CN101778193B - 具有电荷装仓的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有电荷装仓的图像传感器，包括：(a)排列成阵列的多个测光元件，以及元件的至少一部分具有与光接收元件配对的滤色器，它允许测光元件进行有选择的色彩接收；(b)多个浮动扩散，分别与多个光接收元件配对；以及c)电气连接到所述浮动扩散中的两个或两个以上的输出结构；其中接收相同色彩的至少两个光接收元件实质上同时被转移到输出结构。

Description

具有电荷装仓的图像传感器
本申请是申请人伊斯曼柯达公司于2004年7月1日提交的同名中国专利申请200480020150.3的分案申请。
技术领域
本发明涉及基于半导体的图像传感器、如有源像素图像传感器(APS)和无源像素图像传感器(PPS)，更具体来说，涉及具有电荷装仓(binning)、高灵敏度、低噪声及并行通道读出的这种APS和PPS。
背景技术
APS和PPS是x-y可寻址固态成像器，其中，各像素包含感光元件和选择元件。对于APS，各像素还包含至少一个其它有源电路元件。在APS和PPS中，入射照明被转换为信号(电压或电流信号)。信号表示入射到像素感光部位上的光的量。此信号通常每次读出一行，以及给定行的信号暂时存储在与图像传感器的各列关联的电路中。这个列电路通常构造成适合像素的大小或间距。
对于许多数字成像应用，希望在给定大小的图像传感器上具有大量像素，以便增加图像传感器的分辨率。随着分辨率要求增加，所需像素尺寸减小。随着像素尺寸减小，遇到若干图像传感器设计和性能不利之处。首先，越来越难以构造低噪声列存储和读出电路。其次，更小的像素具有更低灵敏度，并且对于低照明等级可能提供不足的信号电平。第三，对于大量像素，读出时间变得更长。在许多情况中，要求照相机产生视频以及静止图像。
通常，期望的视频速率为每秒30帧。先有技术的APS和PPS传感器已经通过采用APS和PPS传感器的x-y可寻址性特征对图像阵列开窗或二次抽样，从大分辨率传感器实现视频速率数据。虽然这种方法提供视频速率数据，但是它通过选择性读出小像素来进行这种操作，以及在低亮度级环境中仍然具有差的图像质量，并且产生混叠图像伪像。
通过把可编程增益放大器PGA放置在读出通路中，一些APS和PPS传感器还包括传感器上的白平衡，所述增益可按照像素数据速率改变。对于高分辨率传感器，其缺点是需要更高性能的PGA。
从以上论述中应当清楚，先有技术中仍然需要高分辨率、小像素装置，它提供高读出速率、可变分辨率，同时保持低噪声和高灵敏度。
发明内容
根据本发明，提供一种对先有技术的问题的解决方案。在本发明中，提供一种具有可选通道读出体系结构的APS装置，它实现小像素和高分辨率传感器、低噪声列存储和读出电路以及对于高性能更低分辨率读出的相邻相同色彩样本平均。
根据本发明的另一个实施例，可选通道读出体系结构与共用放大器像素结合使用，提供可选电荷域装仓，以便进一步改进灵敏度和低光信噪比性能。
通过阅读以下优选实施例的详细说明和所附权利要求并参照附图，会更清晰地理解和认识本发明的这些和其它方面、目的、特征及优点。
本发明的有利效果
本发明具有以下优点。它从单个图像传感器提供低噪声、高灵敏度多分辨率成像。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的传感器的框图；
图2是本发明的第一实施例的传感器的体系结构图；
图3a是色差读出的框图；
图3b是图3a的时序图；
图4是四晶体管有源像素的示意图；
图5a是本发明的第三实施例的传感器的框图；
图5b是图5a的一个备选实施例，其中具有两倍于像素间距的列组(组)；
图6a是图2所示的传感器的操作的框图；
