CN110198422A - 图像传感器中的像素分选 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像传感器中的像素分选。公开了一种用于分选图像传感器中的电荷的方法和图像捕捉装置。通过对来自对角线设置在像素阵列中的一些像素的电荷求和执行像素分选。来自对角线设置在像素阵列中的像素的像素信号输出可被组合在输出线上。代表求和电荷的信号产生分选的2×1簇。代表组合的电压信号的信号产生分选的2×1簇。代表求和电荷的信号和代表组合的电压信号的信号可以被数字地组合以产生分选的2×2簇。通过对在相应的感测区域上的电荷求和，然后将代表在相应的输出线上的求和电荷的电压信号组合，可以在像素阵列中的其他像素上执行正交分选。

Description

图像传感器中的像素分选
本申请是申请号为201510289552.3、申请日为2015年5月29日、发明名称为“图像传感器中的像素分选”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明通常涉及电子装置，更具体地，涉及用于电子装置的图像传感器。
背景技术
拍摄装置和其他成像装置常常使用一个或多个图像传感器，例如电荷耦合装置(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器来捕捉图像。在一些情况下，由多个像素产生的电荷或信号被分选(binning)或组合成单个信号。例如，在拍摄装置的输出图像分辨率小于拍摄装置中的图像传感器的分辨率时可以使用像素分选，或当在低光照水平下捕捉图像时可以可以使用像素分选来增加灵敏度。可以在像素阵列中，或在信号从像素阵列读出后，执行像素分选。由于仍须被读出所有的像素，因此在已从像素阵列对像素进行读出后对像素求和不会增加读出时间。此外，由读出电路产生的噪声被与像素信号相加。该额外的噪声降低了信噪比，这会降低图像质量。
由于较少的像素被从像素阵列读出，因此对像素阵列中的像素求和可以减少读出时间。通常，在正交方向执行在像素阵列中的像素的求和。图1示出了用拜耳滤色器装置对图像传感器中的像素进行正交求和。像素一般性地用字母A、B、C和D来标识。在正交分选中，在每个色平面中相邻的像素被分选在一起形成2×1或2×2像素的正交簇。图1描述了四个2×2像素的簇。在100中四个A像素被求和，在簇102中四个B像素被求和，在104簇中四个C像素被求和，在簇106四个D像素被求和。然而，当这些簇被正交求和时，这些簇相对于彼此不对齐。这种错位会在图像中产生空间颜色伪影(artifact)，从而降低图像质量。
发明概述
这里描述的实施例提供了一种成像系统和分选技术，可以提高经分选的图像的图像质量和空间分辨率，这可以使得能够实现低功率操作模式、更高的灵敏度和增加的成像系统的帧速率。在一个方面，图像传感器可以包括像素阵列中的多个像素。一种用于分选图像传感器中的电荷的方法可以包括：通过对在沿着第一对角线方向设置的两个或更多个像素中的电荷求和，以及从所述像素阵列中读出求和电荷，产生第一对角线求和信号；以及通过对来自沿着所述第一对角线方向设置的两个或更多个像素的信号取平均，产生第二对角线求和信号。所述第一和第二对角线求和信号可以被转换为数字信号并被数字地组合。所述两个或更多个像素中的电荷可以与单个色平面或不同的色平面相关联。类似地，被平均的信号可以与单个色平面或不同的色平面相关联。例如，不同的色平面可以是拜耳滤色器阵列中的第一绿色色平面和第二绿色色平面。
在另一方面，可以通过如下来执行正交分选：对在沿着第一正交方向设置的像素中的电荷求和以产生代表所述求和电荷的信号，对代表所述求和电荷的两个或更多个信号取平均，以及从所述像素阵列中读出平均信号。
在另一方面，一种图像捕捉装置可以包括被分成多个像素组的多个像素，每个像素组可操作地连接到不同的感测区域；和读出电路，可操作地连接到每个感测区域并连接到不同的输出线。第一开关可以可操作地连接到第一组输出线并连接到第二组输出线。处理装置可以可操作地连接到所述像素。所述处理装置可以适于选择性地使一组中的两个或更多个像素在相应的感测区域上对电荷求和，以及使相应的读出电路从所述感测区域读出求和电荷。所述处理装置可以适于选择性地使两组中的两个或更多个像素将电荷转移到相应的感测区域，以及使相应的读出电路从所述相应的感测区域读出电荷以产生电压信号，以及选择性地使所述开关将在所述第一组输出线中的输出线和在所述第二组输出线中的输出线连接在一起以组合所述电压信号。
在另一方面，一种图像传感器可以包括在像素阵列中的多个像素。一种用于分选图像传感器中的电荷的方法包括：通过对在第一对角线相邻像素对中的电荷求和并从所述像素阵列中读出求和电荷，产生第一对角线求和信号；以及通过将来自第二对角线相邻像素对的电压信号组合并从所述像素阵列中读出组合的电压信号，产生第二对角线求和信号，其中所述第一和第二对角线相邻像素对是沿着所述像素阵列中的第一对角线方向对角线相邻的。在所述第一对角线相邻像素对中的所述电荷以及在所述第二对角线相邻像素对中的所述电压信号可以与单个色平面或与不同的色平面相关联。所述第一和第二对角线求和信号可以被转换为数字的第一和第二对角线求和信号并被数字地组合。通过对在第一正交方向中的第一像素对中的电荷求和以产生第一电压信号，以及对在第二正交方向中的第二像素对中的电荷求和以产生第二电压信号，可以执行正交分选。所述第一和第二电压信号可以在通过将两个输出线电连接在一起形成的输出线上组合。
附图说明
