CN106358026A - 包括自动对焦像素的图像传感器和包括其的图像处理系统 - Google Patents

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Abstract

提供了包括自动对焦像素的图像传感器和包括其的图像处理系统。所述图像传感器包括：像素阵列，包括具有R、G和B拜尔模式的第一像素至第四像素；模数转换器(ADC)块，构造为将第一像素至第四像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号。第一像素至第四像素中的至少一个包括沿第一方向分开的两个光电二极管，第一像素至第四像素中的至少另一个包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管。

Description

包括自动对焦像素的图像传感器和包括其的图像处理系统
本申请要求于2015年7月15日在韩国知识产权局提交的第10-2015-0100219号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。
技术领域
公开的示例性实施例涉及一种图像传感器和一种包括该图像传感器的图像处理系统，更具体地，涉及一种包括具有2-光电二极管(PD)结构的自动对焦像素的图像传感器和一种包括该图像传感器的图像处理系统。
背景技术
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器是使用CMOS的固体类型成像装置。与采用高电压模拟电路的电荷耦合器件(CCD)图像传感器相比，CMOS图像传感器制造廉价并具有小尺寸以降低功耗。由于CMOS图像传感器的性能已经比其在最初的发展阶段提高很多，因此CMOS传感器主要安装于包括便携装置的家用电器中，诸如智能电话和数码相机等。
在包括CMOS图像传感器的像素阵列中，每个像素包括光电转换元件。所述光电转换元件可生成根据入射于其上的光的量而改变的电信号。CMOS图像传感器可通过处理电信号来合成图像。
近来，已经开发了具有使相机自动对焦的自动对焦功能的相机。为了执行自动对焦功能，应生成自动对焦信息基于的信号。近来，已经做了很多尝试在不使用附加光学系统的情况下，通过将用于自动对焦的像素加入到包括在CMOS图像传感器中的像素光接收单元来生成自动对焦信息。
发明内容
根据公开的一方面，图像传感器包括：像素阵列，包括具有R、G和B拜尔模式的第一像素至第四像素；模数转换器(ADC)块，构造为将第一像素至第四像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号；控制块，构造为控制像素阵列和ADC块。
第一像素至第四像素中的至少一个包括沿第一方向分开的两个光电二极管，第一像素至第四像素中的至少另一个包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管。
根据公开的另一方面，图像传感器包括：像素阵列，包括具有R、G、和B拜尔模式的多个像素；模数转换器(ADC)块，构造为将所述多个像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号。
所述多个像素包括：第一类型像素，包括沿第一方向分开的两个光电二极管；第二类型像素，包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管，基于从第一类型像素输出的信号计算用于第一方向的第一自动对焦信息，基于从第二类型像素输出的信号计算用于第二方向的第二自动对焦信息。
根据公开的另一方面，图像处理系统包括：图像传感器，包括像素阵列，所述像素阵列包括多个自动对焦像素。模数转换器(ADC)块构造为将所述多个自动对焦像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号。图像处理器构造为从数字像素信号提取用于自动对焦操作的自动对焦信息。
自动对焦像素包括：第一类型像素，包括沿第一方向分开的两个光电二极管；第二类型像素，包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管；第三类型像素，包括沿第一方向或第二方向分开的两个光电二极管。
根据公开的另一方面，图像传感器包括第一像素，所述第一像素具有设置在使第一像素二分(bifurcate)的第一轴的相对侧上的两个光电二极管，第一像素通过绿色滤波器接收光。第二像素具有设置在使第二像素二分的第二轴的相对侧上的两个光电二极管，第二像素通过红色或蓝色滤波器接收光。第三像素具有设置在使第三像素二分的第三轴的相对侧上的两个光电二极管。第四像素具有设置在使第四像素二分的第四轴的相对侧上的两个光电二极管，第四像素通过绿色滤波器接收光。第一轴和第四轴基本平行，第二轴基本垂直于第一轴和第四轴。第一像素、第二像素、第三像素和第四像素以红色、绿色和蓝色拜尔模式布置。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，公开的示例性实施例将被更清楚地理解，在附图中：
图1是根据公开的实施例的包括图像传感器的图像处理系统的示意性框图；
图2是更详细地示出图1的图像传感器的结构的图；
图3至图8示出根据公开的实施例的图2的像素阵列的各种示例；
图9是根据公开的实施例的像素(诸如在图3至图8中示出的像素)的电路图；
