本發(fā)明涉及一種高動態(tài)EMCCD圖像傳感器，可實(shí)現(xiàn)EMCCD高動態(tài)場景下成像。

背景技術(shù)：

CCD的動態(tài)范圍決定了其對場景范圍內(nèi)的景物成像包容度，動態(tài)范圍越大，對場景明暗細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)能力越強(qiáng)。因此，高動態(tài)成像探測器相比普通探測器因可獲得場景中更多的信息，有著廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，因此必然會出現(xiàn)對整個圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。這是一個自從CCD攝像機(jī)被發(fā)明以來就一直長期存在的缺陷。

當(dāng)場景動態(tài)較大的時候，圖像傳感器無法兼顧不同亮度的被攝物體。

目前擴(kuò)展CCD攝像機(jī)動態(tài)范圍的方法主要有強(qiáng)光信號壓制、輸出信號伽馬修正方法、對數(shù)壓縮放大方法、單幀圖像兩次取樣方法、單幀圖像多次取樣方法等。總的宗旨是要看清不同明暗部分的圖像，最終都是合成為一個圖像。

EMCCD（Electronic Multiplying CCD，電子倍增電荷耦合器件）是一種特殊的CCD，其可以作為CCD在白天工作，同時具備夜間工作能力。從EMCCD芯片結(jié)構(gòu)上看，EMCCD在普通CCD的基礎(chǔ)上增加了倍增寄存器，光生電荷通過倍增寄存器的逐級放大，克服CCD讀出噪聲，從而實(shí)現(xiàn)在夜間的微弱目標(biāo)探測。

雖然EMCCD可晝夜通用，但其動態(tài)范圍反而因?yàn)樵诟咴鲆鏁r，而有所縮減。從CCD與EMCCD的動態(tài)范圍示意圖圖1可得到：

普通CCD的動態(tài)范圍為L3～L4，適合于亮度較高的環(huán)境，（其輸出線性部分斜率較小），而EMCCD可工作在高增益模式，實(shí)現(xiàn)對暗環(huán)境下的成像（其輸出線性部分斜率較大），但因?yàn)樵鲆孑^高，同一場景中較亮的部分很容易飽和，反而降低對亮部分的動態(tài)范圍。綜合看，反而使得EMCCD工作動態(tài)范圍降低。

在CCD或CMOS相機(jī)中要實(shí)現(xiàn)高動態(tài)成像，一般的技術(shù)方法有多次曝光合成、多個感光元件合成、強(qiáng)光衰減等方式。

現(xiàn)有專利中，未有涉及提升EMCCD動態(tài)范圍的。但從分類看，EMCCD屬于CCD圖像傳感器一種，當(dāng)前公開專利中，比較有代表性的高動態(tài)范圍圖像傳感器相關(guān)專利有：

申請?zhí)枮镃N201310204570.8（北京思比科微電子技術(shù)有限公司）的專利：將一種光致變色材料集成在微透鏡和光敏元之間，用于在光的作用下分解出黑色物質(zhì)衰減強(qiáng)光，從而避免強(qiáng)光場景飽和，可提高圖像的動態(tài)范圍，但化學(xué)物質(zhì)對光的敏感線性度不夠，且無法定性得到強(qiáng)光衰減系數(shù)，因此場景光強(qiáng)和在最終的圖像中，無法區(qū)分同樣輸出強(qiáng)度的光敏元所對應(yīng)的是被衰減的強(qiáng)光場景還是正常場景。

申請?zhí)枮镃N201310016833.2（北京思比科微電子技術(shù)有限公司）的專利：采用在多個感光元件對場景采樣，而每個感光元件采用的曝光飽和時間不同，壓縮了傳感器高曝光量時的光電響應(yīng)曲線，降低了高曝光量像素的靈敏度，因此提高了圖像傳感器的動態(tài)范圍。因?yàn)橄啾瘸Ｓ脠D像傳感器，原來與場景一一對應(yīng)的單一感光元件變成多個感光元件，對光敏元結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝加工要求較高。

申請?zhí)枮镃N201210269110.9（美國 蘋果公司）的專利：采用數(shù)字圖像傳感器控制圖像傳感器，采用多次采樣不同曝光場景的圖像并進(jìn)行合成，以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)的圖像輸出。該技術(shù)能降低圖像傳感器設(shè)計難度，但增加后續(xù)圖像傳感器的計算，并因?yàn)樾枰啻尾蓸?，消耗的時間較多，對輸出圖像速率要求較高的場景下受到限制。