通过参照下面的附图，本发明的实施例可以被更好地理解。附图中的项并不必然相对于彼此成比例。在可能的情况下，相同的参考标记被用来指示附图中共同的相同特征。
图1示出了对图像传感器中的像素进行的正交求和；
图2A示出了包括一个或多个拍摄装置的电子装置的前透视图；
图2B示出了图2A的电子装置的后透视图；
图3示出了图2的电子装置的简化框图；
图4示出了沿图2A中的线4-4截取的图2A的电子装置的截面图；
图5示出了适用于作为图像传感器402的图像传感器的一个例子的简化框图；
图6示出了适用于图像传感器的像素的简化示意图；
图7示出了适用于图像传感器的滤色器阵列的一个例子；
图8示出了拜耳滤色器阵列模式；
图9示出了共享的像素架构的一个例子；
图10是用于像素分选的一个实例方法的流程；
图11是适用于执行图10的方法的图像传感器的简化示意图；
图12示出了图11所示的图像传感器的一部分的扩展视图；
图13示出了拜耳滤色器模式和2×2像素分选的一个例子；
图14示出了拜耳滤色器模式和2×2像素分选的另一个例子；和
图15示出了拜耳滤色器模式和2×1像素分选的一个例子。
具体实施方式
这里描述的实施例描述了各种分选操作。可以通过对来自像素阵列中对角线设置的一些像素的电荷进行求和，执行像素分选。来自像素阵列中对角线设置的像素的像素电压信号输出可被组合在输出线上。代表求和电荷的信号产生分选的2×1簇。代表组合的像素信号的信号产生分选的2×1簇。代表求和电荷的信号和代表组合的电压信号的信号可以被数字地组合以产生分选的2×2簇。通过对在相应的感测区域上的电荷求和，然后将代表在相应的输出线上的求和电荷的电压信号组合，可以对像素阵列中的其他像素执行正交分选。
现在参考图2A-2B，示出了在一个实施例中的包括一个或多个拍摄装置的电子装置的前透视图和后透视图。电子装置200包括第一拍摄装置202、第二拍摄装置204、外壳206、显示器210、输入/输出(I/O)装置208、和用于所述拍摄装置或多个拍摄装置的可选的闪光灯212或光源。电子装置200还可以包括一个或多个内部组件(未示出)，典型地为计算或电子装置，例如，一个或多个处理器、存储器组件、网络接口等等。
在示出的实施例中，电子装置200被实现为智能电话。然而，其他的实施例并不限于这样的结构。其他类型的计算或电子装置可以包括一个或多个摄像头，包括但不限于：上网本或膝上型电脑、平板计算装置、数码拍摄装置、可穿戴电子或通信装置、扫描仪、录像机和复印机。
如图2A-2B所示，外壳206可以形成用于电子装置200的内部组件的外表面或部分外表面以及保护壳，并且可以至少部分地围绕显示器210。外壳206可以由可操作地连接在一起的一个或多个组件形成，例如前片和后片。替代地，206的外壳可以由连接到显示器210的单件形成。
I/O装置208可以用任何类型的输入或输出装置来实现。仅作为示例，I/O装置208可以是开关、按钮、电容传感器或其他输入机构。I/O装置208允许用户与电子装置200交互。例如，I/O装置208可以是用来改变音量、回到主屏幕等的按钮或开关。所述电子装置可以包括一个或多个输入装置和/或输出装置，并且每个装置可以有单一I/O功能或多个I/O功能。例子包括麦克风、扬声器、触摸传感器、网络或通信端口、以及无线通信装置。在一些实施例中，一个或多个触摸传感器可以被包括在I/O装置208中和/或在显示器210中。
显示器210可以可操作地或通信地连接到电子装置200。显示器210可以用任何类型的合适的显示器来实现，例如视网膜显示器、彩色液晶显示器(LCD)或有机发光显示器(OLED)。显示器210可以为电子装置200提供视觉输出，或者可以作用来接收对电子装置的用户输入。例如，显示器210可以是能够检测一个或多个用户触摸和/或力输入的多点触摸电容感测触摸屏。
电子装置200还可以包括许多内部组件。图3示出了电子装置200的简化框图的一个例子。该电子装置包括一个或多个处理器300、存储或存储器组件302、输入/输出接口304、电源306和传感器308，下面将依次讨论每一个。
一个或多个处理器300可以控制电子装置200的一些或全部操作。处理器300可以直接地或间接地与电子装置200的基本上所有的组件通信。例如，一个或多个系统总线310或其他通信机制可以提供下列之间的通信：处理器300，拍摄装置202、204，显示器210，一个或多个I/O装置208，和/或一个或多个传感器308。处理器300可以被实现为能够处理、接收或发送数据或指令的任何电子装置。例如，所述一个或多个处理器300可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、或多个这样的装置的组合。如这里所述的，术语“处理器”意图包含单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或其他合适的配置的计算元件(一个或多个)。
存储器302可以存储可以由电子装置200使用的电子数据。例如，存储器302可以存储电子数据或内容，例如，音频文件、文档文件、时序信号和图像数据。存储器302可以被配置为任何类型的存储器。仅举例来说，存储器302可以被实现随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移除存储器、或者其他类型的存储元件，任意组合。