图10是根据公开的另一个实施例的像素(诸如在图3至图8中示出的像素)的电路图；
图11是根据公开的实施例的包括图1的图像传感器的电子系统的框图；以及
图12是根据公开的另一个实施例的包括图1的图像传感器的图像处理系统的框图。
具体实施方式
图1是根据公开的实施例的包括图像传感器100的图像处理系统10的示意性框图。参照图1，根据公开的实施例的图像处理系统10可包括图像传感器100、图像处理器(例如，数字信号处理器(DSP))200、显示单元300和透镜500。
图像传感器100可包括像素阵列110、行驱动器130、模数转换器(在下文中被称为“ADC”)块140、列驱动器150、时序发生器170、控制寄存器块180和缓冲器190。
图像传感器100在DSP 200的控制下感测使用透镜500捕捉到的目标350的图像。DSP 200可将由图像传感器100感测并输出的图像输出至显示单元300。在这种情况下，显示单元300的示例包括能够输出图像的各种类型的装置。例如，显示单元300可为计算机、移动电话和包括相机的电子装置等。
在这种情况下，DSP 200可包括相机控制器210、图像信号处理器(ISP)220和个人计算机接口(PC I/F)230。相机控制器210控制控制寄存器块180。在这种情况下，相机控制器210可根据预定的标准控制图像传感器100(例如，控制寄存器块180)。
ISP 220接收作为缓冲器190的输出信号的图像数据，将图像数据处理/处置成使人眼看得见，并将处理/处置后的图像数据通过PC I/F 230输出至显示单元300。
尽管图1示出ISP 220包括在DSP 200中，但是ISP 220的位置可由本领域的普通技术人员改变。例如，ISP 220可包括在图像传感器100中。
像素阵列110包括多个像素(例如，图2的像素P11至Pnm 120)，每个像素包括光电转换装置(诸如光电二极管、钉扎光电二极管等)。所述多个像素P11至Pnm 120中的每个通过感测光并通过使用光电装换装置将所述光转换为电信号来生成图像信号。
时序发生器170可通过将控制信号或时钟信号输出至行驱动器130和列驱动器150来控制行驱动器130和列驱动器150的操作或时序。控制寄存器块180可向时序发生器170提供从DSP 200接收的控制信号或时钟信号。
行驱动器130以行为单位驱动像素阵列110。例如，行驱动器130可生成用来分别控制像素阵列110的多个像素P11至Pnm 120的行控制信号(例如，图2的行控制信号RCS1至RCSn)。像素阵列110将来自根据由行驱动器130生成的行控制信号RCS1至RCSn选择的行的像素信号(例如，图2的像素信号PS1至PSm)输出至ADC块140。图2的像素信号PS1至PSm是模拟像素信号。
ADC块140将从像素阵列110输出的像素信号(例如，图2的像素信号PS1至PSm)转换为数字像素信号(例如，图2的数字像素信号DP1至DPm)，并将数字像素信号输出至缓冲器190。在一个示例性实施例中，ADC块140可基于斜坡信号(未示出)将像素信号(例如，图2的像素信号PS1至PSm)转换为数字像素信号(例如，图2的数字像素信号DP1至DPm)。
列驱动器150可在时序发生器170的控制下控制ADC块140和缓冲器190的操作。即，列驱动器150可控制像素信号是否从像素阵列110的各列输出以及生成和输出数字像素信号的时序。
缓冲器190暂时存储从ADC块140输出的数字像素信号(例如，图2的数字像素信号DP1至DPm)，并感测、放大以及输出数字像素信号。
图2是更加详细地示出诸如图1中示出的图像传感器100的图像传感器100a的结构的图。参照图1和图2，图2的图像传感器100a的元件(示出以解释图1的图像传感器100的操作)与图像传感器100的元件基本相同。
图像传感器100a包括像素阵列110、行驱动器130、ADC块140和缓冲器190。
像素阵列110可包括连接至多条行线和多条列线COL1至COLm的像素P11至Pnm120。像素P11至Pnm 120可沿行方向和列方向布置。
像素P11至Pnm 120可根据来自行驱动器130的行控制信号RCS1至RCSn而被顺序地激活，以将像素信号PS1至PSm分别输出至列线COL1至COLm。
在一个示例性实施例中，如下面将参照的图9描述的，列线COL1至COLm中的每条列线可包括两条子列线(例如，图9的子列线COL1-1和COL1-2)。
ADC块140可包括第一至第m ADC单元142-1至142-m。
第一至第m ADC单元142-1至142-m可分别连接至第一至第m列线COL1至COLm，分别接收第一至第m像素信号PS1至PSm并将第一至第m像素信号PS 1至PSm转换为数字像素信号DP1至DPm。
例如，第一至第m ADC单元142-1至142-m可将斜坡信号(未示出)和第一至第m像素信号PS 1至PSm作比较，基于比较斜坡信号和第一至第m像素信号PS 1至PSm的结果生成比较信号(未示出)，并对比较信号进行计数以生成数字像素信号DP1至DPm。数字像素信号DP1至DPm可存储在缓冲器190中。
在一个示例性实施例中，在列线COL1至COLm中的每条列线包括两条子列线(例如，图9的子列线COL1-1和COL1-2)时，第一至第m ADC单元142-1至142-m中的每个可包括两个子ADC单元(未示出)。在这种情况下，每个子ADC单元可将对应的子像素信号转换为数字信号。在一些示例性实施例中，第一至第m ADC单元142-1至142-m中的每个可将对应的两个子像素信号顺序地转换为数字信号。