图6b是图6a的第一时序图；
图6c是本发明的第二实施例的操作的框图；
图6d是图6c的时序图；
图6e是图5a所示的传感器的相邻样本求平均操作的操作框图；
图6f是图5a所示的传感器的两行读出操作的第二操作框图；
图7是本发明的像素体系结构的示意图；
图8a是本发明的第一减小分辨率读出操作的框图；
图8b是本发明的第二减小分辨率读出操作的框图；
图8c是本发明的减小分辨率读出操作的操作框图；
图9是本发明的第三实施例的第一减小分辨率读出操作的框图；
图10是本发明的第三实施例的第二减小分辨率读出操作的框图；以及
图11是实现本发明的所有公开实施例的照相机。
具体实施方式
本发明的描述中提供的实例和示意图表示本发明的一个优选实施例。其它许多具体实施例是可行的，而没有背离本发明的范围。
参照图1，图中示出本发明的图像传感器10的上层框图。传感器阵列包括多个像素20。像素20可以是任何已知的APS或PPS x-y可寻址像素设计。各包括多个列抽样和保持电路(图1中未示出)的两个列电路组80(又称作存储区)电气连接到传感器阵列10的输出信号线90。两个并行模拟信号处理(ASP)链110(又称作读出区)分别连接到各列电路组80。模数转换器(ADC)120电气连接到各处理链110以便对信号数字化。2:1数字复用器130连接到两个模数转换器120，以便有选择地从两个模数转换器120选择输出。数字信号处理(DSP)块140接收来自复用器的信号以便进一步处理该信号。提供一个接口来对传感器的各种模式和特定参数进行操作和编程。
参照图2，图中示出排列成行和列的多个像素20的框图，它们与滤色器(由字母R、G、B表示)配对，以便允许各像素有选择地接收滤色器的带通所确定的特定颜色的光。在该图中，滤色器图案为红(R)、绿(G)和蓝(B)带通滤色器的Bayer图案。各像素中的R、G和B字母表示与那个像素关联的滤色器。另外，各像素中的字母E和O表示作为偶数和奇数的行和列标识。例如，字母EO表示像素处于偶数行和奇数列。为了便于详细查看，示意图示出四行和六列，它们只是成像阵列及关联电路的一部分。两个列电路组80包括多个列抽样和保持电路150，它们电气连接到像素的列。更具体来说，各组包括三个列抽样和保持电路150，其中的每个经由二对一像素输出模拟复用器160电气连接到像素20的两列，复用器160允许信号从像素的两列的任一个到关联列电路的任一个的抽样和保持。如前面图1所示，各列组80连接到关联ASP链110和ADC 120。在本例中，列抽样和保持电路150以两倍于像素间距构成。这提供了能够对小像素实现低噪声列抽样和保持电路的优点。固定图案噪声通过具有用于信号隔离和布局匹配的更大空间得到改善。列抽样和保持电路150的瞬时噪声可通过采用更大的电容器和开关来降低。物理平面图可采用阵列顶部的一个电路组和阵列底部的一个电路组来实现，或者两个电路组也可堆叠在阵列的单侧。
如前面所述，先有技术的双通道体系结构的一个缺点是两个通道之间的偏移和增益匹配。这将导致绿色不一致(GNU)伪像。
仍然参照图2的体系结构，各列中带箭头的虚线表示对于本发明的第一优选实施例在其中对特定像素抽样和保持的列电路的哪个方向或哪一组。在这种第一配置中，一行中的特定颜色的所有像素被发送给公共列电路组。例如，偶数行中的所有红色像素被发送给列电路组2，以及偶数行中的所有绿色像素被发送给列电路组1。在奇数行中，所有蓝色像素被发送给列电路组2，以及所有绿色像素被发送给列电路组1。这样，绿色平面会通过单个ASP链110和ADC 120，而红色和蓝色将通过另一个ASP链110和ADC 120。因此，在绿-红行(Gr)的绿色像素和在绿蓝行(Gb)的绿色像素之间没有出现偏移或增益失配。