CN110915198B - 像素传感器元件、图像传感器、成像设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种像素传感器元件(200)，包括光电探测器(201)和具有N个存储阵列的存储组件(205)，每个存储阵列具有输入移位寄存器(207)、输出移位寄存器(215)和存储移位寄存器(211)，每个输入移位寄存器(207)和输出移位寄存器(215)具有以列布置的M个存储单元，存储移位寄存器(211)具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，存储移位寄存器(211)用于从输入移位寄存器(207)到输出移位寄存器(215)的信号传输。N个能够独立驱动的信号传输区域(203)将信号从光电探测器(201)传输到输入移位寄存器(207)中的相应一个的第一个单元(210)。N个信号读出区域(219)从输出移位寄存器(215)中的相应一个的最后一个单元(217)读取信号。N为2或更大。M为1或更大。P为1或更大。还提供了图像传感器、成像设备、存储组件和方法。

Description

像素传感器元件、图像传感器、成像设备和方法

技术领域

本发明涉及用于根据落在像素传感器元件上的光生成信号的像素传感器元件、图像传感器、成像设备和方法。

背景技术

像素传感器元件具有布置为响应于光而生成例如电荷或电压的信号的光电探测器，例如CMOS光电二极管。从像素传感器元件读取所生成的信号。在典型的布置中，许多像素传感器元件以行和列的阵列布置以形成用于捕获图像的图像传感器。在该布置中，每个像素传感器元件将捕获所捕获图像的单一像素。这些图像传感器可以被结合到例如摄像机的成像设备中。

像素传感器元件的一种特殊应用是以高速捕获图像数据，例如从每秒几千帧到每秒超过一百万帧的图像数据。现有的光电探测器能够以这些高帧速率工作，但是由于读出电路中的限制，通常需要将分辨率(即高速成像期间可操作的像素传感器元件的数量)从最大可能的分辨率降低。这意味着在超过每秒几千帧的帧速率下，必须减少成像设备捕获的每帧图像数据的像素数量。每秒超过一百万帧的高速成像是可能的，但是只能以低分辨率进行，这在许多应用中用途有限。

参照图1，示出了现有技术的像素传感器元件，其一般由附图标记100标示，该像素传感器元件是由专业影像有限公司(Specialized Imaging Ltd.)生产的称为KIRANA的现有成像设备的像素传感器元件。这种KIRANA试图克服或减轻以前的高速成像设备的低分辨率。图像传感器的所有像素传感器元件100能够同时工作，以高达每秒500万帧的帧速率捕获180帧图像数据。这是因为像素传感器元件100结合了一般由附图标记105标示的存储阵列。存储阵列105具有180个存储单元，每个存储单元能够存储表示像素数据帧的电荷。因此，在占用读出电路传输电荷之前，能够将180个连续的像素数据帧同时存储在成像设备的每个像素传感器元件100中。仍然需要通过常规的读出电路来读出存储的图像数据，但是这可以以较慢的速率并且在稍后的时间完成，这不需要减少可操作的像素传感器元件的数量。读出以受读出结构限制的速率执行。在示例KIRANA成像设备中，读出速率约为每秒1100帧。

存储阵列105被布置为经由传输门103从光电探测器101接收电荷。存储阵列105具有输入移位寄存器107，该输入移位寄存器107具有以纵列布置的10个存储单元。存储单元中的第一个存储单元109被布置为邻近传输门103，使得第一个存储单元109可以从传输门103接收电荷。存储阵列105还具有存储移位寄存器111，该存储移位寄存器111具有10行存储单元，每行存储单元具有水平排列的16个存储单元。每行存储移位寄存器111被布置为邻近输入移位寄存器107的存储单元。按照这种方式，例如，输入移位寄存器107的最后一个存储单元110邻近存储移位寄存器111的最后一行的第一存储单元113。存储阵列105还具有输出移位寄存器115，该输出移位寄存器115具有以纵列布置的10个存储单元。布置输出移位寄存器115使得每个存储单元以邻近存储移位寄存器111的行布置。按照这种方式，例如，存储移位寄存器111的最后一行的最后一个存储单元114邻近输出移位寄存器115的最后一个单元117。输出移位寄存器115的最后一个单元117被布置为邻近读出区域119，使得可以从输出移位寄存器115的最后一个单元117读取电荷。

像素传感器元件100还具有抗晕光门121。抗晕光门121连接到电源轨(未图示)。抗晕光门121被激活以有效地倾倒电荷。这是用于正常操作中的曝光控制。

在期望以非常高的帧速率(例如，每帧最少1微秒)捕获多达180帧的图像数据的突发模式操作期间，对每个像素传感器元件100执行以下操作。

电荷以突发模式帧速率从光电探测器101被传输到输入移位寄存器107的第一存储单元109，并且沿着输入移位寄存器107的存储单元被移位，直到输入移位寄存器107为满为止。然后，将输入移位寄存器107的存储单元中的电荷并行传输到存储移位寄存器111的每行的第一个单元。按照这种方式，例如，将输入移位寄存器107的最后一个单元110中的电荷传输到存储移位寄存器111的最后一行的第一个单元113中。存储移位寄存器111以突发模式帧速率的1/10沿其行移位电荷，使得每当输入移位寄存器107为满时，存储移位寄存器111的每行的第一个单元为空，并且能够接收来自输入移位寄存器107的电荷。按照这种方式，每当输入移位寄存器107为满时，电荷被传输到存储移位寄存器111。一旦存储移位寄存器111已满，则存储移位寄存器111的每行的最后单元中的电荷被传输到输出移位寄存器115。然后，读出电路能够从输出移位寄存器115的最后一个存储单元117中读出电荷，并且电荷通过输出移位寄存器115被向下移位，直到输出移位寄存器115为空。然后可以将存储在输入移位寄存器107和存储移位寄存器111中的电荷移位到输出移位寄存器115，使得存储阵列105被清空。因此，在突发模式操作中，存储阵列105提供缓存以临时存储多达180帧的像素数据以供后续读出。

在成像设备以较低帧速率操作的非突发模式操作(即，连续模式操作)中，不需要存储中间帧。

尽管该现有技术的像素传感器元件已经成功地使图像能够以高帧速率和分辨率被捕获，但是期望改进现有像素传感器元件的性能或至少提供替代的像素传感器元件。

发明内容

根据本发明，提供了如所附权利要求中阐述的像素传感器元件、成像传感器、成像设备、存储组件和方法。从从属权利要求和随后的描述中，可以明显得出本发明的其他特征。

根据本发明的第一方面，提供了一种像素传感器元件，用于根据落在像素传感器元件上的光生成信号，该像素传感器元件包括：光电探测器，其被布置为响应于光而生成信号；存储组件，其包括N个存储阵列，其中N为2或更大，每个存储阵列包括：输入移位寄存器、输出移位寄存器和存储移位寄存器，输入移位寄存器和输出移位寄存器均具有以列布置的M个存储单元，其中M为1或更大，存储移位寄存器具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，其中P为1或更大，存储移位寄存器被布置为用于从输入移位寄存器到输出移位寄存器的信号传输；N个可独立驱动的信号传输区域，每个信号传输区域被布置为能够被诱导以将信号从光电探测器传输到输入移位寄存器中的相应一个的第一个单元；以及N个信号读出区域，每个信号读出区域被布置为能够被诱导以从输出移位寄存器中的相应一个的最后一个单元读取信号。

光电探测器是单一光电探测器，其中N个信号传输区域被布置为能够被诱导以传输来自单一光电探测器的信号。

在另一种布置中，光电探测器是包括彼此相邻布置的N个光电探测器的光电探测器区域，并且每个光电探测器被布置为响应于光而独立地生成信号(即，每个光电探测器区域独立于其他相邻的光电探测器区域各自生成信号)，其中N个信号传输区域中的每一个都被布置为能够被诱导以传输来自N个光电探测器中的相应一个光电探测器的信号。换句话说，每个信号传输区域被布置为用于光电探测器区域上的N个独立的光电探测器中的仅一个的信号传输，光电探测器区域的每个光电探测器具有与其相关联的专用信号传输区域。在该布置中，可以将N个光电探测器以行或阵列布置，彼此充分分开以允许独立的信号生成。在该布置中，可以将N个信号传输区域布置为被顺序地驱动，以将信号从N个光电探测器传输到相关联的输入移位寄存器。关于该实施例并且通常在本说明书中使用的术语“顺序地”是指“以预定的顺序一个接一个重复”，并且不暗示任何特定的顺序。因此，如果有四个分别标记为1、2、3和4的传输区域，则“顺序地”可以意味着顺序是1、2、3、4、1、2、3、4等，或也可以是1、3、2、4、1、3、2、4等，或任何其他预定的布置。并且，该术语包括可以从序列中省略一个或多个传输区域的布置，例如3、2、1、3、2、1等。