申請?zhí)枮镃N201210175223.2（上海 中科高等研究院）的專利：公開了一種高動態(tài)范圍圖像傳感器及其制造方法，其利用金屬布線層中空余的面積，形成MIM電容，并與浮動擴(kuò)散區(qū)并聯(lián)，擴(kuò)大了浮動擴(kuò)散區(qū)域的阱容量，提高了圖像傳感器光生電荷儲存能力，從而提高了動態(tài)范圍的上限。與此同時，由于未增加浮動擴(kuò)散區(qū)域本身的面積，避免了暗電流噪聲的增大。該技術(shù)本質(zhì)上是通過提高光敏元存儲容量來提高動態(tài)范圍，對高光區(qū)的動態(tài)范圍提升有幫助，但對暗光區(qū)無法提升。

申請?zhí)枮镃N201210035539.1（上海中科高等研究院）的專利：采用在每一個像元中設(shè)置多個感光器件和轉(zhuǎn)移晶體管，每個積分周期內(nèi)分別按預(yù)定時序先后打開各感光器件與浮空擴(kuò)散區(qū)之間的連接，對各感光器件先后進(jìn)行讀取，在讀取某個感光器件的過程中，其他的感光器件仍在積分，并行的積分能夠減少操作總時間，可以提升高動態(tài)范圍工作模式下圖像傳感器的工作速度。還采用了兩層微透鏡的結(jié)構(gòu)，可以使同一個像元中的各感光器件采樣同一點(diǎn)的光信號，提高了圖像傳感器對光信號檢測的準(zhǔn)確度。該技術(shù)與上述的北京思比科專利CN201310016833.2有想通之處，都需要在采用多個感光元件，對光敏元結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝加工要求較高。

申請?zhí)枮镃N201110298506.1（上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司）的專利：公開了一種采用4T結(jié)構(gòu)的高動態(tài)CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，其通過時序脈沖信號與外界光強(qiáng)匹配，以使浮置擴(kuò)散區(qū)的結(jié)電容為隨外界光強(qiáng)變化的可變電容。以此來達(dá)到隨著外界的光強(qiáng)調(diào)整浮置擴(kuò)散區(qū)的結(jié)電容的目的，以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)CMOS圖像傳感器。其方法較為新穎，但專利中并未告知如何感知外界光強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)時序脈沖信號與外界光強(qiáng)匹配的方法或設(shè)計。

申請?zhí)枮镃N200980121401.X（美國紐約州柯達(dá)公司）的專利：公開的一種高動態(tài)圖像傳感器，其包含多個像素，每一像素包含:第一光敏區(qū)域，其響應(yīng)于光而收集電荷且具有第一敏感度;第二光敏區(qū)域，其響應(yīng)于光而收集電荷且具有低于所述第一光敏區(qū)域的所述敏感度的第二敏感度，從而通過多個不同敏感度的的光敏元實(shí)現(xiàn)高動態(tài)成像，顯然其與上述采用多感光元件提升動態(tài)范圍的技術(shù)原理一致。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了在EMCCD器件結(jié)構(gòu)上增加電荷分配器和雙通道的增益寄存器鏈設(shè)計方法，無需增加額外結(jié)構(gòu)（或器件），即可實(shí)現(xiàn)EMCCD的高動態(tài)成像，同時具有實(shí)現(xiàn)方式簡單，無需多次采樣，兼顧明暗環(huán)境使用等優(yōu)點(diǎn)，同時具有成本低、兼容現(xiàn)有工藝的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在需要高動態(tài)范圍環(huán)境應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高動態(tài)EMCCD圖像傳感器，其特征是，在EMCCD的水平移位寄存器與高增益寄存器之間設(shè)置一電荷分配器，電荷分配器輸出端采用雙通道輸出，一路為由普通電荷寄存器形成的普通通道，另一路為由所述高增益寄存器形成的高增益通道；在兩路通道同時輸出后，分別對應(yīng)進(jìn)行高位和低位的AD采樣合成，實(shí)現(xiàn)在同一幀高動態(tài)成像。

普通通道采用普通CCD輸出和放大器進(jìn)行電荷放大。

高增益通道采用原有的EMCCD高增益通道輸出和放大器進(jìn)行電荷放大。

所述電荷分配器采用自動溢出結(jié)構(gòu)，從水平移位寄存器轉(zhuǎn)移過來的電荷包在電荷分配器內(nèi)被分配到高增益通道電荷緩存勢阱和普通通道電荷緩存勢阱。

電荷包分配時，首先進(jìn)入高增益通道電荷緩存勢阱；當(dāng)電荷數(shù)量超出勢阱容量時，溢出勢阱進(jìn)入普通通道電荷緩存勢阱；

高增益通道電荷緩存勢阱的電荷被轉(zhuǎn)移到高增益寄存器進(jìn)行輸出；普通通道電荷緩存勢阱的電荷被轉(zhuǎn)移到普通電荷寄存器進(jìn)行輸出。

