CN103348475A - 传感器的或涉及传感器的改进 - Google Patents
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Abstract
一种具有像素阵列的传感器，其中该传感器包括全局快门并且每个像素(100)包括至少两个适于独立存储预定时间段内的两个或多个连续帧的存储元件(M8，M12)，并且其中每个存储元件被适配为被独立读出。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的或涉及传感器的改进，该传感器诸如用于设备的触摸传感器。
背景技术
诸如膝上电脑等的计算机设备经常配备以触敏传感器或导航设备。这些通常是包括用作图像传感器的像素阵列的CMOS器件。图像传感器检测在其附近的对象的移动并且将该所检测的移动转换为用于控制计算机设备的控制信号。
大多数CMOS图像传感器包括卷帘叶片快门，像素在其中被逐行处理，针对快门的每次移动，一行被整合而另一行被读出。快门在阵列上移动，使得所有像素被曝光同样长的时间，但并非是在同时被曝光。如与风扇、直升机桨叶或螺旋桨相关联的成像问题所说明的，卷帘叶片快门在拍摄快速移动的对象的图像时并不能良好工作。操作卷帘叶片快门针对大多数类型的消费者使用而言通常并不存在问题，并且大多数用户实际上并没有注意到这些类型的人工产物。
然而，在其中由计算机算法对图像进行处理和分析的机器视觉领域中，由于运动所导致的图像失真会成为主要的问题。在这些情况下，该算法通常将会失败或者产生不准确或不可靠的数据。结果，在机器视觉类型的应用中，通常使用具有全局快门的像素阵列。这里，所有像素同时由重置所释放并且同时开始整合。在具体周期之后，所有像素随后被同时读出到临时存储中，该临时存储经常位于像素内部。该临时存储随后被逐行扫描，其中信号得以被放大或者被转换为数字值。
用于卷帘叶片快门操作的像素通常具有最少数量的晶体管。从而是密集的，并且因此适用于具有大量像素的传感器，其中裸片(die)大小和图像平面的大小需要保持为小的。
目前，全局快门像素在每个像素中具有单个存储元件。因此，在图像已经被获取之后，其必须在能够获取下一个信号之前被读出。这通常涉及放大处理和/或转换为数字值。读出时间通常明显比曝光时间更长。例如，640×480的像素阵列可以以200Hz(5ms)读出，而曝光时间可以如10μs那么短以防止或减少运动运动模糊。因此，利用在每个像素中的单个存储元件，两次曝光会间隔如5ms之久。
阵列读出所导致的该类型延迟在某些环境中会导致问题出现。例如，如果要从图像移除背景或环境照明，则环境照明的数量(例如，由于来自电网供电灯的闪烁)会在5ms中出现相当的变化。类似地，如果需要运动检测，则图像可能会在5ms中进行相当的移动而使得更加难以确定运动方向并且可能使得系统敏感于时间混叠(temporal aliasing)。时间混叠在具有重复空间频率的结构(例如条形码或螺旋桨叶片)在帧之间的延迟期间已经移动了几乎一个完整周期的情况下出现，此时第二图像将看上去已经向后移动了。
为了避免这种类型的问题，尤其是对于环境光线检测和移动检测而言，期望能够非常快地连续拍摄两幅图像。
US7375750公开了一种适用于光学鼠标中的小型图像阵列尺寸(例如，20×20像素)的全局快门实现，该光学鼠标适用于每个像素多个图像的存储。然而，由于阵列和读出之间存在与阵列中的像素一样多的互连引线，所以该技术将无法用于较大阵列，因为引线将阻挡光线落到阵列之上。
已经提出了各种电路架构以试图开发出一种能够用于存储一个图像或多个序列图像的全局快门应用。
已经提出了三晶体管(3T)像素架构，其在像素内提供增益并且因此具有低噪声。其还可以在大多数COMS处理技术中进行构建而无需针对该处理进行任何修改。然而，该架构受到与暗电流和重置(kTC)噪声相关联的问题的影响。