在此，“光”可以指能够诱导光电探测器生成信号的任何波长的电磁辐射。光可以是红外线、可见光、紫外线或X射线。在一种优选的布置中，光是可见光。

有利地，根据第一方面的像素存储元件包括被布置为经由两个或更多个可独立驱动的信号传输区域接收来自光电探测器的信号的两个或更多个存储阵列。按照这种方式，可以交替地驱动信号传输区域，以将信号从光电探测器传输到相关联的存储阵列的输入移位寄存器。因此，像素存储元件的存储阵列能够交替地占用以存储用于像素数据的交替帧的信号。重要的是，这意味着信号传输区域、输入移位寄存器和输出移位寄存器能够以帧速率的1/N进行操作，而不是像上面强调的仅具有单一存储阵列105(图1)以及一个用于将电荷传输到该单一存储阵列105的传输门103的现有系统那样以帧速率进行操作。另外，存储移位寄存器能够以帧速率的1/(N×M)操作而不是像上面强调的现有系统那样以帧速率的1/M操作。根据第一方面的像素存储元件的移位寄存器的减小的帧速率意味着像素传感器元件的移位寄存器能够以较低的速度操作，同时仍然使像素传感器元件能够以光电探测器的高帧速率捕获像素数据帧。像素传感器元件的功耗降低，并且生成的热量更少。这意味着更高的成像速度是可能的。

另外，通过第一方面的像素传感器元件，能够减少每个信号在光电探测器和输出之间移动时需要经历的移位次数。这有助于减少由于存储单元的信号传输效率的限制引入的滞后量。

N可以为4。光电探测器可以被放置在像素传感器元件的中央区域中，并且4个存储阵列对称地围绕光电探测器放置。像素传感器元件的形状可以是正方形或矩形。4个存储阵列可以放置在正方形或矩形形状的像素传感器元件的不同象限中。4个信号传输区域可以各自被布置在不同象限的拐角区域中，该拐角区域邻近光电探测器的中央区域。4个信号读出区域可以被布置在不同象限的拐角区域中，该拐角区域邻近光电探测器的边缘区域。输入移位寄存器和输出移位寄存器的列可以在像素传感器元件中垂直地布置，并且存储移位寄存器的行可以在像素传感器元件中水平地布置。

光电探测器可以被布置为响应于光而生成电荷。输入移位寄存器和/或输出移位寄存器和/或存储移位寄存器可以是电荷耦合器件、CCD、移位寄存器。所有的输入移位寄存器、输出移位寄存器和存储移位寄存器可以是CCD移位寄存器。信号读出区域可以被布置为转换从输出移位寄存器读取的电荷以生成电压或电流信号。

在根据本发明的其他布置中，光电探测器可以被布置为响应于光而生成电压或电流信号。

光电探测器可以包括或可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)光电探测器或CMOS光电二极管。在该布置中，输入移位寄存器、输出移位寄存器和存储移位寄存器可以是CCD移位寄存器。在该示例中，光电探测器生成的信号是电荷。信号读出区域可以包括电荷-电压转换器，以转换从输出移位寄存器读取的电荷以生成电流或电压信号。

在该布置中，可能需要将CCD单元制造为CMOS制造工艺的一部分，因此，与标准CCD制造工艺相比，降低了CCD单元的操作效率。由于低于理想的电荷传输效率，这可能导致帧之间的滞后。然而，重要的是，与现有系统相比，通过减少每个电荷要移位通过的CCD存储单元的数量，像素传感器元件减少了滞后量。

信号传输区域可以是传输门。

M可以为2或更大，例如从3到10。M可以为5。

P可以为2或更大，例如从3到14。P可以为7。

在一种布置中，M为5，P为7。在该布置中，每个信号需要经过的移位次数在9到17之间。相比之下，在如图1所示的现有技术KIRANA像素传感器元件中，每个信号都需要经过26个信号移位。对通过存储单元的每次移位可能引入由于降低的信号传输效率而导致的滞后。由于存储单元的制造方式，这种降低的信号传输效率可能是固有的。由于减少了移位次数，因此通过该布置在存储单元中由降低的信号传输效率产生的任何滞后都得以减少。

在另一种布置中，N为4，M为5且P为7。考虑到生产工艺中的几何约束，该布置使得存储阵列能够方便地适配在像素传感器元件中。尽管较大的像素传感器元件可以适配大数目的N、M或P，但这可能以成像设备的空间分辨率为代价，因为每个像素传感器元件会占用较大的面积。在该布置中，光电探测器可以被放置在像素传感器元件的中央区域中，并且4个存储阵列对称地围绕光电探测器放置。像素传感器元件的形状可以是正方形或矩形。4个存储阵列可以放置在像素传感器元件的不同象限中。

存储组件可以具有180个存储单元。每个存储阵列可以具有180/N个存储单元。N可以为4，并且4个存储阵列中的每一个可以具有45个存储单元。180个存储单元可以是CCD存储单元。

输入移位寄存器可以被布置为以帧速率的1/N被驱动。输出移位寄存器可以被布置为以帧速率的1/N被驱动。存储移位寄存器可以被布置为以帧速率的1/(N×M)被驱动。

像素传感器元件可以被布置为以突发模式被驱动，在突发模式下，存储组件存储信号直到存储组件为满为止。一旦存储组件已满，则可以激活信号读出区域，以从输出移位寄存器的最后单元读出信号。

像素传感器元件可以被布置为以连续模式被驱动，在连续模式下，不需要存储组件来存储信号直到存储组件为满为止。在连续模式下，存储组件基本上作为信号传输区域和读出区域之间的延迟线。在一个示例性连续模式操作中，每帧将信号从输入移位寄存器传输到相关联的存储移位寄存器一次。

输入移位寄存器和输出移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以在任一方向移位信号。即，在输入移位寄存器和输出移位寄存器中的一个或多个中信号传输方向可以是可逆的。输入移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以将信号移位远离信号传输区域或朝向信号传输区域移位信号。输出移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以将信号移位远离信号读出区域或朝向信号读出区域移位信号。

在一种布置中，所有输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号传输区域在相同方向上移位信号。在该布置中，所有的输出移位寄存器都被布置为被驱动以朝向或远离信号读出区域在相同方向上移位信号。当输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号传输区域移位信号时，输出移位寄存器被布置为被驱动以远离信号读出区域移位信号。当输入移位寄存器被布置为被驱动以远离信号传输区域移位信时，输出移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号读出区域移位信号。

在另一布置中，N为4，并且存储阵列中的2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号传输区域在第一方向上移位信号，而存储阵列中的另外2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号传输区域在相反的第二方向上移位信号。按照这种方式，当存储阵列中的2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号传输区域移位信号时，存储阵列中的另外2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以远离信号传输区域移位信号。在该布置中，存储阵列中的2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号读出区域在第一方向上移位信号，并且存储阵列中的另外2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号读出区域在相反的第二方向上移位信号。按照这种方式，当存储阵列中的2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以远离信号读出区域移位信号时，存储阵列中的另外2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以远离信号读出区域移位信号。

在该布置中，光电探测器可以被放置在像素传感器元件的中央区域中，像素传感器元件的形状可以是正方形或矩形，并且4个存储阵列可以放置在像素传感器元件的不同象限中。被布置为被驱动以在第一方向上移位信号的具有输入移位寄存器和输出移位寄存器的存储阵列中的2个存储阵列可以被放置在像素传感器元件的对角相对的象限中。

根据本发明的第二方面，提供了一种图像传感器，其包括多个根据第一方面的像素传感器元件。像素传感器元件可以以行和列的阵列布置。

所有的像素传感器元件可以被布置为基本上同时生成表示像素数据帧的信号。在突发模式操作期间，所有的像素传感器元件可以被布置为将表示像素数据帧的信号存储在像素传感器元件的存储组件中。

光电探测器可以以行布置，并且可以包括以在光电探测器的行之间成对的相邻行布置的存储阵列。可以将单行存储阵列布置在最下面一行的光电探测器的下方，并且可以将单行存储阵列布置在最上面一行的光电探测器的上方。

对于每对相邻行的存储阵列，这对相邻行中的第一相邻行的每个存储阵列可以可操作地连接到这对相邻行中的第二相邻行的相邻存储阵列，以形成成对的存储阵列。每个成对的存储阵列可以是可布置的以作为具有包括以列布置的2M个存储单元的输入移位寄存器和输出移位寄存器，以及包括2M行存储单元的存储移位寄存器的单一存储阵列，每行存储单元具有P个储存单元。

对于每对相邻行的存储阵列，输入移位寄存器和输出移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以在任一方向移位信号。即，输入移位寄存器和输出移位寄存器移位信号的方向可以被反转。输入移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以远离信号传输区域移位信号或朝向信号传输区域移位信号。输出移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以远离信号读出区域移位信号或朝向信号读出区域移位信号。