高增益電荷緩存勢阱的勢阱容量為器件最小噪聲量級。

普通通道電荷緩存勢阱的勢阱容量為10⁴～10⁵個電子。

電荷包的分配在V_high、V_dc、V_normal柵電極的控制下進(jìn)行自動分配，其中V_high控制高增益通道電荷緩存勢阱，V_dc控制電荷溢出門檻，V_normal控制普通通道電荷緩存勢阱；

通過調(diào)節(jié)V_high、V_dc、V_normal電極電壓，得到不同的溢出門檻和勢阱容量。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

1、不改變CCD像元結(jié)構(gòu)，僅在電荷增益轉(zhuǎn)移通道上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)；

2、采用雙通道輸出結(jié)構(gòu)，同時實(shí)現(xiàn)對亮部和暗部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，并且高增益通道都可以實(shí)現(xiàn)增益控制改變暗部細(xì)節(jié)識別效果；

3、成像動態(tài)范圍可根據(jù)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整（調(diào)整電荷分配器的控制柵電壓Vhigh、Vdc、Vnormal和倍增通道增益），適用性強(qiáng)；

4、器件與現(xiàn)有EMCCD工藝兼容，成本低，實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說明

圖1 CCD、EMCCD工作動態(tài)范圍示意圖；

圖2 EMCCD結(jié)構(gòu)圖；

圖3 EMCCD工作在普通CCD模式和高增益模式下的動態(tài)范圍；

圖4 高動態(tài)EMCCD結(jié)構(gòu)設(shè)計圖；

圖5 高動態(tài)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖；

圖6 電荷分配器在電荷較少和較多時的自動分配過程圖；

圖7 高動態(tài)EMCCD工作動態(tài)范圍示意。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

1. 基本原理

本發(fā)明基于原有EMCCD結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計。在原有的EMCCD水平移位寄存器與增益寄存器之間增加電荷分配器，電荷分配器能根據(jù)電荷數(shù)量的多少進(jìn)行自動分配，在電荷分配器輸出端采用雙通道輸出，一路采用普通CCD輸出和電荷放大，另一路采用原有的EMCCD高增益通道輸出和放大。在針對同一場景中較暗的部分成像時，電荷會進(jìn)入高增益通道，從而實(shí)現(xiàn)對暗部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)；而對較亮的部分成像時，大部分的電荷會進(jìn)入普通通道，而不會被增益飽和，因此會保留亮部細(xì)節(jié)。在兩個通道同時輸出后，分別進(jìn)行高位和低位的AD采樣合成，從而實(shí)現(xiàn)在同一幀高動態(tài)成像。

對比只有高增益通道的EMCCD，在對同時具有暗部和亮部、動態(tài)范圍較大的場景成像時，高動態(tài)EMCCD因?yàn)榫邆潆p通道自動分配電荷成像，可在一幀內(nèi)實(shí)現(xiàn)對場景高低細(xì)節(jié)的區(qū)分，而普通EMCCD只能對部分較暗細(xì)節(jié)區(qū)分，而普通CCD只能對較亮的部分進(jìn)行區(qū)分，因此高動態(tài)EMCCD不僅僅拓展了對暗部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，而且保留了對亮部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，在同一幀圖像中實(shí)現(xiàn)了高動態(tài)成像。

2. 設(shè)計方案

2.1 EMCCD動態(tài)范圍分析

普通的EMCCD的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。從圖2可以看出，EMCCD主要有光敏區(qū)、存儲器、水平移位寄存器、增益寄存器、放大器等組成，最終輸出信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換（一般為12bits）。

此時的EMCCD可以通過調(diào)節(jié)倍增通道的增益系數(shù)，使得電荷信號放大倍數(shù)在1～2000倍可調(diào)（為保證工作可靠性，常用的倍數(shù)在1～1000倍）。當(dāng)增益倍數(shù)為1時，EMCCD工作在普通CCD模式，其與普通CCD并無明顯差別，當(dāng)增益倍數(shù)超過較大值時（典型值100倍）時，可認(rèn)為EMCCD工作在高增益模式。

根據(jù)上述分析，EMCCD的工作時的動態(tài)范圍示意如圖3。EMCCD因受到材料、器件和電路固有缺陷限制，EMCCD對輸出信號的識別受到噪聲門限限制，因此從圖3，可以看出，在CCD模式下，EMCCD可工作的光強(qiáng)動態(tài)范圍為L3～L4（即圖中的“動態(tài)范圍2”），在高增益模式下，EMCCD可工作的光強(qiáng)動態(tài)范圍為L1～L2（即圖中的“動態(tài)范圍1”）。顯然，隨著增益的增加，雖然EMCCD能拓展在較暗環(huán)境的成像范圍（L3→L1），但與此同時，對較亮環(huán)境的部分也更加容易飽和(L4→L2）。