输入/输出接口304可以接收来自用户或一个或多个其他电子装置的数据。此外，输入/输出接口304可以有助于传输数据给用户或其他电子装置。例如，在电子装置200是智能电话的实施例中，输入/输出接口304可以经由无线或有线连接，接收来自网络的数据或发送以及发射电子信号。无线和有线连接的例子包括但不限于蜂窝连接、WiFi连接、蓝牙连接和以太网连接。在一个或多个实施例中，输入/输出接口304可以支持多个网络或通信机制。例如，输入/输出接口304可以通过蓝牙网络与另一装置配对以将信号传输到其它装置，同时接收来自WiFi或其他有线或无线连接的信号。
所述一个或多个电源306可以用能够给电子装置200提供能源的任何装置来实现。例如，电源306可以是电池。另外地或替代地，电源可以是电子装置用电源线连接到的墙上的插座。另外地或替代地，电源可以是电子装置200用连接线缆(例如通用串口总线(USB)线缆)与其连接的另一电子装置。
所述一个或多个传感器308可以用任何类型的传感器来实现。示例的传感器包括但不限于：音频传感器(例如，麦克风)、光传感器(例如，环境光传感器)、陀螺仪、加速度计和生物传感器。一个或多个传感器308可被用来提供数据至处理器300，这可以被用来增强或改变电子装置的功能。
如参考图2A和2B所描述的，电子装置200包括一个或多个拍摄装置202、204以及用于拍摄装置的可选的闪光灯212或光源。图4是沿着图2A的线4-4截取的拍摄装置202的简化截面图。尽管图4示出了第一拍摄装置202，但本领域技术人员将认识到，第二拍摄装置204可以基本上类似于第一拍摄装置202。在一些实施例中，一个拍摄装置可以包括全局快门(global shutter)配置的图像传感器并且一个拍摄装置可以包括滚动快门(rollingshutter)配置的图像传感器。在其他的例子中，一个拍摄装置可以包括具有比另一个拍摄装置中的图像传感器更高分辨率的图像传感器，或者图像传感器可以被配置为两种不同类型的图像传感器(例如，CMOS和CCD)。
拍摄装置202包括与图像传感器402光连通的成像级400。成像级400可操作地连接到外壳206并且位于图像传感器402之前。成像级400可以包括常规的元件，例如透镜、滤光器、虹膜和快门。成像级400将其视野内的光线404引导、聚集或发送到图像传感器402上。图像传感器402通过将入射光转换成电信号来捕捉目标场景的一个或多个图像。
图像传感器402由支撑结构406支承。支撑结构406可以是基于半导体的材料，包括但不仅限于：硅、绝缘体上硅(SOI)技术、蓝宝石上硅(SOS)技术、掺杂和不掺杂的半导体、在半导体衬底上形成的外延层、在半导体衬底中形成的阱区域或掩埋层、以及其他半导体结构。
成像级400或图像传感器402的各种元件可以通过由处理器或存储器(例如，图3中的处理器300)供应的时序信号或其他信号来控制。成像级400中的一些或所有元件可以被集成在单个组件中。此外，成像级400的一些或所有元件可以与图像传感器402以及也可能与电子装置200的一个或多个元件来集成，以形成拍摄装置模块。例如，在一些实施例中，处理器或存储器可以与图像传感器402集成。
现参考图5，示出了适合用作图4所示的图像传感器402的图像传感器的一个例子的顶视图。所示的图像传感器是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。图像传感器500可以包括图像处理器502和成像区域504。成像区域504可以被实现为包括506像素的像素阵列。在示出的实施例中，像素阵列以行和列排列来配置。然而，其他的实施例不限于这样的配置。像素阵列中的像素可以以任何合适的配置(例如，六边形配置)来布置。
像素阵列504可以通过一个或多个列选择或输出线510与列选择部508通信。成像区域504也可以通过一个或多个行选择线514与行选择部512通信。行选择部512选择性地激活特定像素506或像素组，例如在某行中的所有像素506。列选择部508选择性地接收从所选像素506或像素组(例如，在选定的行中的所有像素)的数据输出的。
行选择部512和/或列选择部508可以与图像处理器502通信。图像处理器502可以提供信号至行选择部512和列选择部508以传送电荷以及读出代表来自像素506中的光检测器(未示出)的电荷量的信号。图像处理器502可以处理来自像素506的数据并将该数据提供至电子装置200的处理器300和/或其他组件。应注意，在一些实施例中，图像处理器502可以并入处理器300内或与其分离。
现参考图6，示出了适合用作图5所示的像素506的像素的简化示意图。像素600包括光检测器(PD)602、传输晶体管(TX)604、感测区域606、复位(RST)晶体管608、读出(SF)晶体管610和行选择(RS)晶体管612。感测区域606在实施例中被表示为电容器，这是因为感测区域606可以暂时存储从光检测器602接收的电荷。如下所述，在电荷从光检测器602传送后，电荷可以被存储在感测区域606中直到复位晶体管608的栅极被施加脉冲来复位在感测区域上的电压。当行选择晶体管612被施加脉冲时，感测区域606中的电荷被读出。
传输晶体管604的一个端子连接到光检测器602，而另一个端子连接到感测区域606。复位晶体管608的一个端子和读出晶体管610的一个端子连接到电源电压(Vdd)614。复位晶体管608的另一个端子连接到感测区域606，而读出晶体管610的另一个端子连接到行选择晶体管612的一个端子。行选择晶体管612的另一个端子连接到输出线510。
仅作为示例，在一个实施例中，光检测器602被实现为光电二极管(PD)或钉扎的光电二极管，感测区域606被实现为浮动扩散部(FD)，读出晶体管610被实现为源极跟随器晶体管(SF)。光检测器602可以是基于电子的光电二极管或基于空穴的光电二极管。应注意，这里所使用的术语光检测器意图包含基本上任何类型的光子或光检测组件，例如光电二极管、钉扎的光电二极管、光栅或其他光子敏感区域。此外，这里所使用的术语感测区域意图包括基本上任何类型的电荷存储或电荷转换区域。
