对应的滞后信号。本文中所描述的技术可用于确定读出中的任何(或全部)读出的滞后信号与电压应力关系并相应地校正像素数据。
93.用于补偿图像传感器中的滞后的实施方案可应用于滚动快门图像传感器或全局快门图像传感器，并且适用于溢出电容器和存储电容器两者。
94.根据一个实施方案，图像传感器可包括在多个帧中暴露于入射光的成像像素阵列和屏蔽入射光的屏蔽像素。成像像素和屏蔽像素中的每一者可包括电容器，并且其中屏蔽像素可被配置为通过在第一帧的第一积分时间之前将第一量值的第一电压应力施加到电容器来获得滞后信号测量，并且通过在第二帧的第一积分时间之后且在第二帧的读出之前将第一量值的第二电压应力施加到电容器来获得参考测量。
95.根据另一个实施方案，图像传感器还可包括介电驰豫校正电路，该介电驰豫校正电路被配置为使用滞后信号测量和参考测量来补偿来自成像像素阵列的原始像素数据。
96.根据另一个实施方案，图像传感器还可包括存储器。原始像素数据可被配置为存储在存储器中。
97.根据另一个实施方案，介电驰豫校正电路可被配置为使用滞后信号测量、参考测量和存储在存储器中的先前帧的原始像素数据来补偿给定帧的原始像素数据。
98.根据另一个实施方案，图像传感器还可包括帧缓冲器。介电驰豫校正电路可被配置为当补偿给定帧的原始像素数据时使用至少一个先前帧的原始像素数据。
99.根据另一个实施方案，施加第一电压应力可包括在快门周期期间施加第一电压应力。
100.根据另一个实施方案，每个电容器可具有第一电容器板，并且将第一电压应力施加到电容器可包括调整提供给第一电容器板的电压。
101.根据另一个实施方案，第二帧的读出可以是电容器上的电荷的读出。
102.根据一个实施方案，图像传感器可包括暴露于入射光的成像像素阵列，每个成像像素包括电容器；屏蔽像素，该屏蔽像素屏蔽入射光并且被配置为生成测试信号；和介电驰豫校正电路，该介电驰豫校正电路被配置为使用测试信号来校正来自成像像素的原始像素数据的由成像像素的电容器中的介电驰豫引起的滞后。
103.根据另一个实施方案，介电驰豫校正电路可被配置为使用测试信号确定滞后与电压应力之间的关系。
104.根据另一个实施方案，屏蔽像素中的每一个屏蔽像素可具有相应的电容器，其中相应的底板耦合到驱动器。
105.根据另一个实施方案，成像像素阵列可以用包括应力时间、浮动时间和重置时间的第一时序方案操作，并且屏蔽像素可以利用同样包括应力时间、浮动时间和重置时间的
第二时序方案操作。
106.根据另一个实施方案，成像像素阵列可在第一持续时间的积分时间下操作，屏蔽像素可生成测试信号，而电压应力在应力时间内被施加到每个屏蔽像素中的电容器，并且应力时间可具有第二持续时间。
107.根据另一个实施方案，第二持续时间可与第一持续时间相同。
108.根据另一个实施方案，第二持续时间可在第一持续时间的3倍范围内。
109.根据另一个实施方案，每个屏蔽像素可具有与成像像素阵列相同的部件布置。
110.根据一个实施方案，图像传感器可包括暴露于入射光并生成原始像素数据的成像像素阵列、屏蔽入射光的屏蔽像素、被配置为存储来自成像像素阵列的原始像素数据的帧缓冲器、和介电驰豫校正电路，该介电驰豫校正电路被配置为使用来自帧缓冲器的原始像素数据和来自屏蔽像素的测量来补偿来自成像像素的原始像素数据的由介电驰豫引起的滞后。
111.根据另一个实施方案，介电驰豫校正电路可被配置为使用来自屏蔽像素的测量来确定滞后与电压应力之间的线性关系。
112.根据另一个实施方案，屏蔽像素中的每一个屏蔽像素可具有与成像像素阵列相同的部件布置。
113.根据另一个实施方案，每个成像像素和每个屏蔽像素可包括电容器。
114.前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。