专利名称：用于在使用光学黑色像素及束缚像素的成像器中设定黑色电平的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明大体来说涉及半导体成像器。更具体来说，本发明涉及半导体成像器中 的噪声减小及不需要的假像的抑制。
背景技术：
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器利用由像素行与像素列组成的传感 器阵列。所述像素对于各种波长的光较敏感。当像素经受所述像素敏感的波长的光时， 所述像素产生表示所感测光的强度的电荷。当所述传感器阵列中的每一像素均基于所 述阵列所感测的光而输出电荷时，组合电荷表示投影在所述阵列上的图像。因此， CMOS图像传感器能够将光图像转化成可用于(例如)形成数字图像的电信号。
理想上，通过使用CMOS图像传感器所形成的数字图像是投影在传感器阵列上 的光图像的精确副本。然而，各种噪声源可影响个别像素输出，且因此使所产生的数 字图像失真。某些噪声源可影响整个传感器阵列，因此需要对来自所述阵列的像素输 出进行帧形式校正。应用于整个传感器阵列的输出的一种此类校正措施是设定基线黑 色电平(如下所述)。其它噪声源可仅影响传感器阵列的特定部分。例如，可能会由于 集成电路制造过程变化所引起的图像传感器中电路结构的失配而产生行特有噪声。图 像传感器中的行特有噪声的效应在于，行或行群组可响应于均匀输入光而展现相对不 同的输出。
为设定校正黑色电平并去除行特有噪声的效应，在图像传感器中使用暗行及暗 列，如图1所示。图1显示图像传感器100，其包含组织成N个像素列及R个像素 行的像素阵列110。像素阵列110含有有源区域112、暗行115及暗列117。虽然在 图1中未显示，但暗行115还可位于有源区域112上方，且暗列117还可位于有源区 域112左边。 一旦读出一行，便对来自每一列(即N个像素输出)的并行像素输出进行 取样并将其存储在一组电容器120上， 一次一行。每一像素均在由模拟到数字转换器 140数字化之前依次通过模拟信号处理方块130发送。然后在将经数字化像素流发送 到输出缓冲器170之前以数字化方式处理所述经数字化像素流(方块150)。通过监视 来自暗行115的经数字化数据，使用反馈环路160来调整逐帧黑色电平。大体来说， 在输出到达模拟到数字转换器140之前或之后，将噪声减小过程(方块150)连续地应 用到每一像素输出。
暗列117及暗行115是在像素阵列110内不接收光或捕捉图像数据的区域。使 用来自暗行115及暗列117的像素输出来同时为整个像素阵列110设定黑色电平并校 正行特有噪声。
一种校正技术是通过用金属板覆盖暗列117及暗行115内的像素来确保暗列117 与暗行115中的像素不接收图像数据。经由金属板来阻止感测光的像素称为光学黑色 像素。因为理论上光学黑色像素不会感测任何光，所以光学黑色像素所产生的唯一电 荷是内部噪声感应电荷。此电荷通常被称为暗电流。因此， 一种补偿噪声的方法是通 过计算平均光学黑色像素输出值(表示平均噪声值)，且然后从有源区域112中的像素
的输出中减去这些平均值。例如，可通过为暗行115中的光学黑色像素计算平均光学 黑色像素输出(方块150)，且然后从有源区域112及暗列117中的每个像素的输出中 减去此平均值来设定适当的黑色电平。还可通过为暗列117中的光学黑色像素的每一 行计算平均光学黑色像素输出来补偿像素阵列110中的行特有噪声(方块150)。然后 从对应像素行中的有源像素中的每一者的值中减去为每一行计算的光学黑色像素平 均数。
在实践中，因为像素阵列110中的每一行像素输出均被连续读出，所以首先读 取来自暗行115的像素输出。从暗行115计算光学黑黑色电平(方块150)，然后将其 施加到来自有源区域112及暗列117的连续像素输出。然后通过使用来自暗列117的 已调整光学黑色像素输出值来校正行特有噪声。对用于暗列117中的既定行的光学黑 色像素的输出值求平均值(方块150)，且然后从有源区域112的相应行内的像素中的 每一者的输出中减去所述平均光学黑色像素输出。