提出了四晶体管(4T)像素架构，其具有：隐埋的光电二极管以使得其对于在表面生成的暗电流免疫，并且因此具有比3T像素上的光电二极管更低的暗电流。像素被设计为使得其能够被完全耗尽，并且因此在重置期间没有电子存储于其上，从而对于kTC噪声免疫。由于其具有比3T像素架构更低的噪声，所以该架构被采用用于具有小的像素大小的系统并且其中该系统被以低光照水平进行操作。
4T像素架构在高光照水平下无法良好工作，因为一旦光电二极管上的电荷衰减至接地，则进一步由光生成的电荷将无法被存储在光电二极管中但是却能够流向相邻像素，这使得图像在称之为“敷霜(blooming)”的处理中有所退化。
已经提出了五像素架构(5T)，其通过使用另一个晶体管以在像素并未整合时为光生成电子提供路径而解决了高光照水平下的敷霜问题。然而，5T架构仅具有单个存储节点并且因此无法快速获取两个帧。此外，存储在感测节点上的电压被暗电流或寄生光线敏感度所影响。通常，感测节点的容量被保持为低以提高转换增益并且因此低水平的暗电流或光生成电荷将具有很大影响。
已经提出了七像素(7T)架构，其通过在像素中拥有源极跟随器并且将信号存储在更大电容器上而克服了寄生光线敏感度和暗电流的问题。然而，该像素却并不适用于图像的快速获取，因为图像仍然需要在下一个图像被获取之前从阵列中读出。
X.Wang、J.Bogaerts等人已经在SPIE Electronic Imaging2010vol.7536：“A2.2μm CIS for machine vision applications”中提出了八像素(8T)架构。该像素具有浮动扩散形式的3个存储节点以及两个电容器。第二电容器允许对寄生光线敏感度进行更大抑制但是并不允许更快的图像获取。
US5,471,515中公开了一种光门型像素，并且除了其使用在其中应用电势电压以形成“势阱”而使得光生成电荷能够累积的光门之外，其类似于广泛使用的4T像素。这比3T像素具有更低的暗电流，但是由于无法消除重置(亦称作“kTC”)噪声并且光门降低了像素对光线的敏感度(特别是在光谱的蓝色区域之中)，因此不再被使用。虽然光门像素能够进行全局快门操作，但是其仅具有1个存储电容器并且因此也受到敷霜的影响。
如US6838653中所描述的，光门型像素可以被调适为具有两个读出通道并且能够被用于以非常短(＜10μs)的间隔获取两个图像。然而，由于光门通常被两个传输门所重叠以确保光所生产的电荷被有效传输，所以该架构难以制造。多晶硅的这种重叠在标准CMOS或成像处理技术中都并不常见并且难以生产。另外，由于在对存储信号的浮动扩散电容器进行重置的情况下就无法重置光门，所以像素对于寄生光线敏感度和敷霜特别敏感。如果来自一个图像的光生成电荷在图像读取时并未完全传输，则电荷将在下一个图像上传输从而在下一个图像中导致时间噪声。
结果，并没有针对出于环境光线感测和/或运动检测的目的而提供具有全局快门配置并且具有两个图像的快速捕捉的传感器这一问题的解决方案。
发明内容
本发明的一个目的是克服与现有技术相关联的至少一些问题。
本发明进一步的目的是提供一种用于环境光线消除或运动检测的具有全局快门和两个存储元件的像素。
本发明提供了一种如所附权利要求中所给出的方法和系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种传感器，其具有像素阵列，其中该传感器包括全局快门并且每个像素包括至少两个适于独立存储预定时间段内的两个或多个连续帧的存储元件；并且其中每个存储元件适于被独立读出。
可选地，该存储元件适于被同时读出。
可选地，该存储元件适于利用位线被读出。
可选地，存在两个位线。
可选地，该存储元件包括晶体管。
可选地，该存储元件包括电容器。
可选地，对该两个或多个连续帧进行处理以确定环境光线条件。
可选地，对该两个或多个连续帧进行处理以确定对象从一个帧至连续帧的移动。
可选地，对象的移动被用来生成用于设备的控制信号。