对于图像传感器的每个像素传感器元件，N可以为4。光电探测器可以被放置在像素传感器元件的中央区域中。像素传感器元件的形状可以是正方形或矩形，并且4个存储阵列可以对称地围绕光电探测器放置，或者在像素传感器元件的不同象限中。

在一种布置中，对于每对的相邻行的存储阵列，每个成对的存储阵列可以被布置为在相同方向上被驱动。成对的存储阵列的输入移位寄存器可以被布置为在第一方向上被驱动，并且成对的存储阵列的输出移位寄存器可以被布置为在相反的第二方向上被驱动。按照这种方式，在成对的存储阵列中的存储阵列中的一个存储阵列的输入移位寄存器被布置为将信号传输到在成对的存储阵列中的存储阵列中的另一个存储阵列的输入移位寄存器。在成对的存储阵列中的存储阵列中的另一个存储阵列的输出移位寄存器被布置为将信号传输到在成对的存储阵列中的存储阵列中的一个存储阵列的输出移位寄存器。

在该布置中，仅像素传感器元件的交替行可以具有被激活以响应于光而生成信号的光电探测器。例如，像素传感器元件的每个奇数行可以未被激活以响应于光而生成信号，像素传感器元件的每个偶数行可以被激活以响应于光而生成信号。

在该布置中，具有未被激活以响应于光而生成信号的光电探测器的像素传感器元件行可以被布置为使其输入移位寄存器和输出移位寄存器被反向驱动。换句话说，每个输入移位寄存器被布置为朝向与输入移位寄存器相关联的信号传输区域传输信号，并且每个输出移位寄存器被布置为远离与输出移位寄存器相关联的读出区域传输信号。在该布置中，未被激活以响应于光而生成信号的这些光电探测器的存储阵列中的一个或多个可以作为被激活以响应于光而生成信号的光电探测器的附加存储容量。

在另一种布置中，对于每对相邻行的存储阵列，至少一个或每个成对的存储阵列可以被布置为在与相邻的成对的存储阵列的驱动方向不同的方向上被驱动。换句话说，相邻的成对的存储阵列可以被布置为在彼此相反的方向上被驱动。对于至少一个或每个成对的存储阵列，输入移位寄存器可以被布置为在与相邻的成对的存储阵列的输入移位寄存器的驱动方向相反的第一方向上被驱动。对于至少一个或每个成对的存储阵列，输出移位寄存器可以被布置为在与相邻的成对的存储阵列的输出移位寄存器的驱动方向相反的第二方向上被驱动。第二方向可能与第一方向相反。

在该布置中，所有光电探测器可被激活以响应于光而生成信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种成像设备，其包括根据第二方面的图像传感器。成像设备可以是用于在高速成像中使用的摄像机。应用领域包括弹道、运动、航空、材料测试、流体力学、卫星成像、车辆成像和等离子体研究。

成像设备可包括控制器，该控制器可操作以将驱动信号应用于像素传感器元件的光电探测器和存储单元，从而控制光电探测器的帧速率和存储单元的信号传输速率。控制器可以可操作以控制输入移位寄存器和/或输出移位寄存器的存储单元以光电探测器的帧速率的1/N传输信号。控制器可以可操作以控制存储移位寄存器的存储单元以光电探测器的帧速率的1/(N×M)传输信号。

控制器可以可操作以控制输入移位寄存器和输出移位寄存器传输信号的方向。即，控制器可以可操作以选择性地反转一些或所有的输入移位寄存器和输出移位寄存器传输信号的方向。

控制器可以包括多个控制器，每个控制器集成到像素传感器元件之一中。控制器可以集成到图像传感器中。替代地，控制器可以是成像设备的独立部件。

控制器可以可操作地以相同方式驱动每个像素传感器元件的输入移位寄存器和输出移位寄存器。控制器可以可操作以驱动每个输入移位寄存器以在远离与输入移位寄存器相关联的信号传输区域的方向上传输信号。控制器可以可操作以驱动每个输出移位寄存器以在朝向与输出移位寄存器相关联的信号读出区域的方向上传输信号。

控制器可以可操作以反转图像传感器的一半像素传感器元件的输入移位寄存器和输出移位寄存器的驱动方向。

在一个示例中，控制器可操作以反转图像传感器中的像素传感器元件的交替行的驱动方向。对于其驱动方向被反转的像素传感器元件行，光电探测器可以未被激活以响应于光而生成信号。控制器可以可操作以控制图像传感器中每隔一行的像素传感器元件的输入移位寄存器朝向与输入移位寄存器相关联的信号传输区域传输信号。控制器可以可操作以控制图像传感器中每隔一行的像素传感器元件的输出移位寄存器远离与输出移位寄存器相关联的信号读出区域传输信号。

在另一个示例中，控制器可操作以驱动每个存储阵列，使得存储阵列的驱动方向不同于相邻存储阵列的驱动方向。在该布置中，所有的光电探测器可以被激活以响应于光而生成信号。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于存储和传输来自像素传感器元件中的光电探测器的信号的存储组件，该存储组件包括：N个存储阵列，其中N为2或更大，每个存储阵列包括：输入移位寄存器和输出移位寄存器，均具有以列布置的M个存储单元，其中M为1或更大；以及，储移位寄存器，其具有M行存储单元，每行存储单元具有P个存储单元，其中P为1或更大，存储移位寄存器被布置为用于从输入移位寄存器到输出移位寄存器的信号传输。光电探测器是单一光电探测器。

N可以为4。4个存储阵列可以对称地围绕光电探测器放置。像素传感器元件的形状可以是正方形或矩形。4个存储阵列可以放置在正方形或矩形形状的像素传感器元件的不同象限中。输入移位寄存器和输出移位寄存器的列可以在像素传感器元件中纵向布置，并且存储移位寄存器的行可以在像素传感器元件中横向布置。

M可以为2或更大，例如从3到7。M可以为5。

P可以为2或更大，例如从3到10。P可以为7。

在一种布置中，M为5，P为7。

在另一个布置中，N为4，M为5并且P为7。

存储组件可以具有180个存储单元。每个存储阵列可以具有180/N个存储单元。N可以为4，并且4个存储阵列中的每一个可以具有45个存储单元。180个存储单元可以是CCD存储单元。

输入移位寄存器可以被布置为以光电探测器的帧速率的1/N被驱动。输出移位寄存器可以被布置为以光电探测器的帧速率的1/N被驱动。存储移位寄存器可以被布置为以光电探测器的帧速率的1/(N×M)被驱动。

输入移位寄存器和输出移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以在任一方向移位信号。即，在输入移位寄存器和输出移位寄存器中的一个或多个中信号传输方向可以是可逆的。输入移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以远离信号传输区域或朝向信号传输区域移位信号。输出移位寄存器中的一个或多个可以被布置为被驱动以将远离信号读出区域或朝向信号读出区域移位信号。

在一种布置中，所有输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号传输区域在相同方向上移位信号。在该布置中，所有的输出移位寄存器都被布置为被驱动以朝向或远离信号读出区域在相同方向上移位信号。当输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号传输区域移位信号时，输出移位寄存器被布置为被驱动以将信号移位远离信号读出区域。当输入移位寄存器被布置为被驱动以将信号移位远离信号传输区域时，输出移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号读出区域移位信号。

在另一布置中，N为4，并且存储阵列中的2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号传输区域在第一方向上移位信号，而存储阵列中的另外2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号传输区域在相反的第二方向上移位信号。按照这种方式，当存储阵列中的2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号传输区域移位信号时，存储阵列中的另外2个存储阵列的输入移位寄存器被布置为被驱动以远离信号传输区域移位信号。在该布置中，存储阵列中的2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以朝向或远离信号读出区域在第一方向上移位信号，并且存储阵列中的另外2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为以朝向或远离信号读出区域在相反的第二方向上移位信号。按照这种方式，当存储阵列中的2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以朝向信号读出区域移位信号时，存储阵列中的另外2个存储阵列的输出移位寄存器被布置为被驱动以远离信号读出区域移位信号。

在该布置中，光电探测器可以被放置在像素传感器元件的中央区域中，像素传感器元件的形状可以是正方形或矩形，并且4个存储阵列可以放置在像素传感器元件的不同象限中。具有被布置为被驱动以在第一方向上移位信号的输入移位寄存器和输出移位寄存器的存储阵列中的2个存储阵列可以放置在像素传感器元件的对角相对的象限中。

输入移位寄存器和/或输出移位寄存器和/或存储移位寄存器可以是电荷耦合器件、CCD、移位寄存器。所有的输入移位寄存器、输出移位寄存器和存储移位寄存器可以是CCD移位寄存器。