缓冲器190可包括分别连接至第一至第m ADC单元142-1至142-m的第一至第m存储器192-1至192-m和感测放大器194。
第一至第m存储器192-1至192-m可暂时存储数字像素信号DP1至DPm，并在列驱动器150的控制下将数字像素信号DP1至DPm顺序地输出至感测放大器194。感测放大器194可感测并放大数字像素信号DP1至DPm，并将放大的数字像素信号DP1至DPm输出至ISP 220。
ISP 220可处理数字像素信号DP1至DPm。
图3至图8示出根据公开的实施例的图2的像素阵列110的各种示例。
为便于解释，图3至图8的每个仅示出了像素阵列110的像素中的四个像素(例如，图3的像素120-1A至120-1D)。像素阵列110还可包括具有与所述四个像素的结构基本相同的结构的像素。
所述四个像素(例如，图3的像素120-1A至120-1D)可为用于生成自动对焦信息的自动对焦像素。
图3中示出的像素阵列110-1可包括以拜尔模式(Bayer pattern)布置的第一像素120-1A至第四像素120-1D。即，第一像素120-1A可为包括绿色滤波器(未示出)的红底绿色(green-on-red)(Gr)像素。第二像素120-1B可为包括红色滤波器(未示出)的红色(R)像素。第三像素120-1C可为包括蓝色滤波器(未示出)的蓝色(B)像素。第四像素120-1D可为包括绿色滤波器(未示出)的蓝底绿色(Gb)像素。
第一像素120-1A至第四像素120-1D中的每个可包括具有与其对应的面积的一个透镜122。
此外，第一像素120-1A可包括两个光电二极管Gr1和Gr2，第二像素120-1B可包括两个光电二极管R1和R2，第三像素120-1C可包括两个光电二极管B1和B2，第四像素120-1D可包括两个光电二极管Gb1和Gb2。
在本实施例中，作为绿色像素的第一像素120-1A包括沿第一方向分开的光电二极管Gr1和Gr2，作为绿色像素的第四像素120-1D包括也沿第一方向分开的光电二极管Gb1和Gb2。
相反，作为红色像素的第二像素120-1B包括沿第二方向分开的光电二极管R1和R2，作为蓝色像素的第三像素120-1C包括也沿第二方向分开的光电二极管B1和B2。
在此，第一方向被定义为竖直方向(例如，图3中由线B-B’或C-C’指示的方向)或列方向，第二方向被定义为水平方向(例如，图3中由线A-A’或D-D’指示的方向)或行方向，但公开的示例性实施例不限于此。
第一像素120-1A的两个二极管Gr1和Gr2在第一像素120-1A中沿行方向布置(平行于线A-A’的方向)并可在列方向(垂直于线A-A’的方向)具有长的形状。第二像素120-1B的两个二极管R1和R2沿列方向布置(平行于线B-B’的方向)并可在行方向(垂直于线B-B’的方向)具有长的形状。
除了其滤色器和其光电二极管分开所沿的方向外，第一像素120-1A至第四像素120-1D的结构和操作基本相同。因此，在此将关于第一像素120-1A描述图3至图8的实施例。
第一像素120-1A包括第一光电二极管Gr1和第二光电二极管Gr2，并可生成包括与积累在第一光电二极管Gr1的光电荷对应的第一子像素信号和与积累在第二光电二极管Gr2的光电荷对应的第二子像素信号的像素信号。
在检测到第一子像素信号和第二子像素信号的和时，与由具有一个光电二极管的像素生成的像素信号相同的数据(二维(2D)图像信息)可被ISP 220获得。
在检测到第一子像素信号和第二子像素信号之间的差别时，与第一像素120-1A的位置对应的自动对焦信息和/或深度信息可被ISP 220获得。
自动对焦信息表示图像(将被生成的)上与第一像素120-1A对应的位置是否对焦以及图像上的位置的失焦度。例如，如果用户想要让图像上关于第一像素120-1A的位置对焦，那么当自动对焦信息表示图像上与第一像素120-1A对应的位置失焦时，相机控制器210可基于自动对焦信息将透镜控制信息发送至控制寄存器块180。控制寄存器块180可基于透镜控制信息控制透镜500与像素阵列110之间的距离。
基于自动对焦信息控制透镜500与像素阵列110之间的距离的操作可被称为“自动对焦”。
用于第一方向(例如，竖直方向)的自动对焦信息可从均具有沿第一方向分开的两个光电二极管的第一像素120-1A和第四像素120-1D计算得到。用于第二方向(例如，水平方向)的自动对焦信息可从均具有沿第二方向分开的两个光电二极管的第二像素120-1B和第三像素120-1C计算得到。
深度信息是关于与图像(将被生成的)上对应于第一像素120-1A的位置对应的目标350和像素阵列110(或透镜500)之间的距离的信息。因此，ISP220可通过合成深度信息和2D图像信息来生成3D图像数据。
当通过在物理上的不同位置处接收的穿过同一微透镜的光生成的光电荷积累在不同的光电二极管中时，生成第一子像素信号和第二子像素信号。因此，第一子像素信号和第二子像素信号之间的差别包括关于第一子像素信号和第二子像素信号之间的相位差的信息。可利用关于相位差的信息获得自动对焦信息和深度信息。
图4中示出的像素阵列110-2可包括以拜尔模式布置的第一像素120-2A至第四像素120-2D。除了下面的区别外，像素阵列110-2与图3的像素阵列110-1基本相同。因此，在此不描述像素阵列110-2的与像素阵列110-1基本相同的部分。
第一像素120-2A可包括两个光电二极管Gr1和Gr2。第二像素120-2B可包括两个光电二极管R1和R2。第三像素120-2C可包括两个光电二极管B1和B2。第四像素120-2D可包括两个光电二极管Gb1和Gb2。