本领域技术人员将认识到，在其它实施例中可以用附加的或不同的组件来实现像素600。例如，所述行选择晶体管可以被省略，并且脉冲电源节点可以被用来选择像素，所述感测区域可以被多个光检测器和传输晶体管来共享，或者所述复位晶体管和读出晶体管可以被多个光检测器、传输门和感测区域共享。
当要捕捉图像时，像素的积分周期开始，并且光检测器602响应于入射光积累光生电荷。当积分周期结束时，通过选择性地对传输晶体管604的栅极施加脉冲，在光检测器602中积累的电荷被传送到感测区域606。典型地，复位晶体管608被用来在来自光检测器602的电荷传送到感测区域606之前将感测区域606(节点616)上的电压复位到预定水平。当要从像素读出电荷时，通过行选择部512和行选择线514对行选择晶体管的栅极施加脉冲，以选择用于读出的像素(或像素行)。读出晶体管610感测感测区域606上的电压，行选择晶体管512将该电压发送到输出线510。
在一些实施例中，图像捕捉设备(例如，拍摄装置)可以不包括在镜头之上的快门，并因此图像传感器可以不断地曝露于光。在这些实施例中，在要捕捉期望的图像之前，光检测器可能必须被复位或耗尽。一旦来自光检测器的电荷已被耗尽，传输门和复位门在被关闭来隔离光检测器。然后光检测器可以开始积分并收集光生电荷。
通常，光检测器检测具有很小的或没有波长特异性的光，使得它难以识别或分离色彩。当需要色彩分离时，可在像素阵列之上设置滤色器阵列以过滤由像素阵列中的光检测器感测的光的波长。滤色器阵列是一种过滤元件的拼接体，其每个过滤元件通常设置在相应的像素之上。过滤元件限制由光检测器检测的光的波长，这允许分离和识别所捕捉的图像中的色彩信息。图7示出了在一个实施例中的适合与图像传感器一起使用的滤色器阵列的一个例子。滤色器阵列(CFA)700包括过滤元件702、704、706、708。虽然只示出了有限数量的过滤元件，但本领域技术人员将认识到，CFA可以包括数千或数百万的过滤元件。
在一个实施例中，每个过滤元件都限制光波长。在另一个实施例中，一些过滤元件过滤光波长而其他过滤元件是全色的。在CFA中全色过滤元件可以具有比其他过滤元件的光谱灵敏度更宽的光谱灵敏度。例如，全色过滤元件可以在整个可见光谱具有高的灵敏度。全色过滤元件可以被实现为，例如，中性密度滤光器或滤色器。全色过滤元件可以适用于低水平照明条件，其中所述低水平照明条件可以是低场景照明、短曝光时间、小的孔径、或者光被限制到达图像传感器的其他情形的结果。
滤色器阵列可以以许多不同的拼接来配置。滤色器阵列600可以被实现为红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)滤色器阵列或青色(C)、洋红色(M)、黄色(Y)滤色器阵列。拜耳模式是众所周知的滤色器阵列模式。拜耳滤色器阵列过滤红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)波长范围内的光(见图8)。拜耳滤色器模式包括两个绿色色彩过滤元件(Gr和Gb)，一个红色色彩过滤元件(R)，以及一个蓝色色彩过滤元件(B)。四个过滤元件的组在像素阵列中的像素之上平铺或重复以形成滤色器阵列。
根据像素阵列的构造和相关联的读出电路，积累的电荷或信号可以从每个像素单独被读出，从两个或更多个像素的组读出，或者从所有的像素同时读出。在一些实施例中，每个单独的像素连接到读出电路，而在其他实施例中，两个或更多个像素可操作地连接到读出电路并共享所述读出电路。图9示出了共享的像素架构的一个例子。在所示出的实施例中，N个像素连接到共享的共同节点900。在一些实施例中，共同节点900是感测区域。数量N可以是大于2的任意数。例如，可以将两个、三个、四个或六个像素连接到共同节点900。
每个像素902包括光检测器904和连接在光检测器904与共同节点900之间的传输晶体管906。读出电路908可连接到共同节点900。由于读出电路908连接到共同节点900，像素共享读出电路908。仅举例来说，读出电路908可以包括感测区域、复位晶体管、以及读出晶体管，其可被如图6所示地配置。所述感测区域、所述复位晶体管和所述读出晶体管可以连接到共同节点900。行选择晶体管可以连接到读出晶体管。
在一个实施例中，每个传输晶体管906的栅极可以被选择性地施加脉冲，允许电荷从一个光检测器902传送到共同节点900。由于每个传输晶体管906可以被选择性地施加脉冲，因此来自一个像素或来自多个像素的电荷可以被单独或同时传送到共同节点900。因此，在读出电路908从共同节点900读取电荷之前，可以通过将电荷传送到所述共同节点(单独地或同时地)，将任何数量的像素(例如，两个或四个像素)中累积的电荷分选或求和在一起。然后可以使用读出电路908中的一些或全部组件来读出求和的电荷。
一些实施例可以不同地配置像素和/或共享配置。作为一个例子，对于全局快门(GS)像素，可以在每个像素中包含存储区域和第二传输门。在所有像素中同时获取电荷，然后被全局传送到存储区域，并在读出之前被存储在存储节点上。在读出期间，电荷被传送到共享的感测区域，并且像素与上面描述的类似地操作。