这通过像素输出复用器130的定时来实现。这个实例的这种具体定时如图6a和图6b所示。信号组1_e和组1_o确定分别在给定行中的偶数和奇数像素是否被发送到列电路组1。组2_e和组2_o对于列电路组2用于相同目的。对于奇数行，组1_e为高电平，组1_o为低电平，组2_e为低电平，以及组2_o为高电平。对于偶数行，组1_e为低电平，组1_o为高电平，组2_e为高电平，以及组2_o为低电平。本发明实现的这种色彩平面分隔方法可减轻GNU问题。一般来说，像素输出复用器的定时可用于把任何像素发送给任一个或者两个关联列抽样和保持电路。
由于可选双通道体系结构提供的色彩平面分隔，现在能够以流水线方式对相似色彩信号求平均，因为各列电路组和ASP链包含任何给定行的相同色彩的样本。另外，通过以这种方式操作，也不需要像素速率白平衡(WB)可编程增益放大器(PGA)，因为对于任何给定行，各ASP链110包含来自单个色彩平面的信号。在这种情况中，WB PGA必须以线速率改变，并且在ASP链1的Gr与Gb之间以及在ASP链2的R与B之间改变。ASP链1和链2相同，并以最终像素输出数据速率的一半工作。
在这种相同体系结构的另一个配置中，可提供色差读出。色差读出操作将采用图4所示的四晶体管有源像素来描述，但其它像素体系结构也可采用，而没有背离本发明的范围。参照图3a和图3b中的传感器框图及时序图，色差读出按照以下方式来完成。参照图3a、图3b以及图4，在完成积分(integration)之后，第1行的读出在该行(本例中为绿-红行)中的像素的浮动扩散190的复位之后开始。然后，绿色像素中的浮动扩散190的复位电平作为参考电平存储在一个列电路组80中。这称作Resetg。随后，光电二极管170中的信号对于行中的所有像素被传递给浮动扩散190。这时，红色像素中的浮动扩散190上的信号电平作为参考电平存储在第二列电路组80中。所存储的这个电压电平为R+Resetr。随后，绿色像素中的浮动扩散190的信号电平作为信号电平存储在两个列电路组中。这是G+Resetg。这时开始已存储信号的读出。一个列电路组80产生绿色信号电平的真正相关双样本读出，如式1所示。
(绿色+Resetg-Resetg)＝G          (1)
另一个列电路组提供色差信号读出，如式2所示。
(绿色+resetg)-(红色+resetr)＝(G-R)+(Resetg-Resetr)  (2)
这个过程对于传感器中的所有行重复进行。
本发明的可选双通道传感器体系结构的另一个实施例如图6c和图6d所示。消除了模拟复用器(前面的附图中为160)，并提供了对于各组的抽样和保持信号的分开控制。这些信号标记为SHS_e和SHS_o，分别表示偶数和奇数抽样和保持信号，以及标记为SHR_e和SHR_o，分别表示偶数和奇数抽样和保持参考。对于列电路组1和2(80)分别提供这些信号，并在图6c和图6d中相应表示。对于具有这种体系结构的图6a和图6b的模拟定时如图6c和图6d所示。一般来说，组抽样和保持信号的定时可用于把任何像素发送给任一个或者两个关联列抽样和保持电路150。
一个备选传感器体系结构如图5a和图5b所示。在图5a的情况中，存在两组列抽样和保持电路80，但列抽样和保持电路150以像素间距构成。像素输出复用器160这时为2:2配置，其中，给定行中的奇数和偶数像素可被发送到与那个复用器160关联的两个列抽样和保持电路150其中之一或者这两者。复用器160的细节未示出，但可以是本领域已知的任何配置。图5b在电气上等效于图5a，但列电路组80被分为两个子组150，它们以两倍于像素间距构成。图5b所示的这种堆叠或交错方式保持了对于图2的体系结构所述的更宽列电路的优点。