在图4的实施例中，作为绿色像素的第一像素120-2A包括沿第二方向(例如，水平方向)分开的光电二极管Gr1和Gr2，作为绿色像素的第四像素120-2D包括也沿第二方向分开的光电二极管Gb1和Gb2。
相反，作为红色像素的第二像素120-2B包括沿第一方向(例如，竖直方向)分开的光电二极管R1和R2，作为蓝色像素的第三像素120-2C包括也沿第一方向分开的光电二极管B1和B2。
像素阵列110-2与图3的像素阵列110-1相同在于：2D图像信息、自动对焦信息和深度信息可从由第一像素至第四像素120-2A至120-2D中的每个像素(例如，第一像素120-2A)生成的子像素信号获得。然而，由于包括在第一像素至第四像素120-2A至120-2D中的每个像素(例如，第一像素120-2A)中的两个光电二极管被布置的方向与图3的像素阵列110-1中的两个二极管被布置的方向不同，因而从第一像素至第四像素120-2A至120-2D中的每个像素(例如，第一像素120-2A)生成的2D图像信息、自动对焦信息和深度信息与图3的像素阵列110-1相比会稍有不同。
图5中示出的像素阵列110-3可包括以拜尔模式布置的第一像素120-3A至第四像素120-3D。除了下面的区别外，像素阵列110-3与图3的像素阵列110-1基本相同。因此，在此不描述像素阵列110-3的与像素阵列110-1基本相同的部分。
在图5的实施例中，第一像素120-3A、第三像素120-3C和第四像素120-3D的结构与图3的第一像素120-1A、第三像素120-1C和第四像素120-1D的结构基本相同。
然而，在图3的实施例中，作为红色像素的第二像素120-1B包括沿第二方向(例如，水平方向)分开的光电二极管R1和R2，然而，在图5的实施例中，作为红色像素的第二像素120-3B包括沿第一方向(例如，竖直方向)分开的光电二极管R1和R2。
如在图5的实施例中，作为红色像素的第二像素120-3B的两个光电二极管R1和R2分开的方向(例如，竖直方向)与作为蓝色像素的第三像素120-3C的两个光电二极管B1和B2分开的方向(例如，水平方向)可彼此不同。
然而，作为相同类型(或相同颜色)像素的像素120-3A和120-3D的光电二极管分开所沿的方向相同。
类似地，图6中示出的像素阵列110-4可包括以拜尔模式布置的第一像素120-4A至第四像素120-4D。除了下面的区别外，像素阵列110-4与图3的像素阵列110-1基本相同。因此，在此不描述像素阵列110-4的与像素阵列110-1基本相同的部分。
在图6的实施例中，第一像素120-4A、第二像素120-4B和第四像素120-4D的结构与图3的第一像素120-1A、第二像素120-1B和第四像素120-1D的结构基本相同。
然而，在图3的实施例中，作为蓝色像素的第三像素120-1C包括沿第二方向(例如，水平方向)分开的光电二极管B1和B2，然而，在图6的实施例中，作为蓝色像素的第三像素120-4C包括沿第一方向(例如，竖直方向)分开的光电二极管B1和B2。
如在图6的实施例中，作为红色像素的第二像素120-4B的两个光电二极管R1和R2分开的方向(例如，水平方向)与作为蓝色像素的第三像素120-4C的两个光电二极管B1和B2分开的方向(例如，竖直方向)可彼此不同。
然而，相同类型(或相同颜色)的像素(例如，像素120-4A和120-4D)分开所沿的方向相同。
类似地，图7中示出的像素阵列110-5可包括以拜尔模式布置的第一像素120-5A至第四像素120-5D。除了下面的区别外，像素阵列110-5与图4的像素阵列110-2基本相同。因此，在此不描述像素阵列110-5的与像素阵列110-2基本相同的部分。
在图7的实施例中，第一像素120-5A、第三像素120-5C和第四像素120-5D的结构与图4的第一像素120-2A、第三像素120-2C和第四像素120-2D的结构基本相同。
然而，在图4的实施例中，作为红色像素的第二像素120-2B包括沿第一方向(例如，竖直方向)分开的光电二极管R1和R2，然而，在图7的实施例中，作为红色像素的第二像素120-5B包括沿第二方向(例如，水平方向)分开的光电二极管R1和R2。
类似地，图8的像素阵列110-6可包括以拜尔模式布置的第一像素120-6A至第四像素120-6D。除了下面的区别外，像素阵列110-6与图4的像素阵列110-2基本相同。因此，在此不描述像素阵列110-6的与像素阵列110-2基本相同的部分。
在图8的实施例中，第一像素120-6A、第二像素120-6B和第四像素120-6D的结构与图4的第一像素120-2A、第二像素120-2B和第四像素120-2D的结构基本相同。
然而，在图4的实施例中，作为蓝色像素的第三像素120-2C包括沿第一方向(例如，竖直方向)分开的光电二极管B1和B2，然而，在图8的实施例中，作为蓝色像素的第三像素120-6C包括沿第二方向(例如，水平方向)分开的光电二极管B1和B2。
如上所述，根据公开的实施例，在具有RGB拜尔模式的像素中，至少一种类型的像素(例如，G像素)可包括沿第一方向分开的两个光电二极管，另一种类型的像素(例如，R像素或B像素)可包括沿第二方向分开的两个光电二极管。第一方向和第二方向是不同的方向。在一个示例性实施例中，第一方向和第二方向可彼此垂直(即，第一方向和第二方向之间可相差90°角)。