可选地，屏幕为触摸屏。
本发明提供了多种好处。本发明产生了一种适用于全局快门操作的像素，其相对不敏感于寄生光线敏感性，不会受到敷霜的影响并且能够以快速地连续(例如＜10μs)获取两个图像。该像素可以在用于任意类型的应用的传感器中使用，并且对于环境光线感测和移动检测而言是特别有利。这样的像素的阵列能够在机器视觉和其它类似应用中使用。
附图说明
现在将通过示例参考附图，其中：
图1是依据本发明实施例的十晶体管像素架构电路的电路图；
图2是依据本发明实施例的图1中架构的时序图；
图3是依据本发明实施例的十像素架构电路的电路图；
图4是依据本发明实施例的十像素架构电路的电路图；
图5是依据本发明实施例的具有双存储的三像素架构电路的电路图；
图6是依据本发明实施例的具有双存储的三像素架构电路的电路图；以及
图7是依据本发明实施例的具有双存储的三像素架构电路的电路图。
具体实施方式
本发明涉及一种全局快门系统，其具有7T像素架构并且具有至少两个存储节点。全局快门可以同时对整个像素阵列进行曝光以使得所有像素在快门的曝光时间期间被照亮并且电荷在其间被存储。随后，像素以适合环境的任意方式进行读取。曝光时间和快门的操作通过控制像素的时序而进行。该像素适于在对应于全局快门的快门速度的具体时间段期间存储电荷。由于浮动扩散电容器和光电二极管可以独立于图像存储节点进行重置，像素在传感器不被曝光时不会受到这些节点中的两个节点的敷设的影响，并且不会影响全局快门所需的存储动作。根据公式I＝C*dV/dt(其中I为电流，C为电容，dV为电压变化且dt为时间变化)，能够看出如果I恒定(例如，相同数量的暗电流或光生成电荷)并且相同的读出时间(dt)，则电压变化(dV)将在电容C增大的情况下减小。因此，可以使得存储节点的电容足够大以使得暗电流和来自寄生光线的电流对于像素操作具有相对不明显的影响。
参考图1，现在将描述本发明的第一实施例。这是具有两个输出位线的10T像素。电路100包括多个晶体管M1至M12，它们的功能将在以下更为详细地给出。应当注意的是，晶体管M8和M12是存储设备并且可以由简单电容器或任意其它适当设备所替代。该电路还包括两个输出位线102和104；光电二极管106以及浮动扩散电容器108。该电路包括输入和输出线路(VDD、VRT、TG(传输门)、VBIAS(偏置电压)、READ1(读取1)、SAMPLE1(采样1)、SAMPLE2(采样2)和RESET(重置))。
M1是源极跟随器，其中M1的源极上的电压跟随M1的栅极上的电压。M2被用来对浮动扩散电容器108进行重置，并且如果TG为高，则光电二极管也将被重置。M3是读取晶体管并且在需要来自相对应行的信号时被使能。其在访问传感器中另一行时被无效。
M4是用于在像素重置期间从VRT向光电二极管传输电荷并且在像素读出期间从光电二极管向浮动扩散节点传输电荷的传输门晶体管。M5是M1的有效负载以确保其正确操作。为了节省功率，可能在像素并未被读出时将VBIAS拉低以使得M1不被使用。晶体管M6被用作开关并且在其使能时，允许M1的源极处的电压被存储在电容器M8上。M8是存储来自像素的信号的电容器。M8可以是金属金属电容器，但是由于该电容器存储电压而不是电荷并且被源极跟随器晶体管(M7)所跟随，所以其无需是线性的并且因此MOS晶体管的栅极可以被用作电容器。M7是针对存储节点M8上的电压的源极跟随器。
M9提供与M6相同的功能，但是是用于第二存储位置。M10提供与M7相同的功能，但是是用于第二存储位置。M11提供与M3相同的功能，但是是用于第二存储位置。M12提供与M8相同的功能，但是是用于第二存储位置。
在现有技术中存在包括两个电容器或存储设备的架构。向电容器存储或从其读取的控制并未使得两个单独图像能够被单独处理。此外，在存储和读取时，由于电荷共享等而存在着从第一存储设备对第二存储设备的影响(反之亦然)。