根据本发明的第五方面，提供了一种操作根据第一方面的像素传感器元件的方法，对于每个存储阵列，该方法包括：

(i)诱导信号传输区域将信号从光电探测器传输到输入移位寄存器的第一个单元；

(ii)对于输入移位寄存器的至少一个单元，将信号从输入移位寄存器的该单元传输到存储移位寄存器的对应行的第一个单元；

(iii)对于存储移位寄存器的至少一行，将信号从存储移位寄存器的该行的最后一个单元传输到输出移位寄存器的对应单元；

(iv)诱导信号读出区域以从输出移位寄存器的最后一个单元读取信号。

可以重复(i)，直到输入移位寄存器为满为止。可以响应于输入移位寄存器已满而执行(ii)。

可以执行(ii)，直到存储移位寄存器为满为止。可以响应于存储移位寄存器已满而执行(iii)。

可以顺序地激活存储阵列以执行(i)和/或(iv)。

可以基本上同时激活存储阵列以执行(ii)和/或(iii)。

可以以光电探测器的帧速率的1/N执行(i)，可以以光电探测器的帧速率的1/(N×M)执行(ii)和(iii)。可以以光电探测器的帧速率的1/N执行(iv)-这可以例如在连续模式操作中。

每次执行(i)时，信号可以沿输入移位寄存器的存储单元向下移位，以清空输入移位寄存器的第一个单元。每次执行(ii)时，信号可以穿过存储移位寄存器的行的存储单元移位，以清空存储移位寄存器的每行的第一个单元。

根据本发明的第六方面，提供了一种操作图像传感器的方法，该图像传感器包括多个根据第一方面的像素传感器元件，像素传感器元件以行和列的阵列布置，光电探测器以行布置，并且包括以在光电探测器的行之间成对的相邻行布置的存储阵列，该方法包括：

控制每个像素传感器元件以执行第五方面中任一种的方法；以及

使用由每个像素传感器元件的信号读出区域提供的信号来生成图像。

根据本发明的第七方面，提供了一种操作图像传感器的方法，图像传感器包括多个根据第一方面的像素传感器元件，像素传感器元件以行和列的阵列布置，光电探测器以行布置，并且包括以在光电探测器的行之间成对的相邻行布置的存储阵列，其中，对于每对相邻行的存储阵列，这对相邻行中的第一相邻行的每个存储阵列可操作地连接到这对相邻行中的第二相邻行的相邻存储阵列，以形成成对的存储阵列，使得每个成对的存储阵列是可布置的以作为包括2M个存储单元的输入移位寄存器和输出移位寄存器，以及包括2M行存储单元的存储移位寄存器的单一存储阵列，每行存储单元具有P个储存单元，所述方法包括：

控制包括成对的存储阵列的第一存储阵列的像素传感器元件以执行第五方面的方法；

控制包括成对的存储阵列的第二存储阵列的像素传感器元件，以对第二存储阵列：

(i)在输入移位寄存器处接收来自第一存储阵列的输入移位寄存器的最后一个单元的信号；

(ii)对于输入移位寄存器的至少一个单元，将信号从输入移位寄存器的该单元传输到存储移位寄存器的相应行的第一个单元；

(iii)对于存储移位寄存器的至少一行，将信号从存储移位寄存器的该行的最后一个单元传输到输出移位寄存器的相应单元；以及

(iv)将信号从输出移位寄存器传输到第一存储阵列的输出移位寄存器的第一个单元。

包括第一存储阵列的像素传感器元件可以被布置为控制第一存储阵列的输入移位寄存器，以在远离与输入移位寄存器相关联的信号传输区域的第一方向上移位信号。像素传感器元件还可以被布置为控制第一存储阵列的输出移位寄存器，以在朝向与输出移位寄存器相关联的信号读出区域的第二方向上移位信号。

包括第二存储阵列的像素传感器元件可以被布置为控制第二存储阵列的输入移位寄存器以在第一方向上移位信号。即，朝向与输入移位寄存器相关联的信号传输区域。像素传感器元件还可以被布置为控制第二存储阵列的输出移位寄存器以在第二方向上移位信号。即，远离与输出移位寄存器相关联的信号读出区域。

按照这种方式，控制包括第二存储阵列的像素传感器元件以反转第二存储阵列的输入移位寄存器和输出移位寄存器传输信号的方向。

可以执行(i)直到输入移位寄存器为满为止，并且可以响应于输入移位寄存器已满而执行(ii)。

可以执行(ii)直到存储移位寄存器为满为止，并且可以响应于存储移位寄存器已满而执行(iii)。

可以执行(iv)，直到输出移位寄存器为空为止。

尽管已经示出和描述了本发明的一些优选实施例，但是本领域技术人员将理解，如所附权利要求中定义的，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出如何实现本发明的实施例，现在将仅通过示例的方式参考所附的示意图，其中：

图1示出了根据现有图像传感器的像素传感器元件的示意图；

图2示出了根据第一方面的像素传感器元件的示意图；

图3示出了根据第一方面的像素传感器元件的另一示意图；

图4示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图5示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图6示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图7示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图8示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图9示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图10示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图11示出了根据第一方面的像素传感器元件的又一示意图；

图12示出了根据第二方面的图像传感器的示意图；

图13示出了根据第二方面的图像传感器的另一示意图；

图14示出了根据第二方面的图像传感器的又一示意图；

图15示出了根据第三方面的成像设备的示意图；

图16示出了根据第五方面的方法的流程图；

图17示出了根据第六方面的方法的流程图；

图18示出了根据第七方面的方法的流程图；以及

图19示出了根据第一方面的像素传感器元件的另一示意图。

具体实施方式

参照图2，示出了根据第一方面的像素传感器元件，并且该像素传感器元件一般由附图标记200标示。像素传感器元件200为矩形，并且包括布置为响应于光而生成信号的中央的光电探测器201。光电探测器201是单一光电探测器。设置有存储组件，其包括四个存储阵列，每个存储阵列一般由附图标记205标示。存储阵列205被放置在像素传感器元件205的不同象限中。在此，“象限”是指被笛卡尔坐标系的轴划分的平面中的四个区域中的任何一个。每个存储阵列205包括：具有以纵列布置的5个存储单元的输入移位寄存器207；具有横向的5行存储单元的存储移位寄存器211，每行存储单元具有7个存储单元；以及具有5个以纵列布置的存储单元的输出移位寄存器215。像素传感器元件200还具有4个可独立驱动的信号传输区域203，每个信号传输区域203被布置为将信号从光电探测器201传输到输入移位寄存器207之一的第一个单元210。另外，像素传感器元件200具有4个信号读出区域219，每个信号读出区域219被布置为从输出移位寄存器215之一的最后一个单元217读出信号。

像素传感器元件200能够以突发模式操作，在该突发模式下，生成表示像素数据的连续帧的信号并且该信号被存储在存储组件中。这使得像素传感器元件200能够以高帧速率捕获表示180个(存储组件中存储单元的总数)像素数据的连续帧的信号。

参照图3，示出了突发模式操作的第一步，其中捕获了表示第一帧像素数据1的信号。在此，光电探测器201已经响应于光而生成信号，并且已经诱导了左上象限的信号传输区域203以将信号传输到左上象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。

参照图4，示出了突发模式操作的第二步，其中捕获了表示第二帧像素数据2的信号。在此，光电探测器201已经响应于光而生成信号，并且已经诱导了右上象限的信号传输区域203以将信号传输到右上象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。

参照图5，示出了突发模式操作的第三步，其中捕获了表示第三帧像素数据3的信号。在此，光电探测器201已经响应于光而生成信号，并且已经诱导了右下象限的信号传输区域203以将信号传输到右下象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。

参照图6，示出了突发模式操作的第四步，其中捕获了表示第四帧像素数据4的信号。在此，光电探测器201已经响应于光而生成信号，并且已经诱导了左下象限的信号传输区域203以将信号传输到左下象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。

参照图7，示出了突发模式操作的第五步，其中捕获了表示像素数据的第五帧5的信号。在此，左上象限的输入移位寄存器207已经将表示帧1的信号移位到输入移位寄存器207的下一个存储单元221。光电探测器201已经响应于光而生成信号(表示像素数据的第五帧)，并且已经诱导了左上象限的信号传输区域203以将信号传输到左上象限207的输入移位寄存器的第一个单元210。

参照图8，示出了突发模式操作的第二十步的结果，其中捕获了表示像素数据的第二十帧20的信号。在此，四个输入移位寄存器207的所有存储单元都已满。应当理解，以与第五步类似的方式执行第六步至第二十步，由此，信号沿着输入移位寄存器207的存储单元移位，并且信号通过信号传输区域203被传输到输入移位寄存器207的第一个单元210。

