專利名稱：一種浮柵型圖像傳感器的大動(dòng)態(tài)范圍曝光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種浮柵型圖像傳感器的大動(dòng)態(tài)范圍曝光方法。
背景技術(shù)：
快閃存儲器有著廣泛的應(yīng)用，比如照相機(jī)、MP3等便攜式電子設(shè)備?？扉W存儲器是通過其浮柵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，通過編程操作注入電子到浮柵以提高存儲單元的閾值電壓來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)I的存儲，通過擦除操作拉出浮柵上的電子以降低存儲單元的閾值電壓來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)O的存儲。為了提高快閃存儲器的存儲容量，一個(gè)常用的方法是采用多位存儲的方式，即通過控制浮柵上電子的數(shù)量和分布來實(shí)現(xiàn)2位以上數(shù)據(jù)的存儲。顯然，通過無限細(xì)分浮柵上電子的數(shù)量和分布可以用快閃存儲器來實(shí)現(xiàn)模擬值的存儲。更進(jìn)一步的，可以將快閃存儲器作為圖像傳感器使用，即圖像傳感器每個(gè)像素單元由一個(gè)浮柵結(jié)構(gòu)的像素單元構(gòu)成，通過將每個(gè)像素單元感應(yīng)到的光信號的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為注入到像素單元浮柵上電子數(shù)量的多少，可以實(shí)現(xiàn)對光信號的連續(xù)檢測和成像。圖I是通用NOR構(gòu)架快閃存儲器的陣列結(jié)構(gòu)圖，所有存儲單元的源端連接到一起構(gòu)成源線SL，其中每一行存儲單元的柵極連接到一起構(gòu)成字線WL，每一列存儲單元的漏端連接到一起構(gòu)成位線BL，所有存儲單元放置在同一個(gè)襯底SUB上(圖中襯底SUB未畫出)。CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一般在70dB左右，而一般戶外圖像的動(dòng)態(tài)范圍都在IOOdB以上，人眼的動(dòng)態(tài)范圍甚至可以達(dá)到200dB。有限的動(dòng)態(tài)范圍使得CMOS圖像傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域大大受限，目前常用的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)有多次采樣、條件重置、對數(shù)擴(kuò)展、線性對數(shù)復(fù)合響應(yīng)、勢阱容量調(diào)節(jié)、局部曝光等方法，但這些方法的實(shí)現(xiàn)都需要在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行較大的改變，對像素填充率、操作速度和功耗等都有一定的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)中提到的快閃存儲器的操作原理，本發(fā)明提出一種浮柵型圖像傳感器的曝光方法，可以對不同光強(qiáng)進(jìn)行響應(yīng)，具有大動(dòng)態(tài)范圍，且本發(fā)明提出的曝光方法還具有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的一種浮柵型圖像傳感器的大動(dòng)態(tài)范圍曝光方法，曝光時(shí)，對像素單元的柵極加正壓，襯底加負(fù)壓，漏端浮空，源端加正壓或者浮空，該方法包括當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，提高柵極電壓或者降低襯底電壓；當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，降低柵極電壓或者提高襯底電壓。本發(fā)明提出的浮柵型圖像傳感器曝光操作只需要根據(jù)光強(qiáng)改變操作電壓，不需要修改像素單元結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍成像的情況下還具有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為通用NOR構(gòu)架快閃存儲器的陣列結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明提出的像素單元曝光操作加壓示意圖。圖3為本發(fā)明提出的基于NOR構(gòu)架像素陣列的曝光操作加壓方法的實(shí)施例。圖4為本發(fā)明提出的基于NOR構(gòu)架像素陣列的曝光操作加壓方法的又一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以 上，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。本發(fā)明提出了一種浮柵型圖像傳感器的曝光方法，可以對不同光強(qiáng)進(jìn)行響應(yīng)，具有大動(dòng)態(tài)范圍，且本發(fā)明提出的曝光方法還具有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。圖I為通用NOR構(gòu)架快閃存儲器的陣列結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示是本發(fā)明提出的像素單元曝光操作加壓示意圖。曝光時(shí)，對像素單元的柵極加正壓AV(比如5V)，襯底加負(fù)壓Vsub(比如-3V)，漏端浮空，源端加正壓Va(比如IV)或者浮空。曝光結(jié)束后，浮柵上的電子數(shù)和光的強(qiáng)度成正比關(guān)系，即光越強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致有更多的電子進(jìn)入浮柵，進(jìn)而導(dǎo)致像素單元的閾值電壓更高，信號讀取電路通過判斷像素單元的閾值電壓變化即可得到光強(qiáng)的信號，進(jìn)而可以成像。一般地，電子不能無限制進(jìn)入像素單元的浮柵，會(huì)存在飽和現(xiàn)象，即對光強(qiáng)的響應(yīng)范圍有限，或者說動(dòng)態(tài)范圍有限。