本发明通过独立地向每个存储元件进行写入并从其进行读取而克服了这些问题。两个存储元件M8和M12分别在第一和第二时间被写入，该时间对应于所捕捉的连续帧。
图1中像素的典型操作可以在图2中看出。该序列捕捉两个图像并且随后读出该图像。这两个图像可以是一个具有环境和LED照明而一个则仅具有环境照明，或者可以是用于运动检测目的的两个连续图像。
第一操作是对光电二极管进行重置；这通过在RESET为高时使得TG(传输门)形成脉冲来实现。该系统随后等待适当时间段(被不同地称作曝光时间、整合时间或快门时间)并且随后对光电二极管上的信号进行采样并存储对应于信号强度的电压。这是通过首先使得RESET随着TG脉冲变低以重置图1中的浮动扩散节点108来实现的。通过令TG形成脉冲而将来自光电二极管的光生成电荷传输至浮动扩散，并且该电荷通过浮动扩散电容器108的电容被转换为电压。该电压被源极跟随器M1所缓存。通过令SAMPLE1脉冲变高而使能开关晶体管M6而将该信号存储在第一采样电容器(M8)上。
在该时间点，来自第一帧的信号已经被存储并且光电二极管被再次重置。该系统随后等当适当时间段并且接着以类似方式读出第二帧和光生成电荷，其区别在于这次通过利用高逻辑电平脉冲SAMPLE2使能开关晶体管M9而将信号存储在第二采样电容器(M12)上。
两个图像现在已经被独立获取并且被存储在阵列中的所有像素之中。两个图像中的每一个随后可以被独立读出并且可选地转换为数字信号。这通常是通过顺序地令该阵列的每一行的READ信号脉冲变高而逐行进行的。
以上描述典型地针对4T像素。然而，对于3T像素而言，没有传输门或单独的浮动扩散节点，从而将不存在TG脉冲并且无需对浮动扩散节点进行重置。
拥有来自像素的两个输出位线是独立读出阵列的最快方式，因为像素中的两个存储位置同时可用。其还允许对信号进行模拟操作，例如信号的差分。该系统包括两个金属导体，其可以减小像素的占空因数并且因此降低其响应性。
图3示出了第二实施例，其是具有单个位线和双输出源跟随器的10T像素。该实施方式将减少垂直逐行所需的金属引线的数量。结果是带宽减小且水平金属导体(逐列)增加，其被称作“READ2”。
源极跟随器的操作并非完全从输入向输出复制相同的电压。例如，由于晶体管的阈值电压而存在这两个信号之间的电压差。该阈值电压由栅极氧化物绝缘体层的掺杂和厚度所确定。这通常非常薄，其量级处于大约3nm和6nm之间。结果，该阈值电压易于受到制造期间的微小变化的影响并且将随逐个晶体管而有所变化。
在图1和图3所示的电路中，输入源极跟随器(M1)共用于两条路径，并且因此当存储在两个存储元件(M8、M12)中的每一个上的信号被从彼此减去时，M1中的像素-像素变化将被消除。然而，输出源极跟随器晶体管(M1、M10)并不共用并且因此它们的差异在没有应用适当操作的情况下将不会被消除。该消除可以通过重置浮动扩散并且将重置电压存储在存储元件M8和M12中并且随后执行后跟有减去操作的读出来执行。该技术需要两次读出操作并且因此读出时间加倍而读出速率减半。然而，存储以及每个存储元件的读出都互相独立地进行。
图4示出了另一个实施例，这是具有单个位线以及单个输出源极跟随器晶体管的10T像素架构。由于源极跟随器晶体管M1和M9共用于两个存储元件，所以在来自两个存储元件的信号被减去时将消除阈值电压中的像素-像素变化。
由于仅有单个位线，所以有必要对该像素执行两次独立的读操作，并且因此读出速率将小于图1中的配置的读出速率。然而，速度的降低将小于2倍，原因在于读出周期的主要部分涉及模数转换。这样，切合实际的是，从像素中的一个存储元件读出信号，将其存储在列中(在大的电容器上以减少错误)，并且随后从其它存储元件读出该信号，并且在其被转换至数字域之前使用模拟电路系统执行减法。同样，每个存储元件的存储以及读取操作相互独立地进行。
可替换地，(根据像素大小和ADC大小)有可能在每个列具有两个外部ADC，以在不同电容器上存储每个信号，并且随后同时转换两个信号。