对于图5a和图5b的双通道传感器体系结构，可按照与对于图2、图3a和图3b的传感器体系结构所述的相似方式来实现相同的色彩平面分隔。图5a和图5b的传感器体系结构提供在已经描述的结构上的附加功能。由于列抽样和保持电路150以像素间距构建，因此双通道体系结构可有效地同时存储和读出图像数据的单行中的各像素的两个样本。通过对像素输出复用器160定时，可存储传感器数据的各行中的像素值的两个样本，其中色彩平面为了有效的相邻样本求平均而被分隔。这如图6e所示。操作同样在图4所示的像素的上下文中通过卷帘快门模式进行描述。可采用其它像素体系结构和操作模式，而没有背离本发明的范围。在积分结束后，开始作为偶数行的第0行的抽样和保持。通过采用像素输出复用器160把Gr像素输出连接到组1(80)中的两个关联列抽样和保持电路150，每个Gr像素信号电平存储在列电路组1(80)的两个相邻列位置。相应列抽样和保持电路中存储的G像素的每个标记为G0X，其中0表示第0行，以及X表示那个行中的列号。如图6e所示，该行中的每个G像素被存储在列电路组1(80)的两个相邻列位置中。类似地，第0行中的R信号值的每个在组2(80)的两个相邻列抽样和保持电路150中被抽样和保持。这时，两个组(80)可并行读出，以及来自单个像素的两个相邻存储的信号可经过平均，从而创建更低的噪声值。在模数转换之后在数字域中最容易实现平均。该过程对于作为奇数行的下一行重复进行，其中Gb的两个样本存储在组1(80)中，以及各B的两个相邻样本存储在组2(80)中。一般来说，这种方法可与n-样本配合使用，并保持连接到单像素以提供n-样本求平均。
图2、图6c和图6d的双通道传感器体系结构提供的相同色彩平面分隔也可采用图5a和图5b的双通道传感器体系结构通过并行的两行的存储和读出来实现。参照图6f，在积分结束后，开始作为偶数行的第0行的抽样和保持。通过采用像素输出复用器160把Gr像素输出连接到组1(80)中的关联列抽样和保持电路150的偶数列位置，每个Gr像素信号电平存储在列电路组1(80)的偶数列位置。类似地，R像素信号值的每个在组2(80)的奇数列抽样和保持电路150中被抽样和保持。随后对作为奇数行的第1行进行抽样和保持。通过采用像素输出复用器160把Gb像素输出连接到组1(80)中的关联列抽样和保持电路150的奇数列位置，每个Gb像素信号电平存储在列电路组1(80)的奇数列位置。类似地，B像素信号值的每个在组2(80)的偶数列抽样和保持电路150中被抽样和保持。这时可并行读出两个组(80)。这在图6f中通过采用值Cxy在列电路中设置特定R、G和B像素来表示，其中C表示颜色，x表示行，以及y表示列。例如，B10为第1行第0列中的蓝色像素。这个过程对阵列中的两行的各组重复进行。通过以这种方式存储和读出，阵列的2×2区域在数字域中始终可用，并且这可用于芯片内流水线式色彩处理。
应当指出，任何像素体系结构可与本发明所述的这种可选双通道存储和读出体系结构结合使用，而没有背离本发明的范围。此外，双通道概念可扩展到具有在任何组中存储和读出任何像素的能力的多个通道。
通过利用特定像素体系结构，可实现可选多通道传感器体系结构的其它优点。共用放大器像素可与可选双通道传感器体系结构配合使用，以实现电荷域装仓以及相邻样本求平均，从而对于需要较低分辨率静止图像或低光、较低分辨率视频的情况提供更高灵敏度和更低噪声。共用像素体系结构的一个预计实施例的一个实例如图7所示。