电荷求和可以在相同的色平面或多个色平面中发生。图10是用于像素分选的实例方法的流程。初始地，如在块1000中所示，可以沿着对角线方向对多个像素中的电荷求和并读出，以产生数字第一对角线求和信号。在从感测区域读出电荷之前，可以通过将电荷从光检测器传送到共享感测区域，来将电荷加在一起。在一个实施例中，在像素阵列中像素是彼此相邻的(例如，相邻的行或列)。在其他实施例中，像素不彼此相邻。像素可以线排列，例如以行或列，可以彼此邻接，可以彼此靠近，和/或位于像素阵列中。
然后可以将第一对角线求和信号存储在存储器中，例如图3中的存储器302(块1002)。接下来，如图10的块1004所示，可以将来自沿着对角线方向的像素的像素信号组合并读出，以产生数字第二对角线求和信号。在一个实施例中，所述像素信号是通过将输出线电连接在一起并从像素读出电荷到连接的输出线上而组合的电压信号。因此，代表像素中的电荷量的像素信号被组合。当信号几乎相同时，通过读取信号到所连接的输出线上将信号一起平均。
在一些实施例中，像素信号来自沿着与块1000中相同的第一对角线方向设置的像素。再次地，在一个实施例中，像素阵列中像素彼此相邻(例如，相邻的行或列)。在其他实施例中，像素彼此不相邻。
然后将数字第一和第二对角线求和信号组合，如块1006所示。可以通过对相应的共同的感测区域上的电荷求和，并然后在相应的输出线上将代表求和电荷的电压信号组合，在像素阵列中的其他像素上执行正交分选(1008块)。在从感测区域读出电荷之前，通过将电荷从光检测器传送到共同的感测区域，可以对电荷求和。
现参考图11，示出了适用于执行图10的方法的图像传感器的简化示意图。该传感器架构包括2×4共享配置。像素阵列1100中的像素被分为若干个八像素的组1102(即，每组中两列和四行像素)。其他实施例可以在每组中有不同数量的像素。为了便于理解，在图11中每个像素组1102和相关联的读出电路被示出为分立的组。虽然不要求，但是典型地，像素阵列中的像素基本上是跨像素阵列连续的。为简单起见，将描述用于仅一个像素组的架构和连接。本领域技术人员将认识到，其他像素组可以如所描述的组那样来构建和配置。
组1104中的像素共享共同感测区域1106。共同感测区域1106可操作地连接到读出电路1108。读出电路可操作地连接到输出线1110。多个输出线被分选在一起并连接到列选择部1112、1114。更具体地，一组输出线可操作地连接到第一垂直开关1116和第二垂直开关1118。第一垂直开关1116可操作地连接到第一模数转换器1120。第二垂直开关1118可操作地连接到第二模数转换器1122。
第一水平开关1124被配置为将一组输出线中所选定的输出线连接到另一组输出线中所选定的输出线。例如，第一水平开关1124将可操作地连接到第一垂直开关1116的输出线(例如，输出线1110)连接到与第二垂直开关1126连接的输出线。类似地，第二水平开关1128将可操作地连接到第三垂直开关1130的输出线连接到与第四垂直开关1132连接的输出线。另外地或替代地，所述水平开关可以将相同组输出线中的输出线连接在一起。
在一些实施例中，读出电路包括可被如图6所示的那样配置的复位晶体管和读出晶体管。复位晶体管和读出晶体管可以连接到共同感测区域1106。行选择晶体管可以连接到读出晶体管。此外，在一个或多个实施例中，垂直和水平开关可以被配置为多路复用器。其他的实施例中可以使用不同类型的开关和/或读出电路。
将使用图12说明图10的方法。图12是图11所示的图像传感器的一部分的扩展视图。再次地，为简单起见，将描述用于仅三个2×2簇的分选操作。本领域技术人员将理解，可以在像素阵列中的所有的像素上执行相同的分选操作。
在示出的实施例中，对角线地分选的像素与拜耳CFA中两个绿色色平面相关联。如前所述的，可以沿对角线方向(或多个对角线方向)对多个像素中的电荷求和并从像素阵列读出，以产生第一对角线求和信号。在所示出的实施例中，通过将电荷传送到共同感测区域1204对绿色像素1200和1202中的电荷求和。求和电荷与两个不同的色平面相关联，Gr色平面和Gb色平面。可以在共同感测区域1204被读出之前，同时地或顺序地将电荷传送到共同感测区域1204。
使用读出电路1206从共同感测区域1204读出求和电荷。代表求和的绿色电荷量的电压信号被输出到电压信号线1208。第二垂直开关1126选择输出线1208，并可操作地将该输出线连接到模数转换器1210。输出线1208上的电压信号被转换为数字信号，以在信号线1212上产生数字第一对角线求和信号。
接下来，像素1214中的电荷被传送到共同感测区域1216，并且读出电路1218从感测区域1216读出电荷。代表像素1214中的电荷量的电压信号由输出线1220接收。类似地，像素1222中的电荷被传送到共同感测区域1224，并且读出电路1226从感测区域1224读出电荷。代表像素1222中的电荷量的电压信号被输出到输出线1228。
第一水平开关1124将输出线1220和1228连接在一起以将输出线1220和1228上的电压信号组合。第一垂直开关(例如，开关1126)可以选择连接的输出线(例如，输出线1228)，并将连接的输出线1220、1228连接到模数转换器(例如，A/D 1210)，第二数字对角线求和信号被输出在信号线1212上。所述第一和第二对角线求和信号随后可以被组合以产生分选的2×2的簇。
因此，通过对共同感测区域上的电荷求和并从像素阵列(例如，图11中的像素阵列1100)读出求和的电荷，生成了第一对角线求和信号。通过组合电压信号并从像素阵列中读出组合的电压信号，形成了第二对角线求和信号。在所示出的实施例中，所述第一和第二对角线求和信号代表与两个不同色平面(例如，Gr和Gb)相关联的光。