如上所述，包括在一种类型的彩色像素中的两个光电二极管分开的方向与包括在另一种类型的彩色像素中的两个光电二极管分开的方向被设定为不同，使得在计算自动对焦信息时可获得每个像素中包括四个光电二极管时获得的效果。
在每个像素中包括四个光电二极管时，可计算用于竖直方向的自动对焦信息和用于水平方向的自动对焦信息。
然而，在每个像素中包括四个光电二极管时，像素阵列的尺寸和数据率增加，因此增加了功耗并产生大量的热。
相反，根据公开的实施例，与在每个像素中包括四个光电二极管的结构相比，在每个像素中包括两个光电二极管并根据彩色像素的类型有区别地设置两个光电二极管分开的方向，使得在减小像素尺寸和数据率的同时，可获得用于竖直方向的自动对焦信息和用于水平方向的自动对焦信息两者。
在图3至图8中示出的像素(例如，像素120-1A)均包括两个光电二极管，并且可以从每个像素(例如，像素120-1A)输出的信号中提取自动对焦信息。因此，在图3至图8中示出的像素(例如，像素120-1A)可以被称为自动对焦像素。
如上面参照图3至图8描述的，子像素信号的彼此相加或子像素信号的彼此相减可在模拟级别或数字级别执行。即，子像素信号在模拟级别的相加或相减可通过多个电容器(未示出)和ADC块190的连接至分别与像素(例如，像素120-1A)连接的列线(例如，图2的列线COL1-COLm)的多个开关(未示出)的操作来执行。子像素信号在数字级别的相加或相减可由被构造为接收通过对子像素信号执行模数转换(ADC)而获得的信号的ISP 220来执行。
图9是根据公开的实施例的像素125A(诸如图3至图8示出的像素)的电路图。参照图3至图9，图3至图8中示出的像素120-1A至120-6D在电路方面具有基本相同的结构和操作。因此，为便于解释，下面将使用像素120-1A至120-6D中的一个(例如，图3的像素120-1A)描述图9的像素125A。
像素125A是图3的第一像素120-1A的等效电路，并包括第一子像素121-1和第二子像素121-2。
第一子像素121-1可包括第一光电二极管PD1、第一传输晶体管TX1、第一浮置扩散节点FD1、第一重置晶体管RX1、第一驱动晶体管DX1和第一选择晶体管SX1。
第二子像素121-2可包括第二光电二极管PD2、第二传输晶体管TX2、第二浮置扩散节点FD2、第二重置晶体管RX2、第二驱动晶体管DX2和第二选择晶体管SX2。
第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2是光电转换元件的示例，并可包括光电晶体管、光电门(photo gate)和钉扎光电二极管(PPD)中的至少一种。
第一传输控制信号TG1和第二传输控制信号TG2、第一重置控制信号RG1和第二重置控制信号RG2以及第一选择控制信号SEL1是从行驱动器160输出的控制信号。属于像素阵列110的同一行的像素(例如，像素P11至P1m)可接收同一时序的第一传输控制信号TG1与第二传输控制信号TG2和同一时序的第一重置控制信号RG1与第二重置控制信号RG2。
下面将描述第一子像素121-1的操作。第一光电二极管PD1产生与从目标350入射的光的强度对应的光电荷。
第一光电二极管PD1的一端可连接至第一传输晶体管TX1，其另一端可连接至地电压VSS源。地电压VSS可为，例如，0V。
第一传输晶体管TX1可响应于第一传输控制信号TG1，将由第一光电二极管PD1产生的光电荷传输至第一浮置扩散节点FD1。
第一驱动晶体管DX1可基于根据积累在第一浮置扩散节点FD1中的光电荷的电位来将光电荷放大并传输至第一选择晶体管SX1。
第一选择晶体管SX1的漏极端子可连接至第一驱动晶体管DX1的源极端子。第一选择晶体管SX1可根据第一选择控制信号SEL1将第一子像素信号输出至与第一子像素121-1连接的第一子列线COL1-1。
第一重置晶体管RX1根据第一重置控制信号RG1将第一浮置扩散节点FD1重置为电源电压VDD。电源电压VDD意味着像素阵列110的驱动电压，并可具有例如2V到5V的范围。
第二子像素121-2的结构和操作与第一子像素121-1的结构和操作基本相同。现在将描述第二子像素121-2的操作。第二光电二极管PD2根据从目标350入射的光的强度产生光电荷。
第二光电二极管PD2的一端可连接至第二传输晶体管TX2，其另一端可连接至地电压VSS源。
第二传输晶体管TX2可响应于第二传输控制信号TG2，将由第二光电二极管PD2产生的光电荷传输至第二浮置扩散节点FD2。
第二驱动晶体管DX2可基于根据积累在第二浮置扩散节点FD2中的光电荷的电位来将光电荷放大并传输至第二选择晶体管SX2。
第二选择晶体管SX2的漏极端子可连接至第二驱动晶体管DX2的源极端子。第二选择晶体管SX2可根据第一选择控制信号SEL1将第二子像素信号输出至与第二子像素121-2连接的第二子列线COL1-2。
第二重置晶体管RX2根据第二重置控制信号RG2将第二浮置扩散节点FD2重置为电源电压VDD。
将基于信号的时序来描述像素125A的操作。在第一浮置扩散节点FD1和第二浮置扩散节点FD2重置之后，与第一浮置扩散节点FD1和第二浮置扩散节点FD2的重置状态对应的重置信号可同时从第一子像素121-1和第二子像素121-2输出至第一子列线COL1-1和第二子列线COL1-2。
然后，第一传输晶体管TX1将积累在第一光电二极管PD1中的光电荷传输至第一浮置扩散节点FD1。然后，第一驱动晶体管DX1和第一选择晶体管SX1操作为经由第一子列线COL1-1输出与第一光电二极管PD1的光电荷对应的第一子像素信号。