在计算黑色电平值时使用光学黑色像素的缺点在于，光学黑色像素不仅仅对背 景或内部噪声敏感。光学黑色像素可响应于随机、局部噪声源而产生电荷，从而人为 地改变所计算的黑色电平。例如，光学黑色像素可由于像素模糊而产生过多电荷。当 太多光进入像素时便会引起模糊，从而使所述像素饱和。受模糊影响的像素无法保持 由于所感测的光而产生的全部电荷。因此，任何过多电荷都可能从像素泄漏并污染相 邻像素。由于模糊而产生过多电荷的光学黑色像素将会导致人为的较高黑色电平。红 外(IR)反射还可导致过多电荷产生。IR反射在IR辐射入射在像素阵列110内的像素 上时发生并在图像传感器100内被截获。也可引起像素产生电荷的IR辐射可重复地 经多个光学黑色像素反射，从而再次人为地膨胀所产生电荷的数量。在这些情况下， 光学黑色像素所感测的黑色电平通常因为从这些噪声源所收集的电荷而高于理想的 黑色电平。
响应于使用光学黑色像素设定黑色电平值的缺点， 一种用于校正像素阵列110 中的噪声的替代技术是将暗行115中的像素的光电二极管束缚在固定的电压。所述固 定电压本质上是用于像素阵列110的固定黑色电平。此方法的优点在于，黑色电平计 算不会受到模糊、IR反射等的影响，且每个帧均利用恒定且不变的黑色电平。然而， 束缚像素对暗电流或其它行特有噪声源的变化不敏感。因而，利用束缚像素所产生的 黑色电平无法精确地补偿由暗电流引起的噪声。
因此，需要并期望一种有效地产生并将利用束缚像素及光学黑色像素的好处的
稳定黑色电平值施加到固态成像器(例如CMOS成像器)的像素输出的方法及设备。
发明内容
提供一种成像像素阵列，其包含像素有源区域且组织成像素行及像素列。所述 阵列还包含与像素有源区域相邻的多个暗像素列，以使像素有源区域中的像素行跨越 所述多个暗像素列而延伸。所述多个暗像素列由束缚像素组成。所述阵列还包含与像 素有源区域及多个暗像素列相邻的多个暗像素行，以使像素有源区域中的像素列跨越 所述多个暗像素行而延伸。所述多个暗像素行由光学黑色像素及束缚像素二者组成。
类似地，提供一种用于为成像器提供像素校正值的设备及一种为所述成像器提 供像素校正值的方法。所述设备及方法二者均利用由有源区域、多个暗像素列及多个 暗像素行组成的像素阵列。所述多个暗像素列由束缚像素组成而所述多个暗像素行由 光学黑色像素及束缚像素二者组成。
进一步提供成像器及成像系统，此二者均利用由有源区域、多个暗像素列及多 个暗像素行组成的像素阵列。所述多个暗像素列由束缚像素组成，而所述多个暗像素 行由光学黑色像素及束缚像素二者组成。
图l为图像传感器；
图2为根据本发明例示性实施例的图像传感器；
图3为根据本发明另一例示性实施例的图像传感器；
图4显示根据本发明例示性实施例的黑色电平校正电路的操作；且
图5为包含根据本发明例示性实施例的图像传感器的基于处理器的系统。
具体实施例方式
在本发明的一个例示性实施例中，图像传感器利用束缚像素及光学黑色像素二 者来为产生的图像计算稳定黑色电平值。图2展示图像传感器200(例如CMOS图像 传感器)，其包含像素阵列210、 一组保持电容器220、模拟信号处理方块230、 一组 模拟到数字转换器240、一组读出缓冲器270、黑色电平校正电路250及反馈环路260。 像素阵列210包含有源区域212、暗行215及暗列217。在暗行215内的是光学黑色 像素的多个行285(g卩，光学黑色像素行285)及束缚像素的多个行280(即，束缚像素 行280)。在暗列217中仅有束缚像素。因为束缚像素行280对暗电流不敏感，所以光 学黑色像素行285及束缚像素行280的输出电平将会有所不同。可通过计算光学黑色
像素行285与束缚像素行280之间的读出电平差来补偿光学黑色像素输出与束缚像素 输出之间的变化(黑色电平校正电路250)，且然后将所计算的差作为额外的黑色电平 校正值施加到整个帧(反馈环路260)。例如，电路250可为暗行215中的每一行计算 平均光学黑色像素输出或束缚像素输出。然后可为暗行215中的所有光学黑色像素行 285计算平均光学黑色像素输出，并为暗行215中的所有束缚像素行280计算平均束 缚像素输出。最后，可计算所述平均光学黑色像素输出与所述平均束缚像素输出之间 的差。将平均束缚像素输出与平均光学黑色像素输出之间的所计算差作为黑色电平校 正值来施加(反馈环路260)。