另一方面，在相同的光強(qiáng)度下，更改加載到像素單元柵極、襯底和源端的電壓也會(huì)影響進(jìn)入浮柵的電子數(shù)，增加字線電壓V (比如由5V增加到6V)或者降低襯底電壓Vsub (比如由-3V降低到-4V)都會(huì)增加進(jìn)入浮柵的電子數(shù)。總之，曝光時(shí)像素單元的加壓大小和光強(qiáng)大小都對最終進(jìn)入浮柵的電數(shù)子，即最終的成像效果起作用。因此系統(tǒng)可以根據(jù)光強(qiáng)大小調(diào)節(jié)像素單元的加壓大小來提高動(dòng)態(tài)范圍。在中等光強(qiáng)下，對像素單元的柵極加正壓Vwl (比如5V)，襯底加負(fù)壓Vsub (比如-3V)，漏端浮空，源端加正壓Va (比如IV)或者浮空，曝光結(jié)束后，浮柵上的電子數(shù)num和光的強(qiáng)度成正比關(guān)系，且分布在一個(gè)合適的范圍內(nèi)(比如k〈num〈l，其中k和I為系統(tǒng)預(yù)設(shè)值)。在光強(qiáng)較弱的情況下，為了提高對光的響應(yīng)，提高圖像暗部的細(xì)節(jié)，可以增加字線電壓VWl (比如由5V增加到6V)或者降低襯底電壓Vsiffi (比如由-3V降低到-4V)，且光強(qiáng)越弱，字線電壓V增加越多或者襯底電壓Vsub降低越多，使得最終進(jìn)入浮柵的電子數(shù)num分布在一個(gè)合適的范圍內(nèi)(比如k〈num〈l，其中k和I為系統(tǒng)預(yù)設(shè)值)。在光強(qiáng)較強(qiáng)的情況下，為了降低對光的響應(yīng)，避免出現(xiàn)圖像飽和現(xiàn)象，提高圖像亮部的細(xì)節(jié)，可以降低字線電壓AV (比如由5V降低到4V)或者提高襯底電壓Vsub (比如由-3V提高到-2V)，且光強(qiáng)越強(qiáng)，字線電壓AV降低越多或者襯底電壓Vsiffi增加越多，使得最終進(jìn)入浮柵的電子數(shù)num分布在一個(gè)合適的范圍內(nèi)(比如k〈num〈l，其中k和I為系統(tǒng)預(yù)設(shè)值)。通過以上調(diào)節(jié)像素單元成像時(shí)操作電壓的方法，像素單元可以對不同強(qiáng)度的光進(jìn)行相應(yīng)，提高了對光強(qiáng)的相應(yīng)范圍，即提高了動(dòng)態(tài)范圍。圖3是本發(fā)明提出的基于NOR構(gòu)架像素陣列的曝光操作加壓方法的實(shí)施例。所有像素單元的源端連接到一起構(gòu)成源線SL，其中每一行m個(gè)像素單元的柵極連接到一起構(gòu)成字線WL，每一列η個(gè)像素單元的漏端連接到一起構(gòu)成位線BL，所有像素單元放置在同一個(gè)襯底SUB上(圖中襯底SUB未畫出)。在曝光操作時(shí)，所有字線加正壓V·，襯底加負(fù)壓VSUB，所有位線BL浮空，源線SL加正壓Va或者浮空。在中等光強(qiáng)下，對所有字線加正壓Vwl (t匕如5V)，襯底加負(fù)壓Vsub (比如-3V)，所有位線BL浮空，源線SL加正壓Va (比如IV)或者浮空。在光強(qiáng)較弱的情況下，增加所有字線電壓Vwl (比如由5V增加到6V)或者降低襯底電壓Vsub (比如由-3V降低到-4V)。在光強(qiáng)較強(qiáng)的情況下，降低所有字線電壓Vi (比如由5V降低到4V)或者提高襯底電壓Vsiffi (比如由-3V提高到-2V)。通過以上調(diào)節(jié)像素單元成像時(shí)操作電壓的方法，像素單元可以對不同強(qiáng)度的光進(jìn)行相應(yīng)，提高了對光強(qiáng)的相應(yīng)范圍，即提高了動(dòng)態(tài)范圍。圖4是本發(fā)明提出的基于NOR構(gòu)架像素陣列的曝光操作加壓方法的又一實(shí)施例。所有像素單元的源端連接到一起構(gòu)成源線SL，其中每一行m個(gè)像素單元的柵極連接到一起構(gòu)成字線WL，每一列η個(gè)像素單元的漏端連接到一起構(gòu)成位線BL，所有像素單元放置在同一個(gè)襯底SUB上(圖中襯底SUB未畫出)。在曝光操作時(shí)，襯底加負(fù)壓Vsub (比如-3V)，所有位線BL浮空，源線SL加正壓Va (比如IV)或者浮空，奇數(shù)行字線加正壓Vwli,偶數(shù)行字線加正壓VWl2。其中正壓Vwu (比如6V)大于正壓VWl2 (比如4V)，因此奇數(shù)行的像素單元對一定范圍內(nèi)的弱光敏感，能正常成像，而對強(qiáng)光出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，不能正常成像。其中偶數(shù)行的像素單元對一定范圍內(nèi)的強(qiáng)光敏感，能正常成像，而對弱光反應(yīng)小，不能正常成像。采用通用的插值算法對奇數(shù)行和偶數(shù)行的像素單元進(jìn)行插值計(jì)算，最終獲得完整的大動(dòng)態(tài)范圍的成像。
在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制 ，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種浮柵型圖像傳感器的大動(dòng)態(tài)范圍曝光方法，曝光時(shí)對像素單元的柵極加正壓，襯底加負(fù)壓，漏端浮空，源端加正壓或者浮空，其特征在于 當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，提高柵極電壓或者降低襯底電壓；或者 當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，降低柵極電壓或者提高襯底電壓。
全文摘要
本發(fā)明提出一種浮柵型圖像傳感器的大動(dòng)態(tài)范圍曝光方法，曝光時(shí)對像素單元的柵極加正壓，襯底加負(fù)壓，漏端浮空，源端加正壓或者浮空，其特征在于當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，提高柵極電壓或者降低襯底電壓；或者，當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，降低柵極電壓或者提高襯底電壓。本發(fā)明可以對不同光強(qiáng)進(jìn)行響應(yīng)，具有大動(dòng)態(tài)范圍，具有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G11C16/06GK102970496SQ20121047439
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者伍冬 申請人:清華大學(xué)