第二传输晶体管TX2将积累在第二光电二极管PD2中的光电荷传输至第二浮置扩散节点FD2。然后，第二驱动晶体管DX2和第二选择晶体管SX2操作为与第一子像素信号的输出同时地经由第二子列线COL1-2输出与第二光电二极管PD2的光电荷对应的第二子像素信号。
在图9的实施例中，第一子像素121-1和第二子像素121-2中的每个额外地包括四种类型的CMOS晶体管TX、RX、DX和SX，并分别连接至附加的子列线COL1-1和COL1-2。因此，第一子像素信号和第二子像素信号可同时输出。然而，公开的示例性实施例不限于此。
根据公开的实施例，子像素121-1和121-2中每个的晶体管的数量和晶体管之间的连接可有区别地设置。此外，在示例性实施例中，子像素121-1和121-2的至少一个晶体管和/或浮置扩散节点FD1和FD2可共用。
图10是根据公开的另一个实施例的像素125B(诸如图3至图8示出的像素)的电路图。参照图3至图8和图10，图3至图8中示出的像素120-1A至120-6D的结构和操作在基于电路方面是基本相同的。因此，为便于解释，下面将使用像素120-1A至120-6D中的一个(例如，图3的像素120-1A)描述图10的像素125B。
像素125B是图3的第一像素120-1A的等效电路，并可以包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2、第一传输晶体管TX1、第二传输晶体管TX2、浮置扩散节点FD、重置晶体管RX、驱动晶体管DX和选择晶体管SX。
尽管图10示出了包括四种类型的CMOS晶体管TX1、TX2、RX、DX和SX的像素125B，但公开的示例性实施例不限于此并适用于包括至少三种类型晶体管的各种电路。
第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2是光电转换元件的示例，并可包括光电晶体管、光电门和钉扎光电二极管(PPD)中的至少一种。
第一传输控制信号TG1、第二传输控制信号TG2、重置控制信号RG和选择控制信号SEL是从行驱动器160输出的控制信号。属于像素阵列110的同一行的像素可接收同一时序的第一传输控制信号TG1、同一时序的第二传输控制信号TG2、同一时序的重置控制信号RG与同一时序的选择控制信号SEL。
下面将描述像素125B的元件的操作。第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2中的每个根据从目标350入射的光的强度产生光电荷。第一光电二极管PD1的一端和第二光电二极管PD2的一端可分别连接至第一传输晶体管TX1和第二传输晶体管TX2，它们中的每个的另一端可连接至地电压VSS源。地电压VSS可为，例如，0V。
第一传输晶体管TX1和第二传输晶体管TX2可根据第一传输控制信号TG1和第二传输控制信号TG2将产生的光电荷传输至浮置扩散节点FD。
驱动晶体管DX可基于根据积累在浮置扩散节点FD中的光电荷的电位来将光电荷放大并传输至选择晶体管SX。
选择晶体管SX的漏极端子可连接至驱动晶体管DX的源极端子。选择晶体管SX可根据选择控制信号SEL将像素信号输出至与像素125B连接的列线COL。
重置晶体管RX可根据重置控制信号RG将浮置扩散节点FD重置为电源电压VDD。电源电压VDD意味着像素阵列110的驱动电压，并可具有例如2V到5V的范围。
下面将使用信号的时序来描述像素125B的操作。在浮置扩散节点FD被重置晶体管RX重置之后，驱动晶体管DX和选择晶体管SX操作为经由列线COL输出与浮置扩散节点FD的重置状态对应的电信号。
随后，第一传输晶体管TX1将积累在第一光电二极管PD1中的光电荷传输至浮置扩散节点FD，并且驱动晶体管DX和选择晶体管操作为经由列线COL输出作为与第一光电二极管PD1的光电荷对应的电信号的第一子像素信号。
然后，在浮置扩散节点FD被重置晶体管RX重置之后，驱动晶体管DX和选择晶体管SX操作为经由列线COL输出与浮置扩散节点FD的重置状态对应的电信号。根据另一个示例性实施例，在ADC块140存储与浮置扩散节点FD之前的重置状态对应的电信号时，可跳过浮置扩散节点FD的重置。
之后，第二传输晶体管TX2将积累在第二光电二极管PD2中的光电荷传输至浮置扩散节点FD，然后驱动晶体管DX和选择晶体管SX操作为经由列线COL输出与第二光电二极管PD2的光电荷对应的第二子像素信号。
ADC块140可通过从与第一光电二极管PD1的光电荷对应的电信号和与第二光电二极管PD2的光电荷对应的电信号的每个中，减去与重置状态对应的电信号来去除重置噪声。与第一光电二极管PD1的光电荷对应并去除了重置噪声的电信号可对应于第一子像素信号。与第二光电二极管PD2的光电荷对应并去除了重置噪声的电信号可对应于第二子像素信号。
在图10的实施例中，第一子像素信号和第二子像素信号顺序地输出至同一列线COL。
图11是根据公开的实施例的包括图1的图像传感器100的电子系统1000的框图。
参照图11，电子系统1000可为能够使用或支持移动行业处理器接口(MIPI)的数据处理设备，例如，移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、互联网协议电视(IPTV)或智能电话。
电子装置1000包括应用处理器1010、图像传感器100和显示单元1050。
包括在应用处理器1010中的相机串行接口(CSI)主机1012可通过CSI建立与图像传感器100的CSI装置1041的串行通信。例如，光学解串器可包括在CSI主机1012中，光学串行化器可包括在CSI装置1041中。