如之前所提到的图1、3和4中所示的实施例，它们全部使用了4T架构的修改形式。虽然该架构由于其减小了暗电流和重置噪声而是有利的，但是仍然可能将本发明连同3T类型的像素架构一起使用。这些实施例的示例在图5、6和7中示出。传输门“M4”和“Cfd”已经被去除并且电容“Cpd”500是光电二极管的电容和处于晶体管M1的栅极处的其它寄生电容的组合。该电容设置了像素转换增益，其是每个光生成电子的电压输出摆幅。在每个实施例中，向存储元件进行存储以及从其进行读出彼此独立地执行。
在图1、3、4、5、6和7中，光电二极管源极跟随器(M1)和输出源极跟随器(M7以及当前的M9)为相同类型，诸如NMOS器件。这种类型的器件对于保持小的像素尺寸以及适应光电二极管尺寸的增加而言是最为有效的，因为两个晶体管可以处于诸如P阱的相同的阱之中。跨这些晶体管中的每个存在压降(VT)并且因此处于位线VX0上的像素输出为(2×VT)，低于光电二极管上的电压。这能够减小像素上的实际电压摆幅并且因此减小系统的动态范围。
实施本发明的一种可替换手段是使用相反极性的电压跟随器。由于压降(VT)的极性相反但幅度相似，所以最为切合实际的是保持光电二极管源极跟随器M1为NMOS，并且使得输出源极跟随器M7和M10的极性相反，PMOS。结果，与在光电二极管和输出位线之间具有(2×VT)的压降不同的是，压降大约为0。由于NMOS和PMOS晶体管的阈值将不会完全相同，例如分别为300mV和-350mV，所以该压降不可能精确为零。
以上的每种像素架构可以在像素阵列中进行组合以用作传感器。阵列中的像素数量将取决于传感器的属性和尺寸。该传感器将包括用于将光线引向该传感器的适当光学器件以及用于测量、处理和使用所生成信号的适当电路系统。来自每个像素的输出将以特定方式进行读取以便输出所需图像。例如，像素可以被逐行顺序读取以输出图像。
以上所描述的实施例使得能够在全局快门像素系统中进行运动检测和环境光线消除。以上所描述的实施例均允许至少两个图像被快速连续地独立拍摄并且在可接受的时间帧中被独立读出以使得能够根据连续图像来计算环境光线测量值。此外，在运动检测器的环境中，连续图像在时间上对于所要测量的有意义运动而言足够接近并且随后被转换为控制功能等。以上实施例全部都涉及捕捉和处理两个顺序图像。如果有必要，通过增加适当电路系统，像素能够被调适为捕捉多于两个的图像。
像素或者像素阵列或传感器意在用于诸如触摸屏的任意适当设备之中；或者用于任意机器视觉应用或者诸如鼠标或手指鼠标的其它光学输入设备之中。然而，将要意识到的是，该传感器可以在任意适当设备中使用，例如指纹读取器或芯片实验室(Lab-on-chip)/生物光学传感器系统(其针对医疗和/或生物测试应用检测化学荧光性)。
该传感器可以在任意适当设备中使用，诸如移动或智能电话、其它个人或通信设备、计算机、遥控器、用于门等的访问模块、相机或者任意其它适当设备。
本发明可以有将被本领域技术人员所意识到并且包括在本发明范围之内的许多变化形式。
Claims (31)
1.一种传感器，包括：
像素阵列，以及
全局快门，被配置为对所述像素阵列进行曝光；
其中每个像素包括适于独立存储预定时间段内的多个连续帧的多个存储元件；并且其中每个存储元件被配置为被独立读出。
2.根据权利要求1所述的传感器，可操作以使得所述存储元件被同时读出。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，进一步包括被配置为读出所述存储元件的单个位线。
4.根据权利要求1或2所述的传感器，包括多个位线，每个存储元件被配置为经由不同位线而被读出。
5.根据权利要求4所述的传感器，包括两个位线和两个存储元件。
6.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其中所述存储元件包括晶体管。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器，其中所述存储元件包括电容器。