然而，当比较来自不同行的像素输出时可能会出现误差。当对具有光学黑色像 素或束缚像素的行进行取样且然后为每一行计算平均值时，所述值会受到行特有噪声 的影响。行特有噪声所引入的不确定性可通过对来自足够数目的多个光学黑色像素行 285的像素输出求平均值，且然后找到此更精确平均光学黑色像素输出值与来自足够 数目的束缚像素行280的平均输出之间的差来克服。然而，为了有效地平均任何行特 有噪声，必须对每像素颜色大约32个行进行取样。可通过在32个帧上对单个行样本 求平均值来完成在32个行上的平均，但是此方法的缺点在于，当将新增益设定施加 给传感器时，用户必须在产生基于所述新增益设定的新校正因数之前等待32个帧。 一种优选的方法是，在读出暗行期间建立校正值，使得在读出第一有源行之前计算新 校正因数。当然，此点表示引入将被读取并平均的32个物理暗行，且然后与束缚像 素输出进行比较的必要性，从而针对所述成像器的给定增益及积分时间获得用于黑色 电平平均的可靠值。然而，大量必需的暗行是不合需要的。不仅大量的暗行215会由 于增加像素阵列210的大小及费用而影响所述阵列的区域，而且行增加还影响所述成 像器的帧速率，因为读出每一帧将花费更长时间。
在本发明的经改善例示性实施例中，如图3所示，图像传感器300在像素阵列 310的暗行315的每一行中含有光学黑色像素385及束缚像素380 二者。如图3所示， 图像传感器300还包含一组保持电容器320、模拟信号处理方块330、 一组模拟到数 字转换器340、 一组读出缓冲器370、黑色电平校正电路350及反馈环路360。像素 阵列310包含有源区域312、暗行315及暗列317。如上所示，来自光学黑色像素385 及束缚像素380 二者的输出将有所不同且必须加以解决。然而，在本发明的经改善实 施例中，光学黑色像素输出与束缚像素输出之间的差不需要解决行特有噪声。在一行 上的所有像素"看见"相同的行特有噪声，因此可将来自束缚像素380的值与来自光学 黑色像素385的值进行比较而不需要取得许多行样本来抑制行特有噪声。理论上，单 个暗行可足以产生精确的黑色电平值。来自行中的束缚像素380的平均输出产生初始 黑色电平值，相同行中的平均束缚像素输出与平均光学黑色像素输出之间的差产生额 外校正值。由黑色电平校正电路350来计算所述束缚像素值与所述额外校正值二者并 将其相加在一起以产生结果，将所述结果施加到后续像素输出(反馈环路360)，从而 设定精确的黑色电平。在实践中，数个暗行可是必要的，其同时用于冗余及进一步细
化经计算的黑色电平。
暗行315的束缚像素380及光学黑色像素370的物理组织可以是棋盘图案，其 中个别像素在光学黑色像素385与束缚像素380之间交替。或者，可在中间分割暗行 315，其中光学黑色像素385在一行的一侧且束缚像素380在另一侧。在分割行的情 况下，优选的是使光学黑色像素385与束缚像素380所在行的两侧交替，从而便于平 均由像素阵列310的局部化缺陷而引起的任何噪声假像。可使用n个连续的束缚像素 紧跟n个连续的暗像素的任何其它重复图案，其中n为大于1但小于暗行315的长度 的一半的整数。大体来说，暗行315的束缚像素380及光学黑色像素385的任何对称 物理布置都是适当的。
图4中概述黑色电平校正电路350的操作。在读出来自暗行315的像素值时， 黑色电平校正电路350确定暗行315中的每一行的平均光学黑色像素值及平均束缚像 素值(方块410)。计算每一行的平均光学黑色像素值与平均束缚像素值之间的差(方块 420)。针对暗行315中的每一者重复方块410及420的过程(方块430)。 一旦计算出 每一行的平均光学黑色像素值与平均束缚像素值之间的差，便计算所述差的平均数 (方块440)。将所述差的经计算平均数与束缚像素值相加以产生总黑色电平值(方块 450)。当读出来自有源区域312或暗列317的像素值时，通过从有源区域312及暗列 317中每一像素的值中减去总黑色电平值来进行黑色电平校正(方块460)。
本发明的上述实施例涉及通过对像素阵列中的像素的模拟像素信号输出执行黑 色电平校正程序来设定适当的黑色电平。由黑色电平校正电路250及350以及反馈环 路260及360来实施此模拟黑色电平校正(图2及图3)。然而，还可将所述黑色电平 校正程序应用到数字像素信号输出上。在此情况下，黑色电平校正电路250及350如 所述动作，但反馈环路260及360用于在将像素输出数字化之后调整逐帧黑色电平。 通过使用噪声校正模块250、 350将黑色电平校正应用到数字像素输出，所述黑色电 平校正可实施为硬件或软件解决方案。作为软件解决方案，所述黑色电平校正可实施 为与成像器200、 300整合在一起的软件或存储在载体媒体上并安装于计算机系统上 的独立软件产品。