從圖3和上述分析，可看到EMCCD在拓展對暗部細(xì)節(jié)的識別時，動態(tài)范圍反而降低。

2.2 動態(tài)EMCCD總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

高動態(tài)EMCCD結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4。從圖4看，高動態(tài)EMCCD在原有的EMCCD水平移位寄存器與增益寄存器之間增加電荷分配器和雙通道輸出（普通通道和高增益通道），電荷分配器能根據(jù)電荷數(shù)量的多少進(jìn)行自動分配，在電荷分配器輸出端采用雙通道輸出，一路采用普通CCD輸出和放大器進(jìn)行電荷放大，另一路采用原有的EMCCD高增益通道輸出和放大器進(jìn)行電荷放大。

在針對同一場景中較暗的部分成像時，電荷會進(jìn)入高增益通道，從而實(shí)現(xiàn)對暗部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)；而對較亮的部分成像時，大部分的電荷會進(jìn)入普通通道，而不會被增益飽和，因此會保留亮部細(xì)節(jié)。在兩個通道同時輸出后，分別進(jìn)行高位和低位的AD采樣合成，從而實(shí)現(xiàn)在同一幀高動態(tài)成像，如圖5所示。

2.3 電荷分配器設(shè)計

電荷分配器采用自動溢出結(jié)構(gòu)設(shè)計，從水平移位寄存器轉(zhuǎn)移過來的電荷包在電荷分配器會被分配到高增益通道電荷緩存勢阱和普通通道電荷緩存勢阱。

如圖6所示，電荷包首先進(jìn)入高增益通道電荷緩存勢阱，高增益電荷緩存勢阱的典型勢阱容量應(yīng)為器件最小噪聲量級（比如一般CCD的讀出噪聲每幀100電子，勢阱容量可為100電子）。當(dāng)電荷數(shù)量較多超出勢阱容量時，會溢出勢阱進(jìn)入普通通道電荷緩存勢阱（勢阱容量較大，一般可設(shè)置為10⁴～10⁵個電子）。

高增益通道電荷緩存勢阱的電荷會被轉(zhuǎn)移到增益寄存器鏈進(jìn)行放大，以對較暗的景物細(xì)節(jié)進(jìn)行呈現(xiàn)。普通通道電荷緩存勢阱的電荷會被轉(zhuǎn)移到普通電荷寄存器通道并進(jìn)行輸出。

電荷包的分配在V_high、V_dc、V_normal柵電極的控制下進(jìn)行自動分配，其中V_high控制高增益通道電荷緩存勢阱，V_dc控制電荷溢出門檻，V_normal控制普通通道電荷緩存勢阱。其中通過調(diào)節(jié)V_high、V_dc、V_normal電極電壓，可得到不同的溢出門檻和勢阱容量，以滿足不同應(yīng)用，比較典型的值為V_high（12V）、V_dc（4V）、V_normal（16V）。

2.4 高動態(tài)EMCCD工作動態(tài)范圍

對比只有高增益通道的EMCCD和只有普通通道的CCD，在對同時具有暗部和亮部，動態(tài)范圍較大的場景成像時，普通EMCCD只能對部分較暗細(xì)節(jié)區(qū)分，而普通CCD只能對較亮的部分進(jìn)行區(qū)分，高動態(tài)EMCCD因?yàn)榫邆潆p通道自動分配電荷成像，可在一幀內(nèi)實(shí)現(xiàn)對場景高低細(xì)節(jié)的區(qū)分，因此高動態(tài)EMCCD不僅僅拓展了對暗部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，而且保留了對亮部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，在同一幀圖像中實(shí)現(xiàn)了高動態(tài)成像，其工作動態(tài)范圍如圖7所示，從圖7可以看到，設(shè)計有電荷分配器和雙通道（普通通道和增益通道）的高動態(tài)EMCCD動態(tài)范圍對比圖3，可看出，此時EMCCD動態(tài)范圍可拓展為L1～L4，從而實(shí)現(xiàn)了高動態(tài)成像。

3. 技術(shù)特點(diǎn)

此高動態(tài)EMCCD圖像傳感器特點(diǎn)：

1、不改變CCD像元結(jié)構(gòu)，僅在電荷增益轉(zhuǎn)移通道上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)；

2、采用雙通道輸出結(jié)構(gòu)，同時實(shí)現(xiàn)對亮部和暗部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)，并且高增益通道都可以實(shí)現(xiàn)增益控制改變暗部細(xì)節(jié)識別效果；

3、成像動態(tài)范圍可根據(jù)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整（調(diào)整電荷分配器的控制柵電壓V_high、V_dc、V_normal和倍增通道增益），適用性強(qiáng)；

4、器件與現(xiàn)有EMCCD工藝兼容，成本低，實(shí)用性強(qiáng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。