参照图9，示出了突发模式操作的第二十一步的一部分，其中捕获了表示像素数据的第二十一帧21的信号。在此，每个输入移位寄存器207的所有五个存储单元被诱导以将其存储的信号传输到存储移位寄存器211的每行的第一个单元。按照这种方式，清空输入移位寄存器207，使得它们能够接收来自光电探测器201的信号。

参照图10，示出了突发模式操作的第二十一步的另一部分。在此，光电探测器201已经响应于光而生成信号，并且已经诱导了左上象限的信号传输区域203以将信号传输到左上象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。按照这种方式，捕获了像素数据的第二十一帧21。

参照图11，示出了突发模式操作的第二十二步，其中捕获了表示像素数据的第二十二帧22的信号。在此，光电探测器201已经响应于光而生成信号，并且已经诱导了右上象限的信号传输区域203以将信号传输到右上象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。

应当理解，后续步骤类似于上面概述的步骤，其中输入移位寄存器207被信号填充。当输入移位寄存器207已满时，信号沿着存储移位寄存器211的行移位，使得存储在输入移位寄存器207中的信号可以被传输到每行存储移位寄存器211的第一个存储单元。

在突发模式操作的步骤160之后，表示160帧像素数据的160个信号已被捕获并且存储在存储移位寄存器211和输入移位寄存器207中。因此，存储移位寄存器211和输入移位寄存器207都已满。在突发模式操作的步骤161期间，存储在每行存储移位寄存器211的最后一个单元中的信号被传输到输出移位寄存器215。然后，信号沿着存储移位寄存器211的行移位，直到每行存储移位寄存器211的第一个单元空闲为止。然后，以类似于图9示出的第二十一步的方式，将存储在输入移位寄存器207中的信号传输到存储移位寄存器211的每行的第一个单元。然后，在突发模式操作的第一百六十一步至第一百八十步期间，以类似于第一步至第二十步的方式用信号填充输入移位寄存器207，从而捕获最后的20个信号。

在突发模式操作结束时，180帧像素数据已被捕获并且存储在存储组件中。信号可以立即从存储组件中读出。信号也可以存储在存储组件中直到接收到触发以读出信号。然后可以操作信号读出区域219以从输出移位寄存器215的最后一个单元217读出存储的信号。当信号被信号读出区域219读出时，信号被移位通过输出移位寄存器215，使得另一信号被移位到输出移位寄存器215的最后一个单元217。一旦输出移位寄存器215为空，则存储移位寄存器211的每行的最后一个单元中的信号被移位到输出移位寄存器215的存储单元。应当理解，然后信号沿着存储移位寄存器211移位，并且输入移位寄存器207中的信号被传输到每行存储移位寄存器211的第一个单元。重复该常规操作，直到清空所有存储单元。

虽然可以以非常高的帧速率执行信号在存储组件中的捕获和存储，但是在突发模式操作已经完成后，可以以适合于安装了像素传感器元件200的成像设备的读出电路的更慢的速率执行从存储组件中读取信号。

由信号读出区域219读出的信号被提供给处理单元(未图示)。在突发模式操作中，提供给处理单元的信号将不在正确的时间顺序中。处理单元将对信号进行排序，以使它们在正确的时间顺序中。在大多数布置中，处理单元在像素传感器元件200的外部，并且被结合到成像设备中。

重要的是，对于第一方面的像素传感器元件200，输入移位寄存器207交替地从信号传输区域203接收信号。这意味着仅需要每个输入移位寄存器207将信号以光电探测器201的帧速率的1/4(因为有4个输入移位寄存器207)移位。相比之下，在现有系统中，需要单一输入移位寄存器107(图1)以帧速率移位信号。结果，第一方面的每个输入移位寄存器207能够以较低的信号传输速率进行操作，同时仍然能够以光电探测器201的帧速率捕获像素数据的帧。该较低的信号传输速率意味着功耗较低，并且由输入移位寄存器207生成的热量较少。因此，这种布置提供了利用更高帧速率的可能性。

另外，仅要求存储移位寄存器211以帧速率的1/20传输信号，因为仅当输入移位寄存器207的所有20个存储单元都已满时，每个存储移位寄存器211才需要传输信号。相比之下，在现有系统中，由于单一输入移位寄存器107具有10个存储单元，所以需要单一存储移位寄存器111(图1)以帧速率的1/10移位信号。有利地，这进一步减小了第一方面的像素传感器元件200的功耗。

另外，将仅需要将每个生成的信号在9个和17个存储单元之间移位以到达信号读出区域219。如果信号从输入移位寄存器207的第一个单元210移位到存储移位寄存器211的第一行，则信号通过9个存储单元移位。如果信号从输入移位寄存器207的最后一个单元移位到存储移位寄存器211的最后一行，则信号通过17个存储单元移位。相比之下，在现有系统中，每个信号在其到达读出区域119前必须先经过26个存储单元(图1)。因此，像素传感器元件200由于差的信号传输效率而减少了滞后量。

在一个示例中，光电探测器201是互补金属氧化物半导体CMOS光电二极管201。输入移位寄存器207、输出移位寄存器215和存储移位寄存器211都是电荷耦合器件CCD移位寄存器，每个都包含存储CCD单元。信号传输区域203是传输门203。在该示例中，由光电探测器201生成的信号是电荷。信号读出区域219包括电荷-电压转换器，以将每个输出移位寄存器215的最后一个单元217中的电荷转换为电压信号。在该示例中，需要将CCD单元制造为CMOS制造工艺的一部分，因此，与标准CCD制造工艺相比，降低了CCD单元的操作效率。由于低于理想的电荷传输效率，这可能导致帧之间的滞后。然而，重要的是，与现有系统(图1)相比，第一方面的像素传感器元件200通过减少每次电荷必须移位通过的CCD存储单元的数量而减少了滞后量。

在一个示例中，光电探测器201以高达每秒五百万帧的帧速率操作，并且像素传感器元件200能够捕获180帧的像素数据。然后，以受成像设备的读出电路所限制的速率读出像素数据，在该成像设备中安装有像素传感器元件，该速率可以为每秒大约1100帧。

应当理解，第一方面不需要四个存储阵列205。实际上，本领域技术人员可以适当地设置任意数量N的存储阵列205、信号传输区域203和信号读出区域219，其中N是2或更大。在这些布置中，将要求输入移位寄存器207以帧速率的1/N移位信号。就降低的信号传输速率而言，数量N为4已经被认为是特别有利的布置，因为其可以用来连接来自不同像素传感器元件200的成对的相邻存储阵列205，如下面更详细地讨论的。

还应当理解，第一方面不需要将存储阵列205放置在像素传感器元件200的不同象限中。实际上，本领域技术人员可以适当地使用存储阵列205的任何布置。

还应当理解，第一方面不需要输入移位寄存器207和输出移位寄存器215具有以列布置的5个存储单元。实际上，可以设置任意数量M，其中M为1或更大。另外，第一方面不要求存储移位寄存器211具有5行的7个存储单元。反而，可以提供M行任意数量P的存储单元，其中P为1或更大。考虑到生产过程中的几何约束，本领域技术人员可以选择数字M和P，从而使得存储阵列205能够方便地适配在像素传感器元件200中。较大的像素区域将意味着可以将数字M和P选得更高。

参照图12，示出了根据第二方面的图像传感器，并且该图像传感器一般由附图标记300标示。图像传感器300具有以行和列的阵列布置的6个根据第一方面的像素传感器元件200。有三行以两列布置的像素传感器元件200。也可以认为这种布置形成了三行光电探测器201——中间行301、上行303和下行305。存储阵列205在光电探测器201之间以成对相邻行布置。在光电探测器201的上行303和中间行301之间有上部的成对相邻行307，在光电探测器201的中间行303和下行301之间有下部的成对相邻行309。存储阵列205的最上面的行313和最下面的行315未布置在光电探测器201的行301、303和305之间，而是限定了图像传感器300的边界。

图像传感器300用于捕获图像，使得每个像素传感器元件200捕获所生成图像的一个像素的像素数据。

在突发模式操作中，可以同时驱动每个像素传感器元件200以捕获180帧的像素数据。

应当理解，图12的图像传感器300仅是具有非常少量的像素传感器元件200的示例。有用的图像传感器300将被期望具有以行和列的阵列布置的至少50万的数量级的像素传感器元件200。工作原理与图12中概述的相同。

参照图13，示出了图12的图像传感器300的布置，其中一些输入移位寄存器207和输出移位寄存器215在与图12不同的方向上被驱动。在此，上部的成对相邻行307中的第一相邻行的每个存储阵列205可操作地连接到上部的成对相邻行307中的第二相邻行的相邻存储阵列205，以形成成对的存储阵列317。另外，下部的成对相邻行309中的第一相邻行的每个存储阵列205可操作地连接到下部的成对相邻行309中的第二相邻行的相邻存储阵列205，以形成成对的存储阵列317。按照这种方式，在光电探测器301的三行301、303、305之间布置了八个成对的存储阵列317。在每个成对的存储阵列317中，两个存储阵列205的输入移位寄存器207可操作地彼此连接，并且两个存储阵列205的输出移位寄存器215可操作地彼此连接。