8.根据前述权利要求任一项所述的传感器，包括处理电路系统，所述处理电路系统耦合至所述多个存储元件并且可操作以对多个连续帧进行处理以便确定环境光线条件。
9.根据前述权利要求任一项所述的传感器，进一步包括处理电路系统，所述处理电路系统耦合至所述多个存储元件并且可操作以对多个连续帧进行处理以便确定对象从一个帧至连续帧的移动。
10.根据权利要求9所述的传感器，可操作以使得所述对象的所述移动被用来生成用于所述设备的控制信号。
11.以触摸屏形式的根据前述权利要求任一项所述的传感器。
12.一种包括根据前述权利要求任一项所述的传感器的设备。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是机器视觉设备。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是计算机。
15.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是电话。
16.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是相机。
17.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是智能电话。
18.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备是遥控器。
19.一种图像捕捉方法，包括：
同时对像素阵列中的每个像素进行曝光；
将预定时间段内的多个连续帧独立存储在每个像素内，以使得所述多个连续帧被同时存储在所述像素内；
从所述像素独立读出所述连续帧中的每一帧。
20.根据权利要求19所述的图像捕捉方法，其中所述同时存储的连续帧被同时读出。
21.根据权利要求19或20所述的图像捕捉方法，其中所述多个连续帧经由单个位线被读出。
22.根据权利要求19或20所述的图像捕捉方法，其中所述同时存储的多个连续帧中的每一帧经由专用位线被读出。
23.根据权利要求22所述的图像捕捉方法，其中在每个像素内存储两个连续帧。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的图像捕捉方法，其中对所述多个连续帧进行处理以便确定环境光线条件。
25.根据权利要求19至23中任一项所述的图像捕捉方法，其中对所述多个连续帧进行处理以确定对象从一个帧至连续帧的移动。
26.根据权利要求25所述的图像捕捉方法，其中所述对象的所述移动被用来生成用于所述设备的控制信号。
27.一种制造传感器的方法，包括：
形成像素阵列，其阵列中的每个像素包括被配置为独立存储多个连续帧的多个存储元件，每个存储元件被配置为被独立读出；以及
配置全局快门以对所述像素阵列进行曝光。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述存储元件被配置为被同时读出。
29.根据权利要求27或28所述的方法，进一步包括配置至少一个位线以读出所述存储元件。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，进一步包括配置处理电路系统，所述处理电路系统耦合至所述多个存储元件，以对所述多个连续帧进行处理以确定环境光线条件。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，进一步包括配置处理电路系统，所述处理电路系统耦合至所述多个存储元件，以确定对象从一个帧至另一个帧的移动。
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