也可以正交地分选像素。在所示出的实施例中，蓝色和红色像素被正交地分选。例如，蓝色像素1230和1232中的电荷可以被传送到共同感测区域1216以将这两个像素中的电荷加在一起。读出电路1218可以从共同感测区域1216读出求和的电荷，代表求和的蓝色电荷量的电压信号可以由输出线1220接收。所述电压信号代表第一正交求和信号。第一垂直开关1116可以选择输出线1220，并且A/D转换器1120可以将所述电压信号转换为数字信号以产生第一数字正交求和信号。第一数字正交求和信号被输出到信号线1234上。
在基本相同的时间，蓝色像素1236和1238中的电荷可以被传送到共同感测区域1204以将两个像素中的电荷加在一起。读出电路1206可以从共同感测区域1204读出求和电荷，代表求和的蓝色电荷量的电压信号可以由输出线1208接收。该电压信号代表第二正交求和信号。第二垂直开关1126可以选择输出线1208，A/D转换器1210可以将电压信号转换为数字信号以产生第二数字正交求和信号。然后，数字第一和第二正交求和信号可以被组合以产生分选的2×2的簇。
接下来，红色像素1240和1242中的电荷可以被传送到共同感测区域1216以将两个像素中的电荷加在一起。读出电路1218可以从共同感测区域1216读出求和电荷，代表求和的红色电荷量的电压信号可以由输出线1220接收。该电压信号代表第三正交求和信号。
在基本相同的时间，红色像素1244和1246中的电荷可以被传送到共同感测区域1204以将两个像素中的电荷加在一起。读出电路1206可以从共同感测区域1204读出求和电荷，代表求和的红色电荷量的电压信号可以由输出线1208接收。该电压信号代表第四正交求和信号。然后第一水平开关1124可以将输出线1208和1220连接在一起，垂直开关(例如，开关1126)可以将连接的输出线连接到A/D转换器1210。A/D转换器1210可以将组合的第三和第四电压信号转换为数字信号以产生数字正交求和信号。所述数字正交求和信号被输出在信号线1212上。
由于2×2绿色像素簇的不同半部被以不同的像素读出周期分选，因此代表分选的2×1绿色像素簇的信号可以被存储在存储器中直到代表2×2簇的其他半部的信号被读出。如前所述，当代表2×2簇的其他半部的信号被读出时，所述2×1半部可以被数字地组合以完成对2×2的绿色像素簇的分选操作。然后可以使用代表2×2绿色像素簇的数字信号的至少一些来构建图像。代表正交求和的红色和蓝色像素的数字信号的至少一些也可以被用来生成图像。
此外，在图11和12的实施例中，在图像传感器中可以包括用于每行像素中的传输晶体管的三个传输信号线。一个传输信号线可操作地连接到一行中的红色或蓝色像素的传输晶体管。其他两个传输信号线交替地连接到该行中绿色像素中的传输晶体管。所述两个传输信号线中的一个可操作地连接到每隔一个列(例如，奇数列)中的绿色像素中的传输晶体管，另一个传输信号线连接到在同一行中其余的传输晶体管(例如，在偶数列中的绿色像素)。
其他实施例可以不同地执行像素分选。例如，组合的绿色、蓝色和/或红色像素可以位于与图12中的组不同的组中。
在一个实施例中，可以如现在结合图11描述的来执行分选操作。在第一读出周期中，可以在相应的共同感测区域对位于这些行和列位置的绿色像素求和：(0,0)和(1,1)、(2,2)和(3,3)、以及(4,0)和(5,1)。在第二读出周期中，可以在输出线上对位于这些行和列位置的绿色像素求和：(1,3)和(2,4)、(1,7)和(2,8)、以及(5,3)和(6,4)(注意图11中未示出列6-8)。在第三读出周期中，可以在相应的共同感测区域对位于这些行和列位置的绿色像素求和：(0,8)和(1,9)、(2,10)和(3,11)、以及(4,8)和(5,9)。在第四读出周期中，可以在输出线对位于这些行和列位置的绿色像素求和：(3,1)和(4,2)、(3,5)和(4,6)、以及(7,1)和(8,2)(注意图11中未示出列7-11)。
对于正交分选，在一个读出周期中，可以在相应的共同感测区域上对蓝色和红色像素求和，然后在相应的输出线上将代表求和电荷的电压信号组合。例如，可以在相应的共同感测区域上对位于这些行和列位置的蓝色像素中的电荷求和：(0,1)和(0,3)、(2,1)和(2,3)、(4,1)和(4,3)、(6,1)和(6,3)、(0,9)和(0,11)、(2,9)和(2,11)、(4,9)和(4,11)、以及(6,9)和(6,11)(注意图11中未示出列6)。从感测区域读出求和电荷，代表求和电荷的电压信号可以在相应的输出线上被组合如下[电压信号以方括号[]表示]：[(0,1)+(0,3)]与[(2,1)+(2,3)]组合、[(4,1)+(4,3)]与[(6,1)+(6,3)]组合、[(0,9)+(0,11)]与[(2,9)+(2,11)]组合、以及[(4,9)+(4,11)]与[(6,9)+(6,11)]组合。
类似地，在相同的读出周期期间，可以在相应的共同感测区域上对位于这些行和列位置的红色像素求和如下：(1,4)和(1,6)、(3,4)和(3,6)、(5,4)和(5,6)、(7,4)和(7,6)、(1,12)和(1,14)、(3,12)和(3,14)、(5,12)和(5,14)、以及(7,12)+(7,14)(注意图11中未示出列7)。从感测区域读出求和电荷，代表求和电荷的电压信号可以在相应的输出线上被组合如下[电压信号以方括号[]表示]：[(1,4)+(1,6)]与[(3,4)+(3,6)]组合、[(5,4)+(5,6)]与[(7,4)+(7,6)]组合、[(1,12)+(1,14)]与[(3,12)+(3,14)]组合、以及[(5,12)+(5,14)]与[(7,12)+(7,14)]组合(注意图11中未示出列7)。