在图13示出的布置中，对于每个成对的存储阵列317，驱动输入移位寄存器207以在第一方向上传输信号，并且驱动输出移位寄存器215以在与第一方向相反的第二方向上传输信号。这意味着与图12的布置相比，输入移位寄存器207和输出移位寄存器215的一半的信号传输已经被反转。因此，每个成对的存储阵列317被布置为作为具有包括以纵列布置的10个存储单元的输入移位寄存器和输出移位寄存器，以及包括10行存储单元的存储移位寄存器的单一存储阵列，每行存储单元具有7个存储单元。按照这种方式，成对的存储阵列317可以用于增加图像传感器300中的一些像素传感器元件200的存储容量。

在图13的布置中，中间行301的光电探测器201被激活以响应于光而生成信号，而上行303和下行305的光电探测器201未被激活。对于每个成对的存储阵列317，与上行303和下行305的光电探测器201相关联的输入移位寄存器207在与图12示出的布置相反的方向上被驱动。这意味着与上行303和下行305的光电探测器201相关联的这些输入移位寄存器207被布置为从与中间行301的光电探测器201相关联的输入移位寄存器207接收信号。与上行303和下行305的光电探测器201相关联的输出移位寄存器215也在与图12示出的布置相反的方向被驱动。这意味着与上行303和下行305的光电探测器201相关联的输出移位寄存器215被布置为将信号传输到与中间行301的光电探测器201相关联的输出移位寄存器215。信号的这种传输如图13中的箭头所示。

在该布置中，成对的存储阵列317用作中间行301的光电探测器201的增加的存储容量。因此，中间行的每个光电探测器201具有围绕光电探测器201被布置在不同的象限中的四个成对的存储阵列317。每个成对的存储阵列317具有90个存储单元，因此能够存储表示90帧像素数据的90个信号。总共为成对的存储阵列317提供360个存储单元来为每个激活的光电探测器201存储360个信号。因此，中间行301的光电探测器201的存储容量增加了一倍。输入移位寄存器207和输出移位寄存器215的信号传输速率不变，但是成对的存储阵列317的存储移位寄存器211的信号传输速率减半为帧速率的1/40。由于光电探测器201的行303和305未被激活，因此这以图像分辨率为代价。

应当理解，图13的图像传感器300仅仅是具有非常少量的像素传感器元件200的示例。有用的图像传感器300将被期望具有以行和列的阵列布置的50万的数量级的像素传感器元件200。工作原理与图13中概述的相同。

参照图14，示出了图12的图像传感器300的另一种布置，其中一些输入移位寄存器207和输出移位寄存器215在与图12和图13不同的方向上被驱动。在此，在光电探测器201的行301、303和305之间形成8个成对的存储阵列317。成对的相邻行307的每个成对的存储阵列317在与成对的相邻行307的相邻的成对的存储阵列317的驱动方向不同的方向上被驱动。另外，成对的相邻行309的每个成对的存储阵列317在与成对的相邻行309的相邻的成对的存储阵列317的驱动方向不同的方向上被驱动。因此，相邻的成对的存储阵列317的输入移位寄存器207和输出移位寄存器215在彼此相反的方向上被驱动。

与图13的布置不同，行301、303和305的所有光电探测器201被激活以响应于光而生成信号。由于如上概述的驱动成对的存储阵列317的方式，中间行301中的光电探测器201具有被布置为存储由光电探测器201生成的信号的成对的两个存储阵列317。这成对的两个存储阵列317围绕光电探测器201被布置在左上象限和右下象限中。上行303中的光电探测器201具有被布置为存储由光电探测器201生成的信号的成对的两个存储阵列317。这成对的两个存储阵列317围绕光电探测器201被布置在左上象限(未图示)和右下象限中。下行305中的光电探测器201具有被布置为存储由光电探测器201生成的信号的成对的两个存储阵列317。这成对的两个存储阵列317围绕光电探测器201被布置在左上象限和右下象限(未图示)中。

在该布置中，操作两个传输区域203以传输每个光电探测器201的信号。因此，用于输入移位寄存器207的信号传输速率是帧速率的1/2。该布置仅生成图12和图13的驱动布置的一半功率。然而，在该每种布置中，每个信号经过相同的移位次数以从光电探测器到达读出区域。也就是说，信号必须通过成对的存储阵列317的18个存储单元移位。该布置意味着对于每个信号，滞后沿相同的方向且具有相同的幅度。因为从信号至信号到滞后更加一致，所以更容易校正。另外，因为对于每个光电探测器201仅成对的两个存储阵列317交替地操作，所以滞后是2帧滞后而不是4帧滞后。

在修改的驱动布置中，可以驱动成对的存储阵列317中的一者首先存储表示90帧像素数据的信号，然后驱动成对的存储阵列317中的另一者以存储表示剩余的90帧像素数据的信号。该布置会将滞后减少到1帧滞后，而不是2帧滞后。然而，该布置需要更复杂的驱动方法。输入移位寄存器207的一半将被驱动以帧速率移位信号，这可以增加热量生成速率，输入移位寄存器207的另一半将保持闲置。

应当理解，图14的图像传感器300仅是具有非常少量的像素传感器元件200的示例。有用的图像传感器300将被希望具有以行和列的阵列布置的50万的数量级的像素传感器元件200。工作原理与图14中概述的相同。

还应当理解，图12、图13和图14示出的每个布置的图像传感器300的结构可以相同，唯一的不同是一些输入移位寄存器207和输出移位寄存器215传输信号的方向。换句话说，简单地通过改变一些输入移位寄存器207和输出移位寄存器215的驱动方向，单一图像传感器300就能够以图12、图13和图14示出的方式操作。这突出了像素传感器元件200的架构的多功能性。

参照图15，示出了根据第三方面的成像设备，并且该成像设备一般由附图标记400标示。成像设备400包括图像传感器300和控制器401。控制器401可操作以将驱动信号施加到光电探测器201(图2)和像素传感器元件200的存储单元(图2)。按照这种方式，控制器401可操作以控制光电探测器201的帧速率和存储单元的信号传输速率。例如，控制器可操作以控制输入移位寄存器207和输出移位寄存器215(图2)的存储单元以帧速率的1/4传输信号，并且控制存储移位寄存器211(图2)的存储单元以帧速率的1/20传输信号。控制器401还可操作以控制输入移位寄存器207和输出移位寄存器215传输信号的方向。例如，控制器401可操作以控制输入移位寄存器207和输出移位寄存器215的信号传输方向，以实现图12、图13和图14示出的驱动布置。

在图14中，控制器401示出为成像设备400的单独组件。在其他示例中，控制器401被集成到图像传感器300中，或者提供多个控制器401，每个控制器401被集成到像素传感器元件200之一中。

为了实现图12示出的驱动布置，控制器401以相同的方式驱动每个像素传感器元件200的输入移位寄存器207和输出移位寄存器215。即，控制器401驱动每个输入移位寄存器207以在远离与输入移位寄存器207相关联的信号传输区域203(图2)的方向上传输信号。另外，控制器401驱动每个输出移位寄存器215以在朝向与输出移位寄存器215相关联的信号读出区域219(图2)的方向上传输信号。

为了实现图13示出的驱动装置，控制器401反转一半像素传感器元件200的输入移位寄存器207和输出移位寄存器215的驱动方向。特别地，控制器401反转图像传感器300中的像素传感器元件200的交替行的驱动方向。对于其驱动方向被反转的像素传感器元件行，光电探测器201不被激活以响应于光而生成信号。通过该布置，图像传感器300中每隔一行像素传感器元件200的输入移位寄存器207朝向与输入移位寄存器207相关联的信号传输区域203传输信号。另外，图像传感器300中每隔一行的像素传感器元件200的输出移位寄存器215将远离与输出移位寄存器215相关联的信号读出区域219传输信号。

为了实现图14示出的驱动装置，控制器401反转一半像素传感器元件200的输入移位寄存器207和输出移位寄存器215的驱动方向。控制器401被操作以驱动每个存储阵列205，使得存储阵列205的驱动方向与相邻的存储阵列205的驱动方向不同。在该布置中，所有光电探测器201被激活以响应于光而生成信号。

参照图16，示出了操作根据第五方面的像素传感器元件200(图2)的方法。

对于四个存储阵列205(图2)中的每一个存储阵列，该方法包括以下步骤。

在步骤S501，诱导信号传输区域203(图2)以从光电探测器201(图2)向输入移位寄存器207(图2)的第一单元210(图2)传输信号。结果，表示像素数据帧的信号从光电探测器201传输到输入移位寄存器207，如图3-7和图10-11所示。先前存储在输入移位寄存器207的存储单元中的任何信号都将沿着输入移位寄存器207传输到下一个存储单元。