图5中图解说明包含根据本发明的成像器装置1030的典型的基于处理器的系统 1000。基于处理器的系统是具有可包含成像器装置的数字电路的系统的例示。在没有 限定性的情况下，这一系统可包含计算机系统、相机系统、扫描仪、机器视觉系统、 车辆导航系统、视频电话、监视系统、自动聚焦系统、星体追踪仪系统、运动检测系 统或其它图像获取系统。
处理器系统(例如相机系统)通常包括中央处理单元(CPU)1010(例如微处理器)，其 经由总线1090与输入/输出(I/0)装置1020进行通信。成像器1030也经由总线1090 与所述系统组件进行通信。在成像系统可包含外围装置(例如也经由总线1090与CPU 1010进行通信的可装卸存储器1050)的情况下，计算机系统1000还包含随机存取存 储器(RAM)1040。成像器1030优选地构造成包含像素的集成电路，所述像素含有光
电传感器，例如光电门或光电二极管。可将成像装置1030与处理器(例如CPU、数字 信号处理器或微处理器)结合，而在单个集成电路上或在与所述处理器不同的芯片上 的存储装置可有可无。
虽然上面已描述了本发明的各种实施例，但应了解，所述实施例以实例而非限 定性方式呈现。所属技术领域的技术人员应明了，其中可进行各种形式及细节变化而 不背离本发明的精神及范围。因而，本发明不应受限于上述例示性实施例中的任一者。
权利要求
1、一种成像像素阵列，其包括像素有源区域，其组织成多个像素行及像素列；及布置在像素行及像素列中的至少一者中的多个暗像素，其与所述像素有源区域相邻，所述多个暗像素包括光学黑色像素及束缚像素。
2、 如权利要求1所述的成像像素阵列，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑 色像素及束缚像素组织成棋盘图案。
3、 如权利要求1所述的成像像素阵列，其中所述多个暗像素行中的每一行组织 成第一半及第二半，所述第一半包括光学黑色像素，且所述第二半包括束缚像素。
4、 如权利要求3所述的成像像素阵列，其中所述第一半及所述第二半像素位于 相邻暗像素行的交替侧上。
5、 如权利要求l所述的成像像素阵列，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑 色像素及所述束缚像素组织成对称图案。
6、 一种为成像器提供像素校正值的设备，所述设备包括黑色电平校正模块，所 述黑色电平校正模块基于来自像素阵列的多个暗像素行中的至少一者的多个光学黑 色像素及多个束缚像素的输出值来计算黑色电平校正值。
7、 如权利要求6所述的设备，其中所述黑色电平校正模块进一步包括 求平均值模块，其用于为所述多个暗像素行中的每一行计算平均光学黑色像素输出及平均束缚像素输出；及计算模块，其用于将所述黑色电平校正值计算为已确定差的平均数。
8、 如权利要求6所述的设备，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素及 束缚像素组织成棋盘图案。
9、 如权利要求6所述的设备，其中所述多个暗像素行中的每一行组织成第一半 及第二半，所述第一半包括光学黑色像素，且所述第二半包括束缚像素。
10、 如权利要求9所述的设备，其中所述第一半及所述第二半像素位于相邻暗 像素行的交替侧上。
11、 如权利要求6所述的设备，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素 及所述束缚像素组织成对称图案。
12、 一种校正成像器的像素信号的方法，所述方法包括为所述成像器的像素阵列中的多个暗像素行中的每一行计算平均光学黑色像素输出及平均束缚像素输出；为每一行确定所述平均光学黑色像素输出与所述平均束缚像素输出之间的差；对所述已确定差求平均值以产生黑色电平校正值；及使用所述黑色电平校正值来校正所述成像器像素阵列中不位于所述多个暗像素 行中的每一像素的像素输出。
13、 如权利要求12所述的方法，其中从所述多个暗像素行内布置成棋盘图案的 多个光学黑色像素及束缚像素计算每一行的所述平均光学黑色像素输出及所述平均束缚像素输出。
14、 如权利要求12所述的方法，其中从所述多个暗像素行内布置成对称图案的 多个光学黑色像素及束缚像素计算每一行的所述平均光学黑色像素输出及所述平均 束缚像素输出。