在另一个用于正交分选的读出周期中，可以在相应的共同感测区域对位于这些行和列位置的蓝色像素求和如下：(0,5)和(0,7)、(2,5)和(2,7)、(4,5)和(4,7)、(6,5)和(6,7)；(0,13)和(0,15)、(2,13)和(2,15)、(4,13)和(4,15)、以及(6,13)和(6,15)(注意图11中未示出列6)。从感测区域读出求和电荷，代表求和电荷的电压信号可以在相应的输出线上被组合如下[电压信号以方括号[]表示]：[(0,5)+(0,7)]与[(2,5)+(2,7)]组合、[(4,5)+(4,7)]与[(6,5)+(6,7)]组合、[(0,13)+(0,15)]与[(2,13)+(2,15)]组合、以及[(4,13)+(4,15)]与[(6,13)+(6,15)]组合(注意图11中未示出列6)。
类似地，在相同的读出周期中，可以在相应的共同感测区域上对位于这些行和列位置的红色像素求和如下：(1,0)和(1,2)、(3,0)和(3,2)、(5,0)和(5,2)、(7,0)和(7,2)、(1,8)和(1,10)、(3,8)和(3,10)、(5,8)和(5,10)、以及(7,8)和(7,10)(注意图11中未示出列7)。从感测区域读出求和电荷，代表求和电荷的电压信号可以在相应的输出线上被组合如下[电压信号以方括号[]表示]：[(1,0)+(1,2)]与[(3,0)+(3,2)]组合、[(5,0)+(5,2)]与[(7,0)+(7,2)]组合、[(1,8)+(1,10)]与[(3,8)+(3,10)]组合、以及[(5,8)+(5,10)]与[(7,8)+(7,10)]组合(注意图11中未示出列7)。
现参考图13，示出了拜耳滤色器模式和2×2像素分选的一个例子。在所示出的实施例中，分选的像素在像素阵列中的相邻的行中(然而这并不是必需的)。四个绿色像素1300被对角线地分选以形成菱形分组模式。四个红色像素1302和四个蓝色像素1304的簇被正交地分选以形成方形形状。图13中的分组模式将蓝色像素簇1304的中心和绿色菱形簇1300的中心对齐。在一些实施例中，可以利用附加的处理改变绿色菱形簇1300的相位，以使得绿色菱形簇的中心与红色像素簇的中心对齐。在其他实施例中，没有绿色菱形簇与红色或蓝色像素簇对齐。
图14示出了拜耳滤色器模式和2×2像素分选的另一个例子。像图13实施例一样，分选的像素在像素阵列中的相邻的行中。四个绿色像素1400被对角线地分选以形成菱形分组模式。四个红色像素的簇1402和四个蓝色像素的簇1404被正交地分选以形成方形形状。图14中的分选模式将红色像素簇1402的中心和绿色菱形簇1400的中心对齐。在一些实施例中，可以利用附加的处理改变绿色菱形簇1400的相位，使得绿色菱形簇的中心与蓝色像素簇的中心对齐。在其他实施例中，没有绿色菱形簇与红色或蓝色像素簇对齐。
这里描述的分选操作可以用于2×1分选。图15示出了拜耳滤色器模式和2×1像素分选的一个例子。两个绿色像素1500(例如，Gr和Gb)可以被对角线地分选，并且对于每2个簇(见1500、1500’和1502、1502’)对角线方向可以交替。例如，在所示出的实施例中，可以在相应的共同感测区域上对两个绿色像素中的电荷(例如，Gr和Gb 1500)求和，并从像素阵列中读出求和电荷。然后可以从其他绿色像素读出电荷，然后可以在相应的输出线上组合代表该电荷的电压信号(例如，将来自诸如1500’中的Gr和Gb像素的对角线相邻的像素的电压信号组合)。然后可以从像素阵列读出组合的电压信号。全部四个绿色像素1500、1500’在像素阵列中沿着第一对角线方向对角线地相邻。注意，2×1分选操作执行图10中的块1000、1002和1004，但不执行块1006。
可以在相应的共同感测区域上对沿着不同的第二对角线方向对角线地相邻的两个绿色像素中的电荷求和，并且从像素阵列中读出求和电荷(例如，Gr和Gb 1502)。然后可以从沿着第二对角线方向对角线地相邻的其他绿色像素读出电荷，然后可以在相应的输出线上将代表电荷的电压信号组合(例如，将来自对角线相邻的像素Gr和Gb 1502’的电压信号组合)。然后可以从像素阵列中读出组合的电压信号。不像先前的四个绿色像素那样，这四个绿色像素1502、1502’在像素阵列中沿着第二对角线方向对角线地相邻。
可以通过在相应的感测区域上对红色电荷求和以及通过在相应的感测区域上对蓝色电荷求和，正交地分选两个红色像素簇1504和两个蓝色像素簇1506。然后可以从像素阵列中读出求和电荷。在2×1分选操作中，不在输出线上组合代表求和的蓝色电荷的电压信号，并且不在输出线上组合代表求和的红色电荷的电压信号。
然后可以使用对角线求和的绿色信号、正交求和的红色信号、以及正交求和的蓝色信号中的至少一些来构建图像。其他实施例可以使用代表2×1对角线求和像素的信号中的至少一些来生成图像。
已经特别参照某些特征详细描述了多种实施例，但是将理解，可以在本公开的精神和范围内做出各种变化和修改。例如，这里描述的实施例在2×1和2×2组合中沿着不同的对角线方向进行电荷求和。其他实施例可以在不同组合(例如，3×3组合)中沿着不同对角线方向进行电荷求和。另外地或替代地，除了绿色之外的颜色可以被对角线地求和。
尽管这里已经描述了一些具体实施例，但是应理解，本申请并不限于这些实施例。尤其是，相对于一个实施例描述的任何特征也可以用在其他兼容的实施例中。同样地，兼容的不同实施例的特征可以被交换。

Claims (20)