在步骤S502，对于输入移位寄存器207的至少一个单元，来自输入移位寄存器207的单元的信号被传输到存储移位寄存器211(图2)的对应行的第一个单元。结果，表示像素数据帧的信号被从输入移位寄存器207传输到存储移位寄存器211，如图8和图9所示。对于存储移位寄存器211的每行，先前存储在存储移位寄存器211的存储单元中的任何信号都被传输到存储移位寄存器211的该行中的下一个存储单元。

在步骤S503，对于存储移位寄存器211的至少一个单元，来自存储移位寄存器211的行的最后一个单元的信号被传输到输出移位寄存器215的对应单元(图2)。结果，表示像素数据帧的信号被从存储移位寄存器211传输到输出移位寄存器215。

在步骤S504，诱导信号读出区域219(图2)以从输出移位寄存器215的最后一个单元217(图2)读取信号。结果，从像素传感器元件200读出表示像素数据帧的信号，并且可以将该信号用于生成图像。

在如图3-11示出的突发模式操作中，执行步骤S501直到输入移位寄存器207满为止，并且相应地，响应于输入移位寄存器207已满而执行步骤S502。在连续模式操作中，这不是必需的，因此，在传输信号之前，不需要等待输入移位寄存器207已满。

在如图3-11示出的突发模式操作中，执行步骤502直到存储移位寄存器211满为止，并且响应于存储移位寄存器211已满而执行步骤S503。在连续模式操作中，这不是必需的，因此，在传输信号之前，不需要等待存储移位寄存器211已满。

在如图3-11示出的突发模式操作中，在一个示例中，仅在存储阵列205已满时才执行步骤504，然后重复执行步骤S504直到存储阵列205为空为止。在其他示例中，为输入/输出移位寄存器207、215的每个移位驱动读出区域219，以最小化在输出移位寄存器215中的暗电流的累积。换句话说，以帧速率的1/N驱动读出区域219。在连续模式操作中，这不是必需的，因此不需要在读出信号之前等待存储阵列205已满。

对四个存储阵列205中的每个存储阵列顺序地执行步骤S501，使得信号以帧速率的1/4被传输到输入移位寄存器207的第一个单元210。还对四个存储阵列205中的每个存储阵列顺序地执行步骤S504。

对四个存储阵列205中的每个存储阵列基本上同时执行步骤S502。还对四个存储阵列205中的每个存储阵列基本上同时执行步骤S503。以帧速率的1/20执行步骤S501和S502。

参照图17，示出了根据第六方面的操作如图12示出的图像传感器300的方法。

在步骤S601，对图像传感器300(图12)的每个像素传感器元件200(图2)执行根据第五方面的方法。

在步骤S602，由每个像素传感器元件200的信号读出区域219(图2)提供的合成信号被用于生成图像。特别地，由每个信号读出区域219读取的信号被提供给处理单元(未图示)，该处理单元对信号数据进行处理以生成图像。参照图18，示出了根据第七方面的操作如图13示出的图像传感器300的方法。对每个成对的存储阵列317(图13)执行方法，该方法包括以下步骤。

在步骤S701，控制包括成对的存储阵列317中的第一存储阵列205(图2)的像素传感器元件200(图2)以执行根据第五方面的方法。

控制包括成对的存储阵列317中的第二存储阵列205的像素传感器元件200以对第二存储阵列205执行以下步骤。

在步骤S702，输入移位寄存器207(图2)从第一存储阵列205的输入移位寄存器207的最后一个单元接收信号。

在步骤S703，对于输入移位寄存器207的至少一个单元，将信号从输入移位寄存器207的单元传输到存储移位寄存器211(图2)的对应行的第一个单元。

在步骤S704，对于存储移位寄存器211的至少一行，将信号从存储移位寄存器211的该行的最后一个单元传输到输出移位寄存器215的对应单元(图2)。

在步骤S705，将信号从输出移位寄存器215传输到第一存储阵列205的输出移位寄存器215的第一个单元。

因此，包括第一存储阵列205的像素传感器元件200被布置为控制第一存储阵列205的输入移位寄存器207以在远离与输入移位寄存器207相关联的信号传输区域203(图2)的第一方向上移位信号。像素传感器元件200还被布置为控制第一存储阵列205的输出移位寄存器215以在朝向与输出移位寄存器215相关联的信号读出区域219(图2)的第二方向上移位信号。

因此，包括第二存储阵列205的像素传感器元件200被布置为控制第二存储阵列205的输入移位寄存器207在第一方向上移位信号。即，朝向与输入移位寄存器207相关联的信号传送区域203。像素传感器元件200还可以被布置为控制第二存储阵列205的输出移位寄存器215以在第二方向上移位信号。即，远离与输出移位寄存器205相关联的信号读出区域219。

按照这种方式，控制包括第二存储阵列205的像素传感器元件200以反转第二存储阵列205的输入移位寄存器207和输出移位寄存器215传输信号的方向。

执行步骤S702直到输入移位寄存器207满为止，并且响应于输入移位寄存器207已满而执行步骤S703。

执行步骤S703直到存储移位寄存器211满为止，并且响应于存储移位寄存器211已满而执行步骤S704。

执行步骤S704，直到输出移位寄存器215为空为止。

还可以执行根据第七方面的方法以实现图14示出的驱动装置。

参照图19，示出了像素传感器元件200的另一种布置。在该布置中，光电探测器201是包括4个光电探测器201a、201b、201c、201d的光电探测器区域。4个光电探测器201a、201b、201c、201d被布置成彼此相邻的2行2列的阵列。尽管四个光电探测器201a、201b、201c、201d彼此相邻，但其彼此分开以允许生成独立的信号。

存储阵列205放置在像素传感器元件200的不同象限中。每个存储阵列205包括：具有以纵列布置的5个存储单元的输入移位寄存器207；具有横向的5行存储单元的存储移位寄存器211，每行具有7个存储单元；以及具有5个以纵列布置的存储单元的输出移位寄存器215。像素传感器元件200还具有4个可独立驱动的信号传输区域203，每个信号传输区域203被布置为将信号从光电探测器201传输到输入移位寄存器207之一的第一个单元210。另外，像素传感器元件200具有4个信号读出区域219，每个信号读出区域219布置成从输出移位寄存器215之一的最后一个单元读出信号。

四个光电探测器201a、201b、201c、201d中的每一个光电探测器都与存储元件205之一相关联。这意味着每个信号传输区域203可诱导以传输来自四个光电探测器201a、201b、201c、201d中的不同一个光电探测器的信号。在操作中，可以顺序地诱导4个信号传输区域203以传输来自光电探测器201a、201b、201c、201d的信号。

像素传感器元件200能够以突发模式操作，其中生成表示像素数据的连续帧的信号并且该信号被存储在存储组件中。这使得像素传感器元件200能够以高帧速率捕获表示180个(存储组件中存储单元的总数)像素数据的连续帧的信号。

在示例性突发模式操作的第一步中，左上象限的光电探测器201a响应于光而生成信号，并且诱导左上象限的信号传输区域203以将信号传输到左上象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。按照这种方式，捕获了表示第一帧像素数据的信号。

在示例性突发模式操作的第二步中，右上象限的光电探测器201b响应于光而生成信号，并且诱导右上象限的信号传输区域203以将信号传输到右上象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。按照这种方式，捕获了表示第二帧像素数据的信号。

在示例性突发模式操作的第三步中，右下象限的光电探测器201c响应于光而生成信号，并且诱导右下象限的信号传输区域203以将信号传输到右下象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。按照这种方式，捕获了表示第三帧像素数据的信号。

在示例性突发模式操作的第四步中，左下象限的光电探测器201d已经响应于光而生成信号，并且诱导左下象限的信号传输区域203以将信号传输到左下象限的输入移位寄存器207的第一个单元210。按照这种方式，捕获了表示第四帧像素数据的信号。

应当理解，突发模式操作的这四个步骤类似于如图3-6示出的突发模式操作的四个步骤。这种布置的像素传感器元件200还可以执行与图7-11示出的突发模式操作中的步骤相似的步骤，并且如上所述。换句话说，图19示出的布置的像素传感器元件200的存储组件以与图2示出的布置的像素传感器元件200的存储组件相同的方式操作。

应当理解，图19示出的布置的像素传感器元件200可以用于形成类似于图12-14示出的布置的图像传感器，可以结合到类似于图15示出的布置的成像设备中，并且可以被操作以执行图16-18中的任何一个的方法，以及如以上关于图2示出的布置的像素传感器元件200所述。

应当理解，在不脱离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行多种修改。例如，光电探测器201可以产生电压或电流信号而不是电荷。N可以为2。M可以为8，P可以为7。M可以为7，P可以为5。