15、 一种成像器，其包括像素阵列，其包括像素有源区域，其由像素行及像素列组成；及布置在像素行及像素列中的至少一者中的多个暗像素，其与所述像素有源区 域相邻，所述多个像素包括光学黑色像素及束缚像素；及黑色电平计算模块，其基于所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素及所述束 缚像素的输出来计算黑色电平校正值。
16、 如权利要求15所述的成像器，其中所述黑色电平计算模块进一步包括求平均值模块，其用于为所述多个暗像素行中的每一行计算平均光学黑色像素输出及平均束缚像素输出；比较模块，其用于为每一行确定所述平均光学黑色像素输出与所述平均束缚像 素输出之间的差；及计算模块，其用于将所述黑色电平校正值计算为所述已确定差的平均数。
17、 如权利要求15所述的成像器，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑色像 素及束缚像素组织成棋盘图案。
18、 如权利要求15所述的成像器，其中所述多个暗像素行中的每一行组织成第 一半及第二半，所述第一半包括光学黑色像素且所述第二半包括束缚像素。
19、 如权利要求18所述的成像器，其中所述第一半及所述第二半像素位于相邻暗像素行的交替侧上。
20、 如权利要求15所述的成像器，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素及所述束缚像素组织成对称图案。
21、 一种成像系统，其包括 成像器，其由以下构成像素阵列，其包括像素有源区域，其由像素行及像素列组成；及布置在像素行及像素列中的至少一者中的多个暗像素，其与所述像素有源 区域相邻，所述多个像素包括光学黑色像素及束缚像素；及 黑色电平计算模块，其基于所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素及所述 束缚像素的输出来计算黑色电平校正值。
22、 如权利要求21所述的系统，其中所述黑色电平计算模块进一步包括求平均值模块，其用于为所述多个暗像素行中的每一行计算平均光学黑色像素输出及平均束缚像素输出；比较模块，其用于为每一行确定所述平均光学黑色像素输出与所述平均束缚像 素输出之间的差；及计算模块，其用于将所述黑色电平校正值计算为所述已确定差的平均数。
23、 如权利要求21所述的系统，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素 及束缚像素组织成棋盘图案。
24、 如权利要求21所述的系统，其中所述多个暗像素行中的每一行组织成第一半及第二半，所述第一半包括光学黑色像素，且所述第二半包括束缚像素。
25、 如权利要求24所述的系统，其中所述第一半及所述第二半像素位于相邻暗 像素行的交替侧上。
26、 如权利要求21所述的系统，其中所述多个暗像素行中的所述光学黑色像素 及所述束缚像素组织成对称图案。
27、 一种载体媒体，其用于携载用于操作处理器以执行以下动作的程序 为像素阵列中的多个暗像素行中的每一行计算平均光学黑色像素输出及平均束缚像素输出；为每一行确定所述平均光学黑色像素输出与所述平均束缚像素输出之间的差； 对所述已确定差求平均值以产生黑色电平校正值；及使用所述黑色电平校正值来校正所述像素阵列中不位于所述多个暗行中的每一 像素的所述像素输出。
28、 如权利要求27所述的载体媒体，其中每一行的所述平均光学黑色像素输出 及所述平均束缚像素输出是从所述多个暗像素行内布置成棋盘图案的多个光学黑色 像素及束缚像素计算出的。
29、 如权利要求27所述的载体媒体，其中每一行的所述平均光学黑色像素输出 及所述平均束缚像素输出是从所述多个暗像素行内布置成对称图案的多个光学黑色 像素及束缚像素计算出的。
全文摘要
一种成像像素阵列包含被组织成像素行及像素列的像素有源区域。所述阵列还包含与所述像素有源区域相邻的多个暗像素列，以使所述像素有源区域中的像素行跨越所述多个暗像素列而延伸。所述多个暗像素列由束缚像素组成。所述阵列还包含与所述像素有源区域及所述多个暗像素列相邻的多个暗像素行，以使所述像素有源区域中的像素列跨越所述多个暗像素行而延伸。所述多个暗像素行由相同行上的光学黑色像素及束缚像素二者组成。
文档编号H04N5/361GK101361360SQ200680051099
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月11日 优先权日2005年12月14日
发明者埃里克·埃斯克路德 申请人:美光科技公司