1.一种用于分选具有包括多个像素的像素阵列的图像传感器中的电荷的方法，所述方法包括：
通过对沿着第一对角线方向设置的第一组像素中的电荷求和来产生第一对角线求和信号，并从所述像素阵列读出所述第一对角线求和信号；
通过对从沿着第二对角线方向设置的第二组像素读出的电压信号进行组合来产生第二对角线求和信号，并且从所述像素阵列读出所述第二对角线求和信号；以及
通过对沿着第一对角线方向设置的第三组像素中的电荷求和来产生正交求和信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述第一组像素包括与第一拜耳滤色器阵列中的第一绿色色平面和第二绿色色平面相关联的像素。
3.如权利要求2所述的方法，其中：
所述第二组像素包括与第二拜耳滤色器阵列中的第一绿色色平面相关联的第一像素和与第三拜耳滤色器阵列中的第二绿色色平面相关联的第二像素。
4.如权利要求1所述的方法，其中：第二对角线方向是与第一对角线方向不同的对角线方向。
5.如权利要求1所述的方法，其中：第一对角线方向与第二对角线方向是相同的对角线方向。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
从所述像素阵列读出所述正交求和信号。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述正交求和信号包括第一正交求和信号，所述方法还包括：
通过对沿着第一对角线方向设置的第四组像素中的电荷求和来产生第二正交求和信号；以及
通过对所述第一正交求和信号和所述第二正交求和信号进行组合来产生组合信号。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
将所述第一对角线求和信号转换为数字第一对角线求和信号；
将所述第二对角线求和信号转换为数字第二对角线求和信号；以及
通过对所述数字第一对角线求和信号和数字第二对角线求和信号进行组合来产生组合信号。
9.一种用于分选具有包括多个像素的像素阵列的图像传感器中的电荷的方法，所述方法包括：
通过对沿着像素阵列的第一对角线方向设置的第一组像素中的电荷求和来产生第一对角线求和信号；
通过对沿着第一对角线方向设置的第二组像素中的电荷求和来产生第二对角线求和信号；以及
通过对第一对角线求和信号和第二对角线求和信号的电压进行组合来产生组合信号。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
产生表示沿着对角线方向设置的第三组像素中的电荷和的对角线求和信号，并且从所述像素阵列读出该对角线求和信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中产生对角线求和信号包括：
对第三组像素中的电荷进行求和。
12.如权利要求10所述的方法，其中产生对角线求和信号包括：
对从第三组像素中的各像素读出的电压信号进行组合。
13.如权利要求9所述的方法，其中：
第一组像素中的电荷在由所述第一组像素共享的第一读出电路的第一共同节点处被求和；以及
第二组像素中的电荷在由所述第二组像素共享的第二读出电路的第二共同节点处被求和。
14.如权利要求13所述的方法，其中产生组合信号包括：
将与第一读出电路连接的第一输出线电气耦合到与第二读出电路连接的第二输出线。
15.如权利要求9所述的方法，其中：
所述第一组像素包括与第一拜耳滤色器阵列中的蓝色色平面相关联的像素，以及所述第二组像素包括与第二拜耳滤色器阵列中的蓝色色平面相关联的像素。
16.如权利要求9所述的方法，其中：
所述第一组像素包括与第一拜耳滤色器阵列中的红色色平面相关联的像素，以及所述第二组像素包括与第二拜耳滤色器阵列中的红色色平面相关联的像素。
17.如权利要求9所述的方法，还包括：
选择性地启用和禁用第一组像素和第二组像素。
18.一种图像捕获装置，包括：
像素阵列，被分成多个像素组，每个像素组操作地连接到一组感测区域中的相应的感测区域；
读出电路，操作地将所述一组感测区域连接到一组输出线；
开关，操作地将所述一组输出线中的第一组输出线连接到所述一组输出线中的第二组输出线；和
处理装置，操作地连接到所述像素阵列、所述读出电路和所述开关，其中所述处理装置适于：
选择性地启用一像素组中的两个或更多个像素以在相应的感测区域对电荷求和，
选择性地启用不同像素组中的两个或更多个像素；
选择性地启用所述读出电路以在所述一组输出线中的一个或多个输出线上产生表示被启用像素的感测区域中的相应求和电荷的一个或多个电压信号；以及
选择性地启用所述开关以对所述一组输出线中的不同输出线上的一个或多个电压信号进行组合。
19.如权利要求18所述的图像捕获装置，其中所述处理装置操作地连接到所述像素阵列、所述读出电路和所述开关以：
通过对沿着第一对角线方向设置的第一组像素中的电荷求和来产生第一对角线求和信号，并从所述像素阵列读出所述第一对角线求和信号；
通过对从沿着第二对角线方向设置的第二组像素读出的电压信号进行组合来产生第二对角线求和信号，并且从所述像素阵列读出所述第二对角线求和信号；以及
通过对所述第一对角线求和信号和所述第二对角线求和信号进行组合来产生组合信号。
20.如权利要求18所述的图像捕获装置，其中所述处理装置操作地连接到所述像素阵列、所述读出电路和所述开关以：
通过对沿着第一对角线方向设置的一组像素中的电荷进行求和来产生正交求和信号。
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