所描述和说明的实施方案应被认为在性质上是说明性的而非限制性的，应理解，仅仅示出和描述了优选实施例，并且期望保护落入权利要求中所限定的本发明范围内的所有变化和修改。应当理解，虽然在描述中使用诸如“优选的(preferable)”、“优选地(preferably)”、“优选(preferred)”或“更优选(more preferred)”表明如此描述的特征可能是需要的，但是它可能不是必需的并且可将不具有此类特征的实施方案涵盖在如所附加的权利要求中所限定的本发明的范围内。关于权利要求，意图当在特征前使用词语诸如“一个(a/an)”，“至少一个”或“至少一部分”时，除非特意在权利要求中特别地有相反的说明，否则无意将权利要求限制为仅一个此类特征。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，除非特别地有相反的说明，否则物品可以包括一部分和/或整个物品。

总之，提供了一种像素传感器元件，其包括光电探测器和具有N个存储阵列的存储组件，每个存储阵列具有输入移位寄存器、输出移位寄存器和存储移位寄存器，输入移位寄存器和输出移位寄存器均具有以列布置的M个存储单元，存储移位寄存器具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，存储移位寄存器被布置为用于从输入移位寄存器到输出移位寄存器的信号传输。N个可独立驱动的信号传输区域中的每一个都能够被诱导以将信号从光电探测器传输到输入移位寄存器(207)中的相应一个的第一个单元。N个信号读出区域中的每一个都能够被诱导以从输出移位寄存器中的相应一个的最后一个单元读取信号。N为2或更大。M为1或更大。P为1或更大。还提供了图像传感器、成像设备、存储组件和方法。

需要注意与本说明书同时或在本说明书之前提交的与本申请相关的以及与本说明书一起公开供公众查阅的所有论文和文献，所有这些论文和文献的内容通过引用并入本文。

本说明书(包括任何所附权利要求书和附图)中公开的所有特征和/或公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任意组合的方式组合，除了至少一些特征和/或步骤互相排斥的组合之外。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何随附的权利要求书和附图)中公开的每个特征都可以由用于相同、等同或类似目的的替代性特征所替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用的一系列等同或类似特征的一个示例。

本发明不限于前述实施例的细节。本发明可以延伸到本说明书(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征的任何新的一个或任何新的组合，或所公开的任何方法或过程的步骤的任何新的一个或任何新的组合。

Claims (15)

1.一种用于根据落在像素传感器元件(200)上的光生成信号的像素传感器元件(200)，包括：

光电探测器(201)，其被布置为响应于光而生成信号；

存储组件，其包括N个存储阵列(205)，其中N为2或更大，每个所述存储阵列(205)包括：输入移位寄存器(207)、输出移位寄存器(215)和存储移位寄存器(211)，所述输入移位寄存器(207)和所述输出移位寄存器(215)均具有以列布置的M个存储单元，其中M为1或更大，所述存储移位寄存器(211)具有M行存储单元，每行存储单元包括P个存储单元，其中P为1或更大，所述存储移位寄存器(211)被布置为用于从所述输入移位寄存器(207)到所述输出移位寄存器(215)的信号传输；

N个能够独立驱动的信号传输区域(203)，每个所述信号传输区域(203)被布置为能够被诱导以将所述信号从所述光电探测器(201)传输到所述输入移位寄存器(207)中的相应一个的第一个单元(210)；以及

N个信号读出区域(219)，每个所述信号读出区域(219)被布置为能够被诱导以从所述输出移位寄存器(215)中的相应一个的最后一个单元(217)读取所述信号，

其特征在于，所述光电探测器(201)是单一光电探测器(201)，并且所述N个信号传输区域(203)被布置为能够被诱导以传输来自所述单一光电探测器(201)的所述信号。

2.根据权利要求1所述的像素传感器元件(200)，其特征在于，N为4，所述光电探测器(201)被放置在所述像素传感器元件(200)的中央区域，并且4个所述存储阵列(205)对称地围绕所述光电探测器(201)放置。

3.根据权利要求2所述的像素传感器元件(200)，其特征在于，所述像素传感器元件(200)的形状为正方形或矩形，并且4个所述存储阵列(205)被放置在所述像素传感器元件(200)的不同象限中。

4.根据权利要求1所述的像素传感器元件(200)，其特征在于，所述光电探测器(201)被布置为响应于光而生成电荷，其中，所述输入移位寄存器(207)、所述输出移位寄存器(215)、所述存储移位寄存器(211)都是电荷耦合器件移位寄存器，并且所述信号读出区域(219)被布置为转换从所述输出移位寄存器(215)读取的电荷以生成电压或电流信号。

5.一种图像传感器(300)，包括多个根据前述任一权利要求所述的像素传感器元件(200)，多个所述像素传感器元件(200)按所述光电探测器(201)以行(301、303、305)布置的方式以行和列的阵列布置，并且多个所述像素传感器元件(200)包括以在光电探测器(201)的行(301、303、305)之间成对的相邻行(307、309)布置的存储阵列(205)。

6.根据权利要求5所述的图像传感器(300)，其特征在于，对于每对相邻的存储阵列(205)的行(307、309)，这对相邻行(307、309)中的第一相邻行的每个存储阵列(205)可操作地连接到这对相邻行(307、309)中的第二相邻行的相邻存储阵列(205)，以形成成对的存储阵列(317)，由此，每个成对的存储阵列(317)是可布置的以作为具有包括以列布置的2M个存储单元的输入移位寄存器和输出移位寄存器，以及包括2M行存储单元的存储移位寄存器的单一存储阵列，每行存储单元具有P个存储单元。

7.一种成像设备(400)，包括：根据权利要求5或权利要求6所述的图像传感器(300)；以及控制器(401)，其可操作以将驱动信号施加到所述光电探测器(201)和所述像素传感器元件(200)的存储单元，从而控制所述光电探测器(201)的帧速率和所述存储单元的信号传输速率，其中所述控制器(401)可操作以控制所述输入移位寄存器(207)的所述存储单元以所述光电探测器(201)的帧速率的1/N传输信号，并且所述控制器(401)可操作以控制所述存储移位寄存器(211)的所述存储单元以所述光电探测器的帧速率的1/(N×M)传输信号(201)。

8.一种操作根据权利要求1至4中任一项所述的像素传感器元件的方法，对于每个存储阵列，所述方法包括：

(i)诱导所述信号传输区域将信号从所述光电探测器传输到所述输入移位寄存器的所述第一个单元(S501)；

(ii)对于所述输入移位寄存器的至少一个单元，将所述信号从所述输入移位寄存器的所述单元传输到所述存储移位寄存器的相应行的第一个单元(S502)；

(iii)对于所述存储移位寄存器的至少一行，将所述信号从所述存储移位寄存器的所述行的最后一个单元传输到所述输出移位寄存器的对应单元(S503)；

(iv)诱导所述信号读出区域以从所述输出移位寄存器的所述最后一个单元读取所述信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，重复(i)直到所述输入移位寄存器满为止，和/或响应于所述输入移位寄存器已满而执行(ii)。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，执行(ii)直到所述存储移位寄存器满为止。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，响应于所述存储移位寄存器已满而执行(iii)。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述存储阵列被顺序地激活以执行(i)和/或(iv)，和/或

所述存储阵列基本上同时被激活以执行(ii)和/或(iii)。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以所述光电探测器的帧速率的1/N执行(i)，以所述光电探测器的所述帧速率的1/(N×M)执行(ii)和(iii)。

14.一种操作根据权利要求5所述的图像传感器的方法，所述方法包括：

控制每个所述像素传感器元件以执行权利要求8至13中任一项所述的方法(S601)；

使用由每个所述像素传感器元件的所述信号读出区域提供的所述信号来生成图像(S602)。

15.一种操作根据权利要求6所述的图像传感器的方法，对于每个成对的存储阵列，所述方法包括：

控制包括所述成对的存储阵列的第一存储阵列的像素传感器元件以执行权利要求8至13中任一项所述的方法(S701)；

控制包括所述成对的存储阵列的第二存储阵列的像素传感器元件，以对于所述第二存储阵列：

(i)在所述输入移位寄存器处接收来自所述第一存储阵列的所述输入移位寄存器的最后一个单元的信号(S702)；

(ii)对于所述输入移位寄存器的至少一个单元，将所述信号从所述输入移位寄存器的所述单元传输到所述存储移位寄存器的相应行的第一个单元(S703)；

(iii)对于所述存储移位寄存器的至少一行，将所述信号从所述存储移位寄存器的所述行的最后一个单元传输到所述输出移位寄存器的对应单元(S704)；以及

(iv)将所述信号从所述输出移位寄存器传输到所述第一存储阵列的所述输出移位寄存器的第一个单元(S705)。

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