参照图7，说明本发明的共用放大器像素的示意图。这种像素体系结构实现相同色彩像素的电荷域装仓以及共用相同放大器的所有像素的电荷域装仓。虽然这个像素用作本发明的一个优选实施例，但其它像素体系结构也可用于电荷域装仓以及用于可选双通道存储和读出体系结构中。图中示出四个像素20。这四个像素20设置在一列中，使得各像素20与给定行关联。这一组的四个像素20构成传感器阵列单元格。各像素包括光电检测器170和传输门180。浮动扩散190、具有复位门210的复位晶体管200、源极跟随器输入晶体管220、行选择晶体管230以及输出信号线240在四个像素之间共用。多个单元格构成传感器阵列。其它具体实施例是可能的，并且是本领域的技术人员非常清楚的。
有四个TG信号和一个RG信号与单个行选择线关联。这被称作四共用像素。由于四共用像素，四个光电二极管共用同一个浮动扩散节点。由于列中的色彩图案为交替色(例如G、R或B、G)，因此在相同色彩光电二极管中采集的光电子可通过电荷从适当光电二极管集合到公共浮动扩散(FD)的转移被汇总或装仓到FD上。这将增加传感器的有效响应性或灵敏度，因为对于任何给定亮度级或积分时间所采集的电子数量将翻倍。另外，对于其中不是绝对需要色彩信息的极低光条件，所有四个光电二极管信号可装仓到公共FD上，进一步提高灵敏度。
在第一实例中，实现全分辨率图像的16x分辨率减小。例如，1632×1224像素的两百万像素传感器将减小到408×306的图像。分辨率减小通过将来自四像素乘以四像素区域的信号组合成称为像区(paxel)300的单个新图像元素来进行。这个像区300如图8a所示。参照图2、图7、图8a和图8c，卷帘快门启动被施加到像区300的四行中的偶数和奇数行对，使得像区300中的偶数和奇数行将具有相同积分时间。在预期积分结束时，通过使RG 210脉动来复位FD 190并在列抽样和保持电路80中存储复位电平，然后使TG 180脉动以便使电荷从PD 170转移到FD 190，之后在列抽样和保持电路中存储信号+复位电平，对偶数行开始读出。这对于第0行和第2行同时进行，(即，行选择对于四共用组为接通，使RG 210脉动，对复位电平抽样和保持，使TG0(310)和TG2(320)同时脉动，然后对这个信号电平进行抽样和保持)。这时，让两个绿色像素装仓到偶数列的浮动扩散上，以及让两个红色像素装仓到奇数列的浮动扩散190上。这在图8c中表示为位于相应列抽样和保持电路150中的两个像素值之和。绿色信号将以流水线方式通过一个ASP通道，以及红色信号将以流水线方式通过另一个ASP通道，如双通道体系结构操作中所述。
这时，可采用双通道体系结构列的一个关键优点。由于相应ASP通道中存储的信号为相同色彩，因此，相邻信号样本可通过流水线方式直接且简单地求平均，从而从4×4像区中的两个相邻色彩值创建单个值。例如，在ADC 120之后，各色彩的两个相邻样本(2-Gr和2-R)以数字方式求平均，并作为单个10位R值和Gr值输出。这如图8c所示。在这种情况中，R和Gr值实际上从四个单独像素中导出，两个像素在电荷域中装仓，以及两个装仓值在数字域中求平均。因此，增加了灵敏度并降低了噪声。
随后，像区300中的奇数行以类似方式被读出，(除了使TG1315和TG3325同时脉动外，与偶数行相同)。蓝色像素装仓到偶数列中，以及Gb像素装仓到奇数列中。Gb值被抽样和保持，然后以流水线方式通过与Gr相同的通道，而蓝色值则被抽样和保持，然后以流水线方式通过与红色像素相同的通道。B和Gb的两个相邻值这时可通过数字方式求平均，以及B和Gb的单个10位值可从传感器输出。需要时，Gr和Gb值可在芯片外求平均，以便进一步降低噪声。
这种方法具有若干优于APS装置的先有技术二次抽样方法的优点。首先，增加了灵敏度。其次，降低了噪声。这产生更高的动态范围。另外，没有产生二次抽样造成的混叠伪像。