包括在应用处理器1010中的显示器串行接口(DSI)主机1011可通过DSI建立与显示器1050的DSI装置1051的串行通信。例如，光学串行化器可包括在DSI主机1011中，光学解串器可包括在DSI装置1051中。
电子系统1000还可包括用于与应用处理器1010通信的射频(RF)芯片1060。应用处理器1010的物理层PHY 1013和RF芯片1060的物理层PHY1061可根据MIPI digRF标准互相交换数据。
电子系统1000还可包括全球定位系统(GPS)1020、存储单元1070、话筒1080、动态随机访问存储器(DRAM)1085和扬声器1090。电子系统1000可利用微波全球互通(Wimax)1030、无线局域网(WLAN)1100和超宽带(UWB)1110等建立通信。
图12是根据公开的另一个实施例的包括图1的图像传感器100的图像处理系统1100的框图。参照图12，图像处理系统1100可为移动电话、PDA、PMP、IPTV或智能电话，但不限于此。
图像处理系统1100可包括处理器1110、存储器1120、图像传感器100、显示单元1130和接口单元1140。
处理器1110可控制图像传感器100的操作。存储器1120可在处理器1110的控制下，经由总线1150存储用于控制图像传感器100的操作的程序并存储上述生成的图像。处理器1110可通过访问存储的信息来执行程序。存储器1120可为，例如，非易失性存储器。
图像传感器100可在处理器1110的控制下操作和生成图像信息。图像传感器100可嵌入为相机模块(未示出)的一部分。
显示单元1130可从处理器1110或存储器1120接收已生成的图像，并且在显示单元1130(例如，液晶显示器(LCD)，或者主动矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器)上显示生成的图像。
接口单元1140可构造为接收用户输入或用来输入或输出图像。在一个示例性实施例中，接口单元1140可为无线接口单元。
本总体公开也可实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是任何数据存储装置，该数据存储装置可存储作为其后可以被计算机系统读取的程序的数据。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。
计算机可读记录介质也可以被分布在联网的计算机系统上，从而所述计算机可读代码以分布式方式被存储和执行。此外，完成本总体公开的功能程序、代码和代码段可容易地被程序员构造。
根据公开的实施例，可通过在每个像素中包括两个光电二极管并有区别地设置包括在一个类型的彩色像素中的两个光电二极管分开的方向和包括在另一个类型的彩色像素中的两个光电二极管分开的方向，来计算用于各自的不同方向的多个自动对焦信息段。因此，利用包括在每个像素中的两个光电二极管可获得在每个像素中包括四个光电二极管时获得的效果。
因此，在减少了将要输出的自动对焦数据率的同时，可获得用于竖直方向的自动对焦信息和用于水平方向的自动对焦信息两者。
正如在本领域中惯常的，可按照执行所描述的功能或函数的块来描述并示出实施例。在此可被称为单元或模块等的块，可以由诸如逻辑门、集成电路、微处理器、微控制器、存储器电路、无源电子组件、有源电子组件、光学组件和硬件电路等的模拟和/或数字电路物理地实现，并可由硬件和/或软件选择性地驱动。例如，电路可嵌入在一个或更多个半导体芯片中，或在诸如印刷电路板等的基底支撑件上。组成块的电路可由专用硬件、或由处理器(例如，一个或更多个编程的微处理器和相关电路)、或由执行块的一些功能的专用硬件和执行块的其他功能的处理器的组合来实现。在不脱离公开的范围的情况下，实施例的每个块可以物理地分离为两个或更多个相互作用的并且分立的块。同样地，在不脱离公开的范围的情况下，实施例的每个块可物理地组合为多个复合块。
虽然已经参照本公开的示例性实施例具体示出和描述了本公开，但是将理解的是，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
像素阵列，包括具有R、G和B拜尔模式的第一像素至第四像素；
模数转换器块，构造为将第一像素至第四像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号；以及
控制块，构造为控制像素阵列和模数转换器块，其中：
第一像素至第四像素中的至少一个包括沿第一方向分开的两个光电二极管，以及
第一像素至第四像素中的至少另一个包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
第一像素和第四像素是均包括绿色滤波器的绿色像素，
第二像素是包括红色滤波器的红色像素，以及
第三像素是包括蓝色滤波器的蓝色像素。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，第一方向与第二方向之间相差90°角。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中：
第一像素和第四像素中的每个包括沿第一方向分开的两个光电二极管，以及
第二像素和第三像素中的每个包括沿第二方向分开的两个光电二极管。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中：