这个相同的电荷域装仓和电压或数字域相邻样本求平均可与图5a和图5b的传感器体系结构配合使用。图5a和图5b的传感器体系结构在已经描述的结构上提供附加功能。由于列抽样和保持电路150以像素间距设置，因此双通道体系结构可有效地同时存储图像数据的两行。通过对像素输出复用器定时，可存储传感器数据的两行，其中色彩平面为了有效的相邻样本求平均而被分隔。参照图5a、图7和图6e可以看到，R’、B’、Gr’和Gb’像素值可存储在列电路组80中，如图9所示，其中R’、B’、Gr’和Gb’是像区的电荷域装仓值。它们在图9中表示为各列电路150位置中所示的两个像素值之和。Gr’和Gb’存储在组1(80)中，以及R’和B’存储在组2(80)中，如前面所述。这时，各色彩的相邻值可在传感器被读出时以流水线方式求平均。
另外，由于所有色彩值这时同时可用，因此不需要内插来获取每个4×4像区的RGB值。每个像区300的RGB还可容易地在数字域中有选择地在芯片内转换为YUV或YCC。还可以简单地对各像区以数字方式进行白平衡和色彩校正。这对于照相机预览模式和其它视频模式的直接输出视频是一个优点。
参照图10和图8b，可实现4x分辨率减小。B10和R01分别成为像区400的B和R值，以及G00和G11的平均值成为像区400的G值。读出以与全分辨率模式相同的方式进行，(对于第0行，Gr通过1ASP链110来读出，R通过另一个来读出；对于第1行，Gb通过1ASP链来读出，以及B通过另一个来读出)。G通道求平均在DSP块140中进行。
图11是实现本发明的所有公开实施例的照相机500。
以上论述说明本发明人最优选的实施例。许多变更是相关领域的技术人员十分清楚的。因此，本发明的范围应该不是由所公开的实施例来衡量，而是由所附权利要求来衡量。
已经参照优选实施例对本发明进行了说明。但是，大家会理解，本领域的技术人员可进行各种变更和修改，而没有背离本发明的范围。
配件表
10 图像传感器(或者传感器阵列)
20 像素
80 列电路组(或者存储区)
90 输出信号线
110 模拟信号处理(ASP)链(或读出区)
120 模数转换器(ADC)
130 2:1数字复用器/像素输出复用器
140 数字信号处理(DSP)块
150 列抽样和保持电路
160 二对一像素输出模拟复用器
170 光电二极管/光电检测器
180 传输门
190 浮动扩散
200 复位晶体管
210 复位门
220 源极跟随输入晶体管
230 行选择晶体管
240 输出信号线
300 像区
310 TG0
315 TG1
320 TG2
325 TG3
400 像区

Claims (2)

1.一种x-y可寻址的图像传感器，包括：
(a)多个光接收元件，排列成把光转换为信号的行和列的阵列；
(b)至少两个信号存储组，由独立信号存储元件组成；所述至少两个存储组的每一个具有足够的独立存储元件来存储来自所述阵列中的光接收元件的至少一行的信号；以及
(c)至少两个选择机构，它们可把来自所述多个光接收元件的信号引导至所述信号存储组的任一个或其组合；其中，所述选择机构用于把来自光接收元件的信号发送到预期信号存储组，使得对于任何给定行，单一信号存储组包含来自单一色彩类型的信号。
2.一种照相机，包括：
一种x-y可寻址的图像传感器，包括：
(a)多个光接收元件，排列成把光转换为信号的行和列的阵列；
(b)至少两个信号存储组，由独立信号存储元件组成；所述至少两个存储组的每一个具有足够的独立存储元件来存储来自所述阵列中的光接收元件的至少一行的信号；以及
(c)至少两个选择机构，它们可把来自所述多个光接收元件的信号引导至所述信号存储组的任一个或其组合；其中，所述选择机构用于把来自光接收元件的信号发送到预期信号存储组，使得对于任何给定行，单一信号存储组包含来自单一色彩类型的信号。
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