第一像素和第四像素中的每个包括沿第一方向分开的两个光电二极管，
第二像素和第三像素中的一个包括沿第二方向分开的两个光电二极管，以及
另一个第二像素或第三像素包括沿第一方向分开的两个光电二极管。
6.根据权利要求2所述的图像传感器，其中：
第一像素包括沿第一方向分开的两个光电二极管，所述两个光电二极管积累与经过一个微透镜的入射光的强度对应的光电荷，并且
第一像素包括多个晶体管，所述多个晶体管构造为将积累在第一像素中的两个光电二极管中的光电荷转换为作为电信号的第一子像素信号和第二子像素信号，并输出第一子像素信号和第二子像素信号，其中，第一像素的所述多个晶体管的数量为两个或更多个。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，基于第一子像素信号和第二子像素信号的差别来计算自动对焦信息。
8.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，第一子像素信号和第二子像素信号经由不同的子列线同时输出。
9.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，第一子像素信号和第二子像素信号经由同一列线顺序输出。
10.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
像素阵列，包括具有R、G和B拜尔模式的多个像素；以及
模数转换器块，配置为将所述多个像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号，其中：
所述多个像素包括：
第一类型像素，包括沿第一方向分开的两个光电二极管；以及
第二类型像素，包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管，
其中，基于从第一类型像素输出的信号来计算用于第一方向的第一自动对焦信息；以及
基于从第二类型像素输出的信号来计算用于第二方向的第二自动对焦信息。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中：
第一类型像素为包括绿色滤波器的绿色像素，以及
第二类型像素为包括红色滤波器的红色像素或包括蓝色滤波器的蓝色像素。
12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，第一方向与第二方向之间相差90°角。
13.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，所述多个像素中的每个进一步包括：
一个微透镜；以及
多个晶体管，配置为根据经过微透镜的光的强度，将分别积累在两个光电二极管中的光电荷转换为作为电信号的第一子像素信号和第二子像素信号，并输出第一子像素信号和第二子像素信号，其中，每个像素的所述多个晶体管的数量为两个或更多个。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中：
基于第一类型像素的第一子像素信号和第二子像素信号之间的差别来计算用于第一方向的第一自动对焦信息；以及
基于第二类型像素的第一子像素信号和第二子像素信号之间的差别来计算用于第二方向的第二自动对焦信息。
15.一种图像处理系统，所述图像处理系统包括：
图像传感器，所述图像传感器包括：
像素阵列，包括多个自动对焦像素；以及
模数转换器块，构造为将多个自动对焦像素中的每个的像素信号转换为数字像素信号；以及
图像处理器，构造为从数字像素信号提取用于自动对焦操作的自动对焦信息，其中：
自动对焦像素包括：
第一类型像素，包括沿第一方向分开的两个光电二极管；
第二类型像素，包括沿与第一方向不同的第二方向分开的两个光电二极管；
第三类型像素，包括沿第一方向或第二方向分开的两个光电二极管。
16.根据权利要求15所述的图像处理系统，其中：
第一类型像素为包括绿色滤波器的绿色像素；
第二类型像素为包括红色滤波器的红色像素；以及
第三类型像素为包括蓝色滤波器的蓝色像素。
17.根据权利要求15所述的图像处理系统，其中，第一方向与第二方向相差90°角。
18.根据权利要求15的图像处理系统，其中，自动对焦信息包括：
用于第一方向的自动对焦信息；以及
用于第二方向的自动对焦信息，其中：
图像处理器基于从第一类型像素输出的数字像素信号计算用于第一方向的自动对焦信息，并基于从第二类型像素输出的数字像素信号计算用于第二方向的自动对焦信息。
19.一种图像传感器，所述图像传感器包括：
第一像素，包括设置在使第一像素二分的第一轴的相对侧上的两个光电二极管，第一像素通过绿色滤波器接收光；
第二像素，包括设置在使第二像素二分的第二轴的相对侧上的两个光电二极管，第二像素通过红色滤波器或蓝色滤波器接收光；
第三像素，包括设置在使第三像素二分的第三轴的相对侧上的两个光电二极管；以及
第四像素，包括设置在使第四像素二分的第四轴的相对侧上的两个光电二极管，第四像素通过绿色滤波器接收光，其中：
第一轴和第四轴基本平行，
第二轴基本垂直于第一轴和第四轴，以及
第一像素、第二像素、第三像素和第四像素以红色、绿色和蓝色拜尔模式布置。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中，第三轴基本平行于第二轴。
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